JP2023532310A - ウルトラキャパシタを平衡化させるためのシステムおよび方法 - Google Patents

ウルトラキャパシタを平衡化させるためのシステムおよび方法 Download PDF

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Abstract

ウルトラキャパシタを平衡化させるためのシステムが提供される。システムは、平衡キャパシタおよび複数のスイッチングデバイスを含む。システムは、制御回路をさらに含む。制御回路は、複数のスイッチングデバイスの各々に通信可能に結合される。制御回路は、第１のウルトラキャパシタから平衡キャパシタに電荷を移送するために複数のウルトラキャパシタのうちの第１のウルトラキャパシタの両端に平衡キャパシタを結合させるようにスイッチングデバイスの第１の対の動作を制御するように構成される。制御回路は、平衡キャパシタから第２のウルトラキャパシタに電荷の少なくとも一部を移送するために複数のウルトラキャパシタのうちの第２のウルトラキャパシタの両端に平衡キャパシタを結合させるように、第１の対とは異なるスイッチングデバイスの第２の対の動作を制御するようにさらに構成される。

Description

優先権主張
本出願は、参照により本明細書に組み込まれる、２０２０年６月３０日に出願された「Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｂａｌａｎｃｉｎｇ Ｕｌｔｒａｃａｐａｃｉｔｏｒｓ（ウルトラキャパシタを平衡化させるためのシステムおよび方法）」と題する米国仮特許出願第６３／０４５，８８７号の優先権の利益を主張する。
電気エネルギー貯蔵セルは、電子、電気機械、電気化学、および他の有用なデバイスに電力を供給するために広く使用される。例えば、二重層ウルトラキャパシタ（double layer ultracapacitor）は、液体電解質を含浸させた炭素粒子（例えば、活性炭）を含む１対の分極性電極を用いることができる。粒子の有効表面積と、電極間の小さい間隔とに起因して、大きいキャパシタンス値が達成され得る。個々の二重層コンデンサを一緒に組み合わせて、出力電圧を高めたまたはエネルギー容量を増加させたモジュールを形成することができる。
本開示の１つの態様は、ウルトラキャパシタを平衡化させるためのシステムに関する。システムは、平衡キャパシタ(balancing capacitor)および複数のスイッチングデバイスを含む。システムは、制御回路をさらに含む。制御回路は、複数のスイッチングデバイスの各々に通信可能に結合される。制御回路は、第１のウルトラキャパシタから平衡キャパシタに電荷を移送するために複数のウルトラキャパシタのうちの第１のウルトラキャパシタの両端に平衡キャパシタを結合させるようにスイッチングデバイスの第１の対の動作を制御するように構成される。制御回路は、平衡キャパシタから第２のウルトラキャパシタに電荷の少なくとも一部を移送するために複数のウルトラキャパシタのうちの第２のウルトラキャパシタの両端に平衡キャパシタを結合させるように、第１の対とは異なるスイッチングデバイスの第２の対の動作を制御するようにさらに構成される。
本開示の別の態様は、ウルトラキャパシタを平衡化させるための方法に関する。この方法は、複数のウルトラキャパシタのうちの第１のウルトラキャパシタの両端に平衡キャパシタを結合させるようにスイッチングデバイスの第１の対の動作を制御するステップを含む。平衡キャパシタがスイッチングデバイスの第１の対を介して第１のウルトラキャパシタの両端に結合されたとき、この方法は、第１のウルトラキャパシタから平衡キャパシタに電荷を移送するために第１のウルトラキャパシタを放電させるステップを含む。平衡キャパシタに電荷を移送するために第１のウルトラキャパシタを放電させるステップの後に、この方法は、複数のウルトラキャパシタのうちの第２のウルトラキャパシタの両端に平衡キャパシタを結合させるように、スイッチングデバイスの第１の対とは異なるスイッチングデバイスの第２の対の動作を制御するステップを含む。平衡キャパシタがスイッチングデバイスの第２の対を介して第２のウルトラキャパシタの両端に結合されたとき、この方法は、第２のウルトラキャパシタに電荷の少なくとも一部を移送するために平衡キャパシタを放電させるステップを含む。
本開示の他の特徴および態様が、以下でさらに詳細に説明される。
当業者を対象にした本開示の完全かつ可能な開示が、その最良の態様を含めて、添付の図を参照して本明細書の残りの部分でより詳細に説明される。
本開示の例示の実施形態によるウルトラキャパシタを平衡化させるためのシステムの構成要素のブロック図である。 本開示の例示の実施形態によるウルトラキャパシタの各々から切り離された、ウルトラキャパシタを平衡化させるためのシステムの平衡キャパシタを示す図である。 本開示の例示の実施形態によるシステムのスイッチングデバイスの第１の対を介して第１のウルトラキャパシタの両端に結合された、ウルトラキャパシタを平衡化させるためのシステムの平衡キャパシタを示す図である。 本開示の例示の実施形態によるシステムのスイッチングデバイスの第２の対を介して第２のウルトラキャパシタの両端に結合された、ウルトラキャパシタを平衡化させるためのシステムの平衡キャパシタを示す図である。 本開示の例示の実施形態によるウルトラキャパシタを平衡化させるための例示の方法の流れ図である。
本明細書および図面における参照符号の反復使用は、本開示の同じまたは類似の形体または要素を表すように意図される。
当業者なら、本考察が単に例示的な実施形態の説明であり、本開示のより広い態様を限定するように意図されておらず、より広い態様が例示的な構成で具現されることを理解されたい。
本開示の例示の態様は、ウルトラキャパシタを平衡化させるためのシステムに関する。システムは、平衡キャパシタおよび複数のスイッチングデバイスを含むことができる。平衡キャパシタは、スイッチングデバイスの異なる対（例えば、第１の対、第２の対など）を介して、複数のウルトラキャパシタの各々の両端に選択的に結合することができる。例えば、平衡キャパシタは、スイッチングデバイスの第１の対を介して複数のウルトラキャパシタのうちの第１のウルトラキャパシタの両端に結合することができる。代替として、平衡キャパシタは、第１の対とは異なるスイッチングデバイスの第２の対を介して複数のウルトラキャパシタのうちの第２のウルトラキャパシタの両端に結合することができる。
いくつかの実施態様では、平衡キャパシタは、複数のウルトラキャパシタとは別のスーパーキャパシタ（supercapacitor）とすることができる。より具体的には、複数のウルトラキャパシタは、互いに直列に結合することができ、平衡キャパシタは、複数のウルトラキャパシタの各々に並列に選択的に結合されるスーパーキャパシタとすることができる。代替としてまたは追加として、平衡キャパシタのキャパシタンスは、複数のウルトラキャパシタのうちの少なくとも１つのキャパシタンスよりも小さくすることができる。代替の実施態様では、平衡キャパシタのキャパシタンスは、複数のウルトラキャパシタのうちの少なくとも１つのキャパシタンスと同じにすることができる。例えば、いくつかの実施態様では、平衡キャパシタのキャパシタンスと複数のウルトラキャパシタの各々のキャパシタンスとは同じにすることができる。
システムは、制御回路を含むことができる。制御回路は、複数のウルトラキャパシタの各々の両端の電圧を示すデータを取得するように構成することができる。例えば、いくつかの実施態様では、制御回路は、複数の信号を取得することができる。そのような実施態様では、複数の信号の各々は、対応するウルトラキャパシタの両端の電圧を示すことができる。例えば、複数の信号のうちの第１の信号は、第１のウルトラキャパシタの両端の第１の電圧を示すことができる。加えて、複数の信号のうちの第２の信号は、第２のウルトラキャパシタの両端の第２の電圧を示すことができる。いくつかの実施態様では、制御回路は、第１のウルトラキャパシタの両端の第１の電圧および第２のウルトラキャパシタの両端の第２の電圧が、それぞれ、複数のウルトラキャパシタの中の最も高い電圧および複数のウルトラキャパシタの中の最も低い電圧に対応すると決定することができる。さらに、そのような実施態様では、制御回路は、第１のウルトラキャパシタの両端の第１の電圧（例えば、最も高い電圧）および第２のウルトラキャパシタの両端の第２の電圧（例えば、最も低い電圧）が実質的に同じでない（例えば、互いに１０％以内にない）と決定するように構成することができる。
