(57)【要約】パワーモジュールを充電するための高速充電回路が開示される。パワーモジュールは一つ以上のキャパシタを含む。パワーモジュールは、このパワーモジュールに接続されたエネルギー源を使用して充電される。充電回路は、パワーモジュールにかかる電圧レベルが上昇するときに充電中、パワーモジュールにおいて一定の電力レベルを維持するように適応させられた制御回路を含む。制御回路は、パルス幅変調器とパワーモジュールに直列に接続された誘導子とを含む。パルス幅変調器は、誘導子の充電レベルを制御できる。充電レベルは、パワーモジュールにおける所望の電力レベルとパワーモジュールにかかる瞬時電圧レベルとにしたがう電流レベルに対応し得る。誘導子は、パワーモジュールを通る電流レベルを予め決められたピークレベルに制限するように適応させられ得る。制御回路は、充電期間の少なくとも一部の期間中、パワーモジュールを通して上記エネルギー源からの電流レベルより高い電流レベルを供給するように適応され得る。
2007521790.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一つ以上のキャパシタを含むパワーモジュールと、
エネルギー源と、
前記パワーモジュールと前記エネルギー源とに接続されており、充電期間の少なくとも一部の期間中、前記エネルギー源による出力より高い電流レベルを前記パワーモジュールに供給する制御回路と、
を含むパワーモジュールを充電するための装置。
【請求項２】
前記制御回路は、パワーモジュールにかかる電圧レベルが上昇するときにパワーモジュールにおいて一定の電力レベルを維持するように適応されている請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記制御回路は、パルス幅変調器と前記パワーモジュールに直列に接続された誘導子とを含む請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記パルス幅変調器は、前記誘導子の充電レベルを制御する請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記充電レベルは、前記パワーモジュールにおける所望の電力レベルと前記パワーモジュールにかかる瞬時電圧とにしたがう電流レベルに対応する請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記誘導子は、前記パワーモジュールを通る電流レベルを予め決められたピークレベルに制限するように適応されている請求項３に記載の装置。
【請求項７】
前記制御回路は、充電期間の少なくとも一部の期間中、前記パワーモジュールを通して前記エネルギー源からの電流レベルより高い電流レベルを供給するように適応されている請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記一つ以上のキャパシタは、ウルトラキャパシタを含む請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記一つ以上のキャパシタは、約１ファラッドより大きな値を含む請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
ウルトラキャパシタ・パワーモジュールのための定電力充電回路であって、
パルス幅変調器と、
前記パルス幅変調器と前記パワーモジュールとに直列に接続された誘導子と、
を含んでおり、
前記パルス幅変調器は前記誘導子の充電レベルを制御するように適応されている、
定電力充電回路。
【請求項１１】
前記充電レベルは、前記パワーモジュールにおける所望の電力レベルと前記パワーモジュールにかかる瞬時電圧レベルとに従う電流レベルに対応する請求項１０に記載の回路。
【請求項１２】
前記誘導子は、前記パワーモジュールを通る電流レベルを予め決められたピークレベルに制限するように適応されている請求項１０に記載の回路。
【請求項１３】
前記制御回路は、充電期間の少なくとも一部の期間中、前記パワーモジュールを通して前記エネルギー源からの電流レベルより高い電流レベルを供給するように適応されている請求項１０に記載の回路。
