JP2017523755A - DC energy transmission device, application examples, components and method - Google Patents
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Abstract
開示された装置は、限定しないが、全直流(DC)エネルギ伝送回路、エネルギ伝送コントローラ、全直流エネルギ伝送ネットワーク、これらの回路に用いる要素、および、全直流エネルギ伝送装置を含む、および/または用いることにより利益となる応用装置、本発明にかかる上記のものの動作方法を含む。この応用装置は、限定しないが、ハイブリッド型電気車両、電気式輸送装置、および/またはソーラー電力装置を含み、特にハイブリッド型電気/内燃機関自動車を含む。【選択図】図1The disclosed apparatus includes and / or uses, but is not limited to, all direct current (DC) energy transfer circuits, energy transfer controllers, all DC energy transfer networks, elements used in these circuits, and all DC energy transfer devices. Application devices that benefit from this, including the method of operation of the above according to the present invention. This application device includes, but is not limited to, a hybrid electric vehicle, an electric transportation device, and / or a solar power device, and particularly includes a hybrid electric / internal combustion engine vehicle. [Selection] Figure 1
Description
本出願は、全直流(DC)エネルギ伝送装置、エネルギ伝送コントローラ、全直流エネルギ伝送ネットワーク、これらの回路に用いる構成要素、前記全直流エネルギ伝送装置を含んで、および/または用いて、利益となる装置、および/または上述の本発明に関するネットワークおよび運用方法を開示する。前記構成要素は、限定しないが、それぞれ概要および詳細な開示で定義され記載された1以上の容量性デバイス、スイッチデバイス、および/または、誘導性デバイスを含み得る。応用装置は、限定しないが、ハイブリッド電気輸送手段、電気輸送手段、および/またはソーラー電力装置を含み得る。これらの輸送手段は、地表および/または地下を移動する自動車、トラック、バス、トロリー、電車、航空機、船舶、あるいは衛星、および/または宇宙航空機であり得る。好適な車両は自動車、トラック、またはバスである。この車両は有人でも無人でもよい。ソーラー電力装置は、限定しないが、オングリッドかオフグリッドかを問わず、ソーラー電力アレイおよび/またはソーラーエネルギストレージからエネルギを伝送する装置を含み得る。 The present application includes and / or uses an all direct current (DC) energy transmission device, an energy transmission controller, an all direct current energy transmission network, components used in these circuits, and the all direct current energy transmission device. Disclosed is an apparatus and / or a network and operation method according to the invention as described above. The components may include, but are not limited to, one or more capacitive devices, switch devices, and / or inductive devices, each defined and described in the general and detailed disclosure. Application devices may include, but are not limited to, hybrid electrical transportation means, electrical transportation means, and / or solar power devices. These means of transportation can be automobiles, trucks, buses, trolleys, trains, aircraft, ships or satellites and / or spacecraft that travel on the ground and / or underground. Suitable vehicles are cars, trucks or buses. This vehicle may be manned or unmanned. Solar power devices may include, but are not limited to, devices that transmit energy from solar power arrays and / or solar energy storage, whether on-grid or off-grid.
従来、1の電圧から他の電圧への直流(DC)エネルギは、少なくとも20世紀初頭から多くの電気・電子システムで一般的な機能となっている。 Traditionally, direct current (DC) energy from one voltage to another has become a common function in many electrical and electronic systems since at least the beginning of the 20th century.
本書で用いる力学電気状態(dynamical electro−state:DES)は、回路中の第2のノードに対する1以上のノードの電圧、電流、またはインダクタンス、の1またはそれ以上をいう。電圧および/または電流は、このノードと第2のノード間の測定値により決定され、これは時間によって変化し得る。インダクタンスは、インダクタに関して論じられる。電流は、当該ノードから第2のノードへ流れる電荷の時間による変化率として考えられる。本書における標準の単位は、電圧についてボルト(V)、電流についてアンペア(Amp)、電荷についてクーロン(C)である。電圧は、本書では電位差と同義である。 As used herein, dynamic electro-state (DES) refers to one or more of the voltage, current, or inductance of one or more nodes relative to a second node in the circuit. The voltage and / or current is determined by measurements between this node and the second node, which can vary with time. Inductance is discussed with respect to inductors. The current can be considered as a rate of change with time of the charge flowing from the node to the second node. The standard units in this document are volts (V) for voltage, amps (Amp) for current, and coulombs (C) for charge. Voltage is synonymous with potential difference in this document.
回路は往々にして、限定しないが、端子、複数のノード、前記端子の全部ではないがいくつか、および/または前記ノードの全部ではないがいくつかの間の電気接続を含むデバイスを具える。回路は、そこに含まれるデバイスや電気接続とともに、複数のDESを構成する。各DESは、単独の第2のノードに対し複数のノードにわたって共有される電気状態を有し得る。他の状況では、1またはそれ以上のDESが前記第2のノードに対して1のノードから他のノードへとはっきり変化する電気状態を有し得る。 Circuits often comprise devices that include, but are not limited to, terminals, multiple nodes, some but not all of the terminals, and / or electrical connections between some but not all of the nodes. The circuit, together with the devices and electrical connections contained therein, constitute a plurality of DES. Each DES may have an electrical state that is shared across multiple nodes for a single second node. In other situations, one or more DES may have an electrical state that varies significantly from one node to another with respect to the second node.
回路におけるいくつかの標準的なデバイスは、限定しないが、コンデンサ、抵抗、インダクタ、ダイオードおよび/またはスイッチを含む。これらの標準的なデバイスについて、従来技術を説明する。 Some standard devices in the circuit include, but are not limited to, capacitors, resistors, inductors, diodes and / or switches. The prior art will be described for these standard devices.
コンデンサは一般に2端子デバイスであり、主たる電気特性はこれらの端子間の静電容量である。静電容量はしばしばデバイスに蓄えられる電荷、ひいては電気エネルギの能力としてみられる。コンデンサはしばしば、誘電体で隔てられた2枚の平行な導電版として構成および/または構築される。静電容量は通常、導電版の表面積に正比例し、導電版間の隔てられた距離に反比例するよう構成される。静電容量はさらに、導電版の外形および誘電体の誘電率の関数として考えられる。本書で用いる静電容量の単位はファラドである。1ファラドのコンデンサは、1クーロンで荷電すると、導電版間に1ボルトの電位差を有するものとして規定される。静電容量の通常のモデルは、Cがファラドの静電容量である場合に、C=ere0A/dである。Aは平行板が重なる面積である。erは誘電体の誘電率である。e0は絶対誘電率(概ね8.854×10−12F/メートル)であり、dは誘電版同士の距離をメートルで示す。エネルギはジュール(J)で測定され、コンデンサに蓄えられるときは、通常はコンデンサを現在の状態に充電する際の仕事として規定される。コンデンサに蓄えられるエネルギは、しばしばCV2/2で評価され、ジュールで報告される。 Capacitors are generally two-terminal devices, and the main electrical property is the capacitance between these terminals. Capacitance is often seen as the capacity of the charge stored in the device, and hence the electrical energy. Capacitors are often configured and / or constructed as two parallel conductive plates separated by a dielectric. The capacitance is usually configured to be directly proportional to the surface area of the conductive plates and inversely proportional to the distance separated between the conductive plates. Capacitance is further considered as a function of the outer shape of the conductive plate and the dielectric constant of the dielectric. The unit of capacitance used in this document is farad. A 1 Farad capacitor is defined as having a 1 volt potential difference between the conductive plates when charged at 1 coulomb. A normal model for capacitance is C = er e 0 A / d where C is Farad's capacitance. A is an area where the parallel plates overlap. er is the dielectric constant of the dielectric. e 0 is the absolute dielectric constant (approximately 8.854 × 10 −12 F / meter), and d is the distance between the dielectric plates in meters. Energy is measured in joules (J) and when stored in a capacitor is usually defined as the work in charging the capacitor to its current state. Energy stored in the capacitor is frequently evaluated by CV 2/2, it is reported in Joules.
インダクタは一般に2端子デバイスであり、主たる電磁特性はその端子間のインダクタンスである。インダクタは通常、しばしばワイヤと称される導電材料のコイルを含む。このワイヤがインダクタの2つの端子を接続する。端子間のワイヤは往々にして1の軸回りに巻かれている。いくつかの場合、この巻きは本質的に軸回りに対称である。コイルの内側には金属のコアを有したり有さない場合がある。インダクタンスはしばしば、ワイヤを通る電流の変化が、ワイヤ自身(自己インダクタンス)とワイヤ近傍(相互インダクタンス)の双方に電圧(起電力)を誘導する電磁的特性をいう。インダクタンスはしばしば、時間で変動し、往々にして正弦の、端子間にかけられる所定周波数の電圧に対するコイルの応答として測定される。本書においてインダクタンスの単位は、国際標準(SI)単位のヘンリー(H)である。SI単位の基本に減じると、1ヘンリーは、毎秒1キログラムメートルの2乗を秒の2乗で割り、これをアンペア2乗で割ったものである(kgm2s−2A−2)。特定の周波数、多くは1キロヘルツの正弦テストパターンでインダクタをヘンリーで評価するのが共通である。 An inductor is generally a two-terminal device, and the main electromagnetic characteristic is the inductance between its terminals. Inductors typically include a coil of conductive material often referred to as a wire. This wire connects the two terminals of the inductor. The wires between the terminals are often wound around one axis. In some cases, this winding is essentially symmetrical about the axis. The coil may or may not have a metal core inside. Inductance often refers to an electromagnetic characteristic in which a change in current through a wire induces a voltage (electromotive force) both in the wire itself (self-inductance) and in the vicinity of the wire (mutual inductance). Inductance often varies with time and is often measured as a coil's response to a voltage of a given frequency applied across its terminals, which is sinusoidal. In this document, the unit of inductance is the international standard (SI) unit Henry (H). Reduced to SI basis, 1 Henry is the square of 1 kilogram per second divided by the square of seconds and divided by the square of amperes (kgm 2 s −2 A −2 ). It is common to evaluate inductors at a specific frequency, most often 1 kilohertz, with a sine test pattern.
抵抗は一般に2端子デバイスであり、主たる電気特性はその端子間の抵抗である。抵抗は、SI単位であるオームの単位で測定される。本書で用いるように、オームは、2つのノード間に1ボルトの一定の電位差をかけた場合に1アンペアの電流が生じる抵抗として規定される。 The resistance is generally a two-terminal device, and the main electrical characteristic is the resistance between its terminals. Resistance is measured in ohms which are SI units. As used herein, ohm is defined as a resistance that produces a current of 1 ampere when a constant potential difference of 1 volt is applied between two nodes.
ダイオードは通常2端子デバイスであり、主たる電気特性は、第1端子から第2端子への電流をブロックしつつ、第2端子から第1端子への電流を通過抵抗で通すことである。 A diode is usually a two-terminal device, and its main electrical characteristic is that the current from the second terminal to the first terminal is passed through the passage resistance while blocking the current from the first terminal to the second terminal.
スイッチは、機械スイッチ、固体スイッチ、および/または固体および機械スイッチの統合のいずれかをいう。本書で用いるスイッチは、第1および第2端子と、コントロール端子とを具える。コントロール端子が閉状態であれば、第1および第2端子が接続となるか、閉じられる。コントロール端子が開状態であれば、第1および第2端子が開となるか、非接続となる。 A switch refers to either a mechanical switch, a solid switch, and / or an integration of solid and mechanical switches. The switch used in this document includes first and second terminals and a control terminal. If the control terminal is in the closed state, the first and second terminals are connected or closed. If the control terminal is in the open state, the first and second terminals are opened or disconnected.
システムは、1またはそれ以上の回路および/または1またはそれ以上のデバイスを含み得る。例えば、自動車は、当該自動車の推進を補助するよう動作するトランスミッション回路と、当該自動車の客室内の温度管理を補助するよう動作する空調デバイスとを具えるシステムとして考えられる。 The system may include one or more circuits and / or one or more devices. For example, an automobile can be considered as a system that includes a transmission circuit that operates to assist in propulsion of the automobile and an air conditioning device that operates to assist in temperature management in the cabin of the automobile.
本書において直流(DC)DESとは、第1のノードと第2のノード間で電流が1のみの方向に流れるDESをいう。交流(AC)DESとは、経時的に第1のノードから第2のノードへ、および第2のノードから第1のノードへの双方に電流が流れるDESをいう。 In this document, direct current (DC) DES refers to DES in which a current flows in a direction of only 1 between a first node and a second node. Alternating current (AC) DES refers to DES in which current flows both from a first node to a second node and from the second node to the first node over time.
