(57)【要約】  電気エネルギー蓄積システムであって、各モジュールが関連の動作電圧を有し、該各モジュールが関連の動作電圧において可変の電流で電力を出力することができる複数の電気エネルギー蓄積モジュールとを備える。システムは、更に、各電力変調回路がモジュールのうちの関連の一つに電気的に接続され、それにより該関連のモジュールがシステムにおける他のモジュールから電気的に分離されることを可能にする複数の電力変調回路を備える。各電力変調回路は、関連のモジュールの動作電圧及び電流を受信し、動作電圧及び電流を変換し、関連のモジュールの動作電圧とは独立の電圧で電力を出力する装置を備える。システムは、更に、モジュールのそれぞれからの電力出力を制御しそれによりシステム全体の電力出力を制御する為に、各モジュールの各電力変調回路に電気的に接続される統合マスタコントローラを備える。
2016521103.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気エネルギー蓄積システムであって、
各電気エネルギー蓄積モジュールが関連の動作電圧を有し、該各エネルギー蓄積モジュールが前記関連の動作電圧において可変の電流で電力を出力することができる複数の電気エネルギー蓄積モジュールと、
各電力変調回路が前記複数のエネルギー蓄積モジュールのうちの関連の一つに電気的に接続され、それにより該関連の電気エネルギー蓄積モジュールが前記電気エネルギー蓄積システムにおける他の電気エネルギー蓄積モジュールから電気的に分離されることを可能にする複数の電力変調回路であって、各電力変調回路は前記関連の電気エネルギー蓄積モジュールの前記動作電圧及び電流を受信し、前記動作電圧及び電流を変換し、前記関連の電気エネルギー蓄積モジュールの前記動作電圧とは独立の電圧で電力を出力する装置を備える複数の電力変調回路と、
前記電気エネルギー蓄積モジュールのそれぞれからの前記電力出力を制御しそれにより電気エネルギー蓄積システム全体の電力出力を制御する為に、各電気エネルギー蓄積モジュールの各電力変調回路に電気的に接続される統合マスタコントローラと、を備える、電気エネルギー蓄積システム。
【請求項２】
前記各電気エネルギー蓄積モジュールは、各バッテリセルが関連のバッテリセル動作電圧を有する複数の個別のバッテリセルを備える、請求項１に記載の電気エネルギー蓄積システム。
【請求項３】
前記個別のバッテリセルはリチウムイオンバッテリセルである、請求項２に記載の電気エネルギー蓄積システム。
【請求項４】
前記電気エネルギー蓄積システムの異なる電気エネルギー蓄積モジュールを構成する前記バテリセルは、異なるエネルギー蓄積特性を有する、請求項２又は３に記載の電気エネルギー蓄積システム。
【請求項５】
前記電気エネルギー蓄積システムの異なる電気エネルギー蓄積モジュールを構成する前記バテリセルは、異なるリチウムイオン化学性質及び異なるエネルギー蓄積密度を有する、請求項２、３又は４に記載の電気エネルギー蓄積システム。
【請求項６】
前記各電気エネルギー蓄積モジュールを構成する前記複数のバッテリセルは、全て直列に接続されている、請求項２、３、４又は５に記載の電気エネルギー蓄積システム。
【請求項７】
前記各電力変調回路は、前記関連の電気エネルギー蓄積モジュールの前記動作電圧を、前記関連の電気エネルギー蓄積モジュールの前記動作電圧よりも大きくても良く及び独立である電圧に変換するための降圧／昇圧コンバータを備える、請求項１、２、３、４、５又は６に記載の電気エネルギー蓄積システム。
【請求項８】
前記電気エネルギー蓄積システムの異なる前記電気エネルギー蓄積モジュールは、異なる動作電圧及び異なる電気エネルギー、インピーダンス、及び電流容量からなる特性グループから選択される異なる特性を有する、請求項１、２、３、４、５、６又は７に記載の電気エネルギー蓄積システム。
【請求項９】
前記統合マスタコントローラはモータコントローラであり、前記電気エネルギー蓄積システムは複数のロータ極を有するロータを備える電気モータと共に使用される電気エネルギー蓄積システムである、請求項１、２、３、４、５、６、７又は８に記載の電気エネルギー蓄積システム。
【請求項１０】
前記電気モータは、ブラシレスＤＣモータ／発電機である、請求項９に記載の電気エネルギー蓄積システム。
【請求項１１】
前記統合マスタコントローラは、各個別のコントローラが前記関連の電力変調回路及び前記関連の電気エネルギー蓄積モジュールを独立に制御する為に前記関連の電力変調回路に電気的に接続される、複数の個別のコントローラを備え、
前記個別の電力変調回路は、前記モータを駆動する為の単一の駆動機能を生成することに協力する、
請求項９又は１０に記載の電気エネルギー蓄積システム。
【請求項１２】
前記統合マスタコントローラは、各個別のコントローラが前記関連の電力変調回路及び前記関連の電気エネルギー蓄積モジュールを独立に制御する為に前記関連の電力変調回路に電気的に接続される、複数の個別のコントローラを備え、
前記電気モータは、複数の個別のステータモジュールを有し各個別のステータモジュールが前記ロータ極と磁気的に相互作用する為の複数のステータ極を備えるステータを備え、
該各ステータモジュールは、関連の個別のコントローラに接続され、それにより、複数の個別のサブモータであってそれぞれが他のサブモータに対して独立に動作することができるサブモータを構成する為に関連の前記電力変調回路及び電気エネルギー蓄積モジュールに電気的に接続される、
請求項９又は１０に記載の電気エネルギー蓄積システム。
【請求項１３】
前記各ステータモジュールは、前記ステータ極にエネルギーを与える為の一組のコイルを備え、
前記一組のコイルは、１以上のコイルサブセットを有し、
前記各コイルサブセットは前記ステータモジュールの異なる磁気的位相と関連付けられ、前記各コイルサブセットを構成する前記コイルの全てが電気的に直列に接続されている、
請求項１２に記載の電気エネルギー蓄積システム。
【請求項１４】
前記電気モータは車両にパワーを供給する、請求項９、１０、１１、１２又は１３に記載の電気エネルギー蓄積システム。
【請求項１５】
前記電気モータは、ダイレクトドライブホイールモータである、請求項１４に記載の電気エネルギー蓄積システム。
【請求項１６】
前記統合マスタコントローラは、前記電気モータに可変駆動電圧を印加する、請求項９、１０、１１、１２、１３、１４又は１５に記載の電気エネルギー蓄積システム。
【請求項１７】
前記統合マスタコントローラは、前記電気モータに可変駆動電流を印加する、請求項９、１０、１１、１２、１３、１４、１５又は１６に記載の電気エネルギー蓄積システム。
【請求項１８】
前記電気モータは多相モータであり、前記統合マスタコントローラは、各位相にわたって前記印加される駆動電圧をパルス幅変調し印加される駆動電圧を変化させることにより、可変駆動電圧及び電流関数を前記電気モータの各位相に適用する、請求項９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６又は１７に記載の電気エネルギー蓄積システム。
【請求項１９】
前記統合マスタコントローラは、前記電気モータの速度、要求された電気モータパワー出力、効率の最適化、応答、寿命、平滑度、及び最大利用可能パワーの１以上と共に変化するやり方で前記駆動電圧及び電流関数を変化させる、請求項１８に記載の電気エネルギー蓄積システム。
【請求項２０】
前記統合マスタコントローラは、所定の関数を用いて、前記電気モータの速度が増加するにしたがって及び前記要求された電気モータパワー出力が増加するにしたがって、前記駆動電圧を増加させる、請求項１９に記載の電気エネルギー蓄積システム。
【請求項２１】
前記統合マスタコントローラは、前記電気モータに供給される電気エネルギーの量を制御する為に、パルス幅変調を用いて前記電気モータに印加される前記駆動電圧をスイッチングし、前記統合マスタコントローラは、前記電気モータの速度及び要求された電気モータパワー出力の１以上にしたがって変化するやり方で、前記パルス幅変調のスイッチング速度を変化させる、請求項１５、１６、１７、１８、１９又は２０に記載の電気エネルギー蓄積システム。
【請求項２２】
前記統合マスタコントローラは、前記電気モータの効率、前記電気モータのパワー、前記電気モータの加熱、前記モータのノイズ、前記電気モータの速度及びトルク、前記電気エネルギー蓄積システムの寿命の１以上を最適化する為に、前記電気モータに印加される前記駆動電圧及びパルス幅変調のスイッチング速度を変化させる、請求項２１に記載の電気エネルギー蓄積システム。
【請求項２３】
前記統合マスタコントローラ及び前記電気エネルギー蓄積モジュールの前記電力変調回路は、前記統合マスタコントローラが所定の電気エネルギー蓄積モジュールから電気エネルギーが放出されることを要求する場合にのみ前記所定の電気エネルギー蓄モジュールから電気エネルギーが放出されることを可能にする、請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１又は２２に記載の電気エネルギー蓄積システム。
【請求項２４】
各電力変調回路は、前記関連の電気エネルギー蓄積モジュールから電気エネルギーが放出される一組のパワー端子を備え、
該パワー端子は、前記電気エネルギー蓄積モジュールに関連付けられた前記電力変調回路によって、前記パワー端子をアクテュブにし、前記統合マスタコントローラが前記電気エネルギー蓄積モジュールから電気エンルギーが放出されることを要求する場合にのみ前記電気エネルギー蓄積モジュールから電気エネルギーが放出されるように制御される、請求項２３に記載の電気エネルギー蓄積システム。
【請求項２５】
前記統合マスタコントローラは複数の独立のコントローラを備え、
各独立のコントローラは、関連の電力変調回路及びその関連の電気エネルギー蓄積モジュールを独立に制御するように該関連の電力変調回路に電気的に接続され、
前記電気エネルギー蓄積システムは、関連の補助電気エネルギー蓄積モジュール電圧を有する少なくとも１つの補助電気エネルギー蓄積モジュールと、前記補助電気エネルギー蓄積モジュールを他の補助電気エネルギー蓄積モジュールから電気的に分離する為の補助電力変調回路とを備え、
前記補助電気エネルギー変調回路は、前記補助電気エネルギー蓄積モジュール動作電圧及び電流を受信し、前記補助電気エネルギー蓄積モジュールの前記補助電気エネルギー蓄積モジュール動作電圧とは独立の電圧を出力する、請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２、２３又は２４に記載の電気エネルギー蓄積システム。
【請求項２６】
前記各電気エネルギー蓄積モジュールは、前記電気エネルギー蓄積モジュール及び前記関連の電力変調回路を収容する為のモジュールハウジングを備え、
前記モジュールハウジングは、１本の押出しの熱伝導材料と、前記１本の押出し材料の端部を密封する端部キャップとを備える、請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２、２３、２４又は２５に記載の電気エネルギー蓄積システム。
【請求項２７】
前記端部キャップは水密密封を提供し、前記押出し材料は、少なくとも１つの熱放散フランジと、熱放散支持部に取り付けられる熱放散面とを備える断面形状を有する押出しアルミニウムである、請求項２６に記載の電気エネルギー蓄積システム。
【請求項２８】
請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２、２３、２４、２５、２６又は２７に記載の電気エネルギー蓄積システムで用いられる電力管理方法であって、
関連の電気エネルギー蓄積モジュールの電気エネルギー蓄積モジュール動作電圧及び電流を受信し、前記関連の電気エネルギー蓄積モジュールの動作電圧とは独立の電圧に変換し出力する為に、各電力変調回路を使用することと、
前記電気エネルギー蓄積モジュールのそれぞれからの電力出力を制御し、それにより前記電気エネルギー蓄積システム全体の電力出力を制御する為に、統括マスタコントローラを使用することと、を含む電力管理方法。
【請求項２９】
電源動作電圧を有する電源によって電力供給される可変速度電気モータを制御する為のモータコントローラであって、
前記電源から前記電源動作電圧を受信し、前記動作電圧を変換し、前記電気モータに供給される、前記電源動作電圧とは独立の可変駆動電圧を出力する為の電圧可変装置と、
前記電気モータへ供給される電気エネルギーの量を制御する為にパルス幅変調を用いて前記電気モータへの前記可変駆動電圧をスイッチングし印加するスイッチング装置と、を備え、
前記コントローラは、前記電気モータの速度及び要求された電気モータパワー出力の１以上にしたがって変化するやり方で、前記パルス幅変調のスイッチング速度を変化させ、前記可変駆動電圧を変化させる、モータコントローラ。
【請求項３０】
前記コントローラは、前記電気モータの効率、前記電気モータのパワー、前記電気モータの発熱、前記電気モータのノイズ、前記電気モータの速度及びトルク、及び前記電源の寿命の１以上を最適化する為に、前記ハルス幅変調のスイッチング速度を変化させ、前記電気モータへ印加される前記可変駆動電圧を変化させる、請求項２９に記載のモータコントローラ。
【請求項３１】
前記コントローラは、所定の関数を用いて、前記電気モータの速度が変化するにしたがって及び前記要求された電気モータパワー出力が変化するにしたがって、前記パルス幅変調のスイッチング速度を変化させ、前記電気モータに印加される可変駆動電圧を変化させる、請求項２９又は３０に記載のモータコントローラ。
【請求項３２】
前記電源は、少なくとも１つのリチウムイオンバッテリセルを備える、請求項２９、３０又は３１に記載のモータコントローラ。
【請求項３３】
電源動作電圧を有する電源によって電力供給される可変速度電気モータを制御する為の方法であって、
前記電源から前記電源動作電圧を受信し、前記電気モータに印加される前記電源動作電圧とは独立の可変駆動電圧に変換し出力する為にコントローラを用いることと、
前記電気モータに供給される電気エネルギー量を制御する為に、パルス幅変調を用いて前記電気モータへの前記可変駆動電圧をスイッチングし印加する為にコントローラを用いることと、を含み、
前記コントローラは、前記電気モータの速度及び要求された電気モータパワー出力の１以上にしたがって変化するやり方で、前記パルス幅変調のスイッチング速度を変化させ、前記駆動電圧を変化させる、方法。
【請求項３４】
前記コントローラは、前記電気モータの効率、前記電気モータのパワー、前記電気モータの発熱、前記電気モータのノイズ、前記電気モータの速度及びトルク、及び前記電源の寿命の１以上を最適化する為に、前記パルス幅変調のスイッチング速度を変化させ、前記電気モータへ印加される前記可変駆動電圧を変化させる、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記コントローラは、所定の関数を用いて、前記電気モータの速度が変化するにしたがって及び前記前記要求された電気モータパワー出力が変化するにしたがって、前記パルス幅変調のスイッチング速度を変化させ、前記電気モータに印加される可変駆動電圧を変化させる、請求項３３又は３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記電源は、少なくとも１つのリチウムイオンバッテリセルを備える、請求項３３、３４又は３５に記載の方法。
【請求項３７】
電気エネルギー蓄積システムにおいて用いられるバッテリパックモジュールであって、
少なくとも１つのバッテリセルと、
