JP2024507655A - モジュールベースのカスケード式エネルギーシステムのためのシステム、デバイス、及び方法 - Google Patents

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Abstract

システム、デバイス、及び方法の例示的な実施形態は、電力を生成及び貯蔵するためにカスケード方式で配置された複数のモジュールを有するエネルギーシステムに対して提供される。各モジュールは、電力を生成するために、又は充電ソースから電力を受信及び貯蔵するために、エネルギーソースをシステム内の他のモジュールに選択的に結合する、エネルギーソース及びスイッチ回路を含むことができる。エネルギーシステムは、複数のシリアル又は相互接続されたアレイで単相又は多相トポロジーに配置することができる。また、ユニバーサルプラットフォームに基づく熱管理システム、スイッチングアセンブリ、モジュールの物理的なレイアウト、及びＥＶモデルについても説明する。【選択図】図１Ａ

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０２１年１０月１３日に出願された米国仮出願第米国仮出願第６３／２５５，１１９号、２０２１年９月９日に出願された米国仮出願第６３／２４２，４５９号、及び２０２１年１月１３日に出願された同第６３／１３６，７８６号に対する優先権及び利益を主張し、これらの全ては、全ての目的のために、参照によりそれらの全体が本明細書に組み込まれる。
本明細書に記載の主題は、概して、モジュールベースのカスケード式エネルギーシステムのためのシステム、デバイス、及び方法に関する。
複数のエネルギーソース又はシンクを持つエネルギーシステムは、多くの業界で一般的である。一例として、自動車産業が挙げられる。過去１世紀にわたって進化した今日の自動車技術は、とりわけ、モータ、機械的要素、及び電子機器の相互作用によって特徴付けられる。これらは、車両のパフォーマンス及びドライバエクスペリエンスに影響を与える重要な構成要素である。モータは、燃焼型又は電気型であり、ほとんど全ての場合、モータからの回転エネルギーは、クラッチ、トランスミッション、ディファレンシャル、ドライブシャフト、トルクチューブ、カプラなどの高度に洗練された機械要素のセットを介して供給される。これらの部品は、大幅なトルク変換及び車輪への電力分配を制御し、車及び道路ハンドリングのパフォーマンスを規定する。
電気自動車（ＥＶ）は、とりわけ、バッテリパック、充電器、及びモータ制御を含む、ドライブトレインに関連する様々な電気システムを含む。高電圧バッテリパックは、典型的には、低電圧バッテリモジュールのシリアルチェーンに編成される。そのような各モジュールは、一組の直列に接続された個々のセルと、充電状態及び電圧などの基本的なセル関連の特性を調節するための単純な埋め込みバッテリ管理システム（ＢＭＳ）とを更に含む。これより洗練された機能又は何らかのスマートな相互接続性を備えた電子機器は存在しない。結果として、任意の監視又は制御機能は、車内の他の場所に存在する場合でも、個々のセルのヘルス、充電状態、温度、及び測定基準に影響を与える他の性能を監視する能力を欠く別個のシステムによって処理される。また、どのような形態でも、個々のセルごとに電力消費を有意義に調整する能力はない。以下に、それがもたらす主要な結果を挙げる。（１）最も弱いセルが、バッテリパック全体の全体的な性能を制約すること、（２）任意のセル又はモジュールの故障が、パック全体の交換の必要性につながること、（３）バッテリの信頼性及び安全性が大幅に低下すること、（４）バッテリ寿命が制限されること、（５）熱管理が困難であること、（６）バッテリパックが常に最大能力未満で動作すること、（７）回生制動由来の電力の突然の突入を、バッテリに容易に貯蔵することができず、ダンプ抵抗器を介した消散を必要とすること。
従来の制御には、ＥＶの電気システムのバス電圧に合わせてバッテリパックの電圧レベルを調整するためのＤＣからＤＣへの変換ステージが含まれる。次に、モータは、電気モータに必要なＡＣ信号を提供する単純な２レベル多相スタンドアロンドライブインバータによって駆動される。各モータは、伝統的に、３相設計でモータを駆動する別個のコントローラによって制御される。デュアルモータＥＶには２つのコントローラが必要であるが、４つのインホイールモータを使用するＥＶには４つの個別のコントローラが必要である。従来のコントローラ設計は、ポールピースの数が多いことを特徴とするスイッチリラクタンスモータ（ｓｗｉｔｃｈ ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ ｍｏｔｏｒ、ＳＲＭ）などの次世代モータを駆動する能力も欠いている。適応にはより高い位相設計が必要になり、システムがより複雑になり、最終的には高トルクリップル及び音響ノイズなどの電気ノイズ及び駆動性能に対処できなくなる。
これらの欠陥の多くは、自動車だけでなく他のモータ駆動車両にも当てはまり、かなりの程度で静止体アプリケーションにも当てはまる。これらの理由及び他の理由により、モジュールベースのカスケード式エネルギーシステムのための改善されたシステム、デバイス、及び方法に対するニーズが存在する。
本明細書において、システム、デバイス、及び方法の例示的な実施形態は、電力を生成及び貯蔵するためにカスケード方式で配置された複数のモジュールを有するエネルギーシステムに対して提供される。各モジュールは、電力を生成するために、又は充電ソースから電力を受信及び貯蔵するために、エネルギーソースをシステム内の他のモジュールに選択的に結合する、エネルギーソース及びスイッチ回路を含むことができる。エネルギーシステムは、複数のシリアル又は相互接続されたアレイで単相又は多相トポロジーに配置することができる。エネルギーシステムは、１つ以上のモータに電力を供給するための複数のサブシステムとともに配置することができる。
エネルギーシステムは、１つ以上の充電ポートを通して双方向の充放電機能を備えて構成することができる。ルーティング回路は、ＤＣ、単相ＡＣ、及び多相ＡＣなどの適用される充電信号のタイプに基づいて、充電ポートから様々なモジュールアレイに電流を選択的にルーティングすることができる。ルーティング回路は、エネルギーシステムを外部充電ソースから隔離するソリッドステートリレーを含むことができる。
エネルギーシステムは、１つ以上の熱管理システムに関連付けられた１つ以上のエンクロージャに実装することができる。熱管理システムは、モジュールの上側に近接し、モジュールの下側に近接して、熱伝達流体を循環させることができる。熱管理システムは、モジュールのエネルギーソースを冷却及び／又は加熱するために再構成可能とすることができる。熱管理システムはまた、外部温度、モジュールの温度、モジュールの電子機器の温度、モジュールのエネルギーソースの温度、及び／又は空調（ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ、ＡＣ）システム内の冷却液の温度などの様々な因子に基づいて、異なる熱交換器を利用するように再構成することができる。
モジュールレイアウトの例示的な実施形態も提供される。モジュールレイアウトは、電子基板とモジュールのヒートシンクとの表面積接触を最大化するために、反転した向きに置かれたモジュール電子機器の一部又は全てを含むことができる。一次ポート、補助ポート、及び制御ポートのためのコネクタの配置の変形も記載される。
スイッチングアセンブリの例示的な実施形態も提供される。スイッチングアセンブリは、いくつかの実施形態では、電力及び制御分配アセンブリと称され、ＥＶの全て又は一部の電力及び制御接続のための集中型ハブとして機能することができる。スイッチングアセンブリは、制御システムの一部と、充電ネットワーク分配に関連するルーティング回路と、を含むことができる。
例示的な実施形態は、ＥＶの電動パワートレインを収容するためのユニバーサルプラットフォームのためにも提供される。電動パワートレインは、非常にスケーラブルで、様々なＥＶモデルタイプのホストのためのユニバーサルプラットフォームの構成を可能にする。例示的なモデルタイプと同様に、ユニバーサルプラットフォームのための多数のモジュールレイアウト構成も記載される。
本明細書に記載の主題の他のシステム、デバイス、方法、特徴、及び利点は、以下の図面の説明及び詳細な説明を検討することで、当業者に明らかであるか、又は明らかになるであろう。そのような全ての追加のシステム、方法、特徴、及び利点は、本明細書内に含まれ、本明細書に記載の主題の範囲内であり、添付の特許請求の範囲によって保護されることが意図される。例示的な実施形態の特徴は、特許請求の範囲におけるそれらの特徴の明示的な列挙がない限り、添付の特許請求の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
本明細書に記載の主題の詳細は、その構造及び動作の両方に関して、添付の図面の考察によって明らかであり得、ここで、同様の参照番号は同様の部品を指す。図面の構成要素は、必ずしも一定の縮尺ではなく、代わりに、主題の原理を図示することに重点が置かれる。更に、全ての例示は、相対的なサイズ、形状、及び他の詳細な属性が、文字どおり又は正確にではなく概略的に例示され得る概念を伝えることを意図している。
モジュール式エネルギーシステムの例示的な実施形態を示すブロック図である。 モジュール式エネルギーシステムの例示的な実施形態を示すブロック図である。 モジュール式エネルギーシステムの例示的な実施形態を示すブロック図である。 エネルギーシステムのための制御デバイスの例示的な実施形態を示すブロック図である。 エネルギーシステムのための制御デバイスの例示的な実施形態を示すブロック図である。 負荷及び充電ソース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な実施形態を示すブロック図である。 負荷及び充電ソース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な実施形態を示すブロック図である。 エネルギーシステム内のモジュール及び制御システムの例示的な実施形態を示すブロック図である。 エネルギーシステム内のモジュール及び制御システムの例示的な実施形態を示すブロック図である。 モジュールの物理的構成の例示的な実施形態を示すブロック図である。 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な実施形態を示すブロック図である。 様々な電気構成を有するモジュールの例示的な実施形態を示すブロック図である。 様々な電気構成を有するモジュールの例示的な実施形態を示すブロック図である。 様々な電気構成を有するモジュールの例示的な実施形態を示すブロック図である。 エネルギーソースの例示的な実施形態を示す概略図である。 エネルギーソースの例示的な実施形態を示す概略図である。 エネルギーソースの例示的な実施形態を示す概略図である。 エネルギーソースの例示的な実施形態を示す概略図である。 エネルギーソースの例示的な実施形態を示す概略図である。 エネルギーソースの例示的な実施形態を示す概略図である。 エネルギーバッファの例示的な実施形態を示す概略図である。 エネルギーバッファの例示的な実施形態を示す概略図である。 エネルギーバッファの例示的な実施形態を示す概略図である。 コンバータの例示的な実施形態を示す概略図である。 コンバータの例示的な実施形態を示す概略図である。 コンバータの例示的な実施形態を示す概略図である。 様々なトポロジーを有するモジュール式エネルギーシステムの例示的な実施形態を示すブロック図である。 様々なトポロジーを有するモジュール式エネルギーシステムの例示的な実施形態を示すブロック図である。 様々なトポロジーを有するモジュール式エネルギーシステムの例示的な実施形態を示すブロック図である。 様々なトポロジーを有するモジュール式エネルギーシステムの例示的な実施形態を示すブロック図である。 様々なトポロジーを有するモジュール式エネルギーシステムの例示的な実施形態を示すブロック図である。 モジュールの例示的な出力電圧を示すプロットである。 モジュールアレイの例示的なマルチレベル出力電圧を示すプロットである。 パルス幅変調制御技術で使用可能な例示的な基準信号及び搬送波信号を示すプロットである。 パルス幅変調制御技術で使用可能な例示的な基準信号及び搬送波信号を示すプロットである。 パルス幅変調制御技術に従って生成された例示的なスイッチ信号を示すプロットである。 パルス幅変調制御技術の下でのモジュールアレイからの出力電圧の重ね合わせによって生成される例示的なマルチレベル出力電圧を示すプロットである。 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な実施形態を示すブロック図である。 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な実施形態を示すブロック図である。 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な実施形態を示すブロック図である。 図１０Ａの多相の実施形態における相互接続モジュールの例示的な実施形態を示す概略図である。 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な実施形態を示すブロック図である。 補助負荷を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な実施形態を示すブロック図である。 図１０Ｄの多相の実施形態における相互接続モジュールの例示的な実施形態を示す概略図である。 補助負荷を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別の例示的な実施形態を示すブロック図である。 多相充電のために構成されたモジュール式エネルギーシステムの例示的な実施形態を示すブロック図である。 多相充電のために構成されたモジュール式エネルギーシステムの例示的な実施形態を示すブロック図である。 モジュール式エネルギーシステムを充電する例示的な実施形態を示すフロー図である。 ３相充電信号の一例を示すプロットである。 ＤＣ及びＡＣ充電のために構成されたモジュール式エネルギーシステムの例示的な実施形態を示すブロック図である。 ルーティング回路の例示的な実施形態を示す概略図である。 ルーティング回路での使用のためのソリッドステートリレーの例示的な実施形態を示す概略図である。 ルーティング回路での使用のためのソリッドステートリレーの例示的な実施形態を示す概略図である。 ルーティング回路での使用のためのソリッドステートリレーの例示的な実施形態を示す概略図である。 ＤＣ、単相ＡＣ、及び多相ＡＣ充電のために構成されたモジュール式エネルギーシステムの例示的な実施形態を示すブロック図である。 ルーティング回路の別の例示的な実施形態を示す概略図である。 ＤＣ、単相ＡＣ、及び多相ＡＣ充電のために構成されたモジュール式エネルギーシステムの例示的な実施形態を示すブロック図である。 ＤＣ、単相ＡＣ、及び多相ＡＣ充電のために構成されたモジュール式エネルギーシステムの例示的な実施形態を示すブロック図である。 ルーティング回路の別の例示的な実施形態を示す概略図である。 ＤＣ、単相ＡＣ、及び多相ＡＣ充電のために構成されたモジュール式エネルギーシステムの例示的な実施形態を示すブロック図である。 ２つのサブシステムを有し、かつＤＣ、単相ＡＣ、及び多相ＡＣ充電のために構成されたモジュール式エネルギーシステムの例示的な実施形態を示すブロック図である。 ２つのサブシステムを有し、かつＤＣ、単相ＡＣ、及び多相ＡＣ充電のために構成されたモジュール式エネルギーシステムの例示的な実施形態を示すブロック図である。 ルーティング回路の別の例示的な実施形態を示す概略図である。 ２つのサブシステムを有し、かつＤＣ、単相ＡＣ、及び多相ＡＣ充電のために構成されたモジュール式エネルギーシステムの例示的な実施形態を示すブロック図である。 ルーティング回路の別の例示的な実施形態を示す概略図である。 ２つのサブシステムを有し、かつＤＣ、単相ＡＣ、及び多相ＡＣ充電のために構成されたモジュール式エネルギーシステムの例示的な実施形態を示すブロック図である。 ルーティング回路の別の例示的な実施形態を示す概略図である。 ＤＣ、単相ＡＣ、及び多相ＡＣ充電のために構成された３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な実施形態を示すブロック図である。 ＤＣ、単相ＡＣ、及び多相ＡＣ充電のために構成された３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な実施形態を示すブロック図である。 ＤＣ、単相ＡＣ、及び多相ＡＣ充電のために構成された３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な実施形態を示すブロック図である。 ＤＣ、単相ＡＣ、及び多相ＡＣ充電のために構成された４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な実施形態を示すブロック図である。 ＤＣ、単相ＡＣ、及び多相ＡＣ充電のために構成された６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な実施形態を示すブロック図である。 ＤＣ、単相ＡＣ、及び多相ＡＣ充電のために構成された６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な実施形態を示すブロック図である。 アレイの並列の多相ＡＣ充電のために構成されたモジュール式エネルギーシステムの例示的な実施形態を示すブロック図である。 アレイの並列のＤＣ、単相ＡＣ、及び多相ＡＣ充電のために構成されたモジュール式エネルギーシステムの例示的な実施形態を示すブロック図である。 負荷を通したＤＣ及び／又は単相ＡＣ充電、並びに負荷をバイパスする多相充電のために構成されたモジュール式エネルギーシステムの例示的な実施形態を示すブロック図である。 ＤＣ、単相ＡＣ、及び多相充電のために構成されたデルタかつ直列配置のモジュール式エネルギーシステムの例示的な実施形態を示すブロック図である。 ＤＣ、単相ＡＣ、及び多相充電のために構成されたデルタかつ直列配置のモジュール式エネルギーシステムの例示的な実施形態を示すブロック図である。 負荷のＤＣ、単相ＡＣ、及び多相充電のために構成された複数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な実施形態を示すブロック図である。 充電ステーションにおけるモジュール式エネルギーシステム及びＥＶにおけるモジュール式エネルギーシステムの例示的な実施形態を示すブロック図である。 複数のＥＶのＤＣ、単相ＡＣ、及び多相充電のために構成された充電ステーションにおけるモジュール式エネルギーシステムの例示的な実施形態を示す概略図である。 ＥＶシャーシの内部領域内のモジュール式エネルギーシステムの例示的な実施形態を示す概略図である。 ＥＶシャーシの内部領域内の、２つのモータに電力を供給するように構成された、モジュール式エネルギーシステムの例示的な実施形態を示す概略図である。 ＥＶシャーシの内部領域内の、２つのモータに電力を供給するように構成された、モジュール式エネルギーシステムの例示的な実施形態を示す概略図である。 ＥＶシャーシの内部領域内の、２つのモータに電力を供給するように構成された、モジュール式エネルギーシステムの例示的な実施形態を示す概略図である。 ＥＶシャーシの内部領域内の、３つのモータに電力を供給するように構成された、モジュール式エネルギーシステムの例示的な実施形態を示す概略図である。 ＥＶシャーシの内部領域内の、モータのための電力を供給するように構成された、モジュール式エネルギーシステムの例示的な実施形態を示す概略図である。 ＥＶシャーシの内部領域内の、モータのための電力を供給するように構成された、モジュール式エネルギーシステムの例示的な実施形態を示す概略図である。 ＥＶの第１及び第２のシャーシの内部領域内の、６つのモータに電力を供給するように構成された、モジュール式エネルギーシステムの例示的な実施形態を示す概略図である。 ＥＶの第１及び第２のシャーシの内部領域内の、６つのモータに電力を供給するように構成された、モジュール式エネルギーシステムの例示的な実施形態を示す概略図である。 ＥＶの第１及び第２のシャーシの内部領域内の、６つのモータに電力を供給するように構成された、モジュール式エネルギーシステムの例示的な実施形態を示す概略図である。 アクティブサスペンション又はアクティブステアリング機構の電気モータに電力を供給するように構成されたモジュール式エネルギーシステムの例示的な実施形態を示すブロック図である。 モジュール式エネルギーシステムでの使用のためのモジュールの例示的な実施形態を示すブロック図である。 モジュール式エネルギーシステムでの使用のためのモジュールの例示的な実施形態を示す概略図である。 モジュール式エネルギーシステムでの使用のためのモジュールの例示的な実施形態を示す概略図である。 電力及び制御分配アセンブリの例示的な実施形態を示すブロック図である。 ＥＶ内の電力及び制御分配アセンブリの例示的な実施形態を示すブロック図である。 図３０Ｃは、ＥＶのエンクロージャ並びに電力及び制御分配アセンブリの斜視図である。図３０Ｃおよび図３０Ｄは、それぞれ、電力及び制御分配アセンブリの例示的な実施形態の外部及び内部の斜視図である。 図３０Ｃおよび図３０Ｄは、それぞれ、電力及び制御分配アセンブリの例示的な実施形態の外部及び内部の斜視図である。 説明なし。 電力及び制御分配アセンブリの例示的な実施形態を示す分解図である。 ＥＶ内の充電ネットワーク分配の例示的な実施形態の斜視図である。 電気自動車の構成要素を冷却するためのプロセスフローの例示的な実施形態を示すブロック図である。 モジュール式エネルギーシステムを冷却するために構成されたエンクロージャの例示的な実施形態を示す斜視図である。 電気自動車の構成要素を冷却するためのプロセスフローの別の例示的な実施形態を示すブロック図である。 モジュール式エネルギーシステムを冷却するために構成されたエンクロージャの別の例示的な実施形態を示す斜視図である。 頂部エンクロージャに対するモジュール構成要素の配置の例示的な実施形態を示す斜視図である。 熱管理システムに近接するモジュールの例示的な実施形態を示す断面図である。 熱管理システムの例示的な実施形態を示すブロック図である。 熱管理システムの例示的な実施形態を示すブロック図である。 熱管理システムの例示的な実施形態を示すブロック図である。 熱管理システムの例示的な実施形態を示すブロック図である。 エネルギー貯蔵システム及び熱管理システムを有するＥＶのためのエンクロージャを示す分解図である。 熱管理システムに近接するモジュールの例示的な実施形態を示す断面図である。 モジュールの例示的な実施形態を示す分解図である。 それぞれ、モジュールの例示的な実施形態の外部及び内部を示す斜視図である。 それぞれ、モジュールの例示的な実施形態の外部及び内部を示す斜視図である。 モジュールの電子機器の例示的な実施形態を示す断面図である。 アレイ内で接続されたモジュールの例示的な実施形態を示すトップダウン図である。 バッテリモジュール内のセルの例示的な実施形態を示すトップダウン図である。 モジュールの例示的な実施形態を示すトップダウン図である。 モジュールの例示的な実施形態を示すトップダウン図である。 ＥＶのためのユニバーサルプラットフォームの例示的な実施形態を示す斜視図である。 外部ボディワークを有するＥＶのためのユニバーサルプラットフォームの例示的な実施形態を示す斜視図である。 外部ボディワークを有するＥＶのためのユニバーサルプラットフォームの例示的な実施形態を示す斜視図である。 ＥＶのためのユニバーサルプラットフォーム内のモジュールレイアウトの例示的な実施形態を示す斜視図である。 ＥＶのためのユニバーサルプラットフォーム内のモジュールレイアウトの例示的な実施形態を示す斜視図である。 ＥＶのためのユニバーサルプラットフォーム内のモジュールレイアウトの例示的な実施形態を示す斜視図である。 ＥＶのためのユニバーサルプラットフォーム内のモジュールレイアウトの例示的な実施形態を示す斜視図である。 ユニバーサルプラットフォームに基づくＥＶモデルの例示的な実施形態を示す斜視図である。 ユニバーサルプラットフォームに基づくＥＶモデルの例示的な実施形態を示す斜視図である。 ユニバーサルプラットフォームに基づくＥＶモデルの例示的な実施形態を示す斜視図である。 ユニバーサルプラットフォームに基づくＥＶモデルの例示的な実施形態を示す斜視図である。
本主題を詳細に記載する前に、本開示は、記載される特定の実施形態に限定されず、そのため、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、単に特定の実施形態を記載する目的のためであり、本開示の範囲が添付の特許請求の範囲によってのみ制限されるため、制限することを意図しない。
モジュール式エネルギーシステムを充放電することに関する例示的な実施形態を記載する前に、まず、これらの基礎となるシステムをより詳細に記載することが有用である。図１Ａ～１０Ｆを参照して、以下のセクションは、モジュール式エネルギーシステムの実施形態、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又はデバイスの実施形態、充電ソース及び負荷に対するモジュール式エネルギーシステムの実施形態の構成、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ーの実施形態、制御方法の実施形態、システム内のモジュールの動作特性のバランスをとる実施形態、及び相互接続モジュールの使用の実施形態を実施することができる様々なアプリケーションについて記載する。
アプリケーションの例
静止体アプリケーションは、モジュール式エネルギーシステムが使用中に固定された場所に位置するものであるが、使用中でないときに代替の場所に輸送されることが可能であり得る。モジュールベースのエネルギーシステムは、静的な場所に存在する一方で、１つ以上の他のエンティティによる消費のために電気エネルギーを供給するか、又は後の消費のためにエネルギーを貯蔵若しくはバッファリングする。本明細書に開示される実施形態を使用することができる静止体アプリケーションの例としては、１つ以上の住宅構造物又はロケールによって、又はその内部での使用のためのエネルギーシステム、１つ以上の産業構造物又はロケールによって、又はその内部での使用のためのエネルギーシステム、１つ以上の商業構造物又はロケールによって、又はその内部での使用のためのエネルギーシステム、１つ以上の政府構造物又はロケールによって、又はその内部での使用のためのエネルギーシステム（軍事的及び非軍事的使用の両方を含む）、以下に記載される移動体アプリケーションを充電するためのエネルギーシステム（例えば、充電ソース又は充電ステーション）、並びに太陽光発電、風力、地熱エネルギー、化石燃料、又は核反応を貯蔵のための電気に変換するシステムが挙げられるが、これらに限定されない。静止体アプリケーションは、多くの場合、グリッド及びマイクログリッド、モータ、並びにデータセンタなどの負荷を供給する。静止体エネルギーシステムは、貯蔵又は非貯蔵の役割のいずれかで使用することができる。
トラクションアプリケーションと称されることもある移動体アプリケーションは、一般に、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又はエンティティ内に位置し、そのエンティティを移動又は移動するのを支援するためにモータによって動力に変換されるための電気エネルギーを貯蔵及び供給するものである。本明細書に開示される実施形態を使用することができるモバイルエンティティの例としては、陸地の上又は下、海の上又は下、陸地又は海との上方かつ接触外（例えば、空中で飛行又はホバリング）、又は宇宙空間を通って移動する電気エンティティ及び／又はハイブリッドエンティティが挙げられるが、これらに限定されない。本明細書に開示される実施形態を使用することができるモバイルエンティティの例としては、車両、列車、路面電車、船、船舶、航空機、及び宇宙船が挙げられるが、これらに限定されない。本明細書に開示される実施形態を使用することができる移動式車両の例としては、１つの車輪又はトラックのみを有するもの、２つの車輪又はトラックのみを有するもの、３つの車輪又はトラックのみを有するもの、４つの車輪又はトラックのみを有するもの、及び５つ以上の車輪又はトラックを有するものが挙げられるが、これらに限定されない。本明細書に開示される実施形態を使用することができるモバイルエンティティの例としては、自動車、バス、トラック、オートバイ、スクータ、産業用車両、鉱山車両、飛行車両（例えば、飛行機、ヘリコプター、ドローンなど）、海上船舶（例えば、商業船舶、船、ヨット、ボート、又は他の船舶）、潜水艦、機関車又は鉄道ベースの車両（例えば、列車、路面電車など）、軍用車両、宇宙船、及び衛星が挙げられるが、これらに限定されない。
本明細書の実施形態の記載において、特定の静止体アプリケーション（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）又は移動体アプリケーション（例えば、電気自動車）を参照し得る。そのような参照は、説明を容易にするためになされており、特定の実施形態がその特定の移動体アプリケーション又は静止体アプリケーションのみの使用に限定されることを意味するものではない。モータに電力を供給するシステムの実施形態は、移動体アプリケーション及び静止体アプリケーションの両方で使用することができる。特定の構成は、他のものよりもいくつかのアプリケーションに好適であり得るが、本明細書で開示される全ての例示的な実施形態は、特に明記しない限り、移動体アプリケーション及び静止体アプリケーションの両方で使用することが可能である。
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の例示的な実施形態を示すブロック図である。ここで、システム１００は、それぞれ、通信経路又はリンク１０６－１～１０６－Ｎを介して、Ｎ個のコンバータソースモジュール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（又は他のモジュール１０８）に出力するように構成されている。これらの実施形態では、２つ以上の任意の数のモジュール１０８を使用することができる（例えば、Ｎは２以上である）。モジュール１０８は、図７Ａ～７Ｅに関してより詳細に記載されるように、様々な様式で互いに接続することができる。図示を簡単にするために、図１Ａ～１Ｃでは、モジュール１０８は、直列に、又は１次元アレイとして接続されて示されており、Ｎ番目のモジュールは、負荷１０１に結合されている。
システム１００は、負荷１０１に電力を供給するように構成されている。負荷１０１は、モータ又はグリッドのような任意のタイプの負荷とすることができる。システム１００はまた、充電ソースから受信した電力を貯蔵するように構成されている。図１Ｆは、充電ソース１５０から電力を受信するための電力入力インターフェース１５１と、負荷１０１に電力を出力するための電力出力インターフェースと、を備えたシステム１００の例示的な実施形態を示すブロック図である。この実施形態では、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のと同時に、インターフェース１５１を介して電力を受信し、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を備えたシステム１００の別の例示的な実施形態を示すブロック図である。この実施形態では、システム１００は、充電ソース１５０からの電力の受信と負荷１０１への電力の出力との間を選択することができる、又は選択するように指示されることができる。システム１００は、一次負荷及び補助負荷の両方を含む複数の負荷１０１を供給するように、及び／又は複数の充電ソース１５０（例えば、ユーティリティ動作の電力グリッド及びローカル再生可能エネルギーソース（例えば、太陽光））から電力を受信するように構成することができる。
図１Ｂは、システム１００の別の例示的な実施形態を示す。ここで、制御システム１０２は、それぞれ通信経路又はリンク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ー制御デバイス（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の関係があるように、それぞれ通信経路又はリンク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の別の例示的な実施形態を示す。ここで、ＭＣＤ１１２は、それぞれ通信経路又はリンク１１５－１から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、制御することができる。ここに示される例では、各ＬＣＤ１１４は、Ｍ個のＬＣＤ１１４－１～１１４－Ｍが、それぞれ通信経路又はリンク１１６－１～１１６－２Ｍを介して２Ｍ個のモジュール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全体について単一のデバイス（例えば、図１Ａ）として構成することができ、複数のデバイス（例えば、図１Ｂ～図１Ｃ）にわたって分散するか、又は複数のデバイス（例えば、図１Ｂ～図１Ｃ）として実装することができる。いくつかの実施形態では、制御システム１０２は、ＭＣＤ１１２が必要ではなく、かつシステム１００から省略することができるように、モジュール１０８に関連付けられたＬＣＤ１１４間に分散することができる。
制御システム１０２は、ソフトウェア（処理回路によって実行可能であるメモリに格納された命令）、ハードウェア、又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することができる。制御システム１０２の１つ以上のデバイスは、各々、ここに示されるように、処理回路１２０及びメモリ１２２を含むことができる。処理回路及びメモリの例示的な実装については、以下で更に記載される。
制御システム１０２は、通信リンク又は通信経路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に関するデータ又は情報を別の制御デバイス１０４（例えば、移動体アプリケーションにおける車両の電子制御ユニット（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ、ＥＣＵ）又はモータ制御ユニット（Ｍｏｔｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ、ＭＣＵ）、静止体アプリケーションにおけるグリッドコントローラなど）に出力することができる。
通信経路又は通信リンク１０５、１０６、１１５、１１６、及び１１８（図２Ｂ）は各々、データ又は情報を双方向に、並列又は直列方式で通信する有線通信経路（例えば、電気的、光学的）又は無線通信経路とすることができる。データは、標準（例えば、ＩＥＥＥ、ＡＮＳＩ）フォーマット又はカスタム（例えば、専有）フォーマットで通信することができる。自動車アプリケーションでは、通信経路１１５は、ＦｌｅｘＲａｙ又はＣＡＮプロトコルに従って通信するように構成することができる。通信経路１０６、１１５、１１６、及び１１８はまた、１つ以上のモジュール１０８からシステム１０２のための動作電力を直接的に供給するための有線電力を供給することができる。例えば、各ＬＣＤ１１４のための動作電力は、そのＬＣＤ１１４が接続されている１つ以上のモジュール１０８によってのみ供給することができ、ＭＣＤ１１２のための動作電力は、モジュール１０８のうちの１つ以上から間接的に（例えば、自動車の電力ネットワークを介して）供給することができる。
制御システム１０２は、同じ又は異なる１つ以上のモジュール１０８から受信した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。制御はまた、負荷１０１の要件などの１つ以上の他の因子に基づくこともできる。制御可能な態様は、限定されないが、各モジュール１０８の電圧、電流、位相、及び／又は出力電力のうちの１つ以上を含む。
システム１００内の各モジュール１０８のステータス情報は、制御システム１０２に通信することができ、制御システム１０２は、各モジュール１０８－１．．．１０８－Ｎを独立して制御することができる。他の変形も可能である。例えば、特定のモジュール１０８（又はモジュール１０８のサブセット）は、その特定のモジュール１０８（又はサブセット）のステータス情報に基づいて、その特定のモジュール１０８（又はサブセット）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（又はサブセット）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（又はサブセット）のステータス情報及びその特定のモジュール１０８（又はサブセット）ではない少なくとも他の１つのモジュール１０８のステータス情報に基づいて、又はシステム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、制御することができる。
ステータス情報は、各モジュール１０８の１つ以上の態様、特性、又はパラメータに関する情報とすることができる。ステータス情報のタイプには、モジュール１０８又はその１つ以上の構成要素（例えば、エネルギーソース、エネルギーバッファ、コンバータ、監視回路）の以下の態様が含まれるが、これらに限定されない。モジュールの１つ以上のエネルギーソースの充電状態（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ、ＳＯＣ）（例えば、分率又はパーセントなど、その容量に対するエネルギーソースの充電レベル）、モジュールの１つ以上のエネルギーソースのヘルス状態（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｈｅａｌｔｈ、ＳＯＨ）（例えば、その理想的な状態と比較したエネルギーソースの性能指数）、モジュールの１つ以上のエネルギーソース又は他の構成要素の温度、モジュールの１つ以上のエネルギーソースの容量、モジュールの１つ以上のエネルギーソース及び／又は他の構成要素の電圧、モジュールの１つ以上のエネルギーソース及び／又は他の構成要素の電流、電力状態（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ、ＳＯＰ）（例えば、放電及び／又は充電中のエネルギーソースの利用可能な電力制限）、エネルギー状態（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ、ＳＯＥ）（例えば、エネルギーソースの最大利用可能エネルギーに対するエネルギーソースの利用可能なエネルギーの現在のレベル）、及び／又はモジュールの構成要素のうちのいずれか１つ以上における障害の有無。
ＬＣＤ１１４は、各モジュール１０８からステータス情報を受信するように、又は各モジュール１０８から若しくは各モジュール１０８内で受信した監視信号若しく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することができる。いくつかの実施形態では、各ＬＣＤ１１４は、生の収集されたデータをＭＣＤ１１２に通信することができ、ＭＣＤ１１２は次いで、その生の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て、それに応じて制御決定を行うことができる。その決定は、各モジュール１０８の動作を維持又は調整するためにＬＣＤ１１４によって利用することができる命令、コマンド、又は他の情報（本明細書に記載の変調インデックスなど）の形式をとり得る。
例えば、ＭＣＤ１１２は、ステータス情報を受信し、その情報を評価して、少なくとも１つのモジュール１０８（例えば、その構成要素）と少なくとも１つ以上の他のモジュール１０８（例えば、その同等の構成要素）との間の差を決定し得る。例えば、ＭＣＤ１１２は、１つ以上の他のモジュール１０８と比較して、特定のモジュール１０８が、以下の状態、すなわち、比較的低い又は高いＳＯＣ、比較的低い又は高いＳＯＨ、比較的低い又は高い容量、比較的低い又は高い電圧、比較的低い又は高い電流、比較的低い又は高い温度、又は障害の有無にかかわらない、のうちの１つで動作していると決定し得る。そのような例では、ＭＣＤ１１２は、その特定のモジュール１０８の関連する態様（例えば、出力電圧、電流、電力、温度）を（状態に応じて）減少又は増加させる制御情報を出力することができる。このようにして、外れ値にあるモジュール１０８（例えば、比較的低いＳＯＣ又はより高い温度で動作する）の利用率は、そのモジュール１０８の関連するパラメータ（例えば、ＳＯＣ又は温度）を１つ以上の他のモジュール１０８のパラメータに向かって収束させるように減少させることができる。
特定のモジュール１０８の動作を調整するかどうかの決定は、ステータス情報を所定の閾値、制限、又は条件と比較することによって、必ずしも他のモジュール１０８のステータスと比較することなく、行うことができる。所定の閾値、制限、又は条件は、使用中に変更されないメーカーによって設定されたような静的閾値、制限、又は条件とすることができる。所定の閾値、制限、又は条件は、使用中に変更することが可能である、又は変更しない、動的な閾値、制限、又は条件とすることができる。例えば、ＭＣＤ１１２は、モジュール１０８に対するステータス情報が、モジュール１０８が所定の閾値若しくは制限に違反して（例えば、それを上回って又は下回って）動作していることを示している場合、又は許容可能な動作条件の所定の範囲外で動作していることを示している場合、モジュール１０８の動作を調整することができる。同様に、ＭＣＤ１１２は、そのモジュール１０８に対するステータス情報が実際の又は潜在的な障害（例えば、アラーム、又は警告）の存在を示すか、又は実際の又は潜在的な障害の不在又は除去を示す場合、モジュール１０８の動作を調整することができる。障害の例としては、構成要素の実際の障害、構成要素の潜在的な障害、短絡又は他の過剰な電流の状態、断線、過剰な電圧の状態、通信の受信の障害、破損したデータの受信などが挙げられるが、これらに限定されない。障害のタイプ及び重大度に応じて、障害モジュールの利用率を低下させてモジュールの損傷を回避することができるか、又はモジュールの利用率を完全に停止することができる。例えば、所与のモジュールに障害が発生した場合、ＭＣＤ１１２又はＬＣＤ１１４は、本明細書に記載されるように、そのモジュールにバイパス状態に入るようにすることができる。
ＭＣＤ１１２は、システム１００内のモジュール１０８を制御して、所望の目標を達成するか、又は所望の目標に向かって収束させることができる。その目標は、例えば、互いに対して同一又は同様のレベルで、又は所定の閾値、制限、又は条件内で、全てのモジュール１０８の動作とすることができる。このプロセスは、モジュール１０８の動作又は動作特性のバランスをとること、又はバランスを達成することを求めることとも称される。本明細書で使用される場合、「バランス」という用語は、モジュール１０８間又はその構成要素間の絶対的な等価性を必要とせず、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（又は動作状態）における差異を積極的に低減するために使用することができることを伝えるために広い意味で使用される。
ＭＣＤ１１２は、ＬＣＤ１１４に関連付けられたモジュール１０８を制御する目的で、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、本明細書に記載の変調インデックス及び基準信号、変調基準信号、又はそれ以外のものとすることができる。各ＬＣＤ１１４は、制御情報を使用（例えば、受信及び処理）して、関連付けられたモジュール１０８内の１つ以上の構成要素（例えば、コンバータ）の動作を制御するスイッチ信号を生成することができる。いくつかの実施形態では、ＭＣＤ１１２は、スイッチ信号を直接的に生成し、それらをＬＣＤ１１４に出力し、ＬＣＤ１１４は、そのスイッチ信号を意図したモジュール構成要素に中継する。
制御システム１０２の全て又は一部は、移動体アプリケーション又は静止体アプリケーションの１つ以上の他の態様を制御するシステム外部制御デバイス１０４と組み合わせることができる。この共有又は共通制御デバイス（又はサブシステム）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、共有デバイスのハードウェア、又はそれらの組み合わせ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など、任意の所望の方式で実装することができる。外部制御デバイス１０４の非網羅的な例としては、１つ以上の他の車両機能（例えば、モータ制御、ドライバインターフェース制御、トラクション制御など）のための制御能力を有する車両用ＥＣＵ又は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、伝送及び切り替え、充電ソースとのインターフェース（例えば、ディーゼル、太陽、風）、充電ソース電力予測、バックアップソース監視、アセットディスパッチなど）を担当するグリッド又はマイクログリッドコントローラ、及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、バックアップ制御など）が挙げられる。
図１Ｄ及び図１Ｅは、制御システム１０２を実装することができる共有又は共通制御デバイス（又はシステム）１３２の例示的な実施形態を示すブロック図である。図１Ｄでは、共通制御デバイス１３２は、マスター制御デバイス１１２及び外部制御デバイス１０４を含む。マスター制御デバイス１１２は、経路１１５を介してＬＣＤ１１４との通信のためのインターフェース１４１、並びに内部通信バス１３６を介して外部制御デバイス１０４と通信するためのインターフェース１４２を含む。外部制御デバイス１０４は、バス１３６を介してマスター制御デバイス１１２との通信のためのインターフェース１４３と、通信経路１３６を介してアプリケーション全体の他のエンティティ（例えば、車両又はグリッドの構成要素）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、その中に含まれる別個の集積回路（ＩＣ）チップ又はパッケージとして実装されたデバイス１１２及び１０４とともに、共通ハウジング又は共通パッケージとして統合することができる。
図１Ｅでは、外部制御デバイス１０４は、共通制御デバイス１３２として機能し、マスター制御機能は、デバイス１０４内の構成要素として実装される。この構成要素１１２は、デバイス１０４のメモリ内に格納及び／又はハードコードされ、かつその処理回路によって実行されるソフトウェア又は他のプログラム命令とすることができるか、又はそれを含むことができる。構成要素には、専用のハードウェアを含めることもできる。構成要素は、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１つ以上の内部ハードウェア及び／又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））を備えた自己完結型のモジュール又はコアとすることができる。外部制御デバイス１０４は、インターフェース１４１を介したＬＣＤ１１４及びインターフェース１４４を介した他のデバイスとの通信を管理することができる。様々な実施形態では、デバイス１０４／１３２は、単一のＩＣチップとして統合することができるか、単一のパッケージ内の複数のＩＣチップに統合することができるか、又は共通ハウジング内の複数の半導体パッケージとして統合することができる。
