(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ‐相電動機（１）（ｎ≧１）を制御し、該ｎ‐相電動機（１）に電気エネルギーを供給するために用いられる制御可能なエネルギー蓄積装置（２）の少なくとも２つのエネルギー蓄積セル（５）を充電するためのシステムにおいて、
前記制御可能なエネルギー蓄積装置（２）が、ｎ個の並行なエネルギー供給分路（３‐１，３‐２，３‐３）を備え、該エネルギー供給分路が、
‐それぞれ少なくとも２つの直列に接続されたエネルギー蓄積モジュール（４）を備え、該エネルギー蓄積モジュールが、それぞれ少なくとも１つの電気エネルギー蓄積セル（５）を含み、該電気エネルギー蓄積セル（５）が付属の制御可能な結合ユニット（６）を備え、
‐一方では、基準バス（Ｔ‐）に接続可能であり、
‐他方では、前記電動機（１）のそれぞれ１つの相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）に接続可能であり、
前記結合ユニット（６）がフルブリッジとして構成されており、制御信号に応じて、それぞれ付属の前記エネルギー蓄積セル（５）をバイパスするか、またはそれぞれ付属の前記エネルギー蓄積セル（５）をそれぞれの前記エネルギー供給分路（３‐１，３‐２；３‐３）に接続し、
前記エネルギー供給分路（３‐１，３‐２，３‐３）が、それぞれ１つの制御可能な切換素子（２１‐１；２１‐２；２１‐３）によって、それぞれ充電用変圧器（１０′；１０‐１″；１０‐２″；１０‐３″）の二次側（９‐１′；９‐１″；９‐２′；９‐２″；９‐３′；９‐３″）に接続可能であり、前記充電用変圧器から分離可能であり、前記エネルギー供給分路（３‐１，３‐２，３‐３）と前記充電用変圧器（１０′；１０‐１″；１０‐２″；１０‐３″）の前記二次側（９‐１′；９‐１″；９‐２′；９‐２″；９‐３′；９‐３″）との間の接続ラインに、それぞれ充電用インダクタ（２０‐１；２０‐２；２０‐３）が配置されているシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムにおいて、
充電用変圧器（１０′）が二次側にｎ個の二次巻線（９‐１′；９‐２′；９‐３′）を備え、該二次巻線が、それぞれ一方ではエネルギー供給分路（３‐１；３‐２；３‐３）に接続可能であり、他方では基準バス（Ｔ‐）に接続可能であるシステム。
【請求項３】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記供給分路（３‐１，３‐２；３‐３）が、それぞれの充電用インダクタ（２０‐１；２０‐２；２０‐３）を介してそれぞれの付属の充電用変圧器（１０‐１″；１０‐２″；１０‐３″）の二次側（９‐１″；９‐２″；９‐３″）に接続可能であるシステム。
【請求項４】
請求項２または３に記載のシステムにおいて、
前記電動機（１）が、制御可能な切換素子（２２‐１，２２‐２，２２‐３）によってエネルギー供給分路（３‐１，３‐２，３‐３）から分離可能であるシステム。
【請求項５】
請求項１から４までのいずれか一項に記載の充電システムを作動するための方法において、
前記エネルギー供給分路（３‐１，３‐２；３‐３）における電流発生段階で、前記エネルギー供給分路（３‐１，３‐２；３‐３）に、前記充電用変圧器（１０′；１０‐１″；１０‐２″；１０‐３″）の二次側（９‐１′；９‐１″；９‐２′；９‐２″；９‐３′；９‐３″）よりも値の小さい電圧を設定し、