前記バッテリセルを収容するモジュールハウジングと、を備え、
前記モジュールハウジングは、１本の押出しの熱伝導材料と、前記１本の押出し材料の端部を密封する端部キャップとを備える、バッテリパックモジュール。
【請求項３８】
前記端部キャップは水密密封を提供し、前記押出し材料は、少なくとも1つの熱放散フランジと、熱放散支持部に取り付けられる熱放散面とを備える断面形状を有する押出しアルミニウムである、請求項３７に記載のバッテリパックモジュール。
【請求項３９】
前記バッテリセルは、リチウムイオンバッテリセルである、請求項３７又は３８に記載のバッテリパックモジュール。
【請求項４０】
前記バッテリセルは、全て直列接続されている、請求項３７、３８又は３９に記載のバッテリパックモジュール。
【請求項４１】
前記バッテリセルは、バッテリパック電圧を提供するように電気的に相互接続され、
前記バッテリパックは、前記バッテリパック電圧が外部コントローラから命令されない限り外部からアクセスできないように、前記外部コントローラによって制御されるように構成された電力変調回路を更に備える、請求項３７、３８、３９又は４０に記載のバッテリパックモジュール。
【請求項４２】
前記バッテリパックモジュールは、複数のバッテリパックモジュールを有する電気蓄積システムにおいて使用され、前記電力変調回路は、前記バッテリパックモジュールが機能を無効にされ、前記システムから電気的に分離されることができるように構成されている、請求項４１に記載のバッテリパックモジュール。
【請求項４３】
前記バッテリパックモジュールは、複数の並列接続のバッテリセルのグループを備え、各並列接続されたグループは、少なくとも１つのバッテリセルを備え、前記並列接続のバッテリセルのグループは、電気的に直列に接続されている、請求項３７、３８、３９、４０、４１又は４２に記載のバッテリパックモジュール。
【請求項４４】
前記バッテリパックモジュールは、バッテリパックモジュールから取得されるエネルギーが前記並列接続のバッテリセルのグループのサブセットから取得されるように、前記並列接続のバッテリセルのグループのそれぞれに電気的に接続されるセルバランシング装置を備える、請求項４３に記載のバッテリパックモジュール。
【請求項４５】
前記セルバランシング装置は、前記バッテリパックモジュールが前記並列接続のバッテリセルのグループのサブセットからのエネルギーを、前記バッテリパックの使用中に、前記バッテリパックに電気的に接続された電気デバイス又は他の外部電気負荷へ伝達し、それにより前記バッテリパックの使用中にセルバランシング機能を提供するように、前記並列接続のバッテリセルのグループのサブセットからエネルギーを取得する、請求項４４に記載のバッテリパックモジュール。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本出願は、２０１３年３月１４日に出願された米国仮出願第６１／７８６，００３号の優先権を主張し、また、当該出願はその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
電気車両産業は、向上した効率及び電力密度を有し、対費用効果の良い電気エネルギー蓄積システム及び電気駆動システムを継続して探し求めている。このところは、永久スーパーマグネットロータ（例えば、コバルトレアアース磁石、及び、ネオジム鉄ボロン磁石）、及び薄膜軟磁性材料から形成された磁性コア付きの電磁石を有するステータを用いて構成される電気モータ及び／又は発電機といった電気機械は、従来の電気機械と比較して十分に高い効率及び電力密度を提供する可能性を有すると信じられている。しかしながら、これらの可能性のある効率を十分に生かす、対費用効果の良いエネルギー蓄積システム及び電気駆動システムを提供することは非常に困難であることが証明されている。
【０００３】
典型的には、電気車両で用いられる可変速度電気機械は、多数の電気的に接続されたバッテリセルで普通は構成されるバッテリパックからのバッテリパック電圧を用いるコントローラによって制御される。バッテリセルは、使用されるセルのタイプに通常は依存するバッテリセル動作電圧を有し、総バッテリパック電圧は、通常、バッテリパック構成によって規定される。典型的には、バッテリパック電圧は、所望のバッテリパック電圧を得るために個々のバッテリセルのグループを直列に接続することによって増加させられ、また、直列接続されたバッテリセルの複数のグループは、総バッテリパック電流容量を増加させる為に並列に接続される。
【０００４】
多くの電気車両が、現在、比較的高い電力密度及び繰り返し充電できる能力の為に、リチウムイオンバッテリパックを使用している。このタイプの応用に必要な能力特性を提供する為に、これらのリチウムイオンバッテリパックは、しばしば、比較的高い電圧及び比較的高い電流で動作するように設計される。高い電圧の使用は、重要な安全問題を生じさせるであろう。また、多数の並列接続されたバッテリセルのグループを備えるバッテリパックに関連する重要な信頼性の問題もあるであろう。しかしながら、リチウムイオンバッテリパックの電圧及びサイズは安全性への懸念の為に制限されるであろうから、多くの高性能電気モータは、通常利用可能なリチウムイオンバッテリーシステムが有するよりも高いであろう最適動作点を有する。
【発明の概要】
【０００５】
いくつかの側面において、本開示は、電気エネルギー蓄積システムで使用する為の電力管理システム及び方法を提供する。電気エネルギー蓄積システムは、各電気エネルギー蓄積モジュールが関連の動作電圧を有し、該各エネルギー蓄積モジュールが前記関連の動作電圧において可変の電流で電力を出力することができる複数の電気エネルギー蓄積モジュールと、各電力変調回路が前記複数のエネルギー蓄積モジュールのうちの関連の一つに電気的に接続され、それにより該関連の電気エネルギー蓄積モジュールが前記電気エネルギー蓄積システムにおける他の電気エネルギー蓄積モジュールから電気的に分離されることを可能にする複数の電力変調回路であって、各電力変調回路は前記関連の電気エネルギー蓄積モジュールの前記動作電圧及び電流を受信し、前記動作電圧及び電流を変換し、前記関連の電気エネルギー蓄積モジュールの前記動作電圧とは独立の電圧で電力を出力する装置を備える複数の電力変調回路と、前記電気エネルギー蓄積モジュールのそれぞれからの前記電力出力を制御しそれにより電気エネルギー蓄積システム全体の電力出力を制御する為に、各電気エネルギー蓄積モジュールの各電力変調回路に電気的に接続される統合マスタコントローラと、を備える。いくつかの側面において、各電気エネルギー蓄積モジュールは、各バッテリセルが関連のバッテリセル動作電圧を有する複数の個別のバッテリセルを備える。
【０００６】
いくつかの側面において、個別のバッテリセルはリチウムイオンバッテリセルである。
【０００７】
いくつかの側面において、電気エネルギー蓄積システムの異なる電気エネルギー蓄積モジュールを構成するバテリセルは、異なるエネルギー蓄積特性を有する。
【０００８】
いくつかの側面において、電気エネルギー蓄積システムの異なる電気エネルギー蓄積モジュールを構成するバテリセルは、異なるリチウムイオン化学性質及び異なるエネルギー蓄積密度を有する。
【０００９】
いくつかの側面において、各電気エネルギー蓄積モジュールを構成する複数のバッテリセルは、全て直列に接続されている。
【００１０】
いくつかの側面において、各電力変調回路は、関連の電気エネルギー蓄積モジュールの動作電圧を、関連の電気エネルギー蓄積モジュールの動作電圧よりも大きくても良く及び独立である電圧に変換するための降圧／昇圧コンバータを備える。
【００１１】
いくつかの側面において、電気エネルギー蓄積システムの異なる電気エネルギー蓄積モジュールは、異なる動作電圧及び異なる電気エネルギー、インピーダンス、及び電流容量からなる特性グループから選択される異なる特性を有する。
【００１２】
いくつかの側面において、統合マスタコントローラはモータコントローラであり、電気エネルギー蓄積システムは複数のロータ極を有するロータを備える電気モータと共に使用される電気エネルギー蓄積システムである。
【００１３】
いくつかの側面において、電気モータは、ブラシレスＤＣモータ／発電機である。
【００１４】
いくつかの側面において、統合マスタコントローラは、各個別のコントローラが関連の電力変調回路及び関連の電気エネルギー蓄積モジュールを独立に制御する為に関連の電力変調回路に電気的に接続される、複数の個別のコントローラを備える。個別の電力変調回路は、モータを駆動する為の単一の駆動機能を生成することに協力する。
【００１５】
いくつかの側面において、統合マスタコントローラは、各個別のコントローラが関連の電力変調回路及び前記関連の電気エネルギー蓄積モジュールを独立に制御する為に関連の電力変調回路に電気的に接続される、複数の個別のコントローラを備える。電気モータは、複数の個別のステータモジュールを有し各個別のステータモジュールがロータ極と磁気的に相互作用する為の複数のステータ極を備えるステータを備える。該各ステータモジュールは、関連の個別のコントローラに接続され、それにより、複数の個別のサブモータであってそれぞれが他のサブモータに対して独立に動作することができるサブモータを構成する為に関連の前記電力変調回路及び電気エネルギー蓄積モジュールに電気的に接続される。
【００１６】
いくつかの側面において、各ステータモジュールは、ステータ極にエネルギーを与える為の一組のコイルを備える。一組のコイルは、１以上のコイルサブセットを有し、各コイルサブセットはステータモジュールの異なる磁気的位相と関連付けられ、各コイルサブセットを構成するコイルの全てが電気的に直列に接続されている。
【００１７】
いくつかの側面において、電気モータは車両にパワーを供給する。
【００１８】
いくつかの側面において、電気モータは、ダイレクトドライブホイールモータである。
【００１９】
いくつかの側面において、統合マスタコントローラは、電気モータに可変駆動電圧を印加する。
【００２０】
いくつかの側面において、統合マスタコントローラは、電気モータに可変駆動電流を印加する。
【００２１】
いくつかの側面において、電気モータは多相モータであり、統合マスタコントローラは、各位相にわたって、印加される駆動電圧をパルス幅変調し印加される駆動電圧を変化させることにより、可変駆動電圧及び電流関数を前記電気モータの各位相に適用する。
【００２２】
いくつかの側面において、統合マスタコントローラは、電気モータの速度、要求された電気モータパワー出力、効率の最適化、応答、寿命、平滑度、及び最大利用可能パワーの１以上と共に変化するやり方で駆動電圧及び電流関数を変化させる。
【００２３】
いくつかの側面において、統合マスタコントローラは、所定の関数を用いて、電気モータの速度が増加するにしたがって及び要求された電気モータパワー出力が増加するにしたがって、駆動電圧を増加させる。
【００２４】
いくつかの側面において、統合マスタコントローラは、電気モータに供給される電気エネルギーの量を制御する為に、パルス幅変調を用いて電気モータに印加される駆動電圧をスイッチングし、統合マスタコントローラは、電気モータの速度及び要求された電気モータパワー出力の１以上にしたがって変化するやり方で、パルス幅変調のスイッチング速度を変化させる。
【００２５】
いくつかの側面において、統合マスタコントローラは、電気モータの効率、電気モータのパワー、電気モータの加熱、モータのノイズ、電気モータの速度及びトルク、電気エネルギー蓄積システムの寿命の１以上を最適化する為に、電気モータに印加される駆動電圧及びパルス幅変調のスイッチング速度を変化させる。
【００２６】
いくつかの側面において、統合マスタコントローラ及び電気エネルギー蓄積モジュールの電力変調回路は、統合マスタコントローラが所定の電気エネルギー蓄積モジュールから電気エネルギーが放出されることを要求する場合にのみ所定の電気エネルギー蓄モジュールから電気エネルギーが放出されることを可能にする。
【００２７】
いくつかの側面において、各電力変調回路は、関連の電気エネルギー蓄積モジュールから電気エネルギーが放出される一組のパワー端子を備える。該パワー端子は、電気エネルギー蓄積モジュールに関連付けられた電力変調回路によって、パワー端子をアクテュブにし、統合マスタコントローラが電気エネルギー蓄積モジュールから電気エンルギーが放出されることを要求する場合にのみ電気エネルギー蓄積モジュールから電気エネルギーが放出されるように制御される。
【００２８】
いくつかの側面において、統合マスタコントローラは複数の独立のコントローラを備える。各独立のコントローラは、関連の電力変調回路及びその関連の電気エネルギー蓄積モジュールを独立に制御するように該関連の電力変調回路に電気的に接続される。電気エネルギー蓄積システムは、関連の補助電気エネルギー蓄積モジュール電圧を有する少なくとも１つの補助電気エネルギー蓄積モジュールと、補助電気エネルギー蓄積モジュールを他の補助電気エネルギー蓄積モジュールから電気的に分離する為の補助電力変調回路とを備える。補助電気エネルギー変調回路は、補助電気エネルギー蓄積モジュール動作電圧及び電流を受信し、補助電気エネルギー蓄積モジュールの補助電気エネルギー蓄積モジュール動作電圧とは独立の電圧を出力する。
【００２９】
いくつかの側面において、各電気エネルギー蓄積モジュールは、電気エネルギー蓄積モジュール及び関連の電力変調回路を収容する為のモジュールハウジングを備える。モジュールハウジングは、１本の押出しの熱伝導材料と、１本の押出し材料の端部を密封する端部キャップとを備える。
【００３０】
いくつかの側面において、端部キャップは水密密封を提供し、押出し材料は、少なくとも１つの熱放散フランジと、熱放散支持部に取り付けられる熱放散面とを備える断面形状を有する押出しアルミニウムである。
【００３１】
いくつかの側面において、本開示は、電源動作電圧を有する電源によって電力供給される可変速度電気モータを制御する為のモータコントローラ及び方法を提供する。コントローラは、電源から電源動作電圧を受信し、動作電圧を変換し、電気モータに供給される、電源動作電圧とは独立の可変駆動電圧を出力する為の電圧可変装置と、電気モータへ供給される電気エネルギーの量を制御する為にパルス幅変調を用いて電気モータへの可変駆動電圧をスイッチングし印加するスイッチング装置と、を備える。コントローラは、電気モータの速度及び要求された電気モータパワー出力の１以上にしたがって変化するやり方で、パルス幅変調のスイッチング速度を変化させ、可変駆動電圧を変化させる、モータコントローラ。
【００３２】
いくつかの側面において、コントローラは、電気モータの効率、電気モータのパワー、電気モータの発熱、電気モータのノイズ、電気モータの速度及びトルク、及び電源の寿命の１以上を最適化する為に、ハルス幅変調のスイッチング速度を変化させ、電気モータへ印加される可変駆動電圧を変化させる。
【００３３】
いくつかの側面において、コントローラは、所定の関数を用いて、電気モータの速度が変化するにしたがって、及び、要求された電気モータパワー出力が変化するにしたがって、前記パルス幅変調のスイッチング速度を変化させ、前記電気モータに印加される可変駆動電圧を変化させる。
【００３４】
いくつかの側面において、電源は、少なくとも１つのリチウムイオンバッテリセルを備える。
【００３５】
いくつかの側面において、本開示は、電気エネルギー蓄積システムにおいて用いられるバッテリパックモジュールを提供する。バッテリパックモジュールは、少なくとも１つのバッテリセルと、バッテリセルを収容するモジュールハウジングと、を備える。モジュールハウジングは、１本の押出しの熱伝導材料と、１本の押出し材料の端部を密封する端部キャップとを備える。
