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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6188090
(24)【登録日】2017年8月10日
(45)【発行日】2017年8月30日
(54)【発明の名称】電気自動車を充電する装置および方法
(51)【国際特許分類】
B60L 11/18 20060101AFI20170821BHJP
H02J 7/00 20060101ALI20170821BHJP
H02J 7/10 20060101ALI20170821BHJP
B60L 11/14 20060101ALI20170821BHJP
B60W 10/26 20060101ALI20170821BHJP
B60K 6/28 20071001ALI20170821BHJP
H02J 7/14 20060101ALI20170821BHJP
【ＦＩ】
B60L11/18 C
H02J7/00 PZHV
H02J7/10 B
B60L11/14
B60W10/26 900
B60K6/28
H02J7/14 A
【請求項の数】8
【全頁数】19
(21)【出願番号】特願2015-198092(P2015-198092)
(22)【出願日】2015年10月6日
(62)【分割の表示】特願2011-239869(P2011-239869)の分割
【原出願日】2011年11月1日
(65)【公開番号】特開2016-54636(P2016-54636A)
(43)【公開日】2016年4月14日
【審査請求日】2015年10月6日
(31)【優先権主張番号】12/940,085
(32)【優先日】2010年11月5日
(33)【優先権主張国】US
(73)【特許権者】
【識別番号】390041542
【氏名又は名称】ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ
(74)【代理人】
【識別番号】100137545
【弁理士】
【氏名又は名称】荒川 聡志
(74)【代理人】
【識別番号】100105588
【弁理士】
【氏名又は名称】小倉 博
(74)【代理人】
【識別番号】100129779
【弁理士】
【氏名又は名称】黒川 俊久
(74)【代理人】
【識別番号】100113974
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 拓人
(72)【発明者】
【氏名】ルエディジャー・ソーレン・クッシュ
(72)【発明者】
【氏名】ロバート・ディーン・キング
(72)【発明者】
【氏名】ロバート・ルイス・スタイガーワルド
【審査官】
笹岡 友陽
(56)【参考文献】
【文献】
特開２００９−１４８０７３（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１０−１０４２２６（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００７−１９５３９８（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００９−１１８６５９（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００８−２９６６６９（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｂ６０Ｌ １／００− ３／１２
Ｂ６０Ｌ ７／００−１３／００
Ｂ６０Ｌ １５／００−１５／４２
Ｂ６０Ｗ １０／２６
Ｈ０２Ｊ ７／００
Ｈ０２Ｊ ７／１０
Ｈ０２Ｊ ７／１４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
車両ドライブトレーン（Ｍ）に連結されたエネルギー貯蔵デバイス（５０８）と、
各々は、前記エネルギー貯蔵デバイス（５０８）及び電気充電システム（５０２、５１０）に連結可能である第１及び第２のエネルギーポート（Ｐ２、Ｐ３）と、
第１及び第２のＤＣ電気コンバータ（Ｍ１、Ｍ２）と、
コントローラ（４６）と、
を含み、
前記コントローラ（４６）は、
各エネルギーポート（１０２）の電圧を決定し、
前記第１及び第２のＤＣ電気コンバータ（１０４、１０６、１０８）の組み合わせで選択的に制御して、各エネルギーポート（Ｐ２、Ｐ３）の前記決定された電圧に基づいて、入力ＤＣ電圧を上げるかまたは下げるかのどちらかをするように構成されている、
車両。
各々は、前記エネルギー貯蔵デバイス（５０８）及び電気充電システム（５０２、５１０）に連結可能である第１及び第２のエネルギーポート（Ｐ２、Ｐ３）と、
第１及び第２のＤＣ電気コンバータ（Ｍ１、Ｍ２）と、
コントローラ（４６）と、
を含み、
前記コントローラ（４６）は、
各エネルギーポート（１０２）の電圧を決定し、
前記第１及び第２のＤＣ電気コンバータ（１０４、１０６、１０８）の組み合わせで選択的に制御して、各エネルギーポート（Ｐ２、Ｐ３）の前記決定された電圧に基づいて、入力ＤＣ電圧を上げるかまたは下げるかのどちらかをするように構成されている、
車両。
【請求項2】
内燃エンジン（５０２）を含む充電システムに連結可能である第３のエネルギーポート（Ｐ１）を含み、
前記コントローラ（４６）は、
前記第１及び第３のエネルギーポート（Ｐ１、Ｐ２）の電圧を決定し、
前記第１及び第２のＤＣ電気コンバータ（１０４、１０６、１０８）の少なくとも１つを、前記第１及び第３のエネルギーポート（Ｐ１、Ｐ２）の前記決定された電圧に基づいて、入力ＤＣ電圧を上げるかまたは下げるかのどちらかをするように、制御するように構成されている、請求項１記載の車両。
前記コントローラ（４６）は、
前記第１及び第３のエネルギーポート（Ｐ１、Ｐ２）の電圧を決定し、
前記第１及び第２のＤＣ電気コンバータ（１０４、１０６、１０８）の少なくとも１つを、前記第１及び第３のエネルギーポート（Ｐ１、Ｐ２）の前記決定された電圧に基づいて、入力ＤＣ電圧を上げるかまたは下げるかのどちらかをするように、制御するように構成されている、請求項１記載の車両。
【請求項3】
前記第３のエネルギーポート（Ｐ１）は、オルタネータを含む充電システムに連結可能であり、
前記第１のＤＣ電気コンバータ（Ｍ１）がバックブーストコンバータであり、
前記第２のエネルギーポート（Ｐ３）は、外部電源から電力を受けるように構成された充電システムに連結可能である、請求項２に記載の車両。
前記第１のＤＣ電気コンバータ（Ｍ１）がバックブーストコンバータであり、
前記第２のエネルギーポート（Ｐ３）は、外部電源から電力を受けるように構成された充電システムに連結可能である、請求項２に記載の車両。
【請求項4】
前記第２のエネルギーポート（Ｐ３）は、外部電源から電力を受けるように構成された充電システムに連結可能である、請求項１乃至３のいずれかに記載の車両。
【請求項5】
前記外部電源がＡＣ電源又はＤＣ電源である、請求項４記載の車両。
【請求項6】
前記第１及び第２のＤＣ電気コンバータ（Ｍ１、Ｍ２）の少なくとも１つがバックブーストコンバータである、請求項１乃至５のいずれかに記載の車両。
【請求項7】
前記第１のエネルギーポート（Ｐ２）は、種類の異なるエネルギー貯蔵デバイスに選択的に接続可能であり、
前記外部電源がＡＣ電源とＤＣ電源に選択的に接続可能である、請求項５記載の車両。
