JP2023063355A - 電気車両を充電するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】好適な電気車両を充電するためのシステムおよび方法を提供すること。【解決手段】本教示は、電気装置内に展開される再充電可能バッテリを充電する方法およびシステムに関する。システムは、電気装置内に常駐する。システムは、モータと、インバータと、出力整流器と、コンフィグレータと、コントローラとを備えている。モータは、複数のステータ歯と複数のステータ歯上に巻かれた複数のステータ巻線とを有するステータを備えている。インバータは、複数の電力スイッチデバイスを備えている。コンフィグレータは、複数のステータ巻線および複数の電力スイッチデバイスと結合された複数の接触器を備えている。コントローラは、トラクションモードおよび充電モードのうちの１つで動作するようにシステムを構成するように複数の電力スイッチデバイスおよび複数の接触器を制御する。【選択図】図２Ａ

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる２０２０年３月６日に出願された米国特許仮出願第６２／９８６，２３２号の優先権を主張する。
（技術分野）

本教示は、概して、電気装置に関する。より具体的に、本教示は、電気装置内に展開されるバッテリを充電する方法およびシステムに関する。

電気車両は、道路上の車両の成長を続ける市場占有率を考慮して、ますます普及しつつある。しかしながら、電気車両の普遍的使用は、依然として、いくつかの課題に直面する。特に、電気車両は、その唯一の電源としてのバッテリに依拠し、バッテリは、再充電される必要がある。電気車両のためのバッテリを充電することは、従来、特別な外部機器を要求し、それは、電気車両用給電機器（ＥＶＳＥ、時として、伝導性充電システムまたは電気車両充電ステーションと呼ばれる）として知られる。

２つの主要タイプのＥＶＳＥが、存在する。１つのタイプは、交流（ＡＣ）電気を車両に提供し、車両の車載充電器が、バッテリを充電するために必要とされる直流（ＤＣ）電力にＡＣ電力を変換する。ＡＣベースのＥＶＳＥは、概して、家庭用ＡＣ電力を入力として使用して、電気車両とＡＣコンセントとの間の中間体として動作する。実際の充電器は、車両の内側に提供され、通常、限定された電力容量を有する。したがって、電気車両は、概して、１０ｋＷ（例えば、６または７ｋＷ）以下の容量における車載充電器のみを装備する。ユーザが、より高い電力レベルを利用することを所望する場合、ユーザは、他のタイプのＥＶＳＥ、すなわち、直流出力ＥＶＳＥまたはＤＣベースのＥＶＳＥを通して、車両を充電する必要があるであろう。

ＤＣベースのＥＶＳＥは、「高速充電器」としても知られる。ＤＣ ＥＶＳＥは、交流電力を直流電力に変換することができ、したがって、電気車両上の車載充電器をバイパスし、ＤＣ電力を直接バッテリに充電することができる。したがって、充電動作は、車載充電器の容量限界によって制約されず、バッテリは、著しく高速で充電されることができる。ＤＣ ＥＶＳＥは、ＡＣ ＥＶＳＥと比較して技術的にはるかに複雑かつ高価であり、高給電電気供給点を要求するという事実に起因して、したがって、ＡＣ ＥＶＳＥよりはるかに少ない用途において見出される。充電速度に関連するそのような問題は、車両のための限定された利用可能な充電ステーションと組み合わせて、これまで、電気車両のより広範な採用の障壁となっている。

したがって、そのような欠点に対処する電気車両のバッテリを充電するためのより効果的手段および方法を開発する必要性が存在する。

本明細書に開示される本教示は、電気装置内に展開されるバッテリを充電する方法およびシステムに関する。より具体的に、本教示は、トラクションおよび充電動作モードのうちの１つ下で、再構成可能に動作させる方法およびシステムに関する。

ある例では、再充電可能バッテリを有する電気装置内に常駐する再構成可能トラクション－充電システムが、開示される。システムは、モータと、インバータと、出力整流器と、コンフィグレータと、コントローラとを備えている。モータは、ステータを備え、それは、複数のステータ歯と複数のステータ歯上に巻かれた複数のステータ巻線とを有する。インバータは、複数の電力スイッチデバイスを備えている。コンフィグレータは、複数のステータ巻線および複数の電力スイッチデバイスと結合された複数の接触器を備えている。コントローラは、トラクションモードおよび充電モードのうちの１つで動作するようにシステムを構成するように、複数の電力スイッチデバイスおよび複数の接触器を制御する。

別の例では、再充電可能バッテリを有する電気装置内に常駐する再構成可能トラクション－充電システムを実装する方法が、開示される。システムは、コンフィグレータを介して、コントローラの制御下、トラクションモードで動作するように構成される。再充電可能バッテリを充電するための要求を受信すると、システムは、コンフィグレータを介して、充電モードで動作するように構成される。再充電可能バッテリに関連付けられた基準が満たされたことが決定されると、システムは、コンフィグレータを介して、トラクションモードで動作するように構成される。コンフィグレータおよびコントローラに加え、システムは、モータと、インバータと、出力整流器とを備えている。モータは、複数のステータ歯と複数のステータ歯上に巻かれた複数のステータ巻線とを有するステータを備えている。インバータは、複数の電力スイッチデバイスを備えている。コンフィグレータは、複数のステータ巻線および複数の電力スイッチデバイスと結合された複数の接触器を備えている。

追加の新規特徴は、部分的に、続く説明に記載され、部分的に、以下および付随の図面の精査に応じて、当業者に明白となるであろう、または例の生成または動作によって習得され得る。本教示の新規特徴は、下記に議論される詳述される例に記載される方法論、手段、および組み合わせの種々の側面の実践または使用によって実現および達成され得る。
本明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
再充電可能バッテリを有する電気装置内に常駐する再構成可能トラクション－充電システムであって、前記再構成可能トラクション－充電システムは、
ステータを備えているモータであって、前記ステータは、複数のステータ歯と前記複数のステータ歯上に巻かれた複数のステータ巻線とを有する、モータと、
複数の電力スイッチデバイスを備えているインバータと、
出力整流器と、
前記複数のステータ巻線および前記複数の電力スイッチデバイスと結合された複数の接触器を備えているコンフィグレータと、
前記複数の電力スイッチデバイスおよび前記複数の接触器を制御するためのコントローラと
を備え
前記コントローラは、トラクションモードおよび充電モードのうちの１つで動作するように前記システムを構成する、再構成可能トラクション－充電システム。
（項目２）
前記トラクションモード下で、前記再充電可能バッテリは、前記インバータを介して、電気エネルギーを前記モータに供給し、
前記充電モード下で、前記複数の電力スイッチデバイスおよび前記ステータ巻線に関連付けられた接続は、前記コンフィグレータによって、電気エネルギーを外部電源から引き出し、前記再充電可能バッテリを充電する充電器を形成するように構成されている、項目１に記載の再構成可能トラクション－充電システム。
（項目３）
前記モータの少なくとも１つのステータ歯上のステータ巻線は、２つ以上のコイルに分割され、
前記充電モード下で、前記２つ以上のコイルおよび前記対応する少なくとも１つのステータ歯は、前記充電器における変圧器を形成し、
前記トラクションモード下で、前記２つ以上のコイルは、並列または直列に接続され、相巻線を形成する、項目２に記載の再構成可能トラクション－充電システム。
（項目４）
前記外部電源は、多重相電源であり、
前記システムは、入力ブリッジ整流器をさらに備え、
前記入力ブリッジ整流器、前記充電器、および前記出力整流器は、２つのステージを有する充電電力経路を形成し、前記２つのステージは、ブーストコンバータを伴うブリッジ整流器フロントエンドである第１のステージと、絶縁されたＤＣ／ＤＣリアエンドである第２のステージとを含む、項目２に記載の再構成可能トラクション－充電システム。
（項目５）
前記モータの１つ以上のステータ歯上の少なくとも１つのステータ巻線は、前記ブーストコンバータの少なくとも１つのブーストインダクタを構成している、項目４に記載の再構成可能トラクション－充電システム。
（項目６）
前記外部電源は、単一または分割された単相電源であり、
前記システムは、入力ブリッジ整流器をさらに備え、
前記入力ブリッジ整流器、前記充電器、および前記出力整流器は、２つのステージを有する充電経路を形成し、前記２つのステージは、ブーストコンバータを伴うブリッジＰＦＣ整流器フロントエンドである第１のステージと、絶縁されたＤＣ／ＤＣリアエンドである第２のステージとを含む、項目２に記載の再構成可能トラクション－充電システム。
（項目７）
前記モータの１つ以上のステータ歯上の少なくとも１つのステータ巻線は、前記ブーストコンバータの少なくとも１つのブーストインダクタを構成している、項目６に記載の再構成可能トラクション－充電システム。
（項目８）
前記外部電源は、多重相電源であり、
前記充電器および前記出力整流器は、２つのステージを有する充電経路を形成し、前記２つのステージは、多重相ブーストＰＦＣフロントエンドである第１のステージと、絶縁されたＤＣ／ＤＣリアエンドである第２のステージとを含む、項目２に記載の再構成可能トラクション－充電システム。
（項目９）
前記外部電源は、単相または単分相電源であり、
前記充電器および前記出力整流器は、２つのステージを有する充電経路を形成し、前記２つのステージは、単相ブーストＰＦＣフロントエンドである第１のステージと、絶縁されたＤＣ／ＤＣリアエンドである第２のステージとを含む、項目２に記載の再構成可能トラクション－充電システム。
（項目１０）
前記外部電源は、単相または単分相電源であり、
前記システムは、２つのダイオードをさらに備え、前記２つのダイオード、前記充電器、および前記出力整流器は、２つのステージを有する充電経路を形成し、前記２つのステージは、単相トーテムポールブーストＰＦＣフロントエンドステージである第１のステージと、絶縁されたＤＣ／ＤＣリアエンドステージである第２のステージとを含む、項目２に記載の再構成可能トラクション－充電システム。
（項目１１）
再充電可能バッテリを有する電気装置内に常駐する再構成可能トラクション－充電システムを実装する方法であって、前記方法は、
コンフィグレータを介して、コントローラの制御下で、トラクションモードで動作するように前記システムを構成することと、
前記再充電可能バッテリを充電するための要求を受信すると、前記コンフィグレータを介して、充電モードで動作するように前記システムを構成することと、
前記再充電可能バッテリに関連付けられた基準が満たされたことを決定すると、前記コンフィグレータを介して、前記トラクションモードで動作するように前記システムを構成することと
を含み、
前記システムは、前記コントローラと、前記コンフィグレータと、モータと、インバータと、出力整流器とを備え、前記モータは、ステータを備え、前記ステータは、複数のステータ歯と前記複数のステータ歯上に巻かれた複数のステータ巻線とを有し、前記インバータは、複数の電力スイッチデバイスを備え、前記コンフィグレータは、前記複数のステータ巻線および前記複数の電力スイッチデバイスと結合された複数の接触器を備えている、方法。
（項目１２）
前記トラクションモード下で、前記再充電可能バッテリは、前記インバータを介して、電気エネルギーを前記モータに供給し、
前記充電モード下で、前記複数の電力スイッチデバイスおよび前記ステータ巻線に関連付けられた接続は、前記コンフィグレータによって、電気エネルギーを外部電源から引き出し、前記再充電可能バッテリを充電する充電器を形成するように構成されている、項目１１に記載の再構成可能トラクション－充電システムを実装する方法。
（項目１３）
前記モータの少なくとも１つのステータ歯上のステータ巻線は、２つ以上のコイルに分割され、
前記充電モード下で、前記２つ以上のコイルおよび前記対応する少なくとも１つのステータ歯は、前記充電器における変圧器を形成し、
前記トラクションモード下で、前記２つ以上のコイルは、並列または直列に接続され、相巻線を形成する、項目１２に記載の再構成可能トラクション－充電システムを実装する方法。
（項目１４）
前記外部電源は、多重相電源であり、
前記システムは、入力ブリッジ整流器をさらに備え、
前記入力ブリッジ整流器、前記充電器、および前記出力整流器は、２つのステージを有する充電電力経路を形成し、前記２つのステージは、ブーストコンバータを伴うブリッジ整流器フロントエンドである第１のステージと、絶縁されたＤＣ／ＤＣリアエンドである第２のステージとを含む、項目１２に記載の再構成可能トラクション－充電システムを実装する方法。
（項目１５）
前記モータの１つ以上のステータ歯上の少なくとも１つのステータ巻線は、前記ブーストコンバータの少なくとも１つのブーストインダクタを構成している、項目１４に記載の再構成可能トラクション－充電システムを実装する方法。
（項目１６）
前記外部電源は、単一または分割された単相電源であり、
前記システムは、入力ブリッジ整流器をさらに備え、
前記入力ブリッジ整流器、前記充電器、および前記出力整流器は、２つのステージを有する充電経路を形成し、前記２つのステージは、ブーストコンバータを伴うブリッジＰＦＣ整流器フロントエンドである第１のステージと、絶縁されたＤＣ／ＤＣリアエンドである第２のステージとを含む、項目１２に記載の再構成可能トラクション－充電システムを実装する方法。
（項目１７）
前記モータの１つ以上のステータ歯上の少なくとも１つのステータ巻線は、前記ブーストコンバータの少なくとも１つのブーストインダクタを構成している、項目１６に記載の再構成可能トラクション－充電システムを実装する方法。
（項目１８）
前記外部電源は、多重相電源であり、
前記充電器および前記出力整流器は、２つのステージを有する充電経路を形成し、前記２つのステージは、多重相ブーストＰＦＣフロントエンドである第１のステージと、絶縁されたＤＣ／ＤＣリアエンドである第２のステージとを含む、項目１２に記載の再構成可能トラクション－充電システムを実装する方法。
（項目１９）
前記外部電源は、単相または単分相電源であり、
前記充電器および前記出力整流器は、２つのステージを有する充電経路を形成し、前記２つのステージは、単相ブーストＰＦＣフロントエンドである第１のステージと、絶縁されたＤＣ／ＤＣリアエンドである第２のステージとを含む、項目１２に記載の再構成可能トラクション－充電システムを実装する方法。
（項目２０）
前記外部電源は、単相または単分相電源であり、
前記システムは、２つのダイオードをさらに備え、前記２つのダイオード、前記充電器、および前記出力整流器は、２つのステージを有する充電経路を形成し、前記２つのステージは、単相トーテムポールブーストＰＦＣフロントエンドステージである第１のステージと、絶縁されたＤＣ／ＤＣリアエンドステージである第２のステージとを含む、項目１２に記載の再構成可能トラクション－充電システムを実装する方法。

