(57)【要約】  本発明によれば、電気駆動システムが車両に設けられる。電気駆動システムには、第１の電圧を発生させる燃料電池が設けられる。この第１の電圧に接続されているのは、少なくとも１台の第１の蓄電池及び１台の第２の蓄電池を含んでいる蓄電池の直列接続である。変圧器は可磁化コアを備え、可磁化という用語は、コアの磁界強度が変更可能であることを指すと理解されている。さらに、変圧器は、１次コイルと、第１の２次コイルと、第２の２次コイルとを備える。第１の１次コイルは、第１の電圧に切り換え可能に接続されることが可能である。第１の２次スイッチが第１の２次コイルを第１の蓄電池と並列に接続するため設けられる。電気駆動システムは、２次コイルを第２の蓄電池と並列に接続する第２の２次スイッチをさらに備える。第１の２次スイッチ及び第２の２次スイッチは互いに独立に切り換え可能である。
2011524155.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両用の電源ユニット（３）であって、
第１の電圧（Ｕ１）を発生させる電源（１０）と、
前記第１の電圧（Ｕ１）に接続され、少なくとも１つの第１の蓄電池（Ｃ１）及び１つの第２の蓄電池（Ｃ２）を含んでいる蓄電池（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃｎ）の直列接続と、
可磁化コア（１１）と、１次コイル（Ｎｐ）と、第１の２次コイル（Ｎ１）と、第２の２次コイル（Ｎ１）とを備え、前記１次コイル（Ｎｐ）は１次スイッチ（Ｓｐ１）によって前記第１の電圧（Ｕ１）に切り換え可能に接続可能である、変圧器（１２）と、
前記第１の２次コイル（Ｎ１）を前記第１の蓄電池（Ｃ１）と並列に接続する第１の２次スイッチ（Ｓ１）、及び、前記第２の２次コイル（Ｎ２）を前記第２の蓄電池（Ｃ２）と並列に接続する第２の２次スイッチ（Ｓ２）と、
を備え、
前記第１の２次スイッチ（Ｓ１）及び前記第２の２次スイッチ（Ｓ２）は互いに独立に切り換え可能である、電源ユニット。
【請求項２】
前記電源は燃料電池（１０）を収容していることを特徴とする、請求項１に記載の電源ユニット。
【請求項３】
前記２次スイッチはそれぞれがＭＯＳトランジスタとして設計されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の電源ユニット。
【請求項４】
前記１次コイル（Ｎｐ）の端子（Ａ２）での電圧、又は、前記１次コイル（Ｎｐ）の中の電流を測定する測定回路を特徴とする、請求項１、２又は３に記載の電源ユニット。
【請求項５】
前記２次コイル（Ｎ１，Ｎ２）の端子での電圧、又は、前記２次コイル（Ｎ１，Ｎ２）への電流を測定する測定回路を特徴とする、請求項１、２又は３に記載の電源ユニット。
【請求項６】
前記測定回路から前記２次コイル（Ｎ１，Ｎ２）のうち１つの端子への接続を選択する選択スイッチ（１１０）を特徴とする、請求項５に記載の電源ユニット。
【請求項７】
ＤＣ／ＤＣ変換器（１４）が前記燃料電池（１０）と前記第１の電圧（Ｕ１）との間に設けられていることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の電源ユニット。
【請求項８】
充電回路（９）が外部電源から前記蓄電池（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃｎ）及び／又は前記燃料電池（１０）を充電するために設けられていることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の電源ユニット。
【請求項９】
前記蓄電池（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃｎ）がそれぞれリチウムイオン蓄電池として実現されていることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の電源ユニット。
【請求項１０】
前記２次スイッチ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓｎ）を切り換える制御回路（１３）を特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の電源ユニット。
【請求項１１】
前記第１の電圧（Ｕ１）を測定する電圧測定回路（１５）を特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載の電源ユニット。
