JP6382902B2 - バッテリシステム - Google Patents

Description

本発明は、損失のないスイッチングを本質的に可能にし、自動充電均等化を提供するバッテリシステムに関する。

電気自動車は通常、車両を動作させるために必要な電力を提供するバッテリを装備されている。この場合、バッテリは、複数のバッテリ要素またはバッテリセルから構成されることがあり、バッテリ要素またはバッテリセルはそれぞれ、対応するバッテリ要素電圧を提供する。複数のバッテリ要素から構成されるバッテリに関する１つの課題は、動作中のバッテリ要素の一様な電荷蓄積である。複雑な回路が、バッテリ要素の一様な電荷蓄積を可能にすることができる。

さらに、異なるバッテリタップ対の間の切換えは、回路設計での適切な予防策を必要とし、したがってコストのかかる重要なプロセスである。切換えはスイッチング損失を招き、切換え速度が限られているため、過電圧を逃がして切換え中の電流の流れを維持するスイッチング素子（例えば半導体）用の複雑な保護回路構成を必要とする。さらに、切換えプロセスは、電磁波の伝送による電磁両立性（ＥＭＣ）の問題に関する主因である。特に、絶縁ゲート電極バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）は、ゆっくりとしたスイッチオフ応答（テール電流と呼ばれる）を有し、複数のバッテリタップ対の間の切換え時に長いスイッチングギャップ（アイドル時間）を強いる。例えばモータインバータも含む自動車での典型的な高電圧回路において、スイッチング損失は、半導体での単なる抵抗損または線路損失を超える。

一次近似において、スイッチング損失は、２つの成分からなる。第１の成分は、切換え中の電流および電圧にほぼ比例する。さらに、数百ボルト（例えば４００Ｖまたは８００Ｖ）の高い電圧であるので、例えば半導体の接合キャパシタンスでの容量性の電荷反転効果は、電圧への二次依存性により、大きな有意性を持たなくなる可能性がある。スイッチング損失は、以下の式によって決定することができる。

（特許文献１）が、直列接続された複数の充電デバイスと、個々の充電デバイスの充電状態を一様化するためのデバイス（少なくとも１つのＤＣ／ＤＣ変圧器（ＤＣ／ＤＣコンバータ）を備える）とを有するエネルギー貯蔵システムを開示している。

（特許文献２）は、複数のバッテリセルを有するバッテリであって、各バッテリセルが、放電回路と、それぞれのバッテリセルに関する臨界制限電圧を下回ったときに放電スイッチを開くための補助回路とを含むバッテリを開示している。

（特許文献３）は、複数のバッテリセルを備える直列回路を有するバッテリを加熱するための方法であって、直列回路の最初と最後とが容量性蓄電素子を介して結合されている方法を開示している。

（特許文献４）は、複数のバッテリセルを有するバッテリ用のバッテリ制御装置であって、各バッテリセルが、コンデンサを有する電圧測定用の関連の回路を有するバッテリ制御装置を開示している。このバッテリ制御装置は、充電状態に応じて、個々のバッテリセルの間で切り換えることができる。

（特許文献５）は、複数のバッテリセルを有するバッテリ用のバッテリ管理システムであって、各バッテリセルが、充電用の装置を有し、充電状態に応じて充電または放電されるバッテリ管理システムを開示している。

（特許文献６）は、複数のバッテリセルを有するバッテリ用の放電制御装置であって、各バッテリセルが、放電回路と、電圧測定用の装置とを有する放電制御装置を開示している。さらに、異なるバッテリセルの間に、スイッチング装置および制御ユニットが存在する。

（特許文献７）は、バッテリシステム内のバッテリモジュール間の充電量の差を均等化するための方法を開示している。ここでは、バッテリシステムが放電されるとき、中間回路コンデンサにエネルギーが貯蔵され、そこから、低い充電状態を有するバッテリモジュールに供給される。

上記の式から分かるように、切換え時点での半導体での電流および電圧は、スイッチング損失を決定するのに重要である。これらの一方または両方が、スイッチング時点で、個々のスイッチング素子に関して無視できるほど小さい場合、スイッチング損失を効果的に減少させることができ、これにより、高いスイッチング速度でさえスイッチング損失を低く保つことができる。本発明が取り組む１つの目的は、少なくともスイッチング損失を減少させること、またはさらにはスイッチング損失を完全になくすことである。

独国特許出願公開第１０ ２０１１ ０７７ ６６４ Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１０ ２０１３ ００１ ４６６ Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１０ ２０１４ ０１２ ０６８ Ａ１号明細書 欧州特許出願公開第２ ５０６ ３９０ Ａ１号明細書 欧州特許出願公開第１ ９０１ ４１２ Ａ２号明細書 欧州特許出願公開第２ ０５３ ７１７ Ａ２号明細書 国際公開第２０１３ ０３７ ６３３ Ａ２号パンフレット

この目的は、特許請求項１によるバッテリシステム、および特許請求項１４による方法によって実現される。改良形態は、本明細書および従属請求項から明らかになろう。

以下、本発明の文脈で使用される用語「バッテリ」は、特にフィルムコンデンサ、電解コンデンサ、二重層コンデンサ、およびセラミックコンデンサを含めた、複数の一次電池、二次電池、および／またはコンデンサを網羅するものと理解されたい。

本発明によるバッテリシステムは、
−少なくとも１つの第１のバッテリ要素、少なくとも１つの第２のバッテリ要素、および上記少なくとも１つの第１のバッテリ要素と上記少なくとも１つの第２のバッテリ要素との間の中央タップを有するバッテリと、
−少なくとも１つの第１のバッテリ要素と少なくとも１つの第２のバッテリ要素との間で切り換えるための複数のスイッチング素子を有するパワー切換えスイッチと、
−バッテリに電気的に接続された少なくとも１対の出力端子とを備え、
中央タップに第１の容量性蓄電素子が配置され、容量性蓄電素子が、第１および／または第２のバッテリ要素によって提供される第１および／または第２のバッテリ要素電圧に従って適切な期間にわたって現れる蓄電電圧を有し、蓄電電圧が現れる期間中、蓄電電流が最大値から値ゼロに減少し、ここで、蓄電電流が本質的にゼロであり、かつ蓄電電圧が本質的に最大値に達した時点で、少なくとも１つの第１のバッテリ要素から少なくとも１つの第２のバッテリ要素に切り換える目的で、複数のスイッチング素子のうちの少なくとも１つの切換えを行うことができる。