【請求項１４】
エネルギー源とパワーモジュールとの間に直列に接続された誘導子を充電するステップと、
前記パワーモジュールを通る所望の電流レベルを達成するように前記誘導子の充電レベルを制御するステップと、
を含むキャパシタ・パワーモジュールを充電する方法。
【請求項１５】
前記制御するステップは、パルス幅変調器を介して前記エネルギー源から前記誘導子への電流を変調するステップを含む請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記所望の電流レベルは、前記パワーモジュールにおける所望の電力レベルに対応する請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記電力レベルは、前記パワーモジュールの充電中、一定である請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記パワーモジュールを通る前記所望の電流レベルは、充電期間の少なくとも一部の期間中、前記エネルギー源からの電流レベルより高い請求項１４に記載の方法。
【請求項２０】
一つ以上のキャパシタを含むパワーモジュールと、
エネルギー源と、
前記エネルギー源の電圧を感知し、前記電圧が感知されたときに信号を出力するように適応された電圧感知回路と、
前記定電力充電モジュールの充電期間の少なくとも一部の期間中、前記エネルギー源による出力より高い電流レベルを前記パワーモジュールに供給するように及び前記信号を供給するように適応された制御回路と、
を含む定電力充電モジュール。
【請求項２１】
前記一つ以上のキャパシタは、約１ファラッド以上のキャパシタンスを含む請求項２０に記載のモジュール。
【請求項２２】
一つ以上のキャパシタと、
信号を供給するためのエネルギー源手段と、
前記定電力充電モジュールの充電期間の少なくとも一部の期間中、前記エネルギー源による出力より高い電流レベルを前記キャパシタに供給するための及び前記信号を供給するための制御回路手段と、
を含む定電力充電モジュール。
【請求項２３】
キャパシタを充電するための方法であって、
充電期間に亘って前記キャパシタを充電するためのエネルギー源を設けるステップと、
前記充電期間の少なくとも一部の期間中、前記エネルギー源による出力より高い電流を前記キャパシタに供給するステップと、
を含む方法。
【請求項２４】
一つ以上のキャパシタと、
エネルギー源と、
前記エネルギー源の電圧を感知し、前記電圧が感知されたときに信号を出力するように適応させられた電圧感知回路と、
前記一つ以上のキャパシタの充電期間の少なくとも一部の期間中、前記エネルギー源による出力より高い電流レベルを前記一つ以上のキャパシタに供給するように及び前記信号を供給するように適応された制御回路と、
を含む回生装置。
【請求項２５】
前記キャパシタは、ウルトラキャパシタを含む請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
前記エネルギー源は、回生制動電動機を含む請求項２５に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的にはエネルギー蓄積システムに関する。特に本発明は、ウルトラキャパシタを組み込んだエネルギー蓄積システムを充電するための方法とシステムとに関する。
【背景技術】
【０００２】
下記の説明は、読者の理解を助けるために与えられる。与えられた情報と引用された参考資料のいずれも、本発明に対する先行技術であると認められるものではない。
【０００３】
ウルトラキャパシタは、多くの用途で優れたエネルギー源であり得る。これらは、バッテリーといった他のタイプのエネルギー蓄積システムより優れた幾つもの利点を提供する。例えばいったん消耗した場合ウルトラキャパシタは、バッテリーよりかなり速い速度で再充電できる。理想的条件下ではこの再充電速度は放電速度と同じくらい高い。
【０００４】
