(57)【要約】  マルチステージ高速充電システムが提案される。このシステムは、電圧サポート点として中間電力バッテリを使用し、それにより、出力電圧の一部を有する変換器が、車両または電力デバイスのバッテリに向かう、またはバッテリからの電力の流れ全体を制御することができる。中間バッテリは、それぞれの小さな充電器に関連付けられた直列の複数のステージを備え、中間バッテリのステージの充電量バランス調整の管理を可能にする。なぜなら、これらの充電器は、各ステージの寄与を個別に変えるように制御することができるからである。
2014521301.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力デバイスとエネルギーを交換するためのマルチステージ高速充電システムであって、
前記電力デバイスとの接続用の端子と、
前記端子の間に直列に接続されたｎ個の変換器ステージおよびｍ個のエネルギー内部貯蔵ステージであって、ここでｎ≧１、ｍ≧０、およびｎ＋ｍ≧２であり、各変換器ステージが、中間電力バッテリモジュールと電気供給源への接続点との少なくとも一方を備える構成に結合された電力変換器を有し、各エネルギー内部貯蔵ステージが、中間電力バッテリモジュールを有し、各中間電力バッテリモジュールが、前記中間電力バッテリモジュールの内部インピーダンスによって引き起こされる電圧降下に対する高い無負荷電圧によって特徴付けられ、各エネルギー内部貯蔵ステージの前記中間電力バッテリモジュールと、各変換器ステージの前記電力変換器とが、互いに接続されて、前記電力デバイスとエネルギーを交換できる状態にされる、ｎ個の変換器ステージおよびｍ個のエネルギー内部貯蔵ステージと、
前記電力デバイスとのエネルギーの交換への各変換器ステージの寄与、および適用可能なときには各エネルギー内部貯蔵ステージの寄与を制御する制御ユニットと
を備えるマルチステージ高速充電システム。
【請求項２】
ｍ＝０であり、
各変換器ステージの前記構成が、前記対応する中間電力バッテリモジュールを備え、
前記高速充電システムが、さらに、
前記端子の１つと前記ステージの１つとの間に接続されたインダクタとスイッチとから形成される直列構成を備える
請求項１に記載の高速充電システム。
【請求項３】
ｍ≧１であり、
各変換器ステージの前記構成が、前記対応する中間電力バッテリモジュールを備え、
前記エネルギー内部貯蔵ステージの少なくとも１つが、さらに、前記対応する中間電力バッテリモジュールを選択的にバイパスする、オンに切り替える、およびオフに切り替えるために、前記対応する中間電力バッテリモジュールに作動的に結合された接触器モジュールを有し、
前記高速充電システムが、さらに、
前記端子の１つと前記ステージの１つとの間に接続されたインダクタとスイッチとから形成される直列構成を備える
請求項１に記載の高速充電システム。
【請求項４】
前記変換器ステージのうちの複数のステージの構成が、さらに、前記対応する中間電力バッテリモジュールに結合された充電器を備え、
前記高速充電システムが、さらに、
前記充電器を直列に接続する直列ループを備え、前記直列ループが、インダクタとスイッチとから形成された直列構成を有する
請求項２に記載の高速充電システム。
【請求項５】
ｍ≧１であり、
各変換器ステージの前記構成が、前記対応する中間電力バッテリモジュールを備え、前記変換器ステージの少なくとも１つに関して、前記対応する中間電力バッテリモジュールに結合された充電器を備え、
前記エネルギー内部貯蔵ステージの少なくとも１つが、さらに、前記対応する中間電力バッテリモジュールを選択的にバイパスする、オンに切り替える、およびオフに切り替えるために、前記対応する中間電力バッテリモジュールに作動的に結合された接触器モジュールと、前記対応する中間電力バッテリモジュールに結合された充電器とを有し、
前記高速充電システムが、さらに、
前記充電器を直列に接続し、インダクタとスイッチとから形成された直列構成を有する直列ループと、
前記端子の１つと前記ステージの１つとの間に接続されたインダクタとスイッチとから形成される直列構成と
を備える請求項１に記載の高速充電システム。
【請求項６】
ｍ＝０であり、
各変換器ステージの前記構成が、前記対応する中間電力バッテリモジュールを備え、前記変換器ステージのうちの複数のステージに関して、前記対応する中間電力バッテリモジュールに結合された充電器を備え、
前記高速充電システムが、さらに、
前記端子の１つと前記ステージの１つとの間に接続されたインダクタと、
前記充電器を接続し合わせる並列バスと
を備える請求項１に記載の高速充電システム。
【請求項７】
ｍ≧１であり、
各変換器ステージの前記構成が、前記対応する中間電力バッテリモジュールを備え、前記変換器ステージの少なくとも１つに関して、前記対応する中間電力バッテリモジュールに結合された充電器を備え、
前記エネルギー内部貯蔵ステージの少なくとも１つが、さらに、前記対応する中間電力バッテリモジュールに結合された充電器を有し、
前記高速充電システムが、さらに、
前記端子の１つと前記ステージの１つとの間に接続されたインダクタと、
前記充電器を接続し合わせる並列バスと
を備える請求項１に記載の高速充電システム。
【請求項８】
ｍ≧１であり、
前記変換器ステージの少なくとも１つの前記構成が、前記電気供給源への接続点を備え、
前記エネルギー内部貯蔵ステージの少なくとも１つが、さらに、前記対応する中間電力バッテリモジュールに結合された充電器を有し、前記充電器が、前記電気供給源に接続する
請求項１に記載の高速充電システム。
【請求項９】
各変換器ステージの前記電力変換器が、電圧源変換器を備え、
前記高速充電システムが、さらに、
前記端子の１つと前記変換器ステージの１つとの間に接続されたインダクタを備える
請求項１に記載の高速充電システム。
【請求項１０】
前記変換器ステージのうちの少なくとも１つのステージの構成が、前記対応する中間電力バッテリモジュールと、前記電気供給源への前記接続点とを備え、さらに、前記対応する中間電力バッテリモジュールと前記電気供給源への前記接続点との間に結合された充電器を備える
請求項８に記載の高速充電システム。
【請求項１１】
さらに、
前記電気供給源への前記接続点に結合し、前記充電器を直列に接続する少なくともスイッチとインダクタとを備える直列構成から形成された直列ループと、
前記端子に結合し、各変換器ステージの前記電力変換器と各エネルギー内部貯蔵ステージの前記中間電力バッテリモジュールとを直列に接続する、少なくともスイッチとインダクタとを備える直列構成から形成される直列ループとを備え、
ｍ≧２であるときに、互いに続く少なくとも２つの前記エネルギー内部貯蔵ステージの間に、前記対応する中間電力バッテリモジュールの間に接続されたスイッチを備える
請求項１０に記載の高速充電システム。
【請求項１２】
