(57)【要約】電気エネルギを蓄積するシステムが記載され、そのシステムは、駆動電圧を有する複数の蓄電池を備えている。蓄電池に対して並列に電気負荷が配置され、スイッチ部材が負荷と直列に配置されている。スイッチ部材は、しきい電圧に達し、あるいはそれを越えた場合に閉成される。システムは、さらに、温度に従ってしきい電圧を調節するように整えられた制御装置を有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動電圧を有する複数の蓄電池（１２）を備えた、電気エネルギを蓄積するシステム（１０）であって、その場合に蓄電池（１２）に対して並列に電気負荷（１４）が配置され、かつスイッチ部材（１６）が負荷（１４）と直列に配置されており、かつその場合にスイッチ部材（１６）は、しきい電圧に達しあるいは越えた場合に閉成される、前記システムにおいて、
システム（１０）が、温度に従ってしきい電圧を調節するように整えられた制御装置（１８、３０）を有していることを特徴とする電気エネルギを蓄積するシステム。
【請求項２】
制御装置（１８）が、蓄電池（１２）に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
スイッチ部材（１６）、電気負荷（１４）および蓄電池（１２）のための制御装置（１８）が、蓄電池（１２）の領域内に配置された自立したエレクトロニクスユニットとして形成されていることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
制御装置（３０）が、蓄電池（１２）から離れて配置されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
制御装置（３０）が、バス線（３２）によって蓄電池（１２）と接続されていることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
複数の蓄電池（１２）のために、中央の制御装置（３０）が設けられていることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
【請求項７】
制御装置（１８、３０）が、温度センサ（２０、３６）を有していることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項８】
温度センサ（１８）が蓄電池（１２）の温度を検出し、あるいは温度センサ（３２）が周囲温度を検出することを特徴とする請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
負荷が抵抗（１４）であり、かつ／または蓄電池がスーパーコンデンサ（１２）であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１０】
スイッチ部材が、しきい値スイッチ（１６）であることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１１】
中央の制御装置が、非接触の伝達装置を介してスイッチ部材を駆動することを特徴とする請求項５に記載のシステム。
【請求項１２】
非接触の伝達装置が、分離増幅器を有していることを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
−駆動電圧を有する複数の蓄電池であって、その場合に少なくとも幾つかの蓄電池が、システム電圧が生じるように直列に接続されている、前記複数の蓄電池、および
−しきいシステム電圧まで幾つかの蓄電池の充電または放電を制御する、制御装置、
を有する、電気エネルギを蓄積するシステムにおいて、
制御装置が、温度に従ってしきいシステム電圧を調節することを特徴とする電気エネルギを蓄積するシステム。
【請求項１４】
制御ユニット（１８）が、タイムスイッチユニット（２２）を有しており、それが閉成されたスイッチ部材（１６）を閉成後予め定められた時間の間閉成させておくことを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１５】
定められた時間が、適切な構成部材、特にコンデンサを介して、固定的に設定されていることを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１６】
すべての蓄電池（１２）が同一のタイプによって形成されて、互いに対して直列に接続されていることを特徴とする請求項１から１５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１７】
駆動電圧を有する複数の蓄電池（１２）を備えた、電気エネルギを蓄積するように設計されたシステムを制御する方法であって、その場合に各蓄電池（１２）に対して並列に電気負荷が配置され、かつスイッチ部材が負荷と直列に配置されており、以下のステップを有する：
−蓄電池（１２）を充電し、
−蓄電池（１２）の駆動電圧をしきい電圧と比較し、かつ
−駆動電圧がしきい電圧に達し、あるいはそれを越えた場合に、スイッチ部材を閉成する、
前記方法において、
−温度に従ってしきい電圧を調節する、
ステップを特徴とする方法。
【請求項１８】
