(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の変換器ライン（９０−１、９０−２、９０−３）を備えた、化学変化または光起電力効果により電気エネルギーを出力するエネルギー変換器であって、
各変換器ライン（９０−１、９０−２、９０−３）は、少なくとも、
前記変換器ライン（９０−１、９０−２、９０−３）の出力端子側が正極であり、前記変換器ライン（９０−１、９０−２、９０−３）の参照電位側が負極である第１の変換器セルモジュール（７０−１、７０−２）と、
前記変換器ライン（９０−１、９０−２、９０−３）の出力端子側が負極であり、前記変換器ライン（９０−１、９０−２、９０−３）の参照電位側が正極である第２の変換器セルモジュール（８０−１、８０−２）と、
を備え、
前記第１の変換器セルモジュールおよび前記第２の変換器セルモジュール（７０−１、７０−２；８０−１、８０−２）はそれぞれ、少なくとも、
１つの変換器セル（１１）と、
結合ユニット（３０、５０）と、
を備え、
前記少なくとも１つの変換器セル（１１）は、前記結合ユニット（３０、５０）の第１の入力口（３１、５１）と第２の入力口（３２、５２）との間に接続され、
前記結合ユニット（３０、５０）は、バイパスを選択的に設けるための制御信号に応じて、前記少なくとも１つの変換器セル（１１）を介して、前記変換器セルモジュール（７０−１、７０−２；８０−１、８０−２）の第１の端子（４１、６１）を、前記変換器セルモジュール（７０−１、７０−２；８０−１、８０−２）の第２の端子（４２、６２）と接続することと、前記少なくとも１つの変換器セル（１１）を介さずに、前記第１の端子（４１、６１）を前記第２の端子（４２、６２）と接続してバイパスを設けることとを、切り替えるように構成される、前記エネルギー変換器において、
前記第１の変換器セルモジュール（７０−１、７０−２）の前記少なくとも１つの変換器セル（１１）は、各前記第１の変換器セルモジュール（７０−１、７０−２）の前記第１の端子（４１、６１）と前記第２の端子（４２、６２）との間で、前記制御信号に応じて選択的に接続され、
前記第２の変換器セルモジュール（８０−１、８０−２）の前記少なくとも１つの変換器セル（１１）は、各前記第２の変換器セルモジュール（８０−１、８０−２）の前記第１の端子（４１、６１）と前記第２の端子（４２、６２）との間で、前記制御信号に応じて選択的に接続され、
前記エネルギー変換器は、制御ユニットを備え、
前記制御ユニットは、
前記変換器ライン（９０−１、９０−２、９０−３）の出力電圧を正の電圧とする第１の期間の間に、前記バイパスを設けないための第１の制御信号を、一の変換器ライン（９０−１、９０−２、９０−３）の前記少なくとも１つの第１の変換器セルモジュール（７０−１、７０−２）へと出力し、前記バイパスを設けるための第２の制御信号を、前記一の変換器ライン（９０−１、９０−２、９０−３）の前記少なくとも１つの第２の変換器セルモジュール（８０−１、８０−２）へと出力し、
前記変換器ライン（９０−１、９０−２、９０−３）の出力電圧を負の電圧とする第２の期間内に、前記第２の制御信号を、前記一の変換器ライン（９０−１、９０−２、９０−３）の前記少なくとも１つの第１の変換器セルモジュール（７０−１、７０−２）へと出力し、前記第１の制御信号を、前記一の変換器ライン（９０−１、９０−２、９０−３）の前記少なくとも１つの第２の変換器セルモジュール（８０−１、８０−２）へと出力して、
前記変換器ライン（９０−１、９０−２、９０−３）の出力電圧を、前記第１の期間の間には正の電圧とさせ、前記第２の期間の間には負の電圧とさせるよう構成されることを特徴とする、エネルギー変換器。
【請求項２】
各変換器ライン（９０−１、９０−２、９０−３）は、
複数の第１の変換器セルモジュール（７０−１、７−２）と、
複数の第２の変換器セルモジュール（８０−１、８０−２）と、
を有し、
前記制御ユニットは、各変換器ライン（９０−１、９０−２、９０−３）から、正弦波電圧（１００−ａ、１０１−ａ、１０２−ａ）を出力させるよう構成される、請求項１に記載のエネルギー変換器。
【請求項３】