本発明によるバッテリシステムの一実施形態では、スイッチング素子は、低周波切換えスイッチである。

本発明によるバッテリシステムの一実施形態では、少なくとも１対の出力端子のうちの少なくとも１つの出力端子が、少なくとも１つの第１のインダクタンスを有する。

本発明によるバッテリシステムのさらなる実施形態では、少なくとも１対の出力端子が、出力端子の間に配置された第２の容量性蓄電素子を有する。

本発明によるバッテリシステムのさらなる実施形態では、第２の容量性蓄電素子は、出力端子のそれぞれの少なくとも１つの第１のインダクタンスの上流または下流にそれぞれ配置される。

本発明によるバッテリシステムの一実施形態では、第２の容量性蓄電素子は、正極および負極を有する有極性コンデンサである。

本発明によるバッテリシステムのさらなる実施形態では、少なくとも１対の出力端子のうちの各出力端子が第２のインダクタンスを有し、第２の容量性蓄電素子が第１のインダクタンスと第２のインダクタンスとの間に配置される。

本発明によるバッテリシステムのさらなる実施形態では、第１の容量性蓄電素子に、蓄電電圧を測定するための電圧計が配置される。

本発明によるバッテリシステムの一実施形態では、閾値スイッチが、測定された蓄電電圧を受信し、閾値スイッチは、蓄電電圧が上限または下限切換え閾値に達するや否や複数の低周波切換えスイッチのうちの少なくとも１つの低周波切換えスイッチを切り換えるように、スイッチ制御装置に命令する。

本発明によるバッテリシステムのさらなる実施形態では、微分器が、測定された蓄電電圧の値を受信して処理し、処理された値を閾値スイッチに転送することができ、閾値スイッチは、処理された値が上限または下限切換え閾値に達するや否や複数の低周波切換えスイッチのうちの少なくとも１つの低周波切換えスイッチを切り換えるように、スイッチ制御装置に命令する。

本発明によるバッテリシステムのさらなる実施形態では、測定された蓄電電圧の値を微分器および組合せ論理回路に供給することができ、スイッチ制御装置が、現在の回路状態でのバッテリシステムのモードに関する第１のファクタを確認し、かつ切換え後の回路状態でのバッテリシステムのモードに関する第２のファクタを確認し、スイッチ制御装置は、バッテリシステムのモードのうち、確認されたファクタがより低い方のモードを設定するように、低周波切換えスイッチまたはパワー切換えスイッチに命令するように構成される。

本発明によるバッテリシステムの一実施形態では、スイッチ制御装置は、将来の特定の期間に関するコスト値を評価するように構成される。

本発明によるバッテリシステムのさらなる実施形態では、上記の期間は、将来における約１ミリ秒〜約５秒の間である。

さらに、バッテリシステム内の少なくとも１つのスイッチング素子を低損失または無損失で切り換えるための方法であって、バッテリシステムが、少なくとも１つの第１のバッテリ要素、少なくとも１つの第２のバッテリ要素、および中央タップとからなるバッテリと、少なくとも１つのスイッチング素子を有するパワー切換えスイッチと、バッテリに接続された少なくとも１対の出力端子とを備え、中央タップに容量性蓄電素子が割り当てられ、容量性蓄電素子が、第１および／または第２のバッテリ要素によって提供される電圧成分を使用して適切な期間にわたって蓄電電圧まで充電され、蓄電電圧が充電される期間中、蓄電電流が最大値から値ゼロに減少し、ここで、蓄電電流が本質的にゼロであり、かつ蓄電電圧が本質的に最大値に達した時点で、少なくとも１つの第１のバッテリ要素から少なくとも１つの第２のバッテリ要素に切り換える目的で、複数のスイッチング素子のうちの少なくとも１つの切換えが行われる方法が提案される。

本発明による方法の一実施形態では、使用されるスイッチング素子は、低周波切換えスイッチである。

本発明による方法のさらなる実施形態では、少なくとも１対の出力端子のうちの少なくとも１つの出力端子に少なくとも１つのインダクタンスを配置することによって、少なくとも１対の出力端子にほぼ一定の平滑な電圧が提供される。

本発明による方法のさらなる実施形態では、少なくとも１対の出力端子が、出力端子の間に配置された第２の容量性蓄電素子を有する。

本発明による方法の一実施形態では、第２の容量性蓄電素子は、それぞれの少なくとも１つの第１のインダクタンスの上流または下流にそれぞれ配置される。

本発明による方法のさらなる実施形態では、使用される第２の容量性蓄電素子は、正極および負極を有する有極性コンデンサである。

本発明による方法のさらなる実施形態では、少なくとも１つの出力端子に少なくとも１つの第２のインダクタンスが配置され、第２の容量性蓄電素子が第１のインダクタンスと第２のインダクタンスとの間に配置される。

本発明による方法の一実施形態では、第１の容量性蓄電素子に、蓄電電圧を測定するための電圧計が配置される。

本発明による方法のさらなる実施形態では、閾値スイッチが、測定された蓄電電圧を受信し、閾値スイッチが、蓄電電圧が上限または下限切換え閾値に達するや否や複数のスイッチング素子のうちの少なくとも１つのスイッチング素子を切り換えるように、スイッチ制御装置に命令する。

