JP2023523312A - バイパスを用いるバッテリストレス緩和システム - Google Patents

Abstract

パワーシステムは、並列に配設されたバッテリ充電経路およびコンデンサ充電経路を含む。インラッシュ事象時、電流制限素子が、バッテリ充電経路に沿って電流フローを制限してバッテリストレスを緩和する。インラッシュ事象時、バイパス経路に沿うバッテリと負荷との間の電流フローもまた、スイッチ素子によって妨げられる。定常充電状態下、電流制限素子の抵抗は減少し、したがって、バッテリ充電経路に沿うバッテリと負荷との間の電流フローを増大させる。定常状態の間、スイッチ回路がスイッチ素子の動作を制御して、同じく、バイパス経路に沿ってバッテリと負荷との間の電流フローを可能にする。電流制限素子の抵抗の変化および／またはスイッチ回路によるスイッチ素子の作動は、任意で、温度の変化に基づき、外部制御入力信号を要することなく受動的に実現される。TIFF2023523312000002.tif75170

Description

関連出願の相互参照
本出願は、開示内容が全体として参照により本明細書に組み入れられる、2020年4月27日に出願された米国特許仮出願第63/016,087号への優先権およびその出願日の恩典を主張する。

背景
急速な充電および放電は、特に高電力負荷を受けるバッテリの使用中に発生すると、バッテリの健全さに悪影響を及ぼす。そのようなインラッシュ事象は、たとえば、負荷からの突然の需要の結果として（たとえば、バッテリと負荷との間にはじめて電気的接触が確立されるとき）、または充電中のバッテリへの突然の電流流入の結果として発生し得る。

電気自動車（EV）の場合、主バッテリの高い電力需要および動作中のインラッシュ事象（たとえばEVの加速、回生ブレーキなど）へのバッテリの頻繁な曝露を考慮すると、バッテリストレスが特に懸念材料となり得る。バッテリ性能および容量の低下は、車両性能の低下を生じさせて、最終的には、潜在的にコスト高な早期バッテリ交換を招くおそれがある。

概要
本開示の1つの実施形態にしたがって、車両のためのパワーシステムは、並列に配設されたバッテリ充電経路およびコンデンサ充電経路を含む。バッテリ充電経路は、バッテリからの電流を負荷に提供するように構成されている。コンデンサ充電経路は、コンデンサからの電流を負荷に提供するように構成されている。可変抵抗を有する電流制限素子がバッテリ充電経路に沿って直列に配設されている。充電（charge）システムはバイパスシステムをさらに含む。バイパスシステムは、バッテリ充電経路に対して並列に配設されたバイパス経路を含む。スイッチ素子がバイパス経路に沿って配設されている。このスイッチ素子は、バイパス経路に沿って選択的に電流フローを妨げるおよび電流フローを可能にするように構成されている。バッテリと負荷との間の電流フローを実質的に制限する抵抗によって電流制限素子が画定されると同時に、バイパス回路に沿って電流フローを妨げるように、スイッチ回路が構成されている。

いくつかの態様において、バッテリと負荷との間の電流フローを実質的に制限する抵抗によって電流制限素子が画定されるとき、バッテリと負荷との間の電流フローは、コンデンサ充電経路に沿う電流フローよりも少ない。任意で、バッテリと負荷との間で電流が流れることを可能にする低い抵抗によって電流制限素子が画定されると同時に、バイパス経路に沿って電流フローを可能にするように、スイッチ回路が構成されている。いくつかの態様において、スイッチ回路が作動してバイパス経路に沿って電流フローを可能にするとき、コンデンサと負荷との間でコンデンサ充電経路に沿う電流フローは実質的に存在しない。

様々な態様において、スイッチ回路は、温度の第一の変化に応答して変化する抵抗を有する温度可変要素を含む。抵抗の変化は、任意で、外部制御入力信号を温度可変要素に印加することなく実現される。いくつかの態様において、電流制限素子は、第二の温度変化に応答して変化する抵抗を有する感温素子を含む。温度の第一の変化は第二の温度変化と同じであってもよい。あるいはまた、温度の第一の変化は第二の温度変化と異なってもよい。

温度可変要素は任意で正温度係数サーミスタを含み、感温素子は任意で負温度係数サーミスタを含む。温度可変要素のコアが所定の温度に達すると、それに応答して、温度可変要素の抵抗が増大する。感温素子のコアが所定の温度に達すると、それに応答して、感温素子の抵抗が減少する。

様々な態様にしたがって、スイッチ素子は半導体スイッチを含む。温度可変要素の抵抗の変化が、任意で、半導体スイッチのゲートに印加される電圧信号を変えるように構成されている。電流制限素子は任意で感温素子を含んでもよい。感温素子のコアが第一の閾値温度範囲を超える温度に達すると、それに応答して、感温素子の抵抗が減少し得る。

温度可変要素のコアが第二の閾値温度範囲を超える温度に達すると、それに応答して、半導体スイッチのゲートに印加される電圧信号が任意で作動して、バイパス経路を通過する電流フローを可能にする。第二の閾値温度範囲は、第一の閾値温度範囲の温度よりも高い温度に相当する。温度可変要素のコアの温度が第二の閾値温度範囲を超えると、それに応答して、温度可変要素の抵抗が任意で増大する。

いくつかの態様において、スイッチ回路は、電源と、温度可変要素と直列に配設されている抵抗器とを、さらに含む。温度可変要素は、任意で、バッテリ充電経路に物理的に直結される。

本開示の別の実施形態にしたがって、パワーパックアセンブリは、ハウジングと、ハウジングによって支持されるパワーシステムとを含む。ハウジングは、バッテリを格納するように構成された第一の部分と、コンデンサを格納するように構成された第二の部分とを含む。パワーシステムは、バッテリ充電経路、コンデンサ充電経路、電流制限素子およびバイパスシステムを含む。バッテリ充電経路は、ハウジングの第一の部分と、ハウジングによって支持される端子との間に延びる。コンデンサ充電経路は、バッテリ充電経路に対して並列に配設され、ハウジングの第二の部分と端子との間に延びる。

