(57)【要約】  電気化学的電池といった少なくとも一つの長期貯蔵デバイス手段にエネルギーが効率的に移送されることができるレベルとなるまで、可変レベルの電気エネルギーを捕捉して適切な短期貯蔵手段に蓄積する電子装置。本発明は、異なる貯蔵化学反応を有することができる様々な電気化学的電池への同時の移送をさらに許可する。
2007526730.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄積されるエネルギーがハード貯蔵手段に効率的に移送されることができるレベルとなるまで、可変レベルの電気エネルギーを捕捉してソフト貯蔵手段に蓄積する電子装置であって、
ａ）可変かつ断続的なエネルギーソース、
ｂ）前記ソースからのエネルギーを捕捉して蓄積することに適した第１段階エネルギー貯蔵手段、
ｃ）電荷を受け取って後で使用するために当該電荷を貯蔵することができる第２段階エネルギー貯蔵手段、および
ｄ）前記第１段階貯蔵手段に蓄積されたエネルギーを検出かつモニタし、それから、前記第２段階エネルギー貯蔵手段を効率的に充電するのに十分なエネルギーが前記第１段階貯蔵にある場合、充電管理電子機器手段を動作させる電子手段
を含む電子装置。
【請求項２】
前記第１段階エネルギー貯蔵手段は、キャパシタンスまたは擬似キャパシタンス挙動を示し、低い電気的直列抵抗（ＥＳＲ）を有する電気デバイスを含む、請求項１に記載の電子装置。
【請求項３】
前記第１段階エネルギー貯蔵手段における過剰電圧状態を検出し、電圧を安全レベルに制限する制御回路をさらに含む、請求項１に記載の電子装置。
【請求項４】
前記第１段階エネルギー貯蔵手段「から出る」に対して「に入る」電流の向きを検出し、たとえ第１段階貯蔵手段の電圧が移送に最適でない場合であっても、前記第１段階貯蔵手段から前記第２段階貯蔵手段にいくらかの有用なエネルギーの移送を作動させる制御回路をさらに含む、請求項１に記載の電子装置。
【請求項５】
前記エネルギーソースは、光電池、手動操作の電磁機構発電機、風力発電、波力発電、電力事業本線、交流変圧器、直流変圧器、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１に記載の電子装置。
【請求項６】
少なくとも２つの第１段階エネルギー貯蔵手段をさらに含む、請求項１に記載の電子装置。
【請求項７】
少なくとも２つの第２段階エネルギー貯蔵手段をさらに含む、請求項１に記載の電子装置。
【請求項８】
前記充電管理電子機器は、前記第２段階貯蔵手段の効率的な充電を達成するために使用されるパラメータを設定するためのプログラム可能な手段を含む、請求項７に記載の電子装置。
【請求項９】
前記プログラム可能な手段は、プログラム可能なソフトウェアコード、プログラム可能な論理チップ、ハードウエアピンコネクタ、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項８に記載の電子装置。
【請求項１０】
前記充電管理電子機器手段は、前記少なくとも２つの第２段階貯蔵手段の少なくともいくつかの独立した充電を許容する、請求項８に記載の電子装置。
【請求項１１】
蓄積されるエネルギーが第２段階エネルギー貯蔵手段に移送されることができるレベルとなるまで、可変レベルの電気エネルギーを捕捉して第１段階エネルギー貯蔵手段に蓄積するための方法であって、
ａ）エネルギーを捕捉して、前記第１段階エネルギー貯蔵手段内に蓄積する段階、
ｂ）前記第１段階貯蔵手段内に蓄積されたエネルギーを検出かつモニタする段階、および
ｃ）前記第２段階エネルギー貯蔵手段を効率的に充電するのに十分なエネルギーが前記第１段階貯蔵にある場合、充電管理電子機器手段を作動させる段階
を含む方法。
【請求項１２】
前記第１段階エネルギー貯蔵手段は、キャパシタンスまたは擬似キャパシタンス挙動を示し、低い電気的直列抵抗（ＥＳＲ）を有する電気デバイスを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１段階エネルギー貯蔵手段における過剰電圧状態を検出する段階、および、電圧を安全レベルに制限する段階をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１段階エネルギー貯蔵手段「から出る」に対して「に入る」電流の向きを検出する段階と、たとえ第１段階貯蔵手段の電圧が移送に最適でない場合であっても、前記第１段階貯蔵手段から前記第２段階貯蔵手段にいくらかの有用なエネルギーの移送を作動させる段階と、をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記エネルギーソースは、光電池、手動操作の電磁機構発電機、風力発電、波力発電、電力事業本線、交流変圧器、直流変圧器、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