制御回路は、第１のウルトラキャパシタの両端の電圧が第２のウルトラキャパシタの両端の電圧と異なると決定したことに応じて、複数のスイッチングデバイスの動作を制御するように構成することができる。例えば、制御回路は、第１のウルトラキャパシタの両端の第１の電圧が第２のウルトラキャパシタの両端の第２の電圧と異なると決定したことに応じて、スイッチングデバイスの第１の対における各スイッチングデバイス（例えば、第１のスイッチングデバイスおよび第２のスイッチングデバイス）に１つまたは複数の制御信号を提供するように構成することができる。より具体的には、１つまたは複数の制御信号は、平衡キャパシタを第１のウルトラキャパシタの両端に結合させることに関連することができる。
平衡キャパシタがスイッチングデバイスの第１の対を介して第１のウルトラキャパシタの両端に結合されたとき、第１のウルトラキャパシタは、平衡キャパシタに放電電流を供給することができる。放電電流は、第１のウルトラキャパシタから平衡キャパシタに電荷を移送することに関連することができる。このようにして、平衡キャパシタがスイッチングデバイスの第１の対を介して第１のウルトラキャパシタの両端に結合されたとき、第１のウルトラキャパシタは平衡キャパシタを充電することができる。
いくつかの実施態様では、第１のウルトラキャパシタから平衡キャパシタに移送される電荷の量は、第１のウルトラキャパシタの両端の第１の電圧と第２のウルトラキャパシタの両端の第２の電圧とを実質的に同じにするために必要とされる電荷の量に対応することができる。本明細書で使用される「実質的に同じ」という用語は、第１の電圧と第２の電圧とが互いに１０％以内であることを意味する。そのような実施態様では、制御回路は、第１のウルトラキャパシタから平衡キャパシタに移送された電荷の量が、第１のウルトラキャパシタの両端の第１の電圧と第２のウルトラキャパシタの両端の第２の電圧とを実質的に同じにするために必要とされる電荷の量に対応したとき、平衡キャパシタを第１のウルトラキャパシタから切り離すようにスイッチングデバイスの第１の対の動作を制御するように構成することができる。１つまたは複数の制御信号は、平衡キャパシタを第１のウルトラキャパシタから切り離すことに関連することができる。
平衡キャパシタが第１のウルトラキャパシタを介して充電された後、制御回路は、スイッチングデバイスの第２の対を介して平衡キャパシタを第２のウルトラキャパシタの両端に結合させることに関連する１つまたは複数の制御信号を提供するように構成することができる。例えば、制御回路は、スイッチングデバイスの第２の対における各スイッチングデバイス（例えば、第３のスイッチングデバイスおよび第４のスイッチングデバイス）に１つまたは複数の制御信号を提供することができる。１つまたは複数の制御信号は、平衡キャパシタを第２のウルトラキャパシタの両端に結合させることに関連することができる。
平衡キャパシタがスイッチングデバイスの第２の対を介して第２のウルトラキャパシタの両端に結合されたとき、平衡キャパシタは、第２のウルトラキャパシタに放電電流を供給することができる。放電電流は、平衡キャパシタから第２のウルトラキャパシタに電荷の少なくとも一部を移送することに関連することができる。このようにして、平衡キャパシタは、平衡キャパシタがスイッチングデバイスの第２の対を介して第２のウルトラキャパシタに結合されたとき、第２のウルトラキャパシタを充電することができる。
いくつかの実施態様では、平衡キャパシタから第２のウルトラキャパシタに移送される電荷の量は、第１のウルトラキャパシタの両端の第１の電圧と第２のウルトラキャパシタの両端の第２の電圧とが実質的に同じになるように第２のウルトラキャパシタの両端の第２の電圧を増加させるために必要とされる電荷の量に対応することができる。そのような実施態様では、制御回路は、平衡キャパシタから第２のウルトラキャパシタに移送された電荷の量が、第１の電圧と第２の電圧とを実質的に同じにするために必要とされる量に対応したとき、平衡キャパシタを第２のウルトラキャパシタから切り離すようにスイッチングデバイスの第２の対の動作を制御するように構成することができる。例えば、制御回路は、スイッチングデバイスの第２の対における各スイッチングデバイスに１つまたは複数の制御信号を提供することができる。１つまたは複数の制御信号は、平衡キャパシタを第２のウルトラキャパシタから切り離すことに関連することができる。
本開示の例示の態様によるシステムは、非常に多くの技術的効果および利益を提供する。例えば、平衡キャパシタは、複数のウルトラキャパシタを平衡化させるために、必要に応じ、第１のウルトラキャパシタから第２のウルトラキャパシタに電荷（例えば、電気エネルギー）を移送することができる。さらに、平衡キャパシタは、ウルトラキャパシタの従来の平衡化システムで使用される放電抵抗器と比較して、発生する熱が少ないので、ウルトラキャパシタの平衡化に関連する熱を減少させることができる。
次に、図を参照すると、図１は、本開示の例示の実施形態による複数のウルトラキャパシタ１１０を平衡化させるためのシステム１００を示す。複数のウルトラキャパシタ１１０は、電源１０２（例えば、直流）に結合することができる。このようにして、複数のウルトラキャパシタ１１０の各々は、電源１０２から電力（例えば、直流電力）を受け取ることができる。さらに、図示のように、複数のウルトラキャパシタ１１０は、少なくとも第１のウルトラキャパシタ１１２と第２のウルトラキャパシタ１１４とを含むことができる。代替の実施態様では、複数のウルトラキャパシタ１１０は、２つを超えるウルトラキャパシタを含むことができる。例えば、いくつかの実施態様では、複数のウルトラキャパシタ１１０は、３つ以上のウルトラキャパシタを含むことができる。
システム１００は、平衡キャパシタ１２０を含むことができる。いくつかの実施態様では、平衡キャパシタ１２０は、複数のウルトラキャパシタ１１０とは別のスーパーキャパシタとすることができる。より具体的には、複数のウルトラキャパシタ１１０は、互いに直列に結合することができ、一方、平衡キャパシタ１２０は、複数のウルトラキャパシタ１１０の各々に並列に選択的に結合されるスーパーキャパシタとすることができる。代替としてまたは追加として、平衡キャパシタ１２０のキャパシタンスは、複数のウルトラキャパシタ１１０のうちの少なくとも１つのキャパシタンスよりも小さくすることができる。代替の実施態様では、平衡キャパシタ１２０のキャパシタンスは、複数のウルトラキャパシタ１１０のうちの少なくとも１つのキャパシタンスと同じにすることができる。例えば、いくつかの実施態様では、平衡キャパシタのキャパシタンスおよび複数のウルトラキャパシタの各々のキャパシタンスは、同じにすることができる。
システム１００は、複数のスイッチングデバイス１３０を含むことができる。平衡キャパシタ１２０は、スイッチングデバイス１３０の異なる対（例えば、第１の対、第２の対など）を介して、複数のウルトラキャパシタ１１０の各々の両端に選択的に結合することができる。例えば、平衡キャパシタ１２０は、スイッチングデバイス１３０の第１の対（例えば、第１のスイッチングデバイスおよび第２のスイッチングデバイス）を介して第１のウルトラキャパシタ１１２の両端に選択的に結合することができる。代替として、平衡キャパシタ１２０は、第１の対とは異なるスイッチングデバイス１３０の第２の対（例えば、第３のスイッチングデバイスおよび第４のスイッチングデバイス）を介して第２のウルトラキャパシタ１１４の両端に選択的に結合することができる。
スイッチングデバイス１３０は、平衡キャパシタ１２０をウルトラキャパシタ１１０に電気的に結合させるように構成された任意のデバイスを含むことができることを理解されたい。例えば、いくつかの実施態様では、スイッチングデバイス１３０のうちの１つまたは複数はトランジスタとすることができる。トランジスタの例は、限定ではなく、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）および電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を含むことができる。代替としてまたは追加として、スイッチングデバイス１３０のうちの１つまたは複数は、メカニカルスイッチ（例えば、リレー、単極、単投）とすることができる。複数のスイッチングデバイス１３０に含まれるスイッチングデバイスの全部合わせた総数は、複数のウルトラキャパシタ１１０に含まれるウルトラキャパシタの全部合わせた総数よりも多いことも理解されたい。より具体的には、複数のスイッチングデバイス１３０におけるスイッチングデバイスの全部合わせた総数は、複数のウルトラキャパシタ１１０に含まれるウルトラキャパシタの全部合わせた総数の２倍にすることができる。
