JP2019532610A - 電気制御システム、電気自動車、及びエネルギー蓄積装置 - Google Patents

Abstract

複数のモードで動作可能な電気自動車の電気制御システム。制御システムは、複数のモータコイルを有する電動機と、電気制御システムにエネルギーを供給するエネルギー蓄積装置と、電動機をエネルギー蓄積装置に選択的に連結するトランジスタモジュールと、交流電源に選択的に連結するコネクタと、コネクタを電動機に選択的に連結するように構成された制御可能なスイッチング装置とを備える。マイクロコントローラは、検出された充電モードにおいてコネクタを少なくとも１つのモータコイルに結合し、検出された充電モードにおいてモータコイルをエネルギー蓄積装置に連結するように１つ又は複数のトランジスタモジュールを制御するようにスイッチング装置を制御する。【選択図】図４

Description

実施の形態の態様は、電気によって動力を供給される車両に関し、より具体的には、電動機、電動機コントローラ、及びバッテリパック充電器、ならびに電動二輪車に関連して使用される関連する方法及び装置に関する。

電気自動車（ＥＶ）（例えば、電気自動車、電気トラック、電気自転車、電気オートバイ、又は当業者に明らかであり得る任意の他の電気自動車）は、技術が向上し、支援インフラストラクチャ（例えば、充電ステーション、家庭用充電器）が普及するにつれて、より遍在するようになっている。図１乃至図３は、関連技術のＥＶの電気システムの回路図を示す。図に示すように、関連技術のＥＶでは、電気ドライブシステムと充電システムとに別々のシステムが設けられている。特に、図１は、従来の電気自動車の電気ドライブシステム１００を示し、図２は、従来のＥＶの充電システム２００を示している。電気ドライブシステム１００のユニットは、充電システム２００と通信可能に連結することができる。

図１に示すように、電気ドライブシステム１００は、３つのモータコイル１０７ａ〜１０７ｃを含む３相電動機１０５と、バッテリパック１３０と、バッテリパック１３０とモータ１０５との間の電気の流れを制御するマイクロコントローラ１２５とを含む。電気ドライブシステム１００は、モータ１０５の各相（モータコイル１０７ａ〜１０７ｃ）を通る電流を監視し、マイクロコントローラ１２５に検出値を提供する、３つの電流センサ１１０ａ〜１１０ｃを備える。さらに、複数のトランジスタモジュール１１５ａ〜１１５ｃもドライブシステム１００に設けられる。トランジスタモジュール１１５ａ〜１１５ｃのそれぞれはモータ１０５の相（モータコイル１０７ａ〜１０７ｃ）に連結され、バッテリ１３０とモータの３相（モータコイル１０７ａ〜１０７ｃ）との間の電流の流れをマイクロコントローラ１２５からの信号に従って制御する。また、ドライブシステムは、バッテリパック１３０の端子に電気的に結合されたコンデンサ１２０と、バッテリパック１３０からの電圧及び電流センサ（１３５、１４０）とを含んでいてもよい。モータとモータコントローラとバッテリパック充電器は別ユニットとして用意されている。これらのユニットは互いに通信可能に結合されてもよい。次の図は、そのような従来技術のＥＶシステムを示している。

図２に示すように、充電システム２００は、ＡＣ電圧を受け取るためにＡＣ電源に連結するように構成されたコネクタ２０５と、バッテリパック１３０と、ＡＣ電圧を受け取るバッテリパック１３０とコネクタ２０５との間の電気の流れを制御する充電器マイクロコントローラ２２５とを含む。また、充電システム２００は、ＡＣ電源からの電圧及び電流を測定し、充電器マイクロコントローラ２２５に検出値を提供する電圧及び電流センサ２０１、２０３を含む。充電器マイクロコントローラ２２５は、図示するように、ブリッジ回路２１１及びコンデンサを介してコネクタ２０５をシステム２００の充電回路２１４に選択的に連結するリレー２０９を制御してもよい。

また、充電システム２００は、充電回路２１４の各相（インダクタ２０７ａ〜２０７ｃ）を通る電流を監視する３つの電流センサ２１０ａ〜２１０ｃを含み、充電マイクロコントローラ２２５に検出値を提供する。充電回路２１４には、複数のトランジスタモジュール２１５ａ〜２１５ｃも設けられている。トランジスタモジュール２１５ａ〜２１５ｃのそれぞれは充電回路２１４の相（インダクタ２０７ａ〜２０７ｃ）に連結され、充電マイクロコントローラ２２５からの信号に基づいて、バッテリ１３０と、充電回路２１４の３つの相（インダクタ２０７ａ〜２０７ｃ）との間の電流の流れを制御する。また、充電システム２００は、バッテリパック１３０の端子に電気的に結合されたコンデンサ２２０と、バッテリパック１３０からの電圧及び電流センサ（２３５、２４０）とを含んでいてもよい。

しかしながら、図３に示すように、別個の電気ドライブシステム１００及び充電システム２００を有することは、２つのシステム１００、２００の間に冗長構成要素をもたらす。例えば、電気ドライブシステム１００及び充電システム２００の双方は、３相のＡＣ電圧に対応する１組の３つのインダクタ（たとえば、モータ１０５のモータコイル１０７ａ〜１０７ｃ及び充電回路２１４のインダクタ２０７ａ〜２０７ｃ）を含む。同様に、電気ドライブシステム１００及び充電システム２００の双方は、３相のＡＣ電圧に対応する１組の３つの電流センサ（例えば、電流センサ１１０ａ〜１１０ｃ及び電流センサ２１０ａ〜２１０ｃ）を含む。さらに、電気ドライブシステム１００及び充電システム２００の双方は、３相のＡＣ電圧に対応する３組のトランジスタモジュール（例えば、トランジスタモジュール１１５ａ〜１１５ｃ及びトランジスタモジュール２１５ａ〜２１５ｃ）を含む。これらの冗長構成部品は重量を増す可能性があり、それはＥＶの走行距離を短くする可能性がある。

本開示の態様は、電気自動車のための電気制御システムを含んでいてもよい。電気制御システムは、複数のモードで動作するように構成されてもよい。電気制御システムは、複数のモータコイルを有する多相電動機と、電気制御システムにエネルギーを供給するように構成されたエネルギー蓄積装置と、電動機をエネルギー蓄積装置に選択的に連結する複数のトランジスタモジュールと、ＡＣ電源に選択的に連結するように構成されたコネクタ、コネクタを多相電動機に選択的に連結するように構成された制御可能なスイッチング装置、及び、検出された充電モードにおいて、コネクタをモータの少なくとも１つに選択的に連結するようにスイッチング装置を制御し、検出された充電モードにおいて、少なくとも１つのモータコイルをエネルギー蓄積装置に選択的に連結するように、複数のトランジスタモジュールのうちの１つ以上を制御するように構成されたマイクロコントローラを備えていてもよい。

本開示のさらなる態様は、電気自動車を含んでいてもよい。電気自動車は、少なくとも１つの車輪を有するドライブトレインと、少なくとも１つの車輪にトルクを提供するためドライブトレインに連結された複数のモータコイルを有する多相電動機と、複数のモードで動作するように構成された電気制御システムと、を備える。電気制御システムは、電気制御システムにエネルギーを供給するように構成されたエネルギー蓄積装置と、電動機をエネルギー蓄積装置に選択的に連結する複数のトランジスタモジュールと、ＡＣ電源に選択的に連結するように構成されたコネクタと、コネクタを多相電動機に選択的に連結するように構成された制御可能なスイッチング装置と、検出された充電モードにおいてコネクタをモータコイルのうちの少なくとも１つに選択的に連結するようにスイッチング装置を制御し、検出された充電モードにおいて、少なくとも１つのモータコイルをエネルギー蓄積装置に選択的に連結するように複数のトランジスタモジュールの１以上を制御するコントローラと、を備えていてもよい。

さらに、本開示の態様は、電気自動車用のエネルギー蓄積装置を含んでいてもよい。エネルギー蓄積装置は、内部容積を画定するハウジングと、ハウジングの内部容積内に配置され、一方の端部に第１の端子を、他方の端部に第２の端子を有する複数のパワーセルであって、隣接するパワーセル間に介在するスペースを介して実質的に平行に延びる複数のパワーセルと、前記複数のパワーセルのそれぞれの少なくとも１つの端部を封止して前記複数のパワーセルを剛性のある構成で保持する樹脂シートと、複数のパワーセルのうちの少なくとも１つの外部と接触する介在スペースを通って循環する、ハウジング内の熱吸収流体と、を備えていてもよい。

