(57)【要約】  誘導巻線３を有するＤＣ電気モータ２の形態の誘導負荷用のコントローラ１。コントローラ１は、第１の期間、バッテリバンク８の形態の第１のエネルギソースからＤＣ負荷電流７を引き込む端子５及び端子６によって構成される第１の入力を含む。端子５及び端子６は、第２の期間、第１のＤＣ充電電流９をバッテリ８に供給する。端子１１及び端子１２によって構成される第２の入力は、第２の期間、ＤＣ電源１５の形態である第２のエネルギソースから第２のＤＣ充電電流１３を引き込む。制御モジュール２０は、制御ライン２１〜２５に沿って制御信号を発行する。第１の駆動回路３１及び第２の駆動回路３２は、それぞれ、第１の期間及び第２の期間、第１の状態及び第２の状態で動作し、第１の状態では、回路３１、３２が端子５、６に接続され、制御信号に応答して負荷電流７を受け取り、巻線３を選択的に通電してモータ２にトルクを発生させる。第２の状態では、回路３２は、端子５から切断され、回路３１及び回路３２は、制御信号に応答し、回路３２は、端子１１に接続でき、電流１３に応答して、通電電流３５を巻線３に選択的に導き、回路３１は、電流３５に応答して電流９を生成できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つ以上の誘導巻線を有する誘導負荷のためのコントローラであって、
第１の期間中に第１のエネルギソースからＤＣ負荷電流を引き込み、第２の期間中に第１のＤＣ充電電流を前記第１のエネルギソースに供給する第１の入力と、
前記第２の期間中に第２のエネルギソースから第２のＤＣ充電電流を引き込む第２の入力と、
制御信号を発行する制御モジュールと、
第１の期間及び第２の期間、第１の状態及び第２の状態で動作する第１の駆動回路及び第２の駆動回路とを備え、前記第１の状態において、前記駆動回路は、前記第１の入力に接続され、前記制御信号に応答して負荷電流を受け取り、１つ以上の巻線のうちの少なくとも１つを選択的に通電し、前記第２の状態において、前記第２の駆動回路は、前記第１の入力から切り離され、前記第１の及び第２の駆動回路は、前記制御信号に応答して、
（ａ）前記第２の駆動回路は、前記第２の入力に接続し、前記第２の充電電流に応答して、前記１つ以上の巻線のうちの少なくとも１つに通電電流を選択的に流し、
（ｂ）前記第１の駆動回路は、前記通電電流に応答して、前記第１のＤＣ充電電流を生成するコントローラ。
【請求項２】
前記第１の駆動回路及び前記第２の駆動回路は、それぞれ電力レールを含み、前記コントローラは、前記駆動回路内の前記電力レールを選択的に互いに接続し及び互いから切断するためのスイッチングデバイスを含む、請求項１に記載のコントローラ。
【請求項３】
前記第１の駆動回路及び前記第２の駆動回路は、同様の電力レールの対を含み、前記スイッチングデバイスは、前記駆動回路内の同様の電力レールを選択的に互いに接続し及び互いから切断する、請求項２に記載のコントローラ。
【請求項４】
前記同様の電力レールの各対は、正の電力レールと負の電力レールとを含み、前記スイッチングデバイスは、１つの駆動回路の少なくとも１つの正の電力レールを、別の駆動回路の別の正の電力レールとの間で選択的に接続及び切断するように応答する、請求項３に記載のコントローラ。
【請求項５】
前記スイッチングデバイスは、１つ以上のスイッチを含み、前記スイッチ又は各スイッチは、少なくとも２つの状態を有し、前記制御信号に応答して、前記スイッチ又は各スイッチの状態を選択的に切り換える、請求項２から４のいずれかに記載のコントローラ。
【請求項６】
前記スイッチングデバイスは、前記制御信号に応答して、前記電力レールを選択的に接続及び切断する、請求項２から５のいずれかに記載のコントローラ。
【請求項７】
前記スイッチングデバイスは、前記制御信号に応答して、前記第１の入力に対して１又は複数の電力レールを選択的に接続及び切断し、及び前記第２の入力に対して前記電力レールのうちの少なくとも１つを接続又は切断する、請求項２又は６に記載のコントローラ。
【請求項８】
更なるエネルギソースに接続するための第３の入力と、前記第２のＤＣ充電電流を前記第２の入力に供給するための出力とを含む入力回路を更に備える、請求項１から７のいずれかに記載のコントローラ。
【請求項９】
前記更なるエネルギソースは、ＡＣ電源であり、前記入力回路は、整流器を含む、請求項８に記載のコントローラ。
【請求項１０】
各駆動回路は、前記制御信号に応答して、前記１つ以上の巻線のうちの少なくとも１つを選択的に通電する一組のスイッチを含む、請求項１から９のいずれかに記載のコントローラ。
【請求項１１】
前記１つ以上の駆動回路のうちの少なくとも１つは、前記巻線の少なくとも１つを前記電力レールの少なくとも１つに選択的に接続する、請求項２に記載のコントローラ。
【請求項１２】
前記誘導負荷は、少なくとも部分的に、電気モータを含む、請求項１から１１のいずれかに記載のコントローラ。
【請求項１３】
前記電気モータは、複数の相互接続された巻線を有する、請求項１２に記載のコントローラ。
【請求項１４】
前記電気モータは、電気自動車の走行用モータである、請求項１２又は１３に記載のコントローラ。
【請求項１５】
前記誘導負荷は、３つの巻線を有する電気モータであり、前記コントローラは、第３の駆動回路を含み、前記第２の状態では、前記第１、第２及び第３の駆動回路の少なくとも１つが、１又は複数の他の駆動回路から切り離される、請求項１から１４のいずれかに記載のコントローラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導負荷用のコントローラに関し、特に、１つ以上の誘導巻線を有する誘導負荷用のコントローラに関する。
【０００２】
本発明は、主にプラグイン電気自動車での使用のために開発されたものであり、以下では、その用途を参照して説明する。但し、本発明は、これらの特定の使用分野に限定されず、自家用又は社用のプラグインハイブリッド電気自動車等、他の車両用途にも適用可能である。また、本発明は、ポンプ、コンプレッサ、及び様々な分野における電気モータ又は誘導負荷の他の多くの用途等、車両以外の用途にも適用可能である。
【背景技術】
【０００３】
本明細書の背景技術の説明は、記述される技術が広く知られており、又は当分野における一般的な知識の一部を形成することを認めるものではない。
【０００４】
電気自動車は、何十年も前から利用されており、車両の動力駆動のために１つ以上の電気モータを使用している。近年、この形態の車両は、自家用車及び社用車として実用化されつつある。電気自動車は、内燃機関（internal combustion engine：ＩＣＥ）及びハイブリッドＩＣＥ／電気モータを使用する車両に比べて多くの利点がある。しかしながら、電気自動車は、ＩＣＥを搭載した車両の再給油時間に比べて、再充電が必要になるまでの時間が比較的短く、充電時間、特にフル充電に要する時間が長いといった主な欠点がある。
【０００５】
電気自動車の販売と使用を促進するために、少なくとも１社の電気自動車製造業者が、様々な国の様々な場所に専用急速充電ステーションを専用に設けようと努力している。しかしながら、これは非常に高価なインフラストラクチャベースのソリューションであり、現実的な普及には、かなりの時間が必要である。
【０００６】
電気自動車の再充電時間を短縮するために専用充電スタンド及びその他のインフラストラクチャが必要とされる理由の一部は、このような車両に設けられている再充電回路が比較的低い電力レベルにしか対応できないために生じている。車両に搭載される回路を低電力回路にする一つの理由は、車両の製造コストを低減することである。更に、車両の重量及びサイズを低減することも他の動機である。高電力部品は、これらの部品を許容可能な動作温度範囲内に保つ必要性もあり、かなりのスペースが必要であり、重量も重くなるため、車両の性能が低下し、適合範囲が縮小する。これに加えて、再充電部品の重量は、車両が静止していて、作動していないときにのみ使用されるため、走行中の自重とみなされる。
【０００７】
この問題に対して提案されている１つの部分的な解決策は、電気自動車に電力変換デバイス、すなわち、電気モータの駆動回路及び車載バッテリ用の充電回路を含ませることである。このような電力変換デバイスの一例は、中国実用新案公報ＣＮ２０３７０８１２７に開示されており、ここでは、スイッチトリラクタンスモータ（switched reluctance motor）の３つのモータ巻線の全てを使用してＡＣ電源からバッテリを充電する。しかしながら、この先行技術の構成は、動作及び用途が限定的である。例えば、この構成は、充電のためのＡＣ入力及びスイッチトリラクタンスモータに限定される。更に、複数のモータを使用する場合、複数のバージョンの変換デバイスを使用する必要があるため、スケールメリットが得られない。
【０００８】
したがって、当分野では、１又は複数の誘導巻線を有する誘導負荷用の改良されたコントローラ及びこの負荷用のコントローラが必要とされている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、従来技術の欠点の少なくとも１つを克服又は改善し、又は有用な代替物を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の側面では、１つ以上の誘導巻線を有する誘導負荷のためのコントローラが提供され、コントローラは、
第１の期間中に第１のエネルギソースからＤＣ負荷電流を引き込み、第２の期間中に第１のＤＣ充電電流を第１のエネルギソースに供給する第１の入力と、
第２の期間中に第２のエネルギソースから第２のＤＣ充電電流を引き込む第２の入力と、
制御信号を発行する制御モジュールと、
第１の期間及び第２の期間、第１の状態及び第２の状態で動作する第１の駆動回路及び第２の駆動回路とを備え、第１の状態において、駆動回路は、第１の入力に接続され、制御信号に応答して負荷電流を受け取り、１つ以上の巻線のうちの少なくとも１つを選択的に通電し、第２の状態において、第２の駆動回路は、第１の入力から切り離され、第１の及び第２の駆動回路は、制御信号に応答して、
（ａ）第２の駆動回路は、第２の入力に接続し、第２の充電電流に応答して、１つ以上の巻線のうちの少なくとも１つに通電電流を選択的に流し、
（ｂ）第１の駆動回路は、通電電流に応答して、第１のＤＣ充電電流を生成する。
【００１１】
一実施形態において、第１の駆動回路及び第２の駆動回路は、それぞれ電力レールを含み、コントローラは、駆動回路内の電力レールを選択的に互いに接続し及び互いから切断するためのスイッチングデバイスを含む。
【００１２】
一実施形態において、第１の駆動回路及び第２の駆動回路は、同様の電力レールの対を含み、スイッチングデバイスは、駆動回路内の同様の電力レールを選択的に互いに接続し及び互いから切断する。
【００１３】
一実施形態において、同様の電力レールの各対は、正の電力レールと負の電力レールとを含む。
【００１４】
一実施形態において、スイッチングデバイスは、１つ以上のスイッチを含み、スイッチ又は各スイッチは、少なくとも２つの状態を有し、制御信号に応答して、スイッチ又は各スイッチの状態を選択的に切り換える。
【００１５】
一実施形態において、スイッチングデバイスは、制御信号に応答して、電力レールを選択的に接続及び切断する。
【００１６】
一実施形態において、スイッチングデバイスは、制御信号に応答して、第１の入力に対して１又は複数の電力レールを選択的に接続及び切断する。
【００１７】
一実施形態において、コントローラは、更なるエネルギソースに接続するための第３の入力と、第２のＤＣ充電電流を第２の入力に供給するための出力とを含む入力回路を更に備える。
【００１８】
一実施形態において、入力回路は、フィルタを含む。
【００１９】
一実施形態では、外部エネルギソースは、ＡＣ電源であり、入力回路は、整流器を含む。
【００２０】
一実施形態では、入力回路は、インバータを含み、制御信号に応答して、第２の入力からＤＣ電流を引き込み、第３の入力を介して、外部電源にＡＣ電流を供給する。
【００２１】
一実施形態では、第１の駆動回路は、供給レールの対内の供給レールの少なくとも１つと、１つ以上の巻線のうちの少なくとも１つとの間に電流経路を選択的に提供する。
【００２２】
一実施形態では、第１の駆動回路は、整流回路を含む。
【００２３】
一実施形態では、整流回路は、少なくとも１つのハーフブリッジ整流器を含む。
【００２４】
一実施形態では、整流回路は、少なくとも１つの非対称整流器を含む。
【００２５】
一実施形態では、第２の駆動回路は、供給レールの対内の供給レールの少なくとも１つと、１つ以上の巻線の少なくとも１つとの間に電流経路を選択的に提供する。
【００２６】
一実施形態では、第２の駆動回路は、整流回路を含む。
【００２７】
一実施形態では、整流回路は、少なくとも１つのハーフブリッジ整流器を含む。
【００２８】
本発明の第２の側面では、１つ以上の誘導巻線を有する誘導負荷のためのコントローラが提供され、コントローラは、
第１の期間中に第１のエネルギソースからＤＣ負荷電流を引き込み、第２の期間中に第１のＤＣ充電電流を第１のエネルギソースに供給する第１の入力と、
第２の期間中に第２のエネルギソースから第２のＤＣ充電電流を引き込む第２の入力と、
第１の期間及び第２の期間、第１の状態及び第２の状態で動作する第１の駆動回路及び第２の駆動回路とを備え、第１の状態において、駆動回路は、第１の入力に接続され、負荷電流を受け取り、１つ以上の巻線のうちの少なくとも１つを選択的に通電し、第２の状態において、第２の駆動回路は、第１の入力から切り離され、
（ａ）第２の駆動回路は、第２の入力に接続し、第２の充電電流に応答して、１つ以上の巻線のうちの少なくとも１つに通電電流を選択的に流し、
（ｂ）第１の駆動回路は、通電電流に応答して、第１のＤＣ充電電流を生成する。
【００２９】
本発明の第３の側面では、１つ以上の誘導巻線を有する誘導負荷のためのコントローラが提供され、コントローラは、
駆動回路によってＤＣ電流が選択的に引き出され、１つ以上の巻線のうちの少なくとも１つを通電する電力レールを含む少なくとも２つの駆動回路と、
第１の状態及び第２の状態で動作するスイッチングデバイスとを備え、第１の状態において、スイッチングデバイスは、電力レールを共通のＤＣエネルギソースに接続し、第２の状態において、スイッチングデバイスは、少なくとも１つの電力レールを少なくとも１つの他の電力レールから分離し、電力レールのうちの少なくとも１つを更なるＤＣエネルギソースに接続する。
【００３０】
一実施形態において、誘導負荷は、電動モータであり、第１の状態において、ＤＣ電流は、電力レールによって引き出され、１つ以上の巻線を通電してモータを駆動するＤＣ負荷電流である。
【００３１】
一実施形態では、電気モータは、単一の電機子巻線を有するＤＣモータである。
【００３２】
一実施形態では、電気モータは、複数の巻線を有する。
【００３３】
一実施形態では、電気モータは、複数の相互接続された巻線を有する。
【００３４】
