JP2023544546A - 多相モジュールベースのエネルギーシステムフレームワークおよびそれに関連する方法 - Google Patents

Abstract

モジュール式マルチレベルエネルギーシステムのための筐体および／または据え付けフレームワークは、モジュールの直交整列のために構成された類似したキャビネットの組を含む。キャビネットは、特定の位相のモジュールが基準平面に平行な軸に沿って向けられるように構成される。マルチレベル配置の同じレベルであるが異なる位相のモジュールが、各キャビネット内に搭載され、各位相に関するモジュールが基準平面から定義された距離にあるように配置される。キャビネットは、基準平面に等距離かつ直交するように配置され、複数のキャビネットにわたって同じ位相のモジュール間の接続に関する距離を最小化し、レベルの便利な追加または除去を促進する。フレームワークは、モジュールのローカル制御デバイス間、およびローカル制御デバイスとシステムのためのマスタ制御デバイスとの間のデータおよび基準信号接続も促進する。

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、その全体として、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２０２０年９月２８日に出願された米国仮出願第６３／０８４，１１０号の利益および優先権を主張する。

（技術分野）
本明細書に説明される主題は、概して、多相モジュールベースのエネルギーシステムフレームワーク、および多相モジュールベースのエネルギーシステムの据え付けおよび相互接続を促進するシステム、デバイス、および方法に関する。

複数のエネルギー源またはシンクを有するエネルギーシステムが、多くの産業において使用されている。複数のエネルギー源は、バッテリまたは他のエネルギー貯蔵デバイスを含むことができる。従来技術のシステムは、高電力固定設備、例えば、産業および他の用途にあまり適していない。新しいモジュール式エネルギーシステムが、定置型または大型船舶用途における産業規模の電力のために適合されることができるが、新しいエネルギーシステムの据え付けおよび相互接続のためのシステム、装置、および方法は、存在しないか、または、要件に関して最適化されていない。

これらおよび他の理由から、多相モジュールベースのエネルギーシステムの据え付けおよび相互接続のための新しい改良されたシステム、デバイス、および方法が、必要とされる。

種々の用途のためのエネルギーシステムの据え付け、相互接続、および適合のために有用である多相モジュールベースのエネルギーシステムフレームワークのためのシステム、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。これらの実施形態のうちの多くでは、モジュールベースのエネルギーシステムは、複数のモジュールを含み、各モジュールは、少なくともエネルギー源と、コンバータとを含む。各モジュールのより複雑な構成も、開示される。システムのモジュールは、システムが適用される特定の技術的用途に特有の機能を実施するために、様々な複雑さの異なる配置において一緒に接続されることができる。システムは、システムの使用中に繰り返し各モジュールのステータス情報、少なくとも１つの動作特性、または他のパラメータを監視し、その監視されたステータス情報、動作特性、または他のパラメータに基づいて、各モジュールの状態を査定し、電気性能、熱性能、寿命、およびその他等の１つ以上の所望の標的を達成および／または維持するための試みにおいて、各モジュールを独立して制御するように構成されることができる。この制御は、システムからのエネルギー提供（例えば、放電）および／またはエネルギー消費（例えば、充電）を促進するために行われることができる。便利のために、ある特徴が、下記に要約される。

モジュール式多相エネルギーシステムのエネルギー源は、例えば、高エネルギー密度（ＨＥＤ）コンデンサ（ウルトラコンデンサまたはスーパーコンデンサ等）、バッテリ、および／または燃料電池を含み得る。システムは、１次元アレイまたは多次元アレイにおいて接続される少なくとも２つのコンバータ－源モジュールを含み得る。少なくとも２つの１次元アレイが、例えば、異なる行および列において直接、または１つ以上の追加のモジュールによって、一緒に接続されることができる。そのような構成では、任意の形状および周波数の出力電圧が、個々のモジュールの出力電圧の重ね合わせとして、モジュールベースのエネルギーシステムの出力において発生させられることができる。

モジュール式多相エネルギーシステムの利点は、単一のモジュールベースのエネルギーシステム（例えば、産業規模バッテリパック）内の相内および相間電力管理、および複数のモジュールベースのエネルギーシステム（例えば、バッテリパック）間のシステム間電力管理、およびシステムへの補助負荷の接続、およびそのようなシステムの全てのモジュールからそれらの負荷に提供されるエネルギーの均一な分配の維持を含み得る。さらなる利点は、モジュール間の電力共有の制御を可能にすることを含み得る。そのような制御は、例えば、モジュールのエネルギー源の充電状態（ＳＯＣ）がサイクル中および休止時にリアルタイムかつ連続的に平衡を保たせられるようなパラメータの調整を可能にし、それは、それらの容量の可能な差異にもかかわらず、各エネルギー源の全容量の利用を促進する。加えて、そのような制御は、モジュールのエネルギー源の温度の平衡を保たせるために使用されることができる。温度平衡は、例えば、システム（例えば、バッテリパック）の電力能力を増加させ、システム内のそれらの物理的場所およびそれらの熱抵抗率の差異にもかかわらず、エネルギー源のより均一な経時変化を提供することができる。モジュール式多相エネルギーシステムは、各電力相のための複数のレベルを含み得る。レベルも、モジュール式であり、レベルを追加すること、または減じることによって、据え付け後のシステム容量の便利な調節を可能にし得る。

これらおよび類似するモジュール式多相エネルギーシステムは、筐体および／または据え付けフレームワークを使用することによって、より実践的にされる。モジュール式マルチレベルコンバータシステムのための有用な筐体および／または据え付けフレームワークが、開示される。いくつかの実施形態において、フレームワークは、モジュールの垂直および水平整列を可能にする一連のラックまたはキャビネットから成る。特定の位相のモジュールは、１つの位相の全てのモジュールが、床または他の基部からの同じまたは類似する高さ（例えば、同じ水平面）に位置するように、水平に向けられる。位相は、各位相が異なるが、共有される高さに位置するように、互いの上に積み重ねられる。マルチレベル配置の異なる位相であるが、同じレベルのモジュールは、同じキャビネット内にあるように垂直に整列させられ得る。この配置は、同じ位相のモジュールの間の接続に関する距離を最小化し、システム内のレベルの数が、単純に別のキャビネットを追加することによって容易に増加させられること（および逆に、レベルの数の容易な低減）を可能にする。フレームワークはまた、ローカル制御デバイスの間、また、ローカル制御デバイスとマスタ制御デバイスとの間のデータおよび基準信号接続を促進する。

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を検討すると、当業者に明白であり、または明白となるであろう。全てのそのような追加のシステム、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、必ずしも縮尺通りではなく、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。また、全ての図示は、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、モジュール式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、モジュール式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１Ｆ－１Ｇは、負荷および充電源と結合されたモジュール式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、モジュール式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７Ａ－７Ｅは、種々のトポロジを有するモジュール式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式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キャリア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キャリア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せら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ね合わせによって発生させら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、モジュール式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式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一緒に接続された２つのサブシステムを有するモジュール式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相モジュール式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１１Ａ－１１Ｂは、多相モジュールベースのエネルギーシステムフレームワークの例示的実施形態における通信および電力経路を描写するブロック図である。 図１１Ａ－１１Ｂは、多相モジュールベースのエネルギーシステムフレームワークの例示的実施形態における通信および電力経路を描写するブロック図である。

図１２Ａは、図１１Ａおよび１１Ｂに示される図形配置に対応する筐体フレームワークの例示的実施形態を描写するブロック図である。

図１２Ｂおよび１２Ｃは、ラックベースの据え付けにおける使用のための電子ラックの例示的実施形態を描写する図である。 図１２Ｂおよび１２Ｃは、ラックベースの据え付けにおける使用のための電子ラックの例示的実施形態を描写する図である。

図１２Ｄは、前述の図と一貫するラックベースの据え付けの例示的実施形態を描写する立面図である。

図１３Ａ－１３Ｂは、多相モジュールベースのエネルギーシステムフレームワークにおけるモジュールおよび接続の位相およびモジュールベースの配置の例示的実施形態を描写するブロック図である。 図１３Ａ－１３Ｂは、多相モジュールベースのエネルギーシステムフレームワークにおけるモジュールおよび接続の位相およびモジュールベースの配置の例示的実施形態を描写するブロック図である。

図１４Ａ、１４Ｂ、および１４Ｃは、多相モジュールベースのエネルギーシステムフレームワークにおける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１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃは、インターフェース回路網を含む第１のキャビネットとグリッドおよび／または負荷との間の追加のキャビネット（キャビネット０）および最後の（Ｎ＋１番目）キャビネットの種々の構成を伴うマルチレベルコンバータシステムの例示的実施形態を描写する概略図である。 図１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃは、インターフェース回路網を含む第１のキャビネットとグリッドおよび／または負荷との間の追加のキャビネット（キャビネット０）および最後の（Ｎ＋１番目）キャビネットの種々の構成を伴うマルチレベルコンバータシステムの例示的実施形態を描写する概略図である。 図１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃは、インターフェース回路網を含む第１のキャビネットとグリッドおよび／または負荷との間の追加のキャビネット（キャビネット０）および最後の（Ｎ＋１番目）キャビネットの種々の構成を伴うマルチレベルコンバータシステムの例示的実施形態を描写する概略図である。

図１５Ｄは、システムの１つまたは２つのレベルからの全てのモジュールを保持するキャビネットを伴うマルチレベルコンバータシステムの例示的実施形態を描写する概略図である。

図１６Ａ－１６Ｇは、多相モジュールベースのエネルギーシステムフレームワークにおける種々のキャビネット配置の例示的実施形態を描写する平面図である。 図１６Ａ－１６Ｇは、多相モジュールベースのエネルギーシステムフレームワークにおける種々のキャビネット配置の例示的実施形態を描写する平面図である。 図１６Ａ－１６Ｇは、多相モジュールベースのエネルギーシステムフレームワークにおける種々のキャビネット配置の例示的実施形態を描写する平面図である。

図１７Ａ－１７Ｃは、グリッド、負荷、およびそれぞれのインターフェース回路網に関する例示的実施形態を描写する概略図である。

図１８は、多相マルチレベルモジュール式エネルギーシステムに関するフレームワークを構成する方法の例示的実施形態を描写するフローチャートである。

本主題が詳細に説明される前に、本開示が、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専門用語は、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から、限定的であることを意図していない。

多相モジュールベースのエネルギーシステムフレームワークの例示的実施形態は、そのようなフレームワーク内のデバイス、回路網、ソフトウェア、およびコンポーネントの例示的実施形態、そのようなフレームワークを動作させ、使用する方法の例示的実施形態、および、そのようなフレームワークが実装され、または組み込まれ得るか、または、そのようなシステムが一緒に使用され得る用途（例えば、装置、機械、グリッド、場所、構造、環境等）の例示的実施形態として本明細書に説明される。フレームワークは、多相電力を負荷に提供するためのマルチレベルモジュール式コンバータシステムに存在するモジュールの数を追加することまたは減じることを行うための迅速なカスタマイズを可能にする。

例示的実施形態を説明する前に、最初に、これらの基礎をなすシステムをより詳細に説明することが有用である。図１Ａ－１０Ｅを参照して、以下の節は、その中にモジュール式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、モジュール式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関するモジュール式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、システム内のモジュールの配置のためのトポロジの実施形態、制御方法論の実施形態、システム内のモジュールの平衡動作特性の実施形態、および相互接続モジュールの使用の実施形態を説明する。
（用途の例）

