JP2023177345A - カスケード式インバータを含む電力供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】カスケード式インバータを含む電力供給装置を提供する。【解決手段】整流器、整流器に接続されたコンバータ、複数のバッテリ管理システムコントローラ及び複数のインバータを含む電力供給装置であって、複数のバッテリ管理システムコントローラは、コンバータに接続され、且つ、複数のバッテリパックに接続する。各バッテリパックは、専用のバッテリ管理システムコントローラに接続される。複数のインバータは、複数のバッテリパックに接続する。各インバータは、複数のバッテリパックの１つに接続する。最初のインバータ及び最後のインバータは、負荷に接続する端子を提供する。カスケード式コンバータは、複数のバッテリパックの充電要件を満たすために、同一の巻数を有する複数の２次巻線を有する高周波絶縁トランスを有するチャージャを用いる。【選択図】図６

Description

関連出願
本出願は、２０２２年６月１日出願の米国仮特許出願第６３／３４７，８６９号明細書及び２０２２年８月８日出願の米国仮特許出願第６３／３７０，７５０号明細書の利益を主張するものであり、これらの各々の内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。

電源は、カスケード式インバータを含み得る。カスケード式インバータは、バッテリパックを充電する従来の技術と異なり、充電及び放電のために同じインバータ端子を使用し得る。１つの開示されたカスケード式インバータは、パックを充電するための代替ポートを提供し、それにより、インバータ端子は、同時に臨界負荷に対応するために利用可能である。加えて、カスケードインバータは、複数のバッテリを充電するように構成され得、バッテリパックの充電プロセスを最低充電状態（ＳＯＣ）で開始し得る。インバータのＡＣ電源は、バッテリパック及びインバータ端子から電気的に絶縁され得る。提案されるトポロジでは、充電サイクルの終わりに全てのバッテリパックが同一の電圧レベルまで充電されている。そのような実施形態では、充電プロセスは、最低ＳＯＣを有するパックから始まるため、異なる充電状態（ＳＯＣ）を有するパックが同時に充電され得る。

本明細書で説明される実施形態は、整流器と、整流器に接続されたコンバータとを含む電力供給装置を提供する。複数のバッテリ管理システムコントローラは、コンバータに接続され、且つ複数のバッテリパックに接続するように構成され、及び各バッテリパックは、専用のバッテリ管理システムコントローラに接続されるように構成される。複数のインバータは、複数のバッテリパックに接続するように構成され、各インバータは、複数のバッテリパックの１つに接続するように構成される。バッテリ管理システムコントローラによって複数のバッテリパックが充電されている間、複数のインバータからの最初のインバータ及び最後のインバータは、負荷に接続し、且つ負荷に電力供給するように構成された端子を提供する。

本明細書で説明される実施形態は、ハウジングと、整流器と、整流器に接続されたコンバータとを含む可搬型電力供給装置を提供する。複数のバッテリ管理システムコントローラは、コンバータに接続され、且つ複数のバッテリパックに接続するように構成され、及び各バッテリパックは、専用のバッテリ管理システムコントローラに接続されるように構成される。複数のインバータは、複数のバッテリパックに接続するように構成され、各インバータは、複数のバッテリパックの１つに接続するように構成される。可搬型電力供給装置は、電力出力部を更に含み、複数のインバータの最初のインバータ及び最後のインバータは、電力出力部に接続された端子を提供する。

本明細書で説明される実施形態は、複数のバッテリパックに接続するように構成された複数のインバータを含むカスケード式インバータを提供する。各インバータは、複数のバッテリパックの１つに接続するように構成され、複数のインバータを介して複数のバッテリパックが充電されている間、複数のインバータの最初のインバータ及び最後のインバータは、負荷に接続し、且つ負荷に電力供給するように構成された端子を提供する。

本明細書で説明される実施形態は、整流器及び複数のバッテリ管理システムコントローラを含む電力供給装置を提供する。複数のバッテリ管理システムコントローラは、複数のバッテリパックに接続するように構成され、及び各バッテリパックは、専用のバッテリ管理システムコントローラに接続されるように構成される。コンバータは、整流器及びバッテリ管理システムコントローラに接続され、且つ高周波（「ＨＦ」）絶縁トランスを介して整流器からバッテリ管理システムコントローラに電力を伝達するように構成される。コンバータは、複数のバッテリ管理システムコントローラの少なくとも１つに接続される最低電圧のバッテリパックの電圧に基づき、複数のバッテリパックを充電しながら、ＨＦ絶縁トランスの初期の巻線比率を適応的に調整するように構成される。

本明細書で説明される実施形態は、複数のバッテリパックを適応的に充電する方法を提供し、本方法は、複数のバッテリ管理システムコントローラを介して複数のバッテリパックを整流器に接続することと、コンバータの高周波（「ＨＦ」）絶縁トランスを介して整流器からバッテリ管理システムコントローラまで電力を伝達することとを含む。本方法は、複数のバッテリ管理システムコントローラの少なくとも１つに接続される最低電圧のバッテリパックの電圧に基づき、複数のバッテリパックを充電しながら、コンバータを介してＨＦ絶縁トランスの初期巻線比率を適応的に調整することも含み、それにより、最低電圧のバッテリパックは、複数のバッテリパック内の他のバッテリパックよりも先に充電される。

いずれかの実施形態を詳細に説明する前に、実施形態は、その適用において、以下の説明で述べられるか又は添付図面に示される構成要素の構成及び配置の詳細に限定されないことを理解されたい。実施形態は、様々な態様で実施又は実行することが可能である。本明細書で使用される語法及び用語は、説明目的のためのものであり、本発明を限定するものとみなすべきでないことも理解されたい。「包含する」、「含む」又は「有する」及びこれらの変化形の使用は、以降に列挙する項目及びその均等物並びに追加的項目を包含することを意図する。別段の明示又は限定がない限り、「取り付けられる」、「接続される」、「支持される」及び「結合される」という用語並びにその変化形は、広い意味で使用され、直接的及び間接的の両方の取付け、接続、支持及び結合を含む。