一実施形態では、第２の状態において、少なくとも１つの電力レールによって引き出されるＤＣ電流は、１つ以上の巻線の少なくとも１つを介して少なくとも部分的に誘導される更なるＤＣエネルギソースからのＤＣ充電電流である。
【００３５】
一実施形態では、コントローラは、制御信号を提供するための制御モジュールを含み、スイッチングデバイスは、制御信号に応答して、第１の状態又は第２の状態で動作する。
【００３６】
一実施形態では、駆動回路は、制御信号に応答して、１つ以上の巻線のうちの少なくとも１つを選択的に通電する。
【００３７】
一実施形態では、各駆動回路は、制御信号に応答して、１つ以上の巻線のうちの少なくとも１つを選択的に通電する一組のスイッチを含む。
【００３８】
一実施形態では、スイッチの組は、それぞれハーフブリッジ整流器を構成する。
【００３９】
一実施形態では、誘導負荷は、３つの巻線と３つの駆動回路を含み、第２の状態では、２つの電力レールが接続されたままである。
【００４０】
一実施形態では、コントローラは、３つの誘導巻線と３つの駆動回路を含み、第２の状態では、全ての電力レールが互いに切り離される。
【００４１】
一実施形態では、コントローラは、複数の巻線と、それぞれの電力レールを有する複数の駆動回路とを含み、第２の状態において、一方の駆動回路用の電力レールの少なくとも１つは、他方の駆動回路の他方の電力レールから電気的に切り離されている。
【００４２】
本発明の第４の側面では、複数の相互接続された誘導巻線を含む電気機械のコントローラが提供され、コントローラは、
相互接続された巻線を選択的かつ集合的に通電する電流を流す電力レールをそれぞれ有する複数の駆動回路と、
第１の状態及び第２の状態で動作するためのスイッチングデバイスとを備え、第１の状態において、スイッチングデバイスは、電力レールを共通のＤＣエネルギソース及び／又はシンクに接続し、第２の状態において、スイッチングデバイスは、電力レールの少なくとも１つを、他の少なくとも１つの電力レールから切り離し、電力レールの少なくとも１つを更なるエネルギソース及び／又はシンクに接続する。
【００４３】
一実施形態では、更なるエネルギソース及び／又はシンクは、ＤＣエネルギソース及び／又はシンク、及びＡＣエネルギソース及び／又はシンクを含む。
【００４４】
本発明の第５の側面では、１つ以上の誘導巻線を有する誘導負荷を制御するための方法を提供し、この方法は、
第１の入力において、第１の期間、第１のエネルギソースからＤＣ負荷電流を引き込み、第２の期間、第１のＤＣ充電電流を第１のエネルギソースに供給するステップと、
第２の入力において、第２の期間、第２のエネルギソースから第２のＤＣ充電電流を引き込むステップと、
制御モジュールから制御信号を発行するステップと、
第１の期間及び第２の期間、第１の状態及び第２の状態で動作する第１の駆動回路と第２の駆動回路を準備するステップとを有し、第１の状態において、駆動回路は、第１の入力に接続され、制御信号に応答し、負荷電流を受け取り、１つ以上の巻線のうちの少なくとも１つを選択的に通電し、第２の状態において、第２の駆動回路は、第１の入力から切り離され、第１の及び第２の駆動回路は、制御信号に応答して、
（ａ）第２の駆動回路は、第２の入力に接続し、第２の充電電流に応答して、１つ以上の巻線のうちの少なくとも１つに通電電流を選択的に流し、
（ｂ）第１の駆動回路は、通電電流に応答して、第１のＤＣ充電電流を生成する。
【００４５】
本発明の第６の側面では、１つ以上の誘導巻線を有する誘導負荷を制御するための方法を提供し、この方法は、
第１の入力において、第１の期間、第１のエネルギソースからＤＣ負荷電流を引き込み、第２の期間、第１のＤＣ充電電流を第１のエネルギソースに供給するステップと、
第２の入力において、第２の期間、第２のエネルギソースから第２のＤＣ充電電流を引き込むステップと、
第１の期間及び第２の期間、第１の状態及び第２の状態で動作する第１の駆動回路と第２の駆動回路を準備するステップとを有し、第１の状態において、駆動回路は、第１の入力に接続され、負荷電流を受け取り、１つ以上の巻線のうちの少なくとも１つを選択的に通電し、第２の状態において、第２の駆動回路は、第１の入力から切り離され、
（ａ）第２の駆動回路は、第２の入力に接続し、第２の充電電流に応答して、１つ以上の巻線のうちの少なくとも１つに通電電流を選択的に流し、
（ｂ）第１の駆動回路は、通電電流に応答して、第１のＤＣ充電電流を生成する。
【００４６】
本発明の第７の側面では、１つ以上の誘導巻線を有する誘導負荷を制御するための方法を提供し、この方法は、
各駆動回路によってＤＣ電流が選択的に引き出され、１つ以上の巻線のうちの少なくとも１つを通電する電力レールを含む少なくとも２つの駆動回路を準備するステップと、
スイッチングデバイスを第１の状態及び第２の状態で動作させるステップとを有し、第１の状態において、スイッチングデバイスは、電力レールを共通のＤＣエネルギソースに接続し、第２の状態において、スイッチングデバイスは、少なくとも１つの電力レールを少なくとも１つの他の電力レールから分離し、電力レールのうちの少なくとも１つを更なるＤＣエネルギソースに接続する。
【００４７】
本発明の第８の側面では、複数の相互接続された誘導巻線を有する誘導負荷を制御する方法が提供され、方法は、
電流が引き出され、相互接続された巻線を選択的かつ集合的に通電する電力レールをそれぞれ有する複数の駆動回路を準備するステップと、
スイッチングデバイスを第１の状態及び第２の状態で動作させるステップとを有し、第１の状態において、スイッチングデバイスは、電力レールを共通のＤＣエネルギソースに接続し、第２の状態において、スイッチングデバイスは、少なくとも１つの電力レールを少なくとも１つの他の電力レールから分離し、電力レールのうちの少なくとも１つを更なるエネルギソースに接続する。
【００４８】
本明細書を通じて、「一実施形態」、「幾つかの実施形態」、「実施形態」、「構成」、「１つの構成」等の表現は、実施形態又は構成に関連して記載される特定の特徴、構造又は特徴が本発明の少なくとも１つの実施形態又は構成に含まれることを意味する。したがって、本明細書の様々な箇所で使用する「一実施形態では」、「幾つかの実施形態では」、「ある実施形態では」、「１つの構成では」、「ある構成では」という表現は、同じ実施形態又は構成を意味する場合もあるが、必ずしも全てが同じ実施形態又は構成に言及するものではない。また、本開示から当業者に明らかなように、更に、特定の特徴、構造又は特性は、１又は複数の実施形態又は構成において、任意の適切な手法で組み合わせることができる。
【００４９】
また、本明細書中で使用する共通の対象を記述する「第１の」、「第２の」、「第３の」等の序数の使用は、単に、一群の対象の個別の例に言及しているのみであり、このように記述された対象が、時間、空間、ランク、重要度、又は他の何らかの基準で所与の順序でなければならないことを意味するものではない。
【００５０】
また、特段の定義がない限り、本明細書で使用する全ての技術用語及び科学用語は、本発明が属する分野の当業者によって一般的に理解されるものと同じ意味を有する。本明細書では、冠詞「ａ」及び「ａｎ」は、文脈上、別の解釈が要求されない限り、文法的に冠詞に続く名詞が１又は複数（すなわち、少なくとも１つ）であることを意味する。例えば、「ある要素」は、通常、１つの要素又は２つ以上の要素を指す。本明細書で使用する用語「例示的」は、質を示すものではなく、例を提供する意味で使用される。すなわち、「例示的な実施形態」は、一例として提供される実施形態であり、必ずしも模範的な質の実施形態を意味しない。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】単一の誘導巻線を有するＤＣモータ用のコントローラの電気回路図である。
【図２】Ｙ結線構成を有し、外部ＰＶアレイからＤＣ電力を受け取るように構成されている、３相インダクタンスモータ用のコントローラの電気回路図である。
【図３】外部電力グリッドから３相電力を受け取るように構成された電気自動車に使用するための図２と同様のコントローラの概略図である。
【図４】外部電力グリッドから単相電力を受け取るように構成された図３のコントローラと同様のコントローラの電気回路図である。
【図５】電力グリッドから単相電力を受け取るための別の構成を示す、図４のコントローラと同様のコントローラの電気回路図である。
【図６】外部電力グリッドから３相電力を受け取るように構成され、絶縁ゲートバイポーラトランジスタを含む３つの駆動回路を有する、電気自動車に使用されるコントローラの電気回路図である。
【図７】第２の状態及び降圧モードで動作する電気自動車に使用するための別のコントローラの電気回路図である。
【図８】第２の状態で動作する際、図７のコントローラが行うステップのフローチャートである。
【図９】第２の状態及び昇圧モードで動作する図７のコントローラの電気回路図である。
【図１０】第２の状態及び昇降圧モードで動作する図７のコントローラの電気回路図である。
【図１１】双方向整流器／インバータを使用する図６のコントローラと同様のコントローラの回路図である。
【図１２】ウルトラキャパシタ（又はスーパーキャパシタ）の複数のバンクを使用するコントローラについて、１つのバンクのみを示す回路図である。
【図１３】ウルトラキャパシタの複数のバンクを使用する更なるコントローラの回路図である。
【図１４】スイッチトリラクタンスモータ又は個別に制御される巻線を有するモータの形態の誘導負荷用の別のコントローラの回路図である。
【図１５】複数の電気モータを含む誘導負荷用の更なるコントローラの回路図である。
【図１６】図１５と同様であり、互い違いの接続を有する更なるコントローラの回路図である。
【図１７】複数の電気モータを含む誘導負荷用の更なるコントローラの概略図である。
【図１８】Ｙ結線構成で示されている３つの巻線を有する３相モータの形態の誘導負荷に接続された、双方向能力を有する能動整流器のための別のコントローラの回路図である。
【図１９】磁気エネルギ回生スイッチ（ＭＥＲＳ）システムとして動作できる別のコントローラの回路図である。
【図２０】無線電力伝送を使用する本発明の更なる実施形態の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
本明細書では、１つ以上の誘導巻線を有する誘導負荷用のコントローラを開示する。
【００５３】
図１は、誘導巻線３を有するＤＣ電気モータ２の形態の誘導負荷用のコントローラ１を示している。コントローラ１は、第１の期間、バッテリバンク８の形態の第１のエネルギソースからＤＣ負荷電流７を引き込む端子５及び端子６によって構成される第１の入力を有する。端子５及び端子６は、第２の期間、第１のＤＣ充電電流９をバッテリ８に供給する。この第２の期間では、端子１１及び端子１２によって構成される第２の入力が、ＤＣ電源１５の形態の第２のエネルギソースから供給される第２のＤＣ充電電流１３を引き込む。制御モジュール２０は、制御ライン２１〜２５に沿って制御信号を発行し、これらは、図１では全て破線で示している。鎖線で囲んで示す第１の駆動回路３１及び第２の駆動回路３２は、いずれも、第１の期間及び第２の期間、それぞれ第１の状態及び第２の状態で動作し、第１の状態では、回路３１及び回路３２が、制御信号に応答して、端子５及び端子６に接続され、負荷電流７を受け取り、巻線３を選択的に通電して、モータ２にトルクを発生させる。第２の状態では、回路３２は、端子５から切り離され、回路３１及び回路３２は、制御信号に応答して次のような動作を行う。すなわち、回路３２は、端子１１に接続し、電流１３に応答して、巻線３に通電電流３５を選択的に供給し、回路３１は、電流３５に応答して電流９を生成できる。
【００５４】
回路３１は、正の電力レール４１及び負の電力レール４２とを含み、回路３２は、正の電力レール４３及び負の電力レール４４を含む。駆動回路３１、３２は、それぞれ一組のスイッチを含み、これらは、この実施例では、それぞれが還流ダイオード（freewheeling diode：ＦＷＤ）を備えた２つのＭＯＳＦＥＴによって例示されている。他の実施形態では、駆動回路３１は、１又は複数のタイプの１又は複数のスイッチを含む他の構成のスイッチの組を有していてもよい。これらのスイッチは、単方向、双方向、又は多方向のスイッチであってもよく、以下に限定されるわけではないが、トランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、ＨＥＭＴ、ＨＦＥＴ、ＭＯＤＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ダーリントン対、ダイオード、フォトダイオード、サイリスタ、接触器、継電器、又はこれらに類する他の既存のデバイス又は将来のデバイスを含む電気的、機械的又は電気機械的デバイスによって実現される。スイッチの組の構成は、以下に限定されるわけではないが、ハーフブリッジ、フルブリッジ、Ｈブリッジ、非対称ブリッジ、又は直列及び／又は並列の任意の構成の１又は複数のスイッチを含むことができる。コントローラ１は、単極単投スイッチ４８の形態の双方向スイッチングデバイスを含み、電力レール４１及び電力レール４３を選択的に互いに接続及び互いから切断する。スイッチ４８は、この実施形態では、還流ボディダイオードを有し、共通エミッタを有する直列の２つのＩＧＢＴによって実現されている。なお、他の実施形態では、バックツーバックＭＯＳＦＥＴ、継電器、接触器、機械式スイッチ、又は本明細書に記載されているデバイスを含むこれらに類する他のデバイス等、別の形態の単方向スイッチ又は多方向スイッチが使用される。
【００５５】
この実施形態では、負の電力レール４２、４４は、接続されたままであり、常に共有される。なお、他の実施形態では、スイッチ４８と同様に、電力レール４２と電力レール４４との間に別のスイッチを設け、電力レール４２及び電力レール４４を互いに選択的に接続及び切断してもよい。他の実施形態では、スイッチ４８を省略し、電力レール４２と電力レール４４との間の別のスイッチのみが使用される。更なる実施形態では、レール４１、４３の間及びレール４２、４４の間に追加のスイッチを設け、更に選択的な接続及び切断を提供する。したがって、スイッチングデバイスは、異なる実施形態では、同様の電力レールを選択的に接続及び絶縁するための少なくとも１つのスイッチを含む。より具体的には、スイッチは、それぞれ少なくとも２つの状態を有し、制御信号に応答して、状態を選択的に変化させる。制御信号に応答する状態の変化は、電力レールを選択的に接続及び切断する効果を有する。更に、スイッチングデバイスは、どのような形態であっても、制御信号に応答して、端子５及び端子６の一方又は両方に対して電力レールの少なくとも１つを選択的に接続及び切断し、端子１１及び端子１２の一方又は両方に対して他の電力レールのうちの少なくとも１つを選択的に接続及び切断する。
【００５６】