前記エネルギー内部貯蔵ステージの少なくとも１つが、さらに、前記対応する中間電力バッテリモジュールを選択的にバイパスする、オンに切り替える、およびオフに切り替えるために、前記対応する中間電力バッテリモジュールに作動的に結合された接触器モジュールを有し、
前記高速充電システムが、さらに、
前記電気供給源への前記接続点に結合し、前記充電器を直列に接続する少なくともスイッチとインダクタとを備える直列構成から形成された直列ループと、
前記端子に結合し、適用可能なときには前記対応する接触器モジュールを介して、各変換器ステージの前記電力変換器と各エネルギー内部貯蔵ステージの前記中間電力バッテリモジュールとを直列に接続する、少なくともスイッチとインダクタとを備える直列構成から形成される直列ループとを備える
請求項１０に記載の高速充電システム。
【請求項１３】
前記エネルギー内部貯蔵ステージのいくつかが、前記対応する中間電力バッテリモジュールに結合された充電器を備え、
前記制御ユニットが、前記エネルギー内部貯蔵ステージの各充電器の充電電力を個別に調整する動作モードを有する
請求項８に記載の高速充電システム。
【請求項１４】
前記電気供給源が、電気ネットワークからのものであり、
ｍ≧２であり、
前記制御ユニットが、前記電気ネットワークの電流設定に従うように前記エネルギー内部貯蔵ステージの各充電器を管理する動作モードを有する
請求項８に記載の高速充電システム。
【請求項１５】
前記制御ユニットが、電流の流れを決定する制御装置と、前記電流の流れに基づいて電圧ターゲットを生成する電流制御装置と、前記電圧ターゲットを離散化するための離散化モジュールと、前記離散化モジュールによって提供される前記電圧ターゲットの離散化に従って前記電気ネットワークと前記電力デバイスとの間でエネルギーを転送するのに寄与させるように前記エネルギー内部貯蔵ステージを選択するための選択モジュールとを備える請求項１４に記載の高速充電システム。
【請求項１６】
前記電力デバイスが、前記端子に接続する電力バッテリを備え、前記電力バッテリの内部インピーダンスによって引き起こされる電圧降下に対する高い無負荷電圧によって特徴付けられる請求項８に記載の高速充電システム。
【請求項１７】
前記変換器ステージの少なくとも１つが、前記対応する電力変換器を選択的にバイパスする、オンに切り替える、およびオフに切り替えるために作動的に接続された接触器モジュールを備える
請求項１に記載の高速充電システム。
【請求項１８】
ｎ≧２であり、
ｎ＋ｍ≧４であり、
前記変換器ステージ、および適用可能であるときには前記エネルギー内部貯蔵ステージが、並列または直列に接続されたグループを形成するために分散され、インダクタとスイッチを備える構成の間に作動的に接続され、前記構成が、前記電力デバイスとエネルギーを交換できる状態にするステージのグループを選択するように選択的に作動的である、
請求項１に記載の高速充電システム。
【請求項１９】
各中間電力バッテリモジュールが、共通バスに接続されたフライバック変換器に結合された基本セルの構成を備え、前記フライバック変換器が、制御装置によって動作されて、前記共通バスでの電圧を維持し、前記共通バスとのエネルギー転送によって前記基本セル間でのバランス調整を行う請求項１に記載の高速充電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、充電システムに関し、より詳細には、ネスト式変換器および内部貯蔵ステージを有するマルチステージ高速充電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
非常に低い内部インピーダンス、深放電に対する非常に良好な抵抗、および数千回のサイクル寿命を示す電力バッテリ、特にナノチタン酸を含むＬｉ−イオンの新たな出現により、高速充電器の必要性が高まっている。現在、高速充電器は、車両を５分で充電することができる。例えば、最小量の車載バッテリを有するバスは、自律的に約２０キロメートル走行し、終点で数分で再充電することができる。
【０００３】
問題は、そのような再充電速度によって必要とされる電力レベルに対応することができる充電器の経済的な構成にある。関連する電力は、数百キロワット程度であり、電車やバスの場合には数メガワットにもなる。
【０００４】
充電器がこれらの電力レベルに対応しなければならないだけでなく、電気ネットワークと適合性のある接続点は限られているか、または高価である。バス用ステーションの場合、ネットワークから提供される電力は、（料金請求可能な最大電力に対応する）ピーク期間に応じて設定することができるが、残りの時間には、消費ははるかに低いことがある。極端なケースは、電気車両を例えば１００キロワットまで充電するために毎日数十分だけ使用されるように充電器が意図される家庭用途である。
【０００５】
したがって、電気ネットワークで見られる電力を平滑化するように意図された内部貯蔵装置を有する非常に強力な充電器が求められる。
【０００６】
従来の解決策は、長期間にわたって動作する小さな充電器を使用して、好ましくは低いエネルギー需要の時間に、やはり電力タイプの局所中間バッテリにエネルギーを貯蔵することにある。車両が高速充電のために接続されるとき、強力なＤＣ−ＤＣ変換器を使用して、中間バッテリから車両のバッテリに大きなエネルギーブロックを転送する。この解決策は、利用率の問題を解決するが、常に大型の変換器を必要とする。
【０００７】
さらに、中間バッテリは、それを形成する様々なセルおよびモジュールの間に負荷バランス調整システムを必要とする。このシステムは、コストを増し、さらに場合によっては全体のエネルギー損失を増す。
【０００８】
また、パワーエレクトロニクスを有する充電器の増加は、ネットワークの電波の質を損なう可能性がある。チョッピングされた波形によって生成される高調波および干渉が、主な原因である。そのタイプの装置での水準は、電磁放射基準を厳しくすることによってしか発展しないことがある。したがって、そのような充電器の電流波形の質の改良が必要とされる。
【０００９】
このために、正弦波パルス幅変調（正弦ＰＷＭまたはＳＰＷＭ）を有する単位出力係数電力変換器が、技術的に魅力的な解決策を生み出すが、高い変調周波数を使用しなければならず、これはスイッチング損失を引き起こす。マルチレベル電圧変形形態は、波形の質を保ちながらスイッチング周波数を減少させることを可能にする。しかし、ＤＣ側でいくつかのレベルを有する連続電圧の供給および保持は、制御および／または複雑さの問題を引き起こす。
【００１０】
最後に、ネットワーク接続された装置が、特定の状況でネットワークへの補助を提供することが可能であることがますます要求されている。電力平滑化（すなわち、ピーク期間中に電力を提供するためのいくらかの寄与）のために、無効電力源またはさらには高調波フィルタリングによって電圧サポートが行われる。したがって、これらの必要性を満たす充電器が有利である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、ネスト式中間貯蔵装置およびエネルギー転送ステージを有するマルチステージ高速充電システムを提供することである。
