(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池システム（１０；１００）であって、
第１エネルギー蓄積セル（３５）を備える第１エネルギー蓄積源（３０）と、該第１エネルギー蓄積源（３０）と直列に接続され、複数の第２エネルギー蓄積セル（４５）を備える第２エネルギー蓄積源（４０）とを含むハイブリッド電池（２０）、および
入力側でハイブリッド電池（２０）に接続されており、入力側に印可された直流電圧（ＧＳ１，ＧＳ２，ＧＳ３）を、出力側に印可される、特に多相の交流電圧に変換するように構成されているインバータ（５０：１５０）と
を備える電池システム（１０；１００）において、
制御ユニットを備え、該制御ユニットが、
前記インバータ（５０：１５０）の複数の半導体スイッチ（Ｍ１〜Ｍ１２；Ｔ１〜Ｔ１２，Ｍ１〜Ｍ１２）を制御することによって、前記第１エネルギー蓄積源（３０）から供給され入力側に印可された直流電圧（ＧＳ１）を、出力側に印可される交流電圧に変換する第１機能モードで前記インバータ（５０：１５０）を作動するか、
前記第２エネルギー蓄積源（４０）から供給され入力側に印可された直流電圧（ＧＳ２）を、出力側に印可される交流電圧に変換する第２機能モードで前記インバータ（５０：１５０）を作動するか、または、
前記第１エネルギー蓄積源（３０）および前記第２エネルギー蓄積源（４０）の直列回路から供給され入力側に印可された直流電圧（ＧＳ３）を、出力側に印可される交流電圧に変換する第３機能モードで前記インバータ（５０：１５０）を作動するように構成されていることを特徴とする、
電池システム（１０；１００）において、
インバータ（５０：１５０）の出力側にモータ（６０）が接続されており、モータ（６０）によって、トルク値がゼロと最大トルク値（Ｍｍ）との間にあるトルク（Ｍ）を供給可能であり、モータ（６０）は、回転数値がゼロと最大回転数値（Ｎｍ）との間にある回転数（Ｎ）によって作動可能であり、
第１機能モードでは、トルク（Ｍ）が取り得るトルク値は正の第１トルク限界値（Ｍ１）と最大トルク値（Ｍｍ）との間にわたるトルク値範囲内にあり、回転数（Ｎ）が取り得る回転数値は、ゼロと正の第１回転数限界値（Ｎ１）との間にわたる回転数値範囲内にあり、および／または
第２機能モードでは、トルク（Ｍ）が取り得るトルク値はゼロと正の第２トルク限界値（Ｍ２）との間にわたるトルク値範囲内にあり、回転数（Ｎ）が取り得る回転数値は、ゼロと正の第２回転数限界値（Ｎ２）との間にわたる回転数値範囲内にあり、および／または
第３機能モードでは、トルク（Ｍ）が取り得るトルク値はゼロと最大トルク値（Ｍｍ）との間にわたるトルク値範囲内にあり、回転数（Ｎ）が取り得る回転数値は、正の第３回転数限界値（Ｎ３）と最大回転数値（Ｎｍ）との間にわたる回転数値範囲内にある、
電池システム（１０；１００）。
【請求項２】
請求項１に記載の電池システム（１０；１００）において、
前記第２トルク限界値（Ｍ２）が前記第１トルク限界値（Ｍ１）よりも大きく、および／または前記第２回転数限界値（Ｎ２）が前記第１回転数限界値（Ｎ１）よりも大きく、および／または前記第３回転数限界値（Ｎ３）が前記第２回転数限界値（Ｎ２）よりも小さく、および／または前記第１回転数限界値（Ｎ１）よりも小さい電池システム（１０；１００）。
【請求項３】
電池システム（１０；１００）であって、
第１エネルギー蓄積セル（３５）を備える第１エネルギー蓄積源（３０）と、該第１エネルギー蓄積源（３０）と直列に接続され、複数の第２エネルギー蓄積セル（４５）を備える第２エネルギー蓄積源（４０）とを含むハイブリッド電池（２０）、および
入力側でハイブリッド電池（２０）に接続されており、入力側に印可された直流電圧（ＧＳ１，ＧＳ２，ＧＳ３）を、出力側に印可される、特に多相の交流電圧に変換するように構成されているインバータ（５０：１５０）と
を備える電池システム（１０；１００）において、
制御ユニットを備え、該制御ユニットが、
前記インバータ（５０：１５０）の複数の半導体スイッチ（Ｍ１〜Ｍ１２；Ｔ１〜Ｔ１２，Ｍ１〜Ｍ１２）を制御することによって、前記第１エネルギー蓄積源（３０）から供給され入力側に印可された直流電圧（ＧＳ１）を、出力側に印可される交流電圧に変換する第１機能モードで前記インバータ（５０：１５０）を作動するか、
前記第２エネルギー蓄積源（４０）から供給され入力側に印可された直流電圧（ＧＳ２）を、出力側に印可される交流電圧に変換する第２機能モードで前記インバータ（５０：１５０）を作動するか、または、
前記第１エネルギー蓄積源（３０）および前記第２エネルギー蓄積源（４０）の直列回路から供給され入力側に印可された直流電圧（ＧＳ３）を、出力側に印可される交流電圧に変換する第３機能モードで前記インバータ（５０：１５０）を作動するように構成されていることを特徴とする、
電池システム（１０；１００）において、
複数の半導体スイッチ（Ｔ１〜Ｔ１２，Ｍ１〜Ｍ１２）が、それぞれ第１直流電圧範囲内にある直流電圧を切り換えるように構成された複数の第１半導体スイッチ（Ｔ１〜Ｔ１２）を備える第１半導体スイッチグループ内および／またはそれぞれ第１直流電圧範囲とは異なる第２直流電圧範囲内にある直流電圧を切り換えるように構成された複数の第２半導体スイッチ（Ｍ１〜Ｍ１２）を備える第２半導体スイッチグループ内に配置されており、
前記制御ユニットが、変換されるべき直流電圧（ＧＳ１，ＧＳ２，ＧＳ３）の最新の直流電圧値の関数である最新に切り換えられるべき直流電圧を切り換えるように構成されている半導体スイッチグループの半導体スイッチによって、それぞれの機能モードでインバータ（１５０）を作動するために、入力側に印可された適宜な直流電圧（ＧＳ１，ＧＳ２，ＧＳ３）を出力側に印可される交流電圧に変換するように構成されている、
電池システム（１００）。
【請求項４】
請求項３に記載の電池システム（１００）において、
第１機能モードでは、前記第１半導体スイッチ（Ｔ１〜Ｔ１２）が、前記第１エネルギー蓄積源（３０）から供給され前記インバータ（１５０）に入力側で印可された前記直流電圧（ＧＳ１）を、出力側に印可される交流電圧に変換し、第２機能モードでは、前記第２半導体スイッチ（Ｍ１〜Ｍ１２）が、前記第２エネルギー蓄積源（４０）から供給され前記インバータ（１５０）に入力側で印可された前記直流電圧（ＧＳ２）を、出力側に印可される交流電圧に変換し、第３機能モードでは、前記第１半導体スイッチ（Ｔ１〜Ｔ１２）および前記第２半導体スイッチ（Ｍ１〜Ｍ１２）の少なくともいずれかが、前記第１エネルギー蓄積源（３０）および第２エネルギー蓄積源（３０）の直流回路から供給され前記インバータ（１５０）に入力側で印加された前記直流電圧（ＧＳ３）を、出力側に印可される交流電圧に変換する電池システム（１００）。
【請求項５】
請求項３又は４に記載の電池システム（１００）において、
それぞれの前記第１半導体スイッチ（Ｔ１〜Ｔ１２）に、該第１半導体スイッチに並列に接続された前記第２半導体スイッチ（Ｍ１〜Ｍ１２）が割り当てられている電池システム（１００）。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の電池システム（１０；１００）において、
