JP2023526245A - モジュール型カスケード式エネルギーシステムを伴う、レールベースおよび他の電気自動車両のためのシステム、デバイス、ならびに方法 - Google Patents

モジュール型カスケード式エネルギーシステムを伴う、レールベースおよび他の電気自動車両のためのシステム、デバイス、ならびに方法 Download PDF

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Abstract

システム、デバイス、および方法の例示的実施形態が、１つまたはそれを上回るモジュール型カスケード式エネルギーシステムを有する、レールベースの電気自動車両等、断続充電を受ける、電気自動車両のために提供される。１つまたはそれを上回るモジュール型システムは、多相、単相、および／またはＤＣ電力をＥＶの多数のモータおよび補助負荷に供給するように構成されることができる。複数のシステムまたはサブシステムが、ＥＶ内に存在する場合、それらは、断続的に接続される充電源から電力を搬送するために指定される、線を通して、またはサブシステムのアレイ間で相互接続される、モジュールの存在を通して等、多数の異なる方法において、それらの間でエネルギーを交換するように相互接続されることができる。

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、その全てが、参照することによって、その全体として、かつあらゆる目的のために、本明細書に組み込まれる、２０２０年５月１４日に出願された、米国仮出願第６３／０２５，０９９号、２０２０年５月２２日に出願された、米国仮出願第６３／０２９，３６８号、および２０２０年９月２８日に出願された、米国仮出願第６３／０８４，２９３号の利益および優先権を主張する。
本明細書に説明される主題は、概して、モジュール型カスケード式エネルギーシステムを有する、レールベースおよび他の電気自動車両のためのシステム、デバイス、および方法に関する。
レール上で動作する、電気自動車両に関して、電気モータを駆動するための電力は、充電源によって提供される。本充電源は、典型的には、線路の区画に沿って存在する、高電圧導体の形態にある。充電源は、吊架線等の頭上の線、第三軌条等の地上レベルの電力供給源、または導管等の地下供給源であることができる。レールベースのＥＶは、電力を、本充電源から、ＥＶが移動するにつれて、充電源と持続的に接触したままである、伝導性要素（例えば、パンタグラフまたはプラウ）を用いて受信する。ある場合には、レールベースのＥＶは、静的アプローチを使用し、車両が停止時、導体を延在させ、充電源と接触させ、車両が移動していない間、充電し、移動を再開することに先立って、導体を充電源との接触から引き離す。
レールに沿って持続的に延設される、充電源線は、付加的物理的空間およびインフラストラクチャを要求し、美観的ではなくなり得、リスクを環境内の大衆に課し得、安全様式において、建設および維持するためにコストがかかる。従来のレールベースのＥＶは、モータを動作させ、レールベースのＥＶが、充電源が存在しない、レールの区画を横断することを可能にするために、電力を貯蔵する、エネルギー貯蔵システムとともに構成され得る。しかしながら、これらのレールベースのＥＶは、範囲における限界、エネルギー源の寿命における限界を被り、電力を要求する多数のモータおよび補助負荷を伴うレールベースのＥＶのための実装における柔軟性を欠いている可能性がある。
したがって、レールベースの電気自動車両ならびに関連車両および定常用途において使用するための改良されたエネルギーシステムの必要がある。
１つまたはそれを上回るモジュール型カスケード式エネルギーシステムを有する、レールベースの電気自動車両等、断続充電を受ける、電気自動車両のためのシステム、デバイス、および方法の例示的実施形態が、本明細書に提供される。１つまたはそれを上回るモジュール型システムは、多相、単相、および／またはＤＣ電力をＥＶの多数のモータおよび補助負荷に供給するように構成されることができる。複数のシステムまたはサブシステムが、ＥＶ内に存在する場合、それらは、断続的に接続される充電源から電力を搬送するために指定される、線を通して、またはサブシステムのアレイ間で相互接続される、モジュールの存在を通して等、多数の異なる方法において、それらの間でエネルギーを交換するように相互接続されることができる。サブシステムは、モータ負荷のみ、補助負荷と組み合わせたモータ負荷、および補助負荷のみのための電力を供給する、サブシステムとして構成されることができる。
サブシステムの各モジュールは、モジュールが、比較的に高電圧信号を断続的に接続される充電源から受信し、その電圧を１つまたはそれを上回るコンバータを用いて修正し、１つまたはそれを上回るエネルギー源を充電し得るように、また、モジュールが、別のコンバータを利用し、１つまたはそれを上回るエネルギー源からのＤＣ電圧をＥＶの１つまたはそれを上回る負荷に給電するためのＡＣ出力電圧に変換し得るように、複数のコンバータと、１つまたはそれを上回るエネルギー源とともに構成されることができる。充電は、レールベースのＥＶが、電力を頭上、地上レベル、または地下充電源から受信する状態で等、ＥＶが移動している間に生じ得る。実施形態は、他の用途にも同様に適用可能である。
本明細書に説明される主題の他のシステム、デバイス、方法、特徴、および利点が、以下の図および詳細な説明の検討に応じて、当業者に明白であろう、または明白となるであろう。全てのそのような付加的システム、方法、特徴、および利点は、本説明内に含まれ、本明細書に説明される主題の範囲内であり、付随する請求項によって保護されることが意図される。例示的実施形態の特徴は、請求項にそれらの特徴の明示的記載がない場合、いかようにも添付の請求項を限定するものとして解釈されるべきではない。
その構造および動作の両方に関して、本明細書に記載される主題の詳細は、同様の参照番号が同様の部品を指す、付随する図面の考察によって明白であり得る。図内のコンポーネントは、必ずしも一定の縮尺ではなく、代わりに、主題の原理を例証することに重点が置かれている。さらに、全ての説明図は、相対サイズ、形状、および他の詳細な属性が、文字通りに、または精密にではなく、図式的に図示され得る、概念を伝えることを意図している。
図１Ａ－１Ｃは、モジュール型エネルギーシステムの例示的実施形態を描写する、ブロック図である。 図１Ａ－１Ｃは、モジュール型エネルギーシステムの例示的実施形態を描写する、ブロック図である。 図１Ａ－１Ｃは、モジュール型エネルギーシステムの例示的実施形態を描写する、ブロック図である。
図１Ｄ－１Ｅは、エネルギーシステムのための制御デバイスの例示的実施形態を描写する、ブロック図である。 図１Ｄ－１Ｅは、エネルギーシステムのための制御デバイスの例示的実施形態を描写する、ブロック図である。
図１Ｆ－１Ｇは、負荷および充電源と結合される、モジュール型エネルギーシステムの例示的実施形態を描写する、ブロック図である。 図１Ｆ－１Ｇは、負荷および充電源と結合される、モジュール型エネルギーシステムの例示的実施形態を描写する、ブロック図である。
図２Ａ－２Ｂは、エネルギーシステム内のモジュールおよび制御システムの例示的実施形態を描写する、ブロック図である。 図２Ａ－２Ｂは、エネルギーシステム内のモジュールおよび制御システムの例示的実施形態を描写する、ブロック図である。
図２Ｃは、モジュールの物理的構成の例示的実施形態を描写する、ブロック図である。
図２Ｄは、モジュール型エネルギーシステムの物理的構成の例示的実施形態を描写する、ブロック図である。
図３Ａ－３Ｃは、種々の電気構成を有する、モジュールの例示的実施形態を描写する、ブロック図である。 図３Ａ－３Ｃは、種々の電気構成を有する、モジュールの例示的実施形態を描写する、ブロック図である。 図３Ａ－３Ｃは、種々の電気構成を有する、モジュールの例示的実施形態を描写する、ブロック図である。
図４Ａ－４Ｆは、エネルギー源の例示的実施形態を描写する、概略図である。
図５Ａ－５Ｃは、エネルギーバッファの例示的実施形態を描写する、概略図である。
図６Ａ－６Ｃは、コンバータの例示的実施形態を描写する、概略図である。 図６Ａ－６Ｃは、コンバータの例示的実施形態を描写する、概略図である。 図６Ａ－６Ｃは、コンバータの例示的実施形態を描写する、概略図である。
図７Ａ－７Ｅは、種々のトポロジを有する、モジュール型エネルギーシステムの例示的実施形態を描写する、ブロック図である。 図７Ａ－７Ｅは、種々のトポロジを有する、モジュール型エネルギーシステムの例示的実施形態を描写する、ブロック図である。
図８Ａは、モジュールの例示的出力電圧を描写する、プロットである。
図８Ｂは、モジュールのアレイの例示的マルチレベル出力電圧を描写する、プロットである。
図８Ｃは、パルス幅変調制御技法において使用可能な例示的基準信号および搬送波信号を描写する、プロットである。
図８Ｄは、パルス幅変調制御技法において使用可能な例示的基準信号および搬送波信号を描写する、プロットである。
図８Ｅは、パルス幅変調制御技法に従って発生される、例示的スイッチ信号を描写する、プロットである。
図８Ｆは、パルス幅変調制御技法下で、モジュールのアレイから出力電圧の重畳によって発生される、例示的マルチレベル出力電圧を描写する、プロットである。
図９Ａ－９Ｂは、モジュール型エネルギーシステムのためのコントローラの例示的実施形態を描写する、ブロック図である。
図１０Ａは、相互接続モジュールを有する、多相モジュール型エネルギーシステムの例示的実施形態を描写する、ブロック図である。
図１０Ｂは、図１０Ａの多相実施形態における相互接続モジュールの例示的実施形態を描写する、概略図である。
図１０Ｃは、相互接続モジュールによってともに接続される、２つのサブシステムを有する、モジュール型エネルギーシステムの例示的実施形態を描写する、ブロック図である。
図１０Ｄは、補助負荷に供給する相互接続モジュールを有する、３相モジュール型エネルギーシステムの例示的実施形態を描写する、ブロック図である。
図１０Ｅは、図１０Ｄの多相実施形態における相互接続モジュールの例示的実施形態を描写する、概略図である。
図１０Ｆは、補助負荷に供給する相互接続モジュールを有する、３相モジュール型エネルギーシステムの別の例示的実施形態を描写する、ブロック図である。
図１１Ａは、電気レールベースの車両の例示的ルートを描写する、例証である。
図１１Ｂは、電気レールベースの車両のためのモジュール型エネルギーシステムの電気レイアウトの例示的実施形態を描写する、ブロック図である。
図１１Ｃは、電気レールベースの車両のためのモジュール型エネルギーシステムの電気レイアウトの例示的実施形態を描写する、側面図である。
図１１Ｄは、電気レールベースの車両のためのモジュール型エネルギーシステムの電気レイアウトの別の例示的実施形態を描写する、ブロック図である。
図１１Ｅは、電気レールベースの車両のためのモジュール型エネルギーシステムの電気レイアウトの別の例示的実施形態を描写する、側面図である。
図１１Ｆは、電気レールベースの車両のためのモジュール型エネルギーシステムの電気レイアウトの別の例示的実施形態を描写する、ブロック図である。
図１２Ａ－１２Ｂは、モジュール型エネルギーシステムにおいて使用するためのモジュールの例示的実施形態を描写する、ブロック図である。
図１３Ａ－１３Ｃは、モジュール型エネルギーシステムにおいて使用するためのモジュールの例示的実施形態を描写する、概略図である。 図１３Ａ－１３Ｃは、モジュール型エネルギーシステムにおいて使用するためのモジュールの例示的実施形態を描写する、概略図である。 図１３Ａ－１３Ｃは、モジュール型エネルギーシステムにおいて使用するためのモジュールの例示的実施形態を描写する、概略図である。
図１４Ａ－１４Ｂは、モジュール型エネルギーシステムトポロジの例示的実施形態を描写する、ブロック図である。 図１４Ａ－１４Ｂは、モジュール型エネルギーシステムトポロジの例示的実施形態を描写する、ブロック図である。
図１４Ｃ－１４Ｄは、モジュール型エネルギーシステムにおいて使用するための相互接続モジュールの例示的実施形態を描写する、概略図である。 図１４Ｃ－１４Ｄは、モジュール型エネルギーシステムにおいて使用するための相互接続モジュールの例示的実施形態を描写する、概略図である。
図１５は、モジュール型エネルギーシステムトポロジの例示的実施形態を描写する、ブロック図である。
図１６は、相互接続モジュールの別の例示的実施形態を描写する、概略図である。
詳細な説明
本主題が詳細に説明される前に、本開示は、説明される特定の実施形態に限定されず、したがって、当然ながら変動し得ることを理解されたい。本明細書で使用される用語は、特定の実施形態のみを説明する目的のためであり、本開示の範囲が添付の請求項のみによって限定されるであろうため、限定的であることを意図していないことを理解されたい。
断続充電に依拠するレールベースおよび他の用途内に実装される、モジュール型エネルギーシステムに関する、例示的実施形態を説明する前に、最初に、これらの下層システムをより詳細に説明することが有用である。図１Ａ－１０Ｆを参照して、以下の節は、その中にモジュール型エネルギーシステムの実施形態が実装され得る、種々の用途モジュール型エネルギーシステムのための制御システムまたはデバイスの実施形態、充電源および負荷に対するモジュール型エネルギーシステム実施形態の構成、個々のモジュールの実施形態、本システム内のモジュールの配列のためのトポロジの実施形態、制御方法論の実施形態、本システム内のモジュールの平衡動作特性の実施形態、ならびに相互接続モジュールの使用の実施形態を説明する。
用途の実施例
定常用途は、モジュール型エネルギーシステムが、使用の間、固定された場所に位置するが、使用されていないとき、代替場所に移送されることが可能であり得るものである。モジュールベースのエネルギーシステムは、静的場所に常駐しながら、１つまたはそれを上回る他のエンティティによる消費のための電気エネルギーを提供する、または後の消費のために、エネルギーを貯蔵もしくはバッファする。その中で本明細書に開示される実施形態が使用され得る、定常用途の実施例は、限定ではないが、１つまたはそれを上回る居住構造または場所によるもしくはその中における使用のためのエネルギーシステム、１つまたはそれを上回る産業構造または場所によるもしくはその中における使用のためのエネルギーシステム、１つまたはそれを上回る商業用構造または場所によるもしくはその中における使用のためのエネルギーシステム、１つまたはそれを上回る政府構造または場所によるもしくはその中における使用のためのエネルギーシステム（軍用および非軍用の両方の使用を含む）、下記に説明される移動用途を充電するためのエネルギーシステム（例えば、充電源または充電ステーション）、および貯蔵のために、太陽熱電力、風力、地熱エネルギー、化石燃料、または核反応を電気に変換する、システムを含む。定常用途は、多くの場合、グリッドおよびマイクログリッド、モータ、ならびにデータセンタ等の負荷に供給する。定常エネルギーシステムは、ストレージまたは非ストレージ役割のいずれかにおいて使用されることができる。
時として、牽引用途とも称される、移動用途は、概して、モジュールベースのエネルギーシステムが、エンティティ上または内に位置し、モータによる原動力への変換のために電気エネルギーを貯蔵および提供し、そのエンティティを移動させる、または移動させることを支援するものである。本明細書に開示される実施形態が併用され得る、移動エンティティの実施例は、限定ではないが、陸にわたって、または地下で、海にわたって、もしくは海中で、陸または海の上方でそれと接触せずに（例えば、空中を飛行もしくはホバリングする）、または宇宙空間を通して移動する、電気および／またはハイブリッドエンティティを含む。本明細書に開示される実施形態が併用され得る、移動エンティティの実施例は、限定ではないが、車両、列車、トラム、船、船舶、航空機、および宇宙船を含む。本明細書に開示される実施形態が併用され得る、移動車両の実施例は、限定ではないが、１つだけの車輪または軌道を有するもの、２つだけの車輪または軌道を有するもの、３つだけの車輪または軌道を有するもの、４つだけの車輪または軌道を有するもの、および５つまたはそれを上回る車輪もしくは軌道を有するものを含む。本明細書に開示される実施形態が併用され得る、移動エンティティの実施例は、限定ではないが、車、バス、線路、バイク、スクータ、産業用車両、鉱業車両、飛行体（例えば、飛行機、ヘリコプタ、ドローン等）、船舶（例えば、商業用輸送船、船、ヨット、ボート、または他の水上乗物）、潜水艦、機関車もしくはレールベースの車両（例えば、列車等）、軍用車両、宇宙船、および衛星を含む。
本明細書の実施形態を説明する際、特定の定常用途（例えば、グリッド、マイクログリッド、データセンタ、クラウドコンピューティング環境）または移動用途（例えば、電気自動車）が、参照され得る。そのような参照は、解説を容易にするために行われ、特定の実施形態が、使用のためにその特定の移動または定常用途のみに限定されることを意味しない。電力をモータに提供するシステムの実施形態は、移動および定常用途の両方で使用されることができる。ある構成は、他のものと比べていくつかの用途により好適であり得るが、本明細書に開示される全ての例示的実施形態は、別様に記述されない限り、移動および定常用途の両方での使用が可能である。
モジュールベースのエネルギーシステムの実施例
図１Ａは、モジュールベースのエネルギーシステム１００の例示的実施形態を描写する、ブロック図である。ここでは、システム１００は、それぞれ、通信経路またはリンク１０６－１－１０６－Ｎを経由して、Ｎ個のコンバータ源モジュール１０８－１－１０８－Ｎと通信可能に結合される、制御システム１０２を含む。モジュール１０８は、エネルギーを貯蔵し、必要に応じて、エネルギーを負荷１０１（または他のモジュール１０８）に出力するように構成される。これらの実施形態では、任意の数の２つまたはそれを上回るモジュール１０８が、使用されることができる（例えば、Ｎは、２つを上回るまたはそれに等しい）。モジュール１０８は、図７Ａ－７Ｅに関してさらに詳細に説明されるであろうように、種々の様式において、相互に接続されることができる。例証を容易にするために、図１Ａ－１Ｃでは、モジュール１０８は、直列に接続されて、または１次元アレイとして示され、Ｎ番目のモジュールは、負荷１０１に結合される。
システム１００は、電力を負荷１０１に供給するように構成される。負荷１０１は、モータまたはグリッド等の任意のタイプの負荷であることができる。システム１００はまた、充電源から受信される電力を貯蔵するように構成される。図１Ｆは、電力を充電源１５０から受信するための電力入力インターフェース１５１と、電力を負荷１０１に出力するための電力出力インターフェースとを伴う、システム１００の例示的実施形態を描写する、ブロック図である。本実施形態では、システム１００は、インターフェース１５２を経由して、電力を出力するのと同時に、インターフェース１５１を経由して、電力を受信および貯蔵することができる。図１Ｇは、切替可能なインターフェース１５４を伴う、システム１００の別の例示的実施形態を描写する、ブロック図である。本実施形態では、システム１００は、充電源１５０からの電力の受信と負荷１０１への電力の出力との間で選択する、または選択するように命令されることができる。システム１００は、一次および補助負荷の両方を含む、複数の負荷１０１に供給し、および／または電力を複数の充電源１５０（例えば、公共事業送電網およびローカル再生可能エネルギー源（例えば、太陽熱））から受信するように構成されることができる。
図１Ｂは、システム１００の別の例示的実施形態を描写する。ここでは、制御システム１０２は、それぞれ、通信経路またはリンク１１５－１－１１５－Ｎを経由して、Ｎ個の異なるローカル制御デバイス（ＬＣＤ）１１４－１－１１４－Ｎと通信可能に結合される、マスタ制御デバイス（ＭＣＤ）１１２として実装される。各ＬＣＤ１１４－１－１１４－Ｎは、ＬＣＤ１１４とモジュール１０８との間に１：１関係が存在するように、それぞれ、通信経路またはリンク１１６－１－１１６－Ｎを経由して、１つのモジュール１０８－１－１０８－Ｎと通信可能に結合される。
図１Ｃは、システム１００の別の例示的実施形態を描写する。ここでは、ＭＣＤ１１２は、それぞれ、通信経路またはリンク１１５－１－１１５－Ｍを経由して、Ｍ個の異なるＬＣＤ１１４－１－１１４－Ｍと通信可能に結合される。各ＬＣＤ１１４は、２つまたはそれを上回るモジュール１０８と結合され、それを制御することができる。示される実施例では、ここでは、各ＬＣＤ１１４は、ＭＬＣＤ１１４－１－１１４－Ｍが、それぞれ、通信経路またはリンク１１６－１－１１６－２Ｍを経由して、２Ｍモジュール１０８－１－１０８－２Ｍと結合されるように、２つのモジュール１０８と通信可能に結合される。
制御システム１０２は、システム１００全体のための単一デバイス（例えば、図１Ａ）として構成されることができる、または複数のデバイスを横断して分散される、もしくはそのように実装されることができる（例えば、図１Ｂ－１Ｃ）。いくつかの実施形態では、制御システム１０２は、いかなるＭＣＤ１１２も、必要なく、システム１００から省略され得るように、モジュール１０８と関連付けられるＬＣＤ１１４間に分散されることができる。
制御システム１０２は、ソフトウェア（処理回路網によって実行可能なメモリ内に記憶された命令）、ハードウェア、またはそれらの組み合わせを使用して、制御を実行するように構成されることができる。制御システム１０２の１つまたはそれを上回るデバイスはそれぞれ、ここに示されるように、処理回路網１２０と、メモリ１２２とを含むことができる。処理回路網およびメモリの例示的実装は、下記にさらに説明される。
制御システム１０２は、通信リンクまたは経路１０５を経由してシステム１００の外部のデバイス１０４と通信するための通信インターフェースを有することができる。例えば、制御システム１０２（例えば、ＭＣＤ１１２）は、システム１００についてのデータまたは情報を別の制御デバイス１０４（例えば、移動用途における車両の電子制御ユニット（ＥＣＵ）またはモータ制御ユニット（ＭＣＵ）、定常用途におけるグリッドコントローラ等）に出力することができる。
通信経路またはリンク１０５、１０６、１１５、１１６、および１１８（図２Ｂ）はそれぞれ、双方向に、並列または直列方式において、データまたは情報を通信する、有線（例えば、電気、光学）または無線通信経路であることができる。データは、標準化（例えば、ＩＥＥＥ、ＡＮＳＩ）またはカスタム（例えば、専用）フォーマットで通信されることができる。自動車用途では、通信経路１１５は、ＦｌｅｘＲａｙまたはＣＡＮプロトコルに従って、通信するように構成されることができる。通信経路１０６、１１５、１１６、および１１８はまた、有線電力を提供し、直接、制御システム１０２のための動作電力を１つまたはそれを上回るモジュール１０８から供給することができる。例えば、ＬＣＤ１１４毎の動作電力は、それに対してそのＬＣＤ１１４が接続される、１つまたはそれを上回るモジュール１０８のみによって供給されることができ、ＭＣＤ１１２のための動作電力は、間接的に、モジュール１０８のうちの１つまたはそれを上回るものから供給されることができる（例えば、車の電力ネットワーク等を通して）。
制御システム１０２は、モジュール１０８のうちの同一または異なる１つまたはそれを上回るものから受信されるステータス情報に基づいて、１つまたはそれを上回るモジュール１０８を制御するように構成される。制御はまた、負荷１０１の要件等、１つまたはそれを上回る他の要因に基づくことができる。制御可能側面は、限定ではないが、各モジュール１０８の電圧、電流、位相、および／または出力電力のうちの１つまたはそれを上回るものを含む。
システム１００内の全てのモジュール１０８のステータス情報は、システム１０２を制御するために通信されることができ、これは、独立して、全てのモジュール１０８－１…１０８－Ｎを制御することができる。他の変形例も、可能性として考えられる。例えば、特定のモジュール１０８（またはモジュール１０８のサブセット）は、その特定のモジュール１０８（またはサブセット）のステータス情報に基づいて、その特定のモジュール１０８（またはサブセット）ではない、異なるモジュール１０８のステータス情報に基づいて、その特定のモジュール１０８（またはサブセット）以外の全てのモジュール１０８のステータス情報に基づいて、その特定のモジュール１０８（またはサブセット）のステータス情報と、その特定のモジュール１０８（またはサブセット）ではない、少なくとも１つの他のモジュール１０８のステータス情報とに基づいて、またはシステム１００内の全てのモジュール１０８のステータス情報に基づいて、制御されることができる。