閉成されたスイッチ部材が、閉成後予め定められた時間の間閉成されたままになることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前文に詳細に定義された種類の電気エネルギを蓄積するシステムに関する。さらに、本発明は、電気エネルギを蓄積する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気エネルギを蓄積するため、ここでは特に電気車両または特にハイブリッド車両内で電気的なトラクションエネルギを蓄積するための、システムは、一般的な従来技術から知られている。典型的に、電気エネルギを蓄積するためのこの種のシステムは、たとえば互いに直列および／または並列に接続されている、個々の蓄電池によって形成されている。
【０００３】
その場合に原則的に、蓄電池として様々な種類のアキュムレータセルまたはコンデンサが考えられる。エネルギを蓄積しかつ取り出す場合、車両用、ここでは特に有用車両用のドライブトレイン内に使用する場合に、エネルギ量と出力が比較的高いことに基づいて、蓄電池として、好ましくは十分なエネルギ内容と高い出力とを有する蓄電池が使用される。これは、たとえばリチウム−イオンテクノロジーにおけるアキュムレータセル、あるいは特に極めて出力の高い二重層コンデンサの形式の蓄電池とすることができる。これらのコンデンサは、一般にスーパーコンデンサ、スーパーキャップまたはウルトラキャパシタとも称される。
【０００４】
スーパーコンデンサが使用されるか、高いエネルギ内容を有するアキュムレータセルが使用されるかに関係なく、全体あるいはブロックで互いに直列に接続されている多数の蓄電池からなるこの種の構造においては、個々の蓄電池の電圧は、構造に基づいて上方の電圧値ないしちきい電圧に制限されている。たとえば電気エネルギを蓄積するためのシステムを充電する場合に、この上方の電圧値を上回った場合には、一般に、蓄電池の寿命が著しく減少される。
【０００５】
予め定められた製造誤差に基づいて、個々の蓄電池の特性（たとえば自己放電）は、実際においては、典型的に互いに対してわずかに異なる。その結果、個々の蓄電池は、システム内の他の蓄電池よりも幾分低い電圧を有する。しかし、一般に、システム全体のための最大電圧は変わらず、特に充電の際に典型的な駆動判断基準を示すので、必然的に、他の蓄電池は幾分高い電圧を有することになり、その場合には充電プロセスの際に許される電圧限界を超えて充電されてしまう。この種の過電圧は、すでに上で述べたように、これら個々の蓄電池の、そしてそれに伴って電気エネルギを蓄積するシステムの、可能な寿命の著しい減少をもたらす。
【０００６】
他方で、電気エネルギを蓄積するシステム内で電圧の著しく低下している蓄電池は、サイクリックな駆動の中で電極の正負が入れ替わることがあり、それも同様に寿命を著しく減少させる。
【０００７】
これらの問題性に対処するために、一般的な従来技術からは、いわゆる電池電圧補償の２つの異なる種類が知られており、それらはそれぞれ中央的または分散的に構築されている。セントラルエレクトロニクスにおいては、すべてのコンポーネントが、たとえば１つの制御ユニット内にまとめられており、分散構造の場合には、それぞれ１つから２つの蓄電池に、特にこれら１つから２つの蓄電池用の小さいシートバー上に、個々のコンポーネントが取り付けられている。電池電圧補償の一般に普及しているターミノロジーは、ここでは、ややまごつかせる。というのは、それによって電圧あるいはもっと正確に言うと個々の蓄電池のエネルギが互いに補償されるのではなく、高い電圧を有する電池の、その高すぎる電圧が減少されるからである。しかし、電気エネルギを蓄積するためのシステムの全電圧は、一定に留まるので、いわゆる電池電圧補償によって、その電圧が低下している電池の電圧が、時の経過において再び増大されるので、少なくとも極性反転の危険が減少される。
【０００８】
電気抵抗が各個々の蓄電池に対して並列に接続されており、従って電気エネルギを蓄積するシステムの望ましくない恒常的放電と、そして加熱も生じる、パッシブな電池電圧補償の他に、アクティブな電池電圧補償も使用される。その場合に付加的に、しきい値スイッチが、蓄電池に対して並列かつ抵抗に対して直列に接続される。その場合にこの、バイパス−エレクトロニクスとも称される構造は、電池の駆動電圧が予め定められたしきい値電圧の上方にある場合にのみ、常に電流を流す。個々の蓄電池の電圧が、予め定められたしきい値電圧の下の領域へ下降した場合に、スイッチが開放されて、もはや電流は流れなくなる。個々の蓄電池の電圧が予め定められた限界値未満である場合に常に、電気抵抗がスイッチを介して無効にされるという事実に基づいて、電気エネルギを蓄積するシステム全体の望ましくない放電も、大幅に回避される。アクティブな電池電圧補償のこの解決策においては、望ましくない恒常的発熱も、問題にならない。もちろん、アクティブな電池電圧補償によっては、電池の個々の電流の互い対する実際の補償は行なわれず、しきい値電圧を超過した場合には、蓄電池が小さいバイパス電流によって放電され、それによって過電圧がゆっくりと崩壊することにより超過が制限される。その場合にバイパス電流は、電気エネルギを蓄積するシステムが再び放電するまでの間だけ流れる。というのは、その場合に然るべき電圧限界を下回り、スイッチが再び開放されるからである。
【０００９】
電気エネルギを蓄積するシステムの寿命は、ハイブリッド駆動装置において、そしてここで特に有用車両、たとえば市街地／近距離交通におけるバスのためのハイブリッド駆動装置においては、極めて重要である。
【００１０】
このような適用に適した出力クラスにおける従来のドライブトレインの場合とは異なり、電気エネルギを蓄積するシステムは、ハイブリッド駆動装置のためのコストの著しい部分を表す。従ってこの種の適用においては、極めて長い寿命を得ることが、特に重要である。
【００１１】
