JP5986317B2 - 切替可能なエネルギー貯蔵装置、および、切替可能なエネルギー貯蔵装置を駆動する方法 - Google Patents

Description

本発明は、切替可能なエネルギー貯蔵装置、および、切替可能なエネルギー貯蔵装置を駆動する方法に関する。

従来技術では、例えば定置型の適用（例えば、風力発電所）において、および、車両（例えば、ハイブリッド自動車または電気自動車）内で使用するために設けられ、新しいバッテリ技術が公知の電気的駆動技術と組み合されるパワーエレクトロニクスシステムが公知である。このようなシステムは、例えばパルスインバータを備え、このパルスインバータによって、電動機（例えば誘導機）にエネルギーが供給される。このようなシステムで典型的なものは直流電圧中間回路であり、この直流電圧中間回路を介して、バッテリはインバータの直流電圧側に接続される。バッテリが、必要な電力データおよびエネルギーデータを提供できるように、個々のバッテリセルは直列に接続され、追加的に部分的に並列に接続される。

独国特許出願公開第１０２０１００４１０５９号明細書は、制御可能なエネルギー貯蔵装置であって、ｎ相電動機（ｎ≧１）の制御および電気エネルギー供給に役立つ上記エネルギー貯蔵装置のエネルギー供給支線の目標出力電圧を調整する方法を開示している。その際に、制御可能なエネルギー貯蔵装置は、直列接続された少なくとも２個のエネルギー貯蔵モジュールをそれぞれが有するｎ個のエネルギー供給支線を有し、エネルギー貯蔵モジュール自体はそれぞれ、制御可能な結合ユニットが割り当てられた少なくとも１個のエネルギー貯蔵セルを備える。エネルギー貯蔵モジュールは、一方では基準バスと接続され、他方では、電動機の各相と接続される。

本発明は、第１の観点によれば、直列接続された少なくとも２つのエネルギー貯蔵モジュールを有する切替可能なエネルギー貯蔵装置であって、各エネルギー貯蔵モジュールは、半導体スイッチにより作動電流回路に接続可能な少なくとも１つの電気エネルギー貯蔵セルを備える、上記切替可能なエネルギー貯蔵装置を創出する。エネルギー貯蔵装置は、エネルギー貯蔵セルを充電するための、電気的に絶縁された（ｇａｌｖａｎｉｓｃｈ ｇｅｔｒｅｎｎｔ）誘導的な結合素子を有することを特徴とする。

第２の観点によれば、本発明は、直列接続された少なくとも２つのエネルギー貯蔵モジュール有する切替可能なエネルギー貯蔵装置を駆動する方法であって、各エネルギー貯蔵モジュールは、半導体スイッチにより作動電流回路に接続可能な少なくとも１つの電気エネルギー貯蔵セルを備え、エネルギー貯蔵装置は、電気的に絶縁された誘導的な結合素子を有する、上記方法において、
−結合素子の一次巻線に電気的な交流信号を印加する工程と、
−結合素子の二次側に配置された、エネルギー貯蔵モジュールの半導体スイッチを、二次側の交流信号の少なくとも半波がエネルギー貯蔵モジュールのエネルギー貯蔵セルの充電のために利用されるように、切り替える工程と、
を有する上記方法を創出する。

本発明の好適な実施形態は、従属請求項の主題である。

エネルギー貯蔵装置の好適な実施形態は、結合素子が変成器として構成されるという点で卓越している。このことには、変成器の原理を介して、一次側での電力供給によって、エネルギー貯蔵セルのための電気的な充電量がもたらされるという利点がある。一次側のエネルギー源の構成に関して、構成上の余地は大きい。

エネルギー貯蔵装置のさらなる別の好適な実施形態は、変成器の一次巻線が、エネルギー貯蔵装置の作動電流回路内のインダクタ上に、不変的にまたは着脱可能に配置されるという点で卓越している。これにより、チョークコイル（Ｄｒｏｓｓｅｌ）の形態による変成器の既存の二次巻線は、エネルギー貯蔵装置の通常駆動時に利用可能であり、これに対して、変成器の一次側は、エネルギー貯蔵装置の充電駆動時のみ利用される。変成器を実現するために、エネルギー貯蔵装置の作動電流回路内の既存のインダクタに、第２の巻線を取り付けるということが構想されうる。既存のインダクタが無いシステムでは、充電駆動のために、作動電流回路内に変成器一式を配置する必要があるであろう。

