(57)【要約】  本発明のある例示的な態様によると、電源と電気モータとの間で使用するためのＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールが提供される。上記ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールは：ＤＣ‐ＤＣコンバータ；上記電源から上記ＤＣ‐ＤＣコンバータに電源電圧を供給するよう構成された、入力端子；上記ＤＣ‐ＤＣコンバータの出力に接続され、上記ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールの出力電圧を上記電気モータに供給するよう構成された、出力端子；及び上記ＤＣ‐ＤＣコンバータに接続された、制御回路構成を有し、上記制御回路構成は、所望の電気モータ性能を示す信号を受信するための入力を有する。上記制御回路構成は、上記所望の電気モータ性能を示す上記信号に少なくとも部分的に基づいて、上記出力電圧を調整するために、上記ＤＣ‐ＤＣコンバータを制御するよう構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源（１８０）と電気モータ（１９０）との間で使用するための、直流電流（ＤＣ）‐ＤＣコンバータモジュール（１００）であって、
前記ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール（１００）は：
‐ＤＣ‐ＤＣコンバータ（１４１）；
‐前記電源（１８０）から前記ＤＣ‐ＤＣコンバータ（１４１）に電源電圧を供給するよう構成された、入力端子（１１１、１１２）；
前記ＤＣ‐ＤＣコンバータ（１４１）の出力に接続され、前記ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール（１００）の出力電圧を前記電気モータ（１９０）に供給するよう構成された、出力端子（１２１、１２２）；及び
前記ＤＣ‐ＤＣコンバータ（１４１）に接続された、制御回路構成（１５０）であって、前記制御回路構成（１５０）は、所望の電気モータ性能を示す信号を受信するための入力を有する、制御回路構成（１５０）
を備える、ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール（１００）において、
前記制御回路構成（１５０）は、前記所望の電気モータ性能を示す前記信号に少なくとも部分的に基づいて、前記出力電圧を変更するために、前記ＤＣ‐ＤＣコンバータ（１４１）の利得を調整するよう構成されることを特徴とする、ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール。
【請求項２】
前記電源（１８０）は、単一のバッテリセルである、請求項１に記載のＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール。
【請求項３】
並列に接続された複数のＤＣ‐ＤＣコンバータ（２４１、２４２）を備える、請求項１又は２に記載のＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール。
【請求項４】
前記制御回路構成（１５０）は更に、前記出力電圧が前記所望の電気モータ性能を生成するように、前記出力電圧を調整するよう構成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載のＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール。
【請求項５】
前記出力端子（２２１、２２２）と前記ＤＣ‐ＤＣコンバータ（２４１、２４２）の出力との間に、少なくとも１つのスイッチ（２６０）を更に備え、
前記スイッチは、前記制御回路構成（２５０）によって制御可能である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール。
【請求項６】
前記制御回路構成（２５０）は更に、変調済みＤＣ電圧を出力するように、前記少なくとも１つのスイッチ（２６０）及び前記ＤＣ‐ＤＣコンバータ（２４１、２４２）を制御するよう構成される、請求項５に記載のＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール。
【請求項７】
少なくとも３つの出力端子（４２１、４２２、４２３）及び少なくとも３つのスイッチ（４６０）を備え、
前記制御回路構成（４５０）は更に、前記出力端子（４２１、４２２、４２３）において回転磁界を生成することによってＡＣモータに給電できるよう、前記スイッチ（４６０）を操作するように構成される、請求項５又は６に記載のＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール。
【請求項８】
前記所望の電気モータ性能を示す前記信号は、所望のモータトルクの指標である、請求項１〜７のいずれか１項に記載のＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール。
【請求項９】
所望の電気モータ性能を示す前記信号は、所望のモータ速度の指標である、請求項１〜８のいずれか１項に記載のＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール。
【請求項１０】
前記所望の電気モータ性能を示す前記信号は、スロットルによって提供される、請求項１〜９のいずれか１項に記載のＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール。
【請求項１１】
少なくとも２ステージのＤＣ‐ＤＣコンバータ（３４１、３４２、３４５、３４６）が存在し、
第１のステージ（３４１、３４２）は、前記入力電圧を中間電圧に変換するよう構成され、第２のステージ（３４５、３４６）は、前記中間電圧を前記出力電圧に変換するよう構成される、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール。
【請求項１２】
前記ＤＣ‐ＤＣコンバータは、バックブーストコンバータ、Ｚソースコンバータ、及びブーストコンバータから選択される、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール。
【請求項１３】
前記制御回路構成（１５０、２５０、３５０、４５０）は、複数の分離した出力電圧を出力するために、前記ＤＣ‐ＤＣコンバータ（１４１、２４１、２４２、３４１〜３４６、４４１〜４４６）の前記利得を調整するよう構成される、請求項１〜１２のいずれか１項に記載のＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール。
