JP2022192007A - 航空機電気推進モーターのための保護システムおよびモーターコントローラー - Google Patents

Abstract

【課題】先行技術の欠点を克服する電気推進システムのための差動保護を提供するシステムおよび方法が必要とされている。【解決手段】航空宇宙電気推進システムにおけるアーク障害を検出および特徴付け、次いで障害除去シーケンスを実行するために保護システムの様々な要素の動作を調整するための方法および装置。電流ベースの方法では電流センサからの差分読み出しに基づいてアークが検出され、特徴付けられる。保護ゾーンの2つの端部で測定された電流間の差は差分閾値と比較される。電力ベースの方法では電圧および電流センサからの差分読み出しに基づいてアークが検出され、特徴付けられる。差動電圧および電流読み出しは保護ゾーンの2つの端部におけるそれぞれの電力を計算するために使用される。各電力間の差は一定期間にわたって積分され、次いで積分された差は差分閾値と比較される。差分閾値を超えると差動保護トリップモードが呼び出される。【選択図】図1

Description

本開示は、一般に、電力変換システムに関し、特に、直流（DC）を交流（AC）に変換するための電力変換システムに関する。特に、本開示は、航空機電気推進システムにおいてDC電力をAC電力に変換するための方法および装置に関する。

電動推進システムを有する航空機（以下「電気航空機」）には、電力を機械的動力に変換する電気モーターが装備されている。例えば、電気モーターは、推力を提供するために航空機上の1つまたは複数のプロペラを回転させることができる。より具体的には、電気モーターは、磁場内に配線のループ（以下、「ステータ巻線」）を有する。電流がステータ巻線を通過すると、磁場はロータにトルクを及ぼし、ロータはシャフトを回転させる。電気エネルギーは、プロセスにおいて機械的作用に変換される。

電気航空機は、様々な形態をとることができる。例えば、電気航空機は、航空機、ロータクラフト、ヘリコプタ、クワッドコプタ、無人航空ビークル、または他の適切なタイプの航空機であってもよい。電気航空機の場合、バッテリは大きく、推進のために大量の電力を供給するように設計されている。一実装形態では、バッテリは、同様に発電供給源によって供給される、高電圧直流（HVDC）バスに接続される。航空宇宙産業および本明細書で使用される場合、直流の文脈における「高電圧」という用語は、500V_DCより高い任意のDC電圧を意味する。従来の方式では、そのようなDC高電圧は、典型的には、3相230V_AC電力の整流から導出される。

HVDCシステムでは、望ましくないアーク障害が発生する可能性がある。電気アーク、すなわちアーク放電は、長時間の放電を発生させるガスの電気絶縁破壊である。空気などの通常非導電性媒体を通る電流は、プラズマを生成する。最先端のシステムは、通常、HVDC配電システムの電気的障害から保護するために過電流検出に依存している。過電流保護は、電流の2乗に時間を掛けたもの（以下「i²t」）を使用してトリガされ、配線および隣接する構造を損傷する可能性がある過剰な電流から保護する。典型的な過電流保護は、ヒューズなどの受動的解決策、および／または電流センサから受信した過電流指示に応答して電気機械的接触器を開くようにコントローラーを構成するなどの能動的解決策を含む。

過電流保護は、障害を分離するための効率的な解決策であるが、負荷電流が検出される公称電流を大幅に超える（よりも大きい）必要があるため、「低速」保護と見なされる。過電流による障害中に放出される偶発的なエネルギーの量は、許容できないほど多くなり得る。典型的な空中電気システムでは、35 A_rmsを超える電流の検出に応答して「高速」保護が作動され得る。例えば、「高速」保護は、システムの特定のゾーンにおける漏れ電流を調べる差動保護（DP）を使用して実施され得る。差動保護は、指定されたゾーンまたは機器のピースのためのユニットタイプの保護である。差動保護は、電気回路の任意のノード（接合部）について、そのノードに流入する電流の合計がそのノードから流出する電流の合計に等しいことを示すキルヒホッフの電流法則の原理で機能する。

典型的な差動保護の実装形態によれば、2つの箇所における電流が測定され、2つの電流測定値間の任意の差（電流漏れを示す）が計算され、差が予め設定された閾値を超える場合に保護がトリガされる。差動保護の感度は、負荷電流が公称電流を超えることなく、差動保護が1つのゾーンの少量の漏れ電流を感知することができるため、過電流保護が採用される場合よりもはるかに速いトリガを可能にする。高インピーダンス障害の場合、障害状態が熱暴走を引き起こす前に、漏れ電流が小さいショートの初期段階で障害が検出され得る。

1000 V_DCを超える可能性のある高電力および高電圧では、電気推進システムは、差動保護を使用して「高速保護」を提供する能力を組み込むことによって利点を得、それによって障害中に生成される偶発的エネルギーを制限する。

以下にある程度詳細に開示される主題は、航空宇宙電気推進システムにおけるアーク障害を検出および特徴付け、次いで、障害除去シーケンスを実行するために保護システムの様々な要素の動作を調整するための方法および装置に関する。1000 V_DCを超える可能性のある高電力および高電圧では、電気推進システムは、差動保護を使用して「高速」障害分離を提供する能力を組み込むことによって利点を得、それによって障害中に生成される偶発的エネルギーを制限する。1つの提案される実装形態によれば、モーターコントローラーは、差動保護制御モジュール（コントローラー）において収集および処理された情報に基づいてアクティブショートサーキット保護を実行する。差動保護制御モジュールは、差動保護ゾーンにわたって取得されたセンサデータを受信し、そのセンサデータを処理してバッテリパックにおけるアークの発生を検出する。電流ベースの実施形態によれば、アークは、保護ゾーンの2つの端部で電流を感知する電流センサからの差分読み出しに基づいて検出および特徴付けられる。電流ベースの実施形態では、保護ゾーンの2つの端部でのそれぞれの測定電流間の差が、差分閾値と比較される。差分閾値を超えると、動作の差動保護トリップモードが呼び出される。

電力ベースの実施形態によれば、アークは、保護ゾーンの2つの端部で電圧センサおよび電流を感知する電圧センサおよび電流センサからの差分読み出しに基づいて検出および特徴付けられる。電力ベースの実施形態では、次いで電圧センサおよび電流センサからの差分読み出しを使用して、保護ゾーンの2つの端部でのそれぞれの測定された電力を計算し、それぞれの測定された電力間の差を一定期間にわたって積分し、次いでその積分された差を差分閾値と比較する。差分閾値を超えると、動作の差動保護トリップモードが呼び出される。

従来の航空機動力システムとの1つの重要な違いは、電気推進電気システムが絶縁されたまたは高インピーダンスの接地で、電気的に浮動していることである。したがって、線－地絡障害中の短絡電流はない。別の要因は、システムの動作電圧である。高電圧では、異なるタイプの障害が発生する可能性があり、システムに直列および並列のアーク放電障害が発生する可能性があり、それは検出が困難である。最後に、電気推進システムは、HVDC障害中に、障害に回生することができる高出力モーターを含む。システムは、どの負荷が障害を起こしたかを区別し、障害を分離することが重要である。健全なモーター負荷は、障害中に回生することができるが、トリップする必要はない場合がある。

本明細書で提案される保護方式は、空中電気推進システムのための「高速」保護を提供する。提案されている保護システムの能力には、（a）高インピーダンス障害の小さな漏れ電流を検出する能力、（b）アーク障害（直列および並列）を検出する能力、（c）健全な負荷の動作を維持しながら障害ゾーンの障害を分離する能力、および（d）システム障害調整が含まれる。

電気推進システムの差動保護を提供するためのシステムおよび方法の様々な実施形態が以下にある程度詳細に説明されるが、それらの実施形態の1つまたは複数は、以下の態様の1つまたは複数によって特徴付けられ得る。

以下に詳細に開示される主題の一態様は、電気推進システムを保護するための方法であって、本方法は、（a）バッテリパックから電流を受け取り、モーターコントローラーに電流を供給するように接続された電力線の少なくとも一部を含む保護ゾーンの第1の端部でバッテリパックによって供給される第1の電流を感知するステップと、（b）保護ゾーンの第2の端部でモーターコントローラーに供給される第2の電流を感知するステップと、（c）ステップ（a）で感知された第1の電流の大きさを表すセンサデータを受信するステップと、（d）ステップ（b）で感知された第2の電流の大きさを表すセンサデータを受信するステップと、（e）第1の電流の大きさと第2の電流の大きさの差に等しい電流差を計算するステップと、（f）電流差が保護ゾーンの障害を示す差分閾値を超えると決定するステップと、（g）ステップ（f）に応答して障害を分離するモードで動作するように電気推進システムに指令するステップと、（h）障害を分離するモードで電気推進システムを動作させるステップとを含み、ステップ（c）から（g）は、差動保護制御モジュールによって実行される。

以下に詳細に開示される主題の別の態様は、バッテリモジュールの並列ストリングを含むバッテリパックと、バッテリパックからDC電力を受け取るように接続されたバスバーと、バスバーからDC電力を受け取るように接続された電力線と、電力線からDC電力を受け取るように接続され、DC電力をAC電力に変換するように構成されたモーターコントローラーと、モーターコントローラーからAC電力を受け取るように接続されたACモーターと、電力線の少なくとも一部を含む保護ゾーンの第1の端部にバッテリパックによって供給される第1の電流を感知するように接続され、第1の電流の大きさを表す第1のセンサデータを出力するように構成された1つまたは複数の第1の電流センサと、保護ゾーンの第2の端部でモーターコントローラーに供給される第2の電流を感知するように接続され、第2の電流の大きさを表す第2のセンサデータを出力するように構成された第2の電流センサと、第1および第2のセンサデータを受信するように接続された差動保護制御モジュールと、を備える電気推進システムである。差動保護制御モジュールは、（a）第1の電流の大きさと第2の電流の大きさの間の差に等しい電流差を計算するステップと、（b）電流差が保護ゾーンの障害を示す差分閾値を超えていると決定するステップと、（c）動作（b）に応答して障害を分離するモードで動作するように電気推進システムに指令するステップと、を含む動作を実行するように構成される。

以下に詳細に開示される主題のさらなる態様は、電気推進システムを保護するための方法であって、本方法は、（a）バッテリパックから電流を受け取り、モーターコントローラーに電流を供給するように接続された電力線の少なくとも一部を含む保護ゾーンの第1の端部でバッテリパックによって供給される第1の電流を感知するステップと、（b）保護ゾーンの第2の端部でモーターコントローラーに供給される第2の電流を感知するステップと、（c）保護ゾーンの第1の端部で第1の電圧を感知するステップと、（d）保護ゾーンの第2の端部で第2の電圧を感知するステップと、（e）ステップ（a）で感知された第1の電流の大きさを表すセンサデータを受信するステップと、（f）ステップ（b）で感知された第2の電流の大きさを表すセンサデータを受信するステップと、（g）ステップ（c）で感知された第1の電圧の大きさを表すセンサデータを受信するステップと、（h）ステップ（d）で感知された第2の電圧の大きさを表すセンサデータを受信するステップと、（i）時間ウィンドウの間の連続する瞬間においてステップ（e）から（h）で受信された大きさに基づいて積分電力差を計算するステップであって、積分電力差は、保護ゾーンの第1の端部での第1の電力と保護ゾーンの第2の端部での第2の電力の間の差を積分することによって導出される、ステップと、（j）積分電力差が、保護ゾーンにおける障害を示す積分された差分閾値を超えていると決定するステップと、（k）ステップ（j）に応答して障害を分離するモードで動作するように電気推進システムに指令するステップと、（l）障害を分離するモードで電気推進システムを動作させるステップとを含み、ステップ（e）から（k）は、差動保護制御モジュールによって実行される。