エネルギー貯蔵装置の好適な実施形態は、エネルギー貯蔵モジュールの半導体スイッチが、充電電流のための整流機能を果たすという点で卓越している。このことによって、充電装置について、整流器の機能を省くことができるという利点がもたらされる。なぜならば、この整流器の機能は、既にエネルギー貯蔵装置に備わっているからである。これに従って、充電装置は有利に、技術的には簡素に、したがってより安価に構成されうる。

エネルギー貯蔵装置の有利な実施形態は、半導体スイッチが、ハーフブリッジ回路またはフルブリッジ回路の形態により配置されることを特徴とする。このようにして、半導体スイッチを回路構成として構成することによって、少なくとも半波または完全な交流信号が、電気エネルギー貯蔵セルの充電のために利用されうる。

エネルギー貯蔵装置の有利な実施形態は、エネルギー貯蔵装置が、エネルギー貯蔵モジュールが直列に接続されたストリングであって、可変数の並列接続された上記ストリングを有することを特徴とする。有利に、このようにして、エネルギー貯蔵装置は、モジュールの形態により、ストリングを追加して拡張することが可能である。

エネルギー貯蔵装置の有利な発展形態は、ストリングごとに、直列に入るインダクタが提供されるという点で卓越している。これにより有利に、基本的に電圧が同じではないストリングの並列接続をサポートするという、エネルギー貯蔵装置のための電力制限対策が用意される。

エネルギー貯蔵装置の好適な実施形態は、インダクタが、ストリングの線路インダクダンスとして、または、追加的なディスクリート・インダクタとして構成されるという点で卓越している。これにより有利に、インダクタを実現するための様々な可能性が生まれる。

エネルギー貯蔵装置の好適な実施形態は、結合素子の一次巻線が、結合素子の二次巻線と間隔を取って、空隙を介して離して配置されることを特徴とする。有利に、バッテリセルのワイヤレス充電（「Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｈａｒｇｉｎｇ」）が可能となる。

本発明に係る方法の有利な発展形態は、充電の間、コンデンサの中間回路電圧が必要ではない場合については、電流が、駆動制御素子を用いて、エネルギー貯蔵装置のコンデンサを通さずに案内されることを構想する。これにより、コンデンサのところで抵抗損が生じないという趣旨でコンデンサが保護され、これにより有利に、コンデンサのより安価な設計がサポートされる。

本発明では、エネルギー貯蔵装置またはバッテリダイレクトインバータの既存のインダクタが、本発明に基づいて、変成器へと拡張して装備され、または機能が変更され、これにより、簡単なやり方でエネルギー貯蔵セルの非接触式充電がサポートされることが、特に有利であるとして見なされる。例えば、通常の走行駆動時には、変成器の一次側は解放されたままであるのに対し、充電過程の間には、変成器は一次側でエネルギー供給される。充電装置の機能は、バッテリダイレクトインバータによって既に大部分が提供され、したがって、エネルギー貯蔵セルの充電のために、簡素に設計された充電装置を利用することが可能である。

以下では、本発明のさらなる別の特徴および利点を、実施形態を用いて、図面を参照しながら解説することにする。その際に、記載されまたは提示される全ての特徴は、それ自体がまたは任意の組み合わせにおいて、特許請求の範囲または請求項の従属関係における上記特徴についての要約とは独立して、および、明細書の記載または図面における上記特徴の記載または記述とは独立して、本発明の主題となる。図面は特に、本発明の基本的な原則を明確にするために考えられており、必ずしも詳細に忠実な回路図ではないと理解されたい。図面では、同じ符号は、同じまたは機能的に同じ構成要素を示している。

