(57)【要約】  電力は１つ以上の電源と１つ以上の負荷との間において動的に管理される。複数のモニターノードは、各電源に接続される入力端子と、各負荷に接続される出力端子とに接続される。複数の電力貯蔵セルは、入力及び出力端子の間に接続され、各セルが、少なくとも１つの電源からの電力を蓄えることができ、かつ、蓄えた電力を少なくとも１つの負荷に放電することができる。複数の制御可能なスイッチは、前記セルに接続される。プログラムされたコントローラーは、各電源及び各負荷の稼働中にモニターノードで稼働状況を動的に測定し、かつ、測定された稼働状況に応じて、様々な回路接続態様でセルを互いに接続するために選択的かつ動的にスイッチを制御する。【選択図】図１
2013543363.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力を供給する少なくとも１つの電源と電力を消費する少なくとも１つの電気負荷との間において動的に電力を管理するための装置であって、
前記少なくとも１つの電源に接続される少なくとも１つの入力端子と、
前記少なくとも１つの電気負荷に接続される少なくとも１つの出力端子と、
前記少なくとも１つの入力端子と前記少なくとも１つの出力端子とに接続された複数のモニターノードと、
前記少なくとも１つの入力端子と前記少なくとも１つの出力端子との間に接続された、前記少なくとも１つの電源からの電力を蓄えることができ、かつ、蓄えた電力を前記少なくとも１つの電気負荷に放電することができる複数の電力貯蔵セルと、
前記電力貯蔵セルに接続され、各スイッチの開閉状態を切り替え可能とするための制御入力を有する複数の制御可能なスイッチと、
前記少なくとも１つの電源及び前記少なくとも１つの電気負荷の稼働中に前記モニターノードで稼働状況を動的に測定し、かつ、測定された前記稼働状況に応じて、様々な回路接続態様で前記電力貯蔵セルを互いに接続するために前記制御入力により選択的かつ動的に前記スイッチを制御し、かつ、１つの前記開閉状態において、前記各電力貯蔵セルが前記少なくとも１つの電源からの電力を蓄えることを可能とし、かつ、他の前記開閉状態において、前記各電力貯蔵セルが蓄えた電力を前記少なくとも１つの電気負荷に放電することを可能とするようにプログラムされたコントローラーとを備える
ことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記入力端子を複数備え、複数の前記入力端子の１つが交流（ＡＣ）と直流（ＤＣ）とが組み合わされた電源に接続され、複数の前記入力端子の他の１つがＡＣ電源のみに接続され、さらに、複数の前記入力端子の他の１つがＤＣ電源のみに接続される
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記出力端子を複数備え、複数の前記出力端子の１つがＡＣ負荷に接続され、複数の前記出力端子の他の１つがＤＣ負荷に接続される
ことを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記モニターノードの１つが前記少なくとも１つの入力端子に接続され、かつ、前記モニターノードの他の１つが前記少なくとも１つの出力端子に接続される
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記各電力貯蔵セルは、前記少なくとも１つの電源からの電圧を蓄え、かつ、蓄えた電圧を前記少なくとも１つの電気負荷に放電するためのキャパシターを含む
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記各電力貯蔵セルは、少なくとも１つの前記電源からの電圧を蓄え、かつ、蓄えた電圧を前記少なくとも１つの電気負荷に放電するための、バッテリーとキャパシターとを並列的に組み合わせたものを含む
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記各スイッチは、ゲート、ベース、及びトリガーのうちの１つを前記制御入力として有するトランジスタである
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記少なくとも１つの入力端子と前記少なくとも１つの出力端子との間にＤＣ電流の流れる方向を制御するための複数のダイオードを備える
ことを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項９】
前記コントローラーは、記憶されている前記回路接続態様に対応するデータにアクセスし、測定された前記稼働状況に応じた前記データを読み出す
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記電力貯蔵セルの１つがベースレイヤーに配置され、
前記電力貯蔵セルの他の１つが前記少なくとも１つのスイッチとともにスイッチングレイヤーに配置され、