本明細書に開示されるシステムおよび方法は、例示的実施形態の観点からさらに説明される。これらの例示的実施形態は、図面を参照して詳細に説明される。実施形態は、非限定的例示的実施形態であり、同様の参照番号は、図面のいくつかの図全体を通して、類似構造を表す。

図１は、本教示の例示的実施形態による、概念的充電電力経路に関する例示的簡略化された回路図を示す。

図２Ａは、本教示の例示的実施形態による、車載充電－トラクションシステムに関する例示的概略図を示す。

図２Ｂは、本教示の例示的実施形態による、車載充電－トラクションシステムに関する例示的概略図を示す。

図３は、本教示の例示的実施形態による、モータステータの歯上に巻かれた巻線の例示的構造を示す。

図４Ａは、本教示の例示的実施形態による、車載充電－トラクションシステムに関する例示的概略図を示す。

図４Ｂは、本教示の例示的実施形態による、車載充電－トラクションシステムの充電電力経路に関する例示的簡略化された回路図を示す。

図４Ｃは、本教示の例示的実施形態による、車載充電－トラクションシステムのトラクション電力経路に関する例示的簡略化された回路図を示す。

図４Ｄは、本教示の例示的実施形態による、車載充電－トラクションシステムに関する例示的概略図を示す。

図４Ｅは、本教示の例示的実施形態による、車載充電－トラクションシステムの充電電力経路に関する例示的簡略化された回路図を示す。

図４Ｆは、本教示の例示的実施形態による、車載充電－トラクションシステムのトラクション電力経路に関する例示的簡略化された回路図を示す。

図５Ａは、本教示の例示的実施形態による、車載充電－トラクションシステムに関する例示的概略図を示す。

図５Ｂは、本教示の例示的実施形態による、車載充電－トラクションシステムに関する例示的概略図を示す。

図６Ａは、本教示の例示的実施形態による、車載充電－トラクションシステムに関する例示的簡略化された回路図を示す。

図６Ｂは、本教示の例示的実施形態による、車載充電－トラクションシステムに関する例示的簡略化された回路図を示す。

図６Ｃは、本教示の例示的実施形態による、車載充電－トラクションシステムに関する例示的簡略化された回路図を示す。

図７Ａは、本教示の例示的実施形態による、車載充電－トラクションシステムに関する例示的概略図を示す。

図７Ｂは、本教示の例示的実施形態による、車載充電－トラクションシステムに関する例示的概略図を示す。

図８Ａは、本教示の例示的実施形態による、車載充電－トラクションシステムに関する例示的簡略化された回路図を示す。

図８Ｂは、本教示の例示的実施形態による、車載充電－トラクションシステムに関する例示的簡略化された回路図を示す。

図８Ｃは、本教示の例示的実施形態による、車載充電－トラクションシステムに関する例示的簡略化された回路図を示す。

図９Ａは、本教示の例示的実施形態による、車載充電－トラクションシステムに関する例示的概略図を示す。

図９Ｂは、本教示の例示的実施形態による、車載充電－トラクションシステムに関する例示的概略図を示す。

図１０Ａは、本教示の例示的実施形態による、車載充電－トラクションシステムに関する例示的簡略化された回路図を示す。

図１０Ｂは、本教示の例示的実施形態による、車載充電－トラクションシステムに関する例示的簡略化された回路図を示す。

図１０Ｃは、本教示の例示的実施形態による、車載充電－トラクションシステムに関する例示的簡略化された回路図を示す。

図１１Ａは、本教示の例示的実施形態による、車載充電－トラクションシステムに関する例示的概略図を示す。

図１１Ｂは、本教示の例示的実施形態による、車載充電－トラクションシステムに関する例示的概略図を示す。

図１２Ａは、本教示の例示的実施形態による、車載充電－トラクションシステムに関する例示的簡略化された回路図を示す。

図１２Ｂは、本教示の例示的実施形態による、車載充電－トラクションシステムに関する例示的簡略化された回路図を示す。

図１２Ｃは、本教示の例示的実施形態による、車載充電－トラクションシステムに関する例示的簡略化された回路図を示す。

図１３は、本教示の例示的実施形態による、車載充電－トラクションシステムの動作に関連する例示的フローチャートを示す。

図１４は、本教示の例示的実施形態による、コンデンサＣ１の予充電に関連する例示的概略図を示す。

図１５Ａは、本教示の例示的実施形態による、車載充電－トラクションシステムのハードウェア構成要素に関連する例示的概略図を示す。

図１５Ｂは、本教示の例示的実施形態による、車載充電－トラクションシステムのハードウェア構成要素に関連する例示的概略図を示す。

図１６は、本教示の例示的実施形態による、充電／トラクションコントローラと電力スイッチデバイスとの間の接続に関連する例示的概略図を示す。

図１７は、本教示の例示的実施形態による、車載充電－トラクションシステムの充電モード下で実施される例示的制御スキームを示す。

図１８Ａ－１８Ｇは、本教示の例示的実施形態による、車載充電－トラクションシステムの２つ以上のモータおよび／または２つ以上のバッテリの種々接続に関連する例示的概略図を示す。 図１８Ａ－１８Ｇは、本教示の例示的実施形態による、車載充電－トラクションシステムの２つ以上のモータおよび／または２つ以上のバッテリの種々接続に関連する例示的概略図を示す。 図１８Ａ－１８Ｇは、本教示の例示的実施形態による、車載充電－トラクションシステムの２つ以上のモータおよび／または２つ以上のバッテリの種々接続に関連する例示的概略図を示す。 図１８Ａ－１８Ｇは、本教示の例示的実施形態による、車載充電－トラクションシステムの２つ以上のモータおよび／または２つ以上のバッテリの種々接続に関連する例示的概略図を示す。 図１８Ａ－１８Ｇは、本教示の例示的実施形態による、車載充電－トラクションシステムの２つ以上のモータおよび／または２つ以上のバッテリの種々接続に関連する例示的概略図を示す。

図１９は、本教示の例示的実施形態による、２つ以上の充電器－インバータおよびバッテリの接続に関連する例示的概略図を示す。

図２０Ａは、本教示の例示的実施形態による、車載充電－トラクションシステムに関する例示的簡略化された回路図を示す。

図２０Ｂは、本教示の例示的実施形態による、車載充電－トラクションシステムに関する例示的簡略化された回路図を示す。

以下の発明を実施するための形態では、多数の具体的詳細が、関連教示の完全な理解を提供するために、例として記載される。しかしながら、本教示は、そのような詳細を伴わずに実践され得ることが、当業者に明白であるはずである。他の事例では、周知の方法、手順、構成要素、回路網、トポロジ構造、および／または制御方略は、本教示の側面を不必要に曖昧にすることを回避するために、多くの詳細を伴わずに、比較的に大まかに説明される。

本教示は、再充電可能バッテリの充電における技術の現状を改良することを目標とする。特に、本教示は、組み合わせられた再構成可能車載トラクションおよび充電解決策を開示し、それは、電気装置（例えば、電気車両、特殊目的電気車両等を含む）内で用途を見出し得る。

本教示において明らかにされる車載トラクション－充電システムは、再構成可能モータ相巻線とインバータとの組み合わせを含む。トラクションモードで動作するとき、システムは、トラクション機構として稼働し、それは、機械的動力を負荷に送達することが可能であり、充電モード下で、それは、車載充電器として稼働し、それは、車両内に含まれるバッテリまたは複数のバッテリを高出力で充電することが可能である。一方で、高出力切り替え式電源を用いて、再充電を急速に実施することが可能であり、他方で、ＡＣ電力を車載トラクション－充電システムに供給するＥＶＳＥ（または充電ステーション）を確立するコストは、著しく低減させられることができる。

本教示による、車載トラクション－充電システムは、電気車両内の以下の２つの既存の構成要素を完全に利用する：ステータ巻線を伴う電気モータ、電力スイッチデバイスを伴う多重相インバータ。本明細書ではコンフィグレータと呼ばれる切り替え機構は、モータ巻線の接続と、インバータ内に含まれる電力スイッチデバイスの接続とを変化させ、２つの動作モード間での切り替えを可能にする。車載トラクション－充電システムがトラクションモード下で稼働しているとき、電力スイッチデバイスは、インバータを構成し、インバータは、バッテリから出力されたＤＣ電力を対応するＡＣ電圧に変換し、モータを駆動し、トルク（正または負）を提供し、車両を駆動する。このトルクは、バッテリからのエネルギーを伝達すること、または、動的制動モードにおいてエネルギーを回収することのいずれかを行うことができる。車載トラクション－充電システムが、充電モード下で稼働しているとき、コンフィグレータは、インバータの接続とモータ巻線の接続とを再構成し、完全に絶縁された車載充電器を達成するために、１つ以上のフロントエンド（整流機能、ブースト機能、および／または力率補正（ＰＦＣ）機能を伴って、または伴わず）と、１つ以上の完全に絶縁されたＤＣ／ＤＣコンバータリアエンドとを形成する。

図１は、簡略化された形態において、本教示の例による、概念的充電電力経路を示す。理解を促進するために、充電モードおよびトラクションモードに関連付けられた共有構成要素に関する詳細は、図１の簡略化された回路図には示されない。

図１に示されるように、充電電力経路は、入力ブリッジ整流器または受動整流器フロントエンドＤ１を備え、それは、単相ＡＣ電力入力または多重相ＡＣ電力入力に電気的に結合されている。ブーストコンバータは、入力ブリッジ整流器または受動整流器フロントエンドＤ１から出力されたＤＣ電圧を調整されたＤＣリンク電圧にブーストする役割を果たす。ブーストコンバータは、ブーストインダクタＬ１と、電力スイッチデバイスＱ１と、電力スイッチデバイスＱ２とを備えている。ブーストコンバータから出力された調整されたＤＣリンク電圧ＤＣ＿ＬＩＮＫは、２つの半ブリッジ（Ｑ３およびＱ４；Ｑ５およびＱ６）を備えているブリッジコンバータに印加される。ブリッジコンバータの出力は、変圧器Ｔ１、次に、出力ブリッジ整流器Ｄ２を駆動し、バッテリを充電するための絶縁されたＤＣ電力を生成する。インダクタＬ２およびコンデンサＣ２は、出力ブリッジ整流器Ｄ２から出力されたＤＣ電力をフィルタ処理および平滑化するために使用される。

