JP5300988B2 - バッテリシステムにおいてエネルギを伝達するためのオンオフコントローラの直列回路 - Google Patents

Description

本発明は、バッテリシステム用のエネルギ伝達器、このようなエネルギ伝達器を備えたバッテリシステム及びこのようなバッテリシステムを備えた自動車に関する。

風力発電設備及び非常用電流システムのような固定的な使用又は車両で使用されているバッテリシステムの必要性が高まっている。これら全てにおいて要求されるのは、信頼性及び耐故障性である。その理由は、バッテリシステムによる電圧給電が完全に故障してしまうとシステム全体の故障につながってしまう可能性がある。例えば、風力発電設備の場合には、風が強い際に回転翼を調節し、風力発電設備を損傷さらには破壊してしまう可能性がある過剰な機械的負荷から上述した設備を保護するためにバッテリが使用される。電気自動車のバッテリが故障した場合には、電気自動車は走行不可能になってしまう。また、非常用電流システムも、まさに、例えば病院などでの遮断のない動作を保証すべきであり、まして非常用電流システム自体ができる限り故障してはならないのである。

それぞれの使用分野で必要な出力及びエネルギを供給できるようにするため、個別バッテリセルが直列に接続され、また、一部分は付加的に並列に接続される。図１には、バッテリを直列接続した原理回路図が示されている。複数のバッテリセル１０−１，．．．，１０−ｎは直列接続されており、これによって例えば自動車において電動機に必要な高い動作電圧が個別セル１０−１，．．．，１０−ｎの電圧を合計することによって得られる。この高い動作電圧は、出力側スイッチ１１−１及び１１−２によって後続の図示されていない変換装置のようなパワーエレクトロニクス素子から切り離すことができる。バッテリの全出力電流はバッテリセル１０−１，．．．，１０−ｎが直列接続されていることによってどのバッテリセル１０−１，．．．，１０−ｎにも流れ、電気化学的プロセスによる電荷移動がバッテリセル１０−１，．．．，１０−ｎ内で生じるため、たった１つのバッテリセルの故障は、極端な場合、装置全体が電流を供給できず、ひいてはもはや電気エネルギも供給できないということを意味する。バッテリセル１０−１，．．．，１０−ｎの発生し得る故障を適時に識別可能であるようにするため、通常、いわゆるバッテリマネジメントシステム１２が用いられる。このバッテリマネジメントシステム１２は、それぞれのバッテリセル１０−１，．．．，１０−ｎの２つの極に接続されているか又は接続可能であり、また規則的又は選択可能な時間間隔でそれぞれのバッテリセル１０−１，．．．，１０−ｎの電圧及び温度などの動作パラメタが求められ、そこからそれらの充電状態（ＳｏＣ，State of Charge）が求められる。これには、バッテリシステムの電気的動作データの柔軟性が小さいのと同時に高いコストが必要である。

複数のバッテリセルを直列接続することの別の欠点は次のとおりである。

１．バッテリによって作動すべき装置の種々異なる動作状況に対し、供給すべき動作電圧、最大電流及び蓄積されるエネルギに対して複数の条件が設定されるが、これらの条件は、要求を満たすために実際に必要なバッテリセル数よりも大きなバッテリセル数が結合される場合にだけしか一致させることができない。これによって、バッテリシステムの価格が上昇し、且つ、特に電気自動車にとって障害となるバッテリシステムの重量及び容積が大きくなってしまう。

２．バッテリの取付つまり個別セルの相互連結によって、直列接続によって合計される個別バッテリセルに起因して１０００Ｖまでの高電圧になるため、バッテリ、個別セル又はモジュールの交換は、地方の工場では行うことができないか、ないしは固定的な使用の場合には特別に養成された、特別な工具を用いるスペシャリストによってしか行うことができない。これによって、故障時にはバッテリシステムのメンテナンスのためにロジスティック的な高いコストが掛かってしまう。

３．バッテリシステムをオフするために、つまり実際のバッテリを負荷から切り離すために、パワースイッチ１１−１及び１１−２を設けなければならない。パワースイッチ１１−１及び１１−２は、典型的には開閉素子として形成されており、これらは予期される大電流及び高電圧に対しては極めて高価である。

発明の開示
本発明の課題は、上述した従来技術の欠点を克服可能な装置を提供することである。

本発明の第１側面は、１つずつの第１入力部及び第２入力部と、第１出力部及び第２出力部とを有するＤＣ／ＤＣコンバータを複数含むバッテリシステム用のエネルギ伝達器に関する。これらのＤＣ／ＤＣコンバータの第１及び第２の入力部は、バッテリモジュールに接続するために構成されている。これらのＤＣ／ＤＣコンバータは出力部が直列接続されている。

