JP2007521790A - Fast charger for ultracapacitors - Google Patents
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Abstract
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。A fast charging circuit for charging a power module is disclosed. The power module includes one or more capacitors. The power module is charged using an energy source connected to the power module. The charging circuit includes a control circuit adapted to maintain a constant power level in the power module during charging when the voltage level across the power module increases. The control circuit includes a pulse width modulator and an inductor connected in series with the power module. The pulse width modulator can control the charge level of the inductor. The charge level may correspond to a current level according to a desired power level in the power module and an instantaneous voltage level across the power module. The inductor can be adapted to limit the current level through the power module to a predetermined peak level. The control circuit may be adapted to provide a current level higher than the current level from the energy source through the power module during at least a portion of the charging period.
Description
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。 The present invention relates generally to energy storage systems. In particular, the present invention relates to a method and system for charging an energy storage system incorporating an ultracapacitor.
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。 The following explanation is given to help the reader understand. None of the information given or references cited is admitted to be prior art to the present invention.
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。 Ultracapacitors can be an excellent energy source for many applications. They offer a number of advantages over other types of energy storage systems such as batteries. For example, once depleted, the ultracapacitor can be recharged at a much faster rate than the battery. Under ideal conditions, this recharge rate is as high as the discharge rate.
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。 Existing recharges for ultracapacitors generally provide a constant current in the ultracapacitor to provide recharge energy. This provides a constant recharge rate, but this rate is limited by the output current of the recharge energy source. For example, the energy source for recharging would be a 50 volt 20 amp DC power source. This recharge current is limited to a 20 amp current from the power supply.
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。 Thus, the time to recharge the ultracapacitor to 100% of its capacity is determined by the output current level of the power supply. In many situations it may be desirable to achieve a recharge rate that is greater than that achieved at the current level of the energy source.
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。 The disclosed embodiments of the present invention provide a system and method for recharging an ultracapacitor at a faster rate than is possible with the constant current configuration described above. In this way, more rapid recharging of the depleted ultracapacitor can be achieved.
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。 In one aspect, the present invention provides an apparatus for charging a power module. The apparatus includes a power module composed of one or more ultracapacitors and an energy source connected to the power module. The positive terminal of the energy source is connected to the positive terminal of the power module, and the negative terminal of the energy source is connected to the negative terminal of the power module. The control circuit is adapted to maintain a constant power level in the power module as the voltage level across the power module increases.
「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。 A “power module” is an ultracapacitor bank, such as 22 2700 farad ultracapacitors connected in series. This power module can be realized as a rack-mounted package containing this ultracapacitor bang.
「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。 “Ultracapacitors” are well known to those skilled in the art. Ultracapacitors, also known as double layer capacitors and supercapacitors, will be referred to herein as ultracapacitors. Ultracapacitors generally include two current collecting plates each having a corresponding electrode and separated by a separator. Energy is stored in the form of charges on the separated electrodes. For more details on ultracapacitors, see US Pat. Nos. 5,621,607, 5,777,428, 5,862,035, 5,907,472, 6,059,847, Reference may be made to 6,094,788 and 6,233,135, each of which is incorporated herein by reference in its entirety.
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。 In one embodiment, the control circuit includes a pulse width modulator and an inductor connected in series with the power module. This pulse width modulator can control the charge level of the inductor. This charge level may correspond to a desired power level in the power module and a current level according to the instantaneous voltage across the power module. The pulse width modulator may be adapted to limit the current level through the power module to a predetermined peak level.
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。 In one embodiment, the control circuit is adapted to provide a current level higher than the current level from the energy source through the power module during at least a portion of the charging period.
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。 In another aspect, the present invention provides a constant power charging circuit for an ultracapacitor power module. The circuit includes a pulse width modulator and an inductor connected in series with the pulse width modulator and the power module. This pulse width modulator is adapted to control the charge level of the inductor.
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。 In another aspect, the present invention provides a method for charging an ultracapacitor power module. The method includes charging an inductor connected in series between an energy source and the power module. The inductor charge level is controlled to achieve the desired current level through the power module.
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。 In one embodiment, the controlling step comprises modulating the current from the energy source to the inductor via a pulse width modulator.
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。 The desired current level may correspond to the desired power level in the power module. This power level may be constant during charging of the power module.
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。 In one embodiment, an apparatus for charging a power module includes a power module including one or more capacitors, an energy source, and a current level higher than an output by the energy source during at least a portion of a charging period. And a control circuit connected to the power module and the energy source for supplying the power module. The control circuit can be adapted to maintain a constant power level in the power module as the voltage level across the power module increases. The control circuit can include a pulse width modulator and an inductor connected in series with the power module. The pulse width modulator can control the charge level of the inductor. This charge level may correspond to a current level according to the desired power level in the power module and the instantaneous voltage level across the power module. The inductor can be adapted to limit the current level through the power module to a predetermined peak level. The control circuit may be adapted to provide a current level higher than the current level from the energy source through the power module during at least a portion of the charging period. The one or more capacitors can include an ultracapacitor. The one or more capacitors can include a value greater than about 1 farad.