少なくとも２つの第１段階エネルギー貯蔵手段をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
少なくとも２つの第２段階エネルギー貯蔵手段をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
前記第２段階貯蔵手段の効率的な充電を達成するために使用されるパラメータを設定するためのプログラム可能な手段を利用する段階をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記プログラム可能な手段は、プログラム可能なソフトウェアコード、プログラム可能な論理チップ、ハードウエアピンコネクタ、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記充電管理電子機器手段は、前記少なくとも２つの第２段階貯蔵手段の少なくともいくつかの独立した充電を許容する、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力（ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  ｐｏｗｅｒ）管理および貯蔵装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
持ち運び可能な電子および電気機器（ＰＥＤｓ）は、軽量かつ小型の電源を必要とする。一部の非常に低電力の機器（たとえば、計算機）は、光電池（ＰＶ）といったエネルギーソース（ｅｎｅｒｇｙ  ｓｏｕｒｃｅｓ）から直接的に電力を供給されることができるけれども、多数の現実的なＰＥＤｓにとって、電気化学的電池（ｂａｔｔｅｒｙ）といったより高い容量のエネルギー貯蔵デバイスが必要とされる。多数のＰＥＤｓは、再充電プロセスの間にエネルギーを貯蔵し、ＰＥＤが使用される間に貯蔵されたエネルギーを放出する手段として、充電式電池を使用している。
【０００３】
当業者にはよく知られているように、電気化学的電池は、安全かつ効率的な充電のために、特定の要件を有する。これらの特定の要件は、特定の電池技術によって異なるが、すべての場合において、安全かつ効率的な充電は、特定の電圧および電流レベルの範囲内で特定の期間エネルギーを加えることを要求する。このため、電池を充電するために使用される典型的なエネルギーソースは、一般的に、たとえば、電気事業本線電源（ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｕｔｉｌｉｔｙ  ｍａｉｎｓ  ｐｏｗｅｒ）または自動車の電池といった静止していて、より大規模なエネルギーソースからのものである。
【０００４】
ＰＥＤの性質そのものが、ＰＥＤは持ち運び可能で、電池を再充電するための大規模で静止した電源から少し離れて頻繁に使用されるというものであるから、固定されて静止した場所で大きな電源にアクセスする必要性は、都合が良くないことが多い。また、当業者にはよく知られているように、電池を再充電するために使用される可能性がある多数の潜在的なエネルギーソースが存在する。しかしながら、大規模な固定式エネルギーソースに対するこれらの代替物の多くは、しばしば断続的な性質のものであって、従来の方法によって変換されて、安全かつ効率的に電池を充電するために必要とされる特定の電圧および電流レベルに適応するには、パワーレベルが低すぎる可能性がある。そのような潜在的な代替のエネルギーソースの例は、光電池（ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  ｃｅｌｌｓ）、手動操作の電磁機構発電機、および（ユーザがこのような本線の近くで簡単に休止することができるときには）電力事業本線への実に短時間の接続である。
【０００５】
光電池といった断続的かつ可変なソースを用いて電気化学的電池を再充電する種々の簡素な手段が、先行技術においてよく知られている。そのようなシステムの一例は、１９７５年１１月１８日にジェフリー・メラーズ（Ｇｅｏｆｆｒｅｙ  Ｍｅｌｌｏｒｓ）他に対して交付され、「太陽電池によって電力を供給される電池式機器のための充電回路」と題される米国特許第３，９２１，０４１号の中に見つけられる。図１は、この特許において、メラーズによって採用される回路を表す。
【０００６】
図１のシステムにおいて、ＰＶセル１０６からの電圧出力が、素子１０４の前方にバイアスされたダイオード閾値を加えた電池電圧を越えるのに十分な光強度がある場合のみ、電池１０２は効率的に充電されることができる。この場合、ＰＶによって生成され、電圧および電流閾値を下回る任意のエネルギーは、電池Ｂ１を充電することができないため空費される。
【０００７】
