(57)【要約】【課題】複数のエネルギー源および負荷に接続可能で、これらの間で電力を割り当てるＤＣ−ＤＣ電力コンバータを提供する。【解決手段】３ポートＤＣ−ＤＣコンバータは、第１、第２、および第３のスイッチング素子からなるスイッチング素子の配列と、スイッチング素子の配列に電流を供給する一対の入力チャネルを含み、一対の入力チャネルは、複数のエネルギー源もしくは負荷に接続され、複数のエネルギー源もしくは負荷から電力を受け取り、または複数のエネルギー源もしくは負荷に電力を送る。３ポートＤＣ−ＤＣコンバータは、３ポートＤＣ−ＤＣコンバータから、または３ポートＤＣ−ＤＣコンバータに対して、制御された電力を出力する出力チャネルをさらに含む。第１、第２、および第３のスイッチング素子は、入力チャネルに接続された複数のエネルギー源または負荷から出力チャネルに制御された電力を供給するように、選択的に制御可能である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ（１０）であって、
第１のスイッチング素子（５８）、第２のスイッチング素子（６０）、および第３のスイッチング素子（６２）からなるスイッチング素子の配列と、
スイッチング素子の前記配列に電流を供給する一対の入力チャネル（３８、４６）であって、複数のエネルギー源もしくは負荷（１６、１８、２０）に接続され、前記複数のエネルギー源もしくは負荷（１６，１８、２０）から電力を受け取り、または前記複数のエネルギー源もしくは負荷（１６，１８、２０）に電力を送る一対の入力チャネル（３８、４６）と、
前記３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ（１０）から、または前記３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ（１０）に対して、制御された電力を出力する出力チャネル（５４）と、を含み、
前記第１のスイッチング素子（５８）、前記第２のスイッチング素子（６０）、および前記第３のスイッチング素子（６２）は、前記入力チャネル（３８、４６）に接続された前記複数のエネルギー源または負荷（１６、１８、２０）から前記出力チャネル（５４）に制御された電力を供給するように、選択的に制御可能である、３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ（１０）。
【請求項２】
前記一対の入力チャネル（３８、４６）の各々は、インダクタ（３６、４４）を含む、請求項１に記載の３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ（１０）。
【請求項３】
前記第１のスイッチング素子（５８）、前記第２のスイッチング素子（６０）、および前記第３のスイッチング素子（６２）の各々を、導通状態および非導通状態の一方に選択的に動作させるために、スイッチング素子の前記配列と動作可能に通信するコントローラ（６８）をさらに含む、請求項１に記載の３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ（１０）。
【請求項４】
前記複数のエネルギー源または負荷（１６、１８、２０）は、第１のエネルギー源（１６）および第２のエネルギー源（１８）を含み、前記第１のエネルギー源（１６）は、前記一対の入力チャネル（３８、４６）の一方に接続され、前記第２のエネルギー源（１８）は、前記一対の入力チャネル（３８、４６）の他方に接続される、請求項３に記載の３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ（１０）。
【請求項５】
前記第１のエネルギー源（１６）の電圧は、前記第２のエネルギー源（１８）の電圧より低い、請求項４に記載の３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ（１０）。
【請求項６】
前記コントローラ（６８）は、電力が前記第１のエネルギー源（１６）と前記出力チャネル（５４）との間を流れるように、前記第１のスイッチング素子（５８）および前記第３のスイッチング素子（６２）を前記導通状態で動作させるようにプログラムされる、請求項４に記載の３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ（１０）。
【請求項７】
前記コントローラ（６８）は、電力が前記第１および第２のエネルギー源（１６、１８）の両方と前記出力チャネル（５４）との間を流れるように、前記第１のスイッチング素子（５８）および前記第２のスイッチング素子（６０）を前記導通状態で動作させるようにプログラムされる、請求項４に記載の３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ（１０）。
【請求項８】
前記コントローラ（６８）は、前記第１および第２のエネルギー源（１６、１８）の両方を前記出力チャネル（５４）から遮断するために、前記第２のスイッチング素子（６０）および前記第３のスイッチング素子（６２）を前記導通状態で動作させるようにプログラムされる、請求項４に記載の３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ（１０）。
【請求項９】
前記コントローラ（６８）による、前記第１のスイッチング素子（５８）、前記第２のスイッチング素子（６０）、および前記第３のスイッチング素子（６２）の各々の前記選択的動作は、前記複数のエネルギー源または負荷（１６、１８、２０）と前記出力チャネル（５４）との間の共有電流経路を提供する、請求項１に記載の３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ（１０）。
【請求項１０】
前記第１のスイッチング素子（５８）、前記第２のスイッチング素子（６０）、および前記第３のスイッチング素子（６２）の各々は、スイッチ／ダイオード対を形成するスイッチ（６４）およびダイオード（６６）を含む半位相モジュールを含み、前記３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ（１０）は、双方向昇降圧型コンバータである、請求項１に記載の３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ（１０）。