ウルトラキャパシタのための既存の再充電は一般に、再充電エネルギーを与えるためにウルトラキャパシタ内に一定電流を供給する。これは一定の再充電速度を与えるが、この速度は再充電エネルギー源の出力電流によって制限される。例えば再充電のためのエネルギー源は、５０ボルト２０アンペアの直流電源であろう。この再充電電流は、電源からの２０アンペアの電流に制限される。
【０００５】
こうして容量の１００％にまでウルトラキャパシタを再充電する時間は、電源の出力電流レベルによって決定される。多くの状況ではエネルギー源の電流レベルで達成される再充電速度より大きな再充電速度を達成することが望ましいであろう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の開示された実施形態は、上記の定電流構成によって可能とされるよりも速い速度でウルトラキャパシタを再充電するためのシステムと方法とを提供する。こうして、消耗したウルトラキャパシタのより迅速な再充電が達成できる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一態様で本発明は、パワーモジュールを充電するための装置を提供する。この装置は、一つ以上のウルトラキャパシタからなるパワーモジュールと、このパワーモジュールに接続されたエネルギー源と、を含む。このエネルギー源の正の端子はこのパワーモジュールの正の端子に接続され、このエネルギー源の負の端子はこのパワーモジュールの負の端子に接続される。制御回路は、このパワーモジュールにかかる電圧レベルが増加する際にパワーモジュールにおいて一定の電力レベルを維持するように適応される。
【０００８】
「パワーモジュール」は、直列に接続された２２個の２７００ファラッドのウルトラキャパシタといったウルトラキャパシタバンクである。このパワーモジュールは、このウルトラキャパシタバングを入れたラック搭載型パッケージとして実現され得る。
【０００９】
「ウルトラキャパシタ」は、当業者には周知である。ウルトラキャパシタは、二層キャパシタおよびスーパーキャパシタとしても知られているが、ここではウルトラキャパシタと呼ばれるであろう。ウルトラキャパシタは一般に、各々が対応する電極を有し、セパレータによって分離されている二つの集電プレートを含む。エネルギーは、分離された電極に電荷の形で蓄積される。ウルトラキャパシタのより詳細については、米国特許第５，６２１，６０７号、第５，７７７，４２８号、第５，８６２，０３５号、第５，９０７，４７２号、第６，０５９，８４７号、第６，０９４，７８８号、および第６，２３３，１３５号を参照することができ、これらの各々はその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【００１０】
一実施形態では制御回路は、パルス幅変調器とパワーモジュールに直列に接続された誘導子とを含む。このパルス幅変調器は、誘導子の充電レベルを制御できる。この充電レベルは、パワーモジュールにおける所望の電力レベルとパワーモジュールにかかる瞬時電圧とにしたがう電流レベルに対応し得る。パルス幅変調器は、パワーモジュールを通る電流レベルを予め決められたピークレベルに制限するように適応され得る。
【００１１】
一実施形態では制御回路は、充電期間の少なくとも一部の期間中、パワーモジュールを通して上記エネルギー源からの電流レベルより高い電流レベルを供給するように適応される。
【００１２】
もう一つの態様では本発明は、ウルトラキャパシタ・パワーモジュールのための定電力充電回路を提供する。この回路は、パルス幅変調器と、上記パルス幅変調器と上記パワーモジュールとに直列に接続された誘導子と、を含む。このパルス幅変調器は、上記誘導子の充電レベルを制御するように適応される。
【００１３】
もう一つの態様において本発明は、ウルトラキャパシタ・パワーモジュールを充電する方法を提供する。この方法は、エネルギー源と上記パワーモジュールとの間に直列に接続された誘導子を充電するステップを含む。この誘導子の充電レベルは、上記パワーモジュールを通る所望の電流レベルを達成するように制御される。
【００１４】
一実施形態では制御するステップは、パルス幅変調器を介してエネルギー源から誘導子への電流を変調するステップを含む。