個々の蓄電池の駆動電圧が、充電／放電サイクルにおいて望まれずにしきい値電圧を上回るという、上述した状況の他に、蓄電池の駆動温度が、寿命に決定的な影響を与える他のパラメータである。たとえば二重層コンデンサの寿命は、駆動温度とその場合に印加されている電圧に強く依存している。たとえば、熱い環境においてハイブリッド車両を駆動する場合に、電気エネルギを蓄積するシステムのために低い温度を保証することはできない。
【００１２】
蓄電池の駆動温度は、蓄電池がおかれている環境の温度の他に、充電／放電サイクルのプロフィールにも依存している。これは特に、蓄電池によって電気エネルギを蓄積するためのこの種のシステムを使用する車両の走行駆動において、重要である。そこでは、たとえば制動エネルギを回復させる場合、あるいはたとえば加速プロセス（ブースト）において、短時間に高いエネルギ量を蓄電池によって吸収し、あるいは放出しなければならない。この充電／放電サイクルは、廃熱の放出をもたらし、その廃熱によって蓄電池が加熱される。この高い温度にもかかわらず、過度に短縮されない寿命を得るために、この理由から蓄電池のしきい電圧が次のように、すなわち場合によって高い駆動温度が生じた場合でも、蓄電池の過度の損傷が大幅に回避されるように、低く選択される。
【００１３】
減少された駆動電圧による蓄電池の駆動は、もちろん欠点を伴う。コンデンサ蓄電池の利用可能なエネルギ内容Eは、蓄電池の駆動電圧Ｕの二乗に依存する：
Ｗ＝１／２ＣＵ２
その場合に、
Ｗ：エネルギ内容
Ｃ：容量
Ｕ：蓄電池の駆動電圧
である。
【００１４】
従って、駆動電圧が減少された場合に、蓄電池のエネルギ内容は不釣合いに減少する。減少された駆動電圧は、さらに、同一の出力放出または出力吸収を得ようとすると、より高い電流を流さなければならないことをもたらす。
コンデンサ蓄電池の
Ｐｖ：損失出力
Ｉ：  電流強さ
Ｒｉ：内部抵抗
として、
Ｐｖ＝Ｉ２Ｒｉ
に従って、より高い電流強さから、電流熱損失によって不釣合いに高い損失出力がもたらされる。
【００１５】
従ってコンデンサ蓄電池ないしこの種の蓄電池に基づくエネルギ蓄積システムの減少された駆動電圧は、所定の比較的高い温度までしきい電圧の超過が防止されることにより、蓄電池の寿命を高める。しかしこの利点は、全エネルギ内容の減少と損失熱生成の反生産的増大という欠点を伴う。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
従って本発明の課題は、駆動温度が高い場合でも効率的なエネルギ蓄積および取出しを可能にし、かつ上述した欠点を少なくとも部分的に回避する、電気エネルギを蓄積するシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
この課題は、独立請求項の特徴を有するシステムおよび方法によって解決される。本発明の他の形態が、従属請求項に記載されている。
【発明の効果】
【００１８】
特に本発明においては、駆動電圧を有する複数の蓄電池を備えた、電気エネルギを蓄積するシステムが設けられ、その場合に蓄電池に対して並列に電気負荷が配置され、かつスイッチ部材が負荷と直列に配置されており、その場合にスイッチ部材は、しきい電圧に達し、あるいはそれを越えた場合に閉成される。システムは、システムが制御装置を有し、その制御装置が、温度に従ってしきい電圧を調節するように整えられていることを特徴としている。
【００１９】
従って本発明によれば、制御装置によってしきい電圧を温度に適合させることが可能である。すなわち、たとえば温度が高い場合には、しきい電圧を低下させ、温度が低い場合には高くすることができる。温度は、蓄電池のその時の温度、複数の蓄電池から求められた共通の温度、１つまたは複数の蓄電池の時間的に平均された平均温度値あるいはその時支配している周囲温度とすることができる。また、上述した温度値の複数を互いに、あるいは、たとえば蓄電池と直接または間接的に熱接触している構成部品の他の温度と、組み合わせることもできる。
【００２０】
制御装置によってしきい電圧を温度と組み合わせて調節することにより、それなりに温度が高くなった場合にしきい駆動電圧または最大駆動電圧を低下させ、それによって蓄電池の寿命にとって好ましい駆動を可能にすることができる。同時に、より低い温度を有する駆動条件のもとでは、制御装置が、蓄電池のエネルギ蓄積能力のより良い利用を許す、より高い適切なしきい電圧値を定めることが可能である。全体として、本発明に基づくエネルギ蓄積システムは、その時支配している駆動条件に適合された駆動を可能にする。場合によっては滅多に発生しない駆動条件に合わせられて、より高い廃熱を容認する、より低いしきい電圧を定める代りに、本発明に基づく解決は、エネルギ含有量の永続的な減少を回避して、温度にしきい電圧をフレキシブルに適合させる。従ってノーマル駆動における上述した欠点が回避される。
【００２１】
本発明に基づくシステムの好ましい形態において、制御装置は蓄電池に配置されている。この配置は、制御装置とスイッチ部材の間の短い接続距離をもたらす。
【００２２】
特にこれに関連して、スイッチ部材、電気負荷および蓄電池用の制御装置が、蓄電池の領域内に配置された自立したエレクトロニクスユニットとして形成されるようにすることができる。その場合に制御装置は、スイッチ部材を有することができ、かつ特にしきい値スイッチとして形成することができる。さらに、温度センサをエレクトロニクスユニットの一部として設けることもでき、あるいはエレクトロニクスユニットまたは蓄電池のすぐ近くに配置することができる。この種の実施形態は、特に簡単かつコスト的に好ましく形成することができる。