【請求項１１】
スイッチング素子の前記配列のうちの２つのスイッチング素子は、スイッチ／ダイオード対を形成するスイッチ（６４）およびダイオード（６６）を含む半位相モジュールを含み、スイッチング素子の前記配列の他方は、電流の流れを一方向に制御するダイオード（６６）を含み、前記３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ（１０）は、昇圧型コンバータ（１２）または降圧型コンバータ（１４）の一方である、請求項１に記載の３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ（１０）。
【請求項１２】
前記複数のエネルギー源または負荷（１６、１８、２０）は、
前記３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ（１０）の低電圧側（２４）または高電圧側（４８）のいずれかに設けられたエネルギー源であって、前記３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ（１０）が、生成モードにおいて、前記エネルギー源から前記負荷へ電力を供給する、エネルギー源か、
あるいは、前記３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ（１０）の低電圧側（２４）または高電圧側（４８）のいずれかに設けられた負荷であって、前記３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ（１０）が、再生モードで動作する場合に、前記負荷により供給される電力を前記エネルギー源へ供給する、負荷か、
のいずれかを含む、請求項１に記載の３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ（１０）。
【請求項１３】
インダクタ（３６）と、前記インダクタ（３６）に結合された一対のスイッチング素子（５８、６０）と、を含む第１の電圧変換回路（５０）と、
インダクタ（４４）と、前記インダクタ（４４）に結合された一対のスイッチング素子（６０、６２）と、を含む第２の電圧変換回路（５２）と、
前記第１および第２の電圧変換回路（５０、５２）にそれぞれ接続された第１の入力チャネル（３８）および第２の入力チャネル（４６）と、
を含み、前記入力チャネル（３８、４６）の各々は、前記入力チャネル（３８、４６）の各々に接続された１つまたは複数のエネルギー源もしくは負荷（１６、１８、２０）からそれぞれの電圧変換回路（５０、５２）へ電力を供給し、
前記第１の電圧変換回路（５０）の前記一対のスイッチング素子（５８、６０）および前記第２の電圧変換回路（５２）の前記一対のスイッチング素子（６０、６２）は、第１のスイッチング素子（５８）、第２のスイッチング素子（６０）、および第３のスイッチング素子（６２）のスイッチング素子の配列から形成され、前記第１および第２の電圧変換回路（５０、５２）は、前記３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ（１０）の出力チャネル（５４）への共有電流経路を有する、３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ（１０）。
【請求項１４】
前記第１のスイッチング素子（５８）、前記第２のスイッチング素子（６０）、および前記第３のスイッチング素子（６２）の各々を、オン状態およびオフ状態の一方に選択的に動作させるために、前記第１および第２の電圧変換回路（５０、５２）と動作可能に通信するコントローラ（６８）をさらに含む、請求項１３に記載の３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ（１０）。
【請求項１５】
前記コントローラ（６８）は、前記第１のスイッチング素子（５８）、前記第２のスイッチング素子（６０）、および前記第３のスイッチング素子（６２）の各々を、前記オン状態および前記オフ状態の一方に選択的に動作させるようにプログラムされ、
電力が前記第１の入力チャネル（３８）の前記エネルギー源もしくは負荷（１６）と前記出力チャネル（５４）との間を流れるようにし、
電力が前記第１および第２の入力チャネル（３８、４６）の両方の前記エネルギー源もしくは負荷（１６、１８）と前記出力チャネル（５４）との間を流れるようにし、あるいは、
前記第１および第２の入力チャネル（３８、４６）の両方の前記エネルギー源もしくは負荷（１６、１８）を前記出力チャネル（５４）から遮断するようにする、請求項１３に記載の３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ（１０）。
【請求項１６】
前記第１のスイッチング素子（５８）、前記第２のスイッチング素子（６０）、および前記第３のスイッチング素子（６２）の各々は、
双方向の電流の流れを供給するスイッチ／ダイオード対を形成するスイッチ（６４）およびダイオード（６６）を含む半位相モジュール、または、
一方向のみの電流の流れを可能にするダイオード（６６）の一方を含む、請求項１３に記載の３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ（１０）。
【請求項１７】
複数エネルギー源システム（２２）であって、
直流（ＤＣ）リンク（５６）と、
前記ＤＣリンク（５６）に結合され、前記ＤＣリンク（５６）からエネルギーを受け取るように構成される負荷（２０）と、
前記ＤＣリンク（５６）に結合された出力チャネル（５４）を含み、第１および第２の入力チャネル（３８、４６）を含む３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ（１０）と、
前記３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ（１０）の前記第１の入力チャネル（３８）に結合された第１のエネルギー源（１６）と、
前記３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ（１０）の前記第２の入力チャネル（４６）に結合された第２のエネルギー源（１８）と、を含み、