図１は、関連技術のＥＶの電気システムの回路図を示す。 図２は、関連技術のＥＶの電気システムの回路図を示す。 図３は、関連技術のＥＶの電気システムの回路図を示す。 図４は、本願の実施の形態に係るフルＥＶドライブトレインシステムの回路図を示す。 図５は、本願の実施の形態に係るフルＥＶドライブトレインシステムの回路図を示す。 図６は、本願の実施の形態に係るフルＥＶドライブトレインシステムの回路図を示す。 図７は、本願の実施の形態に係るフルＥＶドライブトレインシステムの回路図を示す。 図８は、本願の実施の形態に係るフルＥＶドライブトレインシステムの回路図を示す。 図９は、本願の実施の形態に係るフルＥＶドライブトレインシステムの回路図を示す。 図１０は、本願の実施の形態に係るフルＥＶドライブトレインシステムの回路図を示す。 図１１Ａは、本願に係るバッテリパックの実施の形態の外観図を示す。 図１１Ｂは、本願に係るバッテリパックの実施の形態の外観図を示す。 図１１Ｃは、本願に係るバッテリパックの実施の形態の外観図を示す。 図１１Ｄは、本願に係るバッテリパックの実施の形態の外観図を示す。 図１１Ｅは、本願に係るバッテリパックの実施の形態の外観図を示す。 図１１Ｆは、本願に係るバッテリパックの実施の形態の分解図を示す。 図１２は、本願に係るバッテリパックのための個々のセルのいくつかの実施の形態を示す。 図１３Ａは、本願の実施の形態に係るバッテリパック内のセルを梱包する構成を示す図である。 図１３Ｂは、本願の実施の形態に係るバッテリパック内のセルを梱包する構成を示す図である。 図１３Ｃは、本願の実施の形態に係るバッテリパック内のセルを梱包する構成を示す図である。 図１３Ｄは、本願の実施の形態に係るバッテリパック内のセルを梱包する構成を示す図である。 図１３Ｅは、本願の実施の形態に係るバッテリパック内のセルを梱包する構成を示す図である。 図１４Ａは、本願の実施の形態に係るバッテリパックの個々のセルを冷却するための構成を示す。 図１４Ｂは、本願の実施の形態に係るバッテリパックの個々のセルを冷却するための構成を示す。 図１４Ｃは、本願の実施の形態に係るバッテリパックの個々のセルを冷却するための構成を示す。 図１４Ｄは、本願の実施の形態に係るバッテリパックの個々のセルを冷却するための構成を示す。 図１５は、本願の実施の形態に係る複数のバッテリパックから形成されたエネルギーモジュールの実装形態を示す。 図１６Ａは、本願の実施の形態に係る統合された冷却システムを備えた図１５に示すエネルギーモジュールの斜視図を示す。 図１６Ｂは、本願の実施の形態に係る統合された冷却システムを備えた図１５に示すエネルギーモジュールの斜視図を示す。 図１７Ａは、本願の実施の形態に係るバッテリ管理システム（ＢＭＳ）の動作の概略図を示す。 図１７Ｂは、本願の実施の形態に係るバッテリ管理システム（ＢＭＳ）の動作の概略図を示す。 図１８Ａは、本願の実施の形態に係るモータの端面図を示す。 図１８Ｂは、本願の実施の形態に係るモータの端面図を示す。 図１８Ｃは、本願の実施の形態に係るモータの側面図を示す。 図１８Ｄは、本願の実施の形態に係るモータの側面図を示す。 図１８Ｅは、本願の実施の形態に係るモータの斜視図を示す。 図１８Ｆは、本願の実施の形態に係るモータの斜視図を示す。 図１８Ｇは、本願の実施の形態に係るモータの分解図を示す。 図１８Ｈは、本願の実施の形態に係るモータの断面図を示す。 図１９Ａは、本願の実施の形態に係るセグメント化されたステータの斜視図を示す。 図１９Ｂは、本願の実施の形態に係るステータ歯ユニットの斜視図を示す。 図１９Ｃは、本願の実施の形態に係るステータ歯を示す。 図１９Ｄは、本願の実施の形態に係るステータ歯を形成するために使用され得るステータシートを示す。 図２０Ａは、本願の実施の形態に係るモータ本体の上面図を示す。 図２０Ｂは、本願の実施の形態に係るモータ本体の側面図を示す。 図２０Ｃは、本願の実施の形態に係るモータ本体の底面図を示す。 図２０Ｄは、本願の実施の形態に係るモータ本体の断面図を示す。 図２０Ｅは、本願の実施の形態に従って設置されたステータアセンブリを有するモータ本体の斜視図である。 図２０Ｆは、本願の実施の形態に従って設置されたステータアセンブリを有するモータ本体の端面図である。 図２０Ｇは、本願の実施の形態に従って設置されたステータアセンブリを有するモータ本体の側面図である。 図２０Ｈは、ステータアセンブリが設置されたモータ本体の断面図である。 図２１Ａは、本願の実施の形態に係るエンドシールドの斜視図である。 図２１Ｂは、本願の実施の形態に係るエンドシールドの正面図である。 図２１Ｃは、本願の実施の形態に係るエンドシールドの背面図である。 図２１Ｄは、本願の実施の形態に係るエンドシールドの断面図である。 図２２Ａは、本願の実施の形態に係るローターシートの平面図である。 図２２Ｂは、本願の実施の形態に係るローターシートの斜視図である。 図２２Ｃは、本願の実施の形態に係る複数のローターシートから形成されたローターコアの斜視図である。 図２３Ａは、本願の実施の形態に係るローター用の磁石の平面図を示す。 図２３Ｂは、本願の実施の形態に係るローター用の磁石の斜視図を示す。 図２４Ａは、本願の実施の形態に係る、組み立てられたローターの平面図を示す。 図２４Ｂは、本願の実施の形態に係る、組み立てられたローターの斜視図を示す。 図２４Ｃは、本願の実施の形態に従って取り付けられた車軸を有する組み立てられたローターの平面図を示す。 図２４Ｄは、本願の実施の形態に従って取り付けられた車軸を有する組み立てられたローターの斜視図を示す。

以下の詳細な説明は、本出願の図及び実施の形態のさらなる詳細を提供する。明確にするため、図面間の参照番号及び重複する要素の説明は省略する。説明を通して使用される用語は例として提供されており、限定することを意図していない。例えば、「自動」という用語の使用は、本発明の実施を実施する当業者の所望の実施に応じて、実施の特定の態様に対するユーザ又はオペレータの制御を含む全自動又は半自動の実施を含んでいてもよい。

上述のように、関連技術の電気自動車（ＥＶ）は、車載バッテリを充電し、バッテリから電動機を駆動するために別々のシステムを使用する。しかしながら、完全に別々のシステムを使用することは、電気システムの重量及び複雑さを増大させる重複要素（例えば、インダクタ、センサ、及びトランジスタモジュール）をそれぞれ有する２つのシステムをもたらしてしまう。本出願の実施の形態は、エンジンドライブシステム、バッテリ充電システム、及び任意選択で交流発電機を組み合わせて、同じハードウェアで複数の動作モードを実現し、モータを走行時（ｍｏｔｏｒｉｎｇ）だけでなく充電にも使用することが可能になる。モータコイルをバック又はブーストコンバータのインダクタとして再利用してＡＣ（交流）を発生させる。これにより、コスト、重量、システムの複雑さ、及び走行時（ｍｏｔｏｒｉｎｇ）と同じピーク電流への充電を低減できる。

図４は、本願の実施の形態によるフルＥＶドライブトレインシステム４００の電気回路図を示す。フルＥＶドライブトレインシステム４００の実施の形態は、電気自動車、電気自転車、及び電気オートバイなどの電気自動車による複数の動作モードを提供するために使用され得る。例えば、本明細書に記載のシステムは、３００キロメートル［Ｋｍ］の範囲で９０馬力［ＨＰ］の出力を有する電気高性能オートバイに使用することができる。電気自動車のドライブトレインは、最先端技術の独自の電子技術およびアルゴリズムと比較して高性能、エネルギー効率、および体積の減少を可能にし、バッテリエネルギーを使用する同期モータ技術を含むことができる。

図に示すように、フルＥＶドライブトレインシステム４００は、３つのモータコイル４０７ａ〜４０７ｃを含む３相電動機４０５と、バッテリパック４３０と、バッテリパック４３０とモータ４０５との間の電気の流れを制御するマイクロコントローラ４２５とを含む。また、フルＥＶドライブトレインシステム４００は、モータ４０５の各相（モータコイル４０７ａ〜４０７ｃ）を通る電流を監視する３つの電流センサ４１０ａ〜４１０ｃを含み、それらの検出値をマイクロコントローラ４２５に提供する。フルＥＶドライブトレインシステム４００には複数のトランジスタモジュール４１５ａ〜４１５ｃも設けられている。それぞれのトランジスタモジュール４１５ａ〜４１５ｃは、モータ４０５の３相（モータコイル４０７ａ〜４０７ｃ）に連結され、マイクロコントローラ４２５からの信号に従って、バッテリ４３０とモータの３相（モータコイル４０７ａ〜４０７ｃ）との間の電流の流れを制御する。また、ドライブシステムは、バッテリパック４３０の端子に電気的に結合されたコンデンサ４２０と、バッテリパック４３０からの電圧及び電流を検出するセンサ（４３５、４４０）とを備えていてもよい。

