JP5736110B2

JP5736110B2 - 推進システム、制御システムを組み立てる方法及び、エネルギー蓄積装置

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Publication number: JP5736110B2
Application number: JP2009232927A
Authority: JP
Inventors: ロバート・ディーン・キング
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-10-13
Filing date: 2009-10-07
Publication date: 2015-06-17
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Description

本発明は、一般に車両の駆動ステムに関し、より詳細には、バッテリ式（ｂａｔｔｅｒｙｐｏｗｅｒｅｄ）電気車両またはハイブリッド車両において使用されるシステムなどの、バッテリ式駆動システムに関する。

近年、電気車両およびハイブリット電気車両が、次第に普及するようになった。これらの車両は、一般に単独で、または内燃機関との組合せで、１つまたは複数のバッテリによって給電される。電気車両では１つまたは複数のバッテリが全体の駆動システムに給電し、それによって内燃機関が必要でなくなる。一方、ハイブリッド電気車両は、バッテリ電源を補うために小さな内燃機関を備え、それによって車両の燃料効率を大幅に上昇させる。

従来は、こうした車両での電気およびハイブリッド電気推進システムは、電気モータに給電するための十分なエネルギーを供給するように、大型バッテリ、ウルトラキャパシタ（ｕｌｔｒａｃａｐａｃｉｔｏｒ）、フライホイール、またはこれらの要素の組み合わせを使用することが必要であった。概して効果的ではあるが、要素の大きさおよび重量により推進システムの全体的な効率が低下し、車両自体に組み込む挑戦課題が生じた。

従来の電気推進システムに関する別の挑戦課題は、エネルギー蓄積ユニット（すなわちバッテリおよび／またはウルトラキャパシタ）の公称電圧により全体のシステム電圧が設定されることであった。したがって、電気モータに給電するために利用可能なエネルギーは、エネルギー蓄積ユニット自体の内の利用可能なエネルギーに限定された。電気モータの電圧需要がしばしばエネルギー蓄積ユニットの電圧よりもはるかに大きいので、そのような構成により、電気推進システムの全体的な信頼性および効率が制限された。この問題に対処するため、いくつかの代替の電気推進システム構成がこれまでに考案されている。特に、米国特許第５，３７３，１９５号は、直流（ＤＣ）リンクが電気モータに接続され、ＤＣリンク電圧からエネルギー蓄積ユニット電圧を切り離すために双方向ブーストコンバータを使用することを示している。双方向ブーストコンバータは、電気モータの電力需要を満たすため、エネルギー蓄積ユニットからＤＣリンクに供給された電圧を上昇または「ブースト」するように機能する。実際に、ＤＣリンク電圧に対するエネルギー蓄積ユニット電圧の比は、一般に２対１より大きい。双方向ブーストコンバータにより、１つまたは複数のエネルギー蓄積ユニットの大きさを増加させる必要なしに、ＤＣリンクに供給された、そうした電圧の上昇が可能になる。

双方向ブーストコンバータにより、１つまたは複数のエネルギー蓄積ユニットの大きさを対応して増加させることなく、首尾よくＤＣリンクへの電圧供給を増加させることが可能になるが、双方向ブーストコンバータの効率は、いくつかの動作モード中に低下する。特に、車両の高速かつ高出力の加速および減速中に、ＤＣリンク電圧に対するバッテリ電圧の比はしばしば２．５：１より大きい。これらの動作モードの下で、ブーストコンバータの部品にかかる電流レベルは非常に高いので、続いてブーストコンバータのパワー電子部品における熱を放散させる適切な熱設計が求められる。双方向ブーストコンバータの部品へのこの熱サイクルストレスにより、信頼性の問題が生じる可能性があり、全体的なシステム効率における低下が生じる。

さらに、高速かつ高出力の減速中に、「回生制動」として知られる概念により、電気モータによって生成された、比較的高い可能性のある電圧での出力が、１つまたは複数のエネルギー蓄積ユニット内に蓄積するように、双方向ブーストコンバータを介して循環して戻ることが可能になる。しかし、ＤＣリンク電圧に対するバッテリ電圧の比が高い状態では、やはり、電気部品における適切な熱放散を必要とする双方向ブーストコンバータ内での高い損失が生じる。同様に、エネルギー蓄積ユニットに供給された回生出力は、エネルギー蓄積ユニット自体の電荷受容性によってしばしば制限され、それによりシステムの効率がさらに低下する。

米国特許第５，３７３，１９５号公報米国特許第５，７１０，６９９号公報米国特許第５，９０３，４４９号公報米国特許第７，０４９，７９２号公報米国特許出願公開第２００４０１８９２２６号公報国際公開第２００７０８１８７５号パンフレット

したがって、全体的なシステム効率がより大きく、同時に高出力の回生制動中のエネルギー捕捉のレベルが高い、電気および／またはハイブリッド電気推進システムを提供することが望ましい。

本発明の１つの態様によれば、電気ドライブと、直流（ＤＣ）リンクによって電気ドライブに電気的に接続された第１のエネルギー蓄積システムと、電気ドライブに電気的に接続された第２のエネルギー蓄積システムとを備える推進システムが示される。推進システムはさらに、第２のエネルギー蓄積システムがＤＣリンクから切り離し可能であるように、第１のエネルギー蓄積システムおよび第２のエネルギー蓄積システムに接続された多チャネル双方向ブーストコンバータを備え、第２のエネルギー蓄積システムは少なくとも１つのウルトラキャパシタと直列に接続された少なくとも１つのバッテリを備える。

