(57)【要約】改良されたバッテリ管理、モータ制御、エネルギー貯蔵、およびバッテリ充電を対象としたシステムおよび方法。本システムおよび方法は、車両の電動化を可能にし、回生制動、牽引、およびハンドリングを管理するための手段を用いて、バッテリ管理、充電、およびモータ制御の統合を可能にする、パラダイム変化プラットフォームを提供する。実施形態では、システムおよび方法は、基礎的構成単位として、ピアツーピア通信能力を伴うネットワーク化された低電圧コンバータ／コントローラ、組み込みウルトラキャパシタまたは他の二次エネルギー貯蔵要素、バッテリ管理システム、および個々のセルの直列に接続されたセットの統合された組み合わせを備える、カスケード型アーキテクチャを有する、統一モジュール式バッテリパックシステムを対象とする。
2021518733.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気自動車であって、
シャーシと、
前記シャーシに動作可能に結合される３つ以上のホイールと、
前記３つ以上のホイールに動作可能に結合される１つ以上の電気モータと、
前記１つ以上のモータに動作可能に結合される１つ以上の知的モジュール式バッテリパックと、
１つ以上のバッテリパックおよび前記１つ以上のモータに動作可能に結合される制御システムと
を備える、電気自動車。
【請求項２】
前記シャーシは、ドライブトレインがない、請求項１に記載の電気自動車。
【請求項３】
前記１つ以上のモータは、インホイールモータである、請求項１に記載の電気自動車。
【請求項４】
前記１つ以上の知的モジュール式バッテリパックは、カスケード型アーキテクチャを有する、請求項１に記載の電気自動車。
【請求項５】
前記バッテリパックは、複数の相互接続された知的バッテリモジュールを備える、請求項４に記載の電気自動車。
【請求項６】
前記バッテリモジュールは、ピアツーピア通信能力を伴うネットワーク化された低電圧コンバータ／コントローラ、組み込みウルトラキャパシタ、バッテリ管理システム、および個々のセルの直列に接続されたセットの統合された組み合わせを備える、請求項５に記載の電気自動車。
【請求項７】
前記バッテリパックは、複数の相互接続された知的バッテリモジュールを備えるニューラルネットワークを備える、請求項１に記載の電気自動車。
【請求項８】
前記バッテリモジュールは、ＢＭＳを伴うバッテリ、スーパーキャパシタモジュール、および出力コンバータの統合された組み合わせを備える、請求項５に記載の電気自動車。
【請求項９】
前記スーパーキャパシタモジュールは、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、スーパーキャパシタバンクとを含む、請求項８に記載の電気自動車。
【請求項１０】
前記出力コンバータは、四象限Ｈブリッジを備える、請求項８に記載の電気自動車。
【請求項１１】
前記制御システムは、双方向マルチレベルコントローラを備える、請求項１に記載の電気自動車。
【請求項１２】
前記双方向マルチレベルコントローラは、双方向マルチレベルヒステリシスコントローラである、請求項１１に記載の電気自動車。
【請求項１３】
前記双方向マルチレベルコントローラは、温度センサおよびネットワーキングインターフェース論理と組み合わせられる、請求項１１に記載の電気自動車。
【請求項１４】
前記制御システムは、モジュール年数、熱的条件、および性能特性に基づいて、モジュールの個々の切替を通してバッテリ利用の平衡を保つように構成される、請求項１１−１３に記載の電気自動車。
【請求項１５】
前記バッテリパックは、整流器／充電器動作に切替可能である、請求項１−１４に記載の電気自動車。
【請求項１６】
複数の相互接続された知的バッテリモジュールを備えるカスケード型アーキテクチャを備える、知的モジュール式バッテリパック。
【請求項１７】
前記バッテリモジュールは、ピアツーピア通信能力を伴うネットワーク化された低電圧コンバータ／コントローラ、組み込みウルトラキャパシタ、バッテリ管理システム、および個々のセルの直列に接続されたセットの統合された組み合わせを備える、請求項１６に記載の知的モジュール式バッテリパック。
【請求項１８】
前記相互接続された知的バッテリモジュールは、ニューラルネットワークを備える、請求項１６に記載の知的モジュール式バッテリパック。
【請求項１９】
前記バッテリモジュールは、ＢＭＳを伴うバッテリ、スーパーキャパシタモジュール、および出力コンバータの統合された組み合わせを備える、請求項１６に記載の知的モジュール式バッテリパック。
【請求項２０】
前記スーパーキャパシタモジュールは、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、スーパーキャパシタバンクとを含む、請求項１９に記載の知的モジュール式バッテリパック。
【請求項２１】
前記出力コンバータは、四象限Ｈブリッジを備える、請求項１９に記載の知的モジュール式バッテリパック。
【請求項２２】
ピアツーピア通信能力を伴う統合型低電圧コンバータ／コントローラ、組み込みウルトラキャパシタ、バッテリ管理システム、および個々のセルの複数の直列に接続されたセットを備える、知的バッテリモジュール。
【請求項２３】
前記コンバータ／コントローラは、四象限Ｈブリッジを備える、請求項２２に記載の知的バッテリモジュール。
【請求項２４】
知的バッテリモジュールであって、
統合型ＢＭＳを伴うバッテリと、
前記バッテリに動作可能に結合されるスーパーキャパシタモジュールと、
前記バッテリおよび前記スーパーキャパシタモジュールに動作可能に結合される出力コンバータと
を備える、知的バッテリモジュール。
【請求項２５】
前記スーパーキャパシタモジュールは、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、スーパーキャパシタバンクとを含む、請求項２４に記載の知的バッテリモジュール。
【請求項２６】
前記出力コンバータは、四象限Ｈブリッジを備える、請求項２４に記載の知的バッテリモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、バッテリシステムの電力管理および制御に関し、より具体的には、電気自動車および他の定常用途のための改良されたバッテリ管理、モータ制御、エネルギー貯蔵、およびバッテリ充電を促進する、システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
過去１世紀にわたって発展されたような今日の自動車技術は、とりわけ、モータ、機械的要素、および電子機器の相互作用によって特徴付けられる。これらは、車両性能および運転者体験に影響を及ぼす、主要な構成要素である。モータは、燃焼または電気タイプのものであり、通常、車につき１つのモータを見出すが、例外は、１つまたは２つの電気モータとの燃焼エンジンの組み合わせを特徴とする、ハイブリッドドライブトレインを伴う車、または２つのモータを装備した性能指向型電気自動車である。殆ど全ての場合、モータからの回転エネルギーが、クラッチ、変速装置、差動装置、ドライブシャフト、トルク管、結合器等の高度に精巧な機械的要素のセットを介して送達される。これらの部品は、トルク変換およびホイールへの配電を大いに制御し、車の性能を定義するための主要な要素である。それらはまた、道路ハンドリングにも影響を及ぼす。長年にわたって、個々の車製造業者は、これらの機械的部品を高度に最適化し、より良好な性能、より高い燃料効率、最終的には市場での差別化を提供してきた。制御側では、娯楽、ナビゲーション、およびヒューマンマシンインターフェース要素等の運転者快適性を別にして、典型的には、モータ、クラッチ／変速装置動作、および道路保持／ハンドリングを制御／最適化する、特殊電子ハードウェアおよび組み込みソフトウェアのいくつかのクラスタのみが存在する。
【０００３】
今日の電気自動車または車両（ＥＶ）は、通常のガスタンク、燃料ポンプ／注入器、および燃焼エンジンのためのバッテリ、充電システム、および電気モータの明白な代用を伴う、燃焼車両の１００年来の設計パラダイムの殆どを大部分採用してきた。制御電子機器は、構成要素の差異に適合されるが、上記に説明される機械的ドライブトレイン部品の殆どが、依然としてそこにあることを認識することが重要である（例えば、図１Ａおよび１Ｂ参照）。これは、すなわち、現在のＥＶの全体的設計哲学が、従来のパラダイムをわずかしか超えていないということである。したがって、電動化の真の可能性は、実現されていない。
【０００４】
ＥＶは、とりわけ、バッテリ、充電器、およびモータ制御を含む、ドライブトレインに関連する種々の電気システムを備える。これらの電気システムの現在の能力および欠点の短い目録は、以下を含む。
【０００５】
（従来のバッテリ設計）
現在、高電圧バッテリパックが、典型的には、低電圧バッテリモジュールの直列チェーンで編成される。各そのようなモジュールはさらに、個々のセルの直列に接続されたセットと、単純な組み込みバッテリ管理システムとから成り、充電状態および電圧等の基本的セル関連特性を調整する。より精巧な能力またはある形態のスマート相互接続性を伴う電子機器が、欠けている。結果として、任意の監視または制御機能が、別個のシステムによって取り扱われ、これは、車内の他の場所に存在するとしても、個々のセル健全性、充電状態、温度、および他の性能に影響を及ぼすメトリクスを監視する能力が欠けている。また、任意の形態で個々のセルあたりの電力の引き出しを調節する能力も存在していない。主要な結果のうちのいくつかは、（１）最も弱いセルが、バッテリパック全体の全体的性能を抑制すること、（２）任意のセルまたはモジュールの故障が、パック全体の交換の必要性につながること、（３）バッテリ信頼性および安全性が、著しく低減されること、（４）バッテリ寿命が、限定されること、（５）熱管理が、困難であること、（６）バッテリパックが、常に、最大能力を下回って動作すること、（７）回生制動由来の電力のバッテリパックの中への急突入が、バッテリ内に容易に貯蔵されることができず、ダンプ抵抗器を介した散逸を要求するであろうことである。
【０００６】
（現在の充電器設計）
充電回路が、典型的には、別個の内蔵システムで実現される。それらは、ＡＣ信号またはＤＣ信号の形態でＥＶの外側から来る電力を段階分けし、それをＤＣに変換し、それをバッテリパックに送給する。充電システムが、電圧および電流を監視し、典型的には、着実な一定の送給量を供給する。バッテリパックおよび典型的充電回路の設計を考慮すると、セル健全性、性能特性、温度等に基づいて、個々のバッテリモジュールに充電フローを合わせる能力は、ほとんどない。充電サイクルもまた、典型的には、充電システムおよびバッテリパックに、電荷伝達または達成可能な合計充電を最適化するであろうパルス充電または他の技法を可能にするための回路が欠けているため、長い。
【０００７】
（現在のモータ制御設計）