図示のように、システム１００は、制御回路１４０を含むことができる。いくつかの実施態様では、制御回路１４０は、処理回路（図示せず）を含むことができる。本明細書で使用される「プロセッサ」または「処理回路」という用語は、コンピュータに含まれているものとして当技術分野で参照される集積回路を指すだけでなく、コントローラ、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラマブル論理コントローラ（ＰＬＣ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、および他のプログラマブル回路も指す。
制御回路１４０は、複数のウルトラキャパシタ１１０の各々の両端の電圧を示すデータを取得するように構成することができる。例えば、いくつかの実施態様では、制御回路１４０は、複数の信号１５０を取得することができる。そのような実施態様では、複数の信号の各々は、複数のウルトラキャパシタ１１０のうちの対応するウルトラキャパシタの両端の電圧を示すことができる。例えば、複数の信号１５０のうちの第１の信号は、複数のウルトラキャパシタ１１０のうちの第１のウルトラキャパシタ１１２の両端の電圧を示すことができる。加えて、複数の信号１５０のうちの第２の信号は、複数のウルトラキャパシタ１１０のうちの第２のウルトラキャパシタ１１４の両端の電圧を示すことができる。
制御回路１４０は、複数の信号１５０に少なくとも部分的に基づいてウルトラキャパシタ１１０が平衡化されているかどうかを決定するように構成することができる。より具体的には、制御回路１４０は、複数のウルトラキャパシタ１１０の各々の両端の電圧が実質的に同じであるかどうかを決定するように構成することができる。以下で論じられるように、複数のウルトラキャパシタ１１０が不平衡である（すなわち、各ウルトラキャパシタの両端の電圧が実質的に同じでない）と制御回路１４０が決定したとき、制御回路１４０は、あるウルトラキャパシタ（例えば、第１のウルトラキャパシタ１１２）から別のウルトラキャパシタ（例えば、第２のウルトラキャパシタ１１４）に平衡キャパシタ１２０を介して電荷を移送するのを容易にするために、スイッチングデバイス１３０の動作を制御することに関連する１つまたは複数の制御信号１６０を提供することができる。このようにして、ウルトラキャパシタ１１０を再び平衡化させるために、必要に応じ、電気エネルギーを移送することができる。
次に、図２～図４を参照すると、本開示の例示の実施形態によるシステム１００の一実施形態が提供される。図示のように、複数のスイッチングデバイス１３０は、スイッチングデバイスの第１の対およびスイッチングデバイスの第２の対を含むことができる。スイッチングデバイスの第１の対は、第１のスイッチングデバイス１３２および第２のスイッチングデバイス１３４を含むことができる。スイッチングデバイスの第２の対は、第３のスイッチングデバイス１３６および第４のスイッチングデバイス１３８を含むことができる。平衡キャパシタ１２０は、それぞれ、スイッチングデバイスの第１の対（例えば、第１のスイッチングデバイス１３２と第２のスイッチングデバイス１３４）、およびスイッチングデバイスの第２の対（例えば、第３のスイッチングデバイス１３６と第４のスイッチングデバイス１３８）を介して、第１のウルトラキャパシタ１１２および第２のウルトラキャパシタ１１４の両端に選択的に結合することができる。
第１のウルトラキャパシタ１１２の両端の第１の電圧Ｖ１が第２のウルトラキャパシタ１１４の両端の第２の電圧Ｖ２と異なる（例えば、実質的に同じでない）と制御回路１４０（図１に示される）が決定すると、制御回路１４０は、スイッチングデバイスの第１の対の動作を制御するように構成することができる。例えば、いくつかの実施態様では、制御回路１４０は、第１のウルトラキャパシタ１１２の両端の第１の電圧Ｖ１および第２のウルトラキャパシタ１１４の両端の第２の電圧Ｖ２が、それぞれ、複数のウルトラキャパシタ１１０の中の最も高い電圧および複数のウルトラキャパシタ１１０の中の最も低い電圧に対応すると決定することができる。さらに、そのような実施態様では、制御回路１４０は、第１のウルトラキャパシタ１１２の両端の第１の電圧Ｖ１（例えば、最も高い電圧）および第２のウルトラキャパシタ１１４の両端の第２の電圧Ｖ１（例えば、最も低い電圧）が、実質的に同じでない（例えば、互いに１０％以内にない）と決定するように構成することができる。
制御回路１４０は、第１のウルトラキャパシタ１１２の両端の第１の電圧Ｖ１が第２のウルトラキャパシタ１１４の両端の第２の電圧Ｖ２と異なる（例えば、実質的に同じでない）と決定したことに応じて、スイッチングデバイスの第１の対における各スイッチングデバイス（例えば、第１のスイッチングデバイス１３２および第２のスイッチングデバイス１３４）に１つまたは複数の制御信号１６０（図１に示される）を提供するように構成することができる。より具体的には、１つまたは複数の制御信号１６０（図１に示される）は、平衡キャパシタ１２０を第１のウルトラキャパシタ１１２の両端に結合させることに関連することができる。
平衡キャパシタ１２０が、図３に示されるようにスイッチングデバイスの第１の対（例えば、第１のスイッチングデバイス１３２および第２のスイッチングデバイス１３４）を介して第１のウルトラキャパシタ１１２の両端に結合されたとき、第１のウルトラキャパシタ１１２は、平衡キャパシタ１２０に放電電流を供給することができる。放電電流は、第１のウルトラキャパシタ１１２から平衡キャパシタ１２０に電荷を移送することに関連することができる。このようにして、平衡キャパシタ１２０がスイッチングデバイスの第１の対を介して第１のウルトラキャパシタ１１２の両端に結合されたとき、第１のウルトラキャパシタ１１２は、平衡キャパシタ１２０を充電することができる。
いくつかの実施態様では、第１のウルトラキャパシタ１１２から平衡キャパシタ１２０に移送される電荷の量は、第１のウルトラキャパシタ１１２の両端の第１の電圧Ｖ１と第２のウルトラキャパシタ１１４の両端の第２の電圧Ｖ２とを実質的に同じにするために必要とされる量に対応することができる。そのような実施態様では、制御回路１４０（図１に示される）は、第１のウルトラキャパシタ１１２から平衡キャパシタ１２０に移送された電荷の量が、第１のウルトラキャパシタ１１２の両端の第１の電圧Ｖ１と第２のウルトラキャパシタ１１４の両端の第２の電圧Ｖ２とを実質的に同じにするために必要とされる電荷の量に対応したとき、平衡キャパシタ１２０を第１のウルトラキャパシタ１１２から切り離すようにスイッチングデバイスの第１の対（例えば、第１のスイッチングデバイス１３２および第２のスイッチングデバイス１３４）の動作を制御するように構成することができる。１つまたは複数の制御信号１６０（図１に示される）は、平衡キャパシタ１２０を第１のウルトラキャパシタ１１２から切り離すことに関連することができる。
平衡キャパシタ１２０が第１のウルトラキャパシタ１１２を介して充電された後、制御回路１４０（図１に示される）は、スイッチングデバイスの第２の対（例えば、第３のスイッチングデバイス１３６および第４のスイッチングデバイス１３８）を介して、平衡キャパシタ１２０を第２のウルトラキャパシタ１１４の両端に結合させることに関連する１つまたは複数の制御信号１６０（やはり図１に示される）を提供するように構成することができる。例えば、制御回路１４０は、スイッチングデバイスの第２の対における各スイッチングデバイス（例えば、第３のスイッチングデバイス１３６および第４のスイッチングデバイス１３８）に１つまたは複数の制御信号１６０（図１に示される）を提供することができる。１つまたは複数の制御信号１６０は、平衡キャパシタ１２０を第２のウルトラキャパシタ１１４の両端に結合させることに関連することができる。
平衡キャパシタ１２０が、スイッチングデバイスの第２の対（例えば、第３のスイッチングデバイス１３６および第４のスイッチングデバイス１３８）を介して第２のウルトラキャパシタ１１４の両端に結合されたとき、平衡キャパシタ１２０は、第２のウルトラキャパシタ１１４に放電電流を供給することができる。放電電流は、平衡キャパシタ１２０から第２のウルトラキャパシタ１１４に電荷の少なくとも一部を移送することに関連することができる。このようにして、平衡キャパシタ１２０は、平衡キャパシタ１２０がスイッチングデバイスの第２の対（例えば、第３のスイッチングデバイス１３６および第４のスイッチングデバイス１３８）を介して第２のウルトラキャパシタ１１４に結合されたとき、第２のウルトラキャパシタ１１４を充電することができる。