それぞれの前記第１エネルギー蓄積セル（３５）の内部抵抗と、第１エネルギー蓄積セルに最大限に蓄積可能なエネルギー量との比率が、それぞれの前記第２エネルギー蓄積セル（４５）の内部抵抗と、第２エネルギー蓄積セルに最大限に蓄積可能なエネルギー量との比率よりも小さい電池システム（１０；１００）。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の電池システム（１０；１００）において、
前記インバータ（５０：１５０）が、３つの電圧レベルを備えるＮＰＣインバータである電池システム（１０；１００）。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の電池システム（１０；１００）を備える車両において、
モータ（６０）を備え、該モータ（６０）が前記電池システム（１０；１００）の前記インバータ（５０；１５０）に出力側で接続されており、該インバータ（５０；１５０）によって出力側に供給される、特に多相の交流電圧によって作動可能である車両。
【請求項９】
インバータ（５０；１５０）を作動する方法であって、前記インバータが、入力側に印加された直流電圧（ＧＳ１，ＧＳ２，ＧＳ３）を、出力側に印可される、特に多相の交流電圧に変換するように構成されており、前記インバータ（５０；１５０）が入力側でハイブリッド電池（２０）に接続されており、該ハイブリッド電池は、複数の第１エネルギー蓄積セル（３５）を備える第１エネルギー蓄積源（３０）と、該第１エネルギー蓄積源（３０）と直列に接続され、複数の第２エネルギー蓄積セル（４５）を備える第２エネルギー蓄積源（４０）とを含む方法において、
前記インバータ（５０；１５０）の複数の半導体スイッチ（Ｍ１〜Ｍ１２；Ｔ１〜Ｔ１２，Ｍ１〜Ｍ１２）を制御することにより、第１エネルギー蓄積源（３０）から供給され入力側に印可された前記直流電圧（ＧＳ１）を、出力側に印可される交流電圧に変換する第１機能モードでインバータ（５０；１５０）を作動するか、第２エネルギー蓄積源（４０）から供給され入力側に印可された前記直流電圧（ＧＳ２）を、出力側に印可される交流電圧に変換する第２機能モードでインバータ（５０；１５０）を作動するか、または第１エネルギー蓄積源（３０）および第２エネルギー蓄積源（４０）の直列回路から供給され入力側に印可された前記直流電圧（ＧＳ３）を、出力側に印可される交流電圧に変換する第３機能モードで前記インバータ（５０；１５０）を作動することを特徴とする、
インバータ（５０；１５０）を作動する方法において、
前記インバータ（５０：１５０）の出力側にモータ（６０）が接続されており、該モータ（６０）によって、トルク値がゼロと最大トルク値（Ｍｍ）との間にあるトルク（Ｍ）を供給可能であり、前記モータ（６０）が、回転数値がゼロと最大回転数値（Ｎｍ）との間にある回転数（Ｎ）によって作動可能であり、
第１機能モードでは、トルク（Ｍ）が取り得るトルク値が正の第１トルク限界値（Ｍ１）と最大トルク値（Ｍｍ）との間にわたるトルク値範囲内にあり、回転数（Ｎ）が取り得る回転数値は、ゼロと正の第１回転数限界値（Ｎ１）との間にわたる回転数値範囲内にあり、および／または
第２機能モードでは、トルク（Ｍ）が取り得るトルク値はゼロと正の第２トルク限界値（Ｍ２）との間にわたるトルク値範囲内にあり、回転数（Ｎ）が取り得る回転数値は、ゼロと正の第２回転数限界値（Ｎ２）との間にわたる回転数値範囲内にあり、および／または
第３機能モードでは、トルク（Ｍ）が取り得るトルク値はゼロと最大トルク値（Ｍｍ）との間にわたるトルク値範囲内にあり、回転数（Ｎ）が取り得る回転数値は、正の第３回転数限界値（Ｎ３）と最大回転数値（Ｎｍ）との間にわたる回転数値範囲内にある方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法において、
前記第２トルク限界値（Ｍ２）を前記第１トルク限界値（Ｍ１）よりも大きくし、および／または前記第２回転数限界値（Ｎ２）を前記第１回転数限界値（Ｎ１）よりも大きくし、および／または前記第３回転数限界値（Ｎ３）を前記第２回転数限界値（Ｎ２）よりも小さくし、および／または前記第１回転数限界値（Ｎ１）よりも小さくする方法。
【請求項１１】
インバータ（５０；１５０）を作動する方法であって、前記インバータが、入力側に印加された直流電圧（ＧＳ１，ＧＳ２，ＧＳ３）を、出力側に印可される、特に多相の交流電圧に変換するように構成されており、前記インバータ（５０；１５０）が入力側でハイブリッド電池（２０）に接続されており、該ハイブリッド電池は、複数の第１エネルギー蓄積セル（３５）を備える第１エネルギー蓄積源（３０）と、該第１エネルギー蓄積源（３０）と直列に接続され、複数の第２エネルギー蓄積セル（４５）を備える第２エネルギー蓄積源（４０）とを含む方法において、
前記インバータ（５０；１５０）の複数の半導体スイッチ（Ｍ１〜Ｍ１２；Ｔ１〜Ｔ１２，Ｍ１〜Ｍ１２）を制御することにより、第１エネルギー蓄積源（３０）から供給され入力側に印可された前記直流電圧（ＧＳ１）を、出力側に印可される交流電圧に変換する第１機能モードでインバータ（５０；１５０）を作動するか、第２エネルギー蓄積源（４０）から供給され入力側に印可された前記直流電圧（ＧＳ２）を、出力側に印可される交流電圧に変換する第２機能モードでインバータ（５０；１５０）を作動するか、または第１エネルギー蓄積源（３０）および第２エネルギー蓄積源（４０）の直列回路から供給され入力側に印可された前記直流電圧（ＧＳ３）を、出力側に印可される交流電圧に変換する第３機能モードで前記インバータ（５０；１５０）を作動することを特徴とする、
インバータ（５０；１５０）を作動する方法において、
複数の半導体スイッチ（Ｔ１〜Ｔ１２，Ｍ１〜Ｍ１２）を、第１直流電圧範囲内にある直流電圧を切り換えるようにそれぞれ構成された複数の第１半導体スイッチ（Ｔ１〜Ｔ１２）を備える第１半導体スイッチグループ、および第１直流電圧範囲とは異なる第２直流電圧範囲内にある直流電圧を切り換えるようにそれぞれ構成された複数の第２半導体スイッチ（Ｍ１〜Ｍ１２）を備える第２半導体スイッチグループに配置し、
変換されるべき直流電圧（ＧＳ１，ＧＳ２，ＧＳ３）の最新の直流電圧値の関数である最新に切り換えられるべき直流電圧を切り換えるように構成されている半導体スイッチグループの半導体スイッチによって、それぞれの機能モードでインバータ（１５０）を作動するために、該インバータ（１５０）に印可された適宜な直流電圧（ＧＳ１，ＧＳ２，ＧＳ３）を出力側に印可される交流電圧に変換する方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方法において、
第１機能モードでは、第１エネルギー蓄積源（３０）から供給され前記インバータ（１５０）に入力側で印可された直流電圧（ＧＳ１）を、第１半導体スイッチ（Ｔ１〜Ｔ１２）によって、出力側に印可される交流電圧に変換し、
第２機能モードでは、前記第２エネルギー蓄積源（４０）から供給され前記インバータ（１５０）に入力側で印可された直流電圧（ＧＳ２）を、第２半導体スイッチ（Ｍ１〜Ｍ１２）によって、出力側に印可される交流電圧に変換し、
第３機能モードでは、第１エネルギー蓄積源（３０）および第２エネルギー蓄積源（４０）の直流回路から供給され前記インバータ（１５０）に入力側で印加された直流電圧（ＧＳ３）を、前記第１半導体スイッチ（Ｔ１〜Ｔ１２）および／または前記第２半導体スイッチ（Ｍ１〜Ｍ１２）によって、出力側に印可される交流電圧に変換する方法。
