JP5680224B2 - 制御可能なエネルギー蓄積装置および制御可能なエネルギー蓄積装置を作動するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、制御可能なエネルギー蓄積装置および制御可能なエネルギー蓄積装置を作動するための方法に関する。

例えば、水力設備などの定置で使用される場合にも、ハイブリッド車両または電気車両などの車両の場合にも、新しいエネルギー蓄積技術と電気的な駆動技術とを組み合わせた電子システムが将来的にはますます使用されることが予想される。従来の用途では、例えば、回転磁界装置として構成された電動機がインバータの形態のコンバータを介して制御される。このようなシステムでは、エネルギー蓄積装置、一般に電池がインバータの直流電圧側に接続されている、いわゆる「直流電圧中間回路」が特徴的である。それぞれの用途で電力およびエネルギーに対する所定の要求を満たすことができるためには、複数の電池セルが直列に接続される。このようなエネルギー蓄積装置によって供給された電流は、全ての電池セルを流れる必要があるが、電池セルは制限された電流しか伝送することができないので、最大電流を高めるために付加的な電池セルが並列に接続されることが多い。

複数の電池セルの直列接続は、高い総電圧の他に、ただ１つの電池セルが故障した場合でも、電池電流がもはや流れることができないことによりエネルギー蓄積装置全体が故障するという問題を伴う。エネルギー蓄積装置のこのような故障は、システム全体の故障をもたらす場合がある。車両では、駆動電池の故障が車両の「立ち往生」につながることもある。例えば風力設備の回転羽根調節などの他の用途では、例えば強風などの不都合な環境条件下では安全性を脅かす状況が生じる場合もある。それ故、エネルギー蓄積装置の高い信頼性が常に追求されており、「信頼性」とは、システムが所定時間にわたってエラーなしに作動する能力を意味する。

米国特許出願公開第５，６４２，２７５号明細書により、少なくとも１つの相を備えるマルチレベル‐コンバータが既知であり、この場合、それぞれの相は、それぞれ付属の独立した直流電源を備える複数のフルブリッジ‐インバータを含む。

米国特許出願公開第５，６４２，２７５号明細書

本発明は、それぞれ第１の部分‐エネルギー供給分路と、これらの第１の部分‐エネルギー供給分路に並行に接続された第２の部分‐エネルギー供給分路とを備えるｎ個（ｎ≧２）の並行なエネルギー供給分路を有する制御可能なエネルギー蓄積装置を提供する。この場合、それぞれの部分‐エネルギー供給分路はそれぞれ少なくとも１つのエネルギー蓄積モジュールを備え、エネルギー蓄積モジュールはそれぞれ少なくとも１つの電気エネルギー蓄積セルを含み、電気エネルギー蓄積セルは付属の制御可能な結合ユニットを備える。結合ユニットは、制御信号に応じて、それぞれの部分‐エネルギー供給分路を遮断するか、またはそれぞれ付属のエネルギー蓄積セルをブリッジするか、またはそれぞれの部分‐エネルギー供給分路にそれぞれ付属のエネルギー蓄積セルを接続する。この場合、第１の部分‐エネルギー供給分路内のエネルギー蓄積モジュールのエネルギー蓄積セルと第２の部分‐エネルギー供給分路内のエネルギー蓄積モジュールのエネルギー蓄積セルとは、逆並行に配置されており、したがって反転された極性を備える。

本発明は、特に、本発明による制御可能なエネルギー蓄積装置を作動するための方法を提供し、この場合、結合ユニットが制御され、エネルギー供給分路の所望の出力電圧に応じて、エネルギー供給分路のいずれか１つの部分‐エネルギー供給分路が遮断される。

本発明は、それぞれのエネルギー供給分路を、付属のエネルギー蓄積セルの極性がそれぞれ反転された２つの部分‐エネルギー供給分路に分割し、このようにして、エネルギー蓄積モジュールの出力部で電圧反転の可能性を提供するという基本思想に基づいている。エネルギー供給分路の所望の出力電圧（正または負）に応じて、エネルギー供給分路のそれぞれいずれか１つの部分‐エネルギー供給分路、すなわち、「極性の誤った」エネルギー蓄積セルを備える部分‐エネルギー供給分路が遮断される。しかしながら、この場合に、従来技術により既知の装置とは反対に、結合ユニットがフルブリッジとして構成されている必要はない。むしろ、より少数の制御可能な切換素子によって、要求される結合ユニットの機能を実現することもできる。このことは、より少数の切換素子を介して作動電流が伝送され、これにより、切換素子における損失が低減されるという結果をもたらす。

