特許 7539919 バッテリーストレージを備えるエネルギー供給システムのための省エネルギー運転

(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】

(24)【登録日】2024-08-16

(45)【発行日】2024-08-26

(54)【発明の名称】バッテリーストレージを備えるエネルギー供給システムのための省エネルギー運転

(51)【国際特許分類】

   H02J 7/00 20060101AFI20240819BHJP

   H02J 1/00 20060101ALI20240819BHJP

【ＦＩ】

H02J7/00 302C

H02J1/00 307F

【請求項の数】 19

(21)【出願番号】P 2021560733

(86)(22)【出願日】2020-04-17

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-06-15

(86)【国際出願番号】 EP2020060863

(87)【国際公開番号】W WO2020212572

(87)【国際公開日】2020-10-22

【審査請求日】2023-01-19

(31)【優先権主張番号】102019110177.8

(32)【優先日】2019-04-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】521448503

【氏名又は名称】インスタグリッド ゲーエムベーハー

(74)【代理人】

【識別番号】110002310

【氏名又は名称】弁理士法人あい特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ベルニング，セバスチャン

(72)【発明者】

【氏名】セドルマイヤー，アンドレアス

【審査官】宮本 秀一

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１６－５１７２５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１３１６７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－２４７８５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５０－１０７４２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】独国特許出願公開第１０２０１２２０１６０２（ＤＥ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ１０／４２－１０／４８

Ｈ０２Ｊ１／００－１／１６

Ｈ０２Ｊ７／００－７／１２

Ｈ０２Ｊ７／３４－７／３６

Ｈ０２Ｍ７／４２－７／９８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

モバイルエネルギー供給システムであって、
当該エネルギー供給システムの出力部において異なる電圧を供給するための制御が可能な仕方で直列に接続できる複数のバッテリーモジュール（１２）と、
前記バッテリーモジュール（１２）を作動させるための制御ユニット（１４）とを有し、
各バッテリーモジュール（１２）は、
入力接続部（２２）および出力接続部（２４）、
バッテリーユニット（３０）、ならびに、
前記入力接続部（２２）と前記出力接続部（２４）との間に設けられ、かつ、前記バッテリーユニットを前記入力および出力接続部に接続する（バッテリーモード）か、または、前記バッテリーユニットをバイパスすることにより前記入力接続部を前記出力接続部に接続する（バイパスモード）ように構成された、ブリッジ回路（３６）を備えており、
各バッテリーモジュール（１２）は、運転モードおよびアイドルモードに制御されるように構成されており、前記運転モードにおいて、前記ブリッジ回路（３６）は、前記バッテリーモードおよび前記バイパスモードに切り替えることができ、前記アイドルモードにおいて、前記ブリッジ回路（３６）は、エネルギー消費が最小の状態に置かれ、
前記ブリッジ回路（３６）は、前記バッテリーモードまたは前記バイパスモードを設定するために、複数の自己遮断型のスイッチング素子（５２）を備え、前記アイドルモードにおいて、前記自己遮断型のスイッチング素子（５２）は、前記エネルギー消費が最小の状態とするために遮断状態に置かれる、エネルギー供給システム。

【請求項2】

エネルギー供給のために前記バッテリーユニット（３０）に接続され、かつ、前記ブリッジ回路（３６）を前記バッテリーモードまたは前記バイパスモードに切り替えるために、前記ブリッジ回路（３６）に接続される、制御装置（３４）を有する、請求項１に記載のエネルギー供給システム。

【請求項3】

前記アイドルモードにおいて、前記制御装置は、少なくとも間欠的に、エネルギー消費が最小の状態に置かれる、請求項２に記載のエネルギー供給システム。

【請求項4】

前記制御ユニットは、前記運転モードまたは前記アイドルモードを有効にするために、前記バッテリーモジュールの少なくとも１つへ、制御信号を導くよう構成されている、請求項１～３のいずれか１項に記載のエネルギー供給システム。

【請求項5】

各バッテリーモジュールは、前記バッテリーモジュールと前記制御ユニットとの間のガルバニック絶縁を提供する第１の絶縁装置（３２）を備えている、請求項１～４のいずれか１項に記載のエネルギー供給システム。

【請求項6】

前記第１の絶縁装置は、前記アイドルモードにおいても、エネルギーを供給するために、少なくとも一部が、かつ／または、少なくとも間欠的に、前記バッテリーユニットに接続されている、請求項５に記載のエネルギー供給システム。

【請求項7】

前記第１の絶縁装置は、エネルギーを供給するために、前記アイドルモードにおいて、前記バッテリーユニットに、所定の時間間隔で接続される、請求項６に記載のエネルギー供給システム。

【請求項8】

特定の規準に達したときに、バッテリーモジュールが前記アイドルモードに置かれる、請求項１～７のいずれか１項に記載のエネルギー供給システム。

【請求項9】

前記規準は、バイパスモードにおいて前記制御ユニットからの制御信号無し、または、平均電流出力が規定値未満、または、少なくとも１つのバッテリーモジュールの充電状態／電圧が規定値未満、から選択される、請求項８に記載のエネルギー供給システム。

