(57)【要約】バッファ付き電力伝送装置は、充電式バッテリを含む。バッファ付き電力伝送装置は、最小待機損失で最大効率において直流高電圧から直流低電圧に変換する要求に応じて用いられる。バッファ付き電力伝送装置は、波動エネルギーコンバータに使用され得る。【選択図】図３
2019533978.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流高電圧を直流低電圧に変換するための装置であって、
ＤＣ／ＤＣコンバータを含むバッテリ充電器モジュールであって、前記ＤＣ／ＤＣコンバータが高電圧入力及び低電圧出力を有する、バッテリ充電器モジュールと、
低電圧バッテリ及び該低電圧バッテリの充電状態を示す信号を生成することができるセンサを含む充電式バッテリモジュールであって、前記バッテリ充電器モジュールの前記低電圧出力に接続された充電式バッテリモジュールと、
前記低電圧バッテリの充電状態を示す信号を受信し、前記充電式バッテリモジュールへの制御信号を生成する制御システムであって、前記低電圧バッテリの充電状態が第１の所定の閾値を下回ることを検出すると前記制御信号によって前記バッテリ充電器モジュールをアクティブとし、前記低電圧バッテリの充電状態が第２の所定の閾値を上回ることを検出すると前記制御信号によって前記バッテリ充電器モジュールを非アクティブとするように構成され、前記第２の所定の閾値が前記第１の所定の閾値よりも大きい、制御システムと
を備え、
前記バッテリ充電器モジュールの前記ＤＣ／ＤＣコンバータが、前記充電式バッテリモジュールが非アクティブにされる場合に電力損失を生成しない、装置。
【請求項２】
前記充電式バッテリモジュールに接続された低電圧負荷であって、前記低電圧負荷は平均電力よりも高いピーク電力に特徴付けられる可変の電力を消費し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの電力容量が前記低電圧負荷のピーク電力よりも厳密に低い、低電圧負荷をさらに備える請求項１に記載の装置。
【請求項３】
波動エネルギーからの変動ＡＣ電圧を生成する発電機と、
前記発電機に接続されたＡＣ／ＤＣコンバータと、
前記ＡＣ／ＤＣコンバータ及び前記バッテリ充電器モジュールの前記高電圧入力に接続された高電圧バッテリを含む高電圧蓄電素子と
をさらに備える請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記制御システムが前記充電式バッテリモジュールから連続的に給電される、請求項１、２又は３に記載の装置。
【請求項５】
前記低電圧バッテリの前記充電状態を示す前記信号を生成することができる前記センサは電流センサを含み、前記制御システムは前記電流センサによって生成される前記信号を連続的に合計する集積回路を含む、請求項１、２、３又は４に記載の装置。
【請求項６】
前記低電圧バッテリの前記充電状態を示す前記信号を生成することができる前記センサは電流センサを含み、前記制御システムは前記電流センサによって生成される前記信号を連続的に合計するようにプログラムされたプロセッサを含む、請求項１、２、３又は４に記載の装置。
【請求項７】
前記充電式バッテリモジュールの前記低電圧バッテリはリチウムイオンバッテリを含む、請求項１、２、３、４、５又は６に記載の装置。
【請求項８】
方法であって、
バッテリ充電器モジュールに含まれるＤＣ／ＤＣコンバータによって直流高電圧を直流低電圧に変換するステップと、
前記直流低電圧によって充電式バッテリモジュールに含まれる低電圧バッテリを再充電するステップと、
前記充電式バッテリモジュールに含まれるセンサによって前記低電圧バッテリの充電状態を示す信号を生成するステップと、
前記低電圧バッテリの前記充電状態を示す前記信号を受信して前記充電式バッテリモジュールに制御信号を生成する制御システムを使用するステップと、
前記低電圧バッテリの前記充電状態が第１の所定の閾値を下回ることを検出すると前記バッテリ充電器モジュールをアクティブにするステップと、
前記低電圧バッテリの前記充電状態が第２の所定の閾値を上回ることを検出すると前記バッテリ充電器モジュールを非アクティブにするステップであって、前記第２の所定の閾値が前記第１の所定の閾値より大きく、前記充電式バッテリモジュールが非アクティブの場合に前記バッテリ充電器モジュールの前記ＤＣ／ＤＣコンバータは電力損失を生成しない、ステップと
を備える方法。
【請求項９】
