特許 5798252 バッテリのバッテリセルの充電状態を平衡化する方法、及び、本方法を実施するためのバッテリ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5798252

(24)【登録日】2015年8月28日

(45)【発行日】2015年10月21日

(54)【発明の名称】バッテリのバッテリセルの充電状態を平衡化する方法、及び、本方法を実施するためのバッテリ

(51)【国際特許分類】

   H02J 7/02 20060101AFI20151001BHJP

【ＦＩ】

   H02J7/02 H

【請求項の数】12

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2014-530144(P2014-530144)

(86)(22)【出願日】2012年8月28日

(65)【公表番号】特表2014-531888(P2014-531888A)

(43)【公表日】2014年11月27日

(86)【国際出願番号】EP2012066659

(87)【国際公開番号】WO2013041330

(87)【国際公開日】20130328

【審査請求日】2014年3月18日

(31)【優先権主張番号】102011082973.3

(32)【優先日】2011年9月19日

(33)【優先権主張国】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】501125231

【氏名又は名称】ローベルト ボッシュ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング

(73)【特許権者】

【識別番号】590002817

【氏名又は名称】三星エスディアイ株式会社

【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ ＳＤＩ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．

(74)【代理人】

【識別番号】110000981

【氏名又は名称】アイ・ピー・ディー国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】シュミット、ラルフ

(72)【発明者】

【氏名】ブッツマン、シュテファン

(72)【発明者】

【氏名】フィンク、ホルガー

【審査官】 馬場 慎

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−２４４６８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 J. F. REYNAUD，ACTIVE BALANCING CIRCUIT FOR ADVANCED LITHIUM-ION BATTERIES USED IN PHOTOVOLTAIC APPLICATION，INTERNATIONAL CONFERENCE ON RENEWABLE ENERGIES AND POWER QUALITY [ONLINE]，２０１０年 ４月１３日，P1-6，ＵＲＬ，http://www.icrepq.com/icrepq'11/682-reynaud.pdf

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｊ ７／００ − ７／１２

Ｈ０２Ｊ ７／３４ − ７／３６

Ｂ６０Ｌ １／００ − ３／１２

Ｂ６０Ｌ ７／００ − １３／００

Ｂ６０Ｌ １５／００ − １５／４２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

直列接続された複数のバッテリモジュール（４０−１、・・・、４０−ｎ）を有する少なくとも１つのバッテリモジュール線（５０）を備えるバッテリ（１０）のバッテリセルの充電状態を平衡化する方法であって、
各バッテリモジュール（４０−１、４０−２）は、
少なくとも１つのバッテリセル（４１）と、
少なくとも１つの結合ユニット（３０、７０）と、
第１の端子（４２）と、
第２の端子（４３）と、
を有し、前記結合ユニット（３０、７０）の制御に従って、少なくとも２つの接続状態のうちの１つの状態を取るよう構成され、様々な接続状態は、前記バッテリモジュール（４０−１、４０−２）の前記第１の端子（４２）と前記第２の端子（４３）との間の様々な電圧値に対応する、前記方法において、
前記方法は、
ｉ．前記バッテリモジュール線（５０）の前記バッテリモジュール（４０−１、４０−２）の適切な制御によって、前記バッテリモジュール線（５０）の第１の出力電圧（＋Ｕ_１）を提供し、第１の時間間隔の間に、インダクタ（Ｌ）に前記第１の出力電圧（＋Ｕ_１）を印加する工程であって、その結果前記インダクタ（Ｌ）を流れる電流が増大する、前記第１の出力電圧（＋Ｕ_１）を提供し印加する工程と、
ｉｉ．前記バッテリモジュール線（５０）の前記バッテリモジュール（４０−１、４０−２）の適切な制御によって、前記バッテリモジュール線（５０）の第２の出力電圧（−Ｕ_２）を提供し、第２の時間間隔の間に、前記インダクタ（Ｌ）に前記第２の出力電圧（−Ｕ_２）を印加する工程であって、前記第２の出力電圧（−Ｕ_２）は、前記第１の出力電圧（＋Ｕ_１）とは反対の極性を有し、前記第２の出力電圧（−Ｕ_２）の前記提供には、前記第１の出力電圧（＋Ｕ_１）の提供に関与するのと同じのバッテリモジュール（４０−１、４０−２）のみが関与するわけではない、前記第２の出力電圧（−Ｕ_２）を提供し印加する工程と、
を含むことを特徴とする、方法。