図１のアプローチにともなうさらなる問題は、リチウムイオン（Ｌｉ−Ｉｏｎ）といったいくつかの最新の電池技術は、電池Ｂ１への電圧および電流レベルを制限するための充電管理電子機器なしには、安全に充電されないということである。このような充電管理電子機器は、直接的に電池を充電するよりもずっと厳しい電圧および電流レベルを有する可能性がある。このため、ＰＶセルと電池との間に、充電管理電子機器を使用することは珍しいことではない。このようなシステムの一例が、図２に示されている。この図において、典型的にはＤＣ／ＤＣコンバータ２０４と関連レギュレーションと検出回路（不図示）の形式である、高効率の電子回路が使用されて、ＰＶセルアレイ２０２からの直流電圧を、図１に示されるようなＰＶセルと電池との間の直接的な接続よりもより適切な電圧に変換する。
【０００８】
図２におけるアプローチは、図１のアプローチの改良であるけれども、それは、まだ、２つの関連する理由のために、低レベルまたは短時間の照明（ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）を効率的に利用することができないという欠点がある。（１）いかなる現実的な電子機器も効率的に動作するにはゼロを優に超えた電圧を必要とするので、照明のレベルが低いレベルである場合、ＰＶセルによって生成される電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータを動作させるのに十分でない。そして、（２）非常に高いレベルの照明が短時間存在する場合、短時間の照明の間に電池が安全に取り入れることができる量よりも多くのエネルギーを、ＰＶセルは生産する可能性がある。この場合、ＰＶセルによって生成される過剰エネルギーは、捕捉（ｃａｐｔｕｒｅｄ）されず、電池内に貯蔵されることができないので空費される。
【０００９】
２００２年４月９日にミゲル・ティム（Ｍｉｇｕｅｌ  Ｔｉｍｍ）に対して交付され、「電池レスソーラーパワーシステム」と題された米国特許第３，９２１，０４９号は、ＰＶセルソースからといった可変かつ断続的なエネルギーを捕捉することの価値を認識し、キャパシタ内にこのエネルギーを蓄積している。しかしながら、この発明は、貯蔵されたエネルギーを使用して機器を直接的に動作させる。この貯蔵されたエネルギー貯蔵が十分に使い尽くされる場合、機器は動作をやめる。したがって、その使用は、このような中断が許される特定のアプリケーションに制限される。
【００１０】
その供給が大きさにおいて断続的かつ可変である可能性のある潜在的かつ代替的なエネルギーソースの効率的な捕捉、蓄積、および使用のための手段を提供するという要求が従来技術においては存在する。
【００１１】
このような代替的なエネルギーソースは、光電池、手動操作の電磁機構発電機、風力発電（ｗｉｎｄ  ｐｏｗｅｒ）、および波力発電（ｗａｖｅ  ｐｏｗｅｒ）を含む。さらに、電気デバイスの電池電源を適切かつ効率的に再充電するために、この捕捉されたエネルギーを利用する効果的な手段を提供するという要求が存在する。
【発明の開示】
【００１２】
出願書類の相互参照
本出願は、アンドリュー・シー・クラー（Ａｎｄｒｅｗ  Ｃ．  Ｋｕｌａｒ）によって２００３年６月１７日に出願され、「２段階エネルギー貯蔵装置」と題された暫定的な米国出願第６０／４７９，５４１号に関し、その優先権を主張するものであり、その全内容および要旨は、これによって参照して全体的に併合されている。
【００１３】
発明の概要
本発明は、断続的で可変なエネルギーソースが、電池電源式の様々な電気デバイスのための有効な電源として、蓄積されて使用されることができるシステムおよび方法を提供する。本発明によれば、可変かつ断続的なエネルギーソースが、中間または第１段階エネルギー貯蔵室に供給される。それから、この第１段階エネルギー貯蔵室は、電池充電管理要素（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）を介して、電気化学的電池形態の第２段階貯蔵デバイスに接続される。
【００１４】
図面の簡単な説明
添付の図面は、明細書に組み込まれて一部分を形成し、本発明のいくつかの側面を説明し、それらの説明とともに、本発明の原理を説明するのに役立つ。図面の説明は以下の通りである。
【００１５】
図１は、電池を再充電するためにＰＶ技術を使用している従来技術のシステムを示している。
【００１６】
図２は、充電管理電子機器を使用する従来技術のＰＶ充電システムを示している。
【００１７】
図３は、本発明の全体的なブロック図を示している。
【００１８】
図４は、図３の実施の形態における制御ロジック要素の動作の一例を示すフローチャートである。
【００１９】
詳細な説明
