JP2023543028A - エネルギー源のためのパルス式充電および加熱技法 - Google Patents
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Abstract
エネルギー貯蔵用途のためのエネルギー源配置の高度な充電を提供する実施形態が、開示される。実施形態は、コンバータモジュールのカスケード式配置を有しているエネルギー貯蔵システム内で使用されることが可能である。実施形態は、システムの各モジュールのエネルギー源へのパルスの印加を含むことが可能である。パルスは、充電および予熱目的のために印加されることが可能である。フィードバックベースのパルス制御実施形態も、開示される。
Description
（関連出願の相互参照）
本願は、２０２０年９月２８日に出願された米国仮出願第６３／０８４，３５２号および２０２０年１１月３０日に出願された米国仮出願第６３／１１９，５０４号の利益および優先権を主張し、それらの両方は、それらの全体としてあらゆる目的のために参照することによって本明細書に組み込まれる。
本願は、２０２０年９月２８日に出願された米国仮出願第６３／０８４，３５２号および２０２０年１１月３０日に出願された米国仮出願第６３／１１９，５０４号の利益および優先権を主張し、それらの両方は、それらの全体としてあらゆる目的のために参照することによって本明細書に組み込まれる。
（技術分野）
本明細書に説明される主題は、概して、移動および定置型用途の両方において使用されるエネルギー貯蔵システムにおけるエネルギー源のパルス式充電に関する。
本明細書に説明される主題は、概して、移動および定置型用途の両方において使用されるエネルギー貯蔵システムにおけるエネルギー源のパルス式充電に関する。
電気エネルギー貯蔵システムは、よりクリーンな形態のエネルギーへの世界的な移行における重要な側面である。電気エネルギー貯蔵システムは、多くの定置型および移動用途において見出される。バッテリパックまたはラックの形態における電気エネルギー貯蔵システムが、ハイブリッドおよび完全電気車両に給電するために使用されることができ、電気エネルギー貯蔵システムは、車両によって（例えば、回生制動の使用を通して）発生させられる電力を貯蔵するために使用されることができる。
電気エネルギー貯蔵システムは、放出された電力を補充するために、周期的な充電を要求する。熱損失、劣化、および遅い充電の率等、既存の充電方法に関連付けられるいくつかの欠陥および問題が、識別されている。例えば、電気車両（ＥＶ）に関する長い充電時間が、その広範な採用を限定する主要な要因であることが周知である。従来の定電流充電方法の使用は、バッテリパックを完全に充電するために数時間を要し得る。そのような長い待機時間は、ＥＶのための１回の充電の範囲外の移動のためにＥＶを使用するとき、実質的な不便および非効率性を生じさせる。したがって、従来のＥＶは、最も典型的に、局所的な通勤またはバッテリパックの再充電を要求することなく完了され得る移動のために使用される。より高い電圧で、より短時間で充電が可能な充電ステーションが存在する程度まで、そのようなステーションの繰り返しの使用は、バッテリパックの劇的に低減させられた寿命をもたらし得る。これらおよび他の理由から、電気エネルギー貯蔵システムの高速または急速な充電のための改良されたシステム、デバイス、および方法の必要性が、存在する。
