JP2010518804A - 再構成可能な多機能電力変換器を有する制御システム及びハイブリッド車両 - Google Patents

Abstract

ハイブリッド車両のモータへ電力を供給する多方向電力変換システムは、電気制御ユニットと、車両へ駆動力を提供する電気モータと、一次エネルギー貯蔵デバイスと、二次エネルギー貯蔵デバイスとを含む。エネルギー管理システムは、これらのエネルギー貯蔵デバイスのパラメータを電子制御ユニットへ通信により伝送する。電力操作デバイスは、一次エネルギー貯蔵デバイスと二次エネルギー貯蔵デバイスとの間に接続され、エネルギー源の間の電力を管理し、車両外部へ電気を送るように構成される。

Description

（関連出願）
本出願は、ともに２００７年２月９日に出願された、各々「複数のエネルギー源を備えるハイブリッド車両の制御システム（Control System for Hybrid Vehicle With Plurality of Energy Sources）」及び「電気車両用途用再構成可能な多機能電力変換器（Reconfigurable Multi-Function Power Converter for Electric Vehicle Applications）」と題する同時係属中の米国仮出願第６０／８８８，９９１号及び第６０／８８９，０２２号に対する利益を主張する。これらの出願の開示内容は、本参照によりそのまま本明細書に含まれる。

（発明の分野）
本発明の例示的な一実施形態は一般に制御システムに関し、特に、電力変換器へ接続された少なくとも２つのエネルギー貯蔵デバイスを含むハイブリッド車両において使用する制御システムに関する。

典型的なハイブリッド電気車両（ＨＥＶ）では、高電力バッテリが電気モータを含むハイブリッドドライブトレインへ電力を供給する。重い負荷条件の下では、高電力バッテリは、車両の内燃機関を介して供給されるエネルギーを補強する追加のエネルギーを供給することができ、これによりパフォーマンスを向上させる。次にバッテリは、より軽い負荷条件の間に再充電される、又は車両の減速中に生成されるエネルギーから充電されることが可能である。バッテリに課される高度の電力抑制に起因して、バッテリは、充電状態（ＳＯＣ）を狭い動作領域内に保って長寿命を保証しなければならない。また、バッテリが「フルチャージ」状態である間に車両が減速するときにエネルギーを取り戻せるように、バッテリのフルチャージの下でバッファが残らなければならない。その結果、この典型的なＨＥＶシステムの欠点は、このバッテリの最大容量が決して車両の推進用に完全に利用され得ないことにある。

１つより多い電力源が、車両に電力を供給するために使用される場合がある。例えば、大容量及び高電力の双方を提供するために、高電力バッテリパックと大容量バッテリパックとが合同で使用されることがある。また、ソーラーパネルのエネルギー生成能力、並びにバッテリパックの貯蔵能力を獲得するために、ソーラーパネルがバッテリパックと並んで使用される場合もある。車両自身の負荷とともに複数のエネルギー源を統合することは、エネルギーがこのようなエネルギー源と車両又は他の任意の負荷との間で自由かつ効率的に交換できれば、達成することができる。

本発明の例示的かつ非限定的な一実施形態は、複数のエネルギー貯蔵デバイスを有する車両におけるエネルギーフローを操作する及び制御するシステムである。このような車両の一例は、少なくとも２つのエネルギー貯蔵デバイス、即ち、ニッケル水素（ＮｉＭＨ）バッテリ、リチウムイオン（ＬＩ）バッテリ又はスーパー／ウルトラキャパシタバンクなどの一次エネルギー貯蔵デバイス、及びこれと接続された一次デバイスとして使用されるもののうちのいずれかなどの二次エネルギー貯蔵デバイスを有するハイブリッド車両であろう。これらのエネルギーデバイスは、配電網により電力を供給される一般的な電気ソケットを介して供給されるエネルギーなどの外部エネルギー源を介して個別に、又は集合的に再充電されることが可能である。２つのエネルギー貯蔵デバイスは、車両のドライブトレインへ直接的に接続されることが可能である。あるいは、２つのエネルギー貯蔵デバイスは、バックモード、ブーストモード、又は絶縁モードの動作を可能にする多機能電力変換器を介して接続されることも可能であり、この場合、エネルギーは、これらのエネルギー貯蔵デバイス間で双方向に伝達される。

追加のバッテリは、システムが追加の電気エネルギーを供給し、並びに車両の減速中に供給される再生された電力の増加された量を吸収できるようにする。外部エネルギー源インタフェースは、一次バッテリ又は二次バッテリのいずれかを個別に又は集合的に再充電することを可能にする。供給される外部エネルギーは、バッテリに貯蔵された外部エネルギーからの車両の推進、内燃機関からの推進、又は両者の組合せによって車両の動作を最適化する。

本発明の非限定的な一実施形態の一態様は、ハイブリッド車両と外部電力源又は負荷との間の自由なエネルギー交換を可能にするために、ＤＣ−ＡＣ変換及びＡＣ−ＤＣ変換を提供してもよい。例えば、他に利用可能なＡＣコンセントがないとき、ユーザは、一般的な家庭用電化製品を利用することが望ましい場合がある。本発明の例示的かつ非限定的な一実施形態は、システム内にＡＣ電気コンセントを提供し、エネルギー源からのエネルギーをハイブリッド車両のドライブトレインへ伝達できるようにするモードへ制御システムを切り換える能力を提供する。したがって、ハイブリッド車両のユーザは、エネルギーが車両のドライブトレインへ供給されていない間、ＡＣ電力をデバイスへ供給する能力を有する。例示的な一実施形態では、一般的なＡＣコンセントが二次エネルギー源へ取り付けられてもよい。

