DE202015105401U1

DE202015105401U1 - Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichung, Anwendungen und Komponenten

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Publication number: DE202015105401U1
Application number: DE202015105401.7U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-10-13
Filing date: 2015-10-13
Publication date: 2016-01-25
Anticipated expiration: 2025-10-14

Abstract

Vorrichtung, die eine Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung aufweist, die einen Eingangs-Gleichstromanschluss, einen gemeinsamen Anschluss und einen Ausgangs-Gleichstromanschluss aufweist, wobei die Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung angepasst ist, um auf einen dynamischen Eingangs-Gleichstrom-Elektrozustand (DES) an dem Eingangs-Gleichstromanschluss zu reagieren, um elektrische Energie über mindestens einen internen DES zu einem dynamischen Ausgangs-Gleichstrom-Elektrozustand (DES) an dem Ausgangs-Gleichstromanschluss zu übertragen, wobei jeder der internen DES im Wesentlichen aus einem Gleichstrom-DES besteht, der angepasst ist, um einen Stromfluss in nur eine Richtung zu bewirken, wobei die Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung eine erste kapazitive Vorrichtung, eine zweite kapazitive Vorrichtung, einen Schalter und eine induktive Vorrichtung aufweist, wobei die erste kapazitive Vorrichtung, die zweite kapazitive Vorrichtung, der Schalter und die induktive Vorrichtung jeweils einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweisen, wobei der Schalter ferner einen Steueranschluss aufweist und der Schalter angepasst ist, um eine Verbindung zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss des Schalters in einem geschlossenen Zustand zu schließen und die Verbindung in einem geöffneten Zustand zu öffnen, wobei der geschlossene Zustand und der geöffnete Zustand die Reaktion auf einen Steuer-DES des Steueranschlusses in Bezug auf den gemeinsamen Anschluss sind, wobei die Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung ferner aufweist, dass der Eingangs-Gleichstromanschluss mit der ersten Anschluss der ersten kapazitiven Vorrichtung verbunden ist und mit dem ersten Anschluss des Schalters verbunden ist, der zweite Anschluss der ersten kapazitiven Vorrichtung mit dem gemeinsamen Anschluss verbunden ist, der zweite Anschluss des Schalters mit dem ersten Anschluss der induktiven Vorrichtung verbunden ist, der zweite Anschluss der induktiven Vorrichtung mit dem ersten Anschluss der zweiten kapazitiven Vorrichtung und mit dem Ausgangs-Gleichstromanschluss verbunden ist und der zweite Anschluss der zweiten kapazitiven Vorrichtung mit dem gemeinsamen Anschluss verbunden ist, wobei die Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung angepasst ist, um zu erfüllen oder zu übertreffen, dass jeder von dem Eingangs-Gleichstrom-DES eine Spannung von mindestens 36 Volt aufweist, der Ausgangs-Gleichstrom-DES eine Spannung von mindestens zwölf Volt aufweist, die erste kapazitive Vorrichtung eine Kapazität von mindestens 500 Mikrofarad mit einer Arbeitsspannung von mindestens 800 Volt aufweist, die zweite kapazitive Vorrichtung eine Kapazität von mindestens 1500 Mikrofarad aufweist, und für eine Energieübertragung zwischen dem Eingangs-Gleichstromanschluss und dem Ausgangs-Gleichstromanschluss mit einer Effizienz der Energieübertragung von mindestens K % angepasst ist, wobei K mindestens 65 beträgt.

Description

Technisches Gebiet
Diese Anmeldung offenbart eine Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung bzw. Nur-DC-Energieübertragungsvorrichtung, eine Energieübertragungssteuereinrichtung, ein Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetz bzw. -netzwerk, Komponenten zur Verwendung in solchen Schaltungen, eine Vorrichtung, die vom Einschließen und/oder Verwenden der Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung und/oder des Netzes profitiert, und Verfahren für den Betrieb der Vorhergehenden in Übereinstimmung mit dieser Erfindung. Die Komponenten können mindestens eine kapazitive Vorrichtung, eine Schaltvorrichtung und/oder eine induktive Vorrichtung aufweisen, sind aber nicht darauf beschränkt, wobei jede von diesen in der Kurzdarstellung und detaillierten Offenbarung definiert und offenbart wird. Die Anwendungsvorrichtung kann ein Hybridfahrzeug, ein Elektrofahrzeug und/oder eine Solarstrom-Vorrichtung aufweisen, ist aber nicht darauf beschränkt. Die Fahrzeuge können ein Personenkraftwagen (Pkw), ein Lastkraftwagen (Lkw), ein Bus, ein Lauf- oder Transportwagen, ein Zug, ein Flugzeug, ein Schiff, für Oberflächen- und/oder Untergrundfahrt, ein Satellit und/oder ein Raumfahrzeug sein. Die bevorzugten Fahrzeuge können der Pkw, der Lkw oder der Bus sein. Das Fahrzeug kann bemannt oder unbemannt sein. Die Solarstrom-Vorrichtungen können Energieübertragungsvorrichtungen von Solarstrom-Anlagen und/oder Solarenergiespeicher aufweisen, unabhängig davon, ob diese Vorrichtungen netzgekoppelt oder netzunabhängig sind, sind aber nicht darauf beschränkt.
Hintergrund der Erfindung
Wandlung bzw. Umformung von Gleichstrom-(Direct Current, DC-)Energie von einer Spannung zu einer anderen ist mindestens seit dem Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts eine Standardfunktion in vielen elektrischen und elektronischen Systemen.
Wie er hierin verwendet wird, bezeichnet ein dynamischer Elektro-Zustand (Dynamical Electro-State, DES) eins oder mehrere von einer Spannung, einem Strom oder einer Induktivität von mindestens einem Knoten in Bezug auf einen zweiten Knoten in einer Schaltung. Die Spannung und/oder der Strom können durch Messungen zwischen dem Knoten und dem zweiten Knoten bestimmt werden, die sich im Verlauf der Zeit ändern können. Induktivität wird in Bezug auf induktive Bauelemente erörtert. Der Strom kann als die Geschwindigkeit der Änderung im Verlauf der Zeit der elektrischen Ladung an dem Knoten betrachtet werden, die zu dem zweiten Knoten fließt. Die Standardeinheiten in diesem Dokument sind für Spannung das Volt (V), für Strom das Ampere (A) und für Ladung Coulomb (C). Spannung wird hierin als Synonym für Potentialdifferenz betrachtet.
Schaltungen können häufig Vorrichtungen mit Anschlüssen, mehreren Knoten, elektrischen Verbindungen zwischen einigen, aber nicht allen der Anschlüsse und/oder einigen, aber nicht allen der Knoten aufweisen, sind aber nicht darauf beschränkt. Die Schaltung zusammen mit ihren enthaltenen Vorrichtungen und elektrischen Verbindungen bildet mehrere DES. Jeder der DES kann einen Elektro-Zustand haben, der über mehrere Knoten in Bezug auf einen einzelnen zweiten Knoten geteilt werden kann. In anderen Situationen können einer oder mehrere der DES einen Elektro-Zustand haben, der sich von einem Knoten zu einem anderen Knoten in Bezug auf den zweiten Knoten messbar ändert.
Einige der Standardvorrichtungen, die man in Schaltungen findet, weisen einen Kondensator, einen Widerstand, ein induktives Bauelement, eine Diode und/oder einen Schalter auf, sind aber nicht darauf beschränkt. Diese standardmäßigen Vorrichtungen werden im Hinblick auf den Stand der Technik jetzt kurz erörtert.
Ein Kondensator ist typischerweise eine Vorrichtung mit zwei Anschlüssen, dessen primäre elektrische Eigenschaft seine Kapazität über seine Anschlüsse ist. Kapazität wird häufig als die Fähigkeit betrachtet, elektrische Ladung und somit elektrische Energie in einer Vorrichtung zu speichern. Kondensatoren werden häufig als zwei parallele leitfähige Platten modelliert und/oder gebaut, die durch ein Dielektrikum getrennt sind. Die Kapazität wird üblicherweise als direkt proportional zu den Flächen der leitfähigen Platten und als umgekehrt proportional zu dem Trennabstand zwischen den Platten modelliert. Kapazität wird des Weiteren als eine Funktion der Geometrie der Platten und der Permittivität bzw. Verschiebungskonstante des Dielektrikums betrachtet. Die Einheit der Kapazität, die hierin benutzt wird, ist das Farad. Ein Ein-Farad-Kondensator, aufgeladen mit einem Coulomb, wird so definiert, dass er eine Potentialdifferenz von einem Volt zwischen seinen Platten hat. Das übliche Modell für Kapazität ist C = e_re₀ A/d, wobei C die Kapazität in Farad ist. A ist die Überlappungsfläche der parallelen Platten. e_r ist die Permittivität des Dielektrikums. e₀ ist die elektrische Konstante (etwa 8,854·10^–12 F/m), und d ist die Trennung der Platten in Metern. Energie wird in Joule (J) gemessen und wird, wenn sie in dem Kondensator gespeichert ist, üblicherweise als die geleistete Arbeit definiert, um den Kondensator auf seinen aktuellen Zustand zu laden. Die in dem Kondensator gespeicherte Energie wird häufig als CV²/2 geschätzt und in Joule angegeben.
Ein induktives Bauelement ist typischerweise eine Vorrichtung mit zwei Anschlüssen, dessen primäre elektromagnetische Eigenschaft seine Induktivität über seine Anschlüsse ist. Induktive Bauelemente weisen typischerweise eine Spule leitfähigen Materials auf, das häufig als ein Draht bezeichnet wird. Der Draht verbindet die beiden Anschlüsse des induktiven Bauelements. Der Draht zwischen den Anschlüssen ist häufig um eine Achse gewickelt bzw. verläuft in Windungen um eine Achse. In manchen Situationen sind die Wicklungen im Wesentlichen symmetrisch um die Achse. Das Innere der Spule kann einen metallischen Kern aufweisen, muss es aber nicht. Induktivität wird häufig als eine elektromagnetische Eigenschaft des Drahtes definiert, durch die eine Änderung eines durch ihn fließenden Stroms sowohl in dem Draht selbst (Selbstinduktion) als auch in jeglichen nahe gelegenen Drähten (Gegeninduktion) eine Spannung (elektromotorische Kraft) induziert. Induktivität wird häufig als die Reaktion der Spule auf eine zeitlich veränderliche, häufig sinusförmige Spannung von einer gegebenen Frequenz gemessen, die über ihre Anschlüsse angelegt wird. Die Einheit der Induktivität in diesem Dokument ist das Henry (Symbol H), eine Einheit des Internationalen Einheiten Systems (SI). Auf SI-Basiseinheiten reduziert ist ein Henry das Äquivalent von einem Kilogramm Meter im Quadrat pro Sekunde im Quadrat pro Ampere im Quadrat (kg m² s^–2 A^–2). Es ist für induktive Bauelemente üblich, bei einem sinusförmigen Testmuster mit einer angegebenen Frequenz, häufig ein Kilohertz, in Henry ausgelegt zu werden.
Ein Widerstand ist typischerweise eine Vorrichtung mit zwei Anschlüssen, dessen primäre elektrische Eigenschaft sein Widerstand über seine Anschlüsse ist. Widerstand wird in Einheiten von Ohm gemessen, einer SI-Einheit. Wie hierin verwendet, wird das Ohm als der Widerstand zwischen zwei Knoten definiert, wenn eine konstante Potentialdifferenz von einem Volt, die an diese Knoten angelegt wird, einen Strom von einem Ampere erzeugt.
Eine Diode ist typischerweise eine Vorrichtung mit zwei Anschlüssen, deren primäre elektrische Eigenschaft es ist, dass sie Stromfluss von dem ersten Anschluss zu dem zweiten Anschluss blockiert, während sie Stromfluss von dem zweiten Anschluss zu dem ersten Anschluss mit einem Durchlasswiderstand erlaubt.
Ein Schalter bezieht sich auf einen oder mehrere der Folgenden: einen mechanischen Schalter, einen Festkörper-Schalter und/oder einen zusammengeführten bzw. kombinierten Festkörper- und mechanischen Schalter. Wie hierin verwendet, weist ein Schalter einen ersten und einen zweiten Anschluss und einen Steueranschluss auf.
Wenn der Steueranschluss in einem geschlossenen Zustand ist, sind der erste und zweite Anschluss verbunden oder geschlossen. Wenn der Steueranschluss in einem geöffneten bzw. offenen Zustand ist, sind der erste und zweite Anschluss geöffnet bzw. offen oder nicht verbunden.
Ein System kann eine oder mehrere Schaltungen und/oder eine oder mehrere Vorrichtungen enthalten. Ein Pkw wird beispielsweise als ein System betrachtet, das eine Übertragungsschaltung, die betrieben wird, um beim Antrieb des Pkws zu helfen, und eine Klimatisierungsvorrichtung aufweist, die betrieben wird, um bei der Klimaregelung innerhalb eines Fahrgastraums des Pkws zu helfen.