【請求項10】

前記第１の絶縁装置は、ガルバニック絶縁のために、無線受信器、および／または、光学センサ、および／または、容量性もしくは誘電性の送信器を備えている、請求項５に記載のエネルギー供給システム。

【請求項11】

前記制御ユニットにより供給される前記制御信号は、少なくとも２つの項目の情報、すなわち、バイパスモードまたはバッテリーモード、および、アイドルモードまたは運転モードを含んでいる、請求項４に記載のエネルギー供給システム。

【請求項12】

前記制御ユニットは、前記制御信号として、タイムコード化された二値信号を生成するように構成されている、請求項１１に記載のエネルギー供給システム。

【請求項13】

各バッテリーモジュールは、前記ブリッジ回路および／または直流リンクコンデンサを前記バッテリーユニットから切り離すように構成された第２の絶縁装置（４０）を有しており、前記直流リンクコンデンサは、前記バッテリーユニットと並列に設けられている、請求項１～１２のいずれか１項に記載のエネルギー供給システム。

【請求項14】

前記第２の絶縁装置は、少なくとも１つのスイッチング素子を備えており、前記アイドルモードにおいて、前記少なくとも１つのスイッチング素子は、高抵抗の状態に置かれる、請求項１３に記載のエネルギー供給システム。

【請求項15】

前記バッテリーユニットは、少なくとも１つのバッテリーセルを備えている、請求項１～１４のいずれか１項に記載のエネルギー供給システム。

【請求項16】

前記スイッチング素子の少なくとも１つが、トランジスタで構成されている、請求項１～１５のいずれか１項に記載のエネルギー供給システム。

【請求項17】

前記バッテリユニット（３０）は、前記バッテリーユニット（３０）の直列接続されたバッテリーセルの個々の電圧を測定するための回路（３１）を備えており、前記回路は、前記アイドルモードにおいて、エネルギー消費が最小の状態に置かれる、請求項１～１６のいずれか１項に記載のエネルギー供給システム。

【請求項18】

乗り物での使用のために設計されている、請求項１～１７のいずれか１項に記載のエネルギー供給システム。

【請求項19】

請求項１～１８のいずれか１項に記載のエネルギー供給システムのためのバッテリーモジュールであって、当該バッテリーモジュール（１２）は、
入力接続部（２２）および出力接続部（２４）と、
バッテリーユニット（３０）と、
前記入力接続部（２２）と前記出力接続部（２４）との間に設けられ、かつ、前記バッテリーユニットを前記入力および出力接続部に接続する（バッテリーモード）か、または、前記バッテリーユニットをバイパスすることにより前記入力接続部を前記出力接続部に接続する（バイパスモード）ように構成された、ブリッジ回路（３６）とを備えており、
当該バッテリーモジュール（１２）は、運転モードおよびアイドルモードに制御されるように構成されており、前記運転モードにおいて、前記ブリッジ回路（３６）は、前記バッテリーモードおよび前記バイパスモードに切り替えることができ、前記アイドルモードにおいて、前記ブリッジ回路（３６）は、エネルギー消費が最小の状態に置かれ、
前記ブリッジ回路（３６）は、前記バッテリーモードまたは前記バイパスモードを設定するために、複数の自己遮断型のスイッチング素子（５２）を備え、前記アイドルモードにおいて、前記自己遮断型のスイッチング素子（５２）は、前記エネルギー消費が最小の状態とするために遮断状態に置かれる、バッテリーモジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、モバイルエネルギー供給システムに関し、エネルギー供給システムは、当該エネルギー供給システムの出力部において異なる電圧を供給するための制御が可能な仕方で直列に接続できる複数のバッテリーモジュールと、バッテリーモジュールを作動させるための制御ユニットとを有し、各バッテリーモジュールは、入力および出力接続部と、制御ユニットと、バッテリーユニットと、入力および出力接続部の間に設けられ、かつ、バッテリーユニットを入力および出力接続部に接続する（バッテリーモード）か、または、バッテリーユニットをバイパスすることにより入力接続部を出力接続部に接続する（バイパスモード）ように構成された、ブリッジ回路とを有している。

【背景技術】

【0002】

上記の種類の定置式のエネルギー供給システムは、例えば米国特許第５６４２２７５号明細書または米国特許第３８６７６４３号明細書によっても、一般に公知となっている。

【0003】

これらに開示されたエネルギー供給システムは、通常「カスケードマルチレベルインバータ／コンバータ」または「マルチレベルインバータ／コンバータ」と呼ばれるコンバータを使用している。他のエネルギー供給システムが、独国特許出願公開第１０ ２０１４ ２００２６７Ａ１号明細書、米国特許出願公開第２０１６／００７５２５４Ａ１号明細書または米国特許出願公開第２０１５／０１７１６３２Ａ１号明細書に示されている。

【0004】

これらのコンバータの原理は、必要な場合に平滑化できる、ほぼ正弦波状の交流電圧を得るよう、段階的に上昇または低下する電圧を出力部において生成するように、個々の直流電圧源の数Ｎを制御することにある。

【0005】

このようなコンバータには、チョッピングおよび平滑化により直流リンク電圧から単相または三相の正弦波出力電圧を生成する、いわゆる２または３ポイントコンバータに比べて、特にコスト、熱損失およびユニット寸法に関して、利点のあることが明らかとなっている。

