JP2012029553A - 電力変換のための装置およびシステム - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換ＤＣリンクのエネルギーをバッファするために使用されるコンデンサの静電容量、サイズ、および重量を低減する。
【解決手段】電圧コンバータ（１４）は、コマンド信号および調整信号に基づいて第１のＤＣ電圧を第２のＤＣ電圧に変換し、第２のＤＣ電圧をＤＣリンク（２６）に供給するように構成される。バス電圧コントローラ（３６）は、調整信号の計算を繰り返し、調整信号の各繰り返し計算の結果を電圧コンバータ（１４）に伝えるように構成される。監視コントローラ（１２）は、コマンド信号の計算を繰り返し、コマンド信号の各繰り返し計算の結果を電圧コンバータ（１４）およびバス電圧コントローラ（３６）に伝えるように構成される。調整信号の各繰り返し計算の結果を伝えるためのバス電圧コントローラ（３６）の周波数は、コマンド信号の各繰り返し計算の結果を伝えるための監視コントローラ（１２）の周波数よりも高い。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は一般に、パワーエレクトロニクスシステムに関し、より詳細にはパワーエレクトロニクスシステムでの電力変換の制御に関する。

パワーエレクトロニクスシステムでは、電力変換プロセスは、電源からの電力を負荷電力に変換し、負荷電力を負荷に供給することを含むことがある。一例では、ＤＣリンクまたは電圧バスは、ＤＣ／ＤＣコンバータをＤＣ／ＡＣインバータまたは他のＤＣエネルギー源／シンクに接続するなどして、結合された負荷に負荷電力を供給することができる。

例示的なシステムでは、ハイブリッド電動車両には、例えばバッテリ、コンデンサ、フライホイール、燃焼エンジン、燃料電池、またはガスタービンなど、利用可能なエネルギー源に結合された１つまたは複数の共通ＤＣリンクが使用されることがある。１つまたは複数の共通ＤＣリンクのＤＣリンク電圧は、規定作動帯域内に保たれなければならない。この作動帯域は、効率を最適化するためにトラクションインバータへの実際の負荷に応じて変わることがあり得る。他の場合には、ＤＣリンク電圧を一定の値にすることが好ましいことがある。

所望のＤＣリンク電圧を保持するための一方法は、ＤＣリンクのエネルギーが一定のままとなるように、ＤＣリンクの中へ向けられる電力コマンドおよびＤＣリンクから外へ出る電力コマンドのバランスを厳密に取ることである。この戦略は、含まれるすべてのコンバータの力学、ならびに監視コントローラでは明らかになることがある通信遅延／サンプルレート制限を考慮に入れることを必要とする。しかしながら、測定誤差（例えば、ノイズ、オフセット）、未知の力学（例えば、電力変換での非線形性に起因するものなど）、ならびに通信の時間遅延および監視コントローラによるサンプルホールド遅延は、ＤＣリンク内への、およびＤＣリンクからの電力の厳密なバランスを取ることを制限する可能性がある。

典型的には、ＤＣリンクは、電流リップルに起因する電圧リップルを濾波し、高周波不整合、またはＤＣリンク内への電力の流れとＤＣリンクからの電力の流れのアンバランスの場合にエネルギーをバッファするために実質的な静電容量を提供する１つまたは複数の容量性デバイス（例えば、バッテリまたはウルトラコンデンサ）を備えている。この実質的な静電容量は、ＤＣリンク内への電力とＤＣリンクからの電力とのアンバランスに起因して起こり得る電力変換の後続または新規の電力コマンド／需要間でのＤＣリンク電圧の降下／上昇を防止するために、エネルギーをバッファするのを助ける。例えば、ＤＣリンクの電圧が電力アンバランスに比べてゆっくり変化する場合に、大きいコンデンサが使用されることがある。大きいコンデンサを使用すれば、監視コントローラは、ＤＣリンクの電圧のバランスを取ることができる。しかしながら、これらの大容量ＤＣリンクコンデンサは、かなりのサイズおよび重量を有する物理的に大きい構成要素である傾向があり、そのことは、特にハイブリッド電動車両用など移動用途には不利になり得る。加えて、これらのコンデンサによって、それらを使用するシステム／応用例に余分なコストがかかる。

米国特許第７７５０６４１号公報

従って、電力変換ＤＣリンクのエネルギーをバッファするために使用されるコンデンサの静電容量、サイズ、および重量を低減する、電力変換を制御するための装置およびシステムを提供することが望ましいことになる。

