JP7557025B2 - エネルギー貯蔵モジュール及びエネルギー貯蔵システム - Google Patents

Description

本発明は、エネルギー貯蔵の分野に属し、特にエネルギー貯蔵モジュール及びエネルギー貯蔵システムに関するものである。

エネルギー貯蔵システムは、鉄道交通、電力、新エネルギー、電気自動車、ハイパワー伝達などにおいて幅広い用途の見通しがある。エネルギー貯蔵システム内の複数のバッテリーパックは、直流母線に同時にカップリングされ、複数のバッテリーパック間の電圧差により、バッテリーパック間で循環電流が発生し、回路損失が増加し、バッテリーパックの寿命が短くなる。

上記の状況を回避するために、エネルギー貯蔵システムは通常、直流母線にカップリングされたフルパワー型直流コンバータを設置して、直流母線上のバッテリーパックによって提供される電気エネルギーを直流バスバーに変換する。フルパワー型直流コンバータの正入力端子及び負入力端子は、それぞれバッテリーパックの両端に電気的にカップリングされ、かつフルパワー型直流コンバータの正出力端子及び負出力端子は、それぞれ直流バスバーの両端に電気的にカップリングされることで、バッテリーパックによって提供される電気エネルギーを直接変換する。しかし、上記のフルパワー型直流コンバータの接続方式及び制御方法によれば、エネルギー貯蔵システムのパワー損失が大きく、例えば、バッテリーパックによって提供される電気エネルギーの定格電圧が１０００Ｖ、定格電流が１００Ａである場合、フルパワー型直流コンバータのパワーは１００ｋＷとなり、フルパワー型直流コンバータの変換効率が９９％である場合、そのパワー損失は１ｋＷとなる。エネルギー貯蔵システムのパワー損失が大きいため、製品コストが高くなり、パフォーマンスが低下し、信頼性も低下する。

そこで、従来技術が直面する問題を解決するためのエネルギー貯蔵モジュール及びエネルギー貯蔵システムをどのように開発するかは、この分野における緊急の課題である。

本発明の目的は、直列補償型直流変換装置を含み、直列補償型直流変換装置の第１の導通端子が、正母線接続端子及び負母線接続端子に電気的に接続され、または第１のバッテリーパックのバッテリー正端子及びバッテリー負端子に電気的に接続され、直列補償型直流変換装置の第２の導通端子がコンデンサの両端に電気的に接続され、直列補償型直流変換装置の４象限直流／直流コンバータが、コンデンサを制御して補償電圧を形成し、第１のバッテリーパックのバッテリー正端子とバッテリー負端子との間の電圧を補償し、または、第１のバッテリーパックに流れる電流を設定値に制御し、ここで、補償電圧の値が正の値または負の値であってもよく、一方向の補償電圧と比較して、パワーレベルが小さく、損失が小さく、効率が高い、エネルギー貯蔵モジュール及びエネルギー貯蔵システムを提供することにある。従って、コンデンサ上の補償電圧は第１のバッテリーパックの両端の電圧に比べて非常に小さいため、第１のバッテリーパックに流れる電流が等しい場合、直列補償型直流変換装置の変換パワーは、従来のフルパワー直流コンバータの変換パワーよりもはるかに小さいため、本発明のエネルギー貯蔵モジュールは、上記の接続方式及び制御方法により、低いパワー損失を得ることができ、エネルギー貯蔵モジュールの全体的な性能が向上し、信頼性も向上し、バッテリーパックに流れる電流を設定値に制御することにより、すなわち、バッテリーパックの充放電電流の大きさを制御することにより、バッテリーパックが適切な充放電曲線で動作することを保証し、バッテリーパックの急速な充放電を保証するとともに、バッテリーパックの耐用年数を向上させることもできる。

上記目的を達成するために、本発明の好ましい実施形態では、母線接続部、第１のバッテリーパック、コンデンサ、及び直列補償型直流変換装置を含むエネルギー貯蔵モジュールを提供する。母線接続部は、正母線接続端子及び負母線接続端子を含む。第１のバッテリーパックは、正母線接続端子と負母線接続端子との間に電気的にカップリングされ、バッテリー正端子及びバッテリー負端子を含む。コンデンサは、正母線接続端子とバッテリー正端子との間に電気的にカップリングされ、または負母線接続端子とバッテリー負端子との間に電気的にカップリングされる。直列補償型直流変換装置は、第１の導通端子、第２の導通端子、双方向絶縁型コンバータ、及び４象限直流／直流コンバータを含む。第１の導通端子は、第１の正導通端子及び第１の負導通端子を含み、第１の正導通端子及び第１の負導通端子は、それぞれ正母線接続端子及び負母線接続端子に電気的に接続され、またはバッテリー正端子及びバッテリー負端子に電気的に接続される。第２の導通端子は、第２の正導通端子及び第２の負導通端子を含み、第２の正導通端子及び第２の負導通端子は、それぞれコンデンサの両端に電気的に接続される。双方向絶縁型コンバータは、第１の導通端子に電気的に接続される。４象限直流／直流コンバータは、双方向絶縁型コンバータと第２の導通端子との間に電気的に接続され、４象限直流／直流コンバータは、コンデンサを制御して補償電圧を形成し、第１のバッテリーパックのバッテリー正端子とバッテリー負端子との間の電圧を補償し、または、４象限直流／直流コンバータは第１のバッテリーパックに流れる電流を設定値に制御する。

上記目的を達成するために、本発明の別の好ましい実施形態では、パワー変換装置と複数のエネルギー貯蔵モジュールとを含み、パワー変換装置はパワー正端子及びパワー負端子を含み、各エネルギー貯蔵モジュールは、母線接続部、第１のバッテリーパック、コンデンサ、及び直列補償型直流変換装置を含む、エネルギー貯蔵システムを提供する。母線接続部は、正母線接続端子及び負母線接続端子を含み、正母線接続端子はパワー正端子に電気的に接続され、負母線接続端子はパワー負端子に電気的に接続される。第１のバッテリーパックは、正母線接続端子と負母線接続端子との間に電気的にカップリングされ、バッテリー正端子及びバッテリー負端子を含む。コンデンサは、正母線接続端子とバッテリー正端子との間に電気的にカップリングされ、または負母線接続端子とバッテリー負端子との間に電気的にカップリングされる。直列補償型直流変換装置は、第１の導通端子、第２の導通端子、双方向絶縁型コンバータ、及び４象限直流／直流コンバータを含む。第１の導通端子は、第１の正導通端子及び第１の負導通端子を含み、第１の正導通端子及び第１の負導通端子は、それぞれ正母線接続端子及び負母線接続端子に電気的に接続され、またはバッテリー正端子及びバッテリー負端子に電気的に接続される。第２の導通端子は、第２の正導通端子及び第２の負導通端子を含み、第２の正導通端子及び第２の負導通端子は、それぞれコンデンサの両端に電気的に接続される。双方向絶縁型コンバータは、第１の導通端子に電気的に接続される。４象限直流／直流コンバータは、双方向絶縁型コンバータと第２の導通端子との間に電気的に接続され、４象限直流／直流コンバータは、コンデンサを制御して補償電圧を形成し、第１のバッテリーパックのバッテリー正端子とバッテリー負端子との間の電圧を補償し、または、４象限直流／直流コンバータは第１のバッテリーパックに流れる電流を設定値に制御する。

本発明の第１の実施形態のエネルギー貯蔵モジュールの回路トポロジ図である。 図１Ａに示すエネルギー貯蔵モジュールの直列補償型直流変換装置の詳細な回路トポロジ図である。 第１のバッテリーパックが充電モードにありかつ補償電圧が正の値である場合の、図１Ａに示すエネルギー貯蔵モジュールの電流流れを示す概略図である。 第１のバッテリーパックが充電モードにありかつ補償電圧が負の値である場合の、図１Ａに示すエネルギー貯蔵モジュールの電流流れを示す概略図である。 第１のバッテリーパックが放電モードにありかつ補償電圧が正の値である場合の、図１Ａに示すエネルギー貯蔵モジュールの電流流れを示す概略図である。 第１のバッテリーパックが放電モードにありかつ補償電圧が負の値である場合の、図１Ａに示すエネルギー貯蔵モジュールの電流流れを示す概略図である。 図１Ａに示すエネルギー貯蔵モジュールの直列補償型変換装置の４象限直流／直流コンバータの制御ループのブロック図である。 本発明の第２の実施形態のエネルギー貯蔵モジュールの回路トポロジ図である。 図４Ａに示すエネルギー貯蔵モジュールの直列補償型直流変換装置の詳細な回路トポロジ図である。 本発明の第３の実施形態のエネルギー貯蔵モジュールの回路トポロジ図である。 本発明の第４の実施形態のエネルギー貯蔵モジュールの回路トポロジ図である。 図１Ａに示すエネルギー貯蔵モジュールの直列補償型直流変換装置の双方向絶縁型コンバータの第１の実施形態の詳細な回路トポロジ図である。 図１Ａに示すエネルギー貯蔵モジュールの直列補償型直流変換装置の双方向絶縁型コンバータの第２の実施形態の詳細な回路トポロジ図である。 図１Ａに示すエネルギー貯蔵モジュールの直列補償型直流変換装置の双方向絶縁型コンバータの第３の実施形態の詳細な回路トポロジ図である。 図１Ａに示すエネルギー貯蔵モジュールの４象限直流／直流コンバータの第１の実施形態の詳細な回路トポロジ図である。 図１Ａに示すエネルギー貯蔵モジュールの４象限直流／直流コンバータの第２の実施形態の詳細な回路トポロジ図である。 本発明のエネルギー貯蔵システムの回路トポロジ図である。 本発明の第５の実施形態のエネルギー貯蔵モジュールの回路トポロジ図である。 本発明の第６の実施形態のエネルギー貯蔵モジュールの回路トポロジ図である。