前記制御ユニットは、予め設定可能な周波数を有する正弦波電圧を出力させるよう構成される、請求項２に記載のエネルギー変換器。
【請求項４】
前記制御ユニットは、前記変換器ライン（９０−１、９０−２、９０−３）ごとに、各他の前記変換器ライン（９０−１、９０−２、９０−３）の前記正弦波電圧に対して位相がずれている正弦波電圧（１００−ａ、１０１−ａ、１０２−ａ）を出力させるよう構成される、請求項２または３に記載のエネルギー変換器。
【請求項５】
前記結合ユニット（３０）は、第１の出力口（３３）を有し、
前記制御信号に応じて、前記第１の入力口（３１）または前記第２の入力口（３２）を、前記第１の出力口（３３）と接続するよう構成される、請求項１〜４のいずれか１項に記載のエネルギー変換器。
【請求項６】
前記結合ユニット（５０）は、第１の出力口（５３）と第２の出力口（５４）とを有し、
前記バイパスを設けないための第１の制御信号に応じて、前記第１の入力口（５１）を前記第１の出力口（５３）と接続し、前記第２の入力口（５２）を前記第２の出力口（５４）と接続し、
前記バイパスを設けるための第２の制御信号に応じて、前記第１の入力口（５１）を前記第１の出力口（５３）から分離し、前記第２の入力口（５２）を前記第２の出力口（５４）から分離し、前記第１の出力口（５３）を前記第２の出力口（５４）と接続するよう構成される、請求項１〜４のいずれか１項に記載のエネルギー変換器。
【請求項７】
前記変換器セル（１１）は、バッテリセルまたはソーラーセルである、請求項１〜６のいずれか１項に記載のエネルギー変換器。
【請求項８】
車両を駆動する電動機（１１３）と、
前記電動機（１１３）に接続された請求項１〜７のいずれか１項に記載のエネルギー変換器と、
を備えた車両。
【請求項９】
電気駆動システムのための供給電圧を準備する方法であって、複数の変換器ライン（９０−１、９０−２、９０−３）を備え、化学変化または光起電力効果により電気エネルギーを出力するエネルギー変換器は、前記電気駆動システムと接続される、前記方法において、
前記エネルギー変換器の各変換器ライン（９０−１、９０−２、９０−３）は、少なくとも、
前記変換器ライン（９０−１、９０−２、９０−３）の出力端子側が正極であり、前記変換器ライン（９０−１、９０−２、９０−３）の参照電位側が負極である第１の変換器セルモジュール（７０−１、７０−２）と、
前記変換器ライン（９０−１、９０−２、９０−３）の出力端子側が負極であり、前記変換器ライン（９０−１、９０−２、９０−３）の参照電位側が正極である第２の変換器セルモジュール（８０−１、８０−２）と、
を備え、
前記第１の変換器セルモジュールおよび前記第２の変換器セルモジュール（７０−１、７０−２；８０−１、８０−２）はそれぞれ、少なくとも、
１つの変換器セル（１１）と、
結合ユニット（３０、５０）と、
を備え、
前記少なくとも１つの変換器セル（１１）は、前記結合ユニット（３０、５０）の第１の入力口（３１、５１）と第２の入力口（３２、５２）との間に接続され、
前記結合ユニット（３０、５０）は、バイパスを選択的に設けるための制御信号に応じて、前記少なくとも１つの変換器セル（１１）を介して、前記変換器セルモジュール（７０−１、７０−２；８０−１、８０−２）の第１の端子（４１、６１）を、前記変換器セルモジュール（７０−１、７０−２；８０−１、８０−２）の第２の端子（４２、６２）と接続することと、前記少なくとも１つの変換器セル（１１）を介さずに、前記第１の端子（４１、６１）を前記第２の端子（４２、６２）と接続してバイパスを設けることとを、切り替えるように構成され、
前記エネルギー変換器の出力電圧は、前記バイパスを設けないための第１の制御信号と前記バイパスを設けるための第２の制御信号とによって、前記変換器ライン（９０−１、９０−２、９０−３）の出力電圧を正の電圧とする第１の期間の間には、正の電圧とされ、前記変換器ライン（９０−１、９０−２、９０−３）の出力電圧を負の電圧とする第２の期間の間には、負の電圧とされることを特徴とする、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気エネルギーを出力するエネルギー変換器、このようなエネルギー変換器を備えた車両、および、電気駆動システムに電力供給する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
