JP5004033B2 - エネルギ蓄積装置 - Google Patents
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Description
第1群の実施例では、電圧閾値が蓄積素子の温度に関係して設定される。それの基礎になっている認識は、蓄積素子の寿命が電圧以外に蓄積素子の温度にも関係している、ということである。なぜならば、コンデンサのような蓄積素子では、高い電圧だけではなくて、高い温度における高い電圧が、電解質の速い分解をひき起こすからである。電圧及び温度は、寿命に関して相補的な影響量である。従って低い蓄積素子温度では、このような蓄積素子は比較的高い電圧で作動せしめられ、また逆もその通りである。従ってこの群の実施例では、この相補性を利用するために、蓄積装置に関する温度検出が行われ、電圧閾値が、求められる温度に関係して可変に設定されて、温度の上昇と共に電圧閾値が減少される。
第2群の実施例は、電気駆動装置又は内燃機関−電気ハイブリッド駆動装置を備えた車両がエネルギ蓄積装置を備えている場合に関する。この第2群では、電圧閾値が車両の作動状態に関係して設定され、しかも閾値が、比較的大きいエネルギ蓄積又は取出し需要を持つ比較的短い接続時間に対して、他の時間に対するより大きく設定される。この手段の基礎になっている考えは、比較的短い時間に対しては比較的速い老化が受容可能なことである。なぜならば、このような短い時間は、全寿命に対する割合が小さいため、寿命を短くすることに対してあまり問題にならないからである。他方このような手段によりエネルギ蓄積装置の有効蓄積能力が著しく高まる。
走行作動/作動休止。多くの実施例では、車両が作動休止状態にある時にも、エネルギ蓄積装置は充電された状態にある。電圧閾値は、車両の作動休止中には、走行作動の場合より小さい値に設定される。例えば私的に利用される普通の乗用車が、典型的には走行作動状態の20倍の長さの作動休止状態にあるという事実により、作動休止における電圧低下は寿命を著しく長くするように作用する。
動的作動/非動的作動。「動的」作動、即ち頻繁な加速とそれに続く制動のように走行状態が著しく変化する作動では、電気制動及び制動エネルギ回収を行う電気車両又は電気ハイブリッド車両では、電気制動の際得られるエネルギをエネルギ蓄積装置へ供給する必要が比較的頻繁にある。その場合そのつど蓄積されるエネルギは、大抵の場合比較的短時間だけエネルギ蓄積装置に留まる。なぜならば、このエネルギは、しばしばすぐ続く加速過程において直ちに再び電動加速又は加速補助のために、蓄積装置から取出されるからである。それに応じて多くの実施例では、動的作動の場合即ち(例えば市内交通において)走行状態が甚だしく変化する作動の場合、電圧閾値が、非動的作動の場合即ち(例えば高速自動車道路において)均一な走行状態での作動の場合より大きく設定される。
常用制動/非常用制動。現在の作動状態が動的(市内交通)であるか非動的(高速自動車道路交通)であるかに関係なく、原理的に比較的大きい電気常用制動の場合、比較的大きいエネルギ量の供給需要がある。従って多くの実施例では、電気常用制動の場合電圧閾値が高く設定される。この高設定は、常用制動後特定の時間にわたって維持される。それから初めて閾値が再び低下される。しばしばこの時間中に、蓄積されている制動エネルギが、直ちに再び利用目的例えば車両加速のために、蓄積装置から取出される。それによりこの短時間の閾値上昇により、多量の制動エネルギが回収可能である。