いくつかの実施態様では、平衡キャパシタ１２０から第２のウルトラキャパシタ１１４に移送される電荷の量は、第１のウルトラキャパシタ１１２の両端の第１の電圧Ｖ１と第２のウルトラキャパシタ１１４の両端の第２の電圧Ｖ２とを実質的に同じにするために必要とされる電荷の量に対応することができる。そのような実施態様では、制御回路１４０（図１に示される）は、平衡キャパシタ１２０から第２のウルトラキャパシタ１１４に移送された電荷の量が、第１のウルトラキャパシタ１１２の両端の第１の電圧Ｖ１と第２のウルトラキャパシタ１１４の両端の第２の電圧Ｖ２とを実質的に同じにするために必要とされる量に対応したとき、平衡キャパシタ１２０を第２のウルトラキャパシタ１１４から切り離すようにスイッチングデバイスの第２の対（例えば、第３のスイッチングデバイス１３６および第４のスイッチングデバイス１３８）の動作を制御するように構成することができる。例えば、制御回路１４０は、スイッチングデバイスの第２の対における各スイッチングデバイスに１つまたは複数の制御信号１６０（図１に示される）を提供することができる。１つまたは複数の制御信号１６０は、平衡キャパシタを第２のウルトラキャパシタから切り離すことに関連することができる。
次に、図５を参照すると、本開示の例示の実施形態によるウルトラキャパシタを平衡化させるための方法２００が提供される。方法２００は、例えば、図１から図４に示されたシステム１００を使用して実施することができる。図５は、例証および議論のために特定の順序で実行されるステップを示す。当業者は、本明細書で提供される開示を使用して、本明細書で開示される方法のうちのいずれかの様々なステップが、本開示の範囲から逸脱することなく様々な方法で省略され、再配置され、同時に実行され、拡張され、修正され、および／または適応され得ることを理解されよう。
（２０２）において、方法２００は、複数のウルトラキャパシタの各々の両端の電圧を示すデータを取得するステップを含むことができる。例えば、いくつかの実施態様では、複数のウルトラキャパシタの各々の両端の電圧を示すデータを取得するステップは、制御回路を介して、複数の信号を取得するステップを含むことができる。複数の信号の各々は、複数のウルトラキャパシタのうちの対応するウルトラキャパシタの両端の電圧を示すことができる。
（２０４）において、方法２００は、（２０２）において取得されたデータに少なくとも部分的に基づいて、複数のウルトラキャパシタのうちの第１のウルトラキャパシタの両端の第１の電圧が、複数のウルトラキャパシタのうちの第２のウルトラキャパシタの両端の第２の電圧と異なると決定するステップを含むことができる。例えば、いくつかの実施態様では、第１の電圧が第２の電圧と異なると決定するステップは、制御回路を介して、第１の電圧および第２の電圧が、それぞれ、複数のウルトラキャパシタの中の最も高い電圧および複数のウルトラキャパシタの中の最も低い電圧に対応すると決定するステップを含むことができる。より具体的には、そのような実施態様では、制御回路は、最も高い電圧と第２の電圧とが実質的に同じでない（例えば、互いに１０％以内にない）と決定するように構成することができる。
（２０６）において、方法２００は、複数のウルトラキャパシタのうちの第１のウルトラキャパシタの両端に平衡キャパシタを結合させるようにスイッチングデバイスの第１の対の動作を制御するステップを含むことができる。例えば、スイッチングデバイスの第１の対の動作を制御するステップは、制御回路を介して、スイッチングデバイスの第１の対における各スイッチングデバイスに１つまたは複数の制御信号を提供するステップを含むことができる。１つまたは複数の制御信号は、第１のウルトラキャパシタに平衡キャパシタを結合させるように、スイッチングデバイスの第１の対におけるスイッチングデバイスの各々の動作を制御することに関連することができる。
（２０８）において、方法２００は、平衡キャパシタがスイッチングデバイスの第１の対を介して第１のウルトラキャパシタの両端に結合されたとき、第１のウルトラキャパシタから平衡キャパシタに電荷を移送するために第１のウルトラキャパシタを放電させるステップを含むことができる。いくつかの実施態様では、第１のウルトラキャパシタから平衡キャパシタに移送される電荷の量は、第１のウルトラキャパシタの両端の第１の電圧と第２のウルトラキャパシタの両端の第２の電圧とを実質的に同じにするために必要とされる量に対応することができる。
（２１０）において、方法２００は、（２０８）において平衡キャパシタに電荷を移送するために第１のウルトラキャパシタを放電させたことに応じて、平衡キャパシタを第１のウルトラキャパシタから切り離すようにスイッチングデバイスの第１の対の動作を制御するステップを含むことができる。例えば、いくつかの実施態様では、制御回路は、スイッチングデバイスの第１の対における各スイッチングデバイス（例えば、第１のスイッチングデバイスおよび第２のスイッチングデバイス）に１つまたは複数の制御信号を提供することができる。１つまたは複数の制御信号は、平衡キャパシタを第１のウルトラキャパシタから切り離すようにスイッチの第１の対の動作を制御することに関連することができる。
（２１２）において、方法２００は、平衡キャパシタを第２のウルトラキャパシタの両端に結合させるようにスイッチングデバイスの第２の対の動作を制御するステップを含むことができる。例えば、いくつかの実施態様では、制御回路は、スイッチングデバイスの第２の対における各スイッチングデバイス（例えば、第３のスイッチングデバイスおよび第４のスイッチングデバイス）に１つまたは複数の制御信号を提供することができる。１つまたは複数の制御信号は、第２のウルトラキャパシタの両端に平衡キャパシタを結合させるようにスイッチの第２の対の動作を制御することに関連することができる。
（２１４）において、方法２００は、平衡キャパシタがスイッチングデバイスの第２の対を介して第２のウルトラキャパシタの両端に結合され、一方、平衡キャパシタがスイッチの第２の対を介して第２のウルトラキャパシタの両端に結合されたとき、第２のウルトラキャパシタに電荷の少なくとも一部を移送するために平衡キャパシタを放電させるステップを含むことができる。いくつかの実施態様では、平衡キャパシタから第２のウルトラキャパシタに移送される電荷の量は、第１のウルトラキャパシタの両端の第１の電圧と第２のウルトラキャパシタの両端の第２の電圧とを実質的に同じにするために必要とされる量に対応することができる。
（２１６）において、方法２００は、平衡キャパシタを第２のウルトラキャパシタから切り離すようにスイッチングデバイスの第２の対の動作を制御するステップを含むことができる。例えば、いくつかの実施態様では、制御回路は、スイッチングデバイスの第２の対における各スイッチングデバイス（例えば、第３のスイッチングデバイスおよび第４のスイッチングデバイス）に１つまたは複数の制御信号を提供することができる。１つまたは複数の制御信号は、平衡キャパシタを第２のウルトラキャパシタから切り離すようにスイッチの第２の対の動作を制御することに関連することができる。
様々な異なる個々のウルトラキャパシタのいずれも、通常、本開示の例示の態様によるモジュールで用いられ得る。しかしながら、いくつかの実施形態では、ウルトラキャパシタは、電極アセンブリと、ハウジング内に含まれ任意選択で気密封止された電解質とを含む。電極アセンブリは、例えば、第１の集電子に電気的に結合された第１の炭素質コーティング（例えば、活性炭粒子）を含む第１の電極と、第２の集電子に電気的に結合された第２の炭素質コーティング（例えば、活性炭粒子）を含む第２の電極とを含むことができる。所望の場合には、特にウルトラキャパシタが多数のエネルギー貯蔵セルを含む場合には、追加の集電子がさらに用いられてもよいことが理解されるべきである。集電子は、同じまたは異なる材料から形成されてもよい。それにも関わらず、各集電子は、典型的には、導電性金属、例えばアルミニウム、ステンレス鋼、ニッケル、銀、パラジウムなど、ならびにこれらの合金などを含む基材から形成される。アルミニウムおよびアルミニウム合金は、本開示で使用するのに特に好適である。基材は、箔、シート、プレート、メッシュなどの形態であってもよい。基材は、さらに、比較的小さい厚さ、例えば約２００マイクロメートル以下、いくつかの実施形態では約１から約１００マイクロメートル、いくつかの実施形態では約５から約８０マイクロメートル、いくつかの実施形態では約１０から約５０マイクロメートルを有することができる。決して必要というわけではないが、基材の表面は、洗浄、エッチング、ブラスト処理などによって任意選択で粗化されてもよい。