本発明の一実施の形態は、図３に示されている。この図において、機能上の特徴は、図の最上部に図示される一方で、それらの特徴に対応する回路構成要素が下方に図示されている。図示されるとおり、本実施の形態は、可変かつ断続的なエネルギーソースの一例としてＰＶアレイ３０２を備える。本発明の他の実施の形態は、その初期状態の（すなわち、アレイ構造を有さない）ＰＶ材料の使用を許可する。このソースから集められたエネルギーは、（ウルトラコンデンサまたはスーパーコンデンサの別名でも知られる）電気二重層コンデンサによって実現されることができる、高価なコンデンサ３１０といった第１段階ソフトエネルギー貯蔵手段３０４に供給される。本発明の追加的な実施の形態が、キャパシタンスまたは擬似キャパシタンス挙動を示し、低い電気的直列抵抗（ＥＳＲ）を有する種々の電気デバイスを利用しているように、本発明は、このような二重層コンデンサに限定されない。
【００２０】
第１段階エネルギー貯蔵手段は、一般的な電池のハード貯蔵特性と区別することを考慮して、ソフト貯蔵と称される。前述の第１段階エネルギー貯蔵手段の重要な特性は、第１段階エネルギー貯蔵手段は、閾値もなく空費もなしに、エネルギーソース３０２からの低レベルのエネルギーさえも受け取って効率的に蓄積することができるということである。第１段階エネルギー貯蔵手段３０４は、切り替え可能なＤＣ／ＤＣコンバータ３０６，３１２に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ内の適切な出力調整（ｐｏｗｅｒ  ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ）、変換（ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）、および調節（ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ）要素は、第１段階貯蔵デバイスからのエネルギーを受け取って、第２段階貯蔵デバイスを効率的かつ安全に充電するためにそれを使用する。
【００２１】
また、図３の回路図において図示されるＤＣ／ＤＣコンバータ３１２に加えて、制御ロジック要素３１４が図示されている。制御ロジック要素３１４は、第１段階エネルギー貯蔵手段３１０の電圧レベルをモニタし、電圧が設定閾値を超えたことを電圧センサ３１６が認識する場合、ＦＥＴスイッチ３１３およびＤＣ／ＤＣコンバータ３１２を作動させる。また、本発明のさらなる実施の形態において、制御ロジックは、第１段階エネルギー貯蔵手段３１０を損傷させる可能性のある過電圧状態から、第１段階エネルギー貯蔵手段３１０を保護するための手段を提供する。具体的には、スイッチ３１８が使用されて、過剰エネルギーを徐々に減らし、それによって第１段階エネルギー貯蔵手段３１０を通じる最大電圧を制限する。
【００２２】
制御ロジックの付加的な特徴は、電流フローセンサ３２０である。電流フローセンサは、エネルギーソース３０２がエネルギー貯蔵手段３１０への電流を調達するのに十分強いかどうかを判断することができる。ソースからのエネルギーは、電流フローを反転させてエネルギー貯蔵手段３１０を再充電するべきであるので、たとえ電圧が最適な閾値を下回る場合であっても、電流フローセンサ３２０は、制御ロジック要素３１４に信号を送り、貯蔵手段３１０からエネルギーを移送させる。
【００２３】
また、第２段階エネルギー貯蔵デバイス、一例としてリチウムイオン電池で示されるハード貯蔵デバイス３０８が、図３に示されている。ここで使用されるように、ハード貯蔵デバイスは、第１段階ソフト貯蔵手段３０４よりもかなり大きなエネルギー容量（高い密度）での長期間の貯蔵のために使用されるエネルギー貯蔵デバイスと定義される。
【００２４】
図３は、本発明によって充電される第２貯蔵デバイスとして単一のリチウムイオン電池を示しているけれども、様々な電池化学反応を有する他の種類の電池が本発明によって考慮されているということは、留意されるべきである。制御ロジック要素３１４は、特定の第２貯蔵デバイスの充電プロセスにおける電圧および電流を適切に制御する。さらに、本発明は、単一の第２貯蔵デバイスのみに限定されず、各々が異なる充電要件を潜在的に有している複合的な貯蔵デバイスが、本発明によって考慮される。したがって、制御ロジック要素は、これらの第２貯蔵デバイスそれぞれの充電要件に関連する電圧および電流を適切に制御する。
【００２５】
制御ロジック要素３１４は、これからさらに詳細に論じられる。作動中、図３に示される実施の形態を再び参照すると、ＰＶアレイ３０２からの電流が電流検出抵抗器３１５によって検出され、これにともなう電圧信号がオペアンプ３２０によって直線的に増幅される。生成された増幅信号は、制御ロジック要素３１４内部で、アナログデジタル変換器に送り込まれる。制御ロジック要素は、システムに含まれる様々なソフトまたはハードエネルギー貯蔵要素の作動パラメータを含む様々な閾値の設定を許可する。本発明のこの特徴は、プログラム可能なソフトウェアコード、プログラム可能な論理チップ（すなわち、ファームウェア）、ハードウエアピンコネクタ、およびこれらの組み合わせによって実施される。ハード貯蔵材料は、本来、化学物質に基づく傾向があり、より大きな電気エネルギー貯蔵密度を示す。ソフト貯蔵材料は、利用可能な表面積に基づいて電子を貯蔵し、したがって、低い電気エネルギー貯蔵密度を示す。