電流制限素子は、可変抵抗を有し、バッテリ充電経路に沿って直列に配設されている。バイパスシステムは、バイパス経路、スイッチ素子およびスイッチ回路を含む。バイパス経路はバッテリ充電経路に対して並列に配設されている。スイッチ素子がバイパス経路に沿って配設されている。このスイッチ素子は、バイパス経路に沿って選択的に電流フローを制限するおよび電流フローを可能にするように構成されている。スイッチ素子を作動させて、バイパス経路に沿って電流フローを制限するように、スイッチ回路が構成されている。

パワーパックアセンブリはまた、任意で、バッテリおよびコンデンサを含む。バッテリは、ハウジングの第一の部分内に収容され、バッテリ充電経路によって端子に接続されている。コンデンサは、ハウジングの第二の部分内に収容され、コンデンサ充電経路によって端子に接続されている。スイッチ回路は、任意で、可変抵抗を有する温度可変要素を含む。温度可変要素のコアの温度の変化に応答して、スイッチ素子を作動させて、バイパス経路に沿って選択的に電流フローを制限するおよび電流フローを可能にするように、スイッチ回路が構成されている。

本開示の別の実施形態にしたがって、負荷を充電する方法は、バッテリからの電流を、バッテリを負荷に結合するバッテリ充電経路に沿って位置する電流制限素子に通して、流れさせる段階を含む。電流は、コンデンサから負荷へと流される。コンデンサは、電流制限素子に対して並列に位置する。スイッチ回路を作動させて、スイッチ素子に、バッテリ充電経路に対して並列に配設されているバイパス経路に沿ってバッテリと負荷との間に電流を流れさせる。スイッチ回路はスイッチ素子を作動させて、バッテリからの電流をバッテリ充電経路に沿ってバッテリへと流れさせると同時に、バイパス経路に沿ってバッテリと負荷との間の電流フローを可能にする。

電流制限素子は任意で感温素子を含み、スイッチ回路は任意で温度可変要素を含む。スイッチ回路は、温度可変要素の抵抗の変化に基づいてスイッチ素子を作動させる。温度可変要素のコアの温度が第一の温度に達すると、それに応答して、温度可変要素の抵抗の変化が起こる。感温素子は、感温素子の抵抗の減少に基づいて、電流をバッテリ充電経路に沿って流れさせる。感温素子のコア温度が第二の温度に達すると、それに応答して、感温素子の抵抗の変化が起こる。コンデンサからの負荷への電流フローが停止した後、温度可変要素のコアは第一の温度に達する。コンデンサからの負荷への電流フローが停止する前に、感温素子のコアは該第二の温度に達する

本概要は単に例示的であり、いかなるようにも限定的であることを意図したものではない。本明細書に記載されるデバイスまたはプロセスの他の局面、進歩的特徴および利点が、添付図面と併せて読まれる、本明細書に記載される詳細な説明において明らかになるであろう。図中、類似の符番は類似の要素を指す。

本開示の様々な目的、局面、特徴および利点は、添付図面と併せて読まれる詳細な説明を参照することにより、より明白になり、よりよく理解されるであろう。全図を通して、類似の符番は対応する要素を特定する。図中、類似の符番は一般に、同一である、機能的に類似する、および／または構造的に類似する要素を示す。

1つの態様に準じる、パワーシステムの図である。 1つの態様に準じる、感温素子の抵抗値を、温度に対して示す、例示的なグラフである。 1つの態様に準じる、充電（charging）システムおよび充電（charge）システムの要素からの電流フローを比較する、例示的なグラフである。 1つの態様に準じる、パワーシステムの回路図である。 1つの態様に準じる、パワーシステムを利用する高パワー車両システムの回路図である。 1つの態様に準じる、パワーシステムを組み込むパワーパックシステムを示す。

説明
概して図面を参照すると、充電（charge）システム100およびバイパスシステム400を含むパワーシステム10が様々な態様にしたがって示され、記載されている。一般に、充電（charge）システム100は、インラッシュ事象時（たとえば、バッテリと負荷との間にはじめて電気的結合が確立されたとき）にバッテリストレスを緩和する。定常動作中、バイパスシステム400は、バッテリと負荷との間で電流を供給することができる制限のない電流フロー経路を提供することにより、パワーシステム10の効率を高める。

図1の態様に示すように、充電（charge）システム100は、並列に配設されたバッテリ102およびコンデンサ106を含む。バッテリ充電経路103がバッテリを負荷108に接続し、コンデンサ充電経路105がコンデンサ106を負荷108およびバッテリ102に接続する。

コンデンサの内部抵抗は一般的には比較的低く、コンデンサがインラッシュ事象に対して速やかに応答することを可能にする。したがって、充電（charge）システム100のコンデンサ106とバッテリ102との直列配設は、インラッシュ事象時（たとえば、充電（charge）システム100と負荷108との間にはじめて電気的接触が確立されたとき）にコンデンサ106が電流を提供することを可能にして、負荷108が定常レベルの充電に達するときバッテリ102が電流を徐々に増すことを可能にする。定常レベルの充電に達したならば、バッテリ102が、負荷108への電流の一次供給源としての役割を引き継ぐ。

バッテリ102およびコンデンサ106によって負荷108への電流フローが提供される割合は、個々に、バッテリ充電経路103の実効抵抗と、コンデンサ106の実効抵抗との差に依存する。コンデンサとバッテリのみからなる回路においては、バッテリ充電経路の実効抵抗はバッテリの内部抵抗に一致し、コンデンサの実効抵抗はコンデンサの内部抵抗に一致する。したがって、バッテリの内部抵抗とコンデンサの内部抵抗との差が小さいならば、バッテリは、インラッシュ事象時でもなお、電流の有意な部分（たとえばおよそ半分）を負荷に提供し得る。負荷の所要パワーに依存して、インラッシュ事象時のバッテリからの電流フローのこの減少は、バッテリを損傷から保護するのには不十分である場合がある。