【００１２】
本発明の別の目的は、非常に強力であることがあり、電気ネットワークから見られる電力を平滑化することができる高速充電システムを提供することである。
【００１３】
本発明の別の目的は、サイズの小さい変換器を使用することができる高速充電システムを提供することである。
【００１４】
本発明の別の目的は、そのようなタイプのシステムまたは充電器の電流波形の質の改良を可能にすることができる高速充電システムを提供することである。
【００１５】
本発明の別の目的は、特定の状況でネットワークへの補助を提供することが可能なネットワーク接続された装置として使用することができる高速充電システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の一態様によれば、電力デバイスとエネルギーを交換するためのマルチステージ高速充電システムであって、
電力デバイスとの接続用の端子と、
端子の間に直列に接続されたｎ個の変換器ステージおよびｍ個のエネルギー内部貯蔵ステージであって、ここでｎ≧１、ｍ≧０、およびｎ＋ｍ≧２であり、各変換器ステージが、中間電力バッテリモジュールと電気供給源への接続点との少なくとも一方を備える構成に結合された電力変換器を有し、各エネルギー内部貯蔵ステージが、中間電力バッテリモジュールを有し、各中間電力バッテリモジュールが、中間電力バッテリモジュールの内部インピーダンスによって引き起こされる電圧降下に対する高い無負荷電圧によって特徴付けられ、各エネルギー内部貯蔵ステージの中間電力バッテリモジュールと、各変換器ステージの電力変換器とが、互いに接続されて、電力デバイスとエネルギーを交換できる状態にされる、ｎ個の変換器ステージおよびｍ個のエネルギー内部貯蔵ステージと、
電力デバイスとのエネルギーの交換への各変換器ステージの寄与、および適用可能なときには各エネルギー内部貯蔵ステージの寄与を制御する制御ユニットとを備える
マルチステージ高速充電システムが提供される。
【００１７】
限定せずに、本発明による高速充電システムは、車、バス、電車、地下鉄、トラム、およびトローリバスを含めた電気車両の高速充電のために使用することができる。この高速充電システムは、公共充電ステーション（サービスステーション）または家庭ステーションで使用することができる。この高速充電システムは、駅に入る地下鉄またはＤＣ電車の回生制動のための局所貯蔵のために使用することができる。この高速充電システムは、負荷管理、ピーク負荷平滑化、および無効電力または高調波の補償のために電気供給ネットワークを補助する役割を担うこともできる。バッテリセルのバランス調整の統合管理を可能にすることもできる。
【００１８】
好ましい実施形態の詳細な説明を、以下の図面を参照して、以下に本明細書で述べる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】従来の充電器において、出力変換器が、全電力を搬送するようにサイズ設定されなければならないことを示す概略図である。
【図２】小さな変換器のみを用いて大きな電力の流れの制御を可能にする中間電力バッテリと、中間電力バッテリの充電量を長期にわたって維持できるようにする低速充電器との使用を示す概略図である。
【図３】中間バッテリの充電量レベルのバランス調整をより良く管理するために、それぞれが低速充電器を有するモジュールに中間バッテリを細分することができることを示す概略図である。
【図４】一方としての低速充電器と、他方としての出力変換器との非同時操作が、電気ネットワークに対する絶縁変圧器の採用をなくすことを可能にする実施形態を示す概略図である。
【図５】出力変換器に関するより好ましい固定電圧レベルを予め選択するために接触器モジュールが使用されることを示す概略図である。
【図６】接触器と変換器との共通動作ストラテジをグラフで示す概略図である。
【図７】各位相に関連付けられるモジュールの出力電圧の直列構成を用いた３相適合形態を示す概略図である。
【図８】図７と同様であるが、並列構成を有する概略図である。
【図９Ａ】電力変換器として使用される２象限変換器モジュールの詳細を示す概略図である。
【図９Ｂ】接触器モジュールの詳細を示す概略図である。
【図１０】４象限電圧変換器モジュールの詳細を示す概略図である。
【図１１】中間バッテリモジュールのセルの個々のバランス調整のためのシステムを示す概略図である。
【図１２】マルチステージ高速充電システムと、その制御のために使用される測定点との文脈付けを示す概略図である。
【図１３】個々のモジュールに対して作用することによる瞬時電流の閉ループ制御を示す概略図である。
【図１４】瞬時電流設定を生成するためのハイレベル制御装置の一例を示す概略図である。
【図１５】サービスステーションを形成するための複数の充電器の構成の一例を示す概略図である。
【図１６】並列バスによって連係された充電器を有する高速充電システムの一実施形態を示す概略図である。
【図１７】直列ループによって連係された充電器を有する高速充電システムの一実施形態を示す概略図である。
【図１８】電力デバイスとのエネルギー貯蔵および返還のために使用することができる変換器とエネルギー内部貯蔵ステージとを備える高速充電システムの一実施形態を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図２を参照すると、電力デバイス４（例えば図２に示される場合には電気車両の電力バッテリ）とエネルギーを交換するためのマルチステージ高速充電システムが示されている。高速充電システムは、電力デバイス４との接続用の端子６、８を有する。ｎ個の変換器ステージ１６と、ｍ個のエネルギー内部貯蔵ステージ１０とが、端子６、８の間に直列接続され、ここで、ｎ≧１、ｍ≧０、およびｎ＋ｍ≧２である。各変換器ステージ１６は、図２に示される場合には、（例えば図１８に示されるような）中間電力バッテリモジュール１４を有する構成に結合された電力変換器１８を有し、および／または、電気ネットワーク２に接続される、または電気ネットワーク２に接続されない電気供給源２０への接続点２６を有する。各エネルギー内部貯蔵ステージ１０が、中間電力バッテリモジュール１４を有する。各中間電力バッテリモジュール１４は、中間電力バッテリモジュール１４の内部インピーダンス（図示せず）によって引き起こされる電圧降下に対する高い無負荷電圧によって特徴付けられる。そのように特徴付けられることによって、中間電力バッテリモジュール１４は、（連続調節のために働く）変換器ステージ１６の電圧定格または変換器ステージ１６の数の減少を可能にし、これはコストの削減を可能にする。電力デバイス４とエネルギーを交換できる状態になるように、各エネルギー内部貯蔵ステージ１０の中間電力バッテリモジュール１４と、各変換器ステージ１６の電力変換器１８とが互いに接続される。制御ユニット３８（図１１に示される）が、電力デバイス４とのエネルギーの交換への各変換器ステージ１６の寄与、および適用可能なときには各エネルギー内部貯蔵ステージ１０の寄与を制御する。