【００３６】
いくつかの側面において、端部キャップは水密密封を提供し、押出し材料は、少なくとも1つの熱放散フランジと、熱放散支持部に取り付けられる熱放散面とを備える断面形状を有する押出しアルミニウムである。
【００３７】
いくつかの側面において、バッテリセルは、リチウムイオンバッテリセルである。
【００３８】
いくつかの側面において、バッテリセルは、全て直列接続されている。
【００３９】
いくつかの側面において、バッテリセルは、バッテリパック電圧を提供するように電気的に相互接続され、バッテリパックは、バッテリパック電圧が外部コントローラから命令されない限り外部からアクセスできないように、外部コントローラによって制御されるように構成された電力変調回路を更に備える。
【００４０】
いくつかの側面において、バッテリパックモジュールは、複数のバッテリパックモジュールを有する電気蓄積システムにおいて使用され、電力変調回路は、バッテリパックモジュールが機能を無効にされ、システムから電気的に分離されることができるように構成されている。
【００４１】
いくつかの側面において、バッテリパックモジュールは、複数の並列接続のバッテリセルのグループを備え、各並列接続されたグループは、少なくとも１つのバッテリセルを備え、並列接続のバッテリセルのグループは、電気的に直列に接続されている。
【００４２】
いくつかの側面において、バッテリパックモジュールは、バッテリパックモジュールから取得されるエネルギーが並列接続のバッテリセルのグループのサブセットから取得されるように、並列接続のバッテリセルのグループのそれぞれに電気的に接続されるセルバランシング装置を備える。
【００４３】
いくつかの側面において、セルバランシング装置は、バッテリパックモジュールが並列接続のバッテリセルのグループのサブセットからのエネルギーを、バッテリパックの使用中に、バッテリパックに電気的に接続された電気デバイス又は他の外部電気負荷へ伝達し、それによりバッテリパックの使用中にセルバランシング機能を提供するように、並列接続のバッテリセルのグループのサブセットからエネルギーを取得する。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】図１は、本開示の側面による、エネルギー蓄積システム及び電気駆動システムと共に用いられる電力管理システムの模式図である。
【図２】図２は、本開示の側面による、電気駆動システムの模式図である。
【図３】図３は、図２の電気機械の断面図である。
【図４】図４は、図２の電気機械のステータセグメントの斜視図である。
【図５】図５は、図４のステータセグメントのステータコアを提供する為に用いられる巻き線の平面図である。
【図６】図６は、図４のステータセグメントの２つのステータコアの平面図である。
【図７】図７は、本開示の側面による、電気駆動システムの他の実施形態の模式図である。
【図８】図８は、本開示の側面による電気エネルギー蓄積モジュール及び関連の補助電気エネルギー蓄積モジュールの模式図である。
【図９】図９は、図８の電気エネルギー蓄積モジュールのモジュールハウジングの断面図である。
【図１０】図１０は、本開示の側面による、制御方法のステップを示すフローチャートである。
【図１１】図１１は、本開示の側面による、典型的電気機械についての一つの磁気サイクルの一つの位相に関するグラフであり、Ｙ軸は電圧を表し、Ｘ軸は時間を表す。様々な図における類似の符号は類似の要素を表す。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
本開示の側面は、概して、電気エネルギー蓄積システム、電気駆動システム、コントローラ、及び電力管理システムに関する。本開示の側面は、また、電気車両に用いられるバッテリパックのような比較的大きいバッテリシステムを制御する為の方法及び構成に関する。本開示の側面は、更に、電気エネルギー蓄積システム、及び、電気エネルギー蓄積システムによって電力を供給される、電気モータ及び／又は発電機等の電気機械を備える電気駆動システムの構成部品を電気的に相互接続し制御する為の方法及び構成を提供する。
【００４６】
はじめに図１を参照し、本開示の側面による、電気エネルギー蓄積システム１０２と共に用いられる一般的な統合電力管理システム１００が記載される。電気エネルギー蓄積システム１０２は、複数の電気エネルギー蓄積モジュール１０４を備え、各電気エネルギー蓄積モジュール１０４は関連の電気エネルギー蓄積モジュール動作電圧Ｖ１を有する。図１に例示された実施形態において、電気エネルギー蓄積システム１０２は、符号１０４ａ〜１０４ｆで示された６つの電気エネルギー蓄積モジュール１０４を備え、各モジュールは、符号Ｖ１ａ〜Ｖ１ｆでそれぞれ示された関連のモジュール動作電圧を有する。電気エネルギー蓄積システム１０２は６つのモジュールを備えると記載されているが、これは必要条件ではない。代わりに、エネルギー蓄積システムは、所望の数のモジュールを備えていても良い。
【００４７】
電気エネルギー蓄積システム１０２は、複数の電力変調回路１０６を備える。図１に例示された実施形態において、電気エネルギー蓄積システム１０２は、符号１０６ａ〜１０６ｆで示された６つの電力変調回路１０６を備える。各電力変調回路１０６ａ〜１０６ｆは、各関連の電気エネルギー蓄積モジュール１０４ａ〜１０４ｆが電気エネルギー蓄積システム１０２の他の電気エネルギー蓄積モジュールと電気的に分離されるように、電気エネルギー蓄積モジュール１０４ａ〜１０４ｆの関連の一つに接続される。本開示の側面によれば、電力変調回路１０６ａ〜１０６ｆは、電気エネルギー蓄積モジュール１０４ａ〜１０４ｆの一部として組み込まれても良い。以下に更に詳細に記載されるように、このことは、エネルギー蓄積システムにとって重要な安全性の有利さを提供するであろう。代替として、電力変調回路は、モジュールの必須の部品として含められるのではなく、電気エネルギー蓄積モジュールに電気的に接続される別個の構成部品として提供されても良い。
【００４８】
以下にいっそう詳細に記載されるように、各電力変調回路１０６ａ〜１０６ｆは、関連の電気エネルギー蓄積モジュールから電気エネルギー蓄積モジュール動作電圧Ｖ１ａ〜Ｖ１ｆ及び電流を受け取り、動作電圧及び電流を変換し、及び、電気エネルギー蓄積モジュール動作電圧Ｖ１ａ〜Ｖ１ｆと独立の出力電圧Ｖ２及び電流を出力する為のそれぞれの出力装置１０８ａ〜１０８ｆを備える。電気エネルギー蓄積システム１０２は、各電力変調回路１０６ａ〜１０６ｆに電気的に接続された統合マスタコントローラ１１０を更に備える。本実施形態において、電気導線１１１のペア（符号１１１ａから１１１ｆで示される）は、コントローラ１１０と電力変調回路１０６ａ〜１０６ｆのそれぞれの間で電力を電送する為に用いられる。コントローラ１１０は、コントローラ１１０を電力変調回路１０６ａ〜１０６ｆに接続する通信バス１１２を用いて、電力変調回路１０６ａ〜１０６ｆの動作を制御するように構成されている。通信バス１１２は、それに限定されるわけではないが、ＣＡＮバスのような、あらゆる所望の通信バスであって良い。この構成によれば、コントローラ１１０は、各電気エネルギー蓄積モジュールから出力される電力を制御し、それにより、統合電気エネルギー蓄積システム１０２の電力出力を制御することができる。通信バス１１２は、エネルギー蓄積システムの一部として、各電気エネルギー蓄積モジュールの状態を通信する為に用いられても良い。
【００４９】
本開示のいくつかの側面によれば、各電気エネルギー蓄積モジュール１０４は、電気エネルギーを蓄積する為の１以上の電気エネルギー蓄積部品１１３を備えていても良い。このましイ実施形態において、電気エネルギー蓄積部品１１３は、所望のリチウムイオンバッテリセル化学性質及びバッテイルセル電圧Ｖ３を有するリチウムイオンバッテリセルであっても良い。本明細書に記載される様々な実施形態は、電気エネルギーをエネルギー蓄積モジュールに蓄積する為に用いられる電気エネルギー蓄積部品としてリチウムイオンバッテリセルを用いると記載されるけれども、この事が必要条件ではないことが理解されるべきである。代わりに、他の種類のバッテリセル、スーパーキャパシタといった様々な種類のキャパシタ、電気エネルギー蓄積フライホイール、又は他の電気エネルギー蓄積部品を含む、あらゆる電気エネルギー蓄積部品が用いられても良い。
【００５０】
本開示の別の側面によれば、電気エネルギー蓄積システム１０２に含まれる、異なる電気エネルギー蓄積モジュール１０４は、異なるモジュール動作電圧Ｖ１などの、異なる電気エネルギー蓄積モジュール特性を有していても良い。例えば、電気エネルギー蓄積モジュールが電気エネルギー蓄積部品１１３としてバッテリセルを備える場合、一つの電気エネルギー蓄積モジュールのバッテリセルは、他の電気エネルギー蓄積モジュールのバッテリセルと比較して異なるエネルギー蓄積特性を有していても良い。これらの特性は、異なるリチウムイオン化学性質及び／又は異なるエネルギー蓄積密度であっても良い。追加として、各電気エネルギー蓄積モジュールを構成するバッテリセルは、様々なやり方で相互接続されても良い。例えば、一つの電気エネルギー蓄積モジュールのバッテリセルの全てが、直列接続されても良い。代替として、別の電気エネルギー蓄積モジュールを構成するセルは、その電気エネルギー蓄積モジュールの所望のモジュール動作電圧Ｖ１及び電流容量を提供するように、並列及び直列のあらゆる組合せで接続されても良い。システム中の異なる電気エネルギー蓄積モジュールが異なるモジュール動作電圧を有する状況において、各出力装置１０８は、異なるモジュールの異なるモジュール動作電圧を同一の出力電圧Ｖ２に変換する為に用いられても良い。
【００５１】
統合マスタコントローラ１１９及び各電気エネルギー蓄積モジュール１０４ａ〜１０４ｆの電力変調回路１０６ａ〜１０６ｆは、統合マスタコントローラ１１０が一つの電気エネルギー蓄積モジュール１０４から電気エネルギーを放出させることを要求する場合にのみ、その電気エネルギー蓄積モジュール１０４から電気エネルギーを放出させるように構成されていても良い。例えば、各電気エネルギー蓄積モジュール１０４ａ〜１０４ｆは、関連する電気エネルギー蓄積モジュール１０４から電気エネルギーが放出される一組の電力端子１１４を備えていても良い。電力端子１１４は、統合マスタコントローラ１１０が電気エネルギー蓄積モジユールから電気エネルギーが放出されることを要求する場合にのみ、電力端子１１４がアクティブにされ、電気エネルギー蓄積モジュールから電気エネルギーを放出されるように、電力変調回路１０６によって制御されても良い。
【００５２】
各電気エネルギー蓄積モジュール１０４ａ〜１０４ｆは、電気エネルギー蓄積モジュールの電気エネルギー蓄積部品を充電する為の符号１１５ａ〜１１５ｆで示される充電器１１５を更に備えていても良い。充電器１１５ａ〜１１５ｆは、充電器１１５ａ〜１１５ｆと通信しそれらの動作を制御する為に通信バス１１２を用いるコントローラ１１０によって制御されても良い。コントローラ１１０は、充電器１１５ａ〜１１５ｆを用いて電気エネルギー蓄積システム１０２を充電する為に外部電源から電力を受信する外部電力入力１１６を備えていても良い。充電器１１５ａ〜１１５ｆは、それぞれの電気エネルギー蓄積モジュールに含まれると記載されてきたけれども、これは必要条件ではない。代わりに、充電器は、それに限定するわけではないが、コントローラ１０内に含められ、又は、コントローラ１１０及びエネルギー蓄積モジュール１０４ａ〜１０４ｆに電気的に接続された別個の構成部品として提供されるなど、様々な位置に設けられても良い。
【００５３】
好ましい実施形態において、電力変調回路１０６ａ〜１０６ｆの出力装置１０８ａ〜１０８ｆのそれぞれは、符号１１７ａ〜１１７ｆで示される降圧／昇圧コンバータ１１７を含むように構成されていても良い。また、コントローラ１１０は、降圧／昇圧コンバータ１１７と通信し及びそれらの動作を制御する為に通信バス１１２を用いても良い。降圧／昇圧コンバータ１１７ａ〜１１７ｆは、それぞれの電気エネルギー蓄積モジュール動作電圧Ｖ１ａ〜Ｖ１ｆを受信し、このモジュール動作電圧を、モジュール動作電圧Ｖ１ａ〜Ｖ１ｆと独立し、且つそれより高くても低くても良い出力電圧Ｖ２に変換する為に、それぞれの電気エネルギー蓄積部品１１３へ電気的に接続されていても良い。
【００５４】
図１に例示されるように、電力管理システム１００及び電気エネルギー蓄積システム１０２は、電気機械１１８と共に用いられるシステムである。電気機械１１８は、それに限定するものではないが、電気モータ、及び／又は、ロータ組立品１２０及びステータ組立品１２２を有する発電機を備えていても良い。コントローラ１１０は、入力信号１２４と位置信号１２６とに基づいて電気機械１１８の動作を規制する電気機械コントローラであっても良い。入力信号１２４は、電気機械１１８が車両、オートバイ、スクータ等に導入された場合におけるスロットル信号のような、要求された電気機械トルク又はパワー出力を含んでいても良い。電気機械１１８は、ステータ組立品１２２に対するロータ組立品１２０の位置を検出する為のホール効果センサ又は他の位置検出構成品１２８を備えていても良い。ホール効果センサ又は他の位置検出装置１２８は、コントローラ１１０によって使用される位置信号１２６を生成する。コントローラ１１０は、電気機械１１８がモータモードで動作しているときに、電気エネルギー蓄積システム１０２から電気機械１１８へ供給される電力を規制することができる。更に、電気機械１１８は、電気機械１１８が発電モードで動作しているときに、電気エネルギー蓄積システム１０２に提供され蓄積される電力を発生することができる。
【００５５】
位置検出構成品はホール効果センサであるとして記載されてきたけれども、それは必要条件ではないことが理解される。代わりに、利用可能ですぐに入手供可能な位置検出構成品が用いられても良い。例えば、高周波数電気モータが使用されている状況では、容量性エンコーダが用いられても良い。
【００５６】
本明細書において電気機械１１８は主としてＤＣブラシレスモータであるとして記載されるけれども、電気機械１１８は、他のあらゆるタイプの電気機械の一つとして提供され、本開示の範囲内に留まることができる。これは、非限定的に、ＤＣ同期電気機械、可変リラクタンス又はスイッチ式リラクタンス電気機械、及び誘導式電気機械を含む。例えば、電気機械１１８のロータ極は、電気機械１１８がＤＣブラシレス電気機械として提供される場合には永久磁石として提供されても良い。スイッチ式リラクタンス電気機械又は誘導式電気機械の場合には、ロータ極は、鉄又は好ましくは薄膜軟磁性材料のような材料の積層から形成された他の磁性材料の突起として提供されても良い。他の構成においては、ロータ極は、電磁石として提供されても良い。
【００５７】
本開示の他の側面において、コントローラ１１０は、可変駆動電圧Ｖ４及び電流を電気機械１１８に印加しても良い。以下に更に詳細に記載されるように、コントローラ１１０は、入力信号１１２の一部であろう電気機械のスピード及び／又は要求された電気機械トルク又はパワー出力と共に変化するやり方で駆動電圧Ｖ４及び電流を変化させても良い。コントローラ１１０は、所定の関数を用いて、電気機械１１８の速度の増加にしたがって、及び要求された電気モータトルク又はパワー出力の増加にしたがって、駆動電圧Ｖ４を増加させても良い。コントローラ１１０は、電気モータの効率、電気モータのパワー、電気モータの発熱、電気モータのノイズ、電気モータの速度及びトルク、電気エネルギー蓄積システムの寿命、又は他のあらゆるシステムの機能の１以上を最適化するように駆動電圧及び電流を変化させても良い。
