(57)【要約】【課題】再構成可能なマトリックスベースの電力分配アーキテクチャを提供する。【解決手段】電力管理および分配（ＰＭＡＤ）システムが、第１の種類の第１の電源、第１の種類とは異なる第２の種類の第２の電源、ならびに第１および第２の負荷を含む。ＰＭＡＤシステムは、第１および第２の電源と第１および第２の負荷との間に接続されたソリッドステート電力コントローラ（ＳＳＰＣ）のマトリックスを含む。マトリックスは、マトリックスのＳＳＰＣのオン／オフ状態に基づいて、第１および第２の負荷の各々に複数の異なる電力レベルを選択的に供給するように構成される。【選択図】図１
2014140292.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の種類の第１の電源と、
前記第１の種類とは異なる第２の種類の第２の電源と、
第１および第２の負荷と、
前記第１および第２の電源と、前記第１および第２の負荷との間に接続されたソリッドステート電力コントローラ（ＳＳＰＣ）のマトリックスであって、前記マトリックスが、前記マトリックスの前記ＳＳＰＣのオン／オフ状態に基づいて、前記第１および第２の負荷の各々に、複数の異なる電力レベルを選択的に供給するように構成されている、ソリッドステート電力コントローラ（ＳＳＰＣ）のマトリックスと、
を備える、電力管理および分配（ＰＭＡＤ）システム。
【請求項２】
前記マトリックスが、
第１および第２のソリッドステート電力コントローラ（ＳＳＰＣ）ステージを有し、前記第１のＳＳＰＣステージが、前記第１の電源に接続された電力入力および前記第１の負荷に接続された電力出力を有する第１のＳＳＰＣ、ならびに、前記第２の電源に接続された電力入力および前記第１の負荷に接続された電力出力を有する第２のＳＳＰＣを含み、前記第２のＳＳＰＣステージが、前記第１の電源に接続された電力入力および前記第２の負荷に接続された電力出力を有する第３のＳＳＰＣ、ならびに、前記第２の電源に接続された電力入力および前記第２の負荷に接続された電力出力を有する第４のＳＳＰＣを含む、請求項１に記載のＰＭＡＤシステム。
【請求項３】
前記第１および第２の電源とは異なる種類の第３の電源と、
第３の負荷と、
第３のＳＳＰＣステージであって、前記第３のＳＳＰＣステージが、前記第１の電源に接続された電力入力および前記第３の負荷に接続された電力出力を有する第５のＳＳＰＣ、前記第２の電源に接続された電力入力および前記第３の負荷に接続された電力出力を有する第６のＳＳＰＣ、ならびに、前記第３の電源に接続された電力入力および前記第３の負荷に接続された電力出力を有する第７のＳＳＰＣを含む、第３のＳＳＰＣステージと、
をさらに備え、
前記第１のＳＳＰＣステージが、前記第３の電源に接続された電力入力および前記第１の負荷に接続された電力出力を有する第８のＳＳＰＣを含み、
前記第２のＳＳＰＣステージが、前記第３の電源に接続された電力入力および前記第２の負荷に接続された電力出力を有する第９のＳＳＰＣを含む、請求項２に記載のＰＭＡＤシステム。
【請求項４】
前記第１、第２、および第３の電源が、界磁巻線型発電機、永久磁石発電機、高電圧バッテリー、低電圧バッテリー、および燃料電池からなる群から選択される、請求項３に記載のＰＭＡＤシステム。
【請求項５】
所定の電圧を前記第１および第２の負荷の各々に選択的に出力するために、前記マトリックスの前記ＳＳＰＣの各々を制御するように構成されたＰＭＡＤコントローラをさらに備える、請求項１に記載のＰＭＡＤシステム。
【請求項６】
前記第１の負荷の入力と、前記第１および第２のＳＳＰＣの前記電力出力の各々との間に接続された第１の電流センサーと、
前記第２の負荷の入力と、前記第３および第４のＳＳＰＣの前記電力出力の各々との間に接続された第２の電流センサーと、
をさらに備え、
前記ＰＭＡＤコントローラが、前記第１および第２の電流センサーから受信された前記検知電流に基づいて、前記第１および第２の電源からの電力出力を調整するように構成されている、請求項５に記載のＰＭＡＤシステム。
【請求項７】
前記ＰＭＡＤコントローラが、合計された検知電流を生成するために、前記電源に接続された前記マトリックスの前記ＳＳＰＣの全てからの前記検知電流を合計し、基準電圧修正信号を生成するために、前記合計された検知電流に、それぞれ、前記第１および第２の負荷に出力できる総電力の割合に対応する比率を乗算し、前記基準電圧修正信号に基づき、前記第１および第２の電源に提供される基準電圧を調整するように構成されている、請求項６に記載のＰＭＡＤシステム。
【請求項８】
第３の電源および第４の電源であって、前記第１の電源が界磁巻線型発電機であり、前記第２の電源が永久磁石発電機であり、前記第３の電源が高電圧バッテリーであり、前記第４の電源が低電圧バッテリーである、第３の電源および第４の電源をさらに備え、