【0006】

このようなエネルギー供給システムの定置運転においては、通常、外部の供給ネットワークへの恒久的な接続が存在するので、アイドル（未利用の）状態中、すなわち、接続負荷のない輸送または保管中におけるエネルギー消費はさほど重要視されない。しかし、このようなエネルギー供給システムを、モバイルシステムとして運転しなければならない場合、システム中の電気部品にエネルギーを供給するバッテリーセルが時間経過に伴って放電するという問題が生じる。この場合のモバイルシステムは、例えば、乗り物（車両）への給電のために使用できるシステムを含むとも理解できる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】米国特許第５６４２２７５号明細書

【文献】米国特許第３８６７６４３号明細書

【文献】独国特許出願公開第１０ ２０１４ ２００２６７Ａ１号明細書

【文献】米国特許出願公開第２０１６／００７５２５４Ａ１号明細書

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０１７１６３２Ａ１号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

この背景に照らして、本発明の目的は、上述した種類のエネルギー供給システムを、モバイルシステムとして使用できる仕方、すなわちバッテリーセルの速やかな放電を回避する仕方で、さらに発展させることにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

この目的は、各バッテリーモジュールが運転モードおよびアイドル（未利用）モードで制御されるように構成されており、その際、運転モードにおいてはブリッジ回路をバッテリーモードおよびバイパスモードに切り替えることができ、かつ、アイドル状態においてはブリッジ回路はエネルギー消費が最小の状態に置かれることによって、上述した種類のモバイルエネルギー供給システムにおいて達成される。

【0010】

それにより、この目的は十分に解決される。

【0011】

好ましくは、制御信号を介して、各バッテリーモジュールをアイドル（未利用）モードへと制御できることにより、各バッテリーモジュール内でのエネルギー消費が著しく低減される。特に、ブリッジ回路のエネルギー消費が、当該ブリッジ回路が最小エネルギー消費状態へと設定されるため、低減される。

【0012】

エネルギー消費が最小のこの状態を実現するため、ブリッジ回路内の電気部品の少なくともいくつかが、エネルギー消費がない、またはエネルギー消費が最低となる仕方で動作させられる。

【0013】

ブリッジ回路においてエネルギー消費が最低のこのようなアイドル状態をもたらす好ましいやり方としては、バッテリーモードまたはバイパスモードを設定するための複数のスイッチング素子を、Ｎ－ＭＯＳＦＥＴなどの自己遮断型スイッチング素子で構成することであり、かつ、それらを自己遮断状態に置くことである。そのような自己遮断状態は、スイッチング素子にエネルギーを供給する必要なしに実現できる。この状態では、バッテリーユニットは、ブリッジ接続の入力および出力接続部に接続されておらず、かつ、入力接続部および出力接続部が、バッテリーユニットをバイパスすることにより、接続されていない。

【0014】

これらのスイッチング素子は、エネルギーの消費が最低であるか、または無いため、ブリッジ回路の総エネルギー消費を著しく低減することができる。

【0015】

各バッテリーモジュールには好ましくは、エネルギー供給用にバッテリーユニットに接続され、かつ、ブリッジ回路をバッテリーモードまたはバイパスモードへと切り替えるためにブリッジ回路に接続された、制御装置が設けられている。換言すれば、制御装置は制御信号を生成する。あるいは、この制御信号が、制御装置により直接伝達されることも考えられる。

【0016】

この方策には、制御ユニットが、すべてのバッテリーモジュールに対して、例えば複数の情報項目を有する符号化された信号を送信できるという利点があり、制御装置は、この信号を復号し、それを制御信号へと変換する。

【0017】

好ましい実施形態では、アイドルモードにおいて、制御装置は、少なくとも間欠的に、エネルギー消費が最小の状態に置かれる。

【0018】

換言すれば、ブリッジ回路のエネルギー消費が低減されるだけでなく、バッテリーモジュールの制御装置のエネルギー消費も低減され、エネルギー消費のさらに大きな低減につながる。アイドルモード中に、制御装置が間欠的に、特に周期的に、エネルギー消費が通常の状態で動作することにより、制御装置の制御機能がアイドルモード中に失われることはない。これは、バッテリーモジュールの制御装置が、アイドルモード中にブリッジ回路をアイドル状態から運転モードへと移行させることもできることを意味している。

【0019】

好ましい実施形態では、各バッテリーモジュールは、バッテリーモジュールと制御ユニットとの間にガルバニック絶縁を設ける、絶縁装置を割り当てられている。

【0020】

この絶縁装置を使用して、制御ユニットからバッテリーモジュールへ、電気的に絶縁された状態で信号を伝送することができる。このような電気的絶縁は、特に安全性の観点から必要である。ここで、絶縁装置は、必ずしも、バッテリーモジュールとともに一つの構造的なユニットを形成する必要はないことに留意されたい。絶縁装置を、バッテリーモジュールとは別体のユニットとして設計することも考えられる。

【0021】

絶縁装置は、好ましくは、アイドル状態であっても、エネルギーを供給するために、少なくとも一部が、かつ／または、少なくとも間欠的に、バッテリーユニットに接続されている。好ましくは、絶縁装置は、エネルギーを供給するために、アイドル状態において所定の時間間隔で、バッテリーユニットに接続される。