前記外部電源がＡＣ電源とＤＣ電源に選択的に接続可能である、請求項５記載の車両。
【請求項8】
ＤＣ電圧を上げ下げするように構成された第３のＤＣ電気コンバータ（Ｍ３）と、
第２エネルギー貯蔵デバイス（３０４）に連結可能である第４のエネルギーポート（Ｐ４）とを含み、
前記第２のエネルギーポート（Ｐ３）は、外部電源から電力を受けるように構成された充電システムに連結可能であり、
前記外部電源からの電力は、前記第１乃至第３のＤＣ電気コンバータ（Ｍ１−Ｍ３）の内の少なくとも２つを介して前記第４のエネルギーポート（Ｐ４）に供給され、前記第１乃至第３のＤＣ電気コンバータ（Ｍ１−Ｍ３）の内の少なくとも１つを介して前記第３のエネルギーポート（Ｐ４）に供給される、請求項１乃至７のいずれかに記載の車両。
第２エネルギー貯蔵デバイス（３０４）に連結可能である第４のエネルギーポート（Ｐ４）とを含み、
前記第２のエネルギーポート（Ｐ３）は、外部電源から電力を受けるように構成された充電システムに連結可能であり、
前記外部電源からの電力は、前記第１乃至第３のＤＣ電気コンバータ（Ｍ１−Ｍ３）の内の少なくとも２つを介して前記第４のエネルギーポート（Ｐ４）に供給され、前記第１乃至第３のＤＣ電気コンバータ（Ｍ１−Ｍ３）の内の少なくとも１つを介して前記第３のエネルギーポート（Ｐ４）に供給される、請求項１乃至７のいずれかに記載の車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態が、全般的に、ハイブリッド自動車および電気自動車を含む電気駆動システムに関し、さらに詳細には、複数ポートエネルギー管理システムを使用して電気自動車を充電することに関する。
【背景技術】
【0002】
ハイブリッド電気自動車が、内燃エンジンと、主電池などのエネルギー貯蔵デバイスにより動力を供給される電気モータとを兼ね備え、自動車を推進させてもよい。そのような兼備により、内燃エンジンと電気モータとが各々効率性の高まったそれぞれの範囲内で作動することが可能になることにより、全体的な燃料効率が高まる。例えば、電気モータは、スタンディングスタートからの加速において効率的である可能性があり、一方、内燃エンジン（ＩＣＥ）は、ハイウェイ運転などの一定のエンジン作動の持続時間中に効率的である可能性がある。電気モータの初期加速を上昇させることにより、ハイブリッド自動車の燃焼機関がより小さく、より低燃費であることが可能になる。
【0003】
純粋な電気自動車は、貯蔵された電気エネルギーを使用して電気モータに動力を供給し、それにより自動車を推進させ、また、補助駆動装置を作動させてもよい。純粋な電気自動車は、１つまたは複数の貯蔵電気エネルギー源を使用してもよい。例えば、第１の貯蔵電気エネルギー源を使用して、（低電圧電池などの）長持ちするエネルギーを供給してもよく、一方、第２の貯蔵電気エネルギー源を使用して、例えば加速のための、（高電圧電池またはウルトラキャパシタなどの）高出力エネルギーを供給してもよい。
【0004】
プラグイン電気自動車は、ハイブリッド電気タイプか純粋な電気タイプかに関わらず、外部電源からの電気エネルギーを使用して、エネルギー貯蔵デバイスを再充電するように構成されている。そのような自動車には、例として、路上走行車およびオフロード車、ゴルフカート、近隣用電気輸送機器、フォークリフト、ならびに小型トラックが含まれてもよい。これらの自動車は、非車載型固定充電器、車載型充電器、または非車載型固定充電器と車載型充電器との組合せのどれかを使用して、電気系統または再生可能エネルギー源から自動車の車載型主電池まで、電気エネルギーを移送してもよい。プラグイン自動車は、例えば電気系統または他の外部電源から主電池を再充電することを容易にするために、回路および接続を含んでいてもよい。
【0005】
電池充電器は、電気自動車（ＥＶ）の開発において重要な構成要素である。歴史的に、ＥＶ用途のための２種類の充電器が既知である。一方は、機能および様式が、迅速な充電を実施するガソリンスタンドに匹敵し得るスタンドアロン型である。他方は、家庭用差込み口からの、より遅い充電速度（Ｃ−ｒａｔｅ）の充電に使用されると考えられる車載型である。ＥＶは、通常、数例を挙げると、（例えば、一充電走行距離および走行のための）低電圧電池、（ブーストおよび加速のための）高電圧電池、ならびに（例えば、ブーストおよび加速のための）ウルトラキャパシタ、などのエネルギー貯蔵デバイスを含む。これらのエネルギー貯蔵デバイスは様々な電圧下で動作しかつ互いに異なって充電されるため、通常、各貯蔵デバイスは、それ自体の固有の充電システムを含む。貯蔵デバイスは、通常、他の貯蔵デバイス用の充電システムを使用して充電することができないため、このことは、複数の構成要素および充電システムをもたらす可能性がある。換言すれば、低電圧電池を充電するのに使用される充電デバイスは、通常、ウルトラキャパシタまたは高電圧電池を充電するのに使用することができない。
【0006】
いくつかの用途では、「ガソリンスタンド」式充電システムを使用して貯蔵デバイスを迅速に充電することが所望されており、一方、他の用途では、従来の家庭用差込み口を使用して貯蔵デバイスをゆっくり充電することが所望されていることを考慮すると、その影響（すなわち、多数のデバイス）は、一般に、さらに悪化する。このように、複数のエネルギー貯蔵デバイス型のためのかつ迅速な充電システムまたはゆっくりの充電システムのどちらかを使用する充電能力を実現するために、所望の機能の全てを実現するために、いくつかの充電器型が必要である可能性がある。各充電器型は電気構成要素のシステムを適宜含むため、この機能を実現するために使用される可能性がある多数の構成要素のせいで、全体的なシステムの信頼性が低下する可能性がある。電気的ストレスの程度が低いように、電気構成要素および電子構成要素を特定の大きさに作ることができるが、同様に、比較的高いオンデューティサイクルが、信頼性に大きく影響を及ぼす可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】米国特許第７５５９３８８号公報
【発明の概要】
【0008】
したがって、ＥＶを充電する融通性をもたらすと同時に、全体的な電気構成要素数を減少させる装置を提供することが望ましいと考えられる。
【0009】
本発明の一態様によれば、エネルギー貯蔵管理システム（ＥＳＭＳ）が、ドライブトレーンに連結されておりかつＤＣエネルギーを貯蔵するように構成されている１つまたは複数のエネルギー貯蔵デバイスと、複数のエネルギーポートを有するパワーエレクトロニクス変換システム（ｐｏｗｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ）であり、該パワーエレクトロニクス変換システムは、複数のＤＣ電気コンバータを含み、各ＤＣ電気コンバータは、ＤＣ電圧を上げ下げするように構成されており、複数のエネルギーポートの各々は、１つまたは複数のエネルギー貯蔵デバイスの各々に連結可能であり、複数のエネルギーポートの各々は、電気充電システムに連結可能である、パワーエレクトロニクス変換システムと、を含む。ＥＳＭＳは、エネルギー貯蔵デバイスまたはそれに連結されているＤＣ電気充電システムのどちらかを有する各エネルギーポートの電圧を決定するように構成されているコントローラであり、ＤＣ電気コンバータの少なくとも１つが、各エネルギーポートの決定された電圧に基づいて入力ＤＣ電圧を上げるかまたは下げるかのどちらかをするように、エネルギーポートの少なくとも２つの第１のエネルギーポートを第２のエネルギーポートへ電気的に接続する、コントローラを含む。
