(57)【要約】  本発明は、バッテリーシステムのためのハーフブリッジコンバータに関する。このコンバータは一次側トランスコイルを備えた一次回路と二次側トランスコイルを備えた二次回路を含み、前記一次側トランスコイルと二次側トランスコイルは変圧器の構成のもとで相互接続されている。また前記一次回路は第１節点から第２節点へ延在する第１分岐と、第１節点から第２節点へ延在する第２分岐と、前記第１分岐と第２位分岐の間に存在するブリッジ分岐とを備えたハーフブリッジ回路を含む。前記一次側トランスコイルはブリッジ分岐内に設けられ、前記第１分岐内には第１のバッテリーモジュールの接続のための第１の接続端子と第１のスイッチが設けられており、前記第２分岐内には第２のバッテリーモジュールの接続のための第２の接続端子と第２のスイッチが設けられている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリーシステムのためのハーフブリッジコンバータ（１）であって、一次回路（１２）と二次回路（１３）とを含んでおり、
前記一次回路（１２）は一次側トランスコイル（４ａ）を有し、前記二次回路（１３）は二次側トランスコイル（４ｂ）を有しており、
前記一次側トランスコイル（４ａ）と二次側トランスコイル（４ｂ）は変圧器の構成のもとで相互に接続されており、
前記一次回路（１２）は、第１節点（６）から第２節点（７）へ延在する第１分岐と、第１節点（６）から第２節点（７）へ延在する第２分岐と、前記第１分岐と第２分岐の間に存在するブリッジ分岐とを備えたハーフブリッジ回路を含んでおり、
前記一次側トランスコイル（４ａ）は前記ブリッジ分岐内に設けられており、
前記第１分岐内には第１のバッテリーモジュール（８ａ）の接続のための第１の接続端子（７ａ）と第１のスイッチ（５ａ）とが設けられており、
前記第２分岐内には第２のバッテリーモジュール（８ｂ）の接続のための第２の接続端子（７ｂ）と第２のスイッチ（５ｂ）とが設けられていることを特徴とする、ハーフブリッジコンバータ。
【請求項２】
前記第１分岐及び／又は第２分岐は、アース（９）に接続されている、請求項１記載のハーフブリッジコンバータ。
【請求項３】
前記二次回路（１３）は、変圧器によって変換された電圧を整流するための整流器回路（１０）を有している、請求項１または２記載のハーフブリッジコンバータ。
【請求項４】
前記二次回路（１３）は、変圧器によって変換された電圧を平滑化するためのローパスフィルタ（１１）を有している、請求項１から３いずれか１項記載のハーフブリッジコンバータ。
【請求項５】
少なくとも請求項１から４いずれか１項記載のハーフブリッジコンバータ（１）と、第１のバッテリーモジュール（８ａ）及び第２のバッテリモジュール（８ｂ）とを含んだバッテリーシステムであって、
前記第１のバッテリモジュール（８ａ）は前記ハーフブリッジコンバータ（１）の第１接続端子（７ａ）に接続され、前記第２のバッテリーモジュール（８ｂ）は前記ハーフブリッジコンバータ（１）の第２接続端子（７ｂ）に接続されていることを特徴とする、バッテリーシステム。
【請求項６】
前記第１のバッテリーモジュール（８ａ）と第２のバッテリーモジュール（８ｂ）は、当該第１のバッテリーモジュール（８ａ）と第２のバッテリーモジュール（８ｂ）の同じでない極が回路内で相対するように接続されている、請求項５記載のバッテリーシステム。
【請求項７】
前記バッテリーモジュール（８ａ）は少なくとも１つの単独のバッテリーセルを含んでいる、請求項５または６記載のバッテリーシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はバッテリーシステムのためのハーフブリッジコンバータ、及びバッテリーシステムに関している。
【背景技術】
【０００２】
