JP2015532573A - 電流フィードバックを用いたドループ補償 - Google Patents

Abstract

システムは、１又は複数の電源から受けた入力電圧を出力電圧へと増幅するように構成されたブーストコンバータを含む。このシステムは、また、例えば誘導によって入力電圧の電流を検知するように構成された電流センサを含む。このシステムは、電流センサによって検知された電流に応じてブーストコンバータの増幅を調整するように構成されたコントローラを更に含む。共通の負荷に接続された複数の電源モジュールの各々において用いられるときに、電源モジュールは、共通の負荷の要求を介して変化する入力電圧の検知された電流に応じて、それらのブーストコンバータの増幅を、それらの出力電圧及びそれらの電流が均一化する方向に調整する。関連するシステム及び方法もまた開示される。

Description

本出願は、２０１２年９月２８日に出願された米国特許仮出願番号第６１／７０７，４７８に基づく優先権を主張し、その内容は全体として参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、概して電源に関し、より具体的にはこれに関連するコントローラに関する。

異なる複数の電源を接続して、個別の電源によって実現可能な電力量よりも多くの電力量を供給することは、しばしば有益である。例えば、電気化学電池が、電気化学電池システム（即ち、バッテリー）を構成するためにしばしば接続される。一部の電気化学電池システムにおいては、システム内の各電気化学電池、又は、システム内の電気化学電池のサブセットを制御して、負荷に対する電力供給のシステム全体の効率を向上させることが有益となり得る。例えば、電気化学電池システムにおける１又は複数の電気化学電池（例えば、モジュールにグループ分けされる）が故障し、又は、他の電気化学電池又はモジュールと比較して性能が低下している場合には、モジュール間で電力を共有しつつ、異なる複数の電池間の電流を均一化しようとするのが望しい。特に、システム内でモジュールの寿命が概ね等しくなることは、モジュールによって供給される総エネルギー又は電力よりも、各モジュールの消費電流に基づく。こうした構成は、システムのモジュールの各々の寿命を概ね均一化することによって、システム内のモジュールの一様な交換計画を容易にする。

従来より、電気化学電池間で電流を共有するために、子の（slave）電池又はモジュールは、親の（master）電池又はモジュールにくくりつけられており、親の電池又はモジュールが、システムの消費電流を設定する。しかしながら、親の電池又はモジュールが故障し、又は、他の性能低下となっている場合には、システム全体の性能が相応して低下してしまう。他にも欠点はあるものの、この従来の方法では、モジュールの独立性を維持することが出来ない。

このため、本出願の開示は、これら及び他の成果を実現しようとするものである。

一実施形態に従って、システムは、１又は複数の電源から受け付けた入力電圧を出力電圧へと増幅するように構成されたブーストコンバータを含む。このシステムは、また、入力電圧の電流を検知するように構成された電流センサを含む。電流は、磁気的な方法（即ち、誘導（インダクション））又は単に抵抗に関する方法（即ち、精密抵抗器）、或いはこれらの方法の組合せによって測定することが出来る。このシステムは、電流センサによって検知された電流に応じてブーストコンバータの増幅を調整するように構成されたコントローラを更に含む。

他の実施形態に従って、システムは、複数の電源モジュールを含む。各電源モジュールは、１又は複数の電源から受け付けた入力電圧を出力電圧へと増幅するように構成されたブーストコンバータを含む。各電源モジュールは、また、例えば誘導によって、入力電圧の電流を検知するように構成された電流センサを含む。各電源モジュールは、電流センサによって検知された電流に応じてブーストコンバータの増幅を調整するように構成されたコントローラを更に含む。複数の電源モジュールは、出力電圧を介して共通の負荷に接続される。複数の電源モジュールは、共通の負荷の要求を介して変化する入力電圧の検知された電流に応じて、それらのブーストコンバータの増幅を、それらの出力電圧及びそれらの電流が均一化する方向に調整する。

他の実施形態に従って、共通の負荷に接続された複数の電源間で電流を均一化する方法は、電源の各々が、ブーストコンバータを用いて、１又は複数の電源から受け付けた入力電圧を、出力電圧へと増幅することを含む。この方法は、また、電源の各々が、電流センサを用いて、入力電圧の電流を誘導によって検知することを含む。この方法は、電源の各々が、電流センサによって検知された電流に応じて増幅の量を調整することを更に含む。増幅の量を調整することによって、複数の電源は、出力電圧及び電流の安定平衡に近づく。

本発明の他の態様は、以下の詳細な説明、添付した図面及び添付した特許請求の範囲から明らかとなる。

以下、本発明の実施形態を、添付する概略図を参照しつつ、単に例示として説明する。この概略図において、対応する参照符号は、対応する構成要素を示す。

図１は、各々が複数の電気化学電池を含む複数のモジュールを有する電気化学電池システムの概略図を図示する。

図２は、各モジュールに関連する制御回路であって、図１の電気化学電池システム内の他のモジュールに対する関連するモジュールのドループ補償を実行するように構成された制御回路の概略制御図を図示する。

