JP5566538B2 - 制御可能なエネルギー蓄積器にある少なくとも２つのエネルギー蓄積器セル間でエネルギーを伝達するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、制御可能なエネルギー蓄積器にある少なくとも２つのエネルギー蓄積器セル間でエネルギーを伝達するための方法に関する。

将来は、風力発電施設のような定置的適用でも、ハイブリッド車両または電気自動車のような車両でも、新規のエネルギー蓄積技術を電気駆動技術と組み合わせた電子システムがますます使用されるようになることは明白である。従来の適用では、例えば三相誘導機として実施される電気機械が、インバータの形態の電力変換器を介して制御される。この種のシステムの特徴はいわゆる直流電圧中間回路であり、これを介してエネルギー蓄積器、通常はバッテリーがインバータの直流電圧側に接続されている。それぞれの適用に対して与えられる電力およびエネルギーに対する要求を満たすために、複数のバッテリーセルが直列に接続される。この種のエネルギー蓄積器により提供される電流はすべてのバッテリーセルを流れなければならず、１つのバッテリーセルは制限された電流しか導くことができないから、最大電流を高めるためにしばしば付加的なバッテリーセルが並列に接続される。

複数のバッテリーセルの直列回路は、全体電圧が高いという問題の他に、ただ１つのバッテリーセルが故障してもエネルギー蓄積器全体が故障してしまうという問題を抱えている。なぜならバッテリー電流がそれ以上流れることができないからである。そのようなエネルギー蓄積器の故障はシステム全体の故障につながり得る。車両での駆動バッテリーの故障は、車両の「立ち往生」につながり得る。他の適用、例えば風力発電施設のロータブレード調整では、不利な周辺条件が存在すると、例えば強風の場合、安全性を脅かす状況が発生することがある。したがってエネルギー蓄積器には常に高い信頼性が求められる。ここで「信頼性」とは、所定時間の間、エラー無しで動作することのできるシステムの能力を意味する。

特許文献１および特許文献２には、電気機械に直接接続することのできる複数のバッテリーモジュール系統を備えるバッテリーが記載されている。ここでバッテリーモジュール系統は直列に接続された複数のバッテリーモジュールを有し、各バッテリーモジュールは少なくとも１つのバッテリーセルと割り当てられた制御可能な結合ユニットとを有する。この結合ユニットにより、制御信号に依存してそれぞれのバッテリーモジュール系統を遮断することができ、またはそれぞれ割り当てられた少なくとも１つのバッテリーセルを橋絡することができ、またはそれぞれ割り当てられた少なくとも１つのバッテリーセルをそれぞれのバッテリーモジュール系統に接続することができる。結合ユニットを例えばパルス幅変調を用いて適切に制御することにより、適切な位相信号を電気機械の制御のために調達することもでき、したがって別個のパルスインバータを省略することができる。したがって電気機械の制御のために必要なパルスインバータはいわばバッテリーに組み込まれる。開示の目的で前記２つの特許文献の内容を本願に引用する。