加えて、実施形態は、ハードウェア、ソフトウェア及び電子構成要素又はモジュールを含み得、これらは、議論の目的のために、構成要素の大部分がハードウェアのみで実装されているかのように図示及び説明される場合があることを理解されたい。しかしながら、当業者は、この詳細な説明を読むことに基づき、少なくとも１つの実施形態において、電子ベースの態様が、マイクロプロセッサ及び／又は特定用途向け集積回路（「ＡＳＩＣ」）等の１つ以上の処理ユニットによって実行可能なソフトウェア（例えば、非一時的コンピュータ可読媒体に格納された）で実装され得ることを認識するであろう。このように、複数のハードウェア及びソフトウェアベースのデバイス並びに複数の異なる構造的構成要素を利用して、これらの実施形態が実装され得ることに留意すべきである。例えば、本明細書に記載される「サーバ」、「計算装置」、「コントローラ」、「プロセッサ」等は、１個以上の処理ユニット、１個以上のコンピュータ可読媒体モジュール、１個以上の入出力インターフェース及び構成要素を接続する様々な接続部（例えば、システムバス）を含むことができる。

量又は状態との関連で用いる相対用語、例えば「約」、「ほぼ」、「実質的に」等は、宣言された値を含み、文脈で言及された意味を有する（例えば、その用語は、少なくとも測定精度に関連付けられた誤差、特定の値に関連付けられた公差［例えば、製造、組み立て、使用等］等を含む）ことが当業者に理解されるであろう。このような用語は、２つの端点の絶対値により定義される範囲を示すものとも考えるべきである。例えば、「約２～約４」という表現は、「２～４」の範囲も示す。相対用語は、示された値の百分率（例えば、１％、５％、１０％又はそれを超える％）のプラス又はマイナスを指し得る。

特定の図面は、特定のデバイス内にあるハードウェア及びソフトウェアを例示するが、これらの描写は、例示を目的とするものにすぎないことが理解されるべきである。本明細書において１つの構成要素により実行されるものと説明される機能は、複数の構成要素により分散的に実行され得る。同様に、複数の構成要素により実行される機能は、統合されて単一の構成要素により実行され得る。いくつかの実施形態では、示される構成要素は、組み合わされ得るか、又は別個のソフトウェア、ファームウェア及び／若しくはハードウェアに分割され得る。例えば、ロジック及び処理は、単一の電子プロセッサ内に配置され、そのプロセッサによって実行される代わりに、複数の電子プロセッサに分散され得る。それらがどのように組み合わされるか又は分割されるかに関わらず、ハードウェア及びソフトウェア構成要素は、同じコンピューティングデバイス上に位置し得るか、又は１つ以上のネットワーク若しくは他の適切な通信リンクにより接続された異なるコンピューティングデバイス間で分散され得る。同様に、特定の機能を実行するものと記載される構成要素は、本明細書に記載されない追加の機能も実行し得る。例えば、特定の態様で「構成された」デバイス又は構造は、少なくともその態様で構成されるが、明示的に列挙されない別の態様で構成され得る。

実施形態の他の態様は、詳細な説明及び添付図面を考慮することによって明らかになるであろう。

可搬型電力供給デバイスの斜視図を示す。 複数のバッテリを含むバッテリパックを示す。 バッテリパック及びコントローラに接続されたインバータを含む電力供給装置のハードウェア概略図を示す。 図２Ａは、２つのカスケードステージを有するカスケード式インバータを示す。図２Ｂは、図２Ａに示すカスケード式インバータのスイッチング方式を示す。 図３Ａは、６つのカスケードステージを有するカスケード式インバータを示す。図３Ｂは、図３Ａに示すカスケード式インバータのスイッチング方式を示す。 図４Ａは、２つのカスケードステージ、２つの出力インダクタ及び全波整流器を有するカスケード式インバータの充電方式を示す。図４Ｂは、２つのステージを有するカスケード式インバータを充電するスイッチング方式を示す。 図５Ａは、ｎ個のカスケードステージ、２つの出力インダクタ及び全波整流器を有するカスケード式インバータの充電方式を示す。図５Ｂは、ｎ個のステージを有するカスケード式インバータを充電するスイッチング方式を示す。 カスケード式インバータと共に使用するチャージャの電力フローの概略図を表す。 カスケード式インバータと共に使用するチャージャの概略図を表す。 図８Ａは、インバータが同時に１２０ＶＡＣ又は２３０ＶＡＣシステムの負荷に電力を供給しながら、複数のバッテリパックを充電するカスケード式インバータの概略図を示す。図８Ｂは、図８Ａに示すコンバータであって、コンバータのトランスの１次巻線と２次巻線との間の巻線比率を変更するように構成されたコンバータを示す。 図８Ｂに示すコンバータの巻線の変更を可能にする判定ループを示す。

大部分のバッテリチャージャは、２ステージの電力変換を含む。第１のステージでは、入力交流（「ＡＣ」）電力は、良好な入力力率及び低い電流高調波を保証する力率改善トポロジを使用して、固定直流（「ＤＣ」）バス電圧に変換される。ブーストコンバータの出力は、軽い負荷条件下でさえブースト動作を実現するために、ある十分に高い電圧に固定される。第２のステージでは、ブーストコンバータからの固定出力電圧は、高周波スイッチモード電力供給（「ＳＭＰＳ」）トランスに供給され、固定ＤＣ電圧は、ＳＭＰＳトランスの１次側の両端間でのパルス幅変調ＡＣ電圧に変換される。ＳＭＰＳトランスの出力は、整流され、次いでバッテリの充電状態（「ＳＯＣ」）に応じて定電流モード又は定電圧モードのいずれかでバッテリに供給されて、バッテリが充電される。ＳＭＰＳの出力電圧は、ＳＭＰＳトランスの１次巻線におけるスイッチのパルス幅を制御することにより制御される。絶縁及びレベル変換を提供するためのＳＭＰＳトランスを有するＤＣ－ＤＣコンバータトポロジは、所望の電力レベル、コスト及びサイズ制約に応じて、フルブリッジコンバータ、フォワードコンバータ又は共振コンバータであり得る。

これに対して、カスケードインバータの多くの実装形態は、枯渇したバッテリパックアレイを入力ＡＣ電源から充電するために同じインバータスイッチを使用する。カスケード式トポロジの全てのバッテリパックが、とりわけ、特定のプラットフォームにおいて使用される場合、それらの全てが同じ速度で放電する可能性が高い。これらのパックは、インバータスイッチを使用して、直列に同時に充電され得る。