本発明の別の態様によれば、制御システムを組み立てる方法が示され、その方法は、第１のエネルギー蓄積システムを直流（ＤＣ）リンクによって電気ドライブに接続するステップと、第２のエネルギー蓄積システムを形成するためにウルトラキャパシタをバッテリに直列に接続するステップを含む。方法はさらに、第１のエネルギー蓄積システムが第２のエネルギー蓄積システムから切り離されるように、多チャネル双方向ブーストコンバータをそれぞれの第１のエネルギー蓄積システムおよび第２のエネルギー蓄積システムに接続するステップを含み、多チャネル双方向ブーストコンバータがさらに、ＤＣリンクによって電気ドライブに接続される。

本発明の別の態様によれば、電気式システム用のエネルギー蓄積装置が示され、装置は、少なくとも１つのバッテリと直列に接続された少なくとも１つのウルトラキャパシタと、少なくとも１つのウルトラキャパシタおよび少なくとも１つのバッテリに接続された多チャネル双方向ブーストコンバータとを備え、多チャネル双方向ブーストコンバータは、少なくとも１つのウルトラキャパシタおよび少なくとも１つのバッテリからの入力電圧および出力電圧を動的に制御するように構成される。

様々なその他の特徴および利点が、以下の詳細な説明および図面から明らかになる。

図面は、本発明を実施するために現在企図される好ましい実施形態を示す。

例示の推進システムの概略図である。動作中の例示の推進システムを示すシステムのグラフである。例示の推進システムの別の実施形態の概略図である。例示の推進システムの別の実施形態の概略図である。例示の推進システムの別の実施形態の概略図である。例示の推進システムの別の実施形態の概略図である。例示の推進システムの別の実施形態の概略図である。

本発明の実施形態は、電気ドライブと、直流（ＤＣ）リンクによって電気ドライブに電気的に接続された第１のエネルギー蓄積システムと、多チャネル双方向ブーストコンバータを使用して第２のエネルギー蓄積システムからの電圧出力がＤＣリンクから切り離されるように電気ドライブに電気的に接続される第２のエネルギー蓄積システムとを備え、第２のエネルギー蓄積システムがバッテリと直列に接続されたウルトラキャパシタを備える。

本発明の１つの実施形態によれば、推進システムが、電気ドライブと、直流（ＤＣ）リンクによって電気ドライブに電気的に接続された第１のエネルギー蓄積システムと、電気ドライブに電気的に接続された第２のエネルギー蓄積システムとを備える。推進システムはさらに、第２のエネルギー蓄積システムがＤＣリンクから切り離し可能であるように、第１のエネルギー蓄積システムおよび第２のエネルギー蓄積システムに接続された多チャネル双方向ブーストコンバータを備え、第２のエネルギー蓄積システムは少なくとも１つのウルトラキャパシタと直列に接続された少なくとも１つのバッテリを備える。

本発明の１つの実施形態によれば、制御システムを組み立てる方法が、第１のエネルギー蓄積システムを直流（ＤＣ）リンクによって電気ドライブに接続するステップと、第２のエネルギー蓄積システムを形成するためにウルトラキャパシタをバッテリと直列に接続するステップを含む。方法はさらに、第１のエネルギー蓄積システムが第２のエネルギー蓄積システムから切り離されるように、多チャネル双方向ブーストコンバータをそれぞれの第１のエネルギー蓄積システムおよび第２のエネルギー蓄積システムに接続するステップを含み、多チャネル双方向ブーストコンバータがさらに、ＤＣリンクによって電気ドライブに接続される。

本発明の１つの実施形態によれば、電気式システム用のエネルギー蓄積装置が、少なくとも１つのバッテリと直列に接続された少なくとも１つのウルトラキャパシタと、少なくとも１つのウルトラキャパシタおよび少なくとも１つのバッテリに接続された多チャネル双方向ブーストコンバータとを備え、多チャネル双方向ブーストコンバータは、少なくとも１つのウルトラキャパシタおよび少なくとも１つのバッテリからの入力電圧および出力電圧を動的に制御するように構成される。