【0010】
本発明の別の態様によれば、エネルギー貯蔵管理システム（ＥＳＭＳ）を製造する方法が、１つまたは複数のエネルギー貯蔵デバイスを自動車のパワートレーンに連結するステップと、複数のバックブーストコンバータを有する充電デバイスを製造するステップと、該充電デバイスを自動車に取り付けるステップであり、充電デバイスは複数のエネルギーポートを含み、該複数のエネルギーポートの各々は、１つまたは複数のエネルギー貯蔵デバイスの各々に連結可能である、取り付けるステップと、複数のエネルギーポートの各々を通る電圧を感知するステップと、該感知された電圧に基づいて、エネルギー貯蔵デバイスおよび電気充電システムが複数のエネルギーポートのいずれかに連結されているかどうかを判定するステップと、複数のバックブーストコンバータの１つまたは複数を通って流れるように電流を選択的に方向付けることにより、エネルギー貯蔵デバイスを有する複数のエネルギーポートのいずれかに電気充電システムを電気的に接続するステップと、を含む。
【0011】
本発明のさらに別の態様によれば、エネルギー貯蔵管理システム（ＥＳＭＳ）上に配置されておりかつコンピュータプログラムを格納している非一時的コンピュータ可読記憶媒体が、コンピュータにより実行された場合にＥＳＭＳ上に配置されている複数ポートの電力変換システムの各エネルギーポートの電圧をコンピュータに決定させる命令を含み、少なくとも２つのエネルギーポートの第１から少なくとも２つのエネルギーポートの第２へ、少なくとも２つのバックブーストコンバータを通って電気エネルギーが通過するように、少なくとも２つのエネルギーポートを電気的に接続し、少なくとも２つのバックブーストコンバータの第１のバックブーストコンバータは、ブーストモードで動作するように構成されており、少なくとも２つのバックブーストコンバータの第２バックブーストコンバータは、バックモードで動作するように構成されている。
【0012】
種々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であろう。
【0013】
図面は、本発明を実施するために現在考えられる実施形態を示している。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】本発明の実施形態を組み込んでいる電気自動車（ＥＶ）の概略ブロック図である。
【図2】本発明の実施形態による構成可能な複数ポート充電器アーキテクチャの概略図である。
【図10】典型的なパルス幅変調（ＰＷＭ）の切替えおよび波形の図である。
【図11】本発明の実施形態による複数ポート充電器のブロック図である。
【図13】１相（１−ｐｈａｓｅ）ＡＣ電源を有する複数ポート充電器の図である。
【図14】３相ＡＣ電源を有する複数ポート充電器の図である。
【図15】ある動作構成による複数ポート充電器内のエネルギーの流れの図である。
【図16】ある動作構成による複数ポート充電器内のエネルギーの流れの図である。
【図17】本発明の実施形態による内燃エンジン（ＩＣＥ）からのエネルギー入力を有する複数ポート充電器の図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
図１は、本発明の実施形態を組み込んでいる、例えば自動車、トラック、バス、もしくはオフロード車などのハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）または電気自動車（ＥＶ）１０の一実施形態を示す。自動車１０は、エネルギー貯蔵管理システム（ＥＳＭＳ）１１と、内燃エンジンまたはヒートエンジン１２と、エンジン１２に連結されているトランスミッション１４と、差動装置１６と、トランスミッション１４と差動装置１６との間に連結されているドライブシャフト組立体１８とを含む。ＥＳＭＳ１１がプラグインハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ）内に示されているが、本発明の実施形態によれば、ＥＳＭＳ１１は、ＨＥＶまたはＥＶまたはパルス負荷を作動させるのに使用される他のパワーエレクトロニクス駆動装置（ｐｏｗｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｄｒｉｖｅ）などのいかなる電気自動車にも適用可能であることが分かる。種々の実施形態によれば、エンジン１２は、例として内燃ガソリンエンジン、内燃ディーゼルエンジン、外燃エンジン、またはガスタービンエンジンであってもよい。ＥＳＭＳ１１は、エンジン１２の作動を制御するために設けられているエンジンコントローラ２０を含む。一実施形態によれば、エンジンコントローラ２０は、エンジン１２の作動状態を感知するように構成されている１つまたは複数のセンサ２２を含む。センサ２２には、例としてｒｐｍセンサ、トルクセンサ、酸素センサ、温度センサが含まれてもよい。したがって、エンジンコントローラ２０は、エンジン１２からデータを受信または送信するように構成されている。自動車１０はまた、エンジン１２のクランクシャフトスピードを測定するエンジンスピードセンサ（図示せず）を含む。一実施形態によれば、スピードセンサは、１秒当たりのパルスでタコメータ（図示せず）からエンジンクランクシャフトスピードを測定してもよく、それは、１分当たりの回転数（ｒｐｍ）信号に変換されてもよい。
【0016】
自動車１０はまた、差動装置１６の各端部に連結されている少なくとも２つのホイール２４を含む。一実施形態では、自動車１０は、差動装置１６が自動車１０の後端部近くに配置されておりかつホイール２４の少なくとも１つを駆動するように構成されているように、後輪駆動車として構成されている。適宜、自動車１０は、前輪駆動車として構成されていてもよい。
【0017】
一実施形態では、トランスミッション１４は、エンジン１２から受け取った入力トルクが複数のギア比により増大しかつドライブシャフト組立体１８を介して差動装置１６に伝達されるように複数のギアを含む、手動トランスミッションである。そのような実施形態によれば、自動車１０は、エンジン１２とトランスミッション１４とを選択的に接続し切断するように構成されているクラッチ（図示せず）を含む。
【0018】
自動車１０はまた、エンジン１２により生成されたトルクがトランスミッション１４および電気モータまたは電気モータ／発電機ユニット２６を介して差動装置１６へ伝達されるように、トランスミッション１４と差動装置１６との間にドライブシャフト組立体１８に沿って連結されている電気モータまたは電気モータ／発電機ユニット２６などの電子機械デバイスを含む。スピードセンサ（図示せず）が、電気モータ２６の作動速度をモニタするために含まれていてもよい。一実施形態によれば、電気モータ２６は、トランスミッション１４に直接連結されており、ドライブシャフト組立体１８は、差動装置１６に連結されている１本の車軸またはドライブシャフトを含む。
【0019】
