▶ リチャード エイチ．シェラット アンド スーザン ビー．シェラット レヴォカブル トラスト ファンドの特許一覧
特許7587520マルチファイラインダクタを使用した高エネルギー容量性変換デバイス
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-11-12
(45)【発行日】2024-11-20
(54)【発明の名称】マルチファイラインダクタを使用した高エネルギー容量性変換デバイス
(51)【国際特許分類】
H02M 3/155 20060101AFI20241113BHJP
H02J 7/00 20060101ALI20241113BHJP
B60L 53/53 20190101ALI20241113BHJP
H02J 7/02 20160101ALI20241113BHJP
【ＦＩ】
H02M3/155 H
H02J7/00 P
B60L53/53
H02J7/02 G
【請求項の数】
17
(21)【出願番号】P 2021559460
(86)(22)【出願日】2020-03-20
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2022-04-20
(86)【国際出願番号】 US2020024033
(87)【国際公開番号】W WO2020191367
(87)【国際公開日】2020-09-24
【審査請求日】2023-03-10
(31)【優先権主張番号】62/821,386
(32)【優先日】2019-03-20
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】521437769
【氏名又は名称】リチャード エイチ．シェラット アンド スーザン ビー．シェラット レヴォカブル トラスト ファンド
【氏名又は名称原語表記】ＲＩＣＨＡＲＤ Ｈ．ＳＨＥＲＲＡＴＴ ＡＮＤ ＳＵＳＡＮ Ｂ．ＳＨＥＲＲＡＴＴ ＲＥＶＯＣＡＢＬＥ ＴＲＵＳＴ ＦＵＮＤ
(74)【代理人】
【識別番号】110001302
【氏名又は名称】弁理士法人北青山インターナショナル
(72)【発明者】
【氏名】エルフマン，ブライアン
【審査官】安池 一貴
(56)【参考文献】
【文献】特表２０１８－５１６５２１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－１３１００４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－２８１６８５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０１－１５７２７４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－０８３４６１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０７－０６７３３２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－０５５８６７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１８－５２９３０６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－０３５８４９（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１２／０１６１６９０（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｍ ３／１５５
Ｈ０２Ｊ ７／０２
Ｈ０２Ｊ ７／００
Ｂ６０Ｌ ５３／５３
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
２つのバンクＡ及びＢに配置されたコンデンサを使用する高電圧（ＨＶ）バンクを提供することと、監視コントローラによって制御されたマルチファイラインダクタ及びスイッチング回路を通じてコンデンサベースのサービス電圧（ＳＶ）バンク及び負荷に前記ＨＶバンクを結合することと、
バンクＡ又はＢのより完全に充電されたバンクから当該バンクの充電を使い果たすまで前記ＳＶバンクを充電することと、
前記バンクの充電が使い果たされると、バンクＡ又はＢの使い果たされた前記バンクから他方のバンクにスイッチングして前記ＳＶバンクを充電することと、
前記他方のバンクが前記ＳＶバンクを充電する際に、使い果たされた前記バンクを電源によって充電することと、
規定の展開期間にわたって２つの前記バンクの間で前記スイッチング及び充電プロセスを繰り返すことと、を含み、
前記マルチファイラインダクタは、フェライトトロイダル形状コア周りに巻きつけられた銅ワイヤの２つの巻線を有するバイファイラトロイダルインダクタを備え、
前記監視コントローラは、前記ＨＶバンク及び前記ＳＶバンクの間の前記スイッチング回路の制御を同期するためのパルスジェネレータを含む、方法。
【請求項2】
前記ＨＶバンクの各バンクの前記コンデンサは、各々１～１０メガジュールのオーダの静電容量を有する超コンデンサを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記ＳＶバンクは、各々１～１０メガジュールのオーダの静電容量を有する超コンデンサを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項4】
前記インダクタは、前記トロイダル形状コアに形成された規定の距離のギャップを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項5】
前記スイッチング回路は、前記巻線間の接続をスイッチングし、１つの巻線が、規定の接続構成におけるスナバ回路を通じて短絡される、請求項１に記載の方法。
【請求項6】
前記電源は、発電機と、ディーゼル、ガソリン、プロパン又は天然ガスのうちの１つによって駆動される内燃機関と、を含む発電設備（発電機セット）を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項7】
前記スイッチング回路は４つのスイッチ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３及びＳ４）を備え、Ｓ１は、前記ＨＶバンクに前記インダクタを結合し、Ｓ２及びＳ３は、各それぞれのバンクＡ及びＢのための２つのセクションの間をスイッチングし、Ｓ４は、交互のバンクスイッチングプロセスのために前記ＨＶバンクのバンクＡ又はＢの間をスイッチングする、請求項１に記載の方法。
【請求項8】
前記パルスジェネレータは、前記ＨＶバンクＡ及びＢ並びに前記ＳＶバンクの使い果たし及び充電レベルのための規定の閾値電圧に基づいて前記ＳＶバンクの充電を同期してトリガし、前記ＳＶバンクの充電は、前記ＳＶバンクの１１５Ｖ～１２０Ｖの範囲で１つの電圧ステップに応答してトリガされる、請求項１に記載の方法。
【請求項9】
２つのバンクＡ及びＢに配置されたコンデンサを使用する高電圧（ＨＶ）バンクと、マルチファイラインダクタを通じてコンデンサベースのサービス電圧（ＳＶ）バンク及び負荷に前記ＨＶバンクを結合する伝送セクションと、
バンクＡ又はＢのより完全に充電されたバンクから当該バンクの充電を使い果たすまで前記ＳＶバンクを充電する充電回路と、
前記バンクの充電が使い果たされると、バンクＡ又はＢの使い果たされた前記バンクから他方のバンクにスイッチングして前記ＳＶバンクを充電するスイッチング回路であって、前記充電回路は、その後、前記他方のバンクが前記ＳＶバンクを充電する際に、使い果たされた前記バンクを電源によって充電する、スイッチング回路と、
前記ＨＶバンク及び前記ＳＶバンクの間に配置された監視制御回路であって、規定の展開時間にわたって２つの前記バンクの間で前記スイッチング及び充電プロセスを繰り返すように前記スイッチング回路を制御する監視制御回路と、を備え、
前記スイッチング回路は４つのスイッチ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３及びＳ４）を備え、Ｓ１は、前記ＨＶバンクに前記インダクタを結合し、Ｓ２及びＳ３は、各それぞれのバンクＡ及びＢのための２つのセクションの間をスイッチングし、Ｓ４は、交互のバンクスイッチングプロセスのために前記ＨＶバンクのバンクＡ又はＢの間をスイッチングする、システム。
【請求項10】
前記ＨＶバンク及び前記ＳＶバンクの各バンクの少なくとも１つの前記コンデンサは、各々１～１０メガジュールのオーダの静電容量を有する超コンデンサを備える、請求項９に記載のシステム。
【請求項11】
前記マルチファイラインダクタは、フェライトトロイダル形状コア周りに巻きつけられた銅ワイヤの２つの巻線を有するバイファイラトロイダルインダクタを備える、請求項９に記載のシステム。
【請求項12】
前記インダクタは、前記トロイダル形状コアに形成された規定の距離のギャップを備える、請求項１１に記載のシステム。
【請求項13】
前記スイッチング回路は、前記巻線の間の接続をスイッチングし、１つの巻線は、規定の接続構成においてスナバ回路を通じて短絡される、請求項１１に記載のシステム。
【請求項14】
前記スイッチング回路は、サービス電圧バンク充電期間、又は、パルス電力の電力パルス間の期間のいずれかの間であるように、前記巻線の間への割り当てをスイッチングする、請求項１３に記載のシステム。
【請求項15】
前記電源は、発電機と、ディーゼル、ガソリン、プロパン又は天然ガスのうちの１つによって駆動される内燃機関と、を含む発電設備（発電機セット）を備える、請求項９に記載のシステム。
【請求項16】
前記ＨＶバンクＡ及びＢ並びに前記ＳＶバンクの使い果たし及び充電レベルのための規定の閾値電圧に基づいて前記ＳＶバンクの充電を同期してトリガするパルスジェネレータをさらに備え、前記ＳＶバンクの充電は、前記ＳＶバンクの１１５Ｖ～１２０Ｖの範囲で１つの電圧ステップに応答してトリガされる、請求項９に記載のシステム。
【請求項17】
電気自動車充電ステーションの少なくとも一部を備える負荷をさらに備える、請求項１６に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
[0001] 本願は、２０１９年３月２０日に出願された発明の名称「マルチファイラインダクタを使用した高エネルギー容量性変換デバイス」の米国仮特許出願第６２／８２１，３８６号の優先権を主張する。
【0002】
[0002] 実施形態は、概して、エネルギー伝送回路に関し、より具体的には、高レベルのエネルギーを有用な電圧に変換するためにインダクタに容量性エネルギーをインテリジェントにスイッチングすることに関する。
