(57)【要約】  第１バッテリーユニットと第２バッテリーユニット（１１，１２）の直列接続であって、第１バッテリーユニットと第２バッテリーユニット（１１，１２）とは交互に設けられている直列接続と、第１誘導貯蔵要素（１３）であって、第１段階においては、第１バッテリーユニット（１１）の第１インプット部（１７）が、第１スイッチ構造体（１６）を介して第１誘導貯蔵要素（１３）の第１接続部（１９）と接合可能であり、第２バッテリーユニットの第２インプット部（１８）は、第１スイッチ構造体（１５）を介して第１誘導貯蔵要素（１３）の第２接続部（２０）と接合可能である第１誘導貯蔵要素（１３）と、第１誘導貯蔵要素（１３）と誘導的に連結されている第２誘導貯蔵要素（１４）であって、第２段階においては、第２スイッチ構造体（１６）によって、第２誘導貯蔵要素（１４）の第１接続部が、第１インプット部あるいは第２インプット部と接合可能であり、第２誘導貯蔵要素（１４）の第２接続部が、第２インプット部あるいは第１インプット部と接合可能である第２誘導貯蔵要素（１４）とを備える。
2013520146.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１バッテリーユニットと第２バッテリーユニット（１１，１２）の直列接続であって、第１バッテリーユニットと第２バッテリーユニット（１１，１２）とは交互に設けられている直列接続と、
第１誘導貯蔵要素（１３）であって、第１段階においては、前記第１バッテリーユニット（１１）の第１インプット部（１７）が、第１スイッチ構造体（１５）を介して前記第１誘導貯蔵要素（１３）の第１接続部（１９）と接合可能であり、前記第２バッテリーユニットの第２インプット部（１８）は、前記第１スイッチ構造体（１５）を介して前記第１誘導貯蔵要素（１３）の第２接続部（２０）と接合可能である第１誘導貯蔵要素（１３）と、
前記第１誘導貯蔵要素（１３）と誘導的に連結されている第２誘導貯蔵要素（１４）であって、第２段階においては、第２スイッチ構造体（１６）によって、前記第２誘導貯蔵要素（１４）の第１接続部が、第１インプット部あるいは第２インプット部と接合可能であり、前記第２誘導貯蔵要素（１４）の第２接続部が、第２インプット部あるいは第１インプット部と接合可能である第２誘導貯蔵要素（１４）とを備える回路構造体（１０）。
【請求項２】
前記第２バッテリーユニットの前記インプット部（１８）は、第１バッテリーユニットのアウトプット部とそれぞれ接合されていることを特徴とする請求項１に記載の回路構造体。
【請求項３】
第１インプット部は第１中間スイッチ（２２）によって、第２インプット部は第２中間スイッチ（２２）によって、前記第１誘導貯蔵要素（１３）に接合され得ることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の回路構造体。
【請求項４】
前記第２スイッチ構造体（１６）は、第３中間スイッチ（２３）と第４中間スイッチ（２４）とを備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の回路構造体。
【請求項５】
前記第２スイッチ構造体（１６）は、第５中間スイッチ（２９）と第６中間スイッチ（３０）とを備え、第３中間スイッチ（２３）と第５中間スイッチ（２９）、もしくは第４中間スイッチ（２４）と第６中間スイッチ（３０）はそれぞれ、互いに同時に接続され得ることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の回路構造体。
【請求項６】
充電切換器（２７）が前記第１誘導貯蔵要素（１３）に前置されて直列接続されており、特に直接的に、前置されて直列接続されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の回路構造体。
【請求項７】
前記第２誘導貯蔵要素（１４）の巻線（Ｎ２）に対する、前記第１誘導貯蔵要素（１３）の巻線（Ｎ１）の巻線比率（Ｎ１／Ｎ２）は１より大きいかあるいは１と同じであり、特に１よりわずかだけ大きい、すなわち特に１．０５と１．５の間、特に１．０５と１．１の間であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の回路構造体。