【００２３】
この分散型の実施形態の代りに、本発明の形態において、制御装置を蓄電池から離して配置することができる。これは、蓄電池と制御装置の組立形状に関するより大きい自由度と、それに伴ってそれらを互いに分離して方向付けすることも許す。
【００２４】
この実施形態によってもたらされる、蓄電池と制御装置の間のより大きい距離は、制御装置がバス線によって蓄電池と接続されていることによって、克服することができる。バス線は、たとえば信号を制御装置から蓄電池へ、かつ／またはその逆に伝達することができる。バス線を介して伝達される可能な信号は、たとえばスイッチ部材を開放または閉成する信号、蓄電池の温度値などである。
【００２５】
エネルギ蓄積システムの特に好ましい実施形態においては、複数の蓄電池のために中央の制御装置が設けられている。たとえば、すべての蓄電池をグループに分けて、ブロック単位で制御することができる。しかしまた、すべての蓄電池を唯一のブロックとしてまとめて、制御することもできる。その場合に駆動電圧として、蓄電池の全電圧が検出される。中央の蓄電池配置においては、しきい電圧を調節する前に、たとえば種々の蓄電池の、たとえばブロックの、複数の温度値を比較して、それによって実際に支配している温度の正確なイメージを獲得し、あるいは個々の測定値の蓋然性検査を実施することができる。さらに、温度を蓄電池に関して検出する代りに、あるいはそれに加えて、周囲または他のシステム構成部品に関する温度値を検出して、制御に取り入れることもできる。制御装置は、別体の構成部品とすることができる。しかし、制御装置が包括的な制御の統合された要素、たとえば駆動制御であるようにすることもできる。さらに、中央の制御装置を分散型の制御装置と、あるいは個々の蓄電池に対応づけられた、温度に関して駆動可能なスイッチ部材と、組み合わせることができる。
【００２６】
制御装置の中央と分散型の配置の上述した２つの代替的な実施形態に関して、制御装置は、温度センサを有することができる。制御装置を分散して蓄電池に関して配置する場合に、温度センサは、制御装置内に含まれるようにすることができ、たとえば１つまたは２つの隣接する蓄電池の蓄電池温度を検出することができる。中央に配置する場合には、温度センサは付加的に、あるいは代替的に周囲温度または他のシステム構成要素の温度を検出することができる。しかしまた、制御装置が中央に配置されている場合に、分散型の温度センサを設けて、その測定値を制御装置へ供給することも可能である。
【００２７】
本発明に基づくシステムの負荷は、抵抗とすることができる。しかしまた、代替的に、たとえば方向付けされた放射によって電気エネルギを搬出する他の手段も考えられる。蓄電池は、いわゆるスーパーコンデンサとして、従って二重層コンデンサとして、形成することができる。
【００２８】
簡単な実施形態において、スイッチ部材はしきい値スイッチとすることができる。その場合にしきい値スイッチのしきいは、蓄電池に配置された制御装置によって分散して、あるいは中央に配置された制御装置を介して、信号バスないしデータバスを介して調節可能である。場合によっては、しきい値スイッチ、付属の温度センサおよび制御装置が、共通の構成部品または互いに分離された構成部材を形成することができる。
【００２９】
中央の制御装置によるスイッチ部材の駆動は、非接触の伝達装置、たとえば分離増幅器を有することができる。分離増幅器は、オプトカプラーによって、あるいは誘導カップリングによって実現することができ、そのようにして蓄電池から化学電気的に分離された、スイッチ部材の駆動を可能にすることができる。その場合にしきい電圧を直接蓄電池に伝達するか、あるいはスイッチ部材のための操作信号を伝達することができる。
【００３０】
上述した課題は、駆動電圧を有する複数の蓄電池を備えた、電気エネルギを蓄積するシステムによっても解決され、その場合に幾つかの蓄電池は、システム電圧が生じるように、互いに直列に接続されており、かつ、幾つかの蓄電池のしきいシステム電圧までの充電と放電を制御する制御装置を有し、その場合に制御装置は、温度に従ってしきいシステム電圧を制御する。従って本発明によれば、システムは常にしきいシステム電圧まで充電され、そのしきいシステム電圧は、制御装置によって温度に従って調節することができる。その場合に特に、温度が上昇した場合にしきいシステム電圧が低下され、温度が低下した場合にはしきいシステム電圧は上昇される。
【００３１】
ハイブリッド車両システムにおいては、この調節ないし駆動は、たとえばハイブリッドシステムのエレクトロドライブを介して行なうことができる。たとえば、１０℃の温度においては、蓄電池毎に２．７Ｖが許され、３５℃の温度においては、蓄電池毎に２．４Ｖのみがまだ許される。従って温度がより低い場合あるいは好ましい冷却条件においては、エネルギ蓄積システムの完全な充電／放電容量が完全に利用され、所望の寿命が得られ、それに対して温度がより高い場合に、システムの過度に高い損傷が生じない。
【００３２】
しかし、すべての蓄電池をまとめてしきいシステム電圧をこのように調節することは、異なる強さで放電した蓄電池によって、他のものが、直列接続に基づいてシステムシステム駆動電圧を達成するために、特に温度が上昇している場合に、高すぎる個別蓄電池駆動電圧にさらされることがある、という事実を無視している。この状況は、この実施形態をすでに述べた、個々のあるいはブロックの蓄電池のしきい電圧を中央および分散型で蓄電池に関して調節することと組み合わせることによって、考慮することができる。
【００３３】
