(57)【要約】  電圧を供給するエネルギー源（１）と、当該エネルギー源（１）と電気的に接続されている監視装置（４）を備えたエネルギー供給装置であって、当該監視装置（４）は、前記エネルギー源（１）からの電流取り出し時に、電圧、電流の強さおよび当該エネルギー源（１）の温度を測定し、電圧に対する遮断境界値を下回ると、前記電流取り出しを中断し、前記遮断境界値は、前記エネルギー源（１）の温度および電流の強さに依存する、ことを特徴とするエネルギー供給装置。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧を供給するエネルギー源（１）と、当該エネルギー源（１）と電気的に接続されている監視装置（４）を備えたエネルギー供給装置であって、
当該監視装置（４）は、前記エネルギー源（１）からの電流取り出し時に、電圧、電流の強さおよび当該エネルギー源（１）の温度を測定し、かつ前記電圧が遮断境界値を下回ると、当該電流取り出しを中断する、
前記遮断境界値は、前記エネルギー源（１）の温度および電流の強さに依存する、
ことを特徴とするエネルギー供給装置。
【請求項２】
前記監視装置（４）はメモリ（８）を有しており、当該メモリ（８）内に、温度と放電電流の特定の組み合わせに対して、それぞれ１つの対応する境界値がテーブルとして格納されており、前記測定された温度値および放電電流値を入力することによって、該当する遮断境界値が出力される、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記監視装置（４）は計算ユニット（７）を有しており、当該計算ユニット（７）は、前記テーブルに含まれていない測定された温度および／または放電電流値に対して、前記テーブル内にある、複数の最も近い値から、該当する各遮断境界値を補間する、請求項２記載の装置。
【請求項４】
前記テーブルは、前記エネルギー源（１）での電圧、放電電流、前記エネルギー源（１）の温度および内部抵抗に依存した遮断境界値を含んでいる、請求項１または２記載の装置。
【請求項５】
前記エネルギー源（１）は、鉛蓄電池、ニッケル亜鉛電池、電気二重層コンデンサ、リチウム空気電池、亜鉛空気電池、アルミニウム空気電池、ニッケル金属ハイブリッド電池、リチウム硫黄電池、リチウムフッ素電池、ナトリウム硫黄電池、ナトリウムニッケル塩化物電池またはリチウムイオン電池である、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
【請求項６】
前記監視装置（４）は、前記遮断境界値を少なくとも電流の強さおよび電圧から求めるように構成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギー供給装置に関する。
【０００２】
ハイブリッド車とも称される、ハイブリッド駆動部を備えた自動車は例えば、内燃機関と、１つまたは複数の電気機械と、１つまたは複数の電気化学的なエネルギー蓄積器とを有している。燃料電池を備えた電気自動車は一般的に、エネルギー変換のための燃料電池と、液体または気体のエネルギーキャリア用のタンクと、電気化学的エネルギー蓄積器および／または静電エネルギー蓄積器と、駆動部に対する１つまたは複数の電気機械とから成る。
【０００３】
ハイブリッド車の電気機械は通常、スターター／ジェネレータおよび／または電気駆動部として構成されている。スターター／ジェネレータとして、これは、通常存在する始動部およびオルタネータを代替する。電気駆動部として構成されている場合には、付加的なトルク、すなわち加速トルクが、電気機械による車両の前進のために提供される。ジェネレータとしてこの電気機械は、制動エネルギーをエネルギー蓄積器および搭載電源網内へ電気エネルギーとして回生する。
【０００４】