ステータス情報は、各モジュール１０８の１つまたはそれを上回る側面、特性、またはパラメータについての情報であることができる。ステータス情報のタイプは、限定ではないが、モジュール１０８もしくはその１つまたはそれを上回るコンポーネント（例えば、エネルギー源、エネルギーバッファ、コンバータ、モニタ回路網）の以下の側面、すなわち、モジュールの１つまたはそれを上回るエネルギー源の充電の状態（ＳＯＣ）（例えば、分率またはパーセント等、その容量に対するエネルギー源の充電のレベル）、モジュールの１つまたはそれを上回るエネルギー源の健全性の状態（ＳＯＨ）（例えば、その理想的条件と比較した、エネルギー源の条件の性能指数）、モジュールの１つまたはそれを上回るエネルギー源または他のコンポーネントの温度、モジュールの１つまたはそれを上回るエネルギー源の容量、モジュールの１つまたはそれを上回るエネルギー源および／または他のコンポーネントの電圧、モジュールの１つまたはそれを上回るエネルギー源および／または他のコンポーネントの電流、および／またはモジュールのコンポーネントのうちの任意の１つまたはそれを上回るもの内の障害の有無を含む。
ＬＣＤ１１４は、ステータス情報を各モジュール１０８から受信し、または各モジュール１０８から、またはその中で受信される、監視される信号またはデータからステータス情報を判定し、その情報をＭＣＤ１１２に通信するように構成されることができる。いくつかの実施形態では、各ＬＣＤ１１４は、未加工収集データをＭＣＤ１１２に通信することができ、これは、次いで、アルゴリズム的に、その未加工データに基づいて、ステータス情報を判定する。ＭＣＤ１１２は、次いで、モジュール１０８のステータス情報を使用して、適宜、制御判定を行うことができる。判定は、ＬＣＤ１１４によって、各モジュール１０８の動作の維持または調節のいずれかを行うために利用され得る、命令、コマンド、または他の情報（本明細書に説明される変調インデックス等）の形態をとってもよい。
例えば、ＭＣＤ１１２は、ステータス情報を受信し、その情報を査定し、少なくとも１つのモジュール１０８（例えば、そのコンポーネント）と少なくとも１つまたはそれを上回る他のモジュール１０８（例えば、その匹敵するコンポーネント）との間の差異を判定してもよい。例えば、ＭＣＤ１１２は、特定のモジュール１０８が、１つまたはそれを上回る他のモジュール１０８と比較して、以下の条件、すなわち、比較的に低いまたは高いＳＯＣ、比較的に低いまたは高いＳＯＨ、比較的に低いまたは高い容量、比較的に低いまたは高い電圧、比較的に低いまたは高い電流、比較的に低いまたは高い温度、または障害の有無のうちの１つを伴って動作していることを判定し得る。そのような実施例では、ＭＣＤ１１２は、その特定のモジュール１０８の関連側面（例えば、出力電圧、電流、電力、温度）を低減または増加させる（条件に応じて）、制御情報を出力することができる。このように、外れ値モジュール１０８（例えば、比較的に低いＳＯＣまたは高い温度を伴って動作している）の利用量が、そのモジュール１０８の関連パラメータ（例えば、ＳＯＣまたは温度）を１つまたはそれを上回る他のモジュール１０８のものに向かって収束させるように低減されることができる。
特定のモジュール１０８の動作を調節するかどうかの判定は、必ずしも、他のモジュール１０８のステータスとの比較によってではなく、ステータス情報と所定の閾値、限界、または条件の比較によって行われることができる。所定の閾値、限界、または条件は、使用の間、変化しない、製造業者によって設定されるもの等の静的閾値、限界、または条件であることができる。所定の閾値、限界、または条件は、使用の間、変化することが可能にされる、または変化する、動的閾値、限界、または条件であることができる。例えば、ＭＣＤ１１２は、そのモジュール１０８に関するステータス情報が、それが、所定の閾値または限界に違反して（例えば、それを上回って、または下回って）、もしくは容認可能動作条件の所定の範囲外で動作していることを示す場合、モジュール１０８の動作を調節することができる。同様に、ＭＣＤ１１２は、そのモジュール１０８に関するステータス情報が、実際または潜在的障害の存在（例えば、アラームまたは警告）を示す、もしくは実際または潜在的障害の不在または除去を示す場合、モジュール１０８の動作を調節することができる。障害の実施例は、限定ではないが、コンポーネントの実際の故障、コンポーネントの潜在的故障、短絡回路または他の過剰な電流条件、開回路、過剰な電圧条件、通信の受信不良、破損されたデータの受信、および同等物を含む。障害のタイプおよび深刻度に応じて、障害モジュールの利用量は、モジュールを損傷させることを回避するために、減少されることができる、またはモジュールの利用は、完全に停止されることができる。
ＭＣＤ１１２は、システム１００内のモジュール１０８を制御し、所望の標的を達成する、またはそれに向かって収束させることができる。標的は、例えば、全てのモジュール１０８の動作が、相互に対して同一または類似レベルにある、もしくは所定の閾値、限界、または条件内にあることであり得る。本プロセスは、モジュール１０８の動作または動作特性における平衡または平衡を達成するための模索とも称される。用語「平衡」は、本明細書で使用されるように、モジュール１０８またはそのコンポーネント間の絶対同等性を要求せず、むしろ、システム１００の動作が、そうでなければ、存在するであろう、モジュール１０８間の動作における不等性を能動的に低減させるために使用され得ることを伝達するために広義に使用される。
ＭＣＤ１１２は、ＬＣＤ１１４と関連付けられるモジュール１０８を制御する目的のために、制御情報をＬＣＤ１１４に通信することができる。制御情報は、例えば、本明細書に説明されるような変調インデックスおよび基準信号、変調された基準信号、またはその他であることができる。各ＬＣＤ１１４は、制御情報を使用（例えば、受信および処理）し、関連付けられるモジュール１０８内の１つまたはそれを上回るコンポーネント（例えば、コンバータ）の動作を制御する、スイッチ信号を発生させることができる。いくつかの実施形態では、ＭＣＤ１１２は、直接、スイッチ信号を発生させ、それらをＬＣＤ１１４に出力し、これは、スイッチ信号を意図されるモジュールコンポーネントに中継する。
制御システム１０２の全部または一部は、移動または定常用途の１つまたはそれを上回る他の側面を制御する、システム外部制御デバイス１０４と組み合わせられることができる。本共有または共通制御デバイス（またはサブシステム）内に統合されると、システム１００の制御は、共有デバイスの処理回路網によって実行される１つまたはそれを上回るソフトウェアアプリケーション、共有デバイスのハードウェア、またはそれらの組み合わせ等、任意の所望の方式で実装されることができる。外部制御デバイス１０４の非包括的実施例は、１つまたはそれを上回る他の車載機能のための制御能力（例えば、モータ制御、ドライバインターフェース制御、牽引力制御等）を有する、車載ＥＣＵまたはＭＣＵ、１つまたはそれを上回る他の電力管理機能（例えば、負荷インターフェース、負荷電力要件予測、伝送および切替、充電源とのインターフェース（例えば、ディーゼル、太陽熱、風力）、充電源電力予測、バックアップ源監視、資産ディスパッチ等）に関与する、グリッドまたはマイクログリッドコントローラ、およびデータセンタ制御サブシステム（例えば、環境制御、ネットワーク制御、バックアップ制御等）を含む。
図１Ｄおよび１Ｅは、その中に制御システム１０２が実装され得る、共有または共通制御デバイス（またはシステム）１３２の例示的実施形態を描写する、ブロック図である。図１Ｄでは、共通制御デバイス１３２は、マスタ制御デバイス１１２と、外部制御デバイス１０４とを含む。マスタ制御デバイス１１２は、経路１１５を経由したＬＣＤ１１４との通信のためのインターフェース１４１と、内部通信バス１３６を経由した外部制御デバイス１０４との通信のためのインターフェース１４２とを含む。外部制御デバイス１０４は、バス１３６を経由したマスタ制御デバイス１１２との通信のためのインターフェース１４３と、通信経路１３６を経由した全体的用途の他のエンティティ（例えば、車両またはグリッドのコンポーネント）との通信のためのインターフェース１４４とを含む。いくつかの実施形態では、共通制御デバイス１３２は、共通筐体またはパッケージとして統合されることができ、デバイス１１２および１０４は、その中に含有される離散集積回路（ＩＣ）チップまたはパッケージとして実装される。
図１Ｅでは、外部制御デバイス１０４は、共通制御デバイス１３２として作用し、マスタ制御機能性は、デバイス１０４内のコンポーネント１１２として実装される。本コンポーネント１１２は、デバイス１０４のメモリ内に記憶および／またはハードコード化され、その処理回路網によって実行される、ソフトウェアまたは他のプログラム命令である、またはそれを含むことができる。コンポーネントはまた、専用ハードウェアを含有することができる。コンポーネントは、自給式モジュールまたはコアであることができ、１つまたはそれを上回る内部ハードウェアおよび／またはソフトウェアインターフェース（例えば、アプリケーションプログラムインターフェース（ＡＰＩ））は、外部制御デバイス１０４のオペレーティングソフトウェアとの通信のためのものである。外部制御デバイス１０４は、インターフェース１４１を経由して、ＬＣＤ１１４との、およびスインターフェース１４４を経由して、他のデバイとの通信を管理することができる。種々の実施形態では、デバイス１０４／１３２は、単一ＩＣチップとして統合されることができる、単一パッケージ内の複数のＩＣチップの中に統合されることができる、または共通筐体内の複数の半導体パッケージとして統合されることができる。
図１Ｄおよび１Ｅの実施形態では、システム１０２のマスタ制御機能性は、共通デバイス１３２内で共有されるが、しかしながら、共有制御の他の分割も可能にされる。例えば、マスタ制御機能性の一部は、共通デバイス１３２と専用ＭＣＤ１１２との間で分散されることができる。別の実施例では、マスタ制御機能性およびローカル制御機能性の少なくとも一部の両方が、共通デバイス１３２内に実装されることができる（例えば、残りのローカル制御機能性は、ＬＣＤ１１４内に実装される）。いくつかの実施形態では、制御システム１０２は全て、共通デバイス（またはサブシステム）１３２内に実装される。いくつかの実施形態では、ローカル制御機能性は、バッテリ管理システム（ＢＭＳ）等の各モジュール１０８の別のコンポーネントと共有されるデバイス内に実装される。
カスケード式エネルギーシステムを伴うモジュールの実施例
モジュール１０８は、１つまたはそれを上回るエネルギー源と、パワーエレクトロニクスコンバータと、所望に応じて、エネルギーバッファとを含むことができる。図２Ａ－２Ｂは、電力コンバータ２０２と、エネルギーバッファ２０４と、エネルギー源２０６とを有する、モジュール１０８を伴う、システム１００の付加的例示的実施形態を描写する、ブロック図である。コンバータ２０２は、電圧コンバータまたは電流コンバータであることができる。実施形態は、電圧コンバータを参照して本明細書に説明されるが、実施形態は、それに限定されない。コンバータ２０２は、エネルギー源２０４からの直流（ＤＣ）信号を交流電流（ＡＣ）信号に変換し、電力接続１１０（例えば、インバータ）を経由して、それを出力するように構成されることができる。コンバータ２０２はまた、接続１１０を経由して、ＡＣまたはＤＣ信号を受信し、持続またはパルス状形態におけるいずれかの極性を伴って、それをエネルギー源２０４に印加することができる。コンバータ２０２は、ハーフブリッジまたはフルブリッジ（Ｈ－ブリッジ）等のスイッチ（例えば、電力トランジスタ）の配列である、もしくはそれを含むことができる。いくつかの実施形態ではコンバータ２０２は、スイッチのみを含み、コンバータ（およびモジュール全体として）は、変圧器を含まない。
コンバータ２０２はまた（または代替として）、ＡＣ源からＤＣエネルギー源を充電するため等のＡＣ／ＤＣ変換（例えば、整流器）、ＤＣ／ＡＣ変換、および／またはＡＣ／ＡＣ変換（例えば、ＡＣ／ＤＣコンバータと組み合わせて）を実施するように構成されることができる。いくつかの実施形態では、ＡＣ／ＡＣ変換を実施するため等、コンバータ２０２は、単独で、または１つまたはそれを上回る電力半導体（例えば、スイッチ、ダイオード、サイリスタ、および同等物）と組み合わせてのいずれかにおいて、変圧器を含むことができる。重量およびコストが有意な要因であるもの等の他の実施形態では、コンバータ２０２は、電力スイッチ、電力ダイオード、または他の半導体デバイスのみを用いて、および変圧器を伴わずに、変換を実施するように構成されることができる。
エネルギー源２０６は、好ましくは、直流を出力し、電気的に給電されるデバイスのためのエネルギー貯蔵用途のために好適なエネルギー密度を有することが可能である、ロバストなエネルギー貯蔵デバイスである。燃料電池は、単一燃料電池、直列または並列に接続される、複数の燃料電池、または燃料電池モジュールであることができる。２つまたはそれを上回るエネルギー源が、各モジュール内に含まれることができ、２つまたはそれを上回る源は、同一または異なるタイプの２つのバッテリ、同一または異なるタイプの２つのコンデンサ、同一または異なるタイプの２つの燃料電池、１つまたはそれを上回るコンデンサおよび／または燃料電池と組み合わせられた１つまたはそれを上回るバッテリ、および１つまたはそれを上回る燃料電池と組み合わせられた１つまたはそれを上回るコンデンサを含むことができる。
エネルギー源２０６は、単一バッテリ電池、またはバッテリモジュールもしくはアレイ内でともに接続される複数のバッテリ電池、またはそれらの任意の組み合わせ等の電気化学バッテリであることができる。図４Ａ－４Ｄは、単一バッテリ電池４０２（図４Ａ）、複数の（例えば、４つの）電池４０２の直列接続を伴う、バッテリモジュール（図４Ｂ）、単一電池４０２の並列接続を伴う、バッテリモジュール（図４Ｃ）、およびそれぞれ複数の（例えば、２つの）電池４０２を有する支脈との並列接続を伴う、バッテリモジュール（図４Ｄ）として構成される、エネルギー源２０６の例示的実施形態を描写する、概略図である。バッテリタイプの実施例は、本明細書のいずれかに説明される。バッテリタイプの実施例は、ソリッドステートバッテリ、液体電解質ベースのバッテリ、液相バッテリ、ならびにフローバッテリ、例えば、リチウム（Ｌｉ）金属バッテリ、Ｌｉイオンバッテリ、Ｌｉ空気バッテリ、ナトリウムイオンバッテリ、カリウムイオンバッテリ、マグネシウムイオンバッテリ、アルカリバッテリ、水素化ニッケル金属バッテリ、硫酸ニッケルバッテリ、鉛酸バッテリ、亜鉛－空気バッテリ、およびその他を含む。Ｌｉイオンバッテリタイプのいくつかの実施例は、コバルト酸リチウム（ＬＣＯ）、マンガン酸リチウム（ＬＭＯ）、酸化リチウムニッケルマンガンコバルト（ＮＭＣ）、鉄リン酸リチウム（ＬＦＰ）、リチウムニッケルコバルト酸化アルミニウム（ＮＣＡ）、およびチタン酸リチウム（ＬＴＯ）を含む。
エネルギー源２０６はまた、ウルトラコンデンサまたはスーパーコンデンサ等の高エネルギー密度（ＨＥＤ）コンデンサであることができる。ＨＥＤコンデンサは、固体誘電タイプの典型的電解コンデンサとは対照的に、二重層コンデンサ（静電充電ストレージ）、擬似コンデンサ（電気化学充電ストレージ）、ハイブリッドコンデンサ（静電および電気化学）、またはその他として構成されることができる。ＨＥＤコンデンサは、より高い容量に加え、電解コンデンサのものの１０～１００倍の（またはより高い）エネルギー密度を有することができる。例えば、ＨＥＤコンデンサは、１．０ワット時間／キログラム（Ｗｈ／ｋｇ）を上回る比エネルギーと、１０～１００ファラド（Ｆ）を上回る静電容量とを有することができる。図４Ａ－４Ｄに関して説明されるバッテリと同様に、エネルギー源２０６は、単一ＨＥＤコンデンサ、またはアレイ内でともに接続される（例えば、直列、並列、またはそれらの組み合わせ）、複数のＨＥＤコンデンサとして構成されることができる。
エネルギー源２０６はまた、燃料電池であることができる。燃料電池の実施例は、陽子交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）、リン酸燃料電池（ＰＡＦＣ）、固体酸形燃料電池、アルカリ燃料電池、高温燃料電池、固体酸化物形燃料電池、溶融電解質燃料電池、およびその他を含む。図４Ａ－４Ｄに関して説明されるバッテリと同様に、エネルギー源２０６は、単一燃料電池、またはアレイ内でともに接続される（例えば、直列、並列、またはそれらの組み合わせ）、複数の燃料電池として構成されることができる。バッテリ、コンデンサ、および燃料電池の前述の実施例は、包括的リストを形成することを意図するものではなく、当業者は、本主題の範囲内に該当する、他の変形も認識するであろう。
エネルギーバッファ２０４は、ＤＣ線またはリンク（例えば、下記に説明されるように、＋Ｖ ＤＣＬおよび－Ｖ ＤＣＬ）を横断する電流の変動を減衰またはフィルタリングし、ＤＣリンク電圧における安定性を維持することを補助することができる。これらの変動は、コンバータ２０２の切替または他の過渡によって引き起こされる、比較的に低（例えば、キロヘルツ）または高（例えば、メガヘルツ）周波数変動もしくは高調波であり得る。これらの変動は、源２０６またはコンバータ２０２のポートＩＯ３およびＩＯ４に通過される代わりに、バッファ２０４によって吸収されることができる。
電力接続１１０は、モジュール１０８へ、そこから、およびそれを通して、エネルギーまたは電力を輸送するための接続である。モジュール１０８は、エネルギーをエネルギー源２０６から電力接続１１０に出力することができ、そこで、これは、本システムの他のモジュールまたは負荷に輸送されることができる。モジュール１０８はまた、エネルギーを他のモジュール１０８または充電源（ＤＣ充電器、単相充電器、多相充電器）から受信することができる。信号はまた、モジュール１０８を通して通過され、エネルギー源２０６をバイパスすることができる。エネルギーまたは電力のモジュール１０８の内外への送流は、ＬＣＤ１１４（またはシステム１０２の別のエンティティ）の制御下で、コンバータ２０２によって実施される。
図２Ａの実施形態では、ＬＣＤ１１４は、モジュール１０８と別個である（例えば、共有モジュール筐体内にない）、コンポーネントとして実装され、通信経路１１６を介して、コンバータ２０２に接続され、それと通信することが可能である。図２Ｂの実施形態では、ＬＣＤ１１４は、モジュール１０８のコンポーネントとして含まれ、内部通信経路１１８（例えば、共有バスまたは離散接続）を介して、コンバータ２０２に接続され、それと通信することが可能である。ＬＣＤ１１４はまた、経路１１６または１１８を経由して、信号をエネルギーバッファ２０４および／またはエネルギー源２０６から受信し、信号をそこに伝送することが可能であり得る。
モジュール１０８はまた、モニタ回路網２０８を含むことができる、ステータス情報を構成する（または例えば、ＬＣＤ１１４によって、ステータス情報を判定するために使用され得る）、電圧、電流、温度、または他の動作パラメータ等、モジュール１０８および／またはそのコンポーネントの１つまたはそれを上回る側面を監視（例えば、収集、感知、測定、および／または判定）するように構成される。ステータス情報の主要機能は、モジュール１０８の１つまたはそれを上回るエネルギー源２０６の状態を説明し、システム１００内の他の源と比較して、エネルギー源を利用するべき量に関する判定を可能にすることであるが、他のコンポーネントの状態を説明するステータス情報（例えば、バッファ２０４内の電圧、温度、および／または障害の存在、コンバータ２０２内の温度および／または障害の存在、モジュール１０８内のいずれかの場所の障害の存在等）も同様に、利用量判定において使用されることができる。モニタ回路網２０８は、そのような側面を監視するように構成される、１つまたはそれを上回るセンサ、シャント、除算器、障害検出器、クーロンカウンタ、コントローラ、または他のハードウェアおよび／またはソフトウェアを含むことができる。モニタ回路網２０８は、種々のコンポーネント２０２、２０４、および２０６と別個であることができる、または各コンポーネント２０２、２０４、および２０６（図２Ａ－２Ｂに示されるように）と統合されることができる、もしくはそれらの任意の組み合わせであることができる。いくつかの実施形態では、モニタ回路網２０８は、バッテリエネルギー源２０４のためのバッテリ管理システム（ＢＭＳ）の一部である、またはそれと共有されることができる。離散回路網は、１つを上回るタイプのステータス情報が、単一回路またはデバイスを用いて監視される、もしくは別様に、付加的回路の必要なく、アルゴリズム的に判定され得るため、ステータス情報の各タイプを監視するために必要とされない。
ＬＣＤ１１４は、通信経路１１６、１１８を経由して、モジュールコンポーネントについてのステータス情報（または未加工データ）を受信することができる。ＬＣＤ１１４はまた、経路１１６、１１８を経由して、情報をモジュールコンポーネントに伝送することができる。経路１１６および１１８は、診断、測定、保護、および制御信号線を含むことができる。伝送される情報は、１つまたはそれを上回るモジュールコンポーネントのための制御信号であることができる。制御信号は、コンバータ２０２のためのスイッチ信号、および／またはステータス情報をモジュールコンポーネントから要求する、１つまたはそれを上回る信号であることができる。例えば、ＬＣＤ１１４は、直接、ステータス情報を要求することによって、またはある場合には、コンバータ２０２を特定の状態に設置する、スイッチ信号と組み合わせて、刺激（例えば、電圧）を印加し、ステータス情報を発生させることによって、経路１１６、１１８を経由して、ステータス情報を伝送させることができる。
モジュール１０８の物理的構成またはレイアウトは、種々の形態をとることができる。いくつかの実施形態では、モジュール１０８は、その中に全てのモジュールコンポーネント、例えば、コンバータ２０２、バッファ２０４、および源２０６が、統合されたＬＣＤ１１４等の他の随意のコンポーネントとともに格納される、共通筐体を含むことができる。他の実施形態では、種々のコンポーネントは、ともに固着される、離散筐体内で分離されることができる。図２Ｃは、モジュールのエネルギー源２０６と、モニタ回路網２０８（図示せず）等の付随のエレクトロニクスとを保持する、第１の筐体２２０とコンバータ２０２、エネルギーバッファ２０４、およびモニタ回路網（図示せず）等の他の付随のエレクトロニクス等のモジュールエレクトロニクスを保持する、第２の筐体２２２と、モジュール１０８のためのＬＣＤ１１４（図示せず）を保持する、第３の筐体２２４とを有する、モジュール１０８の例示的実施形態を描写する、ブロック図である。種々のモジュールコンポーネント間の電気接続は、筐体２２０、２２２、２２４を通して進むことができ、他のモジュール１０８またはＭＣＤ１１２等の他のデバイスとの接続のために、筐体外部のいずれか上に暴露されることができる。
システム１００のモジュール１０８は、相互に対して、用途の必要性および負荷の数に依存する、種々の構成において、物理的に配列されることができる。例えば、システム１００がマイクログリッドのための電力を提供する、定常用途では、モジュール１０８は、１つまたはそれを上回るラックまたは他のフレームワーク内に設置されることができる。そのような構成は同様に、海洋船舶等のより大きい移動用途のためにも好適であり得る。代替として、モジュール１０８は、ともに固着され、パックと称される、共通筐体内に位置することができる。ラックまたはパックは、全てのモジュールを横断して共有される、その独自の専用冷却システムを有してもよい。パック構成は、電気自動車等のより小さい移動用途のために有用である。システム１００は、１つまたはそれを上回るラック（例えば、マイクログリッドへの並列供給のため）、または１つまたはそれを上回るパック（例えば、車両の異なるモータに供給する）、もしくはそれらの組み合わせを用いて実装されることができる。図２Ｄは、９つのモジュール１０８が共通筐体２３０内で電気的および物理的にともに結合される、パックとして構成される、システム１００の例示的実施形態を描写する、ブロック図である。
これらおよびさらなる構成の実施例は、国際公開第２０２０／２０５５７４号（あらゆる目的のために、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）に説明される。
図３Ａ－３Ｃは、種々の電気構成を有する、モジュール１０８の例示的実施形態を描写する、ブロック図である。これらの実施形態は、１つのＬＣＤ１１４／モジュール１０８を有し、ＬＣＤ１１４が、関連付けられるモジュール内に格納されるように説明されるが、本明細書に説明されるように、別様に構成されることもできる。図３Ａは、システム１００内のモジュール１０８Ａの第１の例示的構成を描写する。モジュール１０８Ａは、エネルギー源２０６と、エネルギーバッファ２０４と、コンバータ２０２Ａとを含む。各コンポーネントは、本明細書では、ＩＯポートと称される、その中に電力が入力され得る、および／またはそこから電力が出力され得る、電力接続ポート（例えば、端子、コネクタ）を有する。そのようなポートは、文脈に応じて、入力ポートまたは出力ポートとも称され得る。
