JP2007295796A - 電力システムの動作方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高電力の動作を許容する電力システムの動作方法を提供する。
【解決手段】電力変換システム12aは、二重供給型の電力コンバータを形成するために電気的に接続されている、第1の一次DC/DC電力コンバータ16aおよび第2の一次DC/DC電力コンバータ18aを含む。第1の一次DC/DC電力コンバータ16aおよび第2の一次DC/DC電力コンバータ18aは電圧をステップアップおよび/またはステップダウンするよう動作する。例えば、第1の一次DC/DC電力コンバータ16aは第1のローサイドDC電力バスの上位電圧レール20aおよび下位電圧レール20bを介して第1の一次電源V1から受け取った電圧をステップアップすることができる。第1のローサイドDC電力バス20の下位電圧レール20bと第2のローサイドDC電力バス22の上位電圧レール22aは中性点Nuに共通して接続されている。
【選択図】図1
【解決手段】電力変換システム12aは、二重供給型の電力コンバータを形成するために電気的に接続されている、第1の一次DC/DC電力コンバータ16aおよび第2の一次DC/DC電力コンバータ18aを含む。第1の一次DC/DC電力コンバータ16aおよび第2の一次DC/DC電力コンバータ18aは電圧をステップアップおよび/またはステップダウンするよう動作する。例えば、第1の一次DC/DC電力コンバータ16aは第1のローサイドDC電力バスの上位電圧レール20aおよび下位電圧レール20bを介して第1の一次電源V1から受け取った電圧をステップアップすることができる。第1のローサイドDC電力バス20の下位電圧レール20bと第2のローサイドDC電力バス22の上位電圧レール22aは中性点Nuに共通して接続されている。
【選択図】図1
Description
本発明は、電力システムの動作方法に関する。
電力変換システムは、1つまたは複数の負荷に電力を供給するための1つまたは複数の電源からの電力を変換および/または調節する。一般的に「インバータ」と称される電力変換システムの構成要素は、交流負荷への電力の供給に使用するために直流電流(DC)を交流電流(AC)に変換する。「整流器」と称される電力変換システムの構成要素はACをDCに変換する。一般的に「DC/DC電力コンバータ」と称される電力変換システムの構成要素はDC電圧をステップアップまたはステップダウンする。幾つかの実施形態においては、2つまたはそれ以上の機能を実施するためにこれらの構成要素は双方向に動作することもできる。これらの機能は幾つかのケースにおいては反転機能である。例えば、スイッチモードインバータは一方の方向においてDCをACに変換するよう動作することができ、他方の方向においてACをDCに整流するよう動作することができる。適切なコンフィギュレートにより動作する電力変換システムは、これらの機能の内のいずれか1つまたは複数の機能を実施するためにこれらの構成要素の内のいずれか1つまたは複数を有することができる。
慣用的に術語「コンバータ」はおよび/またはインバータ、整流器および/またはDC/DC電力コンバータであれ、一般的に全ての電力変換の構成要素に当てはまり、また明細書および請求項においてはその包括的な意味において使用されている。1つまたは複数の電力変換システムの構成要素を、一般的に電力モジュールと称される、自己完結型ユニットとして提供することができ、この電力モジュールは電力変換システムの構成要素の少なくとも一部をハウジングする電気的に絶縁されたハウジングと、端子またはバスバーのような適切なコネクタとを有する。
多くの用途は電源から負荷への高電力および/または高電流および/または高電圧の供給を使用する。例えば交通の用途においては、電気自動車またはハイブリッド電気自動車を推進させるための主電動機のような負荷を駆動させるために、AC電力を供給するインバータに比較的高いDC電圧を供給することが望ましい。またそれと同時に、補助的な負荷または周辺の負荷の駆動に関しては比較的低い電圧を提供することが望ましい。
そのような用途は1つまたは複数の種々の電源を使用することができる。例えばそれらの用途は、内燃機関または燃料電池のアレイおよび/または光電池のアレイのようなエネルギを形成する電源を使用することができる。付加的または択一的にそれらの用途は、例えば蓄電池のアレイ、スーパーキャパシタまたはウルトラキャパシタのアレイおよび/またはフライホイールのようなエネルギ蓄積装置を使用することができる。
電源の容量を負荷の要求に適合させるための要求は、電源のタイプ、電力コンバータの大きさなどの多くのデザイン決定を決めることになる種々のコストと利益のバランスを慎重に取ることを必要とする。デザインプロセスの一部として、電力コンバータは典型的にパワー半導体デバイス、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)および/または金属酸化層半導体型電界効果トランジスタ(MOSFET)および/または半導体ダイオードを使用し、これらは全て高電力動作の間に相当量の熱を発するということが認識されなければならない。このことはより高速な半導体の使用を要求するが、そのような半導体は高価である。このことはまた熱管理問題も生じさせる可能性があり、このような熱管理は動作範囲を制限し、コストを上昇させ、大きさおよび/または重量を増加させ、効率に不利に作用し、および/または、電力コンバータの信頼性を低下させる虞がある。これらの問題を解決する高電力の動作を許容する電力変換システムにおける方法または電力変換システムのためのアーキテクチャが非常に所望される。
本発明の課題は、上記の問題を解決する高電力の動作を許容する電力システムの動作方法を提供することである。
この課題は、電力システムの動作方法が、少なくとも1つの第1の周期の間にハイサイドDC電力バスの第1の電圧レールにおける電位を引き上げ、第1のローサイドDC電力バスを介する電圧を引き上げるよう変換するステップと、第1の周期の少なくとも一部の間にハイサイドDC電力バスの第2の電圧レールにおける電位を引き下げ、第2のローサイドDC電力バスを介する電圧を引き下げるよう変換するステップとを有し、第1のローサイドDC電力バスおよび第2のローサイドDC電力バスのそれぞれの上位電圧レールは電気的に共通して接続されており、第1のローサイドDC電力バスおよび第2のローサイドDC電力バスのそれぞれの下位電圧レールは電気的に共通して接続されていることにより解決される。
1つの実施形態においては、電力システムが第1の電圧レールおよび第2の電圧レールを包含するハイサイドDC電力バスと、第1のローサイドDC電力バスと、第2のローサイドDC電力バスと、ハイサイドDC電力バスの第1の電圧レールにおける電位を第1のローサイドDC電力バスの高電位以上に引き上げる第1の手段と、ハイサイドDC電力バスの第2の電圧レールにおける電位を第2のローサイドDC電力バスの低電位以下に引き下げる第2の手段とを有する。
別の実施形態においては、電力システムがハイサイドDC電力バスと、第1のローサイドDC電力バスと、第2のローサイドDC電力バスと、第1のローサイドDC電力バスと電気的に接続されており、且つ第1のローサイドDC電力バスとハイサイドDC電力バスとの間において電力を変換するよう動作する第1のDC/DC電力コンバータと、第2のローサイドDC電力バスと電気的に接続されており、且つ第2のローサイドDC電力バスとハイサイドDC電力バスとの間において電力を変換するよう動作する第2のDC/DC電力コンバータとを有し、第1のDC/DC電力コンバータと第2のDC/DC電力コンバータは少なくとも1つの期間の間、ハイサイドDC電力バスを介して相互に電気的に直列に接続される。
また別の実施形態においては、電力システムを動作させる方法がハイサイドDC電力バスの第1の電圧レールにおける電位を引き上げるステップと、またハイサイドDC電力バスの第2の電圧レールにおける電位を引き下げるステップとを包含する。
さらに別の実施形態においては、電力システムを動作させる方法が、第1のモードにおいてハイサイドDC電力バスの第1の電圧レールにおける電位を第1のローサイドDC電力バスの高電位以上に引き上げるよう第1のDC/DC電力コンバータ回路を動作させるステップと、第1のモードにおいてハイサイドDC電力バスの第2の電圧レールにおける電位を第2のローサイドDC電力バスの低電位以下に引き下げるよう第2のDC/DC電力コンバータ回路を動作させるステップとを包含し、第1のDC/DC電力コンバータ回路と第2のDC/DC電力コンバータ回路はハイサイドDC電力バスを介して相互に電気的に直列に接続されている。
別の態様においては、種々の実施形態が燃料電池スタックを用いる使用に適している複数の電力システムトポロジにおいて使用される。幾つかのトポロジは、ハイサイド電圧レールとローサイド電圧レールとの間において電気的に直列に接続されている、双方向の第1のDC/DC電力コンバータおよび双方向の第2のDC/DC電力コンバータを使用し、他方別の実施形態は電気的に直列に接続されている第1のDC/DCバックコンバータおよび第2のDC/DCバックコンバータを使用する。幾つかのトポロジは高電圧電力蓄積装置、例えば蓄電池の高電圧アレイを包含する。幾つかのトポロジは、高電圧電力蓄積装置に伝達される電圧および高電圧電力蓄積装置から伝達される電圧をステップアップおよび/またはステップダウンするために電気的に直列に接続されている双方向の第1のDC/DC電力コンバータおよび第2のDC/DC電力コンバータを包含する。幾つかのトポロジは、燃料電池スタックから伝達される電力をステップアップするために電気的に直列に接続されている第1のDC/DC電力コンバータおよび第2のDC/DC電力コンバータを包含する。
以下では、図面を参照しながら本発明の種々の実施例を説明する。図面において同一の参照番号は同様の構成要素または同様に作用する構成要素を表す。図面における構成要素の大きさおよび相対的な位置は必ずしも縮尺通りに描かれたものではない。例えば、種々の構成要素の形状および角度は縮尺通りに描かれておらず、またそれらの構成要素のうちの幾つかは分かり易くするために任意に拡大して配置されている。さらに、図示されている構成要素の特定の形状は特定の構成要素の実際の形状に関する何らかの情報を提供することを意図したものではなく、図面における認識を容易にするために選択されたものにすぎない。
以下では、本発明のシステムおよび方法の種々の実施形態の包括的な理解を提供するために、所定の特定の詳細を説明する。しかしながら当業者であれば、それらの特定の詳細の内の1つまたは複数がなくても、または他の方法、構成要素、材料などを用いても本発明のシステムおよび方法を実施できることが分かる。他の例では、コンバータシステムおよび電源に関連する公知の構造、また関連する方法および装置は、本発明のシステムおよび方法の実施形態についての不必要に不明瞭な記載を回避するため詳細には述べていない。
コンテキストが特に要求していない限り、明細書および請求項全般において使用される用語「包含する」およびその変化形、例えば「包含し」また「包含している」などは広く解されるべきであり、「〜が、これらに制限されるものでもない」などの意味も含まれるべきである。
明細書全般において使用される「1つの実施形態」または「実施形態」で表される参照は、その実施形態と関連させて説明される特定の機能、構造または特性が本発明のシステムおよび方法の少なくとも1つの実施形態に含まれるということを意味している。したがって、明細書の種々の個所において使用される「1つの実施形態において」または「実施形態において」という句は、同一の実施形態を全て参照している必要はない。さらには、特定の機能、構造または特性を1つまたは複数の実施形態においてあらゆる適切なやり方で組み合わせることができる。明細書における見出しは便宜的なものに過ぎず、また請求項に記載されている発明の範囲または意味を説明するものではない。
電力源から通常得られるDC電圧よりも高いDC電圧を使用することは多くの用途において有利である。例えば、順番に電力をAC電気モータに供給するDC/AC電力コンバータに高DC電圧を供給すると、電気モータの効率を高めることができ、また電気モータの大きさおよび重量を実質的に低減することができる。しかしながら、高DC電圧を供給する高電圧電源の使用は不利になる可能性もある。例えば一次電源が燃料電池のスタックであれば、スタックを形成する燃料電池の数の増加によりシーリングおよび機械的な公差に関連する課題が生じ、同様に大きさ、重量およびコストが著しく増加し、また信頼性の問題ももたらす可能性がある。
逆に言えば、負荷によって所望される電圧よりも低い電圧を提供する電源を使用することは有利となる。例えば一次電源が燃料電池スタックであれば、より低電圧のスタックは上記の問題の多くを回避する。さらには燃料電池スタックを最大定格電圧で動作させることは低電圧で動作させることよりも効率的である(分極曲線を参照されたい)。したがって、所望される典型的な出力電圧が比較的低いより小型の燃料電池スタックを使用することは有益である。燃料電池から給電される構成要素にとって理想的とされる電圧範囲より大きい電圧範囲にわたり燃料電池スタックが動作することは有利である。セット電圧または(未修正の燃料電池スタックによって低減することとは対照的に)電力によって上昇する電圧においてそれらの構成要素に電力を供給することも有利である。
DC/ACインバータに電力を供給するために一次電源からの電圧を高める一次DC/DCブーストコンバータを使用することにより、電圧の所望の上昇をある程度は達成することができる。
しかしながらこのアプローチは実質的な制限または欠点を多数有している。例えば、一次DC/DC電力コンバータに要求されるブースト比が高まり、効率は下がるのに対し、コスト、熱管理問題、パッケージング問題および信頼性の問題は全て増すことになる。例えば、80Vの全負荷電圧において動作する120kWの燃料電池スタックの出力電流は1500Aに達する可能性がある。このことは非常に高速で、したがって非常に高価な半導体デバイスを要求する。またこのことは構成要素の大きさおよび効率に関して著しい損失をもたらし、さらに例外的な熱管理についての解決策を要求する。
本明細書において説明する多重供給型のアプローチは、別個に動作する一次DC/DC電力コンバータによって供給される出力電圧よりも高い出力電圧を供給するためにこれらの一次DC/DC電力コンバータが電気的に直列に接続されている、複数(すなわち2つまたはそれ以上)の一次DC/DC電力コンバータトポロジを提供することにより、上述の幾つかの制限および欠点に取り組んでいる。これにより例えば、比較的低いブースト比を有する2つまたはそれ以上の一次DC/DC電力コンバータを使用することができ、したがって半導体デバイスの定格RMS電圧および/または定格RMS電流が低減され、また付随するパッケージングの問題、熱管理の問題および信頼性の問題が解消される。例えば電界効果トランジスタ(FET)に関するオン抵抗(RDS)は、降伏電圧が2.7の電力に上昇されるように近似される。300Vの降伏電圧を有するFETによりそれぞれ動作する2つのDC/DC電力コンバータを使用することによって、600Vの定格降伏電圧を有するFETを使用する単一供給型のコンバータの場合よりもFETのオン抵抗は6.5倍小さくなる。
さらに多重供給型のアプローチは、それぞれの一次DC/DC電力コンバータに給電するために、複数(すなわち2つまたはそれ以上)の一次電源を使用することができる。これにより例えば、単一の比較的高電圧の燃料電池スタック(例えば200V〜450V、比較的低い電流で動作する)の代わりに、2つまたはそれ以上の比較的低電圧の燃料電池スタック(例えばそれぞれ40〜80V、高い電流で動作する)を使用することができ、他方では電気自動車またはハイブリッド車の主電動機を駆動させるために使用されるDC/ACインバータには依然として高電圧DC電力が供給され、これにより大きさ、重量および/または信頼性に関してDC/ACインバータおよび電気モータを効率的に設計することができる。またこれにより、一次電源を異なる要求レベル(例えば異なる電圧および/または電流および/または電力)において動作させることができる。例えば第1の燃料電池スタックは最大電圧レベルで動作するが、「スリープモード」にある第2の燃料電池スタックは動作または機能しない。さらにこれにより、別の一次電源が作動不能、異常または誤動作の状態である場合に、1つまたは複数の一次電源を介して動作を制限または縮小することができる。そのような動作は例えば「リムホーム(limp home)」機能を提供することができ、これによりドライバは低速または低出力で安全に目的地に到達することができる。そのような動作は例えばシステムをスムーズにシャットダウンすることができる。さもなければそのようなシステムには、規則的にシャットダウンルーチンを実行するために十分な電力は供給されない。
本発明の実施形態は、単一の電力モジュールにおいて電気的に直列に接続されている第1のDC/DC電力コンバータおよび第2のDC/DC電力コンバータを包含することができる。直列に接続されているDC/DC電力コンバータセクションはそれぞれ、燃料電池およびハイブリッド車における主電動機の用途また他の用途におけるACインバータの正のDCバス電圧と負のDCバス電圧のいずれも変調する。選択された実施形態においては、ブーストコンバータにおける半導体スイッチに関する定格電圧を低減するために、2つのブーストコンバータが直列に、DCバスの一方の側に配置されている。幾つかの実施形態のトポロジは6つのインダクタ、つまり各ブーストコンバータに対して3つのインダクタを使用し、入力電流が共有され、パッケージングおよび熱管理がより良好になる。より高いDCバス電圧により大きさ、重量およびコストに関して主電動機およびモータを効率的に設計することができる。
種々の実施形態により燃料電池システムのコストおよび体積を著しく低減することができる。直列に接続されているDC/DC電力コンバータが一度適切に設けられれば、新たなフリーズスタート性能および燃料電池の経年変化の緩和も含めて、性能および動作に関するさらなる利点がシステムにもたらされる。廃熱は高電流密度、低電圧動作の間に高まるということは明らかである。過度に高い電流密度において電圧崩壊が始まり、また燃料電池はそのピーク電力供給点を超えて動作する。電圧出力は高電圧負荷によって使用不能にならない程度の低さなので、通常の場合この動作領域は回避される。しかしながら直列に接続されているDC/DC電力コンバータを用いれば、この直列に接続されたDC/DC電力コンバータから高電圧を供給し、またスタック内に生じる廃熱を最大にすることにより、非常に冷たい状態での動作中であろうとも分極曲線の領域に到達することができ、これによりウォームアップ時間が著しく短縮される。
燃料電池は経年変化するので、分極曲線全体は内部の性能低下メカニズムに起因して下方にシフトし、場合によっては最小許容電圧(通常の場合、スタックに関して約230Vdc)を上回る電力を供給できなくなる可能性がある。直列に接続されているDC/DC電力コンバータの実施形態を用いれば、たとえ出力電力が低減する可能性があろうとも、これはもはや制限ではなく、また燃料電池の寿命を延ばせることは明らかである。
