(57)【要約】エネルギー貯蔵装置は、電荷貯蔵アセンブリ、補助貯蔵要素、および電荷制御回路を含む。電荷貯蔵アセンブリは、直列に結合されたスーパーキャパシタのアレイ、複数のバッテリ、および電荷保持回路を含む。複数のバッテリの各々は、スーパーキャパシタのアレイ内の対応するスーパーキャパシタに電気的に結合されている。電荷保持回路は、スーパーキャパシタのアレイ内の少なくとも1つのスーパーキャパシタがアイドル状態にある場合にその少なくとも1つのスーパーキャパシタの電荷状態を維持するように構成されている。電荷制御回路は、スーパーキャパシタのアレイ内のこの少なくとも1つのスーパーキャパシタと補助貯蔵要素との間で電荷を選択的に移動させるように構成されている。2019532613.tif 000003
2019532613.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スーパーキャパシタのアレイを含む電荷貯蔵アセンブリ、
補助貯蔵要素、
充電動作中にスーパーキャパシタのアレイに充電電流を供給するように構成され、スーパーキャパシタのアレイ内の少なくとも1つのスーパーキャパシタと補助貯蔵要素との間で電荷を選択的に移動させるように構成された、電荷制御回路
を含む、エネルギー貯蔵装置。
【請求項２】
不均衡検出回路を含み、電荷制御回路が、該不均衡検出回路がアレイ内の前記少なくとも1つのスーパーキャパシタとアレイ内の残りのスーパーキャパシタの1つまたは複数との間に電荷不均衡を検出した場合に該少なくとも1つのスーパーキャパシタと補助貯蔵要素との間で電荷を移動させるように構成された、請求項1記載のエネルギー貯蔵装置。
【請求項３】
不均衡検出回路が、過充電不均衡または過少充電不均衡のうちの1つを検出するように構成され、電荷制御回路が、過充電不均衡が検出された場合に前記少なくとも1つのスーパーキャパシタおよび補助貯蔵部から電荷を移動させるように構成され、電荷制御回路が、過少充電不均衡が検出された場合に補助貯蔵部から該少なくとも1つのスーパーキャパシタに電荷を移動させるように構成された、請求項2記載のエネルギー貯蔵装置。
【請求項４】
電荷制御回路が、
少なくとも1つのパルス幅変調コントローラと、
該少なくとも1つのパルス幅変調コントローラに電気的に結合された複数の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）と
を含む、請求項1記載のエネルギー貯蔵装置。
【請求項５】
前記少なくとも1つのパルス幅変調コントローラが、
デジタル信号プロセッサと、
該デジタル信号プロセッサに電気的に結合され、前記複数のIGBTに対して第1の制御信号および第2の制御信号を生成するように構成された、少なくとも1つのIGBTコントローラと
を含む、請求項4記載のエネルギー貯蔵装置。
【請求項６】
電荷制御回路が複数の電荷制御回路を含み、該複数の電荷制御回路の各々が、スーパーキャパシタのアレイ内のスーパーキャパシタのうちの1つに結合された、請求項1記載のエネルギー貯蔵装置。
【請求項７】
電荷貯蔵アセンブリが複数のバッテリを含み、該複数のバッテリの各々が、スーパーキャパシタのアレイ内の対応するスーパーキャパシタに結合された、請求項1記載のエネルギー貯蔵装置。
【請求項８】
複数のバッテリの各々がリチウムイオン電池を含む、請求項7記載のエネルギー貯蔵装置。
【請求項９】
補助貯蔵部がスーパーキャパシタを含む、請求項1記載のエネルギー貯蔵装置。
【請求項１０】
スーパーキャパシタのアレイ内のスーパーキャパシタの各々がアイドル状態にある場合にスーパーキャパシタの各々の電荷状態を維持するように構成された、電荷保持回路
を含む、請求項1記載のエネルギー貯蔵装置。
【請求項１１】
電荷保持回路が、所定のリーク電流を生成するように構成された、請求項10記載のエネルギー貯蔵装置。
【請求項１２】
電荷制御回路に結合された制御ロジック要素を含み、制御ロジックが、電荷制御回路用の1つまたは複数の制御信号を生成するように構成された、請求項1記載のエネルギー貯蔵装置。
【請求項１３】
直列に結合されたスーパーキャパシタのアレイ、および
各々がスーパーキャパシタのアレイ内の対応するスーパーキャパシタに電気的に結合された、複数のバッテリ
を含む電荷貯蔵アセンブリ、ならびに
スーパーキャパシタのアレイ内のスーパーキャパシタの各々がアイドル状態にある場合にスーパーキャパシタの各々の電荷状態を維持するように構成された、電荷保持回路
を含む、エネルギー貯蔵装置。
【請求項１４】
電荷保持回路が、アイドル状態のスーパーキャパシタに関連する前記複数のバッテリのうちの選択された1つからリーク電流を生成するように構成され、該リーク電流が、アイドル状態のスーパーキャパシタの電荷状態を維持する、請求項13記載のエネルギー貯蔵装置。
【請求項１５】
複数のバッテリの各々がリチウムイオン電池を含む、請求項13記載のエネルギー貯蔵装置。
【請求項１６】
電荷保持回路が複数の電荷保持回路を含み、該複数の電荷保持回路の各々が、スーパーキャパシタのアレイ内の対応するスーパーキャパシタに結合された、請求項13記載のエネルギー貯蔵装置。
【請求項１７】
直列に結合されたスーパーキャパシタのアレイ、および
各々がスーパーキャパシタのアレイ内の対応するスーパーキャパシタに電気的に結合された、複数のバッテリ、
各々がスーパーキャパシタのアレイ内の対応するスーパーキャパシタに結合され、スーパーキャパシタのアレイ内の対応するスーパーキャパシタがアイドル状態にある場合に対応するスーパーキャパシタの電荷状態を維持するように構成された、複数の電荷保持回路
を含む、電荷貯蔵アセンブリ、
補助貯蔵要素、ならびに
スーパーキャパシタのアレイ内の少なくとも1つのスーパーキャパシタと補助貯蔵要素との間で電荷を選択的に移動させるように構成された、複数の電荷制御回路
を含む、エネルギー貯蔵装置。
【請求項１８】
不均衡検出回路を含み、電荷制御回路が、該不均衡検出回路がアレイ内の前記少なくとも1つのスーパーキャパシタとアレイ内の残りのスーパーキャパシタの1つまたは複数との間に電荷不均衡を検出した場合に該少なくとも1つのスーパーキャパシタと補助貯蔵要素との間で電荷を移動させるように構成された、請求項17記載のエネルギー貯蔵装置。