【背景技術】
【0003】
[0003] 特定のタイプのバッテリ化学は、発電設備（発電機セット）及び他の発電装置によって生成されたエネルギーを貯蔵するためにしばしば使用される。これらの再充電可能なバッテリとは異なり、他のタイプのバッテリは再充電されることができない。両タイプのバッテリに共通するのは、バッテリ電圧が、その「有用な充電」を定義する、完全に充電された状態からほとんど放電された状態まで比較的平坦な放電曲線を有するという事実である。言い換えれば、その有用なエネルギー範囲にわたって、バッテリ電圧がほんの数パーセントだけ減少する場合がある。この比較的平坦な放電曲線は、負荷を駆動するためのバッテリの有用性を定義する。これらの理由により、バッテリ出力電圧は一般的に、様々な用途に適合するようにアップ又はダウンに変換される場合があり、したがって、一般的に使用されるバッテリ電圧コンバータに至る。
【0004】
[0004] コンデンサは、別の一般的なタイプのエネルギー貯蔵デバイスである。しかしながら、エネルギー貯蔵電荷移動装置として、コンデンサは漸近エネルギー放電曲線に依存し、かつ、すべてのコンデンサがこの特性パラメータを表示する。例えば、コンデンサの放電曲線は、５０％低下し得るが、負荷がかかった状態での放電サイクル中にそのエネルギー量の７５％を放電する。バッテリ放電曲線（平坦）とコンデンサ放電曲線（漸近）とのこれらの違いにより、バッテリで効率的に機能し得る特定の変換手法は、コンデンサでは効率的ではない場合があると推測され得る。
【0005】
[0005] バッテリも比較的低電圧のエネルギー貯蔵装置である。例えば、現在の鉛蓄電池はセル電圧あたり約１．５Ｖを生成する一方で、リチウムイオンバッテリは３．０Ｖをわずかに超える電圧を生成し得る。いずれの場合も、電気自動車又は同様の用途で１２Ｖ、２４Ｖ、４８Ｖ又は数百ボルトなどの有用なコモン電圧を達成するため、バッテリはスタックされなければならない。したがって、高い電力需要を満たすためには、並列バッテリスタックが使用される必要があり得る。
【0006】
[0006] 一方で、コンデンサは、非常に高い電圧を貯蔵することができる。同様の回路原理が適用される一方で、コンデンサの貯蔵電圧は一般にその絶縁破壊電圧によってのみ制限される。したがって、仮想の１０００ボルト、１．０ファラッドのコンデンサを使用すると、このコンデンサは（Ｃ×Ｖ２）／２又は５００ｋＪ（キロジュール）を貯蔵することができるが、漸近放電曲線は、３７５ｋＪ（７５％）のエネルギーを抽出するためにその電圧が５００Ｖ（５０％）まで減少することに留意されたい。言い換えれば、コンデンサの場合、エネルギーが高いほど、電圧の降下がより多種多様になり、また、コンデンサの電圧を変換するためにバッテリエネルギーコンバータが使用された場合、変換の効率はさらに低下する。したがって、広い電圧範囲で動作するコンデンサエネルギーコンバータを単に設計するだけでは十分ではなく、広範囲の電圧にわたる有用な電圧にエネルギーを効率的に変換するエネルギーコンバータを設計することが十分である。
【0007】
[0007] 超コンデンサは概して、他のコンデンサよりもはるかに高い貯蔵値、おそらく電解コンデンサよりも単位体積あたり数千倍のオーダで多くのエネルギーを有するが、電圧制限が低いコンデンサを具体化する。超コンデンサの１つの有利な使用法は、ディーゼル（又は他の燃料タイプ）発電機セットによって充電される高電圧（又は「ＨＶ」）コンデンサバンクとしてである。エネルギーが高電圧（ＨＶ）コンデンサバンクを介してそのサービス電圧（又は「ＳＣ」）コンデンサバンクに変換されるとき、発電機セットはその最も効率的なＲＰＭで充電する一方で、サービスバンクは、ほぼ同じ効率でその負荷を０．０～１００％まで供給する。このようにして、発電機セットは、常にその最大効率で稼働し、かつ、発電機セットの様々なＲＰＭ、及び、様々な負荷条件で通常被る関連の効率の低下を克服するのに役立つ。図１Ａは、現在知られているように、典型的な発電機セットの効率対燃料消費量を示している。図１Ａのグラフ１００に示すように、負荷のパーセンテージ（水平軸）を示す効率曲線１０２は、特定の燃料消費１０４のレベルの減少に対して上方に上昇する。
【0008】
[0008] 現在採用されているように、バッテリ高出力メガジュール（ＭＪ）エネルギー変換システムは、様々なスイッチング及び線形構成で一般的に知られている。例としては、１）スイッチングコンバータ又はいわゆる「降圧コンバータ」、２）変圧器ベースのリニアコンバータが含まれる。高エネルギー容量性エネルギー変換の場合、直接指数関数的に容量性の下降エネルギー放電電圧がバッテリシステムの概してフラットライン放電電圧と相関しないので、スイッチングコンバータの効率が大幅に低下する。一方で、変圧器ベースのシステムを組み込んだメガジュールサイズの変換線形回路は、前述の同じ効率上の欠陥を被るだけでなく、とりわけ、これらの用途のために温度制御された大きなコンポーネントを必要とすることがよくある。さらに、上記の制限に加えて、リニアコンバータ及びスイッチャコンバータの両方が、動作するためにＤＣから周波数への変換とＤＣへの変換を必要とする。これらの種類の効率を制限する変換は、以下に開示される実施形態には現れない場合がある。
【0009】
[0009] 米国特許第９，２８７，７０１号及び第９，７１３，９９３号（これらは両方とも本願の譲受人に譲渡され、かつ、それらの全体が本明細書に組み込まれる）に開示されたもののような現在の開発は、それへの電気的損失の相応の減少を伴う変圧器と周波数成分とを排除することによるなど、スイッチングの数の必要性を最小限に抑える改善されたシステムをもたらした。その結果、これらの解決策は、高電圧コンデンサエネルギー貯蔵スイッチ及びサービス電圧（ＳＶ）コンデンサバンクに給電するインダクタを備える必要なコンポーネントを最小限に抑える。
【0010】
[0010] しかしながら、インダクタに高電流を流すと、逆起電力とそれに関連するスプリアス電圧とが破壊され、他の悪影響が生じる可能性があることも知られている。接地（並列）回路又は非接地（直列）回路のいずれかで構成されている場合でも、インダクタ全体で１．０Ｈ（ヘンリー）でわずかな５０Ａを短時間（例えば、１０ミリ秒）切り替える例を検討する。スイッチが開くと、電流は５０．０Ａから０．０Ａに急激に降下する。この急激な電流の減少は、最大５０００ボルトの逆起電力に相当し得る。これを微分形式でキャストすると、式１．０が得られる。
【0011】
[0011] この点は、静的な仮定の場合に基づいていることに留意されたい。より現実的な現実世界の状況では、動的（静的と比較して）インダクタンスＬは、連続的に変化する量であり、かつ、Ｂ／Ｈ（又はＢ－Ｈ）曲線対透磁率μ対電流Ｉに完全に依存する。この動的関係が図１Ｂに図表に示されており、図１Ｂは、磁束密度１１４、透磁率１１２及び磁化力１１６の異なる値についてのＢ／Ｈ曲線１２０及び透磁率曲線１１８を示している。Ｂ／Ｈ曲線１２０は、特定の材料の磁束密度（Ｂ）１１４及び磁場強度（Ｈ）１１６の間の関係を示している。これらの値は、Ｂ＝Ｈμｍの関係を通じて、材料の磁化Ｍによって相互に関連している。したがって、式１．０に暗示され得る初期透磁率（μｉｎｉｔｉａｌ）は、いくつかのＢ／Ｈμの図解の１つにすぎない。例えば、ある参考文献（McLyman）には、μΔ、透磁率の増分、及び、μｍａｘ、最大透磁率などの、材料に敏感な１ダース以上の図解が記載されている。
【0012】
[0012] 概して、エネルギーの効率的な変換を提供するため、高エネルギー／高電圧貯蔵システムは、逆起電力、熱負荷及び他の同様の影響による重大な悪影響を克服するメカニズムを必要とする。したがって、必要とされるものは、インテリジェントな監視、制御及びスイッチング方式を有する高度なコンデンサ及びインダクタデバイスを採用して、高レベルの生成エネルギーを有用な電圧に効率的に変換するエネルギー変換システムである。
【0013】
[0013] 背景技術セクションで論じた主題は、背景技術セクションでの言及の結果としての単なる先行技術であると想定されるべきではない。同様に、背景技術セクションで言及した又は背景技術セクションの主題に関連する問題は、先行技術で以前に認識されてきたものと想定されるべきではない。背景技術セクションの主題は、単に異なるアプローチを表しており、それ自体が発明であり得る。
【図面の簡単な説明】
【0014】
[0014] 以下の図面では、同一の参照番号は同一の構成要素を示している。図面は様々な例を示しているが、本明細書に記載されている１以上の実施形態及び実装は、図面に示されている例に限定されない。
【0015】
【図1A】[0015] 現在知られている、典型的な発電機セットの効率対燃料消費を示している。
【図1B】[0016] 磁束密度及び磁化力の異なる値に対するＢ／Ｈ曲線及び透磁率を示している。
【図2】[0017] ある実施形態における、バイファイラ巻線インダクタによって形成されたソースＥＭＦの推定波形２００を示している。
【図3】[0018] ある実施形態における、容量性貯蔵システムを使用する高電圧充電システムの全体図である。
【図4】[0019] ある実施形態における、バイファイラ又はマルチファイラ巻きフェライトトロイドインダクタを組み込んだ高電圧高エネルギー容量性変換システムを示している。
【図7】[0023] ある実施形態における、監視制御、スイッチング及びＳＶバンクへのインダクタ接続のブロック図である。
【図8】[0024] ある実施形態における、ＨＶバンクセクションの例示的なスイッチングトポグラフィを示している。
【図10】[0027] ある実施形態における、Ｓ１スイッチを通じてＨＶコンデンサバンクを充電するためのタイミング図である。
【図11A】[0028] ある実施形態における、バイファイラインダクタを通じてＨＶ容量性バンクからＳＶバンクに電力を変換する全体的な方法を示すフローチャートである。
【図11B】[0029] ある実施形態における、スイッチアレイを通じて各々２つのセクションを有する２つのＨＶ容量性バンクを充電する方法を示すフローチャートである。
【図12】[0030] ある実施形態における、容量性変換システムで使用されるトロイダルバイファイラインダクタを示している。
【図16】[0034] ある実施形態における、電位計プローブを有する監視制御回路を示している。
【図19】[0037] 一実施形態における、Ｓ１スイッチのスイッチングのための１ボルトの増分でのＳＶバンクの増加及びＨＶバンクの対応の減少を示すタイミング図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
