(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池モジュール（１１）および切換マトリクス（１３）を備える電池システム（１０）であって、
前記電池モジュール（１１）が、第１高電圧接続部（１２ａ）と、第２高電圧接続部（１２ｂ）と、前記第１高電圧接続部と前記第２高電圧接続部との間に直列接続された複数の電池セルモジュール（１１ａ，・・・，１１ｎ）と、を含み、
前記切換マトリクス（１３）が、
複数の切換レール（１４）と、
複数の第１切換装置（１５ａ）と、
複数の第２切換装置（１５ｂ）と、を備え、
前記複数の切換レール（１４）がそれぞれ、直列接続されたいずれか２つの前記電池セルモジュール（１１ａ，・・・，１１ｎ）の間の１つの結合点に接続され、
前記複数の第１切換装置（１５ａ）がそれぞれ、いずれか１つの前記切換レール（１４）と前記切換マトリクス（１３）の第１低電圧接続部（１３ａ）とを接続するように構成され、
前記複数の第２切換装置（１５ｂ）がそれぞれ、いずれか１つの前記切換レール（１４）と前記切換マトリクス（１３）の第２低電圧接続部（１３ｂ）とを接続するように構成された、電池システム（１０）において、
前記第１高電圧接続部（１２ａ）と前記第２高電圧接続部（１２ｂ）との間に、直列接続された全ての前記電池セルモジュール（１１ａ，・・・，１１ｎ）の第１総電圧（ＨＶ）が印加され、
前記第１低電圧接続部（１３ａ）と前記第２低電圧接続部（１３ｂ）との間で、直列接続された前記電池セルモジュール（１１ａ，・・・，１１ｎ）の一部の第２総電圧（ＬＶ）が、前記第１切換装置（１５ａ）および前記第２切換装置（１５ｂ）の切換状態に依存して測定可能であり、
前記切換マトリクス（１３）が、
いずれか１つの前記切換レール（１４）と前記切換マトリクス（１３）の第１中間接続部とを接続するようにそれぞれ構成された複数の第３切換装置（１５ｃ）と、
いずれか１つの前記切換レール（１４）と前記切換マトリクス（１３）の第２中間接続部とを接続するようにそれぞれ構成された複数の第４切換装置（１５ｄ）と
をさらに含み、
前記第１低電圧接続部（１３ａ）と前記第１中間接続部との間で、直列接続された前記電池セルモジュール（１１ａ，・・・，１１ｎ）の一部の第３総電圧が前記第１切換装置（１５ａ）および第３切換装置（１５ｃ）の切換状態に依存して測定可能であり、
前記第２低電圧接続部（１３ｂ）と前記第２中間接続部との間で、直列接続された前記電池セルモジュール（１１ａ，・・・，１１ｎ）の一部の第４総電圧が前記第２切換装置（１５ｂ）および第４切換装置（１５ｄ）の切換状態に依存して測定可能である電池システム（１０）。
【請求項２】
請求項１に記載の電池システム（１０）において、
前記切換マトリクス（１３）が、
前記第１高電圧接続部（１２ａ）および前記第２高電圧接続部（１２ｂ）にそれぞれ接続された他の２つの切換レール（１４）と、
該他の２つの切換レール（１４）のいずれか１つと前記切換マトリクス（１３）の前記第１低電圧接続部（１３ａ）または第２低電圧接続部（１３ｂ）とを接続するようにそれぞれ構成された他の第１接続装置（１５ａ）および第２切換装置（１５ｂ）と
をさらに含む電池システム。
【請求項３】
請求項１に記載の電池システム（１０）において、
前記第１低電圧接続部（１３ａ）および前記第１中間接続部に接続された、２つの入力接続部を備える第１直流電圧変換器（１６ａ）と、
前記第２低電圧接続部（１３ｂ）および前記第２中間接続部に接続された、２つの入力接続部を備える第２直流電圧変換器（１６ｃ）と、
をさらに備え、
前記第１および第２直流電圧変換器（１６ａ，１６ｃ）が、それぞれ第１出力接続部を介して直列接続されており、それぞれ第１直流電圧変換器（１６ａ）および第２直流電圧変換器（１６ｃ）の第２出力接続部の間で、第３および第４総電圧における電圧変換された総電圧（ＬＶ′）が測定可能である電池システム（１０）。
【請求項４】
請求項３に記載の電池システム（１０）において、
前記第１低電圧接続部（１３ａ）と前記第１中間接続部との間に接続された第１コンデンサ（１７ａ）を備える第１直流電圧中間回路と、
前記第２低電圧接続部（１３ｂ）と前記第２中間接続部との間に接続された第２コンデンサ（１７ｃ）を備える第２直流電圧中間回路と、をさらに備える電池システム（１０）
【請求項５】
請求項１に記載の電池システム（１０）において、