前記充電式バッテリモジュールに接続される低電圧負荷によって可変の電力を消費するステップであって、前記低電圧負荷が平均電力よりも高いピーク電力によって特徴付けられる、ステップと、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータによって、前記低電圧負荷の前記ピーク電力よりも厳密に低い電力を生成するステップと
をさらに備える請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記充電式バッテリモジュールから前記制御システムに連続的に給電するステップをさらに備える請求項８又は９に記載の方法。
【請求項１１】
波動エネルギーから変動ＡＣ電圧を発電機によって生成するステップと、
前記発電機に接続されるＡＣ／ＤＣコンバータによって前記変動ＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換するステップと、
前記ＡＣ／ＤＣコンバータの出力に接続される高電圧蓄電素子に含まれる高電圧バッテリを充電するステップと、
前記高電圧蓄電素子に含まれる前記高電圧バッテリから前記バッテリ充電器モジュールの入力に電流を供給するステップと
をさらに備える請求項８、９又は１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記低電圧バッテリの前記充電状態を示す前記信号を生成するステップは前記低電圧バッテリへの電流フローを測定するステップを含み、前記方法は前記低電圧バッテリの前記充電状態を判定するために前記電流フローを連続的に合計するステップをさらに備える請求項８、９、１０又は１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、直流高電圧（ＨＶＤＣ）から直流低電圧（ＬＶＤＣ）への効率的かつ信頼性の高い変換のための装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例として、図１に示すように、波動エネルギーコンバータ（「ＷＥＣ」）用の従来の電気システムは、変動ＡＣ電圧ＶＡＣを生成する発電機Ｇを含む。変動ＡＣ電圧ＶＡＣは、通常、高いピーク振幅を有し得る。この変動ＡＣ電圧ＶＡＣは通常、直流高電圧ＨＶＤＣを生成するようにＡＣ／ＤＣコンバータ１２７に印加され、それは例として３２５ボルトであり得る。そして、直流高電圧ＨＶＤＣは種々の直流高電圧負荷（例えば１１９）に結合され、それらに電力を供給する。また、直流高電圧ＨＶＤＣは通常、直流低電圧ＬＶＤＣを生成するＤＣ／ＤＣコンバータ１２１に結合され、それは例として２４ボルトであり得る。直流低電圧ＬＶＤＣは、直流低電圧バス１２２上で搬送され得る。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２１の出力は蓄電池１２３に印加され、かつ種々の低電圧直流負荷１２５に印加されてもよく、それは検知、処理及び制御機器又は他の装置を含み得る。
【０００３】
種々の直流低電圧負荷１２５がＤＣ／ＤＣコンバータ１２１用の低電圧制御電子機器を含む場合など、種々の直流低電圧負荷１２５に電力を連続的に供給する必要があることが多い。そして、図１の従来の電気システムにおいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２１は、種々の直流低電圧負荷１２５が確実にそれらの必要とされる電力を有するように、常にオン又はアクティブにされる必要がある。さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２１は、種々の低電圧電流負荷１２５によって引き込まれる最大電力を満たすように設計されなければならない。最大電力に近い電力レベルが引き込まれる場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２１は効率的である（例えば、９０％の効率）。問題は、最大電力よりも大幅に低い電力レベルが通常的に引き込まれている場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２１の効率は非常に低いことである（例えば、３５％の効率）。したがって、直流低電圧バス１２２上での軽負荷条件下で、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２１における待機電力損失は、図１の従来の電気システムの効率を大幅に減少させ得る。
【０００４】
