(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＤＣリンク、
前記ＤＣリンクに結合され、前記ＤＣリンクからＤＣリンク電圧を受けるように構成される負荷、
第１のエネルギー源、
前記第１のエネルギー源に結合される第１の電圧測定デバイス、
前記ＤＣリンクに結合される第２の電圧測定デバイス、
第１の入力電圧を第１の変換電圧に変換するように構成される双方向エネルギー源電圧コンバータであって、前記第１の入力電圧が前記第１のエネルギー源から供給される双方向エネルギー源電圧コンバータ、
前記第１の変換電圧を第２の変換電圧に変換するように、かつ、前記ＤＣリンクに前記第２の変換電圧を供給するように構成される双方向ＤＣリンク電圧コンバータであって、前記第２の変換電圧が前記ＤＣリンク電圧を構成する双方向ＤＣリンク電圧コンバータ、および、
前記第１の電圧測定デバイスから前記第１のエネルギー源の電圧レベルを受信するように、
前記第２の電圧測定デバイスから前記ＤＣリンクの電圧レベルを受信するように、
前記第１のエネルギー源の前記電圧レベルを前記ＤＣリンクの前記電圧レベルと比較するように、
前記ＤＣリンクの前記電圧レベルが前記第１のエネルギー源の前記電圧レベルより低いならば、前記第１の入力電圧を前記第１の変換電圧に降圧するように前記双方向エネルギー源電圧コンバータを制御するように、かつ、
前記第１の変換電圧を受け、前記ＤＣリンクに前記第２の変換電圧を供給するように前記双方向ＤＣリンク電圧コンバータを制御するように
構成されるコントローラ
を備えるシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、一般には、ハイブリッド車両および電気車両を含む電気駆動システムに、ならびに過渡負荷またはパルス負荷を受ける定置駆動装置に関し、より詳細には、車両または駆動装置の、電気貯蔵デバイスまたは電気エネルギー源から負荷の間でエネルギーを伝達することに関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド電気車両は、内燃機関または燃料電池と、車両を推進するための牽引用蓄電池などのエネルギー貯蔵デバイスにより電力供給される電気モータとを組み合わせる場合がある。そのような組み合わせは、燃焼機関および電気モータが、向上した効率のそれぞれの範囲で各々動作することを可能にすることにより、全体的な燃料効率を向上させることができる。例えば電気モータが、発進（ｓｔａｎｄｉｎｇ  ｓｔａｒｔ）からの加速で効率的であり得る一方で、燃焼機関は、幹線道路の運転時などの一定した機関の動作の持続した期間中に効率的であり得る。電気モータが初期の加速を高めるようにすることによって、ハイブリッド車両内の燃焼機関がより小型になり、燃料効率がより高くなることが可能になる。
【０００３】
純粋な電気車両は、電気モータに電力供給するために貯蔵された電気エネルギーを使用し、電気モータは、車両を推進し、かつ補助駆動装置をさらに動作させることができる。純粋な電気車両は、貯蔵された電気エネルギーの１つまたは複数の供給源を使用することができる。例えば貯蔵された電気エネルギーの第１の供給源を、より長期間持続するエネルギーを提供するために使用する場合があり、一方で貯蔵された電気エネルギーの第２の供給源を、例えば加速用のより高い電力のエネルギーを提供するために使用する場合がある。
【０００４】
エネルギーを、車両または駆動装置のエネルギー源から、ＤＣ負荷に結合されるＤＣリンクに伝達することができる。多くの場合、エネルギー源をＤＣリンクとの直接接続から結合解除するために、かつ、エネルギー源からの電圧をＤＣリンクに供給するためにより高いレベルの電圧に昇圧するために、双方向昇圧コンバータを含むことがある。エネルギー源の電圧を受ける双方向昇圧コンバータの低圧側と、ＤＣリンクに昇圧された電圧を供給する昇圧コンバータの高圧側との間の電圧昇圧比が高いと、システム効率が低下する傾向がある。
【０００５】
電圧昇圧比を低くすることによりシステム効率を上昇させることには、ＤＣリンク上で所望される電圧に近い値以上で電圧を供給可能なエネルギー源を有することがあり得る。しかしながら制御不能の電流事象が、エネルギー源の電圧がＤＣリンク上で所望される電圧より高いときに発生する場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１２００３８２１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、電気エネルギー源の電圧が実際または所望のＤＣリンク電圧より高いときに、制御された様式で、電気エネルギー源からＤＣリンクへの電気エネルギーの伝達を容易にするシステムを提供することが望ましいことになる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の態様によれば、装置は、ＤＣ電圧を出力するように構成される第１のエネルギー源、ＤＣ負荷に結合され、第１のエネルギー源からのＤＣ電圧に基づいてＤＣ負荷にＤＣ負荷電圧を供給するように構成されるＤＣリンク、ＤＣリンクに結合され、ＤＣリンクにＤＣ負荷電圧を供給するように構成される第１のＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ、および、第１のエネルギー源に結合される第２のＤＣ−ＤＣ電圧コンバータを含む。装置は、第１および第２のＤＣ−ＤＣ電圧コンバータに結合され、第１のエネルギー源の電圧レベルを決定するように、ＤＣリンクの電圧レベルを決定するように、かつ、ＤＣリンクの電圧レベルが第１のエネルギー源の電圧レベルより低いならば、第１のエネルギー源から出力され第１のＤＣ−ＤＣ電圧コンバータに供給されるＤＣ電圧を、第１のＤＣ−ＤＣ電圧コンバータを介してＤＣリンクに供給されるＤＣ負荷電圧より低くするように、第１のエネルギー源からエネルギーを取り出すように第２のＤＣ−ＤＣ電圧コンバータを制御するように構成されるコントローラをさらに含む。