図１は電気化学電池システム１００の概略図である。図示する実施形態において、電気化学電池システム１００は、複数の電池モジュール１１０（個別には、電池モジュール１１０ａ、１１０ｂ、及び１１０Ｎ。Ｎは３又はそれ以上の整数）を含み、各電池モジュール１１０は複数の電気化学電池を含む。電気化学電池システム１００が、任意の適切な数（例えば、２又はそれ以上）の電池モジュール１１０を含む得ることは理解されよう。様々な実施形態において、電池モジュール１１０は、異なる数の電気化学電池１２０を含み得る。図示する実施形態において、各モジュール１１０は、８つの電気化学電池１２０（具体的には、電池モジュール１１０ａ内の電気化学電池１２０ａ（ｉ−ｖｉｉｉ）、電池モジュール１１０ｂ内の電気化学電池１２０ｂ（ｉ−ｖｉｉｉ）、及び電池モジュール１１０Ｎ内の電気化学電池１２０Ｎ（ｉ−ｖｉｉｉ））を含む。

一実施形態において、各電池モジュール１１０の電気化学電池１２０は、２つのインターフェイスグループに分けられ、各インターフェイスグループは、対応する電池インターフェイスユニット１３０を有する。図示するように、電池インターフェイスユニット１３０ａ（ａ）が、電池１２０ａ（ｉ）−（ｉｖ）をグルーピングし、電池インターフェイスユニット１３０ａ（ｂ）が電池１２０ａ（ｖ）−（ｖｉｉｉ）をグルーピングする。同様に、電池インターフェイスユニット１３０ｂ（ａ）が、電池１２０ｂ（ｉ）−（ｉｖ）をグルーピングし、電池インターフェイスユニット１３０ｂ（ｂ）が電池１２０ｂ（ｖ）−（ｖｉｉｉ）をグルーピングする。更に、電池インターフェイスユニット１３０Ｎ（ａ）が、電池１２０Ｎ（ｉ）−（ｉｖ）をグルーピングし、電池インターフェイスユニット１３０Ｎ（ｂ）が電池１２０Ｎ（ｖ）−（ｖｉｉｉ）をグルーピングする。一実施形態において、電池インターフェイスユニット１３０は、関連する電池１２０と直列に連結する。更に、複数の電池インターフェイスユニット１３０自身が、直列に連結される。従って、特定の電池モジュール１１０内の各電池１２０の電圧は合算される。各電池モジュール１１０内に８つの電気化学電池１２０を有する図示する実施形態において、各電気化学電池１１０が１ＶＤＣボルトを供給するときには、直列の８つの電池１２０は８ＶＤＣを供給する。異なる電池モジュール１１０が異なる電圧を供給し得る（例えば、一の電池モジュールが８ＶＤＣを供給し、他が６ＶＤＣを供給する）ことは理解されよう。

電気化学電池１２０は実施形態に応じて変更され、一部の実施形態においては、電池１２０の１又は複数、及び／又は、電気化学電池システム１００の他の特徴は、米国特許出願番号１２／３８５，２１７（米国特許８，１６８，３３７として発行）、１２／３８５，４８９（米国特許８，３０９，２５９として発行）、１２／５４９，６１７（米国特許８，４９１，７６３として発行）、１２／６３１，４８４、１２／７７６，９６２、１２／８８５，２６８、１３／０２８，４９６、１３／０８３，９２９、１３／１６７，９３０、１３／１８５，６５８、１３／２３０，５４９、１３／２９９，１６７、１３／３６２，７７５、１３／５３１，９６２、１３／５３２，３７４、１３／５６６，９４８、及び１３／６６８，１８０の１又は複数に開示される構成要素又は配置を含み得る。これらの各米国特許出願は、参照により全体としてここに組み込まれる。即ち、電池（及び、これらの電池によって構成されるシステム）は、充電式電源（二次電池とも呼ばれる）とすることもでき、この充電式電源は、外部電源（例えば、太陽電池、風力タービン、地熱による発電電力、水力学的な発電電力、エンジン／ブレーキによる発電電力、主電力網、等）によって充電され、及び、必要／要求に応じて（バックアップ電力として、蓄積電力を放電するために、化石燃料エンジンの代わりとして、等）放電される。

一部の実施形態においては、電池インターフェイスユニット１３０が、関連する各電池１２０の状態を監視するように構成され、スイッチング、或いは、不良の電池１２０を分離し又は迂回するように構成された他の機能を提供する。こうした機能は、例えば、先に参照により組み込まれた米国特許出願番号１３／２９９，１６７に開示されている。他の例として、電気化学電池１２０の１又は複数が金属空気電池である実施形態において、電池１２０は、少なくとも部分的に、電池モジュール１１０に関連するカソードブロア１４０（個別には、図示するように、カソードブロア１４０ａ、１４０ｂ、及び１４０Ｎ）に電力を供給するために用いられる。このカソードブロア１４０は、空気又は他の酸化剤の流れを、電池１２０の各々に関連する酸化剤電極へと向けるように構成される。この点は、先に参照により全体として組み込まれており「電気化学電池システムにおける浸漬性ガス状酸化剤カソード（Immersible Gaseous Oxidant Cathode for Electrochemical Cell System）」と題する米国特許出願１３／５３１，９６２において開示されている。