本発明の特徴と利点を示すいくつかの典型的な実施形態について、後述の説明において詳細に記述する。本発明は異なる態様において様々な変更を加えることができ、いずれも本発明の範囲から逸脱することなく、かつその説明及び図面は本質的に説明するために用いられものであり、本発明を限定する意図はないことを理解されたい。また、本発明に使用される「カップリング」に関しては、２つまたは複数の素子が互いに直接物理的または電気的に接触していること、または互いに間接的に物理的または電気的に接触していることを意味するものであり、本発明では限定されない。

図１Ａ及び図１Ｂを参照し、図１Ａは本発明の第１の実施形態のエネルギー貯蔵モジュールの回路トポロジ図であり、図１Ｂは図１Ａに示すエネルギー貯蔵モジュールの直列補償型直流変換装置の詳細な回路トポロジ図である。図示のように、エネルギー貯蔵モジュール１は、母線接続部２、第１のバッテリーパック３、コンデンサＣｂ、及び直列補償型直流変換装置４を含む。母線接続部２は、正母線接続端子２１及び負母線接続端子２２を含み、エネルギー貯蔵モジュール１は、母線接続部２の正母線接続端子２１及び負母線接続端子２２により直流バスバー（図示せず）に接続される。第１のバッテリーパック３は、正母線接続端子２１と負母線接続端子２２との間に電気的にカップリングされ、バッテリー正端子３１、バッテリー負端子３２、及び複数のバッテリー３３を含み、複数のバッテリー３３は、バッテリー正端子３１とバッテリー負端子３２との間に直列に接続され、第１のバッテリーパック３が直流バスバーに電力を供給しようとして放電モードにあるとき、第１のバッテリーパック３は、バッテリー正端子３１及びバッテリー負端子３２を介して直流バスバーに給電電気エネルギーを供給する。直流バスバーが第１のバッテリーパック３を充電しようとして充電モードにあるとき、第１のバッテリーパック３は、バッテリー正端子３１及びバッテリー負端子３２を介して直流バスバーによって供給される充電電気エネルギーを受ける。本実施形態では、コンデンサＣｂは、正母線接続端子２１とバッテリー正端子３１との間に電気的にカップリングされる。

図１Ａ及び図１Ｂに示すように、直列補償型直流変換装置４は、第１の導通端子４１、第２の導通端子４２、双方向絶縁型コンバータ４３、及び４象限直流／直流コンバータ４４を含む。第１の導通端子４１は、第１の正導通端子４１１及び第１の負導通端子４１２を含み、本実施形態では、第１の正導通端子４１１は、第１のバッテリーパック３のバッテリー正端子３１に電気的に接続され、第１の負導通端子４１２は、第１のバッテリーパック３のバッテリー負端子３２に電気的に接続される。第２の導通端子４２は、第２の正導通端子４２１及び第２の負導通端子４２２を含み、第２の正導通端子４２１及び第２の負導通端子４２２は、それぞれコンデンサＣｂの両端に電気的に接続され、本実施形態では、直列補償型直流変換装置４がコンデンサＣｂを制御して形成される補償電圧の方向が、第１のバッテリーパック３の両端の電圧方向と反対である場合、第２の正導通端子４２１はコンデンサＣｂの電圧正端子に接続され、第２の負導通端子４２２はコンデンサＣｂの電圧負端子に接続され、このとき、第２の正導通端子４２１は、第１のバッテリーパック３のバッテリー正端子３１に電気的に接続され、第２の負導通端子４２２は、母線接続部２の正母線接続端子２１に電気的に接続される。いくつかの他の実施形態では、直列補償型直流変換装置４がコンデンサＣｂを制御して形成される補償電圧の方向が、第１のバッテリーパック３の両端の電圧方向と同じである場合、第２の正導通端子４２１はコンデンサＣｂの電圧正端子に接続され、第２の負導通端子４２２はコンデンサＣｂの電圧負端子に接続され、このとき、第２の正導通端子４２１は、母線接続部２の正母線接続端子２１に電気的に接続され、第２の負導通端子４２２は、第１のバッテリーパック３のバッテリー正端子３１に電気的に接続されることが理解され得る。

いくつかの実施形態では、第１の導通端子４１は、例えば、直列補償型直流変換装置４の高電圧側を構成することができ、第２の導通端子４２は、例えば、直列補償型直流変換装置４の低電圧側を構成することができ、このとき、コンデンサ上の補償電圧は、第１のバッテリーパックの両端の電圧に比べて非常に小さいため、第１のバッテリーパックに流れる電流が等しい場合、直列補償型直流変換装置の変換パワーは、フルパワー直流コンバータの変換パワーよりもはるかに小さいため、本発明のエネルギー貯蔵モジュールのパワー損失は非常に小さくなる。

図１Ｂに示すように、双方向絶縁型コンバータ４３は、第１の導通端子４１の第１の正導通端子４１１及び第１の負導通端子４１２に電気的に接続され、４象限直流／直流コンバータ４４は、双方向絶縁型コンバータ４３と第２の導通端子４２との間に電気的に接続され、第２の導通端子４２は、コンデンサＣｂの両端に電気的に接続され、コンデンサＣｂは、正母線接続端子２１とバッテリー正端子３３との間に電気的に接続される。エネルギー貯蔵モジュールが放電モードにあるとき、双方向絶縁型コンバータ４３は、第１のバッテリーパック３によって提供される給電電気エネルギーを受け取って過渡電気エネルギーに変換することができる。４象限直流／直流コンバータ４４は、双方向絶縁型コンバータ４３と第２の導通端子４２との間に電気的に接続され、双方向絶縁型コンバータ４３が過渡電気エネルギーを供給する場合、４象限直流／直流コンバータ４４は、過渡電気エネルギーに応じてコンデンサＣｂを制御して補償電圧を形成し、第１のバッテリーパック３のバッテリー正端子３１とバッテリー負端子３２との間の電圧を補償し、ここで、補償電圧の値は正の値または負の値であってもよく、すなわち、コンデンサＣｂの両端の補償電圧の方向は、第１のバッテリーパック３の両端の電圧方向と同じまたは反対である。または、双方向絶縁型コンバータ４３が過渡電気エネルギーを供給する場合、４象限直流／直流コンバータ４４は、過渡電気エネルギーを利用して、第１のバッテリーパック３に流れる電流を設定値に制御する。さらに、エネルギー貯蔵モジュールが充電モードにあるとき、４象限直流／直流コンバータ４４は、母線接続部２によって提供される給電電気エネルギーを受け取って過渡電気エネルギーに変換することができ、双方向絶縁型コンバータ４３は、過渡電気エネルギーを受け取り、第１のバッテリーパック３に送信し、４象限直流／直流コンバータ４４は、母線接続部２によって提供される給電電気エネルギーを利用して、コンデンサＣｂを制御して補償電圧を形成し、第１のバッテリーパック３のバッテリー正端子３１とバッテリー負端子３２との間の電圧を補償し、ここで、補償電圧の値は正の値または負の値であってもよく、すなわち、コンデンサＣｂの両端の補償電圧の方向は、第１のバッテリーパック３の両端の電圧方向と同じまたは反対である。または、４象限直流／直流コンバータ４４は、母線接続部２によって提供される給電電気エネルギーを利用して、第１のバッテリーパック３に流れる電流を設定値に制御する。本実施形態では、図１Ｂに示すように、４象限直流／直流コンバータ４４が、双方向絶縁型コンバータ４３によって提供される過渡電気エネルギーを利用して、第１のバッテリーパック３に流れる電流を設定値に制御する場合、または、４象限直流／直流コンバータ４４が、母線接続部２によって提供される給電電気エネルギーを利用して、第１のバッテリーパック３に流れる電流を設定値に制御する場合、４象限直流／直流コンバータ４４は、第１の導通端子４１に流れる電流Ｉ２及び第２の導通端子４２に流れる電流Ｉ３を制御することにより、第１のバッテリーパック３に流れる電流Ｉ１を設定値とし、図１Ｂにおいて、第１のバッテリーパック３が充電モードにありかつ補償電圧が正の値である場合の、第１の導通端子４１に流れる電流Ｉ２、第２の導通端子４２に流れる電流Ｉ３、及び第１のバッテリーパック３に流れる電流Ｉ１の電流流れを例にする。なお、このとき、コンデンサＣｂは定常状態にあり、コンデンサＣｂの分岐電圧は変化せず、コンデンサＣｂの分岐には直流電流がないため、第１のバッテリーパック３に流れる電流Ｉ１は、第１の導通端子４１に流れる電流Ｉ２と第２の導通端子４２に流れる電流Ｉ３との合計となる。本実施形態では、双方向絶縁型コンバータ４３及び４象限直流／直流コンバータ４４の設置位置により、直列補償型直流変換装置４の第１の導通端子４１と第２の導通端子４２とが離間して設置されているため、直列補償型直流変換装置４の動作時に、第１のバッテリーパック３の両端（すなわち、バッテリー正端子３１とバッテリー負端子３２）及び母線接続部２の両端（すなわち、正母線接続端子２１と負母線接続端子２２）間で短絡が発生することを回避することができる。