従来技術による電動機を駆動制御するための切替可能な電気エネルギー貯蔵装置の原則的な図を示す。 電動機を駆動制御するためのさらなる別の切替可能な電気エネルギー貯蔵装置の原則的な図を示す。 充電過程の１の段階における本発明に係る切り替え可能なエネルギー貯蔵装置の第１の実施形態の原則的な図を示す。 充電過程の他の段階における本発明に係る切り替え可能なエネルギー貯蔵装置の第１の実施形態の原則的な図を示す。 本発明に係る切替可能なエネルギー貯蔵装置のさらなる別の実施形態の原則的な図を示す。 本発明に係る切替可能なエネルギー貯蔵装置のさらなる別の実施形態の原則的な図を示す。

図１は、従来の切り替え可能なエネルギー貯蔵装置１０の原則的な図を示す。その際に、複数の電気エネルギー貯蔵セル３（例えば、再充電可能なアキュムレータセル）が直列に接続され、当該電気エネルギー貯蔵セル３の総電圧Ｕは、直流電圧回路のコンデンサ８によって蓄えられる。有利にパルスインバータとして構成された電子的な駆動素子６が設けられ、三相電動機７（誘導機）のための位相が、半導体スイッチを交互に開閉することによって生成される。バッテリが、必要とされる電力データおよびエネルギーデータを提供できるように、個々のエネルギー貯蔵セル３は、部分的に追加的に並列に接続される。したがって、エネルギー貯蔵セル３の充電のために設けられる充電装置（図示せず）は、全バッテリの総電圧範囲をカバーできる必要がある。

図２は、１ストリング（シングル・ストリング）のバッテリダイレクトインバータの形態による、電動機のエネルギー的な駆動制御のために利用される制御可能または切替可能なエネルギー貯蔵装置１０の他の実施形態を示す。エネルギー貯蔵装置１０は、少なくとも１つのストリング１１を有し、この少なくとも１つのストリング１１内では、２つのエネルギー貯蔵モジュール１が直列に接続されている。各エネルギー貯蔵モジュール１は、半導体スイッチ２によって作動電流回路に接続可能な電気エネルギー貯蔵セル３を有する。これにより、半導体スイッチ２の切替過程を変更することによって、可変的な電圧を、エネルギー貯蔵装置１０の出力電圧として提供することが可能である。

出力電圧によって流される電流は、好適に性能に応じて厳密に寸法が定められたチョークコイルとして構成されるインダクタ４を介して流れ、その際、インダクタ４は、コンデンサ８の電流制限のために設けられる。コンデンサ８は、エネルギー貯蔵装置１０の同期された（ｇｅｔａｋｔｅｔ）駆動を可能とするために設けられる。その際に、エネルギー貯蔵装置１０の出力電圧は、電子的な駆動制御素子６（例えば、ＰＷＭ（パルス幅変調）インバータ）に供給される。駆動制御素子６は、電動機７のための三相の電圧を生成する。

本発明によれば、エネルギー貯蔵モジュール１内でエネルギー貯蔵セル３の非接触式充電が可能であるように、インダクタ４を拡張して装備し、または変更することが構想される。

この目的のために、図３ａから分かるように、インダクタ４には第２の巻線が備えられ、これにより結合素子５が提供される。結合素子５は、互いに電気的に絶縁された２つの回路を有する変成器に相当する。結合素子５の一次側は、電気的な交流信号源を結合するために利用されうる。その際に、一次側の交流信号源のために非常に多様なソースが構想されうる。インダクタ４は、さらなる別の巻線と磁気的に結合され、したがって、巻き数に従って、２つの巻線の間で変成器的な相互作用が生じる。以下では、エネルギー源に取り付けられる巻線を「一次側」と称し、電気的エネルギー貯蔵装置１０の作動電流回路と電気的に接続される、結合素子５の巻線を「二次側」と称する。

図３ａによって、正弦波形状の出力値を有する交流電流源についての充電過程の例が示される。正の半波の間、図３ａに係る電流は、充電されるエネルギー貯蔵セル３内へと流れ、または、充電されないエネルギー貯蔵セル３を通らずに流れる。矢印によって、充電電流の方向が示される。その際に、充電電流は、コンデンサ８を介して、または、電子的駆動素子６のダイオード（図示せず）を介して流れる。ストリング１１の総出力電圧は、個々のエネルギー貯蔵モジュール１の半導体スイッチ２の、外部から制御可能な切替状態によって決定され、段階的な調整が可能である。出力電圧の等級は、個々のモジュールの電圧から得られる。最大可能な総電圧は、モジュール電圧に、ストリング１１ごとに存在するエネルギー貯蔵モジュール１の数を積算することによりと得られる。