ハイブリッド駆動制御システムまたはトルクコントローラ２８が、電気モータ２６の作動を制御するために設けられており、モータ／発電機ユニット２６に連結されている。エネルギー貯蔵システム３０が、例としてトルクコントローラ２８に連結されており、低電圧エネルギー貯蔵部またはエネルギー電池３２と、高電圧エネルギー貯蔵部または出力電池（ｐｏｗｅｒ ｂａｔｔｅｒｙ）３４と、ウルトラキャパシタ３６とを含む。しかし、低電圧エネルギー貯蔵部３２と、高電圧エネルギー貯蔵部３４と、ウルトラキャパシタ３６とが示されているが、エネルギー貯蔵システム３０は、当該技術分野では理解される通り、例としてナトリウム金属ハロゲン化物電池、ナトリウム塩化ニッケル電池、ナトリウム硫黄電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、ニッケルカドミウム電池、複数のウルトラキャパシタセル、ウルトラキャパシタと電池との組合せ、または燃料電池などの、複数のエネルギー貯蔵ユニットを含んでいてもよいことを理解すべきである。また、アクセルペダル３８とブレーキペダル４０とが、自動車１０に含まれていてもよい。アクセルペダル３８は、スロットル命令信号またはアクセルペダル信号をエンジンコントローラ２０およびトルクコントローラ２８へ送信するように構成されている。
【0020】
本発明の実施形態によれば、システム１０は、エネルギー貯蔵システム３０のエネルギー貯蔵ユニット３２〜３６に連結されている充電器４２を含む。本発明の実施形態によれば、充電器４２は、図示の通り、複数のエネルギー貯蔵システム３２〜３６に連結されていてもよく、充電器４２は、２つが示されている１つまたは複数の電力入力線４４に連結されていてもよい。すなわち、充電器４２は本発明の実施形態を例証しており、本発明の使用を例証している実施形態によれば、充電器４２は、１つまたは複数のエネルギー貯蔵システムに連結されていてもよく、充電器４２は、１つまたは複数の電力入力システム４４に連結されていてもよい。充電器４２は、検討される通り、充電器４２のＤＣ電気デバイスまたはバックブーストモジュールに選択的に係合しそれから外れるように構成されているコントローラ４６を含む。
【0021】
充電器４２がエネルギー貯蔵システム３２〜３６に連結されているように示されており、充電器４２が１つまたは複数の電力入力線４４に連結されているように示されているが、本発明の実施形態がそのように限定される訳ではないことを理解すべきである。代わりに、充電器４２は、いくつかが後の図に示されている複数の様々な種類のエネルギー貯蔵システムおよび電力入力部に連結されていてもよいことを理解すべきである。さらに、１台の自動車につき複数の充電器４２が並列接続で存在してもよいこと、またはそれぞれがそれに連結されている充電器４２を有する自動車１０の各ホイール２４に適用される電力系統が存在してもよいことを理解すべきである。
【0022】
作動中、エネルギーが、内燃エンジンまたはヒートエンジン１２からトランスミッション１４を介してドライブシャフト組立体１８に供給されてもよく、エネルギーが、エネルギー貯蔵システム３２〜３６を含む可能性があるエネルギー貯蔵システム３０から引き出されたエネルギーを有する駆動制御システム２８を介して、ドライブシャフト組立体１８に供給されてもよいことが、当該技術分野では理解される。したがって、当該技術分野では理解される通り、エネルギーが、例として、例えば電池を含んでいてもよい高電圧貯蔵デバイス３４から、またはウルトラキャパシタ３６から、自動車１０のブーストまたは加速のために取り出されてもよい。走行（すなわち、一般に非加速運転）中、エネルギーが、低電圧エネルギー貯蔵部３２などの低電圧貯蔵デバイスを介して、自動車１０のために取り出されてもよい。
【0023】
作動中、当該技術分野では理解される通り、エネルギーが、エネルギー貯蔵部３０を充電するかまたはドライブシャフト組立体１８に動力を供給するために、内燃またはヒートエンジン１２から取り出されてもよい。さらに、いくつかのシステムは、エネルギーが制動動作から回収されかつエネルギー貯蔵部３０を再充電するのに使用されてもよい、再生動作（ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）を含む。さらに、いくつかのシステムは、制動から再生エネルギーを回収しない可能性があり、いくつかのシステムは、内燃エンジンまたはヒートエンジン１２などのヒートエンジンを設けない可能性がある。いくつかのシステムのエネルギー貯蔵部３０を再充電する能力にも関わらず、エネルギー貯蔵部３０は、例として１１５Ｖの家庭用供給源または２３０Ｖの３相電源などの外部電源からの再充電を、定期的に必要とする。エネルギー貯蔵部３０を再充電する必要性は、動力を供給するヒートエンジンを有さず、かつ広い範囲の駆動動作を有するプラグインハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ）では特に重大である。
【0024】
このように、本発明の実施形態は、複数のエネルギーポートを有して、融通性がありかつ構成可能であり、１つまたは複数のエネルギー貯蔵部型を充電するために、複数の電源および電源型に連結されていてもよい。さらに、例証される通り、本発明の実施形態は、完全に使い果たされておりかつ電源電圧より下の始動電圧を有するエネルギー貯蔵ユニットの充電を可能にし、本発明の実施形態は、電源電圧を超過している電圧までエネルギー貯蔵ユニットの充電を可能にする。
【0025】
最新のＰＨＥＶおよびＥＶの要求を満たすために、インフラは、２時間または３時間の充電時間（家庭充電）で、（２５ｋＷｈ電池を仮定して）８０％の充電状態（ＳＯＣ）ゲインを達成するために、通常７ｋＷを供給すべきである。より強引な急停車急速充電の状況（例えば、「ガソリンスタンド」）では、著しくより高い電力レベルが、１０分間で所望の８０％のＳＯＣを達成するために必要とされる可能性がある。車両インターフェース（ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）は、既存の基準に従って設計される必要がある。パイロット信号が、そのデューティサイクルにより最大許容電力を決定する。高度の統合に加えて、また、提案されているシステムにより、機器の単相または三相ＡＣ入力、高効率、低高調波、略単一の入力力率、低コスト、低重量、および安全インターロックがもたらされる。当該技術分野では既知の通り、力率補正（ＰＦＣ）要件が、ＩＥＣ／ＩＳＯ／ＩＥＥＥ方針の高調波電流規則により強く推進される可能性がある。
【0026】
３つの双方向バックブースト段と充電器フロントエンドから成る統合充電器ユニットを備えたエネルギー管理システムが、後の図に示されている。システムはまた、高圧ＤＣおよび標準ＡＣの差込み口充電のための充電器モジュールを含む。
【0027】
本発明は、従来の電気自動車（ＥＶ）およびグリッド充電ハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ）に適用可能である。グリッド充電ＨＥＶは、一定数のマイル（すなわち、ＰＨＥＶ２０、ＰＨＥＶ４０、ＰＨＥＶ６０）だけ自動車を駆動させる選択肢を提供する。伝統的に、ＰＨＥＶの目標は、高いオール電力走行（ＡＥＲ）能力を提供して運転コストを下げ、経営戦略を最適化することができることである。バックブースト段に関して、充電器のフロントエンドおよびインターフェースは、ＥＶまたはＰＨＥＶ用途のために設計される場合、一般に違いがない。ＤＣ／ＤＣコンバータの役割は、継続的なピーク電力需要に対して信頼できる、２つ以上のエネルギー源間の効率的なエネルギー移送である。充電器ユニットの統合は、より少ない構成要素を備えたより高い出力密度の設計およびしたがってより高い信頼性に向かう次のステップである。したがって、本発明の実施形態は、例としてオール電力ハイブリッド電気自動車を含む、一般に広く「ＥＶ」と表される複数の電気自動車に適用可能である。そのようなＥＶには、自動車の動きを生じさせる電気構成要素を含む電気系統を有することができる路上走行車、ゴルフカート、列車等が含まれる可能性があるが、それらに限定されない。