図１Ｄ及び図１Ｅの実施形態では、システム１０２のマスター制御機能は、共通デバイス１３２で共有されているが、共有制御の他の分割であるか、又は許可されている。例えば、マスター制御機能の一部は、共通デバイス１３２と専用ＭＣＤ１１２との間で分配することができる。別の例では、マスター制御機能とローカル制御機能の少なくとも一部との両方を共通デバイス１３２に実装することができる（例えば、残りのローカル制御機能をＬＣＤ１１４に実装する）。いくつかの実施形態では、制御システム１０２の全ては、共通デバイス（又はサブシステム）１３２に実装される。いくつかの実施形態では、ローカル制御機能は、バッテリ管理システム（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ、ＢＭＳ）などの各モジュール１０８の別の構成要素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ソースと、パワーエレクトロニクスコンバータと、所望により、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、エネルギーバッファ２０４、及びエネルギーソース２０６を有するモジュール１０８を有するシステム１００の追加の例示的な実施形態を示すブロック図である。コンバータ２０２は、電圧コンバータ又は電流コンバータとすることができる。実施形態は、電圧コンバータを参照して本明細書に記載されるが、実施形態は、そのようなものに限定されない。コンバータ２０２は、エネルギーソース２０４からの直流（ＤＣ）信号を交流（ＡＣ）信号に変換し、それを電力接続部１１０（例えば、インバータ）を介して出力するように構成することができる。コンバータ２０２はまた、接続部１１０を介してＡＣ又はＤＣ信号を受信し、それを連続形態又はパルス形態のいずれかの極性でエネルギーソース２０４に適用することができる。コンバータ２０２は、フルブリッジ（Ｈブリッジ）のハーフブリッジなどのスイッチ（例えば、パワートランジスタ）の配列であり得るか、又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（及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（又は代替として）、（例えば、ＡＣ－ＤＣコンバータと組み合わせて）ＡＣソースからＤＣエネルギーソースを充電するなどのためにＡＣからＤＣへの変換（例えば、整流器）、ＤＣからＤＣへの変換、及び／又はＡＣからＡＣへの変換を実行するように構成することができる。ＡＣ－ＡＣ変換を実行するなどのいくつかの実施形態では、コンバータ２０２は、単独で、又は１つ以上のパワー半導体（例えば、スイッチ、ダイオード、サイリスタなど）と組み合わせて、変圧器を含むことができる。重量及びコストが重要な因子であるような他の実施形態では、コンバータ２０２は、パワースイッチ、パワーダイオード、又は他の半導体デバイスのみで、変圧器なしで変換を実行するように構成することができる。
エネルギーソース２０６は、好ましくは、直流を出力することが可能であり、かつ電力供給デバイスのためのエネルギー貯蔵アプリケーションに好適なエネルギー密度を有する、ロバストエネルギー貯蔵デバイスである。エネルギーソース２０６は、バッテリモジュール若しくはアレイで一緒に接続された単一の電池セル若しくは複数のバッテリセル、又はそれらの任意の組み合わせなどの電気化学電池とすることができる。図４Ａ～４Ｄは、単一のバッテリセル４０２（図４Ａ）、複数の（例えば、４つの）セル４０２の直列接続を有するバッテリモジュール（図４Ｂ）、単一のセル４０２の並列接続を有するバッテリモジュール（図４Ｃ）、及び各々２つのセル４０２を有する脚部と並列接続を有するバッテリモジュール（図４Ｄ）として構成されたエネルギーソース２０６の例示的な実施形態を示す概略図である。バッテリタイプの例の非網羅的なリストは、本明細書の他の箇所に示される。
エネルギーソース２０６はまた、ウルトラキャパシタ又はスーパーキャパシタなどの高エネルギー密度（ｈｉｇｈ ｅｎｅｒｇｙ ｄｅｎｓｉｔｙ、ＨＥＤ）コンデンサとすることができる。ＨＥＤコンデンサは、典型的な電解コンデンサの固体誘電体タイプとは対照的に、二重層コンデンサ（静電荷貯蔵）、疑似コンデンサ（電気化学的電荷貯蔵）、ハイブリッドコンデンサ（静電及び電気化学的）、又はそれ以外のものとして構成することができる。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１０～１００倍（又はそれ以上）の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、１ｋｇ当たり１．０ワット時（Ｗｈ／ｋｇ）を超える比エネルギー、及び１０～１００ファラッド（Ｆ）を超えるキャパシタンスを有することができる。図４Ａ～４Ｄに関して記載したバッテリと同様に、エネルギーソース２０６は、アレイ（例えば、直列、並列、又はそれらの組み合わせ）で一緒に接続された単一のＨＥＤコンデンサ又は複数のＨＥＤコンデンサとして構成することができる。
エネルギーソース２０６はまた、燃料電池とすることができる。燃料電池は、単一の燃料電池、直列又は並列に接続された複数の燃料電池、又は燃料電池モジュールとすることができる。燃料電池タイプの例としては、プロトン交換膜燃料電池（ｐｒｏｔｏｎ－ｅｘｃｈａｎｇｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ、ＰＥＭＦＣ）、リン酸燃料電池（ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ ａｃｉｄ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ、ＰＡＦＣ）、固体酸燃料電池、アルカリ性燃料電池、高温燃料電池、固体酸化物燃料電池、溶融電解質燃料電池などが挙げられる。図４Ａ～４Ｄに関して記載したバッテリと同様に、エネルギーソース２０６は、アレイ（例えば、直列、並列、又はそれらの組み合わせ）で一緒に接続された単一の燃料電池又は複数の燃料電池として構成することができる。ソースクラス（例えば、バッテリ、コンデンサ、及び燃料電池）及びタイプ（例えば、各クラス内の化学及び／又は構造的構成）の前述の例は、網羅的なリストを形成することを意図しておらず、当業者は、本主題の範囲内にある他の変形を認識するであろう。
エネルギーバッファ２０４は、ＤＣリンク電圧の安定性を維持するのを支援するために、ＤＣライン又はＤＣリンクにわたる電流の変動（例えば、後述するように、＋ＶＤＣＬ及び－ＶＤＣＬ）を減衰又はフィルタリングすることができる。これらの変動は、比較的低い（例えば、キロヘルツ）又は高い（例えば、メガヘルツ）周波数変動又はコンバータ２０２の切り替えによって引き起こされる高調波、又は他のトランジェントとすることができる。これらの変動は、ソース２０６又はコンバータ２０２のポートＩＯ３及びＩＯ４に渡される代わりに、バッファ２０４によって吸収することができる。
電力接続部１１０は、モジュール１０８へ、モジュール１０８から、モジュール１０８を通ってエネルギー又は電力を伝送するための接続部である。モジュール１０８は、エネルギーソース２０６から電力接続部１１０にエネルギーを出力することができ、電力接続部１１０では、エネルギーをシステムの他のモジュール又は負荷に伝送することができる。モジュール１０８はまた、他のモジュール１０８又は充電ソース（ＤＣ充電器、単相充電器、多相充電器）からエネルギーを受信することができる。信号は、エネルギーソース２０６をバイパスするモジュール１０８を通過することもできる。モジュール１０８への及びモジュール１０８からのエネルギー又は電力のルーティングは、ＬＣＤ１１４（又はシステム１０２の別のエンティティ）の制御下で、コンバータ２０２によって実行される。
図２Ａの実施形態では、ＬＣＤ１１４は、モジュール１０８とは別個の構成要素（例えば、共有モジュールハウジング内ではない）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、かつコンバータ２０２と通信することができる。図２Ｂの実施形態では、ＬＣＤ１１４は、モジュール１０８の構成要素として含まれ、内部通信経路１１８（例えば、共有バス又は別個の接続）を介してコンバータ２０２に接続され、かつコンバータ２０２と通信することができる。ＬＣＤ１１４はまた、経路１１６又は１１８を介してエネルギーバッファ２０４及び／又はエネルギーソース２０６から信号を受信し、信号を送信することを可能とすることができる。
モジュール１０８はまた、ステータス情報を構成する（又は、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することができる）、電圧、電流、温度、又は他の動作パラメータなどの、モジュール１０８及び／又はその構成要素の１つ以上の態様を監視する（例えば、収集する、感知する、測定する、及び／又は決定する）ように構成された監視回路２０８を含むことができる。ステータス情報の主な機能は、モジュール１０８の１つ以上のエネルギーソース２０６の状態を記述して、システム１００の他のソースと比較してエネルギーソースをどのくらい利用するかの決定を可能にすることであるが、他の構成要素の状態（例えば、バッファ２０４の電圧、温度、及び／又は障害の存在、コンバータ２０２の温度及び／又は障害の存在、モジュール１０８の他の場所の障害の存在など）を記述するステータス情報も利用決定に使用することができる。監視回路２０８は、１つ以上のセンサ、シャント、ディバイダ、障害検出器、クーロンカウンタ、コントローラ、又はそのような態様を監視するように構成された他のハードウェア及び／若しくはソフトウェアを含むことができる。監視回路２０８は、様々な構成要素２０２、２０４、及び２０６から分離することができるか、又は各構成要素２０２、２０４、及び２０６（図２Ａ～２Ｂに示されるように）、又はそれらの任意の組み合わせと統合することができる。いくつかの実施形態では、監視回路２０８は、バッテリエネルギーソース２０４のバッテリ管理システム（ＢＭＳ）の一部であるか、又はバッテリエネルギーソース２０４のバッテリ管理システム（ＢＭＳ）と共有することができる。１つ以上のタイプのステータス情報を単一の回路又は単一のデバイスで監視することができるため、又はそれ以外の場合、追加の回路を必要とせずにアルゴリズム的に決定することができるため、各タイプのステータス情報を監視するために離散回路は必要とされない。
ＬＣＤ１１４は、通信経路１１６、１１８を介してモジュール構成要素に関するステータス情報（又は生データ）を受信することができる。ＬＣＤ１１４はまた、経路１１６、１１８を介してモジュール構成要素に情報を送信することができる。経路１１６及び１１８は、診断、測定、保護、及び制御の信号線を含むことができる。送信される情報は、１つ以上のモジュール構成要素の制御信号とすることができる。制御信号は、コンバータ２０２に対するスイッチ信号及び／又はモジュール構成要素からステータス情報を要求する１つ以上の信号とすることができる。例えば、ＬＣＤ１１４は、ステータス情報を直接的に要求することによって、又はステータス情報を生成させるための刺激（例えば、電圧）を適用することによって、場合によっては、コンバータ２０２を特定の状態に置くスイッチ信号と組み合わせて、経路１１６、１１８を介してステータス情報を送信させることができる。
モジュール１０８の物理的構成又はレイアウトは、様々な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、例えば、コンバータ２０２、バッファ２０４、及びソース２０６といった全てのモジュール構成要素が、統合されたＬＣＤ１１４などの他の任意選択の構成要素とともに収容される共通のハウジングを含むことができる。他の実施形態では、様々な構成要素は、一緒に固定された別個のハウジング内で分離することができる。図２Ｃは、モジュール１０８の例示的な実施形態を示すブロック図であり、モジュール１０８は、モジュールのエネルギーソース２０６、及び監視回路などの付随する電子機器を保持する第１のハウジング２２０と、コンバータ２０２、エネルギーバッファ２０４、及び監視回路などの他の付随する電子機器などの、モジュール電子機器を保持する第２のハウジング２２２と、モジュール１０８のためのＬＣＤ１１４（図示せず）を保持する第３のハウジング２２４と、を有する。代替の実施形態では、モジュール電子機器及びＬＣＤ１１４は、同じ単一のハウジング内に収容することができる。更に他の実施形態では、モジュール電子機器、ＬＣＤ１１４、及びエネルギーソースは、モジュール１０８のための同じ単一のハウジング内に収容することができる。様々なモジュール構成要素間の電気的接続は、ハウジング２２０、２２２、２２４を通って進行することができ、他のモジュール１０８又はＭＣＤ１１２などの他のデバイスとの接続のために、ハウジングのいずれかの外部に露出することができる。
システム１００のモジュール１０８は、アプリケーションの必要性及び負荷の数に依存する様々な構成において、互いに対して物理的に配置することができる。例えば、システム１００がマイクログリッドに電力を供給する静止体アプリケーションでは、モジュール１０８は、１つ以上のラック又は他のフレームワークに置くことができる。そのような構成は、海上船舶などのより大きな移動体アプリケーションにも好適であり得る。代替的に、モジュール１０８は、一緒に固定され、パックと称される共通のハウジング内に位置することができる。ラック又はパックは、全てのモジュールで共有されている独自の専用冷却システムを有し得る。パック構成は、電気自動車などの小型移動体アプリケーションに有用である。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の）、又は１つ以上のパック（例えば、車両の異なるモータにサービスを提供する）、又はそれらの組み合わせで実装することができる。図２Ｄは、共通のハウジング２３０内で一緒に電気的及び物理的に結合された９つのモジュール１０８を有するパックとして構成されたシステム１００の例示的な実施形態を示すブロック図である。
これら及び更なる構成の例は、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号に記載されており、これは、あらゆる目的のためにその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
図３Ａ～３Ｃは、様々な電気構成を有するモジュール１０８の例示的な実施形態を示すブロック図である。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は関連するモジュール内に収容されるものとして記載されるが、それ以外の場合、本明細書に記載するように構成することができる。図３Ａは、システム１００内のモジュール１０８Ａの第１の例示的な構成を示す。モジュール１０８Ａは、エネルギーソース２０６、エネルギーバッファ２０４、及びコンバータ２０２Ａを含む。各構成要素は、本明細書ではＩＯポートと称される、電力を入力することができる、及び／又は電力を出力することができる電力接続ポート（例えば、端子、コネクタ）を有する。そのようなポートは、コンテキストに応じて、入力ポート又は出力ポートと称されることもある。
エネルギーソース２０６は、本明細書に記載のエネルギーソースタイプのいずれかとして構成することができる（例えば、図４Ａ～図４Ｄに関した記載の電池、ＨＥＤコンデンサ、燃料電池、又はその他）。エネルギーソース２０６のポートＩＯ１及びＩＯ２は、それぞれエネルギーバッファ２０４のポートＩＯ１及びＩＯ２に接続することができる。エネルギーバッファ２０４は、コンバータ２０２を通してバッファ２０４に到達する高周波及び低周波エネルギー脈動をバッファリング又はフィルタリングするように構成することができ、そうでなければ、モジュール１０８の性能を低下させる可能性がある。バッファ２０４のためのトポロジー及び構成要素は、これらの高周波電圧脈動の最大許容振幅に対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（非網羅的な）例示的な実施形態が、図５Ａ～図５Ｃの概略図に示されている。図５Ａでは、バッファ２０４は、電解コンデンサ及び／又はフィルムコンデンサＣＥＢであり、図５Ｂでは、バッファ２０４は、２つのインダクタＬＥＢ１及びＬＥＢ２と、２つの電解コンデンサ及び／又はフィルムコンデンサＣＥＢ１及びＣＥＢ２とによって形成されるＺソースネットワーク７１０であり、図５Ｃでは、バッファ２０４は、２つのインダクタＬＥＢ１及びＬＥＢ２と、２つの電解コンデンサ及び／又はフィルムコンデンサＣＥＢ１及びＣＥＢ２と、ダイオードＤＥＢとによって形成される準Ｚソースネットワーク７２０である。
エネルギーバッファ２０４のポートＩＯ３及びＩＯ４は、それぞれ本明細書に記載される電力コンバータタイプのいずれかとして構成することができるコンバータ２０２ＡのポートＩＯ１及びＩＯ２に接続することができる。図６Ａは、ポートＩＯ１及びＩＯ２でＤＣ電圧を受信し、かつポートＩＯ３及びＩＯ４でパルスを生成するように切り替えることができるＤＣ－ＡＣコンバータとして構成されたコンバータ２０２Ａの例示的な実施形態を示す概略図である。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、コンバータ２０２Ａは、フルブリッジ構成に配置された４つのスイッチＳ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６を含む。制御システム１０２又はＬＣＤ１１４は、各ゲートへの制御入力ライン１１８－３を介して各スイッチを独立して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）のようなパワー半導体、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、又は窒化ガリウム（ＧａＮ）トランジスタなどの任意の好適なスイッチタイプとすることができる。半導体スイッチは、比較的高いスイッチング周波数で動作することができ、それによって、必要に応じて、コンバータ２０２がパルス幅変調（ＰＷＭ）モードで動作し、かつ比較的短い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。これは、トランジェントモードにおける出力電圧調節及び高速動的挙動の高い許容を提供することができる。
この実施形態では、ＤＣライン電圧ＶＤＣＬを、ポートＩＯ１とＩＯ２との間のコンバータ２０２に印加することができる。スイッチＳ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６の異なる組み合わせによってＶＤＣＬをポートＩＯ３及びＩＯ４に接続することによって、コンバータ２０２は、ポートＩＯ３及びＩＯ４で３つの異なる電圧出力、＋ＶＤＣＬ、０、及び－ＶＤＣＬを生成することができる。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）かオフ（開）かを制御する。＋ＶＤＣＬを得るには、スイッチＳ３及びＳ６をオンにする一方で、Ｓ４及びＳ５をオフにするのに対し、－ＶＤＣＬは、スイッチＳ４及びＳ５をオンにし、Ｓ３及びＳ６をオフにすることによって得ることができる。出力電圧は、Ｓ４及びＳ６をオフにした状態でＳ３及びＳ５をオンにすることによって、又はＳ３及びＳ５をオフにした状態でＳ４及びＳ６をオンにすることによって、ゼロ（ゼロ付近を含む）又は基準電圧に設定することができる。これらの電圧は、電力接続部１１０を介してモジュール１０８から出力することができる。コンバータ２０２のポートＩＯ３及び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生成するように、電力接続部１１０のモジュールＩＯポート１及び２に接続される（又は形成される）ことができる。
本明細書に記載のコンバータ２０２の実施形態のための制御信号又はスイッチ信号は、コンバータ２０２の出力電圧を生成するためにシステム１００によって利用される制御技術に応じて、異なる方法で生成することができる。いくつかの実施形態では、制御技術は、空間ベクトルパルス幅変調（ｓｐａｃｅ ｖｅｃｔｏｒ ｐｕｌｓｅ－ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ、ＳＶＰＷＭ）又は正弦波パルス幅変調（ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ ｐｕｌｓｅ－ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ、ＳＰＷＭ）、又はそれらの変形などのＰＷＭ技術である。図８Ａは、コンバータ２０２の出力電圧波形８０２の一例を示す、電圧対時間のグラフである。記載を容易にするために、本明細書の実施形態は、ＰＷＭ制御技術のコンテキストにおいて記載されるが、実施形態は、そのようなものに限定されない。他のクラスの技術を使用することもできる。１つの代替クラスは、ヒステリシスに基づいており、その例は、国際公開第２０１８／２３１８１０Ａ１号、同第２０１８／２３２４０３Ａ１号、及び同第２０１９／１８３５５３Ａ１号を参照されたい。
各モジュール１０８は、複数のエネルギーソース２０６（例えば、２つ、３つ、４つ、又はそれ以上）で構成することができる。モジュール１０８の各エネルギーソース２０６は、モジュールの他のソース２０６とは独立して、接続部１１０に電力を供給する（又は充電ソースから電力を受信する）ように制御可能（切り替え可能）とすることができる。例えば、全てのソース２０６は、同時に接続部１１０に電力を出力する（又は充電される）ことができ、又はソース２０６のうちの１つ（又はサブセット）のみが、任意の一度に電力を供給する（又は充電される）ことができる。いくつかの実施形態では、モジュールのソース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つのソース２０６は、別のソース２０６を充電することができる。ソース２０６の各々は、本明細書に記載の任意のエネルギーソース（例えば、バッテリ、ＨＥＤコンデンサ、燃料電池）として構成することができる。ソース２０６の各々は、同じクラスとすることができ（例えば、各々はバッテリであることができ、各々はＨＥＤコンデンサであることができ、又は各々は燃料電池であることができ）、又は異なるクラスとすることができる（例えば、第１のソースはバッテリであることができ、第２のソースはＨＥＤコンデンサ又は燃料電池であることができ、又は第１のソースはＨＥＤコンデンサであることができ、第２のソースは燃料電池であることができる）。
図３Ｂは、一次エネルギーソース２０６Ａ及び二次エネルギーソース２０６Ｂを有するデュアルエネルギーソース構成のモジュール１０８Ｂの例示的な実施形態を示すブロック図である。一次ソース２０２ＡのポートＩＯ１及びＩＯ２は、エネルギーバッファ２０４のポートＩＯ１及びＩＯ２に接続することができる。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及びＩＯ４は、それぞれコンバータ２０２Ｂの接続ポートＩＯ１及びＩＯ２とすることができる。二次ソース２０６ＢのポートＩＯ１及びＩＯ２は、それぞれコンバータ２０２ＢのポートＩＯ５及びＩＯ２に接続することができる（バッファ２０４のポートＩＯ４にも接続することができる）。
モジュール１０８Ｂのこの例示的な実施形態では、一次エネルギーソース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。二次ソース２０２Ｂは、負荷電力ピークで追加の電力を供給することによって、又は過剰電力を吸収することによって、又は他の方法によって、エネルギーソース２０２を支援する機能を果たすことができる。
上述したように、一次ソース２０６Ａ及び二次ソース２０６Ｂの両方は、コンバータ２０２Ｂのスイッチ状態に応じて、同時に又は別々の時間に利用することができる。同時に、電解コンデンサ及び／又はフィルムコンデンサ（ＣＥＳ）を、図４Ｅに示されるようにソース２０６Ｂと並列に置いて、ソース２０６Ｂのためのエネルギーバッファとして機能することができ、又はエネルギーソース２０６Ｂを、図４Ｆに示されるように別のエネルギーソース（例えば、バッテリ又は燃料電池）と並列にＨＥＤコンデンサを利用するように構成することができる。
図６Ｂ及び図６Ｃは、それぞれコンバータ２０２Ｂ及び２０２Ｃの例示的な実施形態を示す概略図である。コンバータ２０２Ｂは、スイッチ回路部分６０１及び６０２Ａを含む。部分６０１は、コンバータ２０２Ａと同様の方法でフルブリッジとして構成されたスイッチＳ３～Ｓ６を含み、ＩＯ１及びＩＯ２をＩＯ３及びＩＯ４のいずれかに選択的に結合し、それによってモジュール１０８Ｂの出力電圧を変更するように構成されている。部分６０２Ａは、ハーフブリッジとして構成され、ポートＩＯ１とＩＯ２との間で結合されたスイッチＳ１及びＳ２を含む。結合インダクタＬＣは、スイッチ部分６０２Ａが、（ブースト又はバック）電圧（又は逆電流）を調節することができる双方向コンバータとなるように、ポートＩＯ５と、スイッチＳ１とスイッチ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、仮想ゼロ電位とすることができるポートＩＯ２を参照する＋ＶＤＣＬ２及び０である２つの異なる電圧をノード１で生成することができる。エネルギーソース２０２Ｂから引き出される、又はエネルギーソース２０２Ｂに入力される電流は、例えば、スイッチＳ１及びＳ２を整流するためのパルス幅変調技術又はヒステリシス制御方法を使用して、結合インダクタＬＣ上の電圧を調節することによって制御することができる。他の技術を使用することもできる。
スイッチ部分６０２Ｂは、ハーフブリッジとして構成され、かつポートＩＯ５とＩＯ２との間で結合されたスイッチＳ１及びＳ２を含むため、コンバータ２０２Ｃは、２０２Ｂのものとは異なる。結合インダクタＬＣは、スイッチ部分６０２Ｂが、電圧を調節するように構成されるように、ポートＩＯ１と、スイッチＳ１とスイッチ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又はＬＣＤ１１４は、各ゲートへの制御入力ライン１１８－３を介して、コンバータ２０２Ｂ及び２０２Ｃの各スイッチを独立して制御することができる。これらの実施形態及び図６Ａの実施形態では、ＬＣＤ１１４（ＭＣＤ１１２ではない）は、コンバータスイッチのためのスイッチング信号を生成する。代替的に、ＭＣＤ１１２は、スイッチに直接的に通信することができるか、又はＬＣＤ１１４によって中継することができる、スイッチング信号を生成することができる。いくつかの実施形態では、スイッチング信号を生成するためのドライバ回路は、ＭＣＤ１１２及び／若しくはＬＣＤ１１４に存在するか、又はＭＣＤ１１２及び／若しくはＬＣＤ１１４に関連付けることができる。
前述のコンバータ２０２のゼロ電圧構成（Ｓ４及びＳ６がオフの状態でＳ３及びＳ５をオンにする、又はＳ３及びＳ５がオフの状態でＳ４及びＳ６をオンにする）は、所与のモジュールのバイパス状態と称することもできる。このバイパス状態は、所与のモジュールで障害が検出された場合、又はアレイ又はシステム内の複数の（又は全てのモジュール）のシャットオフを保証するシステム障害が検出された場合に入力することができる。モジュールの障害は、ＬＣＤ１１４によって検出することができ、コンバータ２０２に対する制御スイッチング信号は、ＭＣＤ１１２による介入なしにバイパス状態に係合するように設定することができる。代替的に、所与のモジュールの障害情報は、ＬＣＤ１１４によってＭＣＤ１１２に通信することができ、ＭＣＤ１１２は次いで、バイパス状態に係合するかどうかを決定することができ、係合する場合、障害を有するモジュールに関連付けられたＬＣＤ１１４にバイパス状態に係合する命令を通信することができ、その時点で、ＬＣＤ１１４は、スイッチング信号を出力して、バイパス状態の係合を引き起こすことができる。
モジュール１０８が３つ以上のエネルギーソース２０６を含む実施形態では、コンバータ２０２Ｂ及び２０２Ｃは、各々の追加のエネルギーソース２０６Ｂが、特定のソースの必要性に応じて、追加のスイッチ回路部分６０２Ａ又は６０２Ｂにつながる追加のＩＯポートに結合されるように、それに応じてスケーリングすることができる。例えば、デュアルソースコンバータ２０２は、スイッチ部分２０２Ａと２０２Ｂの両方を含むことができる。
複数のエネルギーソース２０６を有するモジュール１０８は、エネルギーソース２０６間のエネルギー共有、アプリケーション内からのエネルギー取り込み（例えば、回生制動）、システム全体が放電状態にある間であっても二次ソースによる一次ソースの充電、及びモジュール出力のアクティブフィルタリングなどの追加機能を実行することが可能である。アクティブフィルタリング機能は、二次エネルギーソースの代わりに、典型的な電解コンデンサを有するモジュールによって実行することもできる。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、及び２０１９年３月２２日に出願され、Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌと題された、国際出願第２０１９／１８３５５３号により詳細に記載されており、これらの両方は、あらゆる目的のためにその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
各モジュール１０８は、１つ以上の補助負荷にその１つ以上のエネルギーソース２０６を供給するように構成することができる。補助負荷は、一次負荷１０１よりも低い電圧を必要とする負荷である。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、又は電気自動車のＨＶＡＣシステムとすることができる。システム１００の負荷は、例えば、電気自動車モータ又は電気グリッドの位相のうちの１つとすることができる。この実施形態は、エネルギーソースの電気特性（端子電圧及び電流）と負荷の電気特性との間の完全な分離を可能にすることができる。
図３Ｃは、第１の補助負荷３０１及び第２の補助負荷３０２に電力を供給するように構成されたモジュール１０８Ｃの例示的な実施形態を示すブロック図であり、モジュール１０８Ｃは、図３Ｂと同様の方法で一緒に結合されたエネルギーソース２０６、エネルギーバッファ２０４、及びコンバータ２０２Ｂを含む。第１の補助負荷３０１は、ソース２０６から供給される電圧と同等の電圧を必要とする。負荷３０１は、モジュール１０８ＣのＩＯポート３及び４に結合され、これらは次いで、ソース２０６のポートＩＯ１及びＩＯ２に結合される。ソース２０６は、電力接続部１１０及び負荷３０１の両方に電力を出力することができる。第２の補助負荷３０２は、ソース２０６の電圧よりも低い一定の電圧を必要とする。負荷３０２は、モジュール１０８ＣのＩＯポート５及び６に結合され、これらは、それぞれコンバータ２０２ＢのポートＩＯ５及びＩＯ２に結合される。コンバータ２０２Ｂは、ポートＩＯ５に結合された結合インダクタＬＣを有するスイッチ部分６０２を含むことができる（図６Ｂ）。ソース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に供給することができる。負荷３０２は、入力コンデンサを有する（そうでない場合、コンデンサをモジュール１０８Ｃに追加することができる）と想定しているので、スイッチＳ１及びＳ２を整流して、結合インダクタＬＣを通る電圧及び電流を調節し、したがって、負荷３０２に対して安定した一定の電圧を生成することができる。この調節は、負荷３０２によって必要とされるより低い大きさの電圧にソース２０６の電圧をステップダウンすることができる。
したがって、モジュール１０８Ｃは、ＩＯポート３及び４に結合された１つ以上の第１の負荷を伴って、負荷３０１に関して記載された方法で、１つ以上の第１の補助負荷を供給するように構成することができる。モジュール１０８Ｃはまた、負荷３０２に関して記載された方法で、１つ以上の第２の補助負荷を供給するように構成することができる。複数の第２の補助負荷３０２が存在する場合、追加の負荷３０２ごとに、モジュール１０８Ｃは、追加の専用モジュール出力ポート（５及び６のような）、追加の専用スイッチ部分６０２、及び追加の部分６０２に結合された追加のコンバータＩＯポートで、スケーリングすることができる。
したがって、エネルギーソース２０６は、任意の数の補助負荷（例えば、３０１及び３０２）、並びに一次負荷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に電力を供給することができる。ソース２０６から様々な負荷への電力フローは、所望に応じて調整することができる。
モジュール１０８は、必要に応じて、２つ以上のエネルギーソース２０６（図３Ｂ）で構成することができ、各追加のエネルギーソース２０６Ｂ又は第２の補助負荷３０２のためのスイッチ部分６０２及びコンバータポートＩＯ５を追加することによって、第１及び／又は第２の補助負荷（図３Ｃ）を供給する。必要に応じて、追加のモジュールＩＯポート（例えば、３、４、５、６）を追加することができる。モジュール１０８はまた、本明細書に更に記載のように、２つ以上のアレイ、２つ以上のパック、又は２つ以上のシステム１００の間で（例えば、バランシングのために）エネルギーを交換する相互接続モジュールとして構成することができる。この相互接続機能は、同様に、複数のソース及び／又は複数の補助負荷供給機能と組み合わせることができる。
制御システム１０２は、モジュール１０８Ａ、１０８Ｂ、及び１０８Ｃの構成要素に関して様々な機能を実行することができる。これらの機能は、各エネルギーソース２０６の利用（使用量）の管理、過電流、過電圧及び高温状態からのエネルギーバッファ２０４の保護、並びにコンバータ２０２の制御及び保護を含むことができる。
例えば、各エネルギーソース２０６の利用率を管理する（例えば、増加、減少、又は維持することによって調整する）ために、ＬＣＤ１１４は、各エネルギーソース２０６（又は監視回路）から１つ以上の監視された電圧、温度、及び電流を受信することができる。監視される電圧は、ソース２０６の他の構成要素（例えば、各個々のバッテリセル、ＨＥＤコンデンサ、及び／又は燃料電池）とは独立した各基本構成要素の電圧、又は全体としての基本構成要素のグループの電圧（例えば、バッテリアレイ、ＨＥＤコンデンサアレイ、及び／又は燃料電池アレイの電圧）、のうちの少なくとも１つ、好ましくは全てとすることができる。同様に、監視された温度及び電流は、ソース２０６の他の構成要素とは独立した各基本構成要素の温度及び電流、又は全体としての基本構成要素のグループの温度及び電流、又はそれらの任意の組み合わせ、のうちの少なくとも１つ、好ましくは全てとすることができる。監視された信号は、ステータス情報とすることができ、これにより、ＬＣＤ１１４は、基本構成要素又は基本構成要素のグループの実際の容量、実際の充電状態（ＳＯＣ）及び／又は健康状態（ＳＯＨ）の計算又は決定、監視された及び／又は計算されたステータス情報に基づいて警告又はアラーム表示を設定又は出力すること、及び／又はステータス情報をＭＣＤ１１２に送信すること、のうちの１つ以上を実行することができる。ＬＣＤ１１４は、ＭＣＤ１１２から制御情報（例えば、変調インデックス、同期信号）を受信し、この制御情報を使用して、ソース２０６の利用率を管理するコンバータ２０２のためのスイッチ信号を生成することができる。
エネルギーバッファ２０４を保護するために、ＬＣＤ１１４は、エネルギーバッファ２０４（又は監視回路）から１つ以上の監視された電圧、温度、及び電流を受信することができる。監視される電圧は、他の構成要素とは独立したバッファ２０４の各基本構成要素（例えば、ＣＥＢ、ＣＥＢ１、ＣＥＢ２、ＬＥＢ１、ＬＥＢ２、ＤＥＢ）の電圧、又は全体としての基本構成要素のグループ若しくはバッファ２０４の電圧（例えば、ＩＯ１とＩＯ２の間、又はＩＯ３とＩＯ４の間）、のうちの少なくとも１つ、好ましくは全てとすることができる。同様に、監視された温度及び電流は、他の構成要素とは独立したバッファ２０４の各基本構成要素の温度及び電流、又は全体としての基本構成要素のグループ若しくはバッファ２０４の温度及び電流、又はそれらの任意の組み合わせ、のうちの少なくとも１つ、好ましくは全てとすることができる。監視される信号は、ＬＣＤ１１４が、警告又はアラーム表示を設定又は出力すること、ステータス情報をＭＣＤ１１２に通信すること、又はバッファ保護のために全体としてのソース２０６及びモジュール１０８の利用率を調整（増加又は減少）するための制御コンバータ２０２、のうちの１つ以上を実行することができるステータス情報とすることができる。
コンバータ２０２を制御及び保護するために、ＬＣＤ１１４は、ＭＣＤ１１２から制御情報（例えば、変調された基準信号、又は基準信号及び変調インデックス）を受信することができ、これは、ＬＣＤ１１４内のＰＷＭ技術とともに使用して、各スイッチ（例えば、Ｓ１～Ｓ６）のための制御信号を生成することができる。ＬＣＤ１１４は、コンバータ２０２の電流センサから電流フィードバック信号を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、短絡又は断線障害モード）に関する情報を運ぶことができる、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することができる。このデータに基づいて、ＬＣＤ１１４は、モジュール１０８の利用率を管理するためにどのスイッチング信号の組み合わせを適用するか、及び潜在的にシステム１００からコンバータ２０２（及びモジュール１０８全体）をバイパス又は切断するかを決定することができる。
第２の補助負荷３０２を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において、１つ以上の監視された電圧（例えば、ＩＯポート５とＩＯポート６との間の電圧）と、１つ以上の監視された電流（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、（例えば、変調インデックス又は基準波形の調整によって）Ｓ１及びＳ２の切り替えサイクルを調整して、負荷３０２の電圧を制御（及び安定化）することができる。
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は、アレイ内の各モジュール１０８によって生成された別個の電圧の重ね合わせによって形成された電圧信号を出力するカスケードアレイで一緒に結合することができる。図７Ａは、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て直列アレイ７００を形成する、システム１００のためのトポロジーの例示的な実施形態を示すブロック図である。本明細書に記載のこの実施形態及び全ての実施形態では、Ｎは、１より大きい任意の整数とすることができる。アレイ７００は、アレイ出力電圧が生成される第１のシステムＩＯポートＳＩＯ１及び第２のシステムＩＯポートＳＩＯ２を含む。アレイ７００は、アレイ７００のＳＩＯ１及びＳＩＯ２に接続することができる、ＤＣ又はＡＣ単相負荷のためのＤＣ又は単相ＡＣエネルギーソースとして使用することができる。図８Ａは、４８ボルトのエネルギーソースを有する単一のモジュール１０８によって生成される出力信号の例を示す、電圧対時間のプロットである。図８Ｂは、直列に結合された６つの４８Ｖモジュール１０８を有するアレイ７００によって生成された例示的な単相ＡＣ出力信号を示す、電圧対時間のプロットである。
システム１００は、アプリケーションの様々なニーズを満たすために、多種多様な異なるトポロジーに配置することができる。システム１００は、複数のアレイ７００の使用によって負荷に多相電力（例えば、２相、３相、４相、５相、６相など）を供給することができ、各アレイは、異なる位相角を有するＡＣ出力信号を生成することができる。
図７Ｂは、一緒に結合された２つのアレイ７００－ＰＡ及び７００－ＰＢを有するシステム１００を示すブロック図である。各アレイ７００は、Ｎ個のモジュール１０８の直列接続によって形成される、一次元である。２つのアレイ７００－ＰＡ及び７００－ＰＢは、各々単相ＡＣ信号を生成することができ、２つのＡＣ信号は、異なる位相角ＰＡ及びＰＢ（例えば、１８０度離れている）を有する。各アレイ７００－ＰＡ及び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及びＳＩＯ２を形成又はそれらに接続することができ、これは次いで、負荷（図示せず）に２相電力を供給することができる各アレイの第１の出力として機能することができる。又は、代替的に、ポートＳＩＯ１及びＳＩＯ２を接続して、２つの並列アレイから単相電力を供給することができる。各アレイ７００－ＰＡ及び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及びＳＩＯ２からのアレイの反対側の端部の各アレイ７００－ＰＡ及び７００－ＰＢのための第２の出力として機能することができ、共通ノードで一緒に結合することができ、所望に応じて、中立として機能することができる追加のシステムＩＯポートＳＩＯ３のために任意選択に使用することができる。この共通ノードは、レールと称することができ、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することができる。
図７Ｃは、一緒に結合された３つのアレイ７００－ＰＡ、７００－ＰＢ、及び７００－ＰＣを有するシステム１００を示すブロック図である。各アレイ７００は、Ｎ個のモジュール１０８の直列接続によって形成される、一次元である。３つのアレイ７００－１及び７００－２は、各々単相ＡＣ信号を生成することができ、その３つのＡＣ信号は、異なる位相角ＰＡ、ＰＢ、ＰＣ（例えば、１２０度離れている）を有する。各アレイ７００－ＰＡ、７００－ＰＢ、及び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、及びＳＩＯ３を形成又はそれらに接続することができ、これは、次いで、負荷（図示せず）に３相電力を供給することができる。各アレイ７００－ＰＡ、７００－ＰＢ、及び７００－ＰＣのモジュール１０８－ＮのＩＯポート２は、共通のノードで一緒に結合することができ、所望に応じて、中立として機能することができる追加のシステムＩＯポートＳＩＯ４のために任意選択に使用することができる。
図７Ｂ及び７Ｃの２相及び３相の実施形態に関して記載された概念は、更に多くの相の電力を生成するシステム１００に拡張することができる。例えば、追加の例の非網羅的な列挙として、４つのアレイ７００を有するシステム１００であって、それらの各々が、異なる位相角（例えば、９０度離れて）を有する単相ＡＣ信号を生成するように構成されている、システム１００と、５つのアレイ７００を有するシステム１００であって、それらの各々が、異なる位相角（例えば、７２度離れて）を有する単相ＡＣ信号を生成するように構成されている、システム１００と、６つのアレイ７００を有するシステム１００であって、それらの各々が、異なる位相角（例えば、６０度離れて）を有する単相ＡＣ信号を生成するように構成されている、システム１００と、が挙げられる。
システム１００は、アレイ７００が各アレイ内のモジュール１０８間の電気ノードで相互接続されるように構成することができる。図７Ｄは、組み合わせられた直列かつデルタ配列で一緒に結合された３つのアレイ７００－ＰＡ、７００－ＰＢ、及び７００－ＰＣを有するシステム１００を示すブロック図である。各アレイ７００は、第１の直列接続のＭ個のモジュール１０８を含み、Ｍは２つ以上であり、これは、第２の直列接続のＮ個のモジュール１０８と結合され、Ｎは２つ以上である。デルタ構成は、任意の所望の場所に置くことができるアレイ間の相互接続によって形成される。この実施形態では、アレイ７００－ＰＣのモジュール１０８－（Ｍ＋Ｎ）のＩＯポート２は、モジュール１０８－ＭのＩＯポート２及びアレイ７００－ＰＡのモジュール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、モジュール１０８－ＭのＩＯポート２及びアレイ７００－ＰＣのモジュール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、モジュール１０８－ＭのＩＯポート２及びアレイ７００－ＰＢのモジュール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かつデルタ配列で一緒に結合された３つのアレイ７００－ＰＡ、７００－ＰＢ、及び７００－ＰＣを有するシステム１００を示すブロック図である。この実施形態は、異なる交差接続を有することを除いて、図７Ｄのものと同様である。この実施形態では、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及び図７Ｅの配列は、各アレイ７００内のわずか２つのモジュールで実装することができる。組み合わせられたデルタかつ直列構成は、システムの全てのモジュール１０８（位相間バランシング）と電力グリッド又は負荷の位相との間の効果的なエネルギー交換を可能にし、また、所望の出力電圧を得るためにアレイ７００内のモジュール１０８の総数を減少させることを可能にする。
本明細書に記載の実施形態では、モジュール１０８の数がシステム１００内の各アレイ７００で同じであることが有利であるが、そのようなことは必須ではなく、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。更に、各アレイ７００は、同じ構成（例えば、全てのモジュールは１０８Ａであり、全てのモジュールは１０８Ｂであり、全てのモジュールは１０８Ｃである、又はその他）又は異なる構成（例えば、１つ以上のモジュールは１０８Ａであり、１つ以上は１０８Ｂであり、１つ以上は１０８Ｃである、又はその他）の全てであるモジュール１０８を有することができる。このように、本明細書でカバーされるシステム１００のトポロジーの範囲は広い。
制御方法の例
言及されるように、システム１００の制御は、ヒステリシス又はＰＷＭなどの様々な方法に従って実行することができる。ＰＷＭのいくつかの例は、空間ベクトル変調及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、それらの間で電力を等しく分配するために各モジュール１０８の利用を連続的に回転させる位相シフトキャリア技術で生成される。