Ein Gleichstrom-(DC-)DES bezieht sich hierin auf einen DES, dessen Strom nur in eine Richtung zwischen dem Knoten und dem zweiten Knoten fließt. Ein Wechselstrom-(AC-)DES bezieht sich auf einen DES, dessen Strom im Verlauf der Zeit sowohl von dem Knoten zu dem zweiten Knoten als auch von dem zweiten Knoten zu dem ersten Knoten fließt.
Wie hierin verwendet, bezieht sich eine Energieübertragungsvorrichtung auf eine Schaltung, die einen Eingangs-Gleichstromanschluss, einen Ausgangs-Gleichstromanschluss und einen gemeinsamen Anschluss aufweist und angepasst ist, um einen Gleichstrom-DES von dem Eingangs-Gleichstromanschluss zu empfangen und um mindestens einen Ausgangs-Gleichstrom-DES zu erzeugen. Der Eingangs-Gleichstrom-DES hat als seinen ersten Knoten den Eingangs-Gleichstromanschluss. Der Ausgangs-Gleichstrom-DES hat als seinen ersten Knoten den Ausgangs-Gleichstromanschluss. Beide, der Eingangs- und Ausgangs-Gleichstrom-DES, teilen sich den gemeinsamen Anschluss als ihren zweiten Knoten.
Es ist seit mehreren Jahrzehnten allgemein bekannt, dass Energieübertragungsvorrichtungen vorzuziehen sind, die als Gleichstrom-zu-Gleichstrom-Wandler bzw. Gleichstromwandler implementiert sind. Diese Gleichstromwandler verwenden einen Wechselrichter, der auf einen Wechselstrom-Zeit-DES reagiert, um einen Eingangs-Gleichstrom-DES in einen internen Energie-Wechselstrom-DES umzuwandeln, der eine Primärspule eines Transformators ansteuert. Die sekundäre(n) Spule(n) des Transformators erzeugen mindestens einen sekundären Wechselstrom-DES. Der sekundäre Wechselstrom-DES wird dann gefiltert und gleichgerichtet, um den Ausgangs-Gleichstrom-DES des Gleichstromwandlers zu erzeugen. Zu beachten ist, dass einige oder alle der Wechselstrom-DES, besonders der sekundäre Wechselstrom-DES, häufig durch ein Paar Drähte implementiert werden. Zusammenfassung der Erfindung
Diese Anmeldung offenbart eine reine oder Nur-Gleichstrom-(DC-)Energieübertragungsschaltung, eine Energieübertragungssteuereinrichtung, ein reines oder Nur-Gleichstrom-(DC-)Energieübertragungsnetz bzw. -netzwerk, Komponenten zur Verwendung in solchen Schaltungen, eine Vorrichtung, die vom Einschluss und/oder der Verwendung der Energieübertragungsvorrichtung profitiert, und Verfahren für den Betrieb der Vorrichtung, der Komponenten und/oder der Vorrichtung in Übereinstimmung mit dieser Erfindung. Wie hierin verwendet, kann eine in den Schaltungen der Erfindung verwendete oder nützliche Komponente auch in anderen Anwendungen verwendet werden oder nützlich sein.
Wie hierin verwendet, kann die Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung einen Eingangs-Gleichstromanschluss, einen Ausgangs-Gleichstromanschluss und einen gemeinsamen Anschluss aufweisen, und durch diese Anschlüsse einen Eingangs-Gleichstrom-DES von dem Eingangs-Gleichstromanschluss empfangen und mindestens einen Ausgangs-Gleichstrom-DES durch den Ausgangs-Gleichstromanschluss erzeugen, wobei der gemeinsame Anschluss als der zweite Knoten für beide der DES fungiert. Die Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung weist mindestens einen internen DES auf, der zu der Erzeugung des Ausgangs-Gleichstrom-DES beiträgt und der im Wesentlichen aus einem Gleichstrom-DES besteht, der hierin als interner Gleichstrom-DES bezeichnet wird. Der Begriff interner DES bezieht sich auf mindestens einen Knoten innerhalb der Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung, der nicht einer der Eingangsanschlüsse oder Ausgangsanschlüsse ist, und der verwendet wird, um das meiste der Energie und möglicherweise alle Energie zwischen dem Eingangs-Gleichstromanschluss und dem Ausgangs-Gleichstromanschluss zu übertragen.
Diese Offenbarung erläutert zunächst drei grundlegende Implementierungen bzw. Implementierungen der Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung. Die erste Implementierung demonstriert die grundlegenden Betriebsvorgänge und das grundlegende Betriebsverhalten von einer Ausführungsform der Erfindung. Die zweite und dritte Implementierung können in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden, wie zum Beispiel in einem Pkw mit Hybrid-Elektro/Verbrennungsmotor (bzw. Verbrennungskraftmaschine, Internal Combustion Engine, ICE). Bevorzugte Ausführungsformen der zweiten Implementierung der Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung können unterstützen, dass Hybrid-Elektromotor/ICE-Pkws eine Kraftstoffnutzung von mindestens 100 Meilen pro Gallone oder, in metrischen Einheiten, mindestens 43 Kilometern pro Liter eines Kraftstoffs, wie zum Beispiel Benzin, unterstützen können. Bevorzugte Ausführungsformen der dritten Implementierung der Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung unterstützen möglicherweise, dass Hybrid-Elektro-/ICE-Pkws eine Kraftstoffnutzung von mindestens 200 Meilen pro Gallone oder mindestens 86 Kilometern pro Liter unterstützen können. Die zweite und dritte Implementierung der Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung können vorzugsweise in einem Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetz enthalten sein, das in Geräten bzw. Vorrichtungen wie zum Beispiel dem Hybrid-Elektro-/ICE-Pkw verwendet wird.
Zurückkehrend zu der Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung kann in einigen Implementierungen jeder der internen DES der Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung des Weiteren als ein überwiegend Gleichstrom-DES betrachtet werden. Wie hierin verwendet, ist ein überwiegend Gleichstrom-DES einer, dessen Spannung und Strom sich im Verlauf der Zeit ändern können, aber dessen Leistungsspektrum sich in jedem kurzen Zeitfenster in der Gleichstrom- oder Nahe-0-Frequenzkomponente konzentriert. Wie hierin verwendet, kann ein kurzes Zeitfenster eine Dauer von mindestens einem der Folgenden haben: 64 Minuten, 32 Minuten, 16 Minuten, 8 Minuten, 4 Minuten, 2 Minuten, 1 Minute, 30 Sekunden, 15 Sekunden, 8 Sekunden, 4 Sekunden, 2 Sekunden, eine Sekunde, 0,5 Sekunden, 0,25 Sekunden, 125 Millisekunden (ms), 63 ms, 32 ms oder 16 ms.
In einigen Implementierungen kann die Vorrichtung eine Energieübertragungssteuereinrichtung aufweisen, die angepasst ist, um auf den Eingangs-Gleichstrom-DES und/oder den Ausgangs-Gleichstrom-DES zu reagieren, um mindestens einen Steuer-DES zu erzeugen, der von der Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung empfangen wird, um ihren Betrieb durch Reaktion auf den Steuer-DES zu steuern. Der (Die) Steuer-DES kann (können) boolesche Logikwerte wie „0“ und „1“ repräsentieren, die auf mehrere verschiedene Weisen implementiert werden können, die in der detaillierten Beschreibung erörtert werden.
Die Anwendungsvorrichtung kann ein Hybrid-Elektrofahrzeug bzw. Hybridfahrzeug, ein Elektrofahrzeug und/oder eine Solarstrom- bzw. Photovoltaik-Vorrichtung aufweisen, ist aber nicht darauf beschränkt. Die Fahrzeuge können ein Pkw, ein Lkw, ein Bus, ein Lauf- oder Transportwagen, ein Zug, ein Flugzeug, ein Schiff, für die Oberflächen- und/oder Untergrundfahrt, ein Satellit und/oder ein Raumfahrzeug sein. Die bevorzugten Fahrzeuge können der Pkw, der Lkw oder der Bus sein. Jedes der Fahrzeuge kann bemannt oder unbemannt sein. Die Solarstrom-Vorrichtung kann eine Solarstrom- bzw. Photovoltaik-Zelle und/oder einen Solarenergiespeicher aufweisen, unabhängig davon, ob diese Vorrichtungen netzgekoppelt oder netzunabhängig sind, ist aber nicht darauf beschränkt.
Die Komponenten können mindestens eine einer kapazitiven Vorrichtung, einer Schaltvorrichtung und/oder einer induktiven Vorrichtung aufweisen, sind aber nicht darauf beschränkt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein vereinfachtes Beispiel, das für die ersten drei beispielhaften Implementierungen eines Systems relevant ist, das die Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung und die Energieübertragungssteuereinrichtung aufweist.
2 zeigt das System von 1, das die Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung und die Energieübertragungssteuereinrichtung verwendet und aufweist, um ein Fahrzeug in Übereinstimmung mit dieser Erfindung zu implementieren, insbesondere ein Hybrid-Elektro- und Verbrennungsmotor-(ICE-)Pkw.
3 zeigt das Fahrzeug und/oder den Pkw von 2, das/der mit einer Kraftstoffeinheit auf der rechten Seite einer Fahrbahn versorgt wird, eine Strecke zurücklegt und dabei die Kraftstoffeinheit verbraucht.
4 bis 12 zeigen einige Einzelheiten des Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetzes von 2, das angepasst ist, um Energie innerhalb des Fahrzeugs und/oder des Hybrid-Elektro-ICE-Pkws zu übertragen, das bzw. der die zweite und/oder dritte Implementierung der Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung von 1 unterstützt.
13 zeigt bei dem Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetz, das die Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung und eine Nur-Gleichstrom-Abwärtswandler-(Step Down, SD-)Stufe aufweist, dass es von Vorteil sein kann, wenn es nur eine Abwärtswandlerstufe hat, die zu jeder Zeit für das gesamte Netz betrieben wird.
14 zeigt bei dem Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetz, das die Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung und drei Examplare einer Nur-Gleichstrom-SD-Stufe aufweist, dass es von Vorteil sein kann, wenn es nur eine Abwärtswandlerstufe hat, die zu jeder Zeit für das gesamte Netz betrieben wird.
15A bis 15I zeigen einige Merkmale von mindestens der ersten kapazitiven Vorrichtung, die auch auf eine oder mehrere andere kapazitive Vorrichtungen anwendbar sein können.
16 fasst einiges der Vorrichtung dieser Erfindung zusammen, was in Übereinstimmung mit den Anforderungen verschiedener Ausführungsformen und/oder Implementierungen dieser Erfindung separat hergestellt oder angepasst werden kann, um diese zu erfüllen.
17 zeigt, dass mindestens eine der Energieübertragungssteuereinrichtungen mindestens ein Exemplar mindestens eines Elements der Gruppe aufweisen kann, die aus einer Steuereinrichtung, einem Computer, einer Konfiguration und einem dauerhaften Speicher besteht, der mindestens einen der Speicherinhalte enthält.
18 zeigt einige Beispiele für die Programmkomponente von 17, von denen jedes mindestens eine Komponente eines Verfahrens zum Betreiben und/oder Verwenden von mindestens einem Teil von mindestens einer/m von der Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung, des Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetzes und/oder des Systems implementiert, insbesondere des Hybrid-Elektro-/ICE-Pkws.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Diese Anmeldung offenbart eine reine bzw. Nur-Gleichstrom-(DC-)Energieübertragungsschaltung, eine Energieübertragungssteuereinrichtung, ein reines bzw. Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetz, Komponenten zur Verwendung in solchen Schaltungen, eine Vorrichtung, die von der Aufnahme und/oder der Verwendung der Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung profitiert, und Verfahren für den Betrieb des Vorhergehenden in Übereinstimmung mit dieser Erfindung. Diese detaillierte Beschreibung beginnt mit der Definition einiger Begriffe von möglicher Relevanz für die Interpretation der Ansprüche und für die Darstellung der Ausführbarkeit solcher Ansprüche durch diese Patentschrift. Drei grundlegende Implementierungen bzw. Implementierungen der Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung werden erörtert. Ebenfalls eingeschlossen werden die Einzelheiten verschiedener Kombinationen und Alternativen der Erfindung offenbart.
