(57)【要約】  本発明は、改善された電力変換効率を有する機能デバイス１０Ａに関する。機能デバイス１０Ａは、機能ユニット１２と、２つ以上のエネルギー貯蔵ユニット１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄと、電力変換器ユニット１６とを備える。電力変換器ユニット１６は、外部電源２０から入力電圧を受電するように、及び、外部電源２０から受電される入力電圧に適合された充電セット電圧を有する、互いに直列に接続されているエネルギー貯蔵ユニット１４Ｃ、１４Ｄの充電セット２８Ａに、変換された入力電圧を供給するよう構成される。エネルギー貯蔵ユニット１４Ａ、１４Ｂの放電セット３２Ａは、機能ユニット１２によって必要とされる機能ユニット入力電圧に適合された出力電圧を、機能ユニット１２に供給するよう構成される。このことは、電力変換効率の改善を可能にする。
2021511770.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機能デバイスであって、
機能を実施するための機能ユニットと、
電気エネルギーを貯蔵するよう構成される、２つ以上のエネルギー貯蔵ユニットと、
外部電源に接続され、前記外部電源から入力電圧を受電するように、及び、前記入力電圧と変換された入力電圧との間の電圧差を最小化するために、前記外部電源から受電される前記入力電圧に適合された充電セット電圧を有する、互いに直列に接続されている前記エネルギー貯蔵ユニットの充電セットに、前記変換された入力電圧を供給するよう構成される、電力変換器ユニットと、を備え、
前記エネルギー貯蔵ユニットの放電セットが、出力電圧と機能ユニット入力電圧との間の電圧差を最小化するために、前記機能ユニットによって必要とされる前記機能ユニット入力電圧に適合された前記出力電圧を、前記機能ユニットに供給するよう構成され、前記充電セット内のエネルギー貯蔵ユニットの数が、前記放電セット内のエネルギー貯蔵ユニットの数と比較して異なる、機能デバイス。
【請求項２】
前記機能デバイスは、前記機能ユニット、前記エネルギー貯蔵ユニット、及び前記電力変換器ユニットを接続するための、電気回路と、スイッチの開閉状態に応じて、前記エネルギー貯蔵ユニットの前記充電セット、前記放電セット、又は、前記充電セット及び前記放電セットを形成するよう構成される、前記スイッチの構成とを備える、請求項１に記載の機能デバイス。
【請求項３】
前記外部電源から受電される前記入力電圧に応じた前記充電セット、前記機能ユニットによって必要とされる前記機能ユニット入力電圧に応じた前記放電セット、又は、前記外部電源から受電される前記入力電圧及び前記機能ユニットによって必要とされる前記機能ユニット入力電圧に応じた、前記エネルギー貯蔵ユニットの前記充電セット及び前記放電セットを形成するために、前記スイッチの切り替えを制御するよう構成される、制御ユニットを備える、請求項２に記載の機能デバイス。
【請求項４】
前記制御ユニットが、前記スイッチの前記切り替えを制御するために、前記外部電源から受電される前記入力電圧、前記機能ユニットによって必要とされる前記機能ユニット入力電圧、又は、前記外部電源から受電される前記入力電圧及び前記機能ユニットによって必要とされる前記機能ユニット入力電圧を決定するよう構成される、請求項３に記載の機能デバイス。
【請求項５】
前記制御ユニットが、前記エネルギー貯蔵ユニットの充電状態を決定するよう、及び、前記エネルギー貯蔵ユニットの前記充電状態に応じて、前記充電セット、前記放電セット、又は、前記充電セット及び前記放電セットを形成するよう構成される、請求項４に記載の機能デバイス。
【請求項６】
前記制御ユニットが、前記エネルギー貯蔵ユニットの前記充電セット、前記放電セット、又は、前記充電セット及び前記放電セットを形成するために、前記スイッチの前記構成のスイッチのセットを、開状態と閉状態との間で切り替えるよう構成される、請求項５に記載の機能デバイス。
【請求項７】
前記出力電圧を供給する前記エネルギー貯蔵ユニットの前記放電セットが、他の前記エネルギー貯蔵ユニットからガルバニック絶縁される、請求項６に記載の機能デバイス。
【請求項８】
前記機能ユニットが、可変駆動電圧に基づいて、前記機能ユニットに定電流を供給するための、定電流ドライバを含む、請求項７に記載の機能デバイス。
【請求項９】
前記機能ユニットが、照明ユニット、作動ユニット、ユーザインタフェース、加熱ユニット、冷却ユニット、又は温度調節ユニットを含む、請求項８に記載の機能デバイス。
【請求項１０】
前記エネルギー貯蔵ユニットが、バッテリ、コンデンサ、又は、バッテリ及びコンデンサを含む、請求項９に記載の機能デバイス。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の機能デバイスと、前記外部電源とを備える、機能システム。
【請求項１２】
請求項１に記載の機能デバイスを動作させるための方法であって、
前記外部電源から入力電圧を受電するステップと、
互いに直列に接続されている前記エネルギー貯蔵ユニットの前記充電セットが、前記入力電圧と前記変換された入力電圧との間の前記電圧差を最小化するために、前記外部電源から受電される前記入力電圧に適合された充電セット電圧を有することを、供給するステップと、
前記変換された入力電圧を、前記エネルギー貯蔵ユニットの前記充電セットに供給するステップと、
前記エネルギー貯蔵ユニットの前記放電セットが、前記出力電圧と前記機能ユニット入力電圧との間の電圧差を最小化するために、前記機能ユニットによって必要とされる前記機能ユニット入力電圧に適合された前記出力電圧を供給するよう構成されることを、供給するステップであって、前記充電セット内のエネルギー貯蔵ユニットの数が、前記放電セット内のエネルギー貯蔵ユニットの数と比較して異なる、ステップと、
前記出力電圧を前記機能ユニットに供給するステップと、を含む、方法。
【請求項１３】
前記外部電源から受電される前記入力電圧に応じて、前記充電セットを形成するステップと、
前記機能ユニットによって必要とされる前記機能ユニット入力電圧に応じて、前記放電セットを形成するステップと、
を更に含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
請求項１に記載の機能デバイスを動作させるための、コンピュータプログラムであって、プロセッサ上で前記コンピュータプログラムが実行されると、請求項１２に記載の方法を前記プロセッサに実行させるための、プログラムコード手段を含む、コンピュータプログラム。
【請求項１５】
請求項１４に記載のコンピュータプログラムを記憶している、コンピュータ可読媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機能デバイス、機能システム、機能デバイスを動作させるための方法、機能デバイスを動作させるためのコンピュータプログラム、及びコンピュータプログラムを記憶しているコンピュータ可読媒体に関する。特に、本発明は、効率的な電力変換を有する、照明デバイス、作動デバイス、加熱デバイス、冷却デバイス、温度調節デバイス、又は任意の他の機能デバイスなどの、機能デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
米国特許出願公開第２０１２／０３１９４７７（Ａ１）号は、電気エネルギー貯蔵システム及び代替的エネルギー源からの電気を利用する、照明システムを示している。照明システムは、複数の電源から、当該電源のうちのいずれがその時点で最も安価であるかに基づいて、１つの電源を選択するよう構成される、コントローラを有する。電気エネルギー貯蔵システムは、第１の電気エネルギー貯蔵媒体及び第２の電気エネルギー貯蔵媒体を含む。貯蔵媒体のそれぞれは、１つ以上のバッテリを有し得る。Ｎ個の上述のバッテリが、直列に構成されることができ、それにより、当該直列がＮ×Ｖの電圧を有し、当該バッテリは、Ｎ×Ｖ未満の第１の電圧で、バッテリの第１のサブセットが電気を供給することを可能にする、導電体及びスイッチに接続されることができる。バッテリは更に、バッテリの第１のサブセット以外のバッテリを充電するよう構成される、導体及びスイッチの第２のセットに接続されることができる。バッテリの第２のサブセットは、第１の電圧と等しくはない第２の電圧で、電気を供給することができる。バッテリの第１のサブセットは、ＤＣ照明に関して好適な電圧を供給することができ、バッテリの第２のサブセットは、ＤＣモータを稼働するために十分な電圧を供給することができる。
