JP6251404B2

JP6251404B2 - 電気化学的な蓄電池結合体

Info

Publication number: JP6251404B2
Application number: JP2016545870A
Authority: JP
Inventors: ブッツマン、シュテファン
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-01-10
Filing date: 2014-12-30
Publication date: 2017-12-20
Anticipated expiration: 2034-12-30
Also published as: DE102014200336A1; EP3092148B1; EP3092148A1; JP2017504299A; US20160332528A1; US10232728B2; CN105873794A; CN105873794B; WO2015104200A1; KR20160106597A

Description

本発明は、複数の電気化学的な蓄電池モジュールを含む電気化学的な蓄電池結合体に関する。特に本発明は、不均一な充電状態又は望まれぬ循環電流を生じさせることなく、蓄電池モジュールの並列に接続された複数の線を駆動するよう構成された電気化学的な蓄電池結合体に関する。

従来技術では、結合ユニットとしてのシングルのハーフブリッジ又はフルブリッジを備えた電気化学的な蓄電池モジュールが公知である。このようなモジュールによって、各モジュールの端子電圧が、或る限界値内に設定されうる。これに対して電流制御は、このようなユニットによっては可能ではない。従来技術ではさらに、ＵｎｉＢＢ（ＵｎｉｖｅｒｓｅｌｌｅＢｕｃｋ−Ｂｏｏｓｔ、ユニバーサル・バックブースト）モジュールと呼ばれる蓄電池モジュールが公知であり、この蓄電池モジュールは、１つ以上の蓄電池セルと結合ユニットとで構成され、その際に、結合ユニットはインダクタも含む。このモジュールは、電圧源としても電流源としても利用が可能である。このようなモジュールは６０Ｖ以下の電圧のために設計されているため、特に、電力要求が非常に大きい適用（例えば、自動車産業の車両）のためには、制御可能な電流による利用可能な電力を実現するために複数のモジュールを直列に接続する必要がある。さらに、利用可能な電流をさらに増大させるためには、上記モジュールの直列の線を互いに並列に接続することが必要となりうる。しかしながら、線を並列に接続することによって、従来技術では通常の場合、充電状態が一般に不均一であるために、上記線の間で望まれぬ循環電流が生じることになる。ＵｎｉＢＢモジュールの可能な構成については、以下で図４との関連でさらに詳細に述べる。

本発明の課題は、モジュールにより構成され従来技術の欠点を解消する電気化学的なエネルギー貯蔵器を提供することである。

上記の課題は、本発明に基づいて、電気化学的な蓄電池モジュールの線が並列に接続された電気化学的な蓄電池結合体によって解決される。電気化学的な蓄電池モジュールは、１つの電気化学的な蓄電池セル又は複数の電気化学的な蓄電池セルと、処理ユニットと、を備えうる。処理ユニットを用いて、蓄電池モジュールは、上記１つの電気化学的なセル又は上記複数の電気化学的なセルに蓄えられた電気エネルギーであって、電圧源及び／又は電流源の特性を備える上記電気エネルギーを蓄電池モジュールの出力側の端子で提供するよう構成される。このために、蓄電池モジュールは、第１の接続端子と電気回路とを有し、蓄電池結合体は（特に電気回路を用いて）、電気化学的な蓄電池結合体内の上記線を選択的に電流源として又は電圧源として駆動するよう構成される。このために、電気化学的な蓄電池結合体は、（蓄電池モジュールの上位の）処理ユニットをさらに有し、この処理ユニットによって、制御命令が個々の蓄電池モジュールへと送信され、従って、個々の蓄電池モジュールのエネルギー出力特性が個別に設定されうる。電流源として又は電圧源として選択的に駆動することによって、並列に接続された線の間で望まれぬ循環電流が流れることが防止されうる。さらに、合目的的に、上記線の間の不均一な充電状態の充電補正が制御されうる。

従属請求項によって、本発明の好適な発展形態が示される。

好適に、電気化学的な蓄電池結合体は、直列に接続された蓄電池モジュールの第１の線を電圧源として駆動し、電気化学的な蓄電池モジュールの第２の線を電流源として駆動するよう構成される。第２の線が電流源として駆動されることで、設定された電流には属さない電流が第２の線を通ることが可能ではない。これにより、望まれぬ循環電流が回避される。