本発明の一態様によれば、装置は、ＤＣリンクと、ＤＣリンクに結合された負荷と、エネルギー変換システムとを含む。エネルギー変換システムは、第１のエネルギー貯蔵デバイスと、第１のエネルギー貯蔵デバイスおよびＤＣリンクに結合された第１の電圧コンバータと、ＤＣリンクおよび第１の電圧コンバータに結合された第１のバス電圧コントローラと、第１の電圧コンバータおよび第１のバス電圧コントローラに結合された監視コントローラとを含む。第１の電圧コンバータは、コマンド信号および第１の調整信号に基づいて第１のエネルギー貯蔵デバイスからの第１のＤＣ電圧を第２のＤＣ電圧に変換し、第２のＤＣ電圧をＤＣリンクに供給するように構成される。第１のバス電圧コントローラは、コマンド信号およびＤＣリンクの測定電圧に基づいて第１の調整信号の計算を繰り返し、第１の調整信号の各繰り返し計算の結果を第１の電圧コンバータに伝えるように構成される。監視コントローラは、負荷および負荷のための所望のＤＣリンク電圧に基づいてコマンド信号の計算を繰り返し、コマンド信号の各繰り返し計算の結果を第１の電圧コンバータおよび第１のバス電圧コントローラに伝えるように構成される。第１の調整信号の各繰り返し計算の結果を伝えるための第１のバス電圧コントローラの周波数は、コマンド信号の各繰り返し計算の結果を伝えるための監視コントローラの周波数よりも高い。

本発明の別の態様によれば、装置は、電圧バスと、電圧バスに結合された負荷と、電圧バスおよびエネルギー貯蔵デバイスに結合された電圧コンバータとを含む。電圧コンバータは、エネルギー貯蔵デバイスからのエネルギーを電圧バス電圧に変換するように構成される。装置はまた、電圧バスおよび電圧コンバータに結合された監視コントローラも含む。監視コントローラは、負荷に基づいて所望の電圧バス電圧を繰り返し決定し、所望の電圧バス電圧に基づいて制御信号を繰り返し計算するようにプログラムされ、その制御信号は、電圧コンバータにエネルギー貯蔵デバイスからのエネルギーを電圧バス電圧に変換させるように構成される。装置は、電圧バスと、電圧コンバータと、監視コントローラとに結合された電圧バスコントローラをさらに含む。電圧バスコントローラは、電圧バスから電圧フィードバックを受け取り、監視コントローラから制御信号を受け取り、制御信号に基づいて所望の電圧バス電圧を計算するようにプログラムされる。電圧バスコントローラはまた、電圧フィードバックが所望の電圧バス電圧のしきい内であるかどうか、および電圧フィードバックが所望の電圧バス電圧のしきい外であるかどうかを決定し、電圧フィードバックおよび所望の電圧バス電圧に基づいて調節設定点信号を計算するようにもプログラムされ、その調節設定点信号は、電圧バスの電圧がしきい内となるように、電圧コンバータにエネルギー貯蔵デバイスからのエネルギーの変換を調整させるように構成される。電圧フィードバックを受け取り、調節設定点信号を計算するための電圧バスコントローラの帯域幅は、繰り返し電圧フィードバックを受け取り制御信号を計算するための監視コントローラの帯域幅よりも高い。

本発明の別の態様によれば、システムは、ＤＣリンクと、ＤＣリンクに結合され、ＤＣリンクからのＤＣ電圧を第１のＡＣ電圧に変換するように構成された電圧インバータと、電圧インバータに結合され、第１のＡＣ電圧を機械的出力に変換するように構成された電気機械デバイスと、エネルギー変換システムとを含む。エネルギー変換システムは、ＤＣエネルギーを貯蔵するように構成された複数のエネルギー貯蔵デバイスと、複数の電圧コンバータと、複数の電圧コンバータに結合された電力管理コントローラと、複数の電圧コンバータの第１の電圧コンバータおよび電力管理コントローラに結合された第１のＤＣリンク電圧コントローラとを含む。各電圧コンバータは、それぞれのエネルギー貯蔵デバイスに結合され、設定点信号に基づいてそれぞれのエネルギー貯蔵デバイスからの貯蔵電圧をＤＣ供給電圧に変換し、ＤＣ供給電圧をＤＣリンクに供給するように構成される。電力管理コントローラは、複数の電圧コンバータに結合され、ＤＣリンクの目標電圧に基づいて設定点信号を繰り返し計算し、設定点信号を複数の電圧コンバータに繰り返し供給するように構成される。第１のＤＣリンク電圧コントローラは、設定点信号に基づいて目標電圧を繰り返し決定し、目標電圧とＤＣ供給電圧との間の差に基づいて第１の調整信号を繰り返し計算し、第１の調整信号を第１の電圧コンバータに繰り返し供給するように構成され、第１の電圧コンバータはさらに、第１の調整信号に基づいて貯蔵電圧を変換するように構成される。設定点信号を繰り返し計算し、設定点信号を複数の電圧コンバータに繰り返し供給するための電力管理コントローラの周波数は、第１の調整信号を計算し、第１の調整信号を第１の電圧コンバータに供給するための第１のＤＣリンク電圧コントローラの周波数よりも低い。