Definition einiger Begriffe: In der obigen Zusammenfassung der Erfindung, dieser detaillierten Beschreibung der Erfindung, den unten stehenden Ansprüchen und den begleitenden Zeichnungen wird auf bestimmte Merkmale der Erfindung Bezug genommen. Diese Merkmale können zum Beispiel Komponenten, Bestandteile, Elemente, Geräte, Vorrichtungen, Systeme, Gruppen, Bereiche, Verfahrensschritte, Testergebnisse und Befehle oder Anweisungen, einschließlich Programmbefehle oder -anweisungen, sein.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die Offenbarung der Erfindung in dieser Patentschrift alle möglichen Kombinationen aus solchen bestimmten Merkmalen einschließt. Wenn zum Beispiel ein bestimmtes Merkmal im Zusammenhang mit einem bestimmten Aspekt, einer bestimmten Ausführungsform, einem bestimmten Anspruch oder einer bestimmten Figur offenbart wird, kann dieses Merkmal auch in Kombination mit anderen bestimmten Aspekten, Ausführungsformen, Ansprüchen und Figuren und in der Erfindung im Allgemeinen verwendet werden, außer dort, wo der Kontext diese Möglichkeit ausschließt.
Die hierin offenbarte Erfindung und die Ansprüche schließen Ausführungsformen ein, die hierin nicht ausdrücklich beschrieben werden und die zum Beispiel Merkmale verwenden können, die hierin nicht ausdrücklich beschrieben werden, die aber Funktionen bereitstellen, die gleich, gleichwertig oder ähnlich zu Funktionen sind, die hierin ausdrücklich offenbart werden.
Der Begriff „umfasst“ und grammatische Entsprechungen davon werden hierin in der Bedeutung verwendet, dass zusätzlich zu den ausdrücklich identifizierten Merkmalen weitere Merkmale optional vorhanden sind. Eine Zusammensetzung oder Vorrichtung „umfassend“ die Komponenten A, B und C (oder „die umfasst“) kann zum Beispiel nur die Komponenten A, B und C enthalten oder kann nicht nur die Komponenten A, B und C enthalten, sondern auch eine oder mehrere weitere Komponenten. Die Begriffe „aufweisen“ und „enthalten“ werden ähnlich interpretiert.
Der Begriff „im Wesentlichen bestehend aus“ und grammatische Entsprechungen davon werden hierin in der Bedeutung verwendet, dass zusätzlich zu den ausdrücklich identifizierten Merkmalen weitere Merkmale vorhanden sein können, die die beanspruchte Erfindung nicht materiell abändern.
Der Begriff „mindestens“, gefolgt von einer Zahl, wird hierin verwendet, um den Beginn eines Bereichs zu bezeichnen, der mit dieser Zahl beginnt (der ein Bereich mit einer Obergrenze oder keiner Obergrenze sein kann, abhängig von der Variablen, die definiert wird). „Mindestens 1“ bedeutet zum Beispiel 1 oder mehr als 1 und „mindestens 80 %“ bedeutet 80 % oder mehr als 80 %.
Der Begriff „höchstens“, gefolgt von einer Zahl, wird hierin verwendet, um das Ende eines Bereichs zu bezeichnen, der mit dieser Zahl endet (der ein Bereich mit 1 oder 0 als seiner Untergrenze oder ein Bereich ohne Untergrenze sein kann, abhängig von der Variablen, die definiert wird). „Höchstens 4“ bedeutet zum Beispiel 4 oder weniger als 4 und „höchstens 40%“ bedeutet 40 % oder weniger als 40 %. Wenn ein Bereich als „(eine erste Zahl) bis (eine zweite Zahl)“ oder „(eine erste Zahl) – (eine zweite Zahl)“ angegeben wird, bedeutet dies einen Bereich, dessen Untergrenze die erste Zahl ist und dessen Obergrenze die zweite Zahl ist. „Von 8 bis 20 Kohlenstoffatome“ oder „8–20 Kohlenstoffatome“ bedeutet zum Beispiel einen Bereich, dessen Untergrenze 8 Kohlenstoffatome ist und dessen Obergrenze 20 Kohlenstoffatome ist. Die Begriffe „Plural“, „mehrere“, „Vielzahl“ und „Mehrzahl“ werden hierin verwendet, um zwei oder mehr als zwei Merkmale zu bezeichnen.
Wo hierin Bezug auf ein Verfahren genommen wird, das zwei oder mehrere definierte Schritte aufweist, können die definierten Schritte in jeder Reihenfolge oder gleichzeitig (außer, wo der Zusammenhang diese Möglichkeit ausschließt) ausgeführt werden, und das Verfahren kann optional einen oder mehrere Schritte aufweisen, die vor jedem der definierten Schritte, zwischen zwei der definierten Schritte oder nach allen definierten Schritten ausgeführt werden, außer, wo der Zusammenhang diese Möglichkeit ausschließt.
Wo hierin Bezug auf „erste“ und „zweite“ Merkmale genommen wird, geschieht dies im Allgemeinen für Identifikationszwecke; sofern der Zusammenhang nichts Gegenteiliges erfordert, können die ersten und zweiten Merkmale gleich oder unterschiedlich sein, und Bezug auf ein erstes Merkmal bedeutet nicht, dass notwendigerweise ein zweites Merkmal vorhanden ist (obwohl es möglicherweise vorhanden ist).
Wo hierin Bezug auf „ein“ Merkmal genommen wird, schließt dies die Möglichkeit ein, dass zwei oder mehrere solcher Merkmale vorhanden sind (außer, wo der Zusammenhang diese Möglichkeit ausschließt). Somit kann möglicherweise ein einzelnes solches Merkmal oder eine Vielzahl solcher Merkmale vorhanden sein. Wo hierin Bezug auf zwei oder mehrere Merkmale genommen wird, schließt dies die Möglichkeit ein, dass zwei oder mehrere solcher Merkmale durch eine geringere Anzahl oder eine größere Anzahl von Merkmalen ersetzt werden, die dieselbe Funktion bereitstellen, außer, wo der Zusammenhang diese Möglichkeit ausschließt.
Die hierin angegebenen Zahlen sollten mit dem Spielraum aufgefasst werden, der für ihren Kontext und Ausdruck angemessen ist; zum Beispiel unterliegt jede Zahl einer Variation, die von der Genauigkeit abhängig ist, mit der sie durch Verfahren gemessen werden kann, die herkömmlicherweise zum Anmeldedatum dieser Anmeldung von Fachleuten verwendet werden.
Der Begriff „und/oder“ wird hierin verwendet, um das Vorhandensein von entweder einer oder beiden der zwei Möglichkeiten zu bedeuten, die vor und nach „und/oder“ genannt werden. Diese Möglichkeiten können zum Beispiel Komponenten, Bestandteile, Elemente, Geräte, Vorrichtungen, Systeme, Gruppen, Bereiche und Schritte sein. Zum Beispiel offenbart „Position A und/oder Position B“ drei Möglichkeiten, nämlich, dass (1) nur Position A vorhanden ist, dass (2) nur Position B vorhanden ist und dass (33) sowohl Position A als auch Position B vorhanden sind. Ähnlich werden A, B und/oder C interpretiert, um (A und/oder B) und/oder C zu bedeuten, was, sofern nicht anders angegeben, als gleichwertig zu A und/oder (B und/oder C) erachtet wird.
Falls irgendein Element in einem Anspruch dieser Anmeldung nach den Bestimmungen von 35 USC 112 als ein Element in einem Anspruch für eine Kombination betrachtet wird, die als ein Mittel oder Schritt zum Ausführen einer angegebenen Funktion ohne die Angabe in dem Anspruch von Struktur bzw. Aufbau, Material oder Handlungen ausgedrückt wird, die dies unterstützen, und daher so ausgelegt wird, dass es die entsprechende Struktur, das entsprechende Material oder die entsprechenden Handlungen, die in der Anmeldung beschrieben werden, und Äquivalente davon umfasst, dann weist/weisen der/die/das entsprechende/n Struktur bzw. Aufbau, Material oder Handlungen nicht nur den/das/die entsprechende/n Struktur bzw. Aufbau, Material oder Handlungen auf, der/die/das in der Anmeldung ausdrücklich beschrieben werden, und die Äquivalente (eines/einer) solchen/r Struktur bzw. Aufbaus, Materials oder Handlungen, sondern auch den/das/die Struktur bzw. Aufbau, Material oder Handlungen, die in den US-Patentdokumenten beschrieben werden, die durch Bezugnahme hierin aufgenommen werden, und die Äquivalente (eines/einer) solchen/r Struktur bzw. Aufbaus, Materials oder Handlungen. In ähnlicher Weise weist/weisen dann, wenn irgendein Element (auch wenn es nicht ausdrücklich den Begriff "Mittel" verwendet) in einem Anspruch dieser Anmeldung richtigerweise als Äquivalent zu dem Begriff Mittel oder Schritt um Ausführen einer angegebenen Funktion ohne die Angabe in dem Anspruch von Struktur bzw. Aufbau, Material oder Handlungen interpretiert wird, die dies unterstützen, der/die/das entsprechende/n fragliche/fraglichen Struktur bzw. Aufbau, Material oder Handlungen nicht nur den/das/die entsprechende/n Struktur bzw. Aufbau, Material oder Handlungen auf, der/die/das in der Anmeldung ausdrücklich beschrieben werden, und die Äquivalente (eines/einer) solchen/r Struktur bzw. Aufbaus, Materials oder Handlungen, sondern auch den/das/die Struktur bzw. Aufbau, Material oder Handlungen, die in den US-Patentdokumenten beschrieben werden, die durch Bezugnahme hierin aufgenommen werden, und die Äquivalente (eines/einer) solchen/r Struktur bzw. Aufbaus, Materials oder Handlungen.
Diese Anmeldung nimmt durch Bezugnahme alle Dokumente auf, auf die hierin durch ein Anmeldungsdatenblatt Bezug genommen wird, und alle Dokumente, die gleichzeitig mit dieser Anmeldung oder die zuvor in Verbindung mit dieser Anmeldung eingereicht wurden, einschließlich, aber nicht auf solche Dokumente beschränkt, die zur öffentlichen Einsichtnahme mit dieser Anmeldung zur Verfügung stehen.
Die ersten drei Implementierungen der Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung können wie folgt zusammengefasst werden: Die erste Implementierung demonstriert die grundlegenden Betriebsvorgänge und das Betriebsverhalten von einer Ausführungsform der Erfindung. Die zweite und dritte Implementierung können in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden, wie zum Beispiel in einem Pkw mit Hybrid-Elektro/Verbrennungsmotor (Hybrid-Elektromotor/ICE). Eine bevorzugte Ausführungsform der zweiten Implementierung der Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung kann Hybrid-Elektro-/ICE-Pkws unterstützen, die eine Kraftstoffnutzung von mindestens 100 Meilen pro Gallone oder, in metrischen Einheiten, mindestens 43 Kilometern pro Liter Kraftstoff, wie zum Beispiel Benzin, unterstützen bzw. aufrechterhalten können. Eine bevorzugte Ausführungsform der dritten Implementierung der Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung kann Hybrid-Elektro-/ICE-Pkws unterstützen, die eine Kraftstoffnutzung von mindestens 200 Meilen pro Gallone oder mindestens 86 Kilometern pro Liter unterstützen bzw. aufrechterhalten können.
1 zeigt ein vereinfachtes Beispiel, das für die ersten drei beispielhaften Implementierungen eines Systems 180 relevant ist, das die Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 100 und die Energieübertragungssteuereinrichtung 170 aufweist.
In seiner einfachsten Form weist die Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 100 einen Eingangs-Gleichstromanschluss 102, einen Ausgangs-Gleichstromanschluss 104 und einen gemeinsamen Anschluss 106 auf, wie es in der obigen Definition einer Energieübertragungsvorrichtung erwähnt worden ist. Die Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 100 ist angepasst, um auf den Eingangs-Gleichstrom-DES 110 an dem Eingangs-Gleichstromanschluss 102 zu reagieren, um elektrische Energie durch bzw. über mindestens einen internen DES 114 zu einem Ausgangs-Gleichstrom-DES 112 an dem Ausgangs-Gleichstromanschluss 104 zu übertragen; jeder der internen DES 114 besteht im Wesentlichen aus einem Gleichstrom-DES. Es ist daran zu erinnern, dass per Definition ein Gleichstrom-DES angepasst ist, damit Strom nur in eine Richtung fließt. In diesem Beispiel hat der interne Gleichstrom-DES 114 seinen ersten Knoten 1, der mit dem zweiten Anschluss 2 des Schalters SW1 140 verbunden ist, und sein zweiter Knoten 2 ist mit dem ersten Anschluss 1 des induktiven Bauelements L1 150 verbunden.
