JP2003233428A - 高電圧エネルギー調整型変換回路 - Google Patents

高電圧エネルギー調整型変換回路

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JP2003233428A JP2002291964A JP2002291964A JP2003233428A JP 2003233428 A JP2003233428 A JP 2003233428A JP 2002291964 A JP2002291964 A JP 2002291964A JP 2002291964 A JP2002291964 A JP 2002291964A JP 2003233428 A JP2003233428 A JP 2003233428A
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    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • B60T1/02—Arrangements of braking elements, i.e. of those parts where braking effect occurs specially for vehicles acting by retarding wheels
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池エネルギー・システム等の、効率的
で、現実的で、そしてコスト的に有利な動作を可能とす
る。 【解決手段】 車両バス24に電気的に結合する高電圧エ
ネルギー調整型変換回路(HVERCC)12が提供される。HVER
CC 12は、車両バス24、バッテリー・パック高電圧バス2
8及びWEGヒーター・バス29に接続された高電圧エネルギ
ー変換器(HVEC)モジュール22を含む。バッテリー・バス
28は、高電圧バッテリー・パック30とWEGヒーター回路3
2に接続される。HVECモジュール22、高電圧バッテリー
・パック30及びWEGヒーター回路32が、ネットワーク36
を介して、ロジック制御器14へ接続される。ロジック制
御器14は、車両バス24、バッテリー・バス28及びWEGヒ
ーター・バス29における電力を調整する。HVECモジュー
ル22についての動作方法もまた、提供される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、概略的にはハイブ
リッド電気自動車に関し、より具体的には、車両高電圧
バスの電力を調整する装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】代替エネルギー源を自動車で使用するた
めの開発は、自動車製造業者の目標の一つである。代替
エネルギー源は、車両を動作させるのに必要とされる動
力を提供すると同時に、エネルギー効率に優れ、排出物
を低減し、そしてコスト的に有利なものでなければなら
ない。その様な検討中の代替エネルギー源の一つが、燃
料電池エネルギー・システムである。燃料電池技術は、
電気自動車（electric vehicle略してEV）での使用のた
めに、改良が続けられている。燃料電池は、非常に効率
的な動力源であり、それは、自動車に必要とされる動力
を提供することが出来るものである。燃料電池はまた、
排出物の生成量がゼロである。
【０００３】EVは、電気推進システムを持つ。電気推進
システムは、燃料電池、電気モーター／発電機及びバッ
テリーを持つ。燃料電池は、電気エネルギーを作り出
し、そのエネルギーは、バッテリーに蓄えられるか又は
自動車を推進するのに用いられるかのいずれかである。
燃料電池により生成される電気エネルギーは、電気モー
ター／発電機に動力を与え、それが自動車を推進する。
電気モーター／発電機は、自動車を推進する他に、車両
制動中に出力の回生を行なう。電気モーター／発電機
は、制動中の機械的エネルギーを電気エネルギーへと変
換し、そのエネルギーはバッテリーに蓄えられる。これ
は、回生制動と呼ばれる場合が多い。バッテリーに蓄え
られた電気エネルギーはまた、空調システム、照明シス
テム、オーディオ／ビジュアル・システム及び他の電気
的なシステムなどの車載システムでも用いられる。
【特許文献１】米国特許第５７０７１１５号明細書
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】燃料電池エネルギー・
システムの構成の中には、燃料電池エネルギー・システ
ムの始動と停止動作のために高電圧エネルギー源を必要
とするものがある。燃料電池はエネルギーを発生する
が、エネルギーの貯蔵を行なうものではない。燃料電池
システムはまた、エネルギー負荷の発生中に過渡負荷補
助を必要とし、回生制動の発生中にはエネルギー貯蔵を
必要とする。しかし、これらは、燃料電池エネルギー・
システムのみでは、担保され得ない。加えて、EVを運転
者の使用に対して現実的なものとするために、高い要件
が導入され、それには、燃料効率の向上及び動力応答時
間の短縮が含まれる。動力応答時間は、運転者からの動
力要求に応答するために燃料電池システムが必要とする
期間又は、運転条件の変化に対して必要な期間のことで
ある。
【０００５】更に、現在の燃料電池推進システムは、燃
料電池の動作時間を、その間に燃料電池が最も効率的な
動作状態になる様に、最大化するものではない。燃料電
池は、上下限の間に理想的な動作出力範囲を持つ。燃料
電池は、定常状態若しくは、言い換えると定電力発生中
に、最も効率的である。燃料電池は、上下限近く若しく
はそれを超えて動作する際には、それ程効率的でない。
燃料電池が理想的な温度で作動中の期間もまた、最大化
されておらず、それが、かなりのエネルギー損失の原因
となり得る。
【０００６】それで、燃料電池が賄うことの出来ないエ
ネルギー負荷の増大が起こっている間の動作を担保する
ことへの要求が存在する。また、過剰なエネルギーが利
用可能であるときに、エネルギーを貯蔵することへの要