さまざまな他の特徴および利点は、次の詳細な記述および図面から明らかになる。

図面は、本発明を実施するために現在企図されている実施形態を例示する。

本発明の実施形態によるパワーエレクトロニクスシステムの概略ブロック図である。 本発明の別の実施形態によるパワーエレクトロニクスシステムの概略ブロック図である。 本発明の別の実施形態によるパワーエレクトロニクスシステムの概略ブロック図である。

図１は、本発明の実施形態によるパワーエレクトロニクスシステム１０の基礎構造の概略ブロック図である。パワーエレクトロニクスシステム１０は、複数のＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４、１６、１８に結合された監視コントローラ１２を含む。ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４〜１８は、複数のエネルギー貯蔵デバイス２０、２２、２４に結合される。一実施形態では、エネルギー貯蔵デバイス２０〜２４はそれぞれ、電力バッテリ、フライホイールシステム、燃料電池、またはウルトラコンデンサなどであってもよい。３対のＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ／エネルギー貯蔵デバイスが図示されるが、本発明の実施形態は、そのようなものとして限定されず、図示されるＤＣ−ＤＣ電圧コンバータおよびエネルギー貯蔵デバイスの数より多いまたは少ないことも、企図されている。

ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４〜１８はまた、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４〜１８からの電圧またはエネルギーをＤＣ−ＡＣインバータ２８または他の負荷に供給するＤＣリンクまたは電圧バス２６にも結合される。ＤＣリンク２６のＤＣ電圧またはエネルギーをＡＣ電圧またはエネルギーに逆変換するＤＣ−ＡＣインバータ２８は、電気機械デバイスまたはモータ３０に結合されてモータ３０を電気的に駆動し、そのモータは、一実施形態ではハイブリッド電動車両または純粋な電動車両の車輪３２を機械的に駆動する。ハイブリッド電動車両は、車両を推進させるために電気モータ３０およびエネルギー貯蔵デバイス２０〜２４に加えて内燃エンジン（図示せず）を組み合わせてもよい。そのような組合せは、燃焼エンジンおよび電気モータ３０がそれぞれの増加する効率の範囲で各々作動できるようにすることにより、全体の燃料効率を増加させることがある。例えば、電気モータは、静止状態の出発から加速するのに効率的なことがあり、一方燃焼エンジンは、幹線道路運転などでの一定のエンジン作動の持続期間中に効率的なことがある。初期加速を高めるために電気モータを有することで、ハイブリッド車での燃焼エンジンをより小さくより燃料効率の良いものにすることができる。

純粋な電動車両は、車両を推進し、また補助駆動装置を作動させてもよい電気機械デバイスなどの電気モータ３０に電力を供給するために貯蔵電気エネルギーを使用する。純粋な電動車両は、エネルギー貯蔵デバイス２０〜２４などの１つまたは複数の貯蔵電気エネルギー源を使用してもよい。例えば、第１の貯蔵電気エネルギー源は、より長続きするエネルギーを提供するために使用されてもよく、一方第２の貯蔵電気エネルギー源は、例えば加速のためのより高出力のエネルギーを提供するために使用されてもよい。

別の実施形態では、パワーエレクトロニクスシステム１０は、非車両システムであってもよく、モータ３０は、仕事をするためにシャフトを機械的に駆動するように結合されてもよい。

一実施形態によれば、監視コントローラ１２は、ＤＣ−ＡＣインバータ２８およびモータ３０などの負荷の電力需要に基づいてＤＣリンク２６の目標または所望の電圧を決定する。例えば、モータ３０の所与の速度および負荷に基づいて、監視コントローラ１２は、システムの効率最適化を計算する。その計算結果に基づいて、監視コントローラ１２は、コマンドまたは電力設定点制御信号を計算し、コマンド信号をＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４〜１８に送る。コマンド信号は、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４〜１８に、エネルギー貯蔵デバイス２０〜２４で貯蔵されるエネルギーを目標電圧に実質的に一致する電圧に変換させるように計算される。監視コントローラ１２は、モータ３０の速度および負荷需要に対処するために、コマンド信号の計算を繰り返し更新し、更新されたコマンド信号の計算結果をＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４〜１８に供給するように構成される。

ＤＣリンク２６に結合された電圧測定デバイス３４は、電圧測定フィードバック信号を提供する。一実施形態では、電圧測定フィードバック信号は、ＤＣリンク２６の平均電圧を表す。一実施形態では、電圧測定デバイス３４は、電圧測定フィードバック信号を監視コントローラ１２に提供する。電圧測定フィードバック信号を使用して、監視コントローラ１２は、ＤＣリンク２６の電圧が目標電圧に一致するかまたは目標電圧の所与のしきい内であるかどうかを決定する。例えば、監視コントローラ１２は、ＤＣリンク２６の電圧と目標電圧との間の差を見いだしてもよい。ＤＣリンク２６の電圧が、目標電圧に実質的に一致しない場合、またはＤＣリンク２６の電圧と目標電圧との間の差がしきいより大きい場合、監視コントローラ１２は、ＤＣリンク２６の電圧が目標電圧に実質的に一致する、または目標電圧のしきい内にあるように、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４〜１８に電圧を調整させるように制御信号を再計算する。