本発明による方法のさらなる実施形態では、微分器が、測定された蓄電電圧の値を受信して処理し、処理された値が閾値スイッチに転送され、閾値スイッチは、処理された値が上限または下限切換え閾値に達するや否や複数のスイッチング素子のうちの少なくとも１つのスイッチング素子を切り換えるように、スイッチ制御装置に命令する。

本発明による方法の一実施形態では、測定された蓄電電圧の値が微分器および組合せ論理回路に供給され、スイッチ制御装置が、現在の回路状態での本発明によるバッテリシステムの実施形態のモードに関するファクタを確認し、かつ切換え後の回路状態での本発明によるバッテリシステムの実施形態のモードに関するファクタを確認し、スイッチ制御装置は、本発明によるバッテリシステムの実施形態のモードのうち、確認されたファクタがより低い方のモードを設定するように、スイッチング素子またはパワー切換えスイッチに命令する。

本発明による方法のさらなる実施形態では、スイッチ制御装置は、将来の特定の期間に関するファクタを評価する。

本発明のさらなる利点および改良形態は、本明細書および添付図面から明らかになろう。

当然、上述した特徴および以下でさらに説明する特徴は、それぞれに示される組合せでのみならず、他の組合せでも、また単独でも、本発明の範囲から逸脱することなく使用することができる。

本発明は、いくつかの実施形態に基づいて図面に概略的に図示されており、図面を参照して概略的にかつ詳細に説明する。

本発明によるバッテリシステムの一実施形態に関する基本的な回路を示す図である。 図１の本発明によるバッテリシステムに関する例示的な回路状態を示す図である。 蓄電電流の時間プロファイルを表すグラフである。 図３ａの蓄電電流のプロファイルに従って蓄電電圧の時間プロファイルを表すグラフである。 図１の本発明によるバッテリシステムに関するさらなる例示的な回路状態を示す図である。 本発明によるバッテリシステムのさらなる実施形態を示す図である。 図５のバッテリシステムの拡張である本発明によるバッテリシステムのさらなる実施形態を示す図である。 図６のバッテリシステムの拡張である本発明によるバッテリシステムのさらなる実施形態を示す図である。 本発明によるバッテリシステムのさらなる実施形態を示す図である。 蓄電電圧の時間プロファイルに関するグラフである。 本発明によるバッテリシステムのさらなる実施形態を示す図である。 本発明によるバッテリシステムのさらなる実施形態を示す図である。

以下の詳細な説明は、本発明によるバッテリシステム、および本発明による方法のより詳細な説明である。

図１を参照して、本発明によるバッテリシステム１０のための基本的な回路を述べる。バッテリシステム１０は、バッテリ１２を有する。バッテリ１２は、第１のバッテリ要素１２−１と、第２のバッテリ要素１２−２とを有する。第１のバッテリ要素１２−１と、第２のバッテリ要素１２−２は、複数のバッテリ要素またはバッテリセルから構成されることがある。第１のバッテリ要素１２−１と第２のバッテリ要素１２−２との間に、中央タップ１４が配置されている。さらに、バッテリ１２は、第１のバッテリタップ１６−１と、第２のバッテリタップ１６−２とを有する。中央タップ１４は、関連の容量性蓄電素子１８を有する。図示される実施形態では、容量性蓄電素子１８はコンデンサである。中央タップ１４およびコンデンサ１８を有する電気的ブランチから、１つの電気接続が、第１のバッテリタップ１６−１を有する電気的ブランチに分岐し、１つの電気接続が、第２のバッテリタップ１６−２を有するブランチに分岐する。これらの電気接続それぞれが、２つの「放電ネットワーク」２０を有し、したがって、バッテリシステム１０内で合計で４つの放電ネットワーク２０が接続されている。各放電ネットワーク２０と並列に、それぞれのスイッチング素子２２Ａ〜２２Ｄが接続されている。スイッチング素子２２Ａ〜２２Ｄは、パワー切換えスイッチ２６を構成する。適切なスイッチング素子は、基本的には、任意のタイプの電気的または電子的スイッチング素子であり、特には半導体スイッチング素子である。

放電ネットワーク２０は、スイッチング素子２２Ａ〜２２Ｄのための保護回路構成となる。そのような保護回路構成について、文献で見られる他の表現は、放電回路またはスナバである。放電ネットワーク２０は、スイッチング素子２２Ａ〜２２Ｄが閉じられるおよび／または開かれるときに生じ得る電圧スパイクを防止する。適切な保護回路構成は、例えば、欧州特許出願公開第０ ５８４ ６２２ Ａ１号明細書、旧東独国特許出願第２９５ ４５０ Ａ５号明細書、独国特許出願公開第３２ ４７ ７０７ Ａ１号明細書、米国特許出願第２０１５／００３６２５３号明細書、または米国特許出願第２０１４／０３３４２０１号明細書から十分によく知られており、本発明の利点を得られるようにさらに改良されている。

さらに、バッテリシステム１０の基本的な回路は、４つの出力端子２４Ａ〜２４Ｄを有する。４つの出力端子２４Ａ〜２４Ｄは、通常は対を成す。出力端子２４Ａと２４Ｄが１対を成し、出力端子２４Ｂと２４Ｃが１対を成すことが企図される。スイッチング素子２２Ａ〜２２Ｄを使用して、動的に、または動的に交互に、出力端子２４Ａ〜２４Ｄをバッテリタップ１６−１、１６−２、１４に電気接続することができる。

電流が流入または流出することにより、容量性蓄電素子１８が充電され、電流をドライブする電圧差がゼロになり、その結果、電流も流れなくなるおよび／または整流する（すなわち極性を変える）。この時点で、最小の損失で切換えを行うことができる。例えば、バッテリ１２を充電するための充電プロセスの場合、ドライブ電圧差は、充電スタンドからの充電電圧である。バッテリ１２が放電されるときには、例えば、バッテリ要素電圧と容量性蓄電素子１８の電圧との和としての実効電圧である。