【請求項１９】
不均衡検出回路が、過充電不均衡または過少充電不均衡のうちの1つを検出するように構成され、電荷制御回路が、過充電不均衡が検出された場合に前記少なくとも1つのスーパーキャパシタおよび補助貯蔵部から電荷を移動させるように構成され、電荷制御回路が、過少充電不均衡が検出された場合に補助貯蔵部から該少なくとも1つのスーパーキャパシタに電荷を移動させるように構成された、請求項18記載のエネルギー貯蔵装置。
【請求項２０】
電荷制御回路が、
少なくとも1つのパルス幅変調コントローラと、
該少なくとも1つのパルス幅変調コントローラに電気的に結合された複数の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）と
を含む、請求項17記載のエネルギー貯蔵装置。
【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、いずれも「SUPERCAPACITOR BASED ENERGY STORAGE DEVICE AND METHOD」と題する、2016年9月14日に出願された米国仮特許出願第62/394,532号、および2017年4月18日に出願された米国非仮特許出願第15/490,409号の両方の優先権を主張し、それぞれの全体が参照により本明細書に組み入れられる。
【０００２】
分野
本開示は、全般的には、スーパーキャパシタベースのエネルギー貯蔵装置、およびスーパーキャパシタベースのエネルギー貯蔵装置を制御する方法に関する。より詳細には、開示されたシステムおよび方法は、スーパーキャパシタアセンブリの電流の流れを均衡させ、自己放電率を低下させ、スーパーキャパシタベースのエネルギー貯蔵装置の比エネルギーを高める。
【背景技術】
【０００３】
背景
近年、気候変動と地球温暖化によって、電気輸送へ移行し、送電グリッドがより多くの再生可能エネルギーの生成を統合し、依然として電気を利用できない何十億という人々に再生可能電力を供給し、かつディーゼルまたは灯油ベースのエネルギーに依存している人々を再生可能エネルギーに移行させるために、エネルギー貯蔵への関心が増加している。化学的および非化学的、ならびに静電的なエネルギー貯蔵は、1世紀以上にわたって広範な用途で存在してきた。しかし、輸送、グリッド貯蔵、およびオフグリッド電力のような用途での要求は、現在バッテリが使用されている対象とは全く異なるため、新たな課題が発生する結果となっている。
【０００４】
自動車用途の場合、電気自動車は、自動車消費者に広く受け入れられるために、走行距離に対する不安、温度効果、サイクル寿命、およびコストなどの問題を排除しなければならない。グリッド貯蔵用のソリューションに効果的であるためには、バッテリは、コスト（化石燃料ベースの代替物と比較して）、効率、温度効果、サイクル寿命、容量低下、メモリ効果、充電速度などの問題に対処しなければならない。オフグリッド用のソリューションに展開するには、バッテリは、コスト、温度効果、充電速度、放電速度、サイクル寿命、安全性、効率性、およびメンテナンスの問題に対処しなければならない。
【０００５】
材料科学、商業モデル、製造方法の開発は、バッテリの性能および経済性の向上に貢献している。これらの努力はほとんどの場合、化学電池に集中している。ただし、進歩は遅く、利得はほんの僅かである。気候変動と地球温暖化という課題に対応するには、指数関数的な改善が必要である。リチウムイオン電池、高機能鉛蓄電池、フロー電池、水系電池、および水素電池は、試験および開発されている多くの異なる種類のバッテリの中のいくつかであるが、化学貯蔵媒体の材料に関する制限が、進歩を妨げている。
【発明の概要】
【０００６】
概要
一局面では、本開示は、スーパーキャパシタのアレイを含む電荷貯蔵アセンブリと補助貯蔵要素とを有するエネルギー貯蔵装置を提供する。更に、充電動作中にスーパーキャパシタのアレイに充電電流を供給するように構成された電荷制御回路が提供され、電荷制御回路は、スーパーキャパシタのアレイ内の少なくとも1つのスーパーキャパシタと補助貯蔵要素との間で電荷を選択的に移動させるように構成されている。
【０００７】
別の局面では、直列に結合されたスーパーキャパシタのアレイと複数のバッテリとを有する電荷貯蔵アセンブリを有するように、エネルギー貯蔵装置が提供され、複数のバッテリの各々は、スーパーキャパシタのアレイ内の対応するスーパーキャパシタに電気的に結合されている。スーパーキャパシタのアレイ内の各スーパーキャパシタがアイドル状態にある場合に各スーパーキャパシタの電荷状態を維持するように構成された電荷保持回路も提供される。
【０００８】
更に別の局面では、本開示は、直列に結合されたスーパーキャパシタのアレイと複数のバッテリとを有する電荷貯蔵アセンブリを有するエネルギー貯蔵装置を提供し、複数のバッテリの各々は、スーパーキャパシタのアレイ内の対応するスーパーキャパシタに電気的に結合されている。更に、本開示は、複数の電荷保持回路を提供し、複数の電荷保持回路の各々は、スーパーキャパシタのアレイ内の対応するスーパーキャパシタに結合され、複数の電荷保持回路の各々は、スーパーキャパシタのアレイ内の対応するスーパーキャパシタがアイドル状態にある場合に対応するスーパーキャパシタの電荷状態を維持するように構成されている。補助貯蔵要素、および、スーパーキャパシタのアレイ内の少なくとも1つのスーパーキャパシタと補助貯蔵要素との間で電荷を選択的に移動させるように構成された複数の電荷制御回路が、更に提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本発明の特徴および利点は、添付の図面と共に考慮すべき以下の好ましい態様の詳細な説明により、より十分に開示される、すなわち明白になるであろう。図面において類似の数字は類似の部分を指す。
【００１０】
【図１】いくつかの態様による、スーパーキャパシタのアレイを制御するためのシステムを示す。