図１は、１つの例示の実施形態による、車両推進システム１００を示す。車両推進システム１００は、その一部に、エネルギーバッテリ１１０、ウルトラキャパシタ１２０、および多チャネル双方向ブーストコンバータ１３０を備える。本明細書では、ウルトラキャパシタ１２０は、直列配置で接続された多数のキャパシタセルからなるキャパシタを示し、キャパシタセルはそれぞれ、５００ファラッドより大きな静電容量を有する。本明細書での用語、エネルギーバッテリは、１００Ｗ−時／ｋｇ以上程度のエネルギー密度を達成することが実証されている高比エネルギーバッテリまたは高エネルギー密度バッテリを示す（たとえばＬｉイオン、ナトリウム―メタルハライド（ｓｏｄｉｕｍ−ｍｅｔａｌｈａｌｉｄｅ）、ナトリウム塩化ニッケル、ナトリウム硫黄、または空気亜鉛バッテリ）。エネルギーバッテリ１１０およびウルトラキャパシタ１２０は、多チャネル双方向ブーストコンバータ１３０の低電圧側（ｌｏｗｓｉｄｅ）に直列に接続され、エネルギーバッテリ１１０の負端子は、負のＤＣリンクとも呼ばれるバス１１２に接続され、電気的に直列に接続されたエネルギーバッテリ１１０の正端子およびウルトラキャパシタ１２０は、多チャネル双方向ブーストコンバータ１３０の低電圧側にある正のＤＣリンクのうちの１つであるバス１１４に接続される。さらに、事前充電回路（ｐｒｅ−ｃｈａｒｇｅｃｉｒｃｕｉｔ）１１６を、エネルギーバッテリ１１０から、やはり多チャネル双方向ブーストコンバータ１３０の低電圧側にある第２の正のＤＣリンク１１３にリンクさせることができる。バス１１２、１１３、および１１４はさらに、多チャネル双方向ブーストコンバータ１３０に接続される。

システム１００はさらに、多チャネル双方向ブーストコンバータ１３０の高電圧側（ｈｉｇｈｓｉｄｅ）に、第２のウルトラキャパシタ１４０と共に、ＤＣ−ＡＣインバータ１５０およびＡＣモータ１６０を備える。ＤＣ−ＡＣインバータ１５０およびＡＣモータ１６０のような、図１に示すＡＣトラクションドライブは、代替としてインバータ１５０をＤＣチョッパに交換し、ＡＣモータ１６０をＤＣモータに交換することによって、ＤＣトラクションドライブ（図示せず）に交換できる。ウルトラキャパシタ１４０は、正のＤＣリンク１４２および負のＤＣリンク１４４を介して多チャネル双方向ブーストコンバータ１３０と並列に接続される。ＤＣ−ＡＣインバータ１５０は、正のＤＣリンク１４２および負のＤＣリンク１４４にも接続され、それによってＤＣ−ＡＣインバータ１５０はＤＣ電圧を受け、次いで交流電流をＡＣモータ１６０に供給する。システム１００は、本明細書でこの後に論じる様々なモードでシステム１００を動作させるように構成された、車両システム制御部（ＶＳＣ）１７０も備える。

動作の際には、多チャネル双方向ブーストコンバータ１３０は、システム１００の低電圧側によって提供された電圧をシステム１００の高電圧側に上げるように機能する。高電圧側のウルトラキャパシタ１４０は、比較的遅い速度では、車両を動作および加速できるように、ＡＣモータ１６０に給電するための十分なエネルギーを供給することができるが、システム１００がＶＳＣ１７０を介して操作者から、正のトルクの上昇、したがって車両の速度の上昇が望まれるという指令を受けた場合には、ＡＣモータ１６０に供給される電力を補うことが必要となる可能性がある。この場合、多チャネル双方向ブーストコンバータ１３０の低電圧側にあるエネルギーバッテリ１１０および／またはウルトラキャパシタ１２０からのエネルギーが、車両の加速を上昇させるのに必要な電圧を提供するために利用される。ウルトラキャパシタ１２０が比較的低い充電状態、または低い電圧にある場合に、エネルギーバッテリ１１０の電圧は、正のＤＣリンク１１３による多チャネル双方向ブーストコンバータ１３０の低電圧側（チャネル「ｂ」）によって高電圧側のＤＣリンク１４２および１４４に上げることができる。正のＤＣリンク１１３および１１４を介してエネルギーバッテリ１１０および／またはウルトラキャパシタ１２０によって供給された電圧は、一般に２：１より大きいブースト比によって多チャネル双方向ブーストコンバータ１３０を介して「ブースト」すなわち上昇される。このようにして、車両を加速するために必要な電力が、ＤＣリンク１４２および１４４を介してＡＣモータ１６０に供給される。

前述の構成の下で、多チャネル双方向ブーストコンバータの効率は、車両の大幅な加速または減速によって劣化した。すなわち、ＡＣモータに十分に給電するのに必要な電圧に対する、双方向ブーストコンバータの低電圧側で利用可能な電圧の比が増大すると、多チャネル双方向ブーストコンバータで電気損が増加し、双方向ブーストコンバータの部品を通る電流の増加により熱サイクル応力が生じた。この増加した電流により、双方向ブーストコンバータの効率が低下し、これは、パワー電子部品におけるこれらの損失からの熱を放散するための適切な熱設計およびハードウェアを必要とした。しかし、図１に示す例示の実施形態は、これらの問題に対処し、システム１００の効率を大幅に改善する。具体的には、エネルギーバッテリ１１０およびウルトラキャパシタ１２０は、双方向ブーストコンバータ１３０の低電圧側に直列に接続され、それにより、システム１００の通常動作中に、多チャネル双方向ブーストコンバータ１３０に供給される電力の一部分は、多チャネル双方向ブーストコンバータ１３０を介して、回生制動として知られる車両の減速事象中にエネルギーの一部分を捕捉および蓄積することが可能なウルトラキャパシタ１２０から生じる。回生制動中に、ウルトラキャパシタ１２０の電圧は上昇し、したがってウルトラキャパシタ１２０およびエネルギーバッテリ１１０の電圧の合計は、エネルギーバッテリのみを有する従来の推進システムと比較してＤＣリンク１１４でのより高い電圧レベルを可能にする。車両の次の加速中には、ＤＣバス１１４においてエネルギーバッテリ１１０の入力と直列のウルトラキャパシタ１２０によって多チャネル双方向ブーストコンバータ１３０に供給された、より高い電圧によって、双方向ブーストコンバータ１３０のパワー電子部品を通って流れる電流レベルが低下する。この電流の低下により、電気部品に与えられる電気損および熱サイクル応力が低下し、それによって多チャネル双方向ブーストコンバータ１３０の全体的な効率が上昇する。多チャネル双方向ブーストコンバータ１３０における電気損が電流レベルの低下により減少すると、双方向ブーストコンバータ１３０における重くかつ高価な冷却システムの必要性も減少する。したがって、双方向ブーストコンバータ１３０の全体の大きさ、重量、および複雑さを、図１に記載する構成を使用して低減することができる。

