JP5731552B2

JP5731552B2 - 高電圧システムを備える自動車用の変換器装置、および対応する変換器装置を備える高電圧システムの操作方法

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Publication number: JP5731552B2
Application number: JP2013008937A
Authority: JP
Inventors: フリッツトーマス
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2012-02-08
Filing date: 2013-01-22
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2033-01-22
Also published as: CN103248216A; DE102012101011A1; KR20130091682A; JP2013162742A; KR101401861B1; US20130200695A1

Description

本発明は、高電圧システムを備える自動車用の変換器装置、および対応する変換器装置を備える高電圧システムの操作方法に関する。

（特許文献１）には、自動車または自動車内部に取り付けることができる電源デバイスであって、電池モジュールと、電池モジュールを収容するための電力貯蔵ケースと、ＤＣ／ＤＣ変換器モジュールとを備える電源デバイスが記載されている。ここで、（特許文献１）に記載の電源デバイスは、電源電圧として３つ以上の電圧値を設定することができる。

（特許文献２）には、複数の電池モジュールを備える電池装置が記載されており、複数の電池モジュールの各々は、直列接続された複数の電池セルを有する。

（特許文献２）に記載の電池装置は、さらに複数の電圧均等化回路を備えている。これらの電圧均等化回路は、複数の電池モジュールに対応して割り当てられ、それぞれ、複数の電池モジュールの各々に含まれる複数のセルの電圧を均等化するように構成される。さらに、（特許文献２）に記載の電池装置は、複数の電池モジュールの接続状態を直列接続と並列接続との間で切り替えられるように構成された接続切替構造を備える。

さらに、（特許文献２）に記載の電池装置は、電圧均等化制御モジュールを備える。この電圧均等化制御モジュールは、複数の電池モジュールが直列接続されている状態で、所定の電圧均等化条件を満たすと、複数の電池モジュールの各々に含まれる複数のセルの電圧をそれぞれ均等化するように複数の電圧均等化回路を制御するように構成される。

（特許文献２）に記載の電池装置では、電圧均等化制御モジュールは、さらに、所定の電圧均等化条件を満たすと接続切替構造を制御するように構成される。

また、上記の電圧均等化制御モジュールは、複数の電池モジュールの各々における各セルの電圧均等化が完了すると、複数の電池モジュールを並列に接続し、各電池モジュールの電圧を均等化すべく接続切替構造および複数の電圧均等化回路を制御するように構成される。

（特許文献３）は、電池ハウジングと、複数の充電可能な電池セルと、電池セルを冷却するための複数の空気ダクトとを備える自動車用の電源を開示する。（特許文献３）に記載の電源は、複数の空気入口開口および空気出口開口を備える。空気入口開口および空気出口開口は、空気ダクトの方向からそれた方向に形成される。

（特許文献４）には、３段階以上の空気冷却によって冷却される電池アレイが記載されている。この電池アレイは、電池アレイ用の閉じたチャンバを形成する一対の向かい合う側壁を備える。

（特許文献５）は、電気エネルギーを貯蔵および／または発生するための装置を開示する。（特許文献５）に記載の装置は、互いに電気的に結合された少なくとも２つのモジュールを備える。ここで、この少なくとも２つのモジュールは異なる機能を有する。第１のモジュールは、電気化学的モジュールとして具現化される。この電気化学的モジュールは、電気エネルギー貯蔵モジュールとして、高い電力密度およびエネルギー密度を有するように設計される。牽引モジュールとしての第２のモジュールは、高い電力密度を有するように設計される。

しかしながら、上述した解決策は、高電圧電池の公称電圧を発生させるために２つ以上のモジュールが備えられる場合、所要の公称出力電圧を有する高電圧電池の容量を増加させるためには、２つ以上またはその倍数のモジュールが常に必要となるという問題を有する。

米国特許出願公開第２００９／０１６７０７７Ａ１号明細書米国特許出願公開第２００８／００７２８５９Ａ１号明細書米国特許出願公開第２００７／０２０２７９２Ａ１号明細書米国特許出願公開第２００７／００４６２５９Ａ１号明細書ドイツ特許出願公開１０２００９０３５４６８Ａ１号明細書

したがって、本発明の目的は、高電圧システムを備える自動車用の改良された変換器装置を提供することである。

上記の目的は、請求項１に記載の高電圧システムを備える自動車用の変換器装置、および請求項９に記載の特徴を備える高電圧システムの操作方法によって達成される。従属請求項は、本発明の好ましい展開形態に関する。