定置型用途は、モジュール式エネルギーシステムが、使用中、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それらである。モジュールベースのエネルギーシステムは、据え付け場所に常駐しながら、１つ以上の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ために、または、後の消費のために、エネルギーを貯蔵またはバッファする。本明細書に開示される実施形態が使用され得る定置型用途の例は、限定ではないが、以下を含む：１つ以上の居住構造または場所によるまたはその中における使用のためのエネルギーシステム、１つ以上の産業構造または場所によるまたはその中における使用のためのエネルギーシステム、１つ以上の商業用構造または場所によるまたはその中における使用のためのエネルギーシステム、１つ以上の政府構造または場所によるまた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。定置型用途は、多くの場合、グリッドおよびマイクログリッド、モータ、およびデータセンター等の負荷に供給する。定置型エネルギーシステムは、貯蔵または非貯蔵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その中に位置し、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一緒に使用され得る移動エンティティの例は、限定ではないが、陸上または地下で、海上または海中で、陸または海の上方でそれと接触せずに（例えば、空中を飛行またはホバリングする）、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一緒に使用され得る移動エンティティの例は、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一緒に使用され得る移動車両の例は、限定ではないが、１つのみの車輪または軌道を有するそれら、２つのみの車輪または軌道を有するそれら、３つのみの車輪または軌道を有するそれら、４つのみの車輪または軌道を有するそれら、および５つ以上の車輪または軌道を有するそれらを含む。本明細書に開示される実施形態が一緒に使用され得る移動エンティティの例は、限定ではないが、自動車、バス、トラック、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、機関車またはレールベースの車両（例えば、列車、トラム等）、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ことにおいて、特定の定置型用途（例えば、グリッド、マイクログリッド、データセンター、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置型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、移動および定置型用途の両方で使用されることができる。ある構成は、他のものより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、移動および定置型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、システム１００は、それぞれ、通信経路またはリンク１０６－１～１０６－Ｎを介して、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た制御システム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ている。これらの実施形態において、任意の数の２つ以上のモジュール１０８が、使用されることができる（例えば、Ｎは、２以上）。モジュール１０８は、図７Ａ－７Ｅに関してより詳細に説明されるであろうように、種々の様式において、互いに接続されることができる。図示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ている。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り得る。システム１００はまた、充電源から受け取られる電力を貯蔵するように構成されている。図１Ｆは、電力を充電源１５０から電力を受け取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。本実施形態において、システム１００は、インターフェース１５２を介して、電力を出力すると同時に、インターフェース１５１を介して、電力を受け取り、貯蔵することができる。図１Ｇは、切り替え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。本実施形態において、システム１００は、充電源１５０からの電力の受け取りと負荷１０１への電力の出力との間で選択すること、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））から電力を受け取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を介して、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た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を介して、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を介して、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つ以上のモジュール１０８と結合され、それを制御することができる。ここで示される例では、各ＬＣＤ１１４は、Ｍ ＬＣＤ１１４－１～１１４－Ｍが、それぞれ、通信経路またはリンク１１６－１～１１６－２Ｍを介して、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か、または、複数のデバイスにわたって分散させられるか、または、複数のデバイスとして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において、制御システム１０２は、モジュール１０８に関連付けられるＬＣＤ１１４間に分散させられることができ、それによって、いかなるＭＣＤ１１２も、必要なく、システム１００から省略され得る。

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つ以上のデバイスの各々は、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を介してシステム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）、定置型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）の各々は、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り得る。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、有線電力も提供し、直接、システム１０２のための動作電力を１つ以上のモジュール１０８から供給することができる。例えば、各ＬＣＤ１１４のための動作電力は、それに対してそのＬＣＤ１１４が接続される１つ以上のモジュール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つ以上から供給されることができる（例えば、自動車の電力ネットワークを通して等）。

制御システム１０２は、モジュール１０８のうちの同じまたは異なる１つ以上のものから受信されるステータス情報に基づいて、１つ以上のモジュール１０８を制御するように構成されている。制御は、負荷１０１の要件等、１つ以上の他の要因にも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つ以上を含む。

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、制御システム１０２に通信されることができ、システム１０２は、ステータス情報から独立して、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、可能である。例えば、特定のモジュール１０８（またはモジュール１０８の一部）は、その特定のモジュール１０８（または一部）のステータス情報に基づいて；その特定のモジュール１０８（または一部）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（または一部）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（または一部）のステータス情報と、その特定のモジュール１０８（または一部）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つ以上の側面、特性、またはパラメータについての情報であり得る。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またはその１つ以上のコンポーネント（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）の以下の側面を含む：モジュールの１つ以上のエネルギー源の充電状態（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つ以上の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つ以上の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つ以上のエネルギー源の容量；モジュールの１つ以上の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つ以上の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いずれか１つ以上のものにおける障害の有無。

ＬＣＤ１１４は、ステータス情報を各モジュール１０８から受信するか、または各モジュール１０８から、または各モジュール１０８内で受信される監視信号またはデータからステータス情報を決定し、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において、各ＬＣＤ１１４は、未加工収集データをＭＣＤ１１２に通信することができ、ＭＣＤ１１２は、次いで、その未加工データに基づいて、ステータス情報をアルゴリズム的に決定する。ＭＣＤ１１２は、次いで、モジュール１０８のステータス情報を使用し、適宜、制御決定を行うことができる。決定は、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指数等）の形態をとり得る。

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つ以上の他のモジュール１０８（例えば、その匹敵するコンポーネント）との間の差異を決定し得る。例えば、ＭＣＤ１１２は、特定のモジュール１０８が、１つ以上の他のモジュール１０８と比較して、以下の条件のうちの１つを伴って動作していることを決定し得る：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、または障害を伴って、または伴わず。そのような例では、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）が（条件に応じて）低減または増加させられるようにする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）の利用が、低減させられることができることによって、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）に１つ以上の他のモジュール１０８のそれに向かって収束させる。

特定のモジュール１０８の動作を調節するかどうかの決定は、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、所定の閾値、限界、または条件とのステータス情報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、製造業者によって設定されるそれら等の使用中に変化しない静的閾値、限界、または条件であり得る。所定の閾値、限界、または条件は、使用中、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、または条件であり得る。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のモジュール１０８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）、また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、また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等を含む。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せられることができるか、または、モジュールの利用は、完全に停止させられることができる。

ＭＣＤ１１２は、所望の標的を達成するように、またはそれに向かって収束するようにシステム１００内のモジュール１０８を制御することができる。標的は、例えば、全てのモジュール１０８の動作が、互いに対して同じまたは類似するレベルにあること、または、所定の閾値、限界、または条件内にあることであり得る。このプロセスは、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的同等を要求せず、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同を能動的に低減させるために使用され得ることを伝えるために広義に使用される。

ＭＣＤ１１２は、ＬＣＤ１１４に関連付けられたモジュール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指数および基準信号、変調基準信号、またはその他であり得る。各ＬＣＤ１１４は、制御情報を使用（例えば、受信および処理）し、関連付けられたモジュール１０８内の１つ以上のコンポーネント（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において、ＭＣＤ１１２は、直接、スイッチ信号を発生させ、それらをＬＣＤ１１４に出力し、ＬＣＤ１１４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、移動または定置型用途の１つ以上の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。この共有または共通制御デバイス（またはシステム）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つ以上の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の非包括的例は、以下を含む：１つ以上の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つ以上の他の電力管理機能（例えば、負荷インターフェース、負荷電力要件予測、伝送および切り替え、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、データセンター制御サブシステム（例えば、環境制御、ネットワーク制御、バックアップ制御等）。

図１Ｄおよび１Ｅは、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を介した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を介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を介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を介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において、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と１０４とは、その中に含まれる別々の集積回路（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としての機能を果たし、マスタ制御機能性は、デバイス１０４内のコンポーネントとして実装される。このコンポーネント１１２は、ソフトウェアまたは他のプログラム命令であるか、またはそれを含むことができ、デバイス１０４のメモリ内に記憶され、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。コンポーネントは、専用ハードウェアを含むこともできる。コンポーネントは、自給式モジュールまたはコアであり得、１つ以上の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を介したＬＣＤ１１４との通信、およびインターフェース１４４を介した他のデバイとの通信を管理することができる。種々の実施形態において、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か、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か、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の実施形態において、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との間で分散させられることができる。別の例では、マスタ制御機能性とローカル制御機能性の少なくとも一部との両方が、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において、制御システム１０２の全ては、共通デバイス（またはシステム）１３２内に実装される。いくつかの実施形態において、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内のモジュールの例）

モジュール１０８は、１つ以上のエネルギー源と、パワーエレクトロニクスコンバータと、所望される場合、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の追加の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り得る。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、そのように限定されない。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）を介して、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、接続１１０を介して、ＡＣまたはＤＣ信号を受信し、持続またはパルス化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に印加することもできる。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）の配置であるか、または、それを含むことができる。いくつかの実施形態において、コンバータ２０２は、スイッチのみを含み、コンバータ（および全体としてのモジュール）は、変圧器を含まない。

コンバータ２０２は、（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／ＤＣ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）を実施するようにも構成されることができる。いくつかの実施形態において、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つ以上の電力半導体（例えば、スイッチ、ダイオード、サイリスタ等）と組み合わせて、変圧器を含むことができる。重量および費用が重要な因子であるそれら等の他の実施形態において、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、変圧器なしに、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、電動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、単一の燃料電池、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り得る。２つ以上のエネルギー源が、各モジュール内に含まれることができ、２つ以上の源は、同じまたは異なるタイプの２つのバッテリ、同じまたは異なるタイプの２つのコンデンサ、同じまたは異なるタイプの２つの燃料電池、１つ以上のコンデンサおよび／または燃料電池と組み合わせられた１つ以上のバッテリ、および１つ以上の燃料電池と組み合わせられた１つ以上のコンデンサを含むことができる。

エネルギー源２０６は、単一のバッテリ電池、またはバッテリモジュールまたはアレイにおいて一緒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り得る。図４Ａ－４Ｄは、単一のバッテリ電池４０２（図４Ａ）、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）、単一の電池４０２の並列接続を伴うバッテリモジュール（図４Ｃ）、および、各々が２つの電池４０２を有するレッグ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。バッテリタイプの例は、固体状態バッテリ、液体エレクトロタイプベースのバッテリ、液相バッテリ、およびフローバッテリ（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、ニッケル水素バッテリ、硫酸ニッケルバッテリ、鉛酸バッテリ、亜鉛空気バッテリ、およびその他等）を含む。Ｌｉイオンバッテリタイプのいくつかの例は、Ｌｉコバルト酸化物（ＬＣＯ）、Ｌｉマンガン酸化物（ＬＭＯ）、Ｌｉニッケルマンガンコバルト酸化物（ＮＭＣ）、Ｌｉリン酸鉄（ＬＦＰ）、Ｌｉニッケルコバルトアルミニウム酸化物（ＮＣＡ）、およびＬｉチタン酸（ＬＴＯ）を含む

エネルギー源２０６は、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）コンデンサでもあり得る。ＨＥＤコンデンサは、固体誘電タイプの典型的な電解コンデンサとは対照的に、二重層コンデンサ（静電電荷貯蔵装置）、擬似コンデンサ（電気化学的電荷貯蔵装置）、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て、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、１０～１００ファラド（Ｆ）を上回る静電容量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、エネルギー源２０６は、単一のＨＥＤコンデンサ、またはアレイにおいて一緒に接続される（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、燃料電池でもあり得る。燃料電池の例は、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、エネルギー源２０６は、単一の燃料電池、またはアレイにおいて一緒に接続される（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の切り替え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）周波数変動また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、それから、および、それを通してエネルギーまたは電力を移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、エネルギーは、システムの他のモジュールまたは負荷に移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）から受け取ることができる。信号も、モジュール１０８に通され、エネルギー源２０６を避けることができる。エネルギーまたは電力のモジュール１０８の内外への経路指定は、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の実施形態において、ＬＣＤ１１４は、モジュール１０８と別個の（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を経由して、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の実施形態において、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、共有バスまたは別々の接続）を経由して、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、経路１１６または１１８を介して、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から受信すること、信号をそれらに伝送することも可能であり得る。

モジュール１０８は、モニタ回路網２０８を含むこともでき、モニタ回路網２０８は、ステータス情報を構成する（または例えば、ＬＣＤ１１４によって、ステータス情報を決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つ以上の側面を監視（例えば、収集、感知、測定、および／または決定）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つ以上のエネルギー源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べき量に関する決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内の別の場所の障害の存在等）も、利用決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つ以上のセンサ、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と別個であり得るか、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か、または、それらの任意の組み合わせであり得る。いくつかの実施形態において、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）の一部であるか、または、それと共有されることができる。２つ以上のタイプのステータス情報が追加の回路の必要性を伴わずに単一の回路またはデバイスを用いて監視されるので、または、そうでなければ、アルゴリズム的に決定され得るので、別々の回路網は、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を介して、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、経路１１６、１１８を介して、情報をモジュールコンポーネントに伝送することもできる。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つ以上のモジュールコンポーネントのための制御信号であり得る。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つ以上の信号であり得る。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、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、ステータス情報が発生させられるようにする刺激（例えば、電圧）を印加することによって、経路１１６、１１８を介して、ステータス情報が伝送されるようにすることができる。

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において、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た共通筐体を含むことができる。他の実施形態において、種々のコンポーネントは、一緒に固定される別々の筐体内で分離されることができる。図２Ｃは、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り、モジュール１０８は、モジュールのエネルギー源２０６とモニタ回路網等の付随の電子機器とを保持する第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等の他の付随の電子機器等のモジュール電子機器を保持する第２の筐体２２２と、モジュール１０８のためのＬＣＤ１１４を保持する第３の筐体２２４とを有する。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の上で露出させられることができる。