各モジュール１１０において、クラスタ制御ユニット１５０（個別には、図示する実施形態において、クラスタ制御ユニット１５０ａ、１５０ｂ、及び１５０Ｎ）が電池インターフェイスユニット１３０に連結しており、各々に関連するシリアル通信インターフェイス（ＳＣＩ）を介してそのプログラム制御を提供する。クラスタ制御ユニット１５０は、コントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）バス１６０を介して相互に連結されている。電池モジュール１１０のプログラム制御又は他の制御は、メイン制御ユニット１７０から提供され、このメイン制御ユニット１７０もまた、ＣＡＮバス１６０に連結される。こうしたプログラム制御の実施形態について、以下に詳述する。一部の実施形態においては、例えば図示するように、ＡＣフェイル回路１８０もまた電気化学電池システム１００に実装されており、メイン制御ユニット１７０及びクラスタ制御ユニット１５０の各々に接続されている。ＡＣフェイル回路１８０は、電池モジュール１１０のクラスタ制御ユニット１５０に対して、必要に応じてＡＣバス１９０への電力供給を指示するように構成されている。例えば、グリッド上のＡＣ電力が停電した場合に、ＡＣフェイル回路１８０は、電気化学電池１２０から電力を取り出すように構成される。一部の実施形態において、ＡＣバス１９０が、通常は電池モジュール１１０からＤＣ電力を受けるが、ＤＣ電力をＡＣ電力に変換するように構成されたインバータに関連付けられ得ることは理解されよう。他の実施形態においては、各電池モジュール１１０は１又は複数のインバータを含み、ＡＣバス１９０にＡＣ電圧を供給するように構成される。一部の実施形態においては、図１において破線によって示されるように、ＡＣバス１９０は、メイン制御ユニット１７０に（例えば、任意の適切なセンサ又はセンシングシステムを介して）接続する。一実施形態において、メイン制御ユニット１７０はＡＣバス１９０に関連するインバータを制御する。一部の実施形態においては、ＡＣフェイル回路１８０の機能は、ＣＡＮバス１６０、又は他の適切な別の制御リンクに結合される。

電流の均一化が容易となるように、電気化学電池システム１００においてドループ補償を実行することが望ましい。電流の均一化は、これに相応して、電池モジュール１１０及びその中の電気化学電池１２０の寿命を均一化し得る。電流の均一化によって、ドループ補償が、概ね又は本質的に電流を均一化する（例えば、均一化しようとする電流を、当該技術分野において一般に均一であると考えられる状態とする）ことを容易にすることは理解されよう。一実施形態において、ドループ補償は、各クラスタ制御ユニット１５０内のコントローラに関連する制御回路を用いて実行される。従って、一部の実施形態においては、ドループ補償が、電池モジュール毎の基準で実行される。他の実施形態においては、ドループ補償は、電池モジュール１１０のサブセット間で実行され、例えば、電池インターフェイスユニット１３０のレベルで実装されることによって実行される。更に他の実施形態においては、ドループ補償は、各個別の電気化学電池１２０に関連付けて実装され、電池毎の基準で実行される。他の実装もまた可能である。

図２は、制御回路２００の制御ブロック図を示し、一実施形態に従って（例えば、電気化学電池システム１００において）ドループ補償が実装される方法の一例を示す。図示する実施形態において、制御回路２００は、より詳しくは後述するが、制御スキームが、ブースト回路２２５（即ち、コンバータ）を介したブースト入力電圧２１０からブースト出力電圧２２０への変換に作用することを示している。図示する例においては、ブースト入力電圧２１０は、公称８ＶＤＣとして示されている。こうした入力電圧が、それぞれ１ＶＤＣを出力し各電気化学電池モジュール１１０に関連する８つの電気化学電池１２０の各々を直列に合計することによって生じることは理解されよう。また、図示するように、一実施形態において、ブースト出力電圧２２０は、ブースト回路２２５によって公称５２ＶＤＣに昇圧（即ち、増幅）されている。図示する例において、５２ＶＤＣ→４２ＶＤＣの範囲は、通信要件（telecom requirements）に基づくものであり、ここで、全ての負荷は５２ＶＤＣでアクティブであり、非重要負荷（noncritical loads）（ＮＣＬ）は、４８ＶＤＣでドロップアウトし、重要負荷（critical loads）（ＣＬ）のみが約４２−４５ＶＤＣでアクティブに維持される。固定値に代えてＣＬ電圧が範囲を有することは一般的ではないが、その範囲は、顧客が要求する任意の範囲に基づく。上記範囲を収容する（accommodate）ために、スケーリングファクターを調整し得ることは理解されよう。より詳しくは後述するが、ブースト回路２２５の増幅は可変であり、要求されるドループ補償を提供する。一実施形態において、ブースト出力電圧２２０は、電気化学電池システム１００のＡＣバス１９０に対して出力される。