バッテリとは対照的に、コンデンサは、インラッシュ電流に曝露されたときでも最小限の損耗および劣化しか被らない。したがって、図1に示すように、充電（charge）システム100は、コンデンサ106の実効抵抗に対してバッテリ充電経路103の実効抵抗を高める電流制限素子104をさらに含む。したがって、以下、図3を参照しながら説明するように、電流制限素子104は、インラッシュ事象時、負荷108の電流需要を満たすためにコンデンサ106が使用される割合および量を増し、それにより、バッテリ102から取り出される電流の割合および量を制限する。インラッシュ事象時にコンデンサ106が負荷108への電流の一次供給源として利用される時間を延ばすことにより、電流制限素子104は、好都合に、バッテリ102が、その健全さを危うくしないやり方で、負荷108へのその電流供給を徐々に増すことを可能にする。定常レベルの充電に達したならば、バッテリ102もまた、負荷108への電流の一次供給源としての役割を安全に引き継ぐことができる。

電流制限素子104は、多様な異なる抵抗素子によって画定され得る。たとえば、いくつかの態様にしたがって、電流制限素子104は、固定抵抗値を有する抵抗器（たとえば厚膜、薄膜、巻線形態、炭素複合材など）を含む。抵抗器は、その動作のために任意のさらなる要素または外部制御入力信号を必要としないため、抵抗器は、電流制限素子104が容易かつ費用効果的に充電（charge）システム100に組み込まれることを可能にする。

抵抗器を含む電流制限素子104によって提供される抵抗はインラッシュ事象時には好都合であるが、定常充電状態の間、バッテリ102と負荷108との間の電流フローの継続的な制限は、多くの場合、望ましくない。したがって、他の態様において、電流制限素子104は、代替的に、外部制御入力信号（たとえば制御装置、手動調節などを介して受信される）に応答して変化しうる抵抗を有する能動素子を含む。そのような能動素子の例は、レオスタット、ポテンショメータ、デジタル抵抗器、リニアモードで作動する電界効果トランジスタなどを含む。

インラッシュ事象の後、バッテリ充電経路103の実効抵抗が減少することを可能にすることにより、能動素子を含む電流制限素子104は、好都合に、定常充電状態でバッテリ102が電流を負荷108に供給し得る効率および速度を増大させる。しかし、要素点数の増加、複雑さおよび能動素子の動作に必要な外部入力源を組み込むことに伴うコストが、様々な状況において電流制限素子104としての能動素子の使用の適性を制限し得る。

様々な態様にしたがって、電流制限素子104は、好都合に、温度の変化に応答して予測可能なやり方で変化する感温素子（たとえば負温度係数サーミスタ）を含む。図2のグラフによって代表的に示すように、感温素子を含む電流制限素子104は、初期の低温で大きな抵抗を有する。感温素子のコア温度が閾値温度範囲まで上昇すると、感温素子の抵抗値は非線形に（たとえば指数関数的に）低下する。コア温度が閾値温度範囲を超えたならば、感温素子は、感温素子がバッテリ102から負荷108への電流フローに対して最小限の（たとえばゼロ）抵抗を提供する定常流動状態で作動する。

感温素子を含む電流制限素子104のコア温度の上昇は、電流フロー中に感温素子を通して熱が放散される結果として起こり得る。感温素子のコア温度の上昇はまた、周囲温度の変化の結果としても起こり得る。たとえば、感温素子のコア温度は、動作中に負荷108または充電（charge）システム100の他の要素によって熱が生成される結果として上昇し得る。いくつかの態様にしたがって、感温素子は、任意で、周囲温度の変化に対する感熱素子の応答性を高めるために、ヒートシンクを介して負荷108に接続される。

感温素子の初期抵抗および感温素子が定常フロー状態に達する閾値温度範囲は、感温素子の構造に基づいて異なる。したがって、充電（charge）システム100が使用される負荷108の動作パラメータおよび条件に適した感温素子を選択することにより、感温素子を含む電流制限素子104は、固定抵抗抵抗器と能動素子の両方の恩恵を提供しながらも、これらの選択肢それぞれの制約を回避することができる。

すなわち、能動素子を含む電流制限素子104と同様に、感温素子を含む電流制限素子104は、変動する程度の抵抗を電流フローに提供することができ、したがって、インラッシュ事象の後、バッテリ充電経路103の実効抵抗を減らすことを可能にする。しかも、能動素子とは対照的に、感温素子は、外部制御入力信号の受信を必要とせず、それどころか、温度の変化に応答してその抵抗を受動的に変化させる。したがって、抵抗器を含む電流制限組織104と同様に、この、さらなる要素または外部制御要素の必要性の排除は、感温素子を含む電流制限素子104が容易かつ費用効果的に充電（charge）システム100に組み込まれることを可能にする。

図3には、インラッシュ事象時の、電流制限素子104を含まない充電（charging）システム、および感温素子を含む電流制限素子104を含む充電（charge）システム100の、バッテリおよびコンデンサからの電流の流れを示すグラフが示されている。第一の曲線310は、充電（charging）システムのバッテリからの電流フローの時間応答曲線を示す。第二の曲線320は、充電（charging）システムのコンデンサへの／充電（charging）システムのコンデンサからの、電流フローの時間応答曲線を示す。第三の曲線330は、充電（charge）システム100のバッテリ102からの電流フローの時間応答曲線を示す。第四の曲線340は、充電（charge）システム100のコンデンサ106への／充電（charge）システム100のコンデンサ106からの、電流フローの時間応答曲線を示す。