さらに、フルＥＶドライブトレインシステム４００の電力入力回路４１４は、ＡＣ電圧に連結されるように構成されたコネクタ４０１を備えていてもよい。コネクタ４０１は、マイクロコントローラ４２５によって制御される一対のリレースイッチ４０２ａ、４０２ｂに連結されて、インバータ（駆動）モードと充電モードとの間、及び任意選択でＡＣ発電機モードを選択的に切り替えることができる。一方の位置では、リレースイッチ４０２ａ、４０２ｂは、ブリッジ回路４０９及びバックスイッチ４０３を介して、モータ４０５のコイル４０７ａ、４０７ｂ、４０７ｃに連結する。第２の位置では、リレースイッチ４０２ａの一方は、（Ａ）によって示されるように、ブリッジ回路４０９及びバックスイッチ４０３をバイパスすることにより、コネクタ４０１をモータ４０５のコイル４０７ａ、４０７ｂ、４０７ｃに連結することができる。当該第２の位置において、他方のリレースイッチ４０２ｂは、（Ｂ）によって示されるように、コネクタ４０１をバッテリパック４３０の中間端子に連結する。

一対のリレースイッチが位置１にある（整流器ブリッジ４０９に連結されている）とき、回路はインバータ（駆動）として、及び充電器として機能することができる。スイッチが位置２にあるとき、回路は、交流を発生させ、グリッドに当該交流を注入することができる。

また、フルＥＶドライブトレインシステム４００は、バックスイッチ４０３における電流及び電圧を測定し、マイクロコントローラ４２５に検出値を提供する電流及び電圧センサ４１９、４２１を含む。さらに、制御システムは、コイル４０７ａ〜４０７ｃにおける電圧を測定し、マイクロコントローラ４２５に検出値を提供する電圧センサ４２２も含んでいてもよい。

この構成の実施の形態は、フルＥＶドライブトレインシステム４００内で選択的にスイッチングを制御することによってモータコイルを充電インダクタとして再使用することによって、モータを駆動するため及びバッテリを充電するために同じハードウェアの使用を可能にしる。これにより、コスト、重量、システムの複雑さ、及び走行時（ｍｏｔｏｒｉｎｇ）と同じピーク電流への充電を低減することができる。

このシステムの実施の形態は、速度／トルク曲線全体において、バッテリで利用可能なすべての電力を効率的に使用するように設計されてもよい。通常、他のシステムは、モータの最大出力能力に適応する。

このシステムの実施の形態は、同じハードウェア上において、主要な車両制御ユニットを実装してもよい。

さらに、後述するように、このシステムの実施の形態は、バッテリ４３０及び同じＥＶドライブトレインシステム４００のハードウェアを用いて交流を生成することにより、公共電力網（community power grid）にエネルギーを供給することができる。追加の当該機能は、それを必要とする可能性がある住宅又は他の任意の用途への安定したＡＣ電源の提供を可能にする。

この選択的機能は、モータコントローラ、充電器、及びインバータを単一のハードウェア構成に組み合わせることによって達成することができ、電動機を走行だけでなく、モータコイルをバックコンバータ及びブーストコンバータのインダクタ（buck and boost converter inductors）として再利用することによる充電及び反転にも使用することができる。いくつかの実施の形態では、フルＥＶドライブトレインシステム４００は、モータ４０５を、３相同期モータコントローラとして、又は、フィールドベクトル制御、磁束低減制御（flux weakening control）、回生制動（regenerative braking）、充電器及び車両制御ユニット（車両全般管理）を有するＢＬＤＣモータとして、用いることができる。

後述するように、モータ４０５が作動していないとき、フルＥＶドライブトレイン車システム４００は、モータコイル４０７ａ〜４０７ｃ及び同じトランジスタモジュール４１５ａ〜４１５ｃを使用してバッテリを充電するために入力電圧を上昇させることによって充電器として働くことができる。それは、バッテリの電圧が入力及び同じシステム上に実装されたＰＦＣマイクロコントローラ４２５よりも低いときに、バッテリパック４３０及びバックスイッチ４０３に統合されたバッテリ管理システム（ＢＭＳ）４３２からの情報と組み合わされて、バッテリを充電する。これにより、フルＥＶドライブトレインシステム４００は、バッテリを駆動し充電する。

このフルＥＶドライブトレインシステム４００の実施の形態の別の任意選択の機能は、モータが動作していないときに、ＡＣ電圧／電流源として振る舞う能力を含んでいてもよい。この機能は、ＡＣ入力コネクタ４０１に連結されている一対のリレースイッチ４０２ａ、４０２ｂを制御することによって達成することができる。この構成は、共有のトランジスタモジュール４１５ａ〜４１５ｃを、モータ４０５を駆動するための配置とバッテリパック４３０を充電するための配置との間で切り替えることによって得られる正弦波の供給を可能にする。

いくつかの実施の形態では、フルＥＶドライブトレインシステムは、システムの他の部分と通信するためのコントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）通信プロトコルを確立し、インフォテインメントシステム（infotainment system）から情報を送受信するためのＵＳＢ通信チャネルを組み込んでもよい。

図５乃至図１０は、図４に示したフルＥＶドライブトレインシステム４００の異なるモードを表す簡略化した回路構成を示している。図５乃至図１０に示す回路構成は、図４に示すフルＥＶドライブトレインシステム４００のリレーの位置及びスイッチの位置を選択的に変更することによって達成される機能回路を表す。

モータ駆動モード
図５は、バッテリパック４３０からのエネルギーに基づいてモータ４０５を駆動するために使用される機能回路５００を示す。この構成では、機能回路５００は、図４に示す電力入力回路４１４から分離されている。図に示すように、駆動時には、３つのトランジスタモジュール４１５ａ〜４１５ｃが、モータ４０５が永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）である場合にＤＣバッテリ電流を３相平衡正弦波電流に変調し、モータ４０５がブラシレスＤＣ電気モータ（ＢＬＤＣモータ）である場合にＤＣバッテリ電流を台形電流に変調するため、３つのハーフブリッジとして機能することによって、電流はバッテリパック４３０からモータ４０５に流れる。さらに、機能回路は、各トランジスタモジュール４１５ａ〜４１５ｃ内のスイッチを使用して、電圧を上昇し、バッテリに流れる電流を制御することができる。また、３つのトランジスタモジュール４１５ａ〜４１５ｃは、磁束ベクトル制御、磁束低減、回生制動、電流制御及び速度制御を実施するために使用されてもよい。

例えば、電気自動車が減速しているとき、回生制動モード（regenerative braking mode）を使用して自動車の運動エネルギーを使用してモータ４０５を発電機として回転させ、３つのトランジスタモジュール４１５ａ〜４１５ｃを作動させてバッテリパック４３０を部分充電するためにモータ４０５によって生成された電流を送ってもよい。

充電モード
図６及び図７は、非駆動モータ駆動モード（non-driving motor driving mode）においてバッテリパック４３０を充電するために使用される機能回路６００、７００を示す。これらの構成では、機能回路６００、７００は、図４に示す電源入力回路４１４に連結されている。

充電モードでは、モータ４０５が停止され、ＡＣ主電源がコネクタ４０１に連結される。フルＥＶドライブトレインシステム４００のマイクロコントローラ４２５が、ＡＣ主電源が連結されて通常の動作状態であることを検出した場合、充電プロセスが行われてもよい。このフルＥＶドライブトレイン車システム４００は、２つのメインの充電ステージ：図７に示されるバックトポロジーステージ及び図６に示すブーストトポロジーステージを含むことができる。バッテリ電圧がＡＣ電源の整流されたピーク電圧よりも高い場合（典型的な場合）、コントローラ４２５は、１つのトランジスタモジュール４１５ａの下方を切り替えることによって、電流制御ブーストコンバータを実施する。それぞれのトランジスタモジュール４１５ａ〜４１５ｃの一方の脚を使用するだけで、充電サイクルを完全に完了するのに十分である。いくつかの実施の形態では、フルＥＶドライブトレインシステム４００のマイクロコントローラ４２５は、トランジスタモジュール４１５ａ〜４１５ｃの部品の一部である構成要素の寿命を延ばすため、充電モードが起動されるたびに、それぞれのトランジスタモジュール４１５ａ〜４１５ｃの異なる脚を使用して構成されてもよい。

この構成により、充電回路内のＡＣ電源に連結された入力コンデンサの必要性を排除することができる。いくつかの実施の形態では、この構成は、充電器において使用される改善された力率補正（ＰＦＣ）アルゴリズムの実装も可能にする。例えば、バッテリ管理システム（ＢＭＳ）４３２は、バッテリパック４３０（エネルギーパックとも呼ばれる）に直列に連結された各セル（又は並列セルのグループ）を個別に監視し、特定のセル（または並列セルのグループ）の電圧が事前に設定された制限に達した場合に、バランスプロトコルを実施することができる。ユーザが選択した構成に応じて、全てのセルが予め設定された最大充電電圧に達すると、マイクロコントローラ４２５は、電流が最小になり充電が終了するまで電圧制御ループを実施することができる。

図６は、本出願の実施の形態に従って実施されたＰＦＣブーストコンバータの簡易的な回路図６００を示す。図に示すように、ブーストコンバータ回路の構成要素を強調する３つの円６０１〜６０３がある。円６０１では、バックスイッチ４０３が示されている。バックスイッチ４０３は、バッテリ電圧値が入力ピーク電圧値よりも高いときに充電モードにおいて力率補正するように構成されてもよい。円６０２では、トランジスタモジュール４１５ａの上側のスイッチ６０４が示されている。ブーストコンバータ構成では、上側のスイッチ６０４は完全にオフになる（例えば、トランジスタモジュール４１５ａの並列ショットキーダイオードは、ブースト回路のフリーランダイオードとして機能する）。最後に、円６０３内のトランジスタモジュール４１５ａの絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）６０５は、フルＥＶドライブトレインシステム４００のブースト構成のメインスイッチとなる。いくつかの実施の形態では、改善された効率を達成する（例えば、より小さい構成要素を使用することを可能にする）ため、及び入力フィルタコンデンサの要件を回避するために、力率補正アルゴリズムがマイクロコントローラ４２５によって使用されてもよい。

