(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-04-27
(54)【発明の名称】複数ポート電力変換器デバイス
(51)【国際特許分類】
H02J 7/34 20060101AFI20220420BHJP
H02J 7/00 20060101ALI20220420BHJP
H02J 7/35 20060101ALI20220420BHJP
H02J 3/32 20060101ALI20220420BHJP
H02J 3/38 20060101ALI20220420BHJP
H02J 3/46 20060101ALI20220420BHJP
B60L 53/67 20190101ALI20220420BHJP
B60L 55/00 20190101ALI20220420BHJP
B60L 53/51 20190101ALI20220420BHJP
B60L 53/55 20190101ALI20220420BHJP
【ＦＩ】
H02J7/34 J
H02J7/00 P
H02J7/35
H02J3/32
H02J3/38 130
H02J3/46
B60L53/67
B60L55/00
B60L53/51
B60L53/55
【審査請求】未請求
【予備審査請求】有
(21)【出願番号】P 2021553793
(86)(22)【出願日】2020-03-12
(85)【翻訳文提出日】2021-11-02
(86)【国際出願番号】 CA2020050334
(87)【国際公開番号】W WO2020181384
(87)【国際公開日】2020-09-17
(31)【優先権主張番号】62/817,104
(32)【優先日】2019-03-12
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】521146436
【氏名又は名称】ディーシーベル インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110000855
【氏名又は名称】特許業務法人浅村特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】イブラヒム、ピーター
(72)【発明者】
【氏名】ヴァヘディ、ハニ
(72)【発明者】
【氏名】デシェーネ、ジャン － ユーグ
(72)【発明者】
【氏名】フォルゲ、マルク － アンドレ
【テーマコード（参考）】
5G066
5G503
5H125
【Ｆターム（参考）】
5G066HA15
5G066HB06
5G066HB09
5G066JB03
5G066MA02
5G503AA01
5G503BB01
5G503CC02
5G503CC08
5G503DA07
5G503DA16
5G503DA17
5G503DA18
5G503FA06
5G503GB03
5G503GB06
5G503GD03
5G503GD04
5H125AA01
5H125AC12
5H125AC23
5H125BC21
5H125BC24
5H125BE01
5H125DD02
5H125FF14
(57)【要約】
本開示は、本開示の異なる実施例による、複数のポートからＡＣ及びＤＣ電力を受け取り、ＡＣ及びＤＣ電力を複数のポートに供給することが可能な双方向電力変換器を提供する。ＡＣ又はＤＣ入力は電力を受け取り、少なくとも２つの電力変換回路が、複数のポートにおいてＤＣ又はＡＣ電流を与える、接続するための複数のスイッチとともに働く。電力変換回路は、整流器インバータであり得、複数のコネクタを有するバックプレーンを介してＡＣポート及びＤＣポートに接続するモジュール形態を有し得る。本装置はまた、バック／ブースト回路を使用してＤＣ－ＤＣ変換を行い得る。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ＡＣ電力に接続するためのＡＣポートと、複数のＤＣポートと、
前記ＡＣポートに接続されたＡＣ入力、及び可変電圧ＤＣ出力を有する少なくとも２つの電力変換回路と、
前記ＤＣポートのうちの選択された１つ又は複数を前記電力変換回路の前記ＤＣ出力のうちの選択されたものに接続するための複数のスイッチと
を備える、電力変換装置。
【請求項2】
前記スイッチが、ＤＣ電力を受け取る前記複数のＤＣポートの第１のポートと、前記第１のポートにおいて受け取られた前記ＤＣ電力とは異なる電圧においてＤＣ電力を供給するための前記複数のＤＣポートの第２のポートとに接続するように構成された、ＤＣ－ＤＣ変換回路をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項3】
前記第１のポート及び前記第２のポートが前記少なくとも２つの電力変換回路上に位置する、請求項２に記載の装置。
【請求項4】
前記第１のポートと前記第２のポートとが同じ電力変換回路上に位置する、請求項２に記載の装置。
【請求項5】
前記複数のＤＣポートが、２つの電気車両からのＤＣ電流を与え、受け取るための少なくとも２つの電気車両接続を備える、請求項１から４までのいずれか一項に記載の装置。
【請求項6】
前記複数のＤＣポートが、ソーラー・パネルからのＤＣ電流を受け取るためのソーラー・パネル接続を備える、請求項１から５までのいずれか一項に記載の装置。
【請求項7】
モジュール・コネクタを有するコネクタ・バックプレーンであって、前記少なくとも２つの電力変換回路が、前記モジュール・コネクタに接続するように適応されたモジュールである、コネクタ・バックプレーンをさらに備える、請求項１から６までのいずれか一項に記載の装置。
【請求項8】
前記複数のスイッチが前記コネクタ・バックプレーン上に配置された、請求項７に記載の装置。
【請求項9】
前記複数のスイッチが前記少なくとも２つの電力変換回路上に配置された、請求項１から７までのいずれか一項に記載の装置。
【請求項10】
可変電圧においてＤＣ電流を受け取り、供給するための複数のＤＣポートと、前記複数のＤＣポートの第１のポートからの電流を受け取り、前記第１のポートからの前記電流を前記複数のＤＣポートの少なくとも第２のポートに供給する、複数のスイッチと、
前記第１のポート及び前記第２のポートからの電流を受け取るために前記複数のスイッチに接続する少なくとも１つの電力変換回路と、
前記複数のスイッチを制御するためのスイッチ・コントローラと
を備える、電力変換器であって、
前記スイッチ・コントローラがスイッチの前記第１の選択されたグループとスイッチの前記第２の選択されたグループとを決定する、電力変換器。
【請求項11】
ＡＣ電流を受け取り、供給するために前記少なくとも１つの電力変換回路に接続する少なくとも１つのＡＣポートをさらに備える、請求項１０に記載の電力変換器。
【請求項12】
前記少なくとも１つの電力変換回路が双方向電力変換器である、請求項１１に記載の電力変換器。
【請求項13】
前記少なくとも１つの電力変換回路がＤＣ－ＤＣ変換回路をさらに備える、請求項１０から１２までのいずれか一項に記載の電力変換器。
【請求項14】
前記複数のスイッチが前記少なくとも１つの電力変換回路上に位置する、請求項１０から１２までのいずれか一項に記載の電力変換器。
【請求項15】
前記少なくとも１つの変換回路が少なくとも２つの電力変換回路であり、前記複数のスイッチが異なる電力変換回路上に位置する、請求項１０から１４までのいずれか一項に記載の電力変換器。
【請求項16】
前記複数のＤＣポートのうちの１つがＤＣ電源からのＤＣ電流を受け取り、前記電力変換器が所望のＡＣ又はＤＣ電圧において前記ＤＣ電流を供給する、請求項１０から１５までのいずれか一項に記載の電力変換器。
【請求項17】
前記ＤＣ電源が電気車両のバッテリーである、請求項１６に記載の電力変換器。
【請求項18】
少なくとも２つの電気車両接続をさらに備える、請求項１０から１７までのいずれか一項に記載の電力変換器。
【請求項19】