エネルギー貯蔵システム（例えば、電気車両のバッテリパック、マイクログリッドを駆動するための定置型システム、およびその他）から分離して、またはその一部としてのエネルギー源の高速充電のためのシステム、デバイス、および方法の例示的実施形態が、本明細書に説明される。本明細書に説明される実施形態は、加速された電気化学反応が、後続の充電を通して可能であるように、源温度を上昇させ、エネルギー源の全体的インピーダンスを低下させる予熱信号の印加を通してエネルギー源を加熱することを含むことができる。実施形態は、エネルギー源の二重シート容量を通過し、源の活性化インピーダンスを低減させ、劣化反応を伴わずに、より高いＣレートにおいて源の充電を可能にする周波数における充電パルスを用いてエネルギー源を充電することを含むことができる。実施形態は、パルス予熱段階またはパルス充電段階とより高い温度における定電流（または非パルス式）充電段階との組み合わせも含むことができ、ある実施形態は、全ての３つの段階のうちの少なくとも１つの事例を含むことができる。本明細書に説明される実施形態は、各モジュールがエネルギー源と予熱および／または充電のためのパルス式様式で電流を印加することが可能であるスイッチ回路網とを含むカスケード式モジュール式エネルギー貯蔵システム内での適用のために特に好適である。不均一なリチウム化およびリチウムめっき等の潜在的に劣化性の条件を検出するために、エネルギー源を監視するための実施形態も、開示される。
本明細書に説明される主題の他のシステム、デバイス、方法、特徴、および利点が、以下の図および詳細な説明を検討すると、当業者に明白であり、または明白となるであろう。全てのそのような追加のシステム、方法、特徴、および利点は、本説明内に含まれ、本明細書に説明される主題の範囲内であり、付随する請求項によって保護されることが意図される。例示的実施形態の特徴は、請求項にそれらの特徴の明示的記載がない場合、いかようにも添付の請求項を限定するものとして解釈されるべきではない。
その構造および動作の両方に関して、本明細書に記載される主題の詳細は、同様の参照番号が同様の部品を指す付随する図の考察によって明白であり得る。図内のコンポーネントは、必ずしも縮尺通りではなく、代わりに、主題の原理を例証することに重点が置かれている。また、全ての図示は、相対サイズ、形状、および他の詳細な属性が、文字通りに、または精密にではなく、図式的に図示され得る概念を伝えることを意図している。
本主題が詳細に説明される前に、本開示が、説明される特定の実施形態に限定されず、したがって、当然ながら変動し得ることを理解されたい。本明細書で使用される専門用語が特定の実施形態のみを説明する目的のためであり、本開示の範囲が添付の請求項のみによって限定されるであろうから、限定的であることを意図していないことを理解されたい。
充電および放電モジュール式エネルギーシステムに関する例示的実施形態を説明する前に、最初に、これらの基礎をなすシステムをより詳細に説明することが有用である。図１Ａ－１０Ｆを参照して、以下の節は、その中にモジュール式エネルギーシステムの実施形態が実装され得る種々の用途、モジュール式エネルギーシステムのための制御システムまたはデバイスの実施形態、充電源および負荷に関するモジュール式エネルギーシステム実施形態の構成、個々のモジュールの実施形態、システム内のモジュールの配置のためのトポロジの実施形態、制御方法論の実施形態、システム内のモジュールの平衡動作特性の実施形態、および相互接続モジュールの使用の実施形態を説明する。
（用途の例）
（用途の例）
定置型用途は、モジュール式エネルギーシステムが、使用中、固定された場所に位置するが、使用されていないとき、代替場所に移送されることが可能であり得るそれらである。モジュールベースのエネルギーシステムは、据え付け場所に常駐しながら、１つ以上の他のエンティティによる消費のための電気エネルギーを提供するために、または、後の消費のために、エネルギーを貯蔵またはバッファする。本明細書に開示される実施形態が使用され得る定置型用途の例は、限定ではないが、以下を含む：１つ以上の居住構造または場所によるまたはその中における使用のためのエネルギーシステム、１つ以上の産業構造または場所によるまたはその中における使用のためのエネルギーシステム、１つ以上の商業用構造または場所によるまたはその中における使用のためのエネルギーシステム、１つ以上の政府構造または場所によるまたはその中における使用のためのエネルギーシステム（軍用および非軍用の両方の使用を含む）、下記に説明される移動用途を充電するためのエネルギーシステム（例えば、充電源または充電ステーション）、および貯蔵のために、太陽熱電力、風力、地熱エネルギー、化石燃料、または核反応を電気に変換するシステム。定置型用途は、多くの場合、グリッドおよびマイクログリッド、モータ、およびデータセンター等の負荷に供給する。定置型エネルギーシステムは、貯蔵または非貯蔵役割のいずれかにおいて使用されることができる。
