(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両のバスに結合する高電圧エネルギー調整型変換回路であって、
上記車両バスに電気的に結合した高電圧エネルギー変換器（HVEC）モジュール、
上記HVECモジュールに電気的に接続されたバッテリー・バス、
上記HVECに電気的に接続された水エチレングリコール（WEG）ヒーター・バス、
上記バッテリー・バスに電気的に接続された高電圧バッテリー・パック、
上記WEGヒーター・バスに電気的に接続されたWEGヒーター回路、及び
上記HVECモジュール、上記高電圧バッテリー・パック及び上記WEGヒーター回路へネットワークを介して電気的に接続されたロジック制御器、
を有し、該ロジック制御器が、上記車両バス、上記バッテリー・バス及び上記WEGヒーター・バスにおける電力を調整すると共に、上記車両バスに電気的に接続される燃料電池の始動中に上記バッテリー・バスから上記車両バスへ所定の上限レベルの電圧を供給した後、上記燃料電池が始動してすぐに、上記車両バス上の電圧を、上記燃料電池の温度の上昇を促進させるのに必要な所定の低レベルに低減するよう上記HVECモジュールを制御する、回路。
【請求項２】
上記WEGヒーター回路が更にWEGヒーターを有する、請求項１の回路を備えたシステム。
【請求項３】
上記ロジック制御器が、上記WEGヒーター回路に、過剰なバッテリー・エネルギーを放出させる動作をさせる、請求項１の回路を備えたシステム。
【請求項４】
上記ロジック制御器が、上記車両バスの電力レベルが所定値よりも大きいときに、上記HVECモジュールに上記車両バスから上記バッテリーへの電力を受入れる動作をさせる、請求項１の回路を備えたシステム。
【請求項５】
上記ロジック制御器が、上記車両バス上の電力レベルが所定値よりも大きいときに、上記HVECモジュールに、上記車両バスから上記ヒーター・バスへの電力を受入れる動作をさせる、請求項１の回路を備えたシステム。
【請求項６】
上記ロジック制御器が、上記車両バス上の電力レベルが所定値よりも小さいときに、上記HVECモジュールに、上記バッテリー・バスから上記車両バスへ電力を供給する作動をさせる、請求項１の回路を備えたシステム。
【請求項７】
上記ロジック制御器が、上記車両バス上の電力レベルが、所定の電圧限界を超えていないときに、上記HVECモジュールを不作動にする、請求項１の回路を備えたシステム。
【請求項８】
上記HVECモジュールが、定電圧モード、定電流モード及び定バッテリー電流モードを有する複数のモードで動作する、請求項１の回路を備えたシステム。
【請求項９】
上記HVECモジュールが、上記高電圧バッテリー・パックの充電状態（SOC）を維持する、請求項１の回路を備えたシステム。
【請求項１０】
上記高電圧バッテリー・パックが、バッテリー制御モジュール（BCM）を有し、該BCMが、電圧、電流、電力、温度及び高電圧バッテリー・パックの活力からなる群から選択された高電圧バッテリー・パックの特性を監視する上で、上記ロジック制御器を補佐する、請求項１の回路を備えたシステム。
【請求項１１】
上記ロジック制御器が、上記HVECモジュールに信号を送ることにより、上記BCMからの信号に応じて上記バッテリー・バスの電力を調整する、請求項１０の回路を備えたシステム。
【請求項１２】
上記HVECモジュールが、上記高電圧バッテリー・パックの充電状態(ＳＯＣ)を維持することにより、上記高電圧バッテリー・パックを充電する、請求項１の回路を備えたシステム。
【請求項１３】
上記ロジック制御器が、高電圧バッテリー・パックの維持アルゴリズムを持ち、該アルゴリズムが、上記ロジック制御器が上記高電圧バッテリー・パックの充電状態を調整するのを許容する、請求項１の回路を備えたシステム。
【請求項１４】
高電圧エネルギー変換器（HVEC）モジュールの作動方法であって、
動作命令信号を受ける工程、
決定した機能モードで動作する工程、及び
車両バス、バッテリー・バス及び水エチレングリコール（WEG）ヒーター・バスを電圧ガードする工程を有し、
上記所定の機能モードで動作する工程は、更に、
上記バッテリー・バスから上記車両バスへ所定の上限レベルの電圧を供給する工程、及び
燃料電池が始動してすぐに、上記車両バス上の電圧を、上記燃料電池の温度の上昇を促進させるのに必要な所定の低レベルに低減する工程
を有する方法。
【請求項１５】
上記車両バス、バッテリー・バス及びWEGヒーター・バスを電圧ガードする工程が更に、
上記車両バス、上記バッテリー・バス及び上記WEGヒーター・バスにおける電圧を監視する工程、
上記車両バス、上記バッテリー・バス及び上記WEGヒーター・バスにおける電圧レベルを比較する工程、
上記車両バス、上記バッテリー・バス及び上記WEGヒーター・バスの間の電圧移送が実行可能であるか否かを判定する工程、及び
上記車両バス、上記バッテリー・バス及び上記WEGヒーター・バスの間で電力を移送する工程、
を有する、請求項１４の方法。
【請求項１６】
上記車両バス、バッテリー・バス及びWEGヒーター・バスの電圧を監視する工程が更に、
上記車両バス、上記バッテリー・バス及び上記ヒーター・バスの電圧を、電圧ガード限界と比較する工程、及び
電圧ガード限界に到達したという信号をロジック制御器へ送る工程、
を有する、請求項１５の方法。