図７は、本出願の実施の形態に従って実施されたバック充電構成の簡略回路７００を示す。バッテリパック４３０のバッテリ電圧がコネクタ４０１からの整流された入力電圧よりも低い場合、降圧充電スイッチ４０３はパルス幅変調（ＰＷＭ；pulse width modulation）信号で駆動され、３つのトランジスタモジュール４１５ａ〜４１５ｃはオフに維持される（例えば、トランジスタモジュール４１５ａ〜４１５ｃの並列ショットキーダイオードのみが示されている。なぜなら、下側のトランジスタはオフであり、単純化された等価回路には影響を及ぼさないからである）。この構成では、力率改善器アルゴリズムもマイクロコントローラ４２５によって実施され、効率を改善し、入力コンデンサのいかなる要件も回避する。マイクロコントローラ４２５は、バッテリ内の電圧が入力と等しくなるまで入力電流を制御することができる。その後、バック充電スイッチはＰＦＣ状態に保たれ、上記の充電フェーズが開始される（ブーストコンバータフェーズ）。

追加の機能性：電力網へのエネルギー注入
また、駆動モード及び充電モードに加えて、フルＥＶドライブトレインシステム４００の実施の形態は、電気を貯蔵し、エネルギーを電力網に注入するための１つ又は複数のモードを含むことができる。図８〜図１０は、電力を貯蔵し、電力網にエネルギーを注入する実施の形態のための簡略化された回路を示す。

図８の単純化された回路８００に示されるように、１つの実施の形態は、それぞれのトランジスタモジュール４１５ａ〜４１５ｃの脚部のうちの１つをインバータとして使用すること、及び、図４の専用リレー４０２ａ、４０２ｂのスイッチを含むことができる。例えば、図４に示すように、リレー４０２ｂのスイッチは、連結（Ｂ）に沿ってバッテリパック４３０の中間点に連結し、ＡＣ入力コネクタ４０１をＡＣ出力コネクタ４０１に変換するとともに、コネクタのピンを整流ダイオードブリッジ４０９から切り離し、それらをバッテリパック４３０の中間点及びインバータの出力（モータインダクタ４０７ａの右側ピン）にそれぞれ連結するように構成され得る。

いくつかの実施の形態では、この特徴は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）入力に正弦波パルス幅変調（ＳＰＷＭ）を実施し、それによって、図８に示す回路の出力に正弦波を生成することによって達成され得る。

図に示すように、トランジスタモジュール４１５ａの一方の脚部は、中間点の構成でバッテリパック４３０に連結されている。言い換えれば、上側トランジスタ８０１は、正のバッテリパック端子８０３（コレクタ）と、モータ４０５（エミッタ）のインダクタ（モータコイル４０７ａ）とに連結され、一方、下側トランジスタ８０２は、インダクタモータコイル４０７ａ（コレクタ）とバッテリパック４３０（エミッタ）の接地端子８０４との間に連結されている。この回路８００及び十分に実施された正弦波パルス幅変調を用いて、共にＡＣコネクタ４０１に連結された、バッテリパック４３０の中間点のピン８０５とモータコイル４０７ａの右側ピンとの間にほぼ純粋な正弦波（a nearly pure sinusoidal wave）が得られ、回路出力の最大ピーク振幅は、バッテリパック４３０の絶対電圧の半分である。正弦波の最初の半サイクルでは、上側のトランジスタ８０１がゲートされ（出力において正の電圧に達する）、そして、正弦波の後半のサイクルでは、下側のトランジスタ８０２がゲートされる（負電圧出力を生成する）。３相交流出力は、トランジスタモジュールの他の２つの脚部をゲートすることによって発生させることができ、それぞれ１２０度及び２４０度位相のずれた正弦波を生成する。

図９は、フルＥＶドライブトレインシステム４００のハードウェアを再利用してＡＣ電流を生成するための回路９００の別の実施の形態を示す。図９に示すように、フルＥＶドライブトレインシステム４００は、各トランジスタモジュール４１５ａ〜４１５ｃの中間点９０２ａ〜９０２ｃと各インダクタ（モータコイル４０７ａ〜４０７ｃ）との間にスイッチ９０１ａ〜９０１ｃを追加し、及び、コネクタ４０１を各トランジスタモジュール４１５ａ〜４１５ｃの中間点９０２ａ〜９０２ｃに選択的に連結するスイッチ９０１ｄ〜９０１ｆを追加することによって、修正されている。いくつかの実施の形態では、スイッチ９０１ａ及び９０１ｄは、所望の動作を達成するために互いにペアにされてもよい。さらに、いくつかの実施の形態では、スイッチ９０１ｂ及び９０１ｅは、望ましい動作を達成するために互いにペアにされてもよい。さらに、いくつかの実施の形態では、スイッチ９０１ｃ及び９０１ｆは、所望の動作を達成するために互いにペアにされてもよい。

図９の実施形態では、Ｈ−ブリッジインバータの実装形態が用いられるため、バッテリパック４３０に中間点を追加する必要はない。さらに、マイクロコントローラ４２５は、フルＥＶドライブトレインシステム４００の動作寿命を延ばすために、ジェネレータとしてトランジスタモジュール４１５ａ〜４１５ｃを交互に使用することができる。

図１０は、図９のインバータの簡略回路図を示す。図に示すように、図９に示す３つのリレー９０１ａ〜９０１ｃ（それぞれ二極双投（ＤＰＤＴ）リレーとすることができる）のうちの１つのみを切り替えることにより、図１０の簡略化された回路１０００が生成される。この単純化された回路１０００は、トランジスタモジュール４１５ａ、４１５ｂのトランジスタのゲートにおいて正弦波パルス幅変調を使用することによってその出力にＡＣ電流を生成することができるインバータである。左上のトランジスタ１００１及び右下のトランジスタ１００２がゲート制御されており、他の２つのトランジスタ１００３、１００４がオフ状態にあるとき、正の半サイクル正弦波が負荷において発生し、右上のトランジスタ１００４及び左下トランジスタ１００３がゲート制御されており、他の２つのトランジスタ１００１、１００２がオフ状態にあるとき、負の半サイクル正弦波が服において発生する。いくつかの実施の形態では、出力に正弦波を生成するためにモータコイル４０７ａ〜４０７ｃのインダクタンスと組み合わせてローパスフィルタを形成するために、ＡＣコネクタのピン間に出力コンデンサを配置してもよい。

バッテリパック／エネルギーモジュール構成
図１１Ａ〜図１１Ｅは、上述の図４〜図１０に示されたバッテリパック４３０の実施の形態の外観を示す異なる図を示している。いくつかの実施の形態では、単一のバッテリパック４３０が使用されてもよい。しかしながら、いくつかの実施の形態では、複数のバッテリパック４３０を積み重ねてより大きなエネルギーパックが構築されてもよい。

図１１Ａは、バッテリパック４３０の実施の形態の斜視図を示す。図１１Ｂは、バッテリパック４３０の実施の形態の上面図を示す。図１１Ｃは、バッテリパック４３０の実施の形態の側面図を示す。図１１Ｄは、バッテリパック４３０の実施の形態の端面図を示す。図１１Ｅは、バッテリパック４３０の実施の形態の底面図を示す。図１１Ｆは、バッテリパック４３０の実施の形態の分解図を示す。図に示すように、バッテリパック４３０は、上壁１１１０、下壁１１１５、及び一対の側壁１１２０によって形成されたバッテリハウジング１１０５を含む。バッテリパック４３０の端部１１２５は、バッテリハウジング１１０５の内部の視覚化を可能にするために開いているように示されている。上壁１１１０、下壁１１１５、及び一対の側壁１１２０は、当業者にとって明らかな任意の機構によって互いに接合することができる。例えば、本願の実施の形態において、上壁１１１０、下壁１１１５、及び一対の側壁１１２０は、互いにボルト止めされ、互いにねじ込まれ、互いにリベット止めされ、又は互いに溶接されてもよい。

バッテリハウジング１１０５内には、セル１２００の端子同士を連結する複数の導電シート１１４０とともに複数のセル１２００が設けられてもよい。以下に説明するように、一対の樹脂シート１３０５、１３１０をバッテリハウジング１１０５の１１２５側の壁として使用してセル１２００を囲んでもよい。後述するように、バッテリパック４３０は、その中に配置された複数の個々のセルと共に組み立てられた特定のバッテリモジュールの実施の形態であってもよい。さらに、個々のセルを冷却するために、バッテリパック４３０を通して冷却流体を循環させることができる。図１１Ａ〜図１１Ｆに示すように、上壁１１１０及び下壁１１１５はそれぞれ、バッテリパック４３０を他のバッテリパック４３０又はフルＥＶドライブトレインシステム４００の他の構成要素と連結するための電気連結ポート１１３０を有していてもよい。また、上壁１１１０及び下壁１１１５は、冷却流体をバッテリパック４３０に出し入れすることを可能にするための交換ポート１１３５を有していてもよい。