代替的又は追加的に、電気化学的な蓄電池結合体は、第１の線を除く蓄電池モジュールの全ての線を電流源として、又はブロックモードで駆動するよう構成されてもよい。換言すれば、第１の線は引き続き電圧源として接続され、全ての残りの線は電流源の特性を有し又はブロックされている（即ち、遮断されている）。このようにして、電気化学的な蓄電池結合体全体において、望まれぬ循環電流が流れることが不可能である。さらに、不均一な充電状態が、合目的的に回避され又は補正されうる。

さらに好適に、電気化学的な蓄電池結合体は、注目する線の第１の蓄電池モジュールを電流源として駆動し、同じ線の他の蓄電池モジュールを電圧源として、又はバイパスモードで駆動するよう構成される。このようにして、厳密な電圧制御が行われるため、上記線の間の望まれぬ循環電流が防止されうる。特に、電圧源として動作する蓄電池モジュールは、制御されていない電圧源として動作する可能性がある。幾つの蓄電池モジュールが電圧源として機能するかは、要求される総電圧の高さに依存し、この総電圧は、上記線又は電気化学的な蓄電池結合体によって供給される。その際にこの電圧制御は、上記線の各可能な充電状態のために同じ電圧位置を安定化させるように行われる。このようにして、同じ線の他の全ての蓄電池モジュールが、任意の組み合わせにおいて、電圧源として又はバイパスモードで駆動される。このために、電流源モードで動作する蓄電池モジュールのために、バック（Ｂｕｃｋ）モードも、ブースト（Ｂｏｏｓｔ）モードも選択可能である。このことは、上記線内のセルの充電状態に依存する。このようにして、並列に接続された線の間で循環電流が流れないことが保証される。上記モジュールの駆動に応じて、直列電流源又は交流電流源としての、並列に接続された線の駆動が可能であり、その際に、並列に接続された線は、同じ電圧を有するために同期を取って制御され、従って電流が加算されうる。

好適に、蓄電池結合体の各線は接触器を備え、接触器を介して、各線は蓄電池結合体に組み込まれ、又は蓄電池結合体から電気的に分離される。蓄電池モジュールのうちの１つが故障を検出し、上記線内の接触器の停止をシグナリングする限りにおいて、接触器の制御は、上記線の蓄電池モジュール自身によって行われうる。代替的又は追加的に、各接触器は、上記線の上位の処理ユニットによっても制御されうる。このことによって、電気的な貯蔵結合体により伝達される電流のフレキシブルな調整、及び、故障した線の停止が可能となる。

好適に、蓄電池モジュールは、ＵｎｉＢＢモジュールとして構成される。ＵｎｉＢＢモジュールによって、ＵｎｉＢＢモジュール内で全く同一の電気化学的なエネルギー貯蔵器が利用される際の、端子電力の複数の様々な特性が可能となる。その電気的な構成にはコストが掛からず、制御は簡単であり、その長い寿命によって高品質な電気化学的な蓄電池結合体となる。さらに、特に蓄電池モジュール全体がＵｎｉＢＢモジュールとして実現される場合には、電気化学的な蓄電池結合体のモジュール的な拡張性が与えられる。

本発明の第２の観点によれば、電気的な消費機器と、第１の蓄電池結合体及び第２の蓄電池結合体と、を備える電気回路が提案される。双方の蓄電池結合体は、先に詳細に記載したように、電気化学的な蓄電池結合体として実現されうる。本発明に基づいて、消費機器は、電気的に第１の集合体と第２の蓄電池結合体との間に配置される。換言すれば、消費機器の第１の端子が、第１の蓄電池結合体の第１の出力口と接続され、消費機器の第２の端子が、第２の蓄電池結合体の第１の端子と接続される。第１の蓄電池結合体及び第２の蓄電池結合体の各第２の端子は、例えばアースと接続されうる。さらに、消費機器には、スイッチによってバイパスが付けられる。さらに、消費機器と電気化学的な蓄電池結合体の第１の端子との間には、消費機器を電気化学的な蓄電池結合体から分離するために、第２のスイッチ及び第３のスイッチが設けられうる。

以下では、本発明の実施例が、添付の図面を参照して詳細に記載される。
直列に接続された蓄電池モジュールの個々の線を含む電気回路の概略図を示す。本発明の第１の実施例に係る電気回路を示す。本発明の第２の実施例に係る電気回路を示す。ＵｎｉＢＢモジュールの形態による蓄電池モジュールの一実施例の概略的な構成を示す。