【請求項2】

前記第１の出力電圧（＋Ｕ_１）の提供には、前記第２の出力電圧（−Ｕ_２）の前記提供に関与する前記バッテリモジュール（４０−２）よりも高い充電状態を有する前記バッテリモジュール（４０−１）が関与する、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記第２の時間間隔は、前記第１の時間間隔の直後に続く、請求項１又は２に記載の方法。

【請求項4】

前記方法は周期的に繰り返される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。

【請求項5】

少なくとも１つのバッテリモジュール（４０−１、４０−２）は、前記結合ユニット（７０）の制御に従って、選択的に、少なくとも３つの接続状態のうちの１つの状態を取るよう構成され、第１の接続状態において、前記バッテリモジュール（４０−１、４０−２）の前記第１の端子（４２）と前記第２の端子（４３）とが接続され、第２の接続状態において、前記少なくとも１つのバッテリセル（４１）が、前記第１の端子（４２）と前記第２の端子（４３）との間に、第１の極性を有して接続され、第３の接続状態において、前記少なくとも１つのバッテリセル（４１）が、前記第１の端子（４）と前記第２の端子（４３）との間に、前記第１の極性とは反対の極性を有して接続される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。

【請求項6】

前記バッテリモジュール線（５０）は少なくとも、第１のバッテリモジュール（４０−１）及び第２のバッテリモジュール（４０−２）を含み、前記第１のバッテリモジュール（４０−１）は、前記第２のバッテリモジュール（４０−２）よりも高い充電状態を有し、前記第１の時間間隔の間には、前記第１のバッテリモジュール（４０−１）は前記第２の接続状態にあり、前記第２のバッテリモジュール（４０−２）は前記１の接続状態にあり、前記第２の時間間隔の間には、前記第１のバッテリモジュール（４０−１）は前記第１の接続状態にあり、前記第２のバッテリモジュール（４０−２）は前記第３の接続状態にある、請求項５に記載の方法。

【請求項7】

インダクタ（Ｌ）として、前記バッテリ（１０）に接続された電動機（１３）の少なくとも１つのインダクタが利用される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。

【請求項8】

前記電動機（１３）の運動は、前記方法が実施される間阻止される、請求項７に記載の方法。

【請求項9】

前記電動機（１３）が動く間、前記第１の時間間隔及び／又は前記第２の時間間隔は、前記第１の時間間隔内及び／又は前記第２の時間間隔内に前記電動機（１３）の前記インダクタを通って流れる電流が、前記電動機（１３）のトルクに寄与しないように選択される、請求項７に記載の方法。

【請求項10】

直列接続された複数のバッテリモジュール（４０−１、４０−２）を有する少なくとも１つのバッテリモジュール線（５０）を備えるバッテリ（１０）であって、
各バッテリモジュール（４０−１、４０−２）は、
少なくとも１つのバッテリセル（４１）と、
少なくとも１つの結合ユニット（３０、７０）と、
第１の端子（４２）と、
第２の端子（４３）と、
を有し、前記結合ユニット（３０、７０）の制御に従って、少なくとも２つの接続状態のうちの１つの状態を取るよう構成され、様々な接続状態は、前記バッテリモジュール（４０−１、４０−２）の前記第１の端子（４２）と前記第２の端子（４３）との間の様々な電圧値に対応する、前記バッテリ（１０）において、
前記バッテリ（１０）は、インダクタ（Ｌ）に接続可能であり、請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法を実施するよう構成される、バッテリ（１０）。