システム１００のモジュール１０８は、互いに対して、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、物理的に配置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置型用途では、モジュール１０８は、１つ以上の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、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、一緒に固定され、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、全てのモジュールにわたって共有されるそれ自体の専用冷却システムを有し得る。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つ以上のラック（例えば、マイクログリッドへの並列供給のため）、または１つ以上のパック（例えば、車両の異なるモータに供給する）、また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一緒に結合された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」と題された国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０／２５３６６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、モジュール１０８ごとに１つのＬＣＤ１１４を有し、ＬＣＤ１１４が、関連付けられたモジュール内に格納されるものとして説明されるが、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ポートと称される電力が入力され、および／または、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）のうち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、それは、そうでなければ、モジュール１０８の性能を低下させ得る。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Ｃ_ＥＢであり、図５Ｂでは、バッファ２０４は、２つのインダクタＬ_ＥＢ１およびＬ_ＥＢ２と、２つの電解および／またはフィルムコンデンサＣ_ＥＢ１およびＣ_ＥＢ２とによって形成されるＺ－源ネットワーク７１０であり、図５Ｃでは、バッファ２０４は、２つのインダクタＬ_ＥＢ１およびＬ_ＥＢ２と、２つの電解および／またはフィルムコンデンサＣ_ＥＢ１およびＣ_ＥＢ２と、ダイオードＤ_ＥＢ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、コンバータ２０２Ａは、本明細書に説明される電力コンバータタイプのうち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置される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を経由して、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物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、絶縁されたゲート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り得る。半導体スイッチは、比較的に高切り替え周波数で動作し、それによって、コンバータ２０２が、所望される場合、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、出力電圧規制の高許容誤差および高速動的挙動を提供することができる。

本実施形態において、ＤＣ線電圧Ｖ_ＤＣＬが、ポートＩＯ１とＩＯ２との間でコンバータ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）またはオフ（開）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、または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を介して、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からの出力電圧との使用の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（またはそれらから）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せられることができる。いくつかの実施形態において、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）またはその変形例等の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、そのように限定されない。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）に説明されている。

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け取る）ように制御可能（切り替え可能）であり得る。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）ことができるか、または、源２０６のうちの１つ（または一部）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において、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、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の各々は、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の各々は、同じタイプ（例えば、各々が、バッテリであり得る）または異なるタイプであり得る（例えば、第１の源は、バッテリであり得、第２の源は、ＨＥＤコンデンサであり得るか、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）であり得、第２の源は、第２のタイプを有するバッテリ（例えば、ＬＦＰ）であり得る）。

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、追加の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（バッファ２０４のポートＩＯ４にも接続される）ことができる。

モジュール１０８Ｂのこの例示的実施形態において、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、追加の電力を負荷電力ピークにおいて提供すること、または過剰電力を吸収することによって、または別様に、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の両方は、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（Ｃ_ＥＳ）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の機能を果たすことができるか、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と類似する様式において、フルブリッジとして構成されるスイッチＳ３－Ｓ６を含み、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。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Ｌ_Ｃ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から引き出される電流またはそれ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Ｌ_Ｃ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、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を含むので、２０２Ｂのそれと異なる。結合インダクタＬ_Ｃ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のそれでは、ＬＣＤ１１４（ＭＣＤ１１２ではなく）が、コンバータスイッチのための切り替え信号を発生させる。代替として、ＭＣＤ１１２も、切り替え信号を発生させることができ、それは、直接、スイッチに通信されるか、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つ以上のエネルギー源２０６を含む実施形態において、コンバータ２０２Ｂおよび２０２Ｃは、各追加のエネルギー源２０６Ｂが、特定の源の必要性に応じて、追加のスイッチ回路網部分６０２Ａまたは６０２Ｂにつながる追加の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追加の機能を実施することが可能である。これらの機能の例は、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」と題された国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０／２５３６６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（その両方は、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）により詳細に説明されている。

各モジュール１０８は、その１つ以上のエネルギー源２０６を用いて、１つ以上の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り、モジュール１０８Ｃは、図３Ｂのそれに類似する様式で一緒に結合されたエネルギー源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から供給されるそれと同等の電圧を要求する。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、それらは、順に、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のそれより低い、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、それらは、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Ｌ_Ｃ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Ｌ_Ｃ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のための安定した定電圧を生産し得ると仮定される。この調整は、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下げることができる。

モジュール１０８Ｃは、したがって、１つ以上の第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つ以上の第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、負荷３０２に関して説明される様式において、１つ以上の第２の補助負荷に供給するように構成されることもできる。複数の第２の補助負荷３０２が、存在する場合、各追加の負荷３０２に関して、モジュール１０８Ｃは、追加の専用モジュール出力ポート（５および６のように）、追加の専用スイッチ部分６０２、および追加の部分６０２に結合される追加のコンバータ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）および一次負荷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つ以上のエネルギー源２０６（図３Ｂ）で構成され、各追加の源２０６Ｂまたは第２の補助負荷３０２に関して、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。追加のモジュール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、相互接続モジュールとしても構成され、本明細書にさらに説明されるような２つ以上のアレイ、２つ以上のパック、または２つ以上のシステム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）。この相互接続機能性は、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関する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（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、およびコンバータ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つ以上の監視電圧、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、また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。監視信号は、ステータス情報であり得、ＬＣＤ１１４は、それを用いて以下のうちの１つ以上を実施し得る：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、実際の充電状態（ＳＯＣ）、および／または健全性の状態（ＳＯＨ）の計算または決定；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指示の設定または出力；および／または、ＭＣＤ１１２へのステータス情報の伝送。ＬＣＤ１１４は、制御情報（例えば、変調指数、同期信号）をＭＣＤ１１２から受信し、この制御情報を使用して、源２０６の利用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つ以上の監視電圧、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、Ｃ_ＥＢ、Ｃ_ＥＢ１、Ｃ_ＥＢ２、Ｌ_ＥＢ１、Ｌ_ＥＢ２、Ｄ_ＥＢ）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、また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。監視信号は、ステータス情報であり得、ＬＣＤ１１４は、それを用いて以下のうちの１つ以上を実施する：警告またはアラーム指示の設定または出力；ＭＣＤ１１２へのステータス情報の通信；または、制御コンバータ２０２が、バッファ保護のために源２０６およびモジュール１０８の全体としての利用を調節（増加または減少）し得る。

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、変調基準信号、または基準信号および変調指数）をＭＣＤ１１２から受信することができ、制御情報は、ＰＷＭ技法を用いて、ＬＣＤ１１４内で使用され、各スイッチ（例えば、Ｓ１－Ｓ６）のための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、フィードバック信号は、コンバータスイッチのドライバ回路（図示せず）からの１つ以上の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ることができ、障害ステータス信号は、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。このデータに基づいて、ＬＣＤ１１４は、モジュール１０８の利用を管理し、潜在的に、システム１００からコンバータ２０２（およびモジュール１０８全体）をバイパスまたは接続解除するために印加されるべき切り替え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つ以上の監視電圧（例えば、ＩＯポート５と６との間の電圧）と、１つ以上の監視される電流（例えば、負荷３０２の電流である結合インダクタＬ_Ｃ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の切り替えサイクルを調節し、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、変調指数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例）

２つ以上のモジュール１０８が、カスケード式アレイにおいて一緒に結合されることができ、カスケード式アレイは、アレイ内の各モジュール１０８によって発生させられる別々の電圧の重ね合わせによって形成される電圧信号を出力する。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り、Ｎ個のモジュール１０８－１、１０８－２・・・１０８－Ｎが、直列に一緒に結合され、直列アレイ７００を形成する。本明細書に説明されるこの実施形態および全ての実施形態において、Ｎは、２以上の任意の整数であり得る。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、発生させられる。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または単相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のモジュール１０８によって生産される例示的出力信号８０１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によって発生させられる例示的単相ＡＣ出力信号８０２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置され、用途の様々な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、一緒に結合された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次元であり、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の各々は、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度離れている）。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、システムＩＯポートＳＩＯ１およびＳＩＯ２は、次に、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のアレイと反対端において、各アレイ７００－ＰＡおよび７００－ＰＢのための第２の出力としての役割を果たすことができ、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、共通ノードにおいて、一緒に結合され、随意に、所望される場合、追加のシステムＩＯポートＳＩＯ３のために使用されることができ、それは、中立としての役割を果たすことができる。この共通ノードは、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、アレイのレール側にあると称され得る。

図７Ｃは、一緒に結合された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の各々は、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度離れている）。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を形成するか、または、それらに接続されることができ、システムＩＯポートＳＩＯ１、ＳＩＯ２、およびＳＩＯ３は、次に、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、一緒に結合されることができ、随意に、所望される場合、追加のシステムＩＯポートＳＩＯ４のために使用されることができ、それは、中立としての役割を果たすことができる。

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、追加の例の非包括的リストは、それらの各々が異なる位相角度を有する（例えば、９０度離れている）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、それらの各々が異なる位相角度を有する（例えば、７２度離れている）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度離れている）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置において一緒に結合された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、Ｍ個のモジュール１０８の第１の直列接続を含み（Ｍは、２またはそれを上回る）、第１の直列接続は、Ｎ個のモジュール１０８の第２の直列接続と結合されている（Ｎは、２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、相互接続は、任意の所望の場所に設置されることができる。本実施形態において、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置において一緒に結合された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のそれに類似するが、異なる交差接続を伴う。本実施形態において、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の配置は、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、システムの全てのモジュール１０８間のエネルギーの効果的交換（相間平衡）と送電網または負荷の位相の効果的交換とを可能にし、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も可能にする。

本明細書に説明される実施形態において、モジュール１０８の数は、システム１００内の各アレイ７００で同じ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、全て同じ構成（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つ以上のモジュールが、１０８Ａである、１つ以上のモジュールが、１０８Ｂである、１つ以上のモジュールが、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、本明細書で包含されるシステム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のための切り替え信号は、各モジュール１０８の利用を連続的に回転させ、電力をそれらの間で等しく分配する位相シフトキャリア技法を用いて発生させられる。

図８Ｃ－８Ｆは、増加的にシフトされる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波形の合計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）ずつ増加的にシフトされたキャリアと比較することによって、発生させられることができる。キャリアは、三角形であるが、実施形態は、そのように限定されない。９レベル例が、図８Ｃに示される（４つのモジュール１０８を使用して）。キャリアは、３６０°／（９－１）＝４５°ずつ増加的にシフトされ、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）のための切り替え信号として使用され得る。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り、１８０°信号は、第１のモジュール１０８－１のＳ６のためのものであり、４５°信号は、第２のモジュール１０８－２のＳ３のためのものであり、２２５°信号は、第２のモジュール１０８－２のＳ６のためのものであり、９０°信号は、第３のモジュール１０８－３のＳ３のためのものであり、２７０°信号は、第３のモジュール１０８－３のＳ６のものであり、１３５°信号は、第４のモジュール１０８－４のＳ３のためのものであり、３１５°信号は、第４のモジュール１０８－４の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に相補的であり、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ね合わせ（合計）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のキャリアとともに、正および負の基準信号の両方を利用することである。９レベル例が、図８Ｄに示される。この例では、０°～１３５°切り替え信号（図８Ｅ）が、＋Ｖｒｅｆと図８Ｄの０°～１３５°キャリアを比較することによって発生させられ、１８０°～３１５°切り替え信号が、－Ｖｒｅｆと図８Ｄの０°～１３５°キャリアを比較することによって発生させられる。しかしながら、後者の場合の比較の論理は、逆にされる。状態マシンデコーダ等の他の技法も、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得る。

多相システム実施形態において、同じキャリアが、各位相のために使用されることができるか、または、キャリアの組が、各位相のため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じ相対的オフセットを伴う同数のキャリアを使用することができるが、第２の位相のキャリアは、第１相のキャリアと比較して、１２０度シフトされ、第３の位相のキャリアは、第１相のキャリアと比較して、２４０度シフトされる。異なる基準電圧が、各位相のため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、同じキャリアが、各位相のために使用されることができる。多くの場合、キャリア周波数は、固定されるであろうが、いくつかの例示的実施形態において、キャリア周波数は、調節されることができ、それは、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つことができる。

適切な切り替え信号が、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および適切なキャリア信号を各ＬＣＤ１１４に提供することができ、ＬＣＤ１１４は、次いで、切り替え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、全てのキャリア信号を提供されることができ、ＬＣＤは、適切なキャリア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つ以上の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、利用を調節し、個々のモジュール利用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化することを伴うことができる。利用は、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を保たせられることができ、それは、アレイ内または相内平衡と称され得、異なるアレイ７００も、互いに対して平衡を保たせられることができ、それは、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、互いに対して平衡を保たせられることができる。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の各々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）および変調指数（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、Ｖｐｋは、コントローラ９００が動作しているおよび／または平衡を保っ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で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、制御されているアレイ７００内の各モジュール１０８に関して、変調指数Ｍｉを発生させる。