前記電流発生段階に続く電流減衰段階で、前記エネルギー供給分路（３‐１，３‐２；３‐３）に、前記充電用変圧器（１０′；１０‐１″；１０‐２″；１０‐３″）の前記二次側（９‐１′；９‐１″；９‐２′；９‐２″；９‐３′；９‐３″）よりも値の大きい電圧を設定する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギー蓄積装置を充電するためのシステムおよび本発明による充電システムを作動するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、水力設備などの定置で使用される場合にも、ハイブリッド車両または電気車両などの車両の場合にも、新しいエネルギー蓄積技術と電気的な駆動技術とを組み合わせた電子システムが将来的にはますます使用されることが予想される。従来の用途では、例えば、回転磁界装置として構成された電動機がインバータの形態のコンバータを介して制御される。このようなシステムでは、エネルギー蓄積装置、一般に電池がインバータの直流電圧側に接続されている、いわゆる「直流電圧中間回路」が特徴的である。それぞれの用途で電力およびエネルギーに対する所定の要求を満たすことができるためには、複数の電池セルが直列に接続される。このようなエネルギー蓄積装置によって供給された電流は、全ての電池セルを流れる必要があるが、電池セルは制限された電流しか伝送することができないので、最大電流を高めるために付加的な電池セルが並列に接続されることが多い。
【０００３】
複数の電池セルの直列接続は、高い総電圧の他に、ただ１つの電池セルが故障した場合でも、電池電流がもはや流れることができないことによりエネルギー蓄積装置全体が故障するという問題を伴う。エネルギー蓄積装置のこのような故障は、システム全体の故障をもたらす場合がある。車両では、駆動電池の故障が車両の「立ち往生」につながることもある。例えば風力設備の回転羽根調節などの他の用途では、例えば強風などの不都合な環境条件下では安全性を脅かす状況が生じる場合もある。それ故、エネルギー蓄積装置の高い信頼性が常に追求されており、「信頼性」とは、システムが所定時間にわたってエラーなしに作動する能力を意味する。
【０００４】
過去の特許出願明細書ＤＥ１０２０１００２７８５７Ａ１（公開日：２０１１年１０月２０日）およびＤＥ１０２０１００２７８６１Ａ１（公開日：２０１１年１０月２０日）には、電動機に直接に接続可能な複数の電池モジュールストリングを備える電池が記載されている。この場合、これらの電池モジュールストリングは、直列に接続された複数の電池モジュールを備え、それぞれの電池モジュールは、少なくとも１つの電池セル、および付属の制御可能な結合ユニットを備え、結合ユニットは、制御信号に応じてそれぞれの電池モジュールストリングを遮断するか、またはそれぞれ付属の少なくとも１つの電池セルをバイパスするか、またはそれぞれ付属の少なくとも１つの電池セルをそれぞれの電池モジュールストリングに接続することを可能にする。例えば、パルス幅変調によって、結合ユニットを適切に制御することにより、電動機を制御するために適切な位相信号を供給することもでき、これにより、独立したパルス幅変調インバータを省略することもできる。電動機を制御するために必要なパルス幅変調インバータは、いわば電池に組み込まれている。開示目的で、これら２つの過去の出願は、本出願明細書に包括的に組み入れられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２０１００２７８５７号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１０２０１００２７８６１号明細書
【発明の概要】
【０００６】
本発明は、ｎ‐相電動機（ｎ≧１）を制御し、ｎ‐相電動機に電気エネルギーを供給するために用いられる制御可能なエネルギー蓄積装置の少なくとも１つのエネルギー蓄積セ