図８Ｃ～８Ｆは、増分的にシフトされた２レベルの波形を使用してマルチレベル出力ＰＷＭ波形を生成することができる位相シフトされたＰＷＭ制御方法の例示的な実施形態を示すプロットである。ＸレベルＰＷＭ波形は、（Ｘ－１）／２の２レベルＰＷＭ波形の合計によって作成することができる。これらの２レベル波形は、基準波形Ｖｒｅｆを３６０°／（Ｘ－１）だけシフトされたキャリアと比較することによって生成することができる。キャリアは三角形であるが、実施形態はそのようなものに限定されない。９レベルの例を（４つのモジュール１０８を使用して）図８Ｃに示す。キャリアは、３６０°／（９－１）＝４５°ずつ増分シフトされ、Ｖｒｅｆと比較される。その結果として得られる２レベルＰＷＭ波形を図８Ｅに示す。これらの２つのレベルの波形は、コンバータ２０２の半導体スイッチ（例えば、Ｓ１～Ｓ６）のためのスイッチング信号として使用され得る。図８Ｅを参照した例として、コンバータ２０２を各々有する４つのモジュール１０８を含む一次元アレイ７００の場合、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、及び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、及び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、及び２７０信号は、第３のモジュール１０８－３のＳ６のためのものであり、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、及び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、Ｓ４に相補的であり、Ｓ５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のに十分なデッドタイムで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（加算）によって生成される例示的な単相ＡＣ波形を示す。
代替案は、第１の（ｎ－１）／２のキャリアで正の基準信号と負の基準信号の両方を利用することである。９レベルの例を図８Ｄに示す。この例では、０°～１３５°のスイッチング信号（図８Ｅ）は、＋Ｖｒｅｆを図８Ｄの０°～１３５°のキャリアと比較することによって生成され、１８０°～３１５°のスイッチング信号は、－Ｖｒｅｆを図８Ｄの０°～１３５°のキャリアと比較することによって生成される。しかしながら、後者の場合の比較の論理は逆になる。ステートマシンデコーダなどの他の技術は、コンバータ２０２のスイッチのためのゲート信号を生成するためにも使用され得る。
多相システムの実施形態では、同じキャリアを各位相に使用することができ、又はキャリアのセットを各位相に対して全体としてシフトすることができる。例えば、単一の基準電圧（Ｖｒｅｆ）を有する３相システムでは、各アレイ７００は、図８Ｃ及び図８Ｄに示されるように、同じ数のキャリアを同じ相対オフセットで使用することができるが、２番目の位相のキャリアは、１番目の位相のキャリアと比較して１２０度シフトされ、３番目の位相のキャリアは、１番目の位相のキャリアと比較して２４０度シフトされる。各位相に対して異なる基準電圧が利用可能である場合、次いで、位相情報は、基準電圧において搬送することができ、同じキャリアは、各位相に対して使用することができる。多くの場合、キャリア周波数は固定されるが、いくつかの例示的な実施形態では、キャリア周波数を調整することができ、これは、高電流条件下でのＥＶモータの損失を低減するのに役立たせることができる。
適切なスイッチング信号を、制御システム１０２によって各モジュールに提供することができる。例えば、ＭＣＤ１１２は、ＬＣＤ１１４が制御するモジュール又は複数のモジュール１０８に応じて、Ｖｒｅｆ及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、スイッチング信号を生成することができる。又は、アレイ内の全てのＬＣＤ１１４に全てのキャリア信号を提供することができ、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の相対利用率は、バランシングを実行するために、又は本明細書に記載されるような１つ以上のパラメータのステータス情報に基づいて調整することができる。パラメータのバランシングは、個々のモジュール利用率調整が実行されないシステムと比較して、時間の経過とともにパラメータの分散を最小限に抑えるために利用率を調整することを伴うことができる。利用率は、システム１００が放電状態にあるときにモジュール１０８が放電している相対時間量、又はシステム１００が充電状態にあるときにモジュール１０８が充電している相対時間量とすることができる。
本明細書に記載されるように、モジュール１０８は、アレイ７００内の他のモジュールに対してバランスをとることができ、これは、アレイ内バランシング（ｉｎｔｒａ ａｒｒａｙ ｂａｌａｎｃｉｎｇ）又は位相内バランシング（ｉｎｔｒａｐｈａｓｅ ｂａｌａｎｃｉｎｇ）と称することができ、異なるアレイ７００は、互いに対してバランスをとることができ、これは、アレイ間バランシング（ｉｎｔｅｒａｒｒａｙ ｂａｌａｎｃｉｎｇ）又は位相間バランシング（ｉｎｔｅｒｐｈａｓｅ ｂａｌａｎｃｉｎｇ）と称することができる。異なるサブシステムのアレイ７００も、互いに対してバランスをとることができる。制御システム１０２は、位相内バランシング、位相間バランシング、モジュール内の複数のエネルギーソースの利用、アクティブフィルタリング、及び補助負荷供給の任意の組み合わせを同時に実行することができる。
図９Ａは、単相ＡＣ又は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の例示的な実施形態を示すブロック図である。アレイコントローラ９００は、ピーク検出器９０２、ディバイダ９０４、及び位相内（又はアレイ内）バランスコントローラ９０６を含むことができる。アレイコントローラ９００は、基準電圧波形（Ｖｒ）及びアレイ内のＮ個のモジュール１０８の各々に関するステータス情報（例えば、充電状態（ＳＯＣｉ）、温度（Ｔｉ）、容量（Ｑｉ）、及び電圧（Ｖｉ））を入力として受信し、正規化された基準電圧波形（Ｖｒｎ）及び変調インデックス（Ｍｉ）を出力として生成することができる。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が動作している位相及び／又はバランスをとっている位相に固有とすることができる。ディバイダ９０４は、Ｖｒをその検出されたＶｐｋで除算することによってＶｒｎを生成する。位相内バランスコントローラ９０６は、ステータス情報（例えば、ＳＯＣｉ、Ｔｉ、Ｑｉ、Ｖｉなど）とともにＶｐｋを使用して、制御されているアレイ７００内の各モジュール１０８のための変調インデックスＭｉを生成する。
変調インデックス及びＶｒｎは、各コンバータ２０２のためのスイッチング信号を生成するために使用することができる。変調インデックスは、ゼロと１との間の数（ゼロと１を含む）とすることができる。特定のモジュール１０８について、正規化された基準Ｖｒｎは、Ｍｉによって変調又はスケーリングすることができ、この変調された基準信号（Ｖｒｎｍ）は、図８Ｃ～８Ｆに関して記載したＰＷＭ技術に従って、又は他の技術に従って、Ｖｒｅｆ（又は－Ｖｒｅｆ）として使用することができる。このようにして、変調インデックスを使用して、コンバータ切り替え回路（例えば、Ｓ３～Ｓ６又は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の動作を調節することができる。例えば、通常動作又はフル動作を維持するように制御されるモジュール１０８は、１のＭｉを受信し得、通常動作又はフル動作未満に制御されるモジュール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、０のＭｉを受信し得る。この動作は、制御システム１０２によって、例えば、ＭＣＤ１１２が変調及びスイッチ信号生成のためにＶｒｎ及びＭｉを適切なＬＣＤ１１４に出力することによって、ＭＣＤ１１２がスイッチ信号生成のために変調を実行して変調されたＶｒｎｍを適切なＬＣＤ１１４に出力することによって、又はＭＣＤ１１２が変調及びスイッチ信号生成を実行してスイッチ信号を各モジュール１０８のＬＣＤ又はコンバータ２０２に直接的に出力することによってなど、様々な方法で実行することができる。Ｖｒｎは、Ｖｒｎの期間ごとに１回、又は１分ごとに１回など、定期的な間隔で送信されるＭｉで連続的に送信することができる。
コントローラ９０６は、本明細書に記載のステータス情報（例えば、ＳＯＣ、温度（Ｔ）、Ｑ、ＳＯＨ、電圧、電流）の任意のタイプ又はタイプの組み合わせを使用して、モジュール１０８ごとにＭｉを生成することができる。例えば、ＳＯＣ及びＴを使用する場合、ＳＯＣが比較的高く、かつ温度がアレイ７００内の他のモジュール１０８と比較して比較的低い場合、モジュール１０８は、比較的高いＭｉを有することができる。ＳＯＣが比較的低い場合、又はＴが比較的高い場合、そのモジュール１０８は、比較的低いＭｉを有することができ、その結果、アレイ７００内の他のモジュール１０８よりも利用率が低くなる。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、各モジュールのソース２０６の電圧とそのモジュールに対するＭｉとの積の合計とすることができる（例えば、Ｖｐｋ＝Ｍ１Ｖ１＋Ｍ２Ｖ２＋Ｍ３Ｖ３．．．＋ＭＮＶＮなど）。変調インデックスの異なる組み合わせ、したがって、モジュールによるそれぞれの電圧寄与が使用されてもよいが、総生成電圧は同じままであるべきである。
コントローラ９００は、各モジュール１０８内のエネルギーソースのＳＯＣがバランスを保つように、若しくはバランスがとれていない場合にバランスのとれた状態に収束するように、及び／又は各モジュール内のエネルギーソース又は他の構成要素（例えば、エネルギーバッファ）の温度がバランスを保つように、若しくはバランスがとれていない場合にバランスのとれた状態に収束するように、いつでも（例えば、ＥＶの最大加速中など）システムの電力出力要件を達成することを妨げない範囲で、動作を制御することができる。ソース間の容量差がＳＯＣ偏差を引き起こさないように、モジュールの出入りの電力流を調節することができる。ＳＯＣ及び温度のバランシングは、ＳＯＨのバランシングを間接的に引き起こす可能性がある。電圧及び電流は、所望に応じて直接的にバランスをとることができるが、多くの実施形態では、システムの主な目的は、ＳＯＣ及び温度のバランスをとることであり、ＳＯＣのバランスをとることは、モジュールが同様の容量及びインピーダンスを有する非常に対称的なシステムにおける電圧及び電流のバランスをもたらすことができる。
全てのパラメータのバランスを同時にとることは不可能であり得る（例えば、１つのパラメータのバランシングは、別のパラメータのバランスを更にとることができない）ので、任意の２つ以上のパラメータ（ＳＯＣ、Ｔ、Ｑ、ＳＯＨ、Ｖ、Ｉ）のバランスをとることの組み合わせは、アプリケーションの要件に応じて、いずれかに優先されて適用されてもよい。バランシングの優先順位は、他のパラメータ（Ｔ、Ｑ、ＳＯＨ、Ｖ、Ｉ）よりもＳＯＣに与えることができ、例外は、他のパラメータ（Ｔ、Ｑ、ＳＯＨ、Ｖ、Ｉ）のうちの１つが閾値外の深刻なバランスのとれていない状態に達した場合に行われる。
異なる位相のアレイ７００（又は、例えば、並列アレイが使用される場合、同じ位相のアレイ）間のバランス調整は、位相内バランシングと同時に実行することができる。図９Ｂは、少なくともΩアレイ７００を有し、Ωが１よりも大きい任意の整数である、Ω位相システム１００内での動作のために構成されたΩ位相（又はΩアレイ）コントローラ９５０の例示的な実施形態を示す。コントローラ９５０は、１つの位相間（又はアレイ間）コントローラ９１０及び位相ＰＡ～ＰΩのためのΩ位相内バランスコントローラ９０６－ＰＡ．．．９０６－ＰΩ、並びに各位相固有の基準ＶｒＰＡ～ＶｒＰΩから正規化された基準ＶｒｎＰＡ～ＶｒｎＰΩを生成するためのピーク検出器９０２及びディバイダ９０４（図９Ａ）を含むことができる。イントラフェースコントローラ９０６は、図９Ａに関して記載したように、各アレイ７００の各モジュール１０８のためのＭｉを生成することができる。位相間バランスコントローラ９１０は、例えば、異なる位相のアレイ間で、多次元システム全体にわたってモジュール１０８の態様をバランスさせるように構成又はプログラムされる。これは、共通モードを位相に投入すること（例えば、中性点シフト）によって、又は相互接続モジュールの使用（本明細書に記載）によって、又はその両方によって達成され得る。共通モード投入は、１つ以上のアレイ内のアンバランスを補償するために、基準信号ＶｒＰＡ～ＶｒＰΩへの位相及び振幅シフトを導入して、正規化された波形ＶｒｎＰＡ～ＶｒｎＰΩを生成することを含み、これは、国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０／２５３６６号に更に記載され、本明細書に組み込まれる。
コントローラ９００及び９５０（並びにバランスコントローラ９０６及び９１０）は、制御システム１０２内のハードウェア、ソフトウェア、又はそれらの組み合わせで実装することができる。コントローラ９００及び９５０は、ＭＣＤ１１２内に実装することができ、ＬＣＤ１１４の間に部分的又は完全に分散されることができ、又はＭＣＤ１１２及びＬＣＤ１１４とは独立した別個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
モジュール１０８は、アレイ間でエネルギーを交換する目的で、又は補助負荷のソースとして機能する目的で、又はその両方の目的で、異なるアレイ７００のモジュール間で接続することができる。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と称する。ＩＣモジュール１０８ＩＣは、既に記載されたモジュール構成（１０８Ａ、１０８Ｂ、１０８Ｃ）のいずれか及び本明細書で記載の他の構成に実装することができる。ＩＣモジュール１０８ＩＣは、任意の数の１つ以上のエネルギーソース、任意選択のエネルギーバッファ、１つ以上のアレイにエネルギーを供給するための、及び／又は１つ以上の補助負荷に電力を供給するためのスイッチ回路、制御回路（例えば、ローカル制御デバイス）、及びＩＣモジュール自体又はその様々な負荷に関するステータス情報（例えば、エネルギーソースのＳＯＣ、エネルギーソース又はエネルギーバッファの温度、エネルギーソースの容量、エネルギーソースのＳＯＨ、ＩＣモジュールに関連する電圧及び／又は電流測定値、補助負荷に関連する電圧及び／又は電流測定値など）を収集するための監視回路を含むことができる。
図１０Ａは、Ωアレイ７００－ＰＡ～７００－ＰΩでΩ位相電力を生成することができるシステム１００の例示的な実施形態を示すブロック図であり、Ωは１より大きい任意の整数とすることができる。この実施形態及び他の実施形態では、ＩＣモジュール１０８ＩＣは、モジュール１０８ＩＣが接続されているアレイ７００（この実施形態では、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のレール側に位置することができる。ここで、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ΩＩＯポートを有する。ここに示される構成では、モジュール１０８ＩＣは、モジュール１０８ＩＣの１つ以上のエネルギーソースを、アレイ７００－ＰＡ～７００－ＰΩの１つ以上に選択的に接続することによって（又は、位相間バランシングが必要でない場合は、出力なしに、又は等しく全ての出力に）位相間バランシングを実行することができる。システム１００は、制御システム１０２（図示せず、図１Ａを参照）によって制御することができる。
図１０Ｂは、モジュール１０８ＩＣの例示的な実施形態を示す概略図である。この実施形態では、モジュール１０８ＩＣは、エネルギーバッファ２０４に接続されたエネルギーソース２０６を含み、エネルギーバッファ２０４は、スイッチ回路６０３に接続される。スイッチ回路６０３は、それぞれ独立してエネルギーソース２０６をアレイ７００－ＰＡ～７００－ＰΩの各々に接続するためのスイッチ回路ユニット６０４－ＰＡ～６０４－ＰΩを含むことができる。様々なスイッチ構成は、本実施形態では、２つの半導体スイッチＳ７及びＳ８を有するハーフブリッジとして構成されている、各ユニット６０４に使用することができる。各ハーフブリッジは、ＬＣＤ１１４からの制御ライン１１８－３によって制御される。この構成は、図３Ａに関して記載したモジュール１０８Ａと同様である。コンバータ２０２に関して記載したように、スイッチ回路６０３は、アプリケーションの要件に好適な任意の配列で、かつ任意のスイッチタイプ（例えば、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、シリコン、ＧａＮなど）で構成することができる。
スイッチ回路ユニット６０４は、エネルギーソース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によって制御されて、電圧＋ＶＩＣ又は－ＶＩＣ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ことができる。制御システム１０２は、本明細書に記載のＰＷＭ及びヒステリシス技術を含む任意の所望の制御技術に従ってスイッチ回路６０３を制御することができる。ここで、制御回路１０２は、ＬＣＤ１１４及びＭＣＤ１１２（図示せず）として実装される。ＬＣＤ１１４は、モジュール１０８ＩＣの監視回路からモニタリングデータ又はステータス情報を受信することができる。このモニタリングデータ及び／又はこのモニタリングデータから導出された他のステータス情報は、本明細書に記載するようにシステム制御での使用のためにＭＣＤ１１２に出力することができる。ＬＣＤ１１４はまた、システム１００のモジュール１０８と、ＰＷＭ（図８Ｃ～８Ｄ）で使用される鋸歯信号のような１つ以上のキャリア信号（図示せず）との同期を目的として、タイミング情報（図示せず）を受信することができる。
位相間バランシングの場合、ソース２０６からの比例したより多くのエネルギーは、他のアレイ７００と比較して充電が比較的低い、アレイ７００－ＰＡ～７００－ＰΩのうちのいずれか１つ以上に供給することができる。特定のアレイ７００へのこの補助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されたモジュール１０８－１～１０８－Ｎのエネルギー出力が、供給されていない位相アレイに対して減少することを可能にする。
例えば、ＰＷＭを適用するいくつかの例示的な実施形態では、ＬＣＤ１１４は、例えば、ＶｒｎＰＡ～ＶｒｎＰΩに、モジュール１０８ＩＣが結合されている１つ以上のアレイ７００の各々について、正規化された電圧基準信号（Ｖｒｎ）（ＭＣＤ１１２から）を受信するように構成することができる。ＬＣＤ１１４はまた、それぞれ各アレイ７００についてのスイッチユニット６０４－ＰＡ～６０４－ＰΩのための変調インデックスＭｉＰＡ～ＭｉＰΩをＭＣＤ１１２から受信することができる。ＬＣＤ１１４は、それぞれのＶｒｎを、そのアレイに直接的に結合されたスイッチセクションのための変調インデックスで変調する（例えば、乗算する）ことができ（例えば、ＶｒｎＡとＭｉＡを乗じる）、次いで、キャリア信号を利用して、各スイッチユニット６０４のための制御信号を生成することができる。他の実施形態では、ＭＣＤ１１２は、変調を実行し、各ユニット６０４について変調された電圧基準波形をモジュール１０８ＩＣのＬＣＤ１１４に直接的に出力することができる。更に他の実施形態では、全ての処理及び変調は、制御信号を各ユニット６０４に直接的に出力することができる単一の制御エンティティによって発生することができる。
この切り替えは、エネルギーソース２０６からの電力が適切な間隔及び持続時間でアレイ７００に供給されるように変調することができる。そのような方法は、様々な手法で実施することができる。
各アレイ内の各エネルギーソースの現在の容量（Ｑ）及びＳＯＣのような、システム１００についての収集されたステータス情報に基づいて、ＭＣＤ１１２は、各アレイ７００についての集約電荷を決定することができる（例えば、アレイについての集約電荷は、そのアレイの各モジュールについての容量対ＳＯＣの合計として決定することができる）。ＭＣＤ１１２は、バランスのとれた状態又はバランスのとれていない状態が存在するかどうかを（例えば、本明細書に記載の相対差分閾値及び他の測定基準の使用によって）判定し、それに応じて、各スイッチユニット６０４－ＰＡ～６０４－ＰΩのための変調インデックスＭｉＰＡ～ＭｉＰΩを生成することができる。
バランスのとれた動作中、各スイッチユニット６０４のためのＭｉは、エネルギーソース２０６及び／又はエネルギーバッファ２０４によって各アレイ７００に経時的に同一又は同様の量の正味エネルギーを供給させる値に設定することができる。例えば、各スイッチユニット６０４のためのＭｉは、同一又は同様にすることができ、システム１００内の他のモジュール１０８と同じレートでモジュール１０８ＩＣを排出するように、バランスのとれた動作中にモジュール１０８ＩＣに１つ以上のアレイ７００－ＰＡ～７００－ＰΩへのエネルギーの正味又は時間平均放電を実行させるレベル又は値に設定することができる。いくつかの実施形態では、各ユニット６０４のためのＭｉは、バランスのとれた動作中にエネルギーの正味又は時間平均放電を引き起こさない（正味エネルギー放電をゼロにする）レベル又は値に設定することができる。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も低い集約電荷を有する場合に有用とすることができる。
アレイ７００間でバランスのとれていない状態が発生すると、システム１００の変調インデックスを調整して、バランスのとれた状態に向かって収束させるか、又は更なる発散を最小限に抑えることができる。例えば、制御システム１０２は、モジュール１０８ＩＣに、他のものよりも低い電荷でアレイ７００により多く放電させることができ、また、その低いアレイ７００のモジュール１０８－１～１０８－Ｎに、比較的少なく（例えば、時間平均ベースで）放電させることができる。モジュール１０８ＩＣによって寄与される相対的な正味のエネルギーは、支援されるアレイ７００のモジュール１０８－１～１０８－Ｎと比較して、また、他のアレイに寄与する正味のエネルギーモジュール１０８ＩＣの量と比較して増加する。これは、その低いアレイ７００を供給するスイッチユニット６０４のためのＭｉを増加させることによって、及びその低いアレイのためのＶｏｕｔを適切又は必要なレベルに維持する方法で、低いアレイ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て、他のより高いアレイを供給する他のスイッチユニット６０４のための変調インデックスを比較的不変に（又は減少させて）維持することによって、達成することができる。
図１０Ａ～１０Ｂのモジュール１０８ＩＣの構成は、単一のシステムに対して位相間バランシング又はアレイ間バランシングを提供するために単独で使用することができ、又は各々がエネルギーソースと、１つ以上のアレイに結合された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することができる。例えば、Ω異なるアレイ７００と結合されたΩスイッチ部分６０４を有するモジュール１０８ＩＣは、２つのモジュールがΩ＋１アレイ７００を有するシステム１００をサービスするために結合されるように、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と組み合わせることができる。任意の数のモジュール１０８ＩＣをこの方式で組み合わせることができ、各々がシステム１００の１つ以上のアレイ７００と結合される。
更に、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することができる。図１０Ｃは、ＩＣモジュールによって相互接続された第１のサブシステム１０００－１及び第２のサブシステム１０００－２を有するシステム１００の例示的な実施形態を示すブロック図である。具体的には、サブシステム１０００－１は、システムＩ／ＯポートＳＩＯ１、ＳＩＯ２、及びＳＩＯ３を介して第１の負荷（図示せず）に３相電力ＰＡ、ＰＢ、及びＰＣを供給するように構成され、サブシステム１０００－２は、それぞれシステムＩ／ＯポートＳＩＯ４、ＳＩＯ５、及びＳＩＯ０６を介して第２の負荷（図示せず）に３相電力ＰＤ、ＰＥ、及びＰＦを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及び１０００－２は、ＥＶの異なるモータに電力を供給する異なるパックとして、又は異なるマイクログリッドに電力を供給する異なるラックとして構成することができる。
この実施形態では、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）及びサブシステム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、Ｉ／Ｏポート３及び４を介して他のモジュール１０８ＩＣと電気的に接続することができ、これらは、図３Ｃのモジュール１０８Ｃに関して記載したように、各モジュール１０８ＩＣのエネルギーソース２０６と結合される。この接続は、モジュール１０８ＩＣ－１、１０８ＩＣ－２、及び１０８ＩＣ－３のソース２０６を並列に置き、したがって、モジュール１０８ＩＣによって貯蔵及び供給されるエネルギーは、この並列配列によって一緒にプールされる。深刻な接続などの他の配列も使用することができる。モジュール１０８ＩＣは、サブシステム１０００－１の共通のエンクロージャ内に収容されるが、相互接続モジュールは、共通のエンクロージャの外部にあり、かつ両方のサブシステム１０００の共通のエンクロージャの間に独立した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に関して記載したように、ＩＯポート１と結合されたスイッチユニット６０４－１と、Ｉ／Ｏポート２と結合されたスイッチユニット６０４－２と、を有する。したがって、サブシステム１０００間のバランシング（例えば、パック間バランシング又はラック間バランシング）の場合、特定のモジュール１０８ＩＣは、それが接続されている２つのアレイの一方又は両方に比較的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及び／又はアレイ７００－ＰＤに供給することができる）。制御回路は、異なるサブシステムのアレイの相対パラメータ（例えば、ＳＯＣ及び温度）を監視し、ＩＣモジュールのエネルギー出力を調整して、同じラック又は同じパックの２つのアレイ間のアンバランスを補償するのと同じ本明細書に記載の方法で、異なるサブシステムのアレイ又は位相間のアンバランスを補償することができる。３つのモジュール１０８ＩＣは全て並列であるため、エネルギーは、システム１００の任意のアレイと全てのアレイとの間で効率的に交換することができる。この実施形態では、各モジュール１０８ＩＣは、２つのアレイ７００を供給するが、システム１００の全てのアレイのための単一のＩＣモジュールと、各アレイ７００のための１つの専用ＩＣモジュール（例えば、各ＩＣモジュールが１つのスイッチユニット６０４を有する６つのアレイに対して６つのＩＣモジュール）とを含む他の構成を使用することができる。複数のＩＣモジュールを有する全ての場合において、エネルギーソースは、本明細書に記載するようにエネルギーを共有するように並列に結合することができる。
位相間のＩＣモジュールを有するシステムでは、位相間バランシングは、上述したように、中性点シフト（又は共通モード投入）によっても実行することができる。このような組み合わせは、より広い範囲の動作条件の下でより堅牢で柔軟なバランシングを可能にする。システム１００は、中性点シフトのみ、相間エネルギー投入のみ、又は両方同時の組み合わせで位相間バランシングを実行する適切な状況を決定することができる。
ＩＣモジュールはまた、１つ以上の補助負荷３０１（ソース２０６と同じ電圧で）及び／又は１つ以上の補助負荷３０２（ソース３０２から降圧された電圧で）に電力を供給するように構成することができる。図１０Ｄは、位相間バランシングを実行し、かつ補助負荷３０１及び３０２を供給するために接続された２つのモジュール１０８ＩＣを有する３相システム１００Ａの例示的な実施形態を示すブロック図である。図１０Ｅは、モジュール１０８ＩＣ－１及び１０８ＩＣ－２に重点を置いたシステム１００のこの例示的な実施形態を示す概略図である。ここで、制御回路１０２は、再び、ＬＣＤ１１４及びＭＣＤ１１２（図示せず）として実装される。ＬＣＤ１１４は、モジュール１０８ＩＣからモニタリングデータ（例えば、ＥＳ１のＳＯＣ、ＥＳ１の温度、ＥＳ１のＱ、補助負荷３０１及び３０２の電圧など）を受信することができ、本明細書に記載されるようにシステム制御での使用のために、このモニタリングデータ及び／又は他のモニタリングデータを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（又は図６Ｃに関して記載した６０２Ｂ）を含むことができ、各スイッチ部分６０２は、独立して、又はＭＣＤ１１２からの制御入力に基づいて、ＬＣＤ１１４による負荷３０２に必要な電圧レベルを維持するように制御することができる。この実施形態では、各モジュール１０８ＩＣは、１つの負荷３０２を供給するために一緒に接続されたスイッチ部分６０２Ａを含むが、そのようなものは必須ではない。
図１０Ｆは、モジュール１０８ＩＣ－１、１０８ＩＣ－２、及び１０８ＩＣ－３を備えた１つ以上の補助負荷３０１及び３０２に電力を供給するように構成された３相システムの別の例示的な実施形態を示すブロック図である。この実施形態では、モジュール１０８ＩＣ－１及び１０８ＩＣ－２は、図１０Ｄ～１０Ｅに関して記載したのと同じ方法で構成されている。モジュール１０８ＩＣ－３は、純粋に補助的な役割で構成され、システム１００の任意のアレイ７００に電圧又は電流を能動的に注入しない。この実施形態では、モジュール１０８ＩＣ－３は、１つ以上の補助スイッチ部分６０２Ａを有するコンバータ２０２Ｂ、Ｃ（図６Ｂ～６Ｃ）を有するが、スイッチ部分６０１を省略する、図３Ｂのモジュール１０８Ｃのように構成することができる。したがって、モジュール１０８ＩＣ－３の１つ以上のエネルギーソース２０６は、モジュール１０８ＩＣ－１及び１０８ＩＣ－２のそれらと並列に相互接続されており、したがって、システム１００のこの実施形態は、補助負荷３０１及び３０２を供給するための、並びにモジュール１０８ＩＣ－３のソース２０６との並列接続を介してモジュール１０８ＩＣ－１及び１０８ＩＣ－２のソース２０６Ａの電荷を維持するための、追加のエネルギーで構成されている。
各ＩＣモジュールのエネルギーソース２０６は、システムの他のモジュール１０８－１～１０８－Ｎのエネルギーソース２０６と同じ電圧及び容量とすることができるが、そのようなものは必須ではない。例えば、１つのモジュール１０８ＩＣが複数のアレイ７００（図１０Ａ）にエネルギーを印加し、ＩＣモジュールが位相アレイ自体のモジュールと同じレートで放電できるようにする実施形態では、比較的高い容量が望ましい場合がある。モジュール１０８ＩＣがまた補助負荷を供給している場合、ＩＣモジュールが補助負荷を供給し、かつ他のモジュールと比較的同じレートで放電することを可能にするように、更に大きな容量が望まれ得る。
充放電の例示的な実施形態
ここで、モジュール式エネルギーシステム１００の充電に関する例示的な実施形態を、図１１Ａ～図２３Ｂを参照して説明する。これらの実施形態は、特に明記しない限り、又は論理的に妥当でない場合を除き、図１Ａ～１０Ｆに関して記載したシステム１００の全ての態様で実施することができる。このように、本明細書で企図される多くの変形は、以下の充電の実施形態の各々に関して繰り返されない。
充電の実施形態は、システム１００の様々なモジュールに充電を供給するために充電ソースから利用可能な信号のタイプ及び個数を参照して説明される。これらの実施形態は、以下の３つの主なタイプ：充電ソースが高電圧ＤＣ充電信号を供給するＤＣ充電と、充電ソースが単一の高電圧ＡＣ充電信号を供給する単相ＡＣ充電と、充電ソースが異なる位相角を有する２つ以上の高電圧ＡＣ充電信号を供給する多相ＡＣ充電と、に分類される。簡潔にするために、多相充電の実施形態は、３相、場合によっては６相を有するシステム１００に関して記載されるが、主題は、２つ以上の異なる位相で充放電する２つ以上のアレイを有する任意のシステム１００に適用可能である。充電ソースは、特定のアプリケーションに応じて様々な構成を有することができる。静止体アプリケーションの場合、充電ソースは、エネルギーソースのタイプに関係なく、ユーティリティ又は他の電力供給者によって供給される電力グリッドとすることができる。充電ソースは、ソーラーパネルのアレイ、風力タービンなどのような再生可能エネルギーソースとすることもできる。移動体アプリケーションの場合、充電ソースは、多くの場合、ＤＣ、単相ＡＣ、又は多相ＡＣ電力を供給する充電ステーションによって電気自動車に供給される、グリッド又は再生可能エネルギーソースとすることができる。
図１１Ａ及び図１１Ｂは、モータ１１００に３相電力を供給するために移動体アプリケーションでの使用のために構成された３相システム１００であって、補助負荷３０１及び３０２に電力を供給するように構成された相互接続モジュール１０８ＩＣ－１及び１０８ＩＣ－２を有する３相システム１００の例示的な実施形態を示すブロック図である。システム１００は、アレイ７００－ＰＡのモジュール１０８－１のＳＩＯ１とＩ／Ｏポート１との間に位置するスイッチ１１０８－ＰＡ、アレイ７００－ＰＢのモジュール１０８－１のＳＩＯ２とＩ／Ｏポート１との間に位置するスイッチ１１０８－ＰＢ、及びアレイ７００－ＰＣのモジュール１０８－１のＳＩＯ３とＩ／Ｏポート１との間に位置するスイッチ１１０８－ＰＣを含む。スイッチ１１０８の各々は、制御システム１０２（例えば、ＭＣＤ１１２）（例えば、図１Ａ～１Ｃ）又は外部制御デバイス１０４（例えば、図１Ａ、１Ｂ、１Ｄ、１Ｅ）によって制御ライン上に適用される制御信号によって独立して制御可能である。
本明細書に記載のこの実施形態及び他の実施形態では、モータ１１００は、永久磁石（ＰＭ）モータ、誘導モータ、又はスイッチドリラクタンスモータ（ＳＲＭ）などの電気モータとすることができる。本明細書及び以下の実施形態の多くにおいて、システム１００は、ＩＣモジュール及び補助負荷を有する３相システムであるが、充電の主題は、同様に、ＩＣモジュール及び補助負荷の有無にかかわらず、１つ以上の位相を有する実施形態に適用することができる。
スイッチ１１０８－ＰＡ、１１０８－ＰＢ、及び１１０８－ＰＣは、ライン１１１１を介して３相充電コネクタ１１０２のポートから３相充電信号をそれぞれの位相モジュールアレイ（７００－ＰＡ、７００－ＰＢ、及び７００－ＰＣ）に切り替え可能に接続する。充電コネクタ１１０２は、充電ソースの充電コネクタ１１０４及びケーブル１１０６によって充電ソース１５０に結合することができる。３相充電には中性点接続は必要ない。スイッチ１１０８は、好ましくは電気機械スイッチ又はリレーであるが、ソリッドステートリレー（ＳＳＲ）も使用され得る。電気機械式スイッチは、電力が失われた場合に備えて、モータコイル又は巻線をモジュール式エネルギーソースに接続したままにするという高い信頼性を示す。
システム１００はまた、スイッチ１１０８－ＰＡ、１１０８－ＰＢ、及び１１０８－ＰＣとアレイ７００－ＰＡ、７００－ＰＢ、及び７００－ＰＣとの間にそれぞれ接続された監視回路１１１０－ＰＡ、１１１０－ＰＢ、及び１１１０－ＰＣを含む。監視回路１１１０－ＰＡ、１１１０－ＰＢ、及び１１１０－ＰＣは、それぞれノードＮＰＡ、ＮＰＢ、及びＮＰＣを通過する信号の電流、電圧、及び位相のうちの任意の１つ以上を測定することができ、充放電中のモジュール１０８の制御での使用のために、データライン（図示せず）を介してこれらの測定値を制御システム１０２に出力することができる。
図１１Ａでは、スイッチ１１０８は、各々２つの導電性位置スイッチ（例えば、単極双投（ｓｉｎｇｌｅ ｐｏｌｅ ｄｏｕｂｌｅ ｔｈｒｏｗ、ＳＰＤＴ））である。スイッチ１１０８が位置１にあるとき、アレイ７００は、モータ１１００に接続され、コネクタ１１０２は分離されて通電されない。スイッチ１１０８は、通常の位置として位置１にデフォルト設定され、制御信号が適用されないときはこの位置を想定している。スイッチ１１０８が制御信号から切断される際の電力損失又は電力発生に備えて、モータコイルを非接続のままにしないように、それらは位置１に戻ることができる。制御信号（例えば、共通の信号）が適用された場合、スイッチ１１０８は、位置２に移動し、コネクタ１１０２をアレイ７００に結合する。位置２にあるとき、システム１００は、コネクタ１１０２を通して充電することができる。制御信号の適用は、システム１００がシステムコネクタ１１０２への充電ソースコネクタ１１０４の物理的結合を検出したとき、又はコネクタ１１０２での多相電圧の存在を検出したときに自動的に起こり得る。制御信号の適用は、モータがオフである場合にも調整され得る。コネクタ１１０４の分離の検出後、又はコネクタ１１０２での多相充電電圧の欠如後などの制御信号の除去は、スイッチ１１０８を位置１に戻す。
図１１Ｂの実施形態では、スイッチ１１０８は、制御信号（図示せず）の適用によって再び制御可能なオン／オフスイッチ（例えば、単極単投（ｓｉｎｇｌｅ ｐｏｌｅ ｓｉｎｇｌｅ ｔｈｒｏｗ、ＳＰＳＴ）スイッチなどの、開状態及び閉状態を有するスイッチ）である。アレイ７００は、常にコネクタ１１０２に接続され、したがって常に通電されるため、コネクタ１１０２は、その内部導体がユーザの接触から隔離されるように構成されている。例えば、その導体は、コネクタ１１０２の充電レセプタクル内の深部に収容されてもよい。コネクタ１１０２の設計は、好ましくは、モータ１１００が動作しているときでもコネクタ１１０２を通電させることができるように、ユーザの接触（例えば、衝撃又は短絡）を防止するのに十分である。モータ１１００の動作中にスイッチ１１０８が開くと、モータ及び／又はコンバータ２０２への損傷が生じる可能性があるため、閉位置は、この実施形態では、システム１００をモータ１１０２に接続したままにするためのスイッチ１１０８のデフォルト位置である。制御信号の適用は、スイッチ１１０８を開放させ、これは、モータ１１００からモジュール１０８を切り離し、コネクタ１１０２を介して充電することを可能にする。３つのＳＰＳＴスイッチ１１０８がここに示されているが、閉じたコイルモータ１１００を備えた実施形態では、ＳＰＳＴスイッチ１１０８のうちの１つは省略することができ、例えば、３つのコイルのうちの２つが電気的に切断されたときに電流がモータ１１００を通過しないため、３つのＳＰＳＴスイッチ１１０８のうちの２つのみが存在することができる（位相ＰＡ、ＰＢ、ＰＣのうちのいずれか２つについて）。第３のコイルは、充電中にシステム１００に電気的に接続されたままにすることができる。
図１１Ｃは、本明細書に記載の他の実施形態と同様に、図１１Ａ～１１Ｂの実施形態に適用可能である充電のための方法１１５０の例示的な実施形態を示すフロー図である。１１５２において、システム１００は、コネクタ１１０２への充電ソース１５０の接続を検出する。本明細書に述べられるように、これは、制御システム１０２がシステムコネクタ１１０２への充電ソースコネクタ１１０４の物理的接触を検出することによって、又はシステム１００がコネクタ１１０２内のセンサで充電信号電圧を感知することによって生じ得る。１１５４において、充電ソース１５０の接続を検出した後、スイッチ１１０８は、放電位置から充電位置（例えば、図１１Ａについて位置２、又は図１１Ｂについて開状態）に切り替えることができる。
１１５６において、充電ソース１５０によって供給される充電信号は、監視回路１１１０によって監視され、この情報は、制御システム１０２に出力される。図１１Ｄは、３相充電信号１１１２－ＰＡ、１１１２－ＰＢ、及び１１１２－ＰＣを示すプロットである。１１５８において、制御システム１０２は、各モジュール１０８のコンバータ２０２を適切に充電するように切り替えさせる、システム１００の各モジュール１０８に制御信号を出力する。ステップ１１５６及び１１５８は、それに応じて各モジュール１０８のためのスイッチングスキームを調整しながら、制御システム１０２に充電信号の電圧、電流、及び／又は位相の連続的な評価を提供するために同時に実行される。
ステップ１１５８でモジュール１０８を切り替えるとき、制御システム１０２（例えば、ＭＣＤ１１２、ＬＣＤ１１４）は、本明細書の他の箇所で記載されるように、各モジュール１０８の各コンバータ２０２のための切り替え信号を生成する。各コンバータ２０２は、モジュールＩ／Ｏポート１及び２で＋ＶＤＣＬを提示する第１の状態と、ポート１及び２で－ＶＤＣＬを提示する第２の状態と、モジュールがバイパス（短絡）され、かつポート１及び２でゼロ電圧を提示する第３の状態と、の間で切り替えることができる。切り替えは、各モジュール１０８の各エネルギーソース２０６が、各アレイ７００を流れる電流の方向に基づいて充電することができるように制御することができる。
制御システム１０２は、各位相のアレイ７００内の歪み及び変位を最小限に抑えるために、各モジュール１０８の切り替えを制御するようにプログラムすることができる。これは、以下の（１）に従って、力率（ＰＦ）を１（単位）又は１付近にすることによって達成することができる。
式中、Ｉ１ｒｍｓは、特定の位相のアレイ７００（例えば、アレイ７００－ＰＡ）内の電流の基本成分のニ乗平均平方根であり、Ｉｒｍｓは、特定の位相の電流の全ての有意な高調波の合計（Ｉ１＋Ｉ２＋Ｉ３．．．）の根平均平方値であり、θは、特定の位相の電圧と電流との間の位相角である。ＰＦを１で又は１付近で達成するために、制御システム１０２は、各位相の電流の合計（例えば、ＮＰＡ、ＮＰＢ、ＮＰＣで測定されるような）が常にゼロ又はゼロ付近（例えば、閾値内）であり、各位相の電流と電圧との間の変位（θ）が常にゼロ又はゼロ付近（例えば、閾値内）であるように、切り替えを制御することができる。
各モジュール１０８は、その個々のモジュール１０８の限界又は閾値に達するまで等しく充電することができる。例えば、全てのモジュール１０８は、個々のモジュール１０８が充電閾値（例えば、容量の８０％又は９０％）に達するまで、等しく充電されてもよく（例えば、経時的に同じ集約電流を受信し得る）、その時点で、そのモジュール１０８の充電は、全てのモジュール１０８がバランスのとれた又は実質的にバランスのとれたＳＯＣ状態に達するまで遅くなり、その時点で、モジュール１０８は、完全に又は適切に充電されるまで等しく充電される。
代替的に、比較的低いＳＯＣレベルを有するモジュール１０８は、システム１００が比較的バランスのとれたＳＯＣ状態に達するまで、開始時に比較的多くの充電を受けることができ、その時点で、全てのモジュール１０８は、システムが常に比較的バランスのとれたＳＯＣ状態を有するような様式で充電することができる（例えば、全ての完全に機能するモジュール１０８は、ＳＯＣに関して他のモジュールの１％以内である）。このアプローチは、システム１００が容量に達する前に充電が停止される場合、システム１００が比較的バランスのとれた状態で充電プロセスを終了するという利点を有する。
図１１Ｃに戻って参照すると、充電プロセス１１５０は、モジュール１０８が完全に（又は適切に）充電されたとき、又はシステム１００が充電ソース１５０の切断を検出したときに、１１６０まで続くことができ、その時点で、スイッチ１１０８は、それらの充電位置から放電状態のデフォルト位置（例えば、図１１Ａについて位置１及び図１１Ｂについて閉位置）に戻るように遷移することができる。
本明細書に記載の実施形態では、制御システム１０２は、本明細書に記載されるものなどのＰＷＭ技術に従って、それぞれのアレイ７００のための基準波形として、又はＤＣ充電の場合には異なる基準として、各位相のための入力ＡＣ充電信号（又はその表現）を利用して、各モジュール１０８のためのスイッチング信号の生成によってスイッチングを制御することができる。各モジュール１０８のスイッチング回路のための変調インデックスは、各モジュールを様々な長さの時間にわたって選択的に充放電することによって、力率を１又は１付近に維持するように調整することができる。充電はまた、本明細書に先に記載されるように、システム１００の１つ以上の動作特性におけるバランスのとれた条件を維持又はターゲットにしながら実行することができる。変調インデックス（Ｍｉ）はまた、全てのモジュールにわたって比較的バランスのとれた温度をターゲットにしながら、かつそれらのモジュール１０８に比較的高い変調インデックスを割り当てることによって、比較的低いＳＯＣを有するエネルギーソース２０６の充電を強調しながら、充電を実行するように調整することができる。
更に、電気化学電池ソース２０６の場合、コンバータ２０２によってソース２０６に適用される充電パルスの長さは、劣化を引き起こす可能性のある重要な副反応の発生なしに、セル内の電気化学貯蔵反応の発生を促進するために、例えば、５ミリ秒未満の特定の長さを有するように維持することができる。そのようなパルスは、ソース２０６の高速充電を可能にするために、高いＣレート（例えば、５Ｃ～１５Ｃ以上）で適用することができる。本明細書に記載の全ての実施形態とともに使用することができるそのような技術の例は、Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｂａｔｔｅｒｙ Ｃｈａｒｇｉｎｇ ｏｎ Ｍｏｄｕｌａｒ Ｌｅｖｅｌｓ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍｓと題された、国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０／３５４３７号に記載されており、あらゆる目的のために、参照によりここに組み込まれる。
図１１Ａ～図１１Ｂの例では、モジュール１０８ＩＣ－１及び１０８ＩＣ－２は互いに接続され、異なる位相のアレイ７００間でも相互接続される。充電中、モジュール１０８ＩＣのスイッチ部分６０４（例えば、図１０Ｅを参照）は、電流が５０－５０のデューティサイクルでＳ７又はＳ８のいずれかを通って流れるように連続的に切り替えることができる。モジュール１０８ＩＣのエネルギーソース２０６は、各スイッチ部分６０４のデューティサイクルを、各部分６０４を通る経時的な集約電流がそれらのモジュール１０８ＩＣのソース２０６を充電させる状態に調整することによって充電することができる。代替的に、モジュール１０８ＩＣのスイッチ部分６０４は、モジュール１０８ＩＣを通る電流を誘導するために、例えば、モジュール１０８ＩＣのソース２０６を充電している間に電流を誘導するために、又は充電ソース２０６なしで電流を誘導するために、必要に応じてのみ切り替えることができる。モジュール１０８ＩＣの切り替えは、各アレイ７００内の歪み及び変位を最小限に抑えるためにも使用することができる。補助負荷を有する全ての実施形態の場合、充電中、制御システム１０２は、スイッチ部分６０２Ａ（図１０Ｅ）を介して補助負荷３０２のための電圧を調整し続けることができ、したがって、必要に応じて補助システムに対して電力を維持することができる。電気自動車のコンテキストでは、これは、車載ネットワーク、ディスプレイ、及びＨＶＡＣなどへの電力を維持することができる。
充電について、ＰＷＭ制御技術を参照して説明されてきたが、代替的な実施形態では、ヒステリシス技術を使用することができる。ＰＷＭ又はヒステリシスに基づく他のカスタム技術も使用され得る。
モータバイパスによるＤＣ及び単相充電の例示的な実施形態