したがって、当技術には、直流高電圧（ＨＶＤＣ）から直流低電圧（ＬＶＤＣ）への効率的かつ信頼性の高い変換のための方法及び装置に対する継続的なニーズがある。本開示の目的は、図１に記載された従来の電気システムの非効率的な動作を解決する方法を説明することである。
【発明の概要】
【０００５】
直流高電圧から直流低電圧に変換する装置は、バッテリ充電器モジュールを備える。バッテリ充電器モジュールは、ＤＣ／ＤＣコンバータを含む。ＤＣ／ＤＣコンバータは、高電圧入力及び低電圧出力を有する。充電式バッテリモジュールが非アクティブにされている場合、ＤＣ／ＤＣコンバータは電力損失を生成しない。ＤＣ／ＤＣコンバータの電力容量は、バッテリ充電器モジュールの低電圧出力に接続される充電式バッテリモジュールに接続された低電圧負荷のピーク電力よりも厳密に低くなり得る。
【０００６】
装置は、上記の充電式バッテリモジュールをさらに備える。充電式バッテリモジュールは、バッテリ充電器モジュールの低電圧出力に接続される。充電式バッテリモジュールは、低電圧バッテリを含む。低電圧バッテリは、リチウムイオンバッテリを含み得る。充電式バッテリモジュールはまた、低電圧バッテリの充電状態を示す信号を生成することができるセンサを含む。低電圧バッテリの充電状態を示す信号を生成することができるセンサは、電流センサを含み得る。
【０００７】
装置は、制御システムをさらに備える。制御システムは、充電式バッテリモジュールから連続的に給電され得る。制御システムは、低電圧バッテリの充電状態を示す信号を受信する。制御システムは、充電式バッテリモジュールに制御信号を生成する。制御システムは、低電圧バッテリの充電状態が第１の所定の閾値を下回ることを検出すると、制御信号によってバッテリ充電器モジュールをアクティブとするように構成される。制御システムはまた、低電圧バッテリの充電状態が第２の所定の閾値を上回ることを検出すると、制御信号によってバッテリ充電器モジュールを非アクティブとするように構成される。第２の所定の閾値は、第１の所定の閾値よりも大きい。制御システムは、充電式バッテリモジュールに設けられた電流センサによって生成される信号を連続的に合計する集積回路を含み得る。制御システムは、代替的に、充電式バッテリモジュールに設けられた電流センサによって生成される信号を連続的に合計するようにプログラムされたプロセッサを含み得る。
【０００８】
装置は、充電式バッテリモジュールに接続された低電圧負荷をさらに備え得る。低電圧負荷は、平均電力よりも高いピーク電力によって特徴付けられる可変の電力を消費し得る。
【０００９】
装置は、発電機をさらに備え得る。発電機は、波動エネルギーから変動ＡＣ電圧を生成し得る。
【００１０】
装置は、ＡＣ／ＤＣコンバータをさらに備え得る。ＡＣ／ＤＣコンバータは、発電機に接続され得る。
【００１１】
装置は、高電圧蓄電素子をさらに備え得る。高電圧蓄電素子は、高電圧バッテリを含み得る。高電圧バッテリは、ＡＣ／ＤＣコンバータに接続され得る。高電圧バッテリは、バッテリ充電器モジュールの高電圧入力にも接続され得る。
【００１２】
方法は、波動エネルギーから変動ＡＣ電圧を発電機で生成するステップを備え得る。
【００１３】
方法は、発電機に接続されるＡＣ／ＤＣコンバータを用いて変動ＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換するステップをさらに備え得る。
【００１４】
方法は、ＡＣ／ＤＣコンバータの出力に接続される高電圧蓄電素子に含まれる高電圧バッテリを充電するステップをさらに備え得る。
【００１５】
方法は、高電圧蓄電素子に含まれる高電圧バッテリからバッテリ充電器モジュールの入力に電流を供給するステップをさらに備え得る。
【００１６】
方法は、バッテリ充電器モジュールに含まれるＤＣ／ＤＣコンバータによって直流高電圧から直流低電圧に変換するステップを備え、充電式バッテリモジュールが非アクティブにされている場合にＤＣ／ＤＣコンバータは電力損失を生成しない。方法は、ＤＣ／ＤＣコンバータによって、充電式バッテリモジュールに接続される低電圧負荷のピーク電力よりも厳密に低い電力を生成するステップをさらに備え得る。
【００１７】
方法は、充電式バッテリモジュールに含まれた低電圧バッテリを直流低電圧で再充電するステップをさらに備える。
【００１８】
方法は、充電式バッテリモジュールに含まれたセンサによって低電圧バッテリの充電状態を示す信号を生成するステップをさらに備える。低電圧バッテリの充電状態を示す信号を生成するステップは、低電圧バッテリの電流フローを測定するステップを含み得る。方法は、低電圧バッテリの充電状態を判定するために電流フローを連続的に合計するステップをさらに備え得る。