図3のグラフによって示すように、充電（charging）システム（電流制限素子104を含まない方）と、充電（charge）システム100（感温素子を含む電流制限素子104を含む方）の両方において、コンデンサは、インラッシュ事象の開始時に電流の一次供給源である。コンデンサが徐々に枯渇し、バッテリがその放電を増すにつれ、均衡点301、302に到達する。均衡点301、302は、コンデンサによって供給される電流の量がバッテリによって供給される電流の量に等しくなる時点に相当する。均衡点301、302の発生の後、バッテリによって供給される電流の量は、コンデンサによって提供される電流の量を超え始める。コンデンサは、遷移点303、304に達するまで、電流を負荷に供給し続ける。遷移点303、304の発生の後、コンデンサは、負荷への電流供給を停止し、代わりに、バッテリから電流を受け始める（コンデンサについて、電流フローのプラスの電流値によって証明されている）。バッテリは、再充電点305、306（コンデンサがバッテリによって再充電された時点に相当する）に達するまで、電流をバッテリおよびコンデンサに供給し続ける。再充電点305、306の後、バッテリによって放出される電流は、負荷への定常状態のフローを達成する。

図3のグラフによって示すように、充電（charging）システム（電流制限素子104を含まない方）、および充電（charge）システム100（感温素子を含む電流制限素子104を含む方）は、それぞれの遷移点303、304および再充電点305、306を同様な時点で達成する。したがって、充電（charge）システム100への電流制限素子104の組み込みが、インラッシュ事象の後、バッテリ102によってコンデンサ106を再充電するのに要する時間に悪影響を及ぼすことはない。

しかし、第一の曲線310と第三の曲線330との比較によって示すように、バッテリ102と負荷108との間のフローの実効抵抗を増すための電流制限素子104が存在しない場合は、充電（charging）システム（電流制限素子104を含まない方）のバッテリからの電流の割合は、充電（charge）システム100のバッテリ102からの電流フローの割合よりも有意に大きい。したがって、第二の曲線320と第四の曲線340との比較によって示すように、充電（charging）システムのコンデンサによって供給される電流の量は、充電（charge）システム100のコンデンサ106によって供給される電流の量よりもずっと少ない。充電（charging）システムおよび充電（charge）システム100のコンデンサ要素とバッテリ要素との間で電流が供給されるときの割合におけるこれらの変化の結果として、充電（charging）システムは、充電（charge）システム100がその均衡点302に到達するよりもずっと早くその均衡点301に到達する。

したがって、図3のコールアウトによって示すように、充電（charging）システムおよび充電（charge）システム100それぞれの、コンデンサおよびバッテリによって個々に供給されるエネルギーの量（インラッシュ事象の開始時と、遷移点303、304の発生との間で、各曲線下の面積によって表される）を比較すると、充電（charging）システムのコンデンサによって供給されるエネルギーの量（コールアウトAを参照）は、充電（charging）システムのバッテリによって供給されるエネルギーの量（コールアウトBを参照）よりも実質的に少ない。対照的に、充電（charge）システム100のコンデンサ106によって供給されるエネルギーの量（コールアウトCを参照）は、充電（charge）システム100のバッテリ102によって供給されるエネルギーの量（コールアウトDを参照）よりも実質的に多い。したがって、第一の曲線310のコールアウトBと第三の曲線330のコールアウトDとの比較によって示すように、充電（charge）システム100（電流制限素子104を含む方）のバッテリ102に対するエネルギー需要は、電流制限素子104を含まない充電（charging）システムのバッテリに対するエネルギー需要よりも実質的に少ない。

上記のように、電流制限素子104が固定抵抗器を含む態様において、電流は、インラッシュ事象時とその後の定常充電時の両方で制限される。能動素子または感温素子を含む電流制限素子104を含む充電（charge）システム100態様は、好都合に、インラッシュ事象の後、バッテリ充電経路103の実効抵抗が減らされることを可能にするが、それにもかかわらず、そのような電流制限素子104態様は、定常充電時に電流フローに対していくらかの残留抵抗をなおも提供し得る。結果として、電流制限素子104は、バッテリ102からの電流が負荷108へ流れるとき、熱の放散を生じさせ、ひいては、充電（charge）システム100の効率を低下させる場合がある。

したがって、図1に代表的に示すように、様々な態様にしたがって、パワーシステム10はまた、インラッシュ事象の後、電流がバッテリ102から負荷108へと制限されずに流れることを可能にするバイパスシステム400を含む。図1に示すように、バイパスシステム400は、バッテリ充電経路103に対して並列に配設されたスイッチ素子403を有するバイパス経路401を含む。このスイッチ素子403は、定常充電状態の間、バッテリ102から負荷108への制限されない電流フローを可能にするように選択的に制御可能である。他方、インラッシュ事象時、スイッチ素子403は、充電（charge）システム100がバッテリ102に対するストレスを上記やり方で最小化することを可能にするために、バイパス経路401を通過する電流フローを制限する。

バイパスシステム400のスイッチ回路420は、充電（charge）システム100の動作状態（すなわち、定常レベル、インラッシュ事象など）に基づいてフロー状態（電流がバイパス経路401を介してバッテリ102から負荷108へと迂回される）とノーフロー状態（バイパス経路401を通過する電流フローが制限される、たとえば妨げられる）との間のスイッチ素子403の遷移を実現するために、スイッチ素子403に機能的に接続されている。

スイッチ素子403は、多様な異なる構造、要素および特徴によって画定され得る。たとえば、スイッチ素子403は、電圧ベースの信号、電流ベースの信号などを介して制御可能であり得る。スイッチ素子403は、常時開であってもよいし、常時閉であってもよい。図4の例示的なバイパスシステム400を参照して説明するように、スイッチ素子403は任意で半導体スイッチ405を含む。他の態様にしたがって、スイッチ素子403は任意でリレースイッチを含む。さらに他の態様において、スイッチ素子403は、多様な他の構造によって画定されてもよい。