さらに、例示的な一実施形態の一態様によれば、制御システムが配電網へのエネルギー供給が必要であると決定すれば、エネルギーは配電網へ供給されることも可能である。周期的に、電気を供給している配電網は停電する。停電が発生すれば、本発明の一実施形態は、一般の電気コンセントへ差し込まれている一方で、エネルギーを一次エネルギーバッテリ又は二次エネルギーバッテリのいずれかから入手して配電網へ供給できるようにするモードへ切り換わることも可能である。

他の非限定的な実施形態の態様はまた、例えば一次エネルギー貯蔵デバイス及び二次エネルギー貯蔵デバイスである複数のデバイスと、外部エネルギー源と、ハイブリッド車両自体との間のエネルギーフローを最適化してもよい。２つのエネルギー貯蔵デバイスは、電力変換器を介して接続されてもよい。本発明の例示的な一実施形態によれば、コントローラは、各エネルギー貯蔵デバイス、車両、再構成可能な多機能電力変換器、及び車両のデータ及びエネルギー貯蔵デバイスのデータをコントローラへ供給するエネルギー管理システムと通信する。コントローラは、車両の動作パラメータに基づいて、これらの３つのデバイスの間のエネルギーフローを調整する。具体的には、コントローラは、エネルギー管理システムから受信される情報にしたがって一連の電子スイッチが所望された動作モードを生成することを可能にする又は不可能にする電力変換器と通信する。

例示的な一実施形態によれば、車両へ動力を提供するエンジンと電気モータとを備えるハイブリッド駆動システムが提供される。一次エネルギー貯蔵デバイスは、二次エネルギー貯蔵デバイスに加えて電気エネルギーを貯蔵する。電子制御ユニット（ＥＣＵ）は、一次エネルギー貯蔵デバイス及び二次エネルギー貯蔵デバイスの充電状態を監視する。電力変換器は、一次エネルギー源と二次エネルギー源との間の電力の伝達を操作する。

さらなる例示的な一実施形態によれば、ハイブリッド車両のモータへ電力を供給する多方向電力変換システムが提供され、これは、電気制御ユニットと、車両へ駆動力を与える電気モータと、一次エネルギー貯蔵デバイスと、二次エネルギー貯蔵デバイスとを備える。エネルギー管理システムは、エネルギー貯蔵デバイスのパラメータをＥＣＵへ通信により伝送する。電力操作デバイスは、一次エネルギー貯蔵デバイスと二次エネルギー貯蔵デバイスとの間に接続され、かつ電気モータへ送られる電力を管理するように構成される。

本発明の非限定的な実施形態の他の態様は、添付の図面に関連して行う以下の説明から明らかとなるであろう。

本発明の例示的かつ非限定的な一実施形態の全体構造を示すブロック図である。 本発明の例示的かつ非限定的な一実施形態に係る制御パラメータの決定を示すフローチャートである。 本発明の例示的かつ非限定的な一実施形態に係る二次バッテリの充電限度表に基づいたグラフである。 本発明の例示的かつ非限定的な一実施形態に係る温度の関数として二次の充電限度を表すグラフである。 本発明の例示的な一実施形態に係る二次バッテリの充電限度を表すグラフである。 本発明の例示的かつ非限定的な一実施形態に係る一次の充電状態の関数としての一次バッテリの電流に基づいたグラフである。 本発明の例示的かつ非限定的な一実施形態に係る温度の関数としての一次バッテリの充電限度に基づいたグラフである。 本発明の例示的な一実施形態に係る二次バッテリの電流を表す三次元グラフである。 本発明の例示的かつ非限定的な一実施形態に係る二次の充電限度を表すフローチャートである。 操作されていない状態にある双方向電力変換器の例示的な一実施形態である。 充電モード、配電網接続モード、又は発電モードにある双方向電力変換器の例示的な一実施形態である。 電力伝達モードにある双方向電力変換器の例示的な一実施形態である。 スイッチング構成要素及び位相を説明するＤＣ−ＡＣ（配電網連絡(Electrical Grid Tie)）モードにおける双方向電力変換器の例示的な一実施形態である。 異なるスイッチング構成要素及び位相を説明するＤＣ−ＤＣ（バック／ブースト）モードにおける双方向電力変換器の例示的な一実施形態である。 異なるスイッチング構成要素及び位相を説明するＤＣ−ＡＣ（ＡＣ発電機）モードにおける双方向電力変換器の例示的な一実施形態である。

以下の詳細な説明は、本発明のある実施形態に関するものである。しかしながら、多くの異なるシステム及び方法で他の実施形態を具現することができる。

図１は、ハイブリッド車両アーキテクチャに基づいた２つのエネルギー貯蔵デバイスを略示するブロック図である。一次エネルギー貯蔵装置（例えば、バッテリ）７は、再構成可能な多機能電力変換器６を介して二次エネルギー貯蔵装置１１へ接続される。コントローラ又はＥＣＵ１は、バッテリ管理システム（ＢＭＳ）２及びＢＭＳ３と通信し、かつ電流センサ４及び５を監視する。ＥＣＵ１はまた、通信バスを介して燃焼機関、電気モータ、電気モータ駆動装置、エンジン制御装置、車両の内部ＥＣＵ及びこれらに類似するものを含む車両８の構成要素と通信し、それによってコントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）が生成される。ＥＣＵ１は電力変換器６へ接続され、電力変換器６はＥＣＵ１からの通信にしたがって電力を操作する。例えば、二次エネルギー貯蔵装置１１から一次エネルギー貯蔵装置７又は車両８への電力の伝達、並びに配電網１２からの電力の伝達は、ＥＣＵ１によって制御される。ＡＣ／ＤＣ電力変換器１０は車両８の充電インレットへ接続され、配電網１２へ接続されたときにＥＣＵ１へ補助の電力を提供し、ＥＣＵ１へ電力網（grid power）の存在を指示する。