【請求項８】
前記第１インプット部と前記第２インプット部は、少なくとも１つの電圧測定装置に接続されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の回路構造体。
【請求項９】
前記第１誘導貯蔵装置（１３）および／あるいは前記第２誘導貯蔵装置（１４）は、電圧測定装置に接続されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の回路構造体。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか一項に記載の回路構造体を備えるバッテリー管理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回路構造体、特にバッテリー構造体のバッテリーユニット間で電荷を交換するための回路構造体と、そのような回路構造体を有するバッテリー管理システムとに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、直列接続されたいくつかの蓄電池を備える蓄電池構造体の蓄電池間で電荷を交換するための回路構造体を示している。充電電流を蓄電池構造体に供給することができる。放電電流を蓄電池構造体から取り出すことができる。その際、蓄電池構造体内部の個々の蓄電池の異なる充電状況が生じかねない。そのように同じではない充電状況を均一にするために、示された回路構造体では、各蓄電池に１つの誘導貯蔵要素が割り当てられており、蓄電池と誘導貯蔵要素との間には、スイッチ要素が備わっている。第２誘導貯蔵要素は、第１誘導貯蔵要素と誘導的に連結されている。第１駆動モードでは、第１誘導貯蔵要素とそれに付随する蓄電池との間に設けられたスイッチ要素が閉じられており、その結果、第１誘導貯蔵要素を介して第２誘導貯蔵要素に伝達されるエネルギーが、蓄電池から取り出される。第１誘導貯蔵要素とそれぞれの蓄電池との間に設けられている個々のスイッチ要素を対応して閉じることによって、第２誘導貯蔵要素にあるエネルギーが意図的に、個々の蓄電池あるいは複数の蓄電池に伝達され得る。全体的にこれによって、蓄電池から別の蓄電池へのエネルギーの切換が行われ得る。これは、蓄電池のバランスを取ることに用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２００８０２１０９０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本願発明の課題は、バッテリーユニット特に直列接続されたバッテリーユニットのバランスを取るための、改善された回路構造体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の基礎となる課題は、請求項１に記載の回路構造体によって解決される。好ましい形態は、従属請求項からもたらされる。
【０００６】
本発明に従えば、第１バッテリーユニットと第２バッテリーユニットの直列接続を備える回路構造体が備わっており、第１バッテリーユニットと第２バッテリーユニットとは、交互に設けられている。第１バッテリーユニットと第２バッテリーユニットとは、それぞれ構造が同じであってよい。第１バッテリーユニットと第２バッテリーユニットとの違いは、さらに指摘されるように、主に、それぞれ異なる相互接続にある。その際バッテリーユニットは、１つあるいは複数の電気化学的セルを備えてよい。
【０００７】
さらに、第１誘導貯蔵要素が備わっている。第１段階においては、第１バッテリーユニットの第１インプット部が、第１スイッチ構造体を介して第１誘導貯蔵要素の第１接続部と接合可能である。第２バッテリーユニットの第２インプット部は、第１スイッチ構造体を介して第１誘導貯蔵要素の第２接続部と接合可能である。第１誘導貯蔵要素と誘導的に連結されている第２誘導貯蔵要素が備わっている。その際誘導的連結とは、磁場と磁束が、１つの誘導貯蔵要素から別の誘導貯蔵要素へ伝達され得ることと理解され得る。これは好適には、変圧器コアによって行われ得る。第１誘導貯蔵要素と第２誘導貯蔵要素とは、共通の変圧器ユニットの構成部材であってよい。