前記第１低電圧接続部（１３ａ）および前記第２低電圧接続部（１３ｂ）に接続された２つの入力接続部と、２つの出力接続部とをさらに備え、該出力接続部で、電圧変換された第２総電圧が測定可能である直流電圧変換器（１６）をさらに備える電池システム（１０）。
【請求項６】
請求項１から５までのいずれか一項に記載の電池システム（１０）において、
前記第１低電圧接続部（１３ａ）と前記第２低電圧接続部（１３ｂ）との間に接続されたコンデンサ（１７）を備える直流電圧中間回路をさらに備える電池システム（１０）。
【請求項７】
請求項１から６までのいずれか一項に記載の電池システム（１０）において、
複数の接続装置（１８）をさらに備え、該接続装置（１８）がそれぞれ、直列接続されたオーム抵抗器（１８ａ）およびスイッチ（１８ｂ）を備え、前記切換マトリクス（１３）のいずれか２つの切換レール（１４）の間に接続されている電池システム（１０）。
【請求項８】
請求項１から７までのいずれか一項に記載の電池システム（１０）において中間電圧（ＬＶ）を発生する方法（３０）において、
直列接続された電池セルモジュール（１１ａ，・・・，１１ｎ）の充電状態を検出するステップと、
最も高い充電状態を備える所定数の前記電池セルモジュール（１１ａ，・・・，１１ｎ）を選択するステップと、
第１および第２低電圧接続部（１３ａ，１３ｂ）の間において、選択された前記電池セルモジュール（１１ａ，・・・，１１ｎ）の総電圧（ＬＶ）が第１および第２切換装置（１５ａ，１５ｂ）の切換状態に依存して測定可能となるように、切換マトリクスの前記第１および第２切換装置（１５ａ，１５ｂ）を制御するステップと、を含む方法（３０）。
【請求項９】
請求項８に記載の方法（３０）において、
選択された前記電池セルモジュール（１１ａ，・・・，１１ｎ）の充電状態と残りの電池セルモジュール（１１ａ，・・・，１１ｎ）の充電状態とを比較し、現在選択されている電池セルモジュール（１１ａ，・・・，１１ｎ）の充填状態が少なくとも１つの残りの電池セルモジュール（１１ａ，・・・，１１ｎ）の充電状態未満に降下したら、電池セルモジュール（１１ａ，・・・，１１ｎ）の選択を変更する方法（３０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池システム、および、特に電動車両のためのトラクションバッテリーにおいて、中間電圧を供給するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気エネルギー源、特に可動電気エネルギー源、例えば、電動車両のためのトラクションバッテリーは再充電可能なエネルギー蓄積器、例えば、１２ボルト以上の出力電圧を供給するリチウムイオン電池を含んでいることが多い。エネルギー蓄積器を制御および監視するためには制御器が使用され、このような制御器は、エネルギー蓄積器によって供給される高電圧よりも低い、例えば、１２ボルトの供給電圧を必要とする。これらの低電圧または車載電圧は、第２の電池、例えば鉛酸電池によって供給するか、またはエネルギー蓄積器の高電圧からの直流電圧変換によって生成することができる。
【０００３】
電動車両のためのエネルギー蓄積器は、多くの場合、必要に応じて並行に接続された個別セルの直列接続からなり、これらの個別セルはわずかな固有電圧を備える。個別セルの直列接続により、わずかな固有電圧から総電圧を発生することができ、この総電圧は、数百ボルトの範囲で高電圧、例えばトラクション電圧を供給するために用いることができる。
【０００４】
エネルギー蓄積器の個別セルにおける出力パラメータには、製造時の条件に基づいたばらつきが生じるので、個々の電池セルは異なる程度に使用されるか、もしくはエネルギー蓄積器の所定の作動時間後には、初期充電状態は同じであるのにも関わらず、異なる充電状態を示す。最も低い充電状態の電池セルは、直列接続で構成されたエネルギー蓄積器の性能に著しい影響を及ぼすので、いわゆる「セル・バランシング」、すなわち、個々の電池セルの充電状態の補償を確保することのできる方法が用いられる。特にリチウムイオン電池の場合、このようにしてエネルギー蓄積器全体の性能、耐用寿命および効率を改善することができる。積極的な方法により、より高い充電状態の電池セルからより低い充電状態の電池セルへ容量的および誘導的に電荷を移動することができる。受動的な方法では、相対的な充電状態に応じて、選択的に個々の電池セルを部分的に放電する。
【０００５】