将来的に、定置型の利用において、および、ハイブリット車または電気自動車のような車両においても、バッテリシステムがますます使用されることが明らかである。電圧と、提供される電力とに対する各用途について与えられる要請を満たしうるために、数多くのバッテリセルが直列に接続される。このようなバッテリによって提供される電流は全てのバッテリセルを通って流れる必要があり、１つのバッテリセルは限られた電流のみ通しうるため、最大電流を上げるために、追加的なバッテリセルが並列に接続されることが多い。このことは、バッテリセルハウジング内の複数のセルコイル（Ｚｅｌｌｗｉｃｋｅｌ）の敷設によって、または、バッテリセルの外部接続によって行われうる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
例えば電気自動車およびハイブリッド車において、または、風力発電所の動翼調整の場合のような定置型の利用においても使用される一般的な電気駆動システムの原理的な回路図が、図１に示されている。バッテリ１１０は、コンデンサ１１１により蓄電される直流電圧中間回路に接続される。直流電圧中間回路は、パルスインバータ１１２に接続されており、このパルスインバータ１１２は、３つの出力口の、各２つの切り替え可能な半導体バルブ（Ｈａｌｂｌｅｉｔｅｒｖｅｎｔｉｌ）と２つのダイオードとを介して、互いに位相がずらされた正弦波電圧を、電動機１１３の駆動のために提供する。コンデンサ１１１の容量は、切り替え可能な半導体バルブのうちの１つに電流が流される間、直流中間回路内の電圧を安定させるために十分な大きさである必要がある。電気自動車のような実際の適用では、ｍＦ（ミリファラド）の範囲内の大きな静電容量が発生する。直流電圧中間回路の電圧は通常かなり高いため、このような大きな静電容量の実現には、高いコストが掛かり、大きな空間が必要である。
【０００４】
図２は、図１のバッテリ１０の詳細なブロック回路図を示す。各適用について望まれる高い出力電圧およびバッテリ容量を実現するために、複数のバッテリセルが直列に接続され、または任意に追加的に並列接続される。バッテリセルの陽極と正のバッテリ端子１１４との間には、充電および分離素子１１６が接続される。任意に、バッテリセルの陰極と負のバッテリ端子１１５との間に分離素子１１７が追加的に接続されてもよい。充電および分離素子１１６と、分離素子１１７とはそれぞれ、バッテリ端子を零電位（ｓｐａｎｎｕｎｇｓｆｒｅｉ）で接続するために、当該バッテリ端子からバッテリセルを分離するために設けられた接触器１１８または１１９を備える。さもなければ、直列接続されたバッテリセルの高い直流電圧のために、整備員等が重大な潜在的危険にさらされることになる。充電および分離素子１１６内には、充電接触器１２０と、当該充電接触器１８に対して直列に接続された充電抵抗１２１とが追加的に設けられる。充電抵抗１２１は、バッファコンデンサ１１１の充電電流を、バッテリが直流電圧中間回路に接続される場合に制限する。このために、最初に接触器１１８は解放されて、充電接触器１２０のみが閉鎖される。正のバッテリ端子１１４の電圧がバッテリセルの電圧に達する場合には、接触器１１９を閉鎖し、場合によっては充電接触器１２０が解放されうる。接触器１１８、１１９および充電接触器１２０は、それらの信頼性およびそれらが案内する電流に対する要求が高いため、バッテリ１１０のコストを著しく押し上げる。
【０００５】
本文書でバッテリおよびバッテリセルを典型的な電気化学的エネルギー変換器として言及する限りにおいて、同時に、電気的エネルギーを出力しうる他の形態のエネルギー変換器も含まれる。これにより、特に、ソーラーセルのような光起電力エネルギー変換器も包含される。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