パワーエレクトロニクスシステム１０はまた、監視コントローラ１２に結合されたＤＣリンク電圧コントローラ３６も含む。ＤＣリンク電圧コントローラ３６は、監視コントローラ１２からコマンド信号を受け取り、そのコマンド信号から目標または所望のＤＣリンク電圧を決定する。ＤＣリンク電圧コントローラ３６はまた、電圧測定デバイス３４から電圧測定フィードバック信号を受け取るために電圧測定デバイス３４にも結合される。電圧測定フィードバック信号を使用して、ＤＣリンク電圧コントローラ３６は、ＤＣリンク２６の電圧が目標電圧に一致するかまたは目標電圧の所与のしきい内であるかどうかを決定する。例えば、ＤＣリンク電圧コントローラ３６は、ＤＣリンク２６の電圧と目標電圧との間の差を見いだしてもよい。ＤＣリンク２６の電圧が、目標電圧に実質的に一致しない場合、またはＤＣリンク２６の電圧と目標電圧との間の差がしきいより大きい場合、ＤＣリンク電圧コントローラ３６は、調整または調節設定点信号を計算する。

ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４は、ＤＣリンク電圧コントローラ３６に結合され、監視コントローラ１２からのコマンド信号およびＤＣリンク電圧コントローラ３６からの調整信号に基づいてエネルギー貯蔵デバイス２０からのエネルギーを変換するように構成またはプログラムされる。それに応じて、ＤＣリンク電圧コントローラ３６は、調整信号をＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４に送って、ＤＣリンク２６の電圧が目標電圧に実質的に一致する、または目標電圧のしきい内にあるように、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４に変換するべき電圧を調整させる。ＤＣリンク電圧コントローラ３６は、ＤＣリンク２６内への電力とＤＣリンク２６からの電力との間のアンバランスに対処するために、調整信号の計算を繰り返し更新し、更新された調整信号をＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４に供給するように構成される。

本発明の実施形態によれば、ＤＣリンク電圧コントローラ３６は、監視コントローラ１２よりも高い帯域幅を有する。すなわち、調整信号の計算を繰り返し更新し、更新された調整信号をＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４に供給するためのＤＣリンク電圧コントローラ３６の周波数は、コマンド信号の計算を繰り返し更新し、更新されたコマンド信号の計算結果をＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４〜１８に供給するための監視コントローラ１２の周波数よりも速いまたは高い。ＤＣリンク電圧コントローラ３６のより高い帯域幅制御はそれ故に、ＤＣリンク２６とのフィードバックループでの通信の時間遅延を低減する。バッテリ、コンデンサ、またはウルトラコンデンサなどの容量性デバイス３８は、後続もしくは新規の電力コマンド／需要間のＤＣリンク電圧の降下もしくは上昇を低減するため、またはＤＣリンク２６の電圧リップルを濾波するためもしくはエネルギーをバッファするために、ＤＣリンク２６に結合されてもよい。ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４、電圧測定デバイス３４、およびＤＣリンク電圧コントローラ３６のフィードバックループの高帯域幅は、容量性デバイス３８への静電容量要件の低減を可能にし、それ故にコンデンサのサイズおよび重量の低減を可能にする。

ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４は同様に、監視コントローラ１２よりも高い帯域幅を有する。一実施形態では、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４の帯域幅は、ＤＣリンク電圧コントローラ３６の帯域幅に実質的に一致する。エネルギー貯蔵デバイス２０が、速く読みだすことができ、微小周期で循環できることもまた好ましい。

図１はさらに、監視コントローラ１２に結合され、エネルギー貯蔵デバイス２０〜２４の電圧または充電状態を測定するように構成された複数の電圧測定デバイス４０、４２、４４を例示する。測定電圧は、エネルギー貯蔵デバイス２０〜２４の電力およびエネルギーの利用可能性を示してもよい。本発明の実施形態によれば、監視コントローラ１２は、測定電圧を時間とともに受け取り、監視するように構成またはプログラムされてもよい。監視コントローラ１２は、エネルギー貯蔵デバイス２０〜２４の作動寿命および／または短期作動が最適化されるように、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４〜１８へのコマンド信号を計算するために測定電圧を使用してもよい。