【0028】
従来の実施では、一般に、別個の充電器、相互に接続されている電池管理制御ユニットを含むために、多数の別個のユニットが共存する。進化した電池を用いた自動車環境では、充電器と電池との間の通信または異なる供給メーカからの他の自動車システムのシームレス統合が、考慮すべき重要な事柄である。統合充電器を備えたエネルギー管理システムは、必要とされる統合の苦労が殆どなくかつより少ない構成要素によって信頼性が向上するという側面で有利である。
【0029】
ここで図２を参照すると、充電器４２などの、構成可能な複数ポート統合充電器アーキテクチャ、エネルギー貯蔵管理システム（ＥＳＭＳ、またはエネルギー管理システム（ＥＭＳ）とも呼ばれる）１００が、４つのエネルギーポート１０２と、それぞれモジュール１、２、３としての３つのＤＣ電気変換デバイスまたはバックブーストコンバータ１０４、１０６、１０８とを有して示されている。当該技術分野では既知の通り、バックブーストコンバータ１０４〜１０８は、第１の方向１１０に、それに電気エネルギーを流すことによるバックモード（バックブーストコンバータ１０４に関して示されているが、コンバータ１０６および１０８にも等しく適用可能である）、または第２の方向１１２に、それに電気エネルギーを流すことによるブーストモード（やはり、バックブーストコンバータ１０４に関して示されているが、コンバータ１０６および１０８にも等しく適用可能である）のどちらかで動作するように構成されていてもよい。図示の通り、エネルギーポート１０２が、それに取り付けられているかまたは電気的に結合されている第１のユニット１１６を有するように構成可能な第１のエネルギーポート１１４を含む。同様に、エネルギーポート１０２は、それに取り付けられているかまたは電気的に結合されているそれぞれ第２のユニット１２４、第３のユニット１２６、および第４のユニット１２８を有するように構成可能なエネルギーポート１１８、１２０、１２２を含む。
【0030】
本発明によれば、充電器は、完全に自動車設計の一部であり、車載式に取り付けられている。統合車載型充電器は、例えば、充電するためにそれに接続されているデバイスの充電状態（ＳＯＣ）の結果として、入力電流を継続的に調節することができる。統合充電器エネルギー管理システムには、最小数の標準構成要素が備え付けられており、したがって、最小コストで、複数のエネルギー貯蔵システムおよびシステム型を効率的に充電することができる。一実施形態では、図示の基本モジュールの各々には、以下に記載されている種々の機能を実施しかつポートの絶縁を可能にする付加的な接触器が１つだけ、さらに備え付けられている。適切な充電アルゴリズムと併せて、図２の３つの個々のモジュールＭ１からＭ３の構成は、整流ＡＣからまたは直接ＤＣ電源から、ＥＳＭＳのポートに接続されている異なるエネルギー貯蔵ユニットまで、エネルギー移送を可能にする。
【0031】
例証される通り、図２のＥＳＭＳ１００は、同時にまたは一斉に、（例として、低電圧エネルギー電池、高電圧電池、ウルトラキャパシタを含む）最多３つのエネルギー源まで充電するように構成されていてもよい。ＥＳＭＳ１００は、リップル電流を減少させるために、交互配置されるように構成されているモジュールを中に有していてもよい。ＥＳＭＳ１００はまた、異なる電池技術および貯蔵デバイス型に対して、例として、ＳＯＣと温度の関数としての複数の充電プロファイルを有することができる。ＥＳＭＳ１００は、図１のコントローラ４６などのコントローラにより集中的に制御される集中エネルギー流制御を含み、ＥＳＭＳ１００は、広範な入力電圧および出力電圧を管理することができる。
【0032】
図１および図２のＥＳＭＳ１００は、表２００として図３に示されている複数の構成で構成可能である。ＥＳＭＳ１００の各構成は、当該技術分野では理解される通り、接触器（図示せず）により選択可能であってもよく、ポート１０２に接続されているエネルギー貯蔵デバイスおよび充電デバイスの両方の存在を感知することができかつエネルギーの流れの方向を適宜調節することができる、ハイブリッド自動車１０のコントローラ４６において実施されるＥＳＭＳ制御アルゴリズムにより、エネルギーの流れが制御される。例えば、制御アルゴリズムは、エネルギー貯蔵デバイスまたは電気充電システム（例として、ＤＣまたは調整ＡＣ）が連結されている各ポートの電圧を決定してもよく、（例として）決定された電圧および測定された周波数または両方に基づいて、ＥＳＭＳ１００を適宜動作させてもよい。整流器を含む利点は、間違った極性を有してＤＣが接続された場合でも、整流器が保護を行ない、単相整流器が使用された場合でも、またはＤＣ入力が３相整流器に３相入力のうちの２つに使用された場合でも、整流器が保護を行なうことである。
【0033】
統合広入力範囲充電器を備えたシングル電池図４に示されている第１の構成２０２によれば、ＥＭＳまたはＥＳＭＳは、ポート１に接続されているように示されている低電圧電池２０４と、ポート２に接続されているウルトラキャパシタバンク２０６とを含む。この構成では、ＥＶの主エネルギー貯蔵ユニットを示すシングル低電圧電池が、ポート１に接続されている。高電圧ポート２は、ウルトラキャパシタバンクに、またはちょうどモータインバータに供給しているＤＣリンクコンデンサに接続されている。本発明の実施形態によれば、充電ユニット２０８が、ＤＣ電源または調整ＡＣ電源を含んでいてもよいポート３に接続されている。この事例では、ポート３における充電入力電圧がポート１のエネルギー電池２０４より高い場合、モジュール２は、バックモードで動作する。
【0034】
２つの事例が検討されてもよい。第１に、ポート１のエネルギー電池の公称電圧が最低充電器入力電圧より低い場合、充電アルゴリズムは、たった今記載された通りに作用する。第２に、電池２０４の公称電圧が充電器２０８の入力電圧より高い場合、モジュール２ ２１０が永続的に伝導し、モジュール１ ２１２がブーストモードで動作し、モジュール３ ２１４がバックモードで動作して、電池２０４を充電する。
【0035】
この部分（図示せず）の第２の構成では、代わりに、エネルギー／出力電池がポート２に接続されていてもよい。ＥＳＭＳの残りのポートは、浮いたままである。この場合、瞬間電圧レベル（ＳＯＣ）に応じて、２つの事例が検討される。通常のＳＯＣレベルでは、Ｖ2（ポート２の電圧）がＶ3（ポート３の電圧、充電器入力）より高く、モジュール２は永続的に伝導し、モジュール１はブーストモードで動作する。電池のＳＯＣが低い（Ｖ2＜Ｖ3）事例では、モジュール２はバックモードで動作し、モジュール１はブーストモードで動作する。
【0036】