二次エネルギー貯蔵装置１１は、直列配置又は他の配置で接続される複数のバッテリモジュールを含んでもよい。各モジュールは、並列、直列又はこれらの組合せによるバッテリセル構成で構成されることが可能である。ＢＭＳ２は二次エネルギー貯蔵装置１１へ接続されて様々なバッテリのパラメータを監視し、次にこれをＥＣＵ１へ、及びＥＣＵ１を介して車両８へ通信により伝送する。ＥＣＵ１はまた、ＢＭＳ２から受信するセル電圧、温度又は電流センサ４のデータなどの情報を含むパラメータに基づいて、二次エネルギー貯蔵装置又はモジュール１１の充電状態（Ｓｓｏｃ）を監視する。

再構成可能な電力変換器６は、配電網１２などの外部エネルギー源へ接続されてもよい。ＥＣＵ１は変換器６を制御し、かつ配電網１２が存在することを検出すると、ハイブリッド車両又は負荷を動作不可能な状態にしてもよい。配電網１２の存在を検出した時点で、エネルギー源７及び１１は充電されることが可能であり、あるいは、再構成可能な電力変換器６を介して配電網１２へＡＣ電力を供給することができる。

図２は、コントローラ又はＥＣＵ１のフロー図である。ＥＣＵ１が配電網１２の存在を決定するとき（動作Ｓ２０：Ｙｅｓ）、システムは充電モードである。したがって、電力変換器６は充電可能な状態へ設定され（動作Ｓ２１）、かつ配電網１２へ接続されている間の車両の移動を防止するために車両駆動不可能（ＤＶＤ）信号も設定される（動作Ｓ２２）。ＥＣＵ１は、二次バッテリ１１の充電状態を二次バッテリ１１の目標設定点（ＳｓｏｃＴｒｇｔ）と比較する（動作Ｓ２３）。ＳｓｏｃがＳｓｏｃＴｒｇｔより小さければ（動作Ｓ２３：Ｙｅｓ）、二次バッテリ１１の充電を可能にする（ＳｃｈＥｎ）（動作Ｓ２４）。ある実装では、充電限度の値（ＳｃｈａｒｇＬｍｔ）は、配電網１２の電圧とＳｃｈｒｇＬｍｔとの間の関係を明記する充電限度表（図３）に基づいて決定される。ＳｃｈｒｇＬｍｔはさらに、図４に示すような高温（ＳｔｍｐＭａｘ）又は低温（ＳｔｍｐＭｉｎ）に基づいて修正される（動作Ｓ２５）。ＳｃｈａｒｇＬｍｔはさらに、電圧と電流との間の関係を明記する表（図５）によって決定されるバッテリセル電圧に基づいて修正される（動作Ｓ２５）。電力コントローラ６は、電流状態にしたがって二次充電状態設定点（ＳＰｓｅｔ）又は最適充電状態を設定することによって、充電電流（Ｓｃｒｎｔ）をＳｃｈｒｇＬｍｔに維持するように設定される（動作Ｓ２６）。

ＳｓｏｃがＳｓｏｃＴｒｇｔより上昇した後、一次エネルギー貯蔵装置又はバッテリ７の充電状態（Ｐｓｏｃ）がチェックされる（動作Ｓ２７）。Ｐｓｏｃが一次充電状態目標（ＰｓｏｃＴｃ）より小さければ（動作Ｓ２７：Ｙｅｓ）、一次バッテリ充電設定点は、電流と最小の充電状態及び最大の充電状態との間の関係を明示するＰｃｈｒｇ表（図６）から検索される（動作Ｓ２８）。また、ＰｓｏｃＴｃはさらに、温度と最小充電又は最大充電との間の関係により決定される充電温度限界（ＰｃｈｒｇＬｍｔ）（図７）に基づいて修正される。次に、一次エネルギー貯蔵装置７は動作可能な状態にされ（ＰｃｈＥｎ）（動作Ｓ２９）、かつ電力変換器６は、ＰＰｓｅｔを設定することによって充電電流をＰｃｈｒｇＬｍｔに維持するように設定される。

次に、電力変換器６はその充電動作を停止し（動作Ｓ３０）、フローは動作Ｓ２２へ戻る。動作Ｓ２７において、ＰｓｏｃがＰｓｏｃＴｃより大きくなれば（動作Ｓ２７：Ｎｏ）、Ｓｓｏｃは再度検証され、電力変換器６の充電は、エネルギー貯蔵装置７及び１１の双方の充電が完了した時点で動作不可能な状態にされる。