手段(i)及び(ii)による実施例には,(強制的でないとしても)蓄積素子を同じに扱い、単一の電圧閾値を可変なやり方ですべての蓄積素子に対して共通に設定することが可能であるが、手段(iii)は,異なる蓄積素子老化状態を均一にするため蓄積素子の不同な取扱いに関する。直列接続される多数の蓄積素子から構成されているエネルギ蓄積装置の寿命は、大体において最短寿命の蓄積素子の寿命に等しい。従って長い寿命の蓄積素子を犠牲にして、既に平均以上に老化する蓄積素子の老化を遅くすることは、エネルギ蓄積装置の全体寿命を長くする。個々の蓄積素子の選択的な老化減速は、第3群の実施例では、関係する蓄積素子の電圧閾値を他の蓄積素子より小さく設定することによって、行われる。
既に上述したように、多くの実施例では、前記3つの手段が一緒に使用される。これに反し若干の実施例は、それぞれ2つの手段の下位組合わせである。例えば電圧閾値の(単一又は蓄積素子個々の)温度調節に、車両の作動状態に関係する(すべての蓄積素子に対して単一の)調節が重畳可能である。これらの両方の関係に、老化状態に関係する個々の閾値が重畳可能である。このような重畳は、例えば平均の閾値から偏差として示すことができ、これらの偏差は各蓄積素子に対して加算される。例えば平均の公称電圧閾値が2.4Vであると仮定する。エネルギ蓄積装置の現在測定される比較的高い温度のため、この閾値が0.3Vだけ低下されるものとする。しかし車両の現在の作動状態(通常とみなされる非動的作動とは異なり動的作動)は、現在0.1Vだけ高い電圧閾値を可能にするであろう。この考察される2つの蓄積素子のうち、1つが比較的「若く」、従って老化減速のため閾値減少を必要としないものとする。この例において、この蓄積素子に対して2.2Vの閾値が設定される。これに反し考察されている他の蓄積素子では、老化が他の蓄積素子に対して、これに対し老化減速のため閾値が0.1Vだけ低下されるように、大きく進行せしめられる。この例においてこの蓄積素子に対して、2.1Vの閾値が設定される。
若干の実施例では、閾値超過のため蓄積素子から取出されるエネルギが放散され、例えば損失抵抗を介して消耗される。これに反し全体として効率的には有利である他の実施例では、蓄積素子から放出される電荷は、エネルギ蓄積装置の1つ又は複数の他の蓄積素子へ供給される。即ち最初に述べたように不均一な充電の傾向のため、しばしばこれらの他の蓄積素子は、充電の際直ちにその電圧閾値を超過することなく、まだ充電可能である。
蓄積素子は、若干の実施例では電池であり、他の実施例ではコンデンサであり、しかもこれら実施例の多くでは(既に上述した)二重層コンデンサである。
さて図1に戻って、そこにはエネルギ蓄積素子の実施例において使用される蓄積素子、ここでは典型的な二重層コンデンサの寿命が、4つの異なる温度に対する蓄積素子電圧の関数として示されている。4つの寿命−電圧曲線に共通なことは、電圧の低下と共に寿命が著しく(しかも指数関数的に)増大し、更に温度の低下と共に増大することである。例えば約25℃だけ温度の低下に寿命の10倍が相当する。
図2による電荷再分配回路は、直列接続される複数の蓄積素子2を持っている。この実施例では、これらの蓄積素子は、後述するように約2.4Vの範囲で作動せしめられる二重層コンデンサである。従ってエネルギ蓄積装置1の約48Vの全電圧UESを得るために、例えば20個の蓄積素子2が直列接続されている。エネルギ蓄積装置1は、外部へ出力電流を導く2つの接続線即ち正接続線3及びアースへの接続線4を持っている。接続線3,4を介して電流が流れ、この電流によりエネルギ蓄積装置1が外部から充電されるか又は外部へ放電される。