ドイツ特許願第１０２０１００２７８５７号 ドイツ特許願第１０２０１００２７８６１号

本発明は、制御可能なエネルギー蓄積器にある少なくとも２つのエネルギー蓄積器セル間でエネルギーを伝達するための方法を提供するものであり、前記制御可能なエネルギー蓄積器は、ｎ相の電気機械（ただしｎ≧１）の制御および電気エネルギー供給に用いられる。ここで制御可能なエネルギー蓄積器はｎ個の並列なエネルギー供給分岐を含み、エネルギー供給分岐はそれぞれ少なくとも２つの直列に接続されたエネルギー蓄積器モジュールを有する。エネルギー蓄積器モジュールは、割り当てられた制御可能な結合ユニットを備えるそれぞれ少なくとも１つの電気エネルギー蓄積器セルを含む。エネルギー供給分岐は、一方では基準電位（以下、基準レールと称する）と、他方では電気機械のそれぞれの相と接続可能である。制御信号に依存して結合ユニットは、それぞれのエネルギー供給分岐を遮断するか、またはそれぞれ割り当てられたエネルギー蓄積器セルを橋絡するか、またはそれぞれ割り当てられたエネルギー蓄積器セルをそれぞれのエネルギー供給分岐に接続する。エネルギー蓄積器セルの少なくとも１つのエネルギーを少なくとも１つの別のエネルギー蓄積器セルに伝達するために、充電フェーズでは、エネルギー源として使用すべきエネルギー蓄積器モジュールのすべての結合ユニットが、それぞれ割り当てられたエネルギー蓄積器セルがそれぞれのエネルギー供給分岐に接続されるように制御される。エネルギー源として使用すべきエネルギー蓄積器モジュールのエネルギー供給分岐にあるが、自身はエネルギー源として使用すべきでないエネルギー蓄積器モジュールに割り当てられたすべての結合ユニットは、それぞれ割り当てられたエネルギー蓄積器セルが橋絡されるように制御される。充電すべきエネルギー蓄積器セルのエネルギー供給分岐にあるすべての結合ユニットは、それぞれ割り当てられたエネルギー蓄積器セルが橋絡されるように制御され、その他の結合ユニットはすべて、それぞれのエネルギー供給分岐が遮断されるように制御される。充電フェーズに続くフリーホイールフェーズでは、充電すべきエネルギー蓄積器セルに割り当てられたすべての結合ユニットが、割り当てられたエネルギー蓄積器セルがそれぞれのエネルギー供給分岐に接続されるように制御される。充電すべきエネルギー蓄積器セルのエネルギー供給分岐にあるが、自身は充電すべきでないエネルギー蓄積器セルに割り当てられたすべての結合ユニットは、それぞれ割り当てられたエネルギー蓄積器セルが橋絡されるように制御される。エネルギー源として使用すべきエネルギー蓄積器モジュールのすべての結合ユニットは、それぞれ割り当てられたエネルギー蓄積器セルがそれぞれのエネルギー供給分岐に接続されるように、またはそれぞれ割り当てられたエネルギー蓄積器セルが橋絡されるように制御される。エネルギー源として使用すべきエネルギー蓄積器モジュールのエネルギー供給分岐にあるが、自身はエネルギー源として使用すべきでないエネルギー蓄積器モジュールに割り当てられたすべての結合ユニットは、それぞれ割り当てられたエネルギー蓄積器セルが橋絡されるように制御され、他のすべての結合ユニットは、それぞれのエネルギー供給分岐が遮断されるように制御される。

本発明は、一方で結合ユニットを、他方で電気機械の固定子巻線を、個々のエネルギー蓄積器モジュール間の充電状態の適合（バランス化）のために使用し、これにより個々のエネルギー蓄積器モジュールにわたって所望の電荷分散を達成可能にするという技術思想に基づくものである。このことは、結合ユニットと固定子巻線とを充電フェーズではアップコンバータと同じように駆動し、固定子巻線にはエネルギー源として使用すべきでないエネルギー蓄積器モジュールからエネルギーが供給され、そこに蓄積され、引き続きこのエネルギーがフリーホイールフェーズでは充電すべきエネルギー蓄積器セルに送出されるようにして達成される。ここでは付加的なハードウエアの必要性は発生しない。したがって付加的なコストも付加的なスペース需要も生じない。

本発明の方法により、個々のエネルギー蓄積器モジュールのエネルギー蓄積器セルの充電も、複数のエネルギー蓄積器モジュールのエネルギー蓄積器セルの同時の充電も可能である。エネルギー源として、個々のエネルギー蓄積器モジュールのエネルギー蓄積器セルも、複数のエネルギー蓄積器モジュールのエネルギー蓄積器セルも使用することができる。多相電気機械の場合は、異なるエネルギー供給分岐にあるエネルギー蓄積器モジュールのエネルギー蓄積器セルも、同時にエネルギー源として用いることができ、または同時に充電することもできる。