加えて、インバータは、全て直列に接続されるため、独立したバッテリパックは、全て同じ速度で放電され得る。開始電圧が同一である場合、全てのパックは、それらの放電サイクルの終了時にほぼ同じ電圧にあると考えることができる。しかしながら、セルは、多くの理由に起因して、放電終了時に異なる電圧を有し得る。例えば、場合により、いくつかのバッテリパックが熱的問題を呈した場合に交換され、特定のバッテリパックが冗長であり、節約されながら使用されるか、又はより大きい構成の中心にあるいくつかのバッテリパックが熱的にストレスを受けて一定期間にわたって迂回され、その結果、これらバッテリパックは、グループにおける他のバッテリパックと比較して充電状態（ＳＯＣ）が一致しなくなる。

低電圧ＡＣ出力を生成するために、低電圧セルパックが使用され得る。複数の低電圧インバータ出力が直列に接続され得、その結果、使用領域に応じて、１２０ＶＡＣ用途又は２３０ＶＡＣ用途のいずれかに適合するＡＣ電圧の合計出力が得られる。多くの場合、パックを充電するための電力ポートとして、直列に接続されたインバータが使用される。これにより、インバータは、双方向電力コンバータとして挙動する。残念ながら、これは、充電プロセス中、インバータ端子が追加の負荷に電力を送達するために利用可能でないことを意味する。加えて、従来の技術によれば、インバータ端子は、充電のために使用されているとき、ＡＣ電源に直接接続される。したがって、入力ＡＣ電源とバッテリパックとの間に電気的絶縁が存在しない。

カスケード式インバータ方式は、同じインバータ部分を使用して、バッテリパックを時間多重化した方式で充電できる。しかしながら、これは、従来の技術のように、充電期間中に他の負荷に電力供給するためのインバータ出力の「パススルー」の使用を不可能にし得る。充電中、追加の負荷に電力供給するためのパススルー電力フィーチャに対応するために、充電プラットフォームに別個の追加のチャージャが追加され得る。カスケード式トポロジの様々なバッテリパックを充電するために、別個のチャージャが使用され得る。別個のチャージャの使用により、たとえ内部バッテリパックが充電されているときでも、インバータが臨界負荷に電力供給することが可能になり得る。チャージャは、完全な充電状態（ＳＯＣ）に近い状態を既に達成したバッテリパックを接続解除するためのスマート接続解除スイッチに依存しながら、様々なパックを同時に充電できる。

本明細書で開示される複数の実施形態によれば、カスケード式インバータバッテリ充電方式は、パルス振幅変調（「ＰＡＭ」）（例えば、ＰＡＭインバータ）を使用し、電力変換の第２のステージに対するストレスを低下させるか又はこのステージを大幅に変更して電力コンバータの全体的なＶＡ率を低下させることができる。更には、本明細書で開示されるいくつかの実施形態に従って使用される第２のステージが、複数の電力巻線を含んで、カスケード式インバータトポロジにおいて使用される多数のバッテリパックの必要性を満たすことができる。開示されたカスケード式インバータは、バッテリパック充電の必要性に応じて、電力巻線における巻線の数を適応的に変更するようにも構成され得る。

図１Ａは、可搬型電力供給デバイス又は電力供給装置１を示す。電力供給装置１は、とりわけ、ハウジング２を含む。いくつかの実施形態では、ハウジング２は、１つ以上の車輪４及びハンドルアセンブリ６を含む。例示された実施形態では、ハンドルアセンブリ６は、伸長位置と折り畳み位置との間で可動の伸縮式ハンドルである。ハンドルアセンブリ６は、内側チューブ８及び外側チューブ１０を含む。内側チューブ８は、外側チューブ１０の内部に密に収まり、外側チューブ１０に対してスライド可能である。内側チューブ８は、水平の把持部材１２に結合される。いくつかの実施形態では、ハンドルアセンブリ６は、内側チューブ８が外側チューブ１０に対して偶然に移動してしまうことを防止するために、ロック機構を更に含む。ロック機構は、ハンドルアセンブリ６が伸長位置及び／又は折り畳み位置にあるとき、内側チューブ８が外側チューブ１０に対してスライドすることを阻止するためのノッチ、スライドキャッチピン又は別の適切なロック機構を含み得る。実際には、ユーザが、把持部材１２を握り、上に引き上げて、ハンドルアセンブリ６を伸ばす。内側チューブ８は、ハンドルアセンブリ６が伸長位置でロックされるまで、外側チューブ１０に対してスライドする。その後、ユーザは、ハンドルアセンブリ６によって電力供給装置１を引っ張り、所望の場所へ誘導することができる。電力供給装置１の車輪４は、そのような移動を容易にする。

電力供給装置１のハウジング２は、電力入力ユニット１４、電力出力ユニット１６及びディスプレイ１８を更に含む。図示する実施形態では、電力入力ユニット１４は、外部電源から電力を受け取るように構成された複数の電気接続インターフェースを含む。いくつかの実施形態では、外部電源は、ＤＣ電源である。例えば、ＤＣ電源は、１つ以上の光起電力セル（例えば、ソーラーパネル）、電気自動車（ＥＶ）充電ステーション又は任意の他のＤＣ電源であり得る。いくつかの実施形態では、外部電源はＡＣ電源である。例えば、ＡＣ電源は、北米で見られる１２０Ｖコンセント又は２４０Ｖコンセントなど、従来の壁面コンセントであり得る。別の例として、ＡＣ電源は、北米以外で見られる２２０Ｖコンセント又は２３０Ｖコンセントなど、従来の壁面コンセントであり得る。いくつかの実施形態では、電力入力ユニット１４は、従来の壁面コンセントに差し込むように構成されたケーブルで代替されるか、又はそのようなケーブルを追加的に含む。いくつかの実施形態では、電力入力ユニット１４は、外部電源から電力を無線で受け取るように構成されている、アンテナ又は誘導コイルなどの１つ以上のデバイスを更に含む。電力入力ユニット１４によって受け取られた電力は、電力供給装置１のハウジング２の内部に配置されたコアバッテリ又は内部電源２０を充電するために使用され得る。