幾つかの実施形態においては、直列に接続されているDC/DC電力コンバータトポロジは並列/直列構造の種々のパワーデバイス(スイッチ、インダクタ、ダイオードなど)をアレンジする。並列のアプローチは電流ストレスを低減する。直列のアレンジは受動的な構成要素およびパワーデバイスにおける電圧ストレスを低減する。
図1は、本発明の実施形態による、第1の一次電源V1および第2の一次電源V2からの電力を電気機械14の形の負荷に供給するために接続されている、電力変換システム12aを包含している電力システム10aを示す。第1の一次電源V1および第2の一次電源V2は相互に電気的に直列に接続されており、また以下において詳述する種々の形態をとることができる。
電力変換システム12aは、二重供給型の電力コンバータを形成するために電気的に接続されている、第1の一次DC/DC電力コンバータ16aおよび第2の一次DC/DC電力コンバータ18aを包含する。第1の一次DC/DC電力コンバータ16aおよび第2の一次DC/DC電力コンバータ18aは電圧をステップアップおよび/またはステップダウンするよう動作することができる。例えば、第1の一次DC/DC電力コンバータ16aは第1のローサイドDC電力バスの上位電圧レール20aおよび下位電圧レール20bを介して第1の一次電源V1から受け取った電圧をステップアップすることができる。以下では、これらの第1のローサイドDC電力バスの上位電圧レール20aおよび下位電圧レール20bを総称して20で表す。同様に、第2の一次DC/DC電力コンバータ18aは第2のローサイドDC電力バスの上位電圧レール22aおよび下位電圧レール22bを介して第2の一次電源V2から受け取った電圧をステップアップすることができる。以下では、これらの第2のローサイドDC電力バスの上部電圧レール22aおよび下部電圧レール22bを総称して22で表す。第1のローサイドDC電力バス20の下位電圧レール20bと第2のローサイドDC電力バス22の上位電圧レール22aは中性点Nuに共通して接続されている。
第1の一次DC/DC電力コンバータ16aおよび第2の一次DC/DC電力コンバータ18aから供給される引き上げられた出力電圧は、相互に直列に接続されているハイサイドDC電力バスの第1の電圧レール26aおよび第2の電圧レール26bに印加される。以下ではハイサイドDC電力バスのこれらの第1の電圧レール26aおよび第2の電圧レール26bを総称して26で表す。これにより第1の一次DC/DC電力コンバータ16aおよび第2の一次DC/DC電力コンバータ18aは、その他の場合にハイサイドDC電力バス26全体にわたり所望される電圧を達成するために必要とされるブースト比よりも低いブースト比(例えば半分)を有することができる。第1の一次DC/DC電力コンバータ16aと第2の一次DC/DC電力コンバータ18aによって電流を共有することにより、この第1の一次DC/DC電力コンバータ16aおよび第2の一次DC/DC電力コンバータ18aにおいては、その他の場合に考えられるものよりも低速度(すなわちより低い動作閾値)のデバイス(例えばパワー半導体スイッチおよびダイオード)を使用することもできる。以下説明するように、種々の実施形態の一方または両方の一次DC/DC電力コンバータ(以下ではこれらを総称して16,18で表す)は、例えば一方の方向においては電圧をステップアップし、他方の方向においては電圧をステップダウンする双方向のものであってもよい。
一次DC/DC電力コンバータ16a,18aはダイオードDを包含することもでき、これらのダイオードDは第1の一次DC/DC電力コンバータ16aおよび第2の一次DC/DC電力コンバータ18aと高電圧バス26との間に電気的に接続されている。ダイオードDは有利にはシリコンカーバイドダイオードであるが、他のダイオードも適している。シリコンカーバイドダイオードは他のタイプのダイオードよりも低いスイッチング損失を有し、したがって以下において説明する付随的な利点と共により高いスイッチング周波数で動作することができる。さらには、より高いスイッチング周波数での動作により幾つかの実施形態においてはインダクタの大きさを低減することもできる。
電力変換システム12aは選択的にDC/AC電力コンバータ24を包含することもできる。DC/AC電力コンバータ24を電気機械14へのAC電力の供給のために接続することができる。例えば電気機械14は電気自動車またはハイブリッド車、または他の電気モータの主電動機でよい。ハイサイドDC電力バス26の第1の電圧レール26aおよび第2の電圧レール26bは、DC/AC電力コンバータ24を第1の一次DC/DC電力コンバータ16aおよび第2の一次DC/DC電力コンバータ18aにそれぞれ電気的に接続することができる。DC/AC電力コンバータ24は一次DC/DC電力コンバータ16a,18aを介して供給されるDC電力をAC電力、例えば三相AC電力に変換するためのインバータとして動作することができる。幾つかの実施形態においては、DC/AC電力コンバータ24は双方向のものであってもよい。例えばDC/AC電力コンバータ24は、電気機械14が回生制動モードの間にジェネレータ(すなわち負荷というよりかは電源)として動作する場合には、電気機械14から供給されるAC電力を整流するための整流器として動作することができる。
電力変換システム12aは、DC/AC電力コンバータ24と電気的に並列に接続されているキャパシタC1,C2を包含することもできる。キャパシタC1,C2はDC/AC電力コンバータ24とDC/DC電力コンバータ16a,18aによって共有されており、これにより例えばコスト低減のような付随的な利点も得られる。
さらに電力変換システム12aは制御信号28aを介して一次DC/DC電力コンバータ16a,18aおよび/またはDC/AC電力コンバータ24を制御するコントローラ28を包含することもできる。コントローラ28は、動作を制御するための命令を記憶するランダムアクセスメモリ(RAM)、リードオンリメモリ(ROM)、電気的に消去可能なリードオンリメモリ(EEPROM)または他の記憶装置のような付属のあらゆるメモリを有する、マイクロプロセッサおよび/またはディジタルシグナルプロセッサ(DSP)および/または特定用途向け集積回路(ASIC)および/または駆動ボードまたは駆動回路でよい。コントローラ28を電力変換システム12aの他の構成要素と共にハウジングすることができるか、それらの構成要素とは別個にハウジングすることができるか、それらの構成要素と共に部分的にハウジングすることができる。
図2は付加的に補助的な電源VAを包含する、図1の電力システム10aに類似する電力システム10bを示す。さらに電力システム10bの電力変換システム12bは、補助的な電源VAに、また補助的な電源VAから電力を供給するための補助的な電力コンバータ30を包含する
図2に示されているように、DC/AC電力コンバータ24は例えば三相AC電力を形成するために動作することができるスイッチモード電力インバータでよい。DC/AC電力コンバータ24は、例えば、上位パワー半導体スイッチS1および下位パワー半導体スイッチS2によって形成される第1の位相レッグ24aと、上位パワー半導体スイッチS3および下位パワー半導体スイッチS4によって形成される第2の位相レッグ24bと、上位パワー半導体スイッチS5および下位パワー半導体スイッチ6によって形成される第3の位相レッグ24cとを包含することができる。各位相レッグ24a〜24cは、ハイサイドDC電力バス26の第1の電圧レール26aと第2の電圧レール26bとの間に電気的に接続されている。各位相レッグ24a、24b、24cをそれぞれ形成しているパワー半導体スイッチS1とS2,S3とS4,S5とS6の各ペアの間には位相ノードA,B,Cがあり、これらの位相ノードA,B,Cには動作中にDC/AC電力コンバータ24の三相出力のそれぞれの位相が現われる。さらにDC/AC電力コンバータ24は、パワー半導体スイッチS1〜S61つずつに電気的に逆並列に接続されている、パワー半導体ダイオード(パワー半導体スイッチS1〜S6の一部として表され、また分かり易くするために図面においては別個に示していない)を包含する。パワー半導体スイッチS1〜S6はコントローラ28を介して受信した制御信号28aによって制御される。
図2に示されているように、DC/AC電力コンバータ24は例えば三相AC電力を形成するために動作することができるスイッチモード電力インバータでよい。DC/AC電力コンバータ24は、例えば、上位パワー半導体スイッチS1および下位パワー半導体スイッチS2によって形成される第1の位相レッグ24aと、上位パワー半導体スイッチS3および下位パワー半導体スイッチS4によって形成される第2の位相レッグ24bと、上位パワー半導体スイッチS5および下位パワー半導体スイッチ6によって形成される第3の位相レッグ24cとを包含することができる。各位相レッグ24a〜24cは、ハイサイドDC電力バス26の第1の電圧レール26aと第2の電圧レール26bとの間に電気的に接続されている。各位相レッグ24a、24b、24cをそれぞれ形成しているパワー半導体スイッチS1とS2,S3とS4,S5とS6の各ペアの間には位相ノードA,B,Cがあり、これらの位相ノードA,B,Cには動作中にDC/AC電力コンバータ24の三相出力のそれぞれの位相が現われる。さらにDC/AC電力コンバータ24は、パワー半導体スイッチS1〜S61つずつに電気的に逆並列に接続されている、パワー半導体ダイオード(パワー半導体スイッチS1〜S6の一部として表され、また分かり易くするために図面においては別個に示していない)を包含する。パワー半導体スイッチS1〜S6はコントローラ28を介して受信した制御信号28aによって制御される。
DC/AC電力コンバータ24のパワー半導体スイッチS1〜S6はIGBTでよい。択一的に、DC/AC電力コンバータ24のパワー半導体スイッチS1〜S6はより高価なMOSFETでもよい。IGBTを使用することにより、DC/AC電力コンバータ24のスイッチング周波数は約10kHzに達することができ、これは電気自動車またはハイブリッド車における使用のような所定の用途にとっては十分速いものである。
第1の一次DC/DC電力コンバータ16aは、第1の一次三相インタリーブスイッチモードDC/DC電力コンバータ16bのような多相(すなわちマルチチャネル)のインタリーブスイッチモードコンバータでもよい。第1の一次三相インタリーブスイッチモードコンバータ16bはブーストインダクタL1〜L3と、ダイオードD1〜D3と、総称してS7〜S9で表されているパワー半導体スイッチおよび付属の逆並列ダイオードとを包含する。パワー半導体スイッチS7〜S9をコントローラ28から供給される制御信号28a(図1を参照されたい)を介して制御することができる。同様に、第2の一次DC/DC電力コンバータ18aは、第2の一次三相インタリーブスイッチモードDC/DC電力コンバータ18bのような多相(すなわちマルチチャネル)のインタリーブスイッチモードコンバータでもよい。第2の一次三相インタリーブスイッチモードDC/DC電力コンバータ18bはブーストインダクタL4〜L6と、ダイオードD4〜D6と、総称してS10〜S12で表されるパワー半導体スイッチおよび付属の逆並列ダイオードとを包含する。第1の一次三相インタリーブスイッチモードDC/DC電力コンバータ16bは第1の一次電源V1からの電圧をステップアップするよう動作し、他方では第2の一次三相インタリーブスイッチモードDC/DC電力コンバータ18bは第2の一次電源V2から供給される電圧をステップアップする(すなわち負の電圧レールにおいて電圧を低める、戻すまたはステップダウンする)よう動作することができる。
多相のインタリーブDC/DC電力コンバータを使用することにより有利にはキャパシタC1,C2におけるリプル電流が低減される。6つのブーストインダクタL1〜L6は入力電流を共有し、これにより効率が高まり、質量および体積が低減され、またパッケージング、電力密度および熱管理がより良好になる。
補助的な電力コンバータ30は種々の形態をとることができ、それらは補助的な電源VAのタイプに部分的に依存する。例えば、補助的な電源VAが電気的なエネルギを蓄積および解放するエネルギ蓄積装置であれば、補助的な電力コンバータ30は補助的な電源VAから供給される電圧をステップアップするか、補助的な電源VAに供給される電圧をステップダウンすることができるバックブーストDC/DC電力コンバータでよい。図2は、ブーストインダクタL9〜L11またパワー半導体スイッチおよび付属の逆並列ダイオードS13〜S18を包含する三相(すなわち3チャネル)のバックブーストDC/DC電力コンバータの形態に適している補助的な電力コンバータ30の1つの実施形態を示す。特定の用途によっては他のタイプの電力コンバータトポロジも適している。
上記において説明したトポロジ、また下記において説明するトポロジは有利には、第1の一次DC/DC電力コンバータ16および第2の一次DC/DC電力コンバータ18のパワー半導体スイッチS7〜S12およびダイオードD1〜D6および/またはDC/AC電力コンバータ24のパワー半導体スイッチS1〜S6を電気的に絶縁されている共通のハウジング32内にハウジングし、電力モジュール32aを形成することができる。さらに電力モジュール32aはハウジング32の外部からアクセスすることができる一次DCバスバー34a〜34c、補助的なDCバスバーP,NおよびAC位相端子36a〜36cのような適切な端子を包含することができ、外部に配置されている一次電圧源V1,V2、補助電源VAおよび電気機械14が電気的に接続される。図2,3,5および6ではインダクタL1〜L6およびキャパシタC1,C2がハウジング32の外部に示されているが、幾つかの実施形態においてはこれらの構成要素の内の1つまたは複数をハウジング32内にハウジングすることができる。
図3は、付加的に補助的な電源VAを包含している、図1の電力システム10aに類似する電力システム10cを示す。電力システム10cの電力変換システム12cは、第1の一次DC/DC電力コンバータ16および第2の一次DC/DC電力コンバータ18を包含し、これらの一次DC/DC電力コンバータは、第1の一次三相インタリーブスイッチモードDC/DC電力コンバータ16cおよび第2の一次三相インタリーブスイッチモードDC/DC電力コンバータ18cのような多相(すなわちマルチチャネル)のインタリーブスイッチモードコンバータでもよい。第1の一次三相インタリーブスイッチモードDC/DC電力コンバータ16cはブーストインダクタL1〜L3と、ダイオードD2,D3と、総称してS7〜S9,S19で表されているパワー半導体スイッチおよび付属の逆並列ダイオードとを包含する。第2の一次三相インタリーブスイッチモードDC/DC電力コンバータ18cはブーストインダクタL4〜L6と、ダイオードD5,D6と、総称してS10〜S12,S20で表されているパワー半導体スイッチおよび付属の逆並列ダイオードとを包含する。第1の一次三相インタリーブスイッチモードDC/DC電力コンバータ16cにおいては、位相間が相互に180°に固定されている2つの位相がV1をDC/ACコンバータ24の正のバスに接続させる。第2の一次三相インタリーブスイッチモードDC/DC電力コンバータ18cにおいては、位相間がやはり相互に180°に固定されている2つの位相がV2をDC/ACコンバータ24の負のバスに接続させる。
さらに電力システム10cの電力変換システム12cは、補助的な電源VAを高電圧バス26に接続するための補助的なDC/DC電力コンバータを包含する。補助的なDC/DC電力コンバータは二相(すなわち2チャネル)DC/DC電力コンバータでよく、第1の位相レッグはブーストインダクタL1と、第1のパワー半導体スイッチおよび付属の逆並列ダイオードS19,S7とによって形成され、第2の位相レッグはブーストインダクタL6と、第2のパワー半導体スイッチおよび付属の逆並列ダイオードS20,S10とによって形成される。第1の位相レッグと第2の位相レッグ間の位相は相互に180°に固定されている。補助的なDC/DC電力コンバータは、補助的な電源VAから供給される電圧をステップアップすることができるか、補助的な電源VAに供給される電圧をステップダウンすることができるバックブーストDC/DC電力コンバータとして動作することができる。
図4は、本発明の別の実施形態による、第1の一次電源V1および第2の一次電源V2からの電力を電気機械14に供給するために接続されている、電力変換システム12dを包含する電力システム10dを示す。図1から3の実施形態とは異なり、図4は第1の一次電源V1および第2の一次電源V2が第1の一次DC/DC電力コンバータ16dおよび第2の一次DC/DC電力コンバータ18dを介して相互に並列に接続されている実施形態を示す。殊に、第1の一次DC/DC電力コンバータ16dは第1のローサイドDC電力バス20の上位電圧レール20aおよび下位電圧レール20bを介して第1の電源V1と電気的に接続されている。第2の一次DC/DC電力コンバータ18dは第2のローサイドDC電力バス22の上位電圧レール22aおよび下位電圧レール22bを介して第2の電源V2と電気的に接続されている。第1のローサイド電圧バス20の下位電圧レール20bは第2のローサイド電圧バス22の下位電圧レール22bと電気的に接続されている。第1の一次DC/DC電力コンバータ16dも第2の一次DC/DC電力コンバータ18dもそれぞれハイサイドDC電力バス26の第1の電圧レール26aと第2の電圧レール26bとの間に電気的に接続されている。
図1から3の実施形態とは異なり、図4に示されている電力変換システム12dはDC/AC電力コンバータ24の入力側を介して電気的に接続されている単一のキャパシタCIを使用する。
図5は付加的に補助的な電源VAを包含する、図4の電力システム10dに類似する電力システム10eを示す。
電力システム10eの電力変換システム12eは、第1の一次DC/DC電力コンバータ16eおよび第2の一次DC/DC電力コンバータ18eを包含し、これらの一次DC/DC電力コンバータは、第1の一次三相インタリーブスイッチモードDC/DC電力コンバータ16eおよび第2の一次三相インタリーブスイッチモードDC/DC電力コンバータ18eのような多相(すなわちマルチチャネル)のインタリーブスイッチモードコンバータでもよい。第1の一次三相インタリーブスイッチモードDC/DC電力コンバータ16eはブーストインダクタL1〜L3と、ダイオードD1,D2と、総称してS7〜S9で表されるパワー半導体スイッチおよび付属の逆並列ダイオードとを包含する。第2の一次三相インタリーブスイッチモードDC/DC電力コンバータ18eはブーストインダクタL4〜L6と、ダイオードD4,D5と、総称してS10〜S12で表されるパワー半導体スイッチおよび付属の逆並列ダイオードとを包含する。
前述のように、多相のインタリーブDC/DC電力コンバータを使用することにより有利にはキャパシタCIにおけるリプル電流が低減される。6つのブーストインダクタL1〜L6は入力電流を共有し、これによりパッケージングおよび熱管理がより良好になる。