エネルギー源２０６は、本明細書に説明されるエネルギー源タイプ（例えば、図４Ａ－４Ｄに関して説明されるようなバッテリ、ＨＥＤコンデンサ、燃料電池、またはその他）のいずれかとして構成されることができる。エネルギー源２０６のポートＩＯ１およびＩＯ２は、それぞれ、エネルギーバッファ２０４のポートＩＯ１およびＩＯ２に接続されることができる。エネルギーバッファ２０４は、バッファ２０４に到着する高および低周波数エネルギー波動をコンバータ２０２を通してバッファまたはフィルタリングするように構成されることができ、これは、そうでなければ、モジュール１０８の性能を劣化させ得る。バッファ２０４のためのトポロジおよびコンポーネントは、これらの高周波数電圧波動の最大許容可能振幅に適応するように選択される。エネルギーバッファ２０４のいくつかの（非包括的）例示的実施形態が、図５Ａ－５Ｃの概略図に描写される。図５Ａでは、バッファ２０４は、電解および／またはフィルムコンデンサＣＥＢであって、図５Ｂでは、バッファ２０４は、２つのインダクタＬＥＢ１およびＬＥＢ２と、２つの電解および／またはフィルムコンデンサＣＥＢ１およびＣＥＢ２とによって形成される、Ｚ－源ネットワーク７１０であって、図５Ｃでは、バッファ２０４は、２つのインダクタＬＥＢ１およびＬＥＢ２と、２つの電解および／またはフィルムコンデンサＣＥＢ１およびＣＥＢ２と、ダイオードＤＥＢとによって形成される、準Ｚ－源ネットワーク７２０である。
エネルギーバッファ２０４のポートＩＯ３およびＩＯ４は、それぞれ、コンバータ２０２ＡのポートＩＯ１およびＩＯ２に接続されることができ、これは、本明細書に説明される電力コンバータタイプのいずれかとして構成されることができる。図６Ａは、ＤＣ電圧をポートＩＯ１およびＩＯ２において受信し、パルスをポートＩＯ３およびＩＯ４において発生させるように切り替え得る、ＤＣ－ＡＣコンバータとして構成される、コンバータ２０２Ａの例示的実施形態を描写する、概略図である。コンバータ２０２Ａは、複数のスイッチを含むことができ、ここでは、コンバータ２０２Ａは、フルブリッジ構成に配列される、４つのスイッチＳ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６を含む。制御システム１０２またはＬＣＤ１１４は、各ゲートへの制御入力線１１８－３を介して、独立して、各スイッチを制御することができる。
スイッチは、ここに示される金属酸化半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、または窒化ガリウム（ＧａＮ）トランジスタのような電力半導体等の任意の好適なスイッチタイプであることができる。半導体スイッチは、比較的に高切替周波数で動作し、それによって、コンバータ２０２が、所望に応じて、パルス幅変調（ＰＷＭ）モードで動作され、比較的に短時間間隔内で制御コマンドに応答することを可能にすることができる。これは、過渡モードにおいて、出力電圧規制の高公差および高速動的挙動を提供することができる。
本実施形態では、ＤＣ線電圧Ｖ ＤＣＬが、ポートＩＯ１とＩＯ２との間のコンバータ２０２に印加されることができる。スイッチＳ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６の異なる組み合わせによって、Ｖ ＤＣＬをポートＩＯ３およびＩＯ４に接続することによって、コンバータ２０２は、３つの異なる電圧出力、すなわち、＋Ｖ ＤＣＬ、０、および－Ｖ ＤＣＬをポートＩＯ３およびＩＯ４に発生させることができる。各スイッチに提供されるスイッチ信号は、スイッチがオン（閉鎖）またはオフ（開放）にされるかどうかを制御する。＋Ｖ ＤＣＬを取得するために、スイッチＳ３およびＳ６は、オンにされながら、Ｓ４およびＳ５は、オフにされる一方、－Ｖ ＤＣＬは、スイッチＳ４およびＳ５をオンにし、Ｓ３およびＳ６をオフにすることによって取得されることができる。出力電圧は、Ｓ３およびＳ５をオンにした状態で、Ｓ４およびＳ６をオフにすることによって、Ｓ４およびＳ６をオンにした状態で、Ｓ３およびＳ５をオフにすることによって、ゼロ（ほぼゼロを含む）または基準電圧に設定されることができる。これらの電圧は、電力接続１１０を経由して、モジュール１０８から出力されることができる。コンバータ２０２のポートＩＯ３およびＩＯ４は、他のモジュール１０８からの出力電圧と併用するための出力電圧を発生させるように、電力接続１１０のモジュールＩＯポート１および２に（またはそこから）接続されることができる。
本明細書に説明されるコンバータ２０２の実施形態のための制御またはスイッチ信号は、システム１００によってコンバータ２０２の出力電圧を発生させるために利用される制御技法に応じて、異なる方法で発生されることができる。いくつかの実施形態では、制御技法は、空間ベクトルパルス幅変調（ＳＶＰＷＭ）または正弦波パルス幅変調（ＳＰＷＭ）もしくはその変形例等のＰＷＭ技法である。図８Ａは、コンバータ２０２の出力電圧波形８０２の実施例を描写する、電圧対時間のグラフである。説明を容易にするために、本明細書における実施形態は、ＰＷＭ制御技法の文脈で説明されるであろうが、実施形態は、それに限定されない。他の技法のクラスも、使用されることができる。１つの代替クラスは、ヒステリシスに基づき、その実施例は、国際公開第ＷＯ２０１８／２３１８１０Ａ１号、第ＷＯ２０１８／２３２４０３Ａ１号、および第ＷＯ２０１９／１８３５５３Ａ１号（あらゆる目的のために、参照することによって本明細書に組み込まれる）に説明される。
各モジュール１０８は、複数のエネルギー源２０６（例えば、２つ、３つ、４つ、またはそれを上回る）とともに構成されることができる。モジュール１０８の各エネルギー源２０６は、モジュールの他の源２０６から独立して、電力を接続１１０に供給する（または電力を充電源から受信する）ように制御可能（切替可能）であることができる。例えば、全ての源２０６は、同時に、電力を接続１１０に出力する（または充電される）ことができる、または源２０６の１つ（またはサブセット）のみが、任意の時点において、電力を供給する（または充電される）ことができる。いくつかの実施形態では、モジュールの源２０６は、それらの間でエネルギーを交換することができる、例えば、１つの源２０６が、別の源２０６を充電することができる。源２０６はそれぞれ、本明細書に説明される任意のエネルギー源（例えば、バッテリ、ＨＥＤコンデンサ、燃料電池）として構成されることができる。源２０６はそれぞれ、同一タイプ（例えば、それぞれ、バッテリであることができる）または異なるタイプであることができる（例えば、第１の源は、バッテリであることができ、第２の源は、ＨＥＤコンデンサであることができる、または第１の源は、第１のタイプを有する、バッテリ（例えば、ＮＭＣ）であることができ、第２の源は、第２のタイプを有する、バッテリ（例えば、ＬＦＰ）であることができる。
図３Ｂは、一次エネルギー源２０６Ａと、二次エネルギー源２０６Ｂとを伴う、二重エネルギー源構成における、モジュール１０８Ｂの例示的実施形態を描写する、ブロック図である。一次源２０２ＡのポートＩＯ１およびＩＯ２は、エネルギーバッファ２０４のポートＩＯ１およびＩＯ２に接続されることができる。モジュール１０８Ｂは、付加的ＩＯポートを有する、コンバータ２０２Ｂを含む。バッファ２０４のポートＩＯ３およびＩＯ４は、それぞれ、コンバータ２０２ＢのポートＩＯ１およびＩＯ２に接続されることができる。二次源２０６ＢのポートＩＯ１およびＩＯ２は、それぞれ、コンバータ２０２ＢのポートＩＯ５およびＩＯ２に接続される（また、バッファ２０４のポートＩＯ４に接続される）ことができる。
モジュール１０８Ｂの本例示的実施形態では、一次エネルギー源２０２Ａは、システム１００の他のモジュール１０８とともに、負荷によって必要とされる、平均電力を供給する。二次源２０２Ｂは、付加的電力を負荷電力ピークにおいて提供する、または過剰電力を吸収することによって、もしくは別様に、補助エネルギー源２０２の機能を果たすことができる。
述べられたように、一次源２０６Ａおよび二次源２０６Ｂは両方とも、コンバータ２０２Ｂのスイッチ状態に応じて、同時に、または別個の時間に、利用されることができる。同時である場合、電解および／またはフィルムコンデンサ（ＣＥＳ）は、図４Ｅに描写されるように、源２０６Ｂと並列に設置され、源２０６Ｂのためのエネルギーバッファとして作用することができる、またはエネルギー源２０６Ｂは、図４Ｆに描写されるように、別のエネルギー源（例えば、バッテリまたは燃料電池）と並列に、ＨＥＤコンデンサを利用するように構成されることができる。
図６Ｂおよび６Ｃは、それぞれ、コンバータ２０２Ｂおよび２０２Ｃの例示的実施形態を描写する、概略図である。コンバータ２０２Ｂは、スイッチ回路網部分６０１および６０２Ａを含む。部分６０１は、コンバータ２０２Ａと類似様式において、フルブリッジとして構成され、ＩＯ１およびＩＯ２をＩＯ３およびＩＯ４のいずれかに選択的に結合するように構成され、それによって、モジュール１０８Ｂの出力電圧を変化させる、スイッチＳ３－Ｓ６を含む。部分６０２Ａは、ハーフブリッジとして構成され、ポートＩＯ１とＩＯ２との間に結合される、スイッチＳ１およびＳ２を含む。結合インダクタＬＣが、スイッチ部分６０２Ａが、（ブーストまたはバック）電圧（または逆に、電流）を調整し得る、双方向性コンバータであるように、ポートＩＯ５と、スイッチＳ１とＳ２との間に存在する、ノード１との間に接続される。スイッチ部分６０２Ａは、事実上ゼロ電位であり得る、ポートＩＯ２に参照される、＋Ｖ ＤＣＬ２および０である、２つの異なる電圧をノード１において発生させることができる。エネルギー源２０２Ｂから引き出される、またはそこに入力される、電流は、例えば、スイッチＳ１およびＳ２を整流するためのパルス幅変調技法またはヒステリシス制御方法を使用して、結合インダクタＬＣ上の電圧を調整することによって制御されることができる。他の技法もまた、使用されることができる。
コンバータ２０２Ｃは、スイッチ部分６０２Ｂが、ハーフブリッジとして構成され、ポートＩＯ５とＩＯ２との間に結合される、スイッチＳ１およびＳ２を含むため、２０２Ｂのものと異なる。結合インダクタＬＣが、スイッチ部分６０２Ｂが、電圧を調整するように構成されるように、ポートＩＯ１と、スイッチＳ１とＳ２との間に存在する、ノード１との間に接続される。
制御システム１０２またはＬＣＤ１１４は、独立して、各ゲートへの制御入力線１１８－３を介して、コンバータ２０２Ｂおよび２０２Ｃの各スイッチを制御することができる。これらの実施形態および図６Ａのものでは、ＬＣＤ１１４（ＭＣＤ１１２ではなく）が、コンバータスイッチのための切替信号を発生させる。代替として、ＭＣＤ１１２も、切替信号を発生させることができ、これは、直接、スイッチに通信される、またはＬＣＤ１１４によって中継されることができる。
モジュール１０８が３つまたはそれを上回るエネルギー源２０６を含む、実施形態では、コンバータ２０２Ｂおよび２０２Ｃは、各付加的エネルギー源２０６Ｂが、特定の源の必要性に応じて、付加的スイッチ回路網部分６０２Ａまたは６０２Ｂにつながる、付加的ＩＯポートに結合されるように、適宜、スケーリングされることができる。例えば、二重源コンバータ２０２は、スイッチ部分２０２Ａおよび２０２Ｂの両方を含むことができる。
複数のエネルギー源２０６を伴う、モジュール１０８は、源２０６間のエネルギー共有、用途内からのエネルギー捕捉（例えば、回生制動）、全体的システムが放電状態にある間でも、二次源による一次源の充電、およびモジュール出力の能動フィルタリング等の付加的機能を実施することが可能である。能動フィルタリング機能はまた、二次エネルギー源の代わりに、典型的電解コンデンサを有する、モジュールによって実施されることができる。これらの機能の実施例は、２０２０年３月２７日に出願され、「Ｍｏｄｕｌｅ－Ｂａｓｅｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｃａｐａｂｌｅ Ｏｆ Ｃａｓｃａｄｅｄ Ａｎｄ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｅｄ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ， Ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｔｈｅｒｅｔｏ」と題された、国際公開第ＷＯ２０２０／２０５５７４号、および２０１９年３月２２日に出願され、「Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ」と題された、国際公開第ＷＯ２０１９／１８３５５３号（その両方とも、あらゆる目的のために、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）にさらに詳細に説明される。
各モジュール１０８は、その１つまたはそれを上回るエネルギー源２０６を用いて、１つまたはそれを上回る補助負荷に供給するように構成されることができる。補助負荷は、一次負荷１０１より低い電圧を要求する、負荷である。補助負荷の実施例は、例えば、電気自動車の車載電気ネットワークまたは電気自動車のＨＶＡＣシステムであり得る。システム１００の負荷は、例えば、電気自動車モータまたは配電網の位相のうちの１つであり得る。本実施形態は、エネルギー源の電気特性（端子電圧および電流）と負荷の電気特性との間の完全な分断を可能にすることができる。
図３Ｃは、電力を第１の補助負荷３０１および第２の補助負荷３０２に供給するように構成される、モジュール１０８Ｃの例示的実施形態を描写する、ブロック図であって、モジュール１０８Ｃは、図３Ｂのものに類似するようにともに結合される、エネルギー源２０６と、エネルギーバッファ２０４と、コンバータ２０２Ｂとを含む。第１の補助負荷３０１は、源２０６から供給されるものに匹敵する、電圧を要求する。負荷３０１は、モジュール１０８ＣのＩＯポート３および４に結合され、これは、ひいては、源２０６のポートＩＯ１およびＩＯ２に結合される。源２０６は、電力を電力接続１１０および負荷３０１の両方に出力することができる。第２の補助負荷３０２は、源２０６のものより低い、一定電圧を要求する。負荷３０２は、モジュール１０８ＣのＩＯポート５および６に結合され、これは、それぞれ、コンバータ２０２ＢのポートＩＯ５およびＩＯ２に結合される。コンバータ２０２Ｂは、ポートＩＯ５（図６Ｂ）に結合される結合インダクタＬＣを有する、スイッチ部分６０２を含むことができる。源２０６によって供給されるエネルギーは、コンバータ２０２Ｂのスイッチ部分６０２を通して、負荷３０２に供給されることができる。負荷３０２は、入力コンデンサを有し（コンデンサは、該当しない場合、モジュール１０８Ｃに追加されることができる）、したがって、スイッチＳ１およびＳ２は、結合インダクタＬＣ上の電圧およびそれを通した電流を調整するように整流され、したがって、負荷３０２のための安定一定電圧を生産し得ると仮定される。本調整は、源２０６の電圧を、負荷３０２によって要求される、より低い大きさの電圧に逓減させることができる。
モジュール１０８Ｃは、したがって、１つまたはそれを上回る第１の負荷がＩＯポート３および４に結合された状態で、負荷３０１に関して説明される様式において、１つまたはそれを上回る第１の補助負荷に供給するように構成されることができる。モジュール１０８Ｃはまた、負荷３０２に関して説明される様式において、１つまたはそれを上回る第２の補助負荷に供給するように構成されることができる。複数の第２の補助負荷３０２が、存在する場合、付加的負荷３０２毎に、モジュール１０８Ｃは、付加的専用モジュール出力ポート（５および６のように）、付加的専用スイッチ部分６０２、および付加的部分６０２に結合される、付加的コンバータＩＯポートを伴って、スケーリングされることができる。
エネルギー源２０６は、したがって、任意の数の補助負荷（例えば、３０１および３０２）ならびに一次負荷１０１によって必要とされるシステム出力電力の対応する部分のために電力を供給することができる。源２０６から種々の負荷への電力流は、所望に応じて調節されることができる。
モジュール１０８は、必要に応じて、２つまたはそれを上回るエネルギー源２０６（図３Ｂ）を用いて、付加的源２０６Ｂまたは第２の補助負荷３０２毎に、スイッチ部分６０２およびコンバータポートＩＯ５の追加を通して、第１および／または第２の補助負荷（図３Ｃ）に供給するように構成されることができる。付加的モジュールＩＯポート（例えば、３、４、５、６）が、必要に応じて追加されることができる。モジュール１０８はまた、相互接続モジュールとして構成され、本明細書にさらに説明されるような２つまたはそれを上回るアレイ、２つまたはそれを上回るパック、または２つまたはそれを上回るシステム１００間でエネルギーを交換することができる（例えば、平衡のために）。本相互接続機能性は、同様に、複数の源および／または複数の補助負荷供給能力と組み合わせられることができる。
制御システム１０２は、モジュール１０８Ａ、１０８Ｂ、および１０８Ｃのコンポーネントに対して種々の機能を実施することができる。これらの機能は、各エネルギー源２０６の利用量（使用の量）の管理、エネルギーバッファ２０４の過電流、過電圧、および高温条件からの保護、ならびにコンバータ２０２の制御および保護を含むことができる。
例えば、各エネルギー源２０６の利用量を管理する（例えば、増加、減少、または維持させることによって、調節する）ために、ＬＣＤ１１４は、１つまたはそれを上回る監視される電圧、温度、および電流を各エネルギー源２０６（またはモニタ回路網）から受信することができる。監視される電圧は、源２０６の他のコンポーネント（例えば、各個々のバッテリ電池、ＨＥＤコンデンサ、および／または燃料電池）から独立した各基本的コンポーネントの電圧、または基本的コンポーネントの群の全体としての電圧（例えば、バッテリアレイ、ＨＥＤコンデンサアレイ、および／または燃料電池アレイの電圧）のうちの少なくとも１つ、好ましくは、全てであり得る。同様に、監視される温度および電流は、源２０６の他のコンポーネントから独立した各基本的コンポーネントの温度および電流、または基本的コンポーネントの群の全体としての温度および電流、もしくはそれらの任意の組み合わせのうちの少なくとも１つ、好ましくは、全てであり得る。監視される信号は、それを用いてＬＣＤ１１４が、以下、すなわち、基本的コンポーネントまたは基本的コンポーネントの群の実際の容量、実際の充電の状態（ＳＯＣ）、および／または健全性の状態（ＳＯＨ）の計算または判定、監視および／または計算されたステータス情報に基づく、警告またはアラームインジケーションの設定または出力、および／またはＭＣＤ１１２へのステータス情報の伝送のうちの１つまたはそれを上回るものを実施し得る、ステータス情報であり得る。ＬＣＤ１１４は、制御情報（例えば、変調インデックス、同期信号）をＭＣＤ１１２から受信し、本制御情報を使用して、源２０６の利用量を管理する、コンバータ２０２のためのスイッチ信号を発生させることができる。
エネルギーバッファ２０４を保護するために、ＬＣＤ１１４は、１つまたはそれを上回る監視される電圧、温度、および電流をエネルギーバッファ２０４（またはモニタ回路網）から受信することができる。監視される電圧は、他のコンポーネントから独立したバッファ２０４の各基本的コンポーネント（例えば、ＣＥＢ、ＣＥＢ１、ＣＥＢ２、ＬＥＢ１、ＬＥＢ２、ＤＥＢ）の電圧、またはバッファ２０４の基本的コンポーネントの群の全体として（例えば、ＩＯ１とＩＯ２との間またはＩＯ３とＩＯ４との間）の電圧のうちの少なくとも１つ、好ましくは、全てであり得る。同様に、監視される温度および電流は、他のコンポーネントから独立したバッファ２０４の各基本的コンポーネントの温度および電流、またはバッファ２０４の基本的コンポーネントの群の全体としての温度および電流、もしくはそれらの任意の組み合わせのうちの少なくとも１つ、好ましくは、全てであり得る。監視される信号は、それを用いてＬＣＤ１１４が、以下、すなわち、警告またはアラームインジケーションの設定または出力、ＭＣＤ１１２へのステータス情報の通信のうちの１つまたはそれを上回るものを実施する、または制御コンバータ２０２が、バッファ保護のための源２０６およびモジュール１０８の全体としての利用量を調節（増加または減少）し得る、ステータス情報であり得る。
コンバータ２０２を制御および保護するために、ＬＣＤ１１４は、制御情報（例えば、変調された基準信号、または基準信号および変調インデックス）をＭＣＤ１１２から受信することができ、これは、ＰＷＭ技法を用いて、ＬＣＤ１１４内で使用され、スイッチ（例えば、Ｓ１－Ｓ６）毎に、制御信号を発生させることができる。ＬＣＤ１１４は、電流フィードバック信号をコンバータ２０２の電流センサから受信することができ、これは、コンバータ２０２の全てのスイッチの障害ステータス（例えば、短絡回路または開回路故障モード）についての情報を搬送し得る、コンバータスイッチのドライバ回路（図示せず）からの１つまたはそれを上回る障害ステータス信号とともに、過電流保護のために使用され得る。本データに基づいて、ＬＣＤ１１４は、モジュール１０８の利用量を管理し、潜在的に、コンバータ２０２（およびモジュール１０８全体）をバイパスする、またはシステム１００から接続解除するために印加されるべき切替信号の組み合わせに関する決定を行うことができる。
第２の補助負荷３０２に供給する、モジュール１０８Ｃを制御する場合、ＬＣＤ１１４は、モジュール１０８Ｃ内の１つまたはそれを上回る監視される電圧（例えば、ＩＯポート５と６との間の電圧）と、１つまたはそれを上回る監視される電流（例えば、負荷３０２の電流である、結合インダクタＬＣ内の電流）とを受信することができる。これらの信号に基づいて、ＬＣＤ１１４は、Ｓ１およびＳ２の切替サイクルを調節し、負荷３０２のための電圧を制御する（および安定化させる）ことができる（例えば、変調インデックスまたは基準波形の調節によって）。
カスケード式エネルギーシステムトポロジの実施例
２つまたはそれを上回るモジュール１０８が、アレイ内の各モジュール１０８によって発生される離散電圧の重畳によって形成される、電圧信号を出力する、カスケード式アレイにおいて、ともに結合されることができる。図７Ａは、システム１００のためのトポロジの例示的実施形態を描写する、ブロック図であって、Ｎ個のモジュール１０８－１、１０８－２．．．１０８－Ｎが、直列にともに結合され、直列アレイ７００を形成する。本明細書に説明される本および全ての実施形態では、Ｎは、１を上回る任意の整数であることができる。アレイ７００は、第１のシステムＩＯポートＳＩＯ１と、第２のシステムＩＯポートＳＩＯ２とを含み、それを横断して、アレイ出力電圧が発生される。アレイ７００は、アレイ７００のＳＩＯ１およびＳＩＯ２に接続され得る、ＤＣまたはＡＣ単相負荷のためのＤＣもしくは単相ＡＣエネルギー源として使用されることができる。図８Ａは、４８ボルトエネルギー源を有する、単一モジュール１０８によって生産される、例示的出力信号を描写する、電圧対時間のプロットである。図８Ｂは、直列に結合される６つの４８Ｖモジュール１０８を有する、アレイ７００によって発生される、例示的単相ＡＣ出力信号を描写する、電圧対時間のプロットである。
システム１００は、多種多様な異なるトポロジに配列され、用途の可変必要性を満たすことができる。システム１００は、複数のアレイ７００の使用によって、多相電力（例えば、２相、３相、４相、５相、６相等）を負荷に提供することができ、各アレイは、異なる位相角度を有する、ＡＣ出力信号を発生させることができる。
図７Ｂは、ともに結合される、２つのアレイ７００－ＰＡおよび７００－ＰＢを伴う、システム１００を描写する、ブロック図である。各アレイ７００は、１次元であって、Ｎ個のモジュール１０８の直列接続によって形成される。２つのアレイ７００－ＰＡおよび７００－ＰＢはそれぞれ、単相ＡＣ信号を発生させることができ、２つのＡＣ信号は、異なる位相角度ＰＡおよびＰＢを有する（例えば、１８０度離間する）。各アレイ７００－ＰＡおよび７００－ＰＢのモジュール１０８－１のＩＯポート１は、それぞれ、システムＩＯポートＳＩＯ１およびＳＩＯ２を形成する、またはそれに接続されることができ、これは、ひいては、２つの位相電力を負荷（図示せず）に提供し得る、各アレイの第１の出力としての役割を果たすことができる。または代替として、ポートＳＩＯ１およびＳＩＯ２は、単相電力を２つの並列アレイから提供するように接続されることができる。各アレイ７００－ＰＡおよび７００－ＰＢのモジュール１０８－ＮのＩＯポート２は、システムＩＯポートＳＩＯ１およびＳＩＯ２のアレイと反対端上において、アレイ７００－ＰＡおよび７００－ＰＢ毎に、第２の出力としての役割を果たすことができ、共通ノードにおいて、ともに結合され、随意に、所望に応じて、付加的システムＩＯポートＳＩＯ３のために使用されることができ、これは、中性端子としての役割を果たすことができる。本共通ノードは、レールと称され得、各アレイ７００のモジュール１０８－ＮのＩＯポート２は、アレイのレール側上にあると称され得る。