変調指数およびＶｒｎは、各コンバータ２０２に関する切り替え信号を発生させるために使用されることができる。変調指数は、ゼロ～１（ゼロおよび１を含む）の数であり得る。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、この変調基準信号（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、変調指数は、コンバータ切り替え回路網（例えば、Ｓ３－Ｓ６またはＳ１－Ｓ６）に提供されるＰＷＭ切り替え信号を制御し、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。この動作は、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（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、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に直接出力することによって等）。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、連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、各モジュール１０８に関する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、アレイ７００内の他のモジュール１０８と比較して、ＳＯＣが比較的に高く、温度が比較的に低い場合、比較的に高いＭｉを有することができる。ＳＯＣが、比較的に低い場合、または、Ｔが比較的に高い場合、そのモジュール１０８は、比較的に低い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、モジュール電圧の合計がＶｐｋを超えないように、Ｍｉを決定することができる。例えば、Ｖｐｋは、各モジュールの源２０６の電圧とそのモジュールに関するＭｉとの積の合計（例えば、Ｖｐｋ＝Ｍ_１Ｖ_１＋Ｍ_２Ｖ_２＋Ｍ_３Ｖ_３・・・＋Ｍ_ＮＶ_Ｎ等）であり得る。変調指数の異なる組み合わせ、したがって、モジュールによるそれぞれの電圧寄与が、使用され得るが、総発生電圧は、同じままであるべきである。

コントローラ９００は、それが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、任意の時点（例えば、ＥＶの最大加速中等）、において動作を制御することができ、それによって、各モジュール１０８内のエネルギー源のＳＯＣは、平衡を保たせられたままであるか、または、それらが不平衡である場合、平衡条件に収束し、および／または、各モジュール内のエネルギー源または他のコンポーネント（例えば、エネルギーバッファ）の温度は、平衡を保たせられたままであるか、または、それらが不平衡である場合、平衡条件に収束する。モジュール内外への電力流は、源間の容量差が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、多くの実施形態において、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、高度に対称のシステム（モジュールが、類似した容量およびインピーダンスである）内の電圧および電流の平衡につながることができる。

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こともある（例えば、１つのパラメータの平衡が、別のパラメータの平衡をさらに失わせ得る）ので、いずれか２つ以上のパラメータ（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１つに与えられる優先順位を伴って適用され得る。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）が閾値外の深刻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、同じ位相のアレイ）間の平衡は、相内平衡と同時に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、２以上の任意の整数である。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の各モジュール１０８のための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の側面の平衡を保たせ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、中立点シフト）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、または両方を通して、達成され得る。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つ以上のアレイ内の非平衡を補償することを伴い、本明細書に組み込まれる国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０／２５３６６号にさらに説明されている。

コントローラ９００および９５０（および平衡コントローラ９０６および９１０）は、制御システム１０２内で、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間に分散させられることができるか、または、ＭＣＤ１１２およびＬＣＤ１１４から独立して、別々のコントローラとして実装され得る。
（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目的のために、補助負荷のための源としての機能を果たす目的のために、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その他のうち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つ以上のエネルギー源と、随意のエネルギーバッファと、エネルギーを１つ以上のアレイに供給することおよび／または電力を１つ以上の補助負荷に供給することを行う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り、Ωは、２以上の任意の整数であり得る。ＩＣモジュール１０８ＩＣは、アレイ７００のレール側に位置し、アレイ７００－ＰＡ～７００－ＰΩは、モジュール１０８ＩＣと負荷への出力ＳＩＯ１～ＳＩＯΩとの間に電気的に位置している。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つ以上のエネルギー源をアレイ７００－ＰＡ～７００－ＰΩのうちの１つ以上に（または相間平衡が要求されない場合、無出力に、また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。本実施形態において、モジュール１０８ＩＣは、エネルギーバッファ２０４と接続されるエネルギー源２０６を含み、エネルギーバッファ２０４は、次に、スイッチ回路網６０３と接続される。スイッチ回路網６０３は、スイッチ回路網ユニット６０４－ＰＡ～６０４－ＰΩを含むことができ、それらは、それぞれ、エネルギー源２０６をアレイ７００－ＰＡ～７００－ＰΩの各々に独立して接続するためである。種々のスイッチ構成が、各ユニット６０４ために使用されることができ、それは、本実施形態において、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ている。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。この構成は、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置で、任意のスイッチタイプ（例えば、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、シリコン、ＧａＮ等）で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＋Ｖ_ＩＣまたは－Ｖ_ＩＣをそれぞれのモジュール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。この監視データおよび／またはこの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、システム制御における使用のために、ＭＣＤ１１２に出力されることができる。ＬＣＤ１１４は、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つ以上のキャリア信号（図示せず）とも受信することができる。

相間平衡のために、源２０６からの比例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のうちのいずれか１つ以上のものに供給されることができる。特定のアレイ７００へのこの補完的エネルギーの供給は、供給されない位相アレイと比較して、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低減させら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において、
ＬＣＤ１１４は、モジュール１０８ＩＣが結合される１つ以上のアレイ７００の各々に関する正規化された電圧基準信号（Ｖｒｎ）、例えば、ＶｒｎＰＡ～ＶｒｎＰΩを受信する（ＭＣＤ１１２から）ように構成されることができる。ＬＣＤ１１４は、各アレイ７００に関して、ＭＣＤ１１２から、スイッチユニット６０４－ＰＡ～６０４－ＰΩのための変調指数ＭｉＰＡ～ＭｉＰΩを受信することもできる。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、変調指数を用いて、各それぞれのＶｒｎを変調（例えば、乗算）し（例えば、ＶｒｎＡにＭｉＡを乗算したもの）、次いで、キャリア信号を利用し、各スイッチユニット６０４のための制御信号を発生させることができる。他の実施形態において、ＭＣＤ１１２は、変調を実施し、各ユニット６０４のための変調電圧基準波形をモジュール１０８ＩＣのＬＣＤ１１４に直接出力することができる。なおも他の実施形態において、全ての処理および変調は、制御信号を直接各ユニット６０４に出力し得る単一の制御エンティティによって生じることができる。

この切り替えは、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、各アレイ７００に関して、総充電量を決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、そのアレイの各モジュールに関して、容量×ＳＯＣの合計として決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決定し（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、各スイッチユニット６０４－ＰＡ～６０４－ＰΩに関して、変調指数ＭｉＰＡ～ＭｉＰΩを発生させることができる。

平衡動作中、各スイッチユニット６０４のためのＭｉは、正味エネルギーの同じまたは類似する量がエネルギー源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に経時的に供給されるようにする値に設定されることができる。例えば、各スイッチユニット６０４のためのＭｉは、同じまたは類似し得、平衡動作中、システム１００内の他のモジュール１０８と同じ率でドレインするように、モジュール１０８ＩＣに１つ以上のアレイ７００－ＰＡ～７００－ＰΩへのエネルギーの正味または時間平均放電をモジュール１０８ＩＣに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において、各ユニット６０４のためのＭｉは、平衡動作中、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がシステム内の他のモジュールより低い総充電を有する場合、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の変調指数は、平衡条件に向かう収束を引き起こすように、または、さらなる発散を最小化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、その他より低充電量を伴うアレイ７００により多くモジュール１０８ＩＣに放電させることができ、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によって与えられる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と比較して増加し、モジュール１０８ＩＣが他のアレイに与える正味エネルギーの量と比較しても、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、および、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に関する変調指数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の変調指数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、単一の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か、または、各々がエネルギー源と１つ以上のアレイに結合される１つ以上のスイッチ部分６０４とを有する１つ以上の他のモジュール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、１つのアレイ７００と結合された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、それによって、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に供給するように結合する。任意の数のモジュール１０８ＩＣが、この方式において、組み合わせられることができ、各々は、システム１００の１つ以上のアレイ７００と結合される。

さらに、ＩＣモジュールは、システム１００の２つ以上の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、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ている。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。

本実施形態において、各モジュール１０８ＩＣは、サブシステム１０００－１の第１のアレイ（ＩＯポート１を介して）およびサブシステム１０００－２の第１のアレイ（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と結合されているＩ／Ｏポート３および４を用いて、各他のモジュール１０８ＩＣと電気的に接続されることができる。この接続は、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、この並列配置によって、一緒にプールされる。直列接続等の他の配置も、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り、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、それが接続される２つのアレイの一方または両方に比較的に多くのエネルギーを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じラックまたはパックの２つのアレイ間の非平衡を補償するものと同じ様式で、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。全ての３つのモジュール１０８ＩＣは、並列であるので、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。本実施形態において、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（システム１００の全てのアレイのための単一のＩＣモジュール、および各アレイ７００のための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モジュールであり、各ＩＣモジュールは、１つのスイッチユニット６０４を有する）を含む）も、使用されることができる。複数のＩＣモジュールを伴う全ての場合、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、並列に一緒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、上記に説明されるように、中立点シフト（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、その下で中立点シフトのみ、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、相間平衡を実施するべき適切な状況を決定することができる。

ＩＣモジュールは、電力を１つ以上の補助負荷３０１（源２０６と同じ電圧で）および／または１つ以上の補助負荷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もできる。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のこの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から受信することができ、本明細書に説明されるように、システム制御における使用のために、この監視データおよび／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各負荷３０２のためのスイッチ部分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、ＬＣＤ１１４によって、負荷３０２のための必須電圧レベルを維持するように制御されることができる。本実施形態において、各モジュール１０８ＩＣは、一緒に接続され、１つの負荷３０２に供給するスイッチ部分６０２Ａを含むが、そのようには、要求されない。

各ＩＣモジュールのエネルギー源２０６は、システムの他のモジュール１０８－１～１０８－Ｎの源２０６と同じ電圧および容量にあり得るが、そのようには、要求されない。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じ率で放電することを可能にする実施形態において、望ましくあり得る。モジュール１０８ＩＣが、補助負荷にも供給している場合、さらにより多くの容量が、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じ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。
（フレームワークの例示的実施形態）

本主題は、負荷に多相電力を提供するマルチレベルコンバータシステム１００に存在するモジュール１０８の数を追加することまたは減じることを行うための即時のカスタマイズを可能にする筐体フレームワーク（例えば、合致するサイズのキャビネットまたはラック）に関連する。フレームワークに関連する例示的実施形態が、図１１Ａ－１８を参照して説明される。これらの実施形態は、別様に記載されない限り、または論理的に非現実的ではない限り、図１Ａ－１０Ｅに関して説明されるシステム１００の全ての側面を用いて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。

マルチレベル３相システム１００の例示的実施形態が、図１１Ａおよび１１Ｂに示される。各システム１００は、モジュール１０８の３つの１次元アレイ７００－ＰＡ、７００－ＰＢ、および７００－ＰＣを有し、特定のアレイ７００におけるモジュール１０８の各々は、直列に接続され、電圧は、位相に関する合計電圧を提供するために合計されることができる。モジュールの行、例えば、アレイ７００－ＰＡ、７００－ＰＢ、７００－ＰＣの３つのモジュール１０８－１を含む図１１Ａの第１の行、および図１１Ｂの対応する行、および各類似する行は、システム１００のレベルを表し、各レベルは、異なる位相のための電力を供給する。モジュールの列、例えば、アレイ７００－ＰＡの「Ｎ」個のモジュール１０８－１～１０８－Ｎを含む図１１Ａの第１の列、および図１１Ｂの対応する列は、第１の位相（ＰＡ）のために接続されるモジュール１０８を含む。同様に、アレイ７００－ＰＢの「Ｎ」個のモジュール１０８－１～１０８－Ｎを含む第２の列は、第２の位相のために接続される「Ｎ」個のモジュールを含む。同様に、アレイ７００－ＰＣの「Ｎ」個のモジュール１０８－１～１０８－Ｎを含む第３の列は、第３の位相のために接続される「Ｎ」個のモジュールを含む。

図１１Ａおよび１１Ｂでは、モジュール１０８と、本実施形態ではＭＣＤ１１２である制御システム１０２との間の情報の双方向通信のための通信経路が、矢印１１０３によって示される。前述で説明されるように、各位相（ＰＡ、ＰＢ、ＰＣ）のモジュール１０８は、その位相に特有の電圧基準信号（Ｖｒｅｆ）と、「Ｎ」個の変調指数（Ｍ）を受信し、１つのＭは、各モジュールに特有である。各モジュールにおいて、または補助センサ１１０６から収集されたステータスおよびセンサデータは、これらの経路を介して、ＭＣＤ１１２に戻るように通信される。