【００２１】
マルチステージ高速充電システムは、（図２、図３、図４、図５、図７、図８、および図１５に示されるように）電気ネットワーク２と電力デバイス４としての電力バッテリとを含む用途に関して意図されるか、（図１６、図１７、および図１８に示されるように）電力デバイス４として地下鉄レールの場合のようなエネルギー貯蔵および返還用途に関して意図されるかに応じて、様々な構成を取ることができる。
【００２２】
制御ユニット３８は、マイクロコントローラ、コンピュータ、集積回路などの形態を取ることができ、処理装置または処理ユニット、メモリ、および制御インターフェースを備え、それらは、制御すべき様々な構成要素、またはシステム内で測定値を生成する様々な構成要素に接続することができ、プログラミングまたは他の適切な手法によって所望のシステム動作パラメータおよびモードに構成可能である。
【００２３】
エネルギー内部貯蔵ステージ１０の数ｍは、２つ以上の変換器ステージ１６が使用されるときには０でよく、エネルギー内部貯蔵ステージ１０は、電力バッテリモジュール１４を含み、任意選択で、供給源２０（または２）に接続される、または供給源２０（または２）に接続されない充電器１２も含む。
【００２４】
本発明のマルチステージ高速充電システムは、少なくともバッテリモジュール１４から形成される中間電力バッテリを電圧サポート点として使用することによって、変換器のサイズの問題に対する解決策を提供し、それにより、出力電圧の一部を有する変換器１８が、例えば電気車両または別の電力デバイス４のバッテリに向かう（またはバッテリからの）電力の流れ２２全体を制御することができる。
【００２５】
図１を参照すると、供給ネットワーク２と例えば電気車両のバッテリ４との間に流さなければならない全電力２２に合わせて変換器２４をサイズ設定しなければならない従来の状況が示されている。これは、特に大きなサイズの変換器を必要とする。
【００２６】
再び図２を参照すると、小さな充電器１２が、バッテリモジュール１４の低速再充電を可能にする。したがって、利用率の問題が解決される。中間電力バッテリ１４は数百ボルトに達することがあるので、図３に示されるように、好ましくは、電力バッテリモジュール１４から形成されるいくつかのステージが使用される。したがって、図３に示されるように、充電器１２を、ステージのそれぞれのバッテリモジュール１４に関連付けられる複数のより小さな充電器１２に分割することを考えることができる。この分割は、各ステージの寄与を個別に変えるように充電器１２を制御することができるので、バッテリモジュールの充電量バランス調整管理の問題の大半を解決することを可能にする。
【００２７】
バッテリモジュール１４のコストは、大抵は、提供される電力の請求料金の節約、および多くの場合には、電力デバイス４とのエネルギー転送に関わる電力変換器１８のサイズの節約によって補償される可能性が高い。
【００２８】
さらに、直列の複数の要素が使用されるので、このことを利用して、充電器１２のレベルでのマルチステージＰＷＭ（パルス幅変調）ストラテジを実施することが可能である。実際、電力バッテリモジュール１４は、非常に低いインピーダンスを有し、かつ充電量レベルに関するほぼ一定の電圧（限定はしないが典型的には５〜９５％の範囲）を有するので、理想的な電圧源に相当し、したがって、得られるマルチステージシステムのトポロジーおよび制御を単純化する。したがって、有利には、ネットワーク側２での波の質を高めることができる。
【００２９】
したがって、ネットワーク２に提供されるＳＰＷＭ（正弦波パルス幅変調）波形を生成することができる本発明のマルチステージシステムの能力は、上述したように、ネットワーク２への補助サービスの提供を可能にする。
【００３０】
図１６、図１７、および図１８に示されるように、低速充電器１２またはステージ１０、１６がネットワーク２に接続されないことがあるマルチステージ高速充電システムの実施形態は、ＤＣ電車または地下鉄が駅に入るときに制動エネルギーを回収して戻すために使用することができる。したがって、充電器１２は、ステージ１０、１６の負荷バランス調整のみを行うことがある。回生制動は、充電器１２がネットワーク２に接続されているかどうかに関わらず動作する。この種の実施形態では、電力デバイス４は、比較的固定の逆起電圧と、抵抗性負荷とは対照的な低インピーダンス負荷とから形成することができる。本明細書では、これを、電圧型負荷、または単に電圧負荷と呼ぶ。これは、地下鉄または電車の吊架線のＤＣ供給ネットワークに接続されたレールでよい。
【００３１】
本発明は、電力デバイス４（例えば電気車両のバッテリ）とバッテリモジュール１４とが、内部インピーダンスによって引き起こされる電圧降下に対する高い無負荷電圧を有することに基づく。変換器１８は、電力デバイス４とバッテリモジュール１４との間の電圧差と、それらの内部インピーダンスの電圧降下とを補償することができることを前提として、小さな電圧で高電流を引き起こすことができる。電流、したがって電力は、両方向で制御することができ、電力変換器１８は、２象限で動作するための構成を有し、全電流を搬送することができる。
【００３２】
端子６と変換器ステージ１６の電力変換器１８との間に接続されるインダクタ２８は、電力変換器１８が電圧源タイプのハーフブリッジ（ＶＳＣまたは電圧源変換器）から形成される有利な場合には、瞬時電圧差を吸収することによって、電流を平滑化し、特に電流パルスを回避することを可能にする。
【００３３】
電気供給源２０は、電気ネットワーク２からのものでよいが、追加の中間バッテリモジュール１４からのものでもよく、追加の中間バッテリモジュール１４は、図３に示されるように、電気ネットワーク２に結合する低速充電器１２にも結合させることができる。
【００３４】
充電器１２は、一方向でも双方向でもよい。第２の場合、充電器１２は、例えばピーク中に電気ネットワーク２をサポートするのに能動的に寄与することができる。一方向性の場合には、電気ネットワーク２に対する補助は、例えばピーク時の消費を制限することによっていくぶん可能である。
【００３５】
マルチステージ高速充電システムの構成に応じて、各ステージ１０（および適用可能な場合にはステージ１６）の電圧の適切な基準合わせを保証するために、充電器１２は、（例えば図１６に示されるような）変圧器３１などの絶縁ステージを有する。本明細書で以下に述べる他の構成は、そのような絶縁なしで実現することができ、これは、構成要素の数、コスト、およびまた損失の減少をもたらす。
【００３６】