一実施形態において、制御回路２００を用いてドループ補償を実行するために、固定基準電圧２３０が、第１の合計ジャンクション（summation junction）２４０において受け付けられる。図示される実施形態において、固定基準電圧２３０は５ＶＤＣである。
この５ＶＤＣは、典型的な基準点（scaling point）であって、基板の公称動作電圧に依存して、一部の実施形態においては１ＶＤＣから１０ＶＤＣまでの任意の値とすることができることは理解されよう。固定基準電圧２３０は、任意の適切な電源によって供給され、例えば、最終的には電気化学電池１２０の１又は複数、又は、別の電源から供給され得る。第１の合計ジャンクション２４０において、固定基準電圧２３０は、そこから減じられる第１の電圧修正２５０を有する。より詳しくは後述するが、第１の電圧修正２５０は、ブースト入力電圧２１０に対応する検知電流（Ｉ）から演算することが出来る。また、ソフトウェア電圧調整２６０が第１の合計ジャンクション２４０において適用され、固定基準電圧２３０から減じられる。一部の実施形態においては、ソフトウェア電圧調整２６０は、電池の特性から演算又は導出することができ、又は、ユーザ入力として受け付けることが出来る。一実施形態において、ソフトウェア電圧調整２６０は、詳しくは後述するが、０Ｖから０．９６２Ｖの範囲にわたる。０．９６２という値が、５ＶＤＣという基準に基づくスケーリングファクターとして演算されることは理解されよう。スケーリングファクターがゼロにおける場合、ブースト出力電圧は５２ＶＤＣである。スケーリングファクターが０．９６２における場合、ブースト出力電圧は４２ＶＤＣである。調整による変更は、どの負荷（即ち、重要負荷、非重要負荷）がアクティブであるかのユーザ制御に基づく。この値は、任意の数とすることができ、要求されるブースト出力電圧の範囲のみに依存する。固定基準電圧２３０の合計は、ソフトウェア電圧調整２６０及び第１の電圧修正２５０が減じられたものであり、電圧基準２７０として出力される。

電圧基準２７０は、第２の合計ジャンクション２８０に入力される。第２の合計ジャンクション２８０において、第２の電圧修正２９０が電圧基準２７０から減じられる。図示する実施形態において示すように、第２の電圧修正２９０は、ブースト出力電圧２２０に基づいて演算され、ＰＩループ（即ち、比例−積分ループ、ここで、制御回路２００はＰＩコントローラを備える）を形成する。具体的には、一実施形態において、ブースト出力電圧２２０は、ステップダウンオペアンプ３００に供給される。このステップダウンオペアンプ３００は、図２の典型的な実施形態においては、０．０９６のゲインを有する。このようになっているのは、図示する実施形態において、固定基準電圧２３０は５ＶＤＣであり、ブースト出力電圧２２０は公称５２ＶＤＣであるからである（５２ＶＤＣ＊０．０９６≒５ＶＤＣ）。

仮にブースト出力電圧２２０に対応する負荷が存在しないとすると、ブースト入力電圧２１０に対応する電流が存在しないことになる。即ち、検知された電流の欠落に関連する第１の電圧修正２５０はゼロとなり得、（ソフトウェア電圧調整２６０が存在しない）電圧基準２７０は、固定基準電圧２３０と同じになり得る。固定基準電圧２３０に関連するステップダウンオペアンプ３００のゲインにより、こうした状況においては、電圧基準２７０は第２の電圧修正２９０と等しくなり、ゼロのエラー出力３１０（即ち、ｅ（ｔ））となり得る。ブースト出力電圧２２０が降下する場合に、第２の電圧修正２９０もまた降下し、ゼロでないエラー出力３１０を生成することは理解されよう。より詳しくは後述するが、エラー出力３１０は、ブースト回路２２５によるブースト入力電圧２１０からブースト出力電圧２２０への増幅を修正するために用いられ、その変化を補償する。

負荷がブースト出力電圧２２０に適用されるときに、ブースト入力電圧２１０に対応する電流に関連する第１の電圧修正２５０は、電圧基準２７０を調整する。特に、負荷の追加に伴って、ブースト入力電圧２１０に対応する電流は、ゼロから正の値に増加する。図２に示されるように、ブースト入力電圧２１０の電流を検出するために、ブースト回路２２５はその中に電流センサ３２０を含む。一実施形態において、ブースト入力電圧２１０を伝えるワイヤは、電流センサ３２０を通るように設けられ、この電流センサ３２０は、対応する磁場を検知し（pick up）、この磁場に比例するインダクタ電流測定値３２５を出力する。この電流は、電流センサ３２０によってアンペア（Ａ）として測定される。こうしたアンペアのインダクタ電流測定値３２５は、電流電圧コンバータ３３０によって電圧値に変換される（制御回路２２０において実装される制御は通常は電圧で動作するため）。インダクタ電流測定値３２５は、電圧に変換され、上述したように、第１の電圧修正２５０を設定するために、その後、制御回路２００を介してフィードバックされる。第１の電圧修正２５０が電圧基準２７０の設定に用いられるから、インダクタ電流測定値３２５もまたエラー出力３１０を設定するために用いられることは理解されよう。一部の実施形態においては、電流センサ３２０は、誘導（インダクション）以外の他の方法によって電流を検知する。例えば、電流検知抵抗器を既知の精密抵抗にて用いることができる。