前記複数のＤＣポートが、ソーラー・パネルからのＤＣ電流を受け取るためのソーラー・パネル接続を備える、請求項１０から１８までのいずれか一項に記載の電力変換器。
【請求項20】
複数のモジュール・コネクタを有するコネクタ・バックプレーンをさらに備え、前記少なくとも１つの電力変換回路が、前記モジュール・コネクタに接続する変換モジュールである、請求項１０から１９までのいずれか一項に記載の電力変換器。
【請求項21】
前記複数のスイッチが前記コネクタ・バックプレーン上に配置された、請求項１０から２０までのいずれか一項に記載の電力変換器。
【請求項22】
前記複数のスイッチが、前記モジュール・コネクタに接続するスイッチング・モジュール上に配置された、請求項１０から２１までのいずれか一項に記載の電力変換器。
【請求項23】
前記少なくとも２つの電力変換回路のうちの少なくとも１つがマルチレベル変換器トポロジーである、請求項１０から２２までのいずれか一項に記載の電力変換器。
【請求項24】
前記少なくとも１つの電力変換回路が整流器回路であり、前記整流器回路が、前記複数のスイッチを通して前記ＡＣポートに接続されたＡＣ入力と、
電力を蓄積するための少なくとも１つの高電圧キャパシタと、
前記ＡＣ入力と直列に接続されたインダクタと、
低電圧キャパシタと、
第１のＡＣ入力端子と前記高電圧キャパシタの対向する端部と間に接続された２つの高電圧スイッチと、
前記高電圧キャパシタの前記対向する端部と前記低電圧キャパシタの対向する端部との間に接続された２つの中間低電圧電源スイッチと、
前記低電圧キャパシタの前記対向する端部と第２のＡＣ端子との間に接続された２つの端子低電圧電源スイッチと
を備え、
前記高電圧キャパシタの前記対向する端部にＤＣ負荷が接続され得、
変換器コントローラからの基準信号を受け取る変調器と、
前記少なくとも１つの比較信号を受信し、状態信号を出力する状態選択回路と、
前記状態信号を受信し、前記電源スイッチのゲートに接続されたスイッチング・パルス生成器と
を備える、請求項１０から２３までのいずれか一項に記載の電力変換器。
【請求項25】
前記２つの高電圧スイッチがダイオードである、請求項２４に記載の電力変換器。
【請求項26】
前記変換回路が双方向整流器／インバータ回路であり、前記インダクタが前記ＡＣ入力と直列に接続され、前記低電圧キャパシタ、前記２つの高電圧電源スイッチが、前記ＡＣポートの前記第１のＡＣ端子と前記高電圧キャパシタの対向する端部との間に接続され、前記２つの中間低電圧電源スイッチが、前記高電圧キャパシタの前記対向する端部と前記低電圧キャパシタの対向する端部との間に接続され、前記２つの端子低電圧電源スイッチが、前記低電圧キャパシタの前記対向する端部と前記ＡＣポートの前記第２のＡＣ端子との間に接続され、前記複数のＤＣポートの各々が前記高電圧キャパシタの前記対向する端部に接続され、
前記コントローラが、インバータ・モードにおいて、前記低電圧キャパシタを前記ＤＣポート及び前記ＡＣポートと直列接続させ、前記ＤＣポートの電圧に比例する所定の値まで充電させるための第１の制御信号と、前記低電圧キャパシタを前記ＤＣポートから切断させ、前記ＡＣポートと直列接続させ、それにより前記低電圧キャパシタを放電させるための第２の制御信号とを含む信号波形を生成し、前記信号波形を前記２つの高電圧電源スイッチと前記２つの中間低電圧電源スイッチと前記２つの端子低電圧電源スイッチとに印加するように働く、請求項２４に記載の電力変換器。
【請求項27】
変換回路コントローラと前記スイッチ・コントローラと通信するためのインターフェースをさらに備える、請求項１０から１６までのいずれか一項に記載の電力変換器。
【請求項28】
前記変換回路コントローラと前記スイッチ・コントローラとが主コントローラ中に一体化された、請求項１０から１７までのいずれか一項に記載の電力変換器。
【請求項29】
前記ＤＣ－ＤＣ変換回路がバック／ブーストＤＣ－ＤＣ変換器回路である、請求項１３から２８までのいずれか一項に記載の電力変換器。
【請求項30】
前記少なくとも１つの電力変換回路がオフボード構成要素をさらに備える、請求項１０から２９までのいずれか一項に記載の電力変換器。
【請求項31】
前記オフボード構成要素が前記コネクタ・バックプレーンによって前記少なくとも１つの電力変換回路に接続する、請求項１０から３０までのいずれか一項に記載の電力変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本出願は、参照により本明細書に組み込まれている、２０１９年３月１２日に出願した米国仮特許出願第６２／８１７，１０４号の優先権を主張するものである。
【0002】
本発明は電力変換器の分野に関する。本発明はまた、エネルギー管理システムの分野に関し、より詳細には、エネルギー管理システムに関する。
【背景技術】
【0003】
本セクションは、特許請求の範囲に記載された本発明の背景又は文脈を与えるものである。本明細書での説明は、追求され得るが、必ずしも前に想到又は追求されたものであるとは限らない概念を含み得る。したがって、本明細書で別段に規定されていない限り、本セクションにおいて説明することは、本出願中の説明及び特許請求の範囲に対して従来技術ではなく、本セクション中に含まれることによって従来技術であるとは認められない。
【0004】
ますます多くの人々が、再生可能な環境に優しいエネルギー資源を使用することに関心を持つようになるにつれて、ソーラー・パネル、電気自動車の使用がより普及するようになる。そのような技術は、たいていの場合、電力グリッド又は家庭用電気配線に接続され、それらとともに働く必要がある。さらに、一日の異なる時間についての電気料金が可変である地域では、より安価なエネルギー料金から恩恵を受けるために、消費者が自身のエネルギーの消費及び生成を管理することができれば、電気車両及び／又は太陽エネルギーを使用することは消費者にとってより魅力的になり得る。
【0005】
ソーラー・パネル又は光起電力（以下「ＰＶ：ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ」）システムは、一般にＤＣ電力を生成する、公害も排出も生じないエネルギー源としての特定の利点を有する。このエネルギーを家庭用機器で使用するためには、通常、インバータが使用される。インバータは、光起電力（ＰＶ）ソーラー・パネルの可変直流（ＤＣ）出力を、商業電気グリッドに供給されるか又は地方のオフグリッド（ｏｆｆ－ｇｒｉｄ）電気ネットワークによって使用され得る商用周波数交流電流（ＡＣ）に変換する、一種の電気変換器である。スタンドアロン・インバータ、グリッド結合（ｇｒｉｄ－ｔｉｅ）インバータ、バッテリー・バックアップ・インバータ、及びインテリジェント・ハイブリッド・インバータなど、ソーラー・パネルとともに使用されるいくつかのタイプのインバータがある。
【0006】
太陽電気生成がないとき、ソーラー・パネルからの発電量は変動し、負荷の電気消費量と容易に同期させられないことがあるので、インテリジェント・ハイブリッド（スマート・グリッド）インバータを用いてエネルギー蓄積及び消費を管理するために、たとえばバッテリー又は他の蓄積システム中に、後で使用するためのエネルギーを蓄積することが必要である。
【0007】
さらに、電気自動車（「ＥＶ：ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃａｒ」）はますます普及しつつある。通し番号ＰＣＴ／カナダ（ＣＡ）第２０１８／０５１２９１号を有する国際ＰＣＴ特許出願において本出願人によって開示されている充電器など、新しい「レベル３」充電システムは、ＡＣに加えて、１つ又は複数のＥＶへのＤＣ電力と１つ又は複数のＥＶからのＤＣ電力とを与えることが可能である。
【0008】
ＤＣ電力を生成するにもかかわらず、ＰＶパネル出力は、ＥＶ車両のバッテリーを充電するためにＥＶ車両に直接供給され得ないと言わなければならない。
【0009】