【請求項１７】
上記車両バス、バッテリー・バス及びWEGヒーター・バスの間で電力を移送する工程が更に、上記車両バス、上記バッテリー・バス及び上記WEGヒーター・バスの電圧を上記電圧ガード限界内に調整する工程を、有する、請求項１６の方法。
【請求項１８】
上記車両バス、バッテリー・バス及びWEGヒーター・バスの間で電力を移送する工程が、上記HVECモジュールが、定電圧モード、定電流モード及び定バッテリー電流モードにあるときに実行される、請求項１５の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、概略的にはハイブリッド電気自動車に関し、より具体的には、車両高電圧バスの電力を調整する装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
代替エネルギー源を自動車で使用するための開発は、自動車製造業者の目標の一つである。代替エネルギー源は、車両を動作させるのに必要とされる動力を提供すると同時に、エネルギー効率に優れ、排出物を低減し、そしてコスト的に有利なものでなければならない。その様な検討中の代替エネルギー源の一つが、燃料電池エネルギー・システムである。燃料電池技術は、電気自動車（electric vehicle略してEV）での使用のために、改良が続けられている。燃料電池は、非常に効率的な動力源であり、それは、自動車に必要とされる動力を提供することが出来るものである。燃料電池はまた、排出物の生成量がゼロである。
【０００３】
EVは、電気推進システムを持つ。電気推進システムは、燃料電池、電気モーター／発電機及びバッテリーを持つ。燃料電池は、電気エネルギーを作り出し、そのエネルギーは、バッテリーに蓄えられるか又は自動車を推進するのに用いられるかのいずれかである。燃料電池により生成される電気エネルギーは、電気モーター／発電機に動力を与え、それが自動車を推進する。電気モーター／発電機は、自動車を推進する他に、車両制動中に出力の回生を行なう。電気モーター／発電機は、制動中の機械的エネルギーを電気エネルギーへと変換し、そのエネルギーはバッテリーに蓄えられる。これは、回生制動と呼ばれる場合が多い。バッテリーに蓄えられた電気エネルギーはまた、空調システム、照明システム、オーディオ／ビジュアル・システム及び他の電気的なシステムなどの車載システムでも用いられる。
【０００４】
【特許文献１】
米国特許第５７０７１１５号明細書
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池エネルギー・システムの構成の中には、燃料電池エネルギー・システムの始動と停止動作のために高電圧エネルギー源を必要とするものがある。燃料電池はエネルギーを発生するが、エネルギーの貯蔵を行なうものではない。燃料電池システムはまた、エネルギー負荷の発生中に過渡負荷補助を必要とし、回生制動の発生中にはエネルギー貯蔵を必要とする。しかし、これらは、燃料電池エネルギー・システムのみでは、担保され得ない。加えて、EVを運転者の使用に対して現実的なものとするために、高い要件が導入され、それには、燃料効率の向上及び動力応答時間の短縮が含まれる。動力応答時間は、運転者からの動力要求に応答するために燃料電池システムが必要とする期間又は、運転条件の変化に対して必要な期間のことである。
【０００６】
更に、現在の燃料電池推進システムは、燃料電池の動作時間を、その間に燃料電池が最も効率的な動作状態になる様に、最大化するものではない。燃料電池は、上下限の間に理想的な動作出力範囲を持つ。燃料電池は、定常状態若しくは、言い換えると定電力発生中に、最も効率的である。燃料電池は、上下限近く若しくはそれを超えて動作する際には、それ程効率的でない。燃料電池が理想的な温度で作動中の期間もまた、最大化されておらず、それが、かなりのエネルギー損失の原因となり得る。
【０００７】
それで、燃料電池が賄うことの出来ないエネルギー負荷の増大が起こっている間の動作を担保することへの要求が存在する。また、過剰なエネルギーが利用可能であるときに、エネルギーを貯蔵することへの要求も存在する。エネルギーを残すために、上記要求の両方は、出来るだけ効率的に実行されるべきである。
【０００８】
更に、燃料電池の理想的動作状態と温度の間に燃料電池エネルギー・システムが発生する出力を利用することへの要求が存在する。エネルギーを最良に利用して残すことにより、燃料電池エネルギー・システムは、より効率的でコスト的に有利なものとなる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述のものなどの利点は、車両バスへ接続する高電圧エネルギー調整型変換回路（high-voltage energy regulated conversion circuit略してHVERCC）によって、提供される。HVERCCは、上記車両バスに電気的に接続された高電圧エネルギー変換器（high-voltage energy converter略してHVEC）モジュール、バッテリー・バス及び水エチレングリコール（water ethylene glycol略してWEG）ヒーター・バスを含むものである。上記バッテリー・バスは、高電圧バッテリー・パックに接続される。上記WEGヒーター・バスは、WEGヒーター回路に接続される。上記HVECモジュール、上記高電圧バッテリー・パック及び上記WEGヒーター回路は、ネットワークを介してロジック制御器に接続される。該ロジック制御器が、上記車両バス、上記バッテリー・バス及び上記WEGヒーター・バスの電力を調整すると共に、上記車両バスに電気的に接続される燃料電池の始動中に上記バッテリー・バスから上記車両バスへ所定の上限レベルの電圧を供給した後、上記燃料電池が始動してすぐに、上記車両バス上の電圧を、上記燃料電池の温度の上昇を促進させるのに必要な所定の低レベルに低減するよう上記HVECモジュールを制御する。