本発明の利点は、バッテリモジュールを直列接続するよりも格段に小さい１つずつの端子電圧を有する複数のバッテリモジュールを一次側に並列接続することができることである。それ故に、一次側の端子には、つまりＤＣ／ＤＣコンバータの第１及び第２の入力部のいずれにも、個々のバッテリモジュール又はバッテリセルを交換する際にバッテリの特別な取扱が必要となってしまう電圧が印加されない。それにもかかわらず、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力部が直列接続されていることによって、出力部では所望な高さの全体電圧が、個々のＤＣ／ＤＣコンバータによって形成される出力電圧の合計として得られる。さらに、個々のＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧は公知のやり方で調節することができるため、上述した装置は動作状況に応じた適切な全体電圧の選択が可能になる。その上、出力電圧は一次側に接続されたバッテリセルの数に依存しない。これによって、バッテリシステムの設計は、それぞれの使用で要求される全体電圧に依存せずに純粋にエネルギ及び出力を基準にして行うことができる。別の利点は、高価な開閉素子１１−１及び１１−２を省くことができることである。というのは、バッテリの出力部に加わる高電圧を、ＤＣ／ＤＣコンバータを遮断することによって簡単に遮断することができるためである。

有利には、ＤＣ／ＤＣコンバータは第１コイルを有する。特に有利には、ＤＣ／ＤＣコンバータは、ＤＣ／ＤＣコンバータの第１コイルと結合されて、エネルギ伝達器又は蓄積式変圧器を形成する第２コイルを有する。このＤＣ／ＤＣコンバータの変形実施形態は、このＤＣ／ＤＣコンバータの出力部と、その入力部とをガルバニック的にデカップリングすることができる。これによって、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力部を簡単に直列接続することができる。

ＤＣ／ＤＣコンバータは、フライバックコンバータとして実施することができ、またフォワードコンバータ、プッシュプルコンバータ、ハーフブリッジコンバータ及びフルブリッジコンバータのような他のコンフィグレーションも、共振コンバータ原理なども考えられ得る変形形態である。

本発明によるエネルギ伝達器の１つの実施形態によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータの第１入力部はアースと接続されている。

どのＤＣ／ＤＣコンバータの第１出力部も第２出力部も逆電圧方向に接続されたフリーホイールダイオードと接続されている実施形態が特に有利である。例えば入力部に接続されているバッテリモジュールの１つのバッテリセルが破損されているために、１つのＤＣ／ＤＣコンバータが動作中に故障した場合には、フリーホイールダイオードにより、故障したＤＣ／ＤＣコンバータの第１出力部と第２出力部とが相互に導電接続されるようになるため、装置全体を引き続いて出力電流が流れるようにすることができる。それ故に、この変形実施形態は、１つ又は複数のバッテリセルが故障しても引き続く動作を可能とする。その上、場合によっては、全体電圧の形成を中断することなく、動作中にバッテリモジュールを交換することができる。

代替的には、どのＤＣ／ＤＣコンバータも第１制御信号に対する第１制御入力部を有しており、また第１制御信号を受信することによって、ＤＣ／ＤＣコンバータの第１出力部と、ＤＣ／ＤＣコンバータの第２出力部とをスイッチによって電気的に接続するように構成されている。

最後に説明した上記の２つの変形実施形態を発展させれば、各ＤＣ／ＤＣコンバータも第２制御信号に対する第２制御入力部を有しており、また第２制御信号を受信することによって、ＤＣ／ＤＣコンバータの第１出力部と第２出力部との間で電圧を上昇させるように構成されている。これによって可能であるのは、個々のＤＣ／ＤＣコンバータの既述した故障ないしは遮断にする全体電圧の低下に対して対抗することであり、これによって、数が少なくなったＤＣ／ＤＣコンバータによって少なくとも近似的に変化しない全体電圧が引き続き形成されるのである。

本発明の第２側面は、複数のバッテリモジュールと、本発明の第１側面によるエネルギ伝達器とを備えたバッテリシステムに関する。これらのバッテリモジュールは、少なくとも１つのバッテリセルをそれぞれ有している。これらのバッテリモジュールのバッテリの極は、エネルギ伝達器のＤＣ／ＤＣコンバータの第１入力部及び第２入力部のうちの相応する入力部と取り外し可能に接続されている。