図１１Ｆに、側壁１１２０、上壁１１１０及び下壁１１１５によって形成されたバッテリハウジング１１０５が示されている。交換ポート１１３５は、バッテリハウジング１１０５を貫通して流体連通を提供する。いくつかの実施の形態では、漏れを防ぐために各流体ポートの周りにシールリング１１３７を設けてもよい。いくつかの実施の形態では、樹脂シート１１４４によって覆われた支持ブロック１１５５及びＢＭＳボード４３２が、側壁１１２０のいずれかに設けられてもよい。

バッテリハウジング１１０５内には、両端に配置された複数の導電シート１１４０を有する複数の円筒形状のセル１２００が配置されている。導電シート１１４０は、個々のセル１２００のそれぞれの端子間に電気的相互連結を提供することができる。金属シートは、例えば、銅、金、銀、又は当業者に明らかであり得る他の任意の電気接続材料を含む当業者に明らかであり得る任意の導電金属から形成することができる。個々のセル１２００の構造は、以下でさらに詳細に説明される。

樹脂シート１３０５、１３１０を導電シート１１４０の外側に設けることにより、セル１２００の端部に構造的支持及び電気絶縁を付与ことができる。さらに、導電性端子ブロック１１４２を導電性シート１１４０の上端および下端に設けて、電気ポート１１３０に挿入された上下の端子１３１５、１３２０を連結して、他のバッテリパック４３０又は上述した電気システム４００への電気連結を可能にする。さらに、一連のバッテリ管理システム（ＢＭＳ）ボード４３２を側壁１１２０のうちの１つに設けて、バッテリの充電状態（ＳＯＣ）を制御することにより、より長い寿命を保証するように補助してもよい。また、ＢＭＳ基板４３２は、支持及び電気的絶縁を提供するために樹脂シート１１４４によって覆われてもよい。

図１２は、個々のセル１２００のいくつかの実施の形態を示す。いくつかの実施の形態では、個々のセル１２００は、多数で事前に製造することができるパワーセル業界標準１８６５０に準拠し得る。これは、市場で入手可能な異なる選択肢から選択することによって所望の性能要件に応じてセルモデルを変更することによって、コスト削減、製造業者独立性、セル化学独立性、連続供給、セル化学の継続的改善、及び異なる用途を可能にし得る。

図に示すように、個々のセル１２００は、両端に端子１２０５が配置された実質的に円筒形状の構造を有していてもよい。さらに、プラスチック、セラミック、又は他の非導電性材料から形成された非導電性コーティング１２１０を各セルの側面に塗布してもよい。

図１３Ａ〜図１３Ｅは、バッテリパック４３０内のセルの構成の実施の形態を示す。図１３Ａは、バッテリパック４３０内のセルの実施の形態の斜視図を示す。図１３Ｂは、バッテリパック４３０内のセルの実施の形態の正面図を示す。図１３Ｃは、バッテリパック４３０内のセルの実施の形態の側面図を示す。図１３Ｄは、バッテリパック４３０内のセルの実施の形態の端面図を示す。図１３Ｅは、ハウジング１１０５内の個々のセル１２００の構成を示す線ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ'に沿ったバッテリパック４３０の断面図を示す。バッテリパック４３０内では、セル構成は特に限定されず、異なる特定のタイプを選択することができ、必要なアプリケーションに応じて、さまざまなレベルの電流、つまりさまざまなレベルの電力を供給する。

図１３Ａ〜図１３Ｅを参照すると、セル１２００は、他のバッテリパック４３０又は上述したフルＥＶドライブトレインシステム４００の他の構成要素への連結を可能にするために提供される上部端子１３１５及び下部端子１３２０を備えた行及び列の密にパッキングされた構造であってもよい。上部端子１３１５及び下部端子１３２０は、上述の電気連結ポート１１３０内に配置されてもよい。各行のセル１２００は、全ての同じ端子が同じ方向を向くように配置することができる（例えば、図１３Ｂの最下段は、前側に向いた正の（＋）端子を有する）。さらに、垂直方向に隣接する列のセル１２００は、反対方向の端子を有するように配置されてもよい（例えば、図１３Ｂの下から２番目の列は、前側に向いた負（−）の端子を有する）。個々のセル１２００の端子１２０５のいくつかは、充電及び放電動作中に監視及び制御を提供するためにバッテリパック４３０の電圧及び電流レベルを監視するためにバッテリ管理システム４３２に連結されてもよい。

また、図に示すように、個々のセル１２００の各端子１２０５に一対の樹脂シート１３０５、１３１０が設けられている。これらの樹脂シート１３０５、１３１０は、個々のセル１２００の端子１２０５と金属シート（図１１Ｆに示す１１４０）とを絶縁するために使用される特別な樹脂コンパウンドによって形成されてもよく、これにより、個々のセル１２００の間に相互連結を提供することができる。樹脂シート１３０５、１３１０は、バッテリパックハウジング１１０５構造内のセル１２００を密封し、かつ機械的に支持することができる。また、樹脂シート１３０５、１３１０は、上述のバッテリパック４３０の電気連結ポート１１３０（図１１Ａ〜図１１Ｆに図示）内の上下の端子１３１５、１３２０によって形成される電気コネクタ（ＥＣ）部を固定して封止してもよい。樹脂の材料は特に限定されず、耐水性であり、その特性を劣化させることなくバッテリパック４３０の温度作業範囲に耐えることができる任意の樹脂を含むことができる。これらの樹脂シートは、内部支持フレームの壁を形成するものである。

いくつかの実施の形態では、樹脂シート１３０５は、各セル１２００の裏面側の端子１２０５を封止する裏面側樹脂シートと認識されてもよい。樹脂シート１３１０は、導電性シート１１４０及び導電性端子ブロック１１４２とともに各セル１２００の表面側の端子１２０５を封止する表面側樹脂シートと認識されてもよい。いくつかの実施の形態では、樹脂シートは、電気連結ポート１１３０内のＥＣ部分（例えば、バッテリパック４３０の電気連結ポート１１３０（図１１Ａ〜図１１Ｆに図示）内の上下の端子１３１５、１３２０）を封止してもよい。

樹脂シート１３０５、１３１０は、所望される個々のセル１２００の間のスペースを樹脂によって埋めるため、及び、バッテリパック４３０のスペースを樹脂によって埋めるために、キャスティング法を用いて形成されてもよい。この方法では、ピストンを使用してバッテリパック４３０の内側に液体樹脂を押し込み、セル端子１２０５、電気端子１３１５、１３２０、及び個々のセル１２００を電気的に相互連結するのに使用される導電性シート１１４０に樹脂を分配する。

いくつかの実施の形態では、樹脂シート１３０５と樹脂シート１３１０との間に間隙１３２５が形成されていてもよい。図に示すように、交換ポート１１３５は、間隙１３２５と整列するように配向されて、以下に詳細に説明するように、バッテリパック４３０の動作中に個々のセル１２００の外側を浸漬させて個々のセルを冷却するための間隙に冷却流体を出し入れする。

図１４Ａ〜図１４Ｄは、本願の実施の形態に係るバッテリパック４３０の個々のセル１２００の冷却構成を示す。図１４Ａ及び図１４Ｂは、冷却構成の正面斜視図および背面斜視図を示す。図１４Ｃは、図１３Ｅに示す断面図を示す。図１４Ｄは、バッテリパック４３０の内部を通る流体の流れの概略図を示す。

上述のように、樹脂シート１３０５、１３１０は、個々のセル１２００の端子１２０５ならびにＥＣ部分（例えば、電気連結ポート１１３０内の上部端子１３１５及び下部端子１３２０）を封入することによって、バッテリパックハウジング１１０５構造内のセル１２００に封止及び機械的支持を提供することができる。また、樹脂シート１３０５と樹脂シート１３１０との間には、間隙１３２５が形成されている。交換ポート１１３５は、間隙１３２５と整列するように配置され、以下に詳細に説明するように、バッテリパック４３０の動作中に個々のセル１２００の外側を浸漬させて個々のセルを冷却するための間隙１３２５に冷却流体を出し入れする。

図１４Ｃに示すように、冷却流体１４０５をシート１３０５、１３１０の間の間隙１３２５に注入して、個々のセル１２００間の任意の空間を埋めてもよい。この構成では、セル１２００の側面を覆う非導電性コーティング１２１０によって隔離された非導電性冷却流体（例えば冷却流体１４０５）によってセル１２００を囲むことができる。セル１２００の端部にある端子１２０５は、樹脂によって封止されて絶縁されていてもよい。

冷却流体１４０５は、小さい体積で高い熱容量を可能にし、周囲環境からの熱、及び、充電及び放電の両方を通してセルによって発生した熱を吸収するように、高い比熱を有する材料になるように選択されてもよく、これにより、バッテリパック４３０内を一定の温度に維持してもよい。いくつかの実施の形態では、冷却流体１４０５は、グリコール、超純水溶液、非導電性オイル、又はそれらの組み合わせ、あるいは当業者に明らかであり得る任意の他の冷却流体であってもよい。