上で議論されるように、図１には図示されないが、充電電力経路は、複数の構成要素をトラクション電力経路と共有することができる。構成要素を共有する概念は、添付の図面を参照して下で詳細に説明されるであろう。充電モードとトラクションモードとの間の構成要素共有の程度は、設計の詳細に応じて、変動し得る。付随の図面は、本教示で明らかにされる本発明の着想および概念を実装するための種々の方法を図示する。
（第１の実施形態）

図２Ａは、第１の実施形態による、車載充電－トラクションシステムに関する概略図を示す。図２Ａでは、充電モード下で変圧器を構築するために使用されるあるコイルは、システムがトラクションモード下で稼働しているとき、並列に接続される。図２Ｂは、第１の実施形態による、車載充電－トラクションシステムに関する別の概略図を示す。図２Ｂでは、充電モード下で変圧器を構築するために使用されるあるコイルは、システムがトラクションモード下で稼働しているとき、直列に接続される。

コイルの接続における差異（トラクションモード下における並列または直列）を除き、図２Ａおよび２Ｂに示される車載充電－トラクションシステムの両方は、多相モータと、再充電可能バッテリと、インバータと、入力整流器と、出力整流器と、コンフィグレータと、接触器の組とを備えている。多相モータは、ステータ巻線の３つ以上の相を備え得る。ある用途では、代替として、モータは、２組の半ブリッジによって駆動される２相モータであり得る。インバータは、複数の電力スイッチデバイスＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ５、およびＳＷ６を備え、多相モータを駆動する役割を果たす。電力スイッチデバイスは、異なる電流容量を有し得る。例えば、出力電力レベルおよび／または入力電圧条件に応じて、充電モードでブーストコンバータを形成するために使用される電力スイッチデバイスＳＷ３およびＳＷ４は、ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ５、およびＳＷ６のそれより高い電流容量を有し得る。単相または多重相電源から給送される、入力電力に応じて、入力整流器は、単相または多重相ブリッジ整流器であり得る。ＤＣ電源が、充電電力を供給するために使用されるとき、入力整流器は、省略され得る。コンフィグレータは、複数の接触器Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４、Ｋ５、Ｋ６、Ｋ７、Ｋ８、Ｋ９、およびＫ１０を備えている。適切な制御下で、コンフィグレータは、異なる動作モード間でシステムを切り替えるように、種々の構成要素の接続、特に、巻線および／または電力スイッチデバイスＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ５、およびＳＷ６間の接続を再構成する役割を果たす。接触器Ｋ１およびＫ２の組は、再充電可能バッテリの正および負の端子を接続および接続解除するために使用され得る。より具体的に、接触器Ｋ１およびＫ２は、充電モード下で開放され、トラクションモード下で閉鎖される。接触器Ｋ３およびＫ４の組は、入力ＡＣ電力から整流されたＤＣ電力を接続および接続解除するために使用され得る。接触器Ｋ３およびＫ４は、充電モード下で閉鎖され、トラクションモード下で開放される。

加えて、図２Ａおよび２Ｂに示されるシステムは、入力フィルタおよび／または出力フィルタをさらに備え得、それらは、雑音および電圧または電流リップルを低減させるために使用され得る。これらの入力および出力フィルタは、限定ではないが、インダクタおよび／またはコンデンサを含み得る。コンデンサＣ１は、インバータの入力側に連結され得る。コンデンサＣ１は、単一のものとして示されるが、複数のコンデンサまたは一緒にパッケージ化された複数のコンデンサを伴うモジュールであることもできる。出力フィルタの例として、インダクタＬ１およびコンデンサＣ２が、図２Ａおよび２Ｂに示される。出力コンデンサＣ２は、単一のものとして示されるが、複数のコンデンサまたは一緒にパッケージ化された複数のコンデンサを伴うモジュールであることもできる。出力コンデンサＣ２は、単一のものとして示されるが、複数のコンデンサまたは一緒にパッケージ化された複数のコンデンサを伴うモジュールであることもできる。代替として、バッテリが出力ブリッジ整流器の出力側におけるリップル電流に耐えることが可能である場合、コンデンサＣ２は、省略されることができる。

図２Ａおよび２Ｂには図示されないが、限定ではないが、予充電回路、放電回路、突入電流保護回路等を含む他の回路保護構成要素も、システム内に含まれ得る。

上で議論されるように、図２Ａおよび２Ｂに図示される両車載充電－トラクションシステムは、２つの稼働モード、すなわち、充電モードおよびトラクションモードのいずれかのうちの１つ下で動作するように構成され得る。構成に関連する詳細は、図４Ａ－Ｆを参照して下で説明されるであろう。

ここで、本教示の例による、モータステータ歯上に巻かれた巻線の例示的構造を示す図３を参照する。例えば、モータは、１８本の歯の６極対の３相永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）であり得、モータステータの少なくとも１つの歯上の巻線は、２つ以上のコイルに分割される。図３に例示的に図示されるように、２組の巻線が、相Ａおよび相Ｃ歯のそれぞれ上に常駐する一方、１組の巻線が、相Ｂ歯上に常駐する。分割された巻線は、異なる接続の中に再構成されるように、別個の端子を有する。したがって、図１に図示される概念的充電経路および図２Ａおよび２Ｂに関連付けられて図示される充電システム内の磁気構成要素は、モータのステータ歯上に巻かれた巻線を用いて実装されることができる。例えば、図３に示されるように、相Ａ歯上の巻線は、コイルＡおよびコイルＤに分割され、相Ｃ歯上の巻線は、コイルＣおよびコイルＥに分割される。コイルＡ、Ｃ、Ｄ、およびＥは、車載充電－トラクションシステムが、充電モード下で動作しているとき、変圧器を形成する。別個の巻線である、コイルＢは、充電モードでは、接触器Ｋ５が開放された状態で、ブーストインダクタのために使用され、トラクションモードでは、接触器Ｋ５が閉鎖された状態で、相巻線として使用されることができる。代替として、ブースト機能は、コイルＢの代わりに、回路接続における修正を伴って（例えば、接触器Ｋ５は、この状況では、もはや必要ない）、別個のインダクタによって実装されることができる。

図４Ａは、図２Ａに図示されるような車載充電－トラクションシステムに関連する概略図を示し、接触器の開放／閉鎖ステータスは、システムが充電モード下で動作するように制御される。図４Ａでは、接触器Ｋ３、Ｋ４、Ｋ９、およびＫ１０は、閉鎖され、Ｋ１、Ｋ２、Ｋ５、Ｋ６、Ｋ７、およびＫ８は、開放されている。故に、充電電力経路が、図４Ｂに示されるように、構築される。本教示の側面を不必要に曖昧にすることを回避するために、接触器は、図４Ｂの簡略化された回路図には示されない。

図２Ａに図示されるような車載充電－トラクションシステムをトラクションモードに構成するために、接触器Ｋ１、Ｋ２、Ｋ５、Ｋ６、Ｋ７、およびＫ８は、閉鎖され、Ｋ３、Ｋ４、Ｋ９、およびＫ１０は、開放される。故に、トラクション電力経路が、図４Ｃに示されるように、構築される。図４Ｃに示される稼働モードでは、同じ歯上に位置する巻線の全は、並列に接続される。したがって、コイルＡおよびコイルＤは、相Ａを一緒に形成し、コイルＣおよびコイルＥは、相Ｃを一緒に形成し、コイルＢは、それ自体で相Ｂを形成する。本教示の側面を不必要に曖昧にすることを回避するために、接触器は、図４Ｃの簡略化された回路図には示されない。

図４Ｄは、図２Ｂに図示されるような車載充電－トラクションシステムに関連する概略図を示し、接触器の開放／閉鎖ステータスは、システムが充電モード下で動作するように制御される。図４Ｄでは、接触器Ｋ３、Ｋ４、Ｋ７、Ｋ９、およびＫ１０は、閉鎖され、Ｋ１、Ｋ２、Ｋ５、Ｋ６、およびＫ８は、開放されている。故に、充電電力経路が、図４Ｅに示されるように、構築される。本教示の側面を不必要に曖昧にすることを回避するために、接触器は、図４Ｅの簡略化された回路図には示されない。

同様に、図２Ｂに示されるようなシステムをトラクションモードに構成するために、接触器Ｋ１、Ｋ２、Ｋ５、Ｋ６、およびＫ８は、閉鎖され、Ｋ３、Ｋ４、Ｋ７、Ｋ９、およびＫ１０は、開放される。故に、トラクション電力経路が、図４Ｆに示されるように、構築される。同じ歯上に位置する全ての巻線は、直列に接続される。この場合、コイルＡおよびコイルＤは、相Ａを一緒に形成し、コイルＣおよびコイルＥは、相Ｃを一緒に形成し、コイルＢは、それ自体で相Ｂを形成する。本教示の側面を不必要に曖昧にすることを回避するために、接触器は、図４Ｆの簡略化された回路図には示されない。

車載充電－トラクションシステムが、トラクションモードに構成されるとき、再充電可能バッテリは、ＤＣ電力を多重相インバータに供給し得る。次いで、インバータは、ＤＣ電力をＡＣ電力に変換し、多相モータを駆動し、動作させ得る。ここで、従来の３相モータ駆動部が、利用され得る。永久磁石モータが展開される典型的電気車両用途では、特に、シャフト速度が低いとき、所望の性能を達成するために、モータを制御するように、回転子位置を測定するためのセンサが、提供され得る。通常、車載充電－トラクションシステムのインバータにおいて使用される電力スイッチデバイスは、プロセッサ（ＤＳＰ、ＦＰＧＡ等）の制御下、ベクトル制御方法を介して駆動されるＩＧＢＴまたはＦＥＴデバイスであり得る。ベクトル制御を達成するために、電流センサは、プロセッサによって調整されるべき相電流を検出するために、少なくとも２つの相に対して配列され得る。

システムが、充電モードに構成されるとき、完全に絶縁された２ステージ充電器が、提供され、それは、フロントエンドステージ（ブーストおよび／またはＰＦＣ機能を伴い、または伴わず）と、ＤＣ／ＤＣリアエンドとを備えている。フロントエンドステージは、入力ブリッジ整流器とともに構築され得る。さらに、モータステータのコイルＢは、ブーストインダクタとしての機能を果たし得、ブーストスイッチとしての電力スイッチデバイスＳＷ４と、フライバックダイオードとしての電力スイッチデバイスＳＷ３のボディダイオードと、出力コンデンサとしてのコンデンサＣ１を伴う。代替として、システムが、電力スイッチデバイスＳＷ４が常時オフの状態で動作される場合、フロントエンドは、単純整流器として形成される。コイルＢのインダクタンスは、ある程度まで電流を平滑化することに役立ち得る。典型的に、それは、高力率を達成するほど十分に大きくない。

入力グリッドＡＣ電圧が、単相または分相電源から給送される場合、ブーストフロントエンドは、同様に、力率補正（ＰＦＣ）の機能を実施することができる。この状況では、入力電圧は、測定され、入力電流は、正弦波入力電圧の形状に追従するように成形される。このアプローチの場合、高力率（例えば、０．９９より大きい）が、達成されることができる。少なくとも１つの入力電流センサが、この機能を達成するために提供され得る。加えて、ＰＦＣアプローチ下で、コンデンサＣ１上の中間電圧（ＤＣリンク電圧）は、電流の制御を可能にするために、ピーク入力電圧を上回る必要があり得る。例えば、２４０Ｖ ＲＭＳ線に関して、ＤＣリンク電圧は、約４００Ｖを上回る必要があり得る。

上で議論されるように、相Ｂコイルは、別個の入力インダクタとして、電気的に動作する。３相入力に関して、この単一入力インダクタ＋スイッチのトポロジは、入力電流に正弦波入力電圧の形状に追従させることが可能でないこともある。しかしながら、コイルＢ内の電流を一定に制御することは、小インダクタンスを伴って、受動整流アプローチより良好な力率を取得することに役立つ。典型的に、約０．９５５の改良された力率が、依然として、達成されることができる。