電動機の相が本発明による制御可能なエネルギー蓄積装置のエネルギー供給分路に接続された場合、これらの相は、結合ユニットの接続状態に応じて、高い正の基準電位、中間の基準電位または低い負の基準電位に接続される。この点では、本発明による制御可能なエネルギー蓄積装置は、既知のインバータの機能をも果たすことができる。したがって、制御可能なエネルギー蓄積装置によって結合ユニットを適宜に制御した場合には、電動機の電力および作動形式を制御することもできる。

本発明の好ましい実施形態によれば、結合ユニットはハーフブリッジとして構成されており、作動電流は、それぞれのエネルギー蓄積モジュールの切換素子を介してのみそれぞれ伝送される。切換素子の損失はこのようにして最小化される。

本発明の実施形態の特徴および利点が、添付の図面を参照した以下の説明により明らかである。

本発明による制御可能なエネルギー蓄積装置を示す概略図である。

図１は、本発明による制御可能なエネルギー蓄積装置の概略図を示す。三相電動機１には、制御可能なエネルギー蓄積装置２が接続されている。制御可能なエネルギー蓄積装置２は、３つのエネルギー供給分路３‐１，３‐２，３‐３を含み、これらのエネルギー供給分路は、一方では、図示の実施形態では低電位をもたらす基準電位Ｔ‐（基準バスバー）に接続されており、他方では、それぞれ電動機１の個々の相Ｕ，Ｖ，Ｗに接続されている。エネルギー供給分路３‐１，３‐２，３‐３は、それぞれ第１の部分‐エネルギー供給分路３‐１１，３‐２１，３‐３１、およびこれらの第１の部分‐エネルギー供給分路に平行に接続された第２の部分‐エネルギー供給分路３‐１２，３‐２２，３‐３２を備える。それぞれの部分‐エネルギー供給分路３‐１１，３‐１２，３‐２１，３‐２２，３‐３１，３‐３２は、それぞれ直列に接続されたエネルギー蓄積モジュール４‐１１１〜４１１ｍ，４‐１２１〜４‐１２ｍ，４‐２１１〜４‐２１ｍ，４‐２２１〜４‐２２ｍ，４‐３１１〜４‐３１ｍ，４‐３２１〜４‐３２ｍを備え、この場合、ｍ≧２である。エネルギー蓄積モジュール４は、それぞれ直列に接続された複数の電気エネルギー蓄積セルを含んでいるが、見やすいように、これらの一部にのみ参照符号５‐１２ｍ，５‐２１１および５‐３２１〜５‐３２ｍが付されている。さらにエネルギー蓄積モジュール４は、それぞれのエネルギー蓄積モジュール４のエネルギー蓄積セル５に割り当てられたそれぞれ１つの結合ユニットを含む。見やすいように幾つかの結合ユニットにのみ参照符号６‐１２ｍ，６‐２１１および６‐３２１〜６‐３２ｍが付されている。図示の実施形態では、結合ユニット６は、それぞれ２つの制御可能な切換素子７‐１２ｍ１および７‐１２ｍ２，７‐２１１１および７−２１１２，７‐３２１１および７‐３２１２〜７‐３２ｍ１および７‐３２ｍ２により形成され、これらはそれぞれハーフブリッジの形態で接続されている。この場合、これらの切換素子は、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）の形態の電力用半導体スイッチとして、またはＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物電力用電界効果トランジスタ）として構成されていてもよい。

結合ユニット６は、結合ユニット６の全ての切換素子７の開放により、それぞれの部分‐エネルギー供給分路３‐１１，３‐１２，３‐２１，３‐２２，３‐３１，３‐３２の遮断を可能にする。代替的には、エネルギー蓄積セル５は結合ユニット６のそれぞれいずれか１つの切換素子７の閉鎖によって、例えば、スイッチ７‐３１１１の閉鎖によってブリッジするか、または、例えばスイッチ７‐３１１２の閉鎖によってそれぞれの部分‐エネルギー供給分路に接続することができる。

第１の部分‐エネルギー供給分路３‐１１，３‐２１，３‐３１のエネルギー蓄積セル５‐１１１〜５‐１１ｍ，５‐２１１〜５‐２１ｍ，５‐３１１〜５‐３１ｍおよび第２の部分‐エネルギー供給分路３‐２１，３‐２２，３‐３２のエネルギー蓄積セル５‐１２１〜５‐１２ｍ，５‐２２１〜５‐２２ｍ，５‐３２１〜５‐３２ｍは、反転された極性を備えるように逆平行に配置されている。図示の実施例では、第１の部分‐エネルギー供給分路３‐１１，３‐２１，３‐３１のエネルギー蓄積セルの正極は、それぞれ電動機１の相Ｕ，Ｖ，Ｗに向けられており、エネルギー蓄積セルの負極は、基準バスバーＴ‐に向けられている。これに応じて、第２の部分‐エネルギー供給分路３‐１２，３‐２２，３‐３２のエネルギー蓄積セルの負極は、それぞれ電動機１の相Ｕ，Ｖ，Ｗに向けられており、このエネルギー蓄積セルの正極は基準バスバーＴ‐に向けられている。