【0022】

換言すれば、絶縁装置の一部が、バッテリーユニットによりエネルギーを供給され、その際、絶縁装置の機能を制限することなくエネルギー消費をさらに低減するために、このエネルギー供給は、例えば所定の時間間隔で、少なくとも間欠的に遮断できる。換言すれば、これは、アイドルモードにおいてさえ、絶縁装置が、制御ユニットから信号を受信でき、かつ、それに応じて、それらを転送できることを意味している。アイドルモードの間は、制御ユニットからの制御信号は、絶縁装置が一時的にバッテリーユニットに接続されている期間中に、受信および転送することができる。

【0023】

上記方策を実施することで、すなわち、ブリッジ回路、制御装置および絶縁装置のエネルギー消費を低減することで、アイドルモード中のバッテリーモジュールのエネルギー消費を、相当に低減することができる。

【0024】

好ましい実施形態では、特定の規準に達したときに、バッテリーモジュールがアイドルモードに置かれる。このような規準は例えば、バイパスモードで制御ユニットからの制御信号無し、または、平均電流出力が規定値未満というものであってもよい。

【0025】

換言すれば、アイドルモードを手動で設定する必要はなく、むしろ、エネルギーシステムが、このアイドルモードを自動的に選択する。この方策の利点は特に、アイドルモードが確実かつ速やかに選択されるので、エネルギー消費をさらに低減することが可能であることにある。各バッテリーモジュールは、可能であれば、アイドルモードとされる。

【0026】

好ましい実施形態では、絶縁装置は、ガルバニック絶縁のために、無線受信器、および／または、光学センサ、および／または、容量性もしくは誘電性の送信器を備えている。

【0027】

いわゆるオプトカプラ（フォトカプラ）の使用は、バッテリーモジュールと制御ユニットとの間にガルバニック絶縁を設ける、特に費用対効果の高いやり方である。

【0028】

好ましい実施形態では、制御ユニットによりバッテリーモジュールに供給される制御信号は、少なくとも２つの項目の情報、すなわちバイパスモードまたはバッテリーモードおよびアイドルモードまたは運転モード、を含んでいる。制御ユニットは好ましくは、タイムコード化された二値信号を制御信号として生成するよう設計されている。

【0029】

これらの方策は、制御信号を伝送するのに非常に小さな労力しか要さないため、特に利点のあることが明らかとなっている。

【0030】

好ましい実施形態では、各バッテリーモジュールは、ブリッジ回路および／または少なくとも１つの直流リンクコンデンサを、バッテリーユニットから絶縁するように設計されており、その際、直流リンクコンデンサは、バッテリーユニットと並列に設けられている。より好ましくは、絶縁装置は少なくとも１つのスイッチング素子を備えており、その際、アイドルモードにおいて、この少なくとも１つのスイッチング素子は、好ましくは高抵抗の状態で、エネルギー消費が最小の状態に置かれる。

【0031】

好ましい実施形態では、スイッチング素子の少なくとも１つが、トランジスタで構成されている。

【0032】

より好ましくは、バッテリーユニットは少なくとも１つのバッテリーセルを備えている。無論、バッテリーユニットは、直列または並列に接続された複数のバッテリーセルを備えていてもよい。

【0033】

好ましい実施形態では、バッテリーユニットは、バッテリーユニットの直列接続されたバッテリーセルの個々の電圧を測定するための回路を備えている。アイドルモード時は、この回路は、エネルギー消費が最小の状態に置かれる。

【0034】

本発明の目的は、エネルギー供給システム用のバッテリーモジュールであって、バッテリーモジュールは、入力および出力接続部と、バッテリーユニットと、入力および出力接続部の間に設けられ、かつ、バッテリーユニットを入力および出力接続部に接続する（バッテリーモード）か、または、バッテリーユニットをバイパスすることにより入力接続部を出力接続部に接続する（バイパスモード）ように構成された、ブリッジ回路とを備えており、バッテリーモジュールは、運転モードおよびアイドルモードに制御されるよう設計されており、運転モードにおいて、ブリッジ回路は、バッテリーモードおよびバイパスモードに切り替えることができ、アイドルモードにおいて、ブリッジ回路は、エネルギー消費が最小の状態に置かれる、バッテリーモジュールによっても解決される。

【0035】

上述した特徴、および、以下に説明する特徴が、対応する詳述した組み合わせだけでなく、他の組み合わせでも、または単独でも、本発明の範囲を逸脱することなく適用できることは言うまでもない。

【0036】

本発明のさらなる利点および実施形態が、説明および添付図面より理解される。

【図面の簡単な説明】

【0037】

【図1】モバイルエネルギー供給システムの模式図を示す。

【図2】図１のエネルギー供給システムのバッテリーモジュールの模式図を示す。

【図3a】第１の変形例に係る図２のバッテリーモジュールのブリッジ回路の模式図を示す。

【図3b】第２の変形例に係る図２のバッテリーモジュールのブリッジ回路の模式図を示す。

【図4】図２のバッテリーモジュールの絶縁装置の模式図を示す。

【図5】図２のバッテリーモジュールの絶縁装置の２つの異なる具体例を示す。

【図6】図２のバッテリーモジュールのバッテリーユニットの模式図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0038】