求も存在する。エネルギーを残すために、上記要求の両
方は、出来るだけ効率的に実行されるべきである。
【０００７】更に、燃料電池の理想的動作状態と温度の
間に燃料電池エネルギー・システムが発生する出力を利
用することへの要求が存在する。エネルギーを最良に利
用して残すことにより、燃料電池エネルギー・システム
は、より効率的でコスト的に有利なものとなる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上述のものなどの利点
は、車両バスへ接続する高電圧エネルギー調整型変換回
路（high-voltage energy regulated conversion circu
it略してHVERCC）によって、提供される。HVERCCは、上
記車両バスに電気的に接続された高電圧エネルギー変換
器（high-voltage energy converter略してHVEC）モジ
ュール、バッテリー・バス及び水エチレングリコール
（water ethylene glycol略してWEG）ヒーター・バスを
含むものである。上記バッテリー・バスは、高電圧バッ
テリー・パックに接続される。上記WEGヒーター・バス
は、WEGヒーター回路に接続される。上記HVECモジュー
ル、上記高電圧バッテリー・パック及び上記WEGヒータ
ー回路は、ネットワークを介してロジック制御器に接続
される。該ロジック制御器が、上記車両バス、上記バッ
テリー・バス及び上記WEGヒーター・バスの電力を調整
する。
【０００９】HVECモジュールの作動方法もまた提供さ
れ、それは、操作命令信号を受ける工程を含む。操作命
令信号を受けると、上記HVECモジュールが所望の機能モ
ードで作動する。上記HVECモジュールは、車両バス、バ
ッテリー・バスそしてWEGヒーター・バスの電圧を継続
的に守る。
【００１０】本発明は、既存の燃料電池エネルギー・シ
ステムに対して有利な点をいくつか持っている。本発明
は、車両バス、バッテリー・バス及びヒーター・バスを
電圧限界に制限し、そして燃料電池において定常状態の
出力を維持する。燃料電池において定常状態の出力を維
持することは、燃料電池のエネルギー使用を最も効率的
なものとする。
【００１１】本発明は、監視され、調整され、そして制
御される補助電力源を持つ燃料電池エネルギー・システ
ムを提供する。補助電力源は、必要なときに余分なエネ
ルギーを供給し、そして将来の再利用のためのエネルギ
ーの貯蔵を行なう。
【００１２】本発明の有利な点は、燃料電池により生成
された余分な電力をWEGヒーター回路が効率的に使用す
ることが出来る、という点である。余分な電力を使用す
ることが出来るということは、燃料電池が上限電圧で動
作するのを回避する。
【００１３】
【発明の効果】従って、本発明の上述のものなどの有利
な点があるので、効率的で、現実的で、そしてコスト的
に有利な燃料電池エネルギー・システムが、可能とな
る。
【００１４】本発明自体は、また別の目的及び付随する
有利な点と共に、以下の詳細な説明及び添付の図面を参
照することにより、最も良く理解される。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下説明する図面中、本発明の同
じ構成部分又は特徴には、同じ図示符号が用いられてい
る。本発明は、電気自動車（electric vehicle略してE
V）、ハイブリッド電気自動車（hybrid electric vehic
le略してHEV）、燃料電池エネルギー・システム、代替
エネルギー・システム及び、電力調整を必要とする他の
各種の用途に、適用することが出来る。
【００１６】ここで、図１を参照すると、自動車10の概
略図が示されており、自動車10は、客室空間11及び高電
圧（high-voltage略してHV）エネルギー調整型変換回路
（HVenergy regulated conversion circuit略してHVERC
C）12を持つ。HVERCC 12は、ロジック制御器14に接続さ
れる。ロジック制御器14は、燃料電池16に関するHVERCC
12の動作を制御する。燃料電池16もまた、HVERCC 12に
接続される。ロジック制御器14は、図示の様にHVERCC 1
2に含めても、独立した構成部品としても良い。HVERCC
12と燃料電池16は、車両システムの機能のためと、自動
車10を推進するためのエネルギーを提供する。HVERCC 1
2はまた、集積型パワートレイン（integrated power tr
ain略してIPT）モジュール18から提供されるエネルギー
を貯蔵する。IPTモジュール18は、車両10の制動システ
ム20が生成する制動回生エネルギーをHVERCC 12へ伝達
する。IPTモジュール18はまた、燃料電池16が生成する
エネルギーを用いて、自動車10を推進する。IPTモジュ
ール18の数量と位置は、車両の形式に応じて変わるもの
である。
【００１７】燃料電池16は、理想的な動作出力範囲と温
度を持つ。HVERCC 12の目的は、燃料電池16を最高の性
能に保つ様に、適切な動作出力範囲と燃料電池16の理想
的な温度を維持することである。
【００１８】ここで図２を参照すると、本発明によるHV
ERCC 12の概略図が示されている。HVERCC 12は、車両の
HVバス（車両バス）24に接続された高電圧エネルギー変
換器（high-voltage energy converter略してHVEC）モ
ジュール22を含む。車両バス24は、車両HVエネルギー発
生源26及び車両HV負荷27に接続される。車両HVエネルギ
ー発生源26には、燃料電池16、IPTモジュール18などが
含まれ得る。HVECモジュール22はまた、バッテリー・パ
ック高電圧バス（バッテリー・バス）28及び水エチレン
グリコール（water ethylene glycol略してWEG）ヒータ
ー高電圧バス29に接続される。HVECモジュール22は、車
両バス24、バッテリー・バス28及びヒーター・バス29上
の電力を制限する。バッテリー・バス28は、HVバッテリ