【請求項１２】
蓄電池の少なくとも１つのさらなる直列接続（１２１）が設けられ、蓄電池の前記第１の直列接続に印加された前記部分電圧（Ｕ１２０）に接続可能であるさらなるコイル（Ｎｐ１）が設けられていることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項に記載の電源ユニット。
【請求項１３】
前記第１の電圧（Ｕ１）が燃料電池のスタックに印加されることを特徴とする、請求項１から１２のいずれか一項に記載の電源ユニット。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれか一項に記載の電源ユニット（３）を含んでいる軽量電気車両。
【請求項１５】
電気補助装置付きのペダル作動式車両、特に、１つの人力駆動システム及び１つの電気駆動システム付きの自転車であり、前記電気駆動システムからの電力出力が前記人力駆動システムの出力の変化に応じて制御されることを特徴とする、請求項１４に記載の軽量電気車両。
【請求項１６】
車両の駆動ユニットの電源ユニットを作動させる方法であって、
請求項１から１３のいずれか一項に記載の電源ユニットを設けるステップと、
前記１次スイッチ（Ｓｐ１）を閉じるステップと、
前記１次スイッチ（Ｓｐ１）を開くステップと、
続いて第１の２次スイッチ（Ｓ１）を閉じるステップと、
を含む方法。
【請求項１７】
前記１次スイッチ（Ｓｐ１）を閉じるステップの前に、
前記１次スイッチ（Ｓｐ１）及び前記２次スイッチ（Ｓ１，Ｓ２）を開くステップと、
前記第１の蓄電池（Ｃ１）における電圧を測定し、前記第２の蓄電池（Ｃ２）における電圧を測定するステップと、
を含むことを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１の蓄電池における前記電圧が前記第２の蓄電池における前記電圧より高い場合、続いて前記第１の２次スイッチを閉じることを含むステップに代えて、続いて前記第２の２次スイッチを閉じることを含むステップが実行されることを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１の蓄電池における前記電圧の測定は、前記１次コイル（Ｎｐ）の端子（Ａ１，Ａ２）における電圧又は電流を測定することによって実行されることを特徴とする、請求項１７又は１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源ユニットと、電源ユニットの蓄電池を充電する方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
車両用の電動モータは、エネルギーが最低可能伝送損失でモータへ伝送されるように、多くの場合に高電圧が供給される。高電圧を供給するためのエネルギーは、蓄電池に蓄積されるならば、各個別の蓄電池が総電圧の一部分だけを供給するように多くの場合に直列接続される。
【０００３】
軽量電気車両は、たった４ｋＷの最大定格出力を有する電気駆動装置付きの２輪、３輪、又は、４輪車両であると理解される。車両は、バッテリの重量を除いて多くて３５０ｋｇの車両重量を有する。車両は、たとえば、補助モータ付きの自転車、車椅子、電動自転車、原動機付き自転車、又は、モータスクータでもよく、すべては電気駆動されるという共通点がある。このようなバッテリ駆動式軽量電気車両は特許文献１に示されている。
【０００４】
軽量車両の電気モータのエネルギーは運転中に車両で運ばれる必要があるので、エネルギー節約駆動ユニットを確保することに特別な注意が向けられる。蓄電池は、老化することによって充電量が異なるので、異なる容量になることがわかった。その結果、一方で利用可能な充電容量が十分に使用されず、他方で個別の蓄電池が過充電され、よって、不良になる恐れがある。たとえば、特許文献２は、個別の蓄電池が電流スパイクを回避するため連続的に充電されるバッテリ充電ユニットを示している。しかし、このような装置は、個別の蓄電池が過充電される可能性があるという上述の問題を提起する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】独国実用新案第２０  ２００５  ００６６８４号明細書