【００１０】
HVECモジュールの作動方法もまた提供され、それは、操作命令信号を受ける工程を含む。操作命令信号を受けると、上記HVECモジュールが所望の機能モードで作動する。上記HVECモジュールは、車両バス、バッテリー・バスそしてWEGヒーター・バスの電圧を継続的に守る。
【００１１】
本発明は、既存の燃料電池エネルギー・システムに対して有利な点をいくつか持っている。本発明は、車両バス、バッテリー・バス及びヒーター・バスを電圧限界に制限し、そして燃料電池において定常状態の出力を維持する。燃料電池において定常状態の出力を維持することは、燃料電池のエネルギー使用を最も効率的なものとする。
【００１２】
本発明は、監視され、調整され、そして制御される補助電力源を持つ燃料電池エネルギー・システムを提供する。補助電力源は、必要なときに余分なエネルギーを供給し、そして将来の再利用のためのエネルギーの貯蔵を行なう。
【００１３】
本発明の有利な点は、燃料電池により生成された余分な電力をWEGヒーター回路が効率的に使用することが出来る、という点である。余分な電力を使用することが出来るということは、燃料電池が上限電圧で動作するのを回避する。
【００１４】
【発明の効果】
従って、本発明の上述のものなどの有利な点があるので、効率的で、現実的で、そしてコスト的に有利な燃料電池エネルギー・システムが、可能となる。
【００１５】
本発明自体は、また別の目的及び付随する有利な点と共に、以下の詳細な説明及び添付の図面を参照することにより、最も良く理解される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下説明する図面中、本発明の同じ構成部分又は特徴には、同じ図示符号が用いられている。本発明は、電気自動車（electric vehicle略してEV）、ハイブリッド電気自動車（hybrid electric vehicle略してHEV）、燃料電池エネルギー・システム、代替エネルギー・システム及び、電力調整を必要とする他の各種の用途に、適用することが出来る。
【００１７】
ここで、図１を参照すると、自動車10の概略図が示されており、自動車10は、客室空間11及び高電圧（high-voltage略してHV）エネルギー調整型変換回路（HV energy regulated conversion circuit略してHVERCC）12を持つ。HVERCC 12は、ロジック制御器14に接続される。ロジック制御器14は、燃料電池16に関するHVERCC 12の動作を制御する。燃料電池16もまた、HVERCC 12に接続される。ロジック制御器14は、図示の様にHVERCC 12に含めても、独立した構成部品としても良い。HVERCC 12と燃料電池16は、車両システムの機能のためと、自動車10を推進するためのエネルギーを提供する。HVERCC 12はまた、集積型パワートレイン（integrated power train略してIPT）モジュール18から提供されるエネルギーを貯蔵する。IPTモジュール18は、車両10の制動システム20が生成する制動回生エネルギーをHVERCC 12へ伝達する。IPTモジュール18はまた、燃料電池16が生成するエネルギーを用いて、自動車10を推進する。IPTモジュール18の数量と位置は、車両の形式に応じて変わるものである。
【００１８】
燃料電池16は、理想的な動作出力範囲と温度を持つ。HVERCC 12の目的は、燃料電池16を最高の性能に保つ様に、適切な動作出力範囲と燃料電池16の理想的な温度を維持することである。
【００１９】
ここで図２を参照すると、本発明によるHVERCC 12の概略図が示されている。HVERCC 12は、車両のHVバス（車両バス）24に接続された高電圧エネルギー変換器（high-voltage energy converter略してHVEC）モジュール22を含む。車両バス24は、車両HVエネルギー発生源26及び車両HV負荷27に接続される。車両HVエネルギー発生源26には、燃料電池16、IPTモジュール18などが含まれ得る。HVECモジュール22はまた、バッテリー・パック高電圧バス（バッテリー・バス）28及び水エチレングリコール（water ethylene glycol略してWEG）ヒーター高電圧バス29に接続される。HVECモジュール22は、車両バス24、バッテリー・バス28及びヒーター・バス29上の電力を制限する。バッテリー・バス28は、HVバッテリー・パック30に接続される。ヒーター・バス29は、WEGヒーター回路32に接続される。HVECモジュール22、HVバッテリー・パック30及びWEGヒーター回路32は、制御器エリア・ネットワーク（controller area network略してCAN）36を介してロジック制御器14に接続される。本発明はCAN 36を用いているものの、他のネットワークを用いることも出来る。