ルを充電するためのシステムを提供する。この場合、制御可能なエネルギー蓄積装置は、ｎ個の並行なエネルギー供給分路を備え、これらのエネルギー供給分路は、それぞれ直列に接続された少なくとも２つのエネルギー蓄積モジュールを備え、これらのエネルギー蓄積モジュールは、それぞれ少なくとも１つの電気エネルギー蓄積セルを含み、電気エネルギー蓄積セルは付属の制御可能な結合ユニットを備える。エネルギー蓄積モジュールは、一方では基準バスに接続可能であり、他方では電動機のそれぞれ１つの相に接続可能である。この場合、結合ユニットはフルブリッジとして構成されている。制御可能な信号に応じて、結合ユニットは、それぞれ付属のエネルギー蓄積セルをバイパスするか、またはそれぞれ付属のエネルギー蓄積セルをそれぞれのエネルギー供給分路に接続する。それぞれ１つの制御可能な切換素子によって、エネルギー供給分路は、それぞれ充電用変圧器の二次側に接続可能であり、また充電用変圧器から分離可能である。この場合、エネルギー供給分路と充電用変圧器の二次側との間の接続ラインには、それぞれ付加的な充電用インダクタが配置されている。
【０００７】
本発明は、本発明による充電システムを作動する方法を提供し、電流発生段階では、エネルギー供給分路に、充電用変圧器の二次側よりも値の小さい電圧が設定され、電流発生段階に続く電流減衰段階では、エネルギー供給分路に、充電用変圧器の二次側よりも値の大きい電圧が設定される。
【発明の利点】
【０００８】
充電用変圧器を介して、制御可能なエネルギー蓄積装置のエネルギー蓄積セルを充電することが望ましい場合、充電用変圧器の二次側（二次巻線）に印加された交流電圧をまず整流する必要がある。本発明は、フルブリッジとして形成された結合ユニットの切換素子を充電用変圧器の二次側の交流電圧を整流するために使用するという思想に基づいている。このために、充電用変圧器の二次側がそれぞれ充電用インダクタを介して、制御可能なエネルギー蓄積装置のエネルギー供給分路に接続される。充電用インダクタの電圧は、充電用変圧器の二次側の二次電圧と、制御可能なエネルギー蓄積装置の電圧との間の差として生じる。整流器機能は、それぞれ充電時と同じ極性を備えるエネルギー蓄積セルがそれぞれのエネルギー供給分路に接続されることにより実現される。この場合、電流発生段階では、エネルギー供給分路には、充電用変圧器の二次側よりも値の小さい電圧が供給され、蓄積される。電流発生段階に続く電流減衰段階では、エネルギー供給分路に、充電用変圧器の二次側よりも値の大きい電圧が設定され、これにより、充電電流が全体として制限される。この場合、エネルギー供給分路の電圧は、それぞれのエネルギー供給分路に接続されたエネルギー蓄積セルの数によってそれぞれ決定される。２つの段階、すなわち、電流発生段階および電流減衰段階を経て、このように全体として一定不変の充電電流が生じる。
【０００９】
充電用変圧器の二次側に別個に設けられる整流器ユニットの省略は、コスト節約および構成スペース節約をもたらす。例えば、いわゆる「デュアル・アクティブ・ブリッジ」などの幾つかの組合せ回路トポロジーは、同様に変圧器の二次側に制御可能なフルブリッジを必要とする。このような組合せ回路トポロジーは、本発明による装置によって同様に実現することができる。
【００１０】
付加的な充電用インダクタを介して、充電用変圧器の二次側をエネルギー供給分路に直接に接続した場合に電動機のモータ作動時の短絡を防止するために、制御可能な切換素子が設けられており、これらの切換素子によって、充電作動時に充電用変圧器の二次側をエネルギー供給分路に接続することができ、電動機のモータ作動時にエネルギー供給分路から分離することができる。
【００１１】
本発明の一実施形態によれば、充電用変圧器はｎ個の二次巻線を備え、これらの二次巻
線は、それぞれ一方ではエネルギー供給分路に接続可能であり、他方では基準バスに接続可能である。
【００１２】
代替的には、このためにエネルギー供給分路はそれぞれの付加的な充電用インダクタを介して、それぞれの付属の充電用変圧器の二次側に接続可能であってもよい。