時として、牽引用途とも称される移動用途は、概して、モジュールベースのエネルギーシステムが、エンティティ上またはその中に位置し、モータによる原動力への変換のために電気エネルギーを貯蔵および提供し、そのエンティティを移動させる、または移動させることを支援するものである。本明細書に開示される実施形態が一緒に使用され得る移動エンティティの例は、限定ではないが、陸上または地下で、海上または海中で、陸または海の上方でそれと接触せずに（例えば、空中を飛行またはホバリングする）、または宇宙空間を通して移動する電気および／またはハイブリッドエンティティを含む。本明細書に開示される実施形態が一緒に使用され得る移動エンティティの例は、限定ではないが、車両、列車、トラム、船、船舶、航空機、および宇宙船を含む。本明細書に開示される実施形態が一緒に使用され得る移動車両の例は、限定ではないが、１つのみの車輪または軌道を有するそれら、２つのみの車輪または軌道を有するそれら、３つのみの車輪または軌道を有するそれら、４つのみの車輪または軌道を有するそれら、および５つ以上の車輪または軌道を有するそれらを含む。本明細書に開示される実施形態が一緒に使用され得る移動エンティティの例は、限定ではないが、自動車、バス、トラック、バイク、スクータ、産業用車両、鉱業車両、飛行体（例えば、飛行機、ヘリコプタ、ドローン等）、船舶（例えば、商業用輸送船、船、ヨット、ボート、または他の水上乗物）、潜水艦、機関車またはレールベースの車両（例えば、列車、トラム等）、軍用車両、宇宙船、および衛星を含む。
本明細書の実施形態を説明することにおいて、特定の定置型用途（例えば、グリッド、マイクログリッド、データセンター、クラウドコンピューティング環境）または移動用途（例えば、電気自動車）が、参照され得る。そのような参照は、解説を容易にするために行われ、特定の実施形態が、使用のためにその特定の移動または定置型用途のみに限定されることを意味しない。電力をモータに提供するシステムの実施形態は、移動および定置型用途の両方で使用されることができる。ある構成は、他のものよりいくつかの用途により好適であり得るが、本明細書に開示される全ての例示的実施形態は、別様に記述されない限り、移動および定置型用途の両方での使用が可能である。
（モジュールベースのエネルギーシステムの例）
（モジュールベースのエネルギーシステムの例）
図１Ａは、モジュールベースのエネルギーシステム１００の例示的実施形態を描写するブロック図である。ここで、システム１００は、それぞれ、通信経路またはリンク１０６－１～１０６－Ｎを介して、Ｎ個のコンバータ源モジュール１０８－１～１０８－Ｎと通信可能に結合された制御システム１０２を含む。モジュール１０８は、エネルギーを貯蔵し、必要に応じて、エネルギーを負荷１０１（または他のモジュール１０８）に出力するように構成されている。これらの実施形態において、任意の数の２つ以上のモジュール１０８が、使用されることができる（例えば、Ｎは、２以上）。モジュール１０８は、図７Ａ－７Ｅに関してより詳細に説明されるであろうように、種々の様式において、互いに接続されることができる。図示を容易にするために、図１Ａ－１Ｃでは、モジュール１０８は、直列に接続されて、または１次元アレイとして示され、Ｎ番目のモジュールは、負荷１０１に結合される。