スイッチ回路420は、バイパス経路401のフローまたはノーフロー状態を実現するためにスイッチ素子403を機能的に制御するための様々な要素、構造および配設を数多く利用し得る。たとえば、スイッチ回路420は、1つまたは複数の計測または感知されたパラメータ（たとえば、検出された電流、電圧、温度のレベル、コンデンサ106の状態など）に基づいて制御入力信号をスイッチ素子403に送信する制御装置を含み得る。

負荷108を充電するための充電（charge）システム100の動作中、電流が充電（charge）システム100を通って負荷108へと流れるとき、熱が次第に発生する。上記のように、様々な態様にしたがって、電流制限素子104は、好都合に、充電（charge）システム100の動作の過程で、負荷108の給電中に発生する増大する熱を利用して、バッテリ充電経路103の抵抗を所望のやり方で受動的に（すなわち、外部制御入力信号を必要とせずに）変化させる感温素子を含む。

類似のやり方で、スイッチ回路420もまた、任意で、負荷108の充電中に起こる温度の上昇を利用して、温度可変要素421を使用してスイッチ素子403の動作を制御する。したがって、感温素子を含む電流制限素子104が、その抵抗の変化を実現するための複雑かつコスト高な配設の必要性を除くのと同様に、温度可変要素421の使用もまた、スイッチ素子403の所望の制御を達成し得る簡単かつ費用効果的な選択肢をスイッチ回路420に提供する。

温度可変要素421の抵抗の変化が、スイッチ回路420に、フロー状態とノーフロー状態との間のスイッチ素子403の遷移を実現させるやり方は、多様な異なる要素および配設を使用して達成され得る。一般に、スイッチ回路420の動作は、温度可変要素421が、所定の実効抵抗範囲に入る抵抗を達成することに基づく。実効抵抗範囲に入る抵抗を達成すると、スイッチ回路420の他の要素の選択および配設は、スイッチ回路420がスイッチ素子403の所望の遷移を実現することを可能にするように構成される。そのようなやり方で、温度可変要素421はまた、外部制御入力信号を要することなく、スイッチ素子403を作動させることができる。

上記のように、バイパス経路401を通過する電流フローは、インラッシュ事象時にバッテリ102によって負荷108へ提供されるエネルギーの割合および量を最小化するために、望ましくは、インラッシュ事象時には妨げられる。したがって、様々な態様において、温度可変要素421の構造は、温度可変要素421が実効抵抗範囲に入る抵抗を達成する閾値温度範囲が、定常充電状態の間の充電（charge）システム100、負荷108および／または周囲環境の予想温度に等しい、またはそれよりも高い最低温度を有する温度範囲に一致するように選択される。

充電（charge）システム100の動作から生じる温度の変化に対する温度可変要素421の応答性を高めるために、温度可変要素421は、任意で、バッテリ102、電流制限素子104および／または負荷108のすぐ近くに配置される。追加的または代替的に、温度可変要素421は、任意で、ヒートシンクまたは他の熱伝達デバイスを介して充電（charge）システム100および／または負荷108に接続される。たとえば、温度可変要素421は、任意で、電流制限素子104によって熱が放散されるときに起こる温度の変化に応答する温度可変要素421の能力を高めるために、電流制限素子104と負荷108との間に延びるバッテリ充電経路103の一部分に物理的に接続される。

様々な態様において、温度可変要素421は、低い温度での低い抵抗と、そのコアの温度が閾値温度範囲を超えたときの高い抵抗とによって画定される、正温度可変素子（たとえばポジスタすなわち正温度係数抵抗器）を含む。バイパスシステム400が使用される充電（charge）システム100の電流制限素子104が感温素子を含む態様において、温度可変要素421を画定する正温度可変素子の構造は、任意で、正温度可変素子が、電流制限素子104を画定する感温素子の抵抗がその抵抗の遷移を受ける閾値温度範囲よりも高い閾値温度範囲で実効抵抗範囲に入る抵抗を達成するように、選択される。正温度可変素子を含む温度可変要素421のそのような構成は、インラッシュ事象時にバイパス経路401を通過するフロー状態を実現するスイッチ素子403の動作を妨げ得る。

他の態様にしたがって、温度可変要素421は代替的に負温度可変素子を含む。負温度可変素子は、閾値温度範囲を超えると負温度可変素子の抵抗が減少するという点で、充電（charge）システム100の電流制限素子104を参照しながら説明した感温素子に類似するやり方で機能する。充電（charge）システム100の電流制限素子104が感温素子を含む態様において、電流制限素子104を画定する感温素子と、温度可変要素421を画定する負温度可変素子とは、同じ構造または類似の構造によって画定され得る。任意で、いくつかのそのような態様において、温度可変要素421を画定する負温度可変素子は、電流がバイパス経路401を通って流れることを可能にするスイッチ素子403の早期起動を避けるために、それが、電流制限素子104を画定する感温素子の抵抗が低下する閾値温度範囲よりも高い閾値温度範囲で実効抵抗範囲に入る抵抗を達成するように構成される。

スイッチ回路420を画定するさらなる要素の選択および配設は、バイパスシステム400に使用されるスイッチ素子403の特徴（たとえば、スイッチ素子403の構造、スイッチ素子403のバイアスなど）および温度可変要素421のタイプ（たとえば、負温度可変素子または正温度可変素子）に依存する。スイッチ回路420を通過する電流の流れは、バッテリ102から、またはバッテリ102から切り離された二次電源430を含む電源から供給される。二次電源430は、多様な異なる電源、たとえばDC電源、たとえばDC/DCコンバータ、車両の補助バッテリなどを含み得る。あるいはまた、電流は、バッテリ102からスイッチ回路420に供給されてもよい。