統合広入力範囲充電器を備えたデュアル電池ここで図５を参照すると、この構成では、ポート１のエネルギー電池２５０が、ＥＶの主エネルギー貯蔵ユニットを示し、高電圧または出力電池２５２が、ポート２に接続されている。統合広入力電圧範囲充電器により、両電池２５０、２５２の独立した充電または同時の充電が可能になる。ポート１のエネルギー電池２５０は、通常、出力（ブースト）電池２５２より低い公称電圧を有する。しかし、この構成では、ポート１またはポート２の電圧が非常に低い場合でも、やはり充電は可能である。これは、２つの電池（エネルギー側２５０または出力側２５２）のどちらか一方が完全に充電されている場合の事例であると考えられる。モジュール２ ２５４はバックモードで動作し、モジュール１ ２５６はブーストモードで動作する。充電入力２５８（ＤＣまたは調整ＡＣ）の電圧がポート１の電圧より低い場合、モジュール２ ２１０はいつでもオンになっており、モジュール１ ２５６は、ポート２の電圧レベルに上昇し、モジュール３ ２６０は、ポート１のエネルギー電池２５０を充電する。
【0037】
図５は調整ＡＣ電源からの充電構成を示しているが、単に充電に比較的低い電圧を使用することができるに過ぎないように誤解を招く恐れがある。実際、使用されたポート（充電に、ポート３）は、電圧レベルに関してわずかな制限しかない。例えば、ポート４は、やはりデバイス依存性の可能性がある全体的な充電システム２６２の最大までの電圧を可能にする。したがって、図５の図示の構成は、比較的高い電圧で充電することができる（例えば、ＩＥＣモード４：４００ＶＤＣ）。
【0038】
本発明の実施形態により、１つより多い充電源からエネルギー貯蔵デバイスを同時に充電することが可能になる。一例では、図６Ａに示されている通り、第２の充電システムがＥＳＭＳに結合されていてもよい。このように、図６Ａは、ＥＳＭＳの切り取った下部を示す。前段で例証されている実施形態では、ＥＶ用途には、ポート４が自由に使用できる２つのエネルギー貯蔵ユニットと、ＤＣ電源または調整ＡＣ電源２６４とが含まれる。しかし、本発明の実施形態によれば、図示の通り、調整ＡＣ電源２６６がポート４に連結されていてもよく、それにより、第２の差込み口からのより速い充電が可能になる。したがって、本発明の実施形態によれば、ポート３およびポート４は、例えば図４および図５のポート１およびポート２に連結されている貯蔵デバイスを充電するために、それに連結されている各電源を有するように構成されていてもよい。しかし、図６Ｂは、それに連結されている調整ＡＣ電源２６６と、ポート３に連結されているＤＣ電源２６８とを有する代替の実施形態を示す。
【0039】
ＡＣ電源およびＤＣ電源などの複数電源を用いた同時充電の１つの利点は、既に標準である（または標準となる可能性があると期待される）もの以上に充電コネクタを一時的に増やす必要なく高出力の迅速な充電を実施することができることである。例えば、ＡＣ電源と関連の対となるコネクタとがレベル２、例えば２２ｋＷ、用に設計され、かつＤＣ電源と関連の対となるコネクタとが例えば約５０ｋＷでのレベル３またはもしかするとレベル４のＤＣ迅速充電用に設計された場合、本発明の実施形態を用いる、ＡＣ電源およびＤＣ電源の両方からの同時充電は、（充電ステーションがこれらの電力レベルを維持することができると仮定して）標準的な充電器コネクタユニットを使用することにより、７２ｋＷで実施することができる。この特徴がなくても、最大充電は、レベル２のＡＣ充電コネクタにより約２２ｋＷ、またはレベル３またはレベル４のＤＣ充電コネクタにより５０ｋＷである可能性がある。さらに、自動車にレベル２の３相充電コネクタのみが備え付けられている場合、ＥＳＭＳ内部の制御を、コネクタに対する特定の電流能力に応じて、ＤＣ入力部が３つの入力端子のうちの２つに接続されておりかつレベル２で最大２２ｋＷの充電レベルまで動作するように制御されることを可能にするように実施することができると考えられる。例えば２２ｋＷでの３相レベル２ＡＣ入力および約７．４ｋＷでの単相レベル２ＡＣなど、自動車にＡＣ充電コネクタのみが備え付けられている別の事例では、両ＡＣコネクタを使用する同時充電は、約２９．４ｋＷレベルで実現され得ると考えられる。
【0040】
統合広入力範囲充電器を備えたトリプル電池図７を参照すると、実施形態による、広電圧範囲入力部からの充電を可能にするトリプルエネルギー貯蔵構成が示されている。図示の構成によれば、ＥＭＳまたはＥＳＭＳ３００が、ポート１に連結されている第１の低電圧電池３０２と、ポート４に連結されている第２の低電圧電池３０４と、ポート２に連結されている高電圧またはブースト電池３０６と、ポート３に連結されているＤＣ電源または調整ＡＣ電源３０８とを含む。一例では、電源３０８は、不正な極性を有してポート３を横断して不注意に接続することに対して防護することができる調整ＤＣ電源である。一例では、第２の低電圧電池３０４は、セーフティクリティカルな用途のためのより高レベルの重複性を可能にする予備エネルギー電池であってもよい。
【0041】
低電圧充電器を備えたブースト電池図８を参照すると、２つのブースト電池３１０、３１２が、ポート４に連結されているＤＣ電源または調整ＡＣ電源３１４を使用して充電されてもよいそれぞれのポート２およびポート３に連結されていてもよい。このように、２つの高出力／高電圧エネルギー貯蔵ユニットを、ある程度のエネルギー管理が依然として維持されている一方で、最大ブースト性能を実現するために、並列接続することができる。但し、２つのユニットを単に並列接続する代わりに、電源供給能力が並列構成と類似している一方で、ＥＳＭＳ３１６が平衡段（ｂａｌａｎｃｉｎｇ ｓｔａｇｅ）の機能を果たす。
【0042】
統合広入力範囲充電器および交互配置を備えたデュアル電池図９を参照すると、ＥＭＳまたはＥＳＭＳ３５０が、図５を参照して前段で例証されているものと殆ど同様に、エネルギーデバイスに連結されている。したがって、低電圧電池３５２がポート１に連結されており、高電圧電池３５４がポート２に連結されており、調整ＡＣ電源またはＤＣ電源３５６がポート３に連結されている。但し、このモードでは、モジュール３ ３５８が、出力電流リップルを最小限にするために、ＥＳＭＳ３５０の動作中に交互配置するのに使用されている。
【0043】
すなわち、交互配置モードでは、出力が２つまたは３つのモジュール（モジュール１ ３６０、モジュール２ ３６２、およびモジュール３ ３５８）を通って移送され、図５のものと比較して、より小さい出力電流リップルを生じさせると同時に、磁性部品および他の構成要素のサイズが縮小される。２つのモジュールを用いた交互配置モードでは、モジュール１ ３６０とモジュール３ ３５８とが図９に示されているように接続されている。さらに、図１０は、典型的なパルス幅変調（ＰＷＭ）切替え３６４および電流波形３６６を示す。交互配置モードでは、モジュール２ ３６２に対するＰＷＭが、モジュール１ ３６０のＰＷＭ信号に対してちょうど時間的にＴｓ／２だけシフトされた周波数で略類似している。３つのモジュールは交互配置で動作し、モジュール２ ３６２およびモジュール３ ３５８に対するＰＷＭ信号はそれぞれ、Ｔｓ／３および２Ｔｓ／３だけシフトされる。
【0045】
最初に図１１を参照すると、簡単にするために、制御電子構成要素が省かれている。このように、ＥＳＭＳ４００が、第１のバックブーストモジュール４０２と、第２のバックブーストモジュール４０４と、第３のバックブーストモジュール４０６とを例証する。ＥＳＭＳ４００はまた、それに連結されている低電圧電池を有するポート１ ４０８、それに連結されている高電圧ユニットを有するポート２ ４１０と、それに連結されている調整ＡＣ電圧またはＤＣ電圧を有するポート３ ４１２と、それに連結されている高電圧ウルトラキャパシタを有するポート４ ４１４とを例証する。このように、図示の例では、エネルギー貯蔵デバイスおよびエネルギー充電器が、一構成による動作を例証するために、ＥＳＭＳ４００に連結されている。しかし、検討されている通り、ＥＳＭＳ４００は、複数の充電器／エネルギー貯蔵装置に対応するために、多数の配置で構成されてもよい。したがって、上記の例証によれば、ＥＳＭＳ４００は、充電するための構成を実現するために、選択的に係合されるかまたは解放される接触器ＫＵ４１６と、ＫＶ４１８と、ＫＷ４２０と、ＵＰＯＳ４２２と、Ｍ４２４とを含む。