【００５８】
コントローラ１１０は、電気機械１１８に供給される電気エネルギーの量を制御する為に、パルス幅変調を用いて、電気機械１１８に印加される駆動電圧Ｖ４及び電流を切り替えるスイッチング装置１３０を備えていても良い。本開示のもう一つの側面によれば、コントローラ１１０は、電気機械１１８に適用されるパルス幅変調のスイッチング速度を変化させる為に、スイッチング装置１３０のスイッチング速度を変化させても良い。コントローラ１１０は、電気機械１１０を駆動する為に用いられるパルス幅変調の駆動電圧及びスイッチング速度の両方を変化させても良い。このやり方は、電気モータの効率、電気モータのパワー、電気モータの発熱、電気モータのノイズ、電気モータの速度及びトルク、電気エネルギー蓄積システムの寿命、又は他のあらゆるシステムの機能の１以上を最適化する為に用いられても良い。
【００５９】
好ましい実施形態において、コントローラ１１０は、各エネルギー蓄積モジュール１０４ａ〜１０４ｆの各電力変調回路１０６ａ〜１０６ｆの各降圧／昇圧コンバータ１１７ａ〜１１７ｆを、所望の電圧Ｖ２で電気エネルギーを出力するように制御する。コントローラ１１０は、電気機械１１８に提供される電気エネルギー量を制御する為にパルス幅変調を使用しても良く、また、コントローラは、パルス幅変調の為の所望のスイッチング速度を選択しても良い。駆動電圧及びスイッチング速度の両方が、電気機械の動作を最適化する為に変化させられておも良い。この事を達成する為に、また、以下でより詳細に記載されるように、電気機械及び全システムは、システムの全動作範囲についての最適な駆動電圧及びスイッチング速度を決定する為に十分に特徴付けられ又はテストされても良い。このテストの結果は、ルックアップテーブル又は動作関数にコンパイルされても良い。これらのテーブル又は関数はシステム内に含められても良く、また、コントローラ１１０がパルス幅変調の所望の駆動電圧及びスイッチング速度を選択し使用するように、コントローラに利用可能であっても良い。
【００６０】
電気機械１１８は、三相電機モータであっても良く、コントローラ１１０は、３つの導体１３２を用いて電気機械１１８に駆動電圧Ｖ４を供給しても良い。電気機械１１８は三相電機モータであると記載されてけれども、これは必要条件ではない。代わりに、電気機械は、あらゆる所望の数の位相を利用しても良く、また、それは本開示の範囲内である。当業者であれば理解するであろうように、コントローラを電気モータに接続し駆動電圧を電気モータに提供する為に用いられる導体１３２の数は、電気モータ内で使用される位相の数に依存するであろう。
【００６１】
図１においてコントローラは、単一の統合コントローラとして示されているけれども、このことが必要条件ではないことが理解されるべきである。代わりに、コントローラは、様々な方式で提供されても良い。例えば、統合コントローラは、それぞれの独立のサブコントローラが関連の電力変調回路及び関連の電気エネルギー蓄積システムを独立の制御する為に関連の電力変調回路に接続された、複数の独立のサブコントローラを備えていても良い。
【００６２】
本開示の側面によって設計される一般の統合電力管理システムが図１を参照して記載されたので、本開示の側面による電気駆動システム２００の具体的な好ましい実施形態について図１及び図２を参照して記載する。この実施形態では、システム２００は、電気車両に電力を与える可変速度電気モータ／発電機と共に用いられる電気駆動システムである。
【００６３】
電力管理システム１００について上述した様に、システム２００は、符号１０４ａ〜１０４ｆで示された６つの電気エネルギー蓄積モジュール１０４を有する電気エネルギー蓄積システム１０２を備える。各電気エネルギー蓄積モジュール１０４は、符号Ｖ１ａ〜Ｖ１ｆでそれぞれ示される、関連の電気エネルギー蓄積モジュール動作電圧Ｖ１を有する。上述のように、電気エネルギー蓄積システム１０２は６つのモジュールを持つと記載されているけれども、このことは必要条件ではない。代わりに、電気エネルギー蓄積システムは、あらゆる数のモジュールを備えていても良い。
【００６４】
システムの電気エネルギー蓄積モジュール１０４ａ〜１０４ｆのそれぞれは、符号１０６ａ〜１０６ｆでそれぞれ示された関連の電力変調回路１０６を更に備える。上述のように、電力変調回路１０６ａ〜１０６ｆは、各関連の電気エネルギー蓄積モジュール１０４を電気エネルギー蓄積システム１０２内の他の電気エネルギー蓄積モジュールから電気的に分離する為に用いられても良い。また、各電力変調回路１０６ａ〜１０６ｆは、関連する電気エネルギー蓄積モジュールの電気エネルギー蓄積モジュール動作電圧Ｖ１ａ〜Ｖ１ｆを受信し、動作電圧を変換し、電気エネルギー蓄積モジュール動作電圧Ｖ１ａ〜Ｖ１ｆとは独立した出力電圧Ｖ２ａ〜Ｖ２ｆを出力する、符号１０８ａ〜１０８ｆでそれぞれ示された出力装置１０８を備える。本実施形態において、電力変調回路１０６ａ〜１０６ｆの出力装置１０８ａ〜１０８ｆは、降圧／昇圧コンバータ１１７ａ〜１１７ｆをそれぞれ備える。システム２００の各電気エネルギー蓄積モジュール１０４ａ〜１０４ｆは、更に、符号１１５ａ〜１１５ｆでそれぞれ示された関連の充電器１１５を備える。
【００６５】
システム２００の電気エネルギー蓄積モジュール１０４は、また、電気エネルギーを蓄積する為の複数の個別の電気エネルギー蓄積部品１１３を備える。この具体的な実施形態において、各電気エネルギー蓄積モジュール１０４は、ニッケル−コバルト−マンガン酸化物正極、グラファイト負極、約３．７ボルトのバッテリセル電圧を有する７８の個別のリチウムイオンバッテリセルを備える。７８のバッテリセルは、１３の並列接続されたセルグループを構成するように並列に接続される６つのバッテリセルの１３のグループに電気的に相互接続される。１３の並列接続バッテリセルグループは、それぞれ、約３．７ボルトの通常動作電圧有し、約４８ボルトの通常モジュール動作電圧Ｖ１を提供するように直列に接続される。上述のように、本実施形態は４８ボルトのモジュール動作電圧を提供するように相互接続されたリチウムイオンバッテリセルを用いると記載されているけれども、この事は必要条件ではないことが理解されるべきである。代わりに、所望のあらゆる電気エネルギー蓄積部品が用いられても良く、また、これらの部品は、所望のあらゆるモジュール動作電圧を提供するようにあらゆる所望のやり方で相互接続されても良い。例えば、上述の同じ７８のバッテリセルが、約２８８ボルトのモジュール動作電圧を有するモジュールを提供する為に全て直列に接続されても良い。また、本具体的な実施形態の電気エネルギー蓄積モジュールの全てが同じ構成及びモジュール動作電圧を有すると記載されているけれども、この事は必要条件では無い。代わりに、各電気エネルギー蓄積モジュールが、システムの他の電気エネルギー蓄積モジュールと異なっていても良い。
【００６６】
各エネルギー蓄積モジュールは、単一の電力変調回路１０６を備えると記載されてきたけれども、各モジュールは、複数の電力変調回路を備えていても良い。例えば、上述の同一の７８のバッテリセルは、６つのバッテリセルの１３の並列接続グループに電気的に相互接続されていても良い。６つのセルの１３の並列接続のそれぞれは、各並列接続グループが他の並列接続グループから電気的に分離されることを可能とするように、それ自身の電力変調回路を有していても良い。１３の並列接続バッテリセルグループの全てに関連付けられた電力変調回路が、４８ボルトの通常モジュール動作電圧を提供する為に直列に接続されても良い。
【００６７】
システム１００について上述したように、システム２００は、電力変調回路１０６ａ〜１０６ｆの動作を制御する為に電力変調回路１０６ａ〜１０６ｆのそれぞれに電気的に接続される統合マスタコントローラ１１０を更に備える。しかしながら、システム２００において、コントローラ１１０は、電気エネルギー蓄積モジュール１０４ａ〜１０４ｆ内に、又は、それらの一体部分として含められた６つのサブコントローラ１１０ａ〜１１０ｆを備える。マスタコントローラ１１０は、サブコントローラ１１０ａ〜１１０ｆの動作を制御し及び調和させ、各サブコントローラ１１０ａ〜１１０ｆは、それらのそれぞれの電力変調回路１０６ａ〜１０６ｆ及び降圧／昇圧コンバータ１１７ａ〜１１７ｆを制御し、各電気エネルギー蓄積モジュールに所望の電圧Ｖ２ａ〜Ｖ２ｆでの所望の電気出力を出力させる。以下により詳細に説明されるように、これらの出力電圧Ｖ２ａ〜Ｖ２ｆは、同一の電圧であっても良く、また、代替として、これらの出力電圧は、異なる電圧であっても良い。
【００６８】
システム２００は、電気機械２０２を更に備える。本実施形態において、電気機械２０２は、電気機械２０２の外周部に配置されたロータ組立品２０４とステータ組立品２０６とを有する放射ギャップ電気機械として提供される。電気機械２０２は、ロータ組立品２０４がロータ組立品２０４の内周に配置された複数の永久磁石ロータ電極を有するブラシレスＤＣモータ／発電機であり、また、電気機械２０２は、車両にパワーを与えるダイレクト駆動ホイールモータである。
【００６９】
システム１００について上述したように、コントローラ１１０は、入力信号１２４及び位置信号１２６に基づいて電気機械２０２の動作を規制する。本実施形態において、入力信号１２４は、スロットル信号のような要求電気機械トルク及びパワー出力を含む。電気機械２０２は、また、ホール効果センサ、又は、ステータ組立品２０６に対するロータ組立品２０４の位置を検出する為の他の位置検出装置１２８を備える。ホール効果センサ又は他の位置検出装置１２８は、コントローラ１１０によって使用される位置信号１２６を生成する。
【００７０】
図２の構成において、ロータ組立品２０４は、電気機械２０２の外周に配置されている。つまり、ステータ組立品２０６は、ロータ組立品２０４によって取り囲まれている。図２には示されていないが、ロータ組立品２０４は、ステータ組立品２０６に対して回転するようにベアリングによって支持されていても良い。放射ギャップ２０８は、ステータ組立品２０６からロータ組立品２０４を分離する。代替の構成において、ロータ組立品２０４は、回転軸２１０周りでのステータ組立品２０４に対する回転の為に他の好適な手段を用いて支持されても良い。電気機械２０２はロータ組立品によって取り囲まれるステータ組立品を有する放射ギャップ機械であると記載されているけれども、この事は必要事項ではない。代わりに、機械は、ロータ組立品を取り囲むステータ組立品を有する放射ギャップ機械であっても良い。代替として、ロータ組立品及びステータ組立品は、軸方向ギャップ機械を構成するように互いに軸方向に近接していても良い。
【００７１】
図２に示された実施形態において、ロータ組立品２０４は、ロータ組立品２０４のロータ電極を構成する５６組の放射状に隣接した永久磁石２１２を備える。いくつかの実施において、永久磁石２０２の組は、コバルトレアアースメタル磁石のようなスーパーマグネット、又は他のあらゆる好適な又はすぐに入手可能な磁性材料として提供されても良い。図３の断面図に最もよく示されているように、永久磁石２１２の組のそれぞれは、Ｎロータ極２１２ａを構成するように方向づけられた第１磁石と、Ｓロータ極２１２ｂを構成するように方向づけられた第２磁石とを有する。第１磁石は、２つの永久磁石が電気機械２０２の回転軸２１０と全体として平行であるラインに互いに沿っているように第２磁石に隣接して配置される。したがって、２つの永久磁石は、ロータ組立品２０４が回転するときに電気機械２０２の回転軸２１０周りの円形の隣接経路を定義する。図３に示されるように、永久磁石の組は、放射ギャップ２０８に面するロータ組立品２０４の内周に位置付けられる。それぞれの連続した永久磁石の組２１２は、隣接した磁石セグメントの全てがロータ組立品２０４全体の周りでＮ極からＳ極へ入れ替わるように反転される。
【００７２】
永久磁石ペア２１２は、永久スーパーマグネットとして提供されても良いが、他の磁性材料が実施化されても良い。いくつかの実施形態において、永久磁石の代わりに、電磁石がロータ組立品２０４で実施化されても良い。また、図２のロータ組立品２０４は、５６の磁石ペアを備えると説明されているけれども、ロータ組立品２０４はあらゆる数の磁石のペアを備えていても良いと考えられる。
【００７３】
ステータ組立品２０６は、複数のステータモジュール２１４を備える。図２の構成において、ステータ組立品２０６は、記述上の目的で図２において符号２１４ａ〜２１４ｆで示された６つのステータモジュール２１４を備える。ステータ組立品２０６は、６つのステータモジュールを備えると記載されているけれども、他の構成も考えられる。例えば、６より多いステータモジュール２１４又は６未満のステータモジュール２１４を備えるステータ組立品も本開示の範囲内である。
【００７４】
各ステータモジュール２１４は、ステータ組立品２０６内の他のステータモジュールから独立している。より詳細には、各ステータモジュール２１４は、独立に取り外し及び交換が可能である。いくつかの実施において、ステータモジュール２１４は取り外されても良く、電気機械２０２は、ステータモジュール２１４の全数未満で動作しても良い。図２の特定の構成について考えると、例えば、電気機械２０２は、６つのステータモジュール２１４より多い数又は少ない数で動作しても良い。つまり、図２の電気機械２０２は、１つ、２つ、３つ、４つ、５つ、６つ又は７つのステータモジュール２１４で動作しても良い。また、使用されるステータモジュールは、対称的に又は非対称的に配列されても良い。例えば、２つのステータモジュールが使用される場合、電気機械２０２の非対称バージョンを構成する為に、ステータモジュール２１４ａ及び２１４ｂが用いられても良い。代替として、電気機械２０２の対称バージョンを構成する為に、モジュール２１４ａ及び２１４ｄが使用されても良い。
【００７５】
電気機械２０２において、各ステータモジュール２１４は、ステータモジュール筐体２１６と、ステータモジュール筐体２１６に収容された少なくとも１つのステータセグメント２１８とを備える。好ましくは、各ステータセグメント２１８は、電気機械２０２内の他のステータセグメントと同一である。図２の構成において、電気機械２０２は三相電気機械として提供され、各ステータモジュール２１４は、符号２１８ａ〜２１８ｆでそれぞれ示された６つのステータセグメント２１８を備える。
【００７６】
図４に最も良く図示されるように、各ステータセグメント２１８は、磁性コア２２０及び２つの独立コイル２２２を備える。各磁性コア２２０はＵ字型の磁性コアであり、コイル２２２がコア２２０のそれぞれの足の回りに巻回されている。磁性コア２２０は、一定の断面を有する足を有するので、電磁巻き線、すなわち、コイル２２２は、コイル２２２が形成され又は巻回された後にコア２２０の足をスライドすることができる。このことは、各個別のコイル２２２が、高容量で非常に簡潔な巻取り機械上で経済的に巻回されることを可能にする。コイル２２２をコア２２０に取り付ける前に個別に巻取るこの能力は、従来の電気機械を製造するために通常、必要とされる高価で複雑な巻取り機械を使用する必要性をなくす。
【００７７】
本例においては、コイル２２２を形成する為に絶縁体コーティングを有する円形の銅線が使用されても良い。しかしながら、あらゆる所望の電気導体材料及び構成が使用されても良いことが理解されるべきである。これは、アルミニウムのような、銅以外の電気的な導体材料から形成された電線を含む。これは、また、四角い電線や金属薄片などの、あらゆる所望の断面を有する電線ストックを含む。