【０００９】
本発明の別の態様によれば、エネルギー伝達システムを製造する方法は、ＤＣ負荷にＤＣリンクを結合するステップであって、ＤＣリンクがＤＣ負荷にＤＣ負荷電圧を供給するように構成されるステップ、ＤＣリンクに第１のＤＣ−ＤＣ電圧コンバータを結合するステップであって、第１のＤＣ−ＤＣ電圧コンバータがＤＣリンクにＤＣ負荷電圧を供給するように構成されるステップ、および、第１のエネルギー源に第２のＤＣ−ＤＣ電圧コンバータを結合するステップであって、第１のエネルギー源がＤＣ電圧を出力するように構成されるステップを含む。この方法は、第１および第２のＤＣ−ＤＣ電圧コンバータにコントローラを結合するステップ、ならびに、コントローラを、第１のエネルギー源の電圧レベルをＤＣリンクの電圧レベルと比較するように、かつ、第１のエネルギー源の電圧レベルがＤＣリンクの電圧レベルより高いならば、第１のエネルギー源から出力され第１のＤＣ−ＤＣ電圧コンバータに供給されるＤＣ電圧を、ＤＣリンクの電圧レベルより低くするように、第１のエネルギー源からエネルギーを取り出すように第２のＤＣ−ＤＣ電圧コンバータを制御するように構成するステップをさらに含む。
【００１０】
本発明のさらに別の態様によれば、システムは、ＤＣリンク、ＤＣリンクに結合され、ＤＣリンクから負荷電圧を受けるように構成される負荷、および、第１のエネルギー源を含む。システムは、第１のエネルギー源に結合される第１の電圧測定デバイス、ＤＣリンクに結合される第２の電圧測定デバイス、第１の入力電圧を第１の変換電圧に変換するように構成される双方向エネルギー源電圧コンバータであって、第１の入力電圧が第１のエネルギー源から供給される双方向エネルギー源電圧コンバータ、および、第２の入力電圧を第２の変換電圧に変換するように、かつ、ＤＣリンクに第２の変換電圧を供給するように構成される双方向ＤＣリンク電圧コンバータであって、第２の変換電圧が負荷電圧を構成する双方向ＤＣリンク電圧コンバータをさらに含む。システムは、第１の電圧測定デバイスから第１のエネルギー源の電圧レベルを受信するように、第２の電圧測定デバイスからＤＣリンクの電圧レベルを受信するように、かつ、第１のエネルギー源の電圧レベルをＤＣリンクの電圧レベルと比較するように構成されるコントローラをさらに含む。コントローラは、ＤＣリンクの電圧レベルが第１のエネルギー源の電圧レベルより低いならば、第２の入力電圧を負荷電圧より低くするように、第１のエネルギー源からエネルギーを取り出すように双方向エネルギー源電圧コンバータを制御するように、かつ、第２の入力電圧を第２の変換電圧に変換し、ＤＣリンクに第２の変換電圧を供給するように双方向ＤＣリンク電圧コンバータを制御するようにさらに構成される。
【００１１】
様々な他の特徴および利点が、以下の詳細な説明および図面から明らかとなろう。
【００１２】
図面は、本発明を実行するために現在企図される実施形態を例示する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態による牽引システムの概略図である。
【図２】本発明の別の実施形態による図１の牽引システムの概略図である。
【図３】本発明の実施形態による別の牽引システムの概略図である。
【図４】本発明の実施形態による別の牽引システムの概略図である。
【図５】本発明の実施形態による別の牽引システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、本発明の実施形態による牽引システム１０の概略図である。牽引システム１０は、１対の接触器またはスイッチ１６、１８を介して双方向ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４に結合可能な第１のＤＣエネルギー源（ＥＳ）１２を含む。ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４は、ＤＣリンクまたはバス２４に結合される別の対の双方向ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ２０、２２に結合される。本明細書ではエネルギー源は、電気エネルギーを貯蔵するデバイス、または非電気エネルギー（例えば化学エネルギー）を電気エネルギーに変換するデバイスを指す。本発明の実施形態によればＤＣエネルギー源１２は、例として燃料電池、ナトリウムメタルハライド電池、ナトリウム塩化ニッケル電池、ナトリウム硫黄電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、ニッケルカドミウム電池、複数のウルトラキャパシタセル、または、ウルトラキャパシタと蓄電池との組み合わせなどの当技術分野で理解されるようなエネルギー貯蔵ユニットであり得る。