システム１００の多相構成は、ＤＣ又は単相ＡＣ充電ソースで充電されることもできる。図１２Ａは、図１１Ａの実施形態と同様に構成されているが、多相ＡＣ充電機能に加えてＤＣ及び／又は単相ＡＣ充電機能を可能にするルーティング回路１２００を備えた、３相システム１００の例示的な実施形態を示すブロック図であり、全ての充電は、モータ１１００をバイパスする方法で発生することができる。ルーティング回路１２００は、多相充電コネクタ１１０２と３相充電ライン１１１１との間に結合することができる。ルーティング回路１２００は、ライン１２１１を介してＤＣ充電信号（ＤＣ＋及びＤＣ－）及び／又はＡＣ充電信号（ＡＣライン（Ｌ）及びニュートラル（Ｎ））を受信することができる少なくとも１つのコネクタ１２０２と結合することができる。これらの接続は、図１２Ａに示されるように共有することができるか、又はライン１２１１の異なる導体がＤＣ及び単相ＡＣに利用されるように分離することができる。本明細書に記載の実施形態では、コネクタ１２０２は、ＤＣのみ、単相ＡＣのみ、又はその両方のために構成されるかどうかにかかわらず、３相充電コネクタ１１０２のものとは別個でかつ分離したコネクタとするか、又はコネクタ１１０２及び１２０２は、図１２Ｆに関して記載されるように、ＥＶ上の単一の場所において組み合わせることができる。単一の場所において組み合わされる場合、多相ＡＣ充電、単相ＡＣ充電、及びＤＣ充電のための導体は、本明細書に記載されるように共有することができる。ルーティングされる充電信号のタイプ（ＤＣ又はＡＣ）に応じて、及び実施形態がシステム１００からの充電コネクタ１１０２及び１２０２の選択的切断を提供するかどうかに応じて、様々な異なる構成及びタイプの回路をルーティング回路１２００に使用することができる。ルーティング回路１２００の様々な例示的な実施形態は、本明細書でより詳細に説明される。
スイッチ１１０８は、充電フェーズ及び放電フェーズの間に必要とされる高電流を導くように構成された単一のスイッチングアセンブリ１２５０の一部とすることができる。アセンブリ１２５０は、別個の単一のデバイス又はハウジングとして構成されてもよい。アセンブリ１２５０は、制御システム１０２からスイッチング制御信号を受信するための１つ以上の入力を有することができる。いくつかの実施形態では、監視回路１１１０は、アセンブリ１２５０に統合することができ、回路１１１０への制御信号、並びに回路１１１０からのデータ出力は、アセンブリ１２５０のＩＯポートを通って制御システム１０２にルーティングすることができる。アセンブリ１２５０の例示的な実施形態は、電力及び制御分配アセンブリ（ＰＣＤＡ）１２５０及び図３０Ａ～図３０Ｆに関して本明細書に更に説明される。
図１２Ｂは、ソリッドステート（又は半導体）リレー（ＳＳＲ）回路で構成され、かつ３相ライン１１１１及びコネクタ１１０２による３相ＡＣ充電に加えて、コネクタ１２０２によるＤＣ及び単相ＡＣ充電機能を提供するように構成された、ルーティング回路１２００の例示的な実施形態を示す概略図である。コネクタ１２０２は、順番に単相充電ソースに接続された単相充電ケーブルのいずれかに接続することができ、又は順番にＤＣ充電ソースに接続されたＤＣ充電ケーブルに接続することができる。ルーティング回路１２００は、コネクタ１２０２に接続されたＩ／Ｏポート１２０１－１及び１２０１－２、並びに各位相ＰＡ、ＰＢ、ＰＣのための充電ライン１１１１に接続され得るＩ／Ｏポート１２０４－ＰＡ、１２０４－ＰＢ、及び１２０４－ＰＣを有する。ＤＣ充電及び単相ＡＣ充電の場合、ルーティング回路１２００は、入力１２０１上の信号の各々（ＤＣ＋及びＤＣ－信号と、ＡＣ（Ｌ）及びＡＣ（Ｎ）信号とのいずれか）を３つの異なる出力１２０４のうちの１つ以上に選択的に出力するように制御することができる。回路１２００はまた、それぞれ各出力１２０４への各入力１２０１のルーティングを制御する、制御信号ＣＳ１～ＣＳ４のための１つ以上のＩ／Ｏポート１２０６－１～１２０６－４を含む。制御信号ＣＳ１～ＣＳ４は、制御システム１０２（図示せず）によって生成及び提供することができる。
ＳＳＲの使用は、システム１００及びＥＶをＤＣ又はＡＣ充電器から隔離し、充電器内の追加の分離回路（例えば、高周波変圧器及びインバータ）を完全に取り外すか、又は省略することを可能にする。これは、充電器の実装を簡素化し、実質的にコストを削減することができる。この実施形態では、１２２１－１、１２２１－２、１２２１－３、及び１２２１－４として示される４つのＳＳＲ回路があり、各々がそれぞれ制御ポート１２０６－１、１２０６－２、１２０６－３、及び１２０６－４を有する。各ＳＳＲ回路１２２１は、制御システム１０２から制御ポート１２０６－１、１２０６－２、１２０６－３、及び１２０６－４への制御信号（それぞれ、ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３、ＣＳ４）の適用によって、双方向導電（閉）状態又は非導電（開）状態に選択的に置くことができる。単相ＡＣ充電の場合、ルーティング回路１２００は、ＡＣ（Ｌ）及びＡＣ（Ｎ）信号の各々を、Ｉ／Ｏポート１２０１－１及び１２０１－２で、それぞれ３相充電コネクタ１１０２から異なるライン１１１１に各々接続されて、次いで、アレイ７００－ＰＡ、７００－ＰＢ、及び７００－ＰＣに接続された、３つの異なるＩ／Ｏポート１２０４－ＰＡ、１２０４－ＰＢ、及び１２０４－ＰＣのうちの１つ以上に選択的に出力することができる。ＤＣ充電の場合、ルーティング回路１２００は、入力１２０１におけるＤＣ＋及びＤＣ－信号の各々を、アレイ７００への提供のための３つのＩ／Ｏポート１２０４の１つ以上に同様に選択的に出力することができる。選択的ルーティングは、制御システム１０２によって供給され、かつ１つ以上の制御入力１２０６－１～１２０６－４に適用される、制御信号ＣＳ１－ＣＳ４によって制御される。
ＳＳＲ回路１２２１の例示的な実施形態は、図１２Ｃ、１２Ｄ、及び１２Ｅの概略図に関して記載される。図１２Ｃでは、ＳＳＲ回路１２２１は、制御ポート１２０６に入力される制御信号によって制御可能なトライアックである。トライアックが制御信号で有効になると、トライアックは閉状態に置かれ、電流はトライアックを双方向に通過することができる。有効になっていない場合、トライアックを通過する電流はない。
図１２Ｄでは、ＳＳＲ回路１２２１は、一緒に接続されたエミッタノード及び回路への入力／出力ポートを形成するコレクタノードと直列に接続された２つの絶縁ゲートバイポーラ（ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ｇａｔｅ ｂｉｐｏｌａｒ、ＩＧＢＴ）トランジスタＱ１及びＱ２を含む。各ＩＧＢＴは、Ｑ１及びＱ２が非作動になるときに通過電流をブロックするために、反対の電流搬送方向に配向されたボディダイオード（Ｄ１、Ｄ２）を有する。ポート１２０６への制御信号の適用は、トランジスタＱ１及びＱ２のゲートノードをバイアスして、ＩＧＢＴを作動させ、電流が閉状態で回路１２２１を流れることを可能にするか、又はＩＧＢＴを非作動にして、電流が開状態で回路１２２１を流れるのをブロックする。ＭＯＳＦＥＴ又はＧａＮデバイスなどのＩＧＢＴの代わりに他のＳＳＲを使用することができる。
図１２Ｅでは、ＳＳＲ回路１２２１は、ＩＧＢＴトランジスタＱ３と、４つのダイオードＤ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６を有するブリッジダイオード回路と、を含む。Ｑ３は、ポート１２０６への制御信号の適用によってＱ３が作動されるときに、ＳＳＲ回路１２２１を通って電流が流れることを可能にするようにブリッジダイオード回路内に位置付けられる。例えば、Ｑ３が非作動にされるとき、回路１２２１は開状態にあり、電流は流れることができない。Ｑ３が作動されるとき、回路１２２１は閉状態にあり、電流は、Ｄ３、Ｑ３及びＤ６を通って左から右に、並びにＤ５、Ｑ３及びＤ４を通って右から左に流れることができる。ＳＳＲ回路１２２１の実施形態の任意の組み合わせは、本明細書に記載のルーティング回路１２００の実施形態で使用することができる。他のＳＳＲ回路設計を使用することもできる。
充電フェーズの間、スイッチ１１０８の各々は、充電位置２に遷移することができ、又は代替的に、充電されているアレイ７００のスイッチ１１０８のみが位置２に切り替えることができ、任意のアレイ７００のスイッチ１１０８は、位置１に充電されたままの状態である。したがって、充電フェーズの間のスイッチ１１０８のいくつかの整流が必要であり得る。
アレイ７００－ＰＡ及び７００－ＰＢのモジュール１０８（並列に接続されているモジュール１０８ＩＣ－１及び１０８ＩＣ－２を含む）をＤＣ充電するために、制御システム１０２は、それぞれ制御信号ＣＳ１及びＣＳ３を適用することによって、回路１２２１－１及び１２２１－３を導通状態に置き、それぞれ制御信号ＣＳ２及びＣＳ４を適用することによって、回路１２２１－２及び１２２１－４を非導通状態に置くことができる。電流は、ポート１２０１－１から回路１２２１－１を通って、３相充電コネクタ１１０２からＰＡライン１１１１に接続されているＩ／Ｏポート１２０４－ＰＡに至る。電流は、モータ１１００をバイパスし、スイッチ１１０８－ＰＡを通過し、アレイ７００－ＰＡを通過する。アレイ７００－ＰＡの各モジュール１０８－１～１０８－Ｎは、本明細書に記載されるように選択的に充電することができる。電流は、モジュール１０８ＩＣ－１（例えば、図１０Ｅに関して記載されたように、部分６０４－ＰＡ及び６０４－ＰＢのスイッチＳ７、又は部分６０４－ＰＡ及び６０４－ＰＢのスイッチＳ８）を通過し、アレイ７００－ＰＢを通過し、アレイ７００－ＰＢの各モジュール１０８－１～１０８－Ｎは、反対の電流方向を考慮して選択的に充電することができる。電流は、スイッチ１１０８－ＰＢを通過し、Ｉ／Ｏポート１２０４－ＰＢを介してルーティング回路１２００に入り、次いで回路１２２１－３を通過し、ＤＣ－ポート１２０１－２を通って出る。
アレイ７００－ＰＢ及び７００－ＰＣのモジュール１０８（モジュール１０８ＩＣ－１及び１０８ＩＣ－２を含む）をＤＣ充電するために、制御システム１０２は、それぞれ制御信号ＣＳ２及びＣＳ４を適用することによって、回路１２２１－２及び１２２１－４を導通状態に置き、それぞれ制御信号ＣＳ１及びＣＳ３を適用することによって、回路１２２１－１及び１２２１－３を非導通状態に置くことができる。電流は、ＤＣ＋ポート１２０１－１から回路１２２１－２を介して、３相充電コネクタ１１０２からＰＢライン１１１１に接続されているＩ／Ｏポート１２０４－ＰＢに至る。電流は、モータ１１００をバイパスし、スイッチ１１０８－ＰＢを通過し、アレイ７００－ＰＢを通過する。アレイ７００－ＰＢの各モジュール１０８－１～１０８－Ｎは、本明細書に記載されるように選択的に充電することができる。電流は、モジュール１０８ＩＣ－１を通過し、次いでモジュール１０８ＩＣ－２（例えば、図１０Ｅの部分６０４－ＰＢ及び６０４－ＰＣのスイッチＳ７を一緒に、又はＳ８を一緒に使用して）を通過し、アレイ７００－ＰＣを通過し、アレイ７００－ＰＣの各モジュール１０８－１～１０８－Ｎも、反対の電流方向を考慮して選択的に充電することができる。電流は、スイッチ１１０８－ＰＣを通過し、Ｉ／Ｏポート１２０４－ＰＣを通ってルーティング回路１２００に入り、次いで回路１２２１－４を通過し、ＤＣ－ポート１２０１－２を出る。
アレイ７００－ＰＡ及び７００－ＰＣのモジュール１０８（モジュール１０８ＩＣ－１及び１０８ＩＣ－２を含む）をＤＣ充電するために、制御システム１０２は、それぞれ制御信号ＣＳ１及びＣＳ４によって、回路１２２１－１及び１２２１－４を導通状態に置き、それぞれ制御信号ＣＳ２及びＣＳ３によって、回路１２２１－２及び１２２１－３を非導通状態に置くことができる。電流は、ＤＣ＋ポート１２０１－１から回路１２２１－１を通って、Ｉ／Ｏポート１２０４－ＰＡに至る。電流は、モータ１１００をバイパスし、スイッチ１１０８－ＰＡを通過し、アレイ７００－ＰＡを通過する。アレイ７００－ＰＡの各モジュール１０８－１～１０８－Ｎは、本明細書に記載されるように選択的に充電することができる。電流は、モジュール１０８ＩＣ－１を通過し、次いでモジュール１０８ＩＣ－２（例えば、図１０Ｅの部分６０４－ＰＡ及び６０４－ＰＣのスイッチＳ７を一緒に、又はＳ８を一緒に使用して）を通過し、アレイ７００－ＰＣを通過し、アレイ７００－ＰＣの各モジュール１０８－１～１０８－Ｎも、反対の電流方向を考慮して選択的に充電することができる。電流は、スイッチ１１０８－ＰＣを通過し、Ｉ／Ｏポート１２０４－ＰＣを通ってルーティング回路１２００に入り、次いで回路１２２１－４を通過し、ＤＣ－ポート１２０１－２を通って出る。
前述の例の各々では、モジュール１０８ＩＣ－１及び相互接続されたモジュール１０８ＩＣ－２は、モジュール１０８ＩＣから電流を出力する前に、部分６０４－ＰＡ、６０４－ＰＢ、及び６０４－ＰＣのスイッチの適切な組み合わせによって、入力電流をソース２０６を通ってルーティングすることによって、それらのエネルギーソース２０６を充電することができる。
ＡＣ信号が正である場合の単相ＡＣ充電は、ＤＣ充電について上述したように、ＳＳＲ回路１２２１が同じ状態で、同じ様式で実行することができる。単相ＡＣ充電信号がサイクルの負の半分にある場合の電流の流れは反対方向にあり、以下のように行うことができる。
ＡＣ信号が負である場合のアレイ７００－ＰＡ及び７００－ＰＢのモジュール１０８（モジュール１０８ＩＣ－１及び１０８ＩＣ－２を含む）を充電するために、制御システム１０２は、それぞれ制御信号ＣＳ１及びＣＳ３を適用することによって、回路１２２１－１及び回路１２２１－３を導通状態に置き、それぞれ制御信号ＣＳ２及びＣＳ４を適用することによって、回路１２２１－２及び回路１２２１－４を非導通状態に置くことができる。電流は、ＡＣニュートラル（Ｎ）ポート１２０１－２から回路１２２１－３を通ってＩ／Ｏポート１２０４－ＰＢに至り、そこからモータ１１００をバイパスし、スイッチ１１０８－ＰＢを通過し、アレイ７００－ＰＢを通過する。アレイ７００－ＰＢの各モジュール１０８－１～１０８－Ｎは、本明細書に記載されるように選択的に充電することができる。電流は、モジュール１０８ＩＣ－１（例えば、図１０Ｅの部分６０４－ＰＡ及び６０４－ＰＢのスイッチＳ７を一緒に、又はＳ８を一緒に使用して）を通過し、アレイ７００－ＰＡを通過し、アレイ７００－ＰＡの各モジュール１０８－１～１０８－Ｎは、反対の電流方向を考慮して選択的に充電することができる。電流は、スイッチ１１０８－ＰＡを通過し、Ｉ／Ｏポート１２０４－ＰＡを介してルーティング回路１２００に入り、次いで回路１２２１－１を通過し、ＡＣライン（Ｌ）ポート１２０１－１を通って出る。
ＡＣ信号が負である場合のアレイ７００－ＰＢ及び７００－ＰＣのモジュール１０８（モジュール１０８ＩＣ－１及び１０８ＩＣ－２を含む）を充電するために、制御システム１０２は、それぞれ制御信号ＣＳ２及びＣＳ４によって、回路１２２１－２及び回路１２２１－４を導通状態に置き、それぞれ制御信号ＣＳ１及びＣＳ３によって、回路１２２１－１及び回路１２２１－３を非導通状態に置くことができる。電流は、ＡＣ（Ｎ）ポート１２０１－２から回路１２２１－４を通ってＩ／Ｏポート１２０４－ＰＣに至り、モータ１１００をバイパスし、スイッチ１１０８－ＰＣを通過し、アレイ７００－ＰＣを通過する。アレイ７００－ＰＣの各モジュール１０８－１～１０８－Ｎは、本明細書に記載されるように選択的に充電することができる。電流は、モジュール１０８ＩＣ－２を通過し、次いでモジュール１０８ＩＣ－２（例えば、図１０Ｅの部分６０４－ＰＢ及び６０４－ＰＣのスイッチＳ７を一緒に、又はＳ８を一緒に使用して）を通過し、アレイ７００－ＰＢを通過し、アレイ７００－ＰＢの各モジュール１０８－１～１０８－Ｎも、反対の電流方向を考慮して選択的に充電することができる。電流は、スイッチ１１０８－ＰＢを通過し、Ｉ／Ｏポート１２０４－ＰＢを通ってルーティング回路１２００に入り、次いで回路１２２１－２を通過し、ＡＣ－ポート１２０１－１を通って出る。
ＡＣ信号が負である場合のアレイ７００－ＰＡ及び７００－ＰＣのモジュール１０８（モジュール１０８ＩＣ－１及び１０８ＩＣ－２を含む）を充電するために、制御システム１０２は、それぞれ制御信号ＣＳ１及びＣＳ４によって、回路１２２１－１及び回路１２２１－４を導通状態に置き、それぞれ制御信号ＣＳ２及びＣＳ３によって、回路１２２１－２及び回路１２２１－３を非導通状態に置くことができる。電流は、ＡＣ（Ｎ）ポート１２０１－２から回路１２２１－４を通ってＩ／Ｏポート１２０４－ＰＣに至る。電流は、モータ１１００をバイパスし、スイッチ１１０８－ＰＣを通過し、アレイ７００－ＰＡを通過する。アレイ７００－ＰＣの各モジュール１０８－１～１０８－Ｎは、本明細書に記載されるように選択的に充電することができる。電流は、モジュール１０８ＩＣ－２を通過し、次いでモジュール１０８ＩＣ－１（例えば、図１０Ｅの部分６０４－ＰＡ及び６０４－ＰＣのスイッチＳ７を一緒に、又はＳ８を一緒に使用して）を通過し、アレイ７００－ＰＡを通過し、アレイ７００－ＰＡの各モジュール１０８－１～１０８－Ｎも、反対の電流方向を考慮して選択的に充電することができる。電流は、スイッチ１１０８－ＰＡを通過し、Ｉ／Ｏポート１２０４－ＰＡを通ってルーティング回路１２００に入り、次いで回路１２２１－１を通過し、ＡＣ－ポート１２０１－１を通って出る。
図１２Ｆは、ＤＣ、単相ＡＣ、及び３相ＡＣ充電での使用のための３つの導電性ＩＯを有する共有充電ポート１１０２／１２０２を除いて、図１２Ａのものと同様のシステム１００の例示的な実施形態を示すブロック図である。図１２Ｇは、図１２Ｆに示される共有充電ポート１１０２／１２０２での使用のために構成されたルーティング回路１２００の例示的な実施形態を示す概略図である。ここで、ＳＳＲ回路１２２１－４は、回路１２２１－１及び１２２１－２の充電器側の間で結合され、ＳＳＲ回路１２２１－５は、回路１２２１－２及び１２２１－３の充電器側の間で結合される。３相充電を実行するために、ＳＳＲ回路１２２１－１、１２２１－２、及び１２２１－３は閉じ、ＳＳＲ回路１２２１－４、及び１２２１－５は開く。アレイ７００－ＰＡ及びＰＢのＤＣ及び単相ＡＣ充電を実行するために、回路１２２１－１、１２２１－３、及び１２２１－５は閉じ、回路１２２１－２及び１２２１－４は開く。アレイ７００－ＰＢ及びＰＣのＤＣ及び単相ＡＣ充電を実行するために、回路１２２１－１、１２２１－３、及び１２２１－４は閉じ、回路１２２１－２及び１２２１－５は開く。アレイ７００－ＰＡ及びＰＣのＤＣ及び単相ＡＣ充電を実行するために、回路１２２１－１及び１２２１－３は閉じ、回路１２２１－２、１２２１－４、及び１２２１－５は開く。
図１１Ａ、１２Ａ、及び１２ＦのＳＰＤＴスイッチ構成の使用は、スイッチ１１０８が放電位置１にあるときに、充電コネクタ１１０２及び１２０２の自動切断及び隔離をもたらす。同様に、モータ１１００は、スイッチ１１０８が充電位置２にあるときに、自動的に切断され、隔離される。図１１Ｂの実施形態と同様に、ＳＰＳＴスイッチ１１０８を使用する場合、スイッチ１１０８が充電状態で開くと、モータ１１００は切断される。充電コネクタ１１０２、１２０２は、スイッチ１１０８が閉じ、かつモータ１１００が放電状態のために接続されているときに接続されたままである。図１３Ａ～図１３Ｄは、ＳＰＳＴスイッチ１１０８を使用し、モータ１１００が接続され、システム１００が放電状態にある間に、充電コネクタ１１０２、１２０２を選択的に切断する機能を有する例示的な実施形態を示す。
図１３Ａは、図１１Ｂのものと同様に、ＳＰＳＴスイッチ１１０８で構成されているが、モータ１１００をバイパスしながら、多相ＡＣ充電に加えてＤＣ及び／又は単相ＡＣ充電を可能にするルーティング回路１２００を備えた、システム１００を示すブロック図である。コネクタ１１０２及び１２０２の導体は、共有構成１１０２／１２０２にある。図１２Ａ及び１２Ｆの実施形態と同様に、この実施形態では、スイッチ１１０８は、統一されたスイッチアセンブリデバイス１２５０に置くことができる。図１３Ａの実施形態は、図１２Ｇに示されるように構成されたルーティング回路１２００とともに使用することができる。
図１３Ｂは、別個の充電コネクタ１１０２及び１２０２を除いて、図１３Ａと同様の例示的な実施形態を示すブロック図である。図１３Ｂの実施形態は、図１３Ｃに関して記載されるように構成されたルーティング回路１２００とともに使用することができ、図１３Ｃは、図１２Ｂの実施形態と同様であるが、アレイ７００－ＰＡ、７００－ＰＢ、及び７００－ＰＣとコネクタ１１０２との間に接続されたライン１１１１－ＰＡ、１１１１－ＰＢ、及び１１１１－ＰＣを選択的に切断するように構成された追加のＳＳＲ回路１２２１－５、１２２１－６、及び１２２１－７（総称してスイッチ１３３１と称される）を有する、ルーティング回路１２００の例示的な実施形態を示す概略図である。スイッチ１３３１は、代替的に、電気機械的リレーとすることができる。スイッチ１３３１の各々は、Ｉ／Ｏポート１２０６で受信された制御信号で制御することができる。（制御接続は図示されていない。）制御システム１０２は、制御信号を生成し、スイッチ１３３１に出力することができる。ＳＰＳＴスイッチ１１０８は、モータ１１００をシステム１００に接続したままにするためにデフォルトで閉位置になるように構成されているが、スイッチ１３３１は、充電コネクタ１１０２及び１２０２をシステム１００から切断したままにするためにデフォルトで開状態になるように構成されている。３相ＡＣ充電の場合、スイッチ１３３１は閉状態に置かれ、ＳＳＲ回路１２２１－１、１２２１－２、１２２１－３、及び１２２１－４は開状態に置かれる。ＤＣ及び単相ＡＣ充電の場合、スイッチ１３３１は、開状態に置かれ、ＳＳＲ回路１２２１－１～１２２１－４は、図１２Ｂに関して記載された実施形態と同様に動作することができる。
図１３Ｄは、図１３Ｂと同様であるが、スイッチ１３３１が（図１３Ｃに示されるように）ルーティング回路１２００からスイッチアセンブリ１２５０に移動したものの、例示的な実施形態を示すブロック図である。スイッチアセンブリ１２５０内では、スイッチ１３３１は、ＳＳＲ回路１２２１、電気機械式リレー、又はそれ以外のものとすることができる。
異なるアプローチを使用して、アレイ７００の各対を充電することができる。一例示的な実施形態では、アレイ７００－ＰＡ及びＰＢを充電するときは、両方のアレイ７００が所望のレベル又は閾値（例えば、５０％）に達するまで充電を実行することができる。次に、アレイ７００－ＰＢ及びＰＣを充電するときは、アレイ７００－ＰＢが１００％に達し、かつアレイ７００－ＰＣが５０％に達するまで充電を行うことができる。次に、アレイ７００－ＰＡ及びＰＣを充電するときは、両方のアレイ７００が１００％に達するまで充電を行うことができる。別の例示的な実施形態では、各アレイ７００のルーティング回路１２００、スイッチ１１０８、及びモジュール１０８は、全てのアレイ７００を相対的に一斉に充電するように制御及びサイクルさせることができる（例えば、アレイ７００－ＰＡモジュールは、１パーセント又は数パーセント充電され、次いで、アレイ７００－ＰＢモジュールは、１パーセント又は数パーセント充電され、次いで、アレイ７００－ＰＣモジュールは、１パーセント又は数パーセント充電され、このプロセスは、全てのモジュールが完全に充電されるまで繰り返すことができる）。単相ＡＣ充電では、各アレイ７００－ＰＡ～７００－ＰＣがサイクルの正の半分の間に１回以上充電され、サイクルの負の半分の間に再び１回以上充電されるように、切り替えが急速に起こり得る。
モータバイパスと並列してアレイを充電する例示的な実施形態
いくつかの実施形態では、例えば、並列アレイを使用してより高い電流を生成する実施形態、又はＡＣ充電信号よりも多くの位相アレイ７００を有する実施形態において、アレイ７００を並行に充電することが望ましい場合がある。図１４は、図１０Ｃの実施形態と同様の方式で配置された２つのサブシステム１０００－１及び１０００－２を有するシステム１００の例示的な実施形態を示すブロック図である。スイッチ１１０８は、ＳＰＤＴスイッチとして構成されている。ここで、各サブシステム１０００－１及び１０００－２は、異なるモータ１１００－１及び１１００－２に電力を供給する。システム１００は、本明細書に記載の実施形態に従って、ＤＣ、単相ＡＣ、及び／又は多相ＡＣ充電信号で充電されるように構成することができる。この例では、充電コネクタ１１０２及び１２０２は、共有構成１１０２／１２０２にあり、ルーティング回路１２００は、図１２Ｇのように構成することができる。ルーティング回路１２００は、サブシステム１０００－１及び１０００－２が並行に充電されるように、スイッチアセンブリ１２５０－１及び１２５０－２と接続するために分割される多相ライン１１１１に結合される。例えば、アレイ７００－ＰＡ及び７００－ＰＤに入力される電流は、モジュール１０８ＩＣ－１で組み合わされる電流と並行してそれらのモジュールを充電することができる。モジュール１０８ＩＣ－２において電流が組み合わされているアレイ７００－ＰＢ及び７００－ＰＥ、並びにモジュール１０８ＩＣ－３において電流が組み合わされているアレイ７００－ＰＣ及び７００－ＰＦについても同じことが起こり得る。
図１４の実施形態は、（図１２Ａ、１３Ｂ、及び１３Ｄのように）別個の充電コネクタ１１０２及び１２０２で構成することができ、その場合、ルーティング回路１２００は、図１２Ｂ又は１３Ｃの実施形態に従って、又はそれ以外の方法で構成することができる。
図１５Ａは、２つのモータ１１００を供給するための２つのサブシステム１０００を備えたシステム１００の別の例示的な実施形態を示すブロック図である。ここで、スイッチ１１０８は、スイッチアセンブリ１２５０－１及び１２５０－２内のＳＰＳＴスイッチとして構成され、スイッチアセンブリ１２５０－１及び１２５０－２はまた、それぞれスイッチ１３３１－１及び１３３１－２を含む。スイッチ１３３１－１及び１３３１－２は、電気機械的リレーとして構成され、充電中に閉じ、動作中に再び開く。この例では、充電コネクタ１１０２及び１２０２は、共有構成１１０２／１２０２にある。ルーティング回路１２００は、図１２Ｇの実施形態と同様に構成することができる。代替的に、サブシステム接続がルーティング回路１２００の内側に置かれる場合、回路１２００は、図１２Ｇの実施形態と動作が同様であるが、追加のライン１１１１－ＰＤ、１１１１－ＰＥ、及び１１１１－ＰＦがそれぞれライン１１１１－ＰＡ、１１１１－ＰＢ、及び１１１１－ＰＣに順番に接続されている、図１５Ｂの実施形態と同様に構成することができる。全ての制御ポート１２０６は、図示されていないが、回路１２００から外部からアクセス可能である。図１５Ａ及び図１５Ｂに関して記載された実施形態は、図１３Ｃの実施形態に基づいたルーティング回路を使用して、別個でかつ分離した充電コネクタ１１０２及び１２０２とともに使用するように同様に構成することができる。
図１５Ｃは、図１５Ａと同様に構成されているが、スイッチ１３３１がルーティング回路１２００の内部に移動した、システム１００の例示的な実施形態を示すブロック図である。回路１２００は、ライン１１１１－ＰＤ、１１１１－ＰＥ、及び１１１１－ＰＦの選択的切断のための追加のＳＳＲ回路１２２１－６、１２２１－７、及び１２２１－８を有する、図１２Ｇと同様な構成を示す概略図である、図１５Ｄの例示的な実施形態と同様に構成することができる。ＳＳＲ回路１２２１－６、１２２１－７、及び１２２１－８は、３相充電、単相充電、及びＤＣ充電（ＳＳＲ回路１２２１－１～１２２１－５は、単相充電及びＤＣ充電中に電流ルーティングを実行する）のために閉状態に、及びシステム１００が放電状態にあるときに開状態に置くことができる。
図１５Ｅは、充電コネクタ１１０２及び１２０２が別個でかつ分離していることを除いて、図１５Ｃと同様の例示的な実施形態を示すブロック図である。ルーティング回路１２００は、図１３Ｃと同様であるが、それぞれライン１１１１－ＰＡ、１１１１－ＰＢ、及び１１１１－ＰＣに接続されたライン１１１１－ＰＤ、１１１１－ＰＥ、及び１１１１－ＰＦに置かれた追加のＳＳＲ回路１２２１－８、１２２１－９、及び１２２１－１０を備えた、実施形態を示す、図１５Ｆの例示的な実施形態に従って構成することができる。ＳＳＲ回路１２２１－８、１２２１－９、及び１２２１－１０は、ＡＣ及びＤＣ充電の場合の閉状態、並びにシステム１００がモータ１１００に電力を供給するために使用されているときの開状態に置くことができる。全ての制御ポート１２０６は、図示されていないが、回路１２００から外部からアクセス可能である。
システム１００は、幅広い電圧要件及び負荷の量を有するアプリケーションに電力を供給するための多数の異なる実装を可能にする、高度にスケーラブルで適応可能な構成を有する。電圧要件は、数百ワット程度の低電圧アプリケーション（例えば、電動スクータなど）から、メガワット程度以上の高電圧産業アプリケーション（例えば、電力グリッド、核融合研究など）まで様々とすることができる。負荷の数は変化し得、それらの負荷は、１つ以上のモジュール１０８ＩＣによって相互接続され、かつ共通制御システム１０２の制御下にある、サブシステム１０００によって供給することができる。代替的に、各サブシステム１０００は、別個の制御システム１０２の制御下にあることができ、各制御システム１０２は、モータのコントローラと直接的にインターフェースする。システム１００のスケーラビリティ及び適応性は、静止体アプリケーション及び移動体アプリケーションの両方に適用される。例示を容易にするために、以下の実施形態の多くは、移動体アプリケーション、特に自動車ＥＶの様々な実施形態に関して再び記載されるが、これらに限定されない。
例示的な実施形態は、単一のモータ及び１つ以上の関連するサブシステム１０００（例えば、バッテリパック）を有する従来の自動車ＥＶとともに使用することができる。例示的な実施形態は、単一のサブシステム１０００に関連付けられた２つ以上のモータを有する自動車ＥＶ、又は各々がそれに関連付けられた１つ以上のサブシステム１０００を有する２つ以上のモータとともに使用することもできる。モータは、パワートレイン又はドライブトレインを介して動力を車輪に伝達する、車体内に装着された従来のモータとすることができる。代替的に、モータは、パワートレイン（又はドライブトレイン）なしで車輪運動を直接的に駆動するインホイールモータとすることができる。ＥＶは、車両の全ての車輪（例えば、２、３、４、５、６、又はそれ以上）のためのインホイールモータを有してもよく、又は車両の車輪の一部のみのためのインホイールモータを有してもよい。複数のモータが存在する場合、アプローチの組み合わせを、例えば、ＥＶの前輪のための車輪モータ、及び後輪のための従来の本体モータ及びパワートレイン、又はその逆で使用することができる。
本主題は、異なるサブシステム１０００が、異なる電圧要件を有するモータに電力を供給するための機能を提供する。例えば、単一の４輪ＥＶは、前輪を駆動するための第１のモータと、後輪を駆動するための第２のモータと、を有することができる。第１のモータは、リアモータとは異なる電圧で動作してもよい。代替的に、ＥＶは、各前輪に１つのモータを有し、両方の後輪に１つのモータを有してもよく、前輪のモータは、後輪のモータとは異なる電圧要件を有する。又は、ＥＶには前輪に１つのモータ及び後輪に２つのモータがあり、後輪モータは、前輪モータとは異なる電圧要件を有し得る。更にまた、各車輪は、前輪モータが、後輪モータの電圧要件とは異なる電圧要件を有する、独自のモータを有することができる。このような可変的な組み合わせは、２つ、３つ、５つ、６つ以上の車輪を有するマルチモータＥＶにも適用される。
比較的低い電圧要件、例えば、３００～４００Ｖの公称ライン間ピーク電圧を有するモータは、より高い電圧印加よりも比較的少ないモジュールを有するサブシステム１０００を有してもよい。代替的又は追加的に、各モジュールは、より高い電圧印加のものよりも低い公称電圧を有してもよい。例えば、低電圧要件よりも高い比較的中程度の電圧要件、例えば、４００～７００Ｖの公称ライン間ピーク電圧を有するモータは、低電圧サブシステム１０００よりもアレイごとに比較的多くのモジュールを有するサブシステム１０００を有してもよく、及び／又はそれらのモジュールは、低電圧印加のものと同じ又はより高い公称電圧を有してもよい。更なる例によって、低電圧要件及び／又は中等度の電圧要件よりも高い、比較的高い電圧要件、例えば、７００～８００Ｖの公称ライン間ピーク電圧を有するモータは、低電圧及び中等度の電圧サブシステム１０００よりもアレイごとに比較的多くのモジュールを有するサブシステム１０００を有してもよく、及び／又は、それらのモジュールの公称電圧は、低電圧又は中等度の電圧サブシステム１０００の公称電圧よりも比較的高くてもよい。当然ながら、全てのサブシステム１０００は、同じ数のモジュールで構成することができ、モジュールの公称電圧のみが変化してもよく、又は全てのサブシステム１０００は、同じ公称電圧を有するが、アレイごとに異なる数のモジュールを備えたモジュールで構成することができる。
本主題はまた、同じクラスであるが異なるタイプ（例えば、異なる電気化学、異なる物理構造など）のエネルギーソースを使用する機能を提供する。例えば、マルチモータＥＶの１つ以上の第１のサブシステム１０００は、第１のタイプのバッテリを備えたモジュール１０８を有してもよく、マルチモータＥＶの１つ以上の第２のサブシステム１０００は、第２のタイプのバッテリを備えたモジュール１０８を有してもよい。相互接続モジュール１０８ＩＣが存在する場合、それらのモジュール１０８ＩＣは、第１及び第２のタイプとは異なる第３のタイプのバッテリを有することができる。１つ以上のサブシステムがモジュールごとに複数のエネルギーソースを備えたモジュール１０８Ｂを有する場合、（ａ）１つ以上の第１のサブシステムがモジュールごとに複数のエネルギーソースを有し、１つ以上の第２のサブシステムがモジュールごとに１つのエネルギーソースのみを有すること、（ｂ）１つ以上の第１のサブシステムがモジュールごとに、第１のタイプの一次エネルギーソースと第２のタイプの二次エネルギーソースとを含む複数のエネルギーソースを有し、かつ１つ以上の第２のサブシステムがモジュールごとに、同じ第１のタイプの一次エネルギーソースと第１及び第２のタイプとは異なる第３のタイプの二次エネルギーソースとを含む複数のエネルギーソースを有すること、（ｃ）１つ以上の第１のサブシステムがモジュールごとに、第１のタイプの一次エネルギーソースと第２のタイプの二次エネルギーソースを含む複数のエネルギーソースを有し、かつ１つ以上の第２のサブシステムがモジュールごとに、第１及び第２のタイプとは異なる第３のタイプの一次エネルギーソースと第２のタイプの二次エネルギーソースとを含む複数のエネルギーソースを有すること、又は（ｄ）１つ以上の第１のサブシステムがモジュールごとに複数のエネルギーソースを有し、１つ以上の第２のサブシステムがモジュールごとに複数のエネルギーソースを有し、かつ１つ以上の第１のサブシステムにおけるエネルギーソースのタイプが、１つ以上の第２のサブシステムにおけるエネルギーソースのタイプとは異なること、といった組み合わせのような、更なる組み合わせを実施することができる。
エネルギーソース間のタイプの違いは、それらのエネルギーソースの動作特性の観点から現れることができる。例えば、異なるタイプのバッテリエネルギーソースは、異なる公称電圧、異なるＣレート、異なるエネルギー密度、異なる容量を有してもよく、それらの各々は、温度、充電状態、又は使用量（例えば、サイクル数）によって変化し得る。バッテリのタイプの例としては、固体電池、液体電解質ベースの電池、液相電池、並びにリチウム（Ｌｉ）金属電池、Ｌｉイオン電池、Ｌｉ空気電池、ナトリウムイオン電池、カリウムイオン電池、マグネシウムイオン電池、アルカリ電池、ニッケル金属水素電池、硫酸ニッケル電池、鉛酸電池、亜鉛空気電池などのフロー電池が挙げられる。Ｌｉイオン電池タイプのいくつかの例としては、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）、リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物（ＮＣＡ）、及びＬｉチタン酸塩（ＬＴＯ）が挙げられる。
本主題は、異なるタイプのエネルギーソース、特に異なるタイプのバッテリを有するための異なるモジュール１０８、サブシステム１０００、及びシステム１００の機能を提供する。ＥＶの１つ以上の第１のサブシステムは、各々が第１のタイプのエネルギーソースを有するモジュールを含むことができ、ＥＶの１つ以上の第２のサブシステムは、各々が第１のタイプとは異なる第２のタイプのエネルギーソースを有するモジュールを含むことができ、これら２つのタイプは、少なくとも２つの動作特性に関して異なる。第１のタイプのバッテリは、異なる第２のタイプのバッテリの同じ第１の動作特性よりも比較的大きい第１の動作特性（例えば、公称電圧、Ｃレート、エネルギー密度、又は容量）を有してもよく、第２のタイプのバッテリは、第１のタイプのバッテリの同じ第２の動作特性よりも比較的大きい異なる第２の動作特性（例えば、公称電圧、Ｃレート、エネルギー密度、又は容量）を有してもよい。例えば、ＥＶは、第１のタイプのエネルギーソース及び第２のタイプのエネルギーソースを有してもよく、第１のタイプ（例えば、ＬＦＰ）は、比較的高いＣレート及び比較的低いエネルギー密度（又は容量）を提供し、したがって、それを加速性能により好適なものにし、一方で、第２のタイプ（例えば、ＮＭＣ）は、比較的低いＣレート及び比較的高いエネルギー密度（又は容量）を提供し、したがって、それを高速道路走行により好適なものにする。
このように、バッテリのタイプを混合して、異なる動作特性よりも優れた性能を達成することができる。異なるタイプの利用は、単一のモジュール（例えば、第１のタイプの一次ソース２０６Ａ及び第２のタイプの二次ソース２０６Ｂ）内、同じ単一のサブシステム１０００又はシステム１００の異なるモジュール間（例えば、第１のタイプのエネルギーソース２０６を有する１つ以上のモジュール１０８と、第２のタイプのエネルギーソース２０６を有する１つ以上のモジュール１０８）、及び／又はサブシステム１０００間又はシステム１００間（例えば、各々が第１のタイプのエネルギーソースを有するモジュールを有する第１のサブシステムと、各々が第２のタイプのエネルギーソースを有するモジュールを有する第２のサブシステム）で実装することができる。
電圧能力（例えば、低、中、高）及びエネルギーソースタイプのこれらの変形例は、本明細書に記載の全ての実施形態に適用することができる。これらの変形例は、図１０Ｃ、１４、１５Ａ、１５Ｃ、１５Ｅ、及び１６Ａ～１８Ｂに関して記載されたものなど、複数のモータ１１００を駆動するために２つ以上の別個のサブシステム１０００を有する実施形態に特に適用可能である。異なる電圧能力を有するサブシステムを充電するとき、各サブシステムは、専用充電ポート及び充電ケーブル（専用充電ソース又は共有充電ソースから）によって独立して充電することができ、又はサブシステムは、図１４、１５Ａ、１５Ｃ、及び１５Ｅ（及び他の場所）に関して記載された並列構成などの同じ充電ケーブル及びコネクタから同時に充電することができる。本明細書に記載の実施形態のいずれかを充電するとき、充電プロセス中にバランスをとるのに十分な余裕を維持することが望ましい場合、利用可能な充電ソース電圧（例えば、ＡＣ充電のためのピークライン間電圧）は、任意の一度に充電されているソース２０６の現在の電圧の合計よりも小さいことが好ましい。
図１６Ａは、それぞれ３つのモータ１１００－１、１１００－２、及び１１００－３を駆動するための３つのサブシステム１０００－１、１０００－２、及び１０００－３を有するシステム１００の例示的な実施形態を示すブロック図である。この例では、モータ１１００－１及び１１００－２は、各々４輪ＥＶの異なる前輪に関連付けられ、中程度の電圧要件を有する一方で、モータ１１００－３は、ＥＶの２つの後輪に関連付けられ、モータ１１００－１及び１１００－２よりも比較的高い電圧要件を有する。サブシステム１０００－１及び１０００－２のアレイ７００は、各々示されるようにＮ個のモジュール１０８を有することができ、２つのサブシステムについてのＮの値は、好ましくは同じである。サブシステム１０００－３のアレイ７００は、各々Ｍモジュール１０８を有することができ、これは、２つ以上の任意の整数とすることができる。サブシステム１０００－３のアレイ７００は、サブシステム１０００－１及び１０００－２のアレイ７００よりも比較的大きな電圧を生成するように構成され、したがって、サブシステム１０００－３は、多くの場合、サブシステム１０００－１及び１０００－２よりも多くのモジュール１０８を有する。特定の他の実施形態では、例えば、サブシステム１０００－３の各モジュール１０８が、サブシステム１０００－１及び１０００－２のモジュール１０８よりも大きな電圧を生成することができる場合、より大きな公称電圧を有するバッテリタイプの使用、又はサブシステム１０００－３の各モジュール１０８内に複数のエネルギーソース２０６を含めることなどによって、モジュールの数は、サブシステム間で一貫していてもよい。
３つの相互接続モジュール１０８ＩＣ－１、１０８ＩＣ－２、及び１０８ＩＣ－３が存在し、各々は、３つの異なるアレイ７００への接続のための３つのスイッチ部分６０４を含む。各モジュール１０８ＩＣは、単一のサブシステムの３つのアレイ７００に結合され、モジュール１０８ＩＣ－１は、サブシステム１０００－１のアレイ７００－ＰＡ、ＰＢ、ＰＣに結合され、モジュール１０８ＩＣ－２は、サブシステム１０００－２のアレイ７００－ＰＤ、ＰＥ、ＰＦに結合され、モジュール１０８ＩＣ－３は、サブシステム１０００－３のアレイ７００－ＰＧ、ＰＨ、ＰＩに結合される。この実施形態では、各サブシステム１０００は、そのサブシステムの関連するモータ１１００とインターフェースする別個の制御システム１０２の制御下にあることができる。モジュール１０８ＩＣは、補助負荷３０１及び３０２に電力を供給するために相互接続される。
代替の実施形態では、各モジュール１０８ＩＣは、少なくとも２つの異なるサブシステム１０００に結合することができる。例えば、モジュール１０８ＩＣ－１は、サブシステム１０００－１のアレイ７００－ＰＡ及び７００－ＰＢ、並びにサブシステム１０００－３のアレイ７００－ＰＧに結合することができる。モジュール１０８ＩＣ－２は、サブシステム１０００－１のアレイ７００－ＰＣ、サブシステム１０００－２のアレイ７００－ＰＤ、及びサブシステム１０００－３のアレイ７００－ＰＨに結合することができる。モジュール１０８ＩＣ－３は、サブシステム１０００－２のアレイ７００－ＰＥ及び７００－ＰＦ、並びにサブシステム１０００－３のアレイ７００－ＰＩに結合することができる。この代替の実施形態では、サブシステム１０００は、３つのモータ１１００の全てのためのコントローラとインターフェースし、また、各サブシステム１０００のステータス情報を収集し、サブシステム１０００間のアレイ間バランシングを実行するように構成された、共通制御システム１０２の制御下にあることができる。
図１６Ａにおいて、ライン１１１１－１は、スイッチアセンブリ１２５０－１内のスイッチ１１０８と接続する。スイッチ１６０２の追加のセットは、サブシステム１０００－１と１０００－２との間のライン１１１１－１上に含まれる。これらのスイッチ１６０２は、モータ１１００－１及び１１００－２が動作中に切断されるように、ＳＰＳＴスイッチ（電気機械的リレー又はＳＳＲのいずれか）がデフォルトで開状態になることができる。スイッチ１６０２は、関連するシステム１０２の制御下で充電のために閉じることができる。コントロールラインは図示されていない。コネクタ１１０２／１２０２は、図示されているように共有することができ、ルーティング回路１２００は、図１２Ｇ、１５Ｂ、又は１５Ｄに従って構成することができる。代替的に、コネクタ１１０２／１２０２は、少なくとも５つの充電導体を有する別個でかつ分離したコネクタ１１０２及び１２０２とすることができ、ルーティング回路１２００は、図１２Ｂ、１３Ｃ、又は１５Ｆに従って構成することができる。
図１６Ｂは、モータ１１００－１及び１１００－２が第１の充電コネクタ１１０２－１からの多相充電のために構成され、モータ１１００－３が第２の充電コネクタ１１０２－２からの多相充電のために構成されている、３つのモータトポロジーの別の例示的な実施形態を示すブロック図である。この実施形態では、比較的高い電圧サブシステム１０００－３が、比較的低い電圧サブシステム１０００－１及び１０００－２よりも高い電圧充電信号で充電することができるように、異なる多相充電電圧を各コネクタに印加することができる。コネクタ１１０２／１２０２は、図示されているように共有することができ、ルーティング回路１２００は、図１２Ｇに従って構成することができる。代替的に、コネクタ１１０２／１２０２は、少なくとも５つの端子を有する別個でかつ分離したコネクタ１１０２及び１２０２とすることができ、ルーティング回路１２００は、図１２Ｂに従って構成することができる。
図１６Ｃは、単一の充電コネクタ１１０２を使用することができ、高電圧多相充電信号をライン１６０４を介してサブシステム１０００－３に直接的に渡すことができ、低電圧ＡＣ充電信号を３相変圧器１６１０によって生成し、ライン１６０６を介してサブシステム１０００－１及び１０００－２に供給することができる、別の例示的な実施形態を示すブロック図である。スイッチ１１０８は、図１６Ａ～１６Ｃの実施形態におけるＳＰＤＴスイッチである。
図１６Ａ～１６Ｃの実施形態の各々は、４つ（又はそれ以上）のモータシステム１００として構成することができる。図１７は、それぞれが関連付けられたサブシステム１０００－１～１０００－４を備えた４つのモータ１１００－１～１１００－４を有するシステム１００の例示的な実施形態を示すブロック図である。この実施形態では、サブシステム１０００－１は、３つのＩＣモジュール１０８ＩＣ－１～１０８ＩＣ－３を有し、サブシステム１０００－２は、３つのＩＣモジュール１０８ＩＣ－４～１０８ＩＣ－６を有する。各モジュール１０８ＩＣ－１～１０８ＩＣ－３は、サブシステム１０００－１のアレイ７００及びサブシステム１０００－３のアレイ７００に接続するための２つのスイッチ部分６０４（図示せず）を有し、各モジュール１０８ＩＣ－４～１０８ＩＣ－６は、サブシステム１０００－２のアレイ７００及びサブシステム１０００－４のアレイ７００に接続するための２つのスイッチ部分６０４（図示せず）を有する。この実施形態は、サブシステム１０００の間及び内部のバランシングを実行するように構成された単一の制御システム１０２（図示せず）の制御下で実施することができる。代替的に、この４つのモータの実施形態は、サブシステム１０００ごとに１つ（図１６Ａの実施形態のように）、２つ、又は３つのＩＣモジュール１０８ＩＣで実施されて、各サブシステム内で位相間バランスを実行することができる。サブシステム１０００は各々、Ｎ個のモジュールを有するように示されているが、サブシステムごとのモジュールの数は異なることができる。２つのスイッチ１１０８は、モータ１１００ごとに使用される。
本実施形態の充電構成は、３つのモータ実施形態の充電構成と同様であるが、サブシステム１０００－３と１０００－４との間に位置するスイッチ１６０２－２の追加のセットを備える。これらのスイッチ１６０２－２は、同様に、開位置にデフォルト設定され、制御システム１０２の制御下で充電中に閉じるＳＰＳＴスイッチ（例えば、電気機械式リレー又はＳＳＲ）とすることができる。コネクタ１１０２／１２０２は、図示されているように共有することができ、ルーティング回路１２００は、図１２Ｇ、１５Ｂ、又は１５Ｄに従って構成することができる。代替的に、コネクタ１１０２／１２０２は、少なくとも５つの導体を有する別個でかつ分離したコネクタ１１０２及び１２０２とすることができ、ルーティング回路１２００は、図１２Ｂ、１３Ｃ、又は１５Ｆに従って構成することができる。
図１８Ａ～１８Ｂは、６つのモータを有するＥＶに３相電力を供給するように構成されたシステム１００の例示的な実施形態を示すブロック図である。６つのモータ構成は、単一のシャーシ又は移動可能に一緒に接続された複数のシャーシを有するＥＶで使用することができる。例えば、フロントシャーシは２つのモータを有し、かつリアシャーシは４つのモータを有することができるか、又はフロントシャーシは４つのモータを有し、かつリアシャーシは２つのモータを有することができる。ここに示される電気構成では、モータ１１００－１及び１１００－２を前輪モータとし、モータ１１００－３及び１１００－４を中輪モータとし、モータ１１００－５及び１１００－６を後輪モータとすることができる。代替的に、モータ１１００－１及び１１００－３を前輪モータとすることができ、モータ１１００－２及び１１００－４を中輪モータとし、モータ１１００－５及び１１００－６を後輪モータとすることができる。