【請求項11】

前記バッテリ（１０）は、電動機（１３）のインダクタ（Ｌ）に接続可能である、請求項１０に記載のバッテリ（１０）。

【請求項12】

車両であって、
前記車両を駆動するための電動機（１３）と、
前記電動機（１３）のインダクタ（Ｌ）と接続された請求項１０又は１１に記載のバッテリと、
を備えた車両。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、少なくとも１つのバッテリモジュール線を有するバッテリのバッテリセルの充電状態を平衡化する方法であって、バッテリモジュール線内のバッテリモジュールは結合ユニットを備える、上記平衡化する方法と、本発明に係る方法が実施可能なバッテリと、に関する。

【背景技術】

【0002】

将来的に、定置型の利用においても、およびハイブリッド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、追加的に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。しかしながら、その際に、セル容量及びセル電圧が正確には同じでないことにより、並列接続されたバッテリセル間で均等化電流が必要になる事態になりうることは問題である。

【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ユニットの原理的な回路図が、図１に示されている。バッテリ１０は、中間回路コンデンサ１１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１２に接続されており、このパルスインバータ１２は、３つのタップ１４−１、１４−２、１４−３の、各２つの切り替え可能な半導体バルブと、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１３の駆動のために提供する。中間回路コンデンサ１１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。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

図１で示した構成の欠点は、バッテリ１０内の最も弱いバッテリセルがレンジを決定し、個々のバッテリの故障が、既に、車両全体が立ち往生することに繋がることである。さらに、パルスインバータ１２内での高電圧の変調は、高いスイッチング損失に繋がり、更に、高電圧のために典型的にＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）スイッチを使用する必要があるため、高い伝導損失にも繋がる。

【0005】

さらに、システム内に含まれるバッテリセル又はバッテリモジュールに同じ電流が流れ、バッテリセル又はバッテリモジュールを個別に制御出来ないことは不都合である。したがって、個々のバッテリセルの様々な状態に対して影響を与えることが出来ない。

【0006】

さらに従来技術では、個々のバッテリセル間、又は個々のバッテリセルを含むモジュール間で様々な充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）を平衡化する方法が公知である。本方法は、バッテリセルと、接続された負荷と、の間でエネルギー交換が行われることを前提とすることが多い。電気自動車が静止している際に、即ち、エネルギーが負荷に伝達されず又は負荷から受け取られない間は、この方法で様々な充電状態を平衡化することは可能ではない。

【課題を解決するための手段】

【0007】

したがって、本発明に基づいて、バッテリのバッテリセルの充電状態を平衡化する方法が提供される。バッテリは、直列接続された複数のバッテリモジュールを有する少なくとも１つのバッテリモジュール線を備える。直列接続された各バッテリモジュールは、少なくとも１つのバッテリセル、少なくとも１つの結合ユニット、第１の端子、及び、第２の端子を有し、結合ユニットの制御に従って、少なくとも２つの接続状態のうちの１つの状態を取るよう構成される。この場合、様々な接続状態は、バッテリモジュールの第１の端子と第２の端子との間の様々な電圧値に対応する。したがって、各接続状態において、バッテリモジュールの第１の端子と第２の端子との間の他の電圧値を測定することが可能である。

【0008】

本発明に係る方法は以下の工程を含み、即ち、第１の処理ステップにおいて、バッテリモジュール線の第１の（必ずしも一定ではない）出力電圧が、バッテリモジュール線のバッテリモジュールの適切な制御によって提供され、第１の時間間隔の間にインダクタに印加され、その結果、インダクタを流れる電流が増大する。これにより、磁場エネルギーが、Ｗ＝０．５Ｌ＊Ｉ^２に従ってインダクタに蓄えられ、但し、Ｌは、インダクタの自己インダクタンスであり、Ｉは、第１の時間間隔の終りに流れる電流のインダクタンスである。

【0009】

第２の処理ステップにおいて、バッテリモジュール線の第２の（必ずしも一定ではない）出力電圧が、バッテリモジュール線のバッテリモジュールの適切な制御に従って提供され、第２の時間間隔の間にインダクタに印加される。その際に、第２の出力電圧は、第１の出力電圧とは反対の極性を有する。第２の出力電圧の提供には、第１の出力電圧の提供に関与するのと同じバッテリモジュールのみが関与するわけではない。