【００７８】
図４にも示されているように、独立のコイル２２２は、各コイルを電気機械内の他のコイルに電気的に相互接続する為の２つの電気リード線２２４を備える。この構成により、コイル２２２の各リード線２２４は、電気機械の特定の要求事項に応じて様々な異なった所望のやり方で相互接続され得る。例えば、三相電機機械においては、６ステータセグメントステータモジュールは、コイルの組の２つ又は２つのステータセグメントが各位相に関連付けられた、総数１２の６組のコイル２２２を備えるであろう。このタイプの電気機械の比較的低電圧のバージョンにおいては、各位相に関連付けられた２組のコイルの各グループは、電気的に並列に接続されても良い。このタイプの電気機械の比較的高電圧のバージョンにおいては、各位相に関連付けられた２組のコイルの各グループは、電気的に直列に接続されても良い。このタイプの電気機械の相対的に中間の電圧のバージョンにおいては、各位相に関連付けられた２組のコイルの各グループは、直列に接続された２つのコイルの２つの並列のグループが存在するように電気的に相互接続されても良い。したがって、コイル２２２のリード線２２４の異なる構成を単に使用することにより、複数のステータモジュール及び電気機械構成を、ステータモジュール内の他の部品を変化させることなしに得ることができる。このことは、様々な電気機械の構成を作り出す為に多くの同一の部品を使用することができるという有利さを提供する。
【００７９】
本実施形態において、各ステータセグメント２１８は、また、Ｕ字型コアの足のそれぞれの端部の側面に取り付けられたコアブレスレット２２６を備えていても良い。コアブレスレット２２６は、コア２２０のそれぞれの端部で拡大されたステータ極面２２８を設ける為、Ｕ字型コア２２０の端部を完全に取り巻く様に構成されていても良い。コアブレスレット２２６の使用は、また、コア２２０の端部が少なくともステータ極面２２８の部分を構成するように、コア２２０の端部がコアブレスレット２２６によって拡大することを可能にする。コアブレスレット２２６は、薄膜軟磁性材料、粉末の金属、又は他のあらゆる望ましい磁性材料から形成されていても良い。好ましい実施形態において、コアブレスレットは、所望の形状にプレス加工される透磁性金属粉末から形成される。図４に最もよく図示されるように、コアブレスレット２２６は、ステータ極面２２８に垂直な、均一の厚みを有していても良い。この均一の厚みの使用は、コアブレスレット２２６が、粉末金属材料から容易に且つ経済的にプレス加工されることを可能にする。
【００８０】
ここで図５及び図６を参照し、図２に示された電気機械２０２の特定の実施形態の為の例示的な磁性コア２２０の特定の構成について更に詳細に記載する。本実施形態において、各個別の１個の磁性コア２２０は、連続したリボン状の薄膜軟磁性材料を所望の形状に巻き取ることによって形成される。本例では、形状は、図５の巻線２３０で示されるように、概ね長円形である。テープ巻取り磁性コアを備えるこれらのタイプの電気機械は、米国特許第６，６０３，２３７号、第６，８７９，０８０号、第７，０３０，５３４号及び第７，３５８，６３９号、及び、ＰＣＴ特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０４８０１９，ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０４８０２７及びＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０４８０２８により詳細に記載されており、これらの米国特許及びＰＣＴ出願は、本出願人によるものであり、それら全てが参照により本明細書に組み込まれる。
【００８１】
アモルファス金属又はナノ結晶性材料等の低損失の薄膜軟磁性材料は、通常は、均一なテープ幅を有する薄い連続テープの状態で供給される。また、他の多くの磁性材料が、長い連続的なテープの形状で提供されても良い。本明細書の目的において、テープ巻取り磁性コアという用語は、薄いテープ状の磁性材料を磁性コアを形成する為に巻き取ることによって形成されるあらゆる磁性コアを含むことを意味する。
【００８２】
アモルファス金属又はナノ結晶性材料等の薄膜軟磁性材料は、非常に薄い（例えば、数千分の１インチ、ミル厚、又は１ミル厚未満）テープ状で又はリボン状で提供されるので、巻線２３０は、図５及び図６内のライン２３２で示される様な、材料の数百巻き又は層から形成されていても良い。所望の形状に巻き取られると、巻線２３０は、巻取り工程によって生じるあらゆるストレスを取り除くためにアニール処理されても良い。巻線２３０は、巻線２３０を硬い部品に折り曲げる為に熱硬化される非常に薄いウィッキング樹脂などの、接着剤に浸されても良い。
【００８３】
一度アニール処理されると、薄膜軟磁性材料は、非常に硬くなり、もろくなり、機械にかけることがいく分難しくなる。図５及び図６に示された実施形態において、巻線２３０は、巻線２３０を２つのＵ字状片にカットする為に１回のカットしか必要としない。各Ｕ字状片は、磁性コア２２０の一つを提供する。図６に図示されるように、巻線２３０から生じる２つのＵ字状コアのそれぞれは、薄膜軟磁性材料の複数の同心状のＵ字状層２３４から形成される。
【００８４】
いくつかの実施において、コア２２０は、ナノ結晶性の薄膜軟磁性材料から形成されても良い。他の実施において、あらゆる薄膜軟磁性材料が用いられても良く、あらゆる薄膜軟磁性材料は、一般にシリコン鉄と称される材料、アモルファス金属、材料の結晶構造のサイズを更に減少させる為にいくつかのやり方で加工された、合金元素構成においてアモルファス金属材料と類似の材料、及び他のあらゆる薄膜材料を非限定的に含んでいる。コア２２０を形成する薄膜軟磁性材料は主にアモルファス金属又はナノ結晶性材料であると記載されてきたけれども、本開示は、これらの具体的な材料に限定されるものではない。代わりに、薄い連続的なテープ又はリボンとして提供され得るあらゆる磁性材料が、本明細書に記載されるテープ巻取り磁性コアを提供する為に用いられても良い。
【００８５】
上述のコア構成の一つの有利な点は、上述のように電磁石組立品に組み立てられた場合に、各１個の磁性コアがＵ字状磁性コアの足によって形成される２つのステータ極の全リターン経路を提供することである。このことは、背面鉄片が全てのステータ極と磁気的に相互接続する必要性をなくす。このような背面鉄片の必要性を除去することは、このタイプのコア構成を用いる電気機械のインダクタンスを減少させる。この減少されたインダクタンスは、磁性コア内での磁界のいっそう効率的な高周波スイッチングを可能にすることを補助する。
【００８６】
上述の構成のもう一つの有利な点は、磁性コア内に寄生的なギャップが存在しないことである。つまり、薄膜軟磁性材料の各層は、Ｕ字状磁性コアの一端又は極からＵ字状磁性コアの反対の端部又は極まで連続的に伸びる。したがって、この構成は、図６の矢印２３６で示されるように磁束が薄膜軟磁性材料の各層の全長に沿って磁性コアを通るように、薄膜軟磁性材料の各層を適切な方向に方向づけさせる。
【００８７】
上述のように、図２の電気機械２０２は、ロータ組立品２０４の周りで均一に間隔をおかれた５６組の永久磁石を備え、各ステータモジュール２１４は、６つのスタータセグメント２１８を備える。あるステータモジュール２１４内のステータセグメント２１８は、隣接するステータセグメント２１８間で特定のステータセグメント間隔２５０を持って配置されている。この例において、電気機械２０２は、４対３のロータ極対ステータ極比を有するように構成されている。すなわち、４組の永久磁石が、電気機械２０２のあるアーク２５２内に収まっており、ステータモジュールの３つの隣接したステータセグメント２１８がアーク２５２内に収まっている。電気機械２０２は、記述上の目的で、４対３のロータ極対ステータ極比を用いると記載されるけれども、このことは必要条件ではない。代わりに、ステータ極に対するロータ極の数の間のあらゆる所望の比が用いられても良く、また、それは、本開示の範囲内になおも留まる。
【００８８】
４つの均一に間隔をおかれた永久磁石がアーク２５２に収まり、また電気機械は、ロータ組立品２０４周りで均一に間隔をおかれた合計５６の永久磁石を備えるので、アーク２５２は、電気機械２０２の直径の１４分の１に相当する。このことは、ステータ組立品がステータセグメント間隔２５０で均一に間隔をおかれたステータセグメントで完全に満たされている場合、ステータ組立品２０６の周りでの合計４２のステータセグメントの為のスペースが存在することを意味する。したがって、４２のステータセグメント２１８を持つこの構成の電気機械は、それぞれが均一に間隔をおかれたステータセグメント２１８を備える７つのステータモジュールを持つであろう。
【００８９】
上述のように、本開示の側面による電気機械は、ステータモジュールの完全数未満の数のステータモジュールを用いても良い。加えて、特定のステータモジュール設計及び電気機械設計が、隣接するステータモジュールの端部でのステータセグメントの間の一定のステータセグメント間隔を維持することを困難にするであろう。例えば、２つの隣接するステータモジュールのステータモジュール筐体の厚みは、隣接するステータモジュールの端部でのステータセグメントの間の一定のステータセグメント間隔を維持することができないようなものである。したがって、特定の電気機械及びステータモジュール設計、又は、特定の電気機械設計の範囲内でのステータモジュールの完全数未満の数の使用は、関連するステータモジュール内での隣接するステータセグメント間でのステータセグメント間隔よりも大きなステータ極ギャップを生じるであろう。
【００９０】
図２の特定の実施において、電気機械２０２は、各ステータモジュールが６つのステータセグメント２１８のみを有する、均一に間隔をおかれた６つのみのステータモジュール２１４を備える。ステータセグメントの完全数が一定のステータセグメント間隔２５０で用いられる場合には、４２のステータセグメントが電気機械２０２に収まるけれども、このことは、ステータ組立品２０６内で合計３６のステータセグメントをもたらす。すなわち、４２の潜在的なステータセグメントのうちの６つが、電気機械２０２において省略されている。ステータ組立品２０６内でのステータセグメント２１８の完全数よりも少ない数の使用は、隣接するステータモジュールの端部でのステータセグメント間でのステータ極ギャップ２５４を結果として生じる。このステータ極ギャップ２５４は、ステータモジュール２１４内での隣接するステータセグメント間でのステータセグメント間隔よりも大きい。６つの潜在的なステータセグメントが省略され、また６つのステータモジュールがステータ組立品２０６の周りで均一に間隔をおかれているので、電気機械２０２において、ステータ極ギャップ２５４は、ステータセグメント間隔２５０のサイズの２倍である。これらの大きなステータ極ギャップは、ステータセグメントの磁界のスイッチングのタイミングを制御する事に関する問題につながるであろう。しかしながら、以下でより詳細に述べられるように、これらの大きなステータ極ギャップは、本明細書に記載されるモジュール式の設計の為の制御方法を用いて説明されるであろう。
【００９１】
上述のように、各ステータモジュール内の各ステータセグメント２１８は、好ましくは、電気機械の他の全てのステータモジュール内の他の全てのステータセグメントと同一である。このモジュール式構成は、従来の電気機械に対していくつかの有利な点を提供する。
【００９２】
第１に、特定の電気機械の全てのステータセグメントについて所定のステータセグメントを用いることによって、ステータセグメントに用いられる磁性コア及び巻き線は、経済的に量産することができる。この事は、薄膜軟磁性材料から形成された磁性コアの場合においては、これらのタイプの材料を用いて磁性コアを製造することに関連する困難性の為に、非常に重要な有利な点である。薄膜軟磁性材料は高いコア損失無しに非常に高い周波数で動作することができるので、薄膜軟磁性材料から形成される磁性コアを使用する電気モータは、従来の金属コア電気モータに対する重要な有利な点を提供する。しかしながら、従前は、これらの低損失材料を使用する電気モータの為の磁性コアを製造する事に関連する困難性が、これらの材料が電気モータにおいて商業的に成功することを阻んできた。
【００９３】
特定の電気機械の全てのステータセグメントについての同一の磁性コア設計に加えて、同一磁性コア設計は、電気機械ファミリ全体について用いられても良い。この事は、様々な巻き線の構成、及び同一磁性コア設計に関連する様々なステータモジュール筐体及び他の構成部品を提供することによって達成される。機械のファミリに関連する各電気機械は、特定の巻き線構成及び特定のステータモジュール筐体と共に、一つの磁性コア設計を用いるであろう。この事は、特定の磁性コア及び関連の電気機械ファイミリを生産することと関連する経済性の規模を更に増加させるであろう。
【００９４】
上述のモジュール式設計の他の有利な点において、同一の電気機械設計は、様々な電気機械を異なるパワー出力で提供する為に用いられても良い。例えば、電気機械が電気車両応用の為のハブモータとして用いられる場合において、同一基本モータ設計は、控えめなパワー出力を有するエントリレベル車両、中くらいのパワー出力を有する中間レベル車両、及び高パワー出力を有するハイエンド車両を提供する為に用いられても良い。このやり方の特定の例において、車両用の電気ハブモータは、６つまでのステータモジュールのスペースを含むように設計されても良い。エントリレベル車両は、モータ内に含められる２つのステータモジュールを備え、中間レベル車両はモータ内に含められる４つのステータモジュールを備え、ハイエンド車両はモータ内に含められる６つのステータモジュールを備えていても良い。このやり方は、同一モータ設計が３つのパワーレベルの車両の全てに用いられる設計を可能にする。この事は、車両設計を発展させること及び車両を製造することの両方に関連するコストを大きく減少させる。このやり方は、１以上のステータモジュールを加えることにより、後に一層高い性能のモータにアップグレードするユニークな能力をも提供する。
【００９５】
５０〜６０ＨzがＡＣ商用電力送電網で利用できる周波数なので、殆どの従来の電気モータは、５０〜６０Ｈzで動作するように設計されている。ＡＣ電力が通常これらの周波数で提供される理由の一つは、これらの周波数が、従来の金属コアモータの周波数性能の十分な範囲内にあるからである。従来の特殊なモータの場合においてでさえも、周波数は、通常、４００Ｈｚ未満に留まっている、これは、従来の金属コア材料が、熱の形態で生じる非常に大きな損失を生じること無しに、この周波数よりも早く変化する磁界に応答することができないからである。
【００９６】
上述のように、本開示による電気機械設計は、ステータセグメントの磁性コアを形成する為に低損失の薄膜軟磁性材料を使用しても良い。電気機械のコア材料の為の低損失の薄膜軟磁性材料の使用は、高効率を維持しつつ非常に高い周波数で動作することを可能にする。これらの周波数は、極めて高い効率をなおも提供しながら４００Ｈｚよりも十分に大きく、また、例えば２５００Ｈｚ以上の周波数で動作することができる。
【００９７】