図７Ｃは、ともに結合される、３つのアレイ７００－ＰＡ、７００－ＰＢ、および７００－ＰＣを伴う、システム１００を描写する、ブロック図である。各アレイ７００は、１次元であって、Ｎ個のモジュール１０８の直列接続によって形成される。３つのアレイ７００－１および７００－２はそれぞれ、単相ＡＣ信号を発生させることができ、３つのＡＣ信号は、異なる位相角度ＰＡ、ＰＢ、ＰＣを有する（例えば、１２０度離間する）。各アレイ７００－ＰＡ、７００－ＰＢ、および７００－ＰＣのモジュール１０８－１のＩＯポート１は、それぞれ、システムＩＯポートＳＩＯ１、ＳＩＯ２、およびＳＩＯ３を形成する、またはそれに接続されることができ、これは、ひいては、３相電力を負荷（図示せず）に提供することができる。各アレイ７００－ＰＡ、７００－ＰＢ、および７００－ＰＣのモジュール１０８－ＮのＩＯポート２は、共通ノードにおいて、ともに結合されることができ、随意に、所望に応じて、付加的システムＩＯポートＳＩＯ４のために使用されることができ、これは、中性端子としての役割を果たす。
図７Ｂおよび７Ｃの２相および３相実施形態に関して説明される概念は、さらにより多くの位相の電力を発生させる、システム１００に拡張されることができる。例えば、付加的実施例の非包括的リストは、それぞれ、異なる位相角度を有する（例えば、９０度離間する）、単相ＡＣ信号を発生させるように構成される、４つのアレイ７００を有する、システム１００、それぞれ、異なる位相角度を有する（例えば、７２度離間する）、単相ＡＣ信号を発生させるように構成される、５つのアレイ７００を有する、システム１００、および各アレイが、異なる位相角度を有する（例えば、６０度離間する）、単相ＡＣ信号を発生させるように構成される、６つのアレイ７００を有する、システム１００を含む。
システム１００は、アレイ７００が、各アレイ内のモジュール１０８間の電気ノードにおいて相互接続されるように構成されることができる。図７Ｄは、組み合わせられた直列およびデルタ配列においてともに結合される、３つのアレイ７００－ＰＡ、７００－ＰＢ、および７００－ＰＣを伴う、システム１００を描写する、ブロック図である。各アレイ７００は、Ｎ個のモジュール１０８の第２の直列接続と結合される（Ｎは、２つまたはそれを上回る）、Ｍ個のモジュール１０８の第１の直列接続を含む（Ｍは、２つまたはそれを上回る）。デルタ構成は、アレイ間の相互接続によって形成され、これは、任意の所望の場所に設置されることができる。本実施形態では、アレイ７００－ＰＣのモジュール１０８－（Ｍ＋Ｎ）のＩＯポート２は、アレイ７００－ＰＡのモジュール１０８－ＭのＩＯポート２およびモジュール１０８－（Ｍ＋１）のＩＯポート１と結合され、アレイ７００－ＰＢのモジュール１０８－（Ｍ＋Ｎ）のＩＯポート２は、アレイ７００－ＰＣのモジュール１０８－ＭのＩＯポート２およびモジュール１０８－（Ｍ＋１）のＩＯポート１と結合され、アレイ７００－ＰＡのモジュール１０８－（Ｍ＋Ｎ）のＩＯポート２は、アレイ７００－ＰＢのモジュール１０８－ＭのＩＯポート２およびモジュール１０８－（Ｍ＋１）のＩＯポート１と結合される。
図７Ｅは、組み合わせられた直列およびデルタ配列においてともに結合される、３つのアレイ７００－ＰＡ、７００－ＰＢ、および７００－ＰＣを伴う、システム１００を描写する、ブロック図である。本実施形態は、図７Ｄのものに類似するが、異なる交差接続を伴う。本実施形態では、アレイ７００－ＰＣのモジュール１０８－ＭのＩＯポート２は、アレイ７００－ＰＡのモジュール１０８－１のＩＯポート１と結合され、アレイ７００－ＰＢのモジュール１０８－ＭのＩＯポート２は、アレイ７００－ＰＣのモジュール１０８－１のＩＯポート１と結合され、アレイ７００－ＰＡのモジュール１０８－ＭのＩＯポート２は、アレイ７００－ＰＢのモジュール１０８－１のＩＯポート１と結合される。図７Ｄおよび７Ｅの配列は、各アレイ７００内に２つ程度の少ないモジュールを伴って実装されることができる。組み合わせられたデルタおよび直列の構成は、本システムの全てのモジュール１０８（相間平衡）と送電網または負荷の位相との間のエネルギーの効果的交換を可能にし、また、アレイ７００内のモジュール１０８の総数を低減させ、所望の出力電圧を取得することを可能にする。
本明細書に説明される実施形態では、モジュール１０８の数は、システム１００内の各アレイ７００で同一であることが有利であるが、それは、要求されず、異なるアレイ７００は、異なる数のモジュール１０８を有することができる。さらに、各アレイ７００は、全て同一構成（例えば、全てのモジュールが、１０８Ａである、全てのモジュールが、１０８Ｂである、全てのモジュールが、１０８Ｃである、またはその他）または異なる構成（例えば、１つまたはそれを上回るモジュールが、１０８Ａであって、１つまたはそれを上回るモジュールが、１０８Ｂであって、１つまたはそれを上回るモジュールが、１０８Ｃである、またはその他）である、モジュール１０８を有することができる。したがって、本明細書で網羅されるシステム１００のトポロジの範囲は、広範である。
制御方法論の例示的実施形態
述べられたように、システム１００の制御は、ヒステリシスまたはＰＷＭ等の種々の方法論に従って実施されることができる。ＰＷＭのいくつかの実施例は、空間ベクトル変調および正弦パルス幅変調を含み、コンバータ２０２のための切替信号は、各モジュール１０８の利用を持続的に回転させ、電力をそれらの間で等しく分散させる、位相シフト搬送波技法を用いて発生される。
図８Ｃ－８Ｆは、徐々にシフトされる２レベル波形を使用して、マルチレベル出力ＰＷＭ波形を発生させ得る、位相シフトＰＷＭ制御方法論の例示的実施形態を描写する、プロットである。ＸレベルＰＷＭ波形が、（Ｘ－１）／２の２レベルＰＷＭ波形の総和によって生成されることができる。これらの２レベル波形は、基準波形Ｖｒｅｆと３６０°／（Ｘ－１）ずつ徐々にシフトされる搬送波を比較することによって、発生されることができる。搬送波は、三角形であるが、実施形態は、それに限定されない。９レベル実施例が、図８Ｃに示される（４つのモジュール１０８を使用して）。搬送波は、３６０°／（９－１）＝４５°ずつ徐々にシフトされ、Ｖｒｅｆと比較される。結果として生じる２レベルＰＷＭ波形は、図８Ｅに示される。これらの２レベル波形は、コンバータ２０２の半導体スイッチ（例えば、Ｓ１－Ｓ６）のための切替信号として使用されてもよい。実施例として、図８Ｅを参照すると、それぞれ、コンバータ２０２を伴う、４つのモジュール１０８を含む、１次元アレイ７００に関して、０°信号は、第１のモジュール１０８－１のＳ３の制御のためのものであって、１８０°信号は、Ｓ６のためのものであって、４５°信号は、第２のモジュール１０８－２のＳ６のためのＳ３および２２５°信号のためのものであって、９０°信号は、第３のモジュール１０８－３のＳ３のためのものであって、２７０°信号は、Ｓ６のものであって、１３５°信号は、第４のモジュール１０８－４のＳ３のものであって、３１５°信号は、Ｓ６のためのものである。Ｓ３のための信号は、各ハーフブリッジのシュートスルーを回避するために、十分な不感時間を伴って、Ｓ４に相補的であって、Ｓ５のための信号は、Ｓ６に相補的である。図８Ｆは、４つのモジュール１０８からの出力電圧の重畳（総和）によって生産される、例示的単相ＡＣ波形を描写する。
代替は、第１の（Ｎ－１）／２の搬送波とともに、正および負の基準信号の両方を利用することである。９レベル実施例が、図８Ｄに示される。本実施例では、０°～１３５°切替信号（図８Ｅ）が、＋Ｖｒｅｆと図８Ｄの０°～１３５°搬送波を比較することによって発生され、１８０°～３１５°切替信号が、－Ｖｒｅｆと図８Ｄの０°～１３５°搬送波を比較することによって発生される。しかしながら、後者の場合の比較の論理は、逆転される。状態機械デコーダ等の他の技法もまた、コンバータ２０２のスイッチのためのゲート信号を発生させるために使用されてもよい。
多相システム実施形態では、同一搬送波が、位相毎に使用されることができる、または搬送波のセットは、位相毎に全体としてシフトされることができる。例えば、単一基準電圧（Ｖｒｅｆ）を伴う、３相システムでは、各アレイ７００は、図８Ｃおよび８Ｄに示されるものと同一相対的オフセットを伴う、同一数の搬送波を使用することができるが、第２の位相の搬送波は、第１相の搬送波と比較して１２０度シフトされ、第３の位相の搬送波は、第１相の搬送波と比較して、２４０度シフトされる。異なる基準電圧が、位相毎に利用可能である場合、位相情報は、基準電圧内で搬送されることができ、同一搬送波が、位相毎に使用されることができる。多くの場合、搬送波周波数は、固定されるであろうが、いくつかの例示的実施形態では、搬送波周波数は、調節されることができ、これは、高電流条件下でのＥＶモータにおける損失を低減させることに役立ち得る。
適切な切替信号が、制御システム１０２によって、各モジュールに提供されることができる。例えば、ＭＣＤ１１２は、ＬＣＤ１１４が制御する、モジュールまたは複数のモジュール１０８に応じて、Ｖｒｅｆおよび適切な搬送波信号を各ＬＣＤ１１４に提供することができ、ＬＣＤ１１４は、次いで、切替信号を発生させることができる。または、アレイ内の全てのＬＣＤ１１４は、全ての搬送波信号を提供ことができ、ＬＣＤは、適切な搬送波信号を選択することができる。
各モジュール１０８の相対的利用量は、本明細書に説明されるように、ステータス情報に基づいて調節され、１つまたはそれを上回るパラメータの平衡を実施することができる。パラメータの平衡は、利用量を調節し、個々のモジュール利用量調節が実施されないシステムと比較して、パラメータ発散を経時的に最小限にするステップを伴い得る。利用量は、システム１００が放電状態にあるとき、モジュール１０８が放電している相対的時間量、またはシステム１００が充電状態にあるときのモジュール１０８が充電している相対的時間量であり得る。
本明細書に説明されるように、モジュール１０８は、アレイ７００内の他のモジュールに対して平衡されることができ、これは、アレイ内または相内平衡と称され得、異なるアレイ７００も、相互に対して平衡されることができ、これは、アレイ間または相間平衡と称され得る。異なるサブシステムのアレイ７００もまた、相互に対して平衡されることができる。制御システム１０２は、同時に、相内平衡、相間平衡、モジュール内の複数のエネルギー源の利用、能動フィルタリング、および補助負荷供給の任意の組み合わせを実施することができる。
図９Ａは、単相ＡＣまたはＤＣアレイのための制御システム１０２のアレイコントローラ９００の例示的実施形態を描写する、ブロック図である。アレイコントローラ９００は、ピーク検出器９０２と、除算器９０４と、相内（またはアレイ内）平衡コントローラ９０６とを含むことができる。アレイコントローラ９００は、アレイ内のＮ個のモジュール１０８のそれぞれについての基準電圧波形（Ｖｒ）およびステータス情報（例えば、充電の状態（ＳＯＣｉ）、温度（Ｔｉ）、容量（Ｑｉ）、および電圧（Ｖｉ））を入力として受信し、正規化された基準電圧波形（Ｖｒｎ）および変調インデックス（Ｍｉ）を出力として発生させることができる。ピーク検出器９０２は、Ｖｒのピーク（Ｖｐｋ）を検出し、これは、コントローラ９００が動作および／または平衡している、位相に特有であり得る。除算器９０４は、Ｖｒをその検出されたＶｐｋによって除算することによって、Ｖｒｎを発生させる。相内平衡コントローラ９０６は、Ｖｐｋをステータス情報（例えば、ＳＯＣｉ、Ｔｉ、Ｑｉ、Ｖｉ等）とともに使用して、制御されているアレイ７００内のモジュール１０８毎に、変調インデックスＭｉを発生させる。
変調インデックスおよびＶｒｎは、コンバータ２０２毎に、切替信号を発生させるために使用されることができる。変調インデックスは、ゼロ～１（ゼロおよび１を含む）の数であることができる。特定のモジュール１０８に関して、正規化された基準Ｖｒｎが、Ｍｉによって変調またはスケーリングされることができ、本変調された基準信号（Ｖｒｎｍ）は、図８Ｃ－８Ｆに関して説明される、ＰＷＭ技法に従って、または他の技法に従って、Ｖｒｅｆ（または－Ｖｒｅｆ）として使用されることができる。このように、変調インデックスは、コンバータ切替回路網（例えば、Ｓ３－Ｓ６またはＳ１－Ｓ６）に提供される、ＰＷＭ切替信号を制御し、したがって、各モジュール１０８の動作を調整するために使用されることができる。例えば、通常または完全動作を維持するために制御されている、モジュール１０８は、１のＭｉを受信し得る一方、通常または完全未満の動作に制御されている、モジュール１０８は、１未満のＭｉを受信し得、電力出力を停止するように制御される、モジュール１０８は、ゼロのＭｉを受信し得る。本動作は、ＭＣＤ１１２が、変調およびスイッチ信号発生のために、ＶｒｎおよびＭｉを適切なＬＣＤ１１４に出力することによって、ＭＣＤ１１２が、スイッチ信号発生のために、変調を実施し、変調されたＶｒｎｍを適切なＬＣＤ１１４に出力することによって、またはＭＣＤ１１２が、変調およびスイッチ信号発生を実施し、直接、スイッチ信号を各モジュール１０８のＬＣＤまたはコンバータ２０２に出力することによって等、制御システム１０２によって、種々の方法において実施されることができる。Ｖｒｎは、Ｖｒｎの周期毎に１回または１分あたり１回等、規則的間隔において送信される、Ｍｉとともに、持続的に送信されることができる。
コントローラ９０６は、本明細書に説明される任意のタイプまたはタイプの組み合わせのステータス情報（例えば、ＳＯＣ、温度（Ｔ）、Ｑ、ＳＯＨ、電圧、電流）を使用して、モジュール１０８毎に、Ｍｉを発生させることができる。例えば、ＳＯＣおよびＴを使用するとき、モジュール１０８は、ＳＯＣが、アレイ７００内の他のモジュール１０８と比較して、比較的に高く、温度が、比較的に低い場合、比較的に高Ｍｉを有することができる。ＳＯＣのいずれかが、比較的に低い、またはＴが、比較的に高い場合、そのモジュール１０８は、比較的に低Ｍｉを有し、アレイ７００内の他のモジュール１０８より少ない利用量をもたらすことができる。コントローラ９０６は、モジュール電圧の和がＶｐｋを超えないように、Ｍｉを判定することができる。例えば、Ｖｐｋは、各モジュールの源２０６の電圧およびそのモジュールに関するＭｉの積の和（例えば、Ｖｐｋ＝Ｍ１Ｖ１＋Ｍ２Ｖ２＋Ｍ３Ｖ３．．．＋ＭＮＶＮ等）であることができる。変調インデックスの異なる組み合わせ、したがって、モジュールによる個別の電圧寄与が、使用されてもよいが、総発生電圧は、同一のままであるべきである。
コントローラ９００は、各モジュール内のエネルギー源のＳＯＣが、平衡されたままである、または不平衡である場合、平衡条件に収束するように、および／または各モジュール１０８内のエネルギー源もしくは他のコンポーネント（例えば、エネルギーバッファ）の温度が平衡されたままである、または不平衡である場合、平衡条件に収束するように、任意の時点において（例えば、ＥＶの最大加速の間等に）システムの電力出力要件を達成することを妨げない限りにおいて、動作を制御することができる。モジュール内および外の電力潮流は、源の間の容量差がＳＯＣ偏差を引き起こさないように、調整されることができる。ＳＯＣおよび温度の平衡は、ＳＯＨのある程度の平衡を間接的に引き起こし得る。電圧および電流は、所望される場合、直接平衡を保たれることができるが、多くの実施形態では、本システムの主要目標は、ＳＯＣおよび温度の平衡を保つことであり、ＳＯＣの平衡は、モジュールが類似容量およびインピーダンスである、極めて対称のシステム内の電圧および電流の平衡につながり得る。
全てのパラメータの平衡を保つことが、同時に可能ではない場合がある（例えば、１つのパラメータの平衡がさらに、別のパラメータの平衡を失わせ得る）ため、いずれか２つまたはそれを上回るパラメータ（ＳＯＣ、Ｔ、Ｑ、ＳＯＨ、Ｖ、Ｉ）の平衡を保つことの組み合わせが、用途の要件に応じて、いずれか一方に与えられる優先順位を伴って適用されてもよい。平衡における優先順位は、他のパラメータ（Ｔ、Ｑ、ＳＯＨ、Ｖ、Ｉ）と比べてＳＯＣに与えられることができ、他のパラメータのうちの１つ（Ｔ、Ｑ、ＳＯＨ、Ｖ、Ｉ）が閾値外の重大な不平衡条件に到達する場合、例外が認められる。
異なる位相のアレイ７００（または、例えば、並列アレイが使用される場合、同一位相のアレイ）間の平衡は、相内平衡と並行して実施されることができる。図９Ｂは、少なくともΩ個のアレイ７００を有する、Ω相システム１００内の動作のために構成される、Ω相（またはΩアレイ）コントローラ９５０の例示的実施形態を描写し、Ωは、１を上回る任意の整数である。コントローラ９５０は、１つの相間（またはアレイ間）コントローラ９１０と、位相ＰＡ－ＰΩのためのΩ個の相内平衡コントローラ９０６－ＰＡ．．．９０６－ＰΩと、正規化された基準ＶｒｎＰＡ－ＶｒｎＰΩを各位相特有の基準ＶｒＰＡ－ＶｒＰΩから発生させるためのピーク検出器９０２および除算器９０４（図９Ａ）とを含むことができる。相内コントローラ９０６は、図９Ａに関して説明されるように、各アレイ７００のモジュール１０８毎に、Ｍｉを発生させることができる。相間平衡コントローラ９１０は、多次元システム全体を横断して、例えば、異なる位相のアレイ間のモジュール１０８の側面を平衡するように構成またはプログラムされる。これは、コモンモードを位相に注入すること（例えば、中性端子点シフト）を通して、または相互接続モジュール（本明細書に説明される）の使用を通して、もしくは両方を通して、達成されてもよい。コモンモード注入は、位相および振幅シフトを基準信号ＶｒＰＡ－ＶｒＰΩに導入し、正規化された波形ＶｒｎＰＡ－ＶｒｎＰΩを発生させ、１つまたはそれを上回るアレイ内の非平衡を補償するステップを伴い、本明細書に組み込まれる国際公開第ＷＯ２０２０／２０５５７４号にさらに説明される。
コントローラ９００および９５０（ならびに平衡コントローラ９０６および９１０）は、制御システム１０２内において、ハードウェア、ソフトウェア、またはそれらの組み合わせで実装されることができる。コントローラ９００および９５０は、ＭＣＤ１１２内に実装される、部分的または完全に、ＬＣＤ１１４間に分散されることができる、もしくはＭＣＤ１１２およびＬＣＤ１１４から独立して、離散コントローラとして実装されてもよい。
相互接続（ＩＣ）モジュールの例示的実施形態
モジュール１０８は、アレイ間でエネルギーを交換する、補助負荷のための源として作用する、または両方の目的のために、異なるアレイ７００のモジュール間に接続されることができる。そのようなモジュールは、本明細書では、相互接続（ＩＣ）モジュール１０８ＩＣと称される。ＩＣモジュール１０８ＩＣは、すでに説明されたモジュール構成（１０８Ａ、１０８Ｂ、１０８Ｃ）および本明細書に説明されることになるその他のいずれかで実装されることができる。ＩＣモジュール１０８ＩＣは、任意の数の１つまたはそれを上回るエネルギー源と、随意のエネルギーバッファと、エネルギーを１つまたはそれを上回るアレイに供給するため、および／または電力を１つまたはそれを上回る補助負荷に供給するためのスイッチ回路網と、制御回路網（例えば、ローカル制御デバイス）と、ＩＣモジュール自体またはその種々の負荷についてのステータス情報（例えば、エネルギー源のＳＯＣ、エネルギー源またはエネルギーバッファの温度、エネルギー源の容量、エネルギー源のＳＯＨ、ＩＣモジュールに関する電圧および／または電流測定値、補助負荷に関する電圧および／または電流測定値等）を収集するためのモニタ回路網とを含むことができる。
図１０Ａは、Ω個のアレイ７００－ＰＡ－７００－ＰΩを用いて、Ω相電力を生産することが可能である、システム１００の例示的実施形態を描写する、ブロック図であって、Ωは、１を上回る任意の整数であることができる。本および他の実施形態では、ＩＣモジュール１０８ＩＣは、それに対してモジュール１０８ＩＣが接続される、アレイ７００（本実施形態では、アレイ７００－ＰＡ－７００－ＰΩ）が、モジュール１０８ＩＣと、負荷への出力（例えば、ＳＩＯ１－ＳＩＯΩ）との間に電気的に接続されるように、アレイ７００のレール側上に位置することができる。ここでは、モジュール１０８ＩＣは、アレイ７００－ＰＡ－７００－ＰΩの各モジュール１０８－ＮのＩＯポート２への接続のためのΩ個のＩＯポートを有する。ここで描写される構成では、モジュール１０８ＩＣは、モジュール１０８ＩＣの１つまたはそれを上回るエネルギー源をアレイ７００－ＰＡ－７００－ＰΩのうちの１つまたはそれを上回るものに（または相間平衡が要求されない場合、無出力に、もしくは等しく全ての出力に）選択的に接続することによって、相間平衡を実施することができる。システム１００は、制御システム１０２によって制御されることができる（図示せず、図１Ａ参照）。
図１０Ｂは、モジュール１０８ＩＣの例示的実施形態を描写する、概略図である。本実施形態では、モジュール１０８ＩＣは、ひいては、スイッチ回路網６０３と接続される、エネルギーバッファ２０４と接続される、エネルギー源２０６を含む。スイッチ回路網６０３は、それぞれ、独立して、エネルギー源２０６をアレイ７００－ＰＡ－７００－ＰΩのそれぞれに接続するために、スイッチ回路網ユニット６０４－ＰＡ－６０４－ＰΩを含むことができる。種々のスイッチ構成が、ユニット６０４毎に使用されることができ、これは、本実施形態では、２つの半導体スイッチＳ７およびＳ８を伴う、ハーフブリッジとして構成される。各ハーフブリッジは、ＬＣＤ１１４からの制御線１１８－３によって制御される。本構成は、図３Ａに関して説明されるモジュール１０８Ａに類似する。コンバータ２０２に関して説明されるように、スイッチ回路網６０３は、用途の要件のために好適である、任意の配列で、任意のスイッチタイプ（例えば、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、シリコン、ＧａＮ等）を伴って構成されることができる。
スイッチ回路網ユニット６０４は、エネルギー源２０６の正の端子と負の端子との間に結合され、モジュール１０８ＩＣのＩＯポートに接続される、出力を有する。ユニット６０４－ＰＡ－６０４－ＰΩは、制御システム１０２によって、電圧＋ＶＩＣまたは－ＶＩＣを個別のモジュールＩ／Ｏポート１－Ωに選択的に結合するように制御されることができる。制御システム１０２は、本明細書に述べられたＰＷＭおよびヒステリシス技法を含む、任意の所望の制御技法に従って、スイッチ回路網６０３を制御することができる。ここでは、制御回路網１０２は、ＬＣＤ１１４およびＭＣＤ１１２（図示せず）として実装される。ＬＣＤ１１４は、監視データまたはステータス情報をモジュール１０８ＩＣのモニタ回路網から受信することができる。本監視データおよび／または本監視データから導出される他のステータス情報は、本明細書に説明されるように、システム制御において使用するために、ＭＣＤ１１２に出力されることができる。ＬＣＤ１１４はまた、システム１００のモジュール１０８の同期の目的のためのタイミング情報（図示せず）と、ＰＷＭにおいて使用される鋸歯信号（図８Ｃ－８Ｄ）等の１つまたはそれを上回る搬送波信号（図示せず）とを受信することができる。
相間平衡のために、源２０６からの相対的により多くのエネルギーが、他のアレイ７００と比較して、比較的に低充電状態である、アレイ７００－ＰＡ－７００－ＰΩのうちの任意の１つまたはそれを上回るものに供給されることができる。特定のアレイ７００への本補完的エネルギーの供給は、そのアレイ７００内のそれらのカスケード式モジュール１０８－１－１０８－Ｎのエネルギー出力が供給されない位相アレイに対して低減されることを可能にする。
例えば、ＰＷＭを印加する、いくつかの例示的実施形態では、ＬＣＤ１１４は、そのモジュール１０８ＩＣが、例えば、ＶｒｎＰＡ－ＶｒｎＰΩに結合される、１つまたはそれを上回るアレイ７００毎に、正規化された電圧基準信号（Ｖｒｎ）を受信する（ＭＣＤ１１２から）ように構成されることができる。ＬＣＤ１１４はまた、それぞれ、アレイ７００毎に、ＭＣＤ１１２から、スイッチユニット６０４－ＰＡ－６０４－ＰΩのために、変調インデックスＭｉＰＡ－ＭｉＰΩを受信することができる。ＬＣＤ１１４は、直接そのアレイに結合される、スイッチ区分のために、変調インデックスを用いて、各個別のＶｒｎを変調（例えば、乗算）し（例えば、ＶｒｎＡがＭｉＡによって乗算される）、次いで、搬送波信号を利用して、スイッチユニット６０４毎に、制御信号を発生させることができる。他の実施形態では、ＭＣＤ１１２は、変調を実施し、変調された電圧基準波形を、ユニット６０４毎に、直接、モジュール１０８ＩＣのＬＣＤ１１４に出力することができる。さらに他の実施形態では、全ての処理および変調は、制御信号を直接各ユニット６０４に出力し得る、単一制御エンティティによって生じることができる。
本切替は、エネルギー源２０６からの電力が、適切な間隔および持続時間において、アレイ７００に供給され得るように、変調されることができる。そのような方法論は、種々の方法において実装されることができる。