ＥＣＵ１が、配電網１２が事前設定されていないと決定すると（動作Ｓ２０：Ｎｏ）、車両の移動を可能にするＤＶＤ信号が設定される（動作Ｓ３１）。ＥＣＵ１は車両バスがプリチャージされるのを待機し（ＢｕｓＰｒＣｈｒｇ）（動作Ｓ３２：Ｙｅｓ）、ＳｐｒｅＣｈｒｇを真に設定することによって二次バスプリチャージが開始される（動作Ｓ３３）。二次バッテリバスがプリチャージされると、ＥＣＵ１は、一次バッテリ接続（ＰｂａｔｔＣｏｎｎｅｃｔ）信号が存在するかどうかを決定することによって（動作Ｓ３４：Ｙｅｓ）、一次バッテリ７が車両バスへ接続することを待機する。この時点で、二次バッテリ１１はまた、Ｓｃｏｎｎｅｃｔを真に設定することによって接続されることが可能である（Ｓｃｏｎｎｅｃｔ）（動作Ｓ３５）。次に、Ｓｓｏｃが最小設定点（ＳｓｏｃＭｉｎ）より大きければ（動作Ｓ３６：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ１は、図８に示す表から二次バッテリ電流設定点（Ｓｃｒｎｔ）を検索する。この値は、車両の速度（ＶＳ）、車両の負荷（ＶＬ）、内燃機関の温度（Ｅｔｍｐ）、及び一次電流（Ｐｃｒｎｔ）などの車両情報に基づいて決定される（動作Ｓ３７）。

結果として生じるＳｃｒｎｔは評価され、Ｓｃｒｎｔが負であれば（動作Ｓ３８：Ｙｅｓ）、Ｓｓｏｃをチェックしてそれが二次充電状態最大値（ＳｓｏｃＭａｘ）より小さいかどうかが決定される（動作Ｓ３９）。ＳｓｏｃがＳｓｏｃＭａｘより小さければ（動作Ｓ３９：Ｎｏ）、ＳＰｓｅｔはＳｃｒｎｔへ設定される（動作Ｓ４０）。そうでなければ（動作Ｓ３９：Ｙｅｓ）、ＳＰｓｅｔは０へ設定される（動作Ｓ４１）。

一方で、Ｓｃｒｎｔが正であれば（動作Ｓ３８：Ｎｏ）、ＳＰｓｅｔはＳｃｒｎｔへ設定される（動作Ｓ４０）。

ＳｓｏｃがＳｓｏｃＭｉｎより小さければ（動作Ｓ３６：Ｎｏ）、システムは、Ｓｐｒｅｃｈｒｇ及びＳｃｏｎｎｅｃｔを偽へ設定し、かつＳＰｓｅｔを０へ設定する（動作Ｓ４２−Ｓ４４）ことによって停止される。

図９は、車両８が車両動作可能（ＥＶｅｎｂｌ）モードにあるか否かを決定するＥＣＵ１のフロー図である。このモードは、一次バッテリ７及び／又は二次バッテリ１１からのバッテリ電力が車両８へ供給されることを可能にする。図が示すように、ＳｓｏｃがＳｓｏｃＭｉｎより大きいことをＥＣＵ１が決定すれば（動作Ｓ９０：Ｙｅｓ）、値Ｐｓｏｃがチェックされる（動作Ｓ９１）。Ｐｓｏｃが一次充電状態最小値（ＰｓｏｃＭｉｎ）より大きければ（動作Ｓ９１：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ１はＰｃｒｎｔが一次電流最大設定点（ＰｃｒｎｔＭａｘ）より小さいかどうかを決定する（動作Ｓ９２）。小さければ（動作Ｓ９２：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ１を、エンジン及び触媒を暖めることなくバッテリ電力のみで走行するように設定するユーザが選択可能なバイパス（ＥＶｂｙｐａｓｓ）入力が検証される（動作Ｓ９３）。非限定的な一実施形態は、車両８内部に位置づけられるユーザが操作可能な押しボタンを含んでもよく、これは、ＥＣＵ１の操作を可能にし、ＥＶｂｙｐａｓｓ機能のトグルを含む。ユーザがこのバイパスを選択すれば（動作Ｓ９３：Ｙｅｓ）、ＥＶｅｎａｂｌが真へ設定される（動作Ｓ９７）。そうでなければ（動作Ｓ９３：Ｎｏ）、ＥＣＵ１は、エンジン温度（Ｅｔｍｐ）がその目標値（ＥｔｅｍｐＴｒｇｔ）より高いかどうか（動作Ｓ９４）、触媒温度（Ｃｔｍｐ）が最高触媒温度（ＣｔｅｍｐＭａｘ）と目標温度（ＣｔｍｐＴｒｇｔ）との間であるかどうか（動作Ｓ９５）、及び車両設定点（ＶＳ）が最高車両速度設定点より低いかどうか（動作Ｓ９６）を確認するチェックを行う。そうであれば（動作Ｓ９４：Ｙｅｓ、Ｓ９５：Ｙｅｓ、及びＳ９６：Ｙｅｓ）、車両は車両動作可能モードに置かれる（動作Ｓ９７）。これに対して、図９に示すように、様々な条件が満たされなければ（動作Ｓ９０：Ｎｏ、Ｓ９１：Ｎｏ、Ｓ９２：Ｎｏ、Ｓ９４：Ｎｏ、Ｓ９５：Ｎｏ、又はＳ９６：Ｎｏ）、車両は車両動作可能モードに置かれない（動作Ｓ９８）。