【0010】

第１の処理ステップの間にインダクタ内に蓄えられた磁場エネルギーは、第２の処理ステップの間に、第２の出力電圧の提供に関与するバッテリモジュール内での電荷の分離のために利用され、従って、第２の出力電圧の提供に関与するバッテリモジュールは、第２の時間間隔の経過後に、以前よりも高い電荷状態を有する。

【0011】

第１の出力電圧の提供に、好適に、第２の出力電圧の提供に関与するバッテリモジュールよりも高い充電状態を有するバッテリモジュールが関与することによって、より高い充電状態を有するバッテリモジュールから、より低い充電状態を有するバッテリモジュールと、エネルギーを移動させることが達成される。

【0012】

典型的に、第２の時間間隔は第１の時間間隔の直後に続き、本方法は周期的に繰り返される。

【0013】

少なくとも１つのバッテリモジュールは、結合ユニットの制御に従って、選択的に、バッテリモジュールの第１の端子と第２の端子とを接続し、又は、第１の端子と第２の端子との間に少なくとも１つのバッテリセルを接続するよう構成されうる。これにより、２つの異なる接続状態が定められる。さらに、少なくとも１つのバッテリモジュールは、第１の端子と第２の端子との間に少なくとも１つのバッテリセルを接続するよう構成され、その際に、第１の端子と第２の端子との間で印加される電圧の極性は、結合ユニットの制御に従って選択可能である。これにより、先に挙げた２つの構成を組み合わせた場合には、同様に２つの接続状態、又は３つの接続状態が発生する。

【0014】

本発明の好適な実施形態において、少なくとも１つのバッテリモジュールは、先に挙げた３つの接続状態を有し、第１の接続状態において、バッテリモジュールの第１の端子と第２の端子とが接続され、第２の接続状態において、第１の端子と第２の端子との間に、少なくとも１つのバッテリセルが、第１の極性（一の例では正の極性）を有して接続され、第３の接続状態において、第１の端子と第２の端子との間に、少なくとも１つのバッテリセルが、第１の極とは反対の極性（同例では負の極性）を有して接続される。

【0015】

さらに、好適に、バッテリモジュール線は少なくとも、上記３つの接続状態を有する第１のバッテリモジュールと、第２のバッテリモジュールと、を含み、第１のバッテリモジュールは、第２のバッテリモジュールよりも高い充電状態を有する。本発明に係る方法は、第１の時間間隔の間には、第１のバッテリモジュールは第２の接続状態にあり、第２のバッテリモジュールは第１の接続状態にあり、第２の時間間隔の間には、第１のバッテリモジュールは第１の接続状態にあり、第２のバッテリモジュールは第３の接続状態にあることによって実施される。

【0016】

本発明の更なる別の好適な実施形態において、インダクタとして、バッテリに接続された電動機の少なくとも１つのインダクタが利用される。その際に、電動機の運動は本方法が実施される間阻止され、又は、電動機が動く間、第１の時間間隔及び／又は第２の時間間隔は、当該第１の時間間隔内及び／又は第２の時間間隔内に電動機のインダクタを通って流れる電流が、電動機のトルクに寄与しないように選択され、これにより、インダクタに蓄えられた磁場エネルギーが、運動エネルギーに変換されるのではなく、電荷分離のためにのみ利用されることが達成される。したがって本発明によって、電動機が駆動している間、及び、電動機により駆動されるシステムが静止している（即ち、エネルギーの流れが無い）間にも実行可能な方法が提供される。

【0017】

本発明の更なる別の観点は、先に記載した特性を有する少なくとも２つのバッテリモジュール線を備えるバッテリに関する。バッテリは、インダクタに接続可能であり、本発明に係る方法を実施するよう構成される。さらに、バッテリは、電動機のインダクタに接続可能であってもよい。本方法を完全に実施するためにさらに必要な制御装置は、バッテリの一部であってもよいが、このことは必須ではない。バッテリは、好適にはリチウムイオンバッテリである。

