JP7057574B2 - 内蔵型高速充電器のためのシステムおよび方法 - Google Patents

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本願は、２０１７年６月１３日に出願された「ＳＹＳＴＥＭＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＦＯＲ ＡＮ ＯＮ－ＢＯＡＲＤ ＦＡＳＴ ＣＨＡＲＧＥＲ」を発明の名称とする米国特許出願第６２５１８９４９号の仮出願ではなく、米国特許出願第６２５１８９４９号の優先権を含むすべての利益を主張する。なお米国特許出願第６２５１８９４９号は援用することにより本願に援用される。

本開示は、全般に、パワーエレクトロニクスの分野に関し、さらに詳細には、携帯性および重量が考慮される用途のための改善された充電機構に関する。

出力の送達および充電能力に関する課題は、構造的観点から、構成要素が、重く、大きく、かつ、高額となり得ることである。例えば電気車両に関しては、充電ステーションが、電源から電気車両の内蔵バッテリーに電力を転送するために使用され得る。

多様な出力の階層（例えばボルトおよびアンペア）が充電のために提供される異なるレベルの出力送達が存在し得る。低レベルの充電は、例えば、直接的にコンセントに差し込むことにより提供され得るが、充電は低速である（例えば、充電に一晩を要する）。充電レベルが高いほど、充電は高速となる（例えば４５分でフル充電）が、典型的にはインフラストラクチャへの顕著な投資が要求される。

これらの高速充電ステーションは通常、出力送達特性が電源または内蔵バッテリーの要求に合致することを保証することを支援するために要求される大型かつ高価である電気的／磁気的構成要素を含む。

これらの要求は、充電ステーションに配置される専用機材に対する必要性を生じさせ、その結果、充電の採用および利用可能性が潜在的に妨害される。インフラストラクチャの要求が低減されると、より高い出来高の達成が可能となり、高速充電器のより大きい拡散が可能となるため、「高速充電」の選択肢の利用可能性が大きくなることは、充電に対するアクセスの改善を支援する。

多様な用途（例えば電気車両など）に対して好適である革新的なパワー電子制御システムが提供される。このシステムは、いくつかの実施形態では、対象が使用状態にない（例えば車両が停止状態にある）ときには内蔵型ＡＣ高速充電のために、および、稼働時には駆動装置（例えば、車両に対するＥＶドライブトレイン）として使用されるよう、構成される。

いくつかの実施形態では、車両がグリッドに接続されているとき、回路は双方向の出力伝達を可能にする。車両は、出力送達を支援するにあたり追加的な電子的または磁気的な構成要素を要求することなく、グリッドに電力を送り戻すことが可能である。単相または多相の内蔵型ＥＶ高速充電を可能にするためのトポロジーおよび関連する制御が、開発および検証されてきた。

一実施形態では、稼働中には、このトポロジーにしたがう回路は駆動装置として動作するが、静止時には回路は単相ＡＣ充電器として動作する。競合する技術とは対照的に、このシステムでは、対象（例えば車両）が静止状態にあるとき、モータはＡＣ高速充電のために再利用される。このようにモータを動的に再配置することにより部品数が減少し、それにより、内蔵型ＡＣ高速充電を達成するために要求される磁気構成要素は、軽量化される。

駆動装置はモータ駆動装置および充電器の両方として機能する。充電器として機能するとき、回路は、低周波の高調波成分を減少させるよう制御され、それにより、いくつかの実施形態によれば、絶縁が必要とされる場合にはインフラストラクチャの要求が単一のケーブルまたは変圧器を有するケーブルに減少される。充電器として作用しているとき、いくつかの実施形態の駆動装置コンバータは、専用の変調方式を通してスイッチング周波数高調波成分を減少させる。この方式では、駆動装置ハードウェアが完全に利用される。トポロジーは、２つのエネルギー貯蔵供給源（例えば、バッテリー、スーパーキャパシタ、燃料電池、またはこれらの組み合わせ）を一緒に統合化し、２つのエネルギー貯蔵供給源間でエネルギーを能動的に交換する。

したがっていくつかの実施形態では、エネルギーは、リプルエネルギー量を緩和するために、または、貯蔵源間のエネルギーのバランスをとるために、一方の貯蔵源から他方の貯蔵源に転送されることが可能である。

いくつかの事例のトポロジーは、より高い電圧のモータの使用を可能にし、対応した高電圧のエネルギー供給源を利用することなく、より高い電圧のＡＣグリッド電圧に適応する。特に、トポロジーは充電時に一般的な２０８Ｖ商用、２７７Ｖ／４８０Ｖ商用（米国）、２４０／４００Ｖ（ヨーロッパ）、および３４７Ｖ／６００Ｖ商用（カナダ）を含む商用入力ＡＣ電圧に対応するよう構成されることが可能である。

したがって多様な実施形態では、グリッドに対する高調波成分の影響が最小となる状態で、すべての一般的な商用ＡＣ電圧における内蔵型単相ＡＣ高速充電が可能である。例えば、（１）ＥＶモータの利用により構成要素の個数および重量が軽減化／最少化されること、（２）グリッドに対する高調波成分の影響が減少すること、（３）グリッドおよびモータに対するスイッチング高調波成分が減少すること、（４）エネルギー貯蔵システムが２つの別個の制御可能ユニットへとさらに分割され、２つのエネルギー貯蔵システム間でエネルギーが共有されること、および、（５）高電圧モータおよび高電圧充電が可能となり、様々な一般的な商用入力電圧に適応すること、を含む、多様な潜在的利益が存在し得る。

一態様によれば、第１トラクションインバータ、および、電動モータにならびに電源に連結されている第１エネルギー貯蔵装置と、第２トラクションインバータ、および、電動モータにならびに電源に連結されている第２エネルギー貯蔵装置であって、第１トラクションインバータおよび第２トラクションインバータは電動モータを挟んで互いに連結されている、第２トラクションインバータおよび第２エネルギー貯蔵装置と、第１トラクションインバータおよび第２トラクションインバータおよび電源をインターフェース接続するＡＣ／ＤＣコンバータ・フロントエンド回路と、第１トラクションインバータおよび第２トラクションインバータの１つまたは複数のスイッチングゲートに適用されたときに電源から第１エネルギー貯蔵装置および第２エネルギー貯蔵装置に送達される出力の出力特性を成形するゲーティング信号を提供することによりＡＣ／ＤＣコンバータ・フロントエンド回路、第１トラクションインバータ、および第２トラクションインバータの動作特性を制御するよう構成された制御器回路と、を含む、駆動および充電の両機能を提供するよう適応された装置が提供される。

他の態様によれば、ゲーティング信号は、第１トラクションインバータおよび第２トラクションインバータの１つまたは複数のスイッチングゲートのインターリーブされたスイッチングを生じさせる。このインターリーブされたスイッチングは、第１エネルギー貯蔵装置および第２エネルギー貯蔵装置の連続的な伝導を可能にするよう適応される。なお第１エネルギー貯蔵装置および第２エネルギー貯蔵は、１つの期間において伝導の少なくとも１つの位相を通して電流を伝導する。

他の態様によれば、インターリーブされたスイッチングは、最も顕著な高調波成分を３ｆｓｗにシフトさせる。

他の態様によれば、第１トラクションインバータおよび第２トラクションインバータの各インバータは、１つまたは複数のスイッチングゲートを組み込むスイッチングネットワークを含む。このスイッチングネットワークは、第１エネルギー貯蔵装置および第２エネルギー貯蔵装置の各エネルギー貯蔵装置に流れ込む個々の電流を制御する。

他の態様によれば、第１トラクションインバータおよび第２トラクションインバータのスイッチングネットワークの各スイッチングネットワークは、１組の内部スイッチおよび１組の外部スイッチを有する少なくとも６個のスイッチを含む。

他の態様によれば、ゲーティング信号は、第１エネルギー貯蔵装置と第２エネルギー貯蔵装置との間で出力のバランスを取り、それにより、第１エネルギー貯蔵装置と第２エネルギー貯蔵装置との間の電圧が電源の入力電圧と合致するよう、スイッチングネットワークを制御する。

他の態様によれば、１組の内部スイッチおよび１組の外部スイッチは、スイッチング期間において同一パーセントのｏｎ時間を有する。

他の態様によれば、第１トラクションインバータのスイッチングネットワークと第２トラクションインバータのスイッチングネットワークとの間のゲーティング信号は、１８０度だけ位相シフトされる。

他の態様によれば、スイッチングネットワークの対をなすスイッチ間のゲーティング信号は１２０度だけ位相シフトされる。

他の態様によれば、ＡＣ／ＤＣコンバータ・フロントエンド回路のスイッチは電源のグリッド電圧に同期される。

他の態様によれば、制御器回路は、双方向に動作するよう、さらに構成される。なお双方向動作においては、第１エネルギー貯蔵装置および第２エネルギー装置のうちの少なくとも一方が電源に出力を供給する。