充電過程の間に、コンデンサ８の中間回路電圧が必要とされない場合には、効率を上げるために、エネルギー貯蔵モジュール１のハーフブリッジの全ての半導体スイッチ２を接続することも可能であり、これにより、低インピーダンスの電流経路が実現される。このように、コンデンサ８は、性能に応じて有利によりグレードを下げて、したがって安価に構成されうる。

図３ｂによって、充電電流の負の半波についての充電過程が示され、その際に、電流の方向が矢印によって示されている。この場合、電流は、エネルギー貯蔵モジュール１の全てのエネルギー貯蔵セル３を通さずに案内される。回路は、ここでも、コンデンサ８を介して、または駆動制御素子６のダイオードを介して閉じている。第１の場合にはコンデンサ８が充電され、追加的な電荷が、次の正の半波の際にストリング１１へと放出され、したがって、平均的な中間回路電圧が基本的に一定に保たれる。駆動制御素子６が、２つの半波について低インピーダンスの電流経路として利用される場合には、コンデンサ８は関与せず、これに伴い、コンデンサに掛かる交流電流による負荷が無くなる。したがって、本変形例は、中間回路コンデンサ８の無い切替可能なエネルギー貯蔵装置１１に適している。

図３ａおよび図３ｂでは、整流する駆動制御素子６、すなわち同期された駆動制御素子６を備えるシステムが、そのために必要なコンデンサ８と共に示されたが、本発明は、エネルギー貯蔵装置１０の、整流しない駆動形態のためにも利用される。第２の場合にはコンデンサ８が無く、したがって、通常の（走行）駆動時に、電流制限のためのインダクタ４も必要ではない。したがって、エネルギー貯蔵装置１０の充電駆動時には、インダクタ４に一次巻線を装備するだけでは済まず、本発明に係る結合素子５を完全な形で提供する必要がある。

図３ａおよび図３ｂで、結合素子５の一次側に示された交流電流源は、ＤＣ（直流電流）源から結合素子５を介したエネルギー伝送を可能とする様々な種類のＤＣ／ＡＣコンバータ（ハーフブリッジ、フルブリッジ等）を用いて拡張することが可能である。その際に、ＤＣ源は、太陽電池、１４Ｖバッテリ等の、様々に電力供給するエネルギー源を代表している。

同様に、結合素子５の一次側では電流源に限定されない。ここでは、ＡＣ（交流）電圧源も利用することが可能であろうし、この場合には、充電電流は、一次側での振幅またはデューティサイクルの制御を介して調整することが可能である。

本発明に係る結合素子５により提供されるガルバニ絶縁、および、変成器的な結合によって、エネルギー貯蔵装置１０は、有利に非常にフレキシブルに、様々な一次側に対して適合されうる。さらに、これにより、例えば、標準化された一次側のエネルギー源を用いて、エネルギー貯蔵装置１０を、様々なモジュール電圧で充電することが可能である。代替的に、結合素子５の一次側は、エネルギー貯蔵装置１０の外部に局地的に存在してもよい。したがって、例えば、一次側を、二次側から定められた間隔を取って配置することが構想可能であり、これにより、電気自動車の所謂「非接触式充電」または「ワイヤレス充電（“Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｈａｒｇｉｎｇ”）」が可能である。

本実施形態では、変成器の一次巻線は、空隙を介して、充電回路の二次巻線／チョークコイルから一定の間隔を取って離れたところに存在する。これにより、エネルギー貯蔵装置１０のチョークコイルまたはインダクタ４は、ワイヤレス充電（例えば、電気自動車またはハイブリッド自動車の共鳴式充電）の際に、受信用コイルとして一緒に利用することが可能である。エネルギー貯蔵モジュール１の半導体スイッチ２は、この場合にも整流器の機能を果たし、したがって、電気エネルギー貯蔵装置１０は、「ワイヤレス充電」システムの二次側も備えている。