以下に詳細に開示される主題のさらに別の態様は、バッテリモジュールの並列ストリングを含むバッテリパックと、バッテリパックからDC電力を受け取るように接続されたバスバーと、バスバーからDC電力を受け取るように接続された電力線と、電力線からDC電力を受け取るように接続され、DC電力をAC電力に変換するように構成されたモーターコントローラーと、モーターコントローラーからAC電力を受け取るように接続されたACモーターと、電力線の少なくとも一部を含む保護ゾーンの第1の端部にバッテリパックによって供給される第1の電流を感知するように接続され、第1の電流の大きさを表す第1のセンサデータを出力するように構成された第1の電流センサと、保護ゾーン電流の第1の端部で第1の電圧を感知するように接続され、第1の電圧の大きさを表す第2のセンサデータを出力するように構成された第1の電圧センサと、保護ゾーンの第2の端部でモーターコントローラーに供給される第2の電流を感知するように接続され、第2の電流の大きさを表す第3のセンサデータを出力するように構成された第2の電流センサと、保護ゾーン電流の第2の端部で第2の電圧を感知するように接続され、第2の電圧の大きさを表す第4のセンサデータを出力するように構成された第2の電圧センサと、第1から第4のセンサデータを受信するように接続された差動保護制御モジュールと、を備える電気推進システムである。差動保護制御モジュールは、（a）ある時間ウィンドウの間の連続した瞬間において受信された第1から第4のセンサデータに基づいて積分電力差を計算するステップであって、積分電力差は、保護ゾーンの第1の端部での第1の電力と保護ゾーンの第2の端部での第2の電力の間の差を積分することによって導出される、ステップと、（b）積分電力差が保護ゾーンの障害を示す積分された差分閾値を超えると決定するステップと、（c）動作（b）に応答して障害を分離するモードで動作するように電気推進システムに指令するステップと、を含む動作を実行するように構成される。

以下に詳細に開示される主題のさらなる態様は、電気推進システムを保護するための方法であって、本方法は、（a）バッテリパックからDC電流を受け取り、モーターコントローラーにDC電流を供給するように接続された電力線の少なくとも一部を含む保護ゾーンの第1の端部でバッテリパックによって供給されるDC電流を感知するステップと、（b）保護ゾーンの第2の端部でモーターコントローラーによってACモーターに供給されるAC電流を感知するステップと、（c）保護ゾーンの第1の端部でDC電圧を感知するステップと、（d）保護ゾーンの第2の端部でAC電圧を感知するステップと、（e）ステップ（a）で感知されたDC電流の大きさを表すセンサデータを受信するステップと、（f）ステップ（b）で感知されたAC電流の大きさを表すセンサデータを受信するステップと、（g）ステップ（c）で感知されたDC電圧の大きさを表すセンサデータを受信するステップと、（h）ステップ（d）で感知されたAC電圧の大きさを表すセンサデータを受信するステップと、（i）時間ウィンドウの間の連続する瞬間においてステップ（e）から（h）で受信された大きさおよびモーターコントローラー内の電力損失の大きさに基づいて積分電力差を計算するステップであって、積分電力差は、保護ゾーンの第1の端部での第1の電力と保護ゾーンの第2の端部での第2の電力の間の差から電力損失を減算したものを積分することによって導出される、ステップと、（j）積分電力差が、保護ゾーンにおける障害を示す積分された差分閾値を超えていると決定するステップと、（k）ステップ（j）に応答して障害を分離するモードで動作するように電気推進システムに指令するステップと、（l）障害を分離するモードで電気推進システムを動作させるステップとを含み、ステップ（e）から（k）は、差動保護制御モジュールによって実行される。

電気推進システムのための差動保護を提供するためのシステムおよび方法の他の態様を以下に開示する。

前項で説明した形状、機能および効果を様々な実施形態で個別に実現したり、さらに別の実施形態に組み込んだりしてもよい。以下、上述の態様と他の態様とを図示するために、図面を参照して様々な実施形態を説明する。

第1の実施形態による、DC保護ゾーンを監視する直流DP制御モジュールを備える航空宇宙電気推進システムにおけるHVDC配電システムの2つのDC電力線にわたるアーク障害を示す図である。 1つの提案された実装形態による、図1に示された直流DP制御モジュールによって実行されるアルゴリズムのステップを識別するフローチャートである。 第2の実施形態による、DC電力保護ゾーンを監視する電力DP制御モジュールを備える航空宇宙電気推進システムにおけるHVDC配電システムの2つのDC電力線にわたるアーク障害を示す図である。 別の提案された実装形態による、図3に示された電力DP制御モジュールによって実行されるアルゴリズム130のステップを識別するフローチャートである。 電力DP制御モジュールがHVDCバスバーのレールに沿った高インピーダンス並列アークの発生を検出しているシナリオを表す図である。 図5に示すDC電力保護ゾーン内の高インピーダンス並列アークの発生中の電流I_AおよびI_Bならびに電圧V_AおよびV_Bを示すオシロスコープからのスクリーンショットである。 図5に示すDC電力保護ゾーンを監視して並列アークを検出するための1つの方法により電力DP制御モジュールによって実行される検出アルゴリズムを示すフローチャートである。 電力DP制御モジュールがHVDCバスバーのレールに沿った直列アークの発生を検出しているシナリオを表す図である。 図6に示すDC電力保護ゾーン内の直列アークの発生中の電流I_AおよびI_Bならびに電圧V_AおよびV_Bを示すオシロスコープからのスクリーンショットである。 図6に示すDC電力保護ゾーンを監視して直列アークを検出するための別の方法により電力DP制御モジュールによって実行される検出アルゴリズムを示すフローチャートである。 第3の実施形態による、DC／AC電力保護ゾーンを監視するハイブリッド（DC／AC）電力DP制御モジュールを備える航空宇宙電気推進システムにおけるHVDC配電システムの2つのDC電力線にわたるアーク障害を示す図である。 第4の実施形態による、2つのモーターおよび2つのモーターコントローラーを備える航空宇宙電気推進システムにおける2つのDC電力線にわたるアーク障害を示す図である。

以下では上記図面を参照するが、上記図面において異なる図面内の類似の要素は同じ参照番号を持つ。

電気推進システムのための差動保護を提供するためのシステムおよび方法の例示的な実施形態を、以下にある程度詳細に説明する。ただし、実際の実装形態のすべての形状が本明細書で説明されているわけではない。当業者であれば、このような任意の実施形態の開発において、システム関連およびビジネス関連の制約への準拠など、実装形態ごとに異なる開発者の特定の目標を達成するために、多数の実装形態固有の決定を行わなければならないことを理解するであろう。さらに、このような開発努力は複雑で時間がかかる可能性があるが、それでも本開示の利点を有する当業者にとっては日常的な仕事であることが理解されるであろう。

本明細書で開示される航空機電気推進システムは、プロペラの回転を駆動する電気モーターと、直流（DC）を交流（AC）に変換するように構成された1つまたは複数のモーターコントローラーと、DC電力供給源（例えば、バッテリシステム）とを含む。DC電力供給源は、例えば、高電圧DC（HVDC）電力供給源を形成するために低電圧DC電力供給源の電圧レベルを増加、すなわち昇圧するためのDC－DCコンバータを含むことができる。本明細書で使用される場合、DC－DCコンバータは、DC電力供給源の電圧レベルを変更するために使用される電気的または電気機械的装置である。次いで、HVDC電力をモーターコントローラーの1つまたは複数のインバータに供給して、高電圧AC電力供給源を形成することができる。

1000 V_DCを超える可能性のある高電力および高電圧では、電気推進システムは、差動保護を使用して「高速」障害分離を提供する能力を組み込むことによって利点を得、それによって障害中に生成される偶発的エネルギーを制限する。従来の航空機動力システムとの1つの重要な違いは、電気推進電気システムが絶縁されたまたは高インピーダンスの接地で、電気的に浮動していることである。したがって、線－地絡障害中の短絡電流はない。別の要因は、システムの動作電圧である。高電圧では、異なるタイプの障害が発生する可能性があり、システムに直列および並列のアーク放電障害が発生する可能性があり、それは検出が困難である。最後に、電気推進システムは、HVDC障害中に、障害に回生することができる高出力モーターを含む。システムは、どの負荷が障害を起こしたかを区別し、障害を分離することが重要である。健全なモーター負荷は、障害中に回生することができるが、トリップされるべきではない。

以下に詳細に開示される電気推進システムは、（a）保護ゾーンの供給源端および負荷端を定義する箇所を有する電流および電圧センサからセンサデータを受信し、（b）そのセンサデータを処理して電流および電圧測定値を導出し、（c）測定値の差が保護ゾーンにおける障害の発生を示すときを検出し、（d）障害を分離することによって電気推進システムの機器を損傷から保護する接触器および／またはスイッチの状態の変化をトリガするように構成された少なくとも1つのDP制御モジュールを含む。

本明細書で提案される保護方式は、空中電気推進システムのための「高速」保護を提供する。特に、本明細書に開示されたDP制御モジュールは、以下の能力の1つまたは複数を有する、すなわち、（a）高インピーダンス障害の小さな漏れ電流を検出する能力、（b）アーク障害（直列および並列）を検出する能力、（c）健全な負荷の動作を維持しながら障害ゾーンの障害を分離する能力、および（d）システム障害調整である。

図1は、第1実施形態による直流差動保護制御モジュール20a（以下、「DCDP制御モジュール20a」）を搭載し、DC電力をAC電力に変換する航空宇宙電気推進システム2を示す図である。図1に示すDCDP制御モジュール20aは、HVDC配電システム44の正のHVDC電力線4aと負のHVDC電力線4bの間のアーク障害3を分離するように構成される。

電気推進システム2は、HVDC配電システム44からのDC電力をAC電力に変換するモーターコントローラー50を含む。したがって、本明細書で使用される「モーターコントローラー」という用語は、DC－ACコンバータ（図1には示されていない）を含む。電気推進システムはまた、複数または組のAC電力線6を介してモーターコントローラー50からAC電力を受け取るACモーター30を含む。