【0018】

さらに、車両を駆動するための電動機と、電動機と接続された本発明に係るバッテリと、を備えた車両が示される。

【図面の簡単な説明】

【0019】

本発明の実施例が、図面と以下の明細書の記載によって詳細に解説され、その際に、同じ符号は、同一又は機能的に同種の構成要素を示す。

【図1】従来技術に係る電気駆動ユニットを示す。

【図2】本発明に係る方法で利用可能な結合ユニットを示す。

【図3】第１の実施形態の結合ユニットを示す。

【図4】第２の実施形態の結合ユニットを示す。

【図5】簡素な半導体内にある第２の実施形態の結合ユニットを示す。

【図6】バッテリモジュール内の結合ユニットの１の構成を示す。

【図7】バッテリモジュール内の結合ユニットの他の構成を示す。

【図8】図６で示した構成内にある図５で示した結合ユニットを示す。

【図9】３つのバッテリモジュール線を有する電気駆動ユニットを示す。

【図10】制御装置による、図９で示した電気駆動ユニットの制御を示す。

【図11】バッテリモジュールの間の端子間に、極性が選択可能な電圧を印加することを可能にする結合ユニットの一実施形態を示す。

【図12】図１１で示した結合ユニットを有するバッテリモジュールの一実施形態を示す。

【図13】第１の時間間隔Δｔ_１及び第２の時間間隔Δｔ_２の間の本発明に係る方法を概略的に示す。

【図14】第１の時間間隔Δｔ_１及び第２の時間間隔Δｔ_２の間の本発明に係る方法を概略的に示す。

【図15】図１３及び図１４で示したインダクタＬに印加される電圧の時間的推移を示す。

【図16】インダクタＬを通って流れる電流の対応する推移を示す。

【発明を実施するための形態】

【0020】

図２は、本発明に係る方法において利用可能な結合ユニット３０を示している。結合ユニット３０は、２つの入力口３１及び３２、並びに、１つの出力口３３を有し、入力口３１又は３２の一方を出力口３３と接続して他方の入力口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３１、３２を出力口３３から分離するよう構成されうる。しかしながら、入力口３１及び入力口３２を、出力口３３と接続することは構想されない。

【0021】

図３は、第１の実施形態の結合ユニット３０を示し、この結合ユニット３０は、原則的に２つの入力口３１、３２の一方のみを出力口３３と接続可能なパルスインバータ３４を有し、一方、各他方の入力口３１、３２は出力口３３から分離される。パルスインバータ３４は、特に簡単に電気機械的なスイッチとして実現されてもよい。

【0022】

図４は、第２の実施形態の結合ユニット３０を示し、この結合ユニット３０では、第１のスイッチ３５、及び、第２のスイッチ３６が設けられている。各スイッチは、入力口３１又は３２の一方と、出力口３３と、の間に接続される。図３の実施形態に対して、本実施形態は、両方の入力口３１、３２を出力口３３から分離することも可能であり、したがって出力口３３が高インピーダンス状態（ｈｏｃｈｏｈｍｉｇ）になるという利点がある。さらに、スイッチ３５、３６は、例えば、酸化金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）スイッチ、又は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）スイッチのような半導体スイッチとして簡素に実現されてもよい。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、従って、結合ユニット３０は、短時間で、制御信号又は制御信号の変化に対して反応することが可能であり、高い切り替えレートが実現可能である。

【0023】

図５は、簡素な半導体回路内にある第２の実施形態の結合ユニットを示し、ここでは、各スイッチ３５、３６は、作動及び停止可能な半導体バルブと、当該半導体バルブに対して逆並列に接続されるダイオードと、で構成される。

【0024】

図６及び図７は、バッテリモジュール４０内の結合ユニット３０の２つの構成を示している。複数のバッテリセル４１が、結合ユニット３０の入力口間に直列に接続されている。しかしながら、本発明は、このような直列接続のバッテリセルに限定されず、バッテリセルが１つだけ設けられてもよく、又は、並列接続のバッテリセル、若しくは、直列接続と並列接続が混ざったバッテリセルでもよい。図６の例では、結合ユニット３０の出力口は、第１の端子４２と接続され、バッテリセル４１の陰極は、第２の端子４３と接続されている。しかしながら、図７のような、バッテリセル４１の陽極が第１の端子４２と接続され、結合ユニット３０の出力口が第２の端子４３と接続された逆の構成が可能である。