【図２】いくつかの態様による、複数の電荷制御回路を含む図1のシステムの部分的であるがより詳細な図を示す。
【図３】いくつかの態様による、例示的な電荷制御回路を示す。
【図４】いくつかの態様による、例示的なパルス幅変調コントローラを示す。
【図５】いくつかの態様による、例示的な不均衡検出回路を含む図1のシステムの部分的であるがより詳細な図を示す。
【図６】いくつかの態様による、例示的な電荷保持回路を含む図1のシステムの部分的であるがより詳細な図を示す。
【図７】いくつかの態様による、例示的な通信モジュールを示す。
【図８】いくつかの態様による、制御アルゴリズムを示すフローチャートである。
【図９】いくつかの態様による、スーパーキャパシタを示す。
【図１０】いくつかの態様による、スーパーキャパシタのアレイ内の第1のスーパーキャパシタの充電動作を示すタイミング図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
詳細な説明
以下の開示は、主題の異なる特徴を実現するための、多くの異なる態様または例を提供する。本開示を簡略化するために、構成要素および配置の具体例を以下に説明する。これらはもちろん単なる例であり、限定することを意図しない。「結合された」、「接続された」、および「相互接続された」などの、電気的結合などに関する用語は、特に明記しない限り、構造が直接的に、または介在構造を通して間接的にのいずれかで、互いに通信する関係を指す。加えて、本開示は、様々な例において参照番号および/または参照文字を繰り返す場合がある。この繰り返しは、簡潔さと明瞭さのためであり、それ自体は、論じられる様々な態様および/または構成の間の関係を表さない。
【００１２】
開示されたシステムおよび方法は、電流の均衡化を単純化し、自己放電を低減し、かつ個々のスーパーキャパシタにおけるエネルギー密度の調整を最適化する。スーパーキャパシタは周知であり、様々な供給元から市販されており、他のコンデンサよりもはるかに高い容量値を有する（しかし電圧制限値は低い）、大容量の電気化学コンデンサであり、電解コンデンサと充電式電池との間のギャップを埋める。本明細書に記載のシステムおよび方法により、これまで従来型のバッテリのみを使用することができた場所で、スーパーキャパシタを使用することが可能になる。従来型のバッテリに対するスーパーキャパシタ固有の利点ゆえに、かつ開示されたシステムおよび方法を組み込むことにより、スーパーキャパシタアセンブリは、従来型のバッテリに対する、実行可能でかつ著しく改善された代替物を提供し、その結果、化石燃料から再生可能エネルギーへの広範な展開および移行が可能になる。
【００１３】
いくつかの態様では、複数のスーパーキャパシタが直列に接続されて、所定のVDC（直流電圧）出力を有するアレイを形成する。アレイ内の各スーパーキャパシタは、スーパーキャパシタの貯蔵容量の所定の割合に等しい量のバッテリ（例えば、リン酸鉄リチウム（「LFP」）バッテリ）を組み込むことができる。いくつかの態様では、マイクロコントローラベースのハードウェアが各スーパーキャパシタに接続され、電流均衡化、電荷保持、ならびに電解密度の最適化および調整を実施するように構成されている。本明細書では、いくつかの態様は特定数のスーパーキャパシタを有するものとして説明されるが、スーパーキャパシタの数を限定するものではなく、説明する態様の各々は、当業者であれば理解すると考えられるように、より少数のまたはより多数のスーパーキャパシタを含み得る。
【００１４】
いくつかの態様では、スーパーキャパシタのアレイの各々は、例えば800A〜900Aのような非常に高い電流で充電可能な、直列接続された複数のスーパーキャパシタを含む。個々のスーパーキャパシタの製造公差ゆえに、充電サイクル中に生じ得る不均衡（±20％）。いくつかの態様では、不均衡は、スーパーキャパシタのアレイに結合された1つまたは複数の回路要素によって補正される。例えば、充電サイクル中に、充電源がスーパーキャパシタのアレイに接続している場合、マイクロコントローラは、電流均衡化のために個々のスーパーキャパシタの各々の電圧をモニタすることができる。マイクロコントローラが、完全充電に達したスーパーキャパシタを検出した場合、余剰エネルギーが完全充電されたスーパーキャパシタから引き出され、補助バッファに移動される。余剰エネルギーは、補助バッファから、依然として充電中の1つまたは複数のスーパーキャパシタに供給することができる。このプロセスは好都合にも、充電サイクルの中断なしに行われる。従って、開示されたシステムおよび方法は好都合にも、スーパーキャパシタの充電を制御して、充電下での安定性を維持し、充電効率を高め、充電時間を短縮する。
【００１５】
スーパーキャパシタは、アイドル時に高い自己放電率を示す（48時間-80％）。いくつかの態様では、放電速度を減少させるためにバッテリから電流が供給され、それによりリーク電流が削減され、自己放電速度が減少する。例えば、いくつかの態様では、LFP電池は、48時間から14日への自己放電の増加をもたらすリーク電流を発生させることができる。いくつかの態様では、マイクロコントローラは電荷保持プロセスをモニタおよび制御するように構成されている。
【００１６】
スーパーキャパシタは典型的には、化学電池と比較して低い比エネルギー（単位質量当たりのエネルギーまたはWh/kg）を有する。スーパーキャパシタの比エネルギーは、例えば5Wh/kgから30Wh/kgの間で変化し、これはいくつかの化学電池の100Wh/kg以上よりも小さい。比エネルギーが低いと、スーパーキャパシタの設置面積が増大し、スーパーキャパシタは、輸送、メータ裏の貯蔵部、消費者機器用の貯蔵部などを含む多くの商業用途に不向きとなる可能性がある。いくつかの態様では、スーパーキャパシタのアレイの比エネルギーを増大させるために、各スーパーキャパシタは、非常に短い期間にわたって電解質層に印加される一連の放電パルスと共に、非常に大きなエネルギーバーストを用いて、充電サイクル中に充電される。充電および放電のこの一連のパルス状のバーストにより、各スーパーキャパシタの電解質層の最大充電が実現され、その結果、コアモジュールの比エネルギーが増加する。いくつかの態様では、コアモジュールへの比エネルギーは約80Wh/Kgである。