したがって、本発明に基づいて、電気エネルギーを出力するエネルギー変換器が導入される。エネルギー変換器は、複数の変換器ライン（Ｗａｎｄｌｅｒｓｔｒａｎｇ）を有し、各変換器ラインは少なくとも、第１の変換器セルモジュールと、第２の変換器セルモジュールとを備える。第１の変換器セルモジュールおよび第２の変換器セルモジュールはそれぞれ、少なくとも１つの変換器セルと結合ユニットを備える。変換器セルモジュールの少なくとも１つの変換器セルは、結合ユニットの第１の入力口と第２の入力口との間に接続され、結合ユニットは、第１の制御信号に応じて、少なくとも１つの変換器セルを、変換器セルモジュールの第１の端子と、変換器セルモジュールの第２の端子との間で切り替え、かつ、第２の制御信号に応じて、第１の端子を第２の端子と接続するように構成される。本発明に基づいて、第１の極性を帯びる第１の変換器セルモジュールの少なくとも１つの変換器セルは、各第１の変換器セルモジュールの結合ユニットの第１の入力口と第２の入力口との間で切り替えられ、第１の極性とは反対の第２の極性を帯びる第２の変換器セルモジュールの少なくとも１つの変換器セルは、各第２の変換器セルモジュールの結合ユニットの第１の入力口と第２の入力口との間で切り替えられる。
【０００７】
結合ユニットによって、第１の入力口と第２の入力口との間に接続された１つ以上の変換器セルを、当該変換器セルの電圧が外部へと提供されるように、結合ユニットの第１の出力口および第２の出力口に結合することが可能となり、または、第１の出力口と第２の出力口との接続により変換器セルにバイパスを付ける（ｕｅｂｅｒｂｒｕｅｃｋｅｎ）ことが可能となり、したがって、０Ｖの電圧が外部から見える。
【０００８】
このようにして、直列接続された変換器セルモジュールの結合ユニットの適切な制御によって、単に、適切な数の変換器セルモジュールを作動し（結合ユニットの出力口での変換器セルの電圧の可視化）または停止する（結合ユニットの出力電圧０Ｖ）ことで、エネルギー変換器の可変的な出力電圧を設定することが可能となる。エネルギー変換器内に、第１の極性を有する変換器セルモジュールと、反対の第２の極性を有する変換器セルモジュールとが設けられることで、エネルギー変換器の両極の出力電圧を形成することが可能となる。
【０００９】
本発明は、このように従来技術のパルスコンバータの機能をエネルギー変換器が引き継ぐことが可能であり、直流電圧中間回路の蓄電のためのバッファコンデンサが不要となり削減できるという効果をもたらす。したがって、本発明のエネルギー変換器を、電気駆動システムと直接的に接続することが可能である。
【００１０】
極端な場合には、各変換器セルモジュールは、１つの変換器セル、または、変換器セルの並列回路のみを有する。この場合には、エネルギー変換器の出力電圧は、最も正確に設定されうる。その際に、本発明の範囲において一般的であるように有利に、変換器セルとして、２．５Ｖ〜４．２Ｖの間のセル電圧を有するリチウムイオンバッテリセルが使用される場合に、バッテリの出力電圧は、対応して厳密に設定される。バッテリの出力電圧をより厳密に設定できるほど、電磁両立性の問題も小さくなる。なぜならば、バッテリ電流に起因する放射線が、バッテリ電流の高周波成分と共に低下するからである。しかしながらこれに対して、回路コストが上昇すると共に、多数のスイッチの使用により、結合ユニットのスイッチ内での電力喪失が増大することになる。
【００１１】
好適に、エネルギー変換器は制御ユニットを備え、制御ユニットは、第１の期間の間に、第１の制御信号を少なくとも１つの第１の変換器セルモジュールへと出力し、第２の制御信号を少なくとも１つの第２の変換器セルモジュールへと出力するよう構成される。さらに、制御ユニットは、第１の期間に続く第２の期間内に、第２の制御信号を少なくとも１つの第１の変換器セルモジュールへと出力し、第１の制御信号を少なくとも１つの第２の変換器セルモジュールへと出力し、このようにして、エネルギー変換器の出力電圧を、第１の期間の間には第１の符号により設定し、第２の期間の間には第１の符号とは反対の第２の符号により設定するよう構成される。
【００１２】
制御ユニットがエネルギー変換器に組み込まれる場合に、エネルギー変換器は自立的に機能することが可能であり、符号を交互に代えて出力電圧を形成することが可能である。
【００１３】