電気機械のモータインダクタンスを共用する場合、充電過程中の電気機械における不所望のトルク形成を回避することもできる。このことは、電気機械を充電過程中に、例えばトランスミションロックリンクにより機械的にブロックすることにより実現できる。択一的に電気機械の回転子位置を例えば対応するセンサ系によって監視することもでき、回転子運動が検出される場合には遮断することができる。

本発明の実施形態のさらなる特徴および利点は、添付図面を参照した以下の説明から明らかになる。

制御可能なエネルギー供給部を有する、充電フェーズでの電気機械の概略図である。 図１の制御可能なエネルギー供給部を有する、フリーホイールフェーズでの電気機械の概略図である。

図１と２は、本発明の充電システムの概略を示す。３相電気機械１には制御可能なエネルギー蓄積器２が接続されている。制御可能なエネルギー蓄積器２は３つのエネルギー供給分岐３−１、３−２、３−３を含み、これらは一方では基準電位Ｔ−（基準レール）に、他方では電気機械１のそれぞれ個別の相Ｕ、Ｖ、Ｗに接続されている。基準電位Ｔ−は、図示の実施例では低電位である。各エネルギー供給分岐３−１、３−２、３−３は直列に接続されたｍ個のエネルギー蓄積器モジュール４−１１〜４−１ｍ、４−２１〜４−２ｍ、および４−３１〜４−３ｍを有し、ここでｍ≧２である。エネルギー蓄積器モジュール４はそれぞれさらに、直列に接続された複数の電気エネルギー蓄積器セルを含み、分かりやすくするためこれらのうち電気機械１の相ＵおよびＷと接続されたエネルギー供給分岐３−１、３−３にだけ参照符号５−１１〜５−１ｍおよび５−３１〜５−３ｍが付されている。エネルギー蓄積器モジュール４はさらにそれぞれ１つの結合ユニットを含み、この結合ユニットはそれぞれのエネルギー蓄積器モジュール４のエネルギー蓄積器セル５に割り当てられている。分かりやすくするために、エネルギー供給分岐３−１と３０３にある結合ユニットだけに参照符号６−１１〜６−１ｍおよび６−３１〜６−３ｍが付してある。図示の変形実施形態で結合ユニット６はそれぞれ２つの制御可能なスイッチング素子７−１１１と７−１１２〜７−１ｍ１および１−１ｍ、ないしは７−３１１および７−３１２〜７−３ｍ１および７−３ｍ２により形成される。ここでスイッチング素子は、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）またはＭＯＳＦＥＴ（酸化金属半導体電界効果トランジスタ）のような電力半導体スイッチとして構成することができる。

結合ユニット６を用い、結合ユニット６の２つのスイッチング素子７の開放によってそれぞれのエネルギー供給分岐３を遮断することができる。択一的にエネルギー蓄積器セル５を、結合ユニット６のスイッチング素子のそれぞれ１つの閉鎖、例えばスイッチ７−３１１の閉鎖によって橋絡するか、または例えばスイッチ７−３１２の閉鎖によってそれぞれのエネルギー供給分岐３に接続することができる。

エネルギー供給分岐３−１〜３−３の全体出力電圧は、結合ユニット６の制御可能なスイッチング素子７のそれぞれの切換状態によって決定され、ステップごとに調整することができる。ここでこのステップは、個々のエネルギー蓄積器モジュール４の電圧に依存して生じる。同形式に構成されたエネルギー蓄積器モジュール４の好ましい実施形態を前提にすれば、可能な最大全体出力電圧は、個々のエネルギー蓄積器モジュール４の電圧と、エネルギー供給分岐における直列に接続されたエネルギー蓄積器モジュール４の数との掛け算により得られる。

したがって結合ユニット６により、電気機械１の相Ｕ、Ｖ、Ｗを高基準電位または低基準電位に接続することができ、公知のインバータの機能も満たすことができる。これにより結合ユニット６を適切に制御すれば、制御可能な第１のエネルギー蓄積器２によって電気機械１の電力および動作モードを制御することができる。したがって制御可能な第１のエネルギー蓄積器２は二重機能を満たす。なぜなら一方では電気エネルギー供給に用いられ、他方では電気機械１の制御に用いられるからである。