本実施形態の充電構成は、４つのモータ実施形態の充電構成と同様であるが、ライン１１１１－３の第３のセットが多相充電信号をモータ１１００－５及び１１００－６に搬送するように、ライン１１１１に追加の分割がある。追加のスイッチアセンブリ１２５０－３は、サブシステム１０００－５と１０００－６との間に位置するスイッチ１６０２－３及び１６０２－４の２つの追加のセットを有することができる。これらのスイッチ１６０２－３及び１６０２－４は、開位置にデフォルト設定され、制御システム１０２の制御下で充電中に閉じるＳＰＳＴスイッチ（例えば、電気機械式リレー又はＳＳＲ）とすることができる。スイッチ１６０２－３及び１６０２－４は、システム１０００－５をシステム１０００－６から切り離し、また、充電コネクタ１１０２及び１２０２からの隔離を提供することができる。充電コネクタの隔離がルーティング回路１２００に提供される場合、スイッチ１６０２－３及び１６０２－４は、スイッチの１つのセットとして統合することができる。
図１６Ａ～１６Ｃ、１７、及び１８Ａ～１８Ｂの実施形態では、図１４～１５Ｆに関して記載された並列充電アプローチを充電に使用することができる。ライン１１１１の分割は、図示されるように、ルーティング回路１２００の外側で、又は図１５Ｃ～１５Ｆの実施形態と同様に、ルーティング回路１２００内で生じることができる。図１４～図１５Ｆの実施形態と同様に、図１６Ａ～１６Ｂ、１７、及び１８の実施形態は、多相充電のみ、単相充電のみ、ＤＣ充電のみ、３つの充電タイプの全て、又はそれらの任意の組み合わせのために構成することができる。アレイ７００は、３つの充電タイプの全ての間に並列に充電することができる。
システム１００はまた、１つのモータのみを駆動する構成で並列にアレイ７００を充電するように構成することができる。図１９Ａ～１９Ｂは、６相モータ１９００に電力を供給するように構成された６相システム１００の例示的な実施形態を示すブロック図である。システム１００は、６相ＰＡ、ＰＢ、ＰＣ、ＰＡ’、ＰＢ’、及びＰＣ’の各々に対応するアレイ７００を含む。３相充電コネクタ１１０２は、アレイ７００－ＰＡ及び７００－ＰＡ’を並列に充電することができ、アレイ７００－ＰＢ及び７００－ＰＢ’を並列に充電することができ、アレイ７００－ＰＣ及び７００－ＰＣ’を並列に充電することができるように、システム１００に接続される。コネクタ１１０２からのラインは、ライン１９１１の第１のセット及びライン１９１２の第２のセットに分岐する。コネクタ１１０２のＰＡラインは、ライン１９１１のうちの１つを介して、モータ１９００のＰＡポート及びアレイ７００－ＰＡのモジュール１０８－１のＩ／Ｏポート１に接続され、コネクタ１１０２のＰＡラインは、ライン１９１２のうちの１つを介して、モータ１９００のＰＡ’ポート及びアレイ７００－ＰＡ’のモジュール１０８－１のＩ／Ｏポート１に接続される。コネクタ１１０２のＰＢラインは、別のライン１９１１を介して、モータ１９００のＰＢポート及びアレイ７００－ＰＢのモジュール１０８－１のＩ／Ｏポート１に接続され、コネクタ１１０２のＰＢラインは、別のライン１９１２を介して、モータ１９００のＰＢ’ポート及びアレイ７００－ＰＢ’のモジュール１０８－１のＩ／Ｏポート１に接続される。コネクタ１１０２のＰＣラインは、別のライン１９１１を介して、モータ１９００のＰＣポート及びアレイ７００－ＰＣのモジュール１０８－１のＩ／Ｏポート１に接続され、コネクタ１１０２のＰＣラインは、最終ライン１９１２を介して、モータ１９００のＰＣ’ポート及びアレイ７００－ＰＣ’のモジュール１０８－１のＩ／Ｏポート１に接続される。
スイッチ１９０８－１、１９０８－２、及び１９０８－３は、ライン１９１２内に直列に接続されて、ライン１９１２によってなされる接続を選択的に接続及び切断する。スイッチ１９０８は、好ましくは、システム１００が放電状態にある間、モータ１９００の動作のための開位置にデフォルト設定される。システム１００が充電状態に入ると、スイッチ１９０８は、モータ１９００をバイパスするために閉じ、様々なアレイ７００を並行に充電することを可能にする。スイッチ１９０８は、本明細書の他の箇所に記載されるように、電気機械スイッチ又はソリッドステートスイッチとして構成することができる。代替的に、充電中にモータ１９００をバイパスするために、モータ１９００の６つのポート（ＰＡ～ＰＣ’）の各々に６つのスイッチを置くことができる。
図１９Ａの実施形態は、図１１Ａ～図１１Ｂに関して記載されたのと同様であるが、各アレイ対が並列に充電される方法で、３相コネクタ１９０２を通って３相充電信号で充電することができる。電流は、モジュール１０８ＩＣを通ってルーティングされ、本明細書に記載されるようにモジュール１０８ＩＣのソースを充電するために使用することができる。充電プロセスは、電圧が依然として補助負荷３０１及び３０２に供給されている間に起こり得る。電圧、電流、及び／又は位相は、モニタデバイス１３１０によって測定することができ、様々なモジュール１０８は、本明細書に記載されるように、１の力率、又は１の閾値（例えば、１％、２％、５％）内をターゲットに切り替えることができる。
図１９Ｂの実施形態は、共有充電コネクタ１１０２／１２０２を有し、図１２Ｇに関して記載されたようなルーティング回路１２００を含み、３つの充電タイプ：ＤＣ、単相ＡＣ、又は３相ＡＣで充電することができる。例えば、図１４～１５Ｆに関して記載されたように、並列充電のために充電コネクタの隔離を適用するコネクタ１１０２、１２０２及びルーティング回路１２００の構成は、同様に、６相モータを有するこの実施形態での使用に適合させることができる。スイッチ１９０８は、３つの充電タイプの全ての間に閉じ、モータ１９００を駆動するための放電状態でのシステム１００の通常の動作中に開く。アレイ７００は、３つの充電タイプの全ての間に再び並行に充電される。
モータを通してアレイを充電する例示的な実施形態
システム１００はまた、適応ルーティング回路１２００が必要とされないように、モータを通してアレイ７００を充電するように構成することができる。図２０は、図１１Ａのものと同様であるが、単一のユーザがアクセス可能な場所で３相充電コネクタ１１０２と統合することができるか、又はそこから分離してＥＶ上の異なる場所にすることができる、デュアルＤＣ及び単相ＡＣ充電コネクタ２００２を備えた、システム１００の例示的な実施形態を示すブロック図である。デュアルコネクタ２００２は、次いでモータ１１００の位相ポートに接続される第１のライン２００４－１に接続され、この実施形態では、モータ１１００は、ＰＣ及びスイッチ１１０８－ＰＣである。コネクタ２００２は、システム１００のシステム出力ポートＳＩＯ４に接続することができる第２のライン２００４－２に接続される。システム出力ポートＳＩＯ４は、ＩＣモジュールが存在しない場合、アレイ７００－ＰＣに接続された相互接続モジュール１０８ＩＣ－２のモジュール出力ポート２、又はアレイ７００－ＰＣのモジュール１０８－Ｎの出力ポート２とすることができる。コネクタ２００２は、ＤＣ充電のための正のＤＣリード及び負のＤＣリード、又は単相ＡＣ充電のためのＡＣライン及びＡＣニュートラルリードに接続することができ、この例では、これらは、それぞれ、ライン２００４－１及び２００４－２に接続される。他の接続を実装することもできる。
１つ、２つ、又は３つのアレイ７００の全てが同時に充電されるように、ＤＣ充電を実行することができる。また、１つ、２つ、又は３つのアレイ７００の全てが同時に充電されるように、単相ＡＣ充電を実行することができる。ＤＣ及びＡＣ充電は、本明細書に記載されるようにモジュール１０８間の温度差のバランスをとり、本明細書に記載されるように全てのモジュール１０８にわたってバランスのとれたＳＯＣに到達することを目的とする方法で実行することができる。ＡＣ充電は、力率を単位又は単位付近で維持するために実行される。全ての場合において、測定可能な電流がモータコイル又は巻線を通過し、フラックスが生成される場合、システム１００のセンサは、この電流を検出し、制御システム１０２は、全ての巻線を通る全てのフラックスの大きさ及び位相が互いを打ち消す又は中和するように、又はフラックスの任意の変動が閾値未満であり、かつモータを回転させるのに不十分であるように、互いを実質的に打ち消す又は中和するように、各モジュール１０８の切り替えを制御する。
各アレイの順次ＤＣ充電
アレイ７００－ＰＡを充電するために、スイッチ１１０８－ＰＡは、アレイ７００－ＰＡをモータ１１００に接続するために位置１に置かれる。スイッチ１１０８－ＰＢ及び１１０８－ＰＣは、位置２に置かれるか、又は保持される。ＤＣ充電電圧を印加すると、電流は、コネクタ２００２のＤＣ＋ポートに入り、ライン２００４－１を通ってモータ１１００に至り、モータのＰＣ及びＰＡ巻線を通過する。電流は、モータ１１００を出て、スイッチ１１０８－ＰＡ及び監視回路１１１０－ＰＡを通過し、アレイ７００－ＰＡを通過し、各モジュール１０８－１～１０８－Ｎは、本明細書に記載の技術に従ってそれぞれのコンバータ２０２を切り替えることによって個別に充電することができる。モジュール１０８ＩＣ－１及びモジュール１０８ＩＣ－２のための充電電流は、スイッチ部分６０４－ＰＡのＳ７、モジュール１０８ＩＣ－１及びモジュール１０８ＩＣ－２の充電ソース２０６（図１０Ｅに示されるように並列）を通過し、モジュールＩ／Ｏポート２を通ってモジュール１０８ＩＣ－２を出ることができ、このモジュールＩ／Ｏポート２は、図１０Ｅに示されるようにレール（ＩＯポート６のノード）に沿って、又は追加のスイッチ部分６０４のＳ７とＳ８との間に、置くことができる。次いで、電流は、コネクタ２００２のＤＣ－ポートを通ってシステム１００を出る。
アレイ７００－ＰＢを充電するために、スイッチ１１０８－ＰＢは、アレイ７００－ＰＢをモータ１１００に接続するために位置１に置かれる。スイッチ１１０８－ＰＡ及び１１０８－ＰＣは、位置２に置かれるか、又は保持される。電流は、コネクタ２００２のＤＣ＋ポートから、ライン２００４－１を通ってモータ１１００に至り、次いでモータのＰＣ及びＰＢ巻線を通過する。次いで、電流は、スイッチ１１０８－ＰＢ及び監視回路１１１０－ＰＢを通過し、アレイ７００－ＰＢを通過し、各モジュール１０８－１～１０８－Ｎは、本明細書に記載の技術に従ってそれぞれのコンバータ２０２を切り替えることによって個別に充電することができる。モジュール１０８ＩＣ－１及び１０８ＩＣ－２の充電電流は、スイッチ部分６０４－ＰＢのＳ７、モジュール１０８ＩＣ－１及び１０８ＩＣ－２の充電ソース２０６（図１０Ｅに示されるように並列）を通過し、モジュールＩ／Ｏポート２を通ってモジュール１０８ＩＣ－２を出ることができ、コネクタ２００２のＤＣ－ポートを通ってシステム１００を出る。
アレイ７００－ＰＣを充電するために、スイッチ１１０８－ＰＣは、アレイ７００－ＰＣをライン２００４－１に接続するために位置１に置かれる。スイッチ１１０８－ＰＡ及び１１０８－ＰＢは、位置２に置かれるか、又は保持される。電流は、コネクタ２００２のＤＣ＋ポートからライン２００４－１を通過し、モータ１１００をバイパスし、スイッチ１１０８－ＰＣ及び監視回路１１１０－ＰＣを通過し、アレイ７００－ＰＣを通過し、各モジュール１０８－１～１０８－Ｎは、本明細書に記載の技術に従ってそれぞれのコンバータ２０２を切り替えることによって個別に充電することができる。モジュール１０８ＩＣ－１及び１０８ＩＣ－２の充電電流は、スイッチ部分６０４－ＰＣのＳ７、モジュール１０８ＩＣ－１及び１０８ＩＣ－２の充電ソース２０６（図１０Ｅに示されるように並列）を通過し、モジュールＩ／Ｏポート２を通ってモジュール１０８ＩＣ－２を出ることができ、コネクタ２００２のＤＣ－ポートを通ってシステム１００を出る。モジュール１０８ＩＣの充電ソース２０６を停止するために、関連するスイッチ部分６０４のＳ８を作動させて、電流をモジュール１０８ＩＣ－２のポート２に直接的に導くことができる。
２つ以上のアレイの同時ＤＣ充電
コネクタ２００２で提供されるＤＣ充電信号と同時に２つ以上のアレイ７００を充電するために、次いで、充電されるアレイ７００に接続されたスイッチ１１０８は、位置１に置かれるか、又は保持され、充電されていない任意のアレイ７００に接続されたスイッチ１１０８は、位置２に置かれるか、又は保持される。モジュール１０８ＩＣの充電ソース２０６を停止するために、次いで、充電されたアレイ７００の各スイッチ部分６０４のＳ８を比作動にさせることができるか、又は充電されているアレイ７００のスイッチ部分６０４を５０－５０デューティサイクルで変調することができる。充電されているアレイ７００を通る電流は、モジュール１０８によって調節されて、モータ１１００を通るフラックスの打ち消しを維持し、また、モジュール（例えば、温度及びＳＯＣ）のバランスをとりながら、モジュールのエネルギーソース２０６を充電する。
全てのアレイの同時単相ＡＣ充電
コネクタ２００２で提供される単相ＡＣ信号と同時にアレイ７００の全てを充電するために、次いで、スイッチ１１０８は、位置１に置かれるか、又は保持される。ライン２００４－１からの電流は、モータ１１００のＰＣ及びＰＡ巻線を介してアレイ７００－ＰＡに供給され、モータ１１００のＰＣ及びＰＢ巻線を介してアレイ７００－ＰＢに供給され、ライン２００４－１から直接的にアレイ７００－ＰＣに供給される（モータ１１００をバイパスする）。次いで、電流は、アレイ７００－ＰＡ、７００－ＰＢ、及び７００－ＰＣ並びにモジュール１０８ＩＣ－１及び１０８－ＩＣ２の各々を通過し、モジュール１０８ＩＣ－２のＩ／Ｏポート２を通って出る。アレイ７００を通る電流は、モジュール１０８によって調節され、例えば、巻線ＰＡ及びＰＢを通る電流を巻線ＰＣを通る電流と等しくさせることなどによって、同じ位相の全ての電流で、モータ１１００を通るフラックスの打ち消しを維持し、したがって、磁束を中和する。モジュール１０８のエネルギーソース２０６は、本明細書に記載の技術に従って、モジュール１０８の１つ以上の動作特性（例えば、温度及びＳＯＣ）のバランスをとりながら充電することができる。
各アレイ又はアレイのサブセットの同時単相ＡＣ充電
コネクタ２００２で提供される単相ＡＣ信号と同時にアレイ７００の１つ又はサブセットに対して、次いで、充電されているアレイ７００に対応するスイッチ１１０８は、位置１に置かれるか、又は保持され、他のスイッチは、位置２に置かれるか、又は保持される。ライン２００４－１からの電流は、モータ１１００の巻線を通って、又はアレイ７００－ＰＣが充電されている場合は、迂回するモータ１１００を通って、アレイ７００に供給される。次いで、電流は、充電されているアレイ７００及びモジュール１０８ＩＣ－１及びモジュール１０８－ＩＣ２を通過し、モジュール１０８ＩＣ－２のＩ／Ｏポート２を通って出る。充電されているアレイ７００を通る電流は、モータ１１００を通るフラックスの打ち消しを維持するためにモジュール１０８によって調節され、これは、２つの巻線（ＰＣ及びＰＡ、又はＰＣ及びＰＢ）のみを使用する場合、比較的簡単である。モジュール１０８のエネルギーソース２０６は、本明細書に記載の技術に従って、モジュール１０８の１つ以上の動作特性（例えば、温度及びＳＯＣ）のバランスをとりながら充電することができる。
充電システム１００の前述の実施形態では、モータ１１００をバイパスするときと、モータ１１００を介して充電するときの両方で、スイッチ１１０８は、充電されている１つ以上のアレイを通る電流の流れを可能にし、充電されていない任意のアレイを通る電流の流れを防止する位置に切り替えられる。代替的に、全てのスイッチ１１０８は、充電を可能にする位置に置くことができ、充電されていないアレイを通る電流の流れは、そのアレイ７００のモジュール１０８及びそのアレイ７００に結合された任意のモジュール１０８ＩＣを使用して調節又は防止することができる。充電されていないアレイ７００を通るいくらかの電流の流れは、モータ内のフラックスを中和するのを支援するために所望され得る。
デルタかつ直列トポロジーの充電
本明細書に記載の充電の主題は、図７Ｄ及び図７Ｅに関して記載されたものと同様に、モジュール１０８のデルタかつ直列配列を有するトポロジーとともに使用することができる。図２１Ａは、図７Ｅと同様のデルタかつ直列配列であるが、補助負荷３０１及び３０２を供給する相互接続モジュール１０８ＩＣ－１及び１０８ＩＣ－２を追加した、システム１００の例示的な実施形態を示すブロック図である。この実施形態は、コネクタ１１０２を通る３相充電、又はコネクタ１２０２を通るＤＣ又は単相ＡＣ充電のために構成される。３相充電は、３相充電コネクタ１１０２から直接的に発生することができる。ＤＣ及び単相ＡＣ充電の場合、アレイ７００－ＰＡ、７００－ＰＢ、及び７００－ＰＣは、ライン１２１１によって相互接続されるため、ライン１２１１－１からのＤＣ＋及びＡＣ（Ｌ）電流は、アレイ７００－ＰＣのモジュール１０８－１及びアレイ７００－ＰＢのモジュール１０８－（Ｍ）に直接的に入力され、そこからシステム１００のモジュール１０８の残りの部分に循環することができる。ＤＣ及び単相ＡＣ充電からの電流は、モジュール１０８ＩＣ－２及びライン１２１１－２を介して出ることができる。
図２１Ｂは、図２１Ａと同様の配列を有するが、デュアル充電コネクタ１２０２と３相充電ライン１１１１との間に結合されたルーティング回路１２００を備えた、システム１００の別の例示的な実施形態を示すブロック図である。このデルタかつ直列トポロジーは、本明細書の他の箇所に記載されるように、３相充電ソース、単相充電ソース、又はＤＣ充電ソースのいずれかを使用して充電することができる。
開放巻線負荷の充電
本明細書に記載の充電の主題は、１つ以上の開放巻線（又はコイル）負荷に電力を供給する複数のサブシステム１０００を有するトポロジーで使用することができる。図２２は、開放巻線モータ２２００を供給するためにサブシステム１０００－１及び１０００－２を有するシステム１００の例示的な実施形態を示すブロック図である。サブシステム１０００－１は、モータ２２００の第１のポートにそれぞれ位相ＰＡ、ＰＢ、及びＰＣを有する電力を最初に供給するアレイ７００－ＰＡ、７００－ＰＢ、及び７００－ＰＣを含む。サブシステム１０００－２は、モータ２２００の第２のポートにそれぞれ位相ＰＡ’、ＰＢ’、及びＰＣ’を有する電力を最初に供給するアレイ７００－ＰＡ’、７００－ＰＢ’、及び７００－ＰＣ’を含む。サブシステム１０００－２はまた、位相間バランシング及び負荷３０１及び３０２の供給のためのモジュール１０８ＩＣ－１及び１０８ＩＣ－２を含む。
３相充電コネクタ１１０２は、アレイ７００－ＰＡ、７００－ＰＢ、及び７００－ＰＣのモジュール１０８－１のＩ／Ｏポート１に結合される。スイッチ２２０８－１は、アレイ７００－ＰＡのモジュール１０８－１のＩ／Ｏポート１と、アレイ７００－ＰＢのモジュール１０８－１のＩ／Ｏポート１と、の間に接続される。スイッチ２２０８－２は、アレイ７００－ＰＢのモジュール１０８－１のＩ／Ｏポート１と、アレイ７００－ＰＣのモジュール１０８－１のＩ／Ｏポート１と、の間に接続される。３相充電コネクタ１１０２は、スイッチ２２０８－１及び２２０８－２が開位置にあるときにサブシステム１０００－１及び１０００－２の両方を充電するための３相電力を供給するために使用することができる。
デュアルＤＣ及び単相ＡＣ充電コネクタ２２０２は、アレイ７００－ＰＣのモジュール１０８－１のＩ／Ｏポート１に接続されたＤＣ＋又はＡＣ（Ｌ）ライン２２０４－１、及びモジュール１０８ＩＣ－２のＩ／Ｏポート２に接続されたＤＣ－又はＡＣ（Ｎ）ライン２２０４－２を有する。３相充電ソースが接続されておらず、かつスイッチ２２０８－１及び２２０８－２が閉位置にある場合、デュアル充電コネクタ２２０２は、ＤＣ又は単相ＡＣ充電に使用することができる。
本明細書に記載の他の実施形態と同様に、監視回路１１１０の使用により、充電は、制御システム１０２の制御下で実行されて、モータが回転するのを防ぐために互いを打ち消すモータ２２００内のフラックスを維持する。充電はまた、システム１００の各モジュール１０８の１つ以上の動作特性（例えば、ＳＯＣ又は温度）のバランスのとれた状態をターゲットとする様式で実行される。３相充電の場合、電流は、充電ソースの残りの負の信号に対して正である充電ソースからの１つ又は２つの信号から通過する。例えば、位相ＰＡが正であり、かつ位相ＰＢ及びＰＣが負である場合、電流は、アレイ７００－ＰＡを通過し、次いで、モータ２２００のＰＡ－ＰＡ’巻線を通過し、次いで、アレイ７００－ＰＡ’及びモジュール１０８ＩＣ－１を通過する。そこから、電流は、アレイ７００－ＰＢ’、巻線ＰＢ－ＰＢ’、及びアレイ７００－ＰＢを通るか、又はモジュール１０８ＩＣ－２、アレイ７００－ＰＣ’、巻線ＰＣ－ＰＣ’、及びアレイ７００－ＰＣを通るかのいずれかの２つの経路のうちの１つを通って戻り、次いでコネクタ１１０２を通って出ることができる。電流がサブシステム１０００の各アレイ７００を通過すると、電流の方向に関係なく、各モジュール１０８は、本明細書に記載の技術に従って選択的に充電することができる。単相ＡＣ及びＤＣ充電は、３つの電流経路の各々に沿って並行に実行することができ、各モジュール１０８は、バランスのとれた方式で充電するために必要に応じて切り替わり、次の３つの電流経路を有する。（１）アレイ７００－ＰＡ、巻線ＰＡ－ＰＡ’、アレイ７００－ＰＡ’、及びモジュール１０８ＩＣ－１；（２）アレイ７００－ＰＢ、巻線ＰＢ－ＰＢ’、アレイ７００－ＰＢ’、及びモジュール１０８ＩＣ－１；並びに（３）アレイ７００－ＰＣ、巻線ＰＣ－ＰＣ’、アレイ７００－ＰＣ’、及びモジュール１０８ＩＣ－２。
充電器の例示的な実施形態
システム１００はまた、電気自動車又は他の負荷を充電するための充電ソース１５０として使用することができる。図２３Ａは、充電ステーション１５０内のバッファとして構成されたシステム１００（本明細書ではシステム１００－１と称する）の第１のインスタンスの例示的な実施形態を示すブロック図である。システム１００－１は、充電ケーブル２３０２を使用して、外部電力供給者からのエネルギーでローカルユーティリティグリッドを充電し、次いで高速充電及びＥＶ２３００で充電することができる。ＥＶは、従来のバッテリパックを有することができる、又はシステム１００の第２のインスタンス（本明細書ではシステム１００－２と称する）で構成されたバッテリパックを有することができる。ＥＶ２３００の高速充電は、システム１００－１及び１００－２の構成に応じて、ＤＣ充電信号、単相ＡＣ充電信号、又は多相ＡＣ充電信号で実行することができる。グリッドからの充電は、ケーブル２３０２を介して実行される比較的高い電圧及びより速い充電速度よりも、比較的低い電圧及びより遅い速度で発生することができる。更に、バッファシステム１００－１は、１つ以上のＥＶ２３００を高速充電しながら継続的に充電することができる。バッファシステム１００－１内のソース２０６のサイズに応じて、システム１００－１は、グリッドからの再充電を必要とする前に、多数のＥＶを充電する機能を有することができる。他の実施形態では、充電ステーション１５０は、ユーティリティグリッド接続が省略され得るように、ソーラーパネルのアレイ、風の形態、又は他の再生可能エネルギーソースなどの再生可能エネルギーソースに結合することができる。
図２３Ｂは、システム１００－１の３相構成が、充電ソース１５０内のエネルギー貯蔵バッファとして使用される、図２３Ａのものと同様の例示的な実施形態を示す概略図である。この実施形態では、充電ソース１５０は、システム１００－２を有するバッテリパックで構成された第１のＥＶ２３００に高電圧３相充電信号を提供し、モジュール式スイッチ機能のない従来のバッテリパックを有する第２のＥＶ２３５０にも高電圧ＤＣ充電信号を提供するように構成される。システム１００－１は、変圧器２３６２及び誘導インターフェース回路２３６４を介して３相グリッド２３６０に接続されるアレイ７００－ＰＡ、７００－ＰＢ、及び７００－ＰＣを有する３相システムである。システム１００－１はまた、ＡＣ－ＤＣコンバータ及び充電回路２３６６を含む。システム１００－１は、インターフェース回路２３６４及び誘導インターフェース回路２３６５及び充電ケーブル２３７０を介してＥＶ２３００に３相電力を出力することができ、インターフェース回路２３６４、誘導インターフェース回路２３６７、及び充電回路２３６６のＡＣ－ＤＣコンバータを介してＥＶ２３５０に３相電力を出力することができ、このＡＣ－ＤＣコンバータは、３相電力をＤＣ充電ケーブル２３７２を介して出力されるＤＣ信号に変換する。
この実施形態では、システム１００－１は、グリッド２３６０からの充電を遅らせ、多相ＡＣ又はＤＣアプローチのいずれかを使用して高速充電ＥＶ２３００及び２３５０での使用のために、様々なモジュール１０８のソース内にエネルギーを貯蔵することができる。充電ソース１５０は、本明細書に記載のＰＷＭ及び他の制御技術に従って、システム１００－１のアレイ７００によって生成される出力電圧を調節することによって、異なる車両（例えば、低電圧及び高電圧車両）のための出力電圧を調節することができる。高電圧充電は、システム及びＥＶ構成に基づいて、ＥＶが受信するために定格されるのと同じくらい高くすることができる高Ｃレート、例えば、２Ｃ～１２Ｃ以上で実行することができる。充電ステーション１５０はまた、例えば、ＥＶ２３００又は充電ステーション１５０内にルーティング回路１２００を配置することによって、又は代替的に変圧器を使用することによって、高電圧単相又はＤＣ充電のために構成することができる。
充電ソース１５０は、ＡＣ－ＤＣコンバータ及び充電回路２３６６によって生成された高調波成分を打ち消すために電流を注入するように構成することができる。回路２３６６によって、又はＥＶ２３００及び２３５０を充電する他の態様によって生成される高調波は、監視回路２３８０によって検出することができ、監視回路２３８０は、グリッド２３６０から及びグリッド２３６０に通過する信号の電流、電圧、及び／又は位相を測定するように構成することができる。システム１００－１の制御システム１０２（図示せず）は、高調波を検出し、システム１００－１のモジュール１０８に、高調波とは反対の極性の補償電流を生成させるが、高調波での位相において、グリッド２３６０への高調波のリダイレクトを打ち消させることができる。システム１００－１のこのアクティブフィルタリング機能は、回路２３６６がダイオードのような高調波部品で実装されることを可能にすることができ、これは、ＩＧＢＴのような低調波部品で実装される同様の回路と比較して、回路２３６６のコストを大幅に低減させる。
物理的及び電気的システムレイアウトの例示的な実施形態
システム１００のモジュール化された性質は、ＥＶシャーシ内の物理的なレイアウト及び向きにおいてより大きな柔軟性を可能にする。水平面におけるモジュールの寸法及びアスペクト比は、その中に含まれる１つ以上のエネルギーソース２０６の容積によって主に駆動され、支援回路ははるかに小さく、１つ以上のエネルギーソース２０６のハウジング２２０の上方又は下方に位置することができる（例えば、図２Ｃを参照）。図２４～２８Ｃは、システム１００の様々な構成のためのレイアウトの例示的な実施形態を示す概略図である。これらの図の電気的接続は、本明細書の他の箇所で十分に記載されているので詳細には示されておらず、代わりにここでは物理的配列に重点が置かれている。
図２４は、ベースのＥＶシャーシにおける内部領域１８０内のシステム１００の配列２４００を示し、システム１００は、モータ１１００に３相電力を供給するための３つのアレイで構成されている。ここで、各アレイ内には１０レベルのモジュール１０８がある。位相ＰＡアレイ内のモジュール１０８は、モジュール１Ａ～１０Ａであり、位相ＰＢアレイ内のモジュール１０８は、モジュール１Ｂ～１０Ｂであり、位相ＰＣアレイ内のモジュール１０８は、モジュール１Ｃ～１０Ｃである。システム１００はまた、モジュールＩＣＡＵＸが補助的な役割（例えば、モジュール１０８ＩＣ－３）で構成されている、図１０Ｆの配列と同様の配列で構成されるモジュールＩＣ１、ＩＣ２、及びＩＣＡＵＸを含む。ＥＶの水平面において、各モジュール１０８は、軸２４０１に沿って配向されたより短い寸法（ＥＶ長さ）及び軸２４０２に沿って配向されたより長い寸法（ＥＶ幅）を有する実質的に長方形のプロファイルを有する。各アレイのモジュール１０８－２～１０８－１０は、列に整列され、各列は、軸２４０１に平行である。各レベル２～１０のモジュール１０８は、行に整列され、各行は、軸２４０２に平行である。モジュール１０８－１Ａ、１Ｂ、１Ｃは、モジュール１０８－１Ａ及び１０８－１Ｃが互いに隣接し、モジュール１０８－１ＡがＰＡ及びＰＢアレイの列と重なり、かつモジュール１０８－１ＣがＰＢ及びＰＣアレイの列と重なった状態で、２つの行を占有するジグザグ構成で配置される。モジュール１０８－１Ｂは、概して、位相ＰＢの列に整列されているが、モジュール１０８－１Ｂとモジュール１０８－２Ｂとの間に介在するモジュール１０８－１Ａ及び１０８－１Ｃを有する。同様の構成が、モジュール１０８ＩＣについて領域１８０の反対側の端部に存在する。ジグザグで、行を有するこの構成は、最大量の電圧搬送容量が領域１８０内にコンパクトに分布することを可能にし、この例では、領域１８０は、各端部１８１及び１８２でテーパ状になる８側面構成を有し、エネルギーシステム１００の配置のために利用可能なＥＶシャーシ内の空間を表している。システム１００のためのバッテリパックエンクロージャは、水平面内の領域１８０と同じ形状及び寸法を有することができる。配列２４００は、本明細書に記載の単一モータの実施形態のいずれかに従って充電を実行するように構成することができ、スイッチ１１０８、スイッチアセンブリ１２５０、充電コネクタ、及びルーティング回路１２００を含むことができる。
図２５Ａは、モータ１１００－１及び１１００－２にそれぞれ３相電力（ＰＡ－ＰＣ及びＰＤ－ＰＦ）を供給するように構成された２つのサブシステム１０００－１及び１０００－２で構成されたシステム１００の別の例示的な実施形態の配列２５００を示す。この例では、各サブシステム１０００は、５つのレベル（行）のモジュール１０８を含む。モジュール１０８は、再び同じ方式で配向され、各モジュールのより長い寸法は軸２４０２に沿って配向され、より短い寸法は軸２４０１に沿って整列されている。ＩＣモジュール１０８ＩＣの行は、対称的に反対となる方式で配置される２つのサブシステム１０００の間に位置付けられる。本実施形態の電気的接続は、本明細書に記載の実施形態に従って変化することができる。ここで、ＩＣモジュールは、図１５Ａ、図１５Ｂ、及び図１５Ｅと同様の方式で接続されて示される。各サブシステム１０００は、２つのモータ１１００の要件に基づいて異なる電圧を供給するように構成することができる。サブシステム１０００が前後配列に配向されるように、モータ１１００－１は、ＥＶのフロント二輪駆動系に電力を供給することができ、モータ１１００－２は、リア二輪駆動系に電力を供給することができる。配列２５００は、本明細書に記載の２つのモータの実施形態のいずれかに従って充電を実行するように構成することができ、スイッチ１１０８、１つ以上のスイッチアセンブリ１２５０、充電コネクタ、及びルーティング回路１２００を含むことができる。
図２５Ｂは、モータ１１００－１に対し３相電力を供給し、モータ１１００－２に対し３相電力を分離するように構成された２つのサブシステム１０００－１及び１０００－２で構成されたシステム１００の別の例示的な実施形態の配列２５５０を示す。この例では、各サブシステム１０００は再び、５つのレベル（行）のモジュール１０８を含むが、サブシステム１０００は、代わりに、軸２４０１に沿ったより長い寸法及び軸２４０２に沿ったより短い寸法で配向されるモジュール１０８を用いて、左側及び右側の配列に配向される。ジグザグＩＣモジュール１０８ＩＣの行が端部１８１に存在し、モジュール１０８ＩＣのより長い寸法が軸２４０２に沿っており、かつモジュール１０８のより短い寸法が軸２４０１に沿っているように、それらの向きが反転している。本実施形態の全てのモジュール１０８の間の電気的接続は、本明細書に記載の実施形態に従って変化することができる。この実施形態では、サブシステム１０００は、軸２４０２に沿って横並びに位置付けられるため、サブシステムは、好ましくは、同一又は同様の電圧構成を有する。各車輪は専用モータ１１００を有するため、それらのモータ１１００に供給される電圧は、配列２５００の電圧よりも相対的に大きくすることができる。モータ１１００－１及び１１００－２は、前輪又は後輪を駆動することができる。スイッチアセンブリ１２５０は、端部１８２に位置付けられ、サブシステム１０００とモータ１１００との間に電気的に接続される。アセンブリ１２５０は、図１４、１５Ａ、１５Ｂ、及び１５Ｅに関して記載されたように、両方のモータ１１００（アセンブリ１２５０－１と１２５０－２の組み合わせ）のためのスイッチ１１０８を含むことができる。配列２５５０は、本明細書に記載の２つのモータの実施形態のいずれかに従って充電を実行するように構成することができ、充電コネクタ及びルーティング回路１２００を含むことができる。
図２５Ｃは、モータ１１００－１に対し３相電力を供給し、モータ１１００－２に対し３相電力を分離するように構成された２つのサブシステム１０００－１及び１０００－２で構成されたシステム１００の別の例示的な実施形態の配列２５７０を示す。この実施形態は、各モジュール１０８が異なるクラス又はタイプのエネルギーソースを必要とするハイブリッド構成にあることを除いて、配列２５５０と同様である。例えば、各モジュール１０８は、ＨＥＤコンデンサと組み合わせたバッテリモジュール、又は第１のタイプのバッテリモジュール（例えば、ＮＭＣ）と第２のタイプのバッテリモジュール（例えば、ＬＴＯ）とを含むことができる。ここで、第１のタイプ又はクラスのエネルギーソースは、モジュール内の無地の長方形によって示され、第２のタイプ又はクラスのエネルギーソースは、パターン化された長方形によって示されている。第１のタイプのエネルギーソースは、軸２４０１に平行な列に整列され、第２のタイプのエネルギーソースは、軸２４０１に平行な列に整列される。各々が５つのレベル（１～５）を有する６つのモジュールアレイ（Ａ～Ｆ）の配列は、エネルギーソースの１つの列から隣の列にクラス又はタイプで交互になるエネルギーソースを有する。ソースクラス／タイプのこの分布は、これらのモジュール１０８を保持する１つ以上のエンクロージャの効率的な冷却を可能にする。代替的な実施形態では、この構成は、モジュール、及び第１及び第２のタイプのエネルギーソースが各々、軸２４０２に平行な列に整列されるように、９０°回転させることができる。
図２６は、それぞれモータ１１００－１、１１００－２、及び１１００－３に３相電力を供給するように構成された３つのサブシステム１０００－１、１０００－２、及び１０００－３で構成されたシステム１００の別の例示的な実施形態の配列２６００を示す。モータ１１００－１及び１１００－２は各々、ＥＶの別個の車輪に専用であり、モータ１１００－３は、２つの車輪のための駆動系に専用である。モータ１１００－１及び１１００－２は、前輪を駆動することができ、モータ１１００－３は、後輪を駆動することができ、又はその逆も可能である。この例では、サブシステム１０００－１及び１０００－２は各々、３つのレベルを含み、横並び（左及び右）関係で配置され、各配列は、軸２４０２に沿って行に整列され、各レベルは、軸２４０１に沿って列に整列される。軸２４０１に沿って整列され、かつサブシステム１０００－１とサブシステム１０００－２との間に位置する列は、３つのサブシステム１０００全てを相互接続する３つのＩＣモジュール１０８ＩＣを含む。サブシステム１０００－１及び１０００－２のモジュール１０８は、モジュール１０８ＩＣに加えて、各モジュールのより長い寸法が軸２４０１に沿って整列され、より短い寸法が軸２４０２に沿って整列されて、配向される。サブシステム１０００－３は、８つのレベルのモジュール１０８を含み、各アレイは列に整列され、レベル２～８は行に整列され、各モジュールのより長い寸法は軸２４０２に沿って配向され、より短い寸法はサブシステム１０００－１及び１０００－２の配向とは反対に軸２４０１に沿って整列される。サブシステム１０００－３のモジュール１０８の第１のレベルは、端部１８２でジグザク方式で配置される。この実施形態では、サブシステム１０００－３によって供給される電力は、サブシステム１０００－１又はサブシステム１０００－２によって供給される電力よりも大きくすることができる。本実施形態の全てのモジュール１０８の間の電気的接続は、本明細書に記載の実施形態に従って変化することができる。配列２６００は、本明細書に記載の３つのモータの実施形態のいずれかに従って充電を実行するように構成することができ、スイッチ１１０８、スイッチアセンブリ１２５０、充電コネクタ、及びルーティング回路１２００を含むことができる。
図２７Ａ～図２７Ｂは、それぞれモータ１１００－１、１１００－２、１１００－３、及び１１００－４に３相電力を供給するように構成された４つのサブシステム１０００－１、１０００－２、１０００－３、及び１０００－４で構成されたシステム１００の例示的な実施形態の配列２７００及び２７５０をそれぞれ示す。モータ１１００は各々、ＥＶの別個の車輪に専用である。各サブシステム１０００は、モジュール１０８の３つのレベルを含み、全て又はほとんどのレベルは、軸２４０１に沿って列に整列され、各アレイは、軸２４０２に沿って行に整列される。全てのモジュール１０８は、各モジュールのより長い寸法が軸２４０１に沿って整列され、より短い寸法が軸２４０２に沿って整列されて、配向される。この実施形態では、各サブシステム１０００は、そのそれぞれのモータ１１００に対して同じ電圧を生成するように構成されるが、他の実施形態では、様々なサブシステム１０００によって生成される電圧は異なることができる。本実施形態の全てのモジュール１０８の間の電気的接続は、本明細書に記載の実施形態に従って変化することができる。モジュール１０８ＩＣは、例えば、図１７に関して記載されたように、４つのサブシステム１０００を相互接続する。アセンブリ１２５０－１及び１２５０－２は、図１７の実施形態及び本明細書に記載の並列充電の主題と同様に構成することができる。配列２７００は、本明細書に記載の３つのモータの実施形態のいずれかに従って充電するように構成することができ、充電コネクタ及びルーティング回路１２００を含むことができる。
配列２７００において、ＩＣモジュールの列は、軸２４０１に沿って配向され、左側にサブシステム１０００－１及び１０００－３、右側にサブシステム１０００－２及び１０００－４を有する中央に位置する。配列２７５０において、領域１８０は、両端部１８１及び１８２で柱状の形状に先細りする。サブシステム１０００－２のＰＣアレイは、端部１８１のこの柱状領域に位置し、サブシステム１０００－３のＰＡアレイ（斜め反対側のサブシステム）は、モジュール１０８ＩＣ－６とともに、端部１８２の柱状領域に位置する。図２７Ａ～２７Ｂの実施形態の代替では、ほとんど又は全てのレベルは、軸２４０２に沿って行に整列されることができ、ほとんど又は全てのアレイは、軸２４０１に沿って列に整列されることができ、モジュール１０８ＩＣは、ここに示されるように、又は軸２４０３に沿って行として整列されることができる。
図２８Ａ～図２８Ｃは、それぞれモータ１１００－１～１１００－６に３相電力を供給するように構成された６つのサブシステム１０００－１～１０００－６で構成されたシステム１００の例示的な実施形態の配列２８００、２８２０、及び２８５０をそれぞれ示す。モータ１１００は各々、ＥＶの別個の車輪に専用である。これらの実施形態では、ＥＶは、第１のエネルギーシステム領域１８０を有する第１のシャーシと、第２のエネルギーシステム領域２８０を有する第２のシャーシと、を含む。２つのシャーシは、機械的かつ電気的接続部２８０１において互いに対して移動可能である。ＥＶは、第１のシャーシが前方にあり、第２のシャーシが後方にあるように、又はその逆に構成することができる。これらの６つの車輪の構成は、大人数のグループ、又は貨物、又は大きな積み荷などを運ぶように設計された大型ＥＶに好適である。図２８Ａ～２８Ｃに関して記載された主題は、２つ以上のシャーシ及び７つ以上のモータを有する更に大きな車両に拡張することができる。全てのモジュール１０８間の電気的接続は、本明細書に記載の実施形態に従って変化することができる。様々なアセンブリ１２５０は、図１８Ａ～１８Ｂの実施形態及び本明細書に記載される並列充電の主題と同様に構成することができる。モジュール１０８ＩＣは、補助負荷接続によって全てのサブシステム１０００を相互接続することができ、同じ又は異なるサブシステムの２つ以上のアレイ間のアレイ間バランシングを実行することができる。図１８Ａ～図１８Ｂの電気的配列を参照すると、多相ライン１１１１－３及び補助負荷ライン１８０２は、電気的接続部２８０１によって領域１８０から領域２８０に通過することができる。配列２８００、２８２０、及び２８５０は、本明細書に記載の３つのモータの実施形態のいずれかに従って充電するように構成することができ、充電コネクタ及びルーティング回路１２００を含むことができる。
配列２８００及び２８２０は、領域２８０が配列２８２０において２８００よりも大きく、かつ所望に応じて追加のモジュールのための空間を有することを除いて、同様である。これらの２つの実施形態では、各サブシステム１０００は、３つ以上のレベルのモジュール１０８を含み、全てのモジュール１０８は、各モジュールのより長い寸法が軸２４０１に沿って整列され、より短い寸法が軸２４０２に沿って整列されて、配向される。領域１８０は、（ここに示されるように）２７５０の配列と同様の配列で、若しくは配列２７００で、又は本明細書で想定される他の配列で、構成することができる。サブシステム１０００－５及び１０００－６は、ここに示されるように、前後方式（図２５Ａ）で、又は左右方式で配置することができ、各アレイは、軸２４０２に沿って行に整列され、各レベルは、軸２４０１に沿って列に整列される。
配列２８５０の領域１８０の構成は、配列２８００及び２８２０の構成と同様である。配列２８５０の領域２８０は、配列２５５０（図２５Ｂ）と同様に構成され、アレイは、各々が軸２４０１に沿って整列された列にあり、レベルは、各々が軸２４０２に沿って整列された行にある。配列２８５０は、配列２８００及び２８２０のものよりも依然として大きい第２のシャーシを有し、更に大きな電力を生成することができるサブシステムを収容することができる。
電動サスペンション及び／又はステアリングを駆動するように構成された例示的な実施形態
電気自動車は、各車輪について、電動（アクティブ）サスペンション機構及び／又は電動ステアリング（例えば、ステアバイワイヤ）で構成することができる。電動サスペンションは、車両又は車輪の動きを予想して（車輪又は車に加えられた刺激にのみ機械的に反応する従来の受動的サスペンションとは対照的に）電動アクチュエータ又はモータで動作して、サスペンションを能動的に動かす。電動ステアリング機構はまた、電動アクチュエータ又はモータで動作して、ステアリングコントローラによって渡される電気信号に応答して（例えば、運転者によるステアリング車輪への入力に基づいて、又は自動運転制御システムからの入力に基づいて）車輪を動かす。
本明細書に記載の実施形態は、電動サスペンション及び／若しくはステアリング、又は他の負荷のためにアクチュエータ又はモータを駆動するために利用することができる。実施形態は、任意の及び全ての車輪で電動サスペンションを駆動することができ、両方の前輪（及び所望に応じて後輪も）で電動ステアリングを駆動することができ、各車輪で最大で電動サスペンションと電動ステアリングの両方を含む。実施形態は、サブシステムのない単一の３相システム１００、又は２つ、３つ、４つ、又はそれ以上のサブシステム１０００を有するシステム１００を使用して、電動ステアリング及びサスペンションを駆動することができる。
図２９Ａは、４つのサブシステム１０００－１～１０００－４を有するシステム１００の例示的な実施形態を示すブロック図であり、各サブシステム１０００は、ＥＶの車輪に関連付けられた３相モータ１１００、並びにＥＶの車輪に関連付けられたＤＣアクチュエータ（又はモータ）２９００を駆動するように構成され、ＤＣアクチュエータ２９００は、電動サスペンション又は電動ステアリングのいずれかに使用することができる。図２９Ａでは、各アクチュエータ２９００は、１つ以上の相互接続モジュール１０８ＩＣによって供給することができる補助負荷ライン２９０２によって駆動される。ライン２９０２の電圧は、相互接続モジュール１０８ＩＣのソース２０６と同じ電圧とすることができ、例えば、図３Ｃのモジュール１０８Ｃに関して記載されたように、ポート３及び４から取得することができる。代替的に、ライン２９０２の電圧は、モジュール１０８ＩＣのソース２０６の電圧から、例えば、ポート５及び６から下方調節することができる。代替的に、ライン２９０２への接続は省略することができ、各アクチュエータ２９００は、モジュール１０８から直接的に駆動することができる。電力を供給するモジュール１０８は、各アクチュエータ２９００に最も近接して又は最も近い場所に位置するモジュールとすることができる。
図２９Ａは、ライン２９０４がアクチュエータ２９００－１をサブシステム１０００－１のＰＡ１アレイのモジュール１０８－１に接続する代替接続を示す。ここでモジュール１０８－１は、アクチュエータ２９００－１に最も近接して位置するコーナーモジュールである。そのような接続が使用された場合、アクチュエータ２９００－２は、サブシステム１０００－２のアレイＰＣ２のモジュール１０８－１によって駆動することができ、アクチュエータ２９００－３は、サブシステム１０００－３のアレイＰＡ３のモジュール１０８－１によって駆動することができ、アクチュエータ２９００－４は、追加のライン２９０４（図示せず）によってサブシステム１０００－４のアレイＰＣ４のモジュール１０８－１によって駆動することができる。
アクチュエータ２９００は、コーナーモジュールによって直接的に駆動される必要はなく、アクチュエータ２９００に最も近いアレイ内の任意の他のモジュールによって駆動することができる。図２９Ａは、ライン２９０６が、アクチュエータ２９００－３に最も近接して位置するアレイであるサブシステム１０００－３のＰＡ３アレイのモジュール１０８－Ｎにアクチュエータ２９００－３を接続する別の代替接続を示す。そのような接続は、同様に、他のアクチュエータ２９００の各々の代替として使用することができる。
各アクチュエータ２９００が接地されている場合、アクチュエータ２９００とシステム１００との間に隔離を提供することが望ましい場合がある。図２９Ａは、ＤＣ－ＤＣコンバータ又はＤＣ－ＡＣコンバータのいずれかとすることができる隔離コンバータ２９１０が、サブシステム１０００－４のアレイＰＣ４のモジュール１０８－１からアクチュエータ２９００－４まで延びるライン２９０８上に位置付けられる別の代替接続を示す。そのような接続部２９０８は、同様に、他のアクチュエータ２９００の各々の代替として使用することができる。他の実施形態では、隔離コンバータ２９１０は、ライン２９０２又は２９０６に介在して、それらの他のソースから、隔離された電力を供給することができる。接続部２９０４、２９０６、及び２９０８の各々は、単一のモジュールから来ることが示されているが、そのような接続部は、並列エネルギーソースを利用するために複数のモジュール１０８から来ることができる。