いくつかの実施の形態では、冷却流体はバッテリパック４３０を通って循環させることができる。例えば、図１４Ｄに示すように、流体１４０５は、バッテリパックの上面の交換ポート１１３５を通ってバッテリパック４３０に注入され、バッテリパックの底面に位置する交換ポート１１３５を通って引き出される。バッテリパック内では、セル１２００間の経路指定又は流体案内構造は設けられていない。流体１４０５は、セル１２００の間を自由に流れ、バッテリパック４３０の上面の交換ポート１１３５での流体１４０５の正の流体圧力と、バッテリパック４３０の下面の交換ポート１１３５での流体１４０５の負の流体圧力と、矢印１４１０によって示される重力とによってバッテリを通って流れる。バッテリパック４３０の外側では、流体１４０５は、後述する冷却に基づく強制空気、水、又は油を含むラジエータなどの冷却装置によって冷却されてもよい。さらに、以下でより詳細に説明するいくつかの実施の形態では、流体１４０５を一方のバッテリパック４３０から別のバッテリパック４３０に直列に送り出すことができるように、又は、流体１４０５を複数のバッテリパックに並列に送り出すことができるように、複数のバッテリパック４３０が互いに連結されてもよい。

いくつかの実施の形態では、複数のバッテリパック４３０が互いに連結されて、エネルギーパック又は電力モジュールが形成されてもよい。図１５は、４つのバッテリパック４３０Ａ〜４３０Ｄから形成されたエネルギーモジュール１５００の実施の形態を示す。図に示すように、各バッテリパック４３０Ａ〜４３０Ｄの矩形ハウジング１１０５は、互いに積み重ねられ、ブリッジ連結電力線によって電気コネクタと相互連結されてもよい。電気コネクタは、特に限定されず、当業者に明らかであり得る任意の種類のコネクタであってもよい。さらに、ジョイントされたＢＭＳは、すべてのバッテリパック４３０Ａ〜４３０Ｄにわたって共有されてもよい。セルの化学的性質及び特性、並びにセルの内部構成は、エネルギーモジュール１５００の所望する総電圧、エネルギー及び電力を達成するために、用途ごとに調整されてもよい。

図１６Ａ及び図１６Ｂは、統合された冷却システム１６００を備えたエネルギーモジュール１５００の斜視図を示す。上述のように、エネルギーモジュール１５００は、統合された電力ブロックとして互いに連結された複数のバッテリパック４３０Ａ〜４３０Ｄを備える。ブリッジ連結電力線１６１０Ａ〜１６１０Ｃは、隣接するバッテリパック４３０Ａ〜４３０Ｄを電気的に連結するために設けられている。例えば、ブリッジ連結電力線１６１０Ａは、バッテリパック４３０Ａの下部端子１３２０Ａをバッテリパック４３０Ｂの下部端子１３２０Ｂに電気的に連結する。また、ブリッジ連結電力線１６１０Ｂは、バッテリパック４３０Ｂの上部端子１３２０Ｂとバッテリパック４３０Ｃの上部端子１３２０Ｃとを電気的に連結する。さらに、ブリッジ連結電力線１６１０Ｃは、バッテリパック４３０Ｃの下部端子１３２０Ｃをバッテリパック４３０Ｄの下部端子１３２０Ｄに電気的に連結する。

統合された冷却システム１６００は、隣接するバッテリパック４０３Ａ〜４３０Ｄの流体交換ポート１１３５Ａ〜１１３５Ｄを連結する一連の配管相互連結部１６０５Ａ〜１６０５Ｃを含む。例えば、配管相互連結部１６０５Ａは、バッテリパック４３０Ａの下部交換ポート１１３５Ａをバッテリパック４３０Ｂの下部交換ポート１１３５Ｂに流体的に連結する（fluidly connect）。さらに、配管相互連結部１６０５Ｂは、バッテリパック４３０Ｂの上部交換ポート１１３５Ｂをバッテリパック４３０Ｃの上部交換ポート１１３５Ｃに流体連結する。さらに、配管相互連結部１６０５Ｃは、バッテリパック４３０Ｃの下部交換ポート１１３５Ｃをバッテリパック４３０Ｄの下部交換ポート１１３５Ｄに流体的に連結する。

さらに、統合された冷却システム１６００は、入力管１６２０によってバッテリパック４３０Ａの上部交換ポート１１３５Ａに、及び、出力管１６２５によってバッテリパック４３０Ｄの上部交換ポート１１３５Ｄに流体的に連結されたラジエータ１６１５も備える。ラジエータ１６１５から冷却流体は、入力管１６２０を通ってバッテリパック４３０Ｂ〜４３０Ｄを通ってバッテリパック４３０Ａに流れ、出力管１６２５を通ってラジエータ１６１５に戻る。ポンプ１６３０を設けて、統合された冷却システムを通して流体を送り出すことができる。

バッテリ管理システム（ＢＭＳ）
図１７Ａ及び図１７Ｂは、本願の実施の形態に係るバッテリ管理システム（ＢＭＳ）４３２の動作の概略図を示す。上述のように、ＢＭＳ４３２は、各バッテリパック４３０に統合されてもよく、電圧及び充電状態（ＳｏＣ）の監視だけでなく、フルＥＶドライブトレインシステム４００の自律性および各セル１２００のライフサイクルを最大化するため、充電動作中のバッテリパック４３０内の各セル１２００の充電の平衡化も担当してもよい。平衡化及び監視アルゴリズムは、マイクロコントローラ４２５又はＢＭＳに統合されたマイクロコントローラを用いて実行されてもよい。さらに、ＢＭＳは、いくつかの点で各バッテリパック４３０の温度も監視してもよい。

ＢＭＳ４３２は、フルＥＶドライブトレインシステム４００との通信のいくつかのモード及び／又はプロトコルをサポートすることができる。図１７Ａは、コントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）通信プロトコルを使用してマスタースレーブ分散システム（Master-Slave Distributed System）で通信するＢＭＳ４３２の実施の形態を示す。図１７Ｂは、通信がすべてのＢＭＳボード間のカスケード通信であるＢＭＳ４３２の実施の形態を示す。

図１７Ａに示すマスタースレーブ分散通信（ＭＳＤＣ）では、それぞれのＢＭＳ４３２は、コントローラエリアネットワーク（ＣＡＮバス）プロトコルを用いてフルＥＶドライブトレインシステム４００と通信する。この構成では、それぞれのＢＭＳ４３２は他のＢＭＳ４３２とは通信しないが、フルＥＶドライブトレインシステム４００と通信する。

逆に、図１７Ｂの実施の形態に示されるように、カスケード通信構成では、異なるＢＭＳボード４３２Ａ〜４３２ｎの間の通信はシリアルモード１７０５で実行され、単一のＢＭＳ４３２はフルＥＶドライブトレインシステム４００と通信する。

いくつかの実施の形態では、ＢＭＳ４３２は、個々のＢＭＳ４３２ユニット間の通信と、複数のＢＭＳ４３２ユニットによるフルＥＶドライブトレインシステム４００との直接連結の両方を可能にするハイブリッドモードも有していてもよい。

さらに、ＢＭＳ４３２Ａ〜４３２ｎは、モジュール温度又はバッテリパック４３０Ａ〜４３０ｎの充電状態（ＳｏＣ）などの関連情報を共有することを可能にするために、フルＥＶドライブトレインシステム４００との双方向通信をサポートしてもよい。

いくつかの実施の形態では、ＢＭＳ４３２Ａ〜４３２ｎは、それぞれのセル１２００を保護するために過電流保護を提供してもよい。ＢＭＳ４３２Ａ〜４３２ｎは、以下の機能も実行してもよい。
各セル１２００の電圧監視；
ユーザ構成に応じた、それぞれのセル１２００のプリセット電圧へのバランス；
バッテリ４３０Ａ〜４３０ｎの充電レベルを示す充電状態；
それぞれのセル１２００に付与された又は貯蔵された電荷［Ａｈ］（クーロンカウンタ（Coulomb counter））；
過電圧（充電中）及び低電圧（放電中）の保護；
エネルギーモジュール１５００の平均温度；及び
高温及び低温に対する保護。

いくつかの実施の形態では、バッテリのつながりを形成するため、バッテリパック４３０Ａ〜４３０ｎのセル１２００は、銅ストリップを用いて互いに並列に連結されてもよい。いくつかの実施の形態では、ワイヤを銅ストリップに溶接し、それぞれのＢＭＳ４３２Ａ〜４３２ｎに結び付けてもよい。放電抵抗は、エネルギーモジュール１５００の側面のうちの１つと接触し、フィルムによって隔離されてもよい。これは、エネルギーモジュール冷却システム１６００を用いることによって放電抵抗の熱放散を可能にする。いくつかの実施の形態では、ＢＭＳ４３２Ａ〜４３２ｎは、ＢＭＳ４３２Ａ〜４３２ｎを保護し環境から隔離するために樹脂で覆われてもよい。