図２は、本発明の別の実施形態によるパワーエレクトロニクスシステム１０の概略ブロック図である。図２で示されるように、パワーエレクトロニクスシステム１０は、第２のＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１６に結合された第２のＤＣリンク電圧コントローラ４６および第３のＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１８に結合された第３のＤＣリンク電圧コントローラ４８を含む。図２での実施形態は、各ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータに結合されたＤＣリンク電圧コントローラを示すが、本発明の実施形態は、電圧コンバータよりも少ない電圧コントローラを含んでもよい。例えば、本発明の実施形態は、２つのＤＣリンク電圧コントローラならびに３対以上のＤＣ−ＤＣ電圧コンバータおよびエネルギー貯蔵デバイスを含んでもよい。

ＤＣリンク電圧コントローラ３６と同様に、ＤＣリンク電圧コントローラ４６、４８は、監視コントローラ１２に結合され、監視コントローラ１２からコマンド信号を受け取り、そのコマンド信号から目標または所望のＤＣリンク電圧を決定する。ＤＣリンク電圧コントローラ４６、４８はまた、電圧測定フィードバック信号を受け取るために電圧測定デバイス３４にも結合される。電圧測定フィードバック信号を使用して、ＤＣリンク電圧コントローラ４６、４８は、ＤＣリンク２６の電圧が目標電圧に一致するかまたは目標電圧の所与のしきい内にあるかどうかを決定する。例えば、ＤＣリンク電圧コントローラ４６、４８は、ＤＣリンク２６の電圧と目標電圧との間の差を見いだしてもよい。ＤＣリンク２６の電圧が、目標電圧に実質的に一致しない場合、またはＤＣリンク２６の電圧と目標電圧との間の差がしきいよりも大きい場合、ＤＣリンク電圧コントローラ４６、４８は、それぞれの調整または調節設定点信号を計算する。

ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１６、１８は、ＤＣリンク電圧コントローラ４６、４８にそれぞれ結合され、監視コントローラ１２からのコマンド信号およびＤＣリンク電圧コントローラ４６、４８からのそれぞれの調整信号に基づいてエネルギー貯蔵デバイス２２、２４からのエネルギーを変換するように構成またはプログラムされる。それに応じて、ＤＣリンク電圧コントローラ４６、４８は、それぞれの調整信号をＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１６、１８に送って、ＤＣリンク２６の電圧が目標電圧に実質的に一致する、または目標電圧のしきい内にあるように、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１６、１８にそれらのそれぞれの変換電圧を調整させる。ＤＣリンク電圧コントローラ４６、４８は、ＤＣリンク２６内への電力とＤＣリンク２６からの電力との間のアンバランスに対処するために、それぞれの調整信号の計算を繰り返し更新し、更新されたそれぞれの調整信号をＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１６、１８に供給するように構成される。

ＤＣリンク電圧コントローラ４６、４８は、監視コントローラ１２よりも高い帯域幅を有する。すなわち、それぞれの調整信号の計算を繰り返し更新し、更新された調整信号をＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１６、１８に供給するためのＤＣリンク電圧コントローラ４６、４８の周波数は、コマンド信号の計算を繰り返し更新し、更新されたコマンド信号の計算結果をＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４〜１８に供給するための監視コントローラ１２の周波数よりも速いまたは高い。ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１６、１８は同様に、監視コントローラ１２よりも高い帯域幅を有する。その上、エネルギー貯蔵デバイス２２、２４が、速く読みだすことができ、微小周期で循環できることもまた好ましい。

ＤＣリンク電圧コントローラ３６、４６〜４８は、独立したしきいレベルに基づいてそれらのそれぞれの調整信号を計算または修正するように構成またはプログラムされてもよい。例えば、ＤＣリンク電圧コントローラ３６は、第１のしきいより上のＤＣリンク／目標電圧間の差についてＤＣリンク２６の電圧を調整するように構成されてもよい。ＤＣリンク電圧コントローラ４６は、第１のしきいより下だが第２のしきいより上のＤＣリンク／目標電圧間の差についてＤＣリンク２６の電圧を調整するように構成されてもよく、一方ＤＣリンク電圧コントローラ４８は、第２のしきいより下のＤＣリンク／目標電圧間の差についてＤＣリンク２６の電圧を調整するように構成されてもよい。ＤＣリンク電圧コントローラ３６、４６〜４８はそれ故に、それらのそれぞれの範囲またはしきいレベルについてＤＣリンク２６の最適電圧レベル調整を提供するように設計されてもよい。

図３は、本発明の別の実施形態によるパワーエレクトロニクスシステム１０の概略ブロック図である。図３で示されるように、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４は、１つまたは複数の通信用配線５０を介して１つまたは複数のＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１６、１８に結合される。ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１６、１８は、監視コントローラ１２からのコマンド信号およびＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４からの調整または調節設定点信号に基づいてそれぞれのエネルギー貯蔵デバイス２２、２４からのエネルギーを変換するように構成またはプログラムされる。