【００２０】
本発明のHVECモジュール22の一例は、電圧又は電流制御型双方向エネルギー変換モジュールである。HVECモジュール22は、車両バス24、バッテリー・バス28及びヒーター・バス29の間の電力変換を支持するために、電力変換電子機器及び制御部を含むものとし得る。
【００２１】
本発明のHVECモジュール22は、車両バス24、バッテリー・バス28及びヒーター・バス29のために、電圧ガード及び電力制限を行なう。HVECモジュール22は、それぞれのバスの電圧及び電力の限界を自発的に監視する能力を持つ。HVECモジュール22は、車両バス24、バッテリー・バス28及びヒーター・バス29のエネルギー・レベルを調整することに関し、ロジック制御器14よりも、はるかに高速である。HVECモジュール22の反応時間は、HVECモジュール22を作動させるロジック制御器と比較して、約100倍だけ高速である。なお、ロジック制御器は、メッセージの間に約10ミリ秒を要する。HVECモジュール22の速度は、図5及び7Bに示される様に、車両バス24が所定の上限VGMAXに到達したときの、そこからの電力の吸収及び、車両バス24が所定の下限VGMINに到達したときの電力の供給を、可能とする。これら高速の調整は、燃料電池16の最高の動作性能を提供する車両バス24の好ましい定常状態を維持する一助となる。
【００２２】
HVECモジュール22は、いくつかの機能モードとスタンバイ・モードを持つ。機能モードには、定電圧モード、定電流モード及びバッテリー定電流モードが含まれる。定電圧モードの間、HVECモジュール22は、車両バス24の電圧を調整し一定に維持する。車両バス24に理想的な電圧範囲は、通常の運転状態の間、約250Vから400Vにある。定電流モードの間、HVECモジュール22は、車両バス24の電流を調整し一定に維持する。理想的な電流範囲は、電力供給中の-100Aと電力吸収中の100Aとの間である。一定バッテリー電流モードの間、HVECモジュール22は、バッテリー・バス28の現在の充電状態（state of charge略してSOC）を一定に維持する。バッテリー・バスの電流範囲は、電力供給中の-140Aと電力吸収中の100Aとの間である。電圧範囲は、電力供給中には150Vから300Vであり、電力吸収中には250Vから300Vである。
【００２３】
全ての機能モード中に、HVECモジュール22はまた、車両バス24、バッテリー・バス28及びヒーター・バス29の電圧ガードを行なう。電圧ガードとは、HVECモジュール22を通る電流移送速度（current transfer rates）を調整することにより、各バス上を移送（transfer）される電圧を監視そして調整する、HVECモジュール22の能力のことを指す。HVECモジュール22は、各バスが電圧ガード限界に到達する際の電圧を安定させ、その特定のバスが電圧ガード限界を超えるのを防止する。ロジック制御器１４は電圧ガード限界を設定する。電圧ガード限界に到達したときに、HVECモジュール22がロジック制御器14へ信号を送る。そして、ロジック制御器14は、HVECモジュール22を用いて電力の吸収又は供給をすることにより、更なる予防措置を講じる。
【００２４】
スタンバイ・モードは、HVEC動作が必要とされていないときのものである。アイドル・モードはエネルギーを残すのに使われる。スタンバイ・モード中、HVECモジュール22は、機能モード信号を受信するまで、電圧と電流を監視そして報告する。HVECモジュールは、車両バス24、バッテリー・バス28及びヒーター・バス29のために、全てのモードにおいて、電圧ガードを提供する。HVECモジュール22は、約20kWのピーク定格処理量を持つ。
【００２５】
HVバッテリー・パック30は、HVECモジュール22へ補助電力を供給する。HVバッテリー・パック30はまた、HVエネルギー供給源26からHVECモジュール22を介して移送されたエネルギーを貯蔵する。HVバッテリー・パック30は、それの電圧、電流、利用可能電力、温度そして活力など各種観点で、HVバッテリー・パック30を監視するために、バッテリー制御モジュール（battery control module略してBCM）38を持つ。BCM 38はまた、HVバッテリー・パック30を過充電せず、適切なSOCを維持するという点において、ロジック制御器14を補佐する。ロジック制御器14は、HVECモジュール22に信号を送ることにより、BCM 38からの信号に応答して、バッテリー・バス28の電力を調整する。
【００２６】
WEGヒーター回路32は、WEGヒーター制御器40及び水エチレングリコール（water ethylene glycol略してWEG）ヒーター42を持つ。制御器40は、WEGヒーター42の前後の電圧とそこに入る電流の大きさを調整する。WEGヒーター42は、客室11を暖房するために、HVECモジュール22から移送される余分なエネルギーを放散する。HVECモジュール22は、WEGヒーター42を補助するために、定電流定電力モードを持つ。WEGヒーター42は、車両バス24及びバッテリー・バス28に対し相互に排他的に制御される。WEGヒーター42の最大定格処理電力は約15kWである。WEGヒーター42へ電力を供給している間、電圧ガードが有効である。