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。 In one embodiment, a constant power charging circuit for an ultracapacitor power module includes a pulse width modulator and an inductor connected in series to the pulse width modulator and the power module, and The pulse width modulator is adapted to control the charge level of the inductor. This charge level may correspond to a current level according to the desired power level in the power module and the instantaneous voltage level across the power module. The inductor can be adapted to limit the current level through the power module to a predetermined peak level. The control circuit can be adapted to provide a current level higher than the current level from the energy source through the power module during at least a portion of the charging period.
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。 In one embodiment, a method of charging a capacitor power module includes: charging an inductor connected in series between an energy source and the power module; and achieving a desired current level through the power module. Controlling the charge level of the inductor. This controlling step may include modulating the current from the energy source to the inductor via a pulse width modulator. This desired current level may correspond to a desired power level in the power module. This power level may be constant during charging of the power module. The desired current level through the power module may be higher than the current level from the energy source during at least part of the charging period.
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。 In one embodiment, the constant power charging module is adapted to sense a voltage of a power module including one or more capacitors, an energy source, and the energy source, and output a signal when the voltage is sensed. A voltage sensing circuit and adapted to supply the power module with a current level higher than the output by the energy source during at least part of the charging period of the constant power charging module and to supply the signal. Control circuit. The one or more capacitors may include a capacitance of about 1 Farad or more.
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。 In one embodiment, the constant power charging module comprises one or more capacitors, energy source means for providing a signal, and an output from the energy source during at least part of the charging period of the constant power charging module. Control circuit means for supplying a high current level to the capacitor and for supplying the signal.
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。 In one embodiment, a method for charging a capacitor includes providing an energy source for charging the capacitor over a charging period, and higher than the output by the energy source during at least a portion of the charging period. Supplying a current to the capacitor.
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。
In one embodiment, the regenerative device includes one or more capacitors, an energy source, a voltage sensing circuit adapted to sense a voltage of the energy source and to output a signal when the voltage is sensed; Adapted to provide a current level higher than the output by the energy source to the one or more capacitors and to supply the signal during at least a portion of the charging period of the one or more capacitors. And a control circuit. The capacitor may include an ultracapacitor. This energy source may include a regenerative braking motor. The brake motor can include a hybrid vehicle brake motor.
While advantages, aspects, and embodiments of the present invention are described herein, such description is illustrative of the manner and use of the charging systems and methods currently described and is not intended to be limiting in nature. That should be understood.
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。 The present invention is generally directed to a fast charging system and method for recharging an ultracapacitor power module. In this regard, the present invention allows for fast charging of ultracapacitors, thereby significantly reducing the time required to recharge, for example, ultracapacitor bangs or other storage devices. In one embodiment of the present invention, a system and method for charging a charge storage device with a current higher than a power supply current enables recharge time to be reduced.
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。 Although ultracapacitors are further described herein in embodiments, it is understood that the scope of the present invention extends to other types of storage devices such as conventional capacitors and rechargeable batteries. Ultracapacitors are well known to those skilled in the art as efficient energy storage systems. Ultracapacitors typically have a value of about 1 Farad or greater. The ultracapacitor power module can include ultracapacitor bangs connected in series to provide a desired voltage level for a particular application. One attractive feature of ultracapacitors (and generally capacitors) as an energy source is their ability to be recharged in a relatively short time once the ultracapacitor is completely or partially depleted. . An ultracapacitor can provide a large capacitance with a small waveform rate, for example, a single cell size capacitor can provide about 500 Farads. One skilled in the art will recognize that the time required to fully charge the ultracapacitor is longer than an electrolytic capacitor, which can be, for example, a capacitance having a microfarad value. One or more embodiments of the present invention described herein achieves faster charging of capacitors that results in a significant reduction in charging time when used with large capacitance capacitors such as ultracapacitors. To be able to be done.
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。
The recharge rate of a capacitor, ultracapacitor, or ultracapacitor bang in a power module is the following equation:
dV / dt = I / C,
Can be described by: Where dV / dt is the rate of rise of the ultracapacitor voltage, I is the current through the ultracapacitor, and C is the capacitance of the ultracapacitor.
