(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギー貯蔵装置（１）のエネルギー貯蔵セル（５ａ、５ｋ）を加熱する方法（１０）であって、
前記エネルギー貯蔵装置（１）は、ｎ相の供給電圧を生成するよう構成され（ただし、ｎ≧１）、および、ｎ個の並列接続されたエネルギー供給支線（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）を有し、
前記エネルギー供給支線（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）はそれぞれ、出力端子（１ａ、１ｂ、１ｃ）と基準電位バス（４）との間に結合され、各前記エネルギー供給支線（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）は、直列接続された複数のエネルギー貯蔵モジュール（３）を有し、
前記エネルギー貯蔵モジュール（３）はそれぞれ、
少なくとも１つのエネルギー貯蔵セル（５ａ、５ｋ）を有するエネルギー貯蔵セルモジュール（５）と、
前記エネルギー貯蔵セルモジュール（５）を選択的に各前記エネルギー供給支線（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）へと接続しまたは橋絡するよう構成された結合要素（７ａ、…、７ｄ）を有する結合装置（７）と、
を備え、
本方法（１０）は、以下の工程、すなわち、
前記エネルギー貯蔵装置（１）の前記出力端子（１ａ、１ｂ、１ｃ）と、ｎ相型電動機（２）の入力端子と、を接続し、前記ｎ相型電動機（２）のスターポイントを介して前記出力端子（１ａ、１ｂ、１ｃ）を結合する工程（１１）と、
第１のエネルギー供給支線（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）へと各前記エネルギー貯蔵セルモジュール（５）を接続するために、前記第１のエネルギー供給支線（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）の少なくとも１つのエネルギー貯蔵モジュール（３）の前記結合装置（７）を駆動する工程（１２）と、
第１の所定の期間の間、第２のエネルギー供給支線（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）へと各前記エネルギー貯蔵セルモジュール（５）を接続するために、前記第２のエネルギー供給支線（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）の少なくとも１つのエネルギー貯蔵モジュール（３）の前記結合装置（７）を、前記工程（１２）と同時に駆動する工程（１３）と、
を有し、
前記第１の所定の期間は、前記ｎ相型電動機（２）の誘導要素（２ｄ）のインダクタンスを前記誘導要素（２ｄ）のオーム抵抗で割った商よりも短い、方法（１０）。
【請求項２】
前記第１の所定の期間が経過した後で、第２の所定の期間の間、前記第２のエネルギー供給支線（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）内で各前記エネルギー貯蔵セルモジュール（５）を橋絡するために、前記第２のエネルギー供給支線（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）の前記少なくとも１つのエネルギー貯蔵モジュール（３）の前記結合装置（７）を駆動する工程（１４）をさらに有する、請求項１に記載の方法（１０）。
【請求項３】
前記ｎ相型電動機（２）のための前記ｎ相の供給電圧を提供するために、前記第１のエネルギー供給支線（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）の前記少なくとも１つのエネルギー貯蔵モジュール（３）と、前記第２のエネルギー供給支線（Ｚ１；Ｚ２；Ｚ３）の前記少なくとも１つのエネルギー貯蔵モジュール（３）とを選択する工程（１５）をさらに有する、請求項１、または２に記載の方法（１０）。
【請求項４】
エネルギー貯蔵装置（１）のエネルギー貯蔵セル（５ａ、５ｋ）を加熱する方法（１０）であって、
前記エネルギー貯蔵装置（１）は、ｎ相の供給電圧を生成するよう構成され（ただし、ｎ≧１）、および、ｎ個の並列接続されたエネルギー供給支線（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）を有し、
前記エネルギー供給支線（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）はそれぞれ、出力端子（１ａ、１ｂ、１ｃ）と基準電位バス（４）との間に結合され、各前記エネルギー供給支線（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）は、直列接続された複数のエネルギー貯蔵モジュール（３）を有し、
前記エネルギー貯蔵モジュール（３）はそれぞれ、
少なくとも１つのエネルギー貯蔵セル（５ａ、５ｋ）を有するエネルギー貯蔵セルモジュール（５）と、
前記エネルギー貯蔵セルモジュール（５）を選択的に各前記エネルギー供給支線（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）へと接続しまたは橋絡するよう構成された結合要素（７ａ、…、７ｄ）を有する結合装置（７）と、