ＳＳＰＣの前記マトリックスが、ＳＳＰＣの４つのステージを含み、各ステージが、４つのＳＳＰＣを含み、各それぞれのステージの各ＳＳＰＣが前記第１〜第４の電源の別個の１つに接続され、各それぞれのステージの各ＳＳＰＣが同一の負荷に接続された電力出力を有し、ＳＳＰＣの各ステージが各他のステージとは別個の負荷に接続されている、請求項１に記載のＰＭＡＤシステム。
【請求項９】
前記界磁巻線型発電機とＳＳＰＣの前記マトリックスとの間の整流器と、
前記永久磁石発電機とＳＳＰＣの前記マトリックスとの間のアクティブ整流器と、
前記高電圧バッテリーとＳＳＰＣの前記マトリックスとの間の直流／直流変換器と、
前記低電圧バッテリーとＳＳＰＣの前記マトリックスとの間の直流／直流変換器と、
をさらに備える、請求項８に記載のＰＭＡＤシステム。
【請求項１０】
前記整流器とＳＳＰＣの前記マトリックスとの間の第１の電流センサーと、
前記アクティブ整流器とＳＳＰＣの前記マトリックスとの間の第２の電流センサーと、
前記高電圧バッテリーとＳＳＰＣの前記マトリックスとの間の第３の電流センサーと、
前記低電圧バッテリーとＳＳＰＣの前記マトリックスとの間の第４の電流センサーと、
第１〜第４の電流センサーから受信された前記検知電流に基づいて、前記第１、第２、第３、および第４の電源を調整するように構成されたＰＭＡＤコントローラと、
をさらに備える、請求項９に記載のＰＭＡＤシステム。
【請求項１１】
前記第１および第２の負荷のうちの少なくとも１つが容量性負荷であり、前記容量性負荷を事前充電するために、前記第１および第２の電源の１つを前記容量性負荷に接続するため、前記マトリックスの少なくとも１つのＳＳＰＣがオンにされる、請求項１に記載のＰＭＡＤシステム。
【請求項１２】
前記容量性負荷を追加的に事前充電するために、前記第１および第２の電源を前記容量性負荷に連続して接続するため、前記マトリックスの少なくとも２つのＳＳＰＣが、連続してオンにされる、請求項１１に記載のＰＭＡＤシステム。
【請求項１３】
前記第１および第２の電源のうちの少なくとも１つが充電可能バッテリーであり、
前記第１および第２の負荷の少なくとも１つが回生負荷であり、
前記マトリックスの少なくとも１つのＳＳＰＣが、前記回生負荷から前記充電可能バッテリーに電力を供給するためにオンにされる、双方向ＳＳＰＣである、請求項１に記載のＰＭＡＤシステム。
【請求項１４】
前記第１の負荷が第１の電力品質要件を有し、前記第２の負荷が、前記第１の負荷よりも厳しくない、第２の電力品質要件を有し、
前記第１の電源が、前記第１の電力品質要件を満足する第１の電力品質を有し、
前記第２の電源が、前記第２の電力品質要件を満足する第２の電力品質を有する、請求項１に記載のＰＭＡＤシステム。
【請求項１５】
入力として、第１および第２の検知電流信号を、複数の電源と複数の負荷との間のＳＳＰＤマトリックスの第１および第２の電流センサーから受け取るように構成された加算増幅器と、
入力として、合計された検知電流信号を前記加算増幅器から受け取り、前記合計された検知電流信号に、前記複数の負荷の中で第１および第２の負荷に供給された総電流の割合に対応する割合を掛けることにより、第１および第２の電流基準信号を生成し、前記第１および第２の電源からの電圧出力を修正するために、前記第１および第２の電流基準信号に基づいて、前記複数の電源の中で第１および第２の電源に対して第１および第２の基準電圧修正信号を出力するように構成された、基準電圧修正回路と、
を含む、マトリックスベースのＰＭＡＤシステムの電力管理および分配（ＰＭＡＤ）コントローラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電力分配アーキテクチャに関し、より詳細には、様々な車両システムに電力を供給するための、再構成可能なマトリックスベースのＤＣ電力管理および分配アーキテクチャに関する。
【背景技術】
【０００２】