【０００８】
第２段階においては、第２スイッチ構造体によって、第２誘導貯蔵要素の第１接続部が、第１インプット部あるいは第２インプット部と接合可能であり、第２誘導貯蔵要素の第２接続部が、第２インプット部あるいは第１インプット部と接合可能である。当業者にとって明らかなのは、バッテリーユニットの直列接続に基づけば、バッテリーユニットのインプット部は同時に、前置されて直列接続されたバッテリーユニットのアウトプット部であり得るということである。それで第２バッテリーユニットのインプット部は、第１バッテリーユニットのアウトプット部であってよく、その逆であってよい。
【０００９】
バッテリーユニットは好適には、ガルバニセルの構造群として化学エネルギーの貯蔵と電気エネルギーの放出に用いられる電極積重物を備える。そのために電極積重物は、複数のプレート状の要素、つまり少なくとも２つの電極すなわち１つのアノードと１つのカソード、および電解質を少なくとも部分的に受容する１つのセパレータを備える。好適には、少なくとも１つのアノードとセパレータとカソードが互いに重ね合わされもしくは積重されており、セパレータは少なくとも部分的にアノードとカソードとの間に設けられている。アノードとセパレータとカソードのこの連続体は、電極積重物の内部で任意にしばしば繰り返される。好適には、プレート型の要素は、電極巻回体として巻回されている。以下においては、「電極積重物」という用語は、電極巻回体にも用いられる。電気エネルギーの放出前に、貯蔵された化学エネルギーは電気エネルギーに変換される。充電中に、電極積重物に供給された電気エネルギーは、化学エネルギーに変換され、貯蔵される。好適には、電極積重物は、複数の電極ペアとセパレータとを備える。特に好ましくは、いくつかの電極が、重なり合って特に電気的に互いに接合されている。
【００１０】
本発明に係る回路構造体によって、意図的にエネルギーをバッテリーユニットから取り出し、このエネルギーを磁気の形で特に第１誘導貯蔵要素に中間貯蔵することが可能である。この磁気エネルギーは、誘導的連結によって、第２誘導貯蔵要素に伝達され得る。第２スイッチ構造体の回路によっては、第２誘導貯蔵要素の磁気エネルギーは第１バッテリーユニットあるいは第２バッテリーユニットに伝達され得る。その際第２スイッチ構造体の位置によっては、磁気エネルギーがその際に第１バッテリーユニットに伝達されるべきか、あるいは第２バッテリーユニットに伝達されるべきかが、原則的に確定される。それから、第２段階での第１スイッチ構造体の位置に応じて、正確にはこのエネルギーがどの個々のバッテリーユニットに伝達されるべきかが確定され得る。その際有利なのは、複数のバッテリーユニットについてのバランスプロセスのために、第１誘導貯蔵要素と第２誘導貯蔵要素とを用いることが可能ということである。それぞれ１つのバッテリーユニットに配設されている複数の誘導貯蔵要素を備えておかなくてもよく、その結果単純化された構造がもたらされ得る。
【００１１】
本発明に係る回路装置によって、バッテリーユニット間の充電状況の差を、個々の変圧器を介してやり取りできる。その際スイッチ装置は、ＭＯＳＦＥＴによって形作られていてよい。このスイッチ装置をマイクロコントローラ制御で意図的に操作することによって、任意のバッテリーユニットから別の任意のバッテリーユニットへのエネルギーの各流れ方向を作り出すことができる。
【００１２】
好適にはバッテリーユニットのインプット部は、それぞれ前置されて接続されているバッテリーユニットのアウトプット部とそれぞれ直接的に接合されており、特に、第２バッテリーユニットの第２インプット部は、第１バッテリーユニットの第１アウトプット部とそれぞれ直接的に接合されている。これによって、回路構造体を単純化できる。第１バッテリーユニットを制御するために用いられる、スイッチ構造体のスイッチは、第２バッテリーユニットの相互接続にも用いられてよい。全体的にそれによって、スイッチの数を減らすことができ、および／あるいは回路構造体の構造を単純化できる。