一実施形態によれば、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４は、ＤＣリンク電圧コントローラ３６から調整信号を受け取り、コマンド信号および調整信号からＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４の所望の全出力電圧を決定するように構成またはプログラムされる。ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４は次いで、所望の全出力電圧を提供するようにその出力容量または能力を決定する。ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４が、所望の全出力電圧を提供できると決定した場合、そのときＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４は、所望の全出力電圧を供給する。しかしながら、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４が、所望の全出力電圧を提供できないと決定した場合、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４は、提供できる出力電圧と所望の全出力電圧との間の差を決定する。

ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４は次いで、調節設定点信号を計算し、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１６、１８のどちらかまたは両方に送る。ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４によって計算された調節設定点信号は、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４が提供できる出力電圧と所望の全出力電圧との間の差を少なくとも補うために、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１６、１８のどちからまたは両方に電圧を変換させ、供給させるように構成される。ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１６、１８はまた、高帯域幅コンバータであってもよく、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４と同じハードウェアまたは制御盤に位置決めされてもよい。一実施形態では、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１６、１８は、同様のまたは同一の調節設定点信号で制御される。

別の実施形態では、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４は、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１６、１８がそれぞれの第１および第２の調整範囲に従って増加した電圧をそれぞれ提供するように、１つまたは複数のしきいレベルに基づいて調節設定点信号を計算するように構成されてもよい。例えば、第２の調整範囲に従って、第１の調整範囲によるＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１６よりも小さいまたは低い量だけ、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１８にその電圧を増加または減少させてもよい。このように、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１６は、ＤＣリンク２６の大きい電圧差に対処するように制御されてもよく、一方ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１８は、ＤＣリンク２６の小さい電圧差に対処するように制御されてもよい。

別の実施形態によれば、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１４は、ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ１６に例えば小さいまたは大きい調整を扱わせるように調節設定点信号を計算しながら、大きいまたは小さい電圧調整を扱うようにプログラムされてもよい。

本発明の実施形態はそれ故に、目標ＤＣリンク電圧と実際のＤＣリンク電圧との間のＤＣリンク電圧変動の高い帯域幅または周波数制御を可能にする。このように、ＤＣリンクコンデンサのサイズおよび重量は低減でき、それ故により高い作動効率ならびに低減したサイズ、重量、およびコスト制約を提供する。

開示される装置のための技術的な貢献は、パワーエレクトロニクスシステムでの電力変換を制御するためのコントローラ実装技術を提供することである。

本発明の一実施形態によれば、装置は、ＤＣリンクと、ＤＣリンクに結合された負荷と、エネルギー変換システムとを含む。エネルギー変換システムは、第１のエネルギー貯蔵デバイスと、第１のエネルギー貯蔵デバイスおよびＤＣリンクに結合された第１の電圧コンバータと、ＤＣリンクおよび第１の電圧コンバータに結合された第１のバス電圧コントローラと、第１の電圧コンバータおよび第１のバス電圧コントローラに結合された監視コントローラとを含む。第１の電圧コンバータは、コマンド信号および第１の調整信号に基づいて第１のエネルギー貯蔵デバイスからの第１のＤＣ電圧を第２のＤＣ電圧に変換し、第２のＤＣ電圧をＤＣリンクに供給するように構成される。第１のバス電圧コントローラは、コマンド信号およびＤＣリンクの測定電圧に基づいて第１の調整信号の計算を繰り返し、第１の調整信号の各繰り返し計算の結果を第１の電圧コンバータに伝えるように構成される。監視コントローラは、負荷および負荷のための所望のＤＣリンク電圧に基づいてコマンド信号の計算を繰り返し、コマンド信号の各繰り返し計算の結果を第１の電圧コンバータおよび第１のバス電圧コントローラに伝えるように構成される。第１の調整信号の各繰り返し計算の結果を伝えるための第１のバス電圧コントローラの周波数は、コマンド信号の各繰り返し計算の結果を伝えるための監視コントローラの周波数よりも高い。

本発明の別の実施形態によれば、装置は、電圧バスと、電圧バスに結合された負荷と、電圧バスおよびエネルギー貯蔵デバイスに結合された電圧コンバータとを含む。電圧コンバータは、エネルギー貯蔵デバイスからのエネルギーを電圧バス電圧に変換するように構成される。装置はまた、電圧バスおよび電圧コンバータに結合された監視コントローラも含む。監視コントローラは、負荷に基づいて所望の電圧バス電圧を繰り返し決定し、所望の電圧バス電圧に基づいて制御信号を繰り返し計算するようにプログラムされ、その制御信号は、電圧コンバータにエネルギー貯蔵デバイスからのエネルギーを電圧バス電圧に変換させるように構成される。装置は、電圧バスに、電圧コンバータに、および監視コントローラに結合された電圧バスコントローラをさらに含む。電圧バスコントローラは、電圧バスから電圧フィードバックを受け取り、監視コントローラから制御信号を受け取り、制御信号に基づいて所望の電圧バス電圧を計算するようにプログラムされる。電圧バスコントローラはまた、電圧フィードバックが所望の電圧バス電圧のしきい内であるかどうか、および電圧フィードバックが所望の電圧バス電圧のしきい外であるかどうかを決定し、電圧フィードバックおよび所望の電圧バス電圧に基づいて調節設定点信号を計算するようにもプログラムされ、その調節設定点信号は、電圧バスの電圧がしきい内となるように、電圧コンバータにエネルギー貯蔵デバイスからのエネルギーの変換を調整させるように構成される。電圧フィードバックを受け取り、調節設定点信号を計算するための電圧バスコントローラの帯域幅は、電圧フィードバックを繰り返し受け取り、制御信号を繰り返し計算するための監視コントローラの帯域幅よりも高い。