例えば風力プラントなどの定常的な利用の場合でも、あるいはハイブリッド車両や電気自動車などの車両における利用の場合でも、今後は益々、高い要求や信頼性を充たすべき新たなバッテリーシステムの投入が予測される。このような高い要求が求められる背景には、バッテリーシステムの故障がシステム全体の故障につながることにあり（例えば電気自動車ではトラクションバッテリーの故障は、いわゆる「立ち往生」につながる）、また安全性に関わる問題にもつながる可能性があるからである（例えば風力発電設備では、回転翼の調整によって強風時の許容限界を超える動作状態から設備を保護するバッテリーシステムが用いられている）。
【０００３】
バッテリーから得られる電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ（これはチョッパーとも称される）を用いて別の電圧に変換することも公知である。バッテリーによって供給される一定の入力電圧を、この電圧とは異なる出力電圧へ変換することは、通常はＤＣ／ＤＣコンバータの周期的なスイッチングによって行われる。通常のＤＣ／ＤＣコンバータとしては例えばブーストコンバータ、フォワードコンバータ、ハーフブリッジコンバータ、フルブリッジコンバータなどが公知である。
【０００４】
図１には公知のハーフブリッジコンバータ３１が示されている。この公知のハーフブリッジコンバータ３１には一次回路４２と二次回路４３とが含まれている。
【０００５】
一次回路４２は一次側トランスコイル３４ａを有し、二次回路４３は二次側トランスコイル３４ｂを有しており、この一次側トランスコイル３４ａと二次側トランスコイル３４ｂは変圧器を構成すべく接続されている。
【０００６】
一次回路４２はさらにハーフブリッジ回路を含んでおり、このハーフブリッジ回路は第１節点３６から第２節点３７へ延在する第１分岐及び第２分岐と、当該第１分岐と第２分岐の間にあるブリッジ分岐とを有している。一次側トランスコイル３４ａはこのブリッジ分岐内に設けられている。第１分岐内には第１のスイッチ３５ａと第１のコンデンサ３８ａが設けられており、第２分岐内には第２のスイッチ３５ｂと第２のコンデンサ３８ｂが設けられている前記第１のコンデンサ３８ａに対して並列に第１の抵抗４４ａが接続されており、前記第２のコンデンサ３８ｂに対して並列に第２の抵抗４４ｂが接続されている。前記第１分岐はアース３９に接続されている。さらに一次回路４２は第１の入力側５０ａと第２の入力側５０ｂとを有し、そこにはバッテリー４９が接続されている。
【０００７】
二次回路４３は整流器回路４０とローパスフィルタ４１とを有している。整流器回路４０は、３つのダイオード４５ａ，４５ｂ，４５ｃを含んでおり、これらのダイオードが二次側トランスコイル３４ｂによって生成された電圧を整流している。前記二次側トランスコイル３４ｂにおける電圧のタップは、中心タッピング（Mittelpunktanzapfung）を用いて行われている。ローパスフィルタ４１はコイル４６とコンデンサ４７を有している。二次回路４３において生成された電圧は、第１の出力側４８ａと第２の出力側４８ｂからタップされ得る。
【０００８】
図１に示されているハーフブリッジコンバータ３１の機能原理は以下のとおりである。バッテリー４９からは、対称な抵抗４４ａ，４４ｂ、コンデンサ３８ａ，３８ｂを介してバッテリー電圧の半分に相当する充電電圧が得られる。そこでは前記スイッチ３５ａ，３５ｂが交互に開閉され、それによって一次側トランスコイル３４ａを介して、バッテリー電圧の半分に相当する、振幅を有する交流電圧が生じる。この交流電圧は二次側トランスコイル３４ｂによって二次回路４３に入力され、整流器回路４０を介して整流される。前記スイッチ３５ａ，３５ｂのデューティー比（オン・オフ比）に応じて生じる、整流されたパルス状の出力電圧は、ローパスフィルタ４１を介して平滑化される。
【０００９】
発明の開示