電気機械１は固定子巻線８−Ｕ、８−Ｖおよび８−Ｗを有し、これらは公知のように星形回路で互いに接続されている。

電気機械１は、図示の実施例では３相交流機械として構成されているが、３相よりも少ない相または多い相を有することもできる。もちろん制御可能な第１のエネルギー蓄積器２にあるエネルギー供給分岐の数も電気機械の相数に適合される。

図示の実施形で各エネルギー蓄積器モジュール４は、直列に接続された複数のエネルギー蓄積器セル５を有する。しかし択一的にエネルギー蓄積器モジュール４は、それぞれただ１つのエネルギー蓄積器セルまたは並列に接続されたエネルギー蓄積器セルを有することもできる。

図示の実施例で結合ユニット６はそれぞれ、２つの制御可能なスイッチング素子７によって形成される。しかし必要な機能（エネルギー供給分岐の遮断、エネルギー蓄積器セルの橋絡、およびエネルギー蓄積器セルのエネルギー供給分岐への接続）が実現可能であれば、結合ユニット６はそれ以上またはそれ以下の制御可能なスイッチング素子によっても実現することができる。例えば結合ユニットの択一的な構成は、特許文献１および特許文献２から得られる。さらに結合ユニットがフルブリッジ回路にスイッチング素子を有することも考えられる。これはエネルギー蓄積器モジュールの出力端における電圧反転の付加的な手段を提供する。

以下例として、個々のエネルギー蓄積器モジュール４のエネルギー蓄積器セル、すなわちエネルギー供給分岐３−３にあるエネルギー蓄積器モジュール４−３ｍのエネルギー蓄積器セル５−３１ｍの充電過程を説明する。ここでは個々のエネルギー蓄積器モジュール４のエネルギー蓄積器セル５だけが、すなわちエネルギー供給分岐３−１にあるエネルギー蓄積器モジュール４−１１のエネルギー蓄積器セル５−１１だけがエネルギー源として使用される。

図１に示された充電フェーズ中に、エネルギー源として用いられるエネルギー蓄積器モジュール４−１１の結合ユニット６−１１が、図示しない制御ユニットによって、それぞれ割り当てられたエネルギー蓄積器セル５−１１がエネルギー供給分岐３−１に接続されるように制御される。このことは具体的には、スイッチング素子７−１１２が閉鎖され、これに対してスイッチング素子７−１１１が開放されることによって達成される。エネルギー供給分岐３−１にある他のすべての結合ユニット６−１２〜６−１ｍは、それぞれ割り当てられたエネルギー蓄積器セル５−１２〜５−１ｍが橋絡されるように制御される。このことは具体的には、スイッチング素子７−１２１〜７−１ｍ１が閉鎖され、これに対してスイッチング素子７−１２２〜７−１ｍ２が開放されることによって達成される。充電すべきエネルギー蓄積器セル５−３ｍも存在しているエネルギー供給分岐３−３にあるエネルギー蓄積器モジュール４−３１〜４−３ｍの結合ユニット６−３１〜６−３ｍは、図示しない制御ユニットによって、それぞれ割り当てられたエネルギー蓄積器セル５−３１から５−３ｍが橋絡されるように制御される。このことは具体的には、スイッチング素子７−３１１〜７−３ｍが閉鎖され、これに対してスイッチング素子７−３１２〜７−３ｍ２が開放されることによって達成される。他のすべての結合ユニット、すなわちエネルギー供給分岐３−２のエネルギー蓄積器モジュール４にあるすべての結合ユニット６は、エネルギー供給分岐３−２が遮断されるように制御される。具体的にはこのことは、結合ユニット６のそれぞれ２つのスイッチング素子７が開放することによって達成される。