【請求項１３】
請求項９〜１２のいずれか一項に記載の方法において、
それぞれの前記第１エネルギー蓄積セル（３５）の内部抵抗と、第１エネルギー蓄積セルに最大限に蓄積可能なエネルギー量との比率を、それぞれの前記第２エネルギー蓄積セル（４５）の内部抵抗と、第２エネルギー蓄積セルに最大限に蓄積可能なエネルギー量との間の比率よりも小さくする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハイブリッド電池および入力側で電池に接続されたインバータを備える電池システムに関する。本発明は、入力側で電池に接続されたインバータを作動する方法にも関する。さらに本発明は、このような電池システムおよび出力側でインバータに接続されたモータを備える車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
少なくとも３つの電圧レベルを備えるＮＰＣインバータが従来技術により既知である。ＮＰＣインバータは、少なくとも３つの電圧レベルを備える中性点クランプ型ダイオード・マルチレベルインバータ（ＮＰＣ）とも呼ばれる。ｎ個の電圧レベルを備えるこのようなＮＰＣインバータには、ｎ−１個の電圧源もしくはエネルギー蓄積源を介して電気エネルギーが供給される。電圧源もしくはエネルギー蓄積源によって生成された直流電圧は、それぞれ適切な中間回路を介して適宜な中間回路電圧として入力側でＮＰＣインバータに供給される。この場合に中間回路電圧を調整する必要がある。なぜなら、中間回路電圧は等しい大きさでなければならないからである。中間回路電圧の調整は、ハードウェアによって能動的もしくは受動的に行ってもよいし、またはソフトウェアを用いた適切な空間ベクトル変調によって行ってもよい。このようなＮＰＣインバータでは、同じ半導体技術に属するトランジスタが半導体スイッチとして使用される。
【０００３】
今日のハイブリッド電池システムでは、使用されるハイブリッド電池の異なるエネルギー蓄積源を電気的に受動的に互いに関連づけてもよい。すなわち、並列に、または必要に応じて直列に互いに接続してもよい。このような異なるエネルギー蓄積源を、例えば直流電圧変換器を介して電気的に能動的に互いに関連づけてもよい。
【０００４】
今日では様々なエネルギー蓄積源を接続する場合に使用されるインバータの半導体スイッチはＢ６ブリッジに配置されており、このようなインバータでは、例えばハイブリッド電池システムで用いられる種々異なるエネルギー蓄積源は限定的にしか使用することができない。これは、異なるエネルギー蓄積源によって形成されたハイブリッド電池の効率が、一方ではこのようなインバータによって作動されるモータの作動範囲全体にわたって極めて大きく変動し、他方では比較的低い場合である。個々のエネルギー蓄積セルまたは個々のスイッチの故障が、ハイブリッド電池によって電気エネルギーを供給されるモータの電気駆動系全体の故障につながることも欠点である。モータによって要求される電圧状態を生成するために必要とされない場合であっても、エネルギー蓄積源の全てのエネルギー蓄積セルが常にモータの給電のために使用される。このことは、エネルギー蓄積セルの寿命に不利に作用する。
【発明の概要】
【０００５】
本発明によれば、ハイブリッド電池を備える電池システムが提供され、ハイブリッド電池は、複数の第１エネルギー蓄積セルを備える第１エネルギー蓄積源と、第１エネルギー蓄積源と直列に接続され、第１エネルギーセルとは異なるように構成された複数の第２エネルギー蓄積セルを備える第２エネルギー蓄積源とを含む。さらに電池システムはインバータを含み、インバータは、入力側でハイブリッド電池に接続されており、入力側に印可された直流電圧を出力側に印可される交流電圧に変換するように構成されている。好ましくは、交流電圧は、多相の、特に三相の交流電圧である。電池システムは制御ユニットも備え、制御ユニットは、インバータの複数の半導体スイッチを制御することによって、第１機能モード、第２機能モード、または第３機能モードでインバータを作動するように構成されている。この場合、第１機能モードで作動されるインバータは、第１エネルギー蓄積源から供給され入力側に印可された直流電圧を、出力側に印可される交流電圧に変換する。さらに第２機能モードで作動されるインバータは、第２エネルギー蓄積源から供給され入力側に印可された直流電圧を、出力側に印可される交流電圧に変換する。さらに第３機能モードで作動されるインバータは、第１エネルギー蓄積源および第２エネルギー蓄積源の直列回路から供給され入力側に印可された直流電圧を、出力側に印可される交流電圧に変換する。
【０００６】
本発明によれば、さらにインバータを作動する方法が提供され、インバータは入力側に印加された直流電圧を、出力側に印可される交流電圧に変換するように構成されている。好ましくは、交流電圧は、多相の、特に三相の交流電圧である。この場合、インバータは入力側で電池に接続されており、電池は、複数の第１エネルギー蓄積セルを備える第１エネルギー蓄積源と、第１エネルギー蓄積源と直列に接続され、第１エネルギー蓄積セルとは異なるように構成された複数の第２エネルギー蓄積セルを備える第２エネルギー蓄積源とを含む。この方法では、インバータは、インバータに配置された複数の半導体スイッチを制御することにより、第１機能モード、第２機能モード、または第３機能モードで作動される。この場合、第１機能モードで作動されるインバータは、第１エネルギー蓄積源から供給され入力側に印可された直流電圧を、出力側に印可される交流電圧に変換する。さらに第２機能モードで作動されるインバータは第２エネルギー蓄積源から供給され入力側に印可された直流電圧を、出力側に印可される交流電圧に変換する。さらに第３機能モードで作動されるインバータは、第１エネルギー蓄積源および第２エネルギー蓄積源の直列回路から供給され入力側に印可された直流電圧を、出力側に印可される交流電圧に変換する。
【０００７】
従属請求項は、本発明の好ましい他の実施形態を示す。
【０００８】
好ましくは、それぞれの第１エネルギー蓄積セルの内部抵抗と、第１エネルギー蓄積セルに最大限に蓄積可能なエネルギー量との比率は、それぞれの第２エネルギー蓄積セルの内部抵抗と、この第２エネルギー蓄積セルに最大限に蓄積可能なエネルギー量との比率よりも小さい。
【０００９】
本発明の焦点は、それぞれ電気エネルギーを蓄積するように構成された複数のエネルギー蓄積セル、例えばリチウム‐イオン電池またはスーパーコンデンサもしくはウルトラコンデンサなどを備え、ハイブリッド電池システムで使用される電圧源もしくはエネルギー蓄積源である。この場合、エネルギー蓄積セルは、第１エネルギー蓄積源が第１エネルギー蓄積セルのみから形成されており、第２エネルギー蓄積源が、第１エネルギー蓄積源とは構成の異なる第２エネルギー蓄積セルのみから形成されているように接続されている。この場合、第１エネルギー蓄積セルは、好ましくは高出力セルであり、第２エネルギー蓄積セルは、好ましくは高エネルギーセルである。高出力セルと高エネルギーセルとは、高出力セルのエネルギー含量に関連した内部抵抗が、高エネルギーセルのエネルギー含量に関連する内部抵抗とは異なる点で異なっている。
【００１０】