電力入力ユニット１４によって受け取られた電力は、電力出力ユニット１６に接続された１つ以上のデバイスに電力を供給するためにも使用され得る。電力出力ユニット１６は、もう１つの電力出力部を含む。図示した実施形態では、電力出力ユニット１６は、複数のＡＣ電力出力部１６Ａ及びＤＣ電力出力部１６Ｂを含む。電力出力ユニット１６に含まれる電力出力部の数は、図１Ａに示す電力出力部の数に限定されないことが理解されるべきである。例えば、電力供給装置１のいくつかの実施形態では、電力出力ユニット１６は、電力供給装置１の図示する実施形態に含まれる電力出力部よりも多い又は少ない電力出力部を含み得る。

いくつかの実施形態では、電力出力ユニット１６は、内部電源２０によって出力された電力を１つ以上の周辺デバイスに供給するように構成される。いくつかの実施形態では、電力出力ユニット１６は、外部電源によって供給された電力を１つ以上の周辺デバイスに直接供給するように構成される。１つ以上の周辺機器は、スマートフォン、タブレットコンピュータ、ラップトップコンピュータ、携帯音楽プレーヤ、電動工具、電動工具バッテリパック、電動工具バッテリパックチャージャ等であり得る。周辺デバイスは、電力出力ユニット１６からＤＣ及び／又はＡＣ電力を受け取るように構成され得る。

いくつかの実施形態では、ＤＣ電力出力部１６Ｂは、電動工具バッテリパックを収容し充電するための１つ以上のソケットを含む。そのような実施形態では、バッテリパックソケット１６Ｂに収容さ又は接続された電動工具バッテリパックは、内部電源２０によって出力された電力及び／又は外部電源から直接受け取った電力を用いて充電される。いくつかの実施形態では、バッテリパックソケット１６Ｂに接続された電動工具バッテリパックは、内部電源２０及び／又は電力出力ユニット１６のコンセントに接続された１つ以上の周辺デバイスに電力を供給するために使用される。いくつかの実施形態では、電力出力ユニット１６は、工具固有の電力出力部を含む。例えば、電力出力ユニットは、溶接工具に給電するために使用されるＤＣ電力出力部を含み得る。

ディスプレイ１８は、内部電源２０の充電状態及び／又は不具合状態など、電力供給装置１の状態をユーザに示すように構成される。いくつかの実施形態では、ディスプレイ１８は、内部電源２０の現在の充電状態を発光して表示するように構成された１つ以上の発光ダイオード（「ＬＥＤ」）インジケータを含む。いくつかの実施形態では、ディスプレイ１８は、例えば、液晶ディスプレイ（「ＬＣＤ」）、発光ダイオード（「ＬＥＤ」）ディスプレイ、有機ＬＥＤ（「ＯＬＥＤ」）ディスプレイ、エレクトロルミネセントディスプレイ（「ＥＬＤ」）、表面伝導電子エミッタディスプレイ（「ＳＥＤ」）、電界放出ディスプレイ（「ＦＥＤ」）、薄膜トランジスタ（「ＴＦＴ」）ＬＣＤ等である。他の実施形態では、電力供給装置１は、ディスプレイを含まない。

ここで、図１Ｂを参照すると、複数の実施形態によるバッテリパック１０２が示される。バッテリパックは、直列に接続された複数のバッテリ１０４を含む。複数のバッテリは、用途ごとに数が変化し得る（図１Ｂに丸印１０６で示される）。例えば、バッテリパック１０２は、端子１０３を介して直列に接続された４個のバッテリ、５個のバッテリ、１０個のバッテリ等を含み得る。バッテリ１０４の各々が複数のセル１０８を含み得る。複数のセル１０８は、用途ごとに変化し得る（図１Ｂに丸印１０６として示される）。例えば、各バッテリ１０４は、１０個のセル、１２個のセル、２０個のセル等を含み得る。バッテリパック１０２は、導体を介して負荷（図示せず）に接続されるとき、導体を介して電流を負荷に送達するように構成された端子１１３も含む。

図１Ｃは、バッテリパック１５４及びコントローラ１５６に接続されたインバータ１７０を含む電力供給装置１００のハードウェア概略図１５０を示す。バッテリパック１５４は、センサ１５８に接続される。センサ１５８は、バッテリパック１５４の電気特性（例えば、バッテリパック１５４の端子間の電圧、バッテリパック１５４の電流出力、バッテリパック１５４のセル１０８の端子間の電圧等）を感知するように構成される。コントローラ１５６は、論理ユニット１６４を含む処理ユニット１６２を含む。コントローラ１５６は、プログラム（例えば、スイッチング論理プログラム）及びデータ（例えば、センサ１５８からのデータ）を格納するように構成されたメモリ１６６も含む。コントローラ１５６は、センサ１５８を介して（例えば、静止状態の又は放電中の）バッテリパック１５４の電気特性を取得し、論理ユニット１６４を使用してスイッチング論理プログラムを実行することにより、電気特性を評価するように構成される。コントローラ１５６は、制御信号をインバータ１７０に通信するように更に構成される。

ここで、図２Ａ～２Ｄを参照すると、第１のステージ２０２及び第２のステージ２０４並びに独立したバッテリパック２０３を有するカスケードインバータ２００が図２Ａに示される。ゲート制御方式２０６をこのトポロジに対する出力電圧波形２０８と共に図２Ｂに示す。各インバータブリッジ２１０、２１２のデューティサイクルを変えることにより、出力電圧波形２０８がステップを有するようにできる。熱的負荷を均一にし、依然として、いかなる既存の出力電圧要件も満たすために、デューティサイクルは循環される。負荷２１６により既定される電圧及び電流の必要性を満たすために、電流感知抵抗２１４を使用して、スイッチＳ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４、Ｓ２１、Ｓ２２、Ｓ２３、Ｓ２４のデューティサイクルを変える。抵抗は保護目的のためにも使用され、過電流条件が存在する場合、図２ＡのＦＥＴ Ｑ１をオフにすることにより、モジュールをオフにすることができる。バッテリパック２０３をカスケードインバータ２００に接続するＤＣバスにおいて、ヒューズ（図示せず）の形態の追加ハードウェア保護が使用され得る。図２Ｂで分かるように、この方式はＤＣ入力電流の逆転を容易にして、負荷２１６に電力供給するための、概略的なＡＣ電流波形を生成する。