図3a〜3cは他の実施例を示し、(ここでは2a′及び2b′で示される)それぞれ2つの直列接続される蓄積素子が、以前の(未公開の)ドイツ連邦共和国特許出願第102004062186号に従って1つの蓄積素子群2′にまとめられている。蓄積素子2a′及び2b′の個別電圧はUELna′及びUELnb′で示され、UELna′とUELnb′との和である蓄積素子群2′の電圧はUELn′で示されている。図3aの蓄積素子群2′を図2の蓄積素子2と類似であるものとみなすと、図2に対して述べたことが図3の実施例にも当てはまる。例えば図3において局部制御装置18′が個々の蓄積素子群2′の電圧UELn′を測定する。個々の温度センサTn′が、図3ではそれぞれの蓄積素子群2′の蓄積素子2a′,2b′の共通な温度を測定する。局部制御装置18′は、これらの値を、図2に関して上述したように上位の制御装置21′に通報する。この制御装置21′は、これらの(及び場合によっては上述した他の)入力量に基いて、図3では蓄積素子群2′の電圧UELn′に関する個々又は単一の閾値UTHRn′又はUTHR′を求める。図2の実施例の特定の電圧閾値UTHRn又はUTHR例えば2.25Vは、従って図3の実施例では上位の制御装置21′により規定される2倍の高さの電圧閾値UTHRn′又はUTHR′即ち4.5Vに相当する。
図4は2つの蓄積素子2a′,2b′の双子装置29を示す。蓄積素子は例えば二重層コンデンサであり、そのハウジングは例えば円形の2つの端面を有する長く延びた円筒形状を持っている。両方の蓄積素子2a′,2b′は、共通な面内にあるハウジング円筒の縦軸線を平行に設けられている。蓄積素子2a′,2b′はそれぞれ反対側端面に正の電流接続部30及び負の電流接続部31を持っている。蓄積素子2a′,2b′は、その極性に関して逆に向けて設けられ、即ち隣接する端面に、一方の蓄積素子の正の電流接続部30及び他方の蓄積素子の負の電流接続部31がある。一方の側で両方の隣接する電流接続部30,31が接続導体32に結合されている。従って両方の蓄積素子2a′,2b′は一緒に図3の蓄積素子群2′を形成する。他方の側にある電流接続部30及び31は、この群2′の正又は負の接続端子33及び34を形成している。これらの接続端子は、それぞれ接続帯片35を介して図示した種類の別の双子装置に接続されている。両方の接続端子33,34の間で、群2′に付属する電荷再分配装置5′(図3)がハウジング36内に設けられている。ハウジング36は温度センサ19′も収容し、しかもこの温度センサが両方の蓄積素子2a′,2b′と熱伝導接触するように収容している。ハウジング36内の電荷再分配装置は、図3により上述したように、蓄積素子対2′の両方の接続端子33,34に接続され、更に例えば接続帯片32の接触により両方の蓄積素子2a′,2b′の間の電位にあるタップ37を持っている。ハウジング36内の電荷再分配装置は、更に蓄積素子群2′を含む全蓄積装置の正及び負の接続端子にも接続されている。更にそれは、通信接続のため上位の制御装置21に制御導線20を介して接続されている。
図5は、図2〜4による実施例によって行われる電荷再分配機能を種々の電圧−時間線図により示している。縦軸にはそれぞれ電圧UELnが記入され、横軸には時間tが記入されている。線図において、蓄積素子2に対する電圧推移がn=2,n=3で、また1つ又は複数の電圧閾値UTHR又はUTHRnが示されている。電圧閾値にはそれぞれヒステリシスが属する。
図6は、例えば上位の制御装置により規定される電圧閾値が温度に関係してどのように変化されるかを示している。図示した関係は、単一の閾値UTHR及び実施例に応じて使用される蓄積素子に固有の閾値UTHRnの温度依存性に対しても同じように当てはまる。前者の場合電圧閾値の図示した推移は、蓄積装置の共通な温度Tに関し、後者の場合個々の蓄積素子2又は個々の蓄積素子群2′(図3)の個々の温度Tnに関する。その関係は、温度T又はTnの低下と共に電圧閾値UTHR又はUTHRnが増大し、しかも蓄積素子の特定の寿命が得られるように増大する。図示した図6の例は、10年の寿命である。更に電圧閾値UTHR又はUTHRnの上昇は、特定の最高値例えば2.5Vに限定することができる。図6に示す関係は、多くの実施例において、例えば表の形で上位の制御装置21に記憶されている。この制御装置は、測定されるか求められる温度T又はTnに関係して表から閾値UTHR又はUTHRnを求めて、これを局部制御装置18に規定する。