システム１００は、電力を負荷１０１に供給するように構成されている。負荷１０１は、モータまたはグリッド等の任意のタイプの負荷であり得る。システム１００はまた、充電源から受け取られる電力を貯蔵するように構成されている。図１Ｆは、電力を充電源１５０（例えば、公共事業送電網、マイクログリッド、ローカル再生可能エネルギー源等）から電力を受け取るための電力入力インターフェース１５１と、電力を負荷１０１に出力するための電力出力インターフェースとを伴うシステム１００の例示的実施形態を描写するブロック図である。本実施形態において、システム１００は、インターフェース１５２を介して、電力を出力すると同時に、インターフェース１５１を介して、電力を受け取り、貯蔵することができる。図１Ｇは、切り替え可能なインターフェース１５４を伴うシステム１００の別の例示的実施形態を描写するブロック図である。本実施形態において、システム１００は、充電源１５０からの電力の受け取りと負荷１０１への電力の出力との間で選択すること、または選択するように命令されることができる。システム１００は、一次および補助負荷の両方を含む複数の負荷１０１に供給し、および／または電力を複数の充電源１５０（例えば、公共事業送電網およびローカル再生可能エネルギー源（例えば、太陽熱））から電力を受け取るように構成されることができる。
図１Ｂは、システム１００の別の例示的実施形態を描写する。ここでは、制御システム１０２は、それぞれ、通信経路またはリンク１１５－１～１１５－Ｎを介して、Ｎ個の異なるローカル制御デバイス（ＬＣＤ）１１４－１～１１４－Ｎと通信可能に結合されるマスタ制御デバイス（ＭＣＤ）１１２として実装される。各ＬＣＤ１１４－１～１１４－Ｎは、ＬＣＤ１１４とモジュール１０８との間に１：１関係が存在するように、それぞれ、通信経路またはリンク１１６－１～１１６－Ｎを介して、１つのモジュール１０８－１～１０８－Ｎと通信可能に結合される。
図１Ｃは、システム１００の別の例示的実施形態を描写する。ここでは、ＭＣＤ１１２は、それぞれ、通信経路またはリンク１１５－１～１１５－Ｍを介して、Ｍ個の異なるＬＣＤ１１４－１～１１４－Ｍと通信可能に結合される。各ＬＣＤ１１４は、２つ以上のモジュール１０８と結合され、それを制御することができる。ここで示される例では、各ＬＣＤ１１４は、Ｍ ＬＣＤ１１４－１～１１４－Ｍが、それぞれ、通信経路またはリンク１１６－１～１１６－２Ｍを介して、２Ｍモジュール１０８－１～１０８－２Ｍと結合されるように、２つのモジュール１０８と通信可能に結合される。
制御システム１０２は、システム１００全体のための単一デバイス（例えば、図１Ａ）として構成されることができるか、または、複数のデバイスにわたって分散させられるか、または、複数のデバイスとして実装されることができる（例えば、図１Ｂ－１Ｃ）。いくつかの実施形態において、制御システム１０２は、モジュール１０８に関連付けられるＬＣＤ１１４間に分散させられることができ、それによって、いかなるＭＣＤ１１２も、必要なく、システム１００から省略され得る。
制御システム１０２は、ソフトウェア（処理回路網によって実行可能なメモリ内に記憶された命令）、ハードウェア、またはそれらの組み合わせを使用して、制御を実行するように構成されることができる。制御システム１０２の１つ以上のデバイスの各々は、ここに示されるように、処理回路網１２０と、メモリ１２２とを含むことができる。処理回路網およびメモリの例示的実装は、下記にさらに説明される。
制御システム１０２は、通信リンクまたは経路１０５を介してシステム１００の外部のデバイス１０４と通信するための通信インターフェースを有することができる。例えば、制御システム１０２（例えば、ＭＣＤ１１２）は、システム１００についてのデータまたは情報を別の制御デバイス１０４（例えば、移動用途における車両の電子制御ユニット（ＥＣＵ）またはモータ制御ユニット（ＭＣＵ）、定置型用途におけるグリッドコントローラ等）に出力することができる。