【００１７】
いくつかの態様では、複数のプロトコルで通信することができる通信モジュールが、各スーパーキャパシタおよび制御ロジックに取り付けられ、各スーパーキャパシタのデータを提供する。データは、電圧、電流、温度、および均衡を含むことができるが、これらに限定されず、データは他の自動化システムがこのデータを読み取ることが可能な方法で提供される。加えて、通信モジュールによって収集されたデータは、過充電、逆極性、過熱、短絡、コンデンサ不均衡、および/または他のデータを含むことができる。通信モジュールは、何らかのイベントまたは複数イベントが1つまたは複数の所定の限度外で発生した場合に警告信号を送るように構成されている。
【００１８】
開示されたシステムおよび方法は、スーパーキャパシタのサイクル寿命に影響を与えることなく、スーパーキャパシタの30秒未満で充電されるという能力を利用しており、電気自動車またはユーティリティグレードの周波数調整に展開することができる。急速充電ステーションのネットワークはまた、スーパーキャパシタベースの蓄電バンクで走る電気自動車をそのようなステーションで迅速充電することを可能にし（ガソリンスタンドで車が給油されるのと同様に）、それにより、急速に充電できないゆえに大規模なバッテリバンクを使用する必要があるという、電気自動車に現在存在する走行距離延長の問題が解消される。
【００１９】
電力を電気グリッドに貯蔵すること（例えば、「グリッド貯蔵」）は、バッテリが周波数の変化に迅速に応答できることを必要とする。開示されたシステムおよび方法は、高速な周波数応答の必要性に対処するために、そのようなシステムに展開することができる。更に、開示されたシステムおよび方法は、ディープサイクルおよび長時間放電を可能にし、ディープサイクル放電を必要とする用途、例えば長時間グリッド貯蔵に展開することができる。
【００２０】
開示されたシステムおよび方法により、設備投資を減らすことも可能になる。例えば、100％の放電深度（「DOD」）および99.1％のDCからDCへの充放電効率では、開示されたシステムの供給容量および定格容量は概ね同一であり、よって化学電池を利用するシステムと比較した場合に、必要な容量の大幅な低減が可能になる。
【００２１】
本発明のシステムのサイクル寿命は、100％DODにおいて100万サイクルであり、容量低下および充電/放電速度の影響は無視できる。メンテナンス要件が非常に少ないことと併せて、本発明のシステムは、無類のサイクル当たりコストで電力およびエネルギーを供給する。
【００２２】
開示されたシステムおよび方法は更に、大部分の環境での使用を可能にする。例えば、大部分の化学電池よりも温度許容範囲が広いことにより、開示されたシステムは、冷却または加熱することなく、極めて過酷な環境に配置することができ、その結果、監視および保守が少なくなる。加えて、電荷保持回路は、内蔵LFPバッテリの僅かな割合を制御して電流を供給して、電荷リークを減らし自己放電時間を増やすことができる。
【００２３】
開示されたシステムおよび方法の、これらおよび他の目的、利点、および特徴は、詳細な説明および添付の図面から、当業者には明らかになるであろう。しかし、詳細な説明および添付の図面は、好ましい態様を示しているが、限定としてではなく例示として与えられていることを理解すべきである。本発明の趣旨から逸脱することなく、本発明の範囲内で多くの変更および修正がなされてもよく、本発明はそのような修正の全てを含む。
【００２４】
図1は、いくつかの態様による、スーパーキャパシタのアレイを制御するためのシステムの一例を示す。図1に示すように、システム100は、スーパーキャパシタ106-1:106-n（以下、「スーパーキャパシタ106」）のアレイ104を含む電荷貯蔵アセンブリ102を含む。アレイ104は電荷保持回路108に結合されている。スーパーキャパシタ106の各々はまた、バッテリ110-1:110-n（以下、「バッテリ110」）に結合されている。いくつかの態様では、各バッテリ110はリン酸鉄リチウム（LFP）電池であるが、当業者は他の種類のバッテリを実装してもよいことを理解するであろう。
【００２５】
いくつかの態様では、電荷保持回路108は、スーパーキャパシタ106からの電圧リークを検出し、そのようなリークを打ち消すためのリーク電流を生成するように構成されている。電荷保持回路108は、バッテリ110のうちの1つまたは複数を用いてリーク電流を発生させることができる。いくつかの態様では、バッテリ110の各々は、関連するスーパーキャパシタ106のうちの1つの貯蔵容量の所定の割合に等しい貯蔵容量を有するように構成されている。例えば、いくつかの態様では、バッテリ110の各々は、スーパーキャパシタ106のうちの関連する1つの貯蔵容量の約6％に等しい貯蔵容量を含むが、バッテリ110の各々は、より大きなおよび/またはより小さい貯蔵容量を有することができると理解されるであろう。
【００２６】
いくつかの態様では、電荷制御回路114および不均衡検出回路116が電荷貯蔵アセンブリ102に結合している。電荷制御回路114および不均衡検出回路116は別々の回路として示されているが、当業者は、電荷制御回路114および不均衡検出回路116が、共通の基板（例えば、プリント回路基板またはシリコン）上に、または別々の基板上に実装され得ることを認識するであろう。電荷制御回路114は補助貯蔵部118に結合しており、補助貯蔵部118は補助電荷貯蔵装置、例えば補助スーパーキャパシタおよび/または他の電荷貯蔵装置を含むことができる。
【００２７】