さらに、上述したすべての実施形態において、制御ユニットは、閉成されたスイッチ部材を閉成後予め定められた時間の間閉成保持する、タイムスイッチユニットを有することができる。それによって、蓄電池は、しきい電圧を越えた後に、スイッチが閉成されている場合に常に強制的に予め定められた時間の間、たとえば抵抗のような電気負荷を介して放電することが、保証される。従ってこの蓄電池内に存在する電圧は、比較的長い時間にわたって解体される。それによって特に、電気エネルギを蓄積するシステムの次の充電サイクルの際に、まさにこの蓄電池は新たにその駆動電圧の上限値に達することはなく、スイッチの新たな閉成を介して再びその電圧を制限される必要はない。むしろ、タイムスイッチユニットによるタイムファンクションの積分によって、この蓄電池の電圧水準が他の蓄電池に対してレベリングされる。その場合に電圧が低下した蓄電池も、その電圧が再び上昇するので、それによって言葉の意味における真の電池電圧補償が行なわれる。
【００３４】
従って動的な適用においても、たとえば、始動によってシステム内に蓄えられている電気エネルギの大部分が取り出されて、次に制動する際に再びエネルギがシステム内へ蓄えられる、ハイブリッド駆動において、該当する蓄電池の上方のしきい電圧を新たに上回ることは、高い確率で回避される。従って、極めて簡単な手段によって、個々の蓄電池が相前後して何回もしきい電圧の領域内へ達して、それがその寿命を著しく損なうことが、確実かつ信頼できるように防止される。むしろ、本発明に基づくシステムの構造によって、個々の蓄電池の電池電圧を互いに対して極めて迅速に適合させるので、極めて動的な充電および放電サイクルにおいても、ずっとわずかな蓄電池しか、しきい電圧の問題のある領域へは達しない。
【００３５】
スイッチ部材、電気負荷、タイムスイッチユニットおよび場合によっては温度センサを、蓄電池の領域内に配置された自立したエレクトロニクスユニットとして形成することができる。従って個々の蓄電池は、予め定められたしきい電圧から所望に負荷を介して予め定められた時間の間放電することができる。この構造は、比較的簡単かつコンパクトに構築される。集積回路と適切な抵抗を介して、たとえば各個々の蓄電池のための、極めて小さい寸法の適切なシートバー上に、然るべき構造を実現することができる。その場合にこれは、個々の蓄電池の領域内に配置することができ、完全に自立して機能する。
【００３６】
本発明に基づくシステムおよび／または本発明に基づく方法の他の好ましい形態が、さらに、実施例から明らかにされ、以下でその実施例を図を用いて詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】ハイブリッド車両の構造の例を示している。
【図２】電気エネルギを蓄積するシステムの第１の分散的実施形態の図式的な表示である。
【図３】電気エネルギを蓄積するシステムの第２の分散的実施形態の図式的な表示である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
図１には、ハイブリッド車両１の例が示唆されている。ハイブリッド車両は、それぞれ例示する２つの車輪４を備えた軸２、３を有している。その場合に軸３は、車両１の駆動される軸であり、軸２は、それ自体知られているように、一緒に回転するだけである。軸３を駆動するために、たとえばトランスミッション５が示されており、そのトランスミッションは内燃機関６と電気機械７から出力を吸収して、駆動される軸３の領域内へ案内する。駆動場合において、電気機械７は単独であるいは内燃機関６の駆動出力を補足して、駆動出力を駆動される軸３の領域内へ案内し、従って車両を駆動し、ないしは車両１の駆動を支援することができる。さらに、車両を制動する場合に、電気機械７はジェネレータとして駆動することができ、それによって制動する際に生じる出力を回収して、適切に蓄積することができる。たとえば、車両１としての都市バス内で使用する場合に、都市バスにおいて確実に最大約７０ｋｍ／ｈになることがある、より高い速度からの制動プロセスのためにも、十分なエネルギ内容を準備することができるようにするために、この場合においては、３５０から７００Ｗ／ｈの規模のエネルギ内容を有する、電気エネルギを蓄積するためのシステム１０が設けられなければならない。従って、たとえばこの種の速度からの１０秒の制動プロセスにおいて生じるエネルギは、典型的に約１５０ｋＷの規模を有する電気機械７を介して電気エネルギに変換されて、それがシステム１０に蓄えられる。
【００３９】
電気機械７を駆動し、かつ電気エネルギを蓄積するシステム１０を充電および放電させるための、図１に示す構造は、コンバータ９を有しており、そのコンバータにはそれ自体知られているやり方で、エネルギマネージメントのための内蔵の制御装置が形成されている。その場合に内蔵された制御装置を有するコンバータ９を介して、電気機械７と電気エネルギを蓄積するシステム１０との間のエネルギの流れが調整される。制御装置によって、制動の際に、その場合にジェネレータ駆動される電気機械７の領域内で発生する出力が、可能な限り、エネルギを蓄積するシステム１０内へ蓄積され、その場合にシステム１０の予め定められた電圧上限は、一般に、上回ってはならない。駆動場合においては、コンバータ９内の制御装置は、システム１０からの電気エネルギの取出しを調整し、それによってこの逆転された場合において、この取り出された出力を用いて電気機械７を駆動することができる。ここで説明した、たとえば都市バスとすることができる、ハイブリッド車両１の他に、もちろん純粋な電気車両においても、比較し得る構造が考えられる。
【００４０】