標準的な冗長電力分配アーキテクチャは、ダイオードを経由して複数の負荷に接続された２つの電力バスを利用する。例えば、電源の故障などに起因して、一方のバスが利用できない場合、第１のバスから第２のバスに「ＯＲ」ダイオードを経由して電力が自動的に伝送される。電力管理および分配システム内で、従来型の電気機械回路遮断器に替えて、ソリッドステート電力コントローラ（ＳＳＰＣ）が使用されることがある。その主な機能は、様々な電気負荷に電力を供給し、それらを保護することである。ＳＳＰＣは、電気機械装置と比べ、比較的速い応答時間を与え、ターンオフ過渡状態中のアークおよびターンオン過渡状態中のバウンスを除去し得る。ＳＳＰＣは、高度な保護および診断を容易にし、効率的な電力管理および分配アーキテクチャを可能にする。電力分配アーキテクチャでは、ＳＳＰＣは、過負荷および短絡状態を識別して、これらを阻止するために使用される。ＳＳＰＣは、負荷に供給される電力（電圧および／または電流）を制御する電力半導体スイッチング素子を含む。一部のＳＳＰＣは、電力半導体スイッチング素子、出力電圧および電流ならびに電力半導体素子温度を監視するためのセンサー、ならびに制御回路を含む。制御回路は、演算論理装置（ＡＬＵ）、メモリ、タイマー／カウンター、シリアルポート、入力／出力（Ｉ／Ｏ）ポート、およびクロック発振器からなるマイクロコントローラを含み得る。ＳＳＰＣの中には、コンピュータ、ユーザーによるか、または任意の独自の方法によってプログラム可能なものもある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
負荷、ＳＳＰＣ、または電源が故障した場合、負荷への電力が中断され、１つ以上の機能が中断される。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の実施形態は、第１の種類の第１の電源、第１の種類とは異なる第２の種類の第２の電源、ならびに第１および第２の負荷を含む、電力管理および分配（ＰＭＡＤ）システムを含む。ＰＭＡＤシステムは、第１および第２の電源と第１および第２の負荷との間に接続されたソリッドステート電力コントローラ（ｓｏｌｉｄ  ｓｔａｔｅ  ｐｏｗｅｒ  ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ、ＳＳＰＣ）のマトリックスを含む。マトリックスは、マトリックスのＳＳＰＣのオン／オフ状態に基づいて、第１および第２の負荷の各々に複数の異なる電力レベルを選択的に供給するように構成される。
【０００５】
本発明の実施形態は、マトリックスベースのＰＭＡＤシステムの電力管理および分配（ＰＭＡＤ）コントローラをさらに含む。ＰＭＡＤコントローラは、入力として、第１および第２の検知電流信号を、複数の電源と複数の負荷との間のＳＳＰＤマトリックスの第１および第２の電力センサーから受け取るように構成された、加算増幅器を含む。ＰＭＡＤコントローラは、入力として、合計された検知電流信号を加算増幅器から受け取り、その合計された検知電流信号に、複数の負荷の中で第１および第２の負荷に供給された総電流の割合に対応する割合を掛けることにより、第１および第２の電流基準信号を生成し、第１および第２の電源からの電圧出力を修正するために、第１および第２の電流基準信号に基づき、複数の電源の中で第１および第２の電源に対して、第１および第２の基準電圧修正信号を出力するように構成された、基準電圧修正回路も含む。
【０００６】
本発明の実施形態は、マトリックスベースの電力管理および分配（ＰＭＡＤ）システムを制御する方法をさらに含む。本方法は、複数の負荷の各々が受け取る電力のレベルを決定することと、そのレベルの電力を負荷に供給するために、複数の電源と複数の負荷との間に接続されたソリッドステート電力コントローラ（ＳＳＰＣ）のマトリックスを制御することとを含む。複数の電源は、第１の種類の第１の電源および、第１の種類とは異なる第２の種類の第２の電源を含む。
【０００７】
発明と見なされる主題は、本明細書の末尾請求項に具体的に指摘され、明確にクレームされる。本発明の前述の特徴および他の特徴、ならびに利点は、添付の図面を参照して、以下に記載する本発明を実施するための形態から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態に係る、マトリックスベースの電力管理および分配アーキテクチャの図を示す。
【図２】本発明の一実施形態に係る、負荷分割アーキテクチャのブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る、マトリックスベースの電力管理および分配システムを制御する方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
複数の電源、負荷、およびソリッドステート電力コントローラ（ｓｏｌｉｄ  ｓｔａｔｅ  ｐｏｗｅｒ  ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ）を含む、電力管理および分配システムは故障しやすい。さらに、クリティカルな負荷に対して要求される耐障害性により、クリティカルな負荷に電力を供給するための追加の冗長電源、電力バスおよびＳＳＰＣが必要とされ得る。さらに、例えば、過負荷状態の間など、変化する負荷需要に対応するために、ＳＳＰＣおよび電源は、大規模なレベルの電力に対応できるように比較的大規模になるように選択される。本発明の実施形態は、これらの問題または他の問題の１以上に対処し得るマトリックスベースの電力管理および分配アーキテクチャに関する。