刊行物ＷＯ２００７／１２８８７６Ａ１により、直列接続された電池セルを備える電池システムにおいてセル状態を補償するための方法が既知である。この方法では、セル個別の充電器から、より低い充電状態の電池セルにエネルギーを選択的に供給し、全ての電池セルの充電状態を調整する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】ＷＯ２００７／１２８８７６Ａ１
【発明の概要】
【０００７】
本発明は、第１高電圧接続部と、第２高電圧接続部と、第１高電圧接続部と第２高電圧接続部との間に直列接続された複数の電池セルモジュールと、を含む電池モジュール、および、直列接続されたいずれか２つの電池セルモジュールの間の１つの結合点にそれぞれ接続された複数の切換レールと、いずれか１つの切換レールと切換マトリクスの第１低電圧接続部とを接続するようにそれぞれ構成された複数の第１切換装置と、いずれか１つの切換レールと切換マトリクスの第２低電圧接続部とを接続するようにそれぞれ構成された複数の第２切換装置と、を含む切換マトリクス、を備える電池システムにおいて、第１高電圧接続部と第２高電圧接続部との間に、直列接続された全ての電池セルモジュールの第１総電圧が印加され、第１低電圧接続部と第２低電圧接続部との間で、直列接続された電池セルモジュールの一部の第２総電圧が第１および第２切換装置の切換状態に依存して測定可能である。
【０００８】
別の実施形態によれば、本発明は、本発明による電池システムにおいて中間電圧を発生する方法において、直列接続された電池セルモジュールの充填状態を検出するステップと、最も高い充填状態を備える所定数の電池セルモジュールを選択するステップと、第１および第２低電圧接続部の間において、選択された電池セルモジュールの総電圧が第１および第２切換装置の切換状態に依存して測定可能となるように、切換マトリクスの第１および第２切換装置を制御するステップと、を含む方法を提供する。
【発明の利点】
【０００９】
本発明の基本思想は、個別セルの直列接続により構成された電気エネルギー蓄積器の性能を高め、この場合にそれぞれ個々の電池セルの最適な寿命が達成されるようにすることである。そこで、複数の切換装置を介して、電池セルの充電状態に依存して電池セルのグループを選択することができる切換マトリクスを使用し、このような電池セルのグループによって、特に電気エネルギー蓄積器の制御器のために車載電圧または供給電圧を供給する中間電圧を発生する。これにより、２つの重要な利点が生じる。第１に、常に現在最も高い充電状態の電池セルのみが中間電圧を発生するために使用されるので、電池セルの負荷は一様であり、個別セルの劣化過程が遅くなる。第２に、これにより、単一のエネルギー蓄積器により２つの異なる出力電圧を発生することができるので、二次電池を省略することができる。
【００１０】
したがって、このように構成されたエネルギー蓄積器は、劣化が遅く、セルが一様に充電され、製造許容差への依存性がより小さいので、高い性能を提供する。有利には、電池セルモジュールの充電状態の検出は、従来のリチウムイオン電池では一般に既に設けられている充電監視装置によって行うことができる。必要に応じて、電池管理により得られた変数を電池セルモジュールの劣化状態（SOH, “state of health”）を決定するために用いることができる。
【００１１】
有利には、いずれか１つの切換レールと切換マトリクスの第１および第２中間接続部とを接続するようにそれぞれ構成された他の切換装置を用いることもでき、低電圧接続部といずれか１つの中間接続部との間には、直列接続を介して総電圧に追加することができる部分電圧が印加される。これにより、中間電圧を発生するために幾つの電池セルモジュールが使用されるかに応じて中間電圧を可変に構成することができる。
【００１２】
有利には、それぞれ中間電圧を変換することのできる直流変換器を電池システムに装備することができる。これにより、中間電圧を供給される車載給電システムを高電圧網からガルバニック分離することができるという利点が生じる。
【００１３】
有利な実施形態によれば、電池システムは、直列接続されたオーム抵抗器およびスイッチを有する複数の接続装置を備えていてもよく、スイッチの閉鎖によりオーム抵抗器を介して個々の電池セルモジュールを部分的に放電するか、もしくは部分的に充電することができる。これにより充電状態補償の微調整を行うことができる。
【００１４】