一般に、スイッチ回路420のさらなる要素は、温度可変要素421が実効抵抗範囲に入る抵抗を達成したとき、温度可変要素421を通過する電流フローおよび／または温度可変要素421の抵抗が、スイッチ回路420に、スイッチ素子403の遷移を実現する信号をスイッチ素子403に提供させるように選択され、配設される。

たとえば、スイッチ素子403がスイッチ回路420によって電圧ベースの信号を介して制御されるバイパスシステム400態様（たとえば、図4のバイパスシステム400態様）において、スイッチ回路420は、任意で、抵抗器410、および／または分圧器形態へと配設されている他の素子を含む。分圧器形態は、温度可変要素421のコアの温度（ひいては、温度可変要素421の抵抗）の変化に応答して、半導体スイッチ405のゲート407に供給される電圧を変化させる。したがって、温度可変要素421が実効抵抗範囲に入る抵抗を達成すると、スイッチ回路420によってゲート407に供給される電圧信号は、半導体スイッチ405の遷移を実現するのに十分な電圧に相当する。

図4を参照すると、1つの例示的な態様に準じるバイパスシステム400が示されている。図4に示すように、スイッチ素子403は、スイッチ回路420によって半導体スイッチ405のゲート407に印加される電圧に基づいて電流フローを制限または可能にするソリッドステート半導体スイッチ405を含む。半導体スイッチ405の非限定的な例は、たとえば、電界効果トランジスタ（FET）、たとえば接合型電界効果トランジスタ（JFET）、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）または印加電圧に基づいてスイッチとして作動することができる他の類似するタイプのFETを含む。

図4の態様によって示すように、図4のバイパスシステム400態様に示されるスイッチ回路420態様は、半導体スイッチ405に供給される電圧を変化させるために、固定抵抗抵抗器410と直列にある負温度可変素子を含む温度可変要素421の分圧器配設を使用する。したがって、温度可変要素421の抵抗が実効抵抗範囲内のレベルに達すると（たとえば、定常充電の間、より大きな電流が電流制限素子104に通されたとき放散される熱に応答して）、スイッチ回路420によってスイッチ素子403に供給される電圧は、スイッチ素子403の遷移を実現するように構成された閾値電圧範囲に入る電圧に一致し、ひいては、バッテリ102からの電流がバイパス経路401を通って負荷108へと流れることを可能にする。

様々な態様にしたがって、電気自動車（「EV」）の高い電力需要を考慮すると、パワーシステム10は、好都合に、EVパワー分配システムに組み込まれる。図5を参照すると、1つの例示的な態様にしたがって、電流を1つまたは複数の高電圧負荷512（たとえば48V負荷）、たとえばEVの電気機械式アンチロール制御システム（EARC）、電動ターボ（E-Turbo）、ベルトスタータ・ジェネレータ（BSG）などに供給するための、上記任意の態様にしたがって説明されたようなパワーシステム10を利用する高電圧パワー回路500が示されている。

接触器504および／または電流センサ506が、任意で、EVの一次バッテリ502とともに直列に配設されている。接触器504は、バッテリ502を回路500の残りの部分から切り離す任意の電子または電気機械デバイスを含み得る。たとえば、接触器504は、リレー、接触器またはバッテリ502から／リレー、接触器またはバッテリ502への、電流フローを可能にしたり妨げたりするように手動または自動で構成可能である、他のスイッチである。接触器504は、任意で、熱保護、過電圧保護、不足電圧保護または他の保護を回路500に提供するように制御回路（図示せず）によって制御される。接触器504は、任意で、ヒューズまたは他の保護デバイスで置き換えられてもよい（または補われてもよい）。

任意の電流センサ506は、バッテリ502から／バッテリ502への、電流フローを計測する。電流センサ506は、充電率および放電率ならびにバッテリ502の健全さまたは状態に影響し得る他のパラメータをモニタし得る。いくつかの態様において、電流センサ506はまた、バッテリ502から、およびバッテリ502への、計測された電流フローに基づいて接触器504を作動させるために使用される任意の制御回路に接続されてもよい。

任意のDC/DCコンバータ514が、バッテリ502および／またはスーパーキャパシタ510によって提供されるパワーを低下させる。低下したパワーは、EVのより低需要の要素516、たとえばヘッドライト、パワーウィンドウ、ラジオまたはEVの他の要素のために使用されてもよいし、かつ/または、より低パワーのバッテリ518（たとえば12Vバッテリ）を再充電するために使用されてもよい。

本明細書における任意の態様にしたがって説明された、充電（charge）システム100とバイパスシステム400とを含むパワーシステム10は、任意の数の異なる配設、構成などにしたがって、高電圧パワー回路500のバッテリ502およびスーパーキャパシタ510に電気的に接続されてもよい。パワーシステム10は、任意で、EVの他の要素に組み込まれる。たとえば、いくつかの態様において、パワーシステム10は、図6に代表的に示すようなパワーパックシステム600を介して高電圧パワー回路500に組み込まれる。

図6に示すように、いくつかの態様にしたがって、バッテリ502、スーパーキャパシタ510およびパワーシステム10は、ハイブリッドパワーパックシステム600に組み込まれる。バッテリ502を形成するバッテリセル601がハウジング610の第一の部分（たとえば、ハウジング610の内部キャビティの第一の側）内に格納され、スーパーキャパシタ510を形成する容量性要素603がハウジング610の第二の部分（たとえば、ハウジング610の内部キャビティの第二の側）内に格納される。パワーシステム10の電気要素は、任意の多様な構造または構成に組み込まれ、バッテリ充電経路103がバッテリセル601をハウジング610によって支持された正端子605に結合するよう、また、コンデンサ充電経路105が容量性要素603を正端子605に結合するよう、パワーパックハウジング610に対して支持されている。ハウジング610内に支持されたバッテリセル601の1つまたは複数は、任意で、スイッチ回路420に給電するために使用される。あるいはまた、バイパスシステム400に給電するための二次電源430もまた、パワーパックハウジング610によって支持される。