いくつかの実施形態では、第１の集電子および第２の集電子のうちの少なくとも１つ、好ましくは両方は、基材から外向きに突き出る複数のファイバ様ウィスカをさらに含むことができる。理論によって限定されるものではないが、これらのウィスカは、集電子の表面積を効果的に増加させ、さらに、対応する電極への集電子の接着を改善することができると考えられる。これは、第１の電極および／または第２の電極において比較的少ない結合剤含有量の使用を可能にすることができ、それは、電荷移動を改善し、界面抵抗を低減し、その結果として、非常に低いＥＳＲ値をもたらすことができる。ウィスカは、典型的には、炭素、および／または炭素と導電性金属の反応生成物を含む材料から形成される。１つの実施形態では、例えば、材料は、アルミニウムカーバイド（Ａｌ４Ｃ３）などの導電性金属の炭化物を含むことができる。一般に、複数のウィスカが、基材から外向きに突き出る。所望の場合には、ウィスカは、任意選択で、基材内に埋め込まれているシード部分から突き出ることができる。ウィスカと同様に、シード部分は、炭素、および／または炭素と導電性金属の反応生成物、例えば、導電性金属の炭化物（例えば、アルミニウムカーバイド）などを含む材料から形成することもできる。
そのようなウィスカが基材に形成される方法は、所望に応じて変わってもよい。１つの実施形態では、例えば、基材の導電性金属を炭化水素化合物と反応させる。そのような炭化水素化合物の例は、例えば、メタン、エタン、プロパン、ｎ－ブタン、イソブタン、ペンタンなどのようなパラフィン系炭化水素化合物；エチレン、プロピレン、ブテン、ブタジエンなどのようなオレフィン系炭化水素化合物；アセチレンなどのアセチレン系炭化水素化合物；ならびに前述のいずれかの誘導体または組合せを含むことができる。一般に、炭化水素化合物は、反応の間ガス形態であることが望ましい。したがって、加熱されたときにガス形態であるメタン、エタン、およびプロパンなどの炭化水素化合物を使用することが望ましいことがある。必ずしも必要ではないが、炭化水素化合物は、典型的には、１００重量部(parts by weight)の基材を基準にして、約０．１重量部から約５０重量部、いくつかの実施形態では、約０．５の重量部から約３０重量部の範囲で使用される。炭化水素および導電性金属による反応を開始するために、基材は、一般に、約３００℃以上、いくつかの実施形態では、４００℃以上、いくつかの実施形態では、約５００℃から約６５０℃の温度の雰囲気中で加熱される。加熱時間は、選択された正確な温度に依存するが、典型的には、約１時間から約１００時間の範囲である。雰囲気は、典型的には、基材の表面への誘電体膜の形成を最小限にするために、比較的少量の酸素を含む。例えば、雰囲気の酸素含有量は、約１体積％(％ by volume)以下とすることができる。
第１および第２の炭素質コーティングは、さらに、第１および第２の集電子にそれぞれ電気的に結合される。それらは同じまたは異なるタイプの材料から形成されてもよく、そして１つまたは多数の層を含んでもよいが、炭素質コーティングの各々は、通常、活性化粒子を含む少なくとも１つの層を含む。ある実施形態では、例えば、活性炭層は、集電子上に直接位置決めされてもよく、任意選択で、炭素質コーティングのただ１つの層であってもよい。好適な活性炭粒子の例は、例えば、ヤシ殻ベースの活性炭、石油コークスベースの活性炭、ピッチベースの活性炭、ポリ塩化ビニリデンベースの活性炭、フェノール樹脂ベースの活性炭、ポリアクリロニトリルベースの活性炭、および石炭、木炭、または他の天然有機源などの天然源からの活性炭を含むことができる。
ある実施形態では、活性炭粒子のある態様、例えば、粒度分布、表面積、および細孔サイズ分布を選択的に制御して、１回または複数回の充放電サイクルに供された後、あるタイプの電解質のイオン移動度を改善するのを助けることが望ましいことがある。例えば、粒子の少なくとも５０体積％（Ｄ５０サイズ）は、約０．０１から約３０マイクロメートル、いくつかの実施形態では約０．１から約２０マイクロメートル、いくつかの実施形態では約０．５から約１０マイクロメートルの範囲のサイズを有することができる。粒子の少なくとも９０体積％（Ｄ９０サイズ）は同様に、約２から約４０マイクロメートル、いくつかの実施形態では約５から約３０マイクロメートル、いくつかの実施形態では約６から約１５マイクロメートルの範囲のサイズを有することができる。ＢＥＴ表面は、約９００ｍ２／ｇから約３０００ｍ２／ｇ、いくつかの実施形態では約１０００ｍ２／ｇから約２５００ｍ２／ｇ、いくつかの実施形態では約１１００ｍ２／ｇから約１８００ｍ２／ｇにわたることもできる。
特定のサイズおよび表面積を有することに加え、活性炭粒子は、特定のサイズ分布を有する細孔(pore)をさらに含むことができる。例えば、サイズが約２ナノメートル未満の細孔（すなわち、「ミクロ細孔(micropore)」）の量は、全細孔体積の約５０体積％以下、いくつかの実施形態では約３０体積％以下、いくつかの実施形態では０．１体積％から１５体積％の細孔体積と規定することができる。サイズが約２ナノメートルと約５０ナノメートルとの間の細孔（すなわち、「メソ細孔(mesopore)」）の量は同様に、約２０体積％から約８０体積％、いくつかの実施形態では約２５体積％から約７５体積％、いくつかの実施形態では、約３５体積％から約６５体積％とすることができる。最後に、サイズが約５０ナノメートルよりも大きい細孔（すなわち、「マクロ細孔(macropore)」）の量は、約１体積％から約５０体積％、いくつかの実施形態では約５体積％から約４０体積％、いくつかの実施形態では約１０体積％から約３５体積％とすることができる。炭素粒子の全細孔体積は、約０．２ｃｍ３／ｇから約１．５ｃｍ３／ｇ、いくつかの実施形態では約０．４ｃｍ３／ｇから約１．０ｃｍ３／ｇの範囲とすることができ、メジアン細孔幅は、約８ナノメートル以下、いくつかの実施形態では約１から約５ナノメートル、いくつかの実施形態では約２から約４ナノメートルとすることができる。細孔サイズおよび全細孔体積は、窒素吸着を使用して測定され、Ｂａｒｒｅｔｔ－Ｊｏｙｎｅｒ－Ｈａｌｅｎｄａ（「ＢＪＨ」）技法によって分析されてもよい。
所望の場合には、結合剤は、第１および／または第２の炭素質コーティング中に、炭素１００部当たり約６０部以下、いくつかの実施形態では４０部以下、いくつかの実施形態では約１から約２５部の量で存在することができる。結合剤は、例えば、炭素質コーティングの全重量の約１５重量％以下、いくつかの実施形態では約１０重量％以下、いくつかの実施形態では約０．５重量％から約５重量％を構成することができる。様々な好適な結合剤のいずれかが、電極に使用され得る。例えば、水不溶性有機結合剤、例えば、スチレン－ブタジエンコポリマー、ポリ酢酸ビニルホモポリマー、酢酸ビニル－エチレンコポリマー、酢酸ビニル－アクリルコポリマー、エチレン－塩化ビニルコポリマー、エチレン－塩化ビニル－酢酸ビニルターポリマー、アクリルポリ塩化ビニルポリマー、アクリルポリマー、ニトリルポリマー、ポリテトラフルオロエチレンまたはポリフッ化ビニリデンなどのフルオロポリマー、ポリオレフィンなど、ならびにこれらの混合物などが、ある実施形態で用いられ得る。水溶性有機結合剤、例えば多糖およびその誘導体なども用いられ得る。１つの特定の実施形態では、多糖は、非イオン性セルロースエーテル、例えば、アルキルセルロースエーテル（例えば、メチルセルロースおよびエチルセルロース）；ヒドロキシアルキルセルロースエーテル（例えば、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルヒドロキシブチルセルロース、ヒドロキシエチルヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシエチルヒドロキシブチルセルロース、ヒドロキシエチルヒドロキシプロピルヒドロキシブチルセルロースなど）；アルキルヒドロキシアルキルセルロースエーテル（例えば、メチルヒドロキシエチルセルロース、メチルヒドロキシプロピルセルロース、エチルヒドロキシエチルセルロース、エチルヒドロキシプロピルセルロース、メチルエチルヒドロキシエチルセルロース、およびメチルエチルヒドロキシプロピルセルロース）；カルボキシアルキルセルロースエーテル（例えば、カルボキシメチルセルロース）；および同様のもの、ならびにナトリウムカルボキシメチルセルロースなどの前述のいずれかのプロトン化塩などとすることができる。
他の材料が、さらに、第１および／または第２の炭素質コーティングの活性炭層内で、および／または第１および／または第２の炭素質コーティングの他の層内で用いられ得る。例えば、ある実施形態では、導電性促進剤を用いて、導電率をさらに増加させることができる。例示的な導電性促進剤は、例えば、カーボンブラック、黒鉛（天然または人工）、黒鉛、カーボンナノチューブ、ナノワイヤまたはナノチューブ、金属ファイバ、グラフェンなど、ならびにこれらの混合物を含むことができる。カーボンブラックが特に好適である。導電性促進剤は、用いられる場合、典型的には、炭素質コーティング中の活性炭粒子１００部当たり約６０部以下、いくつかの実施形態では４０部以下、いくつかの実施形態では約１から約２５部を構成する。導電性促進剤は、例えば、炭素質コーティングの全重量の約１５重量％以下、いくつかの実施形態では約１０重量％以下、いくつかの実施形態では約０．５重量％から約５重量％を構成することができる。活性炭粒子は同様に、典型的には、炭素質コーティングの８５重量％以上、いくつかの実施形態では約９０重量％以上、いくつかの実施形態では約９５重量％から約９９．５重量％を構成する。