その上、当技術分野で利用可能なＥＶ充電装置は、家庭（車両から家庭［Ｖ２Ｈ：Ｖｅｈｉｃｌｅ ｔｏ Ｈｏｍｅ］）又は車両からグリッド（Ｖ２Ｇ：ｖｅｈｉｃｌｅ－ｔｏ－ｇｒｉｄ）のためのエネルギー源としてＥＶバッテリーを使用する可能性を与えない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0010】
【特許文献1】国際ＰＣＴ特許出願、通し番号ＰＣＴ／カナダ（ＣＡ）第２０１８／０５１２９１号
【特許文献2】国際ＰＣＴ特許出願、通し番号ＰＣＴ／カナダ（ＣＡ）第２０１８／０５１２９１号（公報番号国際公開（ＷＯ）／第２０１９／０７１３５９号）
【特許文献3】国際ＰＣＴ特許出願、通し番号ＰＣＴ／カナダ第２０１８／０５１２９号（公報番号国際公開／第２０１９／０７１３５９号）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
ＰＶパネル、ＥＶ車両、バックアップ・バッテリー、家庭用電気システムなど、異なる供給源からの及び異なる供給源へのエネルギーをＡＣとＤＣとの間で変換し、これらの供給源間のエネルギー分配を管理する機能を有する複数の電気ポートをもつ効率的なシステムが必要である。
【0012】
同様に、必要なときにこれらの供給源を変換、調整、接続する機能をもつ、複数のＡＣ及びＤＣの消費者供給源及び生成器供給源を変換することが可能なスマート・デバイスが必要である。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本特許出願は、異なる供給源間でＡＣ電流とＤＣ電流の両方を受け取り、変換し、供給することが可能な複数のＡＣ電気ポート及びＤＣ電気ポートを有する変換ユニットを提供することによって、上述の問題に対する解決策を提供する。
【0014】
広義の一態様では、本開示は、ＡＣ電流を受け取り、供給するための少なくとも１つのＡＣポートと、可変電圧においてＤＣ電流を受け取り、供給するための複数のＤＣポートと、前記少なくとも１つのＡＣポート及び前記複数のＤＣポートの第１の選択されたグループから電流を受け取り、その電流を前記少なくとも１つのＡＣポート及び前記複数のＤＣポートの第２の選択されたグループに供給する、複数のスイッチとを備える、電力変換器を提供する。電力変換器はまた、選択物、すなわちＡＣポート又はＤＣポートのうちの１つ又は複数から電流を受け取り、その電流をいくつかの他のポートに供給するために複数のスイッチに接続する、１つ又は複数の電力変換回路又はモジュールを有し得る。変換器はまた、ポート又は変換器モジュールからの電流を送るか又は受け取り、それらの電流を所望の宛先に導くようにスイッチを制御するためのコントローラを有する。コントローラは、スイッチを管理することによって電力変換器の入力及び出力を決定し得る。
【0015】
本開示のいくつかの実施例では、電力変換回路又はユニットは双方向電力変換器であり得る。
【0016】
本開示のいくつかの実例では、電力変換器は、複数のモジュール・コネクタをもつコネクタ・バックプレーンをも含み得る。一実施例では、電力変換回路は、モジュール・コネクタに接続する変換モジュールであり得る。モジュール・コネクタは、変換モジュールを受けるソケット・タイプ・コネクタであるか、又は、簡単なワイヤ接続など、他の手段によってモジュールに接続され得る一般的なコネクタであり得ることが当業者によって諒解されよう。
【0017】
本開示の例示的な一実施例では、電力変換回路はＤＣ－ＤＣ変換回路をさらに含み得る。ＤＣ－ＤＣ変換ユニットは、別個のモジュールであるか、又は双方向ＡＣ－ＤＣモジュール内に一体化され得ることが当業者によって諒解されよう。
【0018】
一実例では、ポート間で電流を受け取り、その電流の方向を変えるために使用される複数のスイッチが、同じ変換回路又はモジュール中に位置するか又は一体化され得る。代替的に、複数のスイッチは、異なる電力変換回路上又は電力変換器のバックプレーン・コネクタ上に位置し得る。一実例では、スイッチは、変換モジュールに直接、又はバックプレーン・コネクタを通して接続することができる別個の独立したモジュール上に配置され得る。
【0019】
いくつかの実例では、電力変換器は、ＤＣ電源からのＤＣ電流をＤＣポートのうちの１つ又は複数から受け取り、ＡＣ負荷又はＤＣ負荷のために、そのＤＣ電流を変換するか又はその電流を直接使用し得る。たとえば、ＥＶ ＤＣバッテリー、バックアップ・バッテリー、ＰＶソーラー・パネルなど、ＤＣ電源は、別のＥＶ車両を充電するために、又は家庭用エネルギー目的のために、又はブラック・アウトの場合におけるバックアップ・エネルギー源のために、又はさらにはグリッドに戻すために使用され得る、ＤＣ電源であり得る。
【0020】
一実施例では、変換器回路又はモジュールは、３、５又は７レベル・トポロジーを含むマルチレベル変換器トポロジーであり得る。新規の５レベル・トポロジーの詳細は、公報番号国際公開（ＷＯ）／第２０１９／０７１３５９号をもつ通し番号ＰＣＴ／ＣＡ（カナダ）第２０１８／０５１２９１号を有する国際ＰＣＴ特許出願において本出願人によって開示されている。
【0021】
例示的な一実施例では、電力変換回路のうちの１つ又は複数は整流器回路であり得、整流器回路は、前記複数のスイッチを通して前記ＡＣポートに接続されたＡＣ入力と、電力を蓄積するための少なくとも１つの高電圧キャパシタと、前記ＡＣ入力と直列に接続されたインダクタと、低電圧キャパシタと、第１のＡＣ入力端子と前記高電圧キャパシタの対向する端部との間に接続された２つの高電圧スイッチと、前記高電圧キャパシタの前記対向する端部と前記低電圧キャパシタの対向する端部との間に接続された２つの中間低電圧電源スイッチと、前記低電圧キャパシタの前記対向する端部と第２のＡＣ端子との間に接続された２つの端子低電圧電源スイッチとを備え、前記高電圧キャパシタの前記対向する端部にＤＣ負荷が接続され得、変換器コントローラからの基準信号を受信する変調器と、前記少なくとも１つの比較信号を受信し、状態信号を出力する状態選択回路と、前記状態信号を受信し、前記電源スイッチのゲートに接続されたスイッチング・パルス生成器とを備える。例示的な一実施例では、変換回路は双方向整流器／インバータ回路であり得、前記インダクタは前記ＡＣ入力と直列に接続され、前記低電圧キャパシタ、前記２つの高電圧電源スイッチは、前記ＡＣポートの前記第１のＡＣ端子と前記高電圧キャパシタの対向する端部との間に接続され、前記２つの中間低電圧電源スイッチは、前記高電圧キャパシタの前記対向する端部と前記低電圧キャパシタの対向する端部との間に接続され、前記２つの端子低電圧電源スイッチは、前記低電圧キャパシタの前記対向する端部と前記ＡＣポートの前記第２のＡＣ端子との間に接続され、前記複数のＤＣポートの各々は前記高電圧キャパシタの前記対向する端部に接続され、前記コントローラは、インバータ・モードにおいて、前記低電圧キャパシタを前記ＤＣポート及び前記ＡＣポートと直列接続させ、前記ＤＣポートの電圧に比例する所定の値まで充電させるための第１の制御信号と、前記低電圧キャパシタをＤＣポートから切断させ、ＡＣポートと直列接続させ、それにより低電圧キャパシタを放電させるための第２の制御信号とを含む信号波形を生成し、その信号波形を前記２つの高電圧電源スイッチと前記２つの中間低電圧電源スイッチと前記２つの端子低電圧電源スイッチとに印加するように働く。一実施例では、電力変換器は、２つの高電圧スイッチの代わりに２つのダイオードを有し得る整流器として働く。
【0022】
本開示の一実例では、変換器はまた、変換回路コントローラと前記スイッチ・コントローラと通信するためのインターフェースを有し得る。インターフェースはまた、ＥＶコンピュータ、ソーラー・パネル管理システム、又は家庭管理システムと通信し得る。インターフェースは、さらに、消費パターンを更新するためにオンライン・プラットフォームと通信すること、及び／又はデバイスの設定を変更する目的のためにユーザ・オンライン・インターフェース若しくはアプリケーションと通信することが可能であり得る。