図３ａおよび図３ｂによって、例として、個々のエネルギー貯蔵モジュール１が充電された。当然のことながら、充電されるエネルギー貯蔵モジュール１を変更することも可能であり、これにより、負荷、および／または、発熱、および／または充電状態が補正される。したがって、例えば、場合によっては正規化された一定の交流量ソースを用いて、（例えば、セル数、最大電力等に関して）様々な大きさのエネルギー貯蔵装置１０を充電することが可能である。

本発明は、有利に、これまで示した、エネルギー貯蔵モジュール１の、半導体スイッチ２により形成されるハーフブリッジに限定されない。先に記載した全ての実施形態は、フルブリッジを用いても駆動可能である。これにより、エネルギー貯蔵モジュール１の充電のために、有利に、正の半波も、負の半波も利用することが可能である。

図４は、このようなシステムの原則的な図を示している。バッテリダイレクトインバータのストリング１１での所望の直流電圧に従って、エネルギー貯蔵モジュール１は、充電電流回路内で互いに独立して接続されうる。フルブリッジの半導体スイッチ２のポジションに従って、エネルギー貯蔵モジュール１は、バイパスが付けられ、または、正の半波および／または負の半波により充電される。より分かり易いように、図４のエネルギー貯蔵モジュール１では全ての半導体スイッチ２が解放された状態で示されている。

図５から分かるように、本発明は、１個のストリング１１には制限されず、任意の数の並列接続されたストリング１１であって、有利に同時に個別に充電可能な上記ストリング１１へと拡張される。例として図５には、２つの並列のストリング１１を備えたシステムが示されている。より分かり易いように、ここでは、エネルギー貯蔵セル１内の個々の要素には符号が付されていない。個々のストリング１１への総充電電流の分配は、ストリング１１ごとの作動されるエネルギー貯蔵モジュール１の割合によって調整される。ストリング１１の並列接続のために、個々のストリング１１について直列に入るインダクタ４が考慮され、このインダクタ４は、ストリング１１の構成または接続から獲得され、または、追加的なチョークコイルを介して実現可能である。

エネルギー貯蔵装置１０のエネルギー貯蔵モジュール１のエネルギー貯蔵セル３を充電するための本発明に係る方法は、例えば、コンピュータプログラム製品として実装されてもよく、その際に、コンピュータプログラム製品は、例えば、ハードウェアまたはソフトウェアとして制御素子内（図示せず）で実行されてよい。

以上、本発明によって、有利に簡単なやり方でバッテリダイレクトインバータのエネルギー貯蔵セルの非接触式充電が可能な方法および装置が提案される。その際に、充電装置の機能は、既に大部分がバッテリダイレクトインバータ内で実現されており、したがって、エネルギー貯蔵セルの充電のために接続される充電装置は、有利に対応して、機能または性能を低くして構成することが可能である。

有利に、これにより、バッテリダイレクトインバータシステムの側では追加的な構成要素は必要ではなく、コスト、設置空間、および重量が有利に削減される。電気的に絶縁された結合によってさらに、有利に、一次側で電力供給するエネルギー源の選択の可能性が大きくなり、その際に、最小限に必要なものとして、ガルバニ絶縁にバイパスを付けるための交流量を提供することのみ構想すればよい。例えば、一次巻線を、充電過程のためのみに取り付け、または不変的に設けることが構想可能であり、その際に、第２の場合には、走行駆動時に一次側の巻線は解放されたままであってもよい。

バッテリダイレクトインバータの作動電流回路の、性能に応じて厳密に寸法が定められたチョークコイルまたはインダクタによって、本発明に基づき電気的に絶縁された誘導結合の可能性を提供するために、追加的な巻線の形態での僅かな追加コストのみ設ければよい。

好適な実施例を用いて本発明を記載してきたが、本発明は当該実施例に限定されない。すなわち、当業者は、本発明の本質を逸脱することなく、記載された本発明の特徴を変更し、または互いに組み合わせることが可能である。