ここで、図３Ａ～３Ｂを参照すると、６つのステージ３０２～３０４を有するカスケード式インバータ３００が示される。熱均衡をもたらし、同時にいかなる既存の出力電圧要件も満たすために、図３Ｂのゲート制御方式３０６に対する出力波形３０８が特定の期間にわたるパルス幅均一化と共に使用され得る。各インバータブリッジ３１０～３１２のデューティサイクルを変えることにより、出力電圧波形３０８がステップを有するようにできる。パルス幅３１８を変えることにより、図３Ｂに示すように、より多くの階段を有する出力電圧波形３０８が実現可能である。図３Ｂに示すようなゲート制御方式３０６が常に維持される場合、カスケード状構造における各インバータ部分３１０～３１２にわたって不均一な熱応力がもたらされ得る。熱応力を均衡化させるために、ゲート制御方式３０６は、インバータ部分３１０～３１２の中で循環され得る。これを行うことにより、最低のデューティサイクルを有するインバータは、異なる時間においてより長いデューティサイクルを有し得る。

ここで、図４Ａ及び４Ｂを参照すると、上部インバータステージ４０２及び底部インバータステージ４０４を含む２ステージのカスケード式トポロジ４００についての充電方式が図４Ａに示され、それに対応するゲート制御４０６が図４Ｂに示される。電源４２０の瞬間的な整流された電圧が、バッテリパック４０３の既存の電圧よりも低い場合、整流器ダイオードＤ１１、Ｄ１２、Ｄ１３、Ｄ１４、Ｄ２１、Ｄ２２、Ｄ２３、Ｄ２４がこの経路を遮断するため、電流が流出することはない。しかしながら、電源４２０の整流された電圧が、バッテリパック４０３の電圧よりも高い場合、電流がバッテリパック４０３内に流入する。第１の瞬間において、充電電流は、上部のインバータステージ４０２のみを通って流れる。電流経路は、以下の通りである：Ｖｒｅｃ＋－Ｌ１－Ｓ１１－Ｂａｔ１＋－Ｂａｔ１－－Ｓ１２－Ｓ２４－Ｓ２２（Ｄ２２）－Ｌ２－Ｖｒｅｃ－。充電のこの部分中、下側のインバータステージ４０４は、迂回される。第２の瞬間において、充電電流は、上部のインバータステージ４０２及び底部のインバータステージ４０４を通って流れる。この期間中、瞬間的な整流された電圧は、より高い場合があり、バッテリパック４０３への電流は、事前に指定された最大リップル値を超えないように制御され得る。導電の第２の瞬間中の電流経路は、以下の通りである：Ｖｒｅｃ＋－Ｌ１－Ｓ１１－Ｂａｔ１＋－Ｂａｔ１－－Ｓ１２－Ｓ２１－Ｂａｔ２＋－Ｂａｔ２－－Ｓ２２（Ｄ２２）－Ｌ２－Ｖｒｅｃ－。言及したように、バッテリパック４０３に電力を伝達するために使用されるスイッチＳ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４、Ｓ２１、Ｓ２２、Ｓ２３、Ｓ２４のデューティサイクルを制御することにより、この電流の平均値を制御できる。

図４Ｂに示すように電圧レベルの数が低い場合、入力電流は、脈動する場合がある。しかしながら、カスケードステージの数が増加すると、電流は、サイクル全体にわたって分散され得、その結果、電流高調波歪みがより低下し、より高い力率での動作になる。このシナリオは、図５Ａに示される６ステージカスケード式トポロジのための充電方式を使用して対処できる。図５Ａのカスケードインバータのための対応する充電ゲート制御方式が図５Ｂに示される。

図４Ａ及び図５Ａに示す実施形態では、インバータ端子５、７は、ＡＣ電源から個々のバッテリパック４０３、５０３に電力を伝達するために使用される。したがって、インバータ端子５、７は、負荷に対応するために利用可能ではない。バッテリパック４０３、５０３が充電されているとき、顧客がインバータ端子５、７の両端間に負荷を接続することを可能にする市場ニーズがある場合、従来の充電方式は、この所望のニーズに対応することが可能でないであろう。いくつかの実施形態では、個々のバッテリパック４０３、５０３は、バッテリパック４０３、５０３が充電されているときに臨界負荷に対応するための使用時にインバータ端子５、７が利用可能となるように、インバータ端子５、７とは無関係に充電される。

ここで、図６を参照すると、複数の実施形態による、カスケード式インバータ充電方式６０２に関するハードウェア概略図６００が示される。ＡＣ電源６０４は、ＡＣ－ＤＣ整流器６０６に接続され、ＤＣ電流をＤＣ－ＤＣコンバータ６０８に供給するように構成される。ＤＣ－ＤＣコンバータ６０８は、複数の充電コントローラ６１２を介して複数のバッテリパック６１０を充電するために、ＤＣ電流を調整するように構成される。各バッテリパック６１０は、専用のインバータ６１４に結合される。インバータ６１４は、直列に接続され、バッテリパック６１０が充電コントローラ６１２を介して充電されている間に負荷６１６に電力供給するように構成される。

いくつかの実施形態では、入力ＡＣ電源を低い入力電流高調波を有するＤＣに整流するために、力率改善（「ＰＦＣ」）コンバータが使用される。これらの実施形態では、ＰＦＣコンバータの出力は、バッテリパックの充電状態（「ＳＯＣ」）に応じて変化される。カスケードインバータ内に複数の独立したバッテリパックが存在するため、最低充電状態を有するバッテリパックをバッテリパックＳＯＣのベンチマークとして使用することができる。これは、ＰＦＣコンバータの出力において低いＤＣ電圧をもたらし得るが、この値は、良好なＰＦＣ動作のための最小ＤＣ出力電圧（１２０ＶＡＣ電源のための１７５ＶＤＣ及び２３０ＶＡＣ電源のための３３２ＶＤＣ）以上でなければならない。次いで、ＰＦＣからの変動するＤＣ出力電圧は、高周波（「ｈｆ」）トランスベースのＤＣ－ＤＣコンバータに供給されて、レベル変換され、変動するＤＣ電圧が絶縁される。ハードで切り替えられたフルブリッジ又はハーフブリッジコンバータトポロジが使用される場合、ｈｆトランスベースのＤＣ－ＤＣコンバータは、５０％に近い固定デューティサイクルにて又は他の最適動作点にて切り替えられる。