したがって、基本的な回路は、各スイッチ状態で電流がしばらく流れなくなる（もしくは整流する）こと、または１つもしくは複数のスイッチング素子の両端間の電圧が低下してゼロになることを保証する。したがって、切換え時間中、切り替えるべき少なくともいくつかのスイッチング素子の両端間の電流および／または電圧が最小またはさらにはゼロである場合、スイッチング損失を減少させる、またはなくすことができる。そのようなスイッチング応答は通常、ゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ−すなわち、電圧がゼロであるか、もしくはゼロに近い）、またはゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ−すなわち、電流がゼロであるか、もしくはゼロに近い）と呼ばれる。図示される実施形態では、本発明は、スイッチング素子が、ゼロに近い電流および／または電圧の絶対値、特にそれぞれの定格値の５分の１未満、好ましくはそれぞれの定格値の５０分の１未満の電流および／または電圧の絶対値で切り換えられることを企図する。

図２は、スイッチング素子２２Ａおよび２２Ｃが作動されている、すなわち閉じられている、バッテリシステム１０の例示的なスイッチング状態を示す。スイッチング素子２２Ｂおよび２２Ｄは作動停止されており、すなわち開いている。それに従って、出力端子２４Ｂおよび２４Ｃを有する出力端子対は、バッテリ要素１２−１によって提供される電圧成分のより低い電圧に接続される。この場合、容量性蓄電素子１８（この場合にはコンデンサ）は、任意の電流の流れで充電または放電される。コンデンサ１８の電流および電圧の時間プロファイルが図３ａおよび図３ｂに示されており、区域Ａは、充電されていないコンデンサ１８に関する初期範囲を示し、区域Ｂは、定常状態範囲を示す。図示される回路状態では、バッテリ１２から電力が引き出され、コンデンサ１８が充電され、その結果、スイッチング素子２２Ｂおよび２２Ｃの共通の回路ノードでの電圧は、矢印３０によって示されるようにバッテリ１２の方向で上昇する。しかし、これは、矢印２８によって示されるように、開いているスイッチ２２Ｂの両端間の電圧が低下すること、およびバッテリタップ１４、１６−１での電圧Ｖがゼロに低下することを意味する。電圧Ｖが低下することで、電流Ｉも低下する。切換えが行われない場合、電流Ｉは完全に流れなくなる。

バッテリタップ１４、１６−１での電圧がほぼ０ボルトまたは０ボルト付近に達すると、無視できる電流しか流れない。しかし、それと同時に、コンデンサ１８は、ほぼ正確にバッテリ要素１２−１の電圧に充電される。コンデンサ１８が充電される時間の長さは、引き出される電流、およびコンデンサ１８のキャパシタンスに依存する。この状態で、すなわち開いているスイッチ２２Ｂの両端間の電圧がゼロに近い状態で、バッテリ要素１２−２への切換えが行われる場合、バッテリ要素１２−２からの対応する電圧およびコンデンサ１８からの電圧が、最初は１対の出力端子２４Ｂ、２４Ｃに印加され、コンデンサ１８の電圧は、最初はバッテリ要素１２−１の電圧に対応する。その結果、２つのバッテリ要素１２−１、１２−２を有するバッテリ１２に関する切換えの場合、１対の出力端子２４Ｂ、２４Ｃでの「開始値」が、バッテリ１２によって提供することができる全圧となる。出力端子２４Ｂ、２４Ｃを有する出力端子対をバッテリ要素１２−２に接続するために、スイッチング素子２２Ａおよび２２Ｃは開いている必要があり、スイッチング素子２２Ｂおよび２２Ｄは閉じられている必要がある。

しかし、新たなスイッチング状態で、コンデンサ１８はその電荷を反転され、その結果、図３ｂで見ることができるように、まず電圧が低下し、逆の極性についてコンデンサ１８を再び充電する。図３ｂでは、横座標１７での時間に対して、縦座標１３に電圧のプロファイルがプロットされている。これは、コンデンサ１８での電流が流れなくなるまで行われる（図３ａ参照）。図３ａでは、横座標１１での時間に対して、縦座標１５に電流のプロファイルがプロットされている。図３ａで電流の絶対値が考慮される場合、プロファイルは、１対の出力端子２４Ｂ、２４Ｃでの電流、および１対の出力端子２４Ｂ、２４Ｃでの電圧に対応する。

図４は、バッテリシステム１０の基本的な回路に関するさらなる回路状態を示す。図示される回路状態の場合、スイッチング素子２２Ａおよび２２Ｄが作動されており、すなわち閉じられており、スイッチング素子２２Ｂおよび２２Ｃは作動停止されており、すなわち開いている。この回路状態では、１対の出力端子２４Ｂ、２４Ｃは、バッテリ要素１２−１、１２−２からの電圧成分に接続することができるだけでなく、バッテリ１２からの全電圧に接続することもできる。この場合、破線３２−１および３２−２が電流経路を表し、全バッテリ電圧を提供するためのバッテリタップ１６−１および１６−２への出力端子２４Ｂ、２４Ｃの電気接続を示す。

電流が小さい、またはさらには流れていないときのスイッチング素子２２Ａ〜２２Ｄの切換えに加え（これによりスイッチング損失をほぼ任意に減少させることができる）、バッテリ１２の容量結合により、バッテリ要素１２−１、１２−２は、複雑な充電ベースの調整の必要なく、自動的に一様に電荷蓄積される。さらに、十分に高いスイッチング速度で、非常に小さく安価なコンデンサを容量性蓄電素子１８として使用することができる。さらに、高いスイッチング速度は、バッテリ管理システムが、バッテリ要素１２−１、１２−２に対する比較的長時間の一様でない電荷蓄積を検出せず、適切な対策を開始するという利点を有する。第１に、高いスイッチング速度は、引き出されるまたは蓄積されるそれぞれの電荷が非常に小さいことを意味し、第２に、バッテリ要素１２−１、１２−２の一様でない充電または放電の期間が短く、場合によっては典型的なバッテリ管理システムの平均測定フィルタ未満でさえあり得ることを意味する。特に、通常はスイッチオフに対するロングテール電流または逆回復効果をもたらす半導体スイッチング素子（例えばＩＧＢＴ）の場合、切換えプロセス中の小さな電流が、高速であり低損失の切換えを提供する。これは、通常であればこれらの構成要素によって可能でない。さらに、電流が流れなくなることで、サイリスタ／ＳＣＲまたはトライアックなど、スイッチング素子２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄとしての半導体の使用が可能になる。そのようなスイッチング素子は、電子的にオフに切り替えることはできず、スイッチオフのための電流整流手段を必要とする。