ー・パック30に接続される。ヒーター・バス29は、WEG
ヒーター回路32に接続される。HVECモジュール22、HVバ
ッテリー・パック30及びWEGヒーター回路32は、制御器
エリア・ネットワーク（controller area network略し
てCAN）36を介してロジック制御器14に接続される。本
発明はCAN 36を用いているものの、他のネットワークを
用いることも出来る。
【００１９】本発明のHVECモジュール22の一例は、電圧
又は電流制御型双方向エネルギー変換モジュールであ
る。HVECモジュール22は、車両バス24、バッテリー・バ
ス28及びヒーター・バス29の間の電力変換を支持するた
めに、電力変換電子機器及び制御部を含むものとし得
る。
【００２０】本発明のHVECモジュール22は、車両バス2
4、バッテリー・バス28及びヒーター・バス29のため
に、電圧ガード及び電力制限を行なう。HVECモジュール
22は、それぞれのバスの電圧及び電力の限界を自発的に
監視する能力を持つ。HVECモジュール22は、車両バス2
4、バッテリー・バス28及びヒーター・バス29のエネル
ギー・レベルを調整することに関し、ロジック制御器14
よりも、はるかに高速である。HVECモジュール22の反応
時間は、HVECモジュール22を作動させるロジック制御器
と比較して、約100倍だけ高速である。なお、ロジック
制御器は、メッセージの間に約10ミリ秒を要する。HVEC
モジュール22の速度は、図5及び7Bに示される様に、車
両バス24が所定の上限VGMAXに到達したときの、そこか
らの電力の吸収及び、車両バス24が所定の下限VGMINに
到達したときの電力の供給を、可能とする。これら高速
の調整は、燃料電池16の最高の動作性能を提供する車両
バス24の好ましい定常状態を維持する一助となる。
【００２１】HVECモジュール22は、いくつかの機能モー
ドとスタンバイ・モードを持つ。機能モードには、定電
圧モード、定電流モード及びバッテリー定電流モードが
含まれる。定電圧モードの間、HVECモジュール22は、車
両バス24の電圧を調整し一定に維持する。車両バス24に
理想的な電圧範囲は、通常の運転状態の間、約250Vから
400Vにある。定電流モードの間、HVECモジュール22は、
車両バス24の電流を調整し一定に維持する。理想的な電
流範囲は、電力供給中の-100Aと電力吸収中の100Aとの
間である。一定バッテリー電流モードの間、HVECモジュ
ール22は、バッテリー・バス28の現在の充電状態（stat
e of charge略してSOC）を一定に維持する。バッテリー
・バスの電流範囲は、電力供給中の-140Aと電力吸収中
の100Aとの間である。電圧範囲は、電力供給中には150V
から300Vであり、電力吸収中には250Vから300Vである。
【００２２】全ての機能モード中に、HVECモジュール22
はまた、車両バス24、バッテリー・バス28及びヒーター
・バス29の電圧ガードを行なう。電圧ガードとは、HVEC
モジュール22を通る電流移送速度（current transfer r
ates）を調整することにより、各バス上を移送（transf
er）される電圧を監視そして調整する、HVECモジュール
22の能力のことを指す。HVECモジュール22は、各バスが
電圧ガード限界に到達する際の電圧を安定させ、その特
定のバスが電圧ガード限界を超えるのを防止する。ロジ
ック制御器１４は電圧ガード限界を設定する。電圧ガー
ド限界に到達したときに、HVECモジュール22がロジック
制御器14へ信号を送る。そして、ロジック制御器14は、
HVECモジュール22を用いて電力の吸収又は供給をするこ
とにより、更なる予防措置を講じる。
【００２３】スタンバイ・モードは、HVEC動作が必要と
されていないときのものである。アイドル・モードはエ
ネルギーを残すのに使われる。スタンバイ・モード中、
HVECモジュール22は、機能モード信号を受信するまで、
電圧と電流を監視そして報告する。HVECモジュールは、
車両バス24、バッテリー・バス28及びヒーター・バス29
のために、全てのモードにおいて、電圧ガードを提供す
る。HVECモジュール22は、約20kWのピーク定格処理量を
持つ。
【００２４】HVバッテリー・パック30は、HVECモジュー
ル22へ補助電力を供給する。HVバッテリー・パック30は
また、HVエネルギー供給源26からHVECモジュール22を介
して移送されたエネルギーを貯蔵する。HVバッテリー・
パック30は、それの電圧、電流、利用可能電力、温度そ
して活力など各種観点で、HVバッテリー・パック30を監
視するために、バッテリー制御モジュール（battery co
ntrol module略してBCM）38を持つ。BCM 38はまた、HV
バッテリー・パック30を過充電せず、適切なSOCを維持
するという点において、ロジック制御器14を補佐する。
ロジック制御器14は、HVECモジュール22に信号を送るこ
とにより、BCM 38からの信号に応答して、バッテリー・
バス28の電力を調整する。
【００２５】WEGヒーター回路32は、WEGヒーター制御器
40及び水エチレングリコール（water ethylene glycol
略してWEG）ヒーター42を持つ。制御器40は、WEGヒータ
ー42の前後の電圧とそこに入る電流の大きさを調整す
る。WEGヒーター42は、客室11を暖房するために、HVEC
モジュール22から移送される余分なエネルギーを放散す
る。HVECモジュール22は、WEGヒーター42を補助するた
めに、定電流定電力モードを持つ。WEGヒーター42は、
車両バス24及びバッテリー・バス28に対し相互に排他的
に制御される。WEGヒーター42の最大定格処理電力は約1
5kWである。WEGヒーター42へ電力を供給している間、電
圧ガードが有効である。
【００２６】燃料電池16が発生する余分なエネルギーは
また、燃料電池16を加熱するために、負荷ダンプ抵抗器
（load dump resister）（不図示）又は高温冷媒ループ