[0038] 記載された実施形態の原理を示す添付の図とともに、１以上の実施形態の詳細な説明が以下に提供される。本発明の技術の態様は、そのような実施形態に関連して説明されるが、任意の一実施形態に限定されないことを理解されたい。むしろ、本範囲は特許請求の範囲によってのみ限定され、かつ、記載された実施形態は、多数の代替物、修正及び同等物を包含する。例示の目的のために、これらの特定の詳細の一部又は全部がない状態で特許請求の範囲に従って実施され得る、記載された実施形態の完全な理解を提供するために以下の説明に多数の特定の詳細が記載される。明確化のため、実施形態に関連する技術分野において知られた技術項目は詳細に記載されていないので、記載された実施形態は不必要に不明瞭にならない。
【0017】
[0039] 記載された実施形態は、プロセス、装置、システム、より大きなシステム内のデバイス又はコンポーネント、方法又は製造品としてを含む、多くの方法で実施されることができることを理解されたい。
【0018】
[0040] 実施形態は、高度な容量性及び誘導性コンポーネント並びにインテリジェントな監視、制御及びスイッチングメカニズムの使用を通じて、高エネルギーレベルで生成された電気エネルギーを有用な電圧に変換する電気コンポーネント及び回路に向けられている。実施形態は、逆起電力及び熱負荷などの破壊的影響を最小限に抑える又は打ち負かすために、マルチファイラ巻線を有するインダクタ又は誘導回路にも向けられている。こうしたインダクタは、高電圧（ＨＶ）コンデンサバンクに結合された充電回路、高電圧をインダクタにスイッチングするためのスイッチング回路、及びサービス電圧（ＳＶ）コンデンサバンクを充電するための出力回路を備える発電機セット装置で使用されることができる。ＳＶバンクは、負荷がかかっている場合にのみアクティブになってもよく、かつ、制御回路は、スイッチが特定の電圧制限の間で動作するようにＳＶバンクを監視する。インダクタは、効果的なエネルギー処理を改善するマルチファイラ巻きトロイダルインダクタを備えてもよい。
【0019】
[0041] 発電機セットは、発電機及びエンジン（又は他の電源）を組み合わせて単一ユニットを形成する。発電機は、電磁誘導のプロセスを使用して動作し、このプロセスでは、ソースが磁場内で導電体を移動させ、その間に電流を生成する電圧差を作り出すことによって電荷の流れを誘導する。エンジンは、ディーゼル、ガソリン、プロパンなどの燃料を燃焼させてもよい。発電機セットは、実用的な規模で構築されることができ、かつ、連続負荷の提供、バックアップ生成、ピークシェービング又はポータブル使用など、様々な用途向けに設計されることができる。
【0020】
[0042] インダクタは多くの回路用途を有している。その用途のうちの１つはエネルギー貯蔵装置である。したがって、インダクタは任意の数の形状で構成されてもよい。いくつかは、複数のコイル、複数のコア又はそれらの組み合わせなど、より複雑なインダクタが構築され得るように、形状の組み合わせであってもよい。その周りにワイヤが巻かれるコアは、空気又は磁性材料であってもよい。インダクタは、マイクロスケールからメガスケールまで（例えば、建物のサイズのオーダで）構築されることができる。サイズを決定するのは、一般的にインダクタの電圧対電流関数である。
【0021】
[0043] 説明したように、インダクタは多面的である。インダクタには、単純なシングルコイルインダクタとは対照的に、様々な構成で複数のワイヤが巻かれてもよい。概して、これらはマルチファイラ巻線と呼ばれる場合がある。この命名法では、二重巻線インダクタがバイファイラと呼ばれる場合があり、三重巻線インダクタはトリファイラと呼ばれる場合があり、また、四重巻線インダクタはクアッドファイラと呼ばれることもある。
【0022】
[0044] インダクタ／変圧器の設計における別の重要なパラメータは、磁束飽和Ｂｓａｔである（例えば、Ｃｏｌｏｎｅｌ ＭｃＬｙｍａｎ、２０１１年、１～８ページ、以下参照、ＣＲＣプレス）。この点、磁性材料は、フェライト、粉末、鉄合金などのいくつかの媒体カテゴリに分類され、各々典型的なＢｓａｔ点を有する。これらの材料のうち、フェライトはとりわけ最も低いＢｓａｔを有し得る。ＭｃＬｙｍａｎはさらに、他のそのような材料と比較して、どの磁性材料が特定のパラメータ上の利点を有するかをさらに列挙している。例えば、フェライトの特定の有能な品質が、Ｂｓａｔ及びキュリー温度が比較的低いにもかかわらず望ましい場合がある。したがって、フェライトは特定の優れたパラメータを有している可能性があるが、最も低いＢｓａｔを有している可能性がある。
【0023】
[0045] 高電流に対するフェライトの低いＢｓａｔ点を緩和する１つの可能な方法は、磁気構造にギャップを挿入することであり得る。より具体的には、トロイダル形態などの特定の磁気構造がギャップ構成に役立ち得る。したがって、特定の実装では、トロイダルフェライトが最も有利な構成であり得る。
【0024】
[0046] 別の可能な設計アプローチは、マルチファイラ巻線を採用することであり得る。例えば、バイファイラリレー巻線である。さらに、これは逆起電力の影響を軽減するのに役立つ。逆起電力は、一般に、誘導された電流の方向に対抗する誘導電磁力（ＥＭＦ）のことを示し、かつ、大規模発電機セットなどの高エネルギー用途における誘導回路の静的及び動的動作の両方に関して重要な問題である。一実施形態では、バイファイラ巻きフェライトトロイドインダクタを使用して、記載された実施形態の特定のデバイス及び回路における逆起電力を改善する。この減少した逆起電力は、ＡＣ又はＤＣ励起の場合に、スナバ回路によって短絡又は接続されるバイファイラ巻線のうちの１つによってさらに有効にされる。
【0025】
[0047] バイファイラ巻きフェライトトロイドインダクタの特定のテストでも、フェライトの低飽和点Ｂｓａｔに関して見られ得るように、重要なコンパニオンの利点が明らかになった。
【0026】
[0048] 高エネルギー、高電流（すなわち、高エネルギー）用途では、磁気構造は式２．０によって設定された制限内に収まる必要がある。
【0027】
[0049] 式２．０では、エルステッド（Ｏｅ）の左辺のＨはソースＥＭＦに等しい。右辺は、センチメートルのトロイドの円形サイズｌｅを、巻線数×ピーク電流Ｎ×Ｉの積で割った関係に等しい（注：０．４πは記数法の変換を表す）。例えば、Ｉ＝１００Ａの場合、Ｈは、７０代のＯｅで現れ得る。ここで、フェライトは約１５Ｏｅで飽和する。特定のテストは、Ｂｓａｔ点の３倍のピーク電流であると考えられたもので飽和を示さなかったが、代わりに、実際のピーク電流はＢｓａｔ点の内側にあることが判明した。この効果は、ＳＶバンクの静電容量に、バイファイラ巻線によって追加された静電容量を加えたものに起因する。
【0028】
[0050] 図２は、ある実施形態において、バイファイラ巻線によって形成されたソースＥＭＦの推定波形を示している。曲線２００の波形は、パルス（又は方形）波（通常は数ミリ秒ごと）を生成するＳＶバンク負荷スイッチＳ１によってスイッチを入れられる。バイファイラ巻きフェライトトロイドインダクタＬ１の両端の電流はＳ１＝Ｔ０でゼロであるので、「平均」、「中央値」及び「モード」とラベル付けされているように、Ｘ＝０から（３つのうちの）１番目及び２番目の垂直点までに傾きが形成されていることがわかる。。電流Ｉは、Ｌ１を流れ始めると、１）銅巻線、２）誘導性リアクタンス、及び３）静電容量の合計によって形成された様々な抵抗を克服しなければならない。波形２００の傾きはこれらの成分のベクトル和を表す。主成分はその静電容量の合計であり、これは主に（排他的ではないが）ＳＶバンクと、バイファイラ巻線によって生成される追加の静電容量と、を備える。
【0029】
[0051] 曲線２００の波形の傾きは、時間の経過に伴うエネルギーの積分であり、以下の式３．０で与えられるものに近似する。
【0030】
[0052] 波形の傾きのピーク電流は、仮想の静的計算が示すよりもはるかに小さい。したがって、バイファイラ巻線インダクタ（Ｌ１）は２つの属性を提供する。バイファイラ巻線インダクタ（Ｌ１）は、第１に、逆起電力を軽減し、第２に、ＳＶコンデンサバンクに結合された時にＢｓａｔの内部のエネルギー変換を増加させる。
【0031】
[0053] 特定のテストでは、インダクタの動作中に温度上昇がほとんど又はまったくないことも示した。まず、フェライト銅線巻きトロイドでは、一次抵抗は銅線からのものである。数学的には、温度上昇は、電流（Ｉ）の２乗に銅線抵抗を掛けたものに、インダクタを流れる電流の時間を掛けたものすべてを容量で割ったものに等しい。したがって、式４．０に示す。
【0032】
[0054] この温度上昇効果の抑制は断熱負荷として表される。すなわち、変換されるエネルギーの時間は、熱分散を引き起こさないように非常に短い。したがって、前述の２つの属性に加えて、与えられたフェライトは相対的に低いキュリー温度点を有し、断熱負荷の第３の重要な属性が提供される。
【0033】
[0055] 断熱負荷に関しては、電圧振幅Ｖを通じて容量性負荷Ｃを充電する場合、定電圧源を使用する従来の充電回路が、Ｅｄｉｓｓ＝［（Ｉ２Ｒ）（デューティサイクル）]で与えられるようにエネルギーを放散することが知られている一方で、コンデンサＣに即した抵抗Ｒを有する定電流源を使用する理想的な断熱充電回路は、Ｅｄｉｓｓ＝Ｉ２Ｒｔ＝（Ｑ２Ｒ）／ｔ＝ＣＶ２（（ＲＣ）／ｔ）で与えられるようにエネルギーを放散する。したがって、理論的には、断熱充電は、従来の充電のエネルギー効率を０．５（ｔ／（ＲＣ））の倍率で改善する。
【0034】
[0056] さらに、断熱負荷、インダクタの特定の実施形態の有効性、及びＳＶバンク統合に関して、フェライトなどの特定の磁性材料は比較的小さな電流で飽和する。次に、フェライトなどの特定の磁性材料は、事実上、渦電流をほとんど又はまったく生成しないため、効率を向上させる。高エネルギーの変換（メガジュール超えなど）では、大電流が必要とされ、このことは、そうした効率的な磁性材料の使用を妨げているように見え得る二分法である。しかしながら、効率の低い磁性材料になると、メガジュール変換はかなりのエネルギー損失にさらされることになる。この点を強調すると、５％の損失（９５％の効率）はメガジュールレベルの損失を意味する。飽和曲線にはいくつかの要因がある。例えば、フェライトトロイド巻きコアの小さな開口部（ギャップ）は飽和曲線を延長し、電流許容誤差を改善する。もう１つは、メガジュールエネルギー源をコンデンサストレージバンクに変換することによるなど、インダクタの静電容量によるものであり得る。確かに、インダクタの静電容量が大きいと、高電流Ｉが許容され得る。