充電用変圧器は、この場合、電動機で不都合なトルクを発生する場合もある非対称的な電圧源である。したがって、特にこのような回路では、エネルギー供給分路から電動機を分離することのできる他の制御可能な切換素子を設けることは有意義である。
【００１３】
代替的または付加的に、充電プロセスで、例えば歯止めによって、機械的に電動機を遮断することによって、充電プロセスにおける不都合なモーメントを防止することもできる。代替的には、例えば、適宜なセンサ装置によって、電動機の回転子位置を監視することもでき、回転子の運動が検出された場合には遮断することができるという利点が生じる。
【００１４】
本発明による充電システムは、直流的に分離されて実施されているが、誘導式充電器として実施されていてもよい。すなわち、電源入力部から一次巻線までの全ての構成要素はオフボード充電器の内部に位置し、変圧器を適宜に改変することができる、すなわち、平坦に構成することができる。車両で使用する場合には、充電用変圧器の二次巻線の他には、充電機能を実現するために付加的な構成部品を車両に装備する必要はない。
【００１５】
本発明の実施形態の他の特徴および利点が、添付の図面に関連した以下の説明により明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明による充電システムの第１実施形態を示す概略図である。
【図２】本発明による充電システムの第２実施形態を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１および図２は、本発明による充電システムの実施形態の概略図を示す。三相電動機１には制御可能なエネルギー蓄積装置２が接続されている。制御可能なエネルギー蓄積装置２は、３つのエネルギー供給分路３‐１，３‐２，３‐３を含み、これらのエネルギー供給分路は、一方では、図示の実施形態では低電位をもたらす基準電位Ｔ‐（基準バス）に接続されており、他方では、それぞれ電動機１の個々の相Ｕ，Ｖ，Ｗに接続されている。それぞれのエネルギー供給分路３‐１，３‐２，３‐３は、直列に接続されたｍ個のエネルギー蓄積モジュール４‐１１〜４‐１ｍもしくは４‐２１〜４〜２ｍもしくは４‐３１〜４‐３ｍを備え、この場合、ｍ≧２である。エネルギー蓄積モジュール４は、それぞれ直列に接続された複数の電気エネルギー蓄積セルを備える。見やすいように、電動機１の層Wに接続されたエネルギー供給分路３‐３の電気エネルギー蓄積セルにのみ符号５‐３１〜５‐３ｍが付されている。エネルギー蓄積モジュール４は、さらにそれぞれ結合ユニットを含み、結合ユニットは、それぞれのエネルギー蓄積モジュール４のエネルギー蓄積セル５に割り当てられている。見やすいように、エネルギー供給分路３‐３の結合ユニットにのみ符号６‐３１〜６‐３ｍが付されている。図示の変化態様では、結合ユニット６は、フルブリッジの形態で接続された４つの制御可能な切換素子７‐３１１，７‐３１２，７‐３１３および７‐３１４〜７‐３ｍ１，７‐３ｍ２，７‐３ｍ３および７‐３ｍ４によってそれぞれ形成される。この場合、これらの切換素子は、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）の形態の電力用半導体スイッチとして、またはＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜電界効果トランジスタ）として構成されていてもよい。
【００１８】
結合ユニット６は、結合ユニット６の全ての切換素子７の開放により、それぞれのエネルギー供給分路３の遮断を可能にする。代替的には、エネルギー蓄積セル５は、結合ユニ
ット６のそれぞれいずれか２つの切換素子７の閉鎖によって、例えば、スイッチ７‐３１２および７‐３１４の閉鎖によってバイパスするか、または、例えばスイッチ７‐３１２および７‐３１３の閉鎖によってそれぞれのエネルギー供給分路３に接続することができる。