図示するように、エラー出力３１０は、制御回路２００のための電流基準３３５（即ち、「Ｉ−ｒｅｆ」）を設定するために用いられる。一部の実施形態において、制御回路２００を実装するシステム（例えば、システム１００）が、４０ＡＤＣの電流制限を有することは理解されよう。こうした電流制限は、制御回路２００における２．５ＶＤＣの制限に対応する。４０ＡＤＣの制限はユーザ要求によるものであり、又、保護制限であり、例えば、顧客負荷の電源がモジュールからの４０Ａより大きいときに、モジュールからの入力電流を制限することは理解されよう。バスがショートすると、４０Ａの制限がクランプし、この結果、保護のために４０Ａが許容されるのみとなる。図示する実施形態における２．５Ｖの制限という選択例は、ユーザによって選択され、一部の実施形態においては、約１Ｖから１０Ｖの範囲となり得る。バスが過負荷となると（例えば、ショートしたバス）、出力電圧はゼロとなり、エラー出力が飽和する（saturate）。飽和したエラー出力は、（制限によってキャップされるが）Ｉ−ｒｅｆが高くなるように指令する。一例として、電流の振幅（current swing）又は顧客要求の４０Ａによって、ブースト出力電圧は５２ＶＤＣより低くなるが、４８ＶＤＣより高く維持し、重要負荷ＣＬがドロップアウトしないようにすることが望ましい。従って、入力電流が４０Ａであるときに、４８０ｍＶとう値は、ソフトウェア調整と同様に、５ＶＤＣという典型的な選択から調整される（be scaled）。図示する実施形態において、電圧基準２７０に関連するエラー出力３１０は電圧リミッタ３４０を通過する。この電圧リミッタ３４０は、エラー出力３１０を、４０ＡＤＣに対応する２．５Ｖ以下に制限する。エラー出力３１０は、電圧リミッタ３４０によって制限され、電流基準３３５として考慮される。同様に、４０Ａの制限が電流センサ３２０の測定のために存在するから、電流電圧コンバータ３３０もまた２．５Ｖの制限に対応する。この２．５Ｖの制限は、６２．５ｍＶ／Ａとなる。０．１９２のゲインを有するステップダウンオペアンプ３５０は、制御回路２００におけるインダクタ電流の影響を１２ｍＶ／Ａ（４８０ｍＶ＝４０ＡＤＣ）まで減らす。一部の実施形態において、インダクタ電流に対応する減電圧は、その後、タイミングディレイ３６０に供給される。図示する実施形態において、タイミングディレイ３６０は、１００ｍｓ用である。他の実施形態においては、他の遅延時間（time delays）もまた可能である。タイミングディレイ３６０が、制御ループの動作を遅くするように構成され、これにより、詳しくは後述するが、制御回路２００のループを抑制し（dampen out）、安定状態に達する前の高い振動（high oscillation）を防止することは理解されよう。一部の実施形態はタイミングディレイ３６０を含まないかもしれないが、制御回路２００のループの望ましくない振動を防止するための他のメカニズムを含み得ることは理解されよう。

インダクタ電流に対応する減電圧は、図示する実施形態においてはステップダウンオペアンプ３５０から生じ、タイミングディレイ３６０によって時間遅延されるが、第１の電圧修正２５０として第１の合計ジャンクション２４０にフィードバックされる。この第１の電圧修正は、電圧基準２７０を決定する。電圧基準２５０に関連するエラー出力３１０を設定するためにインダクタ電流を用いると、インダクタ電流は、その後電流基準３３５に関連するエラー出力３７０を設定するために用いられる。特に、電圧基準２７０及び（第２の電圧修正２９０としての）減圧されたブースト出力電圧２２０に基づいて設定される電流基準３３５は、第３の合計ジャンクション３８０において調整される。一実施形態において、電流電圧コンバータ３３０によって電圧に変換されるインダクタ電流測定値３２５は、電流基準３２５から直接減じられる。他の実施形態においては、例えば図示するように、第４の合計ジャンクション３９０によって、電圧に変換されるインダクタ電流測定値３２５をソフトウェア電流調整４００で修正する。一部の実施形態においては、ソフトウェア電流調整４００は、電池の特性から演算又は導出することができ、又は、ユーザ入力として受け付けることが出来る。一実施形態において、ソフトウェア電流調整４００は、電圧として測定され、上述したように、０から４０ＡＤＣの範囲に対応する０から２．５Ｖの範囲となる。これに限らず、電流基準３３５からインダクタ電流測定値３２５（例えば、電流電圧コンバータ３３０によって電圧へと変換され、及び、ソフトウェア電流調整４００によって潜在的に修正される）を減じることによって、電流基準３３５に関連するエラー出力３７０を演算し得る。エラー出力３７０は、その後、ブースト回路２２５によって受け付けられ、それのパルス幅変調器４１０のためのエラー入力を設定する。パルス幅変調器４１０は、後述するように、どれくらいの量の電流がブースト回路２２５によって引き出されるかを指令するように構成され、ブースト入力電圧２１０からブースト出力電圧２２０へのブースト増幅（boost amplification）を修正するように、ブースト回路２２５に連結される。