【特許文献２】米国特許第５７２６５５１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、本発明の目的は、個別の蓄電池の過充電が防止可能である電源ユニットを提供することである。本発明のさらなる目的は、これらの電源ユニットの蓄電池を充電する対応する方法を提供することである。個別の蓄電池の過充電が防止可能である電源ユニット付きの軽量電気車両を提供することはさらに本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的は独立請求項の主題によって達成される。有利な変形は従属請求項に列挙されている。
【０００８】
本発明によれば、電気駆動システムが車両に設けられる。電気駆動システムには、第１の電圧を発生させる電源、好ましくは、燃料電池が設けられる。この第１の電圧に接続されるのは、少なくとも１台の第１の蓄電池及び１台の第２の蓄電池付きの蓄電池の直列接続である。変圧器は可磁化コアを備え、ここで、可磁化はコアの磁界強度が変更可能であることを指すと理解される。
【０００９】
さらに、変圧器は、１次コイルと、第１の２次コイルと、第２の２次コイルとを備える。第１の１次コイルは１次スイッチによって第１の電圧に切り換え可能に接続可能である。第１の２次スイッチは、第１の２次コイルを第１の蓄電池と並列に接続するため設けられている。電気駆動システムは、第２の２次コイルを第２の蓄電池と並列に接続するため第２の２次スイッチをさらに備える。第１の２次スイッチ及び第２の２次スイッチは互いに独立に切り換え可能である。
【００１０】
電源ユニットは、蓄電池が個別に充電又は放電されることが可能であるように構成されている。さらに、第１の電圧に蓄積されたエネルギーからすべての蓄電池を同時に充電することが可能である。１次コイルは１次電圧に接続可能であるので、１台の個別の蓄電池からのエネルギーは蓄電池の直列接続の全体に伝送可能である。さらに、蓄電池の直列接続からのエネルギーは、１台の個別の蓄電池又は選択された蓄電池に供給可能である。
【００１１】
しかし、電源ユニットは、２次コイルのうちの１つからのエネルギーが別の２次コイルへ伝送されることをさらに可能にし、よって、異なる充電状態の直接的な補償を可能にする。２次スイッチは、電力損失が低減されたＭＯＳトランジスタを備える。これはエネルギーをさらに節約する。
【００１２】
好ましい実施形態では、電源装置は、１次コイルの端子で電圧を測定し、又は、１次コイルへの電流を測定する測定回路を備える。２次スイッチのうちの１つを切り換えることにより、１次側で対応する蓄電池に印加された電圧を測定することが可能である。この測定回路を使用して、個別の測定回路を２次側に設ける必要なく、すべての蓄電池で個別に電圧を測定することが可能である。さらに、同じ測定回路は第１の電圧のレベルを測定するため使用可能である。
【００１３】
代替的又は付加的に、測定回路は、２次コイルの端子で電圧を、又は、２次コイルへの電流を測定するため設けられることが可能である。１次スイッチ及び２次スイッチが適切に配線されている場合、１次コイルに印加された電圧、及び、２次コイルに印加された電圧は、測定回路に接続されている端子で電圧を変更することができる。
【００１４】
さらなる実施形態では、セレクタスイッチが測定回路から１つの２次コイルの端子への少なくとも１つの接続を選択するため設けられている。この変形では、マルチプレクサを使用して２次コイルで電圧を測定することが可能であり、ここで、唯一の測定回路が複数の電圧のため必要とされる。
【００１５】
代替的又は付加的に、測定回路は、２次コイルの端子で電圧を又は２次コイルへの電流を測定するため設けられている。１次スイッチ及び２次スイッチが適切に配線されている場合、１次コイルに印加された電圧、及び、２次コイルに印加された電圧は、測定回路に接続されている端子で電圧を変更することが可能である。
【００１６】
第１の電圧が燃料電池のスタックに印加される場合、燃料電池に通常設けられているポンプは冗長になる。スタックは複数の金属層により構成されている。発生した電圧は両方の外側金属層に供給される。発生した電圧は、通常は高度に負荷依存性であるが、提案された変圧器はスタックの直接的な作動を可能にする。回路は水素燃料電池に特に適している。
【００１７】
さらなる実施形態では、セレクタスイッチが測定回路から１つの２次コイルの端子への少なくとも１つの接続を選択するため設けられている。本変形では、マルチプレクサを使用して２次コイルで電圧を測定することが可能であり、ここで、唯一の測定回路が複数の電圧のため必要とされる。
【００１８】