本発明の第３側面は、本発明の第２側面に記載のバッテリシステムを備えた自動車に関する。

次に、実施例の図面に基づいて本発明を詳細に説明する。

従来技術によるバッテリマネジメントシステムを備えたバッテリを示す図である。 本発明の第１実施例を示す図である。 本発明の第２実施例を示す図である。 蓄積式変圧器を備えたＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。

図面の詳細な説明
図２には、本発明の第１実施例が示されている。この実施例では、３つのＤＣ／ＤＣコンバータ２１−１，２１−２，２１−３を見て取ることができる。しかしながら、実際の使用ではその数は格段に大きくすることができる。各ＤＣ／ＤＣコンバータ２１−１，２１−２，２１−３は入力部がバッテリモジュール２０−１，２０−２，２０−３と接続されている。バッテリモジュール２０−１，２０−２，２０−３は、この実施例では直列に接続された複数のバッテリセルをそれぞれ有している。図２からわかるように、本発明によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１−１，２１−２，２１−３の出力部は直列に接続されていることによって、上述した装置の出力部２２−１と２２−２との間の全体電圧はＤＣ／ＤＣコンバータ２１−１，２１−２，２１−３によって形成される個々の電圧の合計となる。ＤＣ／ＤＣコンバータ２１−１，２１−２，２１−３は、公知のように構成され、それぞれのＤＣ／ＤＣコンバータ２１−１，２１−２，２１−３の第１及び第２の出力部に加わる出力電圧を調節することができ、又はＤＣ／ＤＣコンバータ２１−１，２１−２，２１−３を遮断することができるため、ＤＣ／ＤＣ変換はもはや行われない。これによって、出力部２２−１及び２２−２に加わる全体電圧はそれぞれの動作状況に柔軟に適合される。このことは本発明の１つの利点である。

図３には、本発明の第２実施例が示されている。この実施例は実質的には第１実施例と同じである。ここでも、入力部がバッテリモジュール３０−１，３０−２，３０−３と接続されている複数のＤＣ／ＤＣコンバータ３１−１，３１−２，３１−３は出力部が接続されており、上述した装置の出力部３２−１及び３２−２に高い全体電圧が供給される。第１実施例との違いとしては、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１−１，３１−２，３１−３の第１入力部は相互に接続され、且つ、アースに接続されている。

図４には、蓄積式変圧器４３を備えた公知のＤＣ／ＤＣコンバータの回路図が示されている。本発明においてバッテリモジュールに相当する直流電圧源４１は、スイッチ４２を介して蓄積式変圧器４３の一次コイル４３−１と周期的に接続され、デカップリングされる。直流電圧源４１が一次コイル４３−１と接続されている場合には、電流が一次コイル４３−１を流れ、この電流によって蓄積式変圧器４３に磁界が形成されることになる。スイッチ４２が再び開いた場合には、この磁界は、蓄積式変圧器４３の二次コイル４３−２を介して、蓄積されたエネルギを放出する。このようにして形成された出力電流は、ダイオード４４を介してバッファコンデンサ４５を充電し、このバッファコンデンサ４５によって、スイッチ４２のクロック制御によってインパルス状に流れる出力電流が一時的に蓄積されて平滑化される。第１及び第２の出力部４６−１，４６−２には出力電圧が生じ、この出力電圧は、バッファコンデンサ４５のキャパシタンスを除いてスイッチ４２のクロック制御にも依存している。ＤＣ／ＤＣコンバータは、出力部４６−１と４６−２との間に逆電圧方向に接続された図面に示されていないフリーホイールダイオードを有していてもよい。このフリーホイールダイオードにより、本発明によりＤＣ／ＤＣコンバータを直列に接続する場合、ＤＣ／ＤＣコンバータが故障してもエネルギ伝達器は引き続いて動作することができる。なぜならば、このフリーホイールダイオードは故障したＤＣ／ＤＣコンバータの出力部を自動的に短絡し、したがって引き続きエネルギ伝達器に電流を流すことができるためである。

公知のＤＣ／ＤＣコンバータは、スイッチ４２のクロック制御を動作状況に適合させるコントローラを有している。また、フィードバックが行われることも普通であり、このようなフィードバックでは、出力部４６−１，４６−２に加わる出力電圧が求められ、スイッチ４２のクロック制御を適合させるために用いられる。これによって、できる限り安定な出力電圧が得られる。本発明の範囲内では、ＤＣ／ＤＣコンバータのこの特性によって、動作状況に応じて、本発明による装置の所望の全体電圧を調節してもよいし、又は１つ若しくは全てのＤＣ／ＤＣコンバータを遮断してもよい。