図１に、エネルギー供給システムを、ブロック回路図として、参照符号１０を付して示す。このエネルギー供給システム１０は、モバイルユニットとして設計されている。すなわち、これは、一人の人間が扱うことのできる重量および寸法を有している。エネルギー供給システムの重量は２５キロ未満であり、寸法は、エネルギー供給システムをバックパックとして運べるように選択される。

【0039】

モバイルエネルギー供給システム１０は、Ｎ個の直列に接続されたバッテリーモジュール１２を備えている。個々のバッテリーモジュール１２は、制御ユニット１４により制御される。

【0040】

直列に接続されたバッテリーモジュール１２により発生される全電圧は、平滑チョークを介して平滑化されて、プラグ装置１８に印加される。プラグ装置１８は、例えば２２０Ｖの交流電圧の装置用に標準化されたプラグコネクタであってもよい。

【0041】

図１に示すように、Ｎ個のバッテリーモジュール１２のそれぞれは制御接続部２０を備えており、制御接続部２０を通じて、制御装置１４は、制御ライン２１を介して、制御信号を伝送することができる。

【0042】

くわえて、各バッテリーモジュール１２は、モジュール入力部２２およびモジュール出力部２４を有している。しかし、ここで、「入力部」および「出力部」の区別は任意であることに留意されたい。特に、バッテリーモジュールの極性が制御可能である場合、「入力部」および「出力部」を互いに機能的に区別することはできない。ゆえに、適切な作動により、２つの入力部２２または出力部２４を、互いに直列に接続することもできる。

【0043】

Ｎ個のバッテリーモジュール１２は、或るバッテリーモジュール１２のモジュール出力部２４が、次のバッテリーモジュール１２のモジュール入力部２２に電気的に接続されるように配置されている。そして、最初のバッテリーモジュール１２のモジュール入力部２２が、電圧線２６を介してプラグ装置１８に電気的に接続され、最後のバッテリーモジュールのモジュール出力部２４が、平滑チョーク１６を介してプラグ装置１８に接続されており、したがって、エネルギー供給システム１０が生成する出力電圧は、最初のバッテリーモジュールのモジュール入力部２２と最後のバッテリーモジュール１２のモジュール出力部２４との間に現れることになる。

【0044】

ほぼ正弦波状の交流電圧を出力部で得るために、個々のバッテリーモジュールは、バッテリーモードからバイパスモードへ、かつその逆へと、周期的に切り替わるように、制御ユニット１４により制御される。バッテリーモードでは、バッテリーモジュール１２の１つのバッテリーユニットの電圧が、バッテリーモジュールのモジュール入力部２２およびモジュール出力部２４の間に現れる。しかしバイパスモードでは、モジュール入力部２２およびモジュール出力部２４は互いに電気的に接続され、その結果、それらの間に電圧は存在しない。

【0045】

複数のバッテリーモジュールをバイパスモードからバッテリーモードへと順に切り替えることにより、１つのバッテリーモジュールの電圧ずつ、出力電圧を段階的に増加させることができる。同様に、順にバイパスモードへと切り替え直すことにより、出力電圧を徐々に低減することができる。ゆえに、出力部では、０Ｖと、１つのバッテリーモジュールの電圧のＮ倍との間の電圧が可能となっている。

【0046】

この段階的な電圧特性を平滑化することにより、もし必要であるとすれば、ほぼ正弦波状の電圧特性を、プラグ装置１８において得ることができる。

【0047】

しかし、無論、Ｎ個のバッテリーモジュール１２のうちの複数個を、バイパスモードとバッテリーモードとの間で同時に切り替えることも考えられることに留意されたい。くわえて、ここまでの説明は、半分の波形の生成の説明であることに留意されたい。他の半分の波形は、極性を変えるだけで、同じ方法で生成される。簡略化のために、この極性の変更については図示せず、かつ、さらなる説明も行わない。

【0048】

バッテリーモジュール１２の基本的な構造を、図２を参照して以下に説明する。

【0049】

バッテリーモジュール１２は、１つ以上のバッテリーセル、好ましくは充電式のバッテリーセルを備える、バッテリーユニット３０と、バッテリーセル監視ユニット３１とを備えている。バッテリーセル監視ユニット３１は、個々のバッテリーセルのセル電圧を監視する。図６に、バッテリーユニット３０の例を詳細に示す。バッテリーユニット３０は、Ｎ個のバッテリーセルＺ１～ＺＮを備えており、それらは直列に接続されている。くわえて、バッテリーセル監視ユニット３１は、個々のセルＺ１～ＺＮに、それぞれのセル電圧を検知できるように接続されている。バッテリーセル監視ユニット３１は、バッテリーユニット３０自体から、好ましくは２つの外部のタップを介して、すなわち電圧ＶＬ＋およびＶＬ－を介して、給電されている。