通信経路またはリンク１０５、１０６、１１５、１１６、および１１８（図２Ｂ）の各々は、双方向に、並列または直列方式において、データまたは情報を通信する有線（例えば、電気、光学）または無線通信経路であり得る。データは、標準化（例えば、ＩＥＥＥ、ＡＮＳＩ）またはカスタム（例えば、専用）フォーマットで通信されることができる。自動車用途では、通信経路１１５は、ＦｌｅｘＲａｙまたはＣＡＮプロトコルに従って、通信するように構成されることができる。通信経路１０６、１１５、１１６、および１１８は、有線電力も提供し、直接、システム１０２のための動作電力を１つ以上のモジュール１０８から供給することができる。例えば、各ＬＣＤ１１４のための動作電力は、それに対してそのＬＣＤ１１４が接続される１つ以上のモジュール１０８のみによって供給されることができ、ＭＣＤ１１２のための動作電力は、間接的に、モジュール１０８のうちの１つ以上から供給されることができる（例えば、自動車の電力ネットワークを通して等）。
制御システム１０２は、モジュール１０８のうちの同じまたは異なる１つ以上のものから受信されるステータス情報に基づいて、１つ以上のモジュール１０８を制御するように構成されている。制御は、負荷１０１の要件等、１つ以上の他の要因にも基づくことができる。制御可能側面は、限定ではないが、各モジュール１０８の電圧、電流、位相、および／または出力電力のうちの１つ以上を含む。
システム１００内の全てのモジュール１０８のステータス情報は、制御システム１０２に通信されることができ、システム１０２は、ステータス情報から独立して、全てのモジュール１０８－１・・・１０８－Ｎを制御することができる。他の変形例も、可能である。例えば、特定のモジュール１０８（またはモジュール１０８の一部）は、その特定のモジュール１０８（または一部）のステータス情報に基づいて；その特定のモジュール１０８（または一部）ではない異なるモジュール１０８のステータス情報に基づいて；その特定のモジュール１０８（または一部）以外の全てのモジュール１０８のステータス情報に基づいて；その特定のモジュール１０８（または一部）のステータス情報と、その特定のモジュール１０８（または一部）ではない少なくとも１つの他のモジュール１０８のステータス情報とに基づいて；または、システム１００内の全てのモジュール１０８のステータス情報に基づいて、制御されることができる。
ステータス情報は、各モジュール１０８の１つ以上の側面、特性、またはパラメータについての情報であり得る。ステータス情報のタイプは、限定ではないが、モジュール１０８またはその１つ以上のコンポーネント（例えば、エネルギー源、エネルギーバッファ、コンバータ、モニタ回路網）の以下の側面を含む：モジュールの１つ以上のエネルギー源の充電状態（ＳＯＣ）（例えば、分率またはパーセント等、その容量に対するエネルギー源の充電のレベル）；モジュールの１つ以上のエネルギー源の健全性の状態（ＳＯＨ）（例えば、その理想的条件と比較したエネルギー源の条件の性能指数）；モジュールの１つ以上のエネルギー源または他のコンポーネントの温度；モジュールの１つ以上のエネルギー源の容量；モジュールの１つ以上のエネルギー源および／または他のコンポーネントの電圧；モジュールの１つ以上のエネルギー源および／または他のコンポーネントの電流；および／または、モジュールのコンポーネントのうちのいずれか１つ以上のものにおける障害の有無。
ＬＣＤ１１４は、ステータス情報を各モジュール１０８から受信するか、または各モジュール１０８から、または各モジュール１０８内で受信される監視信号またはデータからステータス情報を決定し、その情報をＭＣＤ１１２に通信するように構成されることができる。いくつかの実施形態において、各ＬＣＤ１１４は、未加工収集データをＭＣＤ１１２に通信することができ、ＭＣＤ１１２は、次いで、その未加工データに基づいて、ステータス情報をアルゴリズム的に決定する。ＭＣＤ１１２は、次いで、モジュール１０８のステータス情報を使用し、適宜、制御決定を行うことができる。決定は、ＬＣＤ１１４によって、各モジュール１０８の動作の維持または調節のいずれかを行うために利用され得る命令、コマンド、または他の情報（本明細書に説明される変調指数等）の形態をとり得る。