他の態様によれば、ゲーティング信号は、第１エネルギー貯蔵装置および第２エネルギー装置のうちの少なくとも一方と電源との間の出力の方向を調節する。

他の態様によれば、電動モータは車両に装着され、電動モータは、車両を移動させるための力を付与する駆動機能を電動モータが提供する第１モードと、電源に対して電気的に接続されたときに電動モータが充電機能を提供する第２モードと、を含むデュアルモードで動作するよう構成される。

他の態様によれば、単方向の電流伝導が可能であるスイッチは、電源に対する単方向の出力の交換を可能にする。

他の態様によれば、双方向の電流伝導が可能であるスイッチは、双方向の出力の交換を可能にする。

他の態様によれば、制御器回路は、グリッド側の力率を調節するように、および、グリッドから車両を充電するときに生成される低周波の高調波成分の大きさを減少させるように、適応された制御信号を生成するよう構成される。

他の態様によれば、制御器回路は、力率を改善するよう、および、コンバータのＡＣ端子において生成される高調波電流成分を減少させ、それによりＡＣ側フィルタに対する要求を減少させるかまたはＡＣ側フィルタを排除するよう、構成される。

他の態様によれば電源は単相ＡＣ出力を提供する。

他の態様によれば電源は３相ＡＣ出力を提供する。

他の態様によれば、第１エネルギー貯蔵装置と第２エネルギー貯蔵装置との間の正味電圧は、電源から受け取られるピーク電圧よりも常に大きくなるよう、制御器回路により維持される。

他の態様によれば、第１エネルギー貯蔵装置および第２エネルギー貯蔵装置は同一種類のエネルギー貯蔵装置である。

他の態様によれば、第１エネルギー貯蔵装置および第２エネルギー貯蔵装置は異なる種類のエネルギー貯蔵装置である。

他の態様によれば、第１エネルギー貯蔵装置および第２エネルギー貯蔵装置の両方はバッテリーである。

他の態様によれば、第１エネルギー貯蔵装置および第２エネルギー貯蔵装置の両方はキャパシタである。

他の態様によれば、第１エネルギー貯蔵装置および第２エネルギー貯蔵装置は、少なくとも１つのキャパシタおよび少なくとも１つのバッテリーを含む。

他の態様によれば、電源から第１エネルギー貯蔵装置および第２エネルギー貯蔵装置に送達される出力の出力特性を成形することは、電源に付与される出力における波形歪みを減少させるよう適応される。

他の態様によれば、車両は、自動車、飛行機、および船舶のうちの少なくとも１つである。

対応する方法、車両、システム、および制御器回路が考えられる。

他の態様では、ゲーティング制御の方法は、実行されたときに１つまたは複数のスイッチングネットワークを制御するための本明細書で記載のゲート処理制御方法をプロセッサまたはパルス幅変調器に実行させる機械解釈可能命令を格納する対応するコンピュータ可読媒体の形態で提供される。多様なさらなる態様では、対応するシステムおよび方法と、係るシステム、装置、および方法を実装するための機械実行可能コード化命令セットなどの論理構造と、が提供される。

この点では、少なくとも１つの実施形態を詳細に説明する前に、本発明の実施形態が適用においては、以下の記載で説明されるかまたは図面において示される、構築の詳細に、または、構成要素の構成に、限定されないことが理解されるべきである。また、本明細書で用いる述語および用語は、説明の目的のために用いられたものであり、限定的な意味で受け止められるべきではないことも理解すべきである。本明細書で記載の実施形態に関する多数のさらなる特徴および係る特徴の組み合わせは、本開示を読むことにより、当業者に明らかとなるであろう。

これらの図面では、様々な実施形態は例示として示される。説明および図面が単に説明のみを目的とするものであり、かつ、理解を支援するものとして、明確に理解されるべきである。

様々な実施形態について、添付の図面を参照して、単なる例示として、ここで説明する。

機械のニュートラル点が３相ＡＣ入力に直接的に接続され得、ＡＣグリッドとトラクションシステムとの間に追加的なハードウェアが要求されない、９相トラクションシステムに基づく統合化された充電器の１例を示す図である。 単相ＡＣシステムを介する統合化された充電のためのトポロジーを示す図である。 １組の並列接続されたトラクションインバータと単層ＡＣ電源から充電するための２つのモータとを示す図である。 両方のバッテリーを充電するために利用される単一の充電器を示す回路トポロジーを示す図である。 いくつかの実施形態に係る単相充電構成を示す回路トポロジーを示す図である。 いくつかの実施形態に係る３相充電構成を示す回路トポロジーを示す図である。 いくつかの実施形態に係る、内蔵型統合化充電・駆動システムの回路図である。 いくつかの実施形態に係る、内蔵型統合化充電・駆動システムの回路図である。 いくつかの実施形態に係る単相充電構成を示す回路トポロジーを示す図である。 モータの電気モデルの回路表現を示す図である。 いくつかの実施形態に係る上方モジュールの回路モデルを示す図である。 いくつかの実施形態に係る平均モデルを示す図である。 いくつかの実施形態に係る内部スイッチＶ_ｓａ、ｉ_ｓａ、ｉ_１ａ、およびｉ_２ａに対する例示的なゲーティング信号を示す図である。 いくつかの実施形態に係るインダクタ電流リプルを示すプロットを示す図である。 いくつかの実施形態に係る、ｄ＝０．５３において動作される内部スイッチに対する、相補的およびインターリーブされた切り替えシーケンスのプロットを示す図である。 いくつかの実施形態に係る位相電流のプロットを示す図である。 いくつかの実施形態に係る制御図である。 いくつかの実施形態に係る、整流電流波形およびフーリエ分解のプロットを示す図である。 いくつかの実施形態に係るシミュレーションモデルの高レベル図である。 いくつかの実施形態に係る、統合化された充電・駆動システムを使用する単相ＡＣ充電のシミュレーション結果を示す図である。 いくつかの実施形態に係る、統合化された充電・駆動システムを使用する単相ＡＣ充電のシミュレーション結果を示す図である。 グリッド高調波成分を減少させない、交流電流制御器が使用される例示的な場合の波形図である。 グリッド高調波成分を減少させない、交流電流制御器が使用される例示的な場合の波形図である。 いくつかの実施形態に係る能動的フロントエンドを使用するシミュレーションモデルの高レベル図である。 いくつかの実施形態に係る能動的フロントエンドシステムの動作を示す単相ＡＣ充電の波形を示す図である。 それぞれ出力がグリッドから車両に、および車両からグリッドに送達される場合の、能動的フロントエンドを有する統合化充電器・駆動システムのシミュレーション結果を示す図である。 それぞれ電力がグリッドから車両に、および車両からグリッドに送達される場合の、能動的フロントエンドを有する統合化充電器・駆動システムのシミュレーション結果を示す図である。

方法、システム、および装置の実施形態が、図面の参照を通して説明される。以下の検討では、本発明主題の多数の例示的な実施形態が提供される。各実施形態は発明要素の単一の組み合わせを表すが、本発明主題は、開示される要素のすべての可能な組み合わせを含むものとみなされる。したがって１つの実施形態が要素Ａ、Ｂ、およびＣを含み、第２の実施形態が要素ＢおよびＤを含む場合、本発明主題は、たとえ明示的に開示されないとしても、Ａ、Ｂ、Ｃ、またはＤの他の残りの組み合わせも含むものとみなされる。本明細書で説明される装置、システム、および方法の実施形態は、電子構成要素、コンピュータハードウェア、ファームウェア、および／またはソフトウェアの両方の組み合わせにおいて具体化され得る。これらの実施形態は、プログラム可能コンピュータまたは電子デバイス上で具体化され得る。

電気車両は例えば、とりわけ自動車、トラック、飛行機、船舶、無人航空装置を含む。これらの車両のすべては電動モータを含み得、この電動モータは、駆動特性を提供するのみではなく、内蔵電子構成要素に対する動力供給も行う。これらの電動モータは多くの場合、内蔵型エネルギー貯蔵装置（例えばバッテリー）の範囲により制限され、定期的な充電を要求する。充電スピードは利用可能なインフラストラクチャにより影響され得る。例えば電気グリッドは高レベルの出力フローを送達するにあたっては装備が不十分であるため、高速充電の達成のためには、インフラストラクチャの改善が要求され得る。

高レベルの出力フローを送達する際、電気グリッドは多くの場合、出力に歪みを導入してしまう。この歪みは、内蔵型エネルギー貯蔵装置に提供される前に、対処される必要がある。したがって電源からの出力は歪みを（例えば出力成形技術を介して）除去される必要があり、歪みの除去は顕著な磁気構成要素を要求する困難な作業課題である。充電インフラストラクチャは、充電ステーションにおいて提供されてもよく、またはいくつかの場合では、内蔵型充電器の形態において車両に内蔵された状態で提供されてもよい。