前記スイッチングレイヤーの数が拡張可能である
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
電力を供給する少なくとも１つの電源と電力を消費する少なくとも１つの電気負荷との間において動的に電力を管理するための方法であって、
前記少なくとも１つの電源に、少なくとも１つの入力端子を接続する工程と、
前記少なくとも１つの電気負荷に、少なくとも１つの出力端子を接続する工程と、
前記少なくとも１つの入力端子と前記少なくとも１つの出力端子とに、複数のモニターノードを接続する工程と、
前記少なくとも１つの入力端子と前記少なくとも１つの出力端子との間に、前記少なくとも１つの電源からの電力を蓄えることができ、かつ、蓄えた電力を前記少なくとも１つの電気負荷に放電することができる複数の電力貯蔵セルを接続する工程と、
前記電力貯蔵セルに、各スイッチの開閉状態を切り替え可能とするための制御入力を有する複数の制御可能なスイッチを接続する工程と、
前記少なくとも１つの電源及び前記少なくとも１つの電気負荷の稼働中に前記モニターノードで稼働状況を動的に測定する工程と、
測定された前記稼働状況に応じて、様々な回路接続態様で前記セルを互いに接続するために前記制御入力により選択的かつ動的に前記スイッチを制御する工程と、
１つの前記開閉状態において、前記各電力貯蔵セルが前記少なくとも１つの電源からの電力を蓄えることを可能とする工程と
他の前記開閉状態において、前記各電力貯蔵セルが蓄えた電力を前記少なくとも１つの電気負荷に放電することを可能とする工程とを備える
ことを特徴とする方法。
【請求項１２】
前記入力端子が複数あり、複数の前記入力端子の１つを交流（ＡＣ）と直流（ＤＣ）とが組み合わされた電源に接続し、複数の前記入力端子の他の１つをＡＣ電源のみに接続し、さらに複数の前記入力端子の他の１つをＤＣ電源のみに接続する
ことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記出力端子が複数あり、複数の前記出力端子の１つをＡＣ負荷に接続し、複数の前記出力端子の他の１つをＤＣ負荷に接続する
ことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記モニターノードの１つを前記少なくとも１つの入力端子に接続し、前記モニターノードの他の１つを前記出力端子に接続する
ことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記各電力貯蔵セルを、前記少なくとも１つの電源からの電圧を蓄え、かつ、蓄えた電圧を前記少なくとも１つの電気負荷に放電するためのキャパシターで構成する
ことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記各電力貯蔵セルを、前記少なくとも１つの電源からの電圧を蓄え、かつ、蓄えた電圧を前記少なくとも１つの電気負荷に放電するための、バッテリーとキャパシターとを並列的に組み合わせたもので構成する
ことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
前記各スイッチを、ゲート、ベース、及びのトリガーのうちの１つを前記制御入力として有するトランジスタで構成する
ことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの入力端子と前記少なくとも１つの出力端子との間でＤＣ電流の流れる方向を制御する
ことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
記憶されている前記回路接続態様に対応するデータにアクセスし、測定された前記稼働状況に応じた前記データを読み出す
ことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項２０】
前記電力貯蔵セルの１つをベースレイヤーに配置し、前記電力貯蔵セルの他の１つを前記少なくとも１つのスイッチとともにスイッチングレイヤーに配置し、前記スイッチングレイヤーの数を選定されたものにする
ことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
エンジン発電機、タービン発電機、火力発電機、燃料電池等において一般的に炭化水素を燃焼させる多種多様な非再生可能エネルギー源、及び太陽電池、風力発電機、水力発電装置、バイオマス発電機、太陽熱システム、地熱システム等の多種多様な再生可能エネルギー源から得られる交流（ＡＣ）及び直流（ＤＣ）電力を、蛍光灯または蒸気アーク灯（vapor-arc lighting）のためのモーターや安定器といった様々な電気的な誘導負荷、または公知の白熱電球といった抵抗負荷、または容量性のモータースターターといった容量負荷、あるいはこれらの組み合わせに供給する電源装置は周知である。太陽電池及び風力発電機は、例えば、日光または風といった利用可能性が予測できないエネルギー源に頼るため、そのような再生可能エネルギー源は、一般的に、不定の時間で、制御されない不安定な周波数または電圧レベルで、予測できず、かつ調整されていないＡＣまたなＤＣ電力を生み出す。よって、一般的に、それらの電源を利用する電源装置は、一般的に時間をかけてＤＣ電池群にエネルギーを集めて蓄え、蓄えたＤＣ電力を必要に応じて負荷に直接用いており、一般的に自立システムとして運用されている。電池群は、電源装置のために予備エネルギー容器を提供する。