共振コンバータがＤＣ－ＤＣコンバータのための好適なトポロジとして使用される場合、ＤＣ－ＤＣコンバータにおけるスイッチのスイッチング周波数は、最適スイッチング周波数にて一定に保持され得る。こうすることにより、改善された動作効率を、小さくて管理可能なＥＭＩフットプリント及び特定の工業ガイドラインを満たすのに必要なＥＭＩフィルタのための決定論的な値と共に実現することに役立ち得る。

バッテリ充電アルゴリズムでは、正確な制御が提供されるように、バッテリパック内に流入する充電電流が監視され得る。いくつかの実施形態では、多数の独立したバッテリパックが存在する。電圧フィードバックのために最低ＳＯＣを有するパックを選択することと同様に、電流フィードバックを提供するために最低ＳＯＣを有する同じパックが使用されて、最適な制御性が確実になる。

既知の充電トポロジと、本明細書で開示されるものとの間の顕著な違いの１つは、高周波（「ｈｆ」）絶縁トランスが複数の２次巻線を有して、複数のバッテリパックの充電要件を満たし得ることである。図３Ａに示すように、カスケード式トポロジが６つのステージを有する場合、本明細書で開示されるＳＭＰＳトランスの２次側は、６つの独立した巻線を含み得る。カスケード式トポロジにおける様々なインバータのための電圧源として使用されるバッテリパック電圧は、典型的には、同じ振幅を有し、それにより独立した２次巻線が同じ巻数を有することが可能である。必要とされる巻数比率は、負荷にエネルギーを供給するためにバッテリパックが使用されているとき、放電して到達する最低のパック電圧に対して計算される。所与の入力ＡＣ電圧源に対して、適当なＰＦＣ動作のために必要とされる最小ＤＣ電圧を維持しながら、適切な動作のための１次電圧と２次電圧との間の巻数比率を計算できる。表１は、北米市場及び世界の他地域における、開示されたカスケード式インバータ充電方式の実施形態の例示的な出力を含む。

ここで、図７を参照すると、開示されたカスケード式インバータ充電方式７０２と共に使用するチャージャ７００の概略図が示される。カスケード式コンバータ７０６における各インバータモジュール７０４は、バッテリ管理システム（「ＢＭＳ」）コントローラ７０８を有して、バッテリパック７１０の充電状態を監視し、充電ＦＥＴ ＭＯＳＦＥＴ ７１２も制御し得る。ＢＭＳコントローラ７０８は、バッテリパック７１０の温度も監視し、中心温度が所定の値を超える場合、充電ＦＥＴ ７１２をオフにすることにより保護を提供する。ＢＭＳコントローラ７０４からの出力は、「ＣＣ／ＣＶフィードバック」ボックス７１４として示され、その出力は、図７のバッテリパックＡについて、Ｖ_{ｂａｔｔｅｒｙ（ｆｄｂｋＡ）}と確認される。この値は、カスケード式インバータ充電方式７０２における異なるバッテリパック７１０ごとに収集される。コンバータ７０６における各インバータモジュール７０４は、電流センサ７１６を含む。電流センサ７１６の出力は、バッテリパック７１０ごとに収集される。インバータモジュール７０４のＢＭＳコントローラ７０８は、最低ＳＯＣを有するバッテリパック７１０の電圧フィードバック値７１８を選択する。ＢＭＳコントローラ７０８により使用される充電プロファイルを制御するために、最低ＳＯＣを有する同じバッテリパック７１０についての電流フィードバック値７２０が考慮される。電圧フィードバック値７１８及び電流フィードバック値７２０は、力率改善（「ＰＦＣ」）コントローラ７２４に供給される最終的なＶｓｅｎｓｅ７２２の値を決定する際に使用される。ＰＦＣコントローラ７２４の出力は、ＰＦＣ ＭＯＳＦＥＴ ７２８のためのゲートドライバ７２６に供給されるゲート信号を制御する。この実施形態では、図７のＰＦＣ ＭＯＳＦＥＴ ７２８はＰＦＣ電力デバイスとして機能するが、他の実施形態では、ＩＧＢＴ又はいかなる適切な電力半導体デバイスもＰＦＣ電力デバイスとして機能する。

最低電圧を有するバッテリパック７１０を選択することにより、システムは、可能な限り最低で最も安全な電圧で開始することを意図する。巻数比率が同じであるため、全ての巻線に対して２次電圧が同じになることから、特定の２次巻線に接続されたバッテリパック７１０は、それらに流れる充電電流に対応しない場合があり、なぜなら、それらの電圧は、グループの最低ＳＯＣに基づく最低の開始電圧よりも高いからである。したがって、スタートアップのこの方法は、最も安全な方法であり得る。

最低ＳＯＣを有するバッテリパック７１０の充電量が増え始めるにつれて、その電圧は増加し続け、コントローラはそれに追随し続け、ＰＦＣコンバータからの出力電圧を増加させることになる。最終的に、２次電圧は、充電電流が他のバッテリパック７１０内に流入することを可能にするレベルに徐々に到達することができる。この充電サイクルの終わりに、様々な２次巻線に接続される全てのバッテリパック７１０は、同じ電圧及び同じＳＯＣを有することになる。最終的に、チャージャ７００は、全てのバッテリパック７１０における充電を完了させるために充電の定電圧モードに入る。これにより、充電サイクルは、終了することになる。

充電期間中、インバータ端子が利用可能であるため、いくつかの臨界負荷をその両端間に接続することができる。各バッテリパック７１０のＳＯＣ及びインバータ部分の全体的ＳＯＣに応じて、接続された負荷に対応することができる。カスケード式トポロジのバッテリパックの充電及び同時放電を示す概念図を図８Ａに示す。

ここで、図８Ａ、図８Ｂ及び図９を参照すると、複数のバッテリパック８１０を充電しながら、同時に１２０ＶＡＣシステムにおける負荷８０６に電力供給するカスケード式インバータ８０２の概略図８００が示される。最大セル電圧が４．２Ｖの場合、必要な２次電圧は、（６×４．２）＋２＋１＝２８．２に等しい。巻数比率が１０の場合、ＰＦＣコンバータ７２８の出力電圧は、１０×２８．２＝２８２Ｖまで上昇することになる。この電圧は、定格が４５０Ｖ ＤＣである電解コンデンサにとって安全である。