通常の内蔵型充電器は、通常はガルバニック絶縁とともに、ＤＣ／ＤＣ段階と、ＡＣグリッドに接続されたＤＣ／ＡＣ段階と、からなる。ＤＣ／ＤＣ段階は、バッテリー電圧における変動を吸収することができる。

この内蔵型充電器は、自動車に対する追加的な構成要素であり、自動車のコストおよび重量を増大させ、かつ、車両が稼働中には使用されない。特に、内蔵型充電器は非常に重い磁気構成要素を含み得、この磁気構成要素は、高価であると同時に大きい。車両重量が大きいと、車両の効率的な動作が不可能となり、特に車両の寿命が影響を受け、体積が大型化されると、車両内で利用可能な全体的な格納スペースが小さくなってしまう。

ＡＣレベル充電の要約が表Iに示されている。ＡＣレベル１の充電に対しては、整流器およびＤＣ／ＤＣコンバータは通常、簡単な「プラグイン充電」機能を提供するために、車両に内蔵される状態で設置される。この出力レベルにおける充電器は１．４ｋＷまでの出力をバッテリーに送達し、任意の利用可能な１２０Ｖ単相家庭用電源出力に差し込まれることが可能である。ＡＣレベル２充電器は、２４０Ｖ単相または３相の私用または公共の出力から、４ｋＷ～１９．２ｋＷの範囲のＥＶ充電を提供する。ＡＣレベル３充電は、商用高速充電ステーションにおいて利用可能であるが、５０ｋＷを越える出力レベルを供給するためには専用の非内蔵型ハードウェアを必要とする。

充電器の複雑性に対処するために、複合型トラクション・充電システムについて研究がなされてきた。様々な実施形態では、提案されるアプローチは、内蔵型トラクション構成要素を充電用に構成し、それによりバッテリー充電器の複雑性を解消するかまたは大幅に低減させることである。

Ｓｕｂｏｔｉｃらは、９相トラクションシステムに基づく統合化された充電器を提案した［２］。図１Ａに示されているように、機械のニュートラル点は３相ＡＣ入力に対して直接的に接続され得る。したがってＡＣグリッドとトラクションシステムとの間には追加的なハードウェアは要求されない。このトポロジーは、充電過程において車両推力のための正味トルクも発生させない。

統合化充電のための他の多相機械が［３］にまとめられている。単相ＡＣシステムを介する統合化充電に関して、図１Ｂでは、Ｐｅｌｌｅｇｒｉｎｏらにより提案されるトポロジーが示されている。このトポロジーではＰＦＣブーストコンバータとしてトラクションシステムが用いられており、ＰＦＣブーストコンバータは整流器を介して単相ＡＣ電源にインターフェース接続されている［４］。図１Ｃでは、Ｔａｎｇらは、単相ＡＣ電源から充電するために１組の並列接続されたトラクションインバータおよび２つのモータを使用し、それにより整流器に対する必要性が解消された［５］。

いずれのポロジーでも、充電器は追加的なＤＣ／ＤＣコンバータを要求せず、したがって電気自動車用充電設備（ＥＶＳＥ）の重量、体積、およびコスト上の問題点は解決される。しかし両方の場合において、最小許容バッテリー電圧はＡＣ電源のピーク電圧を常に越えなければならない。

駆動用途のために、二重インバータトラクションシステムでは、ＤＣ／ＤＣ出力コンバータまたは追加的な磁性体を使用することなく、スピード範囲の増大化およびバッテリー統合化のために、２つのトラクションインバータが使用され、それにより電気車両に対して魅力的な効率的かつ軽量の解決策が提供される［６］～［１１］。

二重インバータ駆動に関連付けられた課題は、２つの独立的なバッテリーを充電することが必要となることである。Ｈｏｎｇらは、単一の充電器が両方のバッテリーを充電するために利用され得ることを示した［１２］。図１Ｄにおいて示されているように、１次バッテリーがスタンドアロン型充電器を使用して充電され、その一方で２次バッテリーはトラクションシステムを介して第１バッテリーから充電される。

複合型駆動装置・高速充電器
提案されるコンバータ・トポロジーが、いくつかの実施形態において提供される。このコンバータ・トポロジーは、任意のＡＣ電源出力からの、費用効果が高く、かつ簡便なＥＶ充電を提供する新規の統合化された充電器を導入する。

提案されるトポロジーでは、従来の内蔵型充電器設計の追加的な磁気構成要素の多数または全部は、充電のために電動モータにおいて利用可能である既存の磁気構成要素の再利用と併せて、本発明の制御機構を使用することにより、排除され得る。対応するシステム、回路、機構、方法、およびコンピュータ可読媒体も提供される。

いくつかの実施形態では、特定的に構成されたコンバータ・トポロジーとともに使用するための制御器が提供される。制御器が制御コマンドを提供されたとき、制御コマンドは、特定的に構成されたコンバータ・トポロジーのスイッチに適用されると、回路構成要素に出力を伝達するよう、特定的に構成されたコンバータを制御する。制御器は、いくつかの実施形態では、提案されるコンバータ・トポロジーとは別に提供されてもよい。

提案されるコンバータは、駆動装置として、および、ＡＣ高速充電器として、その両者の動作を実行する能力を有する。モータが両方のシナリオにおいて使用されるため、ＡＣ高速充電器の機能は、いくつかの実施形態では、追加的な磁気部品を用いることなく、追加される。それにより、車両の設置済み構成要素を利用する、費用効果が高い解決策がもたらされる（すなわち、既存の構成要素は、回路制御に対する本発明のアプローチと併せて再利用可能である）。これらの設置済みの構成要素（すなわち既存の構成要素）は例えば、高速充電のために使用可能である、実質的な電気的構成要素および磁気的構成要素を含む。このようにして重量および体積の節約が可能となる。

したがって、発生する重要な技術上の課題は、駆動機能および高速充電機能の両方を提供するために、これらの構成要素の動作特性を（電動モータの電気機械的構成要素を利用して）制御することである。１つまたは複数のトポロジーが、特定的な制御技術および方法（例えば、アナログ／デジタル信号制御、相補的スイッチング、ゲート処理）と併せて、構成要素間でエネルギーを伝達するために使用される、様々な実施形態が説明される。これらのトポロジーは、他の特徴の中でも、改善された出力／電流／電圧成形、出力処理、および歪み低減化を提供するよう、設計され得る。さらなるアプローチは、とりわけ、インターリーブされたスイッチング、インダクタ電流制御、エネルギーバランシングの応用を含む。

駆動装置として、トポロジーは、高電圧モータの使用を可能にするよう構成され、充電器としては、トポロジーは、二重段階力率改善コンバータに類似した動作により、低周波の高調波成分を最少化するよう構成される。

いくつかの実施形態のトポロジーは、充電時に２０８Ｖ商用、２７７Ｖ／４８０Ｖ商用（米国）、２４０／４００Ｖ（ヨーロッパ）、および３４７Ｖ／６００Ｖ商用（カナダ）を含む一般的な商用入力ＡＣ電圧に適応する能力を有し得る。例えば係る例示的な実装は、既存のインフラストラクチャに対する追加設置または既存のインフラストラクチャに対する互換性を保証することにおいて、利点を提供し得る。

例示的な提案される内蔵型の統合化された充電・駆動システムが図２Ａおよび図２Ｂにおいて示されており、これらの図面では、スタンドアロン型充電器を用いることなく二重貯蔵媒体の高速充電を可能にするために、整流器が２つのトラクションインバータの差動接点において接続されている。

図面では２つのエネルギー貯蔵源はバッテリーであるが、任意のエネルギー貯蔵源（すなわち、バッテリー、スーパーキャパシタ、燃料電池、またはこれらの任意の組み合わせ）が使用され得る。多様なエネルギー貯蔵源を有することにおいて改善が見られ得る。例えば、特性における差異は、回路を通る出力フローを制御することにおいて活用され得る（例えばバッテリーとともにキャパシタ）。デモンストレーション目的のためにバッテリーが使用されてはいるが、上記で記載の通り、バッテリーを用いる事例は非限定的であり、他の種類または組み合わせのエネルギー貯蔵源が可能である。

この例示的なトポロジーの構造では、２つのより低い電圧のバッテリーが２つのトラクションインバータを通して間接的に並列接続されている。この例示的な構成では、電圧範囲が拡げられ、それにより、ブースト型コンバータを必要とすることなく、より高い入力ＡＣ電圧が整流器への入力において適応可能となることが暗示されている。

Ａ．単相ＡＣ充電
単相充電構成が図２Ａにおいて示されている。この事例のＡＣ電源出力は、提案される内蔵型統合化充電・駆動システムに直接的に接続される。絶縁変圧器は、要件に応じて不必要となり得、いくつかの実施形態では、含まれ得る。要求される場合、変圧器自体は充電ステーションに設置され得る。

一実施形態のトラクション構成要素は、改善された電圧範囲を有するＤＣ／ＤＣコンバータとして動作される。本発明の変調および制御方法が適用されると、充電過程の際にＡＣグリッド中に伝搬することから結果的に発生する高調波成分が最少化される。