本発明の別の実施形態によれば、システムは、ＤＣリンクと、ＤＣリンクに結合され、ＤＣリンクからのＤＣ電圧を第１のＡＣ電圧に変換するように構成された電圧インバータと、電圧インバータに結合され、第１のＡＣ電圧を機械的出力に変換するように構成された電気機械デバイスと、エネルギー変換システムとを含む。エネルギー変換システムは、ＤＣエネルギーを貯蔵するように構成された複数のエネルギー貯蔵デバイスと、複数の電圧コンバータと、複数の電圧コンバータに結合された電力管理コントローラと、複数の電圧コンバータの第１の電圧コンバータおよび電力管理コントローラに結合された第１のＤＣリンク電圧コントローラとを含む。各電圧コンバータは、それぞれのエネルギー貯蔵デバイスに結合され、設定点信号に基づいてそれぞれのエネルギー貯蔵デバイスからの貯蔵電圧をＤＣ供給電圧に変換し、ＤＣ供給電圧をＤＣリンクに供給するように構成される。電力管理コントローラは、複数の電圧コンバータに結合され、ＤＣリンクの目標電圧に基づいて設定点信号を繰り返し計算し、設定点信号を複数の電圧コンバータに繰り返し供給するように構成される。第１のＤＣリンク電圧コントローラは、設定点信号に基づいて目標電圧を繰り返し決定し、目標電圧とＤＣ供給電圧との間の差に基づいて第１の調整信号を繰り返し計算し、第１の調整信号を第１の電圧コンバータに繰り返し供給するように構成され、第１の電圧コンバータはさらに、第１の調整信号に基づいて貯蔵電圧を変換するように構成される。設定点信号を繰り返し計算し、設定点信号を複数の電圧コンバータに繰り返し供給するための電力管理コントローラの周波数は、第１の調整信号を計算し、第１の電圧コンバータに供給するための第１のＤＣリンク電圧コントローラの周波数よりも低い。

本発明は、限定された数の実施形態だけに関連して詳細に述べられたが、本発明が、そのような開示された実施形態に限定されないことは容易に理解されるはずである。それどころか、本発明は、これまで述べられなかったが、しかし本発明の精神および範囲に見合う、任意の数の変形、変更、置換または同等の配置を組み込むように修正できる。加えて、本発明のさまざまな実施形態が述べられたが、本発明の態様は、述べられた実施形態のいくつかだけを含んでもよいことを理解されたい。それに応じて、本発明は、先の記述によって限定されると見なすべきでなく、添付の特許請求の範囲によって限定されるだけである。

１０ パワーエレクトロニクスシステム
１２ 監視コントローラ
１４ ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ
１６ ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ
１８ ＤＣ−ＤＣ電圧コンバータ
２０ エネルギー貯蔵デバイス
２２ エネルギー貯蔵デバイス
２４ エネルギー貯蔵デバイス
２６ ＤＣリンク
２８ ＤＣ−ＡＣインバータ
３０ モータ
３２ 車輪
３４ 電圧測定デバイス
３６ ＤＣリンク電圧コントローラ
３８ 容量性デバイス
４０ 電圧測定デバイス
４２ 電圧測定デバイス
４４ 電圧測定デバイス
４６ 第２のＤＣリンク電圧コントローラ
４８ 第３のＤＣリンク電圧コントローラ
５０ 通信用配線

Claims (10)