【0025】

図８は、図６で示した構成内にある、図５で示した結合ユニット３０を示す。結合ユニット３０の制御及び診断は、図示されない制御装置と接続された信号線４４を介して行われる。全体で、バッテリモジュール４０の端子４２と４３との間に、０ボルト又は電圧Ｕ_ｍｏｄを設定することが可能である。

【0026】

図９は、電動機１３と接続された電気駆動ユニットを示しており、電動機１３の３つの位相は、バッテリモジュール線５０−１、５０−２、５０−３と接続されている。３つのモジュール線５０−１、５０−２、５０−３のそれぞれは、直列接続された複数のバッテリモジュール４０−１、…、４０−ｎであって、結合ユニット３０をそれぞれが有し図６又は図７に示すように構成された上記複数のバッテリモジュール４０−１、…、４０−ｎで構成される。バッテリモジュール４０−１、…、４０−ｎを、バッテリ線５０−１、５０−２、５０−３のうちの１つへと組み立てる場合に、バッテリモジュール４０−１、…、４０−ｎの第１の端子４２は、隣接するバッテリモジュール４０−１、…、４０−ｎの第２の端子４３と接続される。このようにして、３つのバッテリモジュール線５０−１、５０−２、５０−３のそれぞれで、段階的な出力電圧が形成可能である。

【0027】

図１０に示される制御装置６０は、ｍ個のバッテリモジュール線５０−１、５０−２、…、５０−ｍ内の可変的な数のバッテリモジュール４０−１、…、４０−ｎに対して、データバス６１を介して第１の制御信号を出力するよう構成され、この第１の制御信号によって、このように制御されるバッテリモジュール４０−１、…、４０−ｎの結合ユニット３０は、バッテリセル（又は複数のバッテリセル）４１を、各バッテリモジュール４０−１、…、４０−ｎの第１の端子４２と第２の端子４３との間に接続する。同時に、制御装置６０は、残りのバッテリモジュール４０−１、…、４０−ｎに対して第２の制御信号を出力し、この第２の制御信号によって、当該残りのバッテリモジュール４０−１、…、４０−ｎの結合ユニット３０は、各バッテリモジュール４０−１、…、４０−ｎの第１の端子４２と第２の端子４３とを接続し、これにより、各バッテリモジュール４０−１、…、４０−ｎのバッテリセル４１にバイバスが付けられる。

【0028】

従って、ｍ個のバッテリモジュール線５０−１、５０−２、…、５０−ｍ内の複数のバッテリモジュール４０−１、…、４０−ｎの適切な制御によって、ｍ個の正弦波形状の出力電圧が形成可能であり、このｍ個の出力電圧は、所望の形態で、追加的なパルスインバータを使用することなく電動機１３を制御する。

【0029】

更なる別の実施形態において、ｍ個のバッテリモジュール線５０−１、５０−２、…、５０−ｍ内で利用されるバッテリモジュール４０−１、…、４０−ｎは、第１の端子４２と第２の端子４３と間に印加される電圧の極性が結合ユニットの制御に従って選択可能であるように、自身のバッテリセル４１を第１の端子４２と第２の端子４３との間に接続するよう構成される。

【0030】

図１１は、このことを可能にする第１の実施形態の結合ユニット７０を示し、この結合ユニットでは、第１のスイッチ７５、第２のスイッチ７６、第３のスイッチ７７、及び、第４のスイッチ７８が設けられている。第１のスイッチ７５は、第１の入力口７１と第１の出力口７３との間に接続され、第２のスイッチ７６は、第２の入力口７２と第２の出力口７４との間に接続され、第３のスイッチ７７は、第１の入力口７１と第２の出力口７４との間に接続され、第４のスイッチは、第２の入力口７２と第１の出力口７３との間に接続される。

