JP5619115B2 - 車輪推進システム - Google Patents

Description

本発明は、総括的には車両駆動システムに関し、より具体的には、バッテリ駆動式電気自動車又はハイブリッド車に使用されるようなバッテリ電源式駆動システムに関する。

図１は、バッテリ式電気自動車及びさらにハイブリッド車において使用される公知の交流（ＡＣ）電気駆動システムを示す。図示するように、バッテリとすることができるエネルギー貯蔵ユニットは、ＤＣ−ＡＣトラクションインバータの直流（ＤＣ）リンクに対して電気的に接続される。

図２は、ブーストコンバータの低電圧側に結合された第１のバッテリとブーストコンバータの高電圧側に結合された第２のバッテリとを含む公知のハイブリッド駆動システムを示す。運転時に、この構成は、高比エネルギーバッテリをエネルギー貯蔵ユニットとして使用することを可能にし、この場合低電圧側エネルギー貯蔵ユニットの電圧定格は一般的に、ＤＣ−ＡＣトラクションインバータのＤＣリンクよりも低い。

図３は、高比エネルギーバッテリと、ウルトラキャパシタと、 図３に示す構成で配置した場合においてウルトラキャパシタの電圧がバッテリの電圧よりも低い時に電流の流れを可能にするように分極させる（ｐｏｌｅ（一方向に導通させる））ダイオードとを含む公知のハイブリッド駆動システムを示す。図３の構成は、高いレベルの電力がバッテリから２チャネルブーストコンバータを介してＤＣリンクに送られることを可能にし、この場合各チャネル又はフェーズは、同一の最大電力定格を有する。

上記のシステムは、様々な走行条件時において有効であるが、車両が典型的な市街地走行時に見られるように比較的低速で運転される時には、殆ど効果がない可能性がある。その結果、車両の性能又は燃料効率が低下するおそれがある。
米国特許第５，５８９，７４３号公報

１つの態様では、車両推進システムを提供する。本推進システムは、交流（ＡＣ）トラクション駆動システムと、直流（ＤＣ）リンクを介してトラクション駆動システムに対して電気的に結合された第１のエネルギー貯蔵システムと、トラクション駆動システムに対して電気的に結合されてそれからの電圧出力が双方向ブーストコンバータを使用してＤＣリンクから結合解除されるようになった第２のエネルギー貯蔵システムと、車両が事前充電モード及びトラクション駆動システムが有効に機能する通常運転モードの少なくとも１つのモードで運転されている時に第１及び第２のエネルギー貯蔵システムを制御するように構成されたエネルギー管理システムとを含む。

本明細書に記載しているのは、電気自動車又はハイブリッド車で利用することができる制御システム及び電力貯蔵システムである。本明細書で使用する場合のハイブリッド車とは、電気モータとヒートエンジン（熱機関）との組合せを利用して車両に推進力を提供する車両を意味する。さらに、本明細書で使用する場合に、電気自動車とは、モータと複数のバッテリとを含み、バッテリが車両を走行させる推進力の少なくとも一部分を提供する車両を意味する。

本システムは、交流（ＡＣ）トラクション駆動装置と、直流（ＤＣ）リンクを介してトラクション駆動装置に対して電気的に結合された第１のエネルギー貯蔵システムと、トラクション駆動装置に対して電気的に結合されてそれからの電圧出力が双方向ブーストコンバータを使用してＤＣリンクから結合解除されるようになった第２のエネルギー貯蔵システムと、ブーストコンバータの低電圧側から該ブーストコンバータの高電圧側に電流を導通させるように分極させる一方向電流装置とを含む
具体的には、 図４は、例示的な車両推進システム１００を示し、車両推進システム１００は、負ＤＣリンクとも呼ばれる第１のバス１１４に結合された入力又は負端子と、正ＤＣバスとも呼ばれる第２のバス１１２に対して電気的に結合された出力又は正端子とを有する第２の貯蔵ユニット１１０を含む。この例示的な実施形態では、第２の貯蔵ユニット１１０は、それぞれ正及び負ＤＣバス１１２及び１１４間に電気的に結合された高比エネルギーバッテリである。従って、高エネルギーバッテリ１１０とウルトラキャパシタ１３０との負端子は各々、ブーストコンバータ及びＤＣ−ＡＣインバータの負ＤＣバス１１４に対して電気的に結合される。