従来の制御は、ＥＶの電気システムのバス電圧へのバッテリパック電圧レベルを調節するためのＤＣ−ＤＣ変換段階を含有する。モータが、ひいては、次いで、要求されるＡＣ信号を電気モータに提供する、単純な２レベル多相コンバータによって駆動される。各モータは、従来的に、３相設計でモータを駆動する別個のコントローラによって制御される。デュアルモータＥＶが、２つのコントローラを要求するであろう一方で、４つのインホイールモータを使用するＥＶは、４つの個々のコントローラを要求するであろう。従来のコントローラ設計には、より多数の磁極片によって特徴付けられる、スイッチリラクタンスモータ（ＳＲＭ）等の次世代モータを駆動する能力も欠けている。適合が、高相設計を要求し、システムをより複雑にし、最終的には、高いトルクリップルおよび音響雑音等の電気雑音および駆動性能に対処することをできなくさせるであろう。
【０００８】
前述の限界に照らして、改良されたバッテリ管理、モータ制御、電力貯蔵、およびバッテリ充電を促進するシステムおよび方法が、上記に述べられる欠点に対処し、パラダイム変化プラットフォームを提供するために望ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本開示の実施形態は、改良されたバッテリ管理、モータ制御、エネルギー貯蔵、およびバッテリ充電を促進する、システムおよび方法を対象とする。したがって、本明細書で提供されるシステムおよび方法は、車両の電動化の真の可能性の実現を可能にし、回生制動、牽引、およびハンドリングを管理するための手段を用いて、バッテリ管理、充電、およびモータ制御を知的に統合する、パラダイム変化プラットフォームを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本開示の例示的実施形態は、好ましくは、基礎的構成単位として、ピアツーピア通信能力を伴うネットワーク化された低電圧コンバータ／コントローラ、組み込みウルトラキャパシタまたは他の二次エネルギー貯蔵要素、バッテリ管理システム、および個々のセルの直列に接続されたセットの統合された組み合わせを備える、カスケード型アーキテクチャを有する、統一モジュール式バッテリパックシステムを対象とする。そのような知的バッテリモジュールの相互接続されたアセンブリが、効果的に、スマート電気「ニューラルネットワーク」および（１）充電システム、（２）バッテリ管理モジュール、（３）ＤＣ−ＤＣコンバータ、および（４）モータコントローラの代替品になる。
【００１１】
本モジュール式スマートバッテリパックシステムは、従来のＥＶモータおよびドライブトレインと組み合わせ可能であるだけではなく、将来のＥＶでの使用のために開発されている新しいインホイールＥＶモータとも組み合わせ可能である。
【００１２】
本明細書で提供される例示的実施形態では、各モジュール式スマートバッテリパックの電子機器は、ある例示的実施形態では、好ましくは、温度センサおよびネットワーキングインターフェース論理と組み合わせられる双方向マルチレベルヒステリシスコントローラである、マルチレベルコントローラに基づく。本設計は、利点の長いリスト、すなわち、（１）それらの年数、熱的条件、および性能特性に基づく、モジュールの個々の切替を通したバッテリ利用の改良、（２）慎重な電力消費または発電平衡を通したセル内の熱損失の低減、（３）より良好な個々の熱管理および高次電流高調波のフィルタリングを通したセル経年劣化の減速、（４）バッテリ健全性の粒度の細かい監視および点検の必要性の早期警告の能力、（５）個々のモジュール故障下でさえも駆動可能性を維持することが可能なフェイルセーフおよび冗長設計、（６）より低い成分電圧において動作し、電力損失およびコストを削減する新しい半導体技術の利用を通した、より高い効率およびより良好な経済性、（７）異なる車両特性に適合するためのトポロジおよび制御方法のソフトウェアベースの最適化、（８）回生制動からのエネルギーの完全に近い回復および組み込みウルトラキャパシタによる加速への速い応答、（９）知的コントローラ回路によって駆動される超高速パルス充電を含む、個々のセル負荷平衡および監視に起因する、統合型内蔵最適化充電、（１０）回路トポロジの電磁石干渉および感受性の低減、（１１）全体的システム性能、応答時間、熱管理、および集合的システム効率を向上させるためのモジュール間の適応ニューラルネットベースの協調、（１２）インホイールモータと組み合わせられたときの機械的ドライブトレイン構成要素および関連付けられる損失の排除、（１３）全体的ドライブトレイン磁気および電気損失の低減、（１４）インホイールモータと併用されたときの電力密度の増加、（１５）精緻化されたモータ制御および電気フィルタリングからの電気および機械雑音の低減に起因する、トルクリップルの低減および乗車者快適性の増加、（１６）全ての現在および次世代モータ設計に適合し、そのために最適化される能力、（１７）乗車者／貨物／付加的バッテリ（さらなる範囲）のためのさらなる余地を提供する、空間の低減、（１８）より良好な性能、より高い車両効率、より遠い駆動範囲を提供する、重量の低減、（１９）インホイールモータと組み合わせられときの優れたハンドリングおよびより良好な牽引、（２０）小型乗用車から大型バスおよび商用トラックまでの使用のために適合可能な普遍的構成単位、（２１）従来的な機械的構成要素設計を介する代わりに、車両特性のソフトウェアベースの差別化を提供する。
【００１３】
例示的実施形態の他のシステム、方法、特徴、および利点が、以下の図および発明を実施する形態の検討に応じて、当業者に明白であろう、または明白となるであろう。
【００１４】
構造および動作を含む、例示的実施形態の詳細が、同様の参照番号が同様の部品を指す、付随する図の考察によって部分的に捉えられ得る。図内の構成要素は、必ずしも一定の縮尺ではなく、代わりに、本開示の原理を例証することが強調されている。また、全ての説明図は、相対的サイズ、形状、および他の詳細な属性が、文字通りまたは精密ではなく図式的に図示され得る、概念を伝えることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、従来のバッテリ電気自動車のパワーエレクトロニクス回路および電気モータの簡略化された概略図を図示する。
【００１６】
【図２】図２は、知的低電圧バッテリモジュールの直列接続を備える、知的モジュール式ＡＣバッテリパックを含む、カスケード型アーキテクチャを伴う統一モジュール式システムを有する、本開示の実施形態による、バッテリ電気自動車のためのパワーエレクトロニクス回路および電気モータの概略図を図示する。
【００１７】
【図３Ａ】図３Ａ−３Ｉは、図１に示されるバッテリ電気自動車のための従来の高電圧パワーエレクトロニクス回路の知的モジュール式表現として、本開示の実施形態によるパワーエレクトロニクス回路を示す、概略図を図示する。図３Ａは、低電圧バッテリモジュールの直列チェーンを備える、高電圧バッテリパックを示す。
【図３Ｂ】図３Ａ−３Ｉは、図１に示されるバッテリ電気自動車のための従来の高電圧パワーエレクトロニクス回路の知的モジュール式表現として、本開示の実施形態によるパワーエレクトロニクス回路を示す、概略図を図示する。図３Ｂは、低電圧バッテリセルの直列接続と、統合型バッテリ管理または制御システムとを備える、各バッテリモジュールを示す。
【図３Ｃ】図３Ａ−３Ｉは、図１に示されるバッテリ電気自動車のための従来の高電圧パワーエレクトロニクス回路の知的モジュール式表現として、本開示の実施形態によるパワーエレクトロニクス回路を示す、概略図を図示する。図３Ｃは、直列に複数の低電圧ＤＣ／ＡＣコンバータに分割された高電圧ＤＣ／ＡＣコンバータを示す。
【図３Ｄ】図３Ａ−３Ｉは、図１に示されるバッテリ電気自動車のための従来の高電圧パワーエレクトロニクス回路の知的モジュール式表現として、本開示の実施形態によるパワーエレクトロニクス回路を示す、概略図を図示する。図３Ｄは、個々のバッテリモジュール内に統合された個々の低電圧ＤＣ／ＡＣコンバータを示す。
【図３Ｅ】図３Ａ−３Ｉは、図１に示されるバッテリ電気自動車のための従来の高電圧パワーエレクトロニクス回路の知的モジュール式表現として、本開示の実施形態によるパワーエレクトロニクス回路を示す、概略図を図示する。図３Ｅは、制動力の突入を断続的に貯蔵するための個々のバッテリモジュール内に統合されたウルトラまたはスーパーキャパシタを示す。
【図３Ｆ】図３Ａ−３Ｉは、図１に示されるバッテリ電気自動車のための従来の高電圧パワーエレクトロニクス回路の知的モジュール式表現として、本開示の実施形態によるパワーエレクトロニクス回路を示す、概略図を図示する。図３Ｆは、バッテリ管理または制御システム、低電圧コンバータ、およびウルトラキャパシタと統合された低電圧知的バッテリモジュールの直列接続を備える、高電圧知的モジュール式ＡＣバッテリパックを示す。
【図３Ｇ】図３Ａ−３Ｉは、図１に示されるバッテリ電気自動車のための従来の高電圧パワーエレクトロニクス回路の知的モジュール式表現として、本開示の実施形態によるパワーエレクトロニクス回路を示す、概略図を図示する。図３Ｇおよび３Ｈは、パワーエレクトロニクス回路から除去されたＤＣ／ＤＣコンバータを示す。
【図３Ｈ】図３Ａ−３Ｉは、図１に示されるバッテリ電気自動車のための従来の高電圧パワーエレクトロニクス回路の知的モジュール式表現として、本開示の実施形態によるパワーエレクトロニクス回路を示す、概略図を図示する。図３Ｇおよび３Ｈは、パワーエレクトロニクス回路から除去されたＤＣ／ＤＣコンバータを示す。
【図３Ｉ】図３Ａ−３Ｉは、図１に示されるバッテリ電気自動車のための従来の高電圧パワーエレクトロニクス回路の知的モジュール式表現として、本開示の実施形態によるパワーエレクトロニクス回路を示す、概略図を図示する。図３Ｉは、パワーエレクトロニクス回路から除去されたＡＣ／ＤＣコンバータ／充電器を示す。
【００１８】
【図４】図４は、本開示の実施形態による、バッテリ管理および制御システム、低電圧コンバータ、およびウルトラキャパシタと統合されたバッテリを備える、知的バッテリモジュールの概念表現の斜視図を図示する。
【００１９】
【図５】図５は、バッテリモジュール制御システム（またはローカル電子制御ユニット（ＥＣＵ））およびマスタ制御システム（またはマスタＥＣＵ）に結合された、本開示の実施形態による、知的バッテリモジュールの概略図を図示する。
【００２０】
【図６】図６は、３相モータおよび単または３相グリッドまたは電源に結合するための充電結合部に結合された、本開示の実施形態による、複数の知的モジュール式ＡＣバッテリパックの概略図を図示する。
【００２１】
【図７】図７Ａおよび７Ｂは、１つの知的バッテリモジュール（図７Ａ）および各相で直列に接続された６つの知的バッテリモジュールを伴う知的モジュール式ＡＣバッテリパックの１つの位相（図７Ｂ）に関する出力電圧の典型的波形のグラフを図示する。
【００２２】
【図８】図８Ａ、８Ｂ、８Ｃ、および８Ｄは、位相偏移キャリア技法の原理を示す、グラフを図示する。
【００２３】
【図９】図９は、９レベル四象限ヒステリシスコントローラの電圧レベルセレクタの機能図の概略図を図示する。
【００２４】
【図１０】図１０Ａ、１０Ｂ、および１０Ｃは、９レベル四象限ヒステリシスコントローラの動作を示す、グラフを図示する。図１０Ａは、ＩＲＥＡＬとＩＲＥＦとの間の差異として、電流制御誤差ＩＥＲＲＯＲを図示する。図１０Ｂは、モータ位相内の基準電流ＩＲＥＦおよび実際の電流ＩＲＥＡＬを図示する。図１０Ｃは、コンバータ出力電圧ＶＯＵＴを図示する。