純粋な電気自動車の場合には、駆動出力は、電気機械のみによって提供される。両タイプの自動車、すなわちハイブリッド車および電気自動車で、共通するのは、大量の電気エネルギーが供給、搬送および蓄積されなければならない、ということである。
【０００５】
エネルギーの流れの制御は、一般的にハイブリッドコントローラと称されるエレクトロニクスを介して行われる。これは、殊に、エネルギー蓄積器からエネルギーが取り出されるべきかまたはこれにエネルギーが供給されるべきか否か、およびそれがどの位の量であるべきかを閉ループ制御する。燃料電池またはエネルギー蓄積器から取り出されたエネルギーは、一般的に、駆動出力の形成、および車両搭載電源網の給電に用いられる。エネルギー供給は、蓄積器の充電ないしは制動エネルギーの電気エネルギーへの変換、すなわち回生制動に用いられる。エネルギー供給源および蓄積器としてここでは、種々の様式のエネルギー源が可能であり、例えば燃料電池、特別なキャパシターおよび多様な電気化学装置であり、殊に、二次電気化学装置−電池である。ここで重要なのは、体積、重量、寿命およびコストのできるだけ最適なバランスを得ることである。
【０００６】
電気化学装置の放電曲線は、基礎にある電気化学材料に関係なく、エネルギーの取り出しは、３つのフェーズによってあらわされる。電流取り出しの開始（フェーズ１）は、実質的に瞬時の電圧下方変化（下落）によって特徴づけられる。これに、ほぼ継続的な電流取り出しを伴う一定電圧の特徴が続く（フェーズ２）。原材料の枯渇による放電フェーズ終了時の電圧下方変化（フェーズ３）は、持続している電気化学的反応が最終的な放電をあらわし、電池放電の最低境界値を規定する。これは一般的には、遮断電圧ないしは放電終了電圧（Ｕｓ）として知られている。放電終了電圧を下回る過度に強い放電は過放電であり、アクティブな反応材料の過負荷によって、劣化を強め、早期の容量減少を生じさせる。
【０００７】
従ってこれまでは通常、放電終了電圧は、各エネルギー源に対して、専門家の知識によって、各方面で一定の値に固定されてきた。しかしこの容易な解決方法は、殊に温度が低い場合および放電電流が高い場合には、十分ではない。なぜなら電圧レベルは、温度が低い場合および放電電流が高い場合には、放電開始時の高い電圧降下が原因で、遮断電圧の僅か上方にあり、エネルギーの取り出しを著しく制限してしまうからである。
【０００８】
本発明の課題は、このような欠点が生じない、冒頭に記載した様式のエネルギー源を有するエネルギー供給装置を提供することである。
【０００９】
上記の課題は、請求項１に記載されたエネルギー供給装置によって解決される。本発明のアイディアの実施形態および発展形態は、従属請求項に記載されている。
【００１０】
上述の課題は殊に、電圧を供給するエネルギー源と、このエネルギー源と電気的に接続されている監視装置とを有するエネルギー供給装置によって解決される。ここでこの監視装置は、エネルギー源からの電流取り出し時に、電圧、電流強度およびエネルギー源の温度を測定し、電圧に対する遮断境界値を下回ると、電流の取り出しを中断する。ここで、この遮断境界値は、エネルギー源の温度、および／または電流強度に依存する。
【００１１】
本発明を以降で、図示された実施例に基づいてより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明のエネルギー供給装置の例示的な構成を示しているブロック回路図
【図２】３つのフェーズに分けられた、電池放電時の典型的な曲線経過を示すダイヤグラム
【図３】放電電流（電流レートＣ）への放電開始電圧の依存を示すダイヤグラム
【図４】１Ｃの放電電流時の、温度への開始電圧の依存を示すダイヤグラム
【図５】放電電流および相応に放電開始電圧（Ｕａ）に依存した、遮断境界値の適応を示すダイヤグラム
【図６】放電開始電圧（Ｕａ）に対する、温度および放電電流の影響を示すダイヤグラム
【図７】温度および放電電流を考慮した、計算された各動的遮断境界値を示すテーブル
【実施例】
【００１３】