前記３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ（１０）は、
第１のスイッチング素子（５８）、第２のスイッチング素子（６０）、および第３のスイッチング素子（６２）からなるスイッチング素子の配列と、
前記第１のスイッチング素子（５８）、前記第２のスイッチング素子（６０）、および前記第３のスイッチング素子（６２）の各々を、オン状態およびオフ状態の一方に選択的に動作させるために、スイッチング素子の前記配列と動作可能に通信するコントローラ（６８）と、
をさらに含み、
前記コントローラ（６８）は、前記第１および第２のエネルギー源（１６、１８）と前記出力チャネル（５４）との間の電流の流れを制御するために、前記第１のスイッチング素子（５８）、前記第２のスイッチング素子（６０）、および前記第３のスイッチング素子（６２）の各々を、前記オン状態および前記オフ状態の一方に選択的に動作させるようにプログラムされる、複数エネルギー源システム（２２）。
【請求項１８】
前記第１および第２のエネルギー源（１６、１８）と前記出力チャネル（５４）との間の電流の流れを制御する場合に、前記コントローラ（６８）は、電力が前記第１のエネルギー源（１６）と前記出力チャネル（５４）との間を流れるように、前記第１のスイッチング素子（５８）および前記第３のスイッチング素子（６２）を前記オン状態で動作させるようにさらにプログラムされる、請求項１７に記載の複数エネルギー源システム（２２）。
【請求項１９】
前記第１および第２のエネルギー源（１６、１８）と前記出力チャネル（５４）との間の電流の流れを制御する場合に、前記コントローラ（６８）は、電力が前記第１および第２のエネルギー源（１６、１８）の両方と前記出力チャネル（５４）との間を流れるように、前記第１のスイッチング素子（５８）および前記第２のスイッチング素子（６０）を前記オン状態で動作させるようにさらにプログラムされる、請求項１７に記載の複数エネルギー源システム（２２）。
【請求項２０】
前記第１および第２のエネルギー源（１６、１８）と前記出力チャネル（５４）との間の電流の流れを制御する場合に、前記コントローラ（６８）は、前記第１および第２のエネルギー源（１６、１８）の両方を前記出力チャネル（５４）から遮断するために、前記第２のスイッチング素子（６０）および前記第３のスイッチング素子（６２）を前記オン状態で動作させるようにさらにプログラムされる、請求項１７に記載の複数エネルギー源システム（２２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、一般的には電力コンバータに関し、より具体的には、複数のエネルギー源および負荷に接続可能であって、これらの間で電力を割り当てるＤＣ−ＤＣ電力コンバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の別個のエネルギー源の統合は、エネルギー源の利点を組み合わせて効率的に各エネルギー源を利用する目的のための、多くの電力システム応用において一般的である。例えば、二重／多重エネルギー蓄積技術は、近年、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車、ハイブリッド機関車の推進システム、ならびにスタートストップ燃料効率システムで利用されている。これら自動車／機関車の推進システムおよび／またはスタートストップ燃料効率システムは、大型バッテリ、ウルトラキャパシタ、フライホイール、またはこれらの要素の組み合わせを使用して、電動機またはモータに電力を供給する（および／または燃料効率を達成する）ために十分なエネルギーを提供している。
【０００３】
一般に有効であるが、このようなシステムに関連する問題は、エネルギー蓄積ユニット（すなわち、バッテリおよび／またはウルトラキャパシタ）の定格電圧によってシステム全体の電圧が決まってしまうことである。電動モータに必要な電圧はエネルギー蓄積ユニットの電圧よりはるかに高いことが多いので、このような構成は、電気推進システムの全体としての信頼性および効率を制限する。
【０００４】
この問題に対処するために、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ（例えば、双方向昇圧コンバータ）は、ＤＣリンク電圧（ＤＣリンクは電動モータに結合される）からエネルギー蓄積ユニット電圧を分離するためにしばしば使用され、１つまたは複数のコンバータがこの分離を提供するために使用される。双方向昇圧コンバータは、電気モータの電力要求を満たすために、エネルギー蓄積ユニットからＤＣリンクに供給される電圧を増加させ、または「昇圧する」ように働く。実際には、エネルギー蓄積ユニット電圧に対するＤＣリンク電圧の比は、通常、２：１より大きい。双方向昇圧コンバータは、エネルギー蓄積ユニットのサイズ（例えば、直列に接続されたエネルギー蓄積ユニットの数）の増加を必要とすることなく、ＤＣリンクに供給される電圧の増加を可能にする。
【０００５】
既存の双方向昇圧コンバータは、エネルギー蓄積ユニットのサイズを対応して増加させずに、ＤＣリンクへの電圧の供給を増加することに成功しているが、複数のコンバータを並列または直列に（複数のエネルギー源を完全に制御して統合するように）典型的に接続することは、電力変換プロセスにおいて多数のスイッチを用いることになる。例えば、電圧の昇圧および／または降圧を提供するように、並列または直列に接続された一対の２ポートＤＣ−ＤＣコンバータは、電圧変換を実行するために合計４つのスイッチを用いることになる。ＤＣ−ＤＣコンバータの構成におけるこの多数のスイッチは、システムの体積、重量、およびコストを増大させる。加えて、コンバータのこの構成は、各変換経路の限られた電力またはエネルギーを渡す能力、最適化されない性能（コスト、電力密度、エネルギー密度などを含む）、および／またはソース／負荷のいくつかの限られた制御性を提供する。
【０００６】
複数のコンバータを並列または直列に（複数のエネルギー源を完全に制御して統合するように）典型的に接続することは、単一のエネルギー蓄積装置が複数の負荷（例えば電動モータ）に電力を提供する構成においても用いられているが、これもまた電力変換プロセスにおいて多数のスイッチを用いることになる。