炭素質コーティングを集電子に塗布する特定の手法は、印刷（例えば、輪転グラビア）、噴霧、スロット－ダイコーティング、ドロップコーティング、浸漬コーティングなど、様々であってもよい。塗布する手法とは無関係に、得られる電極は、典型的には、コーティングから水分を除去するために、約１００℃以上、いくつかの実施形態では約２００℃以上、いくつかの実施形態では約３００℃から約５００℃の温度などで乾燥される。電極はまた、ウルトラキャパシタの体積効率を最適化するために、圧縮（例えば、カレンダ仕上げ）されてもよい。いずれかの任意選択の圧縮の後、各炭素質コーティングの厚さは、通常、ウルトラキャパシタの所望の電気性能および動作範囲に基づいて変化してもよい。しかしながら、典型的には、コーティングの厚さは、約２０から約２００マイクロメートル、３０から約１５０マイクロメートル、いくつかの実施形態では約４０から約１００マイクロメートルである。コーティングは、集電子の片面または両面に存在してもよい。それにも関わらず、電極全体（任意選択の圧縮の後の集電子および炭素質コーティングを含む）の厚さは、典型的には、約２０から約３５０マイクロメートル、いくつかの実施形態では約３０から約３００マイクロメートル、いくつかの実施形態では約５０から約２５０マイクロメートルの範囲内にある。
電極アセンブリは、さらに、典型的には、第１の電極と第２の電極との間に位置決めされたセパレータを含む。所望の場合には、他のセパレータが、さらに、電極アセンブリで用いられてもよい。例えば、１つまたは複数のセパレータが、第１の電極、第２の電極、または両方の上に位置決めされてもよい。セパレータは、１つの電極を別の電極から電気的に絶縁して、電気的短絡を防止するのを助けることが可能であるが、依然として２つの電極間のイオン輸送がなされる。ある実施形態では、例えば、セパレータは、セルロース繊維材料（例えば、エアレイドペーパーウェブ、湿式ペーパーウェブなど）、不織繊維材料（例えば、ポリオレフィン不織ウェブ）、織布、フィルム（例えば、ポリオレフィンフィルム）などを含むものが用いられてもよい。セルロース繊維材料は、天然繊維、合成繊維などを含むものなどが、ウルトラキャパシタで使用するのに特に好適である。セパレータで使用するのに好適なセルロース繊維の特定の例は、例えば、広葉樹パルプ繊維、針葉樹パルプ繊維、レーヨン繊維、再生セルロース繊維などを含むことができる。用いられる特定の材料とは無関係に、セパレータは、典型的には、約５から約１５０マイクロメートル、いくつかの実施形態では約１０から約１００マイクロメートル、いくつかの実施形態では約２０から約８０マイクロメートルの厚さを有する。
電極アセンブリの構成要素が一緒に組み合わされる方法は、様々であってもよい。例えば、電極およびセパレータを最初に折り畳み、巻き上げ、積み重ね、または他の手法で一緒に接触させて、電極アセンブリを形成してもよい。１つの特定の実施形態では、電極、セパレータ、および任意選択の電解質は、「ジェリーロール」構成を有する電極アセンブリに巻き上げられてもよい。
ウルトラキャパシタを形成するために、電解質は、電極アセンブリを形成するのに電極およびセパレータが一緒に組み合わされる前に、組み合わされる間に、および／または組み合わされた後に、第１の電極および第２の電極にイオン接触して配置される。電解質は、通常、本質的に非水性であり、したがって少なくとも１つの非水溶媒を含む。ウルトラキャパシタの動作温度範囲を拡げるのを助けるために、典型的には、非水溶媒が比較的高い沸騰温度、例えば約１５０℃以上、いくつかの実施形態では約２００℃以上、いくつかの実施形態では約２２０℃から約３００℃などを有することが望ましい。特に好適な高沸点溶媒は、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネートなどのような環状カーボネート溶媒を含むことができる。当然、他の非水溶媒も、単独でまたは環状カーボネート溶媒と組み合わせて用いられてもよい。そのような溶媒の例は、例えば、開鎖カーボネート（例えば、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネートなど）、脂肪族モノカルボキシレート（例えば、酢酸メチル、プロピオン酸メチルなど）、ラクトン溶媒（例えば、ブチロラクトン バレロラクトンなど）、ニトリル（例えば、アセトニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、メトキシアセトニトリル、３－メトキシプロピオニトリルなど）、アミド（例えば、Ｎ，Ｎ－ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ－ジエチルアセトアミド、Ｎ－メチルピロリジノン）、アルカン（例えば、ニトロメタン、ニトロエタンなど）、硫黄化合物（例えば、スルホラン、ジメチルスルホキシドなど）；および同様のものを含むことができる。
電解質は、非水溶媒に溶解された少なくとも１つのイオン性液体をさらに含んでもよい。イオン性液体の濃度は変えることができるが、典型的には、イオン性液体は比較的高い濃度で存在することが望ましい。例えば、イオン性液体は、電解質リットル当たり約０．８モル（Ｍ）以上、いくつかの実施形態では約１．０Ｍ以上、いくつかの実施形態では約１．２Ｍ以上、いくつかの実施形態では約１．３から約１．８Ｍの量で存在してもよい。
イオン性液体は、通常、比較的低い融解温度、例えば、約４００℃以下、いくつかの実施形態では約３５０℃以下、いくつかの実施形態では約１℃から約１００℃、いくつかの実施形態では約５℃から約５０℃などを有する塩である。塩は、カチオン種および対イオンを含む。カチオン種は、「カチオン中心」として少なくとも１つのヘテロ原子（例えば、窒素またはリン）を有する化合物を含む。そのようなヘテロ原子化合物の例は、例えば、非置換または置換有機第四級アンモニウム化合物、例えば、アンモニウム（例えば、トリメチルアンモニウム、テトラエチルアンモニウムなど）、ピリジニウム、ピリダジニウム、ピラミジニウム、ピラジニウム、イミダゾリウム、ピラゾリウム、オキサゾリウム、トリアゾリウム、チアゾリウム、キノリニウム、ピペリジニウム、ピロリジニウム、２つ以上の環がスピロ原子（例えば、炭素、ヘテロ原子など）によって一緒に接続されている第四級アンモニウムスピロ化合物、第四級アンモニウム縮合環構造（例えば、キノリニウム、イソキノリニウムなど）、および同様のものなどを含む。１つの特定の実施形態では、例えば、カチオン種はＮ－スピロ二環式化合物、例えば環式環を有する対称または非対称Ｎ－スピロ二環式化合物であってもよい。そのような化合物の１つの例は、以下の構造の
を有し、
ここで、ｍおよびｎは独立して３から７の数であり、いくつかの実施形態では、４から５（例えば、ピロリジニウムまたはピペリジニウム）である。
同様に、カチオン種に好適な対イオンは、ハロゲン（例えば、塩化物、臭化物、ヨウ化物など）；スルフェートまたはスルホネート（例えば、硫酸メチル、硫酸エチル、硫酸ブチル、硫酸ヘキシル、硫酸オクチル、硫酸水素、スルホン酸メタン、スルホン酸ドデシルベンゼン、ドデシルスルフェート、スルホン酸トリフルオロメタン、ヘプタデカフルオロオクタンスルホネート、ドデシルエトキシ硫酸ナトリウムなど）；スルホスクシネート；アミド（例えば、ジシアナミド）；イミド（例えば、ビス（ペンタフルオロエチル－スルホニル）イミド、ビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド、ビス（トリフルオロメチル）イミドなど）；ボレート（例えば、テトラフルオロボレート、テトラシアノボレート、ビス［オキサラト］ボレート、ビス［サリチラト］ボレートなど）；ホスフェートまたはホスフィネート（例えば、ヘキサフルオロホスフェート、ジエチルホスフェート、ビス（ペンタフルオロエチル）ホスフィネート、トリス（ペンタフルオロエチル）－トリフルオロホスフェート、トリス（ノナフルオロブチル）トリフルオロホスフェートなど）；アンチモネート（例えば、ヘキサフルオロアンチモネート）；アルミネート（例えば、テトラクロロアルミネート）；脂肪酸カルボキシレート（例えば、オレエート、イソステアレート、ペンタデカフルオロオクタノエートなど）；シアネート；アセテート；および同様のもの、ならびに前述のいずれかの組合せを含むことができる。