【００２７】
燃料電池16が発生する余分なエネルギーはまた、燃料電池16を加熱するために、負荷ダンプ抵抗器（load dump resister）（不図示）又は高温冷媒ループ（不図示）のいずれかに移送され得る。燃料電池16の始動中、高温冷媒ループを加熱するためのエネルギー移送は、より迅速に、燃料電池16を最適動作温度にまで高める。
【００２８】
ロジック制御器14は、車両バス24、バッテリー・バス28及びヒーター・バス29のエネルギー管理について、これらのバスにおけるエネルギーの流れを、接続、開始、回復、放散そして停止することにより、責任を持つ。ロジック制御器14は、車両バス24に接続された燃料電池16、IPTモジュール18そして他のHVエネルギー供給源26におけるエネルギー・レベルを監視し、車両バス24の電圧を調整する。ロジック制御器14は、車両バス24の電圧をVGMAXとVGMINとの間に維持する。始動中に、燃料電池16は、余分な電圧を必要とし、それで、ロジック制御器14が、車両バス24の電圧を450Vまで高める様にHVECモジュール22へ信号を送る。HVECモジュール22は、バッテリー・バス28から車両バス24へ450Vで電力を供給する。燃料電池16が始動されるとすぐに、ロジック制御器１４は、燃料電池16の温度をより短い期間で上昇させるために、車両バス24の電圧を200Vまで降下させる。より短い時間で最適動作温度に到達するということは、燃料電池16のエネルギーをより効率的に使用することを可能とする。ロジック制御器14は、車両バス24の電力を特定の範囲に維持するために、車両バス24からの電力を受入れる若しくはそこへ電力を供給するのいずれかをする様にHVECモジュール22へ信号を送る。
【００２９】
加えて、ロジック制御器14は、燃料電池16の冷間始動を含む始動と停止を補助するために、定電圧又は定電流モードで作動する様に、HVECモジュール22へ信号を送ることが出来る。ロジック制御器14はまた、HVバッテリー・パック30のSOCを維持するのを補助することができる。
【００３０】
CAN 36は、ネットワーク・モジュールの車両配線とソフトウェア・プログラム・プロトコルについての、自動車の世界的規格の一部である。CAN 36は、ロジック制御器14とHVECモジュール22、BCM 38及びWEGヒーター制御器40との間で電子信号を伝送する。CAN 36はまた、別のCANノード44を介して電子構成部品へ接続され得る。
【００３１】
ここで図３を参照すると、HVECモジュールの状態遷移図が示されている。
【００３２】
状態100において、HVECモジュール22は、「OFF」状態にある。HVECモジュール22は、車両電力を受けていない。
【００３３】
状態102において、HVECモジュールが電源「ON」にされ、それで、車両電力を受ける。HVECモジュールは、この分野で知られている電源オン時の自己診断（power on self-test略してPOST）を実行する。POST中に問題が検出されると、ステップ104が実行される。
【００３４】
ステップ104において、エラー、故障、誤作動又は範囲外のフラグが、ロジック制御器14により検出される。HVECモジュール22は、「エラー状態」をセットし、エラー状態値の信号をロジック制御器へ送る。
【００３５】
ステップ106において、HVECモジュールは、アイドル・モードにある。HVECモジュールは、ロジック制御器14からCAN 36を介して動作モード信号を受けるまで、アイドル・モードに留まる。
【００３６】
ステップ108において、HVECモジュール22は再プログラムされる。本発明のHVECモジュール22は、いかなる変更についてもソフトウェア上で再プログラムされ得る。
【００３７】
ステップ110において、システムの故障診断が実行される。HVECモジュール22は、操作者が、通常の動作機能に「上書き」して、無関係に独立した試験を実行するのを可能としている。システム故障診断が実行された後で、HVECモジュールは、スタンバイ・モードへ戻る。
【００３８】
ステップ112において、HVECモジュール22は、上述の機能モードの一つで動作するために、ロジック制御器14から動作モード信号を受ける。HVECモジュールは、それが、ロジック制御器14からの信号を受ける若しくは、車両バス24、バッテリー・バス28又はヒーター・バス29が電圧ガード限界に到達する、のいずれかまで、機能モードで動作し続ける。
【００３９】
ステップ114において、HVECモジュール22は、電圧ガード・モードで動作している。HVECモジュール22は、全ての機能モードにおいて、車両バス24、バッテリー・バス28及びヒーター・バス29の電圧ガードを行なっている。
【００４０】
ここで図4Aを参照すると、HVECモジュール22の電力受入フロー図が示されている。電力受入れ（吸収）中に、HVECモジュール22は、車両バス24から電力46を受け、そして、バッテリー・バス28又はヒーター・バス29のいずれかへ電力48を伝送している。HVECモジュール22は、回生制動中、HVバッテリー・パック30の充電中、WEGヒーターの作動中、若しくは燃料電池16がスタンバイ・モードにある時に、電力を受ける。
【００４１】