【００１９】
方法は、低電圧バッテリの充電状態を示す信号を受信し、低電圧バッテリの充電状態を示す信号に基づいて充電式バッテリモジュールに制御信号を生成する制御システムを使用するステップをさらに備える。
【００２０】
方法は、低電圧バッテリの充電状態が第１の所定の閾値を下回ることを検出するとバッテリ充電器モジュールをアクティブとするステップをさらに備える。
【００２１】
方法は、低電圧バッテリの充電状態が第２の所定の閾値を上回ることを検出するとバッテリ充電器モジュールを非アクティブとするステップをさらに備え、第２の所定の閾値は第１の所定の閾値よりも大きい。
【００２２】
方法は、充電式バッテリモジュールから制御システムに連続的に給電するステップをさらに備え得る。
【００２３】
方法は、充電式バッテリモジュールに接続された低電圧負荷によって可変の電力を消費するステップをさらに備えていてもよく、低電圧負荷は平均電力よりも高いピーク電力によって特徴付けられる。
【００２４】
本開示の実施形態のより詳細な説明のために、ここで添付の図面を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、従来の技術の説明のための電気変換装置のブロック図である。
【図２】図２は本開示による電気変換装置を簡略化したブロック図であり、電気変換装置はバッファ付き電力伝送を可能とする。
【図３】図３は本開示による電気変換装置のブロック図であり、電気変換装置は充電式バッテリモジュール及びバッテリ充電器モジュールを備える。
【図３Ａ】図３Ａは図３に示す充電式バッテリモジュールのブロック図であり、充電式バッテリモジュールは充電状態センサを含む。
【図４】図４は、図３のバッテリ充電器モジュールに示すＤＣ／ＤＣコンバータを動作させる処理のフローチャートである。
【図５】図５は、本開示による他の変換装置のブロック図であり、バッテリの充電状態を追跡するように瞬間電流が検知される。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下の開示は、本発明の異なる構成、構造又は機能を実施するためのいくつかの例示的な実施形態を説明していることが理解されるべきである。構成要素、配置及び構成の例示的な実施形態は、開示を単純化するために以下に説明されるが、これらの例示的な実施形態は単に例として提供されており、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。さらに、本開示は、種々の例示的な実施形態及びここに提供される図面にわたって、符号及び／又は文字を繰り返すことがある。この繰り返しは、簡略化及び明瞭化の目的のためであり、それ自体では、種々の例示的な実施形態及び／又は種々の図で記載された構成の間の関係を規定するものではない。最後に、以下に提示する例示的な実施形態は、任意の態様の組合せで組み合わせることができ、すなわち、本開示の範囲から逸脱することなく、１つの例示的な実施形態からの任意の要素を任意の他の例示的な実施形態に使用できる。
【００２７】
本開示における全ての数値は、特に明記しない限り、正確な値又は近似値であり得る。したがって、本開示の種々の実施形態は意図された範囲から逸脱することなく、ここに開示される数、値及び範囲から外れることがある。さらに、以下の説明における第２の構成の上に第１の構成を形成することは、第１及び第２の構成が直接接触して形成される実施形態を含み、第１及び第２の構成が直接接触しないように、第１及び第２の構成を挟んで追加の構成が形成され得る実施形態も含み得る。
【００２８】
特定の用語が、特定の構成要素を指すために以下の説明及び特許請求の範囲の全体を通じて使用される。当業者には理解されるように、種々のエンティティは異なる名称で同じ構成要素を指すことがあり、このように、ここで説明される要素の命名の取決めは、ここで特に定義されない限り本発明の範囲を限定することを意図するものではない。さらに、ここで使用される命名の取決めは、名称が異なるが機能は異ならない構成要素を区別することを意図するものではない。
【００２９】