本書で用いるエネルギ伝送装置とは、入力DC端子、出力DC端子、およびコモン端子を具える回路であって、入力DC端子から直流DESを受け、1以上の直流DESを生成するのに適合した回路をいう。入力直流DESは、その第1のノードとして入力DC端子を有する。出力直流DESは、その第1のノードとして出力DC端子を有する。入力および出力直流DESはともに、第2のノードとしてコモン端子を共有する。 The energy transmission device used in this document is a circuit having an input DC terminal, an output DC terminal, and a common terminal, and is a circuit suitable for receiving a direct current DES from the input DC terminal and generating one or more direct current DESs. Say. The input DC DES has an input DC terminal as its first node. The output DC DES has an output DC terminal as its first node. Both the input and output DC DES share a common terminal as the second node.
数十年間、DC−DCコンバータとしてエネルギ伝送装置を実装するのが従来の知恵であった。これらのDC−DCコンバータは、ACタイミングのDESに応答して、DC入力DESを、変換器の一次コイルを駆動するAC内部電力DESに変換するインバータを用いる。変換器の二次コイルは、1以上の二次交流DESを生成する。この二次交流DESはその後フィルタされ整流されて、DC−DCコンバータの出力直流DESが生成される。交流DESのいくつかまたは全部は、特に二次交流DESは、往々にして一対のワイヤで実装される。 For several decades, it has been conventional wisdom to implement energy transmission devices as DC-DC converters. These DC-DC converters use an inverter that converts a DC input DES into an AC internal power DES that drives a primary coil of the converter in response to an AC timing DES. The secondary coil of the converter generates one or more secondary AC DES. This secondary AC DES is then filtered and rectified to produce the output DC DES of the DC-DC converter. Some or all of the AC DES, especially the secondary AC DES, are often implemented with a pair of wires.
本願は、全直流(DC)エネルギ伝送回路、エネルギ伝送コントローラ、全直流エネルギ伝送ネットワーク、このような回路に用いる構成要素、前記エネルギ伝送装置を含み、および/または用いて利益を得る装置、および当該装置、構成要素、および/または本発明にかかる装置の運用方法を開示する。本書において、本発明の回路に用いる構成要素は、他の応用例に用いることができる。 The present application includes an all direct current (DC) energy transfer circuit, an energy transfer controller, an all direct energy transfer network, components used in such a circuit, an apparatus that includes and / or uses the energy transfer device, and Disclosed is an apparatus, a component, and / or a method of operating an apparatus according to the present invention. In this document, the components used in the circuit of the present invention can be used in other applications.
本書で用いるように、全直流エネルギ伝送装置は、入力DC端子、出力DC端子、およびコモン端子を具え、これらの端子を通じて、入力DC端子から入力直流DESを受け、出力DC端子を通して1以上の出力直流DESを生成し、ここでコモン端子は両方のDESの第2のノードとして作用する。全直流エネルギ伝送装置は、本書で内部直流DESと呼ばれる、本質的に直流DESからなる出力直流DESの生成に寄与する少なくとも1の内部DESを具える。この内部DESの用語は、全直流エネルギ伝送装置内で、入力DC端子と出力DC端子間のエネルギの殆ど、さらに可能であれば全部を伝送するのに用いられる入力端子または出力端子のいずれかではない1以上のノードをいう。 As used herein, an all DC energy transmission device includes an input DC terminal, an output DC terminal, and a common terminal through which an input DC DES is received from the input DC terminal and one or more outputs are output through the output DC terminal. A DC DES is generated, where the common terminal acts as the second node of both DES. The all-DC energy transmission device comprises at least one internal DES that contributes to the generation of an output DC DES consisting essentially of DC DES, referred to herein as an internal DC DES. The term internal DES refers to either the input terminal or the output terminal used to transmit most of the energy between the input DC terminal and the output DC terminal and, if possible, all within the all DC energy transmission device. There is no more than one node.
本開示は最初に、全直流エネルギ伝送装置の3つの基本的な実装例について説明する。第1の実装例は、本発明の一実施例の基本動作および能力を示す。第2、第3の実装例は、例えばハイブリッド型電気/内燃エンジン(ice)車両などの様々な応用例に利用可能である。全直流エネルギ伝送装置の第2の実装例の好適な実施例は、ハイブリッド型電気/ICE自動車が、1ガロンあたり100マイル以上、メートル単位ではリットルあたり43キロメートル以上のガソリンといった燃費に耐えることを支持する。全直流エネルギ伝送装置の第3の実装例の好適な実施例は、ハイブリッド型電気/ice自動車がガロンあたり200マイル以上、またはリットルあたり86キロメートルの燃費に耐えることを支持する。全直流エネルギ伝送装置の第2および第3の実装例は、ハイブリッド型電気/ice自動車などの装置で用いられる全直流エネルギ伝送ネットワークに含められる。 The present disclosure first describes three basic implementations of an all-DC energy transmission device. The first implementation example illustrates the basic operation and capabilities of one embodiment of the present invention. The second and third implementation examples can be used in various application examples such as a hybrid electric / internal combustion engine (ice) vehicle. A preferred embodiment of the second implementation of an all-DC energy transfer device supports a hybrid electric / ICE vehicle that withstands fuel consumption of more than 100 miles per gallon and more than 43 kilometers per liter in meters. To do. The preferred embodiment of the third implementation of the all-DC energy transfer device supports that the hybrid electric / ice vehicle can withstand a fuel consumption of more than 200 miles per gallon or 86 kilometers per liter. The second and third implementations of the all dc energy transmission device are included in the all dc energy transmission network used in devices such as hybrid electric / ice vehicles.
全直流エネルギ伝送装置に戻ると、いくつかの実装例では、直流エネルギ伝送装置の内部DESはさらに、主たる(predominantly)直流DESとして考えることができる。本書において、主たる直流DESは、時間により電圧と電流が変化するが、いずれの短時間の窓においても電力スペクトルがDCまたは周波数要素が0の近くに集中しているものをいう。本書で用いる場合、短時間の窓は、少なくとも64分、32分、16分、8分、4分、2分、1分、30秒、15秒、8秒、4秒、2秒、1秒、0.5秒、0.25秒、125ミリ秒(ms)、63ms、32ms、または16msを含む。 Returning to the full DC energy transfer device, in some implementations, the internal DES of the DC energy transfer device can further be considered as a predominantly DC DES. In this document, the main DC DES refers to the one in which the voltage and current change with time, but the power spectrum is concentrated near DC or the frequency element in any short time window. As used in this document, short windows are at least 64 minutes, 32 minutes, 16 minutes, 8 minutes, 4 minutes, 2 minutes, 1 minute, 30 seconds, 15 seconds, 8 seconds, 4 seconds, 2 seconds, 1 second. 0.5 seconds, 0.25 seconds, 125 milliseconds (ms), 63 ms, 32 ms, or 16 ms.
いくつかの実装例では、装置は、入力直流DESおよび/または出力直流DESに応答して、少なくとも1のコントロールDESを生成するのに適合したエネルギ伝送コントローラを具え、これが全直流エネルギ伝送装置に受信されて当該コントロールDESに応答することによりその動作が指示されるようにしてもよい。このコントロールDESは、「0」と「1」のブール理論値を示してもよく、これは詳細な説明で述べるようにいくつかの異なる方法で実装することができる。 In some implementations, the device comprises an energy transfer controller adapted to generate at least one control DES in response to the input DC DES and / or the output DC DES, which is received by the all DC energy transfer device. Then, the operation may be instructed by responding to the control DES. This control DES may indicate Boolean theoretical values of “0” and “1”, which can be implemented in several different ways as described in the detailed description.
本願の装置は、限定しないが、ハイブリッド電気輸送手段、電気輸送手段、および/またはソーラー電力輸送手段を含むことができる。これらの輸送手段は、地表および/または地下移動用の自動車、トラック、バス、トロリー、電車、航空機、船舶、および衛星、および/または宇宙船であり得る。好適な車両は、自動車、トラック、またはバスである。これらの輸送手段はいずれも有人でも無人でもよい。ソーラー電力装置は、限定しないが、ソーラー電力セル、および/またはソーラーエネルギ貯蔵器であり、これらはオングリッドでもオフグリッドでもよい。 The apparatus of the present application can include, but is not limited to, hybrid electrical transportation means, electrical transportation means, and / or solar power transportation means. These means of transportation can be automobiles, trucks, buses, trolleys, trains, aircraft, ships and satellites, and / or spacecraft for surface and / or underground movement. Suitable vehicles are cars, trucks or buses. Any of these means of transportation may be manned or unmanned. Solar power devices are, but are not limited to, solar power cells and / or solar energy stores, which can be on-grid or off-grid.
構成要素は、限定しないが、容量性デバイス、スイッチデバイス、および/または誘導性デバイスを含み得る。 Components can include, but are not limited to, capacitive devices, switch devices, and / or inductive devices.
本発明は、全直流(DC)エネルギ伝送回路、エネルギ伝送コントローラ、全直流エネルギ伝送ネットワーク、このような回路に用いる構成要素、全直流エネルギ伝送装置を含み、および/または用いることの利益を受ける装置、および本発明にかかる上記を運用する方法を開示する。詳細な説明は、請求の範囲の解釈に潜在的に関連するいくつかの用語の規定と、本明細書でこれらの請求の範囲の実施の説明から始まる。全直流エネルギ伝送装置の3つの基本的な実装例が説明される。また、本発明の多様な組み合わせと代替例の詳細が開示される。 The present invention includes an all direct current (DC) energy transfer circuit, an energy transfer controller, an all dc energy transfer network, components used in such a circuit, an all dc energy transfer device, and / or a device that benefits from use. And a method for operating the above according to the present invention. The detailed description begins with a definition of some terms potentially related to the interpretation of the claims and the description of the implementation of these claims herein. Three basic implementations of an all-DC energy transmission device are described. Also disclosed are details of various combinations and alternatives of the invention.
いくつかの用語の定義:上記の発明の概要、この発明の詳細な説明、以下の請求の範囲、および添付の図面において、本発明の特定の特徴について説明がなされる。これらの特徴は例えば、部品、材料、要素、デバイス、装置、システム、グループ、範囲、方法ステップ、試験結果、およびプログラム命令を含む命令である。 Certain terms are defined in the following summary of the invention, the detailed description of the invention, the following claims, and the accompanying drawings. These features are, for example, parts, materials, elements, devices, apparatus, systems, groups, ranges, method steps, test results, and instructions including program instructions.
本明細書における本発明の開示は、このような特定の特徴のすべての可能な組み合わせを含むと理解されたい。例えば、ある特定の特徴が、特定の態様、特定の実施例、特定の請求項、あるいは特定の図面に関して開示されていれば、本発明において一般に、文脈がその可能性を除外していない限り、この特徴は他の特定の態様、実施例、請求項および図面の組み合わせでも利用可能である。 It is to be understood that the present disclosure herein includes all possible combinations of such specific features. For example, if a particular feature is disclosed with respect to a particular embodiment, a particular embodiment, a particular claim, or a particular drawing, generally in the present invention, unless the context excludes that possibility. This feature can also be used in combination with other specific aspects, examples, claims and drawings.
本明細書および請求の範囲に開示された発明は、本書に特に記載されていない実施例を含み、例えば本書に特に開示された特徴と同じ、均等、または類似の機能を提供するものであれば、本書に特に記載されていない特徴を利用してもよい。 The invention disclosed in this specification and the claims includes embodiments not specifically described in the present specification and, for example, provides the same, equivalent, or similar functions as the features specifically disclosed in the present specification. Features not specifically described in this document may be used.
「具える」および文法的に等しい用語は、特に同定された特徴に加え、任意に他の特徴を有することを意味する。例えば、ある構成またはデバイスが、要素A、BおよびC「具えている」(または「具える」)とは、要素A、BおよびCのみを含んでもよいし、要素A、BおよびCのみならず1またはそれ以上の他の要素を含んでもよい。「具える」および「含む」の語は同様に解釈される。 The terms “comprising” and grammatically equivalent mean that in addition to the specifically identified features, optionally have other features. For example, a configuration or device “includes” elements A, B and C may include only elements A, B and C, or only elements A, B and C. One or more other elements may be included. The terms “comprising” and “including” are interpreted similarly.