【請求項１４】
電源と電気モータとの間で使用されるＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールを制御するための方法であって、
前記ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールは、前記電源が供給する入力電圧を、前記電気モータに給電するための出力電圧に変換し、
前記方法は：
‐前記電気モータの所望の性能特性を示す信号を監視するステップ；
‐前記所望の性能特性に到達することになる出力電圧を計算するステップ；
‐計算された前記出力電圧へと前記入力電圧を変換するように、前記ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールを制御するステップ
を含む、方法。
【請求項１５】
前記ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールは、少なくとも１つのスイッチを備え、
前記スイッチもまた、所望の出力への到達のために制御される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記電気モータの所望の性能特性を示す前記信号は、所望のモータトルクの指標である、請求項１４又は１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記電気モータの所望の性能特性を示す前記信号は、所望のモータ速度の指標である、請求項１４〜１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
前記電気モータの所望の性能特性を示す前記信号は、ユーザによって制御可能である、請求項１４〜１７のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
多くの電気モータは、３００Ｖ〜６００Ｖの電圧で動作するよう設計されている。単一のＬｉイオンバッテリセルは、３．２〜３．７Ｖしか供給しない。よってこれらのバッテリを直列接続して、より高い電圧を１つのバッテリパックから供給する。多くの用途において、直列接続されるバッテリの個数は、モータの動作電圧を供給するために十分なものである。特定の用途においては、モータの動作電圧とバッテリパックの電圧との間の残留差分を、ＤＣ‐ＤＣコンバータによって管理する。所望の動作電圧が達成された後、所望のモータ性能のための適切な出力に到達するために、コントローラ又は駆動装置を使用する。しかしながら、現在使用されているＤＣ‐ＤＣコンバータは固定変換比を有し、モータに課される要求を考慮しない。
【０００２】
例えば大半の時間において電気モータがピーク出力未満で動作する電気自動車においては、多くの状況下で、現行の電力スキームは不十分である。多くの場合、多数の個々のバッテリセルが一体に連結されて、バッテリ寿命が短くなった複雑なシステムが形成され、コントローラは一貫して電圧出力を低下させる。この問題は、例えば、速度が遅く負荷が軽いためにモータの最大性能を使用することがない可能性がある都市環境で使用される車両において、特に一般的であり得る。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明は、独創的なＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールを提供し、これは、上記モジュールの出力電圧を、上記コンバータモジュールに接続されたモータの所望のモータ性能を示す入力に基づいて調整する。これは、現行のＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールを上回る多くの利点を提供する。例えば、本発明によるＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールにより、比較的少数のセル、又はわずか１つのセルしか有しないバッテリの、より効率的な使用が可能となり、これは、バッテリ寿命の長い簡素化されたシステムにつながる。これは、少なくとも部分的には、上記ＤＣ‐ＤＣコンバータが、３．２ボルトといった比較的低い電圧を、モータの駆動に使用できる電圧へと効率的に変換することによって実現される。
【０００４】
本発明は、独立請求項の特徴によって定義される。いくつかの具体的実施形態は、従属請求項において定義される。
【０００５】
本発明の第１の態様によると、電源と電気モータとの間で使用するためのＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールが提供され、上記ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールは：複数のＤＣ‐ＤＣコンバータ；上記電源から上記ＤＣ‐ＤＣコンバータに電源電圧を供給するよう構成された、入力端子；上記ＤＣ‐ＤＣコンバータの出力に接続され、上記ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールの出力電圧を上記電気モータに供給するよう構成された、出力端子；及び上記ＤＣ‐ＤＣコンバータに接続された、制御回路構成を備え、上記制御回路構成は、所望の電気モータ性能を示す信号を受信するための入力を有し、上記制御回路構成は、上記所望の電気モータ性能を示す上記信号に少なくとも部分的に基づいて、上記出力電圧を調整するために、上記ＤＣ‐ＤＣコンバータを制御するよう構成される。
【０００６】
本発明の第２の態様によると、電源と電気モータとの間で使用されるＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールを制御するための方法が提供され、上記ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールは、上記電源が供給する入力電圧を、上記電気モータに給電するための出力電圧に変換し、上記方法は：上記電気モータの所望の性能特性を示す信号を監視するステップ；上記所望の性能特性に到達することになる出力電圧を計算するステップ；計算された上記出力電圧へと上記入力電圧を変換するように、上記ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールを制御するステップを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、本発明の少なくとも１つの実施形態によるＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールを示す。