第1の一次三相インタリーブスイッチモードDC/DC電力コンバータ16eにおいては、位相間が相互に180°に固定されている2つの位相レッグがV1をDC/ACコンバータ24の正のバスに接続する。第2の一次三相DC/DC電力コンバータ18eにおいては、位相間が相互に180°に固定されている2つの位相レッグがV2をDC/ACコンバータ24の負のバスに接続する。
さらに電力システム10eの電力変換システム12eは、補助的な電源VAを高電圧バス26に接続するための補助的なDC/DC電力コンバータを包含する(図4を参照されたい)。補助的なDC/DC電力コンバータは二相(すなわち2チャネル)DC/DC電力コンバータでよく、第1の位相レッグはブーストインダクタL1と、パワー半導体スイッチおよび付属の逆並列ダイオードS19とによって形成され、第2の位相レッグはブーストインダクタL4と、パワー半導体スイッチおよび付属の逆並列ダイオードS20とによって形成される。第1の位相と第2の位相の間は相互に180°に固定されている。
図6は図4の電力システム10dに類似する電力システム10fを示し、この電力システム10fでは第1の一次電源V1は電力形成装置であり、これに対し第2の一次電源V2は電力蓄積装置である。
電力システム10fの電力変換システム12fは、第1の一次DC/DC電力コンバータ16fおよび第2の一次DC/DC電力コンバータ18fを包含し、これらの一次DC/DC電力コンバータは、第1の一次三相インタリーブスイッチモードDC/DC電力コンバータ16fおよび第2の一次三相インタリーブスイッチモードDC/DC電力コンバータ18fのような多相(すなわちマルチチャネル)のインタリーブスイッチモードコンバータでもよい。第1の一次三相インタリーブスイッチモードDC/DC電力コンバータ16fはブーストインダクタL1〜L3と、ダイオードD1〜D3と、総称してS7〜S9で表されるパワー半導体スイッチおよび付属の逆並列ダイオードとを包含しているブーストコンバータを包含する。第2の一次電源V2は電力蓄積装置であるので、第2の一次三相インタリーブスイッチモードDC/DC電力コンバータ18fはブーストインダクタL4〜L6と、総称してS10〜S12,S20〜S23で表されるパワー半導体スイッチおよび付属の逆並列ダイオードとを包含しているバックブーストトポロジを有する。第2の一次三相インタリーブスイッチモードDC/DC電力コンバータ18fは第2の一次電源V2から供給される電圧をステップアップし、また第2の一次電源V2に供給される電圧をステップダウンするよう動作する。
図7は、例えば駆動モードにおいて電気機械14に電力を供給するために、図2の第1の一次三相インタリーブスイッチモードDC/DC電力コンバータ16bおよび第2の一次三相インタリーブスイッチモードDC/DC電力コンバータ18bの動作を制御するゲート制御信号28aのタイミング図40である。コントローラ28は適切な制御信号28aをタイミング図40に基づいて第1の一次三相インタリーブスイッチモードDC/DC電力コンバータ16baおよび第2の一次三相インタリーブスイッチモードDC/DC電力コンバータ18bのパワー半導体スイッチS7〜S12に供給するための命令を実行することができる。またタイミング図40は、第1の一次三相インタリーブスイッチモードDC/DC電力コンバータ16bおよび第2の一次三相インタリーブスイッチモードDC/DC電力コンバータ18bのブーストインダクタL1〜L6を介する電流IL1〜IL6の変化をそれぞれ時間に関して示している。
ここで、VFC1,VFC2はそれぞれ第1の一次電源および第2の一次電源の電圧に相当し、Dはブーストスイッチのデューティサイクルであり、UPNは二重供給型のブーストコンバータの出力電圧である。VFC1,VFC2は燃料電池スタックの出力電圧に相当するものでよいが、これらに制限されるものでもない。
上記において、デューティサイクルDはコンバータの上位セクションおよび下位セクションの両方に関して同一である。しかしながら、スタックのどちらか一方の半分から他方の半分とは異なる電力を取り出す理由がある場合、または2つの電圧VFC1とVFC2が異なる場合には、Dをスタックの半分についてそれぞれ別個に制御することができる。しかしながらそのような動作モードにおいては、設計者はこの不平衡な動作において流れる可能性のある最悪なケースの電流に関して中性線の大きさを考慮しなければならない。
図8は、例えば駆動モードにおいて電気機械14に電力を供給するために、図2の補助的な電力コンバータ30の動作を制御するゲート制御信号28aのタイミング図50である。コントローラ28はタイミング図50に基づいて適切な制御信号28aを補助的な電力コンバータ30のパワー半導体スイッチS13〜S18に供給するための命令を実行することができる。またタイミング図50は、補助的な電力コンバータ30のブーストインダクタL9〜L11を介する電流IL9〜IL10の変化をそれぞれ時間に関して示している。
図9は、例えば回生制動モードにおいて電力蓄積装置の形の補助的な電源VAに電力を供給するために、図2の補助的な電力コンバータ30の動作を制御するゲート制御信号28aのタイミング図60である。コントローラ28は適切な制御信号28aをタイミング図60に基づいて補助的な電力コンバータ30のパワー半導体スイッチS13〜S18に供給するための命令を実行することができる。またタイミング図60は、補助的な電力コンバータ30のブーストインダクタL9〜L11を介する電流IL9〜IL11の変化をそれぞれ時間に関して示している。
図10は、例えば駆動モードにおいて電気機械14に電力を供給するために、図6の第1の一次三相インタリーブスイッチモードDC/DC電力コンバータ16fの動作を制御するゲート制御信号28aのタイミング図70である。コントローラ28は適切な制御信号28aをタイミング図70に基づいて第1の一次三相インタリーブスイッチモードDC/DC電力コンバータ16fのパワー半導体スイッチS7〜S9に供給するための命令を実行することができる。またタイミング図70は、第1の一次三相インタリーブスイッチモードDC/DC電力コンバータ16fのブーストインダクタL1〜L3を介する電流IL1〜IL3の変化をそれぞれ時間に関して示している。
図11は、例えば駆動モードにおいて電気機械14に電力を供給するために、図6の第2の一次三相インタリーブスイッチモードバックブーストDC/DC電力コンバータ18fの動作を制御するゲート制御信号28aのタイミング図80である。コントローラ28は適切な制御信号28aをタイミング図80に基づいて第2の一次三相インタリーブスイッチモードバックブーストDC/DC電力コンバータ18fのパワー半導体スイッチS10〜S12,S21〜S23に供給するための命令を実行することができる。
またタイミング図80は、第2の一次三相インタリーブスイッチモードバックブーストDC/DC電力コンバータ18fのブーストインダクタL4〜L6を介する電流IL4〜IL6の変化をそれぞれ時間に関して示している。
またタイミング図80は、第2の一次三相インタリーブスイッチモードバックブーストDC/DC電力コンバータ18fのブーストインダクタL4〜L6を介する電流IL4〜IL6の変化をそれぞれ時間に関して示している。
図12は、例えば回生制動モードにおいて電力蓄積装置の形の補助的な電源VAに電力を供給するために、図6の第2の一次三相インタリーブスイッチモードバックブーストDC/DC電力コンバータ18fの動作を制御するゲート制御信号28aのタイミング図90である。コントローラ28は適切な制御信号28aをタイミング図90に基づいて第2の一次三相インタリーブスイッチモードバックブーストDC/DC電力コンバータ18fのパワー半導体スイッチS10〜S12,S21〜S23に供給するための命令を実行することができる。またタイミング図90は、第2の一次三相インタリーブスイッチモードバックブーストDC/DC電力コンバータ18fのブーストインダクタL4〜L6を介する電流IL4〜IL6の変化をそれぞれ時間に関して示している。
幾つかの実施形態においては、第1の一次電源V1および第2の一次電源V2は燃料電池または光電池のアレイのような1つまたは複数のエネルギ形成型の電源でよい。
例えば、図13は燃料電池システム100a,100bの形の第1の一次電源V1および第2の一次電源V2を示し、これらの燃料電池システムはそれぞれ燃料電池スタック102a,102bおよび付属の動作用構成要素(総称して周辺機器(balance of plant)またはBOPと表す)104a,104bを有する。BOP104a,104bはコントローラ106a,106b、1つまたは複数のセンサ108a,108b、1つまたは複数のアクチュエータおよび/またはバルブ110a,110b、燃料または空気を燃料電池スタック102a,102bに供給するための反応物供給系112a,112b、および燃料電池スタック102a、102bの温度を制御するための冷却系114a,114bを包含することができる。
コントローラ106a,106b(以下では総称して106で表す)は、燃料電池システム100a,100b(以下では総称して100で表す)を制御するための物理的に組み込まれた回路および/または付属のメモリを有する、または有していない1つまたは複数のマイクロプロセッサ、DSP、ASICSでよい。センサ108a,108b(以下では総称して108で表す)は酸素センサ、水素センサ、流量センサ、圧力センサ、湿度センサ、バルブ位置センサおよび/または温度センサなどの種々の形をとることができるが、これらに制限されるものでもない。アクチュエータおよび/またはバルブは種々のタイプのアクチュエータ、例えばソレノイドまたは接触器、また燃料電池スタック102a,102b(以下では総称して102で表す)、また1つまたは複数の燃料源および/または他の反応物源との間の流体伝達を制御するための種々のタイプのバルブを包含することができる。反応物供給系112a,112b(以下では総称して112で表す)は、例えば空気を燃料電池スタック102に供給するため、および/または、水素のような燃料を燃料電池スタック102に供給するための1つまたは複数のコンプレッサおよび/またはファン、並びに付属のバルブおよびアクチュエータ110a,110b(以下では総称して110で表す)を包含することができる。冷却系114a,114b(以下では総称して114で表す)は、燃料電池スタック102の温度を許容動作温度範囲内に維持するために空気のような冷媒または冷却液を循環させるための1つまたは複数のファンまたはコンプレッサを包含することができる。
また例えば図14は、本発明の実施形態による、それぞれが燃料電池スタック102a,102bの形の第1の一次電源V1および第2の一次電源V2を示し、これらの一次電源は幾つかのBOP104、例えばコントローラ106および/またはセンサ108および/またはアクチュエータ/バルブ110を共有することができる。
別の例として図15は、本発明の別の実施形態による、実質的に全てのBOP104を共有する単一の燃料電池スタック102の形の第1の一次電源V1および第2の一次電源V2を示す。図15の実施形態は単一の燃料電池スタック102の端部の間に電気的に接続されている中央タップ116を包含する。中央タップ116は典型的に燃料電池スタック102の中点に接続されるので、それにより燃料電池スタックの各部分102c,102dは近似的に等しい電圧を供給するが、幾つかの実施形態においては中央タップ116を燃料電池スタック102の別の点に接続することもできる。便宜上、図15の実施形態を電圧分割型および/または中央タップ型の燃料電池スタックと称し、正のDCバスおよび負のDCバスまたはAC電力インバータには別個に給電が行われる。
択一的に、上記において図6を参照して説明したように、1つまたは複数の一次電源V1,V2は蓄電池のアレイおよび/またはスーパーキャパシタまたはウルトラキャパシタのアレイのような1つまたは複数のエネルギ蓄積装置でよい。
補助的な電源VAは典型的に蓄電池のアレイおよび/またはスーパーキャパシタまたはウルトラキャパシタのアレイのような1つまたは複数のエネルギ蓄積装置である。択一的に幾つかの実施形態において、補助的な電源VAは1つまたは複数の電力形成装置、例えば燃料電池または光電池でよい。
一次電源V1,V2が1つまたは複数の燃料電池スタック102であれば、非動作電力損(non-operating power loss ; NOPL)を除去するための1つまたは複数の燃料電池スタック102を介する短絡経路が一時的に形成されるようコントローラ28をコンフィギュレートすることができる。そのような動作は、2003年5月6日に出願された米国特許出願第10/430,903号、発明の名称「METHOD AND APPARATUS FOR IMPROVING THE PERFORMANCE OF A FUEL CELL ELECTRIC POWER SYSTEM」に詳細に記載されている。別個の燃料電池スタック102a,102b、または別個の部分102c,102dを有する燃料電池スタック102を使用することにより、一方の電源から電力を取り出している間は他方の燃料電池スタックまたは部分を短絡させることができ、これによりシステムの全体の性能に著しい影響が及ぼされることなく、性能およびスタートアップについての利点が得られる。
燃料電池スタック102を短絡することにより、寒い気候条件、例えば水の凝固点0℃に近いかそれ以下の条件においてより高速なスタートアップ、すなわち始動が実現される。燃料電池スタック102を短絡することにより、その他の場合ではスタートアップが不可能であるほどの非常に寒い気候条件、例えば−30℃でのスタートアップが実現される。この点に関して、燃料電池はより低い電池電圧において高速に暖められ、これにより水素単位当たりより多くの熱を発生させることができ、またより高い電流を取り出せるということを言及しておく。このことは、上述のトポロジの内の少なくとも幾つかのトポロジによって燃料電池スタック102が非常に低い電圧において動作するということにより実現される。したがって、凍結条件またはほぼ凍結条件におけるスタートアップの間に「余剰の」ブーストが行われることにより燃料電池スタック102の内部加熱が最大になり、他方ではヒータ(図示せず)のような抵抗性の構成要素に余剰な電流を「ダンプする」必要性は低減される。これによりヒータを省略することができる。ヒータは多量の熱をシステムに加え、またスタートアップ時間はヒータから燃料電池スタック102に熱を伝達するのに要する時間よりも短い可能性があるので、ヒータは凍結条件またはほぼ凍結条件において殊に有用というものではない。
図16は、本明細書において説明するアプローチ、また上記において図13〜15を参照して説明した実施形態の内の少なくとも幾つかを用いる用途に適した燃料電池システムに関するトポロジを示す。第1の燃料電池スタック102eは第2の燃料電池スタック120fと電気的に並列に接続されている。第3の燃料電池スタック102gは第4の燃料電池スタック120hと電気的に並列に接続されている。燃料電池スタック102e,102fからなる第1の組は燃料電池スタック102g,102hからなる第2の組と電気的に直列に接続されている。各燃料電池スタック102e〜102hが130Vの電圧を形成する場合、燃料電池スタックの組み合わせは全体で260V(すなわち130Vの並列回路+130Vの並列回路)のオープン回路電圧(OCV)を有することができる。したがって、多重供給型のアプローチは単一供給型のアプローチを介してOCVをほぼ半分にする。
図17は、電気自動車またはハイブリッド車の実施形態における、図1の電力変換システム12aに類似する電力変換システム12gの概略図であり、電力変換システム12gの種々の電力形成用構成素子、電力蓄積用構成素子および電力変換用構成素子を協働して制御する種々のコントローラが示されている。
図17に示されているように、幾つかの実施形態においては制御を種々の制御システム間で調整することができる。例えば、電力変換システムコントローラ28は、制御信号28aを一次DC/DC電力コンバータ16,18に供給するために接続されているデュアルフィードバックおよびインバータ/モータコントローラ28c、並びに補助的な電力コンバータ、例えば補助的な電力コンバータ30に制御信号28aを供給するために接続されている高電圧(HV)エネルギコントローラ28dを包含することができる。付加的に、燃料電池システム100はこの燃料電池システム100を動作させるための1つまたは複数の燃料電池システムコントローラ106を包含することができる。デュアルフィードバックおよびインバータ/モータコントローラ28c、HVエネルギコントローラ28dおよび燃料電池システムコントローラ106は、電気機械14および/または一次電源V1,V2および/または補助的な電源VAの種々の動作条件に基づき、種々の電源および/または一次電力コンバータ16,18,24および/または補助的な電力コンバータ30を制御するために、1つまたは複数の相手先商標製品製造会社(OEM)自動車およびエネルギ管理コントローラ150と協働することができる。種々のコントローラ28c,28d,150および106間の通信をコントローラエリアネットワーク(CAN)バス152のような通信バスを介して行うことができる。
例えば、電気機械14が電気自動車またはハイブリッド車の主電動機である場合、OEM自動車およびエネルギ管理コントローラ150は、アクセルペダルのようなスロットルの位置および/またはブレーキペダルのようなブレーキアクチュエータの位置を含む種々の要素に基づき、所定のトルク電流Iqおよび/または磁束電流Idを要求する命令としての電流を形成することができる。その命令に応答して、デュアルフィードバックおよびインバータ/モータコントローラ28cは一次電力コンバータ16,18,24のゲートに適切なゲート信号を印加することにより電気機械14に要求された電流Iq,Idを供給する、および/または、補助的な電力コンバータ30に電気機械14への電力の増加または低減を実施させる。
またその命令に応答してHVエネルギコントローラ28dは、要求される電力または余剰電力における変化を必要に応じて迅速に適合させるために、ハイサイドDC電力バス26(図1および図4を参照されたい)に付加的な電力を供給するか、余剰電力を低減することができる。またその命令に応答して燃料電池システムコントローラ106は、例えば、要求される電力または余剰電力における変化をHVエネルギコントローラ28d、補助的な電源VAおよび補助的な電力コンバータ30の応答よりも緩慢に適合させるために、燃料電池スタック102への燃料および/または空気または酸素の流れを加速または減速することができる。
付加的または択一的に燃料電池システムコントローラ106は、燃料電池スタック102が僅かな電力しか形成しない、または電力を形成しない場合、1つまたは複数の燃料電池スタック102をスタンバイモードまたはオフモードにすることができる。例えば電気自動車またはハイブリッド車が比較的長い期間にわたり高速且つ低トルクで動作している場合、または比較的長い期間にわたり惰性走行または制動している場合でのそのような動作は全体の効率を高めることができる。