【０００７】
したがって、電力を割り当てて、複数のエネルギー資源／負荷を完全に制御して統合するために必要な、最小数のスイッチを含み、複数のエネルギー源に接続可能なＤＣ−ＤＣコンバータを提供することが望ましい。
【発明の概要】
【０００８】
本発明の実施形態は、複数のエネルギー源または負荷に接続可能であって、これらの間で電力を割り当てるＤＣ−ＤＣ電力コンバータを目的とする。
【０００９】
本発明の一態様によれば、３ポートＤＣ−ＤＣコンバータは、第１のスイッチング素子、第２のスイッチング素子、および第３のスイッチング素子からなるスイッチング素子の配列を含む。また３ポートＤＣ−ＤＣコンバータは、スイッチング素子の配列に電流を供給する一対の入力チャネルを含み、一対の入力チャネルは、複数のエネルギー源もしくは負荷に接続され、複数のエネルギー源もしくは負荷から電力を受け取り、または複数のエネルギー源もしくは負荷に電力を送る。３ポートＤＣ−ＤＣコンバータは、３ポートＤＣ−ＤＣコンバータから、または３ポートＤＣ−ＤＣコンバータに対して、制御された電力を出力する出力チャネルをさらに含む。第１のスイッチング素子、第２のスイッチング素子、および第３のスイッチング素子は、入力チャネルに接続された複数のエネルギー源または負荷から出力チャネルに制御された電力を供給するように、選択的に制御可能である。
【００１０】
本発明の別の態様によれば、３ポートＤＣ−ＤＣコンバータは、インダクタと、インダクタに結合された一対のスイッチング素子と、を有する第１の電圧変換回路を含む。また３ポートＤＣ−ＤＣコンバータは、インダクタと、インダクタに結合された一対のスイッチング素子と、を有する第２の電圧変換回路を含む。３ポートＤＣ−ＤＣコンバータは、第１および第２の電圧変換回路にそれぞれ接続された第１の入力チャネルおよび第２の入力チャネルをさらに含み、入力チャネルの各々は、入力チャネルの各々に接続された１つまたは複数のエネルギー源もしくは負荷からそれぞれの電圧変換回路へ電力を供給する。第１の電圧変換回路の一対のスイッチング素子および第２の電圧変換回路の一対のスイッチング素子は、第１のスイッチング素子、第２のスイッチング素子、および第３のスイッチング素子の配列から形成され、第１および第２の電圧変換回路は、３ポートＤＣ−ＤＣコンバータの出力チャネル間の共有電流経路を有する。
【００１１】
本発明のさらに別の態様によれば、複数エネルギー源システムは、直流（ＤＣ）リンクと、ＤＣリンクに結合され、ＤＣリンクからエネルギーを受け取るように構成される負荷と、ＤＣリンクに結合された出力チャネルを含み、第１および第２の入力チャネルを含む３ポートＤＣ／ＤＣコンバータと、３ポートＤＣ／ＤＣコンバータの第１の入力チャネルに結合された第１のエネルギー源と、３ポートＤＣ／ＤＣコンバータの第２の入力チャネルに結合された第２のエネルギー源と、を含む。３ポートＤＣ／ＤＣコンバータは、第１のスイッチング素子、第２のスイッチング素子、および第３のスイッチング素子からなるスイッチング素子の配列と、第１のスイッチング素子、第２のスイッチング素子、および第３のスイッチング素子の各々を、オン状態およびオフ状態の一方に選択的に動作させるために、スイッチング素子の配列と動作可能に通信するコントローラと、をさらに含む。コントローラは、第１および第２のエネルギー源と出力チャネルとの間の電流の流れを制御するために、第１のスイッチング素子、第２のスイッチング素子、および第３のスイッチング素子の各々を、オン状態およびオフ状態の一方に選択的に動作させるようにプログラムされる。
【００１２】
様々な他の特徴および利点は、以下の詳細な説明および図面から明らかになろう。
【００１３】
図面は、本発明を実施するために現在考えられる実施形態を示す。
【００１４】
図面の説明は以下の通りである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態による、付属のソース／負荷を有する昇降圧型３ポートＤＣ−ＤＣコンバータの概略ブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態による、付属のソース／負荷を有する昇圧型３ポートＤＣ−ＤＣコンバータの概略ブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態による、付属のソース／負荷を有する降圧型３ポートＤＣ−ＤＣコンバータの概略ブロック図である。
【図４】本発明の一実施形態による、図１〜図３のいずれかの３ポートＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング素子へゲート信号のシーケンスを提供するための変調方法を示すグラフである。
【図５】図４の変調方法により動作する場合の、図１の昇降圧型３ポートＤＣ−ＤＣコンバータの動作モードの概略ブロック図である。
【図６】本発明の別の実施形態による、付属のソース／負荷を有する昇降圧型３ポートＤＣ−ＤＣコンバータの概略ブロック図である。
【図７】本発明の別の実施形態による、付属のソース／負荷を有する昇降圧型３ポートＤＣ−ＤＣコンバータの概略ブロック図である。
【図８】本発明の別の実施形態による、付属のソース／負荷を有する昇降圧型３ポートＤＣ−ＤＣコンバータの概略ブロック図である。
【図９】本発明の別の実施形態による、付属のソース／負荷を有する昇降圧型３ポートＤＣ−ＤＣコンバータの概略ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施形態は、コンバータから制御された出力電力を提供するように、選択的に制御可能な３つのスイッチング素子の配列を含む３ポートＤＣ−ＤＣコンバータを提供する。複数のエネルギー源または負荷は、３ポートＤＣ−ＤＣコンバータの一方の側に設けられ、コンバータの入力チャネルを介してそれに接続され、３つのスイッチング素子の配列は、１つまたは複数のエネルギー源からコンバータの出力に電力を選択的に供給し、あるいは、コンバータの入力から複数の負荷に電力を供給するように制御される。
【００１７】