図４Ｂおよび４Ｅに図示される第２のＤＣ／ＤＣステージから分かるように、電力スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ５、およびＳＷ６は、Ｈブリッジドライブを構築する。Ｈブリッジは、バックコンバータであることに留意されたい。コイルＡおよびコイルＣは、変圧器の一次巻線としての機能を果たし、コイルＤおよびコイルＥは、変圧器の二次巻線としての機能を果たす。次いで、ブリッジ整流器は、変圧器二次側から出力されたＡＣ電力を対応するＰＷＭ周波数でパルスするＤＣ電力に変換し、インダクタＬ１は、高周波数ＰＷＭ成分の大部分を再充電可能バッテリに出力される充電電流から除去する。出力整流器は、並列の複数のダイオードまたは単一ブリッジ整流器を用いて実装されることができる。
（第２の実施形態）

この第２の実施形態下では、充電電力は、単相または単分相ＡＣ電力入力から給送され、充電電力経路内に含まれる入力ブリッジ整流器フロントエンドは、ＰＦＣブーストコンバータを有する。

図５Ａは、第２の実施形態による、車載充電－トラクションシステムに関する概略図を示す。図５Ａでは、充電モード下で変圧器を構築するために使用されるあるコイルは、システムがトラクションモード下で稼働しているとき、並列に接続される。図５Ｂは、第２の実施形態による、車載充電－トラクションシステムに関する別の概略図を示す。図５Ｂでは、充電モード下で変圧器を構築するために使用されるあるコイルは、システムがトラクションモード下で稼働しているとき、直列に接続される。

コイルの接続における差異（トラクションモード下における並列または直列）を除き、図５Ａおよび５Ｂに示される車載充電－トラクションシステムの両方は、多相モータと、再充電可能バッテリと、インバータと、入力整流器と、出力整流器と、コンフィグレータと、接触器の組とを備えている。多相モータは、ステータ巻線の３つ以上の相を備え得る。ある用途では、代替として、モータは、２組の半ブリッジによって駆動される２相モータであり得る。インバータは、複数の電力スイッチデバイスＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ５、およびＳＷ６を備え、多相モータを駆動する役割を果たす。電力スイッチデバイスは、異なる電流容量を有し得る。入力整流器は、単相ブリッジ整流器であり得る。コンフィグレータは、複数の接触器Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４、Ｋ５、Ｋ６、Ｋ７、Ｋ８、Ｋ９、およびＫ１０を備えている。適切な制御下で、コンフィグレータは、異なる動作モード間でシステムを切り替えるように、種々の構成要素の接続、特に、巻線コイルＡ－Ｅおよび／または電力スイッチデバイスＳＷ１－６間の接続を再構成する役割を果たす。接触器Ｋ１およびＫ２の組は、再充電可能バッテリの正および負の端子を接続および接続解除するために使用され得る。より具体的に、接触器Ｋ１およびＫ２は、充電モード下で開放され、トラクションモード下で閉鎖される。接触器Ｋ３およびＫ４の組は、入力ＡＣ電力から整流されたＤＣ電力を接続および接続解除するために使用され得る。接触器Ｋ３およびＫ４は、充電モード下で閉鎖され、トラクションモード下で開放される。

加えて、図５Ａおよび５Ｂに示されるシステムは、入力フィルタおよび／または出力フィルタをさらに備え得、それらは、雑音および電圧または電流リップルを低減させるために使用され得る。これらの入力および出力フィルタは、限定ではないが、インダクタおよび／またはコンデンサを含み得る。コンデンサＣ１は、インバータの入力側に連結され得る。ここでは、コンデンサＣ１は、単一のものとして示されるが、複数のコンデンサまたは一緒にパッケージ化された複数のコンデンサを伴うモジュールであることもできる。出力フィルタ処理構成要素の例として、インダクタＬ１およびコンデンサＣ２が、図５Ａおよび５Ｂに示される。出力コンデンサＣ２は、単一のものとして示されるが、複数のコンデンサまたは一緒にパッケージ化された複数のコンデンサを伴うモジュールであることもできる。代替として、バッテリが、出力ブリッジ整流器の出力側におけるリップル電流に耐えることが可能である場合、コンデンサＣ２は、省略されることができる。

図５Ａおよび５Ｂには図示されないが、限定ではないが、予充電回路、放電回路、突入電流保護回路等を含む他の回路保護構成要素も、システム内に含まれ得る。

ここで図３に戻って参照すると、モータステータ歯上に巻かれた巻線のうちの少なくとも１つは、２つのコイルに分割され得る。分割された巻線は、異なる接続の中に再構成され、異なる動作モード、すなわち、充電モードおよびトラクションモードに適合し得る別個の端子を有する。図５Ａに示されるような車載充電－トラクションシステムをトラクションモードに構成するために、接触器Ｋ１、Ｋ２、Ｋ５、Ｋ６、Ｋ７、およびＫ８は、閉鎖され、Ｋ３、Ｋ４、Ｋ９、およびＫ１０は、開放される。結果として、トラクション電力経路が、図６Ａに示されるように、構築される。図６Ａに示される稼働モードでは、同じ歯上に位置する全てのコイルは、並列に接続される。したがって、コイルＡおよびコイルＤは、相Ａを一緒に形成し、コイルＣおよびコイルＥは、相Ｃを一緒に形成し、コイルＢは、それ自体で相Ｂを形成する。同様に、図５Ｂに示されるような車載充電－トラクションシステムをトラクションモードに構成するために、接触器Ｋ１、Ｋ２、Ｋ５、Ｋ６、およびＫ８は、閉鎖され、Ｋ３、Ｋ４、Ｋ７、Ｋ９、およびＫ１０は、開放される。故に、トラクション電力経路が、図６Ｂに示されるように、構築される。図６Ｂに示される稼働モードでは、同じ歯上に位置する全てのコイルは、直列に接続される。したがって、コイルＡおよびコイルＤは、相Ａを一緒に形成し、コイルＣおよびコイルＥは、相Ｃを一緒に形成し、コイルＢは、それ自体で相Ｂを形成する。

車載充電－トラクションシステムが、トラクションモード下で動作しているとき、再充電可能バッテリは、ＤＣ電力を多重相インバータに供給し得る。次いで、インバータは、ＤＣ電力をＡＣ電力に変換し、したがって、多相モータを駆動し、動作させ得る。

図５Ａに示されるような車載充電－トラクションシステムを充電モードに構成するために、接触器Ｋ３、Ｋ４、Ｋ９、およびＫ１０は、閉鎖され、Ｋ１、Ｋ２、Ｋ５、Ｋ６、Ｋ７、およびＫ８は、開放される。図５Ｂに示されるような車載充電－トラクションシステムを充電モードに構成するために、接触器Ｋ３、Ｋ４、Ｋ７、Ｋ９、およびＫ１０は、閉鎖され、Ｋ１、Ｋ２、Ｋ５、Ｋ６、およびＫ８は、開放される。図６Ｃは、構築されるような充電電力経路を示し、それは、図５Ａおよび５Ｂに示される車載充電－トラクションシステムの両方に適用される。

車載充電－トラクションシステムが、充電モードに構成されるとき、完全に絶縁された２ステージ充電器が、提供され、それは、ＰＦＣブーストフロントエンドステージと、完全に絶縁されたＤＣ／ＤＣリアエンドステージとを備えている。フロントエンドステージは、入力ブリッジ整流器を備えている。さらに、モータのコイルＢは、ＰＦＣブーストインダクタとしての機能を果たし得、ブーストスイッチとしての電力スイッチデバイスＳＷ４と、フライバックダイオードとしての電力スイッチデバイスＳＷ３のボディダイオードと、出力コンデンサとしてのコンデンサＣ１とを伴う。ＤＣ／ＤＣリアエンドステージでは、電力スイッチデバイスＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ５、およびＳＷ６は、Ｈブリッジドライブを構築する。加えて、コイルＡおよびコイルＣは、変圧器の一次巻線としての機能を果たし、コイルＤおよびコイルＥは、変圧器の二次巻線としての機能を果たす。出力ブリッジ整流器は、変圧器二次側から出力されたＡＣ電力をＤＣ電力に変換する。インダクタＬ１および出力コンデンサＣ２は、出力ブリッジ整流器の出力側に結合され、ＤＣ電力内のリップル成分を除去する。

この充電モードでは、ＰＦＣブーストフロントエンドステージは、グリッドに対して力率補正を実施しながら、グリッドＡＣ単相電力をＤＣ電力に変換し得る。入力電圧をコイルＢインダクタ内の電流に関する基準として使用することによって、入力電流は、正弦波波形に成形されることができる。例えば、電流フィードバックループが、入力電圧に比例する基準に追従するように電流を制御し得、フィードバックループは、コンデンサＣ１上のＤＣリンク電圧を調整し得る。制御は、別個の力率補正制御ＩＣまたは制御プロセッサを介して実装されることができ、それは、図１６を参照して下で説明されるであろう。次いで、第２のステージＨブリッジは、完全絶縁が達成されるように、フロントエンドステージからのＤＣ電力を入力としてとり、それをＡＣ電力にインバートし、インバートされたＡＣ電力をモータの巻線によって形成される変圧器に通し得る。変圧器によって出力されたＡＣ電力は、出力ブリッジ整流器に、次いで、出力フィルタに印加され、バッテリを充電するためのＤＣ電力を発生させる。
（第３の実施形態）

この第３の実施形態下では、充電電力は、多重相ＡＣ電力入力から給送され、充電電力経路は、完全３相ＰＦＣフロントエンドステージを備えている。

図７Ａは、本教示の第３の実施形態による、車載充電－トラクションシステムに関する概略図を示す。図７Ａでは、充電モード下で変圧器を構築するために使用されるあるコイルは、システムがトラクションモード下で稼働しているとき、並列に接続される。図７Ｂは、本教示の第３の実施形態による、車載充電－トラクションシステムに関する別の概略図を示す。図７Ｂでは、充電モード下で変圧器を構築するために使用されるあるコイルは、システムがトラクションモード下で稼働しているとき、直列に接続される。

トラクションモード下におけるコイルの接続における差異（並列または直列）を除き、図７Ａおよび７Ｂに示されるシステムの両方は、多相モータと、再充電可能バッテリと、インバータと、出力整流器と、コンフィグレータと、接触器の組とを備えている。多相モータは、ステータ巻線の３つ以上の相を備え得る。ある用途では、代替として、モータは、２組の半ブリッジによって駆動される２相モータであり得る。３相ＰＦＣ機能が充電モード下で実施される状況では、インバータは、複数の電力スイッチデバイスＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３ａ、ＳＷ３ｂ、ＳＷ３ｃ、ＳＷ４ａ、ＳＷ４ｂ、ＳＷ４ｃ、ＳＷ５、およびＳＷ６を備え、多相モータを駆動する役割を果たす。電力スイッチデバイスは、異なる電流容量を有し得る。コンフィグレータは、複数の接触器Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４、Ｋ５、Ｋ６、Ｋ７、Ｋ８、Ｋ９、Ｋ１０、Ｋ１１、Ｋ１２、およびＫ１３を備えている。適切な制御下で、コンフィグレータは、異なる動作モード間で切り替えるように、種々の構成要素の接続、特に、巻線コイルＡ－Ｅおよび／または電力スイッチデバイスＳＷ１－６間の接続を再構成する役割を果たす。接触器Ｋ１およびＫ２の組は、再充電可能バッテリの正および負の端子を接続および接続解除するために使用され得る。接触器Ｋ１およびＫ２は、充電モード下で開放され、トラクションモード下で閉鎖される。接触器Ｋ３、Ｋ４、およびＫ５の組は、入力ＡＣ電力に接続し、それから接続解除するために使用され得る。接触器Ｋ３、Ｋ４、およびＫ５は、充電モード下で閉鎖され、トラクションモード下で開放される。

加えて、図７Ａおよび７Ｂに示されるシステムは、入力フィルタおよび／または出力フィルタをさらに備え得、それらは、雑音および電圧または電流リップルを低減させるために使用され得る。コンデンサＣ１は、インバータの入力側に連結され得る。ここでは、コンデンサＣ１は、単一のものとして示されるが、複数のコンデンサまたは一緒にパッケージ化された複数のコンデンサを伴うモジュールであることもできる。出力フィルタは、限定ではないが、インダクタおよび／またはコンデンサを含み得る。例として、コンデンサＣ２およびインダクタＬ１が、図７Ａおよび７Ｂに示され、それは、整流器出力上のパルス電圧を平滑化し、バッテリを充電する役割を果たす。出力コンデンサＣ２は、単一のものとして示されるが、複数のコンデンサまたは一緒にパッケージ化された複数のコンデンサを伴うモジュールであることもできる。代替として、バッテリが、出力ブリッジ整流器の出力側におけるリップル電流に耐えることが可能である場合、コンデンサＣ２は、省略されることができる。