一実施形態では、ＤＣ／ＤＣ変換器が燃料電池と第１の電圧との間に設けられている。これは、使用される燃料電池がモータに最も適している電圧より低い電圧を供給する場合、特に推奨される。たとえば、標準的なメタノール燃料電池は電圧２４Ｖを供給する。しかし、モータを作動させるため、電力ができる限り少ない損失でエネルギー蓄積装置からモータへ伝送できるようにより高い電圧が好ましい。ＤＣ／ＤＣ変換器は、このようにして、電圧が電気モータの所望の動作電圧に適応させられることを可能にする。
【００１９】
一実施形態では、充電回路は、外部電源から蓄電池を充電するため、及び／又は、燃料電池を充電するためさらに設けられている。充電回路を用いて、たとえば、蓄電池又は燃料電池を充電するため、供給ネットワークから効率的に発生した電力を使用することが可能である。付加的なエネルギーが輸送され、燃料電池の中に蓄積されることになっている場合、この燃料電池は可逆燃料電池である。
【００２０】
蓄電池がリチウムイオン蓄電池の形をしている場合、かなりのエネルギーを比較的小さい空間に蓄積することが可能である。しかし、いずれの蓄電池も過充電されないことを確実にすることが重要である。一実施形態は、２次スイッチを切り換える制御回路を含む。
【００２１】
本発明は、電気的補助装置付きのペダル作動式車両、具体的には、自転車に特に適している。このような車両では、人力駆動システム及び電気駆動システムが設けられ、電気駆動システムからの電力出力が人力駆動システムの出力の変化に応じて制御される。このような補助モータ付きの自転車では、燃料のための空間は特に制限され、蓄電池へのエネルギーのエネルギー節約伝送は、車両の範囲を著しく広げる。
【００２２】
本発明は、発明による車両の電気エネルギー供給ユニットの蓄電池を充電する方法をさらに提供する。本発明は、発明により設けられた電源ユニットをさらに設ける。
【００２３】
第一に、１次スイッチは閉じられ、次に開かれる。その後、第１の２次スイッチが閉じられる。エネルギーは、このようにして、蓄電池の直列接続から個別の蓄電池へ選択的に伝送されることが可能である。蓄電池の充電は、電源が第１の電圧を供給するので単純化される。対応するエネルギーは発明による方法を用いて個別の蓄電池へ比較的簡単に分配可能である。
【００２４】
一実施形態では、１次スイッチ閉成ステップの後に、以下のステップ：
−１次スイッチ及び２次スイッチを開成するステップと、
−第１の蓄電池に印加された電圧を測定し、第２の蓄電池に印加された電圧を測定するステップと、
が実行される。よって、蓄電池のうち次に充電されることが適切である蓄電池を測定することが可能である。
【００２５】
第１の蓄電池に印加された電圧は第２の蓄電池に印加された電圧より大きく、第１の２次スイッチを続いて閉成することを含むステップではなく、好ましくは、第２の２次スイッチを続いて閉成することを含むステップが実行される。より低い電圧が印加される蓄電池はこのようにして充電される。
【００２６】
一実施形態では、測定は、第１の蓄電池での電圧が１次コイルの端子での電圧を測定することにより、又は、１次コイルへの電流を測定することにより測定されるように実行される。その結果、蓄電池でのすべての電圧は、単一の測定回路を用いて測定可能である。数個の測定回路付きの装置と比べて、この一実施形態は、様々な測定回路間の製造差が測定誤差の原因とならないという利点がある。
【００２７】
さらなる実施形態では、電源システムは、蓄電池の少なくとも１つのさらなる直列接続を収容する。蓄電池の第１の直列接続で電圧に接続可能であるさらなるコイルが設けられている。よって、電圧は、数個の直列接続のうちの１つでの電圧だけが非常に低い場合、一方の蓄電池からこの直列接続のうちの１つに伝送されることも可能である。
【００２８】
一実施形態では、スレッショルド値は、直列接続の中の蓄電池での電圧を使用して計算され、それによって、蓄電池を均等に充電する。
【００２９】
本発明の実施形態は、添付図面を参照してより詳細に後述される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】ペダル駆動型車両を示す図である。
【図２】図１に示された車両の電気駆動システムを示す図である。
【図３】電気駆動システムにおける蓄電池の放電を示す図である。
【図４】蓄電池を放電する信号曲線を示す図である。
【図５】電気駆動システムにおける蓄電池の充電を示す図である。
【図６】蓄電池を充電する信号曲線を示す図である。
【図７】蓄電池の充電状態を測定する概略図である。
【図８】電気駆動システムのさらなる例示的な実施形態を示す図である。
【図９】蓄電池を充電及び放電する電力消費を示す図である。
【図１０】従来の充電方法と発明による充電方法との性能比較を示す図である。