現在の容量（Ｑ）および各アレイ内の各エネルギー源のＳＯＣ等、システム１００に関する収集されるステータス情報に基づいて、ＭＣＤ１１２は、アレイ７００毎に、総充電量を判定することができる（例えば、あるアレイに関する総充電量は、そのアレイのモジュール毎に、容量×ＳＯＣの和として判定されることができる）。ＭＣＤ１１２は、平衡または非平衡条件が存在するかどうかを判定し（例えば、本明細書に説明される相対的差異閾値および他のメトリックの使用を通して）、適宜、スイッチユニット６０４－ＰＡ－６０４－ＰΩ毎に、変調インデックスＭｉＰＡ－ＭｉＰΩを発生させることができる。
平衡された動作の間、スイッチユニット６０４毎のＭｉは、正味エネルギーの同一または類似量をエネルギー源２０６および／またはエネルギーバッファ２０４によって各アレイ７００に経時的に供給させる、値に設定されることができる。例えば、スイッチユニット６０４毎のＭｉは、同一または類似であり得、モジュール１０８ＩＣをシステム１００内の他のモジュール１０８と同一率でドレインするように、平衡された動作の間、モジュール１０８ＩＣに、１つまたはそれを上回るアレイ７００－ＰＡ－７００－ＰΩへのエネルギーの正味または時間平均放電を実施させる、レベルまたは値に設定されることができる。いくつかの実施形態では、ユニット６０４毎のＭｉは、平衡された動作の間、エネルギーの正味または時間平均放電を引き起こさない（ゼロの正味エネルギー放電を引き起こす）、レベルまたは値に設定されることができる。これは、モジュール１０８ＩＣが、本システム内の他のモジュールより低い総充電量を有する場合、有用であり得る。
非平衡条件が、アレイ７００間で生じる場合、システム１００の変調インデックスは、収束を平衡された条件に向かって引き起こす、またはさらなる発散を最小限にするように調節されることができる。例えば、制御システム１０２は、モジュール１０８ＩＣに、その他より低充電量を伴うアレイ７００により多く放電させることができ、また、その低アレイ７００のモジュール１０８－１－１０８－Ｎに、比較的に少なく放電させることができる（例えば、時間平均ベースで）。モジュール１０８ＩＣによって寄与された相対的正味エネルギーは、支援されているアレイ７００のモジュール１０８－１－１０８－Ｎと比較して、また、他のアレイがモジュール１０８ＩＣに寄与する、正味エネルギーの量と比較して、増加する。これは、その低アレイ７００に供給している、スイッチユニット６０４に関するＭｉを増加させることによって、かつその低アレイに関するＶｏｕｔを適切なまたは要求されるレベルに維持し、他のより高いアレイに供給している他のスイッチユニット６０４に関する変調インデックスを比較的に不変に維持する（またはそれらを減少させる）様式において、低アレイ７００のモジュール１０８－１－１０８－Ｎの変調インデックスを減少させることによって、遂行されることができる。
図１０Ａ－１０Ｂにおけるモジュール１０８ＩＣの構成は、単独で、単一システムのための相間またはアレイ間平衡を提供するために使用されることができる、または、それぞれ、エネルギー源と、１つまたはそれを上回るアレイに結合される、１つまたはそれを上回るスイッチ部分６０４とを有する、１つまたはそれを上回る他のモジュール１０８ＩＣと組み合わせて使用されることができる。例えば、Ω個の異なるアレイ７００と結合される、Ω個のスイッチ部分６０４を伴う、モジュール１０８ＩＣは、２つのモジュールが、Ω＋１個のアレイ７００を有する、システム１００に供給するように組み合わせられるように、１つのアレイ７００と結合される、１つのスイッチ部分６０４を有する、第２のモジュール１０８ＩＣと組み合わせられることができる。任意の数のモジュール１０８ＩＣが、本方式において、組み合わせられることができ、それぞれ、７００システム１００の１つまたはそれを上回るアレイと結合される。
さらに、ＩＣモジュールは、システム１００の２つまたはそれを上回るサブシステム間でエネルギーを交換するように構成されることができる。図１０Ｃは、ＩＣモジュールによって相互接続される、第１のサブシステム１０００－１と、第２のサブシステム１０００－２とを伴う、システム１００の例示的実施形態を描写する、ブロック図である。具体的には、それぞれ、サブシステム１０００－１は、システムＩ／ＯポートＳＩＯ１、ＳＩＯ２、およびＳＩＯ３を用いて、３相電力ＰＡ、ＰＢ、およびＰＣを第１の負荷（図示せず）に供給するように構成される一方、サブシステム１０００－２は、システムＩ／ＯポートＳＩＯ４、ＳＩＯ５、およびＳＩＯ０６を用いて、３相電力ＰＤ、ＰＥ、およびＰＦを第２の負荷（図示せず）に供給するように構成される。例えば、サブシステム１０００－１および１０００－２は、ＥＶの異なるモータのための電力を供給する、異なるパックとして、または異なるマイクログリッドのための電力を供給する、異なるラックとして、構成されることができる。
本実施形態では、各モジュール１０８ＩＣは、第１のサブシステムのアレイ１０００－１（ＩＯポート１を介して）および第１のサブシステムのアレイ１０００－２（ＩＯポート２を介して）と結合され、各モジュール１０８ＩＣは、図３Ｃのモジュール１０８Ｃに関して説明されるように、各モジュール１０８ＩＣのエネルギー源２０６と結合される、Ｉ／Ｏポート３および４を用いて、相互のモジュール１０８ＩＣと電気的に接続されることができる。本接続は、モジュール１０８ＩＣ－１、１０８ＩＣ－２、および１０８ＩＣ－３の源２０６を並列に設置し、したがって、モジュール１０８ＩＣによって貯蔵および供給される、エネルギーは、本並列配列によって、ともにプールされる。直列接続等の他の配列もまた、使用されることができる。モジュール１０８ＩＣは、サブシステム１０００－１の共通エンクロージャ内に格納されるが、しかしながら、相互接続モジュールは、共通エンクロージャの外部にあって、両方のサブシステム１０００の共通エンクロージャ間に独立エンティティとして物理的に位置することができる。
各モジュール１０８ＩＣは、図１０Ｂに関して説明されるように、ＩＯポート１と結合される、スイッチユニット６０４－１と、Ｉ／Ｏポート２と結合される、スイッチユニット６０４－２とを有する。したがって、サブシステム１０００間の平衡（例えば、パック間またはラック間平衡）のために、特定のモジュール１０８ＩＣは、比較的に多くのエネルギーを、それに対してそれが接続される、２つのアレイの一方または両方に供給することができる（例えば、モジュール１０８ＩＣ－１は、アレイ７００－ＰＡおよび／またはアレイ７００－ＰＤに供給することができる）。制御回路網は、本明細書に説明される同一ラックまたはパックの２つのアレイ間の非平衡の補償と同一様式で、異なるサブシステムのアレイの相対的パラメータ（例えば、ＳＯＣおよび温度）を監視し、ＩＣモジュールのエネルギー出力を調節し、異なるサブシステムのアレイまたは位相間の非平衡を補償することができる。全３つのモジュール１０８ＩＣは、並列であるため、エネルギーは、システム１００のあらゆるアレイ間で効率的に交換されることができる。本実施形態では、各モジュール１０８ＩＣは、２つのアレイ７００に供給するが、他の構成も、システム１００の全てのアレイのための単一ＩＣモジュールおよびアレイ７００毎に１つの専用ＩＣモジュールを伴う構成（例えば、６つのアレイのための６つのＩＣモジュールであって、各ＩＣモジュールは、１つのスイッチユニット６０４を有する）を含め、使用されることができる。あらゆる場合において、複数のＩＣモジュールを用いて、エネルギー源は、本明細書に説明されるように、エネルギーを共有するように、並列にともに結合されることができる。
位相間にＩＣモジュールを伴うシステムでは、相間平衡もまた、上記に説明されるように、中性端子点シフト（またはコモンモード注入）によって実施されることができる。そのような組み合わせは、より広い動作条件範囲下で、よりロバストかつ柔軟な平衡を可能にする。システム１００は、その下で中性端子点シフトのみ、相間エネルギー注入のみ、または両方の組み合わせを同時に用いて、相間平衡を実施すべき、適切な状況を判定することができる。
ＩＣモジュールはまた、電力を１つまたはそれを上回る補助負荷３０１（源２０６と同一電圧で）および／または１つまたはそれを上回る補助負荷３０２（源３０２から逓減された電圧で）に供給するように構成されることができる。図１０Ｄは、相間平衡を実施し、補助負荷３０１および３０２に供給するように接続される、２つのモジュール１０８ＩＣを伴う、３相システム１００Ａの例示的実施形態を描写する、ブロック図である。図１０Ｅは、モジュール１０８ＩＣ－１および１０８ＩＣ－２に強調が置かれた、システム１００の本例示的実施形態を描写する、概略図である。ここでは、制御回路網１０２は、再び、ＬＣＤ１１４およびＭＣＤ１１２（図示せず）として実装される。ＬＣＤ１１４は、監視データ（例えば、ＥＳ１のＳＯＣ、ＥＳ１の温度、ＥＳ１のＱ、補助負荷３０１および３０２の電圧等）をモジュール１０８ＩＣから受信し、本明細書に説明されるように、システム制御において使用するために、本および／または他の監視データをＭＣＤ１１２に出力することができる。各モジュール１０８ＩＣは、そのモジュールによって供給されている、負荷３０２毎に、スイッチ部分６０２Ａ（または図６Ｃに関して説明される６０２Ｂ）を含むことができ、各スイッチ部分６０２は、独立して、またはＭＣＤ１１２からの制御入力に基づいてのいずれかにおいて、ＬＣＤ１１４によって、負荷３０２のための必要電圧レベルを維持するように制御されることができる。本実施形態では、各モジュール１０８ＩＣは、ともに接続され、１つの負荷３０２に供給する、スイッチ部分６０２Ａを含むが、それは、要求されるものではない。
図１０Ｆは、モジュール１０８ＩＣ－１、１０８ＩＣ－２、および１０８ＩＣ－３を用いて、電力を１つまたはそれを上回る補助負荷３０１および３０２に供給するように構成される、３相システムの別の例示的実施形態を描写する、ブロック図である。本実施形態では、モジュール１０８ＩＣ－１および１０８ＩＣ－２は、図１０Ｄ－１０Ｅに関して説明されるものと同一様式で構成される。モジュール１０８ＩＣ－３は、単純補助役割において構成され、電圧または電流をシステム１００の任意のアレイ７００の中に能動的に注入しない。本実施形態では、モジュール１０８ＩＣ－３は、図３Ｂのモジュール１０８Ｃのように構成され、１つまたはそれを上回る補助スイッチ部分６０２Ａを伴うが、スイッチ部分６０１を省略する、コンバータ２０２Ｂ、Ｃ（図６Ｂ－６Ｃ）を有することができる。したがって、モジュール１０８ＩＣ－３の１つまたはそれを上回るエネルギー源２０６は、モジュール１０８ＩＣ－１および１０８ＩＣ－２のものと並列に相互接続され、したがって、システム１００の本実施形態は、補助負荷３０１および３０２に供給するため、およびモジュール１０８ＩＣ－３の源２０６との並列接続を通して、モジュール１０８ＩＣ－１および１０８ＩＣ－２の源２０６Ａ上の充電量を維持するために、付加的エネルギーを用いて構成される。
各ＩＣモジュールのエネルギー源２０６は、本システムの他のモジュール１０８－１－１０８－Ｎの源２０６と同一電圧および容量にあることができるが、それは、要求されるものではない。例えば、比較的に高い容量が、１つのモジュール１０８ＩＣがエネルギーを複数のアレイ７００（図１０Ａ）に印加し、ＩＣモジュールが位相アレイ自体のモジュールと同一率で放電することを可能にする、実施形態では、望ましくあり得る。モジュール１０８ＩＣがまた、補助負荷に供給する場合、さらにより多くの容量は、ＩＣモジュールが、補助負荷に供給し、他のモジュールと比較的に同一率で放電することの両方を可能にするように、所望され得る。
断続充電を伴う用途のためのトポロジの例示的実施形態
断続的に利用可能な充電源を伴う用途において使用される、モジュール型エネルギーシステム１００に関する、例示的実施形態が、図１１Ａ－１６を参照して説明される。これらの実施形態は、別様に述べられない、または論理的にあり得ない限り、図１Ａ－１０Ｆに関して説明されるシステム１００のあらゆる側面とともに実装されることができる。したがって、すでに説明された多くの変形例は、以下の実施形態に関して繰り返されないであろう。これらの例示的実施形態は、特に、充電源が断続的に利用可能である、鉄道電車、路面電車、市街電車、および他の貨物自動車のようなレール（レールベースのＥＶ）上で動作する、電気自動車両等のモバイル用途のために好適である。実施形態は、同様に、車、バス、トラック、海運車両（例えば、電気フェリー）、飛行機等の他の車両と併用して、かついくつかの定常用途にさえ使用されることができる。したがって、説明を容易にするために、例示的実施形態は、実施形態が他の車両および用途にもはるかに広い可用性を有するという理解の下で、レールベースのＥＶ、特に、路面電車または鉄道電車の文脈において説明されるであろう。
例示的実施形態は、路面電車が、充電源が利用可能ではない、レールの区分を通して移動している間、エネルギーを貯蔵および送達するための種々の構成において、実装されることができる。図１１Ａは、レール１１０５上を進行している、路面電車１１００の例示的ルートの一部を描写する、例証であって、路面電車１１００は、第１の場所である、停車駅－Ａから、第２の場所である、停車駅－Ｂまで進行している。充電源は、停車駅－Ａを囲繞する、ゾーン－Ａ内で利用可能であって、充電源はまた、停車駅－Ｂを囲繞する、ゾーン－Ｂ内でも利用可能である。充電源は、頭上、地上レベル、または地下に位置付けられることができる。ゾーン－Ａおよびゾーン－Ｂ内にあるとき、路面電車１１００は、移動中または定常であるかどうかにかかわらず、電気接点デバイス（例えば、吊架線のためのパンタグラフ）を延在させ、充電源に接続することができ、路面電車１１００の負荷を動作させるため、およびシステム１００のエネルギー源２０６を充電するために、電力を受信することができる。ゾーン－Ｎは、充電源が利用可能ではない、ゾーン－Ａとゾーン－Ｂとの間のレール１１０５の長さを境界する。ゾーン－Ｎを通して進行しているとき、接触デバイスは、後退されることができ、路面電車１１００は、その１つまたはそれを上回るシステム１００内に貯蔵されたエネルギーを使用して、路面電車１１００内の全ての負荷のための電力を供給する。
路面電車１１００は、それぞれ、その独自の制御システム１０２を伴う、システム１００の１つまたはそれを上回る反復とともに構成されることができ、システム１００の各反復は、モータ負荷および補助負荷等の１つまたはそれを上回る負荷に供給することができる。路面電車は、全ての客車の全ての負荷のための電力を供給する、１つまたはそれを上回るサブシステム１０００を伴う、システム１００の単一反復を有することができる。１つまたはそれを上回るサブシステム１０００は、１つの制御システム１０２（例えば、全てのサブシステム１０００のための単一ＭＣＤ１１２）を共有することができる、または独立制御システム１０２を有することができる。客車はそれぞれ、その客車内の負荷に供給するためのシステム１００の１つまたはそれを上回るサブシステム１０００を有することができる、または客車は、別の客車内のサブシステム１０００によって供給される電力に全体的に依拠することができる。アプローチの組み合わせも、使用されることができ、特定の客車が、その特定の客車のある負荷に供給するためのサブシステム１０００を有し、その特定の客車はまた、電力を異なる客車内の別のサブシステム１０００から受信する、他の負荷を有することができる。
図１１Ｂは、２つの客車１１０１および１１０２０を有し、相互接続１１０３をその間に伴う、路面電車１１００の例示的実施形態を描写する、ブロック図である。システム１００は、第１の客車１１０１内に位置し、これは、導体１１０４が源１５０と接触すると、充電を充電源１５０から受信するための後退可能導体１１０４を有する。システム１００は、高電圧多相電力を各客車１１０１および１１０２内の１つまたはそれを上回るモータに供給するように構成されることができる。ここでは、システム１００は、３相電力（ＰＡ、ＰＢ、ＰＣ）を、線１１１１を経由して、客車１１０１のモータ１１１０－１Ａ－１１１０－ＸＡに提供するための複数のアレイ（図示せず）を有し、Ｘは、２またはそれを上回る、任意の整数であることができる。線１１１１は、相互接続１１０３を通して、客車１１０２まで持続し、３相電力は、客車１１０２のモータ１１１０－１Ｂ－１１１０－ＸＢに供給されることができる。
システム１００はまた、それぞれ、１つまたはそれを上回る電圧における、多相電力、単相電力、およびＤＣ電力を含む、異なる電力要件を有する、補助負荷のための複数の電圧を供給するように構成されることができる。補助負荷の実施例は、ＨＶＡＣシステムのためのコンプレッサ、バッテリ熱管理システム（ＢＴＭＳ）、路面電車１１００の全ての自動化された側面に給電するための車載電気ネットワーク、およびその他を含むことができる。ここでは、システム１００は、線１１１３を経由して、３相電力（ＰＤ、ＰＥ、ＰＦ）を３相補助負荷１１１２－１に、線１１１５を経由して、単相（ＳＰ）電力（線（Ｌ）、中性端子（Ｎ））を単相補助負荷１１１４－１に、線１１１７を経由して、第１のレベルにおけるＤＣ電圧を補助負荷３０１－１に、および線１１１９を経由して、第２のレベルにおけるＤＣ電圧を補助負荷３０２－１供給するように構成される（例えば、図１０Ｄおよび１０Ｅに関して説明されるように、負荷３０１および３０２のための電力供給源参照）。線１１１３、１１１５、１１１７、および１１１９は、相互接続１１０３を通して持続し、客車１１０２内の類似負荷１１１２－２、１１１４－２、３０１－２、および３０２－２に供給する。ここでは、客車１１０１内の負荷のための供給源は、客車１１０２内の負荷のための同一線を介して、並列方式で提供される。他の実施形態では、異なる線が、実装の必要性に応じて、非並列方式において、各客車１１０１および１１０２内の種々の負荷に供給するために使用されることができる。
１つまたはそれを上回るモータ１１１０（例えば、１つ、２つ、３つ、４つ、またはそれを上回る）が、ボギーに固着される、またはそれと関連付けられることができ、レールベースの車両は、全ての客車のための複数の（例えば、２つまたはそれを上回る）そのようなボギーを有することができる。システム１００およびそのサブシステム１０００の設置は、モータ１１１０または本明細書に説明されるようないずれかの場所に近接近することができる。図１１Ｃは、図１１Ａに関して説明されるものの電気レイアウトを伴う、路面電車１１００の例示的実施形態を描写する、側面図である。ここでは、各客車は、それぞれ、車軸１１２２を駆動するための原動力を提供するように構成される、２つのモータ１１１０を有する、２つのボギー１１２０を含む。システム１００は、客車１１０１内に物理的に位置し、ここに示されるように、乗客の頭部の上方に、または代替実施形態では、乗客の足または床の下方に常駐するであろう、位置に設置されることができる。各客車は、補助負荷１１１２、１１１４、３０１、および３０２を含む。全てのモータ１１１０および補助負荷は、示される矢印を介して、システム１００によって供給される、（個々の線１１１１、１１１３、１１１５、１１１７、および１１１９は、明確にするために省略される）。
図１１Ｄは、路面電車１１００の別の例示的実施形態を描写する、ブロック図であるが、複数のサブシステム１０００を伴う。各サブシステム１０００は、共通筐体を伴う、別個のパックとして構成されることができる。本実施例では、客車１１０１は、線１１１１－１のセットを経由して、モータ１１１０－１および１１１０－２のための電力を供給するための第１のサブシステム１０００－１と、線１１１１－２のセットを経由して、モータ１１１０－３および１１１０－４のための電力を供給するための第２のサブシステム１０００－２とを含む。客車１１０２は、線１１１１－３のセットを経由して、モータ１１１０－５および１１１０－６のための電力を供給するための第３のサブシステム１０００－３と、線１１１１－４のセットを経由して、モータ１１１０－７および１１１０－８のための電力を供給するための第４のサブシステム１０００－４とを含む。客車１１０２はまた、１つまたはそれを上回る補助負荷のための多相および／または単相電力を供給するための第５のサブシステム１０００－５を含む。ここでは、サブシステム１０００－５は、線１１１３を経由して、３相電力を補助負荷１１１２に、線１１１５を経由して、単相電力を補助負荷１１１４に供給する。サブシステム１０００－１－１０００－５はそれぞれ、１つまたはそれを上回るモジュール１０８ＩＣまたは１０８Ｃを用いて、負荷３０１および３０２のためのＤＣ電力を供給するように構成されることができる（例えば、図３Ｃおよび図１０Ａ－１０Ｆ参照）。
各サブシステム１０００は、ＤＣ電力を共有するために、共有線のセットに接続されることができ、これらの線は、相互接続１１０３を通して、客車１１０１と１１０２との間を交差することができる。線１１３０は、路面電車１１００が充電源１５０に接続されるとき、充電電圧を各システム１００のモジュール１０８の全てに供給するために、充電源１５０から、それぞれ、高電圧の正および負のＤＣ信号ＤＣ＿ＣＳ＋およびＤＣ＿ＣＳ－を搬送することができる。共有線はまた、補助負荷３０１および３０２に供給するためのより低いＤＣ電圧を交換することができる。線１１３１は、より低いＤＣ電圧を補助負荷３０１に供給するために、それぞれ、正および負のＤＣ信号ＤＣ１＋およびＤＣ１－を搬送することができる。例えば、これらの線は、図３Ｃ、１０Ｄ、および１０Ｅに関して説明されるように、ＩＣモジュール１０８ＩＣ（および１０８Ｃ）のポート３および４を相互接続する線に類似することができ、相互接続されるモジュール１０８のエネルギー源２０６の電圧を搬送することができる。線１１３２は、より低いＤＣ電圧を補助負荷３０２に供給するために、それぞれ、正および負のＤＣ信号ＤＣ２＋およびＤＣ２－を搬送することができる。例えば、これらの線は、図３Ｃ、１０Ｄ、および１０Ｅに関して説明されるように、ＩＣモジュール１０８ＩＣ（および１０８Ｃ）のポート５および６を相互接続する線に類似することができ、調整された逓減電圧を源２０６から搬送することができる。
図１１Ｅは、図１１Ｃに関して説明されるものの電気レイアウトを伴う、路面電車１１００の別の例示的実施形態を描写する、側面図である。ここでは、サブシステム１０００－１－１０００－４はそれぞれ、ボギー１１２０の車軸１１２２と関連付けられる、２つのモータ１１１０のための電力を供給する。客車１１０２内のサブシステム１０００－５は、客車１１０２内に同様に位置付けられるが、他の客車内にも同様に位置し得る、負荷１１１２および１１１４のための電力を供給する。サブシステム１０００はそれぞれ、充電およびエネルギー交換のために、共有線１１３０に、かつエネルギー交換および負荷３０１に供給するために、線１１３１と、負荷３０２に供給するために、線１１３２とに接続される。図１１Ｂの実施形態と同様に、サブシステム１０００－１－１０００－５はそれぞれ、乗客の頭部の上方に（ここに示されるように）、または乗客の足の下方に、もしくはいずれかの場所に常駐するであろう、位置に設置されることができる。
図１１Ｆは、複数のサブシステム１０００を伴うが、補助サブシステム１０００－５の代わりに、補助電力コンバータ１１５０を伴う、路面電車１１００の別の例示的実施形態を描写する、ブロック図である。補助コンバータ１１５０は、路面電車１１００の１つまたはそれを上回る補助負荷のために、ＤＣ線１１３０上で利用可能な高電圧を単相および／または多相電力に変換することができる。本実施形態では、コンバータ１１５０は、線１１５２を経由して、３相負荷１１１２のための３相電力を提供し、線１１５４を経由して、単相負荷１１１４のための単相電力を提供するように構成される。充電源１５０に接続されると、補助コンバータ１１５０は、線１１３０を経由して、源１５０によって提供されるＤＣ電圧を使用して、負荷１１１２および１１１４を給電することができる。図１２Ｂに関して説明されるように、源１５０に接続されないとき、他のサブシステム１０００－１－１０００－４は、双方向性ＤＣ－ＤＣコンバータ１２１０を使用して、ＤＣ電圧をポート７および８から線１１３０に出力することによって、線１１３０を経由して、電力を補助コンバータ１１５０に提供することができる。各モジュール１０８からのＤＣ出力電圧は、ＤＣ線１１３０上で総和され、電力補助コンバータ１１５０を給電するために十分な電圧を提供することができる。
図１１Ｂ－１１Ｆの実施形態は、２つの客車１１０１および１１０２を有する、路面電車１１００に関して説明されるが、各客車内のサブシステムの任意の組み合わせ（例えば、１つまたはそれを上回るモータ１１１０、１つまたはそれを上回る負荷１１１２、１つまたはそれを上回る負荷１１１４、１つまたはそれを上回る負荷３０１、および／または１つまたはそれを上回る負荷３０２に供給する）を伴う、任意の数の客車（１つ、３つ、４つ、およびそれを上回る）を有する、貨物自動車にも拡張されることができる。