例えば、ＭＣＤ１１２は、ステータス情報を受信し、その情報を査定し、少なくとも１つのモジュール１０８（例えば、そのコンポーネント）と少なくとも１つ以上の他のモジュール１０８（例えば、その匹敵するコンポーネント）との間の差異を決定し得る。例えば、ＭＣＤ１１２は、特定のモジュール１０８が、１つ以上の他のモジュール１０８と比較して、以下の条件のうちの１つを伴って動作していることを決定し得る：比較的に低いまたは高いＳＯＣ、比較的に低いまたは高いＳＯＨ、比較的に低いまたは高い容量、比較的に低いまたは高い電圧、比較的に低いまたは高い電流、比較的に低いまたは高い温度、または障害を伴って、または伴わず。そのような例では、ＭＣＤ１１２は、その特定のモジュール１０８の関連側面（例えば、出力電圧、電流、電力、温度）が（条件に応じて）低減または増加させられるようにする制御情報を出力することができる。このように、外れ値モジュール１０８（例えば、比較的に低いＳＯＣまたは高い温度を伴って動作している）の利用が、低減させられることができることによって、そのモジュール１０８の関連パラメータ（例えば、ＳＯＣまたは温度）に１つ以上の他のモジュール１０８のそれに向かって収束させる。
特定のモジュール１０８の動作を調節するかどうかの決定は、必ずしも、他のモジュール１０８のステータスとの比較によってではなく、所定の閾値、限界、または条件とのステータス情報の比較によって行われることができる。所定の閾値、限界、または条件は、製造業者によって設定されるそれら等の使用中に変化しない静的閾値、限界、または条件であり得る。所定の閾値、限界、または条件は、使用中、変化することが可能にされる、または変化する動的閾値、限界、または条件であり得る。例えば、ＭＣＤ１１２は、そのモジュール１０８に関するステータス情報がそのモジュール１０８が所定の閾値または限界に違反して（例えば、それを上回って、または下回って）、または容認可能動作条件の所定の範囲外で動作していることを示す場合、モジュール１０８の動作を調節することができる。同様に、ＭＣＤ１１２は、そのモジュール１０８に関するステータス情報が、実際または潜在的障害の存在（例えば、アラーム、または警告）を示す、または実際または潜在的障害の不在または除去を示す場合、モジュール１０８の動作を調節することができる。障害の例は、限定ではないが、コンポーネントの実際の故障、コンポーネントの潜在的故障、短絡回路または他の過剰な電流条件、開回路、過剰な電圧条件、通信の受信不良、破損されたデータの受信等を含む。障害のタイプおよび深刻度に応じて、障害モジュールの利用は、モジュールを損傷させることを回避するために減少させられることができるか、または、モジュールの利用は、完全に停止させられることができる。
ＭＣＤ１１２は、所望の標的を達成するように、またはそれに向かって収束するようにシステム１００内のモジュール１０８を制御することができる。標的は、例えば、全てのモジュール１０８の動作が、互いに対して同じまたは類似するレベルにあること、または、所定の閾値、限界、または条件内にあることであり得る。このプロセスは、モジュール１０８の動作または動作特性における平衡、または平衡を達成するための模索とも称される。用語「平衡」は、本明細書で使用されるように、モジュール１０８またはそのコンポーネント間の絶対的同等を要求せず、むしろ、システム１００の動作が、そうでなければ、存在するであろうモジュール１０８間の動作における不同を能動的に低減させるために使用され得ることを伝えるために広義に使用される。