【００１５】
各々の双方向ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４、２０、２２は、１つのＤＣ電圧を別のＤＣ電圧に変換するように構成され、インダクタ２６を含み、インダクタ２６は、１対のスイッチ２８、３０に結合され、１対のダイオード３２、３４に結合される。各々のスイッチ２８、３０は、それぞれのダイオード３２、３４に結合され、各々のスイッチ／ダイオード対は、それぞれの半相モジュール３６、３８を形成する。スイッチ２８、３０を、例示目的で絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）として示す。しかしながら、本発明の実施形態はＩＧＢＴに限定されない。例えば金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）、および金属酸化物半導体制御サイリスタ（ＭＣＴ）などの任意の適切な電子スイッチを使用することができる。
【００１６】
第２のＥＳ４０がＤＣリンク２４に結合され、公称ＤＣリンク電圧はＥＳ４０の公称電圧とほぼ等しいことになる。一実施形態ではＥＳ４０は、高電圧エネルギー源であり、蓄電池、フライホイールシステム、燃料電池、ウルトラキャパシタ等であり得る。ＤＣリンク２４に結合されるＤＣリンクフィルタコンデンサ４２は、ＤＣリンク２４に平滑化機能を提供し、ＤＣリンク２４上の高周波電流をフィルタリングする。
【００１７】
双方向電圧修正アセンブリ４４が、ＤＣリンク２４に結合される。一実施形態では双方向電圧修正アセンブリ４４は、双方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータである。双方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータ４４は、対にされて３つの相５８、６０、および６２を形成する、６つの半相モジュール４６、４８、５０、５２、５４、および５６を含む。各々の相５８、６０、６２は、ＤＣリンク２４の１対の導線６４、６６に結合される。電気機械デバイスまたはモータ６８が、双方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータ４４に結合される。一実施形態では電気機械デバイス６８は、車両（図示せず）、またはクレーン、エレベータ、もしくはリフトを含む他の電気装置の、１つまたは複数の、駆動車輪または駆動車軸７０に機械的に結合される牽引モータである。電気機械デバイス６８は、双方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータ４４のそれぞれの相５８、６０、６２に結合される複数の導線７８を有する、複数の巻線７２、７４、および７６を含む。巻線７２〜７６は、一体に結合されて共通または中性のノード８２を形成する複数の導線８０をさらに有する。この電気機械デバイス巻線接続を、一般に「Ｙ字型」接続電気機械デバイスと呼ぶ。代替の電気巻線接続構成（図示せず）は「デルタ」接続であり、各々のそれぞれの相は、２つの相巻線に接続され、ノード８２などの中性のノードを包含しない。
【００１８】
牽引システム１０は、以下で解説するようにモータリングモードおよびチャージングモード中の牽引システム１０の動作を制御するために、電線８６を介して、接触器１６〜１８、昇降圧コンバータ１４および２０〜２２、ならびに半相モジュール４６〜５６に結合されるコントローラ８４を含む。
【００１９】
ＥＳ４０を、例えば車両の加速期間中に電力を提供するために、ＥＳ１２より大きな電力を提供するように構成することができる。ＥＳ１２を、車両の走行距離を増大するためにより長期間持続する電力を車両に提供するために、ＥＳ４０より大きなエネルギーを提供するように構成することができる。本発明の実施形態によれば、ＥＳ１２を、ゼロまたは比較的低い出力電流レベルで、ＤＣリンク２４の公称電圧にほぼ等しい、ＥＳ４０の公称電圧より高いしきい値の電圧にほぼ等しい、またはそのしきい値の範囲内である最大出力電圧に達するように選択することができる。この様式では、昇降圧コンバータ２０〜２２の低電圧側とＤＣリンク２４の電圧との間の電圧昇圧比が、高い昇圧コンバータ効率および全体的なシステム効率を達成する一助になり得る。
【００２０】