バッテリ１２は分割、すなわち量子化されているが、本発明によるバッテリシステム１０を使用して、出力端子２４Ａ〜２４Ｄの対で、２つのバッテリ要素１２−１、１２−２の和よりも小さい任意の電圧を生成することができる。コンデンサ１８に関する充電曲線（これは、現在のバッテリ要素と前のバッテリ要素との電圧の和からゼロに進む）は、この曲線上の特定の位置での適切な切換えによって、時間平均で別の電圧を生成することができることを意味する。この目的で必要とされる調整は、出力での単なる電圧調整に対応し、したがって非常に安価である。電流測定は必要とされない。しかし、バッテリ要素１２−１、１２−２によって提供される電圧を生成することがやはり最も単純である。

上記のバッテリシステム１０は、任意の数のバッテリ要素（ここでも、それぞれの中央タップを介して異なる大きさの電圧成分を提供することができる）および任意の数の出力端子対に関して使用することができる。そのような拡張したバッテリシステムの場合でさえ、容量結合は、バッテリ要素の自動的な一様な電荷蓄積を提供する。

図５は、バッテリシステム１０を拡張したバッテリシステム５０を示し、このバッテリシステム５０は、一様な出力電圧を生成するために、出力端子２４Ａ〜２４Ｄから交流電圧をデカップリングする。このために、バッテリシステム５０は、出力端子２４Ｂおよび２４Ｃにそれぞれのインダクタンス３４をさらに有する。一様な出力電圧を生成するには、出力端子２４Ｂか２４Ｃのどちらかにインダクタンス３４があれば十分であるが、各出力端子２４Ｂ、２４Ｃにそれぞれのインダクタンス３４を有する対称的な設計がより有利である。バッテリシステム５０は、有利には、１対の出力端子２４Ｂ、２４Ｃから電圧変動をデカップリングするために使用され、これは、１対の出力端子２４Ｂ、２４Ｃ、したがってそこに接続される負荷（またはバッテリを充電するための充電スタンド）での平滑なほぼ一定の電圧を提供する。バッテリシステム５０での適切な電流調整によって、１対の出力端子２４Ｂ、２４Ｃで一定の電流が利用可能になる。状況によっては、インダクタンス３４をコンデンサ１８と共に使用して発振器を形成することができ、この発振器は、負荷電流から独立して切換え期間を設定することを可能にする。

図６は、図５のバッテリシステム５０を拡張したバッテリシステム６０を示す。出力端子２４Ｂ、２４Ｃの間に接続された追加のコンデンサ３６を使用して、電圧変動をさらに均すことができる。基本的には、図６でのコンデンサ３６は、インダクタンス２４の左に配置することもできるが、これは、高い突発的な電圧変化（図３ａおよび３ｂ参照）が生じた場合には、各切換えプロセス毎に、コンデンサ３６でのよりゆっくりとした均等化電流をもたらす。さらに、ここで生じる高い電流ピークが、スイッチング素子２２Ａ〜２２Ｄに大きいストレスをかけることがある。コンデンサ３６を分極する（すなわち、例えば、コンデンサ３６のアノードが負極となり、コンデンサ３６のカソードが正極となる）ことが可能であることが企図される。キャパシタンス３６とインダクタンス３４との組合せは、整流およびスイッチングダイナミクスをより正確に設定できるようにする。この場合、現在活動中の端子対２４Ｂ、２４Ｃのインダクタンス３４と現在活動中のバッテリタップ（３つ以上のバッテリ要素１２−１、１２−２の場合）のキャパシタンス１８とが直列共鳴回路を形成し、直列共鳴回路の半周期が切換え速度を決定し、さらに、直列共鳴回路は、出力端子２４Ａ〜２４Ｄでの比較的平滑な電流および／または電圧プロファイルを生み出す。

図７は、図６のバッテリシステム６０を拡張したバッテリシステム７０を示す。バッテリシステム７０は、出力端子２４Ｂおよび２４Ｃそれぞれに第２のインダクタンス３５をさらに有する。これは、２つのインダクタンス３４、３５と１つのキャパシタンス３６とを有するいわゆるＬＣＬ構造を形成する。ただ１つの第２のインダクタンス３５が出力端子２４Ｂか２４Ｃのどちらかに配置されてもよい。しかし、各出力端子２４Ｂおよび２４Ｃにある２つの第２のインダクタンス３５を有する対称的な設計が有利である。インダクタンス３４、３５は、一様な電流の流れを提供する。

純粋には抵抗性でなく、出力端子２４Ａ〜２４Ｄに接続されている負荷、特に蓄電能力を有する負荷（例えばインダクタンス／キャパシタンス）に関して、電流のゼロ交差と電圧のゼロ交差とは、必ずしも同時には生じない。損失を減少させるために、制御装置は、好ましくは、電流ゼロ交差または電圧ゼロ交差の２つの時点の一方を切換えプロセスに使用することができる。関連のスイッチング素子２２Ａ〜２２Ｄの１つまたは複数を通るごく小さい電流および／または電圧での切換えも、効率をかなり高める。ここで、用語「小さい電流」または「小さい電圧」は、定格電流または定格電圧よりも小さい電流または電圧を意味する。定格電流または電圧は、回路での本発明によるＺＣＳまたはＺＶＳ機能を備えないシステムで生じる電流または電圧である。本発明は、それぞれのスイッチング素子の両端間の電流および／または電圧の絶対値がゼロに近いとき、すなわち絶対値が定格値の５分の１未満、好ましくは定格値の５０分の１未満であるときにスイッチングプロセスが行われることを企図する。