図２に関して上述したように、電気機械２０２は、６つのステータモジュール２１４ａ〜２１４ｆを備え、電気エネルギー蓄積システム１０２は、６つの電気エネルギー蓄積モジュール１０４ａ〜１０４ｆを備える。本開示の別の側面によれば、また、図２に示されるように、ステータモジュール２１４ａ〜２１４ｆのそれぞれは、６つの独立のサブモータ２６０ａ〜２６０ｆをそれぞれ構成するように、電気的導体２５８ａ〜２５８ｆを用いて、電気エネルギー蓄積モジュール１０４ａ〜１０４ｆの一つにそれぞれ電気的に接続される。つまり、ステータモジュール２１４ａは、サブモータ２６０ａを構成するように電気的導体２５８ａを用いて電気エネルギー蓄積モジュール１０４ａに電気的に接続され、ステータモジュール２１４ｂは、サブモータ２６０ｂを構成するように電気的導体２５８ｂを用いて電気エネルギー蓄積モジュール１０４ｂに電気的に接続される、等となっている。この構成により、サブモータ２６０ａ〜２６０ｆのそれぞれは、他のサブモータから独立して動作することができる。
【００９８】
上述のように、電気エネルギー蓄積モジュール１０４ａ〜１０４ｆは、関連するサブコントローラ１１０ａ〜１１０ｆを備えている。各サブコントローラ１１０ａ〜１１０ｆは、関連するステータモジュール２１４ａ〜２１４ｆに対し又はそれらから、電力を供給し又は受信するように、関連する電力変調回路１０６ａ〜１０６ｆ及び電気エネルギー蓄積モジュール１０４ａ〜１０４ｆをそれぞれ制御するように構成されている。また、この構成は、各サブモータが他のサブモータに対して独立に動作することができる６つの電気的に独立したサブモータ２０６ａ〜２０６ｆを提供する。本実施形態において、統合マスタコントローラ１１０は、システム１００について述べた内容と同様のやり方で、通信バス１１２を用いて、サブコントローラ１１０ａ〜１１０ｆ及びサブモータ２６０ａ〜２６０ｆの動作を制御及び調整する為に用いられても良い。
【００９９】
図２の実施形態において、電気機械２０２は、三相機械であるとして記載されているので、３つの電気的導体は、電気エネルギー蓄積モジュール１０４ａ〜１０４ｆのそれぞれを関連のステータモジュール２１４ａ〜２１４ｆに電気的に接続するために用いられる。
機械２０２は、三相機械であると記載されるけれども、それは必要条件ではない。代わりに、電気機械は、あらゆる位相の数であっても良く、また、各電気エネルギー蓄積モジュユールを関連のステータモジュール２０６に電気的に接続する為の適切な数の導体を用いても良い。
【０１００】
電気機械２０２の構成は、特定のタイプのステータセグメントを有する特定のタイプのステータモジュールを備えると詳細に記載されているけれども、この事は必要条件ではない。代わりに、電気機械は、広範な構成で実施されても良い。例えば、よりいっそう従来的な電気機械構成が用いられても良く、機械の巻き線又はコイルは、各グループがサブモータを構成する為に電気エネルギー蓄積モジュールと関連付けられた、巻き線又はコイルの所望の数のグループに分けられても良い。
【０１０１】
上述のように、システム２００は、ステータモジュール２１４及び電気エネルギー蓄積モジュール１０４を備える複数の独立のサブモータ２０６を備える電気駆動システムを提供する。好ましい実施形態において、各ステータモジュールは、システム内の他のステータモジュールと同一であっても良く、また、電気エネルギー蓄積モジュール１０４のそれぞれは、システム内の他の電気エネルギー蓄積モジュールと同一であっても良い。このモジュール式構成は、従来の電気駆動システムに対する有利な点を提供する。
【０１０２】
第１に、特定の電気駆動システムの為に所定のステータモジュール設計及び電気エネルギー蓄積モジュール設計を用いることにより、ステータモジュール及び電気エネルギー蓄積モジュールの全ての構成部品をよりいっそう経済的により多い数で生産することができる。上述のように、この事は、薄膜軟磁性材料から形成される磁性コアの場合には、このタイプの材料を用いて磁性コアを製造することに関連する困難性の為に、非常に重要な有利な点である。
【０１０３】
第２に、ステータモジュール及び電気エネルギー蓄積モジュールは、容易に取り外し可能で交換可能に設計されても良い。この事は、システム内に複数の冗長さを提供することによって従来の電気駆動システムと比較したこのタイプのシステムの有用性及び信頼性を大きく向上させるであろう。例えば、モータ巻き線のショート又はバッテリセル不良等の部品不良があった場合、不良部品と関連するサブモータはシャットダウンされ、他のサブモータが通常通り動作を継続しても良い。この事は、サブモータの総数と比較して残りの数のサブモータの数に比例する減少された性能でシステムが機能し続けることを可能にするであろう。不良の部品を有するサブモータをシャットダウンすることは、全システムを完全にシャットダウンする必要性よりも、システムへの更なるダメージの危険を起こすことなく、システムを使用し続けることを可能にする。この事は、システムの使用中の部品の不良が原因でシステムをシャットダウンすることに関連する重要な安全問題が存在するであろう車両駆動システム等の応用において重要な有利な点を提供するであろう。このやり方は、モータ全体又はバッテリパック全体を取り外し及び修理し又は交換するよりも、不良の部品に関連するステータモジュール又は電気エネルギー蓄積モジュールのみを交換することを必要とすることによって、システムを修理する為のコストと時間を大きく減少させることもできる。
【０１０４】
上述のように、同一の電気機械設計は、異なる数のサブモータを備える事により、異なるパワー出力を有する様々な電気機械を提供する為に用いられても良い。このやり方は、１以上のサブモータを追加することにより、後に、モータをより高い能力のモータへアップグレードするユニークな能力も提供する。追加として、同一の電気エネルギー蓄積システム設計は、異なる数の電気エネルギー蓄積モジュールを備えることによって異なるエネルギー蓄積容量を持つ様々なシステムを提供する為に用いられても良い。以下に詳細に説明するように、このやり方は、１以上の追加の電気エネルギー蓄積モジュールを加えることによって、エベルギー蓄積システムを後により大きなエネルギー蓄積システムにアップグレードするユニークな能力をも提供する。
【０１０５】
本開示のモジュール式設計は、また、同等の性能レベルの単一の統合モータ及びバッテリパックを使用する従来の駆動システムに要求されるであろうものと比較して、各サブモータのより小さな電気部品の使用を可能にする。例えば、各サブモータに関連するサブモータ及び降圧／昇圧コンバータは、単一の統合モータ、コントローラ、及びバッテリパックが使用されるならば要求されるであろうよりも、十分に小さなＭＯＳＦＥＴ及び／又は他の電子部品を使用しても良い。この事は、より高い生産量で生産され、より従来的な設計で要求されるであろう一般性の低い大きな部品と比較してより経済的となる、より一般的なサイズの部品の使用を可能とすることによって、スイッチング損失を減少させ、電気部品に関連するコストを減少させることができる。より小さなＭＯＳＦＥＴ及び／又は他の電子部品の使用は、より低い個々のパワーレベルの為に、これら部品を工場で適合させる必要性も無くすであろう。
【０１０６】
上述のように、複数のサブモータの使用は、統合電気機械のコイルが、応用の要求事項に従って広範なやり方でグループ化されることを可能にする。この事は、本開示によるモータが、各サブモータを、同一の出力の従来のモータの為の実践的な電圧よりも十分に低い駆動電圧で動作するように構成することを可能にする。この事は、従来のより高い電圧の電気駆動システムと比較した、十分な安全性の有利な点を提供するであろう。追加として、単一の大きなバッテリパックを単一のモータに接続する為に要求されるであろう物と比較して、サブモータの為に使用される特定の駆動電圧に依存する十分に小さな電気的導体が、各電気エネルギー蓄積モジュールを関連のステータモジュールに接続する為に用いられても良い。これらのより小さな電気的導体は、十分に低いアンペア数を電送し、また、従来の電気駆動システムと比較した更なる安全性の有利な点を提供するであろう。
【０１０７】
本開示のモジュール式駆動及びエネルギー蓄積システムのもう一つの重要な有利な点は、モータ及びバッテリパックの両方の並列化が劇的に減少され、又はさらには完全に除去されるであろうことである。この事は、モータ内の環状の電流を減少させ又は取り除くことによってシステムの効率を向上させるであろう。
【０１０８】
図２の独立のサブコントローラ１１０ａ〜１１０ｆは、電気エネルギー蓄積モジュール１０４ａ〜１０４ｆの一部として含められているけれども、このことは必要条件ではない。代わりに、サブコントローラ１１０ａ〜１１０ｆは、電気エネルギー蓄積モジュールとステータモジュール間のいくつかの点で電気的に接続される別れた構成部品として提供されても良い。代替として、各サブコントローラ１１０ａ〜１１０ｆは、図７に図示されるように、電気機械２０２の関連するステータモジュール２１４ａ〜２１４ｆの一体部分としてそれぞれ含められても良い。この構成により、図１について上述したそれぞれと類似の電気的導体１１１ａ〜１１１ｆは、電気エネルギー蓄積モジュール１０４ａ〜１０４ｆのそれぞれとそれらの関連のステータモジュール２１４ａ〜２１４ｆの間で電力が流れることを可能にするために用いられても良い。サブコントローラ１１０ａ〜１１０ｆは、ステータモジュール内で所望の電気的位相を生成するであろうから、図２の複数の位相の特定の電気的導体２５８ａ〜２５８ｆを用いるよりも、電気的導体１１１ａ〜１１１ｆが用いられるであろう。
【０１０９】
上述のやり方は、直列に接続されたバッテリセルの並列接続のグループの、抵抗バランシング、又はいくつかの他の形式のバランシングの必要性を減少させ、又はさらには取り除く為に用いられても良い。上述のように、望まれる場合には、並列接続されたバッテリセルの各グループは、各並列接続されたバッテリセルのグループが他の並列接続されたバッテリセルのグループと電気的に分離されることを可能とするように、それ自身の電力変調回路を有していても良い。並列接続されたバッテリセルのグループと関連付けられた電力変調回路は、モジュール動作電圧を提供する為に直列に接続されても良い。この構成により、並列接続されたバッテリセルのグループと関連付けられた各電力変調回路は、システムの使用中に過剰な電力を放出するか、又は、モジュールの充電中に関連の並列接続されたバッテリセルのグループ内に蓄積された電力の量を規制することによって、並列接続されたバッテリセルを効率的にバランシングする為に用いられても良い。代替として、本開示のモジュール式の蓄積システムは、直列接続されたバッテリセルの並列接続のグループを効率的にバランスさせるバッテリ管理システムを提供する為に用いられても良い。
【０１１０】
図８に最もよく示され、また、上述したように、電気エネルギー蓄積モジュール１０４ａは、６つの並列接続のバッテリの１３のグループの構成の、７８のバッテリセル１１３を備える。本実施形態において、電気エネルギー蓄積モジュール１０４ａは、各並列接続のバッテリセルグループに関連付けられた電圧を検知するたに相互接続されたバッテリセルに接続された１４の検知／放電ワイヤ２６２を備える。検知／放電ワイヤ２６２は、サブコントローラ１１０ａが並列接続されたバッテリセルのグループのいずれか一つを独立に放電させる為に検知／放電ワイヤ２６２を用いることができるように、サブコントローラ１１０ａにも接続されている。
【０１１１】
検知／放電ワイヤ２６２とサブコントローラ１１０ａの組み合わせは、バッテリパックモジュールから取り出されるエネルギーが並列接続されたバッテリセルのグループのサブセットから取り出されるように、並列接続されたバッテリセルのグループのそれぞれに電気的に接続されたセルバランシング装置を提供する。この装置は、バッテリパックモジュールが、エネルギーを、並列接続されたバッテリセルのグループのサブセットから電気装置又はバッテリパックモジュールに接続された他の外部電気負荷に供給するように、エネルギーを、並列接続されたバッテリセルのグループのサブセットから取り出すことができるセルバランシンジ装置をも提供する。
【０１１２】
本開示の側面によれば、上述のセルバランシング機能は、バッテリパックモジュールの使用中に生じても良く、それにより、バッテリパックモジュールの通常使用中にバッテリパックモジュールの為のセルバランシング機能を提供する。セルバランシング機能の間にバッテリセルから取り出された電力は、バッテリパックモジュールに電気的に接続され、それから電力を供給される装置に電力を供給する為に用いられても良い。
【０１１３】
本開示の別の側面によれば、電気エネルギー蓄積システムは、図８に示されるような関連の補助モジュール動作電圧Ｖ５ａを有する、少なくとも１つの補助電気エネルギー蓄積モジュール２８０ａを備えていても良い。電気エネルギー蓄積モジュール２８０ａは、電気エネルギー蓄積モジュール１０４ａ〜１０４ｆについて記載されたものと同様な電力変調回路１０６ｇを備えていても良い。上述したように、電力変調回路１０６ｇは、補助モジュール動作電圧Ｖ５ａ及び電流を受信し、動作電圧及び電流を変換し、及び、補助電気エネルギー蓄積モジュール２８０ａの補助動作電圧及び電流と独立の出力電圧Ｖ２ａのような電圧及び電流を出力する出力装置１０８ｇを備えていても良い。
【０１１４】
電気エネルギー蓄積モジュール１０４ａに関して上述したように、各電気エネルギー蓄積モジュールは、電気エネルギーを蓄積する為の１以上の電気エネルギー蓄積部品１１３を備えていても良い。好ましい実施形態において、電気エネルギー蓄積部品１１３は、所望のリチウムイオンバッテリセル化学性質及びバッテリセル電圧Ｖ３を有するリチウムイオンバッテリであっても良い。本明細書に記載される様々な実施形態は、エネルギー蓄積モジュール内に電気エネルギーを蓄積する為に用いられる電気エネルギー蓄積部品としてリチウムイオンバッテリセルを用いると記載されているけれども、この事は必要条件ではないことが理解されるべきである。代わりに、他の種類のバッテリセル、スーパーキャパシタ等の様々な種類のキャパシタ、電気エネルギー蓄積フライホイール、又は他のあらゆる電気エネルギー蓄積部品を含む、あらゆる電気エネルギー蓄積部品が用いられても良い。
【０１１５】
更に、異なる補助電気エネルギー蓄積モジュールが、異なるモジュール動作電圧等の異なるモジュール特性を有していても良い。例えば、補助モジュールが電気エネルギー蓄積部品としてバッテリセルを有する場合において、一つの補助モジュールのバッテリセルは、他の補助モジュールのバッテリセルと比較して異なるエネルギー蓄積特性を有していても良い。これらの特性は、異なるリチウムイオン化学性質及び／又は異なるエネルギー蓄積濃度であってあっても良い。追加として、補助モジュールを構成するバッテリセルは、様々なやり方で接続することができる。例えば、一つのモジュール内の全てのバッテリセルが、直列に接続されても良い。代替として、別のモジュールを構成するセルが、所望のモジュール動作電圧を提供する為に並列と直列のあらゆる組合せで接続されても良い。システム中の異なるモジュールが異なるモジュール動作電圧を有する状況において、出力装置のそれぞれは、それが望まれる場合には、異なるモジュールの異なるモジュール動作電圧を同一の出力電圧に変換する為に用いられても良い。
【０１１６】
図２の特定の実施形態において、電気駆動システム２００は、符号２８０a〜２８０ｆで示された６つの補助電気エネルギー蓄積モジュールを備える。補助モジュール２８０ａ〜２８０ｆのそれぞれは、関連の電気エネルギー蓄積モジュール１０４ａ〜１０４ｆにそれぞれ電気的に接続されている。本実施形態は、一つの補助電気エネルギー蓄積モジュールのみに接続された各電気エネルギー蓄積モジュール１０４ａ〜１０４ｆを示しているけれども、これは限定事項では無い。代わりに、あらゆる数の補助電気エネルギー蓄積モジュールが、システムの各電気エネルギー蓄積モジュール１０４ａ〜１０４ｆに接続されていても良い。