図1に示す電気推進システム2は、ACモーター30によって回転駆動されるプロペラ32をさらに含む。プロペラ32はACモーター30の出力シャフト（図1には示されていない）に機械的に接続されるプロペラシャフト34と、複数のプロペラブレード36とを含む。加えて、電気推進システム2は、プロペラブレード36のピッチを変化させることによってプロペラ32の一定の回転速度を維持するように構成されたガバナ42を含む。油圧ガバナは、油圧バルブ54を使用してプロペラ32の油圧機構を通るエンジンオイルの流れを制御することによってこれを達成する。

いくつかの実装形態では、モーターコントローラー50はACモーター30のステータ巻線の組それぞれにAC電流を提供する複数のチャンネルを有する。モーターコントローラー50の各チャネルは、一組の電力スイッチを有するそれぞれのインバータ（図1には示されていない）と、電力スイッチの状態を制御するインバータコントローラー（図1には示されていない）とを備える。電力スイッチは、ACモーター30のステータ巻線に接続される。モーターコントローラー50は、インバータによって出力されるAC電力信号の電圧および電流を感知する多数のセンサ対（図1には示されていない）をさらに含み、センサデータは、それぞれのインバータコントローラーにフィードバックされる。インバータの動作はインバータコントローラーによって制御され、コントローラーはスイッチ信号ライン（図1には示されていない）を介して、インバータにスイッチ制御信号を送り、インバータからスイッチ状態信号を受け取る。モーターコントローラー50のインバータはDC電力をACモーター30のための多相AC電力に変換する。インバータおよびインバータコントローラーは、組み合わせて、モーターコントローラー50の一部であるDC－ACコンバータを形成する。より具体的には、インバータコントローラーは、最適な機械的トルク出力を達成するためにACモーター30に供給される必要がある基準電流および電圧として機能するパルス幅変調信号を生成する。これらの基準信号は、インバータコントローラーによって制御されるインバータの電力スイッチのゲートドライバに送信されるコマンドを生成するPWM生成機能を使用して変調される。

図1に示されている実施形態では、DC電力供給源はバッテリパック18である。バッテリパック18はバッテリ配電ユニット28（以下、「BPDU 28」）を介してHVDC配電システム44に接続される。BPDU 28は、バッテリパック18によるDC電力出力の監視、整流、および制御を行うのに必要とされるハードウェアを中に収納する筐体である。BPDU 28は、正のバスバー38aおよび負のバスバー38b（以下、「バスバー38aおよび38b」）を含む。DC電力を、HVDC配電システム44を介してBPDU 28からモーターコントローラー50が受け取る。

いくつかの実施形態によれば、バッテリパック18は、バスバー38aおよび38bに並列に接続された複数の独立したバッテリストリングを含む。各バッテリストリングは、直列に接続され、要求される使用可能電圧／ポテンシャルを持つバッテリストリングを形成するいくつかのバッテリモジュール24を備える。図1に示されている例では、各バッテリストリングは（例えば4つ）の直列接続バッテリモジュールの第1の片側ストリングを含み、第1の片側ストリングには（例えば4つ）の直列接続バッテリモジュールの第2の片側ストリングに（図1に示されていないそれぞれの中間部バッテリ切断ユニットを介して）間接的に接続される。

BPDU 28は、バッテリストリングの一方の端部をバスバー38aに接続する第1の複数のストリング接触器8と、バッテリストリングの他方の端部をバスバー38bに接続する第2の複数のストリング接触器8とをさらに含む。（接触器は電力回路を切り替えるのに用いられる電気的に制御されるスイッチである。接触器は大電流負荷装置に直接接続されるように設計されている。）バッテリストリングからストリング接触器8を介して高電圧DC配電システム44がDC電力信号を受け取り、そのDC電力をモーターコントローラー50に供給する。

BPDU28は、バッテリパック管理システム22（以下、「BPMS 22」）をさらに含む。バッテリパック18の動作はBPMS 22によって管理される。複数の並列バッテリストリングを用いることで、パック内部での障害、例えば、単一ストリング障害が生じた場合に冗長性を提供することができる。冗長保護、フェイルセーフ動作およびバッテリストリングの選択的作動停止を確保するようにBPMS 22を構成してもよい。バッテリを過充電から保護したり、他の事象やバッテリの熱暴走をまねく可能性のある事象の組み合わせを未然に防止したりするようにBPMS 22をさらに構成してもよい。より具体的には、ストリング接触器8の切り替え状態は、バッテリストリングの1つにおける障害状態（例えば、短絡）の検出に応答して開くようにBPMS 22によって制御することができる。

正のバスバー38aに流れるDC電流は、電流センサ16aによって感知される。電流センサ16a（および本明細書で参照される他の電流センサ）は、感知された電流の大きさを表すセンサデータを出力するように構成される。各バッテリストリングは、直列に接続された複数のバッテリモジュール24を含む。各バッテリストリングを流れるDC電流は、それぞれの電流センサ（例えば、図1に見られる電流センサ16cおよび16d）によって感知される。各バッテリモジュール24は個々のセル（図1に示されていない）を並列／直列に配置したものである。各バッテリモジュール24は、関連するモジュール監視ユニット（図1には示されていない）によって監視することができる。各モジュール監視ユニットは、仮想セル電圧（複数の並列バッテリセルにわたる電圧）および個別セル温度を独立して感知するためのセンサを含む。モジュール監視ユニットは平衡化回路も含む。バッテリパック18に内蔵された各モジュール監視ユニットは、仮想セル電圧および個別セル温度を表すセンサデータをBPMS 22に通信する。BPMS 22はまた、電流センサ16cおよび16dからデータを受信する。

システムは、バッテリパック18から低電圧DC電力を受け取り、その低電圧DC電力を高電圧DC電力に変換するように構成されたDC電圧変換システム（図1には示されていない）をさらに含む。図1に示すHVDC配電システム44は、DC電圧変換システムからモーターコントローラー50に高電圧直流電力を搬送するように接続された正および負のHVDC電力線4aおよび4bを含む。例えば、HVDC電力線4aおよび4bは、一対のHVDCバスバー（図1には示されていない）に接続されてもよく、これらのバスバーは次に、DC電圧変換システムからHVDC電力を受け取るように接続される。

DC電圧変換システム（図示せず）は、電圧コンバータおよびコンバータコントローラーを備える。コンバータコントローラーは、特定のスイッチング変調アルゴリズム、例えば、パルス幅変調、位相シフト変調、インターリーブ変調、または2つもしくは3つの組み合わせなどにより制御信号を生成する。電圧コンバータは、コンバータコントローラーによって前述の特定の変調方法の1つを使用して制御され、例えば、効率改善、電流リップル低減、ノイズ最小化などの点で特定の電気性能要件を達成しながら、入力電圧での入力電流を出力電圧での出力電流に変換する。

図1に見られるように、システムは、エンジン制御ユニット10（ECU）をさらに含む。エンジン制御ユニット10は、モーターコントローラー50内部のインバータコントローラー（図1には示されていない）とのインターフェースをとる。モーターコントローラー50のインバータコントローラーは、エンジン制御ユニット10から制御信号を受信し、エンジン制御ユニット10にフィードバック信号を送信するように通信可能に結合される。エンジン制御ユニット10はすべてのインバータコントローラーの管理および調整の役割を担う。

エンジン制御ユニット10は、図1に示す航空機電気推進システムの全体的な動作を制御する電気推進コントローラー20（EPC）にさらに通信可能に結合される。電気推進コントローラー12は、推力制御レバーおよびピッチ制御レバー（図1には示されていない）からパイロット入力を受け取る。電気推進コントローラー12は、第1のコントローラー領域ネットワーク（CAN1）を介してBPMS 22と通信し、第2のコントローラー領域ネットワーク（CAN2）を介してエンジン制御ユニット10と通信する。電気推進コントローラー12は、プロペラ32のフェザリングを制御するためにガバナ42にアナログ制御信号を送信する。電気推進コントローラー12は、表示のための情報を、イーサネット接続を介して飛行表示ユニット（図1には示されていない）に送信する。

通常動作では、バッテリパック18はHVDC電力をモーターコントローラー50に供給する。モーターコントローラー50は、DC電力をAC電力に変換し、ACモーター30を回転駆動する。エンジン制御ユニット10は、電気推進コントローラー12からRun／StopおよびTorqueコマンドを受信する。電気推進コントローラー12は、パイロット入力およびプロペラの速度を監視する。推力を要求するパイロット入力に応答して、電気推進コントローラー12は、モーターコントローラー50のTorqueコマンドを計算する。モーターコントローラー50は、プロペラ32を回転させるためのトルクを生成するACモーター30に適切な大きさおよび位相を有するAC電流を印加することによって応答する。ガバナ42は、プロペラブレード36のピッチを変更することにより、プロペラ32の回転速度を調整する。パイロットがより多くの推力を要求する場合、電気推進コントローラー12は、モーターコントローラー50により多くのトルクを指令する。プロペラ32はその速度を増加させる傾向があるが、ガバナ42は速度の増加に反応し、次いでブレードピッチを増加させ、その結果、パイロットによって指令される推力の増加をもたらす。したがって、プロペラ32の速度は、すべての動作を通して一定に維持され、モータートルクおよびプロペラピッチ設定を変更することによってプロペラ推力が変更される。

図1に示すシステムは、HVDC配電システム44の障害から保護するように構成された過電流保護制御モジュール14をさらに含む。過電流保護制御モジュール14は、正のHVDC電力線4aを流れる電流が過剰（指定された閾値よりも大きい）であるかどうかに応じて接触器8の状態が制御されるアルゴリズムを実行するように構成される。正のHVDC電力線4aを流れる電流は、電流センサ16aによって感知され、電流センサは、その電流の大きさを示すアナログ信号を過電流保護制御モジュール14に出力する。過電流保護は、配線および飛行機を損傷させる可能性がある過剰電流から保護するために、電流の2乗に時間（i²t）を乗じたものを使用してトリガされる。

引き続き図1を参照すると、モーターコントローラー50は、特定の障害に応答してモーターコントローラー50をセーフモードで動作させるように構成された保護回路26を含む。保護回路26はハードウェアベースである。保護回路26は、典型的にはアナログ回路によって実現される。保護回路26は、電気推進コントローラー12またはDCDP制御モジュール20aから受信したコマンドに応答して、インバータの電力スイッチをそれぞれ閉じるスイッチ制御信号を発行することができ、このコマンドは、次に障害検出に応答して発行される。より具体的には、保護回路26は、電力スイッチのゲートドライバに低電力入力を送る。

図1は、HVDC電力線4aと4bの間にアーク障害3（例えば、短絡）が発生した状況を示している。この例では、HVDC電力線4aおよび4bは、1000～1600 V_DCの公称電圧を供給し、1000 A_DCの公称電流を搬送することができる。このような障害の場合、バッテリパック18は、7000 A_DCもの高さとなり得る大きな障害電流を供給し得る。前述したように、バッテリパック18が障害を供給するだけでなく、ACモーター30がモーターコントローラー50を介して障害を供給し、電流を短絡させる。