隔離コンバータは、モジュール１０８に直接的に統合することができる。図２９Ｂは、ＤＣ－ＤＣ隔離コンバータ２９１０で構成されたモジュール１０８Ｄの例示的な実施形態を示すブロック図であり、ソース２０６（又は電力接続部１１０）から、ライン２９０４又は２９０６に接続されたポート７及び８に電力を供給することができる。コンバータ２９１０は、Ｉ／Ｏポート７及び８とバッファ２０４との間に接続され、ＤＣ－ＡＣコンバータ２９５２を含み、ＤＣ－ＡＣコンバータ２９５２は、変圧器２９５６に接続され、変圧器２９５６は、ＡＣ－ＤＣコンバータ２９５８に接続される。コンバータ２９５８は、ソース２０６のＤＣ電圧を高周波ＡＣ電圧に変換することができ、この変圧器２９５６は、必要に応じて異なる電圧に修正することができ、その修正されたＡＣ電圧をＡＣ－ＤＣコンバータ２９５２に出力することができ、これは、ＡＣ信号をアクチュエータ２９００への提供のためのＤＣ形態に戻すことができる。変圧器２９５６はまた、モジュール構成要素２０２、２０４、２０６、２９５８、及び１１４を地面から絶縁することもできる。モジュール１０８Ｄの他の構成要素と同様に、コンバータ２９５２、変圧器２９５６、及びコンバータ２９５８のための監視回路は、電流、電圧、温度、障害などを測定するために含めることができる。ＬＣＤ１１４は、それぞれデータ接続部１１８－５、１１８－７、及び１１８－８を介して、コンバータ２９１０、特にコンバータ２９５２、変圧器２９５６（例えば、監視回路又はそれに関連付けられた能動構成要素）、及びコンバータ２９５８の状態を監視することができる。これらの接続部１１８－５及び１１８－６はまた、コンバータ２９５２の切り替えを制御し、変圧器２９５６に関連付けられた内部の任意の制御可能な要素を制御するための制御信号を供給することができる。ＬＣＤ１１４の隔離は、ライン１１８－５及び１１８－６に存在する分離回路（例えば、隔離ゲートドライバ及び隔離センサ）によって維持することができる。
図２９Ｃは、モジュール１０８Ｄの例示的な実施形態を示す概略図である。コンバータ２０２Ａは、コンデンサとして構成されたバッファ２０４と結合される。Ｉ／Ｏポート７及び８は、任意選択のＬＣフィルタ２９０２に結合され、これは、次いで、コンバータ２９１０、特に、スイッチＳ１０、Ｓ１１、Ｓ１２、及びＳ１３を備えたフルブリッジコンバータとして構成されたＤＣ－ＡＣコンバータ２９５２に結合される。ノードＮ１及びＮ２からのフルブリッジ出力は、変圧器２９５６の一次巻線に接続される。変圧器２９５６の二次巻線は、スイッチＳ１４、Ｓ１５、Ｓ１６、及びＳ１７を有する、ＡＣ－ＤＣコンバータ２９５８として構成された第２のフルブリッジ回路のノードＮ３及びＮ４と結合される。コンバータ２９５８のスイッチは、本明細書に記載されるように、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＧａＮデバイス、又は他のものとして構成された半導体スイッチとすることができる。ＬＣＤ１１４又は制御システム１０２の別の要素は、スイッチＳ１～Ｓ６及びＳ１０～Ｓ１７の制御のためのスイッチング信号を提供することができる。
図２９Ｄは、モジュール１０８Ｄの別の例示的な実施形態を示す概略図であり、ＡＣ－ＤＣコンバータ２９５８は、インダクタＬ２を通って変圧器２９５６の二重二次巻線の一方の側に接続されたソース２０６の第１の端子と、二重二次巻線の反対側とソース２０６の反対側の端子と結合された共通ノード（例えば、ノード４）との間に接続されたスイッチＳ１８及びＳ１９と、を備えたプッシュプルコンバータとして構成される。このプッシュプル構成は、２つのスイッチのみを必要とするため、スイッチにはより大きな電圧が印加されるが、フルブリッジコンバータよりも費用対効果が高い。
電力及び制御分配アセンブリの例示的な実施形態
システム１００と、ＥＶのモータ、充電ポート、及び他の制御及びサブシステムシステムとの間のインターフェースは複雑になり得る。これらのインターフェースは、制御デバイス、駆動ユニット、電力コンバータ、リレー、ルーティング回路、センサ、及び関連する電力及び制御相互接続部を含むことができる。これらのインターフェースのいずれか及び全ては、電力及び制御分配アセンブリ（ＰＣＤＡ）１２５０内に収容することができる。ＥＶは、システム１００とのインターフェースを扱うＰＣＤＡ１２５０の１つのインスタンスを含むことができ、又は、各インスタンスが、フロント車軸ＰＣＤＡ及びリア車軸ＰＣＤＡなどのＥＶの特定の場所にあるインターフェースに関連付けられている、ＰＣＤＡ１２５０の２つ以上のインスタンスを含むことができる。
図３０Ａは、ＰＣＤＡ１２５０の例示的な実施形態を示すブロック図である。ここで、ＰＣＤＡは、制御セクション３００２と、補助電力セクション３００４と、一次電力セクション３００６と、を含む。制御セクション３００２は、ＭＣＤ１１２及び１つ以上の補助制御デバイス（ＡＣＤ）３００８－１～３００８－Ｎなどの様々な制御デバイスを含むことができる。ここに示されていないが、セクション３００２はまた、分離したデバイスとして、又は共通の制御デバイス１３２としてＭＣＤ１１２と統合されたものとしてのいずれかで、車両用ＥＣＵ１０４を含むことができる。ＡＣＤ３００８は、アクティブサスペンション、電動ステアリング（例えば、ステアバイワイヤ（ｓｔｅｅｒ－ｂｙ－ｗｉｒｅ、ＳｂＷ））、ヘッドランプ及び照明、及び／又は自律走行センサ（例えば、レーダデバイス、ミリ波レーダデバイス、カメラ、遠赤外線（ＦＩＲ）カメラ、及び光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）デバイス）などのＥＶの１つ以上の補助サブシステムを制御するための制御デバイスとすることができる。ＰＣＤＡ１２５０内の制御デバイスの各々は、必要に応じて、互いに、ＰＣＤＡ１２５０の他のセクションのデバイスと、及び外部デバイス（例えば、車両用ＥＣＵ１０４）と通信することができる。ここで、双方向通信インターフェース１０５は、制御セクション３００２のデバイスと車両用ＥＣＵ１０４との間で制御信号及び情報を通信することができる。双方向通信インターフェース３００９－１～３００９－Ｎは、セクション３００２と任意の外部ＡＣＤ３００８との間、又はＭＣＤ１１２からの制御入力若しくは情報を必要とする他のシステム（例えば、ＰＣＤＡ１２５０の外部に位置する場合のルーティング回路１２００など）との間で、制御信号及び情報を通信することができる。双方向通信インターフェース１１５は、本明細書に記載されるように、ＭＣＤ１１２とシステム１００のＬＣＤ１１４との間で情報を通信することができる。
補助電力入力接続部３０１０は、システム１００からの様々な補助電力信号（例えば、ＩＣモジュールのポート３、４、５、６からの電力）をセクション３００４にルーティングすることができる。補助電力セクション３００４は、これらのシステム１００からの補助電力信号を補助電力出力インターフェース３０１２を介してＥＶの任意の補助負荷（例えば、ＨＶＡＣ、車載ネットワーク、内部照明）にルーティングするためのケーブルを含むことができる。セクション３００４はまた、１つ以上の補助電力コンバータ３０１１（例えば、コンバータ２９１０など）を含むことができる。コンバータ３０１１は、例えば、接続部３０１０からの第１の低電圧信号（例えば、４８Ｖ）を、補助出力インターフェース３０１４を介して補助負荷による使用のために出力される低電圧（例えば、１４Ｖ）に変換するためのＤＣ－ＤＣとすることができる。セクション３００４はまた、駆動出力インターフェース３０１６を介して、システム１００からの補助電力を、アクティブサスペンション及び電動ステアリングのような関連する電気機械補助サブシステムのための駆動信号に変換するための１つ以上の補助駆動ユニット３０１５－１～３０１５－Ｎを含むことができる。駆動ユニット３０１５は、ＡＣＤ３００８によって制御することができる。セクション３００４は、内部電力接続部３０１８を介して制御セクション３００２に電力を供給することができる。補助セクション３００４と制御セクション３００２との間の制御信号は、内部通信インターフェース３０２０を介して交換することができる。
一次配電セクション３００６は、システム１００と１つ以上のモータ１１００との間、システム１００と充電ポート１１０２及び／又は１２０２との間（充電用）、及びシステム１００と任意の回生制動エネルギー再取り込みデバイスとの間、の電力を測定及びルーティングするためのスイッチ（例えば、リレー）、ルーティング回路、変圧器、及び／又はセンサを含むことができる。本明細書に記載の全ての実施形態では、ルーティング回路１２００は、ここに示されるようにＰＣＤＡ１２５０内に含めることができるか、又は図１２Ａ、１３Ａ、１３Ｄ、１４、１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｅ、及び１６Ａ～１８Ｂの例に示されるように、ＰＣＤＡ１２０の外部とすることができる。ＰＣＤＡ１２５０の外部とする場合、ルーティング回路１２００は、図３０Ｇに示されるような充電ネットワーク分配ハウジング３２４８内に位置することができる。図３０Ｇは、組み合わされた３相、単相、及びＤＣ充電ポート１１０２／１２０２を備えたＥＶ３０００の例示的な実施形態を示す斜視図である。３相ケーブル１１１１は、ポート１１０２／１２０２からハウジング３２４８内のルーティング回路１２００に３相ＡＣ電力を導く。デュアル単相／ＤＣケーブル１２１１は、ポート１１０２／１２０２からハウジング３２４８内のルーティング回路１２００に単相又はＤＣ電力を導く。セクション３００６は、スイッチ又はリレー１１０８、１３３１、１６０２、１９０８、及び／又は２２０８などの図１１Ａ～２２の様々な構成（ＥＶ及び充電構成に従う）に関して記載されたリレーを含むスイッチ３０２２を含むことができる。セクション３００６は、システム１００との間で伝送された電力信号の様々な特性（例えば、電流、電圧など）を監視するための監視回路１１１０を含むことができる。セクション３００６はまた、システム１００、モータ１１００、及び／又は充電ポート１１０２及び／又は１２０２との間の電流の流れを遮断するための安全切断デバイス３０２４（例えば、ヒューズ及び／又はブレーカ）を含むことができる。システム１００と充電ポート１１０２及び／又は１２０２との間の隔離を提供するために１つ以上のＡＣ変圧器３０２６（例えば、図１６Ｃに関して記載された変圧器１６１０など）を使用する実施形態では、それらのＡＣ変圧器は、十分なスペースが存在する場合、ＰＣＤＡ１２５０内に位置することができる。
システム１００のモジュール１０８との間の電力は、双方向電力インターフェース３０３０を介して交換することができ、モータ１１００との間の電力は、双方向電力インターフェース３０３２を介して交換することができ、充電ポート１１０２及び／又は１２０２との間の電力は、双方向電力インターフェース３０３４（例えば、接続部１１１１を含む）を介して交換することができ、エネルギー再取り込みデバイスとの間の電力は、双方向電力インターフェース３０３６を介して交換することができる。制御セクション３００２と一次配電セクション３００６との間の制御信号は、内部通信インターフェース３０４０を介して交換することができる。これらの制御信号は、例えば、ルーティング回路１２００（例えば、ＣＳ１～ＣＳ４）、監視回路１１１０、及びリレー３０２２に出力される制御信号を運ぶことができ、監視回路１１１０から監視された情報を返すことができ、デバイス３０２４から切断状態情報を返すことができる。図３０Ａには示されていないが、ＰＣＤＡ１２５０はまた、ＥＶの他のＰＣＤＡとの電力及び制御接続を含むことができる。ＰＣＤＡ１２５０の各通信インターフェースは、電気的又は光学的であることができ、１つ以上の電気的又は光学的ワイヤ、並びら適用できる場合は外部及び／又は内部コネクタ（例えば、プラグ、レセプタクル）を含むことができる。
図３０Ｂは、図１８Ａ～１８Ｂのように、各々が３車軸ＥＶの異なる車軸に関連付けられている、３つのＰＣＤＡユニット１２５０－１、１２５０－２、及び１２５０－３を有するＥＶ３０００の例示的な実施形態の特定の制御接続を示すブロック図である。ＭＣＤ１１２とＬＣＤ１１４との間のもの（ＰＣＤＡの外部に位置し、他の箇所で広く説明されている）など、明確にするためにいくつかの制御接続は省略されている。本明細書に記載される特徴及び特性は、同様に、１、２、４、又はそれ以上の車軸を有するＥＶ、及び関連するＰＣＤＡに適用することができる。この実施形態では、車両用ＥＣＵ１０４は、ＰＣＤＡ１２５０－１内に統合され、ルーティング回路１２００は、３つのＰＣＤＡの外部にある。ＭＣＤ１１２は、車両用ＥＣＵ１０４と、更には３つのＡＣＤ３００８－１、３００８－２、及び３００８－３と通信し、各々が異なるＰＣＤＡ１２５０及び異なる車軸に関連付けられている。ＭＣＤ１１２とＡＣＤ３００８－２及び３００８－３との間の制御接続は、ＰＣＤＡ１２５０－１の外部に延びる。この例では、各ＰＣＤＡ１２５０内に１つのＡＣＤ３００８のみが含まれ、そのＡＣＤ３００８は、その車軸に関連付けられたサブシステム（この例では、アクティブサスペンション及びステアバイワイヤを含む）の制御を担当する。各ＡＣＤ３００８は、アクティブサスペンションのための駆動部３０１５、及びワイヤによる操舵のための駆動部３０１５への制御接続を有する。各ＡＣＤ３００８はまた、車両用ＥＣＵ１０４への制御接続を有する。ＭＣＤ１１２はまた、ルーティング回路１２００、リレー３０２２、及びコンバータ３０１１への制御接続を有する。
図３０Ｃは、ＥＶ３０００のための共通エンクロージャ又はパック３２５０内に収容されたモジュール１０８（図示せず）の例示的な実施形態の斜視図である。この実施形態では、パック３２５０と電気的及び機械的に結合された２つのＰＣＤＡユニット１２５０－１及び１２５０－２がある。ＰＤＣＡ１２５０－１は、ＥＶの前方部分に関連付けられ、ＰＤＣＡ１２５０－２は、ＥＶの後方部分に関連付けられる。
これらのＰＣＤＡのうちの１つの例は、図３０Ｄ、３０Ｅ、及び３０Ｆに関して記載される。図３０Ｄは、ＰＣＤＡ１２５０の外部を示す斜視図であり、図３０Ｅは、ＰＣＤＡ１２５０の内部を示す斜視図であり、図３０Ｆは、ＰＣＤＡ１２５０の構成要素の分解図である。
ＰＣＤＡ１２５０は、上部３０５１及び下部３０５２を有するハウジング３０５０を含む。図３０Ｄから最もよくわかるように、様々なコネクタがハウジング３０５０上に存在し、各コネクタは、そのコネクタを通ってインターフェースするデバイスによって必要とされる様々な、電力、データ、及び／又は制御ケーブル、ワイヤ、又はファイバ接続への接続のためのものである。第１のコネクタ３０５４は、充電のためのものであり、充電ポート１１０２及び／又は１２０２（又は構成に応じてルーティング回路１２００）との間で電力を供給する。コネクタ３０５５及び３０５８は、第１の補助サブシステム（例えば、左前輪及び右前輪のためのアクティブサスペンション）への駆動信号の提供のためのものとすることができる。コネクタ３０５６及び３０５７は、第２の補助サブシステム（例えば、左前輪及び右前輪のためのステアバイワイヤ）への駆動信号の提供のためのものとすることができる。コネクタ３０６０は、ＥＶの他の補助サブシステム（例えば、ＨＶＡＣ、車載ネットワーク、キャビン照明など）による使用のための補助電力（例えば、１２Ｖ、２４Ｖ、４８Ｖ、６０Ｖ）の供給のためのものとすることができる。ここには１つが示されているが、様々な異なる電圧を提供するために複数のコネクタ３０６０を使用することができる。コネクタ３０６１は、制御信号及びデータを車両用ＥＣＵと交換するためのものとすることができる。コネクタ３０６２は、制御信号及びデータをＡＣＤ３００８と交換するためのものとすることができる。
図３０Ｅ及び３０Ｆから最もよくわかるように、ＰＣＤＡ１２５０は、ＰＣＤＡ１２５０がＥＶ内の電力及び情報のルーティングのための集中型ハブとして機能することができるように、互いに近接して位置付けられた様々なデバイス及びケーブルを含む。この実施形態では、ＰＣＤＡ１２５０は、ＭＣＤ１１２、ＡＣＤ３００８（例えば、車軸ＥＣＵ）、補助ドライブ３０１５－１（例えば、アクティブサスペンション）、補助ドライブ３０１５－２（例えば、ステアバイワイヤ）、及びコンバータ３０１１（例えば、相互接続モジュールからの補助電圧を下方調節するためのＤＣ－ＤＣコンバータ）を含む。ＰＣＤＡ１２５０はまた、ＳＳＲリレー３０２２－１及び３０２２－２（例えば、図１７のリレー１６０２－１及び１６０２－２と同様な）、並びに電気機械リレー３０２２－３及び３０２２－４（例えば、２つの別個のモータのためのスイッチ１１０８と同様な）などの複数のリレーを含むことができる。
充電ポートを通した双方向機能
ルーティング回路１２００によって提供される双方向機能は、ＡＣ及び／又はＤＣ充電ポート１１０２、１２０２を通ってシステム１００の充放電を可能にする。システム１００によって出力される電力は、ＤＣ形態、単相ＡＣ形態、又は多相ＡＣ形態とすることができる。結果として、システム１００で有効にされたＥＶは、ＥＶから外部に位置する負荷又はグリッド（電力消費エンティティ）に電力を供給又は伝送するために使用することができる。次いで、ＥＶユーザは、供給された電力と引き換えに補償することができ、又はユーティリティコストを削減するために、ピークエネルギーコスト時間中にユーザの自宅に電力をオフロードするなどの他の利点を得ることができる。そのようなアプリケーションは、一般に、消費エンティティのタイプに応じて異なる名前で参照される。例えば、車両からグリッド（ｖｅｈｉｃｌｅ－ｔｏ－ｇｒｉｄ、Ｖ２Ｇ）は、ＥＶが電力グリッドに電力を戻すことの例を指し、車両から家庭（ｖｅｈｉｃｌｅ－ｔｏ－ｈｏｍｅ、Ｖ２Ｈ）は、ＥＶが住宅のエネルギーネットワークに電力を戻すことの例を指し、車両から建物（ｖｅｈｉｃｌｅ－ｔｏ－ｂｕｉｌｄｉｎｇ、Ｖ２Ｂ）は、ＥＶが建物のエネルギーネットワーク又はその中の大きな負荷に電力を戻すことの例を指し、車両からコミュニティ（ｖｅｈｉｃｌｅ－ｔｏ－ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ、Ｖ２Ｃ）は、ＥＶが都市などのコミュニティにおけるより大きな余剰エネルギー貯蔵ネットワークの一部としてのエネルギーのソース及びシンクとして機能することの例を指し、車両から車両（ｖｅｈｉｃｌｅ－ｔｏ－ｖｅｈｉｃｌｅ、Ｖ２Ｖ）は、ＥＶが充電環境におけるエネルギー分配のために他の車両に電力を供給することの例を指す。これらのアプリケーションのうちの２つ以上を実践することができる実施形態は、車両から任意のもの（ｖｅｈｉｃｌｅ－ｔｏ－ａｎｙｔｈｉｎｇ、Ｖ２Ａ）及び車両からあらゆるもの（ｖｅｈｉｃｌｅ－ｔｏ－ｅｖｅｒｙｔｈｉｎｇ、Ｖ２Ｘ）などのより広い項目の下で参照することができる。
これらのアプリケーションでの使用のために構成されたシステム１００の実施形態は、いくつかの共通の特徴を有する。例えば、制御システム１０２は、制御システム１０２と外部エネルギーコントローラとの接続時に、制御システム１０２が充電ポート１１０２及び／又は１２０２を通した外部電力消費エンティティへの電力の出力を制御できるように、外部エネルギーコントローラ（ＥＶに対してローカルであっても遠隔であってもよい）と通信する機能を有する。これは、（例えば、スイッチ１１０８を用いて）モータ１１００をシステム１００から切断し、同時にモジュール１０８のソース２０６間のバランス（例えば、ＳＯＣ及び／又は温度）を維持しながら、電力消費エンティティの要件に一致するフォーマット（例えば、電圧、電流、周波数、及び／又は位相）で電力を出力するようにモジュール１０８に指示することを伴うことができる。
外部コントローラは、（例えば、利用可能な電力及び価格信号に基づいて、電圧、電流、周波数、及び／又は位相などのシステム１００によって使用可能なフォーマットで）エネルギー要件をシステム１００に通信するための、及びシステム１００からのエネルギーの受信を管理するための責任を負う。外部コントローラは、アプリケーションが複数を包含する場合、他のＥＶからのエネルギー入力を調整するための責任を負ってもよい。電力と引き換えにＥＶオペレータへの金銭的支払い又は利益の目的で、ＥＶによって投入された電力の量を記録する責任は、外部コントローラ及び／又は制御システム１０２にあることができる。非限定的な例として、外部コントローラは、Ｖ２Ｈの場合には家庭用エネルギー管理システム（ｈｏｍｅ ｅｎｅｒｇｙ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ、ＨＥＭＳ）若しくはスマートホーム、Ｖ２Ｂの場合にはスマートビルディング若しくはスマートガレージ、Ｖ２Ｇ及びＶ２Ｃの場合には送電若しくは配電グリッドコントローラ（ローカル若しくはリモート集中型）又はエネルギーアグリゲータ、又はＶ２Ｖの場合には充電ステーションであってもよい。
例示的な実施形態では、システム１００を電力ソースとして有するＥＶを使用して、電力消費エンティティは、ＥＶから電力を受信するための関連する電力ケーブルを有する。電力ケーブルは、充電ケーブルと同じとすることができ、外部充電ソース１５０はまた、ＥＶから電力を受信するためのローカル消費エンティティインターフェースとして機能する。代替的に、ローカル消費エンティティインターフェースは、外部充電ソース１５０とは異なることができる。ユーザは、適用可能なローカルインターフェースを電力ケーブルを通してＥＶに接続する。電力ケーブルは、適用可能な充電コネクタに結合され、電力（例えば、ＤＣ、単相ＡＣ、又は多相ＡＣ）が伝送される充電ポート１１０２、１２０２のための導体を有する。電力ケーブルはまた、制御システム１０２と、ローカルインターフェースに位置することができるか、又は遠隔にあることができる外部コントローラと、の間でデジタル情報を伝送するための通信ケーブルを含むことができる。制御システム１０２は、通信ケーブルの接続を検出し、外部コントローラとネゴシエートして、電力信号の電圧、電流、周波数、及び／又は位相を含む、電力伝送のためのパラメータを識別する。他のパラメータは、スケジュールに従っている場合に電力伝送を実行する時間、システム１００内の利用可能な電力（又はＳＯＣ）、電力を受信することの要求、及びその電力の供給の確認（アプリケーションがスケジュールに従ってではなくオンデマンドである場合）、電力の供給を停止することの要求などを含むことができる。次いで、ネゴシエートされたパラメータに従って電力伝送を行うことができる。ローカルインターフェースはまた、電力伝送のステータス（例えば、進行中又は停止中、電力伝送履歴（例えば、伝送されたキロワット数）、アラートなど）をユーザに通知するためのユーザインターフェース（例えば、グラフィカルユーザインターフェース、ディスプレイ、ユーザ入力、タッチスクリーンなど）を含むことができる。
熱管理システムの例示的な実施形態
動作中にシステム１００によって生成される熱の量は、重要となり得る。１つ以上の熱管理システムを利用して、システム１００の様々な要素及び／又はモータ及び冷却（又は場合によっては加熱）を必要とするＥＶ（又は静止システム）の任意の他の要素に近接して、熱伝達流体（例えば、冷却液、不凍液、水、又はそれらの混合物）を循環させることができる。図３１Ａは、冷却液がポンプ３１０１によってシステム３１００の様々な要素を介してポンプ圧送される熱管理システム３１００の例を示す。冷却液は、最大の冷却要件を有する構成要素が最初に冷却され、より緩和された熱要件を有する構成要素が最後に冷却されるように循環することができる。例えば、この実施形態では、ポンプ３１０１は、最初に、２０～３０℃の比較的低い温度で冷却液を必要とし得るバッテリモジュール２０６、次いで、最大４０℃又は５０℃の比較的高い温度で冷却液を必要とし得るモジュール電子機器３１０４に、最後に、６０℃未満の更に高い温度で冷却液を必要とし得る１つ以上のモータ３１０６に、冷却液を循環させる。電子機器３１０４は、コンバータ２０２のスイッチング回路（例えば、Ｓ３～Ｓ６又はＳ１～Ｓ６）、エネルギーバッファ２０４、ＬＣＤ１１４、モジュール１０８のための監視回路２０８、並びにバッテリモジュール２０６のためのバッテリ管理システム（ＢＭＳ）を含むことができる。これらの構成要素に近接して循環してそれらを冷却した後、冷却液は、熱交換器３１０８を通って進行することができ、熱交換器３１０８では、その温度がバッテリモジュール２０６の要件に近い温度に低下し、その時点で、冷却液は再びポンプ３１０１を通って循環され、このループが繰り返される。
本明細書に記載のサブシステム１０００のうちの１つ以上は、共通エンクロージャ又はパック内に実装することができる。図３１Ｂは、システム１００の１つ以上のサブシステムのための共通エンクロージャ３１１０の例を示す。エンクロージャ３１１０は、１つ以上のサブシステムのモジュール１０８の各々を含み、また、存在する任意の相互接続モジュール１０８ＩＣを含むことができる。コンバータのエネルギーソース、エネルギーバッファ、パワーエレクトロニクス（スイッチング回路）、制御電子機器、及びモジュール１０８の任意の他の構成要素は、エンクロージャ３１１０内に含まれる。エンクロージャ３１１０は、ベースなどの底部エンクロージャ３１１２と、蓋などの反対側の頂部エンクロージャ３１１１と、を含むことができ、頂部エンクロージャと底部エンクロージャの両方は、エンクロージャ３１１１と３１１２のそれらの態様を通って冷却液を循環させてモジュール１０８を冷却するための１つ以上の導管を含むことができる。ここに示されるように、ポンプ３３０１からの冷却液は、底部エンクロージャ３１１２を循環することができ、底部エンクロージャ３１１２において、冷却液は、頂部エンクロージャ３１１１について示されるような導管ネットワーク３１１４を通過し、したがってバッテリに近接して通過して、電池を冷却する。冷却液は、底部エンクロージャ３１１２を出て、（エンクロージャ３１１０の外部の導管を通って、又はエンクロージャ３１１０の側部又は内部の導管を介して）頂部エンクロージャ３１１１に通過し、導管ネットワーク３１１４を通って循環し、モジュールの電子機器に近接して通過し、それらを冷却することができる。次いで、冷却液は、モータ３１０６などのシステムの隣の構成要素に進行することができる頂部エンクロージャ３１１１から出ることができる。
いくつかの実施形態では、最初にバッテリを冷却して次いで電子機器を冷却することなく、エンクロージャ３１１１の頂部のみを通って冷却液を提供し、モジュール１０８の全ての態様を冷却することが可能である。図３１Ｃは、冷却液がポンプ３３０１からモジュール１０８に循環され、そこでバッテリとそれに関連する電子機器の両方を同時に冷却し、次いでモータ３１０６及び熱交換器３１０８へと通過するシステム３１００の別の実施形態を示す。図３１Ｄは、図３１Ｂのものと同様の例示的な実施形態を示すが、ここでは、冷却液は、頂部エンクロージャ内でのみ導管ネットワーク３１１４を通過する。
図３１Ｅは、エンクロージャ３１１０内のモジュールの例示的なレイアウトを示す斜視図である。ここで、各モジュールは、そのコンバータに隣接するバッテリとして示される（例えば、第１のモジュールは、バッテリ１とコンバータ１との組み合わせなどである）。頂部エンクロージャ３１１１のみがここに示され、エンクロージャ３１１０の側部及び底部、並びに頂部エンクロージャ内の導管ネットワークは、明確にするために省略される。この例では、コンバータは、バッテリの上方に置かれ、冷却液は、バッテリからの熱がコンバータを通って頂部エンクロージャ３１１１へと上向きに通過し、そこで循環冷却液を通って除去されるように、コンバータの頂部エンクロージャ３１１１を通る。逆の構成を実装することもでき、その場合、コンバータは底部に置かれ、バッテリはコンバータの上方に置かれ、熱は、図３１Ｅによる頂部エンクロージャを通して、又は図３１Ｂによる底部と頂部の両方を通して再び抽出される。更に別の実施形態では、コンバータ及びバッテリは、図３１Ｅに示されるように、又は逆の構成で配置することができるが、冷却液は、底部エンクロージャのみを通過することができる。また別の実施形態では、コンバータ及びバッテリは、左右に置くことができ、冷却液を、頂部及び／又は底部エンクロージャを通して循環させることができる。前述の全ての変形は、エンクロージャの頂部、底部、及び／又は側壁の導管ネットワークを通過する冷却液でも実装することができる。
図３１Ｆは、モジュール電子機器３１０４がバッテリ２０６の上方に位置付けられる例示的な実施形態の断面図である。この実施形態は、頂部エンクロージャ３１１１内の導管３１１４に関して記載されるが、この実施形態の特徴は、説明したように、エンクロージャの底部又はエンクロージャの側部内を通過する導管３１１４に同様に適用することができる。図３１Ｆでは、コンバータ及び制御システムの電子機器３１０４は、電子機器ハウジング３１２２内に含まれる。電子機器３１０４は、様々な構成要素間を通過する電気的接続を提供するプリント回路基板（ＰＣＢ）及び／又は絶縁金属基板（ＩＭＳ）基板などの１つ以上の基板３１２４に装着される。基板３１２４は、高熱伝導性材料、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、又は鋼で構成されるヒートシンクプレート３１３２に直接隣接して位置する。
概してＥＶの乗員コンパートメントに近い位置（例えば、乗員側）を参照する上部又は頂部の配向、及び概して道路に近い位置（例えば、道路側）を参照する下部又は底部の配向を有するＥＶ実装では、基板３１２４は、電子機器が上下逆に又は逆方式に（例えば、それらがはんだ付けされているＰＣＢ又はＩＭＳの下に位置する半導体パワートランジスタを用いて）装着されるように、電子機器３１０４の上方で配向される。これは、基板３１２４とヒートシンク３１３２との間の大きな表面積の接触を提供し、電子機器３１０４から基板３１２４を通ってヒートシンク３１３２への熱の効率的な放散を可能にする。バッテリ２０６は、ハウジング３１２２の下に位置し、底部エンクロージャとすることができるベース３１２６上に置かれる。バッテリ２０６は、バッテリの頂部に位置する正及び負の端子３１２８を有する。電気的接続３１３０は、端子３１２８からハウジング３１２２を通って（又は代替的にハウジング３１２２の外部に）、基板３１２４に及び／又はスイッチングのためのコンバータ電子機器に延びる。
頂部エンクロージャ３１１１は、図３１Ｂ及び図３１Ｄに関して記載された冷却液３１３６のための導管３１１４を含む。導管３１１４は、高熱伝導性材料、例えば、アルミニウム、銅、又は鋼で構成され、本明細書に示されるような多角形断面を有する形状とすることができるが、楕円形若しくは円形などの他の形状、又は丸みを帯びた形状と多角形の組み合わせを使用することができる。導管３１１４は、導管に対応する形状を有する頂部エンクロージャ３１１１のチャネル３１２０内に位置することができる。例えば、導管３１１４が多角形断面を有する場合、チャネル３１２０もまた、多角形断面を有することができ、導管３１１４がその中に位置することを可能にする。頂部エンクロージャ３１１１もまた、高熱伝導性材料、例えば、アルミニウム、銅、又は鋼で構成することができる。チャネル３１２０は、頂部エンクロージャ３１１１に機械加工又はエッチングすることができ、導管３１１４は、その中に圧入することができる。
ここに示されるように、導管３１１４の２つのセクションは、システム１００の特定のモジュール１０８を通過する。所望に応じて、界面層３１３４は、導管３１１４の底面とヒートシンク３１３２の頂面との間に存在することができる。界面層３１３４は、ヒートシンク３１３２と導管３１１４の底面（並びに頂部エンクロージャ３１１１の底面）との間に連続的かつ耐久的な接触を形成するための、高い熱伝導率及びある程度の変形性又は弾性を有する材料とすることができる。界面層３１３４は、頂部エンクロージャ３１１１よりも比較的薄くすることができ、ヒートシンク３１３２及び界面層３１３４は、例えば、熱伝導性ポリマーで構成することができる。
この実施形態では、導管３１１４は、１つのモジュールを通過することが示されているが、導管３１１４のレイアウトの密度は、アプリケーションの熱要件に基づいて変化する。好ましくは、少なくとも１つの導管３１１４が各モジュール上を通過するが、これは必須ではない。１つの導管３１１４は、２つ以上のモジュールによって共有することができる。導管３１１４は、モジュールの中心上にルーティングすることができるか、又は図３１Ｆに示されるように、モジュールの側部からの距離の約３分の１の位置にあることができる。
図３１Ｆに関して記載された構成は、エンクロージャ３１１０の頂部エンクロージャのみを使用して、本明細書に記載される実施形態のための信頼性の高い冷却を達成することができる。上述したように、同様の構成は、導管３１１４がバッテリの底部に隣接しているか、又は第２の界面層によってバッテリの底部から分離されているように、エンクロージャ３１１０の側部及び／又はエンクロージャ３１１０の底部に沿って置くことができる。
熱管理システム３１００はまた、様々な構成要素の熱出力、外部温度及び湿度、並びに／又は空調（ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ、ＡＣ）システムの利用に基づいて最適化された冷却を提供するために、並びにバッテリ又は他のソース２０６に加熱を提供するために再構成可能とすることができる。図３２Ａ及び図３２Ｂは、直列又は並列の方式で様々な構成要素を冷却又は加熱する機能を有する再構成可能な熱管理システム３１００の例示的な実施形態を示すブロック図である。システム３１００の再構成性は、様々な異なる経路を通って液体冷却液を選択的にルーティングすることができる１つ以上のバルブによって提供される。バルブの制御は、制御システム１０２によって、又は車両用ＥＣＵ１０４などの異なる制御デバイスによって実行することができる。
図３２Ａは、２つの独立した熱管理ループ３２０１及び３２０２を有する第１の状態で構成されたシステム３１００を示す。ループ３２０１は、システム１００の１つ以上のバッテリモジュール２０６の加熱又は冷却のために構成され、ループ３２０２は、１つ以上のモジュール１０８のモジュール電子機器３１０４の冷却のために構成される。例えば、システム３１００は、ＥＶ内の単一の共通エンクロージャ又はパックに専用の熱管理システムとすることができる。ここに示される独立したループ構成は、各々が異なる動作温度範囲を有することができるため、モジュール２０６及び電子機器３１０４の温度の独立した管理を可能にする。
ループ３２０１及びループ３２０２は各々、熱伝達流体（例えば、冷却液）通信ネットワーク３２０５の導管によって相互接続された様々な構成要素を含む。ループ３２０１は、バッテリモジュール２０６に近接した導管を通って、次いでヒータユニット３２０６及び熱交換器３２０８を通って冷却液を移動させるためのポンプ３２０４を含む。ヒータユニット３２０６は、ＥＶが最初に寒い環境で起動されるときなど、バッテリモジュール２０６が所望の動作温度を下回る場合にバッテリモジュール２０６への加熱機能を実行するように、冷却液の温度を上昇させるように動作することができる。（冷却液は、冷却と加熱の両方を行うことができる熱伝達流体であるため、「冷却液」という用語は利便性のために使用される。）加熱のために使用されるとき、ループ３２０１は、ヒータユニット３２０６が作動され、熱交換器３２０８が非作動にされた状態で動作することができ、及び／又は熱交換器３２０８は、バイパスライン３２０７を介してバイパスすることができる。代替的に、ループ３２０１は、バッテリモジュール２０６を冷却するために使用することができ、この場合、ヒータ３２０６は、非作動（及び／又はバイパスライン３２０９でバイパス）にすることができ、熱交換器３２０８は、冷却液がポンプ３２０４によってループ３２０１を通ってポンプ圧送されるときに、冷却液を冷却するために作動することができる。ループ３２０２は、モジュール電子機器３１０４に近接した導管を通って、次いでループ３２０２の冷却液を冷却するための熱交換器３２１２を通って冷却液を移動させるためのポンプ３２１０を含む。任意選択のバイパスライン３２１５は、熱交換器３２１２が必要とされない時間に使用することができる。熱交換器３２０８及び３２１２は、ＥＶのラジエータ又はＥＶのＡＣシステムに関連付けられた冷却装置などの異なるデバイスとすることができる。ここには示されていないが、ＰＣＤＡ１２５０及び充電ネットワーク分配器３２４８などのシステム１００の他の構成要素を、ループ３２０１又はループ３２０２のいずれかで熱的に管理することができる。
図３２Ｂは、バッテリモジュール２０６及び電子機器３１０４の両方を冷却するシリアル冷却液ループ３２０３を用いてバルブを第２の状態に再構成した後のシステム３１００を示すブロック図である。ここで、ポンプ３２０４及び３２１０は、バッテリモジュール２０６及び電子機器３１０４を通った導管を通って冷却液を移動させるように動作し、冷却液は、そこからいくつかの異なる経路のうちの１つを取ることができる。冷却液は、第１の熱交換器３２０８及び第２の熱交換器３２１２を通って誘導されて、冷却液に比較的高い程度の温度低減を提供することができる。代替的に、冷却液は、それぞれバイパスライン３２１１及び３２１４によって示されるように、熱交換器３２０８及び３２１２のいずれか（又は両方）をバイパスすることができる。熱交換器のうちの１つをバイパスする決定は、例えば、冷却液の温度が、冷却液の温度を低下させるために１つの熱交換器のみが必要とされるようなものであるかどうかに基づいて、又はラジエータが外部温度を考慮して適切な冷却を提供することができるかどうかなどの様々な熱交換器の現在の冷却機能に基づいて、又はＡＣシステムに対する現在の要求を考慮してＡＣユニット冷却装置が冷却液を十分に冷却するのに十分であるかどうかに基づいて、なすことができる。第１の状態と第２の状態との間で再構成されるシステム３１００の機能（図３２Ａ及び３２Ｂ）は、多種多様な動作条件下での冷却又は加熱システム１００のための高度な柔軟性を提供する。
図３２Ａ及び図３２Ｂに関して記載されたような熱管理システム３１００の例示的な実施形態を示す概略図としての図３２Ｃ。この実施形態では、冷却チャネル３２２１の第１のセットは、バッテリモジュール２０６などのシステム１００の第１の部分に近接して位置し、冷却チャネル３２２２の第２のセットは、電子機器３１０４などのシステム１００の第２の部分に近接して位置する。四方バルブ３２３１、三方バルブ３２３２、三方バルブ３２３３、及びゲートバルブ３２３４を含む、システム３１００の再構成性を可能にする様々なバルブが示されている。四方バルブ３２３１は、冷却チャネル３２２１とポンプ３２０４との間に存在する。バルブ３２３１は、第１の構成に置かれて、冷却液をチャネル３２２１からポンプ３２０４に誘導又はルーティングすると同時に、冷却液を熱交換器３２１２又は三方バルブ３２３２のいずれかからポンプ３２１０に誘導することができる。バルブ３２３１は、第２の構成に置かれて、冷却液をチャネル３２２１からポンプ３２１０に誘導すると同時に、冷却液を熱交換器３２１２又はバルブ３２３２からポンプ３２０４に誘導することができる。三方バルブ３２３２は、冷却液を熱交換器３２１２に誘導するか、又は熱交換器３２１２をバイパス経路３２１１を介してバイパスするために使用することができる。三方バルブ３２３３は、冷却液を熱交換器３２０８に誘導するか、又は熱交換器３２０８をバイパス経路３２１４を介してバイパスするために使用することができる。バルブ３２３４は、熱交換器３２０８からヒータユニット３２０６への冷却液の流れを防止又は許可するために使用することができる。所望に応じて、バルブ及びバイパスラインを置いて、ヒータユニット３２０６を選択的にバイパスすることができる。
独立した冷却液ループ３２０１及び３２０２（ラベル付けされていない）の第１の状態でこの実施形態を構成するために、バルブ３２３１は、第１の構成に置かれ、チャネル３２２１からポンプ３２０４に冷却液を誘導し、かつ熱交換器３２１２又はバルブ３２３２からポンプ３２１０に冷却液を誘導する。これにより、冷却液が、ポンプ３２０４からバルブ３２３３に流れ、そこから熱交換器３２０８又はヒータユニット３２０６のいずれかに流れ、そこから、例えば、バッテリモジュール２０６を冷却することができる冷却チャネル３２２１に流れ、最後に、冷却液経路を繰り返すことができるバルブ３２３１に流れるという、第１のループが形成される。冷却液が熱交換器３２０８にルーティングされる場合、バルブ３２３４は、冷却液の流れを可能にするために開き、そうでなければ、バルブ３２３４は閉じる。第２のループは、ポンプ３２１０から、例えば、電子機器３１０４を冷却するための冷却チャネル３２２２に延び、次いで、冷却液を熱交換器３２１２又はバイパスライン３２１１のいずれかにルーティングすることができるバルブ３２３２に延び、最後に、冷却液経路を繰り返すことができるバルブ３２３１まで延びる。
この実施形態及び第２の状態を直列ループで再構成するために、バルブ３２３１は、第２の構成に置かれて、冷却液をチャネル３２２１からポンプ３２１０に誘導し、そこで冷却液は、冷却チャネル３２２２に流れ、次いでバルブ３２３２に流れ、そこで冷却液は、熱交換器３２１２又はバイパスライン３２１１のいずれかに誘導され、次いでバルブ３２３１に戻ることができる。この時点で、冷却液は次いで、ポンプ３２０４に誘導され、そこから、冷却液が熱交換器３２０８又はバイパスライン３２１４に進みことができるバルブ３２３３に誘導され、そこからヒータユニット３２０６（又はその周り）に誘導され、冷却チャネル３２２１に戻り、そこから冷却液経路を繰り返さすことができる。
この実施形態では、熱交換器３２０８は、ＥＶのＡＣシステムに関連付けられた冷却装置とすることができる。冷却装置は、独立した流体ネットワーク３２４１を通って循環されるＡＣシステムの別個の冷却液と近接して冷却液を流すことができる。ＡＣシステムは、図３２Ｃの頂部に示され、コンプレッサ３２４２を含み、コンプレッサ３２４２からＡＣシステム冷却液が凝縮器３２４４に流れ、そこから、内部蒸発器３２４６、充電ネットワーク分配器３２４８、及び熱交換器３２０８への冷却液の流れをそれぞれ許可又は防止する複数のゲートバルブ３２４５、３２４７、及び３２４９に流れる。ゲートバルブ３２４５、３２４７、及び３２４９の各々は、システムの熱要件に基づいて、例えば、ＡＣユニットが乗員コンパートメントを冷却するために使用されているかどうか、充電ネットワーク分配器３２４８が冷却を必要とするかどうか、及びバルブ３２３３が熱交換器３２０８を利用するように位置付けられているかどうかに基づいて、独立して非作動にすることができる。
１つ以上のＥＶモータの冷却は、例えば、モータを図３２Ｃの冷却の概略図に統合することによって、システム３１００で実行することもできるが、１つ以上のＥＶモータは、独立した冷却システムで冷却することもできる。図３２Ｄは、ＥＶの２つの別個のモータを冷却するように構成された熱管理システム３２００を示す。ここで、システム３２００は、冷却液をＰＣＤＡ１２５０にポンプ圧送し、そこからモータ３１０６－１及び３１０６－２にポンプ圧送するポンプ３２４９を含む。システム３２００は、任意の数の１つ以上のモータ３１０６を冷却するように構成することができる。代替的に、システム３２００の複数のインスタンスを実装することができ、各々がＥＶの１つ以上のモータを冷却する。更に、システム３２００は、モータに関連付けられたシステム１００の特定の部分、例えば、ここに示されるようなＰＣＤＡ１２５０を冷却するように、又は代替的にネットワーク分配器３２４８、又は他の構成要素を充電するように構成することができる。代替的に、図３２Ａ～３２Ｃに関して記載されたシステム３１００は、ＰＣＤＡ１２５０を冷却するように構成することができる。
図３２Ｅは、システム１００及びその中に収容された再構成可能な熱管理システム３１００を備えたＥＶパック３２５０の例示的な実施形態（例えば、図３０Ｃを参照）を示す分解斜視図である。図３２Ｆは、ＥＶパック３２５０のこの実施形態の一部分の断面図であり、モジュール１０８は、図３１Ｆに関して記載されたように、逆式の電子機器３１０４を有する。システム１００及び３１００の全ての態様が、代わりに互いに構成要素の階層関係に置かれることを強調して示されているわけではない。この実施形態では、パック３２５０は、それぞれモジュール１０８の上方及び下方に位置する独立した冷却チャネルセクション３２２２及び３２２１で構成される。チャネルセクション３２２１及び３２２２は、冷却液が各セクションの入口側から各セクションの出口側に並行して同時に流れることを可能にする複数の平行導管３１１４を含む。図３２Ｆから最もよくわかるように、セクション３２２２の導管３１１４は、セクション３２２１の導管３１１４から垂直方向にオフセットすることができ（垂直方向に整列しない）、比較的均一な熱除去を提供する。
パック３２５０は、頂部エンクロージャ３２６１、底部エンクロージャ３２６８、及び側部エンクロージャ３２６４を含む。エンクロージャ３２６１、３２６４、及び３２６８は、様々な入力及び出力を除いて、一緒にシステム１００を完全に又は実質的に囲むことができる。フレーム３２６５は、モジュール１０８とＰＤＵ３００２との間に延び、又はモジュール１０８とＰＤＵ３００２とを織り交ぜ、それらの構成要素をパック３２５０内の所定の位置に保持する、レイアウトで配置された比較的剛性のストラットを有する。フレーム３２６５は、パック３２５０に相当量の構造的支持を提供する。下部ヒートシンク３２６６は、フレーム３２６５の側部及び底部を囲む枡形状を有し、それらの場所で熱を導くように動作する一方で、蓋の形状の上部ヒートシンク３２６２は、下部ヒートシンク３２６６の頂部と結合し、モジュール１０８及びＰＤＵ３００２から上昇する熱を導くことができる。
頂部エンクロージャ３２６１及び底部エンクロージャ３２６８は、それぞれチャネルセクション３２２２及び３２２１の導管形状に形状的に相補的な凹部又は溝３２７１及び３２７４を含むことができる。チャネル３２２２は、頂部エンクロージャ３２６１内の凹部３２７１、並びに上部ヒートシンク３２６２内の同様の対向する凹部３２７２に存在することができる。頂部エンクロージャ３２６１及び上部ヒートシンク３２６２はともに冷却チャネル３２２２を囲み、それらの間の最適な熱伝達を可能にする。上部ヒートシンク３２６２は、モジュール電子機器３１０４を有するモジュール１０８の上部と接触して、又はそれに近接して置くことができる。同様に、チャネル３２２１は、底部エンクロージャ３２６８の凹部３２７４に、並びに下部ヒートシンク３２６６の対向する凹部３２７３に、置くことができる。底部エンクロージャ３２６８及び下部ヒートシンク３２６６はともに冷却チャネル３２２１を囲み、それらの間の最適な熱伝達を可能にする。下部ヒートシンク３２６６は、バッテリモジュール２０６を有するモジュール１０８の下部と接触して、又は近接して置くことができる。図３２Ｃに関して記載されたように、電子機器３１０４からの熱は、チャネルセクション３２２２を通って流れる冷却液によって効率的に吸収することができる一方で、バッテリモジュール２０６からの熱は、チャネルセクション３２２１を通って流れる冷却液によって効率的に吸収することができる。代替的に、加熱は、チャネルセクション３２２１によってバッテリモジュール２０６に選択的に適用することができる。
図３２Ｆには示されていないが、１つ以上のインターフェース層３１３４（図３１Ｆに関して記載されたものと同様）をパック３２５０で利用することができる。更に、図３２Ａ～３２Ｆに関して記載された実施形態は、電子機器３１０４が各モジュール１０８の下部に位置し、チャネルセクション３２２１によって冷却される一方で、バッテリモジュール２０６が各モジュール１０８の上部に位置し、チャネルセクション３２２２によって冷却されるように反転することができる。
モジュールレイアウトの追加の例示的な実施形態
既に説明したモジュールレイアウトを促進するために、モジュール１０８のための物理的及び電気的レイアウトの追加の例示的な実施形態を図３３Ａ～図３３Ｌに示す。図３３Ａは、モジュール１０８の例示的な実施形態を描いた分解図であり、図３３Ｂは、完全に組み立てられた形態の本実施形態の斜視図であり、図３３Ｃは、外部ハウジングを取り外した本実施形態の斜視図である。
モジュール１０８は、頂部カバー３１３２、端部カバー３３０７－１及び３３０７－２、接続カバー３３０３－１及び３３０３－２、並びに底部カバー（又はベース）３３０４によって形成された外部ハウジングを含む。様々なカバーは、溶接又は接着剤によって、又は様々な締結具３３０３によって互いに固定することができる。頂部カバー３１３２は、高い熱伝導率を有する材料で構成され、コンバータ電子機器３１０４のヒートシンクとして機能する。同様に、底部カバー３３０４もまた、高い熱伝導率を有する材料で構成され、バッテリモジュール２０６を形成するバッテリセル３３０６のヒートシンクとして機能する。