本発明の好ましい実施形態では、モータが出力側でインバータに接続されている場合にはモータによって、トルク値がゼロと最大トルク値との間にあるトルクを供給可能である。この場合、モータは、回転数値がゼロと最大回転数値の間とにある回転数によって作動可能である。好ましくは、第１機能モードでは、トルクが取り得るトルク値は正の第１トルク限界値と最大トルク値との間にわたるトルク値範囲内にあり、回転数が取り得る回転数値は、ゼロと正の第１回転数限界値との間にわたる回転数値範囲内にある。
【００１１】
好ましくは、第２機能モードでは、トルクが取り得るトルク値はゼロと正の第２トルク限界値との間にわたるトルク値範囲内にあり、回転数が取り得る回転数値は、ゼロと正の第２回転数限界値との間にわたる回転数値範囲内にある。
【００１２】
好ましくは、第３機能モードでは、トルクが取り得るトルク値はゼロと最大トルク値との間にわたるトルク値範囲内にあり、回転数が取り得る回転数値は、正の第３回転数限界値と最大回転数値との間にわたる回転数値範囲内にある。
【００１３】
好ましくは、第２トルク限界値は第１トルク限界値よりも大きい。好ましくは、第２回転数限界値は第１回転数限界値よりも大きい。好ましくは、第３回転数限界値は第２回転数限界値よりも小さく、および／または第１回転数限界値よりも小さい。
【００１４】
換言すれば、本発明では、ブースト範囲として示した作動範囲で作動するモータは、好ましくは、第１機能モードで作動する本発明によるインバータによって作動される。さらに部分負荷範囲として示した作動範囲で作動するモータは、好ましくは第２機能モードで作動する本発明によるインバータによって作動される。同様に、残りの作動範囲で作動するモータは、好ましくは第３機能モードで作動する本発明によるインバータによって作動される。
【００１５】
本発明では、高出力セルにより形成された第１エネルギー蓄積源は、好ましくはブースト範囲、すなわち、モータの下方の回転数範囲もしくは負荷範囲をカバーする。さらに本発明では、高エネルギー電池セルにより形成された第２エネルギー蓄積源は、好ましくはハイブリッド車および電気自動車のモータが優先的に作動される部分負荷範囲をカバーする。両方のエネルギー蓄積源の組合せは、本発明によれば、好ましくはモータの残りの作動範囲のために無段階式に制御される。このようなハイブリッド電池システムの構成により、両方のエネルギー蓄積源の異なる電圧状態が生じ、これらの電圧状態に基づいて、本発明により使用されるインバータの出力部が好ましく構成される。
【００１６】
好ましくは、本発明によるインバータは３つの電圧レベルを備えるＮＰＣインバータである。
【００１７】
本発明によれば、異なるエネルギー蓄積源の接続は、好ましくは３つの電圧レベルを備えるＮＰＣインバータによって実現される。好ましくは、このようなＮＰＣインバータを使用した場合には、異なるエネルギー蓄積源によって形成されたハイブリッド電池とこのようなＮＰＣインバータとを組み合せた場合の効率は、同じハイブリッド電池と、半導体スイッチがＢ６ブリッジで接続されている一般的なインバータとを組み合わせた場合の効率よりも著しく大きい。このようなハイブリッド電池の場合には、ハイブリッド電池によって、適切なＮＰＣインバータを介して電気エネルギーを供給されるモータの作動範囲全体にわたってほぼ一定の高い効率が設定される。その理由は、モータによって要求された最新の電圧状態のために必要とされるエネルギー蓄積セルのみがモータを給電するために使用されることである。エネルギー蓄積源のエネルギー蓄積セルの故障が、ハイブリッド電池によって電気エネルギーを供給されるモータのドライブトレイン全体の故障をもたらすこともない。なぜなら、それぞれ他のエネルギー供給源の電圧経路は全く損傷を受けないからである。同様に、エネルギー蓄積セルの対称性は、それぞれ個々のエネルギー蓄積源の内部においてのみ必要である。種々異なる電気的エネルギー蓄積源が使用される場合には、このことは使用されるエネルギー蓄積セルの寿命に好ましい影響を及ぼす。なぜなら、モータの最新の負荷要求により必要となるエネルギー蓄積セルのみが常に使用されるからである。
【００１８】
エネルギー蓄積器構成要素に特別に適合させた負荷分配および使用されるエネルギー蓄積技術に関連して、使用されるエネルギー蓄積源の回路に関してより多くの自由度が得られる。さらに、ここで説明した本発明による構成の基本的な機能に不利な影響を及ぼすことなしに、異なる一次電圧状態を有する電気エネルギー蓄積セル（個別セル）を構成することもできる。本発明によれば、これにより、可能なエネルギー蓄積システムの自由度の数が増大する。
【００１９】
３つの電圧レベルを備えるＮＰＣインバータの本発明による好ましい使用により、使用されるべきハイブリッド電池およびこのようなＮＰＣインバータで使用されるパワーエレクトロニクスに関して、さらにハイブリッド電池の電気エネルギーによって作動されるモータに関して、市場で入手可能な今日のシステムに対して大きい利点が得られる。
【００２０】
使用されるパワーエレクトロニクスに関する幾つかの特筆すべき利点は、本発明によるＮＰＣインバータは、半導体スイッチが故障した場合のエラーに対して寛容であり、一般的な半導体技術に属する半導体スイッチを使用して、このようなＮＰＣインバータによって供給可能な出力電圧を２倍にすることができることである。本発明により使用されるＮＰＣインバータは、好ましくは１２個の半導体スイッチを含み、これらの半導体スイッチの接続は、直列に接続された２つのＢ６ブリッジにおける半導体スイッチの接続に機能的に相当する。この場合、１２個の半導体スイッチの制御の同期を簡単に実現できることが利点である。
【００２１】
本発明により使用されるＮＰＣインバータによって作動されるモータに関して得られる利点は、モータが良好なリプルを備えることであり、これにより、調和波の消失、モータ効率の向上、およびモータ作動時の音響作用の改善が達成される。４０ｋＨｚにまで達することもある高いスイッチング周波数によって、このようなＮＰＣインバータを制御できることも好ましい。これにより、例えば設けられる誘導素子および使用される中間回路コンデンサなど、モータの受動的な要素の小型化を達成することができる。本発明によれば、本発明により使用されるインバータのために新しい半導体技術を開発する必要なしに、モータに高電圧を供給することができる。本発明によれば、異なる種類の電圧源もしくはエネルギー供給源と組み合わせて、ＮＰＣインバータが極めて効率的に使用される。
【００２２】
本発明の特に好ましい実施形態では、複数の半導体スイッチが、複数の第１半導体スイッチを備える第１半導体スイッチグループおよび／または複数の第２半導体スイッチを備える第２半導体スイッチグループに配置されている。この場合、第１半導体スイッチは、第１直流電圧範囲内にある直流電圧を切り換えるようにそれぞれ構成されており、第２半導体スイッチは、第１直流電圧範囲とは異なる第２直流電圧範囲内にある直流電圧を切り換えるようにそれぞれ構成されている。さらに制御ユニットは、変換されるべき直流電圧の最新の直流電圧値の関数である最新に切り換えられるべき直流電圧を切り換えるように構成されている半導体スイッチグループの半導体スイッチによって、それぞれの機能モードでインバータを作動するために入力側に印可された適宜な直流電圧を出力側に印可される交流電圧に変換するように構成されている。
【００２３】