図18および図19は、電気的に絶縁性の材料から形成されているハウジング32を包含している電力モジュール32aを示す。ハウジング32は上述の電力変換システム12の全てまたは一部のための筐体を提供することができる。
ハウジング32は、一次電力コンバータ16,18,24および/または補助的な電力コンバータ、例えば補助的な電力コンバータ30の種々のパワー半導体デバイスを支持するコールドプレート202に液冷システムを提供する筐体または流路200を提供することができる。コールドプレート202はピンフィン型のアルミニウムシリコンカーバイド(ALSIC)プレートでよい。
ALSICプレートの使用はパワー半導体デバイスが実装されている基板204の熱膨張特性に極めて適しており、したがって熱循環に関連する亀裂および空隙の変形が低減される。図示されている実施形態は注入口206および排出口208を介してコールドプレート202の液冷システムを使用する。
図18および図19に示されているようにハウジング32はゲートドライバボード210をハウジングすることもでき、このゲートドライバボード210はコントローラ28の一部を形成することができるか、コントローラ28と種々の能動的なパワー半導体デバイス、例えばパワー半導体スイッチS1〜S12,S19〜S23との間の媒介物として使用することができる。
やはり図18および図19に示されているように、少なくとも1つの実施形態においては、キャパシタC1,C2またはCIは1つまたは複数の高周波キャパシタ212およびバルクキャパシタ214でよく、これらは種々の高電力用途、例えば電気自動車またはハイブリッド車の主電動機への電力の供給に適している。高周波キャパシタ212およびバルクキャパシタ214は有利には、比較的廉価で小型のフットプリントのオプションを既存の電力コンバータに提供する。
高周波キャパシタ212は電解キャパシタではなくフィルムキャパシタでもよい。高周波キャパシタ212を種々のクリップおよび/またはクランプおよび/または締結具を介してゲートドライバボード210に隣接させて物理的に結合させることができる。これにより電流の低周波成分に対する密結合の低インピーダンス経路が提供される。高周波キャパシタ212をハウジング32の一部と重ならせることができ、またゲートドライバボード210を介して延ばすことができるバスバーの端子部を介して、一次DCバスバー34a〜34cおよび/または補助的なバスバーP,Nと電気的に接続することができる。
バルクキャパシタ214は電解キャパシタまたはフィルムキャパシタ、例えばポリマーフィルムキャパシタでよく、またこのバルクキャパシタ214を種々のクリップおよび/またはクランプおよび/または締結具を介してゲートドライバボード210に隣接させて物理的に結合させることができる。バルクキャパシタ214を端子部を介して一次DCバスバー34a〜34cと電気的に接続させることができる。択一的に、DC相互接続により、バルクキャパシタ214のアノードを高周波キャパシタ212のアノードと電気的に接続することができ、またバルクキャパシタ214のカソードを高周波キャパシタ212のカソードと電気的に接続することができる。
バルクキャパシタ214および高周波キャパシタ212を一次DCバスバー34a〜34c(図2を参照されたい)と密結合することにより、典型的には一次DCバスバー34a〜34cに関連するバスバーの問題を回避することができ、また過電圧(すなわちスナバ)キャパシタを除去することができる。高周波キャパシタ212はスイッチト電流の高周波成分に対する超低インピーダンス経路を提供する。このことは、電力モジュール32aのハウジング32の外部にある1つまたは複数の個別パッケージ内に配置されている個別高周波経路(頻繁に「減結合」または「スナバ」経路と称される)の提供と比較することができる。そのような外部に存在する経路は顕著な浮遊インダクタンスを含んでいたので、個別パッケージは大きいものであった。例えば1つの実施形態において個別キャパシタは1μFである。しかしながら、高周波キャパシタ212を包含させることはより良好な効果を提供するが、それは50nF(キャパシタンスの5%)に過ぎない。さらにこれによりキャパシタを小さくすることができ、そのような小さいキャパシタは電力モジュール32aの大きさに著しい影響を与えることはないので、外部のハードウェアおよび体積の要求についての必要性を除去することができる。高周波キャパシタおよびバルクキャパシタの使用に関する詳細は、2003年9月17日に出願され、本発明の譲受人に譲渡された米国特許願第10/664,808号に記載されている。
BOPおよび燃料電池システムの動作に関するさらなる詳細は以下の一連の米国特許出願に記載されている:出願番号第09/916,241号、発明の名称「Fuel Cell Ambient Environment Monitoring and Control Apparatus and Method」、出願番号第09/916,117号、発明の名称「Fuel Cell Controller Self-Inspection」、出願番号第10/817,052号、発明の名称「Fuel Cell System Method, Apparatus and Scheduling」、出願番号第09/916,115号、発明の名称「Fuel Cell Anomaly Detection Method and Apparatus」、出願番号第09/916,211号、発明の名称「Fuel Cell Purging Method and Apparatus」、出願番号第09/916,213号、発明の名称「Fuel Cell Resuscitation Method and Apparatus」、出願番号第09/916,240号、発明の名称「Fuel Cell System Method, Apparatus and Scheduling」、出願番号第09/916,239号、発明の名称「Fuel Cell System Automatic Power Switching Method and Apparatus」、出願番号第09/916,118号、発明の名称「Product Water Pump for Fuel Cell System」、出願番号第09/916,212号、発明の名称「Fuel Cell System Having a Hydrogen Sensor」、出願番号第10/017,470号、発明の名称「Method and Apparatus for Controlling Voltage from a Fuel Cell System」、出願番号第10/017,462号、発明の名称「Method and Apparatus for Multiple Mode Control of Voltage from a Fuel Cell System」、出願番号第10/017,461号、発明の名称「Fuel Cell System Multiple Stage Voltage Control Method and Apparatus」、出願番号第10/440,034号、発明の名称「Adjustable Array of Fuel Cell Systems」、出願番号第10/430,903号、発明の名称「Method and Apparatus for Improving the Performance of a Fuel Cell Electric Power System」、出願番号第10/440,025号、発明の名称「Electric Power Plant With Adjustable Array of Fuel Cell Systems」、出願番号第10/440,512号、発明の名称「Power Supplies and Ultracapacitor Based Battery Simulator」および出願番号第60/569,218号、発明の名称「Apparatus and Method for Hybrid Power Module Systems」、並びに2004年6月23日に出願された出願番号第10/875,797号。
図20は、少なくとも1つの実施形態による、図2に類似する電力モジュール32aの一部を示す。
電力モジュール32aは一次正DCバスバー34a、一次負DCバスバー34bおよび一次中性DCバスバー34cを包含する。一次DCバスバー34a〜34cまたはそれらバスバーの端子部はそれぞれ電力モジュール32aのハウジング32(図2,3,5および6を参照されたい)の外部からアクセス可能であり、例えばブーストインダクタL1〜L6(図2,3,5および6を参照されたい)を介して一次電源V1,V2と電気的に接続される。幾つかの実施形態においては、ブーストインダクタL1〜L6をハウジング32内にハウジングすることができるので、一次正DCバスバー34aおよび一次負DCバスバー34bにハウジング32の外部からアクセス可能である必要はない。幾つかの実施形態においては、例えばブーストインダクタL1〜L6が基板内に集積されている場合、一次正DCバスバー34aおよび一次負DCバスバー34bの端子部を一次電源V1,V2とインダクタL1〜L6との間に配置することができる。
一次DCバスバー34a〜34cはDC/DC電力コンバータ16,18のパワー半導体ダイオードD1〜D6(以下では総称してDで表す)およびパワー半導体スイッチS7〜S12(以下では総称してSP1,SP2で表す)と、基板、例えばダイまたはDBC(direct bonded copper)または類似する基板のワイヤボンディングおよび/または導電部を介して接続される。そのような基板を、例えばそれぞれの部分に表面実装することができるそれぞれのデバイスに電流を供給するための電気的に絶縁された部分を有するように成形(エッチングまたはデポジット)することができる。ハウジング32は、例えばコントローラのゲートドライバボードからDC/DC電力コンバータ16,18のパワー半導体スイッチSP1,SP2にゲート制御信号28aを供給するコントローラ28(図1および図4を参照されたい)との電気的な接続を可能にするゲート端子の第1のセット250を有することができる。
電力モジュール32aは正の補助的なDCバスバーPおよび負の補助的なDCバスバーNも包含する。正の補助的なDCバスバーPおよび負の補助的なDCバスバーNまたはそれらバスバーの端子部はそれぞれ電力モジュール32aのハウジング32(図2,3,5および6を参照されたい)の外部からアクセス可能であり、例えば補助的な電力コンバータ30(図2を参照されたい)を介して補助的な電源VAと電気的に接続される。例えば補助的な電源VAが省略されている幾つかの実施形態では、正の補助的なDCバスバーPおよび負の補助的なDCバスバーNを省略することができる。正の補助的なDCバスバーPおよび負の補助的なDCバスバーNはDC/DC電力コンバータ16,18のパワー半導体ダイオードDおよびパワー半導体スイッチSP1,SP2と、基板、例えばDBCまたは類似する基板のワイヤボンディングおよび/または導電部を介して接続される。
さらに電力モジュール32aはAC相端子36a〜36cを包含し、これらのAC相端子36a〜36cはハウジング32(図2,3,5および6を参照されたい)の外部からアクセス可能であり、電気機械14(図1から図6を参照されたい)と電気的に接続される。図20の電力モジュール32aの図示されている部分には単に2つのAC相端子36a,36bしか描かれていないが、幾つかの実施形態は電力モジュール32aと電気機械14との間において多相のAC電力を電気的に結合するための3つまたはそれ以上のAC相端子を包含することができる。例えば、多くの用途は三相AC電力を使用することができる。AC相端子36a、36bはDC/AC電力コンバータ24のパワー半導体スイッチS1〜S6(分かり易くするために図19では省略されている)と基板、例えばDBCまたは類似する基板のワイヤボンディングおよび/または導電部を介して接続される。例えばパワー半導体スイッチS1〜S6を位置252a〜252dにおいて基板に表面実装することができる。ハウジング32は、DC/AC電力コンバータ24のパワー半導体スイッチS1〜S6にゲート制御信号28aを供給するコントローラ28との電気的な接続を可能にするゲート端子の第2のセット254を有することができる。
図21Aは、電力モジュール32において使用されるワイヤボンディングの数を制限するために3次元配置の3つの基板を使用する、本発明の1つの実施形態による電力モジュール32aの単相に関するトポロジを示す。
第1の基板260と、この第1の基板260に平行な第2の基板261はそれぞれDC/AC電力コンバータ24の構成要素を支持する。例えば、第1の基板260および第2の基板261はIGBTの形のパワー半導体スイッチS1,S2および付属の個別逆並列ダイオードDAPを支持することができる。図示されている実施形態においては、パワー半導体スイッチS1,S2が電気的に並列に接続されている4つのIGBTとしてそれぞれ実施されていることを言及しておく。また図示されている実施形態においては、各IGBTに対して2つの逆並列ダイオードDAPが設けられていることを言及しておく。
図21Dに最も良く示されているように、第1の基板260および第2の基板261は、それぞれが例えば銅層を包含することができる上部導電層260bと下部導電層260cによって挟み込まれているセラミック層260aを包含する多層基板、例えばDBC基板でよい。図21Bに最も良く示されているように、第1の基板260および第2の基板261の導電層260b,260cは幾つかの構成要素を他の構成要素と電気的に接続するため、また幾つかの構成要素を他の構成要素から電気的に絶縁するための電気的なパターン、トレースまたは接続部を形成するためにパターニングされている。殊に上部導電層260bを、IGBTおよび逆並列ダイオードDAPが表面実装される種々の導電性領域を形成するためにパターニングすることができる。再び図21Aを参照すると、第3の基板262は第1の基板260および第2の基板261と重なっていることが分かる。第3の基板262はDC/DC電力コンバータ16,18の構成要素、例えば半導体スイッチS7,S10および付属の逆並列ダイオードD1,D4(分かり易くするために図面においては殊に2つのみ参照符号が付与されている)を支持する。図示されている実施形態においては、パワー半導体スイッチS1,S2が電気的に並列に接続されている4つのMOSFETと付属のボディダイオードとしてそれぞれ実施されており、またダイオードD1,D4が電気的に並列に接続されている6つの半導体ダイオードとしてそれぞれ実施されていることを言及しておく。また図21Aは複数のワイヤボンディング、例えばDCバスバー34a〜34c,N,PおよびAC相端子36aを基板260,261,262と電気的に接続するワイヤボンディング、並びに種々の構成要素を相互に接続する、または種々の領域と電気的に接続するワイヤボンディングを示している。したがって、ワイヤボンディングは除去されていないが、このトポロジにおいては有利にはワイヤボンディングの数が低減されている。
図21Dに最も良く示されているように、第3の基板262は、例えば銅層を包含することができる上部導電層262bと下部導電層262cによって挟み込まれているセラミック層262aを包含する多層基板、例えばDBC基板でよい。第3の基板262の上部導電層262bおよび下部導電層262cは幾つかの構成要素を他の構成要素と電気的に接続するため、また幾つかの構成要素を他の構成要素から電気的に絶縁するための電気的なパターン、トレースまたは接続部を形成するためにパターニングされている。殊に図21Cに最もよく示されているように、第3の基板262の上部導電層262bは、MOSFETおよびダイオードDAPが表面実装される種々の導電性領域を形成するためにパターニングされている。第3の基板262の下部導電層262cは第1の基板260および第2の基板261の上部導電層260bとはんだ付けされている。したがって図21Eに最も良く示されているように、第3の基板262の下部導電層262cは種々の導電性領域間に短絡経路が偶発的に生じることを回避するために、第3の基板262が載置される第1の基板260および第2の基板261の導電性の上部層260bのパターニングされた部分とほぼ整合するようにパターニングされるべきである。絶縁層262aを貫通して延びており第3の基板262に形成されるバイア264(白抜きの円で示されているが、分かり易くするために図面においてはその内の幾つかのみを別個に示している)は、第3の基板262の下部導電層262cを介する第1の基板260および第2の基板261の上部導電層260bと第3の基板262の上部導電層262bとの間の電気的な結合部(中黒の円で示されているが、分かり易くするために図面においてはその内の幾つかのみを別個に示している)を提供する。
上記のトポロジはその他の場合に使用される多数のワイヤボンディングを除去するためにパターン、トレースまたは接続部および/またはバイアを使用する。必要とされるワイヤボンディングの数を減らすことによって電力モジュール32aのフットプリントが低減され、また個別の要素(ワイヤボンディング)の数およびそれらのワイヤボンディングの取付けに関連するステップの数を減らすことによってコストおよび/または複雑性を低減することができる。電力モジュール32aの他の位相も同様のトポロジを使用することができる。
図22は別の実施形態による電力モジュール32bを示す。
電力モジュール32bは3つの一次正DCバスバー34a1〜34a3のセット、一次負DCバスバー34b1〜34b3のセットおよび一次中性DCバスバー34cを包含する。一次正DCバスバー34a、一次負DCバスバー34bおよび一次中性DCバスバー34cまたはそれらバスバーの端子部はそれぞれ電力モジュール32bのハウジング32(図2,3,5および6を参照されたい)の外部からアクセス可能であり、例えばブーストインダクタL1〜L6(図2,3,5および6を参照されたい)を介して一次電源V1,V2と電気的に接続される。幾つかの実施形態においては、ブーストインダクタL1〜L6をハウジング32内にハウジングすることができるので、一次正DCバスバー34aおよび一次負DCバスバー34bにハウジング32の外部からアクセス可能である必要はない。幾つかの実施形態においては、例えばブーストインダクタL1〜L6が基板内に集積されている場合、一次正DCバスバー34aおよび一次負DCバスバー34bを一次電源V1,V2とインダクタL1〜L6との間に配置することができる。
一次DCバスバー34a〜34cはDC/DC電力コンバータ16,18のパワー半導体ダイオードD1〜D6(図2,3,5および6を参照されたい)およびパワー半導体スイッチS7〜S12,S19〜S23(分かり易くするために図22においては別個には示していないが、以下では総称してSP1,SP2で表す)と、基板、例えばDBCまたは類似する基板のワイヤボンディングおよび/または導電部を介して接続される。そのような基板を、例えばそれぞれの部分に表面実装することができるそれぞれのデバイスに電流を供給するための電気的に絶縁された部分を有するように成形することができる。ハウジング32は、DC/DC電力コンバータ16,18(図2,3,5および6を参照されたい)のパワー半導体スイッチS7〜S12,S19〜S23にゲート制御信号28aを供給するコントローラ28(図1および図4を参照されたい)との電気的な接続を可能にするゲート端子の第1のセット250を有することができる。