Die Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 100 kann eine erste kapazitive Vorrichtung C1 130, eine zweite kapazitive Vorrichtung C2 160, einen Schalter SW1 140 und eine induktive Vorrichtung L1 150 aufweisen. Die erste kapazitive Vorrichtung C1 130, die zweite kapazitive Vorrichtung C2 160, der Schalter SW1 140 und die induktive Vorrichtung L1 150 weisen jeweils einen ersten Anschluss 1 und einen zweiten Anschluss 2 auf. Der Schalter SW1 140 weist des Weiteren einen Steueranschluss C auf. Der Schalter SW1 130 ist angepasst, um eine Verbindung zwischen dem ersten Anschluss 1 und dem zweiten Anschluss 2 des Schalters in einem geschlossenen Zustand 174 zu schließen und um die Verbindung in einem geöffneten Zustand 176 zu öffnen, wobei der geschlossene Zustand und der geöffnete Zustand über einen Steueranschluss 108 als die Reaktion auf einen Steuer-DES 182 des Steueranschlusses (als Knoten 1) in Bezug auf den gemeinsamen Anschluss als Knoten 2 bereitgestellt werden kann.
In einigen Implementierungen weist die Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 100 des Weiteren das Folgende auf.
Der Eingangs-Gleichstromanschluss 102 ist mit dem ersten Anschluss 1 der ersten kapazitiven Vorrichtung C1 130 verbunden und mit dem ersten Anschluss 1 des Schalters SW1 140 verbunden.
Der zweite Anschluss 2 der ersten kapazitiven Vorrichtung C1 130 ist mit dem gemeinsamen Anschluss 106 verbunden.
Der zweite Anschluss 2 des Schalters SW1 140 ist mit dem ersten Anschluss 1 der induktiven Vorrichtung L1 150 verbunden.
Der zweite Anschluss 2 der induktiven Vorrichtung L1 150 ist mit dem ersten Anschluss 1 der zweiten kapazitiven Vorrichtung C2 160 und mit dem Ausgangs-Gleichstromanschluss 104 verbunden.
Der zweite Anschluss 2 der zweiten kapazitiven Vorrichtung C2 160 ist mit dem gemeinsamen Anschluss 106 verbunden.
1 zeigt auch die Energieübertragungssteuereinrichtung 170, die angepasst ist, um die Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 100 als Reaktion auf das Erfassen des Eingangs-Gleichstrom-DES 110 und/oder des Ausgangs-Gleichstrom-DES 112 durch Erzeugen des Steuer-DES 182 zu betreiben, um den geschlossenen Zustand 174 oder den geöffneten Zustand 176 an den Schalter SW1 140 über den Steueranschluss 108 bereitzustellen. Die Energieübertragungssteuereinrichtung 170 kann in einigen Implementierungen auch einen geschätzten Eingangs-DES 178 und/oder einen geschätzten Ausgangs-DES 181 aufweisen.
In einigen Implementierungen kann die Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung die Energieübertragungssteuereinrichtung aufweisen, die angepasst ist, um auf den Eingangs-Gleichstrom-DES und mindestens den Ausgangs-Gleichstrom-DES zu reagieren, um mindestens einen Steuer-DES zu erzeugen, der von der Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung empfangen wird, um ihre Konfiguration zu steuern. Die Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung ist angepasst, um auf den Steuer-DES zu reagieren, um ihren Betrieb zu konfigurieren. Der (Die) Steuer-DES kann (können) boolesche Logikwerte wie etwa „0“ und „1“ repräsentieren, die auf mehrere verschiedene Weisen implementiert werden können.
Es ist zum Beispiel übliche Praxis, diese booleschen Werte als zwei nicht überlappende Spannungsbereiche zu implementieren. Zum Beispiel kann „0“ einen Spannungsbereich von 0 bis 1 Volt und „1“ einen Spannungsbereich von 2 bis 3,4 Volt repräsentieren.
Als ein weiteres Beispiel ist es auch übliche Praxis, „0“ als einen negativen Bereich, wie zum Beispiel –1,5 bis –0,75 Volt, und „1“ als einen positiven Spannungsbereich, wie zum Beispiel 0,75 bis 1,5 Volt, zu repräsentieren. Diese Art der Signalisierung wird manchmal als differenzielle Signalisierung bezeichnet.
Ein Fachmann wird erkennen, dass solche Steuer-DES-Konventionen nicht den internen DES der Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung beeinflussen, unabhängig davon, ob es einer oder mehrere der internen DES sind.
In einigen Implementierungen kann der Steuer-DES 182 durch einen Schnittstellenschaltkreis oder Schnittstellenschaltkreise erzeugt werden, der bzw. die die interne Implementierung des Steuer-DES 182 innerhalb der Energieübertragungssteuereinrichtung 170 und die Implementierung umwandelt bzw. umwandeln, die in der Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 100 verwendet wird, um den Steueranschluss C des Schalters SW1 140 anzusteuern. Solche Schnittstellenschaltkreise können Verstärker, Pegelwandler und/oder Filter aufweisen, sind aber nicht darauf beschränkt.
Die Energieübertragungssteuereinrichtung 170 kann zum Beispiel einen digitalen Logikschaltkreis oder digitale Logikschaltkreise aufweisen, der bzw. die mit Logiksignalen zwischen 0 Volt und 3 Volt arbeitet bzw. arbeiten, wobei jeder Steuer-DES 182 innerhalb der Energieübertragungssteuereinrichtung 170 10 Milliampere Strom verwendet. Dagegen kann der Steuer-DES 182 einen Spannungsbereich von –12 V bis +12 Volt und Strom von mindestens 1000 Milliampere erfordern, um den Steueranschluss C des Schalters SW1 140 anzusteuern.
1 zeigt auch, dass in einigen Implementierungen des Systems 180 der gemeinsame Anschluss 106 mit einem möglichen Generator für ein gefiltertes gemeinsames Signal verbunden ist, der des Weiteren ein gefiltertes gemeinsames Signal für die Energieübertragungssteuereinrichtung 170 bereitstellen kann. Das gefilterte gemeinsame Signal kann bereitgestellt werden, um die Energieübertragungssteuereinrichtung 170 vor Rauschen oder Störungen zu schützen, gegen die die Schaltkreise der Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 100 möglicherweise immun sind.
Es werden nun drei Implementierungen der Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 100 erörtert. Die erste Implementierung demonstriert ein Test-Schaltungssystem 180, wie in 1 gezeigt, wobei die Verbindung zwischen dem zweiten Anschluss 2 des Schalters SW1 140 zu dem ersten Anschluss 1 der induktiven Vorrichtung L1 150 des Weiteren eine erste Diode D1 aufweist. Die Verbindung zwischen dem zweiten Anschluss 2 des induktiven Bauelements L1 150 und dem ersten Anschluss 1 des zweiten Kondensators C2 160 weist des Weiteren eine zweite Diode D2 auf. Die Dioden D1 und D2 dämpfen mögliches Unterschwingen von dem Öffnen und Schließen des Schalters SW1 140, um weiter sicherzustellen, dass der interne DES 114 im Wesentlichen ein Gleichstrom-DES ist, da diese Dioden sicherstellen, dass der Strom nur in eine Richtung fließt.
Die Kondensatoren, die in den kapazitiven Vorrichtungen C1 und C2 verwendet werden, waren alle für 1800 Mikro-(10^–6)Farad bei 450 Volt ausgelegt. Tests jedes dieser Kondensatoren zeigten jedoch ihre individuellen Kapazitäten in dem Bereich von 1600 Mikrofarad. Sie wurden mit einem Messgerät für Widerstand, Kapazität und Induktivität (RCL) getestet. Jeder dieser Kondensatoren wurde mit seiner gemessenen Kapazität beschriftet.
Die erste kapazitive Vorrichtung C1 130 wurde unter Verwendung von drei in Reihe angeordneten Kondensatoren hergestellt, um eine Arbeitsspannung von bis zu 1000 Volt mit einer Kapazität von 530,76 Mikrofarad zu unterstützen.
Die zweite kapazitive Vorrichtung C2 160 wurde in mehreren parallelen Anordnungen der Kondensatoren getestet, die von einem bis fünf parallel geschalteten Kondensatoren zählten, mit einer kollektiven Kapazität von ungefähr 1600 Mikrofarad.
Der Schalter SW1 140 war ein mechanischer Schalter, der angepasst war, um bei mehr als 1000 V betrieben zu werden und dazu in der Lage war, den Strom der Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 100 zu verarbeiten.
Um diese Tests zusammenzufassen, wurde der Eingangs-Gleichstrom-DES mit 40 Volt gemessen. Der Ausgangs-Gleichstrom-DES war ungefähr 15,65 Volt. Die von der ersten kapazitiven Vorrichtung C1 130 zu der zweiten kapazitiven Vorrichtung C2 übertragene Energie betrug 0,2379 Joule. Der Wirkungsgrad der Energieübertragung wurde als ungefähr 83,34 % geschätzt. Als Folge kann die Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung einen Energieübertragungswirkungsgrad von mindestens K % haben, wobei K mindestens 65 ist, des Weiteren kann K mindestens 75 % sein, des Weiteren kann K mindestens 83 sein, auf Grundlage des experimentellen Nachweises des Erfinders.
Erste Tests wurden durchgeführt, um eine Bezugslinie festzulegen. Gleichstrom-Messgeräte von Messtechnologieklasse wurden verwendet, um die verschiedenen Spannungsmessungen auf Einheiten von 10^–6 Joule vorzunehmen. Aufzeichnungen wurden zum größten Teil auf vier relevante Dezimalstellen genau vorgenommen. Diese Instrumente wurden mit sowohl einem hauseigenen Standard als auch vergleichenden Spannungsablesungen von einem kürzlich erworbenen Instrument kalibriert, das von dem durch den Verkäufer zertifizierten Kalibrierlabor gemäß den technischen Spezifikationen des Herstellers eingerichtet wurde.
2 zeigt das System 180 von 1, das die Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 100 und die Energieübertragungssteuereinrichtung 170 zum Implementieren eines Fahrzeugs 200 in Übereinstimmung mit dieser Erfindung verwendet und aufweist, insbesondere ein Pkw mit Hybrid-Elektro- und Verbrennungsmotor (bzw. -Verbrennungskraftmaschine, Internal Combustion Engine, ICE) 210. Dieser Pkw 210 weist die Elemente des Systems 180 von 1 sowie Kraftstoff 214 auf, der den ICE 222 steuerbar versorgt. Der ICE 222 wird betrieben, um Energie an einen Generator 230 zu liefern, dessen elektrische Ausgabe dem Eingangs-Gleichstromanschluss 102 der Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 100 zugeführt wird. In dieser vereinfachten schematischen Darstellung ist der Ausgangs-Gleichstromanschluss 104 mit einem Elektromotor 250 verbunden, der eine oder mehrere Achsen antreibt, um die Räder des Pkws zu drehen.
3 zeigt das Fahrzeug 220 und/oder den Pkw 210 von 2, das bzw. der mit einer Einheit von Kraftstoffs 214 auf der rechten Seite einer Fahrbahn 330 versorgt wird. Das Fahrzeug 200 und/oder der Pkw 210 fährt wie durch den Pfeil gezeigt von der rechten zu der linken Seite der Zeichnung, wo das Fahrzeug 200 und/oder der Pkw 210 nach Verbrauch der Einheit des Kraftstoffs 214 und dem Zurücklegen einer Strecke 310 gezeigt ist.
Die zweite Implementierung passt die Energieübertragungsvorrichtung 100 in einem Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetz 220 an, um in dem Pkw 210 mit Hybrid-Elektro/Verbrennungsmotor (Hybrid-Elektromotor/ICE) 210 betrieben zu werden, um zu unterstützen, dass der Pkw eine Kraftstoffnutzung von mindestens 100 Meilen pro Gallone oder, in metrischen Einheiten, mindestens 43 Kilometern pro Liter Kraftstoff, wie zum Beispiel Benzin, unterstützen bzw. aufrechterhalten kann. Anders ausgedrückt, wenn die Einheit 320 eine Gallone ist, ist die erwartete zurückgelegte Strecke über 100 Meilen. Wenn die Einheit 320 ein Liter ist, ist die erwartete zurückgelegte Strecke über 43 Kilometer.
Die dritte Implementierung passt die Energieübertragungsvorrichtung 100 in einem Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetz 220 an, um in dem Pkw 210 betrieben zu werden, um eine Kraftstoffnutzung von mindestens 200 Meilen pro Gallone oder, in metrischen Einheiten, mindestens 86 Kilometern pro Liter zu unterstützen bzw. aufrechtzuerhalten. Anders ausgedrückt, wenn die Einheit 320 eine Gallone ist, ist die erwartete zurückgelegte Strecke über 200 Meilen. Wenn die Einheit 320 ein Liter ist, ist die erwartete zurückgelegte Strecke über 86 Kilometer.
4 bis 11 zeigen einige Einzelheiten des Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetzes 220 von 2, die angepasst sind, um Energie innerhalb des Fahrzeugs 200 und/oder Hybrid-Elektro-/ICE-Pkws 210 von 2 zu übertragen, die die zweite und/oder dritte Implementierung der Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 100 von 1 unterstützen. Diese Figuren werden zunächst einzeln erörtert werden, und dann werden Erörterungen über sie gemeinsam gemacht, die die zweite und/oder dritte Implementierung unterstützen.