ブースト出力電圧２２０は、基準電圧２７０に関連するエラー出力３１０を部分的に設定するように制御回路２００を介してフィードバックされるから、及び、ブースト出力電圧２２０は、負荷要求と合わせて、（電流センサ３２０によってインダクタ電流３２５として検知される）ブースト入力電圧２１０において供給される電流を変化させるから（ブースト入力電圧２１０は、電圧基準２７０及び電流基準３３５を少なくとも部分的に設定するためにフィードバックされる）、ブースト回路２２５が、全体として、ブースト出力電圧２２０に接続される負荷に関連する電流要求に応じてブーストを調整することは理解されよう。共通の負荷に接続する多数のブースト回路２２５を有し、各々が制御回路２００に見られるような制御スキームによって制御される場合、ブースト回路２２５は、動作上、相互に独立しているが、対応するブースト出力電圧２２０における負荷の要求を介して相互に応答する。以下、この応答性の動作について説明する。

最も大きいブースト出力電圧２２０を出力しているブースト回路２２５のいずれか１つに関連する１又は複数の電池が、初めは、負荷に対する電力の全てを供給しようとすることは理解されよう。負荷に対する電力の全てを供給しようとするブースト回路２２５の作用は、上述したように、インダクタ電流の対応する増加である。インダクタ電流の増加は、その後、制御回路２００に、ブースト回路２２５のためのブースト出力電圧２２０をドループさせる。一旦、ブースト回路２２５からのブースト出力電圧２２０が、（以前に２番目に高いブースト出力電圧２２０を有する）第２のブースト回路２２５からのものよりも小さくなると、第２のブースト回路２２５自身が、その後、負荷に対する電力の全てを供給しようとする。このことは、第２のブースト回路２２５に、そのブースト出力電圧２２０をドループさせる。このプロセスは、その後繰り返され、ブースト回路２２５及び関連する電池が負荷に対する電力の全てを供給しようとするサイクルを生成し、応答して出力電圧が「ドループ」し、これにより、他のブースト回路２２５及び関連する電池がサイクルを継続する。ブースト回路２２５がブースト出力電圧２２０をドループさせる量が、電流基準３３５に基づいて設定されるエラー出力３７０に依存することは理解されよう。例えば、電流基準３３５が４０Ａの制限において飽和する場合、ブースト回路２２５はゼロの近くにブースト出力電圧２２０をドループさせて補償する。

上記サイクルを通して、別のブースト回路２２５及び関連する電池は、負荷に十分に電力を供給しようとするに従って振動する。やがて、全てのブースト回路２２５は安定平衡へと向かい、ブースト回路２２５の各々が同じブースト出力電圧２２０を有し、同様に、同じ電流基準３３５を有する。電流基準３３５は全てのコントローラを跨って均一化する方向となるが、（例えば、ブースト出力電圧２２０に関連し、負荷に対して並列に接続される）ブースト回路２２５からの出力電流は、各コンバータによって異なる。従って、ブースト入力電圧２１０に対応する電流（例えば、電流センサ３２０によって入力インダクタ電流３２５として測定される）もまた、ブースト回路２２５によって均一化する方向となる。電流の均一化、及び、異なる電池又は電池モジュールに跨って共通するブースト出力電圧２２０が、電池又は電池モジュールから得られるブースト入力電圧２１０から独立していることは理解されよう。

電流を均一化しようとする各電池又はモジュールのこうした独立性（independent ability）は、システムの電池のパフォーマンス及び寿命を向上させるという点で有益である。図１のシステム１００におけるこの理解を適用するために、制御回路２００の制御スキームがクラスタ制御ユニット１５０の各々において実装されると、ＡＣバス１９０に関連する負荷によってクラスタ制御ユニット１５０が相互に反応し、複数の電池モジュール１１０に跨って電流要求を均一化しようとするために、各々に関連するブースト回路２２５の増幅を変化させる。このように、電池モジュール１１０ａが初めに、ＡＣバス１９０に出力される最も高いブースト出力電圧２２０を有すると、電気化学電池１２０ａ（ｉ−ｖｉｉｉ）が、負荷に対する電力の全てを供給しようとし、電流センサ３２０が、それに関連する増加した電流を確認する。検知された電流は電池モジュール１１０ａの制御回路２００を介してフィードバックされ、クラスタ制御ユニット１５０ａのブースト回路２２５が増幅をドループさせて、最も小さいブースト出力電圧２２０を供給する。続いて、電池モジュール１１０ｂが最も大きいブースト出力電圧２２０を有するようになると、その後、電気化学電池１２０ｂ（ｉ−ｖｉｉｉ）が、ＡＣバス１９０を介して負荷に対する電力の全てを供給しようとし、クラスタ制御ユニット１５０ｂにおいて検知される電流の対応する増加が生じる。この電流は、クラスタ制御ユニット１５０ｂの制御回路２００を介してフィードバックされ、ブースト回路２２５が増幅を同様にドループさせる。これが、ブースト回路２２５の各々が安定点に達するまで、電池モジュール１１０のクラスタ制御ユニット１３０の各々に関連するブースト回路２２５を介して生じ、電池モジュール１１０によって引き出される概ね等しい電流を実現する。