【0050】

くわえて、バッテリーモジュール１２は、絶縁装置３２、制御装置３４、ブリッジ回路３６およびコンデンサ３８を含んでおり、それらは、互いに対し、かつバッテリーユニット３０に対して、並列に配置されており、２つの供給線ＶＬ＋、ＶＬ－を介して、バッテリーユニット３０に電気的に接続されている。１つまたは両方の供給線ＶＬ＋およびＶＬ－には、直列に接続された絶縁装置４０およびヒューズ４２も設けられている。

【0051】

図２は、制御信号を受信できるように、絶縁装置３２の１つの入力を、バッテリーモジュール１２の制御接続部２０に接続することをも示している。そして、このような制御信号は、制御線Ｓを介して、絶縁装置から制御装置３４へ転送することができる。制御装置３４から、制御信号は、制御線Ｓを介して、さらにブリッジ回路３６へと伝送することができる。

【0052】

図２にさらに示すように、モジュール入力部２２およびモジュール出力部２４はそれぞれ、ブリッジ回路３６に電気的に接続されている。

【0053】

ブリッジ回路３６は、バッテリーモードにおいて、電圧線ＶＬ＋をモジュール入力部に接続し、かつ、電圧線ＶＬ－をモジュール出力部２４に接続するよう設計されている。これは、バッテリーユニットにより供給される電圧（例えば、リチウムイオンセルの場合には３．６Ｖ）が、モジュール入力部２２およびモジュール出力２４部に印加されることを意味する。

【0054】

一方、バイパスモードでは、ブリッジ回路３６は、モジュール入力部２２とモジュール出力部２４との間に電気的接続を形成し、その結果、バッテリーユニット３０は切り離され、したがって、バッテリーモジュール１２自体は、モジュール入力部とモジュール出力部との間に電圧を供給しなくなる。

【0055】

２つの異なるブリッジ回路３６の構造例を、図３ａおよび図３ｂに模式的に示す。図示した個々のスイッチング素子が、ブリッジ回路の機能を明らかすることのみを意図していることに留意されたい。

【0056】

図３ａにおいて、ブリッジ回路３６は、例えば合計３つのスイッチング素子５２．１、５２．２および５４を制御できる、スイッチコントローラ５０を備えている。２つのスイッチング素子５２．１および５２．２はそれぞれ、供給線ＶＬ＋とモジュール入力部２２との間、または、供給線ＶＬ－とモジュール出力部２４との間の接続を形成する。

【0057】

スイッチング素子５４は、モジュール入力部２２とモジュール出力部２４との間に設けられており、これら２つの点の間の電気的接続を形成できる。

【0058】

バッテリーモードでは、２つのスイッチング素子５２．１および５２．２は閉じられ、スイッチング素子５４は開いていなければならない。

【0059】

バイパスモードでは、スイッチング素子５４は閉じられ、他の２つのスイッチング素子５２．１および５２．２の少なくとも一方は、バイパスを確保するために、開いていなければならない。

【0060】

これらのスイッチング素子のそれぞれの制御は、スイッチコントローラ５０を介して実行され、スイッチコントローラ５０は、必要な制御信号を、制御装置３４から制御線Ｓを介して受信する。

【0061】

図３ａから明らかなとおり、スイッチコントローラ５０は、２つの供給線ＶＬ＋およびＶＬ－を介して、バッテリーユニット３０からエネルギーの供給を受ける。

【0062】

通常、上述したスイッチング素子５２、５４は、トランジスタ（例えばＭＯＳＦＥＴ）として設けられる。無論、他のスイッチング素子も考えられる。

【0063】

図３ｂは、ブリッジ回路３６の他の例を示していて、これは、上述したブリッジ回路と異なり、合計４つのスイッチング素子５２．１、５２．２、５２．３および５２．４を備えており、これらのそれぞれは、スイッチコントローラ５０により、作動させることができる。２つのスイッチング素子５２．１および５２．２は直列に接続されており、かつ、モジュール入力部２２とモジュール出力部２４との間の第１の電流路に配置されている。他の２つのスイッチング素子５２．３および５２．４も直列に接続されており、かつ、モジュール入力部２２とモジュール出力部２４との間の第２の電流路に配置されている。すなわち、スイッチング素子の２つの直列回路は並列に接続されている。

【0064】

供給線ＶＬ＋と、２つのスイッチング素子５１．１および５２．２の間の接続点との間にも、電気的接続が存在する。供給線ＶＬ－と、２つのスイッチング素子５１．３および５２．４の間の接続点との間も、電気的に接続されている。

【0065】

４つのスイッチング素子５２．１～５２．４は、４つの異なる状態の形成を可能にする。すなわち、
ａ）例えば、スイッチング素子５２．３および５２．４が閉じられ、かつ、スイッチング素子５２．１および５２．２が開かれる、バイパスモード、
ｂ）例えば、スイッチング素子５２．１および５２．４が閉じられ、かつ、スイッチング素子５２．２および５２．３が開かれる、極性１のバッテリーモード、
ｃ）例えば、スイッチング素子５２．１および５２．４が開かれ、かつ、スイッチング素子５２．２および５２．３が閉じられる、極性２のバッテリーモード、ならびに、
ｄ）すべてのスイッチング素子５２．１～５２．４が開かれる、アイドルモードである。