図１の実施形態では、スイッチ４８が開状態（図示の状態）であるとき、レール４３は、レール４１及び端子５から分離又は絶縁される。物理的には、レール４４は、レール４２に接続されたままであるが、駆動回路３２は、回路３１から機能的に切り離され、これらの回路が異なる機能を果たすことを可能にする。この機能の切り離しは、２つの駆動回路内の同様の電力レールの一方又は両方を切断することによって実現できる。
【００５７】
回路３１は、（それぞれスイッチを構成する）直列に接続された２つのＭＯＳＦＥＴ５１及びＭＯＳＦＥＴ５２を含み、これらは、レール４１とレール４２との間に設けられ、制御モジュール２０から制御ライン２４、２５を介してそれぞれの制御信号を受信し、巻線３の第１の端部５３とレール４１及びレール４２との間の電流経路を選択的に確立する。同様に、回路３２は、（それぞれスイッチを構成する）直列に接続された２つのＭＯＳＦＥＴ５５及びＭＯＳＦＥＴ５６を含み、これらは、レール４３とレール４４との間に設けられ、制御モジュール２０から制御ライン２１、２２を介してそれぞれの制御信号を受信し、巻線３の第２の端部５７とレール４３及び４４との間の電流経路を選択的に確立する。この構成により、及びモジュール２０によって生成される制御信号によって、任意の方向で巻線３に電流を流してモータ２を駆動でき、又は電流３５から電流９を発生させることができる。
【００５８】
駆動回路３１及び駆動回路３２は、それぞれハーフブリッジ整流器を含むことは、当業者にとって明らかである。すなわち、ＭＯＳＦＥＴ５１、５２、５５、５６は、モジュール２０によって生成される関連する制御信号に応答して、スイッチとしても動作する（但し、それぞれのボディダイオードによって提供される機能が追加されている）。他の実施形態では、１又は複数のＭＯＳＦＥＴの代わりに、異なる組の構成及びタイプのスイッチを使用できる。代替となるスイッチの例は、他の能動又は受動電子部品、又は能動及び受動電子部品の組み合わせを含む。幾つかの実施形態では、スイッチの全体又は一部は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（insulated gate bipolar transistor：ＩＧＢＴ）、バイポーラ接合トランジスタ（bipolar junction transistor：ＢＪＴ）又はダーリントン対等によって実現される。更なる実施形態は、電気接触器及び／又は機械接触器及び／又はこれらに類する他のデバイスを使用する。
【００５９】
モジュール２０は、マイクロプロセッサと、メモリ、インタフェースカード、通信ポート等の関連するハードウェアとを含む。マイクロプロセッサは、広範囲の電圧及び電流入力、及びメモリ内に含まれる動作を実行するためのソフトウェアコードに応答して制御信号を生成し、この制御信号をライン２１〜２５に供給し、スイッチ４８及びＭＯＳＦＥＴ５１、５２、５５、５６の状態を制御して、上述の機能を実現できる。この実施形態では、モジュール２０は、コントローラ１の動作専用である。なお、他の実施形態では、モータ２は、電気自動車に動力を提供するためのものであり、モジュール２０は、電気自動車用の制御システムであり、コントローラ１に直接関係する機能に加えて、電気自動車の機能を制御する。更なる実施形態では、モータ２は、空調ユニットの圧縮機を駆動する単相ＡＣモータであり、モジュール２０は、建物の電力管理システムの制御システムであり、コントローラ１に直接関係する機能に加えて、電力管理システムの機能を制御する。
【００６０】
更なる実施形態では、モータ２は、地下水汲み上げポンプ（図示せず）の一部であり、モジュール２０は、太陽電池パネルのアレイと、取り付けられたバッテリと、モータ２との間の電力管理を制御するための制御システムである。更なる実施形態では、誘導負荷は、１又は複数の暖房要素であり、モジュール２０は、経済的に効果的な暖房動作を提供するための様々な入力に応答する。この動作は、暖房要件を維持するための電力グリッド及び１又は複数の取り付けられたエネルギストレージデバイスからの電流の選択的な引き込み、及び／又は１又は複数の他の取り付けられたエネルギストレージデバイスの充電を含む。更に別の実施形態では、モータ２は、コードレス真空掃除機又は動力工具等のコードレス機器の一部であり、モジュール２０は、機器又は工具の意図された使用中に機器又は工具の動作を制御し、並びに非使用時であって第２の入力部が適切な電源に接続されている場合には、機器又は工具の充電サイクルを制御する制御システムである。
【００６１】
本発明の様々な実施形態では、スイッチングデバイスを使用して、通常の駆動条件の間、モータに駆動電流を集合的に供給する少なくとも２つの駆動回路間の電力レールを遮断する。これらの通常の駆動条件は、モジュール２０がコントローラ１を第１の状態で動作させている期間に相当する。
【００６２】
最も簡単な形態のスイッチングデバイスは、図１のスイッチ４８のような単一のスイッチであり、これは、少なくとも１つの駆動回路を少なくとも１つの駆動回路に選択的に接続し、及びこれらを分離する。これにより、分離された又は絶縁された駆動回路を他の駆動回路とは異なる電源に接続し、及びこの異なる電源から電流１３のようなＤＣ電流を引き込むことができる。この分離された構成（すなわち、第２の状態）では、モジュール２０は、２つの回路が充電器として動作するようにこれらを制御し、モータの巻線、多巻モータの場合は１又は複数の巻線にＤＣ電流を流し、その巻線を、充電器の昇降圧構造（Buck-boost structure）の一部として使用する。すなわち、制御回路の分離と、分離された駆動回路間の制御された協働により、これらの回路は、巻線３と組み合わせて、例えば、電源１５のような別のＤＣ電源からバッテリ８を充電するための非反転カスケード型昇降圧コンバータを構成する。
【００６３】
上述のモジュール２０の動作は、第２の状態でバッテリ８を充電する動作を参照して説明しているが、以下に説明するように、他の実施形態では、第２の状態の間に追加の又はこれに代わるオプションの動作を行ってもよい。これらのオプションは、全て、モジュール２０が、少なくとも２つのＤＣ電圧間でエネルギを変換する能力をコントローラ１に提供することによって生じる。
【００６４】
また、モジュール２０は、スイッチ４８及びＭＯＳＦＥＴ５１、５２、５５、５６を制御して、追加の機能を実現できる。具体的には、モジュール２０は、制御信号を発行し、これにより、コントローラ１は、バッテリ８と電源１５との間に双方向電流を生じさせることができる。すなわち、コントローラ１は、バッテリ８からエネルギを引き込むことによって電源１５を充電できる。
【００６５】
更に、モータ２が発電機として駆動されている状況では、モジュール２０は、制御信号を発行し、モータ２によって生成された電流をＤＣ電流９とすることができる。これに代えて、（電源１５が電流を受け取ることができる再充電可能な電源である場合）生成された電流は、電流１３とは逆に、端子１１から電源１５に流れるＤＣ充電電流５８とすることもできる。これらの状況は、典型的には回生制動が使用される電気自動車用途において生じる。他の実施形態では、モジュール２０は、制御信号を提供することによって、交互に又は同時に電流９及び電流５８を生成する。
【００６６】
コントローラ１は、回路３１、３２と巻線３を使用して昇降圧コンバータ構造を構成するので、モジュール２０は、異なる電圧レベルで、多相アプリケーションでは、複数の電圧レベルで、ＤＣ充電を提供でき、これについては以下でより詳細に説明する。
【００６７】
したがって、包括的に言えば、本発明の実施形態は、以下の能力の１つ又は全てを利用できる。
・第１の状態の間、第１の電源からモータを駆動する。
・第１の状態の間、第２の電源からモータを駆動する。
・第１の状態の間、第１の電源及び第２の電源の一方又は両方からモータを駆動する。
・第１の電源及び第２の電源が再充電可能な電源である場合、モータによって生成された電流から、第１の電源及び第２の電源の一方又は両方を充電する。
・第２の電源が再充電可能な電源である場合、第２の状態の間、第１の電源から第２の電源を充電する。
・第１の電源が再充電可能な電源である場合、第２の状態の間、第２の電源から第１の電源を充電する。
【００６８】
すなわち、２つの充電式エネルギソースとモータとを使用し、上述の全ての機能に対応する実施形態では、モータのコントローラは、モータとエネルギソースの間に完全な双方向エネルギフローを提供する。
【００６９】
更に、任意の数のモータ位相巻線によって多相モータが適切に構成されている場合、全てのモータ巻線を含む巻線を電圧及び電力の変換に使用できる。更に、巻線は、直列又は並列（又は直列及び並列の組み合わせ）で構成でき、これらは、それぞれ、昇降圧構造により大きなインダクタンス及びより高いパワー伝達率を提供する。
【００７０】
図１に示すように、誘導負荷がモータである実施形態では、電圧変換動作の間、降圧、昇圧又は昇降圧インダクタとしてモータを使用する場合、通常、モータを無効にすることが有益である。これにより、その動作中にモータに余計なトルクが発生することが防止される。ＤＣモータでは、これは、例えば、界磁巻線を切断又はバイパスすることと、電機子巻線を負荷インダクタンスとして使用することとを含む。他の実施形態では、電機子巻線を切断又はバイパスし、界磁巻線を負荷インダクタンスとして使用することによって同様の効果が達成される。ＡＣモータでは、この効果は、例えば、電流波形を制御し、モータにトルクを誘導しないようにすることを含む。幾つかの実施形態では、モータのステータ及びロータは、電力変換動作の間、機械的にロックすることが好ましい。
【００７１】
幾つかの実施形態では、モータ２は、間欠的又は非頻繁に動作するポンプモータであり、光源１５は、ＰＶアレイである。（この具体例は、図２を参照して後述する）。ＰＶアレイが電力を生成し（すなわち、十分な日光がアレイに当たっており）、モータ２が動作する必要があるとき、モジュール２０は、ＰＶアレイによって生成された電力を使用してモータを直接駆動するように制御信号を提供し、バッテリ８は、モータ２によって引き込まれる電流に基づいて、不足分を供給するだけでよい。モータ２が動作する必要がないときにＰＶアレイによって電力が供給されると、モジュール２０は、（巻線３と回路３１、３２との協働によって）昇圧又は降圧されたアレイからのＤＣ電流を誘導し、要求されるＤＣ電圧で電流９を生じさせ、バッテリ８を充電するように制御信号を提供する。このようにしてコントローラ１を用いてバッテリ８を充電する間、モジュール２０は、充電電流９を調整し、最大電力点追従（Maximum Power Point Tracking：ＭＰＰＴ）を可能にする。
【００７２】
ＰＶアレイは、充電式電源ではないため、通常、ＰＶアレイへの電流の流入を防止するための保護ダイオード又はモジュール２０によって制御されるスイッチ５９等のスイッチ（図示せず）のいずれかを有する。
【００７３】
上述の動作は、多相モータを使用する実施形態においても可能である。例えば、対応する特徴に対応する参照符号を付した図２には、Ｙ結線構成の３つの巻線３ａ、３ｂ、３ｃを有する３相モータ６２の形態の誘導負荷を制御するコントローラ６１が示されている。モータ６２のための３つの入力を駆動する必要性の観点から、コントローラ６１は、回路３１、回路３２及び回路６３からなる３つの駆動回路を含む。また、モータ６２は、３相ポンプモータであり、電源１５は、電流１３を提供するＰＶアレイである。他の実施形態では、モータ６２は、ポンプ以外で使用され、電源１５は、ＰＶアレイから直接得られるもの以外のものである。
【００７４】
なお、説明を簡潔かつ明瞭にするために、図２（及び図面）では、幾つかの特徴を省略している。例えば、図２では、スイッチ５９を明示していない。しかしながら、モータ、コントローラ、及び関連する回路の用途及び設計パラメータに応じて、このようなスイッチ、並びに電流制限回路、他の保護回路、アース回路等が含まれることは、当業者にとって明らかである。
【００７５】
この実施形態では、キャパシタ６５の形態の更なる充電式エネルギストレージデバイスがバッテリ８と並列に配置され、高電力の電流７と電流９が両方向に流れるようにしている。他の実施形態では、充電式エネルギストレージデバイスは、複数のキャパシタ、１つ以上のウルトラキャパシタ、１つ以上のハイブリッドキャパシタ／ウルトラキャパシタ、又はこれらのデバイス又は他のこのようなデバイスのうちの１又は複数の組み合わせを含む。
【００７６】
スイッチ４８は、（この図には示されていない）モジュール２０からの関連する制御信号に応答して、レール４１及びレール４３を選択的に切断する。更に、モジュール２０は、回路３１、３２及び６３のための更なる制御信号を生成し、異なる動作状態の間に必要なエネルギフローを実現する。
【００７７】
図２の実施形態では、回路３１及び回路６３用の電力レールは、常に接続されたままであるが、これは、スイッチ４８が開いているとき、幾つかの実施形態では同一の動作を行う回路３１及び回路６３が、必ずしも常に同様に動作しなければならないことを意味するわけではない。例えば、モータ６２が動作する必要がなく、電源１５からの電流１３がバッテリ８を充電するために利用可能であるが、この電流がかなり小さいといった状況がある。このような場合、コントローラ１が昇圧モードで動作しているとき、回路３１及び回路６３のうちの一方の動作を停止でき、すなわち、その駆動回路内の両方のＭＯＳＦＥＴをオフにし、回路３１及び回路６３のうちの他方の（モジュール２０によって）制御されたスイッチングによって、巻線の下流側の充電機能を実行できる。他の実施形態では、軽負荷条件下において、回路３１、６３は、同時に、又は逆に位相がずれるように制御される。更なる実施形態では、以下に説明するように、コントローラの構造を変更して、インダクタンス／電力能力／効率を変更する。
【００７８】
他の実施形態では、スイッチ４８を回路３１と回路６３との間に配置する。更なる実施形態では、回路３１と回路６３との間に追加の同様のスイッチを配置し、このスイッチは、モジュール２０からの制御信号に応答して、関連する時点においてコントローラ６１によって提供される機能、又はコントローラ６１の動作が最適化されているパラメータに応じてスイッチ４８と同期して又はスイッチ４８とは別個に動作する。
【００７９】
また、図２では、隣接する駆動回路の正の電力レール間を遮断する位置にスイッチ４８を設けているが、他の実施形態では、これに代えて又はこれに加えて、隣接する駆動回路の負の電力レール間を遮断する位置に、このスイッチ又は追加のスイッチを設けてもよい。
【００８０】