【図１１】さらなる例示的な実施形態による電気駆動システムからの選択部分を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
図１は、人力によって作動されるペダルと電気駆動ユニット３とが付いている発明による自転車１の基本構造の側面図である。ペダル２及び電気駆動ユニット３は共に、チェーン４と、つまり、後輪５とを動かすために作用する。ペダル駆動型車両は、軽量電気車両の一実施例であるが、車椅子でもよく、又は、モータスクータでもよい。
【００３２】
図２は電気駆動システム３の回路図を示している。電気駆動システム３は、ＡＣ／ＤＣ変換器９と、変圧器１２と、マイクロプロセッサ１３と、ＤＣ／ＤＣ変換器１４と、燃料電池１０と、電圧測定回路１５と、電流測定回路１６と、モータ１７とを備える。メタノール燃料電池として構成された燃料電池１０は、たとえば、２４Ｖという電圧ＵＢを発生させる。この電圧から、ＤＣ／ＤＣ変換器１４は、ノードＫとアース３６との間に印加される４０Ｖの、いわゆる第１の電圧Ｕ１を発生させる。この第１の電圧Ｕ１は、トルクが必要とされるときに車両を駆動するようにモータ１７にも印加される。
【００３３】
第１の電圧Ｕ１にさらに接続されているのは、電力管理回路をさらに収容する電圧測定回路１５である。この電圧測定回路１５は、第１の電圧Ｕ１を測定し、予想消費量に関する情報を収容する。
【００３４】
電圧測定回路１５では、第１の電圧Ｕ１のレベルおよび予想消費量のレベルに応じて、燃料電池１０によって第１の電圧Ｕ１を増加させる。
【００３５】
燃料電池１０によって供給されるエネルギーは蓄電池Ｃ１〜Ｃｎの直列接続に蓄積される。ここで、蓄電池Ｃ１の第１の端子はアース３６に接続され、蓄電池Ｃ１の第２の端子は第２の蓄電池Ｃ２の第１の端子に接続されている。第２の蓄電池Ｃ２の第２の端子は、残りの蓄電池の系列がさらに接続されている蓄電池Ｃ３の第１の端子に接続されている。選択された実施形態では、蓄電池の台数はｎ＝１０であり、蓄電池Ｃ１〜Ｃｎの１台ずつは、その結果、４Ｖの電圧で電荷を蓄積する。
【００３６】
ある種の蓄電池、たとえば、リチウムイオン蓄電池では、個別の電池が過充電されないことを確実にすることが特に重要である。蓄電池のうちの１台に印加された電圧が非常に高い場合、この蓄電池は不良になり、エネルギーは、その結果、蓄電池の直列接続の全体にもはや蓄積できなくなる。
【００３７】
変圧器１２は、蓄電池Ｃ１〜Ｃｎが均等に充電されることを確実にするため設けられている。変圧器１２は可磁化コア１１を備える。このコア１１に巻き付けられているのは、例示的な実施形態では、９０回の巻きを備える１次コイルＮｐである。１次コイルＮｐの第１の端子Ａ１はノードＫに接続され、１次コイルの第２の端子Ａ２は、アース３６に接続されている第２の端子を有する１次スイッチＳｐ１の第１の端子に接続される。１次スイッチＳｐ１はスイッチング入力をさらに備える。第１の端子と第２の端子との間の接続はこのスイッチング入力に依存して開閉される。
【００３８】
さらに、変圧器１２はｎ台の２次コイルを備える。第１の２次コイルＮ１、第２の２次コイルＮ２、第３の２次コイルＮ３、及び、ｎ番目の２次コイルＮｎは、図２に明示的に示されている。これらの２次コイルＮ１〜Ｎｎは、コア１１の周りに設置された３回の巻きを備える。コア１１は、磁化可能であり、１次コイルＮｐから２次コイルＮ１〜Ｎｎへ電力を伝送するために役立つ。２次コイルの１台ずつは、蓄電池Ｃ１〜Ｃｎのうちの１台と並列に切り換え可能である。
【００３９】
２次コイルＮ１〜Ｎｎはそれぞれが巻線の全体の一端に位置している第１の端子及び第２の端子を備える。２次コイルの第１の端子は蓄電池の第２の端子に接続され、２次コイルの第２の端子は２次スイッチの第１の端子に接続され、２次スイッチの第２の端子は蓄電池の第１の端子に接続されている。２次スイッチのスイッチング入力は、２次スイッチの第１の端子と第２の端子との間の電気接続が閉成されるかどうかを制御する。
【００４０】
第１の蓄電池Ｃ１の第２の端子は第１のコイルＮ１の第１の端子に接続され、第１のコイルの第２の端子は１次スイッチＳ１の第１の端子に接続されている。スイッチＳ１の第２の端子は蓄電池Ｃ１の第１の端子に接続されている。同様に、第２の蓄電池Ｃ２の第２の端子は第２の２次コイルＮ２の第１の端子に接続されている。２次スイッチＳ２の第１の端子は第２の２次コイルＮ２の第２の端子に接続され、２次スイッチの第２の端子は第２の蓄電池Ｃ２の第１の端子に接続されている。残りの蓄電池Ｃ３〜Ｃｎのための蓄電池と、第２のコイルと、スイッチとの間の接続は同様に行われる。マイクロコントローラ１３は、変圧器１２のスイッチＳｐ１とＳ１〜Ｓｎとを作動させる。２次スイッチＳ１〜Ｓｎのうちの１台を閉成することにより、２次コイルは蓄電池と並列に接続される。