ここで、図4Bを参照すると、HVECモジュール22の電力配送フロー図が示されている。電力配送中、HVECモジュール22は、バッテリー・バス28からエネルギー50を受け、車両バス24へエネルギー52を伝送する。HVECは、始動中、停止動作中、過渡負荷補助中又は、HVバッテリー・パック30の充電中に、電力を配送する。過渡負荷補助は、自動車10が、始動及び停止動作中以外に、車両バス24から極端に大きな電力を引き出しているときに、必要とされる。
【００４２】
ここで、図５を参照すると、機能モードで動作しているHVERCC 12の概略図が示されている。始動及び停止動作中に電力が供給される（矢印54）又は電力が受入れられる（矢印56）とき、HVERCC 12は、低電圧モードで動作する。始動動作は、燃料電池16を始動させることを指し、それには、低温で燃料電池16を始動することが含まれる。停止動作は、燃料電池16内での電力発生を停止することを指す。停止動作中、水素と水が燃料電池16から除かれる。定電圧モードのために、上下の電圧レベルが予め定められる。定電圧モード中、HVECモジュール22は、必要に応じて電力を受入れるか又は供給する。
【００４３】
ここで、図６を参照すると、機能モード中のバッテリー・バス28の移送関数が示されている。HVECモジュール22は、定電圧モードを支持するのに必要とされる様に、HVバッテリー・パック30から一定電力を受入れるか、又はHVバッテリー・パック30へ一定電力を配送する。HVバッテリー・パック30の電圧は、それのSOCと温度に応じて変化する。HVバッテリー・パック30の開回路電圧（open circuit voltage略してOCV）もまた、一定電圧モード中に変化する。HVバッテリー・パック30の変化する電圧は、その中でHVバッテリー・パック３０が動作するバッテリー吸収範囲61とバッテリー供給範囲62を生じる。移送関数の右側５９は、車両バス２４から受け入れる電力に言及するものである。移送関数の左側60は、車両バス24へ配送される電力に言及するものである。
【００４４】
ここで、図7Aを参照すると、定電圧モード中の車両バス24の移送関数が示されている。HVECモジュール22は、電力の受入れ及び配送中に、HVエネルギー源26とHVバッテリー・パック30の組合せの電力を最大にする様に、車両バス24を一定電圧に維持する。ロジック制御器14は、定電圧設定点値58を設定し、CAN 36を介して定電圧設定点58を維持する様に管理する。定電圧設定点58は、燃料電池16の形式と特性に応じたものである。
【００４５】
ここで、図7Bを参照すると、定電圧モード中の車両バス24の電力制限関数が示されている。HVECモジュール22は、定電圧モード中には、特性63に電力が制限されるべきである。定電圧設定点58が与えられると、HVECモジュールは、最大電力限界64になるまで、電流を吸収又は供給すべきである。最大電力限界64において、過負荷吸収又は供給メッセージが、ロジック制御器14へ向けCAN 36上に出されるのが好ましい。HVECモジュール22は、電力を受入れながら、最大車両バス電圧65に到達するまで、最大電力吸収ライン66を辿るべきである。HVECモジュール22はまた、電力を受入れながら、最小車両バス電圧68に到達するまで、最大電力供給ライン70を辿るべきである。
【００４６】
ここで、図８を参照すると、HVECモジュールの位相（topology）72の拡大図と共に、HVERCC 12の概略図が示されている。自動車10は、IPTモジュール18が自動車10を推進するとき、定電流モードで動作する。定電流モード中、電流を適切に配置することにより、エネルギーが車両バス24上で平衡される。HVECモジュール22は、車両バス24を監視し、HVECモジュールの位相72の制約の範囲内で双方向定電流源として機能する。電流の極性は、定電流が吸収される（+）若しくは供給される（-）に基き、決定される。車両バス24の電圧は、監視されて、電圧ガード限界VGMAX及びVGMINに比較され、それに従いCAN 36を介して調整される。定電流モードは、HVバッテリー・パックのSOCの維持を支持するものである。HVバッテリー・パック30は、ロジック制御器14のHVバッテリー・パックSOC維持アルゴリズムに基き、必要に応じて、充電若しくは放電される。
【００４７】
ここで、図9Aを参照すると、定電流モード中の車両バス24の移送関数が示されている。HVECモジュール22は、車両バス24上の電力が、CAN 36のメッセージにより予め定められた値を上回るときに、定電流を受入れる。HVECモジュール22は、車両バス24上の電力が所定値を下回るときに、一定電流を供給する。
【００４８】
ここで、再び図６に言及すると、HVECモジュール22は、定電流モードを支持するために必要とされるとおりに、バッテリー・バス28から一定電圧を受入れるか又はバッテリー・バス28へ一定電力を供給する。HVバッテリー・パック30の電圧は、それの現在のSOCと温度に基いて変化する。HVバッテリー・パック30のOCVもまた、定電流モード中に変化する。
【００４９】