図２は、第１の分散的実施形態において、電気エネルギを蓄積する本発明に基づくシステム１０の一部を図式的に示している。原理的に、電気エネルギを蓄積するシステム１０の種々の種類が考えられる。典型的にこの種のシステム１０は、多数の蓄電池１２が典型的に直列でシステム１０内に接続されるように、構築されている。その場合にこれらの蓄電池１０は、アキュムレータセルおよび／またはスーパーコンデンサ、あるいはその任意の組み合わせとすることもできる。ここに図示される実施例のために、蓄電池１２は全部一緒にスーパーコンデンサとして、すなわち二重層コンデンサとして形成され、それが、ハイブリッド駆動装置を搭載した車両１内の電気エネルギを蓄積するシステム１０内で使用される。その場合に構造は、好ましくは有用車両、たとえば市街地／近距離交通のためのバス内で使用することができる。その場合に、頻繁な始動および制動操作によって、極めて高い車両質量との組み合わせにおいて、比較的高い電流が流れるので、スーパーコンデンサによる電気エネルギの蓄積の特に高い効率が達成される。蓄電池１２としてのスーパーコンデンサは、たとえばアキュムレータセルよりもずっと少ない内部抵抗を有しているので、ここで詳細に説明する実施例のために優先される。
【００４１】
すでに述べたように、図２には、蓄電池１２が見られる。その場合にシリアルに接続された３つの蓄電池１２のみが示されている。上で挙げた実施例において、かつ駆動出力が約１００から２００ｋＷ、たとえば１２０ｋＷである場合に、これは実際の構造においては、全部で約１５０から２５０の蓄電池１２となる。これが、スーパーコンデンサ当たり約２．７Ｖの現在の電圧上限と３０００ファラッドの容量とを有するスーパーコンデンサとして形成されている場合に、都市バスのハイブリッド駆動装置用の実際的な適用が与えられる。
【００４２】
図２に示すように、蓄電池１２の各々は、それぞれの蓄電池１２に対して並列に接続された、オーム抵抗１４の形式の電気負荷を有している。これは、切替え部材１６と直列で、蓄電池１２の各々に対して並列、この場合においてはスーパーコンデンサの各々に対して並列に接続されている。スイッチ１６は、しきい値スイッチとして形成されており、制御装置１８の一部であって、その制御装置は以下の機能を有している：制御装置１８は、スーパーコンデンサ１２の電圧監視２４を有している。このスーパーコンデンサが、上方のしきい電圧を上回るとすぐに、スイッチ１６が閉成されるので、抵抗１４を介してスーパーコンデンサ１２から電流が流れることができる。従ってその中にある電荷とそれに伴って電圧もそれに応じて減少されるので、同じスーパーコンデンサ１２においてしきい値電圧値を新たに上回ることは、上と同様に、回避される。
【００４３】
さらに、制御装置１８は、温度センサ２０を有している。これは、直接蓄電池１２の、あるいはすぐそのまわりの温度を検出する。その場合に特に、２つの直接隣接する蓄電池１２のために、温度センサが使用されるようにすることもできる。制御装置１８は、温度センサ２０の検出した測定値を、しきい電圧値の制御に変換し、特に制御装置１８は、より高い電圧セル値が存在する場合に、しきい電圧値を切り下げるように、かつその逆に、調整する。すなわちたとえば電池温度が１０℃である場合に、最大許容される電池駆動電圧、従って電池のしきい電圧は、２．７Ｖとすることができ、３５℃の場合には、２．４Ｖに調整される。その場合に蓄電池１２の駆動温度とそのしきい電圧の間の系統的な依存性に次の形式で、すなわち制御装置内に各温度測定値について適切なしきい電圧値を対応づける対応表が格納される形式で、立ち入ることができる。場合によっては、中間値を適切に補間することができる。しかしまた、しきい電圧をその時支配している蓄電池温度に適合させるために、機能的関係を使用することもできる。
【００４４】
しかしまた、代替的に、適切な制御量に沿ったしきい電圧の制御を設けることもできる。
【００４５】
電圧がしきい値の下に下降するとすぐに、スイッチ１６が再び開放されて、従って極めて高い電圧がそれぞれのスーパーコンデンサ１２内に残留することを防止するために、さらに、タイムスイッチユニット２２が設けられている。切替えユニット１８の電圧検出２４を介して純粋に切り替える場合には、スイッチ１６は、しきい電圧を下回った後に再び開放される。その場合にはスーパーコンデンサ１２は、さらに、極めて高い電圧水準にある。そこでシステム１０を新たに充電することになると、まさにこのスーパーコンデンサ１２が即座に再び電圧限界を超えて充電されることになり、そのことがスイッチ１６の新たな閉鎖をもたらす。スイッチ１６が電圧検出Ｕを介して一度閉鎖された後に、そのスイッチを予め定められた時間の間閉鎖させておく、タイムスイッチ機能２２の積分によって、タイムスイッチユニット２２なしの場合よりも多い充電が、スーパーコンデンサ１２から撤去される。それによってスーパーコンデンサ１２内の電圧は、たとえば車両１の始動による放電とその後に行なわれる、制動時のシステム１０の新たな充電の後に、再び上方の限界電圧の上に達しない程度に減少される。多分そのとき、他のスーパーコンデンサ１２は同様に高い電圧領域内にあって、それ自体上述したプロシージャを経験する。従って全体として、駆動時間にわたるタイムスイッチ機能２２の積分によって、システム１０の個々のスーパーコンデンサ１２の電圧の迅速な均一化がもたらされる。
【００４６】