上記から分かるように、本発明のエネルギー貯蔵モジュール１は、直列補償型直流変換装置４を含み、直列補償型直流変換装置４の第１の導通端子４１は、第１のバッテリーパック３のバッテリー正端子３１及びバッテリー負端子３２に電気的に接続され、直列補償型直流変換装置４の第２の導通端子４２は、コンデンサＣｂの両端に電気的に接続され、直列補償型直流変換装置４の４象限直流／直流コンバータ４４は、コンデンサＣｂを制御して補償電圧を形成し、第１のバッテリーパック３のバッテリー正端子３１とバッテリー負端子３２との間の電圧を補償し、または、第１のバッテリーパック３に流れる電流を設定値に制御する。従って、従来のエネルギー貯蔵システムの接続方式及び制御方法と比較して、コンデンサ上の補償電圧は、第１のバッテリーパックの両端の電圧に比べて非常に小さいため、第１のバッテリーパックに流れる電流が等しい場合、直列補償型直流変換装置の変換パワーは、従来のフルパワー直流コンバータの変換パワーよりもはるかに小さいため、本発明のエネルギー貯蔵モジュールは、上記の接続方式及び制御方法により、より低いパワー損失とより低い変換パワーを得ることができ、エネルギー貯蔵モジュールの全体的な性能が向上し、信頼性も向上する。例えば、第１のバッテリーパック３によって提供される給電電気エネルギーの定格電圧が１０００Ｖ、定格電流が１００Ａである場合、直列補償型直流変換装置４の４象限直流／直流コンバータ４４によって形成される補償電圧は約１００Ｖとなり、直列補償型直流変換装置４の変換効率が９６％である場合、そのパワー損失は０．４ｋＷとなるため、従来のフルパワー型直流コンバータのパワー損失が１ｋＷであるのと比較して、本発明のエネルギー貯蔵モジュール１のパワー損失は低く、エネルギー貯蔵モジュール１の全体的な性能が向上し、信頼性も向上する。

以下、エネルギー貯蔵モジュール１の充放電モードについてさらに説明する。図２Ａ、２Ｂ、２Ｃ及び２Ｄを参照し、図１Ａ及び図１Ｂと併せて参照する。図２Ａは、第１のバッテリーパックが充電モードにありかつ補償電圧が正の値である場合の、図１Ａに示すエネルギー貯蔵モジュールの電流流れを示す概略図であり、図２Ｂは、第１のバッテリーパックが充電モードにありかつ補償電圧が負の値である場合の、図１Ａに示すエネルギー貯蔵モジュールの電流流れを示す概略図であり、図２Ｃは、第１のバッテリーパックが放電モードにありかつ補償電圧が正の値である場合の、図１Ａに示すエネルギー貯蔵モジュールの電流流れを示す概略図であり、図２Ｄは、第１のバッテリーパックが放電モードにありかつ補償電圧が負の値である場合の、図１Ａに示すエネルギー貯蔵モジュールの電流流れを示す概略図である。図２Ａ～図２Ｄにおいて、Ｉ１は第１のバッテリーパック３に流れる電流、Ｉ２は直列補償型直流変換装置４の第１の導通端子４１に流れる電流、Ｉ３は直列補償型直流変換装置４の第２の導通端子４２に流れる電流を表し、このとき、コンデンサＣｂは定常状態にあり、コンデンサＣｂの分岐電圧は変化せず、コンデンサＣｂの分岐には直流電流がない。

図２Ａに示すように、この時点は、第１のバッテリーパック３が充電モードにあり、４象限直流／直流コンバータ４４がコンデンサＣｂを制御して形成される補償電圧が正の値である場合であり、第１のバッテリーパック３に流れる電流Ｉ１は、直列補償型直流変換装置４の第１の導通端子４１に流れる電流Ｉ２に第２の導通端子４２に流れる電流Ｉ３を加算したものに等しく、この時点の直流バスバーの電圧は、第１のバッテリーパック３によって提供される給電電圧に４象限直流／直流コンバータ４４がコンデンサＣｂを制御して形成される補償電圧を加算したものに等しく、第１のバッテリーパック３のバッテリー正端子３１とバッテリー負端子３２との間の電圧の電圧方向は、コンデンサＣｂ上の補償電圧の電圧方向と同じである。図２Ｂに示すように、この時点は、第１のバッテリーパック３が充電モードにあり、４象限直流／直流コンバータ４４がコンデンサＣｂを制御して形成される補償電圧が負の値である場合であり、第１のバッテリーパック３に流れる電流Ｉ１は、直列補償型直流変換装置４の第２の導通端子４２に流れる電流Ｉ３から第１の導通端子４１に流れる電流Ｉ２を減算したものに等しく、この時点の直流バスバーの電圧は、第１のバッテリーパック３によって提供される給電電圧から４象限直流／直流コンバータ４４がコンデンサＣｂを制御して形成される補償電圧を減算したものに等しく、第１のバッテリーパック３のバッテリー正端子３１とバッテリー負端子３２との間の電圧の電圧方向は、コンデンサＣｂ上の補償電圧の電圧方向と反対である。図２Ｃに示すように、この時点は、第１のバッテリーパック３が放電モードにあり、４象限直流／直流コンバータ４４がコンデンサＣｂを制御して形成される補償電圧が正の値である場合であり、第１のバッテリーパック３に流れる電流Ｉ１は、直列補償型直流変換装置４の第１の導通端子４１に流れる電流Ｉ２に第２の導通端子４２に流れる電流Ｉ３を加算したものに等しく、この時点の直流バスバーの電圧は、第１のバッテリーパック３によって提供される給電電圧に４象限直流／直流コンバータ４４がコンデンサＣｂを制御して形成される補償電圧を加算したものに等しく、第１のバッテリーパック３のバッテリー正端子３１とバッテリー負端子３２との間の電圧の電圧方向は、コンデンサＣｂ上の補償電圧の電圧方向と同じである。図２Ｄに示すように、この時点は、第１のバッテリーパック３が放電モードにあり、４象限直流／直流コンバータ４４によって形成される補償電圧が負の値である場合であり、第１のバッテリーパック３に流れる電流Ｉ１は、直列補償型直流変換装置４の第２の導通端子４２に流れる電流Ｉ３から第１の導通端子４１に流れる電流Ｉ２を減算したものに等しく、この時点の直流バスバーの電圧は、第１のバッテリーパック３によって提供される給電電圧から４象限直流／直流コンバータ４４によって形成される補償電圧を減算したものに等しく、第１のバッテリーパック３のバッテリー正端子３１とバッテリー負端子３２との間の電圧の電圧方向は、コンデンサＣｂ上の補償電圧の電圧方向と反対である。