【図２】図２は、本発明のいくつかの実施形態による、一体型スイッチを有するＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールを示す。
【図３】図３は、本発明の特定の実施形態による、２相電圧変換を採用したＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールを示す。
【図４】図４は、本発明の少なくとも１つの実施形態による、特定のモータ用途における使用のために構成されたＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールを示す。
【図５Ａ−５Ｂ】図５Ａ、５Ｂは、標準的なパルス幅変調（ＰＷＭ）と、本発明のいくつかの実施形態によって可能であり、また実際に実装される、新規のタイプの変調とを比較している。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本明細書に記載されるように、ＤＣ‐ＤＣコンバータは、直流（ＤＣ）源をある電圧レベルから別の電圧レベルに変換する、回路、電子部品、又は電気機械デバイスである。ＤＣ‐ＤＣコンバータは例えば：シングルエンド一次インダクタコンバータ（ＳＥＰＩＣ）；Ｚコンバータ；バックブーストコンバータ；Ｚソースコンバータ；Ｃｕｋコンバータ；又はブーストコンバータであってよい。
【０００９】
図１は、電源１８０と電気モータ１９０との間で使用するために提供される、本発明のある実施形態によるＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール１００を示す。ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール１００は、ＤＣ‐ＤＣコンバータ１４１と、電源１８０からＤＣ‐ＤＣコンバータ１４１に電源電圧を供給するよう構成された入力端子１１１、１１２とを備える。出力端子１２１、１２２は、ＤＣ‐ＤＣコンバータ１４１の出力に接続され、ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール１００の出力電圧を電気モータ１９０に供給するよう構成される。ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール１００内には、ＤＣ‐ＤＣコンバータ１４１に接続された制御回路構成１５０も設けられる。制御回路構成１５０は、所望の電気モータ性能を示す信号を受信するための入力１３１を有する。制御回路構成１５０は、上記所望の電気モータ性能を示す信号に少なくとも部分的に基づいて、上記出力電圧を調整するために、ＤＣ‐ＤＣコンバータ１４１を制御するよう構成される。図示されているように、制御回路構成１５０は入力端子１１１、１１２に接続してよく、これにより、入力電圧を決定することで、上記所望の出力電圧に到達するために必要な調整の量を決定できる。あるいは、制御回路構成１５０は、例えばＤＣ‐ＤＣコンバータ１４１から上記入力電圧を得てもよい。
【００１０】
本発明による少なくともいくつかのＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールは、所望の電気モータ性能を示す信号を受信するよう構成され、これは単なるオン／オフ信号とは異なり、最大値と最小値との間で変動する。例えば上記モジュールは、上記電気モータの速度に関連する多数の離散値を有する信号を受信するよう構成でき、次に上記ＤＣ‐ＤＣコンバータがこれを用いて、適切な調整を決定する。上記モジュールは、モータの速度を示す連続可変信号を受信するよう構成することもできる。
【００１１】
本発明の特定の実施形態では、ＤＣ‐ＤＣコンバータ１４１は、制御回路構成１５０から所望の出力を受信し、そして独立して入力電圧を監視して、例えばコンバータのパルス比を調整することによって適切な電圧調整を提供する。本発明の少なくとも１つの実施形態による特定のコントローラ１５０は、入力端子１１１、１１２からの電圧を別個に測定し、これにより、バッテリ容量を測定して、バッテリを過充電又は過放電から保護できる。
【００１２】
本出願の図面において、導電接続された要素は、標準的な電気回路図で行われるように、２つの構成部品を線で接続することによって図示されている。
【００１３】
図１のＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール１００は、例えば低電圧ＤＣモータ用途での使用を見出すことができる。このような用途では、上記モジュールが備えるＤＣ‐ＤＣコンバータを制御することによって、ＤＣモータの所望の性能をもたらす電圧及び電流を供給できる。例えば車両に採用される場合、上記ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールは、車両のスロットルから入力を受信して、このスロットル入力に基づいて出力電圧を調整してよい。このような様式で使用される場合、モータの停止を可能とするために、ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール１００とモータ１９０との間にスイッチを更に設けてよい。
【００１４】
本発明のいくつかの実施形態では、制御回路構成は、ＤＣ‐ＤＣコンバータの出力電圧を、上記出力電圧が所望の電気モータ性能をもたらすように調整するよう構成される。上述のように、これを行うことにより、車両の速度をユーザのスロットル入力に一致させることができる。また、又はあるいは、制御回路構成１５０は、取り付けられたモータの所望のトルクを示す入力を得るよう構成してもよい。本発明の特定の実施形態による制御回路構成１５０が使用してよい他の入力としては、例えば所望のモータ出力を示す入力が挙げられる。上記制御回路構成は、所望のモータ性能を示す入力信号の範囲から、上記所望のモータ性能をもたらす上記コンバータの動作パラメータの範囲に対するマッピングを含んでよい。例えば、モータは定格トルクの半分を生成するために定格電圧の半分しか必要としないため、５０％のスロットル入力は、ＤＣ‐ＤＣ‐コンバータの５０％のデューティサイクルにマッピングできる。
【００１５】
本発明の特定の実施形態は、所望のモータトルクを示す信号を用いてＤＣ‐ＤＣコンバータを調整する、ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールを提供する。これは例えば自動車において用途を見出すことができ、上記自動車は、電源からの電圧が、所望の速度をもたらす電流を生成するために必要なレベルまでしか上昇しないことを保証するために、ドライバーのスロットル入力を所望のモータトルクに変換した後、これをＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールに入力する制御スキームを採用する。上述のように、これは、損失を排除して、全体としてより効率的な車両を提供するのに役立つ。