本発明の実施形態の他の特徴および利点を添付の図面を参照して以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態による電池システムの概略図である。
【図２】本発明の別の実施形態による電池システムの概略図である。
【図３】本発明の別の実施形態による電池システムにおいて中間電圧を発生するための方法の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は、電池モジュール１１および切換マトリクス１３を備える電池システム１０の概略図を示す。この場合、電池モジュール１１は、直列接続された複数の電池セルモジュール１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，・・・，１１ｎを備える。電池セルモジュール１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，・・・，１１ｎは、例えば、リチウムイオン電池であってもよい。電池モジュール１１は２つの高電圧接続部１２ａ，１２ｂを備え、これらの高電圧接続部には、電池システム１０の出力電圧ＨＶ、例えばトラクション電圧が印加されている。出力電圧ＨＶは、例えば、高電圧であってもよいし、数百ボルトでもあってよい。
【００１７】
切換マトリクスは、２つの電池セルモジュール１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，・・・，１１ｎの間の結合点にそれぞれ接続された複数の切換レール１４を備える。他の切換レール１４は、電池モジュール１１の高電圧接続部１２ａ，１２ｂに接続されている。見やすくするために、図１では１つの切換レール１４のみに符号を付す。切換レール１４は、それぞれ第１切換装置１５ａを介して切換マトリクス１３の第１低電圧接続部１３ａに切換可能に接続されており、第２切換装置１５ｂを介して切換マトリクス１３の第２低電圧接続部１３ｂに切換可能に接続されている。第１および第２切換装置１５ａ，１５ｂは、例えば半導体スイッチ、例えばＩＧＢＴ‐スイッチまたはＭＯＳＦＥＴ‐スイッチを含んでいてもよい。
【００１８】
低電圧接続部１３ａおよび１３ｂの間に中間電圧ＬＶを発生するためには、それぞれいずれか１つの第１切換装置１５ａおよびいずれか１つの第２切換装置１５ｂを閉じることができ、これにより、低電圧接続部１３ａおよび１３ｂの間で１つ以上の電池セルモジュール１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，・・・，１１ｎが切換られる。図１に示した切換マトリクス１３により、それぞれ隣接する電池セルモジュール１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，・・・，１１ｎを低電圧接続部１３ａおよび１３ｂの間で切り換えることができる。この場合、中間電圧ＬＶを発生するために使用される所定数の隣接した電池セルモジュール１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，・・・，１１ｎを選択することができる。例えば、電池セルモジュール１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，・・・，１１ｎは、それぞれ４ボルトの個別電圧を供給することができ、所定数は３個であってもよい。このように、３×４ボルト＝１２ボルトの中間電圧ＬＶを低電圧接続部１３ａおよび１３ｂにおいて取り出すことができる。当然ながら、中間電圧ＬＶを発生するために隣接した電池セルモジュール１１ａ，１１ｂをそれぞれ別の個数だけ使用してもよい。
【００１９】
所定数に応じて、複数の第１もしくは第２切換装置１５ａおよび１５ｂの一部を効率性の理由から省くことも可能である。例えば、隣接する３つの電池セルモジュール１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，・・・，１１ｎが中間電圧ＬＶを発生するために常に使用される場合には、図１の上側の３つの切換レール１４の第２切換装置１５ｂおよび図１の下側の３つの切換レール１４の第１切換装置１５ａは設けなくてもよい。
【００２０】