【0035】
[0057] 例示的な実施形態では、サービス電圧コンデンサバンク（ＳＶバンク）は、充電サイクルＶＤＣによって１１７．５ＶＤＣの電圧に設定される。すなわち、サービス電圧コンデンサバンク（ＳＶバンク）は、１２６ＶＤＣに充電され、その後、５秒かけて負荷に放出される。サービス電圧コンデンサバンク（ＳＶバンク）は、その後、数パルスで約１１４ＶＤＣに再充電され、１２６ＶＤＣに戻る。言い換えると、ＳＶバンク静電容量は、１２６ＶＤＣと１１４ＶＤＣとの間で５秒間動作する実施形態のように、その設計負荷が、各パルスが電圧を１２６ＶＤＣまで約１ボルト戻すように設定されるパルス列を有する値に設定される。パルス幅は数ミリ秒まで短縮される。これにより、断熱負荷デューティサイクルのシークエルが有効になる。断熱負荷効果にもかかわらず、前述のパルスの実施形態は、同様に、いわゆる圧縮電流をもたらし、メガジュールの高電流値は、より小さなゲージの銅巻線で変換され得る。前述の圧縮電流効果、そして最も重要なことに、比較的大きな電流Ｉによる断熱負荷にも関わらず、パルスプロセス全体を通じて曲線を飽和以下に平坦化する。特定のテストが、インダクタの動作中に温度上昇がほとんど又はまったくないことも示した。まず、フェライト銅線巻きトロイダルインダクタでは、主な抵抗は銅線からのものである。数学的には、温度上昇は、電流（Ｉ）の２乗に銅線抵抗を掛け、インダクタを流れる電流の時間を掛けたものすべてを容量で割ったものに等しい。したがって、上記の式４．０に示す：ΔＴ＝Ｉ２ＴΔｔ／Ｃ。この式は、静電容量によって制限されるソースの間の関係を説明しており、温度上昇効果は断熱負荷の結果となる。
【0036】
高エネルギー容量性変換システム
[0058] 実施形態は、逆起電力を低減し、高電流積分を提供し、かつ、断熱負荷問題を低減して高エネルギー高電圧コンデンサシステムからのサービス電圧コンデンサバンクを通じた有用な電圧へのより効率的な変換を可能にする、バイファイラ又はマルチファイラ巻きフェライトトロイドインダクタを組み込んだ高電圧、高エネルギー容量性変換システムを含む。インダクタの構成及び特性に関する詳細は、この説明の後半で、図１２～図１５に関して提供される。
[0058] 実施形態は、逆起電力を低減し、高電流積分を提供し、かつ、断熱負荷問題を低減して高エネルギー高電圧コンデンサシステムからのサービス電圧コンデンサバンクを通じた有用な電圧へのより効率的な変換を可能にする、バイファイラ又はマルチファイラ巻きフェライトトロイドインダクタを組み込んだ高電圧、高エネルギー容量性変換システムを含む。インダクタの構成及び特性に関する詳細は、この説明の後半で、図１２～図１５に関して提供される。
【0037】
[0059] このインダクタを含む容量性変換システムは、メガジュール（ＭＪ）システムと呼ばれることがあり、かつ、高電圧コンデンサシステムからのエネルギーを効率的に変換する電力変換器ユーティリティソリューションを表す。容量性変換システムは、バッテリを使用するとともに降圧コンバータなどのスイッチングコンバータを採用する既知の従来技術のシステムに対して大きな利点を提供する。上述したように、これらのシステムは、高電圧ストレージ側からロードドライバ線形サービス電圧まで大量のエネルギーを計測することができる容量性変換システムによって克服される欠点を有する。
【0038】
[0060] 図３は、ある実施形態における、容量性ストレージシステムを使用する高電圧充電システムの全体図である。システム３００全体は、２つのバンクＡ及びＢを備えてもよい高電圧コンデンサバンク３０４のための充電システムを含む。実施形態は、発電機セットによって動作するように構成されるが、ＥＭＦの任意のソースが使用されてもよい。
【0039】
[0061] ＨＶバンク３０４は、充電パス３０１を介して発電機セット３０２によって充電される。発電機セット３０２は、ディーゼル、ガソリン、プロパン、天然ガスなどによって駆動される発電器を加えた任意の適切な内燃機関（ＩＣＥ）であってもよく、かつ、通常、吸引又は過給（例えば、ターボ又は過給）されてもよい。燃料電池又はバッテリなど、任意の他の実行可能な電源によって実装されてもよい。発電機セットは、ＨＶバンクＡ及びＢを充電することができる単純な線間電圧（例えば、１１５ＶＡＣ）電源であってもよい。発電機セット３０２及びＨＶコンデンサバンク３０４は、バンク３０４が比較的短時間、すなわち、分や時間ではなく秒のオーダで充電されることができるように構成及びペアリングされるべきである。
【0040】
[0062] 一実施形態では、ＨＶバンク３０４は、１～１０メガジュールのオーダの静電容量を有する超コンデンサに基づくが、実施形態はそのように限定されない。電解コンデンサなどを含む、用途及び設置の規模に応じた適切なコンデンサが使用されてもよい。セラミックコンデンサなど、開発され得る他のコンデンサも可能である。一実施形態では、ＨＶバンクは２つのバンク（Ａ及びＢ）に分割されてもよく、各バンクは、例えば、１８０ＥＡのスタックされた４０００Ｆ×２．８５Ｖの超コンデンサセルを包含してもよい。一実装例では、この配置により、３ＭＪの静電容量のために２２．２２Ｆで５１０Ｖの完全充電を生じさせる。空乏（５０％電圧、２５０Ｖ）では、エネルギーのおよそ７５％（又は２．１ＭＪ）がＨＶバンクから変換される。この時点（約２５０Ｖ）で、現在のＨＶバンク（Ａ又はＢ）が充電を開始し、かつ、負荷が他方のバンク（Ｂ又はＡ）に切り替えられる。上記値は一例に過ぎず、実施形態はそのように限定されない。用途の要件及び制約に応じて、ＨＶバンクの適切な構成、サイズ、組成及び静電容量が使用されてもよい。
【0041】
[0063] システム３００に示すように、ＨＶコンデンサバンク３０４は、監視制御（ＳＣ）回路３０６を通じてサービス電圧（ＳＶ）コンデンサバンク３０８に結合される。ＳＣ回路３０６は、システム内のスイッチングを制御し、かつ、コンポーネント間で信号をルーティングする電子制御モジュールである。一実施形態では、スイッチングはパルスジェネレータによって制御され、かつ、ＳＣユニットは、スイッチングでプログラム可能な制御を提供するための１以上のプロセッサを含んでもよい。
【0042】
[0064] 一実施形態では、ＳＶバンクはまた、ＨＶバンクのものと同様の超コンデンサを備える。しかしながら、ＳＶバンクにはコンデンサのうちの１つのバンクしか通常は提供されない。代替的に、必要な出力電圧及び負荷レベルに応じて、任意のタイプのコンデンサ又はコンデンサのセット／アレイがＳＶバンクに使用されてもよい。
【0043】
[0065] 概して、スイッチは、機械式スイッチ、ソリッドステートスイッチ、並びに／又は、ソリッドステート及び機械式スイッチの組み合わせのうちのいずれか１以上を指す。本明細書で使用される場合、スイッチは、第１端子及び第２端子並びに制御端子を含む。制御端子が閉状態である時、第１端子及び第２端子は接続される又は閉じられる。制御端子が開状態である時、第１端子及び第２端子は開いている又は接続されていない。
【0044】
[0066] ＳＶコンデンサバンク３０８の放電側は負荷３１２を駆動する。任意選択的なＤＣ電圧レギュレータ３１０が提供されてもよい。こうしたコンポーネントは、負荷を駆動するためのＤＣ－ＡＣインバータを含んでもよい。
【0045】
[0067] 図４は、図３のＨＶ充電システムのより詳細な図である。図４は、ある実施形態における、バイファイラ又はマルチファイラ巻きフェライトトロイドインダクタを組み込んだ高電圧高エネルギー容量性変換システムを示している。図４に示すように、容量性変換システム４００は、発電機セット４１０によって充電されるＨＶ静電容量バンクの２つのバンクＡ及びＢ（４０２、４０４）を備える。全体的な監視制御機能（図３の３０６）は、ＨＶ（高電圧）制御ユニット４０８とＳＶ（サービス電圧）制御ユニット４１４との間で分割される。バンクＡ４０２とバンクＢ４０４との間のスイッチングは、監視制御機能のＨＶ制御部分４０８によって制御されるバンクスイッチングユニット４０６によって制御される。物理スイッチＳ４（４１２）は、監視制御ユニット４０８からの制御信号に応答して、バンクＡとバンクＢとの間をスイッチングする。図４の実施形態は、スイッチＳ１（４１６）及びＳＶ制御ユニット４１４によって制御されるインダクタＬ１（４１８）を含む。ＳＶ制御ユニット４１４はＳＶバンク４２０の負荷４２２への結合も制御する。
【0046】
[0068] 一実施形態では、システム４００は、高電圧（ＨＶ）ストレージ側から負荷電圧まで、スイッチＳ１、３１６を介してエネルギーを測定する。バッテリベースの電力変換器などの以前のシステムでは、通常、スイッチングコンバータ又は降圧コンバータが使用される。しかしながら、上述したように、降圧コンバータは固定周波数を特徴とする一方で、図４の高電圧高エネルギー容量性変換システムの実施形態は、この固定周波数成分を除去する。
【0047】
[0069] 命名法に関しては、式５．０に示すように、システム４００で変換され、かつ、ジュール（Ｊ）で測定されるエネルギーは、推定比誘電率×電圧の２乗×静電容量のすべてを２で割ったものに等しい。
【0048】
[0070] システム４００では、エネルギーは、スイッチの開状態又は閉状態によって制御されるように、スイッチＳ１によって計測される。スイッチＳ１がオンになる時、ＨＶバンク４０２／４０４がインダクタＬ１（４１８）に接続される。電圧降下の量の差は、Ｓ１がオフにされた時にそのように変換されたジュール量にほぼ等しい。これを式４．１に示す。
【0049】
[0071] ＨＶバンク又はＳＶバンクのいずれかの測定された電圧（式５．１の右辺、Ｊｃｏｎｖｅｒｔｅｄ）は、Ｓ１が開いている（又はオフになっている）場合の相対電圧として式５．０に従って定義される。言い換えれば、相対電圧は瞬間的な静的電圧に等しくなる。対照的に、Ｓ１が閉じられている（有効になっている）時、ＨＶバンク又はＳＶバンクのいずれかの測定された電圧は、式５．０に従ってカイネティック電圧として定義される。この実施形態では、Ｓ１は、ＳＶバンクに負荷がかかっている時（すなわち、負荷４２２に接続されている時）にのみ閉じられる。
【0050】
[0072] 瞬間的な静電圧に関して、高エネルギー高電圧コンデンサバンクは超コンデンサとしてのみ利用可能であるので、そうした超コンデンサは、明確な連続的な静的リーク電流を有する。その結果、少量の電流が継続的に漏洩するので、連続的な電圧測定（例えば、６．５桁のＤＶＭなどの長いメータによる）は、同等の電圧損失を示し、相対電圧が瞬間的な静的測定に等しいことを意味する。
【0051】