【００２５】
【図１１】図１１は、充電状態（ＳＯＣ）平衡およびゼロ状態回転を伴う９レベル四象限ヒステリシス電流コントローラの機能図を図示する。
【００２６】
【図１２】図１２は、知的バッテリモジュール回転コントローラの機能図を図示する。
【００２７】
【図１３】図１３は、ｄｉ／ｄｔ推定器の機能図を図示する。
【００２８】
【図１４Ａ】図１４Ａおよび１４Ｂは、−０ＶＤＣ回転（図１４Ａ）および＋０ＶＤＣ回転（図１４Ｂ）ブロックの機能図を図示する。
【図１４Ｂ】図１４Ａおよび１４Ｂは、−０ＶＤＣ回転（図１４Ａ）および＋０ＶＤＣ回転（図１４Ｂ）ブロックの機能図を図示する。
【００２９】
【図１５Ａ】図１５Ａおよび１５Ｂは、＋１ＶＤＣ回転（図１５Ａ）および−１ＶＤＣ回転（図１５Ｂ）ブロックの機能図を図示する。
【図１５Ｂ】図１５Ａおよび１５Ｂは、＋１ＶＤＣ回転（図１５Ａ）および−１ＶＤＣ回転（図１５Ｂ）ブロックの機能図を図示する。
【００３０】
【図１６】図１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、および１６Ｄは、０ＶＤＣ回転発生器（図１６Ａ）、１ＶＤＣ回転発生器（図１６Ｂ）、２ＶＤＣ回転発生器（図１６Ｃ）、および３ＶＤＣ回転発生器（図１６Ｄ）の機能図を図示する。
【００３１】
【図１７】図１７は、充電状態（ＳＯＣ）平衡のためのマスタＥＣＵへの全ての知的モジュールの集中接続の概略図を図示する。
【００３２】
【図１８】図１８は、知的バッテリモジュール内の構造電力フロー管理のフロー図を図示する。
【００３３】
【図１９】図１９は、知的バッテリモジュールのトポロジおよびノード１内の電流を示す、回路図を図示する。
【００３４】
【図２０】図２０は、スーパーキャパシタモジュールがアクティブフィルタとして動作するときの知的バッテリモジュール内の電流のグラフを図示する。
【００３５】
【図２１】図２１は、単相負荷に接続された単相知的バッテリパックを図示する。
【００３６】
【図２２】図２２は、スイッチドリラクタンスモータに接続された３相知的バッテリパックを図示する。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
類似構造または機能の要素が、概して、図の全体を通して例証的目的のために同様の参照番号によって表されることに留意されたい。また、図は、好ましい実施形態の説明を促進することのみを意図していることに留意されたい。
【００３８】
以下の実施形態は、当業者が本開示の種々の実施形態を作製および使用することを可能にするように、詳細に説明される。他の実施形態が、本開示に基づいて明白となり、システム、プロセス、または変更が、本実施形態の範囲から逸脱することなく行われ得ることを理解されたい。
【００３９】
本開示の実施形態は、改良されたバッテリ管理、モータ制御、エネルギー貯蔵、およびバッテリ充電を促進する、システムおよび方法を対象とする。したがって、本明細書で提供されるシステムおよび方法は、車両の電動化の真の可能性の実現を可能にし、回生制動、牽引、およびハンドリングを管理するための手段を用いて、バッテリ管理、充電、およびモータ制御を知的に統合する、パラダイム変化プラットフォームを提供する。
【００４０】
本開示の例示的実施形態は、好ましくは、基礎的構成単位として、ピアツーピア通信能力を伴うネットワーク化された低電圧コンバータ／コントローラ、組み込みウルトラキャパシタ、バッテリ管理システム、および個々のセルの直列に接続されたセットの統合された組み合わせを備える、カスケード型アーキテクチャを有する、統一モジュール式バッテリパックシステムを対象とする。そのような知的バッテリモジュールの相互接続されたアセンブリが、効果的に、スマート電気「ニューラルネットワーク」および（１）充電システム、（２）バッテリ管理モジュール、（３）ＤＣ−ＤＣコンバータ、および（４）モータコントローラの代替品になる。
【００４１】
本モジュール式スマートバッテリパックシステムは、従来のＥＶモータおよびドライブトレインと組み合わせ可能であるだけではなく、将来のＥＶでの使用のために開発されている新しいインホイールＥＶモータとも組み合わせ可能である。
【００４２】
本明細書で提供される例示的実施形態では、電子機器は、温度センサおよびネットワーキングインターフェース論理と組み合わせられる、双方向マルチレベルコントローラに基づく。ある例示的実施形態では、双方向コントローラは、双方向マルチレベルヒステリシスコントローラである。
【００４３】
図を詳細に参照すると、従来のパワーエレクトロニクス回路１０および電気モータ７０の簡略化された概略図が、図１に示される。図１に示されるように、パワーエレクトロニクス回路１０は、典型的には、ＡＣ−ＤＣコンバータを備える、充電器２０と、充電器２０に電気的に結合される、高電圧バッテリパック３０と、高電圧バッテリパック３０に電気的に結合される、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０と、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０に電気的に結合される、ＤＣ−ＡＣコンバータ５０と、ＤＣ−ＡＣコンバータ５０に電気的に結合される、電気モータ６０とを含む。
【００４４】
従来の高電圧バッテリパック３０は、典型的には、低電圧バッテリモジュール３２の直列チェーンで編成される（例えば、図３Ａおよび３Ｂ参照）。各そのようなモジュール３２はさらに、個々の低電圧セル３４の直列に接続されたセットと、単純な組み込みバッテリ管理システム３６とから成り、充電状態および電圧等の基本的セル関連特性を調整する（例えば、図３Ｂ参照）。より精巧な能力またはある形態のスマート相互接続性を伴う電子機器が、欠けている。結果として、任意の形態で個々のセル３４あたりの電力の引き出しを調節する能力も存在していない。主要な結果のうちのいくつかは、（１）最も弱いセルが、バッテリパック全体の全体的性能を抑制すること、（２）任意のセルまたはモジュールの故障が、パック全体の交換の必要性につながること、（３）バッテリ信頼性および安全性が、著しく低減されること、（４）バッテリ寿命が、限定されること、（５）熱管理が、困難であること、（６）パックが、常に、最大能力を下回って動作すること、（７）回生制動由来の電力の急突入が、バッテリ内に容易に貯蔵されることができないことである。
【００４５】
充電器２０によって表されるもの等の従来の充電回路またはシステムが、通常、別個の内蔵システムで実現される。そのような充電システムは、ＥＶの外側から来る電力（ＡＣまたはＤＣ信号）を段階分けし、それをＤＣに変換し、それをバッテリパック３０に送給する。充電システムは、電圧および電流を監視し、典型的には、着実な一定の送給量を供給する。バッテリおよび典型的充電回路の設計を考慮すると、セル健全性、性能特性、温度等に基づいて、バッテリパック３０の個々のバッテリモジュール３２に充電フローを調整する能力は、ほとんどない。充電サイクルもまた、典型的には、充電システムおよびバッテリパック３０および個々のモジュール３２に、電荷伝達または達成可能な合計充電を最適化するであろうパルス充電または他の技法を可能にするための回路が欠けているため、長い。
【００４６】
従来の制御は、ＥＶの電気システムのバス電圧へのバッテリパック３０の電圧レベルを調節するためのＤＣ−ＤＣ変換段階（例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０参照）を含有する。モータ６０等のモータが、ひいては、次いで、要求されるＡＣ信号を電気モータ６０に提供する、単純な２レベル多相コンバータ（例えば、ＤＣ−ＡＣコンバータ５０参照）によって駆動される。各モータは、従来的に、３相設計でモータを駆動する別個のコントローラによって制御される。デュアルモータＥＶが、２つのコントローラを要求するであろう一方で、４つのインホイールモータを使用するＥＶは、４つの個々のコントローラを要求するであろう。従来のコントローラ設計には、より多数の磁極片によって特徴付けられる、例えば、スイッチリラクタンスモータ（ＳＲＭ）等の次世代モータを駆動する能力も欠けている。適合が、高相設計を要求し、システムをより複雑にし、最終的には、高いトルクリップルおよび音響雑音等の電気雑音および駆動性能に対処することをできなくさせるであろう。
【００４７】
従来のＥＶの複雑なパワーエレクトロニクス回路１０と対照的に、図２に図示されるような本明細書で提供される例示的実施形態は、充電システム２０、バッテリ管理モジュール、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０、およびモータコントローラ５０を、スマート電気「ニューラルネットワーク」を効果的に提供する、知的またはスマートバッテリモジュール１３２の相互接続されたアセンブリを備える、知的またはスマートモジュール式ＡＣバッテリパック１３０と置換する。
【００４８】
図３Ａ−３Ｉを参照すると、一連の概略図が、本開示の例示的実施形態による、知的バッテリモジュール１３２の相互接続されたアセンブリを備える、図２に示されるような知的またはスマートバッテリパック１３０への図１に示される従来のＥＶのための複雑な高電圧パワーエレクトロニクス回路１０の簡略化を図示する。図３Ａに示されるように、高電圧バッテリパック３０は、それぞれ、図３Ｂに示されるように、低電圧バッテリセル３４の直列接続と、統合型バッテリ管理および制御システム３６とを備える、低電圧バッテリモジュール３２の直列チェーンを備える。高電圧ＤＣ／ＡＣコンバータ５０は、図３Ｃに示されるように直列に接続された、複数の低電圧ＤＣ／ＡＣコンバータ５２に分割されることができる。個々の低電圧ＤＣ／ＡＣコンバータ５２はそれぞれ、図３Ｄに示されるように、スマートまたは知的バッテリモジュール１３２を形成するように、個々のバッテリモジュール内に統合されることができる。制動力の突入を断続的に貯蔵するために、図３Ｅは、個々の知的バッテリモジュール１３２内に統合されたウルトラキャパシタ３８を示す（例えば、図４も参照）。図３Ｆに描写されるように、高電圧知的バッテリパック１３０が、知的バッテリモジュール１３２の相互接続されたアセンブリを備える。図３Ｇおよび３Ｈに示されるように、高電圧知的バッテリパック１３０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の必要性を効果的に排除する。図３Ｈおよび３Ｉに示されるように、効果的に知的モジュール式ＡＣバッテリパック１３０である、高電圧知的バッテリパック１３０は、ＡＣ／ＤＣコンバータ／充電器２０の必要性を効果的に排除する。
【００４９】
（知的バッテリモジュールアーキテクチャ）
