JP2007524331A - コンパクトな電源 - Google Patents
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Abstract
Description
それぞれ異なる動作特性を有し、電気回路内で前記負荷に接続された複数のエネルギー蓄積要素と、
前記蓄積要素の少なくとも1つと前記負荷との間に挿入され、前記エネルギー蓄積要素の前記1つを回路要素から分離するように動作可能な回路要素であって、前記負荷に対するエネルギー供給が前記蓄積要素の前記特性と合致するように選択される回路要素とを備える電源が提供される。
電源(54)は、特性の異なるエネルギー蓄積要素、すなわち電池(100)、超コンデンサ(200)、および電解コンデンサ(300)を有する。蓄積要素は、端子56、58に接続されたバス(59)によって、パワードライブ(52)に並列に接続されている。第1のプロファイルである高周波数パルス幅変調(PWM)は、電解コンデンサ(300)によって最適に対処され、低周波数である第2のプロファイルは、電池(100)および超コンデンサ(200)によって最適に対処される。蓄積要素は、バス(59)に挿入されたインダクタ(400)によって機能的に分離されて、後述する特定の事例では、電池(100)および超コンデンサ(200)からの電流の流れを制限する。インダクタ400は、電池100および超コンデンサ200からの電流の供給を遅らせる役割を果たし、したがって、電流は、並列の電解コンデンサ(300)を放電することにより選択的に供給される。
図3を参照すると、電池(100)は、高エネルギー密度のリチウムポリマー(Li-Pol)セルなどの10個の電池セル(110)を含み、これは、例えばKokam Engineering製のSLPB36495-HDセルであるが、本明細書の説明はそれだけに限定されるものではない。電池セル(110)は直列に構成されており、この配列によって、比較的高い電圧(公称37 V、満充電時で最大42 V)を使用することができ、かつ高い電流(電力)を使用することができる。これらのセル(110)は、セル(110)の公称値の10倍(1C mA = 2000 mAのとき10 C)までの高電流を放電することが可能なので、能動義肢(60)のこの例示的な応用例に、または高いピーク電流が必要な他のどんな応用例にもよく適している。この性能により、セル(110)は公称値よりも高い電流を供給できるため、電池(100)内の必要なセル(110)の数を減らすことができる。さらに、こうすると、体積当たりの性能が高い有利な解決策が得られ、比較的コンパクトな設計が可能になるが、これは、電源に利用できる空間が限られている、能動義肢(60)または他のあらゆる電気機器あるいは電子機器の場合に、重要な要素である。
電池(100)のピーク電流に対する寄与を制限するために、高エネルギー蓄積要素、すなわち超コンデンサ(200)が使用される。超コンデンサ(200)は、非常に短時間の間に大量のエネルギーを供給することができ、これは電池(100)の挙動とは異なる。電池は、その体積中により高いエネルギーを蓄積できるので、高エネルギー要素と見なされるが、そのエネルギーを同じ程迅速に供給する能力は有さない。したがって、本明細書の説明は次のモデルだけに限定されるものではないが、例えばEvans CapacitorからのTHQ3050243などの超コンデンサ(200)によって、高い突入電流の一部が供給される。この例示的な応用例では、24 mFで十分であると評価されている。
電解コンデンサ(300)は、電池(100)のピーク電流への寄与を制限するため、ならびにPWMのフィルタリングのために使用される高エネルギー蓄積要素である。超コンデンサ(200)と同様に、電解コンデンサ(300)は、非常に短時間の間に大量のエネルギーを供給することができ、これは電池(100)の挙動とは異なる。したがって、本明細書の説明は次のモデルだけに限定されるものではないが、例えばPanasonicからのEEUFC1J471Lコンデンサなどの電解コンデンサ(300)によって、より高周波数の高い突入電流の一部が供給される。これまで説明してきた応用例では、体積を考慮すると、より小さな電解コンデンサ(300)、この場合は個々の容量が0.47 mFで総容量が2.82 mFとなるコンデンサ(並列に配列した6個の電解コンデンサ(300))を使用することが好ましい。電解コンデンサ(300)をこのように並列に配列することによるさらなる利益は、特にESRは6分の1に大きく低減されるが、容量および最大電流は6倍に増加することである。