しかしながら、アーク放電の断続的な性質および事象中に放出される比較的低いエネルギーのために、過電流保護を使用して高インピーダンス障害を検出することは問題がある。本開示は、電圧および電流センサからの差分読み出しに基づいてアーク障害を検出および特徴付けるための方法を提案し、次いで、障害除去シーケンスを実行するために保護の要素と調整する。

図1に示す実施形態によれば、DCDP制御モジュール20aは、ある箇所で感知された入力電流と別の箇所で感知された出力電流の間の差が指定された電流閾値よりも大きいかどうかに応じて接触器8の状態が制御されるアルゴリズムを実行するように構成される。第1および第2の箇所は、DC保護ゾーンを定義する。一実施形態によれば、DCDP制御モジュール20aは、BPDU 28から流出する電流I_BPDUを感知する電流センサ16aから、およびモーターコントローラー50に流入する電流I_MCを感知する電流センサ16bからアナログ信号を受信する。提案されている一実装形態によれば、電流センサ16aは、正のバスバー38aに沿って配置され、電流センサ16bは、モーターコントローラー50内の電力スイッチをHVDC電力線4aに接続する導体に沿って配置される。DCDP制御モジュール20aは、電流差I_DP＝I_BPDU－I_MCを計算し、次いで、I_DPを、係数と公称電流I_nominal（例えば、0．1 x I_nominal）との積に等しくてもよい、差分閾値I_thrと比較するように構成される。DCDP制御モジュール20aは、線間の小さな漏れ電流を検出し、次いで障害における偶発的エネルギーを最小にすることができる。

図1に示す例示的な実装形態では、DCDP制御モジュール20aは、正のHVDC電力線4aの電流のみを監視し、負のHVDC電力線4bの電流を測定しない。したがって、図1に示す差動保護構成は、2つの電流センサ16aと16bの間に正のHVDC電力線4aを覆う保護ゾーンを形成する。そのゾーンにおける線間障害の場合、DCDP制御モジュール20aはI_DPを計算し、障害を感知する。

障害がDC保護ゾーンで検出されると、図1に示すDCDP制御モジュール20aは、トリップシーケンスを実行して障害エネルギーを最小化しながら障害を分離する。図2は、1つの提案された実装形態による、DCDP制御モジュール20aの制御ロジックによって実行されるアルゴリズム100のステップを識別するフローチャートである。アクティブモード102において、DCDP制御モジュール20aは、電流I_BPDUおよびI_MCを測定し、電流差I_DP＝I_BPDU－I_MCを計算する（ステップ110）。次に、DCDP制御モジュール20aは、電流差I_DPが差分閾値I_thrより大きいかどうかを決定する（ステップ112）。

ステップ112において、電流差I_DPが差分閾値I_thrより大きいと決定された場合、DCDP制御モジュール20aは、動作の差動保護トリップモード104（以下、「DPトリップモード104」）を呼び出し（実施し）、アクティブモード102を終了する。DPトリップモード104において、DCDP制御モジュール20aは、モーターコントローラー50のインバータをセーフモードにするコマンドを発行する（ステップ116）。電気推進システムは、大きなモーター負荷を含む。HVDCシステムの短絡中、インバータはパルス幅変調を停止し、モーターはシステムの慣性に起因して回転し続ける。モーター／インバータシステムは、高電流を障害に回生する。障害偶発エネルギーを制限するために、障害へモーター／インバータ電流フィードバックを制限および遮断することが重要である。保護ロジックは、インバータのためのアクティブショートサーキット（ASC）モードを差動することによってインバータ／モーターをセーフモードにし、インバータの上部スイッチおよび／または下部スイッチは、モーターを短絡して回生電流を遮断するようにオンに指令される。モーター回生電流を遮断することは、障害における偶発的エネルギーを制限するために重要である。

図1に示すアーク障害3の検出に応答して、DCDP制御モジュール20aは、保護回路26にインバータのすべての電力スイッチを閉じさせ、バッテリまたはバス接触器を開かせるように構成される。より具体的には、電力スイッチは、アーク障害3が発生した後にアクティブショートサーキットを受ける。電力スイッチを短絡することは、回生電流をアーク障害3の代わりにACモーター30からモーターコントローラー50にリダイレクトする効果を有する。回生電流は、ACモーター30とモーターコントローラー50の間を循環する。より具体的には、ACモーター30で生成された電流は、電力スイッチに進み、モーターと電力スイッチの間を循環する。通常、電力スイッチは、大電流を処理するように設計されたソリッドステート装置（例えば、トランジスタ）である。電力スイッチは、冷却液（油、水とプロピレングリコールとの混合物または任意の他の媒体）によって能動的に冷却され、これは、電源装置を流れる障害電流によって生成された熱を除去する最も効率的な方法である。ACモーター30はまた、同様の冷却液によって能動的に冷却される。モーターコントローラー50のインバータのASCは、ミリ秒以内に非常に迅速に指令することができる。ACモーター30およびモーターコントローラー50は依然として液体によって能動的に冷却されるため、ACモーター30とモーターコントローラー50の間を循環する短絡電流の加熱効果は、冷却システムによって能動的に管理される。したがって、ACモーター30によって生成されたすべてのエネルギーは、モーターおよび電力スイッチの損失によって散逸され、その後、能動冷却システムによって除去される。

再び図2を参照すると、インバータがセーフモードに置かれた後、障害ゾーンをバッテリパック18から分離するために接触器8が開くように指令される（ステップ118）。バッテリパック18からの短絡電流は比較的高くなる可能性があり（＞2000 A_DC／ストリング）、アーク障害3（図1を参照）をバッテリパック18から迅速に分離することは、障害エネルギーを最小限に抑えるために重要である。代替的に、HVDC電力線4aに接続された専用負荷接触器（図示せず）を開いてチャネルを分離することができる。障害検出および確認時間は、約10～15ミリ秒になるように選択される。接触器8の開口部は、電気機械装置の場合は10ミリ秒の時間フレーム以内とすることができ、ソリッドステートスイッチの場合ははるかに高速（＜1ミリ秒）とすることができる。バッテリ全体の分離時間は、20から30ミリ秒の範囲になる。

システム設計に応じて、DPトリップモードシーケンスの最後のステップは、障害ゾーンに関連付けられたACモーター30の任意選択の機械的切断である（ステップ120）。ACモーター30が回転しており、インバータがセーフモードにある間、ACモーター30とインバータの間に電流が流れており、損失および熱を発生させる。モーター回転を停止すると、モーターバックEMFおよびACモーター30とインバータの間のフィードバック電流が停止する。必要に応じて、DCDP制御モジュール20aは、プロペラ32上の空気力を低減し、モーターの回転を停止するためにプロペラブレード36のピッチを変更することによってプロペラ32をフェザリングするようにガバナ42に指令するアナログ制御信号を送信することができる。より具体的には、DCDP制御モジュール20aは、プロペラ32をフェザリングする（またはモーター機械駆動装置を係合解除する）ことによってモーター回転を停止するようにガバナポンプ（または別の機械的切断回路）に指令することができる。プロペラフェザリングプロセスは最大10秒かかる可能性があり、その間、ACモーター30はほぼ定電流供給源として機能し、何の措置も取られない場合には障害に電力を供給し続ける。プロペラフェザリング中に障害に給電するモーター回生電流の量を低減するために、本明細書で提案される革新的な技術は、前述のようにモーターコントローラー50の電力スイッチを短絡させることによって障害から電流を迂回させる。

ステップ112でI_DPが差分閾値I_thr以下であると決定された場合、次いでDCDP制御モジュール20aは、HVDC電力線4a上の電圧（V_HVDC）が電圧制限V_limit未満であるかどうかを決定する（ステップ114）。DC保護ゾーン外で発生する障害は、DCDP制御モジュール20aによって検出されない。バッテリ内部障害の場合、そのような障害は、2020年10月9日に出願された米国仮特許出願第63／089，729号に開示されている中間点バッテリ切断サブシステムによって提供されるものなどのバッテリ内部保護によって分離される。障害が電圧V_HVDCを十分に降下させる場合、モーター／インバータシステムは回生し、モーター／インバータから障害への大きな電流を生成する。

一方、DCDP制御モジュール20aがステップ114で条件V_HVDC ＜ V_limitおよびI_MC ＜ 0が満たされないと決定した場合、次いでDCDP制御モジュール20aはステップ110に戻る。一方、ステップ114で、HVDCシステム電圧V_HVDCがV_limit未満であり、電流I_MCが0未満であると決定された場合、次いでDCDP制御モジュール20aはスタンバイモード106に切り替わる。スタンバイモード106では、DCDP制御モジュール20aは、モーターコントローラー50のインバータをセーフモードにして回生電流を遮断するコマンドを発行する（ステップ122）。この動作は、外部障害からの障害エネルギーを最小化し、モーター／インバータの寄与を制限する。

インバータがセーフモードにある間、DCDP制御モジュール20aはさらに、HVDCシステム電圧V_HVDCが定数K_v倍のACモーター30の起電力（EMF_motor）の積よりも大きいかどうかを決定する（ステップ124）。一方、ステップ124において、HVDCシステム電圧V_HVDCがK_v x EMF_motor以下であると決定された場合、そのときインバータはセーフモードのままである。一方、障害がクリアされた後にステップ124でHVDCシステム電圧V_HVDCがK_v x EMF_motorより大きいと決定された場合、モーター／インバータはセーフモードを出て、DCDP制御モジュール20aはアクティブモード102に戻る。

定数K_vは、モーターの電圧定数と呼ばれる。その値は、モーターの設計および構造のみに依存する。定数は、モーター端子に見られる電圧をモーターによって生成される起電力（EMF）に関係付ける。永久磁石モーターにのみ適用可能である。

DC保護ゾーンは、電流センサの局在化によって可能な限り広くすることができる。図1に見られるそれぞれのバッテリストリングの中間点に設置された電流センサを使用することによって、ゾーンを延伸することが可能である。図1に示す例示的なバッテリは、直列に接続されたバッテリモジュールからなる2つのバッテリストリングを含む。各バッテリは、2つの片側ストリングの間に中間点を有する。図1は、2つのバッテリストリングの中間点を流れる電流をそれぞれ感知する一対の電流センサ16cおよび16dを示す。電流センサ16cおよび16dからDCDP制御モジュール20aへの出力は、図1に破線矢印で示されている。DCDP制御モジュール20aは、すべてのバッテリストリングについて感知された電流を合計して、バッテリパック18によって出力されている総電流を表す測定値を導出し、次いで、バッテリパックからのその総電流を、電流センサ16bによって感知されたモーターコントローラー50に入る電流と比較するように構成することができる。そうすることによって、DC保護ゾーンは、保護ゾーンの一部としてバッテリパック18を含み、バッテリ内部障害は、DCDP制御モジュール20aによって検出され、次いで分離される。