図１０は、電力変換器６の構造の一例である。これは、汎用の３相Ｈブリッジ電子回路、及び６つのコンタクタＫ１−Ｋ６で構成される。本デバイスは、コンタクタＫ１−Ｋ６の起動及びＥＣＵ１により使用されるスイッチング方法に基づいて様々な動作モードを有する。様々なスイッチングアルゴリズムの結果として様々なスイッチＳ１−Ｓ６の操作により、ＤＣバス電圧は一次エネルギー貯蔵装置７と二次エネルギー貯蔵装置１１との間で伝達されることが可能であり、あるいは、電力変換器６によりＡＣ波形３が発生されることが可能である。

図１１は、電力変換器６の例示的かつ非限定的な実施形態の一例である。この構成では、コンタクタＫ１、Ｋ３、及びＫ６はオンであり、コンタクタＫ２、Ｋ４、及びＫ５はオフであり、本変換器は、バッテリ充電モード、配電網接続モード、及び発電モードで動作することができる。

バッテリ充電モードでは、ＨブリッジのスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、及びＳ４を使用してＡＣ波形４０が整流され、かつ力率１の維持を保証する電流プロファイルが生成される。この電流波形は、力率１の維持を保証するためにコントローラ１によりサンプリングされる。スイッチＳ６は、ＤＣバス電圧を二次エネルギー貯蔵装置１１の電圧レベルまで下げ（buck）、かつ貯蔵装置１１を充電するために使用される。

配電網接続モードでは、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、及びＳ４を使用して必要な電流プロファイルが生成される。スイッチＳ５及びＳ６は、ＤＣバス電圧を予め決められた値へ調整することができる、又は二次エネルギー貯蔵装置１１との間の電力フローを制御することができる双方向のＤＣ−ＤＣ変換器として使用される。

発電モードは、バッテリ充電モード又は配電網接続モードに類似するものである。しかしながら、変換器６は貯蔵装置１１からＤＣ電力を受け取り、かつスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３及びＳ４はＡＣ波形４０を発生する電圧源として使用される。スイッチＳ６は、二次エネルギー貯蔵デバイスの電圧をＡＣ波形の発生に必要なレベルまでステップアップするブーストコンバータとして作動される。

図１２は、エネルギー貯蔵装置７と二次エネルギー貯蔵装置１１との間のＤＣ−ＤＣ伝達を可能にする多相双方向電力変換器モードにおいて動作するときの変換器６の一例を示す。この動作モードでは、コンタクタＫ１、Ｋ２、Ｋ４及びＫ５はオンであり、コンタクタＫ３及びＫ６はオフである。また、スイッチＳ３、Ｓ４、Ｓ５及びＳ６は、一次エネルギー貯蔵装置７と二次エネルギー貯蔵装置１１との間の電力フローを制御するために使用される。負荷が軽い場合、効率を上げるために位相を１つだけ動作可能な状態にするというオプションが存在する。１つのみの位相の使用は、システム内部の電力損失の主たる要因であるスイッチング損失を低減する。これにより、システムは、これらのエネルギー貯蔵デバイスから最大の電力を達成することができる。オプションとして、別のインダクタ／コンタクタを追加することもでき、それにより、図１４に示すように、スイッチＳ１及びＳ２も使用されることが可能である。

図１３は、本発明のＤＣ−ＡＣ配電網接続モードにおいて動作する電力変換器の一例を示す。このモードでは、ＡＣ電力は、ハイブリッド車両の二次エネルギー貯蔵装置１１（ＳＥＣ）から配電網１２へ（又は配電網１２から二次エネルギー貯蔵装置１１へ）直接的に供給されることが可能である。この例示的な実施形態では、二次エネルギー源１１は、双方向電力変換器６によって配電網１２などの外部エネルギー源へ接続される。ある実装では、ダイオードが６つのスイッチングデバイスＳ１−Ｓ６と並列関係で接続される。配電網又は充電ポート１２は、電磁妨害波（ＥＭＩ）フィルタ１５へ接続され、ＥＭＩフィルタ１５はオプションとして、エネルギー又は電流フローを調整するインダクタ１４を介して電力変換器６へ接続されることが可能である。

図１３（ａ）−図１３（ｇ）は、変換器６がＡＣ電力を入力しかつこれを二次エネルギー源１１を充電するためのＤＣ電力に変換する際のＡＣ波形及びスイッチＳ１−Ｓ６のオン／オフのスイッチング状態を示す。これらの図に示すように、変換器６が変換の第１の位相Ｉ１の間にＡＣ電力を受け取る場合、ＡＣ電力が波形の「正」部分にあるとき（図１３（ａ））、スイッチＳ１は複数回開閉する（図１３（ｂ））。もう１つの実装では、スイッチＳ１は周期的でない間隔で開閉してもよい。さらに、第１の位相Ｉ１の間、スイッチＳ２、Ｓ４及びＳ５はオフであり、スイッチＳ３はオンであり、かつスイッチＳ６は複数回開閉する（但し、開閉回数はスイッチＳ１より少ない）（図１３（ｃ）−図１３（ｇ））。

変換の第２の位相Ｉ２の間、ＡＣ電力が波形の「負」部分にあるとき（図１３（ａ））、スイッチＳ３は複数回開閉する（図１３（ｄ））。さらに、第２の位相Ｉ２の間、スイッチＳ２、Ｓ４及びＳ５はオフであり、スイッチＳ１はオンであり、かつスイッチＳ６は複数回開閉する（但し、開閉回数はスイッチＳ３より少ない）（図１３（ｂ）、図１３（ｃ）及び図１３（ｅ）−図１３（ｇ））。