コントローラ８４は、ＥＳ１２の電圧を検知または測定するＥＳ電圧センサ８８に、および、ＤＣリンク２４の電圧を検知または測定するＤＣリンク電圧センサ９０に結合される。モータリングモード中コントローラ８４は、ＥＳ１２およびＤＣリンク２４の電圧測定値を取得する。あるいはコントローラ８４は、コントローラ８４が接触器１６および１８を閉成する前に電圧読取値を受信するように、ＥＳ１２内部の内部コントローラ（図示せず）に対する通信リンク／インターフェース（図示せず）を介して、ＥＳ１２の電圧情報を受信することができる。図１に示す構成によって、ＥＳ１２の電圧がＤＣリンク２４上の電圧より高くなることが可能になる。ＥＳ１２の電圧が、ＤＣリンク２４上の電圧より高いならば、さもなければ、ＥＳ１２からＤＣリンク２４への無制御の電流が電圧コンバータ２０または２２によって発生することになるしきい値レベルより高いならば、コントローラ８４は、ＥＳ１２により供給される電圧をしきい値レベルより低い値に低減するために、降圧モードで双方向ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４を制御する。一実施形態では電圧は、ＤＣリンク２４に供給されることが所望される電圧に降圧される。接触器またはスイッチ９４を、ＤＣリンク２４に直接降圧された電圧を供給するために閉成することができる。別の実施形態では電圧は、ＤＣリンク２４に伝達されるときにＤＣリンク２４上の電圧が所望のレベルを有するように降圧され得る。さらに別の実施形態では降圧された電圧は、ＤＣリンク２４に供給するために電圧コンバータ２０または２２のうちの一方または両方によって昇圧され得る。
【００２１】
高電流負荷でのＥＳ１２の動作中、またはコントローラ８４がＥＳ１２の電圧がＤＣリンク２４の電圧より低いことを決定するときはいつでも、電圧コンバータ２０、２２に直接ＥＳ１２からの電圧を供給し、一方で電圧コンバータ１４を通過するＥＳ１２からの電流に起因する電力損失を低減するために電圧コンバータ１４を迂回するために、接触器またはスイッチ９２（存在するならば）をコントローラ８４により閉成することができる。この場合ＥＳ１２の電圧は、ＥＳ１２からＤＣリンク２４への無制御の電流状態を発生させることになるしきい値レベルより低いので、ＥＳ１２からの電圧をＤＣリンク電圧に昇圧することは、制御された状態のままである。
【００２２】
半相モジュール４６〜５６の適切な制御によって、コントローラ８４は、ＤＣリンク２４上のＤＣ電圧または電流を、導線７８を介して巻線７２〜７６に供給するためのＡＣ電圧または電流に変換するために、双方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータ４４を制御するように構成される。したがってＥＳ４０からのＤＣ電圧または電流を、ＤＣリンク２４に伝達し、ＡＣ電圧または電流に変換し、かつ車輪７０を駆動するためにモータ６８に送出することができる。他の非車両推進システムでは駆動車輪７０は、ポンプ、ファン、ウィンチ、クレーン、または他のモータ駆動の負荷を含む別の型の負荷（図示せず）であり得る。回生制動モードでは、オーバーホーリング負荷（ｏｖｅｒｈａｕｌｉｎｇ  ｌｏａｄ）によって車輪７０または電気機械デバイス（図示せず）を制動するように、かつ、ＥＳ４０を再チャージするのに適しているＤＣリンク２４上へのＤＣ電圧または電流への逆変換のために、双方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータ４４にＡＣ電圧または電流を供給するように、電気機械デバイス６８を発電機として動作させることができる。
【００２３】
幻影的に示すように、別のＥＳ９６を、対応する双方向ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ９８を介してＤＣリンク２４に結合することができる。ＥＳ９６を、ＤＣリンク２４に追加的な電力を提供するために、ＥＳ４０をチャージするために、またはＥＳ１２のレベルより高いレベルにＤＣリンク２４の電圧レベルを上げるために使用することができる。ＥＳ９６は例えば、回生制動事象中に生成されるエネルギーを貯蔵可能な再チャージ可能電池またはウルトラキャパシタであり得る。ＥＳ９６の正端子に結合される接触器またはスイッチ１００を、ＥＳ９６からＤＣリンク２４へのエネルギーの伝達を開始するためにコントローラ８４により閉成することができる。別の接触器またはスイッチ（図示せず）を、ＥＳ９６の負端子にさらに結合する場合があることが企図される。単一のＥＳ／電圧コンバータの組み合わせを幻影的に例示するが、本発明の実施形態は、ＤＣリンク２４に結合される複数のＥＳ／電圧コンバータの組み合わせを企図する。あるいは、高い比出力のＥＳ４０なしで単一のＥＳ／電圧コンバータを使用する構成が企図される。この場合ＤＣリンク２４の電圧は、コントローラ８４ならびに関連するＥＳ９６およびＤＣ−ＤＣコンバータ９８、または、ＥＳ１２およびＥＳ９６の制御の組み合わせによって設定されることになる。
【００２４】
牽引システム１０を組み込む車両または装置が、駐車されるとき、または使用されていないとき、ＥＳ４０、およびＥＳ９６などの任意の他の再チャージ可能エネルギー源をリフレッシュすなわち再チャージするために、例えばＡＣ電力会社配電網、ＤＣ供給、太陽光発電システム、または風力タービン等を含む他の再生可能エネルギー源に対して、車両のインターフェースをとる、すなわち車両をプラグ接続することが望ましい場合がある。したがって図１は、再チャージングモード中にＥＳ４０を再チャージし、かつ、モータリングモード中に負荷を駆動するために、または車両を推進するために使用可能なエネルギーにＥＳ４０からのエネルギーを変換するという二重目的で牽引システム１０の構成要素を使用することができるような、ＥＳ４０の再チャージングのために牽引システム１０に結合されるチャージングシステム１０２を含む本発明の実施形態を示す。