制御ロジック112は、電荷制御回路114、補助貯蔵部118、および通信コントローラ120と信号通信をしている（通信可能に結合されている）。以下により詳細に説明するように、いくつかの態様では、制御ロジック112は、電流平衡化アルゴリズムおよび/または電荷保持アルゴリズムを実行するように構成されている。当業者は理解すると考えられるように、電流平衡化アルゴリズムおよび電荷保持アルゴリズムは、制御ロジック112によって実行されるソフトウェアコマンドによって実装され、かつ/または1つまたは複数のハードウェア回路に実装され得る。いくつかの態様では、制御ロジック112は、マイクロコントローラ、フィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）、プログラマブルロジックコントローラ、任意の他の適切な制御ロジック、および/またはそれらの任意の組み合わせを含み得る。
【００２８】
いくつかの態様では、通信コントローラ120は、1つまたは複数の通信ポートを介して、制御ロジック112と他のデバイスまたは回路との間のデータの送信および受信を制御するように構成されている。通信ポートの例は、通信プロトコルとしてMODBUS RTUを有する、イーサネットポート、RS232ポート、およびRS485ポートなどを含むが、これらに限定されない。当業者は、他の通信ポートおよび/またはプロトコルを実装できることを理解するであろう。
【００２９】
図2は、いくつかの態様による、複数の電荷制御回路を含むシステム100の部分的であるがより詳細な図を示す。図2に示すように、いくつかの態様では、システム100aは複数の電荷制御回路114a-1:114a-n（一括して「電荷制御回路114a」）を含む。電荷制御回路114aの各々は、アレイ104内のスーパーキャパシタ106のうちの1つと関連付けられ、それに結合している。各電荷制御回路114aは、制御ロジック112および補助貯蔵部118に電気的に結合している。図示した態様では、補助貯蔵部118はスーパーキャパシタ106-oであるが、他の態様および/または貯蔵装置を使用できることが理解されるであろう。
【００３０】
電荷制御回路114aは、スーパーキャパシタ106のうちの関連する1つと補助貯蔵部118との間で電荷を移動させるように構成されている。いくつかの態様では、電荷制御回路114aは、スーパーキャパシタ106間の1つまたは複数の不均衡を補正するために電荷を移動させるように構成されている。例えば、いくつかの態様では、電荷制御回路114aは、スーパーキャパシタ106のうちの関連する1つの過少充電不均衡を補正するために、補助貯蔵部118から電荷を移動させるように構成することができ、かつ/または、スーパーキャパシタ106のうちの関連する1つの過充電不均衡を補正するために、補助貯蔵部118に電荷を移動させるように構成することができる。
【００３１】
図3は、いくつかの態様による、電荷制御回路の一例を示す。図3に示すように、電荷制御回路114bは、過充電部分124および過少充電部分126を含むことができる。過充電部分124および過少充電部分126の各々は、少なくともパルス幅変調（PMW）コントローラ128a、128b、変圧器130a、130b、および1つまたは複数の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）142a-1:142d-2（一括して「IGBT 142」）を含む。過充電部分124および/または過少充電部分126はそれぞれ、1つまたは複数の追加の要素、例えばコンデンサ、抵抗器、スイッチ、および/または任意の他の適切な回路要素を含むことができる。電荷制御回路114bの過充電部分124および過少充電部分126の各々は、スーパーキャパシタ106-1などのスーパーキャパシタ106のうちの少なくとも1つに結合されている。
【００３２】
電荷制御回路114bは、スーパーキャパシタ106-1がアレイ104内の他のスーパーキャパシタ106に対して過充電および/または過少充電されないように、スーパーキャパシタ106-1の充電を均衡させるように構成されている。例えば、制御ロジック112が、スーパーキャパシタ106-1がアレイ104内の他のスーパーキャパシタ106に対して過充電されていると判断した場合、制御ロジック112は、電荷制御回路114bの過充電部分124内のPWMコントローラ128aを起動させて、スーパーキャパシタ106-1から電荷を排出させ、電荷を補助貯蔵部118の中に移動させることができる。スーパーキャパシタ106-1からの排出速度は、アレイ104内の他のスーパーキャパシタ106に対するスーパーキャパシタ106-1の過充電不均衡を補正するように選択される。
【００３３】
同様に、制御ロジック112が、スーパーキャパシタ106-1が他のスーパーキャパシタ106に対して過少充電されていると判断した場合、制御ロジック112は、電荷制御回路114bの過少充電部分126内のPWMコントローラ128bを起動させて、補助貯蔵部118からスーパーキャパシタ106-1に電荷を移動させる。スーパーキャパシタ106-1は補助貯蔵部118から追加の電荷を受け取り、これがスーパーキャパシタ106-1の充電を促進し、アレイ104内の他のスーパーキャパシタ106に対する過少充電不均衡が補正される。
【００３４】
図4は、いくつかの態様による、PWMコントローラの一例を示す。PWMコントローラ128cは、電圧フィードバック入力134に結合した第1のアナログノイズフィルタ132aと、電流フィードバック入力136に結合した第2のアナログノイズフィルタ132bとを含む。アナログノイズフィルタ132a、132bは、それぞれの入力信号134、136をフィルタし、電圧および/または電流フィードバック信号をデジタル信号プロセッサ（DSP）138に供給するように構成されている。DSP138は、任意の適切な回路、例えばマイクロコントローラ、FPGA、PLA、組込みシステム、および/または任意の他の適切な回路を含むことができる。DSP138は、フィルタされた電圧および電流フィードバック信号を受け取り、1つまたは複数のIGBTコントローラ140a、140bのために1つまたは複数の制御信号を生成するように構成されている。
【００３５】