モータ
図１８Ａ及び図１８Ｂは、本願の実施の形態に係るモータ４０５の端面図を示す。図１８Ｃ及び図１８Ｄは、本願の実施の形態に係るモータ４０５の側面図を示す。図１８Ｅ及び図１８Ｆは、本願の実施の形態に係るモータ４０５の斜視図を示す。図１８Ｇは、本願の実施の形態に係るモータ４０５の分解図を示す。図１８Ｈは、本願の実施の形態に係るモータ４０５の断面図を示す。モータ４０５は、ラジアル永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）とすることができる。いくつかの実施の形態では、モータ４０５は、一対のエンドシールド１８０５（例えば、左右のカバー）、モータ本体１８１０、ステータアセンブリ１９００、ローターアセンブリ２４００、ローターアセンブリ２４００を支持する一対のベアリング２１５０、及びベアリング２１５０を支持し、エンドシールド１８０５に取り付けられる一対のベアリングホルダ２１７５を備えていてもよい。また、モータは、３相及びモータ相の星形連結の中心への電気的連結を可能にする４つの電力コネクタ１８１５を含むことができる。また、モータ本体１８１０は、冷媒ポート１８２５を介して冷媒を循環させることができる流体キャビティ１８３０と、流体キャビティ１８３０を覆うカバー１８２０とを備えていてもよい。また、モータ４０５は、温度センサ１８３５と、モータ４０５の角回転（angular rotation）を測定するエンコーダ１８４０とを備えていてもよい。

ステータ
ステータは特に限定されず、当業者に明らかであり得る任意の構成を有していてもよい。いくつかの実施の形態では、ステータアセンブリ１９００はセグメント化されたステータであってもよい。図１９Ａは、本願の実施の形態に係るセグメント化されたステータ１９００の斜視図を示す。図１９Ｂは、本出願の実施の形態に係るステータ歯ユニット１９２０の斜視図を示す。図１９Ｃは、本出願の実施の態様に係るステータ歯本体１９１０を示す。図１９Ｄは、本出願に係るステータ歯本体１９１０を形成するために用いられるステータシート１９０５を示す。セグメント化されたステータアセンブリ１９００は、標準化された製造方法と共に、スロット内における直接の且つより容易な高密度の巻線を可能にし得る。

図１９Ａの斜視図に示すように、セグメント化されたステータアセンブリ１９００は、複数のステータ歯ユニット１９２０によって形成されてもよい。図１９Ｂ及び図１９Ｃに示すように、各ステータ歯ユニット１９２０は、その中央領域１９２５の周りに巻線１９１５のコイルを有するステータ歯本体１９１０によって形成されている。各ステータ歯本体１９１０は、略Ｔ型出荷構造を有する複数のステータシート１９０５を積み重ねることによって形成されてもよい。

モータ本体
モータ本体は、ステータ１９００を覆ってもよく、歯ユニット１９２０を機械的に支持してもよい。図２０Ａは、本願の実施の形態に係るモータ本体１８１０の平面図を示す。図２０Ｂは、本願の実施の形態に係るモータ本体１８１０の側面図を示す。図２０Ｃは、本願の実施の形態に係るモータ本体１８１０の底面図を示す。図２０Ｄは、本願の実施の形態に係るモータ本体１８１０の断面図を示す。図に示すように、モータ本体は、ステータ１９００を受容するように構成された中空の内部１８１４を有する実質的に環状の側壁１８１２を有する。いくつかの実施の形態では、モータ本体１８１０はアルミニウム製であってもよい。

図２０Ｅは、ステータアセンブリ１９００が設置されたモータ本体１８１０の斜視図である。図２０Ｆは、ステータアセンブリ１９００が設置されたモータ本体１８１０の端面図である。図２０Ｇは、ステータアセンブリ１９００が設置されたモータ本体１８１０の側面図である。図２０Ｈは、ステータアセンブリ１９００が設置されたモータ本体１８１０の断面図である。いくつかの実施の形態では、モータ本体１８１０は、モータ本体１８１０の側壁１８１２とモータ本体１８１０を囲むカバー１８２０との間に形成された冷却流体キャビティ１８３０を有していてもよい。冷却流体は、カバー１８２０を貫通して形成された一対の冷媒ポート１８２５を介して流体キャビティに出入りするように送り出されてもよい。

エンドシールド
図２１Ａは、本願の実施の形態に係るエンドシールド１８０５の斜視図である。図２１Ｂは、本願の実施の形態に係るエンドシールド１８０５の正面図である。図２１Ｃは、本願の実施の形態に係るエンドシールド１８０５の背面図である。図２１Ｄは、本願の実施の形態に係るエンドシールド１８０５の断面図である。実施の形態において、エンドシールド１８０５は、アルミニウム製でよく、ローター軸が回転するボールベアリング２１５０を支持するためにモータ本体１８１０の端部及び凹部２１０５を囲んでもよい。

ローター
図２２Ａは、本出願の１つの実施の形態に係るローターシート２２０５の平面図である。図２２Ｂは、本出願の１つの実施の形態に係るローターシート２２０５の斜視図である。図２２Ｃは、本出願の実施の形態に係る複数のローターシート２２０５から形成されたローターコア２２００の斜視図である。いくつかの実施の形態では、ローターシート２２０５は、複数のタブ２２１５を有する鋼板であってもよく、複数のタブ２２１５の間には、磁石受容ギャップ２２１０が形成されている。さらに、ローターシート２２０５は、ローターシート２２０５を貫通して形成された複数の横方向の穴２２２０を有してもよい。また、ローターシート２２０５は、軸が挿入され得る軸方向穴２２２５を有していてもよい。いくつかの実施の形態では、それぞれのローターシート２２０５は、特定の要件に対する磁気効率を最大にし、ドライブトレインへの適切な機械的取り付けを可能にするように選択された特定の形状で形成されてもよい。ローターコア２２００は、当該シートを積み重ねることによって形成されたスチールコアであってもよい。

図２３Ａは、本願の実施の形態に係るローターアセンブリ２４００を形成するためにローターコア２２００に挿入する磁石２３００の上面図を示す。図２３Ｂは、本願の実施の形態に係るローターアセンブリ２４００を形成するためにローターコア２２００に挿入する磁石２３００の斜視図を示す。磁石２３００のサイズ及び形状は、ローターコア２２００への強固な機械的取り付けで最適性能を可能にする特定のサイズ及び形状となるように決定されてもよい。いくつかの実施の形態では、磁石２３００は、ローターシート２２０５の磁石受容ギャップ２２１０と緊密に圧入係合するようにサイズ設定されてもよい。

図２４Ａは、本願の実施の形態に従って磁石２３００がローターコア２２００内に設置されたローターアセンブリ２４００の平面図を示す。図２４Ｂは、本願の実施の形態に従って本願の実施の形態に従って磁石２３００がローターコア２２００内に設置されたローターアセンブリ２４００の斜視図を示す。図２４Ｃは、本願の実施の形態に従って取り付けられた車軸２４１０を有するローターアセンブリ２４００の平面図を示す。図２４Ｄは、車軸２４１０が取り付けられた状態のローターアセンブリ２４００の斜視図を示す。図に示すように、磁石２３００は、ローターコア２２００のギャップ２２１０に挿入されている。

センサ
いくつかの実施の形態では、モータ４０５は、ステータ１９００に対するローター２４００の位置を正確に知り、必要な正確な位相電力信号（the exact phases power signals needed）を提供するために、角度位置センサ（例えば、エンコーダ１８４０）を装備していてもよい。また、必要な場合、モータ保護を確実にし、温度制御を実施するために、温度センサ１８３５が設けられてもよい。

インフォテインメントシステム
いくつかの実施の形態では、電気自動車は、接続機能及びデジタル対話機能を提供するインフォテインメントシステムも備えていてもよい。例えば、電気自動車は、ダッシュボードの構成、自動車の自動車設定の変更、内蔵ＧＰＳの使用、ブルートゥース（登録商標）又はＷｉ−Ｆｉ接続を介した音楽の聴取、記録トラックデータのコンピュータへのダウンロード又はソーシャルメディア上への公開、乗車中のフロントカメラ及びリアカメラのビデオ記録又はトラックモーメントのキャプチャ、並びに、当業者には明らかであり得る他の任意の実施を可能にする７インチタッチスクリーン装置を装備していてもよい。

前述の詳細な説明は、ブロック図、概略図、及び実施例を用いて、デバイス及び／又はプロセスの様々な実施の形態を説明した。そのようなブロック図、概略図、及び実施例が１つ又は複数の機能及び／又は動作を含む限り、そのようなブロック図、フローチャート、又は実施例内の各機能及び／又は動作は、広範囲で個別に及び／又はまとめて、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又は事実上それらの組み合わせによって、実施され得る。１つの実施の形態では、本主題は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を介して実施されてもよい。しかしながら、本明細書に開示される実施形態は、全体として又は部分的に、１つ又は複数のプロセッサによって実行される１つ又は複数のプログラムとして、１つ又は複数のコントローラ（例えばマイクロコントローラ）によって実行される１つ又は複数のプログラムとして、ファームウェアとして、又は事実上それらの任意の組み合わせとして、標準的な集積回路において同等に実施されてもよい。

特定の実施形態を説明してきたが、これらの実施形態は例として提示したにすぎず、保護の範囲を限定することを意図するものではない。実際、本明細書に記載の新規な方法及び装置は、他の様々な形態で具現化することができる。さらに、保護の思想から逸脱することなく、本明細書に記載の方法及びシステムの形態における様々な省略、置換及び変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物は、その保護の範囲及び趣旨の範囲内に入るようなそのような形態又は修正を網羅することを意図している。