図１〜図３は、両者間の共有電流経路を有する２つのＤＣ−ＤＣコンバータ（すなわち電圧変換回路）をそれぞれ統合する３ポートＤＣ−ＤＣコンバータの様々な実施形態を示す。図１は、双方向電力潮流を達成することができる昇降圧型３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ１０を示す図である。図２は、低電圧側から高電圧側へ電力を供給することができる昇圧型３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ１２を示す図である。図３は、高電圧側から低電圧側へ電力を供給する降圧型３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ１４を示す図である。
【００１８】
図１〜図３の各実施形態における３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ１０、１２、１４は、異なる電圧の複数のエネルギー供給装置またはエネルギー消費装置（すなわち、エネルギー源または負荷）に接続され、そのようにして３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ１０、１２、１４によって電圧の昇圧または降圧が実行される。少なくとも２つのソース／負荷が、３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ１０、１２、１４の一方の側に設けられており、図１〜図３は、コンバータの一方側に設けられた第１のソース／負荷１６および第２のソース／負荷１８を示す。第１および第２の負荷／ソース１６、１８だけをＤＣ−ＤＣコンバータ１０、１２、１４に接続して示しているが、追加のソース／負荷を接続することができ、このようなソース／負荷は並列または直列に接続してもよいことが認識される。また、ソース／負荷２０が、第１および第２のソース／負荷１６、１８と反対のコンバータの側に設けられる。電圧を平滑化するために、ＤＣキャパシタを端子に配置してもよいことが指摘されるが、図１〜図３には示していない。
【００１９】
図１に具体的に示すように、例示的な実施形態によれば、昇降圧型３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、複数エネルギー蓄積装置システム２２の一部として提供され、ソース／負荷１６、１８、２０は、第１のエネルギー蓄積装置１６（例えば、エネルギーバッテリ）、第２のエネルギー蓄積装置１８（例えば、高比電力エネルギー蓄積装置）、および負荷２０（例えば、ＤＣ−ＡＣインバータおよびＡＣモータ）の形式である。第１のエネルギー蓄積装置１６は、Ｌｉイオン、ナトリウム金属ハロゲン化物、ナトリウムニッケル塩化物、ナトリウム硫黄、または空気亜鉛電池などの高比エネルギー電池または高エネルギー密度電池の形式であってもよく、これらは例えば１００Ｗ−ｈｒ／ｋｇ以上のエネルギー密度を達成することができる。第２のエネルギー蓄積装置１８は、高比電力エネルギー蓄積装置、例えばセル当たり５００ファラドより大きいセル容量を有する複数のセルで構成されたウルトラキャパシタバンクなどであってもよい。
【００２０】
図１では、第１のエネルギー蓄積装置１６および第２のエネルギー蓄積装置１８は、昇降圧型３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ１０の低電圧側２４に結合され、第１のエネルギー蓄積装置１６の負端子２６および第２のエネルギー蓄積装置１８の負端子２８はバス３０に接続され、第１のエネルギー蓄積装置１６の正端子３２はバス３４に接続され、バス３４は正バスであって、インダクタ３６を介して昇降圧型３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ１０の入力チャネル３８をコンバータの低電圧側２４に接続する。第２のエネルギー蓄積装置１８の正端子４０は、バス４２に結合され、バス４２はインダクタ４４を介して昇降圧型３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ１０の入力チャネル４６を低電圧側２４に接続する。
【００２１】
典型的な動作時には、昇降圧型３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、システム２２の低電圧側２４により供給される電圧をシステム２２の高電圧側４８に昇圧し、ならびに電圧を調整して、第１のエネルギー蓄積装置１６および第２のエネルギー蓄積装置１８に対して過電流保護を提供するように働く。種々の電力割り当て方法をシステムに適用することができる。例えば、エネルギー蓄積装置１８およびエネルギー蓄積装置１６の両方が、負荷２０に対して同時に電力を供給することができる。一方のソースがほとんどの間電力を供給して、他方はバックアップとして用いるように動作することもできる。
【００２２】
昇降圧型３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ１０については、コンバータは、両者間の共有電流経路を有する第１の電圧変換回路５０および第２の電圧変換回路５２を含むように構成される。第１の電圧変換回路５０および第２の電圧変換回路５２の各々は、先に説明したように、インダクタ３６、４４を有するそれぞれの入力チャネル３８、４６を含み、電圧変換回路５０、５２は、インダクタ３６、４４を介して第１および第２のエネルギー蓄積装置１６、１８に接続される。所望の昇圧が実行されると、第１および第２の電圧変換回路５０、５２は、３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ１０の出力チャネル５４に出力電圧を供給し、出力チャネル５４は負荷２０が接続されたＤＣリンク５６に昇圧された電圧を供給する。
【００２３】