（不図示）のいずれかに移送され得る。燃料電池16の始
動中、高温冷媒ループを加熱するためのエネルギー移送
は、より迅速に、燃料電池16を最適動作温度にまで高め
る。
【００２７】ロジック制御器14は、車両バス24、バッテ
リー・バス28及びヒーター・バス29のエネルギー管理に
ついて、これらのバスにおけるエネルギーの流れを、接
続、開始、回復、放散そして停止することにより、責任
を持つ。ロジック制御器14は、車両バス24に接続された
燃料電池16、IPTモジュール18そして他のHVエネルギー
供給源26におけるエネルギー・レベルを監視し、車両バ
ス24の電圧を調整する。ロジック制御器14は、車両バス
24の電圧をVGMAXとVGMINとの間に維持する。始動中に、
燃料電池16は、余分な電圧を必要とし、それで、ロジッ
ク制御器14が、車両バス24の電圧を450Vまで高める様に
HVECモジュール22へ信号を送る。HVECモジュール22は、
バッテリー・バス28から車両バス24へ450Vで電力を供給
する。燃料電池16が始動されるとすぐに、ロジック制御
器１４は、燃料電池16の温度をより短い期間で上昇させ
るために、車両バス24の電圧を200Vまで降下させる。よ
り短い時間で最適動作温度に到達するということは、燃
料電池16のエネルギーをより効率的に使用することを可
能とする。ロジック制御器14は、車両バス24の電力を特
定の範囲に維持するために、車両バス24からの電力を受
入れる若しくはそこへ電力を供給するのいずれかをする
様にHVECモジュール22へ信号を送る。加えて、ロジック
制御器14は、燃料電池16の冷間始動を含む始動と停止を
補助するために、定電圧又は定電流モードで作動する様
に、HVECモジュール22へ信号を送ることが出来る。ロジ
ック制御器14はまた、HVバッテリー・パック30のSOCを
維持するのを補助することができる。
【００２８】CAN 36は、ネットワーク・モジュールの車
両配線とソフトウェア・プログラム・プロトコルについ
ての、自動車の世界的規格の一部である。CAN 36は、ロ
ジック制御器14とHVECモジュール22、BCM 38及びWEGヒ
ーター制御器40との間で電子信号を伝送する。CAN 36は
また、別のCANノード44を介して電子構成部品へ接続さ
れ得る。
【００２９】ここで図３を参照すると、HVECモジュール
の状態遷移図が示されている。
【００３０】状態100において、HVECモジュール22は、
「OFF」状態にある。HVECモジュール22は、車両電力を
受けていない。
【００３１】状態102において、HVECモジュールが電源
「ON」にされ、それで、車両電力を受ける。HVECモジュ
ールは、この分野で知られている電源オン時の自己診断
（power on self-test略してPOST）を実行する。POST中
に問題が検出されると、ステップ104が実行される。
【００３２】ステップ104において、エラー、故障、誤
作動又は範囲外のフラグが、ロジック制御器14により検
出される。HVECモジュール22は、「エラー状態」をセッ
トし、エラー状態値の信号をロジック制御器へ送る。
【００３３】ステップ106において、HVECモジュール
は、アイドル・モードにある。HVECモジュールは、ロジ
ック制御器14からCAN 36を介して動作モード信号を受け
るまで、アイドル・モードに留まる。
【００３４】ステップ108において、HVECモジュール22
は再プログラムされる。本発明のHVECモジュール22は、
いかなる変更についてもソフトウェア上で再プログラム
され得る。
【００３５】ステップ110において、システムの故障診
断が実行される。HVECモジュール22は、操作者が、通常
の動作機能に「上書き」して、無関係に独立した試験を
実行するのを可能としている。システム故障診断が実行
された後で、HVECモジュールは、スタンバイ・モードへ
戻る。
【００３６】ステップ112において、HVECモジュール22
は、上述の機能モードの一つで動作するために、ロジッ
ク制御器14から動作モード信号を受ける。HVECモジュー
ルは、それが、ロジック制御器14からの信号を受ける若
しくは、車両バス24、バッテリー・バス28又はヒーター
・バス29が電圧ガード限界に到達する、のいずれかま
で、機能モードで動作し続ける。
【００３７】ステップ114において、HVECモジュール22
は、電圧ガード・モードで動作している。HVECモジュー
ル22は、全ての機能モードにおいて、車両バス24、バッ
テリー・バス28及びヒーター・バス29の電圧ガードを行
なっている。
【００３８】ここで図4Aを参照すると、HVECモジュール
22の電力受入フロー図が示されている。電力受入れ（吸
収）中に、HVECモジュール22は、車両バス24から電力46
を受け、そして、バッテリー・バス28又はヒーター・バ
ス29のいずれかへ電力48を伝送している。HVECモジュー
ル22は、回生制動中、HVバッテリー・パック30の充電
中、WEGヒーターの作動中、若しくは燃料電池16がスタ
ンバイ・モードにある時に、電力を受ける。
【００３９】ここで、図4Bを参照すると、HVECモジュー
ル22の電力配送フロー図が示されている。電力配送中、
HVECモジュール22は、バッテリー・バス28からエネルギ
ー50を受け、車両バス24へエネルギー52を伝送する。HV
ECは、始動中、停止動作中、過渡負荷補助中又は、HVバ
ッテリー・パック30の充電中に、電力を配送する。過渡
負荷補助は、自動車10が、始動及び停止動作中以外に、
車両バス24から極端に大きな電力を引き出しているとき
に、必要とされる。
【００４０】ここで、図５を参照すると、機能モードで
動作しているHVERCC 12の概略図が示されている。始動
及び停止動作中に電力が供給される（矢印54）又は電力
が受入れられる（矢印56）とき、HVERCC 12は、低電圧
モードで動作する。始動動作は、燃料電池16を始動させ
ることを指し、それには、低温で燃料電池16を始動する
ことが含まれる。停止動作は、燃料電池16内での電力発