4 zeigt das Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetz 220 von 2, das die Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 100 von 1 und zwei Exemplare einer Nur-Gleichstrom-Abwärtswandler-(Step Down, SD-)Stufe 400-1 und 400-2 aufweist, die in 5 in weiteren Einzelheiten gezeigt sind. Das Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetz 220 kann einen Hochenergieanschluss 202, einen gemeinsamen Anschluss 106 und einen Dienstanschluss 204 aufweisen, wie es zuerst in 2 gezeigt ist. Das Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetz 220 kann auch mehrere Steueranschlüsse aufweisen, die von 208A bis 208E beschriftet sind, wie es auch zuerst in 2 gezeigt ist.
In 4 wird der Steuer-DES an jedem der Steueranschlüsse 208A bis 208E in Bezug auf den gemeinsamen Anschluss 106 mit Bezug auf Öffnen oder Schließen eines Schalters in der relevanten Komponente erörtert.
Steuer-DES A „geschlossen“ bezieht sich zum Beispiel darauf, dass der Steueranschluss 208A mit den Bedingungen versehen ist, um den Schalter SW1 140 innerhalb der Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 100 zu öffnen, wie es in 1 gezeigt ist.
Steuer-DES B „geöffnet“ bezieht sich als weiteres Beispiel darauf, dass der Steueranschluss 208B mit den Bedingungen versehen ist, um den Schalter SW 4 540 in der ersten Nur-Gleichstrom-Abwärtswandlerstufe 400 zu öffnen, wie es in 5 gezeigt ist.
Steuer-DES C „geschlossen“ bezieht sich als drittes Beispiel darauf, dass der Steueranschluss 208C mit den Bedingungen versehen ist, um den Schalter SW2 410-2 zu schließen.
5 zeigt einige Einzelheiten eines oder mehrerer der Exemplare der Nur-Gleichstrom-Abwärtswandler-(SD-)Stufen 400-1 und/oder 400-2 von 4. Jede der Nur-Gleichstrom-SD-Stufen weist den Eingangs-Gleichstromanschluss 402, den Ausgangs-Gleichstromanschluss 404, den Steueranschluss 408 und den gemeinsamen Anschluss 106 auf, wie es zuerst in 4 gezeigt ist. Die Nur-Gleichstrom-SD-Stufe weist des Weiteren einen Schalter SW4 540, ein zweites induktives Bauelement L2 550 und eine dritte kapazitive Vorrichtung C3 560 auf.
Zum Zwecke der Vereinfachung der Diskussion und Analyse der 4 bis 11 wird für Steuer-DES für die Steueranschlüsse 208C und 209E angenommen, dass niemals beide zum gleichen Zeitpunkt geschlossen sind. Dies ermöglicht, die Analyse der DES-Bedingungen an dem Dienstanschluss 204 in 2 unter der Annahme fortzusetzen, dass diese Bedingungen durch die Energie, die in der dritten kapazitiven Vorrichtung C3 560 gespeichert ist, erreicht werden können, wie es in 5 gezeigt ist. Während diese Vereinfachung für das Verständnis des Betriebs und die Analyse der Erfindung hilfreich ist, schließt sie nicht aus, dass die Energieübertragungssteuereinrichtung 280 von 2 diese Steuer-DES in beliebiger Kombination betreibt, die als nützlich befunden wird.
6 zeigt eine Verfeinerung des Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetzes 220 von 4, das jetzt auch eine dritte und vierte Nur-Gleichstrom-SD-Stufe 400-3 und 400-4 aufweist. Dieses Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetz 220 weist auch vier zusätzliche Steueranschlüsse 208F bis 208I auf. Ähnlich der vorhergehenden Erörterung ist zu jeder Zeit höchstens einer der Schalter SW2 410-2, SW3 410-3, SW4 410-6 oder SW5 410-7 geschlossen. Während diese Vereinfachung für das Verständnis des Betriebs und die Analyse der Erfindung hilfreich ist, schließt sie nicht aus, dass die Energieübertragungssteuerein-richtung 280 von 2 diese Steuer-DES in beliebiger Kombination betreibt, die als nützlich befunden wird. Die Steuer-DES, die dem Steueranschluss C 408 der vier Exemplare der Nur-Gleichstrom-SD-Stufen 400-1 bis 400-4 zugeordnet sind, können jedoch zur gleichen Zeit „geschlossen“ sein oder nicht. Das Schließen von zwei dieser internen Schalter in den Nur-Gleichstrom-SD-Stufen erlaubt es, dass zwei der dritten kapazitiven Vorrichtungen C3 560 von 5 gleichzeitig aufgeladen werden, während das separate Entladen jeder dieser kapazitiven Vorrichtungen nützlich sein kann, insbesondere in Hinblick auf die dritte Implementierung.
7 zeigt eine Verfeinerung zu 4, wobei das Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetz 220 des Weiteren eine fünfte Nur-Gleichstrom-SD-Stufe 400-5 aufweist. Die doppelstufige Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 700 weist die erste Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 100-1 und die fünfte Nur-Gleichstrom-Abwärtswandler-(Step Down, SD-)Stufe 400-5 auf. Die Anschlüsse der doppelstufigen Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 700 weisen (wie bisher) den Eingangs-Gleichstromanschluss 102 und den gemeinsamen Anschluss 106 auf. Um Verwechslungen zu vermeiden, ist der Ausgangsanschluss mit 404 bezeichnet, um mit dieser Figur konsistent zu sein. Der Ausgangs-Gleichstromanschluss 104 der ersten Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 100-1 ist mit dem Eingangs-Gleichstromanschluss 402 des fünften Exemplars der Nur-Gleichstrom-Abwärtswandler-(SD-)Stufe verbunden, wie es gezeigt ist. Die doppelstufige Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 700 unterstützt eine zweistufigen Abwärtswandlung einer Zwischenspannung in dem fünften Exemplar, wodurch die Anforderungen in manchen Implementierungen an den Dienst-DES der regulären ersten bis vierten Exemplare der Nur-Gleichstrom-Abwärtswandlerstufen reduziert werden, die zuvor gezeigt wurden und wie sie durch die ersten und zweiten Nur-Gleichstrom-SD-Stufen 400-1 und 400-2 dieser Figur umgesetzt sind.
8 zeigt eine Verfeinerung des Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetzes 220 von 6 durch Ersetzen der ersten Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 100-1 durch die doppelstufige Energieübertragungsvorrichtung 700. Diese Ersetzung führt zu ähnlichen möglichen Vorteilen, wie sie in Bezug auf 7 erörtert wurden, kombiniert mit den möglichen Vorteilen hinsichtlich 6, wie es zuvor diskutiert worden ist.
9A bis 9C zeigen vier mögliche Implementierungen einer Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 900 mit einem gemeinsam benutzten induktiven Ausgangsbauelement L3 950.
In 9A und 9B weist die Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung mit gemeinsam benutztem induktivem Bauelement 900 ein Exemplar der Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 100 auf.
In 9A ist der Ausgangs-Gleichstromanschluss 104 der Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 100 mit dem ersten Anschluss 1 einer dritten induktiven Vorrichtung L3 950 verbunden. Der zweite Anschluss 2 der dritten induktiven Vorrichtung L3 950 ist mit einem gemeinsam benutzten Ausgangs-Gleichstromanschluss 904 verbunden.
In 9B ist der Ausgangs-Gleichstromanschluss 104 der Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 100 über eine fünfte Diode D5 mit dem ersten Anschluss 1 einer dritten induktiven Vorrichtung L3 950 verbunden. Der zweite Anschluss 2 der dritten induktiven Vorrichtung L3 950 ist über eine sechste Diode D6 mit einem gemeinsam benutzten Ausgangs-Gleichstromanschluss 904 verbunden.
In 9C und 9D weist die Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung mit gemeinsam benutztem induktivem Bauelement 900 ein Exemplar der Doppel-Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 700 auf.
In 9C ist der Ausgangs-Gleichstromanschluss 404 der Doppel-Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 700 mit dem ersten Anschluss 1 einer dritten induktiven Vorrichtung L3 950 verbunden. Der zweite Anschluss 2 der dritten induktiven Vorrichtung L3 950 ist mit einem gemeinsam benutzten Ausgangs-Gleichstromanschluss 904 verbunden.
In 9D ist der Ausgangs-Gleichstromanschluss 104 der Doppel-Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 700 über eine siebte Diode D7 mit dem ersten Anschluss 1 einer dritten induktiven Vorrichtung L3 950 verbunden. Der zweite Anschluss 2 der dritten induktiven Vorrichtung L3 950 ist über eine achte Diode D8 mit einem gemeinsam benutzten Ausgangs-Gleichstromanschluss 904 verbunden.
10 zeigt eine Implementierung des Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetzes 220 von vorhergehenden Figuren, das eine Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung mit gemeinsam benutztem induktivem Bauelement 900, zwei Exemplare einer Nur-Gleichstrom-Kapazitätsstufe 1000-1 und 1000-2 und zwei Schalter SW2 410-2 und SW3 410-3 aufweist. Durch gemeinsames Benutzen des dritten induktiven Bauelements L3 950, wie es in 9A bis 9D gezeigt ist, benötigen die Nur-Gleichstrom-Kapazitätsstufe 1000-1 und 1000-2 keine induktiven Bauelemente, wie es in 11 gezeigt ist. Diese Implementierung kann in einigen Implementierungen des Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetzes 220 nützlich sein.
11 zeigt ein Beispiel der Nur-Gleichstrom-Kapazitätsstufe in Übereinstimmung mit der Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung mit gemeinsam benutztem induktivem Bauelement 900, die in 9A bis 9D gezeigt ist.
12 verfeinert das Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetz 220 von 10, um des Weiteren ein drittes und viertes Exemplar der Nur-Gleichstrom-Kapazitätsstufe 1000-3 und 100-4 aufzuweisen.
Folgendes wird für die früheren Anpassungen des Hybrid-Elektro/ICE-Pkws 210 von 2 und 3 angenommen. Der Pkw 210 wiegt ungefähr 3.000 Pfund oder ungefähr 1361 Kilogramm. Der Elektromotor 250 benötigt so etwas wie nahe einer kontinuierlichen Übertragung von 50 Kilowatt elektrischer Leistung, um den Pkw 210 innerhalb der normalen Verwendung in Betrieb aufrechtzuerhalten, wie zum Beispiel um fähig zu sein, mit 70 Meilen pro Stunde zu fahren und um eine 5 %-Steigung mit 55 Meilen pro Stunde hochzufahren. Der Pkw 210 wird wiederholt das Aufladen des Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetzes 220 durch Einschalten des Verbrennungsmotors (ICE) 222 durchlaufen, um den Generator 230 laufen zu lassen, um die Energie zu erzeugen, die über den Hochenergieanschluss 204 in das Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetz 220 geliefert wird. Einschalten des ICE 222 wird Kraftstoff 214 aufwenden, um das Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetz 220 aufzuladen, um die Bereitstellung elektrischer Leistung über den Dienstanschluss 204 für den Elektromotor 250 aufrechtzuerhalten.
13 zeigt das Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetz 220, das die Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 100 und einen Nur-Gleichstrom-Abwärtswandler-(SD-)Stufe 400 aufweist, wobei der Eingangs-Gleichstromanschluss 402 der Nur-Gleichstrom-SD-Stufe 400 mit dem Hochenergieanschluss 202 verbunden ist und die in der ersten kapazitiven Vorrichtung C1 130 von 1 gespeicherte Energie effektiv mit dem ersten Anschluss 1 des vierten Schalters SW4 von 5 geteilt wird. Dieses Netz 220 kann dadurch von Vorteil sein, dass es nur eine Abwärtswandlerstufe hat, die zu jeder Zeit für das gesamte Netz betrieben wird.
14 zeigt das Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetz 220, das die Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 100 und drei Exemplare der Nur-Gleichstrom-Abwärtswandler-(SD-)Stufe 400-1, 400-2 und 400-3 aufweist, wobei der Eingangs-Gleichstromanschluss 402 von jeder der Nur-Gleichstrom-SD-Stufen 400-1, 400-2 und 400-3 mit dem Hochenergieanschluss 202 verbunden ist und die in der ersten kapazitiven Vorrichtung C1 130 von 1 gespeicherte Energie effektiv mit dem ersten Anschluss 1 des vierten Schalters SW4 von 5 in jedem Exemplar der Nur-Gleichstrom-SD-Stufen 400-1, 400-2 und 400-3 geteilt wird. Dieses Netz 220 kann dadurch von Vorteil sein, dass es nur eine Abwärtswandlerstufe hat, die zu jeder Zeit für das gesamte Netz betrieben wird.