本発明の特に好ましい実施形態では、第１機能モードで、第１半導体スイッチは、第１エネルギー蓄積源から供給されインバータに入力側で印可された直流電圧を、出力側に印可される交流電圧に変換する。この場合、第２機能モードでは、第２半導体スイッチは、第２エネルギー供給源から供給されインバータに入力側で印可された直流電圧を、出力側に印可される交流電圧に変換する。さらに第３機能モードでは、第１半導体スイッチおよび／または第２半導体スイッチは、第１エネルギー蓄積源および第２エネルギー蓄積源の直流回路から供給されインバータに入力側で印加された直流電圧を出力側に印可された交流電圧に変換する。
【００２４】
好ましくは、それぞれの第１半導体スイッチには、特にこの第１半導体スイッチに並列して接続された第２半導体スイッチが割り当てられている。
【００２５】
好ましくは、本発明による電池システムは、接続されたモータのそれぞれの作動範囲に関して、それぞれに供給されるべきＣレートおよびそれぞれに供給されるべき電圧に応じてそれぞれのエネルギー蓄積源が使用されるように高出力セルと高エネルギーセルとの比率を調整する。本発明による電池システムの異なるエネルギー蓄積源によって供給された直流電圧は、それぞれ適切な中間回路を介して中間回路電圧として本発明によるインバータに供給される。したがって、本発明による電池システムの全ての電池の両方の半分のために異なる中間回路電圧が生じる。高出力セルおよび高エネルギーセルによって供給される中間回路電圧が大きく異なる場合には、本発明による電池システムの製造コストおよび効率を最適にするために、異なる構成の半導体スイッチ、すなわち、異なる半導体技術に属する半導体スイッチを使用することもできる。例えば、異なる半導体技術に属する半導体スイッチとして、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＳｉＣおよびＧａＮトランジスタを使用してもよい。好ましくは、本発明による電池システムで使用されるサプレッサダイオード（クランピングダイオード）および／またはフリーホイールダイオードが様々に構成されていてもよい。すなわち、異なる半導体技術に属していてもよい。例えば、異なる半導体技術に属するサプレッサダイオードおよび／またはフリーホイールダイオードとして、それぞれＳＩＣダイオードおよびＧａＮダイオードを使用してもよい。このようにして、異なる中間回路電圧のために同じ半導体技術の半導体素子を使用した場合のように寸法が大きくなりすぎることが、本発明によるインバータで使用されるパワーエレクトロニクスでは防止される。
【００２６】
本発明の別の態様は、本発明による電池システムおよびモータを備える車両に関し、モータは電池システムのインバータに出力側で接続されており、インバータによって出力側で供給される、特に多相の交流電圧によって作動可能である。
【００２７】
次に添付の図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。同じ構成要素には等しい符号を用いる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】第１実施形態にしたがって形成された本発明の電池システムを、接続されたモータと共に示す図である。
【図２】図１に示したブースト範囲で作動するモータにおいて許容されるトルク‐回転数変動範囲、およびブースト範囲で作動する同じモータに供給される三相交流電圧の相Ｕについて時間に依存した電圧特性を示す図である。
【図３】図１に示した部分負荷範囲で作動するモータにおいて許容されるトルク‐回転数変動範囲、および部分負荷範囲で作動する同じモータに供給される三相交流電圧の相Ｕについて時間に依存した電圧特性を示す図である。
【図４】図１に示した残りの作動範囲で作動するモータにおいて許容されるトルク‐回転数変更範囲、および残りの作動範囲で作動する同じモータに供給される三相交流電圧の相Ｕについて時間に依存した電圧特性を示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態により形成された電池システムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図１は、本発明による電池システム１０の第１実施形態を示す。本発明による電池システム１０はハイブリッド電池２０を備える。ハイブリッド電池２０は、高出力セルとして形成された複数の第１エネルギー蓄積セル３５を備える第１エネルギー蓄積源３０、および第１エネルギー蓄積源３０に直列に接続され、高エネルギーセルとして形成された複数の第２エネルギー蓄積セル４５を備える第２エネルギー蓄積源４０を含む。この場合、高出力セル３５は互いに直列に接続されている。高エネルギーセル４５も互いに直列に接続されている。高出力セル３５と高エネルギーセル４５とは、それぞれの高出力セル３５のエネルギー含量に関連する内部抵抗がそれぞれの高エネルギーセル４５のエネルギー含量に関連する内部抵抗よりも小さいことにより異なっている。図面を簡単にするために、それぞれ１つの高出力セル３５のみ、およびそれぞれ１つの高エネルギーセル４５のみに符号を付す。
【００３０】
さらに、第１エネルギー蓄積源３０は直流電圧ＧＳ１を供給し、第２エネルギー蓄積源４０は直流電圧ＧＳ２を供給し、２つのエネルギー蓄積源３０，４０の直列回路から形成されたハイブリッド電池２０は直流電圧ＧＳ３を供給する。ハイブリッド電池２０は、正極電池端子２１および負極電池端子２２を含む。第１エネルギー蓄積源３０はセンタタップ２３を介して第２エネルギー蓄積源４０に接続されている。
【００３１】
さらに、電池システム１０には、３つの電圧レベルを備えるＮＰＣインバータ５０が配置されており、ＮＰＣインバータは入力側では電池２０に接続されており、出力側ではモータ６０に接続されている。ＮＰＣインバータ５０は１２個の半導体スイッチＭ１〜Ｍ１２を含み、これらの半導体スイッチは、１２個のｎチャネルＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１〜Ｍ１２として形成されており、それぞれ１つのゲート端子、ソース端子、およびドレイン端子を備える。図面を簡単にするためにｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１〜Ｍ１２は符号により示していない。
【００３２】
さらに、半導体スイッチＭ１〜Ｍ１２は、電池端子２１，２２に接続された３つの分岐Ｚ１〜Ｚ３に配置されている。この場合、第１分岐Ｚ１は、互いに直列に接続された４つの半導体スイッチＭ１〜Ｍ４、および２つのサプレッサダイオード（クランピングダイオード）Ｄ１およびＤ２を含み、第１分岐Ｚ１は２つのサプレッサダイオードを介してセンタタップ２３に接続されている。さらに、第２分岐Ｚ２は互いに直列に接続された他の半導体スイッチＭ５〜Ｍ８および他の２つのサプレッサダイオード（クランピングダイオード）Ｄ３およびＤ４を含み、第２分岐Ｚ２は、他の２つのサプレッサダイオードＤ３，Ｄ４を介してセンタタップ２３に接続されている。さらに、第３分岐Ｚ３は、互いに直列に接続されたさらなる４つの半導体スイッチＭ９〜Ｍ１２およびさらなる２つのダイオードＤ５およびＤ６を含み、第３分岐Ｚ３は、さらなる２つのサプレッサダイオードＤ５およびＤ６を介してセンタタップ２３に接続されている。サプレッサダイオードＤ１〜Ｄ６はそれぞれ陽極および陰極を含むが、図面を簡略にするために、これらの陽極および陰極には符号を付していない。