「本質的に〜からなる」および文法的に等しい語は、特に同定された特徴に加え、クレームされた発明を実質的に変更しない他の特徴があってもよいことを意味する。 The words “consisting essentially of” and grammatically equivalent words mean that in addition to the specifically identified features, there may be other features that do not substantially alter the claimed invention.
本書に使用される数の前の「少なくとも」は、その数から始まる範囲をいう(これは上限がある範囲または上限がない範囲であり、規定される変数による)。例えば「少なくとも1」は1または1より多いことを意味し、「少なくとも80%」は80%または80%より多いことを意味する。 “At least” before a number used in this document refers to a range that begins with that number (this is a range with or without an upper limit, depending on the variables specified). For example, “at least 1” means 1 or more than 1 and “at least 80%” means 80% or more than 80%.
本書に使用される数の前の「最大で」は、その数で終わる範囲をいう(これはその下限が1か0である範囲か、下限がない範囲であり、規定される変数による)。例えば、「最大で4」は4または4より小さく、「最大で40%」は40%または40%より小さい。ある範囲が「(第1の数)から(第2の数)」または「(第1の数)−(第2の数)」で与えられる場合、その下限が第1の数であり上限が第2の数である範囲を意味する。例えば「8から20の炭素原子」または「8−20の炭素原子」は、下限が8の炭素原子で上限が20の炭素原子の範囲を意味する。本書において「複数(plural, multiple, plurality, multiplicity)」の語は、2または2より多い特徴をいう。 “Maximum” in front of a number used in this document refers to a range ending with that number (this is a range where the lower limit is 1 or 0, or there is no lower limit, depending on the variables specified). For example, “Maximum 4” is less than 4 or 4, and “Maximum 40%” is less than 40% or 40%. When a range is given by “(first number) to (second number)” or “(first number) − (second number)”, the lower limit is the first number and the upper limit is It means a range that is the second number. For example, “8 to 20 carbon atoms” or “8-20 carbon atoms” means a range of carbon atoms having a lower limit of 8 and an upper limit of 20 carbon atoms. In this document, the term “plural, multiple, multiple, multiplicity” refers to two or more features.
本書で2またはそれ以上の規定されたステップを具える方法が説明される場合、規定されたステップは(文脈がその可能性を除外していない限り)任意の順番で、または同時に実施されてもよく、この方法は選択的に、文脈がその可能性を除外していない限り、規定されたいずれかのステップの前、2つの規定されたステップの間、あるいは規定されたすべてのステップの後に、1またはそれ以上の他のステップを具えてもよい。 Where this document describes a method comprising two or more defined steps, the defined steps may be performed in any order or at the same time (unless the context excludes that possibility) Well, this method optionally selectively, before any defined step, between two defined steps, or after all defined steps, unless the context excludes that possibility. One or more other steps may be provided.
本書の説明が「第1」および「第2」の特徴にされる場合、文脈が他を要求しない限り、通常は特定の目的で行われ、第1および第2の特徴は同じであっても異なってもよく、第1の特徴の説明があっても必ずしも第2の特徴があるわけではない(あってもよい)。 Where the description in this document is made up of “first” and “second” features, it is usually done for a specific purpose, unless the context requires otherwise, and the first and second features may be the same. It may be different, and the description of the first feature does not necessarily have the second feature (may be).
本書において「1」または「1つの」特徴の説明は、(文脈でその可能性を除外しない限り)2またはそれ以上のこの特徴がある可能性を含む。したがって、ここには単一の特徴があっても、複数のこの特徴があってもよい。本書で2またはそれ以上の特徴との記載は、文脈でその可能性を除外していない限り、同じ機能を提供する2またはそれ以上の特徴がより少ない数またはより多い数の特徴で置換される可能性を含む。 Reference to “1” or “one” feature in this document includes the possibility of two or more of this feature (unless the context excludes that possibility). Thus, there may be a single feature or a plurality of this feature. References to two or more features in this document will replace two or more features that provide the same function with a fewer or greater number of features unless the context excludes that possibility. Including possibilities.
本書で与えられる数はその文脈や説明に適した範囲で解釈されるべきであり、例えば、それぞれの数が本明細書の出願日において当業者に利用されている伝統的な方法で測定されうる制度に応じた変量の対象となる。 The numbers given in this document should be construed to the extent appropriate to the context and description, for example, each number can be measured by traditional methods used by those skilled in the art at the filing date of this specification. Subject to variables according to the system.
本書で用いる「および/または」の語は、「および/または」の前後に記載された2つの可能性のいずれかまたは双方があることを意味する。これらの可能性は、例えば、部品、材料、要素、デバイス、装置、システム、グループ、範囲およびステップであり得る。例えば、「部材Aおよび/または部材B」は3つの可能性があり、(1)部材Aのみがある場合、(2)部材Bのみがある場合、および(3)部材Aと部材Bの双方がある場合である。同様に、A、Bおよび/またはCは、(Aおよび/またはB)および/またはCと解され、これは他に規定しない限り、Aおよび/または(Bおよび/またはC)と同じである。 As used herein, the term “and / or” means that there are either or both of the two possibilities listed before and after “and / or”. These possibilities can be, for example, parts, materials, elements, devices, apparatuses, systems, groups, ranges and steps. For example, “member A and / or member B” has three possibilities: (1) only member A, (2) only member B, and (3) both member A and member B This is the case. Similarly, A, B and / or C is understood as (A and / or B) and / or C, which is the same as A and / or (B and / or C) unless otherwise specified. .
本書の請求の範囲のいずれかの要素が、35USC112の規定の下に、請求項の要素が請求項内でサポートする構造、材料、または動作の詳述がなく特定の機能を実行するステップの手段として記載される組み合わせである場合、そしてそのために明細書に記載された関連する構造、材料、または動作をカバーすると解される場合、対象とする対応する構造、材料、または動作は、明細書に明記された対応する構造、材料、または動作およびこのような構造、材料または動作の均等物のみならず、本書に参照により組み込まれる米国特許書類に記載されたこれらの構造、材料、または動作、およびこれらの構造、材料または動作の均等物が含まれる。同様に、本願クレームのいずれかの要素が、(例え「手段」の語を用いて特定されていなくても)請求項の構造、材料または動作をサポートする詳述がなくても特定の機能を実行する手段またはステップと等しいと正確に解される場合、対象とする対応する構造、材料または動作は、明細書に明記された対応する構造、材料または動作、およびこのような構造、材料または動作の均等物のみならず、本書に参照により組み込まれる米国特許書類に記載されたこのような構造、材料または動作、およびこのような構造、材料または動作の均等物が含まれる。
Means of any element of the claims of this document to perform a specific function under 35
本明細書は、本書で出願データシートにより参照するすべての文書と、本明細書と同時に提出されるか本願に関して事前に提出されたすべての文書を参照により組み込むものであり、これは本明細書とともに公衆に閲覧可能であるような文書に限られない。 This specification incorporates, by reference, all documents referenced herein by application data sheet and all documents filed concurrently with this specification or previously filed with respect to this application. It is not limited to documents that can be viewed by the public.
全直流エネルギ伝送装置の最初の3つの実装例は以下のように要約できる:第1の実装例は、本発明の一実施例の基本の動作および性能を呈する。第2、第3の実装例は、例えば、ハイブリッド型電気/内燃機関(ice)自動車などの多様な応用例に利用可能である。全直流エネルギ伝送装置の第2の実装例の好適な実施例は、ガロンあたり少なくとも100マイル、メートル単位ではガソリンなどの燃料リットルあたり少なくとも43キロメートル以上の燃費を実証するハイブリッド型電気/ice自動車をサポートする。全直流エネルギ伝送装置の第3の実装例の好適な実施例は、ハイブリッド型電気/ice自動車においてガロンあたり少なくとも200マイル、またはリットル当たり少なくとも86キロメートルの燃費の実証をサポートする。 The first three implementations of an all-DC energy transfer device can be summarized as follows: The first implementation exhibits the basic operation and performance of one embodiment of the present invention. The second and third implementation examples can be used for various application examples such as a hybrid electric / internal combustion engine (ice) automobile. A preferred embodiment of the second implementation of an all-DC energy transfer device supports hybrid electric / ice vehicles that demonstrate fuel economy of at least 100 miles per gallon and at least 43 kilometers per liter of fuel such as gasoline in meters To do. The preferred embodiment of the third implementation of the all-DC energy transfer device supports a fuel economy demonstration of at least 200 miles per gallon or at least 86 kilometers per liter in a hybrid electric / ice vehicle.
図1は、全直流エネルギ伝送装置100とエネルギ伝送コントローラ170を具えるシステム180の最初の3つの実装例に関する簡略化した実施例を示す。
FIG. 1 shows a simplified embodiment for the first three implementations of a system 180 comprising an all DC
最も簡単な形では、全直流エネルギ伝送装置100は、上述したエネルギ伝送装置の定義にあるように、入力DC端子102と、出力DC端子104と、コモン端子106とを具える。全直流エネルギ伝送装置100は、入力DC端子102で入力直流DES110に応答して、1以上の内部DES114を通して電気エネルギを出力DC端子104の出力直流DES112に伝送するのに適合しており、各内部DES114は本質的に直流DESからなる。定義によると、直流DESは電流を一方向のみ流すよう適合している。本例では、内部直流DES114の第1のノード1はスイッチSW1 140の第2端子2に接続され、第2のノード2はインダクタL1 150の第1端子1に接続されている。
In its simplest form, the all-DC
全直流エネルギ伝送装置100は、第1の容量性デバイスC1 130と、第2の容量性デバイスC2 160と、スイッチSW1 140と、誘導性デバイスL1 150とを具える。第1の容量性デバイスC1 130、第2の容量性デバイスC2 160、スイッチSW1 140、および誘導性デバイスL1 150はそれぞれ、第1端子1と第2端子2とを具える。スイッチSW1 140はさらに、コントロール端子Cを具える。このスイッチSW1 130は、当該スイッチの第1端子1と第2端子2間の接続を閉状態174へと閉じ、当該接続を開状態176へと開くのに適合しており、ここで閉状態と開状態はコントロール端子108を介して、ノード2のようなコモン端子に対する(ノード1のような)コントロール端子のコントロールDES182への応答として実現される。
The all-DC
いくつかの実装例では、全直流エネルギ伝送装置100はさらに、以下を具える。
In some implementations, the all-DC
入力DC端子102が、第1の容量性デバイスC1 130の第1端子1に接続され、スイッチSW1 140の第1端子1に接続されている。
The
第1の容量性デバイスC1 130の第2端子2が、コモン端子106に接続されている。
The
スイッチSW1 140の第2端子2は、誘導性デバイスL1 150の第1端子1に接続されている。
The
誘導性デバイスL1 150の第2端子2は、第2の容量性デバイスC2 160の第1端子1と、出力DC端子104に接続されている。
The
第2の容量性デバイスC2 160の第2端子2は、コモン端子106に接続されている。
The
図1はまた、入力直流DES110および/または出力直流DES112の検出に応じて、コントロールDES182を生成することにより、コントロール端子108を介してスイッチSW1 140に閉状態174または開状態176を提供するよう全直流エネルギ伝送装置100を運用するのに適合したエネルギ伝送コントローラ180を示す。このエネルギ伝送コントローラ180はまた、いくつかの実装例では、推定入力DES178および/または推定出力180を具えてもよい。
1 also provides a closed state 174 or an
いくつかの実装例では、DCエネルギ伝送装置は、入力直流DESおよび少なくとも出力直流DESに応答して、全直流エネルギ伝送装置により受信されその構成を管理するための少なくとも1のコントロールDESを生成するのに適合したエネルギ伝送コントローラを具えてもよい。このDCエネルギ伝送装置は、コントロールDESに応答してその動作を設定するのに適合している。コントロールDESは、「0」や「1」のようなブール理論値を表してもよく、これはいくつかの異なる方法で実現することができる。 In some implementations, the DC energy transfer device is responsive to the input DC DES and at least the output DC DES to generate at least one control DES for receiving and managing the configuration of the DC energy transfer device. An energy transfer controller adapted to the above may be provided. This DC energy transfer device is adapted to set its operation in response to a control DES. The control DES may represent a Boolean value such as “0” or “1”, which can be achieved in several different ways.