コントローラ６１は、例えば、電気自動車にも適用可能である。この場合、モータ６２は、車両に動力エネルギを提供するために使用され、バッテリ８は、車載バッテリである。このような実施形態では、キャパシタ６５は、バッテリ８と共同して動作するウルトラキャパシタバンク等のエネルギストレージデバイスに置換される。他の実施形態では、これに代わる代替物を使用する。モジュール２０は、回路３１、３２及び６３の動作を制御し、蓄電池が充放電を行うための双方向電力要件を含む必要な電圧変換及び／又は電流整形／制御要件を提供すると共に、モータ６２を作動させて、時間とともに大きく変化する必要な動力を提供する能力を維持する。この機能は、例えば、スイッチ４８を閉状態にし、回路３１、３２及び６３を動作させて、モータ６２をバッテリ８及びウルトラキャパシタバンクに接続し、相応の電流７を引き込むことを可能にする第１の状態で動作することを含む。モータ６２が能動的に駆動され、車両に動力を提供する期間に挟まれた期間においては、モジュール２０は、スイッチ４８を開状態にし、回路３２と、回路３１及び回路６３の一方又は両方を動作させ、電源１５等の外部電源からバッテリ８（及びエネルギストレージデバイス６５）の再充電を可能にする第２の状態で動作できる。幾つかの場合、例えば、Ｖ２Ｘ（vehicle-to-everything）動作のために外部電源に電力を戻すことが有益である。コントローラ６１は、電気自動車で使用される場合、実質的に車両内の既存の駆動回路のみを使用し、これらを新たな手法で構成することによって、これらの複数の充電モードと放電モードを実現する。例えば、Ｖ２Ｘ動作では、電力を電力グリッド（Ｖ２Ｇ）に戻すためにＡＣ出力が必要であるが、別の電気自動車（Ｖ２Ｖ）を直接充電するためには、ＤＣ出力が有益な場合があり、このためにバッテリの電力が消耗してしまう可能性がある。ＡＣ出力が必要な場合は、コントローラ６１は、以下でより詳細に説明する追加の回路を含む。
【００８１】
コントローラ６１は、追加の部品の使用を最小限にしながら、既存のドライブコンポーネントのハイパワー定格を利用して、高性能のＤＣ電源から車載ストレージ（バッテリ８）の高速充電を可能にするため、電気自動車での使用に適している。また、コントローラ６１は、整流器及び／又はインバータを備えた入力回路を含むことにより、例えば、標準的な３相グリッド接続から高出力ＡＣ充電電流を受け取り、ＡＣを外部電源に戻すことができる。いずれの場合も、コントローラ６１は、従来の電気自動車で必要とされる専用の車載充電器を不要にする。
【００８２】
なお、コントローラ６１を電気自動車に適用する場合、車両のシャーシは、外部接続時に接地電位に接地する必要があり、車載エネルギストレージデバイスと車両のシャーシとは電気的に絶縁する必要がある。接地漏れ電流及び／又は車載エネルギストレージデバイスと車両のシャーシとの間の静電容量の蓄積が最小限に抑えられるように、通常の注意が必要である。本明細書の教示の利益を享受するにあたり、全ての実施形態において、その実施形態が実施される管轄区域において施行されている関連する基準に適合する適切な接地接続を行う必要があることは、当業者には明らかである。
【００８３】
図３は、電気自動車（図示せず）用の本発明の実施形態を概略的に示しており、ここでも、対応する特徴には、対応する参照符号を付している。この実施形態では、Ｙ結線構成の３つの巻線３ａ、３ｂ、３ｃを有する３相モータ７２の形態の誘導負荷用コントローラ７１が示されている。コントローラ７１は、３相グリッド７７と接続するための入力端子７６を有する入力回路７５を含む。回路７５は、フィルタ７８及び双方向インバータ及び整流回路７９を含む。これにより、コントローラ７１は、上述の他の電力フローに加えて、グリッド７７との間で双方向の電力フローを実現する。なお、グリッド７７からコントローラ７１に電力が引き込まれ及びコントローラ７１からグリッド７７に電力が供給されるとき、端子１１及び端子１２の電圧は、常にＤＣ電圧である。
【００８４】
図３には、コントローラ７１によって実現される６つのエネルギ／電力フロー、すなわち３つの双方向フローが示されている。すなわち、コントローラ７１は、２つのエネルギソース（車載バッテリ及び外部電源）の間に電気的に配置された完全に双方向のＤＣ−ＤＣコンバータ、並びに何れかの電源及びモータの間のＤＣ−ＤＣ、ＤＣ−ＡＣ又はＡＣ−ＤＣコンバータを提供する。
【００８５】
コントローラ７１は、３相グリッド接続を使用しているが、グリッド７７への単相接続又はＤＣ接続も使用できることは明らかである。後者の２つの例は、それぞれ、図４及び図５にコントローラ８１及びコントローラ９１として示されている。図５の実施形態では、入力ＡＣ電流を整流するために駆動回路９２を利用する。なお、この整流動作中、図５に示すように、モジュール２０（図示せず）がスイッチ９３を開状態に維持することによって、回路９２は、モータの巻線から絶縁される。この整流によって生成されたＤＣ電流は、同様に図５に示すように、モジュール２０がスイッチ４８を開状態に維持することによって、他の駆動回路９４から分離されている駆動回路９３に供給される。これにより、２つの巻線（又は巻き線が３つより多い場合、２つより多い巻線）を用いて、昇降圧機能が提供される。巻線は、ＡＣ電流の整流に寄与しない。
【００８６】
幾つかの実施形態では、コントローラは、グリッド７７から単相電力又は３相電力のいずれかを受け取ることができる。なお、他の実施形態では、単相電力又は３相電力のみをグリッド７７から得ることができ、又はグリッド７７に供給できる。更に別の実施形態では、ＤＣ電力をグリッド７７から取得し、グリッド７７に供給できる。
【００８７】
図６は、本発明の更なる実施形態を示しており、対応する特徴には、対応する参照符号を付している。具体的には、モータ７２の形態の誘導負荷のためのコントローラ１０１は、３つの駆動回路１０２、１０３及び１０４を有し、これらはそれぞれ正及び負の電力レール１０５及び１０６、１０７及び１０８、１０９及び１１０を有する。回路１０２、１０３及び１０４は、それぞれのスイッチ対を含み、モジュール２０（図示せず）から制御信号を受信し、任意の時点でスイッチの状態を決定できる。この実施形態では、各スイッチは、ＩＧＢＴによって実現され、制御信号は、トランジスタのゲートに供給される。３相モータの位相は、デルタ構成又はＹ結線構成のいずれかで接続できる。
【００８８】
コントローラ１０１が第１の状態で動作してモータ７２を駆動する場合、モジュール２０は、スイッチ４８に制御信号を供給し、スイッチ４８を閉状態に維持する。したがって、全ての正の電力レール１０５、１０７及び１０９は、共通であり、全ての負の電力レール１０６、１０８及び１１０は、共通であり、回路１０２、１０３、１０４内のスイッチの状態が順次変更され、必要なタイミングと電流レベルが提供され、モータ７２の３つのコイルを動作させ、電気自動車（図示せず）用の動力エネルギが生成される。電気自動車がモータ７２の駆動を必要としないとき、回路７５を介してコントローラ１０１をグリッド７７に接続し、図６に示すように、コントローラは、スイッチ４８を開状態に維持することにより、第２の状態で動作できる。この結果、レール１０５及び１０９は、共通のままであり、レール１０７は、他のレールから切り離される。これにより、回路１０３は、回路１０２及び／又は回路１０４、並びにモータ７２内の１つ以上の巻線と共に、必要な昇降圧機能を提供する。回路１０２及び回路１０４のうちの少なくとも１つは、モータ７２から端子５又は端子６への電流経路を提供し、充電電流がバッテリ８（及び関連する蓄電池）に流れることを可能にする。グリッド７７への接続が十分な容量を有する場合、回路１０２及び回路１０４の両方は、モータ７２から端子５又は端子６への電流経路を同時に提供でき、これにより、バッテリ８に流入する充電電流を増加又は最適化できる。
【００８９】
図６から分かるように、電気自動車の用途では、通常、電力レール間にデカップリング容量が存在する。この実施形態では、端子５及び端子６の間（Ｃｂとして示す）、並びに端子１１及び端子１２の間に（Ｃｒとして示す）キャパシタを示している。本発明の実施形態のアーキテクチャの更なる利点は、電気自動車及びこのような容量を有する他の用途で使用される場合、提供される昇降圧機能を利用して、バッテリ８から及び／又はグリッド７７（又は使用されている他の電源）からＣｒ及び／又はＣｂを事前充電（又は放電）できるという点である。モジュール２０によって制御されるこの昇降圧機能は、キャパシタＣｒ及びキャパシタＣｂの一方又は両方の電荷が低レベルであれば、突入電流による損傷を避けるための電流制限回路等の追加の保護回路を使用する必要なく、回路の異なる部分の間の電圧差を吸収できる。この実施形態では、Ｃｒは、駆動回路の主なバルク容量として使用され、上述の昇降圧機能によってプリチャージされる。他の実施形態では、複数のキャパシタ及び／又はスナッバ及び／又はウルトラキャパシタバンク等他のデバイスがバルク容量を構成し、これは、システム全体に分散されていてもよい。故障状態では、制御モジュールは、意図された用途に適用される規格及び／又は規制に適合するように、昇降圧能力を使用してバルク容量を速やかに放電する。
【００９０】
図７は、３つの巻線１２３、１２４、１２５がＹ結線構成に配置された３相モータ１２２の形態の誘導負荷用の別のコントローラ１２１を示している。端子５及び端子６におけるＤＣ電源は、電圧Ｖ１を有するバッテリ８であり、端子１１及び端子１２におけるＤＣ電源は、電圧Ｖ２を有する再充電可能な電源１５である。本明細書の教示から、２つのＤＣ電源は、多種多様な電源から選択できる。また、コントローラ１２１は、端子１１、１２を介して、グリッド７７に／から電気エネルギを伝送する入力回路７５（図示せず）を含む。
【００９１】
この例では、コントローラ１２１は、電気自動車（図示せず）のための車載コントローラであり、モジュール２０（図示せず）は、コントローラ１２１の要求された動作を実現するために機能する。コントローラ１２１は、第２の状態で動作する際、（モジュール２０が制御信号を生成するために使用する）多数の入力に応答し、図８に示す手順を実行する。これらのステップは、モジュール２０がローカルメモリに保存されているソフトウェアを実行することによって行われ、（現在の電圧、例えば、Ｖ１、Ｖ２等、及びその他、例えば、電流７、９、１３、３５、５８等を含む）コントローラ１２１の現在の動作パラメータに関する情報を取得することを含む。２つ以上の誘導巻線を含む実施形態では、システムをより正確に制御するために、通常、より多くの電流センサを使用する。同様に、２つ以上の電力レール切り離しを含む実施形態では、通常、より多くの電圧センサを使用する。第２の状態で動作可能な１つの制御方法を簡潔に示すために、図８の制御ストラテジは、単純化されているが、他の制御方法も可能である。また、制御方法は、安全チェック及び／又は安全対策等のための図示されていない動作を含むことができ、これには、複数レベルの冗長性を含むことができる。幾つかの実施形態では、これらの冗長的対策は、フィードバックループ及び／又は人間の入力によって制御動作を補完するハードウェア又はソフトウェアの冗長性を含む。例えば、このフィードバックには、制御方法が図８に示す第２の動作状態に入る前に実行される、充電プラグと人為的な機械的入力スイッチの両方からの冗長なフィードバックを含ませることができる。また、制御方法は、自動車用途に使用されるような用途に適用される規格及び／又は規制に適合するために他の特徴を含むことができる。幾つかの実施形態では、制御は、例えば、電力グリッド又はインタフェースプラグと通信することによって得られる他のフィードバックにも応答して、最大許容電力レベルを引き込み又は返すことができる。用途の要件に基づいて、ここに示す制御ストラテジを拡張又は縮小できることは、当業者にとって明らかである。
【００９２】
モータ１２２が動力駆動を提供することを必要としていない電気自動車では、モジュール２０は、スイッチ４８を開状態にする。ＤＣ入力電圧が存在する場合（例えば、電源１５が入力回路７５からの整流されたＡＣ電圧である場合、又はＰＶアレイの出力が接続されている場合）これは、端子１１及び端子１２の間に存在する。
【００９３】
この実施形態では、回路７５（図示せず）の端子７６は、グリッド７７からＡＣ電圧を受け取るが、他の実施形態では、端子７６は、電気自動車のための専用のＤＣ充電ステーション等のＤＣ電源に接続される。他の実施形態では、端子７６は、グリッドタイド双方向バッテリストレージユニット（grid tied bidirectional battery storage unit）等の調整されていないＤＣ電源に接続される。他の実施形態では、入力回路７５は、高電圧ＤＣ（high voltage DC：ＨＶＤＣ）電力送電線の又はこれに派生する電圧要件を受け入れ、及びこれとインタフェースするように設計されている。したがって、この実施形態では、入力回路７５は、端子７６におけるいずれかの極性のＤＣ電圧に応答して、端子１１と端子１２の間に一貫した極性のＤＣ電圧を提供する。電流５８を生成する際、モジュール２０は、端子７６におけるＤＣ電圧の極性に応答して、入力回路７５に供給する必要がある制御信号を決定する。
【００９４】
ステップ１２６において、モジュール２０は、関連する入力（最も有意なものとしては、図７ではＶ１であるバッテリ８の電圧、図７ではＶ２である端子１１及び端子１２の間の電圧）に応答して、必要な充電をバッテリ８に供給するために必要とされる条件の性質を確認する。これには、駆動回路を昇圧モード、降圧モード、又は昇降圧モードで動作させることを含み、これらについては、後により詳細に説明する。モジュール２０は、必要なモードを決定すると、制御信号を発行して、ステップ１２７において、選択されたモードを実施すると共に、供給される充電電流を調整する。この動作は、ステップ１２８において、バッテリ８が充電されたとモジュール２０が評価するまで維持される。
【００９５】
図７では、第１のエネルギソースが第２のエネルギソースから充電されているときに、コントローラ１２１は、第２の状態において降圧モードで動作するものとして示されている。すなわち、モジュール２０は、Ｖ１＜Ｖ２であることを検出し、制御信号を発行して、端子１１及び端子１２から端子５及び端子６への電流経路を確立し、必要な充電電流を供給する。これらの電流の流れは、図７では、図面に重ねられた太線として示され、ここで、実線は、電流経路における（変化するが）連続するＤＣ電圧レベルを示し、破線は、電流経路における切り換えられるＤＣ電圧レベルを示している。コントローラ１２１は、正の電力レール１３５及び負の電力レール１３６にそれぞれ接続された２つのＭＯＳＦＥＴ１３３、１３４を有する第１の駆動回路１３１と、正の電力レール１４１及び負の電力レール１４２にそれぞれ接続された２つのＭＯＳＦＥＴ１３９、１４０を有する第２の駆動回路１３７と、正の電力レール１４７及び負の電力レール１４８にそれぞれ接続された２つのＭＯＳＦＥＴ１４５、１４６を有する第３の駆動回路１４３とを含む。
【００９６】