【０００２】
それらの所望の目的に対して概ね満足できるものではあるが、従来の電源装置は非効率的である。上述のごとく、１つ以上の電源は、常に利用可能ではないかもしれず、また、利用可能であっても常に定格公称電力の状態または最も効率的な状態ではないかもしれないため、電力の供給は不安定で変わりやすい。さらに、様々な負荷の負荷状態は、１つ以上の負荷がオンライン及びオフラインになるときと同様にそれらの通常動作の経過中にも変わりやすい。上述の電池群は、そのような変わりやすい電力及び負荷の状態を補う役目を果たすが、電池群の充電及び放電は相当な時間が必要となり、その結果、システム効率が低下する。利用可能な電源がどれであるかについて、また利用可能な各電源から、特に電力及び負荷の状態が変化する間に全ての動作が迅速に実行されることを必要とされる場合に、電力を必要とする１つ以上の負荷に分配されるための電力がどの程度得られるかについて、管理されていないか、または管理が貧弱であれば、システム効率が低下する。効率向上は経済的な目標でも保全的な目標でもある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明の一形態は、要約すると、電力を供給する１つ以上の電源と電力を消費する１つ以上の電気負荷との間において動的かつ効率的に電力を管理するための装置に属する。電源はＡＣ送電網または幹線といった任意の交流（ＡＣ）電源、任意の直流（ＤＣ）電源、または組み合わさった任意のＡＣ／ＤＣ電源を含むことができる。電源は、例えばエンジン発電機、タービン発電機、火力発電機、燃料電池等において一般的に炭化水素を燃焼させる任意の非再生可能エネルギー源、または太陽電池、風力発電機、水力発電装置、バイオマス発電機、太陽熱システム、地熱システム等の任意の再生可能エネルギー源を含むことができる。負荷は、蛍光灯または蒸気アーク灯のためのモーターや安定器といった任意の電気的誘導負荷、または公知の白熱電球といった任意の抵抗負荷、または容量性のモータースターターといった任意の容量負荷、あるいはこれらの組み合わせを含むことができる。
【０００４】
上記装置は、各電源に接続される入力端子、各負荷に接続される出力端子、及び各入力端子と各出力端子とに接続される複数のモニターノード（monitor node）を含む。複数の電力貯蔵セルは、入力及び出力端子の間に接続される。後述のごとく、各セルは、少なくとも１つの電源からの電力を蓄えることができ、かつ、蓄えた電力を少なくとも１つの負荷に放電することができる。各セルは、少なくとも１つの電源からのＤＣ電圧を蓄え、かつ、蓄えたＤＣ電圧を少なくとも１つの負荷に放電するために、それ自体がキャパシターを含むこと、またはバッテリーとキャパシターとを並列に組み合わせたものを含むことが好ましい。それらの各セルは、電圧レギュレーター及びフィルターとして機能し、再充電可能で、かつ、電力貯蔵が９５％を超える場合に高効率で急速な再充電のために非常に小さい内部抵抗を有することが好ましい。
【０００５】
さらに、上記装置は、セルに接続されて各スイッチの開閉状態を切り替え可能とするための制御入力を有する複数の制御可能なスイッチを含む。各スイッチは、ゲート、ベース、またはトリガーを制御入力として有するトランジスタであることが好ましい。各スイッチは、例えば、電界効果トランジスタＦＥＴ（特にヘクスフェットＨＥＸＦＥＴまたはＭＯＳＦＥＴ）、またはＦｌｉｐ−ＦＥＴ、または絶縁ゲートバイポーラトランジスタＩＧＢＴ、またはシリコン制御整流器ＳＣＲといった半導体スイッチとすることができ、または、これらと同等なもの（例えばリレー）とすることができる。また、入力及び出力端子の間でＤＣ電流の流れる方向を制御するために、複数のダイオードが装置に接続される。ダイオードは、装置において望まない経路へのＤＣ電流の流れを阻止する。
【０００６】
さらに、上記装置は、各電源及び各負荷の稼働中にモニターノードで稼働状況（例えば稼働電圧）を動的に測定し、かつ、測定された稼働状況に応じて、様々な回路接続態様でセルを互いに接続するために制御入力により選択的かつ動的にスイッチを制御する、プログラムされたマイクロプロセッサーまたはコントローラーを含む。コントローラーは、開閉状態の１つ（例えば閉状態）で各セルが少なくとも１つの電源からの電圧を蓄えることができるようにし、かつ、他の開閉状態（例えば開状態）で各セルが蓄えた電圧を少なくとも１つの負荷に放電することができるようにする。
