(57)【要約】【課題】車両用のエンジン始動およびバッテリ支援モジュールを提供する。【解決手段】車両用のエンジン始動およびバッテリ支援モジュールは、車両のオルタネータを作動させて、または作動させずに、エンジン始動補助およびホテル負荷の持続の両方を支援するレベルまで充電されたウルトラキャパシタ（ＵＣ）のバンクを利用する。ＵＣのセル当たりの充電は調節することが可能であり、低温期の間には増やして、超低温期の間にはさらに大きくすることができる。この調節は、動的および／または自動的とすることができるが、これはＵＣのエネルギー蓄積能力を増大させる。さらに、ＵＣからのエネルギーの放出は、ＤＣバス電圧に基づいてパルス幅変調（ＰＷＭ）コントローラによって制御される。ＵＣは、車載ＤＣ／ＤＣコンバータによって、ＡＣ接続装置によって、または並列構成と直列構成との間でＵＣのバンクをスマートに切り替えることによって、のいずれかで充電することが可能である。【選択図】図１Ａ
2020010599.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両の中の、車両のバッテリの電圧レベルを調整するための方法であって、
前記電圧レベルが所定の電圧閾値未満であるかどうかを決定するステップと、
前記電圧レベルが前記所定の電圧閾値未満である場合に、前記車両のバッテリと電気的につながっている少なくとも１つのウルトラキャパシタの放電を開始するステップと、
前記電圧レベルを少なくとも前記所定の電圧閾値まで上げるように、前記少なくとも１つのウルトラキャパシタの前記放電を調節するステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記所定の電圧閾値が、車両のバッテリの製造後年数、車両の製造後年数、車両のバッテリの状態、車両のバッテリの量、車両のバッテリの型、車両の始動装置の型、始動装置の製造後年数、温度、および前記車両の運転者の経験のうちの少なくとも１つに基づいて決定される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記少なくとも１つのウルトラキャパシタの前記放電を調整するステップが、前記少なくとも１つのウルトラキャパシタと電気的につながっている少なくとも１つのトランジスタを介して電流の流れを制御するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
車両のオルタネータがオフである間、前記車両のバッテリから前記少なくとも１つのウルトラキャパシタにエネルギーを伝達するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記電圧レベルが再充電電圧閾値を超過していることを決定した後に、前記エネルギーの伝達が開始される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記車両のバッテリの電圧量が前記再充電電圧閾値を超過しているときにのみ、前記エネルギーの伝達が開始される、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記電圧レベルが前記車両を始動させるのに必要な電圧レベル未満であるときに、前記車両のバッテリから前記少なくとも１つのウルトラキャパシタにエネルギーを伝達するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記少なくとも１つのウルトラキャパシタが、複数のウルトラキャパシタを含み、
充電するための並列構成と、放電するための直列構成との間で前記複数のウルトラキャパシタを切り替えるステップ
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
車両のバッテリの電圧レベルを調整するための装置であって、
直列に接続されて電荷を蓄積する複数のウルトラキャパシタと、
前記車両のバッテリおよび前記複数のウルトラキャパシタと電気的につながっている少なくとも１つの電圧比較器であって、前記電圧レベルと所定の電圧閾値との比較を行う少なくとも１つの電圧比較器と、
前記少なくとも１つの電圧比較器および前記複数のウルトラキャパシタと電気的につながっている制御ロジックであって、前記比較に基づいて前記複数のウルトラキャパシタの放電を調節して、少なくとも前記所定の電圧閾値まで前記電圧レベルを上げるようにする制御ロジックと
を含む装置。
【請求項１０】
前記制御ロジックが、前記複数のウルトラキャパシタと電気的につながっている少なくとも１つのトランジスタであって、前記複数のウルトラキャパシタへの、および／または前記複数のウルトラキャパシタからの電流の流れを制御する少なくとも１つのトランジスタを含む、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの比較器が、前記複数のウルトラキャパシタへの、および／または前記複数のウルトラキャパシタからの前記電流の流れを制御する前記少なくとも１つのトランジスタのゲートと電気的につながっている、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記複数のウルトラキャパシタおよび前記少なくとも１つの電圧比較器と電気的につながっている直流（ＤＣ）コンバータであって、前記電圧レベルと再充電電圧閾値との比較に応じて、前記複数のウルトラキャパシタを充電する直流（ＤＣ）コンバータをさらに含む、請求項９に記載の装置。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの電圧比較器が、
前記ＤＣコンバータと電気的につながっている第１の電圧比較器であって、前記電圧レベルが前記再充電電圧閾値を超過している場合に、前記ＤＣコンバータを使用可能にする第１の電圧比較器と、
前記制御ロジックと電気的につながっている第２の電圧比較器であって、前記電圧レベルと前記所定の電圧閾値との前記比較を行う第２の電圧比較器と
を含む、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記ＤＣコンバータが、電圧レベルが前記再充電電圧閾値を上回っていることを示す前記電圧比較器からの出力に応じて、前記車両のバッテリから前記複数のウルトラキャパシタに電荷を伝達するように構成されている、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記ＤＣコンバータに動作可能に結合されて、前記車両のバッテリの温度を監視する温度センサをさらに含む、請求項１２に記載の装置。
【請求項１６】
前記ＤＣコンバータが、前記車両のバッテリの前記温度に基づいて前記所定の電圧閾値および／または前記再充電電圧閾値を変えるように構成されている、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記ＤＣコンバータが、前記少なくとも１つの比較器からの出力に応じて、前記車両の車両バスにエネルギーを送達するようにさらに構成されている、請求項１２に記載の装置。
【請求項１８】
前記複数のウルトラキャパシタと電気的につながっているスイッチであって、直列構成と並列構成との間で前記複数のウルトラキャパシタを切り替えるスイッチをさらに含む、請求項９に記載の装置。
【請求項１９】
前記制御ロジックに動作可能に結合された手動インタフェースであって、前記車両の運転者が前記装置を作動させることを可能にする手動インタフェースをさらに含む、請求項９に記載の装置。
【請求項２０】
車両のバッテリの電圧レベルを調整するための装置であって、
複数のウルトラキャパシタと、
前記車両のバッテリと電気的につながっている第１の電圧比較器であって、前記電圧レベルを第１の電圧閾値と比較する第１の電圧比較器と、
前記第１の電圧比較器および前記複数のウルトラキャパシタと電気的につながっている制御ロジックであって、前記電圧レベルが前記第１の電圧閾値未満である場合に、前記複数のウルトラキャパシタを放電する制御ロジックと、
前記車両のバッテリと電気的につながっている第２の電圧比較器であって、前記電圧レベルを第２の電圧閾値と比較する第２の電圧比較器と、
前記第１の電圧比較器および前記複数のウルトラキャパシタと電気的につながっている制御ロジックであって、前記電圧レベルが前記第２の電圧閾値を上回っている場合に、前記複数のウルトラキャパシタを放電する制御ロジックと、
前記複数のウルトラキャパシタおよび前記第２の電圧比較器と電気的につながっている直流（ＤＣ）コンバータであって、前記電圧レベルが前記第２の電圧閾値を上回っている場合に、前記複数のウルトラキャパシタを充電する直流（ＤＣ）コンバータと、
前記ＤＣコンバータに動作可能に結合されて、前記車両のバッテリの温度を監視する温度センサと
を含み、
前記ＤＣコンバータが、前記車両のバッテリの前記温度に基づいて前記第１の電圧閾値および／または前記第２の電圧閾値を変えるように構成されている装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）の定めにより２０１４年６月２０日に出願された「エンジン始動およびバッテリ支援モジュール」という名称の、米国特許出願第６２／０１４，９１０号の優先権を主張する。前述の出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
背景
自動車業界およびトラック運送業界のいずれにおいても、一般的慣習、法律、および容認される行動が変化したことで、停車中にエンジン停止することを余儀なくされている。自動車またはトラックのエンジンを停止することで、バッテリおよび始動モータにストレスがかかり、バッテリおよび下位系統の性能全体の低下に結びついている。例えば、極寒環境といったような過酷な条件により問題が悪化され、完全なバッテリの故障および／または始動装置の故障につながるおそれがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
エンジン一台の１日当たりの停止数は、車両のアーキテクチャ、車両の使用法などによって変わる場合がある。一般に、車両のアーキテクチャには２つのタイプがある。すなわち、例えば、１日に２５０回もの停止を行う可能性がある「局地輸送用」車両と、最大でも例えば、１日に２５回の停止を行う可能性がある「長距離輸送用」車両である。これらの停止を行うことで、車両のＤＣ電気バスに低電圧状態を生み出し、その結果車載エネルギー蓄積システムからの電力要求が高くなってしまう。ＤＣ電気バスの低電圧状態は、電子制御装置（ＥＣＵ：Electronic Control Units）、継電器、スイッチ、およびポンプを含めた、その他の車両構成材にもストレスをかけるおそれがある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
概要
本発明の実施形態は、車両のエンジンがオフである停車中に、始動モータの回転および短期間のバッテリ負荷に対する電圧持続の両方を可能にするウルトラキャパシタ（ＵＣ）を使用して、車両の直流（ＤＣ）電圧バスにエネルギーを直接供給することを支援するように構成された、エネルギー始動およびバッテリ支援モジュールを含む。このモジュールは、必ずしも車両の配線を変更する必要がなく、また、必ずしも車両の改造または車両操作手順の変更を必要としたり、伴ったりするものではない。
【０００５】