エネルギー変換器の各変換器ラインは、特に、複数の第１の変換器セルモジュールと、複数の第２の変換器セルモジュールとを有する。その際に制御ユニットは、正弦波電圧を設定するよう構成されうる。正弦波電圧によって、交流電圧ネットワーク上での駆動のために構想された構成要素の直接的な接続が可能となる。この関連において、「正弦波形」（ｓｉｎｕｓｆｏｅｒｍｉｇ）とは、可能な限り小さなエラーにより正弦波形に近似する階段波信号としても理解される。その際に、エネルギー変換器の変換器ライン内の第１の変換器セルの数および第２の変換器セルの数が大きいほど、出力電圧の振幅に関してステップがより小さく下がる。
【００１４】
好適に、制御ユニットは、さらに、予め設定可能な周波数を有する正弦波電圧を設定するよう構成される。これにより、エネルギー変換器に接続されたシステムの、供給電圧の周波数に依存するパラメータを予め設定することが可能である。さらに、エネルギー変換器の出力電圧をエネルギー供給ネットワークの電圧と同期させる制御システム内に、このようなエネルギー変換器を容易に取り入れることも出来る。
【００１５】
特に好適に、制御ユニットは、変換器ラインごとに、各他の変換器ラインの正弦波電圧に対して位相がずれている正弦波電圧を設定するよう構成される。出力電圧の位相がずれていることにより、エネルギー変換器を、いわゆる三相交流が望まれる電気駆動システムまたはそれ以外の装置に対して直接接続することが可能である。したがって、厳密に３つの変換器ラインを有するエネルギー変換器の実現も特に有利である。
【００１６】
結合ユニットは、第１の出力口を有し、第１の制御信号に応じて、第１の入力口または第２の入力口を上記第１の出力口と接続するよう構成されうる。その際に、上記出力口は、変換器セルモジュールの端子の一方と接続され、第１の入力口または第２の入力口の一方が、変換器セルモジュールの端子の他方と接続される。このような結合ユニットは、２つのスイッチを使用して、好適にＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴのような半導体スイッチを使用して実現されうる。
【００１７】
代替的に、結合ユニットは、第１の出力口と第２の出力口とを有し、第１の制御信号に応じて、第１の入力口を第１の出力口と接続し、第２の入力口を第２の出力口と接続するように構成されうる。その際にさらに、結合ユニットは、第２の制御信号に応じて、第１の入力口を第１の出力口から分離し、第２の入力口を第２の出力口から分離し、第１の出力口を第２の出力口と接続するよう構成される。本実施形態は、少しだけ高い回路用コスト（通常は３つのスイッチ）を必要とするが、変換器セルモジュールの変換器セルを、変換器セルモジュールの両極において分離する。これによって、変換器セルモジュールが損傷した場合には、変換器セルモジュールの変換器セルが零電位で接続されるために、構成全体が継続的に駆動する間に安全に交換されうるという利点がもたらされる。
【００１８】
本発明の第２の観点は、車両を駆動するための電動機と、当該電動機と接続された上記本発明の第１の観点に係るエネルギー変換器とを備えた車両に関する。
【００１９】
本発明の第３の観点は、電気駆動システムに電力供給する方法を導入する。本方法は、少なくとも以下の工程、すなわち、
ａ）本発明の第１の観点に係るエネルギー変換器を準備する工程と、
ｂ）エネルギー変換器を電気駆動システムと接続する工程と、
ｃ）第１の期間の間には、第１の符号によりエネルギー変換器の出力電圧を設定し、第２の期間の間には、第１の符号とは反対の第２の符号によりエネルギー変換器の出力電圧を設定する工程と、
を含む。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
本発明の実施例は、図面および以下の明細書の記載の記載によってより詳細に解説され、同一または機能的に同種の構成要素には、同じ符号が付される。
【図１】従来技術による電気駆動システムを示す。
【図２】従来技術によるバッテリのブロック回路図を示す。
【図３】本発明に係るエネルギー変換器に使用される結合ユニットの第１の実施例を示す。
【図４】結合ユニットの第１の実施形態の可能な回路技術的な実現を示す。