好適なイオン性液体のいくつかの例は、例えば、テトラフルオロホウ酸スピロ－（１，１’）－ビピロリジニウム、テトラフルオロホウ酸トリエチルメチルアンモニウム、テトラフルオロホウ酸テトラエチルアンモニウム、ヨウ化スピロ－（１，１’）－ビピロリジニウム、ヨウ化トリエチルメチルアンモニウム、ヨウ化テトラエチルアンモニウム、テトラフルオロホウ酸メチルトリエチルアンモニウム、テトラフルオロホウ酸テトラブチルアンモニウム、ヘキサフルオロリン酸テトラエチルアンモニウムなどを含むことができる。
上記のように、ウルトラキャパシタは、電極アセンブリおよび電解質が保持され任意選択で気密封止されるハウジングをさらに含む。ハウジングの性質は、所望に応じて変化してもよい。１つの実施形態では、例えば、ハウジングは、タンタル、ニオブ、アルミニウム、ニッケル、ハフニウム、チタン、銅、銀、鋼（例えば、ステンレス）、それらの合金、それらの複合体（例えば、導電性酸化物でコーティングされた金属）、および同様のものから形成されたものなどの金属容器（「カン」）を含むことができる。アルミニウムは、本開示で使用するのに特に好適である。金属容器は、円筒状、Ｄ字形などの様々な異なる形状のいずれかを有してもよい。円筒形状の容器が特に好適である。
別の実施形態では、例えば、ハウジングは、ウルトラキャパシタの構成要素を密閉する可撓性パッケージの形態とすることができる。パッケージは、一般に、２つの端部の間を延び、端部ならびに重なり合う両側部分が互いに固定的および密閉的に当接される（例えば、熱溶接によって）縁部を有する基材を含む。このようにして、電解質をパッケージ内に保持することができる。基材は、典型的には、約２０マイクロメートルから約１０００マイクロメートル、いくつかの実施形態では、約５０マイクロメートルから約８００マイクロメートル、いくつかの実施形態では、約１００マイクロメートルから約６００マイクロメートルの範囲内の厚さを有する。
基材は、望ましいレベルのバリア特性を達成するために望まれる任意の数の層、例えば、１つ以上、いくつかの実施形態では２つ以上、いくつかの実施形態では、２つから４つの層を含むことができる。典型的には、基材は、アルミニウム、ニッケル、タンタル、チタン、ステンレス鋼などのような金属を含むことができるバリア層を含む。そのようなバリア層は、一般に、電解質の漏洩を阻止できるように電解質に対して不透過性であり、さらに、一般に、水および他の汚染物質に対して不透過性である。所望の場合には、基材は、パッケージの保護層として機能する外層をさらに含むことができる。このようにして、バリア層は、外層と電極アセンブリとの間に位置づけられる。外層は、例えば、ポリオレフィン（例えば、エチレンコポリマー、プロピレンコポリマー、プロピレンホモポリマーなど）、ポリエステルなどから形成されたものなどのポリマーフィルムから形成することができる。特に好適なポリエステルフィルムは、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンテレフタレートなどを含むことができる。
所望の場合には、基材は、電極アセンブリとバリア層との間に位置づけられる内層をさらに含むことができる。ある実施形態では、内層は、ヒートシール可能なポリマーを含むことができる。好適なヒートシール可能なポリマーは、例えば、ビニルクロライドポリマー、ビニルクロリジンポリマー（ｖｉｎｙｌ ｃｈｌｏｒｉｄｉｎｅ ｐｏｌｙｍｅｒ）、アイオノマーなど、ならびにそれらの組合せを含むことができる。アイオノマーは、特に、好適である。１つの実施形態では、例えば、アイオノマーは、α－オレフィンおよび（メタ）アクリル酸反復単位を含むコポリマーとすることができる。具体的なα－オレフィンは、エチレン、プロピレン、１ーブテン；３－メチル－１－ブテン；３，３－ジメチル－１－ブテン；１－ペンテン；１つまたは複数のメチル、エチル、またはプロピル置換基をもつ１－ペンテン；１つまたは複数のメチル、エチル、またはプロピル置換基をもつ１－ヘキセン；１つまたは複数のメチル、エチル、またはプロピル置換基をもつ１－ヘプテン；１つまたは複数のメチル、エチル、またはプロピル置換基をもつ１－オクテン；１つまたは複数のメチル、エチル、またはプロピル置換基をもつ１－ノネン；エチル、メチル、またはジメチル置換１－デセン；１－ドデセン；およびスチレンを含むことができる。エチレンは、特に、好適である。上述のように、コポリマーは、（メタ）アクリル酸反復単位とすることもできる。本明細書で使用される「（メタ）アクリル」という用語は、アクリルモノマーおよびメタクリルモノマー、ならびにその塩またはエステル、例えば、アクリレートモノマーおよびメタクリレートモノマーなどを含む。そのような（メタ）アクリルモノマーの例はメチルアクリレート、エチルアクリレート、ｎ－プロピルアクリレート、ｉ－プロピルアクリレート、ｎ－ブチルアクリレート、ｓ－ブチルアクリレート、ｉーブチルアクリレート、ｔ－ブチルアクリレート、ｎ－アミルアクリレート、ｉ－アミルアクリレート、イソボルニルアクリレート、ｎ－ヘキシルアクリレート、２－エチルブチルアクリレート、２－エチルヘキシルアクリレート、ｎ－オクチルアクリレート、ｎ－デシルアクリレート、メチルシクロヘキシルアクリレート、シクロペンチルアクリレート、シクロヘキシルアクリレート、メチルメタクリレート、エチルメタクリレート、２－ヒドロキシエチルメタクリレート、ｎ－プロピルメタクリレート、ｎ－ブチルメタクリレート、ｉ－プロピルメタクリレート、ｉ－ブチルメタクリレート、ｎ－アミルメタクリレート、ｎ－ヘキシルメタクリレート、アミルメタクリレート、ｓ－ブチルメタクリレート、ｔ－ブチルメタクリレート、２ーエチルブチルメタクリレート、メチルシクロヘキシルメタクリレート、シンナミルメタクリレート、クロチルメタクリレート、シクロヘキシルメタクリレート、シクロペンチルメタクリレート、２ーエトキシエチルメタクリレート、イソボルニルメタクリレートなど、ならびにそれらの組合せを含むことができる。典型的には、α－オレフィン／（メタ）アクリル酸コポリマーは、金属イオンで少なくとも部分的に中和されてアイオノマーを形成する。好適な金属イオンは、例えば、アルカリ金属（例えば、リチウム、ナトリウム、カリウムなど）、アルカリ土類金属（例えば、カルシウム、マグネシウムなど）、遷移金属（例えば、マンガン、亜鉛など）など、ならびにそれらの組合せを含むことができる。金属イオンは、金属蟻酸塩、酢酸塩、硝酸塩、炭酸塩、炭酸水素塩、酸化物、水酸化物、アルコキシドなどのようなイオン化合物によって提供することができる。
モジュール内で、ウルトラキャパシタが接続される方法は様々であってもよい。例えば、ウルトラキャパシタは、ウルトラキャパシタのそれぞれの端子に取り付けるかまたは接続する相互接続を使用して接続されてもよい。相互接続は、導電性金属などの導電材料で製作されてもよい。１つの実施形態では、相互接続は、比較的平坦であってもよく、または表面積が増加するものであってもよい。後者に関して、相互接続は、突起／突出を有してもよく、または、さらに、ワイヤ、編組、コイルなどから形成されてもよい。これに関して、相互接続の特定の寸法および構成は必ずしも限定されない。その形態に関係なく、銅、スズ、ニッケル、アルミニウムなどならびに合金および／またはコーティングされた金属などの様々な異なる導電材料のいずれかが用いられてもよい。所望の場合には、導電材料は、任意選択で、シース材料を用いて絶縁されてもよい。
ウルトラキャパシタは、所望の特定の性質に応じて、直列にまたは並列に一緒に電気的に接続され得る。例えば、１つの特定の実施形態では、ウルトラキャパシタは、あるウルトラキャパシタの特定の極性（例えば、正）の端子が別のウルトラキャパシタの反対の極性（例えば、負）の端子に接続されるように直列に電気的に接続され得る。例えば、正端子は第１のウルトラキャパシタの頂部から延びることができ、負端子は第２のウルトラキャパシタの底部から延びることができる。