その場合に、タイムスイッチユニット２２は、特に、たとえば数分の固定時間が予め定められているように、形成することができる。そのようにしてそれぞれ個々の蓄電池１２の大きさおよび電気抵抗１４の値と共に、然るべき放電が生じる。その場合に該当するスーパーコンデンサ１２の公称電荷の３−５％の規模の放電が、有意義である。その後新たに充電する場合に、このスーパーコンデンサ１２が、再び予め定められた限界電圧を上回ることはない。少なくとも、スーパーコンデンサ１２の１つが次々と極めて迅速に交代して何回も限界電圧を上回ることが防止されることによって、すでにスーパーコンデンサ１２とそれに伴ってシステム１０の充電長さの著しい増加が得られる。すでに説明したしきい電圧の制御と組み合わせて、全体として、電気エネルギを蓄積するシステムの寿命の著しい向上が得られる。
【００４７】
上で挙げた数値例を再度取り上げると、１Ａの作業電流において、該当するスーパーコンデンサの電圧は、５分間に約０．１Ｖ低下する。従って２５０ｍＡの作業電流においては、約２０分かかる。それぞれ蓄電池１２および、抵抗を介して案内することができる、可能な作業電流の大きさに従って、約５から２０分のタイムスパンが生じ、そのタイムスパンにわたってタイムスイッチユニット２２を介してスイッチ１６が閉成保持される。抵抗、電流および使用されるスーパーコンデンサ１２の規模が異なる場合には、もちろんこの値は、それに応じて適合させることができる。従ってこのように構築された電気エネルギを蓄積するシステム１０は、極めてダイナミックな充電および放電サイクルにおいても使用することができ、蓄電池１２の領域内の不必要に高い電圧によって、蓄電池１２の寿命がそれに応じて減少されることはない。
【００４８】
この図２の実施例において、制御装置１８、電気抵抗１４、スイッチ１６、温度センサ２０およびタイムスイッチユニット２２の構造は、統合されたエレクトロニクスユニットとして、それが各個々の蓄電池ユニット１２のために自立して構築されるように、実現することができる。そのためには、一般に、小型の集積された回路で十分であって、それが蓄電池１２内の電圧Ｕを適切に監視し、かつたとえば電子スイッチ１６として構成部品内に統合して形成されているスイッチ１６を適切に操作する。その場合に抵抗１４は、このミニシートバー上にそれ自体知られたやり方で取り付けることができる。同様に、蓄電池１２へのシートバーの十分な熱結合が可能である限りにおいて、温度センサ２２もこのシートバー上に配置することができる。そうでない場合には、温度センサからシートバーへ適切な供給導線が設けられなければならない。
【００４９】
タイムスイッチユニット２２は、蓄電池１２の電圧に基づいてスイッチが能動化された後に、典型的に常に予め定められた時間にわたってスイッチ１６を閉成保持するので、この時間をタイムスイッチユニット２２ないし統合されたエレクトロニクスユニット内に固定的に統合することもできる。これは、たとえば集積回路内に固定的に定められた時間をプログラミングすることによって実施することができる。また、これを回路技術的に、エレクトロニクスユニット１４内で適切な構成部材、たとえばコンデンサを介して、制御ユニット１８の出力においてこの時間が固定的に定められることによって、解決することも考えられる。従ってこの構造は、システム１０の外部からエレクトロニクスユニットを駆動する必要がないので、極めて簡単に実現することができる。むしろシステム１０は自立して、極めてダイナミックな充電と放電を可能にする電池電圧補償をもたらす。その場合に分散したエレクトロニクスユニットを有するこの構造は、極めて単純であって、完全に自給自足で実現することができる。その場合にシステム１０の駆動は、たとえば放電する場合、および特に予め定められた電圧窓の内部で充電する場合に、全体として必要になるだけである。
【００５０】
上述した分散型の実施形態の他に、代替的に、あるいはそれに加えて、蓄電池の電圧全体の温度に依存する制御を設けることができる。その場合に蓄電池の最大（全）電圧は、温度に従って変化される。すなわち、たとえば温度が１０℃より低い場合には、個別電池駆動電圧として、電池毎に２．７Ｖを許すことができる。従って直列に接続されている蓄電池の全体数に関して、この低い周囲温度または蓄電池温度において、所定の最大全電圧が生じる。たとえば温度が３５℃である場合に、同様に電池当たり２．４Ｖのみが許されるので、電気エネルギを蓄積するシステムのより低い最大全体電圧も生じる。従って電気エネルギを蓄積するシステムは、温度が低い場合、かつ／または冷却条件が好ましい場合に、常にまだ完全に利用され、かつ所望の寿命も得られる。
【００５１】
図３は、電気エネルギを蓄積するシステム１０の第２の中央的な実施形態を図式的に表示している。同一または同様なコンポーネントは、図１と２におけるのと同一の参照符号で示されている。図２の実施形態とは異なり、本発明のこの形態において、個々の蓄電池１２のしきい電圧の制御は、蓄電池１２に配置された個々の制御装置によって分散して行なわれるのではなく、中央に配置された制御装置３０によって行なわれる。この種の中央の制御装置２０は、蓄電池に配置された分散した制御装置１０と組み合わせることもできる。これは、バス３２と接続されており、そのバスにまたすべての蓄電池１２が接続されている。従って個々の蓄電池１２は、スイッチ部材１６と場合によっては温度センサ２０のみを有している。制御装置３０は、バス３２を用いて、蓄電池に配置されているスイッチ部材１６を駆動し、かつそれに伴ってしきい電圧を越えた場合に、スイッチ部材１６と直列に接続されている、たとえばオーム抵抗のような電気負荷１４を介して蓄電池１２の放電をもたらす。ここでも、上で詳細に説明したように、放電プロセスの時間制御される追従を行なうことができる。逆の伝達方向において、制御装置３０は、そのとき蓄電池１２に印加されている電池電圧と場合によっては温度値を受信する。
