JP2023550916A - 電気エネルギーの保存及び供給用のモジュール式デバイス - Google Patents

Abstract

複数の棚（１２）を有する構造（１１）、空調システム（１３）、及び無変圧器型ＡＣ／交流電流出力部（２ａ）を画定する少なくとも１つの双方向多層式電子コンバータ（２）を備える電気エネルギーの蓄積及び供給用のモジュール式デバイス（１）であって、該出力部（２ａ）に接続され、各々が直列で互いに接続される複数のモジュール（３）を有する、三相の３つの脚（２１、２２、２３）、各々が該脚（２１、２２、２３）からそれぞれの出力線に配置される複数のインダクタ（Ｌ２ａ）、及び該モジュール（３）からの少なくとも電流及び電圧の出力を修正するよう構成されるファームウェア制御デバイス（４）を備え、該モジュール（３）のそれぞれが、地面と絶縁され、それぞれの脚（２１、２２、２３）の他のモジュール（３）と直列で接続することが可能で、出力電圧波形を生成することが可能である、ＩＧＢＴデバイスを有するＡＣ出力の第１のステージ（３１）、入力部（３２ａ）を画定する、第２のＤＣ／ＤＣ変換ステージ（３２）、及び該入力部（３２ａ）に接続される、少なくとも１つのバッテリ（５）を備え、バッテリ（５）が電気車両用電池（ＥＶＢ）である、デバイスが提供されている。

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルに規定されているタイプの電気エネルギーの蓄積及び供給用のモジュール式デバイスに関する。

特に、本発明は、概して特別に構成される多層式コンバータにより制御される電気エネルギーの蓄積及び供給用のモジュール式デバイスに関する。

エネルギー蓄積システムは、現在、例えばバッテリ群を設けるものが認識されており、エネルギー生成工場の蓄積システム及び下流のシステム、又は電気車両用の再充電システムとして用いられている。電気車両の牽引などの現代の技術向けのバッテリに対する高度な要請を鑑みると、サイクルの終わりに交換したバッテリを使用することは、中心的な重要性があり、なおも異なる用途で使用できるが、いわゆる中古のバッテリの「一貫性」などの過去の使用に関連する問題を提示している。

さらに、異なるバッテリを用いる蓄積システムの場合に、類似した問題がまた発生する。

この点で説明される認識されている技術は、いくつかの重要な欠点を含んでいる。

特に、異なる経年劣化の状態及び構成の特徴のバッテリを統合して利用及び最適化することが可能なシステム又はデバイスは存在していない。

最後に、プラグ・アンド・プレイシステムを備えた、異なるバッテリを結合するエネルギー蓄積及び供給システム、すなわち、それらが異なる構成の特徴又は経年劣化した状態を有していてもバッテリを特異的に変更又は適応させる必要がないものは、存在していない。

この状況で、前述の欠点の少なくとも一部を大幅に除去することが可能な電気エネルギーを蓄積及び供給するためのモジュール式デバイスを考案することが、本発明の基本にある技術的課題である。

該技術的課題の領域で、この発明の重要な目的は、経年劣化した状態及び異なる構成の特徴を備えているバッテリを結合することが可能なモジュール式デバイスを取得することである。

この発明の別の重要な目的は、修正又は同じバッテリに適応させないで異なるタイプのバッテリを結合する、プラグ・アンド・プレイシステムを搭載したデバイスを提供することである。

やはり、この発明の重要な目的は、構成する蓄積モジュールの１つに障害がある場合でさえ、エネルギーの供給が可能なフェイルセーフのモジュール式デバイスを提供することである。

最後に、この発明の重要な目的は、電圧、電流、充電の状態、温度の管理、摩耗の状態、及びモジュール自体に接続するより多くのバッテリなどの、複数のデバイスのパラメータを制御及び最適化することが可能なデバイスを提供することである。

技術的課題及び規定された目的は、付属の請求項１にて特許請求されているような、電気エネルギーの蓄積及び供給用のモジュラーシステムによって成し遂げられる。

好適な技術的解決策が、従属請求項で強調されている。

本発明の特徴及び利点は、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態の詳細な説明によって下記に明らかにされる。