を備え、
本方法（１０）は、以下の工程、すなわち、
前記エネルギー貯蔵装置（１）の前記出力端子（１ａ、１ｂ、１ｃ）と、ｎ相型電動機（２）の入力端子と、を接続し、前記ｎ相型電動機（２）のスターポイントを介して前記出力端子（１ａ、１ｂ、１ｃ）を結合する工程（１１）と、
第１のエネルギー供給支線（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）へと各前記エネルギー貯蔵セルモジュール（５）を接続するために、前記第１のエネルギー供給支線（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）の少なくとも１つのエネルギー貯蔵モジュール（３）の前記結合装置（７）を駆動する工程（１２）と、
第１の所定の期間の間、第２のエネルギー供給支線（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）へと各前記エネルギー貯蔵セルモジュール（５）を接続するために、前記第２のエネルギー供給支線（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）の少なくとも１つのエネルギー貯蔵モジュール（３）の前記結合装置（７）を、前記工程（１２）と同時に駆動する工程（１３）と、
を有し、
前記エネルギー貯蔵セル（５ａ、５ｋ）の温度が第１の所定の限界値を下回った場合に、実行される、方法（１０）。
【請求項５】
エネルギー貯蔵装置（１）のエネルギー貯蔵セル（５ａ、５ｋ）を加熱する方法（１０）であって、
前記エネルギー貯蔵装置（１）は、ｎ相の供給電圧を生成するよう構成され（ただし、ｎ≧１）、および、ｎ個の並列接続されたエネルギー供給支線（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）を有し、
前記エネルギー供給支線（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）はそれぞれ、出力端子（１ａ、１ｂ、１ｃ）と基準電位バス（４）との間に結合され、各前記エネルギー供給支線（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）は、直列接続された複数のエネルギー貯蔵モジュール（３）を有し、
前記エネルギー貯蔵モジュール（３）はそれぞれ、
少なくとも１つのエネルギー貯蔵セル（５ａ、５ｋ）を有するエネルギー貯蔵セルモジュール（５）と、
前記エネルギー貯蔵セルモジュール（５）を選択的に各前記エネルギー供給支線（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）へと接続しまたは橋絡するよう構成された結合要素（７ａ、…、７ｄ）を有する結合装置（７）と、
を備え、
本方法（１０）は、以下の工程、すなわち、
前記エネルギー貯蔵装置（１）の前記出力端子（１ａ、１ｂ、１ｃ）と、ｎ相型電動機（２）の入力端子と、を接続し、前記ｎ相型電動機（２）のスターポイントを介して前記出力端子（１ａ、１ｂ、１ｃ）を結合する工程（１１）と、
第１のエネルギー供給支線（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）へと各前記エネルギー貯蔵セルモジュール（５）を接続するために、前記第１のエネルギー供給支線（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）の少なくとも１つのエネルギー貯蔵モジュール（３）の前記結合装置（７）を駆動する工程（１２）と、
第１の所定の期間の間、第２のエネルギー供給支線（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）へと各前記エネルギー貯蔵セルモジュール（５）を接続するために、前記第２のエネルギー供給支線（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）の少なくとも１つのエネルギー貯蔵モジュール（３）の前記結合装置（７）を、前記工程（１２）と同時に駆動する工程（１３）と、
を有し、
前記第２のエネルギー供給支線（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）へと各前記エネルギー貯蔵セルモジュール（５）を接続するために、前記第２のエネルギー供給支線（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）の前記少なくとも１つのエネルギー貯蔵モジュール（３）の前記結合装置（７）を駆動する工程（１３）と、
前記第２のエネルギー供給支線（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）内で各前記エネルギー貯蔵セルモジュール（５）を橋絡するために、前記第２のエネルギー供給支線（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）の前記少なくとも１つのエネルギー貯蔵モジュール（３）の前記結合装置（７）を駆動する工程（１４）とは、関与する前記エネルギー貯蔵モジュール（３）の前記エネルギー貯蔵セル（５ａ、５ｋ）の温度が第２の所定の限界値を上回るまで交互に行われる、方法（１０）。