【００４１】
代替的に、蓄電池は、たとえば、１１０Ｖ又は２３０Ｖの外部電源回路網にプラグを用いて接続される充電回路９によって充電可能である。このため、充電スイッチＳＬ１は閉成され、これにより、充電スイッチＳＬ１と充電回路１１とからなる直列接続は、それによって充電される蓄電池Ｃ１〜Ｃｎからなる直列接続に接続される。同時に、燃料電池１０はスイッチオフされる。この充電方法は、ソケットからのエネルギーが燃料電池からのエネルギーより安価である場合に意味がある。
【００４２】
燃料電池１０が可逆燃料電池である場合、燃料電池１０の中の過剰な電気エネルギーを燃料電池１０の中の化学エネルギーに変換し燃料電池に保存することも可能である。
【００４３】
図３は、蓄電池のうちの１台の放電プロセスを２フェーズで示している。蓄電池Ｃ１〜Ｃ６の充電状態は蓄電池の右側に示されている。蓄電池Ｃ１、Ｃ３、Ｃ４及びＣ６は、それぞれ９０％まで充電され、第２の蓄電池Ｃ２は７０％まで充電され、第５の蓄電池Ｃ５は１００％まで充電されている。第５の蓄電池Ｃ５は１００％を超えて充電された場合に不良になる危険性がある。
【００４４】
最初に、個別の蓄電池Ｃ１〜Ｃ６の充電状態が２次スイッチＳ１〜Ｓｎを閉成することによりマイクロプロセッサ１３によって測定される。電圧は、次に、１次コイルの第２の端子Ａ２で測定され、個別の蓄電池Ｃ１〜Ｃ６の充電状態が判断されることを可能にする。
【００４５】
測定中に、第５の蓄電池Ｃ５は放電されるべきであると判断される。図の左側に示された第１の段階で、第５の２次スイッチＳ５は閉成され、それによって、第５の２次コイルＮ５において電流を増加させる。これは、コア１１の中の磁界を変化させ、よって、第５の２次コイルＮ５からのエネルギーはコア１１へ伝送される。
【００４６】
図の右側に示された第２の段階で、第５の２次スイッチＳ５は、１次スイッチＳｐ１が閉成される前に最初に再び開成される。コア１１の中の磁界は、蓄電池Ｃ１〜Ｃ６の直列接続によって印加される第１の電圧Ｕ１を増加させる電圧を１次コイルＮｐに誘起する。蓄電池Ｃ１〜Ｃ６のうちの１台だけが放電されるので、比較的少量の電荷が移動させられ、第１の電圧Ｕ１の増加は、電気駆動システム３の危険性を表す程には大きくない。
【００４７】
図４は、図３からの電圧及び電流の選択された信号形状を示している。図示された信号曲線は、４０マイクロ秒の期間ｔｃｙｃｌｅに対する曲線である。この期間は、２次フェーズＰＳ、１次フェーズＰＰ、及び、ポーズに細分される。
【００４８】
１次スイッチＳＰ１及び第５の２次スイッチＳ５はそれぞれＮＭＯＳトランジスタとして設計されている。それぞれの接続は、それぞれの制御入力での電圧が２Ｖを超える場合に閉成される。２次パルスＰＳの間に、第５の２次スイッチＳ５は、第５の２次スイッチＳ５のゲートでの５Ｖの電圧の印加によって閉成される。これは、第５の２次コイルＮ５を通る電流ＩＤＳを０Ａから約１８Ａまで増加させる。これはエネルギーをコア１１へ伝送する。２次フェーズの後に続く１次フェーズの開始時に、第５のスイッチＳ５のゲートでの電圧は０Ｖまで低減される。さらに、１次スイッチＳＰ１のゲートでの電圧は、１次スイッチＳＰ１が閉成されるように０から５Ｖまで増加させられる。
【００４９】
次に、電圧は、最初に５Ａで、その後に０Ａまで直線的に降下する電流が発生させられるように１次コイルＮＰに誘起される。これは第１の電圧Ｕ１を増加させる。１次パルスの終了時に、１次スイッチＳＰ１のゲートでの電圧は、スイッチＳＰ、Ｓ１〜Ｓ６のいずれもがポーズ中に開成しないように、同様に０Ｖまで低減される。
【００５０】
蓄電池Ｃ１〜Ｃ６のうちの別の蓄電池が放電されるべき場合、ポーズの後に別の２次フェーズが続く。
【００５１】
図５は、蓄電池のうちの１台の充電を２フェーズで示している。第１のフェーズで、蓄電池Ｃ１〜Ｃ６は図３の第１のフェーズと同様に充電される。制御回路は、第２の蓄電池Ｃ２が十分に充電されていないことを検出する。したがって、蓄電池Ｃ２の選択的な充電のためのプロセスが開始される。第１のフェーズ中に、第１の１次スイッチＳＰ１は閉成され、１次コイルＮＰを介して電圧の低下を引き起こす。このようにして発生した電流は、コア１１の中の磁界の変化に影響を与え、それによって、エネルギーがコア１１へ伝送される。