生を停止することを指す。停止動作中、水素と水が燃料
電池16から除かれる。定電圧モードのために、上下の電
圧レベルが予め定められる。定電圧モード中、HVECモジ
ュール22は、必要に応じて電力を受入れるか又は供給す
る。
【００４１】ここで、図６を参照すると、機能モード中
のバッテリー・バス28の移送関数が示されている。HVEC
モジュール22は、定電圧モードを支持するのに必要とさ
れる様に、HVバッテリー・パック30から一定電力を受入
れるか、又はHVバッテリー・パック30へ一定電力を配送
する。HVバッテリー・パック30の電圧は、それのSOCと
温度に応じて変化する。HVバッテリー・パック30の開回
路電圧（open circuitvoltage略してOCV）もまた、一定
電圧モード中に変化する。HVバッテリー・パック30の変
化する電圧は、その中でHVバッテリー・パック３０が動
作するバッテリー吸収範囲61とバッテリー供給範囲62を
生じる。移送関数の右側５９は、車両バス２４から受け
入れる電力に言及するものである。移送関数の左側60
は、車両バス24へ配送される電力に言及するものであ
る。
【００４２】ここで、図7Aを参照すると、定電圧モード
中の車両バス24の移送関数が示されている。HVECモジュ
ール22は、電力の受入れ及び配送中に、HVエネルギー源
26とHVバッテリー・パック30の組合せの電力を最大にす
る様に、車両バス24を一定電圧に維持する。ロジック制
御器14は、定電圧設定点値58を設定し、CAN 36を介して
定電圧設定点58を維持する様に管理する。定電圧設定点
58は、燃料電池16の形式と特性に応じたものである。
【００４３】ここで、図7Bを参照すると、定電圧モード
中の車両バス24の電力制限関数が示されている。HVECモ
ジュール22は、定電圧モード中には、特性63に電力が制
限されるべきである。定電圧設定点58が与えられると、
HVECモジュールは、最大電力限界64になるまで、電流を
吸収又は供給すべきである。最大電力限界64において、
過負荷吸収又は供給メッセージが、ロジック制御器14へ
向けCAN 36上に出されるのが好ましい。HVECモジュール
22は、電力を受入れながら、最大車両バス電圧65に到達
するまで、最大電力吸収ライン66を辿るべきである。HV
ECモジュール22はまた、電力を受入れながら、最小車両
バス電圧68に到達するまで、最大電力供給ライン70を辿
るべきである。
【００４４】ここで、図８を参照すると、HVECモジュー
ルの位相（topology）72の拡大図と共に、HVERCC 12の
概略図が示されている。自動車10は、IPTモジュール18
が自動車10を推進するとき、定電流モードで動作する。
定電流モード中、電流を適切に配置することにより、エ
ネルギーが車両バス24上で平衡される。HVECモジュール
22は、車両バス24を監視し、HVECモジュールの位相72の
制約の範囲内で双方向定電流源として機能する。電流の
極性は、定電流が吸収される（+）若しくは供給される
（-）に基き、決定される。車両バス24の電圧は、監視
されて、電圧ガード限界VGMAX及びVGMINに比較され、そ
れに従いCAN 36を介して調整される。定電流モードは、
HVバッテリー・パックのSOCの維持を支持するものであ
る。HVバッテリー・パック30は、ロジック制御器14のHV
バッテリー・パックSOC維持アルゴリズムに基き、必要
に応じて、充電若しくは放電される。
【００４５】ここで、図9Aを参照すると、定電流モード
中の車両バス24の移送関数が示されている。HVECモジュ
ール22は、車両バス24上の電力が、CAN 36のメッセージ
により予め定められた値を上回るときに、定電流を受入
れる。HVECモジュール22は、車両バス24上の電力が所定
値を下回るときに、一定電流を供給する。
【００４６】ここで、再び図６に言及すると、HVECモジ
ュール22は、定電流モードを支持するために必要とされ
るとおりに、バッテリー・バス28から一定電圧を受入れ
るか又はバッテリー・バス28へ一定電力を供給する。HV
バッテリー・パック30の電圧は、それの現在のSOCと温
度に基いて変化する。HVバッテリー・パック30のOCVも
また、定電流モード中に変化する。
【００４７】ここで、図9Bを参照すると、定電流モード
中に電力を吸収しているHVECモジュール22の電力制限関
数が、示されている。電力を吸収しながら、HVECモジュ
ール22は、低電圧ガードVGLのレベルに到達するまで、
車両バス24上の一定正目標電流+ITARGを維持するため
に、調整可能な割合で、バッテリー・バス28又はヒータ
ー・バス29へ電力を供給する。車両バス24は、車両バス
24の電圧がバッテリー・バス28の電圧以上であるとき
に、電流制御される。HVバッテリー・パック30は、車両
バス24の電圧がバッテリー・バス28の電圧未満であると
きには、充電されない。負荷が高い間、車両バス24の電
圧は、VGLへ向け減少し、そして負荷が低い間、車両バ
ス24の電圧は、高電圧ガードVGUのレベルに向け増大す
る。
【００４８】ここで、図9Cを参照すると、定電圧モード
中に電力を供給しているHVECモジュール22の電力制限関
数が示されている。車両バス24の電圧が低電圧ガードVG
Lのレベル未満であるとき、バッテリー・バス28から車
両バス24へ電力が伝達される。電力供給中、HVバッテリ
ー・パック30は、高電圧ガードVGHのレベルに到達する
まで、車両バス24の一定負目標電流-ITARGを支持する割
合で電力を供給する。HVECモジュール22は、車両バス24
の電圧がHVバッテリー・パック30の電圧以上であるとき
に、バッテリー・バスから車両バスへ電力を移送しな
い。車両バス24の電圧レベルがHVバッテリー・パック30
の電圧未満であるとき、車両バス24は、HVバッテリー・
パック30の未調整の全電流能力により支持される。HVバ
ッテリー・パック30の電流範囲は、HVバッテリー・パッ
ク30のSOC、温度そして放電速度に応じて変化する。負