図１は、蓄電池モジュールとしてのＵｎｉＢＢモジュール１０の直列回路の概略的な構造の回路図を示している。蓄電池モジュールは、Ｍ１、Ｍ２、及びＭｎで示される。当然のことながら、線電圧を上げるために、複数の蓄電池モジュールを追加することが可能であろう。ＵｎｉＢＢモジュール１０の線ＳＴに対して並列に、充電装置Ｌ及び第１のスイッチＳＬを備える１の支線と、消費機器Ｚ及び第１の接触器Ｓ１を備える他の支線と、が設けられる。ＵｎｉＢＢモジュール１０は、電気的に同じ方向に方向付けられている。その際に、ＵｎｉＢＢモジュール１０の各マイナス極は、線ＳＴのアースの方向に向けられ、プラス極は、２つの残りの線の方向を指している。（図示されない）処理ユニットは、モジュールＭ１、Ｍ２、Ｍｎを選択的に、電圧源としてバックモード又はブーストモードにし、電流源としてバックモード又はブーストモードにし、バイパス充電モード又はブロックモードにするよう構成される。その際に処理ユニットは、示される蓄電池結合体の内部又は蓄電池結合体の外部に配置されうる。

図２は、本発明の一実施例に係る電気回路の概略的な回路図を示しており、この電気回路では、３つの例示的に示されたＵｎｉＢＢモジュール１０（Ｍ１−１〜Ｍ３−ｎで示される）の、３つの線ＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３が並列に接続されている。矢印Ｐ１は、示される線ＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３が追加の線をさらに並列に接続することで拡張され、これにより、示される電気回路の公称電流が対応して上げられるであろうことを示唆している。線ＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３は各接触器Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を有し、これら接触器Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３によって、線ＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３は、充電装置Ｌと電気消費機器Ｚとの間の母線に接続される。充電装置Ｌと母線との間には、第１の接触器ＳＬが配置され、母線と消費機器Ｚとの間には、第２の接触器Ｓｖが配置されている。全ての接触器Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３が閉鎖される場合には、上記モジュールへの適切な制御処理が行われて３つの線の電流が加算される。接触器Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は、機能面でのみ理解され、線ＳＴ１の１つの蓄電池モジュール１０でのブロックモードによっても実現されうる。ブロックモードでは、該当する蓄電池モジュール１０の全てのスイッチ（及び「半導体バルブ」）が、非電導的に接続される。原則的には、並列接続を可能とするために、１つの線が電圧源として動作し、他の全ての線が電流源として動作する必要がある。負荷が電圧源であり、又は例えば容量性負荷である場合には、全ての線が電流源として駆動されうる。容量性負荷の場合には、キャパシタで所望の電圧が設定されるように電流が制御される。充電装置Ｌを介して、全ての線が並行して充電されうる。このためには、接触器Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、ＳＬが閉鎖され、又は、充電される線の接触器のみが閉鎖される。充電方法は場合によって様々である。１つの線のみ充電される場合には、電気回路内に直列接続されたＵｎｉＢＢモジュール１０の線が１つだけ含まれてように、充電処理が省略されうる。全ての線が並行して充電される場合には、充電装置Ｌは電圧源として動作する必要があり、電流制御は、線ＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３内で行われる。このことは、上記線の間で循環電流が流れないという前提で行われる。示される構成は、他の形態による（例えば、従来技術で公知のように、コンデンサ、又は、極性が交換された（ｐｏｌａｒｉｔａｅｔｓｖｅｒｔａｕｓｃｈｔ）モジュールを備える）線を並列に接続するためにも利用可能であり、対応する駆動方法が類似した形態で実行可能であることを、完全を期すために述べておく。本駆動方法に特徴的なことは、線ごとに１つのモジュールが電流源として駆動され、残りのモジュールが電圧源モードで動作し又は、その時の電圧要求に従って、バイパスモードになることである。