【0023】
変換回路コントローラと、スイッチ・コントローラと、電力変換器中で使用される任意の他のコントローラとは、別個のユニットであるか、又は同じコントローラ回路内で一体化され得、変換器回路に直接接続されるか、又は代替的に、バックプレーン・コネクタを通して接続し得るオフボード構成要素を含み得ることが当業者によって諒解されよう。
【0024】
モジュール式であるか、又は、バックプレーン及び他の部品に一体化された、より多くの電力変換回路とともに、異なる組合せが実装され得ることが当業者によって理解されよう。
【0025】
いくつかの実施例では、本装置は、前記複数のＤＣポートの第１のポートからＤＣ電流を受け取り、前記複数のＤＣポートの第２のポートに可変電圧ＤＣを供給するように適応され得る。一実例では、第１のポートと第２のポートとは同じ電力変換回路上に位置するが、他の実例では、それらのポートは、異なる電力変換回路上又は本装置のバックプレーン上に位置し得る。
【0026】
いくつかの実施例では、複数のＤＣポートは、２つの電気車両からのＤＣ電流を与え、受け取るための少なくとも２つの電気車両接続を備える。一実例では、本装置は、ソーラー・パネルからのＤＣ電流を受け取るためのソーラー・パネル接続を含み得る。
【0027】
いくつかの実施例では、電力変換器は、ＤＣ電力を変換するための１つ又は複数のバック／ブースト変換器回路を含み得る。バック／ブースト回路は、各々の電力変換回路上又はコネクタ・バックプレーン上に、或いは、バックプレーン・コネクタに接続するモジュール式バック／ブースト回路として位置し得る。
【0028】
広義の一態様では、本開示は、単相ＡＣ電力に接続するためのＡＣポートと、複数のＤＣポートと、ＡＣポートに接続されたＡＣ入力、及び可変電圧ＤＣ出力を有する少なくとも２つの電力変換回路と、前記ＤＣポートのうちの選択された１つ又は複数を前記電力変換回路のＤＣ出力のうちの選択されたものに接続するための複数のスイッチとを備える、電力変換装置を提供する。
【0029】
いくつかの実施例では、本装置は、モジュール・コネクタ又はソケットをもつコネクタ・バックプレーンをさらに備える。少なくとも２つの電力変換回路は、モジュール・コネクタ又はソケットに接続するように適応されたモジュールであり得る。
【0030】
モジュール式であるか、又は、バックプレーン及び他の部品に一体化された、より多くの電力変換回路とともに、異なる組合せが実装され得ることが当業者に明らかであろう。
【0031】
いくつかの実施例では、本装置は、前記複数のＤＣポートの第１のポートからＤＣ電流を受け取り、前記複数のＤＣポートの第２のポートに可変電圧ＤＣを供給するように適応される。一実例では、第１のポートと第２のポートとは同じ電力変換回路上に位置するが、他の実例では、それらのポートは、異なる電力変換回路上又は本装置のバックプレーン上に位置し得る。
【0032】
いくつかの実施例では、複数のＤＣポートは、２つの電気車両からのＤＣ電流を与え、受け取るための少なくとも２つの電気車両接続を備える。一実例では、本装置は、ソーラー・パネルからのＤＣ電流を受け取るためのソーラー・パネル接続を含み得る。
【0033】
いくつかの実施例では、複数のスイッチは、バックプレーンの一体部分として、又はスイッチ・モジュール若しくはカードとしてコネクタ・バックプレーン上に配置されるか、或いはバックプレーンにハードワイヤード接続され得る。
【0034】
一実施例では、複数のスイッチは、少なくとも２つの電力変換回路のうちの１つ又は複数上に配置され得る。
【0035】
一実例では、電力変換回路は、マルチレベル変換器トポロジーと、ＡＣ入力のピーク電圧を上回るブーストされた電圧において電力を蓄積するための少なくとも１つの高電圧キャパシタと、整流器回路とを備える。整流器回路は、前記ＡＣ入力と直列に接続されたインダクタと、低電圧キャパシタとを含む。整流器回路はまた、２つのダイオードと、前記高電圧キャパシタの対向する端部と前記低電圧キャパシタの対向する端部との間に接続された２つの中間低電圧電源スイッチと、前記低電圧キャパシタの前記対向する端部と第２のＡＣ端子との間に接続された２つの端子低電圧電源スイッチと、複数のＤＣポートとのいずれかを含む。前記高電圧キャパシタの対向する端部にＤＣ負荷が接続され得る。整流器回路はまた、コントローラを含み、コントローラは、整流器回路中の電流及び／又は電圧を感知するための少なくとも１つのセンサーを有し、前記２つの中間低電圧電源スイッチ及び前記２つの端子低電圧電源スイッチのゲート入力に接続される。
【0036】
一実施例では、コントローラは、前記整流器回路中の電流及び／又は電圧を感知するための少なくとも１つのセンサーを有し、前記電力変換回路を整流器モードにおいて動作させるために前記２つの高電圧電源スイッチと前記２つの中間低電圧電源スイッチと前記２つの端子低電圧電源スイッチとのゲート入力に接続された整流器モードにおいて働き、前記高電圧キャパシタの電圧は前記ＡＣ入力のピーク電圧よりも高く、前記２つの高電圧電源スイッチは前記ＡＣ入力の周波数においてオンとオフとに切り替わるように制御され、前記２つの中間低電圧電源スイッチ及び前記２つの端子低電圧電源スイッチは、前記低電圧キャパシタに存在する電圧の測定に応答して、前記低電圧キャパシタを前記高電圧キャパシタのための所望の電圧の所定の比率に維持し、このようにして前記高電圧キャパシタを所望の高電圧に維持するように、冗長スイッチング状態で切り替えられ、前記整流器回路は、前記ＡＣ入力上の低い高調波をもつ５レベル・アクティブ整流器として、前記ＤＣ負荷に給電し、電力を吸収する。
【0037】
一実施例では、整流器回路は双方向整流器／インバータ回路であり得る。本実施例では、２つの高電圧スイッチが必要になるが、２つの高電圧スイッチを有することはできない。インダクタは、前記ＡＣポートと直列に接続され得、低電圧キャパシタ、２つの高電圧電源スイッチは、ＡＣポートの第１のＡＣ端子と前記高電圧キャパシタの対向する端部との間に接続され、２つの中間低電圧電源スイッチは、高電圧キャパシタの対向する端部と低電圧キャパシタの対向する端部との間に接続され、２つの端子低電圧電源スイッチは、低電圧キャパシタの対向する端部とＡＣポートの第２のＡＣ端子との間に接続される。本実例では、複数のＤＣポートは、前記高電圧キャパシタの対向する端部に接続され、コントローラは、インバータ・モードにおいて、前記低電圧キャパシタを前記ＤＣポート及び前記ＡＣポートと直列接続させ、前記ＤＣポートの電圧に比例する所定の値まで充電させるための第１の制御信号と、前記低電圧キャパシタをＤＣポートから切断させ、ＡＣポートと直列接続させ、それにより低電圧キャパシタを放電させるための第２の制御信号とを含む信号波形を生成し、その信号波形を前記２つの高電圧電源スイッチと前記２つの中間低電圧電源スイッチと前記２つの端子低電圧電源スイッチとに印加するように働き得る。
【0038】
いくつかの実施例では、本装置は、ＤＣ電力を変換するための１つ又は複数のバック／ブースト変換器回路を含み得る。バック／ブースト回路は、各々の電力変換回路上又はコネクタ・バックプレーン上に、或いは、バックプレーンに接続するモジュール式バック／ブースト回路として位置し得る。
【0039】
本実例は、以下のような添付図を参照するとより良く理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【0040】
【図1A】ポール・トップ・トランスフォーマ（ｐｏｌｅ－ｔｏｐ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）と、負荷センサー及び主回路遮断器パネルをもつ住宅用電気エントリと、パネルと本装置との間の２４０Ｖ ＡＣ電力線と、電気車両（ＥＶ：ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ）と本装置との間のＣＡＮバス接続をもつ、本装置とＥＶとの間に延びる２つのケーブル接続と、ソーラー・パネル接続とを含む、家庭用ＥＶ充電システムの物理的設置の概略図である。