【００３３】
本発明の第１実施形態によれば、第１分岐Ｚ１の第１端部に配置された第１分岐Ｚ１の第１ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１は、自身のドレイン端子を介して直接に正極電池端子２１に接続されており、自身のソース端子を介して、第１チャンネルＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１に隣接して配置された第１分岐Ｚ１の第２ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ  Ｍ２のドレイン端子に接続されている。さらに、第１分岐Ｚ１の第２端部に配置された第１分岐Ｚ１の第４ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ  Ｍ４は、自身のソース端子を介して負極電池端子２２に接続されており、自身のドレイン端子を介して、第４ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ  Ｍ４に隣接して配置された第１分岐Ｚ１の第３ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ  Ｍ３のソース端子に直接に接続されている。第１分岐Ｚ１の第２ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ  Ｍ２のソース端子は第１分岐Ｚ１の第３ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ  Ｍ３のドレイン端子に接続されている。
【００３４】
さらに第１分岐Ｚ１の第１サプレッサダイオードＤ１は、陰極を介して直接に、第１分岐Ｚ１の第２ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ  Ｍ２のドレイン端子に接続されており、陽極を介して直接にセンタタップ２３に接続されている。同様に第１分岐Ｚ１の第２サプレッサダイオードＤ２は陰極を介して直接に第１分岐Ｚ１の第１サプレッサダイオードＤ１の陽極に接続されており、陽極を介して直接に第１分岐Ｚ１の第４ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ  Ｍ４のドレイン端子に接続されている。
【００３５】
第２分岐Ｚ２の第１ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ  Ｍ５、第２ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ  Ｍ６、第３ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ  Ｍ７、および第４ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ  Ｍ８、ならびに第３分岐Ｚの３の第１ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ  Ｍ９、第２ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１０、第３ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１１、および第４ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１２は、それぞれ第１分岐Ｚ１の対応するｎチャンネルＭＯＳＦＥＴＭ１〜Ｍ４と同様に接続されている。第２分岐Ｚ２の第１サプレッサダイオードＤ３および第２サプレッサダイオードＤ４ならびに第３分岐Ｚ３の第１サプレッサダイオードＤ５および第２サプレッサダイオードＤ６もそれぞれ第１分岐Ｚ１の対応するサプレッサダイオードＤ１，Ｄ２と同様に接続されている。
【００３６】
さらに、それぞれの分岐Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３は第２ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴＭ２，Ｍ６，Ｍ１０のドレイン端子を介して直接に、出力側に配置されたＮＰＣインバータ５０の３つの端子Ａ１，Ａ２，Ａ３の対応する端子Ａ１，Ａ２，Ａ３に接続されており、これらの端子を介してインバータ５０は適切な制御により相Ｕ，Ｖ，Ｗを備える三相交流電圧をモータ６０に供給する。この場合、第１分岐Ｚ１には第１端子Ａ１が割り当てられており、この第１端子を介してＮＰＣインバータ５０は三相交流電圧の相Ｕを供給する。同様に第２分岐Ｚ２には第２端子Ａ２が割り当てられており、この第２端子を介してＮＰＣインバータ５０は三相交流電圧の相Ｖを供給する。さらに、第３分岐Ｚ３には第３端子Ａ３が割り当てられており、この第３端子を介してＮＰＣインバータ５０は三相交流電圧の相Ｗを供給する。モータ６０は、モータ６０のスターポイントＡＯを介して星形に接続された３つの直列回路を含む。この場合、第１直列回路は第１誘電素子Ｌ１および第１抵抗Ｒを含み、ＮＰＣインバータ５０の第１端子Ａ１とスターポイントＡＯとの間に接続されている。さらに第２直列回路は第２誘電素子Ｌ２および第２抵抗Ｒ２を含み、ＮＰＣインバータ５０の第２端子Ａ２とスターポイントＡＯとの間に接続されている。同様に第３直列回路は第３誘電素子Ｌ３および第３抵抗Ｒ３を含み、ＮＰＣインバータ５０の第３端子Ａ３とスターポイントＡＯとの間に接続されている。全ての３つの誘電素子Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３はそれぞれ同じ誘電率Ｌを備える。さらに、全ての３つの抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３はそれぞれ等しい抵抗値Ｒを備える。
【００３７】
モータ６０は三相モータとして形成されている。
【００３８】
電池システム１０はさらに制御ユニット（図示しない）を含み、この制御ユニットは、ＮＰＣインバータ５０の１２個の半導体スイッチＭ１〜Ｍ１２を制御することにより、ＮＰＣインバータ５０を第１機能モード、第２機能モード、または第３機能モードで作動するように構成されている。第１機能モードで作動されるＮＰＣインバータ５０は、第１エネルギー蓄積源３０から供給され入力側に印可された直流電圧ＧＳ１を出力側に印可される三相交流電圧に変換する。第２機能モードで作動されるＮＰＣインバータ５０は、第２エネルギー供給源４０から供給され入力側に印可された直流電圧ＧＳ２を出力側に印可される三相交流電圧に変換する。第３機能モードで作動されるＮＰＣインバータ５０は、第１エネルギー蓄積源３０および第２エネルギー蓄積源４０の直列回路から供給され入力側に印可された直流電圧ＧＳ３を出力側に印可される三相交流電圧に変換する。
【００３９】
この場合、ＮＰＣインバータ５０の第１機能モードには１２個の半導体スイッチＭ１〜Ｍ１２の第１接続パターンが割り当てられており、第２機能モードには１２個の半導体スイッチＭ１〜Ｍ１２の第２接続パターンが割り当てられており、第３機能モードには１２個の半導体スイッチＭ１〜Ｍ１２の第３接続パターンが割り当てられている。