図４に示したＤＣ／ＤＣコンバータの実施形態の重要な利点は、出力部４６−１，４６−２に加わる出力電圧と、直流電圧源４１の入力電圧とをガルバニック的にデカップリングすることである。このデカップリングにより、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力部を本発明により直列接続することができる。また、このような利点を提供する別の公知のＤＣ／ＤＣコンバータも、本発明を実現するのに適している。

Claims (7)

1. バッテリシステム用のエネルギ伝達器において、
   該エネルギ伝達器は、１つずつの第１及び第２の入力部並びに第１及び第２の出力部（４６−１，４６−２）を有するＤＣ／ＤＣコンバータ（２１−１，２１−２，２１−３，３１−１，３１−２，３１−３）を複数有しており、
   前記第１及び第２の入力部は、バッテリモジュール（２０−１，２０−２，２０−３，３０−１，３０−２，３０−３）に接続するために構成されており、
   前記複数のＤＣ／ＤＣコンバータ（２１−１，２１−２，２１−３，３１−１，３１−２，３１−３）は、各出力部が直列接続されており、
   前記の各ＤＣ／ＤＣコンバータ（２１−１，２１−２，２１−３，３１−１，３１−２，３１−３）は、第１制御信号に対する第１制御入力部、及び前記第１の出力部と第２の出力部との間にスイッチを有しており、
   前記各ＤＣ／ＤＣコンバータ（２１−１，２１−２，２１−３，３１−１，３１−２，３１−３）は、前記第１制御信号を受信することによって、前記第１出力部（４６−１）と、前記第２出力部（４６−２）とを前記スイッチによって電気的に接続するように構成されており、
   前記の各ＤＣ／ＤＣコンバータ（２１−１，２１−２，２１−３，３１−１，３１−２，３１−３）は、第２制御信号に対する第２制御入力部を有しており、
   前記各ＤＣ／ＤＣコンバータ（２１−１，２１−２，２１−３，３１−１，３１−２，３１−３）は、前記第２制御信号を受信することによって、前記各ＤＣ／ＤＣコンバータ（２１−１，２１−２，２１−３，３１−１，３１−２，３１−３）の第１出力部（４６−１）と第２出力部（４６−２）との間で電圧を上昇させるように構成されており、
   前記複数のＤＣ／ＤＣコンバータ（２１−１，２１−２，２１−３，３１−１，３１−２，３１−３）のうちの１つのＤＣ／ＤＣコンバータが第１制御信号を受信し、かつ残りの複数のＤＣ／ＤＣコンバータが、第２制御信号を受信すると、前記残りの複数のＤＣ／ＤＣコンバータは、前記１つのＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を補うように、各出力電圧を上昇させる、
   ことを特徴とするエネルギ伝達器。
2. 前記複数のＤＣ／ＤＣコンバータ（２１−１，２１−２，２１−３，３１−１，３１−２，３１−３）はそれぞれ絶縁変圧器（４３−１，４３−２）を有しており、
   前記絶縁変圧器は、前記第１及び第２の入力部と前記第１及び第２の出力部とを絶縁している、請求項１記載のエネルギ伝達器。
3. 前記絶縁変圧器は、一次コイル（４３−１）と二次コイル（４３−２）とを有する、請求項２記載のエネルギ伝達器。
4. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータ（２１−１，２１−２，２１−３，３１−１，３１−２，３１−３）の第１入力部は、アースと接続されている、請求項１から３のいずれか１項記載のエネルギ伝達器。
5. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータ（２１−１，２１−２，２１−３，３１−１，３１−２，３１−３）は、フライバックコンバータ、フォワードコンバータ、プッシュプルコンバータ、ハーフブリッジコンバータ及びフルブリッシコンバータとして実施されているか、又は共振コンバータとして実施されている、請求項１から４のいずれか１項記載のエネルギ伝達器。
6. 複数のバッテリモジュール（２０−１，２０−２，２０−３，３０−１，３０−２，３０−３）と、請求項１から５のいずれか１項記載のエネルギ伝達器とを備えたバッテリシステムであって、
   前記バッテリモジュール（２０−１，２０−２，２０−３，３０−１，３０−２，３０−３）は、少なくとも１つのバッテリセルをそれぞれ有しており、
   該バッテリセルのバッテリの極は、前記エネルギ伝達器のＤＣ／ＤＣコンバータ（２１−１，２１−２，２１−３，３１−１，３１−２，３１−３）の第１入力部及び第２入力部のうちの相応する入力部と取り外し可能に接続されている、
   ことを特徴とするバッテリシステム。
7. 請求項６記載のバッテリシステムを備えていることを特徴とする自動車。

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