モジュールは、正常なバッテリを支援し、始動装置の寿命を延ばすために、オフシーケンスの間、（エンジン始動中を含めて）エネルギーの伝達を調節することによって、静止負荷の変化またはエンジン始動装置の変化にかかわらず、車両のＤＣ電圧を自動的に安定させることができる。モジュール内のＵＣおよび電子機器類の寿命を延長するために、モジュールは、蓄積するエネルギーの量を自動的に調節することができる。場合によっては、モジュールは、万一車両のバッテリが完全に切れてしまった場合に、車両の電子機器類および／または車両の始動装置にとって適切な電圧を供給する。
【０００６】
モジュールのいくつかの実施形態は、車両の電力供給能力に基づいてＵＣを自動的に再充電することができる。例えば、モジュールは、ＵＣを再充電するＤＣブーストコンバータ、またはＵＣを２つ以上の同等または非同等のスタックに分割（split）し、並列されたこれらのスタックをバック（buck）充電するスイッチを含んでもよい。モジュールは、オルタネータが作動している場合には、ＵＣに伝達する電力を増やし、車両のバッテリに車両始動シーケンスを開始するための十分なエネルギーがない場合には、電力を減らすことができる。車両のオルタネータが作動していないとき、モジュールは、ＵＣからエネルギーを伝達することもまた可能である。場合によっては、モジュールは、予め設定された電圧レベル未満で、例えば、１２ボルトのシステムでは９ボルト未満、または２４ボルトのシステムでは１８ボルト未満で、車両のバッテリを消費しなくてもよい。
【０００７】
いくつかの実施形態では、モジュールにより、１回目の試みで車両が始動しないか、または、バッテリが消耗し過ぎて十分な電力を自力で供給することができない場合に、車両の操縦者がモジュールの充電を再度開始できるようにすることで、別途ジャンプスタートを使用する必要がなくなる。いくつかの実施形態では、モジュールは、標準的なサイズのバッテリーケースを使用して、車両の標準的なバッテリ区域に取り付け可能であるか、またはあらゆる車両に合わせて望み通りにスケールを変更することが可能である。
【０００８】
いくつかの実施形態では、システムは、どの車両もバッテリ切れを起こさずに、３０日間のエアポートテストに合格することが可能である。当業者によって理解されるように、３０日間のエアポートテストは、最低温度が−２０°Ｃで３０日間空港に車両を駐車したままにしておくことをシミュレートしている。この３０日間に、車両の電気系統は、バッテリまたはエネルギー蓄積システムからエネルギーを消費して、アラーム、コンピュータ、ロック機構、時計などといったような不可欠な車両システムを作動させる。車両の所有者が戻ったときには、車両のエネルギー蓄積システム（通常は鉛蓄電池）には、始動イベントを開始させて、エンジン始動システムを支援するための十分なエネルギーが残っていなければならない。３０日間のエアポートテストに合格することは、自動車用バッテリおよび電気系統にとって共通した要件である。
【０００９】
モジュールは、（例えば、どちらの方向にもエネルギーを伝達する継電器のない）ソリッドステートシステムとして実施することが可能である。例えば、モジュールの電子機器類は、１つまたは複数のエンハンスメントモードｎ−チャネル電界効果トランジスタ（Ｎ−ＦＥＴＳ：n-channel field-effect transistors）を含んでもよい。Ｎ−ＦＥＴＳを並列で使用して、エネルギー送達の等価直列抵抗（ＥＳＲ：Equivalent Series Resistance）を、分割モード充電スキームにおいてさえも低減することが可能である。いくつかの実施形態では、電子機器類の合計零入力電流は、５０ｍＡ未満とすることにより、長期間にわたって過剰な消費が生じないようにすることができる。
【００１０】
モジュールは、その入出力電圧および電流を制御することが可能なＤＣコンバータを含んでもよい。これにより、（１）ＵＣの裏側の電圧が正確に制御されること、（２）ＵＣへの充電電流が制御されることにより、完全に切れてしまったＵＣのセットを満充電にする能力を助長すること、（３）入力電流が、システムから電力を引き出し過ぎないように設定されることにより、車両のＤＣバスが、その他のデバイスを動作できるようにすること、および／または（４）バッテリシステムが所望の、または所定の（例えば、安全）動作レジーム外で動作することを回避するために、ＵＣの充電を削減するための最小限の入力電圧を設定できるようにすること、が可能になる。
【００１１】
ＤＣコンバータは、複数の位相角に分けられることにより、ピーク電流を低減し、電磁妨害（ＥＭＩ：electromagnetic interference）を低減し、および／または、構成材を小型化、高効率化することが可能になる。複数の位相は、３６０°を基準にして等間隔で配置することができる。例えば、４相ＤＣコンバータは、電流のポンプ充電を、時間スペクトルにおいて９０度間隔の４つの同等の部分に分割する。ＤＣコンバータは、入力側の電流および／または電圧、ならびに、出力側の電流および／または電圧を制御することができる。例えば、電圧出力は、ＵＣに蓄積される最大電圧電位を設定することができる。この最大電圧電位は、蓄積されたエネルギー（このエネルギーは等式Ｅ＝０．５ＣＶ２によって表すことができる）と等しくてもよい。電流出力を制御することにより、過電流（例えば、通常であればコンバータが壊れてしまう電流）なしに、ＤＣコンバータが完全に空のＵＣのバンクを充電できるようにしてもよい。いくつかの実施形態では、入力電圧を制限し、入力電流を制御することにより、オルタネータが作動しておらず、ＤＣバスが所定の電圧（例えば、１２Ｖのシステムでは９Ｖ、または２４Ｖのシステムでは１８Ｖ）未満になるのを防ぐために、バッテリから伝達されているエネルギーが制限されているときに、システムが動作可能であるようにしてもよい。
【００１２】
モジュールは、２つの端子だけが外界と接続するようにひとまとめにすることが可能で、ちょうどバッテリがエンジンに接続されているように、エンジンに接続することができる。設置は簡単、かつ安全であり、モジュールが最初に接続されたときに、電流がまったく流れないか、流れてもごく少量とすることができる。制御は、単純にして、コストを下げるために単一のプリント回路板アセンブリ（ＰＣＢＡ：printed circuit board assembly）上の同じ場所に配置することができる。
【００１３】
システム全体の制御が、ＤＣ電圧に基づくことができることで、許容可能な設定点および所定のバッテリ電圧を用いて、双方向のエネルギーの伝達が可能になる。この制御は、アナログまたはデジタル領域のいずれかにおいて達成することができる。制御は、非同期とすることもまた可能であり、したがって、ほぼあらゆる車両に関して適応可能である。制御は、組み込まれたヒステリシスが明確にゼロであり、このため、急速で非常に安定した電圧レベルが可能になる。制御は非同期であり、応答に強制周波数領域がないので、安定性を実現することができる。言いかえれば、任意のレートまたは調整装置の繰り返しパルスで強制的にエネルギーを伝達しなくてもよい。場合によっては、必要なエネルギーだけを伝達して、設定ポイントを満たす。車両および車両の配線負荷はそれぞれ固有であるため、これにより、１つですべてのモジュールのアーキテクチャに適合することが可能になる。
【００１４】
モジュールの一例は、ウルトラキャパシタの充電を制御（例えば、等化）するためのアクティブバランシング回路を含むことにより、単一のウルトラキャパシタがエネルギーを取り出し過ぎるのを防ぐことができる。ＵＣバランシング回路は、動的とすることが可能であり、設定ポイントは温度とともに変わってもよい。エネルギーは車両のＤＣバスに戻されるので、ＵＣに蓄積されたエネルギーを車両の定格化されたシステム自体のエネルギーよりも大きくすることが可能である。これにより、エネルギーがほぼ等電位で蓄積される場合よりも蓄積されるエネルギーを増やし、生じるピーク電流を減らすことが可能になる。この方法は、輸送車両用の場合を含め、広範囲にわたる車両の静止負荷を、より長期間持続させるように支援する。合計セル電圧が車両のバッテリシステムの電圧レベルよりも高い限り、エネルギーを蓄積するために使用されるウルトラキャパシタの数、またはそれらの厳密な並列／直列構成に事実上制限はない。
【００１５】
いくつかの実施形態では、モジュールは、複数（例えば、各ＤＣコンバータに３つ）の電圧比較器および電圧比較器に結合されたロジックを含むことができる。ロジックは、電圧比較器の一部またはすべて（例えば、３つの電圧比較器のうちの２つ）の値に基づいて、再充電するべきか否か、またはエネルギーを送達するべきかを決定する。これにより、システム全体の確実性および信頼性が大幅に向上する。ロジックは、２台の小型ＤＣコンバータを含むこともまた可能である。２台の小型ＤＣコンバータは、非常に広いＤＣバスの動作範囲にわたってシステムの電子機器類の動作を支援し、ゲート−ソース電圧閾値を克服する。
【００１６】
モジュールは、限定するものではないが、鉛蓄電池を含めた、任意の化学反応性バッテリと互換性を有することができる。
【００１７】
本技術の追加の実施形態は、車両内の車両のバッテリの電圧レベルを調整するための方法を含む。方法の一例では、制御ロジックが、電圧レベルが所定の電圧閾値未満であるかどうかを決定するが、この決定は、車両のバッテリの製造後年数、車両の製造後年数、車両のバッテリの状態、車両のバッテリの量、車両のバッテリの型、車両の始動装置の型、始動装置の製造後年数、温度、およびその車両の運転者の経験に基づいていてもよい。電圧レベルが所定の電圧閾値未満である場合、制御ロジックは、車両のバッテリと電気的につながっている少なくとも１つのウルトラキャパシタの放電を開始する。制御ロジックは、例えば、ウルトラキャパシタと電気的につながっている少なくとも１つのトランジスタを介して電流の流れを制御することによって、少なくとも所定の電圧閾値まで電圧レベルを上げるようにウルトラキャパシタの放電を調節する。
【００１８】
加えて、制御ロジックは、車両のオルタネータがオフである間、車両のバッテリからウルトラキャパシタにエネルギーを伝達することができる。電圧レベルが再充電電圧閾値を超過していることを決定した後に、このエネルギーの伝達を開始することが可能である。場合によっては、車両のバッテリの電圧量が再充電電圧閾値を超過しているときにのみ、エネルギーの伝達が開始される。エネルギーはまた、電圧レベルが車両を始動させるのに必要な電圧レベル未満であるときに、車両のバッテリからウルトラキャパシタに伝達されてもよい。
【００１９】
場合によっては、制御ロジックによって、充電のための並列構成と、放電のための直列構成との間で切り替えられる複数のウルトラキャパシタが存在してもよい。
【００２０】
本技術の別の例は、車両のバッテリの電圧レベルを調整するための装置を含む。この装置は、直列に接続されて電荷を蓄積する複数のウルトラキャパシタと、車両のバッテリおよびウルトラキャパシタと電気的につながっている少なくとも１つの電圧比較器と、電圧比較器およびウルトラキャパシタと電気的につながっている制御ロジックと、を含んでもよい。動作時には、比較器は、電圧レベルと所定の電圧閾値との比較を行う。また、制御ロジックは、比較に基づいて、電圧レベルを少なくとも所定の電圧閾値まで上げるように、ウルトラキャパシタの放電を調節する。
【００２１】
いくつかの実施形態では、制御ロジックは、ウルトラキャパシタと電気的につながっている少なくとも１つのトランジスタであって、ウルトラキャパシタへの、および／またはウルトラキャパシタからの電流の流れを制御する少なくとも１つのトランジスタを含む。比較器は、ウルトラキャパシタへの、および／またはウルトラキャパシタからの電流の流れを制御するトランジスタのゲートと電気的につながっている状態とすることができる。