【０００３】
米国特許第６３４２７７５（Ｂ１）号は、船舶測位及び操縦システムの手動制御ジョイスティックの位置に基づいて、複数の蓄電バッテリが並列又は直列に二者択一的に接続されることが可能なメカニズムを提供する、バッテリ切り替え回路を開示している。ジョイスティックが、中立位置にあるとき、蓄電バッテリは、充電のために並列に接続されており、ジョイスティックが、当該中立位置から移動されると、バッテリは直ちに直列に接続されて、ドッキングシステムの複数のインペラを駆動するために使用される複数の電気モータに、電力を供給する。
【０００４】
米国特許出願公開第２００６／１２２６５５（Ａ１）号は、多数の充電式エネルギー貯蔵バッテリセルと、エネルギー貯蔵セルを充電するように適合されている一次電源と、充電用の並列接続構成と放電用の直列接続構成との間でエネルギー貯蔵セルを切り替えるように適合されている、切り替えシステムと、エネルギーを放電する必要があることを示す入力にのみ応答して、エネルギー貯蔵セルの充電を開始するように、及び、当該入力が受信されるまでエネルギー貯蔵セルの充電を控えるように適合されている、回路とを備える、埋め込み可能な使用のための低い内部自己放電を有する高エネルギー電源を開示している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、より効率的な電力変換を可能にする、機能デバイス、機能システム、機能デバイスを動作させるための方法、及び、機能デバイスを動作させるためのコンピュータプログラムを提供することであると理解されることができる。
【０００６】
本発明の第１の態様では、機能デバイスが提示される。機能デバイスは、機能ユニットと、２つ以上のエネルギー貯蔵ユニットと、電力変換器ユニットとを備える。機能ユニットは、機能を実行するよう構成される。２つ以上のエネルギー貯蔵ユニットは、電気エネルギーを貯蔵するよう構成される。電力変換器ユニットは、外部電源に接続され、外部電源から入力電圧を受電するよう、及び、入力電圧と変換された入力電圧との電圧差を最小化するために、外部電源から受電される入力電圧に適合された充電セット電圧を有する、互いに直列に接続されているエネルギー貯蔵ユニットの充電セットに、変換された入力電圧を供給するよう構成される。エネルギー貯蔵ユニットの放電セットは、出力電圧と機能ユニット入力電圧との電圧差を最小化するために、機能ユニットによって必要とされる機能ユニット入力電圧に適合された出力電圧を、機能ユニットに供給するよう構成される。
【０００７】
充電セット電圧は、外部電源の入力電圧に適合されるため、すなわち、充電セット電圧は、エネルギー貯蔵ユニットのそれぞれの電圧に基づいて、入力電圧を下回り、かつ可能な限り入力電圧に近くなるため、入力電圧と電力変換器ユニットの変換された入力電圧との差による電力変換効率損失が、低減されることができる。更には、放電セットは、機能ユニット入力電圧に適合された出力電圧を、機能ユニットに供給するよう構成されるため、すなわち、放電セットによって供給される出力電圧は、エネルギー貯蔵ユニットのそれぞれの電圧に基づいて、機能ユニット入力電圧を上回り、かつ可能な限り機能ユニット入力電圧に近くなるため、出力電圧と機能ユニット入力電圧との差による電力変換効率損失が、低減されることができる。それゆえ、機能デバイスは、より効率的な電力変換を可能にする。
【０００８】
充電セットは、全てのエネルギー貯蔵ユニット、又はエネルギー貯蔵ユニットのサブセットを含むことができる。充電セット内のエネルギー貯蔵ユニットの数は、放電セット内のエネルギー貯蔵ユニットの数よりも少ないか、多いか、又は等しくすることができる。好ましくは、充電セット内のエネルギー貯蔵ユニットの数は、放電セット内のエネルギー貯蔵ユニットの数よりも多い。変換された入力電圧に対する入力電圧の比が１に近い場合に、電力変換効率が最大化される。外部電源の入力電圧と機能ユニット入力電圧との大きい差は、電力変換効率を低減させる恐れがある。充電セット内のエネルギー貯蔵ユニットの数は、放電セット内のエネルギー貯蔵ユニットの数と異なっていてもよい。このことは、変換された入力電圧に対する入力電圧の比を、１に近く保つことを可能にするが、これは、充電セットが、外部電源から受電される入力電圧に適合された電圧を有し、それと同時に、放電セットが、機能ユニットによって必要とされる機能ユニット入力電圧に適合された出力電圧を有するためである。エネルギー貯蔵ユニットの放電セットは、１つ以上のエネルギー貯蔵ユニットを含み得る。放電セットが２つ以上のエネルギー貯蔵ユニットを含む場合には、エネルギー貯蔵ユニットの放電セットのエネルギー貯蔵ユニットは、互いに直列に接続されている。一実施形態では、全てのエネルギー貯蔵ユニットは、同じ電圧定格を有してもよく、これは、各エネルギー貯蔵ユニットが個々に、実質的に同じ充電電圧で充電されてもよく、実質的に同じ放電電圧で放電することを意味する。代替的実施形態では、エネルギー貯蔵ユニットのうちの１つ以上又は全てが、異なる電圧定格を有してもよい。
【０００９】
電力変換器ユニットは、電気エネルギーを、或る形態から別の形態に変換するよう構成される。電気エネルギーは、様々な形態で、例えば、交流（alternating current；ＡＣ）又は直流（direct current；ＤＣ）としての、電気エネルギー信号の形態で貯蔵されることができる。電気エネルギーを貯蔵している信号、すなわち、電気エネルギー信号は、例えば、ＡＣからＤＣに変換されることができ、電気エネルギー信号の電圧レベルは、別の電圧レベルに変更されることができ、及び／又は、電気エネルギー信号の周波数は、別の周波数に変更されることができる。このことは、様々な外部電源からの電気エネルギーを使用して、機能デバイスに給電することを可能にする。例えば、ＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換する場合、ＡＣ入力電圧は、或るＡＣ−ＤＣ変換係数で、ＤＣ入力電圧に変換されることができる。ＡＣ−ＤＣ変換係数は、整流、コンデンサのフィルタリング、及び、電力変換器ユニットのデューティサイクルに依存する。
【００１０】
電力変換器ユニットは、バックコンバータ、ブーストコンバータ、又はバックブーストコンバータを含み得る。電力変換器ユニットは、スイッチモード電源（switch mode power supply；ＳＭＰＳ）とすることができる。ＳＭＰＳは、電気エネルギーを効率的に変換するためのスイッチング調整器を備える、電子電源である。ＳＭＰＳは、効率的な電力変換を可能にする。変換された入力電圧に対する入力電圧の比が１に近い場合に、ＳＭＰＳの最大電力変換効率が達成されることができる。ＳＭＰＳは、力率補正（power factor correction；ＰＦＣ）コンバータを含み得る。ＰＦＣは、より高い力率をもたらすこと、及び電流高調波を低減することを可能にする。力率は、機能デバイスにおける、有効電力と皮相電力との比である。電流高調波は、例えば、正弦波電流を供給する外部電源から、非正弦波電流が引き出される場合に生じ得る。
【００１１】