システム１００はまた、エネルギー管理システム（ＥＭＳ）１２０を含み、エネルギー管理システム（ＥＭＳ）１２０は、第２の貯蔵ユニット１１０から得られる電圧を高めるブーストコンバータ回路（回路の詳細は図示せず）を含む。ブーストコンバータ回路は、第２のバス１１２を半導体スイッチング装置（図示せず）に結合するインダクタ（図示せず）を含むことができる。半導体スイッチング装置は、高電圧側ＤＣリンクと呼ばれるＥＭＳ１２０の高電圧側１２４に結合している。ＤＣリンク又は時にはインバータＤＣリンクという用語は、本明細書では１１４に対して正及び負ＤＣバス１２４を指すために使用する。ＤＣリンクの負部分は、高比エネルギーバッテリ１１０の負端子、第１の受動貯蔵装置１４０の負端子及びＤＣ−ＡＣインバータ１４４の負端子に対して電気的に結合される。より具体的には、ＥＭＳ１２０は、第２の貯蔵ユニット１１０の電圧にほぼ等しい電圧を見る入力側１２２を有し、この電圧をＥＭＳ出力側１２４で見られる第１のより高い電圧に変換する。従って、ブーストコンバータ出力側１２４は、回路の高電圧側と呼ばれる。システム１００はまた、電流センサ１６０及び電圧センサ１６２を含み、これらのセンサは、ＥＭＳ１２０に送信するようにされ、ＥＭＳ高電圧側１２４のそれぞれの電圧及びＤＣリンク負荷電流をモニタするためにＥＭＳ１２０によって利用される。システム１００はまた、第２の高比エネルギーバッテリ１１０のそれぞれの電流をモニタする電流センサ１６４を含む。電流センサ１６４は、初期事前充電中、通常運転中、及びさらに任意選択的な車外バッテリ充電器（図示せず）使用中における電流を検知するように構成される。電流及び電圧センサ（ＥＭＳ内部の）が、それぞれＥＭＳ低電圧側１２２及び高電圧側１２８におけるモニタを行う。

システム１００はまた、インダクタ（図示せず）を介してブーストコンバータの低電圧側の第２のチャネル１２８に接続された例えばウルトラキャパシタ１３０のような第２の受動貯蔵装置１３０を含む。例えばダイオードのような一方向導通装置１３２が、ブーストコンバータの高エネルギーバッテリ入力チャネルからウルトラキャパシタ１３０に電流を導通させるように分極させる。図示するように、受動貯蔵装置１３０、一方向導通装置１３２及びコンタクタ１３４は、第２のチャネルブーストコンバータの低電圧側１２８の正ＤＣバス１１２及び負ＤＣリンク１１４間に直列に結線される。本明細書で使用する場合のウルトラキャパシタとは、各々が５００ファラドよりも大きいキャパシタンスを有する直列配置で接続された複数キャパシタセルから成るキャパシタを意味する。ウルトラキャパシタは、しばしば「二層」キャパシタ又はスーパキャパシタと呼ばれる。この例示的な実施形態では、ウルトラキャパシタ１３０は、直列に接続された６３個のセルを有し、各セルは、約２．７Ｖの電圧定格とセル当たり１０００ファラドよりも大きいキャパシタンス値を有する。

システム１００はまた、正ＤＣリンク１２４及び負ＤＣリンク１１４間にブーストコンバータ１２０と並列に結合された第１の受動貯蔵装置１４０を含む。具体的には、受動貯蔵装置１４０は、ブーストコンバータ１２０の高電圧側１２４と並列に結合される。この例示的な実施形態では、第１の貯蔵装置１４０は、ウルトラキャパシタである。

システム１００はまた、正ＤＣリンク１２４及び負ＤＣリンク１１４間で第１の貯蔵装置１４０と並列に結合された動的リターダシステム１４２と、インバータ１４４に結合されたトラクションモータ１４６とを含む。インバータ１４４とトラクションモータ１４６との組合せは、しばしばトラクション駆動システム１４７と呼ばれる。モータタコメータ１４９のようなＡＣモータ速度検知装置が、モータの回転速度及び方向に比例した電気信号を提供する。この例示的な実施形態では、動的リターダシステム１４２は、高ワット損グリッドレジスタ、直列接続スイッチング装置及びフライバックダイオードを含むことができ、このフライバックダイオードは、ＤＣリンク１２４に加わる有効抵抗を制御可能に変化させるようにスイッチング装置と逆並列に接続され、それによって、インバータ１４４を介して電力をリンク１２４に戻す回生モードでトラクションモータ１４６が作動している時に、リンク１２４上に発生するＤＣ電圧を制限することができる。

１つの実施形態では、インバータ１４４は、交流電流を供給するためのＤＣ−ＡＣインバータであり、トラクション駆動システム１４７は、ＡＣモータ１４６を利用する。任意選択的に、インバータ１４４は、直流を提供するためのＤＣチョッパ又はパルス幅変調回路であり、トラクション駆動モータ１４６は、ＤＣモータである。システム１００はまた、本明細書では車両システム制御装置（ＶＳＣ）１４８と呼ぶ制御システムを含み、この制御システムは、本明細書で後述することにする様々なモードでシステム１００を作動させるように構成される。