上述したように、インダクタ(400)により、異なる特性をもつエネルギー蓄積要素が分離される。インダクタ(400)は、ピーク高周波電流状態が生じたときに、電池(100)および超コンデンサ(200)の電流寄与を遅延させ、よってそれを制限する役割を果たす。インダクタ(400)は、パワードライブ(52)と超コンデンサ(200)との間に配置される。というのは、パワードライブ(52)は潜在的に高周波ノイズを(したがって電流を)誘導し、超コンデンサは高周波条件下では良好に動作しないからである。インダクタ(400)は電池(100)に対しても同じ役割を果たす。低周波のサブシステム、すなわち電池(100)および超コンデンサ(200)の寄与を、許容可能な程度に制限できるようにするために、十分なインダクタンスを用いなければならない。低周波のサブシステム、すなわち電池(100)および超コンデンサ(200)の電流寄与を低減することにより、インダクタ(400)は、電解コンデンサ(300)にそのエネルギーをパワードライブ(52)に供給させる。能動義肢(60)のこの例示的な応用例では、インダクタ(400)は、例えばAPI DelevanからのDC780-153Kインダクタでよいが、本明細書の説明はこのモデルだけに限定されるものではない。選択されたインダクタ(400)は、この応用例における最も悪い状態の電流、この所与の例では約18 Aに合致する、増分的な電流値を有さなければならないことに留意されたい。
分流コントローラ
特定の状況では、電源(54)は、能動義肢(60)にエネルギーを供給する代わりにそこからエネルギーを吸収するが、そのような状況は再生段階と呼ばれる。再生段階は、例えば能動義肢(60)のユーザが階段を降りている場合に発生する。再生段階が電源(54)に及ぼす影響は、その要素にエネルギーが戻ることであり、そのエネルギーを、超コンデンサ(200)および電解コンデンサ(300)を再充電するのに使用することができる。しかしながら、超コンデンサ(200)および電解コンデンサ(300)が完全に再充電されると、Vout+ (56)とVout- (58)の間の電圧が上昇し続けることがあり、それが損傷をもたらす恐れがある。超コンデンサ(200)および電解コンデンサ(300)を保護するため、分流コントローラ(500)は、Vout+ (56)とVout- (58)の間の電圧を監視して、予め設定した最大電圧レベルに達しているかどうか判断する。監視された電圧が予め設定した最大電圧レベルを越えると、分流コントローラ(500)はスイッチ(510)を閉じ、その結果、吸収されたエネルギーは抵抗(520)中に放散される。逆に、監視された電圧が予め設定した最大電圧レベルを下回ると、分流コントローラ(500)はスイッチ(510)を開く。
再生段階の間、上述したように、電源(54)への影響はその要素にエネルギーが戻ることであり、それが電池(100)に損傷を与えることがある。ダイオード(600)の目的は、電源(54)のバス(59)への逆電流を妨げることによって、電池(100)にそのようなエネルギーが戻らないように保護することである。
超コンデンサ(200)および電解コンデンサ(300)を電池(100)から充電するとき、例えば、ある一定期間電源(54)を作動させず、超コンデンサ(200)および電解コンデンサ(300)を故意に完全に放電させた後に、電源(54)が通電される場合、電池(100)からの非常に大きくかつ急速な電力ドレインが起こる。その結果、得られる最大許容電力を超えることもある電力ドレインが生じ、したがって、電池(100)を過放電の状態から保護するために、PMUは、電池(100)をバス(59)から切り離す。このような状態が発生するのを防ぐため、低速突入電流リミッタ(700)および高速突入電流リミッタ(800)は、それぞれ超コンデンサ(200)および電解コンデンサ(300)から電池(100)への電流ドレインを、適切なときに制限する。