ブースト回路２２５が、実施形態に応じて変更され、任意の適切な構成とされ得ることは理解されよう。ブースト回路２２５は、典型的には、２又はそれ以上の半導体スイッチを含む。例えば、図示する実施形態において、ブースト回路２２５は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）４２０及びダイオード４３０を含む。ＦＥＴ４２０は、パルス幅変調器４１０によって提供されるデューティサイクル４４０（即ち「Ｄ」）に従って開閉する。ブースト回路２２５は、１又は複数のエネルギー蓄積素子を更に含む。図示する実施形態において、ブースト回路２２５は、入力インダクタ４５０、及び１組のキャパシタ４６０を含む。動作時には、ＦＥＴ４２０のスイッチングが、入力インダクタ４５０及びキャパシタ４６０内の蓄積エネルギーと合わせて、ブースト入力電圧２１０よりも大きいブースト出力電圧２２０をもたらし、本実施形態においては、パルス幅変調器４１０からのデューティサイクル４４０に依存して変化する量の増幅を伴う。

制御回路２００が、図１のシステム１００を含むがこれに限定されない様々なシステムにおいて実装され得ることは理解されよう。更に、ブースト入力電圧２１０の電源は、実施形態に応じて変更され得る。図示する実施形態においては８つの電池（例えば、１２０Ｎ（ｉ−ｖｉｉｉ））が電気的に直列に接続されてブースト入力電圧２１０に対する８ＶＤＣの電源を提供するが、他の実施形態においては、制御回路２００が、個別の電気化学電池１２０上に（即ち、ブースト入力電圧２１０が１ＶＤＣとなるように）実装される。更に、電池モジュール１１０及び／又はこの中の電気化学電池１２０が、実施形態に応じて変更され得ることは理解されよう。

上述したように、一部の実施形態においては、電気化学電池１２０は、参照によって本明細書に組み込まれたリスト上の出願からの特徴を含む。例えば、一部の実施形態では、電気化学電池１２０は複数の透過性電極本体を含む。一部の実施形態では、複数の透過性電極本体は、電気化学電池１２０の充電を介して相互に電気的に接続されるように構成される。一部の実施形態では、透過性電極本体は、電気化学電池１２０の充電中に電気化学電池１２０のアノード又はカソードの何れか一方に選択的に接続され、各電気化学電池１２０内で複数の電気化学電池を形成する（例えば、異なる透過性電極本体をアノード及びカソードに二者択一的に関連付けることによって、燃料が、一部の透過性電極本体において他の透過性電極本体に向かって成長する）。

同様に、電池１２０の放電中に、一部の実施形態では、ＡＣバス１９０に関連する外部負荷は、各電気化学電池１２０の酸化剤還元極から遠位にある端子透過性電極本体のみに接続され、燃料消費は透過性電極本体の各々の間から直列に発生する。他の実施形態において、参照によって先に組み込まれた米国特許出願番号１２／３８５，４８９に詳述されるように、外部負荷は透過性電極本体の一部に並列に接続される。一部の実施形態において、例えば参照によって先に組み込まれた米国特許出願番号１３／２９９，１６７に記載されているようなスイッチングシステムが、透過性電極本体の間の選択的な電気接続を容易にする。一部の実施形態において、先に参照によって組み込まれた米国特許出願１２／８８５，２６８に詳述されるように、電池は充電／放電モードの切替えができるように構成される。

スイッチングシステムを含む一部の実施形態において、これに関連するスイッチはコントローラによって制御され、このコントローラは、任意の適切な構造及び構成を有する。図１のシステム１００において、こうしたコントローラは、各電池、各電池インターフェイスユニット１３０、各クラスタ制御ユニット１５０、又は、メイン制御ユニット１７０に関連付けられる。一部の実施形態においては、コントローラが相互に階層的な関係を有し、より上位のコントローラ（例えば、メイン制御ユニット１７０内）が、下位のコントローラ（例えば、クラスタ制御ユニット１５０内）に対してコマンドを送信する。一部の実施形態においては、コントローラの１又は複数が、先に参照によって組み込まれた米国特許出願番号１３／０８３，９２９、１３／２３０，５４９、及び１３／２９９，１６７に開示されるものと概ね適合する特徴を含む。様々な実施形態において、スイッチングシステムのスイッチの制御はユーザによる選択、センサによる読取り値、又は他の任意の入力によって決定される。一部の実施形態においては、コントローラが、負荷とＡＣバス１９０との間の接続を管理するためにも機能し、又は、再充電のために、電気化学電池１２０に対して選択的に電力を（例えば、ＡＣバス１９０を介して）供給する。上述したように、一部の実施形態においては、コントローラが、所定の閾値に達した電圧の検出（例えば、所定の閾値を下回ったこと）に応じて、電池インターフェイスユニット１３０又は電池モジュール１１０に接続されている各電気化学電池１２０に関連するバイパススイッチを作動させるための適切なロジック又は回路を含む。

上述した実施形態は、専ら本発明の構造的及び機能的な原理を例示するために提供されており、限定することを意図したものではない。例えば、本発明は、様々な燃料、酸化剤、電解質、及び／又は、全体の構造的な構成又は材料を用いて実施され得る。このように、本発明は、添付した特許請求の範囲の思想及び範囲内にある、全ての修正、代用、変更及び均等物を包含するように意図されている。