本開示によると、ここで充電式バッテリモジュール（例えば、充電式リチウムイオンバッテリと同様の特徴を有するバッテリを含む）として言及されるものは、バッテリ充電器モジュールの出力に接続される。バッテリ充電器モジュールは、完全にオン又は完全にオフにされるように動作される。完全にオンにされた場合、バッテリ充電器モジュールは、その最大効率レベル付近で動作される。完全にオフにされた場合、バッテリ充電器モジュールは原則としてエネルギーを消費しない。好ましくは、充電式バッテリモジュールは、最大瞬間負荷を動作させるのに必要となる電力を供給可能である。充電式バッテリの充電レベルが所定の閾値以下である場合にはバッテリ充電器モジュールは完全にオンとなり、充電式バッテリの充電状態が他を上回り、所定の閾値よりも高い場合にはバッテリ充電器モジュールは完全にオフとなるように充電式バッテリの充電状態がモニタされる。充電式バッテリモジュールは、充電式バッテリモジュールが十分なレベルで充電される限り、比較的一定の出力電圧を有することを特徴とし得る。バッテリ充電器モジュールが完全にオンとなる所定の閾値は、充電式バッテリモジュールの出力電圧が低下するレベルより高いことが好ましい。例えば、充電式バッテリがその容量の２０％から３０％を超えるレベルで充電される限り、充電式バッテリの出力電圧が比較的一定である場合、バッテリ充電器モジュールを完全にオンにするための所定の閾値は、約５０％となるように選択され得る。
【００３０】
最初に図２及び図３を参照すると、波動エネルギーからＡＣ電圧ＶＡＣを生成する発電機３０２を備える波動エネルギーコンバータが示される。ＡＣ電圧ＶＡＣは、波によって幅広い値で変化し得る。ＡＣ電圧ＶＡＣは、直流高電圧ＨＶＤＣを生成するＡＣ／ＤＣコンバータ３０４に印加される。図２又は図３において、説明のために、この直流高電圧ＨＶＤＣが、例えば、３２５ボルトの値を有するものとして示される。この値は、より低い又は非常に高くなり得る。
【００３１】
本開示によると、バッファ付き電力伝送装置は、種々の異なる装置が使用する直流高電圧ＨＶＤＣをＡＣ／ＤＣコンバータ３０４の出力から直流低電圧ＬＶＤＣに変換するのに使用される。図２又は図３において、説明のために、この直流低電圧ＬＶＤＣが、例えば、２４ボルトの値を有するものとして示される。図２及び３に示すバッファ付き電力伝送装置は発電機３０２及びＡＣ／ＤＣコンバータ３０４を含む波動エネルギーコンバータに適用されるが、バッファ付き電力伝送装置は、代替的に、他の直流高電圧源に適用されてもよい。
【００３２】
バッファ付き電力伝送装置は、高電圧入力及び低電圧出力を有するバッテリ充電器モジュール３０６を含む。バッテリ充電器モジュール３０６は、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータを含み得る。バッテリ充電器モジュール３０６は、充電式バッテリモジュール３０８を充電するのに使用され得る。充電式バッテリモジュール３０８は、バッテリ充電器モジュール３０６の動作を制御する制御システム３１０に給電する。充電式バッテリモジュール３０８は、大きなピーク電力を供給するバッファとしても作用し得る。
【００３３】
図３及び３Ａを見ると、充電式バッテリモジュール３０８は、その充電状態があるレベル（例えば、２０％〜３０％）を上回る限り、比較的一定の電圧を生成するバッテリを含み得る。例えば、充電式バッテリモジュール３０８は、リチウムイオンバッテリを含み得る。図３Ａに示すように、センサ３２０はバッテリの充電状態を検知し、制御システム３１０に送信される信号を生成するように設けられ得る。制御システム３１０は、バッテリ充電器モジュール３０６のオン及びオフを制御するようにプログラムされる。センサ３２０は図３Ａにおいて記号表現で示され、以下に記載するように多数の異なる構成をとり得る。
【００３４】
バッファ付き電力伝送装置は、低電圧負荷３１１に電力を供給することができる。例として、制御システム３１０は、充電式バッテリモジュール３０８の再充電が必要とされる前に一度に数十時間、充電式バッテリモジュール３０８から引き込まれる電力で動作することができる。充電式バッテリモジュール３０８の充電状態が所定の閾値（例えば５０％）を下回る場合、バッテリ充電器モジュール３０６は制御システム３１０によってアクティブにされ得る。そして、バッテリ充電器モジュール３０６は、高電圧バス（ＨＶＤＣ）から引き込まれる電力を使用して、バッテリ充電器モジュール３０６を再充電し得る。再充電時、バッテリ充電器モジュール３０６は、高効率動作点において動作する。バッテリ充電器モジュール３０６は、充電式バッテリモジュール３０８の充電状態が他の所定の閾値（例えば、９０％）を超えるまで保持される。充電式バッテリモジュール３０８が再充電されると、バッテリ充電器モジュール３０６はオフにされ、待機電力損失を排除し又は大幅に低減する。したがって、ここで開示されるバッファ付き電力伝送装置は、大きなピーク電力を瞬間的に引き込むことを可能としつつも、非アクティブ化されると、最大効率においてかつ実質的にゼロの待機電力損失で電力を高電圧バスから低電圧バスに変換することを可能とする。