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。
As noted above, current charging circuits use a constant current configuration as schematically illustrated in FIG. 1A. In this device, an
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。
A constant
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。
In order to improve the charging speed, the current through the power module should be increased. According to one embodiment of the present invention, a circuit for supplying constant power to the power module achieves this goal. Figures 2A and 2B illustrate one such embodiment. The
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。
The
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。
The
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。
The
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。
FIG. 3 provides a schematic diagram of one embodiment of the constant
Modulator) is well known to those skilled in the art. The
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。
A
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。
An
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。
In operation,
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。
In many cases, the initial voltage across the
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。
The
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。
Thus, the operation of the
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。
As the voltage level across the
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。
Thus, at the start of charging, the inductor is given a high current level of charging. This high level can be maintained by the pulse width modulator by supplying energy from the
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。
The ratio of capacitor charge voltage to energy source voltage sets the duty cycle of the pulse width modulator. The result is an increased charging current to the
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。
The current profile that results from the operation of the
A
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。 It will be appreciated by those skilled in the art that this preferred embodiment uses a constant power charging profile, but other embodiments may not include such a profile. For example, some embodiments may provide a current at a higher level than the power supply current at an early stage of recharging. This current level can drop at a later stage, but without maintaining a constant power profile.
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。
FIG. 4 shows an embodiment in which a fuel cell is provided as an energy source. In certain embodiments, it may be necessary to operate full current capability with an
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。
One embodiment of the constant
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。 It is confirmed that the present invention will find use in regenerative applications. For example, it is well known that hybrid vehicles utilize back electromotive force generated by electric motors and / or generators interconnected to vehicle wheels. Thus, the rotational movement of the wheels can be used to re / charge one or more capacitors or batteries during braking in a faster manner than previously possible.
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。
Thus, while the particular systems and methods illustrated and described in detail herein may fully accomplish the aforementioned objects of the invention, the description and drawings presented herein are intended to illustrate some of the invention. It is to be understood that these represent but not all embodiments and are therefore merely representative of the subject matter contemplated broadly by the present invention. While preferred embodiments and methods have been illustrated and described, it will be apparent to those skilled in the art that numerous modifications can be made without departing from the spirit or scope of the invention. For example, while one embodiment discloses an ultracapacitor, it is understood that the present invention will find use with other types of devices, such as conventional capacitors and secondary batteries including, for example, electrolytic capacitors. . Also, fuel cells and regenerative applications are only representative of some, but not all, applications envisioned for use of embodiments of the present invention. Furthermore, the resistors, capacitors, inductors, and diodes disclosed herein can be implemented using surface mount, through-holes, and other components well known to those skilled in the art, comparators, operational amplifiers The control circuit can be implemented by those skilled in the art using other circuits, amplifiers, transistors, resistors, and other components well known to those skilled in the art, and transistors can be amplifiers, FETs, NPNs, PNPs And other components well known to those skilled in the art. It is also envisioned that one or more of the components disclosed herein can be implemented in analog or digital form including the embodiments as PLD, firmware, or software. Specific circuit embodiments are not provided to facilitate ease of reading and understanding, and it is the experience of those skilled in the art to accomplish the invention as a design and implementation of the embodiments described herein. And will be within the ability.
Accordingly, the invention is not limited except as by the appended claims and their legal equivalents.
Claims (25)
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。 A power module including one or more capacitors;
Energy sources,
A control circuit, connected to the power module and the energy source, for supplying the power module with a current level higher than an output by the energy source during at least a part of a charging period;
A device for charging a power module including:
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。 A constant power charging circuit for an ultracapacitor power module,
A pulse width modulator;
An inductor connected in series with the pulse width modulator and the power module;
Contains
The pulse width modulator is adapted to control the charge level of the inductor;
Constant power charging circuit.
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。 Charging an inductor connected in series between the energy source and the power module;
Controlling the charge level of the inductor to achieve a desired current level through the power module;
A method of charging a capacitor / power module including:
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。 A power module including one or more capacitors;
Energy sources,
A voltage sensing circuit adapted to sense the voltage of the energy source and to output a signal when the voltage is sensed;
A control circuit adapted to supply a current level higher than the output by the energy source to the power module and to supply the signal during at least part of the charging period of the constant power charging module;
Including constant power charging module.
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。 One or more capacitors;
An energy source means for providing a signal;
Control circuit means for supplying a current level higher than the output by the energy source to the capacitor and for supplying the signal during at least part of the charging period of the constant power charging module;
Including constant power charging module.
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。 A method for charging a capacitor, comprising:
Providing an energy source for charging the capacitor over a charging period;
Supplying a current to the capacitor that is higher than an output by the energy source during at least a portion of the charging period;
Including methods.
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。 One or more capacitors;
Energy sources,
A voltage sensing circuit adapted to sense the voltage of the energy source and to output a signal when the voltage is sensed;
A control adapted to supply a current level to the one or more capacitors and to provide the signal during a period of at least a portion of a charging period of the one or more capacitors; Circuit,
Including regenerative equipment.
26. The apparatus of claim 25, wherein the energy source includes a regenerative braking motor.
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