図３を参照すると、複数のステージ１０、１６を直列に配置することができる方法が示されている。内部貯蔵ステージ１０のバッテリモジュール１４は、変換器ステージ１６の電力変換器１８と直列に接続される。図示される実施形態では、ステージ１６の電力供給は、それら自体、バッテリモジュール１４および低速充電器１２から形成される。したがって、すべてのステージ１０、１６が充電器１２を有する。充電器１２が双方向性である場合、ステージ１０、１６の充電量バランス調整も改良することができる。なぜなら、この場合には、より高い充電量レベルを有するバッテリモジュール１４が、他のステージ１０、１６にいくらかのエネルギーを提供することができるからである。一方向性の場合には、充電器１２の充電電力を個別に調整することも依然として可能であり、例えば、それに従って動作モードを有するように構成された（図１１に示されるような）制御ユニット３８によって行われる。
【００３７】
図４を参照すると、接触器モジュール３２、３４の使用により充電器１２の絶縁変圧器なしでの実現が可能な一実施形態が示される。充電器１２は、ＶＳＣ部分のみを有する。その実施形態では、バッテリモジュール１４の低速再充電は、電力デバイス４を形成する電力バッテリとの交換と同時には行われない。電力バッテリ４の高速再充電は、バッテリモジュール１４を充電するのにかかる（ネットワーク２によって課される）数時間に対して、数分しかかからないので、あまり不便でない。バッテリモジュール１４の低速再充電のために、接触器モジュール３２が閉じられ、接触器モジュール３４、３６が開かれる。電力バッテリ４の高速再充電に関しては、これは逆である。安全のために、好ましくは機械的なタイプのインターロックが、接触器モジュール３２と接触器モジュール３４、３６とが同時に閉じるのを防止する。
【００３８】
インターロックを備える接触器モジュール３２、３４、３６のこのメカニズムは、複数の電圧の基準合わせの問題がなくなるので、（ターゲットバッテリ４に向かう）高速充電側にあるステージの変換器１８およびバッテリモジュール１４、ならびにネットワーク側２にあるステージの充電器１２を（接触器モジュール３６を介して）直列接続することを可能にする。そこから多くの利点が得られる。
【００３９】
ステージ電圧の総計を搬送する必要がある絶縁変圧器がもはやないので、ネットワーク側２で車両（または他のデバイス）側と同じ高電圧を容易に得ることができる。
【００４０】
充電器１２と変換器１８とによって形成される変換器は、それらの最も単純な表現、すなわちそれぞれ図１０に示されるようなＶＳＣブリッジおよび図９Ａに示されるようなＶＳＣハーフブリッジにされ、共有するインダクタ２８および４０以外の変圧器またはインダクタを有さない。したがって、変圧損失がなくなる。変換器１８は、任意選択で、図９Ａに示されるような接触器モジュール４２を設けられることがあり、変換器１８が必要とされないときにはそれらの変換器１８をバイパスし、それにより損失を減少させる。図９Ｂに示されるような接触器モジュール４８は、図５に示されるような接触器モジュール３６の代わりとなることがあり、充電器１２の動作中の絶縁を可能にするだけでなく、電力バッテリ４との転送中の１つのステージ１０のバイパスも可能にする。
【００４１】
各ステージ１０、１６が、その関連のバッテリモジュール１４によってその個々の電圧を保証されるので、変換器１２および１８で使用される（図９Ａおよび図１０に示されるような）半導体４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃ、４４Ｄ、４４Ｅ、４４Ｆは、低電圧タイプのものでよい。特に、ＭＯＳＦＥＴが使用される場合、損失を大幅に減少させる非常に低いドレイン−ソース抵抗を有する半導体を選択することが可能になる。さらに、ＭＯＳＦＥＴは、固有の反平行ダイオード４６を設けられ、これは、外部ダイオードを追加する必要をなくす。ＭＯＳＦＥＴを同期整流器として動作させることによって効率をさらに高めることができ、すなわち、各ＭＯＳＦＥＴは、逆電流が流れる時間の大半に「ＯＮ」に維持されて、反平行ダイオード４６の接合電圧降下をなくす。
【００４２】
ネットワーク側２がここでマルチステージＳＰＷＭに関して利用可能な複数の電圧レベルを有することから、直列構成の別の利点が生じる。より低周波数の変調を使用することができるので、スイッチング損失は減少される。これはまた、インダクタ４０が必要とされる場合にはインダクタ４０のサイズの減少、さらにそのコストおよび損失の減少を可能にする。インダクタ４０は、ネットワーク２からの等価インダクタンスによって形成することができる。
【００４３】
ＳＰＷＭは、ネットワーク２のためのサポート機能を可能にし、単位出力係数で作用する。ネットワーク２からの、またはネットワーク２への適切なレベルの皮相電力を、高い費用対効果で取り扱うことができる。
【００４４】
図５を参照すると、好ましい一実施形態が示されており、ここでは、接触器モジュール４８（図９Ｂにも示される）が、エネルギー内部貯蔵ステージ１０によって提供される固定電圧値の事前選択を可能にする。固定電圧値をバッテリ４の電圧値にできるだけ近付けることによって、変換器１８を設けられるステージ１６の必要数を減少させることができる。
【００４５】
接触器モジュールのコストを削減し、寿命を延ばすために、ＶＳＣとして構成された変換器１８と充電器１２を使用して、接触器モジュール３２、３４、３６（図４に示される）、４２（図９Ａに示される）、４８（図９Ｂに示される）、および５０（図８に示される）の動作の前に電流をゼロに減少させることができる。同様に、高速充電システムの無負荷電圧が、接触器モジュール３４の閉止前にバッテリ４の電圧とほぼ同じになるように、変換器１８および接触器モジュール４８を使用することもできる。ステージ１０および１６でＶＳＣとして構成される充電器１２は、直列のこれらの充電器の総ＡＣ電圧が、接触器モジュール３２を閉じる前にネットワーク２の瞬時電圧とほぼ一致するように使用することができる。
【００４６】
電力バッテリモジュール１４間の充電量分布をより容易に管理するために、変換器１８を設けられたステージ１６を必要数よりも多くシステム内に組み込むことができる。所与の時点に必要とされる変換器１８の最小数の選択は、それらがバイパス位置に設定されるか否かに応じて、図９Ａに示されるような接触器モジュール４２によって確立することができる。バイパス位置にある変換器１８は、それらの接触器モジュール４２によって絶縁および分岐させることができ、導電損失を減少させる。
【００４７】
図６を参照すると、少なくとも２つのアクティブなレベル（図９Ａに示されるように、接触器モジュール４２によって分岐されない変換器１８）によって、高速で調整可能な電圧マージンが常に保たれていることが示されている。図６において、曲線５２は、所望の電圧を表し、曲線５４は、固定ステージ１０の電圧を表し、曲線５６は、ステージ１０および１６のアクティブなレベルで得られる最大離散電圧を表す。曲線５４と５６の間の範囲が、ＰＷＭによって動的に利用可能な電圧値を表す。このマージンは、電流の制御を保って暴走を回避することを可能にする。しかし、そのような事態に対処するために、ヒューズまたは回路ブレーカによる従来の保護デバイス（図示せず）の採用が好ましい。