Eines der kommerziellen Ziele für die Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 100 und das Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetz 220 besteht darin, die zurückgelegte Strecke 310 durch die Aufwendung der Einheit 320 des Kraftstoffs 214 zu vergrößern. Die Energieeffizienz wird als das Verhältnis betrachtet, wie lange der ICE läuft, im Vergleich dazu, wie lange der Elektromotor läuft. Der Kraftstoffwirkungsgrad wird in Einheiten 320 des Kraftstoffs 214 gegenüber der zurückgelegten Strecke 310 ausgelegt.
Die Anforderungen der zweiten Implementierung bestehen darin, dass die Energieübertragungsvorrichtung 100 in einem Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetz 220 diesen Pkw unterstützt, eine Kraftstoffnutzung von mindestens 100 Meilen pro Gallone oder, in metrischen Einheiten, mindestens 43 Kilometern pro Liter eines Kraftstoffs, wie zum Beispiel Benzin, aufrechtzuerhalten.
Man nehme an, dass der ICE 222 für 30 Sekunden betrieben wird, um 50 Kilowatt zu erzeugen, die abgegeben werden, um das Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetz 220 zu laden, wo sie gespeichert und über mindestens 100 Sekunden an den Elektromotor 250 unter den oben angegebenen Fahrbedingungen abgegeben werden, bevor der ICE erneut eingeschaltet wird und der Energieübertragungszyklus wiederholt wird. Es gibt 36 Intervalle von 100 Sekunden in einer Stunde, so dass der ICE in der Stunde 18 Minuten lang laufen würde. Der Pkw 210, der mit 40 Meilen pro Gallone für 70 Meilen pro Stunde läuft, wendet etwa 1,75 Gallonen für die 70 Meilen auf. Unter Verwendung des Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetzes 220 läuft der ICE nur 18 Minuten in der Stunde, wendet dabei etwa 0,5 Gallonen pro Stunde auf, was ein Kraftstoffwirkungsgrad von etwa 140 Meilen pro Gallone oder etwa 60 Kilometer pro Liter ist. Es ist zu beachten, dass der Betrieb des Pkws 210 bei niedrigeren Geschwindigkeiten wahrscheinlich den Kraftstoffwirkungsgrad steigern dürfte. Es ist auch zu beachten auch, dass es bei der Festlegung eines Ziels von 100 Meilen pro Gallone in dieser Analyse Raum für experimentelle Faktoren gibt, die zur Zeit nicht sichtbar sind und dennoch das wirtschaftliche Ziel erreichen.
Die zweite Implementierung umfasst Komponentenabweichungen. Man erinnere sich an 1. Man nehme an, dass der erste Schalter SW1 140 geöffnet ist. Die Energieübertragung von dem Eingangs-Gleichstromanschluss 102 beginnt, wenn die bei der ersten kapazitiven Vorrichtung 130 gespeicherte Energie ihren aufgeladenen Schwellenwert erreicht. Wenn die bei der ersten kapazitiven Vorrichtung gespeicherte Energie den aufgeladenen Schwellenwert überschreitet, wird der erste Schalter SW1 geschlossen und Energie beginnt von der ersten zu der zweiten kapazitiven Vorrichtung C2 160 durch die induktive Vorrichtung L1 150 zu fließen. Der Energiewirkungsgrad bzw. die Energieeffizienz der Energieübertragungsvorrichtung 100 ist als die Differenz dazwischen gesehen werden, wie viel Energie in der ersten kapazitiven Vorrichtung C1 130 bei dem Start gespeichert ist und wie viel Energie an die zweite kapazitive Vorrichtung C2 160 übertragen wird, bevor der Schalter SW1 140 die Verbindung zwischen den Anschlüssen 1 und 2 des Schalters öffnet.
15A bis 15I zeigen einige Merkmale von mindestens der ersten kapazitiven Vorrichtung 1310, die auch auf eine oder mehrere der anderen kapazitiven Vorrichtungen C2 160, C3 560 und/oder C4 1160 anwendbar sein können.
Um 5 bis 6 Megajoule in der ersten kapazitiven Vorrichtung C1 130 zu speichern, ist es erforderlich, dass die Kapazität in dem Bereich von 1 bis 1,4 Farad und die Spannung in dem Bereich von 2.700 bis 3.000 Volt liegt. Aus dem Stand der Technik ist zu erinnern, dass C = e_re₀ A/d, wobei C die Kapazität in Farad ist, A die Überlappungsfläche der parallelen Platten ist, e_r die Permittivität des Dielektrikums ist, e₀ die elektrische Konstante (ungefähr 8,854·10^–12 F/m) ist und d die Trennung der Platten in Metern ist.
15A zeigt eine Aufsicht der ersten kapazitiven Vorrichtung C1 130. Die erste kapazitive Vorrichtung kann Elektrodenplatten enthalten, die wie Kreise oder Teile von Kreisen, wie zum Beispiel Viertelkreise, geformt sind. Die erste Kapazitätsvorrichtung C1 130 kann vier separate kapazitive Viertel C11 bis C14 aufweisen. Diese kapazitiven Viertel können elektrisch gekoppelt und miteinander verbunden sein, um die erste kapazitive Vorrichtung C1 130 zu bilden. Der Durchmesser D1 der kapazitiven Vorrichtung kann höchstens ein Mitglied der Gruppe bestehend aus 1,2 Metern, 1 Meter, 0,75 Metern, 0,5 Metern und 0,25 Metern sein. Zu beachten ist, dass A, die Fläche der sich überlappenden Platten, circa 0,25·Pi·D1² ist.
15B zeigt ein vereinfachtes Beispiel eines Querschnitts eines der kapazitiven Viertel, beispielsweise C14 von 15A. Dieser Querschnitt kann eine Sammlung von Schichten und Platten aufweisen. In diesem Beispiel sind die Schichten Schichten eines Dielektrikums 1330. Das Dielektrikum 1330 kann eine Keramik bzw. ein keramisches Material sein, die bzw. das möglicherweise im Wesentlichen aus einem oder mehreren Mitgliedern der Gruppe besteht, die aus Bariumtitanat, Barium-Strontiumtitanat oder Strontiumtitanat besteht. Das Dielektrikum 1330 kann als Pulver bereitgestellt werden, das möglicherweise stark komprimiert oder verarbeitet ist, um Kapazitätsverlust-Hohlräume und/oder -Feuchtigkeit zu evakuieren. Solche Pulver können als „gesintert“ bezeichnet werden. Die Schichten des Dielektrikums 1330 können eine Dicke von im Wesentlichen d haben, wobei d als die Entfernung zwischen der Platte 1 und Platte 2 gestaltet bzw. modelliert wurde. Elektrode 1 1310 kann alle der Platten 1 aufweisen. Elektrode 2 1320 kann alle der Platten 2 aufweisen. Elektrode 1 1310 und 2 1320 können im Wesentlichen aus derselben Substanz zusammengesetzt sein, wie zum Beispiel einer Legierung eines metallischen Elements, wobei das metallische Element des Weiteren ein Mitglied der Gruppe sein kann, die aus Zinn und Aluminium besteht.
15C zeigt eine Verfeinerung des Schichtdiagramms von 15B, wobei die Verfeinerung des Weiteren mindestens eine von einer Batterieschicht 1340, einer Widerstandsschicht 1350 und/oder einer Diodenschicht 1360 aufweist. Die Batterieschicht 1340 kann verwendet werden, um zusätzlich Energie zu speichern, die möglicherweise über eine längere Zeit abgegeben wird, als die Energie, die zwischen den Platten 1 und 2 und der dielektrischen Schicht abgegeben wird. Die Widerstandsschicht 1350 kann die Notwendigkeit dafür beseitigen, dass einer oder mehrere Widerstände separate Komponenten in der Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 100 sind. Die Diodenschicht 1360 kann dazu dienen, um die erste kapazitive Vorrichtung C1 130 vor Unterschwingbedingungen in der Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 100 zu schützen.
15D zeigt einen Querschnitt A-A der kapazitiven Komponente C14 von 15A.
15E zeigt die Kopplung der einzelnen Platten der ersten Elektrode 1310, um die erste Elektrode zu bilden, die Kopplung der einzelnen Platten der zweiten Elektrode 1320, um die zweite Elektrode zu bilden, sowie die Anordnung des Dielektrikums 1330, das die Platten der beiden Elektroden 1310 und 1320 in dem Querschnitt von A-A von 15D trennt.
15F bis 15H zeigen einige Beispiele von einer oder mehreren Seiten von einer oder mehrerer Platten von einer von mehreren Elektroden, die Finger aufweisen, wie zum Beispiel Kohlenstoffnanoröhren, die auf der Seite der Platte abgeschieden oder mit einem Wachstumsprozess gebildet wurden. Die Finger, wie zum Beispiel Kohlenstoffnanoröhren, können über den makroskopischen Bereich der Platte die wirksame bzw. effektive Fläche der Oberfläche erhöhen, möglicherweise um einen Faktor von mindestens 110 %, 150 %, 175 %, 200 %, 250 % oder mehr. Diese Merkmale können die Kapazität der kapazitiven Vorrichtung, wie zum Beispiel C1, C2, C3 und/oder C4, um diesen selben Faktor verbessern, während sie die Größe und das Gewicht reduzieren, die für die Vorrichtung benötigt werden.
15F zeigt eine Beispiel-Platte der ersten Elektrode 1 1310 einschließlich einer ersten Oberfläche, auf der Kohlenstoffnanoröhren 1312 abgeschieden und/oder mit einem Wachstumsprozess gebildet wurden.
15G zeigt eine Beispiel-Platte der zweiten Elektrode 2 1320 einschließlich einer ersten Oberfläche, auf der Kohlenstoffnanoröhren 1312 abgeschieden und/oder mit einem Wachstumsprozess gebildet wurden.
15H zeigt eine der Elektroden 1310 mit Kohlenstoffnanoröhren 1312, die auf zwei seitlichen Flächen der Platte abgeschieden und/oder durch einen Wachstumsprozess gebildet wurden. Zu beachten ist, dass diese Figur auch auf die zweite Elektrode 2 1320 angewendet werden kann.
15I zeigt ein Beispiel für die erste kapazitive Vorrichtung C1 130, das m Exemplare C1.1 130.1 bis C1.m 130.m aufweist, deren erste Anschlüsse verbunden sind, um den ersten Anschluss 1 der ersten kapazitiven Vorrichtung C1 130 zu bilden. Der zweite Anschluss 2 von C1.1 bis C1.m ist auch verbunden, um den zweiten Anschluss 2 von C1 130 zu bilden. Solche Schaltungskopplungen werden häufig als eine Parallelschaltung der Komponenten bezeichnet. Wie hierin verwendet, ist m mindestens zwei.
Implementierungen der zweiten kapazitiven Vorrichtung C2 150 können Schaltungen aufweisen, wie sie in 15I gezeigt sind, wobei m 6 ist. In der zweiten Implementierung kann die Dienstspannung zwischen dem Dienstanschluss und dem gemeinsamen Anschluss 64 Volt oder ein kleines Vielfaches von 64 Volt sein. Für den Moment nehme man an, dass die Dienstspannung 64 Volt ist und dass die zweite kapazitive Vorrichtung C2 2 oder mehr Millionen Joule speichern muss. Die Komponenten in dieser Implementierung C2.1 bis C2.m können Stapel (eine serielle Schaltung) von Super-Kondensatoren sein, wobei jeder Stapel möglicherweise 125 Farad bei 64 Volt implementiert. Solche Komponenten befinden sich heute in Massenproduktion.
Es ist zu beachten, dass in verschiedenen Implementierungen Kombinationen irgendwelche oder alle Merkmale der kapazitiven Vorrichtung C1 130 verwendet werden können, um irgendwelche oder alle der anderen kapazitiven Vorrichtungen C2 160, C3 560 und/oder C4 1160 zu implementieren.
In einigen der zweiten Implementierungen des Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetzes 220 können bevorzugte Anordnungen, wie sie in 4, 7 und 10 gezeigt sind, Doppel-Ausgangsstufen aufweisen, von denen jede bevorzugt separat geladen und entladen werden kann.
In einigen der zweiten Implementierungen des Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetzes 220 kann eine einstufige Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 100 bevorzugt sein, wie es in 4 und 6 gezeigt ist.
In einigen der zweiten Implementierungen des Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetzes 220 kann eine doppelstufige Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 700 bevorzugt werden, wie es in 7 und 8 gezeigt ist.
In einigen der zweiten Implementierungen des Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetzes 220 kann eine Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 900 mit gemeinsam benutztem induktivem Ausgangsbauelement bevorzugt werden, wie es in 10 und 12 gezeigt ist. In diesen Figuren kann die Nur-Gleichstrom-Kapazitätsstufe implementiert sein, wie es in 11 gezeigt ist.
Die Nur-Gleichstrom-Energievorrichtung 900 mit dem gemeinsam benutzten induktiven Bauelement kann mit einer einstufigen Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 100 implementiert werden, wie es in 9A und 9B gezeigt ist, oder mit einer doppelstufigen Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 700 implementiert werden, wie es in 9C und 9D gezeigt ist.