【０００７】
コントローラーは、記憶されている回路接続態様に対応するデータを備えたメモリまたはルックアップテーブルにアクセスし、測定された稼働状況に応じたデータを読み出す。例えば、ある接続態様においては、全てのセルが、互いに充電または放電、あるいはこれらの組み合わせを可能とするために、直列または並列または直列−並列、あるいはこれらの組み合わせで接続され、他の異なる接続態様においては、個々のセルが、充電または放電、あるいはこれらの組み合わせのために選定される。様々な接続態様は、１つまたは並列の工程で同時または連続して実施することが可能である。
【０００８】
セルはレイヤーに配置されることが好ましい。セルの１つは、ベースレイヤーに配置され、他のセルは、１つ以上のスイッチとともにスイッチングレイヤーに配置される。モジュールとも呼ばれる装置は、ベースレイヤーと１つ以上のスイッチングレイヤーを備える。モジュールは、スイッチングレイヤーを任意の数だけ有することができるため、モジュールは容易に拡張可能である。これはコストを削減するだけでなく、スイッチングレイヤーの分解能または数（resolution or number）が特定の利用法のために好ましいものに選定されることを可能とする。スイッチングレイヤーは、互いに垂直な平面に配置することができる。例えば、１つ以上のスイッチングレイヤーは、二次元的に互いに接続されて水平またはＸ−Ｙ空間に位置することができ、さらに、１つ以上の追加のスイッチングレイヤーは、三次元的に互いに接続されて垂直またはＺ平面に位置することができ、その結果、コントローラーによって選定される利用可能な回路接続態様の数を大幅に増やすことができる。さらに、前述の入力端子が前述の出力端子と同様に装置の右側または左側に配置されるという点で装置が対称的であり、その結果、外部電源または外部負荷を装置の片側に接続することが可能である。
【０００９】
さらに、本発明の他の特徴は、各電源と各電気負荷との間において動的に電力を管理するための方法に属する。この方法は、各電源に各入力端子を接続すること、各負荷に各出力端子を接続すること、各入力及び出力端子にモニターノードを接続すること、入力及び出力端子の間に、少なくとも１つの電源からの電力を蓄えることができ、かつ、蓄えた電力を少なくとも１つの負荷に放電することができる電力貯蔵セルを接続すること、セルに、各スイッチの開閉状態を切り替え可能とするための制御入力を有する複数の制御可能なスイッチを接続すること、各電源及び各負荷の稼働中にモニターノードで稼働状況を動的に測定すること、測定された稼働状況に応じて、様々な回路接続態様でセルを互いに接続するために制御入力により選択的かつ動的にスイッチを制御すること、１つの開閉状態において、各セルが少なくとも１つの電源からの電力を蓄えることを可能とすること、及び、他の開閉状態において、各セルが蓄えた電力を少なくとも１つの負荷に放電することを可能とすることによって行われる。
【００１０】
発明の特徴として考えられる新規な特徴は、特に添付の請求項において示される。しかし、構造と稼働の方法との双方に関して、発明が付加的な構成要素及び効果を備えてもよいことは、添付の図面と関連付けて書かれている以下の具体的な実施形態の説明から理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に基づく、少なくとも１つの電源と少なくとも１つの電気負荷との間において動的に電力を管理するための装置の一実施形態の一部を示す電子回路図である。
【図２】図１の装置で使用されるためにプログラムされたコントローラーである。
【図３】図２のコントローラーによりアクセスされるルックアップテーブルである。
【図４】本発明に基づく、他の実施形態に係る装置の電子回路図である。
【図５】本発明に基づく、他の実施形態に係る装置の電子回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
参照番号１０は、電力を供給する１つ以上の外部電源１２，１４，１６と電力を消費する１つ以上の外部電気負荷Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３との間において動的かつ効率的に電力を管理するための装置を大まかに特定している。電源は、ＡＣパワーグリッドまたは幹線といった任意の交流（ＡＣ）電源１４、任意の直流（ＤＣ）電源１６、または組み合わさった任意のＡＣ／ＤＣ電源１２を含むことができる。電源１２，１４，１６は、例えばエンジン発電機、タービン発電機、火力発電機、燃料電池等において一般的に炭化水素を燃焼させるものである任意の非再生可能エネルギー源、または太陽電池、風力発電機、水力発電装置、バイオマス発電機、太陽熱システム、地熱システム等の任意の再生可能エネルギー源を含むことができる。図１では３つの電源が図示されているが、電源を１つだけ含む構成を採用することもでき、電源の数は任意とすることができる。負荷Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３は、蛍光灯または蒸気アーク灯のためのモーターや安定器といった任意の電気的誘導負荷、または公知の白熱電球といった任意の抵抗負荷、または容量性のモータースターターといった任意の容量負荷、あるいはこれらの組み合わせを含むことができる。図１では３つの負荷が図示されているが、負荷を１つだけ含む構成を採用することができ、負荷の数は任意とすることができる。