【図1B】本開示の一実施例による、複数のＤＣポート及びＡＣポートとオフボード構成要素パネルとをもつ電力変換装置を示すブロック図である。
【図2A】実装の特定の一実例による、整流器モードにおいて働く５レベル・トポロジー回路をもつ変換回路の回路図を示す図である。
【図2B】本開示の一実施例による、インバータ・モードにおいて働く５レベル・トポロジー回路をもつバッテリー装置変換器の回路図を示す図である。
【図3】本開示の一実施例による、一体化されたスイッチング機能と複数のＤＣ出力とをもつ電力変換器モジュールの概略図である。
【図5】本開示の一実施例による、複数のスイッチとともに使用され得るあるタイプの双方向スイッチ（ＢＳ：ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｓｗｉｔｃｈ）の概略図である。
【図6】本開示の一実施例による、複数のスイッチとともに使用され得るあるタイプの双方向スイッチ（ＢＳ）の概略図である。
【図7】本開示の一実施例による、複数のスイッチとともに使用され得るあるタイプの双方向スイッチ（ＢＳ）の概略図である。
【図8】本開示の一実施例による、１つのＤＣ出力をもつ電力変換器モジュールの概略図である。
【図10】本開示の一実施例による、１つのＤＣ出力とバックプレーンへの１つのＤＣ出力とをもつ電力変換器モジュールの概略図である。
【図12】本開示の一実施例による、バックプレーンからの１つのＤＣ入力と、２つのＤＣ出力とをもつスイッチ・カード又はモジュールの概略図である。
【図13】本開示の一実施例による、一体化されたスイッチング機能と、一体化されたＤＣ－ＤＣ変換機能とをもつ電力変換器モジュールの概略図である。
【図14】本開示の一実施例による、５つの電力変換器モジュールのオフボード構成要素を有するオフボード構成要素ボードの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0041】
本明細書全体にわたる「一実施例（ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」、「一実施例（ａｎ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」、又は同様の文言への言及は、その実施例に関して説明した特定の特徴、構造、又は特性が本発明の少なくとも１つの実施例中に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体にわたる「一実施例では（ｉｎ ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」、「一実施例では（ｉｎ ａｎ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」というフレーズ及び同様の文言の出現は、すべて同じ実施例を指し得るが、必ずしもすべて同じ実施例を指すとは限らない。
【0042】
その上、本発明の説明される特徴、構造、又は特性は、１つ又は複数の実施例において任意の好適な様式で組み合わせられ得る。本発明の範囲から逸脱することなく、様々な改変及び変形が本発明に行われ得ることが当業者に明らかになろう。したがって、本発明は、本発明の改変及び変形が添付の特許請求の範囲及びそれらの等価物の範囲内に入るという条件で、それらの改変及び変形をカバーすることが意図される。次に、本発明の好ましい実施例に詳細に言及する。
【0043】
図１Ａは、北アメリカにおける電力供給の最も一般的なタイプであるように、分割単相主電源が商用ポール・トップ・トランスフォーマから供給される、一実施例の物理的コンテキストを示す。トランスフォーマは、一般に、配電線からの１４．４ｋＶ又は２５ｋＶ単相電力を受け取り、トランスフォーマは、少数の家庭又は電気エントリに分相（ｓｐｌｉｔ ｐｈａｓｅ）２４０ＶＡＣとして供給される約５０ｋＶＡ～１６７ｋＶＡの電力を処理することができる。各電気エントリは、一般に、２４０ＶＡＣにおける１００Ａと２００Ａとの間の電力、すなわち、約２４ｋＶＡ～４８ｋＶＡ（一般的な仮定は、１ｋＶＡは１ｋＷに相当するということである）を処理するように構成される。図示のように、変換装置又はデバイスは、ＡＣ接続を介してネットワークに接続しており、複数の車両及び／又はソーラー・パネルに接続することができる。このことは、１つのポートからＡＣ又はＤＣ電力を受け取り、他のポートからＡＣ又はＤＣを与える機能によってそれを与える、本装置の双方向（整流器／インバータ）の性質のおかげで達成され得る。
【0044】
単相エントリの説明にもかかわらず、本開示の実施例は分割単相２４０ＶＡＣ電力システムに限定されないこと、及び、本明細書で開示されるいずれの実施例も、ＡＣ電圧を供給する異なる電力網とともに働くように適応され得ることが当業者によって諒解されよう。
【0045】
電気エントリは、一般に、使用量メータと、合計許容負荷（たとえば１００Ａ又は２００Ａ）に対応する定格を有する主遮断器と、分相２４０ＶＡＣ入力から２４０ＶＡＣ電力又は１２０ＶＡＣ電力を供給され得る各家庭回路のための回路遮断器を有するパネルとを備える。たいていの回路遮断器は１５Ａと３０Ａとの間の容量を有するが、より小さいもの（すなわち１０Ａ）であることもあれば、大型器具のための、４０Ａなど、より大きいものもあり得る。いくつかの国では、電気エントリは、４０Ａ～６０Ａなど、より小さい容量を有し、すべての家庭回路において２４０ＶＡＣをもつ国では、電力は分相ではなく、通常の単相２４０ＶＡＣである（使用される電圧レベルは約１００Ｖから２５０Ｖまで変動し得る）。
【0046】
図１に示されているように、変換装置／変換器は、４０Ａ～８０Ａなど、より大きい電流定格を有する遮断器を通してメイン・パネルの回路遮断器に接続されるが、開示されている装置は、必要な場合、１００Ａを超えて消費し得る。本装置に固有の回路遮断器の必要性は電気法規によって決定される。本装置をパネルに接続するケーブルはそのような大電流のための定格を与えられる。電気パネルへの接続は直接固定配線であり得るか、又は、ケーブル及びプラグ、たとえば、オーブンや衣類乾燥機のような器具のために使用されるケーブル及びプラグと同様のものを使用して、本装置がパネルに接続するように、高電圧ソケットが設置され、電気パネルに接続され得る。本装置は、本装置を含むパネル全体によって引き出される負荷を感知する単一の負荷センサーに接続されることが示されている。本装置のケーブルは、当技術分野で知られているように、従来装置のケーブル及びプラグであり得る。
【0047】
さらに、図１Ａに示されているように、変換器は、ソーラー・パネル、並びに１つ又は複数の電気車両に接続し得る。
【0048】
図１Ｂは、ＡＣポート１８と、複数のＤＣポート及びＥＶ／ＤＣポート１２及び１４と、ＤＣ／ＥＶ入力ポート１６と、オフボード構成要素パネル２０とをもつ例示的な電力変換装置１０を示すブロック図である。図１Ａに示されているように、ポート１２及び１４はＥＶ１及びＥＶ２に接続し得、ＤＣ／ＥＶポート１６は、ソーラー・パネルによって生成されたＤＣエネルギーを使用するために、そのソーラー・パネルに接続し得る。
【0049】
いくつかの実施例では、装置１０は、複数のＤＣポートのＥＶ／ＤＣポート１２など、第１のポートからのＤＣ電流を受け取り、ＥＶ／ＤＣポート１４など、第２のポートに可変電圧を供給するように適応され得る。このことは、変換回路モジュール１００上のバックプレーン２２上に位置するか、或いはバックプレーンに接続するか又は変換回路モジュール１００に直接接続し得る別個のスイッチング・モジュール上に位置し得る、複数のスイッチを使用することによって達成され得る。
【0050】