例えば、これらのブール値を2つの重複しない電圧範囲に実装することが共通のプラクティスであり、例えば「0」は0から1ボルトの電圧範囲を表し、「1」は2から3.4ボルトの電圧範囲を表す。 For example, it is a common practice to implement these Boolean values in two non-overlapping voltage ranges, for example “0” represents a voltage range of 0 to 1 volt, and “1” represents 2 to 3.4 volts. Represents the voltage range.
別の例ではまた、「0」が例えば−1.5から−0.75ボルトまでの負の範囲を表し、「1」が例えば0.75から1.5ボルトの正の電圧範囲を表すようにするのも共通のプラクティスである。この種の信号法はときに作動信号法(differential signaling)と呼ばれる。 In another example, “0” represents a negative range, eg, −1.5 to −0.75 volts, and “1” represents a positive voltage range, eg, 0.75 to 1.5 volts. It is also a common practice. This type of signaling is sometimes called differential signaling.
当業者は、このようなコントロールDESの協定(control DES conventions)が、内部DESが1であろうとそれ以上であろうと、全直流エネルギ伝送装置の内部DESに影響しないことを理解するであろう。 Those skilled in the art will understand that such control DES conventions do not affect the internal DES of all DC energy transmission devices, whether the internal DES is 1 or higher.
図1はまた、システム180のいくつかの実装例では、コモン端子106が可能なフィルタコモン生成器(possibly filter common generator)に接続され、これがさらにエネルギ伝送コントローラ170にフィルタされたコモン(filtered common)を提供してもよいことを示している。このフィルタされたコモンは、エネルギ伝送コントローラ170をノイズから保護するために供給され、全直流エネルギ伝送装置100の電源回路が影響を受けないようにする。
FIG. 1 also illustrates that in some implementations of the system 180, the
全直流エネルギ伝送装置100の実装例を以下に説明する。第1の実装例は、図1に示すような試験回路システム180を示し、スイッチSW1 140の第2端子2から誘導性デバイスL1 150の第1端子1への接続がさらに第1ダイオードD1を具える。インダクタL1 150の第2端子2と第2コンデンサC2 160の第1端子1の間の接続はさらに、第2ダイオードD2を具える。これらのダイオードは確実に電流を一方向のみにしか流さないため、これらのダイオードD1、D2は、スイッチSW1 140の開閉から生じうるアンダーシュートを減衰し、さらに確実に内部DES114を本質的に直流DESとする。
A mounting example of the all-DC
容量性デバイスC1およびC2に用いられるコンデンサは、すべて450ボルトで1800マイクロ(10−6)ファラドに定められた。しかしながら、これらの各コンデンサをテストすると、個々のキャパシタンスは1600マイクロファラドの範囲を示した。これらは抵抗、キャパシタンス、およびインダクタンス(RCL)メータでテストされた。これらの各コンデンサは、測定されたキャパシタンスでラベル付けされた。 The capacitors used for capacitive devices C1 and C2 were all set to 1800 micro (10 −6 ) farads at 450 volts. However, when testing each of these capacitors, the individual capacitances ranged from 1600 microfarads. These were tested with resistance, capacitance, and inductance (RCL) meters. Each of these capacitors was labeled with the measured capacitance.
第1の容量性デバイスC1 130は、直列配置された3つのコンデンサを用いてなり、530.76マイクロファラドのキャパシタンスで、1000ボルトまでの動作電圧をサポートする。
The first
第2の容量性デバイスC2 160は、コンデンサのいくつかの並列配置でテストされ、1から5のコンデンサを並列でナンバリングして、集合のキャパシタンスを約1600マイクロファラドとした。
The second
スイッチSW1 140は、1000Vより上での動作に適合する機械的スイッチであり、全直流エネルギ伝送装置100の電流を扱う能力を有する。
これらのテストを要約すると、入力直流DESは40ボルトで測定された。出力直流DESは約15.65ボルトであった。第1の容量性デバイスC1 130から第2の容量性デバイスC2まで伝送されたエネルギは0.2379ジュールであった。エネルギ伝送効率は、約83.34%と評価された。結果として、この全直流エネルギ伝送装置は少なくともK%のエネルギ伝送効率を有し、ここでKは少なくとも65であり、発明者による実証によると、さらにKは75%以上、さらにKは83以上となりうる。
To summarize these tests, the input DC DES was measured at 40 volts. The output DC DES was about 15.65 volts. The energy transmitted from the first
最初のテストはベースラインを確立するために実行された。DC計測グレードのメータを用いて、10−6ジュール単位まで多様な電圧測定が行われた。殆どの部分で記録が小数点4位の有効数字まで行われた。これらの機器は、組織内標準(in-house standard)と、販売者が証明する較正試験機関によるメーカーの技術仕様に設定された、最近購入された機器からの比較電圧測定値の双方で較正された。 The first test was performed to establish a baseline. Various voltage measurements were made using DC measurement grade meters up to 10 −6 Joule units. For the most part, recording was done up to 4 significant digits. These instruments are calibrated with both in-house standards and comparative voltage measurements from recently purchased equipment set to the manufacturer's technical specifications by a calibration laboratory certified by the seller. It was.
図2は、図1のシステム180であり、全直流エネルギ伝送装置100とエネルギ伝送コントローラ180を用いて本発明にかかる、特に電気と内燃機関(ice)のハイブリッド型自動車210である車両200への実装を示す。この自動車210は、図1のシステム180の要素を具え、同様に燃料220が制御可能にICE222に供給される。ICE222はエネルギを発電器230に供給するよう運用され、発電器の電気出力が全直流エネルギ伝送装置100の入力DC端子102に供給される。この簡略化した描写において、出力DC端子104は、自動車のホイールを回転させる1またはそれ以上の軸を駆動する電気モータ250に接続されている。
FIG. 2 is a system 180 of FIG. 1, which uses the all-DC
図3は、図2の車両220および/または自動車230であり、道路330の右手側で燃料単位220が供給されている。この車両200および/または自動車210は、図面の右から左側へと矢印のように進み、ここで車両220および/または自動車230は距離310を進んでこの燃料単位220が消費されることを示している。
FIG. 3 is the vehicle 220 and / or
第2の実装例は、全直流エネルギ伝送ネットワーク200内のエネルギ伝送装置100が、ハイブリッド型電気/内燃機関(ice)自動車210内で動作して、ガソリンといった燃料の自動車の燃費を、ガロンあたり100マイル以上、メートル単位ではリットル当たり43キロメートル以上に耐えるようにする。別の方法では、単位320が1ガロンの場合、期待される航続距離は100マイル以上である。単位320が1リットルの場合、期待される航続距離は43キロメートル以上である。
In the second implementation example, the
この第3の実装例は、全直流エネルギ伝送ネットワーク200内のエネルギ伝送装置100が、自動車210の燃費をガロンあたり200マイル以上、あるいはリットルあたり86キロメートル以上に耐えるのに適合する。別の方法では、単位320が1ガロンの場合、期待される航続距離は200マイル以上である。単位320が1リットルである場合、期待される航続距離は86キロメートル以上である。
This third implementation is suitable for the
図4−11は、図1の全直流エネルギ伝送装置100の第2および/または第3の実装例をサポートする、図2の車両200および/またはハイブリッド型電気−ice自動車210内でのエネルギ伝送に適合した図2の全直流エネルギ伝送ネットワーク220のいくつかの詳細例を示す。これらの図面は最初に個別に説明し、その後に第2および/または第3の実装例をサポートするこれらをまとめて説明する。
4-11 are energy transmissions in the vehicle 200 and / or hybrid electric-ice vehicle 210 of FIG. 2 that support the second and / or third implementations of the all DC
図4は、図2の全直流エネルギ伝送ネットワーク220を示し、これは図1の全直流エネルギ伝送装置100と、図5にさらなる詳細を示す2つの全直流ステップダウン(SD)ステージ400−1、400−1とを具えている。全直流エネルギ伝送ネットワーク220は、図2に最初に示すように、高エネルギ端子202と、コモン端子106と、サービス端子204とを具えてもよい。この全直流エネルギ伝送ネットワーク220はさらに、これも図2に最初に示すように、符号208Aから208Eが付された複数のコントロール端子を具えてもよい。
4 shows the all-DC energy transfer network 220 of FIG. 2, which includes the all-DC
図4では、コモン端子106に対する各コントロール端子208A〜208EのコントロールDESを、関連する要素内でスイッチを開閉する面において説明する。
In FIG. 4, the control DES of each
例えば、コントロールDES Aが「閉」とは、図1に示すように全直流エネルギ伝送装置100内のスイッチSW1 140を開く条件がコントロール端子208Aに提供されたことを意味する。
For example, the control DES A being “closed” means that the condition for opening the
別の例では、コントロールDES Bが「開」とは、図5に示すように第1の全直流ステップダウンステージ400内のスイッチSW4 450が開く条件がコントロール端子208Bに提供されたことを意味する。
In another example, the control DES B being “open” means that the control terminal 208B is provided with a condition for opening the switch SW4 450 in the first full DC step-down
第3の例として、コントロールDES Cが「閉」とは、スイッチSW2 410−2を閉じる条件がコントロール端子2008Cに提供されたことを意味する。 As a third example, “closed” of the control DES C means that a condition for closing the switch SW2 410-2 is provided to the control terminal 2008C.