Claims (24)

1. システムであって、
   １又は複数の電源から受けた入力電圧を出力電圧へと増幅するように構成されたブーストコンバータと、
   前記入力電圧の電流を検知するように構成された電流センサと、
   前記電流センサによって検知された前記電流に応じて前記ブーストコンバータの増幅を調整するように構成されたコントローラと、を備える、
   システム。
2. 前記電流センサは、前記入力電圧の前記電流を誘導によって検知するように構成されている請求項１のシステム。
3. 前記電流センサは、前記入力電圧の前記電流を抵抗の方法によって検知するように構成されている請求項１のシステム。
4. 前記コントローラは、前記出力電圧に応じて前記ブーストコンバータの前記増幅を調整するように更に構成されている請求項１のシステム。
5. 請求項１のシステムであって、
   前記コントローラは、更に、
   固定基準電圧を受け付け、
   前記電流センサによって検知された前記電流に応じて前記固定基準電圧を電圧基準へと調整し、
   前記出力電圧に応じて前記電圧基準を電流基準へと調整し、
   前記電流センサによって検知された前記電流に応じて前記電流基準を前記電流基準に対応するエラー出力へと調整する、ように構成されている、
   システム。
6. 前記固定基準電圧は、前記１又は複数の電源から受ける請求項５のシステム。
7. 前記コントローラは、
   前記電流センサによって検知された前記電流を前記電流に対応する電圧へと変換し、
   前記電流に対応する前記電圧を、前記電流及び前記固定基準電圧に対応する減電圧へと変更し、
   前記固定基準電圧から前記減電圧を減じる、ことによって前記固定基準電圧を調整するように構成されている、
   請求項５のシステム。
8. 前記電圧の変更は、前記電流に対応する前記電圧を、前記固定基準電圧及び前記出力電圧に応じて減少させることを含む請求項７のシステム。
9. 前記コントローラは、ソフトウェア電圧調整を減じることによって前記固定基準電圧を調整するように更に構成されている請求項７のシステム。
10. 前記ソフトウェア電圧調整は、ユーザ入力として受け付けられる請求項９のシステム。
11. 前記電流に対応する前記減電圧を時間的に遅延させることを更に含む請求項７のシステム。
12. 前記コントローラは、
    固定基準電圧に応じた前記出力電圧を変更出力電圧として変更し、
    前記固定基準電圧から前記変更出力電圧を減じる、ことによって前記出力電圧に応じて前記電圧基準を調整するように更に構成されている、
    請求項５のシステム。
13. 前記コントローラは、
    前記電流センサによって検知された前記電流を前記電流に対応する電圧へと変換し、
    前記電流基準から前記電流に対応する前記電圧を減じる、ことによって前記電流基準を調整するように更に構成されている、
    請求項５のシステム。
14. 前記コントローラは、前記電流に対応する前記電圧からソフトウェア電流調整を減じることによって前記電流基準を調整するように更に構成されている請求項１３のシステム。
15. 前記ソフトウェア電流調整は、ユーザ入力として受け付けられる請求項１４のシステム。
16. 前記ブーストコンバータは、パルス幅変調器を備え、前記コントローラは、前記電流基準に対応する前記エラー出力を前記パルス幅変調器へと受け付けることによって前記ブーストコンバータの前記増幅を調整するように構成されている請求項５のシステム。
17. 前記１又は複数の電源は、電気化学電池を備える請求項１のシステム。
18. 前記電気化学電池は、金属空気電池を備える請求項１７のシステム。
19. 前記１又は複数の電源モジュールは、電圧バスに並列に接続される請求項１のシステム。
20. システムであって、
    複数の電源モジュールを備え、各電源モジュールは、
    １又は複数の電源から受けた入力電圧を出力電圧へと増幅するように構成されたブーストコンバータと、
    前記入力電圧の電流を検知するように構成された電流センサと、
    前記電流センサによって検知された前記電流に応じて前記ブーストコンバータの増幅を調整するように構成されたコントローラと、を備え、
    前記複数の電源モジュールは、前記出力電圧を介して共通の負荷に接続され、
    前記複数の電源モジュールは、前記共通の負荷の要求を介して変化する前記入力電圧の検知された電流に応じて、それらのブーストコンバータの増幅を、それらの出力電圧及びそれらの電流が均一化する方向に調整する、
    システム。
21. 前記電流センサは、前記入力電圧の前記電流を誘導によって検知するように構成されている請求項２０のシステム。
22. 前記電流センサは、前記入力電圧の前記電流を抵抗の方法によって検知するように構成されている請求項２０のシステム。
23. 各電源モジュールは、１又は複数の電気化学電池を備える請求項２０のシステム。
24. 共通の負荷に接続された複数の電源を跨って電流を均一化する方法であって、
    前記複数の電源の各々において、
    ブーストコンバータを用いて、１又は複数の電源から受けた入力電圧を出力電圧へと増幅し、
    電流センサを用いて、前記入力電圧の電流を誘導によって検知し、
    前記電流センサによって検知された前記電流に応じて前記増幅の量を調整し、
    前記増幅の量を調整することによって、前記複数の電源が、出力電圧及び電流の安定平衡に近づく、
    方法。