【００１３】
装置１０は、各電源１２，１４，１６に接続される複数の入力端子１８，２０，２２（ＩＮ１，ＩＮ２，ＩＮ３とラベルされている）で図示された少なくとも１つの入力端子と、各負荷Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３に接続される複数の出力端子２４，２６，２８（ＯＵＴ１，ＯＵＴ２，ＯＵＴ３とラベルされている）で図示された少なくとも１つの出力端子と、抵抗Ｒを介して入力及び出力端子にそれぞれ接続される複数のモニターノードＮ１，Ｎ２，Ｎ３，Ｎ４、Ｎ５，Ｎ６，Ｎ７，Ｎ８，Ｎ９を含む。後述のごとく、プログラムされたマイクロプロセッサーまたはコントローラー３０（図２参照）は、電源および負荷の稼働中にモニターノードで稼働状況（例えば稼働電圧）を動的に測定する。コントローラー３０は、モニターノードＮ１，Ｎ２，Ｎ３，Ｎ４、Ｎ５，Ｎ６，Ｎ７，Ｎ８，Ｎ９に個別に接続される入力ピン１〜９を有する。
【００１４】
また、入力及び出力端子の間でＤＣ電流の流れる方向を制御するために、複数のダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ６，Ｄ７，Ｄ１１，Ｄ１２が装置１０に接続される。ダイオードは、望まない経路へのＤＣ電流の流れを阻止する。モニターノードＮ１，Ｎ４、Ｎ７は、それぞれ入力端子１８，２０，２２に接続される。モニターノードＮ３，Ｎ６，Ｎ９は、それぞれ出力端子２４，２６，２８に接続される。ダイオードＤ１，Ｄ６，Ｄ１１は、モニターノードペアＮ１，Ｎ２；Ｎ４，Ｎ５；Ｎ７，Ｎ８の間に接続される。
【００１５】
複数の電力貯蔵セル３２，３４，３６は、入力及び出力端子の間に接続される。後述のごとく、各セル３２，３４，３６は、少なくとも１つの電源から電力を蓄えることができ、かつ、蓄えた電力を少なくとも１つの負荷に放電することができる。各セル３２，３４，３６は、少なくとも１つの電源からＤＣ電圧を蓄え、かつ、蓄えたＤＣ電圧を少なくとも１つの負荷に放電するために、それ自体がキャパシターを含むこと、またはバッテリー（Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３）とキャパシター（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３）とを並列的に組み合わせたものを含むことが好ましい。それらの各セル（Ｂ−ＣＡＰ１，Ｂ−ＣＡＰ２，Ｂ−ＣＡＰ３ともラベルされている）は、電圧レギュレーター及びフィルターとして機能し、再充電可能で、かつ、電力貯蔵が９５％を超える場合に高効率で急速な再充電のために非常に小さい内部抵抗を有する好ましい。セルは、スーパーキャパシター（supercaps）またはウルトラキャパシター（ultracaps）として知られている電気二重層キャパシターであることが好ましい。セル３２，３４，３６は、構造的に同一であって互いに交換可能であることが好ましい。
【００１６】
さらに、装置１０は、セルに接続されて各スイッチを開状態及び閉状態において切り替え可能とするための制御入力Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４を有する複数の制御可能なスイッチＭ１、Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４を含む。各スイッチは、ゲート、ベース、またはトリガーを制御入力として有するトランジスタであることが好ましい。各スイッチは、例えば、電界効果トランジスタＦＥＴ（特に図示されるヘクスフェットＨＥＸＦＥＴ（登録商標）またはＭＯＳＦＥＴ）、またはＦｌｉｐ−ＦＥＴ、または絶縁ゲートバイポーラトランジスタＩＧＢＴ、またはシリコン制御整流器ＳＣＲといった半導体スイッチとすることができ、または、これらと同等なもの（例えばリレー）とすることができる。スイッチＭ１は、入力端子１８，２０の間においてセル３２と並列に接続されている。スイッチＭ２は、出力端子２４，２６の間においてセル３２と並列に接続されている。スイッチＭ３は、入力端子２０，２２の間においてセル３４と並列に接続されている。スイッチＭ４は、出力端子２６，２８の間においてセル３４と並列に接続されている。
【００１７】