第２の状態において降圧モードで動作するとき、モジュール２０は、スイッチ４８に制御信号を供給してその開状態を維持し、ＭＯＳＦＥＴ１３３、１３４、１３９、１４０、１４５、１４６の全てのゲートに制御信号を供給する。ＭＯＳＦＥＴに供給される制御信号は、個々のＭＯＳＦＥＴが個別に且つ集合的に動作して、必要な降圧機能を実現するように選択される。例えば、ＭＯＳＦＥＴ１３４、１４６に供給される制御信号は、非導通状態を維持し、これによって、これらのＭＯＳＦＥＴを介して各レール１３６、１４８に電流経路が確立されないようにする。ＭＯＳＦＥＴ１３３、１４５に供給される制御信号も、これらのスイッチをこれらの開状態に維持する（すなわち、ＭＯＳＦＥＴ自体は、導通しない）。但し、これらのＭＯＳＦＥＴは、ボディダイオードを含むので、それぞれの供給レール１３５、１４７に対しては、電流経路が確立される。ＭＯＳＦＥＴ１３９に供給される制御信号は、パルス幅変調（pulse width modulation：ＰＷＭ）信号である。すなわち、ＭＯＳＦＥＴ１３９を通る電流経路は、（ＰＷＭ制御信号のために）セグメント化されるが、連続導通モード（continuous conduction mode：ＣＣＭ）で動作する場合、モータ１２２の３つの巻線を含む電流経路のために、ＭＯＳＦＥＴ１３９の下流に示される電流経路における電流の流れは（可変であるが）連続的である。ＭＯＳＦＥＴ１４０に供給される制御信号は、そのスイッチを開状態に維持する。したがって、ＭＯＳＦＥＴの順方向の導通は、存在しない。しかしながら、ＭＯＳＦＥＴ１３９がオフに切り換えられて開状態になると、指示された電流経路における巻線の誘導効果のために、電流は、ＭＯＳＦＥＴ１４０のボディダイオードを介して引き込まれる。これにより、ＭＯＳＦＥＴ１３９及びＭＯＳＦＥＴ１４０の非同期動作が提供される。他の実施形態では、ＭＯＳＦＥＴ１４０には、ＭＯＳＦＥＴ１３９に供給されるものと逆のＰＷＭ制御信号が供給され、これにより、これらのＭＯＳＦＥＴの同期動作が実現される。これに代えて、幾つかの実施形態では、ＭＯＳＦＥＴ１３３、１４５は、同期動作を提供するために使用され、それぞれのダイオードの順方向導通損失を低減する。
【００９７】
他の実施形態では、モジュール２０は、コントローラ１がＣＣＭ以外のモードで動作するように制御信号を提供する。他のモードは、例えば、不連続導通モード（discontinuous conduction mode：ＤＣＭ）、又は疑似連続導通モード（pseudo continuous conduction mode：ＰＣＣＭ）等のハイブリッドモードであってもよい。幾つかの実施形態では、個々の誘導巻線は、他の巻線とは異なる伝導モードで機能する。
【００９８】
更なる実施形態では、レール１３５及びレール１４７の間にスイッチ４８等の更なるスイッチを配置し、モジュール２０からの制御信号に応答して、これらのレールを選択的に接続及び切断することを可能にする。これにより、ＭＯＳＦＥＴ１３９、１４５の一方又は両方のゲートにＰＷＭ制御信号を供給することによる多相降圧変換が実現される。
【００９９】
図７に示す例では、降圧インダクタンスは、モータ１２２の個々の巻線の個々の位相のインダクタンスの１．５倍であり、昇圧インダクタンスは、個々の位相のインダクタンスの１．５〜２倍である。図７の巻線のＹ結線構成をデルタ構成に置き換えた場合、降圧インダクタンスは、個々の巻線インダクタンスの半分に相当し、昇圧インダクタンスは、個々の位相のインダクタンスの０．６６倍から１倍の間である。したがって、個々の位相のインダクタンスの半分と２倍の間の昇降圧インダクタンス値の設定を得ることが可能である。
【０１００】
スイッチ４８がレール１３５とレール１４７との間に配置されている他の実施形態では、降圧インダクタンスと昇圧インダクタンスは、個々の位相のインダクタンスの１．５〜２倍である。これと同じスイッチ４８の代替位置及びデルタ構成を使用する場合、降圧インダクタンスと昇圧インダクタンスは、個々の位相のインダクタンスの０．５〜０．６６倍である。
【０１０１】
異なる降圧、昇圧又は昇降圧インダクタンスは、モジュール２０（図示せず）を介して制御される駆動回路のスイッチング周波数と共に、任意の所与の時間における電力負荷条件に基づいて最適化できる。取り付けられたエネルギストレージデバイスの意図された電圧、必要とされるＤＣ−ＤＣ変換の電力、及び第２の入力における電源の電圧に基づいて、システムアーキテクチャを最適化できる。電力グリッドから充電される電気自動車の用途では、システムアーキテクチャは、車載バッテリ電圧、充電能力、及び車両が展開されるローカルグリッド電圧に基づいて最適化される。このシステムアーキテクチャの最適化は、コンポーネントの選択、スイッチ４８の配置の選択、電力レール遮断スイッチの数、モータのスター型又はデルタ型巻線構成、並びにモジュール２０によって使用されるスイッチング制御方法及び周波数の選択を含む。コンポーネントの選択は、幾つかの実施形態では、電圧及び／又は電流搬送能力、上昇／下降時間、スイッチング周波数、導通抵抗、消費電力、品質、コスト、又は当該コンポーネントに応じた他の尺度の範囲によって影響される。また、最適化は、コンポーネントストレスが管理され及び／又は均一に分散されて、重要なコンポーネントの寿命が延長されるように制御ストラテジで実施することもできる。同様に、システムは、故障モードと影響分析（failure modes and effects analysis：ＦＭＥＡ）に基づいて、運用上の安全性が向上し、適用される全ての規格及び／又は意図された用途における規制に準拠するように最適化できる。例えば、幾つかの実施形態では、第１の状態で動作している間、故障状態でモータ動作が中断されないように、短絡故障モードを有する特定のタイプのスイッチ４８を実現することが望まれる。
【０１０２】
他の実施形態では、正の電力レール上で複数の中断、すなわち、切断を用いて、任意の所与の時間において複数の降圧又は昇圧インダクタンスのうちの１つの選択を可能にし、可変インダクタンスを実現し、これにより、異なる電圧、負荷レベル、及び充電電流の流れ方向におけるコントローラの効率を向上させる。
【０１０３】
他の実施形態では、スイッチング機構を用いて、取り付けられたモータ又は多相負荷を、Ｙ結線構成、デルタ構成及び／又は他の構成の間で、要求に応じて変化させることができる。
【０１０４】
図９では、コントローラ１２１は、昇圧モードで動作するものとして示されており、第１のエネルギソースが第２のエネルギソースから充電されているときに、第２の状態において、Ｖ１＞Ｖ２である。この実施形態では、昇圧モードは、モジュール２０がＭＯＳＦＥＴ１３９を閉状態又は導通状態に維持し、ＭＯＳＦＥＴ１３４、１４６のゲートにＰＷＭ制御信号を供給することによって実現される。ここに示されている電流経路において可変インダクタンスを得るために、ＭＯＳＦＥＴ１３４及びＭＯＳＦＥＴ１４６は、共に又は個別に動作する。高調波を低減し、より規則的な電流引き込みを行うために、ＭＯＳＦＥＴ１３４及びＭＯＳＦＥＴ１４６は、位相シフト動作又は逆動作で動作することが好ましい。モータ１２２の巻線によって提供されるインダクタンスは、ＭＯＳＦＥＴ１３３及びＭＯＳＦＥＴ１４５のボディダイオードを介して、電流を流し、バッテリ８を充電する。
【０１０５】
図１０では、コントローラ１２１は、昇降圧モードで動作するものとして示されている。これは、通常、Ｖ１とＶ２の値が近く、充電中のこれらの値の変化によって、これらの値が何回も互いに交差する場合に生じる。この実施形態では、Ｖ２からＶ１を充電する昇降圧モードは、モジュール２０がそれぞれのＰＷＭ制御信号をＭＯＳＦＥＴ１３９のゲート（降圧スイッチ）及びＭＯＳＦＥＴ１３４、１４６のゲート（昇圧スイッチ）に供給することによって実現される。これらのスイッチの導通フェーズ中に最大電流を増加又は維持するために、モジュール２０は、ＭＯＳＦＥＴ１３４、１４６がオンになると、ＭＯＳＦＥＴ１３９もオンになるように、降圧スイッチ及び昇圧スイッチを共に制御する。また、ＭＯＳＦＥＴ１３９の降圧動作を使用して、昇圧フェーズで供給される電流を減少させることもできる。ＭＯＳＦＥＴ１３４及びＭＯＳＦＥＴ１４６は、位相シフト動作で動作でき、ＭＯＳＦＥＴ１３３及び／又はＭＯＳＦＥＴ１４５は、順方向電圧降下を低減するように（スイッチのタイプに応じて）トグル可能である。ＭＯＳＦＥＴ１３３及び／又はＭＯＳＦＥＴ１４５がトグルされる場合、逆電流を防止するために、ＭＯＳＦＥＴ１３９は、逆にトグルすることが望ましい。ＭＯＳＦＥＴ１４０を逆にトグルすることにより、同期降圧動作を提供でき、ＭＯＳＦＥＴ１４０のボディダイオードの順方向導通損失を低減できる。
【０１０６】
なお、この昇降圧モードは、所望の充電性能を達成するために、純粋な降圧モード又は純粋な昇圧モードの期間に入ることができることは明らかである。
【０１０７】
第２の状態では、コントローラ１２１は、４スイッチ非反転カスケード昇降圧コンバータとして動作でき、したがって、このトポロジ又は類似のトポロジのための既知の制御方法を使用する。
【０１０８】
本発明の実施形態は、車両のみでなく、次の両方を有する用途に適用される。
・１又は複数の接続されたエネルギストレージデバイス。
・２つ以上のパワーソース／シンクに接続できる誘導負荷又は電気モータ。
【０１０９】
１つ以上の接続されたエネルギストレージデバイスは、通常、蓄積されたエネルギから電力（例えば、電流）を生成し、バッテリ又はバッテリバンク、キャパシタ又はキャパシタバンク、ウルトラキャパシタ又はウルトラキャパシタバンク、１以上の燃料バッテリ、１以上の運動エネルギ回生システム等の１以上を含むことができる。
【０１１０】
電気モータは、通常、プラグ及び／又はケーブルを介して外部電源に接続される。なお、他の実施形態では、無線電力伝送を使用する。
【０１１１】
次に、図１１は、３相モータ１６２の形態の誘導負荷用のコントローラ１６１を概略的に示している。このコントローラ１６１は、図６のコントローラ１０１と同様であり、対応する特徴には、対応する参照符号を付している。図１１において、コントローラ１６１は、グリッド７７と接続するように構成され、グリッド７７は、電気エネルギのＡＣ電源を提供し、双方向Ｖ２Ｘ動作に対応できる。したがって、図６の３相整流器７９は、３相インバータ１６３に置き換えられている。関連する制御信号を発行することによってモジュール２０（図示せず）が実行する制御ストラテジは、図１０を参照して上述したものと同じであるが、電流の流れが逆になっており、降圧スイッチ及び昇圧スイッチが逆になっている。
【０１１２】
コントローラ１６１の動作は、以下の通りである。まず、（図示のように）スイッチ４８が開状態で、コントローラ１６１は、バッテリ８間の電圧、すなわちＶ１が意図されるＡＣ反転電圧又はＤＣ出力電圧のピークより高いかどうかを判定する。これに該当する場合、モジュール２０は、コントローラ１６１が降圧モードに入ることによってＶ２Ｘ機能に必要な電圧を供給するように制御信号を発行する。一方、Ｖ１が意図されるＡＣ反転電圧又はＤＣ出力電圧のピークよりも小さい場合、コントローラ１６１は、昇圧モードに入ることにより、Ｖ２Ｘ機能に必要な電圧を提供する。Ｖ１が意図されるＡＣ反転電圧又はＤＣ出力電圧のピークに近い場合、コントローラ１６１が昇降圧モードで動作することによってＶ２Ｘ機能を実現できる。
【０１１３】
この実施形態では、モジュール２０は、（図に示すように）電圧Ｖ１及びＶ２に応答し、コントローラ１６１にとって必要なモードを決定する。更に、モータ位相接続上に示されている電流計を使用して、フィードバックループが引き出され、これにより、モジュール２０は、これらの巻線における電流の流れが慎重に調整されるように回路１０２、１０３、１０４を制御できる。他の実施形態では、モジュール２０は、上述の入力に代えて又は上述の入力に加えて、他の入力を用いて、制御信号を導出する。
【０１１４】
コントローラ１６１がＶ１からＶ２への降圧モードで動作しているとき、モジュール２０は、スイッチＱ３及び／又はＱ５のゲート（これを「Ｑ３／５」と示す）にＰＷＭ信号の形態の制御信号を供給する。電圧Ｖ１は、Ｖ２よりも高いので、Ｑ１の還流ダイオード（freewheeling diode：ＦＷＤ）に電流が流れる。Ｑ３／５がＯＮからＯＦＦになると、モータ１６２のインダクタンスによって電流が流れ続ける。この電流は、（非同期動作を使用する場合）Ｑ４／６の還流ダイオード（ＦＷＤ）によって、又は（同期動作が使用され、スイッチタイプが双方向動作を可能実現している場合）Ｑ４／６がＱ３／５に逆トグルされると、Ｑ４／６の順方向に供給できる。
【０１１５】
コントローラ１６１が昇圧モードで動作しているとき、モジュール２０は、制御信号を発行し、Ｑ３／５が常にＯＮになる。モジュール２０は、ＰＷＭ信号の形態の別の制御信号をスイッチＱ２のゲートに供給する。
【０１１６】
回路１０２及び回路１０４のそれぞれの正の電力レール１０５及び正の電力レール１０９の間（すなわち、Ｑ２とＱ５との間）にスイッチ４８が配置されている別の実施形態では、ゲートＱ２及び／又はＱ４にＰＷＭ信号を印加することによって、マルチインダクタンス昇圧モードを実現できる。
【０１１７】
コントローラ１６１が昇降圧モードで動作しているとき、モジュール２０は、降圧スイッチＱ３／５及び昇圧スイッチＱ２のゲートにＰＷＭ信号の形態の制御信号を供給する。このモードでの降圧動作は、同期的に行ってもよく、非同期的に行ってもよい。
【０１１８】
より多くの位相が利用可能であり、これらの位相の電力レールの間に１又は複数の追加のスイッチ４８が使用される場合、複数の昇降圧インダクタンスを実現できる。同様に、デルタ構成とＹ結線構成との間で位相の構成をオンデマンドで変更できる場合、他のインダクタンスも可能である。
【０１１９】
上述のいずれかのモードで動作するとき、端子１１及び端子１２において、及びＣｒに亘ってＤＣ電圧が発生する。モジュール２０は、電圧が所定のレベルに達したと評価すると、制御信号をインバータ１６３に出力して、要求される電圧及び周波数で電圧を単相又は３相ＡＣ波形に反転させる。これに代えて、グリッド７７がＤＣグリッドである場合、モジュール２０は、インバータ１６３が入力７６に任意の極性のＤＣ電力を供給するように制御信号を発行する。
【０１２０】
コントローラ１６１（具体的にはモジュール２０）が回路１６３を双方向整流器／インバータとして動作させることは、バッテリ８の充電中に能動整流を行うことができるという付加的な利点を有する。すなわち、充電機能を提供することに加えて、モジュール２０は、コントローラ１６１の力率を改善し、及び生成される高調波を低減できる。非常に低い高調波及び略単一の力率を達成するために、及び／又はＴＨＤ要件を満たすために、能動整流器／インバータ１６３とグリッド７７との間にフィルタ７８を使用する。幾つかの実施形態では、フィルタ７８は、その入力に１つ以上のインダクタを含む。これらのインダクタは、整流器の入力に対して個々の位相昇圧インダクタとしても機能できる。この実施形態では、フィルタ７８は、受動フィルタであるが、他の実施形態では能動素子を使用してもよい。更なる実施形態では、異なるフィルタ及び／又は整流器／インバータが使用され、これらの全てがコントローラの完全な双方向動作と互換性を有するわけではない。
【０１２１】
また、上述の実施形態は、様々な有利な機能を提供するためにモータのインダクタンスを使用しているが、モータのインダクタンスが使用されないようにコントローラを追加的に動作させてもよい。例えば、幾つかの実施形態では、コントローラは、外部ＤＣ電源（外部ＤＣ充電器等）がモータのインダクタンスをバイパスしてバッテリを直接的に充電できるようにする。これにより、コントローラを、将来的に又は遡及的に、より広範な充電方式とハードウェアに対して完全に適合させることができる。