上記の作業は、２３０ＶのＡＣシステムについて繰り返される。表１から、２３０Ｖのシステムについて、選択される巻数比率は１９である。最大セル電圧が４．２Ｖ／セル、巻数比率が１９の場合、ＰＦＣコンバータ７２８の出力電圧は、１９×２８．２＝５３６Ｖまで上昇することになる。この電圧は、推奨出力電圧最大値である４５０ＶＤＣを超える。これは、パックがより高い充電状態に到達したとき、より高い電圧システムに対して巻線変更技術が用いられ得ることを示唆する。

４５０Ｖの最大安全電圧値を想定すると、比率が１９の場合、バッテリパック８０４の最大電圧は、以下の通りに計算される。

この時点で巻線の変更が開始され得る。３．４Ｖ／セルのバッテリパック８０４の電圧は、２０．４Ｖとなり、電圧降下を加えると、２次巻線の両端の電圧は、２３．４Ｖである。

新しい巻数比率を計算するために、１次側の高電圧ＤＣバスの最大許容電圧は、４２５Ｖと想定される。これは、定格が４５０Ｖ ＤＣであるコンデンサにとって安全である。４．２Ｖ／セルの場合、最大パック電圧は、６×４．２＝２５．２Ｖと計算される。整流器ダイオードの両端の電圧降下である２Ｖと、２次巻線電圧降下である１Ｖとを加えると、結果として生じる２次電圧は、２５．２＋２＋１＝２８．２Ｖと計算される。余裕のあるＤＣバス電圧４２５Ｖについて、比率は、以下の通りでなければならない。

換言すれば、巻数比率は、１９から１５まで低減させなければならない。巻数比率が１５である場合、ＰＦＣコンバータ７２８の最大出力電圧は、１５×２８．２＝４２３Ｖまで上昇することになり、これは、定格が４５０Ｖ ＤＣである電解コンデンサにとって安全である。

バッテリパック８１０電圧が３．４Ｖ／セルであり、増加しているとき、巻線８１２の変更が開始される。巻数比率は、図８Ｂに示すような接触器構成を使用して、１９から１５に変更される。移行時、入力ＰＦＣ ＭＯＳＦＥＴ ７２８が、したがって、ＤＣ－ＤＣコンバータ８１４のスイッチングも無効にされる。いくつかの実施形態では、ＰＦＣ ＭＯＳＦＥＴ ７２８のＤＣバスコンデンサ７３０の両端間にブリード抵抗があり、これが、ＤＣバスコンデンサ７３０の両端間の高電圧を放電させ始めることになる。常時閉接触器８１８及び常時開接触器８１６で構成される接触器構成が１次巻線８２０の１つのセクションにわたって設けられる。接触器Ｍは、そのコイルを励磁することにより閉じられる。常時閉接触器８１６がＯＮにされると、１次巻線８２０の１９回転部分（９５：５の比率）が切断され、１５回転部分（７５：５の比率）がＤＣ－ＤＣコンバータ出力端子に接続する。

ここで、図９を参照すると、測定されたパック電圧に応じて接触器８１６が正しく動作することを確実にするように構成された制御アルゴリズムのためのフロー図９００が示される。接触器動作が完了した後、ＰＦＣ及びＤＣ－ＤＣコンバータへのゲート信号が有効化され、通常動作が回復する。バッテリパックは、通常の充電プロセスに従って、その現在の状態である３．９Ｖ／セルから４．２Ｖ／セルまで、充電が開始される。

ブロック９０２において、チャージャは、バッテリパックのセル電圧を感知し、バッテリパック電圧がセル当たり３．９ボルト未満であるかどうかを判定する。「はい」の場合、論理フローはブロック９０４に向かって進む。ブロック９０４において、チャージャは、常時閉接触器８１８をオフ状態に維持する。オフ状態はデフォルト状態でもあり、巻数比率は１９：１である。ブロック９０６において、チャージャは、ＰＦＣをオンに維持する。ブロック９０８において、チャージャは、コンバータを使用してバッテリパックを充電する。

パック電圧が３．９Ｖ／セルを超える場合、論理はブロック９１０に向かって進む。ブロック９１０において、方形波ＤＣ－ＤＣコンバータ及びＰＦＣスイッチはオフにされる。ブロック９１２において、チャージャは常時開接触器８１６をオンにし、これは、常時閉接触器８１８も開ける。これにより、巻数比率は１５：１に変わる。ブロック９１４において、チャージャは、コンバータ及びＰＦＣをオンにし、バッテリパックを充電し続ける。

したがって、本明細書で説明される実施形態は、とりわけ、均衡がとれた方式で複数のバッテリを充電しながら、同時に負荷に電力供給するように構成されたカスケード式インバータを提供する。様々な特徴及び利点は、後述の特許請求の範囲に示される。

１ 電力供給装置
２ ハウジング
４ 車輪
５ インバータ端子
６ ハンドルアセンブリ
７ インバータ端子
８ 内側チューブ
１０ 外側チューブ
１２ 把持部材
１４ 電力入力ユニット
１６ 電力出力ユニット
１６Ａ ＡＣ電力出力部
１６Ｂ ＤＣ電力出力部
１８ ディスプレイ
２０ 内部電源
１００ 電力供給装置
１０２ バッテリパック
１０３ 端子
１０４ バッテリ
１０６ 丸印
１０８ セル
１１３ 端子
１５４ バッテリパック
１５６ コントローラ
１５８ センサ
１６２ 処理ユニット
１６４ 論理ユニット
１６６ メモリ
１７０ インバータ
２００ カスケードインバータ
２０２ 第１のステージ
２０３ バッテリパック
２０４ 第２のステージ
２０６ ゲート制御方式
２０８ 出力電圧波形
２１０ インバータブリッジ
２１２ インバータブリッジ
２１４ 電流感知抵抗
２１６ 負荷
３００ カスケード式インバータ
３０２ ステージ
３０３ ステージ
３０４ ステージ
３０６ ゲート制御方式
３０８ 出力電圧波形
３１０ インバータ部分
３１８ パルス幅
４００ カスケード式トポロジ
４０２ インバータステージ
４０３ バッテリパック
４０４ インバータステージ
４０６ ゲート制御
４２０ 電源
６０２ カスケード式インバータ充電方式
６０４ ＡＣ電源
６０６ ＡＣ－ＤＣ整流器
６０８ ＤＣ－ＤＣコンバータ
６１０ バッテリパック
６１２ 充電コントローラ
６１４ インバータ
６１６ 負荷
７００ チャージャ
７０２ カスケード式インバータ充電方式
７０４ インバータモジュール
７０６ カスケード式コンバータ
７０８ ＢＭＳコントローラ
７１０ バッテリパック
７１４ ＣＣ／ＣＶフィードバックボックス
７１６ 電流センサ
７１８ 電圧フィードバック値
７２０ 電流フィードバック値
７２４ コントローラ
７２６ ゲートドライバ
７２８ ＰＦＣコンバータ
７３０ ＤＣバスコンデンサ
８０２ カスケード式インバータ
８０４ バッテリパック
８０６ 負荷
８１０ バッテリパック
８１２ 巻線
８１４ ＤＣ－ＤＣコンバータ
８１６ 常時開接触器
８１８ 常時閉接触器
８２０ １次巻線