エネルギーバッテリ１１０およびウルトラキャパシタ１２０の直列構成についての別の利点は、エネルギーバッテリ１１０の公称電圧を低下させる能力であり、それによってエネルギーバッテリ１１０を、従来のいくつかのエネルギーバッテリよりも小型かつ軽量にすることができる。ウルトラキャパシタ１２０は、バス１１４を介して多チャネル双方向ブーストコンバータ１３０に対して高電圧出力を供給するように動作可能であるので、エネルギーバッテリ１１０は、単独で双方向ブーストコンバータ１３０に高電圧出力を供給する必要はない。逆に、エネルギーバッテリ１１０は、ウルトラキャパシタ１２０において利用可能なエネルギーを使い尽くした場合に、ウルトラキャパシタ１２０にエネルギーを供給することができる。さらに、エネルギーバッテリ１１０およびウルトラキャパシタ１２０は、高加速指令をＶＳＣ１７０から受け取った場合、共に、双方向ブーストコンバータ１３０に電圧出力を提供することができる。同様に、この直列構成を使用して、エネルギーバッテリ１１０は高い充電状態（ＳＯＣ）を維持することができ、それによってエネルギーバッテリ１１０の効率および耐用年数を向上させる。

車両を減速する指令がＶＳＣ１７０によって受け取られた場合、システム１００は回生制動モードに入る。すなわち、車両の急速な減速中に、ＡＣモータ１６０はエネルギーを生成し、そのエネルギーは次いで、システム１００のエネルギー蓄積デバイス、すなわちウルトラキャパシタ１４０、ウルトラキャパシタ１２０、およびエネルギーバッテリ１１０に伝達されて戻る。回生制動によって生成された高電圧は、双方向ブーストコンバータ１３０を通ってウルトラキャパシタ１２０および／またはエネルギーバッテリ１１０に伝達される。従来、双方向ブーストコンバータを介して接続されたエネルギーバッテリのみを有するシステムでは、回生エネルギーの大部分を電流の増加によってエネルギーバッテリに捕捉する必要があるはずである。したがって、エネルギー蓄積ユニットの電荷受容の量における限度および電圧限界により、エネルギーバッテリの高い内部抵抗と、双方向ブーストコンバータとの両方において、高い損失が生じるはずである。しかし、例示の構成の下では、多チャネル双方向ブーストコンバータ１３０およびエネルギーバッテリ１１０の両方における損失が大幅に低下する。すなわち、ウルトラキャパシタ１２０およびエネルギーバッテリ１１０の直列構成により、エネルギーバッテリ１１０のみに回生エネルギーを捕捉するのを依存するのではなく、回生エネルギーの大部分が、ウルトラキャパシタ１２０内に捕捉できるようになる。エネルギーバッテリ１１０とは異なり、ウルトラキャパシタ１２０は低充電状態（ＳＯＣ）で動作可能であり、急速な電荷受容が可能である。したがって、ウルトラキャパシタ１２０は、車両の減速中にＡＣモータ１６０によって生成された高電圧の回生エネルギーからの回生電力の大部分を受け取ることができ、その結果、多チャネル双方向ブーストコンバータ１３０およびエネルギーバッテリ１１０内での電気損および熱サイクル応力を低下させることになり、それによってシステム１００の全体的な効率が改善する。

図１の例示の実施形態についての別の利点は、エネルギー蓄積デバイスに、またはそこから供給されたエネルギーレベルを動的に制御する能力である。多チャネル双方向ブーストコンバータ１３０は、車両の速度、ウルトラキャパシタの充電状態、エネルギーバッテリの充電状態、ＡＣトラクション駆動トルク需要、およびＡＣトラクション駆動速度に基づいて、これらのエネルギーレベルを適応制御するように動作可能である。たとえば、そのような動的な制御により、車両の加速中に、多チャネル双方向ブーストコンバータ１３０が、ウルトラキャパシタ１２０および／またはエネルギーバッテリ１１０によって供給されたエネルギーの量を独立して制御できるようになる。すなわち、高加速指令をＶＳＣ１７０から受け取った後に、多チャネル双方向ブーストコンバータ１３０は、ＡＣモータ１６０に適切に給電するために、ウルトラキャパシタ１２０、および必要であればエネルギーバッテリ１１０から供給される電力の量を制御するように動作する。同様に、車両の減速中に、双方向ブーストコンバータは、ウルトラキャパシタ１２０および／またはエネルギーバッテリ１１０に供給された回生電力およびエネルギーの量を制御するように動作して、システムの全体の電荷受容を最大にする。そのような動的な制御は、システム１００の全体的な効率を大幅に改善する。