【0031】

図１２は、図１１に示した結合ユニットを備えたバッテリモジュール４０の一実施形態を示している。結合ユニット７０の第１の出力口は、バッテリモジュール４０の第１の端子４２と接続され、結合ユニット７０の第２の出力口は、バッテリモジュール４０の第２の端子４３と接続される。このように構成されたバッテリモジュール４０は、バッテリモジュール４１が結合ユニット７０によって、選択可能な極性により端子４２、４３と接続可能であり、従って、符号が異なる出力電圧が形成されうるという利点を有する。さらに、例えば、スイッチ７６及び７８の閉鎖、並びに、これと同時のスイッチ７５及び７７の開放によって（又は、スイッチ７６及び７８の開放、並びに、スイッチ７５及び７７の閉鎖によって）、端子４２と４３とを互いに伝導的に接続し、０Ｖの出力電圧を形成することが可能であってもよい。従って全体として、バッテリモジュール４０の端子４２と４３との間に、０ボルト、電圧Ｕ_ｍｏｄ、又は電圧−Ｕ_ｍｏｄを設定することが可能である。

【0032】

以下では、図１３〜図１６を用いて、バッテリのバッテリセルの充電状態を平衡化するための本発明に係る方法が記載される。本方法は、上記の特性を有するバッテリモジュール４０を備えたバッテリセル線５０を利用して実施される。このために、特に、図６〜図８で示したバッテリモジュール４０を利用することが可能である。しかしながら、好適に、本発明に係る方法は、図１２に示すように実現され、図１１に示す結合ユニット７０を備えた、直列接続された複数のバッテリモジュール４０を含むバッテリモジュール線５０を利用して実施される。

【0033】

本実施形態によるバッテリモジュール４０は、先に記載したように、結合ユニットの制御に従って、選択的に、少なくとも３つの接続状態のうちの１つの状態を取るよう構成される。第１の接続状態において、バッテリモジュール４０の第１の端子４２と第２の端子４３とが接続される。第２の接続状態において、複数のバッテリセル４１が、第１の端子４２と第２の端子４３との間に、正の極性を有して接続される。最後に、第３の接続状態において、複数のバッテリセル４１が、第１の端子４２と第２の端子４３との間に、負の極性を有して接続される。

【0034】

図１３及び図１４は、第１の時間間隔Δｔ_１及び第２の時間間隔Δｔ_２の間の本発明に係る方法を概略的に示している。

【0035】

図１３及び図１４に示すバッテリモジュール線５０は、２つのバッテリモジュール４０−１、４０−２を含み、その際、２つのバッテリモジュール４０−１、４−２は、先に記載した好適な３つの接続状態を有する。バッテリモジュール線５０は、その２つの端子がインダクタＬに接続され、これにより、インダクタＬに対して、バッテリモジュール線５０により提供された出力電圧が印加される。

【0036】

本発明に係る方法の開始前には、電流はインダクタＬを通って流れていない。第１のバッテリモジュール４０−１は、第２のバッテリモジュール４０−２よりも高い充電状態を有する。

【0037】

図１３に示すように、第１の時間間隔Δｔ_１の間に、第１の出力電圧＋Ｕ_１が提供される。第１の出力電圧＋Ｕ_１は、第１のバッテリモジュール４０−１が第２の接続状態にあり、これにより電圧Ｕ_１が生成され、第２のバッテリモジュール４０−２が第１の接続状態にあり、これにより第２のバッテリモジュール４０−２は第１の出力電圧に寄与しないことにより提供される。これにより、電流がインダクタＬを通って流れ始め、この電流は直線的に増大し、インダクタＬが磁場エネルギーを蓄えるようになる。

【0038】

第２の時間間隔Δｔ_２の間に、第１のバッテリモジュール４０−１は、図１４に示すように、第１の接続状態にあり、第２のバッテリモジュール４０−２は、第３の接続状態にある。従って、第１のバッテリモジュール４０−１は電圧を伝達せず、第２のバッテリモジュール４０−２は、第２の出力電圧への電圧−Ｕ_２を伝達する。反対の極性を有する電圧がインダクタＬに印加されるにもかかわらず、図１３及び図１４に矢印で示すとおりに、第２の時間間隔Δｔ_２の間にさらに、第１の時間間隔と同じ方向に電流が流れるが、直線的に減少する。これにより、インダクタＬに蓄えられた磁場エネルギーが減少し、第２のバッテリモジュール４０−２内で電荷が分離されることになる。