【００１６】
本発明の特定の実施形態は、所望の電気モータ性能を示す信号を、スロットルによって提供されたものとして得る、ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールを提供する。そして制御回路構成１５０はこれを、ＤＣ‐ＤＣコンバータにとって適切な利得へと直接変換でき、又はスイッチ等の更なる要素を制御することによって、モータを制御するために典型的に使用される更なる電子機器をコンバータモジュールとモータとの間に使用する必要なしに、所望のモータ性能に到達できる。
【００１７】
本発明のいくつかの実施形態は、ＤＣ‐ＤＣコンバータ１４１を調整するために、所望のモータ速度を示す信号を使用する、ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール１００を提供する。これは例えば、自動車で典型的に使用されるクルーズコントロール、又は電動航空機で使用される自動パイロットにおける用途を見出す。
【００１８】
本発明の特定の実施形態では、単一のバッテリセルを電源１８０として採用する。いくつかの実施形態では、電源１８０は単一セルバッテリである。特定の実施形態は、電気化学的電源を採用する。他の実施形態では、例えばキャパシタ等の電気機械的電源を使用する。
【００１９】
図示されているように、本発明の少なくともいくつかの実施形態によるＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール１００は、従来のＤＣ‐ＤＣコンバータを上回る利点を提供する。従来のＤＣ‐ＤＣコンバータは、所与の時点においてモータに給電するために必要なレベルを通常上回る固定レベルまで、電圧を上昇させる。そしてこの固定電圧を、変調又は他の手段によって、所望の電力をモータに供給するために必要なレベルまで、効果的に低下させる。従って、電圧を過剰に高いレベルまで上昇させた後、この過剰に高い電圧のオン／オフを切り替えることによって、効率が損なわれる。例えば、電気的構成部品のランプアップ及びランプダウン時間が非効率をもたらす。本発明によるＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール１００では、切り替え又は変換操作の排除により、これらのランプアップ及びランプダウン時間が回避される。
【００２０】
本発明によるＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール１００が提供する便益を、電気自動車において更に例示する。多くの電気自動車では、多数の比較的小さなバッテリからなる大型の複雑なバッテリパックを使用して、１つ以上の車両モータの定格電圧に等しい電圧を、ＤＣ‐ＤＣコンバータを用いずに供給する。上述のように、これは、個々のバッテリが比較的低い電圧しか供給しないことを理由として、必要となる。これらの大型バッテリパックは、耐用年数が短く、保守が困難であり、またバッテリ寿命が尽きたときにその構成部品を分解するために多大な労力が必要となる。これらの大型で複雑なバッテリパックを、本発明によるＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール１００で置換でき、これにより、単一バッテリセル等の低電圧エネルギ源を、幅広い用途に採用できるようになる。低電圧エネルギ源の電圧を、電気モータの現在の要求を満たすために必要なレベルまでしか上昇させないことにより、本発明によるＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールは、損失を低減する。この損失の低減は、少なくとも部分的には、電気モータの動作電圧を維持するためにピーク出力付近で定常的にＤＣ‐ＤＣコンバータ１４１を動作させないこと、従って大量の抵抗損失を生成しないことによって、得られる。更に、ＤＣ‐ＤＣコンバータ１４１を冷却する必要による損失が低減される。
【００２１】
本発明によるＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール１００を用いると、大型で複雑なバッテリパックを用いてしか通常達成されない電気的効率を、簡素な低電圧エネルギ源を用いて得ることができる。このように大型バッテリパックに代えて低電圧エネルギ源を採用できることにより、電気自動車に関して、経済面のみならず環境面でも便益が得られる。
【００２２】
特定の用途においては、例えばモータを停止させるために、モータを電源から導電的に切断するためのスイッチを設ける必要がある。これらのスイッチは、電源が供給する電圧未満の電圧をモータに供給するためにも使用できる。このようなスイッチは、本発明による全てのＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール１００に含まれている必要はない。というのは、これらは例えば電気駆動装置内等のいずれの場所に設けてもよいためである。上記電気駆動装置は、本発明によって提供されるような新規のＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール１００の便益を利用できるように適合させることができる。
【００２３】
本発明による少なくともいくつかのＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール１００は、複数のＤＣ‐ＤＣコンバータ１４１を備える。これらは、以下で例示されるような様々な様式で配設できる。
【００２４】
図２は、本発明の少なくともいくつかの実施形態による、複数のＤＣ‐ＤＣコンバータ２４１、２４２、及び少なくとも１つのスイッチを含むスイッチ２６０のセットとの両方を含む、ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール２００を示す。ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール２００はここでも、電源２８０と電気モータ２９０との間に配置されるよう構成される。ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール２００は、図１に関して説明した実施形態において上述されているように：複数のＤＣ‐ＤＣコンバータ２４１、２４２；入力端子２１１、２１２；出力端子２２１、２２２；及び所望の電気モータ性能を示す信号を受信するための入力２３１を有する制御回路構成２５０を備える。しかしながら、図２の実施形態では、出力端子２２１、２２２とＤＣ‐ＤＣコンバータ２４１、２４２の出力との間にスイッチ２６０のセットが更に設けられる。スイッチ２６０は制御回路構成２５０に接続され、これにより、スイッチ２６０を制御回路構成２５０によって制御できる。この実施形態では、制御回路構成２５０は、入力２３１から受信した上記所望の電気モータ性能を示す信号に少なくとも部分的に基づいて、出力電圧を調整するために、ＤＣ‐ＤＣコンバータ２４１、２４２を制御するよう構成される。