エネルギー供給分路３の所望の出力電圧に応じて、それぞれのエネルギー供給分路３‐１，３‐２，３‐３で、それぞれのエネルギー供給分路３‐１，３‐２，３‐３のいずれか１つの部分‐エネルギー供給分路３‐１１または３‐１２，３‐２１または３‐２２，３‐３１または３‐３２が遮断される。それぞれ他の部分‐エネルギー供給分路３‐１２または３‐１１，３‐２２または３‐２１，３‐３２または３‐３１では、付属の結合ユニット６の適宜な制御により、それぞれのエネルギー供給分路３の総‐出力電圧として所望の出力電圧が設定されるだけの数のエネルギー蓄積モジュール４のエネルギー蓄積セル５がそれぞれの部分‐エネルギー供給分路３‐１２または３‐１１，３‐２２または３‐２１，３‐３２または３‐３１に接続される。

部分‐エネルギー供給分路３‐１１，３‐１２，３‐２１，３‐２２，３‐３１，３‐３２、したがってエネルギー供給分路３‐１〜３‐３の総‐出力電圧は、結合ユニット６の制御可能な切換素子７のそれぞれの接続状態によって決定し、段階的に調節することができる。この場合、段階的調節は、個々のエネルギー蓄積モジュール４の電圧に応じて行われる。同様に構成されたエネルギー蓄積モジュール４の好ましい実施形態から出発した場合、最大限に可能な総‐出力電圧が、個々のエネルギー蓄積モジュール４の電圧に、エネルギー供給分路３につき直列に接続されたエネルギー蓄積モジュール４の数を掛けることにより生じる。エネルギー供給分路３が、それぞれのエネルギー蓄積セル５の極性が反転されたそれぞれ２つの部分‐エネルギー供給分路に分割されていることにより、正符号および負符号を備える電圧の両方を生成することができる。

図１に示した具体的な実施例では、エネルギー供給分路３‐１および３‐３は負電圧を供給することが望ましいと仮定する。このために、一方では、正電圧を供給するために用いられる２つの部分エネルギー供給分路３‐１１もしくは３‐３１は、それぞれの部分‐エネルギー供給分路３‐１１および３‐３１の少なくとも１つの結合ユニット６を適宜に制御することにより遮断される。このことは、具体的には、既に述べたように、例えば結合ユニット４‐１１１もしくは４‐３１１のそれぞれ２つの切換素子７が開かれることにより達成される。他方では、部分‐エネルギー供給分路３‐１２および３‐３２では、結合ユニット６の適宜な制御により、所望の負の出力電圧が得られるだけの数のエネルギー蓄積セル５がそれぞれの部分‐エネルギー供給分路３‐１２もしくは３‐３２に接続される。これらの部分‐エネルギー供給分路３‐１２および３‐３２の残りのエネルギー蓄積セル５は、付属の結合ユニット６の適宜な制御によってそれぞれブリッジされる。例えば、図１では、エネルギー蓄積モジュール４‐１２ｍのエネルギー蓄積セル５‐１２ｍならびにエネルギー蓄積モジュール４‐３２１もしくは４‐３２ｍの５‐３２１および５‐３２ｍがそれぞれの部分‐エネルギー供給分路３‐１２もしくは３‐３２に接続される（切換素子７‐１２ｍ１，７‐３２１１，７‐３２ｍ１は開かれ、切換素子７‐１２ｍ２，７‐３２１２，７‐３２ｍ２は閉じられる）。これに対して、エネルギー蓄積モジュール４‐１１１のエネルギー蓄積セル５はブリッジされる（両方の切換素子７は開かれる）。

さらに、図１に示した実施例では、エネルギー供給分路３‐２は、正電圧を供給することが望ましいと仮定する。このために、同様に、一方では「極性の誤った」エネルギー供給分路、この場合には３‐２２が遮断される。他方では、他の部分‐エネルギー供給分路３‐２１には、十分な数のエネルギー蓄積セル５が接続される。具体的に示した実施例では、エネルギー蓄積モジュール４‐２１１のエネルギー蓄積セル５‐２１１は、切換素子７‐２１１１の開放および切換素子７‐２１１２の閉鎖によって部分‐エネルギー供給分路３‐２１、ひいてはエネルギー供給分路３‐２に接続され、これに対して、エネルギー蓄積モジュール４‐２１ｍのエネルギー蓄積セル５はブリッジされる。