【００４８】
図７および図８を参照すると、図５のシステムと同様のシステムの３相適合形態が示されている。これらの適合形態は、電気車両のためのサービスステーション、または電気バスのための再充電ステーションにより良く適合される、より有効な電力レベルを可能にする。図７および図８は、それぞれ、出力ステージ１０、１６のグループの直列配置および並列配置を示す。同じグループ内に直列のステージ１０、１６も備える並列グループ（図８）の場合、必要な接触器モジュール３２はより少ない。適用可能な接地規制に応じて、接触器モジュール５０（図８）またはジャンパ５８（図７）が必要とされることがある。
【００４９】
図１１を参照すると、電力バッテリモジュール１４は、バランス調整および管理システムと組み合わされた、直列の複数の基本セル６０から構成することができる。同じバッテリモジュール１４のセル６０間の精密バランス調整は、小さな双方向フライバック変換器６２によって本質的に保証することができ、小さな双方向フライバック変換器６２は、長期間にわたって、充電残量がより多いセル６０から充電残量がより少ないセルに向けて、連続する小さな電荷を転送するように意図される。本明細書では以後、バッテリモジュール１４間のより有効なバランス調整電力を、充電器−変換器１２、変換器１８、および接触器モジュール４８（例えば図５に示される）によって得ることができる方法を示す。
【００５０】
精密なバランス調整は、直列の各セルに対する介入によって実現することができる。１組のバッテリモジュール１４が、総計で数百個のセル６０から形成されることがあるので、コストに対する影響を有する要素の数およびサイズを減少させることが有利である。小さな双方向フライバック６２を用いた技法は、有利にはこの目的に適している。
【００５１】
エネルギー転送は、各バッテリモジュール１４に特有のバス６４を介して実現することができる。バス６４は、必要に応じて複数のバッテリモジュール１４をカバーするように拡張することができるが、これは、例えば、変圧器３０の絶縁の考慮に関してはあまり実用的でないことがある。セル６０からバス６４に向けて小さなエネルギーブロックを転送するためには、単に、セル６０に対応するＭＯＳＦＥＴ６６を導通させて、対応する変圧器３０のコア内に流れを生成し、飽和に達する前に電流を遮断すればよい。遮断時に、対応するＭＯＳＦＥＴ７２の固有ダイオード６８が導通し始め、流れは、共通バス６４のコンデンサ７０を再充電することによってゼロに戻る。ＭＯＳＦＥＴ６６と７２の役割を交換することによって、逆方向の転送も可能である。したがって、ＭＯＳＦＥＴ６６のゲートでのパルスは、バス６４に向けてエネルギーブロックを転送し、ＭＯＳＦＥＴ７２のゲートでのパルスは、対応するセル６０に向けてエネルギーブロックを転送する。好ましくは、損失を減少させるために、ＭＯＳＦＥＴ６６、７２はまた、それらのそれぞれの固有ダイオード６８の導通に対応する期間中に活動化される（同期整流）。
【００５２】
スイッチングループを最小にするために、コンデンサ７０、７４はフライバック６２の近くに位置される。ステージ毎に異なる電圧基準を満たすようにパルスレベルを適合させるために、コンデンサ７６、ダイオード７８、および抵抗８０が使用される。バス６４は、さらに、バッテリモジュール１４毎に異なる接地８４を介してモジュール制御装置８２に参照される。
【００５３】
制御装置８２は、バス６４での電圧を保つようにゲートパルスを制御し、それにより、正味の転送の和がゼロであることを保証することができる。また、制御装置８２は、セル電圧、センサ８６によるモジュール電流、および場合によっては温度の収集を取り扱うこともできる。制御装置８２は、好ましくは、システムの主制御装置３８と常に関係しており、主制御装置３８とタスクを共有する。バランス調整の他に、両方の制御装置８２、３８が、特にセル電圧および温度の異常変動を監視することによって、バッテリモジュール１４の保護を取り扱う。また、主制御装置３８は、接触器モジュール３２、３４、５０（図７および８に示される）、４２（図９Ａに示される）、および４８（図９Ｂに示される）の動作を取り扱うこともできる。
【００５４】
精密バランス調整電流は、センサ８６によって記録されないので、セル６０の電圧、バス６４の電圧、パルスの幅および数、ならびに変圧器３０の既知のインダクタンス値によって推定されることがある。
【００５５】
前述した単純さおよびコストの理由から、小さなフライバック６２がモジュール間バランス調整電力を制限するので、同じモジュール１４の内部のセル６０が均一（同じロットおよび同じ老化履歴）であり、それらが同じ条件を受けることを保証すべきである。
【００５６】
システムのサイズが並列の多数のセル６０を必要とする場合、図８と同様に、列全体の並列化を考慮することが好ましい。実際、ステージ毎の並列化は、多数の点で電流を個別に制御するための手段を必要とし、さらに電流が高い値に達する。
【００５７】
図１２を参照すると、中間バッテリモジュール１４の再充電中の電流の制御、またはネットワーク２への補助を行うのに必要であれば、測定電圧Ｖmes（ｔ）を生成する電圧センサ８８と、測定電流信号ｉmes（ｔ）を生成する電流センサ９０とによって提供される測定点を備える使用の文脈の一例が示される。インダクタ９２は、ネットワーク２の等価インダクタンスを表し、インダクタ４０は、ここでは、システムのインダクタンス生成部分を表す。
【００５８】
図１３を参照すると、ネットワーク電流設定に従うように変換器１２（例えば図１２に示される）を管理することが可能な制御システムが示されており、これは、単位出力係数再充電、ピーク管理、さらにはネットワーク２へのエネルギー返還など１つまたは多くの機能を満たす。制御システムは、主制御装置３８（図１１に示される）に一体化することができ、または必要に応じて他の形で具現化することができる。制御システムは、ハイレベル制御装置９４を備え、ハイレベル制御装置９４は、例えば従来の分散生成技法に従って、適切な電流を決定する。場合によっては比例積分タイプである制御装置９６は、ターゲット電圧を生成し、ターゲット電圧は、ブロック９８によって離散化され、ブロック９８は、任意の時点に必要とされる直列の（例えば図１２に示される）いくつかのタンデム１２および１４に変わることがある電圧を提供する。ブリッジ１２（例えば図１２に示される）に個々に接続されるブロック１００は、バッテリモジュール１４（例えば図１２に示される）の間の充電量レベルをバランス調整するため、および各半導体４４Ｃ、４４Ｄ、４４Ｅ、４４Ｆ（図１０に示される）の連続スイッチングを最小限にするために、どのタンデム１２、１４を寄与させるかを決定する決定アルゴリズムを有する。したがって、マルチステージＰＷＭストラテジが効果的に実施される。