結合ユニット６のこの種の制御によって電流が固定子巻線８−Ｕと８−Ｗに流れ、充電フェーズ中に電気エネルギーが固定子巻線８−Ｕと８−Ｗに蓄積される。

図２に示すように充電フェーズに続くフリーホイールフェーズでは、充電すべきエネルギー蓄積器セル５−３ｍに割り当てられた結合ユニット６−３ｍが、割り当てられたエネルギー蓄積器セル５−３ｍがエネルギー供給分岐３−３に接続されるように制御される。このことは具体的には、スイッチング素子７−３ｍ２が閉鎖され、スイッチング素子７−３ｍ１が開放されることによって達成される。充電すべきエネルギー蓄積器セル５−３ｍのエネルギー供給分岐３−３にあるが、自身は充電すべきでないエネルギー蓄積器セル５に割り当てられた他のすべての結合ユニット６−３１〜６−３（ｍ−１）は、それぞれ割り当てられたエネルギー蓄積器セル５−３１〜５−３（ｍ−１）が橋絡されるように制御される（スイッチング素子７−３１１〜７−３（ｍ−１）の閉鎖とスイッチング素子７−３１２〜７−３（ｍ−１）２の開放）。エネルギー源として使用されるエネルギー蓄積器モジュール４−１１の結合ユニット６−１１は、図示のように、割り当てられたエネルギー蓄積器セル５−１１がそのままエネルギー供給分岐３−１に接続されているように制御することができる。このことの利点は、エネルギー蓄積器セル５−１１がエネルギー蓄積器セル５−３ｍの充電に直接寄与することである。しかしこれとは択一的にエネルギー蓄積器モジュール４−１１の結合ユニット６−１１は、フリーホイールフェーズで、割り当てられたエネルギー蓄積器セル５−１１が橋絡されるように制御することもできる。この場合、充電すべきエネルギー蓄積器セル５−３ｍの充電は、もっぱら固定子巻線８−Ｕと８−Ｗのインダクタンスから行われる。エネルギー源として使用されるエネルギー蓄積器モジュール４−１１のエネルギー供給分岐３−１にある他のすべての結合ユニット６−１２〜６−１ｍは、それぞれ割り当てられたエネルギー蓄積器セル５−１２〜５−１ｍが橋絡されるように制御される。他のすべての結合ユニット６、すなわちエネルギー供給分岐３−２のエネルギー蓄積器モジュール４にあるすべての結合ユニット６は、エネルギー供給分岐３−２が遮断されるように制御される。

結合ユニット６のこの種の制御により、固定子巻線８−Ｕと８−Ｗは充電すべきエネルギー蓄積器セル５−３ｍに接続される。ここで固定子巻線８−Ｕと８−Ｗのインダクタンスは電流をさらに導き、このようにしてエネルギー蓄積器セル５−３ｍを充電する。図２に示すように、フリーホイールフェーズでエネルギー源として用いられるエネルギー蓄積器セル５がそれぞれのエネルギー供給分岐３に依然として接続されている場合、これらも充電すべきエネルギー蓄積器セル５の充電に直接寄与する。

充放電過程中に電気機械に不所望のトルクが形成されるのを回避するために、充電過程中に電気機械１を例えばトランスミッションロックリンクにより機械的にブロックすることができる。択一的に電気機械１の回転子位置を例えば対応するセンサ系によって監視することもでき、回転子運動が検出される場合には遮断することができる。

Claims (3)