1. ＤＣリンク（２６）と、
   前記ＤＣリンク（２６）に結合された負荷（２８、３０）と、
   エネルギー変換システム（１０）とを備え、
   前記エネルギー変換システム（１０）が、
   第１のエネルギー貯蔵デバイス（２０）と、
   前記第１のエネルギー貯蔵デバイス（２０）および前記ＤＣリンク（２６）に結合された第１の電圧コンバータ（１４）であって、
   コマンド信号および第１の調整信号に基づいて前記第１のエネルギー貯蔵デバイス（２０）からの第１のＤＣ電圧を第２のＤＣ電圧に変換し、
   前記第２のＤＣ電圧を前記ＤＣリンク（２６）に供給するように構成された第１の電圧コンバータ（１４）と、
   前記ＤＣリンク（２６）および前記第１の電圧コンバータ（１４）に結合された第１のバス電圧コントローラ（３６）であって、
   前記コマンド信号および前記ＤＣリンク（２６）の測定電圧に基づいて前記第１の調整信号の計算を繰り返し、
   前記第１の調整信号の各繰り返し計算の結果を前記第１の電圧コンバータ（１４）に伝えるように構成された第１のバス電圧コントローラ（３６）と、
   前記第１の電圧コンバータ（１４）および前記第１のバス電圧コントローラ（３６）に結合された監視コントローラ（１２）であって、
   前記負荷（２８、３０）および前記負荷（２８、３０）のための所望のＤＣリンク（２６）電圧に基づいて前記コマンド信号の計算を繰り返し、
   前記コマンド信号の各繰り返し計算の結果を前記第１の電圧コンバータ（１４）および前記第１のバス電圧コントローラ（３６）に伝えるように構成された監視コントローラ（１２）とを備え、
   前記第１の調整信号の各繰り返し計算の結果を伝えるための前記第１のバス電圧コントローラ（３６）の周波数が、前記コマンド信号の各繰り返し計算の結果を伝えるための前記監視コントローラ（１２）の周波数よりも高い、装置。
2. 前記ＤＣリンク（２６）に結合され、
   前記ＤＣリンク（２６）の電圧を測定し、
   前記測定電圧を前記第１のバス電圧コントローラ（３６）に伝えるように構成された電圧測定デバイス（３４）をさらに備える、請求項１記載の装置。
3. 第２のエネルギー貯蔵デバイス（２２）と、
   前記第２のエネルギー貯蔵デバイス（２２）および前記ＤＣリンク（２６）に結合された第２の電圧コンバータ（１６）であって、
   前記コマンド信号に基づいて前記第２のエネルギー貯蔵デバイス（２２）からの第３のＤＣ電圧を第４のＤＣ電圧に変換し、
   前記第４のＤＣ電圧を前記ＤＣリンク（２６）に供給するように構成された第２の電圧コンバータ（１６）とをさらに備える、請求項１記載の装置。
4. 前記第２の電圧コンバータ（１６）がさらに、前記コマンド信号および前記第１の電圧コンバータ（１４）から送られる調節設定点信号に基づいて前記第３のＤＣ電圧を前記第４のＤＣ電圧に変換するように構成されている、請求項３記載の装置。
5. 前記第１の電圧コンバータ（１４）が、
   前記コマンド信号および前記第１の調整信号から前記第１の電圧コンバータ（１４）の所望の全出力電圧を決定し、
   前記ＤＣリンク（２６）に供給される前記第２のＤＣ電圧と前記所望の全出力電圧との間の差を決定し、
   前記第２の電圧コンバータ（１６）に前記差だけ前記第４のＤＣ電圧を増加させるように構成された調節設定点信号を前記差に基づいて計算し、
   前記調節設定点信号を前記第２の電圧コンバータ（１６）に送るように構成されている、請求項４記載の装置。
6. 前記エネルギー変換システム（１０）が、
   前記ＤＣリンク（２６）および前記第２の電圧コンバータ（１６）に結合された第２のバス電圧コントローラ（４６）であって、
   前記コマンド信号および前記ＤＣリンク（２６）の前記測定電圧に基づいて第２の調整信号の計算を繰り返し、
   前記第２の調整信号の各繰り返し計算の結果を前記第２の電圧コンバータ（１６）に伝えるように構成された第２のバス電圧コントローラ（４６）をさらに備え、
   前記第２の電圧コンバータ（１６）がさらに、前記コマンド信号および前記第２の調整信号に基づいて前記第３のＤＣ電圧を前記第４のＤＣ電圧に変換するように構成されている、請求項３記載の装置。
7. 前記第１のエネルギー貯蔵デバイス（２０）が、バッテリおよびウルトラコンデンサのうちの１つを備える、請求項６記載の装置。
8. 前記ＤＣリンク（２６）に結合され、前記ＤＣリンク（２６）の電圧リップルを濾波し、エネルギーをバッファするように構成される第２のエネルギー貯蔵デバイス（２２）をさらに備える、請求項１記載の装置。
9. 前記第２のエネルギー貯蔵デバイス（２２）が、バッテリおよびウルトラコンデンサのうちの１つを備える、請求項８記載の装置。
10. 前記負荷（２８、３０）が、
    前記ＤＣリンク（２６）に結合され、前記ＤＣリンク（２６）からのＤＣ電圧を第１のＡＣ電圧に変換するように構成された電圧インバータ（２８）と、
    前記電圧インバータ（２８）に結合され、前記第１のＡＣ電圧を機械的出力に変換するように構成された電気機械デバイス（３０）とを備える、請求項１記載の装置。