Das gemeinsam benutzte induktive Bauelement L3 950 kann direkt zwischen dem Ausgangs-Gleichstromanschluss 104 und dem gemeinsam benutzten Ausgangs-Gleichstromanschluss 904 verbunden werden, wie es in 9A gezeigt ist. Alternativ kann das gemeinsam benutzte induktive Bauelement L3 950 über eine fünfte Diode D5 und/oder über eine sechste Diode D6 zwischen den Ausgangs-Gleichstromanschluss 104 und den gemeinsam benutzten Ausgangs-Gleichstromanschluss 904 verbunden werden, wie es in 9B gezeigt ist.
Das gemeinsam benutzte induktive Bauelement L3 950 kann direkt zwischen den Ausgangs-Gleichstromanschluss 404 und den gemeinsam benutzten Ausgangs-Gleichstromanschluss 904 verbunden werden, wie es in 9C gezeigt ist. Alternativ kann das gemeinsam benutzte induktive Bauelement L3 950 über eine siebte Diode D7 und/oder über eine achte Diode D8 zwischen den Ausgangs-Gleichstromanschluss 404 und den gemeinsam benutzten Ausgangs-Gleichstromanschluss 904 verbunden werden, wie es in 9D gezeigt ist.
Man erinnere, dass die dritte Implementierung des Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetzes 220 die Energieübertragungsvorrichtung 100 in einem Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetz 220 anpasst, um in dem Pkw 210 betrieben zu werden, um eine Kraftstoffnutzung von mindestens 200 Meilen pro Gallone oder, in metrischen Einheiten, mindestens 86 Kilometern pro Liter aufrechtzuerhalten. Anders ausgedrückt, wenn die Einheit 320 eine Gallone ist, ist die erwartete zurückgelegte Strecke über 200 Meilen. Wenn die Einheit 320 ein Liter ist, ist die erwartete zurückgelegte Strecke über 86 Kilometer.
Unter der Annahme, dass die Produktionskosten im Automobilbau ein vorherrschendes Anliegen sein dürften, werden die einfacheren Schaltungen, die für zuverlässig befunden werden, bevorzugt. Die Möglichkeit, eine zweite Version des Pkws 210 mit dem zweifachen Kraftstoffwirkungsgrad auf den Markt zu bringen, hat jedoch einen großen Geschäftswert, insbesondere, wenn eine solche Bereitstellung eine schnelle Markteinführungszeit hat.
Falls die Anforderungen der zweiten Implementierung für das Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetz 220 durch die Verwendung von zwei Nur-Gleichstrom-SD-Stufen 400-1 und 400-2 erfüllt werden, wie es in 4 oder 7 gezeigt ist, dann kann eine dritte Implementierung des Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetzes 220, die vier Exemplare der Nur-Gleichstrom-SD-Stufen 400-1 bis 400-4 verwendet, wie es in 6 oder 8 gezeigt ist, bevorzugt werden.
Falls die Anforderungen der zweiten Implementierung für das Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetz 220 durch zwei Exemplare der Nur-Gleichstrom-Kapazitätsstufen 1000-1 und 1000-2 erfüllt werden, wie es in 10 gezeigt ist, dann kann eine dritte Implementierung des Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetzes 220, die vier Exemplare der Nur-Gleichstrom-Kapazitätsstufen 1000-1 bis 1000-4 verwendet, wie es in 12 gezeigt ist, bevorzugt werden.
Die induktiven Vorrichtungen L1 150, L2 550 und L3 950 können zunächst mit kommerziell erhältlichen induktiven Bauelementen implementiert werden.
Möglicherweise besteht jedoch ein Verbesserungsbedarf bei Kühlung und Kalibrierung für die induktiven Bauelemente.
Induktive Bauelemente, die sich durch ihr Betriebsverhalten bzw. ihre Leistung in den verschiedenen Implementierungen der Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 100 und/oder an anderer Stelle des Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetzes 220 auszeichnen, werden möglicherweise bevorzugt, da ihre Leistungskennzeichnung sowohl die hohe Energie, die sie durchquert, als auch die tiefen Frequenzen, die in ihrem allgemeinen Betrieb beteiligt sind, widerspiegeln.
Induktive Bauelemente, die für die Verwendung in verschiedenen Implementierungen dieser Erfindung geeignet sind, erfordern möglicherweise auch eine Kühlschicht, möglicherweise aus einem flüssigen Dielektrikum, wie zum Beispiel Mineralöl.
Die Schalter SW1 140, SW2 410-2, SW 3 410-3, SW4 540, SW5 410-5 und/oder SW6 410-6 können als Festkörperschalter implementiert werden, die bereits in Produktion sind.
Möglicherweise besteht jedoch ein Bedarf an zuverlässigen mechanischen Schalterimplementierungen, zum Beispiel einem Relais, das einen Ankerhohlraum aufweist, in welchem der Anker sich zwischen der geöffneten und geschlossenen Verbindung der Anschlüsse 1 und 2 bewegt.
Der Ankerhohlraum kann mit einem flüssigen Dielektrikum gefüllt sein, um die Auswirkungen von Funkenüberschlag zu unterdrücken, wenn der Anker die Verbindung zwischen den Schalteranschlüssen 1 und 2 öffnet und schließt.
Der mechanische Schalter kann des Weiteren einen Tauchkern bzw. ein Tauchelement aufweisen, der bzw. das angepasst ist, um das flüssige Dielektrikum von dem Spalt zwischen dem Anker und den Anschlusskontakten wegzuziehen, wenn der Schalter geschlossen wird, und flüssiges Dielektrikum in den Spalt zu drücken, wenn der Schalter geöffnet wird.
Während mehr als zwei Stufen der Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung innerhalb des Bereichs dieser Erfindung betrachtet werden, wird ihre Erörterung der Kürze halber auf diesen Absatz beschränkt.
Während mehr als vier Exemplare der Nur-Gleichstrom-SD-Stufen 400 innerhalb des Bereichs dieser Erfindung betrachtet werden, wird ihre Erörterung der Kürze halber auf diesen Absatz beschränkt. Die Anzahl von Exemplaren der Nur-Gleichstrom-SD-Stufen 400 kann mindestens eins sein und ist nicht auf ein Vielfaches von 2 beschränkt. Dreistufiger Zyklusbetrieb des Elektromotors 250 kann zum Beispiel bevorzugt sein, was zu drei Exemplaren in dem Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetz 220 führt.
16 fasst einiges der Vorrichtung 10 dieser Erfindung zusammen, was in Übereinstimmung mit den Anforderungen der verschiedenen Ausführungsformen und/oder Implementierungen dieser Erfindung separate hergestellt oder angepasst werden kann, um diese Anforderungen zu erfüllen. Die Vorrichtung 10 weist die Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 100, die Zweistufen-Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 700, die Energieübertragungssteuereinrichtungen 170 und/oder 280, ein Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetz 220, Komponenten 1400 zur Verwendung in solchen Schaltungen und eine Vorrichtung auf, die vom Einschließen und/oder Verwenden der Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung und/oder des Netzes und der Verfahren für den Betrieb des Vorhergehenden in Übereinstimmung mit dieser Erfindung profitiert, ist aber nicht darauf beschränkt.
Die Komponenten 1400 können mindestens eine der kapazitiven Vorrichtungen C1 bis C4, mindestens eine der Schaltvorrichtungen SW1 bis SW6, mindestens eine der induktiven Vorrichtungen L1 bis L3, mindestens eine der Nur-SD-Stufen 400 und/oder mindestens eine der kapazitiven Nur-Gleichstrom-Vorrichtungen 1000 aufweisen, von denen jede in der Kurzdarstellung und detaillierten Offenbarung definiert und offenbart wird, sind aber nicht darauf beschränkt.
Die Anwendungsvorrichtung kann ein Hybrid-Elektrofahrzeug bzw. Hybridfahrzeug, ein Elektrofahrzeug und/oder Solarstrom- bzw. Photovoltaik-Vorrichtungen aufweisen, ist aber nicht darauf beschränkt.
Jedes der Fahrzeuge kann ein Pkw, ein Lkw, ein Bus, ein Lauf- oder Transportwagen, ein Zug, ein Flugzeug, egal ob bemannt oder unbemannt, ein Schiff, für Oberflächen- und/oder Untergrundfahrt, ein Satellit und/oder Raumfahrzeug sein.
Die bevorzugten Fahrzeuge können der PKW, der LKW oder der Bus sein.
Die Solarstrom-Vorrichtungen können Energieübertragungsvorrichtungen von Solarstrom- bzw. Photovoltaik-Anlagen und/oder Solarenergiespeichern aufweisen, unabhängig davon, ob diese Vorrichtungen netzgekoppelt oder netzunabhängig sind, sind aber nicht darauf beschränkt. Besonders zu beachten ist in dieser Offenbarung der Pkw 210 mit Hybrid-Elektro/Verbrennungsmotor (Hybrid-Elektromotor/ICE).
17 zeigt, dass die Energieübertragungssteuereinrichtung 170 und/oder 280 mindestens ein Exemplar mindestens eines Elements der Gruppe aufweisen kann, die aus einer Steuereinrichtung 1500, einem Computer 1510, einer Konfiguration 1520 und einem dauerhaften bzw. permanenten Speicher 1530 besteht, der mindestens einen der Speicherinhalte 1540 enthält.
Die Steuereinrichtung 1500 kann mindestens einen Eingang bzw. mindestens ein Eingangssignal, mindestens einen Ausgang bzw. mindestens ein Ausgangssignal und möglicherweise mindestens einen internen Zustand aufweisen. Die Steuereinrichtung 1500 kann auf den Eingang bzw. das Eingangssignal durch Ändern des internen Zustands reagieren. Die Steuereinrichtung 1500 kann den Ausgang bzw. das Ausgangssignal auf Grundlage mindestens eines Wertes des Eingangs bzw. Eingangssignals und/oder mindestens eines Wertes von einem der internen Zustände erzeugen. Der interne Zustand kann ein oder mehrere Exemplare des dauerhaften Speichers 1530, des Speicherinhalts 1540 und/oder der Konfiguration 1520 implementieren.
Der Computer 1500 weist mindestens einen Befehlsprozessor und mindestens einen Datenprozessor auf. Jeder der Datenprozessoren wird von mindestens einem der Befehlsprozessoren angesteuert bzw. instruiert. Der Computer kann ein oder mehrere Exemplare des dauerhaften Speichers 1530, des Speicherinhalts 1540 und/oder der Konfiguration 1520 implementieren.
Der Speicherinhalt 1540 kann in einem dauerhaften Speicher 1530, in der Steuereinrichtung 1500 und/oder dem Computer 1510 gespeichert oder gehalten sein bzw. werden.
Der Speicherinhalt 1540 kann mindestens ein Exemplar von mindestens einem von mindestens einem von einem Download 1550, einem Installationspaket 1552, einem Betriebssystem 1554 und/oder mindestens einer Programmkomponente 1556 aufweisen, von denen jede/r/s mindestens einen Teil eines Verfahrens zum Betreiben einiger Elemente dieser Erfindung implementieren kann.
Wie er hierin verwendet wird, kann der dauerhafte bzw. permanente Speicher 1530 mindestens eine Komponente mit einem nichtflüchtigen Speicher und/oder mindestens eine Komponente mit einem flüchtigen Speicher aufweisen, vorausgesetzt, dass eine Energiequelle vorhanden ist, die angepasst wird, um seine Flüchtigkeit im normalen Betrieb zu beseitigen, unabhängig davon, ob die Vorrichtung 10 momentan in der Erzeugung elektrischer Energie zur Verwendung durch die Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 100 und/oder das Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetz 220 aktiv ist. Der nichtflüchtige Speicher ist angepasst, um seinen Speicherinhalt 1540 zu halten, egal ob dem Speicher elektrische Energie zugeführt wird oder nicht. Der flüchtige Speicher kann seinen Speicherinhalt 1540 ohne die Bereitstellung einiger elektrischer Energie über einen Zeitraum verlieren.
18 zeigt einige Beispiele der Programmkomponente 1556 von 17, von denen jedes mindestens eine Komponente eines Verfahrens zum Betrieb von mindestens einem Teil von mindestens einer/m der Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 100, des Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetzes 220, des Systems 180, das mindestens eine/s von 100 und/oder 220 aufweist und/oder verwendet, implementieren kann, insbesondere des Hybrid-Elektro/ICE-Pkw 210. Genauso wie ein Verfahren einen oder mehrere Schritte aufweist, weist die Programmkomponente 1556 eine oder mehrere der folgenden gesteuerten oder befehlsgesteuerten Vorgänge bzw. Operationen auf:
Programmoperation 1600 unterstützt den Betrieb der Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 100 in Reaktion auf eine Erfassung des Eingangs-Gleichstromanschlusses 102 und/oder des Ausgangs-Gleichstromanschlusses 104 in Bezug auf den gemeinsamen Anschluss 106. Die Energieübertragungs-Steuereinrichtung 170 kann den Steuerzustand 172 ändern, um einen von dem geschlossenen Zustand 174 oder dem offenen Zustand 176 an dem Steueranschluss C des ersten Schalters SW1 140 bereitzustellen.