図４および５は、それぞれ、スーパーキャパシタ（またはウルトラキャプ）を使用する回生制動／加速能力を伴う知的バッテリモジュール１３２の斜視図および略図を示す。これは、３つの主要な構成要素、すなわち、ＢＭＳ３６を伴うバッテリ３２と、スーパーキャパシタバンクＣＳＣおよび結合インダクタＬＣを伴う、ＭＯＳＦＥＴトランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）Ｓ１およびＳ２に基づく双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを伴うスーパーキャパシタモジュール３８と、４つのＭＯＳＦＥＴ  Ｓ３−Ｓ６を伴う四象限Ｈブリッジトポロジに基づく出力コンバータ５２とを有する。図５に示されるように、知的バッテリモジュール１３２は、バッテリモジュール制御システム２００（またはローカル電子制御ユニット（ＥＣＵ））およびマスタ制御システム２１０（またはマスタＥＣＵ）に結合される。
【００５０】
（動作のＡＣｉバッテリパック原理）
図６は、モータ６０に接続され、各位相で直列に接続されたＮ個の知的バッテリモジュールを備える、３相ＡＣｉバッテリパック（１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃ）のトポロジを描写する。図５および６内の各知的バッテリモジュールは、４つのスイッチＳ３、Ｓ４、Ｓ５、およびＳ６の異なる組み合わせによって、（バッテリの）ＤＣ電圧ＶＤＣをＡＣ出力に接続することによって、３つの異なる電圧出力、すなわち、＋Ｖｄｃ、０、および−Ｖｄｃを生成することができる。＋Ｖｄｃを取得するために、スイッチＳ３およびＳ６が、オンにされる一方で、−Ｖｄｃは、スイッチＳ４およびＳ５をオンにすることによって取得されることができる。Ｓ３およびＳ５またはＳ４およびＳ６をオンにすることによって、出力電圧は、０となる。異なる出力コンバータレベルのそれぞれのＡＣ出力は、合成された電圧波形が、インバータ出力の総和であるように、直列に接続される。ＡＣｉバッテリパック内の出力位相電圧レベルの数ｍは、ｍ＝２ｓ＋１によって定義され、ｓは、知的バッテリモジュールの数である。各位相で直列に接続された６つの知的バッテリモジュールを伴うパルス幅変調（ＰＷＭ）で変調された１３レベルＡＣｉバッテリパックに関する例示的相電圧波形が、図７Ｂに提示され、知的バッテリモジュール１３２のうちの１つの出力電圧が、図７Ａに示される。
【００５１】
ＡＣｉバッテリパックはまた、知的バッテリモジュール１３２のバッテリのための整流器／充電器としての役割を果たすこともできる一方で、車両は、図６に示されるように、ＡＣ供給部に接続される。
【００５２】
各知的バッテリモジュール１３２内の出力コンバータ１５２のスイッチＳ３÷Ｓ６のための切替信号Ｓ３÷Ｓ６（図５および６参照）は、採用された制御ハードウェアの柔軟性および要求に応じて、異なる方法で生成され得る。１つのアプローチは、空間ベクトル変調または正弦ＰＷＭを使用し、知的バッテリモジュール１３２の位相毎に基準電圧を生成することである。知的バッテリモジュールの出力コンバータ毎の切替信号が、次いで、位相偏移キャリア技法を使用して生成され得る。本技法は、セルが、連続的に回転され、電力が、それらの間で等しく分配されることを確実にする。
【００５３】
（ＡＣｉバッテリパック内の出力電圧の変調−マルチレベルＰＷＭ変調）
位相偏移技法の原理は、増分的に偏移された２レベル波形を使用して、マルチレベル出力ＰＷＭを生成することである。したがって、ＮレベルＰＷＭ波形が、Ｎ−１個の２レベルＰＷＭ波形の総和によって生成される。これらの２レベル波形は、基準波形を３６０°／（Ｎ−１）だけ増分的に偏移される三角形キャリアと比較することによって、生成される。９レベル実施例が、図８Ａに示される。キャリアは、３６０°／（９−１）＝４５°だけ増分的に偏移され、基準波形と比較される。結果として生じた２レベルＰＷＭ波形が、図８Ｃに示される。これらの２レベル波形は、各知的バッテリモジュール内の出力コンバータ（Ｈブリッジ）ＭＯＳＦＥＴのためのゲート信号として使用され得る。４つのＨブリッジを備える、我々の９レベル実施例に関して、０°信号が、Ｓ３に使用され、１８０°信号が、第１のモジュールのＳ６に使用され、４５°信号が、Ｓ３に使用され、２２５°信号が、第２のモジュールのＳ６に使用される等となる。全てのＨブリッジでは、Ｓ４のための信号は、Ｓ３を補完し、Ｓ５のための信号は、各区間の貫通を回避するように、ある不感時間とともにＳ６を補完することに留意されたい。
【００５４】
変調を実装するために使用されるハードウェアのリソースおよび限界に応じて、代替物は、最初の（Ｎ−１）／２個のキャリアとともに負の基準信号を生成することである。９レベル実施例が、図８Ｂに示される。この場合、０°〜１３５°ＰＷＭ信号が、Ｖｒｅｆを対応するキャリアと比較することによって生成され、１８０°〜３１５°ＰＷＭ信号が、−Ｖｒｅｆを０°〜１３５°のキャリアと比較することによって生成される。しかしながら、後者の場合の比較の論理は、逆転されなければならない。
【００５５】
状態機械デコーダ等の他の技法もまた、Ｈブリッジのためのゲート信号を生成するために使用されてもよい。
【００５６】
（ＡＣｉバッテリパック内の出力電圧の変調-マルチレベルヒステリシス制御）
各知的バッテリモジュール内の出力コンバータのスイッチのための切替信号Ｓ３÷Ｓ６（図５および６参照）を生成することへの別のアプローチは、マルチレベルヒステリシス制御技法である。本制御方法は、任意のタイプのモータと併用されることができ、特にスイッチドリラクタンスモータ（ＳＲＭ）駆動のために非常に効率的である。
【００５７】
マルチレベルヒステリシス制御は、３相ＡＣｉバッテリパックの３つの位相のうちの１つだけに関して、ここで説明される。ＰＭＳＭモータの場合、３つのコントローラが、付加的循環電流低減ブロック（ここでは説明されていない）とともに使用される必要がある。ＳＲＭモータに関して、コントローラの数は、３を上回り得、循環電流低減ブロックの必要性がない。
【００５８】
各位相で直列に接続された４つの知的バッテリモジュール１３２を備える、９レベルＡＣｉバッテリパック（図６参照）に関して、対応する出力電圧レベルを伴う出力コンバータのスイッチに関する全ての可能性として考えられる切替状態が、表１に提示される。奇数切替要素（ＭＯＳＦＥＴ  Ｓ３ＮおよびＳ５Ｎ、Ｎ＝１、２、３、４は、知的バッテリモジュールの数である）に関する切替状態のみが、本表に提示される。実際、フィルタリングキャパシタＣＦＮの短絡を回避するために、出力Ｈブリッジコンバータのハーフブリッジ内の１つだけのスイッチが、任意の瞬時においてオン（伝導モード）であり得る。したがって、偶数切替要素（ＭＯＳＦＥＴ  Ｓ４ＮおよびＳ６Ｎ、Ｎ＝１、２、３、４は、知的バッテリモジュールの数である）のための制御信号は、同一のハーフブリッジの奇数切替要素の状態を逆転することによって、容易に取得されることができる。例えば、Ｓ３Ｎ＝１およびＳ５Ｎ＝０である場合には、Ｓ４Ｎ＝０およびＳ６Ｎ＝１である。
【表１−１】
2021518733.tif 000003
【表１−２】
2021518733.tif 000004
【００５９】
ゼロ出力電圧０ＶＤＣが、全てのセルが同時にゼロ状態において動作する場合に確実にされることができる。これは、両方の上側スイッチまたは両方の下側スイッチのいずれかをオンに切り替えることによって、バッテリを迂回することによって取得されることができる。例えば、知的バッテリモジュール１に関して、Ｓ３１＝１、Ｓ５１＝１、Ｓ４１＝０、Ｓ６１＝０、またはＳ３１＝０、Ｓ５１＝０、Ｓ４１＝１、Ｓ６１＝１である。
【００６０】
電圧レベル−３ＶＤＣおよび＋３ＶＤＣが両方とも、４つの種々の組み合わせ、すなわち、±３ＶＤＣ１、±３ＶＤＣ２、±３ＶＤＣ３、±３ＶＤＣ４を使用して、取得されることができ、最後の指数は、ゼロ状態において動作し、出力ゼロ電圧を提供する、知的バッテリモジュールの数に対応する。ひいては、各ゼロ状態が、切替の２つの上記に述べられる組み合わせを使用して、コード化されることができる。したがって、±３ＶＤＣ出力電圧レベルを設定することの８つの可能性として考えられる組み合わせが存在する。
【００６１】
同様に、電圧レベル−２ＶＤＣおよび＋２ＶＤＣが両方とも、ゼロ状態電圧において動作する２つの知的バッテリモジュールに応じて、５つの異なる組み合わせ、すなわち、±２ＶＤＣ１２、±２ＶＤＣ１３、±２ＶＤＣ１４、±２ＶＤＣ２３、±２ＶＤＣ２４によって設定されることができる。ゼロ状態を提供することの二重の可能性を考慮して、±２ＶＤＣに関する可能性として考えられる組み合わせの総数は、１０に等しい。
【００６２】
電圧レベル−１ＶＤＣおよび＋１ＶＤＣが両方とも、４つの種々の組み合わせ、すなわち、±１ＶＤＣ１、±１ＶＤＣ２、±１ＶＤＣ３、±１ＶＤＣ４を使用して、取得されることができる。最後の指数は、±１ＶＤＣレベルにおいて動作する知的バッテリモジュールの数に対応する。再度、各ゼロ状態が、二重に取得される。したがって、±３ＶＤＣレベルに関するように、±１ＶＤＣ出力電圧レベルを提供することの８つの可能性として考えられる組み合わせが存在する。
【００６３】
最終的に、最大電圧レベル−４ＶＤＣおよび＋４ＶＤＣが、同相の全ての知的バッテリモジュールが同時に動作しているときに、コンバータの位相の出力において提供されることができる。したがって、これらの場合毎に切替状態の１つだけの利用可能な組み合わせが存在する。
ヒステリシス制御における電圧レベルの選択
【００６４】
前述で、９レベルＡＣｉバッテリパックの全電圧レベルが、４つの知的バッテリモジュール１４２の出力コンバータの異なる切替の組み合わせによって取得され得る方法が解説された。しかし、マルチレベルヒステリシスコントローラにとって最も有意なタスクは、電流フィードバック（モータ位相）信号ＩＲＥＡＬに基づく、コンバータ動作の任意の瞬間における適切な出力電圧レベルの識別である。
【００６５】
電圧レベルセレクタ３００のブロック図が、図９に提示される。電圧レベルセレクタは、２つの総和ブロックＳｕｍ１  ３０１およびＳｕｍ２  ３０７と、５つのヒステリシスブロック３０２、３０３、３０４、３０５、および３０６と、電圧レベル決定のための１つのルックアップテーブルとを備える。実際のフィードバック電流信号ＩＲＥＡＬが、基準電流ＩＲＥＦから減算され、それらの差異としての電流誤差信号ＩＥＲＲＯＲが、５つ全てのヒステリシスブロックの入力となる。これらのブロックはそれぞれ、表２に提示されるような高（ＨＢ）および低（ＬＢ）境界閾値の異なる設定を有し、ΔＩは、最大許容電流誤差の事前設定値である。ＩＥＲＲＯＲが、ヒステリシスブロックの対応する高境界（ＨＢ）に到達するとき、その出力値は、「１」に設定され、ＩＥＲＲＯＲがその低境界（ＬＢ）を横断するまで本レベルに留まる。これは、ヒステリシスブロックの出力において「０」を設定し、出力は、ＩＥＲＲＯＲが再びＨＢに到達するまで本レベルで維持される。したがって、５つのヒステリシスブロックの低および高境界が、（表２に示されるような）−ΔＩ〜＋ΔＩの間の範囲内で分配される場合には、Ｓｕｍ２の出力は、ＩＥＲＲＯＲ値に応じて、１から６まで変動するであろう。図９に提示されるルックアップテーブル３０８が、ヒステリシスブロックの合計状態値（Ｓｕｍ２の出力）に基づき、実際の（または基準）電流導関数ｄｉ／ｄｔの符号を考慮して、要求される出力電圧レベルの決定に使用される。下記に議論されるように、ｄｉ／ｄｔの符号が、Ｓｕｍ２が６の値に到達する瞬時に正として決定されることができ、Ｓｕｍ２が１に等しくなるときに、負の１に変更されるであろう。