【００１５】
所望の電流レベルは、パワーモジュールにおける所望の電力レベルに対応し得る。この電力レベルは、パワーモジュールの充電中、一定であり得る。
【００１６】
一実施形態ではパワーモジュールを充電するための装置は、一つ以上のキャパシタを含むパワーモジュールと、エネルギー源と、充電期間の少なくとも一部の期間中、上記エネルギー源による出力より高い電流レベルを上記パワーモジュールに供給するためにパワーモジュールとエネルギー源とに接続された制御回路と、を含む。この制御回路は、パワーモジュールにかかる電圧レベルが増加する際にパワーモジュールにおいて一定の電力レベルを維持するように適応され得る。この制御回路は、パルス幅変調器と上記パワーモジュールに直列に接続された誘導子とを含むことができる。パルス幅変調器は、上記誘導子の充電レベルを制御できる。この充電レベルは、上記パワーモジュールにおける所望の電力レベルと上記パワーモジュールにかかる瞬時電圧レベルとにしたがう電流レベルに対応し得る。誘導子は、上記パワーモジュールを通る電流レベルを予め決められたピークレベルに制限するように適応され得る。制御回路は、充電期間の少なくとも一部の期間中、上記パワーモジュールを通して上記エネルギー源からの電流レベルより高い電流レベルを供給するように適応され得る。一つ以上のキャパシタは、ウルトラキャパシタを含み得る。一つ以上のキャパシタは、約１ファラッドより大きな値を含むことができる。
【００１７】
一実施形態ではウルトラキャパシタ・パワーモジュールのための定電力充電回路は、パルス幅変調器と、上記パルス幅変調器と上記パワーモジュールとに直列に接続された誘導子と、を含んでおり、上記パルス幅変調器は上記誘導子の充電レベルを制御するように適応される。この充電レベルは、上記パワーモジュールにおける所望の電力レベルと上記パワーモジュールにかかる瞬時電圧レベルとにしたがう電流レベルに対応し得る。誘導子は、上記パワーモジュールを通る電流レベルを予め決められたピークレベルに制限するように適応され得る。この制御回路は、充電期間の少なくとも一部の期間中、上記パワーモジュールを通して上記エネルギー源からの電流レベルより高い電流レベルを供給するように適応され得る。
【００１８】
一実施形態ではキャパシタ・パワーモジュールを充電する方法は、エネルギー源と上記パワーモジュールとの間に直列に接続された誘導子を充電するステップと、上記パワーモジュールを通る所望の電流レベルを達成するために上記誘導子の充電レベルを制御するステップとを含む。この制御するステップは、パルス幅変調器を介して上記エネルギー源から上記誘導子への電流を変調するステップを含み得る。この所望の電流レベルは上記パワーモジュールにおける所望の電力レベルに対応し得る。この電力レベルは上記パワーモジュールの充電中、一定であり得る。上記パワーモジュールを通る上記所望の電流レベルは充電期間の少なくとも一部の期間中、上記エネルギー源からの電流レベルより高いかもしれない。
【００１９】
一実施形態では定電力充電モジュールは、一つ以上のキャパシタを含むパワーモジュールと、エネルギー源と、上記エネルギー源の電圧を感知し、上記電圧が感知されたときに信号を出力するように適応された電圧感知回路と、上記定電力充電モジュールの充電期間の少なくとも一部の期間中、上記エネルギー源による出力より高い電流レベルを上記パワーモジュールに供給するように、また上記信号を供給するように適応された制御回路と、を含む。上記一つ以上のキャパシタは約１ファラッド以上のキャパシタンスを含み得る。
【００２０】
一実施形態では定電力充電モジュールは、一つ以上のキャパシタと、信号を供給するためのエネルギー源手段と、上記定電力充電モジュールの充電期間の少なくとも一部の期間中、上記エネルギー源による出力より高い電流レベルを上記キャパシタに供給するための、また上記信号を供給するための制御回路手段と、を含む。
【００２１】
一実施形態ではキャパシタを充電するための方法は、充電期間に亘って上記キャパシタを充電するためのエネルギー源を設けるステップと、上記充電期間の少なくとも一部の期間中、上記エネルギー源による出力より高い電流を上記キャパシタに供給するステップと、を含む。