【００３５】
ピーク電力が充電式バッテリモジュール３０８によってバッファリングされるので、バッテリ充電器モジュール３０６は長期平均負荷をサポートしさえすればよい。したがって、バッテリ充電器モジュール３０６の電力定格は、低電圧負荷３１１及び／又は制御システム３１０によって引き込まれる最大電力から大幅に低減可能である。バッテリ充電器モジュール３０６のピーク対平均動作電力比は比較的低く、バッファ付き電力伝送システムの全体効率を高める。
【００３６】
図４は、充電式バッテリモジュール３０８を再充電するためにバッテリ充電器モジュール３０６がいつオンにされるかを決定する基本的なプログラミングを示す非常に簡略化されたフローチャートである。ステップ４０１において、回路（例えば、図３Ａに示すセンサ３２０を含む）は、充電式バッテリモジュール３０８に含まれるバッテリの充電状態が所定の閾値、例えば５０％よりも小さいか否かを検知する。イエスの場合、ステップ４０３は、充電式バッテリモジュール３０８に含まれるバッテリに充電するバッテリ充電器モジュール３０６をオンし始める。このように、低電圧負荷３１１及び制御システム３１０は、バッテリ充電器モジュール３０６及び充電式バッテリモジュール３０８の組合せによって給電される。ステップ４０７において、回路は、充電式バッテリモジュール３０８に含まれるバッテリの充電状態が他の高い所定の閾値、例えば９０％よりも高いか否かを検知する。イエスの場合、バッテリ充電器モジュール３０６はオフになる。このように、低電圧負荷３１１及び制御システム３１０は、充電式バッテリモジュール３０８よってのみ給電される。
【００３７】
図５を参照すると、交流発電機５０１が示され、その出力は高電圧ＡＣ／ＤＣコンバータ５０３に供給される。直流高電圧出力（例えば、３２５ボルト）は高電圧バスライン５０５に印加され、そのリターンはアースライン５０７である。説明のために、以下の構成要素がＡＣ／ＤＣコンバータ５０３の出力（すなわち、高電圧バスライン５０５とアースライン５０７との間）に接続されて示される：（１）バッテリ充電器モジュールの一部であり得るＤＣ／ＤＣコンバータ５０９、（２）第１の高電圧バッテリＢＨ１、（３）第２の高電圧バッテリＢＨ２及び（４）直流高電圧負荷５１１。なお、交流発電機５０１から変換システムの残りの部分に供給される電流（すなわち、ｃｕｒ１）は、電流センサＣＳ１によって検知及び測定される。
【００３８】
第１の高電圧バッテリＢＨ１及び第２の高電圧バッテリＢＨ２は、ＡＣ／ＤＣコンバータ５０３の出力から引き込まれる電流で充電され又は代替的に高電圧バスライン５０５に電流を供給して戻すことができる蓄電素子として使用される。第１の高電圧バッテリＢＨ１及び第２の高電圧バッテリＢＨ２に流入及び流出する電流（両矢印で示される）は、電流センサＣＳ２及びＣＳ３によって検知及び測定される。高電圧直流負荷５１１は、電流センサＣＳ４によって検知及び測定される電流を引き込む。
【００３９】
ＤＣ／ＤＣコンバータ５０９は、制御システム５２１によってオン又はオフとすることができる制御可能なコンバータとなるように設計される。ＤＣ／ＤＣコンバータ５０９の出力は直流低電圧（例えば、２４ボルト）を生成し、それは低電圧バスライン５１５とアースライン５１７の間に印加される。説明のために、以下の構成要素がＤＣ／ＤＣコンバータ５０９の出力（すなわち、低電圧バスライン５１５とアースライン５１７との間）に接続されて示される：（１）第１の低電圧バッテリＢＬ１、（２）第２の低電圧バッテリＢＬ２、及び（３）直流低電圧負荷５１９。第１の低電圧バッテリＢＬ１及び第２の低電圧バッテリＢＬ２は、充電式バッテリモジュールの一部であり得る。
【００４０】
第１の低電圧バッテリＢＬ１及び第２の低電圧バッテリＢＬ２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０９の出力から引き込まれる電流によって充電されることができ、又は代替的に低電圧バスライン５１５に電流を供給して戻すことができる充電式バッテリ（例えば、リチウムイオンバッテリ）である。第１の低電圧バッテリＢＬ１及び第２の低電圧バッテリＢＬ２に流入及び流出する電流（両矢印で示される）は、電流センサＣＳ５及びＣＳ６によって検知及び測定される。直流低電圧負荷５１９は、電流センサＣＳ７によって検知及び測定される電流を引き込む。