【請求項６】
ｎ相型電動機（２）（ただし、ｎ≧１）と、
ｎ相の供給電圧を生成するよう構成され（ただし、ｎ≧１）およびｎ個の並列接続されたエネルギー供給支線（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）を有するエネルギー貯蔵装置（１）であって、前記エネルギー供給支線（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）は、出力端子（１ａ、１ｂ、１ｃ）と基準電位バス（４）との間にそれぞれ結合される、前記エネルギー貯蔵装置（１）と、
各前記エネルギー供給支線（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）は、直列接続された複数のエネルギー貯蔵モジュール（３）を有し、前記エネルギー貯蔵モジュール（３）はそれぞれ、
少なくとも１つのエネルギー貯蔵セル（５ａ、５ｋ）を有するエネルギー貯蔵セルモジュール（５）と、
各前記エネルギー供給支線（Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３）へと前記エネルギー貯蔵セルモジュール（５）を選択的に接続しまたは橋絡するよう構成された結合要素（７ａ、…、７ｄ）を有する結合装置（７）と、を備え、
前記エネルギー貯蔵装置（１）の前記出力端子（１ａ、１ｂ、１ｃ）のうちの１つと、前記ｎ相型電動機（２）のｎ個の位相端子のうちの１つとをそれぞれが結合するｎ個の位相線（２ａ、２ｂ、２ｃ）と、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法を実施するよう構成された制御装置（６）と、
を備える、システム（１００）。
【請求項７】
前記結合装置（７）は、フルブリッジ回路による結合要素（７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ）を備える、請求項６に記載のシステム（１００）。
【請求項８】
前記結合装置（７）は、ハーフブリッジ回路による結合要素（７ａ、７ｃ）を備える、請求項６に記載のシステム（１００）。
【請求項９】
前記エネルギー貯蔵セル（５ａ、５ｋ）は、リチウムイオン蓄電池を含む、請求項６〜８のいずれか１項に記載のシステム（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギー貯蔵装置のエネルギー貯蔵セルを加熱する方法、および、特に、電気的に駆動される車両のためのモジュール型バッテリシステムを備えたエネルギー貯蔵装置の、加熱可能なエネルギー貯蔵装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
将来的に、例えば、太陽光発電所または風力発電所のような定置型の適用において、ハイブリッド車または電気自動車のような車両内において、新しいエネルギー貯蔵技術と電気的駆動技術とを組み合わせる電気的システムがますます使用されることは明らかである。
【０００３】
電動機への多相電流の供給は、通常では、パルスインバータの形態によるインバータによって行われる。このために、直流電圧中間回路により提供される直流電圧が、多相の交流電圧へと、例えば三相交流電圧へと変換されうる。その際に、直流電圧中間回路は、直列接続されたバッテリモジュールからなる線から電力供給される。各適用について与えられる、電力およびエネルギーに対する要求を満たしうるために、複数のバッテリモジュールが１つのメインバッテリへと直列に接続されることが多い。
【０００４】
複数のバッテリモジュールの直列接続には、１つのバッテリモジュールが故障した場合に線全体が故障するという問題が伴う。エネルギー供給線のこのような故障は、システム全体の故障へと繋がる可能性がある。さらに、一時的または永続的に発生する１つのバッテリモジュールの出力低下は、エネルギー供給線全体の出力低下に繋がる可能性がある。
【０００５】
米国特許出願公開第５６４２２７５号明細書には、インバータ機能が組み込まれたバッテリシステムが記載されている。この形態によるシステムは、マルチレベルカスケードインバータ（Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ  Ｃａｓｃａｄｅｄ  Ｉｎｖｅｒｔｅｒ）、または、バッテリダイレクトインバータ（ＢＤＩ：Ｂａｔｔｅｒｙ  Ｄｉｒｅｃｔ  Ｉｎｖｅｒｔｅｒ）という名称で知られている。このようなシステムは、電動機または電気的ネットワークに直接的に接続可能な、複数のエネルギー貯蔵モジュール線内の直流電流源を備える。その際、単相または多相の供給電圧が生成されうる。その際に、エネルギー貯蔵モジュール線は、直列接続された複数のエネルギー貯蔵モジュールを有し、各エネルギー貯蔵モジュールは、少なくとも１つのバッテリセルと、割り当てられた制御可能な結合ユニットとを有し、この結合ユニットによって、制御信号にしたがって各エネルギー貯蔵モジュール線を遮断し、または、各割り当てられた少なくとも１つのバッテリセルを橋絡し（ｕｅｂｅｒｂｒｕｅｃｋｅｎ）、または、各割り当てられた少なくとも１つのバッテリセルを各エネルギー貯蔵モジュール線へと接続することが可能となる。例えばパルス幅変調を用いた、結合ユニットの適切な駆動によって、位相出力電圧を制御するための適切な位相信号も提供することが可能であり、したがって、別体のパルスインバータを省略することが可能である。したがって、位相出力電圧を制御するために必要なパルスインバータは、ＢＤＩへと組み込まれる。