【００２５】
チャージングシステム１０２は、接点１０６、１０８を有する牽引システム１０のプラグ１０４を含む。プラグ１０４は、牽引システム１０に取り付けられるチャージングシステム１０２がないときに牽引システム１０からのエネルギーがプラグ１０４から切断されることを可能にする、１対の接触器またはスイッチ１１０、１１２を介して電圧コンバータ１４に結合可能である。接点１１６、１１８を有するコンセントまたはプラグ１１４は、プラグ１０４と対合するように構成される。プラグ１１４はＤＣチャージング源１２０に結合される。電力会社配電網チャージング源に対するインターフェースは、従来の４８０／２０８Ｖ電力供給変圧器（ｓｅｒｖｉｃｅ  ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）とともに、関連する整流器およびフィルタの構成要素、ならびに場合によっては電圧調整のパワーエレクトロニクスの回路網であり得ることが企図される。あるいは電力会社配電網チャージング源に対するインターフェースは、例えば２．４ｋＶ、８ｋＶ、１３．８ｋＶ、またはより高い電圧の「中電圧」である場合があり、このインターフェースは、配電用柱上変圧器を４８０Ｖまたは２０８Ｖの２次的な電力供給変圧器に結び付けることが可能であり、したがって変圧器構成要素のサイズ、重量、およびコストをさらに低減し、一方で高速チャージングのために配電網から電力を伝送する効率を増大する。ＥＳ１２とスイッチ１１０との間に結合される、ダイオード１２２、または接触器１６および１８の代替的に適切な制御を、チャージング源１２０からの電流がＥＳ１２に直接結合されることを防止するために使用することができる。
【００２６】
チャージングモード中、ＥＳ４０を再チャージするためにＤＣリンク２４に対するチャージング源電圧を伝達または変換するために、チャージング源１２０からのエネルギーが電圧コンバータ２０、２２に直接供給されることを可能にするために、スイッチ９２を閉成することができる。存在するならば、スイッチ１００および電圧コンバータ９８を、ＥＳ９６にチャージング電圧を供給するために制御することができる。加えてファン、パワーエレクトロニクスのポンプ等を含む、規定の動作温度範囲内に牽引システム１０の温度を維持するために使用される選択した補助負荷を、動作の再チャージモード中にコントローラ８４により制御することができる。
【００２７】
チャージングモード中、チャージング源電圧がＥＳ４０の最大電圧より高いしきい値電圧より高いとき、スイッチ９２および９４が開放され、チャージ源１２０が、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４で降圧され、次いで存在するならばＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ２０および２２で昇圧される。チャージングモード中、チャージング源電圧がＥＳ４０の最小電圧より低い第２のしきい値電圧レベルより低いとき、コントローラ８４は接触器９２を閉成し、チャージング源１２０の電圧は、ＥＳ４０をチャージするための所望の値に昇圧される。同様に上記の場合の両方に対して、ＥＳ９６を、動作の降圧モードでＤＣ−ＤＣコンバータ９８の制御を提供するコントローラ８４により、チャージング源１２０からチャージすることができる。
【００２８】
図２は、本発明の別の実施形態による牽引システム１２４の概略図を例示する。牽引システム１０および１２４に共通な要素および構成要素を、適宜に同じ参照番号に関して考察する。示す実施形態では、双方向ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４は半相モジュール３６および３８を含むが、図１に示したインダクタ（例えばインダクタ２６）は、追加的なコストおよび重量の節約のために、双方向ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４からなくなっている。
【００２９】
さらにＥＳ１２が、ＥＳ１２自体のダイオードまたはダイオードと同等の機能性を組み込むＤＣエネルギー源であり得ることが企図される。したがって、図１に示したダイオード１２２をなくすことができる。
【００３０】
さらに、図１に示したようなＤＣ−ＡＣインバータ４４およびモータ６８にエネルギーを供給する代わりに、図２では、ＤＣリンク２４からエネルギーを受けるように、またはＤＣリンク２４にエネルギーを供給するようにＤＣリンク２４に結合される任意の型のＤＣ負荷であり得るＤＣ負荷１２６をさらに例示する。ＤＣ負荷１２６を、本明細書で説明する牽引システムのいずれにも結合することができる。
【００３１】
図３は、本発明の別の実施形態による牽引システム１２８の概略図を例示する。牽引システム１０、１２４、および１２８に共通な要素および構成要素を、適宜に同じ参照番号に関して考察する。
【００３２】