ここで、図9Bを参照すると、定電流モード中に電力を吸収しているHVECモジュール22の電力制限関数が、示されている。電力を吸収しながら、HVECモジュール22は、低電圧ガードVGLのレベルに到達するまで、車両バス24上の一定正目標電流+ITARGを維持するために、調整可能な割合で、バッテリー・バス28又はヒーター・バス29へ電力を供給する。車両バス24は、車両バス24の電圧がバッテリー・バス28の電圧以上であるときに、電流制御される。HVバッテリー・パック30は、車両バス24の電圧がバッテリー・バス28の電圧未満であるときには、充電されない。負荷が高い間、車両バス24の電圧は、VGLへ向け減少し、そして負荷が低い間、車両バス24の電圧は、高電圧ガードVGUのレベルに向け増大する。
【００５０】
ここで、図9Cを参照すると、定電圧モード中に電力を供給しているHVECモジュール22の電力制限関数が示されている。車両バス24の電圧が低電圧ガードVGLのレベル未満であるとき、バッテリー・バス28から車両バス24へ電力が伝達される。電力供給中、HVバッテリー・パック30は、高電圧ガードVGHのレベルに到達するまで、車両バス24の一定負目標電流-ITARGを支持する割合で電力を供給する。HVECモジュール22は、車両バス24の電圧がHVバッテリー・パック30の電圧以上であるときに、バッテリー・バスから車両バスへ電力を移送しない。車両バス24の電圧レベルがHVバッテリー・パック30の電圧未満であるとき、車両バス24は、HVバッテリー・パック30の未調整の全電流能力により支持される。HVバッテリー・パック30の電流範囲は、HVバッテリー・パック30のSOC、温度そして放電速度に応じて変化する。負荷の増大中、車両バス24の電圧は、VGLに向け減少し、そして負荷の減少中、車両バス24の電圧は、VGHに向け増大する。
【００５１】
再び図６を参照すると、HVECモジュール22は、定バッテリー電流モードの間、バッテリー電流速度を一定に自動的に維持する様に、車両バス24からの電力を受入れるか又は、車両バス24へ電力を供給する。一定バッテリー電流値は、図２に示されるCAN 36を用いた通信を通して、設定される。一定バッテリー電流モードは、バッテリー・パック30のSOCの維持を支持する。HVバッテリー・パック30は、ロジック制御器14のHVバッテリー・パック30のSOC維持アルゴリズムに基き、充電又は放電される。車両バス24の電圧が、監視され、そして電圧ガード限界VGH, VGU及びVGLと比較される。
【００５２】
ここで、図10Aを参照すると、一定バッテリー電流モード中の車両バス24の移送関数が示されている。HVECモジュール22は、一定バッテリー電流を支持するために、車両バス22から電力を吸収又はそこに電力を供給する。車両バス電圧を効率的な電圧範囲73内に維持するために、VGMAX及びVGMINが用いられる。ロジック制御器が一定バッテリー電流設定点をゼロに設定するとき、HVECモジュール22は電力を伝送することなく、そして、車両バス24、バッテリー・バス28及びヒーター・バス29の電圧ガードを行なっている。
【００５３】
ここで、図10Bを参照すると、一定バッテリー電流モード中のバッテリー・バス28の移送関数が示されている。HVECモジュール22は、一定バッテリー電流モードを支持するために、バッテリー・バス28から一定電流を吸収するか若しくは、バッテリー・バス28へ一定電流を供給する。バッテリー・バス28の電圧は、一定バッテリー電流量、HVバッテリー・パック30のSOC及びHVバッテリー・パック30の温度に基き、変化する。HVバッテリー・パック30のOCVはまた、一定バッテリー電流モード中に変化する。
【００５４】
ここで、図10Cを参照すると、一定バッテリー電流モード中に電力を吸収しているHVECモジュール22の電力制限関数が、示されている。HVECモジュール22が電力を吸収している間、HVECモジュール22は、バッテリー・バス28の一定バッテリー目標電流+ITARG2を維持する速度で、電力をHVバッテリー・パック30又はWEGヒーター42へ供給する。バッテリー・バス28は、車両バス24の電圧がバッテリー・バス28の電圧以上であるときに、電流制限される。HVECモジュール22は、バッテリーの最大吸収ライン74上で高電圧ガード限界VGUまで、電力を吸収する。HVECモジュール22は、車両バス24の電圧がバッテリーバス28の電圧未満のときには、電力を伝送しない。
【００５５】
ここで、図10Dを参照すると、一定バッテリー電流モード中に電力を供給しているHVECモジュール22の電力制限関数が、示されている。HVECモジュール22が電力を供給している間、HVバッテリー・パック30は、車両バス24の一定バッテリー目標電流-ITARG2を支持する速度で、電力を供給する。HVECモジュール22は、車両バス24の電圧がバッテリー・バス28の電圧以上であるときには、車両バス24へ電力を移送しない。HVECモジュール22は、低電圧ガード限界VGLになるまでは、バッテリーの最小供給ライン76上で、電力を供給する。HVECモジュール２２は、車両バス24の電圧がバッテリ・バス２８の電圧未満であるときには、未制限の速度で電力を移送する。
【００５６】
ここで、図11Aを参照すると、通常モード中の車両バス２４に対する高電圧ガード限界及び低電圧ガード限界のグラフが示されている。HVECモジュール22は、連続的に車両バス24を監視し、車両バス24上の過大電圧又は過小電圧を防ぐための電圧ガードを自動的に機能させる。HVECモジュール22は、VGMAXとVGMINのいずれかに到達すると自動的に、車両バス24から電力を吸収する、若しくは車両バス24へ電力を供給する。HVECモジュールは、VGMAX及びVGMINを越えての電力移送を防止する。