[0073] 説明の目的で、「測定」は、特定のデューティサイクルの計算された特定のパルス幅に対して閉じられたスイッチＳ１として定義される。この場合、「計算された」とは、ＨＶ／ＳＶバンク電圧を監視し、かつそれによって適切なＳ１パルス幅を設定するための様々な一般的なデジタル／アナログ回路の計算として定義される。例えば、ＳＶバンク電圧を監視すること、かつ、現在のＨＶバンク電圧を測定することによってＳ１パルス幅を設定すること、かつ、Ｓ１を開くアルゴリズムを通じて電圧を計算すること。その後、ＨＶバンク電圧が測定を通じて使い果たされた時点で、Ｓ１がオフにされる。「一般的な」とは、日常の生産及び使用（例：商業、工業並びに軍事製品及び機器）に組み込まれているアナログ／デジタル回路を意味することに留意されたい。一般的な回路の１つのタイプは、ＳＶバンク電圧を監視し、約１ボルトに等しい電圧を追加し；これにより、測定されたＳＶバンク電圧が測定を通じて増加された時点で、スイッチＳ１がオフにされる。
【0052】
[0074] 図５は、ある実施形態における、図４の監視制御コンポーネントの簡略化された表現を示している。図５の図解５００に示すように、監視制御ユニット５０４は、ＨＶバンク５０２とＳＶバンク５０６との間に配置される。ＨＶバンク５０２は、２つのバンク、バンクＡ及びバンクＢを有し、各々は、いくつかのスタックされた超コンデンサセルを有し、かつ、各バンク間及び各バンク内のセル間でエネルギーを転送するための２セクションスイッチングを有する。ＳＶバンクセクション５０６は、負荷スイッチ５１０を通じて負荷５１２に結合されたＳＶバンクストレージシステム５０８を有する。ＳＶバンク５０８へのエネルギーの転送は、スイッチＳ４及びＳ１並びにインダクタＬ１によって制御される。一実施形態では、Ｌ１は、バイファイラ巻きトロイドインダクタであり、かつ、以下でより詳細に説明される。図５に示す代表的な構成及び動作値のいくつかは、バンクＡ及びＢのセルの数、並びに、ＨＶセクション及びＳＶセクションの電圧レベルが、例えば、提供されるだけであり、かつ、他の値及び構成が使用されてもよい。
【0053】
[0075] 図５に示すように、ＨＶバンク部分５０２は、２つの別個の内部バンクＡ及びＢを備える。これらのバンクの各々は、いくつかのスタックされた超コンデンサを備える。図６Ａは、ある実施形態における、図５のＨＶバンク内の超コンデンサセルの例示的な構成を示している。図６Ａは、１８０セルの例示的な超コンデンサスタックを示している。スタックは、セル１からセル８９まで、かつ、セル９０からセル１８０までの２つの半部分に分割される。これらの２つの半部分は、セクションＡ及びセクションＢとして示される。これにより、各セクションを別個に充電することによりより低い電圧で発電機セット（又は他のＥＭＦソース）がスタック全体を充電することができるようにスイッチング構成が使用されることができるため、充電機能が促進される。スタックのコンデンサの数及び構成は、システムの制約及び要件に応じて異なり得ることに留意されたい。スタックは、実用的な数のセルを包含することができ、かつ、セルを分割するセクションの数も、発電機セットの電力及び充電要件に応じて変化し得る。例えば、セルは４つのセクション又は８つのセクションなどに分割されることができる。
【0054】
[0076] ＨＶバンク５０２で使用される超コンデンサは、活性化炭素電極又は誘導体を有する二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）、遷移金属酸化物を有する疑似コンデンサ、又は高い電気化学的疑似容量を有する導電性ポリマー電極、又は非対称電極を有するハイブリッドコンデンサなど、任意の適切なタイプの超コンデンサであってもよい。図５は、超コンデンサセルのスタックを示しているが、必要な及び／又は所望のストレージ容量を達成する任意の同等の構造が使用されてもよいことに留意されたい。
【0055】
[0077] 図６Ｂは、図６Ａの例示的なコンデンサバンクのエネルギー対電圧の例示的な棒グラフである。図６Ｂに示すように、２５％でのジュールのエネルギーはレベル６１２である一方、５０％での電圧はレベル６１４である。これは、エネルギーに対して発散する電圧振幅があることを示している。すなわち、コンデンサバンク（又は任意のコンデンサ）電圧は、７５％のエネルギー範囲で５０％減少する。
【0056】
[0078] 図７は、ある実施形態における、ＳＶバンクへの監視制御、スイッチング及びインダクタ接続のブロック図である。図解７００に示すように、Ｓ４バンクスイッチは、ＨＶバンクセクションのバンクＡとバンクＢとの間で選択する。このスイッチ設定は、監視制御ユニット７０２からの制御信号とともに、インダクタＬ１ ７０８に係合又はから切り離すスイッチＳ１の状態を制御する。一実施形態では、図７に示すように、インダクタＬ１は（２つのコイルを有する）バイファイラ巻きインダクタであり、かつ、Ｌ１の第２巻線の両端が、短絡される又はダイオード／抵抗ネットワーク（スナバ）に結合されることができる。ＨＶバンクセクションからのエネルギーは、インダクタＬ１（スイッチＳ１が閉じている時）を通じてＳＶバンク７０４に供給され、負荷デマンドスイッチＳ５を通じて負荷７０６に供給される。図７に示すように、ＳＶバンクは、例えば、１１５Ｖ～１２０Ｖに維持される電圧を有する。ＳＶバンクは１２０Ｖで示されており、かつ、充電するためのトリガポイントは１１５Ｖに設定される。図解７００は、１１７．５Ｖ＋／－２．５Ｖで電圧を制御する機能を強調することを目的とした分離量を示している。
【0057】
[0079] 図７はまた、ＨＶバンクのＳ２／Ｓ３スイッチアレイに制御信号を提供するための監視制御ユニット７０２からの制御信号７０１を示している。図５に示すように、ＨＶバンク５０２は、８つのスイッチ機能のセットに分割された２つの別個のスイッチＳ２及びＳ３を包含する。図８は、ある実施形態における、ＨＶバンクセクションの例示的なＳ２／Ｓ３スイッチングトポグラフィを示している。図８は、図５のスイッチング及び発電機セット回路５０２のより詳細な図を表している。システム８００は、２つのＨＶバンクＡ及びＢの構成を示し、各々が、セル１～９０を有するセクション１及びセル９１～１８０を有するセクション２で示されるスタックされた超コンデンサセルの２つのセクションを有する。これは、発電機セット充電器８１０による充電のために４つの別個の領域８０２～８０８を形成する。領域８０２は、Ａバンクのセクション１（Ａ１で示される）であり、かつ、スイッチＳ２Ａ１及びＳ３Ａ１を包含し、；領域８０４は、Ｂバンクのセクション１（Ｂ１で示される）であり、かつ、スイッチＳ３Ｂ１及びＳ２Ｂ１を包含し；領域８０６は、Ａバンクのセクション２（Ａ２で示される）であり、かつ、スイッチＳ２Ａ２及びＳ３Ａ２を包含し；領域８０８は、Ｂバンクのセクション２であり、かつ、スイッチＳ３Ａ２及びＳ３Ｂ２を包含する。スイッチＳ２及びＳ３は、２つのバンクＡ及びＢの各々を、一度に１つのセクションを充電するための２つのセクションに分割する。図８は、発電機セット８１０がバンクＡ、セクション１（Ａ２）を充電する場合のこれらのスイッチのいくつかの例示的な図式の接続を示している。充電機能は、（図７に示すように）その対応のバンクがスイッチＳ４を通じてスイッチＳ１に接続されている間、完全に独立して作動する。バンクの第２セクションは、完全に充電されると、１つのバンク（セル１～１８０）として再接続される。対応の逆電圧が全電圧の約５０％に降下した時点で、その対応のバンクが給電を受け取り、使い果たされたバンクがその後に同じ方法で充電される。
【0058】
[0080] 図９Ａは、ある実施形態において、図８で使用される発電機スイッチの接点割り当てを示す。図９Ａは、例示的な実施形態において、Ｓ２Ａ１、Ｓ２Ａ２、Ｓ２Ｂ１、Ｓ２Ｂ２、Ｓ３Ａ１、Ｓ３Ａ２、Ｓ３Ｂ１、及びＳ３Ｂ２と示される特定の接点の構成と、セクション１及び２へのそれぞれの割り当てと、を示している。
【0059】
[0081] 図９Ｂは、一実施形態において、図８の充電スケジュールの表を示している。この例では、バンクＢの図に示すように、セクション１及び２が直列に接続されている時、バンク全体の電圧は５１０Ｖである。発電機セットは、各セクション（１又は２）に２００Ａを供給し、バンクＡの図に示すように、各々を２５５Ｖに別個に充電する。バンク全体の電圧は５１０Ｖである。５０％まで使い果たされると、バンク全体の電圧は約２５５Ｖである。各セクションは約１２３Ｖ（２５５Ｖの５０％）である。各セクションは、約１２３Ｖから２５５Ｖまで２００Ａで充電される。２つのセクションが単一のバンクに再接続される時、電圧はその後約５１０Ｖに戻される。
【0060】
[0082] 図３に関して上述したように、監視制御回路３０６は、ＨＶコンデンサバンクとＳＶコンデンサバンクとの間のスイッチング回路の制御を同期させるためのパルスジェネレータを含む。図１０は、ある実施形態における、Ｓ１スイッチを通じたＨＶコンデンサバンクを充電するためのタイミング図である。
【0061】
[0083] 波形１００２は、スイッチＳ１がインダクタＬ１を通じて７Ａなどの特定のレベルＴ１の電流をどのようにパルス化するかを示している。図７に関して述べたように、ＳＶバンク７０４は、ＳＶバンク電圧が負荷７０６の両端で放電するように、１１５Ｖ～１２０Ｖに維持される。その時点で、スイッチＳ１は短時間（例えば、数ミリ秒）、又は、ＳＶバンク電圧を１１５Ｖから１１６Ｖに上昇させるのに十分な時間だけ、有効にされる。短い時間（例えば、１００ミリ秒）の後、第２Ｌ１パルスが有効にされ、ＳＶバンク電圧がさらに１ボルト、すなわち１１６Ｖから１１７Ｖに上昇させられる。連続Ｌ１パルスは、ＳＶバンク電圧を１２０Ｖに戻す。これは波形１００８として示され、１１５から１２０Ｖに上昇するＳＶバンク電圧を示している。ＳＶバンク電圧を、完全に充電されたレベルの１２０Ｖに上昇させるための全時間が波形１００４として示されている。波形１００６は、各Ｌ１パルス１００２で減少するＨＶバンク電圧の近似値を表している。特定の電圧レベルを説明したが、実施形態はそのように限定されず、かつ、実際の電圧範囲及び値は、システム構成及び要件に応じて変化し得る。
【0062】