いくつかの実施形態では、二重トラクションインバータの差動接点において予期される最大入力電圧Ｖ_ｉｎはＡＣ電源のピーク電圧であり、したがってエネルギー貯蔵装置（例えばバッテリー）電圧の合計は、すべての充電状態条件下においてピーク電圧よりも大きい値でなければならない。この設計により、専用のバッテリー充電器を使用することなく、ＡＣ電気車両充電が可能となり、その結果として、コスト、重量、空間、効率性の節約と、顧客／ユーザに対する簡便性と、が見込まれる。

Ｂ．３相ＡＣ充電
例示的な３相充電構成が図２Ｂにおいて示されている。充電インターフェースは単相構成とほぼ同等である。３相構成に対する単相の利点は、トラクションインバータが、整流された単相ＡＣ波形を追跡し、グリッドに対する高調波成分の影響を最少化するよう動作可能であるという点である。これは、３相ＡＣ整流器には不可能である。

それにも関わらず、３相接続は可能であるが、追加的な充電インフラストラクチャが、誘導された高調波成分をフィルタ処理するために、設置される必要がある。

Ｃ．代替構成
提案される内蔵型統合化充電・駆動システムの詳細な回路図が図２Ｃおよび図２Ｄにおいて示されている。このシステムにおける固有の対称性により、ＡＣ／ＤＣ段階の出力に対して２つの可能な接続点が存在する（例えばＡＣ／ＤＣコンバータ・フロントエンド回路）。両方の構成において、バッテリーパックが上方インバータおよび下方インバータのそれぞれに接続される。

入力は、トラクションシステムの外側または内側の差動レールに接続され得る。図２Ｄに示されているこの構成に対する入力が反転されるが、両方が、その制御方法においてわずかな相違点を有しながらも、同一の充電機能を提供する。様々な実施形態が図２Ｃにおいて表される構成に関して可能である。

いくつかの実施形態の動作に関する原理
内蔵型充電器および駆動装置として動作する例示的なトポロジーが図２Ｅに図示されるように提供される。駆動装置として、このトポロジーは通常、ＥＶが稼働中は、二重インバータ駆動装置として動作するであろう。革新的なステップは、内蔵型充電器および駆動システムの統合化であり、駆動システムは、充電モードにおいてはＤＣ／ＤＣコンバータとして動作される。この統合化を提供するために、多様な機能的特徴および構造的特徴が提案される。

特に、動作の潜在的な原理は、図３Ｂにおいて示される平均モデルを介して分析される。スイッチング高調波性能を改善し、設置された構成要素を利用するための変調方式も、いくつかの実施形態にしたがって提供される。上方モジュールの回路モデルが図３Ａに示されている。

インダクタンスとしてのモータの表現が図３Ｂの平均モデルに埋め込まれている。いくつかの実施形態では、永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）が使用される。モータの電気的モデルを参照すると、１例が図２Ｆにおいて示されている（Ｆｉｔｚｇｅｒａｌｄ， Ａ． Ｅ．， Ｋｉｎｇｓｌｅｙ， Ｃ．， ＆ Ｋｕｓｋｏ， Ａ． （１９７１）． Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ： Ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ， ｄｅｖｉｃｅｓ， ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍｓ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ． Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ： ＭｃＧｒａｗ－Ｈｉｌｌ）。ここでは、Ｅ_ｆａにより示される逆起電力は、モータの回転速度に依存する。モータが回転状態にないとき、Ｅ_ｆａは０に等しく、モータのモデルはインダクタンスに縮小化される。このシステムがＰＭＳＭの使用のみに限定されないことに注意すべきであり、様々な実施形態には、他のモータ種類の使用が含まれる。

Ａ．平均モデル
二重インバータの平均モデルは、分割バッテリーバックの場合と同様に、同等なエネルギー貯蔵統合化のために開発された。バッテリーパックのバランシングについては、本明細書においてさらに扱われるであろう。マルチレベルコンバータのためのハーフブリッジネットワークの動的モデルは［１３］において開発されたが、モデルは、平均スイッチモデルを表すためにも使用され得る。

６個のハーフブリッジコンバータの各コンバータは、理想的な制御された電圧源としてモデル化されることが可能である。電圧は、貯蔵ユニットが挿入される期間に依存する。バッテリー電流ｉ_１およびｉ_２は出力バランスから誘導される。出力フローは双方向であり得るが、Ｖ_ｉｎはこの事例では入力として、Ｖ_１およびＶ_２は出力として提供される。

図３Ｂにおいて、各ハーフブリッジは、以下のようにモデル化される。
Ｖ_１ｉ＝ｄ_１ｉＶ_１ （１）
Ｖ_２ｉ＝ｄ_２ｉＶ_２ （２）

式中、３つのインターリーブされたＤＣ／ＤＣ段階に対してｉ＝｛ａ，ｂ，ｃ｝である。

Ｖ_２ｉが上部の組のスイッチではなく底部の組のスイッチにおける平均電圧である点を除きこの事例の２つのインバータが同等であるため、上方モジュールにおけるスイッチネットワークのみが示されている。（１）および（２）において示されているように、デューティサイクルは、各エネルギー貯蔵（例えばバッテリー）電圧Ｖ_１およびＶ_２が挿入される持続時間を調節する。したがって、各組のスイッチにおける平均電圧は、関連付けられたエネルギー貯蔵（例えばバッテリー）電圧の一部分である。単一のハーフブリッジのためのスイッチ平均化は［１４］においても論じられている。

ハーフブリッジスイッチネットワークが上部および底部において同一であると仮定すると、次の関係式、すなわち
ｄ_１＝ｄ_１ｉ （３）
ｄ_２＝ｄ_２ｉ （４）
が、この分析に対して成り立つことに注意すべきである。

任意の位相に対してＫＶＬを適用する（損失を無視する）と、電圧変化比は、次のようになる。
Ｖ_ｉｎ＝Ｖ_１ｄ_１ｉ＋Ｖ_２ｄ_２ｉ （５）

理想化された対称的なシステムに対して、ｄ_１ｉ＝ｄ_２ｉ＝ｄを仮定すると、次の式が得られる。
Ｖ_ｉｎ＝（Ｖ_１＋Ｖ_２）ｄ （６ａ）

変換比がブースト型コンバータの変換比と類似しており、ブースト動作が可能であることが示唆されていることに留意すべきである。

このことは、ＥＶ充電に対する制限的要因ではない。なぜなら充電ステーションのＤＣ出力電圧が６０Ｖ～５００Ｖであり［１５］、ＥＶバッテリーセルの各ストリングが３００Ｖ～５００Ｖの範囲である［１６］ためである。

１つのバッテリーストリングを各モジュールに割り当てることにより、最小出力電圧はつねに入力電圧を越える。さらに、バッテリー管理システムは、製造者により指定された最小電圧を下回るまでバッテリーが放電することを許可しないであろう。

図３Ｂでは、ＤＣ入力電流がインダクタ電流の合計であることが示されている。すなわち、
ｉ_ｄｃ＝ｉ_ｓａ＋ｉ_ｓｂ＋ｉ_ｓｃ （７）

出力電流ｉ_１およびｉ_２は出力バランスから誘導される。すなわち、
Ｖ_１ｉ_１＝Ｖ_１ｄ_１（ｉ_ｓａ＋ｉ_ｓｂ＋ｉ_ｓｃ） （８ａ）
ｉ_１＝ｉ_ｄｃｄ_１ （８ｂ）
ｉ_２＝ｉ_ｄｃｄ_２ （８ｃ）
式中、ｉ_１およびｉ_２は各モジュールにおいてデューティサイクルにより設定されるＤＣ入力電流の一部である。

表２は、スイッチに関するスイッチング状態、および、スイッチの相補的動作に基づく上方モジュールおよび下方モジュールの状態を示す表である。

（８）を使用すると、各バッテリーパックに供給される平均出力は次の式で求められる。
Ｐ_１＝Ｖ_１ｉ_ｄｃｄ_１ （９ａ）
Ｐ_２＝Ｖ_２ｉ_ｄｃｄ_２ （９ｂ）

したがってバッテリーへの平均電流は、組み合わされたステータ電流およびデューティサイクルの関数である。ハーフブリッジスイッチネットワークの適切なスイッチング動作（および対応する制御）により、いくつかの実施形態の充電器は個々のバッテリーパック電流を効果的に制御することが可能である。

スイッチングシーケンス
具体例において、ｄ_１ｉおよびｄ_２ｉは、それぞれ、内部スイッチＳ_１ｉ’およびＳ_２ｉに割り当てられる。例えば、

相補的スイッチング：相補的戦略が、上方モジュールと下方モジュールとの間のスイッチに適用される。したがって以下の分析では、位相「ａ」に対する相補的スイッチングの影響が検査される。内部スイッチＶ_ｓａ、ｉ_ｓａ、ｉ_１ａ、およびｉ_２ａに対するための例示的なゲーティング信号が図４において示されている。