いくつかの態様では、IGBTコントローラ140a、140bは、電荷制御回路114b内の1つまたは複数のIGBT142に対する制御信号144a〜144dを生成するように構成されている。例えば、図示した態様では、第1のIGBTコントローラ140aが、第1のローサイドIGBT制御信号144a、および第2のローサイドIGBT制御信号144bを生成する。同様に、図示した態様では、第2のIGBTコントローラ140bが、第1のハイサイドIGBT制御信号146a、および第2のハイサイドIGBT制御信号146bを生成する。ローサイド制御信号144a、144bおよびハイサイド制御信号146a、146bの各々は、過充電部分124または過少充電部分126のうちの1つのIGBT142のうちの1つに供給される。
【００３６】
IGBT142は、スーパーキャパシタ106-1と補助貯蔵部118との間の電荷の移動を制御するように構成されている。例えば、一態様では、過充電状況が検出された場合、第1のPWMコントローラ128aは制御ロジック112から1つまたは複数の制御信号を受信する。第1のPWMコントローラ128aは、上述のように複数のIGBT制御信号144a〜146bを生成する。IGBT制御信号144a〜146bの各々は、電荷制御回路114bの過充電部分124内のIGBT142a-1:142a-4のうちの1つ（一括して「IGBT142a」）に供給される。IGBT142aが起動されて、過充電不均衡が修正されるまで、スーパーキャパシタ106-1から補助貯蔵部118へ電荷を移動させる。同様に、過少充電状況が検出された場合、第2のPWMコントローラ128bは、制御ロジック112から1つまたは複数の制御信号を受信する。第2のPWMコントローラ128bは、複数のIGBT制御信号144a〜146bを生成し、各IGBT制御信号144a〜146bを過少充電部分126内のIGBT142b-1:142b-4のうちの1つ（一括して「IGBT142b」）に供給する。IGBT142bが制御信号144a〜146bによって起動されて、過少充電不均衡が修正されるまで、補助貯蔵部118からスーパーキャパシタ106-1に電荷を移動させる。
【００３７】
図5は、いくつかの態様による、アレイ104内のスーパーキャパシタ106の各々に結合された例示的な不均衡検出回路を含むシステム100の、部分的であるがより詳細な図を示す。図5に示すように、不均衡検出回路116aがスーパーキャパシタ106の各々に結合されている。不均衡検出回路116aは、スーパーキャパシタ106の電荷状態をモニタし、アレイ104内の他のスーパーキャパシタ106に対して、スーパーキャパシタ106のうちの選択された1つの電荷状態を決定するように構成されている。例えば、いくつかの態様では、不均衡検出回路116aは、スーパーキャパシタ106内の過充電不均衡および/または過少充電不均衡を検出するように構成されている。不均衡検出回路116aは、電荷制御回路114を制御することができ、かつ/または電荷制御回路114用の制御信号を生成するために制御ロジック112にフィードバックを与えることができる。
【００３８】
図6は、いくつかの態様による、例示的な電荷保持回路を含むシステム100の、部分的であるがより詳細な図を示す。図6に示すように、いくつかの態様では、システム100aは複数の電荷保持回路108a-1:108-n（一括して「電荷保持回路108」）を含む。電荷保持回路108の各々は、アレイ104内のスーパーキャパシタ106のうちの関連する1つに結合している。
【００３９】
電荷保持回路108aの各々は更に、電荷保持回路108aと同じスーパーキャパシタ106に関連付けられたバッテリ110のうちの1つに結合している。バッテリ110は、スーパーキャパシタ106のうちの選択された1つの不使用/アイドル状態が検出された場合に、関連する1つのスーパーキャパシタ106にリーク電流を供給するように構成されている。例えば、いくつかの態様では、1つまたは複数のスーパーキャパシタ106のアイドル状態が検出された場合、制御ロジック112は、アイドル状態のスーパーキャパシタ106に関連する電荷保持回路108aを起動する。起動された電荷保持回路108aは、関連するバッテリ110からリーク電流を引き出し、リーク電流をスーパーキャパシタ106のうちの関連する1つに供給する。リーク電流は、スーパーキャパシタ106を現在の充電レベルに維持するように構成された、スーパーキャパシタ106の製造中に指定された所定の電流である。
【００４０】
いくつかの態様では、電荷保持回路108aの各々は、MOSFET（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）などの2つ以上の回路要素を切り替えることによってリーク電流を生成するように構成されている。電荷保持回路108aの各々は更に、生成されたリーク電流に等しい電流でのPWM電流調整のために構成され得る。PWMは、スーパーキャパシタ106の各々における回路固有の変動を補償するように構成され得る。電荷保持回路108aの各々は、リーク電流を調整して、リーク電流を所定の最大リーク電流未満に維持し、スーパーキャパシタ106が充電状態に遷移することを防止するように構成されている。
【００４１】
いくつかの態様では、スーパーキャパシタ106がアイドル状態からアクティブ状態（例えば、アクティブ充電および/または放電）に遷移した場合、電荷保持回路108aのうちの関連する1つがバッテリ110からのリーク電流の供給を停止する。電荷保持回路108aは、アイドル状態からアクティブ状態への遷移を直接検出することができ、かつ/または関連するスーパーキャパシタ106がアクティブ状態にあることを示す1つまたは複数の信号を制御ロジック112から受信することができる。
【００４２】