外部電源は、例えば、電力系統、幹線電源、太陽光電源、風力タービン電源、水力電源、バイオマス電源、又は任意の他の外部電源とすることができる。例えば、１２０ＶのＡＣ入力電圧を供給する幹線電源の形態の外部電源に関しては、整流及びコンデンサのフィルタリング後のＡＣ入力電圧は、ＶのＤＣ入力電圧、すなわちＤＣ１７０Ｖに相当し、充電に関する電力変換器ユニットのデューティサイクルが、９０％である場合には、１２０ＶのＡＣ入力電圧は、１５３ＶのＤＣ入力電圧に相当する。この場合、機能デバイスは、例えば、ＤＣ１４４Ｖに相当する、直列に接続された１２個の１２Ｖエネルギー貯蔵ユニットの充電セットを含むことができる。それゆえ、ＡＣ外部電源の場合に関して、入力電圧と変換された入力電圧との電圧差の最小化が考慮される場合、当該最小化に関する入力電圧として、整流されたＤＣ電圧が使用される。例えば、２４０ＶのＤＣ入力電圧を供給する外部電源に関しては、機能デバイスは、ＤＣ２４０Ｖに相当する、２０個の１２Ｖエネルギー貯蔵ユニットの充電セットを含むことができる。機能デバイスは、これらの２つの場合において、それぞれ、１２個、２０個の、１２Ｖエネルギー貯蔵ユニットを含むことができる。あるいは、機能デバイスはまた、それぞれ、１２個、２０個を超える１２Ｖエネルギー貯蔵ユニット、例えば、それぞれ、１５個、２５個のエネルギー貯蔵ユニットを含むこともできる。
【００１２】
放電セットの出力電圧は、例えば、２４Ｖを必要とする機能ユニットのための、２４Ｖとすることができる。当該２４Ｖは、例えば、直列に接続された２つの１２Ｖエネルギー貯蔵ユニットの放電セットによって供給されることができる。機能ユニットが４０Ｖを必要とする場合には、出力電圧は、４つのエネルギー貯蔵ユニットの放電セットによって供給されることができ、それにより、エネルギー貯蔵ユニットから利用可能な、必要とされる電圧を上回り、かつ必要とされる電圧に最も近い電圧量である、４８Ｖの出力電圧が供給される。機能ユニットによって必要とされる機能ユニット入力電圧は、例えば、発光ダイオード（light emitting diode；ＬＥＤ）の順電圧、すなわち、ＬＥＤが電気を導通させて点灯するために必要とする、ボルト量であってもよい。
【００１３】
機能デバイスは、外部電源の入力電圧と機能ユニット入力電圧との大きい差に関して、高い電力変換効率での動作を可能にするが、これは、外部電源からの入力電圧が、エネルギー貯蔵ユニットの充電セットに分配され、その一方で、エネルギー貯蔵ユニットの放電セットが、機能ユニット入力電圧に適合された出力電圧で、機能ユニットに給電するように使用されるためである。このことは、従来技術から既知であるような、１０などの高い降圧比を回避することを可能にし、それゆえ、電力変換効率を改善することを可能にする。更には、機能デバイスは、電力変換器ユニットと機能ユニットとが、異なる電圧レベル及び電力レベルで動作することを可能にする。
【００１４】
機能デバイスは、機能ユニット、エネルギー貯蔵ユニット、及び電力変換器ユニットを接続するための、電気回路を備え得る。電気回路は、電子回路を含み得る。機能デバイスは、スイッチの構成を更に備え得る。スイッチの構成は、スイッチの開閉状態に応じて、エネルギー貯蔵ユニットの充電セット、放電セット、又は、充電セットと放電セットとを形成するよう構成されることができる。スイッチは、例えば、固体スイッチ又はリレースイッチとすることができる。
【００１５】
スイッチの受動状態は、典型的な用途、例えば、充電セットの充電又は放電セットの放電に関して、最小限の活性化エネルギーのみを必要とするように選択されることができる。このことは、エネルギー消費を低減することを可能にする。スイッチの構成は更に、スイッチの構成を制御する複雑性を低減するために、１つ以上のダイオードを含み得る。スイッチの構成は、双安定リレースイッチを含み得る。このことは、エネルギー消費を更に低減することを可能にする。
【００１６】
機能デバイスは、制御ユニットを備え得る。制御ユニットは、外部電源から受電される入力電圧に応じた充電セット、機能ユニットによって必要とされる機能ユニット入力電圧に応じた放電セット、又は、外部電源から受電される入力電圧と機能ユニットによって必要とされる機能ユニット入力電圧とに応じた、エネルギー貯蔵ユニットの充電セットと放電セットとを形成するために、スイッチの切り替えを制御するよう構成されることができる。制御ユニットは、処理ユニット、例えば、計算の実行、信号の処理などのための、プロセッサを含み得る。
【００１７】
制御ユニットは、スイッチの構成を制御するために、有線又は無線に基づいてスイッチに接続されることができる。制御ユニットは、スイッチの構成のスイッチを無線で制御するための、送受信機を含み得る。制御ユニットは、スイッチの構成のスイッチを制御するために、送受信機を介して制御信号を送信するよう構成されることができる。スイッチは、制御ユニットの制御信号を受信するための送受信機を含むことができ、当該制御信号に応じて制御されることができ、すなわち、スイッチは、電気回路が開かれるか又は閉じられるように、開状態と閉状態との間で切り替えられることができる。スイッチの構成は、例えば、電気機械式リレーを含み得る。電気機械式リレーは、いくつかのスイッチを同時に制御するための、コイルを有し得る。コイルは、電気機械式リレーを切り替えるために、制御ユニットの制御信号を受信するための送受信機に接続されることができる。リレー論理は、例えば、充電セットを充電するか、又は放電セットを放電するように実装されることができ、すなわち、リレーの安定状態が、エネルギー貯蔵ユニットが充電されるか又は放電されるかのいずれかとなるように、常時開（normally open；ＮＯ）スイッチ及び常時閉（normally closed；ＮＣ）スイッチが構成されることができる。あるいは、リレー論理はまた、エネルギー貯蔵ユニットの充放電が、同時に実行されるように実装されることもできる。
【００１８】
制御ユニットは、スイッチの切り替えを制御するために、外部電源から受電される入力電圧、機能ユニットによって必要とされる機能ユニット入力電圧、又は、外部電源から受電される入力電圧と機能ユニットによって必要とされる機能ユニット入力電圧とを決定するよう構成されることができる。このことは、機能デバイスを様々な外部電源と接続するための、及び、機能ユニットを動作させるための、より高い柔軟性を可能にする。機能ユニットは、例えば、機能ユニットの種々の電子構成要素を使用する、様々な動作モードを有し得ることにより、機能ユニットの動作モードに応じて、異なる機能ユニット入力電圧が必要とされる。
【００１９】
制御ユニットは、充電セット電圧が、外部電源から受電される入力電圧を下回り、かつ可能な限り入力電圧に近くなるような、直列に接続されているいくつかのエネルギー貯蔵ユニットを有する充電セットを形成するよう構成されることができる。外部電源は、例えば、１２０Ｖなどの、１１０Ｖ〜１２０Ｖ、２３０Ｖなどの、２３０Ｖ〜２４０Ｖ、又は２７７Ｖの、入力電圧を供給することができる。エネルギー貯蔵ユニットが、等しい電圧、例えば１２Ｖを有し、外部電源が、１２０Ｖを供給する場合、制御ユニットは、１２０Ｖ、すなわち約１２０Ｖを結果的にもたらす、１０個のエネルギー貯蔵ユニットを有する充電セットを形成することになるが、これは、外部電源によって供給される電圧は、充電セットの、より低い初期電圧と充電による電圧の増大とに起因する、充電セットの電圧よりも大きくする必要があるため、又は、例えば０．１Ｖなどの、充電セットの電圧と外部電源との小さい電圧差とすることもまた可能であるためである。制御ユニットはまた、外部電源が１２０Ｖ〜１３１Ｖを供給する場合にも、１２０Ｖを結果的にもたらす、１０個のエネルギー貯蔵ユニットを有する充電セットを形成することになる。
【００２０】
制御ユニットは、放電セットの出力電圧が、機能ユニット入力電圧を上回り、かつ可能な限り機能ユニット入力電圧に近くなるような、いくつかのエネルギー貯蔵ユニットを有する放電セットを形成するよう構成されることができる。放電セットが、２つ以上のエネルギー貯蔵ユニットを含む場合には、制御ユニットは、直列に接続されたエネルギー貯蔵ユニットを有する放電セットを形成するよう構成される。