【００２５】
スイッチ２６０は、採用されるＤＣ‐ＤＣコンバータのタイプに関わらず、電源２８０が供給する電圧を低下させる能力を提供する。本発明のいくつかの実施形態では、制御回路構成２６０は更に、変調済みＤＣ電圧を出力するために、スイッチ２６０及びＤＣ‐ＤＣコンバータ２４１、２４２を制御するよう構成される。このような変調は例えば、入力端子２１１、２１２で受信される入力電圧に比べて、出力端子２２１、２２２における見かけの電圧を低下させる、変調済み出力を提供できる。上記スイッチを用いて、モータを電源から完全に切断することもできる。本発明の少なくともいくつかの実施形態では、上記制御回路構成は、特定のモータ、例えばブラシレスＤＣモータ、ＡＣモータ、又はスイッチトリラクタンスモータが必要とする３つ以上の回転相を生成するよう構成される。特定の実施形態は、出力端子においてパルス幅変調を生成するよう構成された制御回路構成を提供する。ＤＣ‐ＤＣコンバータ２４１、２４２は、例えば異なるタイプのものであってもよいため、同一のタイプのものである必要はない。
【００２６】
本発明によるスイッチを有する少なくともいくつかのＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール２００では、制御回路構成２５０は、所定の時間量にわたって上記スイッチを開位置のままとすることにより、電源電圧を低下させるよう構成される。このようにして、例えば３．２Ｖの入力電圧を、モータが使用する例えば２４Ｖの最大電圧へと変換でき、同時に上記入力電圧を、３．２Ｖから、０Ｖを含むいずれの所望の電圧まで低下させることができる。
【００２７】
特定の実施形態では、入力電圧未満の出力電圧が望ましい場合に、電圧を全く変化させることなく、ＤＣ‐ＤＣコンバータ２４１、２４２を通るように電流を流すことができる。例えば、ブーストコンバータ又はバックブーストコンバータの構造により、コンバータの入力と出力との間で電圧変化が望まれない場合に、ダイオードを通るように電流を流すことができる。
【００２８】
また図２には、本発明のいくつかの実施形態によるＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール２００内に存在するエンコーダ端子２３２を介して、モータの性能に関する情報を提供する、モータ２９０の任意のエンコーダ２３５も示されている。エンコーダ端子２３２は、制御回路構成２５０に導電接続され、これにより、制御回路構成２５０は、例えばＤＣ‐ＤＣコンバータ２４１、２４２及びスイッチ２６０の制御中に、モータの性能の測定値を受信する。
【００２９】
本発明の特定の実施形態による制御回路構成２５０は、所望のモータ性能を示す入力とエンコーダとの両方を用いて、モータに関する周波数及び／又は位相シフト角度を定義する。例えば、モータが所望の速度ちょうどで回転している場合、位相シフト角度は０に維持されるが、何らかの速度変化が必要な場合、制御回路構成２５０は、負又は正のトルクをモータシャフトに印加して定義された速度を達成するために、位相シフト角度を変化させ始めるよう、構成してよい。
【００３０】
エンコーダのデータはまた、特定のモータを停止状態から初めて始動させる際にも有用である。このような状況では、コントローラは、所望の方向に回転し始めることを保証するために、正確な相で始動できるよう、回転子の位置を把握する必要がある。
【００３１】
図３は、２ステージのＤＣ‐ＤＣコンバータ３４１、３４２、及び３４５、３４６を含む、ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール３００を示す。図示されているように、第１のステージ３４１、３４２は、入力電圧を中間電圧に変換するために配設され、また第２のステージ３４５、３４６は、中間電圧を出力電圧に到達するように変換するために配設される。ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール３００はここでも、電源３８０と電気モータ３９０との間に配置されるよう構成される。ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール３００は、図２に関連して上で説明した実施形態において記載されているように：複数のＤＣ‐ＤＣコンバータ３４１、３４２、３４５、３４６；入力端子３１１、３１２；出力端子３２１、３２２；所望の電気モータ性能及び現在のモータ性能を示す信号を受信するための入力３３１、３３２を有する制御回路構成３５０；並びにスイッチ３６０を備える。ここでも、現在のモータ性能を示す任意の信号を、エンコーダ３３５によって提供する。
【００３２】
ＤＣ‐ＤＣコンバータの各ステージは、所望の中間電圧及び出力電圧が達成されるように制御してよい。例えば、本発明の特定の例の制御回路構成は、コンバータの１つのステージが、電圧を上記コンバータの最大性能までステップアップさせるように制御され、次のステージが、はるかに低い利得レベルで動作するように構成される。例えば、ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールからの極めて低い利得が望まれる場合、コンバータの１つのステージは一切の利得なしに動作し、単に電流をコンバータに通す。いくつかの実施形態では、制御回路構成３５０は、総有効電圧利得を、コンバータ間で均一に分散させるよう構成される。図３に示すように、コンバータの各ステージは２つのコンバータからなるが、本発明の特定の実施形態によると、コンバータのステージ１つあたり１つのみのコンバータを採用することもできる。
【００３３】
例えば、電源から３．２Ｖが供給されたときに、取り付けられた電気モータに０〜２４Ｖを供給するよう構成された、ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールにおいて、所望の出力が０％である場合、コンバータは３．２Ｖを出力し、スイッチは、出力端子において０Ｖを供給するよう制御される。５０％の出力が望ましい場合、ＤＣ‐ＤＣコンバータにおける出力は１２Ｖとなり、１００％の出力が望ましい場合、ＤＣ‐ＤＣコンバータにおける出力は２４Ｖとなる。
【００３４】