一態様によれば、本発明は、高電圧システムを備える自動車用の変換器装置である。高電圧システムは、高電圧システムの第１の公称電圧値を有する第１の電圧ドメインに接続された第１の入力デバイスと、高電圧システムの第１の公称電圧値とは異なる第２の公称電圧値を有する第２の電圧ドメインに接続された第２の入力デバイスと、第１の入力デバイスおよび第２の入力デバイスに接続され、第１の電圧ドメインおよび第２の電圧ドメインから変換器装置の出力デバイスに電力を伝送するように設計された１つのＤＣ／ＤＣ変換器とを備える変換器装置を提供する。

さらなる態様によれば、本発明は、対応する変換器装置を備える高電圧システムの操作方法であって、変換器装置の第１の入力デバイスを高電圧システムの第１の電圧ドメインに接続させるステップと、変換器装置の第２の入力デバイスを高電圧システムの第２の電圧ドメインに接続させるステップと、ＤＣ／ＤＣ変換器を使用して、第１の電圧ドメインおよび第２の電圧ドメインから変換器装置の出力デバイスに電力を伝送するステップとを含む方法を提供する。

本発明の一概念は、第１の電圧ドメインの第１の公称電圧と、第１の公称電圧とは異なる第２の電圧ドメインの第２の公称電圧とを供給されるＤＣ／ＤＣ変換器（略記ＤＣは「直流」を表す）を使用するというものである。

本発明による変換器装置の使用により、奇数個の電池セルモジュールを有する高電圧電池を提供することができるようになる。特に、本発明による変換器装置の使用により、３つの電池セルモジュールを備える高電圧電池を提供することができるようになる。

本発明による変換器装置により、有利には、高電圧電池の第１の電圧ドメインと第２の電圧ドメインとを個別に制御できるようになる。さらに、高電圧システムまたは高電圧電池で使用される電池セルの劣化挙動を改良することが可能になる。

さらに、本発明による変換器装置により、偶数個または奇数個の電池セルモジュール、さらには電池セルモジュールの半体を、好適となるように追加することができるので、自動車の走行可能距離を適宜段階的に徐々に増加させることができるようになる。

本発明の有利な一展開形態によれば、第１の電圧ドメインの第１の公称電圧値は、第２の電圧ドメインの第２の公称電圧値の整数倍または有理数倍となるように設定される。したがって、ＤＣ／ＤＣ変換器は、２つの電池セルモジュールからの第１の公称電圧（例えば３９０Ｖ）、および第１の公称電圧の半分の電圧、すなわち１つの電池セルモジュールからの第２の公称電圧（１９５Ｖ）で動作させることができる。

有利には、第１の電圧ドメインが第１の数の電池セルモジュールを有し、第２の電圧ドメインが第２の数の電池セルモジュールを有することが企図される。得られた２つの電圧ドメインの異なる公称電圧を変換することにより、奇数個の電池セルモジュールを用いて高電圧システムを構成することも可能になる。

本発明の有利な一展開形態では、電池セルモジュールに係る第１の数が、電池セルモジュールに係る第２の数の整数倍または有理数倍となるように設けられる。それにより、２つの電圧ドメイン内で異なる様式で電池セルモジュールを相互接続させることができる。

好ましくは、ＤＣ／ＤＣ変換器が、第１の電圧ドメインおよび第２の電圧ドメインの公称電圧値を検出するためのセンサを有する。これにより、自動車の高電圧システムの電力供給における安全が確保される。

本発明の有利な一展開形態では、第１の電圧ドメインおよび／または第２の電圧ドメインの電池セルモジュールが直列接続されることが企図される。それにより、出力デバイスにおいて、したがって高電圧システムに関して、第１の電圧ドメインおよび／または第２の電圧ドメインの公称電圧に比べて高い公称電圧を実現することができる。

有利には、第１の電圧ドメインおよび／または第２の電圧ドメインの電池セルモジュールが並列に接続されることが企図される。

本発明の有利な一展開形態では、ＤＣ／ＤＣ変換器が、出力デバイスの公称電圧値として、第１の電圧ドメインおよび／または第２の電圧ドメインの公称電圧値の整数倍または有理数倍を設定するように設計されることが企図される。