【００１０】
図１は、本発明の一実施形態に係る、マトリックスベースの電力管理および分配システム１００を示す。システム１００は、電源１１０、電源１１０から電力を受け取る負荷１２０、および電源１１０と負荷１２０との間に電力用経路を形成するために制御されるソリッドステート電力コントローラ（ＳＳＰＣ）のマトリックス１３０を含む。電力管理および分配（ＰＭＡＤ）コントローラ１４０は、電源１１０と負荷１２０との間に電流路を生成するためにＳＳＰＣマトリックス１３０を制御する。
【００１１】
システム１００は、ＰＭＡＤコントローラ１４０と電源１１０との間に通信バス１６０を含み、それにより、ＰＭＡＤコントローラ１４０は、電源１１０による電力出力に関する情報を受け取り、ＰＭＡＤコントローラ１４０は、電源１１０による電力出力を制御する。一実施形態では、ＰＭＡＤコントローラ１４０は、通信バス１６０を経由して、ＳＳＰＣマトリックス１３０のＳＳＰＣ内のスイッチのオン／オフ状態も制御する。図１ではバス１６０が示されているが、本発明の実施形態は、専用通信回線、無線通信回線、並列およびシリアル通信、伝送されている信号の各種類に対する別個の通信バス、ならびにデータを伝達する任意の他の方法を含む、任意の通信回線を包含する。
【００１２】
図１は、異なる種類の電源１１０を示す。特に、電源は、界磁巻線型発電機（ｗｏｕｎｄ  ｆｉｅｌｄ  ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）１１３、永久磁石発電機１１４、高電圧バッテリー１１６および定電圧バッテリー１１７を含む。界磁巻線型発電機１１３および永久磁石発電機１１４は、界磁巻線型発電機１１３および永久磁石発電機１１４にギアボックス１１２を介して接続され得る原動機の運動に基づいて、発電する。界磁巻線型発電機１１３による電圧出力は、界磁巻線型発電機１１３に接続された電圧レギュレータ１１５によって制御され、出力電圧は、整流器１７１によって整流される。整流された出力電圧は、次いで、ＳＳＰＣマトリックス１３０に供給される。永久磁石発電機１１４の交流（ａｃ）電圧出力が、双方向アクティブ整流器１７２によってｄｃ電圧に変換される。
【００１３】
高電圧バッテリー１１６および低電圧バッテリー１１７は、双方向直流／直流変換器１７３，１７４を経由してＳＳＰＣマトリックス１３０に接続されている。変換器１７３，１７４は、入力として、電力をバッテリー１１６，１１７から受け取り、所定の電力レベルをマトリックス１３０に出力する。さらに、直流／直流変換器１７３，１７４は、双方向であるので、それらは、マトリックス１３０から電力を受け取り、その電力をバッテリー１１６，１１７に伝送し得る。
【００１４】
図１は、４つの異なる種類の電源１１０のみを示す。本明細書では、異なる種類の電源が、異なる発電モード、異なる動作原理、異なるレベルの発電可能な出力電力を有し、異なる材料から形成され、異なる物理構造または化学構造などを有する、電源として定義される。例えば、界磁巻線型発電機１１３は、永久磁石発電機１１４ならびにバッテリー１１６，１１７とは異なる動作モードを有する。同様に、高電圧バッテリー１１６は、低電圧バッテリー１１７とは異なる電圧レベルを出力し、低電圧バッテリー１１７とは異なるサイズであり、物理組成または化学組成が異なり得る。異なる種類の電源１１０の４つの例が提供されているが、本発明の実施形態は、太陽光発電機、地熱発電機、および風力発電機を含む再生可能なエネルギー源などの、任意の種類の電力、ならびに燃料電池または任意の他の種類の電源を包含する。
【００１５】
さらに、４つの電源１１５〜１１７が説明の目的で示されているが、システム１００内の電源１１０の個数は、３、４、１０などの、任意の数であってもよい。各電源は、電力をＳＳＰＣマトリックス１３０に出力する。本発明の実施形態では、各電源１１３〜１１７の電力出力は、電流センサー１３５ａ〜１３５ｄおよび１３５ｅ〜１３５ｈによって検知された電力特性に基づいて調整され得る。
【００１６】