【００２２】
装置は、ウルトラキャパシタおよび電圧比較器と電気的につながっている直流（ＤＣ）コンバータを含んでもまたよい。動作時には、ＤＣコンバータは、電圧レベルと再充電電圧閾値との比較に応じて、ウルトラキャパシタを充電する。これらの例では、電圧比較器は、ＤＣコンバータと電気的につながっている第１の電圧比較器と、制御ロジックと電気的につながっている第２の電圧比較器と、を含んでもよい。電圧レベルが再充電電圧閾値を超過している場合に、第１電圧比較器はＤＣコンバータを使用可能にし、第２の電圧比較器は、電圧レベルと所定の電圧閾値との比較を行う。ＤＣコンバータは、電圧レベルが再充電電圧閾値を上回っていることを示す電圧比較器からの出力に応じて、車両のバッテリからウルトラキャパシタに電荷を伝達するように構成することもまた可能である。また、ＤＣコンバータは、比較器からの出力に応じて、車両の車両バスにエネルギーを送達することが可能である。
【００２３】
装置は、ＤＣコンバータに動作可能に結合されて、車両のバッテリの温度を監視する温度センサを含んでもまたよい。必要があれば、ＤＣコンバータは、車両のバッテリの温度に基づいて所定の電圧閾値および／または再充電電圧閾値を変えるように構成することが可能である。
【００２４】
装置は、ウルトラキャパシタと電気的につながっているスイッチであって、例えば、それぞれ放電用および充電用である直列構成と並列構成との間でウルトラキャパシタを切り替えるスイッチを含んでもまたよい。また、装置は、制御ロジックに動作可能に結合された手動インタフェースであって、車両の運転者が装置を作動させ、および／または作動を解除することを可能にする、手動インタフェースを含んでもよい。
【００２５】
別の実施形態は、車両のバッテリの電圧レベルを調整するための装置であって、複数のウルトラキャパシタと、車両のバッテリと電気的につながっている第１の電圧比較器と、第１の電圧比較器およびウルトラキャパシタと電気的につながっている制御ロジックと、車両のバッテリと電気的につながっている第２の電圧比較器と、第１の電圧比較器およびウルトラキャパシタと電気的につながっている制御ロジックと、ウルトラキャパシタおよび第２の電圧比較器と電気的につながっているＤＣコンバータと、ＤＣコンバータに動作可能に結合された温度センサと、を含む装置を含む。動作時には、第１の電圧比較器は、電圧レベルを第１の電圧閾値と比較する。制御ロジックは、電圧レベルが第１の電圧閾値未満である場合に、ウルトラキャパシタを放電する。第２の電圧比較器は、電圧レベルを第２の電圧閾値と比較する。制御ロジックは、電圧レベルが第２の電圧閾値を上回っている場合に、ウルトラキャパシタを放電する。ＤＣコンバータは、電圧レベルが第２の電圧閾値を上回っている場合に、複数のウルトラキャパシタを充電する。また、温度センサは、車両のバッテリの温度を監視する。ＤＣコンバータは、車両のバッテリの温度に基づいて第１の電圧閾値および／または第２の電圧閾値を変えることもまた可能である。
【００２６】
前述の概念および以下でより詳細に考察される追加の概念のすべての組み合わせは（こうした概念が相互に矛盾しない場合）、本明細書で開示される本発明の主題の一部であるように企図されることを理解されたい。特に、本開示の終わりに記載された特許請求の範囲の主題のすべての組み合わせは、本明細書で開示される本発明の主題の一部であるものとして企図される。なお、参照により組み込まれる任意の開示内容にも登場する場合がある、本明細書にて明示的に使用される専門用語には、本明細書に開示される特定の概念と最も整合性のある意味が与えられるべきであることもまた理解すべきである。
【００２７】
図面の簡単な説明
当業者であれば、図面は主に例示目的であり、本明細書で説明される本発明の主題の範囲を限定するように意図されていないことが理解されよう。図面は必ずしも縮尺通りではなく、場合によっては、本明細書で開示される本発明の主題の様々な態様は、様々な特徴を理解し易くするために、図面内で誇張または拡大して示されている場合がある。図面内では、同様の参照符号は、概して同様の特徴（例えば、機能的に類似した、および／または構造的に類似した要素）を指す。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１Ａ】エンジン始動およびバッテリ支援モジュールの一例の写真である。
【図１Ｂ】車両（例えば、自動車またはトラック）に設置された、エンジン始動およびバッテリ支援モジュールの使用例を図示する概略図である。
【図１Ｃ】車両（例えば、自動車またはトラック）に設置された、エンジン始動およびバッテリ支援モジュールの使用例を図示する概略図である。
【図２Ａ】エンジン始動およびバッテリ支援モジュールの一例の全体的なマスタアーキテクチャを描く回路図を示す。
【図２Ｂ】エンジン始動およびバッテリ支援モジュールの一例の全体的なマスタアーキテクチャを描く回路図を示す。
【図３Ａ】エンジン始動およびバッテリ支援モジュールで使用し、使い果たされたウルトラキャパシタのバンクを再充電することができるＤＣコンバータの実施形態を示す。
【図３Ｂ】エンジン始動およびバッテリ支援モジュールで使用し、使い果たされたウルトラキャパシタのバンクを再充電することができるＤＣコンバータの実施形態を示す。
【図３Ｃ】エンジン始動およびバッテリ支援モジュールで使用し、使い果たされたウルトラキャパシタのバンクを再充電することができるＤＣコンバータの実施形態を示す。
【図３Ｄ】図３Ｃの絶縁されたＤＣコンバータの例示的な特徴を示す。
【図３Ｅ】図３Ｃの絶縁されたＤＣコンバータの例示的な特徴を示す。
【図４】ウルトラキャパシタ間のセル間の接続を直列接続から並列接続に、および並列接続から直列接続に切り替えるための、エンジン始動およびバッテリ支援モジュールのスイッチを示す。
【図５Ａ】エネルギー始動およびバッテリ支援モジュールで使用するための、非分割直列構成で配置されたウルトラキャパシタを示す。
【図５Ｂ】エネルギー始動およびバッテリ支援モジュールで使用するための、分割直列構成で配置されたウルトラキャパシタを示す。
【図６Ａ】エンジン始動およびバッテリ支援モジュールで使用可能な例示的な直流コンバータの回路図を示す。
【図６Ｂ】エンジン始動およびバッテリ支援モジュールで使用可能な例示的な直流コンバータの回路図を示す。
【図７】エンジン始動およびバッテリ支援モジュールの例示的な動作を図示するフロー図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
詳細な説明
ウルトラキャパシタベースのエンジン始動システムを用いて、エンジン始動シーケンスを開始するときに、車両のバッテリシステムがエンジンを始動させるのを補助することができる。これらのシステムを用いて、既存の車両配線系統のルートを、ウルトラキャパシタから始動モータに直接接続するようにしてもよい。場合によっては、ウルトラキャパシタは、車両のバッテリと並列接続されてもよい。始動シーケンスが開始されるにつれて、ウルトラキャパシタが放電され、始動モータを回転させるエネルギーを供給する。エンジン始動後に、車両のオルタネータ／発電機を使用して、電気を生成し、したがって、ウルトラキャパシタを再充電する。このシステムはまた、並列接続されたバッテリからウルトラキャパシタを再充電するＤＣ／ＤＣコンバータを含んでもよい。
【００３０】
エンジン始動およびバッテリ支援モジュールの一例
図１は、エンジン始動シーケンスの間に車両のバッテリシステムを補助するために使用可能な、ウルトラキャパシタ（ＵＣ）ベースのエンジン始動およびバッテリ支援モジュール（以下「モジュール」）１００の一例を示す。図１に示されているモジュール１００は、２線式で、任意の数のバッテリと並列の任意の標準的なＤＣバスに含めることができる。モジュール１００を使用して、（例えば、車両始動装置１０１によって）始動しているか、または停車の間に大きな負荷を消費している車両にとって正常なＤＣバスの電圧を維持することができる。モジュール１００を使用して、例えば、図１Ｂ〜図１Ｃに示されるような車両の既存のバッテリ１０２を増強してもよいし、または、旧来の鉛蓄電池の置き換えとして使用してもよい。こうしたモジュールの利点のいくつかは、安全にかつ特別な工具なしで設置可能であり、既存のインフラに対する配線の変更がほとんど、またはまったく必要ないという点である。
【００３１】
いくつかの実施形態では、モジュール１００は、エンジン１０３の始動補助、および、いわゆる「ホテル負荷」１０４ａの持続の両方を支援するＵＣのバンクを含むことができる。「ホテル負荷」という用語は、明かり、空調、暖房、コンピュータ、追跡システム、安全システムなどのためのエネルギー使用を含めた、車両の走行用以外のエネルギー需要を指し、車両負荷１０４ａおよび付属品負荷１０４ｂとして、図１Ｃに表示されている。車両のエンジン１０３がオフであるとき、車両のエネルギー需要はホテル負荷を構成している。モジュール１００を使用して、車両を始動させ、および／または、エネルギーを制御された様式で車両に戻し、短時間の停車中の車両の静止負荷を持続させること、および／または、車両の電子機器類を機能させるためのエネルギーを供給することにより、エンジン１０３がかかると、車両が始動できるようにすることが可能である。短時間の停車中の静止負荷の例は、電子機器類、空調、照明システムなどであり、車両のエンジン１０３が停止した後にオン状態のままである場合がある。いくつかの実施形態では、静止負荷は付属品負荷１０４ｂを含む場合がある。
【００３２】
いくつかの実施形態では、モジュール１００は、悪天候下、極度に消耗したバッテリおよび／または過度に多いエンジン始動回数の影響による強要下で車両の始動が困難であること／始動ができないことに対処するように構成することができる。さらに、モジュール１００は、短いオフ時間およびエンジン始動の間に、例えば、負のＤＣバス１０６ａおよび正のＤＣバス１０６ｂ（図１Ｃ）を含む車両の直流（ＤＣ）バス１０６の電圧を維持する（例えば、電圧が降下している場合には、上昇させる）ことにより、車両のバッテリ１０２および始動モータ１０１の正常性を高める。例えば、電圧を高くおよび／または安定して維持することにより、バッテリ１０２および始動モータ１０１の寿命を、場合によっては劇的にのばすことが可能になる。
【００３３】
いくつかの実施形態では、モジュール１００は、全ソリッドステートとすることができる。電子技術分野において理解されるように、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）および絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：insulated gate bipolar transistors）を含む固体素子は、継電器および接触器よりも速度が速く、信頼性が高くかつ消費電力が少ないという傾向がある。さらに、モジュール１００は、運転者が手動で「やり直し」ボタンを押せば、バッテリ１０２からＵＣにエネルギーの伝達を始動可能にする性能を備えてもよい。例えば、これは、車両が１回目に始動しない可能性がある状況で用いることができる。こうした性能により、オルタネータ１０５が作動していないときであっても、システムが指令に基づいて再充電できるようにすることが可能である。充電継続時間は長くなり得るが、正味の結果はおそらく同じである。加えて、ＵＣのバンクの数および／または大きさを増やして、例えば、補助電源装置（ＡＰＵ：Auxiliary Power Unit）用に、システムの合計エネルギー蓄積能力を増やすことができる。