そのような態様において、ハイブリッドパワーパックシステム600は、負荷（たとえば高電圧負荷512）に直結されてもよく、任意のさらなる要素をそれに接続または配線する必要はない。いくつかのそのような態様において、パワーパックシステム600はまた、任意で、同じくパワーパックハウジング610内で支持されるさらなる要素（たとえば接触器、ヒューズなど）を含む。

本明細書中で使用される「約」および「およそ」という用語は、当業者によって理解され、それらが使用される文脈に依存してある程度は変化する。当業者にとって明白ではないこれらの用語の使用がある場合、それが使用される文脈を考慮して、「約」および「およそ」は、特定の用語の±10％までを意味する。

要素を説明する文脈における（特に、以下の特許請求の範囲の文脈における）用語「1つの（a）」および「1つの（an）」および「その（the）」ならびに同様の指示対象の使用は、本明細書において別段の指示がない限り、または文脈で明らかに矛盾しない限り、単数形と複数形の両方を包含すると解釈されるべきである。本明細書における数値範囲の記載は、本明細書において別段の指示がない限り、範囲に入る各個の値を個別に参照する簡略な方法として働くことを単に意図したものであり、各個の値は、それが本明細書において個別に記載されているものとして明細書に組み込まれる。本明細書に記載されるすべての方法は、本明細書において別段の指示がない限り、または文脈で明らかに矛盾しない限り、任意の適当な順序で実行され得る。本明細書中で提供されるすべての例または例示的な文言（たとえば「～などの」）の使用は、単に態様をよりよく説明することを意図したものであり、別段の記述がない限り、特許請求の範囲に対する限定を課すものではない。明細書中のいかなる文言も、特許請求されていない任意の要素を不可欠なものとして示すものと解釈されるべきではない。

特定の態様が例示され、説明されてきたが、以下の特許請求の範囲において定義されるそのより広い局面における技術を逸脱することなく、当技術分野における通常の技量にしたがって変更および修飾が加えられてもよいことが理解されるべきである。

本明細書に例示的に記載された態様は、本明細書に具体的には開示されていない任意の要素、限定の非存在においても適切に実施され得る。したがって、たとえば、「含む」、「包含する」、「含有する」などの用語は、限定なしで広義に読まれるべきである。加えて、本明細書において用いられる用語および表現は、限定ではなく説明の用語として使用されたものであり、そのような用語および表現の使用において、示され、記載された特徴またはその一部の任意の等価物を除外する意図はなく、請求項に係る技術の範囲内で様々な変更が可能であることが認識される。加えて、「～から本質的になる」という語句は、具体的に記載された要素と、請求項に係る技術の基本的および新規な特徴に実質的に影響しないさらなる要素とを含むものと理解される。「～からなる」という語句は、指定されていない任意の要素を除外する。

本開示は、本出願に記載された特定の態様に関して限定されるべきではない。当業者には明らかなように、その精神および範囲を逸脱することなく、数多くの修飾および変更を加え得る。本明細書に記載されたものに加えて、本開示の範囲内の機能的に同等の方法および組成物が前述の説明から当業者には明らかであろう。そのような修飾および変更は、添付の特許請求の範囲に入るものと見なされる。本開示は、添付の特許請求の範囲の文言によってのみ、そのような特許請求の範囲が権利を有する等価物の全範囲とともに、限定されるべきである。本開示は、特定の方法、試薬、化合物、組成物または生物学的システム（当然、様々であることができる）に限定されないことが理解されるべきである。また、本明細書中で使用される専門用語は、特定の態様を説明するためのものであり、限定的であることを意図したものではないことが理解されよう。

加えて、本開示の特徴または局面がマーカッシュ群の文言で記載されている場合、当業者は、本開示もまた、マーカッシュ群の任意の個々のメンバーまたはメンバーのサブグループの文言で記載されていることを理解するであろう。

当業者によって理解されるように、あらゆる目的のために、特に書面による記載を提供するという点で、本明細書に開示されるすべての範囲はまた、考え得るすべての部分的範囲およびその部分的範囲の組み合わせを包含する。任意の記載された範囲は、少なくとも等しい1/2、1/3、1/4、1/5、1/10などに分割される同じ範囲を十分に記載し、有効にするものとして容易に認識され得る。非限定的な例として、本明細書において論じられる各範囲は、下1/3、真ん中1/3および上1/3などに容易に分割され得る。また、当業者によって理解されるように、「最大で」、「少なくとも」、「よりも大きい」、「よりも少ない」などのすべての文言は、記載された数値を含み、その後、上記のように部分的範囲へと分割され得る範囲をも指す。最後に、当業者によって理解されるように、範囲は各個のメンバーを含む。

他の態様が以下の特許請求の範囲に記載される。

Claims (20)