本願発明の対象は、バッテリーシステムのためのハーフブリッジコンバータである。このハーフブリッジコンバータは一次回路と二次回路とを含んでおり、前記一次回路は一次側トランスコイルを有し、前記二次回路は二次側トランスコイルを有しており、前記一次側トランスコイルと二次側トランスコイルは変圧器の構成のもとで相互に接続されており、前記一次回路は、第１節点から第２節点へ延在する第１分岐と、第１節点から第２節点へ延在する第２分岐と、前記第１分岐と第２位分岐の間に存在するブリッジ分岐とを備えたハーフブリッジ回路を含んでいる。前記一次側トランスコイルは前記ブリッジ分岐内に設けられており、前記第１分岐内には第１のバッテリーモジュールの接続のための第１の接続端子と第１のスイッチとが設けられており、前記第２分岐内には第２のバッテリーモジュールの接続のための第２の接続端子と第２のスイッチとが設けられている。
【００１０】
本発明は、第１の接続端子と第２の接続端子に接続されているバッテリーモジュールが、前述した従来技術で用いられているように、コンデンサと抵抗の機能を担うことができるという見識に基づくものである。それにより、本発明によるハーフブリッジコンバータでは一次回路においてコンデンサと抵抗を省くことが可能となる。これにより、この種のコンバータの構造がさらに著しく簡素化できるようになる。
【００１１】
バッテリーモジュールは少なくとも１つの個別のバッテリーセルを含んでいる。さらにバッテリーモジュールは、相互に直列及び／又は並列に接続された複数のバッテリーセルを含み得る。１つのバッテリーモジュールは、特に、個々のバッテリーであってもよい。バッテリーセルとして有利には蓄電池が挙げられる。
【００１２】
基本的には、バッテリーモジュールの代わりにその他のエネルギー源も適用可能である。
【００１３】
本発明のさらなる対象は、本発明によるハーフブリッジコンバータと第１及び第２バッテリーモジュールとを含んだバッテリーシステムである。ここでの第１バッテリーモジュールは当該のハーフブリッジコンバータの第１接続端子に接続され、第２バッテリーモジュールは当該のハーフブリッジコンバータの第２接続端子に接続されている。
【００１４】
有利には、第１のバッテリーモジュールと第２のバッテリーモジュールは、当該第１のバッテリーモジュールと第２のバッテリーモジュールの同じでない異なる極どうしが相対するように接続されている。このことにより、第１のスイッチと第２のスイッチのデューティー比の選択によってハーフブリッジコンバータの出力側からの電圧が設定できるだけでなく、２つのバッテリーモジュール間のチャージバランスの調整も実施できるようになる。このようにして第１のバッテリーモジュールと第２のバッテリーモジュールの放電が所期のように制御できるようになる。
【００１５】
従属請求項の対象は本発明のさらに有利な構成例を示すものである。
【００１６】
以下では本発明の実施形態を図面に基づき詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】従来技術によるハーフブリッジコンバータとバッテリーとを備えたバッテリーシステムの基本回路を示した図
【図２】本発明による実施形態のハーフブリッジコンバータと２つのバッテリーモジュールとを備えた本発明によるバッテリーシステムの基本回路を示した図
【００１８】
発明を実施するための形態
図２には本発明によるバッテリーシステムの実施形態が基本回路図で示されている。
【００１９】
このバッテリーシステムは本発明によるハーフブリッジコンバータの実施形態を含んでいる。さらにこのバッテリーシステムは、第１のバッテリーモジュール８ａと第２のバッテリーモジュール８ｂとを含み、これらのモジュールはハーフブリッジコンバータ１に接続されている。
【００２０】
このハーフブリッジコンバータ３１は一次回路１２と二次回路１３を含んでいる。一次回路１２は一次側トランスコイル４ａを有し、二次回路１３は二次側トランスコイル４ｂを有しており、これらの一次側トランスコイル４ａと二次側トランスコイル４ｂは変圧器の構成のもとで相互に接続されている。
【００２１】