さらに電池システム１０は、コンデンサ１７を備える直流電圧中間回路を備え、コンデンサ１７は、切換マトリクス１３の第１低電圧接続部１３ａと第２低電圧接続部１３ｂとの間に接続されている。さらに中間電圧ＬＶを変換する直流電圧変換器１６が設けられていてもよい。この場合、直流電圧変換器１６は、１：１の変換比を備えていてもよく、例えば、中間電圧回路、例えば電動車両の車載給電システムをガルバニック分離するためにのみ用いられる。しかしながら、電池システム１０を簡易化し、例えば、移動時に使用する目的で重量を最適化するためには、直流変換器１６を設けなくてもよい。
【００２１】
電池システム１０は接続装置１８を備える。接続装置１８は、直列接続されたオーム抵抗器１８ａおよびスイッチ１８ｂを介して、隣接するそれぞれ２つの切換レール１４をブリッジすることができる。これにより、電池セルモジュール１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，・・・，１１ｎを部分的にのみ充電することができ、この場合、付属のスイッチ１８ｂは閉じられ、電流の一部は対応した電池セルモジュール１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，・・・，１１ｎを通る代わりにオーム抵抗器１８ａを介して流れる。オーム抵抗器１８ａは、このために特に高いオーム抵抗を備えていてもよい。
【００２２】
低電圧接続部１３ａおよび１３ｂで供給される中間電圧ＬＶは、例えば、電池システム１０の制御器に給電するために使用してもよい。しかしながら、低電圧電池に中間電圧ＬＶを印加することも可能である。これにより、有利には個々の電池セルモジュール１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，・・・，１１ｎに選択的に充電することのできるバッファーメモリを提供することもできる。このために、直流電圧変換器１６は双方向に構成されていてもよい。したがって、電池モジュール１１の充電過程では、セル充填率の差を補償するために、最も低い充電状態の電池セルモジュールに低電圧電池から付加的なエネルギーを意図的に供給することができる。
【００２３】
図２は、電池システム２０の概略図を示す。電池システム２０は、いずれか１つの切換レール１４と切換マトリクス１３の中間接続部とをそれぞれ接続することができる複数の第３および第４切換装置１５ｃもしくは１５ｄが設けられていることにより図１に示した電池システムとは異なっている。電池システム２０は幾つかの直流変換器１６ａ，１６ｂ，１６ｃを備える。これらの直流変換器はそれぞれ切換マトリクスの低電圧接続部と中間接続部との間に接続されており、これらの直流変換器の出力接続部は直列接続で接続されており、これにより、低電圧接続部１３ａおよび１３ｂでは、それぞれの直流電圧変換器１６ａ，１６ｂ,１６ｃの出力電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の総電圧である中間電圧ＬＶ′が測定可能である。
【００２４】
付加的な切換装置１５ｃ，１５ｄによって、電池システム２０において、隣接していない個々の電池セルモジュール１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，・・・，１１ｎを意図的に選択し、中間電圧ＬＶ′を発生するために使用することもできる。例えば、最も高い充電状態の３つの電池セルモジュール１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，・・・，１１ｎを検出し、選択された３つの電池セルモジュール１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，・・・，１１ｎそれぞれが直流変換器１６ａ，１６ｂ，１６ｃに給電し、したがって、中間電圧ＬＶ′は、選択された３つの電池セルモジュール１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，・・・，１１ｎの個別電圧の合計に依存するように切換装置１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄを適宜に制御することができる。例えば、電池セルモジュール１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，・・・，１１ｎの個別電圧は４ボルトであってもよい。直流電圧変換器１６ａ，１６ｂ，１６ｃが１：１の変換比を備える場合には、低電圧接続部１３ａおよび１３ｂの間には１２ボルトの中間電圧ＬＶ′を供給することができる。当然ながら、図２の中間接続部もしくは直流電圧変換器の数は、例示的な性質のものであり、電池システム２０において、これよりも多いか、または少ない中間接続部もしくは直流電圧変換器を設けることも可能である。