【００１３】
その際好適には、第１インプット部は第１中間スイッチによって、第２インプット部は第２中間スイッチによって、第１誘導貯蔵要素に接続され得る。その際第１中間スイッチと第２中間スイッチとは、好適には構造が同じであり、回路構造体内部において第１バッテリーユニットにあるもしくは第２バッテリーユニットにあるその位置によってのみ区別され得る。その際、第２中間スイッチは第１誘導貯蔵要素の第２接続部と、第１中間スイッチは第１接続部と接合可能である。第１中間スイッチと第２中間スイッチとは、第１スイッチ構造体の構成部材である。
【００１４】
第２スイッチ構造体は特に、磁気の形で第１誘導貯蔵要素あるいは第２誘導貯蔵要素に貯蔵されていてよいエネルギーが、第１バッテリーユニットに伝達されるべきか、あるいは第２バッテリーユニットに伝達されるべきかを確定するために用いられる。言い換えれば、その際、第２スイッチ構造体を介して、続く充電プロセスのために、バッテリーユニットのインプット部がアウトプット部に変換される。その際、第２スイッチ構造体は、好適には、特にワンピースのスイッチによっても形成されていてよい第３中間スイッチと第４中間スイッチとを備える。これらのスイッチの位置によっては、貯蔵要素の接続部はそれぞれ、第１バッテリーユニットもしくは第２バッテリーユニットのインプット部あるいはアウトプット部と接合される。好適には、第２スイッチ構造体は、第５中間スイッチと第６中間スイッチとが付加されていてもよく、当該中間スイッチは、第２誘導貯蔵要素のそれぞれ別の接続部を、バッテリーユニットの対応する１つのインプット部もしくはアウトプット部、あるいはそれらの複数と接合でき、あるいは切り離しできる。第３中間スイッチと第５中間スイッチ、もしくは第４中間スイッチと第６中間スイッチはそれぞれ、好適には互いに同時に接続され得る。その際第２スイッチ構造体は好適には、根本的に、第２誘導貯蔵要素をバッテリーユニットのすべてのインプット部もしくはアウトプット部と切り離すことにも用いられる。
【００１５】
好適には充電切換器が、第１誘導貯蔵要素に前置されて直列接続されている。充電切換器は、特に直接的に、第１誘導貯蔵要素に前置されて直列接続されていてよい。この充電切換器は、第１誘導貯蔵要素を、当該第１誘導貯蔵要素が設けられていてよい電流回路から根本的に切り離すために使われてよい。それによって、第１誘導貯蔵要素とバッテリーユニットとの間の各電流の流れを好適には止めることができ、このことは特に第２段階において重要である。
【００１６】
第１誘導貯蔵要素と第２誘導貯蔵要素とは好適には、電磁コイルの形状で形成されている。その際、それぞれ電磁コイルは、いくつかの巻線を備える。第２誘導貯蔵要素の巻線に対する、第１誘導貯蔵要素の巻線の巻線比率Ｎ１／Ｎ２はその際、好適には１より大きいかあるいは１と同じであり、特に１よりわずかだけ大きい、すなわち特に１．０５と１．５の間、特に１．０５と１．１の間である。巻線比率をこのように選択することによって、効率の損失を補填でき、かつより低い電圧であってもよい目標のバッテリーユニットへの充電プロセスを引き起こすことができる。接触抵抗と移動抵抗でのオームの法則に基づく電圧低下を克服できる。
【００１７】
好適には、インプット部特に第１インプット部と第２インプット部のすべては、少なくとも１つの電圧測定装置に接続されている。電圧測定装置を介して、個々のバッテリーユニットの印加電圧を検出でき、あるいは少なくとも、個々のバッテリーユニットの電圧を逆推量できる。特許文献１にも記述されているように、検出された電圧によって、バッテリーユニット内に貯蔵された電荷を逆推量することが可能になる。
【００１８】
好適には、第１誘導貯蔵装置および／あるいは第２誘導貯蔵装置は、電圧測定装置に接続されている。電圧測定装置は好適には、第１誘導貯蔵装置の両接続部と直接的に接合されていてよい。それによって測定可能な電圧で、それぞれの誘導貯蔵装置の誘導充電状況を逆推量できる。これは、誘導貯蔵装置を充電するために、バッテリーユニットからできる限り最適なエネルギーを取り出すために有利であり、当該エネルギーはその後再び、第２誘導貯蔵装置を介して別のバッテリーユニットに供給され得る。これによって回路構造体の効率を向上させることができる。