次に図２を参照すると、システム１００のグラフが、システム１００の通常動作を示し、ＤＣリンク電圧をモータの速度およびトルクの関数として示す。点線２１０は、関連するエネルギー蓄積部品の電圧の例示の参照値を示す。グラフ２０２に示すように、例示のＡＣモータ設計に関するドライブの最大トルクは、定格速度のおよそ５０％のモータ速度で、ある程度の所定の最小値から所定の最大参照値へ参照電圧を上げることによって達成できる。参照ＤＣリンク電圧は、５０％から１００％の定格モータ速度に実質的に一定に保持される。グラフ２０８に示すように、（ウルトラキャパシタ２と称する）ウルトラキャパシタ１４０の電圧は、エネルギーがデバイスから取り出され、またはデバイスに供給されていると、参照ラインの上下に変動する。ウルトラキャパシタ１４０の電圧、すなわち充電状態が限界に達すると、グラフ２０６に示すように、主に（ウルトラキャパシタ１と称する）ウルトラキャパシタ１２０から追加のエネルギーがデバイスに供給される。ウルトラキャパシタ１２０が所望のエネルギーを供給できない場合、グラフ２０４に示すように、エネルギーバッテリ１１０が使用されて、追加のエネルギーを供給する。たとえば、長い時間にわたって険しい勾配を登っている間の動作中に、ウルトラキャパシタ１４０およびウルトラキャパシタ１２０の両方に蓄積されたエネルギーを実質的に使い尽くす可能性があるので、エネルギーバッテリ１１０はエネルギーの大部分を供給するように動作可能である。

図３は、本発明の別の実施形態を示す。図３に示すシステム３００は、図１に示すシステム１００と実質的に同様であり、したがって図１の部品を示すために使用する数は、図３の同様の部品を示すためにも用いられる。図示するように、システム３００は、システム１００の部品を含み、補助電源ユニットが多チャネル双方向ブーストコンバータ１３０の低電圧側に追加されている。補助電源ユニットは、熱機関３１０、交流発電機３２０、および整流器３３０を備える。整流器３３０の出力は、バス１１２および１１４に接続され、それにより熱機関３１０および交流発電機３２０によって生成されたエネルギーが、必要なとき、ウルトラキャパシタ１２０および／またはエネルギーバッテリ１１０によって供給されたエネルギーを補う。システム３００に示すハイブリッド電気構成により、ウルトラキャパシタ１２０およびエネルギーバッテリ１１０の充電電力レベルを実質的に使い尽くした場合にもＡＣモータ１６０に十分なエネルギーが供給できるようになる。さらに、補助電源ユニットは、これらのエネルギー蓄積デバイスの充電状態に応じて、ウルトラキャパシタ１２０および／またはエネルギーバッテリ１１０を充電するためにエネルギーを供給することも可能である。

本発明の別の実施形態を図４に示す。図１および図３にそれぞれ示すシステム１００および３００と同様に、システム４００は、エネルギーバッテリ４１０と直列に接続されたウルトラキャパシタ４２０を提供し、ウルトラキャパシタ４２０およびエネルギーバッテリ４１０の両方は、多チャネル双方向ブーストコンバータ４３０にバス４１２、４１３、および４１４を介して電気的に接続される。多チャネル双方向ブーストコンバータ４３０の高電圧側には、別のウルトラキャパシタ４４０が、ＤＣリンク４４２およびＤＣリンク４４４を介して、多チャネル双方向ブーストコンバータ４３０およびモータ（図示せず）と並列に接続される。さらに、補助電源が、多チャネル双方向ブーストコンバータ４３０の低電圧側にバス４１４および４１２に接続される。システム３００と同様に、補助電源は、熱機関４１５、交流発電機４１７、および整流器４１９を備える。整流器４１９の出力は、バス４１２および４１４に接続され、それにより、熱機関４１５および交流発電機４１７によって生成されたエネルギーが、必要なとき、ウルトラキャパシタ４２０および／またはエネルギーバッテリ４１０によって供給されたエネルギーを補う。システム４００は、追加のウルトラキャパシタ４２５も備える。ウルトラキャパシタ４２５は、モータに給電するためのエネルギー需要が、ウルトラキャパシタ４２０、エネルギーバッテリ４１０、および補助電源が提供できるものを超えた場合に、別のエネルギー源を提供するように機能する。ウルトラキャパシタ４２５は、回生制動事象中に、エネルギーを受け取るようにも動作可能であり、システム４００に全体的な効率を加える。さらに、たとえば、長い登坂勾配を登り、それによってウルトラキャパシタ４２５の電圧がエネルギーバッテリ４１０の電圧を下回るように、なんらかの所定の最小値までウルトラキャパシタ４２５の充電状態（ＳＯＣ）を使い尽くす間に、操作者が車両を運転するように追加の電力を要求し続ける場合に、双方向ブーストコンバータ４３０が多チャネル双方向ブーストコンバータ４３０の２つのチャネルを使用して、主にエネルギーバッテリ４１０から電力およびエネルギーを抽出するように、たとえばダイオードのような単方向導通装置（ｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇａｐｐａｒａｔｕｓ）４２７が導通し、それによって、双方向ブーストコンバータ４３０の単一のチャネルと比較して定格出力のおよそ２倍が可能になる。そのような構成は、特にウルトラキャパシタの蓄積されたエネルギーを使い尽くし、または所定の電圧限界付近にある場合に、車両の動作速度を上昇させるのを促進するように機能する。