【0039】

従って、第２の時間間隔Δｔ_２の終りに、第１のバッテリモジュール４０−１は、本方法の開始時よりも低い充電状態を有し、第２のバッテリモジュール４０−２は、本方法の開始時よりも高い充電状態を有する。

【0040】

本発明に係る方法は、バッテリモジュール線５０がより大きな数のバッテリモジュール４０を含む場合にも、問題なく適用することが可能である。その際に、第１の時間間隔Δｔ_１の間の第１の出力電圧の提供には、好適に、第２の出力電圧の提供に関与するバッテリモジュールよりも高い充電状態を有するバッテリモジュールが関与する。これにより、全体として、異なるバッテリモジュールのバッテリセル間の電荷交換が行われ、さらに、バッテリモジュールの様々な充電状態の平衡化が行われる。

【0041】

図１５は、第１の時間間隔Δｔ_１及び第２の時間間隔Δｔ_２の間にインダクタＬに電荷される電圧の推移を示している。図１５に示すように、本発明に係る方法は周期的に繰り返すことが可能であり、これにより、様々なモジュールの間での緩やかで継続的な電荷移動が可能である。

【0042】

図１６は、インダクタＬを通って流れる電流の対応する推移を示している。完全なインダクタＬについては、電流の推移は直線的であり、時間間隔Δｔ_１及びΔｔ_２を適切が選択された際には、電流の符号は一度も変わらない。示されない実施例において、中程度の電流が設定され、この中程度の電流にはリプル成分が重畳する。

【0043】

図１５及び図１６に示したプロセスは、損失も無く理想化された前提の下で推移している。現実には、当然のことながら、バッテリモジュール４０内でスイッチとして使用される半導体構成要素も、インダクタＬも、損失がある。従って、バッテリモジュール４０−１から取り出されるエネルギーの全てが、バッテリモジュール４０−２に蓄えられるわけではない。

【0044】

本発明の詳細には示されない実施例において、インダクタＬとして、バッテリ１０に接続された電動機１３、例えば、永久励起型同期電動機のインダクタが利用される。実際には、利用される全ての電動機の大部分が三相式で実現されるため、この場合は、図９に示した構成が関わっている。但し、本発明に係る方法はｎ相式のシステムでも適用可能である。バッテリ１０に接続された電動機１３のインダクタを利用した場合の利点は、本発明に係る方法を実施するために必要な構成要素が、既に全体システムに含まれていることである。

【0045】

インダクタＬに蓄えられた磁場エネルギーが運動エネルギーに変換されるのではなく、電荷分離のためのみに利用されることを保証するために、駆動システムは静止状態であるべきであろう。より詳細には、駆動システムを停止させる必要があり、即ち、本発明に係る方法を実施する間に発生するトルクは、電動機を動かすために必要な静摩擦トルクを超えてはならない。非同期機の場合は、本発明の実施中にトルクが発生しないため危険はない。

【0046】

その一方で、本発明に係る方法は、駆動システムが動いている際にも実施することが可能である。同期機又は非同期機の記述の際には、回転座標系を利用するのが一般的である。この座標系の軸はｄ−ｑで示され、磁場の速度により回転し、その際に、ｄ軸は、定義によれば、磁場の方向に向けられている。同期機の場合、ｄ方向に通る電流はトルク形成に寄与しない。従って、このｄ方向の電流の生成及び低減により、先に記載した方法を実施することが可能である。対応するバッテリモジュールの選択の際には、電流空間ベクトルの回転のみ考慮すればよい。所与のバッテリモジュールのために、電流を生成しうる特定の角度範囲のみ提供される。同様に、それを用いて電流を再び低減するバッテリモジュールについても同様に、特定の角度範囲のみが提供される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】