[0084] 図１１Ａは、ある実施形態において、バイファイラインダクタを通じてＨＶ容量性バンクからＳＶバンクに電力を変換する全体的な方法を示すフローチャートである。図１１Ａのフローチャートは、インダクタを通じてＨＶコンデンサバンク及びＳＶコンデンサバンクが結合されて、ＨＶバンクがバンクＡ及びバンクＢに分割された、図５に示すシステムアーキテクチャに関する。図１１Ａのプロセスは、ステップ１１０１で、２つのバンクＡ及びバンクＢに配置された超コンデンサを使用してＨＶバンクセクションを提供又は展開することから開始する。各バンクは、図６Ａに示すような、いくつかのスタックされた超コンデンサセルを備えてもよい。ＨＶバンクは、ステップ１１０３で、バイファイラ（又はマルチファイラ）インダクタを通じて超コンデンサＳＶバンクセクション及び負荷に結合される。インテリジェントに制御された伝送及びスイッチングネットワークを通じて、ＳＶバンクは、どちらが完全に充電されているか、どちらが他方より充電されているかに応じて、ＨＶバンクセクションのバンク（Ａ又はＢ）の１つから充電される。ＳＶバンクは、ステップ１１０５で、ＨＶバンクが使い果たされるまで、このＨＶバンクから充電される。使い果たしは、充電バンクの規定の最小閾値電圧レベル以下の電圧レベルとして定義されてもよい。使い果たされると、ステップ１１０７で、監視コントローラは、使い果たされたバンクから、十分に又は完全に充電されるべき他方のバンクにスイッチングし、ＳＶバンクを充電する。使い果たされたバンクは、ステップ１１０９で、他方のＨＶバンクがＳＶバンクを充電する際に、発電機セット（又は他の電源）によって充電される。ＨＶバンクの電圧レベルは、ステップ１１１１で、使い果たしについて連続的又は定期的にチェックされ、交互の充電及びスイッチングステップが、所望の展開期間にわたって連続的に実行される。
【0063】
[0085] 上述したように、ＨＶバンクは、充電プロセスを最適化するために別々のセクションに分割されてもよい。図１１Ｂは、ある実施形態において、スイッチアレイを通じて各々２つのセクションを有する２つのＨＶ容量性バンクを充電する方法を示すフローチャートである。図１１Ｂのフローチャートは、図５に示すシステムアーキテクチャに関すし、２つのＨＶバンクＡ及びＨＶバンクＢがあり、各々が２つのセクション１及び２を有し、かつ、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３及びＳ４によって制御される。図１１Ｂは、図１１Ａに示すプロセスのもう少し詳細な表現を表している。図１１Ｂのプロセスは、２つのバンクＡ及びバンクＢの電圧レベルを測定することから開始する。この測定ステップは、ステップ１１０２で、ＨＶバンクセクションのいずれかの使い果たされたバンクＡ又はＢをチェックする。その後、ステップ１１０４で、使い果たされたバンク（Ａ又はＢ）はリクエストを発行する。リクエストに応答して、スイッチＳ４は、ステップ１１１０で、使い果たされたバンク（Ａ又はＢ）と充電されたバンク（Ｂ又はＡ）との間をスイッチングする。その後、使い果たされたバンクは、ステップ１１１２で、パルスジェネレータからのＳ１パルスのためにスイッチングされる。その後、ステップ１１０６で、使い果たされたバンクは２つのセクション１及び２にスイッチングされる。これらの測定値は、ステップ１１０８で、２つのセクション１及び２の間で多重化される。これらの２つのセクションについて、ステップ１１０９で、プロセスは、セクション１（ステップ１１４）又はセクション２（ステップ１１６）のいずれかを約１２５Ｖから約２５０Ｖまで充電する。両方のセクションが充電された後、これら２つのセクションは、ステップ１１２０で、互いに再接続される。
【0064】
トロイダルバイファイラインダクタ
[0086] 図７に示すように、インダクタＬ１は、バイファイラ巻きトロイドインダクタである。前述したように、こうしたインダクタは、（１）逆起電力の制限、（２）Ｂ／Ｈ曲線インダクタンスの経時的な膨張、及び（３）断熱負荷の属性を提供する。図１０に示すようなＳＶバンクの充電時間に関して、インダクタＬ１は、ＳＶバンク電圧を１ボルト増分で増加させるための有効時間を最小化するという別の利点も提供する。図５及び図６Ａを参照すると、ＨＶバンクセクションは２つのバンクＡ及びバンクＢに分割される。一実施形態では、各バンクは、１８０個のＥＡスタック４０００Ｆ×２．８５Ｖ超コンデンサセルを包含する。２２．２２２２Ｆで５１０Ｖに完全に充電されると、各バンクは３ＭＪのエネルギーを保持する。使い果たされた時、又は、電圧（２５０Ｖ）の５０％の場合、エネルギーの約７５％（又は２．１ＭＪ）はＨＶバンクから変換される。この時点で、約２５０Ｖで、現在のＨＶバンクが充電を開始し、かつ、負荷が他方のバンクにスイッチングされる。ＳＶバンクの静電容量はＨＶバンクに等しいが、その超コンデンサは、それらがＨＶバンクの場合のように直列ではなく並列に結合される。したがって、ＳＶバンクを約１ボルトだけ上昇させるために、約８ＭＪから１０ＭＪを必要とする。これは、ＳＶバンク電圧を１１５Ｖから１２０Ｖに上昇させることが約４０ＭＪの変換になることを意味する。インダクタＬ１の電流Ｉの従来のパルス変換は数百ミリ秒のオーダである。しかしながら、図２に示すように、ピーク電流は、特異なピーク電流よりはるかに小さくなる。このため、スイッチＳ１は数ミリ秒しかオンにならない。このことは、全体的な充電デューティサイクルがそれに応じて減少されることを意味する。
[0086] 図７に示すように、インダクタＬ１は、バイファイラ巻きトロイドインダクタである。前述したように、こうしたインダクタは、（１）逆起電力の制限、（２）Ｂ／Ｈ曲線インダクタンスの経時的な膨張、及び（３）断熱負荷の属性を提供する。図１０に示すようなＳＶバンクの充電時間に関して、インダクタＬ１は、ＳＶバンク電圧を１ボルト増分で増加させるための有効時間を最小化するという別の利点も提供する。図５及び図６Ａを参照すると、ＨＶバンクセクションは２つのバンクＡ及びバンクＢに分割される。一実施形態では、各バンクは、１８０個のＥＡスタック４０００Ｆ×２．８５Ｖ超コンデンサセルを包含する。２２．２２２２Ｆで５１０Ｖに完全に充電されると、各バンクは３ＭＪのエネルギーを保持する。使い果たされた時、又は、電圧（２５０Ｖ）の５０％の場合、エネルギーの約７５％（又は２．１ＭＪ）はＨＶバンクから変換される。この時点で、約２５０Ｖで、現在のＨＶバンクが充電を開始し、かつ、負荷が他方のバンクにスイッチングされる。ＳＶバンクの静電容量はＨＶバンクに等しいが、その超コンデンサは、それらがＨＶバンクの場合のように直列ではなく並列に結合される。したがって、ＳＶバンクを約１ボルトだけ上昇させるために、約８ＭＪから１０ＭＪを必要とする。これは、ＳＶバンク電圧を１１５Ｖから１２０Ｖに上昇させることが約４０ＭＪの変換になることを意味する。インダクタＬ１の電流Ｉの従来のパルス変換は数百ミリ秒のオーダである。しかしながら、図２に示すように、ピーク電流は、特異なピーク電流よりはるかに小さくなる。このため、スイッチＳ１は数ミリ秒しかオンにならない。このことは、全体的な充電デューティサイクルがそれに応じて減少されることを意味する。
【0065】
[0087] 図１２は、磁気コア１４、磁気コア周りのバイファイラ巻線１２、インダクタ端子ペア（ＩＴＰ）１及びＩＴＰ２と呼ばれる２つの端子ペアを含むＬ１として示される単一コイルインダクタを示し、各端子ペアは、バイファイラ巻線で別個の磁気ワイヤに結合される。ある実施形態では、シングルコイルインダクタは、磁気コア周りに巻線コンポーネントを含み、巻線コンポーネントは、本質的に、ＩＴＰ１及びＩＴＰ２に結合されたバイファイラ巻線から構成されることに留意されたい。
【0066】
[0088] シングルコイルインダクタＬ１は、磁気コア１４周りのバイファイラ巻線１２を使用して、エネルギー変換を促進し、断熱負荷の有効性を改善し、かつ、逆起電力を減少させる。本明細書で使用される場合、バイファイラ巻線という用語は、少なくとも２本の平行な磁気ワイヤを指す。磁気コア１４はトロイダルコアを指す。磁気コア１４は、別個の材料コンポーネントとして配置された、又は、１以上の複合材料コンポーネントとして混合された、１以上の磁性材料から構成されてもよい。別個の材料コンポーネントがある状況では、コアはこれらの別個の材料コンポーネントから形成される。特定の実装形態では、フェライトなどの単一の材料が使用されて磁気コアを製造してもよい。
【0067】
[0089] シングルコイルインダクタは２対の端子：バイファイラ巻線１２の第１磁気ワイヤに電気的に結合された第１端子ペア（ＩＴＰ１）を含む。第２端子ペア（ＩＴＰ２）は、バイファイラ巻線の第２磁気ワイヤに電気的に結合される。第２端子ペアは逆起電力を最小化するように適合される。例えば、第２端子ペアの２つの端子は、逆起電力を最小化するために電気的に結合されてもよい。
【0068】
[0090] 本明細書で使用される場合、バイファイラ巻線１２は平行磁気ワイヤを指し、平行磁気ワイヤは、互いに局所的にすべて平行であり、ワイヤの各々が互いに他方から絶縁材料によって電気的に絶縁されたリボンを形成し得る少なくとも２つの磁気ワイヤを包含する製品を指す。ある実施形態では、磁気ワイヤは、電気絶縁体で個別に被覆されていてもいなくてもよい。磁気ワイヤは、２つの絶縁材料のシートの間に平行に埋め込まれても埋め込まれなくてもよく、これらは一緒になってワイヤと絶縁材料を接合し、平行に接合された磁気ワイヤリボンを形成する。その後、絶縁された磁気ワイヤは、互いに平行に配置されてもよく、かつ、互いに接合されて平行に接合された磁気ワイヤリボンを形成してもよい。磁気ワイヤは、主に金属、例えば銅又はアルミニウムから、２以上の金属の合金から、おそらくアルミニウムの内層及び銅の外層を含む層状ワイヤから構成されてもよい。別の代替の層ワイヤは、銅の内層及びアルミニウムの外層を包含してもよい。
【0069】
[0091] 前述したように、高電流に対するフェライトの低いＢｓａｔ点を軽減する１つの方法は、磁気構造にギャップを挿入することであってもよい。トロイダル磁気構造（マルチファイラ構成のいずれか）はギャップ構成に適している。したがって、一実施形態では、図１２のトロイダル磁気コア１４は、図１３に示すように、ギャップを有するように構成され、図１３は、ギャップ１６を有するトロイダルコアとしての磁気コア１４のいくらかの詳細を示している。ギャップ１６は、フェライトコアの低いＢｓａｔ点を軽減するという有利な効果を最適化するようなサイズを有してもよい。
【0070】
[0092] また、前述のように、バイファイラインダクタの第２巻線の両端は、短絡されるか、又は、ダイオード／抵抗ネットワーク（スナバ）に結合されることができる。図１４は、その２つの端子が第２インダクタ端子ペア（ＩＴＰ２）の端子に結合されたスナバ回路をさらに含む、図１２の装置を示している。スナバ回路は、抵抗器及びコンデンサの直列回路の２つの端子を含む抵抗器及びコンデンサ（ＲＣ）スナバ２０の１以上として実装されてもよく、抵抗器及びコンデンサ（ＲＣ）スナバ２０は、単一コイルインダクタの両端の逆起電力を低減するように集合的に適合される。第１端子ペアに結合するために使用される２つの接点を包含する単一の整流ダイオードを含むダイオードスナバも、シングルコイルインダクタの両端の逆起電力を低減するように適合される。ＲＣＤスナバは、ダイオードと直列に結合された抵抗及びコンデンサの並列結合を含む。ＲＣＤスナバは２つの端子を有する。ＲＣＤスナバの第１端子は、ダイオードに結合されていない抵抗及びコンデンサの並列結合へのものである。ＲＣＤスナバの第２端子は、並列結合には結合されていないダイオードの第２端子へのものである。