本発明に係るモジュール式蓄積デバイス及び電気エネルギーの供給の概略的な斜視図を示し、各ラックは単一の完全なモジュールを含み、バッテリ、及び第１及び第２のステージを搭載している。 本発明に係るモジュール式蓄積デバイス及び電気エネルギーの供給の概略的な斜視図を示し、それぞれまた別個に、モジュールバッテリ、及びマルチソケットを介してバッテリに接続されているモジュールのそれぞれのステージが棚にあるものを含む２つの構造がある。 本発明に係るモジュール式蓄積デバイス及び電気エネルギーの供給に含まれる双方向多層式電子コンバータの第１の概略的な電気図である。 図３のさらなる概略図であり、コンバータは詳細にモジュールが示されている。 本発明に係るモジュール式蓄積デバイス及び電気エネルギーの供給に含まれる双方向多層式電子コンバータの第２の例示的な回路図を表す。 本発明に係るモジュール式蓄積デバイス及び電気エネルギーの供給に含まれる双方向多層式電子コンバータの第３の例示的な回路図を表す。 単一の蓄積モジュール、及び電気エネルギーの蓄積及び供給のモジュール式デバイスのコンバータのエネルギー分配の電気図を示し、並列のマルチバッテリがある。 単一の蓄積モジュール、及び電気エネルギーの蓄積及び供給のモジュール式デバイスのコンバータのエネルギー分配の電気図であり、直列のマルチバッテリがある。

本文書において、測定値、値、形状及び幾何学的言及（例えば、垂直性及び平行性）は、「約」のような単語又は「おおよそ」もしくは「実質的に」などの他の類似の用語と関連付けられる場合、生産及び／又は製造誤差に起因した測定誤差又は不正確を除くと考えられるべきであり、とりわけ関連付けられる値、測定値、形状、又は幾何学的言及からの僅かな逸脱を除くと考えられるべきである。例えば、これらの用語は、値と関連付けられる場合、好ましくは値の１０％以下の逸脱を示す。

さらに、使用される場合、「第１」、「第２」、「より高い」、「より低い」、「主な」及び「二次的な」などの用語は、順序、関係又は相対位置の優先順位を必ずしも特定せず、それらの異なるコンポーネントを単に明確に区別するのに使用することができる。

別記されない限り、以下の説明における結果として、「処理」、「計算」、「確定」、「算出」などの用語、又は類似用語は、コンピュータシステムのレジスタ及び／又はメモリの電子量などの物理量として表されるデータを、コンピュータシステム、レジスタもしくは他のストレージ、トランスミッション又は情報表示デバイス内の物理量として同様に表される他のデータにおいて操作及び／又は変換するコンピュータ又は類似の電子計算デバイスの動作及び／又は作業を指す。

この本文で報告されている測定値及びデータは、他に記載がなければ、ＩＣＡＯ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｔａｎｄａｒｄ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ（ＩＳＯ ２５３３：１９７５）で実行されたものとみなすことができる。

図面を参照すると、この発明に係る電気エネルギーの蓄積及び供給用のデバイスは、大局的に数１を用いて示されている。

好ましくは、図１～図２において見られるように、電気エネルギーの蓄積及び供給用のモジュール式デバイス１は、複数の棚１２を備える少なくとも１つの構造１１、及び複数のモジュール３を備える少なくとも１つの双方向多層式電子コンバータ２を備える。

好ましくは、構造１１は剛性の構造、例えば金属であり、棚１２を備える。

さらに、構造１１は閉じていても開いていてもよい。例えば、構造１１は、簡素なフレームを含んでいても、からなっていてもよい。さもなければ、構造１１は、１又は複数の層状の区画を画定し、少なくとも１つの方向からアクセス可能なコンテナであり得る。

したがって、棚１２は、好ましくは着脱可能である。特に、棚１２はデバイス１の少なくとも一部を収容する。

好ましくは、各棚１２は、後にさらに良く説明するように、モジュール３の全体又はその少なくとも一部を収容するよう構成される。

さらに、デバイス１はまた、空調システム１３を含むことができる。存在する場合、調整システム１３は、所定の耐久力の範囲で、構造１１又はモジュール３の少なくとも一部、場合によりコンバータ２全体の内側の温度を維持するように構成される。したがって、この意味で、調整システム１３は、壁、屋根、及び／又は構造１１自体の外側に位置付けられる通風又は冷蔵システム、任意選択で液体、ＨＶＡＣタイプのチラー又は冷却であり得る。