変換の第３の位相Ｉ３の間、ＡＣ電力が波形の「正」部分にあるとき（図１３（ａ））、スイッチＳ４は複数回開閉する（図１３（ｅ））。さらに、第３の位相Ｉ３の間、スイッチＳ１、Ｓ３及びＳ５はオフであり、スイッチＳ２はオンであり、かつスイッチＳ６は複数回開閉する（但し、開閉回数はスイッチＳ３より少ない）（図１３（ｂ）−図１３（ｄ）、図１３（ｆ）及び図１３（ｇ））。

最後に、変換の第４の位相Ｉ４の間、ＡＣ電力が波形の「負」部分にあるとき（図１３（ａ））、スイッチＳ２は周期的な間隔で複数回開閉する（図１３（ｃ））。さらに、第４の位相Ｉ４の間、スイッチＳ１、Ｓ３及びＳ５はオフであり、スイッチＳ４はオンであり、かつスイッチＳ６は複数回開閉する（但し、開閉回数はスイッチＳ３より少ない）（図１３（ｂ）及び図１３（ｄ）−図１３（ｇ））。

位相Ｉ４の後は、第１の位相Ｉ１から第４の位相Ｉ４までが繰り返される。

図１３（ｈ）−図１３（ｎ）は、変換器６がエネルギー源１１からのＤＣ電力を出力ＡＣ電力に変換する際のＡＣ波形及びスイッチＳ１−Ｓ６のスイッチング状態を示す。変換器６の動作は、図１３（ａ）−図１３（ｇ）に関連して説明した動作に類似するが、スイッチＳ１−Ｓ６のオン／オフのスイッチング状態は異なる。

図１４は、２つのＤＣ−ＤＣ伝達動作モードの間のスイッチＳ１−Ｓ６のオン／オフ状態を明示する略図である。図１４（ａ）−図１４（ｃ）及び図１４（ｇ）−図１４（ｉ）（又は図１４（ｇ’）−図１４（ｉ’））は、エネルギーが二次エネルギー貯蔵装置１１から一次エネルギー貯蔵装置７へ伝達される第１のモード、又はブーストモードの間のスイッチング状態を示す。また、システムが同期整流技術を実装していれば、スイッチＳ１−Ｓ６は、本図に示すように各々並列に接続される金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）及びダイオードを介して実装される。この技術は、電力変換中の効率を改善するために使用される。図１４（ｇ）−図１４（ｉ）は、システムがブーストモードにおいて同期整流技術を使用しない場合のスイッチＳ２、Ｓ４及びＳ６の状態を示し、図１４（ｇ’）−図１４（ｉ’）は、システムが同期整流技術を使用する場合のスイッチＳ２、Ｓ４及びＳ６の状態を示す。

図１４（ｄ）−図１４（ｆ）及び図１４（ｊ）−図１４（ｌ）（又は図１４（ｊ’）−図１４（ｌ’））は、エネルギーが一次エネルギー貯蔵装置７から二次エネルギー貯蔵装置１１へ伝達される第２のモード、又はバックモードの間のスイッチング状態を示す。図１４（ｊ）−図１４（ｌ）は、システムがバックモードにおいて同期整流技術を使用しない場合のスイッチＳ１、Ｓ３及びＳ５の状態を示し、図１４（ｊ’）−図１４（ｌ’）は、システムが同期整流技術を使用する場合のスイッチＳ１、Ｓ３及びＳ５の状態を示す。

ブーストモードでは、システムが同期整流技術を実装していない場合、コントローラ又はＥＣＵ１はスイッチＳ１を、第１の位相Ｉ１の間はオンにし、第２の位相Ｉ２の間はオフにし、第３の位相Ｉ３の間はオンにし、かつ第４の位相Ｉ４の間はオフにする（図１４（ａ））。また、スイッチＳ３は、第１の位相Ｉ１の開始時刻と第２の位相Ｉ２の開始時刻との間でオンにされ、第２の位相Ｉ２の開始時刻と第３の位相Ｉ３の開始時刻との間でオフにされ、かつ第３の位相Ｉ３の開始時刻と第４の位相Ｉ４の開始時刻との間でオンにされる（図１４（ｂ））。スイッチＳ３の場合のように、スイッチＳ５も様々な位相Ｉ１−Ｉ４の開始時刻の間でオン及びオフにされるが、スイッチＳ５のオン時刻及びオフ時刻はスイッチＳ３の対応するオン時刻及びオフ時刻の後で発生する（図１４（ｃ））。スイッチＳ１、Ｓ３及びＳ５のオン時刻及びオフ時刻をずらす（又は、オン時刻及びオフ時刻の位相をインタリーブする）ことにより、出力におけるリップルは低減される。また、システムがブーストモードにおいて同期整流技術を実装していない場合、スイッチＳ２、Ｓ４及びＳ６は、位相Ｉ１−Ｉ４の間オフである（図１４（ｇ）−図１４（ｉ））。これに対して、システムが同期整流技術を実装している場合、図１４（ｇ’）−図１４（ｉ’）に示すように、スイッチＳ２、Ｓ４及びＳ６のオン時刻及びオフ時刻は間隔Ｉ１−Ｉ４の間でずらされる。