【００２２】
一実施形態では回生装置は、一つ以上のキャパシタと、エネルギー源と、上記エネルギー源の電圧を感知し、上記電圧が感知されたときに信号を出力するように適応された電圧感知回路と、上記一つ以上のキャパシタの充電期間の少なくとも一部の期間中、上記エネルギー源による出力より高い電流レベルを上記一つ以上のキャパシタに供給するように、また上記信号を供給するように適応された制御回路と、を含む。上記キャパシタはウルトラキャパシタを含み得る。このエネルギー源は回生制動電動機を含み得る。この制動電動機は、ハイブリッド車両制動電動機を含み得る。
本発明の利点と態様と実施形態がここに説明されるが、このような説明が現在説明されている充電システムと方法の使用法と態様との例示であって内容的に限定するものではないことは理解されるべきである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明は一般的に、ウルトラキャパシタ・パワーモジュールを再充電するための高速充電システムと方法とを対象としている。これに関して本発明は、ウルトラキャパシタの高速充電を可能にし、それによって例えばウルトラキャパシタバングまたは他の蓄積装置を再充電するために必要とされる時間を大幅に短縮する。本発明の一実施形態では電源電流より高い電流で電荷蓄積装置を充電するためのシステムと方法とが再充電時間が短縮されることを可能にする。
【００２４】
ウルトラキャパシタはここで実施形態において更に説明されるが、本発明の範囲が他のタイプの蓄積装置、例えば従来のキャパシタと再充電可能なバッテリーとに及ぶことは理解される。ウルトラキャパシタは、当業者には効率的エネルギー蓄積システムとして周知である。ウルトラキャパシタは、典型的には約１ファラッド以上の値を備えている。ウルトラキャパシタ・パワーモジュールは、特定の用途に関して所望の電圧レベルを与えるために直列に接続されたウルトラキャパシタバングを含むことができる。エネルギー源としてのウルトラキャパシタ（および一般的にキャパシタ）の一つの魅力的な特徴は、いったんウルトラキャパシタが完全に、またはある程度、消耗した場合に、比較的短時間で再充電されるその能力である。ウルトラキャパシタは、小さな波形率で大きなキャパシタンス与えることができる、例えば単一電池サイズのキャパシタで約５００ファラッドが与えられ得る。当業者は、例えばマイクロファラッド値を有するキャパシタンスであり得る電解コンデンサと比較してウルトラキャパシタを完全に充電するために必要とされる時間がより長いことを確認するであろう。ここで説明される本発明の1つあるいはそれより多い実施形態は、ウルトラキャパシタといった大きなキャパシタンスのキャパシタで使用されるときに充電時間のかなりの減少という結果が得られるキャパシタのより迅速な充電が達成され得ることを可能にする。
【００２５】
キャパシタ、ウルトラキャパシタ、またはパワーモジュール内のウルトラキャパシタバングの再充電速度は、下記の方程式：
ｄＶ／ｄｔ＝Ｉ／Ｃ，
によって記述され得る。ここでｄＶ／ｄｔはウルトラキャパシタの電圧の上昇速度であり、Ｉはウルトラキャパシタを通る電流であり、Ｃはウルトラキャパシタのキャパシタンスである。
【００２６】
上述のように現在の充電回路は、図１Ａに模式的に図示されるように定電流構成を使用する。この装置ではパワーモジュール１０４を再充電するためにエネルギー源１０２が設けられている。これに関してエネルギー源１０２の正の端子はパワーモジュール１０４の正の端子に接続され、エネルギー源１０２の負の端子はパワーモジュール１０４の負の端子に接続される。
【００２７】
パワーモジュール１０４に供給される電流を調整するために定電流回路１０６が設けられている。これに関してパワーモジュール１０４は、典型的にはエネルギー源１０２の出力電流に等しい一定の電流を受ける。前述の方程式を参照すると、一定の電流Ｉとパワーモジュール１０４の一定のキャパシタンスとによって、充電速度ｄＶ／ｄｔも一定であることは明らかである。この装置の例示的充電プロファイルは、図１Ｂに示される。