コンバータの２つのステージを有し、かつ電源から３．２Ｖが供給されたときに、取り付けられた電気モータに０〜８０Ｖを供給するよう構成された、別の例示的なＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールでは、以下の出力が実現される。所望の出力が０％である場合、コンバータの第１のステージ及び第２のステージ両方の出力が３．２Ｖとなり、スイッチは、モジュールの出力端子において０Ｖを供給するよう制御される。５０％の出力が望ましい場合、ＤＣ‐ＤＣコンバータの第１のステージにおける出力は２４Ｖとなり、コンバータの第２のステージにおける出力は４０Ｖとなる。１００％の出力が望ましい場合、ＤＣ‐ＤＣコンバータの第１のステージにおける出力は２４Ｖとなり、コンバータの第２のステージにおける出力は８０Ｖとなる。
【００３５】
図４は、例えばブラシレスＤＣ（ＢＬＤＣ）モータ又はＡＣモータである特定のモータと共に使用するために構成された、ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール４００を示す。ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール４００はここでも、電源４８０と電気モータ４９０との間に配置されるよう構成される。ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール４００は：複数のＤＣ‐ＤＣコンバータ４４１〜４４６；入力端子４１１、４１２；及びコンバータモジュール４００の外部の要素から信号を受信するための５つの入力４３１、４３２、４３３、４３４、４３６を有する制御回路構成４５０を備える。所望の電気モータ性能を示す信号は４３１において受信され、その一方で、モータ４９０の任意のエンコーダ４３５によって提供される、現在のモータ性能を示す信号は、４３２において受信される。電気エネルギ源４８０の現在の状態、例えば電気エネルギ源４８０の温度を示す任意の信号は、センサ４３７から入力４３６において受信される。スイッチ４６０はここでも、ＤＣ‐ＤＣコンバータ４４１〜４４６と出力端子４２１、４２２、４２３との間に設けられる。図４にも示されているように、ＤＣ‐ＤＣコンバータの入力及び出力を平滑化するために、キャパシタ４７１、４７２が設けられる。
【００３６】
図４には、充電端子４１５、４１６も図示されている。本発明の特定の実施形態は、壁コンセントに接続された充電器又はバッテリ等の外部電力源４８４からの充電を可能とし、上記外部電力源４８４は、充電端子に接続される。図示されているように、外部電力源４８４は、ＤＣ‐ＤＣコンバータとスイッチ４６０との間に接続される。これにより、電源４８０の充電中に、ＤＣ‐ＤＣコンバータ４４１〜４４６の使用を可能としながら、モータ４９０からの切断が可能となる。例えば、電源４８０の電圧未満のＤＣ電圧が充電端子に供給される場合、ＤＣ‐ＤＣコンバータを用いて、充電電圧を、電源４８０を充電するレベルにまで高めることができる。制御回路構成４５０は、充電端子から直接測定することによって、又は４３４において接続された任意の充電器通信インタフェースを採用することによって、充電電圧を決定できる。この通信インタフェースは、所与の用途において使用される電源４８０のタイプに基づいて、特定の充電スキームを実現できるよう、制御回路構成４５０に情報を提供できる。
【００３７】
本発明による少なくともいくつかのＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール４００により、ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールの最大出力電圧以下の電圧の源からの充電が可能となる。例えば３．２ボルトバッテリを、定格８０ボルトのモータと共に使用するために設計されたこのようなＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールに接続すると、上記モジュールにより、８０ボルト未満の電圧のいずれの源から上記バッテリを充電できる。
【００３８】
図４のＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール４００はここでも、図３において既に図示されているように、２ステージの電圧変換を採用する。しかしながら図４では、各ＤＣ‐ＤＣコンバータ４４１〜４４６は２つの部分に分割され、各部分が別個のＤＣ‐ＤＣコンバータを備える。特定の実施形態では、複数のＤＣ‐ＤＣコンバータに加えて、各ＤＣ‐ＤＣコンバータ４４１〜４４６は、上記コンバータモジュールの制御回路構成４５０からの入力に基づいて電圧変換の制御を個別に管理するよう構成された制御回路構成を備える。
【００３９】
図４に示すように、本発明の特定の実施形態は、特定のモータとの、例えばＡＣモータ、ブラシレスＤＣモータ、又はスイッチトリラクタンスモータとの併用を可能とする３つの出力端子４２１、４２２、４２３を有するＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールを提供する。このような実施形態では、上記制御回路構成は、スイッチを動作させることで、取り付けられたモータに給電するための回転磁界を出力端子において生成するよう構成される。
【００４０】
本発明によるいくつかのＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール４００は、車両から安全制御システムデータを受信するための、任意の安全レベルインタフェース４３３を採用する。例えば、このような安全制御システムデータは、車両のアンチロックブレーキシステム（Ａｎｔｉ‐ｌｏｃｋ  Ｂｒａｋｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ：ＡＢＳ）、安全拘束システム（Ｓａｆｅｔｙ  Ｒｅｓｔｒａｉｎｔ  Ｓｙｓｔｅｍ：ＳＲＳ）、又は横滑り防止装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ  Ｐｒｏｇｒａｍ：ＥＳＰ）の動作状態に関する情報を含んでよい。
【００４１】
本発明による特定のＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール１００、２００、３００、４００により、逆動作が可能となる。即ち、上記ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール１００、２００、３００、４００は、電気モータが提供する慣性エネルギを、電源にエネルギを伝送する電流に変換するための方法を提供する。このようなモジュールでは、制御回路構成は、ＤＣ‐ＤＣコンバータと、スイッチが存在する場合はスイッチとを制御して、電気モータが提供する慣性エネルギを、電源の再充電に適切な電気エネルギに変換するよう構成される。このようなモジュールを、例えば車両に採用することにより、回生制動を可能とすることができる。この回生動作又は逆動作モードは、制御回路構成が受信した入力信号が、所望のモータ性能が現在の性能レベル未満であることを示しているときに、実現してよい。