Claims (20)

1. 整流器と、
   前記整流器に接続されたコンバータと、
   前記コンバータに接続され、且つ複数のバッテリパックに接続するように構成された複数のバッテリ管理システムコントローラであって、各バッテリパックは、専用のバッテリ管理システムコントローラに接続されるように構成される、複数のバッテリ管理システムコントローラと、
   前記複数のバッテリパックに接続するように構成された複数のインバータであって、各インバータは、前記複数のバッテリパックの１つに接続するように構成される、複数のインバータと
   を含む電力供給装置であって、前記バッテリ管理システムコントローラによって前記複数のバッテリパックが充電されている間、最初のインバータ及び最後のインバータは、負荷に接続し、且つ前記負荷に電力供給するように構成された端子を提供する、電力供給装置。
2. 前記コンバータは、高周波（「ＨＦ」）絶縁トランスを含み、前記ＨＦ絶縁トランスは、前記複数のバッテリパックの充電要件に適応するための複数の２次巻線を含む、請求項１に記載の電力供給装置。
3. 前記コンバータは、前記複数のバッテリパックの少なくとも１つの電圧必要性を決定し、且つ前記電圧必要性に基づき、前記コンバータの前記ＨＦ絶縁トランスの１次巻線の巻数を増加又は減少させるように構成される、請求項２に記載の電力供給装置。
4. 前記複数のバッテリ管理システムコントローラは、前記複数のバッテリパックから、最低充電状態を有する最低充電バッテリパックを決定し、且つカスケード式充電を前記最低充電バッテリパックにおいて開始するように構成される、請求項１に記載の電力供給装置。
5. 前記コンバータに接続されたブーストコンバータを更に含む、請求項１に記載の電力供給装置。
6. 前記コンバータは、パルス振幅変調インバータを含む、請求項１に記載の電力供給装置。
7. 前記複数のインバータは、２つ以上のステージを含む、請求項１に記載の電力供給装置。
8. ハウジングと、
   整流器と、
   前記整流器に接続されたコンバータと、
   前記コンバータに接続され、且つ複数のバッテリパックに接続するように構成された複数のバッテリ管理システムコントローラであって、各バッテリパックは、専用のバッテリ管理システムコントローラに接続されるように構成される、複数のバッテリ管理システムコントローラと、
   前記複数のバッテリパックに接続するように構成された複数のインバータであって、各インバータは、前記複数のバッテリパックの１つに接続するように構成される、複数のインバータと、
   電力出力部と
   を含む可搬型電力供給装置であって、前記複数のインバータの最初のインバータ及び最後のインバータは、前記電力出力部に接続される端子を提供する、可搬型電力供給装置。
9. 前記コンバータは、高周波（「ＨＦ」）絶縁トランスを含み、前記ＨＦ絶縁トランスは、前記複数のバッテリパックの充電要件に適応するための複数の２次巻線を含む、請求項８に記載の可搬型電力供給装置。
10. 前記コンバータは、前記複数のバッテリパックの少なくとも１つの電圧必要性を決定し、且つ前記電圧必要性に基づき、前記コンバータの前記ＨＦ絶縁トランスの１次巻線の巻数を増加又は減少させるように構成される、請求項９に記載の可搬型電力供給装置。
11. 前記複数のバッテリ管理システムコントローラは、前記複数のバッテリパックから、最低充電状態を有する最低充電バッテリパックを決定し、且つカスケード式充電を前記最低充電バッテリパックにおいて開始するように構成される、請求項８に記載の可搬型電力供給装置。
12. 前記コンバータに接続されたブーストコンバータを更に含む、請求項８に記載の可搬型電力供給装置。
13. 前記コンバータは、パルス振幅変調インバータを含む、請求項８に記載の可搬型電力供給装置。
14. 前記複数のインバータは、２つ以上のステージを含む、請求項８に記載の可搬型電力供給装置。
15. 複数のバッテリパックに接続するように構成された複数のインバータであって、各インバータは、前記複数のバッテリパックの１つに接続するように構成される、複数のインバータ
    を含むカスケード式インバータであって、前記複数のインバータを介して前記複数のバッテリパックが充電されている間、前記複数のインバータの最初のインバータ及び最後のインバータは、負荷に接続し、且つ前記負荷に電力供給するように構成された端子を提供する、カスケード式インバータ。
16. 複数の２次巻線を有する高周波（「ＨＦ」）絶縁トランスを含むコンバータを介して様々な充電要件に適応するように構成される、請求項１５に記載のカスケード式インバータ。
17. 前記複数のバッテリパックからの最低充電バッテリパックにおいてカスケード式充電を開始するように構成される、請求項１５に記載のカスケード式インバータ。
18. 前記複数のバッテリパックの各々を同じ充電状態に充電するように構成される、請求項１５に記載のカスケード式インバータ。
19. 前記複数のインバータは、複数の充電コントローラと対になるように構成され、各インバータは、前記複数の充電コントローラの１つに接続するように構成される、請求項１５に記載のカスケード式インバータ。
20. ２つ以上のステージを含む、請求項１５に記載のカスケード式インバータ。