【００５９】
再び図１０を参照すると、モジュール１２が正の電圧を生成するのに寄与するとき、ＭＯＳＦＥＴ４４Ｃと４４Ｆが、導通状態に設定される。負の電圧に関しては、ＭＯＳＦＥＴ４４Ｄと４４Ｅである。ゼロ電圧に関しては、電流が依然として流れなければならず、２つの可能性が存在する。すなわち、ＭＯＳＦＥＴ４４Ｃと４４Ｄの導通、またはＭＯＳＦＥＴ４４Ｅと４４Ｆの導通である。好ましくは、半導体４４Ｃ、４４Ｄ、４４Ｅ、４４Ｆの間での電力損失を均一に分散するために、両方の可能性が同じ頻度で使用される。いずれの場合にも、バッテリモジュール１４の短絡を回避するためにブレークビフォアメーク遷移が行われる。ＤＣ側でブリッジ１２の近くにあるデカップリングコンデンサ（図示せず）が、スイッチングループの短縮を可能にする。
【００６０】
図１４を参照すると、単位出力係数充電の特定の場合のために意図されたハイレベル制御装置９４の一例が示される。位相同期回路（ＰＬＬ）１１０が、Ｖmset（ｔ）に関係する基本電圧の瞬時角度ω（ｔ）を提供する。コサインブロック１１２が、同位相であるが単位振幅の信号を再構成する。得られる信号は、所望の振幅の電流ｉpk（１１６）を掛け合わされて（１１４）、瞬時電流ターゲットｉ（ｔ）*を提供し、ｉ（ｔ）*は、加算ブロック１１８（図１３に示される）に伝送される。
【００６１】
電力反転が望まれる別の場合には、単に、乗算器１１４の出力の符号を逆にするか、またはブロック１１２の入力で１８０度を加算すればよい。
【００６２】
再び図１２を参照すると、バッテリモジュール１４がそのエネルギーを（例えば図２に示されるような電力バッテリなど）電力デバイス４のエネルギーと交換する動作モードでは、測定電流信号ｉmes（ｔ）は、電力変換器１８に接続された電流センサ９１から得られ、瞬時電流ｉ（ｔ）*の制御ループは、（図９Ａに示されるような）接触器モジュール４２によってバイパスされない多数のモジュール１８が使用される場合には、図１３に示されるブロック１１８、９６、９８、１００から形成することができる。ここでも、マルチステージＰＷＭが得られる。しかし、これは、電流が非常に高い（モジュール１２の使用中に関わる電流よりも数桁近く高い）ので効率を損なうことがあり、対象の高電流を受ける半導体の数を最小限に保つことが好ましい。
【００６３】
したがって、瞬時電流ｉ（ｔ）*の制御に関して、バイパスされていない（アクティブな）２つのモジュール１８を用いて操作を行い、従来の２レベルまたは３レベルＰＷＭストラテジを用いて電流の精密な調節を提供することが好ましい。これは、常にアクティブモジュール１８の変更を妨げず、例えばバッテリモジュール１４の充電／放電レベルをバランス調整する。
【００６４】
このモードでは、バッテリモジュール１４の電圧と電力デバイス４の電圧が同じ符号を保つので、（図９Ａに示されるような）半導体４４Ａおよび４４Ｂから形成されるハーフブリッジ１８を用いて両方向での電流調節を維持することができる。モジュール１２の動作と同様に、モジュール１８は、ＭＯＳＦＥＴ４４Ａ（またはその固有ダイオード４６）が導通状態である場合には正の電圧を示し、ＭＯＳＦＥＴ４４Ｂ（またはその固有ダイオード４６）が導通状態に変わる場合にはゼロ電圧を示す。ここでもやはり、ブレークビフォーメークスイッチングシーケンスを辿り、デカップリングコンデンサ（図示せず）が、ＤＣ側で半導体４４Ａおよび４４Ｂの近くに配置される。
【００６５】
ここまで、マルチステージＰＷＭによる、またはマルチステージＰＷＭによらない、モジュール１２と１８に関する上述の瞬時電流制御ストラテジでは、接触器モジュール３２、３４、３６（図４に示される）、４２、４８（図９Ａおよび図９Ｂに示される）、および５０（図８に示される）のシーケンスには言及しなかった。それらの動作を、電力デバイス４の一例として（例えば電気車両の）電力バッテリを使用して以下に述べる。ＰＷＭの作用は、性質上、高速で連続的であるが、接触器モジュール３２、３４、３６、４２、４８、５０は、電力バッテリ４とのエネルギー転送サイクル中に数回のみ使用される。接触器モジュール３２、３４、３６、４２、４８、５０は、（アクティブネットワーク側２とアクティブバッテリ側４とで）動作モードを変えるためにも使用される。
【００６６】
ネットワーク２との交換モードでは、以下のステップを行うことができる。
１．始めに、接触器モジュール３２、３４、５０（適用可能であれば）、４２、および４８が開かれる。
２．接触器モジュール３２および５０の推定閉止時点に生じるネットワーク２の無負荷電圧に近付くように、適切な数の変換器モジュール１２を寄与させる。
３．接触器モジュール３２および５０を閉じる。
４．制御装置９４および９６を動作させて、適切な電流を得る。より積極的な充電量レベルバランス調整のために、２つのヌルステージ１２を、正電圧のステージと負電圧のステージによって置き換えることができる。ネットワーク２に対する影響はごくわずかであるが、バッテリモジュール１４間の実効エネルギー交換が行われる。さらに、再充電の終了に向かうにつれて、いくつかのバッテリモジュール１４のみがさらに充電を必要とし、他のバッテリモジュールは充電が完了している場合、中期の正味の転送が、充電が完了したモジュール１４に関してはゼロであり、残りのいくつかのモジュールに関しては正となるように、各モジュール１４の役割を交換することによってこの同じ技法を使用することが可能である。
５．すべてのモジュール１４の充電が完了したとき、設定１１６によって指定された電流を徐々にゼロに減少させる。
６．接触器モジュール３２および５０を開く。
【００６７】
バッテリ４との交換モードでは、以下のステップを行うことができる。
１．始めに、接触器モジュール３２、３４、５０（適用可能であれば）、４２、および４８が開かれる。
２．バッテリ４を含む車両（または他の電気デバイス）とシステムとが、とりわけ以下のことに応じて、充電電流タイミングプロファイルを取り決める。
−  バッテリ４のエネルギー要求
−  モジュール１４の残容量
−  関連のバッテリ技術
−  バッテリ４のセル、あるいはまたモジュール１４のセルのバランス調整を行うように意図された最終緩和期間
３．バッテリ４の電圧が測定される。
４．主制御装置３８によって、次の充電期間を数分（またはそれ未満）のいくつかのセグメントに細分するシナリオが以下のように確立される。
−  個々の充電状態（またはＳＯＣ）に従って、引き出すエネルギーをモジュール１４間で分散させる
−  コントラクタモジュールの操作の数を最小限にする
−  少なくとも２つのモジュール１８をアクティブ状態（ＰＷＭ）で残す