昇降圧型３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、第１および第２のエネルギー蓄積装置１６、１８と負荷２０との間のシステムにおいて選択的に昇圧および降圧するために、３つのスイッチング素子、すなわち、第１のスイッチング素子５８、第２のスイッチング素子６０、および第３のスイッチング素子６２の配列をさらに含む。図１に示すように、本発明の実施形態によれば、各スイッチング素子５８、６０、６２、は、ダイオード６６に結合されたスイッチ６４（すなわち、スイッチ／ダイオード対）を含む半位相モジュールとして形成される。スイッチ６４は、説明の便宜上、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、本発明の実施形態は、ＩＧＢＴに限定されない。任意の適切な電子スイッチ、例えば、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）ＭＯＳＦＥＴ、窒化ガリウム（ＧａＮ）デバイス、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に制御されたサイリスタ（ＭＣＴ）等を用いることができる。
【００２４】
スイッチング素子５８、６０、６２は、第１のスイッチング素子５８が出力チャネル５４の正端子に動作可能に接続され、第３のスイッチング素子６２が出力チャネル５４の負端子に動作可能に接続されるように配列され、第２のスイッチング素子６０は、第１のスイッチング素子５８に動作可能に接続された１つの端子と、第３のスイッチング素子６２に動作可能に接続された第２の端子と、を有する。スイッチング素子５８、６０、６２は、第１のスイッチング素子５８および第２のスイッチング素子６０がインダクタ３６の端子に動作可能に接続され、第２のスイッチング素子６０および第３のスイッチング素子６２がインダクタ４４の端子に動作可能に接続されるようにさらに配列される。
【００２５】
第１のスイッチング素子５８、第２のスイッチング素子６０、および第３のスイッチング素子６２の配列に基づいて、スイッチング素子５８、６０、６２は、第１の電圧変換回路５０および第２の電圧変換回路５２のためのスイッチング素子として集合的に機能する。第１の電圧変換回路５０および第２の電圧変換回路５２の各々を（部分的に）構成するスイッチング素子５８、６０、６２の配列に基づいて、共有電流経路が第１および第２の電圧変換回路５０、５２と、３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ１０の出力チャネル５４との間で利用される。
【００２６】
また昇降圧型３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ１０には、第１のスイッチング素子５８、第２のスイッチング素子６０、および第３のスイッチング素子６２の各々をオン状態（すなわち、導通／導通された状態）およびオフ状態（すなわち、非導通／非導通された状態）の一方に選択的に動作させるために、スイッチング素子５８、６０、６２の配列と動作可能に通信するコントローラ６８が含まれる。コントローラ６８は、スイッチング素子５８、６０、６２をオン状態に切り替えて、スイッチング素子５８、６０、６２を流れる電流を制御するために、スイッチング素子５８、６０、６２（すなわちスイッチ６４）にゲート信号を選択的に印加し、そのようにして、第１のエネルギー蓄積装置１６および／または第２のエネルギー蓄積装置１８から電力を選択的に引き出すことができる。
【００２７】
昇降圧型３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ１０の動作原理と、コントローラ６８を介した、電圧変換回路５０、５２およびスイッチング素子５８、６０、６２の動作原理と、を説明するために、図４には、コントローラ６８により昇降圧型３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ１０の各スイッチング素子５８、６０、６２に供給されるゲート信号Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３の可能なシーケンスのうちの１つを示す。図示する変調方法７０は、３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ１０の降圧および昇圧動作モードの両方に適用可能であり、モード間の切り替え時の平滑化を提供する。素子がオンになると、電流は電力潮流に応じていずれかの方向になり得る。変調方法７０に関しては、第１のエネルギー蓄積装置１６の電圧は、装置の一方向の電圧阻止能力に起因して、第２のエネルギー蓄積装置１８の電圧よりも高くすべきであることが分かる。
【００２８】
ここで図５Ａ〜図５Ｃおよび引き続き図３を参照すると、本質的には、図４に示す変調方法７０によって達成することができる昇降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の３つの可能な動作モードがあることが分かる。図５Ａは、第１のスイッチング素子５８および第３のスイッチング素子６２が電流を導通して、ＤＣバス５６と第１のエネルギー蓄積装置１６との間で電力が流れる動作モードを示す。コントローラ６８によりスイッチング素子５８、６０、６２に提供されるゲート信号のこのシーケンス、すなわち第１のスイッチング素子５８および第３のスイッチング素子６２がオン状態になり、第２のスイッチング素子６０がオフ状態になるシーケンスを、図４の期間７２の間に示す。ＤＣ−ＤＣコンバータ１０のスイッチング素子５８、６０、６２のこの状態では、コントローラ６８によって実現され、図５Ａに示すように、電圧ＶａはＶ１になり、電圧Ｖｂは０になる。
【００２９】
図５Ｂは、第１のスイッチング素子５８および第２のスイッチング素子６０の両方が電流を導通して、ＤＣバス５６と第１および第２のエネルギー蓄積装置１６、１８との間で電力が流れる動作モードを示す。コントローラ６８によりスイッチング素子５８、６０、６２に提供されるゲート信号のこのシーケンス、すなわち第１のスイッチング素子５８および第２のスイッチング素子６０がオン状態になり、第３のスイッチング素子６２がオフ状態になるシーケンスを、図４の期間７４の間に示す。ＤＣ−ＤＣコンバータ１０のスイッチング素子５８、６０、６２のこの状態では、コントローラ６８によって実現され、図５Ｂに示すように、電圧ＶａおよびＶｂの両方はＶ１に等しくなる。
【００３０】