【0066】

図４を参照し、ここで絶縁装置３２について、より詳細に説明する。絶縁装置３２は、ガルバニック絶縁用の装置６０を備えている。ガルバニック絶縁用の装置６０は、第１の装置部６１および第２の装置部６２を備えており、２つの装置部６１、６２は、分離線ＴＬが示唆するように、ガルバニック絶縁されている。そのため、これら２つの装置部６１、６２の間に、電気的接続は存在しない。上述したガルバニック絶縁装置は、例えば、２つの装置部６１、６２をコイルで構成して、誘電結合装置により実現されてもよい。ガルバニック絶縁装置は、オプトカプラ（フォトカプラ）によって構成することもできるであろう。

【0067】

絶縁装置３２は、さらに制御素子６４を備えている。制御素子６４はそれぞれの場合に、第２の装置部６２と供給線ＶＬ＋または供給線ＶＬ－との間の、電気的接続に設けられている。これらの制御素子６４を使用して、第２の装置部６２を供給電圧ＶＬ＋、ＶＬ－から、制御された仕方で絶縁することができる。あるいは、前述の２つの接続の一方に、１つだけ制御素子６４を設けることも考えられる。絶縁装置３２自体の不使用時の電流消費が、非常に低いか無い場合には、制御素子６４は必要に応じて削除してもよい。

【0068】

オプトカプラを使用したガルバニック絶縁の場合、この絶縁装置３２の機能は、制御接続部２０を介して制御ユニット１４により伝送される制御信号を、第１の装置部６１へと供給することであり、第１の装置部６１は、この制御信号を光信号ＯＳへと変換し、その光信号ＯＳは第２の装置部６２によって検知されて、電気的制御信号Ｓへと変換される。電気的信号を光信号に変換し、次いで電気的信号へと変換し直すことにより、非常に簡略で、かつ費用対効果の高いガルバニック絶縁を実現することができる。

【0069】

図１を参照して説明したように、個々のバッテリーモジュール１２は、出力部で所望の交流電圧を供給するために、バッテリーモードとバイパスモードとの間で、交互に切り替えられる。このようにバッテリーモードとバイパスモードとの間で切り替える際に、別の制御素子がそれぞれのバッテリーモジュール１２において必要であり、それらの制御素子は、バッテリーモジュール内部のバッテリーユニット３０からエネルギーの供給を受ける。

【0070】

例えば図３ａ、図３ｂおよび図４から理解できるように、スイッチコントローラ５０およびスイッチング素子５２、５４、ならびに、第２の装置部６２および制御素子６４は、バッテリーユニットを介してエネルギーを供給される。

【0071】

これに伴う問題は、このエネルギー供給が、負荷が出力に接続されていないときにも行われることである。全てのバッテリーモジュール１２がバイパスモードとされていて、その結果、出力電圧が０Ｖであっても、絶縁装置３２およびブリッジ回路３６の両方における個々の部品は、依然としてエネルギーを供給されている。

【0072】

外部のエネルギー供給源に恒久的に接続されていない、モバイル用途のためのエネルギー供給システムの場合において特に、このエネルギー消費は、バッテリーモジュールのそれぞれのバッテリーユニットの放電につながり、その結果、エネルギー供給システム１０は、一定時間の後には使用できなくなる。状況によっては、このエネルギー消費は、個々のバッテリーユニットの重放電につながることさえあり得、それにより、それらの耐用期間が著しく減少する。

【0073】

ゆえに、本発明の目的は、例えば負荷に給電されるべきでない期間におけるエネルギー消費を低減することである。

【0074】

そこで、バッテリーモジュール１２は、動作モードがバイパスモードとバッテリーモードとの間で交互に切り替えられる通常の運転モードに加えて、少なくともブリッジ回路をエネルギー消費が最小の状態に置くことのできるアイドルモードが設けられるように、構成されている。

【0075】

ブリッジ回路がこのアイドルモードであれば、スイッチング素子５２、５４は、モジュール入力部がモジュール出力部２４にも供給線ＶＬ＋にも接続されないように、開状態に移行される。あるいは、または、くわえて、モジュール出力部２４も供給線ＶＬ－に接続されない。

【0076】

この状態で、スイッチング素子５２、５４は（トランジスタにより構成されているのが好ましいが）、エネルギー消費が著しく少なくなり、結果としてブリッジ回路３６のエネルギー消費が低減される。

【0077】

アイドルモードにおいて、スイッチコントローラ５０をエネルギー供給源から（すなわち両方の供給線ＶＬ＋、ＶＬ－から）切り離すことも可能である。しかし、スイッチコントローラ５０は、ブリッジ回路をアイドルモードから運転モードへ復帰させる制御信号を、制御装置３４から、または代わりに絶縁装置３２から直接、検知できることが必要である。これを保証するには、スイッチコントローラ５０を、エネルギー消費が低い状態と、制御信号Ｓを検知できる状態との間で交互に周期的に切り替えればよい。スイッチコントローラ５０を適切に設計することにより、スイッチコントローラ５０を供給線から接続解除する代わりに、単に、スイッチコントローラ５０が無視し得るアイドル電流しか必要としない休止モードを有効にすることも考えられるであろう。この場合、受信した制御信号により、スイッチコントローラ５０が休止モードに移行することになる。