それらを含むウルトラキャパシタおよびモジュールは、大量の電荷を貯蔵するために用いられ得る。その結果、本開示のモジュールおよびウルトラキャパシタは、様々な用途において用いられ得る。例えば、それらは、限定はしないが、風力タービン、ソーラータービン、ソーラーパネル、および燃料電池を含む様々なエネルギー用途で使用され得る。加えて、それらは、限定はしないが、車両（例えば、バッテリ推進電気車両、バス、エンジン始動、パワーおよびブレーキ回復システムを含むハイブリッド電気車両など）、列車および電車（例えば、リニアモーターカー、線路切換、スタータシステムなど）、および航空宇宙（例えば、ドア用アクチュエータ、脱出用シュートなど）を含む様々な輸送用途でも使用され得る。それらは、オートメーション（例えば、ロボティクスなど）、車両（例えば、フォークリフト、クレーン、電気カートなど）を含む様々な産業用途も有する。それらは、家庭用電化製品（例えば、ポータブルメディアプレイヤ、ハンドヘルドデバイス、ＧＰＳ、デジタルカメラなど）、コンピュータ（例えば、ラップトップコンピュータ、ＰＤＡなど）、および通信システムにおける様々な用途も有する。モジュールおよびウルトラキャパシタは、様々な軍用用途（例えば、戦車および潜水艦のためのモーター始動、フェーズドアレイレーダアンテナ、レーザ電源、無線通信、アビオニクス表示および計装、ＧＰＳガイダンスなど）、および医療用途（例えば、除細動器など）を有することもできる。
本発明のこれらおよび他の変更および変形が、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、当業者によって実践されてもよい。加えて、様々な実施形態の態様は、全体的または部分的の両方で交換されてもよいことが理解されるべきである。さらに、当業者は、前述の説明が、単なる例であり、当該の添付の特許請求の範囲にさらに記載されている本発明を限定するように意図されていないことを認識するであろう。

Claims (20)

  1. ウルトラキャパシタを平衡化させるためのシステムであって、前記システムが、
    複数のスイッチングデバイスと、
    平衡キャパシタと、
    前記複数のスイッチングデバイスの各々に通信可能に結合された制御回路であり、前記制御回路が、
    複数のウルトラキャパシタのうちの第１のウルトラキャパシタから前記平衡キャパシタに電荷を移送するために前記第１のウルトラキャパシタの両端に前記平衡キャパシタを結合させるように前記スイッチングデバイスの第１の対の動作を制御し、
    前記平衡キャパシタから前記複数のウルトラキャパシタのうちの第２のウルトラキャパシタに前記電荷の少なくとも一部を移送するために前記第２のウルトラキャパシタの両端に前記平衡キャパシタを結合させるように、前記第１の対とは異なる前記スイッチングデバイスの第２の対の動作を制御する
    ように構成される、制御回路と
    を含む、システム。
  2. 前記制御回路は、
    前記電荷が前記第１のウルトラキャパシタから前記平衡キャパシタに移送された後に、前記平衡キャパシタを前記第１のウルトラキャパシタから切り離すように前記スイッチングデバイスの前記第１の対の動作を制御する
    ようにさらに構成される、請求項１に記載のシステム。
  3. 前記制御回路は、
    前記電荷の前記少なくとも一部が前記平衡キャパシタから前記第２のウルトラキャパシタに移送された後に、前記平衡キャパシタを前記第２のウルトラキャパシタから切り離すように前記スイッチングデバイスの前記第２の対の動作を制御する
    ようにさらに構成される、請求項１に記載のシステム。
  4. 前記複数のウルトラキャパシタが、互いに直列に結合される、請求項１に記載のシステム。
  5. 前記平衡キャパシタが、互いに直列に結合された前記複数のウルトラキャパシタとは別のウルトラキャパシタを含む、請求項４に記載のシステム。
  6. 前記平衡キャパシタのキャパシタンスが、前記複数のウルトラキャパシタのうちの少なくとも１つのキャパシタンスと同じである、請求項１に記載のシステム。
  7. 前記平衡キャパシタのキャパシタンスが、前記複数のウルトラキャパシタの各々のキャパシタンスよりも小さい、請求項１に記載のシステム。
  8. 前記複数のスイッチングデバイスの各々が、トランジスタを含む、請求項１に記載のシステム。
  9. 前記複数のスイッチングデバイスにおけるスイッチングデバイスの全部合わせた総数が、前記複数のウルトラキャパシタにおけるウルトラキャパシタの全部合わせた総数よりも多い、請求項１に記載のシステム。
  10. ウルトラキャパシタを平衡化させるための方法であって、前記方法が、
    複数のウルトラキャパシタのうちの第１のウルトラキャパシタの両端に平衡キャパシタを結合させるようにスイッチングデバイスの第１の対の動作を制御するステップと、
    前記平衡キャパシタが前記スイッチングデバイスの第１の対を介して前記第１のウルトラキャパシタの両端に結合されたとき、前記第１のウルトラキャパシタから前記平衡キャパシタに電荷を移送するために前記第１のウルトラキャパシタを放電させるステップと、
    前記平衡キャパシタに前記電荷を移送するために前記第１のウルトラキャパシタを放電させた後に、前記複数のウルトラキャパシタのうちの第２のウルトラキャパシタの両端に前記平衡キャパシタを結合させるように、前記スイッチングデバイスの第１の対とは異なるスイッチングデバイスの第２の対の動作を制御するステップと、
    前記平衡キャパシタが前記スイッチングデバイスの第２の対を介して前記第２のウルトラキャパシタの両端に結合されたとき、前記第２のウルトラキャパシタに前記電荷の少なくとも一部を移送するために前記平衡キャパシタを放電させるステップと
    を含む、方法。
  11. 前記第１のウルトラキャパシタから前記平衡キャパシタに前記電荷を移送するために前記第１のウルトラキャパシタを放電させたことに応じて、前記平衡キャパシタを前記第１のウルトラキャパシタから切り離すように前記スイッチングデバイスの第１の対の動作を制御するステップ
    をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
  12. 前記平衡キャパシタから前記第２のウルトラキャパシタに前記電荷の前記少なくとも一部を移送するために前記平衡キャパシタを放電させたことに応じて、前記平衡キャパシタを前記第２のウルトラキャパシタから切り離すように前記スイッチングデバイスの第２の対の動作を制御するステップ
    をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記第１のウルトラキャパシタの両端の第１の電圧が前記第２のウルトラキャパシタの両端の第２の電圧と異なると決定したことに応じて、前記第１のウルトラキャパシタに前記平衡キャパシタを結合させるように前記スイッチングデバイスの第１の対の動作を制御するステップが行われる、請求項１０に記載の方法。
  14. 前記第１のウルトラキャパシタの両端の前記第１の電圧が、前記複数のウルトラキャパシタの中の最も高い電圧に対応し、
    前記第２のウルトラキャパシタの両端の前記第２の電圧が、前記複数のウルトラキャパシタの中の最も低い電圧に対応する、請求項１３に記載の方法。
  15. 前記第１のウルトラキャパシタの両端に前記平衡キャパシタを結合させるように前記スイッチングデバイスの第１の対の動作を制御するステップが、制御回路を介して、前記スイッチングデバイスの第１の対における各スイッチングデバイスに１つまたは複数の制御信号を提供するステップであり、前記１つまたは複数の制御信号が、前記第１のウルトラキャパシタの両端に前記平衡キャパシタを結合させることに関連する、提供するステップを含み、
    前記第２のウルトラキャパシタの両端に前記平衡キャパシタを結合させるように前記スイッチングデバイスの第２の対の動作を制御するステップが、前記制御回路を介して、前記スイッチングデバイスの第２の対における各スイッチングデバイスに１つまたは複数の制御信号を提供するステップであり、前記１つまたは複数の制御信号が、前記第２のウルトラキャパシタの両端に前記平衡キャパシタを結合させることに関連する、提供するステップを含む、請求項１０に記載の方法。
  16. 前記複数のウルトラキャパシタが、互いに直列に結合される、請求項１０に記載の方法。
  17. 前記スイッチングデバイスの第１の対および前記スイッチングデバイスの第２の対における各スイッチングデバイスが、トランジスタを含む、請求項１０に記載の方法。
  18. 前記平衡キャパシタが、前記複数のウルトラキャパシタとは別のウルトラキャパシタを含む、請求項１０に記載の方法。
  19. 前記平衡キャパシタのキャパシタンスが、前記第１のウルトラキャパシタまたは前記第２のウルトラキャパシタのうちの少なくとも１つのキャパシタンスよりも小さい、請求項１０に記載の方法。
  20. 前記平衡キャパシタのキャパシタンスが、前記第１のウルトラキャパシタまたは前記第２のウルトラキャパシタのうちの少なくとも１つのキャパシタンスと同じである、請求項１０に記載の方法。
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