したがって、図８ａは、電圧調整機能を有するバッテリシステム８０を示す。このために、図１の本発明によるバッテリシステム１０が、電圧計３８、閾値スイッチ４０、およびスイッチ制御装置４２を備えるように拡張されて、バッテリシステム８０を成している。この場合、電圧計３８は、コンデンサ１８にわたって存在するコンデンサ電圧の値を測定する。コンデンサ電圧の測定値は、閾値スイッチ４０に転送され、閾値スイッチ４０がその値を受信する。閾値スイッチ４０は、図８ｂに示されるように、コンデンサ電圧が上限切換え閾値４３または下限切換え閾値４４に達するときに切換え信号をスイッチ制御装置４２に送信するように設計される。図８ｂは、上限切換え閾値４３と下限切換え閾値４４との間のコンデンサ電圧（縦座標１３）の時間プロファイルを示す。切換え信号は、スイッチング素子２２Ａ〜２２Ｄを適宜切り替えて、異なるバッテリ要素１２−１、１２−２に切り換える必要性をスイッチ制御装置４２に示す。この場合、上限切換え閾値４３と下限切換え閾値４４との間の公差帯域４５が存在し、この公差帯域４５は、例えば、関連のバッテリ要素１２−１、１２−２によって提供される電圧成分の直ぐ下である。

バッテリシステム８０に関する図８に示される実施形態を使用して、電圧を用いて切換えを調整することができる。図９は、調整器を有するバッテリシステム９０を示し、調整器は、電流の流れが小さいまたは流れていない場合に、特定の切換えを可能にする。このために、バッテリシステム９０は追加の微分器４６を有し、この微分器４６は、ここで、閾値スイッチ４０の代わりに、電圧計３８からのコンデンサ電圧の測定値を受信する。コンデンサ１８を通る電流の流れは電圧の時間微分に比例するので、微分器４６は、コンデンサを通って流れる電流の値を提供する。次いで、この値が閾値スイッチ４０によって受信され、閾値スイッチ４０はさらに、電流の流れが小さいまたは流れていない場合、すなわち電流の流れがゼロに近い場合に、スイッチング素子２２Ａ〜２２Ｄを切り替えて、それに対応して異なるバッテリ要素１２−１、１２−２への切換えを促すように、スイッチ制御装置４２に命令する。スイッチング素子のスイッチングプロセスが、電流の定格値の５分の１未満、しかし特に５０分の１未満の電流の絶対値に関して行われることが企図される。

図１０は、バッテリシステム１００を示し、バッテリシステム１００は、いわば、図８のバッテリシステム８０と、図９のバッテリシステム９０との組合せである。電圧計３８によって測定されるコンデンサ電圧の値は、微分器４６および組合せ論理回路４８によって受信される。微分器４６によって提供される電流の値は、この場合、好ましくはゼロに近い低い電流でのみ切り換えるためのストッパ手段として使用される。この場合、切換えは、低い電流の場合に高い切換え速度で行うこともできる。

高い電流での切換えが電流損失を生み出し、熱としてエネルギー損失が生じることをここで再度指摘しておく。どちらの損失もコストを生じる。バッテリ１２の充放電および／または電荷蓄積の不平衡も、例えば平衡（バランス）を生み出すためのバッテリ要素１２−１、１２−２の特定の放電により、コストを生じる。スイッチ制御装置４２は、どの変形形態がより安価であるか、すなわちより低いコストを生じるかを示すファクタを計算するように設計される。したがって、ファクタは、異なるバッテリ要素１２−１、１２−２への切換えが、現在の回路状態に引き続き留まるよりも低いコストを生じるかどうか、または現在の回路状態が、異なるバッテリ要素１２−１、１２−２への切換えよりも低いコストを生じるかどうかを示す。スイッチ制御装置４２は、コスト面での利点が達成される場合に切換えを促す。

このファクタは、予測的なものとして設計されてよく、すなわち、計算されるファクタは、将来の特定の時間範囲について評価される。この時間範囲は、数ミリ秒〜数秒でよい。この場合、将来についての評価は、バッテリ１２が充電モードであるときには、ほぼ一定の電流に基づき、出力端子２４Ａ〜２４Ｄに接続された動的負荷によってバッテリ１２から電力が引き出されているときには、負荷の平均出力に基づく。

上記の本発明によるバッテリシステム１０、５０、６０、７０、８０、９０、１００は、整流が自動スイッチオフを引き起こすので、能動的にオフに切り替えることができないが高い電力密度および低い損失を可能にする半導体の使用を可能にする。そのような半導体素子の例は、サイリスタやトライアックなどである。

切換えプロセス前にゆっくりと減少する電流および／または電圧により、切換えプロセス中には大きな電流および／または電圧過渡が存在しない。そのような大きな電流および／または電圧過渡は、電磁波の容量または誘導放出を引き起こすことがある。この場合、電磁両立性または電磁干渉が問題となる。一方、ＺＣＳ／ＺＶＳ回路の良く定義された、よりゆっくりとしたダイナミクスは、小さな時間微分により、何桁も低く設計することができるスイッチオフ応答を定義する。

また、電流および／または電圧がほぼない状態でのパワースイッチの切換えは、切換え中に半導体スイッチング素子が破壊されないように保護回路構成によって大きな電流の流れを維持する必要がないことを意味し、および／または、切換え時点での低電圧により、半導体スイッチング素子の最大オフ状態電圧からの間隔が十分に大きく、したがって状況の危険性が大幅に減少されることを意味する。