図１に示されている、エネルギー供給装置の、本発明の実施形態では例えば燃料電池、鉛蓄電池、ニッケル亜鉛電池、電気二重層コンデンサ、リチウム空気電池、亜鉛空気電池、アルミニウム空気電池、ニッケル金属ハイブリッド電池またはリチウムイオン電池として構成されており、以降で短縮して、電池１と称するエネルギー源は、制御可能なスイッチ２を介して負荷３に接続されている。スイッチ２はここで、監視装置４によって制御される。この監視装置は、殊に比較器５を含んでいる。比較器５では、一つの入力側がアース６に対する電池電圧Ｕを測定するために電池１の１つの極と接続されている。また、比較器５の別の接続端子には、放電終了電圧（Ｕｓ）をあらわす遮断境界値が加えられる。この遮断境界値は補間装置７によって供給される。この補間装置は同様に、メモリ８に後置接続されている。このメモリ８内にはテーブルが格納されている。これは、温度と放電電流の特定の組み合わせに対する各１つの境界値を含んでいる。電池１で、温度測定装置９によって測定された温度と、電流測定装置１０によって測定された放電電流とがメモリ８に供給されると、相応する温度値と放電電流値とがメモリ８内に格納されている場合、メモリ８は相応の遮断境界値を出力する。この場合には、属する遮断境界値が補間ユニット７によって、変えられずに、比較器５へと転送される。しかし温度および放電電流に対する測定値が、テーブルに含まれている値に相応しない場合には、これに最も近い２つの値がテーブルから読み出され、ここから、補間ユニット７内で線形補間等によって、該当する遮断境界値が求められ、比較器５に転送される。
【００１４】
電池１での電圧Ｕが、求められたこの遮断境界値（相応に電圧Ｕｓの実際値）よりも大きい場合、スイッチ２が閉成され、負荷３に電流が供給される。これとは逆の場合、すなわち電池１の電圧Ｕが遮断境界値と同じまたは遮断境界値を下回る場合には、スイッチ２が開放され、これによって負荷が電池から切り離され、電池１の過放電が阻止される。
【００１５】
図２には、電池放電時の典型的な経過曲線が示されている。これは、冒頭で説明した３つのフェーズに分けられている。
【００１６】
電流取り出し（フェーズ１）の開始は、実際に瞬時の電圧降下によって表される。この電圧降下ΔＵは、負荷電流ΔＩの変化およびエネルギー源の内部抵抗Ｒｉによって、オームの法則に従って規定される。
【００１７】
ほぼ継続的な取り出し（フェーズ２）の際の一定な電圧経過は、電池の大きさ、電池の化学物質およびセル（電池）の負荷に依存して、継続的な電圧低下によって表される。この電圧低下は多かれ少なかれ、セル電圧の高い低下を含む。
【００１８】
従って、放電経過特性をあらわす放電フェーズ終了時の電圧降下（フェーズ３）は、電気化学的な原材料（電解質、アノードおよびカソードのアクティブな材料）が、セルにとって典型的な電気化学反応によって、放電の間にほぼ変換されたことに由来する。原材料が使い果たされたことによって、電圧降下は、フェーズ２に比べて格段に増大する。セルの電圧は、比較的迅速に落ち込む。このフェーズは、セル放電の最低境界値を規定する。これは一般的に、遮断電圧ないしは放電終了電圧（Ｕｓ）として知られている。この放電終了電圧を下回る過度の放電は過度放電であり、アクティブな反応材料の高い負荷によって、強い劣化および容量減少を生じさせる。
【００１９】
電池電圧Ｕは、温度が低い場合および放電電圧が高い場合には、放電開始時の高い電圧降下によって、放電終了電圧Ｕｓ（遮断境界値）の僅か上方に位置する。これによって、エネルギー取り出しが著しく制限される。放電電流Ｉ（Ｃレート）および温度τへの電圧Ｕの依存性は、図３および４に示されている。ここでＵｏは、電池の無負荷電圧を表しており、Ｕａはその放電開始電圧を表しており、Ｒはその内部抵抗を表しており、ΔＵは電圧変化分を表しており、ΔＩは電流変化分を表しており、Ｕｓはまさしく放電終了電圧を表している。Ｃレートは、既知のように、時間単位（１ｈ）あたりの電池の公称容量（例えば２００Ａｈ）から得られ、この実施例では１Ｃ＝２００Ａである。