逆に、コンバータ２はＡＣ／交流電流における出力部２ａを画定する。

好ましくは、コンバータ２は０．３～２ＭＷを含む合計の電力出力を有する。

やはり、好ましくは、出力部２ａは三相ＡＣの中程度の電圧出力である。

さらに、好ましくは、図３、図４ａ～図４ｃの様々な例に示すように、コンバータ２は３つの脚２１、２２、２３を含む。

脚２１、２２、２３は三相であり、出力部２ａに接続される。さらに、脚２１、２２、２３のそれぞれは、互いに直列に接続されている複数のモジュール３に接続される、又は備えることができる。

好ましくは、コンバータ２は、複数のインダクタＬ２ａをさらに備える。

インダクタＬ２ａは、脚２１、２２、２３から出るそれぞれの線に、各々適切に配置されている。したがって、各脚２１、２２、２３は、好ましくは、それぞれのインダクタを通って出力部２ａまで接続される。

図３及び図４ａに示されている実施形態では、特に、各脚２１、２２、２３は、互いに直列に接続され、上側アーム３ａ及び下側アーム３ｂに配置されている複数のモジュール３を備える。アーム３ａ、３ｂはまた、少なくとも１つのインダクタＬ２１、Ｌ２２、Ｌ２３によって互いに接続されている。

なおも、さらなる実施形態では、各脚２１、２２、２３は、互いに直列に接続され、少なくとも１つのインダクタＬ２１、Ｌ２２、Ｌ２３と、また場合により相互に結合されたインピーダンスにより共に接続されたアーム３ａ、３ｂに配置された複数のモジュール３を備え得る。

やはり、好ましくは、コンバータ２は、モジュール３からの少なくとも出力電流及び電圧を修正するよう構成されるファームウェア制御デバイス４を備える。

本発明に係ると、図３に示すように、モジュール３のそれぞれは、好ましくは第１のステージ３１及び第２のステージ３２を備える。

第１のステージ３１は、実質的に、ＳＳＷとしても認識されているソリッドステート式スイッチを含むＡＣ出力ステージである。例えば、ソリッドステート式スイッチは、ＩＧＢＴデバイス、又は例えばモジュール３の動作電圧次第でＭＯＳＦＥＴさえも含むことができる。

第２のステージ３２は、実質的にＤＣ／ＤＣ変換ステージである。

好ましくは、第１のステージ３１は、地面と絶縁されている。さらに、これは脚２１、２２、２３の他のモジュール３と直列に接続することが可能であり、また出力電圧波形を生成することが可能である。

好ましくは、第２のステージ３２は１０～１００ｋＨｚを含む周波数で動作する。

やはり、好ましくは、第２のステージ３２は、ＤＣ／ＤＣモジュールの中央に設置する、中程度の周波数を変圧器３２２に供給する二重変換ブリッジ３２１を備える。したがって、第２のステージ３２はガルバニック絶縁をもたらすように適合される。

さらに、好ましくは、第２のステージ３２は入力部３２ａを画定する。

好ましくは、各モジュール３は、少なくとも１つのバッテリ５をさらに備える。

バッテリ５は、有利にも入力部３２ａに接続される。

ひと際より有利なことに、各モジュール３は、複数のバッテリ５を備える。後者は、１よりも多い数で存在していれば、好ましくは図５ａに示すように並列で配置される。別法として、バッテリはまた、図５ｂに示すように、直列に配置され得る。詳細には、高い程度の類似性があるか又は同じである、バッテリ５を並列で配置すること、及びバッテリ５を直列に配置することが好ましい。

換言すれば、少なくとも１つのバッテリ５が各モジュール３に関連付けられる。

ひと際より詳細には、バッテリ５のそれぞれは、好ましくは着脱可能に入力部３２ａに接続される。

さらに、バッテリ５は、好ましくは電気車両用電池ＥＶＢである。

認識されているように、ＥＶＢバッテリは実質的に特定の電気バッテリであり、トラクションバッテリという用語でも知られており、これらが延長された期間にわたってエネルギーを供給するように設計されていることから、始動装置、照明、点火用のバッテリとは異なる。