【0046】
３つのバックブーストモジュール４０２、４０４、４０６の各々は、ＩＧＢＴレッグ（上部および下部スイッチ）と、インダクタとを含む。高電圧ＤＣバスは、複数の電力用コンデンサにより緩衝される。各バックブーストコンバータ段の出力部には、インダクタ電流を測定する電流センサが備え付けられている。ポート３における電圧制限の表示が、米国およびヨーロッパの両方において、典型的な単相ＡＣ差込み口電圧により生じる。
【0047】
ＥＳＭＳ４００は、主要バスとしての接触器と個々のモジュールスイッチとを使用する。事前充電回路は、２つの電力抵抗器（例えば、１２０ｏｈｍ、１００Ｗ、ＲＨ−５０）と接触器またはＦＥＴとを使用して実現される。付加的な接触器（図１１のＵＰＯＳ４２２）が、２つの事例において役目を果たす。１つは、ポート１において電池の一定のＳＯＣ条件下にあり、２つ目は、モジュール１およびモジュール３の交互配置が可能になった場合である。図１１は、統合充電器を有するＥＳＭＳ４００の電圧および電流の感知点（ｓｅｎｓｅ ｐｏｉｎｔ）を示す。
【0048】
したがって、ここで図１２を参照すると、当業者は、特定の充電動作の制御が、接触器４１６〜４２４の選択的な係合および解放による可能性があることを理解するであろう。
【0049】
本明細書において例証されている構成では、複数ポートエネルギー管理が十分に機能的であることが分かるであろう。たとえ何らかの理由でシステムに別個の充電器を備え付けることが所望されている場合でも、複数ポートＥＳＭＳは、依然として、ポート１、２、および４間の最小限のエネルギー管理程度であるその機能を実施する。ＤＣリンクコンデンサの事前充電完了後、ＥＳＭＳは、個々の相状態の機械を手動モードに設定し、電流命令を設定し、接触器の状態のサニティチェック後に調節を開始する。
【0050】
ここで図１３を参照すると、図示のＥＳＭＳ４５０のポート３が、１相ＡＣ電源４５２から充電されてもよく、したがって、本発明の実施形態による簡単な高力率ブースト前置調整器を実現することができる。図１３に示されている通り、ＥＳＭＳ４５０が例えばポート３ ４５４の単相整流器に接続されている場合、モジュール１ ４５６およびモジュール２ ４５８が、高力率調整器モードで動作することにより使用される。したがって、図１３は、力率補正（ＰＦＣ）前置調整器を有する調整ＡＣ電源の簡単な手法を示し、Ｃinは小さい高周波バイパスコンデンサであり、Ｃoutは、大量貯蔵コンデンサまたはＤＣバスコンデンサである。
【0051】
このように、ＡＣモードの制御が実施している２つの基本的な機能がある。第１は、断流器またはブレーカにより制限される特定の最大量まで電力系統から引き出される最大充電電流を制限することである。第２に、ＰＦＣブースト段が電流を成形して、入力電流と入力電圧との間の位相角を最小限にする。図示の回路は、基本的に、入力電流（電流成形）を正確に制御することができる広入力範囲を備えたブーストコンバータである。入力電圧に対する波形および位相が、瞬時に制御される。ブースト段の出力部の所の比較的大きなコンデンサが、短いピークエネルギー需要を満たす一方、入力コンデンサは、数マイクロファラッドまで低減される。
【0052】
任意の所望のＥＭＩフィルタが、前の図面に示されていない。当該技術分野では理解される通り、ＥＭＩフィルタ構成要素は標準構成要素であり、対応するフロントエンドとＨＶＳＥに対する機械インターフェースとの間に連結される。
【0054】
付加的な実施形態では、図１３および図１４のＥＳＭＳポート３の統合充電器構成を、充電器入力部として使用することができる。ある種の充電制御が、対応する接触器状態ＫＵ=閉、ＫＶ＝開、ＫＷ＝開、ＵＰＯＳ＝開、およびＭ＝閉を有して、図１２に示されている電圧レベルによって決まる。
【0055】
図１５および図１６を参照すると、２つの充電構成のエネルギーの流れが示されている。最初に図１５を参照すると、エネルギーは、ポート３ ４６４に配置されている充電器（図示せず）から、モジュール２ ４６６まで、かつブーストモードで動作しているモジュール１ ４６８まで流れることになる。したがって、ＤＣ電源が、ＫＶおよびＫＷが開いていることを確実にすることにより、ポート２ ４７０の高電圧出力まで上げられてもよい。
【0056】
図１６に示されている別の例では、ポート１ ４７２およびポート４ ４７４が、ポート３ ４７６に連結されているＤＣ電源（図示せず）から同時に充電されてもよい。例として、図１６に関して、２つの事例が検討されてもよい。
【0057】
事例１：ポート３ ４７６の入力電圧が、ポート１ ４７２の電池電圧より高い。この事例では、モジュール２ ４７８がバックモードで動作し、ＬＵの電流ＩＬ４ ４８０が調節される。接触器ＫＵ４８２およびＫＶ４８４が閉じている一方、Ｍ４８６、ＫＷ４８８およびＵＰＯＳ４９０が開いている。
【0058】
事例２：ポート３ ４７６の入力電圧が、ポート１ ４７２の電池電圧より低い。この事例では、接触器ＫＵ４８２、Ｍ４８６およびＵＰＯＳ４９０が閉じている一方、ＫＶ４８４およびＫＷ４８８が開いている。モジュール２ ４７８が動作しておらず（Ｍ２Ｕが永続的にオンであり）、モジュール１ ４９２がブーストモードで動作して、低入力電圧を何らかのより高いレベルまで上昇させる。モジュール３ ４９４が、この電圧を、ポート１ ４７２のエネルギー電池の設定電圧まで戻して降下させる。ＬＷの電流ＩＬ２ ４９６が、閉ループ式に制御される。
【0059】
現在の市販のＥＶ自動車およびＰＨＥＶ自動車では、エネルギーおよびＥモータのドライブトレーンが、通常、異なる供給メーカからの構成要素を含む。結果として、システムに多くの単一点障害の可能性を伴って、多数のユニットが重複する。したがって、本発明の実施形態によれば、３つまたは４つの管理ユニットの代わりに１つへ機能を統合することにより、信頼性の向上がもたらされる。例えば電池セル挙動の優れた知識が利用可能な電池製造業者のそれぞれによる、ＥＳＭＳと充電器機能との統合が望ましい。さらに、言及された通り、ＥＶが具体的に言及されているが、本発明の実施形態は、同様にＰＨＥＶまたはシリーズハイブリッドに用いられてもよい。この場合、左側のポートの１つを、充電維持モード（ｃｈａｒｇｅ ｓｕｓｔａｉｎｉｎｇ ｍｏｄｅ）で動作することができる補助電源装置（ＡＰＵ：Ａｕｘｉｌｉａｒｙ Ｐｏｗｅｒ Ｕｎｉｔ）からのエネルギーを移送するのに使用することができると考えられる。別の実施形態では、本発明の実施形態はまた、ＩＣＥのＡＰＵが自動車（シリーズハイブリッドモード）を駆動させるのに十分に大きい厳密なシリーズハイブリッド構成において使用することができると考えられる。このように、ここで図１７を参照すると、実施形態によれば、ＥＳＭＳ５００は、ポート１に連結されている内燃エンジン（ＩＣＥ）５０２からの電気出力部と、ポート４に連結されているＬＶ電池５０６または調整ＡＣ電源５０６のどちらかとを含む。例えば、一実施形態では、ＩＣＥ５０２からの電気出力部は、ＤＣ電力を出力するオルタネータであってもよい。出力電池５０８が、ポート２に連結されており、ＡＣ電源またはＤＣ電源５１０が、ポート３に連結されていてもよい。したがって、ＩＣＥ５０２から生じる電力を得て、自動車の一充電走行距離が延長され、したがって、ＥＳＭＳ５００は、別個のポートからエネルギー貯蔵システムを充電する能力をもたらすと同時に、自動車の一充電走行距離の延長のための融通性をもたらす。