Claims (21)

1. 複数のモードで動作するように構成された電気自動車のための電気制御システムであって、
   複数のモータコイルを備える多相電動機と、
   前記電気制御システムにエネルギーを供給するように構成されたエネルギー蓄積装置と、
   前記電動機を前記エネルギー蓄積装置に選択的に連結する複数のトランジスタモジュールと、
   ＡＣ電源に選択的に連結するように構成されたコネクタと、
   前記コネクタを前記多相電動機に選択的に連結するように構成された制御可能なスイッチング装置と、
   検出された充電モードにおいて、前記コネクタを少なくとも１つの前記モータコイルに選択的に連結するように前記スイッチング装置を制御し、前記検出された充電モードにおいて、前記少なくとも１つのモータコイルを前記エネルギー蓄積装置に選択的に連結するように前記複数のトランジスタモジュールのうちの１つ以上を制御するマイクロコントローラと、
   を備える、電気制御システム。
2. 前記検出された充電モードにおいて、前記エネルギー蓄積装置の電圧を測定するように構成された第１のセンサと、前記コネクタを介して受け取った電圧を測定するように構成された第２のセンサとをさらに備え、
   前記マイクロコントローラは、
   前記エネルギー蓄積装置の測定電圧が前記コネクタを介して受け取った測定電圧より高いときに、前記複数のトランジスタモジュールのうちの少なくとも１つ及び前記スイッチング装置を第１の配置となるように制御し、
   前記エネルギー蓄積装置の測定電圧が前記コネクタを介して受け取った測定電圧よりも小さいときに、前記複数のトランジスタモジュールのうちの少なくとも１つ及び前記スイッチング装置を第２の配置となるように制御する、
   請求項１に記載の電気制御システム。
3. 前記制御可能なスイッチング装置は、前記第１の配置において力率補正モードで動作するように構成されたバックスイッチであり、
   前記第１の配置において、前記トランジスタモジュールのうちの少なくとも１つは、フリーランダイオードを動作させる、
   請求項２に記載の電気制御システム。
4. 前記マイクロコントローラは、前記第２の配置において、前記バックスイッチにパルス幅変調（pulse width modulation）を印加し、
   前記第２の配置において、前記複数のトランジスタモジュールのそれぞれはオフモードで動作する、
   請求項３に記載の電気制御システム。
5. 前記制御可能なスイッチング装置は、前記第２の配置において、前記マイクロコントローラによって印加されるパルス幅変調によって駆動されるように構成されたバックスイッチであり、
   前記第２の配置において、前記複数のトランジスタモジュールのそれぞれはオフモードで動作する、
   請求項２に記載の電気制御システム。
6. ＡＣ電源と前記エネルギー蓄積装置とを選択的に連結するように構成された前記コネクタを選択的に連結する一対のリレーをさらに備え、前記マイクロコントローラは、電力供給モードにおいて、前記エネルギー蓄積装置からエネルギーを前記コネクタに供給するようにリレーを制御し、電力を電力網に供給するように構成されている、請求項１の電気制御システム。
7. 前記マイクロコントローラが、前記エネルギー蓄積装置の正端子と負端子との間の中間点に前記コネクタを連結するように前記リレーのうちの少なくとも１つを制御する、請求項６に記載の電気制御システム。
8. 充電動作がＤＣリンクコンデンサ（ＤＣ−ＬＩＮＫ ｃａｐａｃｉｔｏｒ）なしで行われる、請求項１に記載の電気制御システム。
9. 少なくとも１つの車輪を含むドライブトレインと、
   前記少なくとも１つの車輪にトルクを与えるため前記ドライブトレインに連結された複数のモータコイルを備える多相電動機と、
   複数のモードで動作するように構成された電気制御システムと、
   を備え、
   前記電気制御システムは、
   前記電気制御システムにエネルギーを供給するように構成されたエネルギー蓄積装置と、
   前記電動機をエネルギー蓄積装置に選択的に連結する複数のトランジスタモジュールと、
   ＡＣ電源に選択的に連結するように構成されたコネクタと、
   前記コネクタを前記多相電動機に選択的に連結するように構成された制御可能なスイッチング装置と、
   検出された充電モードにおいて、前記コネクタを少なくとも１つの前記モータコイルに選択的に連結するように前記スイッチング装置を制御し、前記検出された充電モードにおいて、前記少なくとも１つのモータコイルを前記エネルギー蓄積装置に選択的に連結するように前記複数のトランジスタモジュールのうちの１つ以上を制御するマイクロコントローラと、
   を備える、電気自動車。
10. 前記検出された充電モードにおいて、前記エネルギー蓄積装置の電圧を測定するように構成された第１のセンサと、前記コネクタを介して受け取った電圧を測定するように構成された第２のセンサとをさらに備え、
    前記マイクロコントローラは、
    前記エネルギー蓄積装置の測定電圧が前記コネクタを介して受け取った測定電圧より高いときに、前記複数のトランジスタモジュールのうちの少なくとも１つ及び前記スイッチング装置を第１の配置となるように制御し、
    前記エネルギー蓄積装置の測定電圧が前記コネクタを介して受け取った測定電圧よりも小さいときに、前記複数のトランジスタモジュールのうちの少なくとも１つ及び前記スイッチング装置を第２の配置となるように制御する、
    請求項９に記載の電気自動車。
11. 前記制御可能なスイッチング装置は、前記第１の配置において力率補正モードで動作するように構成されたバックスイッチであり、
    前記第１の配置において、前記トランジスタモジュールのうちの少なくとも１つは、フリーランダイオードを動作させる、
    請求項１０に記載の電気自動車。
12. 前記マイクロコントローラは、前記第２の配置において、前記バックスイッチにパルス幅変調を印加し、
    前記第２の配置において、前記複数のトランジスタモジュールのそれぞれはオフモードで動作する、
    請求項１１に記載の電気自動車。
13. 前記制御可能なスイッチング装置は、前記第２の配置において、前記マイクロコントローラによって印加されるパルス幅変調によって駆動されるように構成されたバックスイッチであり、
    前記第２の配置において、前記複数のトランジスタモジュールのそれぞれはオフモードで動作する、
    請求項１０に記載の電気自動車。
14. ＡＣ電源と前記エネルギー蓄積装置とを選択的に連結するように構成された前記コネクタを選択的に連結する一対のリレーをさらに備え、前記マイクロコントローラは、電力供給モードにおいて、前記エネルギー蓄積装置からエネルギーを前記コネクタに供給するようにリレーを制御し、電力を電力網に供給するように構成されている、請求項９に記載の電気自動車。
15. 前記マイクロコントローラが、前記エネルギー蓄積装置の正端子と負端子との間の中間点に前記コネクタを連結するように前記リレーのうちの少なくとも１つを制御する、請求項１４に記載の電気自動車。
16. 内部容積を画定するハウジングと、
    前記ハウジングの内部容積内に配置された複数のパワーセルであって、それぞれの前記パワーセルは一方の端部に第１の端子を、他方の端部に第２の端子を有し、複数の前記パワーセルのそれぞれは、隣接する前記パワーセルの間に設けられた介在スペースに実質的に平行な構成で延びている、複数の前記パワーセルと、
    複数の前記パワーセルのそれぞれの少なくとも１つの前記端部を封止し、複数の前記パワーセルを剛性のある構成で保持する樹脂シートと、
    複数の前記パワーセルのうちの少なくとも１つの外部と接触する前記介在スペースを通って循環する、前記ハウジング内の熱吸収流体と、
    を備える、電気自動車用のエネルギー蓄積装置。
17. 複数の前記パワーセルのそれぞれは、略円筒形状を有し、前記第１の端子は前記円筒形状の一方の端部に位置し、前記第２の端子は前記円筒形状の他方の端部に位置し、
    複数の前記パワーセルは、複数の行と列を有するマトリックス状に配置されている、
    請求項１６に記載のエネルギー蓄積装置。
18. 第１の前記行の複数の前記パワーセルのうちの少なくとも１つの前記パワーセルは、前記第１の行に隣接する第２の前記行の複数の前記パワーセルのうちの少なくとも１つの前記パワーセルの前記第１の端子の方向と反対の方向に延びる前記第１の端子を有する向きに向いている、請求項１７に記載のエネルギー蓄積装置。
19. 前記樹脂シートは、
    複数の前記パワーセルのそれぞれの前記第１の端子を封止する第１の樹脂シートと、
    複数の前記パワーセルのそれぞれの反対側の前記第２の端子を封止する第２の樹脂シートと、
    を備え、
    前記第１の樹脂シートと前記第２の樹脂シートとの間の長手方向領域に流体循環空間が画定されている、
    請求項１６に記載のエネルギー蓄積装置。
20. 前記第１の樹脂シート及び前記第２の樹脂シートのうちの少なくとも一方が、複数の前記パワーセルのうちの少なくとも１つの前記パワーセルの端子を、複数の前記パワーセルの少なくとも１つの他の前記パワーセルの端子に連結する電気接点を備える、請求項１９に記載のエネルギー蓄積装置。
21. 少なくとも１つの前記パワーセルの少なくとも１つの状態を監視するマイクロコントローラを有する統合されたバッテリ管理システムをさらに備える、請求項１６に記載のエネルギー蓄積装置。