図5は、図4の全直流ステップダウン(SD)ステージ400−1および/または400−2の1以上の実施例のいくつかの詳細を示す。各全直流SDステージは、最初に図4に示すように、入力DC端子402と、出力DC端子404と、コントロール端子408と、コモン端子106とを具える。この全直流SDステージはさらに、スイッチSW4 540と、第2のインダクタL2 550と、第3の容量性デバイスC3 560とを具える。
FIG. 5 shows some details of one or more embodiments of the all DC step-down (SD) stage 400-1 and / or 400-2 of FIG. Each direct current SD stage initially comprises an
図4−11の説明と分析を簡略化する目的で、コントロール端子208C、209E用のコントロールDESは、決して同時には閉じないものと仮定する。これにより、図2のサービス端子204におけるDES状態の分析が、これらの条件が図5に示すような第3の容量性デバイスC3 560に保存されたエネルギにより対処しうるという仮定の下に実現する。この簡略化は本発明の動作と分析を理解するのに有用であるが、図2のエネルギ伝送コントローラ280がこれらのコントロールDESを、有用と思われる任意の組み合わせで扱うことを排除するものではない。
For the purpose of simplifying the description and analysis of FIGS. 4-11, assume that the control DES for
図6は、図4の全直流エネルギ伝送ネットワーク220の改良を示し、ここでは第3および第4の全直流SDステージ400−3、400−4を具えている。この全直流エネルギ伝送ネットワーク220はまた、4つのさらなるコントロール端子208F〜208Iを具える。前述と同様に、スイッチSW2 410−2、SW3 420−3、SW4 420−4、またはSW5 420−5のうち同時に最大1つが閉となる。この簡略化は本発明の動作と分析を理解するのに役立つが、図2のエネルギ伝送コントローラ280がこれらのコントロールDESを、有用であると思われる任意の組み合わせで操作することを排除するものではない。しかしながら、4つの全直流SDステージ400−1〜400−4のコントロール端子C 408にかかるコントロールDESは、同時に「閉」となってもならなくてもよい。全直流SDステージのこれらの内部スイッチのうちの2つを閉じると、図5の容量性デバイスC3 560の2/3が同時にチャージされるが、これらの容量性デバイスはそれぞれ、特に第3の実装例では、個別に放電されることが有用である。
FIG. 6 shows an improvement of the all-DC energy transmission network 220 of FIG. 4, which includes third and fourth all-DC SD stages 400-3, 400-4. The all-DC energy transmission network 220 also includes four additional control terminals 208F-208I. As before, at most one of the switches SW2 410-2, SW3 420-3, SW4 420-4, or SW5 420-5 is closed at the same time. While this simplification helps to understand the operation and analysis of the present invention, it does not exclude that the energy transfer controller 280 of FIG. 2 operates these control DES in any combination deemed useful. Absent. However, the control DES applied to the
図7は、図4の改良を示し、ここでは全直流エネルギ伝送ネットワーク220がさらに、第5の全直流SDステージ400−5を具える。このデュアルステージ全直流エネルギ伝送装置700は、第1の全直流エネルギ伝送装置100−1と、第5の全直流ステップダウン(SD)ステージ400−5とを具える。デュアルステージ全直流エネルギ伝送装置700の端子は、(後述のように)入力DC端子102と、コモン端子106とを含む。混乱を避けるために、出力端子は本図と整合するように符号404が付されている。第1の全直流エネルギ伝送装置100−1の出力DC端子104は、図示するように、第5の全直流ステップダウン(SD)ステージの入力DC端子402に接続されている。このデュアルステージ全直流エネルギ伝送装置700は、第5のもので内部電圧の2段のステップダウンを支持し、これにより、いくつかの実装例において、前に示すとともに、本図の第1および第2の全直流SDステージ400−1および400−2により実装されるように、第1〜第4の全直流ステップダウンステージのサービスDESの必要性を減らしている。
FIG. 7 shows an improvement of FIG. 4 in which the all dc energy transfer network 220 further comprises a fifth all dc SD stage 400-5. This dual-stage all-DC
図8は、図6の全直流エネルギ伝送ネットワーク220の改良版であり、第1の全直流エネルギ伝送装置100−1をデュアルステージエネルギ伝送装置700に置換している。この置換により、上述したような、図6に関する潜在的利点と組み合わせた、図7で説明したのと同様の潜在的利益につながる。
FIG. 8 is an improved version of the all-DC energy transmission network 220 of FIG. 6, in which the first all-DC energy transmission device 100-1 is replaced with a dual stage
図9A−図9Cは、共有の出力インダクタL3 950をもつ全直流エネルギ伝送装置900の4つの可能な実装例を示す。
9A-9C show four possible implementations of an all-DC
図9Aと図9Bでは、共有のインダクタ900をもつ全直流エネルギ伝送装置は、全直流エネルギ伝送装置100の実例を含む。
In FIG. 9A and FIG. 9B, the all DC energy transmission device having the shared
図9Aでは、全直流エネルギ伝送装置100の出力DC端子104が、第3の誘導性デバイスL3 950の第1端子1に接続されている。この第3の誘導性デバイスL3 950の第2端子2は、共有の出力DC端子904に接続されている。
In FIG. 9A, the
図9Bでは、全直流エネルギ伝送装置100の出力DC端子104が、第5ダイオードD5を通して、第3の誘導性デバイスL3 950の第1端子1に接続されている。この第3の誘導性デバイスL3 950の第2端子2は、第6ダイオードD6を通して、共有の出力DC端子904に接続されている。
In FIG. 9B, the
図9Cと図9Dでは、共有のインダクタ900をもつ全直流エネルギ伝送装置は、デュアル全直流エネルギ伝送装置700の実例を含む。
In FIG. 9C and FIG. 9D, an all DC energy transmission device with a shared
図9Cでは、デュアル全直流エネルギ伝送装置700の出力DC端子404が、第3の誘導性デバイスL3 950の第1端子1に接続されている。第3の誘導性デバイスL3 950の第2端子2は、共有のDC端子904に接続されている。
In FIG. 9C, the
図9Dでは、デュアル全直流エネルギ伝送装置700の出力DC端子104は、第7ダイオードD7を通して、第3の誘導性デバイスL3 950の第1端子1に接続されている。この第3の誘導性デバイスL3 950の第2端子2は、第8ダイオードD8を通して、共有の出力DC端子904に接続されている。
In FIG. 9D, the
図10は、以前の図の全直流エネルギ伝送ネットワーク220の実装例を示し、共有のインダクタ900をもつ全直流エネルギ伝送装置と、2つの全直流容量性ステージ1000−1、1000−2と、2つのスイッチSW2 410−2、SW3 410−3とを具える。図9A−図9Dに示すように第3のインダクタL3 950を共有することにより、図11に示すように全直流容量性ステージ1000−1および1000−2にインダクタが不要となる。この実装例は、全直流エネルギ伝送ネットワーク220のいくつかの実装例で有用となる。
FIG. 10 shows an example implementation of the all-DC energy transmission network 220 of the previous figure, showing an all-DC energy transmission device with a shared
図11は、図9A−図9Dに示す共有のインダクタ900を有する全直流エネルギ伝送装置にかかる全直流容量性ステージの実施例を示す。
FIG. 11 shows an embodiment of an all-DC capacitive stage for an all-DC energy transfer device having the shared
図12は、図10の全直流エネルギ伝送ネットワーク220の改良であり、さらに第3および第4の全直流容量性ステージ1000−3および100−4を具える。 FIG. 12 is an improvement of the all-DC energy transmission network 220 of FIG. 10 and further includes third and fourth all-DC capacitive stages 1000-3 and 100-4.
以下は、図2、3のハイブリッド型電気−ice自動車210の初期の適用例と仮定する。この自動車210は、約3000ポンド、または約1361キログラムの重量である。電気モータ250は、例えば巡航時に時速70マイルで5%の勾配を登るのに時速55マイルといった自動車210の通常の使用に耐えるのに、ほぼ50キロワットの電力を連続的に伝える必要がある。この自動車210は、内燃機関(ICE)222で発電器230を駆動してエネルギを生成し、高エネルギ端子204を通して全直流エネルギ伝送ネットワーク220へと供給することにより、反復的に全直流エネルギ伝送ネットワーク220の充電を繰り返す。ICE222をオンにすると、燃料220を消費して全直流エネルギ伝送ネットワーク220を充電し、サービス端子204を通して電気モータ250に電力を供給できるようにする。
The following assumes an initial application of the hybrid electric-ice vehicle 210 of FIGS. The automobile 210 weighs about 3000 pounds, or about 1361 kilograms. The
図13は、全直流エネルギ伝送装置100と全直流ステップダウン(SD)ステージ400とを具える全直流エネルギ伝送ネットワーク220を示し、ここで前記直流SDステージ400の入力DC端子402は高エネルギ端子202に接続され、これが図1の第1の容量性デバイスC1 130に蓄積されたエネルギを、図5の第4のスイッチSW4の第1端子1と効率的に共有している。このネットワーク220は、ネットワーク全体で一度に1つのみが運用されるステップダウンステージを有するという効果を奏しうる。
FIG. 13 shows an all DC energy transmission network 220 comprising an all DC
図14は、全直流エネルギ伝送装置100と、3つの全直流ステップダウン(SD)ステージ400−1、400−2、400−3とを有する全直流エネルギ伝送ネットワーク220を示し、ここで各全直流SDステージ400−1、400−2、400−3の入力DC端子402は高エネルギ端子202に接続され、これが図1の第1の容量性デバイスC1 130に蓄積されたエネルギを、全直流SDステージ400−1、400−2、400−3それぞれの図5に示す第4のスイッチSW4の第1端子1と効率的に共有している。このネットワーク220は、ネットワーク全体で一度に1つのみが運用されるステップダウンステージを有するという効果を奏しうる。
FIG. 14 shows an all DC energy transmission network 220 having an all DC
全直流エネルギ伝送装置100と全直流エネルギ伝送ネットワーク220との商業的な目標の一つは、燃料220の単位320の消費を通した移動距離310を増大させることである。エネルギ効率は、電気モータで走る距離に対するICEで走る距離の比として考えられる。燃料効率は、移動距離310に対する燃料220の単位320でレーティングされる。
One commercial goal of all DC
第2の実装例では、全直流エネルギ伝送ネットワーク200内のエネルギ伝送装置100が、ガソリンといった燃料をガロンあたり100マイル以上、あるいはメートル単位ではリットル当たり43キロメートル以上をサポートする必要がある。
In the second implementation, the
ICE222が30秒間作動されて50キロワットが生成され、全直流エネルギ伝送ネットワーク220に供給され、ICEが再び稼働されエネルギ伝送サイクルが繰り返される前に、ICEが上記の運転条件下で100秒以上電気モータ250に蓄電および放電されると仮定する。ここでは1時間に100秒のインターバルが36回あり、したがってICEは1時間に18分稼働する。時速70マイルで、ガロンあたり40マイルで走る自動車210は、70マイルで約1.75ガロンを消費する。この全直流エネルギ伝送ネットワーク220を用いると、ICEは1時間に18分のみ稼働し、したがって時間あたり0.5ガロン消費し、これはガロンあたり140マイルまたはリットルあたり60キロメートルの燃費となる。自動車210をより低速で駆動すると、燃料効率が上がることが多い。また、ガロンあたり100マイルを目標とするセッティングでは、ここでは見えないが商業的な目標を達成する経験要素の分析の余地があることに留意されたい。
The
第2の実装例の要素の派生体について。図1を思い返し、スイッチSW1 140が開であると仮定する。入力DC端子102からのエネルギ伝送は、第1の容量性デバイス130に蓄積されたエネルギががその充電閾値に達したときに始まる。第1の容量性デバイスに蓄積されたエネルギがその充電閾値を超えたとき、第1のスイッチSW1が閉じ、エネルギが第1から第2の容量性デバイスC2 160へと、誘導性デバイスL1 150を通って流れ始める。エネルギ伝送装置100のエネルギ効率は、開始時に第1の容量性デバイスC1 130にどれくらいエネルギが蓄積されているかに対する、スイッチSW1 140がスイッチの端子1と2の間の接続を開く前にどれくらいのエネルギが第2の容量性デバイスC2 160に伝送されたかの間の差で見ることができる。
Regarding the derivative of the element of the second implementation example. Recalling FIG. 1, assume that
図15A−13Iは、少なくとも第1の容量性デバイス1310のいくつかの特徴を示し、これは他の容量性デバイスC2 160、C3 560、および/またはC4 1160の1またはそれ以上にも適用可能である。
15A-13I illustrate at least some features of the
第1の容量性デバイスC1 130に5−6メガジュールを蓄積するには、このコンデンサが1から1.4ファラドの範囲であり、電圧が2700から3000ボルトの範囲であることが必要である。従来技術からC=ere0A/dであり、ここでCはファラドのキャパシタンス、Aは平行プレートの重なる面積、erは誘電体の誘電率、e0は真空の誘電率(およそ8.854*10−12F/メートル)、dはプレートの距離のメートルである。
In order to store 5-6 megajoules in the first
図15Aは、第1の容量性デバイスC1 130の平面図である。この第1の容量性デバイスは、円形あるいは四半円といった円の一部のような形状の電極版を具える。第1の容量性デバイスC1 130は、4つの別個の容量性四半円(capacitive quarters)C11からC14を具えてもよい。これらの容量性四半円は電気的に結合されともに接着されて、第1の容量性デバイスC1 130を形成してもよい。容量性デバイスの直径D1は、1.2メートル、1メートル、0.75メートル、0.5メートル、および0.25メートルからなる群の少なくとも1つであってよい。プレートの重なる面積はおよそ0.25*pi*D12である。
FIG. 15A is a plan view of the first
図15Bは、容量性四半円のうちの1つ、例えば図15AのC14の断面の簡略図である。この断面は、層とプレートの集合体を含みうる。本例では、層は、誘電体1330の層である。誘電体1330はセラミックであり、例えば本質的に、チタン酸バリウム、チタン酸バリウム−ストロンチウム、またはチタン酸ストロンチウムからなる群の1またはそれ以上の要素とすることができる。誘電体1330は粉体で提供され、例えば高度に圧縮あるいは加工されてキャパシタンス損失のボイドおよび/または水分をなくすようにする。このような粉体は、「焼結」(sintered)と呼ばれる。誘電体1330の層は、本質的にdの厚さを有し、ここでdはプレート1とプレート2の間の距離として設計される。電極1 1310はすべてのプレート1を含む。電極2 1320はすべてのプレート2を含む。電極1 1310と電極2 1320は、例えば金属要素の合金などの本質的に同じ物質でなり、ここでこの金属要素はさらに錫とアルミニウムの群の要素であってよい。
FIG. 15B is a simplified diagram of a cross-section of one of the capacitive quarter circles, eg, C14 of FIG. 15A. This cross section may include an assembly of layers and plates. In this example, the layer is a layer of dielectric 1330. The dielectric 1330 is a ceramic and can be, for example, essentially one or more elements of the group consisting of barium titanate, barium titanate-strontium, or strontium titanate. The dielectric 1330 is provided in powder form and is, for example, highly compressed or processed to eliminate capacitance loss voids and / or moisture. Such a powder is called “sintered”. The layer of dielectric 1330 has an intrinsic thickness of d, where d is designed as the distance between
図15Cは、図15Bの層をより詳細に示しており、さらに少なくとも1のバッテリ1340層、抵抗1350層、および/またはダイオード1360層を具える。バッテリ1340層は、プレート1と2および誘電体層の間で放出されるエネルギより長い時間にわたり放出されうるエネルギをさらに蓄積するのに用いられる。抵抗1350層は、全直流エネルギ伝送装置100において1またはそれ以上の抵抗が別個の要素となるのを除外する。ダイオード1360層は、全直流エネルギ伝送装置100において第1の容量性デバイスC1 130をアンダーシュート状況から保護するように作用する。
FIG. 15C shows the layers of FIG. 15B in more detail and further comprises at least one
図15Dは、図15Aの容量性要素C14のA−A断面図である。 FIG. 15D is an AA cross-sectional view of the capacitive element C14 of FIG. 15A.