スイッチング素子の切換え時点における低電流および／または電圧での切換えは、１よりも大きい係数でスイッチング損失を効果的に減少させ、無視できるほど低いスイッチング損失で高い切換え速度を可能にする。スイッチング損失のない応答に対するバッテリタップ１４の容量結合により、容量性蓄電素子１８は、個々のバッテリタップ１４、１６−１、１６−２での電荷引込みのほぼ完全な均等化を行う。特に、時間と共に大きく変動する負荷電流で、充電均等化が行われる。

１０、５０、６０、７０、８０、９０、１００ バッテリシステム
１２ バッテリ
１２−１ 第１のバッテリ要素
１２−２ 第２のバッテリ要素
１４ 中央タップ
１８ 第１の容量性蓄電素子
２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ スイッチング素子
２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄ 出力端子
２６ パワー切換えスイッチ
３４ 第１のインダクタンス
３５ 第２のインダクタンス
３６ 第２の容量性蓄電素子
３８ 電圧計
４０ 閾値スイッチ
４２ スイッチ制御装置
４３、４４ 上限または下限切換え閾値
４６ 微分器
４８ 組合せ論理回路

Claims (23)

1. 少なくとも１つの第１のバッテリ要素（１２−１）、少なくとも１つの第２のバッテリ要素（１２−２）、および前記少なくとも１つの第１のバッテリ要素（１２−１）と前記少なくとも１つの第２のバッテリ要素（１２−２）との間の中央タップ（１４）を有するバッテリ（１２）と、
   前記第１のバッテリ要素（１２−１）及び／又は前記第２のバッテリ要素（１２−２）に電気的に接続された少なくとも１対の出力端子（２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄ）と、
   前記１対の出力端子（２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄ）に対して接続される前記バッテリ要素（１２−１、１２−２）の切り替えを、前記第１のバッテリ要素（１２−１）、前記第２のバッテリ要素（１２−１）及び直列接続された第１のバッテリ要素（１２−１）と第２のバッテリ要素（１２−１）の３つから択一的に行う、複数のスイッチング素子（２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ）を有するパワー切換えスイッチ（２６）と
   を備えるバッテリシステム（１０、５０、６０、７０、８０、９０、１００）であって、
   前記中央タップ（１４）は前記スイッチング素子（２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ）を介して前記出力端子（２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄ）に接続されていると共に、前記中央タップ（１４）に第１の容量性蓄電素子（１８）が配置され、前記第１の容量性蓄電素子（１８）が、前記第１および／または第２のバッテリ要素（１２−１、１２−２）によって提供される第１および／または第２のバッテリ要素電圧に従って現れる蓄電電圧を有し、前記蓄電電圧が現れる期間中、蓄電電流が最大値から値ゼロに減少し、ここで、前記蓄電電流が本質的にゼロであり、かつ前記蓄電電圧が本質的に最大値に達した時点で、前記バッテリ要素（１２−１、１２−２）の切り換えを行う目的で、前記複数のスイッチング素子（２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ）のうちの少なくとも１つの切換えを行うことができる
   バッテリシステム（１０、５０、６０、７０、８０、９０、１００）。
2. 前記少なくとも１対の出力端子のうちの少なくとも１つの出力端子（２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄ）が、少なくとも１つの第１のインダクタンス（３４）を有する請求項１に記載のバッテリシステム（１０、５０、６０、７０、８０、９０、１００）。
3. 前記少なくとも１対の出力端子の間に第２の容量性蓄電素子（３６）が配置された請求項１または２に記載のバッテリシステム（１０、５０、６０、７０、８０、９０、１００）。
4. 前記第２の容量性蓄電素子（３６）が、前記出力端子のそれぞれの少なくとも１つの第１のインダクタンス（３４）の上流または下流にそれぞれ配置された請求項２または３に記載のバッテリシステム（１０、５０、６０、７０、８０、９０、１００）。
5. 前記第２の容量性蓄電素子（３６）が、正極および負極を有する有極性コンデンサである請求項３または４に記載のバッテリシステム（１０、５０、６０、７０、８０、９０、１００）。
6. 前記少なくとも１対の出力端子のうちの各出力端子（２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄ）が、第２のインダクタンス（３５）を有し、前記第２の容量性蓄電素子（３６）が、前記第１のインダクタンス（３４）と前記第２のインダクタンス（３５）との間に配置された請求項３〜５のいずれか一項に記載のバッテリシステム（１０、５０、６０、７０、８０、９０、１００）。
7. 前記第１の容量性蓄電素子（１８）に、蓄電電圧を測定するための電圧計（３８）が配置された請求項１〜６のいずれか一項に記載のバッテリシステム（１０、５０、６０、７０、８０、９０、１００）。
8. 閾値スイッチ（４０）が、前記測定された蓄電電圧を受信するように設計され、前記閾値スイッチ（４０）が、前記蓄電電圧が上限または下限切換え閾値（４３、４４）に達するや否や前記複数のスイッチング素子（２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ）のうちの少なくとも１つのスイッチング素子（２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ）を切り替えるように、スイッチ制御装置（４２）に命令する請求項７に記載のバッテリシステム（１０、５０、６０、７０、８０、９０、１００）。
9. 微分器（４６）が、前記測定された蓄電電圧の値を受信して処理するように設計され、前記処理された値を閾値スイッチ（４０）に転送することができ、前記閾値スイッチ（４０）が、前記処理された値が上限または下限切換え閾値（４３、４４）に達するや否や前記複数のスイッチング素子（２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ）のうちの少なくとも１つのスイッチング素子（２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ）を切り替えるように、スイッチ制御装置（４２）に命令するように設計された請求項７に記載のバッテリシステム（１０、５０、６０、７０、８０、９０、１００）。
10. 前記測定された蓄電電圧の前記値を微分器（４６）および組合せ論理回路（４８）に供給することができ、スイッチ制御装置（４２）が、現在の回路状態での前記バッテリシステム（１０、５０、６０、７０、８０、９０、１００）のモードに関するファクタを確認し、かつ切換え後の回路状態での前記バッテリシステム（１０、５０、６０、７０、８０、９０、１００）のモードに関するファクタを確認するように設計され、前記スイッチ制御装置（４２）が、前記バッテリシステム（１０、５０、６０、７０、８０、９０、１００）の前記モードのうち、前記確認されたファクタがより低い方のモードを設定するように、前記スイッチング素子（２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ）または前記パワー切換えスイッチ（２６）に命令するように構成された請求項７に記載のバッテリシステム（１０、５０、６０、７０、８０、９０、１００）。