【００３４】
いくつかの実施形態では、モジュール１００は、物理面および／またはエネルギー面で、ほとんどの用途またはすべての用途に合うようにスケールを変更することができる。例えば、モジュール１００は、国際電池評議会（ＢＣＩ：Battery Council International）のバッテリグループサイズ３１（例えば、高耐久性商業用等級バッテリに対応する）に適合するように設計することができる。いくつかの実施形態では、全体的な形状は、ほぼ長方形とすることができる。また、２本の電線は、バッテリの正および負の端子に対応可能である。いくつかの実施形態では、モジュール１００は、既存の車両のバッテリシステムと互換性を有し、特別な設置方法、工具、および／または安全要求事項を不要にすることで、１つですべてのタイプのアーキテクチャに適合して機能することができる。例えば、モジュール１００は、標準的なバッテリサイズのハウジングに適合するように設計可能であり、バス上に直接結束することもまた可能である。いくつかの実施形態では、モジュール１００は、標準的なグループ３１のバッテリよりもわずかに高い高さでグループサイズ３１に適合するか、または「外に突出」させて、電子機器類で１８個のセルを支持することが可能である。モジュール１００は、重い鉛蓄電池よりも軽くすることができるので、新たな工具ケースを使用して、空間を最大限にすることができる。図１Ｂおよび図１Ｃは、車両の中に設置された、エンジン始動およびバッテリ支援モジュール１００の使用例を図示する概略図を示す。
【００３５】
エンジン始動およびバッテリ支援モジュールのアーキテクチャ
図２Ａおよび図２Ｂは、正のバッテリ端子２１２ａおよび負のバッテリ端子２１２ｂに対応する２線式のエンジン始動およびバッテリ支援モジュール１００の一例の全体的なマスタアーキテクチャ２００を描く回路図を示す。アーキテクチャ２００により、ホテル負荷およびエンジン始動を支援する電圧レベルの独立した調節が可能になり、これにより特定の用途および／またはまさにその設置に応じてエネルギーの送達を様々に変えることが可能になる。モジュール１００は、ＵＣ２０１とシステムバッテリ１０２との間のエネルギーの伝達をいずれの方向においても調節することができる。例えば、モジュール１００は、エンジンを作動させずに短時間停車する間バッテリ１０２を帯電した状態にしておくには、いつ充電するべきであるかを認識する。用途によっては、始動に先立ってモジュール１００は、電子機器類をリセットするための静止負荷もまた認識する。加えて、モジュール１００は、エンジン始動の間に、ＵＣバンク２０１のすべての残余エネルギーを自動的にバッテリ１０２に並列に直接接続することにより、バッテリが使用限度まで使用できなかったり、始動モータが故障したりするおそれがある、何らかの規定された低いレベルを上回っている状態にシステムの電圧を保つようにしてもよい。事実上、モジュール１００は、車両のＤＣシステム全体のＥＳＲを変更する。ホテル負荷と比較して用いられるＥＳＲの量に応じて、直列および並列のセル構成の様々な組み合わせを用いることができる。
【００３６】
例えば、アーキテクチャ２００は、ＵＣ２０１の直列ストリングを包含し、そのそれぞれは、エネルギーを静電気的に蓄積する比キャパシタンスの高い電気化学キャパシタとすることができる。典型的なＵＣ２０１は、キャパシタンス値が電解キャパシタのキャパシタンス値の約１０，０００倍、エネルギー密度が従来のバッテリのエネルギー密度のおよそ１０％、および電力密度が従来のバッテリの電力密度の最大１００倍である。これにより、従来のバッテリと比較して、ウルトラキャパシタ２０１に対する充放電サイクルを速くすることが可能になる。これによりまた、従来のバッテリと比較して、ＵＣ２０１のサイクル寿命を極めて長くすることも可能になる。
【００３７】
各ＵＣ２０１は、所定のレベルのセル当たり電圧に充電することができる。具体例として、ＵＣ２０１は、２．７Ｖ／セルを持続させるように充電してもよい。セル当たりの電圧値は、低温に達している（例えば、０°Ｆに）ときに、自動的に高い方へ（例えば、３．０Ｖ／セルに）シフトすることができ、また、温度がさらに低下している（例えば、−２０°Ｆ未満）ときに、セル当たりの電圧をさらに高く（例えば、３．３Ｖ／セルに）シフトすることができる。いくつかの実施形態では、温度は、センサ２０２により測定することができる。いくつかの実施形態では、ＵＣ２０１のパックはそれぞれ、例えば、１６．２Ｖ〜２４Ｖの電圧範囲に工場で設定可能なＤＣ／ＤＣコンバータ（例えば、５００ＷのＤＣ／ＤＣコンバータ）２０３を使用することができる。コンバータ２０３は、ブースト型、またはセピック（ＳＥＰＩＣ：single-ended primary inductor converter）のいずれかのトポグラフィを有することができる。
【００３８】
いくつかの実施形態では、ＵＣ２０１に蓄積されたエネルギーは、ＤＣバスから取り出してもよく、場合によっては、ＵＣ２０１に蓄積されたエネルギーは、ＵＣ２０１から同じＤＣバスに直接戻してもよい。これにより、車両の中のバッテリ１０２の充電プロセスの制御が可能になる。モジュール１００は、車両の電気系統の等価直列抵抗（ＥＳＲ）を実質的に絶え間なく動的に調節するので効果的である。いくつかの実施形態では、モジュール１００は、ＵＣ２０１を含む。ＵＣ２０１は、ＥＳＲが典型的なバッテリよりもかなり低く、車両の瞬時に変わるニーズおよび／または継続的に変わるニーズの両方に基づいた最小限のインタフェースで、迅速にエネルギーを蓄積し、蓄積されたエネルギーを車両に戻す能力を提供することができる。ＵＣ２０１のＥＳＲが低いほど、全体的なエネルギー伝達効率を高めることができる。システムは、所望のエネルギーに合わせてスケールの変更が可能であり、それは、車両のサイズ、およびその「ワークフロー」により決定してもよい。モジュール１００は、ＵＣ２０１からＤＣバッテリのバスに戻すエネルギーの伝達を調節することによって、モジュールが所定の量の電力を送達するときに起こり得るような、エネルギーを多く送達し過ぎ（て余剰エネルギーを無駄にし）たり、あるいは、エネルギーが不足して、十分送達しないのではなく、所望の量のエネルギーを送達する。いくつかの実施形態では、エネルギーの伝達、および／または、ＵＣ２０１の充電および／または放電の調節は、ＤＣコンバータ２０３およびＵＣ２０１と電気的につながっていることが可能であり、かつ、ＦＥＴ２２０を介して達成可能なロジック制御２１０によって制御することができる。モジュール１００は、いくつかの変数によって生じた電圧および／または電流の変動に基づいてエネルギー伝達の調節法を決定する。変数には、車両のＤＣバスの負荷、始動モータのサイズ、バッテリ製造後年数、配線状態、バッテリの状態、バッテリの量、付属品、始動装置の型、始動装置の製造後年数、バッテリの型、温度、運転者の経験などが含まれるが、これらに限定されない。
【００３９】
例えば、モジュール１００は、そうしなければ経時的に切れてしまうバッテリから、バッテリを有害な電圧レベル未満に、さらに衰退させることなく、エネルギーを取り出すことができるようにしてもよい。例えば、内燃機関エンジンを始動させるのに十分な高電圧がない点まで放電された鉛蓄電池は、（例えば、ＵＣが蓄積するエネルギーがバッテリよりも少ない場合には）依然として、１つまたは複数のＵＣを完全に充電するのに十分なエネルギーを有している場合がある。モジュール１００は、ＵＣ２０１およびバッテリ１０２の対の入力側および出力側両方の、電流および電圧の両方を制御するＤＣコンバータ２０３を使用して、バッテリ１０２からＵＣ２０１を充電することができる。
【００４０】
車両のバッテリ１０２のＤＣバスの電圧を持続させる際に、いくつかの実施形態では、例えば、バックコンバータによって、ＤＣバスへのエネルギー伝達をパルス化することができる。例えば、パルスは固定されたパルス幅変調（ＰＷＭ：pulse-width modulation）２０４でなくてもよく、むしろ設置されている特定のトラックの固有周波数とすることができる。簡単に言えば、ＵＣ２０１からバッテリ１０２に伝達されるエネルギーは、その瞬間における車両の需要に基づいている。ＵＣ２０１の再充電は、セルが分割されてバックコンバータを使用可能にする場合にはパルス化されるか、または、ＤＣコンバータ２０３を用いて再充電されるか、のいずれかとすることができる。いずれの場合も、ＵＣのバンク２０１の合計電圧は、何らかの対象となるパラメータ、特に例としては、例えば、温度センサ２０２によって測定されるようなモジュールの温度に応じて、上方また下方の両方に能動的に調節することができる。こうした実施形態は、各セルに蓄積可能であるだけでなく、セルの寿命を伸ばすことも可能な位置エネルギーを効率的に使用することができる。
【００４１】
いくつかの実施形態では、オルタネータ１０５が作動していないときに、モジュールは、ＵＣ２０１を再充電することができる。ＤＣコンバータ２０３は、車両のエネルギー送達能力に比例したエネルギーを伝達することにより、ＵＣのバンク２０１を再充電することができる。例えば、モジュール１００は、バッテリ１０２が消費され、何らかの下限電位未満（例えば、９Ｖ未満）になるのであれば、バッテリ１０２からあまり多くのエネルギーを取り出さなくてもよい。加えて、ＵＣ２０１を再充電するための電力の伝達は、各コントローラが最大１２の位相のエネルギーに相当する追加の位相を与えるマスタ機構および（多数の）スレーブ機構に配置されたコントローラチップを並列に組み合わせることで、スケール変更可能とすることができる。そのため、２５０Ｗ、５００Ｗ、７５０Ｗなどの充電器であれば、わずかな費用で使用可能であろう。複数の位相を実施する際には、１つの位相がマスタタイミングを制御し、残りの「スレーブ」位相をマスタから等間隔ずつずらせる。複数の位相を用いることにより、時間全体にわたって分散した電力の伝達が可能になることにより、ピーク電流が減少し、構成部品の小型化、効率化がもたらされる。
【００４２】
いくつかの実施形態では、ＵＣ２０１は、主に（図１Ｂおよび図１Ｃに示されている）車両のオルタネータ１０５を使用して充電することができる。いくつかの実施形態では、ＵＣ２０１は、車両のバッテリ１０２からエネルギーを引き出すことにより充電することができる。ＵＣ２０１の再充電は、自動的に、エンジン１０３が作動している（すなわち、オルタネータ１０５がオンである）ときに行われるか、または車両に自力で始動するだけの十分な電力がない緊急時に再充電するように命令されたときに行われるか、のいずれかとすることができる。例えば、モジュール１００は、電流が通っているバッテリシステムに接続され次第、電源を投入し、自身を自動的にリセットすることができる。例えば、モジュール１００がバッテリシステム１０２に並列に接続されている場合には、車両が始動すると、オルタネータ１０５がもともと意図されたようにバッテリ１０２を充電する一方で、モジュール１００は、バッテリ１０２からエネルギーを引き出す。モジュール１００は、ＵＣ２０１が容量に達するまで、ＵＣ２０１とバッテリ１０２との間の電力バスの電圧の平衡を保つことができる。
【００４３】