【００１９】
本発明はさらに、上述のような回路構造体を備えるバッテリー管理システムに関する。
【００２０】
本発明は、後続の図に基づいてより詳細に説明される。図に示されるのは以下である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】バランスプロセス開始前のバッテリーユニットの充電状況の概略図である。
【図２】第１段階における本発明に係る回路構造体の回路図である。
【図３】第２段階における本発明に係る回路構造体の回路図である。
【図４】代替的な第２段階における本発明に係る回路構造体の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１は、複数のバッテリーユニットを有するバッテリー構造体に設けられている５つのバッテリーユニット１１，１２の充電状況を概略的に示している。その際水平の線は、５つのバッテリーユニットすべてを平均した充電状況に印を付けたものである。左のバッテリーユニット１１’は、他のどのバッテリーユニットよりも充電状況が良いことが明らかである。中央のバッテリーユニット１１”は、他のどのバッテリーユニットよりも充電状況が悪い。すべてのバッテリーユニットの充電状況を互いに合わせるために必要なのは、左のバッテリーユニット１１’で平均より上の充電量を、中央のバッテリーユニット１１”に移すことである。これは、後続の図に基づいてより詳細に説明される回路構造体によって実現される。
【００２３】
図２は、第１段階における本発明に係る回路構造体１０を示しており、当該回路構造体１０では、電気エネルギーを続く第２段階において別のバッテリーユニット１１”に供給するために、この電気エネルギーがバッテリーユニット１１’から取り出されている。示された回路構造体１０は、直列接続されている複数のバッテリーユニット１１，１２を備える。応用回路２５は、バッテリーユニットの直列接続に接続されている。この応用回路２５は、電気消費物特に、駆動のための電気モータなどのような、車両内で考えられ得る電気消費物を備えてよい。しかも、バッテリーユニットの充電プロセスは、応用回路を介して行われる。第１バッテリーユニット１１と第２バッテリーユニット１２とは、構造的に同一である。各バッテリーユニット１１、１２には、１つのインプット部１７，１８が配設されており、第１バッテリーユニット１１にはそれぞれ１つの第１インプット部１７が配設され、第２バッテリーユニット１２にはそれぞれ１つの第２インプット部１８が配設されている。縁部側で外側のバッテリーユニットを除いては、通常、第２バッテリーユニット１２のインプット部１８は第１バッテリーユニット１１のアウトプット部に相当し、第１バッテリーユニット１１のインプット部１７は第２バッテリーユニット１２のアウトプット部に相当することが明らかである。バッテリーユニットのインプット部１７，１８は、第１スイッチ構造体１５を介して、第１誘導貯蔵要素１３の接続部１９，２０と接合されている。その際第１スイッチ構造体１５の第１中間スイッチ２１は、第１誘導貯蔵要素１３の第１接続部１９と接合されている。第１スイッチ構造体１５の第２中間スイッチ２２は、第１誘導貯蔵要素１３の第２接続部２０と接合されている。回路構造体１０は、バッテリー管理システム２６の構成部材である。
【００２４】
図２において、第１段階における回路構造体１０が表わされており、当該第１段階においては、左のバッテリーユニット１１’からの余剰エネルギーは、第１誘導貯蔵要素１３を充電するために用いられる。その際、左のバッテリーユニット１１’で対応する第１中間スイッチ２１と第２中間スイッチ２２とが閉じられており、その結果左の第１バッテリーユニット１１’を第１誘導貯蔵要素１３と接合させる電流回路が形成される。直接的に第１誘導貯蔵要素１３に前置されて接続されている充電切換器２７が、閉じられている。示された回路構造体１０のその他のスイッチはすべて、開かれている。