本発明の有利な一展開形態によれば、第１の電圧ドメインの第１の公称電圧値として、第２の電圧ドメインの第２の公称電圧値の整数倍または有理数倍が使用される。

好適であれば、上記の構成および展開形態を互いに任意に組み合わせることができる。

本発明の他の可能な構成、展開形態、および実装形態には、例示的な実施形態に関して上述した、または後述する本発明の特徴の（明示的には述べられていない）組合せも含まれる。

添付図面は、本発明の実施形態をさらに良く理解できるようにすることを目的とするものである。これらの添付図面は、いくつかの実施形態を例示し、本明細書における説明に関連して、本発明の原理および概念を明らかにする。

他の実施形態、および上述した利点の多くは、図面から明らかである。図面に例示される要素は、必ずしも互いに対して縮尺通りには示されていない。

本発明による、高電圧システムを備える自動車用の変換器装置の例示的実施形態の概略図である。本発明による、変換器装置を備える高電圧システムの操作方法の例示的実施形態のフローチャートである。

図面の各図において、別段の指示がない限り、同一の参照符号は、同一または機能的に同一の要素、構造部品、構成要素、または方法ステップを表す。

図１は、本発明による、高電圧システムを備える自動車用の変換器装置の例示的実施形態の概略図を示す。

本明細書における説明では、「電圧ドメイン」とは、電圧生成領域を表す。同様に、「電圧ドメイン」という表現は、電気システムまたは高電圧システムの特定の部分領域を意味するものと解釈することもできる。前記特定の部分領域内では、電気システムまたは高電圧システムの特定の電圧が生じている。

自動車用の高電圧システムは、電気エネルギー貯蔵装置または高電圧電池を備える。ここで、電気エネルギー貯蔵装置または高電圧電池を個々の電池セルモジュールにモジュール化することができる。

この場合、電気エネルギー貯蔵装置の電池セルモジュールは、１つの共通のユニット内で電気的に直列に接続された複数の電池セルを備える。このユニットは、例えば、電池セルモジュールの形態の組立体として具現化される。

この場合、電池セルは、例えば個別のガルバニセルであり、ガルバニセルの電極の材料の組合せに応じて特性電圧を生成する。

高電圧システム５を備える自動車用の変換器装置２０は、第１の入力デバイス２１と、第２の入力デバイス２２と、ＤＣ／ＤＣ変換器２８と、出力デバイス２５とを備える。

第１の入力デバイス２１は、高電圧システム５の第１の電圧ドメイン１５に接続される。第１の電圧ドメイン１５は、例えば、変換器装置２０に接続された電池セルモジュールの公称電圧によって規定される。

第２の入力デバイス２２は、高電圧システム５の第２の電圧ドメイン１６に接続される。第２の電圧ドメイン１６は、例えば、変換器装置２０に接続されたさらなる電池セルモジュールの公称電圧によって規定される。

ＤＣ／ＤＣ変換器２８は、第１のデバイス２１と、第２の入力デバイス２２と、出力デバイス２５とに接続される。

ＤＣ／ＤＣ変換器２８は、例えば、第１の電圧ドメイン１５および第２の電圧ドメイン１６から変換器装置２０の出力デバイス２５に電力を伝送するように設計される。

この場合、ＤＣ／ＤＣ変換器２８は、第１の電圧ドメイン１５と第２の電圧ドメイン１６が並列接続となるように設計することができる。

さらに、ＤＣ／ＤＣ変換器２８は、第１の電圧ドメイン１５と第２の電圧ドメイン１６を直列接続で接続させることもできる。

例として、第１の電圧ドメイン１５の第１の公称電圧値は、第２の電圧ドメイン１６の第２の公称電圧値の整数倍または有理数倍となるように設定される。

第１の電圧ドメイン１５は、例えば１つの電池セルモジュール１２を備えることができ、第２の電圧ドメイン１６は、２つの電池セルモジュール１０、１１を備えることができる。

出力デバイス２５は、例えば自動車の車載電気システムに接続される。この場合、自動車の電気負荷に電気エネルギーを供給するために、変換器装置２０を介して自動車の車載電気システムに電気エネルギーを供給することができる。

図２は、本発明による、変換器装置を備える高電圧システムの操作方法の例示的実施形態のフローチャートを示す。

変換器装置２０を備える高電圧システムの操作方法は、以下の方法ステップを含む。

第１の方法ステップは、変換器装置２０の第１の入力デバイス２１を高電圧システム５の第１の電圧ドメイン１５に接続させるステップＳ１を含む。

第２の方法ステップは、変換器装置２０の第２の入力デバイス２２を高電圧システム５の第２の電圧ドメイン１６に接続させるステップＳ２を含む。

第３の方法ステップは、ＤＣ／ＤＣ変換器２８を使用して、第１の電圧ドメイン１５および第２の電圧ドメイン１６から変換器装置２０の出力デバイス２５に電力を伝送するステップＳ３を含む。