図３は、本発明の他の実施形態に係る電気回路を概略的に示している。ここでは、電気消費機器Ｚの両側に、並列に接続された線ＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３又はＳＴ４、ＳＴ５、ＳＴ６が示されており、上記線ＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３又はＳＴ４、ＳＴ５、ＳＴ６は、矢印Ｐ１、Ｐ２に応じて、任意に追加的な線によって拡張されうるであろう。上記線ＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３又はＳＴ４、ＳＴ５、ＳＴ６のＵｎｉＢＢモジュール１０には、Ｍ１−１〜Ｍ６−ｎが付番されている。ＵｎｉＢＢモジュール１０のマイナス極は、各線アースの方向に方向付けられ、ＵｎｉＢＢモジュール１０のプラス極は、各共通の母線の方向に方向付けられ、ＵｎｉＢＢモジュール１０は、各線接触器Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３又はＳ４、Ｓ５、Ｓ６を介して、各共通の母線へと接続されている。最初の３つの線ＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３と電気消費機器Ｚとの間には、消費機器接触器Ｓｖ１が接続されている。電気消費機器Ｚと線ＳＴ４、ＳＴ５、ＳＴ６との間には、第２の消費機器接触器Ｓｖ２が接続されている。消費機器Ｚの両側の母線は、更なる別の接触器ＳＬ２を介して互いに電気的に接続されている。第１の線ＳＴ１に対して並列に、充電装置Ｌが、充電装置接触器ＳＬ１を介して母線に接続されている。放電モードにおける示される電気回路のための制御方法では、上記線ＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３又は上記線ＳＴ４、ＳＴ５、ＳＴ６がバイパス（Ｂｙｐａｓｓ）モードになることが構想される。これにより、正の電圧及び負の電圧、並びに、正の電流及び負の電流が、電気消費機器Ｚのために提供される。本動作挙動にとって特徴的なことは、ここでも、線ごとに１つのモジュールが電流源モードで動作し、同じ線の残りのモジュールが電圧源モードで動作し又は、その時の電圧要求に従って、バイパスモードになることである。図２で示された構成に対応して、ここでも、接触器ＳＬ１、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、又は、ＳＬ２と接続したＳ４、Ｓ５、Ｓ６が閉鎖されることで、一方の側の全ての線（即ち、線ＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３、又は、線ＳＴ４、ＳＴ５、ＳＴ６）が並行して充電されうる。当然のことながら、充電装置接触器ＳＬ１又は追加的な接触器ＳＬ２と接続した各線接触器Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６が閉鎖されることで、各線ＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３、ＳＴ４、ＳＴ５、ＳＴ６を個別に充電することも可能である。全ての線が並行して充電される場合には、充電装置Ｌは電圧源として動作する必要がある。電流制御は、この場合にも、線ＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３又はＳＴ４、ＳＴ５、ＳＴ６内で行われる。さらに、このことは、個々の線ＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３又はＳＴ４、ＳＴ５、ＳＴ６の間で循環電流が流れないとい前提で行われる。

図４は、ＵｎｉＢＢモジュール１０の一実施例の回路図を示している。第１の端子１１及び第２の端子１２を介して、ＵｎｉＢＢモジュール１０は、他のＵｎｉＢＢモジュール１０と相互接続されて１つの線となるよう構成されている。第１の端子１１と第２の端子１２との間には、好適にＭＯＳＦＥＴ（ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）又はＩＧＢＴ（ｉｎｓｕｌａｔｅｄｇａｔｅｂｉｐｏｌａｒｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）として構成された４つの半導体スイッチＴ１〜Ｔ４が、対応するフリーホイールダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４と共に配置されている。半導体スイッチＴ１〜Ｔ４は、各フリーホイールダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４と共に、電気的な２端子回路ＺＰ１〜ＺＰ４として統合される。その際に、第１の２端子回路ＺＰ１の第１端子は、エネルギー貯蔵器７の正の端子と接続されている。第１の２端子回路ＺＰ１の第２の端子は、一方では第４の２端子回路ＺＰ４の第１の端子と接続され、他方ではインダクタＬを介して、第２の２端子回路ＺＰ２の第１の端子と接続され、及び、第３の２端子回路ＺＰ３の第２の端子と接続されている。第３の２端子回路Ｚ３の第１の端子は、ＵｎｉＢＢモジュール１０の第１の端子１１と接続されている。第１の端子１１には、キャパシタＣの第１の端子も接続されており、キャパシタＣの第２の端子は、第２の２端子回路ＺＰ２の第２の端子と接続され、又は、第４の２端子回路ＺＰ４の第２の端子と接続されている。第２の２端子回路ＺＰ２又は第４の２端子回路ＺＰの第２の端子は、一方ではＵｎｉＢＢモジュール１０の第２の端子１２と接続され、他方では電気エネルギー貯蔵器７の第２の端子と接続されている。エネルギー貯蔵器７は、モジュール電圧Ｕ_Ｍを伝達する。示されるＵｎｉＢＢモジュール１０は、第１の端子では正極（プラス極）を有し、第２の端子では負極（マイナス極）を有する。半導体Ｔ１〜Ｔ４を駆動するための制御線は、分かり易さのために示されていない。電流センサについても同様のことが言える。電気エネルギー貯蔵器７は、この場合モジュール電圧Ｕ_Ｍを一緒に提供する１つ以上の電気化学的なセル又は他の電気エネルギー貯蔵器から成る。ＵｎｉＢＢモジュール１０は、半導体スイッチＴ１〜Ｔ４がどのように操作されるかに従って、複数の様々な駆動状態となりうる。特に、バイパス、バックモード又はブーストモードにおける電圧源、バックモード又はブーストモードにおける電流源、充電回路、及び、逆流防止素子（Ｓｐｅｒｒｕｎｇ）が実現されうる。