【０００６】
ＢＤＩは通常、従来のシステムに比べて効率が良く信頼性も高い。この信頼性は特に、破損し、故障し、または性能が十分ではないバッテリセルが、結合ユニットの適切な橋絡制御（Ｕｅｂｅｒｂｒｕｅｃｋｕｎｇｓａｎｓｔｅｒｕｎｇ）により、エネルギー供給線から外されることによって保証される。エネルギー貯蔵モジュール線の位相出力電圧は、結合ユニットの対応する駆動によって変更することが可能であり、特に段階的に調整することが可能である。その際に、出力電圧の等級付けは、１個のエネルギー貯蔵モジュールの電圧から得られ、その際に、最大可能な位相出力電圧は、エネルギー貯蔵モジュール線の全エネルギー貯蔵モジュールの電圧の合算によって決定される。
【０００７】
独国特許出願公開第１０２０１００２７８５７号明細書、および、独国特許出願公開第１０２０１００２７８６１号明細書は、例えば、電動機に直接接続することが可能な複数のバッテリモジュール線を備えたバッテリダイレクトインバータを開示している。
【０００８】
ここでは、エネルギー貯蔵モジュール線は、直列接続された複数のエネルギー貯蔵モジュールを有し、各エネルギー貯蔵モジュールは、少なくとも１つのバッテリセルと、割り当てられた制御可能な結合ユニットとを有し、この結合ユニットによって、制御信号にしたがって、各割り当てられた少なくとも１つのバッテリセルを橋絡し、または、各エネルギー貯蔵モジュール線へと各割り当てられた少なくとも１つのバッテリセルを接続することが可能となる。任意に、結合ユニットは、逆の極性を有する各割り当てられた少なくとも１つのバッテリセルも各エネルギー貯蔵モジュール線へと接続しまたは各エネルギー貯蔵モジュール線を遮断することをさらに可能にするよう構成されてもよい。
【０００９】
ＢＤＩは通常、従来のシステムに比べて効率が良く信頼頼性も高い。信頼性は特に、破損し、故障し、または性能が十分ではないバッテリセルが、結合ユニットの適切な橋絡制御により、エネルギー供給線から外されうることによって保証される。各エネルギー貯蔵モジュール線の総出力電圧は、結合ユニットの対応する制御によって変更することが可能であり、特に段階的に調整することが可能である。その際に、出力電圧の等級付けは、１個のエネルギー貯蔵モジュールの電圧から得られ、その際に、最大可能な総出力電圧は、エネルギー貯蔵モジュール線の全エネルギー貯蔵モジュールの電圧の合算によって決定される。
【００１０】
エネルギー貯蔵モジュールの出力電圧を調整するために、結合ユニットへのパルス幅変調（ＰＷＭ）制御を行うことが可能である。これにより、作動時間または停止時間の合目的的な変さらによって、所望の平均値をエネルギー貯蔵モジュール電圧として出力することが可能である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
例えば電気自動車またはハイブリッド自動車のような電気的に駆動される車両に実装される際に、このようなエネルギー貯蔵装置のバッテリセルの温度が、例えば冬季に車両を始動させる際に非常に低いということが起こりうる。典型的に使用されるバッテリセルは、温度に依存した内部抵抗であって、温度が下がるにつれて増大する上記内部抵抗を有するため、低温時にバッテリセルが最大出力を提供できないということが起こりうる。
【００１２】
したがって、コストがかかる加熱要素または時間およびエネルギーがかかる外部の加熱処理を利用する必要なく、バッテリセルの完全な性能を低温時にも保証することが可能な方法への必要性が生まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
一の観点にしたがって、本発明は、エネルギー貯蔵装置のエネルギー貯蔵セルを加熱する方法であって、エネルギー貯蔵装置は、ｎ相の供給電圧を生成するよう構成され（ただし、ｎ≧１）、および、ｎ個の並列接続されたエネルギー供給支線を有し、エネルギー供給支線はそれぞれ出力端子と基準電位バスとの間に結合される、上記方法を創出する。各エネルギー供給支線は、直列接続された複数のエネルギー貯蔵モジュールを有し、エネルギー貯蔵モジュールはそれぞれ、少なくとも１つのエネルギー貯蔵セルを有するエネルギー貯蔵セルモジュールと、各エネルギー供給支線へとエネルギー貯蔵セルモジュールを選択的に接続しまたは橋絡するよう構成された結合要素を有する結合装置と、を備える。本方法は、エネルギー貯蔵装置の出力端子とｎ相型電動機の入力端子とを接続し、電動機のスターポイント（Ｓｔｅｒｎｐｕｎｋｔ）を介して出力端子を結合する工程と、第１のエネルギー供給支線へと各エネルギー貯蔵セルモジュールを接続するために、第１のエネルギー供給支線の少なくとも１つのエネルギー貯蔵モジュールの結合装置を駆動する工程と、第１の所定の期間の間、第２のエネルギー供給支線へと各エネルギー貯蔵セルモジュールを接続するために、第２のエネルギー供給支線の少なくとも１つのエネルギー貯蔵モジュールの結合装置を、上記駆動する工程と同時に駆動する工程と、を有する。
【００１４】