ＭＣＤ１１２は、ＬＣＤ１１４に関連付けられたモジュール１０８を制御する目的のために、制御情報をＬＣＤ１１４に通信することができる。制御情報は、例えば、本明細書に説明されるような変調指数および基準信号、変調基準信号、またはその他であり得る。各ＬＣＤ１１４は、制御情報を使用（例えば、受信および処理）し、関連付けられたモジュール１０８内の１つ以上のコンポーネント（例えば、コンバータ）の動作を制御するスイッチ信号を発生させることができる。いくつかの実施形態において、ＭＣＤ１１２は、直接、スイッチ信号を発生させ、それらをＬＣＤ１１４に出力し、ＬＣＤ１１４は、スイッチ信号を意図されるモジュールコンポーネントに中継する。
制御システム１０２の全部または一部は、移動または定置型用途の１つ以上の他の側面を制御するシステム外部制御デバイス１０４と組み合わせられることができる。この共有または共通制御デバイス（システムまたはサブシステム）内に統合されると、システム１００の制御は、共有デバイスの処理回路網によって実行される１つ以上のソフトウェアアプリケーション、共有デバイスのハードウェア、またはそれらの組み合わせ等、任意の所望の方式で実装されることができる。外部制御デバイス１０４の非包括的例は、以下を含む：１つ以上の他の車載機能のための制御能力（例えば、モータ制御、ドライバインターフェース制御、牽引力制御等）を有する車載ＥＣＵまたはＭＣＵ；１つ以上の他の電力管理機能（例えば、負荷インターフェース、負荷電力要件予測、伝送および切り替え、充電源とのインターフェース（例えば、ディーゼル、太陽熱、風力）、充電源電力予測、バックアップ源監視、資産ディスパッチ等）に関与するグリッドまたはマイクログリッドコントローラ；および、データセンター制御サブシステム（例えば、環境制御、ネットワーク制御、バックアップ制御等）。
図１Ｄおよび１Ｅは、制御システム１０２が実装され得る共有または共通制御デバイス（またはシステム）１３２の例示的実施形態を描写するブロック図である。図１Ｄでは、共通制御デバイス１３２は、マスタ制御デバイス１１２と、外部制御デバイス１０４とを含む。マスタ制御デバイス１１２は、経路１１５を介したＬＣＤ１１４との通信のためのインターフェース１４１と、内部通信バス１３６を介した外部制御デバイス１０４との通信のためのインターフェース１４２とを含む。外部制御デバイス１０４は、バス１３６を介したマスタ制御デバイス１１２との通信のためのインターフェース１４３と、通信経路１３６を介した全体的用途の他のエンティティ（例えば、車両またはグリッドのコンポーネント）との通信のためのインターフェース１４４とを含む。いくつかの実施形態において、共通制御デバイス１３２は、共通筐体またはパッケージとして統合されることができ、デバイス１１２と１０４とは、その中に含まれる別々の集積回路（ＩＣ）チップまたはパッケージとして実装される。
図１Ｅでは、外部制御デバイス１０４は、共通制御デバイス１３２としての機能を果たし、マスタ制御機能性は、デバイス１０４内のコンポーネントとして実装される。このコンポーネント１１２は、ソフトウェアまたは他のプログラム命令であるか、またはそれを含むことができ、デバイス１０４のメモリ内に記憶され、および／または、ハードコード化され、その処理回路網によって実行される。コンポーネントは、専用ハードウェアを含むこともできる。コンポーネントは、自給式モジュールまたはコアであり得、１つ以上の内部ハードウェアおよび／またはソフトウェアインターフェース（例えば、アプリケーションプログラムインターフェース（ＡＰＩ））は、外部制御デバイス１０４のオペレーティングソフトウェアとの通信のためのものである。外部制御デバイス１０４は、インターフェース１４１を介したＬＣＤ１１４との通信、およびインターフェース１４４を介した他のデバイとの通信を管理することができる。種々の実施形態において、デバイス１０４／１３２は、単一ＩＣチップとして統合されることができるか、単一パッケージ内の複数のＩＣチップの中に統合されることができるか、または共通筐体内の複数の半導体パッケージとして統合されることができる。