同じように図7は、電圧閾値と車両作動状態との関係を示している。多くの実施例では、この関係は単独で、即ち図6に示す温度関係なしに与えられている。これらの実施例に関して、図7の左の縦軸は電圧閾値の絶対値UTHRを示している。他の実施例では、図7に示す電圧閾値と車両作動状態との関係が、図6に示す温度の関係に重畳されている。これらの実施例に対して図7の右の縦軸が変化値ΔUTHR′を示している。これらの変化値は、符号に応じて図6の閾値UTHR又はUTHRnに加算されるか又はこれから減算される。種々の作動状態がエネルギ蓄積装置1のすべての蓄積素子2又は蓄積素子群2′に同じように該当するので、図7には共通な電圧閾値UTHR又は共通な閾値変化ΔUTHRの関係のみが示されているが、個々の電圧閾値又は電圧閾値の個々の変化は示されてない。
図8は、既に平均以上に老化した蓄積素子の一層緩慢な老化を行うため多くの実施例において行われる非対称な閾値設定を示している。まず図8aは、例えば蓄積素子例えば二重層コンデンサの容量が老化の増大と共にどのように減少するかを示し、従って容量の算定から蓄積素子の実効老化をどのように推論するかも示している。図8aに示す関係では、例えば基礎となっている蓄積素子がこのような電圧で作動せしめられ、約10年後にその寿命の終わりに達することが仮定された。上述したように、上位の制御装置21は、充−放電電流及びそれに伴う電圧変化の測定により容量を求める。図8aに示す関係から、個々の蓄積素子の実効老化が推論される。
図9は、図6に対応して電圧閾値の温度依存性を示しているが、更に図7に示す車両作動状態との関係及び図8に示す個々の蓄積素子の老化状態の関係と共に示している。n=1と称される第1の蓄積素子は、図9の例においてまだ老化しておらず、即ち老化「0年」を持っている。「非動的作動」の作動状態に対して、その閾値−温度曲線は図6に示すものと一致する。これに反しn=2と称される第2の蓄積素子は、図9の例では既に著しく老化しており、既に5年の実効老化を持っている。従って図8bに従って、蓄積素子n=2の閾値−温度曲線は、例えば0.1Vだけ低い方の電圧へ移動されている。
図10は、図2〜9によるエネルギ蓄積装置1及び電荷再分配回路6を持つ自動車の駆動システムを示している。駆動システムは内燃機関101を持ち、この内燃機関101が駆動軸102(例えば内燃機関101のクランク軸)、クラッチ103及び動力伝達系の別の(図示しない)部分を介して車両の駆動車輪へトルクを送出する。駆動軸102上に、駆動補助手段(ブースタ)及び回生ブレーキとして動作する電気機械104ここでは三相非同期機又は例えば永久磁石を備えた三相同期機がある。この電気機械104は電動機作動と発電機作動との間で切換え可能である。電気機械104は、内燃機関のブースタ及び場合によってはスタータとして電動機作動で動作し、これに反し回生ブレーキ及び場合によっては負荷への給電及びエネルギ蓄積装置の充電のための発電機として発電機作動で動作する。電気機械104は、駆動軸102上に直接はまってこれと相対回転しないように結合される回転子105、及び例えば内燃機関101のハウジングに支持される固定子106を持っている。電気機械104及び内燃機関101は常に一緒に回転する。即ち内燃機関101の始動、ブースタ機能、回生制動機能及び/又は発電機機能は、直接に変速なしに行われる。固定子106の(ここには図示してない)巻線は、逆変換装置107により、自由に設定可能な振幅、位相及び周波数を持つ電流及び電圧を供給される。逆変換装置107は、これらの電流及び電圧を、従来の長時間電池(例えば鉛−硫酸蓄電池)が設けられている直流電圧入力回路から発生する。