図１１Ｄ－１１Ｆの実施形態はまた、サブシステム１０００ような線１１３０（ＤＣ＿ＣＳ＋およびＤＣ＿ＣＳ－）間に接続される、１つまたはそれを上回る従来の高電圧バッテリパックを含むことができる。従来のバッテリパックは、直列に接続される、複数のバッテリ（例えば、Ｌｉイオン）またはＨＥＤコンデンサを含むことができ、モジュール型カスケード式マルチレベルコンバータとして構成されない。従来のバッテリパックは、任意のサブシステム１０００（共有ＤＣ線１１３０を通して）のために、補助コンバータ１１５０のために、直接、モータ負荷１１１０（インバータを通して接続される場合）のために、直接、ＤＣ補助負荷３０１および３０２（例えば、ＤＣ－ＤＣコンバータを通して接続される）のために、および／または直接、ＡＣ補助負荷１１１２および／または１１１４のために（ＤＣ－ＡＣコンバータを通して接続される場合）、補完的電力を提供するために使用されることができる。従来のバッテリパックは、従来のパックと充電源１５０との間の線１１３０上に直列に介在される、ＤＣ－ＤＣコンバータを通して、充電源１５０によって充電されることができる。代替として、介在されるＤＣ－ＤＣコンバータは、省略されることができ、従来のパックは、充電源１５０が接続されると、スイッチ（例えば、接触子）を用いて、選択的に、線１１３０から接続解除されることができ、源１５０の接続解除後、バッテリパックは、線１１３０に再接続され、１つまたはそれを上回るサブシステム１０００によって、充電されることができる。
本明細書に説明されるモジュール１０８Ａ－Ｃおよび１０８ＩＣは、路面電車１１００と併用されることができる。モジュール構成の付加的例示的実施形態もまた、説明される。図１２Ａは、路面電車１１００のシステム１００内での使用のために構成される、モジュール１０８Ｄの例示的実施形態を描写する、ブロック図である。本明細書に説明される全ての実施形態では、モジュール１０８Ｄは、１つまたはそれを上回るバッテリ、１つまたはそれを上回る高エネルギー密度（ＨＥＤ）コンデンサ、および／または１つまたはそれを上回る燃料電池等の任意の数のエネルギー源２０６を含むことができる。複数のバッテリが、含まれる場合、それらのバッテリは、本明細書に説明されるように、同一または異なる電気化学物質を有することができる。同様に、異なるタイプの高エネルギー密度コンデンサおよび燃料電池も、使用されることができる。各バッテリは、直列、並列、またはそれらの組み合わせで接続され、所望の電圧および電流特性に達する、単一電池または複数の電池であることができる。図１２Ａに示されるように、モジュール１０８は、第１の源２０６Ａと、第２の源２０６Ｂとを含み、源は、異なるタイプのバッテリ（例えば、ＬＴＯバッテリおよびＬＦＰバッテリ等）であることができる、または一方は、バッテリであることができ、他方は、ＨＥＤコンデンサであることができる、もしくは本明細書に説明されるように、任意の他の組み合わせであることができる。
モジュール１０８Ｄは、図３Ｂのモジュール１０８Ｂに関して説明されるものに類似する様式において、エネルギー源２０６Ａおよび２０６Ｂと結合される、コンバータ２０２Ｂまたは２０２Ｃを含む。エネルギー源２０６Ａは、エネルギーバッファ２０４と結合され、これは、ひいては、一方向性の絶縁されたＤＣ－ＤＣコンバータ１２００と結合される。モジュール１０８Ｄは、線１１３０を介して、それぞれ、充電源信号ＤＣ＿ＣＳ＋およびＤＣ＿ＣＳ－と接続する、Ｉ／Ｏポート７および８を含む。これらの信号は、コンバータ１２００のＤＣ－ＡＣコンバータ１２０２に入力され、それらは、高周波数ＡＣ形態に変換され、次いで、変圧器および整流器区分１２０４に入力される。
変圧器および整流器区分１２０４は、高周波数変圧器と、１つの位相ダイオード整流器とを含むことができる。ポート７および８上のＤＣ電圧は、サブシステム１０００が、充電を同時に受信する、多くのそのようなモジュール１０８を含み得るため、充電源によって供給される、総電圧より低い、電圧であってもよい。変圧器および整流器区分１２０４は、コンバータ１２０２からのＡＣ信号の電圧を修正し、必要に応じて、ＡＣ信号を充電源２０６Ａおよび２０６ＢへのＤＣ形態に戻すことができる。区分１２０４はまた、高電圧絶縁をモジュール１０８Ｄの他のコンポーネント２０２、２０４、２０６および１１４に提供する。
一方向性は、電流が、充電源１５０から受信され、バッファ２０４に通過されることを可能にするが、反対様式において、電流を出力することを可能にしない、ダイオード整流器によって提供される。例えば、車両が、エネルギー回収システムを有する場合、制動に応じて、制動からの電流は、電力接続１１０を通して、各モジュール１０８に逆輸送され、コンバータ２０２Ｂ、Ｃを用いて、源２０６Ａおよび２０６Ｂのいずれかに経路指定されることができる。一方向性ＤＣ－ＤＣ絶縁コンバータ１２００（ダイオード整流器）の存在は、回収されたエネルギーが、線１１３０を介して、モジュール１０８Ｄを通して充電源に戻らないように防止するであろう。
ＬＣＤ１１４は、それぞれ、データ接続１１８－５および１１８－６を経由して、コンバータ１２００、特に、コンバータ１２０２および区分１２０４のステータスを監視することができる。モジュール１０８Ｅの他のコンポーネントと同様に、コンバータ１２０２および区分１２０４のためのモニタ回路網も、電流、電圧、温度、障害、および同等物を測定するために含まれることができる。これらの接続１１８－５および１１８－６はまた、制御信号を供給し、コンバータ１２０２の切替を制御し、区分１２０４内の任意のアクティブ要素を制御することができる。ＬＣＤ１１４の絶縁は、線１１８－５および１１８－６上に存在する、絶縁回路網（例えば、絶縁されたゲートドライバおよび絶縁されたセンサ）によって維持されることができる。
図１２Ｂは、モジュール１０８Ｅの例示的実施形態を描写する、ブロック図である。モジュール１０８Ｅは、モジュール１０８Ｄのものと同様に構成されるが、コンバータ１２００の代わりに、双方向性ＤＣ－ＤＣ絶縁コンバータ１２１０を有し、源２０６（または電力接続１１０）と線１１３０に接続されるポート７および８との間で双方向性エネルギー交換を実施することができる。双方向性コンバータ１２１０は、電流をポート７および８から充電源２０６Ａおよび２０６Ｂに経路指定し（コンバータ２０２Ｂ、Ｃを通して）、電流をポート７および８から経路指定し、負荷を給電し（コンバータ２０２Ｂ、Ｃからポート１および２への出力によって）、補助コンバータ１１５０（図１１Ｆ）を介して、１つまたはそれを上回る高電圧補助負荷に給電するために、電流を源２０６Ａおよび／または２０６Ｂからポート７および８に経路指定し（コンバータ２０２Ｂ、Ｃをと用いて）、線１１３０を用いてシステム１００の他のモジュール１０８を充電するために、電流を源２０６Ａおよび／または２０６Ｂからポート７および８に経路指定する（コンバータ２０２Ｂ、Ｃを介して）ことができる。
双方向性コンバータ１２１０が、Ｉ／Ｏポート７と８との間に接続され、バッファ２０４が、変圧器１２０６に接続され、ひいては、ＡＣ－ＤＣコンバータ１２０８に接続される、ＤＣ－ＡＣコンバータ１２０２を含む。コンバータ１２０２は、ポート７および８におけるＤＣ電圧を高周波数ＡＣ電圧に変換することができ、これを変圧器１２０６は、必要に応じて、より低い電圧に修正し、その修正されたＡＣ電圧をＡＣ－ＤＣコンバータ１２０８に出力することができ、これは、源２０６Ａ、２０６Ｂまたはモジュールポート１および２への提供のために、ＡＣ信号をＤＣ形態に戻すことができる。変圧器１２０６はまた、モジュールコンポーネント２０２、２０４、２０６、１２０８、および１１４をポート７および８における高電圧から絶縁することができる。モジュール１０８Ｅの他のコンポーネントと同様に、コンバータ１２０２、変圧器１２０６、およびコンバータ１２０８のためのモニタ回路網も、電流、電圧、温度、障害、および同等物を測定するために含まれることができる。ＬＣＤ１１４は、それぞれ、データ接続１１８－５、１１８－７、および１１８－８を経由して、コンバータ１２１０、特に、コンバータ１２０２、変圧器１２０６（例えば、モニタ回路網またはそれと関連付けられる能動的コンポーネント）、およびコンバータ１２０８のステータスを監視することができる。これらの接続１１８－５および１１８－６はまた、制御信号を供給し、コンバータ１２０２の切替を制御し、変圧器１２０６と関連付けられる、任意の制御可能要素を制御することができる。ＬＣＤ１１４の絶縁は、線１１８－５および１１８－６上に存在する絶縁回路網（例えば、絶縁されたゲートドライバおよび絶縁されたセンサ）によって維持されることができる。
さらに、電気化学バッテリ源２０６のために、ＡＣ－ＤＣコンバータ１２０８によって源２０６に印加される充電パルスの長さは、ある長さ、例えば、５ミリ秒未満を有するように維持され、劣化につながり得る、有意な副反応の発生を伴わずに、電池内の電気化学貯蔵反応の発生を助長することができる。充電方法論は、各エネルギー源からの能動的フィードバックを組み込み、バッテリ劣化が、検出される場合、電圧を降下させる、またはそのモジュールに関する充電ルーチンを一時停止することによって、もしくは別様に、緩和されることを確実にすることができる。そのようなパルスは、高Ｃ率（例えば、５Ｃ～１５Ｃかつそれを上回る）で印加され、源２０６の高速充電を可能にすることができる。充電パルスの持続時間および周波数は、制御システム１０２によって制御されることができる。本明細書に説明されるあらゆる実施形態と併用され得る、そのような技法の実施例は、２０２０年５月２９日に出願され、「Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｂａｔｔｅｒｙ Ｃｈａｒｇｉｎｇ ｏｎ Ｍｏｄｕｌａｒ Ｌｅｖｅｌｓ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ」と題された、国際公開第ＷＯ２０２０／２４３６５５号（あらゆる目的のために、参照することによって本明細書に組み込まれる）に説明される。
図１３Ａは、モジュール１０８Ｄの例示的実施形態を描写する、概略図である。コンバータ２０２Ｂは、二次源２０６Ｂと結合され、他の実施形態では、コンバータ２０２Ｃ（図６Ｃ）のように構成されることができる。バッファ２０４は、ここでは、コンデンサとして構成される。Ｉ／Ｏポート７および８は、ＬＣフィルタ１３０２に結合され、これは、ひいては、双方向性コンバータ１２１０、具体的には、ＤＣ－ＡＣコンバータ１２０２に結合され、これは、スイッチＳ１０、Ｓ１１、Ｓ１２、およびＳ１３とともに、フルブリッジコンバータとして構成される。ＬＣフィルタ１３０２は、ＤＣ線１１３０からおよびへの高調波をフィルタリングし、所望に応じて、電流減速機能を提供し、および／または他の機能を実施し得る、分散型ＤＣフィルタであることができる。ノードＮ１およびＮ２からのフルブリッジ出力は、区分１２０４内の変圧器１２０６の一次巻線に接続される。変圧器１２０６の二次巻線は、ダイオードＤ１－Ｄ４を有する、区分１２０４のダイオード整流器のノードＮ３およびＮ４と結合される。コンバータ１２０２のスイッチは、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＧａＮデバイス、または本明細書に説明されるようなその他として構成される、半導体スイッチであることができる。制御システム１０２のＬＣＤ１１４または別の要素は、スイッチＳ１－Ｓ６およびＳ１０－Ｓ１３の制御のための切替信号を提供することができる。本明細書に説明される他の機能とともに、コンバータ２０２Ｂは、制御され、独立して、電流を、ポート７および８から、充電するために、源２０６Ｂに、またはモータ負荷１１１０に給電するために、Ｉ／Ｏポート１および２に経路指定することができる。
図１３Ｂは、モジュール１０８Ｅの例示的実施形態を描写する、概略図である。コンバータ２０２Ｂは、二次源２０６Ｂと結合され、他の実施形態では、コンバータ２０２Ｃ（図６Ｃ）のように構成されることができる。バッファ２０４は、コンデンサとして構成される。Ｉ／Ｏポート７および８は、ＬＣフィルタ１３０２に結合され、これは、ひいては、双方向性コンバータ１２１０、具体的には、ＤＣ－ＡＣコンバータ１２０２に結合され、これは、スイッチＳ１０、Ｓ１１、Ｓ１２、およびＳ１３とともに、フルブリッジコンバータとして構成される。ノードＮ１およびＮ２からのフルブリッジ出力は、変圧器１２０６の一次巻線に接続される。変圧器１２０６の二次巻線は、スイッチＳ１４、Ｓ１５、Ｓ１６、およびＳ１７を有する、ＡＣ－ＤＣコンバータ１２０８として構成される、第２のフルブリッジ回路のノードＮ３およびＮ４と結合される。コンバータ１２０８のスイッチは、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＧａＮデバイス、または本明細書に説明されるようなその他として構成される、半導体スイッチであることができる。ＬＣＤ１１４または制御システム１０２の別の要素は、スイッチＳ１－Ｓ６およびＳ１０－Ｓ１７の制御のための切替信号を提供することができる。本明細書に説明される他の機能とともに、コンバータ２０２Ｂは、制御され、独立して、電流を、ポート７および８から、充電するために、源２０６Ｂに、またはモータ負荷に給電するために、Ｉ／Ｏポート１および２に経路指定することができる。
図１３Ｃは、モジュール１０８Ｅの別の例示的実施形態を描写する、概略図であって、ＡＣ－ＤＣコンバータ１２０８は、プッシュプルコンバータとして構成され、源２０６の第１の端子は、インダクタＬ２を通して、変圧器１２０６の二重二次巻線の片側に接続され、スイッチＳ１８およびＳ１９は、二重二次巻線の反対側と源２０６の反対端子と結合される共通ノード（例えば、ノード４）との間に接続される。プッシュプル構成は、２つのスイッチのみを要求し、したがって、フルブリッジコンバータより費用効果的であるが、スイッチは、それらを横断して印加されるより大きい電圧を有する。
図１４Ａは、並列における２つのモータ１１１０－１および１１１０－２のための３相電力を供給するように構成される、サブシステム１０００の例示的実施形態を描写する、ブロック図である。本実施形態は、３つの直列アレイ７００－ＰＡ、７００－ＰＢ、および７００－ＰＣを含み、本明細書のいずれかの場所で説明されるように、モジュール１０８は、カスケード方式で配列され、ポート１および２は、モジュール間にデイジーチェーン接続される。サブシステム１０００は、システムポートＳＩＯ１、ＳＩＯ２、およびＳＩＯ３を用いて、３相電力を１つまたはそれを上回る負荷１１１２に供給するために、３つのアレイ７００－ＰＡ、７００－ＰＢ、および７００－ＰＣを有する。本実施形態および図１４Ｂのものでは、モジュール１０８はそれぞれ、モジュール１０８Ｄ（図１２Ａ）またはモジュール１０８Ｅ（図１２Ｂ、１３Ａ、１３Ｂ）として構成されることができる。中性端子信号が、所望に応じて、ＳＩＯ６（Ｎ）において利用可能である。線１１３０から供給されるＤＣ電圧信号ＤＣ＿ＣＳ＋およびＤＣ＿ＣＳ－は、それぞれ、システムＩ／ＯポートＳＩＯ４およびＳＩＯ５によって、サブシステム１０００に供給される。モジュール１０８のそれぞれのポート７および８は、印加される充電源電圧が、各アレイ７００のモジュール１０８－１－１０８－Ｎを横断して分圧されるように、デイジーチェーン接続される。他の実施形態と同様に、サブシステム１０００は、各アレイ７００内に、Ｎ個のモジュール１０８とともに構成されることができ、Ｎは、２またはそれを上回る任意の整数であることができる。
図１４Ｂは、モータ１１１０－１および１１１０－２のための３相電力を供給するように構成され、また、モジュール１０８ＩＣ－１、１０８ＩＣ－２、および１０８ＩＣ－３を有する、サブシステム１０００の別の例示的実施形態を描写する、ブロック図である。モジュール１０８ＩＣは、相互接続されたエネルギー源２０６を有することができ、本明細書のいずれかの場所で説明されるように、アレイ７００間の相間平衡のために構成されることができる。モジュール１０８ＩＣはまた、１つまたはそれを上回る補助負荷３０１および／または１つまたはそれを上回る補助負荷３０２のために、ＤＣ電圧を線１１３１および１１３２に供給するように構成されることができる。図１４Ａおよび１４Ｂの例示的実施形態は、図１１Ｄおよび１１Ｅのいずれかに関して説明されるように、各サブシステム１０００が、補助負荷のための電力を供給するように構成され、相互接続されたモジュール１０８ＩＣを通して、相間平衡能力とともに構成されるかどうかに応じて、サブシステム１０００－１－１０００－４として使用されることができる。
図１４Ｃおよび１４Ｄは、図１４Ｂの実施形態と併用するために構成される、モジュール１０８ＩＣの例示的実施形態を描写する、概略図である。本実施形態では、モジュール１０８ＩＣは、ＩＯポート１を源２０６の正のＤＣ電圧（ポート３）または源２０６の負のＤＣ電圧（ポート４）のいずれかに接続するように構成される、単一スイッチ部分６０４とともに構成される。スイッチ部分６０２Ａは、線１１３２のための補助負荷電圧としての提供のために、源２０６の電圧を調整および逓減させる。平滑コンデンサＣ３が、ポート５および６を横断して設置されることができる。モジュール１０８ＩＣは、双方向性コンバータ１２１０を含む、図１３Ａのものに類似する、２つのフルブリッジコンバータとともに構成される。図１４Ｄは、ＡＣ－ＤＣコンバータ１２０８が、図１３Ｂの実施形態と同様に、プッシュプルコンバータとして構成される、別の実施形態を描写する。
図１５は、路面電車１１００の補助負荷のための多相、単相、およびＤＣ電力を供給するように構成される、サブシステム１０００－５の例示的実施形態を描写する、ブロック図である。サブシステム１０００－５は、システムポートＳＩＯ１、ＳＩＯ２、およびＳＩＯ３を用いて、３相電力を１つまたはそれを上回る負荷１１１２に供給するために、３つのアレイ７００－ＰＤ、７００－ＰＥ、および７００－ＰＦを有する。サブシステム１０００－５は、システム出力ＳＩＯ６（ＳＰ（Ｌ））およびＳＩＯ７（ＳＰ（Ｎ））を用いて、単相電力を１つまたはそれを上回る負荷１１１４に供給するために、第４のアレイ７００－ＰＧを有する。サブシステム１０００－５は、さらなるアレイ７００の追加を通して、必要に応じた数の異なる位相の電力を供給するように構成されることができる。各アレイ内のモジュール１０８の数は、負荷の電圧要件に応じて、変動されることができる。例えば、全てのアレイ７００は、ここでは、Ｎ個のモジュール１０８を有するように示されるが、Ｎの値は、アレイ間で異なることができる。各アレイ７００のＮ個のモジュール１０８はそれぞれ、モジュール１０８Ｄ（図１３Ａ）またはモジュール１０８Ｅ（図１３Ｂ）のように構成されることができる。
各アレイ７００はまた、エネルギー共有および相間平衡のために、相互接続された源２０６を有する、モジュール１０８ＩＣを含むことができる。モジュール１０８ＩＣ－１－１０８ＩＣ－３は、図１４Ａおよび１４Ｂに関して説明される実施形態のように、構成されることができる。図１６は、単相アレイ７００－ＰＤにおいて使用するためのモジュール１０８ＩＣ－４の例示的実施形態を描写する、ブロック図である。本実施形態は、図１４Ａのものに類似するが、モジュール１０８ＩＣ－４は、２つのスイッチ部分６０４－１および６０４－２を含む。部分６０４－１および６０４－２は、独立して、それぞれ、ＩＯポート１および２をＶ ＤＣＬ＋（ポート３）またはＶ ＤＣＬ－（ポート４）のいずれかに接続するように構成される。Ｉ／Ｏポート１は、図１５に示されるように、アレイ７００－ＰＤのモジュール１０８－Ｎのポート２に接続されることができる。Ｉ／Ｏポート２は、アレイ７００－ＰＤによって提供される電力のための中性端子としての役割を果たすことができる。ＬＣ回路１６００は、示されるように、ポート１と２との間に接続され、高調波のフィルタリングを提供することができる。
いくつかの実施形態では、別個のサブシステム１０００は、補助負荷のための必須３相および単相電圧を発生させるために必要とされない場合がある。そのような実施形態では、サブシステム１０００－５は、省略されることができ、補助電力コンバータが、代わりに、単相補助負荷電圧における３相を発生させるために使用されることができる。本補助コンバータは、ＤＣ充電源線１１３０に接続されることができ、電力を、充電源１５０、または充電源１５０が接続されていないとき、他のサブシステム１０００のいずれかから受信することができる。
サブシステム１０００－１－１０００－５のモジュール内の双方向性コンバータ１２１０の使用は、それらのサブシステムが、例えば、バッテリ熱管理システム（ＢＴＭＳ）等の大補助負荷が直接線１１３０から給電される、構成において、より比較的に高いＤＣ電圧を線１１３０を横断して供給することを可能にする。そのような事例では、線１１３０を横断して接続される補助負荷は、路面電車１１００に接続されるとき、直接、充電源によって給電されることができ、次いで、各モジュール１０８の双方向性コンバータ１２１０を通して、電力を源２０６から出力する、１つまたはそれを上回るサブシステム１０００によって給電されることができる。
本明細書に開示される実施形態は、任意の特定の電圧、電流、または電力を伴う、動作に限定されない。実施例として、文脈の目的のために、１つのサンプル実装では、充電源１５０は、６００～１，０００Ｖの電圧を線１１３０上に提供してもよい。サブシステム１０００－１－１０００－４はそれぞれ、要求される場合、電圧および周波数によって調整および安定化される、多相電圧を提供してもよく、それらの電圧は、モータの必要性に応じて、３００～１，０００Ｖであってもよい。負荷１１１２のための例示的３相補助電圧は、必要に応じて調整および安定化される、３００～５００Ｖであることができる。負荷１１１４のための例示的単相補助電圧は、必要に応じて調整および安定化される、１２０～２４０Ｖであることができる。負荷３０１のための例示的補助電圧は、４８～６０Ｖであることができ、負荷３０２のための例示的補助電圧は、２４～３０Ｖであることができる。再び、これらは、文脈の目的のための例示にすぎず、システム１００が提供し得る、電圧は、用途の必要性に応じて変動するであろう。
平衡された全体的システムを維持するために、補助サブシステム１０００－５の源２０６のエネルギーは、線１１３１および共有相互接続モジュール接続を用いて、（非補助）サブシステム１０００－１－１０００－４のいずれかに輸送されることができ、本エネルギーは、それらのサブシステム１０００－１－１０００－４を充電するか、またはモータに供給するかのいずれかのために使用されることができる。したがって、補助サブシステム１０００－５からのエネルギーは、直接、それらのモータに接続されず、むしろ、１つまたはそれを上回る他のサブシステム１０００－１－１０００－４を用いて、それらのモータに間接的に接続される場合でも、１つまたはそれを上回るモータを給電するために使用されることができる。同様に、制動を通して回収されたエネルギーは、線１１３１および共有相互接続モジュール接続を用いて、サブシステム１０００－１－１０００－５間で共有されることができる。
本主題の種々の側面が、以下の実施形態の相互関係および相互交換可能性に強調をおいて、これまでの説明された実施形態の精査において、および／またはその補完として、下記に記載される。換言すると、強調が、実施形態の各特徴が、別様に述べられない限り、あらゆる他の特徴と組み合わせられ得るという事実に置かれる。
多くの実施形態では、電力を負荷に供給するように制御可能である、モジュール型エネルギーシステムが、提供され、本システムは、ともに接続され、各モジュールからの第１の出力電圧の重畳を含む、ＡＣ電圧信号を出力する、複数のモジュールを含み、各モジュールは、エネルギー源と、エネルギー源に接続され、第１の出力電圧をモジュールの第１のポートに発生させるように構成される、第１のコンバータと、モジュールの第２のポートとエネルギー源との間に接続される、第２のコンバータであって、充電信号を第２のポートにおいて受信し、充電信号を第２の出力電圧に変換し、エネルギー源を充電するように構成される、第２のコンバータとを含む。
いくつかの実施形態では、第１のコンバータは、複数のスイッチを含む。本システムでは、複数のスイッチは、フルブリッジコンバータとして構成される。
いくつかの実施形態では、第２のコンバータは、エネルギー源および第１のコンバータを第２のポートから絶縁するように構成される、変圧器を含む、ＤＣ－ＤＣコンバータである。本システムでは、第２のコンバータは、第２のポートと変圧器との間に接続される、ＤＣ－ＡＣコンバータを含むことができる。本システムでは、第２のコンバータは、変圧器とエネルギー源との間に接続される、ダイオード整流器を含むことができる。本システムでは、第２のコンバータは、変圧器とエネルギー源との間に接続される、ＡＣ－ＤＣコンバータを含むことができる。本システムでは、ＡＣ－ＤＣコンバータは、フルブリッジコンバータまたはプッシュプルコンバータとして構成されることができる。本システムでは、第２のコンバータは、電気を第２のポートからエネルギー源に伝導させる、一方向性コンバータであることができる。本システムでは、第２のコンバータは、電気を第２のポートとエネルギー源との間で伝導させる、双方向性コンバータであることができる。