さらに、装置１０は、複数の制御入力端子３８，４０（ＩＮ  Ａ，ＩＮ  Ｂとラベルされている）を含む。ダイオードＤ４及びスイッチＭＡを有する１つの分岐と、ダイオードＤ５及びスイッチＭＢを有する他の分岐との並列な組み合わせは、端子３８，２６をまたいで接続されるとともに、セル３２，３４を互いに接続する。ダイオードＤ９及びスイッチＭＣを有する１つの分岐と、ダイオードＤ１０及びスイッチＭＤを有する他の分岐との並列な他の組み合わせは、端子４０，２８をまたいで接続されるとともに、セル３４，３６を互いに接続する。スイッチＭＡ，ＭＢ，ＭＣ，ＭＤは、制御入力ＧＡ，ＧＢ，ＧＣ，ＧＤを有する。制御入力ＧＸを有する付加的なスイッチＭＸは、端子３８とアース端子との間にダイオードＤ３を介して接続される。制御入力ＧＹを有する付加的なスイッチＭＹは、端子４０とアース端子との間にダイオードＤ８を介して接続されている。
【００１８】
コントローラー３０は、前述したように、各電源及び各負荷の稼働中に全てのモニターノードＮ１，Ｎ２，Ｎ３，Ｎ４，Ｎ５，Ｎ６，Ｎ７，Ｎ８，Ｎ９で稼働状況（例えば稼働電圧）を動的に測定する。コントローラー３０は、１つ以上のそれらのノードで電圧を検出して、例えば、いずれの特定の電源が電力を供給しているか、またはいずれの特定の負荷が電力を受け取っているか、あるいはこれらの組み合わせを測定する。また、コントローラー３０は、測定された稼働状況に応じて、様々な回路接続態様でセル３２，３４，３６を接続するために、それぞれの制御入力により全てのスイッチＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，ＭＡ，ＭＢ，ＭＣ，ＭＤ，ＭＸ，ＭＹを選択的かつ動的に制御する。コントローラー３０は、それらの制御入力にそれぞれ接続される出力ピン１２〜１７，１９〜２２を有する。ピン１０にはＤＣ電圧が供給される。ピン１１は接地される。ピン１８は予備である。コントローラー３０、セル３２，３４，３６、及びスイッチＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，ＭＡ，ＭＢ，ＭＣ，ＭＤ，ＭＸ，ＭＹは、ＤＣ装置（DC device）である。よって、電源１４のように任意のＡＣ電源が入力端子に接続される場合には、ＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換するためにＡＣからＤＣへの整流器（不図示）が採用される。
【００１９】
コントローラー３０は、開閉状態の１つ（例えば閉状態）で各セルが少なくとも１つの電源からの電圧を蓄えることができるようにし、かつ、他の開閉状態（例えば開状態）で各セルが蓄えた電圧を少なくとも１つの負荷に放電することができるようにする。コントローラー３０は、記憶されている回路接続態様に対応するデータを備えたメモリまたはルックアップテーブル（図３参照）にアクセスし、測定された稼働状況に応じたデータを読み出すことが好ましい。例えば、ある接続態様においては、全てのセルが、互いに充電または放電、あるいはこれらの組み合わせを可能とするために、直列または並列または直列−並列、あるいはこれらの組み合わせで接続され、他の異なる接続態様においては、個々のセルが、充電または放電、あるいはこれらの組み合わせのために選定される。様々な接続態様は、１つまたは並列の工程で同時または連続して実施することが可能である。
【００２０】
詳述すると、図３のテーブルは、スイッチＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，ＭＡ，ＭＢ，ＭＣ，ＭＤ，ＭＸ，ＭＹを、上の一行に表している。１番目の列は、セルが充電しているか放電しているかを示す。２番目の列は、接続態様を示す。行と列の交差点における“Ｘ”は、コントローラー３０によって閉状態に切り替えられる特定のスイッチを示している。行と列の交差点における“Ｏ”は、コントローラー３０によって開状態に切り替えられる特定のスイッチを示している。
【００２１】
セルは、レイヤーに配置されることが好ましい。セルの１つ（例えばセル３６）は、ベースレイヤーに配置され、ダイオードＤ１１，Ｄ１２とモニターノードＮ７，Ｎ８，Ｎ９とともに配置されることが好ましい。他のセル（例えばセル３４）は、スイッチングレイヤーに、１つ以上のスイッチＭ３，Ｍ４，ＭＣ，ＭＤ，ＭＹとダイオードＤ６，Ｄ７とモニターノードＮ４，Ｎ５，Ｎ６とともに配置される。さらに、他のセル（例えばセル３２）は、他のスイッチングレイヤーに、１つ以上のスイッチＭ１，Ｍ２，ＭＡ，ＭＢ，ＭＸとダイオードＤ１，Ｄ２とモニターノードＮ１，Ｎ２，Ｎ３とともに配置される。モジュールとも呼ばれる装置は、１つのベースレイヤーと１つ以上のスイッチングレイヤーを備える。モジュールは、スイッチングレイヤーを任意の数だけ有することができ、よって、モジュールは容易に拡張可能である。これはコストを削減するだけでなく、レイヤーの分解能または数が特定の利用法のために好ましいものに選定されることを可能とする。