他の観点によれば、本発明は、ｎ相型電動機（ただし、ｎ≧１）と、ｎ相の供給電圧を生成するよう構成されおよびｎ個の並列接続されたエネルギー供給支線を有するエネルギー貯蔵装置であって、エネルギー供給支線は出力端子と基準電位バスとの間にそれぞれ結合される、上記エネルギー貯蔵装置と、を備えるシステムであって、各エネルギー供給支線は、直列接続された複数のエネルギー貯蔵モジュールを有する、上記システムを創出する。エネルギー貯蔵モジュールはそれぞれ、少なくとも１つのエネルギー貯蔵セルを有するエネルギー貯蔵セルモジュールと、各エネルギー供給支線へとエネルギー貯蔵セルモジュールを選択的に接続しまたは橋絡するよう構成された結合要素を有する結合装置と、を備える。さらに、本システムは、エネルギー貯蔵装置の出力端子のうちの１つとｎ相型電動機のｎ個の位相端子のうちの１つとをそれぞれが結合するｎ個の位相線と、本発明に係る方法を実施するよう構成された制御装置と、を備える。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の構想は、一のエネルギー供給支線から他のエネルギー供給支線への交互の電気エネルギーの高周波による転送（ｈｏｃｈｆｒｅｑｕｅｎｔｅｓ  Ｔｒａｎｓｆｅｒｉｅｒｅｎ）によって、複数のエネルギー供給支線内に直列接続されたバッテリセルを有するモジュール構造をしたエネルギー貯蔵装置を加熱することである。このストラテジは、一のエネルギー供給支線から他のエネルギー供給支線への電気エネルギーの転送によって、エネルギー貯蔵セルへのエネルギー供給の際の電力損失により、エネルギー貯蔵セルを局所的に加熱することが可能な損失熱が発生するという認識を利用する。
【００１６】
このことには、望まれぬ高い内部抵抗を低温時に有するエネルギー貯蔵セルを、追加的な加熱措置または加熱要素を用いずに、当該エネルギー貯蔵セルが完全またはほぼ完全な性能を有する作動温度に再び置くことが可能であるという利点がある。
【００１７】
さらに有利に、この駆動ストラテジを、エネルギー貯蔵装置の通常稼働のために必要な駆動ストラテジに重ねることが可能であり、したがって、エネルギー貯蔵装置の通常稼働の間もエネルギー貯蔵セルの加熱が可能である。クロック周波数が十分に高い際のエネルギー貯蔵セルの電気エネルギーの積み替え（Ｕｍｌａｄｅｎ）によって、電動機内で、望まれぬ回転トルクが加熱電流によって発生しないという利点がもたらされる。
【００１８】
本発明に係る方法の一実施形態によれば、第１の所定の期間が経過した後で、第２の所定の期間の間、第２のエネルギー供給支線内で各エネルギー貯蔵セルモジュールを橋絡するために、第２のエネルギー供給支線の少なくとも１つのエネルギー貯蔵モジュールの結合装置が駆動される。これにより、電動機内で望まれぬ回転トルクが発生することを防止することが可能である。
【００１９】
本発明に係る方法の他の実施形態によれば、第１の所定の期間は、電動機の誘導要素のインダクタンス（Ｉｎｄｕｋｔｉｖｉｔａｅｔ）を誘導要素のオーム抵抗で割った商よりも短い。これにより、電動機の誘導要素内で、第１のエネルギー供給支線のエネルギー貯蔵モジュールから伝達された電気エネルギーを一時的に貯蔵し、さらにこの誘導要素から、第２のエネルギー供給支線のエネルギー貯蔵モジュールへと再び電力供給が可能であるという利点がもたらされる。
【００２０】
本発明に係る方法の他の実施形態によれば、さらに、電動機のためのｎ相の供給電圧を提供するために、第１のエネルギー供給支線の少なくとも１つのエネルギー貯蔵モジュールと、第２のエネルギー供給支線の少なくとも１つのエネルギー貯蔵モジュールとが選択される。このことによって、電動機のために低い入力電圧のみ必要な駆動状況について、エネルギー貯蔵モジュールの一部のみ加熱すればよいという利点がもたらされる。このような駆動状況において、例えば、電気的に駆動される車両の始動の際に、この加熱されたエネルギー貯蔵モジュールは、供給電圧の提供のために利用することが可能であり、未だ加熱されていない残りのエネルギー貯蔵モジュールは、後から加熱すればよい。
【００２１】
本発明に係る方法の他の実施形態によれば、エネルギー貯蔵セルの温度が第１の所定の限界値を下回った場合に本方法が実行される。この措置は、エネルギー貯蔵セルの内部抵抗が特に高い、低温時には特に有利である。
【００２２】
本発明に係る方法の他の実施形態によれば、第２のエネルギー供給支線へと各エネルギー貯蔵セルモジュールを接続するために、第２のエネルギー供給支線の少なくとも１つのエネルギー貯蔵モジュールの結合装置を駆動する工程と、第２のエネルギー供給支線内で各エネルギー貯蔵セルモジュールを橋絡するために、第２のエネルギー供給支線の少なくとも１つのエネルギー貯蔵モジュールの結合装置を駆動する工程とは、関与するエネルギー貯蔵モジュールのエネルギー貯蔵セルの温度が第２の所定の限界値を上回るまで交互に行われる。エネルギー貯蔵モジュール間での電気エネルギーのこの高周波による転送により、発生した電力損失によって、エネルギー貯蔵セルの内部抵抗が再び十分に低くなるまで熱が発生しうる。
【００２３】
本発明に係るシステムの一実施形態によれば、結合装置は、フルブリッジ回路による結合要素を備えてもよい。代替的に、結合装置は、ハーフブリッジ回路による結合要素を備えてもよい。
【００２４】