1. 互いに対して並列に配設された、バッテリからの電流を負荷に提供するように構成されているバッテリ充電経路、およびコンデンサからの電流を該負荷に提供するように構成されているコンデンサ充電経路；
   該バッテリ充電経路に沿って直列に配設された可変抵抗を有する電流制限素子；および
   バイパスシステム
   を含み、
   該バイパスシステムが、
   該バッテリ充電経路に対して並列に配設されたバイパス経路；
   該バイパス経路に沿って配設された、該バイパス経路に沿って選択的に電流フローを妨げるおよび電流フローを可能にするように構成されたスイッチ素子；および
   スイッチ回路
   を含み、
   該バッテリと該負荷との間の電流フローを実質的に制限する抵抗によって該電流制限素子が画定されると同時に、該バイパス回路に沿って電流フローを妨げるように、該スイッチ回路が構成されている、車両のためのパワーシステム。
2. バッテリと負荷との間の電流フローを実質的に制限する抵抗によって電流制限素子が画定されるとき、該バッテリと該負荷との間の電流フローが、コンデンサ充電経路に沿う電流フローよりも少ない、請求項1記載のパワーシステム。
3. バッテリと負荷との間で電流が流れることを可能にする低い抵抗によって電流制限素子が画定されると同時に、バイパス経路に沿って電流フローを可能にするように、スイッチ回路が構成されている、請求項1記載のパワーシステム。
4. スイッチ回路が作動してバイパス経路に沿って電流フローを可能にするとき、コンデンサと負荷との間でコンデンサ充電経路に沿う電流フローが実質的に存在しない、請求項3記載のパワーシステム。
5. スイッチ回路が、温度の第一の変化に応答して変化する抵抗を有する温度可変要素を含む、請求項1記載のパワーシステム。
6. 抵抗の変化が、温度可変要素に外部制御入力信号を印加することなく実現される、請求項5記載のパワーシステム。
7. 電流制限素子が、温度の第二の変化に応答して変化する抵抗を有する感温素子を含む、請求項5記載のパワーシステム。
8. 温度可変要素が正温度係数サーミスタを含み、感温素子が負温度係数サーミスタを含み、
   該温度可変要素のコアが所定の温度に達すると、それに応答して、該温度可変要素の抵抗が増大し、
   該感温素子のコアが所定の温度に達すると、それに応答して、該感温素子の抵抗が減少する、
   請求項7記載のパワーシステム。
9. スイッチ素子が半導体スイッチを含む、請求項5記載のパワーシステム。
10. 温度可変要素の抵抗の変化が、半導体スイッチのゲートに印加される電圧信号を変えるように構成されている、請求項9記載のパワーシステム。
11. 電流制限素子が感温素子を含み、
    該感温素子のコアが第一の閾値温度範囲を超える温度に達すると、それに応答して、該感温素子の抵抗が減少する、
    請求項10記載のパワーシステム。
12. 温度可変要素のコアが第二の閾値温度範囲を超える温度に達すると、それに応答して、半導体スイッチのゲートに印加される電圧信号が作動して、バイパス経路を通過する電流フローを可能にし、
    該第二の閾値温度範囲が、第一の閾値温度範囲の温度よりも高い温度に相当する、
    請求項11記載のパワーシステム。
13. 温度可変要素のコアの温度が第二の閾値温度範囲を超えると、それに応答して、該温度可変要素の抵抗が増大する、請求項12記載のパワーシステム。
14. スイッチ回路が、電源と、温度可変要素と直列に配設されている抵抗器とをさらに含む、請求項10記載のパワーシステム。
15. 温度可変要素が、バッテリ充電経路に物理的に直結されている、請求項10記載のパワーシステム。
16. バッテリを格納するように構成された第一の部分と、コンデンサを格納するように構成された第二の部分とを有する、ハウジング；および
    該ハウジングによって支持されたパワーシステム
    を含むパワーパックアセンブリであって、
    該パワーシステムが、
    該ハウジングの該第一の部分と、該ハウジングによって支持された端子との間に延びるバッテリ充電経路；
    該バッテリ充電経路に対して並列に配設された、該ハウジングの該第二の部分と該端子との間に延びるコンデンサ充電経路；
    該バッテリ充電経路に沿って直列に配設された、可変抵抗を有する電流制限素子；および
    バイパスシステム
    を含み、
    該バイパスシステムが、
    該バッテリ充電経路に対して並列に配設されたバイパス経路；
    該バイパス経路に沿って配設された、該バイパス経路に沿って選択的に電流フローを制限するおよび電流フローを可能にするように構成されたスイッチ素子；および
    該スイッチ素子を作動させて、該バイパス経路に沿って電流フローを制限するように構成されたスイッチ回路
    を含む、
    パワーパックアセンブリ。
17. バッテリと、コンデンサとをさらに含み、
    該バッテリが、ハウジングの第一の部分内に収容され、バッテリ充電経路によって端子に接続されており；
    該コンデンサが、該ハウジングの第二の部分内に収容され、コンデンサ充電経路によって該端子に接続されている、
    請求項16記載のパワーパックアセンブリ。
18. スイッチ回路が、可変抵抗を有する温度可変要素を含み；
    該スイッチ回路が、該温度可変要素のコアの温度の変化に応答して、スイッチ素子を作動させて、バイパス経路に沿って選択的に電流フローを制限するおよび電流フローを可能にするように構成されている、
    請求項16記載のパワーパックアセンブリ。
19. バッテリからの電流を、該バッテリを負荷に結合するバッテリ充電経路に沿って位置する電流制限素子に通して、流れさせる段階；
    該電流制限素子に対して並列に位置するコンデンサからの電流を、該負荷へと流れさせる段階；および
    スイッチ回路を作動させて、スイッチ素子に、該バッテリ充電経路に対して並列に配設されているバイパス経路に沿って該バッテリと該負荷との間に電流が流れることを可能にさせる段階
    を含み、
    該スイッチ回路が該スイッチ素子を作動させて、該バッテリからの電流を該バッテリ充電経路に沿って該バッテリへと流れさせると同時に、該バイパス経路に沿って該バッテリと該負荷との間の電流フローを可能にする、
    負荷を充電するための方法。
20. 電流制限素子が感温素子を含み、スイッチ回路が温度可変要素を含み；
    該スイッチ回路が、該温度可変要素の抵抗の変化に基づいてスイッチ素子を作動させ、
    該温度可変要素のコアの温度が第一の温度に達すると、それに応答して、該温度可変要素の該抵抗の変化が起こり；
    該感温素子が、該感温素子の抵抗の減少に基づいて、電流をバッテリ充電経路に沿って流れさせ、
    該感温素子のコア温度が第二の温度に達すると、それに応答して、該感温素子の該抵抗の変化が起こり；
    該コンデンサからの該負荷への電流フローが停止した後、該温度可変要素の該コアが該第一の温度に達し；
    該コンデンサからの該負荷への電流フローが停止する前に、該感温素子の該コアが該第二の温度に達する、
    請求項19記載の方法。

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