いくつかの実施形態では、モジュール１００はそれぞれ、自動モード、および／または例えば図２Ａに示される手動インタフェース２１４を介した手動モードのいずれかで動作可能であってもよい。自動モードは、配送用途でかつ１日当たりのエンジン始動回数が多い非常に短距離の輸送用で利用することができる。短距離の輸送では、配送停車中にホテル負荷を持続させるために、自動モードを使用して、バッテリのバスに電気が通った状態を保つようにしておく。手動モードは、トラックを始動するために利用することができる。この場合、手動モードは、始動シーケンスの間にトラックの操作に使用される最小限のエネルギーで、すなわち電子機器類を電気が通った状態に保つのに足りるエネルギーで始動装置１０１に通電するために使用されることになる。いくつかの実施形態では、モジュール１００が手動モードにあるか、自動モードにあるかは、スイッチ２１６によって制御することができる。スイッチ２１６がオンに切り替わると、運転者は手動インタフェース２１４を介してモジュール１００を作動させることが可能になる。
【００４４】
自動モードの動作では、エネルギーは最初のうちはゆっくりと放出され、ＵＣバンク２０１が使い果たされるまで、指定されたバッテリのバス電圧を維持するようにする。バス電圧がＵＣ電圧と等しくなると、２つのシステムはそれ以降有効に並列接続される。自動モードでは、実際のバッテリのバス電圧が、いつシステムが充電からニュートラルに、ニュートラルから放電になるかを決定する。動作モードが手動であるとき、エネルギーは最初のうちはゆっくりと放出され、指定されたバッテリのバス電圧を維持するようにし、次に、ＵＣ電圧がバッテリのバス電圧と等しくなると、２つのシステムは有効に並列接続される。手動モードでは、モジュールは、例えば、点火キーの回転または計器盤の電圧計の電圧によって示されるような、エンジンを始動させる試みがあることを検知する。それ以外の場合には、このシステムは、イベントの開始が意図的にトリガされていることを除き、ちょうど自動モードにおける場合と同様に動作する。手動モードでは、ＵＣシステムにより、始動シーケンスが長くならず、運転者は、正常なものとしてトラックを始動させる。
【００４５】
さらに、いくつかの実施形態では、ＵＣのセル当たりの充電を調節することが可能であり、（例えば、０°Ｆ未満の）低温期の間には増やして、（例えば−２０°Ｆ未満の）超低温期の間にはさらに大きくすることができる。セルの電圧上昇は、動的および／または自動的とすることができるが、これはＵＣのエネルギー蓄積能力の増大につながる場合がある。加えて、いくつかの実施形態は、パルス幅変調（ＰＷＭ）コントローラを用いて、ＤＣバス電圧に基づいてこのエネルギーの緩速放出を可能にしている。充電は、車載ＤＣ／ＤＣコンバータ２０３によって、交流（ＡＣ）接続装置によって、および／またはＵＣのバンク２０１を並列接続と直列接続との間でスマートに切り替えることによって、のいずれかとすることができる。
【００４６】
セル充電システムには３つの特性がある。第１に、オルタネータ１０５を用いて、所定の電圧、例えば、１４．５ＶまでＵＣ２０１を再充電できるようにすることが可能である。これは、バス電圧がＵＣバンク２０１の両端の電圧よりも高いとき、ＦＥＴ２２０を用いて達成することができる。第２に、１４．５Ｖを上回っている場合、各製品は、所望の電圧範囲（例えば１６．２Ｖ〜２４Ｖ）に工場で設定可能な５００ＷのＤＣ／ＤＣコンバータ２０３を使用することができる。コンバータ２０３は、ブースト型またはＳＥＰＩＣのトポグラフィ上に設計され、将来再始動するという選択肢が含まれる場合には、下は９Ｖまで作動することができる。第３に、パックの電圧が所定の設定ポイントに達すると、トラックが長期間の間オフである場合であっても、コンバータ２０３は、その零入力電流を最小限にしてシステム全体の消費を低く抑え、かついつでも始動に利用可能であるという信頼性を保つように設計することができる。電流の消費は、例えば、１回充電すると、おそらく蓄積されたエネルギー１００ｋＪ当たり１Ｗくらいである。
【００４７】
自然消費を低減または最少化するために、セルバランシングはクランプ式とすることができる。セルバランシングは、１つまたは複数の別個のレベル、例えば、２．７Ｖ、３Ｖおよび３．３Ｖの３レベルで温度補償設定点を有することができる。いくつかの実施形態では、電圧設定ポイントは、ＤＣシステム電圧調整装置２３０において維持することができる。このＤＣシステム電圧調整装置２３０は、例えば、バランシングのために様々なウルトラキャパシタのセル電圧に一致するように設定することができる。場合によっては、ウルトラキャパシタ２０１および／またはＤＣシステム電圧調整装置２３０によってバランシングを行って、自然消費を低減または最少化することができる。いくつかの実施形態では、この補償が自動的に行われてもよい。いくつかの実施形態では、セルバランシングは、図２Ａの制御ロジック２１０と同じプリント回路板アセンブリ（ＰＣＢＡ）上となるようにすることができる。
【００４８】
本明細書で論じた例示的な実施態様および／または本技術の実施形態の任意の他の実施態様では、追加の特徴が利用可能な場合がある。例えば、（例えば、図１Ｂに示されるようなケーブルを介してモジュール１００に接続された）スマートユーザインタフェース１０７を含めれば、ＵＣパック２０１の状態（例えば、ＵＣの電力レベル）を運転者に表示することが可能であろう。スマートユーザインタフェース１０７は、ＵＣパック２０１の状態を表示するＬＥＤ状態表示器または「スマート」ＵＣ燃料計ディスプレイを含んでもよい。スマートユーザインタフェース１０７はまた、運転者に充電シーケンスをやり直す選択肢を与える「やり直し」ボタンを含んでもよい。さらに、場合によっては車両メーカーによって、内蔵されたディスプレイに一体化された部分として、車両システムへの集積化を高めるために、車両のコントローラのエリアネットワークバス（ＣＡＮｂｕｓ：controller area network bus）への接続が提供されることもあり得るであろう。
【００４９】
いくつかの実施形態では、モジュール１００内のエネルギーをバスの公称電圧よりも高いレベルで蓄積し、次に、必要に応じて放出し、静止負荷１０４に関係なく、または車両の始動シーケンスの間であっても、車両の正常なＤＣバス電圧を持続させることができる。いくつかの実施形態では、車両始動イベントを大きな静止負荷であると見なし、モジュールがＤＣバスを支援することにより、車両始動シーケンスおよび静止負荷の両方をカバーすることができる。これらの実施形態では、車両の配線をやり直したり、始動モータ１０１にエネルギーを送達したりすることが不必要となり得る。モジュールのアーキテクチャ２００は、ＵＣバンク２０１に蓄積された電圧をバッテリのバスよりも高いレベルで保ち、負荷の変化によるそのバスの電圧の降下に応じて、徐々に電圧を放出する。ホテル負荷またはトラックの電子機器類負荷用のサイズの誘導子を用いて電力を送達するＮチャネルＦＥＴ２０５を有するＰＷＭバックコンバータを使用して、純直流がバスに押しやられ、その後にはじめて、ＦＥＴ２０５が完全にオン状態になると純直流が飽和する。ＰＷＭ２０４が１００％オン状態に達すると、ＰＷＭ２０４はＵＣバンク２０１をバッテリ１０２に並列にする。ループが、時間応答レート＞１０ｋＨｚで所定のバッテリのバス電圧レベルを維持する。
【００５０】
いくつかの実施形態では、モジュール１００は、エネルギーをＤＣバスに直接送達し、（意図的な）ヒステリシスのない非同期式でこれを行う。そのため、エンジン始動中であっても、始動サイクル中にシステムの負荷が大きな倍数で（例えば、１０００倍以上）変わっても、システムは、できるだけ設定ポイント（例えば、１２．５Ｖ）に近い電圧を維持することができる。いくつかの実施形態では、再充電は、システムが環境、ＵＣの充電状態、およびシステムのバッテリに合わせて調節可能な、四象限が制御された多相、かつ動的であってもよい。（ここで、「象限」という用語は、コンバータの電流および電圧の入出力の制御を指す。）さらに、エネルギーの伝達は、可変量でパルス化されることによって、モジュールから発せられた疑似電磁妨害（ＥＭＩ）を低減する。モジュール１００は、この点に関して周波数ホッピング無線と非常によく似た働きをする。パルスは、固定された繰返し周波数で生じる場合もあれば、固定されたパルス幅を有する場合もある。
【００５１】
ウルトラキャパシタを充電するためのＤＣコンバータ
図３Ａ〜図３Ｃは、モジュール１００で使用し、ＵＣのバンク３０１が使い果たされたときにそれらを再充電することが可能な、ＤＣコンバータ３０３のいくつかの実施形態を示す。再充電は、始動サイクル間、およびエンジンが作動している間に起こる場合がある。さらに、いくつかの実施形態では、最初にモジュール１００が設置されたときに、コンバータ３０３を使用してＵＣバンク３０１を充電して、長期間の車両のオフ状態、または初めの（１回または複数回の）試みの後に車両が始動しない場合のいずれかにより、バッテリ３０２およびＵＣのバンク３０１が使い尽くされたときに、ＵＣバンク３０１を再充電することができる。こうした実施形態では、（例えば、ＤＣコンバータ３０３がバッテリ３０２からエネルギーを引き出してＵＣ３０１を充電するときに）ＤＣコンバータ３０３は、そうしなければ使い尽くされるバッテリを駄目にしないように、入力電圧の遮断を制御すること、ほとんど空のＵＣ３０１を充電できるようにするために、入力電流および出力電流の両方を制御すること、および／または、温度が変化するとともにＵＣのバンク３０１に蓄積されたエネルギーを制御するために、可変の出力電圧設定点を制御することができる。
【００５２】
モジュール１００で使用可能なＤＣコンバータ３０３の例示的な実施形態は、車両のＤＣバスへの電力の伝達の調節が可能なエンハンスメントモード（常開）Ｎ−ＦＥＴを含む。いくつかの実施形態では、ＤＣコンバータ３０３は、双方向であってもよいが、他の実地形態では、ＤＣコンバータ３０３は、双方向でなくてもよく、むしろ、いずれか一方の側の電流を監視することにより電力の伝達を調整する別個のコンバータを含んでもよい。さらに、いくつかの実施形態では、モジュール１００内のＤＣコンバータ３０３は、送達側で伝送可能なエネルギー量に関して制限がなくてもよい。加えて、それらはスケール変更可能であってもよい。例えば、エンジン始動の間に、ＤＣバスが何らかの所望の電圧（例えば、１２．５Ｖ）にあるようにしておくために、それほど遅れることなく、ＵＣ３０１が蓄積したエネルギーと同じ量のエネルギーを伝達して、その結果、始動シーケンスにおいて、有効にＵＣ３０１がバッテリ３０２に並列接続されるようにしてもよい。
【００５３】
図３Ａは、車両の中の従来のバッテリ３０２に結合されたモジュールのアーキテクチャ３００ａの一例を示す。モジュールは、バッテリ３０２の正端子および絶縁されたＤＣコンバータ３０３ａに電気的に接続されているＤＣ電圧バスと直列に接続されたＵＣのバンク３０１を含む。正極が誘導子を介して正のバッテリ端子（ＢＡＴ＋）に接続されているので、ＤＣコンバータ３０３ａを電気的に絶縁することが可能であり、有効にそのグラウンド電位を変えることができる。これらの実施形態では、電圧および電流のその入出力に関する制御は、絶縁されたバリアを越えて伝達されなければならない場合がある。
【００５４】
ＵＣバンク３０１のグラウンド側は、Ｎ−ＦＥＴ３０５のセットのドレイン側に結合されている。Ｎ−ＦＥＴ３０５は、バッテリの３０２の負端子およびＤＣコンバータ３０３ａに結合されたソースを有する。いくつかの実施形態では、Ｎ−ＦＥＴ３０５のゲートは、第１の電圧比較器３０６の出力に結合されている。第１の電圧比較器３０６は、入力がＤＣ電圧バスに結合されている。第２の電圧比較器３０７は、入力がＤＣ電圧バスに結合され、出力が絶縁されたＤＣコンバータ３０３ａを使用可能または使用不可能にする。動作時には、第１の電圧比較器３０６は、バス電圧を設定ポイント電圧（例えば、１２Ｖ）と比較し、バス電圧が設定ポイント電圧未満に降下すると常に、ＵＣバンク３０１からのパルスをトリガすることによって、バス電圧を設定ポイント電圧以上に維持する。第２の電圧比較器３０７は、バス電圧を充電電圧（例えば、１３．５Ｖ）と比較し、バス電圧が充電電圧未満に降下すると常に、ＤＣコンバータ３０３ａを使用可能にする。使用可能信号に応答して、ＤＣコンバータ３０３ａはＵＣバンク３０１を充電する。