【００２５】
図３は、図２について示された第１段階に続く第２段階における、図２に記載の回路構造体１０を示している。左の第１バッテリーユニット１１’を、第１誘導貯蔵要素１３と接合させる中間スイッチ２１，２２が開かれており、その結果このバッテリーユニット１１’は、もはや共通の電流回路内で第１誘導貯蔵要素１３と接続されていないことが明らかである。むしろ、図２についてすでに実施されたように、左のバッテリーユニット１１’からの余剰エネルギーが供給されるべき中央のバッテリーユニット１１”の第１中間スイッチ２１と第２中間スイッチ２２とが開かれている。しかも、充電切換器２７が開かれており、その結果第１誘導貯蔵要素１３が完全に連結解除されていることが認識され得る。本件の第２段階においては、第２スイッチ構造体１６と第１スイッチ構造体１５とを介して、１つあるいは複数のバッテリーユニット１１，１２と接合され得る第２誘導貯蔵要素１４が使用される。第２スイッチ構造体１６は、第４から第７の中間スイッチ２３，２４，２９，３０を備え、当該中間スイッチは、第２誘導貯蔵要素１４の接続部を、バッテリーユニットのインプット部もしくはアウトプット部に配設されているそれぞれのスイッチ２１，２２と接合することができる。第１誘導貯蔵要素１３は、変圧器コア２８によって、第２誘導貯蔵要素１４と接合されている。第１誘導貯蔵要素１３と、第２誘導貯蔵要素１４と、変圧器コア２８とは、一緒に１つの変圧器を形成する。
【００２６】
示された第２段階においては、第４中間スイッチ２４と第６中間スイッチ３０とが開かれており、その結果中央のバッテリーユニット１１”と第２誘導貯蔵要素１４との間に電流回路が作られている。第２誘導貯蔵要素１４の貯蔵エネルギーを、中央のバッテリーユニット１１”に伝達することができる。
【００２７】
図４は、図３で示された第２段階のヴァリエーションで代替的な第２段階を示しており、当該代替的第２段階においては、中央の第１バッテリーユニット１１”の代わりに、第２バッテリーユニット１２’が付加的に、回路構造体１０によってエネルギーを供給される。中間スイッチ２１を介して今や電流は、図３の場合とは別の方向に流れるに違いないことが明らかである。第２スイッチ構造体１６はこの場合、第２誘導貯蔵要素１４のアウトプット部が今や、充電されるべきバッテリーユニット１２の第２バッテリーユニットのインプット部もしくはアウトプット部に対して逆に設けられているようにする。そのために、第４中間スイッチと第６中間スイッチの代わりに、第３中間スイッチ２３と第５中間スイッチ２９とが閉じられている。しかも、充電されるべき左の第２バッテリーユニット１２’に直接配設されている第１中間スイッチ２１と第２中間スイッチ２２とが閉じられている。その他の点では、回路構造体１０は図３と比べて、変更はない。
【符号の説明】
【００２８】
１０  回路構造体
１１  第１バッテリーユニット
１２  第２バッテリーユニット
１３  第１誘導貯蔵要素
１４  第２誘導貯蔵要素
１５  第１スイッチ構造体
１６  第２スイッチ構造体
１７  第１バッテリーユニットのインプット部
１８  第２バッテリーユニットのインプット部
１９  第１誘導貯蔵要素の第１接続部
２０  第１誘導貯蔵要素の第２接続部
２１  第１中間スイッチ
２２  第２中間スイッチ
２３  第３中間スイッチ
２４  第４中間スイッチ
２５  応用回路
２６  バッテリー管理システム
２７  充電切換器
２８  変圧器コア
２９  第５中間スイッチ
３０  第６中間スイッチ
【図１】
2013520146.tif 000003
【図２】
2013520146.tif 000004
【図３】
2013520146.tif 000005
【図４】
2013520146.tif 000006
【国際調査報告】
2013520146.tif 000007
2013520146.tif 000008
2013520146.tif 000009
2013520146.tif 000010
2013520146.tif 000011
2013520146.tif 000012