図15Eは、図15DのA−A断面において、第1の電極1310の個々のプレートが第1の電極を構成する結合、第2の電極1320の個々のプレートが第2の電極を構成する結合、および2つの電極1310と1320のプレートを隔てる誘電体1330の配置を示す。
FIG. 15E is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 15D, in which the individual plates of the
図15F−15Hは、プレートの面に堆積および/または成長されたカーボンナノチューブのようなフィンガーを有する1またはそれ以上の電極の1またはそれ以上のプレートの1またはそれ以上の側面の例を示す。これらのフィンガーは、例えばカーボンナノチューブであり、プレートの肉眼で見える面積を例えば少なくとも110%、150%、175%、200%、250%の比率で、有効表面積を増大させることができる。これらの特徴により、例えばC1、C2、C3、および/またはC4の容量性デバイスのキャパシタンスを同じ率で改善し、一方で装置に必要なサイズと重量を低減することができる。 15F-15H show examples of one or more sides of one or more plates of one or more electrodes having fingers such as carbon nanotubes deposited and / or grown on the sides of the plates. These fingers are, for example, carbon nanotubes, and can increase the effective surface area by a ratio of at least 110%, 150%, 175%, 200%, 250% of the visible area of the plate. These features can improve the capacitance of, for example, C1, C2, C3, and / or C4 capacitive devices at the same rate, while reducing the size and weight required for the device.
図15Fは、第1の面上にカーボンナノチューブ1312が堆積および/または成長されている第1の電極1 1310のプレートを示す。
FIG. 15F shows a plate of
図15Gは、第1の面上にカーボンナノチューブ1312が堆積および/または成長されている第2の電極2 1320のプレートを示す。
FIG. 15G shows a plate of
図15Hは、プレートの2つの面にカーボンナノチューブ1312が堆積および/または成長されている電極1310の1つを示す。本図は第2の電極2 1320にも適用可能である。
FIG. 15H shows one of the
図15Iは、第1の容量性デバイスC1 130が、m個のC1.1 130.1からC1.m 130.mを有し、それらの第1端子が接続されてこの第1の容量性デバイスC1 130の第1端子を構成する図である。C1.1からC1.mまでの第2端子2も接続されてC1 130の第2端子を構成する。このような回路結合は、構成要素の並列回路と呼ばれる。本書において、mは少なくとも2である。
FIG. 15I shows that the first
第2の容量性デバイスC2 150の実装例は、例えば図15Iに示すような回路を具えてもよく、ここでmは6となる。第2の実装例では、サービス端子とコモン端子の間のサービス電圧は64ボルトか、64ボルトの小さな倍数である。とりあえず、サービス電圧が64ボルトであり、第2の容量性デバイスC2は200万以上のジュールを蓄積することが求められるものとする。本実装例の要素C2.1からC2.mは超コンデンサのスタック(連続回路)であり、各スタックが64ボルトで125ファラドを実装しうる。このような構成要素は今日では大量生産されている。
An implementation example of the second
いくつもの実装例において、容量性デバイスC1 130のいずれかまたはすべての特徴の組み合わせが、他のいずれかまたはすべての容量性デバイスC2 160、C3 560および/またはC4 1160に実装されてもよい。
In some implementations, any or all combinations of features of
全直流エネルギ伝送ネットワーク220の第2の実装例のいくつかでは、図4、図7、図10に示すような好適なアセンブリは、それぞれが個別に充電と放電できる2つの出力ステージを具えることが好ましい。 In some of the second implementations of the all-DC energy transfer network 220, the preferred assembly as shown in FIGS. 4, 7, and 10 comprises two output stages, each of which can be charged and discharged individually. Is preferred.
全直流エネルギ伝送ネットワーク220の第2の実装例のいくつかでは、図4、図6に示すように単一ステージの全直流エネルギ伝送装置100が好ましい。
In some of the second implementations of the all DC energy transmission network 220, a single stage all DC
全直流エネルギ伝送ネットワーク220の第2の実装例のいくつかでは、図7、図8に示すように2つの出力ステージの全直流エネルギ伝送装置700が好ましい。
In some of the second implementations of the all-DC energy transfer network 220, a two-output stage all-DC
全直流エネルギ伝送ネットワーク220の第2の実装例のいくつかでは、図10、図12に示すように、全直流エネルギ伝送装置900の共有出力インダクタが好ましい。これらの図では、全直流容量性ステージは、図11に示すように実装される。
In some of the second implementations of the all-DC energy transfer network 220, a shared output inductor of the all-DC
共通のインダクタを有する全直流エネルギ装置900は、図9Aや図9Bに示すような単一ステージの全直流エネルギ伝送装置100を実装してもよく、あるいは図9Cや図9Dに示すような2ステージの全直流エネルギ伝送装置700を実装してもよい。
The all-
共通インダクタL3 950は、図9Aに示すように、出力DC端子104から共通出力DC端子904の間に直接接続されてもよい。あるいは、この共通インダクタL3 950は、図9Bに示すように、出力DC端子104から共通出力DC端子904の間の第5ダイオードD5および/または第6ダイオードD6にわたって接続されてもよい。
The
共通インダクタL3 950は、図9Cに示すように、出力DC端子404と共通出力DC端子904間に直接接続されてもよい。あるいは、共通インダクタL3 950は、図9Dにそれぞれ示すように、出力DC端子404と共通出力DC端子904の間の、第7ダイオードD7および/または第8ダイオードD8にわたって(across)接続されてもよい。
The
全直流エネルギ伝送ネットワーク220の第3の実装例では、全直流エネルギ伝送ネットワーク200内のエネルギ伝送装置100が自動車210内で動作し、ガロンあたり200マイル以上、あるいはリットル当たり86キロメートル以上の燃費を支えるのに適合していることを思い出して欲しい。別の方法では、ユニット320が1ガロンである場合、期待される航続距離は200マイル以上である。ユニット320が1リットルの場合、期待される航続距離は86キロメートル以上である。
In the third implementation example of the all-DC energy transmission network 220, the
自動車製造において、製造コストが重要な関心事であるとすると、信頼性のある簡単な回路が好ましい。しかしながら、自動車210の第2弾で2倍の燃費効率を提供できると、特にこのような展開が市場にすぐに反映されると、大きなビジネスバリューがある。 If manufacturing cost is an important concern in automobile manufacturing, a reliable and simple circuit is preferred. However, if the second fuel economy of the automobile 210 can provide twice the fuel efficiency, there is a great business value especially when such development is immediately reflected in the market.
全直流エネルギ伝送ネットワーク220の第2の実装例の要件が、図4または図7に示すような2つの全直流SDステージ400−1および400−2を用いて満たされる場合、図6や図8に示すように全直流エネルギ伝送ネットワーク220が4つの全直流SDステージ400−1〜400−4を用いる第3の実装例が好適である。 If the requirements of the second implementation of the all-DC energy transfer network 220 are satisfied using two all-DC SD stages 400-1 and 400-2 as shown in FIG. 4 or FIG. As shown in FIG. 5, the third implementation example in which the all-DC energy transmission network 220 uses four all-DC SD stages 400-1 to 400-4 is preferable.
全直流エネルギ伝送ネットワーク220の第2の実装例の要件が、図10に示すような2つの全直流容量性ステージ1000−1および1000−2で満たされる場合、図12に示すように全直流エネルギ伝送ネットワーク220が4つの全直流容量性ステージ1000−1〜1000−4を用いる第3の実装例が好適である。 If the requirements of the second implementation of the all-DC energy transfer network 220 are met with two all-DC capacitive stages 1000-1 and 1000-2 as shown in FIG. 10, the total DC energy as shown in FIG. A third implementation example in which the transmission network 220 uses four all DC capacitive stages 1000-1 to 1000-4 is preferred.
誘導性デバイスL1 150、L2 550、およびL3、950は、最初に商業的に入手可能なインダクタで実装することができる。
しかしながら、インダクタの冷却や校正に改良の必要がある場合がある。 However, it may be necessary to improve the cooling and calibration of the inductor.
全直流エネルギ伝送装置100および/または全直流エネルギ伝送ネットワーク220の様々な実装例のパフォーマンスに特化したインダクタが好ましく、そのパフォーマンス設計は、これらを通る高いエネルギと同様に、これらの通常動作における低周波数の双方を反映する。
Inductors specific to the performance of various implementations of the all-DC
本発明の様々な実装例での使用に適したインダクタはさらに、例えばミネラルオイルといった誘電性液体の冷却層を必要とする。 Inductors suitable for use in various implementations of the present invention further require a cooling layer of a dielectric liquid, such as mineral oil.
スイッチSW1 140、SW2 410−2、SW3 410−3、SW4 540、SW5 410−5、および/またはSW6 410−6は、既に製品としてある固体スイッチで実装することができる。
The switches SW1 140, SW2 410-2, SW3 410-3,
しかしながら、例えば、端子1と2の接続開閉間で電機子が動く電機子キャビティを有するリレーなどの信頼性のある機械スイッチ手段を必要としてもよい。
However, for example, a reliable mechanical switch means such as a relay having an armature cavity in which the armature moves between connection opening and closing of the
この電機子キャビティは誘電性液体で満たされ、電機子が端子1、2間で接続を開閉する際のアーク効果を抑制するようにしてもよい。
This armature cavity may be filled with a dielectric liquid to suppress the arc effect when the armature opens and closes the connection between the
この機械スイッチはさらに、スイッチが閉じるときに電機子と端子接触部との間のギャップから誘電性液体を吸引し、スイッチが開くときにギャップに誘電性液体を押しやるのに適合したプランジャを具えてもよい。 The mechanical switch further includes a plunger adapted to draw dielectric liquid from the gap between the armature and the terminal contact when the switch closes and push the dielectric liquid into the gap when the switch opens. Also good.
2ステージより多い全直流エネルギ伝送装置が本発明の範囲に入るが、簡潔のためにその説明は本段落のみとする。 More than two stages of all direct current energy transmission devices are within the scope of the present invention, but for the sake of brevity, the description is limited to this paragraph.
4より多い全直流SDステージ400が本発明の範囲に入るが、簡潔のためにその説明は本段落のみとする。全直流SDステージ400の数は1以上であればよく、2の倍数に限定されない。例えば、電気モータ250の3ステージサイクリングが好ましく、これは全直流エネルギ伝送ネットワーク220が3つあることとなる。
More than four all direct current SD stages 400 are within the scope of the present invention, but for the sake of brevity the description will be limited to this paragraph. The number of all DC SD stages 400 may be one or more, and is not limited to a multiple of two. For example, a three stage cycling of the
図16は、本発明の様々な実施例および/または実装例の要件を満たすのに適用すべく個別に製造されうる、いくつかの本発明の装置10を要約している。装置10は、限定しないが、全直流エネルギ伝送装置100、デュアルステージ全直流エネルギ伝送装置700、エネルギ伝送コントローラ170および/または280、全直流エネルギ伝送ネットワーク220、このような回路に用いる構成要素1400、全直流エネルギ伝送装置および/またはネットワークを含む、および/または用いることが利益となる装置、および、本発明によって上記のものを操作する方法を含む。
FIG. 16 summarizes several inventive devices 10 that can be individually manufactured to meet the requirements of various embodiments and / or implementations of the present invention. The apparatus 10 includes, but is not limited to, an all DC
構成要素1400は、限定しないが、1以上の容量性デバイスC1−C4、1以上のスイッチデバイスSW1−SW6、1以上の誘導性デバイスL1−L3、1以上の全SDステージ400、および/または、1以上の全直流容量性デバイス1000を含み、これらはそれぞれこのまとめや詳細な説明に規定され開示されている。
本願にかかる装置は、限定しないが、ハイブリッド電気輸送手段、電気輸送手段、および/またはソーラー電力輸送手段を含む。 The apparatus according to the present application includes, but is not limited to, hybrid electric transportation means, electric transportation means, and / or solar power transportation means.