この例示的な実施形態では、システム１００はまた、第２の貯蔵ユニット１１０からトラクションブーストコンバータ１２０の高電圧側１２４への電流の流れを可能にするように分極させる外部一方向電流装置１５０と、事前充電回路１５２と、少なくとも１つのＤＣコンタクタ１５４とを含む。この例示的な実施形態では、一方向電流装置１５０は、ダイオードである。使用中には、外部一方向電流装置１５０は、事前充電回路１５２からトラクションブーストコンバータ１２０の高電圧側１２４に電流を流して高電圧側ウルトラキャパシタ１４０をその初期推定放電状態から少なくとも部分的に事前充電するのを可能にし、またさらにブーストコンバータシステムの故障時における「のろのろ（Ｌｉｍｐ−ｈｏｍｅ）」運転モード時にトラクション駆動システム１４７に電力を供給する。

運転時に、高電圧側ウルトラキャパシタ１４０は、事前充電回路１５２を使用して、ブーストコンバータ１２０の低電圧側１２２に結合された高比エネルギーバッテリ１１０のほぼ公称電圧まで急速に事前充電される。この初期事前充電機能のためのエネルギーは、高比エネルギーバッテリ１１０によって供給され、これは、オペレータが例えば点火スイッチコマンドにより始動を開始している数秒の範囲内で車両が静止している間に完了することができる。ウルトラキャパシタ１４０の初期事前充電が完了した後に、ＤＣコンタクタ１５４が励起されて、その関連する電力接点が電気的に閉じられる。この時点において、トラクション駆動システム１４７は、比較的低速度で車両を運転することができるように有効に機能することができる。高電圧側１２４の電圧への付加的な電圧増大は、車両が減速している間の回生制動時にトラクション駆動システム１４７により、及び／又はハイブリッド車用途における熱機関により得ることができる。

通常運転モードにおいては、低電圧側ウルトラキャパシタ１３０は、高比エネルギーバッテリ１１０から供給される高電圧側からのエネルギーを使用して部分的に事前充電される。ブーストコンバータ１２０の低電圧側入力１２２、１２８の部分的事前充電の後に、ＤＣコンタクタ１３４が閉じられて、ブーストコンバータ１２０を介してウルトラキャパシタ１４０の事前充電が続行される。使用中には、ウルトラキャパシタ１３０の最大電圧は、高比エネルギーバッテリ１１０の電圧の少なくとも約２倍であるが、ウルトラキャパシタ１３０の最大電圧は、高比エネルギーバッテリ１１０の電圧よりも約２５倍大きくすることも可能である。さらに、通常運転時に、ウルトラキャパシタ１３０は、その最大電圧からその最大電圧の約５０％まで低下するように作動して、その全貯蔵エネルギー（使用可能なエネルギー）の約７５％を取り出される。ウルトラキャパシタ１３０の使用可能なエネルギーが消尽しかつオペレータが車両を運転するために付加的な電力を要求し続けている場合には、例えば高比エネルギーバッテリ１１０からトラクション駆動システム１４７への電圧を高める電力能力を約２倍にするような２フェーズブーストコンバータでは、ダイオード１３２が導通し、次にブーストコンバータ１２０が高度の有効モードで作動する。動的リターダ機能１４２及びその関連する制御装置は、ブーストコンバータ１２０の高電圧側に設けられる。

図４に示す車両システム１００と実質的に同様である車両システム１０１を示している。この実施形態では、車両システム１０１は、一方向導通装置１３２（図４に示す）を含まない。従って、この実施形態では、電流は、ダイオードを介してブーストコンバータの高エネルギーバッテリ入力チャネルからウルトラキャパシタ１３０に導通されない。さらに、システム１０１は、外部一方向電流装置１５０（図４に示す）を含まない。従って、この実施形態では、電流の流れは、エネルギー管理システム１２０の外部の装置によって、第１の貯蔵ユニット１１０からトラクションブーストコンバータ１２０の高電圧側１２４に分極させられることはない。

図６は、ＥＭＳ１２０（図４に示す）内にプログラムされた電力制御アルゴリズム２００を示すフロー図である。この例示的な実施形態では、少なくとも４つの入力がＥＭＳ１２０に提供される。これらの入力は、電圧センサ１６２によって検知されたＤＣバス電圧と、電流センサ１６０によって検知されたＤＣ負荷電流と、モータタコメータ１４９によって検知されかつ車両システム制御装置１４８内で処理されたトラクションモータ速度と、車両が前方方向に走行している時におけるモータリングモードつまり正のトルクで又は車両が前方方向に走行している間における回生モードつまり負のモータトルクでハイブリッド車駆動装置が作動している時を表示するモード信号とを少なくとも含む。上述したように、モータリングモード及び回生モードはまた、車両が後方方向に走行している時にも存在する。