バッテリセル３３０６は、セル間コネクタ３３０８（例えば、セルタブ）によって直列に又は並列に接続することができる。バッテリセル３３０６は、この実施形態では、プリズムであるが、他のセルタイプを使用することができる。バッテリモジュール２０６のＤＣ電圧は、高さ延長のための上部及び下部セクションでここに示されるＤＣコネクタ３１３０によって、電子機器３１０４のパワートランジスタに接続することができる。バッテリモジュール２０６は、側壁３３１１、端壁３３１２、及びカバー３３１４を含むバッテリモジュールハウジング内に収容することができる。モジュール１０８のベース３３０４は、セル３３０６から道路側冷却チャネル（図示せず）への最大の熱伝達を可能にするために、バッテリモジュール２０６の底部ハウジングカバーとしても機能することができる。
電子機器３１０４は、図３１Ｆ及び図３２Ｆに関して記載されたように、ここでは反転された向きで示されている。電子機器３１０４は、上部基板３１２４の下側に接続されたコンバータ２０２のパワートランジスタ（例えば、Ｓ３～Ｓ６、図示せず）を含み、上部基板３１２４は、上部カバー３１３２の下側と接触するように位置付けられた頂部側部３３１５を有する。ここでバスバーとして構成されたＤＣコネクタ３１３０は、上部基板３１２４と電気的に結合して、コンバータ２０２のパワートランジスタに直接的にＤＣ電力を供給する。コンバータ２０２のＡＣ入力／出力は、外部からアクセス可能であり、かつ締結具３３０５で３１３２を覆うように装着されたバスバーとしてここで構成された、モジュールＩＯポート３３０２（例えば、図３Ａ～３Ｃに関して記載された電力接続部１１０のモジュールＩＯポート１及び２）に接続することができる。追加の電子機器３１０４は、下部基板３３１６と電気的に結合され、下部基板３３１６は、基板３１２４と３３１６との間の１つ以上のスタンドオフ（図示せず）を通して、上部基板３１２４から電力及び／又は信号を受信することができる。ここでわかるように、複数の円筒形コンデンサ３３２０（例えば、エネルギーバッファ２０４のための）は、基板３１２４及び３３１６と物理的に並んで（又はその間）位置付けられ、基板３１２４及び３３１６と電気的に結合することができる。ＬＣＤ１１４（図示せず）は、下部基板３３１６、並びにバッテリモジュール２０６のためのＢＭＳに電気的に結合することができる。パワートランジスタに固有の監視回路２０８は、上部基板３１２４に結合することができる。電子機器３１０４との間の制御信号は、フレックスコネクタ３３１７及び制御ポート３３１８を介して通信することができ、制御ポート３３１８は、外部からアクセス可能であり、カバー３１３２に装着される（例えば、ファスナ３３０５で）。
基板３１２４及び３３１６の各々に接続された電子機器３１０４は、各々アプリケーションの熱要件に基づいて反転されるか、又は右側上向きになることができる。図３３Ｄは、上部基板３１２４が下部基板３３１６の上方に位置付けられた例示的な実施形態を示す断面図である。乗員側３３３０及び道路側３３３２は、参照のためにラベル付けされている。上部基板３１２４は、基板３１２４の下面に物理的及び電気的に結合された電子機器３１０４－１を有する。下部基板３３１６は、基板３３１６の上面に物理的及び電気的に結合された電子機器３１０４－２を有する。したがって、この実施形態では、電子機器３１０４－１は反転され、電子機器３１０４－２は反転されない。この構成は、基板３１２４の上方に位置する上部電子機器３１０４－１２の冷却チャネル（図示せず）からの効率的な熱伝達を可能にし、また、下部基板３３１６が電子機器３１０４－１と３１０４－２との間に介在しないため、下部電子機器３１０４－２からの効率的な熱伝達も可能にする。コンデンサ３３２０は、基板３１２４と３３１６との間に並んで位置付けられるが、基板３１２４と３３１６との間に直接的に位置付けられず、基板３１２４と３３１６が互いに近づいて位置付けられることを可能にする。電子機器３１０４及びコンデンサ３３２０との様々な電気的接続は示されていない。
モジュール１０８上の外部からアクセス可能な接続の位置は、システム１００内のアレイ７００の数、モジュール１０８の寸法、ＥＶの寸法、及び／又は利用されるバッテリセルの寸法及びタイプを含む様々な因子によって決定することができる。図３３Ｅは、アレイ７００のいくつかのモジュールのモジュールカバー３１３２のトップダウン図であり、各モジュールは、図３３Ａ～３３Ｃの実施形態と同様に構成される。ここで、各モジュールは、比較的長い辺（ｘ軸と整列して）及び比較的短い辺（ｙ軸と整列して）を有する。各モジュール１０８は、それぞれＡＣ１及びＡＣ２と略されるＡＣ接続３３０２－１及び３３０２－２を有し、反対側の長い辺に位置し、デイジーチェーン又はシリアル方式で隣接するモジュール１０８と相互接続される。それぞれＤＣ１及びＤＣ２と略されるＤＣコネクタ３１３０－１及びＤＣコネクタ３１３０－２は、同じ短い辺上又は短い辺付近に位置し、モジュールハウジング内のそれらの位置を示すために破線で示される。各モジュールはまた、ＣＰと略される制御ポート３３１８を有し、ＤＣ１及びＤＣ２の反対側の短い辺に位置し、デイジーチェーン又はシリアル方式で隣接するモジュール１０８とケーブルによって相互接続される。
図３３Ｆは、ＤＣコネクタＤＣ１及びＤＣ２が反対側の短い辺に位置付けられるモジュール１０８の別の実施形態のトップダウン図である。セルのタイプ及び寸法は、ＤＣ１及びＤＣ２の配置に影響を与える可能性があり、ｙ軸（図３３Ｇ）に沿って積み重ねられた比較的長いプリズムセルは、セル数に基づいて図３３Ｅ又は図３３Ｆの構成のいずれかで接続することができ、ｘ軸（図３３Ｈ）に沿って積み重ねられた比較的短いプリズムセルは、図３３Ｆの構成でより容易に接続することができる。
図３３Ｉ及び図３３Ｊは、ＡＣコネクタＡＣ１及びＡＣ２が反対側の短い辺に位置付けられるモジュール１０８の追加の実施形態を示すトップダウン図である。ＤＣコネクタＤＣ１及びＤＣ２は、反対側の短い辺（図３３Ｉ）又は同じ短い辺（図３３Ｊ）に位置することができる。制御ポートＣＰは、モジュールの長い辺に沿った中間点など、任意の都合の良い場所に位置付けることができる。
相互接続モジュール１０８ＩＣは、その相互接続モジュールに必要な追加のポートもアクセス可能にすることを条件に、図３３Ａ～３３Ｉに関して記載された実施形態のいずれかに従って構成することができる。図３３Ｋ及び３３Ｌは、反対側の長い辺（図３３Ｋ）及び反対側の短い辺（図３３Ｌ）に位置するＡＣコネクタＡＣ１及びＡＣ２を有するＩＣモジュールの２つの例示的な実施形態のカバー３１３２を示すトップダウン図である。各例では、ＤＣコネクタＤＣ１及びＤＣ２は、外部からアクセス可能にされて、内部エネルギーソース及びシステム１００の任意の他の相互接続モジュールとの並列接続を置くことができる。また、各例では、ＤＣコネクタＤＣ１及びＤＣ２は、同じ又は反対側の長い辺又は短い辺に位置付けることができる（反対側の短い辺が図３３Ｋに示され、同じ短い辺が図３３Ｌに示される）。構成に応じて、１つ以上の補助ポートも外部からアクセス可能である必要となり得る。補助ポートは、アプリケーションにとって及びそれぞれの負荷又はＰＤＵへの接続にとって都合の良い任意の場所に置くことができる。ここで、補助ポート３、４、５、及び６は、ＡＣコネクタと同じ辺（図３３Ｋ）又はＡＣコネクタとは異なる辺（図３３Ｌ）で外部からアクセス可能である。
ユニバーサルＥＶプラットフォーム及び同じものを有するＥＶの追加の例示的な実施形態
これらに限定されないが、本実施形態は、ユニバーサル電動パワートレインプラットフォームに基づいて電気自動車を設計、製造、及び運用するために使用することができる。電気自動車は、比較的小型のクーペから大型のＥＶバス又は貨物輸送用ＥＶトラックまで、多種多様な異なるモデルの１つとすることができる。ユニバーサルプラットフォームの使用は、多くの異なるモデル及びタイプのＥＶの基礎として、設計、製造、運用、及びサービスに必要なコストと労力を大幅に削減し、これは、設計者、サプライチェーンに沿った製造業者、及び顧客に影響を与える。
図３４Ａは、ＥＶ３０００のためのユニバーサルプラットフォーム３４００の例示的な実施形態を示す斜視図である。プラットフォーム３４００は、パック３２５０、補助サブシステム３４０３又はその一部（例えば、ＡＣシステム、ステアバイワイヤ、ブレーキバイワイヤ、アクティブサスペンションなど）、１つ以上のモータ１１００、ＰＣＤＡ１２５０－１及び１２５０－２、車輪、並びにＥＶの他の構成要素を保持又は同等に構成された構造ＥＶフレーム又はシャーシ３４０２を含む。１つ以上のモータ１１００は、ドライブトレインなしの車軸上モータ又はインホイールモータ（ここに示される）とすることができる。ここに示されるように、プラットフォーム３４００は、４つの車輪で構成されるが、任意の数の２つ以上の車輪を有する異なる構成で実装することができる。
図３４Ｂは、外部ボディワーク３４０４を追加した図３４Ａの実施形態を示す斜視図である。多くのタイプの外部ボディワーク３４０４を同じプラットフォーム３４００に追加して、多種多様な異なるＥＶモデルを構築することができる。
図３４Ｃは、６輪ＥＶモデルのために構成されたボディワーク３４０４を備えたプラットフォーム３４００の例示的な実施形態を示す斜視図である。ここで、プラットフォーム３４００は、図３４Ａ～３４Ｂに関して記載されたものと同様に、フレーム（図示せず）、パック（図示せず）、及び追加の２つの車輪を有する延長セクション３４０８と結合される、ベース４輪セクション３４０６を含む。この６輪プラットフォームは、図１８Ａ～１８Ｂ及び２８Ａ～２８Ｃに関して記載された６輪の実施形態に従って構成されたシステム１００を含むことができ、ベースセクション３４０６は、前方領域１８０に対応し、延長セクション３４０８は、後方領域２８０に対応する。セクション３４０６及び３４０８の各々は、異なるエネルギーサブシステム１０００、熱管理システム３１００、及びＰＣＤＡ１２５０を有する異なるパック３２５０を含むことができる。
システム１００のモジュール化された性質は、多種多様な電力要件を満たすためにスケーリングを容易に促進する。システム１００内のモジュール１０８の数は、システム１００の最大出力能力を相対的に増加又は減少させるように変化させることができる。追加的に、又は代替的に、モジュール１０８のタイプは、例えば、より高電圧若しくはより低電圧のエネルギーソース２０６を利用することによって、又は各モジュールが同じ若しくは異なるクラス及び／若しくはタイプの複数のエネルギーソース２０６を有するハイブリッドソース配列を使用することによって、最大出力電力能力を調整するために変化させることができる。
図３４Ｄ～３４Ｇは、その中のシステム１００の異なる構成３４１１～３４１４を示すプラットフォーム３４００の斜視図である。説明を容易にするために、各モジュール１０８は、同じ構成（例えば、単一の４８Ｖエネルギーソース２０６）を有するが、構成３４１１～３４１４の各々におけるモジュールの数は、異なる最大出力電力を供給するように変化する。図３４Ｄは、図２８Ａのモータ１１００－５及び１１００－６に電力を供給するサブシステム１０００－５及び１０００－６の構成と同様に、２つのリアインホイールモータ１１００に電力を供給するために２つのサブシステム１０００に配置された２１個のモジュール１０８を有する構成３４１１を示す。ＥＶ３０００の性能は、ＥＶの全体的な重量及び寸法並びにシステム１００の電力出力に基づいて変化するが、構成３４１１は、概して、小型ボディコンパクトモデル、小型ボディスポーツモデル、自動化された無人運転及び無乗員配送車両などのような、比較的低電圧のＥＶモデルを有するアプリケーションに適する。
図３４Ｅは、構成３４１１と同じであるが、合計２８個のモジュールに対して７つのモジュール１０８が追加された構成３４１２を示す。したがって、構成３４１２は、構成３４１１の最大電力出力よりも３３％大きい最大電力出力を有する。構成３４１２は、構成３４１１と同じアプリケーションに使用することができるが、構成３４１２は、概して、スポーツモデル、中型クーペ又はセダン、小型スポーツユーティリティビークル（ＳＵＶ）などの比較的中程度の電圧のＥＶモデルに適する。
図３４Ｆは、構成３４１１と同じであるが、合計３５個のモジュールに対して１４個のモジュール１０８が追加された構成３４１３を示す。したがって、構成３４１３は、構成３４１１よりも６６％大きい最大電力出力を有する。構成３４１３は、構成３４１１及び３４１２と同じアプリケーションに使用することができるが、構成３４１３は、概して、大型ボディサイズのクーペ又はセダン、高性能スポーツカー、中型から大型のＳＵＶ、ミニバン、小型ピックアップトラックなどのような、比較的中程度から高電圧のＥＶモデルに適する。
図３４Ｇは、図２７Ａと同様の構成３４１４を示し、４つのモータ１１００に電力を供給する４つのサブシステム１０００を有し、構成３４１４は、合計４２個のモジュールに対して、構成３４１１よりも多い２１個のモジュールを有する。したがって、構成３４１４は、構成３４１１よりも１００％大きい最大電力出力を有する。構成３４１４は、構成３４１１、３４１２、及び３４１３と同じアプリケーションに使用することができるが、構成３４１４は、概して、重量級トラック、大型ＳＵＶ、旅客バス、貨物輸送アプリケーションなどの比較的高電圧のＥＶモデルに適する。
システム１００は、プラットフォーム３４００が構築するために使用されるほぼ無制限の数のＥＶモデルの電力要件を満たすように構成することができる。図３４Ｄ～図３４Ｇの実施形態は例示であり、本明細書に記載されるようなエネルギーシステム１００の任意の及び全ての実施形態は、図２４～図２８Ｃに関して記載されたそれらのレイアウトを含むが、これに限定されないプラットフォーム３４００内に実装することができる。
図３４Ｈ～３４Ｋは、異なるボディトップ３４２０に取り付けられ、嵌合し、又はそうでなければ統合されたユニバーサルプラットフォーム３４００を備えて構成するＥＶ３０００の例示的な実施形態の斜視図である。ボディトップは、長さ、幅、高さ、外部美的外観、乗員コンパートメント、内部寸法、内部美的外観、内部の特徴（例えば、タッチスクリーン、ダッシュボード、補助機能）、トランクスペースなどで異なることができる。図３４Ｈは、４輪プラットフォーム３４００を備えたコンパクトモデルとして構成されたＥＶ３０００－１を示す。ＥＶ３０００－１は、例えば、図３４Ｄに関して記載された構成３４１１に配置されたシステム１００を有することができる。図３４Ｉは、スポーツクーペモデルとして構成されたＥＶ３０００－２を示す。ＥＶ３０００－２は、例えば、図３４Ｅに関して記載された構成３４１２に配置されたシステム１００を有することができる。図３４Ｊは、乗員バンモデルとして構成されたＥＶ３０００－３を示す。ＥＶ３０００－３は、例えば、それぞれ図３４Ｅ及び３４Ｆに関して記載されたように、構成３４１３又は３４１４に配置されたシステム１００を有することができる。図３４Ｋは、６輪プラットフォーム３４００（図３４Ｃ）を備えた大型配達バン又は旅客バスモデルとして構成されたＥＶ３０００－４を示す。ＥＶ３０００－４は、例えば、図２８Ａ～図２８Ｃに関して記載されたような構成に配置されたシステム１００を有することができる。
プラットフォーム３４００はユニバーサルであると記載されるが、プラットフォーム３４００の同一の実装は、全ての異なるＥＶモデルに対して使用されるわけではない。むしろ、プラットフォーム３４００は、モジュールシステム１００の利用が、バッテリパック及び／又はバッテリパック空間の同じフォームファクタ（例えば、長さ、幅、高さ）内のシステム１００の電圧能力の容易なスケーリングを可能にするという意味でユニバーサルである。システム１００は、従来のドライブインバータの必要性を排除するため、プラットフォーム３４００はまた、又は代替的に、電動パワートレインがパック３２５０内に自己完結型であるという意味でユニバーサルであるとみなすことができ、したがって、１つのＥＶモデルから別のＥＶモデルへのＥＶ機械的及びパワートレインの再設計に重大な影響はない。
重量及び本体寸法の変動、並びにアプリケーション又は高級構成要素の変動のために、同じユニバーサルプラットフォームに基づく異なるＥＶモデルは、異なるサスペンション、ＨＶＡＣシステムの性能の変動、補助負荷の数の変動、トラクション制御などのようなユニバーサルプラットフォームに対する異なる設計を必要とする可能性がある。
本主題の様々な態様は、これまでに記載されている実施形態のレビューにおいて、及び／又はこれを補完するために以下に記載されており、ここで強調されているのは、以下の実施形態の相互関係及び互換性である。言い換えると、実施形態の各特徴は、別途明記されない限り、又は他の方法で教示されない限り、各々の及び全ての他の特徴と組み合わせることができるという事実に重点が置かれている。
実施形態の第１のグループでは、電気自動車（ＥＶ）のためのモジュールベースのエネルギーシステムが提供され、カスケード方式で一緒に結合された複数のコンバータモジュールであって、複数のコンバータモジュールの各々が、エネルギーソースと電気的に結合されたコンバータ電子機器と、コンバータ電子機器及びエネルギーソースを保持するためのハウジングと、を含み、複数のコンバータモジュールが、ＥＶの１つ以上のモータに多相電力を供給するように構成されている、複数のコンバータモジュールと、冷却液を導くように構成された第１の複数のチャネルと、冷却液を導くように構成された第２の複数のチャネルと、を含み、第１の複数のチャネルが、複数のコンバータモジュールの乗員側頂部にわたって配置され、第２の複数のチャネルが、複数のコンバータモジュールの道路側底部にわたって配置されている。
第１のグループのいくつかの実施形態では、コンバータ電子機器は、各モジュールの上部に位置付けられ、エネルギーソースは、各モジュールの下部に位置付けられている。各モジュールのコンバータ電子機器は、複数のパワートランジスタを含むことができ、各モジュールは、複数のパワートランジスタとの電気的接続を有する基板を含み、コンバータ電子機器は、基板が複数のパワートランジスタの上方に位置するように反転されている。
第１のグループのいくつかの実施形態では、システムは、第１の複数のチャネルの上方に配置するように構成された頂部エンクロージャ部分と、第２の複数のチャネルの下方に配置するように構成された底部エンクロージャ部分と、頂部エンクロージャ部分と底部エンクロージャ部分との間に配置するように構成された側部エンクロージャ部分と、を更に含む。
第１のグループのいくつかの実施形態では、システムは、第１の複数のチャネルと複数のコンバータモジュールの上面との間に配置するように構成された上部ヒートシンクと、第２の複数のチャネルと複数のコンバータモジュールの下面との間に配置するように構成された下部ヒートシンクと、を更に含む。頂部エンクロージャ部分及び上部ヒートシンクは各々、第１の複数のチャネルを保持するように構成された凹部を含むことができ、底部エンクロージャ部分及び下部ヒートシンクは各々、第２の複数のチャネルを保持するように構成された凹部を含むことができる。下部ヒートシンクは、複数のモジュールを保持するように構成された枡として構成することができ、上部ヒートシンクは、枡と結合するように構成された蓋として構成することができる。
第１のグループのいくつかの実施形態では、第１の複数のチャネルは、第２の複数のチャネルから垂直にオフセットされる。
第１のグループのいくつかの実施形態では、システムは、複数のコンバータモジュール間で延在するように構成された複数のストラットを有するフレームを更に含む。
第１のグループのいくつかの実施形態では、第１の複数のチャネル及び第２の複数のチャネルは、第１の複数のチャネルのみ、第２の複数のチャネルのみ、並行して第１の複数のチャネル及び第２の複数のチャネルの両方、のうちの少なくとも２つを通して冷却液を選択的に誘導するように構成された熱管理システムと結合するように構成されている。
実施形態の第２のグループでは、電気自動車（ＥＶ）の複数のコンバータモジュールのための熱管理システムが提供され、複数のコンバータモジュールが各々、エネルギーソースと電気的に結合されたコンバータ電子機器と、コンバータ電子機器及びエネルギーソースを保持するためのハウジングと、を含み、複数のコンバータモジュールが、ＥＶの１つ以上のモータに多相電力を供給するように構成され、熱管理システムが、流体ネットワークと結合された複数のポンプと、流体ネットワークと結合された複数の熱交換器と、を含み、熱管理システムが、複数のコンバータモジュールのエネルギーソースに近接して冷却液を独立して循環させ、複数のコンバータモジュールのコンバータ電子機器に近接して冷却液を独立して循環させるように制御可能である。
第２のグループのいくつかの実施形態では、システムは、複数のポンプのうちの第１のポンプと、複数の熱交換器のうちの第１の熱交換器と、ヒータユニットとで第１の熱管理ループを形成するように構成され、第１の熱管理ループが、複数のコンバータモジュールのエネルギーソースに近接して冷却液を循環させて、エネルギーソースの加熱又は冷却のいずれかを行うように構成されている。システムは、ヒータユニットが作動し、第１の熱交換器が非作動又はバイパスされた状態で、第１の熱管理ループを通る冷却液の移動によって、複数のコンバータモジュールのエネルギーソースを加熱するように構成することができる。システムは、ヒータユニットが非アクティブ化又はバイパスされた第１の熱交換器を含む第１の熱管理ループを通る冷却液の移動によって、複数のコンバータモジュールのエネルギーソースを冷却するように構成することができる。システムは、複数のポンプのうちの第２のポンプと、複数の熱交換器のうちの第２の熱交換器とで第２の熱管理ループを形成するように構成され得、第２の熱管理ループが、複数のコンバータモジュールのコンバータ電子機器に近接して冷却液を循環させて、コンバータ電子機器を冷却するように構成されている。
第２のグループのいくつかの実施形態では、システムは、第１のポンプと第２のポンプとで第３の熱管理ループを形成するように構成され、第３の熱管理ループが、複数のコンバータモジュールのコンバータ電子機器及び複数のコンバータモジュールのエネルギーソースに近接して冷却液を循環させるように構成されている。第３の熱管理ループは、第１の熱交換器と第２の熱交換器のうちの一方又は両方を通して冷却液を循環させるように再構成可能とすることができる。
第２のグループのいくつかの実施形態では、システムは、複数のコンバータモジュールのエネルギーソースに近接して冷却液を独立して循環させ、かつ複数のコンバータモジュールのコンバータ電子機器に近接して冷却液を独立して循環させるように選択的に制御可能である複数のバルブを更に含む。
第２のグループのいくつかの実施形態では、システムは、第１の熱管理ループ及び第２の熱管理ループを形成する第１の状態に制御可能であり、かつ第３の熱管理ループを形成する第２の状態に制御可能である１つ以上の第１のバルブを更に含む。システムは、第１の熱交換器を通して冷却液を誘導するように、又は第１の熱交換器をバイパスするように制御可能である第２のバルブを更に含むことができる。システムは、第２の熱交換器を通して冷却液を誘導するように、又は第２の熱交換器をバイパスするように制御可能である第３のバルブを更に含むことができる。
第２のグループのいくつかの実施形態では、第１の熱交換器は、ＥＶのエアコン冷却システムと結合された冷却装置である。エアコン冷却システムは、冷却液が冷却装置を通って流れることを選択的に可能にするように構成された第１のバルブを含むことができる。エアコン冷却システムは、冷却液がＥＶの充電ネットワーク分配器又は配電ユニットを通って流れることを選択的に可能にするように構成された第２のバルブを含むことができる。
第２のグループのいくつかの実施形態では、システムは、ＥＶの１つ以上のモータを冷却するように更に構成されている。システムは、１つ以上のモータを冷却するように構成された第４の熱管理ループを更に含むことができる。
実施形態の第３のグループでは、第２のグループの任意の実施形態に従って構成された熱管理システムを制御するように構成された制御システムが提供される。
第３のグループのいくつかの実施形態では、制御システムは、処理回路及び非一時的メモリを含み、そのメモリには、処理回路によって実行されたときに、制御システムに熱管理システムを制御させる複数の命令が記憶される。制御システムは、熱管理システムのポンプ及びバルブと通信可能に結合するように構成することができる。
実施形態の第４のグループでは、電気自動車（ＥＶ）の複数のコンバータモジュールを冷却する方法が提供され、複数のコンバータモジュールが各々、エネルギーソースと電気的に結合されたコンバータ電子機器と、コンバータ電子機器及びエネルギーソースを保持するためのハウジングと、を含み、複数のコンバータモジュールが、ＥＶの１つ以上のモータに多相電力を供給するように構成され、方法は、エネルギーソースを加熱又は冷却するための第１のチャネルセットを通して、複数のコンバータモジュールのエネルギーソースに近接して冷却液を循環させることと、複数のモジュールのコンバータ電子機器を冷却するための第２のチャネルセットを通して、複数のコンバータモジュールのコンバータ電子機器に近接して冷却液を循環させることと、を含む。
第４のグループのいくつかの実施形態では、方法は、熱管理システムのバルブ状態を構成して、第１のチャネルセットを通してエネルギーソースに近接して冷却液を循環させるための第１の熱管理ループと、第２のチャネルセットを通してコンバータ電子機器に近接して冷却液を循環させるための第２の熱管理ループと、を形成することを更に含む。方法は、循環される冷却液でエネルギーソースを加熱するために、第１の管理ループ内のヒータユニットを作動させることを更に含むことができる。方法は、第１の熱管理ループ内では冷却液を循環させる一方で、第２の熱管理ループ内では冷却液を循環させないことを更に含むことができる。方法は、第２の熱管理ループ内では冷却液を循環させる一方で、第１の熱管理ループ内では冷却液を循環させないことを更に含むことができる。方法は、第１の熱管理ループ及び第２の熱管理ループ内で冷却液を同時に循環させることを更に含むことができる。方法は、ヒータユニットが非作動又はバイパスされた状態で、第１の熱管理ループ内で第１の熱交換器を通して冷却液を循環させることを更に含むことができる。
第４のグループのいくつかの実施形態では、方法は、熱管理システムのバルブ状態を構成して、第１のチャネルセットを通してエネルギーソースに近接して冷却液を循環させ、かつ第２のチャネルセットを通してコンバータ電子機器に近接して冷却液を循環させるための第３の熱管理ループを形成することを更に含む。方法は、第１の熱交換器及び第２の熱交換器を含む第３の熱管理ループを通して冷却液を循環させることを更に含むことができる。方法は、第３の熱管理ループの第２の熱交換器がバイパスされている間に、第１の熱交換器を含む第３の熱管理ループを通して冷却液を循環させることを更に含むことができる。方法は、第３の熱管理ループの第１の熱交換器がバイパスされている間に、第２の熱交換器を含む第３の熱管理ループを通して冷却液を循環させることを更に含むことができる。
実施形態の第５のグループでは、カスケード方式で１つ以上のアレイ状に接続された複数のコンバータモジュールを含むエネルギーシステムが提供され、各コンバータモジュールが、上部カバー及び上部カバーの下方に位置付けられるように構成されたベースと、上面及び下面を有する上部基板であって、上面が上部カバーに隣接している、上部基板と、上部基板に電気的に接続された下部基板と、上部基板の下面に物理的に接続された複数のパワートランジスタと、下部基板に物理的に接続された制御デバイスと、複数のパワートランジスタ及び制御デバイスと電気的に結合されたエネルギーソースと、を含む。
第５のグループのいくつかの実施形態では、下部基板は、上面及び下面を有し、制御デバイスは、下部基板の上面に物理的及び電気的に接続されている。
第５のグループのいくつかの実施形態では、下部基板は、１つ以上のスタンドオフを介して上部基板に電気的に接続されている。
第５のグループのいくつかの実施形態では、制御デバイスは、ローカル制御デバイスである。
第５のグループのいくつかの実施形態では、各コンバータモジュールは、複数のコンデンサを含み、複数のコンデンサは、上部基板及び下部基板のうちの少なくとも１つに電気的に接続され、複数のコンデンサは、上部基板及び下部基板の間に直接的ではなく、上部基板及び下部基板に並んで位置付けられている。
実施形態の第６のグループでは、少なくとも１つのモータと、少なくとも１つのモータに供給するために、各々が異なる位相角を有する３つ以上のＡＣ信号を生成するように構成された複数のコンバータモジュールと、を有する電気自動車（ＥＶ）のための電力及び制御分配アセンブリ（ＰＣＤＡ）が提供され、複数のコンバータモジュールの各々が、エネルギーソースと、エネルギーソースに電気的に接続された電力コンバータと、コンバータのためのスイッチング信号を生成するように構成されたローカル制御デバイスと、を含み、ＰＣＤＡが、制御情報を複数のコンバータモジュールの各ローカル制御デバイスに通信するように構成され、かつＥＶの車両制御デバイスと通信するように構成されたマスター制御デバイスと、ＥＶの第１のサブシステムのための駆動ユニットと、マスター制御デバイス及び駆動ユニットと通信可能に結合された補助制御デバイスであって、駆動ユニットを制御するように構成され、かつ車両制御デバイスと通信するように構成された、補助制御デバイスと、マスター制御デバイス、駆動ユニット、及び補助制御デバイスを保持するように構成されたハウジングと、を含む。
第６のグループのいくつかの実施形態では、ＰＣＤＡは、複数のコンバータモジュールのうちの少なくとも１つからＥＶの第２のサブシステムに補助電力を出力するための補助電力インターフェースを更に含む。
第６のグループのいくつかの実施形態では、複数のコンバータモジュールは、３つのアレイに配置され、各アレイが、直列に接続された２つ以上のコンバータモジュールを含み、各アレイが、３つのＡＣ信号のうちの異なる１つを生成するように構成され、ＰＣＤＡが、マスター制御デバイスと通信可能に結合されたルーティング回路を更に含み、ルーティング回路が、ＤＣ又は単相ＡＣ充電ポートからの電力を３つのアレイに選択的に接続するように、マスター制御デバイスによって制御可能である。ルーティング回路は、複数のソリッドステートリレーを含むことができる。
第６のグループのいくつかの実施形態では、ＰＣＤＡは、少なくとも１つのモータと複数のコンバータモジュールとの間の電流の流れを遮断するための複数の電気機械式リレーを更に含む。ＰＣＤＡは、複数のモジュールのうちの少なくとも１つのモジュールからの第２のＤＣ電圧から第１のＤＣ電圧を生成するように構成されたＤＣ－ＤＣコンバータを更に含むことができる。
第６のグループのいくつかの実施形態では、ＰＣＤＡは、３つのＡＣ信号の各々の電圧、電流、又は位相のうちの少なくとも１つを監視するように構成された監視回路を更に含む。
第６のグループのいくつかの実施形態では、ＰＣＤＡは、ＰＣＤＡと複数のコンバータモジュールとの間の電流の流れを遮断するための安全切断デバイスを更に含む。
第６のグループのいくつかの実施形態では、駆動ユニットは、第１の駆動ユニットであり、ＰＣＤＡは、ＥＶの第２のサブシステムのための第２の駆動ユニットを更に含み、補助制御デバイスは、第２の駆動ユニットを制御するように構成されている。
実施形態の第７のグループでは、少なくとも１つのモータと、少なくとも１つのモータに供給するために、各々が異なる位相角を有する３つ以上のＡＣ信号を生成するように構成された複数のコンバータモジュールと、を有する電気自動車（ＥＶ）のための電力及び制御分配アセンブリ（ＰＣＤＡ）が提供され、複数のコンバータモジュールの各々が、エネルギーソースと、エネルギーソースに電気的に接続された電力コンバータと、コンバータのためのスイッチング信号を生成するように構成されたローカル制御デバイスと、を含み、ＰＣＤＡが、制御情報を複数のコンバータモジュールの各ローカル制御デバイスに通信するように構成され、かつＥＶの車両制御デバイスと通信するように構成されたマスター制御デバイスと、ＥＶの第１のサブシステムのための第１の駆動ユニットと、ＥＶの第２のサブシステムのための第２の駆動ユニットと、マスター制御デバイス、第１の駆動ユニット、及び第２の駆動ユニットと通信可能に結合された補助制御デバイスであって、第１の駆動ユニット及び第２の駆動ユニットを制御するように構成され、かつ車両制御デバイスと通信するように構成された、補助制御デバイスと、複数のコンバータモジュールのうちの少なくとも１つからＥＶの第２のサブシステムに補助電力を出力するための補助電力インターフェースと、少なくとも１つのモータと複数のコンバータモジュールとの間の電流の流れを遮断するための複数の電気機械式リレーと、複数のモジュールのうちの少なくとも１つのモジュールからの第２のＤＣ電圧から第１のＤＣ電圧を生成するように構成されたＤＣ－ＤＣコンバータと、３つのＡＣ信号の各々の電圧、電流、又は位相のうちの少なくとも１つを監視するように構成された監視回路と、ＰＣＤＡと複数のコンバータモジュールとの間の電流の流れを遮断するための安全切断デバイスと、マスター制御デバイス、第１の駆動ユニット、第２の駆動ユニット、補助制御デバイス、補助電力インターフェース、複数の電気機械式リレー、ＤＣ－ＤＣコンバータ、監視回路、及び安全切断デバイスを保持するように構成されたハウジングと、を含む。
実施形態の第８のグループでは、電気自動車のためのユニバーサルプラットフォームが提供され、ユニバーサルプラットフォームは、フレームと、エネルギーソースエンクロージャと、少なくとも１つの電気モータと、少なくとも１つの電気モータに供給するために、各々が異なる位相角を有する３つ以上のＡＣ信号を生成するように構成された複数のコンバータモジュールであって、複数のコンバータモジュールの各々が、エネルギーソースと、エネルギーソースに電気的に接続された電力コンバータと、を含む、複数のコンバータモジュールと、を含み、ユニバーサルプラットフォームが、異なるボディトップに取り付けられて、異なるＥＶモデルを形成するように適合されている。
第８のグループのいくつかの実施形態では、ユニバーサルプラットフォームは、第６及び第７のグループの実施形態のいずれかによる電力及び制御分配アセンブリを更に含む。
第８のグループのいくつかの実施形態では、ユニバーサルプラットフォームは、第１及び第２のグループの実施形態のいずれかに従って構成された熱管理システムを更に含む。
実施形態の第９のグループでは、複数の電気自動車が提供され、複数の電気自動車は、第１のボディトップ及び第１の電動パワートレインプラットフォームを含む第１の電気自動車であって、第１の電動パワートレインプラットフォームが、少なくとも１つの第１のモータと、少なくとも１つの第１の電気モータに供給するために、各々が異なる位相角を有する３つ以上のＡＣ信号を生成するように構成された第１の複数のコンバータモジュールであって、複数のコンバータモジュールの各々が、エネルギーソースと、エネルギーソースに電気的に接続された電力コンバータと、を含む、第１の複数のコンバータモジュールと、第１の複数のコンバータモジュールを保持するための第１のエネルギーシステムエンクロージャと、を含み、第１の電気自動車と、第２のボディトップ及び第２の電動パワートレインプラットフォームを含む第２の電気自動車であって、第２の電動パワートレインプラットフォームが、少なくとも１つの第２のモータと、少なくとも１つの第２の電気モータに供給するために、各々が異なる位相角を有する３つ以上のＡＣ信号を生成するように構成された第２の複数のコンバータモジュールであって、第２の複数のコンバータモジュールの各々が、エネルギーソースと、エネルギーソースに電気的に接続された電力コンバータと、を備える、第２の複数のコンバータモジュールと、第２の複数のコンバータモジュールを保持するための第２のエネルギーシステムエンクロージャと、を含む、第２の電気自動車と、を含み、第１のボディトップが、第２のボディトップとは異なり、第１の複数のコンバータモジュール及び第２の複数のコンバータモジュールが各々、異なる最大出力電力を生成するように構成され、第１のエネルギーシステムエンクロージャ及び第２のエネルギーシステムエンクロージャが各々、同じフォームファクタを有する。
第９のグループのいくつかの実施形態では、第１の電気自動車が、少なくとも１つの第１のモータのためのスタンドアロンドライブインバータを有さず、第２の電気自動車は、少なくとも１つの第２のモータのためのスタンドアロンドライブインバータを有さない。
第９のグループのいくつかの実施形態では、第１の複数のコンバータモジュールのコンバータモジュールの個数が、第２の複数のコンバータモジュールのコンバータモジュールの個数とは異なる。
第９のグループのいくつかの実施形態では、第１のボディタイプ及び第２のボディタイプが、クーペ、セダン、スポーツカー、トラック、バン、バス、及びスポーツユーティリティ車両を含む群から選択される異なるものである。
実施形態の第１０のグループでは、電気自動車（ＥＶ）のモジュール式エネルギーシステムが提供され、モジュール式エネルギーシステムは、３つのアレイであって、各アレイが、一緒に電気的に接続されてＡＣ電圧信号を出力する少なくとも２つのレベルのモジュールを含み、ＡＣ電圧信号が、少なくとも２つのモジュールの各々からの出力電圧の重ね合わせを含み、モジュールの各々が、第１のエネルギーソース、第２のエネルギーソース、及びコンバータを含む、３つのアレイを含み、第１のエネルギーソース及び第２のエネルギーソースが異なるクラス又はタイプであり、ＥＶのシャーシが、各々がＥＶの平面を横切って横方向に延在する長さ軸及び垂直幅軸を有し、長さ軸に沿ったシャーシの第１の寸法が、幅軸に沿ったシャーシの第２の寸法よりも相対的に長く、３つのアレイが、シャーシ内に収まるように構成されたパックに配置され、第１のエネルギーソース及び第２のエネルギーソースが、各モジュールの異なる側面に据え付けられ、３つのアレイが、長さ軸に平行な列に整列され、各アレイのモジュールの第１のエネルギーソースが、長さ軸に平行な列に整列され、各アレイのモジュールの第２のエネルギーソースが、長さ軸に平行な列に整列されている。
第１０のグループのいくつかの実施形態では、第１のエネルギーソースの列は、第２のエネルギーソースの列と交互になっている。
第１０のグループのいくつかの実施形態では、少なくとも１つの相互接続モジュールは、３つのアレイのうちの少なくとも１つのアレイに接続されている。
実施形態の第１１のグループでは、電気自動車（ＥＶ）のモジュール式エネルギーシステムが提供され、モジュール式エネルギーシステムは、３つのアレイであって、各アレイが、一緒に電気的に接続されてＡＣ電圧信号を出力する少なくとも２つのレベルのモジュールを含み、ＡＣ電圧信号が、少なくとも２つのモジュールの各々からの出力電圧の重ね合わせを含み、モジュールの各々が、第１のエネルギーソース、第２のエネルギーソース、及びコンバータを含む、３つのアレイを含み、第１のエネルギーソース及び第２のエネルギーソースが異なるクラス又はタイプであり、ＥＶのシャーシが、各々がＥＶの平面を横切って横方向に延在する長さ軸及び垂直幅軸を有し、長さ軸に沿ったシャーシの第１の寸法が、幅軸に沿ったシャーシの第２の寸法よりも相対的に長く、３つのアレイが、シャーシ内に収まるように構成されたパックに配置され、第１のエネルギーソース及び第２のエネルギーソースが、各モジュールの異なる側面に据え付けられ、３つのアレイが、幅軸に平行な列に整列され、各アレイのモジュールの第１のエネルギーソースが、幅軸に平行な列に整列され、各アレイのモジュールの第２のエネルギーソースが、幅軸に平行な列に整列されている。
第１１のグループのいくつかの実施形態では、第１のエネルギーソースの列は、第２のエネルギーソース列と交互になっている。
第１１のグループのいくつかの実施形態では、システムは、３つのアレイのうちの少なくとも１つのアレイに接続された少なくとも１つの相互接続モジュールを更に含む。
実施形態の第１２のグループでは、負荷に電力を供給するように制御可能であるモジュール式エネルギーシステムが提供され、モジュール式エネルギーシステムは、３つのアレイであって、各アレイが、一緒に電気的に接続されてＡＣ電圧信号を出力する少なくとも２つのモジュールを含み、ＡＣ電圧信号が、少なくとも２つのモジュールの各々からの出力電圧の重ね合わせを含み、モジュールの各々が、エネルギーソース及びコンバータを含む、３つのアレイと、ＤＣ又は単相ＡＣ充電信号を導くように構成された充電ポートと、充電ポートと３つのアレイとの間に接続されたルーティング回路であって、ルーティング回路が、ＤＣ又は単相ＡＣ充電信号を３つのアレイの各々に選択的にルーティングするように制御可能であり、ルーティング回路が、各々が少なくとも１つのトランジスタを備える複数のソリッドステートリレー（ＳＳＲ）回路を含む、ルーティング回路と、を含む。
第１２のグループのいくつかの実施形態では、システムは、ルーティング回路と通信可能に結合された制御システムを更に含み、制御システムは、ＤＣ又は単相ＡＣ充電信号を３つのアレイの各々に選択的にルーティングするようにルーティング回路を制御するように構成されている。制御システムは、３つのアレイの各モジュールと通信可能に結合することができ、各モジュールのコンバータを制御して各モジュールを充電するように構成される。制御システムは、パルス幅変調又はヒステリシス技術に従って、各モジュールのコンバータを制御するように構成することができる。各モジュールは、モジュールのステータス情報を監視するように構成された監視回路を含むことができ、各モジュールは、ステータス情報を制御システムに出力するように構成され、制御システムは、ステータス情報に基づいて各モジュールのコンバータを制御するように構成されている。ステータス情報は、モジュールの温度及び充電状態に関連し、制御システムは、アレイの全てのモジュールの温度及び充電状態のバランスをとるように各モジュールのコンバータを制御するように構成されている。
第１２のグループのいくつかの実施形態では、ルーティング回路は、双方向のものである。
第１２のグループのいくつかの実施形態では、トランジスタは、第１のトランジスタであり、少なくとも１つのＳＳＲ回路は、第１のトランジスタと直列に結合された第２のトランジスタを含み、第１のトランジスタ及び第２のトランジスタは各々、制御入力と結合されたゲートノードを有する。第１のトランジスタ及び第２のトランジスタは各々、反対の電流搬送方向に配向されたボディダイオードを有することができる。
第１２のグループのいくつかの実施形態では、少なくとも１つのＳＳＲ回路は、少なくとも４つのダイオードと結合されたトランジスタを含み、トランジスタは、少なくとも１つのＳＳＲ回路の制御入力と結合されたゲートノードを有する。少なくとも１つのＳＳＲ回路は、入力及び出力を含むことができ、トランジスタの作動化が、電流が入力から、トランジスタ及び少なくとも２つのダイオードを通って、出力へと通過することを可能にするように、構成され、かつトランジスタの非作動化が、電流が入力から出力へと通過するのをブロックするように構成されている。
第１２のグループのいくつかの実施形態では、ルーティング回路は、ＤＣ＋充電信号又は単相ＡＣライン充電信号と結合するように構成された第１のポートと、ＤＣ充電信号又は単相ＡＣニュートラル信号と結合するように構成された第２のポートと、第１のアレイと結合された第３のポートと、第２のアレイと結合された第４のポートと、第３のアレイと結合された第５のポートと、を含み、かつ第１のポートと第３のポートとの間で結合された第１のＳＳＲ回路と、第１のポートと第４のポートとの間で結合された第２のＳＳＲ回路と、第４のポートと第２のポートとの間に結合された第３のＳＳＲ回路と、第５のポートと第２のポートとの間に結合された第４のＳＳＲ回路と、を含む。ＳＳＲ回路は、ＤＣ充電状態で動作中に、第１のポートでＤＣ充電信号を第３のポート又は第４のポートのいずれかに選択的にルーティングし、かつ第４のポート又は第５のポートで信号を第２のポートに選択的にルーティングするように、制御システムによって制御可能とすることができ、ＳＳＲ回路は、正の単相ＡＣ充電状態で動作中に、第１のポートでＡＣライン充電信号を第３のポート又は第４のポートのいずれかに選択的にルーティングし、かつ第４のポート又は第５のポートで信号を第２のポートに選択的にルーティングし、負の単相ＡＣ充電状態で動作中に、第２のポートで信号を第４のポート又は第５のポートのいずれかに選択的にルーティングし、かつ第３のポート又は第４のポートで信号を第１のポートに選択的にルーティングするように、制御システムによって制御可能とすることができる。
第１２のグループのいくつかの実施形態では、ルーティング回路は、３相ＡＣ充電信号を３つのアレイの各々にルーティングするように更に制御可能である。
第１２のグループのいくつかの実施形態では、充電ポートは、３相ＡＣ充電信号を導くように更に構成され、ルーティング回路は、３相ＡＣ充電信号を３つのアレイの各々にルーティングするように更に制御可能であり、ルーティング回路は、ＤＣ又はＡＣ充電信号を受信するように構成された第１のポートと、ＡＣ充電信号を受信するように構成された第２のポートと、ＤＣ又はＡＣ充電信号を受信するように構成された第３のポートと、を含み、第１のポートと３つのアレイのうちの第１のアレイに接続可能な第１のラインとの間に結合された第１のＳＳＲ回路と、第２のポートと３つのアレイのうちの第２のアレイに接続可能な第２のラインとの間に結合された第２のＳＳＲ回路と、第３のポートと３つのアレイのうちの第３のアレイに接続可能な第３のラインとの間に結合された第３のＳＳＲ回路と、第１のポートと第２のポートとの間に結合された第４のＳＳＲ回路と、第２のアレイと第３のポートとの間に結合された第５のＳＳＲ回路と、を更に含む。トランジスタは、第１のトランジスタとすることができ、ＳＳＲ回路の各々は、第１のトランジスタと直列に結合された第２のトランジスタを含み、第１のトランジスタ及び第２のトランジスタは各々、制御入力と結合されたゲートノードを有し、第１のトランジスタ及び第２のトランジスタは各々、反対の電流搬送方向に配向されたボディダイオードを有する。
第１２のグループのいくつかの実施形態では、ＳＳＲ回路の各々は、少なくとも４つのダイオードと結合されたトランジスタを含み、トランジスタは、少なくとも１つのＳＳＲ回路の制御入力と結合されたゲートノードを有し、各ＳＳＲ回路は、入力及び出力を含み、かつトランジスタの作動化が、電流が入力から、トランジスタ及びダイオードのうちの少なくとも２つを通って、出力へと通過することを可能にするように、構成され、かつトランジスタの非作動化が、電流が入力から出力へと通過するのをブロックするように、構成されている。
第１２のグループのいくつかの実施形態では、システムは、全てのモジュール及びモータを充電ソースから選択的に切断するように更に構成されている。
第１２のグループのいくつかの実施形態では、３つのアレイは、少なくとも１つの相互接続モジュールによって相互接続されている。制御システムは、システムが充電状態にあるときに、少なくとも１つの補助負荷に電圧を供給するように少なくとも１つの相互接続モジュールを制御するように構成することができる。
第１２のグループのいくつかの実施形態では、３つのアレイは、デルタ直列構成で相互接続されている。
第１２のグループのいくつかの実施形態では、負荷は６相負荷であり、３つのアレイは第１のアレイセットであり、システムは、追加の３つのモジュールアレイを含む第２のアレイセットを更に含み、システムは、第１のアレイセット及び第２のアレイセットを並行に充電するように構成されている。