【００２５】
同様に、低電圧接続部と中間接続部との間にコンデンサ１７ａ，１７ｂおよび１７ｃを備える直流電圧中間回路をそれぞれ接続してもよい。
【００２６】
図３は、電池システム、特に図１または図２のいずれかに示した電池システム１０または２０において中間電圧を発生するための方法３０の概略図を示す。第１ステップ３１では、電池モジュール１１における直列接続された電池セルモジュール１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，・・・，１１ｎの充電状態の検出が行われる。第２ステップ３２では、最も高い充電状態を備える所定数の電池セルモジュール１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，・・・，１１ｎの選択が行われる。第３ステップ３３では、切換マトリクス１３の第１および第２切換装置１５ａ，１５ｂの制御が行われ、これにより、第１および第２低電圧接続部１３ａ，１３ｂの間では、選択された電池セルモジュール１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，・・・，１１ｎの総電圧が第１および第２切換装置１５ａ，１５ｂの切換状態に依存して測定可能である。
【００２７】
方法３０によって、現在最も高い充電状態を備える電池セルモジュール１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，・・・，１１ｎを中間電圧もしくは総電圧ＬＶを発生するために意図的に選択することができる。選択された電池セルモジュール１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，・・・，１１ｎは、次いで同時に低電圧供給における作動および高電圧供給における作動のために使用される。直流電圧変換器を用いて、低電圧を所望の値に調節することができる。電池セルモジュール１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，・・・，１１ｎの充電状態を継続的に監視し、これにより、現在選択されている電池セルモジュール１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，・・・，１１ｎの充填状態が現在選択されていない他の電池セルモジュール１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，・・・，１１ｎの充電状態未満となった場合には、選択された電池セルモジュール１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，・・・，１１ｎを変更することができるようにしてもよい。このためには、選択された電池セルモジュール１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，・・・，１１ｎの変更を行う前に電池セルモジュール１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，・・・，１１ｎの充電状態の間の差が超えている必要のある閾値を設けてもよい。これにより、切換装置１５ａ，１５ｂが絶えず切り換えられることが回避される。
【００２８】
代替的には、中間電圧ＬＶを発生するために積極的なパルス法を使用するように構成されていてもよい。この場合、全ての電池セルモジュール１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，・・・，１１ｎは周期的な間隔をおいて中間電圧を発生するために使用され、相対的な作動頻度はそれぞれの電池セルモジュール１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，・・・，１１ｎの充電状態に依存する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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