【００５５】
図３Ｂは、絶縁されていないＤＣコンバータ３０３ｂを示し、そこではＮ−ＦＥＴ３０５が高電位側にあり、ＤＣコンバータ３０３ｂが、常時接地接続を維持しているＵＣ３０１の「頂部」を充電する。これにより、ＤＣコンバータ３０３ｂが絶縁されず、プロトタイピングにおいても、生産期間においても、そのコストを大幅に低減することが可能になる。いくつかの実施形態では、Ｎ−ＦＥＴ３０５のための駆動回路は、ゲートソース間電圧Ｖｇａｔｅ−ｓｏｕｒｃｅをソース電圧Ｖｓｏｕｒｃｅよりも少なくとも数ボルト（例えば、１０Ｖ）高いようにしてもよい（また、場合によっては、Ｖｓｏｕｒｃｅは、ＢＡＴ＋であってもよい）。こうした実施形態では、ＢＡＴ＋は接地よりも９ボルトから１４．５ボルト電圧が高いので、これにより、Ｖｇａｔｅ−ｓｏｕｒｃｅがおよそ２４ボルトになってしまい、その結果、小規模な別個のブースト回路を使うことになる場合がある。いくつかの実施形態では、エンジン始動の間、電流を送達するために使用可能な並列のＮ−ＦＥＴＳのバンクに対してこの電圧レベルを高いゲートキャパシタンスに切り替えることが可能な、絶縁された高電位側のＦＥＴドライバも使用してもよい。図３Ｂに示されている例示的な実施形態は、接続および構成部品が少なくなっているという利点を有する。
【００５６】
図３Ｃは、２つのＤＣコンバータ、３０３ｃおよび３０３ｄを含んでいるシステムを示す。そこでは一方のコンバータ３０３ｄを使用して、ＵＣのバンクを充電または再充電し、もう一方のコンバータ３０３ｃを使用して、エネルギーをＤＣバスに戻す。これらのコンバータはそれぞれ、その「通常」モードにおいて、コンバータをトリガしてオンにする設定ポイントを有することができる。例えば、正常なバッテリを増進するために、例示的な１２．５Ｖの設定点を選択して、ＤＣバスにエネルギーを戻し、１３．７５Ｖの設定ポイントを選択して、再充電サイクルを開始することができる。その他の設定ポイントは調節可能であるので、異なるように決定することができる。しかしながら、モジュールのアーキテクチャ３００ｃは、入出力電流の監視もまた行う。この特徴により、オルタネータ１０５が作動しているまさにそのとき以外のとき、例えば、限定するものではないがバッテリ３０２が減衰し過ぎて始動を実行できないとき、および長期間の停車の間などにＵＣのバンク３０１が使い果たされたときなどにＵＣ３０１の再充電を始めることが可能になる。
【００５７】
図３Ｅおよび図３Ｄはそれぞれ、絶縁されたＤＣコンバータ３０３ｃおよび３０３ｄのいくつかの例示的な特徴の詳細を示す。いくつかの実施形態では、これらのコンバータは、双方向である場合もあるし、また、他の実施形態では、それらは双方向ではない場合もある。図３Ｄ〜図３Ｅに示されている例では、別個の絶縁されたコンバータが、充電入力側（図３Ｅ）および放電出力側（図３Ｄ）で電流を監視することにより、電力の伝達を調整している。
【００５８】
上記で論じたように、いくつかの実施形態では、モジュールのエネルギーは、直列構成および／または並列構成に構成可能なＵＣ２０１に蓄積することができる。モジュール１００に適合するキャパシタンスの量、および／またはバッテリの型は限定しなくてもよい。また、ほとんどの実施形態では、キャパシタ２０１の電圧は、車両の電圧よりも高電圧とすることができる。電圧を上昇させる方法は、フライバック、ストレートブースト、またはＳＥＰＩＣとして構成することが可能な従来のブースト型コンバータを用いることが可能で、絶縁型であっても、非絶縁型であってもよい。コンバータは、多相アプローチを用いて、ピークスイッチング電流を最小限にすることができる。これにより、ひいては小型化、高効率化された構成部品、ＥＭＩ性能の向上、およびコスト低減が可能になる。所定量の電力（例えば２５０Ｗ）ずつの増加では、より多くの位相を追加することが可能で、再充電電力レベルを上げて再充電時間を短縮することが可能になる。位相を追加するたびに、そのスイッチング周波数は、意図的に最初のスイッチと位相をずらすことができる。
【００５９】
充放電のためのウルトラキャパシタ内部の接続
図４は、ＵＣ４０１内のセル間の接続の変化を描く実施形態を示し、バック（ｂｕｃｋ）のみの充放電スキームに適応する直列接続と並列接続との間のＵＣ４０１内のセル間の接続の変化が示されている。いくつかの実施形態では、ＵＣ４０１は、満充電された合計電圧が車両のシステムを下回っている場合、それらを同等のセルのバンク４０１ａおよび４０１ｂに分割することにより再充電することができる。いくつかの実施形態では、いくつかのバンクにＵＣ４０１を分割し、それぞれのバンクが同じ数および／または異なる数のＵＣ４０１を包含することにより、ＵＣ４０１を充電することができる。こうした実施形態では、ＵＣ４０１は、限度までエネルギーがパルス化されるバックモードで再充電することができる。こうした実施形態には、よりソリッドステートなスイッチ、および追加の電流制御が必要である。充電時には、パックを直列に戻し、いつでも電力を伝達できるようにしてもよい。いくつかの実施形態では、直列／並列スイッチ４０２が、合計電圧が車両のシステム電圧を下回っているＵＣ４０１の数が等しい２つの並列のバンク４０１ａおよび４０１ｂに、ＵＣ４０１を分割するか、またはそれらを接続して、合計電圧が車両のシステム電圧を上回っているただ１つのＵＣバンクを形成することができる。いくつかの実施形態では、これにより、ＵＣ４０１を充放電するために、１つのバックコンバータだけを使用することが可能になる。
【００６０】
図５Ａおよび図５Ｂは、モジュール１００内のＵＣ５０１を充電するいくつかの例示的な方法において使用可能なコンバータ５０３を示す。図５Ａは、再充電サイクルの間に電圧を最大ＵＣ５０１ａまで上昇させる別個の、かつ専用の絶縁されていないＤＣコンバータ５０３ａを示す。図５Ｂは、セルスタックを２つの５０１ｂおよび５０１ｃ（例えば、それぞれセルの合計数の半分を包含している同等の半分ずつ）に分割し、次に、車両の公称ＤＣバス電圧をエネルギーが取り出されるポイントとして用いて、並列でそれぞれの半分をバック充電するステップを示す。いくつかの実施形態では、車両の電圧は、分割されたそれぞれのセルよりも高電圧である場合がある。エネルギーは、バックモードコンセプトにおいて各スタックに対して制御された様式でパルス化することができる。スイッチ５０２は、これを達成するためにスタックが「まとめられ」て、次いで「分離されている」点を表している。所与の電圧に充電されると、次に２つスタックは、「送達」モード、すなわちエネルギー出力モードで使用するために直列に戻される。示されているメカニカルスイッチ５０２は、リアルタイムで起こり得る「ソリッドステート」スイッチングを表している。
【００６１】
いくつかの実施形態では、スイッチ５０２は、エンハンスメントモードＮ−ＦＥＴで構成され、送達（エネルギー出力）モードに接続されたときに、適切な最大電流（例えば、最大２５００Ａまで）を通電することができる。いくつかの実施形態では、ＦＥＴは、１０〜２５Ａの範囲にあり得る充電電流を処理するサイズにすることができる。図５Ｂのスイッチングは、それほど高価でなくてもよいし、小型電子機器類を装備させてもよいし、また、車載誘導子を両方向で再使用できるようにしてもよい。いくつかの実施形態では、電流モードコントローラは、車両のバッテリから２つのスタックＵＣ５０１ｂおよび５０１ｃに流れる実効（ＲＭＳ：root mean square）電流をスマートに、かつ、キャパシタの充電状態のほとんどの、またはすべての状況下で、監視および制限することができる。いくつかの実施形態では、使用するキャパシタ５０１およびＵＣのスタックの個数を（例えば、３個、４個、５個などに）増やしてもよい。このとき、各スタックは、同じ数および／または異なる数のＵＣを包含してもよい。
【００６２】
いくつかの実施形態では、図５Ｂに示されているＤＣコンバータを利用して、ＵＣ５０１を２つの同等のスタック５０１ｂ、５０１ｃに分割し、次に、それらが充電されていつでも使用できるようになったときに、直列に再結合することにより、ＵＣのバンク５０１の充電をバック切り替えすることができる。ＵＣ５０１を２つの同等のスタックに分割することにより、再結合されたときに、満充電されたＵＣの電圧を倍増できる（例えば、それぞれが１２．０Ｖまで、すなわち再結合後には２４．０Ｖまで充電される）ようにしてもよい。図５Ｂに示されているような例は、４つのスイッチ回路、５０２ａ、５０２ｂ、５０２ｃおよび５０２ｄを含み、それらのスイッチのうちの２つ、５０２ｃおよび５０２ｄが、エンジン始動の間の高電流を処理することができるようにして、残りの２つ、５０２ａおよび５０２ｂは、充電電流を通過させるのに使用するので、サイズを小さくしてもよい。使用可能なスイッチの一例としては、Ｎ−ＦＥＴがある。
【００６３】
図５Ｂのいくつかの実施形態では、数個のＮ−ＦＥＴを使用して、ＤＣバスに戻る電力を調節してもよい。例えば、分割されていない構成（例えば、図５Ａ）のモジュール１００が、１０個のＮ−ＦＥＴを含んでいる場合、分割されたセル構成（例えば図５Ｂ）でのＮ−ＦＥＴの合計数が、２２個のＮ−ＦＥＴに増加することもあり得る。こうした実施形態では、電流レベルに応じて、高電流を検知するために、標準的な電流検知抵抗の代わりに誘導電流検知を用いてもよい。いくつかの実施形態は、誘導子の両端の軽微な電圧降下を測定し、次にそれらの値の前後で閉ループ制御を生成する１つまたは複数の電圧センサを含んでもよい。
【００６４】
図６Ａ〜図６Ｂは、モジュールで使用可能な例示的なＤＣコンバータの詳細な回路の概略図を詳しく示す。ＤＣコンバータは、四象限電流および電圧が入力および出力の両方で制御された、２５０Ｗ／相の送達が可能な多相ブーストコンバータとすることができる。このシステムは、およそ９５％の効率を有することが可能で、また単相とすることができる。相が追加されるごとに、それに比例して電力を増やすことができる。連続する位相はそれぞれ、意図的に前の位相と３６０°／ｎ分だけ「位相をずらせて」いる。なお、この場合のｎは、位相の合計数である。これにより、ピーク電流が低減され、構成部品のサイズが小さく保たれる。このシステムにより、顧客の要望でこれらの位相を追加することが可能であれば、再充電速度を速くすることが可能であり、あるいは、これらはモジュールを設置することになっている車両のサイズに再充電速度を比例させることができる。
【００６５】
エンジン始動およびバッテリ支援モジュールの動作
図７は、エンジン始動およびバッテリ支援モジュール１００の動作プロセスの一例を図示するフロー図を示す。いくつかの実施形態では、ＤＣコンバータは、入力電圧および電流、ならびに出力電圧および電流の両方の閾値および最大値を制御または設定できるようにしてもよい。ＵＣ７０１が空のときに、それらを充電することは、ＵＣ７０１が完全短絡のように作用して、出力電流が検知され、制御されない限り、ＤＣコンバータが一時的に不具合になるか、衰退するか、または燃え尽きてしまう可能性がある、という問題を起こす可能性がある。出力電流限度を設定しておけば、こうした厄介な問題を回避または制限するのに役立つはずである。