【００４０】
第１接続パターンでは、第１および第３分岐Ｚ１，Ｚ３の第１および第２半導体スイッチＭ１，Ｍ２，Ｍ９，Ｍ１０が、それぞれ出力側に印可される交流電圧を生成するために使用され、第１および第３分岐Ｚ１，Ｚ３の第３および第４半導体スイッチＭ３，Ｍ４，Ｍ１１，Ｍ１２がそれぞれ開かれ、第２分岐Ｚ２の第１および第４半導体スイッチＭ５，Ｍ８がそれぞれ開かれ、第２分岐Ｚ２の第２および第３半導体スイッチＭ６，Ｍ７が、それぞれ出力側に印可される交流電圧を生成するために使用される。
【００４１】
第２接続パターンでは、第１および第３分岐Ｚ１，Ｚ３の第１および第４半導体スイッチＭ１，Ｍ４，Ｍ９，Ｍ１２がそれぞれ開かれ、第１および第３分岐Ｚ１，Ｚ３の第２および第３半導体スイッチＭ２，Ｍ３，Ｍ１０，Ｍ１１が、それぞれ出力側に印可される交流電圧を生成するために使用され、第２分岐Ｚ２の第１および第２半導体スイッチＭ５，Ｍ６がそれぞれ開かれ、第２分岐Ｚ２の第３および第４半導体スイッチＭ７およびＭ８が、それぞれ出力側に印可される交流電圧を生成するために使用される。
【００４２】
第３接続パターンでは、第１および第３分岐Ｚ１，Ｚ３の第１および第２半導体スイッチＭ１，Ｍ２，Ｍ９，Ｍ１０が、それぞれ出力側に印可される交流電圧を生成するために使用され、第１および第３分岐Ｚ１，Ｚ３の第３および第４半導体スイッチＭ３，Ｍ４，Ｍ１１，Ｍ１２がそれぞれ開かれ、第２分岐Ｚ２の第１および第２半導体スイッチＭ５，Ｍ６がそれぞれ開かれ、第２分岐Ｚ２の第３および第４半導体スイッチＭ７およびＭ８が、それぞれ出力側に印可される交流電圧を生成するために使用される。
【００４３】
本発明の一実施形態では、制御ユニットは、それぞれの機能モードでＮＰＣインバータ５０を作動するために、１２個の半導体スイッチＭ１〜Ｍ１２のうち、対応する機能モードに割り当てられた接続パターンにおいて出力側に印可される交流電圧を生成するために使用される半導体スイッチを開閉し、この接続パターンにおいて開かれるスイッチを開くか、または開かれた状態に保持するように構成されている。
【００４４】
さらに制御ユニットは、モータ６０を作動するためのＮＰＣインバータ５０を、ブースタ範囲として示す作動範囲では第１機能モードで作動するように構成されている。例えば、モータが車両を駆動するために使用される場合には、ブースト範囲は車両の始動段階に相当する。
【００４５】
ブースト範囲では、モータ６０によって供給されるべきトルクＭのトルク値、したがってモータ６０によって供給されるべき電流は大きく、モータ６０を回転させる回転数Ｎの回転数値、したがってモータ６０によって供給されるべき交流電圧は小さい。この作動範囲では、高出力セル３５のみが電気的に接続されている。なぜなら、ブースト範囲で作動するモータ６０によって小さい電圧で高い電流が必要とされるが、高エネルギーセル４５によってはＣレートに基づいてこのような電流を短時間に供給することができないからである。
【００４６】
図２の線図２００は、作動範囲にわたって最大限に供給可能なトルクＭの勾配をモータ６０の回転数Ｎの関数として表す特性線ＫＭを示す。特性線ＫＭの勾配からわかるように、トルク値がゼロと最大トルク値Ｍｍとの間にあるトルクＭをモータ６０によって供給することができ、回転数値がゼロと最大回転数値Ｎｍとの間にある回転数Ｎによってモータ６０を回転させることができる。
【００４７】
さらに線図２００は、ブースト範囲で作動するモータ６０によって許可されるトルク‐回転数変更範囲に相当する面積部分Ｆ１を示す。面積部分Ｆ１の形状および位置からわかるように、ブースト範囲で作動するモータ６０によって、正の第１トルク限界値Ｍ１と最大トルク値Ｍｍとの間にわたるトルク値範囲内にあるトルク値をとることができるトルクＭが供給可能である。同様に面積部分Ｆ１の形状および位置からわかるように、ブースト範囲で作動するモータ６０は、回転数値がゼロと正の第１回転数限界値Ｎ１との間にわたる回転数値範囲内にある回転数Ｎによって作動可能である。
【００４８】
図２に示した線図２１０は、ＮＰＣインバータ５０によって、ブースト範囲で作動するモータ６０に供給される三相交流電圧の相Ｕにおける電圧ＷＳの勾配ＫＷＳ１を時間ｔの関数として示している。
【００４９】
さらに制御ユニットは、モータ６０を作動するためのＮＰＣインバータ５０を、部分範囲として示す作動範囲では第２機能モードで作動するように構成されている。
【００５０】
この部分範囲では、モータ６０によって供給されるべきトルクＭのトルク値、したがってモータ６０に供給されるべき電流は、小さいか中程度であり、モータ６０を駆動することができる回転数Ｎの回転数値、したがってモータ６０に供給されるべき交流電圧は、小さいか中程度である。この作動範囲では、高エネルギーセル４５のみが電気的に接続されている。なぜなら、高エネルギーセル４５は大きい容量に基づいて、部分負荷範囲で作動するモータ６０に供給されるべき電流および電圧に対する要求を長時間にわたってより正当に評価するからである。
【００５１】
図３の線図３００は、線図２００に既に示した特性線ＫＭを示す。さらに線図３００は、部分負荷範囲で作動するモータ６０によって許可されるトルク‐回転数変化範囲に相当する面積部分２Ｆを示す。面積部分Ｆ２の形状および位置からわかるように、部分負荷範囲で作動するモータ６０によって、ゼロと、第１トルク限界値Ｍ１に比べて大きい正の第２トルク限界値Ｍ２との間にわたるトルク値範囲内にあるトルク値をとることができるトルクＭが供給可能である。同様に面積部分Ｆ２の形状および位置からわかるように、部分負荷範囲で作動するモータ６０は、回転数値がゼロと、第１回転数限界値Ｎ１に比べて大きい正の第２回転数限界値Ｎ２との間にわたる回転数値範囲内にある回転数Ｎによって作動可能である。
【００５２】
図３の線図３１０は、ＮＰＣインバータ５０によって、部分負荷範囲で作動するモータ６０に供給される三相交流電圧の相Ｕにおける電圧ＷＳの勾配ＫＷＳ２を時間ｔの関数として示している。
【００５３】
さらに、制御ユニットは、特に弱磁場範囲を含む残りの作動範囲において、モータ６０を作動するためのＮＰＣインバータ６０を第３機能モードで作動するように構成されている。
【００５４】
残りの作動範囲では、モータ６０によって供給されるべきトルクＭのトルク値、したがってモータ６０に供給されるべき電流は小から大であり、モータ６０を駆動することができる回転数Ｎの回転数値、したがってモータ６０に供給されるべき交流電圧は、中程度から大である。この作動範囲では、高出力セル３５および高エネルギーセル４５の直列回路は電気的に接続されている。なぜなら、この直列回路は、残りの作動範囲で作動するモータ６０に供給されるべき電流および電圧に対する要求をより正しく評価するからである。
【００５５】
図４の線図４００は、線図２００に既に示した特性線ＫＭを示す。さらに線図４００は、残りの作動範囲で作動するモータ６０によって許可されるトルク‐回転数変更範囲に相当する面積部分Ｆ３を示す。面積部分Ｆ３の形状および位置からわかるように、残りの作動範囲で作動するモータ６０によって、ゼロと最大トルク値Ｍｍとの間にわたるトルク値範囲にあるトルク値をとることができるトルクＭが供給可能である。同様に面積部分Ｆ３の形状および位置からわかるように、部分負荷範囲で作動するモータ６０は、回転数値が第１回転数限界値Ｎ１に比べて小さい正の第２回転数限界値Ｎ３と最大回転数値Ｎｍとの間にある回転数値範囲にある回転数Ｎによって作動可能である。