レイヤーは、互いに垂直な平面に配置することができる。例えば、前述のベースレイヤーと１つ以上の前述のスイッチングレイヤーは、二次元的に互いに接続されて水平またはＸ−Ｙ平面に位置することができ、さらに、図４及び図５で見られる付加的なセルＢ−ＣＡＰ４，Ｂ−ＣＡＰ５，Ｂ−ＣＡＰ６を含む追加のスイッチングレイヤーは、三次元的に互いに接続されて垂直またはＺ平面に位置することができ、その結果、コントローラーによって選定される利用可能な回路接続態様の数を大幅に増やすことができる。さらに、入力端子１２，１４，１６が、出力端子２４，２６，２８と同様に、装置の右側または左側に配置されるという点で装置が対称的かつ二方向であり、その結果、外部電源または外部負荷を装置の片側に接続することが可能である。
【００２２】
多重経路を有し、対称的であり、かつマトリクス状を有する上記構造は、低コスト及び高効率のために装置１０を大いに拡張できるようにすることを可能とする。場合によっては、効率は、９９％に達するか、または９９％を超える。装置１０は、所望される複数の並列なスイッチングレイヤーにより構成される。それらのスイッチングレイヤーの数は、装置の利用可能な分解能を決定する。装置は、高インピーダンスから低インピーダンスにわたって変化する可能性のある様々なＡＣ及びＤＣ電源を含んだ並列の外部電源を効率的に統合し、１つ以上のセルで貯蔵するために、または１つ以上の負荷に届けるために、あるいはこれらの組み合わせのために、利用可能なそれら１つ以上の出力電力を足し合わせる。特定の負荷状態のための利用可能な出力電力が無い、または不足している場合には、セルは、１つ以上の負荷に届けるために１つ以上の利用可能な蓄えた電力を足し合わせる責任を負う。電力の貯蔵または転送は、同時に、または連続して起こる。
【００２３】
装置１０は、リアルタイムで稼働する知的なエネルギー収集装置及び分配装置と言い表すことができる。ベースレイヤーと１つ以上のスイッチングレイヤーは、１つのプリント回路基板（ＰＣＢ）上に実装することができる。１つ以上のスイッチングレイヤーを有する付加的なＰＣＢは、最初に言及したＰＣＢに容易に接続することができる。装置１０は、繰り返しパターンで組み立てられた簡素なモジュラー構造を採用している。セルの数は、最大負荷電力と、求められる電圧分解能（voltage resolution）により決定される。連続する滞らない負荷及び電源の状態の測定が求められる。モニターノードを測定することにより、コントローラー３０は、任意の特定のレイヤーまたはＰＣＢが欠陥品であるか否かを検出することができ、そのような欠陥のあるレイヤーまたはＰＣＢをバイパスするためにスイッチを制御することができる。
【００２４】
上述の型式とは異なる他の型式の構造物とすることによって、上述の要素の各々、または２つ以上から有益な応用物を見出すことができることは理解できるであろう。例えば、２つのヘクスフェットＭＡ，ＭＢとダイオードＤ４，Ｄ５は、１つのＦｌｉｐＦＥＴに置き換えることもできる。
【００２５】
１つ以上の電源と１つ以上の電気負荷との間において動的に電力を管理するための装置、または方法として図示され、また説明されてきた発明であるが、それは詳細まで限定したものであることを示唆するものではなく、様々な調整と設計変更が本発明の精神から逸脱することなく行える。
【００２６】
さらに分析することなく、先述のものは、他者が、先行技術の観点から最新の知識を適合することにより、この発明の一般的または具体的な態様について必要な特性を構成する特徴を省略することなく様々な応用物に適応することができるくらいに本発明の主旨を表しており、そのため、そのような適応は、次に来る請求項の均等の範囲及び手段に含まれることを意味し、また含まれるべきである。
【００２７】
添付の特許請求の範囲に、新規で特許証により保護されるべき要求を明記する。
【符号の説明】
【００２８】
１０  装置
１２，１４，１６  電源
１８，２０，２２  入力端子
２４，２６，２８  出力端子
３０  コントローラー
３２，３４，３６  電力貯蔵セル
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４，ＧＡ，ＧＢ，ＧＣ，ＧＤ，ＧＸ，ＧＹ  制御入力
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，ＭＡ，ＭＢ，ＭＣ，ＭＤ，ＭＸ，ＭＹ  スイッチ
Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３，Ｎ４、Ｎ５，Ｎ６，Ｎ７，Ｎ８，Ｎ９  モニターノード
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３  電気負荷
【図１】
2013543363.tif 000003
【図２】
2013543363.tif 000004
【図３】
2013543363.tif 000005
【図４】