【００２１】
制御ユニットは、エネルギー貯蔵ユニットの充電状態（state of charge；ＳＯＣ）を決定するよう構成されることができる。各エネルギー貯蔵ユニットのＳＯＣは、各エネルギー貯蔵ユニット内に貯蔵されることが可能な電気エネルギーの総量と比較された、各エネルギー貯蔵ユニット内に貯蔵されている電気エネルギーの比率であり、すなわち、ＳＯＣは、０％〜１００％の範囲である。制御ユニットは、エネルギー貯蔵ユニットのＳＯＣに応じて、充電セット、放電セット、又は、充電セットと放電セットとを形成するよう、更に構成されることができる。このことは、エネルギー消費を低減することを可能にし、機能デバイスの安定した動作を可能にする。
【００２２】
制御ユニットは、エネルギー貯蔵ユニットのＳＯＣに応じて、充電セットを形成するためのエネルギー貯蔵ユニットを選択するよう構成されることができる。より低いＳＯＣを有するエネルギー貯蔵ユニットは、より高いＳＯＣを有するエネルギー貯蔵ユニットよりも、充電セット内に含まれることが好ましいものであり得る。制御ユニットは、エネルギー貯蔵ユニットのＳＯＣを監視するよう、及び、エネルギー貯蔵ユニットの現在のＳＯＣに従って充電セットを適合させるよう、構成されることができる。制御ユニットは、充電セットからエネルギー貯蔵ユニットを除去するよう、及び、充電セットに他のエネルギー貯蔵ユニットを追加するよう構成されることができ、例えば、完全に充電されている、充電セットのエネルギー貯蔵ユニットのうちの１つは、不完全に充電されているエネルギー貯蔵ユニットによって置き換えられることができる。このことは、電力変換効率及び電気エネルギーの使用を改善することを可能にする。制御ユニットは、エネルギー貯蔵ユニットのＳＯＣが平衡化されるように、充電セットからエネルギー貯蔵ユニットを除去し、充電セットにエネルギー貯蔵ユニットを追加するよう、更に構成されることができる。制御ユニットは、エネルギー貯蔵ユニットが、同じ速度で充電されるか、若しくはエネルギー貯蔵ユニットの現在のＳＯＣに基づいた時間間隔で充電されるように、及び、エネルギー貯蔵ユニットのＳＯＣが平衡化されるように、充電セットを形成するよう構成されることができる。このことは、充電期間を短縮することを可能にする。
【００２３】
制御ユニットは、エネルギー貯蔵ユニットのＳＯＣに応じて、放電セットを形成するためのエネルギー貯蔵ユニットを選択するよう構成されることができる。より高いＳＯＣを有するエネルギー貯蔵ユニットは、より低いＳＯＣを有するエネルギー貯蔵ユニットよりも、放電セット内に含まれることが好ましいものであり得る。制御ユニットは、エネルギー貯蔵ユニットのＳＯＣを監視するよう、及びエネルギー貯蔵ユニットの現在のＳＯＣに従って放電セットを適合させるよう、構成されることができる。制御ユニットは、放電セットからエネルギー貯蔵ユニットを除去するよう、及び、放電セットに他のエネルギー貯蔵ユニットを追加するよう構成されることができ、例えば、完全に消耗されている、充電セットのエネルギー貯蔵ユニットのうちの１つは、少なくとも部分的に充電されているエネルギー貯蔵ユニットによって置き換えられることができる。このことは、電力変換効率、電気エネルギーの使用、及びエネルギー貯蔵ユニットの利用を改善することを可能にする。制御ユニットは、エネルギー貯蔵ユニットのＳＯＣが平衡化されるように、放電セットからエネルギー貯蔵ユニットを除去し、放電セットにエネルギー貯蔵ユニットを追加するよう、更に構成されることができる。制御ユニットは、エネルギー貯蔵ユニットが、同じ速度で放電されるか、若しくはエネルギー貯蔵ユニットの現在のＳＯＣに基づいた時間間隔で放電されるように、及び、エネルギー貯蔵ユニットのＳＯＣが平衡化されるように、放電セットを形成するよう構成されることができる。このことは、放電期間を延長することを可能にする。
【００２４】
制御ユニットは、単純な制御スキームを使用して、順次に、エネルギー貯蔵ユニットのうちの１つ以上を充電セットから除去し、当該１つ以上のエネルギー貯蔵ユニットを、機能ユニットに給電するための放電セットに追加するよう構成されることができる。制御ユニットは、エネルギー貯蔵ユニットを、充電セット及び放電セット内に同時に含めるよう構成されることができ、それにより、充電セット及び放電セット内にある各エネルギー貯蔵ユニットは、同時に充放電される。あるいは、制御ユニットは、充電セット及び放電セットのうちの一方にのみ、各エネルギー貯蔵ユニットを含めるよう構成されることができ、それにより、各エネルギー貯蔵ユニットは、充電されるか又は放電されるかのいずれかである。
【００２５】
制御ユニットは、エネルギー貯蔵ユニットの充電セット、放電セット、又は、充電セットと放電セットとを形成するために、スイッチの構成のスイッチのセットを、開状態と閉状態との間で切り替えるよう構成されることができる。スイッチのセットは、例えば、電気機械式リレーを使用して切り替えられることができる。このことは、スイッチを個別に切り替えるのではなく、スイッチのセットが制御されるため、容易な切り替え制御を可能にする。
【００２６】
出力電圧を供給する、エネルギー貯蔵ユニットの放電セットは、他のエネルギー貯蔵ユニットからガルバニック絶縁されることができる。スイッチの構成は、充電エネルギー貯蔵ユニットと放電エネルギー貯蔵ユニットとを、互いにガルバニック絶縁することを可能にする。エネルギー貯蔵ユニットを互いにガルバニック絶縁することは、エネルギー貯蔵ユニット間の望ましくない電流フローを防止することを可能にする。
【００２７】
機能ユニットは、可変駆動電圧に基づいて、機能ユニットに定電流を供給するための、定電流ドライバを含み得る。このことは、定電流を必要とする機能ユニットの動作を可能にし、熱暴走を防止する。定電流ドライバは、例えば、ＬＥＤドライバとすることができる。機能ユニットは、電解コンデンサなどのエネルギーバッファを含み得る。エネルギーバッファは、より円滑なテイクオーバーを可能にする。
【００２８】
機能ユニットは、照明ユニット、作動ユニット、ユーザインタフェース、加熱ユニット、冷却ユニット、又は温度調節ユニットを含み得る。照明ユニットは、光を供給することができ、作動ユニットは、動きを提供することができ、ユーザインタフェースは、対話する可能性をユーザに提供することができ、加熱ユニットは、熱を供給することができ、冷却ユニットは、冷却を供給することができ、温度調整ユニットは、温度の調節を提供することができる。
【００２９】
エネルギー貯蔵ユニットは、バッテリ、コンデンサ、又は、バッテリとコンデンサとを含み得る。バッテリは、充電式である。コンデンサは、例えば、スーパーキャパシタとすることができる。エネルギー貯蔵ユニットの各エネルギー貯蔵ユニットが、バッテリ及びコンデンサの双方を含む場合には、バッテリは、低速の充放電に関して使用されることができ、コンデンサは、高速の充放電に関して使用されることができる。
【００３０】
制御ユニットは、様々な動作モードを実行するよう構成されることができる。制御ユニットは、現在放電していないエネルギー貯蔵ユニットが充電される、すなわち、充電セットに追加されることが可能な、第１の動作モードを実行するよう構成されることができる。更には、放電セットのエネルギー貯蔵ユニットのうちの１つ以上は、第１の動作モードにおいて、放電中に充電されることが可能であり、すなわち、放電セットのエネルギー貯蔵ユニットのうちの１つ以上は、当該エネルギー貯蔵ユニットのうちの１つ以上が同時に充放電されるように、充電セットに追加されることができる。制御ユニットは、現在放電していないエネルギー貯蔵ユニットが充電されることが可能であり、当該放電セットのエネルギー貯蔵ユニットが、放電中は充電されない、第２の動作モードで動作するよう構成されることができる。好ましくは、放電セットのエネルギー貯蔵ユニットは、第２の動作モードにおいて、他のエネルギー貯蔵ユニットからガルバニック絶縁される。