アーク障害は、直列または並列アークとして発生する可能性がある。負荷と直列の導体が破損すると、直列アークが発生する可能性がある。しかしながら、アーク電流を負荷電流よりも大きくすることはできない。並列アークは、短絡または地絡として発生する可能性がある。短絡アークは、導体を分離する絶縁体の絶縁強度を低下させ、導体の絶縁体を炭化する高インピーダンスの低電流アーク障害を発生させ、導体を分離する絶縁体の有効性をさらに低下させる。その結果、電流が増加し、急速に増加する熱エネルギーが放出され得る。短絡並列アーク障害における電流の流れは、システムのインピーダンスおよびアーク障害によって制限される。

上記で開示されたDC差動保護アルゴリズムは、アーク放電シグネチャを分離するために適切なデジタルフィルタリングを用いて線間の並列アーク放電を検出することができる。しかしながら、DC差動保護では、電流リークがないため、直列アークを検出することができない。

図3は、第2の実施形態による、バッテリパック18からDC電力を受け取り、電力差動保護制御モジュール20b（以下、「電力DP制御モジュール20b」）を装備した航空宇宙電気推進システム2を示す図である。電力DP制御モジュール20bは、HVDC電力線4aおよび4bにまたがるアーク障害3を分離するように構成される。

図3に示す実施形態によれば、電力DP制御モジュール20bは、第1の箇所での入力電力と第2の箇所での出力電力の間の差が指定された差分閾値よりも大きいかどうかに応じて接触器8の状態が制御されるアルゴリズムを実行するように構成される。第1および第2の箇所は、DC電力保護ゾーンを定義する。

図3に示す具体例では、電力DP制御モジュール20bは、BPDU 28から流出する電流I_BPDUを感知する電流センサ16aから、およびモーターコントローラー50に流入する電流I_MCを感知する電流センサ16bからアナログ信号を受信する。加えて、電力DP制御モジュール20bは、電流I_BPDUが感知された箇所で電圧V_BPDUを感知する第1の電圧センサ（図3には示されていない）および電流I_MCが感知された箇所で電圧V_MCを感知する第2の電圧センサ（図3にも示されていない）からアナログ信号を受信する。次いで、各箇所におけるそれぞれの電力が計算され、比較される。

より具体的には、DC電力保護ゾーンの入力での入力電力P_BPDU＝V_BPDU＊I_BPDU、およびDC電力保護ゾーンの出力での出力電力P_MC＝V_MC＊I_MCが計算される。次に、電力差P_DPは、入力電力P_BPDUから出力電力P_MCを減算することによって計算される（P_DP＝P_BPDU－P_MC）。追加の任意選択の用語を使用して、積

を使用するフィーダ損失を考慮することができる。障害がない場合、DC電力保護ゾーンの入力と出力の間の電力の差は、エネルギー保存の法則に基づいて0に等しくなければならない。電力DP制御モジュール20bは、電力差分P_DP＝P_BPDU－P_MCを計算し、次いで、P_DPを差分閾値P_thr、例えば0．1 x P_nominalと比較するように構成される。DC電力保護ゾーンの障害の場合、障害のエネルギーはP_BPDUでは見られるがP_MCでは見られないため、P_BPDUとP_MCは異なる。この保護は、線間の小さな漏れエネルギーを検出し、障害における偶発的なエネルギーを最小限に抑えることができる。

図3に示す例示的な実装形態では、電力DP制御モジュール20bは、正のHVDC電力線4aの電力のみを監視し、負のHVDC電力線4bの電力を測定しない。加えて、BPDU 28の出力での電圧V_BPDUおよびモーターコントローラー50の入力にでの電圧V_MCが測定される。したがって、図3に示す差動保護構成は、2つの測定点の間に正のHVDC電力線4aを覆うゾーンを形成する。そのゾーンにおける線間障害の場合、電力DP制御モジュール20bはP_DPを計算し、障害を感知する。

電力差動保護アルゴリズムにおける電圧の使用は、保護の感度を高める。電力差動保護アルゴリズムは、アーク放電シグネチャを分離するために適切なデジタルフィルタリングを用いて線間の並列アーク放電を検出することができる。並列アーク放電の場合、アルゴリズムは、障害を検出するためにP_BPDUおよびP_MCを計算するために使用されるそれぞれの電流間の差を感知することに依存する。例えば、電流漏れが30 A_DCであり、DC電力保護ゾーンの両端に1000 V_DCの電圧がある場合、電力差P_DPは、アークの並列または直列の性質に応じて、数十または百ワットから数十キロワットの範囲になる。直列アーク放電の場合、アルゴリズムは、障害を検出するためにP_BPDUおよびP_MCを計算するために使用されるそれぞれの電圧間の差を感知することに依存する。例えば、アーク電圧が30 V_DCであり、電流が1000 A_DCである場合、電力差P_DPは、30 kWから給電装置における損失を差し引いたものに等しくなる。したがって、本明細書で提案される電力差動保護技術は、並列アーク放電および直列アーク放電の両方を検出することができる。提案された解決策は、HVDC線間（レール間）電圧監視および単一レール電流監視を使用する。

障害が保護ゾーンで検出されると、図3に示す電力DP制御モジュール20bは、トリップシーケンスを実行して障害エネルギーを最小化しながら障害を分離する。図4は、1つの提案された実装形態による、電力DP制御モジュール20bの制御ロジックによって実行されるアルゴリズム130のステップを識別するフローチャートである。アクティブモード132では、電力DP制御モジュール20bは、最初に電力P_BPDUおよびP_MCを計算し、次に差動保護電力P_DP＝P_BPDU－P_MCを計算する（ステップ134）。次に、電力DP制御モジュール20bは、差動保護電力P_DPが差分閾値P_thrより大きいかどうかを決定する（ステップ136）。

ステップ136において、差動保護電力P_DPが差分閾値P_thrよりも大きいと決定された場合、次いで電力DP制御モジュール20bは、アクティブモード132から前述のDPトリップモード104に変化する。DPトリップモード104において、DCDP制御モジュール20aは、モーターコントローラー50のインバータをセーフモードにするコマンドを発行する（ステップ116）。インバータがセーフモードに置かれた後、障害ゾーンをバッテリパック18から分離するために接触器8が開くように指令される（ステップ118）。システム設計に応じて、DPトリップモードシーケンスの最後のステップは、障害ゾーンに関連付けられたACモーター30の任意選択の機械的切断である（ステップ120）。

ステップ136において、差動保護電力P_DPが差分閾値P_thr以下であると決定された場合、次いで電力DP制御モジュール20bは、HVDC電力線（V_HVDC）上の電圧が電圧限界（V_limit）未満であり、電流I_MCが0未満であるかどうかを決定する（ステップ138）。保護ゾーン外で発生する障害は、電力DP制御モジュール20bによって検出されない。前述したように、障害が電圧V_HVDCを十分に降下させる場合、モーター／インバータシステムは回生し、モーター／インバータから障害への大きな電流を生成する。

一方、電力DP制御モジュール20bがステップ138で条件V_HVDC＜V_limitおよびI_MC＜0が満たされないと決定した場合、次いで電力DP制御モジュール20bはステップ132に戻る。一方、ステップ138で、HVDCシステム電圧V_HVDCがV_limit未満であり、電流I_MCが0未満であると決定された場合、電力DP制御モジュール20bは、スタンバイモード106に切り替え、図2を参照して前述した方法でステップ122および124を実行する。

図3に示す提案された実装形態によれば、電力は、BPDU 28内の箇所およびモーターコントローラー50内の箇所で取得された電流および電圧情報に基づいて計算される。しかしながら、DC電力保護ゾーンの長さを拡張するために、電流および電圧は、電流センサ16aおよび16bの箇所よりも離れた箇所で測定されてもよい。

電力ベースの差動保護は、様々な方法で実施することができる。電力検出回路は、データを処理して、電気推進システムの状態が正常であるか異常であるかに関する結論に達するために使用することができる。求められる異常には、ハード障害による過電流、高インピーダンスの並列アーク、および直列アークが含まれるが、これらに限定されない。過電流は、前述のように電流センサを使用して供給源および負荷の電流を監視し、次いで過電流条件が満たされているかどうか、例えば、感知された電流が公称電流を＞50％上回る場合（ハード障害）に決定することによって容易に検出することができる。

本明細書で使用される場合、「ハード障害」という用語は、システム構造の急激な変化を引き起こす障害を意味し、その結果、公称動作モードから障害モードへの制御されない遷移が生じる。ソフト障害は、特定のシステム構造パラメータの経時的な連続的な変化を引き起こし、未知の付加的な外乱をもたらす。

図5は、電力DP制御モジュール20bが、電力線4の少なくとも一部を含むDC電力保護ゾーン5において高インピーダンスの並列アークの発生を検出しているシナリオを表す図である。図5に示すシナリオでは、入力電流I_Aは、保護ゾーン5の供給源端Aで1，030 Aに等しい。この例では、高インピーダンス並列アークは、漏れ電流I_C＝30 A（矢印で示す）を生成し、その結果、DC電力保護ゾーン5の負荷端Bまたはその近くに電流I_B＝1，000 Aが生じる。供給源端Aおよび負荷端Bは、電力DP制御モジュール20bによって監視されるDC電力保護ゾーン5を定義する。1つの提案されている実装形態によれば、保護ゾーン5の供給源端Aは、図1に見られる正のバスバー38aに沿って配置され、負荷端Bは、モーターコントローラー50の内部でインバータの前（例えば、電力スイッチをHVDC電力線4aに接続するバスに沿って）に配置される。

図5に示す実施形態によれば、電力DP制御モジュール20bは、電流I_AおよびI_Bの大きさをそれぞれ示す電流センサ16aおよび16bからセンサデータを受信する。加えて、電力DP制御モジュール20bは、それぞれ供給源端Aおよび負荷端Bまたはその近くの電圧V_AおよびV_Bの大きさを測定するために処理することができる電圧センサ40aおよび40bからセンサデータを受信する。

図5Aは、図5に示すDC電力保護ゾーン内の高インピーダンス並列アークの発生中の電流I_AおよびI_Bならびに電圧V_AおよびV_Bを示すオシロスコープからのスクリーンショットである。図5Bは、図5に示すDC電力保護ゾーン5を監視して並列アークを検出するための1つの方法により電力DP制御モジュール20bによって実行される検出アルゴリズム60を示すフローチャートである。

図5Bに示す提案された実装形態によれば、電力DP制御モジュール20bは、電流I_Aおよび電圧V_Aを受け取り、電流I_Aに電圧V_Aを乗算することによって積（すなわち、電力P_A）を計算し、次いで電力P_Aを積分器66に出力する第1の乗算器62を含む。電力DP制御モジュール20bは、電流I_Bおよび電圧V_Bを受け取り、電流I_Bに電圧V_Bを乗算することによって積（すなわち、電力P_B）を計算し、次いで電力P_Bを積分器66に出力する第2の乗算器64をさらに含む。ただし、第2の乗算器64の出力は、積分器66に入力される前に反転される。次いで、積分器66は、電力P_Aと反転電力P_Bとを合計して、時間的に連続する瞬間での電力差P_DP（P_DP＝P_B－P_A）を計算する。電力差P_DPは、一定期間（ウィンドウ）にわたって積分される。積分器66は、積分電力差ΣP_DPを決定ロジック68に出力する。決定ロジック68は、積分電力差ΣP_DPが、障害の発生を示す積分電力差閾値（以下、「障害閾値P_f」）よりも大きいかどうかを決定する。障害閾値P_f値の値はまた、一定期間にわたる電力差の積分に基づく。障害閾値P_fは、障害閾値P_fの超過が並列アークの存在を示すように選択される。