2013543363.tif 000006
【図５】
2013543363.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成25年4月16日(2013.4.16)
【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】
電力を供給する少なくとも１つの電源と電力を消費する少なくとも１つの電気負荷との間において動的に電力を管理するための装置であって、
前記少なくとも１つの電源に接続される少なくとも１つの入力端子と、
前記少なくとも１つの電気負荷に接続される少なくとも１つの出力端子と、
前記少なくとも１つの入力端子と前記少なくとも１つの出力端子とに接続された複数のモニターノードと、
前記少なくとも１つの入力端子と前記少なくとも１つの出力端子との間に接続された、前記少なくとも１つの電源からの電力を蓄えることができ、かつ、蓄えた電力を前記少なくとも１つの電気負荷に放電することができる複数の電力貯蔵セルと、
前記電力貯蔵セルに接続され、各スイッチの開閉状態を切り替え可能とするための制御入力を有する複数の制御可能なスイッチと、
前記少なくとも１つの電源及び前記少なくとも１つの電気負荷の稼働中に前記モニターノードで稼働状況を動的に測定し、かつ、測定された前記稼働状況に応じて、様々な回路接続態様で前記電力貯蔵セルを互いに接続するために前記制御入力により選択的かつ動的に前記スイッチを制御し、かつ、１つの前記開閉状態において、前記各電力貯蔵セルが前記少なくとも１つの電源からの電力を蓄えることを可能とし、かつ、他の前記開閉状態において、前記各電力貯蔵セルが蓄えた電力を前記少なくとも１つの電気負荷に放電することを可能とするようにプログラムされたコントローラーとを備える
ことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記入力端子を複数備え、複数の前記入力端子の１つが交流（ＡＣ）と直流（ＤＣ）とが組み合わされた電源に接続され、複数の前記入力端子の他の１つがＡＣ電源のみに接続され、さらに、複数の前記入力端子の他の１つがＤＣ電源のみに接続される
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記出力端子を複数備え、複数の前記出力端子の１つがＡＣ負荷に接続され、複数の前記出力端子の他の１つがＤＣ負荷に接続される
ことを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記モニターノードの１つが前記少なくとも１つの入力端子に接続され、かつ、前記モニターノードの他の１つが前記少なくとも１つの出力端子に接続される
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記各電力貯蔵セルは、前記少なくとも１つの電源からの電圧を蓄え、かつ、蓄えた電圧を前記少なくとも１つの電気負荷に放電するためのキャパシターを含む
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記各電力貯蔵セルは、少なくとも１つの前記電源からの電圧を蓄え、かつ、蓄えた電圧を前記少なくとも１つの電気負荷に放電するための、バッテリーとキャパシターとを並列的に組み合わせたものを含む
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記各スイッチは、ゲート、ベース、及びトリガーのうちの１つを前記制御入力として有するトランジスタである
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記少なくとも１つの入力端子と前記少なくとも１つの出力端子との間にＤＣ電流の流れる方向を制御するための複数のダイオードを備える
ことを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項９】
前記コントローラーは、記憶されている前記回路接続態様に対応するデータにアクセスし、測定された前記稼働状況に応じた前記データを読み出す
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記電力貯蔵セルの１つがベースレイヤーに配置され、
前記電力貯蔵セルの他の１つが前記少なくとも１つのスイッチとともにスイッチングレイヤーに配置され、
前記スイッチングレイヤーの数が拡張可能である
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
発明の特徴として考えられる新規な特徴は、特に添付の請求項において示される。しかし、構造に関して、発明が付加的な構成要素及び効果を備えてもよいことは、添付の図面と関連付けて書かれている以下の具体的な実施形態の説明から理解できるであろう。
【国際調査報告】
2013543363.tif 000008