電力モジュール32aは正の補助的なDCバスバーPおよび負の補助的なDCバスバーNも包含する。正の補助的なDCバスバーPおよび負の補助的なDCバスバーNまたはそれらバスバーの端子部はそれぞれ電力モジュール32aのハウジング32(図2,3,5および6を参照されたい)の外部からアクセス可能であり、例えば補助的な電力コンバータ30(図2を参照されたい)を介して補助的な電源VAと電気的に接続される。例えば補助的な電源VAが省略されている幾つかの実施形態では、正の補助的なDCバスバーPおよび負の補助的なDCバスバーNを省略することができる。正の補助的なDCバスバーPおよび負の補助的なDCバスバーNはDC/DC電力コンバータ16,18のパワー半導体ダイオードDおよびパワー半導体スイッチSP1,SP2と、基板、例えばDBCまたは類似する基板のワイヤボンディングおよび/または導電部を介して接続される。キャパシタC1,C2(図1から図3を参照されたい)を一次中性DCバスバー34cと正の補助的なDCバスバーPおよび負の補助的なDCバスバーNとの間にそれぞれ接続することができる。
さらに電力モジュール32aはAC相端子36a〜36cを包含する。AC相端子36a〜36cまたはそれらの端子部はハウジング32(図2,3,5および6を参照されたい)の外部からアクセス可能であり、電気機械14(図1から図6を参照されたい)と電気的に接続される。各AC相端子36a、36bは多相のAC電力の各位相を電力モジュール32と電気機械14との間において電気的に結合させることができる。AC相端子36a〜36cはDC/AC電力コンバータ24のパワー半導体スイッチS1〜S6(分かり易くするために図22では別個に示していないが、総称してSP1,SP2表されている)と、基板、例えばDBCまたは類似する基板のワイヤボンディングおよび/または導電部を介して接続される。ハウジング32は、DC/AC電力コンバータ24のパワー半導体スイッチS1〜S6(図2,3,5および6を参照されたい)にゲート制御信号28aを供給するコントローラ28との電気的な接続を可能にするゲート端子の第2のセット254を有することができる。
図23Aは、電力モジュール32aにおいて使用されるワイヤボンディングの数を制限するために3次元配置の5つの基板を使用する、本発明の1つの実施形態による電力モジュール32aの単相に関するトポロジを示す。
第1の基板270および第2の基板271はそれぞれ第1の一次DC/DC電力コンバータ16およびDC/AC電力コンバータ24の構成要素を支持する。例えば、第1の基板270および第2の基板271は、パワー半導体スイッチおよび付属の逆並列のダイオードS7並びにダイオードD1、またIGBTの形のパワー半導体スイッチS1および付属の個別逆並列ダイオードDAPを支持することができる。同様に、第3の基板272および第4の基板273はそれぞれ第2の一次DC/DC電力コンバータ18およびDC/AC電力コンバータ24の構成要素を支持する。例えば、第3の基板272および第4の基板273は、パワー半導体スイッチおよび付属の逆並列のダイオードS10並びにダイオードD4、またIGBTの形のパワー半導体スイッチS2および付属の個別逆並列ダイオードDAPを支持することができる。図示されている実施形態においては、パワー半導体スイッチS1,S2が電気的に並列に接続されている4つのIGBTとしてそれぞれ実施されていることを言及しておく。また図示されている実施形態においては、各IGBTに対して2つの逆並列ダイオードDAPが設けられていることを言及しておく。また、図示されている実施形態においては、パワー半導体スイッチS1,S2が電気的に並列に接続されている4つのMOSFETと付属のボディダイオードとしてそれぞれ実施されており、またダイオードD1,D4が電気的に並列に接続されている6つの半導体ダイオードとしてそれぞれ実施されていることを言及しておく。
第1の基板270、第2の基板271、第3の基板272および第4の基板273は、図21Dに図示されている基板に類似する多層基板、例えばDBC基板でよい。したがって第1の基板270、第2の基板271、第3の基板272および第4の基板273はそれぞれ、上部導電層260bと下部導電層260cによって挟み込まれているセラミック層260aを包含することができる。図23Bに最も良く示されているように、第1の基板270、第2の基板271、第3の基板272および第4の基板273の導電層260b,260cは幾つかの構成要素を他の構成要素と電気的に接続するため、また幾つかの構成要素を他の構成要素から電気的に絶縁するための電気的なパターン、トレースまたは接続部を形成するためにパターニングされている。殊に上部導電層260aを、IGBT S1、逆並列ダイオードDAP、MOSFETおよび付属の逆並列ダイオードS7,S10並びにダイオードD1,D4が表面実装される種々の導電性領域を形成するためにパターニングすることができる。再び図23Aを参照すると、第5の基板274は第1の基板270、第2の基板271、第3の基板272および第4の基板273と重なっていることが分かる。第5の基板274はメインバスとして機能する。第5の基板274は、図21Bに図示されている基板に類似する多層基板、例えばDBC基板でよい。したがって第5の基板274は上部導電層262bと下部導電層262cによって挟み込まれているセラミック層262aを包含することができる。第5の基板274の上部導電層262bおよび下部導電層262cは幾つかの構成要素を他の構成要素と電気的に接続するため、また幾つかの構成要素を他の構成要素から電気的に絶縁するための電気的なパターン、トレースまたは接続部を形成するためにパターニングされている。殊に、第5の基板274の下部導電層262cは第1の基板270、第2の基板271、第3の基板272および第4の基板273の上部導電層260bとはんだ付けされている。したがって、第5の基板274の下部導電層262cは種々の導電性領域間に短絡経路が偶発的に生じることを回避するために、第5の基板274が載置される第1の基板270、第2の基板271、第3の基板272および第4の基板273の上部導電層260bのパターニングされた部分とほぼ整合するようにパターニングされるべきである。絶縁層262aを貫通して延びており第5の基板274に形成されるバイア264(白抜きの円で示されているが、分かり易くするために図面においてはその内の幾つかのみを別個に示している)は、第5の基板274の下部導電層262cを介する第1の基板270、第2の基板271、第3の基板272および第4の基板273の上部導電層262bと第5の基板274の上部導電層262bとの間の電気的な結合部を提供する。
また図23Aは複数のワイヤボンディング、例えばDCバスバー34c,N,Pを基板270〜274と電気的に接続するワイヤボンディング、並びに種々の構成要素を相互に接続する、または種々の領域と電気的に接続するワイヤボンディングを示している。したがって、ワイヤボンディングは除去されていないが、このトポロジにおいては有利にはワイヤボンディングの数が低減されている。
この実施形態においては、第1の基板270、第2の基板271、第3の基板272および第4の基板273のそれぞれの領域が一次DCバスバー34a,34bおよびAC相端子36aとして使用される。適切なコネクタまたは端子をこれらの領域に実装することができる。
上記のトポロジはその他の場合に使用される多数のワイヤボンディングを除去するためにパターン、トレースまたは接続部および/またはバイアを使用する。必要とされるワイヤボンディングの数を減らすことによって電力モジュール32aのフットプリントが低減され、また個別の要素(ワイヤボンディング)の数およびそれらのワイヤボンディングの取付けに関連するステップの数を減らすことによってコストおよび/または複雑性を低減することができる。電力モジュール32aの他の位相も同様のトポロジを使用することができる。
要約に記載されている内容も含む上記の実施形態の説明は余すところなく述べることを意図したものではない、または開示されている精確な形状に本発明を制限するものではない。本明細書においては特定の実施形態および実施例が例示を目的として記載されているとはいえ、当業者であれば本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、種々の等価の修正を思いつくであろう。本明細書において開示されている教示を他の電力変換システムに適用することができるが、上記において一般的に説明した例示的な2つの一次DC/DC電力コンバータは必ずしも必要とはされない。例えば、特定の用途に適合できるように、電力変換システムは付加的な一次DC/DC電力コンバータまたは異なるトポロジを有する一次DC/DC電力コンバータを包含することができる。付加的または択一的に、図示されている実施形態は一次DC/DC電力コンバータ16,18に関して三相インタリーブDC/DC電力コンバータトポロジを一般的に示しているが、幾つかの実施形態は4つまたはそれ以上の位相レッグを有することができる。同様に、図示されている幾つかの実施形態は補助的なDC/DC電力コンバータ30に関して二相インタリーブDC/DC電力コンバータトポロジを一般的に示しているが、幾つかの実施形態は3つまたはそれ以上の位相レッグを有することができる。付加的または択一的に、電力変換システム12はDC/AC電力コンバータ24を省略することができるか、DC/ACコンバータ24に関して図面に示されているものとは異なるトポロジを使用することができる。
明細書および請求項において使用されているように、述語「パワー半導体デバイス」は、関連する用途の電力分配、例えば電力網または送電線に使用されるパワー半導体スイッチデバイス、パワー半導体ダイオードおよび他の同種のデバイスに関して大電流および/または高電圧および/または大容量の電力を処理するよう設計されている半導体デバイスを含む。上述のように、本明細書において説明した幾つかのパワー半導体スイッチ、例えばDC/DC電力コンバータ16,18の半導体スイッチS7〜S12は例えばMOSFETでよく、本明細書において説明した別の半導体スイッチ、例えばDC/AC電力コンバータ24の半導体スイッチS1〜S6はIGBTでよい。上述のように、MOSFETを使用することにより一次DC/DC電力コンバータ16,18は、その他の場合にIGBTを用いることにより可能とされるスイッチング周波数よりも高いスイッチング周波数で動作することができる。しかしながら幾つかの実施形態においては、殊にDC/DC電力コンバータ16,18の所望の動作周波数が非常に低い場合、DC/DC電力コンバータ16,18の半導体スイッチS7〜S12はIGBTまたは他の適切な速度のスイッチングデバイスでよい。さらに幾つかの実施形態においては、殊にコスト係数が許容されるのであれば、DC/AC電力コンバータ24の半導体スイッチS1〜S6はMOSFETでもよい。
上述のように、シリコンカーバイドダイオードを使用することにより一次DC/DC電力コンバータ16,18は、その他の場合に可能とされるスイッチング周波数よりも高いスイッチング周波数を許容する。DC/DC電力コンバータ16,18においてシリコンカーバイドダイオードおよびMOSFETを使用することにより約50kHz、またはそれ以上、例えば100kHzのスイッチング周波数が許容される。このことは、IGBTを使用するDC/AC電力コンバータ24の約10kHzのスイッチング周波数と比較することができる。シリコンカーバイドダイオードおよびMOSFETの使用により実現することができる比較的高いスイッチング周波数によって、その他の場合に使用されるものよりも小さいブーストインダクタL1〜L6を使用することができ、またより低いコスト、より小さいパッケージまたより軽い重量のような付随的な利点も得られる。
電気的に直列に接続されている2つの三相インタリーブスイッチモードコンバータを使用する実施形態においては、図2に示した例示的な回路のように、各インダクタには燃料電池の出力電流の1/3が流れる。しかしながらインダクタンスは慣例の三相インタリーブブーストコンバータと比べて(同一のリプル電流において)1/2である。電気的に直列に接続されている2つの三相インタリーブスイッチモードコンバータを用いる実施形態によって使用される6つの比較的小さいインダクタでもって、慣例の三相インタリーブブーストコンバータによって使用される3つの比較的大きいインダクタンスよりも、種々の実施形態に関してパッケージングの効率は改善されている。部分的に、改善されたパッケージング効率はその他のコンバータ構成要素に比べてこの比較的小さいインダクタの形状係数がより好適であることによる。
種々の実施形態においてブーストスイッチおよびダイオードは総DC/DC出力電圧の50%で動作する。例えば、250V〜430Vの範囲の総DC出力電圧に関して、コンバータの半分はそれぞれ125V〜215Vで動作する。300VのVDSSを有するデバイスの使用が許容されるようになる。300VのMOSFETは典型的に、600Vのデバイスの1/4のRDS_ONを有する。同様に300Vの超高速ダイオードは、600Vの超高速ダイオードの1/10の逆回復損失Qrrを有する。劇的に低減されたQrr損失に基づき、100kWコンバータに関して100kHzの動作が実現される。これらの改善点により効率が改善され、また熱ストレスが低減される。
幾つかの実施形態において逆並列型のパワー半導体ダイオードはパワー半導体スイッチの一部、例えばボディダイオードを構成することができ、他方では別の実施形態においてパワー半導体ダイオードは個別半導体デバイスでよい。典型的には単一のスイッチおよびダイオードとして図示されているが、本明細書において説明するパワー半導体スイッチおよび/またはダイオードはそれぞれ、電気的に並列に接続されている1つまたは複数のパワー半導体デバイスでよい。
以下では、システム全体の最適化および改善が大いに見込まれる、電源、電力変換システムおよび電気機械を単一のシステムとして扱うことができる装置および方法を詳細に説明する。このアプローチは、DC/DC電力コンバータ16,18の過剰なブースト比を要求することなく電気機械に所望の電圧を提供する固有の電力変換システム12のトポロジを使用して、電気機械の電圧に実質的に依存しない電源電圧を形成することによって実現される。これにより電力変換システム12のコストを著しく低減することができる、および/または、電力変換システム12の効率を著しく改善することができる。
例えばこのアプローチにより新たな電源設計、例えば別個の燃料電池スタックまたは中央タップ型の燃料電池スタックのような新たな燃料スタック設計が可能になる。つまり比較的大きい燃料電池スタックに関連する問題、例えばシーリングおよび機械的な公差の問題を緩和または除去することができる。また電気的なターンダウンと流体的なターンダウンを良好に整合させることができ、例えば各燃料電池スタック102a,102bまたは燃料電池スタックの各部分102c,102dがアイドル状態において過ごす時間はほぼ半分になる。各燃料電池スタック102a,102bまたは燃料電池スタックの各部分102c,102dは半分のターンダウン比を有することができ、これによりアイドル電流密度が倍化される。つまり、殊に燃料電池スタックがPEM燃料電池である場合には、寿命の延長および信頼性の向上における有効な効果が得られる。また、システムが燃料電池スタックの内の1つのみから供給される電力を使用して動作し、他の燃料電池スタックまたはシステムが動作不能である場合には「リンプホーム」機能が提供される。また有利には、低温度、殊に水が凍る温度付近またはそれ以下の温度における燃料電池スタックのスタートアップについての問題を解決することができる。
一般的に、燃料電池は負荷が増すに連れ低減する電圧を形成する。以下説明する実施例に関しては、重負荷条件時の設計は電圧が200V(半分のスタックそれぞれに関して100V)に向かって降下することを想定する。軽負荷時には、実施例の設計は燃料電池電圧が約400Vに増加し、全ての構成要素を流れる電流は低減することを想定する。したがって、全負荷動作条件は二重供給型のコンバータについての最悪の設計点を決定する。この実施例に関して、設計の目標は以下の通りである:
PFC_out=100kW
VFC1=VFC2=100V
VPN=250V〜430V。
PFC_out=100kW
VFC1=VFC2=100V
VPN=250V〜430V。
目標出力電圧が設定されている場合、この実施形態に関するデューティサイクルは上記式(1)により求められる。VPNが高くなればなるほど、デューティサイクルDは大きくなる。ここでインダクタのリプル電流を無視すれば、スイッチS7〜S12のRMS電流およびダイオードD1〜D6のRMS電流を次式に従い計算することができる:
図24は、一例としてのMOSFETスイッチに関して、RMS電流およびダイオード平均電流を実施例において使用される100kWの入力電力および200Vの総スタック入力電圧での出力電圧について示したグラフ2400である。所定のこれらの動作条件において、適切なMOSFETおよびダイオードが選択される。MOSFETに関する「最悪」の電流は430Vの出力電圧における122Armsであると想定し、他方でダイオードの「最悪」の条件は250Vの出力電圧における134Aavgであると想定する。
この実施例に関して、MOSFETおよびダイオードの伝導損の計算は直接的なものである。その式は(5)および(6)に示されている。各スイッチおよびダイオードに関して図5に示されている損失はPFC=100kWでのTj=125℃におけるRDS_ONおよびVfの値を使用して計算される。
損失成分を合計することによって、あらゆる所定の動作点についての総シリコン損失を求めることができる。図25は、6つのスイッチ/ダイオードペアそれぞれに関して、200Vの入力電圧についての一例としてのMOSFETおよびダイオードの伝導損、並びにダイオード逆回復損失を全ての出力電圧に対して表すグラフ2500である。シリコン損失が所定のものであり、且つインダクタのオーム損失およびその他のオーム損失を想定すれば、総全負荷効率を求めることができる。
図26は、100kWの入力電力、200Vの入力電圧および250V〜430Vの範囲の出力電圧を想定した、上述の実施例に関する効率マッピングを表すグラフ2600である。この設計に関して全負荷効率は98.1〜98.5%で変化し、ブースト比の上昇と共に低下する。
図25においては、ダイオード逆回復損失がダイオード伝導損に関して、100kHzのスイッチング周波数でさえも非常に小さいということを言及しておく。上述のように、300Vのデバイスは600Vのデバイスに比べて約1/10のQrrを有する。このことは種々の二重供給型の設計の実施形態の著しい利点を表す。600Vダイオードを使用する慣例のデバイスでは、ダイオード伝導損を遥かに上回り、また全体の効率に対して著しい影響を有するほどの大きさの逆回復損失の上昇が生じる。実際には、慣例のデバイスへの600Vダイオードの使用が強いられることにより遥かに低いスイッチング周波数を用いなければならず、またインダクタおよびキャパシタの設計に関して不利な結果が生じる。