【表２】
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【００６６】
（９レベル四象限ヒステリシス制御における電圧レベル間の切替）
９レベルＡＣｉバッテリパック動作の１つの位相に関する９レベル四象限ヒステリシス制御技法における電圧レベル間の切替の主要な原理の詳細な説明が、下記に提示される。
【００６７】
図１０Ｂでは、モータ位相内の基準電流ＩＲＥＦ（赤色トレース）および実際の電流ＩＲＥＡＬ（青色トレース）が、ＩＲＥＦ−ΔＩとＩＲＥＦ＋ΔＩとの間に等しく分配され、相互からΔＩ／５だけ分離される（緑色トレース）、５つの正（ＨＢ１÷ＨＢ５）および５つの負（ＬＢ１÷ＬＢ５）のヒステリシス境界（表２および図１０Ａも参照）とともに提示される。ＩＲＥＡＬとＩＲＥＦとの間の差異としての電流制御誤差ＩＥＲＲＯＲ、およびコンバータ出力電圧ＶＯＵＴが、それぞれ、図１０（ａ）および１０（ｃ）に提示される。
【００６８】
（２３．０６ミリ秒からの）考慮された時間窓内のＶＯＵＴの初期ステータスが、＋４ＶＤＣ（ＶＤＣ＝８０Ｖである）において制御システムによって前もって設定された。本電圧レベルにおいて、電流ＩＲＥＡＬは、上昇しており、ＩＥＲＲＯＲが、点Ａ（図１０（ａ）のレベル−ΔＩ／５）において第１のヒステリシス境界ＬＢ１に達するとき、第１のヒステリシスブロックの出力状態は、「１」から「０」に変更され、故に、Ｓｕｍ２ブロックの出力における総和は、「６」から「５」まで１だけ低減される（図９）。そして、ｄｉ／ｄｔ＞０に関する図９のテーブルによると、電圧ＶＯＵＴは、＋３ＶＤＣになる。
【００６９】
考慮された時間窓の開始から時間ｔ１（図１０Ｃ）まで、電流ＩＲＥＦは、正のｄｉ／ｄｔ値を有し、ヒステリシスコントローラは、図１０Ｃのルックアップテーブルの第２列に提示される電圧レベルとともに動作するものとする（ｄｉ／ｄｔ＞０）。ｔ１から開始して、電流ＩＲＥＦのｄｉ／ｄｔ符号は、負であるが、ヒステリシスコントローラは、ＩＥＲＲＯＲが第５のヒステリシス境界ＬＢ５およびＳｕｍ２＝１に達する時間ｔ２まで、正のｄｉ／ｄｔに関して動作したままである。本事象は、ヒステリシスコントローラの動作をｄｉ／ｄｔ＜０に関するテーブルの第１列に切り替えるであろう。換言すると、ｄｉ／ｄｔの符号は、Ｓｕｍ２が「１」の値に到達する瞬間（ｔ２）に負として決定されることができる（Ｓｕｍ２が「６」に等しくなるときに、正に変更されるであろう）。本論理は、本書の次の節に説明されるように提示されるであろう、ｄｉ／ｄｔ推定器ブロックで実装される。
【００７０】
ＶＯＵＴが、その最大負レベル−４ＶＤＣにある間に、電流ＩＲＥＡＬは、降下しており（図１０（ｂ））、図１０（ａ）の第１のヒステリシス境界ＨＢ１に対応する点Ｆに達するとき、第１のヒステリシスブロックの出力状態は、「０」から「１」に変更され、故に、Ｓｕｍ２の出力における総和は、「１」から「２」まで１だけ増加される（図９）。そして、ｄｉ／ｄｔ＜０に関する図９のルックアップテーブルによると、電圧ＶＯＵＴは、−３ＶＤＣになる。点Ｇにおいて、ＩＲＥＡＬおよびＩＥＲＲＯＲがＨＢ２に到達するとき、Ｓｕｍ２は、再びインクリメントされ、ＶＯＵＴは、−２ＶＤＣになる。
【００７１】
本明細書で提供されるヒステリシス制御方法では、最大電流誤差ΔＩは、基準電流ＩＲＥＦのｄｉ／ｄｔ値が符号を変化させる時点のみに生じる。これらの臨界点を超えて、本方法は、負荷の所与のパラメータにおいて可能な限り速くΔＩ／５における電流誤差ＩＥＲＲＯＲを最小限にするような方法で稼働する。
【００７２】
（全体的方法の説明）
充電状態平衡およびゼロ状態回転を伴う９レベル四象限ヒステリシス電流コントローラ５００の一般化された機能図が、図１１に提示される。これは、以前に説明されたように機能する、切替段階セレクタ３００を含む。図９のＳｕｍ２の出力信号は、図１１では「レベル」と名付けられる。本信号は、知的バッテリモジュールの出力コンバータの適切な出力電圧レベルを選択するために本方法でさらに使用される、９レベルヒステリシスコントローラの一般的レベルに関する数値（１から６まで）を表す。
【００７３】
図９のルックアップテーブルによると、ｄｉ／ｄｔ符号の知識が、適切な出力電圧レベルを選定するために要求される。以前に述べられたように、ｄｉ／ｄｔ符号は、「レベル」が「１」の値に到達する瞬間に負として決定されることができ、「レベル」が「６」に等しくなるときに、正に変更されるであろう。本論理は、図１３に示されるｄｉ／ｄｔ推定器ブロックで実装される。推定器ブロックは、２つのデジタルコンパレータ（Ｃｏｍｐ１およびＣｏｍｐ２）と、ＲＳフリップフロップ要素とを備える。両方のコンパレータは、「レベル」信号が「６」（Ｃｏｍｐ１）および「１」（Ｃｏｍｐ２）に等しい瞬間に、「偽」から「真」への遷移パルスを提供する。これらの立ち上がりエッジは、それに応じてその出力状態を変化させ、ｄｉ／ｄｔ＞０であるときに、その非反転出力Ｑにおいて「真」信号、ｄｉ／ｄｔ＜０であるときに「偽」信号を提供する、ＲＳフリップフロップによって検出される。
【００７４】
以前に述べられ、表１に提示されたように、全ての知的バッテリモジュールが最大正または負出力電圧を提供することに関与するときに、±４ＶＤＣを除く、９レベルＡＣｉバッテリパックの電圧レベル毎に利用可能な多くの切替状態が存在する。したがって、ヒステリシス「レベル」およびｄｉ／ｄｔの符号が既知のパラメータであることを考慮して、モータの電流を制御して解決されなければならない、以下の主要なタスクが存在する。
１）各知的バッテリモジュールの充電状態（ＳＯＣ）に基づいて、要求される出力電圧レベルおよび出力電流の調整を提供するように、ある時間周期にわたって繰り返し切り替えられる必要がある、知的バッテリモジュールの識別。本識別方法論は、ＡＣｉバッテリパックの動作の間に充電状態の平衡を確実にする必要がある。これが提供されるとき、バッテリ内に貯蔵される、またはモータから、またはそこに伝達されるエネルギーは、全ての知的バッテリモジュールの間で等しく分配される。これは、各セルが、それらの動作体制に基づく半導体スイッチの具体的温度プロファイルのために設計される必要がある、ＡＣｉバッテリパックの正しい動作の必要な条件である。本タスクは、本明細書で提供される方法におけるＳＯＣ平衡ブロック（図１１参照）によって実施され、本ブロックの主要構成要素としての知的バッテリモジュール回転コントローラ６００の機能図が、図１２に提示される。
２）ＳＯＣ平衡ブロックによって識別される知的バッテリモジュールに関して、ゼロ切替状態の回転。本回転は、動作中の具体的モジュール内のスイッチの間のエネルギーの分布を提供する。表１に示されるように、知的バッテリモジュールの出力においてゼロ電圧を提供するための切替の２つの可能性として考えられる組み合わせが存在する。回転方法論は、使用されるスイッチを交代させ、セルの１つおきの正または負の動作レベルとともにゼロ電圧を提供する。実際、本書の次の節に示されるであろうように、本回転は、知的バッテリモジュールおよびＡＣｉバッテリパック全体の出力電圧周波数と比較して、スイッチのスイッチング周波数を２倍低減させる。図１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、および１６Ｄに提示される、０ＶＤＣから３ＶＤＣまでの出力電圧の異なるレベルに関して、本明細書で提供される方法では、４つの回転発生器ブロック１００１、１００２、１００３、および１００４が存在する。
【００７５】
図１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、および１６Ｄの４つの回転発生器はそれぞれ、４つのデジタルコンパレータと、１つの反転要素と、４つの論理要素ＡＮＤと、２つのＳＲフリップフロップラッチ１およびラッチ２と、２による２つの分周器とを備える。全ての回転発生器ブロックの構造および動作原理は、同一であり、差異は、デジタルコンパレータの事前設定値のみにある。０ＶＤＣ回転発生器では、ｄｉ／ｄｔ推定器出力からの「ｄｉ／ｄｔ」信号が、「真」であるとき、コンパレータＣｏｍｐ１は、「レベル」信号が出力電圧レベルの＋１ＶＤＣに対応する「３」に等しいときに、ＳＲフリップフロップラッチ１出力を「真」に設定するであろう。正のｄｉ／ｄｔにおける別のコンパレータＣｏｍｐ２は、「レベル」信号が出力電圧レベルの＋０ＶＤＣに対応する「２」に等しいときに、ラッチ２をリセットするであろう。換言すると、ラッチ１の出力における高レベルのパルス列が、９レベルコンバータの出力における＋１ＶＤＣ電圧に対応するであろう一方で、そのゼロレベルは、＋０ＶＤＣ電圧レベルを示すであろう（＋０は、０ＶＤＣレベルが＋ＶＤＣレベルの後および／または前に続いていることを示す）。最終的に、回路は、分周器ブロックを含み、論理要素ＡＮＤは、＋１ＶＤＣ出力電圧レベルにおいて起こり、＋０ＶＤＣから＋１ＶＤＣまでの第２の遷移が起こるまで本「真」信号を維持する、高レベルのラッチ１出力を伴って、出力信号Ｒｏｔ＋０ＶＤＣを「真」に設定することを意図している。そのような出力信号Ｒｏｔ＋０ＶＤＣは、＋１ＶＤＣ電圧レベルを提供する動作中に知的バッテリモジュールに関する２つの可能性として考えられるゼロ状態切替の組み合わせを交代させるために使用される。同一の動作論理が、−１ＶＤＣ電圧レベルを提供する動作中に知的バッテリモジュールに関する２つのゼロ状態切替の組み合わせを交代させるように、同一の０ＶＤＣ回転発生器によって生成される、Ｒｏｔ−０ＶＤＣ信号の背後にある。
【００７６】
マルチレベルヒステリシスコントローラのための本明細書で提供される知的バッテリモジュール回転コントローラ６００およびＳＯＣ平衡ブロックが、さらに解説される。知的バッテリモジュール回転コントローラの詳細な機能図が、図１２に提示される。本ブロックの入力は、１つの位相内の４つ全ての知的バッテリモジュールのバッテリ管理システム（ＢＭＳ）からの測定された充電状態ＳＯＣ１、ＳＯＣ２、ＳＯＣ３、およびＳＯＣ４である。出力信号は、以下のように分配される、すなわち、ＳＯＣｍｉｎ＜ＳＯＣｒｏｔ４＜ＳＯＣｒｏｔ３＜ＳＯＣｍａｘである、最大充電状態ＳＯＣｍａｘ、最小充電状態ＳＯＣｍｉｎ、次いで、ＳＯＣｒｏｔ３およびＳＯＣｒｏｔ４を伴う、知的バッテリモジュールの数（１から４まで）である。始めに、ＳＯＣ１およびＳＯＣ２が、相互と比較され、それらの差異ΔＳＯＣ１２が、ヒステリシスブロックＨｙｓｔ１の正または負の閾値よりも高い、または低い場合には、本ブロックの出力は、それぞれ、「１」または「０」に設定され、そうでなければ、出力においてその前もって設定された値を維持する。本閾値は、フィードバック信号内のあるレベルの雑音を無視することに役立ち、知的バッテリモジュールの回転が起こるべき頻度を調整する。Ｈｙｓｔ１出力信号に基づいて、スイッチ１は、より高いＳＯＣを伴う知的バッテリモジュールの数（１または２）を選定し、スイッチ５は、その対応するＳＯＣ値をＳｕｍ３にパスし、これは、それを、同一の比較技法を経るＳＯＣ３およびＳＯＣ４の最低充電状態と比較する。したがって、知的バッテリモジュール回転コントローラの出力において、知的バッテリモジュール番号が、ＳＯＣｍｉｎ＜ＳＯＣｒｏｔ４＜ＳＯＣｒｏｔ３＜ＳＯＣｍａｘとして、それらのＳＯＣに従って分配される。回転ブロックに進む前に、信号ＳＯＣｍａｘおよびＳＯＣｍｉｎは、基準電流ＩＲＥＦの符号を考慮して、ＳＯＣ平衡ブロック（図１１参照）内でＳＯＣｒｏｔ１およびＳＯＣｒｏｔ２に再び割り当てられる。電流ＩＲＥＦが、知的バッテリモジュールからモータまでのエネルギー伝達に対応する正である場合には、最大ＳＯＣを伴う知的バッテリモジュールが、（同時ではないが）全ての正出力電圧レベルの回転に関与する。これは、正出力電圧および正負荷電流において、知的バッテリモジュールからモータまで、エネルギーが伝達されるための１つの方法のみが存在するため、最大ＳＯＣを伴う本知的バッテリモジュールのより速い放電を引き起こすであろう。同時に、正出力電流（またはＩＲＥＦ）において、最小ＳＯＣを伴う知的バッテリモジュールは、負出力電圧レベルのみを提供することに関与し、可能な限り早くそのバッテリの電圧を充電する必要がある。それは、正負荷電流であるが、出力コンバータの負出力電圧において、モータからバッテリまでのエネルギー伝達のための１つだけの方向が存在するためである。