【００２８】
充電速度を向上させるためにはパワーモジュールを通る電流が増やされるべきである。本発明の一実施形態によれば、パワーモジュールに一定の電力を供給するための回路がこの目標を達成する。図２Ａ、２Ｂは、このような一実施形態を示す。装置２００は、ウルトラキャパシタ・パワーモジュール２０４を再充電するためのエネルギー源２０２を含む。エネルギー源２０２の正の端子はパワーモジュール２０４の正の端子に接続され、エネルギー源２０２の負の端子はパワーモジュール２０４の負の端子に接続される。
【００２９】
エネルギー源２０２は、例えば燃料電池、バッテリーまたは他の電源であり得る。一実施形態ではエネルギー源２０２は、直流を供給するためにＤＣ変換器を有するＡＣパワーグリッドを含む。図示の実施形態ではエネルギー源２０２は、２０アンペア５０ボルトの電源である。エネルギー源のサイズが要件に従って変わり得ることは、当業者によって理解されるであろう。
【００３０】
ウルトラキャパシタ・パワーモジュール２０４は、例えば、１個のウルトラキャパシタまたは直列に接続されたウルトラキャパシタバングであり得る。一実施形態ではパワーモジュールは、直列に接続された一列の２２個の２７００ファラッド・ウルトラキャパシタを含む。このパワーモジュール２０４は典型的には、パワーモジュールが完全に充電されたときに定格電圧を有する。
【００３１】
定電力回路２０６は、パワーモジュール２０４に一定の電力を供給する。当業者に周知のように、電力は電流と電圧の積である。従ってパワーモジュール２０４が実質的に消耗する（すなわち低い電圧を持つ）と、電力が一定であれば電流レベルは相対的に高くなる。従って図２Ｂに示すように、より低い電圧領域では定電力充電は、定電流充電よりかなり迅速な再充電を与える。
【００３２】
図３は、定電力充電回路２０６の一実施形態の模式図を与える。この実施形態では充電回路２０６は、電流測定装置２０８、例えば入力をパルス幅変調器２１０に供給するホール効果素子、を含む。電流測定または検出装置２０８は、パルス幅変調器(pulse-duration modulator)としても知られるパルス幅変調器(pulse-width
modulator)として当業者に周知である。パルス幅変調器２１０は、電流のパルスが通過することをパルス幅変調器が可能にするスイッチ２１２を起動する。パルスの幅は、パワーモジュールのための所望の電力レベルに関連する電流プロファイルを与えるように変調され得る。
【００３３】
エネルギー源２０２からの入力に亘ってキャパシタ２１８が設けられる。キャパシタ２１８は好ましくは、少量のエネルギーを蓄積でき、また所望の出力結果を達成するようにサイズ決めされるべきである。このキャパシタ２１８は、パルス幅変調器２１０の動作中の変動を受けないようにエネルギー源２０２を保護するために役立つ。
【００３４】
パワーモジュール２０４と直列に誘導子２１６が設けられている。好ましくは、誘導子は消散される電圧を最小にするようにサイズ決めされる。誘導子２１６は、下記のようにパルス幅変調器２１０が動作しているときにパワーモジュール２０４を通して平均電流を供給するために役立つ。
【００３５】
動作時に誘導子２１６は先ず、パワーモジュール２０４にかかる瞬時電圧レベルと所望の定電力レベルとに関連する電流レベルに充電される。例えばもしパワーモジュール２０４にかかる現在の電圧が４０ボルトであって、所望の定電力レベルが１０００ワットであれば、誘導子２１６は２５アンペアというピーク電流に充電される。
【００３６】
多くの場合にパワーモジュール２０４にかかる初期電圧は極めて低いか、ゼロである。この場合、定電力レベルは極めて高いピーク電流レベルを指定する。このようなレベルは、システム内のある幾つかの構成要素にとって危険であり得る。このような構成要素を保護するためにピーク電流レベルは、予め選択されたレベル、例えば５０アンペアに制限され得る。従って１０００ワットの定電力レベルに関して誘導子は、パワーモジュール２０４にかかる電圧が２０ボルトに達するまで５０アンペアというレベルに充電され得る。
【００３７】