さらに前記一次回路１２は、第１節点６から第２節点７へ延在している第１分岐と、第１節点６から第２節点７へ延在している第２分岐と、これらの第１分岐と第２分岐の間に存在しているブリッジ分岐とを備えたハーフブリッジ回路を含んでいる。前記一次側トランスコイル４ａはブリッジ分岐内に設けられている。前記第１分岐内には、第１のバッテリーモジュール８ａの接続のための第１の接続端子７ａと第１のスイッチ５ａとが設けられており、前記第２分岐内には、第２のバッテリーモジュール８ｂの接続のための第２の接続端子７ｂと、第２のスイッチ５ｂとが設けられている。さらに前記第１分岐は、第１の接続端子７ａと第１のスイッチ５ａとの間でアース９に接続されている。
【００２２】
さらに前記二次回路１３は、変圧器によって変換された電圧を整流するための整流器回路１０と、変圧器によって変換された電圧を平滑化するためのローパスフィルタ１１とを含んでいる。
【００２３】
整流器回路１０は３つのダイオード１５ａ，１５ｂ，１５ｃを含んでいる。これらのダイオード１５ａ，１５ｂ，１５ｃは双方向整流器の形態で二次回路内に設けられている。前記二次側トランスコイル４ｂにおける電圧のタップは、中心タッピング（Mittelpunktanzapfung）を用いて行われている。二次側トランスコイル４ｂに対して並列に接続されている第３のダイオード１５ｃは任意に省略可能である。前記双向整流器（ハーフブリッジ整流器）に代えて例えば全波整流器（フルブリッジ整流器）が用いられてもよい。
【００２４】
ローパスフィルタ１１は、インダクタンスＬ１６とキャパシタンスＣ１７とを備えたＬＣローパスフィルタとして実施され得る。インダクタンス１６はコイルによって形成され、キャパシタンス１７はコンデンサによって形成される。
【００２５】
二次回路１３はさらに第１の出力側１８ａと第２の出力側１８ｂとを含み、これらの出力側からは、二次側トランスコイル４ｂによって生成され整流されフィルタリングされた電圧が当該ハーフブリッジコンバータ１の出力電圧として取り出し可能である。
【００２６】
第１のバッテリーモジュール８ａと第２のバッテリーモジュール８ｂは、第１のバッテリーモジュール８ａと第２のバッテリーモジュール８ｂの異なる極どうしが回路内で相対向するように、一次回路１２の第１の接続端子７ａないし第２の接続端子７ｂに接続されている。
【００２７】
第１のバッテリーモジュール８ａと第２のバッテリーモジュール８ｂは単独のバッテリーセルとして実施されてもよい。代替的にバッテリーモジュール８ａ，８ｂは複数のバッテリーセルを含んでいてもよい。またバッテリーモジュール８ａ，８ｂはバッテリーによって形成されてもよい。有利には前記バッテリーモジュール８ａ，８ｂは、蓄電池として実施されたバッテリーセルを含んでいる。有利にはバッテリーセルはリチウムイオンセルとして実現されている。
【００２８】
図２に示されているバッテリーシステムの機能原理は以下の通りである。
【００２９】
第１のスイッチ５ａが閉じられると、一次側トランスコイル４ａを介して第１のバッテリーモジュール８ａの電圧が印加される。この電圧は二次側トランスコイル４ｂを介して二次回路１３に伝送される。第１のスイッチ５ａが再び開かれると、一次側トランスコイル４ａ内に蓄積された電流形態のエネルギーは第２のバッテリーモジュール８ｂに流れて減少する。第２のスイッチ５ｂが閉成された場合にはこの過程が逆方向で繰返される。このようにして第１のスイッチ５ａと第２のスイッチ５ｂのデューティー比の選択により、ハーフブリッジコンバータ１の出力側１８ａ，１８ｂにおける電圧が設定されるだけでなく、これらのバッテリーモジュール８ａ，８ｂ間のチャージバランスの調整も同時に実施できるようになる。
【００３０】
本発明によるハーフブリッジコンバータ１を備えた本発明によるバッテリーシステムは例えば自動車への適用に適している。このバッテリーシステム及び／又はコンバータは、特に自動車における搭載電源網の構成要素であってもよい。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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