【0071】
[0093] 図１５は、逆起電力（ＥＭＦ）を抑制する際のシングルコイルインダクタの有利な効果を示しており、その結果、磁場崩壊の時間が遅延される。ある実施形態では、エネルギー伝送は、磁場が崩壊する前の時間中に動作する。したがって、図１５は、従来の磁場崩壊１５０４と比較した遅延磁場崩壊１５０２を示している。あるさらなる実施形態では、エネルギー伝送は、常に電流が一方向に移動する状態で、時間間隔にわたる小さな電圧差の連続的なインパルスとして実装される。シングルコイルインダクタＬ１を横切って伝送される電気エネルギーの１以上のソースがあってもよい。
【0072】
計測機能
[0094] 動作の過程で、電圧レベル、電流、応答時間などの連続測定が行われ、図１１Ａ及び図１１Ｂに示す充電及びスイッチング機能が最適に実行されることを確実にする。これらの値の正確な測定及び比較を確実にするため、特定の計測／測定（メトロロジ）機能及びコンポーネントが含まれる。一実施形態では、容量性エネルギー変換デバイスの計測機能は、（１）４８Ｖ（又は同様の）超コンデンサスイッチング設定であり得る隔離された低ノイズ電源（ＰＰ－１）、（２）高度に調整された電源電圧ＶＣＣ及びＰＰ－１によって駆動される基準電圧Ｖｒｅｆ（これらの電源は約３５℃で温度制御され得るので、低ｐｐｍの安定性及び精度を生じさせる）、（３）プローブ、及び、（４）上述した回路の論理設計、を備える。
[0094] 動作の過程で、電圧レベル、電流、応答時間などの連続測定が行われ、図１１Ａ及び図１１Ｂに示す充電及びスイッチング機能が最適に実行されることを確実にする。これらの値の正確な測定及び比較を確実にするため、特定の計測／測定（メトロロジ）機能及びコンポーネントが含まれる。一実施形態では、容量性エネルギー変換デバイスの計測機能は、（１）４８Ｖ（又は同様の）超コンデンサスイッチング設定であり得る隔離された低ノイズ電源（ＰＰ－１）、（２）高度に調整された電源電圧ＶＣＣ及びＰＰ－１によって駆動される基準電圧Ｖｒｅｆ（これらの電源は約３５℃で温度制御され得るので、低ｐｐｍの安定性及び精度を生じさせる）、（３）プローブ、及び、（４）上述した回路の論理設計、を備える。
【0073】
[0095] 図５の監視制御機能及びコンポーネント５０４は特定の要素を備える。これらには、多重化スイッチ、いくつか（例えば、３つ）の電位計プローブ、いくつかのＤＡＣ（デジタル－アナログコンバータ）回路、クロックジェネレータ及び特別に設計された電源が含まれる。これらにより、コンデンサの２つのＨＶバンクと１つのＳＶバンクとの動作と、１つのバンクが常に電力を供給できる一方で、他方のバンクが連続的に２つのセクションの発電機セットによって充電されるように、２つのＨＶバンクを交互に配置する動作調整と、を可能にする。
【0074】
[0096] 実際の動作では、ＳＶバンクは１ボルトの増分でシングルパルスＳ１を介して充電される一方で、公称電圧ウィンドウは（この実施形態では）１１５Ｖ～１２０Ｖである。しかしながら、現実の世界では、そのウィンドウは最大１１４Ｖ又は最大１２１Ｖ、若しくは、その他の可能な偏差であってもよい。同じことがＨＶバンク測定にも当てはまる。継続的な電力供給を確保するためにバンクをスイッチングする過程で、５０％の使い果たしポイントが５５％を下回ってもよい。一実施形態では、測定システムは、固定値と比較するためにＤＡＣ回路に給電する電位計プローブを含む。例えば、あるＤＡＣ回路は、その負荷に給電するＳＶバンクを監視する。電圧が１１５Ｖに降下すると、Ｓ１が有効にされる。パルス幅は、ＤＡＣ回路が約１ボルトから１１６Ｖまでの電圧上昇でＳ１をオフにすることによって設定される。任意の整定時間（例えば、５０ミリ秒）が提供され、Ｓ１を約１ボルトから１１７Ｖに、かつ１２１Ｖなどまで再び有効にされることができる。他の同様のＤＡＣ回路が使用されて空乏電圧及び充電電圧を監視することができる。
【0075】
[0097] ＤＣ計測に関して、実際の要件は、２０ｐｐｍ未満のオーダの精度及び安定性を有する電圧比較を行うことである。その理由は、ＨＶバンクが（１０：１）／２にスケールダウンされる必要があり、ＳＶバンクは１０：１にスケールダウンされるからである。したがって、ＤＣ計測グレードの回路が必要である。各ＤＡＣのＶｒｅｆは、２０ｐｐｍ未満より４倍良い必要があり、又は、約５ｐｐｍ以下である必要がある。一実施形態では、これは、２０Ｖに二重にスタックされたカスタム１０Ｖ Ｖｒｅｆデバイスを通じて達成される。これらの回路は、カスタムハウジングによってＥＭＩ（電磁干渉）及び温度を保護されている。
【0076】
[0098] 電位計プローブには、サンプリングコンデンサが使用される。これは、０．２５％ポリ、テフロン又はサファイアの平行板構成であってもよい。サンプリングは、サンプリングコンデンサＣ１１の両側にあるメークビフォアブレークスイッチングシステムを通じて達成される。したがって、これにより、両方のバンクによって発生する可能性のあるすべてのスプリアス電圧からプローブが隔離される。電位計は、Ｃ１１に実質的に電圧負荷をかけることなく、正確な電圧サンプリングを保証する。
【0077】
[0099] 図１６は、ある実施形態において、電位計プローブを有する監視制御回路１６０２を示している。図１６は、それぞれのマルチプレクサスイッチ（Ｍｘスイッチ）を通じて特定のＨＶバンクセクションに結合された２つのサンプリングコンデンサ電位計プローブ１６０３及び１６０４を示している。第３プローブ１６０５は、ＳＶバンクに結合される。図解１６０６は、電位計プローブで使用する特定のＤＡＣ基準回路を示している。
【0078】
【0079】
[00101] 図１８は、一実施形態における、図１６及び図１７のプローブの特定の割り当てを示す表１及び表２を包含する。ある特定の接続が示されているが、実施形態はそのように限定されず、かつ、他の割り当ても可能である。
【0080】
[00102] 図１９は、一実施形態において、Ｓ１スイッチのスイッチングのための１ボルト増分でのＳＶバンク１９０４の増加及び対応のＨＶバンク１９０６の減少を示すタイミング図である。図１９に示すように、クロックジェネレータ１９０２は、プローブＤＲ－３の信号パルスを通じてＳ１を交互に有効化及びオフにする。この図解は、図１８の表２に割り当てられた基準回路に関連している。
【0081】
用途
[00103] 本明細書に記載の電力コンバータの実施形態は、ハイブリッド車両の用途などの様々な異なる用途で使用されてもよい。別の用途は、エレベータバックアップシステムで使用されるものであってもよい。こうしたシステムは、常時オンのプライマリ電源充電器として、完全にパッシブである可能性がある。したがって、それは何年も使用せずに止まっている場合があり；また、定期的な検査及びメンテナンスを必要とするバッテリシステムの代替品とは異なり、容量性ベースのＭＪ電力コンバータではそうした継続的な注意は必要とされない。有効にされたとき、エレベータに障害が発生したり、プライマリ電源又はバックアップ電源に障害が発生したりした場合、そうしたシステムは、エレベータのストールによって閉じ込められた乗っている人が、安全に退出すること及び／又はファーストレスポンダをサポートすることができるようにする。
[00103] 本明細書に記載の電力コンバータの実施形態は、ハイブリッド車両の用途などの様々な異なる用途で使用されてもよい。別の用途は、エレベータバックアップシステムで使用されるものであってもよい。こうしたシステムは、常時オンのプライマリ電源充電器として、完全にパッシブである可能性がある。したがって、それは何年も使用せずに止まっている場合があり；また、定期的な検査及びメンテナンスを必要とするバッテリシステムの代替品とは異なり、容量性ベースのＭＪ電力コンバータではそうした継続的な注意は必要とされない。有効にされたとき、エレベータに障害が発生したり、プライマリ電源又はバックアップ電源に障害が発生したりした場合、そうしたシステムは、エレベータのストールによって閉じ込められた乗っている人が、安全に退出すること及び／又はファーストレスポンダをサポートすることができるようにする。
【0082】
[00104] 電力コンバータの別の例示的な実施形態は、電気自動車のＥＶ充電システムに組み込まれてもよい。この構成では、いくつかの潜在的な用途がある。１つは、道端でのロードサイドアシスタンスのような、道路上での急速充電用である。もう１つは、電力コンバータが充電器の電力を増大させることができる充電器の場所である。例えば、５０ｋＷ ＳＡＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ＤＣ Ｃｏｍｂｏ（ＣＣＳ）充電器ステーション。ＣＣＳに電力変換器によって５０ｋＷを補充することによって、１２ＭＪシステムは充電時間を約半分に短縮する。この実施形態は、電力コンバータが、充電システムを通じて利用可能であるのと同じくらい遅く又は速く充電され得るという点で、別の有益な属性を示している。例えば、１１５ＶＡＣ ＭＰＳ充電電源の場合、本明細書で説明する１分間の充電ではなく、ＭＰＳ電力コンバータを再充電するのにおそらく２分かかる可能性がある。より遅い充電源の場合、電力コンバータはより低いデューティサイクルとなることが分かる。
【0083】