図５は、本発明の別の実施形態を示す。図４に示すシステム４００とは異なり、システム５００は、電源バッテリ５１０と直列に接続されたウルトラキャパシタ５２０を提供する。本明細書で使用する用語、電源バッテリは、（たとえば、ニッケルカドミウムバッテリ、ニッケル水素バッテリ、またはＬｉイオンバッテリなどの３００Ｗ／ｋｇ以上程度の）高い電力密度を有するが、比較的低いエネルギー密度を有するバッテリを述べる。しかし、電源バッテリは、エネルギーバッテリよりも容易に電気的に再充電可能であり、したがって電源バッテリは高出力の回生制動事象中に生成されたエネルギーを再捕捉する、より大きな能力を有する。ウルトラキャパシタ５２０および電源バッテリ５１０の両方が、バス５１４、５１３、および５１２を介して、多チャネル双方向ブーストコンバータ５３０に電気的に接続される。多チャネル双方向ブーストコンバータ５３０の高電圧側には、別のウルトラキャパシタ５４０が、ＤＣリンク５４２およびＤＣリンク５４４を介して、多チャネル双方向ブーストコンバータ５３０およびモータ（図示せず）と並列に接続される。システム４００と同様に、システム５００は、多チャネル双方向ブーストコンバータ５３０の低電圧側にバス５１４および５１２に接続された補助電源も備える。システム３００および４００と同様に、補助電源は、熱機関５１５、交流発電機５１７、および整流器５１９を備える。整流器５１９の出力は、バス５１２および５１４に接続され、それにより、熱機関５１５および交流発電機５１７によって生成されたエネルギーが、必要なとき、ウルトラキャパシタ５２０および／または電源バッテリ５１０によって供給されたエネルギーを補う。システム５００は、エネルギーバッテリ５２５も備える。図４に示すウルトラキャパシタ４２５と同様に、エネルギーバッテリ５２５は、モータに給電するためのエネルギー需要が、ウルトラキャパシタ５２０、エネルギーバッテリ５１０、および補助電源が提供できるものを超える場合に、別のエネルギー源を提供するように機能する。エネルギーバッテリ５２５は、回生制動事象中に、エネルギーを受け取るようにも動作可能であり、システム４００に全体的な効率を加える。さらに、たとえば、長い登坂勾配を登り、それによってエネルギーバッテリ５２５の電圧が電源バッテリ５１０の電圧を下回るように、なんらかの所定の最小値までエネルギーバッテリ５２５の充電状態（ＳＯＣ）を使い尽くす間に、操作者が車両を運転するように追加の電力を要求し続ける場合に、双方向ブーストコンバータ５３０が多チャネル双方向ブーストコンバータ５３０の２つのチャネルを使用して、主に電源バッテリ５１０、およびエネルギーバッテリ５２５からのより低い電力レベルから、電力およびエネルギーを抽出するように、ダイオードなどの単方向導通装置５２７が導通し、それによって、多チャネル双方向ブーストコンバータ５３０の単一のチャネルと比較して定格出力のおよそ２倍が可能になる。エネルギーバッテリ５２５によって抽出された電力レベルがより低いのは、電源バッテリ５１０と比較して、エネルギーバッテリ５２５の内部抵抗が本質的に増加したことによるものである。

次に図６を参照すると、本発明の別の実施形態が示されている。図６に示すシステム６００は、図４に示すシステム４００と実質的に同様であり、したがって図４の部品を示すために使用された数は、図６の同様の部品を示すためにも用いられる。具体的には、システム６００は、システム４００に示す多チャネル双方向ブーストコンバータ４３０の低電圧側に同一の構成を設ける。しかしシステム６００は、多チャネル双方向ブーストコンバータ４３０の高電圧側に電源バッテリ６４０を備える。図６に示すように、電源バッテリ６４０は、ＤＣリンク４４２およびＤＣリンク４４４を介して、多チャネル双方向ブーストコンバータ４３０およびモータ（図示せず）に並列に接続される。システム５００に関して上記に論じたように、電源バッテリは電力密度は比較的高い（たとえば３００Ｗ／ｋｇ以上程度の）が、エネルギー密度は比較的低いバッテリである。電源バッテリは、ここでも同様に、エネルギーバッテリよりも高い比率でより容易に電気的に再充電可能であることが知られ、それは大部分が回生制動事象中に見られる利点である。電源バッテリ６４０は、多チャネル双方向ブーストコンバータ４３０の高電圧側に配置され、それにより、多チャネル双方向ブーストコンバータ４３０の低電圧側のエネルギー蓄積デバイスから実質的なエネルギー補足を直ちに行う必要なしに、車両の加速を行うのに十分な電力密度をモータに供給するチャネルことができる。ここでも同様に、電源バッテリ６４０は車両を加速するのに十分な量のエネルギーを提供することができるが、電源バッテリはエネルギー密度が制限され、電源バッテリの充電状態（ＳＯＣ）が加速事象中に急速に使い尽くされることを意味する。しかし、回生制動事象中にエネルギーを供給し、かつエネルギーを再捕捉するための補足的な電力供給源として、電源バッテリ６４０は、効果的にシステム６００の全体的な効率、特に、高パルス電力を必要とする車両の用途および動的負荷に関する、または高い繰返し頻度で、比較的高いモータ速度で高い出力トルクを必要とする電気ドライブ、すなわち、加速および回生制動事象が比較的高いモータ速度で生じる、人々を移動させるタイプの用途のドライブに関する効率全体的な効率を効果的に改善する。