荷の増大中、車両バス24の電圧は、VGLに向け減少し、
そして負荷の減少中、車両バス24の電圧は、VGHに向け
増大する。
【００４９】再び図６を参照すると、HVECモジュール22
は、定バッテリー電流モードの間、バッテリー電流速度
を一定に自動的に維持する様に、車両バス24からの電力
を受入れるか又は、車両バス24へ電力を供給する。一定
バッテリー電流値は、図２に示されるCAN 36を用いた通
信を通して、設定される。一定バッテリー電流モード
は、バッテリー・パック30のSOCの維持を支持する。HV
バッテリー・パック30は、ロジック制御器14のHVバッテ
リー・パック30のSOC維持アルゴリズムに基き、充電又
は放電される。車両バス24の電圧が、監視され、そして
電圧ガード限界VGH, VGU及びVGLと比較される。
【００５０】ここで、図10Aを参照すると、一定バッテ
リー電流モード中の車両バス24の移送関数が示されてい
る。HVECモジュール22は、一定バッテリー電流を支持す
るために、車両バス22から電力を吸収又はそこに電力を
供給する。車両バス電圧を効率的な電圧範囲73内に維持
するために、VGMAX及びVGMINが用いられる。ロジック制
御器が一定バッテリー電流設定点をゼロに設定すると
き、HVECモジュール22は電力を伝送することなく、そし
て、車両バス24、バッテリー・バス28及びヒーター・バ
ス29の電圧ガードを行なっている。
【００５１】ここで、図10Bを参照すると、一定バッテ
リー電流モード中のバッテリー・バス28の移送関数が示
されている。HVECモジュール22は、一定バッテリー電流
モードを支持するために、バッテリー・バス28から一定
電流を吸収するか若しくは、バッテリー・バス28へ一定
電流を供給する。バッテリー・バス28の電圧は、一定バ
ッテリー電流量、HVバッテリー・パック30のSOC及びHV
バッテリー・パック30の温度に基き、変化する。HVバッ
テリー・パック30のOCVはまた、一定バッテリー電流モ
ード中に変化する。
【００５２】ここで、図10Cを参照すると、一定バッテ
リー電流モード中に電力を吸収しているHVECモジュール
22の電力制限関数が、示されている。HVECモジュール22
が電力を吸収している間、HVECモジュール22は、バッテ
リー・バス28の一定バッテリー目標電流+ITARG2を維持
する速度で、電力をHVバッテリー・パック30又はWEGヒ
ーター42へ供給する。バッテリー・バス28は、車両バス
24の電圧がバッテリー・バス28の電圧以上であるとき
に、電流制限される。HVECモジュール22は、バッテリー
の最大吸収ライン74上で高電圧ガード限界VGUまで、電
力を吸収する。HVECモジュール22は、車両バス24の電圧
がバッテリーバス28の電圧未満のときには、電力を伝送
しない。
【００５３】ここで、図10Dを参照すると、一定バッテ
リー電流モード中に電力を供給しているHVECモジュール
22の電力制限関数が、示されている。HVECモジュール22
が電力を供給している間、HVバッテリー・パック30は、
車両バス24の一定バッテリー目標電流-ITARG2を支持す
る速度で、電力を供給する。HVECモジュール22は、車両
バス24の電圧がバッテリー・バス28の電圧以上であると
きには、車両バス24へ電力を移送しない。HVECモジュー
ル22は、低電圧ガード限界VGLになるまでは、バッテリ
ーの最小供給ライン76上で、電力を供給する。HVECモジ
ュール２２は、車両バス24の電圧がバッテリ・バス２８
の電圧未満であるときには、未制限の速度で電力を移送
する。
【００５４】ここで、図11Aを参照すると、通常モード
中の車両バス２４に対する高電圧ガード限界及び低電圧
ガード限界のグラフが示されている。HVECモジュール22
は、連続的に車両バス24を監視し、車両バス24上の過大
電圧又は過小電圧を防ぐための電圧ガードを自動的に機
能させる。HVECモジュール22は、VGMAXとVGMINのいずれ
かに到達すると自動的に、車両バス24から電力を吸収す
る、若しくは車両バス24へ電力を供給する。HVECモジュ
ールは、VGMAX及びVGMINを越えての電力移送を防止す
る。
【００５５】ここで、図11Bを参照すると、通常モード
中の車両バス24の移送関数が示されている。HVECモジュ
ール22は、車両バス24の電圧ガード限界VGMAX及びVGMIN
に到達したときには、電力を受入れることも電力を供給
することもしない。それでHVECモジュール22の移送電流
IHVECはゼロに等しい。HVECモジュール22は、通常モー
ドを支持するのに必要とされるとおりに、バッテリー・
バス28から一定電力を受入れるか、バッテリー・バス28
へ一定電力を供給する。
【００５６】再び図６を参照すると、HVECモジュール22
は、通常モードの間、車両バス24からバッテリー・バス
28へ電力を供給しながら、バッテリー・バス28の電圧を
正の範囲59の中に維持する。HVECモジュール22は、バッ
テリー・バス28から車両バス24へ電力を供給しながら、
バッテリー・バス28の電圧を負の範囲６０の中で維持す
る。HVバッテリー・パック30の電圧は、現在のSOCと温
度に基き変化する。HVバッテリー・パック30のOCVはま
た、通常モードで変化する。
【００５７】ここで、図11Cを参照すると、通常モード
中の車両バス24の電力制限関数が示されている。HVECモ
ジュール22は、通常モード中に好ましくは20kWに電力制
限される。HVECモジュール22が電力を供給し、電力限界
65があるとき、HVECモジュール22は、ロジック制御器14
へ信号を送り、そして更に、HVECモジュール22を通る電
流が最大電流IMAX未満になるまで、電圧を降下させる。
吸収中には、HVECモジュール22は、ロジック制御器14が
設定した一定の電力量で電圧を増大そして電流を減少さ
せた後で、最大電力限界65になるまでは、電流を吸収す
る。
【００５８】本発明の上述の方法と組合わせられる実施
形態の構造は、燃料電池16の効率的な一定電力出力を維