11. 前記スイッチ制御装置（４２）が、将来の特定の期間に関する前記ファクタを評価するように構成された請求項１０に記載のバッテリシステム（１０、５０、６０、７０、８０、９０、１００）。
12. 前記期間が、将来の約１ミリ秒〜約５秒の間である請求項１１に記載のバッテリシステム（１０、５０、６０、７０、８０、９０、１００）。
13. バッテリシステム（１０、５０、６０、７０、８０、９０、１００）内の少なくとも１つのスイッチング素子（２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ）を低損失または無損失で切り換えるための方法であって、
    前記バッテリシステム（１０、５０、６０、７０、８０、９０、１００）が、少なくとも１つの第１のバッテリ要素（１２−１）、少なくとも１つの第２のバッテリ要素（１２−２）、および中央タップ（１４）とからなるバッテリ（１２）と、
    前記第１のバッテリ要素（１２−１）及び／又は前記第２のバッテリ要素（１２−２）に電気的に接続された少なくとも１対の出力端子（２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄ）と、
    前記１対の出力端子（２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄ）に対して接続される前記バッテリ要素（１２−１、１２−２）の切り替えを、前記第１のバッテリ要素（１２−１）、前記第２のバッテリ要素（１２−１）及び直列接続された第１のバッテリ要素（１２−１）と第２のバッテリ要素（１２−１）の３つから択一的に行う、前記少なくとも１つのスイッチング素子（２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ）を有するパワー切換えスイッチ（２６）とを備え、
    前記中央タップ（１４）は前記スイッチング素子（２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ）を介して前記出力端子（２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄ）に接続されていると共に、前記中央タップ（１４）に第１の容量性蓄電素子（１８）が割り当てられ、前記第１の容量性蓄電素子（１８）が、前記第１および／または第２のバッテリ要素（１２−１、１２−２）によって提供される電圧成分を使用して蓄電電圧まで充電され、前記蓄電電圧が充電される期間中、蓄電電流が最大値から値ゼロに減少し、ここで、前記蓄電電流が本質的にゼロであり、かつ前記蓄電電圧が本質的に最大値に達した時点で、前記バッテリ要素（１２−１、１２−２）の切り換えを行う目的で、前記複数のスイッチング素子（２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ）のうちの少なくとも１つの切換えが行われる方法。
14. 前記少なくとも１対の出力端子のうちの少なくとも１つの出力端子（２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄ）に少なくとも１つのインダクタンス（３４）を配置することによって、前記少なくとも１対の出力端子（２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄ）にほぼ一定の平滑な電圧が提供される請求項１３に記載の方法。
15. 前記少なくとも１対の出力端子の間に第２の容量性蓄電素子（３６）が配置された請求項１３または１４に記載の方法。
16. 前記第２の容量性蓄電素子（３６）が、それぞれの少なくとも１つの第１のインダクタンスの上流または下流にそれぞれ配置された請求項１４または１５に記載の方法。
17. 使用される前記第２の容量性蓄電素子（３６）が、正極および負極を有する有極性コンデンサである請求項１５または１６に記載の方法。
18. 少なくとも１つの出力端子（２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄ）に、少なくとも１つの第２のインダクタンス（３５）が配置され、前記第２の容量性蓄電素子（３６）が、前記第１のインダクタンス（３４）と前記第２のインダクタンス（３５）との間に配置された請求項１５〜１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 前記第１の容量性蓄電素子（１８）に、蓄電電圧を測定するための電圧計（３８）が配置された請求項１３〜１８のいずれか一項に記載の方法。
20. 閾値スイッチ（４０）が、前記測定された蓄電電圧を受信し、前記閾値スイッチ（４０）が、前記蓄電電圧が上限または下限切換え閾値（４３、４４）に達するや否や前記複数のスイッチング素子（２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ）のうちの少なくとも１つのスイッチング素子（２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ）を切り換えるように、スイッチ制御装置（４２）に命令する請求項１９に記載の方法。
21. 微分器（４６）が、前記測定された蓄電電圧の値を受信して処理し、前記処理された値が閾値スイッチ（４０）に転送され、前記閾値スイッチ（４０）が、前記処理された値が上限または下限切換え閾値（４３、４４）に達するや否や前記複数のスイッチング素子（２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ）のうちの少なくとも１つのスイッチング素子（２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ）を切り換えるように、スイッチ制御装置（４２）に命令する請求項１９に記載の方法。
22. 前記測定された蓄電電圧の前記値が微分器（４６）および組合せ論理回路（４８）に供給され、スイッチ制御装置（４２）が、現在の回路状態での請求項１〜１３のいずれか一項に記載のバッテリシステム（１０、５０、６０、７０、８０、９０、１００）のモードに関するファクタを確認し、かつ切換え後の回路状態での請求項１〜１３のいずれか一項に記載のバッテリシステム（１０、５０、６０、７０、８０、９０、１００）のモードに関するファクタを確認し、前記スイッチ制御装置（４２）が、前記バッテリシステム（１０、５０、６０、７０、８０、９０、１００）の前記モードのうち、前記確認されたファクタがより低い方のモードを設定するように、前記スイッチング素子（２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ）または前記パワー切換えスイッチ（２６）に命令する請求項１９に記載の方法。
23. 前記スイッチ制御装置（４２）が、将来の特定の期間に関するファクタを評価する請求項２２に記載の方法。

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