図１１Ａは、通信経路１１０３が、ＭＣＤ１１２から各位相の第１のモジュール１０８－１まで（例えば、ＬＣＤ１１４まで（図示せず））延び、それらから、情報経路１１０３が、モジュール１０８間でデイジーチェーンまたは直列方式で各位相の残りのモジュール１０８－２－１０８－Ｎまで続けられるシステム１００を描写する。図１Ｂでは、全ての３つの位相に関する情報が、１つ以上のバス１１５８に沿って、各レベルのための切り替え回路網１１５９（Ｓｘ－１－Ｓｘ－Ｎ）に渡され、それは、次いで、各レベルのモジュール１０８に選択的にルーティングされる。切り替え回路網１１５９は、そのレベルに関するキャビネットまたはラック内にモジュール１０８とともに格納されることができる。別の代替（図示せず）では、独立した別々の双方向経路が、各モジュール（例えば、ＬＣＤ１１４）とＭＣＤ１１２との間に存在する。例えば、Ｖｒｅｆが、図１１Ａ（または１１Ｂ）の方式で通信され、残りのデータが、図１１Ｂ（または１１Ａ）の他の方式で通信されるようなアプローチの組み合わせも、可能である。通信経路またはリンクの各々は、並列または直列方式で、データまたは情報を双方向的に通信する有線または無線通信経路またはリンクであり得る。データは、標準的またはカスタムフォーマットにおいて通信されることができる。

図１２Ａは、図１１Ａおよび１１Ｂの図形配置に対応する筐体フレームワーク１２００の例示的実施形態を描写するブロック図である。図１２Ｂおよび１２Ｃは、それぞれ、フレームワークにおける使用のために好適な、時として「ラック」とも呼ばれる例示的電子機器キャビネット１２０１の正面図および斜視図を示す。直線において、例えば、垂直線において電子コンポーネントを配置する特性を有するキャビネットまたはラックに関する他の設計も、好適であり得る。図１２Ｄは、フレームワーク１２００内に配置される複数のキャビネット１２０１の例示的実装を描写する。

図１２Ａに見られ得るように、各アレイ７００に関するモジュール１０８－１～１０８－Ｎ（例えば、アレイ７００－ＰＡに関するモジュール１０８－１～１０８－Ｎ、アレイ７００－ＰＢに関するモジュール１０８－１～１０８－Ｎ、およびアレイ７００－ＰＣに関するモジュール１０８－１～１０８－Ｎ）は、各アレイ７００内のモジュール間の直接接続を促進するために、第１の直線１２０２に沿った別個の並びにおいて整列させられる。例えば、モジュール１０８は、水平線１２０２に平行な別個の行において整列させられ得る。モジュール１０８間の接続は、直列または並列であり得る。図示される例では、アレイ７００－ＰＡのモジュール１０８－１～１０８－Ｎは、上側行にあり、アレイ７００－ＰＢのモジュール１０８－１～１０８－Ｎは、中間行にあり、アレイ７００－ＰＣのモジュール１０８－１～１０８－Ｎは、下側行にある。

マルチレベルコンバータシステム１００の各レベルに関するモジュール１０８は、第１の直線１２０２に直交する第２の直線１２０４に沿った別個の並びにおいて整列させられる。例えば、モジュール１０８は、垂直線１２０４に平行な別個の列において整列させられ得る。線１２０２、１２０４は、想像線であり得る。線を用いたモジュール１０８の整列は、幾何学的に完全である必要はないが、モジュール１０８間の効率的な電気接続を促進するために十分に近くあるべきである。有利なこととして、各レベルに関するモジュール１０８は、共通のキャビネットまたはラック区分１２０１内に位置し得る。例えば、図示される例では、第１のキャビネット１２０１－１は、第１のレベルのモジュール１０８－１を格納し、第２のキャビネット１２０１－２は、第２のレベルのモジュール１０８－２を格納し、第３のキャビネット１２０１－３は、第３のレベルのモジュール１０８－３を格納し、Ｎ番目のキャビネット１２０１－Ｎは、Ｎ番目のレベルのモジュール１０８－Ｎを格納する。追加のモジュールレベルが、より多くの電力または冗長性を提供するために追加される必要がある場合（または代替として、モジュールのレベルが、除去される必要がある場合）、このフレームワーク１２００は、キャビネット１２０１を追加または除去することによって、それらの必要性を満たすように容易に追加される（および減じられる）ことができる。キャビネット１２０１の最大数は、フレームワーク１２００に関する空間の実践的限界および特定の用途の動作パラメータによってのみ限定される。

単一のキャビネットまたはラック区分１２０１の例示的実施形態が、図１２Ｂおよび１２Ｃに示される。図１２Ｄは、１３個のキャビネットまたはラック区分のフレームワーク１２００を右側に示し、１３個のうちの最初の３個は、定位置に前面パネルを伴って示され、残りは、前面パネルを伴わずに示される。各キャビネットまたはラック区分１２０１は、任意の数の側面、上部、および／または底部の上にパネルを伴う筐体を有することができる。本実施形態において、筐体は、全ての側面、上部、および底部上に存在する（図示せず）。好ましくは、パネルまたはカバーが、安全のために高電圧導体の上を覆って存在する。

図１３Ａは、１つのレベルがそれ自体のキャビネット１２０１－１内に位置し、別のレベルが直接隣接するキャビネット１２０１－２内に位置する、Ｎレベルシステムの２つの隣接するレベルを伴うフレームワーク１２００の例示的実施形態を描写する概略図である。本パターンは、キャビネットの各線形アレイの末端キャビネットが、本明細書で下記に説明されるような、異なるまたは追加の接続を有し得ることを除いて、フレームワーク１２００全体を通して繰り返される。図１３Ｂは、Ｎレベルシステムの少なくとも２つの隣接するレベルを伴う例示的実施形態を描写する概略図であり、最後の前の（Ｎ－１）レベルは、左のキャビネット１２０１－（Ｎ－１）内に位置し、最後の（Ｎ番目）レベルは、右のキャビネット１２０１－Ｎ内に位置する。ここでのキャビネット内のコンポーネントは、図１３Ａにおけるものと同じであり、末端（例えば、最後の）キャビネット１２０１－Ｎ内のコンバータ２０２Ａ間に異なる結合を伴う。

この例では、各モジュール１０８は、コンバータ２０２Ａと結合される単一のエネルギー源２０６、およびコンバータ２０２Ａと統合されるローカル制御デバイス（ＬＣＤ）１１４を含む。実施形態は、異なるコンバータ（例えば、２０２Ｂ、２０２Ｃ）および追加のエネルギー源（例えば、２０６Ａおよび２０６Ｂ）を収容するように修正されることができる。各キャビネット１２０１は、各モジュール１０８を受け取るための既存の容器（例えば、棚、スロット、または凹所）で構成され得る。

代替として、キャビネット１２０１は、モジュール１０８の各コンポーネント２０２Ａ、２０６、１１４を独立して受け取るための容器（例えば、第１のモジュールのエネルギー源２０６のための容器、第１のモジュールのコンバータ２０２のための容器、第２のモジュールのエネルギー源２０６のための容器等）を具備し得る。これらの実施形態において、用語「モジュール」は、１つのモジュールの機能を実施するために一緒に電気的に接続される複数の別々のコンポーネントを包含するが、そのモジュール専用の単一の筐体はない。

各エネルギー源２０６は、例えば、図４Ａ－４Ｆに関して、本明細書に説明される複数のタイプとして、および複数の構成で構成され得る。各モジュール１０８内で、ＬＣＤ１１４は、コンバータ２０２Ａ回路網、エネルギーバッファ２０４（図示せず）、および種々のコンポーネントに関連付けられたモニタ回路網２０８（図示せず）と通信する。

各位相内で、第１のキャビネット１２０１内の１つのモジュール３０２のコンバータ２０２は、隣接するキャビネット１２０１内の少なくとも１つの他の水平に整列させられたコンバータ２０２に接続される。キャビネット１２０１内またはキャビネット１２０１間（例えば、各エネルギー源２０６とそのコンバータ２０２との間、またはコンバータ２０２間）の電力接続は、好ましくは、絶縁バスバー（例えば、長方形または他の非円形断面を伴う積層剛体バー）等の自己インダクタンスを最小化する頑丈なコネクタを用いて実装される。これらのバーは、図１３Ａおよび１３Ｂに示されように、定位置でしっかりと留められることができる。結合されたコンポーネントの間の水平に整列させられた配置は、バーに関する短い直接の接続を可能にし、それは、インダクタンス、雑音、および損失をさらに最小化する。図１３Ａでは、電力接続は、キャビネットの前面を横断して行われるが、他の実施形態において、接続は、隣接する側面間で（例えば、エネルギー源２０６の底部とモジュール１０８のコンバータ２０２の上部との間で、またはモジュール１０８－１のコンバータ２０２の右側からモジュール１０８－２のコンバータ２０２の左側まで）直接行われることができる。図１３Ｂは、キャビネット１２０１－（Ｎ－１）および１２０１－Ｎを示し、末端キャビネット１２０１－Ｎにおけるコンバータ出力（ＩＯ４）は、図１１Ａ、１１Ｂ、および１２Ａにも描写されるように、一緒に接続される。

データ接続（例えば、ＭＣＤ１１２とＬＣＤ１１４との間またはＬＣＤ１１４間）は、好ましくは、光ファイバ等の高速双方向接続であるが、他の有線または無線接続も、可能である。図１３Ａの例では、位相またはアレイ内の各ＬＣＤ１１４は、（図１Ａに説明されるように）デイジーチェーン接続され、有線接続が、通信（ｃｏｍ）ポートに示される。ＬＣＤ１１４がデイジーチェーン接続される実施形態において、マスタ制御信号は、それらが続けてアレイ７００内の各モジュールに供給される限り、最初に、アレイ７００内の任意のモジュール１０８に供給されることができる。一例示的実装では、ＭＣＤ１１２からの信号は、モジュール１０８－１のＬＣＤ１１４に入力され、次いで、そのアレイ２００（２－Ｎ）内の残りのモジュールに伝搬される。図１１Ｂの構成では、別々の接続が、各ＬＣＤ１１４とＭＣＤ１１２との間に存在する場合、１つのみの双方向ｃｏｍポートが、必要である。全ての信号（センサ情報、Ｍ、Ｖｒｅｆ等）は、１つのポートおよびバスを介して交換されることができるか、または、複数のポートおよびバスが、使用されることができる。

各キャビネット１２０１の側面は、キャビネット間の容易な相互接続を可能にするために、ポート、開口部、または他の通路または接続を有し得る。代替として、隣り合う、または隣接するキャビネット１２０１間の側壁の全てまたは一部は、キャビネット間の接続を促進するために、省略され得る。本明細書に使用されるように、「隣接する」は、「隣り合う、または介在する障壁を伴わずにほぼ隣り合う」を意味する。

代替実施形態において、フレームワークは、各アレイ７００のＬＣＤ１１４間で、およびＭＣＤ１１２と全てのアレイ７００の各ＬＣＤ１１４との間で通信信号を搬送するためのバックプレーンを含み得る。例えば、各コンバータ２０２（またはＬＣＤ１１４）は、そのキャビネット容器の後部におけるコネクタに差し込まれるか、または、別様にそれと篏合するように構成され、そのコネクタは、フレームワークを通して信号を搬送するためのバックプレーンの１つ以上のバスと結合するように構成され得る。

図１４Ａ－１４Ｃは、モジュール１０８の追加の例示的実施形態を描写する概略図である。図１４Ａは、２つのエネルギー源２０６Ａおよび２０６Ｂがコンバータ２０２Ｂ、Ｃ（図６Ｂ－６Ｃ）に独立して接続されるモジュール１０８を示す。エネルギー源２０６Ａ、Ｂは、コンバータ２０２Ｂ、Ｃの反対側に位置付けられ、それらの間の誘導を最小化する。コンバータ２０２Ｂ、Ｃは、２つのＩＯ２ポートを有し、それらは、同じ電位に内部で接続されることができる（例えば、図６Ｂ、６Ｃ参照）。図１４Ｂは、２つのエネルギー源２０６Ａおよび２０６Ｂがコンバータ２０２Ａに並列に接続されるモジュール１０８を示す。図１４Ａおよび１４Ｂの両方で、ＬＣＤ１１４は、コンバータ２０２と統合される。ＬＣＤ１１４は、固定または有線方式で統合されることができるか、または、コンバータ２０２内の容器から除去可能かつ交換可能であるコンバータ２０２のモジュールであり得る。図１４Ｃは、ＬＣＤ１１４がコンバータ２０２とは別個のコンポーネントであるモジュール１０８を示す。全ての例では、モジュール１０８は、以下の様に実装されることができる：１）キャビネットが全体としてモジュール１０８のための１つの容器を有するように、エネルギー源２０６、コンバータ２０２、およびＬＣＤ１１４がキャビネットとしっかりと統合される単一のユニットとして、２）モジュール１０８内にエネルギー源２０６、コンバータ２０２、およびＬＣＤ１１４のための１つ以上の容器を伴い、キャビネット１２０１は、全体としてモジュール１０８のための１つの容器を有する単一のユニットとして、３）１と２との任意の組み合わせで、または、４）キャビネット１２０１が、モジュールの各コンポーネント（エネルギー源２０６、コンバータ２０２、およびＬＣＤ１１４等）のための容器を有し、いかなるコンポーネント自体と別個の「モジュール」も、存在しない様式。