【００４２】
逆動作のいくつかの例では、ＤＣ‐ＤＣコンバータは、定常電圧（ｃｏｎｓｔａｎｔ  ｖｏｌｔａｇｅ：ＣＶ）制御モードである。ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールの制御回路構成は、スロットル信号に基づいて、ＤＣ‐ＤＣコンバータの出力における目標電圧を定義し、ＤＣ‐ＤＣコンバータは、この電圧を維持することを試みるよう制御される。続いてＤＣ‐ＤＣコンバータを制御することにより、コンバータモジュールに接続された電気エネルギ源へと電力を流すことができる。例えば、バックブーストＤＣ‐ＤＣコンバータを逆動作モードで使用する場合、バックモードを用いて、ＤＣ‐ＤＣコンバータの出力から入力へ、即ち電気エネルギ源へと、エネルギを伝送する。ＢＬＤＣ又はＡＣモータを採用する用途においては、モータコントローラは、速度が所望より高い場合、又は所望の出力速度若しくはトルクを維持するために必要な負のトルクが存在する場合に、モータからの負のトルクを要求し始める。この時点で、エネルギは、ＤＣ‐ＤＣコンバータの出力以外に行き場がなく、上述の制御スキームを採用することにより、コンバータの出力から、コンバータの入力に取り付けられたエネルギストレージへと、エネルギを伝送できる。
【００４３】
本発明の特定の実施形態は、電源と電気モータとの間に使用されるＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールを制御するための方法を提供する。ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールは、電源が供給した入力電圧を、電気モータに給電するための出力電圧に変換する。このような方法では、電気モータの所望の性能特性を示す信号を監視する。この所望の性能特性から、所望の特性を提供することになる出力電圧を計算する。次に、入力電圧が計算された上記出力電圧に変換されるように、ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールを制御する。特定の実施形態では、所望の性能特性を示す信号は、非静的信号である。いくつかの実施形態は、電源が単一のバッテリセルである場合に用途を見出す。
【００４４】
本発明が提供するいくつかの方法は、複数のＤＣ‐ＤＣコンバータを備えるＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールと共に使用され、上記ＤＣ‐ＤＣコンバータは、連続的な様式で出力を行うように制御される。特定の方法は、複数のスイッチを備えるＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールと共に使用され、上記スイッチは、所望の出力に到達するように制御される。いくつかの実施形態では、スイッチは、ＡＣモータに給電するための回転磁界を生成するように制御される。
【００４５】
本発明による特定の方法は、所望のモータトルクを示す信号を使用する。他の方法は、所望のモータ速度を示す信号を採用する。特定の実施形態では、信号はユーザによって制御できる。例えば、電気自動車、又は実際には内燃機関を採用した車両において採用される、複数のモータ制御スキームが存在する。現代の自動車で一般に採用されているトルク制御は、ドライバー又はオペレータに対して極めて優しい感触を有している。ペダル又はスロットルがモータの所望のトルク出力を実際に決定する。従ってユーザは、モータの所望のトルク出力を入力する。トルク制御とは対照的に、速度制御は、車両の所望の速度を設定し、必要に応じてこの速度まで加速するために、モータが最大トルクを印加する。
【００４６】
本発明の特定の実施形態は、新規のタイプの変調を提供し、またいくつかの実施形態は新規のタイプの変調を実装しさえする。図５Ａに示すように、標準的なパルス幅変調（ＰＷＭ）は、まず長いパルスを用いて最大電圧の正弦波を近似し、続いて短いパルスを用いてその半分の電圧の正弦波を近似する。各例において、ＤＣ源の出力電圧は最大電圧に維持される。図５Ｂは、本発明の少なくともいくつかの実施形態によって可能となる、新規のタイプの変調を示す。図示されているように、出力電圧は、望ましい正弦波に基づいて調整される。従って、ＤＣ源の出力電圧は、近似される正弦波の所望のピーク電圧に一致する。
【００４７】
本発明の特定の実施形態により、電気モータへの給電に現在使用されている変調スキームの改善バージョンが可能となる。例えば、標準的な変調スキームへの電圧入力を調整することにより、上記変調スキームは、入力電圧の調整中に最も効率的となるいずれの設定で動作できる。これにより、パルス幅が維持されるものの周波数が調整される周波数変調スキームがもたらされ、これは、伝送される電力又は高調波に関して最も効率的な周波数で動作する。
【００４８】
また図５Ｂに示すように、本発明の特定の実施形態により、シミュレートされた出力波の「ピーク（ｐｅａｋ）」中に１つの長いパルスが存在するように、変調された出力が可能となる。これにより、正弦波を近似するために必要なパルスの数が減少し、従ってランプアップ時間及びランプダウン時間が排除される。ランプ状態に費やされる時間が減少するため、効率が改善される。
【００４９】
本発明による少なくともいくつかのＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールは、以下の特徴のうちの少なくとも１つを備える：
・少なくとも１つのスイッチを所定の時間量にわたって開位置のままとすることにより、電源電圧を低下させるよう構成された、制御回路構成；
・ユーザが制御可能なスロットル；
・電気モータが提供する慣性エネルギが電源に電気エネルギを供給するように、ＤＣ‐ＤＣコンバータを制御するよう更に構成された、制御回路構成；
・電気モータの性能の測定を受信するための入力。
【００５０】
本発明による少なくともいくつかの方法は、以下の要素のうちの少なくとも１つを示す：
・電気モータの所望の性能特性を示す、非静的信号である信号；
・単一のバッテリセルである電源；
・ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュールは、ＡＣモータに給電するための回転磁界を生成するよう制御される。
【００５１】