【０１２２】
上述した駆動回路の電力レールの選択的な接続及び切断により、設計の自由度が追加され、新たな組み合わせと利点を得ることができる。例えば、複数の双方向昇降圧機能を使用することにより、１又は複数のウルトラキャパシタバンクをモータコントローラに組み込むことができ、これにより、高パワー遷移を補助し、ピーク電力が低い化学的バッテリを主の蓄電池として使用できる。キャパシタ（及びウルトラキャパシタ等）に蓄えられるエネルギは、次式で定義される。
【数１】
2018529307.tif 000003
【０１２３】
キャパシタから最大エネルギを引き込むためには、キャパシタ電圧は、可能な限り変更可能である必要がある。そこで、本発明者は、容量性素子と、本発明の実施形態で使用される双方向昇降圧機能とを組み合わせることによって、著しい利益が得られることを見出した。すなわち、これらの昇降圧機能は、広範囲の電圧のみでなく、コントローラの異なる部分における異なる電圧に対応する。図１２は、この設計自由度を利用するコントローラの例を示しており、ここでは、対応する特徴には、対応する参照符号を付している。この実施形態では、電気自動車（図示せず）用のコントローラ１７１は、３相Ｙ結線構成のモータ１７２の駆動を調整するのみでなく、バッテリバンク８及びウルトラキャパシタバンク１７３の形態の車載ＤＣ電源の電力伝送（充電及び放電）を調整する。これらの期間中、モータ１７２が車両を推進するために使用されておらず、例えば、車両が信号機で停止しており、駆動回路によって引き込まれる電流７が実質的にゼロであるとき、モジュール２０（図示せず）は、スイッチ４８に制御信号を供給してこれを（図示のように）開状態にし、３つの駆動回路のスイッチがウルトラキャパシタ１７３から電流が引き込まれるようにし、端子５及び端子６を介して供給される電流９を生成し、バッテリ８を充電する。ウルトラキャパシタ１７３が端子１１及び端子１２に供給する電圧が、端子５及び端子６の間のバッテリ電圧を下回ると、モジュール２０は、昇圧機能を提供するための制御信号を駆動回路に供給する。モジュール２０は、バッテリ８が完全に充電されたと判断すると、制御信号を生成し、スイッチ１７５は、これに応答して、バッテリ８をコントローラ１７１の残りの部分から一時的に切り離す。この構成では、モジュール２０は、スイッチ４８を閉状態にして、ウルトラキャパシタ１７３から直接駆動電力を引き込んで、３つの協働する駆動回路を使用して、モータ１７２を駆動することもできる。これにより、ウルトラキャパシタ１７３によって提供される電圧、したがって、端子５及び端子６間の電圧が徐々に低下する。この電圧が、モータ１７２の必要なエネルギ需要を適切にサポートしないレベルに達すると、（スイッチ１７６をその開状態にすると共に）モジュール２０は、スイッチ１７５を閉状態にし、バッテリ８から電流７を引き込み、バッテリ８が駆動回路に必要な全てのエネルギを供給するようにする。
【０１２４】
電気自動車において、電気モータが駆動力を提供している期間と、回生制動が使用される減速期間とが交互に現れることは、珍しいことではない。モータ１７２が駆動期間から回生制動期間に遷移する場合、幾つかの実施形態では、モジュール２０は、スイッチ１７５及びスイッチ１７６の状態を変更し、バッテリ８が再びコントローラ１７１の残りの部分から分離され、モータ１７２によって発生された回生制動電流がウルトラキャパシタ１７６に導かれるようにする。これは、ウルトラキャパシタの高パワー能力を利用している。モジュール２０は、ウルトラキャパシタ１７３が完全充電状態に達したと判定すると、回生制動電流をバッテリ８に導く制御信号を発行する。何れの場合も、この制動の後に車両が完全に停止すると、モジュール２０は、上述した昇降圧モードを使用して、再びウルトラキャパシタ１７３からバッテリ８を充電できる。
【０１２５】
幾つかの実施形態では、モジュール２０は、ウルトラキャパシタ１７３の両端に所定の最小電圧を維持し、モータ１７２のピーク電力要求を供給するために車載エネルギを保存する。このような実施形態では、このようなピーク電力需要を供給した後、ウルトラキャパシタ１７３の両端の電圧が所定の最小値を下回ると、（図１１ではＭＯＳＦＥＴデバイスとして例示されている）スイッチ１７６は、部分的又は完全に開状態になり、ウルトラキャパシタ１７３への電気エネルギの流れを調節する。ウルトラキャパシタ１７３へのこのエネルギの流れは、モータ１７２の電力需要が低いかゼロのときに優先的に発生する。これとは別に、スイッチ１７５は、パルス動作を行ってもよく、すなわち、モジュール２０によって提供されるＰＷＭ制御信号に応答して、開状態と閉状態とを繰り返し、ピーク電力需要のいずれかの期間中に、ウルトラキャパシタ１７３によって（駆動回路を介して）モータ１７３に供給される電流を補うために、チョップ電流（chopped current）７にも寄与するようにしてもよい。
【０１２６】
幾つかの実施形態では、車両が停止している間にウルトラキャパシタ１７３を完全に充電し、車両が動き出すときの加速に関連する予想される高い電力需要又はピーク電力需要に備えて準備することが好ましい。これは、キャパシタは、通常、化学的バッテリよりもパワー密度が高く、エネルギ密度が低いためである。このような場合、回生制動から回収されたエネルギ、すなわち、車両の減速中に運動エネルギから変換された電気エネルギは、スイッチ１７６を閉じ、スイッチ１７５を開くことによって、ウルトラキャパシタ１７３に蓄えられる。この回復動作中にウルトラキャパシタ１７３が完全に充電されると、スイッチ１７５を閉じ、その後に供給されるエネルギをパック８に向けることができる。全ての可能な運動エネルギが回収されても、ウルトラキャパシタ１７３がフル充電に満たない場合、モジュール２０（図示せず）は、パック８からウルトラキャパシタ１７３を選択的に充電できる。この動作は、スイッチ４８を開き、スイッチ１７５及びスイッチ１７６を閉じることによって可能になる。すなわち、モジュール２０（図示せず）は、前述したように関連する駆動回路を切り換えて昇圧動作、昇圧動作及び昇降圧動作のうちの１つ以上を選択的に実施できる。ウルトラキャパシタ１７３が選択された上限レベルに充電され、又は車両が駆動力の生成を必要とする場合、スイッチ１７５が開かれ、スイッチ４８が閉じられ、モータ１７２は、ウルトラキャパシタ１７３に蓄えられたエネルギのみで動作する。ウルトラキャパシタ１７３が所定量放電すると、スイッチ１７５は、漸進的にパルスされて、バンク８から追加のエネルギを供給する。すなわち、モータは、ウルトラキャパシタ１７３とバンク８の両方からエネルギを引き込んでいる。ウルトラキャパシタ１７３の充電レベルが所定の最小値に達すると、スイッチ１７６が完全に開き、スイッチ１７５が完全に閉じ、全ての必要なエネルギがバンク８から供給されるようになる。また、ＰＷＭと共にスイッチ１７５及び／又はスイッチ１７６を使用することによって生じる任意のパルス電流を平滑化するためにフィルタ回路を使用してもよい。
【０１２７】
ウルトラキャパシタ１７３（又はこれに類するもの）を使用することによって、これらの高出力密度、並びに高い充電率及び放電率に対する耐性のために、急速充電が可能になる。これは、電気バスのような頻繁に停止する車両用途に特に好適である。車両が停止すると、高出力ＤＣ又はＡＣ電源は、（入力回路７５を介して）ウルトラキャパシタ１７３を急速に充電できる。同時に、モジュール２０は、コントローラ１７１の昇降圧能力を動作させ、バッテリ８に補充の充電（top-up charge）を提供する。例えば、ＤＣ電源を使用する場合、ＤＣ電源は、端子１１及び端子１２（又はコントローラ１７１の１又は複数の電力レール）に直接的にインタフェースされ、入力回路７５の損失をバイパスすることが好ましい。充電が完了し、又は車両が充電ポイントから移動した場合、ウルトラキャパシタ１７３は、完全に又は部分的に駆動モータ１７２に寄与することができる。これに代えて又はこれに加えて、ウルトラキャパシタ１７３は、車両が停止するたびに、ウルトラキャパシタ１７３が空になるまで又は電圧が所定の最低値まで低下するまで、コントローラ１の昇降圧機能によってバッテリ８を充電し続けることができる。停止と停止の間にウルトラキャパシタ１７３が消費されると、これらは、バッテリ８から、又は回生制動時にはモータ１７２によって充電できる。
【０１２８】
図１３は、ウルトラキャパシタを使用する本発明の更なる実施形態を示しており、ここでは、対応する特徴には、対応する参照符号を付している。コントローラ１８１は、２つの駆動回路の間に配置されたウルトラキャパシタバンク１７３と、モジュール２０（図示せず）からの制御信号に応答する追加のスイッチ１８２とを含む。これにより、コントローラ１８１は、入力端子１１、１２において外部電源からウルトラキャパシタ１７３を充電するために必要とされる電力及び電圧変換を実行できる。ウルトラキャパシタ１７３は、端子１１及び端子１２の整流されたＡＣ入力電圧及びバッテリバンク８から端子５と端子６に供給される電圧とは異なる電圧で動作するように意図されている。但し、他の実施形態では、ウルトラキャパシタ１７３は、端子１１及び端子１２又は端子５及び端子６の電圧の１つと同様の電圧で動作する。入力７６がグリッド７７に接続され、端子１１、１２には充電電流１３が供給されているときにスイッチ４８及びスイッチ１８２が開状態になると、バッテリ８の充電とは異なる速度及び異なる電圧でウルトラキャパシタ１７３を充電できる。この実施形態では、スイッチ１７６は、ヘッドツーテール（head-to-tail）で並列に設定されたインラインダイオードを有する２組のＩＧＢＴの形態を有する。このスイッチは、モジュール２０（図示せず）からの制御信号に応答して、ウルトラキャパシタ１７３への／からの電流の制御を補助する。したがって、電力／エネルギは、これらの組み合わせによって１２方向に転送できる。すなわち、第１の状態では、モータは、ウルトラキャパシタ１７３、バッテリバンク８、及び／又は第２の入力のいずれかの組み合わせによって、電力を供給し又は電力を受け取ることができる。第２の状態では、バッテリバンク８、ウルトラキャパシタ１７３、及び第２の入力電源のいずれか１つ又は全ての組み合わせの間で、ＤＣ−ＤＣ電力／エネルギを双方向に伝送できる。本明細書の教示の利点を考慮すると、ウルトラキャパシタの位置について、又はウルトラキャパシタ若しくは他のストレージ媒体の複数のバンクの使用について、他の多くの構成が可能であることは明らかである。
【０１２９】
図１４は、本発明の更なる実施形態を示しており、ここでは、対応する特徴には、対応する参照符号を付している。この実施形態では、スイッチトリラクタンスモータ１９２の形態の誘導負荷のためのコントローラ１９１は、５つのスイッチＫ１〜Ｋ５を有し、これらはモジュール２０（図示せず）からの制御信号に応答して、モータ１９２の３つの巻線のための３つの駆動回路の間に配置された供給レールを選択的に接続及び切断する。すなわち、本発明の実施形態は、独立して駆動されるモータコイルを有するモータにも適用される。この実施形態では、各駆動回路は、関連するコイルに駆動電流を供給するためのＨブリッジを含む。他の実施形態では、非対称Ｈブリッジを使用する。これらのＨブリッジ間の電力レールの選択的中断によって、モータ１９２内の個々の巻線を使用して、利用可能なＤＣ電源電圧を直列に、又は並列に動作させ、又は直列及び並列の組み合わせとして動作させることができる。直列で動作する場合、全てのスイッチＫ１〜Ｋ５は、図示のように開状態になり、電圧は、端子５、６から端子１１、１２に、又はこの逆方向に、コントローラ１９１が独立して各コイルを降圧モード、昇圧モード、又は昇降圧モードで動作させることによって変換される。端子５及び端子６において別のＤＣ電源１５からバッテリ８を充電するとき、電圧は、Ｖ２からＶ３、Ｖ４、Ｖ１に段階的に変換される。コントローラ１９１内には、様々なレベルの電圧が存在するので、（例えば、ウルトラキャパシタを使用することによって）これらの中間レベルの追加のエネルギストレージを実現することもできる。
【０１３０】
並列で動作する場合、Ｋ１及びＫ２は、閉じられ、Ｖ２＝Ｖ４、Ｖ３＝Ｖ１である。したがって、降圧、昇圧、又は昇降圧の各構成の入力及び出力電圧は、同じである。これにより、コントローラ１９１は、特定の充電要件の間、効率及び／又は電力伝送を向上させることができる。
【０１３１】
上述の実施形態は、単相又は３相の実施例を参照して説明したが、本発明は、これらとは異なる位相数を有するモータに適用可能であることは明らかである。
【０１３２】
図１５は、コントローラ２０１が２つの３相モータ２０２、２０３の形態の誘導負荷用を制御する本発明の別の実施形態を示している。他の実施形態では、３つ以上のモータが含まれる。この実施形態における両方のモータ（又は他の実施形態における全てのモータ）は、電圧変換及び双方向動作を提供するために使用できる。電圧変換の各段の電力レールは、並列に配置されているので、追加されたモータ及び関連する駆動回路毎に充電電力を増加させることができる。図１５において、モータ２０２及びモータ２０３は、高電力充電を可能にするように接続され、両方のモータ及びこれに関連するパワー回路、すなわち、関連する駆動回路を使用して、２組の端子間のパワーフローを調整できる。コストの考慮が最も重要な場合、両方のモータ用の駆動回路について同じ電力レールスイッチ４８、１８２を使用する。他の実施形態では、各モータの駆動回路の電力レールは、接続されておらず、それぞれの電力レール切り離しスイッチを備えており、したがって、各駆動回路と昇降圧機能を独立して動作させることができる。
【０１３３】
図１５の実施形態では、グリッド７７からの整流された３相電力は、端子５及び端子６にＤＣ電圧を生じさせ、このＤＣ電圧は、これはコントローラ２０１によって、ウルトラキャパシタ１７３の両端の電圧及び／又はバッテリ８の両端の電圧に変換される。コントローラ２０１は、双方向動作を行って端子１１及び端子１２にＤＣ出力電圧を供給し、又は回路７５内でインバータ整流器が使用される場合には、そのＤＣ電圧を入力７６においてＡＣ信号に反転させる。
【０１３４】
図１６に示す別の実施形態では、モータ２０３は、異なるデカップリングスイッチを介してモータ２０２に対して互い違いに配置され、これにより、モジュール２０（図示せず）は、スイッチを制御して、バッテリ８及びウルトラキャパシタ１７３を充電／放電するために使用されるインダクタンスを変更することができる。
【０１３５】