【００５２】
図５の右側に図示された第２のフェーズでは、第２の２次スイッチＳＰ２が閉成される前に、１次スイッチＳＰ１が最初に開成される。その結果、第２の２次コイルＮ２は第２の蓄電池Ｃ２と並列に接続される。第２の２次コイルＮ２において、電圧が蓄積され、続いて、放電回路によって低減される。この放電電流Ｉ２は、第２の蓄電池Ｃ２を充電容量の７０％＋ｘの値まで充電させる。
【００５３】
図６は、図５に示されたフェーズ中の選択されたノードでの信号曲線を示している。期間ｔｃｙｃｌｅは、次々に後に続く１次フェーズ、２次フェーズ、及び、ポーズに細分される。
【００５４】
１次フェーズ中に、１次スイッチＳＰ１のゲートは、１次スイッチＳＰ１を閉成するため５Ｖの電圧で作動させられる。これは、１次コイルＮｐの電流を０Ａから約４Ａまで増加させる。２次フェーズの開始時に、１次スイッチＳＰ１のゲートでの電圧は零まで低減し、その後、第２の２次スイッチＳ２のゲートでの電圧は５Ｖまで増加する。結果として得られる電流は、初期には１５Ａであり、１２マイクロ秒の範囲内で０Ａまで降下する。
【００５５】
この回路を使用して、蓄電池Ｃ１〜Ｃｎの直列接続からのエネルギーは、蓄電池Ｃ１〜Ｃｎのうちの単一の蓄電池へ伝送可能である。これは単一の変圧器１２しか必要としない点で有利である。複数の変圧器は電力損失を増加させることになる。これは、燃料電池１０によって供給される電力が最初に蓄電池Ｃ１〜Ｃｎの直列接続に供給され、したがって、高速かつ効率的にエネルギーを個別の蓄電池Ｃ１〜Ｃｎへ転送することができるので特に有利である。
【００５６】
同じ回路及び同じ１次スイッチＳｐ１を用いて、エネルギーが両方向に、すなわち、単一の蓄電池から直列接続へ、かつ、直列接続から単一の蓄電池へ転送可能であることも有利である。
【００５７】
図７は、蓄電池Ｃ１〜Ｃｎの充電容量を測定する回路を示している。マイクロコントローラ１３は、２次スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３〜Ｓｎのうちの１台ずつを短期間に亘って次々にスイッチをオンにするため、２次スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３〜Ｓｎを選択的に次々に作動させる。これらの２次スイッチのスイッチをオンにすることは、１次コイルＮｐの第２の端子Ａ２で電圧を変化させる電圧を２次コイルＮ１〜Ｎｎのうちの１台に発生させる。電圧は、低域通過フィルタ２２の入力に印加され、低域通過フィルタの出力はマイクロコントローラ１３の入力ＡＤＣｉｎに接続されている。この入力は、フィルタ処理された電圧が最初にアナログから変換され、次に、さらにデジタル的に処理される際に用いられるアナログ／デジタル変換器の入力である。
【００５８】
蓄電池での電圧レベルによって、１次コイルＮＰの第２の端子Ａ２での電圧レベルは上下する。記載された装置を用いることにより、電圧は、蓄電池Ｃ１〜Ｃｎを介して測定され比較される。電圧のうちの１つが全部の電圧の平均値より５％高い場合、対応する蓄電池が放電される。その一方で、蓄電池のうちの１つでの電圧が蓄電池での全部の電圧の平均値より５％低い場合、この蓄電池は充電される。これは、すべての充電プロセス及び放電プロセスの間に、蓄電池はすべてがおおよそ同じレベルまで充電された状態のままであることを確実にし、それによって、蓄電池の過充電を防止し、蓄電池が均等に充電されることを確実にする。
【００５９】
個別の充電プロセスに加えて、すべての２次スイッチＳ１〜Ｓｎを同時に閉成することにより、すべての蓄電池Ｃ１〜Ｃｎを同時に充電又は放電することも可能である。選択された実施形態では、これは、短期間に限り行われる。この短期間の後、電圧は再測定され、蓄電池は必要に応じて選択的に充電又は放電される。
【００６０】
図２に示された１０台の蓄電池のブロックは１０〜２０Ａｈの容量を有している。変圧器は、サイズが約４ｃｍ×４ｃｍ×１ｃｍであり、約１０Ａを伝送可能である。
【００６１】
効率は９８％であり、すなわち、電力のうち僅かに２％が熱損失に変換される。
【００６２】
図８は変圧器のさらなる実施形態を示している。付加的な３次コイルＮｈｖがコア１１の周りに巻き付けられている。したがって、エネルギーを蓄電池のさらなる直列接続へ伝送することがさらに可能である。以下では、蓄電池の直列接続はブロックと称されることもある。
【００６３】