図１５Ａは、第１のキャビネット１２０１－１とグリッドおよび／または負荷１５０５との間に追加のキャビネット１２０１－０（キャビネット０）を伴うマルチレベルコンバータシステム１００のためのフレームワーク１２００の例示的実施形態を描写するブロック図である。キャビネット１２０１－０は、モジュール１０８とグリッドおよび／または負荷側１５０５との間に挿入されたインターフェース回路網１５０４を含む。インターフェース回路網１５０４は、１つ以上のフィルタ、ヒューズ、スイッチ、またはその他等、用途によって要求される任意の回路網であり得る。位相Ａインターフェース回路網１５０４－ＰＡは、それらのそれぞれのキャビネット１２０１－１－１２０１－Ｎ内の位相Ａモジュール１０８－１～１０８－Ｎに接続され得る。位相Ｂインターフェース回路網１５０４－ＰＢは、それらのそれぞれのキャビネット１２０１－１－１２０１－Ｎ内の位相Ｂモジュール１０８－１～１０８－Ｎに接続され得る。同様に、位相Ｃインターフェース回路網１５０４－ＰＣは、それらのそれぞれのキャビネット１２０１－１－１２０１－Ｎ内のモジュール１０８－１～１０８－Ｎに接続され得る。図１１Ａおよび１１Ｂに関連して説明されるように、各キャビネット１２０１は、全ての３つの位相においてシステム１００の独立したレベルのためのモジュール１０８を保持する。

フレームワーク１２００の反対側で、最後の（末端）キャビネット１２０１－（Ｎ＋１）は、それぞれ、各位相に関する末端モジュール１０８－Ｎに結合された異なる位相の間でエネルギーの平衡を保たせ得る３つの相互接続モジュール１０８ＩＣ－１、１０８ＩＣ－２、１０８ＩＣ－３を含む。各フレームワーク１２００は、用途の必要性に応じて、各位相のために１つずつ、インターフェース回路網専用のキャビネット１２０１－０、および／または相互接続モジュール１０８ＩＣを含むキャビネット１２０１－（Ｎ＋１）を含むことができる。

図１５Ｂは、第１のキャビネット１２０１－１とグリッドおよび／または負荷１５０５との間の追加のキャビネット１２０１－０（インターフェース回路網１５０４を含む）を同様に含むフレームワーク１２００の別の例示的実施形態を描写するブロック図である。フレームワーク１２００は、アレイ７００－ＰＡおよびアレイ７００－ＰＢのモジュール１０８－Ｎに結合される第１の相互接続モジュール１０８ＩＣ－１を保持するキャビネット１２０１－（Ｎ＋１）を有する。キャビネット１２０１－（Ｎ＋１）は、アレイ７００－ＰＣのモジュール１０８－Ｎに結合されたモジュール１０８ＩＣ－２も保持する。モジュール１０８ＩＣ－１および１０８ＩＣ－２は、図１０Ｄおよび１０Ｅに関して説明されるものに類似する様式で一緒に結合され、本明細書に説明されるように、位相ＰＡ、ＰＢ、およびＰＣ（または複数のアレイ７００）間のエネルギーの平衡を保たせるように構成されている。

図１５Ｃは、追加のキャビネット１２０１－０および１２０１－（Ｎ＋１）を同様に含むフレームワーク１２００の別の例示的実施形態を描写するブロック図である。キャビネット１２０１－（Ｎ＋１）は、アレイ７００－ＰＡ、ＰＢ、およびＰＣのモジュール１０８－Ｎに結合される相互接続モジュール１０８ＩＣを保持する。モジュール１０８ＩＣは、図１０Ａおよび１０Ｂに関して説明されるものに類似し（但し、３つの位相を伴う）、本明細書に説明されるように、位相ＰＡ、ＰＢ、およびＰＣ（または複数のアレイ７００）間のエネルギーの平衡を保たせるように構成されている。モジュール１０８ＩＣ内の源１０６の数に応じて、モジュール１０８ＩＣは、他のモジュール１０８－１～１０８－Ｎのものに類似するサイズ（キャビネット１０８－（Ｎ＋１）の内部容積が充填されない（ここで示されるように））を有し得るか、または、キャビネット１２０１－（Ｎ＋１）内のより大きい空間を占めるより大きいサイズ（例えば、３つ以上のエネルギー源２０６を伴う）を有し得る。モジュール間の具体的な相互接続は、詳細に示されないが、図１５Ａ－１５Ｃのこれらの実施形態は、その点および他の点で、図１３Ａ－１４Ｃのものと同様に構成されることができる。

図１５Ｄは、図１５Ａの実施形態と類似する電気レイアウトを伴うが、各アレイに関する６つのモジュール１０８－１～１０８－６に加えてＩＣモジュール１０８ＩＣを伴う３つのアレイ７００－ＰＡ、７００－ＰＢ、および７００－ＰＣを有するフレームワーク１２００の別の例示的実施形態を描写するブロック図である。フレームワーク１２００は、ここでのように、比較的に大きい高さおよび比較的に短い長さを有するように構成されることができ、各アレイ７００のモジュール１０８は、１つとは対照的に、２つ（または複数の）行を占有する。ここでは、キャビネット１２０１－０は、各アレイに関するインターフェース回路網１５０４とＩＣモジュール１０８ＩＣ（例えば、アレイの最初および最後のモジュール）とを含み、ＩＣモジュールは、接続１５２２（例えば、図１０Ｅに関して説明されるようなポート３の共通結合およびポート４の共通結合等）によって相互接続される。キャビネット１２０１－１は、各アレイの第１のモジュール１０８－１および第６のモジュール１０８－６を含み、キャビネット１２０１－２は、各アレイの第２のモジュール１０８－２および第５のモジュール１０８－５を含む。キャビネット１２０１－３は、各アレイの第３のモジュール１０８－３と第４のモジュール１０８－４とを含み、それらは、それぞれ、アレイ７００－ＰＡ、ＰＢ、およびＰＣのための接続１５２０－ＰＡ、ＰＢ、およびＰＣによって一緒に接続されている。

各キャビネットのモジュール１０８は、交互方式で配置されるものとして説明されることができる。したがって、本実施形態において、各キャビネットは、アレイの別のレベルからの全てのモジュール（例えば、全てのモジュール１０８－６）とともに、各アレイの特定のレベルからの全てのモジュール（例えば、全てのモジュール１０８－１）を含む。ここでは、各キャビネット１２０１は、各アレイの２つのレベルからのモジュールを含む。他の構成も、各キャビネットが、モジュールの高さおよび利用可能な空間に応じて、アレイの３つ、４つ、またはそれを上回るレベルからの全てのモジュールを含むように実装されることができる。インターフェース回路網の存在は、そうでなければ、モジュールによって保持されるであろう空間を占有し得、それによって、フレームワーク１２００内の殆どのキャビネット１２０１が、２つ以上のレベルからの全てのモジュール１０８を保持するであろうが、フレームワーク１２００内の各キャビネット１２００は、本実施形態におけるキャビネット１２０１－０のように、そうするように要求されない。

本明細書に説明されるフレームワーク１２００は、各々が設置される物理的空間または周辺環境に対して構成可能である。図１６Ａ－１６Ｇは、グリッド／負荷側インターフェース回路網１６０２（例えば、１つ以上のヒューズ、スイッチ、変圧器、またはその他）を通してグリッドおよび／または負荷１６０１に結合されるキャビネットを伴うシステム１００のためのフレームワーク１２００の例示的実施形態を描写するブロック図である。図１６Ａ－１６Ｃは、１１個のキャビネット１２０１を伴う例を示し、図１６Ｄ、１６Ｅ、および１６Ｇは、２２個のキャビネットを伴う例を示し、図１６Ｆは、４４個のキャビネットを有する例を示す。図１６Ａでは、キャビネット１２０１は、単一の行において配置されている。図１６Ｂでは、キャビネット１２０１は、より小さい物理的空間１６１１（例えば、バンカまたは狭い部屋）内に適合するために、２つの行において配置されている。図６Ｃでは、キャビネット１２０１は、狭い空間内の２つの壁１６２０および１６２１に沿った設置を可能にするように、曲がり角を伴って配置されている。フレームワーク１２００は、物理的空間の限界に対するカスタマイズを可能にするために、１つ以上の行および／または１つ以上の曲がり角の任意の組み合わせにおいて配置されることができる。

複数のフレームワークが、広い範囲のトポロジ構成を可能にするために存在することができる。例えば、図１６Ｄは、２つの１１キャビネットシステム１６４２、１６４４（例えば、キャビネット１は、インターフェース回路網（例えば、誘導フィルタ）とキャビネット２－１１とを含むことができ、キャビネット２－１１は、マルチレベルコンバータの１０個のレベルを含む）が、グリッド／負荷側インターフェース回路網１６０２に独立して接続される例示的フレームワーク１２００を示す。図１６Ｅは、２つの１１個のキャビネットシステム１６５２、１６５４が、並列に接続され、並列配置が、次に、グリッド／負荷側インターフェース回路網１６０２に接続される別の例示的フレームワーク１２００を示す。図１６Ｆは、図１６Ｄの独立したフレームワーク１２００－１および１２００－２の２つの事例が、別個のインターフェース回路網１６０２、１６０３を通してグリッド／負荷１６０１に接続される例示的フレームワーク１２００を示す。類似する配置が、図１６Ｅの並列構成を伴って実践されることができる。図１６Ｇは、共通ノードに結合される２つの１１キャビネットシステム１６７２、１６７４を含むフレームワーク１２００を示し、共通ノードは、次いで、グリッド／負荷インターフェース回路網１６０２に接続される。

図１７Ａ－１７Ｃは、グリッド／負荷側（グリッド１７０６、負荷１７０４、およびそれぞれのインターフェース回路網１７０２、１７０３を含み、インターフェース回路網１７０２、１７０３は、絶縁回路網、変圧器回路網、安全回路網、およびその他を含み得る）に関する種々の構成１７００と、本明細書に説明されるような任意のモジュール式エネルギーシステム１００（随意に、本明細書に説明されるようなフレームワーク１２００に従って構成され、据え付けられるそのシステム側インターフェースを含む）とを描写するブロック図である。図１７Ａは、電力グリッド１７０６および負荷１７０４と、システム１００との間に挿入される組み合わせのグリッド／負荷インターフェース１７０２を含む構成１７００を示す。図１７Ｂは、負荷１７０４とシステム１００との間の直接接続と、電力グリッド１７０６とシステム１００との間に挿入されるグリッドインターフェース１７０２とを含む構成１７００を示す。図１７Ｃは、グリッドインターフェース１７０２と別個の負荷インターフェース１７０４とを含む構成１７００を示し、グリッドインターフェース１７０２および別個の負荷インターフェース１７０４は、それぞれ、電力グリッド１７０６および負荷１７０４と、システム１００との間に挿入される。

図１８は、レベルに配置されたモジュール１０８を伴うエネルギーシステム１００を組み立てる方法８００の例示的実施形態を描写するフロー図であり、各レベルの異なるモジュール１０８は、システムの異なる位相またはアレイにサービスする。方法８００は、８０２において、基準平面に直交する軸に沿って、キャビネットの組の各々において、エネルギーシステムの異なるレベルに属するモジュールを組み立てることを含み得、それによって、モジュールは、その軸に沿って整列させられ、各位相のためのモジュールは、基準平面からのその位相またはアレイのモジュールのために定義された距離に位置する。方法８００は、８０４において、キャビネットの各々が別のキャビネットに隣接し、基準平面から等距離であるように、キャビネットの組を配置することをさらに含み得る。