【００７７】
０ＶＤＣ回転および１ＶＤＣ回転ブロックが、それぞれ、図１４Ａ、１４Ｂ、１５Ａ、および１５Ｂに提示される。最初に、＋０ＶＤＣ回転を説明する。本ブロックは、知的バッテリモジュール平衡ブロックＳＯＣｒｏｔ１からの１つの制御信号、および０ＶＤＣ回転発生器からの１つの信号Ｒｏｔ＋０ＶＤＣを受信し、＋０ＶＤＣ出力電圧のための９レベルＡＣｉバッテリパックの切替要素のための制御信号を提供し、＋０は、０ＶＤＣレベルが＋ＶＤＣレベルの後および／または前に続いていることを意味する。マルチプレクサスイッチ１は、＋ＶＤＣ出力レベルを提供する際に同時に動作している知的バッテリモジュールを示す、入力信号ＳＯＣｒｏｔ１に基づいて、切替信号の４つの異なる組み合わせのうちの１つを選定する。これは、ゼロ切替状態の回転が、（ＳＯＣｒｏｔ１番号を伴って）本具体的知的バッテリモジュールのために実施される必要があることを意味する。入力信号Ｒｏｔ＋０ＶＤＣは、同一の知的バッテリモジュールに関する２つの可能性として考えられるゼロ状態［１１］と［００］との間の切替のシーケンスを制御する。
【００７８】
ブロック＋１ＶＤＣ回転は、より複雑な構造を有する。１ＶＤＣ回転発生器ブロックから生じる制御信号Ｒｏｔ＋１ＶＤＣの他に、これは、ＳＯＣ平衡ブロックから２つの制御信号ＳＯＣｒｏｔ１およびＳＯＣｒｏｔ３を受信する。第１の信号ＳＯＣ１ｒｏｔは、その番号が本信号によって規定される、知的バッテリモジュールの出力における正電圧を設定するために、マルチプレクサスイッチ１によって使用される。これは、その知的バッテリモジュールに関する切替の組み合わせ［１０］を提供することによって行われることができる。全ての他の３つの知的バッテリモジュールは、ゼロ切替状態を提供する必要がある。コンバータの出力において、電圧が、＋０ＶＤＣ〜＋１ＶＤＣの間で変化している場合には、信号Ｒｏｔ＋１ＶＤＣは、常に、「真」であり、他の３つのセルに関してゼロ切替状態の回転が存在しない。出力電圧が、＋１ＶＤＣ〜＋２ＶＤＣの間で変動している場合には、ゼロ状態の回転が、＋２ＶＤＣレベルの生成に関与する１つだけの具体的知的バッテリモジュールのために実施される必要がある。入力信号Ｒｏｔ＋１ＶＤＣは、その知的バッテリモジュールに関する２つの可能性として考えられるゼロ状態［１１］と［００］との間の切替のシーケンスを制御する。
【００７９】
同一の動作原理が、ＳＯＣｒｏｔ１の代わりに入力信号ＳＯＣｒｏｔ２およびＲｏｔ＋１ＶＤＣの代わりにＲｏｔ−１ＶＤＣの差異のみを伴って、−０ＶＤＣ回転および−１ＶＤＣ回転に関して有効である。＋２ＤＣおよび−２ＶＤＣレベルの両方において動作するセルの数を示す、ＳＯＣｒｏｔ３信号は、正の回転ブロックに関して同一のままである。
【００８０】
ブロック＋２ＶＤＣ回転および＋３ＶＤＣ回転は、４つの入力信号を伴う複雑な構造を有し、それらのうちの３つ、すなわち、ＳＯＣｒｏｔ１、ＳＯＣｒｏｔ２、およびＳＯＣｒｏｔ３は、ＳＯＣ平衡ブロックから生じており、１つの信号が、２ＶＤＣ回転発生器からであるか、または３ＶＤＣ回転発生器が、具体的知的バッテリモジュールに関するゼロ切替状態間の変化のシーケンスを制御することを意図しているかのいずれかである。
【００８１】
マルチレベルヒステリシス制御に関する詳細な議論が、２０１７年６月１２日に出願された米国仮出願第６２／５１８３３１号、および２０１７年６月１６日に出願された米国仮出願第６２／５２１２２７号で提供され、その出願は、完全に記載された場合のように、参照することによって組み込まれる。
【００８２】
（ローカルおよびマスタＥＣＵ機能）
知的バッテリモジュール１３２動作（図５参照）を管理する、パワーエレクトロニクスコンバータおよびローカルＥＣＵ２００が、充電状態（ＳＯＣ）推定器を利用することを通して稼働し、バッテリの初期ＳＯＣを測定する。マスタ制御システム（ＥＣＵ）２１０が、図１７に描写されるように（図５も参照）、全ての知的バッテリモジュールの本初期ＳＯＣデータを受信し、それらを分類する。
【００８３】
マルチレベルヒステリシスコントローラのためのＳＯＣ平衡技法が、上記に説明された。マルチレベルＰＷＭに関して、本平衡方法論は、以下の通りであり、すなわち、全てのバッテリが放電前に平衡を保たれていると仮定し、ＡＣｉバッテリパックが完全に充電されるときに、最も強いバッテリが、最高初期ＳＯＣを伴うものであり、最も弱いバッテリが、最低初期ＳＯＣを伴うものである。
【００８４】
本データに応じて、マスタＥＣＵ２１０は、そのバッテリ容量に基づいて、各個々の知的バッテリモジュールの適切な動作のために必要である、対応する切替信号アレイを算出する。換言すると、モジュールの充電状態の平衡を保つために、各モジュールのＳＯＣは、以下のように計算され得る、合計ＳＯＣと比較されるべきである。
【化１】
2021518733.tif 000006
式中、ＳＯＣｉおよびＱｉは、ｉ番目の知的バッテリモジュールのバッテリの個々のＳＯＣおよび容量であり、差異は、ＰＩコントローラとともに、各モジュールの変調指数（Ｍ）を制御するために使用されてもよい。モジュールが充電しているとき、この場合、より高いＳＯＣを伴うモジュールが、他のモジュールと比較して少ないエネルギーを受容することが予期されるため、ＳＯＣ差の影響の方向が逆転されなければならないことに留意されたい。
【００８５】
知的バッテリモジュール１３２のローカル制御システムは、本情報を入手し、したがって、本システムの個々のＤＣ電流（ＩＤＣ１、ＩＤＣ２…ＩＤＣＮ）およびＤＣバス電圧（バッテリ電圧ＶＢ１、ＶＢ２…ＶＢＮ）を決定する知的バッテリモジュール毎に異なる切替信号アレイＳ１…Ｎが存在している。このように、電力管理が、動作し、内蔵パワーエレクトロニクスユニットが、各知的バッテリモジュールの出力電力を自律的に管理する。全てのバッテリのＳＯＣが、特定の時間において収束するように、最も強いバッテリが、最も高い電流を搬送し、最も弱いバッテリが、最も少ない電流を搬送する。
【００８６】
（スーパーキャパシタモジュール）
知的バッテリモジュール１３２（図５）のスーパーキャパシタモジュール３８は、主要バッテリ３２および出力コンバータ５２と並列に接続される。加速の間に、キャパシタ電圧は、完全充電（５０Ｖｄｃ）からその公称電圧の約３分の１（１７Ｖｄｃ）まで放電することを可能にされ、それが１１ｋＷの有用なエネルギーを送達することを可能にする。本エネルギー量は、３０個の知的バッテリモジュールがＡＣｉバッテリパック内に設置される場合、１つの知的バッテリモジュールから５秒の間に２．２ｋＷの電力および合計６６ｋＷを取り込むことを可能にし、これは、バッテリ寿命への損害がない良好な加速のために十分な電力および時間である。減速（回生制動）の間に、エネルギーは、類似する方法で回収され、スーパーキャパシタを再び充電する。
【００８７】
車両が、加速するとき、バッテリは、モータが必要とする電流の量を送達する。本電流が、バッテリに関する電流限界を超える場合には、スーパーキャパシタが、差異を提供する。回生制動動作は、類似する。この場合、モータは、回収されたエネルギーをバッテリの中に送達する発電機として稼働するが、注入される電流が、限界を超える場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータが、過剰分をスーパーキャパシタの中に注入する。
【００８８】
ＤＣ−ＤＣコンバータは、２つの方法、すなわち、スーパーキャパシタを放電する加速に使用されるブースト動作、およびスーパーキャパシタを放電する減速（回生制動）に使用されるバック動作で、稼働する。ブースト動作（加速）の間に、ＭＯＳＦＥＴ  Ｓ２は、要求されるエネルギー量をキャパシタからバッテリパックに伝達するように、制御されたデューティサイクルＤにおいてオンおよびオフに切り替えられる。Ｓ２がオンであるとき、エネルギーが、スーパーキャパシタから取り込まれ、インダクタＬＣ内に貯蔵される。Ｓ２がオフに切り替えられるとき、ＬＣに貯蔵されたエネルギーは、ＣＦの中に、Ｓ１を通して、次いで、モータおよび／またはバッテリの中に伝達される。バック動作の間に、コンバータは、エネルギーをバッテリからスーパーキャパシタに導入する。その動作は、Ｓ１上の制御された動作を用いて遂行される。Ｓ１がオンに切り替えられるとき、エネルギーは、バッテリからスーパーキャパシタまで進み、ＬＣは、本エネルギーの一部を貯蔵する。Ｓ１がオフに切り替えられるとき、ＬＣに貯蔵された残留エネルギーは、Ｓ２のダイオードを通してスーパーキャパシタの内側で伝達される。
【００８９】
一次エネルギー源としてのバッテリは、最高エネルギー含有量を伴うものであり、したがって、モータによって必要とされる平均電力を供給するべきである。スーパーキャパシタは、二次エネルギー源であり、瞬時負荷電力ピークを提供／吸収することによってバッテリを支援する。
【００９０】
２つの源とモータとの間の電力フロー管理の冗長構造が、図１８に表される。これは、各源の電気特性（端子電圧および電流）と負荷の電気特性との間の完全な分断を可能にするため、他の電力制御方法の間で利点を有する。電力フローコントローラ１が、知的バッテリモジュールのローカルＥＣＵから基準バッテリ電力フローＰＢＡＴＴ，ＲＥＦの信号を受信する。本信号は、モータ電力ＰｉＢＡＴＴＥＲＹ要件および個々の知的バッテリモジュールのバッテリのＳＯＣに基づいて、マスタＥＣＵ内に位置する主要電力管理コントローラによって決定される。電力フローコントローラ１は、最大許容バッテリ充電／放電電流を推定し、実際の許容バッテリ電力フローＰＢＡＴＴを計算する。本信号は、ＰｉＢＡＴＴＥＲＹと比較され、それらの差異が、信号ＰＳＣ，ＲＥＦとして電力フローコントローラ２に印加される。本コントローラは、スーパーキャパシタ電圧ＶＳＣに基づいてＩＳＣＭ電流を計算し、スーパーキャパシタモジュールのバック／ブーストコンバータのための切替信号Ｓ１およびＳ２を決定し、その基本的動作原理は、上記に説明される。したがって、ＰｉＢＡＴＴＥＲＹフローが、出力コンバータによって提供され、ＰＢＡＴＴが、最大バッテリ電流および実際のＳＯＣに基づいて推定され、ＰｉＢＡＴＴＥＲＹとＰＳＣとの間の差異として確実にされ、最後のものは、スーパーキャパシタモジュールのコンバータによって管理される。