いずれの輸送手段も、自動車、トラック、バス、トロリー、電車、有人または無人の航空機、海面および/または水面下移動の船舶、衛星、および/または宇宙船であってもよい。 Any means of transportation may be a car, truck, bus, trolley, train, manned or unmanned aircraft, sea and / or subsurface moving ship, satellite, and / or spacecraft.
好適な車両は、自動車、トラック、またはバスであり得る。 A suitable vehicle may be a car, a truck or a bus.
ソーラー電力装置は、限定しないが、オングリッドまたはオフグリッドの、ソーラー電力アレイおよび/またはソーラーエネルギ貯蔵部からのエネルギ伝送装置を含んでもよい。 Solar power devices may include, but are not limited to, on-grid or off-grid solar power arrays and / or energy transfer devices from solar energy stores.
本開示においては特に、ハイブリッド型の電気式/内燃機関(ICE)自動車210である。 In particular, the present disclosure is a hybrid electric / internal combustion engine (ICE) automobile 210.
図17は、エネルギ伝送コントローラ170および/または280を示し、これはコントローラ1500、コンピュータ1510、構成1520、およびメモリコンテンツ1540の1以上を具える不揮発性メモリ1530からなる群の1以上のものを1つ以上含み得る。 FIG. 17 illustrates an energy transfer controller 170 and / or 280, which includes one or more of the group consisting of a controller 1500, a computer 1510, a configuration 1520, and a non-volatile memory 1530 that includes one or more of memory contents 1540. It can contain more than one.
コントローラ1500は、1以上の入力部、1以上の出力部、および場合によっては1以上の内部状態を有し得る。このコントローラ1500は、内部状態を変化させることにより入力に応答してもよい。コントローラ1500は、1以上の入力値および/または1以上の内部状態の1以上の値に基づいて出力を生成してもよい。この内部状態は、不揮発性メモリ1530、メモリコンテンツ1540、および/または構成1520の1以上のものを実装してもよい。 The controller 1500 may have one or more inputs, one or more outputs, and possibly one or more internal states. The controller 1500 may respond to inputs by changing the internal state. The controller 1500 may generate an output based on one or more input values and / or one or more values of one or more internal states. This internal state may implement one or more of non-volatile memory 1530, memory content 1540, and / or configuration 1520.
コンピュータ1500は、1以上の命令プロセッサと、1以上のデータプロセッサを具える。各データプロセッサは、1以上の命令プロセッサからの命令を受ける。このコンピュータは、1以上の不揮発性メモリ1530、メモリコンテンツ1540、および/または構成1520の1以上のものを実装してもよい。 The computer 1500 includes one or more instruction processors and one or more data processors. Each data processor receives instructions from one or more instruction processors. The computer may implement one or more of non-volatile memory 1530, memory content 1540, and / or configuration 1520.
メモリコンテンツ1540は、不揮発性メモリ1530、コントローラ1500、および/またはコンピュータ1510内に保持されてもよい。 Memory content 1540 may be maintained in non-volatile memory 1530, controller 1500, and / or computer 1510.
メモリコンテンツ1540は、ダウンロード部1550、インストレーションパッケージ1552、オペレーティングシステム1554、および/または1以上のプログラムコンポーネント1556のうちの1以上のを含むことができ、これらはいずれも本発明のいずれかの構成要素を動作させる方法の一部として実現することができる。
The memory content 1540 can include one or more of a download portion 1550, an installation package 1552, an
ここで用いるように、不揮発性メモリ1530は、1以上の不揮発性メモリ要素、および/または、電源が設けられ通常動作では揮発しない1以上の揮発性メモリ要素を含むことができ、この場合に装置10が全直流エネルギ伝送装置100および/または全直流エネルギ伝送ネットワーク220が用いる電力発電に現在接続されているといないとを問わない。不揮発性メモリは、当該メモリに電力が供給されているといないとに関わらず、そのメモリコンテンツ1540を保持するのに適合している。揮発性メモリは、ある期間を超えて電力供給がないとそのメモリコンテンツ1540を消失する。
As used herein, the non-volatile memory 1530 can include one or more non-volatile memory elements and / or one or more volatile memory elements that are provided with a power source and that do not volatilize in normal operation, in which case the device 10 is not currently connected to the power generation used by the all-DC
図18は、図17のプログラム要素1556のいくつかの例を示し、これらはいずれも、全直流エネルギ伝送装置100、全直流エネルギ伝送ネットワーク220、これら100および/または220のいずれかを含む、および/または用いるシステム180、特にハイブリッド型電気/ICE自動車210のうちの1以上の少なくとも一部を動作させる方法の少なくとも1つの要素を実現しうる。ある方法が1またはそれ以上のステップを含むように、プログラム要素1556は以下の1またはそれ以上の命令動作を含む。
FIG. 18 illustrates some examples of program element 1556 of FIG. 17, all of which include an all-DC
プログラム動作1600は、入力DC端子102および/または、コモン端子106に対する出力DC端子104の検出に応じた全直流エネルギ伝送装置100の動作をサポートする。エネルギ伝送コントローラ170はコントロール状態172を変えて、閉状態174または開状態176のうちの1つを第1スイッチSW1 140のコントロール端子Cに供給する。
Program operation 1600 supports operation of all DC
例として、入力DC端子は、図1に示すように、Cest1として推定されるキャパシタンスを有する第1の容量性デバイスC1 130と、時間t0で電圧Vin_est0ボルト、時間t1でVin_est1ボルトを有する入力直流DESとに接続されてもよい。t0においてC1に保持される推定エネルギは、1/2*Cest1*Vinest02と計算できる。t1においてC1に保持される推定エネルギは、1/2*Cest1*Vinest12と計算できる。t0からt1までにC1から伝送されるエネルギの推定は、1/2Cest1*(Vinest12−Vinest02)と計算できる。
As an example, the input DC terminal has a first
第2の例も図1に基づいている。第2の容量性デバイスC2 160は推定キャパシタンスCest2を有するものとする。出力直流DESは、時間t0で電圧Vout_est0ボルト、時間t1でVout_est1ボルトを有するものとする。同様に、t0からt1までに伝送されるエネルギの推定は、1/2*Cest2*(Voutest12−Voutest02)と計算できる。
The second example is also based on FIG. It is assumed that the second
全直流エネルギ伝送装置100の動作は、C1の推定保持エネルギがある閾値以下となるか、入力直流DESの推定電圧が第2の閾値以下となった場合に、第1の容量性デバイス100を充電することを含み得る。C1の最大動作電圧は3000ボルトで、キャパシタンスは1ファラドであるとする。最初の閾値は、最大動作電圧3000ボルトのC1の保持エネルギの1/4で、第2の閾値はこの3000ボルトの1/2とすることができる。
The operation of the all-DC
t0とt1間のエネルギ伝送効率は、C2での伝送エネルギをC1での伝送エネルギで割った比で推定され、これはCest2*(Voutest12−Voutest02)/(Cest1*(Vinest12−Vinest02))で計算することができる。 The energy transmission efficiency between t0 and t1 is estimated by the ratio of the transmission energy at C2 divided by the transmission energy at C1, which is Cest2 * (Voutest1 2 −Voutest0 2 ) / (Cest1 * (Vinest1 2 −Vinest0 2 )).
プログラム動作1610は、コモン端子106に対する高エネルギ端子202および/またはサービス端子204の検出に応じた全直流エネルギ伝送ネットワーク220の動作をサポートする。
Program operation 1610 supports operation of all DC energy transfer network 220 in response to detection of
プログラム動作1620は、デュアルステージ全直流エネルギ伝送装置700が、コモン端子106に対する端子102および/または404のうちの1以上を検出する動作をサポートする。これらの動作は、2つのコントロール状態172−1、172−2を変えて、コントロール端子108、408を介してデュアルステージ全直流エネルギ伝送装置700の2つのスイッチを個別に制御することを含み得る。
Program operation 1620 supports the operation of dual stage all DC
プログラム動作1630は、コモン端子106に対する高エネルギ端子202および/またはサービス端子204の検出に応じた1以上のステップダウン(SD)ステージ400の動作をサポートする。
Program operation 1630 supports operation of one or more step down (SD) stages 400 in response to detection of
プログラム動作1640は、コモン端子106に対する高エネルギ端子202および/またはサービス端子204の検出に応じた1以上の容量性(Cap)ステージ100の動作をサポートする。
Program operation 1640 supports operation of one or more capacitive (Cap) stages 100 in response to detection of
プログラム動作1650は、少なくとも1の全直流エネルギ伝送装置100および/または全直流エネルギ伝送ネットワーク220の少なくとも一部の、1以上の検出されたDESに応じたシステム180の少なくとも一部の動作をサポートする。
Program operation 1650 supports the operation of at least a portion of system 180 in response to one or more detected DESs of at least a portion of at least one all-DC
プログラム動作1660は、全直流エネルギ伝送ネットワーク220の少なくとも一部の検出されたDESに応じたハイブリッド電気/ICE車両210の動作をサポートする。 Program operation 1660 supports operation of hybrid electric / ICE vehicle 210 in response to a detected DES of at least a portion of total DC energy transfer network 220.
これらの実施例および説明は、複数の国における本願および将来の分割出願のクレームを開示し実施可能とすべく提供されているが、本書にかかる技術分野の当業者は、本発明の範囲はこれらの言葉が述べ得ることを超えることを理解するであろう。 These examples and descriptions are provided to disclose and enable the claims of the present application and future divisional applications in multiple countries, but those skilled in the art to which this document pertains will not You will understand that these words go beyond what can be stated.
例えば、最も簡単な全直流エネルギ伝送装置100は、明記されたエネルギ伝送装置の要素を超えて、本書で内部直流DESとして参照される、本質的に直流DESからなる出力直流DESの生成に寄与する1以上の内部DESからなる。
For example, the simplest all DC
別の例では、図1に示すような全直流エネルギ伝送装置100の要素間の1またはそれ以上の接続が、図には示されているがダイオードD1またはD2を具えなくてもよい。
In another example, one or more connections between elements of the all-DC
別の例では、図1および以降の図面のいずれかの接続間に、例えば抵抗、コンデンサ、ダイオードおよび/またはインダクタといった追加の要素が連結されてもよく、これらの追加の要素はDCエネルギ伝送に寄与する内部直流DESを妨げないように設けられる。
In another example, additional elements such as resistors, capacitors, diodes and / or inductors may be coupled between the connections of FIG. 1 and any of the subsequent figures, and these additional elements may be used for DC energy transfer. It is provided so as not to disturb the contributing internal DC DES.
図1はまた、入力直流DES110および/または出力直流DES112の検出に応じて、コントロールDES182を生成することにより、コントロール端子108を介してスイッチSW1 140に閉状態174または開状態176を提供するよう全直流エネルギ伝送装置100を運用するのに適合したエネルギ伝送コントローラ170を示す。このエネルギ伝送コントローラ170はまた、いくつかの実装例では、推定入力DES178および/または推定出力181を具えてもよい。
1 also provides a closed state 174 or an
図2は、図1のシステム180であり、全直流エネルギ伝送装置100とエネルギ伝送コントローラ170を用いて本発明にかかる、特に電気と内燃機関(ice)のハイブリッド型自動車210である車両200への実装を示す。この自動車210は、図1のシステム180の要素を具え、同様に燃料214が制御可能にICE222に供給される。ICE222はエネルギを発電器230に供給するよう運用され、発電器の電気出力が全直流エネルギ伝送装置100の入力DC端子102に供給される。この簡略化した描写において、出力DC端子104は、自動車のホイールを回転させる1またはそれ以上の軸を駆動する電気モータ250に接続されている。
FIG. 2 is a system 180 of FIG. 1 that uses the all-DC
図3は、図2の車両220および/または自動車210であり、道路330の右手側で燃料単位214が供給されている。この車両200および/または自動車210は、図面の右から左側へと矢印のように進み、ここで車両220および/または自動車210は距離310を進んでこの燃料単位214が消費されることを示している。 FIG. 3 is the vehicle 220 and / or the automobile 210 of FIG. 2, and the fuel unit 214 is supplied on the right hand side of the road 330. The vehicle 200 and / or automobile 210 travels from the right to the left side of the drawing as indicated by an arrow, where the vehicle 220 and / or automobile 210 travels a distance 310 to indicate that this fuel unit 214 is consumed. Yes.