【００４１】
図５において、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０９は、オン−オフコマンド信号（ｃｏｍ１）をＤＣ／ＤＣコンバータ５０９に供給する制御システム５２１によってオン及びオフされる。対応する電流センサＣＳ１−ＣＳ７によって生成される信号ｃｕｒ１−ｃｕｒ７及び直流低電圧負荷５１９によって生成される信号５２０は、制御システム５２１に供給されるものとして示される。これらの信号は、他のパラメータの間で、第１の低電圧バッテリＢＬ１及び／又は第２の低電圧バッテリＢＬ２の充電状態を判定する制御システム５２１の回路（例えば、積分演算増幅器、加算演算増幅器）に適用される。制御システム５２１は、第１の低電圧バッテリＢＬ１及び／又は第２の低電圧バッテリＢＬ２の充電状態が所定の閾値、例えば５０％をいつ下回るかを判定するための信号プロセッサ及びプログラムされた回路を含み得る。第１の低電圧バッテリＢＬ１又は第２の低電圧バッテリＢＬ２における充電状態が所定の閾値を下回ると判定された場合、制御システム５２１はＤＣ／ＤＣコンバータ５０９にコマンド信号を生成してそれを完全にオンし得る。制御システム５２１はまた、第１の低電圧バッテリＢＬ１及び／又は第２の低電圧バッテリＢＬ２における充電状態が他の所定の閾値、例えば、９０％をいつ上回るかを判定するための信号プロセッサ及びプログラムされた回路を含み得る。第１の低電圧バッテリＢＬ１又は第２の低電圧バッテリＢＬ２における充電状態が他の所定の閾値を上回ることが判定された場合、制御システム５２１はＤＣ／ＤＣコンバータ５０９にコマンド信号を生成してそれを完全にオフし得る。したがって、第１の低電圧バッテリＢＬ１又は第２の低電圧バッテリＢＬ２のいずれかが５０％充電よりも低いことが検出された後、両方のバッテリが少なくとも９０％に充電されるまで、制御システム５２１は第１の低電圧バッテリＢＬ１及び第２の低電圧バッテリＢＬ２を再充電するようにプログラムされ得る。
【００４２】
図５に示すバッファ付き電力伝送システムでは、低電圧バスライン５１５上の少なくとも１つの低電圧バッテリ（ＢＬ１及び／又はＢＬ２）に加えて高電圧バスライン５０５上の少なくとも１つの高電圧バッテリ（ＢＨ１及び／又はＢＨ２）に設けることによって、ＡＣ／ＤＣコンバータ５０３の出力で利用可能な電力が少なくとも１つの低電圧バッテリ（ＢＬ１及び／又はＢＬ２）を再充電するのに十分に安定していない場合、直流高電圧から直流低電圧への変換の効率はさらに高められ得る。
【００４３】
例として、検討中の一用途では、制御システム５２１に給電するために、約１アンペアの定常電流を低電圧バスライン５１５から引き込むことができる。９９％の時間においては、１アンペアの定常電流のみが引き込まれ得る。さらに、直流低電圧負荷５１９に給電するために、電流需要が、例えば、１０アンペアをピークとし得る短いサージ期間があり得る。ＤＣ／ＤＣコンバータ５０９よりも高い容量を有する他のＤＣ／ＤＣコンバータ（例えば、１０００ワットの電力を有するＤＣ／ＤＣコンバータ）は、少なくとも１つの低電圧バッテリ及び／又は少なくとも１つの高電圧バッテリを必要とせずに任意の時に１０アンペアを供給することができるが、この他のＤＣ／ＤＣコンバータは連続的に給電される必要がある。９９％の時間において、この他のＤＣ／ＤＣコンバータは、低電流需要のために低効率で動作し得る。そして、短いサージ期間に対応する１％の時間の間だけ、この他のＤＣ／ＤＣコンバータはその最大効率で動作し得る。したがって、少なくとも１つの低電圧バッテリ及び／又は少なくとも１つの高電圧バッテリを必要とせずに、任意の時に１０アンペアを供給するために他のＤＣ／ＤＣコンバータを使用すると、大部分の時間にわたって電力損失が発生する。
【００４４】