【0060】
開示された装置の技術的な貢献は、それが、電気自動車のエネルギー貯蔵デバイスを充電するためのコントローラ実施型の技術を提供することである。
【0061】
本発明の一実施形態によれば、エネルギー貯蔵管理システム（ＥＳＭＳ）は、自動車のドライブトレーンに連結されておりかつＤＣエネルギーを貯蔵するように構成されている１つまたは複数のエネルギー貯蔵デバイスと、複数のエネルギーポートを有するパワーエレクトロニクス変換システムであり、該パワーエレクトロニクス変換システムは、複数のＤＣ電気コンバータを含み、各ＤＣ電気コンバータは、ＤＣ電圧を上げるかまたは下げるように構成されており、複数のエネルギーポートの各々は、１つまたは複数のエネルギー貯蔵デバイスの各々に連結可能であり、複数のエネルギーポートの各々は、電気充電システムに連結可能である、パワーエレクトロニクス変換システムと、を含む。ＥＶは、ＤＣ電気コンバータの少なくとも１つが、各エネルギーポートの決定された電圧に基づいてＤＣ電圧を上げるかまたは下げるかのどちらかをするように、エネルギー貯蔵デバイスまたはＤＣ電気充電システムのどちらかをそれに連結させておりかつエネルギーポートの少なくとも２つの第１のエネルギーポートを第２のエネルギーポートへ電気的に接続させる各エネルギーポートの電圧を決定するように構成されているコントローラを含む。
【0062】
本発明の別の実施形態によれば、エネルギー貯蔵管理システム（ＥＳＭＳ）を製造する方法が、１つまたは複数のエネルギー貯蔵デバイスを自動車のパワートレーンに連結させるステップと、複数のバックブーストコンバータを有する充電デバイスを製造するステップと、充電デバイスを自動車に取り付けるステップであり、充電デバイスは複数のエネルギーポートを含み、複数のエネルギーポートの各々は１つまたは複数のエネルギー貯蔵デバイスの各々に連結可能である、取り付けるステップと、複数のエネルギーポートの各々を通る電圧を感知するステップと、感知された電圧に基づいて、エネルギー貯蔵デバイスおよび電気充電システムが複数のエネルギーポートのいずれかに連結されているかどうかを判定するステップと、電流を選択的に方向付けて、複数のバックブーストコンバータの１つまたは複数を通して流すことにより、エネルギー貯蔵デバイスを有する複数のエネルギーポートのいずれかに電気充電システムを電気的に接続するステップと、を含む。
【0063】
本発明のさらに別の実施形態によれば、エネルギー貯蔵管理システム（ＥＳＭＳ）上に配置されておりかつコンピュータプログラムをそれに格納した非一時的コンピュータ可読記憶媒体が、コンピュータにより実行された場合にＥＳＭＳ上に配置されている複数ポートの電力変換システムの各エネルギーポートの電圧をコンピュータに決定させる命令を含み、少なくとも２つのエネルギーポートの第１から少なくとも２つのエネルギーポートの第２へ、少なくとも２つのバックブーストコンバータを通って電気エネルギーが通過するように、少なくとも２つのエネルギーポートを電気的に接続し、少なくとも２つのバックブーストコンバータの第１のバックブーストコンバータは、ブーストモードで動作するように構成されており、少なくとも２つのバックブーストコンバータの第２のバックブーストコンバータは、バックモードで動作するように構成されている。
【0064】
本発明は、限られた数の実施形態のみに関連して詳細に記載されてきたが、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が、容易に理解されるはずである。むしろ、本発明は、前述されていないが本発明の精神および範囲に見合う、任意の数の変形形態、代替形態、置換形態、または等価の装置を援用するように修正することができる。さらに、本発明の種々の実施形態が記載されたが、本発明の態様は、記載された実施形態のいくつかのみを含んでもよいことを理解すべきである。したがって、本発明は、上記記載により限定されていると見なされるべきではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【0065】
１、２、３ モジュール１、２、３、４ ポート
４ ＩＥＣモード
２、３、４ レベル
１０ ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）／電気自動車（ＥＶ）
１１、１００、３００、３１６、３５０、４００、４５０、５００ エネルギー貯蔵管理システム（ＥＳＭＳ）／エネルギー管理システム（ＥＭＳ）
１２ 内燃エンジン／ヒートエンジン
１４ トランスミッション
１６ 差動装置
１８ ドライブシャフト組立体
２０ エンジンコントローラ
２２ センサ
２４ ホイール
２６ 電気モータ／発電機ユニット
２８ ハイブリッド駆動制御システム／トルクコントローラ
３０ エネルギー貯蔵システム
３２ 低電圧エネルギー貯蔵部／エネルギー電池
３４ 高電圧エネルギー貯蔵部／出力電池／高電圧貯蔵デバイス
３６ ウルトラキャパシタ
３８ アクセルペダル
４０ ブレーキペダル
４２ 充電器
４４ 電力入力線／電力入力システム
４６ コントローラ
１０２、１１４、１１８、１２０、１２２ エネルギーポート
１０４、１０６、１０８ ＤＣ電気変換デバイス／バックブーストコンバータ
１１０、１１２ 方向
１１６、１２４、１２６、１２８ ユニット
２０２ 構成
２０４、３０２、３０４、３５２ 低電圧電池
２０６ ウルトラキャパシタバンク
２０８ 充電ユニット／充電器
２１０、２５４、３６２、４５８、４６６、４７８ モジュール２
２１２、２５６、３６０、４５６、４６８、４９２ モジュール１
２１４、２６０、３５８、４９４ モジュール３
２５０ エネルギー電池
２５２ 高電圧または出力電池
２５８ 充電入力
２６２ 充電システム
２６４、３０８、３１４、３５６ ＤＣ電源／調整ＡＣ電源
２６６ 調整ＡＣ電源
２６８ ＤＣ電源
３０６ 高電圧またはブースト電池
３１０、３１２ ブースト電池
３５４ 高電圧電池
３６４ パルス幅変調（ＰＷＭ）切替え
３６６ 電流波形
４０２、４０４、４０６ バックブーストモジュール
４０８、４７２ ポート１
４１０、４７０ ポート２
４１２、４５４、４６４、４７６ ポート３
４１４、４７４ ポート４
４１６、４８２ 接触器ＫＵ
４１８、４８４ 接触器ＫＶ
４２０、４８８ 接触器ＫＷ
４２２、４９０ 接触器ＵＰＯＳ
４２４、４８６ 接触器Ｍ
４５２ １相ＡＣ電源
４６０ 調整器フロントエンド
４６２ ３相充電器入力部
４８０ ＬＵの電流ＩＬ４
４９６ ＬＷの電流ＩＬ２
５０２ 内燃エンジン（ＩＣＥ）
５０６ ＬＶ電池／調整ＡＣ電源
５０８ 出力電池
５１０ ＡＣ電源／ＤＣ電源
Ｃin 小さい高周波バイパスコンデンサ
Ｃout 大量貯蔵コンデンサ／ＤＣバスコンデンサ
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３ モジュール
Ｍ２Ｕ モジュール２の上部スイッチ
Ｖ2、Ｖ3 電圧