【００９１】
スーパーキャパシタモジュールによって果たされる別の重要な機能は、単相システムの固有の脈動電力性質の結果として、出力コンバータのＤＣ電流ＩＤＣに出現する、二次電流高調波のアクティブフィルタリングである。Ｖ（ｔ）ＯＵＴおよびＩ（ｔ）ＯＵＴを、知的バッテリモジュールの出力電圧および電流と見なすと、以下となる。
【化２】
2021518733.tif 000007
知的バッテリモジュールの瞬時入出力電力平衡は、以下を生じる。
【化３】
2021518733.tif 000008
【００９２】
第１の定数項は、バッテリを充電／放電するために使用される平均電力を指す。
しかしながら、第２の発振項は、平均バッテリＳＯＣに寄与しない。本成分は、統一性の変調指数におけるグリッド電流振幅の最大２倍に到達し得る、著しいピーク間値を有する。二次電流成分は、いくつかの不利点、例えば、結果として生じる電流ＲＭＳ値およびバッテリ挙動の周期的変化に関連する内側バッテリ抵抗損失の増加を呈する。
【００９３】
アクティブフィルタリング事例に関する主要な波形が、図２０Ａおよび２０Ｂに示される。スーパーキャパシタは、バッテリ電流ＩＢ内の二次高調波の排除を目指す、アクティブフィルタとして作用する。補償が開始する前に（瞬間ｔ１の前に）、バッテリＩＢの電流は、ＤＣ成分（ＩＢ＝１３０Ａ）と、振幅Ｉ２ＡＣ＝６０Ａを伴う二次成分とを含む。瞬間ｔ１から開始して、スーパーキャパシタモジュールは、スーパーキャパシタ電流ＩＳＣを生成し始め、電流ＩＢの二次高調波をスーパーキャパシタに再指向する（図２０Ｂ参照）。本電流ＩＳＣは、ＩＤＣ電流の二次高調波のものに等しい主要高調波の振幅を有する（図１９参照）が、図２０Ａに示されるように、バッテリＩＢ内の結果として生じる電流が、ＤＣ成分のみ、またはいくつかの有意に低減されたＡＣリップルを伴って大部分はＤＣ成分のいずれかを含むような方法で、ほぼ反対の位相角を伴う。
【００９４】
高いＲＰＭにおいて、二次電流高調波が、フィルタリングキャパシタＣＦによって有意に抑制され、スーパーキャパシタモジュールの動作が、要求されない。
【００９５】
図２１は、ＲＬ負荷として提示される、単相負荷に接続される単相９レベル四象限知的バッテリパックを示す。本システムは、住居または商用ビルのエネルギー貯蔵および中断可能電力供給システムに使用されることができる。
【００９６】
図２２は、３相スイッチドリラクタンスモータ（ＳＲＭ）に接続される、３つの９レベル２象限単相知的バッテリパックを備える、３相知的バッテリパックを示す。マルチレベルヒステリシス電流コントローラおよび知的バッテリパックの使用は、ＳＲＭの効率および全体的性能を改良すること、およびトルクリップルおよび音響雑音の有意な低減を可能にする。
【００９７】
前述の説明では、多数の具体的詳細が、本実施形態の徹底的な理解を提供するように挙げられる。しかしながら、本実施形態は、これらの具体的詳細を伴わずに実践され得ることが明白であろう。明確性を増加させるために、いくつかの周知の回路、システム構成、およびプロセスステップが、詳細に説明されない場合がある。他の事例では、構造およびデバイスが、本発明を曖昧にすることを回避するために、ブロック図形態で示される。
【００９８】
本開示の実施形態を示す図面は、半図式的であり、一定の縮尺ではなく、特に、寸法のうちのいくつかは、提示を明確にするためのものであり、図面内で誇張されて示される。
【００９９】
前述の説明内の「一実施形態」、「実施形態」、または「ある実施形態」の言及は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。本明細書内の種々の場所での語句「一実施形態では」の表出は、必ずしも全て同一の実施形態を指しているわけではない。
【０１００】
発明を実施するための形態のいくつかの部分は、コンピュータメモリ内のデータビットへの動作のアルゴリズムおよびシンボル的表現の観点から提示される。これらのアルゴリズム的説明および表現は、データ処理分野の当業者によって、その研究内容を他の当業者に最も効果的に伝えるために使用される方法である。アルゴリズムが、ここでは、概して、所望の結果につながるステップの自己一致シーケンスであると見なされる。ステップは、物理的数量の物理的操作を要求するものである。必ずしもではないが、通常、これらの数量は、貯蔵される、伝達される、組み合わせられる、比較される、または別様に操作されることが可能な電気または磁気信号の形態をとる。これは、これらの信号をビット、値、要素、シンボル、文字、項、数字、または同等物として参照するために、主に一般的な使用の理由により、時として便宜的であることが証明されている。
【０１０１】
しかしながら、これらおよび類似用語は全て、適切な物理的数量と関連付けられるものであり、単に、これらの数量に適用される便宜的な標識にすぎないことを念頭に置かれたい。以下の開示から明白であるように別様に具体的に記述されない限り、本開示の全体を通して、「処理する」、「算出する」、「計算する」、「決定する」、「表示する」、または同等物等の用語は、コンピュータシステムのレジスタおよびメモリ内の物理的（電子）数量として表されるデータを操作し、コンピュータシステムのメモリまたはレジスタ、または他のそのような情報記憶、伝送、またはディスプレイデバイス内の物理的数量として同様に表される他のデータに変換する、コンピュータシステムまたは類似電子コンピューティングデバイスのアクションおよびプロセスを指すことを理解されたい。
【０１０２】
本実施形態はまた、本明細書の動作を実施するための装置にも関する。本装置は、要求される目的のために特別に構築されてもよい、またはそれは、コンピュータ内に記憶されたコンピュータプログラムによって選択的にアクティブ化または再構成される汎用コンピュータであってもよい。本実施形態は、完全にハードウェア実施形態、完全にソフトウェア実施形態、またはハードウェアおよびソフトウェア要素の両方を含む実施形態の形態をとってもよい。一実施形態では、本実施形態は、限定ではないが、ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコード、またはプロセッサによる実行のための命令を記憶するための別の方法を含む、コンピュータ可読記憶媒体上に記憶された命令またはデータを備える、ソフトウェアで実装される。
【０１０３】
さらに、本実施形態は、コンピュータまたは任意の命令実行システムによる、またはそれと組み合わせた使用のためのプログラムコードを提供する、コンピュータ使用可能またはコンピュータ可読記憶媒体からアクセス可能なコンピュータプログラム製品の形態をとってもよい。本説明の目的のために、コンピュータ使用可能またはコンピュータ可読記憶媒体は、命令実行システム、装置、またはデバイスによる、またはそれと組み合わせた使用のためのプログラムを含有、記憶、または輸送し得る、任意の装置である。コンピュータ可読記憶媒体は、電子、磁気、光学、電磁、赤外線、または半導体システム（または装置またはデバイス）、または伝搬媒体であり得る。有形コンピュータ可読記憶媒体の実施例は、限定ではないが、半導体またはソリッドステートメモリ、磁気テープ、リムーバブルコンピュータディスケット、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読取専用メモリ（ＲＯＭ）、剛性磁気ディスク、光ディスク、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、磁気カードまたは光学カード、または電子命令を記憶するために好適であり、それぞれ、コンピュータシステムバスに結合される、任意のタイプのコンピュータ可読記憶媒体を含む。光ディスクの実施例は、コンパクトディスク読取専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、読取／書込用コンパクトディスク（ＣＤ−Ｒ／Ｗ）、およびデジタルビデオディスク（ＤＶＤ）を含む。
【０１０４】
本明細書に開示される実施形態が、メモリ、記憶装置、および／またはコンピュータ可読媒体を含む、またはそれと関連して動作する限りにおいて、そのメモリ、記憶装置、および／またはコンピュータ可読媒体は、非一過性である。故に、メモリ、記憶装置、および／またはコンピュータ可読媒体が、１つ以上の請求項によって網羅される限りにおいて、そのメモリ、記憶装置、および／またはコンピュータ可読媒体は、非一過性にすぎない。本明細書で使用されるような用語「非一過性」および「有形」は、伝搬電磁信号を除外する、メモリ、記憶装置、および／またはコンピュータ可読媒体を説明することを意図しているが、記憶の持続性の観点から、または別様に、メモリ、記憶装置、および／またはコンピュータ可読媒体のタイプを限定することを意図していない。例えば、「非一過性」および／または「有形」メモリ、記憶装置、および／またはコンピュータ可読媒体は、ランダムアクセス媒体（例えば、ＲＡＭ、ＳＲＡＭ、ＤＲＡＭ、ＦＲＡＭ（登録商標）等）、読取専用媒体（例えば、ＲＯＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュ等）、およびそれらの組み合わせ（例えば、ハイブリッドＲＡＭおよびＲＯＭ、ＮＶＲＡＭ等）、およびそれらの以降に開発される変異型等の揮発性および不揮発性媒体を包含する。
【０１０５】
プログラムコードを記憶および／または実行するために好適なデータ処理システムは、システムバスを通してメモリ要素に直接または間接的に結合される、少なくとも１つのプロセッサを含む。メモリ要素は、プログラムコードの実際の実行の間に採用されるローカルメモリと、大容量記憶装置と、コードが実行の間に大容量記憶装置から読み出されなければならない回数を削減するために少なくともいくつかのプログラムコードの一時的記憶を提供する、キャッシュメモリとを含んでもよい。いくつかの実施形態では、入出力（Ｉ／Ｏ）デバイス（キーボード、ディスプレイ、ポインティングデバイス、またはデータを受信するように、またはデータを提示するように構成される他のデバイス等）が、直接、または介在Ｉ／Ｏコントローラを通してのいずれかで、システムに結合される。
【０１０６】
ネットワークアダプタもまた、介在私設または公衆ネットワークを通して、他のデータ処理システムまたは遠隔プリンタまたは記憶デバイスへの結合を可能にするように、データ処理システムに結合されてもよい。モデム、ケーブルモデム、およびイーサネット（登録商標）カードは、現在利用可能なタイプのネットワークアダプタの実施例にすぎない。
【０１０７】
最後に、本明細書に提示される方法および表示は、本質的にいずれの特定のコンピュータまたは他の装置にも関連しない。種々の汎用システムが、本明細書の教示に従ってプログラムと併用されてもよい、または要求される方法ステップを実施するように、より特殊な装置を構築することが便宜的であることが証明され得る。種々のこれらのシステムのための要求される構造が、下記の説明から表出するであろう。種々のプログラミング言語が、本明細書に説明されるような本発明の教示を実装するために使用され得ることを理解されたい。