【図５】第１の実施形態による結合ユニットを備えたバッテリモジュールの一実施形態を示す。
【図６】第１の実施形態による結合ユニットを備えたバッテリモジュールの一実施形態を示す。
【図７】本発明に係るエネルギー変換器に使用される結合ユニットの第２の実施形態を示す。
【図８】結合ユニットの第２の実施形態の可能な回路技術的な実現を示す。
【図９】第２の実施形態による結合ユニットを備えた変換器セルモジュールの一実施形態を示す。
【図１０】本発明に係るエネルギー変換器の変換器ラインの一実施形態を示す。
【図１１】本発明に係るエネルギー変換器の変換器ラインの一実施形態を示す。
【図１２】本発明に係るエネルギー変換器の変換器ラインの一実施形態を示す。
【図１３】本発明に係るエネルギー変換器の変換器ラインの一実施形態を示す。
【図１４】本発明に係るエネルギー変換器の一実施形態を示す。
【図１５】本発明に係るエネルギー変換器の出力電圧の時間的推移を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図３は、本発明に係るエネルギー変換器に使用される結合ユニット３０の第１の実施例を示す。結合ユニット３０は、２つの入力口３１および３２と、１つの出力口３３と、を有し、入力口３１または３２の一方を出力口３３と接続し、他方を分離するように構成される。
【００２２】
図４は、結合ユニット３０の第１の実施形態の可能な回路技術的な実現を示し、ここでは、第１のスイッチ３５と、第２のスイッチ３６とが設けられる。各スイッチ３５、３６は、入力口３１または３２のうちの１つと、出力口３３と、の間に接続される。本実施形態は、２つの入力口３１、３２も、出力口３３から分離可能であるために、出力口３３が高インピーダンス状態（ｈｏｃｈｏｈｍｉｇ）になるという利点をもたらし、このことは、例えば修理または整備の場合に有利になりうる。さらに、スイッチ３５、３６は簡単に、例えばＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴのような半導体スイッチとして実現されうる。半導体スイッチには、価格が安価で切り替え速度が速いという利点があり、したがって、結合ユニット３０は、短時間で、制御信号に対してまたは制御信号の変化に対して応答することが可能であり、速い切り替え速度が実現される。最大直流電圧と最小直流電圧との間の衝撃係数の適切な選択（パルス幅変調）により所望の電圧波形を形成する通常のパルスコンバータに対して、本発明は、結合ユニット内で使用されるスイッチのスイッチング周波数が基本的により低く、したがって、電磁両立性（ＥＭＶ：Ｅｌｅｋｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｓｃｈｅ  Ｖｅｒｔｒａｅｇｌｉｃｈｋｅｉｔ）が改善され、スイッチに対する要求がより小さくなる。
【００２３】
図５および図６は、第１の実施形態による結合ユニット３０を備えた変換器セルモジュール４０の２つの実施形態を示す。電気化学的なバッテリセルとして実現された複数の変換器セル１１が、結合ユニット３０の入力口間に直列に接続されている。バッテリセルの代わりに、例えば、ソーラーセルも変換器セルとして使用することが可能であろう。
【００２４】
しかしながら、本発明は、図に示される変換器セル１１の直列回路には限定されず、変換器セル１１を１つだけ設けることも可能であり、または、変換器セル１１の並列回路、もしくは、変換器セル１１の直列−並列の混合回路（ｇｅｍｉｓｃｈｔ−ｓｅｒｉｅｌｌ−ｐａｒａｌｌｅｌｅ  Ｓｃｈａｌｔｕｎｇ）も可能である。図５の例では、結合ユニット３０の出力口は、第１の端子４１と接続され、変換器セル１１の陰極は、第２の端子４２と接続される。しかしながら、図６のようなほぼ対称的な構成も可能であり、ここでは、変換器セル１１の陽極が第１の端子４１と接続され、結合ユニット３０の出力口は、第２の端子４２と接続される。
【００２５】