バックモードでは、システムが同期整流技術を実装していない場合、コントローラ又はＥＣＵ１はスイッチＳ２を、第１の位相Ｉ１の間はオンにし、第２の位相Ｉ２の間はオフにし、第３の位相Ｉ３の間はオンにし、かつ第４の位相Ｉ４の間はオフにする（図１４（ｄ））。また、スイッチＳ４は、第１の位相Ｉ１の開始時刻と第２の位相Ｉ２の開始時刻との間でオンにされ、第２の位相Ｉ２の開始時刻と第３の位相Ｉ３の開始時刻との間でオフにされ、かつ第３の位相Ｉ３の開始時刻と第４の位相Ｉ４の開始時刻との間でオンにされる（図１４（ｅ））。スイッチＳ４の場合のように、スイッチＳ６も様々な位相Ｉ１−Ｉ４の開始時刻の間でオン及びオフにされるが、スイッチＳ６のオン時刻及びオフ時刻はスイッチＳ４の対応するオン時刻及びオフ時刻の後で発生する（図１４（ｆ））。また、システムがバックモードにおいて同期整流技術を実装していない場合、スイッチＳ１、Ｓ３及びＳ５は、位相Ｉ１−Ｉ４の間オフである（図１４（ｊ）−図１４（ｌ））。これに対して、システムが同期整流技術を実装している場合、図１４（ｊ’）−図１４（ｌ’）に示すように、スイッチＳ１、Ｓ３及びＳ５のオン時刻及びオフ時刻は間隔Ｉ１−Ｉ４の間でずらされる。

図１５は、車両８の内燃機関（ＩＣＥ）を使用して出力ＡＣ電力が生成されるＤＣ−ＡＣ伝達動作モードの間のスイッチＳ１−Ｓ６のオン／オフ状態を明示する略図である。図１５（ａ）は出力ＡＣ電力を示し、図１５（ｂ）−図１５（ｇ）は、ＩＣＥからＡＣ電力が生成されるときのスイッチＳ１−Ｓ６のスイッチング状態を示す。本図に示すように、コントローラ１は電力変換器６を介して一次バッテリ７及び二次バッテリ１１へ接続され、ＡＣ電力は、二次エネルギー源１１上へ物理的に位置づけられてもよいＡＣコンセント１６へ供給される。また、電力は、コンセント１６を介して出力される前にＥＭＩフィルタ１５を介してフィルタリングされてもよく、インダクタ１４はＡＣコンセント１６への電流フローを調整するために設置されてもよい。

図１５（ａ）は、車両８のＩＣＥから受け取った運動エネルギーの結果として電力変換器６を通過した後のＡＣ電力信号の波形を示す。ＡＣ電力を生成するために、第１の位相Ｉ１の間、コントローラ１は変換器６に指示してスイッチＳ２を複数回開閉させる（図１５（ｃ））。さらに第１の位相Ｉ１の間、スイッチＳ１及びＳ４−Ｓ６はオフであり、スイッチＳ３はオンである（図１５（ｂ）及び図１５（ｄ）−図１５（ｇ））。

第２の位相Ｉ２の間、スイッチＳ１は複数回開閉する（図１５（ｂ））。また、第２の位相Ｉ２の間、スイッチＳ２、Ｓ３、Ｓ５及びＳ６はオフであり、スイッチＳ４はオンである（図１５（ｃ）−図１５（ｇ））。

第３の位相Ｉ３の間、スイッチＳ３は複数回開閉する（図１５（ｄ））。さらに、第３の位相Ｉ３の間、スイッチＳ１及びＳ４−Ｓ６はオフであり、スイッチＳ２はオンである（図１５（ｂ）、図１５（ｃ）及び図１５（ｅ）−図１５（ｇ））。

第４の位相Ｉ４の間、スイッチＳ４は複数回開閉する（図１５（ｅ））。また、第４の位相Ｉ４の間、スイッチＳ２、Ｓ３、Ｓ５及びＳ６はオフであり、スイッチＳ１はオンである（図１５（ｂ）−図１５（ｄ）、図１５（ｆ）及び図１５（ｇ））。

位相Ｉ４の後は、第１の位相Ｉ１から第４の位相Ｉ４までが繰り返される。

さらに、電力変換器６の動作は、車両８のＩＣＥからのエネルギー及び二次エネルギー貯蔵装置１１からの電力の双方をＡＣ電力へ変換するように修正されることが可能である。この動作は、図１３（ｉ）に示すように、コントローラ１が変換器６に指示してスイッチＳ５をオン及びオフにさせることを除けば、上述の動作と同じである。

多数の追加的な優位点又は修正は、一般的な当業者によって実現されてもよい。したがって、本発明は開示された非限定的な実施形態に限定されるべきものではなく、添付の特許請求の範囲の完全な精神及び範囲内で解釈されるべきものである。

Claims (24)