この例示的な実施形態では、アルゴリズム２００は、全ＥＭＳ電力コマンド２２０を生成するように組合された個別のサブル−チンを含む。第１のサブル−チン２１０は、ＤＣバス電圧センサ１６２から入力を受け、この信号に基づいて高電圧側１２４（図４及び図５に示す）を変化するＤＣバス基準電圧１６６に向けて近づける比例積分コントローラ（ＰＩコントローラ又はＰＩＤコントローラ）を含む。第２のサブル−チン２１２は、センサ１６０から送信された電流信号を受信しかつフィルタ処理し、それをＤＣバス電圧検知信号と乗算した後に、トラクション駆動負荷電力を計算する。トラクション駆動負荷電力には、ＤＣバス電圧１６２の値及び特定モードの運転信号１６４に基づいた調整可能なゲインが乗算される。第３のサブル−チン２１４は、過電圧保護のために使用する比例ゲインを生成する。変化するＤＣバス基準電圧１６６信号は、以下のように二次元参照用テーブル２１７を使用してサブル−チン２１０内で計算され、つまり、車両システム制御装置１４８から受けたトラクションモータ速度に対して低域フィルタ処理を行なった後に、プロセッサにより、参照用テーブル２１７への１つの入力である％モータ定格速度信号を表す信号を計算する。サブル−チン２１２の一部として計算したトラクション駆動負荷電力は、参照用テーブル２１７への第２の入力である。参照用テーブル２１７は、モータ及び駆動構成要素のシステム損失を最少にして特に低速軽トルク運転時における駆動システム効率を向上させる最適な方式で、モータトルク曲線群のモータ速度の関数として変化するＤＣバス基準電圧コマンド出力信号を提供するように構成される。サブル−チン２１０、２１２及び２１４からの出力は、次に合算２１６されかつ非対称リミッタ機能２１８を通過させて、ＥＭＳ全電力コマンド２２０を生成し、この例示的な実施形態では、このＥＭＳ全電力コマンド２２０は、バス１２４（図５に示す）を介してトラクション駆動システム１４７に供給される電力を決定するコマンドである。運転中には、非対称リミッタ２１８は、モータリング運転に関連する正電力と比べて一層高レベルの負又は回生電力を可能にする。

図７は、ＥＭＳ１２０（図４に示す）内にプログラムされた別の電力制御アルゴリズム２３０を示しているフロー図である。この例示的な実施形態では、ＥＭＳ全電力コマンド２２０は、低電圧側ウルトラキャパシタ１３０と比較的低電圧の高比エネルギーバッテリ１１０との間に分配される。電流センサ１６４によって検知されたバッテリＤＣ電流は、ＥＭＳ制御装置に入力され、高比エネルギーバッテリ１１０のアンペア時（ＡＨ）を計算するために使用される。アルゴリズム２３０は、瞬間バッテリアンペア時（ＡＨ）と低電圧側ウルトラキャパシタ１３０の電圧との関数である。使用中には、バッテリ１１０のＡＨが所定の閾値以上である場合には、アルゴリズム２３０は、第１のサブルーチン２３２を実行して、この第１のサブルーチン２３２では、電力のより高い部分がブーストコンバータのフェーズｂによって制御されるウルトラキャパシタ１３０に分配される。より具体的には、電力対ブーストコンバータの検知フェーズｂ電圧の区分線形極限関数が、電力コマンドを制限するために使用される。この例示的な実施形態では、モードがモータリングであるか又は回生であるかに応じて、異なる電力極限関数が使用される。要求電力が制限されていないとすると、フェーズａ電力コマンドとフェーズｂ電力コマンドとの合計は、ＥＭＳ全電力コマンド２２０に等しくなる。

任意選択的に、バッテリ１１０のＡＨが指定した閾値以下である場合には、アルゴリズム２３０は、第２のサブル−チン２３４を実行し、この第２のサブル−チン２３４では、電力のより高い部分がブーストコンバータのフェーズａによって制御されるバッテリ１１０に分配される。さらに、本明細書でエネルギー貯蔵充電コマンドと呼ぶ付加的信号２３６が、充電電力を増大させるために車両システムコントローラ（ＶＳＣ）１４８に送信される。電力対ブーストコンバータの検知バッテリ電流及び計算アンペア時（ＡＨ）の区分線形極限関数が、電力コマンドを制限するために使用される。モードがモータリングであるか又は回生であるかに応じて、異なる電力極限関数が使用され、つまりモードがモータリングである場合には、制限は常にゼロである。要求電力が制限されていないとすると、フェーズａ電力コマンドとフェーズｂ電力コマンドとの合計は、ＥＭＳ全電力コマンド２２０に等しくなる。