【０１１７】
電気駆動システム２００の各補助エネルギー蓄積モジュール２８０ａ〜２８０ｆは、符号１０６ｇ〜１０６ｌでそれぞれ示される関連の電力変調回路を更に備えていても良い。上述のように、電力変調回路１０６ｇ〜１０６ｌは、各関連の補助電気エネルギー蓄積モジュールを電気エネルギー蓄積システム１０２の他の電気エネルギー蓄積モジュールから電気的に分離する為に用いられても良い。各電力変調回路１０６ｇ〜１０６ｌは、符号１０８ｇ〜１０８ｌでそれぞれ示される出力装置をも備える。各出力装置は、符号Ｖ５ａ〜Ｖ５ｆで示される補助電気エネルギー蓄積モジュール電圧を受信し、補助電気エネルギー蓄積モジュール電圧Ｖ５ａ〜Ｖ５ｆと独立の出力電圧に変換し出力するように構成されている。本実施形態において、電力変調回路１０６ｇ〜１０６ｌの出力装置１０８ｇ〜１０８ｌは、降圧／昇圧コンバータ１１７ｇ〜１１７ｌをそれぞれ備える。各補助エネルギー蓄積モジュール２８０ａ〜２８０ｆは、符号１１５ｇ〜１１５ｌで示される関連の充電器を更に備えていても良い。代替として、充電器は、補助モジュールとは別の部品として提供されても良く、又は、関連のエネルギー蓄積モジュール１０４ａ〜１０４ｆの部分又は電気エネルギー解く席モジュール１０４ａ〜１０４ｆのサブコントローラ１１０ａ〜１１０ｆの一部として提供されても良い。
【０１１８】
各補助エネルギー蓄積モジュール２８０ａ〜２８０ｆは、関連のモジュール間で電力を転送する為に、電気導体２８２ａ〜２８２ｆを用いて電気エネルギー蓄積モジュール１０４ａ〜１０４ｆの関連のサブコントローラ１１０ａ〜１１０ｆに電気的に接続されていても良い。各補助エネルギー蓄積モジュール２８０ａ〜２８０ｆは、また、通信バス１１２を用いて電気エネルギー蓄積モジュール１０４ａ〜１０４ｆのサブコントローラ１１０ａ〜１１０ｆに電気的に接続されている。この事は、サブコントローラ１１０ａ〜１１０ｆが、各補助エネルギー蓄積モジュール２８０ａ〜２８０ｆの関連の電力変調回路１０６ｇ〜１０６ｌ及び降圧／昇圧コンバータ１１７ｇ〜１１７ｌの動作を制御することを可能にする。
【０１１９】
上述のように、統合マスタコントローラ１１０は、サブコントローラ１１０ａ〜１１０ｆの動作を制御し調整する。システムに接続された補助モジュールにより、各サブコントローラは、関連の電気エネルギー蓄積モジュール及び関連の補助電気エネルギー蓄積モジュールの電力変調回路及び降圧／昇圧コンバータを制御するように構成されている。つまり、サブコントローラ１１０ａは、モジュール１０４ａの電力変調回路１０６ａ及び補助モジュール２０８ａの電力変調回路１０６ｇ、及び、モジュール１０４ａの降圧／昇圧コンバータ１０７ａ及び補助モジュール２８０ａの降圧／昇圧コンバータ１１７ｇを制御するように構成されている。サブコントローラ１１０ｂ〜１１０ｆは、同様に、関連のモジュールの電力変調回路及び降圧／昇圧コンバータを制御する。上述のように、サブコントローラ１１０ａ〜１１０ｆは、電気エネルギー蓄積モジュール及び補助エネルギー蓄積モジュールに、それぞれの所望の出力電圧Ｖ２ａ〜Ｖ２ｆで所望の電気的出力を出力させる。補助モジュールを備えるシステムにおいて、特定の補助モジュール２８０の出力電圧は、関連の電気エネルギー蓄積モジュール１０４と同一の出力電圧となるように制御される。しかしながら、モジュールの異なる組に関連する出力電圧Ｖ２ａ〜Ｖ２ｆは、全て同じであっても良く、代替として、モジュールの異なる組の出力電圧Ｖ２ａ〜Ｖ２ｆは、異なる電圧であっても良い。
【０１２０】
上述のように、電気エネルギー蓄積システムに対するこのモジュール式のやり方は、補助モジュールがシステムのエネルギー蓄積要領を増加させる為に加えられることを可能にする。また、このやり方は、電気エネルギーシステム全体を取り外し、修理し又は交換することを要求するのではなく、個々のモジュールが取り外され、修理され又は交換されることを可能にすることによって、システムのより費用効果のあるサービスを提供することができる。
【０１２１】
上述のように、補助モジュールを構成するバッテリセルの化学性質はエネルギー蓄積モジュール１０４を構成するバッテリセルの化学性質とは異なっていても良い。好ましい実施形態において、補助モジュールは、エネルギー蓄積モジュール１０４と比較してパワー能力は低いが、かなり高いエネルギー蓄積容量を持つ高エネルギー密度バッテリセルで構成されたモジュールであっても良い。エネルギー蓄積モジュール１０４は、エネルギー蓄積容量はより低いが、より高いパワー能力を持つバッテリセルで構成されても良い。このやり方によれば、エネルギー蓄積モジュール１０４は、システムのあらゆる高パワー要求を取り扱う為に用いることができ、補助モジュールは、高パワー能力を持つバッテリを用いるモジュールと比較して、よりいっそう適度な速度で用いられるであろう、より長い期間にわたるより大きなエネルギー量を蓄積し提供する為に用いられても良い。
【０１２２】
本開示の別の側面によれば、各電気エネルギー蓄積モジュール及び／又は補助電気エネルギー蓄積モジュールは、図８及び図９に示すようにモジュール内の部品を収容する為のモジュールハウジング２８４を備えていても良い。モジュールハウジング２８４は、所望の断面形状２８８を有する所望の長さの押出し品２８６を備えていても良い。図９に示されるように、断面形状２８８は、電気エネルギー蓄積モジュールの全部品が配置され支持されるであろう開口を規定する周辺壁２９０を備えていても良い。上述のように、これらの電気部品は、電力変調回路、出力装置、サブコントローラ、電気エネルギー蓄積部品、充電器及び降圧／昇圧コンバータを備えていても良い。押出し品は、好ましくは、モジュールハウジング２８８が電気エネルギー蓄積モジュール内の部品が熱を放散することをアシストすることを可能にする熱伝導性の材料から作られる。好ましい実施形態において、押出し品は、陽極酸化された押出アルミニウムであるが、押出材量は、熱伝導性プラスチック又は他のあらゆる好適ですぐに提供できる材料の様な、あらゆる望ましい材料であっても良い。
【０１２３】
モジュールハウジング２８４は、押し出し品の長手端部を密封し、完全なエンクロージャを構成する為の端部キャップ２９２（図８に最もよく示される）を備えていても良い。好ましい実施形態において、端部キャップは、モジュールハウジングが電気エネルギー蓄積モジュールの電気部品を湿気や他の外部要素から保護するよう密封されるような、水密シールである。瓶詰め材料が、モジュールハウジング内の残りの全ての開口部分を埋め、モジュール内の電気部品を密封するように端部キャップ２９２を構成するために用いられても良い。瓶詰め材料は、押出し品２８６内の部品を支持する為に用いられても良く、また、モジュール内の電気部品を密封する為に用いられても良い。瓶詰め材料は、モジュールなの電気部品から熱を取り除くことをアシストする為に熱伝導性であっても良く、また、モジュールの電気部品間でのショートを回避する為に電気的不導体であっても良い。代替として、熱伝導ギャップパッドがモジュールの電気部品から熱を取り除くことをアシストする為に用いられても良い。
【０１２４】
図９に最も良く示されるように、押出材料の断面形状２８８は、１以上の熱放散フランギ２９６、及び熱放散サ支持部に取り付けられるように構成された熱放散面２９８を備えていても良い。更に、延期エネルギー蓄積部品１１３がリチウムイオンセルのようなバッテリセルの形式をとる実施形態において、各モジュールに含められたバッテリセル間の電気的接続は、セル間の最も良い可能な及び最も信頼性のある電気的接続を提供するスポット溶接の接続であっても良い。各モジュール内で使用されるバッテリセルは、それに限定するものではないが、セル電圧、エネルギー蓄積容量、及び/又は最も信頼性のあるモジュールを提供するための他のあらゆるセル特性といった、所定のセル特性に基づいて工場で適合させられる。
【０１２５】
図１を参照すると、本開示は、モータコントローラ（コントローラ１００等）及び可変速度電気モータ（電気機械１１８等）を制御する為の方法を提供する。可変速度電気モータは、電源動作電圧（モジュー動作電圧Ｖ１ａ〜Ｖ１ｆ等）を有する電力源（電気エネルギー蓄積システム１０２）によって電力供給される。システムは、電源から電力動作電圧及び電流を受信し、動作電圧を変換し、及び電気モータに印加され電源動作電圧とは独立な可変駆動電圧及び電流を出力する為の電圧可変構成を備える。図１の実施形態において、電圧可変構成は、降圧／昇圧コンバータ１１７ａ〜１１７ｆを備える。コントローラは、また、電気モータに供給される電気エネルギーの量を制御する為にパルス幅変調を用いて、可変駆動電圧を切り替え及び電気モータに供給するスイッチング構成を備える。スイッチング構成は、図１の実施形態においてコントローラ１１０上のスイッチング装置１３０によって提供される。本開示の側面によれば、コントローラは、パルス幅変調のスイッチング速度を変化させても良く、また、少なくとも電気モータの速度及び／又は要求された電気モータパワー出力又は要求された電気モータトルクと共に変化するやり方で可変駆動電圧を変化させても良い。
【０１２６】
本開示の側面にしたがって上述したように、コントローラは、パルス幅変調のスイッチング速度を変化させても良く、また、電気駆動システムの１以上の動作毒性を最適化する為に電気モータに印加される電圧を変化させても良い。動作特性は、電気モータの効率、電気モータのパワー、電気モータの発熱、電気モータのノイズ、電気モータの速度及びトルク、電力源の寿命、又は駆動システムの他のあらゆる所望の動作特性を含んでいても良い。コントローラは、所定の機能、ルックアップテーブル、又は、電気機械の動作範囲内のあらゆる状況に用いられるスイッチング速度及び駆動電圧を決定する為の他の所望の構成を用いても良い。
【０１２７】
図１０は、本開示による制御方法３００を示している。ステップ３０２に示されるように、コントローラは、最初に、現在のモータ速度及び位置、及び要求トルク及びパワー出力を決定する。図１について上述したように、この情報は、位置信号１２６を用いる位置検出装置１２８によって及び入力信号１２４によって提供されても良い。この情報に基づいて、コントローラは、モータに印加すべき駆動電圧、及びステップ３０４に示される駆動電圧のパルス幅変調に用いられるスイッチング速度を決定する。ブロック３０６に示されるように、コントローラは、駆動電圧及びスイッチング速度を決定する為に所定の関数を用いる。これらの所定の関数は、ルックアップテーブル、数式、又は他のあらゆる好適な及びすぐに利用できる形式であっても良い。一度駆動電圧及びスイｔｔング速度が決定されると、コントローラは、電源からの出力電圧及び電流がステップ３０８出示される決定された駆動電圧に変換されるようにする。図１のシステムの例において、コントローラ１１０は、降圧／昇圧コンバータ１１７に、電気エネルギー蓄積モジュール１１３からの出力電圧Ｖ３及び電流を受信させ、この出力電圧を決定された駆動電圧に変換させる。最後に、ステップ３１０に示されるように、コントローラは、決定されたスイッチング速度を用いて駆動電圧をモータに印加する。この事は、決定されたスイッチング速度で切り替えられるパルス幅変調を用いて駆動電圧を印加する為に、図１のスイッチング装置１３０のようなスイッチング構成を用いて実現されても良い。
【０１２８】
従来の電気機械のように、本開示の電気機械は、電圧の大きさが機械のフィールドスイッチング速度及び回転速度に依存する逆ＥＭＦ、すなわち、逆起電力を生じする。一般に、逆起電力の電圧は、フィールドスイッチング周波数が増加するに従って、またそれゆえ機械の回転速度が増加するに従って増加する。ある電気機械の逆起電力は、その電気機械の特定の物理的構成にも依存する。例えば、ロータ極とステータ極間のエアギャップは、磁石のタイプ及びサイズ、磁性コアを形成する為に用いられる材料のタイプ、コイルの巻数、コイルの相互接続構成、ステータ極を磁気的に接続するためのバック鉄、及び磁性コアのサイズ及び形状は、特定の電気機械に関連する逆起電力にかなり影響する。
【０１２９】
図１１は、典型的電気機械についての一つの磁気サイクルの一つの位相に関するグラフであり、Ｙ軸は電圧を表し、Ｘ軸は時間を表す。逆起電力曲線４００は、この一つのサイクルについてのこの特定の例に関連する逆起電力の電圧を表している。この例において、サイクルは、階段状の駆動電圧ライン４０２で示された駆動電圧Ｖ６のパルス幅変調の為に用いられる４０の等しい長さのパルス間隔に分割される。各パルス間隔は、図１１に示される最初の５つのパルス間隔についてのパルス間隔電圧Ｖ６ａ〜Ｖ６ｅのような、関連のパルス間隔電圧を有していても良い。電気機械がモータとして駆動されているとき、駆動電圧Ｖ６は、逆起電力電圧よりも大きくなるように制御されても良い。更に、駆動電圧Ｖ６のパルスの電圧は、例えば逆起電力４００と形状が類似するが大きさがわずかに大きい、所望の最適駆動電圧曲線４０４をかなりきっちりと近似するように制御されても良い。
【０１３０】
本開示の側面によれば、電気機械の様々な動作特性が、最適な駆動電圧曲線の精密な近似となるように、図１１の階段状の駆動電圧ライン４０２の形状を制御することによって最適化されても良い。階段状の駆動電圧ライン４０２は、サイクルを増加した数のパルス間隔に分割することによって、最適駆動電圧曲線４０４をいっそう精密に近似する為に作られても良い。しかしながら、各パルス間隔についてのパルス間隔電圧をスイッチングすることに関連するいくつかのエネルギー損失がある。したがって、最適な駆動電圧曲線を電気機械の逆起電力識別特性をできるだけ精密に近似する為に十分な数のパルス間隔を用いることと、各パルス間隔についてのパルス間隔電圧をスイッチングすることに関連するスイッチング損失を制限する為に多すぎる数のパルス間隔を用いないこととの調和となる、あらゆる駆動サイクルの為のパルス幅変調に用いられるであろう最適数のパルス間隔が存在する。
【０１３１】
上述のように、電気機械の逆起電力は、フィールドスイッチング周波数又は機械の回転速度に依存する、したがって、電気機械のあるサイクルに関連する逆起電力の電圧曲線は、機械の速度が変化するにしたがって劇的に変化する。また、上述のように、電気機械のあらゆるサイクルに関連付けられた最適な駆動電圧カーブが存在するであろうし、また、この最適駆動電圧は、逆起電力の電圧曲線に類似するが大きさが大きいものであろう。したがって、ある電気機械についての最適駆動電圧は、その電気機械の動作速度範囲にわたり劇的に変化するであろう。
【０１３２】
上述の最適駆動電圧曲線及び最適パルス間隔数は、様々なやり方で決定されても良く、また、それらは本開示の範囲内にあるであろう。例えば、特定の駆動システム及び電気機械設計は、十分にテストされ、システムの完全な動作範囲に用いられる最適駆動電圧及びスイッチング速度を決定する為に特徴づけられる。この事は、システムの所望の動作特性を最適化する為の最適値を決定する為に、様々な種類の駆動電圧及びパルス間隔の組合せを用いての特定の設計の実験的なテストを含んでいても良い。代替として、システムのある特徴は、システムの全動作範囲にわたって測定されても良く、このデータは、最適駆動電圧及び最適パルス間隔数を計算する為の数式を確立する為に用いられても良い。測定されるであろうシステムの特性のいくつかは、スイッチング装置と関連付けられたスイッチング損失、機械の様々な部品のインダクタンス、ステータモジュールの位置及び間隔、又は様々なステータセグメント巻線の抵抗である。
【０１３３】