【００５７】
ここで、図11Bを参照すると、通常モード中の車両バス24の移送関数が示されている。HVECモジュール22は、車両バス24の電圧ガード限界VGMAX及びVGMINに到達したときには、電力を受入れることも電力を供給することもしない。それでHVECモジュール22の移送電流IHVECはゼロに等しい。HVECモジュール22は、通常モードを支持するのに必要とされるとおりに、バッテリー・バス28から一定電力を受入れるか、バッテリー・バス28へ一定電力を供給する。
【００５８】
再び図６を参照すると、HVECモジュール22は、通常モードの間、車両バス24からバッテリー・バス28へ電力を供給しながら、バッテリー・バス28の電圧を正の範囲59の中に維持する。HVECモジュール22は、バッテリー・バス28から車両バス24へ電力を供給しながら、バッテリー・バス28の電圧を負の範囲６０の中で維持する。HVバッテリー・パック30の電圧は、現在のSOCと温度に基き変化する。HVバッテリー・パック30のOCVはまた、通常モードで変化する。
【００５９】
ここで、図11Cを参照すると、通常モード中の車両バス24の電力制限関数が示されている。HVECモジュール22は、通常モード中に好ましくは20kWに電力制限される。HVECモジュール22が電力を供給し、電力限界65があるとき、HVECモジュール22は、ロジック制御器14へ信号を送り、そして更に、HVECモジュール22を通る電流が最大電流IMAX未満になるまで、電圧を降下させる。吸収中には、HVECモジュール22は、ロジック制御器14が設定した一定の電力量で電圧を増大そして電流を減少させた後で、最大電力限界65になるまでは、電流を吸収する。
【００６０】
本発明の上述の方法と組合わせられる実施形態の構造は、燃料電池16の効率的な一定電力出力を維持しながら、車両バス24、バッテリー・バス28及びヒーター・バス29の電力を制限する。本発明は、燃料電池16の効率を最大にし、また始動中及び停止作動中の補助電力源を提供する。
【００６１】
上述の装置及び方法は、当業者によれば、種々の目的に合わせて適応可能であり、以下の用途に限定されるものではないが、電力制限を必要とする、電気自動車（EV）、ハイブリッド電気自動車（HEV）、燃料電池エネルギー・システム、代替エネルギー・システムなどに適用できる。上述の発明はまた、本発明の範囲から逸脱することなしに、変形が可能である。
【００６２】
本発明の特定の実施形態を示して説明したが、当業者であれば、各種の変更を想到すると考えられる。従って、本発明は、請求項によってのみ限定されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による高電圧エネルギー調整型変換回路（HVERCC）を持つ自動車の概略図である。
【図２】  本発明によるHVERCCの概略図である。
【図３】  高電圧エネルギー変換器（HVEC）モジュールの状態遷移図である。
【図4A】  HVECモジュールの電力受入フロー図である。
【図4B】  HVECモジュールの電力供給フロー図である。
【図５】  機能モードで動作しているHVERCCの概略図である。
【図６】  機能モード中のバッテリー・パック高電圧バス（BHVB）の移送関数を示す図である。
【図7A】  定電圧モード中の車両高電圧バス（VHVB）の移送関数を示す図である。
【図7B】  定電圧モード中のVHVBの電力制限関数を示す図である。
【図８】  HVECモジュールの位相を拡大して示す、HVERCC 12の概略図である。
【図9A】  定電流モード中のVHVBの移送関数を示す図である。
【図9B】  定電流モード中に電力を吸収しているHVECモジュールの電力制限関数を示す図である。
【図9C】  定電圧モード中に電力を供給しているHVECモジュールの電力制限関数を示す図である。
【図10A】  一定バッテリ電流モード中のVHVBの移送関数を示す図である。
【図10B】  一定バッテリー電流モード中のBHVBの移送関数を示す図である。
【図10C】  一定バッテリー電流モード中に電力を供給しているHVECモジュールの電力制限関数を示す図である。
【図10D】  一定バッテリー電流モード中に電力を吸収しているHVECモジュールの電力制限関数を示す図である。
【図11A】  通常モード中のVHVBについての高低電圧ガード限界のグラフを示す図である。
【図11B】  通常モード中のVHVBの移送関数を示す図である。
【図11C】  通常モード中のVHVBの電力制限関数を示す図である。
【符号の説明】
14  ロジック制御器
22  高電圧エネルギー変換器（HVEC）モジュール
24  車両バス
28  バッテリー・バス
29  水エチレングリコール（WEG）ヒーター高電圧バス
30  高電圧バッテリー・パック
32  WEGヒーター回路
42  WEGヒーター
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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