パルス幅変調器２１０は、誘導子２１６の充電レベルを制御するために、従ってパワーモジュール２０４を通る電流レベルを制御するためにスイッチ２１２を開閉する。スイッチ２１２が閉じられると、エネルギー源２０２からのエネルギーは誘導子２１６に向けられ、それによって誘導子２１６を充電する。スイッチ２１２が開いていると誘導子２１６内の電流はダイオード２１４を流れ、パワーモジュール２０４に充電電流を供給し続ける。
【００３８】
このようにしてパルス幅変調器２１０の動作は、例えば図示の例における５０アンペアに制限され得るピーク電流レベルを供給する。誘導子からのエネルギーの消耗は、電源電流より大きなピーク電流を可能にする。
【００３９】
パワーモジュール２０４にかかる電圧レベルが上昇するにつれて、パルス幅変調器２１０は誘導子２１６の充電レベルを下げることによってパワーモジュール２０４を通る電流レベルを下げることができる。
【００４０】
こうして充電の開始時に誘導子は、高い電流レベルの充電を与えられる。この高いレベルは、エネルギー源２０２からエネルギーを供給することによってパルス幅変調器によって維持され得る。パワーモジュール２０４にかかる電圧レベルが上昇するにつれて、パワーモジュール２０４を通る更に低い電流レベルが望まれる。このためにパルス幅変調器２１０は、エネルギー源２０２から誘導子２１６に一定のエネルギーを供給し、パワーモジュール電圧が上昇するにつれて誘導子の電流レベルを下げる。
【００４１】
キャパシタ充電電圧対エネルギー源電圧の比は、パルス幅変調器のデューティサイクルを設定する。その結果は、パワーモジュール２０４への増加した充電電流と減少した充電時間である。例えばもし電源が５０Ｖであって、パワーモジュール２０４にかかる電圧が２５Ｖであれば、パルス幅変調器は５０％のデューティサイクルで動作する。この例では誘導子は、エネルギー源から２０Ａを引き出す時間の５０％の時間中、４０Ａに充電するであろう。この４０Ａは、パワーモジュール２０４に流れ込むであろう。
【００４２】
パルス幅変調器２１０の動作の結果として得られる電流プロファイルは、一連の電流パルスである。一実施形態ではパルス幅変調器２１０は、５０ＫＨｚの周波数で動作する。従って電流のパルスは、幅においてゼロと２０マイクロ秒との間にある。これらのパルスからの全体的平均は、エネルギー源からの電流に、あるいは図示の例では２０アンペアに等しい。開始時の電流は電源電流より実質的に大きいかもしれないが、より後の電流はパワーモジュールにかかる電圧が比較的高いときには実質的に、より低いであろう。
パワーモジュール２０４に亘ってダイオード２１４が設けられている。このダイオード２１４は、スイッチ２１２が開いているときに誘導子電流が流れ続けるための電流経路を与える。
【００４３】
この好ましい実施形態は定電力充電プロファイルを使用するが他の実施形態がこのようなプロファイルを含まない可能性があることは、当業者によって理解されるであろう。例えばある幾つかの実施形態は、電源電流より高いレベルにある電流を再充電の初期の段階で供給することができる。この電流レベルは、後の段階で、しかし定電力プロファイルを維持することなく、降下し得る。
【００４４】
図４は、エネルギー源として燃料電池が備えられた実施形態を示す。ある幾つかの実施形態では、全電流能力を、例えば定電力充電回路２１１の全電流需要を持たないエネルギー源２０２で動作することが必要であり得る。エネルギー源２０２全電力への電力供給サイクルの期間中、充電回路２１１の電流需要は正常出力より低い電圧を出力するようにエネルギー源２０２に負荷をかけ得る。例えばエネルギー源２０２として燃料電池が使用されるある幾つかの実施形態では、電力供給サイクル時にこれらの燃料電池は、ある最小出力電圧より低く下がるように負荷がかけられるであろう。もし燃料電池がある最小電圧より低い電圧を出力するように負荷をかけられれば、燃料電池の正常動作は否定的に影響されるであろう。
【００４５】