種々の実施形態はシリコンカーバイド(SiC)デバイスを使用することができる。SiCに関する利点には、シリコンよりも3倍高い熱伝導率、より高い温度での動作能力、またシリコンまたはヒ化ガリウムの10倍の絶縁破壊電界が含まれる。エネルギバンドギャップの幅が広い半導体であれば、SiCの実施形態は高周波用途また電力密度が重要な用途により良好に適している。
SiCショットキーデバイスを使用する実施形態は、300V〜600Vの電圧範囲で動作するこのDC/DC電力コンバータのような用途においては優れた過渡特性を示し、また逆回復電流は最小値に低減される。より高い周波数での動作に付随する利点には、より小さいインダクタを使用できること、またEMIの発生を最小にするために成分のフィルタリングを低減できることが含まれる。シリコンダイオードのコストとSiCダイオードのコストの間における所定の現在の経済的なトレードオフでは、幾つかの実施形態は高い電流での動作を達成するために並列な複数のSiCデバイスを使用することができる。SiCデバイスの正の温度係数は並列化にとって好適である。しかしながら並列化されたSiCデバイスは動作温度の上昇と同じ電流値については大きいVf伝導損を伴う。n領域における再結合中心のライフタイム制御を改善するための超高速シリコンダイオードの処理における進歩により、超高速SiダイオードはSiCデバイスの主たる利点と比較しても殆ど遜色はなくなる。したがってSiCデバイスを使用する実施形態は著しく低いQrr逆回復エネルギおよびこの回復のtb領域における制御されたターンオフを有する。またこれらはシリコンの負の温度効果によって高められるより低いVf伝導損を特徴付ける。本明細書において2つのタイプのダイオードの比較はシステムレベルで実施された。2つの部品の特徴は表2にまとめられている。
表2におけるこれらの上記のデバイスの顕著な特性は順方向降下および逆回復電荷である。上述の実施形態においては、「最悪」の条件は最小入力電圧での全負荷である。2つのダイオードを使用する実施形態を比較するために、図27には2つのダイオードに関する総伝導損および逆回復損失が全ブースト範囲にわたり示されている。図27は、SiCダイオードに関する逆回復損失は超高速Siダイオードよりも遙かに良好であるが、導電損失に関してはSiダイオードが有利であることを示すグラフ2700である。
このコンバータのような高電力、高スイッチング周波数用途においては、効率損失が小さいという結果が生じる場合であってもEMI特性が低いことに基づきSiCは非常に魅力的である。図28は、SiCダイオードを用いるシステム効率と超高速Siダイオードを用いるシステム効率との比較を示すグラフ2800である。SiCダイオードでの損失は全体で0.2%〜0.4%変化する。しかしながら、Vfを低減するというSiCダイオード特性をさらに発展させることは、これらの高電力のコンバータの用途にとって有利である。
図29および30はそれぞれ、ブーストインダクタおよび高電圧バスキャパシタに関する実施例の電流波形を、200Vの入力電圧、また250Vおよび430Vの出力電圧での全負荷動作について示したグラフ2900および3000である。このグラフはキャパシタのリプル電流を低減するためのインタリービングの利点を示している。インダクタのピークツーピークリプル電流ΔILFは次式により表される:
この設計に関してTSは10μ秒であり、Lfは5μHである。ピークツーピークリプル電流は、250V〜430Vの範囲の出力電圧に関して40〜107Aの範囲で変化する。
図31は、単一の電力モジュール349において電気的に直列に接続されている第1のDC/DC電力コンバータおよび第2のDC/DC電力コンバータを包含する実施形態を使用する自動車、例えば燃料電池自動車、電気自動車またはハイブリッド車(これらの自動車に制限されるものでもない)のための電力システム310を示す。
電力システム310は、燃料電池スタック314および周辺機器316を備えた燃料電池システム312を包含する。周辺機器316は酸化体、例えば空気を燃料電池スタック314に供給する、酸化体供給サブシステム318を包含することができる。周辺機器316はまた燃料、例えば水素を燃料電池スタック314に供給する、燃料供給サブシステム320を包含することができる。殊に酸化体供給サブシステム318は、適切な速度の空気の流れを提供する例えばエアコンプレッサ、送風機またはファン322、および/または、空気の湿気レベルを所望のレベルに保つよう動作する加湿器モジュール324および適切な導管を包含することができる。燃料供給サブシステム320は燃料貯蔵部、例えば水素を貯蔵するための1つまたは複数の圧力タンク326を包含することができ、この燃料貯蔵部には燃料を導入口328および/または適切な導管を介して供給することができる。また燃料供給サブシステム320は、所望の速度および/または圧力の水素の流れを提供するよう動作する減圧弁330および/または水素ポンプ332を包含することができる。
さらに周辺機器316は燃料電池スタック314の温度を許容範囲内に維持するための温度制御サブシステム334を包含することができる。温度制御サブシステム334は例えば、ラジエータ336、冷却ポンプ338および適切な導管を包含することができ、これにより燃料電池スタック314とラジエータ336との間で熱輸送媒体を運ぶことができる。また選択的に、温度制御サブシステム334はラジエータ336を通過する空気の流れを生じさせるよう動作するファン340を包含することもできる。
また図31の電力システム310は、余剰電力を蓄積し、この蓄積された電力を必要に応じて解放する二次蓄電池342を包含する。典型的に二次蓄電池342は鉛蓄電池のアレイである。
また電力システム310は、燃料電池スタック314、二次蓄電池342および種々のモータおよび/または負荷の間に電力を供給するための1つまたは複数の電力コンバータを包含する。例えば、1つまたは複数のコンバータは燃料電池スタック314から駆動電動機または主電動機344および/または一つまたは複数の補助的なモータ346に電力を供給することができる。例えば、1つまたは複数の電力コンバータは二次蓄電池342から主電動機344および/または補助的なモータ346に電力を供給することができ、また主電動機344が回生モードで動作する場合にはこの主電動機344から二次蓄電池342に電力を供給することができる。
図示されている実施形態においては、電気的に直列に接続されている第1のDC/DC電力コンバータおよび第2のDC/DC電力コンバータを包含する双方向のDC/DC電力コンバータ348が主電力バス350を介して二次蓄電池342を燃料電池スタック314に電気的に接続する。トラクションドライブインバータ352は主電動機344を主電力バス350に電気的に接続し、また主電動機344を駆動させるために主電力バス350におけるDC電力をAC電力に変換するよう動作する。またトラクションドライブインバータ352は、例えば主電動機344が回生モードにおいて動作している場合には、主電動機344によって形成されたAC電力を二次蓄電池342によって蓄積するためにDC電力に整流するよう動作することもできる。補助的なインバータ354は補助的なモータ346を主電力バス350に電気的に接続し、また補助的なモータ346を駆動させるために主電力バス350におけるDC電力をAC電力に変換するよう動作する。
これらの技術的な目標は燃料電池スタックの動作の等価性、経済性および環境に向けられている。この目標を達成することは、燃料電池によって給電される商業的に実用的な自動車のゴールに近づく所望のステップである。これらの目標を達成するために有用な種々の電力システムトポロジを以下では図32〜35を参照して説明する。
図32は、1つの種々の実施形態による、自動車のための「低品位の」電力システムトポロジの概略図である。
図32の電力システム3100aは例えば図31に示されているような燃料電池システムを包含し、燃料電池スタック314は電力コンバータを介することなくトラクションドライブ3102および高電圧補機3104と接続されている。また電力システム3100aは双方向のDC/DC電力コンバータ3106を包含し、この双方向のDC/DC電力コンバータ3106は電気的に直列に接続されている第1のDC/DC電力コンバータおよび第2のDC/DC電力コンバータを包含し、低電圧バッテリおよびシステム3108によって表される電力システム3100aの低電圧側を高電圧側3110に接続する。殊に、双方向のDC/DC電力コンバータ3106は、低電圧バッテリおよびシステム3108に印加される電圧を供給する燃料電池スタック314からの電圧をステップダウンすることができる。
図32の電力システム3110aは、簡単且つ廉価に製造することができる非常に簡潔なシステムであるという利点を有する。しかしながらこの電力システム3100aは回生の処理に関して制限的な機能しか有していない。何故ならば、この電力システム3100aはいずれの高電圧電力蓄積装置も包含していないからである。また燃料電池スタック314も全ての過渡現象(すなわち電力を取り出す際の上方または下方の変化)を処理する必要がある。さらに、高電圧補機3104に印加される電圧は燃料電池スタック314に印加される電圧に等しい。
図33は、別の実施形態による、自動車のための「ハイブリッド追従型燃料電池の」電力システムトポロジの概略図である。
図33の電力システム3100bは例えば図31に示されているような燃料電池システムを包含し、燃料電池スタック314は電力コンバータを介することなくトラクションドライブ3102および高電圧補機3104と接続されている。さらに電力システム3100bは高電圧電力蓄積装置3112と双方向の高電力DC/DC電力コンバータ3114とを包含し、この双方向の高電力DC/DC電力コンバータ3114は電気的に直列に接続されている第1のDC/DC電力コンバータおよび第2のDC/DC電力コンバータを包含することができ、また高電圧電力蓄積装置3112を燃料電池スタック314およびトラクションドライブ3102に電気的に接続する。双方向の高電力DC/DC電力コンバータ3114は、高電圧電力蓄積装置3112と燃料電池スタック314またはトラクションドライブ3102との間で高電力が伝達される場合に、電圧をステップアップまたはステップダウンするよう動作する。
さらに図33の電力システム3100bはバックDC/DC電力コンバータ3116を包含し、このバックDC/DC電力コンバータ3116は電気的に直列に接続されている第1のDC/DC電力コンバータおよび第2のDC/DC電力コンバータを包含することができ、また低電圧バッテリおよびシステム3108として表される電力システム3100bの低電圧側を高電圧側3110に接続する。バックDC/DC電力コンバータ3116は、電力システム3100bの高電圧側3110から低電圧バッテリおよびシステム3108に供給される電圧をステップダウンするように動作することができる。
図33の電力システム3100bは回生(すなわち回生モードでの動作中にトラクションドライブが電力を形成する)の処理に関して比較的高い能力を有する。高電圧電力蓄積装置3112はある程度の過渡現象を処理することができる。このことは、そのような電力蓄積装置3112が典型的に燃料電池システムよりも高速に要求の変化に応答することができるので殊に有利である。電力システム3100bは比較的小さい高電圧電力蓄積装置3112、例えば蓄電池のアレイ、またはスーパーキャパシタまたはウルトラキャパシタのアレイを使用することができる。燃料電池スタック314は有利にはエネルギ源でもあり電源でもある。高電圧電力蓄積装置3112に印加される電圧は有利にはトラクションドライブ3102に印加される電圧から減結合されている。
図34は、別の実施形態による、自動車のための「ハイブリッド追従型蓄電池の」電力システムトポロジの概略図である。
図34の電力システム3100cは例えば図31に示されているような燃料電池システムを包含し、燃料電池スタック314は電力コンバータを介することなく高電圧補機3104と電気的に接続されている。また電力システム3100cは高電力DC/DC電力コンバータ3120を包含し、この高電力DC/DC電力コンバータ3120は電気的に直列に接続されている第1のDC/DC電力コンバータおよび第2のDC/DC電力コンバータを包含することができ、また高電圧電力蓄積装置3112を燃料電池スタック314およびトラクションドライブ3102に電気的に接続する。高電力DC/DC電力コンバータ3120は、燃料電池スタック314と高電圧電力蓄積装置3112またはトラクションドライブ3102との間で電力が伝達される場合に、電圧をステップアップまたはステップダウンするよう動作する。
さらに電力システム3100cはバックDC/DC電力コンバータ3116を包含し、このバックDC/DC電力コンバータ3116は電気的に直列に接続されている第1のDC/DC電力コンバータおよび第2のDC/DC電力コンバータを包含することができ、また低電圧バッテリおよびシステム3108として表される電力システム3100cの低電圧側を高電圧側3110に接続する。バックDC/DC電力コンバータ3116は、電力システム3100cの高電圧側3110から低電圧バッテリおよびシステム3108によって表される低電圧側に供給される電圧をステップダウンするように動作することができる。
図35は、1つの実施形態による、自動車のための「制御インバータバスハイブリッド型の」電力システムトポロジの概略図である。
図35の電力システム3100dは例えば図31に示されているような燃料電池システムを包含し、燃料電池スタック314は電力コンバータを介することなく高電圧補機3104と電気的に接続されている。また電力システム3100dは高電力DC/DC電力コンバータ3120を包含し、この高電力DC/DC電力コンバータ3120は電気的に直列に接続されている第1のDC/DC電力コンバータおよび第2のDC/DC電力コンバータを包含することができ、また燃料電池スタック314をトラクションドライブ3102に電気的に接続する。高電力DC/DC電力コンバータ3120は電力が伝達される際に電圧をステップアップまたはステップダウンするよう動作することができる。
さらに電力システム3100dは双方向の高電力DC/DC電力コンバータ3114を包含し、この双方向の高電力DC/DC電力コンバータ3114は電気的に直列に接続されている第1のDC/DC電力コンバータおよび第2のDC/DC電力コンバータを包含することができ、また主電力バス3122を介して高電圧電力蓄積装置3112を高電力DC/DC電力コンバータ3120、トラクションドライブ3102および高電圧補機3104に電気的に接続する。双方向の高電力DC/DC電力コンバータ3114は、高電圧電力蓄積装置3112および主電力バス3122に電力が伝達される場合に、電圧をステップアップまたはステップダウンするよう動作することができる。
さらに電力システム3100dはバックDC/DC電力コンバータ3116を包含し、このバックDC/DC電力コンバータ3116は電気的に直列に接続されている第1のDC/DC電力コンバータおよび第2のDC/DC電力コンバータを包含することができ、また低電圧バッテリおよびシステム3108として表される電力システム3100dの低電圧側を高電圧側3110に接続する。バックDC/DC電力コンバータ3116は、電力システム3100dの高電圧側3110から低電圧バッテリおよびシステム3108に供給される電圧をステップダウンするように動作することができる。
図36は、1つの実施形態による、例示的なPEM燃料電池構造に関する電池電圧と電流密度の関係を示す例示的な分極曲線のグラフ3200である。またPEM燃料電池構造に関する最小システム電圧3203および最大電流密度3204も示されている。
図37は、1つの実施形態による、熱として消費される電力(曲線3202上のあらゆる所定の点において曲線3202の上側にある領域3206)と、供給される有効な電力(曲線3202上のあらゆる所定の点において曲線3202の下側にある領域3207)との関係ならびに理論的な最大電池電圧3210が示されている、図36の例示的な分極曲線3202のグラフである。図面に示されているように、電流の上昇は廃熱の増加をもたらす。
図38は例えば図1に示されているような慣例の電力システムに関してコストを低減するために、表1に記載した種々の理論的な制約を示すグラフである。殊に、図38は電池電圧に関する制約3210(ボルト)、コストに関する制約3212(燃料電池システムに関して$45/kW)、熱に関する制約3214(VCmin)、電力密度に関する制約3216(平方メートル)、要求される総スタック活性領域に関する制約3218(平方メートル)を示す。楕円3220によって示されているように、共有の解空間は存在しない。
図39は、通常動作に関する分極曲線3202と共にコールドスタートアップまたはフリーズスタートアップに関する分極曲線3222を示すグラフである。図39によって示されているように、コールドスタートアップまたはフリーズスタートアップ中に許容電池電圧が低くなればなるほど、水分子によって形成される廃熱はより多くなり、これを有利には設計の目標への取り組みに使用することができる。例えば図40に示されているように、パワーエレクトロニクスに機能を追加することにより、コールドスタートアップの間の最小システム電圧要求を低減することができる。これにより例えば凍結温度における高速で確実なコールドスタートアップまたはフリーズスタートアップが可能となる。コールドスタートアップまたはフリーズスタートアップにおける低電圧動作は、効率的なコールドスタートアップまたはフリーズスタートアップを達成するための多数の可能な方式の内の1つである。
慣用的に、術語「コンバータ」はそれがインバータ、整流器および/またはDC/DC電力コンバータとして動作しようと、一般的に全ての電力変換構成要素に適用され、また明細書および請求項においてはその包括的な意味において使用される。より詳細には、電気的に直列に接続されている第1のDC/DC電力コンバータおよび第2のDC/DC電力コンバータを包含するDC/DC電力コンバータは明細書および請求項において包括的な意味において記載されている。電力変換サブシステムの1つまたは複数の構成要素を、一般的に電力モジュールと称される、自己完結型ユニットとして提供することができ、このユニットは電力変換システム構成要素の少なくとも一部をハウジングする電気的に絶縁されたハウジングと、端子またはバスバーのような適切なコネクタとを有する。電力モジュールは集積されたドライブトレーンまたはトラクションドライブの一部を形成することができるが、必ずしも必要とされるものではない。
明細書および請求項において使用されているように、術語高電圧および低電圧は相対的な意味で使用されており、絶対的な意味で使用されているものではない。制限する必要はないが、自動車の用途において術語高電圧は典型的に主電動機の駆動に適した電圧範囲を含み(例えば約200V〜500V)、これに対し術語低電圧は典型的に電力制御システムおよび/または補助的なシステムに適した電圧範囲(例えば12Vまたは42Vもしくは両方)を含む。