図１は、４つの負荷１２１，１２２，１２３，１２４をさらに示す。しかし、任意の数の負荷がシステム１００内に存在し得る。負荷１２１〜１２４は、電力を必要とする電子回路、他の電気装置もしくは電気機械装置、充電され得るバッテリー、または電力を消費可能な任意の他の装置に対応し得る。アクチュエータなどの、いくつかの負荷は、回生負荷（ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ  ｌｏａｄ）である。回生電力は、電力放散装置によって、または回生電力を他の負荷に迂回するか、バッテリーを充電するか、もしくは回生エネルギーを双方向アクティブ整流器、および永久磁石発電機を経由して機械的エネルギーに変換することにより、処理される必要があり得る。さらに、図１は、第１、第２、第３、および第４のＳＳＰＣステージ１３１，１３２，１３３，１３４を示しており、その各々が複数のＳＳＰＣ１３１ａ〜１３１ｄ、１３２ａ〜１３２ｄ、１３３ａ〜１３３ｄ、および１３４ａ〜１３４ｄで構成される。しかし、本発明の実施形態は、任意の数のＳＳＰＣステージおよびステージごとに任意の数のＳＳＰＣを包含する。説明のため、ＳＳＰＣステージは、同一の負荷１２０に接続された電力出力を有する一連のＳＳＰＣに対応し、各ステージ内の各ＳＳＰＣは、別個の電源１１０に接続された電力入力を有する。
【００１７】
本発明の実施形態では、ＰＭＡＤコントローラ１４０は、電力を受信できるいくつかの負荷１２０を決定するように構成される。電力を受け取るいくつかの負荷１２０は、ユーザーによって、コンピュータプログラムによって、ＰＭＡＤコントローラ１４０に接続された装置もしくはシステムによって、または任意の他の方法によって提供され得る。ＰＭＡＤコントローラ１４０は、電力を受信できる各負荷１２０に供給される電力レベルをさらに決定する。その上、ＰＭＡＤコントローラ１４０は、ある負荷１２０が特定の種類の電力を受信できるかどうかを決定し得る。言い換えれば、電源１１０は、異なる種類の電源を含むので、ある負荷１２０は、界磁巻線型発電機１１３からではなく、バッテリー１１６からなど、特定の種類の電源から電力を受け取るように、構成され得るか、事前にセットされ得るか、または他の方法で決定され得る。
【００１８】
どの負荷１２０が電力を受信できるかの決定、各負荷に分配される電力レベル、および各負荷に供給される電力の種類に基づいて、ＰＭＡＤコントローラ１４０は、所望の電力を負荷１２０に分配するために、ＳＳＰＣマトリックス１３０のＳＳＰＣを制御する。例えば、負荷１２２のみが電力を受信でき、かつ電力レベルが電源１１４，１１７からの出力に対応すると決定される場合、ＰＭＡＤコントローラ１４０は、電源１１４，１１７から負荷１２２に電力を供給するために、ＳＳＰＣ１３２ｂ，１３２ｄをオンにするように制御し得る。他方、負荷１２１〜１２４の各々が電力を受信できると決定される場合、ＰＭＡＤコントローラ１４０は、適切な電源１１３〜１１７から負荷１２１〜１２４に電力を供給するために、マトリックス１３０の対応するＳＳＰＣをオンにし得る。
【００１９】
ＰＭＡＤコントローラ１４０は、ＳＳＰＣアレイ１３０のＳＳＰＣを制御して、１つの電源から１つの負荷に、１つの電源から複数の負荷に、複数の電源から複数の負荷に、複数の電源から１つの負荷に、１以上の回生負荷から１以上の充電可能電源に、前述の任意の組合せで、電力を選択的に伝送する。例えば、ＰＭＡＤコントローラ１４０は、ＳＳＰＣマトリックス１３０を制御して、界磁巻線型発電機１１３から負荷１２４に、ならびに高電圧バッテリー１１６および低電圧バッテリー１１７から負荷１２１に、同時に電力を供給し得る。この例では、ＳＳＰＣ１３４ａならびにＳＳＰＣ１３１ｃ，１３１ｄが全てオンにされ、残りのＳＳＰＣがオフにされる。
【００２０】
別の例では、ＰＭＡＤコントローラ１４０は、ＳＳＰＣマトリックス１３０を制御して、永久磁石発電機１１４から負荷１２３および１２４の各々に、ならびに高電圧バッテリー１１６および低電圧バッテリー１１７から負荷１２１，１２２の各々に、同時に電力を供給し得る。この例では、ＳＳＰＣ１３３ｂ，１３４ｂが、電力を永久磁石発電機１１４から伝送するためにオンにされ、また、ＳＳＰＣ１３１ｃ，１３２ｃ，１３１ｄ，１３２ｄが、電力をバッテリー１１６，１１７から負荷１２１，１２２に伝送するためにオンにされる。
【００２１】
一実施形態では、負荷のうちの１以上が容量性負荷であり、電力を負荷に供給することが、事前充電操作を含む。容量性負荷の例は、大規模な直流リンクコンデンサを利用するモーター駆動インバータまたは直流／直流変換器を含む。公称直流バス電圧がモーター駆動インバータまたは直流／直流変換器の入力に適用される場合、電源投入時に、直流リンクコンデンサが放電されて、大規模な突入電流を生じ得る。負荷１２０が容量性負荷である場合、ＳＳＰＣマトリックス１３０によって定義された１以上の制御可能な電力バスが使用されて、容量性負荷を連続して、または同時に、事前充電するためにバス電圧を徐々に増加し得、したがって、突入電流を制限する。例えば、負荷１２１，１２２が事前充電を必要とする容量性負荷であり、ＳＳＰＣ１３１ａが、電力を界磁巻線型発電機１１３から負荷１２１に供給するためにオンにされ得、ＳＳＰＣ１３２ｃが、電力を、高電圧バッテリー１１６から負荷１２２に供給するためにオンにされ得る。事前充電操作の一部として、または事前充電後に、追加の電力が、例えば、電力を低電圧バッテリー１１７から負荷１２２にさらに供給するためにＳＳＰＣ１３２ｄをオンにすることにより、および、電力を永久磁石発電機１１４から負荷１２１にさらに供給するためにＳＳＰＣ１３１ｂをオンにすることにより、供給され得る。