【００３１】
機能デバイスは、エネルギー貯蔵ユニットの３つの異なるセット、すなわち、充電セット、放電セット、及びアイドルセットを同時に含み得る。アイドルセットは、充電セット内又は放電セット内のいずれにも含まれていない、エネルギー貯蔵ユニットを含む。アイドルセットのエネルギー貯蔵ユニットは、必要に応じて、充電セット又は放電セットに追加されることができる。
【００３２】
本発明の更なる態様では、機能システムが提示される。機能システムは、請求項１〜１０のうちの１つによる機能デバイス、又は、機能デバイスの任意の実施形態を備える。機能システムは、外部電源を更に備える。
【００３３】
機能システムは、例えば、バッテリ一体型照明器具システムとすることができる。
【００３４】
本発明の更なる態様では、方法が提示される。請求項１による機能デバイスを動作させるための方法は、
−外部電源から入力電圧を受電するステップと、
−互いに直列に接続されているエネルギー貯蔵ユニットの充電セットが、入力電圧と変換された入力電圧との電圧差を最小化するために、外部電源から受電される入力電圧に適合された充電セット電圧を有することを、規定するステップと、
−変換された入力電圧を、エネルギー貯蔵ユニットの充電セットに供給するステップと、
−エネルギー貯蔵ユニットの放電セットが、出力電圧と機能ユニット入力電圧との電圧差を最小化するために、機能ユニットによって必要とされる機能ユニット入力電圧に適合された出力電圧を供給するよう構成されることを、規定するステップと、
−出力電圧を機能ユニットに供給するステップとを含む。
【００３５】
当該方法は、更に、
−外部電源から受電される入力電圧に応じて、充電セットを形成するステップと、
−機能ユニットによって必要とされる機能ユニット入力電圧に応じて、放電セットを形成するステップとを含み得る。
【００３６】
充電セット及び放電セットを形成するステップは、スイッチの構成のスイッチを切り替えることによって実行されることができる。スイッチは、外部電源から受電される入力電圧と、機能ユニットによって必要とされる機能ユニット入力電圧とに応じて、切り替えられることができる。
【００３７】
当該方法は、
−外部電源から受電される入力電圧を決定するステップを含み得る。
あるいは、又は更に、当該方法は、
−機能ユニットによって必要とされる機能ユニット入力電圧を決定するステップを含み得る。
【００３８】
当該方法は、
−エネルギー貯蔵ユニットのＳＯＣを決定するステップを含み得る。
【００３９】
あるいは、又は更に、当該方法は、
−エネルギー貯蔵ユニットのＳＯＣに応じて、充電セット、放電セット、又は、充電セットと放電セットとを形成するステップを含み得る。
【００４０】
当該方法は、
−エネルギー貯蔵ユニットの放電セットが、他のエネルギー貯蔵ユニットからガルバニック絶縁されることを規定するステップを含み得る。
【００４１】
当該方法は、
−機能ユニットの機能を実行するステップを含むことができ、例えば、照明ユニットの場合には、光が供給されることができ、作動ユニットの場合には、作動装置の動きが提供されることができ、加熱ユニットの場合には、熱が供給されることができ、又は冷却ユニットの場合には、冷却が供給されることができる。
【００４２】
当該方法は、機能デバイス、例えば、照明デバイスを動作させるために実行されることができ、それにより、エネルギー貯蔵ユニットは、機能ユニット、例えば、光を供給するためのＬＥＤを備える照明ユニットを動作させるために、互いに時間シフトされて次々に放電される。
【００４３】
当該方法は、充電セット内のエネルギー貯蔵ユニットの充電と、放電セット内のエネルギー貯蔵ユニットの放電とを、ガルバニック絶縁で互いに独立させて、同時に行うことで実行されることができる。
【００４４】
本発明の更なる態様では、請求項１による機能デバイスを動作させるための、コンピュータプログラムが提示される。コンピュータプログラムは、プロセッサ上でコンピュータプログラムが実行されると、請求項１２で定義されるような方法、又は当該方法のいずれかの実施形態をプロセッサに実行させるための、プログラムコード手段を含む。コンピュータプログラムは更に、請求項１１による機能システムを動作させるよう構成されることができる。
【００４５】
更なる態様では、請求項１４のコンピュータプログラムを記憶している、コンピュータ可読媒体が提示される。あるいは、又は更に、コンピュータ可読媒体には、コンピュータプログラムのいずれかの実施形態によるコンピュータプログラムを記憶させることができる。
【００４６】
請求項１の機能デバイス、請求項１１の機能システム、請求項１２の機能デバイスを動作させるための方法、請求項１４のコンピュータプログラム、及び請求項１５のコンピュータ可読媒体は、特に、従属請求項において定義されるように、同様及び／又は同一の好ましい実施形態を有する点が理解されよう。
【００４７】
本発明の好ましい実施形態はまた、従属請求項又は上記の実施形態と、それぞれの独立請求項との、任意の組み合わせとすることもできる点が理解されよう。
【００４８】
本発明のこれらの態様及び他の態様は、以降で説明される実施形態から明らかとなり、それらの実施形態を参照して解明されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
以下の図面において、
【図１】充電モードでの、機能システムの第１の実施形態における機能デバイスの第１の実施形態を、概略的かつ例示的に示す。
【図２】同時充放電モードでの、機能システムの第１の実施形態における機能デバイスの第１の実施形態を、概略的かつ例示的に示す。
【図３】機能システムの第２の実施形態における機能デバイスの第２の実施形態を、概略的かつ例示的に示す。
【図４】機能システムの第３の実施形態における機能デバイスの第３の実施形態を、概略的かつ例示的に示す。
【図５】例示的なスイッチ構成を有する機能デバイスの一実施形態の一部を、概略的かつ例示的に示す。
【図６】様々な入力電圧に関する、出力電流に応じたバックコンバータ効率の図を示す。
【図７】機能デバイスを動作させるための方法の一実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００５０】
図１及び図２は、照明システム１００の形態の機能システムの第１の実施形態における、照明デバイス１０の形態の機能デバイスの第１の実施形態を、概略的かつ例示的に示す。他の実施形態では、機能デバイスは、作動デバイス、ユーザインタフェースデバイス、加熱デバイス、冷却デバイス、又は温度調節デバイスとすることができ、機能システムは、対応する作動システム、ユーザインタフェースシステム、加熱システム、冷却システム、又は温度調節システムとすることができる。
【００５１】
照明デバイス１０は、照明ユニット１２の形態の機能ユニットと、バッテリ１４Ａ、１４Ｂ、及び１４Ｃの形態の３つのエネルギー貯蔵ユニットと、バックＰＦＣコンバータ１６の形態の電力変換器ユニットと、制御ユニット１８とを備える。照明デバイス１０はまた、任意の他の数のバッテリ、例えば１０個又は２０個のバッテリも備え得る。他の実施形態では、機能デバイスは、作動ユニット、ユーザインタフェース、加熱ユニット、冷却ユニット、温度調節ユニット、又は任意の他の機能ユニットを備え得る。
【００５２】
照明システム１００は、照明デバイス１０と、幹線電源２０の形態の外部電源とを備える。幹線電源は、この実施形態では１７０ＶのＤＣ電圧に相当する、１２０Ｖの電圧を有するＡＣを供給する。幹線電源は、他の実施形態では、任意の他の外部電源によって置き換えられることができる。照明デバイス１０は、ワイヤ２２を介して幹線電源２０に接続されている。
【００５３】