１ エネルギー貯蔵モジュール
２ 半導体スイッチ
３ エネルギー貯蔵セル
４ インダクタ
５ 結合素子
６ 駆動制御素子
７ モータ
８ コンデンサ
１０ エネルギー貯蔵装置
１１ ストリング
２０ システム

Claims (11)

1. 直列接続された少なくとも２つのエネルギー貯蔵モジュール（１）を有するエネルギー貯蔵装置（１０）であって、各エネルギー貯蔵モジュール（１）は、半導体スイッチ（２）により作動電流回路に接続可能な少なくとも１つの電気エネルギー貯蔵セル（３）を備える、前記エネルギー貯蔵装置（１０）において、
   前記エネルギー貯蔵装置（１０）は、前記電気エネルギー貯蔵セル（３）を充電するための結合素子（５）を有し、
   前記結合素子（５）は、変成器であり、
   前記エネルギー貯蔵モジュール（１）の前記半導体スイッチ（２）は、充電電流のための整流機能を果たすことを特徴とする、エネルギー貯蔵装置（１０）。
2. 前記変成器の一次巻線は、前記エネルギー貯蔵装置（１０）の前記作動電流回路内のインダクタ（４）上に、不変的にまたは着脱可能に配置されることを特徴とする、請求項１に記載のエネルギー貯蔵装置（１０）。
3. 前記半導体スイッチ（２）は、ハーフブリッジ回路またはフルブリッジ回路の形態により配置されることを特徴とする、請求項１、または２に記載のエネルギー貯蔵装置（１０）。
4. 前記エネルギー貯蔵装置（１０）は、エネルギー貯蔵モジュール（１）が直列に接続されたストリング（１１）であって、可変数の並列接続された前記ストリング（１１）を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のエネルギー貯蔵装置（１０）。
5. 前記ストリング（１１）ごとに、直列に接続されるインダクタ（４）が設けられることを特徴とする、請求項４に記載のエネルギー貯蔵装置（１０）。
6. 前記インダクタ（４）は、前記ストリング（１１）の導線のインダクタンスとして、または、追加的なディスクリート・インダクタ（４）として構成されることを特徴とする、請求項５に記載のエネルギー貯蔵装置（１０）。
7. 前記結合素子（５）の一次巻線は、前記結合素子（５）の二次巻線と間隔を取って、空隙を介して離して配置されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載のエネルギー貯蔵装置（１０）。
8. 直列接続された少なくとも２つのエネルギー貯蔵モジュール（１）有するエネルギー貯蔵装置（１０）を駆動する方法であって、各エネルギー貯蔵モジュール（１）は、半導体スイッチ（２）により作動電流回路に接続可能な少なくとも１つの電気エネルギー貯蔵セル（３）を備え、前記エネルギー貯蔵装置（１０）は、結合素子（５）を有し、前記結合素子（５）は、変成器である、前記方法において、
   −前記結合素子（５）の一次巻線に電気的な交流信号を印加する工程と、
   −前記結合素子（５）の二次側に配置された、前記エネルギー貯蔵モジュール（１）の前記半導体スイッチ（２）を、二次側の前記交流信号の少なくとも半波が前記エネルギー貯蔵モジュール（１）の前記電気エネルギー貯蔵セル（３）の充電のために利用されるように、切り替える工程と、
   を有し、
   前記充電の間、コンデンサ（８）の中間回路電圧が必要ではない場合には、電流が、駆動制御素子（６）を用いて、前記エネルギー貯蔵装置（１０）のコンデンサ（８）を通さずに案内される、方法。
9. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の制御可能なエネルギー貯蔵装置（１０）を備えたシステムであって、
   前記システムは、充電装置をさらに有し、前記充電装置によって、前記エネルギー貯蔵装置（１０）の電気エネルギー貯蔵セル（３）が充電可能であり、
   前記エネルギー貯蔵装置（１０）は、前記充電装置の二次側の機能を果たす、システム。
10. 前記エネルギー貯蔵装置（１０）の半導体スイッチ（２）は、前記充電装置の整流器として利用されることを特徴とする、請求項９に記載のシステム。
11. 請求項８に記載の方法を実行するためのプログラムが記録された、コンピュータ読み取り可能な記録媒体。
    
    

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