持しながら、車両バス24、バッテリー・バス28及びヒー
ター・バス29の電力を制限する。本発明は、燃料電池16
の効率を最大にし、また始動中及び停止作動中の補助電
力源を提供する。
【００５９】上述の装置及び方法は、当業者によれば、
種々の目的に合わせて適応可能であり、以下の用途に限
定されるものではないが、電力制限を必要とする、電気
自動車（EV）、ハイブリッド電気自動車（HEV）、燃料
電池エネルギー・システム、代替エネルギー・システム
などに適用できる。上述の発明はまた、本発明の範囲か
ら逸脱することなしに、変形が可能である。
【００６０】本発明の特定の実施形態を示して説明した
が、当業者であれば、各種の変更を想到すると考えられ
る。従って、本発明は、請求項によってのみ限定される
ことが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による高電圧エネルギー調整型変換回路
（HVERCC）を持つ自動車の概略図である。
【図２】本発明によるHVERCCの概略図である。
【図３】高電圧エネルギー変換器（HVEC）モジュールの
状態遷移図である。
【図4A】HVECモジュールの電力受入フロー図である。
【図4B】HVECモジュールの電力供給フロー図である。
【図５】機能モードで動作しているHVERCCの概略図であ
る。
【図６】機能モード中のバッテリー・パック高電圧バス
（BHVB）の移送関数を示す図である。
【図7A】定電圧モード中の車両高電圧バス（VHVB）の移
送関数を示す図である。
【図7B】定電圧モード中のVHVBの電力制限関数を示す図
である。
【図８】HVECモジュールの位相を拡大して示す、HVERCC
12の概略図である。
【図9A】定電流モード中のVHVBの移送関数を示す図であ
る。
【図9B】定電流モード中に電力を吸収しているHVECモジ
ュールの電力制限関数を示す図である。
【図9C】定電圧モード中に電力を供給しているHVECモジ
ュールの電力制限関数を示す図である。
【図10A】一定バッテリ電流モード中のVHVBの移送関数
を示す図である。
【図10B】一定バッテリー電流モード中のBHVBの移送関
数を示す図である。
【図10C】一定バッテリー電流モード中に電力を供給し
ているHVECモジュールの電力制限関数を示す図である。
【図10D】一定バッテリー電流モード中に電力を吸収し
ているHVECモジュールの電力制限関数を示す図である。
【図11A】通常モード中のVHVBについての高低電圧ガー
ド限界のグラフを示す図である。
【図11B】通常モード中のVHVBの移送関数を示す図であ
る。
【図11C】通常モード中のVHVBの電力制限関数を示す図
である。
【符号の説明】
14 ロジック制御器 22 高電圧エネルギー変換器（HVEC）モジュール 24 車両バス 28 バッテリー・バス 29 水エチレングリコール（WEG）ヒーター高電圧バス 30 高電圧バッテリー・パック 32 WEGヒーター回路 42 WEGヒーター
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｍ 10/44 Ｈ０１Ｍ 10/44 Ｐ 10/48 10/48 Ｐ (72)発明者 ジョエル ベッカーマン アメリカ合衆国 ミシガン州 48187，カ ントン ホリー ドライブ 8270 (72)発明者 ジョセフ カール バーバ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 92065，ラモーナ カリストガ プラザ 23630 (72)発明者 マシュー ロジャー デドーナ アメリカ合衆国 ミシガン州 48167，ノ ースビル バレンシア アヴェニュー 18893 (72)発明者 レイモンド スピテリ アメリカ合衆国 ミシガン州 48310，ス ターリング ハイツ ミッチェル 2073 Ｆターム(参考） 3D035 AA03 5H030 AA03 AA04 AS08 BB01 BB21 FF22 FF42 FF43 FF44 5H115 PA11 PC06 PG04 PI16 PI18 PI29 PO07 PO17 PU01 PU21 PV07 PV09 PV22 QN02 QN04 QN08 SE03 SE06 SE09 TI02 TI05 TI06 TO05 TO12 TO13 TO14 5H420 BB12 BB14 CC02 DD02 EB25 EB37 FF03 FF25 LL02

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 車両のバスに結合する高電圧エネルギー
    調整型変換回路であって、 上記車両バスに電気的に結合した高電圧エネルギー変換
    器（HVEC）モジュール、 上記HVECモジュールに電気的に接続されたバッテリー・
    バス、 上記HVECに電気的に接続された水エチレングリコール
    （WEG）ヒーター・バス、 上記バッテリー・バスに電気的に接続された高電圧バッ
    テリー・パック、 上記WEGヒーター・バスに電気的に接続されたWEGヒータ
    ー回路、及び上記HVECモジュール、上記高電圧バッテリ
    ー・パック及び上記WEGヒーター回路へネットワークを
    介して電気的に接続されたロジック制御器、 を有し、該ロジック制御器が、上記車両バス、上記バッ
    テリー・バス及び上記WEGヒーター・バスにおける電力
    を調整する、回路。
  2. 【請求項２】 上記WEGヒーター回路が更にWEGヒーター
    を有する、請求項１の回路を備えたシステム。
  3. 【請求項３】 上記ロジック制御器が、上記WEGヒータ
    ー回路に、過剰なバッテリー・エネルギーを放出させる
    動作をさせる、請求項１の回路を備えたシステム。
  4. 【請求項４】 上記ロジック制御器が、上記車両バスの
    電力レベルが所定値よりも大きいときに、上記HVECモジ
    ュールに上記車両バスから上記バッテリーへの電力を受
    入れる動作をさせる、請求項１の回路を備えたシステ