図５Ｃは、第２のスイッチング素子６０および第３のスイッチング素子６２が電流を導通して、第１および第２のエネルギー蓄積装置１６、１８がともにＤＣバス５６から遮断される動作モードを示す。コントローラ６８によりスイッチング素子５８、６０、６２に提供されるゲート信号のこのシーケンス、すなわち第２のスイッチング素子６０および第３のスイッチング素子６２がオン状態になり、第１のスイッチング素子５８がオフ状態になるシーケンスを、図４の期間７６の間に示す。ＤＣ−ＤＣコンバータ１０のスイッチング素子５８、６０、６２のこの状態では、コントローラ６８によって実現され、図５Ｃに示すように、電圧ＶａおよびＶｂの両方は０に等しくなる。
【００３１】
昇降圧型３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ１０の性能を最適化するために、他のスイッチング方式を適用することもできる。例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０が昇圧モードであって、第２のエネルギー蓄積装置１８だけが動作している場合には、第１のスイッチング素子５８および第２のスイッチング素子６０のゲート信号は、所望のデューティサイクルで第３のスイッチング素子６２によりオフすることができる。また、昇降圧型３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ１０が昇圧モードであって、第１のエネルギー蓄積装置１６だけが動作している場合には、第１のスイッチング素子５８のゲート信号は、同じ所望のデューティサイクルで第２のスイッチング素子６０および第３のスイッチング素子６２によりオフすることができる。ＤＣ−ＤＣコンバータの昇圧動作モードについて説明したこれらの付加的なスイッチング方式に加えて、類似のスイッチング方式が降圧動作モードに適用できることが分かる。これらの最適化をすることで、スイッチング損失を低減することができる。
【００３２】
有利なことに、コントローラ６８により実行される変調方法７０によって、別々のポート（すなわち、入力ポート／チャネル３８、４６および出力ポート／チャネル５４）の電圧／電力調整を互いに独立させることができる。電力の割り当ておよび複数エネルギー源／負荷１６、１８、２０の統合に対して、このように完全な制御性を提供することができる。
【００３３】
３ポートＤＣ−ＤＣコンバータの構成およびコントローラ６８によるその動作は、図１の昇降圧型３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ１０に関して具体的に説明したが、図２の昇圧型３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ１２、および図３の降圧型３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ１４は、軽微な違いがあるだけで、構成および動作について本質的に同じであることが分かる。図２の昇圧型３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ１２については、第１のスイッチング素子５８は、一方向ダイオード６６の形式（図１の昇降圧型３ポートＤＣ−ＤＣコンバータのような半位相モジュールではなく）であることが分かる。図３の降圧型３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ１４については、第３のスイッチング素子６２は、一方向ダイオード６６の形式（図１の昇降圧型３ポートＤＣ−ＤＣコンバータのような半位相モジュールではなく）であることが分かる。動作的には、図２の昇圧型３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ１２および図３の降圧型３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ１４の各々のスイッチング素子５８、６０、６２は、特定の修正をした、コントローラ６８で説明したものと同様な方法で制御される。
【００３４】
図１〜図３で説明した３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ１０、１２、１４、ならびに図４および図５Ａ〜図５Ｃに関連して説明した制御の実施形態は、ソースおよび負荷の異なる配列で使用可能であること、ならびに、異なるソース／負荷を統合する場合に、提案されたＤＣ−ＤＣトポロジの他の可能な構成があることも分かる。双方向昇降圧型３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ１０について、一例として、図６は、コンバータの一方の側にソース／負荷を直列に接続した構成８０を示し、図７〜図９は、コンバータの一方の側に３つのソース／負荷を設ける構成８２、８４、８６を示す。さらに、例えばハイブリッド電気自動車で行うことができるように、エネルギー源／負荷を直接高電圧ＤＣリンクに配置することができる。図６および図７〜図９の構成８０、８２、８４、８６は、降圧型３ポートＤＣ−ＤＣコンバータおよび昇圧型３ポートＤＣ−ＤＣコンバータにも適用できることがさらに分かる。
【００３５】
有利なことに、本発明の実施形態は、このように、複数のエネルギー源および負荷に接続可能であって、これらの間で電力を割り当てる３ポートＤＣ−ＤＣコンバータを提供する。ＤＣ−ＤＣコンバータは、３つのスイッチング素子の配列および共有電流経路を含み、そのようにして、コンバータのスイッチング素子の総数が、２ポートのＤＣ−ＤＣコンバータの並列または直列配列で通常見られるよりも少なくなる。したがって、２ポートＤＣ−ＤＣコンバータ技術の既存の構成と比較して、３ポートＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング素子の数は、２５％低減される。したがって、コンバータのサイズおよび重量を低減することができる。また、共有電流経路により、標準デバイスモジュールの設計は、同じ総電力定格を有するハイブリッドエネルギー源／負荷の異なるサイジング方式で実現することができる。したがって、それはソース／負荷システムの設計をはるかに柔軟なものにし、新たな製品の製造コストを低減することができる。トポロジに使用される高い電流定格素子により、特定の動作範囲でシステムの伝導損失を低減することができる。
【００３６】