図７Ａおよび７Ｂには図示されないが、限定ではないが、予充電回路、放電回路、突入電流保護回路等を含む他の回路保護構成要素も、システム内に含まれ得る。

第１および第２の実施形態と同様に、モータステータ歯上に巻かれた巻線のうちの少なくとも１つは、２つ以上のコイルに分割され得る。換言すると、モータステータの少なくとも１つの歯上に、巻線が、２つ以上のコイルによって形成される。各コイルは、異なる接続の中に再構成され、充電モードおよびトラクションモードに適合し得る別個の端子を有する。ここでは、相Ａのための巻線は、コイルＡおよびコイルＤに分割され、相Ｃのための巻線は、コイルＣおよびコイルＥに分割される。相Ｂのための巻線は、コイルＢ１、コイルＢ２、およびコイルＢ３に分割され、それらは、モータの別個の歯上に常駐する。ある例では、コイルＢ１は、２つの歯に対して、コイルＢ２は、別の２つの歯に対して、コイルＢ３は、さらに別の２つの歯に対して巻かれる。

図７Ａに示されるような車載充電－トラクションシステムをトラクションモードに構成するために、接触器Ｋ１、Ｋ２、Ｋ６、Ｋ７、Ｋ８、Ｋ１１、Ｋ１２、およびＫ１３は、閉鎖され、Ｋ３、Ｋ４、Ｋ５、Ｋ９、およびＫ１０は、開放される。故に、トラクション電力経路が、図８Ａに示されるように、構築される。図８Ａに示される稼働モードでは、コイルＡおよびコイルＤは、並列に接続され、相Ａを形成し、コイルＣおよびコイルＥは、並列に接続され、相Ｃを形成し、コイルＢ１、コイルＢ２、およびコイルＢ３は、相Ｂを形成する（またはそれらの各々は、モータが３相モータの代わりに５相モータである状況では、独立型相であることができる）。

同様に、図７Ｂに示されるようなシステムをトラクションモードに構成するために、接触器Ｋ１、Ｋ２、Ｋ６、Ｋ８、Ｋ１１、Ｋ１２、およびＫ１３は、閉鎖され、Ｋ３、Ｋ４、Ｋ５、Ｋ７、Ｋ９、およびＫ１０は、開放される。故に、トラクション電力経路が、図８Ｂに示されるように、構築される。図８Ｂに示される稼働モードでは、コイルＡおよびコイルＤは、直列に接続され、相Ａを形成し、コイルＣおよびコイルＥは、直列に接続され、相Ｃを形成する。加えて、コイルＢ１、コイルＢ２、およびコイルＢ３は、相Ｂを形成する（またはそれらの各々は、独立型相であることができる）。コイルＢ１－Ｂ３は、モータの同じ相（相Ｂ）歯上に巻かれるため、電流は、モータにスピンさせる回転場を生成しない。

車載充電－トラクションシステムが、トラクションモード下で動作しているとき、再充電可能バッテリは、ＤＣ電力を多重相インバータに供給し得る。次いで、インバータは、ＤＣ電力をＡＣ電力に変換し、したがって、多相モータを駆動し、動作させ得る。図８Ａおよび８Ｂに示される、複数の中央電力スイッチデバイスは、一緒に切り替えられ、単一半ブリッジとしての機能を果たす。すなわち、電力スイッチデバイスＳＷ３ａ、ＳＷ３ｂおよびＳＷ３ｃは、一緒にオンおよびオフにされ、電力スイッチデバイスＳＷ４ａ、ＳＷ４ｂおよびＳＷ４ｃは、一緒にオンおよびオフにされる。

図７Ａに示されるような車載充電－トラクションシステムを充電モードに構成するために、接触器Ｋ３、Ｋ４、Ｋ５、Ｋ９、およびＫ１０は、閉鎖され、Ｋ１、Ｋ２、Ｋ６、Ｋ７、Ｋ８、Ｋ１１、Ｋ１２、およびＫ１３は、開放される。図７Ｂに示されるような車載充電－トラクションシステムを充電モードに構成するために、接触器Ｋ３、Ｋ４、Ｋ５、Ｋ７、Ｋ９、およびＫ１０は、閉鎖され、Ｋ１、Ｋ２、Ｋ６、Ｋ８、Ｋ１１、Ｋ１２、およびＫ１３は、開放される。図８Ｃは、構築されるような充電電力経路を示し、それは、図７Ａおよび７Ｂに示される車載充電－トラクションシステムの両方に適用される。

車載充電－トラクションシステムが、充電モードに構成されるとき、完全に絶縁された２ステージ充電器が、提供され、それは、完全３相ブーストＰＦＣフロントエンドステージと、完全に絶縁されたＤＣ／ＤＣリアエンドステージとを備えている。フロントエンドステージでは、コイルＢ１、コイルＢ２、コイルＢ３は、ブーストインダクタとして、電力スイッチデバイスＳＷ３ａ、ＳＷ３ｂ、ＳＷ３ｃ、ＳＷ４ａ、ＳＷ４ｂおよびＳＷ４ｃは、ブーストＰＦＣスイッチとして動作する。ＤＣ／ＤＣリアエンドステージでは、電力スイッチデバイスＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ５、およびＳＷ６は、Ｈブリッジドライブを構築する。加えて、コイルＡおよびコイルＣは、変圧器の一次巻線として、コイルＤおよびコイルＥは、変圧器の二次巻線としての機能を果たす。出力ブリッジ整流器は、変圧器二次側から出力されたＡＣ電力をＤＣ電力に変換する。インダクタＬ１および出力コンデンサＣ２は、出力ブリッジ整流器の出力側に結合され、ＤＣ電力内のリップル成分を除去する。

この充電モードでは、ＰＦＣブーストフロントエンドステージは、正弦波入力電流を達成するために、力率補正を実施しながら、グリッド多重相電力をＤＣ電力に変換し得る。次いで、第２のステージＨブリッジは、完全絶縁が達成されるように、第１のステージＤＣ電力を入力としてとり、それをＡＣ電力にインバートし、インバートされたＡＣ電力をモータの巻線によって形成される変圧器に通し得る。変圧器によって出力されたＡＣ電力は、出力ブリッジ整流器に、次いで、出力コンデンサに印加され、再充電可能バッテリを充電する、ＤＣ電力を発生させる。

図８Ｃに示される完全３相ＰＦＣフロントエンドを形成するために、電圧感知が、入力に配列され、ＡＣ入力の角位置を決定する。位相ロックループが、この機能を行うために使用されることができる。１つの相（相Ａ等）の相電圧を表す、角度情報が、取得されると、スイッチドライブが、電力スイッチデバイスのために要求される駆動力を決定するように、ｄｑ／ＡＢＣ変換および状態ベクトル変調を介して、実装されることができる。このスキームでは、１つの変換軸（例えば、ｄ軸）が、力率を制御し、他の軸（例えば、ｑ軸）が、電力流を制御し、中間ＤＣリンクバス電圧を調整するために使用される。さらに、内側電流ループが、力率補正を実施するために、各軸に対して使用される。少なくとも２つの電流センサが、入力電流を測定するために要求される。しかしながら、総電流が、トラクションモード下で要求されるので、３つの電流センサが、好ましい。
（第４の実施形態）

この第４の実施形態では、充電電力は、単相電源または単分相電源から給送され、充電経路は、単相または分相トーテムポールＰＦＣフロントエンドを備えている。

図９Ａは、本教示の第４の実施形態による、車載充電－トラクションシステムに関する概略図を示す。図９Ａでは、充電モード下で変圧器を構築するために使用されるあるコイルは、システムがトラクションモード下で稼働しているとき、並列に接続される。図９Ｂは、本教示の第４の実施形態による、車載充電－トラクションシステムに関する別の概略図を示す。図９Ｂでは、充電モード下で変圧器を構築するために使用されるあるコイルは、システムがトラクションモード下で稼働しているとき、直列に接続される。

トラクションモード下におけるコイルの接続における差異（並列または直列）を除き、図９Ａおよび９Ｂに示される車載充電－トラクションシステムの両方は、多相モータと、再充電可能バッテリと、インバータと、出力整流器と、コンフィグレータと、接触器の組とを備えている。多相モータは、ステータ巻線の３つ以上の相を備え得る。ある用途では、代替として、モータは、２組の半ブリッジによって駆動される２相モータであり得る。単相または分相トーテムポールＰＦＣが充電モード下で実施される状況では、インバータは、複数の電力スイッチデバイスＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３ａ、ＳＷ３ｂ、ＳＷ４ａ、ＳＷ４ｂ、ＳＷ５、およびＳＷ６を備え、多相モータを駆動する役割を果たす。電力スイッチデバイスは、異なる電流容量を有し得る。コンフィグレータは、複数の接触器Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４、Ｋ６、Ｋ７、Ｋ８、Ｋ９、Ｋ１０、Ｋ１１、およびＫ１２を備えている。適切な制御下で、コンフィグレータは、異なる動作モード間で切り替えるように、種々の構成要素の接続、特に、巻線コイルＡ－Ｅおよび／または電力スイッチデバイスＳＷ１－６間の接続を再構成する役割を果たす。接触器Ｋ１およびＫ２の組は、再充電可能バッテリの正および負の端子を接続および接続解除するために使用され得る。接触器Ｋ１およびＫ２は、充電モード下で開放され、トラクションモード下で閉鎖される。接触器Ｋ３およびＫ４の組は、入力ＡＣ電力に接続し、それから接続解除するために使用され得る。接触器Ｋ３およびＫ４は、充電モード下で閉鎖され、トラクションモード下で開放される。

加えて、図９Ａおよび９Ｂに示されるシステムは、入力フィルタおよび／または出力フィルタをさらに備え得、それらは、雑音および電圧または電流リップルを低減させるために使用され得る。コンデンサＣ１は、インバータの入力側に連結され得る。ここでは、コンデンサＣ１は、単一のものとして示されるが、複数のコンデンサまたは一緒にパッケージ化された複数のコンデンサを伴うモジュールであることもできる。出力フィルタは、限定ではないが、インダクタおよび／またはコンデンサを含み得る。例として、コンデンサＣ２およびインダクタＬ１が、図９Ａおよび９Ｂに示され、それは、整流器出力上のパルス電圧を平滑化し、バッテリに給送する役割を果たす。出力コンデンサＣ２は、単一のものとして示されるが、複数のコンデンサまたは一緒にパッケージ化された複数のコンデンサを伴うモジュールであることもできる。代替として、バッテリが、出力ブリッジ整流器の出力側におけるリップル電流に耐えることが可能である場合、コンデンサＣ２は、省略されることができる。

図９Ａおよび９Ｂには図示されないが、限定ではないが、予充電回路、放電回路、突入電流保護回路等を含む他の回路保護構成要素も、システム内に含まれ得る。

第１－第３の実施形態と同様、モータステータ歯上に巻かれた巻線のうちの少なくとも１つは、２つ以上のコイルに分割され得る。換言すると、モータステータの少なくとも１つの歯上に、巻線が、２つ以上のコイルによって形成される。分割された巻線は、異なる接続の中に再構成され、充電モードおよびトラクションモードに適合し得る別個の端子を有する。例えば、相Ａのための巻線は、コイルＡおよびコイルＤに分割され、相Ｃのための巻線は、コイルＣおよびコイルＥに分割され、相Ｂのための巻線は、異なる歯上に常駐するコイルＢ１およびコイルＢ２に分割される。

図９Ａに示されるような車載充電－トラクションシステムをトラクションモードに構成するために、接触器Ｋ１、Ｋ２、Ｋ６、Ｋ７、Ｋ８、Ｋ１１、およびＫ１２は、閉鎖され、Ｋ３、Ｋ４、Ｋ９、およびＫ１０は、開放される。故に、トラクション電力経路が、図１０Ａに示されるように、構築される。図１０Ａに示される稼働モードでは、コイルＡおよびコイルＤは、並列に接続され、相Ａを形成し、コイルＣおよびコイルＥは、並列に接続され、相Ｃを形成し、コイルＢ１およびコイルＢ２は、相Ｂを形成する（またはそれらの各々は、独立型相であることができる）。