本発明に係る観点及び有利な実施形態を、添付の図面と関連して解説される実施例を用いて詳細に記載してきたが、当業者にとっては、その保護範囲が添付の請求項により定義される本発明の範囲を逸脱することなく、提示された実施例の特徴の変更及び組み合わせが可能である。

Claims

電気化学的な蓄電池モジュール（１０）の線（ＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３、ＳＴ４、ＳＴ５、ＳＴ６）が並列に接続された電気化学的な蓄電池結合体であって、
前記蓄電池モジュール（１０）は、第１の接続端子と電気回路とを有し、前記蓄電池結合体は前記電気回路を用いて、前記電気化学的な蓄電池結合体内の前記線（ＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３、ＳＴ４、ＳＴ５、ＳＴ６）を選択的に電流源として又は電圧源として駆動するよう構成され、
前記電気化学的な蓄電池結合体は、線（ＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３、ＳＴ４、ＳＴ５、ＳＴ６）の第１の蓄電池モジュール（１０）を電流源として駆動し、同じ線（ＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３、ＳＴ４、ＳＴ５、ＳＴ６）の他の蓄電池モジュール（１０）を電圧源として、又はバイパスモードで駆動するよう構成される、電気化学的な蓄電池結合体。
前記電気化学的な蓄電池結合体は、線（ＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３、ＳＴ４、ＳＴ５、ＳＴ６）のうちの第１の線を電圧源として駆動し、前記第１の線を除く線を電流源として駆動するよう構成される、請求項１に記載の電気化学的な蓄電池結合体。
前記電気化学的な蓄電池結合体は、前記第１の線を除く全ての線を電流源として、又はブロックモードで駆動するよう構成される、請求項２に記載の電気化学的な蓄電池結合体。
前記電気化学的な蓄電池結合体は、同じ線（ＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３、ＳＴ４、ＳＴ５、ＳＴ６）の他の全ての蓄電池モジュール（１０）を電圧源として、又はバイパスモードで駆動するよう構成される、請求項１に記載の電気化学的な蓄電池結合体。
電流源としての前記駆動は、バック（Ｂｕｃｋ）駆動又はブースト（Ｂｏｏｓｔ）駆動によって実現される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電気化学的な蓄電池結合体。
前記蓄電池結合体は、並列の線（ＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３、ＳＴ４、ＳＴ５、ＳＴ６）を、交流電流源として駆動するよう構成される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電気化学的な蓄電池結合体。
前記蓄電池結合体は、並列の線（ＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３、ＳＴ４、ＳＴ５、ＳＴ６）を、同期させて、交流電流源として駆動するよう構成される、請求項６に記載の電気化学的な蓄電池結合体。
各線（ＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３、ＳＴ４、ＳＴ５、ＳＴ６）は、接触器（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６）を備え、前記接触器（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６）を介して前記線（ＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３、ＳＴ４、ＳＴ５、ＳＴ６）は、前記蓄電池結合体に組み込まれ、又は、前記蓄電池結合体から分離される、請求項１〜７のいずれか１項に記載の電気化学的な蓄電池結合体。
前記蓄電池モジュール（１０）は、ＵｎｉＢＢモジュールである、請求項１〜８のいずれか１項に記載の電気化学的な蓄電池結合体。
‐消費機器（Ｚ）と、
‐請求項１〜９のいずれか１項に記載の第１の蓄電池結合体（ＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３）及び第２の蓄電池結合体（ＳＴ４、ＳＴ５、ＳＴ６）と、
を備える電気回路であって、
前記消費機器（Ｚ）は、電気的に前記第１の蓄電池結合体（ＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３）と前記第２の蓄電池結合体（ＳＴ４、ＳＴ５、ＳＴ６）との間に配置される、電気回路。