フレームワークは、相互接続モジュール１０８ＩＣ、および図７Ｄ－７Ｅのデルタおよび直列構成を通して等、位相またはアレイ間の相互接続で構成されることができるが、これらの相互接続構成は、本明細書に説明される実施形態と依然として一緒に使用されることができる。何故なら、相互接続を伴うモジュールは、依然として、行の位相内にあるが、１つ以上の他の位相またはアレイと共有されるからである。フレームワークは、アレイ間接続が、本明細書に説明される実施形態に基づいて、近接近するモジュールの間であるので、デルタおよび直列構成に関する利点を提供する。

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強調される。言い換えると、別様に明示的に記載されない限り、または教示されない限り、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強調される。

多くの実施形態において、レベルに配置されたモジュールを含む多相エネルギーシステムのためのフレームワークが、提供され、フレームワークは、キャビネットの配置を含み、各キャビネットは、モジュールが、軸に沿って整列させられ、各位相に関するモジュールが基準平面からのその位相のモジュールのために定義された距離に位置するように、基準平面に直交する軸に沿ってエネルギーシステムの異なるレベルに属するモジュールを保持し、キャビネットは、互いに隣接して、基準平面から等距離に配置されている。

いくつかの実施形態において、配置は、複数のキャビネットにわたって同じ位相のための異なるレベルに属するモジュール間の接続に関する距離を最小化する。

いくつかの実施形態において、モジュールの各々は、同じサブモジュールを含む。サブモジュールは、互いとは別個に格納されることができるフレームワーク。

いくつかの実施形態において、軸は、垂直軸であり、基準平面は、水平である。

いくつかの実施形態において、モジュールの各々は、エネルギー源と、エネルギー源に結合されたコンバータと、コンバータを制御するために通信可能に結合されたローカル制御デバイスとを含む。コンバータは、ローカル制御デバイスの制御下でモジュールの出力電圧を選択するように構成される複数のスイッチを含むことができるフレームワーク。ローカル制御デバイスおよびコンバータは、単一の印刷回路基板上で一緒に実装されることができるフレームワーク。ローカル制御デバイスおよびコンバータは、エネルギー源を格納しない共通筐体内に格納されることができるフレームワーク。ローカル制御デバイス、エネルギー源、およびコンバータは、別のモジュールを格納しない共通筐体内に格納されることができるフレームワーク。エネルギー源は、コンデンサまたは燃料電池を含むことができるフレームワーク。エネルギー源は、バッテリを含むことができるフレームワーク。エネルギー源は、バッテリと並列の第１のコンデンサをさらに含むことができるフレームワーク。ローカル制御デバイスは、プロセッサと、メモリとを含むことができ、メモリは、プロセッサによって実行されると、ローカル制御デバイスに、エネルギー源とモジュールの累積負荷との間の電力転送を管理させる命令を含むことができるフレームワーク。フレームワークは、ローカル制御デバイスと通信可能に結合されたエネルギーシステムのモジュールのためのマスタ制御デバイスをさらに含むことができる。フレームワークは、マスタ制御デバイスとシステムの各ローカル制御デバイスとの間の結合をさらに含むことができる。マスタ制御デバイスは、プロセッサと、プロセッサと通信可能に結合されたメモリとを含むことができ、メモリは、プロセッサによって実行されると、マスタ制御デバイスに、モジュールの各々のローカル制御デバイスを用いてエネルギーシステムの制御活動を調整させる命令を含むことができるフレームワーク。命令は、エネルギーシステムのモジュールの各々に関する出力への寄与を決定するための命令をさらに含むことができるフレームワーク。

いくつかの実施形態において、エネルギーシステムは、定置型エネルギーシステムとしての動作のために構成されている。定置型エネルギーシステムは、居住用貯蔵システム、産業用貯蔵システム、商業用貯蔵システム、政府用貯蔵システム、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、データセンター貯蔵システム、グリッド、マイクログリッド、または充電ステーションのうちの１つであり得るフレームワーク。

いくつかの実施形態において、エネルギーシステムは、３相電力を供給するために構成されている。

いくつかの実施形態において、モジュールは、各々が直列に接続されたＮ個のレベルを備えている。

いくつかの実施形態において、キャビネットの配置は、負荷または電力グリッドのうちの１つ以上に結合された出力を有する単一行に配置されたキャビネットを含む。

いくつかの実施形態において、キャビネットの配置は、負荷または電力グリッドのうちの１つ以上に結合するための出力に一緒に結合された一線に配置されたキャビネットを含む。フレームワークは、出力と負荷または電力グリッドのうちの１つ以上との間に挿入されたインターフェース回路網をさらに含むことができる。フレームワークは、線の各々と負荷または電力グリッドのうちの１つ以上に関する出力との間に挿入されたインターフェース回路網をさらに含むことができる。インターフェース回路網は、負荷および電力グリッドの両方に結合されることができるフレームワーク。インターフェース回路網は、グリッドのみに結合されることができ、負荷は、負荷に関する出力のみに結合されるフレームワーク。インターフェース回路網は、出力とグリッドとの間にのみ挿入された第１のモジュールと、出力と負荷との間にのみ挿入された第２のモジュールとを含むことができるフレームワーク。

いくつかの実施形態において、フレームワークは、キャビネットの配置の末端に末端キャビネットさらに含み、末端キャビネットは、エネルギーシステムの各レベルからの出力を多相単一出力に組み合わせるための１つ以上の相互接続モジュールを含む。末端キャビネットは、各位相のための相互接続モジュールを含むことができるフレームワーク。末端キャビネットは、２つ以上の位相に関する入力を受信する相互接続モジュールを含むことができるフレームワーク。

多くの実施形態において、複数のレベルを有する複数のアレイにおいて配置された複数のモジュールを含み、複数のアレイは、複数のＡＣ電力信号を発生させるように構成され、各ＡＣ電力信号は、異なる位相角度を有するエネルギーシステムのためのフレームワークが、提供され、フレームワークは、複数のキャビネットの配置を含み、各キャビネットは、第１の軸に沿ってエネルギーシステムの異なるレベルに属するモジュールを保持し、キャビネットは、第１の軸に垂直な第２の軸に沿って互いに隣接して配置されている。

いくつかの実施形態において、配置は、複数のキャビネットにわたって同じ位相のための異なるレベルに属するモジュール間の接続に関する距離を最小化する。

いくつかの実施形態において、モジュールの各々は、同じサブモジュールを含む。サブモジュールは、互いとは別個に格納されることができるフレームワーク。

いくつかの実施形態において、第１の軸は、垂直軸であり、第２の軸は、水平軸である。

いくつかの実施形態において、モジュールの各々は、エネルギー源と、エネルギー源に結合されたコンバータと、コンバータに通信可能に結合され、コンバータを制御するように構成されたローカル制御デバイスとを含む。コンバータは、ローカル制御デバイスの制御下でモジュールの出力電圧を選択するように構成される複数のスイッチを含むことができるフレームワーク。ローカル制御デバイス、エネルギー源、およびコンバータは、別のモジュールを格納しない共通筐体内に格納されることができるフレームワーク。エネルギー源は、コンデンサまたは燃料電池を含むことができるフレームワーク。エネルギー源は、バッテリを含むことができるフレームワーク。エネルギー源は、バッテリと並列の第１のコンデンサをさらに含むことができるフレームワーク。ローカル制御デバイスは、プロセッサと、メモリとを含むことができ、メモリは、プロセッサによって実行されると、ローカル制御デバイスに、エネルギー源とモジュールの累積負荷との間の電力転送を管理させる命令を含むことができるフレームワーク。フレームワークは、ローカル制御デバイスと通信可能に結合されたエネルギーシステムのモジュールのためのマスタ制御デバイスをさらに含むことができる。フレームワークは、マスタ制御デバイスとシステムの各ローカル制御デバイスとの間の結合をさらに含むことができる。マスタ制御デバイスは、プロセッサと、プロセッサと通信可能に結合されたメモリとを含むことができ、メモリは、プロセッサによって実行されると、マスタ制御デバイスに、モジュールの各々のローカル制御デバイスを用いてエネルギーシステムの制御活動を調整させる命令を含むことができるフレームワーク。命令は、エネルギーシステムのモジュールの各々に関する出力への寄与を決定するための命令をさらに含むことができるフレームワーク。

いくつかの実施形態において、エネルギーシステムは、定置型エネルギーシステムとしての動作のために構成されている。定置型エネルギーシステムは、居住用貯蔵システム、産業用貯蔵システム、商業用貯蔵システム、政府用貯蔵システム、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、データセンター貯蔵システム、グリッド、マイクログリッド、または充電ステーションのうちの１つであり得るフレームワーク。

いくつかの実施形態において、エネルギーシステムは、３相電力を供給するために構成されている。

いくつかの実施形態において、アレイは、各々が直列に接続されたＮ個のレベルを含む。

いくつかの実施形態において、キャビネットの配置は、負荷または電力グリッドのうちの１つ以上に結合された出力を有する単一行に配置されたキャビネットを含む。

いくつかの実施形態において、キャビネットの配置は、負荷または電力グリッドのうちの１つ以上に結合するための出力に一緒に結合された一線に配置されたキャビネットを含む。フレームワークは、出力と負荷または電力グリッドのうちの１つ以上との間に挿入されたインターフェース回路網をさらに含むことができる。フレームワークは、線の各々と負荷または電力グリッドのうちの１つ以上に関する出力との間に挿入されたインターフェース回路網をさらに含むことができる。インターフェース回路網は、負荷および電力グリッドの両方に結合されることができるフレームワーク。インターフェース回路網は、グリッドのみに結合されることができ、負荷は、負荷に関する出力のみに結合されるフレームワーク。インターフェース回路網は、出力とグリッドとの間にのみ挿入された第１のモジュールと、出力と負荷との間にのみ挿入された第２のモジュールとを含むことができるフレームワーク。

いくつかの実施形態において、フレームワークは、キャビネットの配置の末端に末端キャビネットをさらに含むことができ、末端キャビネットは、エネルギーシステムの各レベルからの出力を多相単一出力に組み合わせるための１つ以上の相互接続モジュールを含む。末端キャビネットは、各位相のための相互接続モジュールを含むことができるフレームワーク。末端キャビネットは、２つ以上の位相に関する入力を受信する相互接続モジュールを含むことができるフレームワーク。

いくつかの実施形態において、複数のアレイは、第１の位相角度を有する第１のＡＣ電力信号を発生させるように構成された第１の複数のモジュールを含む第１のアレイであって、第１の複数のモジュールの各々は、エネルギーシステムの異なるレベルに対応する、第１のアレイと、第２の位相角度を有する第２のＡＣ電力信号を発生させるように構成された第２の複数のモジュールを含む第２のアレイであって、第２の複数のモジュールの各々は、エネルギーシステムの異なるレベルに対応する、第２のアレイと、第３の位相角度を有する第３のＡＣ電力信号を発生させるように構成された第３の複数のモジュールを含む第３のアレイであって、第３の複数のモジュールの各々は、エネルギーシステムの異なるレベルに対応するｍ第３のアレイとを備えている。複数のキャビネットのうちの第１のキャビネットは、第１の複数のモジュールのうちの第１のモジュールと、第２の複数のモジュールのうちの第２のモジュールと、第３の複数のモジュールのうちの第３のモジュールとを保持することができ、第１、第２、および第３のモジュールは、エネルギーシステムの同じレベルのものであるフレームワーク。複数のキャビネットは、複数のキャビネットの第１の行が、第１のアレイからのモジュールのみを保持し、複数のキャビネットの第２の行が、第２のアレイからのモジュールのみを保持し、複数のキャビネットの第３の行が、第３のアレイからのモジュールのみを保持するように構成されることができるフレームワーク。複数のキャビネットは、２つのキャビネットがエネルギーシステムの同じレベルからのモジュールを保持しないように構成されることができるフレームワーク。複数のキャビネットのうちの第１のキャビネットは、第１の複数のモジュールのうちの第４のモジュールと、第２の複数のモジュールのうちの第５のモジュールと、第３の複数のモジュールのうちの第６のモジュールとを保持することができ、第４、第５、および第６のモジュールは、第１、第２、および第３のモジュールのレベルと異なるエネルギーシステムの同じレベルのものであるフレームワーク。第１の複数のモジュールは、複数のキャビネットの第１の行および第２の行上に位置することができ、第２の複数のモジュールは、複数のキャビネットの第３の行および第４の行上に位置し、第３の複数のモジュールは、複数のキャビネットの第５の行および第６の行上に位置するフレームワーク。モジュールは、モジュールがレベル間で交互するように、各キャビネット内に配置されることができるフレームワーク。