図４に示すシステム１００と実質的に同様であるシステム３００を示している。従って、図８における同様な構成要素を表すために、図４において構成要素を表すために使用した参照符号を使用することにする。この実施形態では、高電圧側ウルトラキャパシタ１４０の部分的事前充電は、図４に示すのと同じ方式で行われるが、低電圧側エネルギー貯蔵ユニットの事前充電装置及び制御装置は、単純化している。より具体的には、システム３００は、コンタクタ１３４（図４に示す）は含むのではなく、高エネルギーバッテリ１１０の電圧レベルへの高電圧側の部分的事前充電は、 図４〜図７に示すＥＭＳ１２０を使用して達成される。

使用時に、ＥＭＳ１２０が有効に機能するようになり、ＥＭＳ１２０内にプログラムされた関連する制御アルゴリズムは、局部フェーズaフィルタキャパシタ３１０を事前充電する。具体的には、ＥＭＳ１２０は、適当なインダクタ３１２によってキャパシタ３１０及びその関連する電圧センサ３１３を高エネルギーバッテリ１１０の電圧レベルにほぼ等しいレベルまで事前充電する。この時点において、コンタクタ３１４は、関連する電気的コンタクタ３１６を介しての最小過渡電流で励起され、従って長寿命を達成する。さらに、高電圧側ウルトラキャパシタ１４０の所定の電圧値への事前充電が、高エネルギーバッテリ１１０からのエネルギーを使用して行われる。フェーズｂフィルタキャパシタ３３０及びその関連する電圧センサ３３２は次に、適当なインダクタ３１５によって約９．９５*Ｖｃｌの範囲内の電圧レベルまで事前充電され、ここで、Ｖｃｌとは、キャパシタ１３０において見られる電圧レベルである。次に、別のコンタクタ３４０が、関連する電気接点を介しての最小過渡電流で励起され、従って長寿命を達成する。この時点において、ウルトラキャパシタ１３０は、ＥＭＳ１２０と高電圧側ウルトラキャパシタ１４０及び高エネルギーバッテリ１１０の組合せから供給されるエネルギーとを使用して、高電圧側バス１２４において見られる電圧レベルよりも低い所定の電圧レベルまで部分的に事前充電される。

図４に示すシステム１００と実質的に同様であるシステム４００を示している。従って、図９における同様な構成要素を表すために、図４において構成要素を表すために使用した参照符号を使用することにする。この実施形態ではシステム４００は、車両オルタネータ４１０を使用して高エネルギーバッテリ１１０を充電するように構成される。より具体的には、システム４００は、熱機関４１２によって駆動されるオルタネータ４１０と、整流器４１４と、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１８を介して高比エネルギーバッテリ１１０を充電するために利用される１２Ｖ始動点火及び点火（ＳＬＩ）バッテリ４１６とを含む。この例示的な実施形態では、コンバータ４１８は、バッテリ１１０に供給される電圧を車両シャシから切り離すのを可能にする。この例示的な実施形態では、オルタネータ４１０は、車両内部の公知のエンジン４１２に結合されかつエンジン４１２によって駆動される。運転時に、バッテリ１１０の充電電力レベルは、オルタネータ４１０及びその関連する回路の電流定格に基づいて、またさらにオルタネータの比較的低い効率によって制限される可能性がある。しかしながら、この特徴は、特に車両がアイドリング運転又は低速走行している時に、或る低レベルの充電を行うことになる。

運転時に、ＥＭＳ１２０は、 図６において説明したようにＤＣ−ＤＣコンバータ４１８を有効に機能させるようにプログラムされており、この場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１８は、米国特許第５，５８９，７４３号においてＫｉｎｇによって教示されているような一連のハイブリッド駆動システムのための統合型クランキングインバータ・ブーストコンバータの簡易型のＡＣ−ＤＣコンバータである。さらに、システム４００は、依然として本明細書の以前の図に示した動的リターダ１４２を含んでいる。

図９に示すシステム４００と実質的に同様であるシステム５００を示している。従って、 図１０における同様な構成要素を表すために、 図９において構成要素を表すために使用した参照符号を使用することにする。この実施形態では、システム５００は、 図９に示すＤＣ−ＤＣコンバータ４１８と比べて高い出力電圧を有し、運転時にＥＭＳ１２０によって送信されたイネーブル（有効機能化）信号が、高電圧側エネルギー貯蔵ユニットつまりウルトラキャパシタ１４０を充電するようにプログラムされるようになった分離したＤＣ−ＤＣコンバータ５１８を含む。