入力回路には、充−放電制御装置38を介して、電荷再分配回路6を持つエネルギ蓄積装置1も接続されている。エネルギ蓄積装置1は、図2及び3に詳細に示したように、直列接続される蓄積素子群2′から構成されている。例えば車両加速の際トルク付加(ブースタ機能)のため、電気機械104が短時間大きい電力を必要とする場合、エネルギ蓄積装置1から短時間大きい電力が取出され、逆変換装置107を介して電気機械104へ供給される。車両の制動過程において、電気機械104が短時間大きい機械的出力を電力に変換し、逆変換装置107を介してエネルギ蓄積装置1へ供給する場合、大きい電力の電気エネルギの蓄積が逆の方向に行われる。更に連続する作動中、例えば電気機械104が負荷等へ給電するため発電機として動作する場合、エネルギ蓄積装置の再充電が行われる。例えば比較的長い車両停止後エネルギ蓄積装置1が放電してしまっている場合、始動過程前に長時間電池108からエネルギ蓄積装置を充電することができる。作動中に電圧閾値が求められ、この電圧閾値を用いて行われる再充電が、図2〜9に関して説明したように行われる。電圧閾値の設定は、図2又は3による上位の制動装置21,21′が行う。このための入力情報は、例えば温度センサ19,19′により測定される温度、求められる蓄積素子の老化状態及び/又は内燃機関制御装置109から通報される車両作動状態である。充−放電制御装置38も温度情報及び/又は作動状態情報を受けて、エネルギ蓄積装置1を全体として温度及び/又は作動状態に関係して充電しかつ放電する。
Claims (12)
- 直列接続される複数の蓄積素子(2,2’)及び1つの電荷再分配回路(6,6’)を持つ、電気駆動装置又は電気ハイブリッド駆動装置を備えた車両用のエネルギ蓄積装置であって、
蓄積素子電圧(UELn,UELn’)が測定されて、電圧閾値(UTHRn,UTHR,UTHRn’,UTHR’)と比較され、蓄積素子(2,2’)の電圧が電圧閾値(UTHRn,UTHR,UTHRn’,UTHR’)を超過すると、電荷再分配回路(6,6’)がこの蓄積素子(2,2’)から電荷を放出し、これによりその電圧(UELn,UELn’)を減少し、
更に蓄積装置に関する温度が求められ、電圧閾値(UTHRn,UTHR,UTHRn’,UTHR’)が、求められる温度(Tn,T)に関係して可変にされて、温度(Tn,T)の上昇と共に電圧閾値(UTHRn,UTHR,UTHRn’,UTHR’)が減少され、
電圧閾値(U THRn ,U THR ,U THRn’ ,U THR’ )が車両の現在の作動状態にも関係して可変にされて、比較的高い蓄積又は取出し需要を持つ比較的短い持続時間に対する閾値(U THRn ,U THR ,U THRn’ ,U THR’ )が一層大きく設定される、
エネルギ蓄積装置。 - 蓄積素子(2,2’)から放出される電荷が、エネルギ蓄積装置(1)の1つ又は複数の他の蓄積素子(2,2’)へ供給される、請求項1に記載のエネルギ蓄積装置。
- エネルギ蓄積装置(1)の蓄積素子(2,2’)に対して共通な電圧閾値(UTHR,UTHR’)が使用され、この共通な電圧閾値(UTHR,UTHR’)が、求められる温度(T)に関係して可変にされる、請求項1又は2に記載のエネルギ蓄積装置。
- 求められる温度(T)が蓄積素子の共通な温度である、請求項3に記載のエネルギ蓄積装置。
- 個々の蓄積素子(2)又は蓄積素子の群(2’)に個々の電圧閾値(UTHRn,UTHRn’)が割当てられ、これらの電圧閾値(UTHRn,UTHRn’)が、個々の蓄積素子(2)又は蓄積素子の群(2’)に対してこれら蓄積素子(2)又は蓄積素子の群(2’)のために求められる温度(Tn)に関係して異なるように、これらの電圧閾値が可変にされる、請求項1又は2に記載のエネルギ蓄積装置。