図３に示すように、複数の接触器またはスイッチ１３０、１３２、１３４、１３６、１３８が、牽引システム１２８の無制御の動作モードを回避するためにモータリングモード中にコントローラ８４により制御される。一実施形態ではコントローラ８４が、ＤＣリンク２４上の電圧がＥＳ１２の出力電圧より低いことを決定するならば、コントローラ８４は、牽引システム１２８が牽引システム１０に関して上記で説明したものと同様の様式で動作するように、スイッチ１３０〜１３８ならびに電圧コンバータ１４および２０〜２２を制御することができる。すなわちコントローラ８４は、ＥＳ１２からの電圧が、ＤＣリンク２４に供給するために、最初に電圧コンバータ１４によって降圧され、次いで電圧コンバータ２０、２２によって昇圧され得るように、スイッチ１３２〜１３８をそれらのオフ状態に、およびスイッチ１３０をそのオン状態に制御することができる。
【００３３】
本実施形態ではコントローラ８４が、ＤＣリンク２４上の電圧がＥＳ１２の出力電圧より高いことを決定すると、ＥＳ１２からＤＣリンク２４への電圧を昇圧するために、スイッチ１３０および１３８を開放することができ、スイッチ１３２および１３４を閉成することができ、３つの電圧コンバータ１４、２０〜２２の全部または一部を独立に動作させることができる。所望であれば、電圧コンバータ１４、２０〜２２を、ＥＳ１２上のリップル電流を低減するためにインターリーブ型チョッピング機構によって動作させることができる。
【００３４】
別の実施形態ではコントローラ８４が、ＤＣリンク２４上の電圧がＥＳ１２の出力電圧より低いことを決定するならば、ＥＳ１２の出力を低くするために、ＥＳ１２に直接結合可能な、かつＥＳ１２に関係する１つまたは複数の補助負荷１４０に電力供給するためにＥＳ１２からの電圧を使用することができるように、コントローラ８４は最初に、スイッチ１３６、１３８を閉成させることができる。ＥＳ１２から補助負荷（複数可）１４０への電圧の供給が、ＥＳ１２の電圧をＤＣリンク２４の電圧より低い状態に低くするのに十分であるならば、３つの電圧コンバータ１４、２０〜２２の全部または一部を、ＥＳ１２からＤＣリンク２４への電圧を昇圧するために独立に動作させることができるように、スイッチ１３２〜１３４をそれらのオン状態に制御することができ、スイッチ１３０をそのオフ状態に維持することができる。所望であれば、電圧コンバータ１４、２０〜２２を、ＥＳ１２上のリップル電流を低減するためにインターリーブ型チョッピング様式で動作させることができる。
【００３５】
ＥＳ１２に関係する場合もあれば関係しない場合もある、１つまたは複数の追加的な補助負荷１４２を、ＤＣリンク２４に結合することができる。例えば補助負荷１４２は、ヒータおよび空気調和ユニットのようにキャビンの快適性に関係し得るものであり、ラジオ、電子的なダッシュボード制御、照明、ならびにパワーシートおよびパワーウィンドウ等のためのモータ制御のように複数の電子機能を提供することができる。コントローラ８４は、ＤＣリンク２４から補助負荷１４２に供給される電力を、補助負荷１４２にそれぞれ結合される接触器またはスイッチ１４４によって制御することができる。
【００３６】
図３でのＥＳ１２は、チャージングシステム１０２によって再チャージされ得る再チャージ可能エネルギー源であり得る。一実施形態ではコントローラ８４を、チャージングシステム１０２からのチャージングエネルギーがＥＳ１２に直接供給されることを可能にするために、スイッチ１６、１８、１１０、１１２、および１３８を閉成するようにプログラムすることができる。加えて、ＥＳ１２の再チャージングサイクル中にＥＳ１２の調整用に役立つ任意の補助負荷１４０（ファン、パワーエレクトロニクスのポンプ等）に電力を供給するために、スイッチ１３６を閉成することができる。別の実施形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４によるチャージングシステム１０２からのチャージングエネルギーの制御を高めることを可能にするために、スイッチ１３８を開放することができ、スイッチ１６、１８、１１０、１１２、１３０、および１３４を閉成することができる。
【００３７】
あるいはチャージング源１２０が、コントローラ８４からのハンドシェーク制御を用いた適正な電圧調整を伴うＤＣ供給であるならば、ＥＳ１２を、非搭載チャージャ１２０から直接チャージすることができる。同様にチャージング源１２０が高い電力可能出力を有するならば、本構成で示す接触器、ならびにスイッチ１６および１８を開放するようにプログラムされたコントローラ８４の適正な制御によって、高い比出力のＥＳ４０を急速チャージすることができる。さらにＥＳ９６を、ＤＣ−ＤＣコンバータ９８を降圧コントローラとして使用して同時にチャージすることができる。
【００３８】
図４は、本発明の別の実施形態による牽引システム１４６の概略図を例示する。牽引システム１０、１２４、１２８、および１４６に共通な要素および構成要素を、適宜に同じ参照番号に関して考察する。
【００３９】