本発明の一実施形態によれば、３ポートのＤＣ−ＤＣコンバータは、第１のスイッチング素子、第２のスイッチング素子、および第３のスイッチング素子からなるスイッチング素子の配列を含む。また３ポートＤＣ−ＤＣコンバータは、スイッチング素子の配列に電流を供給する一対の入力チャネルを含み、一対の入力チャネルは、複数のエネルギー源もしくは負荷に接続され、複数のエネルギー源もしくは負荷から電力を受け取り、または複数のエネルギー源もしくは負荷に電力を送る。３ポートＤＣ−ＤＣコンバータは、３ポートＤＣ−ＤＣコンバータから、または３ポートＤＣ−ＤＣコンバータに対して、制御された電力を出力する出力チャネルをさらに含む。第１のスイッチング素子、第２のスイッチング素子、および第３のスイッチング素子は、入力チャネルに接続された複数のエネルギー源または負荷から出力チャネルに制御された電力を供給するように、選択的に制御可能である。
【００３７】
本発明の別の実施形態によれば、３ポートＤＣ−ＤＣコンバータは、インダクタ、およびインダクタに結合された一対のスイッチング素子を有する第１の電圧変換回路を含む。また３ポートＤＣ−ＤＣコンバータは、インダクタと、インダクタに結合された一対のスイッチング素子と、を有する第２の電圧変換回路を含む。３ポートＤＣ−ＤＣコンバータは、第１および第２の電圧変換回路にそれぞれ接続された第１の入力チャネルおよび第２の入力チャネルをさらに含み、入力チャネルの各々は、入力チャネルの各々に接続された１つまたは複数のエネルギー源もしくは負荷からそれぞれの電圧変換回路へ電力を供給する。第１の電圧変換回路の一対のスイッチング素子および第２の電圧変換回路の一対のスイッチング素子は、第１のスイッチング素子、第２のスイッチング素子、および第３のスイッチング素子の配列から形成され、第１および第２の電圧変換回路は、３ポートＤＣ−ＤＣコンバータの出力チャネルへの共有電流経路を有する。
【００３８】
本発明のさらに別の実施形態によれば、複数エネルギー源システムは、直流（ＤＣ）リンクと、ＤＣリンクに結合され、ＤＣリンクからエネルギーを受け取るように構成される負荷と、ＤＣリンクに結合された出力チャネルを含み、第１および第２の入力チャネルを含む３ポートＤＣ／ＤＣコンバータと、３ポートＤＣ／ＤＣコンバータの第１の入力チャネルに結合された第１のエネルギー源と、３ポートＤＣ／ＤＣコンバータの第２の入力チャネルに結合された第２のエネルギー源と、を含む。３ポートＤＣ／ＤＣコンバータは、第１のスイッチング素子、第２のスイッチング素子、および第３のスイッチング素子からなるスイッチング素子の配列と、第１のスイッチング素子、第２のスイッチング素子、および第３のスイッチング素子の各々を、オン状態およびオフ状態の一方に選択的に動作させるために、スイッチング素子の配列と動作可能に通信するコントローラと、をさらに含む。コントローラは、第１および第２のエネルギー源と出力チャネルとの間の電流の流れを制御するために、第１のスイッチング素子、第２のスイッチング素子、および第３のスイッチング素子の各々を、オン状態およびオフ状態の一方に選択的に動作させるようにプログラムされる。
【００３９】
この明細書は、本発明を開示するために実施例を用いており、最良の形態を含んでいる。また、いかなる当業者も本発明を実施することができるように実施例を用いており、任意のデバイスまたはシステムを製作し使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含んでいる。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、特許請求の範囲の文言との差がない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言との実質的な差がない等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にある。
【００４０】
本発明について限られた数の実施形態にのみ関連して詳述しているが、本発明がこのような開示された実施形態に限定されないことが直ちに理解されるべきである。むしろ、これまでに記載されていない任意の数の変形、変更、置換または等価な構成を組み込むために、本発明を修正することができ、それらは本発明の趣旨と範囲に相応している。さらに、本発明の様々な実施形態について記載しているが、本発明の態様は記載した実施形態のうちのいくつかのみを含んでもよいことを理解すべきである。したがって、本発明は、上記の説明によって限定されるとみなされるのではなく、添付した特許請求の範囲によって限定されるだけである。
【符号の説明】
【００４１】
１０  昇降圧型３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ
１２  昇圧型３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ
１４  降圧型３ポートＤＣ−ＤＣコンバータ
１６  第１のソース／負荷、第１のエネルギー源／負荷、第１のエネルギー蓄積装置
１８  第２のソース／負荷、第２のエネルギー源／負荷、第２のエネルギー蓄積装置
２０  ソース／負荷、エネルギー源／負荷
２２  複数エネルギー蓄積装置システム
２４  低電圧側
２６  負端子
２８  負端子
３０  バス
３２  正端子
３４  バス
３６  インダクタ
３８  入力ポート／チャネル、入力チャネル
４０  正端子
４２  バス
４４  インダクタ
４６  入力ポート／チャネル、入力チャネル
４８  高電圧側
５０  第１の電圧変換回路
５２  第２の電圧変換回路
５４  出力チャネル
５６  ＤＣリンク、ＤＣバス
５８  第１のスイッチング素子
６０  第２のスイッチング素子
６２  第３のスイッチング素子
６４  スイッチ
６６  一方向ダイオード
６８  コントローラ
７０  変調方法
７２  期間
７４  期間
７６  期間
８０  構成
８２  構成
８４  構成
８６  構成
Ｇ１  ゲート信号
Ｇ２  ゲート信号
Ｇ３  ゲート信号
【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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【外国語明細書】
2016036249000001.pdf