【００１９】
エネルギー供給分路３‐１〜３‐３の総‐出力電圧は、結合ユニット６の制御可能な切換素子７のそれぞれの接続状態によって決定することができ、段階的に調節することができる。この場合、段階的調節は、個々のエネルギー蓄積モジュール４の電圧に応じて行われる。同様に構成されたエネルギー蓄積モジュール４の好ましい実施形態から出発した場合、最大限に可能な総‐出力電圧は、個々のエネルギー蓄積モジュール４の電圧に、エネルギー供給分路３につき直列に接続されたエネルギー蓄積モジュール４の数ｍを掛けることにより得られる。
【００２０】
これにより、結合ユニット６は、電動機１の相Ｕ，Ｖ，Ｗを高い基準電位または低い基準電位に接続することを可能にし、この点では、既知のインバータの機能をも果たすことができる。これにより、結合ユニット６を適宜に制御した場合に、制御可能なエネルギー蓄積装置２によって電動機１の電力および作動形式を制御することができる。すなわち、制御可能なエネルギー蓄積装置２は、この点では二重機能を果たす。なぜなら、一方では電気エネルギー供給のために用いられ、しかも他方では電動機１を制御するために用いられるからである。
【００２１】
電動機１は、既知のように星形結線回路で互いに接続された固定子巻線８‐Ｕ，８‐Ｖ，８‐Ｗを備える。
図示の実施例では、電動機１は三相電動機として実施されているが、三相よりも少ないまたは多い相を備えていてもよい。当然ながら、制御可能なエネルギー蓄積装置２のエネルギー供給分路３の数も電動機の相数に従う。
【００２２】
図示の実施例では、それぞれのエネルギー蓄積モジュール４は、それぞれ直列に接続された複数のエネルギー蓄積セル５を備える。しかしながら、エネルギー蓄積モジュール４は、代替的にはそれぞれ単一のエネルギー蓄積セルのみを備えていてもよいし、または並列に接続されたエネルギー蓄積セルを備えていてもよい。
【００２３】
図示の実施例では、結合ユニット６はそれぞれフルブリッジの形態の制御可能な４つの切換素子７によって形成され、これにより、エネルギー蓄積モジュールの出力部では電圧反転の可能性も提供される。しかしながら、不可欠な機能（エネルギー蓄積セルのバイパスおよびエネルギー供給分路へのエネルギー蓄積セルの接続）が実現可能である限りは、結合ユニット６は、より多くの、またはより少ない制御可能な切換素子によって実現されていてもよい。
【００２４】
１つ以上のエネルギー蓄積モジュール４のエネルギー蓄積セル５の充電を可能にするために、図１に示した本発明の第１の実施形態によれば、充電用変圧器１０′が付加的な充電用インダクタ２０を介して、制御可能なエネルギー蓄積装置２のエネルギー供給分路３に直接に接続されている。
【００２５】
充電用変圧器１０′は、二次側に３つの二次巻線９‐１′；９‐２′，９‐３′を備え、これらの二次巻線は、一方では、それぞれいずれか１つの充電用インダクタ２０‐１，２０‐２，２０‐３を介してエネルギー供給分路３‐１，３‐２，３‐３に接続可能であり、他方では、基準バスT‐に接続されている。電動機１のモータ作動時に充電用インダ
クタ２０および二次巻線９′を介したエネルギー供給分路３の短絡を防止するために、二次巻線９′とエネルギー供給分路３との間の接続ラインには、それぞれ制御可能な切換素
子２１‐１，２１‐２，２１‐３が配置されている。これらの切換素子も、二次巻線９′および充電用インダクタ２０をエネルギー供給分路３から分離することを可能にする。
【００２６】
一次側では、充電用変圧器１０の前方に、例えば、ハーフブリッジまたはフルブリッジの形態の切換ユニット１１が接続されており、この切換ユニット１１は、充電用変圧器１０の一次側を交流電圧源１２に接続する。
【００２７】