本発明に係るシステムの他の実施形態によれば、エネルギー貯蔵セルはリチウムイオン蓄電池を含んでもよい。低温時に内部抵抗が増大するという点が、特にこの形態のエネルギー貯蔵セルに当てはまる。
【００２５】
本発明のさらなる別の特徴および利点は、添付の図面を参照した以下の明細書の記述から明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態に係るエネルギー貯蔵装置を備えたシステムの概略図を示す。
【図２】図１のエネルギー貯蔵装置のエネルギー貯蔵モジュールの一実施例の概略図を示す。
【図３】図１のエネルギー貯蔵装置のエネルギー貯蔵モジュールの他の実施例の概略図を示す。
【図４】本発明の他の実施例に係るシステム内のエネルギー貯蔵装置のエネルギー貯蔵セルを加熱する方法の概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１は、エネルギー貯蔵モジュール３により提供される直流電圧をｎ相の交流電圧へと電圧変換するためのシステム１００を示す。システム１００は、エネルギー供給支線内で直列接続されたエネルギー貯蔵モジュール３を有するエネルギー貯蔵装置１を有する。図１には、例えば三相電動機のための三相交流電圧を生成するために適した３つのエネルギー供給支線Ｚ１、Ｚ２、およびＺ３が例として示されている。しかしながら、各他の数のエネルギー供給支線も同様に可能であってもよいことは明らかである。エネルギー貯蔵装置１は、各エネルギー供給支線に出力端子１ａ、１ｂ、１ｃを有し、この出力端子１ａ、１ｂ、１ｃはそれぞれ、エネルギー貯蔵装置１と電動機２とを結合する位相線２ａ、２ｂ、または２ｃへと接続されている。例えば、図１のシステム１００は、電動機２への電力供給のために役立つ。しかしながら、エネルギー貯蔵装置１がエネルギー供給ネットワーク２のための電流を生成するために利用されるということも構想可能である。
【００２８】
システム１００は、エネルギー貯蔵装置１と接続された制御装置６をさらに備え、この制御装置６によって、各出力端子１ａ、１ｂ、１ｃへと所望の出力電圧を提供するために、エネルギー貯蔵装置１を制御することが可能である。
【００２９】
エネルギー供給支線Ｚ１、Ｚ２、およびＺ３の末端は、基準電位４（基準バス（Ｂｅｚｕｇｓｓｃｈｉｅｎｅ））と接続されうる。エネルギー供給支線Ｚ１、Ｚ２、およびＺ３は、電動機２の位相線２ａ、２ｂ、２ｃについてより並みの電位を導くことが可能であり、例えば、接地電位と接続されうる。各エネルギー供給支線Ｚ１、Ｚ２、およびＺ３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３を有する。例えば、エネルギー貯蔵モジュール３の数は、図１のエネルギー供給支線ごとに３個であるが、他の数のエネルギー貯蔵モジュール３も同様に可能である。好適に、各エネルギー供給支線Ｚ１、Ｚ２、およびＺ３は、同じ数のエネルギー貯蔵モジュール３を備えるが、各エネルギー供給支線Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３のために、様々な数のエネルギー貯蔵モジュール３を備えることも可能である。
【００３０】
エネルギー貯蔵モジュール３はそれぞれ２個の出力端子３ａおよび３ｂを有し、当該出力端子を介して、エネルギー貯蔵モジュール３の出力電圧が提供されうる。
【００３１】
エネルギー貯蔵モジュール３の構造形態の例が、図２および図３でより詳細に示される。エネルギー貯蔵モジュール３はそれぞれ、複数の結合要素７ａおよび７ｃ、ならびに、場合によって７ｂおよび７ｄを有する結合装置７を備える。さらに、エネルギー貯蔵モジュール３はそれぞれ、直列接続された１つ以上のエネルギー貯蔵セル５ａ、…、５ｋを有するエネルギー貯蔵セルモジュール５を備えている。
【００３２】
その際に、エネルギー貯蔵セルモジュール５は、例えば直列接続されたバッテリ５ａ〜５ｋ、例えばリチウムイオンバッテリまたはリチウムイオン蓄電池を有してもよい。その際に、図２で示されるエネルギー貯蔵モジュール３内のエネルギー貯蔵セル５ａ〜５ｋの数は、例示的に２個であるが、各他の数のエネルギー貯蔵セル５ａ〜５ｋも同様に可能である。
【００３３】
エネルギー貯蔵セルモジュール５は、接続線を介して、対応する結合装置７の入力端子と接続されている。結合装置７は、図２では、例えば、２個の結合要素７ａおよび７ｃならびに２個の結合要素７ｂ、７ｄを備えたフルブリッジ回路として構成されている。その際に、結合要素７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄはそれぞれ、アクティブなスイッチ要素、例えば半導体スイッチと、当該スイッチ要素と並列に接続されたフライホイールダイオードとを有してもよい。半導体スイッチは、例えば、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を有してもよい。この場合には、フライホイールダイオードは、半導体スイッチに組み込まれていてもよい。
【００３４】