複数のコントローラ及びモータを使用し、車載エネルギストレージの２つの形態（バッテリ及び／又はウルトラキャパシタ等）に対して電流を引き込むこれらの実施形態のための直列フォーマットを図１７に示す。２つのモータ用のコントローラの間には、独立した電圧が供給され、ウルトラキャパシタバンク等のエネルギストレージデバイスが動作し、又は外部電源とのインタフェースのための他の入力／出力端子が設けられている。充電モードの間、高電力ＤＣ電源又は整流された３相ＡＣ電源が提供する入力電圧は、第１のコントローラによってウルトラキャパシタに変換される。第２のコントローラは、この独立した電圧を、バッテリを充電するために第２の電圧に変換できる。ウルトラキャパシタは、バッテリよりも高速で充放電が可能であるため、充放電レベルは、通常、２つのストレージデバイス間で大幅に異なる。このシステムトポロジは、多くの動作モードを可能にする。例えば、バッテリを接続及び分離するための主スイッチが開状態（バッテリをコントローラの残りの部分から絶縁した状態）である場合、両方のモータがウルトラキャパシタに蓄えられたエネルギを引き込むことができる。この主スイッチが閉状態である場合、モータは、バッテリ及びウルトラキャパシタの一方又は両方からエネルギを引き込むことができる。第２のモータによって提供されるインダクタンスを使用することにより、外部電源が取り外された後であっても、ウルトラキャパシタを使用してバッテリを充電し続けることができ、その逆も可能である。ウルトラキャパシタ、バッテリ、又は両方のハイブリッドは、ビークルツーグリッド（vehicle-to-grid：Ｖ２Ｇ）又はＤＣ出力動作を提供するために利用できる。
【０１３６】
図１７のコントローラは、概略的に示されており、全体的なアーキテクチャ及び設計コンセプトを明確に示すために、様々なコンポーネントが省略されていることは、当業者にとって明らかである。実施する場合、このコントローラは、特定の動作を実現するために更なるコンポーネントを含むことができることは、当業者にとって明らかである。
【０１３７】
他の実施形態では、独立した電圧で他のエネルギストレージデバイスを使用する。更なる実施形態では、更なるＡＣ又はＤＣ入力／出力端子が独立した電圧を印加されるように配置される。これには、例えば、単層又は３相ＡＣの整流を最適化するための他の入力回路とのインタフェースも含まれる。
【０１３８】
Ｖ２Ｇ機能及び／又はグリッドに利益をもたらすことができる他の動作を使用するこれらの実施形態では、例えば、図１７に示すようなウルトラキャパシタバンク等、長寿命のエネルギストレージ媒体を使用することが好ましい。これにより、システムは、システム内のコンポーネントを大幅に劣化させることなく、グリッド及び／又はユーザに利益を提供できる。これらの利益は、接続された電力グリッドの任意の１又は複数のフェーズの需要対応、電圧及び／又は周波数調整、負荷遮断、及び／又は位相平衡化を提供することによって生じさせることができる。本明細書に開示するコントローラの実施形態は、バッテリ及び／又はウルトラキャパシタ及び／又は電力グリッド間の双方向電圧及び電力変換により、ウルトラキャパシタ等と容易に統合できるように構成されており、したがって、双方向性及び／又はＶ２Ｇ能力を実現し、実用的かつ潜在的に利益のある技術である。
【０１３９】
以下、対応する特徴に、対応する参照符号を付した図１８を参照して説明する。３相モータ２２２の形態の誘導負荷のためのコントローラ２２１は、電気エネルギの双方向変換を提供する。具体的には、コントローラ２２１は、正の電力レールを切断するための２つの離間したスイッチ４８、１８２を含む。すなわち、第１の状態において、３つの駆動回路は、共通の電力レールを有し、協働して動作し、モータ２２２の巻線に電流を選択的に流し、モータに正又は負のトルクを発生させる。一方、第２の状態では、３つの駆動回路をそれぞれ互いに切断でき、入力回路７５において、他の場合は単方向整流器として機能する整流器を使用して、双方向昇降圧コンバータを実現できる。この実施形態では、入力回路７５は、（ある実施形態で好ましいように）単方向であり、コントローラ２２１がグリッド７７から正弦波の入力電流を、高い力率及び低い全高調波ひずみ（total harmonic distortion：ＴＨＤ）で引き込むことができるようにする。図１８に示すように、ＩＧＢＴＱ７〜Ｑ１２及びそれぞれのインラインダイオードの直列構成は、６つの単方向スイッチとして機能し、モジュール２０は、これらを降圧スイッチとして制御し、グリッド７７の個々の各相から入力回路７５を介して整流された電流を制御する。これにより、バッテリ８を充電する際、コントローラ２２１は、各相について、より大きな電流を制御できる。ただし、コントローラ２２１が双方向能力で動作する際は、Ｖ２Ｇ動作の電流経路は、提供されない。これに代えて、グリッド７７に電流を供給するために、回路７５内の２つの供給レール２２３及び供給レール２２４の極性は、バッテリ８のものと逆になる。
【０１４０】
この実施形態ではバッテリ８の充電モードとして定義される第２の状態では、スイッチ４８、２２５及びＭＯＳＦＥＴＱ１３は、開状態になり、スイッチ１８２、２２６及びＭＯＳＦＥＴＱ１４は、閉状態になる。降圧動作中、Ｑ１は、降圧スイッチとして動作し、Ｑ２は、同期動作で使用される。昇圧動作中、Ｑ４及びＱ６は、トグルされる。他の実施形態では、昇圧動作中、スイッチ４８は、閉状態になり、スイッチ１８２は、開状態になり、ＭＯＳＦＥＴＱ１、Ｑ３は、降圧スイッチとして機能し、ＭＯＳＦＥＴＱ６は、昇圧スイッチとして機能する。
【０１４１】
双方向Ｖ２Ｇ動作では、スイッチ４８、１８２、２２６及びＭＯＳＦＥＴＱ１４は、開状態になり、スイッチ２２５及びＭＯＳＦＥＴＱ１、Ｑ２、Ｑ１３は、閉状態になる。ＭＯＳＦＥＴＱ５、Ｑ６は、それぞれ降圧及び同期降圧スイッチとして使用され、ＭＯＳＦＥＴＱ４は、昇圧スイッチとして使用される。スイッチ４８、及びＭＯＳＦＥＴＱ１、Ｑ２、Ｑ１３は、電力レール２２３及び２２４の極性を反転させるように作用し、したがって、回路７５は、ＡＣ出力を反転させて電力グリッド７７に供給することができる。第２の状態の間、端子１１及び端子１２は、グリッド７７から電流を引き込み、ＭＯＳＦＥＴＱ１３、並びにスイッチ４８、１８２の一方／両方が開状態になり、ＭＯＳＦＥＴＱ１４が閉状態になり、端子６は、Ｑ１４を介してレール２２４に接続される。双方向動作の間、ＭＯＳＦＥＴＱ１３は、閉状態になり、ＭＯＳＦＥＴＱ１４及びスイッチ４８は、開状態になり、端子５は、レール２２４に接続される。ＭＯＳＦＥＴＱ１及びＱ２は、閉状態になり、これにより、端子６は、端子１１に機能的に接続される。この動作は、関連する端子の極性を反転させ、回路７５の単方向スイッチを実現し、端子１１及びレール２２４で受け取ったＤＣ電力を反転させて、反転された電力をグリッド７７に供給することができる。スイッチ２２５は、インラインキャパシタ２２７との間の充放電電流を制御するために使用される。このキャパシタは、デカップリングキャパシタ及びエネルギストレージバッファとして機能し、Ｖ２Ｘ動作でエネルギを反転させる。
【０１４２】
回路７５がグリッド７７から引き込まれた電流を整流する際、スイッチ２２５は、開状態になり、モータ２２２のインダクタンスを使用して、入力電流を良好に制御し、グリッドから正弦波電流が確実に引き込まれるようにすることができる。双方向動作の間、スイッチ２２５は、閉状態になり、キャパシタ２２７は、昇降圧電圧を保存して平滑化し、回路７５が反転させてグリッド７７に供給するためのより安定した電圧を提供する。
【０１４３】
他の実施形態では、回路７５内の付加的な一組の単方向スイッチ（それぞれのインラインダイオードを有するＩＧＢＴ）をＩＧＢＴＱ７〜Ｑ１２に対して逆に（すなわち、反対の極性に向けて）構成し、レール２２３、２２４の極性を逆転させることなく、ＡＣ電流経路を提供する。
【０１４４】
スイッチ４８及びスイッチ１８２の形態の２つの電力レール遮断を有することにより、可変降圧及び／又は昇圧インダクタンス値を実現でき、異なる電力及び電圧レベルでコントローラ２２１の効率を改善できる。充電モードでは、例えば、スイッチ４８が開状態にあり、スイッチ１８２及び２２６が閉状態にある場合、モータ２２２のＹ結線構成された巻線によって提供される降圧インダクタンスは、巻線の個々の位相のインダクタンスの１．５倍である。スイッチ４８が閉状態にあり、スイッチ１８２が開状態にある場合、降圧インダクタンスは、位相インダクタンスの１．５倍から２倍に構成できる。この実施形態では、スイッチ４８及びスイッチ１８２の形態の独立して作動可能な２つの電力レール遮断を有することにより、これらの遮断の間に独立した電圧を発生させることも可能になる。これにより、上述の他の実施形態で説明したように、これらの隔離された位置に他のエネルギストレージ媒体を容易に組み込むことができる。
【０１４５】
図１８の実施形態には、例えば、中性点の整流、又はウルトラキャパシタの追加等、他の実施形態の特徴を含めることができる。例えば、スター構成のキャパシタネットワーク（図示せず）と相互接続された入力７６において、中性点を含む整流を各相で行ってもよい。次に、スター構成の中性点と、モータから切り離されている駆動回路の共通点との間にキャパシタを接続してもよい。この特定の実施形態では、スター構成の中性点は、キャパシタを介して、Ｑ１とＱ２によって形成された駆動回路スイッチの間に接続される。この例では、スイッチＫ２及びスイッチＫ４は、開状態（非導通状態）に維持され、昇降圧機能は、スイッチＱ３〜Ｑ６を用いて行われる。
【０１４６】
以下、対応する特徴に、対応する参照符号を付した図１９を参照して説明する。３相モータ１６２の形態の誘導負荷のためのコントローラ２２９は、モジュール２０（図示せず）を使用して、第２の入力源から充電電流９を生成する第２の状態の間、磁気エネルギ回生システム（magnetic energy recovery system：ＭＥＲＳ）として動作する。この実施形態は、一方の駆動回路の負の電力レールを他方の入力又は駆動回路の１又は複数の負の電力レールから切り離すことが有利である場合の例である。第１の状態の間、モジュール２０は、スイッチ４８、１７５、２３１を閉じる信号を発行し、スイッチ２３０を介して、モータ位相巻線を第１の駆動回路１０２のセンタータップに接続する。第２の状態では、モジュール２０は、スイッチ４８、１７５、２３１を開く信号を発行し、スイッチ２３０を介して、端子５を第１の駆動回路のセンタータップに接続する。この実施形態では、スイッチ２３１は、ＦＷＤを有するＭＯＳＦＥＴとして示されており、コントローラ２２９により、モータ巻線からの誘導性直列入力を有するＭＥＲＳ補償システムがキャパシタ２３２の周囲に形成されている。これにより、キャパシタの周囲にＡＣスイッチが形成され、キャパシタを回路に選択的に含ませて補償を提供でき、及びＭＥＲＳシステムからエネルギを回収できる。更に、巻線を流れる電流は、降圧スイッチＱ１の動作によって変調できる。他の実施形態では、例えば、インライン逆流阻止ダイオード（図示せず）を備えた能動整流器等の他のシステムを使用する。昇圧機能は、Ｑ４を閉じ、スイッチ２３１にＰＷＭ信号を発行することによって実現できる。スイッチ２３１のオフ期間中は、巻線に電流が流れ続け、したがって、キャパシタ２３２が切り換えられて回路に含まれるまで、Ｑ６のボディダイオードを介して、バッテリバンク８を充電する。この実施形態では、キャパシタ２３２の両端の電圧を測定するために電圧センサを使用する。ＭＥＲＳシステムは、充電効率、ＴＨＤ、ＰＦＣ、及び／又は充電リップル電流を補助するために使用できる。
【０１４７】
以下、対応する特徴に、対応する参照符号を付した図２０を参照して説明する。具体的には、ここには、デルタ構成の３相モータ２５１の形態の誘導負荷用のコントローラ２５０が示されている。コントローラ２５０は、モジュール２０（図示せず）を使用して、一組の無線接続トランスデューサ２５２を介する無線電力伝送を制御する。この実施形態では、結合されたトランスデューサ２５２は、一次トランスデューサ及び二次トランスデューサの形態をとり、それぞれが双方向伝送を提供し、車外トランスデューサは、パドルに埋め込まれた単一の高密度コイルである。他の実施形態では、車外トランスデューサは、トラックループ又は路面の下に埋め込まれた一連のコイルである。この実施形態では、車外トランスデューサは、単相又は３相の電力グリッドからＡＣ−ＡＣコンバータ２５３を介してエネルギを引き込み、高周波ＡＣ信号を生成する。他の実施形態では、他のＡＣ周波数及びコンバータタイプも可能である。更なる実施形態では、コンバータ２５３は、ＤＣ−ＡＣコンバータであり、入力電源は、バッテリバンク（図示せず）等のＤＣである。電力伝送は、無線であるため、車載トランスデューサは、多くの異なる車外トランスデューサとインタフェースでき、これは、複数の一次トランスデューサからの無線転送を同時に受け取ることを含む。この実施形態では、入力回路７５は、逆並列ダイオードを有するＭＯＳＦＥＴで構成された双方向能動整流器インバータを含む。当業者にとって明らかなように、他の実施形態では、入力回路７５は、車載トランスデューサから受信した無線電力を効率的に修正するために必要なフィルタリング機構及び／又は他のコンポーネントを含む。車両が静止しており、第２の状態では、スイッチ２５６を導通状態に維持し、スイッチ４８（図示せず）及び／又はスイッチ１８２を非導通状態に維持し、前述した昇降圧動作を行うことによって、受信した無線電力を使用してバンク８を充電できる。同様に、入力回路７５は、インバータ回路を含むので、車載トランスデューサにおいて高周波ＡＣを発生させ、無線Ｖ２Ｇ動作のために車外トランスデューサに伝送することによって双方向動作が可能になる。この実施形態では、車両が動いており、駆動力のためにモータを使用している間、モジュール２０は、スイッチ２５６を非導通状態に維持し、任意の受信された無線電力は、整流してウルトラキャパシタ２５４に供給できる。ウルトラキャパシタ２５４に／から流入及び／又は流出する電力は、この実施形態では、ＦＷＤを有する単一のＭＯＳＦＥＴとして表されているスイッチ２５５によって制御できる。他の実施形態では、スイッチ２５５及び／又はスイッチ２５６は、還流ダイオードと共通のエミッタを有する２つの直列のＩＧＢＴ又は他のスイッチング機構を含む。車両の動作中、モジュール２０は、スイッチ２５６及び／又はスイッチ２５５にＰＷＭ動作信号を供給し、ウルトラキャパシタ２５４を選択的に充電又は放電させ、及び／又は車載トランスデューサとの間で無線電力を送信又は受信できる。第２の状態では、バッテリ８は、上述した昇降圧動作によって、ウルトラキャパシタ２５４を充電でき、その逆も可能である。他の実施形態では、接続されたトランスデューサコイルは、別の無線伝送法に置き換えられ、これに応じて入力回路７５が適応化され、第２の入力端子１１、１２にＤＣ電圧を発生させる。更なる実施形態では、結合されたトランスデューサ２５２は、有線ＡＣ又はＤＣ電力伝達機構に置き換えられ、入力回路７５及び車外ＡＣ−ＡＣコンバータ２５３は、これに応じて適応化される。他の実施形態では、別の車載トランスデューサを使用して、第１の車載トランスデューサが無線の、従って絶縁された電力を第２の車載トランスデューサに供給する。この第２の車載トランスデューサは、例えば、電気自動車の通常動作のための低電圧（low voltage：ＬＶ）絶縁電力レールを提供できる。この電力レールは、専用の１２Ｖ又は２４Ｖの車載バッテリ又は専用のＤＣ−ＤＣ絶縁コンバータの代わりになるものである。他の実施形態では、一次及び二次の車載トランスデューサは、共通のコア材料の周りに巻かれた一次巻線及び二次巻線を有する変圧器を構成する。更なる実施形態では、複数の巻線又はトランスデューサを使用して、複数の絶縁された電力レール及び／又は多方向の電力フローが可能な外部デバイスとの電力結合を生成する。