【００２２】
さらに、本発明の実施形態は、所望の電力出力レベルに従って、電流が、入力から出力方向に、または出力から入力方向に流れるのを可能にする双方向ＳＳＰＣを包含する。双方向ＳＳＰＣはまた、電流を、両方向で中断し得る。この機能は、故障したソースの分離を容易にする。本明細書では、「電力入力（ｐｏｗｅｒ  ｉｎｐｕｔ）」という用語は、ＳＳＰＣマトリックス１３０のＳＳＰＣに関するとき、電力線または電力バスに接続され、電源１１０から出力された、ＳＳＰＣの終端を指す。逆に、「電力出力（ｐｏｗｅｒ  ｏｕｔｐｕｔ）」という用語は、ＳＳＰＣマトリックス１３０のＳＳＰＣに関するとき、負荷１２０に入力された回線に接続された、ＳＳＰＣの終端を指す。しかし、前述したように、本発明の実施形態では、電流は、ＳＳＰＣを通って双方向に流れるように制御され得る。
【００２３】
マトリックス１３０の一構成例では、１以上の負荷１２０は、電力を受け取り得、また、電力を再生してマトリックス１３０に戻し得る、回生負荷である。かかる例では、回生負荷からの電力は、その負荷から、バッテリー１１６，１１７または永久磁石発電機１１４などの、１以上の電源１１０に、双方向アクティブ整流器１７２を介して伝送され得る。例えば、負荷１２２が回生負荷である場合、ＳＳＰＣ１３２ｃおよび／または１３３ｃが、電力を回生負荷１２２から高電圧バッテリー１１６および／または負荷１２３の各々の供給するためにオンにされ得る。さらに、ＳＳＰＣ１３２ｂは、電力を回生負荷１２２から、ギアボックス１１２を経由して機械的エネルギーを原動機１１１に供給する永久磁石発電機１１４にさらに供給するためにオンにされ得る。ほんの数例のみが、電源１１０から負荷１２１〜１２４に電力を伝送するための可能な構成を提供される。しかし、本発明の実施形態は、１以上の電源１１０からマトリックス１３０を通して１以上の負荷１２０に電力を伝送するための任意の構成を包含する。本発明の実施形態は、１以上の電源１１０から、充電可能な電源などの、別の電源１１０に電力を伝送するための任意の構成も包含する。本発明の実施形態は、１以上の回生負荷１２０から、１つもしくは複数の他の負荷１２０または１つもしくは複数の電源１１０に電力を供給するためのマトリックス１３０の任意の構成をさらに包含する。
【００２４】
図２は、本発明の一実施形態に従い、ＰＭＡＤコントローラ１４０によって実装された、負荷分割アーキテクチャを示す。負荷分割制御は、マイクロコントローラで実装できる。そのアーキテクチャは、入力として信号を受け取り、その信号を分析、結合して、調整された信号を、電源およびＳＳＰＣなどの装置を制御するために出力するため、プロセッサによって実行されるソフトウェアを含み得るか、または包含し得る。
【００２５】
ＰＭＡＤコントローラ１４０は、入力として、ＳＳＰＣマトリックス内の電力センサーに対応するセンサー信号ソース１〜ソース４を受け取り、電流和信号Ｉsumを出力するように構成された加算増幅器１４１を含む。例えば、図１を参照すると、信号ソース１〜ソース４は、電流センサー１３５ａ〜１３５ｄから生じ得る。電流センサー１３５ｅ〜１３５ｈは、他の機能の中で特に、負荷短絡およびＩ２ｔ過負荷保護のために使用され得る。
【００２６】
電流和信号Ｉsumは、重み付けユニット１４２ａ〜１４２ｄに提供されるが、それは、和信号に重みを付けて、ＳＳＰＣマトリックスの、各電力バス、または電源の電力出力に接続された各回線に対して、異なる電流信号を提供する。一実施形態では、重み付けユニットは、電流和信号Ｉsumに割合を掛けるが、重み付けユニット１４２ａ〜１４２ｄの全ての割合は、合計で「１」または１００パーセントになる。異なる電力バスに割り当てられた異なる重みは、電力バスもしくは電源の機能もしくは効率、電力バス上で要求される電力レベル、または任意の他の基準に基づき得る。例えば、ユーザー、プログラム、装置またはシステムは、ＰＭＡＤコントローラ１４０に、それぞれの電源の所望の電力出力レベルを提供し得、ＰＭＡＤコントローラ１４０は、それに応じて、重み付けユニット１４２ａ〜１４２ｄに重みを割り当て得る。図２を参照すると、第１の重み付けユニット１４２ａは、電流和信号Ｉsumに０．５を掛け、第２の重み付けユニット１４２ｂは、電流和信号Ｉsumに０．３を掛け、第３の重み付けユニット１４２ｃは、電流和信号Ｉsumに０．２を掛け、第４の重み付けユニット１４２ｄは、電流和信号Ｉsumに０を掛ける。重み付けユニット１４２ａ〜１４２ｄは、それぞれ、電流基準信号ＩREF1，ＩREF2，ＩREF3，ＩREF4を出力する。