一実施形態において、図１Ｂに示すように、直列補償型直流変換装置４は制御ユニット５をさらに含み、前記制御ユニット５は、４象限直流／直流コンバータ４４に電気的に接続され、４象限直流／直流コンバータ４４を制御してコンデンサＣｂに補償電圧を形成し、または第１のバッテリーパック３に流れる電流Ｉ１を設定値に制御する。図３を参照し、図１Ａと併せて参照する。図３は、図１Ａに示すエネルギー貯蔵モジュールの直列補償型変換装置の４象限直流／直流コンバータの制御ループのブロック図である。図３に示すように、エネルギー貯蔵モジュール１が定電流モードで動作しているときに、エネルギー貯蔵モジュール１の制御ユニット５は、外部ホスト（図示せず）によって提供される電流指令Ｉｓｐを受信して、４象限直流／直流コンバータ４４におけるスイッチ素子５２０を制御することができ、エネルギー貯蔵モジュール１が定電圧モードで動作しているときに、エネルギー貯蔵モジュール１の制御ユニット５は、外部ホスト（図示せず）によって提供される電圧指令Ｖｓｐを受信して、４象限直流／直流コンバータ４４におけるスイッチ素子５２０を制御することができる。制御ユニット５は、第１の勾配制御装置５１１、第１のコンパレータ５１２、第１の比例制御装置５１３、第１の振幅リミッタ５１４、第２の勾配制御装置５１５、セレクタ５１６、第２のコンパレータ５１７、第２の比例制御装置５１８、及び第２の振幅リミッタ５１９を含む。一実施形態において、エネルギー貯蔵モジュール１が定電流モードで動作しているときに、制御ユニット５は第１のバッテリーパック３に流れる電流Ｉ１を設定値に制御する場合、第２の勾配制御装置５１５は、外部ホストによって提供される電流指令Ｉｓｐを受信して変換し、電流勾配の所定値を出力し、第２の勾配制御装置５１５は、電流指令Ｉｓｐがステッピングするのを防止するために使用される。エネルギー貯蔵モジュール１が定電流モードで動作しているときに、セレクタ５１６は第２の勾配制御装置５１５によって提供される電流勾配の所定値を受信する。第２のコンパレータ５１７は、セレクタ５１６によって提供される電流勾配の所定値、直列補償型直流変換装置４の第１の導通端子４１に流れる電流Ｉ２、及び第２の導通端子４２に流れる電流Ｉ３を受信し、直列補償型直流変換装置４の第１の導通端子４１に流れる電流Ｉ２及び第２の導通端子４２に流れる電流Ｉ３を、電流勾配の所定値と比較して、比較電流Ｉｅｒｒを取得する。第２の比例制御装置５１８は、比較電流Ｉｅｒｒを受信して計算する。第２の振幅リミッタ５１９は、第２の比例制御装置５１８から出力される計算された比較電流Ｉｅｒｒを受信し、比較電流Ｉｅｒｒを制限し、デューティ比ｄを取得することで、４象限直流／直流コンバータ４４におけるスイッチ素子５２０のオン・オフを制御し、さらに、直列補償型直流変換装置４の第１の導通端子４１に流れる電流Ｉ２と第２の導通端子４２に流れる電流Ｉ３との合計が設定値となるようにインダクタンス素子５２１上の電流を制御し、すなわち、第１のバッテリーパック３に流れる電流Ｉ１を設定値に制御する。他の実施形態では、例えば、図４Ａに示す実施形態では、第２のコンパレータ５１７は、直列補償型直流変換装置４の第２の導通端子４２に流れる電流Ｉ３を受信し、直列補償型直流変換装置４の第２の導通端子４２に流れる電流Ｉ３を電流勾配の所定値と比較して、比較電流Ｉｅｒｒを取得する。第２の比例制御装置５１８は比較電流Ｉｅｒｒを受信して計算する。第２の振幅リミッタ５１９は、第２の比例制御装置５１８から出力される計算された比較電流Ｉｅｒｒを受信し、比較電流Ｉｅｒｒを制限し、デューティ比ｄを取得することで、４象限直流／直流コンバータ４４におけるスイッチ素子５２０のオン・オフを制御し、さらに、直列補償型直流変換装置４の第２の導通端子４２に流れる電流Ｉ３が設定値となるようにインダクタンス素子５２１上の電流を制御し、すなわち、第１のバッテリーパック３に流れる電流Ｉ１を設定値に制御し、本実施形態では、設定値は、例えば電流指令Ｉｓｐである。スイッチ素子５２０は、４象限直流／直流コンバータ４４内のスイッチ素子であってもよく、インダクタンス素子５２１は、４象限直流／直流コンバータ４４内のインダクタンス素子、例えば、図８Ａ及び図８Ｂにおける第１の変換インダクタンスＬ１であってもよい。以下、４象限直流／直流コンバータ４４内のスイッチ素子及びインダクタンス素子の詳細な設置方式及び接続方式について説明する。

引き続き図３を参照し、図１Ａと併せて参照する。一実施形態において、エネルギー貯蔵モジュール１が定電圧モードで動作しているときに、制御ユニット５は４象限直流／直流コンバータ４４を制御してコンデンサＣｂに補償電圧を形成する場合、第１の勾配制御装置５１１は外部ホストによって提供される電圧指令Ｖｓｐを受信して変換し、電圧勾配の所定値を出力し、第１の勾配制御装置５１１は、電圧指令Ｖｓｐがステッピングするのを防止するために使用される。第１のコンパレータ５１２は、第１の勾配制御装置５１１から出力される電圧勾配の所定値と制御ユニット５の出力端子から出力される補償電圧Ｖｃｂを受信して比較し、誤差電圧Ｖｅｒｒを取得する。第１の比例制御装置５１３は、誤差電圧Ｖｅｒｒに応じて、所定の電流を計算して出力する。第１の振幅リミッタ５１４は、所定の電流を制限する。エネルギー貯蔵モジュール１が定電圧モードで動作しているときに、セレクタ５１６は第１の振幅リミッタ５１４から出力される制限された所定の電流を受信する。第２のコンパレータ５１７は、直列補償型直流変換装置４の第１の導通端子４１に流れる電流Ｉ２及び第２の導通端子４２に流れる電流Ｉ３を受信し、直列補償型直流変換装置４の第１の導通端子４１に流れる電流Ｉ２及び第２の導通端子４２に流れる電流Ｉ３を、第１の振幅リミッタ５１４から出力される制限された所定の電流と比較して、比較電流Ｉｅｒｒを取得する。第２の比例制御装置５１８は、比較電流Ｉｅｒｒを受信して計算する。第２の振幅リミッタ５１９は、第２の比例制御装置５１８から出力される計算された比較電流Ｉｅｒｒを受信し、比較電流Ｉｅｒｒを制限し、デューティ比ｄを取得することで、４象限直流／直流コンバータ４４におけるスイッチ素子５２０のオン・オフを制御し、さらに、４象限直流／直流コンバータ４４がコンデンサＣｂに補償電圧Ｖｃｂを形成するように、インダクタンス素子５２１上の電流を制御する。他の実施形態では、例えば、図４Ａに示す実施形態では、第２のコンパレータ５１７は、直列補償型直流変換装置４の第２の導通端子４２に流れる電流Ｉ３を受信し、直列補償型直流変換装置４の第２の導通端子４２に流れる電流Ｉ３を第１の振幅リミッタ５１４から出力される制限された所定の電流と比較して、比較電流Ｉｅｒｒを取得する。第２の比例制御装置５１８は、比較電流Ｉｅｒｒを受信して計算する。第２の振幅リミッタ５１９は、第２の比例制御装置５１８から出力される計算された比較電流Ｉｅｒｒを受信し、比較電流Ｉｅｒｒを制限し、デューティ比ｄを取得することで、４象限直流／直流コンバータ４４におけるスイッチ素子５２０を制御し、さらに、４象限直流／直流コンバータ４４がコンデンサＣｂに補償電圧Ｖｃｂを形成するように、インダクタンス素子５２１上の電流を制御し、本実施形態では、補償電圧Ｖｃｂは、例えば電圧指令Ｖｓｐである。スイッチ素子５２０は、４象限直流／直流コンバータ４４内のスイッチ素子であってもよく、インダクタンス素子５２１は、４象限直流／直流コンバータ４４内のインダクタンス素子、例えば、図８Ａ及び図８Ｂにおける第１の変換インダクタンスＬ１であってもよく、コンデンサ素子５２２は、コンデンサＣｂであってもよい。以下、４象限直流／直流コンバータ４４内のスイッチ素子、インダクタンス素子及びコンデンサ素子の詳細な設置方式及び接続方式について説明する。

図４Ａ及び図４Ｂを参照する。図４Ａは、本発明の第２の実施形態のエネルギー貯蔵モジュールの回路トポロジ図であり、図４Ｂは、図４Ａに示すエネルギー貯蔵モジュールの直列補償型直流変換装置の詳細な回路トポロジ図である。図示のように、図１Ａに示すエネルギー貯蔵モジュール１と比較して、本実施形態のエネルギー貯蔵モジュール１ａの第１の正導通端子４１１は、母線接続部２の正母線接続端子２１に電気的に接続され、第１の負導通端子４１２は、母線接続部２の負母線接続端子２２に電気的に接続される。本実施形態では、第１のバッテリーパック３の充電電流または放電電流は、直列補償型直流変換装置４の第２の導通端子４２の電流に等しい。本実施形態では、４象限直流／直流コンバータ４４は第２の導通端子４２に流れる電流を制御することにより、第１のバッテリーパック３に流れる電流を設定値とし、４象限直流／直流コンバータ４４がコンデンサＣｂを制御して形成される補償電圧の値は、正の値または負の値であってもよい。

図５を参照し、本発明の第３の実施形態のエネルギー貯蔵モジュールの回路トポロジ図である。図示のように、図１Ａに示すエネルギー貯蔵モジュール１と比較して、本実施形態のエネルギー貯蔵モジュール１ｂのコンデンサＣｂは、母線接続部２の負母線接続端子２２と第１のバッテリーパック３のバッテリー負端子３２との間に電気的に接続される。本実施形態の直列補償型直流変換装置４の第２の導通端子４２の第２の正導通端子４２１及び第２の負導通端子４２２は、それぞれコンデンサＣｂの両端に電気的に接続され、例えば、直列補償型直流変換装置４がコンデンサＣｂを制御して形成される補償電圧が第１のバッテリーパック３の両端の電圧と同じ方向である場合、第２の正導通端子４２１は、第１のバッテリーパック３のバッテリー負端子３２に電気的に接続され、第２の負導通端子４２２は、母線接続部２の負母線接続端子２２に電気的に接続される。本実施形態では、４象限直流／直流コンバータ４４は第１の導通端子４１に流れる電流及び第２の導通端子４２に流れる電流を制御することにより、第１のバッテリーパック３に流れる電流を設定値とし、４象限直流／直流コンバータ４４がコンデンサＣｂを制御して形成される補償電圧の値は、正の値または負の値であってもよい。