本開示の発明の実施形態は、本明細書中で開示されている特定の構造、プロセスステップ、又は材料に限定されず、関連分野の当業者が把握するようなその均等物にまで拡張されることを理解されたい。また、本明細書中で採用されている用語は、特定の実施形態を説明する目的でのみ使用され、限定を意図したものではないことも理解されたい。
【００５２】
本明細書全体にわたる、「一実施形態（ｏｎｅ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」又は「ある実施形態（ａｎ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」という言及は、該実施形態に関連して説明されている特定の特徴、構造又は特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。従って、本明細書全体にわたる様々な箇所での「一実施形態では（ｉｎ  ｏｎｅ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」又は「ある実施形態では（ｉｎ  ａｎ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」という語句の出現は、これら全てが必ずしも同一の実施形態を指すものではない。例えば「約（ａｂｏｕｔ）」又は「略（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」等の語句を用いて数値に関する言及がなされている場合、言及されている数値ちょうどの値も開示されている。
【００５３】
本明細書中で使用されているように、便宜上、複数の項目、構造要素、組成要素、及び／又は材料が、１つの共通のリストとして提示される場合がある。しかしながら、これらのリストは、該リストの各メンバーが別個かつ一意のメンバーであるかのように解釈されるものとする。従って、このようなリストのいずれの個々のメンバーも、これらが、該リストの他のいずれのメンバーの事実上の均等物ではないという指示なしに、１つの共通のグループとして提示されているということだけに基づいて、該リストの他のいずれのメンバーの事実上の均等物として解釈してはならない。更に、本発明の様々な実施形態及び例は、本明細書中では、その様々な構成部品に関する代替物と共に言及される場合がある。このような実施形態、例、代替物は、互いの事実上の均等物として解釈されるべきものではなく、本発明の別個かつ自律的な表現とみなされるべきものであることが理解される。
【００５４】
更に、本記載の特徴、構造又は特性は、１つ以上の実施形態において、いずれの好適な様式で組み合わせてよい。本説明中では、本発明の実施形態の完全な理解を提供するために、長さ、幅、形状等の例といった、多数の具体的な詳細が提供されている。しかしながら、当業者であれば、本発明を、上記具体的詳細のうちの１つ以上を用いずに、又は他の方法、構成部品、材料等を用いて、実施できることを認識するであろう。他の例では、公知の構造、材料、又は操作は、本発明の態様を不明瞭にしてしまうのを回避するために、詳細に図示又は説明されない。
【００５５】
以上の例は、１つ以上の特定の用途における本発明の原理の例示であるが、発明的能力を行使することなく、また本発明の原理及び概念から逸脱することなく、形態、用法、及び実装の詳細について多数の修正を行うことができることは、当業者には明らかであろう。従って、以下に記載される特許請求の範囲による場合を除き、本発明を限定することは意図されていない。
【００５６】
動詞「…を備える（ｔｏ  ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「…を含む（ｔｏ  ｉｎｃｌｕｄｅ）」は、本文書中では、記載されていない特徴の存在を除外することも要求することもない、オープンな制限として使用されている。従属請求項に記載されている特徴は、特段の記載がない限り、相互に自由に組み合わせることができる。更に、本文書全体を通しての、「ある（ａ、ａｎ）」、即ち単数形の使用は、複数を除外するものではないことを理解されたい。
【符号の説明】
【００５７】
１００    ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール
１１１、１１２    入力端子
１２１、１２２    出力端子
１３１    所望のモータ性能を示す信号のための入力
１４１    ＤＣ‐ＤＣコンバータ
１５０    制御回路構成
１８０    電源
１９０    電気モータ
２００    ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール
２１１、２１２    入力端子
２２１、２２２    出力端子
２３１    所望のモータ性能を示す信号のための入力
２３２    エンコーダ端子
２３５    エンコーダ
２４１、２４２    ＤＣ‐ＤＣコンバータ
２５０    制御回路構成
２６０    スイッチのセット
２８０    電源
２９０    電気モータ
３００    ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール
３１１、３１２    入力端子
３２１、３２２    出力端子
３３１    所望のモータ性能を示す信号のための入力
３３２    エンコーダ端子
３３５    エンコーダ
３４１、３４２、３４５、３４６    ＤＣ‐ＤＣコンバータ
３５０    制御回路構成
３６０    スイッチのセット
３８０    電源
３９０    電気モータ
４００    ＤＣ‐ＤＣコンバータモジュール
４１１、４１２    入力端子
４１５、４１６    充電端子
４２１〜４２３    出力端子
４３１    所望のモータ性能を示す信号のための入力
４３２    エンコーダ端子
４３３    安全レベルインタフェース
４３４    充電器通信インタフェース
４３５    エンコーダ
４３６    エネルギ源センサ入力
４３７    センサ
４４１〜４４６    ＤＣ‐ＤＣコンバータ
４５０    制御回路構成
４６０    スイッチのセット
４７１、４７２    キャパシタ
４８０    電源
４８４    外部電力源
４９０    電気モータ
【図１】
2020520229.tif 000003
【図２】
2020520229.tif 000004
【図３】
2020520229.tif 000005
【図４】
2020520229.tif 000006
【図５Ａ】
2020520229.tif 000007
【図５Ｂ】
2020520229.tif 000008
【国際調査報告】
2020520229.tif 000009
2020520229.tif 000010