エネルギー源２０２の望ましくない負荷を防止するために定電力充電回路２１１の一実施形態は、電圧感知回路２１３を含む。一実施形態では電圧感知回路２１３は、電圧比較器を利用する不足電圧回路を含む。電圧感知回路２１３は、エネルギー源２０２の出力電圧がある最小閾値電圧を超えるまでウルトラキャパシタ・パワーモジュール２０４に供給される充電電流を減らすように構成され得る。一実施形態では電圧感知回路２１３は、エネルギー源２０２の出力電圧を検知し、その出力電圧に基づいてパルス幅変調器２１０の動作を変化させるように構成される。一実施形態では変調器２１０のデューティサイクルは、エネルギー源２０２の出力電圧の検出に基づいて変えられる。一実施形態ではウルトラキャパシタ・パワーモジュール２０４に供給される充電電流は、前述のように定電力充電回路２１１が動作を再開する点のある閾値電圧をエネルギー源２０２が達成するまで変調器２１０のデューティサイクルを変化させることによって、減らされる。
【００４６】
本発明が回生型の用途での利用を見出すであろうことは確認される。例えばハイブリッド車両が車両の車輪に相互接続された電動機および／または発電機によって生成される逆起電力を利用することは周知である。こうして車輪の回転運動は、以前に可能であったより迅速な仕方で制動中に一つ以上のキャパシタまたはバッテリーを再／充電するために利用できる。
【００４７】
このようにしてここに詳細に図示され説明された特定のシステムと方法は本発明の前述の目的を十分に達成することができるが、ここに提示された説明と図面が本発明のある幾つかの、しかしすべてではない実施形態を表し、従って本発明によって広く考えられる主題事項の代表に過ぎないことは理解される。好ましい実施形態と方法とが図示され説明されたが、本発明の精神または範囲から逸脱することなく非常に多くの改変が可能であることは、当業者にとって明らかであろう。例えば一実施形態ではウルトラキャパシタが開示されているが、本発明が他のタイプの装置で、例えば電解コンデンサなどを含む従来のキャパシタおよび二次電池での利用を見出すであろうことは理解される。また燃料電池と回生型用途は、本発明の実施形態の利用に関して想定される幾つかの、しかしすべてではない用途の代表に過ぎない。更にここに開示された抵抗器、キャパシタ、誘導子、およびダイオードは、表面実装、スルーホール、および当業者には周知であるその他の構成要素を使用して実現可能であり、比較器、演算増幅器、制御回路は他の回路、増幅器、トランジスタ、抵抗器、および当業者には周知である他の構成要素を使用して当業者によって実現可能であり、またトランジスタは、増幅器、ＦＥＴ、ＮＰＮ、ＰＮＰ、および当業者には周知である他の構成要素を使用して実現可能である。またここに開示された一つ以上の構成要素がＰＬＤ、ファームウエア、またはソフトウエアとして実施形態を含むアナログ形式またはディジタル形式で実現可能であることも想定される。特定の回路実施形態は読みと理解との容易さを助長するために提供されたものではなく、またここに説明された実施形態の設計と実現として本発明を達成することは、当業者の経験と能力の範囲内にあるであろう。
従って本発明は、上記の請求項とそれらの法的同等事項とによる以外に限定されることはない。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１Ａ】従来技術の定電流充電回路の模式図である。
【図１Ｂ】図１Ａの充電回路を使用するウルトラキャパシタ・パワーモジュールに関する充電プロファイルを示すチャートである。
【図２Ａ】本発明による定電力充電回路の一実施形態の模式図である。
【図２Ｂ】図２Ａの充電回路を使用するウルトラキャパシタ・パワーモジュールに関する充電プロファイルを示すチャートである。
【図３】図２Ａに示す定電力充電回路の一実施形態を詳細に示す図である。
【図４】エネルギー源として燃料電池が備えられた一実施形態を示す図である。
2007521790.tif 000003
2007521790.tif 000004
2007521790.tif 000005
2007521790.tif 000006
【図３】
2007521790.tif 000007
【図４】
2007521790.tif 000008
【国際調査報告】
2007521790.tif 000009