【００６６】
いくつかの実施形態では、出力電圧設定は、所望のＵＣ７０１の電圧に設定可能であり、キャパシタの寿命を長期化または最長化するために、また特に極寒環境において要望に応じて適切なエネルギーを送達するために、温度に基づいて可変とすることができる。また、オルタネータがオフである間に、再充電リサイクル中にＤＣバスが消費されているときに、入力電流限度および最低電圧は、安全な動作領域（例えば、１２ボルトのシステムでは９ボルト）を下回るバッテリ７０２の衰退を回避するのに役立てることができる。いくつかの実施形態では、この機能は動的であってもよく、制御は比例的であってもよい。すなわち、再充電に利用可能な電力が増えるほど、システム（例えば、コンバータ７０３）が取り出し可能な電力を増える。例えば、９ボルトでは、コンバータによって消費される電力は、ゼロである場合もある。また、１３．７５ボルトでは、消費される電力は、単相システムで２５０ワットである場合もある。この間の任意の電圧では、消費される電力は、比例して０ワット〜２５０ワットである場合もある。いくつかの実施形態では、コンバータが使用不可になっているときに、コンバータは、２５ｍＡ未満の零入力電流を有する場合があり、全体的なシステム性能を維持するのに役立てることができる。
【００６７】
例示的なエンジン始動およびバッテリ支援モジュール
以下の非限定的な実施例は、本開示の原理によるエンジン始動およびバッテリ支援モジュールの態様を強調することを意図するものである。
【００６８】
例示的なデバイス１：セルの数：直列で８個；ＵＣセルのキャパシタンス：３０００Ｆ；合計キャパシタンス：３７５Ｆ；電圧：温度が約０°Ｆよりも高いときには２１．６Ｖ、および温度が約０°Ｆ未満であるときには２４Ｖ。
【００６９】
例示的なデバイス１は、第１の機能として、「ホテル負荷」の持続をもたらすことができるとともに、実際の始動シーケンスのためのエネルギーを留保する第２の機能を有する。ホテル負荷の持続がより多くのエネルギーを得る比率はおよそ１０：１である。システムは、直列に積層されたＵＣのストリングからのバッテリのバス電圧を自動的に持続させ、温度に応じて最大２．７Ｖ／セルまたは３．０Ｖ／セルまで充電した。セルの電圧がバッテリ電圧と等しくなると、次いで、それらはアーキテクチャの設計によって並列接続される。このデバイスが例示的に適用されるのは、車両が配送に使用されるときである。
【００７０】
例示的なデバイス２：セルの数：それぞれが直列の６個のセルからなる２つの並列なストリング；ＵＣセルのキャパシタンス：３０００Ｆ；合計キャパシタンス：１０００Ｆ；電圧：温度が約０°Ｆよりも高いときには１６．２Ｖ、および温度が約０°Ｆ未満であるときには１８．０Ｖ。
【００７１】
例示的なデバイス２は、エネルギー量を減らして供給するか、または最低限の量を供給しながら、車両を始動させるためにエネルギーを送達することができ、、そのプロセスの間、車両の電子機器類に電流が通った状態を保つようにすることができる。このデバイスが例示的に適用されるのは、車両が補助電源装置のないキャパシタンスに使用されるときである。
【００７２】
例示的なデバイス３：セルの数：それぞれが直列の６個のセルからなる３つの並列なストリング；ＵＣセルのキャパシタンス：３０００Ｆ；合計キャパシタンス：１５００Ｆ；電圧：温度が約０°Ｆよりも高いときには１６．２Ｖ、および温度が約０°Ｆ未満であるときには１８．０Ｖ。
【００７３】
例示的なデバイス３は、エネルギーを最低限の量に減らして供給しながら、車両を始動させるためにエネルギーを送達することができ、、そのプロセスの間、車両の電子機器類に電流が通った状態を保つようにすることができる。本適用例は、特に５個以上のバッテリが並列されている車両に対して、車両を始動させる事象の間に車両の電子機器類用により多くのエネルギーが送達されるように支援する。このデバイスが例示的に適用されるのは、車両が補助電源装置を有するキャパシタンスに使用されるときである。
【００７４】
例示的なデバイス４：セルの数：それぞれが直列の６個のセルからなる３つの並列なストリング；ＵＣセルのキャパシタンス：３０００Ｆ；合計キャパシタンス：１５００Ｆ；電圧：温度が約０°Ｆよりも高いときには１６．２Ｖ、温度が約０°Ｆ未満であるときには１８．０Ｖ、および温度が約−２０°Ｆ未満であるときには１９．８Ｖ。
【００７５】
例示的なデバイス４は、エネルギーを増やして送達するか、または最大限の量を送達して、超低温用途での車両を始動させる。
【００７６】
結論
本明細書では、様々な本発明の実施形態について説明および図示してきたが、当業者であれば、機能を実行するため、および／または、本発明で説明された結果および／または利点のうちの１つまたは複数を取得するための、様々な他の手段および／または構造が容易に想到され、こうした変形形態および／または修正形態はそれぞれ、本明細書で説明される本発明の実施形態の範囲内にあるものと考えられる。より一般的に言えば、当業者であれば、本明細書で説明されるすべてのパラメータ、寸法、材料、および構成が例示的であるものと意図されること、ならびに、実際のパラメータ、寸法、材料、および／または構成が、本発明の教示が使用される特定の１つまたは複数の用途に依存するであろうということを、容易に理解されよう。当業者であれば、単なる通常の実験を用いて、本明細書で説明される特定の本発明の実施形態の多くの均等物を理解または把握することが可能であろう。したがって、前述の実施形態が例としてのみ提示されたものであること、および、本発明の実施形態は、添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内で具体的に説明および請求された以外の物／方法で実施可能であることが理解されよう。本開示の本発明の実施形態は、本明細書で説明される各別個の特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法を対象とする。加えて、２つ以上のこうした特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法の任意の組み合わせは、こうした特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法が相互に矛盾しない場合、本開示の本発明の範囲内に含まれる。
【００７７】
前述の実施形態は、多数の方法のうちのいずれかで実施可能である。例えば、本技術の実施形態は、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、またはそれらの組み合わせを用いて実施することができる。ファームウェアおよび／またはソフトウェア内で実施されるとき、単一のデバイス内に提供されるかまたは複数のデバイス間で分散されるかにかかわらず、ファームウェアおよび／またはソフトウェアコードは、任意の適切なプロセッサまたはロジックコンポーネントの集合上で実行することが可能である。
【００７８】
この点で、様々な本発明の概念は、１つまたは複数のコンピュータもしくは他のプロセッサ上で実行されたときに、前述の本発明の様々な実施形態を実施する方法を実行する、１つまたは複数のプログラムを用いて符号化された、コンピュータ可読記憶媒体（または複数のコンピュータ可読記憶媒体）（例えば、コンピュータメモリ、１つまたは複数のフロッピーディスク、コンパクトディスク、光ディスク、磁気テープ、フラッシュメモリ、フィールドプログラマブルゲートアレイまたは他の半導体デバイス内の回路構成、あるいは、他の持続性媒体または有形コンピュータ記憶媒体）として具体化可能である。コンピュータ可読媒体は、前述の本発明の様々な態様を実施するためにコンピュータ可読媒体上に記憶されたプログラムが、１つまたは複数の異なるコンピュータ、もしくは他のプロセッサ上にロード可能なように、トランスポート可能とすることができる。
【００７９】
「プログラム」または「ソフトウェア」という用語は、本明細書では、前述の実施形態の様々な態様を実施するためにコンピュータまたは他のプロセッサをプログラミングするように使用可能な、任意のタイプのコンピュータコードまたはコンピュータ実行可能命令のセットを言い表すために、総称的な意味で使用される。加えて、一態様によれば、実行時に、本発明の方法を実行する１つまたは複数のコンピュータプログラムは、単一のコンピュータまたはプロセッサ上に常駐する必要はないが、複数の異なるコンピュータまたはプロセッサ間にモジュール形式で分散して本発明の様々な態様を実施してもよいことを理解されたい。
【００８０】
コンピュータ実行可能命令は、１つまたは複数のコンピュータもしくは他のデバイスによって実行されるプログラムモジュールのような、様々な形式とすることができる。一般に、プログラムモジュールは、特定のタスクを実行するか、または特定の抽象データタイプを実施する、ルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造などを含む。典型的には、プログラムモジュールの機能は、様々な実施形態において必要に応じて組み合わせてもよいし、分散させてもよい。
【００８１】
また、データ構造は、コンピュータ可読媒体内に任意の適切な形で記憶することができる。図示をわかりやすくするために、データ構造は、データ構造内の位置を介して関係しているフィールドを有するように示されている場合がある。こうした関係は、フィールド間の関係を伝えるコンピュータ可読媒体内の位置をフィールド用の記憶に割り当てることによって、同様に実現することができる。しかしながら、ポインタ、タグ、またはデータ要素間の関係を確立するその他の機構の使用を含めた、任意の適切な機構を使用して、データ構造のフィールド内に情報間の関係を確立することができる。
【００８２】
また、様々な本発明の概念は、１つまたは複数の方法であってその例が提供されている１つまたは複数の方法として、具体化することができる。方法の一部として実行される動作は、任意の適切な方法で順序付けすることができる。したがって、動作が例示とは異なる順序で実行され、いくつかの動作を、たとえ例示の実施形態では順次動作として示されていても同時に実行することを含むことができる、実施形態が構成され得る。
【００８３】
本明細書で定義および使用されるすべての定義は、辞書定義、参照により組み込まれた文献内の定義、および／または、定義された用語の通常の意味を規定しているものであると理解されたい。
【００８４】
明細書および特許請求の範囲において本明細書で使用される不定冠詞「ａ」および「ａｎ」は、そうでないことがはっきりと表示されていない限り、「少なくとも１つ」を意味することを理解されたい。
【００８５】
明細書および特許請求の範囲において本明細書で使用される語句「および／または」は、結合された要素、すなわち、結合的に存在する場合も分離的に存在する場合もある要素のうちの「いずれか一方または両方」を意味すると理解されたい。「および／または」とともに列挙されている複数の要素は、同様に、すなわち、結合された複数の要素のうちの「１つまたは複数」であると解釈されるべきである。他の要素は、任意選択的に、「および／または」の節によって特に識別された要素以外の要素を、特に識別されたこれらの要素に関連する関連しないに関わらず、表すことができる。したがって、非限定的な例として、「Ａおよび／またはＢ」と言う場合、「含む（comprising）」などのオープンエンドな言い回しに関連して使用されるときには、ある実施形態では、Ａのみを指し（任意選択的にＢ以外の要素を含む）、別の実施形態では、Ｂのみを指し（任意選択的にＡ以外の要素を含む）、さらに別の実施形態では、ＡとＢの両方を指す（任意選択的に他の要素を含む）、などとすることができる。