第2の実装例は、全直流エネルギ伝送ネットワーク220内のエネルギ伝送装置100が、ハイブリッド型電気/内燃機関(ice)自動車210内で動作して、ガソリンといった燃料の自動車の燃費を、ガロンあたり100マイル以上、メートル単位ではリットル当たり43キロメートル以上に耐えるようにする。別の方法では、単位320が1ガロンの場合、期待される航続距離は100マイル以上である。単位320が1リットルの場合、期待される航続距離は43キロメートル以上である。
In the second implementation example, the
この第3の実装例は、全直流エネルギ伝送ネットワーク220内のエネルギ伝送装置100が、自動車210の燃費をガロンあたり200マイル以上、あるいはリットルあたり86キロメートル以上に耐えるのに適合する。別の方法では、単位320が1ガロンの場合、期待される航続距離は200マイル以上である。単位320が1リットルである場合、期待される航続距離は86キロメートル以上である。
This third implementation is suitable for the
図4は、図2の全直流エネルギ伝送ネットワーク220を示し、これは図1の全直流エネルギ伝送装置100と、図5にさらなる詳細を示す2つの全直流ステップダウン(SD)ステージ400−1、400−2とを具えている。全直流エネルギ伝送ネットワーク220は、図2に最初に示すように、高エネルギ端子202と、コモン端子106と、サービス端子204とを具えてもよい。この全直流エネルギ伝送ネットワーク220はさらに、これも図2に最初に示すように、符号208Aから208Eが付された複数のコントロール端子を具えてもよい。
4 shows the all-DC energy transfer network 220 of FIG. 2, which includes the all-DC
第3の例として、コントロールDES Cが「閉」とは、スイッチSW2 410−2を閉じる条件がコントロール端子208Cに提供されたことを意味する。
As a third example, “closed” of the control DES C means that a condition for closing the switch SW2 410-2 is provided to the
図6は、図4の全直流エネルギ伝送ネットワーク220の改良を示し、ここでは第3および第4の全直流SDステージ400−3、400−4を具えている。この全直流エネルギ伝送ネットワーク220はまた、4つのさらなるコントロール端子208F〜208Iを具える。前述と同様に、スイッチSW2 410−2、SW3 410−3、SW4 410−6、またはSW5 410−7のうち同時に最大1つが閉となる。この簡略化は本発明の動作と分析を理解するのに役立つが、図2のエネルギ伝送コントローラ280がこれらのコントロールDESを、有用であると思われる任意の組み合わせで操作することを排除するものではない。しかしながら、4つの全直流SDステージ400−1〜400−4のコントロール端子C 408にかかるコントロールDESは、同時に「閉」となってもならなくてもよい。全直流SDステージのこれらの内部スイッチのうちの2つを閉じると、図5の容量性デバイスC3 560の2/3が同時にチャージされるが、これらの容量性デバイスはそれぞれ、特に第3の実装例では、個別に放電されることが有用である。
FIG. 6 shows an improvement of the all-DC energy transmission network 220 of FIG. 4, which includes third and fourth all-DC SD stages 400-3, 400-4. The all-DC energy transmission network 220 also includes four additional control terminals 208F-208I. As before , at most one of the switches SW2 410-2, SW3 410-3 , SW4 410-6 , or SW5 410-7 is closed at the same time. While this simplification helps to understand the operation and analysis of the present invention, it does not exclude that the energy transfer controller 280 of FIG. 2 operates these control DES in any combination deemed useful. Absent. However, the control DES applied to the
以下は、図2、3のハイブリッド型電気−ice自動車210の初期の適用例と仮定する。この自動車210は、約3000ポンド、または約1361キログラムの重量である。電気モータ250は、例えば巡航時に時速70マイルで5%の勾配を登るのに時速55マイルといった自動車210の通常の使用に耐えるのに、ほぼ50キロワットの電力を連続的に伝える必要がある。この自動車210は、内燃機関(ICE)222で発電器230を駆動してエネルギを生成し、高エネルギ端子204を通して全直流エネルギ伝送ネットワーク220へと供給することにより、反復的に全直流エネルギ伝送ネットワーク220の充電を繰り返す。ICE222をオンにすると、燃料214を消費して全直流エネルギ伝送ネットワーク220を充電し、サービス端子204を通して電気モータ250に電力を供給できるようにする。
The following assumes an initial application of the hybrid electric-ice vehicle 210 of FIGS. The automobile 210 weighs about 3000 pounds, or about 1361 kilograms. The
全直流エネルギ伝送装置100と全直流エネルギ伝送ネットワーク220との商業的な目標の一つは、燃料214の単位320の消費を通した移動距離310を増大させることである。エネルギ効率は、電気モータで走る距離に対するICEで走る距離の比として考えられる。燃料効率は、移動距離310に対する燃料214の単位320でレーティングされる。
One commercial goal of all DC
第2の実装例では、全直流エネルギ伝送ネットワーク220内のエネルギ伝送装置100が、ガソリンといった燃料をガロンあたり100マイル以上、あるいはメートル単位ではリットル当たり43キロメートル以上をサポートする必要がある。
In the second implementation, the
図15A−15Iは、少なくとも第1の容量性デバイス1310のいくつかの特徴を示し、これは他の容量性デバイスC2 160、C3 560、および/またはC4 1160の1またはそれ以上にも適用可能である。
15A- 15I illustrate some features of at least the
全直流エネルギ伝送ネットワーク220の第3の実装例では、全直流エネルギ伝送ネットワーク220内のエネルギ伝送装置100が自動車210内で動作し、ガロンあたり200マイル以上、あるいはリットル当たり86キロメートル以上の燃費を支えるのに適合していることを思い出して欲しい。別の方法では、ユニット320が1ガロンである場合、期待される航続距離は200マイル以上である。ユニット320が1リットルの場合、期待される航続距離は86キロメートル以上である。
In the third implementation example of the all-DC energy transmission network 220 , the
Claims (24)
前記全直流エネルギ伝送装置は、前記入力DC端子における入力直流動的電気状態(Dynamical Electro−State:DES)に応じて、少なくとも1の内部DESを通して、前記出力DC端子における出力直流DESへとエネルギを伝送し、前記内部DESはそれぞれ本質的に電流を一方向にのみ流すのに適合した直流DESでなり、
前記入力直流DESおよび前記出力直流DESは、前記コモン端子に関するものであることを特徴とする装置。 An apparatus including an all DC energy transmission device having an input DC terminal, a common terminal, and an output DC terminal,
The all-DC energy transmission device passes energy to the output DC DES at the output DC terminal through at least one internal DES in response to an input DC dynamic electrical state (DES) at the input DC terminal. Each of the internal DES essentially consists of a DC DES adapted to flow current in only one direction,
The input DC DES and the output DC DES are related to the common terminal.
全直流エネルギ伝送装置は、第1の容量性デバイスと、第2の容量性デバイスと、スイッチと、誘導性デバイスとを具え、
前記第1の容量性デバイス、前記第2の容量性デバイス、前記スイッチ、および前記誘導性デバイスはそれぞれ第1端子および第2端子を具え、
前記スイッチがさらにコントロール端子を具え、前記スイッチは、当該スイッチの第1端子と第2端子との間の接続を閉じて閉状態とし、当該接続を開いて開状態とするのに適合しており、前記閉状態と開状態は前記コモン端子に対する前記コントロール端子のコントロールDESへの応答であり、
前記全直流エネルギ伝送装置ではさらに、
前記入力DC端子が、前記第1の容量性デバイスの第1端子に接続されるとともに、前記スイッチの第1端子に接続され、
前記第1の容量性デバイスの第2端子が前記コモン端子に接続され、
前記スイッチの第2端子が前記誘導性デバイスの第1端子に接続され、
前記誘導性デバイスの第2端子が、前記第2の容量性デバイスの第1端子および前記出力DC端子に接続され、
前記第2の容量性デバイスの第2端子が前記コモン端子に接続されていることを特徴とする装置。 The apparatus of claim 1, further comprising:
The all-DC energy transmission device comprises a first capacitive device, a second capacitive device, a switch, and an inductive device,
The first capacitive device, the second capacitive device, the switch, and the inductive device each comprise a first terminal and a second terminal;
The switch further comprises a control terminal, the switch being adapted to close the connection between the first terminal and the second terminal of the switch to a closed state and to open the connection to an open state. The closed state and the open state are responses to the control DES of the control terminal with respect to the common terminal,
In the all DC energy transmission device,
The input DC terminal is connected to the first terminal of the first capacitive device and to the first terminal of the switch;
A second terminal of the first capacitive device is connected to the common terminal;
A second terminal of the switch is connected to a first terminal of the inductive device;
A second terminal of the inductive device is connected to a first terminal of the second capacitive device and the output DC terminal;
A device characterized in that a second terminal of the second capacitive device is connected to the common terminal.
前記入力直流DESが少なくとも36ボルトの電圧を有すること、
前記出力直流DESが少なくとも12ボルトの電圧を有すること、
前記第1の容量性デバイスが少なくとも800ボルトの動作電圧で少なくとも500マイクロファラドのキャパシタンスを有すること、
前記第2の容量性デバイスが少なくとも1500マイクロファラドのキャパシタンスを有すること、
のそれぞれを満たすかそれ以上であることに適合しており、
前記全直流エネルギ伝送装置が、前記入力DC端子と前記出力DC端子間で少なくともK%のエネルギ伝送効率でのエネルギ伝送に適合しており、ここでKは少なくとも65であること、を特徴とする装置。 3. The apparatus of claim 2, wherein the all DC energy transmission device is
The input DC DES has a voltage of at least 36 volts;
The output DC DES has a voltage of at least 12 volts;
The first capacitive device has a capacitance of at least 500 microfarads at an operating voltage of at least 800 volts;
The second capacitive device has a capacitance of at least 1500 microfarads;
To meet or exceed each of the
The all-DC energy transmission device is adapted for energy transmission with an energy transmission efficiency of at least K% between the input DC terminal and the output DC terminal, where K is at least 65. apparatus.
前記入力直流DESが少なくとも1000ボルトの電圧を有すること、
前記出力直流DESが少なくとも100ボルトの電圧を有すること、
前記第1の容量性デバイスが少なくとも1000ボルトの動作電圧で少なくとも0.5ファラドのキャパシタンスを有すること、および/または、
前記第2の容量性デバイスが少なくとも1.0ファラドのキャパシタンスを有すること、
の少なくとも1つに合致するかそれ以上に適合していることを特徴とする装置。 4. The apparatus of claim 3, wherein the all DC energy transmission device is
The input DC DES has a voltage of at least 1000 volts;
The output DC DES has a voltage of at least 100 volts;
The first capacitive device has a capacitance of at least 0.5 farads at an operating voltage of at least 1000 volts, and / or
The second capacitive device has a capacitance of at least 1.0 farad;
A device characterized in that it meets at least one of the above.
前記入力直流DESが少なくとも2000ボルトの電圧を有すること、
前記出力直流DESが少なくとも200ボルトの電圧を有すること、
前記第1の容量性デバイスが少なくとも2000ボルトの動作電圧で少なくとも1.0ファラドのキャパシタンスを有すること、および/または、
前記第2の容量性デバイスが少なくとも2.0ファラドのキャパシタンスを有すること、
の少なくとも1つに合致するかそれ以上に適合していることを特徴とする装置。 9. The apparatus of claim 8, wherein the all DC energy transmission device is
The input DC DES has a voltage of at least 2000 volts;
The output DC DES has a voltage of at least 200 volts;
The first capacitive device has a capacitance of at least 1.0 farad at an operating voltage of at least 2000 volts, and / or
The second capacitive device has a capacitance of at least 2.0 farads;
A device characterized in that it meets at least one of the above.
前記入力直流DESが少なくとも3000ボルトの電圧を有すること、
前記出力直流DESが少なくとも300ボルトの電圧を有すること、
前記第1の容量性デバイスが少なくとも3000ボルトの動作電圧を有すること、および/または、
前記第2の容量性デバイスが少なくとも4.0ファラドのキャパシタンスを有すること、
の少なくとも1つに合致するかそれ以上に適合していることを特徴とする装置。 10. The apparatus of claim 9, wherein the all-DC energy transmission device is
The input DC DES has a voltage of at least 3000 volts;
The output DC DES has a voltage of at least 300 volts;
The first capacitive device has an operating voltage of at least 3000 volts, and / or
The second capacitive device has a capacitance of at least 4.0 farads;
A device characterized in that it meets at least one of the above.
The apparatus of claim 21, wherein the means for transport is an automobile.
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