図７は、本発明の別の実施形態を概略的に示す。図７の実施形態は、補助電源ユニットを除いて図４に示す実施形態と実質的に同じである。すなわち、システム７００の補助電源ユニットは、熱機関４１５、交流発電機４１７、および整流器４１９を含むだけでなく、ＡＣプラグ７１５、地絡電流継電器（ＧｒｏｕｎｄＦａｕｌｔＣｕｒｒｅｎｔＩｎｔｅｒｒｕｐｔｅｒ）（ＧＦＩ）７１７、絶縁変圧器７１９、および整流器７２１を備える差込式電気システムも含む。システム７００によって給電された車両が動作状態の下にない場合、ＡＣプラグ７１５は、双方向ブーストコンバータ４３０の低電圧側にあるエネルギー蓄積デバイスに整流器７２１によってエネルギーを供給するために、外部電源（すなわち電力系統）に接続できる。ここでも同様に、これらのエネルギー蓄積デバイスは、多チャネル双方向ブーストコンバータ４３０の低電圧側にあるウルトラキャパシタ４２０と、ウルトラキャパシタ４２５と、エネルギーバッテリ４１０とを備え、さらに双方向ブーストコンバータ４３０の高電圧側にウルトラキャパシタ４４０を備える。したがって、図７に示すシステム７００は、動作状態の下にある間、熱機関４１５を介してエネルギーの回生が可能であるだけでなく、車両が使用されていない場合に再充電することもできる。あるいは、図７に示す補助電源ユニットシステムは、熱機関４１５、交流発電機４１７、または整流器４１９を使用することなく構成することもできる。したがって、差込式電気システムのみを備える補助電源ユニットは、双方向ブーストコンバータ４３０の低電圧側にあるエネルギー蓄積デバイスのエネルギーを回生するための低費用の解決策を提供することができる。

本発明を限られた数の実施形態のみに関連して詳細に説明してきたが、本発明はそのような開示された実施形態に限定されないことを直ちに理解されたい。逆に、本発明はこれまでに説明されていないが本発明の趣旨および範囲に対応する任意の数の変形、変更、代替、または等価な装置を組み込むように修正できる。さらに、本発明の様々な実施形態を説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態のうちのいくつかのみを備えることができることが理解される。したがって、本発明は前述の説明によって限定するとは見なされないが、添付の特許請求の範囲の範囲によってのみ限定される。

１００車両推進システム
１１０エネルギーバッテリ
１１２バス
１１３正のＤＣリンク
１１４バス
１１６事前充電回路
１２０ウルトラキャパシタ
１３０多チャネル双方向ブーストコンバータ
１４０第２のウルトラキャパシタ
１４２正のＤＣリンク
１４４負のＤＣリンク
１５０ＤＣ−ＡＣインバータ
１６０ＡＣモータ
１７０車両システム制御部（ＶＳＣ）
２０２グラフ
２０４グラフ
２０６グラフ
２０８グラフ
２１０点線
３００車両推進システム
３１０熱機関
３２０交流発電機
３３０整流器
４００車両推進システム
４１０エネルギーバッテリ
４１２バス
４１３バス
４１４バス
４１５熱機関
４１７交流発電機
４１９整流器
４２０ウルトラキャパシタ
４２５ウルトラキャパシタ
４２７単方向導通装置
４３０多チャネル双方向ブーストコンバータ
４４０ウルトラキャパシタ
４４２ＤＣリンク
４４４ＤＣリンク
５００車両推進システム
５１０電源バッテリ
５１２バス
５１３バス
５１４バス
５１５熱機関
５１７交流発電機
５１９整流器
５２０ウルトラキャパシタ
５２５エネルギーバッテリ
５３０多チャネル双方向ブーストコンバータ
５４０ウルトラキャパシタ
５４２ＤＣリンク
５４４ＤＣリンク
６００システム
６４０電源バッテリ
７００システム
７１５ＡＣプラグ
７１７地絡電流継電器（ＧＦＩ）
７１９絶縁変圧器
７２１整流器