【０１４８】
特に、本明細書の教示を参照して、任意の１つの実施形態の特徴及び制御方法を、１又は複数の他の実施形態の特徴及び方法に選択的に適用し、及び組み合わせることができることは当業者にとって明らかである。任意の１つの実施形態からの任意の特徴又は方法の省略は、説明の冗長性を回避することのみを目的とし、他の組み合わせが不可能であることを意味するものではない。
【０１４９】
上述の好ましい実施形態及び他の実施形態に関連して、以下の点を特記する。
・インバータ又は整流器を置換して、任意の数の電気的位相を整流又は反転させることができる。
・スイッチ４８（又は同様のスイッチ）は、複数の同様の電力レールのいずれかの間に配置できる。すなわち、これは、正又は負の電力レールのいずれにも接続できる。
・複数の（２つ以上の）スイッチ（スイッチ４８等）は、動作モードに応じて異なる点で電力レールを切断するために使用される。
・他の電力レールから切り離すことができる各電力レールに追加の入力／出力及び／又はエネルギストレージデバイスを設けることができる。
・コントローラにおいて追加のセンサ又は異なるセンサを使用して、制御信号を発行する際の制御モジュールの動作を補助することができる。
・ＤＣ−ＤＣ絶縁コンバータによって、又はこれを用いずにモータ毎に整流された単相／多相を含む複数のモータ／インバータ構成が利用可能である。
・制御方法は、デルタ構成及び／又はＹ結線構成に設定された様々な構成の１相以上の様々な誘導負荷を使用して実行できる。
・１又は複数のモータを備えた１つの整流器を制御して、電流負荷を平準化し、高調波を低減できる。
・整流及び力率補正は、車外で行うことができる。このような実施形態では、コントローラは、通常、充電電流と、降圧、昇圧、又は昇降圧のいずれかとを制御する。
・コントローラは、需要応答、負荷遮断、位相平衡、及び／又は各相の電圧及び／又は周波数調整に準拠するように構成できる。
・コントローラは、効率、コスト、安全性、寿命、信頼性及び／又は機能等の基準を満たすように最適化できる。
【０１５０】
本明細書における車両とは、陸上車両のみではなく、航空機及び船舶等の他の乗り物を含む。陸上車両の典型的な例には、プラグイン電気自動車及びプラグインハイブリッド電気自動車が含まれる。これらの電気自動車は、乗用車に限定されず、トラック、バス、フォークリフト、鉱山設備、農業用機器、レクリエーション用車両等が含まれる。
【０１５１】
上述の実施形態は、モータ等の誘導負荷を参照して説明したが、本発明は、他の誘導負荷、例えば、電気加熱素子及びインダクタンスを有する電流導体、又はモータとこのような他の誘導負荷の組み合わせにも適用できる。
【０１５２】
上述の実施形態の１つ以上によって提供される主な利点は、以下のとおりである。
・更なるＤＣ電源、単相ＡＣ電源、及び３相ＡＣ電源を含む広範囲の入力から充電式電源を充電する能力。
・降圧機能（第２の電源電圧が現在のバッテリ／充電可能エネルギソース電圧よりも高い場合）及び／又は昇圧機能（第２の電源電圧が現在のバッテリ／充電可能エネルギソース電圧よりも低い場合）、並びにこれら２つの組み合わせを提供。
・双方向の昇降圧機能による２つのＤＣソース／シンク間の双方向ＤＣパワーフロー。
・ＤＣソース／シンクからＤＣ／ＡＣ両方の入出力への双方向パワーフロー。
・１又は複数のモータ、又は他の１又は複数の誘導負荷を動作及び駆動するために本来必要な部品以外に必要な追加部品が最小限。
・３相グリッドＡＣ電源を使用して、電気自動車の充電時間をレベル３のＤＣ急速充電に匹敵する期間に短縮可能。
・降圧、昇圧、昇降圧の機能を提供することで、普遍的な展開を実現。
・１１０Ｖ、２４０Ｖ、４８０Ｖ３相等の典型的な電気系統のインフラストラクチャ電圧を含む様々な入力電圧とタイプに対応。
・双方向能力により、電気自動車用の車両−グリッド、車両間、車両−ホーム、及びＶ２Ｘをサポート。
・専用の降圧／昇圧インダクタ等の大規模又は高価なコンポーネントを追加することなく効率的に動作。
・インバータ／整流器と組み合わせると、入出力は、多用途のＡＣ入力又は出力、又は極性に依存しないＤＣ入力又は出力になる。
・電圧変換においてインダクタンスのレベルを様々に変更できる。すなわち、１つ又は全ての巻線を有利に使用して、１又は複数のＤＣ−ＤＣ変換を実現できる。
・エネルギ伝送の効率の向上。
・多相負荷とモータの異なる構成、例えば、Ｙ結線構成又はデルタ構成等が可能。
・充電動作と電力変換の効率の向上。
・ＤＣ充電電流のリップルの低減。
・電気自動車に必要な回路全体の複雑さを軽減。モータを駆動するために使用される回路がバッテリを充電するためにも使用されるため、コントローラの複雑さのわずかな増加は、別個の充電回路が不要になることによって相殺される。
・ブラシ付き及びブラシレスＤＣモータ、単相ＡＣモータ、多相モータ（インダクションモータ、非同期モータ、永久磁石同期モータ等）、スイッチトリラクタンスモータを含む広範囲のモータ及び電気機械に適用可能。
・コイルが独立しているモータ（スイッチトリラクタンスモータ等）で使用される場合、実施形態は、巻線を選択的に並列又は直列に配置するように有利に動作できる。
・異なる電圧レベルの他のエネルギストレージデバイスの充放電を可能にする。すなわち、ウルトラキャパシタ、ＭＥＲＳ等と互換性を有する。
・入力電圧及びバッテリ電圧に依存しない電圧出力を含む複数の電圧入力と電圧出力を実現。これは、駆動回路の電力レール間の複数の分離を可能にすることによって可能になる。
・用途が必要とする様々なレベルの電力レールを提供する能力。例えば、ＬＶ制御システムの電力レールのエネルギ要件を供給することによって、電気自動車の低電圧（ＬＶ）バッテリ又はＤＣ−ＤＣコンバータを置き換える。
・車載バッテリ又は充電式エネルギソースと直接接続することにより、誘導性の負荷又はモータを通過することなく、外部ＤＣチャージャとのインタフェースが可能。
・各巻線を独立して駆動しない電気モータへの適用。すなわち、実施形態は、単相又はＤＣモータ、及び各位相がスター型又はデルタ型の構成でリンクされている３＋相モータにも適用可能である。
・駆動回路の非対称ハーフブリッジの必要性を回避。
・複数のモータ構成に適用可能であり、直列及び／又は並列で実装可能。
・単相又は３相のＡＣ電力グリッド、ＨＶＤＣ電気システム、無線電力トランスデューサ、整流なしのＤＣエネルギストレージデバイス、又は外部ＤＣ充電器等の様々な外部電源を使用して双方向の電力フローを調整可能。
・力率補正、負荷平衡、需要応答、高調波音歪み低減、最大電力点追従（ＭＭＰＴ）等を提供するために外部ソース電源の入力を調整可能。
・有線又は無線の電力伝送を介して、外部電源と双方向の電力フローを調整可能。
・変換が必要な電圧及び電力に基づいて、制御ストラテジ、スイッチング周波数、可変昇降圧インダクタンス能力の選択的使用により、動作の効率を適応させる能力。
・地域及び／又は意図された用途に基づいて設計を最適化する能力。
・システム内の複数のコンバータの機能を、提案されたコントローラの動作に統合することによってシステムのコスト、重量、部品点数を削減する能力。
・部品の削減及び／又は最適化により、システムの安全性と信頼性を向上させる能力。
・電気自動車の再充電及び／又はＶ２Ｘ動作を意図した外部充電ステーション設備又は装置の必要性を排除又は低減。
【０１５３】
上述の実施形態の説明では、制御される信号は、第１のコンポーネントが生成した信号であり、第２のコンポーネントは、この信号に応答して所定の動作を実行し、所定の状態に変化し、或いは制御される。制御信号は、典型的には電気信号であるが、幾つかの実施形態では、これらは、光信号、熱信号、可聴信号等の他の信号を含む。制御信号は、幾つかの例ではデジタル信号であり、他の例ではアナログ信号である。制御信号は、全て同じ性質のものである必要はなく、第１のコンポーネントは、異なる第２のコンポーネントに、又は同じ第２のコンポーネントに対し、異なるフォーマットで異なる制御信号を発行できる。更に、制御信号は、第２のコンポーネントに間接的に送信してもよく、第２のコンポーネントによって受信される前に様々な変換を行ってもよい。
【０１５４】
上述の開示は、１又は複数の誘導巻線を有する誘導負荷のためのコントローラにおける様々な重要な改善を提供することは明らかである。
【０１５５】
本発明の例示的な実施形態の上述の説明では、開示を合理化し、様々な発明的側面のうちの１つ以上の理解を補助する目的で、本発明の様々な特徴を、単一の実施形態、図又はその説明に統合している場合がある。しかしながら、この開示の手法は、特許請求される発明が各請求項に明示的に記載されている特徴より多くの特徴を必要とするといった意図を反映するものではない。換言すれば、以下の請求項は、前述の単一の開示された実施形態の全ての特徴よりも少ない特徴で本発明の側面が成立することを反映している。したがって、詳細な説明に続く特許請求の範囲は、この詳細な説明に明確に組み込まれ、各請求項は、本発明の別個の実施形態として単独で成立している。
【０１５６】
更に、本明細書で説明する幾つかの実施形態は、他の実施形態に含まれる幾つかの特徴又は異なる特徴を含むが、異なる実施形態の特徴の組み合わせは、本発明の範囲内にあることを意味し、異なる実施形態を構成できることは、当業者にとって明らかである。例えば、以下の特許請求の範囲において、特許請求される実施形態のいずれかは、任意の組み合わせで使用できる。
【０１５７】
本明細書が提供する説明では、多くの具体的な詳細が述べられている。しかしながら、本発明の実施形態は、これらの特定の詳細なしで実施できることは明らかである。また、この説明を明瞭に説明するために、周知の方法、構造及び技術については、詳細には示していない。
【０１５８】
また、「結合された（connected）」又は「接続された（connected）」という用語は、説明及び特許請求の範囲において使用される場合、直接接続のみに限定されていると解釈されるべきではない。「結合された」及び「接続された」という用語は、これらの派生語とともに使用できる。これらの用語は、互いに同義語として意図されていない。したがって、「デバイスＢに接続されたデバイスＡ」という表現の範囲は、デバイスＡの出力がデバイスＢの入力に直接接続されているデバイス又はシステムに限定されない。すなわち、これは、Ａの出力とＢの入力との間に経路が存在し、この経路は、他のデバイス又は手段を含む経路であってもよいことを意味する。「接続されている」とは、２つ以上の要素が物理的又は電気的に直接接触しているか、又は２つ以上の要素が互いに直接接触していないが、互いに協働し又はインタラクトすることを意味する。
【０１５９】
したがって、以上では、好ましいと考えられる本発明の実施形態を記述しているが、本発明の思想から逸脱することなく、他の更なる変更が可能であり、このような変更及び修正は、請求される本発明の範囲内に含まれるものであることは、当業者にとって明らかである。例えば、ここに提示した任意の式又はフローチャートは、使用され得る手順の単なる代表例である。ブロック図は、機能を追加し又はブロック図から機能を削除してもよく、機能ブロック間で動作を入れ替えてもよい。本発明の範囲内で、ここに開示した方法にステップを追加してもよく、幾つかのステップを省略してもよい。
【符号の説明】
【０１６０】
１  コントローラ
２  ＤＣ電気モータ
３  誘導巻線
３ａ  巻線
３ｂ  巻線
３ｃ  巻線
５  端子
６  端子
７  ＤＣ負荷電流
８  バッテリバンク、バッテリ
９  第１のＤＣ充電電流
１１  端子
１２  端子
１３  第２のＤＣ充電電流
１５  ＤＣ電源
２０  制御モジュール
２１  制御ライン
２２  制御ライン
２３  制御ライン
２４  制御ライン
２５  制御ライン
３１  第１の駆動回路
３２  第２の駆動回路
３５  通電電流
４１  正の電力レール
４２  負の電力レール
４３  正の電力レール
４４  負の電力レール
４８  単極単投スイッチ
５１  ＭＯＳＦＥＴ
５２  ＭＯＳＦＥＴ
５３  第１の端部
５５  ＭＯＳＦＥＴ
５６  ＭＯＳＦＥＴ
５７  第２の端部
５８  ＤＣ充電電流
５９  スイッチ
６１  コントローラ
６２  ３相モータ
６３  回路
６５  キャパシタ
７１  誘導負荷用コントローラ
７２  ３相モータ
７５  入力回路
７６  入力端子
７７  ３相グリッド
７８  フィルタ
７９  双方向インバータ及び整流回路
８１  コントローラ
９１  コントローラ
９２  駆動回路
９３  駆動回路、スイッチ
９４  駆動回路
１０１  コントローラ
１０２  駆動回路
１０３  駆動回路
１０４  駆動回路
１０５  正の電力レール
１０６  負の電力レール
１０７  正の電力レール
１０８  負の電力レール
１０９  正の電力レール
１１０  負の電力レール
１２１  コントローラ
１２２  ３相モータ
１２３  巻線
１２４  巻線
１２５  巻線
１２６  ステップ
１２７  ステップ
１２８  ステップ
１３１  第１の駆動回路
１３３  ＭＯＳＦＥＴ
１３４  ＭＯＳＦＥＴ
１３５  正の電力レール
１３６  負の電力レール
１３７  第２の駆動回路
１３９  ＭＯＳＦＥＴ
１４０  ＭＯＳＦＥＴ
１４１  正の電力レール
１４２  負の電力レール
１４３  第３の駆動回路
１４５  ＭＯＳＦＥＴ
１４６  ＭＯＳＦＥＴ
１４７  正の電力レール
１４８  負の電力レール
１６１  コントローラ
１６２  ３相モータ
１６３  能動整流器／インバータ
１７１  コントローラ
１７２  ３相Ｙ結線構成のモータ
１７３  ウルトラキャパシタバンク、ウルトラキャパシタ
１７５  スイッチ
１７６  スイッチ
１８１  コントローラ
１８２  スイッチ
１９１  コントローラ
１９２  スイッチトリラクタンスモータ
２０１  コントローラ
２０２  ３相モータ
２０３  ３相モータ
２２１  コントローラ
２２２  ３相モータ
２２３  電力レール
２２４  電力レール
２２５  スイッチ
２２６  スイッチ
２２７  インラインキャパシタ
２２９  コントローラ
２３０  スイッチ
２３１  スイッチ
２３２  キャパシタ
２５０  コントローラ
２５１  ３相モータ
２５２  無線接続トランスデューサ
２５３  ＡＣ−ＡＣコンバータ
２５４  ウルトラキャパシタ
２５５  スイッチ
２５６  スイッチ
【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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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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