図４に示すように、双方向ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４は、ＥＳ１２からのエネルギーを降圧するように、かつ、降圧された電圧を、電圧コンバータ１４に結合される動的グリッド抵抗器バンク１４８に供給するように結合される。モータリングモード中にコントローラ８４が、ＥＳ１２の電圧が、ＤＣリンク２４上の電圧より高いということを、さもなければ、ＥＳ１２からＤＣリンク２４への無制御の電流が電圧コンバータ２０または２２によって発生することになるしきい値レベルより高いということを決定するならば、コントローラ８４は、ＥＳ１２により供給される電圧をしきい値レベルより低い値に低減するために、ＥＳ１２からの電圧が動的グリッド抵抗器バンク１４８を通って流れるようにするために、スイッチ１３０およびＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４を制御することができる。回生制動事象中コントローラ８４は、車両またはオーバーホーリング負荷の用途で使用されるとき、高レベルの回生制動中にＤＣリンク２４上の電圧を制御するために、回生エネルギーの少なくとも一部分を動的グリッド抵抗器バンク１４８に供給するために、スイッチ１３０を開放し、スイッチ１３２を閉成し、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４を制御することができる。例えば、ＥＳ１２の電圧レベルがＤＣリンク２４の電圧レベルより高いとき、ＤＣリンク２４上の過剰電圧を、動的グリッド抵抗器バンク１４８を通過するように導くことができる。加えて動的グリッド抵抗器バンク１４８を、コネクタおよびそのケーブル接続を試験すること、またはチャージング源１２０の電力可能出力および品質を測定することを含む、ＥＳ１２およびチャージングシステム１０２などの構成要素の自己試験および診断のために使用することができる。
【００４０】
図５は、本発明の別の実施形態による牽引システム１５０の概略図を例示する。牽引システム１０、１２４、１２８、１４６、および１５０に共通な要素および構成要素を、適宜に同じ参照番号に関して考察する。
【００４１】
図５に示すように、双方向ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４は、ＥＳ１２からのエネルギーを降圧するようには結合されない。しかしながら電圧コンバータ１４は、ＥＳ１２からエネルギーを受けるように、かつ、エネルギーを補助負荷（複数可）１４０に供給するように結合される。一実施形態では、ＥＳ１２の出力電圧が補助負荷（複数可）１４０を動作させるのに十分であるとき、コントローラ８４は、ＥＳ１２からの電圧がコンバータ１４のダイオード３２を通って、かつ補助負荷（複数可）１４０に流れるようにするために、スイッチ１３６を閉成することができる。この場合コントローラ８４は、電圧コンバータ１４を活動的に制御する必要はない。補助負荷（複数可）１４０に提供される電圧は、ＥＳ１２の電圧からダイオード３２の両端間のダイオード電圧降下を減じた値となる。
【００４２】
別の実施形態では、ＥＳ１２の出力電圧が、牽引システム１５０およびＥＳ１２の高電力レベルの動作中などに、補助負荷（複数可）１４０を動作させるのに十分でないとき、コントローラ８４は、望ましい電圧範囲内であるように、または補助負荷（複数可）１４０の効率を向上させるために最適化される電圧であるように、補助負荷（複数可）１４０に供給される電圧を上昇させるために、スイッチ１３６を閉成し、電圧コンバータ１４を昇圧モードで制御することができる。
【００４３】
スイッチ１３２（本実施形態では幻影的に示す）を、含むことができ、回生制動エネルギーから補助負荷（複数可）１４０を動作させるために、スイッチ１３６とともに回生制動事象中に閉成することができる。
【００４４】
開示した装置に関する技術的貢献は、その装置が、車両または駆動装置の、電気貯蔵デバイスまたは電気エネルギー源から負荷の間でエネルギーを伝達するためのコントローラで実装される技法を考慮したものであるということである。
【００４５】
したがって本発明の実施形態によれば、装置は、ＤＣ電圧を出力するように構成される第１のエネルギー源、ＤＣ負荷に結合され、第１のエネルギー源からのＤＣ電圧に基づいてＤＣ負荷にＤＣ負荷電圧を供給するように構成されるＤＣリンク、ＤＣリンクに結合され、ＤＣリンクにＤＣ負荷電圧を供給するように構成される第１のＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ、および、第１のエネルギー源に結合される第２のＤＣ−ＤＣ電圧コンバータを含む。装置は、第１および第２のＤＣ−ＤＣ電圧コンバータに結合され、第１のエネルギー源の電圧レベルを決定するように、ＤＣリンクの電圧レベルを決定するように、かつ、ＤＣリンクの電圧レベルが第１のエネルギー源の電圧レベルより低いならば、第１のエネルギー源から出力され第１のＤＣ−ＤＣ電圧コンバータに供給されるＤＣ電圧を、第１のＤＣ−ＤＣ電圧コンバータを介してＤＣリンクに供給されるＤＣ負荷電圧より低くするように、第１のエネルギー源からエネルギーを取り出すように第２のＤＣ−ＤＣ電圧コンバータを制御するように構成されるコントローラをさらに含む。
【００４６】