図１１は、図９に示すシステム４００と実質的に同様であるシステム６００を示している。従って、 図１１における同様な構成要素を表すために、図９において構成要素を表すために使用した参照符号を使用することにする。具体的には、図１１は、低電圧で作動するウルトラキャパシタ１３０の作動時にＥＭＳが有効に作動するようになった別の例示的な事前充電制御装置を示している。従って、システム６００はまた、コンタクタ６１０とダイオード６１２とを含み、これらは協働して、ウルトラキャパシタ１３０が高比エネルギーバッテリ１１０にほぼ等しいレベルにまで放電された期間中にＥＭＳの２つのフェーズを使用することによって、ＥＭＳ１２０の高い作動効率を可能にする。

この例示的な実施形態では、システム６００はまた、事前充電回路１５２を介しての第２の貯蔵ユニット１１０からＥＭＳ１２０の高電圧側１２４への電流の流れを可能にするように分極させる外部一方向電流装置６２０を含む。この例示的な実施形態では、外部一方向電流装置６２０は、ダイオード６１２である。使用中には、外部一方向電流装置６２０は、事前充電回路１５２からＥＭＳ／トラクションブーストコンバータ１２０の高電圧側１２４に電流を流して高電圧側ウルトラキャパシタ１４０をその初期推定放電状態から少なくとも部分的に事前充電するのを可能にし、またさらにブーストコンバータシステムの故障時における「のろのろ」運転モード時にトラクション駆動システム１４７に電力を供給する。任意選択的に、システム６００は、外部ダイオード６２０を含まない。

図１２は、ＤＣリンク電圧１２４がモータ速度及びトルクの関数として示され、また点線が関連するエネルギー貯蔵構成要素電圧の例示的な基準値を表しているグラフ図である。図示するように、例示的なＡＣモータ設計での駆動装置の全トルクは、基準電圧を或る所定の最小値から定格速度の約５０％のモータ速度における所定の最大基準値まで上昇させることによって達成可能である。５０％〜１００％の定格モータ速度においては、基準ＤＣリンク電圧は、実質的に一定に保たれる。図示するように、ウルトラキャパシタ１４０の電圧は、エネルギーがこの装置から取り出され又はこの装置に供給されるにつれて、基準線の上方及び下方に変動する。ウルトラキャパシタ１４０電圧つまり充電状態が限界値に近づいた時、閉ループ制御装置は、ウルトラキャパシタ１３０がその通常作動範囲（ＳＯＣ）内にあるとすると、主としてこのウルトラキャパシタ１３０から付加的エネルギーを提供する。ウルトラキャパシタ１３０がエネルギーを提供できない時には、高比エネルギーバッテリ１１０を利用して付加的エネルギーを提供する。例えば、長時間にわたり急勾配を登攀している間の運転時には、ウルトラキャパシタ１３０及び１４０の両方内に貯蔵されたエネルギーは実質的に使い尽くされているので、高比エネルギーバッテリ１１０がエネルギーを提供する。また、「のろのろ」運転モード時には、車両を推進させるために提供されるエネルギーは、バッテリ１１０を使用して補給されることになる。

図１３は、 図４に示すシステム１００と実質的に同様なシステム７００を示している。従って、図１３における同様な構成要素を表すために、図４において構成要素を表すために使用した参照符号を使用することにする。システム７００において、動的リターダ１４２は、ブーストコンバータ１２０の高電圧側に結合されるのではなく、ブーストコンバータ１２０の低電圧側に結合される。ＥＭＳ１２０の付加的なフェーズは、エネルギー貯蔵ユニットがそれらの最大電圧限界値付近にある時には、厳しい回生運転時におけるＤＣリンクの値を制御する電力コマンドを使用する。より具体的には、この構成においては、動的リターダ１４２は、ブーストコンバータの制御によりＤＣリンク１２４での有効電力消散を制御可能に変化させ、それによってインバータＤＣリンク１２４の１１４に対しての間に生じるＤＣ電圧を制限する。

図１４は、図４に示すシステム１００と実質的に同様であるシステム８００を示している。従って、 図１４における同様な構成要素を表すために、図４において構成要素を表すために使用した参照符号を使用することにする。この実施形態では、システム８００は、電気推進システムの低電圧側の高比エネルギーバッテリ１１０によって提供された電力を使用して、少なくとも１つのファン８１０の分離した電力作動を行ってウルトラキャパシタ１３０、１４０及び／又はバッテリ１１０を含むエネルギー貯蔵ユニットの温度制御を行うように構成される。車両システム制御装置は、それぞれのエネルギー貯蔵ユニット１１０、１３０及び１４０からの検知フィードバック温度を使用して閉ループ作動を構成する。温度が所定の設定値を超えた時、分離したＤＣ−ＤＣコンバータ８１２が有効に機能して、エネルギー貯蔵ユニットをそれらのそれぞれの１２ＶＤＣ又は２４ＶＤＣ電力供給源から切り離す。この例示的な実施形態では、システム８００は、トラクション駆動装置が有効に機能していない期間中であってもエネルギー貯蔵ユニットの冷却を可能にする。このことは、車両が日中の陽射しの下でアスファルト舗装上に駐車している時に特に重要である。ウルトラキャパシタ又はバッテリの寿命は高温の期間中に短縮されるので、システム８００は、冷却ファン８１０を起動させて、それぞれのエネルギー貯蔵装置の温度を低下させる。後刻車両が再び運転状態になった時に、高比エネルギーバッテリは、回生制動事象の間におけるトラクション駆動により提供される又は熱機関がエネルギー貯蔵システムを充電している間に提供されるかのいずれかのエネルギーを使用して再充電される。