一方、決定ロジック68によって、積分電力差ΣP_DPが障害閾値P_f以下であると決定された場合、次いで決定ロジック68は、電力線4の状態が正常であることを示すステータス信号を発行する。一方、決定ロジック68によって、積分電力差ΣP_DPが障害閾値P_fよりも大きいと決定された場合、次いで決定ロジック68は、並列アーク障害が存在すると決定し、電力DP制御モジュール20bをアクティブモード132からDPトリップモード104に切り替える制御信号を発行する（図4を参照）。

図5に示すシナリオでは、漏れ電流I_Cは通常の電流経路から流れるため、電流センサ16bは、電流センサ16bによって感知される電流と比較して比例的に小さい電流を感知する。科学文献によって確認されているように、DCアークの両端の電圧降下は、電流が漏れている導体の材料に応じて20 Vを超える可能性があるという、強い仮定がある。したがって、例えば、漏れ電流が10 A以上であれば、アークにおいて散逸する電力を200 W以上とすることができる（いくつかの文献は、例えば、自動車産業では、測定可能なアークエネルギーが約50 Wを超える可能性があるが、より現実的な予想は、高電圧システムのアーク電力が600 Wを超えることであることを明らかにした）。電力損失の別の供給源は、配線によって発生するジュール熱である。（ジュール加熱は、導体を通る電流の流れが熱を発生させるプロセスである。）実際には、より高ゲージの配線に関連付けられた重量の増加により、ジュール加熱を排除することはできない。したがって、配線抵抗は10～100 mΩの範囲であると仮定することが合理的である。全面的な電気推進用途では、負荷電流の値は通常数百アンペアである。したがって、損失は数百ワットの量になる。300 Wを超える電力損失を合理的に想定することができる。

したがって、電力DP制御モジュール20bは、900 W以上の範囲で、漏れおよび配線内の複合損失を含む、電圧と電流の積として測定される、供給源端と負荷端の間の電力の差を探すように構成され得る。並列アークを示す障害閾値P_f－exceedanceの値は、900 Wまたは同様の値に設定することができる。並列アーク（ならびに直列アーク）の間欠性に対処するために、電力差P_DPは、システムの容量性および誘導性の影響を緩和するために一定期間にわたって積分される。電力差を最大にするために、電力差P_DPは本質的にケーブルの電力損失であるが、アーク放電中にアークには追加の電力損失があるので、ケーブルで散逸される電力は、通常動作中に電流センサ16bからの読み出しに基づいて計算されるべきである。

図6は、電力DP制御モジュール20bが、電力線4の少なくとも一部を含むDC電力保護ゾーン5において直列アークの発生を検出しているシナリオを表す図である。図6に示すシナリオでは、DC電力保護ゾーン5の供給源端Aでは入力電流I_A＝10 Aであり、DC電力保護ゾーン5の負荷端Bでは出力電流I_B＝10 Aである。この例では、直列アーク7は－30 Vの電圧損失を生成する。再度、供給源端Aおよび負荷端Bは、電力DP制御モジュール20bによって監視されるDC電力保護ゾーン5を定義する。1つの提案されている実装形態によれば、保護ゾーン5の供給源端Aは、図1に見られる正のバスバー38aに沿って配置され、負荷端Bは、モーターコントローラー50の内部でインバータの前（例えば、電力スイッチをHVDC電力線4aに接続するバスに沿って）に配置される。

図6に示す実施形態によれば、電力DP制御モジュール20bは、電流I_AおよびI_Bの大きさをそれぞれ示す電流センサ16aおよび16bからセンサデータを受信する。加えて、電力DP制御モジュール20bは、それぞれ供給源端Aおよび負荷端Bまたはその近くの電圧V_AおよびV_Bの大きさを示す電圧センサ40aおよび40bからセンサデータを受信する。

図6Aは、図6に示すDC電力保護ゾーン内の直列アーク7の発生中の電流I_AおよびI_Bならびに電圧V_AおよびV_Bを示すオシロスコープからのスクリーンショットである。囲まれたフラグメントは、直列アークの同じインスタンスに対応する。V_AおよびV_Bトレースを異なる時間スケールで捕捉した。図6Bは、図6に示すDC電力保護ゾーンを監視して直列アーク7を検出するための1つの方法により電力DP制御モジュール20bによって実行される検出アルゴリズム70を示すフローチャートである。

図6Bに示す提案された実装形態によれば、電力DP制御モジュール20bは、電流I_Aおよび電圧V_Aを受け取り、電流I_Aに電圧V_Aを乗算することによって積（すなわち、電力P_A）を計算し、次いで電力P_Aを積分器66に出力する第1の乗算器62を含む。電力DP制御モジュール20bは、電流I_Bおよび電圧V_Bを受け取り、電流I_Bに電圧V_Bを乗算することによって積（すなわち、電力P_B）を計算し、次いで電力P_Bを積分器66に出力する第2の乗算器64をさらに含む。ただし、第2の乗算器64の出力は、積分器66に入力される前に反転される。次いで、積分器66は、電力P_Aと反転電力P_Bとを合計し、時間的に連続する瞬間での電力差P_DP（P_DP＝P_B－P_A）を計算する。電力差P_DPは、一定期間（ウィンドウ）にわたって積分される。積分器66は、積分電力差ΣP_DPを決定ロジック69に出力する。決定ロジック69は、積分電力差ΣP_DPが差分閾値P_thrより大きいかどうかを決定する。差分閾値P_thr値はまた、絶縁を損傷させる直列アークの持続可能性に関する結論に達するのに十分な一定期間にわたる積分電力に基づく。差分閾値P_thrの超過は、直列アーク7の存在を示す。

一方、決定ロジック69によって、積分電力差ΣP_DPが差分閾値P_thr以下であると決定された場合、次いで決定ロジック69は、電力線4の状態が正常であることを示すステータス信号を発行する。一方、決定ロジック69によって、積分電力差ΣP_DPが差分閾値P_thrよりも大きいと決定された場合、次いで決定ロジック69は、並列アーク障害が存在すると決定し、電力DP制御モジュール20bをアクティブモード132からDPトリップモード104に切り替える制御信号を発行する（図4を参照）。

直列アーク7のための検出アルゴリズム70は、並列アークを検出するために使用される検出アルゴリズム60と同様であり、主な違いは、負荷端Bでのインライン電圧のより高い低下が電力差動P_DPの値のより大きな変化をもたらすことである。また、供給源端Aと負荷端Bとで電流が同じであるため、電力差動P_DPの値の変化の主な要因は、直列アーク間の電圧降下である。さらに、積分のプロセスは、電力DP制御モジュール20bがアークによって生成される低次または高次高調波の影響を含むことを可能にする。

図1および図3に示す実施形態では、HVDC配電システム44によって搬送されるDC電力は、DP制御モジュール20aによって監視されている。図7は、第3の実施形態による、DC／AC電力保護ゾーンを監視するハイブリッド電力DP制御モジュール20cを備える航空宇宙電気推進システムにおける正および負のHVDC電力線4aおよび4bにわたるアーク障害3を示す図である。第3の実施形態は、電力差動概念を使用して、電力保護ゾーンに（モーターコントローラー50の）電力インバータ、および任意選択的に（ACモーター30の）モーター巻線を含める。電力差動概念は、両方の電力システム間の関係を確立するために省エネルギーの法則を使用することによって、DC電力システムおよびAC電力システムの両方の部分を包含するDC／AC電力保護ゾーンを監視するハイブリッド電力DP制御モジュール20cの実装を可能にする。

第3の実施形態によれば、ハイブリッド電力DP制御モジュール20cは、バッテリDC電力P_DCおよびインバータ／モーターAC電力P_ACの両方を計算するハイブリッド電力差動保護アルゴリズムを実行するように構成される。インバータ／モーターAC電力P_ACは、インバータコントローラーから受信した直交電圧V_qおよび直流電圧V_d、ならびに電流センサ16eからの直交電流I_dおよび直流電流I_qの測定値を使用して計算される。次いで、ハイブリッド電力差動保護アルゴリズムは、AC電力P_ACを計算する（P_AC＝V_d＊I_d＋V_q＊I_q）。パラメータP_ACは、インバータによってACモーター30に供給される電力である。

再度図7を参照すると、ハイブリッド電力差動保護アルゴリズムはまた、バッテリ端子での電圧V_batおよび電流I_batを使用してバッテリパック18でのDC電力P_DC（DC／AC電力保護ゾーンへの入力電力である）を計算する（P_DC＝V_bat＊I_bat）。ハイブリッド電力差動保護アルゴリズムは、計算されたAC電力P_ACおよび計算されたインバータ電力損失P_invを使用して、それを計算されたDC電力P_DCと比較する。追加の任意選択の用語を使用して、積

を使用するフィーダ損失を考慮することができる。障害がない場合、エネルギー保存の法則に基づいて、DC／AC電力保護ゾーンの入力および出力での電力の差（P_DP）は0に等しくなければならない（P_DP＝P_AC－P_DC＝0）。DC／AC電力保護ゾーンの障害の場合、障害のエネルギーはP_DCでは見られるがP_ACでは見られないため、P_DCとP_ACは異なる。この保護は、モーターコントローラー50またはACモーター30の内部の相間の小さな漏れエネルギーを検出し、障害における偶発的なエネルギーを最小限に抑えることができる。

システムは浮動であり、相－地絡障害はいかなる短絡電流も生成しないため、ハイブリッド電力DP制御モジュール20cは、正（または負）レールの電流を監視するだけであり、接地システムの場合のように正および負のレール電流の両方を測定する必要はない。DC電圧は、BPDU 28の1つの電圧センサによって監視される（V_BPDU）。AC電力P_ACの場合、制御ループからの直交および直流電圧V_qおよびV_d（パルス幅変調に使用される）は、電圧センサを追加することなく直接使用される。直交電流I_qおよび直流電流I_dの大きさは、制御ループ測定値から再使用される。したがって、図7に示す第3の実施形態は、2つの測定点の間にHVDC配電システム44およびモーターコントローラー50内のインバータを覆うDC／AC電力保護ゾーンを形成する。そのゾーンにおける障害の場合、ハイブリッドDP保護ロジックはP_DPを検出し、障害を感知する。例えば、ハイブリッド電力DP制御モジュール20cは、差動保護電力P_DPが差分閾値P_thrよりも大きい場合、図4に示すステップ136を実行し、次いでステップ116，118および120を順に実行するように構成されてもよい。