[00105] 一般に、電気自動車の充電ステーションは、３つの基準のうちの１つに準拠している。１)ＳＡＥ Ｉｎｔ’ｌ Ｊ１７７２レベル１及びレベル２；２）ＳＡＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｆａｓｔ Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｍｂｏ（ＣＣＳ）、Ｔｅｓｌａ Ｓｕｐｅｒｃｈａｒｇｅｒ；３）ＣＨＡｄｅＭＯ（日本）。これらの基準は、充電器が自動車メーカのバッテリシステムを安全かつ効率的に充電することを保証するために、様々な国際充電ステーションメーカによってサポートされている。しかしながら、同様に適切であるのは、リチウムイオンサイズ充電と充電時間と間の共通性である。すべてのＥＶはリチウムイオンバッテリの化学的性質を使用しているので、充電器の種類やその基準に関わらず、同じエネルギー定格が適用される。同じエネルギー定格の例として、充電されたバッテリパックの現在のＥＶ範囲は２００マイル強である。そのため、ＧＭ ＢＯＬＴ ＥＶ（ＣＣＳ）、Ｔｅｓｌａ Ｍｏｄｅｌ３（Ｔｅｓｌａ）、又は日産リーフ（ＣＨＡｄｅＭＯ）のいずれであっても、バッテリパックはただしく約６０ｋＷである。そのため、該当する基準がどれであれ、６０ｋＷのバッテリパックを使用する場合、充電量は常に６０ｋＷのバッテリパックに近くなる。この共通性は、部分的に、電力コンバータの充電アプリケーションを定義する。６０ｋＷで７２分間２００マイルのＢｏｌｔ ＥＶ ＣＣＳ充電器定格を使用すると、ＭＰＳ電力コンバータはさらに６０ｋＷを追加し、ＭＳＰ充電の期間の７２分間を半分に短縮することができる。一例として、連続的に充電されるＭＪ ＭＰＳ電力コンバータは、６０ｋＷを３６分間追加することができ；２００マイルの範囲のための元の充電時間（７２分）を半分に短縮する。
【0084】
[00106] 急速充電（例えば、ロードサイドアシスタンスのため）に関しては、３分間の１回充電で約１０マイルの範囲が追加される。これは、高速道路を降りて充電ステーションに向かうのに十分であり得る。充電ステーションのバックアップや、充電ステーションの待ち行列を緩和するなど、別の可能性がある。これらはほんの一部の例示的な用途であり、他の多くの又は同様の用途も使用されてもよいことが理解される。
【0085】
[00107] 実施形態は、２つのバンクＡ及びバンクＢに配置された超コンデンサを使用してＨＶバンクセクションを提供することと、監視コントローラによって制御されるマルチファイラインダクタ及びスイッチング回路を通じて超コンデンサのＳＶバンクセクション及び負荷にＨＶバンクを結合することと、充電バンクが使い果たされるまで、バンクＡ又はバンクＢのより完全に充電されたバンクからＳＶバンクを充電することと、充電バンクを使い果たすと、バンクＡ又はバンクＢの使い果たされたバンクから他方のバンクにスイッチングしてＳＶバンクを充電することと、他方のＨＶバンクがＳＶバンクを充電する際に、使い果たされたバンクを電源によって充電することと、規定の展開期間中、２つのバンク間でスイッチングと充電とのプロセスを繰り返すこととを含む方法に関する。マルチファイラインダクタは、トロイダルフェライトコア周りに巻かれた２以上の独立したコイルを有するトロイダルインダクタであってもよく、フェライトコアはギャップを有してもよい。超コンデンサは、１～１０メガジュールのオーダの静電容量を有してもよい。
【0086】
[00108] 一実施形態では、各バンクＡ及びバンクＢは、１８０個のＥＡスタック４０００Ｆ×２．８５Ｖ超コンデンサセルを包含する。電源は、発電機と、ディーゼル、ガソリン、プロパン又は天然ガスのうちの１つによって駆動される内燃機関と、を含む発電機セットを備えていてもよい。充電バンクの使い果たしは、充電バンクの規定の最小閾値電圧レベル以下の電圧レベルとして規定されてもよい。一実施形態では、各バンクＡ及びバンクＢは、電源による最適な充電のために２つのセクションに分割される。スイッチング回路は、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３及びＳ４で示される４つのスイッチであってもよく、かつ、Ｓ１はインダクタをＨＶバンクに結合し、Ｓ２及びＳ３は各それぞれのバンクＡ及びバンクＢの２つのセクション間でスイッチングし、Ｓ４は、交互バンクスイッチングプロセスのためにＨＶバンクのバンクＡ又はバンクＢ間でスイッチングする。ＨＶバンクＡ及びＢ並びにＳＶバンクの使い果たし及び充電レベルに対して規定の閾値電圧に基づいてＳＶバンクの充電を同期及びトリガするパルスジェネレータがあってもよく、かつ、ＳＶバンクの充電は、ＳＶバンクの１１５Ｖ～１２０Ｖの範囲で１電圧ステップに応答してトリガされてもよい。
【0087】
[00109] 実施形態はさらに、高電流入力エネルギーを有用な電圧レベルに変換するための誘導デバイスに向けられており、誘導デバイスは、トロイダルフェライトコア周りに巻きつけられた２以上の巻線と、２つのバンクＡ及びＢに配置された超コンデンサを使用して、スイッチＳ１を通じてＨＶバンクセクションに結合された入力端子のセットと、ＳＶバンクセクション及び負荷に結合された出力端子のセットと、を備え、ＳＶバンクセクションは、バンクＡ又はＢの相対的な充電レベルに応じて、２つのバンクＡ及びＢのうちの１つによって充電される。フェライトコアは、ギャップを有してもよく、誘導デバイスは、スナバに結合された端子のセットをさらに備えてもよい。一実施形態では、構成コンポーネントは、逆起電力（ＥＭＦ）を低減し、高電流統合を提供し、断熱負荷の問題を軽減し、ＳＶバンク電圧を増大させるための有効時間を最小限に抑え、すべてＨＶバンクからＳＶバンクへのエネルギーのより効率的な変換を可能にするように構成される。
【0088】
[00110] 実施形態はさらに、容量性エネルギー伝送デバイスに向けられており、伝送デバイスは、２つのバンクＡ及びＢに配置された超コンデンサを使用するＨＶバンクセクションと、監視コントローラによって制御されるマルチファイラインダクタ及びスイッチング回路を通じてＨＶバンクを超コンデンサＳＶバンクセクション及び負荷に結合する伝送セクションと、充電バンクが使い果たされるまでバンクＡ又はＢのより完全に充電されたバンクからＳＶバンクを充電し、かつ、充電バンクが使い果たされると、使い果たされたバンクからバンクＡ又はＢの他方のバンクに切り替えてＳＶバンクを充電し、かつさらに、他方のＨＶバンクがＳＶバンクを充電する際に、使い果たされたバンクを電源によって充電する、充電制御パスと、規定の展開期間の間、２つのバンク間でスイッチング及び充電のプロセスを繰り返す制御回路と、を備える。マルチファイラインダクタは、ギャップのあるトロイダルフェライトコア周りに巻かれた２以上の独立したコイルを有するトロイダルインダクタであってもよく、電源は、発電機と、ディーゼル、ガソリン、プロパン又は天然ガスのうちの１つによって駆動される内燃機関と、を含む発電機セットを備える。超コンデンサは、１～１０メガジュールのオーダの静電容量を有してもよく、各バンクＡ及びＢは、１８０個のＥＡスタック４０００Ｆ×２．８５Ｖ超コンデンサセルを包含する。一実施形態では、充電バンクの使い果たしは、充電バンクの規定の最小閾値電圧レベル以下の電圧レベルとして規定され、各バンクＡ及びＢは、電源による最適な充電のために２つのセクションに分割される。スイッチング回路は、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３及びＳ４で示される４つのスイッチであってもよく、かつ、Ｓ１はインダクタをＨＶバンクに結合し、Ｓ２及びＳ３は各それぞれのバンクＡ及びＢの２つのセクションの間でスイッチングし、Ｓ４は、交互バンクスイッチングプロセスのためのＨＶバンクのバンクＡ又はＢの間でスイッチングし、かつ、ＨＶバンクＡ及びＢ、並びにＳＶバンクの使い果たし及び充電レベルの規定の閾値電圧に基づいてＳＶバンクの充電を同期及びトリガするパルスジェネレータをさらに備え、ＳＶバンクの充電は、ＳＶバンクの１１５Ｖ～１２０Ｖの範囲にわたる１つの電圧ステップに応答してトリガされる。
【0089】
[00111] 破壊的な逆起電力を最小化又は打破するためのマルチファイラ巻線を有するインダクタ又は誘導回路の実施形態が概して説明される。インダクタなどは、高電圧（ＨＶ）コンデンサバンクへの充電回路と、そのようなＨＶを磁気構造に切り替えるためのスイッチング回路（Ｓ１）と、サービス電圧コンデンサバンク（ＳＶ）を充電するための出力回路と、を備える発電機セット装置で使用されることができる。ＳＶバンクは負荷がかかっている場合にのみアクティブであってもよく、制御回路は、Ｓ１が特定の電圧制限の間で動作するようにＳＶバンクを監視する。インダクタは、効果的なエネルギー処理と断熱負荷効果とを改善するマルチファイラ巻きトロイダルインダクタを備えてもよい。実施形態は、超コンデンサに蓄積されたエネルギーをマルチファイラトロイダルインダクタにインテリジェントにスイッチングし、高レベルのエネルギーを有用な電圧に変換することを含む。
【0090】
[00112] 特定の実施形態は、特定の例示的な構成及び構成要素に関して説明及び図示されたが、実施形態はそのように限定されず、任意の実際の構成、組成、動作範囲又は構成要素の選択が可能であることを理解されたい。同様に、ある特定の値及び動作パラメータが本明細書に提供される。そのような例は、例示のみを目的としており、実施形態はそのように限定されない。記載された機能を達成するために、任意の適切な代替物が当業者によって使用されてもよい。
【0091】
[00113] 明確にするため、本明細書のプロセス及び方法は、特定の流れで示されたが、本発明の精神から逸脱することなく、他のシーケンスが可能であってもよく、かつ、いくつかは並行して実行されてもよいことを理解されたい。さらに、ステップは細分化又は結合されてもよい。
【0092】
[00114] 文脈上明確に別段の定めがない限り、本説明及び特許請求の範囲全体を通じて、「備える」、「備えている」などの用語は、排他的又は網羅的な意味ではなく、包括的な意味で解釈されるべきであり、すなわち、「含むが限定されない」という意味で解釈されるべきである。単数形又は複数形を使用する用語には、それぞれ複数形又は単数形も含まれれる。さらに、「本明細書で」、「以下」、「上」、「下」という用語及び同様の意味の用語は、本願全体を指し、かつ、本願の任意の特定の部分を指すものではない。「又は」という用語が２以上の項目のリストを参照して使用される時、その用語は、用語の次の解釈のすべてをカバーする：リスト内の項目のいずれか、リスト内の項目のすべて及びリスト内のアイテムの任意の組み合わせ。
【0093】
[00115] 本明細書で引用されているすべての参考文献は、参照により組み込まれることを意図している。１以上の実装は、例として、かつ、特定の実施形態に関して説明されたが、１以上の実装は、開示された実施形態に限定されないことが理解されるべきである。それどころか、当業者には明らかであるように、それは様々な修正及び同様の配置をカバーすることを意図している。したがって、添付の特許請求の範囲は、そのようなすべての修正及び同様の構成を包含するように、最も広い解釈を与えられるべきである。
【図1A】
【図1B】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図10】
【図11A】
【図11B】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】