図６を参照し、本発明の第４の実施形態のエネルギー貯蔵モジュールの回路トポロジ図である。図示のように、図１Ａに示すエネルギー貯蔵モジュール１と比較して、本実施形態のエネルギー貯蔵モジュール１ｃの第１の正導通端子４１１は、母線接続部２の正母線接続端子２１に電気的に接続され、第１の負導通端子４１２は、母線接続部２の負母線接続端子２２に電気的に接続される。本実施形態のエネルギー貯蔵モジュール１ｃのコンデンサＣｂは、母線接続部２の負母線接続端子２２と第１のバッテリーパック３のバッテリー負端子３２との間に電気的に接続され、第１のバッテリーパック３の充電電流または放電電流は、直列補償型直流変換装置４の第２の導通端子４２に流れる電流に等しい。本実施形態の直列補償型直流変換装置４の第２の導通端子４２の第２の正導通端子４２１及び第２の負導通端子４２２は、それぞれコンデンサＣｂの両端に電気的に接続され、例えば、直列補償型直流変換装置４がコンデンサＣｂを制御して形成される補償電圧が第１のバッテリーパック３の両端の電圧と同じ方向である場合、第２の正導通端子４２１は、第１のバッテリーパック３のバッテリー負端子３２に電気的に接続され、第２の負導通端子４２２は、母線接続部２の負母線接続端子２２に電気的に接続される。本実施形態では、４象限直流／直流コンバータ４４は第２の導通端子４２に流れる電流を制御することにより、第１のバッテリーパック３に流れる電流を設定値とし、４象限直流／直流コンバータ４４がコンデンサＣｂを制御して形成される補償電圧の値は、正の値または負の値であってもよく、ここでは繰り返さない。

図１０Ａを参照し、本発明の第５の実施形態のエネルギー貯蔵モジュールの回路トポロジ図である。図示のように、図４Ａに示すエネルギー貯蔵モジュール１ａと比較して、本実施形態のエネルギー貯蔵モジュール１ｄは、第２のバッテリーパック３ａをさらに含み、本実施形態の第２のバッテリーパック３ａは、図１Ａに示す第１のバッテリーパック３と類似するため、ここでは繰り返さない。本実施形態では、第２のバッテリーパック３ａは、コンデンサＣｂと正母線接続端子２１との間に電気的に接続され、４象限直流／直流コンバータは、コンデンサＣｂを制御して補償電圧を形成し、第１のバッテリーパック３及び第２のバッテリーパック３ａの電圧を補償することができる。

図１０Ｂを参照し、本発明の第６の実施形態のエネルギー貯蔵モジュールの回路トポロジ図である。図示のように、図６に示すエネルギー貯蔵モジュール１ｃと比較して、本実施形態のエネルギー貯蔵モジュール１ｅは、第２のバッテリーパック３ａをさらに含み、本実施形態の第２のバッテリーパック３ａは、図１Ａに示す第１のバッテリーパック３と類似するため、ここでは繰り返さない。本実施形態では、第２のバッテリーパック３ａは、コンデンサＣｂと負母線接続端子２２との間に電気的に接続され、４象限直流／直流コンバータは、コンデンサＣｂを制御して補償電圧を形成し、第１のバッテリーパック３及び第２のバッテリーパック３ａの電圧を補償することができる。

図７Ａを参照し、図１Ａに示すエネルギー貯蔵モジュールの直列補償型直流変換装置の双方向絶縁型コンバータの第１の実施形態の詳細な回路トポロジ図である。図７Ａに示すように、本実施形態の双方向絶縁型コンバータ４３は、例えばＣＬＬＣ変換回路であってもよく、第１の端子４３１、第２の端子４３２、一次側回路４３３、変圧器４３４、及び二次側回路４３５を含み、本発明のＣＬＬＣ変換回路は双方向ＬＬＣ回路であり、ソフトスイッチングを実現し、双方向絶縁型コンバータにおけるスイッチ素子の損失をさらに低減することができる。双方向絶縁型コンバータ４３の第１の端子４３１は、直列補償型直流変換装置４の第１の導通端子４１に電気的に接続され、双方向絶縁型コンバータ４３の第２の端子４３２は、４象限直流／直流コンバータ４４に電気的に接続され、または、双方向絶縁型コンバータ４３の第１の端子４３１は、４象限直流／直流コンバータ４４に電気的に接続され、双方向絶縁型コンバータ４３の第２の端子４３２は、直列補償型直流変換装置４の第１の導通端子４１に電気的に接続される。本実施形態では、一次側回路４３３は、例えばハーフブリッジ変換回路であってもよく、２つの一次側コンデンサＣ１、Ｃ２、２つの一次側スイッチＱ１、Ｑ２、共振インダクタンスＬＬ、及び第１の共振コンデンサＣＣ１を含む。２つの一次側コンデンサＣ１、Ｃ２が直列に接続されて第３のブリッジアームを構成し、２つの一次側コンデンサＣ１、Ｃ２間の接続点は第３の接続点Ｃを構成し、第３の接続点Ｃは、変圧器４３４の一次側巻線の第２の端子に電気的に接続される。２つの一次側スイッチＱ１、Ｑ２が直列に接続されて第４のブリッジアームを構成し、第４のブリッジアームは第３のブリッジアームと並列に接続され、２つの一次側スイッチＱ１、Ｑ２間の接続点は第４の接続点Ｄを構成する。共振インダクタンスＬＬ及び第１の共振コンデンサＣＣ１は、第４の接続点Ｄと変圧器４３４の一次側巻線の第１の端子との間に直列に接続される。二次側回路４３５は、例えばフルブリッジ変換回路であってもよく、４つの二次側スイッチＱ３、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６、及び第２の共振コンデンサＣＣ２を含む。２つの二次側スイッチＱ３、Ｑ４が直列に接続されて第５のブリッジアームを構成し、２つの二次側スイッチＱ３、Ｑ４間の接続点は第５の接続点Ｅを構成し、第５の接続点Ｅは、変圧器４３４の二次側巻線の第１の端子に電気的に接続される。他の２つの二次側スイッチＱ５、Ｑ６が直列に接続されて第６のブリッジアームを構成し、第６のブリッジアームは第５のブリッジアームと並列に接続され、２つの二次側スイッチＱ５、Ｑ６間の接続点は第６の接続点Ｆを構成する。第２の共振コンデンサＣＣ２は、第６の接続点Ｆと変圧器４３４の二次側巻線の第２の端子との間に電気的に接続される。本実施形態では、双方向絶縁型コンバータ４３の第１の端子４３１及び第２の端子４３２の変圧比はほとんど変化せず、双方向絶縁型コンバータ４３のスイッチング周波数は、第１の共振コンデンサＣＣ１、第２の共振コンデンサＣＣ２、及び共振インダクタンスＬＬの共振周波数に等しく、または、双方向絶縁型コンバータ４３のスイッチング周波数は、第１の共振コンデンサＣＣ１、第２の共振コンデンサＣＣ２、及び共振インダクタンスＬＬの共振周波数の±１０％の誤差範囲内の任意の値であることで、双方向絶縁型コンバータ４３は定周波数制御を実現する。いくつかの実施形態では、一次側回路４３３は、フルブリッジ変換回路であってもよく、及び／または二次側回路４３５はハーフブリッジ変換回路であってもよいが、本発明では限定されない。

図７Ｂを参照し、図１Ａに示すエネルギー貯蔵モジュールの直列補償型直流変換装置の双方向絶縁型コンバータの第２の実施形態の詳細な回路トポロジ図である。図７Ａに示す双方向絶縁型コンバータ４３の一次側回路４３３が、２つの一次側コンデンサＣ１、Ｃ２からなる第３のブリッジアームと２つの一次側スイッチＱ１、Ｑ２からなる第４のブリッジアームとを含むのに対し、本実施形態の双方向絶縁型コンバータ４３ａの一次側回路４３３は、４つの一次側スイッチＱ７、Ｑ８、Ｑ９、Ｑ１０を含む。２つの一次側スイッチＱ７、Ｑ８が直列に接続されて第３のブリッジアームを構成し、他の２つの一次側スイッチＱ９、Ｑ１０が直列に接続されて第４のブリッジアームを構成する。また、本実施形態の双方向絶縁型コンバータ４３ａの二次側回路４３５は、２つの二次側スイッチＱ１１、Ｑ１２が直列に接続されて構成された第５のブリッジアームと、２つの二次側スイッチＱ１３、Ｑ１４が直列に接続されて構成された第６のブリッジアームとを含み、本実施形態の二次側スイッチＱ１１、Ｑ１２、Ｑ１３、Ｑ１４は、図７Ａに示す双方向絶縁型コンバータ４３の二次側回路４３５の二次側スイッチＱ３、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６と類似するため、ここでは繰り返さない。