蓄積要素のこの構成により、適切な要素が電流を駆動機構(62)に供給することが可能になるが、電源管理ユニット(PMU) (900)によってさらなる機能強化および制御が得られる。図6に示すPMU (900)はコントローラであり、その目的は、電池(100)から得られる最大許容電力を決定し、放電スイッチ制御線(914)を用いて放電スイッチ(164)を開閉し、また電力飽和制御線(916)を用いてパワードライブ(52)の電力飽和コマンドを設定することである。電力飽和制御線(916)上の信号は、電池(100)から供給可能な電力を示し、駆動機構(62)に最適な制御信号を選択するために、パワードライブ(52)がそれを使用する。
PmaxSat = Iav・Vbat (weighted) 式(3)
である。
Claims (18)
- 負荷に電力を供給する電源であって、
それぞれ異なる動作特性を有し、電気回路内で前記負荷に接続された複数のエネルギー蓄積要素と、
前記蓄積要素の少なくとも1つと前記負荷との間に挿入され、前記エネルギー蓄積要素の前記1つを回路要素から分離するように動作可能な回路要素であって、前記負荷に対するエネルギー供給が前記蓄積要素の前記特性と合致するように選択される回路要素とを備える電源。 - 前記蓄積要素が並列に接続され、前記回路要素が1対の前記蓄積要素の間に挿入される、請求項1に記載の電源。
- 前記エネルギー蓄積要素の1つを監視し、それに対して前記負荷から課せられる要求を変更する電源監視ユニットを含む、請求項2に記載の電源。
- 前記電源監視ユニットが、前記負荷に供給される最大電流を決定する、請求項3に記載の電源。
- 前記電源監視ユニットが、所定の状態に到達したときに、前記1つのエネルギー蓄積要素を前記回路から切り離すように動作可能である、請求項3に記載の電源。
- 前記1つの蓄積要素が、他の前記蓄積要素にエネルギーを補充するように動作可能である、請求項2に記載の電源。
- 前記1つのエネルギー蓄積要素から前記他の前記エネルギー蓄積要素への電力供給が、前記1つの蓄積要素の特性に合致するように制限される、請求項6に記載の電源。
- 前記回路要素がインダクタである、請求項1に記載の電源。
- 前記エネルギー蓄積要素が少なくとも1つの電池セルを含む、請求項1に記載の電源。
- 前記少なくとも1つの電池セルと前記負荷との間に接続されたダイオードをさらに備え、
前記ダイオードが、前記負荷から前記少なくとも1つの電池セルへの突入電流を阻止する、請求項9に記載の電源。 - 前記少なくとも1つの電池セルがリチウムポリマーセルである、請求項9に記載の電源。
- 前記エネルギー蓄積要素が少なくとも1つの超コンデンサを含む、請求項1に記載の電源。
- 前記エネルギー蓄積要素が少なくとも1つの電解コンデンサを含む、請求項1に記載の電源。
- 前記エネルギー蓄積要素の少なくとも1つに接続された少なくとも1つの突入電流リミッタをさらに備える、請求項1に記載の電源。
- バスに接続された、付随する抵抗および付随するスイッチを有する分流コントローラをさらに備え、
前記分流コントローラが、前記電源の電圧レベルを監視し、予め設定された最大電圧レベルに達したことに応答して前記付随するスイッチを閉じ、前記分流コントローラの前記付随するスイッチを閉じることにより、エネルギーが前記付随する抵抗中に放散される、請求項1に記載の電源。 - 前記エネルギー蓄積要素から前記負荷への電力の供給が、前記蓄積要素からの電流要件を前記負荷の要件に合致させるように動作可能なパワードライブコントローラによって制御される、請求項1に記載の電源。
- 前記エネルギー蓄積要素の少なくとも1つが前記電源監視ユニットによって監視され、前記コントローラの要件を利用可能な電力に合致させる、請求項16に記載の電源。
- 前記電源監視ユニットが、前記1つの蓄積要素の電力飽和レベルを示す制御信号を前記パワードライブコントローラに提供する、請求項17に記載の電源。
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