図33〜35の実施形態は、高電圧電力蓄積装置3112として鉛蓄電池のアレイを使用することができるが、別のタイプの電力蓄積装置も使用することができる。例えば、図33〜35の実施形態は高電圧電力蓄積装置3112として他の化学タイプの蓄電池を使用することができる。択一的、図32〜35の実施形態は高電圧電力蓄積装置3112としてスーパーキャパシタまたはウルトラキャパシタのアレイおよび/またはフライホイールを使用することができる。
図32〜35には詳細に示していないが、トラクションドライブ3102は典型的に、トラクションドライブのAC電気モータを駆動させるために直流電流を交流電流(例えば単相AC、三相AC)に変換するためのインバータとして動作することができる1つまたは複数のコンバータを包含する。そのようなコンバータはまた交流電流を直流電流に変換するための整流器として動作することもできる。択一的に、トラクションドライブ3102は交流電流を直流電流に変換するための個別整流器を任意に使用することができる。コンバータおよびAC電気モータに付加的に、トラクションドライブ3102は典型的に、AC電気モータに関する出力をトラクションホイルまたは駆動輪に伝達するトランスミッションおよびギアメカニズムも包含し、また1つまたは複数のセンサ、アクチュエータおよびプロセッサまたは駆動回路を包含することができる制御システムも包含する。
図41は、電気的に直列に接続されている第1の一次DC/DC電力コンバータ16gおよび第2の一次DC/DC電力コンバータ18gを備えたシステム10gの概略図であり、第1の一次DC/DC電力コンバータ16gおよび第2の一次DC/DC電力コンバータ18gはそれぞれ単一のインダクタ(それぞれL1およびL2)、スイッチ(それぞれS1およびS2)およびダイオード(それぞれD1およびD2)を包含する。インダクタ、スイッチおよびダイオード(例えばL1,S1およびD1)を包含する前述の構成要素のグループを本明細書においては便宜上「レッグ」または「回路レッグ」と称する。第1の一次DC/DC電力コンバータ16gおよび第2の一次DC/DC電力コンバータ18gは単相スイッチモードコンバータでよい。システム10gの他の構成要素(図示せず)は図2に示した構成要素と類似するものでよい。
第1の一次DC/DC電力コンバータ16gは単一のインダクタL1と、ダイオードD1と、総称してS1で表されるパワー半導体スイッチおよび付属の逆並列ダイオードとからなる。パワー半導体スイッチS1をコントローラ28から供給される制御信号28aを介して制御することができる(図1を参照されたい)。同様に、第2の一次DC/DC電力コンバータ18gは単一のインダクタL2と、ダイオードD2と、総称してS2で表されるパワー半導体スイッチおよび付属の逆並列ダイオードとからなる。第1の一次DC/DC電力コンバータ16gは第1の一次電源V1から供給される電圧をステップアップするよう動作することができ、他方第2の一次DC/DC電力コンバータ18gは第2の一次電源V2から供給される電圧をステップアップするよう動作することができる。
図42は、電気的に直列に接続されている第1の一次DC/DC電力コンバータ16hおよび第2の一次DC/DC電力コンバータ18hを備えたシステム10hの概略図であり、第1の一次DC/DC電力コンバータ16hおよび第2の一次DC/DC電力コンバータ18hは単一のインダクタ、スイッチおよびダイオードからなるレッグをそれぞれ複数包含する。第1の一次DC/DC電力コンバータ16hおよび第2の一次DC/DC電力コンバータ18hは多相のインタリーブスイッチモードコンバータでよい。システム10hの他の構成要素(図示せず)は図2に示した構成要素と類似するものでよい。
第1の一次DC/DC電力コンバータ16hは複数のレッグから構成されており、各レッグは単一のインダクタL1〜Lnと、単一のダイオードD1〜Dnと、総称してS1〜Snで表されるパワー半導体スイッチおよび付属の逆並列ダイオードとをそれぞれ有する。パワー半導体スイッチS1〜Snをコントローラ28から供給される制御信号28aを介して制御することができる(図1を参照されたい)。
同様に、第2の一次DC/DC電力コンバータ18hを複数のレッグから構成することができ、各レッグは単一のインダクタL2〜Lmと、単一のダイオードD2〜Dmと、総称してS2〜Smで表されるパワー半導体スイッチおよび付属の逆並列ダイオードとをそれぞれ有する。
第1の一次DC/DC電力コンバータ16hは第1の一次電源V1からの電圧をステップアップするよう動作することができる。同様に第2の一次DC/DC電力コンバータ18hは第2の一次電源V2からの電圧をステップアップするよう動作することができる。
図2に示されている実施形態の電力システム10bおよび上述の実施形態は特別なケースであり、第1の一次DC/DC電力コンバータ16hおよび第2の一次DC/DC電力コンバータ18hには3つのレッグ(すなわちn=3且つm=3)があることが分かる。同様に、図41に示されている実施形態の電力システム10gおよび上述の実施形態は特別なケースであり、第1の一次DC/DC電力コンバータ16gおよび第2の一次DC/DC電力コンバータ18gには1つのレッグ(すなわちn=1且つm=1)があることが分かる。上記のnおよびmの値はいかなる値でも良い。さらにnおよびmは同一の値でなくても良い。そのような実施形態は、第1の一次電源V1および第2の一次電源V2の電圧および/または電流が同一でない場合には望ましい。
単一のスイッチおよびダイオードからなる複数のレッグにより、上述の半導体スイッチのスイッチングをより精密に制御することができる。また一次DC/DC電力コンバータ16hおよび/または二次DC/DC電力コンバータ18hにそれぞれレッグを追加することにより、キャパシタC1,C2におけるリプル電流は更に低減される。さらには、第1の一次DC/DC電力コンバータ16hおよび/または第2の一次DC/DC電力コンバータ18hにおいてそれぞれ使用される複数のレッグにより半導体デバイスのより低い定格RMS電圧および/または定格RMS電流が得られ、また付随するパッケージングの問題、熱管理の問題および信頼性の問題が解消される。付加的に、システム10gにおける全損失が低減される。また上記の通り、パッケージング設計におけるより高いフレキシビリティも提供される。
図43は、第1の一次DC/DC電力コンバータ16iおよび第2の一次DC/DC電力コンバータ18iの並列セットを複数備えた電力システム10iの概略図である。便宜上、第1の一次DC/DC電力コンバータ16iおよび第2のDC/DC電力コンバータ18iはそれぞれ単一のインダクタ、スイッチおよびダイオードからなるレッグを1つ包含している。第1の一次DC/DC電力コンバータ16iおよび第2の一次DC/DC電力コンバータ18iの並列セットを備えた別の実施形態は、上述のいかなる多相のインタリーブスイッチモードコンバータも使用することができる。システム10iの他の構成要素(図43には示されていない)は図2に示した構成要素と類似するものでよい。
第1の一次DC/DC電力コンバータ16iは第1の一次電源V1と接続されており、また第2の一次DC/DC電力コンバータ18iは第2の一次電源V2と接続されている。図43に示されている実施形態においては、第1の一次DC/DC電力コンバータの第1のグループ16i−1が第1の一次電源V1と接続されており、また第2の一次DC/DC電力コンバータの第1のグループ18i−1が第2の一次電源V2と接続されている。第1の一次DC/DC電力コンバータの第2のグループ16i−2が第1の一次電源V3と接続されており、また第2の一次DC/DC電力コンバータの第2のグループ18i−2が第2の一次電源V4と接続されている。
別の実施形態は第1の一次DC/DC電力コンバータ16iのグループおよび第2の一次DC/DC電力コンバータ18iのグループを2つ以上使用することもできる。例えば、第1の一次DC/DC電力コンバータのグループおよび第2の一次DC/DC電力コンバータのグループを3つ使用することもできる。別の実施形態においては、第1の一次DC/DC電力コンバータの数16iは、並列に接続されている第2の一次DC/DC電力コンバータの数18iと異なっていても良い。
幾つかの実施形態においては、キャパシタおよび/またはインダクタおよび/またはダイオードおよび/またはスイッチの相対的な大きさはグループ毎に異なっていても良い。すなわち、グループの個々の構成要素をそのグループ固有の特徴に基づき選択することができる。例えば、第1のグループが第2のグループの電源よりも比較的大きい第1の一次電源および第2の一次電源と接続されている場合には、第1のグループのキャパシタおよび/またはインダクタおよび/またはスイッチは第2のグループのそれらの対応する構成要素よりも大きい容量を有することができる。
そのような実施形態は有利には、電力システム10iにおいて異なるタイプ、数および一次電源の容量を使用することができる。さらにそのような実施形態は、(それぞれの第1の一次電源および第2の一次電源と共に)第1の一次DC/DC電力コンバータ16iおよび第2の一次DC/DC電力コンバータ18iの付加的なグループが追加されることにより、電力システム10iの電力容量の追加的な拡張を提供することができる。
上述のように、直列に接続されている第1の一次DC/DC電力コンバータおよび第2の一次DC/DC電力コンバータの種々の実施形態は電流の双方向の伝達を提供する。例えば、一次電源においてはエネルギを使用できるか、エネルギを受け取って蓄積しているので、双方向能力によりこの一次電源を再充電することができる。例えば、自動車に設置される場合には、惰性走行または制動時に余剰電力を利用することができるか、燃料電池システムが使用される場合には、燃料電池出力がシステム負荷要求を上回るときに余剰電力を利用することができる。
前述の種々の実施形態においては、DC電力が一次電源(V1およびV2)からDC電圧レール(+VDCおよび−VDC)に伝達される。幾つかの動作環境においては、DC電圧レール(+VDCおよび−VDC)からのDC電力を一次電源(V1およびV2)に伝達することが所望される。そのような実施形態は、上述の図1〜43の実施形態において一次電源(V1およびV2)の位置とDC電圧レール(+VDCおよび−VDC)の位置を単純に入れ換えることによって構成することができる。簡略のため、図1〜44に対応する新たな図面および関連する説明は本明細書において提供しない。当業者であれば、そのような実施形態の構成および動作のために必要とされる構成要素の直接的な交換は容易に分かる。そのような全ての択一的な実施形態は、明細書に記載されており、且つ請求項によって保護されるべき本発明の範囲に含まれることが意図されている。
図44は、第1の一次DC/DC電力コンバータ16jおよび第2の一次DC/DC電力コンバータ18jを備えた双方向の電力システム10jの概略図である。便宜上、第1の一次DC/DC電力コンバータ16jおよび第2のDC/DC電力コンバータ18jはそれぞれ単一のインダクタ、2つのスイッチからなるレッグをそれぞれ包含している。別の実施形態は、上述のいかなる多相のインタリーブスイッチモードコンバータも使用することができる。システム10jの他の構成要素(図示せず)は図2に示した構成要素と類似するものでよい。
第1の一次DC/DC電力コンバータ16jおよび第2の一次DC/DC電力コンバータ18jは図41の第1の一次DC/DC電力コンバータ16gおよび第2の一次DC/DC電力コンバータ18gと類似するものであり、これら2つの実施形態は一次電源V1およびV2と、キャパシタC1およびC2と、インダクタL1およびL2と、またスイッチS1およびS2を包含する。しかしながら、第1の一次DC/DC電力コンバータ16jおよび第2の一次DC/DC電力コンバータ18jの実施形態においては、図41の第1の一次DC/DC電力コンバータ16gおよび第2の一次DC/DC電力コンバータ18gのダイオードD1およびD2がスイッチS3およびS4に置換されている。したがって、スイッチS3およびS4をコントローラ28から供給される制御信号28aを介して制御することができる(図1を参照されたい)。したがって、電流を高電圧DCレール(+VDC)および低電圧DCレール(−VDC)から第1の一次DC/DC電力コンバータ16gおよび第2の一次DC/DC電力コンバータ18gを介して伝達することができ、また一次電源V1およびV2に供給することができる。別の用途においては、電力を例えば図32〜35に示されている実施例のような他の構成要素に供給することができる。そのような構成要素は、再充電可能な蓄電池、ウルトラキャパシタまたは補助的な負荷を包含することができるが、これらに制限されるものではない。
双方向のコンフィギュレーションを使用する別の実施形態においては、択一的な実施形態がそれぞれのダイオードを適切なパワー半導体スイッチに置換する。例えば、図42に示されている多相のインタリーブスイッチモードコンバータを使用する実施形態を参照すると、ダイオードD1、D2、DnおよびDmが適切なパワー半導体スイッチに置換される。
幾つかの実施形態においては双方向能力、すなわちいずれの方向においても異なる能力を提供するために、選択された1つのダイオードをスイッチに置換することができる。例えば図45は、一次エネルギ源から電圧レールへの方向における容量と、電圧レールから一次エネルギ源への方向における容量が異なる双方向のシステムの概略図である。この実施例においては、第1の一次DC/DC電力コンバータ16kおよび第2の一次DC/DC電力コンバータ18kは二相のインタリーブスイッチモードコンバータである。パワー半導体スイッチをコントローラ28から供給される制御信号28aを介して制御することができる(図1を参照されたい)。さらにスイッチS5およびS6は負荷からの保護を提供することができる。
第1の一次DC/DC電力コンバータ16kは、一次電源V1からDC電圧レール(+VDCおよび−VDC)への電流の流れを容易にするために、インダクタL1およびL2並びにパワー半導体スイッチS1およびS2を使用する。一次電源V1からDC電圧レール(+VDCおよび−VDC)への方向における第1の一次DC/DC電力コンバータ16kの容量は、部分的に、パワー半導体スイッチS1およびS2の定格によって求められる。
DC電圧レールから一次電源V1への双方向の電流の流れを支援するために、第1の一次DC/DC電力コンバータ16kはインダクタL1およびスイッチS5を使用する。DC電圧レール(+VDCおよび−VDC)から一次電源V1への方向における第1の一次DC/DC電力コンバータ16kの容量は、部分的に、パワー半導体スイッチS5の定格によって求められる。
同様に、第2の一次DC/DC電力コンバータ18kは、一次電源V2からDC電圧レール(+VDCおよび−VDC)への電流の流れを容易にするために、インダクタL3およびL4並びにパワー半導体スイッチS3およびS4を使用する。一次電源V2からDC電圧レール(+VDCおよび−VDC)への方向における第2の一次DC/DC電力コンバータ18kの容量は、部分的に、パワー半導体スイッチS3およびS4の定格によって求められる。
DC電圧レール(+VDCおよび−VDC)から一次電源V2への双方向の電流の流れを支援するために、第2の一次DC/DC電力コンバータ18kはインダクタL3およびスイッチS6を使用する。DC電圧レール(+VDCおよび−VDC)から一次電源V2への方向における第2の一次DC/DC電力コンバータ18kの容量は、部分的に、パワー半導体スイッチS6の定格によって求められる。
上述のダイオードの内の1つが第2のスイッチに置換されている実施形態においては、双方向の容量を両方の方向において最適化することができる。例えば、上述の実施例において、一次電源V1およびV2が最大放電電流を50%低減できる蓄電池である場合(すなわちこれらの一次電源V1およびV2は低減することができる瞬間電力の2倍の電力を供給することができる)、スイッチS5およびS6で十分である(つまりダイオードD1およびD2が使用される)。蓄電池が放電電流を100%低減できる場合には、ダイオードD1およびD2を(スイッチS5およびS6に類似する)適切なスイッチに置換することができる。
双方向の能力を提供する上述の実施形態は、1つのインダクタおよび2つのスイッチを包含する、あらゆる適切な数のレッグを使用できることは明らかである。さらに、各々の方向において異なる容量を提供するために、一次電源から電圧レールへの電力の伝達を制限するあらゆる数のレッグを使用することができる(そのようなレッグはインダクタ、スイッチおよびダイオードをそれぞれ1つ包含する)。そのような全ての変形形態は、明細書に記載されており、且つ請求項によって保護されるべき本発明の範囲に含まれることが意図されている。
上述の種々の実施形態においては、一次DC/DC電力コンバータのレッグ内にあるダイオード(例えば図2に示されているD1〜D6)が一次電源V1および/またはV2を電力システムの負荷側に発生する電気的な問題から保護する。またダイオードはスイッチおよび/またはインダクタを保護することができる。例えば、負荷における変化は高電圧レール(+VDC)および低電圧レール(−VDC)から取り出される電圧および/または電流における付加的な変化を惹起する可能性がある。したがって、負荷側における電圧変動がシステムを介して逆方向に伝播することはなく、またダイオードによって保護されている構成要素が損傷することもない。
図46は、一次電源V1およびV2から負荷を保護するために各レッグにおいて付加的なスイッチ(S3およびS6)が使用されている双方向のシステム10lの概略図である。スイッチS3およびS6を開くことにより、CD電圧レール(+VDCおよび−VDC)およびこのCD電圧レールに接続されている負荷またはデバイスは一次電源V1および/またはV2において発生する電気的な問題から保護される。保護を上述のいずれの実施形態にも提供することができる。付加的なスイッチは全てのレッグにおいて要求される。
電力モジュールを提供するために、図41〜46に示されている種々の実施形態のスイッチおよび/またはダイオードを、図2に示されているハウジング32に類似する電気的に絶縁されている共通のハウジング(図示せず)内にハウジングすることができる。複数のレッグを備えた実施形態を、電気的に絶縁されている単一の共通のハウジング内に一緒にハウジングすることができるか、電気的に絶縁されている共通のハウジングにそれぞれ別個にハウジングすることができる。そのような電力モジュールは、あらゆる所望の大きさおよび/またはコンフィギュレーションの集積されたDC電力システムにおけるシステム10のモジュール形式の構成を容易にすることができる。
上述の実施形態を種々の電力システムにおいて使用することができる。例えば上述の実施形態の多数の用途の例は、1つまたは複数の燃料電池システムおよび/または蓄電池システムによって給電される自動車において使用されるものとして説明した。上述のいずれの実施形態を、自動車とは異なるタイプの用途、例えばハイブリッド燃料車または電気的な乗り物、例えば自動車、電車または飛行機において使用することができるが、これらに制限されるものでもない。