照明ユニット１２、バッテリ１４Ａ、１４Ｂ、及び１４Ｃ、並びにバックＰＦＣコンバータ１６は、電気回路を介して接続されている。ワイヤ２４は、バックＰＦＣコンバータ１６をバッテリ１４Ａ、１４Ｂ、及び１４Ｃと接続し、ワイヤ２６は、バッテリ１４Ａ、１４Ｂ、及び１４Ｃを照明ユニット１２と接続している。電気回路は、スイッチＡ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、及びＣ４の構成を含む。この実施形態では、電気回路内の接続を開閉するために、バッテリ１４Ａ、１４Ｂ、及び１４Ｃのそれぞれに関して、４つのスイッチが設けられている。
【００５４】
バッテリ１４Ａは、スイッチＡ１、Ａ２、Ａ３、及びＡ４によって操作され、バッテリ１４Ｂは、スイッチＢ１、Ｂ２、Ｂ３、及びＢ４によって操作され、バッテリ１４Ｃは、スイッチＣ１、Ｃ２、Ｃ３、及びＣ４によって操作される。スイッチＡ２、Ｂ２、及びＣ２は、図１では閉状態にあり、その一方で、他の全てのスイッチは、開状態にある。それゆえ、バッテリ１４Ａ、１４Ｂ、及び１４Ｃは、互いに直列に接続されており、充電セット２８を形成している。この実施形態では、充電セット２８は、照明デバイス１０の全てのバッテリを含む。他の実施形態では、機能デバイスは、別の数のエネルギー貯蔵ユニットを備えることができ、充電セットは、機能デバイスのエネルギー貯蔵ユニットのサブセットとすることができる。
【００５５】
バッテリ１４Ａ、１４Ｂ、及び１４Ｃは、この実施形態では、同じタイプのものであり、同じ電圧を有する。この実施形態におけるバッテリの電圧は、５０Ｖであり、それにより、直列に接続されている３つのバッテリは、１５０Ｖの電圧を有する。他の実施形態では、バッテリの電圧は、例えば６Ｖ又は１２Ｖとすることができ、バッテリの数は、例えば１０又は２０とすることができる。
【００５６】
バックＰＦＣコンバータ１６は、幹線電源２０に接続されており、ワイヤ２２を介して、ＡＣ１２０Ｖの入力電圧を受電する。バックＰＦＣコンバータ１６は、当該１２０Ｖを有するＡＣを、ＤＣ１５３Ｖに相当する９０％のバックＰＦＣコンバータのデューティサイクルで、ＤＣ１５３Ｖの変換された入力電圧に変換し、当該変換された入力電圧を、バックＰＦＣコンバータ１６は、充電プロセスのための電流フロー方向３０に沿って、ワイヤ２４を介して充電セット２８に供給する。充電セット電圧は、１５０Ｖであり、すなわち、互いに直列に接続されている３つのバッテリ１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃの電圧の合計である。充電セット電圧は、幹線電源２０から受電されるＤＣ１５３Ｖの入力電圧に適合されている。このことは、入力電圧と変換された電圧との電圧差を最小化することを可能にし、それゆえ、電力変換効率を改善することを可能にする。
【００５７】
図１では、スイッチＡ３、Ａ４、Ｂ３、Ｂ４、Ｃ３、及びＣ４が開状態にあるため、照明ユニット１２は給電されていない。図２では、スイッチＡ３及びＡ４が閉状態にあり、照明ユニット１２は、バッテリ１４Ａによって形成されている放電セット３２の出力電圧で給電される。図２では、バッテリ１４Ａは、充電セット２８及び放電セット３２内に含まれており、同時に充放電される。出力電圧は、放電プロセスのための電流フロー方向３４に沿って、ワイヤ２６を介して放電セット３２から照明ユニット１２に供給される。この実施形態における放電セット３２は、バッテリ１４Ａのみを含み、５０Ｖの出力電圧を有する。他の実施形態では、放電セットは、２つ以上のバッテリを含み得る。放電セット内に２つ以上のバッテリが含まれる場合には、図３及び図４の実施形態において見られ得るように、別のスイッチ構成が必要とされる。放電セット内に２つ以上のバッテリが含まれる場合には、放電セットのバッテリは、直列に接続され、バッテリの電圧の合計に相当する出力電圧を有する。放電セット３２の出力電圧は、照明ユニット１２によって必要とされる機能ユニット入力電圧に適合されている。照明ユニット１２は、この実施形態における照明デバイス１０の動作に関して、５０Ｖを必要とする。このことは、出力電圧と機能ユニット入力電圧との電圧差を最小化することを可能にし、それゆえ、電力変換効率を改善することを可能にする。
【００５８】
スイッチＡ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、及びＣ４の切り替えは、制御ユニット１８によって制御される。制御ユニット１８は、プロセッサ３６、送受信機３８、及びメモリ４０を含む。プロセッサ３６は、開状態と閉状態とのスイッチの切り替えを制御するために、スイッチＡ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、及びＣ４に送受信機３８を介して無線で送信することが可能な、制御信号４２を生成する。この実施形態では、スイッチＡ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、及びＣ４のそれぞれは、制御信号４２を受信するためのアンテナを有する。各スイッチは、受信された制御信号に応じて切り替わる。他の実施形態では、スイッチのセットが、１つのアンテナを含むことができ、スイッチは、制御信号に応じて一体となって切り替えられることができる。更に他の実施形態では、制御ユニットは、制御信号を送信するために、ワイヤを介してスイッチに接続されることができる。スイッチの開状態と閉状態との切り替えは、充電セット及び放電セットを形成することを可能にする。
【００５９】
メモリ４０は、照明デバイス１０を動作させるためのコンピュータプログラムを含む。
【００６０】
この実施形態では、制御ユニット１８は、幹線電源２０から受電される入力電圧と、照明ユニット１２によって必要とされる機能ユニット入力電圧とを決定する。制御ユニット１８は、スイッチＡ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、及びＣ４の切り替えを制御するために、決定された入力電圧及び機能ユニット入力電圧を使用する。
【００６１】
更には、制御ユニット１８は、エネルギー貯蔵ユニット１４Ａ、１４Ｂ、及び１４ＣのそれぞれのＳＯＣを決定し、当該エネルギー貯蔵ユニット１４Ａ、１４Ｂ、及び１４ＣのＳＯＣに応じて放電セットを形成する。他の実施形態では、制御ユニット１８はまた、エネルギー貯蔵ユニットのＳＯＣに応じて、充電セットを形成することもできる。
【００６２】
照明ユニット１０は、ＬＥＤドライバ４４の形態の定電流ドライバ、及びＬＥＤモジュール４６を含む。ＬＥＤドライバ４４は、駆動電圧を変化させることによって、ＬＥＤモジュール４６に定電流を供給する。ＬＥＤモジュール４６は、当該ＬＥＤモジュールの順電圧で給電される場合に、光を供給する。
【００６３】
スイッチ及びバッテリの構成は、容易に拡張可能であり、このことは、他の電圧を有する別の数のバッテリ、並びに、他の機能ユニット及び外部電源を使用することを可能にする。別の実施形態では、機能デバイスは、多数のバッテリを有することができ、当該バッテリのうちの一部のみが、充電セットを形成することができ、その一方で、他のバッテリはアイドル状態であり、アイドルセットに属している。
【００６４】
図３は、照明システム１００Ａの形態の機能システムの第２の実施形態における、照明デバイス１０Ａの形態の機能デバイスの第２の実施形態を、概略的かつ例示的に示す。
【００６５】
照明デバイス１０とは対照的に、照明デバイス１０Ａは、追加的バッテリ１４Ｄ及び追加的スイッチＡ５、Ｂ５、Ｃ５、並びにスイッチＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、及びＤ５を備える。照明デバイス１０Ａの追加的スイッチＡ５、Ｂ５、Ｃ５、及びＤ５は、照明デバイス１０とは対照的に、２個以上のバッテリの放電セットを形成することを可能にする。図３に提示される実施形態では、閉じられたスイッチＡ４、Ａ２、Ｂ５、及びＢ２は、２つのバッテリを有する放電セット３２Ａを形成することを可能にする。図３では、放電セット３２Ａは、バッテリ１４Ａ及び１４Ｂを含む。充電セット２８Ａは、この実施形態では、バッテリ１４Ｃ及び１４Ｄによって形成されている。幹線電源は、この実施形態ではＤＣ１２０Ｖを供給し、バッテリは、それぞれ５０Ｖの電圧を有する。照明ユニット１２は、６０Ｖの機能ユニット入力電圧を必要とする。