ハイブリッド差動保護は、小さな漏れ電流を検出し、次いで障害における偶発的エネルギーを最小にすることができる。提案された概念は、インバータを横切る保護ゾーンの拡張を可能にし、1つのゾーンのDCシステムおよびACシステムの両方を覆う。対照的に、最先端の解決策は、それぞれDCおよびACシステムのための別個の保護ゾーンを実装する。複数の保護ゾーンの使用は、DC－AC電力変換素子（インバータなど）を実装し、保護されないままにするために、かなりのハードウェアおよび制御を必要とする。ハイブリッド電力DP制御モジュール20cは、バッテリまたはインバータ／モーターシステムに重要なハードウェア（センサまたはコントローラー）を追加することなく、インバータを含む、DCおよびACゾーンの両方を覆う。

パワーコンピューティングアルゴリズムの使用は、差動保護の感度を高める。本明細書に開示されるハイブリッド電力差動保護アルゴリズムは、アーク放電シグネチャを分離するために適切なデジタルフィルタリングを用いて並列アーク放電および直列アーク放電を検出することができる。保護方法論は、計算されたAC電力P_ACから計算されたDC電力P_DCを減算することによって、アーク（並列または直列）によって生成されたエネルギーを測定する。デジタルフィルタリングおよび積分を用いて測定されたアークエネルギーに基づいて、ハイブリッド電力DP制御モジュール20cは、反復アークを検出し、それを分離することができる。直列および並列アーク放電保護の場合、シグネチャは異なっていてもよく、異なるフィルタリングアルゴリズムが使用されてもよい。

高出力電気推進ユニットは、互いに結合された複数のACモーターおよびモーターコントローラーを含むことができる。加えて、各モーターコントローラーは複数のインバータを含むことができ、各インバータは複数の電力スイッチを含む。各インバータの電力スイッチは、3相交流電力をモーターに供給するように切り替えられる。

図8は、第4の実施形態による、2つのACモーター30aおよび30bと、2つのモーターコントローラー50aおよび50bと、HVDC配電システム44とを備える電気推進システム2’における2つのHVDC電力線4aおよび4bにわたるアーク障害3を示す図である。HVDC配電システム44は、正および負のHVDCバスバー52aおよび52bからなるHVDCバス52を備える。HVDC配電システム44は、モーターコントローラー50aおよび50bをHVDCバス52に接続する以下の電力線、すなわち、（a）モーターコントローラー50aを正のHVDCバスバー52aに接続するHVDC電力線4aと、（b）モーターコントローラー50aを負のHVDCバスバー52bに接続するHVDC電力線4bと、（c）モーターコントローラー50bを正のHVDCバスバー52aに接続するHVDC電力線4cと、（d）モーターコントローラー50bを負のHVDCバスバー52bに接続するHVDC電力線4dと、をさらに含む。HVDC電力線4aの供給源端は、バス接触器8aを介して正のHVDCバスバー52aに接続され、HVDC電力線4cの供給源端は、バス接触器8bを介して正のHVDCバスバー52aに接続される。正のHVDCバスバー52aからHVDC電力線4aに流入する直流電流は、電流センサ16aによって感知され、正のHVDCバスバー52aからHVDC電力線4cに流入する直流電流は、電流センサ16bによって感知される。

図8に示す電気推進システム2’は、モーターコントローラー50aおよび50bにそれぞれ接続された一対のハイブリッド電力DP制御モジュール20cを備えるDC／AC電力差動保護システムをさらに含む。加えて、一方のハイブリッド電力DP制御モジュール20cは、電流センサ16aから電流データを受信し、他方のハイブリッド電力DP制御モジュール20cは、電流センサ16aから電流データを受信する。過電流保護制御モジュール14はまた、電流センサ16aおよび16bからそれぞれ電流データを受信する。

図8は、アーク障害3が、両方ともモーターコントローラー50aに接続された、HVDC電力線4aおよび4cにまたがるシナリオを示している。ハイブリッド電力DP制御モジュール20cは、同じHVDCバス52から供給される、健全なモーター／インバータシステム（例えば、ACモーター30b／モーターコントローラー50b）をトリップすることなく、障害のモーター／インバータシステム（例えば、ACモーター30a／モーターコントローラー50a）を分離するよう調整するように構成される。1つの分岐におけるアーク障害3の間、バッテリパック（図8には示されていない）は著しい短絡電流をもたらす。HVDCシステムの短絡中、電圧レベルは大幅に降下する可能性がある。電圧が低くなると（V_HVDC＜V_limit）、モーターコントローラー50aのインバータ内部のパルス幅変調プロセスは停止し、ACモーター30aはシステムの慣性に起因して回転し続ける。モーター／インバータシステム（ACモーター30a／モーターコントローラー50a）は、高電流をアーク障害に回生する。モーターロータおよび関連するプロペラの慣性により、インバータ／モーターは数秒間回生し、著しい短絡エネルギーおよび潜在的な損傷を引き起こす可能性がある。モーターコントローラー50aに関連付けられたハイブリッド電力DP制御モジュール20cは、図7に示す実施形態について前述した制御ロジックを使用して障害した分岐を分離するように構成される。

加えて、短絡ハード障害中に、健全なACモーター30bはまた、電圧降下（V_HVDC＜V_limit）に起因して不足電圧になり、障害に回生する可能性がある。障害によってHVシステムが十分に降下する場合、健全なモーター／インバータシステム（ACモーター30b／モーターコントローラー50b）は回生し、モーター／インバータからアーク障害3への著しい電流を生成する。健全なモーターからの回生電流は、短絡で散逸されるエネルギーおよび潜在的な追加の損傷に寄与する。健全な分岐には漏れエネルギーがないため、差動保護は作動しない。障害偶発エネルギーを制限するために、障害へ健全なモーター／インバータ電流フィードバックを制限および遮断することが重要である。外部障害の障害エネルギーを最小化し、モーター／インバータの寄与を制限するために、DPトリップ条件が検出されず、条件V_HVDC＜V_limit、およびI_MC＜0が満たされた場合、モーター／インバータは回生電流を遮断するためにセーフモードに入る。セーフモードの一部として、インバータは、アクティブショートサーキット（ASC）モードに切り替わる。ASCモードでは、モーターをそれ自体で短絡させて回生電流を遮断するために、インバータの電力スイッチの上部および／または下部セットを閉じるASCコマンドが発行される。モーター回生電流は遮断される。これは、障害における偶発的エネルギーを制限するために重要である。偶発的なエネルギーを制限するために、健全なモーターコントローラーは、障害がクリアされている間にセーフモードに入る。しかしながら、モーターはスタンバイモードに留まり、障害がクリアされるとすぐに再始動する準備が整う。

本明細書で提案される保護ロジックは、バス電圧を監視し、それを（速度を使用して観察される）モーターバックEMFと比較する。健全なモーターが回生しないことを保証する電圧レベルまでバス電圧が再確立されると（障害がクリアされる）、差動保護ロジックはセーフモードをクリアし、モーター／インバータの正常動作を再確立する。障害がクリアされ、HVDCシステム電圧V_HVDCがK_v x EMF_motorよりも大きくなると、モーター／インバータはアクティブモードに戻る。

電気推進システムの差動保護を提供するためのシステムおよび方法が、様々な実施形態を参照して説明されてきたが、本明細書の教示の範囲から逸脱することなく、様々な変更を行うことができ、その要素に対して等価物が代用され得ることができることが当業者には理解されよう。加えて、本出願の教示の範囲を逸脱しない限りにおいて特定の状況に本出願の教示を適応させるために多数の修正を行ってもよい。したがって、請求項が本出願で開示されている特定の実施形態に限定されないことが意図されている。

本明細書で開示される電気推進コントローラー、エンジン制御ユニット（a．k．a．エンジンコントローラー）、インバータコントローラー、およびDP制御モジュールは、ハードウェアまたはソフトウェアと組み合わせたハードウェアを使用して実装することができる。例えば、コントローラーまたは制御モジュールは、構成可能なハードウェア、プログラマブル装置、またはその両方を使用して実装されてもよい。構成可能なハードウェアは、コントローラーの1つまたは複数の機能を実行するように構成可能なハードウェアを備えることができる。プログラマブル装置は、コントローラーの1つまたは複数の機能を実施するようにプログラム可能な任意の装置を備えることができる。例えば、限定されないが、プログラマブル装置は、中央処理ユニット、マイクロプロセッサまたはデジタル信号プロセッサを備えることができる。プログラマブル装置は、コントローラーの1つまたは複数の機能を実施するためにプログラム命令の形態でソフトウェアまたはファームウェアを実行するように構成されてもよい。プログラム命令は、プログラマブル装置による実行またはプログラマブル装置への転送のために、任意の適切な非一時的な有形のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に格納されてもよい。

特に、本明細書に開示されるDP制御モジュールは、本明細書に開示される差動保護を提供するためのアルゴリズムのうちの1つまたは複数を含む制御ロジックにより構成される。制御モジュールは、ソフトウェア、ハードウェア、またはそれらの組み合わせで実装できる個別の機能の単位であってもよい。制御モジュールの機能がソフトウェアを通じて任意の部分で実行される場合、モジュールは非一時的な有形のコンピュータ可読記憶媒体を含むことができる。上記で開示された方法は、ストリーミング（またはオンザフライ）計算を使用することができ、その場合、それらの計算を実行するように構成された制御モジュールは、FPGAもしくはASICまたは他のハードウェアベースの実装に適している。

本明細書で説明され特許請求される方法は、これに限定されないが記憶装置、および／またはメモリ装置を含む、非一時的な有形のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体内に具体化された、実行可能な命令として符号化されたステップを含み得る。このような指示により、処理システムやコンピュータシステムによって実行されるとき、システム装置が本出願で説明されている方法の少なくとも部分を実行する。

本明細書に添付された方法クレームにおいては、ステップの任意のアルファベット順は、後で、先行するステップへの簡潔な参照を可能にすることのみを目的としており、方法ステップをアルファベット順で実行することを要求するために特許請求の範囲を限定することを目的としていない。