【００２７】
電流基準信号ＩREF1，ＩREF2，ＩREF3，ＩREF4は、それぞれ検知電流信号ソース１〜ソース４と比較されて、差が比例積分（ＰＩ）制御ブロック１４４ａ〜１４４ｄによって処理される。あるいは、ラグ（ｌａｇ）機能が使用できる。制御ブロック１４４ａ〜１４４ｄは、加算回路１４５ａ〜１４５ｄにより、電圧基準電圧ＶREFと合計される、基準電圧調整信号を生成して、各電源を制御するための調整された基準電圧信号ＶREF1，ＶREF2，ＶREF3，ＶREF4を生成する。
【００２８】
図１を参照すると、ＰＭＡＤコントローラ１４０は、それぞれの電源１１０の出力を制御するために、調整された基準電圧信号ＶREF1，ＶREF2，ＶREF3，ＶREF4を、界磁巻線型発電機１１３の電圧レギュレータ１１５に、永久磁石発電機１１４のアクティブ整流器１７２に、ならびにバッテリー１１６，１１７の直流／直流変換器１７３，１７４に伝送し得る。調整された基準電圧信号ＶREF1，ＶREF2，ＶREF3，ＶREF4は、バス１６０を経由して伝送され得、電流センサー１３５ａ〜１３５ｈからの電流センサー信号も、バス１６０を経由して伝送され得る。さらに、ＰＭＡＤコントローラ１４０からＳＳＰＣマトリックス１３０のＳＳＰＣへの制御信号が、バス１６０を経由して伝送され得る。図１ではバス１６０が示されているが、本発明の実施形態は、専用通信回線、無線通信回線、並列およびシリアル通信、伝送されている信号の各種類に対する別個の通信バス、ならびにデータをデジタル方式で伝達する任意の他の方法を含む、任意の通信回線を包含する。
【００２９】
図３は、本発明の実施形態に係る、マトリックスベースの電力管理および分配（ＰＭＡＤ）システムを制御する方法を示す。本システムは、再構成可能なソリッドステート電力コントローラ（ＳＳＰＣ）マトリックスによって互いに接続された、電源および負荷を含む。マトリックスの個々のＳＳＰＣは、それぞれの電源とそれぞれの負荷との間の経路に電力を供給するために、オンにされ得る。
【００３０】
ブロック３０２で、電力を受信できる負荷および電源が決定される。電力を受信できる負荷および電源は、ユーザーによって、制御システムもしくはプログラムによって、または任意の他の方法によって決定され得る。いくつかの実施形態では、１以上の負荷が、バッテリーを充電するために回生エネルギーをリダイレクトすること、別の負荷に伝送すること、または機械的エネルギーに変換することにより、処理される回生負荷であり得る。
【００３１】
ブロック３０４で、負荷または電源の各々に供給される電力のレベルが決定される。例えば、１つの負荷が、１つの電源もしくは２つ以上の電源に対応する電力を受信できるかどうか、複数の負荷が、１つもしくは複数の電源に対応する電力を受信できるかどうか、負荷および電源の両方が、１つもしくは複数の他の負荷もしくは電源から電力を受信できるかどうか、または、１つもしくは複数の電源および負荷から１つもしくは複数の他の電源および負荷に電力を供給する任意の他の変形が決定され得る。少量の電力のみが負荷によって要求される例では、ＰＭＡＤコントローラは、負荷が電力を低電源から受け取り得ると決定し得る。あるいは、高電力レベルが負荷によって要求される場合、ＰＭＡＤコントローラは、負荷が電力を、１つもしくは複数の高電源から、複数の低電源から、または高電源および低電源の組合せから受け取り得ると決定し得る。
【００３２】
ブロック３０６で、負荷および電源に供給される電力の種類が決定される。例えば、負荷は、超低電圧または電流変動で、高度に調整された電力のみを受信可能であり得る。かかる状況では、ＰＭＡＤコントローラは、電力を供給するために、特定の負荷の要件を満足する電源の中から選択し得る。ブロック３０８で、ＳＳＰＣマトリックスは、適切な電力レベルを電源および負荷に提供するために、電源および負荷に接続するように制御される。マトリックスは、ＳＳＰＣの複数のステージを含み、各ステージは、各々が、別個の電源に接続された電力入力および同一の負荷に接続された電力出力を有する、複数のＳＳＰＣを含む。ＳＳＰＣは、電力を、故障したＳＳＰＣなどの、故障した回路の周囲に経路指定するため、回生負荷に対応するため、または任意の他の目的のために、出力から入力への方向に電流が流れるのを可能にする双方向ＳＳＰＣであり得る。双方向ＳＳＰＣは、また、故障した負荷または故障した電源のいずれかの分離を可能にするために、電流を両方向で中断し得る。
【００３３】