【０１０８】
図および発明を実施するための形態は、例証のみとして、ある実施形態を説明する。当業者は、前述の説明から、本明細書に図示される構造および方法の代替実施形態が、本明細書に説明される原理から逸脱することなく採用され得ることを認識するであろう。ここで、いくつかの実施形態が詳細に参照され、その実施例が、付随する図に図示される。実践可能であれば、類似または同様の参照番号が、類似または同様の機能性を示すために図で使用され得ることに留意されたい。
【０１０９】
本開示の実施形態は、知的バッテリパックまたは知的バッテリパックのシステムの構成単位として使用される、知的バッテリ（ｉＢａｔｔｅｒｙ）モジュールのためのコンバータバッテリモジュールアーキテクチャを対象とする。実施形態では、ｉＢａｔｔｅｒｙモジュールは、バッテリユニットと、スーパーキャパシタまたはウルトラキャパシタモジュールユニットと、出力コンバータユニットとを備える。実施形態では、ｉＢａｔｔｅｒｙモジュールのローカル制御ユニットは、限定ではないが、ｉＢａｔｔｅｒｙモジュールの温度、電圧、および電流センサ、および同等物からのものを含む信号、半導体スイッチへおよびそこからのトリガおよび障害信号、バッテリユニットの基本セルおよびスーパーキャパシタモジュールの電圧を受容、処理、および伝送するように構成される。実施形態では、ローカル制御システムは、複数のｉＢａｔｔｅｒｙモジュールを備える、知的交流バッテリパック（ＡＣｉ−バッテリパック）のマスタ制御ユニットとの通信、およびそこへおよびそこからの対応する制御信号の伝送を実施する。
【０１１０】
本開示の実施形態は、各位相でともに相互接続される２つ以上のｉＢａｔｔｅｒｙモジュールを備える、知的交流バッテリパック（ＡＣｉ−バッテリパック）を対象とする。実施形態では、任意の形状および周波数の出力電圧が、個々のｉＢａｔｔｅｒｙモジュールの出力電圧の重畳として、ＡＣｉ−バッテリパックの出力において生成されることができる。
【０１１１】
本開示の実施形態は、ＡＣｉ−バッテリパックを制御し、ＳＯＣおよびＡＣｉ−バッテリパック内のｉＢａｔｔｅｒｙ間の平衡を提供するためのマルチレベル電流ヒステリシス制御の方法を対象とする。実施形態では、本方法は、ＡＣｉ−バッテリパック内の全てのｉＢａｔｔｅｒｙモジュールの間で電力共有を可能にする。実施形態では、全てのｉＢａｔｔｅｒｙモジュールの間の電力共有は、動作の間の全ての時間においてｉＢａｔｔｅｒｙのバッテリモジュールのＳＯＣを平衡状態で保つために使用されることができ、これは、各モジュールの全容量が、容量の可能性として考えられる差異にかかわらず利用されることを確実にする。
【０１１２】
本開示の実施形態は、モータ車両および定常エネルギー貯蔵システムに関する、本明細書に説明されるプロセス、方法論、およびシステムを対象とする。
【０１１３】
本開示の実施形態は、シャーシと、シャーシに動作可能に結合される、３つ以上のホイールと、３つ以上のホイールに動作可能に結合される、１つ以上の電気モータと、１つ以上のモータに動作可能に結合される、１つ以上の知的モジュール式バッテリパックと、１つ以上のバッテリパックおよび１つ以上のモータに動作可能に結合される、制御システムとを有する、電気自動車を対象とする。
【０１１４】
実施形態では、シャーシは、ドライブトレインがない。実施形態では、１つ以上のモータは、インホイールモータである。
【０１１５】
実施形態では、１つ以上の知的モジュール式バッテリパックは、カスケード型アーキテクチャを有する。
【０１１６】
実施形態では、バッテリパックは、複数の相互接続された知的バッテリモジュールを備える。
【０１１７】
実施形態では、バッテリモジュールは、ピアツーピア通信能力を伴うネットワーク化された低電圧コンバータ／コントローラ、組み込みウルトラキャパシタまたはスーパーキャパシタ、バッテリ管理システム、および個々のセルの直列に接続されたセットの統合された組み合わせを備える。
【０１１８】
実施形態では、バッテリパックは、複数の相互接続された知的バッテリモジュールを備える、ニューラルネットワークを備える。
【０１１９】
実施形態では、バッテリモジュールは、ＢＭＳを伴うバッテリ、スーパーキャパシタモジュール、および出力コンバータの統合された組み合わせを備える。
【０１２０】
実施形態では、スーパーキャパシタモジュールは、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、スーパーキャパシタバンクとを含む。
【０１２１】
実施形態では、出力コンバータは、四象限Ｈブリッジを備える。
【０１２２】
実施形態では、制御システムは、双方向マルチレベルコントローラを備える。
【０１２３】
実施形態では、双方向マルチレベルコントローラは、双方向マルチレベルヒステリシスコントローラである。
【０１２４】
実施形態では、双方向マルチレベルコントローラは、温度センサおよびネットワーキングインターフェース論理と組み合わせられる。
【０１２５】
実施形態では、制御システムは、モジュール年数、熱的条件、および性能特性に基づいて、モジュールの個々の切替を通してバッテリ利用の平衡を保つように構成される。
【０１２６】
実施形態では、バッテリパックは、整流器／充電器動作に切替可能である。
【０１２７】
本開示の実施形態は、複数の相互接続された知的バッテリモジュールを備える、カスケード型アーキテクチャを備える、知的モジュール式バッテリパックを対象とする。
【０１２８】
実施形態では、バッテリモジュールは、ピアツーピア通信能力を伴うネットワーク化された低電圧コンバータ／コントローラ、組み込みウルトラキャパシタ、バッテリ管理システム、および個々のセルの直列に接続されたセットの統合された組み合わせを備える。
【０１２９】
実施形態では、相互接続された知的バッテリモジュールは、ニューラルネットワークを備える。
【０１３０】
実施形態では、バッテリモジュールは、ＢＭＳを伴うバッテリ、スーパーキャパシタモジュール、および出力コンバータの統合された組み合わせを備える。
【０１３１】
実施形態では、スーパーキャパシタモジュールは、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、スーパーキャパシタバンクとを含む。
【０１３２】
実施形態では、出力コンバータは、四象限Ｈブリッジを備える。
【０１３３】
本開示の実施形態は、ピアツーピア通信能力を伴う統合型低電圧コンバータ／コントローラ、組み込みウルトラキャパシタ、バッテリ管理システム、および個々のセルの複数の直列に接続されたセットを備える、知的バッテリモジュールを対象とする。
【０１３４】
本開示の実施形態は、統合型ＢＭＳを伴うバッテリと、バッテリに動作可能に結合される、スーパーキャパシタモジュールと、バッテリおよびスーパーキャパシタモジュールに動作可能に結合される、出力コンバータとを備える、知的バッテリモジュールを対象とする。
【０１３５】
実施形態では、スーパーキャパシタモジュールは、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、スーパーキャパシタバンクとを含む。
【０１３６】
実施形態では、出力コンバータは、四象限Ｈブリッジを備える。
【０１３７】
本明細書で提供される任意の実施形態に関して説明される全ての特徴、要素、構成要素、機能、およびステップは、任意の他の実施形態からのものと自由に組み合わせ可能かつ代用可能であることを意図している。ある特徴、要素、構成要素、機能、またはステップが、１つだけの実施形態に関して説明される場合には、その特徴、要素、構成要素、機能、またはステップが、別様に明示的に記述されない限り、本明細書に説明される全ての他の実施形態と併用され得ることを理解されたい。本段落は、したがって、以下の説明が、特定の事例において、そのような組み合わせまたは代用が可能であることを明示的に記述しない場合でさえも、随時、異なる実施形態からの特徴、要素、構成要素、機能、およびステップを組み合わせる、または１つの実施形態からの特徴、要素、構成要素、機能、およびステップを別の実施形態のものと代用する、請求項の導入のための先行基礎および書面による支持としての役割を果たす。全ての可能性として考えられる組み合わせおよび代用の明示的記載は、特に、ありとあらゆるそのような組み合わせおよび代用の許容性が、本説明を熟読することに応じて当業者によって容易に認識されるであろうことを前提として、過度に負担となる。
【０１３８】
多くの事例では、実体が、他の実体に結合されるものとして本明細書に説明される。用語「結合される」および「接続される」、またはそれらの形態のうちのいずれかが、本明細書では同義的に使用され、両方の場合に、いずれの無視できない、例えば、寄生介在実体も伴わない、２つの実体の直接結合、および１つ以上の無視できない介在実体との２つの実体の間接結合にとって一般的であることを理解されたい。実体がともに直接結合されるものとして示される、またはいずれの介在実体の説明も伴わずにともに結合されるものとして説明される場合、文脈が別様に明確に決定付けない限り、それらの実体は、ともに間接的にも結合され得ることを理解されたい。
【０１３９】
実施形態は、種々の修正および代替形態の影響を受け得るが、その具体的実施例が、図面に示されており、詳細に本明細書に説明される。しかしながら、これらの実施形態は、開示される特定の形態に限定されるものではなく、反対に、これらの実施形態は、開示の精神内に該当する全ての修正、均等物、および代替物を網羅するものであることを理解されたい。さらに、実施形態の任意の特徴、機能、ステップ、または要素、およびその範囲内に該当しない特徴、機能、ステップ、または要素によって請求項の発明の範囲を定義する否定的限定が、請求項に記載される、または追加され得る。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図３Ｇ】
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【図３Ｈ】
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【図３Ｉ】
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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８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９】
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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１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【国際調査報告】
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