いくつかの実施形態では、複数のモジュールは、アレイとして直列に接続され、各モジュールの第２のポートに印加される充電信号の電圧が総充電源電圧から分圧されるように、総充電源電圧を受信するように接続される。本システムでは、エネルギー源は、第１のエネルギー源であることができ、各モジュールは、第２のエネルギー源を含むことができる。本システムでは、第２のエネルギー源は、インダクタによって、第１のコンバータに接続されることができる。本システムでは、第１のエネルギー源は、第１のタイプのリチウムイオンバッテリであることができ、第２のエネルギー源は、第２のタイプのリチウムイオンバッテリであることができ、第１および第２のタイプは、異なり得る。本システムでは、第１のエネルギー源は、バッテリであることができ、第２のエネルギー源は、高エネルギー密度（ＨＥＤ）コンデンサであることができる。
いくつかの実施形態では、各モジュールはさらに、エネルギー源と並列に接続される、エネルギーバッファを含むことができる。本システムでは、エネルギーバッファは、コンデンサであることができる。
いくつかの実施形態では、本システムはさらに、第１および第２のコンバータの切替を制御するように構成される、制御システムを含むことができる。本システムでは、制御システムは、複数のモジュールと関連付けられる、複数の局所的制御デバイスと、複数の局所的制御デバイスと通信可能に結合される、マスタ制御デバイスとを含むことができる。本システムでは、制御システムは、各モジュールの第２のコンバータの切替を制御し、モジュールのエネルギー源間でエネルギーを交換するように構成されることができる。
多くの実施形態では、電力を負荷に供給するように制御可能である、モジュール型エネルギーシステムが、提供され、本システムは、ともに接続され、第１の複数のモジュールからの出力電圧の重畳を含む、第１のＡＣ電圧信号を出力する、第１の複数のモジュールを含む、第１のアレイと、ともに接続され、第２の複数のモジュールからの出力電圧の重畳を含む、第２のＡＣ電圧信号を出力する、第２の複数のモジュールを含む、第２のアレイとを含み、第１の複数および第２の複数のモジュールの各モジュールは、エネルギー源と、エネルギー源に接続され、出力電圧をモジュールの第１のポートに発生させるように構成される、第１のコンバータと、モジュールの第２のポートおよびエネルギー源に接続される、第２のコンバータであって、充電信号を第２のポートにおいて受信し、充電信号を充電電圧に変換し、エネルギー源を充電するように構成される、第２のコンバータとを含む。
いくつかの実施形態では、本システムはさらに、第１のアレイと結合される、第１の相互接続モジュールと、第２のアレイと結合される、第２の相互接続モジュールとを含むことができ、第１および第２の相互接続モジュールはそれぞれ、第１のポートおよび第２のポートと、エネルギー源と、エネルギー源に接続され、出力電圧を第１のポートに発生させるように構成される、第１のコンバータと、第２のポートおよびエネルギー源に接続される、第２のコンバータであって、充電信号を第２のポートにおいて受信し、充電信号を充電電圧に変換し、エネルギー源を充電するように構成される、第２のコンバータとを含む。本システムでは、第１および第２の相互接続モジュールのエネルギー源は、並列に接続されることができる。本システムでは、第１の相互接続モジュールは、補助負荷のための電力を供給するように構成されることができる。本システムでは、第１の相互接続モジュールは、第１の相互接続モジュールのエネルギー源を補助負荷に接続するように構成される、第３のポートを含むことができる。本システムでは、第１の相互接続モジュールは、第１の相互接続モジュールのエネルギー源を、第１の相互接続モジュールのスイッチ回路網およびインダクタを通して、第１の相互接続モジュールの外部の補助負荷に接続するように構成される、第３のポートを含むことができる。本システムはさらに、第１および第２の相互接続モジュールのそれぞれの第１のコンバータを制御し、第１のアレイと第２のアレイとの間のエネルギーを平衡させるように構成される、制御システムを含むことができる。本システムカムはさらに、第１および第２の相互接続モジュールのそれぞれの第１のコンバータを制御し、第１のアレイと第２のアレイとの間のエネルギーを平衡させるように構成される、制御システムを含む。
いくつかの実施形態では、第１のコンバータは、複数のスイッチを含むことができる。本システムでは、複数のスイッチは、フルブリッジコンバータとして構成されることができる。
いくつかの実施形態では、本システムでは、第２のコンバータは、エネルギー源および第１のコンバータを第２のポートから絶縁するように構成される、変圧器を含む、ＤＣ－ＤＣコンバータであることができる。本システムでは、第２のコンバータは、第２のポートと変圧器との間に接続される、ＤＣ－ＡＣコンバータを含むことができる。本システムでは、第２のコンバータは、変圧器とエネルギー源との間に接続される、ダイオード整流器を含むことができる。本システムでは、第２のコンバータは、変圧器とエネルギー源との間に接続される、ＡＣ－ＤＣコンバータを含むことができる。本システムでは、ＡＣ－ＤＣコンバータは、フルブリッジコンバータまたはプッシュプルコンバータとして構成されることができる。本システムでは、第２のコンバータは、電気を第２のポートからエネルギー源に伝導させる、一方向性コンバータであることができる。本システムでは、第２のコンバータは、電気を第２のポートとエネルギー源との間で伝導させる、双方向性コンバータであることができる。
いくつかの実施形態では、第１の複数のモジュールは、第１のアレイ内で直列に接続され、第１のアレイの各モジュールの第２のポートに印加される充電信号の電圧が総充電源電圧から分圧されるように、総充電源電圧を受信するように接続される。
いくつかの実施形態では、エネルギー源は、第１のエネルギー源であって、各モジュールは、第２のエネルギー源を含むことができる。本システムでは、第２のエネルギー源は、インダクタによって、第１のコンバータに接続されることができる。本システムでは、第１のエネルギー源は、第１のタイプのリチウムイオンバッテリであることができ、第２のエネルギー源は、第２のタイプのリチウムイオンバッテリであることができ、第１および第２のタイプは、異なり得る。本システムでは、第１のエネルギー源は、バッテリであることができ、第２のエネルギー源は、高エネルギー密度（ＨＥＤ）コンデンサであることができる。
いくつかの実施形態では、第１の複数のモジュールの各モジュール、第２の複数のモジュールの各モジュール、第１の相互接続モジュール、および第２の相互接続モジュールはさらに、エネルギー源と並列に接続される、エネルギーバッファを含む。本システムでは、エネルギーバッファは、コンデンサであることができる。
いくつかの実施形態では、本システムはさらに、第１および第２のコンバータの切替を制御するように構成される、制御システムを含む。本システムでは、制御システムは、複数のモジュールと関連付けられる、複数の局所的制御デバイスと、複数の局所的制御デバイスと通信可能に結合される、マスタ制御デバイスとを含むことができる。本システムでは、制御システムは、各モジュールの第２のコンバータの切替を制御し、モジュールのエネルギー源間でエネルギーを交換するように構成されることができる。
多くの実施形態では、電力を電気自動車両の負荷に供給するように制御可能である、モジュール型エネルギーシステムが、提供され、本システムは、第１、第２、および第３のアレイ内でともに接続され、各アレイが、そのアレイのモジュールからの出力電圧の重畳を含む、ＡＣ電圧信号を出力するように構成される、第１の複数のモジュールと、第４のアレイ内でともに接続され、第２の複数のモジュールからの出力電圧の重畳を含む、ＡＣ電圧信号を出力するように構成される、第２の複数のモジュールとを含み、第１の複数のモジュールは、３相電力を電気自動車両の第１の補助負荷に提供するように構成され、第２の複数のモジュールは、単相電力を電気自動車両の第２の補助負荷に提供するように構成される。
いくつかの実施形態では、本システムはさらに、第１、第２、第３、および第４のアレイに接続される、複数の相互接続モジュールを含む。本システムでは、複数の相互接続モジュールの第１の相互接続モジュールは、ＤＣ電力を電気自動車両の第３の補助負荷に提供するように構成されることができる。本システムでは、第１の相互接続モジュールは、エネルギー源を含むことができ、エネルギー源を第３の補助負荷に接続するように構成されることができる。本システムでは、第１の相互接続モジュールは、エネルギー源を含むことができ、エネルギー源を、第１の相互接続モジュールのスイッチ回路網およびインダクタを通して、第３の補助負荷に接続するように構成されることができる。
いくつかの実施形態では、モジュールは全て個々に、エネルギー源と、エネルギー源に接続され、出力電圧をモジュールの第１のポートに発生させるように構成される、第１のコンバータと、モジュールの第２のポートおよびエネルギー源に接続される、第２のコンバータであって、充電信号を第２のポートにおいて受信し、充電信号を充電電圧に変換し、エネルギー源を充電するように構成される、第２のコンバータとを含む。本システムはさらに、複数の相互接続モジュールのそれぞれの第１のコンバータを制御し、第１、第２、第３、および第４のアレイ間のエネルギーを平衡させるように構成される、制御システムを含むことができる。本システムでは、第１のアレイのモジュールは、第１のアレイの各モジュールの第２のポートに印加される充電信号の電圧が総充電源電圧から分圧されるように、総充電源電圧を受信するように直列に接続されることができる。本システムでは、第１のアレイ、第２のアレイ、および第３のアレイは、各アレイの各モジュールの第２のポートに印加される充電信号の電圧が総充電源電圧から分圧されるように、総充電源電圧を受信するように並列に接続されることができる。
いくつかの実施形態では、全てのモジュールはさらに、エネルギーバッファを含む。本システムでは、エネルギーバッファは、コンデンサである。
いくつかの実施形態では、本システムはさらに、モジュールのそれぞれを制御するように構成される、制御システムを含む。
多くの実施形態では、電力を負荷に供給するように制御可能である、モジュール型エネルギーシステムが、提供され、本システムは、ともに接続され、各モジュールからの第１の出力電圧の重畳を含む、ＡＣ電圧信号を出力する、複数のモジュールを含み、各モジュールは、エネルギー源と、エネルギー源に接続され、第１の出力電圧をモジュールの第１のポートに発生させるように構成される、第１のコンバータと、モジュールの第２のポートとエネルギー源との間に接続される、第２のコンバータと、各モジュールの第１のコンバータおよび第２のコンバータを制御するように構成される、制御システムとを含む。
いくつかの実施形態では、制御システムは、各モジュールの第１のコンバータを制御し、パルス幅変調技法に従って、第１の出力電圧を出力するように構成される。本システムでは、制御システムは、各モジュールの第２のコンバータを制御し、モジュールのエネルギー源を充電するように構成されることができる。
いくつかの実施形態では、制御システムは、各モジュールの第２のコンバータを制御し、モジュールのエネルギー源を充電および並行して、各モジュールの第１のコンバータを制御し、第１の出力電圧を出力するように構成される。本システムでは、複数のモジュールのモジュールの少なくともサブセットは、サブセット内の各モジュールの第１のポートが、サブセット内の別のモジュールの第１のポートに結合され、サブセット内の各モジュールの第２のポートが、サブセット内の別のモジュールの第２のポートに結合されるように、カスケード方式でともに接続されることができる。本システムでは、制御システムは、複数のモジュール内の第１のモジュールの第２のコンバータおよび複数のモジュール内の第２のモジュールの第２のコンバータを制御し、第１のモジュールのエネルギー源と第２のモジュールのエネルギー源との間でエネルギーを交換するように構成されることができる。
いくつかの実施形態では、複数のモジュールの各モジュールの第２のコンバータは、エネルギー源および第１のコンバータを第２のポートから絶縁するように構成される、変圧器を含む、ＤＣ－ＤＣコンバータである。本システムでは、複数のモジュールの各モジュールの第２のコンバータは、第２のポートと変圧器との間に接続される、ＤＣ－ＡＣコンバータを含むことができる。本システムでは、複数のモジュールの各モジュールの第２のコンバータは、変圧器とエネルギー源との間に接続される、ダイオード整流器を含むことができる。本システムでは、複数のモジュールの各モジュールの第２のコンバータは、変圧器とエネルギー源との間に接続される、ＡＣ－ＤＣコンバータを含むことができる。本システムでは、ＡＣ－ＤＣコンバータは、フルブリッジコンバータまたはプッシュプルコンバータとして構成されることができる。
いくつかの実施形態では、エネルギー源は、第１のエネルギー源であって、複数のモジュールの各モジュールは、インダクタを用いて第１のコンバータと結合される、第２のエネルギー源を含む。
いくつかの実施形態では、制御システムは、複数のモジュールと関連付けられる、複数の局所的制御デバイスと、複数の局所的制御デバイスと通信可能に結合される、マスタ制御デバイスとを含む。
いくつかの実施形態では、第１の複数のモジュールは、第１、第２、および第３のアレイ内でともに接続され、それぞれ、そのアレイのモジュールからの出力電圧の重畳を含む、ＡＣ電圧信号を出力するように構成される。本システムはさらに、第４、第５、および第６のアレイ内でともに接続され、それぞれ、そのアレイのモジュールからの出力電圧の重畳を含む、ＡＣ電圧信号を出力するように構成される、第２の複数のモジュールを含むことができる。本システムはさらに、第７のアレイ内でともに接続され、第３の複数のモジュールからの出力電圧の重畳を含む、ＡＣ電圧信号を出力するように構成される、第３の複数のモジュールを含むことができる。本システムでは、第１の複数のモジュールは、３相電力を電気自動車両のモータに提供するように構成されることができ、第２の複数のモジュールは、３相電力を電気自動車両の第１の補助負荷に提供するように構成されることができ、第３の複数のモジュールは、単相電力を電気自動車両の第２の補助負荷に提供するように構成されることができる。本システムでは、制御システムは、第２および第３の複数のモジュールの各モジュールの第１のコンバータおよび第２のコンバータを制御するように構成されることができる。
いくつかの実施形態では、本システムはさらに、本システムのＤＣ線に結合される、補助コンバータを含み、補助コンバータは、補助負荷のために、ＤＣ電力をＤＣ線からＡＣ電力に変換するように構成される。制御システムは、出力ＤＣ電圧が、ＤＣ線に印加され、補助コンバータを給電するように、各モジュールの第２のコンバータを制御し、ＤＣ電圧を各モジュールの第２のポートから出力するように構成されることができる。
多くの実施形態では、モジュール型エネルギー貯蔵システムを含む、レールベースの電気自動車両を動作させる方法が、提供され、本方法は、複数のモジュールからの複数の第１の出力電圧を含む、ＡＣ電力信号を、レールベースの電気自動車両の電気モータに出力するステップであって、数のモジュールはそれぞれ、エネルギー源と、エネルギー源と結合され、第１の出力電圧をモジュールの第１のポートから出力するように構成される、第１のコンバータと、エネルギー源およびモジュールの第２のポートとの間に結合される、第２のコンバータとを含む、ステップと、充電信号を電気自動車両に印加するステップであって、充電信号からの電圧は、複数のモジュールのそれぞれの第２のポートに印加される、ステップと、複数のモジュールのそれぞれの第２のコンバータを制御し、各モジュールのエネルギー源を充電するステップとを含む。本方法では、電気自動車両は、充電信号が印加される間、移動中であることができる。
用語「モジュール」は、本明細書で使用されるように、より大きいシステム内の２つまたはそれを上回るデバイスまたはサブシステムのうちの１つを指す。モジュールは、類似サイズ、機能、および物理的配列（例えば、電気端子、コネクタ等の場所）の他のモジュールと協働するように構成されることができる。同一機能およびエネルギー源を有する、モジュールは、同一システム（例えば、ラックまたはパック）内の全ての他のモジュールと同じ（例えば、サイズおよび物理的配列）に構成されることができる一方、異なる機能またはエネルギー源を有する、モジュールは、サイズおよび物理的配列が変動してもよい。各モジュールは、本システムの他のモジュールに対して物理的に除去可能かつ交換可能であり得るが（例えば、車上のホイールまたは情報技術（ＩＴ）ブレードサーバにおけるブレードのように）、それは、要求されるものではない。例えば、システムは、全体としてのシステムの分解を伴わずに、いずれか１つのモジュールの除去および置換を許容しない、共通筐体内にパッケージ化されてもよい。しかしながら、本明細書のあらゆる実施形態は、各モジュールが、システムの分解等を伴わずに便宜的な様式で除去可能であり、他のモジュールに対して置換可能であるように、構成されることができる。
用語「マスタ制御デバイス」は、本明細書では広義で使用され、ローカル制御デバイス等の任意の他のデバイスとのマスタおよびスレーブ関係等のいずれの具体的プロトコルの実装も要求しない。
用語「出力」は、本明細書では広義で使用され、出力および入力の両方として双方向様式で機能することを除外しない。同様に、用語「入力」は、本明細書では広義で使用され、入力および出力の両方として双方向様式で機能することを除外しない。
用語「端子」および「ポート」は、本明細書では広義で使用され、一方向または双方向のいずれかであり得、入力または出力であり得、メス型もしくはオス型構成等の具体的な物理的または機械的構造を要求しない。
異なる参照番号表記が、本明細書で使用される。これらの表記は、本主題の説明を促進するために使用され、その主題の範囲を限定するものではない。いくつかの図は、同一または類似要素の複数の事例を示す。それらの要素は、例えば、１２３－１、１２３－２、または１２３－ＰＡ等、「－Ｘ」形式において、数字または文字が添付され得る。本－Ｘ形式は、要素が各事例において、同じように構成されなければならないことを含意するものではなく、むしろ、図中の要素を参照するとき、区別を促進するために使用される。－Ｘ付属（例えば、１２３）を伴わない属番号の言及は、広義には、属内の要素の全ての事例を指す。
本主題の種々の側面が、これまで説明された実施形態を精査して、および／またはそれを補足して下記に記載され、ここでは、以下の実施形態の相互関係および互換性が重視される。換言すると、別様に明示的に記述されない、または論理的に非現実的ではない限り、実施形態の各特徴は、あらゆる他の特徴と組み合わせられ得るという事実が重視される。
処理回路は、それぞれが、離散または独立型チップである、もしくはいくつかの異なるチップ（およびその一部）の間に分散され得る、１つまたはそれを上回るプロセッサ、マイクロプロセッサ、コントローラ、および／またはマイクロコントローラを含むことができる。限定ではないが、パーソナルコンピューティングアーキテクチャ（例えば、デスクトップＰＣ、ラップトップ、タブレット等で使用されるような）、プログラマブルゲートアレイアーキテクチャ、専用アーキテクチャ、カスタムアーキテクチャ、およびその他の等の任意のタイプの処理回路が、実装されることができる。処理回路は、ハードウェアおよび／またはソフトウェアで実装され得る、デジタル信号プロセッサを含むことができる。処理回路は、処理回路に、多数の異なるアクションを行わせ、他のコンポーネントを制御させる、メモリ上に記憶されたソフトウェア命令を実行することができる。
処理回路はまた、他のソフトウェアおよび／またはハードウェアルーチンを実施することもできる。例えば、処理回路は、通信回路とインターフェースをとり、アナログ／デジタル変換、エンコーディングおよびデコーディング、他のデジタル信号処理、マルチメディア機能、通信回路への提供のために好適な形式（例えば、同相ならびに直角位相）へのデータの変換を実施することができる、および／または通信回路に（有線もしくは無線で）データを伝送させることができる。
本明細書に説明される、あらゆる通信信号は、記述される、または論理的に非現実的である場合を除いて、無線で通信されることができる。通信回路は、無線通信のために含まれることができる。通信回路は、適切なプロトコル（例えば、Ｗｉ－Ｆｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標） Ｌｏｗ Ｅｎｅｒｇｙ、近距離通信（ＮＦＣ）、無線周波数識別（ＲＦＩＤ）、専用プロトコル、およびその他）下でリンクを経由して無線通信を実施する、１つまたはそれを上回るチップおよび／またはコンポーネント（例えば、伝送機、受信機、送受信機、ならびに／もしくは他の通信回路）として実装されることができる。１つまたはそれを上回る他のアンテナが、種々のプロトコルおよび回路と動作するために必要に応じて、通信回路とともに含まれることができる。いくつかの実施形態では、通信回路は、リンクを経由した伝送のためのアンテナを共有することができる。ＲＦ通信回路は、伝送機および受信機（例えば、送受信機として統合される）と、関連付けられるエンコーダ論理とを含むことができる。
処理回路はまた、オペレーティングシステムおよび任意のソフトウェアアプリケーションを実行し、伝送および受信される通信の処理に関連しない、それらの他の機能を実施するように適合されることもできる。
説明される主題に従って動作を実行するためのコンピュータプログラム命令が、Ｊａｖａ（登録商標）、ＪａｖａＳｃｒｉｐｔ（登録商標）、Ｓｍａｌｌｔａｌｋ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、Ｔｒａｎｓａｃｔ－ＳＱＬ、ＸＭＬ、ＰＨＰ、または同等物等のオブジェクト指向プログラミング言語、および「Ｃ」プログラミング言語または類似プログラミング言語等の従来の手続き型プログラミング言語を含む、１つまたはそれを上回るプログラミング言語の任意の組み合わせで記述され得る。
メモリ、ストレージ、および／またはコンピュータ可読媒体が、存在する種々の機能ユニットのうちの１つまたはそれを上回るものによって共有されることができる、もしくは（例えば、異なるチップ内に存在する別個のメモリとして）それらのうちの２つまたはそれを上回るものの間に分散されることができる。メモリはまた、その独自の別個のチップ内に常駐することができる。
本明細書に開示される実施形態が、メモリ、ストレージ、および／またはコンピュータ可読媒体を含む、もしくはそれに関連して動作する限りにおいて、次いで、そのメモリ、ストレージ、および／またはコンピュータ可読媒体は、非一過性である。故に、そのメモリ、ストレージ、および／またはコンピュータ可読媒体が、１つまたはそれを上回る請求項によって網羅される限りにおいて、次いで、そのメモリ、ストレージ、および／またはコンピュータ可読媒体は、非一過性のみである。本明細書で使用されるような用語「非一過性」および「有形」は、伝搬する電磁信号を除外する、メモリ、ストレージ、および／またはコンピュータ可読媒体を説明することを意図しているが、記憶の持続性の観点から、もしくは別様に、メモリ、ストレージ、および／またはコンピュータ可読媒体のタイプを限定することを意図していない。例えば、「非一過性」および／または「有形」メモリ、ストレージ、ならびに／もしくはコンピュータ可読媒体は、ランダムアクセス媒体（例えば、ＲＡＭ、ＳＲＡＭ、ＤＲＡＭ、ＦＲＡＭ（登録商標）等）、読取専用媒体（例えば、ＲＯＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュ等）、およびそれらの組み合わせ（例えば、ハイブリッドＲＡＭおよびＲＯＭ、ＮＶＲＡＭ等）ならびにそれらの変異型等の揮発性および不揮発性媒体を包含する。