システム又は電気機械を完全に特徴づけるこの手法は、ある電気機械設計における機械毎の製造バリエーションを特徴づける為にさえも用いられるであろう。この場合、個々の電気機械は、機械毎のあらゆる製造上の相違と関連付けられた関係性を捕える為に独立に特徴でけられるであろう。この手法は、異なるステータモジュール間のステータ極とロータ極間のエアギャップのバリエーション、ステータモジュールとステータセエグメント間の間隔の相違、又は巻線の集団の抵抗等の製造バリエーションを説明する為に用いられても良い。
【０１３４】
システム又は電気機械を特徴付けることから得られるデータは、コントローラからアクセスできるように格納されても良い。コントローラは、電気機械の動作範囲内でのあらゆる機械速度及び所望のパワー又はトルク入力についての所望の最適な駆動電圧及びスイッチング速度のセットを選択する為にこのデータを用いても良い。代替として、システム又は電気機械を特徴付けることから得られるデータは、システムの動作中にコントローラが利用できるようにされても良い。コントローラは、電気機械の動作範囲でのあらゆる機械速度及び要求されたパワー又はトルク入力についての所望の最適な駆動電圧とスイッチング速度のセトを計算する為に、これらの数式を用いても良い。
【０１３５】
上述のように、図４のコア２２０のような薄膜軟磁性材料から作られる磁性コアを備える可変速度電気機械は、従来の鉄コアを用いて作られる機械と比較してかなり高いフィールドスイッチング周波数で動作することができる。これらのフィールドスイッチング周波数は、伝統的なＡＣパワー電気モータにおける約６０Ｈｚ又はより特殊化された従来のモータについての訳４００Ｈｚまでと比較すると、２５００Ｈｚもの高さを有している。かなり高いフィールドスイッチング周波数の使用は、ある電気機械が、より低い従来のフィールドスイッチング周波数が用いられる場合に可能であろうよりもかなり広い回転速度範囲にわたって動作することを可能にする。０〜１５００Ｈｚ又は０〜２５００Ｈｚもの高さといったいっそう広い周波数範囲の使用は、ある電気機械構成についてのかなり広い回転速度を可能にするけれども、従来のモータ制御手法が用いられる場合にはいくつかの課題や可能性のある効率の問題を生じるであろう。
【０１３６】
本開示の制御方法は、非常に高いオアルス幅変調周波数を用いることが適切である場合にはそのようにすることを考慮する、この事は、これらの制御方法が、直ぐ上の部分で上述したような、非常に高いモータ周波数で動作する電気機械で用いられることを可能にする。例えば、最大パルス幅変調周波数１００，０００Ｈｚが、フィールドスイッチング速度範囲０〜２，５００Ｈｚで電気機械を制御する為に用いられても良い。この事は、電気機械が、最大フィールドスイッチング周波数２，５００Ｈｚで稼働している間に４０パルス間隔までを可能にするであろう。電気機械がフィールドスイッチング周波数１００Ｈｚといったより低いモータ速度で動作しているときにこの同一のパルス幅変調スイッチング周波数１００，０００Ｈｚが用いられる場合には、この事は、かなりの不必要なスイッチング損失を伴うであろうモータの各サイクルについての１０００パルス間隔を結果として生じるであろう。
【０１３７】
上述のように、本開示の制御方法は、電気機械の動作特性を最適化する為にパルス幅変調に用いられる駆動電圧及びスイッチング速度を変化させる。この事は、図１１について説明されたような最適駆動電圧入力曲線をできるだけ精密に近似する駆動電圧入力を提供することに関連付けられたゲインでスイッチング損失を調和させる為に、現在のモータ周波数又は速度、及び要求されたパワー又はトルク出力と関連付けられた最適数のパルス間隔を用いることを含む。したがって、直ぐ上に上述された特定の例において、電気機械が１００Ｈｚのフィールドスイッチング周波数で動作しているときのパルス幅変調に用いられる最適スイッチング速度は、再び、モータの各サイクルについて４０のパルス間隔切り替えとなるであろう。この事は、パルス幅変調周波数１００，０００Ｈｚでなく、４０００Ｈｚに相当することとなるであろう。電気機械がこのいっそう低い速度で動作しているときにこのいっそう低いパルスハバ変調周波数を用いることは、電気機械がこの一層低い速度で動作することと関連付けられたスイッチング損失をかなり減少させるであろう。この事は、電気機械の効率などの、電気機械の特定の動作特性を最適化することにかなり貢献するであろう。また、このいっそう低い速度の動作と関連付けられた最適駆動電圧曲線は、かなり高い速度で電気機械を動作させることと関連付けられた駆動電圧の大きさと比較して、劇的に低い駆動電圧の大きさを有するであろう。したがって、所定の電気機械動作速度に関連付けられた最適駆動電圧を近似する為に上述のように駆動電圧を変化させることは、また、電気機械がその所定の速度で動作しているときに、電気機械の特定の動作特性を最適化することに非常に大きく貢献するであろう。
【０１３８】
図１１のサイクルは、説明の為に、４０の等しい長さのパルス間隔に分割されると記載されているけれども、これは必要条件ではない。代わりに、各サイクルは、あらゆる所望の数のパルス間隔に分割されても良く、また、これらのパルス間隔は必ずしもあるサイクル内に等しい長さを有することが要求されるわけではない。特定の周波数及び所望の出力で動作する特定の電気機械の特定のサイクルと関連付けられた最適パルス間隔数及び最適駆動電圧曲線は、劇的に変化することが理解されるべきである。したがって、本開示は、電気機械の所望の動作特性を最適化する為にあらゆるパルス間隔数を使用すること及びあらゆる適切な駆動電圧構成使用することを考慮する。
【０１３９】
薄膜軟磁性材料のような低損失コア材料の使用、及び、上述の様な独立のコアを磁気的に相互接続するバック鉄の無い特定のコア構成の使用は、従来の電気機械と比較して、このタイプの電気機械と関連付けられた逆起電力をかなり減少させる。低損失コア材料と組み合わせられたこの低損失逆起電力は、効率的に用いられるかなり高速のフィールドスイッチング周波数を可能にする。上述の制御方法は、スイッチング損失を低減する為にいっそう低いパルス幅変調周波数を用いることにより、いっそう低い速度／周波数で高い効率を維持しつつ、いっそう高いパルス幅変調周波数の使用がこのタイプの電気機械によりいっそう高い周波数に順応することを可能にする。所定の機械について、より広い範囲の周波数の使用は、また、より広い範囲の最適駆動電圧につながる。上述の制御方法はまた、電気機械の動作範囲にわたり、ある速度について駆動電圧の最適化を可能にする。
【０１４０】
上述の制御方法は、図２の電気機械のような、複数の独立のサブモータを有する電気機械に適用されても良い。この状況では、各サブコントローラ１０１ａ〜１０１ｆは、上述の制御方法を用いて関連のサブモータを独立に制御しても良い。つまり、各独立のサブコントローラ１０１ａ〜１０１ｆは、各サブモータの所望の動作特性を最適化する為に関連のステータモジュール２１４ａ〜２１４ｆを駆動する為に用いられる駆動電圧とスイッチング速度の両方を変化させても良い。更に、サブモータ毎に用いられる、変化する駆動電圧及びスイッチング速度は、様々なサブモータ間でのあらゆる相違を補償するために各サブモータについて異なっていても良い。これらの相違は、それに限定するものではないが、ステータ極とロータ極間のエアギャップ、各サブモータを構成する比銀のインダクタンス、ステータモジュールを構成するステータセグメントの各グルーピングに関連付けられた逆起電力、電気機械内でのステータモジュールの位置、又はサブモータの特性における相違を含んでいても良い。例えば、電気機械を完全に特徴付け、機械の動作を制御する為にこの特徴付けから得られるデータを用いる上述の方法は、サブモータにおけるこれらの相違を補償する為に用いられても良い。
【０１４１】
上述のような電気機械を完全に特徴付ける方法は、機械内に備えられるステータモジュールの数にかかわらず、位置信号をコントローラに提供する為に電気機械内における単一の位置検出構成を使用することを可能にする。この手法によれば、異なるステータモジュールのそれぞれにおけるステータ極のフィールドスイッチングに関連付けられたタイミングンの相違は、機械の特徴付けの間に決定されるであろう。これらのタイミングの相違は、統合マスタコントローラがサブモータのサブコントローラを制御する為に用いる所定の機能の一部として、統合マスタコントローラに提供されるであろう。これらのタイミングの相違を使用することで、統合マスタコントローラは、電気機械内でのステータモジュールの様々な位置を補償する為にサブコントローラのそれぞれの動作を調和させも良い。
【０１４２】
上述のように、本開示による電気機械は、完全な全搭載数より少ない数のステータモジュールを使用しても良い。追加として、特定のステータモジュール設計及び電気機械設計は、隣接のステータモジュールの端部でのステータセグメント間で一定のステータ間隔を維持することを困難にする。したがって、図２に示されたもののような、特定の電気機械及びステータモジュール設計は、電気機械２０２内におけるステータセグメント間隔２５０よりも大きなステータ極ギャップ２５４を生じるであろう。異なるステータモジュールでのタイミングの相違を決定する為の上述と同じ手法が、これらのより大きなステータ極ギャップを補償する為に用いられても良い。
【０１４３】
複数のサブモータを用いステータモジュールの異なる位置を補償することのできるこの手法は、各ステータモジュールが他のステータモジュールに対して位相がずれるように位置づけられることを可能にする。言い換えると、各ステータモジュールが三相デバイスとして構成される場合には、各ステータモジュールは、そのステータモジュールの３つの位相が他のステータモジュールに対して位相がずれているように位置付けられても良い。この事は、各ステータモジュールが、３つの追加の位相をモータに効率的に加えることを可能にする。例えば、それぞれが三相デバイスとして動作する６つのステータモジュールを有するモータは、１８の位相をデバイス全体に提供することができる。この特徴は、トルクリップルの少ないより円滑に動作するモータのような有利な点を提供するであろう。
【０１４４】
上述の制御方法は、あらゆる所望の動作特性又はシステムの特性を最適化する為に用いられても良い。例えば、システムの効率は、電気機械の通常動作中に最適化される動作特性であろう。所定の高負荷状況において、最適化される動作特性は、システムのパワー出力を最適化する為に変更されても良い。システムの動作特性と関連付けられるノイズ、又は、電気機械又はエネルギー蓄積モジュールの温度は監視されても良く、また、コントローラは、これらの特性が所定のレベルに到達したときにこれらの特性を最適化又は制御しても良い。他の例において、電気エネルギー蓄積システムの充電の状態が監視され、コントローラは、充電の状態が所定の状態未満となった際に駆動システムの出力を制限するように動作させられても良い。
【０１４５】
電気機械の特徴付けは電気機械が使用される前になされると記載されてきたけれども、これは必要条件ではない。代わりに、電気機械の様々な特徴が電気機械の使用中に監視され、変化する可能性のある特徴が、使用される駆動電圧及びスイッチング速度を決定する為にコントローラによって使用される特徴付けデータに組み込まれても良い。この事は、システムが、電気機械の使用中に変化しても良い電気機械の様々な特徴における変形例に合わせ又は調節することを可能にする。これらの特徴は、機械の温度、機械の様々な電気部品の温度、機械の様々な部品のインピーダンス、又は他のあらゆる機械特性を非限定的に含んでいても良い。望まれる場合には、これらの特徴は連続的に監視され、連続的に更新され、電気機械を制御する為にコントローラによって使用される駆動電圧及びパルス幅変調スイッチング速度を決定する為にコントローラによって使用されるであろう特徴付けデータに組み込まれても良い。
【０１４６】
本開示についての多数の実施が記載されてきた。それでもなお、本開示の精神及び範囲から逸脱することのない様々な変形を行う事が出来ることが理解されるべきである。
【０１４７】
第１の例では、電気機械のステータモジュールのステータセグメントのそれぞれは、Ｒ−タ極間隔に対する特定の比率に相当するものではないステータセグメント間隔を有していても良い。この例では、各ステータモジュールは、関連のコントローラ又はサブコントローラによって他のステータモジュールに対して独立に制御されるように接続されても良い。この事は、現実に、各ステータセグメントがそれ自身の電気的位相に関連付けられる事を可能にするであろう。エアギャップ、抵抗、間隔、及び他のあらゆる望ましい特性を含む各ステータセグメントの特定の特性は、上述のように各ステータセグメントがそのステータセグメントに特有の最適駆動電圧曲線及び最適スイッチング速度を用いて独立に制御されることを可能とするように特徴付けられるであろう。
【０１４８】
他の例において、上述の実施では、電気機械が放射状のギャップのブラシレスＤＣ機械であると記載されてきたけれども、これは必要条件では無い。代わりに、軸方向ギャップの電気機械又は他のあらゆる好適ですぐに提供できる電気機械を含むあらゆる所望の電気機械構成が用いられても良い。したがって、他の実施もまた特許請求の範囲内にある。
【符号の説明】
【０１４９】
Ｖ１ａ〜ｆ  モジュール動作電圧
Ｖ２ａ〜ｆ  出力電圧
Ｖ３  バッテリセル電圧
Ｖ４  駆動電圧
Ｖ５  補助モジュール動作電圧
Ｖ６  駆動電圧
Ｖ６ａ〜ｆ  パルス間隔電圧
Ｌ  長さ
１００  電力管理システム
１０２  電気エネルギー蓄積システム
１０４ａ〜ｆ  電気エネルギー蓄積モジュール
１０６ａ〜ｆ  電力変調回路
１０８ａ〜ｆ  出力装置
１１０  コントローラ
１１０ａ〜ｆ  サブコントローラ
１１１ａ〜ｆ  電気導体
１１２  通信バス
１１３  電気エネルギー蓄積部品
１１４  電力端子
１１５ａ〜ｆ  充電器
１１６  外部電源
１１７ａ〜ｆ  降圧／昇圧コンバータ
１１８  電気機械
１２０  ロータ組立品
１２２  ステータ組立品
１２４  入力信号
１２６  位置信号
１２８  位置検出装置
１３０  スイッチング装置
１３２  電気導体
２００  電気駆動システム
２０２  電気機械
２０４  ロータ組立品
２０６  ステータ組立品
２０８  放射ギャップ
２１０  回転軸
２１２ａ〜ｂ  永久磁石
２１４ａ〜ｆ  ステータモジュール
２１６  ステータハウジング
２１８ａ〜ｆ  ステータセグメント
２２０  コア
２２２  コイル
２２４  電気リード
２２６  コアブレスレット
２２８  ステータ極面
２３０  巻線
２３２  層
２３４  Ｕ字層
２３６  矢
２５０  ステータセグメント間隔
２５２  アーク
２５４  ステータ極ギャップ
２５８ａ〜ｆ  導体
２６０ａ〜ｆ  サブモータ
２８２  電気導体
２８４  モジュールハウジング
２８６  押出し品
２８８  断面形状
２９０  周辺壁
２９２  端部キャップ
２９６  熱放散フランジ
２９８  熱放散面
３００  制御方法
３０２  ステップ
３０４  ステップ
３０６  ブロック
３０８  ステップ
３１０  ステップ
４００  逆起電力曲線
４０２  階段状駆動電圧曲線
４０４  最適駆動電圧曲線
【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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【国際調査報告】
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