モジュール１００は双方向変換モジュールであることが示されているが、整流器、インバータ、ＤＣ－ＤＣ、バック・ブースト・モジュール、及びサージ・プロテクタ・モジュールなど、任意の他のタイプのモジュールが、必要に応じて、変換器デバイス中で使用され得ることが当業者によって諒解されよう。
【0051】
図８に示されているように、一実例では、第１のポート１２と第２のポート１４とは同じ電力変換回路１００上に位置するが、他の実例では、それらのポートは異なる電力変換回路上又は本装置のバックプレーン２２上に位置し得る。
【0052】
図１Ｂを参照すると、変換器モジュール１００は、（本明細書では、各々が１つのモジュール１００に接続する、コネクタ１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄ、１１４ｅとして示されている）コネクタ１１４を使用してバックプレーン２２に接続し得る。変換器１０はまた、この実施例ではインダクタを格納する目的のために使用されるオフボード構成要素ボード２０から恩恵を受け得る。
【0053】
【0054】
図２Ａに示されているように、整流器モードにおいて働く例示的な変換回路１００は、ＡＣ入力１０５と、ＡＣ入力１０５と直列に接続された誘導フィルタ１１０と、５レベル・トポロジー回路１１５とを備える。
【0055】
いくつかの実例では、この非限定的な実例における誘導フィルタ１１０は２．５ｍＨインダクタであり得る。好都合なことに、本設計により、一つには誘導フィルタ１１０の小さいサイズにより、全体的な電力変換回路１００の小さい形状が可能になる。誘導フィルタ１１０は、適用例、電力定格、商用電圧高調波、スイッチング周波数などに基づいて選定される設計に応じて変動し得る。最も簡単なそのようなフィルタは単一のインダクタであるが、代替実施例では、誘導フィルタ１１０は、インダクタとキャパシタとの組合せ、たとえば、それ自体が接地に接続されたキャパシタ（たとえば３０μＦ）に接続された（たとえば２ｍＨ）インダクタを含み得る。フィルタの選定は、設計の全体的なサイズと損失とに影響を及ぼし、大きいフィルタほど、全体的な設計のサイズが増加し、一般に、より多い損失を招く。
【0056】
５レベル回路は、高電圧キャパシタ１２０と、少なくとも１つの低電圧キャパシタ１２５と、第１の端子１３５と高電圧キャパシタ１２０のそれぞれの対向する端部１４５ａ、１４５ｂとの間に接続された２つの高電圧電源スイッチ１３０ａ、１３０ｂと、高電圧キャパシタ１２０の２つの対向する端部１４５ａ、１４５ｂのそれぞれと低電圧キャパシタ１２５のそれぞれの対向する端部１５５ａ、１５５ｂとの間に各々が接続された２つの中間低電圧電源スイッチ１４０ａ、１４０ｂと、第２の入力端子１６０と低電圧キャパシタ１２５の対向する端部１５５ａ、１５５ｂのそれぞれとの間に各々が接続された２つの端子低電圧電源スイッチ１５０ａ、１５０ｂとを備え得る。
【0057】
図２Ｂに示されているように、電力変換モジュール１００は、双方向状態において動作する電源を使用し得る。そのことは、５レベル回路は、図２Ａに示されているように、整流器モードにおいて電圧／電流をＡＣからＤＣに変換するために、又は、ＡＣ負荷２０２とＤＣ電源２０６とを用いて、図２Ｂに示されているように、インバータ・モードにおいて電圧／電流をＤＣからＡＣに変換するために、高電圧電源スイッチ１３０ａ、１３０ｂを有しなければならず、それらの高電圧電源スイッチ１３０ａ、１３０ｂを２つのダイオードと置き換えることができないことを意味する。
【0058】
変換器モジュール（モジュール１００）の詳細と、変換器モジュール（モジュール１００）がどのように働くのかと、変換器モジュール（モジュール１００）のスイッチングの詳細とは、公報番号国際公開（ＷＯ）／第２０１９／０７１３５９号をもつ通し番号ＰＣＴ／カナダ（ＣＡ）第２０１８／０５１２９号を有する国際ＰＣＴ特許出願において本出願人によって開示されている。
【0059】
実際的な実装の場合、電力変換回路１００を備える電力変換装置は、ユーザ交換可能なＤＣ車両充電ケーブルと、たとえば、ＥＶにおける標準化されたプラグ／ソケット（すなわち、ＳＡＥ Ｊ１７７２、ＣｈａＤｅＭｏ、又は他のもの）を取り付けるための互換フォーマットを有する充電プラグとを備え得る。
【0060】
任意の種類のコネクタがバックプレーンとして使用され得、モジュール・コネクタの目的は、ユーザのために設置プロセスを促進し、簡略化することのみであり、任意の種類のコネクタがそのバックプレーンとして使用され得ることが当業者によって諒解されよう。
【0061】
さらに、スクリーンを有し、ユーザが、ユーザ・インターフェースを通して変形態を手動で調整することを可能にするためのアプリケーションを介して、コンピュータ又はセルフォンなど、エンド・デバイスとの有線又は無線接続を有し得る、ユーザ・インターフェースから電力変換装置が恩恵を受け得ることが当業者によって諒解されよう。この調整は、デバイスの充電を優先すること、充電のためのスケジュールを与えること、ソーラー・パネルＤＣがどのように消費され、分配されるかを管理すること、又は、一日中デバイスの入力及び出力を調整することに関してユーザによって必要とされる任意の他の機能であり得る。
【0062】
その上、ＡＣ出力及びＤＣ出力は別個の又は同じ物理的コンセント又はケーブルを使用することができることが当業者によって理解されよう。いくつかの実施例では、コンセントは車両の充電コントローラと通信することが可能である。
【0063】
本明細書で説明するように、異なる実施例では、電力変換回路１００は、インダクタ及びスイッチング要素など、オフボード又はオンボード構成要素を有し得る。さらに、電力変換回路１００は、それの中に一体化されたバック／ブースト回路を有し得る。
【0064】
図３に示されているように、一実施例では、電力変換器モジュール１００は、一体化されたスイッチング機能を有する。複数の双方向スイッチＢＳ１、ＢＳ２、ＢＳ３、ＢＳ４、ＢＳ５、及びＢＳ６は、リレーＲＥ１及びＲＥ２とともに、電力変換器モジュール１００が、いかなる外部のスイッチングを必要とすることもなしに、オンボードで複数のＤＣポート８０２、８０４及び８０６とＡＣポート８０８との間のスイッチングを実行することを可能にする。ポート８１２及び８１４は、この実例ではポート８１４のための誘導フィルタ／インダクタ１１０とバック／ブースト・インダクタ１０１２とである、電力変換器モジュール１００のオフボード構成要素に、電力変換器モジュール１００を接続するために使用され得る。
【0065】
いくつかの実施例では、カスケード比例積分（ｃａｓｃａｄｅｄ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｉｎｔｅｇｒａｌ）（ＰＩ）コントローラであり得るコントローラ４１０は、変換器回路、並びにスイッチＢＳ１、ＢＳ２、ＢＳ３、ＢＳ４、ＢＳ５、及びＢＳ６を、リレーＲＥ１及びＲＥ２とともに制御するために使用され得る。変換器回路中で使用されるコントローラに関するより詳細な説明は、公報番号国際公開（ＷＯ）／第２０１９／０７１３５９号をもつ通し番号ＰＣＴ／カナダ（ＣＡ）第２０１８／０５１２９号を有する本出願人のＰＣＴ国際出願中に見出され得る。
【0066】
他の実施例では、別個のコントローラが、リレーＲＥ１及びＲＥ２とともに複数のスイッチＢＳ１、ＢＳ２、ＢＳ３、ＢＳ４、ＢＳ５、及びＢＳ６を制御するために使用され得、別個の回路上又は変換器のバックプレーン・コネクタ上に位置し得ることが当業者によって諒解されよう。
【0067】