図７Ｃを参照し、図１Ａに示すエネルギー貯蔵モジュールの直列補償型直流変換装置の双方向絶縁型コンバータの第３の実施形態の詳細な回路トポロジ図である。図７Ａに示す双方向絶縁型コンバータ４３の二次側回路４３５が、２つの二次側スイッチＱ３、Ｑ４からなる第５のブリッジアームと２つの二次側スイッチＱ３、Ｑ４からなる第６のブリッジアームとを含むのに対し、本実施形態の双方向絶縁型コンバータ４３ｂの二次側回路４３５は、２つの二次側スイッチＱ１７、Ｑ１８、及び２つの二次側コンデンサＣ５、Ｃ６を含み、２つの二次側スイッチＱ１７、Ｑ１８が直列に接続されて第５のブリッジアームを構成し、２つの二次側コンデンサＣ５、Ｃ６が直列に接続されて第６のブリッジアームを構成する。また、本実施形態の双方向絶縁型コンバータ４３ｂの一次側回路４３３は、２つの一次側コンデンサＣ３、Ｃ４が直列に接続されて構成された第３のブリッジアームと、２つの一次側スイッチＱ１５、Ｑ１６が直列に接続されて構成された第４のブリッジアームとを含み、本実施形態の一次側コンデンサＣ３、Ｃ４、及び一次側スイッチＱ１５、Ｑ１６は、それぞれ図７Ａに示す双方向絶縁型コンバータ４３の一次側回路４３３の一次側コンデンサＣ１、Ｃ２、及び一次側スイッチＱ１、Ｑ２と類似するため、ここでは繰り返さない。

図８Ａを参照し、図１Ａに示すエネルギー貯蔵モジュールの４象限直流／直流コンバータの第１の実施形態の詳細な回路トポロジ図である。図示のように、本実施形態の４象限直流／直流コンバータ４４は、第１の端子４４１、第２の端子４４２、４つのスイッチ素子（すなわち、第１のスイッチ素子Ｓ１、第２のスイッチ素子Ｓ２、第３のスイッチ素子Ｓ３、及び第４のスイッチ素子Ｓ４）、及び第１の変換インダクタンスＬ１を含む。４象限直流／直流コンバータ４４の第１の端子４４１は、双方向絶縁型コンバータ４３に電気的に接続され、４象限直流／直流コンバータ４４の第２の端子４４２の電圧正端子は、直列補償型直流変換装置４の第２の導通端子４２の第２の正導通端子４２１に電気的に接続され、４象限直流／直流コンバータ４４の第２の端子４４２の電圧負端子は、直列補償型直流変換装置４の第２の導通端子４２の第２の負導通端子４２２に電気的に接続される。２つのスイッチ素子Ｓ１、Ｓ２が直列に接続されて第１のブリッジアームを構成し、２つのスイッチ素子Ｓ１、Ｓ２間の接続点が第１の接続点Ａを構成する。第１の変換インダクタンスＬ１は、第１の接続点Ａと第２の端子４４２の電圧正端子との間に電気的に接続され、すなわち、第１の接続点Ａと第２の正導通端子４２１との間に電気的に接続される。２つのスイッチ素子Ｓ３、Ｓ４が直列に接続されて第２のブリッジアームを構成し、２つのスイッチ素子Ｓ３、Ｓ４間の接続点が第２の接続点Ｂを構成し、第２の接続点Ｂは、第２の端子４４２の電圧負端子間に電気的に接続される。いくつかの実施形態では、４象限直流／直流コンバータ４４は、変換コンデンサＣｔをさらに含むことができ、変換コンデンサＣｔは、第２の端子４４２の電圧正端子と電圧負端子との間に電気的に接続され、図１Ａに示すコンデンサＣｂによって構成されることができ、それによって、コンデンサＣｂは４象限直流／直流コンバータ４４と集積される。いくつかの実施形態では、エネルギー貯蔵モジュールの４象限直流／直流コンバータは、複数の図８Ａに示す４象限直流／直流コンバータ４４を並列に接続したものであってもよく、本発明では限定されない。

図８Ｂを参照し、図１Ａに示すエネルギー貯蔵モジュールの４象限直流／直流コンバータの第２の実施形態の詳細な回路トポロジ図である。図示のように、図８Ａに示す４象限直流／直流コンバータ４４と比較して、本実施形態の４象限直流／直流コンバータ４４ａは、第２の変換インダクタンスＬ２をさらに含み、第２の変換インダクタンスＬ２は、第２の接続点Ｂと第２の端子４４２の電圧負端子との間に電気的に接続され、すなわち、第２の接続点Ｂと第２の負導通端子４２２との間に電気的に接続される。いくつかの実施形態では、第１の変換インダクタンスＬ１は、第１の接続点Ａと第２の端子４４２の電圧負端子との間に電気的に接続され、すなわち、第１の接続点Ａと第２の負導通端子４２２との間に電気的に接続されることができ、第２の変換インダクタンスＬ２は、第２の接続点Ｂと第２の端子４４２の電圧正端子との間に電気的に接続され、すなわち、第２の接続点Ｂと第２の正導通端子４２１との間に電気的に接続される。いくつかの実施形態では、エネルギー貯蔵モジュールの４象限直流／直流コンバータは、複数の図８Ｂに示す４象限直流／直流コンバータ４４ａを並列に接続したものであってもよく、本発明では限定されない。

図９を参照し、本発明のエネルギー貯蔵システムの回路トポロジ図である。図示のように、本実施形態のエネルギー貯蔵システム６は、パワー変換装置７と複数のエネルギー貯蔵モジュールとを含み、各エネルギー貯蔵モジュールは、前記のエネルギー貯蔵モジュールのいずれであってもよく、ここでは、エネルギー貯蔵モジュール１を例にする。パワー変換装置７は、パワー正端子７１及びパワー負端子７２を含む。各エネルギー貯蔵モジュール１の母線接続部２の正母線接続端子２１はパワー正端子７１に電気的に接続され、各エネルギー貯蔵モジュール１の母線接続部２の負母線接続端子２２はパワー負端子７２に電気的に接続され、直列補償型直流変換装置を介して第１のバッテリーパックの両端の電圧を補償することにより、直流バスバーに接続された各エネルギー貯蔵モジュールの電圧を一致に保つことができるため、エネルギー貯蔵システム６は、複数のエネルギー貯蔵モジュール１を利用して高効率の充放電機能を実現するとともに、異なるエネルギー貯蔵モジュール間の循環電流の発生を抑制することができる。

上記のように、本発明のエネルギー貯蔵モジュールは直列補償型直流変換装置を含み、直列補償型直流変換装置の第１の導通端子は、正母線接続端子及び負母線接続端子に電気的に接続され、または第１のバッテリーパックのバッテリー正端子及びバッテリー負端子に電気的に接続され、直列補償型直流変換装置の第２の導通端子はコンデンサの両端に電気的に接続され、直列補償型直流変換装置の４象限直流／直流コンバータは、コンデンサを制御して補償電圧を形成し、第１のバッテリーパックのバッテリー正端子とバッテリー負端子との間の電圧を補償し、または、第１のバッテリーパックに流れる電流を設定値に制御し、ここで、補償電圧の値は正の値または負の値であってもよく、一方向の補償電圧と比較して、パワーレベルが小さく、損失が小さく、効率が高い。従って、コンデンサ上の補償電圧は第１のバッテリーパックの両端の電圧に比べて非常に小さいため、同じ電流での直列補償型直流変換装置の変換パワーは、従来のフルパワー直流コンバータの変換パワーよりもはるかに小さいため、本発明のエネルギー貯蔵モジュールは、上記の接続方式及び制御方法により、より低いパワー損失を得ることができ、エネルギー貯蔵モジュールの全体的な性能が向上し、信頼性も向上し、バッテリーパックに流れる電流を設定値に制御することにより、すなわち、バッテリーパックの充放電電流の大きさを制御することにより、バッテリーパックが適切な充放電曲線で動作することを保証し、バッテリーパックの急速な充放電を保証するとともに、バッテリーパックの耐用年数を向上させることもできる。