充電用変圧器１０′の二次巻線９′には、それぞれ交流電圧が印加されており、交流電圧は、制御可能なエネルギー蓄積装置２の１つ以上のエネルギー蓄積セル５のための充電電圧として用いることができるように整流されている必要がある。フルブリッジ・トポロジーで構成された、制御可能なエネルギー蓄積装置２の結合ユニット６によって、別個の整流器ユニットなしに整流機能を実現することが可能である。このために、充電されるべきエネルギー蓄積セル５は、それぞれ付属の結合ユニット６の切換素子７を適宜に制御することによって、それぞれ充電時の極性によりそれぞれのエネルギー供給部路３に接続される。
【００２８】
さらに、エネルギー蓄積セル５を充電するために、付加的な充電用インダクタ２０によって形成された充電用インダクタが必要である。
充電用インダクタ２０‐１，２０‐２，２０‐３を介した電圧ULは、充電用変圧器１０′の二次側の二次電圧Uｓｅｋとそれぞれ付属のエネルギー供給分路３‐１，３‐２，３
‐３における相電圧Ｕｚｗｅｉｇ１，Ｕｚｗｅｉｇ２，Ｕｚｗｅｉｇ３との間の差として生じる。エネルギー蓄積セル５の充電は２段階で行われる。
【００２９】
電流発生段階では、それぞれの充電用インダクタ２０‐１，２０‐２，２０‐３に充電エネルギーを蓄積するために電圧ＵＬは正である必要がある（ＵＬ＞０）。これは、それぞれのエネルギー供給分路３に、二次電圧Uｓｅｋよりも値の小さい電圧を設定すること
により達成することができる（｜Ｕｚｗｅｉｇ｜＜｜Uｓｅｋ｜）。相電圧Ｕｚｗｅｉｇ
は、それぞれのエネルギー供給分路３で接続されたエネルギー蓄積セル５の数に依存しており、したがって、結合ユニット６によってエネルギー蓄積セル５を意図的に接続および／または分離することによって相電圧Ｕｚｗｅｉｇに能動的に影響を及ぼすことができる。この場合、充電電流の勾配もそれぞれに設定された相電圧Ｕｚｗｅｉｇに対して制御することができる。
【００３０】
充電電流を任意に上昇させることがないように、電流発生段階には電流減衰段階が続き電流減衰段階では、電圧ＵＬは負であり（ＵＬ＜０）、それぞれの充電用インダクタ２０に蓄積されたエネルギーは再び放出される。これは、それぞれのエネルギー供給分路３に、二次電圧Uｓｅｋよりも値の大きい電圧が設定されることにより達成することができる
（｜Ｕｚｗｅｉｇ｜＞｜Uｓｅｋ｜）。この電圧比も、結合ユニット６によってエネルギー蓄積セル５を意図的に接続および／または分離することによって設定される。
【００３１】
２つの段階、すなわち、電流発生段階および電流減衰段階を経て一定不変の充電電流が生じる。
充電電圧Uｓｅｋが非対称的である場合には、電動機１に不都合なモーメントが発生す
る場合がある。充電プロセスにおいてこのようなモーメントを防止するために、電動機１をエネルギー供給分路３‐１，３‐２，３‐３から分離することができる他の制御可能な切換素子２２‐１，２２‐２，２２‐３が設けられていてもよい。
【００３２】
代替的または付加的に、充電プロセスで、例えば歯止めによって電動機１を機械的に遮断することによって充電プロセスにおける不都合なモーメントを防止することもできる。代替的には、例えば適宜なセンサ装置によって電動機１の回転子位置を監視し、回転子の
運動が検出された場合には停止することができる。
【００３３】
複数の二次巻線を備える充電用変圧器に対して代替的に、それぞれのエネルギー供給分路３‐１，３‐２，３‐３のために、それぞれ付属の切換ユニット１１″および交流電圧源１２″を備える固有の充電用変圧器１０‐１″，１０‐２″，１０‐３″が設けられていてもよい。この場合、二次巻線９‐１″，９‐２″，９‐３″と基準バスＴ‐との接続は随意的でしかない。その他には、この第３の実施形態は、構成および機能に関しては図１に示した第１の実施形態と異なっていない。
【図１】
0005727047.tif 000002
【図２】
0005727047.tif 000003