【００６６】
照明デバイス１０Ａは、バッテリが充電セット又は放電セットのいずれか内にのみ含まれ得るように動作し、すなわち、特定のバッテリは、充電されるか又は放電されることのみが可能であるが、当該特定のバッテリは、同時に充放電されることができない。しかしながら、充電セット２８Ａの充電は、放電セット３２Ａの放電と同時に実行される。他の実施形態では、１つ以上のエネルギー貯蔵ユニットの充放電は、同時に実行されることができ、すなわち、１つ以上のエネルギー貯蔵ユニットは、他の実施形態では、充電セット及び放電セット内に同時に存在することができる。この実施形態における放電セット３２Ａのバッテリ１４Ａ及び１４Ｂは、他のバッテリ１４Ｃ及び１４Ｄからガルバニック絶縁されている。このことは、ＬＥＤドライバ４４によって生成される電磁干渉（electromagnetic interference；ＥＭＩ）を、ＰＦＣバックコンバータ１６が遮断することを可能にする。
【００６７】
放電は、放電セット３２Ａに関して実行されることができ、それにより、最初にバッテリ１４Ａ及び１４Ｂが、消耗されるまで放電され、次いで、バッテリ１４Ａ及び１４Ｂが充電されている間に、バッテリ１４Ｃ及び１４Ｄが放電される。あるいは、充電セット２８Ａと放電セット３２Ａとが、同じ速度又は時間間隔で放電されることもできる。充電セット２８Ａ及び放電セット３２Ａを形成するためのスイッチの切り替えは、バッテリ１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、及び１４Ｄの現在のＳＯＣに依存し得る。このことは、照明デバイス１０Ａにおける、より良好な電力変換効率を達成することを可能にする。
【００６８】
図４は、作動システム１００Ｂの形態の機能システムの第３の実施形態における、作動デバイス１０Ｂの形態の機能デバイスの第３の実施形態を、概略的かつ例示的に示す。この実施形態における作動システム１００Ｂは、電気自動車の一部である。作動システム１００Ｂは、照明システム１００Ａと同様である。照明システム１００Ａとは対照的に、作動システム１００Ｂは、作動デバイス１０Ｂを含み、電気自動車のバッテリ貯蔵システム２０Ａに接続されている。
【００６９】
作動デバイス１０Ｂは、ＤＣ電気モータ１２Ａの形態の機能ユニットと、スーパーキャパシタ１４Ｅ、１４Ｆ、１４Ｇ、及び１４Ｈの形態のエネルギー貯蔵ユニットと、ＳＭＰＳ１６Ａの形態の電力変換器ユニットと、制御ユニット１８とを含む。他の実施形態では、スーパーキャパシタは、任意の他のタイプのコンデンサによって、又はバッテリによって、あるいはバッテリ及びコンデンサによって置き換えられることができる。
【００７０】
作動システム１００Ｂは、他の実施形態に関して説明されるものと本質的に同じように機能するが、電気エネルギーを貯蔵するためにスーパーキャパシタ１４Ｅ、１４Ｆ、１４Ｇ、及び１４Ｈが使用され、ＤＣ電気モータ１２Ａが給電されるという相違がある。作動システム１００Ｂは、制御ユニット１８によって制御される、スイッチＥ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４、Ｅ５、Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５、Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４、Ｇ５、Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ４、及びＨ５を有する。ＤＣ電気モータ１２Ａは、作動要素４６Ａに定電流を供給する、定電流ドライバ４４Ａを含む。
【００７１】
図５は、例示的なスイッチ構成を有する機能デバイスの一実施形態の一部を、概略的かつ例示的に示すものであるが、より良好な理解のために、機能デバイスの残部に通じているワイヤは、破線によってのみ示されている。スイッチ構成は、４つのスイッチＡ１、Ａ２、Ａ３、及びＡ４、並びにコイル４８を有する、電気機械式リレーを使用する。電気機械式リレーは、例えば、図１及び図２で提示されたような、機能デバイスの第１の実施形態において実装されることができる。更には、機能デバイスの任意の実施形態において容易に構想を実装するために、複数のＮＯ接点及びＮＣ接点を有するリレーが使用されることができる。リレーは、単一のリレー、あるいは、複数のＮＯ接点及びＮＣ接点を有する２つのリレーとすることができる。
【００７２】
この実施形態では、スイッチＡ２の位置は、他のスイッチＡ１、Ａ３、及びＡ４の位置と相補的である。バッテリ１４Ａは、スイッチＡ２が閉じられている場合には、充電セット内に含まれ、スイッチＡ１、Ａ３、及びＡ４が閉じられている場合には、放電セット内に含まれる。スイッチＡ２はＮＣであり、スイッチＡ１、Ａ３、及びスイッチＡ４はＮＯであるため、バッテリ１４Ａは、通常は充電セット内にあって充電される。４つのスイッチＡ１、Ａ２、Ａ３、及びＡ４は、コイル４８を使用して同時に切り替えられる。コイル４８には、制御ユニット１８から、制御信号４２が無線で提供される。コイル４８が、制御信号４２を受信する場合には、コイルは、スイッチＡ２が開き、かつスイッチＡ１、Ａ３、及びＡ４が閉じるように、スイッチＡ１、Ａ２、Ａ３、及びＡ４を引き付け、それにより、バッテリ１４Ａは、放電セットに加えられて、照明ユニット１２に給電するために放電する。
【００７３】
他の実施形態では、リレー論理はまた、スイッチＡ２がＮＯであり、スイッチＡ１、Ａ３、及びＡ４がＮＣであるように実装されることもでき、すなわち、この場合、バッテリは、通常は放電セット内にあり、照明ユニットに給電するために放電している。
【００７４】
図６は、様々なＤＣ入力電圧５４、５６、５８、６０、及び６２に関する、出力電流５２に応じたバックコンバータ効率５０の図を示す。バックコンバータによって供給される出力電圧は１２Ｖである。入力電圧５４は１８Ｖであり、入力電圧５６は２２Ｖであり、入力電圧５８は２６Ｖであり、入力電圧６０は３０Ｖであり、入力電圧６２は３６Ｖである。バックコンバータ効率５０は、入力電圧の増大と共に減少し、すなわち、バックコンバータ効率５０は、入力電圧と出力電圧との差の増大と共に減少する。最大バックコンバータ効率５０は、出力電圧に対する入力電圧の比が１に近い場合に達成される。
【００７５】
図７は、機能デバイスを動作させるための方法の一実施形態を示す。機能デバイスは、照明デバイス、作動デバイス、加熱デバイス、冷却デバイス、又は任意の他の機能デバイスとすることができる。この実施形態では、機能デバイスは照明デバイスである。照明デバイスは、照明ユニットの形態の機能ユニットと、２０個のバッテリの形態の２０個のエネルギー貯蔵ユニットと、バックＰＦＣコンバータの形態の電力変換器ユニットと、制御ユニットと、電気回路と、スイッチの構成とを備える。照明デバイスは、外部電源に接続されることができる。この実施形態では、照明デバイスは、ＤＣ２４０Ｖを供給する電源に接続されている。電気回路は、照明ユニット、バッテリ、及びバックＰＦＣコンバータを接続している。バックＰＦＣコンバータは、電源から受電された入力電圧を、変換された入力電圧に変換する。この実施形態では、バッテリのそれぞれは、１２Ｖを供給する。照明ユニットは、ＬＥＤドライバと、ＬＥＤドライバからの定電流が供給されるＬＥＤモジュールとを有する。ＬＥＤドライバは、定電流を供給するために、駆動電圧を変化させる。ＬＥＤドライバは、ＬＥＤモジュールを動作させるための、４０Ｖの機能ユニット入力電圧を必要とする。制御ユニットは、スイッチの構成を制御するために使用されることができる。
【００７６】
ステップ２００で、入力電圧が電源から受電される。