図４は、図３に示された電力変換器モジュール１００によって使用され得るバックプレーン２２の一実例を示す。説明したように、この実施例では、すべてのスイッチングがオンボードで行われ得、モジュール及びバックプレーンは、カード１～５の同様のポートを互いに、及び電力変換装置ポートに接続しているのみであり得る。カード１～５のためのコネクタの５つのシリーズがあり、コネクタの各シリーズは、電力変換器モジュール１００のポート８１２、８１０、８０２、８０４、８０６、８０８、及び８１４をそれぞれ受けるコネクタ９１２、９１０、９０２、９０４、９０６、９０８、及び９１４を有する。一実施例では、異なるカードのすべての同様のポートは互いに接続され得る。たとえば、カード１～５のすべてのポート９０２は互いに接続され得る。
【0068】
この実施例では、必要なスイッチングは、バックプレーン２２上ではなく、モジュール１００上に存在するが、いくつかの実施例では、ポートを異なる順序及び組合せで互いに接続するための追加のスイッチングから恩恵を受け得ることが当業者によって諒解されよう。
【0069】
図５、図６、及び図７は、本開示のいくつかの実施例におけるＡＣポートとＤＣポートとの間のスイッチングのために使用され得る、ＢＳ１、ＢＳ２、ＢＳ３、ＢＳ４、ＢＳ５、及びＢＳ６など、双方向スイッチ（ＢＳ）の２つの一般的なタイプの概略図である。
【0070】
図８は、電力変換器モジュール１００が１つのＤＣポートと１つのＡＣポートとのみを有する、一実施例における電力変換器モジュール１００を示す。図１３は、図１２中の電力変換器モジュール１００によって使用され得るバックプレーン２２の一実例を示す。説明したように、この実施例では、すべてのスイッチングは、複数のスイッチ又はスイッチング・マトリックス１３０２を介してバックプレーン２２上で行われ得る。この場合も、カード１～５のためのコネクタの５つのシリーズがあり、コネクタの各シリーズは、図８に示されているように、電力変換器モジュール１００のポート８１２、８１０、８０２、８０８、及び８１４をそれぞれ受けるコネクタ９１２、９１０、９０２、９０８、及び９１４を有する。
【0071】
例示的な一実施例では、スイッチ・マトリックス１３０２は、図３に示され、説明されているように、リレーＲＥ１及びＲＥ２とともにＢＳ１、ＢＳ２、ＢＳ３、ＢＳ４、ＢＳ５、及びＢＳ６と同様のスイッチを含み得る。
【0072】
図１０は、モジュール１００が、１つのＤＣ出力と、バックプレーンへの１つのＤＣ出力１４０２とを有し得る、本開示の一実施例による、電力変換器モジュール１００の概略図である。双方向スイッチＢＳ１及びＢＳ２は、リレーＲＥ１及びＲＥ２とともに、電力変換器モジュール１００がオンボードでＤＣポート８０２とＡＣポートとのためのスイッチングを実行することを可能にする。ＤＣ接続１４０２はスイッチ・カード１６００に接続し得、スイッチ・カード１６００の一実例が図１１に示されている。スイッチ・カード１６００は、バックプレーン２２を介してＤＣ出力１４０２からのＤＣ電流を受け取り、双方向スイッチＢＳ３、ＢＳ４、ＢＳ５、及びＢＳ６を使用して２つのＤＣ出力８０４及び８０６へのスイッチングを処理する、ＤＣ入力接続１６０２を有する。図示のように、この実施例では、モジュール１００はスイッチングの一部を処理し、追加のスイッチ・カード又はモジュールはスイッチング機能の残りを処理し得る。
【0073】
図１２に示されているように、バックプレーン２２は、カード１～５のためのコネクタの５つのシリーズを有し得、コネクタの各シリーズは、電力変換器モジュール１００のポート８１２、８１０、８０２、１４０２、８０８、及び８１４をそれぞれ受け得るコネクタ／ソケット９１２、９１０、９０２、１５０２、９０８、及び９１４を有する。バックプレーンはまた、スイッチ・カード１６００のＤＣ接続入力１６０２並びにスイッチ・カード又はモジュール１６００のＤＣ接続８０４及び８０６のための２つのＤＣ接続１５０４及び１５０６に接続するポート１５０８を有し得る。この実施例では、バックプレーンは、２つのポート１５０２及び１５０８を介して、モジュール１００及びスイッチング・モジュール１６００と、それらのＤＣ出力及び入力との間の接続を与える。
【0074】
本開示の範囲を超えることなしに、モジュール１００、バックプレーン２２、及び／又は１つ又は複数のスイッチ・カード１６００上に全部又は一部が配置されたスイッチング要素を有することによって、上述の実施例の任意の組合せが達成され得ることが当業者によって諒解されよう。
【0075】
図１３を参照すると、図１３は、追加の双方向スイッチＢＳ７、ＢＳ８、及びＢＳ９を使用する３つのＤＣポート８０２、８０４、及び８０６の間の一体化されたスイッチング機能と、一体化されたＤＣ－ＤＣ変換機能とをもつ電力変換器モジュール１００の異なる一実施例を示す。この実施例では、モジュール１００は、（ＥＶバッテリー、ソーラー・パネル、リザーブ・バッテリー、又は任意の他のＤＣ電源など）ＤＣポートのいずれかからのＤＣ電流を受け取り、そのＤＣ電流をオンボード・バックブースト回路１７０２に通し、他のＤＣポートのいずれかに与え得る。このことは、スイッチＢＳ１～ＢＳ９の組合せを使用して達成され得る。一実例では、ＤＣポート８０２はＥＶ１からのＤＣ電流を受け取る。コントローラ４１０は、電流をバック／ブースト回路１７０２のほうに導くために、スイッチＢＳ２を開き、スイッチＢＳ９を閉じる。バック／ブースト回路の出力電流は任意の可変ＤＣ電圧であり得、その可変ＤＣ電圧は、次いで、ＢＳ６とＢＳ２とを開くことによって、任意の他の所望のＤＣポート、ここではＤＣポート８０４に向けられる。同じスイッチング機構、並びに追加の双方向スイッチＢＳ７、ＢＳ８、及びＢＳ９が、バックプレーン上、又は、同じタイプのＤＣ－ＤＣ充電を与える異なるモジュール上に位置し得ることが当業者によって諒解されよう。バックブースト回路１７０２は、上記で説明した結果を達成するためにバックプレーン上又は別個のモジュール上に同様に位置し得る。
【0076】
次に、図１４を参照すると、図１４は、オフボード構成要素１０１２及び１１０、この実施例では、５つの電力変換器モジュール１００の、バック／ブースト・インダクタ１０１２とインダクタ１１０とを格納するオフボード構成要素ボード２０を示す。ボード２０は、バックプレーンに直接接続されるか、又はバックプレーンへのモジュラー接続を有し得る。同様に、オフボード構成要素は、ボード上に永久的に固定されるか、或いは、それらが交換又は変更されることを可能にするソケット／コネクタを有し得る。
【0077】
本明細書で説明した所望のＡＣ出力及びＤＣ出力を与えるために、任意のタイプの整流器、インバータ、又は整流器／インバータが組み合せて使用され得ることが当業者によって諒解されよう。そのような変換回路の一実例はマルチレベル整流器／インバータ回路であり得る。
【0078】
５レベル整流器回路など、本出願で説明した電力変換装置及び回路は、ＤＣ電源、他のＥＶ充電器、任意の他のタイプのバッテリー装置、又は、ＡＣ－ＤＣ変換を必要とする任意の他の実装など、任意のＡＣ－ＤＣ変換システムにおいて使用され得ることが当業者によって諒解されよう。さらに、他のタイプのマルチレベルを含む任意の他のタイプの変換器回路が使用され得る。また、本開示が働く方法に影響を及ぼすことなしに、本明細書で開示されたスイッチ・ボード又は複数のスイッチとともに、任意の他のタイプの変換器が代替的に使用され得る。
【0079】
上記の説明は、特定の実例を参照しながら行ったが、このことは、本発明を例示する目的であり、限定する目的ではなかった。
【図1A】
【図1B】
【図2A】
【図2B】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【手続補正書】
【提出日】2021-04-21
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ＡＣ電力に接続するためのＡＣポートと、複数のＤＣポートと、
前記ＡＣポートに接続されたＡＣ入力／出力、及び可変電圧ＤＣ入力／出力を有する少なくとも２つの双方向電力変換回路と、
前記ＤＣポートのうちの選択された１つ又は複数を前記電力変換回路の前記ＤＣ入力／出力のうちの選択されたものに接続するための複数のスイッチと
を備える、電力変換装置。