１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ：エネルギー貯蔵モジュール
２：母線接続部
２１：正母線接続端子
２２：負母線接続端子
３：第１のバッテリーパック
３ａ:第２のバッテリーパック
３１：バッテリー正端子
３２：バッテリー負端子
３３：バッテリー
Ｃｂ：コンデンサ
４：直列補償型直流変換装置
４１：第１の導通端子
４１１：第１の正導通端子
４１２：第１の負導通端子
４２：第２の導通端子
４２１：第２の正導通端子
４２２：第２の負導通端子
４３、４３ａ、４３ｂ：双方向絶縁型コンバータ
４３１：第１の端子
４３２：第２の端子
４３３：一次側回路
４３４：変圧器
４３５：二次側回路
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４：一次側コンデンサ
Ｑ１、Ｑ２、Ｑ７、Ｑ８、Ｑ９、Ｑ１０、Ｑ１５、Ｑ１６：一次側スイッチ
ＬＬ：共振インダクタンス
ＣＣ１：第１の共振コンデンサ
Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６、Ｑ１１、Ｑ１２、Ｑ１３、Ｑ１４、Ｑ１７、Ｑ１８：二次側スイッチ
Ｃ５、Ｃ６：二次側コンデンサ
ＣＣ２：第２の共振コンデンサ
Ｃ：第３の接続点
Ｄ：第４の接続点
Ｅ：第５の接続点
Ｆ：第６の接続点
４４、４４ａ：４象限直流／直流コンバータ
４４１：第１の端子
４４２：第２の端子
Ｓ１：第１のスイッチ素子
Ｓ２：第２のスイッチ素子
Ｓ３：第３のスイッチ素子
Ｓ４：第４のスイッチ素子
Ｌ１：第１の変換インダクタンス
Ｃｔ：変換コンデンサ
Ｌ２：第２の変換インダクタンス
Ａ：第１の接続点
Ｂ：第２の接続点
Ｉ１：第１のバッテリーパックに流れる電流
Ｉ２：直列補償型直流変換装置の高電圧側に流れる電流
Ｉ３：コンデンサに流れる電流
５：制御ユニット
Ｉｓｐ：電流指令
Ｖｓｐ：電圧指令
５１１：第１の勾配制御装置
５１２：第１のコンパレータ
５１３：第１の比例制御装置
５１４：第１の振幅リミッタ
５１５：第２の勾配制御装置
５１６：セレクタ
５１７：第２のコンパレータ
５１８：第２の比例制御装置
５１９：電流リミッタ
５２０：スイッチ素子
５２１：インダクタンス素子
５２２：コンデンサ素子
Ｉｅｒｒ：比較電流
Ｖｅｒｒ：誤差電圧
ｄ：デューティ比
Ｖｃｂ：補償電圧
６：エネルギー貯蔵システム
７：パワー変換装置
７１：パワー正端子
７２：パワー負端子

Claims (23)