図２に示される方法ステップを、任意の所望の様式で、例えば再帰的または反復的に繰り返すことができることに留意すべきである。

以上に、好ましい例示的実施形態に基づいて本発明を十分に説明したが、本発明は、これらの例示的実施形態に限定されず、むしろ様々に変更することができる。

５高電圧システム
１０電池セルモジュール
１１電池セルモジュール
１２電池セルモジュール
１５第１の電圧ドメイン
１６第２の電圧ドメイン
２０変換器装置
２１第１の入力デバイス
２２第２の入力デバイス
２５出力デバイス
２８ＤＣ／ＤＣ変換器

Claims

高電圧システム（５）を備える自動車用の変換器装置（２０）であって、
前記高電圧システム（５）の第１の公称電圧値を有する第１の電圧ドメイン（１５）に接続された第１の入力デバイス（２１）と、
前記高電圧システム（５）の前記第１の公称電圧値とは異なる第２の公称電圧値を有する第２の電圧ドメイン（１６）に接続された第２の入力デバイス（２２）と、
前記第１の入力デバイス（２１）および前記第２の入力デバイス（２２）に接続され、前記第１の電圧ドメイン（１５）および前記第２の電圧ドメイン（１６）から前記変換器装置（２０）の出力デバイス（２５）に電力を伝送するように設計された１つのＤＣ／ＤＣ変換器（２８）と
を備える変換器装置（２０）。
前記第１の電圧ドメイン（１５）の前記第１の公称電圧値が、前記第２の電圧ドメイン（１６）の前記第２の公称電圧値の整数倍または有理数倍となるように設定されることを特徴とする請求項１に記載の変換器装置（２０）。
前記第１の電圧ドメイン（１５）が、第１の数の電池セルモジュール（１２）を有し、前記第２の電圧ドメイン（１６）が、第２の数の電池セルモジュール（１０、１１）を有することを特徴とする請求項１または２に記載の変換器装置（２０）。
電池セルモジュール（１２）の前記第１の数が、電池セルモジュール（１０、１１）の前記第２の数の整数倍または有理数倍となるように設けられることを特徴とする請求項３に記載の変換器装置（２０）。
前記ＤＣ／ＤＣ変換器（２８）が、前記第１の電圧ドメイン（１５）および前記第２の電圧ドメイン（１６）の前記公称電圧値を検出するためのセンサを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の変換器装置（２０）。
前記第１の電圧ドメイン（１５）および／または前記第２の電圧ドメイン（１６）の前記電池セルモジュール（１０、１１、１２）が直列接続されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の変換器装置（２０）。
前記第１の電圧ドメイン（１５）および／または前記第２の電圧ドメイン（１６）の前記電圧セルモジュール（１０、１１、１２）が並列接続されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の変換器装置（２０）。
前記ＤＣ／ＤＣ変換器（２８）が、前記出力デバイス（２５）の公称電圧値として、前記第１の電圧ドメイン（１５）および／または前記第２の電圧ドメイン（１６）の前記公称電圧値の整数倍または有理数倍を設定するように設計されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の変換器装置（２０）。
請求項１〜８のいずれか一項に記載の変換器装置（２０）を備える高電圧システム（５）の操作方法であって、
前記変換器装置（２０）の前記第１の入力デバイス（２１）を前記高電圧システム（５）の前記第１の電圧ドメイン（１５）に接続させるステップ（Ｓ１）と、
前記変換器装置（２０）の前記第２の入力デバイス（２２）を前記高電圧システム（５）の前記第２の電圧ドメイン（１６）に接続させるステップ（Ｓ２）と、
ＤＣ／ＤＣ変換器（２８）を使用して、前記第１の電圧ドメイン（１５）および前記第２の電圧ドメイン（１６）から前記変換器装置（２０）の出力デバイス（２５）に電力を伝送するステップ（Ｓ３）と
を含む方法。
前記第１の電圧ドメイン（１５）の第１の公称電圧値として、前記第２の電圧ドメイン（１６）の第２の公称電圧値の整数倍または有理数倍が使用されることを特徴とする請求項９に記載の操作方法。