第１２のグループのいくつかの実施形態では、充電ポートは第１の充電ポートであり、システムは、３相充電信号を受信するように構成された第２の充電ポートを更に含む。第１の充電ポート及び第２の充電ポートは、同じユーザアクセス可能な場所に統合することができる。ルーティング回路は、第２の充電ポートからのラインに接続することができる。
第１２のグループのいくつかの実施形態では、システムは、各アレイの第１のモジュールと負荷との間に結合された複数のスイッチを含み、複数のスイッチは、負荷を３つのアレイから切断するように制御可能である。
第１２のグループのいくつかの実施形態では、３つのアレイは、第１の負荷に３相電力を供給するように構成されたシステムの第１のサブシステムであり、システムは、第２の負荷に３相電力を供給するように構成された第２のサブシステムを更に含み、第２のサブシステムは、少なくとも２つのモジュールの各々からの出力電圧の重ね合わせを含むＡＣ電圧信号を出力するために一緒に電気的に接続された少なくとも２つのモジュールを含む３つのアレイを含み、第２のサブシステムのモジュールの各々は、エネルギーソース及びコンバータを含み、第１のサブシステム及び第２のサブシステムは、第１のサブシステム及び第２のサブシステムが、充電のために並列に電気的に接続可能であるように、第１の複数のスイッチによって一緒に結合されている。システムは、第３の負荷に３相電力を供給するように構成された第３のサブシステムを更に含むことができ、第３のサブシステムは、少なくとも２つのモジュールの各々からの出力電圧の重ね合わせを含むＡＣ電圧信号を出力するために、少なくとも２つのモジュールを一緒に電気的に接続された３つのアレイを含み、第３のサブシステムのモジュールの各々は、エネルギーソース及びコンバータを含み、第１のサブシステム及び第３のサブシステムは、第１のサブシステム及び第３のサブシステムが、充電のために並列に電気的に接続可能であるように、第２の複数のスイッチによって一緒に結合されている。
実施形態の第１３のグループでは、モジュール式エネルギーシステムを充電する方法が提供され、システムは、第１２のグループの実施形態のいずれかに従って構成され、方法は、モジュール式エネルギーシステムを充電するために、かつシステムの少なくとも１つの動作特性のバランスをとるために、充電信号が適用されている間に、モジュール式エネルギーシステムを制御することを含む。
第１３のグループのいくつかの実施形態では、少なくとも１つの動作特性は、温度である。
第１３のグループのいくつかの実施形態では、充電信号は、３相充電信号、単相充電信号、又は直流（ＤＣ）充電信号である。
第１３のグループのいくつかの実施形態では、モジュール式エネルギーシステムは、システムの力率を１単位の閾値内に維持するように制御される。
第１３のグループのいくつかの実施形態では、モジュール式エネルギーシステムを制御することは、エネルギーシステムのモジュールのコンバータを制御することを含む。
実施形態の第１４のグループでは、第１２のグループの実施形態のいずれかに従って構成された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が提供される。
実施形態の第１５のグループでは、コンピュータ可読媒体が提供され、コンピュータ可読媒体は、処理回路によって実行されたときに、処理回路に、第１２のグループの実施形態のいずれかに従って構成されたモジュール式エネルギーシステムのための充電を制御させる複数の命令を含む。
実施形態の第１６のグループでは、電気自動車のモータに電力を供給するように構成されたエネルギー貯蔵システムが提供され、システムは、３つのアレイであって、各アレイが、一緒に電気的に接続されてＡＣ電圧信号を出力する少なくとも２つのモジュールを含み、ＡＣ電圧信号が、少なくとも２つのモジュールの各々からモータへの出力電圧の重ね合わせを含み、モジュールの各々が、エネルギーソース及びＤＣ－ＡＣコンバータを含む、３つのアレイと、ＤＣ又はＡＣ信号を導くように構成された充電ポートと、充電ポートと３つのアレイとの間に接続された双方向ルーティング回路であって、ルーティング回路が、ＤＣ又はＡＣ信号を３つのアレイの各々に選択的にルーティングするように制御可能である、双方向ルーティング回路と、ＤＣ又はＡＣ電力を受信し、かつＤＣ又はＡＣ電力を生成するように各モジュールのコンバータを制御するように構成された制御システムであって、制御システムが、電力消費エンティティの外部コントローラと通信して、エネルギー貯蔵システムから電力消費エンティティへの電力伝送を実行するように更に構成されている、制御システムと、を含む。
第１６のグループのいくつかの実施形態では、制御システムは、車両からグリッド（ｖｅｈｉｃｌｅ－ｔｏ－ｇｒｉｄ、Ｖ２Ｇ）、車両から家庭（ｖｅｈｉｃｌｅ－ｔｏ－ｈｏｍｅ、Ｖ２Ｈ）、車両から建物（ｖｅｈｉｃｌｅ－ｔｏ－ｂｕｉｌｄｉｎｇ、Ｖ２Ｂ）、車両からコミュニティ（ｖｅｈｉｃｌｅ－ｔｏ－ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ、Ｖ２Ｃ）、又は車両から車両（ｖｅｈｉｃｌｅ－ｔｏ－ｖｅｈｉｃｌｅ、Ｖ２Ｖ）のアプリケーションの一部として電力伝送を実行するように構成されている。
第１６のグループのいくつかの実施形態では、制御システムは、外部コントローラと通信して、車両から任意のもの（ｖｅｈｉｃｌｅ－ｔｏ－ａｎｙｔｈｉｎｇ、Ｖ２Ａ）又は車両からあらゆるもの（ｖｅｈｉｃｌｅ－ｔｏ－ｅｖｅｒｙｔｈｉｎｇ、Ｖ２Ｘ）のアプリケーションの一部として電力伝送を実行するように構成されている。
第１６のグループのいくつかの実施形態では、制御システムは、外部コントローラとのエネルギー貯蔵システムの接続を検出するように構成されている。
第１６のグループのいくつかの実施形態では、制御システムは、アレイから、ルーティング回路システムを通って、及び充電ポートを通って電力消費エンティティへの電力の出力を制御するように構成され、アレイからの電力出力が、外部コントローラによって要求されたフォーマットである。制御システムは、モジュールのエネルギーソースの間の充電状態及び／又は温度のバランスの維持と同時に、電力の出力を制御するように構成することができる。
第１６のグループのいくつかの実施形態では、制御システムは、外部コントローラと通信して、電力消費エンティティとの電力伝送をいつ実行するかを識別するように構成されている。
本明細書で使用される場合、「モジュール」という用語は、より大きなシステム内の２つ以上のデバイス又はサブシステムのうちの１つを指す。モジュールは、同様のサイズ、機能、及び物理的配列（例えば、電気端子、コネクタなどの場所）の他のモジュールと組み合わせて動作するように構成することができる。同じ機能及びエネルギーソースを有するモジュールは、同じシステム（例えば、ラック又はパック）内の他の全てのモジュールと同じ（例えば、サイズ及び物理的配列）を構成することができる一方で、異なる機能又はエネルギーソースを有するモジュールは、サイズ及び物理的配列が異なり得る。各モジュールは、システムの他のモジュール（例えば、車の車輪、又は情報技術（ＩＴ）ブレードサーバのブレードのような）に対して物理的に取り外し可能であり、交換可能であってもよいが、これは必須ではない。例えば、システムは、システム全体を分解することなく、任意の１つのモジュールの取り外し及び交換が許されない共通ハウジングにパッケージングされてもよい。しかしながら、本明細書のいずれか及び全ての実施形態は、各モジュールが、システムを分解することないような便利な方式で、他のモジュールに対して取り外し及び交換可能であるように構成することができる。
「マスター制御デバイス」という用語は、本明細書で広い意味で使用され、ローカル制御デバイスなどの任意の他のデバイスとの間のマスター及びスレーブ関係などの任意の特定のプロトコルの実装を必要としない。
「出力」という用語は、本明細書で広い意味で使用され、出力と入力の両方として双方向に機能することを妨げない。同様に、「入力」という用語は、本明細書で広い意味で使用され、入力と出力の両方として双方向に機能することを妨げない。
「端末」及び「ポート」という用語は、本明細書で広い意味で使用され、単方向又は双方向のいずれかとすることができ、入力又は出力とすることができる。
「公称電圧」という用語は、バッテリセルを記述するために一般的に使用される測定基準であり、（例えば、セル上又はデータシート内にマーキングすることによって）製造業者によって提供される。公称電圧は、多くの場合、バッテリセルが充電されたときに出力する平均電圧を指し、本主題のバッテリモジュール並びにサブシステム及びシステムなどのバッテリセルを組み込むエンティティの電圧を記述するために使用することができる。
「Ｃレート」という用語は、バッテリがその公称定格容量を１時間で供給することになる理論的な電流消費量で除算された放電電流を記述するために一般的に使用される測定基準である。
本主題の様々な態様は、これまでに記載されている実施形態のレビューにおいて、及び／又はこれを補完するために以下に記載されており、ここで強調されているのは、以下の実施形態の相互関係及び互換性である。言い換えると、実施形態の各特徴は、明示的に述べられているか、又は論理的に妥当でない限り、各々の及び全ての他の特徴と組み合わせることができるという事実に重点が置かれている。
処理回路は、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、及び／又はマイクロコントローラを含むことができ、それらの各々は、分離したチップ若しくはスタンドアロンチップとすることができるか、又はいくつかの異なるチップの中に（及びその一部）分散することができる。実装することができる任意のタイプの処理回路は、限定されないが、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、タブレットなどで使用されるなど）、プログラマブルゲートアレイアーキテクチャ、独自アーキテクチャ、カスタムアーキテクチャなどである。処理回路は、ハードウェア及び／又はソフトウェアで実装することができ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、処理回路に多くの異なるアクションをとらせ、他の構成要素を制御させる、メモリ上に格納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、他のソフトウェア及び／又はハードウェアルーチンを実行することができる。例えば、処理回路は、通信回路とインターフェースをとり、アナログからデジタルへの変換、符号化及び復号化、他のデジタル信号処理、マルチメディア機能、通信回路への提供に好適なフォーマット（例えば、同相及び直交）へのデータの変換を実行することができ、及び／又は通信回路にデータ（有線又は無線）を送信させることができる。
本明細書に記載の任意の及び全ての通信信号は、注記される、又は論理的に妥当でない場合を除き、無線で通信することができる。通信回路は、無線通信のために含むことができる。通信回路は、適切なプロトコル（例えば、Ｗｉ－Ｆｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ Ｌｏｗ Ｅｎｅｒｇｙ、Ｎｅａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ（ＮＦＣ）、Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ（ＲＦＩＤ）、独自のプロトコルなど）の下でリンクを介して無線通信を実行する１つ以上のチップ及び／又は構成要素（例えば、送信機、受信機、トランシーバ、及び／又は他の通信回路）として実装することができる。様々なプロトコル及び回路で動作するために必要に応じて、１つ以上の他のアンテナを通信回路に含めることができる。いくつかの実施形態では、通信回路は、リンクを介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、送信機と受信機（例えば、トランシーバとして統合された）と、関連するエンコーダロジック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及び任意のソフトウェアアプリケーションを実行し、送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行するように適合することができる。
記述された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は、Ｊａｖａ（登録商標）、ＪａｖａＳｃｒｉｐｔ（登録商標）、Ｓｍａｌｌｔａｌｋ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、Ｔｒａｎｓａｃｔ－ＳＱＬ、ＸＭＬ、ＰＨＰなどのオブジェクト指向プログラミング言語、及び「Ｃ」プログラミング言語又は同様のプログラミング言語など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で記述され得る。
メモリ、ストレージ、及び／又はコンピュータ可読媒体は、提示された様々な機能ユニットのうちの１つ以上によって共有することができ、又はそれらのうちの２つ以上の間で分散することができる（例えば、異なるチップ内に存在する別個のメモリとして）。メモリは、それ自身の別個のチップに存在することもできる。
本明細書に開示される実施形態が、メモリ、ストレージ、及び／又はコンピュータ可読媒体を含むか、又はそれらに関連して動作する限り、そのメモリ、ストレージ、及び／又はコンピュータ可読媒体は、非一時的である。したがって、メモリ、ストレージ、及び／若しくはコンピュータ可読媒体が１つ以上の特許請求の範囲によってカバーされる限り、そのメモリ、ストレージ、及び／若しくはコンピュータ可読媒体は、非一時的なものにすぎない。本明細書で使用される場合、「非一時的」及び「有形」という用語は、伝播する電磁信号を除くメモリ、ストレージ、及び／又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、ストレージの永続性又はその他の観点から、メモリ、ストレージ、及び／又はコンピュータ可読媒体のタイプを制限することを意図していない。例えば、「非一時的」及び／又は「有形」メモリ、ストレージ、及び／又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）など）、読み取り専用媒体（例えば、ＲＯＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュなど）、及びそれらの組み合わせ（例えば、ハイブリッドＲＡＭ及びＲＯＭ、ＮＶＲＡＭなど）、並びにそれらの変種などの揮発性及び不揮発性媒体を包含する。
本明細書に提供される任意の実施形態に関して記載される全ての特徴、要素、構成要素、機能、及びステップは、自由に組み合わせ可能であり、任意の他の実施形態からのものと置換可能であることが意図されることに留意されたい。特定の特徴、要素、構成要素、機能、又はステップが、１つの実施形態のみに関して記載される場合、別途明記されない限り、その特徴、要素、構成要素、機能、又はステップは、本明細書に記載される全ての他の実施形態とともに使用することができることを理解されたい。したがって、この段落は、以下の説明が特定の例では、そのような組み合わせ又は置換が可能であることを明記されていなくても、異なる実施形態からの特徴、要素、構成要素、機能、及びステップを組み合わせる、又はある実施形態からの特徴、要素、構成要素、機能、及びステップを別の実施形態の特徴、要素、構成要素、機能、及びステップに置き換える、特許請求の範囲の導入のための先行する基礎及び書面による支持として機能する。全ての可能な組み合わせ及び置換の明示的な列挙は、特にそのような組み合わせ及び置換の各々の及び全ての許容性が当業者によって容易に認識されることを考えると、過度に負担がかかることが明示的に認識されている。
本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈が明示的に別様に示さない限り、複数参照を含む。
実施形態は、様々な修正及び代替形態の影響を受けやすいが、その具体例は、図面に示されており、本明細書に詳細に記載されている。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く、反対に、これらの実施形態は、本開示の趣旨に含まれる全ての修正、等価物、及び代替物を包含するものであることを理解されたい。更に、実施形態の任意の特徴、機能、ステップ、又は要素は、その範囲内にない特徴、機能、ステップ、又は要素によって、特許請求の範囲の本発明の範囲を定義する負の制限と同様に、特許請求の範囲に記載されてもよく、又は追加されてもよい。

Claims (77)

  1. 電気自動車（ＥＶ）のためのモジュールベースのエネルギーシステムであって、
    カスケード方式で一緒に結合された複数のコンバータモジュールであって、前記複数のコンバータモジュールの各々が、エネルギーソースと電気的に結合されたコンバータ電子機器と、前記コンバータ電子機器及び前記エネルギーソースを保持するためのハウジングと、を備え、前記複数のコンバータモジュールが、前記ＥＶの１つ以上のモータに多相電力を供給するように構成されている、複数のコンバータモジュールと、
    冷却液を導くように構成された第１の複数のチャネルと、
    冷却液を導くように構成された第２の複数のチャネルと、を備え、
    前記第１の複数のチャネルが、前記複数のコンバータモジュールの乗員側頂部にわたって配置され、前記第２の複数のチャネルが、前記複数のコンバータモジュールの道路側底部にわたって配置されている、モジュールベースのエネルギーシステム。
  2. 前記コンバータ電子機器が、各モジュールの上部に位置付けられ、前記エネルギーソースが、各モジュールの下部に位置付けられている、請求項１に記載のシステム。
  3. 各モジュールの前記コンバータ電子機器が、複数のパワートランジスタを備え、各モジュールが、前記複数のパワートランジスタとの電気的接続を有する基板を備え、前記コンバータ電子機器が、前記基板が前記複数のパワートランジスタの上方に位置するように反転されている、請求項２に記載のシステム。
  4. 前記第１の複数のチャネルの上方に配置するように構成された頂部エンクロージャ部分と、
    前記第２の複数のチャネルの下方に配置するように構成された底部エンクロージャ部分と、
    前記頂部エンクロージャ部分と前記底部エンクロージャ部分との間に配置するように構成された側部エンクロージャ部分と、を更に備える、先行請求項のいずれか一項に記載のシステム。
  5. 前記第１の複数のチャネルと前記複数のコンバータモジュールの上面との間に配置するように構成された上部ヒートシンクと、
    前記第２の複数のチャネルと前記複数のコンバータモジュールの下面との間に配置するように構成された下部ヒートシンクと、を更に備える、請求項４に記載のシステム。
  6. 前記頂部エンクロージャ部分及び前記上部ヒートシンクが各々、前記第１の複数のチャネルを保持するように構成された凹部を含み、前記底部エンクロージャ部分及び前記下部ヒートシンクが各々、前記第２の複数のチャネルを保持するように構成された凹部を含む、請求項５に記載のシステム。
  7. 前記下部ヒートシンクが、前記複数のモジュールを保持するように構成された枡として構成され、前記上部ヒートシンクが、前記枡と結合するように構成された蓋として構成されている、請求項５又は６に記載のシステム。
  8. 前記第１の複数のチャネルが、前記第２の複数のチャネルから垂直にオフセットされる、先行請求項のいずれか一項に記載のシステム。
  9. 前記複数のコンバータモジュール間で延在するように構成された複数のストラットを有するフレームを更に備える、先行請求項のいずれか一項に記載のシステム。
  10. 前記第１の複数のチャネル及び前記第２の複数のチャネルが、前記第１の複数のチャネルのみ、前記第２の複数のチャネルのみ、並行して前記第１の複数のチャネル及び前記第２の複数のチャネルの両方、のうちの少なくとも２つを通して冷却液を選択的に誘導するように構成された熱管理システムと結合するように構成されている、先行請求項のいずれか一項に記載のシステム。
  11. 電気自動車（ＥＶ）の複数のコンバータモジュールのための熱管理システムであって、前記複数のコンバータモジュールが各々、エネルギーソースと電気的に結合されたコンバータ電子機器と、前記コンバータ電子機器及び前記エネルギーソースを保持するためのハウジングと、を備え、前記複数のコンバータモジュールが、前記ＥＶの１つ以上のモータに多相電力を供給するように構成され、前記熱管理システムが、
    流体ネットワークと結合された複数のポンプと、
    前記流体ネットワークと結合された複数の熱交換器と、を備え、
    前記熱管理システムが、前記複数のコンバータモジュールの前記エネルギーソースに近接して冷却液を独立して循環させ、前記複数のコンバータモジュールの前記コンバータ電子機器に近接して冷却液を独立して循環させるように制御可能である、熱管理システム。
  12. 前記システムが、前記複数のポンプのうちの第１のポンプと、前記複数の熱交換器のうちの第１の熱交換器と、ヒータユニットとで第１の熱管理ループを形成するように構成され、前記第１の熱管理ループが、前記複数のコンバータモジュールの前記エネルギーソースに近接して冷却液を循環させて、前記エネルギーソースの加熱又は冷却のいずれかを行うように構成されている、請求項１１に記載の熱管理システム。
  13. 前記システムが、前記ヒータユニットが作動し、前記第１の熱交換器が非作動又はバイパスされた状態で、前記第１の熱管理ループを通る冷却液の移動によって、前記複数のコンバータモジュールの前記エネルギーソースを加熱するように構成されている、請求項１２に記載の熱管理システム。
  14. 前記システムが、前記ヒータユニットが非作動又はバイパスされた状態で、前記第１の熱交換器を含む前記第１の熱管理ループを通る冷却液の移動によって、前記複数のコンバータモジュールの前記エネルギーソースを冷却するように構成されている、請求項１２又は１３に記載の熱管理システム。
  15. 前記システムが、前記複数のポンプのうちの第２のポンプと、前記複数の熱交換器のうちの第２の熱交換器とで第２の熱管理ループを形成するように構成され、前記第２の熱管理ループが、前記複数のコンバータモジュールの前記コンバータ電子機器に近接して冷却液を循環させて、前記コンバータ電子機器を冷却するように構成されている、請求項１２～１４のいずれか一項に記載の熱管理システム。
  16. 前記システムが、前記第１のポンプと前記第２のポンプとで第３の熱管理ループを形成するように構成され、前記第３の熱管理ループが、前記複数のコンバータモジュールの前記コンバータ電子機器及び前記複数のコンバータモジュールの前記エネルギーソースに近接して冷却液を循環させるように構成されている、請求項１１～１５のいずれか一項に記載の熱管理システム。
  17. 前記第３の熱管理ループが、前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器のうちの一方又は両方を通して冷却液を循環させるように再構成可能である、請求項１６に記載の熱管理システム。
  18. 前記複数のコンバータモジュールの前記エネルギーソースに近接して冷却液を独立して循環させ、かつ前記複数のコンバータモジュールの前記コンバータ電子機器に近接して冷却液を独立して循環させるように選択的に制御可能である複数のバルブを更に備える、請求項１１に記載の熱管理システム。
  19. 前記第１の熱管理ループ及び前記第２の熱管理ループを形成する第１の状態に制御可能であり、かつ前記第３の熱管理ループを形成する第２の状態に制御可能である１つ以上の第１のバルブを更に備える、請求項１２～１７のいずれか一項に記載の熱管理システム。
  20. 前記第１の熱交換器を通して冷却液を誘導するように、又は前記第１の熱交換器をバイパスするように制御可能である第２のバルブを更に備える、請求項１９に記載の熱管理システム。
  21. 前記第２の熱交換器を通して冷却液を誘導するように、又は前記第２の熱交換器をバイパスするように制御可能である第３のバルブを更に備える、請求項２０に記載の熱管理システム。
  22. 前記第１の熱交換器が、前記ＥＶのエアコン冷却システムと結合された冷却装置である、請求項１２～２１のいずれか一項に記載の熱管理システム。
  23. 前記エアコン冷却システムが、冷却液が前記冷却装置を通って流れることを選択的に可能にするように構成された第１のバルブを備える、請求項２２に記載の熱管理システム。
  24. 前記エアコン冷却システムが、冷却液が前記ＥＶの充電ネットワーク分配器又は配電ユニットを通って流れることを選択的に可能にするように構成された第２のバルブを備える、請求項２３に記載の熱管理システム。
  25. 前記ＥＶの前記１つ以上のモータを冷却するように更に構成されている、請求項１１～２４のいずれか一項に記載の熱管理システム。
  26. 前記１つ以上のモータを冷却するように構成された第４の熱管理ループを更に備える、請求項２５に記載の熱管理システム。
  27. 電気自動車（ＥＶ）の複数のコンバータモジュールを冷却する方法であって、前記複数のコンバータモジュールが各々、エネルギーソースと電気的に結合されたコンバータ電子機器と、前記コンバータ電子機器及び前記エネルギーソースを保持するためのハウジングと、を備え、前記複数のコンバータモジュールが、前記ＥＶの１つ以上のモータに多相電力を供給するように構成され、前記方法が、
    前記エネルギーソースを加熱又は冷却するための第１のチャネルセットを通して、前記複数のコンバータモジュールの前記エネルギーソースに近接して冷却液を循環させることと、
    前記複数のモジュールの前記コンバータ電子機器を冷却するための第２のチャネルセットを通して、前記複数のコンバータモジュールの前記コンバータ電子機器に近接して冷却液を循環させることと、を含む、方法。
  28. 前記熱管理システムのバルブ状態を構成して、
    前記第１のチャネルセットを通して前記エネルギーソースに近接して冷却液を循環させるための第１の熱管理ループと、
    前記第２のチャネルセットを通して前記コンバータ電子機器に近接して冷却液を循環させるための第２の熱管理ループと、を形成することを更に含む、請求項３０に記載の方法。
  29. 前記循環される冷却液で前記エネルギーソースを加熱するために、前記第１の管理ループ内のヒータユニットを作動させることを更に含む、請求項３１に記載の方法。
  30. 前記第１の熱管理ループ内では冷却液を循環させる一方で、前記第２の熱管理ループ内では冷却液を循環させないことを更に含む、請求項３２に記載の方法。
  31. 前記第２の熱管理ループ内では冷却液を循環させる一方で、前記第１の熱管理ループ内では冷却液を循環させないことを更に含む、請求項３２又は３３に記載の方法。
  32. 前記第１の熱管理ループ及び前記第２の熱管理ループ内で冷却液を同時に循環させることを更に含む、請求項３２～３４のいずれか一項に記載の方法。
  33. 前記ヒータユニットが非作動又はバイパスされた状態で、前記第１の熱管理ループ内で第１の熱交換器を通して冷却液を循環させることを更に含む、請求項３２に記載の方法。
  34. 前記熱管理システムのバルブ状態を構成して、前記第１のチャネルセットを通して前記エネルギーソースに近接して冷却液を循環させ、かつ前記第２のチャネルセットを通して前記コンバータ電子機器に近接して冷却液を循環させるための第３の熱管理ループを形成することを更に含む、請求項３１～３６のいずれか一項に記載の方法。
  35. 第１の熱交換器及び第２の熱交換器を含む前記第３の熱管理ループを通して冷却液を循環させることを更に含む、請求項３７に記載の方法。
  36. 前記第３の熱管理ループの第２の熱交換器がバイパスされている間に、第１の熱交換器を含む前記第３の熱管理ループを通して冷却液を循環させることを更に含む、請求項３７に記載の方法。
  37. 前記第３の熱管理ループの第１の熱交換器がバイパスされている間に、第２の熱交換器を含む前記第３の熱管理ループを通して冷却液を循環させることを更に含む、請求項３７に記載の方法。
  38. エネルギーシステムであって、
    カスケード方式で１つ以上のアレイ状に接続された複数のコンバータモジュールを備え、各コンバータモジュールが、
    上部カバー及び前記上部カバーの下方に位置付けられるように構成されたベースと、
    上面及び下面を有する上部基板であって、前記上面が前記上部カバーに隣接している、上部基板と、
    前記上部基板に電気的に接続された下部基板と、
    前記上部基板の前記下面に物理的に接続された複数のパワートランジスタと、
    前記下部基板に物理的に接続された制御デバイスと、
    前記複数のパワートランジスタ及び前記制御デバイスと電気的に結合されたエネルギーソースと、を備える、エネルギーシステム。
  39. 少なくとも１つのモータと、前記少なくとも１つのモータに供給するために、各々が異なる位相角を有する３つ以上のＡＣ信号を生成するように構成された複数のコンバータモジュールと、を有する電気自動車（ＥＶ）のための電力及び制御分配アセンブリ（ＰＣＤＡ）であって、前記複数のコンバータモジュールの各々が、エネルギーソースと、前記エネルギーソースに電気的に接続された電力コンバータと、前記コンバータのためのスイッチング信号を生成するように構成されたローカル制御デバイスと、を備え、前記ＰＣＤＡが、
    制御情報を前記複数のコンバータモジュールの各ローカル制御デバイスに通信するように構成され、かつ前記ＥＶの車両制御デバイスと通信するように構成されたマスター制御デバイスと、
    前記ＥＶの第１のサブシステムのための駆動ユニットと、
    前記マスター制御デバイス及び前記駆動ユニットと通信可能に結合された補助制御デバイスであって、前記駆動ユニットを制御するように構成され、かつ前記車両制御デバイスと通信するように構成された、補助制御デバイスと、
    前記マスター制御デバイス、前記駆動ユニット、及び前記補助制御デバイスを保持するように構成されたハウジングと、を備える、電力及び制御分配アセンブリ（ＰＣＤＡ）。
  40. 前記複数のコンバータモジュールのうちの少なくとも１つから前記ＥＶの第２のサブシステムに補助電力を出力するための補助電力インターフェースを更に備える、請求項４２に記載のＰＣＤＡ。
  41. 前記複数のコンバータモジュールが、３つのアレイに配置され、各アレイが、直列に接続された２つ以上のコンバータモジュールを備え、各アレイが、前記３つのＡＣ信号のうちの異なる１つを生成するように構成され、前記ＰＣＤＡが、前記マスター制御デバイスと通信可能に結合されたルーティング回路を更に備え、前記ルーティング回路が、ＤＣ又は単相ＡＣ充電ポートからの電力を前記３つのアレイに選択的に接続するように、前記マスター制御デバイスによって制御可能である、請求項４２に記載のＰＣＤＡ。
  42. 前記ルーティング回路が、複数のソリッドステートリレーを備える、請求項４４に記載のＰＣＤＡ。
  43. 前記少なくとも１つのモータと前記複数のコンバータモジュールとの間の電流の流れを遮断するための複数の電気機械式リレーを更に備える、請求項４２に記載のＰＣＤＡ。
  44. 前記複数のモジュールのうちの少なくとも１つのモジュールからの第２のＤＣ電圧から第１のＤＣ電圧を生成するように構成されたＤＣ－ＤＣコンバータを更に備える、請求項４２に記載のＰＣＤＡ。
  45. 前記３つのＡＣ信号の各々の電圧、電流、又は位相のうちの少なくとも１つを監視するように構成された監視回路を更に備える、請求項４２に記載のＰＣＤＡ。
  46. 前記ＰＣＤＡと前記複数のコンバータモジュールとの間の電流の流れを遮断するための安全切断デバイスを更に備える、請求項４２に記載のＰＣＤＡ。
  47. 前記駆動ユニットが第１の駆動ユニットであり、前記ＰＣＤＡが、前記ＥＶの第２のサブシステムのための第２の駆動ユニットを更に備え、前記補助制御デバイスが、前記第２の駆動ユニットを制御するように構成されている、請求項４２に記載のＰＣＤＡ。
  48. 少なくとも１つのモータと、前記少なくとも１つのモータに供給するために、各々が異なる位相角を有する３つ以上のＡＣ信号を生成するように構成された複数のコンバータモジュールと、を有する電気自動車（ＥＶ）のための電力及び制御分配アセンブリ（ＰＣＤＡ）であって、前記複数のコンバータモジュールの各々が、エネルギーソースと、前記エネルギーソースに電気的に接続された電力コンバータと、前記コンバータのためのスイッチング信号を生成するように構成されたローカル制御デバイスと、を備え、前記ＰＣＤＡが、
    制御情報を前記複数のコンバータモジュールの各ローカル制御デバイスに通信するように構成され、かつ前記ＥＶの車両制御デバイスと通信するように構成されたマスター制御デバイスと、
    前記ＥＶの第１のサブシステムのための第１の駆動ユニットと、
    前記ＥＶの第２のサブシステムのための第２の駆動ユニットと、
    前記マスター制御デバイス、前記第１の駆動ユニット、及び前記第２の駆動ユニットと通信可能に結合された補助制御デバイスであって、前記第１の駆動ユニット及び前記第２の駆動ユニットを制御するように構成され、かつ前記車両制御デバイスと通信するように構成された、補助制御デバイスと、
    前記複数のコンバータモジュールのうちの少なくとも１つから前記ＥＶの第２のサブシステムに補助電力を出力するための補助電力インターフェースと、
    前記少なくとも１つのモータと前記複数のコンバータモジュールとの間の電流の流れを遮断するための複数の電気機械式リレーと、
    前記複数のモジュールのうちの少なくとも１つのモジュールからの第２のＤＣ電圧から第１のＤＣ電圧を生成するように構成されたＤＣ－ＤＣコンバータと、
    前記３つのＡＣ信号の各々の電圧、電流、又は位相のうちの少なくとも１つを監視するように構成された監視回路と、
    前記ＰＣＤＡと前記複数のコンバータモジュールとの間の電流の流れを遮断するための安全切断デバイスと、
    前記マスター制御デバイス、前記第１の駆動ユニット、前記第２の駆動ユニット、前記補助制御デバイス、前記補助電力インターフェース、前記複数の電気機械式リレー、前記ＤＣ－ＤＣコンバータ、前記監視回路、及び前記安全切断デバイスを保持するように構成されたハウジングと、を備える、電力及び制御分配アセンブリ（ＰＣＤＡ）。
  49. 電気自動車のためのユニバーサルプラットフォームであって、
    フレームと、
    エネルギーソースエンクロージャと、
    少なくとも１つの電気モータと、
    前記少なくとも１つの電気モータに供給するために、各々が異なる位相角を有する３つ以上のＡＣ信号を生成するように構成された複数のコンバータモジュールであって、前記複数のコンバータモジュールの各々が、エネルギーソースと、前記エネルギーソースに電気的に接続された電力コンバータと、を備える、複数のコンバータモジュールと、を備え、
    前記ユニバーサルプラットフォームが、異なるボディトップに取り付けられて、異なるＥＶモデルを形成するように適合されている、ユニバーサルプラットフォーム。
  50. 前記ユニバーサルプラットフォームが、請求項４２～５１のいずれか一項に記載の電力及び制御分配アセンブリを更に備える、請求項５２に記載のユニバーサルプラットフォーム。
  51. 前記ユニバーサルプラットフォームが、請求項１～２６のいずれか一項に従って構成された熱管理システムを更に備える、請求項５２又は５３に記載のユニバーサルプラットフォーム。
  52. 複数の電気自動車であって、
    第１のボディトップ及び第１の電動パワートレインプラットフォームを備える第１の電気自動車であって、前記第１の電動パワートレインプラットフォームが、
    少なくとも１つの第１のモータと、
    前記少なくとも１つの第１の電気モータに供給するために、各々が異なる位相角を有する３つ以上のＡＣ信号を生成するように構成された第１の複数のコンバータモジュールであって、前記複数のコンバータモジュールの各々が、エネルギーソースと、前記エネルギーソースに電気的に接続された電力コンバータと、を備える、第１の複数のコンバータモジュールと、
    前記第１の複数のコンバータモジュールを保持するための第１のエネルギーシステムエンクロージャと、を備える、第１の電気自動車と、
    第２のボディトップ及び第２の電動パワートレインプラットフォームを備える第２の電気自動車であって、前記第２の電動パワートレインプラットフォームが、
    少なくとも１つの第２のモータと、
    前記少なくとも１つの第２の電気モータに供給するために、各々が異なる位相角を有する３つ以上のＡＣ信号を生成するように構成された第２の複数のコンバータモジュールであって、前記第２の複数のコンバータモジュールの各々が、エネルギーソースと、前記エネルギーソースに電気的に接続された電力コンバータと、を備える、第２の複数のコンバータモジュールと、
    前記第２の複数のコンバータモジュールを保持するための第２のエネルギーシステムエンクロージャと、を備える、第２の電気自動車と、を備え、
    前記第１のボディトップが、前記第２のボディトップとは異なり、
    前記第１の複数のコンバータモジュール及び前記第２の複数のコンバータモジュールが各々、異なる最大出力電力を生成するように構成され、
    前記第１のエネルギーシステムエンクロージャ及び前記第２のエネルギーシステムエンクロージャが各々、同じフォームファクタを有する、複数の電気自動車。
  53. 前記第１の電気自動車が、前記少なくとも１つの第１のモータのためのスタンドアロンドライブインバータを有さず、前記第２の電気自動車が、前記少なくとも１つの第２のモータのためのスタンドアロンドライブインバータを有さない、請求項５５に記載の複数の電気自動車。
  54. 前記第１の複数のコンバータモジュールのコンバータモジュールの個数が、前記第２の複数のコンバータモジュールのコンバータモジュールの個数と異なる、請求項５５に記載の複数の電気自動車。
  55. 第１のボディタイプ及び第２のボディタイプが、クーペ、セダン、スポーツカー、トラック、バン、バス、及びスポーツユーティリティ車両を含む群から選択される異なるものである、請求項５５に記載の複数の電気自動車。
  56. 電気自動車（ＥＶ）のモジュール式エネルギーシステムであって、
    ３つのアレイであって、各アレイが、一緒に電気的に接続されてＡＣ電圧信号を出力する少なくとも２つのレベルのモジュールを備え、前記ＡＣ電圧信号が、前記少なくとも２つのモジュールの各々からの出力電圧の重ね合わせを含み、前記モジュールの各々が、第１のエネルギーソース、第２のエネルギーソース、及びコンバータを備える、３つのアレイを備え、
    前記第１のエネルギーソース及び前記第２のエネルギーソースが異なるクラス又はタイプであり、
    前記ＥＶのシャーシが、各々が前記ＥＶの平面を横切って横方向に延在する長さ軸及び垂直幅軸を有し、前記長さ軸に沿った前記シャーシの第１の寸法が、前記幅軸に沿った前記シャーシの第２の寸法よりも相対的に長く、
    前記３つのアレイが、前記シャーシ内に収まるように構成されたパックに配置され、
    前記第１のエネルギーソース及び前記第２のエネルギーソースが、各モジュールの異なる側面に据え付けられ、
    前記３つのアレイが、前記長さ軸に平行な列に整列され、
    各アレイの前記モジュールの前記第１のエネルギーソースが、前記長さ軸に平行な列に整列され、各アレイの前記モジュールの前記第２のエネルギーソースが、前記長さ軸に平行な列に整列されている、モジュール式エネルギーシステム。
  57. 前記第１のエネルギーソースの列が、前記第２のエネルギーソースの列と交互になっている、請求項５９に記載のシステム。
  58. 前記３つのアレイのうちの少なくとも１つのアレイに接続された少なくとも１つの相互接続モジュールを更に備える、請求項５９に記載のシステム。
  59. 負荷に電力を供給するように制御可能であるモジュール式エネルギーシステムであって、
    ３つのアレイであって、各アレイが、一緒に電気的に接続されてＡＣ電圧信号を出力する少なくとも２つのモジュールを備え、前記ＡＣ電圧信号が、前記少なくとも２つのモジュールの各々からの出力電圧の重ね合わせを含み、前記モジュールの各々が、エネルギーソース及びコンバータを備える、３つのアレイと、
    ＤＣ又は単相ＡＣ充電信号を導くように構成された充電ポートと、
    前記充電ポートと前記３つのアレイとの間に接続されたルーティング回路であって、前記ルーティング回路が、前記ＤＣ又は単相ＡＣ充電信号を前記３つのアレイの各々に選択的にルーティングするように制御可能であり、前記ルーティング回路が、各々が少なくとも１つのトランジスタを備える複数のソリッドステートリレー（ＳＳＲ）回路を含む、ルーティング回路と、を備える、モジュール式エネルギーシステム。
  60. 前記ルーティング回路と通信可能に結合された制御システムを更に備え、前記制御システムが、前記ＤＣ又は単相ＡＣ充電信号を前記３つのアレイの各々に選択的にルーティングするように前記ルーティング回路を制御するように構成されている、請求項６２に記載のシステム。
  61. 前記制御システムが、前記３つのアレイの各モジュールと通信可能に結合され、かつ各モジュールの前記コンバータを制御して各モジュールを充電するように構成されている、請求項６３に記載のシステム。
  62. 前記制御システムが、パルス幅変調又はヒステリシス技術に従って各モジュールの前記コンバータを制御するように構成されている、請求項６４に記載のシステム。
  63. 各モジュールが、前記モジュールのステータス情報を監視するように構成された監視回路を含み、各モジュールが、前記ステータス情報を前記制御システムに出力するように構成され、前記制御システムが、前記ステータス情報に基づいて各モジュールの前記コンバータを制御するように構成されている、請求項６５に記載のシステム。
  64. 前記ステータス情報が、前記モジュールの温度及び充電状態に関連し、前記制御システムが、前記アレイの全てのモジュールの温度及び充電状態のバランスをとるように各モジュールの前記コンバータを制御するように構成されている、請求項６６に記載のシステム。
  65. 前記ルーティング回路が、双方向のものである、請求項６３に記載のシステム。
  66. 前記トランジスタが、第１のトランジスタであり、少なくとも１つのＳＳＲ回路が、前記第１のトランジスタと直列に結合された第２のトランジスタを備え、前記第１のトランジスタ及び前記第２のトランジスタが各々、制御入力と結合されたゲートノードを有する、請求項６３に記載のシステム。
  67. 前記第１のトランジスタ及び前記第２のトランジスタが各々、反対の電流搬送方向に配向されたボディダイオードを有する、請求項６９に記載のシステム。
  68. 少なくとも１つのＳＳＲ回路が、少なくとも４つのダイオードと結合された前記トランジスタを備え、前記トランジスタが、前記少なくとも１つのＳＳＲ回路の制御入力と結合されたゲートノードを有する、請求項６３に記載のシステム。
  69. 前記少なくとも１つのＳＳＲ回路が、入力及び出力を備え、かつ前記トランジスタの作動化が、電流が前記入力から、前記トランジスタ及び前記ダイオードのうちの少なくとも２つを通って、前記出力へと通過することを可能にするように、構成され、かつ前記トランジスタの非作動化が、電流が前記入力から前記出力へと通過するのをブロックするように、構成されている、請求項７１に記載のシステム。
  70. 前記ルーティング回路が、ＤＣ＋充電信号又は単相ＡＣライン充電信号と結合するように構成された第１のポートと、ＤＣ充電信号又は単相ＡＣニュートラル信号と結合するように構成された第２のポートと、第１のアレイと結合された第３のポートと、第２のアレイと結合された第４のポートと、第３のアレイと結合された第５のポートと、を備え、かつ
    前記第１のポートと前記第３のポートとの間で結合された第１のＳＳＲ回路と、
    前記第１のポートと前記第４のポートとの間で結合された第２のＳＳＲ回路と、
    前記第４のポートと前記第２のポートとの間に結合された第３のＳＳＲ回路と、
    前記第５のポートと前記第２のポートとの間に結合された第４のＳＳＲ回路と、を備える、請求項６３に記載のシステム。
  71. 電気自動車のモータに電力を供給するように構成されたエネルギー貯蔵システムであって、
    ３つのアレイであって、各アレイが、一緒に電気的に接続されてＡＣ電圧信号を出力する少なくとも２つのモジュールを備え、前記ＡＣ電圧信号が、前記少なくとも２つのモジュールの各々から前記モータへの出力電圧の重ね合わせを含み、前記モジュールの各々が、エネルギーソース及びＤＣ－ＡＣコンバータを備える、３つのアレイと、
    ＤＣ又はＡＣ信号を導くように構成された充電ポートと、
    前記充電ポートと前記３つのアレイとの間に接続された双方向ルーティング回路であって、前記ルーティング回路が、前記ＤＣ又はＡＣ信号を前記３つのアレイの各々に選択的にルーティングするように制御可能である、双方向ルーティング回路と、
    ＤＣ又はＡＣ電力を受信し、かつＤＣ又はＡＣ電力を生成するように各モジュールの前記コンバータを制御するように構成された制御システムであって、前記制御システムが、電力消費エンティティの外部コントローラと通信して、前記エネルギー貯蔵システムから前記電力消費エンティティへの電力伝送を実行するように更に構成されている、制御システムと、を備える、エネルギー貯蔵システム。
  72. 前記制御システムが、前記外部コントローラと通信して、車両からグリッド（ｖｅｈｉｃｌｅ－ｔｏ－ｇｒｉｄ、Ｖ２Ｇ）、車両から家庭（ｖｅｈｉｃｌｅ－ｔｏ－ｈｏｍｅ、Ｖ２Ｈ）、車両から建物（ｖｅｈｉｃｌｅ－ｔｏ－ｂｕｉｌｄｉｎｇ、Ｖ２Ｂ）、車両からコミュニティ（ｖｅｈｉｃｌｅ－ｔｏ－ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ、Ｖ２Ｃ）、又は車両から車両（ｖｅｈｉｃｌｅ－ｔｏ－ｖｅｈｉｃｌｅ、Ｖ２Ｖ）のアプリケーションの一部として電力伝送を実行するように構成されている、請求項７４に記載のシステム。
  73. 前記制御システムが、前記外部コントローラと通信して、車両から任意のもの（ｖｅｈｉｃｌｅ－ｔｏ－ａｎｙｔｈｉｎｇ、Ｖ２Ａ）又は車両からあらゆるもの（ｖｅｈｉｃｌｅ－ｔｏ－ｅｖｅｒｙｔｈｉｎｇ、Ｖ２Ｘ）のアプリケーションの一部として電力伝送を実行するように構成されている、請求項７４に記載のシステム。
  74. 前記制御システムが、前記外部コントローラとの前記エネルギー貯蔵システムの接続を検出するように構成されている、請求項７４に記載のシステム。
  75. 前記制御システムが、前記アレイから、前記ルーティング回路システムを通って、及び前記充電ポートを通って前記電力消費エンティティへの前記電力の出力を制御するように構成され、前記アレイからの前記電力出力が、前記外部コントローラによって要求されたフォーマットである、請求項７４に記載のシステム。
  76. 前記制御システムが、前記モジュールの前記エネルギーソースの間の充電状態及び／又は温度のバランスの維持と同時に、前記電力の出力を制御するように構成されている、請求項７８に記載のシステム。
  77. 前記制御システムが、前記外部コントローラと通信して、前記電力消費エンティティとの電力伝送をいつ実行するかを識別するように構成されている、請求項７４に記載のシステム。
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