    ム。
  5. 【請求項５】 上記ロジック制御器が、上記車両バス上
    の電力レベルが所定値よりも大きいときに、上記HVECモ
    ジュールに、上記車両バスから上記ヒーター・バスへの
    電力を受入れる動作をさせる、請求項１の回路を備えた
    システム。
  6. 【請求項６】 上記ロジック制御器が、上記車両バス上
    の電力レベルが所定値よりも小さいときに、上記HVECモ
    ジュールに、上記バッテリー・バスから上記車両バスへ
    電力を供給する作動をさせる、請求項１の回路を備えた
    システム。
  7. 【請求項７】 上記ロジック制御器が、上記車両バス上
    の電力レベルが、所定の電圧限界を超えていないとき
    に、上記HVECモジュールを不作動にする、請求項１の回
    路を備えたシステム。
  8. 【請求項８】 上記HVECモジュールが、定電圧モード、
    定電流モード及び定バッテリー電流モードを有する複数
    のモードで動作する、請求項１の回路を備えたシステ
    ム。
  9. 【請求項９】 上記HVECモジュールが、上記高電圧バッ
    テリー・パックの充電状態（SOC）を維持する、請求項
    １の回路を備えたシステム。
  10. 【請求項１０】 上記高電圧バッテリー・パックが、バ
    ッテリー制御モジュール（BCM）を有し、該BCMが、電
    圧、電流、電力、温度及び高電圧バッテリー・パックの
    活力からなる群から選択された高電圧バッテリー・パッ
    クの特性を監視する上で、上記ロジック制御器を補佐す
    る、請求項１の回路を備えたシステム。
  11. 【請求項１１】 上記ロジック制御器が、上記HVECモジ
    ュールに信号を送ることにより、上記BCMからの信号に
    応じて上記バッテリー・バスの電力を調整する、請求項
    １０の回路を備えたシステム。
  12. 【請求項１２】 上記HVECモジュールが、上記高電圧バ
    ッテリー・パックの充電状態(ＳＯＣ)を維持することに
    より、上記高電圧バッテリー・パックを充電する、請求
    項１の回路を備えたシステム。
  13. 【請求項１３】 上記ロジック制御器が、高電圧バッテ
    リー・パックの維持アルゴリズムを持ち、該アルゴリズ
    ムが、上記ロジック制御器が上記高電圧バッテリー・パ
    ックの充電状態を調整するのを許容する、請求項１の回
    路を備えたシステム。
  14. 【請求項１４】 高電圧エネルギー変換器（HVEC）モジ
    ュールの作動方法であって、 動作命令信号を受ける工程、 決定した機能モードで動作する工程、及び車両バス、バ
    ッテリー・バス及び水エチレングリコール（WEG）ヒー
    ター・バスを電圧ガードする工程、 を有する方法。
  15. 【請求項１５】 上記所定の機能モードで動作する工程
    が更に、 上記バッテリー・バスから上記車両バスへ所定の上限レ
    ベルの電圧を供給する工程、及び燃料電池が始動してす
    ぐに、上記車両バス上の電圧を所定の低レベルに低減す
    る工程、 を更に有する、請求項１４の方法。
  16. 【請求項１６】 上記車両バス、バッテリー・バス及び
    WEGヒーター・バスを電圧ガードする工程が更に、 上記車両バス、上記バッテリー・バス及び上記WEGヒー
    ター・バスにおける電圧を監視する工程、 上記車両バス、上記バッテリー・バス及び上記WEGヒー
    ター・バスにおける電圧レベルを比較する工程、 上記車両バス、上記バッテリー・バス及び上記WEGヒー
    ター・バスの間の電圧移送が実行可能であるか否かを判
    定する工程、及び上記車両バス、上記バッテリー・バス
    及び上記WEGヒーター・バスの間で電力を移送する工
    程、 を有する、請求項１４の方法。
  17. 【請求項１７】 上記車両バス、バッテリー・バス及び
    WEGヒーター・バスの電圧を監視する工程が更に、 上記車両バス、上記バッテリー・バス及び上記ヒーター
    ・バスの電圧を、電圧ガード限界と比較する工程、及び
    電圧ガード限界に到達したという信号をロジック制御器
    へ送る工程、 を有する、請求項１６の方法。
  18. 【請求項１８】 上記車両バス、バッテリー・バス及び
    WEGヒーター・バスの間で電力を移送する工程が更に、
    上記車両バス、上記バッテリー・バス及び上記WEGヒー
    ター・バスの電圧を上記電圧ガード限界内に調整する工
    程を、有する、請求項１６の方法。
  19. 【請求項１９】 上記車両バス、バッテリー・バス及び
    WEGヒーター・バスの間で電力を移送する工程が、上記H
    VECモジュールが、定電圧モード、定電流モード及び定
    バッテリー電流モードにあるときに実行される、請求項
    １６の方法。
  20. 【請求項２０】 車両高電圧バス（車両バス）を持つ燃
    料電池エネルギー・システムであって、 上記車両バスに電気的に接続された燃料電池、 該車両バスに電気的に接続された高電圧エネルギー変換
    器（HVEC）、 上記HVECモジュールに電気的に接続されたバッテリー・
    パック高電圧バス（バッテリー・バス）、 上記HVECモジュールに電気的に接続されたWEGヒーター
    高電圧バス、 上記バッテリー・バスに電気的に接続された高電圧バッ
    テリー・パック、 上記WEGヒーター・バスに電気的に接続された水エチレ
    ングリコール（WEG）ヒーター、及び上記HVECモジュー
    ル、上記高電圧バッテリー・パック及び上記WEGヒータ
    ー回路にネットワークを介して電気的に接続されたロジ
    ック制御器、 を有し、該ロジック制御器が、上記車両バス、上記バッ
    テリー・バス及び上記WEGヒーター・バスの電力を調整
    する、システム。
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