注：以下の段落では、この開示のさらなる態様について説明する。

A1．電気推進システムであって、
バッテリモジュールの並列ストリングを含むバッテリパックと、
バッテリパックからDC電力を受け取るように接続されたバスバーと、
バスバーからDC電力を受け取るように接続された電力線と、
電力線からDC電力を受け取るように接続され、DC電力をAC電力に変換するように構成されたモーターコントローラーと、
モーターコントローラーからAC電力を受け取るように接続されたACモーターと、
電力線の少なくとも一部を含む保護ゾーンの第1の端部にバッテリパックによって供給される第1の電流を感知するように接続され、第1の電流の大きさを表す第1のセンサデータを出力するように構成された第1の電流センサと、
保護ゾーン電流の第1の端部で第1の電圧を感知するように接続され、第1の電圧の大きさを表す第2のセンサデータを出力するように構成された第1の電圧センサと、
保護ゾーンの第2の端部でモーターコントローラーに供給される第2の電流を感知するように接続され、第2の電流の大きさを表す第3のセンサデータを出力するように構成された第2の電流センサと、
保護ゾーン電流の第2の端部で第2の電圧を感知するように接続され、第2の電圧の大きさを表す第4のセンサデータを出力するように構成された第2の電圧センサと、
第1から第4のセンサデータを受信するように接続された差動保護制御モジュールとを備え、差動保護制御モジュールは、
（a）ある時間ウィンドウの間の連続した瞬間において受信された第1から第4のセンサデータに基づいて積分電力差を計算するステップであって、積分電力差は、保護ゾーンの第1の端部での第1の電力と保護ゾーンの第2の端部での第2の電力の間の差を積分することによって導出される、ステップと、
（b）積分電力差が保護ゾーンの障害を示す積分された差分閾値を超えると決定するステップと、
（c）動作（b）に応答して障害を分離するモードで動作するように電気推進システムに指令するステップと、を含む動作を実行するように構成される、電気推進システム。

A2．保護ゾーンの第1の端部がバスバーに沿って配置されている、段落A1に記載の電気推進システム。

A3．保護ゾーンの第2の端部が、モーターコントローラーの内側に配置されている、段落A1に記載の電気推進システム。

A4．電気推進システムを保護するための方法であって、本方法は、
（a）バッテリパックからDC電流を受け取り、モーターコントローラーにDC電流を供給するように接続された電力線の少なくとも一部を含む保護ゾーンの第1の端部でバッテリパックによって供給されるDC電流を感知するステップと、
（b）保護ゾーンの第2の端部でモーターコントローラーによってACモーターに供給されるAC電流を感知するステップと、
（c）保護ゾーンの第1の端部でDC電圧を感知するステップと、
（d）保護ゾーンの第2の端部でAC電圧を感知するステップと、
（e）ステップ（a）で感知されたDC電流の大きさを表すセンサデータを受信するステップと、
（f）ステップ（b）で感知されたAC電流の大きさを表すセンサデータを受信するステップと、
（g）ステップ（c）で感知されたDC電圧の大きさを表すセンサデータを受信するステップと、
（h）ステップ（d）で感知されたAC電圧の大きさを表すセンサデータを受信するステップと、
（i）時間ウィンドウの間の連続する瞬間においてステップ（e）から（h）で受信された大きさおよびモーターコントローラー内の電力損失の大きさに基づいて積分電力差を計算するステップであって、積分電力差は、保護ゾーンの第1の端部での第1の電力と保護ゾーンの第2の端部での第2の電力の間の差から電力損失を減算したものを積分することによって導出される、ステップと、
（j）積分電力差が、保護ゾーンにおける障害を示す積分された差分閾値を超えていると決定するステップと、
（k）ステップ（j）に応答して障害を分離するモードで動作するように電気推進システムに指令するステップと、
（l）障害を分離するモードで電気推進システムを動作させるステップとを含み、
ステップ（e）から（k）は、差動保護制御モジュールによって実行される。

2 電気推進システム
3 アーク障害
4 電力線
4a 正のHVDC電力線
4b 負のHVDC電力線
4c、4d HVDC電力線
5 保護ゾーン
6 AC電力線
7 直列アーク
8 ストリング接触器
8a、8b バス接触器
10 エンジン制御ユニット
12 電気推進コントローラー
14 過電流保護制御モジュール
16a、16b、16c、16d、16e 電流センサ
18 バッテリパック
20 電気推進コントローラー
20a 直流差動保護制御モジュール
20b 電力差動保護制御モジュール
20c ハイブリッド電力DP制御モジュール
22 バッテリパック管理システム
24 バッテリモジュール
26 保護回路
28 バッテリ配電ユニット
30、30a、30b モーター
32 プロペラ
34 プロペラシャフト
36 プロペラブレード
38a 正のバスバー
38b 負のバスバー
40a、40b 電圧センサ
42 ガバナ
44 高電圧DC配電システム（HVDC配電システム）
50、50a、50b モーターコントローラー
52 HVDCバス
52a 正のHVDCバスバー
52b 負のHVDCバスバー
54 油圧バルブ
60、70 検出アルゴリズム
62 第1の乗算器
64 第2の乗算器
66 積分器
68、69 決定ロジック
102、132 アクティブモード
104 差動保護トリップモード
106 スタンバイモード
130 アルゴリズム

Claims (15)

1. 電気推進システムを保護するための方法であって、前記方法が、
   （a）バッテリパックから電流を受け取り、モーターコントローラーに電流を供給するように接続された電力線の少なくとも一部を含む保護ゾーンの第1の端部で前記バッテリパックによって供給される第1の電流を感知するステップと、
   （b）前記保護ゾーンの第2の端部で前記モーターコントローラーに供給される第2の電流を感知するステップと、
   （c）ステップ（a）で感知された前記第1の電流の大きさを表すセンサデータを受信するステップと、
   （d）ステップ（b）で感知された前記第2の電流の大きさを表すセンサデータを受信するステップと、
   （e）前記第1の電流の前記大きさと前記第2の電流の前記大きさの差に等しい電流差を計算するステップと、
   （f）前記電流差が前記保護ゾーンの障害を示す差分閾値を超えると決定するステップと、
   （g）ステップ（f）に応答して前記障害を分離するモードで動作するように前記電気推進システムに指令するステップと、
   （h）前記障害を分離するモードで前記電気推進システムを動作させるステップと
   を含み、ステップ（c）から（g）は、差動保護制御モジュールによって実行される、方法。
2. ステップ（a）が、前記バッテリパックに接続されたバスバーに沿って配置された電流センサを使用して、前記バッテリパックによって供給される前記電流を感知するステップを含む、請求項1に記載の方法。
3. ステップ（a）が、前記バッテリパックの複数のバッテリストリングに沿ってそれぞれ配置された複数の電流センサを使用して、前記バッテリパックによって供給される前記電流を感知するステップを含む、請求項1に記載の方法。
4. ステップ（h）が、前記モーターコントローラーに接続されたACモーターを短絡させ、それによって前記ACモーターによって回生された電流が前記電力線に到達するのを阻止するように、前記モーターコントローラーの電力スイッチの状態を変更するステップを含む、請求項1に記載の方法。
5. ステップ（h）が、前記バッテリパックと前記保護ゾーンの前記第1の端部の間に配置された接触器を開口するステップをさらに含む、請求項4に記載の方法。
6. ステップ（h）が、前記ACモーターを前記保護ゾーンの前記第2の端部から機械的に切り離すステップをさらに含む、請求項5に記載の方法。
7. 電気推進システムであって、
   複数のバッテリモジュールのストリングを含むバッテリパックと、
   前記バッテリパックからDC電力を受け取るように接続されたバスバーと、
   前記バスバーからDC電力を受け取るように接続された電力線と、
   前記電力線からDC電力を受け取るように接続され、前記DC電力をAC電力に変換するモーターコントローラーと、
   前記モーターコントローラーから前記AC電力を受け取るように接続されたACモーターと、
   前記電力線の少なくとも一部を含む保護ゾーンの第1の端部に前記バッテリパックによって供給される第1の電流を感知するように接続され、前記第1の電流の大きさを表す第1のセンサデータを出力する1つまたは複数の第1の電流センサと、
   前記保護ゾーンの第2の端部で前記モーターコントローラーに供給される第2の電流を感知するように接続され、前記第2の電流の大きさを表す第2のセンサデータを出力する第2の電流センサと、
   前記第1および第2のセンサデータを受信するように接続された差動保護制御モジュールと
   を備え、前記差動保護制御モジュールは、
   （a）前記第1の電流の前記大きさと前記第2の電流の前記大きさの間の違いに等しい電流差を計算するステップと、
   （b）前記電流差が前記保護ゾーンの障害を示す差分閾値を超えると決定するステップと、
   （c）動作（b）に応答して前記障害を分離するモードで動作するように前記電気推進システムに指令するステップと、
   を含む動作を実行するように構成される、電気推進システム。
8. 前記ACモーターに機械的に結合されたプロペラをさらに備える、請求項7に記載の電気推進システム。
9. 前記第1の電流センサが、前記バスバーに沿って配置される、請求項7に記載の電気推進システム。
10. 複数の第1の電流センサが、バッテリモジュールの複数のストリングに沿ってそれぞれ配置される、請求項7に記載の電気推進システム。
11. 電気推進システムを保護するための方法であって、前記方法が、
    （a）バッテリパックから電流を受け取り、モーターコントローラーに電流を供給するように接続された電力線の少なくとも一部を含む保護ゾーンの第1の端部で前記バッテリパックによって供給される第1の電流を感知するステップと、
    （b）前記保護ゾーンの第2の端部で前記モーターコントローラーに供給される第2の電流を感知するステップと、
    （c）前記保護ゾーンの前記第1の端部で第1の電圧を感知するステップと、
    （d）前記保護ゾーンの前記第2の端部で第2の電圧を感知するステップと、
    （e）ステップ（a）で感知された前記第1の電流の大きさを表すセンサデータを受信するステップと、
    （f）ステップ（b）で感知された前記第2の電流の大きさを表すセンサデータを受信するステップと、
    （g）ステップ（c）で感知された前記第1の電圧の大きさを表すセンサデータを受信するステップと、
    （h）ステップ（d）で感知された前記第2の電圧の大きさを表すセンサデータを受信するステップと、
    （i）時間ウィンドウの間の連続する瞬間においてステップ（e）から（h）で受信された前記大きさに基づいて積分電力差を計算するステップであって、前記積分電力差は、前記保護ゾーンの前記第1の端部での第1の電力と前記保護ゾーンの前記第2の端部での第2の電力の間の差を積分することによって導出される、ステップと、
    （j）前記積分電力差が、前記保護ゾーンにおける障害を示す積分された差分閾値を超えていると決定するステップと、
    （k）ステップ（j）に応答して前記障害を分離するモードで動作するように前記電気推進システムに指令するステップと、
    （l）前記障害を分離するモードで前記電気推進システムを動作させるステップと
    を含み、ステップ（e）から（k）は、差動保護制御モジュールによって実行される、方法。
12. ステップ（l）が、前記モーターコントローラーに接続されたACモーターを短絡させ、それによって前記ACモーターによって回生された電流が前記電力線に到達するのを阻止するように、前記モーターコントローラーの電力スイッチの状態を変更するステップを含む、請求項11に記載の方法。
13. ステップ（l）が、前記バッテリパックと前記保護ゾーンの前記第1の端部の間に配置された接触器を開口し、前記ACモーターを前記保護ゾーンの前記第2の端部から機械的に切り離すステップをさらに含む、請求項12に記載の方法。
14. 前記保護ゾーンの前記第1の端部が、前記バッテリパックのバッテリモジュールの複数の並列ストリングに接続されたバスバーに沿って配置される、請求項11に記載の方法。
15. 前記保護ゾーンの前記第2の端部が、前記モーターコントローラーの内側に配置される、請求項11に記載の方法。

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