図７は、本発明に係るエネルギー変換器に使用される結合ユニット５０の第２の実現形態を示す。結合ユニット５０は、２つの入力口５１および５２と、２つの出力口５３および５４とを有する。結合ユニット５０は、第１の入力口５１を第１の出力口５３と接続し、および、第２の入力口５２を第２の出力口５４と接続し（および、第１の出力口５３を第２の出力口５４から分離し）、または、第１の出力口５３を第２の出力口５４と接続する（および、その際に、入力口５１および５２を分離する）よう構成される。結合ユニットの特定の実施形態において、結合ユニットはさらに、２つの入力口５１、５２を出力口５３、５４から分離し、さらに、第１の出力口５３を第２の出力口５４から分離するよう構成されてもよい。しかしながら、第１の入力口５１を第２の入力５２と接続することは構想されない。
【００２６】
図８は、結合ユニット５０の第２の実現形態の可能な回路技術的な実現を示し、ここでは、第１のスイッチ５５、第２のスイッチ５６、第３のスイッチ５７が設けられる。第１のスイッチ５５は、第１の入力口５１と第１の出力口５３との間に接続され、第２のスイッチ５６は、第２の入力口５２と第２の出力口５４との間に接続され、第３のスイッチ５７は、第１の出力口５３と第２の出力口５４との間に接続される。本実施形態も同様に、スイッチ５５、５６、および５７が簡単に、例えばＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴのような半導体スイッチとして実現されうるという利点をもたらす。半導体スイッチには、価格が安価で切り替え速度が速いという利点があり、したがって、結合ユニット５０は、短時間で、制御信号に対してまたは制御信号の変化に対して応答することが可能であり、速い切り替え速度が実現されうる。
【００２７】
図９は、第２の実施形態による結合ユニット５０を備えた変換器セルモジュール６０の一実施形態を示す。一般性を失うことなくバッテリセルとして実現される複数の変換器セル１１が、結合ユニット５０の入力口間に直列に接続されている。本実施形態の変換器セルモジュール６０も、変換器セル１１の直列回路には限定されず、変換器セル１１を１つだけ設けることも可能であり、または、変換器セル１１の並列回路、もしくは、変換器セル１１の直列−並列の混合回路も可能である。結合ユニット５０の第１の出力口は、第１の端子６１と接続され、結合ユニット４０の第２の出力口は、第２の端子６２と接続される。図５および図６の変換器セルモジュール４０に対して、変換器セルモジュール６０は、結合ユニット５０によって、変換器セル１１を残りのエネルギー変換器から両側で分離出来るという利点を有し、このことによって、駆動中の安全な交換が可能となる。なぜならば、変換器セル１１のどの極にも、エネルギー変換器の残りの変換器セルモジュールの危険な高い全電圧が印加されないからである。
【００２８】
図１０〜図１３は、本発明に係るエネルギー変換器の変換器ラインの実施形態を示す。上記実施形態は、各変換器ラインがそれぞれ、第１の極性を有する２つの変換器セルモジュール７０−１および７０−２と、反対の第２の極性を有する２つの変換器セルモジュール８０−１および８０−２とを有するという点で共通している。一方の変換器セルモジュール７０−１、７０−２と、他方の変換器セルモジュール８０−１、８０−２とは、内部では同一に構成されうるが、外部に対しては互いに反対の方向に接続される。本発明のエネルギー変換器の変換器ラインは、当然のことながら、２つの極性のそれぞれについて、変換器セルモジュールを１つだけ有して構成されてもよく、または、２つより大きい数の変換器セルモジュールを有して構成されてもよい。しかしながら有利に、極性ごとに同じ数の変換器セルモジュールが設けられる。
【００２９】
図１０では、変換器セルモジュール７０−１、７０−２、８０−１、および８０−２は、変換器ラインの出力端子８１と参照電位（通常はグランド）との間に直列に接続され、その際に、第１の極性の変換器セルモジュール７０−１、７０−２を有する部分ライン（Ｔｅｉｌｓｔｒａｎｇ）と、第２の極性の変換器セルモジュール８０−１、８０−２を有する部分ラインとが生じ、上記２つの部分ライン自体も直列に接続されるように、変換器セルモジュールが接続される。しかしながら、図１１に示されるように、第１の極性の変換器セルモジュール７０−１または７０−２と、第２の極性の変換器セルモジュール８０−１または８０−２とが１つずつ、１つの部分ラインへと相互接続され、複数のこのような混合型部分ラインを縦続接続することも可能である。