これにより、結合ユニット６は、電動機１の相Ｕ，Ｖ，Ｗを互いに独立して、高い正の基準電位、中間の基準電位または低い負の基準電位に接続することを可能にし、この点では既知のインバータの機能をも果たすことができる。これにより、結合ユニット６を適宜に制御した場合に、制御可能なエネルギー蓄積装置２によって電動機１の電力および作動形式を制御することができる。すなわち、制御可能なエネルギー蓄積装置２は、この点では二重機能を果たす。なぜなら、一方では電気エネルギー供給のために用いられ、しかも他方では電動機１を制御するために用いられるからである。

電動機１は、既知のように星形結線回路で互いに接続された固定子巻線８‐Ｕ，８‐Ｖ，８‐Ｗを備える。
図示の実施例では、電動機１は三相電動機として実施されているが、三相よりも少ないまたは多い相を備えていてもよい。当然ながら、制御可能なエネルギー蓄積装置２のエネルギー供給分路３の数も電動機の相数に従う。

図示の実施例では、それぞれのエネルギー蓄積モジュール４は、それぞれ直列に接続された複数のエネルギー蓄積セル５を備える。しかしながら、エネルギー蓄積モジュール４は、代替的にはそれぞれ単一のエネルギー蓄積セルのみを備えていてもよいし、または並列に接続されたエネルギー蓄積セルを備えていてもよい。

図示の実施例では、結合ユニット６はそれぞれハーフブリッジの形態の制御可能な２つの切換素子７によって形成される。しかしながら、不可欠な機能（部分‐エネルギー供給分路の遮断、エネルギー蓄積セルのブリッジおよび部分‐エネルギー供給分路へのエネルギー蓄積セルの接続）が実現可能である限りは、結合ユニット６は他の回路接続によって実現されていてもよいし、またはより多くの、またはより少ない制御可能な切換素子によって実現されていてもよい。

制御可能なエネルギー蓄積装置２は、２つの電圧段階の間に位置する所望の出力電圧を調節することを可能にする。このために、当該エネルギー供給分路３のいずれか１つの結合ユニットは、部分‐エネルギー供給分路もしくはエネルギー供給分路３の総‐出力電圧の演算平均値が所望の出力電圧に対応するように、規定可能な負荷サイクルにおいてパルス形式で制御される。この場合、この結合ユニット６にそれぞれ割り当てられたエネルギー蓄積セル５は、パルス継続時間にそれぞれのエネルギー供給分路３に接続され、休止継続時間にブリッジされる。

Claims (3)

1. それぞれ第１の部分‐エネルギー供給分路（３‐１１；３‐２１；３‐３１）と、該第１の部分‐エネルギー供給分路に並行に接続された第２の部分‐エネルギー供給分路（３‐１２；３‐２２；３‐３２）とを備えるｎ個（ｎ≧２）の並行なエネルギー供給分路（３‐１，３‐２，３‐３）を有する制御可能なエネルギー蓄積装置（２）において、
   それぞれの部分‐エネルギー供給分路（３‐１１；３‐１２；３‐２１；３‐２２；３‐３１；３‐３２）が、それぞれ少なくとも１つのエネルギー蓄積モジュール（４）を備え、該エネルギー蓄積モジュールが、それぞれ少なくとも１つの電気エネルギー蓄積セル（５）を含み、該電気エネルギー蓄積セルが、付属の制御可能な結合ユニット（６）を備え、
   前記結合ユニット（６）が、制御信号に応じて、前記部分‐エネルギー供給分路（３‐１１；３‐１２；３‐２１；３‐２２；３‐３１；３‐３２）を遮断するか、またはそれぞれ付属の前記エネルギー蓄積セル（５）をブリッジするか、またはそれぞれ付属の前記エネルギー蓄積セル（５）をそれぞれの前記部分‐エネルギー供給分路（３‐１１；３‐１２；３‐２１；３‐２２；３‐３１；３‐３２）に接続し、
   前記第１の部分‐エネルギー供給分路（３‐１１；３‐２１；３‐３１）の前記エネルギー蓄積モジュール（４）の前記エネルギー蓄積セル（５）と前記第２の部分‐エネルギー供給分路（３‐１２；３‐２２；３‐３２）の前記エネルギー蓄積モジュール（４）の前記エネルギー蓄積セル（５）とが逆並行に配置されている、制御可能なエネルギー蓄積装置（２）。
2. 請求項１に記載のエネルギー蓄積装置において、
   前記結合ユニット（６）がハーフブリッジとして構成されている制御可能なエネルギー蓄積装置。
3. 請求項１または２に記載の制御可能なエネルギー蓄積装置（２）を作動するための方法において、
   結合ユニット（６）を制御し、エネルギー供給分路（３‐１；３‐２；３‐３）の所望の出力電圧に応じて、前記エネルギー供給分路（３‐１；３‐２；３‐３）のいずれか１つの部分‐エネルギー供給分路（３‐１１；３‐１２；３‐２１；３‐２２；３‐３１；３‐３２）を遮断する方法。

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