1. 制御可能なエネルギー蓄積器（２）にある少なくとも２つのエネルギー蓄積器セル（５）間でエネルギーを伝達するための方法であって、前記制御可能なエネルギー蓄積器は、ｎ相の電気機械（１）の制御および電気エネルギー供給に用いられ、ただしｎ≧２であり、
   前記制御可能なエネルギー蓄積器（２）は、並列に接続されたｎ個のエネルギー供給分岐（３−１、３−２、３−３）を有し、
   該エネルギー供給分岐は、
   ・それぞれ直列に接続された少なくとも２つのエネルギー蓄積器モジュール（４）を有し、該エネルギー蓄積器モジュールは、割り当てられた制御可能な結合ユニット（６）を備えるそれぞれ少なくとも１つの電気エネルギー蓄積器セル（５）を含み、
   ・一方で基準レール（Ｔ−）と接続されており、
   ・他方で前記電気機械（１）のそれぞれの相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）と接続されており、
   前記結合ユニット（６）は、制御信号に依存して、それぞれのエネルギー供給分岐（３−１、３−２、３−３）を遮断するか、またはそれぞれ割り当てられたエネルギー蓄積器セル（５）を橋絡するか、またはそれぞれ割り当てられたエネルギー蓄積器セル（５）をそれぞれのエネルギー供給分岐（３−１、３−２、３−３）に接続する方法において、
   充電フェーズでは、
   ・エネルギー源として使用すべきエネルギー蓄積器モジュール（４−１１）の結合ユニット（６−１１）が、割り当てられたエネルギー蓄積器セル（５−１１）がエネルギー供給分岐（３−１）に接続されるように制御され、
   ・エネルギー源として使用すべきエネルギー蓄積器モジュール（４）のエネルギー供給分岐（３−１）にある結合ユニット（６−１２〜６−１ｍ）であって、エネルギー源として使用すべきでないエネルギー蓄積器モジュール（４）に割り当てられたすべての前記結合ユニット（６−１２〜６−１ｍ）が、それぞれ割り当てられたエネルギー蓄積器セル（５−１２〜５−１ｍ）が橋絡されるように制御され、
   ・充電すべきエネルギー蓄積器セル（５−３ｍ）のエネルギー供給分岐（３−３）にあるすべての結合ユニット（６−３１〜６−３ｍ）が、それぞれ割り当てられたエネルギー蓄積器セル（５−３１〜５−３ｍ）が橋絡されるように制御され、
   ・残りのすべての結合ユニット（６）が、それぞれエネルギー供給分岐（３−２）が遮断されるように制御され、
   前記充電フェーズに続くフリーホイールフェーズでは、
   ・充電すべきエネルギー蓄積器セル（５−３ｍ）に割り当てられた結合ユニット（６−３ｍ）が、前記割り当てられたエネルギー蓄積器セル（５−３ｍ）がエネルギー供給分岐（３−３）に接続されるように制御され、
   ・充電すべきエネルギー蓄積器セル（５−３ｍ）のエネルギー供給分岐（３−３）にある結合ユニット（６−３１〜６−３（ｍ−１））であって、充電すべきでないエネルギー蓄積器セル（５）に割り当てられたすべての前記結合ユニット（６−３１〜６−３（ｍ−１））が、それぞれ割り当てられたエネルギー蓄積器セル（５−３１〜５−３（ｍ−１））が橋絡されるように制御され、
   ・エネルギー源として使用すべきエネルギー蓄積器モジュール（４−１１）の結合ユニット（６−１１）が、割り当てられたエネルギー蓄積器セル（５−１１）が、エネルギー供給分岐（３−１）に接続されるか、または割り当てられたエネルギー蓄積器セル（５−１１）が橋絡されるように制御され、
   ・エネルギー源として使用すべきエネルギー蓄積器モジュール（４）のエネルギー供給分岐（３−１）にある結合ユニット（６−１２〜６−１ｍ）であって、エネルギー源として使用すべきでないエネルギー蓄積器モジュール（４）に割り当てられたすべての前記結合ユニット（６−１２〜６−１ｍ）が、それぞれ割り当てられたエネルギー蓄積器セル（５−１２〜５−１ｍ）が橋絡されるように制御され、
   ・他のすべての結合ユニット（６）が、それぞれのエネルギー供給分岐（３−２）が遮断されるように制御される、方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、
   前記電気機械（１）は、充放電過程中に機械的にブロックされる方法。
3. 請求項１に記載の方法であって、
   前記電気機械（１）の回転子位置が監視され、回転運動が検知された場合には遮断される方法。

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