本発明の別の実施形態によれば、エネルギー伝達システムを製造する方法は、ＤＣ負荷にＤＣリンクを結合するステップであって、ＤＣリンクがＤＣ負荷にＤＣ負荷電圧を供給するように構成されるステップ、ＤＣリンクに第１のＤＣ−ＤＣ電圧コンバータを結合するステップであって、第１のＤＣ−ＤＣ電圧コンバータがＤＣリンクにＤＣ負荷電圧を供給するように構成されるステップ、および、第１のエネルギー源に第２のＤＣ−ＤＣ電圧コンバータを結合するステップであって、第１のエネルギー源がＤＣ電圧を出力するように構成されるステップを含む。この方法は、第１および第２のＤＣ−ＤＣ電圧コンバータにコントローラを結合するステップ、ならびに、コントローラを、第１のエネルギー源の電圧レベルをＤＣリンクの電圧レベルと比較するように、かつ、第１のエネルギー源の電圧レベルがＤＣリンクの電圧レベルより高いならば、第１のエネルギー源から出力され第１のＤＣ−ＤＣ電圧コンバータに供給されるＤＣ電圧を、ＤＣリンクの電圧レベルより低くするように、第１のエネルギー源からエネルギーを取り出すように第２のＤＣ−ＤＣ電圧コンバータを制御するように構成するステップをさらに含む。
【００４７】
本発明のさらに別の実施形態によれば、システムは、ＤＣリンク、ＤＣリンクに結合され、ＤＣリンクから負荷電圧を受けるように構成される負荷、および、第１のエネルギー源を含む。システムは、第１のエネルギー源に結合される第１の電圧測定デバイス、ＤＣリンクに結合される第２の電圧測定デバイス、第１の入力電圧を第１の変換電圧に変換するように構成される双方向エネルギー源電圧コンバータであって、第１の入力電圧が第１のエネルギー源から供給される双方向エネルギー源電圧コンバータ、および、第２の入力電圧を第２の変換電圧に変換するように、かつ、ＤＣリンクに第２の変換電圧を供給するように構成される双方向ＤＣリンク電圧コンバータであって、第２の変換電圧が負荷電圧を構成する双方向ＤＣリンク電圧コンバータをさらに含む。システムは、第１の電圧測定デバイスから第１のエネルギー源の電圧レベルを受信するように、第２の電圧測定デバイスからＤＣリンクの電圧レベルを受信するように、かつ、第１のエネルギー源の電圧レベルをＤＣリンクの電圧レベルと比較するように構成されるコントローラをさらに含む。コントローラは、ＤＣリンクの電圧レベルが第１のエネルギー源の電圧レベルより低いならば、第２の入力電圧を負荷電圧より低くするように、第１のエネルギー源からエネルギーを取り出すように双方向エネルギー源電圧コンバータを制御するように、かつ、第２の入力電圧を第２の変換電圧に変換し、ＤＣリンクに第２の変換電圧を供給するように双方向ＤＣリンク電圧コンバータを制御するようにさらに構成される。
【００４８】
本発明をわずかな限られた数の実施形態に関して詳細に説明したが、本発明はそのような開示した実施形態に限定されないことを容易に理解されたい。むしろ本発明を、これまで説明していないが、本発明の趣旨および範囲に相応する、任意の数の変形、代替、置換、または同等の配置構成を組み込むように修正することができる。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む場合があることを理解されたい。したがって本発明は、前述の説明により限定されるように理解されるべきではなく、添付の特許請求の範囲の範囲により限定されるにすぎない。
【符号の説明】
【００４９】
１０  牽引システム
１２  第１のＤＣエネルギー源（ＥＳ）、ＤＣエネルギー源、ＥＳ
１４  双方向ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ、昇降圧コンバータ、電圧コンバータ、ＤＣ−ＤＣコンバータ、コンバータ
１６、１８  接触器、スイッチ
２０、２２  双方向ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ、昇降圧コンバータ、電圧コンバータ、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ
２４  ＤＣリンク、バス
２６  インダクタ
２８、３０  スイッチ
３２、３４  ダイオード
３６、３８  半相モジュール
４０  第２のＥＳ、ＥＳ
４２  ＤＣリンクフィルタコンデンサ
４４  双方向電圧修正アセンブリ、双方向ＤＣ−ＡＣ電圧インバータ、ＤＣ−ＡＣインバータ
４６、４８、５０、５２、５４、５６  半相モジュール
５８、６０、６２  相
６４、６６  導線
６８  電気機械デバイス、モータ
７０  駆動車輪、駆動車軸、車輪
７２、７４、７６  巻線
７８、８０  導線
８２  ノード
８４  コントローラ
８６  電線
８８  ＥＳ電圧センサ
９０  ＤＣリンク電圧センサ
９２、９４  接触器、スイッチ
９６  ＥＳ
９８  双方向ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ、ＤＣ−ＤＣコンバータ、電圧コンバータ
１００  接触器、スイッチ
１０２  チャージングシステム
１０４  プラグ
１０６、１０８  接点
１１０、１１２  接触器、スイッチ
１１４  コンセント、プラグ
１１６、１１８  接点
１２０  ＤＣチャージング源、チャージング源、チャージ源、非搭載チャージャ
１２２  ダイオード
１２４  牽引システム
１２６  ＤＣ負荷
１２８  牽引システム
１３０、１３２、１３４、１３６、１３８  接触器、スイッチ
１４０、１４２  補助負荷
１４４  接触器、スイッチ
１４６  牽引システム
１４８  動的グリッド抵抗器バンク
１５０  牽引システム
【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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