【００８６】
明細書および特許請求の範囲において本明細書で使用される場合、「または」は、上記で定義した「および／または」と同じ意味を有するように理解されたい。例えば、列挙された項目を分けるときの、「または」もしくは「および／または」は、包括的な意味として、すなわち、複数の要素または列挙された要素のうちの少なくとも１つを含むだけでなく、２つ以上の、および、任意選択的に、追加の列挙されていない項目もまた含むと解釈されるべきである。「〜のうちの１つのみ」または、「〜のうちのまさに１つだけ」のような、明確にそれと反することを示す用語、または、特許請求の範囲で「〜からなる（consisting of）」が使用されているときにのみ、複数の要素または列挙された要素のうちのまさにその１つの要素を含むことを指している。一般に、本明細書で使用される用語「または」は、「いずれか一方」、「〜のうちの１つ」、「〜のうちの１つだけ」、または「〜のうちの厳密に１つだけ」といった排他性を示す用語に先行されるときに、排他的な二者択一（すなわち、「どちらか一方であるが両方ではない」のみを示すと解釈される。特許請求の範囲で「本質的に〜からなる（consisting essentially of）」が使用されるときには、特許法の分野で使用される通常の意味を有するものとする。
【００８７】
明細書および特許請求の範囲において本明細書で使用される場合、１つまたは複数の要素の列挙に関連した「少なくとも１つ」という語句は、列挙された要素のうちの任意の１つまたは複数の要素から選択された少なくとも１つの要素を意味するが、必ずしも、列挙された要素のうちの具体的に列挙されたあらゆる要素のうちの少なくとも１つを含む必要はなく、また、列挙された要素のうちの要素の任意の組み合わせを除外するものではないことを理解されたい。この定義により、「少なくとも１つ」という語句が指す、列挙された要素内で具体的に識別された要素以外の要素が、具体的に識別されたそれらの要素と関連する関連しないに関わらず、任意選択的に存在することもまた可能になる。したがって、非限定的な例として、「ＡおよびＢのうちの少なくとも１つ」（または、均等に、「ＡまたはＢのうちの少なくとも１つ」、または、均等に、「Ａおよび／またはＢのうちの少なくとも１つ」）は、ある実施形態では、少なくとも１つの、任意選択的に２つ以上のＡを含み、かつＢが存在しない（かつ任意選択的にＢ以外の要素を含む）ことを指し、別の実施形態では、少なくとも１つの、任意選択的に２つ以上のＢを含み、かつＡが存在しない（かつ任意選択的にＡ以外の要素を含む）ことを指し、さらに別の実施形態では、少なくとも１つの、任意選択的に２つ以上のＡを含み、かつ、少なくとも１つの、任意選択的に２つ以上のＢを含む（かつ任意選択的に他の要素を含む）ことを指す、などとすることができる。
【００８８】
上記明細書においてと同様に、特許請求の範囲において、例えば、「含む（comprising）」、「含む（including）」、「担持する（carrying）」、「有する（having）」、「包含する（containing）」、「伴う（involving）」、「保持する（holding）」、「〜で構成される（composed of）」などの移行句はすべて、オープンエンドである、すなわち、含むが限定されないことを意味すると理解されたい。「〜からなる（consisting of）」と「本質的に〜からなる（consisting essentially of)」という移行句だけが、米国特許審査便覧の特許審査手続第２１１１．０３項に記載されるように、それぞれ、クローズドまたはセミクローズドの移行句であるとする。
【図１Ａ】
2020010599.tif 000003
【図１Ｂ】
2020010599.tif 000004
【図１Ｃ】
2020010599.tif 000005
【図２Ａ】
2020010599.tif 000006
【図２Ｂ】
2020010599.tif 000007
【図３Ａ】
2020010599.tif 000008
【図３Ｂ】
2020010599.tif 000009
【図３Ｃ】
2020010599.tif 000010
【図３Ｄ】
2020010599.tif 000011
【図３Ｅ】
2020010599.tif 000012
【図４】
2020010599.tif 000013
【図５Ａ】
2020010599.tif 000014
【図５Ｂ】
2020010599.tif 000015
【図６Ａ】
2020010599.tif 000016
【図６Ｂ】
2020010599.tif 000017
【図７】
2020010599.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】令和1年10月17日(2019.10.17)
【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】
車両の中の、車両のバッテリの電圧レベルを調整するための方法であって、
前記電圧レベルが所定の電圧閾値未満であるかどうかを決定するステップと、
前記電圧レベルが前記所定の電圧閾値未満である場合に、前記車両のバッテリと電気的につながっている少なくとも１つのウルトラキャパシタの放電を開始するステップと、
前記電圧レベルを少なくとも前記所定の電圧閾値まで上げるように、前記少なくとも１つのウルトラキャパシタの前記放電を調節するステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記所定の電圧閾値が、車両のバッテリの製造後年数、車両の製造後年数、車両のバッテリの状態、車両のバッテリの量、車両のバッテリの型、車両の始動装置の型、始動装置の製造後年数、温度、および前記車両の運転者の経験のうちの少なくとも１つに基づいて決定される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記少なくとも１つのウルトラキャパシタの前記放電を調整するステップが、前記少なくとも１つのウルトラキャパシタと電気的につながっている少なくとも１つのトランジスタを介して電流の流れを制御するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
車両のオルタネータがオフである間、前記車両のバッテリから前記少なくとも１つのウルトラキャパシタにエネルギーを伝達するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記電圧レベルが再充電電圧閾値を超過していることを決定した後に、前記エネルギーの伝達が開始される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記車両のバッテリの電圧量が前記再充電電圧閾値を超過しているときにのみ、前記エネルギーの伝達が開始される、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記電圧レベルが前記車両を始動させるのに必要な電圧レベル未満であるときに、前記車両のバッテリから前記少なくとも１つのウルトラキャパシタにエネルギーを伝達するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記少なくとも１つのウルトラキャパシタが、複数のウルトラキャパシタを含み、
充電するための並列構成と、放電するための直列構成との間で前記複数のウルトラキャパシタを切り替えるステップ
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
車両のバッテリの電圧レベルを調整するための装置であって、
直列に接続されて電荷を蓄積する複数のウルトラキャパシタと、
前記車両のバッテリおよび前記複数のウルトラキャパシタと電気的につながっている少なくとも１つの電圧比較器であって、前記電圧レベルと所定の電圧閾値との比較を行う少なくとも１つの電圧比較器と、
前記少なくとも１つの電圧比較器および前記複数のウルトラキャパシタと電気的につながっている制御ロジックであって、前記比較に基づいて前記複数のウルトラキャパシタの放電を調節して、少なくとも前記所定の電圧閾値まで前記電圧レベルを上げるようにする制御ロジックと
を含む装置。
【請求項１０】
前記制御ロジックが、前記複数のウルトラキャパシタと電気的につながっている少なくとも１つのトランジスタであって、前記複数のウルトラキャパシタへの、および／または前記複数のウルトラキャパシタからの電流の流れを制御する少なくとも１つのトランジスタを含む、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの比較器が、前記複数のウルトラキャパシタへの、および／または前記複数のウルトラキャパシタからの前記電流の流れを制御する前記少なくとも１つのトランジスタのゲートと電気的につながっている、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記複数のウルトラキャパシタおよび前記少なくとも１つの電圧比較器と電気的につながっている直流（ＤＣ）コンバータであって、前記電圧レベルと再充電電圧閾値との比較に応じて、前記複数のウルトラキャパシタを充電する直流（ＤＣ）コンバータをさらに含む、請求項９に記載の装置。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの電圧比較器が、
前記ＤＣコンバータと電気的につながっている第１の電圧比較器であって、前記電圧レベルが前記再充電電圧閾値を超過している場合に、前記ＤＣコンバータを使用可能にする第１の電圧比較器と、
前記制御ロジックと電気的につながっている第２の電圧比較器であって、前記電圧レベルと前記所定の電圧閾値との前記比較を行う第２の電圧比較器と
を含む、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記ＤＣコンバータが、電圧レベルが前記再充電電圧閾値を上回っていることを示す前記電圧比較器からの出力に応じて、前記車両のバッテリから前記複数のウルトラキャパシタに電荷を伝達するように構成されている、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記ＤＣコンバータに動作可能に結合されて、前記車両のバッテリの温度を監視する温度センサをさらに含む、請求項１２に記載の装置。
【請求項１６】
前記ＤＣコンバータが、前記車両のバッテリの前記温度に基づいて前記所定の電圧閾値および／または前記再充電電圧閾値を変えるように構成されている、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記ＤＣコンバータが、前記少なくとも１つの比較器からの出力に応じて、前記車両の車両バスにエネルギーを送達するようにさらに構成されている、請求項１２に記載の装置。
【請求項１８】
前記複数のウルトラキャパシタと電気的につながっているスイッチであって、直列構成と並列構成との間で前記複数のウルトラキャパシタを切り替えるスイッチをさらに含む、請求項９に記載の装置。
【請求項１９】
前記制御ロジックに動作可能に結合された手動インタフェースであって、前記車両の運転者が前記装置を作動させることを可能にする手動インタフェースをさらに含む、請求項９に記載の装置。
【外国語明細書】
2020010599000001.pdf