同様に、図９Ｂに示されるようなシステムをトラクションモードに構成するために、接触器Ｋ１、Ｋ２、Ｋ６、Ｋ８、Ｋ１１、およびＫ１２は、閉鎖され、Ｋ３、Ｋ４、Ｋ７、Ｋ９、およびＫ１０は、開放される。故に、トラクション電力経路が、図１０Ｂに示されるように、構築される。図１０Ｂに示される稼働モードでは、コイルＡおよびコイルＤは、直列に接続され、相Ａを形成し、コイルＣおよびコイルＥは、直列に接続され、相Ｃを形成し、コイルＢ１およびコイルＢ２は、相Ｂを形成する（またはそれらの各々は、独立型相であることができる）。

車載充電－トラクションシステムが、トラクションモード下で動作しているとき、再充電可能バッテリは、ＤＣ電力を多重相インバータに供給し得る。次いで、インバータは、ＤＣ電力をＡＣ電力に変換し、したがって、多相モータを駆動し、動作させ得る。

図９Ａに示されるような車載充電－トラクションシステムを充電モードに構成するために、接触器Ｋ３、Ｋ４、Ｋ９、およびＫ１０は、閉鎖され、Ｋ１、Ｋ２、Ｋ６、Ｋ７、Ｋ８、Ｋ１１、およびＫ１２は、開放される。図９Ｂに示されるような車載充電－トラクションシステムを充電モードに構成するために、接触器Ｋ３、Ｋ４、Ｋ７、Ｋ９、およびＫ１０は、閉鎖され、Ｋ１、Ｋ２、Ｋ６、Ｋ８、Ｋ１１、およびＫ１２は、開放される。図１０Ｃは、構築されるような充電電力経路を示し、それは、図９Ａおよび９Ｂに示される車載充電－トラクションシステムの両方に適用される。

車載充電－トラクションシステムが、充電モードに構成されるとき、完全に絶縁された２ステージ充電器が、提供され、それは、単一または分相トーテムポールＰＦＣフロントエンドステージと、完全に絶縁されたＤＣ／ＤＣリアエンドステージとを備えている。フロントエンドステージでは、コイルＢ１およびコイルＢ２は、ブーストＰＦＣインダクタとして動作し、電力スイッチデバイスＳＷ３ａ、ＳＷ３ｂ、ＳＷ４ａおよびＳＷ４ｂは、完全ブリッジスイッチとして動作し、電力流を制御し、入力電流を正弦波波形に成形する。リアエンドステージでは、電力スイッチデバイスＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ５、およびＳＷ６は、Ｈブリッジドライブを構築する。加えて、コイルＡおよびコイルＣは、変圧器の一次巻線として、コイルＤおよびコイルＥは、変圧器の二次巻線としての機能を果たす。出力ブリッジ整流器は、変圧器二次側上のＡＣ波形をＤＣ電力に変換する。インダクタＬ１および出力コンデンサＣ２は、出力ブリッジ整流器の出力側に結合され、リップル成分を除去する。

このモードでは、ＰＦＣブーストフロントエンドステージは、力率補正を実施しながら、正弦波入力電流を達成するために、グリッドＡＣ単相電力をＤＣ電力に変換し得る。次いで、第２のステージＨブリッジは、完全絶縁が達成されるように、フロントエンドステージからのＤＣ電力を入力としてとり、それをＡＣ電力にインバートし、インバートされたＡＣ電力をモータの巻線によって形成される変圧器に通し得る。変圧器によって出力されたＡＣ電力は、出力ブリッジ整流器に、次いで、出力フィルタに印加され、再充電可能バッテリを充電する、ＤＣ電力を発生させる。
（第５の実施形態）

この第５の実施形態では、充電電力は、単相電源または単分相電源から給送され、充電電力経路は、追加のダイオードを伴う単相または分相トーテムポールＰＦＣフロントエンドステージを備えている。

図１１Ａは、本教示の第５の実施形態による、車載充電－トラクションシステムに関する概略図を示す。図１１Ａでは、充電モード下で変圧器を構築するために使用されるあるコイルは、システムがトラクションモード下で稼働しているとき、並列に接続される。図１１Ｂは、本教示の第５の実施形態による、車載充電－トラクションシステムに関する別の概略図を示す。図１１Ｂでは、充電モード下で変圧器を構築するために使用されるあるコイルは、システムがトラクションモード下で稼働しているとき、直列に接続される。

トラクションモード下におけるコイルの接続における差異（並列または直列）を除き、図１１Ａおよび１１Ｂに示される車載充電－トラクションシステムの両方は、多相モータと、再充電可能バッテリと、インバータと、ダイオードＤ１およびＤ２と、出力整流器と、コンフィグレータと、接触器の組とを備えている。多相モータは、ステータ巻線の３つ以上の相を備え得る。ある用途では、代替として、モータは、２組の半ブリッジによって駆動される２相モータであり得る。単相または分相トーテムポールＰＦＣ機能が充電モード下で実施される状況では、インバータは、６つの電力スイッチデバイスＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ５、およびＳＷ６を備え得る。電力スイッチデバイスは、異なる電流容量を有し得る。追加のダイオードＤ１およびＤ２は、入力電源の正および負の極を横断して配列される。コンフィグレータは、複数の接触器Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４、Ｋ５、Ｋ６、Ｋ７、Ｋ８、Ｋ９、およびＫ１０を備えている。適切な制御下で、コンフィグレータは、異なる動作モード間でシステムを切り替えるように、種々の構成要素の接続、特に、巻線コイルＡ－Ｅおよび／または電力スイッチデバイスＳＷ１－６間の接続を再構成する役割を果たす。接触器Ｋ１およびＫ２の組は、再充電可能バッテリの正および負の端子を接続および接続解除するために使用され得る。接触器Ｋ１およびＫ２は、充電モード下で開放され、トラクションモード下で閉鎖される。接触器Ｋ３およびＫ４の組は、入力ＡＣ電力に接続し、それから接続解除するために使用され得る。接触器Ｋ３およびＫ４は、充電モード下で閉鎖され、トラクションモード下で開放される。

加えて、図１１Ａおよび１１Ｂに示されるシステムは、入力フィルタおよび／または出力フィルタをさらに備え得、それらは、雑音および電圧または電流リップルを低減させるために使用され得る。コンデンサＣ１は、インバータの入力側に連結され得る。ここでは、コンデンサＣ１は、単一のものとして示されるが、複数のコンデンサまたは一緒にパッケージ化された複数のコンデンサを伴うモジュールであることもできる。出力フィルタは、限定ではないが、インダクタおよび／またはコンデンサを含み得る。例として、コンデンサＣ２およびインダクタＬ１が、図１１Ａおよび１１Ｂに示され、それは、整流器出力上のパルス電圧を平滑化し、バッテリに給送する役割を果たす。出力コンデンサＣ２は、単一のものとして示されるが、複数のコンデンサまたは一緒にパッケージ化された複数のコンデンサを伴うモジュールであることもできる。代替として、バッテリが、出力ブリッジ整流器の出力側におけるリップル電流に耐えることが可能である場合、コンデンサＣ２は、省略されることができる。

図１１Ａおよび１１Ｂには図示されないが、限定ではないが、予充電回路、放電回路、突入電流保護回路等を含む他の回路保護構成要素も、システム内に含まれ得る。

第１－第４の実施形態と同様、モータステータ歯上に巻かれた巻線のうちの少なくとも１つは、分割された構造を有し得る。分割された巻線は、異なる接続の中に再構成され、充電モードおよびトラクションモードに適合し得る別個の端子を有する。例えば、相Ａのための巻線は、コイルＡおよびコイルＤに分割され、相Ｃのための巻線は、コイルＣおよびコイルＥに分割される。

図１１Ａに示されるような車載充電－トラクションシステムをトラクションモードに構成するために、接触器Ｋ１、Ｋ２、Ｋ６、Ｋ７およびＫ８は、閉鎖され、Ｋ３、Ｋ４、Ｋ９、およびＫ１０は、開放される。故に、トラクション電力経路が、図１２Ａに示されるように、構築される。図１２Ａに示される稼働モードでは、同じ歯上に位置する全てのコイルは、並列に接続され、コイルＡおよびコイルＤは、相Ａを一緒に形成し、コイルＣおよびコイルＥは、相Ｃを一緒に形成し、コイルＢは、それ自体で相Ｂを形成する。

同様に、図１１Ｂに示されるようなシステムをトラクションモードに構成するために、接触器Ｋ１、Ｋ２、Ｋ６、およびＫ８は、閉鎖され、Ｋ３、Ｋ４、Ｋ７、Ｋ９、およびＫ１０は、開放される。故に、トラクション電力経路が、図１２Ｂに示されるように、構築される。図１２Ｂに示される稼働モードでは、同じ歯上に位置する全てのコイルは、直列に接続され、コイルＡおよびコイルＤは、相Ａを一緒に形成し、コイルＣおよびコイルＥは、相Ｃを一緒に形成し、コイルＢは、それ自体で相Ｂを形成する。

車載充電－トラクションシステムが、トラクションモード下で動作しているとき、再充電可能バッテリは、ＤＣ電力を多重相インバータに供給し得る。次いで、インバータは、ＤＣ電力をＡＣ電力に変換し、したがって、多相モータを駆動し、動作させ得る。

図１１Ａに示されるような車載充電－トラクションシステムを充電モードに構成するために、接触器Ｋ３、Ｋ４、Ｋ９、およびＫ１０は、閉鎖され、Ｋ１、Ｋ２、Ｋ６、Ｋ７、およびＫ８は、開放される。図１１Ｂに示されるような車載充電－トラクションシステムを充電モードに構成するために、接触器Ｋ３、Ｋ４、Ｋ７、Ｋ９、およびＫ１０は、閉鎖され、Ｋ１、Ｋ２、Ｋ６、およびＫ８は、開放される。図１２Ｃは、構築されるような充電電力経路を示し、それは、図１１Ａおよび１１Ｂに示される車載充電－トラクションシステムの両方に適用される。

車載充電－トラクションシステムが、充電モードに構成されるとき、完全に絶縁された２ステージ充電器が、提供され、それは、追加のダイオードを伴う単一または分相トーテムポールＰＦＣフロントエンドステージと、完全に絶縁されたＤＣ／ＤＣリアエンドとを備えている。トーテムポールＰＦＣフロントエンドステージでは、コイルＢは、ブーストインダクタと、ブーストＰＦＣスイッチとしての電力スイッチデバイスＳＷ３およびＳＷ４とを動作させ得る。ダイオードＤ１が、入力電圧の正の半サイクル中、伝導し、電力スイッチデバイスＳＷ３は、入力電流を正弦波波形に成形するようにＰＷＭ制御される。入力電圧の負の半サイクル中、ダイオードＤ２が、伝導し、電力スイッチデバイスＳＷ４は、入力電流を正弦波波形に成形するようにＰＷＭ制御される。ＤＣ／ＤＣリアエンドステージでは、電力スイッチデバイスＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ５、およびＳＷ６は、Ｈブリッジドライブを構築する。加えて、コイルＡおよびコイルＣは、変圧器の一次巻線として、コイルＤおよびコイルＥは、変圧器の二次巻線としての機能を果たす。出力ブリッジ整流器は、変圧器二次側から出力されたＡＣ電力をＤＣ電力に変換する。インダクタＬ１および出力コンデンサＣ２は、出力ブリッジ整流器の出力側に結合され、ＤＣ電力のリップル成分を除去する。

この充電モードでは、ＰＦＣブーストフロントエンドステージは、力率補正を実施しながら、正弦波入力電流を達成するために、グリッドＡＣ単相電力をＤＣ電力に変換し得る。次いで、第２のステージＨブリッジは、完全絶縁が達成されるように、第１のステージＤＣ電力を入力としてとり、それをＡＣ電力にインバートし、インバートされたＡＣ電力をモータの巻線によって形成される変圧器に通し得る。変圧器によって出力されたＡＣ電力は、出力ブリッジ整流器に、次いで、再充電可能バッテリを充電するＤＣ電力を発生させるように、出力フィルタに印加される。