バランスが取られた負荷条件下では、「内部」スイッチおよび「外部」スイッチの各ペアは、１つのスイッチング期間において同一パーセントのｏｎ時間を有する。しかし、２つのモジュール間のゲーティングパルスは、［１７］において示されるように１８０度位相シフトされ得る。ゲーティングパルスのこの戦略的重なりは、インダクタにおけるエネルギー変動を潜在的に減少させ得る。その結果、例えばスイッチング周波数の２倍においてリプル電流の半分が発生する。

Ｖ_１＝Ｖ_２＝Ｖ_ｏ（理想化された対称的システム）に対するピークトゥピークインダクタ電流リプルは、

である。式中、第２の式は（６ｂ）および（１１ａ）を組み合わせることにより導かれる。図５において（１１ｂ）をプロットすると、この式は、１つまたは複数の好適な実施形態の回路トポロジーの特徴のうちの１つを強調する。すなわち、インダクタ・エネルギー変動または電流リプルは電圧差Ｖ_ｉｎ－Ｖ_ｏに依存する。バッテリーパックがバランスされ、Ｖ_１＝Ｖ_２＝Ｖ_ｉｎである場合に対しては、これはゼロであるインダクタ電流リプルをもたらすことに注意すべきである。供給ラインにおける歪みを最少化するために、理想的な動作範囲はＶ_ｏ／Ｖ_ｉｎ＝１を中心とする範囲である。

ｉ_１ｉで表される、任意の位相からのｉ_１およびｉ_２の分岐電流は、スイッチネットワークの非連続的な伝導のために脈動する。
ｉ_１ｉ＝ｉ_ｓｉＳ_１ｉ’ （１２）
ｉ_２ｉ＝ｉ_ｓｉＳ_２ｉ （１３）

インダクタ・リプルもバッテリーに伝搬することに注意すべきである。インダクタ・リプルが、分岐電流を合計することにより生成される脈動電流と較べて無視可能であるため、相補的スイッチングはバッテリー電流に対して最小の効果を有する。したがってバッテリーにおいて電流高調波成分を最少化するために、並列位相間でインターリーブされたスイッチングが使用され得る。提案されるスイッチング方法は、ＤＣ入力におけるスイッチング・リプルも減少させる。

２）インターリーブされたスイッチング：このスイッチング戦略は、二重インバータに基づく統合化された充電においては従来研究されなかった。図６において示されているように、位相ａ６０２、ｂ６０４、およびｃ６０６間のゲーティングパルスは１２０度位相シフトされ得る。これはｉ_ｄｃにおいて観察されるピーク・リプルをさらに減少させる。ｉ_１およびｉ_２は電流フロー６０８および６１０において示されている。

ステータ電流の位相シフトにより、ピークトゥピークｉ_ｄｃは同相スイッチングを使用して生成されたリプルのおよそ１／３であり、最も顕著なスイッチング成分は第６の高調波にシフトされる。

図７には、出力電流ｉ_１およびｉ_２に対する位相インターリービングの影響が示されている。前述のように、すべてのスイッチにおける電流は、スイッチングパターンに関わらず「切り刻」まれる。上部のプロット７０２における相電流は、インターリーブが適用されない場合、重なり合う。インターリーブされたスイッチング（電流７０４、７０６、７０８が示され、互いに対してインターリーブされている）はリプル周波数を増加させ、ピークトゥピーク・リプルを減少させる。

フィルタ処理されないエネルギー貯蔵装置（例えばバッテリー）電流は、内部スイッチにおける脈動電流の合計である。すなわち、
ｉ_１＝ｉ_１ａ＋ｉ_１ｂ＋ｉ_１ｃ （１４）
ｉ_２＝ｉ_２ａ＋ｉ_２ｂ＋ｉ_２ｃ （１５）

不連続的な伝導に起因するスイッチング・リプルを減少／最少化するために、インターリーブされたスイッチングは、１／３＜ｄ＜１に対してｉ_１およびｉ_２の連続的導電を可能にする。エネルギー貯蔵装置（例えば、バッテリー）電流は、（例えば１つの期間において）３つの位相のうちの少なくとも１つを通して伝導する。図７における第３のプロットでは、ｄ＝０．５３においてインターリーブによりおよそリプル成分の１／３が生じ、最も顕著な高調波成分は３ｆ_ｓｗにシフトされることが示されている。ｉ_１およびｉ_２における全高調波歪みに対するインダクタ電流リプルの寄与はこの動作点では無視可能である。

要約すると、提案されるスイッチングシーケンスは、２ｆ_ｓｗ、６ｆ_ｓｗ、３ｆ_ｓｗにおいてそれぞれΔｉ_{ｓ，ａｂｃ}、Δｉ_ｄｃ、およびΔｉ_１，２を生成する。このことは、低下されたＴＨＤおよび半導体損失を効果的にもたらす。ピークトゥピーク出力電流リプルにおける低下は、エネルギー貯蔵装置（例えばバッテリー）能力の衰弱およびインピーダンス劣化を防止することも支援する[１８]。

制御戦略
トポロジーは、低周波の高調波成分を減少させるために、および、２つのエネルギー貯蔵装置（例えばバッテリー）間でエネルギーを転送するために、適切な制御が適用されるときに利用される。

バランスが取られたエネルギー供給源を有する理想的で対称的なシステムが以前の部分で研究されたことを想起すべきである。このことは、制御器が上方モジュールおよび下方モジュールの両方に等しいデューティサイクルを設定することを可能にする。分離されたエネルギー貯蔵装置（例えばバッテリー）パックが充電処理の間に異なる充電状態を有するシナリオに対処するために、デューティサイクルは、次の式で定義されるように、和項および差項に分解される。

ＤＣ充電の目的は、１）和成分を使用してＤＣインダクタ電流を調節すること、および、２）差成分を使用して分割されたエネルギー供給源において貯蔵されたエネルギーを均一化すること、である。２つの項間の結合が存在し得ることに注意すべきである。

Ａ．インダクタ電流制御
図８には、３つの並列位相の電流制御のための例示的な実装が提示されている。この電流制御では、インダクタ電流は入力電流基準の３分の１を追跡するであろう。さらに、力率改善を具体化するために、各ステータ巻線における電流基準ｉ_{ｓｒｅｆ，ａｂｃ}は、正規化された整流済みＡＣ電圧の縮小拡大されたバージョンである。

システムの動力学に対する式は、平均モデルにＫＶＬを適用することにより、開発された。すなわち、

式中、ｄ_１ｉおよびｄ_２ｉは（１６）にしたがってΣｄおよびΔｄにより置き換えられている。理想的には、エネルギー貯蔵装置（例えば、バッテリー）電圧がバランスされている場合、和項のみが入力電流を駆動する。しかし差項は電流制御器に接続されている。安定性の問題を回避するために、電圧バランス制御器は、電圧ダイナミクスに対して顕著に遅い応答を有するよう設計されるであろう。したがって（Ｖ_１－Ｖ_２）Δｄ_ｉは電流制御器の時間尺度におけるＤＣオフセットとしてみなされ得る。

Ｂ．出力成形
単相システムでは、フロントエンドは、使用されるパワースイッチの種類に応じて、受動整流器であってもよく、または能動整流器であってもよい。受動整流器は、単一方向性の出力フローを可能にするダイオード・フルブリッジから構成され、この応用では、ＡＣグリッドから車両を充電するために使用される。能動的な整流は、車両からグリッドへの電力の転送を可能にするために、ＩＢＧＴなどの双方向スイッチを使用し得る。

いずれの構成においても、インダクタ電流は、ＡＣグリッドにおける低周波の高調波成分を排除するよう制御され得る。このことは、グリッドから車両を充電する際には、インダクタ電流基準が整流されたグリッド電圧に対して同相となり、グリッドへと出力を戻す際には平均電流が負となるように反転されるよう、インダクタ電流基準を成形することにより達成される。この制御の実装は、電圧センサがグリッド電圧を測定することを要求する。

能動構成では、フロントエンド・スイッチはグリッド電圧に同期される。二重インバータの入力において整流された正弦波を得るために、フロントエンドは、図１４において示されているように、全スイッチの半分が１サイクルの半分の間に電源ｏｎ状態となり、残りの半分のスイッチが１サイクルの残りの半分において電源ｏｎ状態となるよう、制御される。スイッチの電源ｏｎと電源ｏｆｆとの間のデッドタイムはＡＣ側における短絡を防止するためにも実装される。受動構成は、いかなる制御入力も要求しないが、グリッドから車両への充電に対してのみ利用され得る。

Ｂ．１帯域幅要件
電流制御ループにおいて、制御器は、ステータ電流が整流電流基準にしたがうよう、構成される。したがって各位相で測定される電流は、図９で示されているように、主に、１２０Ｈｚの基本波成分の整数倍の低周波の高調波成分からなる。２ｆ_ｓｗにおけるスイッチング・リプルも、整流されたステータ電流上に重ね合わされる。そのため、制御器の帯域幅は、帯域幅が、優位高調波周波数を含み、スイッチング周波数の２倍におけるスイッチング・リプルをフィルタ除去するよう、決定（または選択）される。