【００２０】
本発明では、「動的な」遮断境界値が、目下の動作温度および放電電流に依存して設定される。動作条件に依存したエネルギー源に対する遮断境界値のこのようなダイナミック性によって、エネルギー源から、殊に、温度が低い場合および電流負荷が高い場合に、格段に多くのパワーを取り出すことが可能になる。しかも、その容量を大きくする必要はない。これによって例えば、ハイブリッド車または電気自動車の場合に、顕著に、重量に関係するコストを節約することができる。しかも、この際にエネルギー源（殊に、これが電池である場合）が強く劣化することがない。
【００２１】
任意のエネルギー源の一例としてとりあげられた電池の内部抵抗は、電池の温度に依存する。温度が低い場合には、内部抵抗Ｒは、電池の電気化学的な構造に応じて、多く又は少なくする。これによって、温度が低い場合および放電開始時の内部抵抗は、例えば２０℃の定常温度時の内部抵抗と比べて、格段に高い電圧降下を生じさせる。放電電流Ｉの他に、この内部抵抗Ｒによって、実質的に、放電開始時の電圧降下が規定される。本願発明では、放電開始時のこの高い電圧降下（フェーズＩ）は、放電終了電圧（遮断境界値）を、電池の目下の温度τに依存して調整する際に考慮される。放電終了電圧のこの調整によって、内部抵抗Ｒの増大が一貫して考慮され、定常動作条件（定常温度および定常電流）と比べて、パートナーどうしの増大した消費による、より高い電流出力、ひいてはこれと結びついた劣化が生じることはない。
【００２２】
本発明によるダイナミック性の第２の観点は、負荷電流に関する。ここでは、電池が、電流が高い場合および内部抵抗が一定の場合に、オームの法則に従って、放電開始時に相応の高い電圧降下も生じさせる、ということが考慮されている。これは図５に明示されている。開始電圧Ｕａは、線形に、放電電流Ｉに依存している。関数傾斜の比ｄＵ／ｄＩは、基本的に、観察されている各電池タイプの内部抵抗Ｒをあらわしている。ここで、縦軸（Ｙ軸、Ｉ＝０）とこの曲線の交点は、基本的に、電池の無負荷電圧Ｕ０を表している。この高い電圧降下によって、相応に、これに対して線形に電圧が調整される。これは同様に、図５から読み取れる。
【００２３】
図６には、２つの変数の影響がまとめて示されている。２つの影響変数を考慮して、図５に従って、別の温度に対しても、放電終了電圧の相応の経過が定められる。このようにして得られた曲線群（ないしは相応の式）は次に、種々の放電電流において、放電終了電圧を求めるために使用される。ここでは例えば、各温度に対して設定された線形方程式（放物線型方程式等）が使用される。従って、この影響変数も考慮される。２つの特定の温度の間の動作電圧の場合には、この値は例えば、最も近い線形方程式からの線形補間によって求められる。このようにして得られた、例とされている電池に対する値は、図７から読み取れる。従来の措置とは異なり、遮断境界値にダイナミックな変化を取り入れたことにより、電池の付加的な劣化を導かない。なぜなら、アクティブ材料の取り出しが、定常状態に対して一定に保持されるからである。放電終了電圧を動的に調整することによって、殊に温度が低い場合には、電池の放電能力が格段に上昇され、これによって場合によっては必要な、セル数の上昇またはバッテリのセル容量の増加が阻止される。これによって、価格、体積および重量が抑えられる。ここで、遮断境界値を、外部の測定装置または監視装置４自体によって、少なくとも電流強度および電圧から、一度だけ、または特定の時間間隔、または継続的に求めるように設定することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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