５．シナリオの第１のセグメントに従って、コントラクタモジュール４２および４８が構成される。ＰＷＭのためにステージが必要とされる場合、接触器モジュール４２が開かれる。そうでない場合、接触器モジュール４２は、２つの他の位置の一方にある。非ＰＷＭステージの接触器モジュール４８は、対応するモジュール１４を寄与させなければならないか否かに応じて、２つの末端位置の一方になければならない（中央位置は、電流が通らなければならないので使用することができない）。寄与するモジュール１４の電圧の総計は、ステップ３で測定された電圧に近くなければならない。
６．接触器モジュール３４が閉じられる。
７．ＰＷＭステージが、ステップ２で取り決められたプロファイルに従って電流制御に引き続き関与する。
８．電流を制御するのに必要な２つのアクティブなＰＷＭステージの電圧が、モジュール半値電圧を超えて、電圧が制御不能になる限度に近くなる場合、再構成が開始される。すなわち、電流は、両方のＰＷＭステージによってゼロに減少され、次いで、接触器モジュール４２および４８の新規の構成が形成されて、調節可能な電圧範囲の中心を、新規の所要値付近に合わせ直す（図６）。最後に、ＰＷＭステージの作用によって、電流がその所望値に戻される。
９．同様に、シナリオのセグメントの終了に達したとき、電流がゼロに戻され、接触器モジュール４２および４８が再構成され、次いで、電流がその所望の値に戻され、それにより次のセグメントを開始する。
１０．最後のセグメントの終了時、電流はゼロに減少され、次いで、すべての接触器モジュール３２、３４、５０（適用可能な場合）、４２、および４８が開かれる。あるいは、最後のセグメントは、早めに停止させることができ、次いで、各モジュール１４に残る実効充電量レベルに応じて、およびバッテリ４の必要性に応じて、終了を再評価することができる。
【００６８】
バッテリインピーダンスが高い場合、またはモジュール１４の電圧が低い場合、３つ以上のアクティブなステージ１８が連続的に必要とされることがある。しかし、処置は同様である。
【００６９】
バッテリ４からバッテリモジュール１４に向かうエネルギーブロックの転送を必要とする状況（例えば、ネットワーク故障中に車両のエネルギーを使用するために）を想定することができる。処置は、電流が逆符号であること以外は同じである。当然、モジュール１４は、エネルギーブロックを受け入れるために最初に十分に放電しなければならない。
【００７０】
図１５を参照すると、例えば、サービスステーションに適用可能な一実施形態が示されており、これは、図４、図５、図７、および図８のトポロジーの順次動作の制限を克服することが可能である。有効な局所貯蔵量が必要とされるので、複数の充電器１２０（図１２に示される。原理を示すために、それらの接触器モジュール３２および３４が外側に図示されている）に分割することが有利である。各再充電ノズル１２２は、複数の接触器モジュール３４を介して複数の充電器１２０の１つに接続される可能性がある。したがって、グループのうちの１つだけを使用して再充電することができ、他のものは、ネットワーク２によってそれらの局所貯蔵部１４の充電を続ける。毎回、異なる充電器１２０を自律的に使用することができ、それにより、それらの間の充電量を分散する。３相ネットワーク２に関して、選択は、電流のおおよそのバランス調整を考慮することもできる。
【００７１】
図１６、図１７、および図１８を参照すると、電力デバイス４が地下鉄レールまたは電車の吊架線から形成される用途に特に適していることがある充電システムの実施形態が示されている。単に単純化する目的で、以下の説明では地下鉄レールを参照する。しかし、システムの実施形態はこの例に限定されないことを理解しなければならない。
【００７２】
特に図１６を参照すると、図３のシステムと同等のマルチステージ充電システムの一実施形態が示され、この実施形態では、充電器１２は、低電力でよいが、並列バス１２４と接続されるので絶縁ステージ３１が使用されるため、（単純なＶＳＣでなく）より複雑である。充電器１２のトポロジーが許す場合には、（図１７に示されるような）直列ループ１２６が並列バスの代わりとなることがある。図１６のシステムは、必要に応じて、レール４と永久的に接続されたままでよい。
【００７３】
図１７を参照すると、図５のものと同等であるが、ネットワーク２を有さないマルチステージ充電システムの実施形態が示されている。充電器１２は、低電流の２象限ＶＳＣから形成することができる。変換器１８は、高電流ＶＳＣから形成することができる。そのような場合には、それらを接続する直列ループ１２６は、インダクタ４０と接触器モジュール３２とから形成される直列構成を有する。インダクタ２８と接触器モジュール３４とから形成される直列構成は、端子６と、変換器ステージ１６の１つとの間に接続される。この実施形態では、充電器１２によるバッテリモジュール１４のバランス調整は、地下鉄電車の到着（バッテリモジュール１４の再充電）または出発（バッテリモジュール１４内に貯蔵されるエネルギーの返還）と同時には行うことができない。上記のバランス調整は、すべての電力バッテリモジュール１４間での交換に関わる。同じバッテリモジュール１４のセル６０（図１１に示される）間での非常に遅いバランス調整は変わらない。他の電力バッテリモジュール１４への（図１１に示される）バス６４の拡張は、電力バッテリモジュール１４間での小さな電力の交換を可能にする。
【００７４】
図１８を参照すると、図１７のシステムの特定の場合を表すマルチステージ充電システムの一実施形態が示されており、この実施形態では、充電器１２と、インダクタ４０および接触器モジュール３２を含むループ１２６とが省かれている。ｍ＞０（ｍは、エネルギー内部貯蔵ステージ１０の数を表す）である場合には、エネルギー内部貯蔵ステージ１０の別個のバランス調整は、接触器モジュール４８のいくつかの追加の操作を含む。ｍ＝０（したがってｎ≧２）である場合、地下鉄電車の始動または停止中でさえ、接触器モジュール（またはスイッチ）を動作させることを必要とせずに完全なバランス調整を連続的に実現することができる。
【００７５】
本発明の実施形態を添付図面に示して上述してきたが、本発明から逸脱することなくそれらに修正を加えることができることが当業者には明らかであろう。例えば、接触器モジュール３２、３４、３６、４２、４８、５０は、必要に応じて、半導体スイッチまたは他のタイプの適切なスイッチによって具現化することができる。ｎ≧２およびｎ＋ｍ≧４であるとき、特に所要の電圧または電力レベルが多数のステージ１０、１６に関わるとき、ステージ１０、１６は、（図７および図８におけるように）並列または直列で接続されたグループ（またはグループの列）を形成するように分散させることができ、これらのグループは、インダクタ２８、４０とスイッチまたは接触器モジュール３２、３４とを備える構成の間に接続され、これらの構成は、電力デバイス４とエネルギーを交換できる状態にするステージ１０、１６のグループを選択するように選択的に作動的である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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