本明細書に記載したシステムは、ウルトラキャパシタ／バッテリエネルギー貯蔵システムの高度に有効な利用を行うのを可能にする。具体的には、高いモータ速度及びトルクでの運転のための過渡エネルギーは、主として高電圧ウルトラキャパシタを高い効率モードで使用し、中程度の速度及びトルクでの運転のための過渡エネルギーは、主として高電圧及び中電圧ウルトラキャパシタの組合せを使用し、また低いモータ速度及び全範囲のモータトルクでの運転のための過渡エネルギーは、主として低電圧バッテリ及び中電圧ウルトラキャパシタの組合せによって提供される。従って、ウルトラキャパシタセルのバランス問題は、高電圧及び中電圧要求に応じて両方の複数ウルトラキャパシタを使用することによって最小になる。

従って、本明細書に記載したシステムは、中電圧及び低電圧エネルギー貯蔵構成要素からＤＣリンク電圧を結合解除するのを可能にし、このことにより、モータ速度及びトルクに応じて適切なエネルギー貯蔵システム及びその関連する制御装置を利用することによって、システム性能及び効率の向上が可能になる。システムの重量、従って車両の重量は、エネルギー貯蔵の１つの構成要素として低電圧軽量バッテリを使用することによって最小になる。全電気運転モード、そしてまたのろのろ運転モード時に、本システムは、ウルトラキャパシタエネルギー貯蔵システムのみを使用する構成と比べて、構成要素の使用範囲を増大するのを可能にする。さらに、電気駆動システムのための構成要素のサイズ及び重量限界値の範囲内で所望の性能を達成すると同時に、高電圧側ウルトラキャパシタエネルギー貯蔵装置の事前充電機能が従来型の高電圧バッテリから行う場合よりも短時間で達成されるようなサイズにエネルギー貯蔵ユニットを作ることによって、システム全体のコストが低減される。

様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることは、当業者には分かるであろう。

公知の交流（ＡＣ）電気駆動システムを示す図。 公知のハイブリッド駆動システムを示す図。 公知のハイブリッド駆動システムを示す図。 例示的な車両推進システムを示す図。 別の例示的な車両推進システムを示す図。 車両推進システムを制御するための例示的アルゴリズムを示すフロー図。 車両推進システムを制御するための別の例示的アルゴリズムを示すフロー図。 別の例示的な車両推進システムを示す図。 別の例示的な車両推進システムを示す図。 別の例示的な車両推進システムを示す図。 別の例示的な車両推進システムを示す図。 運転時における 図１１に示すシステムのグラフ図。 別の例示的な車両推進システムを示す図。 別の例示的な車両推進システムを示す図。

１００ 車両推進システム
１０１ 車両システム
１１０ 高比エネルギーバッテリ又は第２の貯蔵ユニット
１１２ 正ＤＣバス
１１４ 負ＤＣバス
１２０ エネルギー管理システム（ＥＭＳ）又はブーストコンバータ
１２２ 低電圧側入力
１２４ 高電圧側電圧
１２８ 低電圧側入力
１３０ ウルトラキャパシタ
１３２ ダイオード
１３４ コンタクタ
１４０ ウルトラキャパシタ
１４２ 動的リターダシステム
１４４ ＤＣ−ＡＣインバータ
１４６ トラクションモータ
１４７ トラクション駆動システム
１４８ 車両システム制御装置
１４９ モータタコメータ
１５０ 一方向電流装置
１５２ 事前充電回路
１５４ ＤＣコンタクタ
１６０ 電流センサ
１６２ 電圧センサ
１６４ 電流センサ
１６４ 電流センサ
１６６ ＤＣバス基準電圧
２００ 電力制御アルゴリズム
２１０ サブル−チン
２１２ 第２のサブル−チン
２１４ 第３のサブル−チン
２１６ サブル−チン
２１７ 参照用テーブル
２１８ 非対称リミッタ機能
２２０ ＥＭＳ全電力コマンド
２３０ 電力制御アルゴリズム
２３２ 第１のサブル−チン
２３４ 第２のサブル−チン
２３６ 付加的信号
３００ システム
３１０ 事前充電キャパシタ
３１０ フェーズaフィルタキャパシタ
３１２ インダクタ
３１３ 電圧センサ
３１４ コンタクタ
３１５ インダクタ
３１６ 電気的コンタクタ
３３０ 相ｂフィルタキャパシタ
３３２ 電圧センサ
３４０ コンタクタ
４００ システム
４１０ 車両オルタネータ
４１２ 熱機関
４１４ 整流器
４１６ バッテリ
４１８ ＤＣ−ＤＣコンバータ
５００ システム
５１８ ＤＣ−ＤＣコンバータ
６００ システム
６１０ コンタクタ
６１２ ダイオード
６２０ 一方向電流装置又は外部ダイオード
７００ システム
８００ システム
８１０ 冷却ファン
８１２ ＤＣ−ＤＣコンバータ