多くの実施形態において、エネルギーシステムを組み立てる方法は、レベルに配置されたモジュールを含み、システムの異なる位相にサ－ビスする各レベルの異なるモジュールが、提供され、方法は、モジュールが、軸に沿って整列させられ、各位相に関するモジュールが、基準平面からのその位相のモジュールのために定義された距離に位置するように、基準平面に直交する軸に沿ってキャビネットの組の各々においてエネルギーシステムの異なるレベルに属するモジュールを組み立てることと、各々が別のものに隣接し、基準平面から等距離であるように、キャビネットの組を配置することとを含む。

当業者は、「モジュール」が、その用語が本明細書に使用されるとき、より大きいシステム内のデバイスまたはサブシステムを指し、そのシステムが、各個々のモジュールが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ることを可能にするように構成される必要性がないことを理解するであろう。例えば、システムが、全体としてのシステムの分解を伴わずに、任意の１つのモジュールの除去および交換を可能にしない共通筐体の中に入れられ得る。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、システムの分解を伴わない等、便宜な方式で他のモジュールに対して除去可能かつ交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、本明細書で広義に使用され、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任意の特定のプロトコルの実装を要求しない。

用語「出力」は、本明細書で広義に使用され、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排除しない。同様に、用語「入力」は、本明細書で広義に使用され、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排除しない。

用語「末端」および「ポート」は、本明細書で広義に使用され、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、メス型またはオス型構成等の特定の物理的または機械的構造を要求しない。

用語「フレームワーク」は、アセンブリまたは配置に編成されるより大きい構造の基準平面に（例えば、建物または船舶の床に）固定される電子コンポーネントを保持するためのキャビネット、ラック等の構造の群を指し、モジュールは、フレームワークの異なるキャビネット、ラック等の構造を横断して相互接続される。

異なる参照番号表記が、本明細書に使用される。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しない。概して、要素の属は、番号、例えば、「１２３」を用いて言及され、その亜属は、番号に付加される文字、例えば、１２３Ａまたは１２３Ｂを用いて言及される。文字の付加を伴わない属（例えば、１２３）の言及は、全ての亜属を含む全体としての属を指す。いくつかの図は、同じ要素の複数の事例を示す。それらの要素は、「－Ｘ」形式において番号または文字を付加され得る（例えば、１２３－１、１２３－２、または１２３－ＰＡ）。この－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せず、むしろ、図における要素を参照するときに区別を促進するために使用される。－Ｘの付加を伴わない属１２３の言及は、属内の要素の全ての事例を広く指す。

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強調される。言い換えると、別様に明示的に記載されない限り、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強調される。

前述の実施形態のうちの多くでは、モジュールベースのエネルギーシステムは、定置型エネルギーシステムとしての動作のために構成されている。これらの実施形態のうちの多くでは、定置型エネルギーシステムは、居住用システム、産業用システム、商業用システム、データセンター貯蔵システム、グリッド、マイクログリッド、または充電ステーションのうちの１つである。

処理回路網は、それらの各々が別々のまたは独立型チップである、またはいくつかの異なるチップ（およびその一部）の間に分散させられ得る１つ以上のプロセッサ、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、タブレット等において使用されるような）、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網が、実装されることができる。処理回路網は、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。処理回路網は、処理回路網に異なるアクションのホストを行わせ、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。

処理回路網は、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、処理回路網は、通信回路網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、通信回路網への提供のために好適な形式（例えば、同相および直角位相）へのデータの変換を実施すること、および／または通信回路網に（有線または無線で）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信号は、注記される場合、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。通信回路網は、無線通信のために含まれることができる。通信回路網は、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、近距離無線通信（ＮＦＣ）、無線周波数識別（ＲＦＩＤ）、専用プロトコル、およびその他）下でリンクを介して無線通信を実施する１つ以上のチップおよび／またはコンポーネント（例えば、伝送機、受信機、送受信機、および／または他の通信回路網）として実装されることができる。１つ以上の他のアンテナが、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、通信回路網とともに含まれることができる。いくつかの実施形態において、通信回路網は、リンクを介した伝送のためのアンテナを共有することができる。処理回路網は、無線伝送を受信し、それをデジタルデータ、音声、および／またはビデオに変換するために必要な逆転機能を実施するために、通信回路網とインターフェースをとることもできる。ＲＦ通信回路網は、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。

処理回路網は、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）、Ｊａｖａ（登録商標）Ｓｃｒｉｐｔ、Ｓｍａｌｌｔａｌｋ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、Ｔｒａｎｓａｃｔ－ＳＱＬ、ＸＭＬ、ＰＨＰ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する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つ以上のプログラミング言語の任意の組み合わせにおいて書き込まれ得る。

メモリ、記憶装置、および／またはコンピュータ読み取り可能な媒体が、存在する種々の機能ユニットのうちの１つ以上によって共有されることができるか、または、（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つ以上のものの間に分散させられることができる。メモリは、それ自体の別個のチップ内に常駐することもできる。

本明細書に開示される実施形態が、メモリ、記憶装置、および／またはコンピュータ読み取り可能な媒体を含む限り、またはそれに関連して動作する限りにおいて、そのメモリ、記憶装置、および／またはコンピュータ読み取り可能な媒体は、非一過性である。故に、そのメモリ、記憶装置、および／またはコンピュータ読み取り可能な媒体が、１つ以上の請求項によって包含される限りにおいて、そのメモリ、記憶装置、および／またはコンピュータ読み取り可能な媒体は、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し、メモリ、記憶装置、および／またはコンピュータ読み取り可能な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、または別様に、メモリ、記憶装置、および／またはコンピュータ読み取り可能な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、記憶装置、および／またはコンピュータ読み取り可能な媒体は、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）、およびそれらの変形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、およびステップが、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置き換え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つのみ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、またはステップが、別様に明示的に記載されない限り、本明細書に説明される全ての他の実施形態とともに使用され得ることを理解されたい。本段落は、したがって、任意の時点で、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置き換えが可能であることを明示的に記載しない場合でさえも、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、または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で置き換える、請求項の導入のための前提および記述支援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置き換え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、全ての可能な組み合わせおよび置き換えの明示的列挙が、過剰に負担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、複数指示物を含む。

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、これらの実施形態が、開示される特定の形態に限定されるものではなく、反対に、これらの実施形態が、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、および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、否定的限定が、請求項に列挙される、または追加され得る。

Claims (24)

1. 多相エネルギーシステムのためのフレームワークであって、前記フレームワークは、
   複数のキャビネット内に配置された複数のモジュールを備え、各モジュールは、ＤＣ電圧（ＤＣ）を出力するように構成されたエネルギー源と、前記エネルギー源と結合されたコンバータと、ローカル制御デバイスとを備え、前記ローカル制御デバイスは、＋ＤＣ、ゼロボルト、および－ＤＣを備えている群から選択されるモジュール電圧を出力するように前記コンバータを制御するように構成され、
   前記複数のモジュールは、各アレイが、異なる位相角度を有するＡＣ信号を出力するように構成されるように、複数のアレイとして接続され、各アレイ内の前記モジュールは、そのアレイによって出力される前記ＡＣ信号がそのアレイの各モジュールからの前記出力電圧の重ね合わせであるように、そのアレイのレベルとして接続され、
   各キャビネットは、基準平面に直交する軸に沿って積み重ねられた前記異なるアレイの少なくとも１つの同じレベルに属する前記モジュールを保持し、それによって、前記少なくとも１つの同じレベルの前記モジュールは、前記軸に沿って整列させられ、
   前記アレイの少なくとも２つの隣接したレベルに関して、モジュールは、同じアレイのモジュールが前記基準平面から同じ共通距離において前記基準平面に平行に整列させられるように、アレイの順序で積み重ねられている、フレームワーク。
2. 前記モジュールの各々は、サブモジュールを備えている、請求項１に記載のフレームワーク。
3. 前記サブモジュールは、互いとは別個に格納されている、請求項３に記載のフレームワーク。
4. 前記モジュールの各々は、第１のサブモジュール内に格納された前記エネルギー源と、第２のサブモジュール内に格納された前記コンバータおよびローカル制御デバイスとを備えている、請求項３に記載のフレームワーク。
5. 前記軸は、垂直軸であり、前記基準平面は、水平である、請求項１に記載のフレームワーク。
6. 前記エネルギー源は、バッテリモジュール、高エネルギー密度（ＨＥＤ）コンデンサ、または燃料電池を備えている、請求項１に記載のフレームワーク。
7. 前記ローカル制御デバイスは、プロセッサとメモリとを備え、前記メモリは、命令を備え、前記命令は、前記プロセッサによって実行されると、前記エネルギー源と前記モジュールの累積負荷との間の電力転送を前記ローカル制御デバイスに管理させる、請求項１に記載のフレームワーク。
8. 前記複数のモジュールの前記ローカル制御デバイスと通信可能に結合されたマスタ制御デバイスをさらに備えている、請求項１に記載のフレームワーク。
9. 前記マスタ制御デバイスは、プロセッサと、前記プロセッサと通信可能に結合されたメモリとを備え、前記メモリは、命令を備え、前記命令は、前記プロセッサによって実行されると、前記モジュールの各々の前記ローカル制御デバイスを用いて前記エネルギーシステムの制御活動を前記マスタ制御デバイスに調整させる、請求項７に記載のフレームワーク。
10. 前記マスタ制御デバイスは、前記複数のモジュールにわたって前記エネルギー源の充電状態（ＳＯＣ）および温度のうちの少なくとも１つが平衡を保たせられるように、前記複数のモジュールの各々に関する出力へのエネルギー寄与を決定するように構成されている、請求項７に記載のフレームワーク。
11. 前記エネルギーシステムは、定置型エネルギーシステムとしての動作のために構成されている、請求項１に記載のフレームワーク。
12. 前記定置型エネルギーシステムは、居住用貯蔵システム、産業用貯蔵システム、商業用貯蔵システム、政府用貯蔵システム、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、データセンター貯蔵システム、グリッド、マイクログリッド、または充電ステーションのうちの１つである、請求項１０に記載のフレームワーク。
13. 前記エネルギーシステムは、３相電力を供給するために構成されている、請求項１に記載のフレームワーク。
14. 前記モジュールは、各々が直列に接続されたＮ個のレベルを備えている、請求項１に記載のフレームワーク。
15. 前記キャビネットの配置は、負荷または電力グリッドのうちの１つ以上に結合された出力を有する単一行に配置された前記キャビネットを備えている、請求項１に記載のフレームワーク。
16. 前記多相エネルギーシステムは、多相電力を負荷または電力グリッドのうちの１つ以上に出力するように構成されている、請求項１に記載のフレームワーク。
17. 前記多相エネルギーシステムは、前記電力グリッドから多相電力を受け取るように構成されている、請求項１５に記載のフレームワーク。
18. 前記エネルギーシステムのシステム出力と前記負荷または前記電力グリッドのうちの前記１つ以上との間に挿入されたインターフェース回路網をさらに備えている、請求項１６に記載のフレームワーク。
19. 前記キャビネットの配置の末端に末端キャビネットをさらに備え、前記末端キャビネットは、アレイ間でエネルギーを交換するように構成された１つ以上の相互接続モジュールを備えている、請求項１に記載のフレームワーク。
20. 前記末端キャビネットは、各位相のための相互接続モジュールを備えている、請求項１８に記載のフレームワーク。
21. 前記複数のキャビネットは、２つのキャビネットが前記エネルギーシステムの同じレベルからのモジュールを保持しないように構成されている、請求項１に記載のフレームワーク。
22. 前記複数のキャビネットのうちの第１のキャビネットは、前記複数のアレイのうちの第１のアレイの第１のレベルの第１のモジュールと、前記複数のアレイのうちの第２のアレイの第１のレベルの第２のモジュールと、前記複数のアレイのうちの第３のアレイの第１のレベルの第３のモジュールとを保持している、請求項１に記載のフレームワーク。
23. 前記第１のキャビネットは、前記複数のアレイのうちの第１のアレイのＮ番目のレベルの第１のモジュールと、前記複数のアレイのうちの第２のアレイのＮ番目のレベルの第５のモジュールと、前記複数のアレイのうちの第３のアレイのＮ番目のレベルの第６のモジュールとをさらに保持している、請求項２２に記載のフレームワーク。
24. レベルに配置されたモジュールを備えているエネルギーシステムを組み立てる方法であって、各レベルの異なるモジュールは、前記システムの異なる位相にサービスし、
    キャビネットの組の各々において、モジュールが基準平面に直交する軸に沿って整列させられ、各位相に関するモジュールがその位相のモジュールのために定義された前記基準平面からの距離に位置するように、前記基準平面に直交する前記軸に沿って前記エネルギーシステムの異なるレベルに属するモジュールを組み立てることと、
    各々が別のものに隣接し、前記基準平面から等距離であるように、前記キャビネットの組を配置することと
    を含む、方法。

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