図7は、いくつかの態様による、通信コントローラの一例を示す。図5に示すように、いくつかの態様では、通信コントローラ120aは、充電器、インバータ、および/または他の電力管理機器などの外部ハードウェアとシステム100との間の通信を制御するように構成された、コントローラ160を含む。コントローラ160は、任意の適切なコントローラ、例えばマイクロコントローラ、FPGA、PLA、埋込み回路、および/または任意の他の適切なコントローラを含むことができる。コントローラ160は、複数のポートコントローラ162a〜162d（一括して「ポートコントローラ162」）に結合している。ポートコントローラ162の各々は、対応する通信ポート164a〜164d（一括して「通信ポート164」）に結合している。4つのポートコントローラ162および4つの通信ポート164が示されているが、通信コントローラ120aはより多数のおよび/またはより少数のポートコントローラ162および/または通信ポート164を含み得ることが理解されるであろう。
【００４３】
様々な態様では、ポートコントローラ162および通信ポート164は、例えば、イーサネット通信、RS485、RS232、4ウェイ・ドライ接点、および/または任意の他の適切な通信プロトコルなどの、任意の適切な通信プロトコル用に構成することができる。いくつかの態様では、4ウェイ・ドライ接点は予めプログラム可能な絶縁型の4ウェイ・ドライ接点である。
【００４４】
いくつかの態様では、コントローラ160は、集積回路間（「I2C」）プロトコルを介して制御ロジック112からデータを抽出するが、他のプロトコルも使用できることが理解されるであろう。抽出されたデータは、RTC（リアルタイム通信）、温度、各スーパーキャパシタの電圧、電流、ワット時、SOC、過充電、逆極性、温度過上昇、短絡、コンデンサ不均衡、および/または任意の他の適切なデータを含み得るが、これらに限定されない。いくつかの態様では、コントローラ160は抽出されたデータを1つまたは複数の通信ポート164に中継する。コントローラ160および/または制御ロジック112は、何らかのイベントおよび/または複数イベントが1つまたは複数の所定の限度外で発生した場合に警告信号を送るように構成することができる。
【００４５】
いくつかの態様では、情報を1つまたは複数の外部装置に提供することができる。外部装置は、例えば、貯蔵容量の分析、貯蔵部内の利用可能エネルギー、温度に関連した貯蔵部の挙動、貯蔵部の健全性、およびシステムの平均寿命、ならびに/または最も効率的な方法で貯蔵部の最適化をもたらす他の環境条件を提供することができる。外部装置との通信は更に、利用可能なエネルギーバックアップのモニタおよび/または予防的管理を可能にし得る。いくつかの態様では、通信モジュール120は、充電器がシステム100と通信することを可能にし、最も効率的かつ最適化された方法で、システム100の重要な動作および充電が確実になされるようにしている。
【００４６】
図8は、いくつかの態様による、制御ロジック112などの制御ロジックによって実行することができる制御アルゴリズム200の一例のフロー図である。本明細書では特定のフロー図を示すが、制御アルゴリズム200のいくつかの段階は代替の順序でおよび/または並行して実行できることが理解されるであろう。
【００４７】
ブロック202において、アルゴリズムが始まる。決定ブロック204において、スーパーキャパシタ106のうちの1つの充電が必要であるかどうかを判定するための決定がなされる。決定は、システムの現在の状態（例えば、充電器に結合している/放電状態にない）、スーパーキャパシタ106の現在の状態（例えば、最大充電レベル未満）、および/または任意の他の適切な要因に基づく。スーパーキャパシタ106のうちの1つの充電が必要である場合、制御アルゴリズム200はブロック206に進む。
【００４８】
決定ブロック206において、制御アルゴリズム200は、スーパーキャパシタ106のうちの1つのセルの電流および電荷が不均衡であるかどうかを判定する。上述のように、スーパーキャパシタ106は、アレイ内の他のスーパーキャパシタ106に対して過充電および/または過少充電されている可能性がある。不均衡が検出された場合、制御アルゴリズム200は、ブロック212においてスーパーキャパシタのセル電圧を、ブロック214においてスーパーキャパシタ106のセル電流を、記録し、その情報をブロック216において、制御ロジック112などの1つまたは複数の回路要素に送信する。不均衡が検出されなかった場合、制御アルゴリズム200はブロック210に進み、スーパーキャパシタ106の充電を開始する。
【００４９】
ブロック204において、スーパーキャパシタ106のうちの1つを充電する必要がないと判定された場合、アルゴリズム200はブロック208に進む。決定ブロック208において、電荷均衡化アルゴリズム200は、スーパーキャパシタ106を放電させる必要があるかどうかを判定する。決定は、システムの現在の状態（例えば、充電器に結合されていない/充電状態にない）、スーパーキャパシタ106の現在の状態（例えば、現在完全充電状態にある）、負荷の現在の状態（例えば、負荷が電力を引き出している）、および/または任意の他の適切な要因などの、1つまたは複数の要因に基づき得る。スーパーキャパシタのうちの1つの放電が必要である場合、制御アルゴリズム200はブロック222に進む。
【００５０】
ブロック222において、制御アルゴリズム200は、セル電圧およびセル電流をチェックし、セル電圧およびセル電流をそれぞれ、ブロック224および226において記録する。ブロック228において、制御アルゴリズム200はこの情報を1つまたは複数の回路要素または外部要素に提供する。
【００５１】
ブロック208において、スーパーキャパシタ106のうちの1つの放電が必要ないと判定された場合、アルゴリズム200はブロック218に進む。ブロック218において、アルゴリズム200はバッテリ110のうちの1つまたは複数の現在の状態を検出し、電荷保持回路108を起動させて、ブロック220において、リーク電流を生成させてスーパーキャパシタ106の電荷を維持する。
【００５２】