さらに上述の実施形態を他の電力システム、例えばバルクエネルギシステムおよび/または高電圧電力システムにおいて使用することができる。電力会社は電気、通常の場合には交流電流(AC)電力を種々の使用電圧で顧客に提供する。例えば、アメリカ合衆国内の居住者には典型的に電力会社から240Vおよび120Vの電圧、60ヘルツ(Hz)の周波数で電気が供給される。他の国においては、電圧および/または周波数は異なる可能性がある。
幾つのエンドユーザ用途においては、顧客が1つまたは複数の特定のDC電圧およびDC電流で提供される電力を所望する可能性もある。直列に接続されている一次DC/DC電力コンバータを使用する実施形態を、特定の定格DC電圧および定格DC電流を有するAC/DC変換システムと接続するようコンフィギュレートすることができる。したがって、異なる特定のDC電圧およびDC電流を顧客に提供するために、種々の実施形態をAC/DCコンバータのDC側に接続することができる。
電力供給用途においては、エネルギ源はDC/ACコンバータによってAC電力に変換されるDC電圧およびDC電流を形成することができる。DC電源の例には太陽電池、蓄電池、燃料電池およびDC発電機が含まれるが、これらに制限されるものではない。DC発電機は種々の供給源、例えば風、水、燃料燃焼、ゴミリサイクル、廃熱リカバリ、廃熱回収、地熱流または他のエネルギ源によって給電される。変換された電力はバルク伝達システムに供給されて、エンドユーザである顧客に提供される。1つまたは複数のDCエネルギ源がDC/ACコンバータのDC電圧とは異なる電圧で動作する場合には、直列に接続されている一次DC/DC電力コンバータの種々の実施形態をDC/ACコンバータのDC側に接続することができる。
電力供給用途の別の例においては、電力が第1のAC/DCコンバータを用いてAC電力からDC電力に変換され、続けて第2のDC/ACコンバータを使用して再びAC電力に変換される。これらのデバイスは一般的に工業においてはバック・ツー・バックDC変換所と称される。例えばAC電力網を物理的(且つ電気的)に相互に分離することができる。AC電力網は同一の周波数で動作することができる。しかしながら、2つの電力網の周波数が相互に同期している必要はない。2つのAC電力網の間で電力が伝達される間に、これらのAC電力網の同期を維持するためには、伝達される電力が(伝達システムの周波数での)AC電力からDC電力に変換され、再び(伝達システムの周波数での)AC電力に変換される。さらには、2つのAC電力網の周波数が同一である必要はない。直列に接続されている一次DC/DC電力コンバータの種々の実施形態を、DC電圧および/またはDC電流を変調するために、または種々の補助的な負荷に供給するために、DC/ACコンバータのDC側に接続することができる。
DC電力を特定の定格DC電圧およびDC電流で補助的な負荷に供給するために、補助的な電力システムを使用することができる。そのような補助的な電力システムは典型的にDC電源またはAC電源から給電される。AC電源から給電される場合には、AC電力をDC電力に変換するための適切なAC/DCコンバータが使用される。1つまたは複数の補助的な負荷がAC/DCコンバータのDC電圧とは異なる電圧で動作する場合には、直列に接続されている一次DC/DC電力コンバータの種々の実施形態を、補助的な負荷に給電するためのAC/DCコンバータのDC側に接続することができる。
種々の実施形態を、DC電力システムの低電圧側をDC電力システムの高電圧側に電気的に接続する、DC/DC電力コンバータとして表すことができる。実施形態は、高電圧側の第1の電圧バスPと低電圧側の正の電圧バス(+V1)との間に接続されている第1の一次DC/DC電力コンバータ16a−i(図1〜6および図41〜46)を包含し、第1の一次DC/DC電力コンバータ16a−iは第1の電圧バスPと正の電圧バス(+V1)との電圧差を制御する。実施形態はまた、第1の一次DC/DC電力コンバータ16a−iと直列に接続されており、且つ高電圧側Nの第2の電圧バスと低電圧側の負の電圧バス(−V2)との間に接続されている第2の一次DC/DC電力コンバータ18a−iを包含し、第2の一次DC/DC電力コンバータ18a−iは第2の電圧バスDと負の電圧バス(−V2)との電圧差を制御する。
図47〜51はそれぞれ本明細書において説明した種々の実施形態を使用する電力システムを動作させる種々のプロセスを示すフローチャート4700,4800,4900,5000および5100である。幾つかの択一的な実施形態においては、ブロック内に記述してある機能が図47〜51に記載されている順序とは異なる順序で生じる可能性があるか、付加的な機能を包含できることを言及しておく。例えば以下においてさらに説明するように、包含されている機能に依存して、図47〜51における連続する2つのブロックを実際には実質的に同時に実行することができる、または複数のブロックを逆の順序で実行するときがあってもよい、または幾つかのブロックを全ての実施例において実行しなくてもよい。そのような全ての修正形態および変形形態は、明細書の範囲内で本発明の範囲に含まれることが意図されている。
図47は電力システムを動作させるプロセスを説明するフローチャート4700である。プロセスはブロック4702から始まる。ブロック4704では、ハイサイドDC電力バスの第1の電圧レールにおける電位が少なくとも1つの第1の周期の間に引き上げられる。ブロック4706では、ハイサイドDC電力バスの第2の電圧レールにおける電位が第1の周期の少なくとも一部の間に引き下げられる。プロセスはブロック4708において終了する。
図48は電力システムの別のプロセスを説明するフローチャート4800である。プロセスはブロック4802から始まる。ブロック4804では、電力が第1の一次電源からこの第1の一次電源と電気的に接続されている第1のローサイドDC電力バスに供給される。ブロック4806では、電力が第2の一次電源からこの第2の一次電源と電気的に接続されている第2のローサイドDC電力バスに供給される。ブロック4808では、第1の一次電源からの電圧がハイサイドDC電力バスの第1の電圧レールにおける正の高電圧に引き上げられる。ブロック4810では、第2の一次電源からの電圧がハイサイドDC電力バスの第2の電圧レールにおける負の高電圧に引き下げられる。プロセスはブロック4812において終了する。
図49は電力システムの別のプロセスを説明するフローチャート4900である。プロセスはブロック4902から始まる。ブロック4904では、電力が第1の周期の間に第1の一次電源からこの第1の一次電源と電気的に接続されている第1のローサイドDC電力バスに供給される。ブロック4906では、電力が第1の周期の少なくとも一部の間に第2の一次電源からこの第2の一次電源と電気的に接続されている第2のローサイドDC電力バスに供給される。ブロック4908では、ハイサイドDC電力バスの第1の電圧レールにおける電位が第1の周期の間に第1のローサイドDC電力バスの高電位以上に引き上げられる。ブロック4910では、ハイサイドDC電力バスの第2の電圧レールにおける電位が第1の周期の少なくとも一部の間に第2のローサイドDC電力バスの低電位以下に引き下げられる。ブロック4912では、第2の一次電源からこの第2の一次電源と電気的に接続されている第2のローサイドDC電力バスへの電力の供給が第2の周期の間に中止される。ブロック4914では、第2の周期の間の第1の一次電源から第1のローサイドDC電力バスへの電力の供給が継続される。ブロック4916では、ハイサイドDC電力バスの第1の電圧レールにおける電位が第2の周期の間に第1のローサイドDC電力バスの高電位以上に引き上げられる。プロセスはブロック4918において終了する。
図50は電力システムの別のプロセスを説明するフローチャート5000である。プロセスはブロック5002から始まる。ブロック5004では、第1の一次電源の正のDC電圧がより高い正のDC電圧にステップアップされる。ブロック5006では、第2の一次電源の負のDC電圧がより低い負のDC電圧にステップダウンされる。第1の一次電源および第2の一次電源は直列に接続されている。プロセスはブロック5008において終了する。
図51は電力システムを動作させるさらに別のプロセスを説明するフローチャート5100である。プロセスはブロック5102から始まる。ブロック5104では、電力が先ず第1の一次電源および第2の一次電源によって生成される。第1の一次電源および第2の一次電源は直列に接続されている。ブロック5106では、第1の一次電源の正のDC電圧が先ずより高い正のDC電圧にステップアップされる。ブロック5108では、第2の一次電源の負のDC電圧が先ずより低い負のDC電圧にステップダウンされる。ブロック5110では、第2の一次電源によって生成された電力が低減される。ブロック5112では、第1の一次電源の正のDC電圧がさらにより高い第2の正のDC電圧にステップアップされる。プロセスはブロック5114において終了する。
明細書および請求項において使用されているように、術語「一次電源」は高電圧バス26用の一次電源を意味する。幾つかの実施形態においては、この「一次電源」を電気機械14用の一次電源として使用することもできる。別の実施形態においては、例えば電力変換システム12が無停電電源(UPS)または他のバックアップ用電源である場合には、「一次電源」を電気機械14用の第2の電源または補助的な電源として使用することができる。
前述の詳細な説明は、デバイスおよび/またはプロセスの種々の実施形態をブロック図、概略図および例を用いて記載している。そのようなブロック図、概略図および例が1つまたは複数の機能および/または動作を含む限り、当業者であれば広範な範囲のハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアまたはそれらの実際のあらゆる組み合わせによって、そのようなブロック図、フローチャートまたは例における各機能および/または動作を別個におよび/または一緒に実施できることが分かる。1つの実施形態においては、本発明の対象を特定用途向け集積回路(ASIC)により実施することができる。しかしながら当業者であれば、本発明の実施形態の全てまたは一部を、1つまたは複数のコンピュータにおいて実行される1つまたは複数のコンピュータプログラム(例えば、1つまたは複数のコンピュータシステムにおいて実行される1つまたは複数のプログラム)として、または1つまたは複数のコントローラ(マイクロコントローラ)において実行される1つまたは複数のプログラムとして、または1つまたは複数のプロセッサ(例えばマイクロプロセッサ)において実行される1つまたは複数のプログラムとして、またはファームウェアとして、またはそれらの実際のあらゆる組み合わせとして、標準的な集積回路において同等に実施でき、また回路設計、および/または、ソフトウェアおよび/またはファームウェアのためのコード記述は本明細書の開示内容を考慮した当業者の能力の範囲内のものである。少なくとも1つの実施形態においてコントローラ28は、DC/DC電力コンバータ16,18のパワー半導体スイッチS7〜S12のデューティサイクルを変更することにより、キャパシタC1,C2またはCIにおける目標出力電圧を維持する。幾つかの実施形態においては、電力変換システムコントローラ28と燃料電池システムコントローラ106と集積されたパワートレインコントローラ(図示せず)との間で制御を調整することができる。
さらに当業者であれば、上記の制御メカニズムを種々の形態のプログラム製品として配布でき、また実際に配布するために使用される、信号が記憶されている媒体の特定のタイプを問わず、図示されている実施形態を同等に実施できることが分かる。情報が記憶されている媒体の例として以下のものが挙げられるが、これらに制限されるものでもない:フロッピーディスク、ハードディスクドライブ、CD ROM、ディジタルテープおよびコンピュータメモリのような記録可能なタイプの媒体、またTDMまたIPベースの通信リング(例えばパケットリンク)を使用するディジタルおよびアナログの通信リンクのような伝送タイプの媒体。
上述の種々の実施形態は別の実施形態を提供するために組み合わせることができる。本明細書において参照した、および/または、出願データシートに記載した以下の全ての米国特許、米国公開特許、米国特許出願、外国特許、外国特許出願および非特許文献(これらに制限されるものでもない):
2003年2月7日に出願された米国特許出願第10/360,832号、発明の名称「INTEGRATED TRACTION INVERTER MODULE AND DC/DC CONVERTER」;
2003年6月3日に発行された米国特許第6,573,682号;
全て2003年1月30日に公開された米国特許公開第2003/0022038号、第2003/0022036号、第2003/0022040号、第2003/0022041号、第2003/0022042号、第2003/0022037号、第2003/0022031号、第2003/0022050号および第2003/0022045号;
両方とも2003年6月19日に公開された米国特許公開第2003/0113594号および第2003/0113599号;
2004年1月15日に公開された米国特許公開第2004/0009380号および2004年7月1日に公開された米国特許公開第2004/0126635号;
2004年4月2日に出願された米国特許出願第10/817,052号;2003年5月6日に出願された米国特許出願第10/430,903号;2003年5月16日に出願された米国特許出願第10/440,512号;両方とも2004年6月23日に出願された米国特許出願第10/875,797号および米国特許出願第10/875,622号;2003年12月16日に出願された米国特許出願第10/738,926号;2003年9月17日に出願された米国特許出願第10/664,808号;速達番号EV529821584USを使用して2004年10月12日に出願された米国特許出願第10/964,000号、発明の名称「INTEGRATION OF PLANAR TRANSFORMER AND/OR PLANAR INDUCTOR WITH POWER SWITCHES IN POWER CONVERTER」および2004年6月4日に出願された米国特許出願第10/861,319号、
2004年5月7日に仮出願された米国仮出願特許第60/569,218号;2004年6月4日に仮出願された米国仮出願特許第60/560,755号;および速達番号EV529821350USを使用して2004年10月20日に仮出願された米国仮出願特許第60/621,012号、発明の名称「POWER SYSTEM METHOD AND APPARATUS」;は参照によりその全ての内容を本明細書の参考文献とする。本発明のさらに別の実施形態を提供するために、必要であれば種々の特許、特許出願、特許公開のシステム、回路およびコンセプトを使用して、本発明のシステムおよび方法の実施形態を変更することができる。
2003年2月7日に出願された米国特許出願第10/360,832号、発明の名称「INTEGRATED TRACTION INVERTER MODULE AND DC/DC CONVERTER」;
2003年6月3日に発行された米国特許第6,573,682号;
全て2003年1月30日に公開された米国特許公開第2003/0022038号、第2003/0022036号、第2003/0022040号、第2003/0022041号、第2003/0022042号、第2003/0022037号、第2003/0022031号、第2003/0022050号および第2003/0022045号;
両方とも2003年6月19日に公開された米国特許公開第2003/0113594号および第2003/0113599号;
2004年1月15日に公開された米国特許公開第2004/0009380号および2004年7月1日に公開された米国特許公開第2004/0126635号;
2004年4月2日に出願された米国特許出願第10/817,052号;2003年5月6日に出願された米国特許出願第10/430,903号;2003年5月16日に出願された米国特許出願第10/440,512号;両方とも2004年6月23日に出願された米国特許出願第10/875,797号および米国特許出願第10/875,622号;2003年12月16日に出願された米国特許出願第10/738,926号;2003年9月17日に出願された米国特許出願第10/664,808号;速達番号EV529821584USを使用して2004年10月12日に出願された米国特許出願第10/964,000号、発明の名称「INTEGRATION OF PLANAR TRANSFORMER AND/OR PLANAR INDUCTOR WITH POWER SWITCHES IN POWER CONVERTER」および2004年6月4日に出願された米国特許出願第10/861,319号、
2004年5月7日に仮出願された米国仮出願特許第60/569,218号;2004年6月4日に仮出願された米国仮出願特許第60/560,755号;および速達番号EV529821350USを使用して2004年10月20日に仮出願された米国仮出願特許第60/621,012号、発明の名称「POWER SYSTEM METHOD AND APPARATUS」;は参照によりその全ての内容を本明細書の参考文献とする。本発明のさらに別の実施形態を提供するために、必要であれば種々の特許、特許出願、特許公開のシステム、回路およびコンセプトを使用して、本発明のシステムおよび方法の実施形態を変更することができる。
それらの変更および他の変更を上記の詳細な説明を考慮して本発明のシステムおよび方法に対して行うことができる。一般的に、請求項においては、使用されている術語は本発明を明細書および請求項に記載されている特定の実施形態に制限するものと解するべきではなく、請求項に従って読み取れる全ての電力システムおよび方法を含むものと解するべきである。したがって、本発明は明細書によって制限されるのではなく、請求項によって完全に定められるべき本発明の範囲によって制限される。
Claims (1)
- 電力システムの動作方法において、
少なくとも1つの第1の周期の間にハイサイドDC電力バスの第1の電圧レールにおける電位を引き上げ、第1のローサイドDC電力バスを介する電圧を引き上げるよう変換するステップと、
前記第1の周期の少なくとも一部の間に前記ハイサイドDC電力バスの第2の電圧レールにおける電位を引き下げ、第2のローサイドDC電力バスを介する電圧を引き下げるよう変換するステップとを有し、
前記第1のローサイドDC電力バスおよび前記第2のローサイドDC電力バスのそれぞれの上位電圧レールは電気的に共通して接続されており、前記第1のローサイドDC電力バスおよび前記第2のローサイドDC電力バスのそれぞれの下位電圧レールは電気的に共通して接続されていることを特徴とする、電力システムの動作方法。
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