1. 母線接続部、第１のバッテリーパック、コンデンサ、及び直列補償型直流変換装置を含む、エネルギー貯蔵モジュールであって、
   前記母線接続部は、正母線接続端子及び負母線接続端子を含み、
   前記第１のバッテリーパックは、前記正母線接続端子と前記負母線接続端子との間に電気的にカップリングされ、バッテリー正端子及びバッテリー負端子を含み、
   前記コンデンサは、前記正母線接続端子と前記バッテリー正端子との間に電気的にカップリングされ、または前記負母線接続端子と前記バッテリー負端子との間に電気的にカップリングされ、
   前記直列補償型直流変換装置は、第１の導通端子、第２の導通端子、双方向絶縁型コンバータ、及び４象限直流／直流コンバータを含み、
   前記第１の導通端子は、第１の正導通端子及び第１の負導通端子を含み、前記第１の正導通端子及び前記第１の負導通端子は、それぞれ前記正母線接続端子及び前記負母線接続端子に電気的に接続され、または前記バッテリー正端子及び前記バッテリー負端子に電気的に接続され、
   前記第２の導通端子は、第２の正導通端子及び第２の負導通端子を含み、前記第２の正導通端子及び前記第２の負導通端子は、それぞれ前記コンデンサの両端に電気的に接続され、
   前記双方向絶縁型コンバータは、前記第１の導通端子に電気的に接続され、
   前記４象限直流／直流コンバータは、前記双方向絶縁型コンバータと前記第２の導通端子との間に電気的に接続され、前記４象限直流／直流コンバータは、前記コンデンサを制御して補償電圧を形成し、前記第１のバッテリーパックの前記バッテリー正端子と前記バッテリー負端子との間の電圧を補償し、または、前記４象限直流／直流コンバータは前記第１のバッテリーパックに流れる電流を設定値に制御する、
   エネルギー貯蔵モジュール。
2. 前記直列補償型直流変換装置の前記第１の導通端子は、前記直列補償型直流変換装置の高電圧側を構成し、前記直列補償型直流変換装置の前記第２の導通端子は、前記直列補償型直流変換装置の低電圧側を構成する、請求項１に記載のエネルギー貯蔵モジュール。
3. 前記コンデンサは、前記正母線接続端子と前記バッテリー正端子との間に電気的に接続され、前記第１の導通端子の前記第１の正導通端子は、前記バッテリー正端子に電気的に接続され、前記第１の導通端子の前記第１の負導通端子は、前記バッテリー負端子に電気的に接続される、請求項１に記載のエネルギー貯蔵モジュール。
4. 前記コンデンサは、前記正母線接続端子と前記バッテリー正端子との間に電気的に接続され、前記第１の導通端子の前記第１の正導通端子は、前記正母線接続端子に電気的に接続され、前記第１の導通端子の前記第１の負導通端子は、前記負母線接続端子に電気的に接続される、請求項１に記載のエネルギー貯蔵モジュール。
5. 前記コンデンサは、前記負母線接続端子と前記バッテリー負端子との間に電気的に接続され、前記第１の導通端子の前記第１の正導通端子は、前記バッテリー正端子に電気的に接続され、前記第１の導通端子の前記第１の負導通端子は、前記バッテリー負端子に電気的に接続される、請求項１に記載のエネルギー貯蔵モジュール。
6. 前記コンデンサは、前記負母線接続端子と前記バッテリー負端子との間に電気的に接続され、前記第１の導通端子の前記第１の正導通端子は、前記正母線接続端子に電気的に接続され、前記第１の導通端子の前記第１の負導通端子は、前記負母線接続端子に電気的に接続される、請求項１に記載のエネルギー貯蔵モジュール。
7. 前記４象限直流／直流コンバータは、前記第１の導通端子に流れる電流と第２の導通端子に流れる電流を制御することにより、前記第１のバッテリーパックに流れる電流を設定値にする、請求項３または５に記載のエネルギー貯蔵モジュール。
8. 前記４象限直流／直流コンバータは、前記第２の導通端子に流れる電流を制御することにより、前記第１のバッテリーパックに流れる電流を設定値にする、請求項４または６に記載のエネルギー貯蔵モジュール。
9. 前記コンデンサは前記４象限直流／直流コンバータと集積される、請求項１に記載のエネルギー貯蔵モジュール。
10. 前記双方向絶縁型コンバータは、ＣＬＬＣ変換回路であり、少なくとも１つの共振コンデンサ及び少なくとも１つの共振インダクタンスを含み、前記双方向絶縁型コンバータのスイッチング周波数は、前記少なくとも１つの共振コンデンサ及び前記少なくとも１つの共振インダクタンスの共振周波数の±１０％の誤差範囲内の任意の値である、請求項１に記載のエネルギー貯蔵モジュール。
11. 前記双方向絶縁型コンバータは、ＣＬＬＣ変換回路であり、一次側回路、変圧器、及び二次側回路を含み、前記一次側回路は、フルブリッジ変換回路またはハーフブリッジ変換回路であり、前記二次側回路は、フルブリッジ変換回路またはハーフブリッジ変換回路である、請求項１に記載のエネルギー貯蔵モジュール。
12. 前記４象限直流／直流コンバータは、フルブリッジ変換回路であり、第１のブリッジアーム、第２のブリッジアーム、及び第１の変換インダクタンスを含み、
    前記第１のブリッジアームは、直列に接続された第１のスイッチ素子及び第２のスイッチ素子を含み、前記第１のスイッチ素子と前記第２のスイッチ素子との間の接続点は第１の接続点を形成し、
    前記第２のブリッジアームは、直列に接続された第３のスイッチ素子及び第４のスイッチ素子を含み、前記第３のスイッチ素子と前記第４のスイッチ素子との間の接続点は第２の接続点を形成し、
    前記第１の変換インダクタンスは、前記第１の接続点と前記第２の正導通端子との間に電気的に接続され、または前記第１の接続点と第２の負導通端子との間に電気的に接続される、
    請求項１に記載のエネルギー貯蔵モジュール。
13. 前記４象限直流／直流コンバータは、第２の変換インダクタンスをさらに含み、前記第１の変換インダクタンスが前記第１の接続点と前記第２の正導通端子との間に電気的に接続されている場合、前記第２の変換インダクタンスは、前記第２の接続点と前記第２の負導通端子との間に電気的に接続され、前記第１の変換インダクタンスが前記第１の接続点と前記第２の負導通端子との間に電気的に接続されている場合、前記第２の変換インダクタンスは、前記第２の接続点と前記第２の正導通端子との間に電気的に接続される、請求項１２に記載のエネルギー貯蔵モジュール。
14. 前記エネルギー貯蔵モジュールは、充電モードまたは放電モードにある、請求項１に記載のエネルギー貯蔵モジュール。
15. 前記４象限直流／直流コンバータが、前記コンデンサを制御して補償電圧を形成し、前記第１のバッテリーパックの両端の電圧を補償する場合、前記第１のバッテリーパックの前記バッテリー正端子と前記バッテリー負端子との間の電圧方向は、前記コンデンサ上の前記補償電圧の電圧方向と同じまたは反対である、請求項１に記載のエネルギー貯蔵モジュール。
16. 前記直列補償型直流変換装置は、前記４象限直流／直流コンバータに電気的に接続された制御ユニットをさらに含み、前記エネルギー貯蔵モジュールが定電流モードで動作しているときに、前記制御ユニットは電流指令を受信し、前記第１のバッテリーパックに流れる前記電流を前記設定値に制御し、または、前記エネルギー貯蔵モジュールが定電圧モードで動作しているときに、前記制御ユニットは電圧指令を受信し、前記４象限直流／直流コンバータを制御して前記コンデンサに前記補償電圧を形成する、請求項１に記載のエネルギー貯蔵モジュール。
17. 前記直列補償型直流変換装置は、前記４象限直流／直流コンバータに電気的に接続された制御ユニットをさらに含み、前記制御ユニットは、第１の勾配制御装置、第１のコンパレータ、第１の比例制御装置、第１の振幅リミッタ、セレクタ、第２のコンパレータ、第２の比例制御装置、及び第２の振幅リミッタを含み、
    前記エネルギー貯蔵モジュールが定電圧モードで動作しているときに、前記第１の勾配制御装置は電圧指令を受信して変換し、電圧勾配の所定値を出力し、前記第１のコンパレータは、前記第１の勾配制御装置から出力される前記電圧勾配の所定値と前記制御ユニットの出力端子から出力される前記補償電圧を受信して比較し、誤差電圧を取得し、
    前記第１の比例制御装置は、前記誤差電圧に応じて、所定の電流を計算して出力し、前記第１の振幅リミッタは前記所定の電流を制限し、前記セレクタは、前記第１の振幅リミッタから出力される制限された前記所定の電流を受信し、前記第２のコンパレータは、前記直列補償型直流変換装置の前記第１の導通端子に流れる電流及び前記第２の導通端子に流れる電流を受信し、前記第１の振幅リミッタから出力される制限された前記所定の電流と比較して、比較電流を取得し、
    前記第２の比例制御装置は前記比較電流を受信して計算し、前記第２の振幅リミッタは、前記第２の比例制御装置から出力される計算された前記比較電流を受信し、前記比較電流を制限し、前記４象限直流／直流コンバータにおける少なくとも１つのスイッチ素子のオン・オフを制御するためのデューティ比を取得する、請求項３または５に記載のエネルギー貯蔵モジュール。
18. 前記直列補償型直流変換装置は、前記４象限直流／直流コンバータに電気的に接続された制御ユニットをさらに含み、前記制御ユニットは、第２の勾配制御装置、セレクタ、第２のコンパレータ、第２の比例制御装置、及び第２の振幅リミッタを含み、
    前記エネルギー貯蔵モジュールが定電流モードで動作しているときに、前記第２の勾配制御装置は電流指令を受信して変換し、電流勾配の所定値を出力し、前記セレクタは、前記第２の勾配制御装置によって提供される前記電流勾配の所定値を受信し、前記第２のコンパレータは、前記セレクタによって提供される前記電流勾配の所定値、前記直列補償型直流変換装置の前記第１の導通端子に流れる電流及び前記第２の導通端子に流れる電流を受信し、前記電流勾配の所定値と比較し、比較電流を取得し、
    前記第２の比例制御装置は前記比較電流を受信して計算し、前記第２の振幅リミッタは、前記第２の比例制御装置から出力される計算された前記比較電流を受信し、前記比較電流を制限し、前記４象限直流／直流コンバータにおける少なくとも１つのスイッチ素子のオン・オフを制御するためのデューティ比を取得する、請求項３または５に記載のエネルギー貯蔵モジュール。
19. 前記直列補償型直流変換装置は、前記４象限直流／直流コンバータに電気的に接続された制御ユニットをさらに含み、前記制御ユニットは、第１の勾配制御装置、第１のコンパレータ、第１の比例制御装置、第１の振幅リミッタ、セレクタ、第２のコンパレータ、第２の比例制御装置、及び第２の振幅リミッタを含み、
    前記エネルギー貯蔵モジュールが定電圧モードで動作しているときに、前記第１の勾配制御装置は電圧指令を受信して変換し、電圧勾配の所定値を出力し、前記第１のコンパレータは、前記第１の勾配制御装置から出力される前記電圧勾配の所定値と前記制御ユニットの出力端子から出力される前記補償電圧を受信して比較し、誤差電圧を取得し、
    前記第１の比例制御装置は、前記誤差電圧に応じて、所定の電流を計算して出力し、前記第１の振幅リミッタは前記所定の電流を制限し、前記セレクタは、前記第１の振幅リミッタから出力される制限された前記所定の電流を受信し、前記第２のコンパレータは、前記直列補償型直流変換装置の前記第２の導通端子に流れる電流を受信し、前記第１の振幅リミッタから出力される制限された前記所定の電流と比較し、比較電流を取得し、
    前記第２の比例制御装置は前記比較電流を受信して計算し、前記第２の振幅リミッタは、前記第２の比例制御装置から出力される計算された前記比較電流を受信し、前記比較電流を制限し、前記４象限直流／直流コンバータにおける少なくとも１つのスイッチ素子のオン・オフを制御するためのデューティ比を取得する、請求項４または６に記載のエネルギー貯蔵モジュール。
20. 前記直列補償型直流変換装置は、前記４象限直流／直流コンバータに電気的に接続された制御ユニットをさらに含み、前記制御ユニットは、第２の勾配制御装置、セレクタ、第２のコンパレータ、第２の比例制御装置、及び第２の振幅リミッタを含み、
    前記エネルギー貯蔵モジュールが定電流モードで動作しているときに、前記第２の勾配制御装置は電流指令を受信して変換し、電流勾配の所定値を出力し、前記セレクタは、前記第２の勾配制御装置によって提供される前記電流勾配の所定値を受信し、前記第２のコンパレータは、前記セレクタによって提供される前記電流勾配の所定値、前記直列補償型直流変換装置の前記第２の導通端子に流れる電流を受信し、前記電流勾配の所定値と比較し、比較電流を取得し、
    前記第２の比例制御装置は前記比較電流を受信して計算し、前記第２の振幅リミッタは、前記第２の比例制御装置から出力される計算された前記比較電流を受信し、前記比較電流を制限し、前記４象限直流／直流コンバータにおける少なくとも１つのスイッチ素子のオン・オフを制御するためのデューティ比を取得する、請求項４または６に記載のエネルギー貯蔵モジュール。
21. 前記エネルギー貯蔵モジュールは、前記コンデンサと前記正母線接続端子との間に電気的に接続された第２のバッテリーパックをさらに含み、前記４象限直流／直流コンバータは、前記コンデンサを制御して前記補償電圧を形成し、前記第１のバッテリーパックの両端の電圧及び前記第２のバッテリーパックの両端の電圧を補償する、請求項４に記載のエネルギー貯蔵モジュール。
22. 前記エネルギー貯蔵モジュールは、前記コンデンサと前記負母線接続端子との間に電気的に接続された第２のバッテリーパックをさらに含み、前記４象限直流／直流コンバータは、前記コンデンサを制御して前記補償電圧を形成し、前記第１のバッテリーパックの両端の電圧及び前記第２のバッテリーパックの両端の電圧を補償する、請求項６に記載のエネルギー貯蔵モジュール。
23. パワー変換装置と、複数のエネルギー貯蔵モジュールとを含むエネルギー貯蔵システムであって、
    前記パワー変換装置は、パワー正端子及びパワー負端子を含み、
    各前記エネルギー貯蔵モジュールは、母線接続部、第１のバッテリーパック、コンデンサ、及び直列補償型直流変換装置を含み、
    前記母線接続部は、正母線接続端子及び負母線接続端子を含み、前記正母線接続端子は、前記パワー正端子に電気的に接続され、前記負母線接続端子は、前記パワー負端子に電気的に接続され、
    前記第１のバッテリーパックは、前記正母線接続端子と前記負母線接続端子との間に電気的に接続され、バッテリー正端子及びバッテリー負端子を含み、
    前記コンデンサは、前記正母線接続端子と前記バッテリー正端子との間に電気的にカップリングされ、または前記負母線接続端子と前記バッテリー負端子との間に電気的にカップリングされ、
    前記直列補償型直流変換装置は、第１の導通端子、第２の導通端子、双方向絶縁型コンバータ、及び４象限直流／直流コンバータを含み、
    前記第１の導通端子は、第１の正導通端子及び第１の負導通端子を含み、前記第１の正導通端子及び前記第１の負導通端子は、それぞれ前記正母線接続端子及び前記負母線接続端子に電気的に接続され、または前記バッテリー正端子及び前記バッテリー負端子に電気的に接続され、
    前記第２の導通端子は、第２の正導通端子及び第２の負導通端子を含み、前記第２の正導通端子及び前記第２の負導通端子は、それぞれ前記コンデンサの両端に電気的に接続され、
    前記双方向絶縁型コンバータは、前記第１の導通端子に電気的に接続され、
    前記４象限直流／直流コンバータは、前記双方向絶縁型コンバータと前記第２の導通端子との間に電気的に接続され、前記４象限直流／直流コンバータは、前記コンデンサを制御して補償電圧を形成し、前記第１のバッテリーパックの前記バッテリー正端子と前記バッテリー負端子との間の電圧を補償し、または、前記４象限直流／直流コンバータは前記第１のバッテリーパックに流れる電流を設定値に制御する、
    エネルギー貯蔵システム。