本明細書で提供される任意の実施形態に関して説明される、全ての特徴、要素、コンポーネント、機能、およびステップは、任意の他の実施形態からのものと自由に組み合わせ可能かつ代用可能であることを意図していることに留意されたい。ある特徴、要素、コンポーネント、機能、またはステップが、１つだけの実施形態に関して説明される場合、その特徴、要素、コンポーネント、機能、またはステップは、明示的に別様に記述されない限り、本明細書に説明される全ての他の実施形態と併用され得ることを理解されたい。本段落は、したがって、いずれの時間でも、異なる実施形態からの特徴、要素、コンポーネント、機能、およびステップを組み合わせる、もしくは以下の説明が、特定の事例において、そのような組み合わせまたは代用が可能であることを明示的に記述しない場合でさえも、一実施形態からの特徴、要素、コンポーネント、機能、およびステップを別の実施形態のものと代用する、請求項の導入のための先行基礎および書面による支持としての役割を果たす。特に、あらゆるそのような組み合わせおよび代用の許容性が当業者によって容易に認識されるであろうことを前提として、全ての可能性として考えられる組み合わせおよび代用の明示的記載は、過剰に重荷となることが明示的に確認される。
本明細書および添付の請求項で使用されるように、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈が明確に別様に決定付けない限り、複数の指示対象を含む。
実施形態は、種々の修正および代替形態の影響を受け得るが、その具体的実施例が、図面に示されており、本明細書に詳細に説明される。しかしながら、これらの実施形態は、開示される特定の形態に限定されるものではないが、反対に、これらの実施形態は、本開示の精神内に該当する全ての修正、均等物、および代替物を網羅するものであることを理解されたい。さらに、実施形態の任意の特徴、機能、ステップ、または要素、ならびに請求項の発明の範囲内ではない特徴、機能、ステップ、または要素によってその範囲を定義する、負の限定が、請求項に記載される、もしくは追加され得る。

Claims (92)

  1. 電力を負荷に供給するように制御可能であるモジュール型エネルギーシステムであって、
    複数のモジュールであって、前記複数のモジュールは、ともに接続され、各モジュールからの第１の出力電圧の重畳を備えるＡＣ電圧信号を出力する、複数のモジュール
    を備え、各モジュールは、
    エネルギー源と、
    前記エネルギー源に接続され、前記第１の出力電圧を前記モジュールの第１のポートに発生させるように構成される第１のコンバータと、
    前記モジュールの第２のポートと前記エネルギー源との間に接続される第２のコンバータであって、前記第２のコンバータは、充電信号を前記第２のポートにおいて受信し、前記充電信号を第２の出力電圧に変換し、前記エネルギー源を充電するように構成される、第２のコンバータと
    を備える、システム。
  2. 前記第１のコンバータは、複数のスイッチを備える、請求項１に記載のシステム。
  3. 前記複数のスイッチは、フルブリッジコンバータとして構成される、請求項２に記載のシステム。
  4. 前記第２のコンバータは、前記エネルギー源および前記第１のコンバータを前記第２のポートから絶縁するように構成される変圧器を備えるＤＣ－ＤＣコンバータである、請求項１に記載のシステム。
  5. 前記第２のコンバータは、前記第２のポートと前記変圧器との間に接続されるＤＣ－ＡＣコンバータを備える、請求項４に記載のシステム。
  6. 前記第２のコンバータは、前記変圧器と前記エネルギー源との間に接続されるダイオード整流器を備える、請求項５に記載のシステム。
  7. 前記第２のコンバータは、前記変圧器と前記エネルギー源との間に接続されるＡＣ－ＤＣコンバータを備える、請求項４に記載のシステム。
  8. 前記ＡＣ－ＤＣコンバータは、フルブリッジコンバータまたはプッシュプルコンバータとして構成される、請求項７に記載のシステム。
  9. 前記第２のコンバータは、電気を前記第２のポートから前記エネルギー源に伝導させる一方向性コンバータである、請求項４に記載のシステム。
  10. 前記第２のコンバータは、電気を前記第２のポートと前記エネルギー源との間で伝導させる双方向性コンバータである、請求項４に記載のシステム。
  11. 前記複数のモジュールは、アレイとして直列に接続され、各モジュールの第２のポートに印加される充電信号の電圧が総充電源電圧から分圧されるように、総充電源電圧を受信するように接続される、請求項１に記載のシステム。
  12. 前記エネルギー源は、第１のエネルギー源であり、各モジュールは、第２のエネルギー源を備える、請求項１－１１のいずれかに記載のシステム。
  13. 前記第２のエネルギー源は、インダクタによって、前記第１のコンバータに接続される、請求項１２に記載のシステム。
  14. 前記第１のエネルギー源は、第１のタイプのリチウムイオンバッテリであり、前記第２のエネルギー源は、第２のタイプのリチウムイオンバッテリであり、前記第１および第２のタイプは、異なる、請求項１２に記載のシステム。
  15. 前記第１のエネルギー源は、バッテリであり、前記第２のエネルギー源は、高エネルギー密度（ＨＥＤ）コンデンサである、請求項１２に記載のシステム。
  16. 各モジュールはさらに、前記エネルギー源と並列に接続されるエネルギーバッファを備える、請求項１－１１のいずれかに記載のシステム。
  17. 前記エネルギーバッファは、コンデンサである、請求項１６に記載のシステム。
  18. 前記第１および第２のコンバータの切替を制御するように構成される制御システムをさらに備える、請求項１－１７のいずれかに記載のシステム。
  19. 前記制御システムは、前記複数のモジュールと関連付けられる複数の局所的制御デバイスと、前記複数の局所的制御デバイスと通信可能に結合されるマスタ制御デバイスとを備える、請求項１８に記載のシステム。
  20. 前記制御システムは、各モジュールの第２のコンバータの切替を制御し、前記モジュールのエネルギー源間でエネルギーを交換するように構成される、請求項１８に記載のシステム。
  21. 電力を負荷に供給するように制御可能であるモジュール型エネルギーシステムであって、
    第１の複数のモジュールを備える第１のアレイであって、前記第１の複数のモジュールは、ともに接続され、第１の複数のモジュールからの出力電圧の重畳を備える第１のＡＣ電圧信号を出力する、第１のアレイと、
    第２の複数のモジュールを備える第２のアレイであって、前記第２の複数のモジュールは、ともに接続され、第２の複数のモジュールからの出力電圧の重畳を備える第２のＡＣ電圧信号を出力する、第２のアレイと
    を備え、前記第１の複数のモジュールおよび第２の複数のモジュールの各モジュールは、
    エネルギー源と、
    前記エネルギー源に接続され、前記出力電圧を前記モジュールの第１のポートに発生させるように構成される第１のコンバータと、
    前記モジュールの第２のポートおよび前記エネルギー源に接続される第２のコンバータであって、前記第２のコンバータは、充電信号を前記第２のポートにおいて受信し、前記充電信号を充電電圧に変換し、前記エネルギー源を充電するように構成される、第２のコンバータと
    を備える、システム。
  22. 前記第１のアレイと結合される第１の相互接続モジュールと、前記第２のアレイと結合される第２の相互接続モジュールとをさらに備え、前記第１および第２の相互接続モジュールはそれぞれ、
    第１のポートおよび第２のポートと、
    エネルギー源と、
    前記エネルギー源に接続され、出力電圧を前記第１のポートに発生させるように構成される第１のコンバータと、
    前記第２のポートおよび前記エネルギー源に接続される第２のコンバータであって、前記第２のコンバータは、充電信号を前記第２のポートにおいて受信し、前記充電信号を充電電圧に変換し、前記エネルギー源を充電するように構成される、第２のコンバータと
    を備える、請求項２１に記載のシステム。
  23. 前記第１および第２の相互接続モジュールのエネルギー源は、並列に接続される、請求項２２に記載のシステム。
  24. 前記第１の相互接続モジュールは、補助負荷のための電力を供給するように構成される、請求項２２－２３のいずれかに記載のシステム。
  25. 前記第１の相互接続モジュールは、前記第１の相互接続モジュールのエネルギー源を補助負荷に接続するように構成される第３のポートを備える、請求項２４に記載のシステム。
  26. 前記第１の相互接続モジュールは、第３のポートを備え、前記第３のポートは、前記第１の相互接続モジュールのエネルギー源を、前記第１の相互接続モジュールのスイッチ回路網およびインダクタを通して、前記第１の相互接続モジュールの外部の補助負荷に接続するように構成される、請求項２４に記載のシステム。
  27. 前記第１および第２の相互接続モジュールのそれぞれの第１のコンバータを制御し、前記第１のアレイと第２のアレイとの間のエネルギーを平衡させるように構成される制御システムをさらに備える、請求項２２－２６のいずれかに記載のシステム。
  28. 前記第１および第２の相互接続モジュールのそれぞれの第１のコンバータを制御し、前記第１のアレイと第２のアレイとの間のエネルギーを平衡させるように構成される制御システムをさらに備える、請求項２２－２６のいずれかに記載のシステム。
  29. 前記第１のコンバータは、複数のスイッチを備える、請求項２１に記載のシステム。
  30. 前記複数のスイッチは、フルブリッジコンバータとして構成される、請求項２９に記載のシステム。
  31. 前記第２のコンバータは、前記エネルギー源および前記第１のコンバータを前記第２のポートから絶縁するように構成される変圧器を備えるＤＣ－ＤＣコンバータである、請求項２１に記載のシステム。
  32. 前記第２のコンバータは、前記第２のポートと前記変圧器との間に接続されるＤＣ－ＡＣコンバータを備える、請求項３１に記載のシステム。
  33. 前記第２のコンバータは、前記変圧器と前記エネルギー源との間に接続されるダイオード整流器を備える、請求項３２に記載のシステム。
  34. 前記第２のコンバータは、前記変圧器と前記エネルギー源との間に接続されるＡＣ－ＤＣコンバータを備える、請求項３１に記載のシステム。
  35. 前記ＡＣ－ＤＣコンバータは、フルブリッジコンバータまたはプッシュプルコンバータとして構成される、請求項３４に記載のシステム。
  36. 前記第２のコンバータは、電気を前記第２のポートから前記エネルギー源に伝導させる一方向性コンバータである、請求項３１に記載のシステム。
  37. 前記第２のコンバータは、電気を前記第２のポートと前記エネルギー源との間で伝導させる双方向性コンバータである、請求項３１に記載のシステム。
  38. 前記第１の複数のモジュールは、前記第１のアレイ内で直列に接続され、前記第１のアレイの各モジュールの第２のポートに印加される前記充電信号の電圧が総充電源電圧から分圧されるように、総充電源電圧を受信するように接続される、請求項２１に記載のシステム。
  39. 前記エネルギー源は、第１のエネルギー源であり、各モジュールは、第２のエネルギー源を備える、請求項２１－３８のいずれかに記載のシステム。
  40. 前記第２のエネルギー源は、インダクタによって、前記第１のコンバータに接続される、請求項３９に記載のシステム。
  41. 前記第１のエネルギー源は、第１のタイプのリチウムイオンバッテリであり、前記第２のエネルギー源は、第２のタイプのリチウムイオンバッテリであり、前記第１および第２のタイプは、異なる、請求項３９に記載のシステム。
  42. 前記第１のエネルギー源は、バッテリであり、前記第２のエネルギー源は、高エネルギー密度（ＨＥＤ）コンデンサである、請求項３９に記載のシステム。
  43. 前記第１の複数のモジュールの各モジュール、前記第２の複数のモジュールの各モジュール、前記第１の相互接続モジュール、および前記第２の相互接続モジュールはさらに、前記エネルギー源と並列に接続されるエネルギーバッファを備える、請求項２１－３８のいずれかに記載のシステム。
  44. 前記エネルギーバッファは、コンデンサである、請求項４３に記載のシステム。
  45. 前記第１および第２のコンバータの切替を制御するように構成される制御システムをさらに備える、請求項２１－４４のいずれかに記載のシステム。
  46. 前記制御システムは、前記複数のモジュールと関連付けられる複数の局所的制御デバイスと、前記複数の局所的制御デバイスと通信可能に結合されるマスタ制御デバイスとを備える、請求項４５に記載のシステム。
  47. 前記制御システムは、各モジュールの第２のコンバータの切替を制御し、前記モジュールのエネルギー源間でエネルギーを交換するように構成される、請求項４５に記載のシステム。
  48. 電力を電気自動車両の負荷に供給するように制御可能であるモジュール型エネルギーシステムであって、
    第１、第２、および第３のアレイ内でともに接続される第１の複数のモジュールであって、各アレイは、そのアレイのモジュールからの出力電圧の重畳を備えるＡＣ電圧信号を出力するように構成される、第１の複数のモジュールと、
    第４のアレイ内でともに接続され、第２の複数のモジュールからの出力電圧の重畳を備えるＡＣ電圧信号を出力するように構成される第２の複数のモジュールと
    を備え、
    前記第１の複数のモジュールは、３相電力を前記電気自動車両の第１の補助負荷に提供するように構成され、
    前記第２の複数のモジュールは、単相電力を前記電気自動車両の第２の補助負荷に提供するように構成される、モジュール型エネルギーシステム。
  49. 前記第１、第２、第３、および第４のアレイに接続される複数の相互接続モジュールをさらに備える、請求項４８に記載のモジュール型エネルギーシステム。
  50. 前記複数の相互接続モジュールの第１の相互接続モジュールは、ＤＣ電力を前記電気自動車両の第３の補助負荷に提供するように構成される、請求項４９に記載のモジュール型エネルギーシステム。
  51. 前記第１の相互接続モジュールは、エネルギー源を備え、前記エネルギー源を前記第３の補助負荷に接続するように構成される、請求項５０に記載のシステム。
  52. 前記第１の相互接続モジュールは、エネルギー源を備え、前記エネルギー源を、前記第１の相互接続モジュールのスイッチ回路網およびインダクタを通して、前記第３の補助負荷に接続するように構成される、請求項５０に記載のシステム。
  53. 前記モジュールは全て個々に、
    エネルギー源と、
    前記エネルギー源に接続され、前記出力電圧を前記モジュールの第１のポートに発生させるように構成される第１のコンバータと、
    前記モジュールの第２のポートおよび前記エネルギー源に接続される第２のコンバータであって、前記第２のコンバータは、充電信号を前記第２のポートにおいて受信し、前記充電信号を充電電圧に変換し、前記エネルギー源を充電するように構成される、第２のコンバータと
    を備える、請求項４８－５０のいずれかに記載のモジュール型エネルギーシステム。
  54. 前記複数の相互接続モジュールのそれぞれの第１のコンバータを制御し、前記第１、第２、第３、および第４のアレイ間のエネルギーを平衡させるように構成される制御システムをさらに備える、請求項５３に記載のシステム。
  55. 前記第１のアレイのモジュールは、前記第１のアレイの各モジュールの第２のポートに印加される前記充電信号の電圧が総充電源電圧から分圧されるように、総充電源電圧を受信するように直列に接続される、請求項５３に記載のシステム。
  56. 前記第１のアレイ、第２のアレイ、および第３のアレイは、各アレイの各モジュールの第２のポートに印加される前記充電信号の電圧が総充電源電圧から分圧されるように、総充電源電圧を受信するように並列に接続される、請求項５３に記載のシステム。
  57. 全てのモジュールはさらに、エネルギーバッファを備える、請求項４８－５６のいずれかに記載のシステム。
  58. 前記エネルギーバッファは、コンデンサである、請求項５７に記載のシステム。
  59. 前記モジュールのそれぞれを制御するように構成される制御システムをさらに備える、請求項４８－５８のいずれかに記載のシステム。
  60. レールベースの電気自動車両であって、
    電力を前記レールベースの電気自動車両の負荷に供給するように制御可能であるモジュール型エネルギーシステムを備え、前記モジュール型エネルギーシステムは、請求項１－４７のいずれかに従って構成される、レールベースの電気自動車両。
  61. 鉄道電車または路面電車として構成される、請求項６０に記載のレールベースの電気車両。
  62. 運動中の間、充電源に断続的に接続するように構成される、請求項６０に記載のレールベースの電気車両。
  63. 前記充電源は、吊架線である、請求項６２に記載のレールベースの電気車両。
  64. 前記負荷は、電気モータである、請求項６０－６３のいずれかに記載のレールベースの電気車両。
  65. レールベースの電気自動車両であって、
    電力を前記レールベースの電気自動車両の負荷に供給するように制御可能であるモジュール型エネルギーシステムを備え、前記モジュール型エネルギーシステムは、請求項４８－５９のいずれかに従って構成される、レールベースの電気自動車両。
  66. 鉄道電車または路面電車として構成される、請求項６５に記載のレールベースの電気車両。
  67. 運動中の間、充電源に断続的に接続するように構成される、請求項６５に記載のレールベースの電気車両。
  68. 前記充電源は、吊架線である、請求項６７に記載のレールベースの電気車両。
  69. 電気自動車両であって、
    電力をレールベースの電気自動車両の負荷に供給するように制御可能である第１のモジュール型エネルギーシステムであって、前記第１のモジュール型エネルギーシステムは、請求項１－４７のいずれかに従って構成され、前記負荷は、電気モータである、第１のモジュール型エネルギーシステムと、
    電力を前記レールベースの電気自動車両の補助負荷に供給するように制御可能である第２のモジュール型エネルギーシステムであって、前記第２のモジュール型エネルギーシステムは、請求項４８－５９のいずれかに従って構成される、第２のモジュール型エネルギーシステムと
    を備える、電気自動車両。
  70. 電力を負荷に供給するように制御可能であるモジュール型エネルギーシステムであって、
    複数のモジュールであって、前記複数のモジュールは、ともに接続され、各モジュールからの第１の出力電圧の重畳を備えるＡＣ電圧信号を出力し、各モジュールは、エネルギー源と、前記エネルギー源に接続され、前記第１の出力電圧を前記モジュールの第１のポートに発生させるように構成される第１のコンバータと、前記モジュールの第２のポートと前記エネルギー源との間に接続される第２のコンバータとを備える、複数のモジュールと、
    各モジュールの前記第１のコンバータおよび前記第２のコンバータを制御するように構成される制御システムと
    を備える、システム。
  71. 前記制御システムは、各モジュールの第１のコンバータを制御し、パルス幅変調技法に従って、前記第１の出力電圧を出力するように構成される、請求項７０に記載のシステム。
  72. 前記制御システムは、各モジュールの第２のコンバータを制御し、前記モジュールのエネルギー源を充電するように構成される、請求項７１に記載のシステム。
  73. 前記制御システムは、各モジュールの第２のコンバータを制御し、前記モジュールのエネルギー源を充電し、並行して、各モジュールの第１のコンバータを制御し、前記第１の出力電圧を出力するように構成される、請求項７０に記載のシステム。
  74. 前記複数のモジュールのモジュールの少なくともサブセットは、前記サブセット内の各モジュールの第１のポートが、前記サブセット内の別のモジュールの第１のポートに結合され、前記サブセット内の各モジュールの第２のポートが、前記サブセット内の別のモジュールの第２のポートに結合されるように、カスケード方式でともに接続される、請求項７２および７３に記載のシステム。
  75. 前記制御システムは、前記複数のモジュール内の第１のモジュールの第２のコンバータおよび前記複数のモジュール内の第２のモジュールの第２のコンバータを制御し、前記第１のモジュールのエネルギー源と前記第２のモジュールのエネルギー源との間でエネルギーを交換するように構成される、請求項７４に記載のシステム。
  76. 前記複数のモジュールの各モジュールの第２のコンバータは、前記エネルギー源および前記第１のコンバータを前記第２のポートから絶縁するように構成される変圧器を備えるＤＣ－ＤＣコンバータである、請求項７０－７５のいずれかに記載のシステム。
  77. 前記複数のモジュールの各モジュールの第２のコンバータは、前記第２のポートと前記変圧器との間に接続されるＤＣ－ＡＣコンバータを備える、請求項７６に記載のシステム。
  78. 前記複数のモジュールの各モジュールの第２のコンバータは、前記変圧器と前記エネルギー源との間に接続されるダイオード整流器を備える、請求項７７に記載のシステム。
  79. 前記複数のモジュールの各モジュールの第２のコンバータは、前記変圧器と前記エネルギー源との間に接続されるＡＣ－ＤＣコンバータを備える、請求項７７に記載のシステム。
  80. 前記ＡＣ－ＤＣコンバータは、フルブリッジコンバータまたはプッシュプルコンバータとして構成される、請求項７９に記載のシステム。
  81. 前記エネルギー源は、第１のエネルギー源であり、前記複数のモジュールの各モジュールは、インダクタを用いて前記第１のコンバータと結合される第２のエネルギー源を備える、請求項７０－８０のいずれかに記載のシステム。
  82. 前記制御システムは、前記複数のモジュールと関連付けられる複数の局所的制御デバイスと、前記複数の局所的制御デバイスと通信可能に結合されるマスタ制御デバイスとを備える、請求項７０－８１のいずれかに記載のシステム。
  83. 前記第１の複数のモジュールは、第１、第２、および第３のアレイ内でともに接続され、それぞれが、そのアレイのモジュールからの出力電圧の重畳を備えるＡＣ電圧信号を出力するように構成される、請求項７０－８２のいずれかに記載のシステム。
  84. 第２の複数のモジュールをさらに備え、前記第２の複数のモジュールは、第４、第５、および第６のアレイ内でともに接続され、それぞれが、そのアレイのモジュールからの出力電圧の重畳を備えるＡＣ電圧信号を出力するように構成される、請求項８３に記載のシステム。
  85. 第３の複数のモジュールをさらに備え、前記第３の複数のモジュールは、第７のアレイ内でともに接続され、第３の複数のモジュールからの出力電圧の重畳を備えるＡＣ電圧信号を出力するように構成される、請求項８４に記載のシステム。
  86. 前記第１の複数のモジュールは、３相電力を前記電気自動車両のモータに提供するように構成され、前記第２の複数のモジュールは、３相電力を前記電気自動車両の第１の補助負荷に提供するように構成され、前記第３の複数のモジュールは、単相電力を前記電気自動車両の第２の補助負荷に提供するように構成される、請求項８５に記載のシステム。
  87. 前記制御システムは、前記第２および第３の複数のモジュールの各モジュールの第１のコンバータおよび第２のコンバータを制御するように構成される、請求項８６に記載のモジュール型エネルギーシステム。
  88. 前記システムのＤＣ線に結合される補助コンバータをさらに備え、前記補助コンバータは、補助負荷のために、ＤＣ電力を前記ＤＣ線からＡＣ電力に変換するように構成される、請求項７０－７７および７９－８５のいずれかに記載のモジュール型エネルギーシステム。
  89. 前記制御システムは、前記出力ＤＣ電圧が、前記ＤＣ線に印加され、前記補助コンバータを給電するように、各モジュールの第２のコンバータを制御し、ＤＣ電圧を各モジュールの第２のポートから出力するように構成される、請求項８８に記載のモジュール型エネルギーシステム。
  90. モジュール型エネルギー貯蔵システムを備えるレールベースの電気自動車両を動作させる方法であって、前記方法は、
    複数のモジュールからの複数の第１の出力電圧を備えるＡＣ電力信号を、前記レールベースの電気自動車両の電気モータに出力することであって、前記複数のモジュールはそれぞれ、エネルギー源と、前記エネルギー源と結合され、前記第１の出力電圧を前記モジュールの第１のポートから出力するように構成される第１のコンバータと、前記エネルギー源および前記モジュールの第２のポートとの間に結合される第２のコンバータとを備える、ことと、
    充電信号を電気自動車両に印加することであって、前記充電信号からの電圧は、前記複数のモジュールのそれぞれの第２のポートに印加される、ことと、
    前記複数のモジュールのそれぞれの第２のコンバータを制御し、各モジュールのエネルギー源を充電することと
    を含む、方法。
  91. 前記電気自動車両は、前記充電信号が印加される間、移動している、請求項８８に記載の方法。
  92. 前記モジュール型エネルギー貯蔵システムは、請求項１－４７のいずれかに従って構成される、請求項８８に記載の方法。
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