Claims (8)

1. 直流（ＤＣ）リンク（１１４）と電気的に結合された交流（ＡＣ）トラクション駆動システム（１４７）と、
   第１の高比電力バッテリ（１１０）と、
   高電圧側（１２４）及び低電圧側（１２８）を含む双方向ブーストコンバータ（１２０）であって、該ブーストコンバータ（１２０）の前記低電圧側（１２８）に結合された前記第１の高比電力バッテリ（１１０）から得られる電圧を高め、前記直流（ＤＣ）リンク（１１４）に供給し、前記第１の高比電力バッテリ（１１０）が、前記ブーストコンバータ（１２０）の高電圧側（１２４）に結合されている、前記ブーストコンバータ（１２０）と、
   前記ブーストコンバータ（１２０）の前記高電圧側（１２４）に結合され、前記直流（ＤＣ）リンク（１１４）を介して前記トラクション駆動システムに対して電気的に結合された第１のキャパシタ（１４０）と、
   前記ブーストコンバータ（１２０）の前記低電圧側（１２８）に結合された第２のキャパシタ（１３０）と、
   前記第１の高比電力バッテリ（１１０）及び、前記第１及び第２のキャパシタ（１４０、１３０）と結合する、エネルギー管理システムであって、
   前記トラクション駆動システムの通常運転時に、前記第２のキャパシタ（１３０）から電圧を取り出し、
   急勾配を登攀している間の運転時において、前記第１及び第２のキャパシタ（１４０、１３０）から電圧を取り出し、
   前記ブーストコンバータ（１２０）の故障時において、前記第１の高比電力バッテリ（１１０）から電圧を取り出すように制御を行う前記エネルギー管理システムと、
   を含む車両推進システム（１００）。
2. 前記第１の高比電力バッテリ（１１０）と前記ブーストコンバータ（１２０）の前記高電圧側（１２４）との間に配置されるダイオード（１５０）を含み、
   前記ブーストコンバータ（１２０）の故障時に、前記ダイオード（１５０）が、前記第１の高比電力バッテリ（１１０）から電流を前記ブーストコンバータ（１２０）の高電圧側（１２４）に流し、前記トラクション駆動システム（１４７）に電力を供給する、請求項１に記載の車両推進システム（１００）。
3. 前記エネルギー管理システムは、前記通常運転時において、前記第２のキャパシタ（１３０）の使用可能なエネルギーが所定以上に消尽した時に前記第１の高比電力バッテリ（１１０）から電圧を取り出す、請求項１または２に記載の車両推進システム（１００）。
4. 前記第２のキャパシタ（１３０）が、前記第１の高比エネルギーバッテリ（１１０）の公称電圧定格よりも約２倍〜約２５倍大きい電圧定格を有する、請求項１乃至３のいずれかに記載の車両推進システム（１００）。
5. 前記ブーストコンバータは、２フェーズブーストコンバータである、請求項１乃至４のいずれかに記載の車両推進システム（１００）。
6. 前記第１の高比電力バッテリ（１１０）の電荷使用量が、所定の閾値以上である場合には、電力が前記第２のキャパシタ（１３０）に分配され、
   前記電荷使用量が、前記所定の閾値以下である場合には、電力が前記第１の高比電力バッテリ（１１０）に分配される、請求項１乃至５のいずれかに記載の車両推進システム（１００）。
7. 前記第１及び第２のキャパシタ（１４０、１３０）を少なくとも部分的に充電するように構成された事前充電回路（１５２）をさらに含む、請求項１乃至６のいずれかに記載の車
   両推進システム（１００）。
8. 前記直流リンク（１１４）に結合された電流センサ（１６４）及び／又は電圧センサ（１６２）をさらに含み、
   前記エネルギー管理システム（１２０）が、前記電流センサ及び／又は電圧センサ（１６２）からの出力を受けて、車両が前記トラクション駆動システム（１４７）が有効に機能する通常運転モードで運転されている時に前記第１の高比電力バッテリ（１１０）と前記第１のキャパシタ（１４０）を制御するように構成される、
   請求項１乃至７のいずれかに記載の車両推進システム（１００）。