- 求められる温度(Tn,T)が個々の蓄積素子(2)又は蓄積素子の群(2’)の測定される温度である、請求項5に記載のエネルギ蓄積装置。
- 蓄積素子(2,2’)がその老化に関して異なる大きさで進行可能であり、
蓄積素子電圧(U ELn ,U ELn’ )が測定されて、電圧閾値(U THRn ,U THRn’ )と比較され、蓄積素子(2,2’)の電圧が電圧閾値(U THRn ,U THRn’ )を超過すると、電荷再分配回路(6)がこの蓄積素子(2,2’)から電荷を放出し、これによりその電圧(U ELn ,U ELn’ )を減少し、
比較的大きく進行する老化を持つ蓄積素子(2,2’)に対する電圧閾値(U THRn ,U THRn’ )が、比較的小さく進行する老化を持つ蓄積素子(2,2’)に対する電圧閾値より低く設定される、
請求項1〜6の1つに記載のエネルギ蓄積装置。 - 電圧閾値(U THRn ,U THRn’ )が、求められる温度(T n ,T)又は車両作動状態に関して、蓄積素子老化に関するより一層頻繁に変換可能である、請求項7に記載のエネルギ蓄積装置。
- 直列接続される複数の蓄積素子(2,2’)及び1つの電荷再分配回路(6,6’)を持つ、電気駆動装置又は電気ハイブリッド駆動装置を備えた車両用のエネルギ蓄積装置であって、
蓄積素子電圧(U ELn ,U ELn’ )が測定されて、電圧閾値(U THRn ,U THR ,U THRn’ ,U THR’ )と比較され、蓄積素子(2,2’)の電圧が電圧閾値(U THRn ,U THR ,U THRn’ ,U THR’ )を超過すると、電荷再分配回路(6,6’)がこの蓄積素子(2,2’)から電荷を放出し、これによりその電圧(U ELn ,U ELn’ )を減少し、
電圧閾値(U THRn ,U THR ,U THRn’ ,U THR’ )が車両の現在の作動状態に関係して可変にされて、比較的高い蓄積又は取出し需要を持つ比較的短い持続時間に対する閾値(U THRn ,U THR ,U THRn’ ,U THR’ )が一層大きく設定される、
エネルギ蓄積装置。 - 車両の現在の作動状態の関係が、次の1つ又は複数の関係である、
車両の作動中に、閾値(U THRn ,U THR ,U THRn’ ,U THR’ )が作動休止におけるより大きい、
強く変化する走行状態を持つ作動の際、閾値(U THRn ,U THR ,U THRn’ ,U THR’ )が、比較的一定の作動状態を持つ作動の際より大きい、
電気常用制動の際及びその後、閾値(U THRn ,U THR ,U THRn’ ,U THR’ )が電気常用制動のない場合より大きい、
請求項1又は9に記載のエネルギ蓄積装置。 - 直列接続される複数の蓄積素子(2,2’)及び1つの電荷再分配回路(6,6’)を持つエネルギ蓄積装置であって、
蓄積素子電圧(U ELn ,U ELn’ )が測定されて、電圧閾値(U THRn ,U THR ,U THRn’ ,U THR’ )と比較され、蓄積素子(2,2’)の電圧が電圧閾値(U THRn ,U THR ,U THRn’ ,U THR’ )を超過すると、電荷再分配回路(6,6’)がこの蓄積素子(2,2’)から電荷を放出し、これによりその電圧(U ELn ,U ELn’ )を減少し、
比較的大きく進行する老化を持つ蓄積素子(2,2’)に対する電圧閾値(U THRn ,U THRn’ )が、比較的小さく進行する老化を持つ蓄積素子(2,2’)に対する電圧閾値より低く設定される、
エネルギ蓄積装置。 - 個々の蓄積素子(2,2’)の老化状態が蓄積素子容量の測定によって求められることを特徴とする、請求項7又は11に記載のエネルギ蓄積装置。
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