高電力ＤＣ／ＤＣコンバータを低効率で定常動作させるのではなく、低電圧バッテリＢＬ１及び／又はＢＬ２の充電状態が全容量の５０％まで低下したときにのみＤＣ／ＤＣコンバータ５０９（例えば、２５０ワットの電力を有するＤＣ／ＤＣコンバータ）がオンされ、オンされると、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０９は高効率で動作する。ＤＣ／ＤＣコンバータ５０９をその最大効率付近で使用するために、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０９によって生成された電流は、バッファリング「電流タンク」として作用している低電圧バッテリＢＬ１及び／又はＢＬ２に蓄積される。このように、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０９は、「電流タンク」を補充する「電流ポンプ」として作用する。
【００４５】
図５に示すバッファ付き電力伝送装置の動作についてここで述べる。ＤＣ／ＤＣコンバータ５０９はオフにされる期間、低電圧バッテリＢＬ１及び／又はＢＬ２は、制御システム５２１（例えば、約２００ワットを消費する）によって、及び時には直流低電圧負荷５１９（例えば、１０００ワットのピーク消費を有する）によってゆっくりと枯渇することがある。低電圧バッテリＢＬ１及び／又はＢＬ２の充電状態が、例えば全容量の５０％に低下したときにのみ、制御システム５２１はＤＣ／ＤＣコンバータ５０９をオンにする。オンの場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０９は、低電圧バッテリＢＬ１及び／又はＢＬ２を再充電し、制御システム５２１に部分的に給電し、直流低電圧負荷５１９に部分的に給電するように高効率で稼働する。したがって、本開示の観点によると、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０９は要求に応じて（すなわち、定常稼働することなく）使用され、ＡＣ／ＤＣコンバータ５０３から引き込まれた電流は図１に示した従来の電気システムと比較して減少し、ＷＥＣの全体効率も同様に改善される。
【００４６】
図５において、バッテリ又は他の構成要素に供給され、そこから排出される電流フローの測定値から、バッテリの充電状態が計算される。そして、充電状態は、瞬間的な電流フローを経時的に連続的に合計することによって推定され得る。例えば、バッテリに流入する電流はバッテリを充電する正の寄与であり、バッテリから流れる電流はバッテリを放電する負の寄与である。バッテリの充電状態は、電流と継続時間の積である「アンペア時間」という単位で追跡可能である。なお、アンペア時間は標準測定単位となり得るが、他の単位が代わりに使用されてもよい。
【００４７】
種々の電流フローは、バッテリと高電圧バスライン５０５又は低電圧バスライン５１５との間に設置された電流センサＣＳ２−ＣＳ３又はＣＳ５−ＣＳ６を使用して測定される。電流は、通常０．１秒ごとにサンプリングされ得る。例として、ＡＣ／ＤＣコンバータ５０３が高電圧バッテリＢＨ１に０．１秒間に１０アンペア供給する場合には、その短時間の間に０．０００２７７８アンペア時間で高電圧バッテリＢＨ１を満たしている。一方、直流高電圧負荷５１１が高電圧バッテリＢＨ１から０．１秒間に１０アンペアを引き込むものとすると、それは０．０００２７７８アンペア時間で高電圧バッテリＢＨ１に蓄積されたエネルギーを低減することになる。上記の例では、サンプルレートとして０．１秒を使用した：０．１秒を１時間あたり３６００秒で割った値は０．００００２７７８時間である。この数値と１０アンペアの積が、０．０００２７７８アンペア時間となる。
【００４８】
したがって、制御システム５２１におけるプロセッサにおいてプログラムされる集積回路又はアルゴリズムは、電流センサＣＳ１−ＣＳ７によって生成される測定信号を連続的に合計するので、バッテリＢＨ１、ＢＨ２、ＣＬ１又はＣＬ２の充電状態を判定するのに使用され得る。
【００４９】
充電状態を検知又は追跡するのに他の手段が使用されてもよい。例えば、バッテリに取り付けられる外部センサが充電状態を測定するのに使用され得る。
【００５０】
本開示は種々の変形例及び代替形態を可能とするが、その特定の実施形態は、例として図面及び説明に示される。ただし、図面及びそれに対する詳細な説明は、特許請求の範囲を開示された特定の形態に限定することを意図するものではなく、反対に、特許請求の範囲内に含まれるすべての変形例、均等物及び代替例を網羅することを意図することが理解されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図３Ａ】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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