Claims

電気ドライブ（１５０、１６０）と、
直流（ＤＣ）リンク（１４２、１４４）によって前記電気ドライブに電気的に接続された第１のエネルギー蓄積システム（１４０）と、
前記電気ドライブに電気的に接続された第２のエネルギー蓄積システム（５１０、５２０）と、
前記第２のエネルギー蓄積システム（５１０、５２０）が前記ＤＣリンク（１４２、１４４）から切り離し可能であるように、その高圧側に前記第１のエネルギー蓄積システム（１４０）が接続され、その低圧側に前記第２のエネルギー蓄積システム（５１０、５２０）が接続された多チャネル双方向ブーストコンバータ（１３０）とを備え、
前記第２のエネルギー蓄積システム（１１０、１２０）が、
少なくとも１つのウルトラキャパシタ（５２０）と直列に接続された少なくとも１つの電源バッテリ（５１０）と、
１つのエネルギーバッテリ（５２５）と、前記少なくとも１つのエネルギーバッテリ（５２５）と直列に接続された、単方向導通装置（５２７）と、
を備え、
前記多チャネル双方向ブーストコンバータ（１３０）が、
第１のチャンネルを使用して、前記少なくとも１つの電源バッテリ（５１０）から電圧を受け、
第２のチャンネルを使用して、前記少なくとも１つのエネルギーバッテリ（５２５）から電圧を受けるように構成される、
推進システム。
前記電気ドライブ（１５０、１６０）が、交流電流（ＡＣ）トラクションドライブまたは直流電流（ＤＣ）トラクションドライブのうちの１つである、請求項１記載の推進システム。
前記第１のエネルギー蓄積システム（１４０）が、電源バッテリおよびウルトラキャパシタのうちの少なくとも１つを備え、前記第１のエネルギー蓄積システム（１４０）が、前記ＤＣリンク（１４２、１４４）によって前記多チャネル双方向ブーストコンバータ（１３０）に接続された、請求項１または２に記載の推進システム。
前記第１のエネルギー蓄積システム（１４０）が、前記電源バッテリを備え、前記第２のエネルギー蓄積システム（１１０、１２０）の前記少なくとも１つのウルトラキャパシタ（１２０）に回生エネルギーを供給するように構成された、請求項３記載の推進システム。
前記第２のエネルギー蓄積システム（１１０、１２０）の前記少なくとも１つのウルトラキャパシタ（１２０）が、車両の減速と関連する回生制動事象中にエネルギーを捕捉するように構成された、請求項１乃至４のいずれかに記載の推進システム。
前記多チャネル双方向ブーストコンバータ（１３０）が、車両の速度、前記少なくとも１つのウルトラキャパシタの充電状態、前記バッテリの充電状態、電気駆動トルク需要、および電気駆動速度のうちの少なくとも１つの関数として前記回生制動事象中に、前記第２のエネルギー蓄積システム（１１０、１２０）の前記少なくとも１つのウルトラキャパシタ（１２０）に伝達されたエネルギーの量を制御するように構成された、請求項５記載の推進システム。
前記第２のエネルギー蓄積システム（１１０、１２０）に接続された補助電源ユニットをさらに備える、請求項１乃至６のいずれかに記載の推進システム。
前記補助電源ユニットが熱機関（４１５）又は、差込式電気インターフェース（７１５）を備える、請求項７記載の推進システム。
制御システムを組み立てる方法であって、
第１のエネルギー蓄積システムを直流（ＤＣ）リンクによって電気ドライブに接続するステップと、
第２のエネルギー蓄積システムを形成するためにウルトラキャパシタを電源バッテリに直列に接続するステップと、
前記第１のエネルギー蓄積システムが前記第２のエネルギー蓄積システムから切り離されるように、多チャネル双方向ブーストコンバータの高圧側に前記第１のエネルギー蓄積システムを接続し、その低圧側に前記第２のエネルギー蓄積システムを接続するステップと、
を含み、
前記多チャネル双方向ブーストコンバータが、前記ＤＣリンクによって電気ドライブに接続され、
前記第２のエネルギー蓄積システム（５１０、５２０）が更に、少なくとも１つのエネルギーバッテリ（５２５）と、前記少なくとも１つのエネルギーバッテリ（５２５）と直列に接続された単方向導通装置（５２７）と、を備え、
前記多チャネル双方向ブーストコンバータ（１３０）が、
第１のチャンネルを使用して、前記少なくとも１つの電源バッテリ（５１０）から電圧を受け、
第２のチャンネルを使用して、前記少なくとも１つのエネルギーバッテリ（５２５）から電圧を受けるように構成される、
方法。
電気式システム用のエネルギー蓄積装置であって、
少なくとも１つの電源バッテリと直列に接続された少なくとも１つのウルトラキャパシタと、
少なくとも１つのエネルギーバッテリ（５２５）と、
前記少なくとも１つのエネルギーバッテリ（５２５）と直列に接続された単方向導通装置（５２７）と、
その低圧側に、前記少なくとも１つのウルトラキャパシタおよび前記少なくとも１つの電源バッテリが接続された多チャネル双方向ブーストコンバータ（１３０）と、
を備え、
前記多チャネル双方向ブーストコンバータ（１３０）は、前記少なくとも１つのウルトラキャパシタおよび前記少なくとも１つの電源バッテリからの入力電圧および出力電圧を動的に制御するように構成され、
前記多チャネル双方向ブーストコンバータ（１３０）が、
第１のチャンネルを使用して、前記少なくとも１つの電源バッテリ（５１０）から電圧を受け、
第２のチャンネルを使用して、前記少なくとも１つのエネルギーバッテリ（５２５）から電圧を受けるように構成される、
エネルギー蓄積装置。