図２の結合要素７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄは、例えば図１の制御装置６によって、エネルギー貯蔵セルモジュール５が選択的に、出力端子３ａと３ｂとの間で切り替えられ、または、エネルギー貯蔵セルモジュール５が橋絡されるように駆動されうる。例えば、エネルギー貯蔵セルモジュール５は、右下の結合要素７ｄと左上の結合要素７ａとが閉鎖した状態に置かれる一方残りの２つの結合要素が開放された状態に置かれることで、順方向に出力端子３ａと３ｂとの間で切り替えられる。フルブリッジ状態は、例えば、２つの結合要素７ａおよび７ｂが閉鎖された状態に置かれる一方２つの結合要素７ｃおよび７ｄが解放された状態で維持されることで、設定されうる。
【００３５】
したがって、結合装置７の適切な駆動によって、エネルギー貯蔵モジュール３の個々のエネルギー貯蔵セルモジュール５が、合目的的に、エネルギー供給支線Ｚ１〜Ｚ３の直列回路へと組み込まれうる。
【００３６】
図３は、エネルギー貯蔵モジュール３のさらなる別の実施形態の例を示している。図３で示されるエネルギー貯蔵モジュール３は、結合装置７が、フルブリッジ回路ではなくハーフブリッジ回路による４個ではなく２個の結合要素を有するという点で、図２で示されたエネルギー貯蔵モジュール３とは異なっている。
【００３７】
示される変形例において、アクティブな切り替え要素は、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）、ＪＦＥＴ（Ｊｕｎｃｔｉｏｎ  Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、接合型電界効果トランジスタ）としての形態による電力半導体スイッチとして、または、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、酸化金属半導体電界効果トランジスタ）として実現されてもよい。
【００３８】
結合要素７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄによって、各エネルギー供給支線Ｚ１〜Ｚ３の出力電圧が、適切な駆動を介して段階的に、負の最大値から正の最大値へと変更されうる。ここでは、電圧レベルの等級付けは、個々のエネルギー貯蔵セルモジュール５の等級付けにしたがって行われる。例えば、エネルギー貯蔵セルモジュール５の等級付けにより予め設定された２つの電圧レベルの間の平均値を獲得するために、エネルギー貯蔵モジュール３の結合要素７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄは、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）において、クロックにより駆動されてもよく、したがって、該当するエネルギー貯蔵モジュール３は時間的に平均して、０と、エネルギー貯蔵セル５ａ〜５ｋにより決定された最大可能モジュール電圧との間の値を有しうるモジュール電圧を伝達する。その際に、結合要素７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの駆動は、例えば図１の制御装置６のような、例えば下位の電圧制御を用いて電流制御を行うよう構成された制御装置によって行われ、したがって、個々のエネルギー貯蔵モジュール３の段階的な作動および停止が行われうる。
【００３９】
このようなエネルギー貯蔵装置１の使用によって、例えば電動機２のために、ｎ相の供給電圧を提供することが可能である。このために、位相線２ａ、２ｂ、２ｃはそれぞれ、出力端子１ａ、１ｂ、１ｃと接続され、その際、位相線２ａ、２ｂ、２ｃ自体は、電動機２の位相端子と接続されうる。例えば、電動機２は三相電動機であってもよく、例えば、電動機２の上流に内部誘導子２ｄを有する三相誘導機であってもよい。
【００４０】
エネルギー貯蔵セル５ａ〜５ｋの内部抵抗は、温度に依存する。すなわち、リチウムイオン蓄電池の場合、温度が−１０℃の際の内部抵抗は、温度が＋２５℃の際の内部抵抗に対して１０倍にまで増大しうる。これにより、エネルギー貯蔵セル５ａ〜５ｋの性能が著しく低下する可能性がある。特に、高い電流が必要な電気的駆動システム内での状況のために、例えば、電気的に駆動される車両の始動状況のために、電流負荷が高いことに基づき、内部抵抗が低いエネルギー貯蔵セル５ａ〜５ｋを、電動機２の電力供給のために使用することが望ましい。
【００４１】
エネルギー貯蔵セル５ａ〜５ｋのために、高価で、コストが掛かり、場所を取り、および／または、重量がある加熱要素またはヒータを設けなければならないということを回避するために、一のエネルギー供給支線のエネルギー貯蔵モジュール３から、他のエネルギー供給支線のエネルギー貯蔵モジュール３への電気エネルギーの転送の際に、電流負荷によって、損失熱の形態による電力損失が発生するという状況を活用することができる。この損失熱は、該当するエネルギー貯蔵モジュール３を局所的、および一次的に加熱するために利用することが可能である。この形態の加熱のためには、追加的な加熱要素はもはや必要ではない。なぜならば、２つのエネルギー貯蔵モジュールの間を往復して電気エネルギーを転送するために、結合装置７のための特定の駆動ストラテジのみ選択すればよいからである。
【００４２】