【0078】

エネルギー消費をさらに低減するため、絶縁装置３２を、アイドルモード中に、エネルギー消費がより低い状態に切り替えることもできる。この目的のために、スイッチング素子６４が設けられており、スイッチング素子６４は、エネルギー供給を、すなわち、それぞれ供給線ＶＬ＋またはＶＬ－への第２の装置部６２の接続を、少なくとも間欠的に遮断する。この、例えば周期的な、第２の装置部６２のオンおよびオフの切り替えにより、制御信号を制御ユニット１４から確実に受信できるようになる。

【0079】

２つのスイッチング素子６４は、それら自体が、対応する制御信号を制御ユニット１４から受信して、運転モードとアイドルモードとの間で切り替わる。

【0080】

アイドルモードまたは運転モードを起動するためのこのような制御信号も、絶縁装置３２を介して、制御装置３４およびブリッジ回路３６に伝送される。

【0081】

制御装置３４について議論する意図はないが、特定の部品をアイドルモード中に低エネルギー消費状態に置くための適切な対策をとることもできるのは言うまでもない。ここでも、制御装置３４は、アイドルモードから運転モードに切り替わるための制御信号を検知できることが確実でなければならない。換言すれば、このような制御信号を受信する必要のある部品は、エネルギー消費が最小の状態から、信号の検知に必要とされる状態へと、少なくとも間欠的に移行される。制御装置３４は、それ自体が、バッテリーモード１２を、正確な時間にバイパスモードからバッテリーモードおよびその逆へ、切り替える責任を担う。この目的のために、制御装置３４は、制御ユニットから来る信号を、しかるべく評価する。制御ユニット１４から来るこの信号は、２つの項目の情報（例えば、バッテリーモードまたはバイパスモード、および、運転モードまたはアイドルモード）を含んでいてもよい。

【0082】

全体として、得られる結果は、全体のエネルギー消費を低減するための上述した個々の方策により、アイドルモードでの総エネルギー消費を著しく低減することが可能となる、というものである。

【0083】

そこで、プラグコネクタ１８に負荷が接続されていないとき、または、例えば平均電流出力が規定値未満となるときはいつでも、各バッテリーモジュール１２をアイドルモードにすることにより、エネルギー消費におけるさらなる向上を実現することができる。無論、アイドルモードへの切り替えのための他の規準も考えられる。異なる規準に基づいて、ブリッジ回路３６、制御装置３４および絶縁装置３２を、アイドルモードへと時間差で切り替えることも可能であろう。

【0084】

しかし全体として、すべてのバッテリーモジュール１２を、制御ユニット１４からの制御信号により、アイドルモードから運転モードへと再設定できることが重要である。この理由で、制御ユニット１４からのこの制御信号を受信かつ評価できるようにするために、少なくとも個々の電気部品が、バッテリーユニット３０からのエネルギーを、少なくとも間欠的に供給され続けることが必要である。しかし、アイドルモード中の絶縁装置３２、制御装置３４およびブリッジ回路３６のこの「受信能力」は、上述したように、連続的に存在する必要はない。この受信能力をアイドルモード中に、少なくとも間欠的に提供すれば十分である。

【0085】

試験により、アイドルモード中のエネルギー消費が、１０分の１未満に、著しく減少し得ることが分かっている。上記方策すべてを採用した場合、エネルギー消費の低減率は、例えば１００倍以上へと、著しく増加し得る。

【0086】

図２を参照してすでに説明したように、供給線ＶＬ－は絶縁装置４０およびヒューズ４２を含んでいる。ヒューズ４２は、電流フローが多過ぎる場合にバッテリーを分離するために設けられている。代わりに、絶縁装置４０および／またはヒューズ４２を、供給線ＶＬ＋に設けることもできる。

【0087】

絶縁装置４０は、絶縁装置３２、制御装置３４、ブリッジ回路３６およびコンデンサ３８などの他の部品の１つ以上から、バッテリーユニット３０を必要に応じて絶縁するために設けられている。この絶縁は、例えば制御ユニット１４からの制御信号を介して制御されてもよい。この場合、すべての部品が絶縁される。しかし、例えば、バッテリーユニットからブリッジ回路３６だけを切り離すことも考えられる。

【0088】

絶縁装置４０自体は、図５ａに示すように、例えばＭＯＳＦＥＴトランジスタの形態の、例えばスイッチング素子７２を備えている。

【0089】

あるいは、図５ｂに示すように、絶縁装置４０は、直列に接続された２つのスイッチング素子７６．１、７６．２を備えていてもよい。

【0090】

全体として、本発明に係るエネルギー供給システムは、エネルギー消費が著しく低減されていることが明らかであり、このことは、本発明に係るエネルギー供給システムが、主電源との接続なしで相当の長時間にわたってさえ使用可能な状態を保つモバイルユニットとして特に使用することもできることを意味する。このようなモバイル用途は、上述した先行技術で規定されているような従来のエネルギー供給システムでは、不可能であった。これは、バッテリーユニットが非常に速やかに放電されていたためである。

【図1】

【図2】

【図3a】

【図3b】

【図4】

【図5】

【図6】