ブロック３１０で、電源およびＳＳＰＣマトリックスから出力される、電流などの、電力特性が検知される。電力特性は、ＰＭＡＤコントローラに提供され得るが、それは、ブロック３１２で、検知された電力特性に基づいて、電源およびＳＳＰＣを制御し得る。前述したように、ＰＭＡＤコントローラは、電源から出力された電力を調整するために、検知された電力特性に基づいて、電源に対する基準電圧を調整し得る。
【００３４】
本発明の実施形態では、複数の電源と複数の負荷との間で電力を動的に伝送するために、ソリッドステート電力コントローラ（ＳＳＰＣ）のマトリックスが使用される。電源は、電源から負荷に供給される電力が、電力レベル、電流レベル、電圧レベル、出力電力品質または任意の他の特性において変わり得るように、異なる原理の操作および異なる物理組成または化学組成を有し得る。電力を受け取る負荷、および各負荷で受信される電力の量は、マトリックスのＳＳＰＣをオンおよびオフにすることによって調整される。それに応じて、１つの負荷が電力を、１つの電源から、または複数の電源から受け取り得る。さらに、複数の負荷が電力を、１つの電源から、または複数の電源から受け取り得る。オンおよびオフにされるＳＳＰＣを制御することにより、電力管理および分配（ＰＭＡＤ）コントローラは、機能しうる電源および負荷に電力の供給を継続しながら、故障した電源および故障した負荷を分離できる。さらに、オンおよびオフにされるＳＳＰＣを制御することにより、ＰＭＡＤコントローラは、マトリックス内の１以上のＳＳＰＣがオフにされているか、電力を確実に供給できないか、あるいは故障している場合でさえ、負荷に電力を供給するために、故障したＳＳＰＣの周囲に電力を再経路指定できる。
【００３５】
本発明の実施形態では、ＰＭＡＤコントローラは、電源内、ＳＳＰＣ内、および負荷内で障害を検知するためのソフトウェアおよびハードウェアを含み得る。例えば、ＰＭＡＤコントローラは、電源からの、または電源もしくは負荷に電気的に接続されたＳＳＰＣマトリックスからのセンサー信号を介して、所定の閾値外の電力特性レベルを検知することにより、故障した電源または故障した負荷を検知し得る。ＳＳＰＣマトリックスは、各バス上の電流ストレスを最小限にするために、電力バス、または電源から出力された電力線によって、負荷分割を可能にする。さらに、過負荷状態では、負荷への電力は、同一の電源から出力される電力を増加するよりむしろ、追加の電源から供給され得るので、ＳＳＰＣマトリックスは、超高過負荷耐性を必要とする任意の単一電源またはＳＳＰＣを不要にする。その上、ＳＳＰＣマトリックスは、ＰＭＡＤ機能に対応するために、各ＳＳＰＣ内に電流センサーを有する必要性をなくす。マトリックスＳＳＰＣは、ＰＭＡＤ機能を保持するために、各電源および各負荷に対応付けられた電流センサーを利用し、システム内の電流センサーの数が減少するという結果になる。
【００３６】
さらに、ＳＳＰＣマトリックスへの接続を提供することにより、電力システムの、異なる電力品質レベル、コスト、重み、および効率を有する電源は、電源をマトリックスに物理的に接続することも、マトリックスから物理的に切断することもなく、異なる品質レベルの電力を異なる時に異なる負荷に供給する機能を提供することにより、最適化され得る。加えて、ＳＳＰＣマトリックスは、削減された電力放散装置での回生負荷の制御、および放電された容量性負荷に起因した突入電流の制御を可能にする。
【００３７】
いくつかの実施形態では、システムは、電気機械式回路遮断器を含まない。代わりに、ＳＳＰＣマトリックスが、システム内の電流フローを制御するために、電気機械式回路遮断器の機能に取って代わる。いくつかの実施形態では、複数の電力バスに接続するために、システム内に「ＯＲ」ダイオードが存在しない。代わりに、ＳＳＰＣマトリックスが、複数の電力バスに接続するだけである。
【００３８】
本発明は、限られた数の実施形態に関してのみ詳細に説明されてきたが、本発明は、開示されたかかる実施形態に限定されないことが容易に理解されるはずである。むしろ、本発明は、これまで説明されなかった、任意の数の変形、代替、置換、または均等構成を包含するように修正できるが、それらは、本発明の趣旨および範囲と等しい。加えて、本発明の様々な実施形態を説明したが、本発明の態様は、説明した実施形態の一部のみを含み得ることを理解されたい。従って、本発明は、前述の説明によって限定されると見なされるのではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。
【図１】
2014140292.tif 000003
【図２】
2014140292.tif 000004
【図３】
2014140292.tif 000005