したがって、バッテリ５は電気車両用電池のパーツではなく、ＥＶＢ電気車両用電池の完全体又は全体である。例えば、バッテリ５は、さらなる利用のため電気車両から取り外される、すなわち二次使用又はセカンドライフバッテリ（ＳＬＢ）に使用される電気車両用電池ＥＶＢであり得る。換言すると、バッテリ５は操作又は再調整されたバッテリではなく、元々市販されていた状態、すなわち素の状態のＥＶＢ電気車両用電池である。

最後に、好ましくは、モジュール３のそれぞれは、マルチソケット５１を介して入力部３２ａに接続された少なくとも１つのバッテリ５を備える。

後者には、好ましくは、異なるタイプのバッテリ５を接続するのに適切な複数のコネクタが搭載されている。特に、マルチソケット５１はバッテリ５との互いへの電気供給を可能にし、またバッテリ５及びコンバータ２間でのデータ又は信号の伝達を可能にするように構成されている。

特に、マルチソケット５１は、バッテリ５、詳細にはバッテリ管理システム、すなわちＢＭＳと、第２のステージ３２との、したがって概してコンバータ２との通信を可能にするように構成されている。

事実、既に言及したように、本発明に係るデバイス１に接続できるＥＶＢ電気車両用電池は、中古のバッテリ、新品のバッテリ、異なるタイプのバッテリ、潜在的にはさらなる修正を必要としないあらゆるタイプのＥＶＢバッテリであり得る。

結論として、前に言及したように、各モジュール３は、それ自体の棚１２に収容され得るか、又は各棚１２はバッテリ５のみを収容できる。後者は、構造１１に設けられた棚１２の収納区画の底部に、例えば各棚１２用に割り当てられたマルチソケット５１によって、それぞれのモジュール３のそれ自体のステージ３２と接続又は接続解除することができる。

さらに、図２に詳細に示すように、デバイス１はまた２つの構造１１を含むことができ、そのうち１つは、バッテリ５、及びそれぞれの棚１２に設置されたコンバータ２のモジュールの専用の第１及び第２のステージ３１、３２に特化されている。

したがって、概して、モジュールの第１及び第２のステージ３１、３２は、バッテリ５が収容される棚１２の収納区画の外部であり得る。

前に構造的な用語で説明したデバイス１の動作は以下のものである。

ファームウェア制御デバイス４は、判定される、及び／又はコンバータ２、したがってデバイス１全体の出力部２ａに供給される有効電力及び無効電力の設定値を受信し、コンバータ２の様々なモジュール３の動作を調整する。したがって、個別のモジュール３、及び結果的に個別のバッテリ５と通信しながら、それは個別のモジュール３の動作を調整し、少なくとも出力電流及び電圧を、コンバータ２を構成するモジュール３に適合させ、出力の直列（ｏｕｔｇｏｉｎｇ ｓｅｒｉｅｓ）での接続でそれらが最高に機能するようにする。このやり方で、接続された個別のＥＶＢバッテリの容量及び特徴は、たとえ異なっていても、最大限活用される。

事実、用いられるバッテリ５に相違があることを鑑みて、デバイス４はバッテリの経年劣化の状態を均等にし、バッテリ５の充電の分配のために、モジュール３の等価充電状態を計算することが可能である。

したがって、バッテリ５の持続期間は最適化され、化学作用のタイプ、設置容量、サイクル数、動作温度、放電深度ＤｏＤなどの特徴は最大限に活用される。

この発明に係るデバイス１は、重要な利点を実現する。

事実、有利にも、電気車両用電池の使用は、デバイスの構造を簡素化することを可能にする、なぜなら、それらを製造することによって、図１～図２で可視のように、特別な保護なしで、それらは外側に直接露出されるか又は外的環境に露出され得るからである。

さらに、異なるバッテリを接続するのを可能にするデバイス１の革新的なモジュール式の構成のおかげで、そうでなければ単一バッテリとしての用途がもはやなくなり、処分する必要がある製品を、回収して使用し、最適化することができる。