【００７７】
ステップ２１０で、互いに直列に接続されているバッテリの充電セットが、入力電圧と変換された入力電圧との電圧差を最小化するために、電源から受電される入力電圧に適合された充電セット電圧を有することが規定される。この実施形態では、電源から受電される入力電圧を下回り、かつ可能な限り入力電圧に近い出力電圧を有する、バッテリの充電セットが形成されるように、スイッチが切り替えられる。全ての２０個のバッテリが、充電セット内に含まれ、２０個のバッテリは、２４０Ｖの充電セット電圧を有する。
【００７８】
ステップ２２０で、変換された入力電圧が、バッテリの充電セットに供給される。
【００７９】
ステップ２３０で、バッテリの放電セットが、出力電圧と機能ユニット入力電圧との電圧差を最小化するために、照明ユニットによって必要とされる機能ユニット入力電圧に適合された出力電圧を供給するよう構成されることが規定される。この実施形態では、照明ユニットによって必要とされる機能ユニット入力電圧を上回り、かつ可能な限り機能ユニット入力電圧に近い出力電圧を供給する、放電セットが形成されるように、スイッチが切り替えられる。放電セットは、４８Ｖの出力電圧を有する４つのバッテリから形成される。
【００８０】
ステップ２４０で、出力電圧が、照明ユニットのＬＥＤドライバに供給される。
【００８１】
ステップ２５０で、照明ユニットの機能が実行される。機能は、動作される機能ユニットに依存する。この実施形態では、機能ユニットは、ＬＥＤモジュールを有する照明ユニットである。照明ユニットの機能は、光を供給することである。他の実施形態では、機能ユニットは、例えば、作動装置の動きを提供する作動ユニット、熱を供給する加熱ユニット、又は冷却を供給する冷却ユニットとすることができる。
【００８２】
充電セット及び放電セットを形成するステップは、スイッチの構成のスイッチを切り替えることによって実行されることができる。スイッチは、電源から受電される入力電圧と、照明ユニットによって必要とされる機能ユニット入力電圧とに応じて、切り替えられることができる。
【００８３】
方法ステップ２１０の他の実施形態では、電源から受電される入力電圧を決定するステップを含む。あるいは、又は更に、ステップ２３０は、照明ユニットによって必要とされる機能ユニット入力電圧を決定するステップを含み得る。更には、ステップ２１０及びステップ２３０は、エネルギー貯蔵ユニットのＳＯＣを決定するステップを含み得る。充電セット、放電セット、又は、充電セットと放電セットとは、エネルギー貯蔵ユニットのＳＯＣに応じて形成されることができる。他の実施形態では、エネルギー貯蔵ユニットの放電セットが、他のエネルギー貯蔵ユニットからガルバニック絶縁されることが規定され得る。
【００８４】
本発明は、図面及び上述の説明において、詳細に例示及び説明されてきたが、そのような例示及び説明は、例示的又は説明的なものであり、制限するものではないと解釈されるべきであって、本発明は、開示される実施形態に限定されるものではない。例えば、機能ユニットによって必要とされる機能ユニット入力電圧が、外部電源から受電される入力電圧よりも高い実施形態において、本発明を運用することが可能である。この場合、出力電圧と機能ユニット入力電圧との電圧差を最小化するために、機能ユニット入力電圧に適合された出力電圧を機能ユニットに供給するよう構成される、エネルギー貯蔵ユニットの放電セットを形成することを可能にするように、エネルギー貯蔵ユニットの数を十分に多くすることができる。例えば、機能ユニットは、１２０Ｖの機能ユニット入力電圧を必要とするＬＥＤモジュールとすることができ、外部電源は、４０Ｖの入力電圧を供給するよう構成されることができる。それゆえ、エネルギー貯蔵ユニット、例えば１０個以上の１２Ｖバッテリが、４０Ｖの入力電圧で順次に充電されることができ、例えば、直列の３つのバッテリを３６Ｖで順次に充電することができ、機能デバイスは、１２０Ｖの出力電圧を供給するために直列に接続されたエネルギー貯蔵ユニットを使用して、例えば１０個のバッテリを直列に接続して、動作されることができる。電力変換器ユニットは、例えば、この場合、最大効率のために、ブースト係数を可能な限り低く、すなわち１に近く保つ、ブーストＰＦＣコンバータ又はバックブーストＰＦＣコンバータとすることができる。
【００８５】
図面、本開示、及び添付の請求項の検討によって、開示される実施形態に対する他の変形形態が、当業者により理解されることができ、また、特許請求される発明を実施する際に実行されることができる。
【００８６】
請求項では、単語「備える（comprising）」は、他の要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞「１つの（a）」又は「１つの（an）」は、複数を排除するものではない。
【００８７】
単一のユニット、プロセッサ、又はデバイスが、請求項において列挙される、いくつかの項目の機能を果たしてもよい。特定の手段が、互いに異なる従属請求項内に列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが、有利に使用され得ないことを示すものではない。
【００８８】
１つ又はいくつかのユニット若しくはデバイスによって実行される、外部電源から入力電圧を受電するステップ、互いに直列に接続されているエネルギー貯蔵ユニットの充電セットが、外部電源から受電される入力電圧に適合された充電セット電圧を有することを規定するステップ、変換された入力電圧を、エネルギー貯蔵ユニットの充電セットに供給するステップ、エネルギー貯蔵ユニットの放電セットが、機能ユニットによって必要とされる機能ユニット入力電圧に適合された出力電圧を供給するよう構成されることを規定するステップ、出力電圧を機能ユニットに供給するステップ、充電セットを形成するステップ、放電セットを形成するステップなどのような動作は、任意の他の数のユニット又はデバイスによって実行されることができる。これらの動作及び／又は方法は、コンピュータプログラムのプログラムコード手段として、及び／又は専用ハードウェアとして実装されることができる。
【００８９】
コンピュータプログラムは、他のハードウェアと共に、又は他のハードウェアの一部として供給される、光学記憶媒体又は固体媒体などの、好適な媒体上に記憶／分散されてもよいが、また、インターネット、イーサネット、又は他の有線若しくは無線の電気通信システムなどを介して、他の形態で分散されてもよい。
【００９０】
請求項中のいかなる参照符号も、範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
【００９１】
本発明は、改善された電力変換効率を有する機能デバイスに関する。機能デバイスは、機能ユニットと、２つ以上のエネルギー貯蔵ユニットと、電力変換器ユニットとを備える。電力変換器ユニットは、外部電源から入力電圧を受電するように、及び、外部電源から受電される入力電圧に適合された充電セット電圧を有する、互いに直列に接続されているエネルギー貯蔵ユニットの充電セットに、変換された入力電圧を供給するよう構成される。エネルギー貯蔵ユニットの放電セットは、機能ユニットによって必要とされる機能ユニット入力電圧に適合された出力電圧を、機能ユニットに供給するよう構成される。このことは、電力変換効率の改善を可能にする。
【図１】
2021511770.tif 000003
【図２】
2021511770.tif 000004
【図３】
2021511770.tif 000005
【図４】
2021511770.tif 000006
【図５】
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【図６】
2021511770.tif 000008
【図７】
2021511770.tif 000009
【国際調査報告】
2021511770.tif 000010
2021511770.tif 000011