このような形で、１次コイルＮｐからのエネルギーは３次コイルＮｈｖへ送信可能であり、逆もまた同様である。あるいは、電力は、２次コイルＮ１〜Ｎｎから３次コイルＮｈｖへさらに接続することも可能である。
【００６４】
図９は、両方共に蓄電池Ｃ１〜Ｃｎの直列接続と、蓄電池と並列に接続された変圧器１２とを備える２個のブロック１２０及び１２１をもつ例示的な実施形態を示している。ブロック１２０の負極はアース３６に接続され、正極はブロック１２１の負極に接続され、ブロック１２１の正極はノードＫに接続されている。さらなるブロックをブロック１２０及び１２１と直列に接続することも可能である。
【００６５】
ブロック１２０は電圧Ｕ１２０を供給し、ブロック１２１は電圧Ｕ１２１を供給する。両方の電夏Ｕ１２０及びＵ１２１は合計で第１の電圧Ｕ１になる。１次コイルＮｐは、蓄電池からブロック１２０又は１２１の全体へ電力を送信する役目を果たす。ブロック１２１は、３次スイッチＳｔ１と、２次コイルＮｔ１と、ダイオードＤ１とを備える。３次スイッチＳｔ１の第１の端子はアース３６に接続され、第２の端子は３次コイルＮｔ１の第１の端子に接続され、３次コイルの第２の端子はダイオードＤ１のアノードに接続されている。ダイオードのカソードはノードＫに接続されている。
【００６６】
さらに一体的に直列に接続されているのは、３次スイッチＳｔ２、３次コイルＮｔ２及びダイオードＤ２である。スイッチＳｔ２の第１の端子はアースに接続されている。スイッチＳｔ２の第２の端子は３次コイルＮｔ２の第１の端子に接続されている。３次コイルＮｔ２の第２の端子はダイオードＤ２のアノードに接続され、ダイオードのカソードは電圧Ｕ１の電位にある。
【００６７】
３次コイルＮｔ１及びＮｔ２を用いることにより、第１の電圧によって供給された電力をブロック１２０及び１２１の個別の蓄電池Ｃ１〜Ｃｎへ注入することが可能である。
【００６８】
図１０は、最新技術により周知の充電回路と提案された能動的な充電回路との電力消費量の比較を示している。個別の蓄電池は目標電圧３．６Ｖを有している。Ｉと称される充電回路は、抵抗器と蓄電池の端子に選択的に接続される接続ノードとの直列接続を備える。蓄電池の充電及び放電に対する電力損失は、それに応じて、電力消費量１８．５Ｗがシミュレートされる程に大きく、ここで、１８Ｗは実際の再充電プロセスによって引き起こされ、０．５Ｗは制御回路によって消費される。図示され、ＩＩと称される充電回路は、上述された電気駆動システムのうちの能動的な充電回路のうちの１つを表している。
【００６９】
能動的な充電回路に対する電力消費量は２Ｗであり、そのうちの０．５Ｗは、この場合も、基本的にマイクロコントローラに実現されている制御回路が原因となる。
【００７０】
図１１は、さらなる例示的な実施形態による電気駆動システムからの選択部分を示している。同図は、たとえば、図２からわかるように、蓄電池Ｃ１〜Ｃｎの直列接続と、２次コイルＳ１〜Ｓｎと、２次コイルＮ１〜Ｎｎとを示している。相違点は測定回路１３に関して存在する。キャパシタＣ１〜Ｃｎの間の中間ノードのうちの１つを低域通過フィルタ２２の入力へ切り換えるｎ：１型マルチプレクサが設けられ、低域通過フィルタの出力はマイクロプロセッサ１３の入力ＡＤＣｉｎに接続されている。測定は、図７による例示的な実施形態の場合と同様に、マイクロプロセッサ１３で実行される。
【符号の説明】
【００７１】
１      自転車
２      ペダル
３      電気駆動ユニット
９      コア
１０    燃料電池
１１    ＡＣ／ＤＣ変換器
１２    変圧器
１３    マイクロコントローラ
１４    ＤＣ／ＤＣ変換器
１５    電圧測定回路
１６    電流測定回路
１７    モータ
２２    低域通過フィルタ
Ｃ１    第１の蓄電池
Ｃ２    第２の蓄電池
Ｃ３    第３の蓄電池
Ｓ１    第１のスイッチ
Ｓ２    第２のスイッチ
Ｓ３    第３のスイッチ
Ｎ１    第１の２次コイル
Ｎ２    第２の２次コイル
Ｎ３    第３の２次コイル
Ｎｐ    １次コイル
Ｓｐ１  １次スイッチ
Ｕ１    第１の電圧
Ｕ１２０  第１の部分電圧
Ｕ１２１  第２の部分電圧
ＵＢ    燃料電池電圧
ＳＬ１  充電回路スイッチ
【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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【国際調査報告】
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