図１３は、本教示の例による、車載充電－トラクションシステムの動作に関連するフローチャートを示す。通常、システムは、トラクションモード下で動作している。このモード下で、接触器Ｋ１およびＫ２は、閉鎖され、Ｋ３およびＫ４は、開放され、コンフィグレータは、バッテリがトラクション電力経路を介して電力をモータに出力するように、トラクション状態にある。電気車両のバッテリを充電するための要求が受信され、車両が、駐車状態にあり、システムを外部電源に結合することが可能な充電コードが差し込まれていることが決定されると、システムは、充電モードに切り替えられることができる。トラクションモードから充電モードへの切り替えを達成するために、接触器Ｋ１およびＫ２は、開放され、コンデンサＣ１およびＣ２内に貯蔵された電気エネルギーは、放電される。次いで、コンフィグレータが、トラクション状態から充電状態に切り替えられる。接触器Ｋ１およびＫ２が、開放されたままである間、コンデンサＣ１は、予充電され、次いで、接触器Ｋ３およびＫ４が、閉鎖される。車両バッテリの管理システムからの要求に基づいて、バッテリは、充電が開始される。充電モードは、バッテリが、完全に充電されたこと、外部電源への電気結合が接続解除されたこと、または任意の障害が充電プロセス中に検出されたことが決定されるまで継続する。それらの条件のいずれかが満たされる場合、バッテリの充電は、停止され、システムは、接触器Ｋ３およびＫ４を開放し、コンデンサＣ１およびＣ２の両方内に貯蔵された電気エネルギーを放電することによって、充電モードからトラクションモードに戻るように切り替えられる。次いで、コンフィグレータは、充電状態からトラクション状態に切り替えられる。接触器Ｋ３およびＫ４が、開放されたままである間、コンデンサＣ１およびＣ２は、予充電され、次いで、接触器Ｋ１およびＫ２は、閉鎖される。システムは、通常、次の充電要求が受信されるまで、トラクションモードに戻る。

図１４は、本教示の例による、コンデンサＣ１の予充電に関連する概略図を示す。上で議論されるように、入力コンデンサＣ１は、接触器Ｋ３およびＫ４が閉鎖される前に完全に充電されることになる。例えば、図２Ｂに示される車載充電－トラクションシステムでは、予充電は、追加の接触器Ｋ９および抵抗器Ｒ１を含む分岐によって遂行されることができる。抵抗器Ｒ１は、接触器Ｋ９と直列に接続され、予充電電流を限定する役割を果たす。

充電モードでは、充電電力は、下記の順序に従って印加され得る。最初に、接触器Ｋ１、Ｋ２、Ｋ５、Ｋ６、Ｋ７、Ｋ８、Ｋ９、およびＫ１０が、充電位置に切り替えられる。接触器Ｋ３、Ｋ４、およびＫ９が開放された状態で、入力ＡＣ電力が、印加される。これは、通常、外部電源のインターフェースとのハンドシェイクプロセスを伴う。次いで、接触器Ｋ４およびＫ９が、閉鎖され、コンデンサＣ１が予充電されることを可能にする。充電時間は、コンデンサＣ１が完全に充電されるように、Ｒ１およびＣ１の時間定数の少なくとも約５倍であり得る。コンデンサＣ１の予充電が完了されると、コイル電力消散を節約するために、接触器Ｋ３は、閉鎖されることができ、Ｋ９は、開放されることができる。

図１４に示される例では、充電経路は、入力電源から、入力ブリッジ整流器内の上ダイオード、接触器Ｋ９、抵抗器Ｒ１、コイルＢ、電力スイッチデバイスＳＷ３の逆並列ダイオードを通して、コンデンサＣ１のアノード側につながる。帰還経路は、コンデンサＣ１のカソード側から、接触器Ｋ４および入力ブリッジ整流器の下ダイオードを通して、入力電源に戻る。

出力フィルタコンデンサＣ２も、再充電可能バッテリが接続される前に、予充電されることができる。コンデンサＣ２は、再充電可能バッテリを横断して接続されるため、コンデンサＣ２の予充電は、再充電可能バッテリの管理システムを介して実施されることができるが、それは、図１４に示されない。

第１の実施形態を例として挙げると、図１５Ａは、本教示による、車載充電－トラクションシステムのハードウェア構成要素に関連する高レベル概略略図を示す。図２Ａを参照して既に述べた構成要素に加え、種々の追加の構成要素が、システム内に備えられ、種々の追加の構成要素は、限定ではないが、電流センサ、電圧センサ、温度センサ（図１５Ａに図示されない）、必要な程度のモータ回転子角度位置の識別を提供することが可能であるリゾルバまたは任意の他のセンサ（図１５Ａに図示されない）、および中央充電／トラクション制御等を含む。

図１５Ａに示されるように、絶縁された電圧感知が、それぞれ、ＤＣリンクバス電圧およびバッテリ電圧を測定するために提供される。感知される電圧信号は、充電／トラクション制御の中に伝送される。トラクションモードでは、ＤＣリンクバス電圧およびバッテリ電圧は、同じ信号となる。それらは、充電モード下で、別個の信号である。電圧感知機能は、集積回路ベースのセンサ等、市場で利用可能な絶縁されたセンサを介して、実施されることができる。このタイプの絶縁されたセンサは、絶縁された電力および分圧抵抗を高電圧側上に要求する。完全ガルバニック絶縁が必要であるわけではない状況では、高インピーダンス差動増幅器に基づく、感知アプローチも、同様に、実行可能である。

絶縁された電流感知も、図１５Ａに示される。より具体的に、絶縁された電流センサが、電力スイッチデバイスＳＷ１およびＳＷ２を備えている、半ブリッジ（相Ａに対応する）内の電流を検出するために提供される。同様に、他の２つの半ブリッジのための電流センサが存在し、一方は、電力スイッチデバイスＳＷ３およびＳＷ４から成る半ブリッジのために使用され、他方は、電力スイッチデバイスＳＷ５およびＳＷ６から成る半ブリッジのために使用される。電流センサは、ホール電流センサによって実装され得る。代替として、絶縁増幅器を伴うシャントが、利用され得る。コストを節約するために、２つの電流センサが、モータおよび充電システムの制御要件を満たすことができる。しかしながら、改良された保護を取得するために、３つ以上の電流センサが利用されることもできる。例えば、より低い正確度が容認可能である場合、充電電流は、相Ａおよび相Ｃセンサを介して感知される一次電流から推定されることができる。別の例として、充電電流の高正確度制御を取得するために、相Ａ－Ｃに関する３つの電流センサに加え、第４の電流センサが、充電電流を測定するために提供される。３相電流センサと同様、第４の電流センサは、ホール電流センサ、シャント等であることができる。

充電器／トラクション制御は、種々のセンサからの信号を入力としてとり、電力スイッチデバイスおよび接触器を制御するためのコマンドを発生させる。コントローラは、ＤＳＰ、ＦＰＧＡ、ＭＣＵ、または任意の他の適切なプログラマブルコントローラであることができる。絶縁ゲートドライバが、充電器／トラクション制御と電力スイッチデバイスとの間に接続され、駆動信号を絶縁境界を横断して結合し、高パルス状電流を提供し、電力スイッチデバイスが、低損失のために、急速にオン／オフにされることを可能にする。限定ではないが、光学結合ドライバ、容量結合ドライバ等を含む市場で利用可能な種々の絶縁ゲートドライバが、利用されることができる。

第３の実施形態を例として挙げると、図１５Ｂは、別の例による、車載充電－トラクションシステムのハードウェア構成要素に関連する高レベル概略略図を示す。図７Ａを参照して既に述べた構成要素に加え、限定ではないが、電流センサＩａ、Ｉｂ１、Ｉｂ２、Ｉｂ３、Ｉｃ、およびＩｏｕｔ、電圧センサＶＩ１、ＶＩ２、ＶＩ３、Ｖｄｃ、およびＶｏｕｔ、温度センサ（図１５Ｂに図示されない）、中央充電／トラクションコントローラ、および回転子等の位置を読み取るためのリゾルバまたは任意の回転子位置センサ（図１５Ｂに図示されない）を含む種々の追加の構成要素が、システム内に備えられる。

図１６は、充電／トラクション制御から絶縁ゲートドライブ制御への接続のさらなる詳細を示し、それは、本教示の第１の実施形態による車載充電－トラクションシステム内に含まれる電力スイッチデバイスＳＷ１－ＳＷ６を駆動するための拡張ＰＷＭ出力（ＥＰＷＭ）を有する。信号ＥＰＷＭ１ＡおよびＥＰＷＭ１Ｂによって駆動されると、電力スイッチデバイスＳＷ１およびＳＷ２は、トラクションモード下で、相Ａドライブを形成し、充電モード下で、変圧器のＰＷＭドライブの一部として動作する。信号ＥＰＷＭ３ＡおよびＥＰＷＭ３Ｂによって駆動されると、電力スイッチデバイスＳＷ５およびＳＷ６は、トラクションモード下で、相Ｃドライブを形成し、充電モード下で、変圧器のＰＷＭドライブの一部として動作する。信号ＥＰＷＭ２ＡおよびＥＰＷＭ２Ｂによって駆動されると、電力スイッチデバイスＳＷ３およびＳＷ４は、トラクションモード下で、相Ｂドライブを形成し、充電モード下で、ブーストコンバータとして動作する。分離対応出力が、相ＡおよびＣおよび相Ｂのために提供される。これは、それらが、充電モード下で、異なる役割を果たすためである。プロセッサのピンの割り当ては、図１６に図示されるものに限定されるのではなく、使用されるプロセッサのタイプに応じて変動し得る。

図１６に示される例では、電力スイッチデバイスＳＷ１－ＳＷ６は、低レベルにおける対応するＰＷＭ出力によってオンにされ、高レベルにおける対応するＰＷＭ出力によってオフにされる。したがって、インバータが、出力に配列され、プルアップ抵抗器が、電力スイッチデバイスがプロセッサがリセットされる間、オフにされることを確実にするために、提供される。制御論理が高レベルＰＷＭ出力が対応する電力スイッチデバイスをオンにするように設計される場合、インバータは、必要とされず、プルダウン抵抗器が、図１６に示されるプルアップ抵抗器の代わりに提供される。

本教示の車載充電－トラクションシステム内に展開される障害保護機能の例として、図１６は、障害検出およびラッチモジュールを示し、それは、プロセッサと別個である。このアプローチは、ハードウェアリソースよりコストがかかるが、特に、プロセッサがロックアップするとき、コード問題（一般に、開発の周期の間に生じる）等が存在するとき、よりロバストな保護を提供する。

図１７は、本教示による、車載充電－トラクションシステムの充電モード下で実施される例示的制御スキームを示す。示されるような充電制御スキームは、埋め込み型ＤＳＰプロセッサまたは別々の制御電子機器を用いて実装されることができる。バッテリの充電は、一定電流モードまたは一定電圧モードのいずれかで実施されることができる。典型的に、再充電可能バッテリ内のセル等化を促進するために、充電は、充電プロセスの開始時に一定電流モードで実施され、次いで、一定電圧モードに移行する。一定電流モードを伴う状況と比較して、より低い充電電力が、一定電圧モード下で使用される。

図１７から分かるように、充電／トラクション制御内に含まれる電圧制御ループは、複数の電圧限界入力を有する。典型的に、再充電可能バッテリの管理システムは、再充電可能バッテリがその瞬間に適応し得る最大電圧に関連付けられる情報を電圧制御ループに提供することができる。そのようなバッテリ電圧限界は、バッテリ管理システムから充電／トラクション制御にＣＡＮデータバス等の任意の適切なデータリンクを介して送信されることができる。ハードウェア電圧限界も、電圧制御ループの中に入力され、それは、充電電力経路が安全に生成し得る電圧の高さを表す。ハードウェア電圧限界は、充電電力経路が生成することが可能である、最大電圧ではなく、構成要素の応力限界に基づいて決定された最大電圧限界である。随意に、デバッグデータリンクを介して、例えば、デバッグ電圧限界も、電圧制御ループに通信される。デバッグ電圧限界は、車載充電－トラクションシステムのデバッグおよび開発において有用である。

入力されるようなバッテリ電圧限界、ハードウェア電圧限界および随意のデバッグ電圧限界に基づいて、ブロックＭＩＮ１は、電圧コマンドを発生させ、合計ノード１に出力する。発生させられた電圧コマンドは、入力された種々の電圧限界の最小値を表す。合計ノード１では、電圧コマンドが、電圧誤差を取得するために、感知された実際の電圧に対して比較される。この電圧誤差は、ＰＩコントローラ１の中に入力され、電流コマンドを発生させる。代替として、限定ではないが、一体型コントローラを含む種々のコントローラが、ＰＩコントローラ１の代わりに使用され得る。発生させられた電流コマンドは、入力として、充電／トラクション制御の電流制御ループのブロックＭＩＮ２の中に送信される。