【００５２】
図３の表示も、特に蓄電池１２の数に関して、図式的なものである。実際の形態においては生じる数値は、すでに上で説明されている。３つの異なる温度検出シナリオを明らかにするために、図３には３つのブロックＡ、Ｂ、Ｃが示されており、それらはその温度検出およびそれに伴って然るべき駆動に関しても、異なるように形成されている。
【００５３】
ブロックＡにまとめられている蓄電池１２は、それぞれ温度センサ２０を有している。従って各個々の蓄電池１２の温度が検出されて、しきい駆動温度の蓄電池に関する個別の制御が行なわれる。
【００５４】
ブロックＢにおいては、１つの蓄電池１２のみが温度センサ２０を有していることが、単に例示されている。しかしまた、ブロックＢ内にまとめられているすべての蓄電池１２の所定の割合のみに、温度センサを搭載することもできる。ブロックＢについて求められた１つまたは複数の温度値を用いて、蓄電池１２を用いて検出された温度値に基づいてしきい電圧のブロックに関する制御が行なわれる。
【００５５】
ブロックＣについても、同様に、しきい電圧のブロックに関する制御が設けられている。その場合にブロックＣとは異なり、蓄電池の温度値ではなく、温度センサ３４を用いて直接または間接的に１つ、複数またはすべての蓄電池１２と熱接触している構成部品の温度値が検出される。構成部品は、たとえば共通の冷却ボディあるいはハウジング構成部分とすることができる。
【００５６】
ブロックＡ、ＢおよびＣを用いて示したシナリオは、それぞれ単独で、あるいは任意に組み合わせて、システム全体のために適用することができる。さらに、電気エネルギを蓄積するシステムの全電圧の温度に依存する中央の制御を、たとえばハイブリッドシステムのエレクトロドライブを介して行なうことができる。温度に従って全電圧を調節するこのシステムおよびシナリオＡ、Ｂ、Ｃとして説明した他のシステムは、さらに、上述したような図２に示す分散型の解決と、組み合わせることができる。
【００５７】
さらに、中央の制御装置３０内に、付加的に、あるいは単独で、温度センサ３６を設けることができる。これは、たとえば、電気エネルギを蓄積するシステム１０の周囲温度を検出することができる。それは、たとえばエネルギ蓄積システム１０のすぐ周りで検出される周囲温度あるいはまた車両１自体の周囲温度とすることができる。
【図１】
2013503593.tif 000003
【図２】
2013503593.tif 000004
【図３】
2013503593.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成23年6月27日(2011.6.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動電圧を有する複数の蓄電池（１２）を備えた、電気エネルギを蓄積するシステム（１０）であって、その場合に蓄電池（１２）に対して並列に電気負荷（１４）が配置され、スイッチ部材（１６）が負荷（１４）と直列に配置されており、かつその場合にスイッチ部材（１６）は、しきい電圧に達しあるいはそれを越えた場合に閉成される、前記電気エネルギを蓄積するシステムにおいて、
システム（１０）が、温度に従ってしきい電圧を調節するように整えられた制御装置（１８、３０）を有しており、かつ
スイッチ部材（１６）、電気負荷（１４）および蓄電池（１２）のための制御装置（１８）が、蓄電池（１２）の領域内に配置された自立したエレクトロニクスユニットとして形成されているので、駆動電圧の分散した補償を行なうことができる、
ことを特徴とする電気エネルギを蓄積するシステム。
【請求項２】
制御装置（１８、３０）が、温度センサ（２０、３６）を有していることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
温度センサ（１８）が蓄電池（１２）の温度を検出し、あるいは温度センサ（３２）が周囲温度を検出することを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
負荷が抵抗（１４）であり、かつ／または蓄電池がスーパーコンデンサ（１２）であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項５】
スイッチ部材が、しきい値スイッチ（１６）であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項６】
制御ユニット（１８）がタイムスイッチユニット（２２）を有しており、前記タイムスイッチユニットが、閉成されたスイッチ部材（１６）を閉成後予め定められた時間の間閉成されたままに保持することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項７】
予め定められた時間が、適切な構成部材、特にコンデンサを介して固定的に設定されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項８】
すべての蓄電池（１２）が同一のタイプによって形成され、かつ互いに対して直列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１項に記載のシステム。
【国際調査報告】
2013503593.tif 000006
2013503593.tif 000007
2013503593.tif 000008
2013503593.tif 000009