整流電流のフーリエ解析が表３にまとめられており、第６高調波成分が基本波成分のおよそ２％に減少していることが判定されている。したがって第６高調波成分がカットオフ周波数（７２０Ｈｚ）として選択され、このカットオフ周波数は、整流された波形を再現するにあたり十分である。スイッチング・リプルが制御器帯域幅に含まれないことを保証するために、最小スイッチング周波数は、この事例では、７．２ｋＨｚに設定される。二重インバータ駆動装置では、実際の最小スイッチング周波数は、改善されたスイッチング方法により、３．６ｋＨｚである。

Ｃ．エネルギーバランシング
図８では、電圧バランス制御器は電圧差を取得してΔｄを出力し、次にΔｄはｄ_１ｉから減算され、ｄ_２ｉに加算される。したがって上方モジュールにおけるＤＣ電源が下方モジュールと比較して過充電されている場合、下方モジュールは、より頻繁に挿入されるであろう。両方の供給源は同時に充電されるが、出力分布がシフトされるよう、オフセットが存在する状態で充電される。このオフセットがコンバータの動作限界を超過することがないことを保証するために、リミッタが電圧バランス制御器の出力において実装され得る。

他の周波数におけるエネルギーもモジュール間で伝達され得るため、上方モジュールと下方モジュールとの間のエネルギーの制御はＤＣ成分に限定されない。上方モジュールがバッテリーを含み、下方モジュールがキャパシタを含む例示的な場合では、高調波エネルギーはバッテリーからキャパシタに伝達され得る。高調波エネルギーの送達は、バッテリーがリプルエネルギー量に晒される望ましくない状態を軽減するために使用される。したがっていくつかの実施形態では、上方モデルがバッテリーを含み、下方モジュールがキャパシタを含んでもよく、または上方モデルがキャパシタを含み、下方モデルがバッテリーを含んでもよい。

バランス制御器がＤＣ電源内における全貯蔵エネルギーを推定するために電圧を使用することに注意すべきである。分離されたエネルギー貯蔵装置（例えばバッテリー）パックの充電状態（クーロン数）の比較などの、他のパラメータもエネルギー管理のために使用され得る。

結果
統合化された充電トポロジーの詳細なモデルがＰＬＥＣＳツールボックスを使用してＭａｔＬａｂにおいてシミュレートされる。いくつかの実施形態にかかるシステムの高レベル図が図１０において示されている。この事例では、２つの同等なバッテリーパックが、内蔵型単相ＡＣ高速充電器および駆動システムを介して１２０Ｖ単相ＡＣ電源から充電される。このシミュレーションでは、これらのバッテリーパックは、シミュレーションランタイムを減少させるために１組の１ｋＷｈスーパーキャパシタバンクにより置き換えられる。グリッドにより供給される平均出力はＡＣレベル１充電レベルに準拠する１．４ｋＷである。システムパラメータは表４に列挙されている。

図１１Ａおよび図１１Ｂでは、モータの漏洩インダクタンスがインターフェースインダクタとして使用され、提案される変調および電流制御器が使用される場合の、充電器の電圧および電流の量が示されている。

Ｖ_ｇ／５が１１０２において示され、ｉ_ｇが１１０４において示され、Ｖ_ｉｎ／５が１１０６において示され、ｉ_ｉｎが１１０８において示されている。

グリッド側において、電圧および電流、ならびに差動入力における整流波形は同相である。これらの結果は、力率を調節し、所望の電流基準を追跡するための、提案される電流制御器の機能性を確認する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ側において、Ｖ_ｉｎは１１１０において示され、Ｖ_１およびＶ_２は１１１２において示される。Ｉｉｎが１１１４において示され、ｉ_ｓａ、ｉ_ｓｂ、ｉ_ｓｃが１１１８において示され、ｉ_ｏｕｔ１およびｉ_ｏｕｔ２は１１１６において示される。

比較すると、交流電流制御器が使用される例示的な場合では、グリッド高調波成分は減少しない。このことは図１２Ａおよび図１２Ｂにおいて提示され、これらの図面では、２つのエネルギー供給源に伝達される平均出力は同じであるが、入力電流は整流された正弦波ではなく、ＤＣである。Ｖ_ｉｎが１２０２において示され、Ｖ_１およびＶ_２は１２０４において示される。

グリッド側に反映されると、これにより望ましくない低周波数の高調波が導入されてしまい、これはフィルタ処理を要求する。したがって追加的な静止的な（車両外の）構成要素が要求されるであろう（例えば、体積、コスト、および物質的な投資が増大する）。図１２Ａでは、ｉ_ｉｎが１２０６において示され、ｉ_ｓａ、ｉ_ｓｂ、ｉ_ｓｃが１２０８において示され、ｉ_{ｂａｔｔ１}およびｉ_{ｂａｔｔ２}が１２１０において示される。図１２Ｂでは、Ｖ_ｇ／５が１２１２において示され、ｉ_ｇが１２１４において示される。Ｖ_ｉｎ／５が１２１６において示され、ｉ_ｉｎが１２１８において示される。

能動的なフロントエンドを使用する統合化された充電もシミュレートされる。このシミュレーションモデルは図１３のシミュレーションモデルと同じであるが、フロントエンド・スイッチの同期された制御が図１４に示されている。

図１５Ａのシミュレーション結果では能動的フロントエンドを使用するＡＣグリッドからの車両充電が示され、したがって平均出力は正である。図１０における受動的構成と同様に、入力電流は、グリッド電圧と合致するよう成形され、したがって、グリッド側では最小の低周波の高調波成分が生成される。図１５Ｂでは、電流基準は、Ｘ軸に沿って反転されるよう、設定される。グリッド電流は、グリッド電圧に対して正確に１８０度位相がずれている。このことによりシステムは、負の平均出力により示されるように出力をグリッドに送り返すことが可能である。

位相に対するインダクタ電流は、入力電流のおよそ１／３を追跡する。そのため、零相循環電流（ｚｅｒｏ－ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｃｕｒｒｅｎｔ）のみがモータ巻線に注入され、その結果、停止状態充電の間、正味トルクの発生は最小であることが保証される。相補的かつインターリーブされた位相シフトをＰＷＭ変調方式に対して適用することにより、顕著に少ない高調波歪みがグリッドに注入される。加えて、入力において整流された電圧のために、出力（バッテリー）電流では優勢な１２０Ｈｚ成分が見られる。

エネルギー貯蔵装置（例えばバッテリー）の健康状態に対する低周波の高調波成分の影響に関しては不十分な研究しかなされていないため、このシステムは、エネルギー貯蔵装置（例えばバッテリー）を直接的に充電するために内蔵型駆動構成要素を活用するための、費用対効果が高い方法である。

この動作シナリオでは、出力電圧は１２０Ｖに設定される。この電圧は整流された入力電圧のピーク値よりも小さい。他の研究である、単一のトラクション駆動装置を使用する統合化された充電器では、システムはブーストＰＦＣとしてのみ動作され得る［４］。これは、エネルギー貯蔵装置（例えばバッテリー）電圧がすべての充電状態条件下でグリッド電圧を越えることを要求する。図１１（ｂ）において示されているように、二重インバータ型の提案される実施形態を用いると、各バッテリー電圧がグリッド電圧よりも低い値であるにも関わらず充電が可能である。

あらゆるＡＣ電源出力からの、費用対効果が高く、かつ、簡便なＥＶ充電を提供する革新的な内蔵型の統合化された充電・駆動システムが提供される。様々な事例において提供されるように、コンバータは、駆動装置、および、ＡＣ高速充電器の両方として動作するよう構成される。

モータが両方のシナリオにおいて使用されるため、ＡＣ高速充電器の機能性は、いかなる追加的な磁気構成要素を用いることなく追加され、それにより、車両の設置された構成要素をより容易に利用する費用対効果が高い解決策が提示される。追加的な制御構成要素が、出力伝達に適合するために、提供され得る。

駆動装置としては、回路トポロジーは高電圧モータの使用を可能にし、充電器としては、回路トポロジーは、設置された電子機器を利用し、それにより、低周波の高調波成分を、および、スイッチング周波数高調波成分を、低減／最少化するよう構成される。トポロジーは、いくつかの実施形態では、例えば、充電時に、２０８Ｖ商用、２７７Ｖ／４８０Ｖ商用（米国）、２４０／４００Ｖ（ヨーロッパ）、および３４７Ｖ／６００Ｖ商用（カナダ）を含む、様々な一般的な商用入力ＡＣ電圧に対応する能力を有する。