図１７から分かるように、電圧制御ループのＰＩコントローラ１から出力された電流コマンドに加え、充電／トラクション制御内に含まれる電流制御ループのブロックＭＩＮ２は、複数の電流限界を入力として受信する。同様に、再充電可能バッテリの管理システムは、再充電可能バッテリがその瞬間に適応し得る最大電流に関連付けられた情報を電流制御ループに提供することができる。そのようなバッテリ電流限界は、バッテリ管理システムから充電／トラクション制御に、例えば、ＣＡＮデータバスを介して送信されることができる。ハードウェア電流限界も、電流制御ループの中に入力される。一側面では、ハードウェア電流限界は、充電電力経路の電流能力を反映する。例えば、充電電力経路は、約２００アンペアの限定された電流容量を有し得る。別の側面では、ハードウェア電流限界は、入力線から引き込まれ得る最大入力電流に起因して、限定された入力電力を反映する。この最大入力電流は、バッテリ電圧に基づいて推定され得る。代替として、入力電流センサが、より正確な入力電流情報を提供するために使用されることができる。利用可能な電流情報が正確であるほど、車載充電－トラクションシステムは、入力電流限定のより近くで動作することを可能にされる。再び、デバッグデータリンクを介して、随意のデバッグ電流限界が、電流制御ループに通信される。

入力されるような電圧制御ループのＰＩコントローラ１からの電流コマンド、ハードウェア電流限界、バッテリ電流限界、および随意のデバッグ電流限界に基づいて、ブロックＭＩＮ２は、電流コマンドを発生させ、合計ノード２に出力する。発生させられる電流コマンドは、種々の入力の最小値を表す。電圧制御ループからの電流コマンドが電流制御ループの入力コマンドとして使用されるので、充電／トラクション制御は、再充電可能バッテリ上の電圧を限定することが可能である。電圧制御ループからの電流コマンドがブロックＭＩＮ２に入力される他の電流限界より低い場合、それは、制御しているコマンドであり、したがって、充電器は、電圧制御モードで動作する。ブロックＭＩＮ２に入力される電流限界のいずれかが電圧制御ループからの電流コマンドより低い場合、充電器は、電流基準コマンドである最低電流限界を伴って電流制御モードで動作する。合計ノード２では、電流基準コマンドは、電流誤差を取得するために、感知された実際の電流に対して比較される。この電流誤差は、ＰＩコントローラ２に入力され、移相コマンドを発生させる。代替として、限定ではないが、積分コントローラを含む種々のコントローラが、ＰＩコントローラ２の代わりに、使用され得る。ＰＩコントローラ２の出力は、移相コマンドであり、それは、ＰＷＭ信号ＥＰＷＭ３とＥＰＷＭ１との間で移相を変動させるために使用される。移相コマンドは、利得の逆転を防止するために、要求される範囲内に留まるように限定される必要がある。例えば、範囲は、１～１８０度である。

車両は、通常、トラクションモード下で動作している。充電／トラクション制御が、充電状態からトラクション状態に切り替えられると、充電／トラクション制御のプロセッサから出力されるＥＰＷＭの構成は、適宜、切り替えられる。トラクション状態では、プロセッサは、シュートスルーを回避するために、インバータの各ブリッジレッグ内の上電力スイッチデバイスと下電力スイッチデバイスとの間の不感時間を伴って、３相ＰＷＭ出力を生成するように構成される。本教示は、トラクションモード下でモータが駆動される方法を変化させないので、従来の技法が、トラクション制御のために適用可能である。例えば、トラクション制御は、標準的フィールド指向制御（ＦＯＣ）によって実装されることができ、センサが、モータ回転子の出力シャフトのシャフト位置に関連付けられたフィードバック信号を提供する。典型的に、リゾルバが、モータに取り付けられ、シャフト位置を測定する。

１つのモータ、１つの再充電可能バッテリ、１つのインバータ、１つの入力ブリッジ整流器、および１つの出力ブリッジ整流器のみが、第１－第５の実施形態の説明に付随する図面に図示されるが、当業者は、複数のモータ、再充電可能バッテリ、インバータ、入力ブリッジ整流器、および／または出力ブリッジ整流器が、車載充電－トラクションシステム内に提供され得ることを予期し得る。例えば、２つのモータが、電気車両内のフロントおよびリアホイールを別個に駆動し得るか、または、同様に、４つのモータが、各ホイールを別個に駆動させ得る。以下で、複数のモータを用いて本教示を実践するための２つのアプローチが、図１８Ａ－２０Ｂを参照して議論されるであろう。

図１８Ａ－１８Ｇは、本教示の例による、車載充電－トラクションシステムの２つ以上のモータおよび／または２つ以上のバッテリの種々の接続に関連する概略図を示す。１つのモータおよびその付随の充電器－インバータシステム、または複数のモータおよびそれらの対応する充電器－インバータシステムは、同じバッテリまたは異なるバッテリに接続され得る。充電器－インバータシステムとモータの組み合わせの各々は、独立して稼働し、バッテリまたは複数のバッテリを充電する。バッテリは、互いの間に電気接続を伴わずに、別個であることができる。代替として、バッテリのうちの少なくともいくつかは、直列または並列に接続されることができる。

図１９は、別の例示的例による、２つ以上の充電器－インバータおよびバッテリの接続に関連する概略図を示す。このシナリオでは、２つ以上の充電器－インバータは、充電モード下で、充電電力経路の異なるステージとして使用され得る。より具体的に、システム内の複数の充電器－インバータのうちの１つ以上の充電器－インバータは、第１のステージとして稼働し得る一方、複数の充電器－インバータのうちの他の１つ以上の充電器－インバータは、第２のＤＣ／ＤＣステージとして稼働し得る。第１のステージは、単一または多重相のためのＰＦＣブーストもしくはブーストコンバータフロントエンドであることができる。第２のステージは、並列または直列に接続されることができる。トラクションモード下で、２つ以上の充電器－インバータは、独立して、または、一緒に稼働することができる。

図１９に示されるシステムをトラクションモードに構成するために、接触器Ｋ１、Ｋ２、Ｋ６、Ｋ７、Ｋ８、Ｋ１３、Ｋ１７、およびＫ２０は、閉鎖される一方、Ｋ３、Ｋ４、Ｋ５、Ｋ９、Ｋ１０、Ｋ１４、Ｋ１５、Ｋ１６、Ｋ１８、Ｋ１９、およびＫ２１は、開放される。結果として、図２０Ａの簡略化された回路図に示されるようなトラクション電力経路が、形成される。図２０Ａでは、同じ再充電可能バッテリが、両モータを駆動するために接続される。

図１９に示されるシステムを充電モードに構成するために、接触器Ｋ１、Ｋ２、Ｋ６、Ｋ７、Ｋ８、Ｋ１３、Ｋ１７、およびＫ２０は、開放される一方、Ｋ３、Ｋ４、Ｋ５、Ｋ９、Ｋ１０、Ｋ１４、Ｋ１５、Ｋ１６、Ｋ１８、Ｋ１９、およびＫ２１は、閉鎖される。結果として、図２０Ｂの簡略化された回路図に示されるような充電電力経路が、形成される。システムが、充電モードに構成されると、完全に絶縁された２ステージ充電器が、提供され、それは、完全３相ブーストＰＦＣフロントエンドステージと、完全に絶縁されたＤＣ／ＤＣリアエンドとを備えている。フロントエンドステージでは、巻線コイルＡ、コイルＢ、およびコイルＣは、ブーストインダクタとして、インバータ１内の電力スイッチデバイスＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ５、およびＳＷ６は、ブーストＰＦＣスイッチとしての機能を果たす。リアＤＣ／ＤＣステージでは、インバータ２内の電力スイッチデバイスＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ５、およびＳＷ６は、３相Ｈブリッジドライブを構成し、巻線コイルＡ１、コイルＢ１、およびコイルＣ１は、変圧器の一次巻線として、コイルＡ２、コイルＢ２およびコイルＣ２は、変圧器の二次巻線としての機能を果たす。

充電モード下で、ＰＦＣブーストフロントエンドステージは、グリッドに対して力率補正を実施しながら、グリッド多重相電圧をＤＣ電圧に変換し得る。次いで、リアエンドステージ内のＨブリッジは、完全絶縁が達成されるように、第１のステージからのＤＣ電力を入力としてとり、それをＡＣ電力にインバートし、インバートされたＡＣ電力をモータ巻線によって形成される変圧器に通し得る。変圧器から出力されたＡＣ電力は、再充電可能バッテリを充電するためのＤＣ電力を発生させるように、出力ブリッジ整流器に、次いで、出力フィルタに印加される。

本教示は、主に、電気車両の文脈で説明されるが、本明細書に開示される本発明の概念および着想は、１つ以上の電気モータと、１つ以上の電気エネルギー貯蔵デバイス（再充電可能バッテリ等）とを含む任意の電気装置に適用可能である。そのような電気装置の例は、限定ではないが、プラグイン電気ハイブリッド車両、電気船舶、電気飛行機、電車、電気オートバイ、電気自転車、電気スケートボード、電気ツール、電気ドローン、電気潜水艦、および電気機械類、例えば、電気ブルドーザ、電気牽引機、電気フォークリフト、電気掘削機等を含む。本発明の概念および着想は、防爆電気車両、防爆電気ツール、防爆トラック車両等の特殊目的の電気機器にも用途を見出し得る。

トラクションモードと充電モードとの間の接続を再構成するために使用されるコンフィグレータは、機械的スイッチ、電気磁気接触器、ソリッドステートスイッチ、または電気結合から接続解除またはそれに接続し得る任意のタイプの切り替え機構で構成されることができることが、当業者に明白であろう。

インバータは、任意の多重相インバータであることができることが、当業者に明白であろう。インバータ内の電力スイッチデバイスは、シリコンＩＧＢＴ電力モジュール、ＭＯＳＦＥＴＳ、または関わる電力レベルを切り替えるために好適な任意の他の電力切り替えデバイスであり得る。電力スイッチデバイスは、シリコン、ＧａＮ、ＳｉＣ、または任意の他の技術に基づき得る。

本教示を実現するために採用されるモータは、限定ではないが、非同期誘導モータ、ＰＭＳＭモータ、ＢＬＤＣモータ、ＢＬＡＣモータ、リラクタンスモータを含む巻線の少なくとも２つの相から成る、任意のタイプのモータであることができることが、当業者に明白であろう。

本教示は、電気車両のインバータおよびモータ内に前から存在する構成要素を利用するので、最大充電電力は、限定される。より高い電力容量を有するモータおよびインバータが、充電電力上限を増加させるために使用され得ることが、当業者によって理解されるであろう。加えて、車両からの要求に応じて、充電システムは、最大充電レベルを下回る電力でバッテリを充電することが可能である。

本明細書に開示される設計に関して、モータ内の巻線およびインバータ内の電力スイッチデバイスは、２ステージブーストおよびバック完全絶縁切り替え電源を形成するために使用され得る。

本明細書に開示される設計に関して、２つ以上の組の巻線が、少なくとも１つのステータ歯上に提供され得る。少なくとも１つのステータ歯は、変圧器コアとして動作し、モータ回転子の回転を伴わずに、電力を一次巻線から二次巻線に伝達し得る。

本明細書に開示される設計に関して、その一端が元々のモータステータ点に接続される１つ以上のモータステータ巻線は、接触器の組および２ステージ完全絶縁切り替え電源の形態構成要素を通して、モータステータ点から接続解除されることが可能である。

本明細書に開示される設計に関して、接触器の組を通して、トラクションモードで元々電気的に接続される巻線は、充電モードでは、２組の完全絶縁巻線を形成するために使用され得る。

前述は、本教示および／または他の例を構成することが検討されるものを説明したが、種々の修正が、それらに行われ得、本明細書に開示される主題が、種々の形態および例内に実装され得、本教示が、多数の用途において適用され得、そのうちのいくつかのみが、本明細書に説明されることを理解されたい。以下の請求項によって、本教示の真の範囲内に該当する、あらゆる用途、修正、および変形例を請求することが意図される。

Claims (1)

1. 本明細書に記載の発明。

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