しかしながら、基本的には、図１２に示されるように、その極性に依存しない任意の順序の変換器セルモジュールが可能である。ただし、変換器ライン内の全ての変換器セルモジュールを一列に接続する必要はない。図１３は、第１の極性の変換器セルモジュール７０−１、７０−２が１の部分ラインへと相互接続され、第２の極性の変換器セルモジュール８０−１、８０−２が他の部分ラインへと相互接続され、上記２つの部分ラインが出力端子８１と参照電位との間に並列接続される一実施例を示している。このケースでは、非アクティブ（ｉｎａｋｔｉｖ）な部分ラインの少なくとも１つの変換器セルモジュールが、当該非アクティブな部分ラインを介して他方の部分ラインのアクティブ（ａｋｔｉｖ）な変換器セルモジュールを短絡させないために、高インピーダンス状態で接続される。すなわち、図１３の実施例について、各部分ライン内に、図８または図９の第２の実施形態による結合ユニット５０を備えた少なくとも１つの変換器セルモジュール６０が設けられる。
【００３０】
変換器ラインはさらに、安全規定により要請される場合には、図２で設けられるような充電および分離素子と、分離素子とを追加的に有することも可能である。ただし、本発明によれば、このような分離素子は必要ではない。なぜならば、変換器セルモジュールに含まれる結合ユニットによって、変換器ラインの端子からの変換器セル１１の分離が行えるからである。
【００３１】
図１４は、本発明に係るエネルギー変換器の一実施形態を備えた駆動システムを示す。示される例では、エネルギー変換器は、駆動モータ１３の入力口にそれぞれが直接接続された３つの変換器ライン９０−１、９０−２および９０−３を有する。利用可能な大抵の電動機は、３つの位相信号を用いた駆動のために設計されているため、本発明のエネルギー変換器は好適に厳密に３つの変換器ラインを有する。本発明のエネルギー変換器は、パルスコンバータの機能が既にエネルギー変換器に組み込まれているというさらなる長所を有する。エネルギー変換器の制御ユニットが、変換器ラインの可変的な数の変換器セルモジュール４０または６０を作動（または停止）させることで、変換器ラインの出力口では、作動された変換器セル４０または６０の数に比例する電圧であって、０Ｖと変換器ラインの総出力電圧との間にその値がある上記電圧が提供される。
【００３２】
図１５は、本発明に係るエネルギー変換器の一変形例の、出力電圧の例示的な時間的推移を示す。その際に、エネルギー変換器の出力電圧Ｖが時間ｔに渡って記録される。符号１００−ｂ、１０１−ｂ、１０２−ｂによって、例示的な利用目的のために望まれる３つの（理想的な）正弦波が記録されており、この３つの正弦波はそれぞれ、正の半位相（Ｈａｌｂｐｈａｓｅ）と負の半位相を有し、互いに１２０°分だけ位相がずらされている。理想的な正弦波１００−ｂ、１０１−ｂ、１０２−ｂは、本発明に係るエネルギー変換器の各変換器ラインによって、値が離散する各電圧曲線１００−ａ、１０１−ａ、１０３−ａにより近似的に形成される。理想的な曲線１００−ｂ、１０１−ｂ、１０２−ｂとの、値が離散する電圧曲線１００−ａ、１０１−ａ、１０３−ａの偏差は、その大きさについて、バッテリモジュール４０または６０内で直列接続される変換器セル１１の数と、変換器セル１１の各セル電圧とに依存する。変換器セルモジュール内で直列接続される変換器セル１１が少ないほど、値が離散する電圧曲線１００−ａ、１０１−ａ、１０３−ａは、より正確に、理想的な曲線１００−ｂ、１０１−ｂ、１０２−ｂの推移をたどる。通常の適用においては、比較的小さな偏差はシステム全体の機能を損なわない。後続の回路素子によりフィルタリングされる必要がある２進値の出力電圧のみを提供しうる従来のパルスコンバータに対して、偏差は明らかに低減される。３つの変換器ラインは、好適に、各１２０°分だけ位相がずれた出力電圧を形成し、三相の供給電圧が電気駆動システム等のために提供される。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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