【請求項2】
前記スイッチが、ＤＣ電力を受け取る前記複数のＤＣポートの第１のポートと、前記第１のポートにおいて受け取られた前記ＤＣ電力とは異なる電圧においてＤＣ電力を供給するための前記複数のＤＣポートの第２のポートとに接続するように構成された、ＤＣ－ＤＣ変換回路をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項3】
前記第１のポート及び前記第２のポートが前記少なくとも２つの電力変換回路上に位置する、請求項２に記載の装置。
【請求項4】
前記第１のポートと前記第２のポートとが同じ電力変換回路上に位置する、請求項２に記載の装置。
【請求項5】
前記複数のＤＣポートが、２つの電気車両からのＤＣ電流を与え、受け取るための少なくとも２つの電気車両接続を備える、請求項１から４までのいずれか一項に記載の装置。
【請求項6】
前記複数のＤＣポートが、ソーラー・パネルからのＤＣ電流を受け取るためのソーラー・パネル接続を備える、請求項１から５までのいずれか一項に記載の装置。
【請求項7】
モジュール・コネクタを有するコネクタ・バックプレーンであって、前記少なくとも２つの電力変換回路が、前記モジュール・コネクタに接続するように適応されたモジュールである、コネクタ・バックプレーンをさらに備える、請求項１から６までのいずれか一項に記載の装置。
【請求項8】
前記複数のスイッチが前記コネクタ・バックプレーン上に配置された、請求項７に記載の装置。
【請求項9】
前記複数のスイッチが前記少なくとも２つの電力変換回路上に配置された、請求項１から７までのいずれか一項に記載の装置。
【請求項10】
可変電圧においてＤＣ電流を受け取り、供給するためのオンボードで複数のＤＣポートと、前記複数のＤＣポートの第１のポートからの電流を受け取り、前記第１のポートからの前記電流を前記複数のＤＣポートの少なくとも第２のポートに供給する、複数のスイッチと、
前記第１のポート及び前記第２のポートからの電流を受け取るために前記複数のスイッチに接続する少なくとも１つの電力変換回路と、
ＡＣ電流を受け取り、供給するために前記少なくとも１つの電力変換回路に接続する少なくとも１つのＡＣポートと、
前記複数のスイッチを制御するためのスイッチ・コントローラと
を備える、電力変換器であって、
前記スイッチ・コントローラがスイッチの第１の選択されたグループとスイッチの第２の選択されたグループとを決定する、電力変換器。
【請求項11】
前記少なくとも１つの電力変換回路が双方向電力変換器である、請求項１０に記載の電力変換器。
【請求項12】
前記少なくとも１つの電力変換回路がＤＣ－ＤＣ変換回路をさらに備える、請求項１０又は１１に記載の電力変換器。
【請求項13】
前記複数のスイッチが前記少なくとも１つの電力変換回路上に位置する、請求項１０又は１１に記載の電力変換器。
【請求項14】
前記少なくとも１つの変換回路が少なくとも２つの電力変換回路であり、前記複数のスイッチが異なる電力変換回路上に位置する、請求項１０から１３までのいずれか一項に記載の電力変換器。
【請求項15】
前記複数のＤＣポートのうちの１つがＤＣ電源からのＤＣ電流を受け取り、前記電力変換器が所望のＡＣ又はＤＣ電圧において前記ＤＣ電流を供給する、請求項１０から１４までのいずれか一項に記載の電力変換器。
【請求項16】
前記ＤＣ電源が電気車両のバッテリーである、請求項１５に記載の電力変換器。
【請求項17】
少なくとも２つの電気車両接続をさらに備える、請求項１０から１６までのいずれか一項に記載の電力変換器。
【請求項18】
前記複数のＤＣポートが、ソーラー・パネルからのＤＣ電流を受け取るためのソーラー・パネル接続を備える、請求項１０から１７までのいずれか一項に記載の電力変換器。
【請求項19】
複数のモジュール・コネクタを有するコネクタ・バックプレーンをさらに備え、前記少なくとも１つの電力変換回路が、前記モジュール・コネクタに接続する変換モジュールである、請求項１０から１８までのいずれか一項に記載の電力変換器。
【請求項20】
前記複数のスイッチが前記コネクタ・バックプレーン上に配置された、請求項１０から１９までのいずれか一項に記載の電力変換器。
【請求項21】
前記複数のスイッチが、前記モジュール・コネクタに接続するスイッチング・モジュール上に配置された、請求項１０から２０までのいずれか一項に記載の電力変換器。
【請求項22】
前記少なくとも２つの電力変換回路のうちの少なくとも１つがマルチレベル変換器トポロジーである、請求項１０から２１までのいずれか一項に記載の電力変換器。
【請求項23】
前記少なくとも１つの電力変換回路が整流器回路であり、前記整流器回路が、前記複数のスイッチを通して前記ＡＣポートに接続されたＡＣ入力と、
電力を蓄積するための少なくとも１つの高電圧キャパシタと、
前記ＡＣ入力と直列に接続されたインダクタと、
低電圧キャパシタと、
第１のＡＣ入力端子と前記高電圧キャパシタの対向する端部と間に接続された２つの高電圧スイッチと、
前記高電圧キャパシタの前記対向する端部と前記低電圧キャパシタの対向する端部との間に接続された２つの中間低電圧電源スイッチと、
前記低電圧キャパシタの前記対向する端部と第２のＡＣ端子との間に接続された２つの端子低電圧電源スイッチと
を備え、
前記高電圧キャパシタの前記対向する端部にＤＣ負荷が接続され得、
変換器コントローラからの基準信号を受け取る変調器と、
前記少なくとも１つの比較信号を受信し、状態信号を出力する状態選択回路と、
前記状態信号を受信し、前記電源スイッチのゲートに接続されたスイッチング・パルス生成器と
を備える、請求項１０から２２までのいずれか一項に記載の電力変換器。
【請求項24】
前記２つの高電圧スイッチがダイオードである、請求項２３に記載の電力変換器。
【請求項25】
前記変換回路が双方向整流器／インバータ回路であり、前記インダクタが前記ＡＣ入力と直列に接続され、前記低電圧キャパシタ、前記２つの高電圧電源スイッチが、前記ＡＣポートの前記第１のＡＣ端子と前記高電圧キャパシタの対向する端部との間に接続され、前記２つの中間低電圧電源スイッチが、前記高電圧キャパシタの前記対向する端部と前記低電圧キャパシタの対向する端部との間に接続され、前記２つの端子低電圧電源スイッチが、前記低電圧キャパシタの前記対向する端部と前記ＡＣポートの前記第２のＡＣ端子との間に接続され、前記複数のＤＣポートの各々が前記高電圧キャパシタの前記対向する端部に接続され、
前記コントローラが、インバータ・モードにおいて、前記低電圧キャパシタを前記ＤＣポート及び前記ＡＣポートと直列接続させ、前記ＤＣポートの電圧に比例する所定の値まで充電させるための第１の制御信号と、前記低電圧キャパシタを前記ＤＣポートから切断させ、前記ＡＣポートと直列接続させ、それにより前記低電圧キャパシタを放電させるための第２の制御信号とを含む信号波形を生成し、前記信号波形を前記２つの高電圧電源スイッチと前記２つの中間低電圧電源スイッチと前記２つの端子低電圧電源スイッチとに印加するように働く、請求項２３に記載の電力変換器。
【請求項26】
変換回路コントローラと前記スイッチ・コントローラと通信するためのインターフェースをさらに備える、請求項１０から１５までのいずれか一項に記載の電力変換器。
【請求項27】
前記変換回路コントローラと前記スイッチ・コントローラとが主コントローラ中に一体化された、請求項１０から１６までのいずれか一項に記載の電力変換器。
【請求項28】
前記ＤＣ－ＤＣ変換回路がバック／ブーストＤＣ－ＤＣ変換器回路である、請求項１２から２７までのいずれか一項に記載の電力変換器。
【請求項29】
前記少なくとも１つの電力変換回路がオフボード構成要素をさらに備える、請求項１０から２８までのいずれか一項に記載の電力変換器。
【請求項30】
前記オフボード構成要素が前記コネクタ・バックプレーンによって前記少なくとも１つの電力変換回路に接続する、請求項１０から２９までのいずれか一項に記載の電力変換器。
【国際調査報告】