【００２６】
信号分析に基づいて、制御ロジック要素３１４は、システム内部の電気エネルギーフローの大きさおよび方向の両方を決定することができる。結果として、制御ロジック要素３１４は、上記の様々な機能（たとえば、貯蔵手段３１０について過剰電圧または逆電流フローの検出）を達成することができる。さらに、制御ロジック要素３１０は、それからこのエネルギーを適用して、望まれる可能性のある電気エネルギーを必要とする任意のアプリケーション、たとえば、持ち運び可能な電子デバイス（携帯電話、手のひらサイズのコンピュータデバイス、その他）を動作させることができる。
【００２７】
上述したとおり、本発明の重要な特徴は、異なる電池化学反応を有する一または一以上の電池を再充電することができるその能力である。図４は、充電式のアルカリマンガン（ＲＡＭ：Ｒｅｃｈａｒｇｅａｂｌｅ  Ａｌｋａｌｉｎｅ  Ｍａｎｇａｎｅｓｅ）電池および水酸化ニッケル金属（ＮＭｈ：Ｎｉｃｋｅｌ  Ｍｅｔａｌ  Ｈｙｄｒａｔｅ）電池の２つの電池タイプに関するこの特徴を示している。スタート位置（項目４００）で、充電フラグをオフ状態に設定することを包む、様々な初期化ステップが実行される。充電フラグは、システムに電池の充電動作を開始／継続させるための指示である。表現されたアルゴリズムは、タイマ制御下で周期的に実行される。このような各サイクルは、点４０１で開始される。
【００２８】
各サイクルの開始において、利用可能な充電電流が存在するか否かが判定される（ステップ４０１）。図３を参照すると、これは、第１エネルギー貯蔵手段が十分な電圧を蓄積したことを電圧センサ３１６が認識することに対応する。利用可能な電圧が不足しているような場合、充電フラグはオフに設定され（ステップ４２２）、次のサイクルまでシステムはただ待機する。利用可能な充電電圧が存在する場合、システムは、それからシステムによって充電されるよう割り当てられているそれぞれの利用可能な電池のための適切な充電決定ブランチに進む（ステップ４０４）。この例において、２つのそのような電池が存在する。第一にＲＡＭ電池の例を考えれば、システムは、電池がその最大電圧（すなわち、Ｖｍａｘ＿ｒａｍ）であるか否かを判断する（ステップ４０６）。電池がその最大電圧である場合、充電フラグがオフに設定される。電池がその最大電圧でない場合、システムは、それから電池電圧が閾値電圧値（すなわち、Ｖ＿ｅｎａｂｌｅ＿ｒａｍ）まで減少したか否かをチェックする（ステップ４１４）ので、充電は始まらない可能性がある。一例として、この閾値は、最大値の９０％に設定され、充電を要求しない電池を不必要に充電することを防止する。まだ電池がそのレベルに減少していない場合、アルゴリズムは、単に他のサイクルの開始を待つ。電池が確かに閾値以下に下がった場合、充電フラグはオンに設定される。それから、電池がその最大電圧に到達するまで（ステップ４０６）、あるいは、充電電圧がもはや利用できなくなるまで（ステップ４０２）、充電は一連のサイクルを通じて継続する。
【００２９】
図４に示されるとおり、ステップ４０４でＮＭｈ電池が検出される場合、その充電動作は同様に実行されるけれども、（例えば、ステップ４０８および４１６で）比較される閾値パラメータが異なる。図４に示されるアルゴリズムは、両方の電池を同時に充電することを許可することは、留意されなければならない。
【００３０】
本発明の前述の説明は、図例および説明のために提示された。それらは、包括的に意図されたものではなく、あるいは、開示される明確な形態に本発明を限定するように意図されたものではない。多くの代替案、修正、および変形が、上記の教示を考慮すれば、当業者にとって明らかである。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲の精神および広い範囲内に含まれるすべての代替案、修正、および変形を包括的にとらえるように意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】電池を再充電するためにＰＶ技術を使用している従来技術のシスムを示している。
【図２】充電管理電子機器を使用する従来技術のＰＶ充電システムを示している。
【図３】本発明の全体的なブロック図を示している。
【図４】図３の実施の形態における制御ロジック要素の動作の一例を示すフローチャートである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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