いくつかの態様では、スーパーキャパシタ106の充電時間を短縮し、比エネルギーを高めるために、スーパーキャパシタ106の各々に対して個々のスーパーキャパシタのレベルで電解質層の充電が達成される。図9は、スーパーキャパシタ300の一態様の分解図である。スーパーキャパシタ300は、複数の内部層を取り囲む外側保護層302を含む。内部層は、1つまたは複数のマイクロワイヤ302、複数のカーボン層304a〜304d（一括して「カーボン層304」）、および複数の電解質層306a〜306b（一括して「電解質層306」）を含む。スーパーキャパシタ300の製造中に決定されるように、複数のマイクロワイヤ302、カーボン層304、および電解質層306が所定のパターンで挟み込まれ得る。複数のリード線308a〜308c（一括して「リード線308」）が、マイクロワイヤ302および導電層304からコンデンサC12およびC23まで軸方向に延びている。
【００５３】
充電サイクル中、電荷制御回路114は、スーパーキャパシタ106の電圧を絶えずモニタしている。スーパーキャパシタ106のうちの選択された1つの完全充電電圧が達成された場合、誘電体層は完全充電されている。これが起こると、電荷制御回路114は外部充電器に充電電流を切断するように信号を送り、次いで電荷制御回路114は電圧降下を分析する。電圧降下は電解質層の電荷状態を示す。電圧降下が0Vより大きい場合、電荷制御回路114は、充電パルス、放電パルス、および休止パルスの急速シーケンスをスーパーキャパシタ106のうちの選択された1つに印加するように外部充電器に信号を送る。電荷制御回路114は、このプロセスの間の電圧降下をモニタする。電荷制御回路114が、スーパーキャパシタ106のうちの選択された1つの電圧降下が0Vであることを検出した場合、電解質層はその最大利用可能容量まで完全に充電されており、電荷制御回路114は、スーパーキャパシタ106のうちの選択された1つの充電を停止する信号を充電器に送る。電解質層に対する急速充電/放電/休止パルスの、このような繰り返しシーケンスにより、電解質層が従来の充電方法によって達成される充電時間よりも迅速に充電されることが確実になる。このシーケンスにより、電解質層が従来の充電方法によって達成されるものよりも高い、最大利用可能電荷保持容量まで充電されることも確実になる。
【００５４】
いくつかの態様では、スーパーキャパシタ106の各々に接続されたバッテリ110に、類似のおよび/または同一の充電/放電/休止パルスが印加される。同様のパルスパターンは、従来の充電による場合よりも、より迅速にバッテリ110を充電し、同様に従来の充電による場合よりも、より高い容量までバッテリ110を充電する。
【００５５】
図10は、いくつかの態様による、スーパーキャパシタ106のうちの1つを充電するための、一連の充電パルス、放電パルス、および休止パルスを示すタイミング図400を示す。図10に示すように、時間t0において、第1の充電パルス402aが、スーパーキャパシタ106-1などのスーパーキャパシタに印加される。第1の充電パルス402aは、スーパーキャパシタ106-1を急速に充電するのに十分な任意の適切な電流を有することができる。例えば、図示した態様では、第1の充電パルスは約4,500アンペアの電流を有するが、他のスーパーキャパシタにはより大きいおよび/またはより小さい充電パルスを使用できることが理解されるであろう。
【００５６】
第1の充電パルス402aは、所定の期間、所定の電流に維持される。例えば、いくつかの態様では、t0からt1までの時間は約20msとすることができるが、より長いおよび/またはより短い充電時間を使用できることが理解されるであろう。時刻t1において、電荷制御回路114は、充電電流を第1の充電パルス402aから第1の休止パルス404aに遷移させる。
【００５７】
第1の休止パルス404aは、充電電流を所定の時間幅にわたり0アンペアに設定する。例えば、いくつかの態様では、第1の休止パルス404aは、第1の充電パルス402aの約半分の時間幅にわたって維持されるが、より長いおよび/またはより短い休止パルスを使用できることが理解されるであろう。図示した態様では、休止パルスはt1からt2まで約10msにわたって維持される。
【００５８】
時刻t2において、放電パルス406がスーパーキャパシタ106-1に印加される。放電パルス406は、スーパーキャパシタ106-1に貯蔵された電荷の一部を放電させる負電流パルスである。いくつかの態様では、放電パルス406は約-1000アンペアの電流値を有するが、より高いおよび/またはより低い放電電流値を使用できることが理解されるであろう。放電パルス406は、所定の放電時間幅にわたって維持される。図示した態様では、放電時間幅は、t2からt3まで約5msである。
【００５９】
時刻t3において、電荷制御回路114は充電電流を第2の休止パルス404bに遷移させる。第2の休止パルス404bは、充電電流を所定の時間幅にわたり0アンペアに設定する。例えば、図示した態様では、第2の休止パルスは、t3からt4まで約20msにわたって維持される。
【００６０】
時刻t4において、電荷制御回路114は充電電流を第2の充電パルス402bに遷移させる。第2の充電パルス402bは、スーパーキャパシタ106-1を完全に充電するように構成されている。第2の充電パルス402bは、第1の充電パルス402aと電流および持続時間が類似しているが、第2の充電パルスは、第1の充電パルス402aよりも大きいおよび/または小さい電流値および/または持続時間を有することができると理解されるであろう。図示した態様では、第2の充電パルス402aは、充電電流を20msにわたり4,500アンペアに維持している。時刻t5において、スーパーキャパシタ106-1は完全に充電され、電荷制御回路は充電電流を0アンペアに遷移させる。
【００６１】
本発明を現時点で好ましい態様に関して図示し説明したが、本発明の精神から決して逸脱することなく様々な修正や構造の変更を加えることができ、示された詳細に限定することは意図していない。態様は、本発明の原理およびその実用的応用を最もよく説明し、それによって当業者が本発明および様々な態様を、企図される特定の用途に適した様々な変更と共に最もよく活用することを可能にするために、選択され記載されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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