Als Beispiel kann der Eingangs-Gleichstromanschluss mit einer ersten Kapazitätsvorrichtung C1 130, wie sie in 1 gezeigt ist und die eine Kapazität aufweist, die als Cest1 geschätzt wird, verbunden werden, und wobei der Eingangs-Gleichstrom-DES eine Spannung Vin_est0 zu einem Zeitpunkt t0 und Vin_est1 Volt zu einem Zeitpunkt t1 aufweist. Die geschätzte, durch C1 bei t0 gespeicherte Energie kann berechnet werden als ½·Cest1·Vinest0². Die geschätzte, durch C1 bei t1 gespeicherte Energie kann berechnet werden als ½·Cest1·Vinest1². Eine Schätzung der von C1 übertragenen Energie von Zeit t0 bis t1 kann als ½·Cest1·(Vinest1² – Vinest0²) berechnet werden.
Ein zweites Beispiel basiert ebenfalls auf 1. Man nehme an, dass die zweite Kapazitätsvorrichtung C2 160 eine geschätzte Kapazität von Cest2 hat. Man nehme an, dass der Ausgangs-Gleichstrom-DES eine Spannung von Vout_est0 bei t0 und Vout_est1 bei t1 aufweist. In ähnlicher Weise kann eine Schätzung der übertragenen Energie von Zeit t0 bis t1 als ½·Cest2·(Voutest1² – Voutest0²) berechnet werden.
Ein Betrieb der Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 100 kann ein Laden der ersten Kapazitätsvorrichtung 100 aufweisen, wenn die geschätzte, bei C1 gespeicherte Energie unter einem Schwellenwert ist oder wenn die geschätzte Spannung des Eingangs-Gleichstrom-DES unter einem zweiten Schwellenwert ist. Man nehme an, dass die maximale Betriebsspannung bei C1 3000 Volt ist und die Kapazität ein Farad ist. Der erste Schwellenwert kann ¼ der bei C1 mit der maximalen Betriebsspannung von 3000 Volt gespeicherten Energie sein, oder der zweite Schwellenwert kann ½ der 3000 Volt sein.
Der Wirkungsgrad bzw. die Effizienz der Energieübertragung zwischen t0 und t1 kann durch das Verhältnis der bei C2 übertragenen Energie, geteilt durch die bei C1 übertragene Energie geschätzt werden, die als Cest2·(Voutest1² – Voutest0²)/(Cest1·(Vinest1² – Vinest0²)) berechnet werden kann.
Eine Programmoperation 1610 unterstützt den Betrieb des Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetzes 220 in Reaktion auf eine Erfassung des Hochenergieanschlusses 202 und/oder des Dienstanschlusses 204 in Bezug auf den gemeinsamen Anschluss 106.
Eine Programmoperation 1620 unterstützt den Betrieb der doppelstufigen Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 700, um mindestens einen ihrer Anschlüsse 102 und/oder 404 in Bezug auf den gemeinsamen Anschluss 106 zu erfassen. Diese Operationen können eine Änderung von zwei Steuerzuständen 172-1 und 172-2 aufweisen, um die beiden Schalter in der doppelstufigen Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 700 über die Steueranschlüsse 108 und 408 separat zu steuern.
Eine Programmoperation 1630 unterstützt den Betrieb mindestens einer Abwärtswandler-(SD-)Stufe 400 in Reaktion auf ein Erfassen des Hochenergieanschlusses 202 und/oder des Dienstanschlusses 204 in Bezug auf den gemeinsamen Anschluss 106.
Eine Programmoperation 1640 unterstützt den Betrieb mindestens einer Kapazitäts-(Cap-)Stufe 100 in Reaktion auf ein Erfassen des Hochenergieanschlusses 202 und/oder des Dienstanschlusses 204 in Bezug auf den gemeinsamen Anschluss 106.
Eine Programmoperation 1650 unterstützt den Betrieb mindestens eines Teils des Systems 180 in Reaktion auf mindestens einen erfassten DES von mindestens einer/einem der Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 100 und/oder mindestens einem Teil des Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetzes 220.
Eine Programmoperation 1660 unterstützt den Betrieb des Hybrid-Elektro/ICE-Pkws 210 in Reaktion auf mindestens einen erfassten DES mindestens eines Teils des Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetzes 220.
Während diese Beispiele und Diskussionen präsentiert werden, um die Ansprüche der vorliegenden Anmeldung und zukünftiger Teil- und Fortsetzungsanmeldungen in mehreren Ländern zu offenbaren und ausführbar zu machen, wird ein Fachmann in diesem Bereich erkennen, dass der Umfang bzw. Bereich dieser Erfindung das überschreitet, was diese Worte darüber aussagen können.
Die einfachste Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 100 kann zum Beispiel über die definierten Elemente der Energieübertragungsvorrichtung hinaus aus mindestens einem internen DES bestehen, der zu der Erzeugung des Ausgangs-Gleichstrom-DES beiträgt, der im Wesentlichen aus einem Gleichstrom-DES besteht, der hierin als der interne Gleichstrom-DES bezeichnet wird.
Als ein weiteres Beispiel können eine oder mehrere der Verbindungen zwischen den Komponenten der Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung 100, wie sie in 1 gezeigt ist, möglicherweise keine Dioden D1 oder D2 aufweisen, auch wenn diese in der Figur gezeigt sind.
Als ein weiteres Beispiel können zwischen jede der Verbindungen von 1 und nachfolgenden Figuren zusätzliche Komponenten, wie zum Beispiel Widerstände, Kondensatoren, Dioden und/oder induktive Bauelemente, um einige Beispiele zu nennen, gekoppelt sein bzw. werden, vorausgesetzt, dass diese zusätzlichen Komponenten den internen Gleichstrom-DES nicht unterbrechen, der zur Gleichstrom-Energieübertragung beiträgt.

Claims

Vorrichtung, die eine Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung aufweist, die einen Eingangs-Gleichstromanschluss, einen gemeinsamen Anschluss und einen Ausgangs-Gleichstromanschluss aufweist, wobei die Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung angepasst ist, um auf einen dynamischen Eingangs-Gleichstrom-Elektrozustand (DES) an dem Eingangs-Gleichstromanschluss zu reagieren, um elektrische Energie über mindestens einen internen DES zu einem dynamischen Ausgangs-Gleichstrom-Elektrozustand (DES) an dem Ausgangs-Gleichstromanschluss zu übertragen, wobei jeder der internen DES im Wesentlichen aus einem Gleichstrom-DES besteht, der angepasst ist, um einen Stromfluss in nur eine Richtung zu bewirken, wobei die Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung eine erste kapazitive Vorrichtung, eine zweite kapazitive Vorrichtung, einen Schalter und eine induktive Vorrichtung aufweist, wobei die erste kapazitive Vorrichtung, die zweite kapazitive Vorrichtung, der Schalter und die induktive Vorrichtung jeweils einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweisen, wobei der Schalter ferner einen Steueranschluss aufweist und der Schalter angepasst ist, um eine Verbindung zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss des Schalters in einem geschlossenen Zustand zu schließen und die Verbindung in einem geöffneten Zustand zu öffnen, wobei der geschlossene Zustand und der geöffnete Zustand die Reaktion auf einen Steuer-DES des Steueranschlusses in Bezug auf den gemeinsamen Anschluss sind, wobei die Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung ferner aufweist, dass der Eingangs-Gleichstromanschluss mit der ersten Anschluss der ersten kapazitiven Vorrichtung verbunden ist und mit dem ersten Anschluss des Schalters verbunden ist, der zweite Anschluss der ersten kapazitiven Vorrichtung mit dem gemeinsamen Anschluss verbunden ist, der zweite Anschluss des Schalters mit dem ersten Anschluss der induktiven Vorrichtung verbunden ist, der zweite Anschluss der induktiven Vorrichtung mit dem ersten Anschluss der zweiten kapazitiven Vorrichtung und mit dem Ausgangs-Gleichstromanschluss verbunden ist und der zweite Anschluss der zweiten kapazitiven Vorrichtung mit dem gemeinsamen Anschluss verbunden ist, wobei die Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung angepasst ist, um zu erfüllen oder zu übertreffen, dass jeder von dem Eingangs-Gleichstrom-DES eine Spannung von mindestens 36 Volt aufweist, der Ausgangs-Gleichstrom-DES eine Spannung von mindestens zwölf Volt aufweist, die erste kapazitive Vorrichtung eine Kapazität von mindestens 500 Mikrofarad mit einer Arbeitsspannung von mindestens 800 Volt aufweist, die zweite kapazitive Vorrichtung eine Kapazität von mindestens 1500 Mikrofarad aufweist, und für eine Energieübertragung zwischen dem Eingangs-Gleichstromanschluss und dem Ausgangs-Gleichstromanschluss mit einer Effizienz der Energieübertragung von mindestens K % angepasst ist, wobei K mindestens 65 beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung angepasst ist, um zu erfüllen oder zu übertreffen, dass das K mindestens 75 beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung angepasst ist, um zu erfüllen oder zu übertreffen, dass das K mindestens 83 beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung angepasst ist, um zu erfüllen oder zu übertreffen, dass mindestens einer bzw. eine der Eingangs-Gleichstrom-DES eine Spannung von mindestens 1000 Volt aufweist, der Ausgangs-Gleichstrom-DES eine Spannung von mindestens 100 Volt aufweist, die erste kapazitive Vorrichtung eine Kapazität von mindestens 0,5 Farad mit einer Arbeitsspannung von mindestens 1000 Volt aufweist und/oder die zweite kapazitive Vorrichtung eine Kapazität von mindestens 1,0 Farad aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung angepasst ist, um zu erfüllen oder zu übertreffen, dass mindestens einer bzw. eine der Eingangs-Gleichstrom-DES eine Spannung von mindestens 2000 Volt aufweist, der Ausgangs-Gleichstrom-DES eine Spannung von mindestens 200 Volt aufweist, die erste kapazitive Vorrichtung eine Kapazität von mindestens 1,0 Farad mit einer Arbeitsspannung von mindestens 2000 Volt aufweist und/oder die zweite kapazitive Vorrichtung eine Kapazität von mindestens 2,0 Farad aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung angepasst ist, um zu erfüllen oder zu übertreffen, dass mindestens einer bzw. eine der Eingangs-Gleichstrom-DES eine Spannung von mindestens 3000 Volt aufweist, der Ausgangs-Gleichstrom-DES eine Spannung von mindestens 300 Volt aufweist, die erste kapazitive Vorrichtung eine Arbeitsspannung von mindestens 3000 Volt aufweist und/oder die zweite kapazitive Vorrichtung eine Kapazität von mindestens 4,0 Farad aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner ein Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetz aufweist, das einen Hochenergieanschluss, einen Dienstanschluss, den gemeinsamen Anschluss und mindestens ein Exemplar der Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsvorrichtung aufweist, die angepasst ist, um zu einer Energieübertragung zwischen dem Hochenergieanschluss und dem Dienstanschluss von mindestens einer Million Joule beizutragen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Energieübertragung zwischen dem Hochenergieanschluss und dem Dienstanschluss mindestens zwei Millionen Joule beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Energieübertragung zwischen dem Hochenergieanschluss und dem Dienstanschluss mindestens vier Millionen Joule beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Energieübertragung zwischen dem Hochenergieanschluss und dem Dienstanschluss eine Energieeffizienz von mindestens den K Prozent hat.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der das K mindestens 75 beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der das K mindestens 83 beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, die ferner ein System aufweist, das in Reaktion auf die Energieübertragung des Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetzes arbeitet.
Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der das System einen Elektromotor aufweist, der mit dem Dienstanschluss gekoppelt ist, um die Energieübertragung des Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetzes zu verwenden.
Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der das System ferner eine Brennstoffzelle und/oder eine Solarzelle und/oder einen Generator aufweist, die bzw. der mit dem Hochenergieanschluss gekoppelt ist, um Energie für die Energieübertragung an das Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetz zu liefern.
Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der das System ferner das Nur-Gleichstrom-Energieübertragungsnetz aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der das System zumindest teilweise ein Fahrzeug implementiert.
Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der das Fahrzeug ein Elektrofahrzeug und/oder ein Hybridfahrzeug ist.
Vorrichtung nach Anspruch 18, bei der das Hybridfahrzeug ein Hybrid-Elektro/Verbrennungsmotor-(Hybrid-Elektromotor/ICE-)Fahrzeug ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der das Fahrzeug ein Personenkraftwagen ist.