【００５６】
図４の線図４１０は、ＮＰＣインバータ５０によって、残りの作動範囲で作動するモータ６０に供給される三相交流電圧の相Ｕにおける電圧ＷＳの勾配ＫＷＳ３を時間ｔの関数として示している。
【００５７】
図５は、本発明の第２実施形態による電池システム１００を示す。電池システム１００は、この場合にもハイブリッド電池２０を含み、このハイブリッド電池は、高出力セルによって形成された第１エネルギー蓄積源３０および高エネルギーセルによって形成された第２エネルギー蓄積源４０を含む。図５では図面を簡略にするために、２つのエネルギー蓄積源３０および４０のみが示されており、この場合にそれぞれに形成された高出力セルもしくは高エネルギーセルは個々に示されていない。
【００５８】
本発明の第２実施形態による電池システム１００は本発明の第１実施形態による電池システムとは異なり、電池システム１００に配置されたＮＰＣインバータ１５０の半導体スイッチが、１２個のＩＧＢＴ  Ｔ１〜Ｔ１２として形成された１２個の第１半導体スイッチＴ１〜Ｔ１２の第１半導体スイッチグループ、および１２個のｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１〜Ｍ１２として形成された１２個の第２半導体スイッチＭ１〜Ｍ１２の半導体スイッチグループに配置されている。この場合、第１半導体スイッチＴ１〜Ｔ１２は、第１直流電圧範囲内にある直流電圧を切り換えるようにそれぞれ構成されており、第２半導体スイッチＭ１〜Ｍ１２は、第１直流電圧範囲とは異なる第２直流電圧範囲内にある直流電圧を切り換えるようにそれぞれ構成されている。第２半導体スイッチＭ１〜Ｍ１２は、本発明の第１実施形態により形成された電池システムのＮＰＣコンバータの１２個の半導体と同様の回路装置を備える。本発明の第２実施形態では、異なる半導体スイッチグループの半導体スイッチは異なる半導体技術に属する。
【００５９】
本発明の第２実施形態によれば、それぞれのｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１〜Ｍ１２には、それぞれ１つのＩＧＢＴ  Ｔ１〜Ｔ１２が割り当てられている。この場合、それぞれのＩＧＢＴ  Ｔ１〜Ｔ１２は、それぞれに割り当てられたｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１〜Ｍ１２に並列に接続されている。このために、それぞれのＩＧＢＴ  Ｔ１〜Ｔ１２はエミッタ端子およびコレクタ端子を含み、それぞれのＩＧＢＴ  Ｔ１〜Ｔ１２は、エミッタ端子を介して、割り当てられたｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ  Ｍ１〜Ｍ１２のソース端子に直接に接続されており、コレクタ端子を介してドレイン端子に直接に接続されている。それぞれのＩＧＢＴ  Ｔ１〜Ｔ１２のエミッタ端子は、それぞれのＩＧＢＴに割り当てられたフリーホイールダイオードの陽極に直接に接続されており、それぞれのＩＧＢＴ  Ｔ１〜Ｔ１２のコレクタ端子は、それぞれのＩＧＢＴに割り当てられたフリーホイールダイオードの陰極に直接に接続されている。図５では図面を簡略にするために、１２個のＩＧＢＴ  Ｔ１〜Ｔ１２に割り当てられたフリーホイールダイオードには符号を付していない。
【００６０】
本発明の第２実施形態においても、出力側でＮＰＣインバータ１５０にはモータ（図示しない）が接続されており、モータは、ＮＰＣインバータ１５０に出力側で印可される三相交流電圧によって作動される。
【００６１】
この場合にも電池システム１００は制御ユニット（図示しない）を含み、この制御ユニットは、ＮＰＣインバータ１５０の半導体スイッチＴ１〜Ｔ１２，Ｍ１〜Ｍ１２を制御することにより、本発明の第２実施形態においてもＮＰＣインバータ１５０を第１機能モード、第２機能モード、または第３機能モードで作動するように構成されている。この場合、ＮＰＣインバータ１５０は、第１機能モードでブースト範囲においてモータを作動し、第２機能モードで部分負荷範囲においてモータを作動し、第３機能範囲で残りの作動範囲においてモータを作動する。
【００６２】
制御ユニットは、それぞれの機能モードでインバータ１５０を作動するために、半導体スイッチがそれぞれ最新に切り換えられるべき直流電圧を切り換えるように設定されている半導体スイッチグループの半導体スイッチによって、入力側に印加された対応する直流電圧ＧＳ１，ＧＳ２，ＧＳ３を、それぞれ出力側に印可される交流電圧に変換するように構成されている。この場合、それぞれの機能モードでは、それぞれの半導体スイッチＴ１〜Ｔ１２，Ｍ１〜Ｍ１２によって切り換えられるべき直流電圧は、対応する機能モードで変換されるべき直流電圧ＧＳ１，ＧＳ２，ＧＳ３の最新の直流電圧値の関数である。
【００６３】
本発明の第２実施形態では、好ましくは、それぞれＩＧＢＴとして形成された第１半導体スイッチＴ１〜Ｔ１２は、高出力セルにより形成された第１エネルギー蓄積源３０から供給されＮＰＣインバータ１５０に入力側で印加された直流電圧ＧＳ１を、出力側に印可される交流電圧に変換する。同様に第２機能モードでは、好ましくはそれぞれｎチャンネルＭＯＳＦＥＴとして形成された第２半導体スイッチＭ１〜Ｍ１２は、高エネルギーセルにより形成された第２エネルギー蓄積源４０から供給されＮＰＣインバータ１５０に入力側で印加された直流電圧ＧＳ２を出力側に印可されたる交流電圧に変換する。さらに第３機能モードでは、好ましくは第１半導体スイッチＴ１〜Ｔ１２および／または第２半導体スイッチＭ１〜Ｍ１２は、第１エネルギー蓄積源３０および第２エネルギー蓄積源４０の直列回路から供給された直流電圧ＧＳ３を出力側に印可される交流電圧に変換する。
【００６４】
本発明では、ＮＰＣインバータ１５０に入力側で印加された直流電圧ＧＳ１，ＧＳ２，ＧＳ３は、それぞれ適切な中間回路を介して対応する中間回路電圧として供給される。この場合、ＮＰＣインバータ１５０に入力側で印加される直流電圧ＧＳ１およびＧＳ２は著しく異なっていてもよい。本発明の第２実施形態によれば、異なる中間回路電圧を変換するために、異なる半導体グループの半導体スイッチ、すなわち、それぞれ異なる半導体技術に属する半導体スイッチが使用され、この場合、ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴおよびＩＧＢＴに制限されておらず、半導体スイッチＭ１〜Ｍ１２およびＴ１〜Ｔ１２の特性、ハイブリッド電池２０の特性、および接続された電気機器、ここではモータ６０の特性に応じて、適宜な半導体スイッチＭ１〜Ｍ１２およびＴ１〜Ｔ１２を選択することができる。
【００６５】
上述の開示の他に、本発明をさらに開示するために補足的に図１〜図５の図面を参照されたい。
【図１】
0006405466.tif 000002
【図２】
0006405466.tif 000003
【図３】
0006405466.tif 000004
【図４】
0006405466.tif 000005
【図５】
0006405466.tif 000006