統合化された充電に対する他のアプローチと比較して、このシステムは、広範囲なＥＶエネルギー貯蔵装置（例えばバッテリー）サイズに対して適合し、グリッドの出力品質に対して最小の影響力を有する。いくつかの実施形態の提案されるトポロジーは、モータおよびトラクションパワーエレクトロニクスの熱的制約により制限される充電速度を有し、それにより、既存のグリッドインフラストラクチャから直接的に車両を充電する能力が強調される。

制御特徴に関して、プログラムコードは、本明細書で記載の機能を実行するために、および、出力情報を生成するために、入力データに適用され得、出力制御信号波形またはメッセージを含み得る。

前述の説明を通して、制御器または他の制御装置に関して、多数の参照がなされる。係る用語の使用が、１つまたは複数のソフトウェア、ハードウェア、ファームウェア、または計算装置を表現するものと考えられるべきである。

これらの装置はとりわけ、ゲーティングのタイミングを示す命令セットおよび機械可読命令を実行するよう構成され得、例えば有線またはワイヤレスのインターフェース、その他により、他の装置と相互動作するよう構成され得る。とりわけ下流側構成要素（例えば高周波スイッチなど）を制御する信号が伝搬され得る。

これらの実施形態について詳細に説明してきたが、多様な変化、代替、および改変が、本明細書で作られ得ることが理解されるべきである。

さらに、本願の範囲は、本明細書で記載の処理、機械、製造、組成物、手段、方法、およびステップの特定の実施形態に限定されることを意図するものではない。

理解され得るように、上記で説明および図示された事例は、単に例示を意図するものである。

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Claims (57)