その際に、エネルギー転送プロセスの枠組みにおいて、電動機２内で望まれぬ回転トルクが発生しないことに注意されたい。好適に、電気エネルギーの転送は短期間でのみ行われ、すなわち、エネルギー貯蔵モジュール３間の転送のためには、設定可能な周波数上限値をその周波数が上回る高周波の交流電流のみ利用される。追加的にまたは代替的に、電動機２が停止している際には、電動機２と、電動機２により電気的に駆動される車両との望まぬ運転を防止するために、トランスミッション・ラチェット爪（Ｇｅｔｒｉｅｂｅｓｐｅｒｒｋｌｉｎｋｅ）を作動させてもよい。このようにして、高周波の積み替え電流（Ｕｍｌａｄｅｓｔｒｏｍ）が低周波の作動電流に重畳することで、システム１００の通常駆動の間にもエネルギー貯蔵セル５ａ〜５ｋを加熱することが可能である。
【００４３】
図４は、エネルギー貯蔵装置のエネルギー貯蔵セル、例えば、図１のエネルギー貯蔵装置１のエネルギー貯蔵セル５ａ〜５ｋを加熱する方法１０の概略図を示す。本方法１０は、特に、電動機２として電動モータを有する電気的に駆動される車両内での利用のために適している。このような車両内で使用される、エネルギー貯蔵セル５ａ〜５ｋを有するエネルギー貯蔵装置１は、例えば冬季または夜間に低温に晒されるため、電気的に駆動される車両の始動が方法１０によって加速され、簡略化される。エネルギー貯蔵装置１のエネルギー貯蔵セル間での、エネルギーの高周波による積み替え（ｈｏｃｈｆｒｅｑｕｅｎｔｅｓ  Ｕｍｌａｄｅｎ）によって、関与するエネルギー貯蔵セルを、その際に発生する積み替え電力損失（Ｌａｄｅｖｅｒｌｕｓｔｌｅｉｓｔｕｎｇ）により加熱することが可能であり、したがって、エネルギー貯蔵セルの内部抵抗が下がり、したがってその性能が改善される。その際に、本方法１０は好適に、エネルギー貯蔵セルの温度が第１の所定の限界値を下回る場合に実行することが可能である。例えば、それを下回るとエネルギー貯蔵装置１の内部抵抗が最大許容値または所望の値を上回る温度に、この第１の所定の限界値を合わせてもよい。
【００４４】
方法１０は、第１の工程１１として、エネルギー貯蔵装置１の出力端子１ａ、１ｂ、１ｃと、ｎ相型電動機２の入力端子とを接続し、電動機２のスターポイントを介して出力端子１ａ、１ｂ、１ｃを結合する工程を含みうる。このことは、三相電動機２を備える通常の電気的駆動システム内ではいずれにせよ当てはまる。続いて、第２の工程１２では、第１のエネルギー供給支線Ｚ１〜Ｚ３へと各エネルギー貯蔵セルモジュール５を接続するために、第１のエネルギー供給支線Ｚ１〜Ｚ３の少なくとも１つのエネルギー貯蔵モジュール３の結合装置７の駆動１２が行われうる。工程１３で、第２のエネルギー供給支線Ｚ１〜Ｚ３へと各エネルギー貯蔵セルモジュール５を接続するために、工程１２と同時に、第２のエネルギー供給支線Ｚ１〜Ｚ３の少なくとも１つのエネルギー貯蔵モジュール３の結合装置７の駆動が行われる場合には、第１のエネルギー供給支線Ｚ１〜Ｚ３の各エネルギー貯蔵モジュール３と、電動機２と、電動機のスターポイントとを通って、エネルギー貯蔵装置１へと戻り、第２のエネルギー供給支線Ｚ１〜Ｚ３の各エネルギー貯蔵モジュール３と、基準電位バス４とを通って、第１のエネルギー供給支線Ｚ１〜Ｚ３へと流れる電流回路が発生する。
【００４５】
この状態を、第１の所定の期間の間維持することが可能であり、したがって、電気エネルギーを、第１のエネルギー供給支線Ｚ１〜Ｚ３から、第２のエネルギー供給支線Ｚ１〜Ｚ３の各エネルギー貯蔵モジュール３へと転送することが可能である。第１の所定の期間が、電動機２の誘導要素２ｄのインダクタンスを誘導要素２ｄのオーム抵抗で割った商よりも短いように選択される場合には、電動機２の誘導要素２ｄは、ある程度、第１のエネルギー供給支線Ｚ１〜Ｚ３から取得された電気エネルギーの一時的貯蔵器として機能する。第１の所定の期間が経過した後で、工程１４において、第２の所定の期間の間、第２のエネルギー供給支線Ｚ１〜Ｚ３内で各エネルギー貯蔵セルモジュール５を橋絡するために、第２のエネルギー供給支線Ｚ１〜Ｚ３の少なくとも１つのエネルギー貯蔵モジュール３の結合装置７が駆動される。これにより、電動機２の誘導要素２ｄを再び充電させることが可能となる。第２の所定の期間は十分に短くてもよく、したがって、電動機２内で望まれぬ回転トルクが発生しない。
【００４６】
その際に、工程１３および１４は、関与するエネルギー貯蔵モジュール３のエネルギー貯蔵セル５ａ、５ｋの温度が第２の所定の限界値を上回るまで交互に行うことが可能である。例えば、それを超えるとエネルギー貯蔵装置１のエネルギー貯蔵セル５ａ、５ｋの内部抵抗が所望の値を下回る温度に、この第２の所定の限界値を合わせてもよい。
【００４７】
工程１５では、電動機２のためのｎ相の供給電圧を提供するために、第１のエネルギー供給支Ｚ１〜Ｚ３の少なくとも１つのエネルギー貯蔵モジュール３と、第２のエネルギー供給支線Ｚ１〜Ｚ３の少なくとも１つのエネルギー貯蔵モジュール３とが選択されうる。特に、電動機２のために低い入力電圧のみ必要な駆動状況において、例えば電動機の始動時に、合目的的に、電動機２のためのｎ相の供給電圧を提供するために、既に加熱されたエネルギー貯蔵モジュール３を選択することが可能である。後の駆動段階において初めて、例えば、当該エネルギー貯蔵モジュール３の加熱が後に行われる場合に、本方法１０を用いる加熱であれ、電気的に駆動される車両の走行駆動による自動的な加熱であれ、残りのエネルギー貯蔵モジュール３が駆動する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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