1. ハイブリッド車両の駆動システムにおいて、
   上記車両へ電力を提供するエンジン及び電気モータと、
   電気エネルギーを貯蔵する一次エネルギー貯蔵デバイスと、
   電気エネルギーを貯蔵する二次エネルギー貯蔵デバイスと、
   上記一次エネルギー貯蔵デバイス及び上記二次エネルギー貯蔵デバイスの充電状態を監視する電子制御ユニットと、
   上記一次エネルギー貯蔵デバイスと上記二次エネルギー貯蔵デバイスとの間の電力の伝達を操作する電力変換器とを備えた駆動システム。
2. 上記電力変換器は、外部配電網とのインタフェースを行う請求項１記載のハイブリッド駆動システム。
3. 上記一次エネルギー貯蔵デバイスは、上記エンジンからのエネルギーと上記配電網からのエネルギーとを貯蔵する請求項２記載のハイブリッド駆動システム。
4. 上記二次エネルギー貯蔵デバイスは、上記エンジンからのエネルギーと上記配電網からのエネルギーとを貯蔵する請求項２記載のハイブリッド駆動システム。
5. 上記電力変換器は、充電モード、駆動モード、及び配電網モードの間を交互に実行するように操作されるように構成される請求項１記載のハイブリッド駆動システム。
6. 上記充電モードは、ＡＣ−ＤＣ電力変換を実行し、上記一次エネルギー源及び上記二次エネルギー源のうちの少なくとも１つをＡＣ壁コンセントから充電する請求項５記載のハイブリッド駆動システム。
7. 上記駆動モードは、ＤＣ−ＡＣ電力変換を実行することにより、上記一次エネルギー貯蔵デバイス及び上記二次エネルギー貯蔵デバイスのうちの少なくとも１つからＡＣ電力が生成される請求項５記載のハイブリッド駆動システム。
8. 上記駆動モードは、上記複数のエネルギー貯蔵デバイスからのＤＣ電力変換が、個別に又は集合的に上記ハイブリッド車両を推進させる請求項５記載のハイブリッド駆動システム。
9. 上記配電網モードは、ＤＣ−ＡＣ電力変換を実行し、上記複数のエネルギー貯蔵デバイスが配電網により利用されるエネルギーを生成する請求項５記載のハイブリッド駆動システム。
10. ハイブリッド車両のモータへ電力を供給する多方向電力変換システムにおいて、
    電気制御ユニットと、
    上記車両へ駆動力を提供する電気モータと、
    一次エネルギー貯蔵デバイスと、
    二次エネルギー貯蔵デバイスと、
    上記一次エネルギー貯蔵デバイス及び上記二次エネルギー貯蔵デバイスのパラメータを上記電子制御ユニットへ通信により伝送するエネルギー管理システムと、
    上記一次エネルギー貯蔵デバイスと上記二次エネルギー貯蔵デバイスとの間に接続され、上記電気モータへ送られる電力を管理するように構成される電力操作デバイスとを備えた多方向電力変換システム。
11. 上記電力操作デバイスは、上記ハイブリッド車両の異なる動作モードにしたがって電力を管理する請求項１０記載の電力変換システム。
12. 上記電気制御ユニットは、上記電力操作デバイスを制御して、上記エネルギー管理システムにより供給されるパラメータに基づいて、上記二次エネルギー貯蔵デバイス、上記一次エネルギー貯蔵デバイス、及び上記電気モータの間でエネルギーを伝達する請求項１０記載の電力変換システム。
13. 上記電気制御ユニットは、上記エネルギー管理システムと通信して、上記車両の動作モードを変更する請求項１０記載の電力変換システム。
14. 上記電気制御ユニットは、上記エネルギー管理システムから受信される情報にしたがって、上記一次エネルギー貯蔵デバイス及び上記二次エネルギー貯蔵デバイスの充電状態を維持する請求項１０記載の電力変換システム。
15. 上記デバイスは、上記車両の動作モードを変更して、上記一次エネルギー貯蔵デバイス及び上記二次エネルギー貯蔵デバイスからの電力を個別に又は集合的に利用する請求項１０記載の電力変換システム。
16. 上記エネルギー管理システムは、車両速度、エンジン負荷、バッテリ温度、及び上記複数のエネルギー貯蔵デバイスの電圧量を備えたパラメータを上記電気制御ユニットに提供する請求項１０記載の電力変換システム。
17. 上記電気制御ユニットは、上記複数のエネルギー貯蔵デバイス及び上記電気モータの間のエネルギーフローを修正して、上記エネルギー管理システムから受信される情報にしたがって、上記複数のエネルギー貯蔵デバイスの充電状態を維持する請求項１０記載の電力変換システム。
18. 上記電気制御ユニットは、上記電力変換システムが外部エネルギーシステムへ接続されるとき、上記ハイブリッド駆動システムを動作不可能な状態にする請求項１０記載の電力変換システム。
19. 上記電力操作デバイスは、バック−ブーストコンバータを備えた請求項１０記載の電力変換システム。
20. 上記電力操作デバイスは、ＤＣ−ＤＣ変換を提供して、上記一次エネルギー貯蔵デバイスのＤＣ電圧を上げる請求項１９記載の電力変換システム。
21. 上記電力操作デバイスは、ＤＣ−ＤＣ変換を提供して、上記一次エネルギー貯蔵デバイスから上記二次エネルギー貯蔵デバイスへＤＣ電圧を下げる、又は伝達する請求項１９記載の電力変換システム。
22. 上記電力操作デバイスは、ＡＣ−ＤＣ変換を提供して、上記複数のエネルギー貯蔵デバイスを充電する請求項１０記載の電力変換システム。
23. 上記電力操作デバイスは、ＤＣ−ＡＣ変換を提供して、ＡＣ外部電力を上記車両へ送るように構成される請求項１０記載の電力変換システム。
24. 上記電力操作デバイスは、ＤＣ−ＡＣ変換を提供するように構成され、ＡＣは上記車両外部の負荷へ提供される請求項１０記載の電力変換システム。

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