1. 駆動および充電の機能の両方を提供するよう適応された装置であって、前記装置は、
   第１トラクションインバータと、
   電動モータにならびに電源に連結された第１エネルギー貯蔵装置と、
   第２トラクションインバータであって、前記第１トラクションインバータおよび前記第２トラクションインバータは前記電動モータを挟んで互いに連結されている、第２トラクションインバータと、
   前記電動モータにならびに前記電源に連結された第２エネルギー貯蔵装置と、
   前記第１トラクションインバータおよび前記第２トラクションインバータおよび前記電源をインターフェース接続するＡＣ／ＤＣコンバータ・フロントエンド回路と、
   前記第１トラクションインバータおよび前記第２トラクションインバータの１つ以上のスイッチングゲートに適用されるときに、前記電源から前記第１エネルギー貯蔵装置および前記第２エネルギー貯蔵装置に送達される出力の出力特性を成形する電気パルスを提供することにより、前記ＡＣ／ＤＣコンバータ・フロントエンド回路、前記第１トラクションインバータ、および前記第２トラクションインバータの動作特性を制御するよう構成された制御器回路と、
   を含む、装置。
2. 前記電気パルスは、前記第１トラクションインバータおよび前記第２トラクションインバータの１つ以上のスイッチングゲートのインターリーブされたスイッチングを生じさせ、前記インターリーブされたスイッチングは、前記第１エネルギー貯蔵装置および前記第２エネルギー貯蔵装置の連続的な伝導を可能にするよう適応され、前記第１エネルギー貯蔵装置および前記第２エネルギー貯蔵装置は、ある期間において伝導の少なくとも１つの位相を通して電流を伝導する、請求項１に記載の装置。
3. 前記インターリーブされたスイッチングは、最も顕著な高調波成分をスイッチング周波数の３倍にシフトさせる、請求項２に記載の装置。
4. 前記第１トラクションインバータおよび前記第２トラクションインバータのそれぞれは、前記１つ以上のスイッチングゲートを組み込むスイッチングネットワークを含み、前記スイッチングネットワークは、前記第１エネルギー貯蔵装置および前記第２エネルギー貯蔵装置の各々に流れ込む個々の電流を制御する、請求項１に記載の装置。
5. 前記第１トラクションインバータおよび前記第２トラクションインバータのスイッチングネットワークのそれぞれは、１組の内部スイッチおよび１組の外部スイッチを有する少なくとも６つのスイッチを含む、請求項４に記載の装置。
6. 前記電気パルスは、前記第１エネルギー貯蔵装置と前記第２エネルギー貯蔵装置との間で出力のバランスを取り、それにより、前記第１エネルギー貯蔵装置および前記第２エネルギー貯蔵装置の全体にわたる電圧が前記電源の入力電圧と合致するよう、前記スイッチングネットワークを制御する、請求項５に記載の装置。
7. 前記１組の内部スイッチおよび前記１組の外部スイッチは、スイッチング期間において同一パーセントのｏｎ時間を有する、請求項５に記載の装置。
8. 前記第１トラクションインバータのスイッチングネットワークと前記第２トラクションインバータのスイッチングネットワークとの間の電気パルスは１８０度だけ位相シフトされている、請求項６に記載の装置。
9. 前記スイッチングネットワークのスイッチの対の間の電気パルスは１２０度だけ位相シフトされている、請求項６に記載の装置。
10. 前記ＡＣ／ＤＣコンバータ・フロントエンド回路のスイッチは前記電源のグリッド電圧に同期されている、請求項１に記載の装置。
11. 前記制御器回路は、前記第１エネルギー貯蔵装置および前記第２エネルギー貯蔵装置のうちの少なくとも一方が前記電源に出力を送達する双方向動作のためにさらに構成されている、請求項１に記載の装置。
12. 前記電気パルスは、前記第１エネルギー貯蔵装置および前記第２エネルギー貯蔵装置のうちの少なくとも一方と前記電源との間の出力の方向を調節する、請求項１に記載の装置。
13. 前記電動モータは輸送機関に装着され、前記電動モータは、前記輸送機関を移動させるための力を付与する駆動機能を前記電動モータが提供する第１モード、および前記電源に電気的に接続されるときに前記電動モータが充電機能を提供する第２モードを含むデュアルモード動作のために構成されている、請求項１に記載の装置。
14. 単方向の電流伝導の可能なスイッチは、前記電源との単方向の出力の交換を可能にする、請求項１に記載の装置。
15. 双方向の電流伝導の可能なスイッチは、双方向の出力の交換を可能にする、請求項１に記載の装置。
16. 前記制御器回路は、グリッド側の力率を調節するよう、および、グリッドから輸送機関を充電するときに生成される低周波の高調波成分の大きさを減少させるよう適応された制御信号を生成するよう構成されている、請求項１に記載の装置。
17. 前記制御器回路は、前記力率を改善するよう、および、前記ＡＣ／ＤＣコンバータ・フロントエンド回路のＡＣ端子において生成される高調波電流成分を減少させるよう構成されている、請求項１６に記載の装置。
18. 前記電源は単相ＡＣ出力を提供する、請求項１に記載の装置。
19. 前記電源は３相ＡＣ出力を提供する、請求項１に記載の装置。
20. 前記第１エネルギー貯蔵装置および前記第２エネルギー貯蔵装置の全体にわたる正味電圧は、前記電源から受け取られるピーク電圧よりも常に大きいよう、前記制御器回路により維持される、請求項１に記載の装置。
21. 前記第１エネルギー貯蔵装置および前記第２エネルギー貯蔵装置は同じ種類のエネルギー貯蔵装置である、請求項１に記載の装置。
22. 前記第１エネルギー貯蔵装置および前記第２エネルギー貯蔵装置は異なる種類のエネルギー貯蔵装置である、請求項１に記載の装置。
23. 前記第１エネルギー貯蔵装置および前記第２エネルギー貯蔵装置は両方ともバッテリーである、請求項１に記載の装置。
24. 前記第１エネルギー貯蔵装置および前記第２エネルギー貯蔵装置は両方ともキャパシタである、請求項１に記載の装置。
25. 前記第１エネルギー貯蔵装置および前記第２エネルギー貯蔵装置は、少なくとも１つのキャパシタおよび少なくとも１つのバッテリーを含む、請求項１に記載の装置。
26. 前記電源から前記第１エネルギー貯蔵装置および前記第２エネルギー貯蔵装置に送達される出力の出力特性の成形は、前記電源に付与される出力における波形歪みを減少させるよう適応される、請求項１に記載の装置。
27. 前記電動モータは、自動車、飛行機、および船舶のうちの少なくとも１つである輸送機関に駆動機能および高速充電機能を両方とも提供するよう構成された電動ドライブトレインの一部として連結されている、請求項１に記載の装置。
28. 駆動および充電の機能の両方を提供するよう適応されたシステムであって、前記システムは、
    電動モータと、
    電源と、
    第１トラクションインバータと、
    前記電動モータにならびに前記電源に連結された第１エネルギー貯蔵装置と、
    第２トラクションインバータであって、前記第１トラクションインバータおよび前記第２トラクションインバータは前記電動モータを挟んで互いに連結されている、第２トラクションインバータと、
    前記電動モータにならびに前記電源に連結された第２エネルギー貯蔵装置と、
    前記第１トラクションインバータならびに前記第２トラクションインバータのうちの少なくとも一方および前記電源をインターフェース接続するＡＣ／ＤＣコンバータ・フロントエンドと、
    前記第１トラクションインバータおよび前記第２トラクションインバータおよび前記電源をインターフェース接続するＡＣ／ＤＣコンバータ・フロントエンド回路と、
    前記第１トラクションインバータおよび前記第２トラクションインバータの１つ以上のスイッチングゲートに適用されるときに、前記電源から前記第１エネルギー貯蔵装置および前記第２エネルギー貯蔵装置に送達される出力の出力特性を成形する電気パルスを提供することにより、前記ＡＣ／ＤＣコンバータ・フロントエンド回路、前記第１トラクションインバータ、および前記第２トラクションインバータの動作特性を制御するよう構成された制御器回路と、
    を含む、システム。
29. 第１トラクションインバータ、第２トラクションインバータ、およびＡＣ／ＤＣコンバータ・フロントエンド回路の動作特性を制御するための制御器回路であって、前記第１トラクションインバータおよび前記第２トラクションインバータは電動モータを挟んで互いに連結され、前記第１トラクションインバータは第１エネルギー貯蔵装置に連結され、前記第２トラクションインバータは第２エネルギー貯蔵装置に連結され、前記制御器回路は、
    前記第１トラクションインバータおよび前記第２トラクションインバータの１つ以上のスイッチングゲートに適用されるときに、電源から前記第１エネルギー貯蔵装置および前記第２エネルギー貯蔵装置に送達される出力の出力特性を成形する電気パルスを提供するために構成された１つ以上の信号生成器であって、前記電気パルスは、前記ＡＣ／ＤＣコンバータ・フロントエンド回路に適用されるときに、出力フローの方向および力率を制御する、信号生成器
    を含む、制御器回路。
30. 機械解釈可能命令を格納する非一時的機械可読媒体であって、前記機械解釈可能命令は、制御器回路のプロセッサにより実行されるときに、第１トラクションインバータ、第２トラクションインバータ、およびＡＣ／ＤＣコンバータ・フロントエンド回路の動作特性を制御するための方法を前記制御器回路のプロセッサに行わせ、前記第１トラクションインバータおよび前記第２トラクションインバータは電動モータを挟んで互いに連結され、前記第１トラクションインバータは第１エネルギー貯蔵装置に連結され、前記第２トラクションインバータは第２エネルギー貯蔵装置に連結され、前記方法は、
    前記第１トラクションインバータおよび前記第２トラクションインバータの１つ以上のスイッチングゲートに適用されるときに、電源から前記第１エネルギー貯蔵装置および前記第２エネルギー貯蔵装置に送達される出力の出力特性を成形する電気パルスを提供することであって、前記電気パルスは、前記ＡＣ／ＤＣコンバータ・フロントエンド回路に適用されるときに、出力フローの方向および力率を制御すること
    を含む、非一時的機械可読媒体。
31. 第１トラクションインバータ、第２トラクションインバータ、および、ＡＣ／ＤＣコンバータ・フロントエンド回路の動作特性を制御するための方法であって、前記第１トラクションインバータおよび前記第２トラクションインバータは電動モータを挟んで互いに連結され、前記第１トラクションインバータは第１エネルギー貯蔵装置に連結され、前記第２トラクションインバータは第２エネルギー貯蔵装置に連結され、前記方法は、
    前記第１トラクションインバータおよび前記第２トラクションインバータの１つ以上のスイッチングゲートに適用されるときに、電源から前記第１エネルギー貯蔵装置および前記第２エネルギー貯蔵装置に送達される出力の出力特性を成形する電気パルスを提供することであって、前記電気パルスは、前記ＡＣ／ＤＣコンバータ・フロントエンド回路に適用されるときに、出力フローの方向および力率を制御すること
    を含む、方法。
32. 前記電気パルスは、前記第１トラクションインバータおよび前記第２トラクションインバータの１つ以上のスイッチングゲートのインターリーブされたスイッチングを生じさせ、前記インターリーブされたスイッチングは、前記第１エネルギー貯蔵装置および前記第２エネルギー貯蔵装置の連続的な伝導を可能にするよう適応され、前記第１エネルギー貯蔵装置および前記第２エネルギー貯蔵装置は、ある期間において伝導の少なくとも１つの位相を通して電流を伝導する、請求項３１に記載の方法。
33. 前記インターリーブされたスイッチングは、最も顕著な高調波成分をスイッチング周波数の３倍にシフトさせる、請求項３２に記載の方法。
34. 前記第１トラクションインバータおよび前記第２トラクションインバータのそれぞれは、前記１つ以上のスイッチングゲートを組み込むスイッチングネットワークを含み、前記スイッチングネットワークは、前記第１エネルギー貯蔵装置および前記第２エネルギー貯蔵装置の各々に流れ込む個々の電流を制御する、請求項３１に記載の方法。
35. 前記第１トラクションインバータおよび前記第２トラクションインバータのスイッチングネットワークのそれぞれは、１組の内部スイッチおよび１組の外部スイッチを有する少なくとも６つのスイッチを含む、請求項３４に記載の方法。
36. 前記電気パルスは、前記第１エネルギー貯蔵装置と前記第２エネルギー貯蔵装置との間で出力のバランスを取り、それにより、前記第１エネルギー貯蔵装置および前記第２エネルギー貯蔵装置の全体にわたる電圧が前記電源の入力電圧と合致するよう、前記スイッチングネットワークを制御する、請求項３５に記載の方法。
37. 前記１組の内部スイッチおよび前記１組の外部スイッチは、スイッチング期間において同一パーセントのｏｎ時間を有する、請求項３５に記載の方法。
38. 前記第１トラクションインバータのスイッチングネットワークと前記第２トラクションインバータのスイッチングネットワークとの間の電気パルスは１８０度だけ位相シフトされている、請求項３６に記載の方法。
39. 前記スイッチングネットワークのスイッチの対の間の電気パルスは１２０度だけ位相シフトされている、請求項３６に記載の方法。
40. 前記ＡＣ／ＤＣコンバータ・フロントエンド回路のスイッチは前記電源のグリッド電圧に同期されている、請求項３１に記載の方法。
41. 前記第１エネルギー貯蔵装置および前記第２エネルギー貯蔵装置は前記電源に出力を送達する、請求項３１に記載の方法。
42. 前記電気パルスは、前記第１エネルギー貯蔵装置および前記第２エネルギー貯蔵装置のうちの少なくとも一方と前記電源との間の出力の方向を調節する、請求項３１に記載の方法。
43. 前記電動モータは輸送機関に装着され、前記電動モータは、前記輸送機関を移動させるための力を付与する駆動機能を前記電動モータが提供する第１モード、および前記電源に電気的に接続されるときに前記電動モータが充電機能を提供する第２モードを含むデュアルモード動作のために構成されている、請求項３１に記載の方法。
44. 単方向の電流伝導の可能なスイッチは、前記電源との単方向の出力の交換を可能にする、請求項３１に記載の方法。
45. 双方向の電流伝導の可能なスイッチは、双方向の出力の交換を可能にする、請求項３１に記載の方法。
46. グリッド側の力率を調節するよう、および、グリッドから輸送機関を充電するときに生成される低周波の高調波成分の大きさを減少させるよう適応された第２の１組の電気パルスを生成することを含む、請求項３１に記載の方法。
47. 前記力率を改善し、前記ＡＣ／ＤＣコンバータ・フロントエンド回路のＡＣ端子において生成される高調波電流成分を減少させることを含む、請求項４６に記載の方法。
48. 前記電源は単相ＡＣ出力を提供する、請求項３１に記載の方法。
49. 前記電源は３相ＡＣ出力を提供する、請求項３１に記載の方法。
50. 前記第１エネルギー貯蔵装置および前記第２エネルギー貯蔵装置の全体にわたる正味電圧は、前記電源から受け取られるピーク電圧よりも大きいよう維持される、請求項３１に記載の方法。
51. 前記第１エネルギー貯蔵装置および前記第２エネルギー貯蔵装置は同じ種類のエネルギー貯蔵装置である、請求項３１に記載の方法。
52. 前記第１エネルギー貯蔵装置および前記第２エネルギー貯蔵装置は異なる種類のエネルギー貯蔵装置である、請求項３１に記載の方法。
53. 前記第１エネルギー貯蔵装置および前記第２エネルギー貯蔵装置は両方ともバッテリーである、請求項３１に記載の方法。
54. 前記第１エネルギー貯蔵装置および前記第２エネルギー貯蔵装置は両方ともキャパシタである、請求項３１に記載の方法。
55. 前記第１エネルギー貯蔵装置および前記第２エネルギー貯蔵装置は、少なくとも１つのキャパシタおよび少なくとも１つのバッテリーを含む、請求項３１に記載の方法。
56. 前記電源から前記第１エネルギー貯蔵装置および前記第２エネルギー貯蔵装置に送達される出力の出力特性の成形は、前記電源に付与される出力における波形歪みを減少させるよう適応される、請求項３１に記載の方法。
57. 前記電動モータは、自動車、飛行機、および船舶のうちの少なくとも１つである輸送機関に連結されている、請求項３１に記載の方法。

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