さらに有利にも、コンバータを伴うデバイスは無変圧器型である、すなわち、それは、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの動作周波数を有する低電圧から中電圧への外部三相変圧器を用いることなく、コンバータ２の特徴を使用して、グリッドへの接続時に必要な出力電圧を、中電圧の要求値で直接生成する。さらに、しかしながら、システムは、全モジュール３の内側に存在する、中程度の周波数で動作する小型の変圧器により保証された絶縁性の第２のステージ３２のおかげで、システムが接続されている電気ネットワークからガルバニック絶縁されている。

結論として、デバイス４及びデバイス１のモジュールの性質のおかげで、障害の場合にシステム全体を再設定できる。事実、有利にも、デバイス４は、モジュール３又は単一のバッテリ５のうち１つに障害がある場合、システムを直接再設定できる。事実、このような特定の状況で、制御デバイス４は障害のあるモジュール３を迂回して、障害のあるモジュール３と直列になっている他のモジュールの値の制御を再設定し、所望の出力波形を生成し続けることができる。要約すると、デバイス１は、障害のある場合でさえその利用可能性を大幅に増加させるＮ－１構成で本質的に機能できる。

本発明は、特許請求の範囲によって定義される発明概念の範囲内に入る変形が可能である。

この文脈では、すべての詳細は同等の要素で置き換えることができ、材料、形状、寸法は任意のものにすることができる。

Claims (10)

1. 複数の棚を有する構造、空調システム、及び無変圧器型ＡＣ／交流電流出力部を画定する少なくとも１つの双方向多層式電子コンバータを備える、電気エネルギーの蓄積及び供給用のモジュール式デバイスであって、
   前記双方向多層式電子コンバータは、
   前記無変圧器型ＡＣ／交流電流出力部に接続され、各々が直列で接続された複数のモジュールを含む、三相の３つの脚、
   各々が前記脚からそれぞれの出力線に配置された複数のインダクタ、及び
   前記複数のモジュールからの少なくとも出力電流及び電圧を修正するよう構成されたファームウェア制御デバイス
   を有し、
   前記複数のモジュールのそれぞれが、
   接地線と絶縁され、前記脚のそれぞれの他のモジュールと直列で接続することが可能で、出力電圧波形を生成することが可能である、ＩＧＢＴデバイスを有する第１のステージのＡＣ出力、
   入力部を画定する、第２のステージのＤＣ／ＤＣ変換、及び
   前記入力部に接続される、少なくとも１つのバッテリ
   を含み、及び
   前記バッテリが電気車両用電池（ＥＶＢ）である、
   モジュール式デバイス。
2. 前記複数のモジュールのそれぞれが、直列に配置された複数の前記バッテリを備える、請求項１に記載のモジュール式デバイス。
3. 前記バッテリのそれぞれが、前記入力部に着脱可能に接続されている、請求項１又は２に記載のモジュール式デバイス。
4. 前記双方向多層式電子コンバータが、０．３～２ＭＷの間の合計の電力出力を有する、請求項１から３のいずれか一項に記載のモジュール式デバイス。
5. 前記無変圧器型ＡＣ／交流電流出力部が、中電圧の三相ＡＣ出力である、請求項１から４のいずれか一項に記載のモジュール式デバイス。
6. 各前記脚が、互いに直列に接続され、上側アーム及び下側アームに配置された前記複数のモジュールを備え、前記上側アーム及び前記下側アームが少なくとも１つのインダクタにより互いに接続されている、請求項１から５のいずれか一項に記載のモジュール式デバイス。
7. 前記上側アーム及び前記下側アームがさらに、少なくとも１つのインピーダンスによって、前記インダクタに関して互いに直列に接続されている、請求項６に記載のモジュール式デバイス。
8. 前記第２のステージが、１０～１００ｋＨｚの周波数範囲で動作する、請求項１から７のいずれか一項に記載のモジュール式デバイス。
9. 前記第２のステージが、ＤＣ／ＤＣモジュールの中央において平均周波数で変圧器に給電する二重変換ブリッジを備え、前記第２のステージがガルバニック絶縁をもたらすように適合されている、請求項１から８のいずれか一項に記載のモジュール式デバイス。
10. 前記複数のモジュールのそれぞれが、異なるタイプの前記バッテリを接続するのに適切な複数のコネクタを搭載したマルチソケットを介して前記入力部に接続された前記バッテリのうちの少なくとも１つを備える、請求項１から９のいずれか一項に記載のモジュール式デバイス。

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