図１Ｄおよび１Ｅの実施形態において、システム１０２のマスタ制御機能性は、共通デバイス１３２内で共有されるが、しかしながら、共有制御の他の分割も、可能にされる。例えば、マスタ制御機能性の一部は、共通デバイス１３２と専用ＭＣＤ１１２との間で分散させられることができる。別の例では、マスタ制御機能性とローカル制御機能性の少なくとも一部との両方が、共通デバイス１３２内に実装されることができる（例えば、残りのローカル制御機能性は、ＬＣＤ１１４内に実装される）。いくつかの実施形態において、制御システム１０２の全ては、共通デバイス（またはサブシステム）１３２内に実装される。いくつかの実施形態において、ローカル制御機能性は、バッテリ管理システム（ＢＭＳ）等の各モジュール１０８の別のコンポーネントと共有されるデバイス内に実装される。
（カスケード式エネルギーシステム内のモジュールの例）
（カスケード式エネルギーシステム内のモジュールの例）
モジュール１０８は、１つ以上のエネルギー源と、パワーエレクトロニクスコンバータと、所望される場合、エネルギーバッファとを含むことができる。図２Ａ－２Ｂは、電力コンバータ２０２と、エネルギーバッファ２０４と、エネルギー源２０６とを有するモジュール１０８を伴うシステム１００の追加の例示的実施形態を描写するブロック図である。コンバータ２０２は、電圧コンバータまたは電流コンバータであり得る。実施形態は、電圧コンバータを参照して本明細書に説明されるが、実施形態は、そのように限定されない。コンバータ２０２は、エネルギー源２０４からの直流（ＤＣ）信号を交流電流（ＡＣ）信号に変換し、電力接続１１０（例えば、インバータ）を介して、それを出力するように構成されることができる。コンバータ２０２は、接続１１０を介して、ＡＣまたはＤＣ信号を受信し、持続またはパルス化形態におけるいずれかの極性を伴って、それをエネルギー源２０４に印加することもできる。コンバータ２０２は、ハーフブリッジまたはフルブリッジ（Ｈ－ブリッジ）等のスイッチ（例えば、電力トランジスタ）の配置であるか、または、それを含むことができる。いくつかの実施形態において、コンバータ２０２は、スイッチのみを含み、コンバータ（および全体としてのモジュール）は、変圧器を含まない。
コンバータ２０２は、（または代替として）、ＡＣ源からＤＣエネルギー源を充電するため等のＡＣ／ＤＣ変換（例えば、整流器）、ＤＣ／ＤＣ変換、および／またはＡＣ／ＡＣ変換（例えば、ＡＣ／ＤＣコンバータと組み合わせて）を実施するようにも構成されることができる。いくつかの実施形態において、ＡＣ／ＡＣ変換を実施するため等、コンバータ２０２は、単独で、または１つ以上の電力半導体（例えば、スイッチ、ダイオード、サイリスタ等）と組み合わせて、変圧器を含むことができる。重量および費用が重要な因子であるそれら等の他の実施形態において、コンバータ２０２は、電力スイッチ、電力ダイオード、または他の半導体デバイスのみを用いて、変圧器なしに、変換を実施するように構成されることができる。
エネルギー源２０６は、好ましくは、直流を出力し、電動デバイスのためのエネルギー貯蔵用途のために好適なエネルギー密度を有することが可能であるロバストなエネルギー貯蔵デバイスである。燃料電池は、単一の燃料電池、直列または並列に接続される複数の燃料電池、または燃料電池モジュールであり得る。２つ以上のエネルギー源が、各モジュール内に含まれることができ、２つ以上の源は、同じまたは異なるタイプの２つのバッテリ、同じまたは異なるタイプの２つのコンデンサ、同じまたは異なるタイプの２つの燃料電池、１つ以上のコンデンサおよび／または燃料電池と組み合わせられた１つ以上のバッテリ、および１つ以上の燃料電池と組み合わせられた１つ以上のコンデンサを含むことができる。
エネルギー源２０６は、単一のバッテリ電池、またはバッテリモジュールまたはアレイにおいて一緒に接続される複数のバッテリ電池、またはそれらの任意の組み合わせ等の電気化学バッテリであり得る。図４Ａ－４Ｄは、単一のバッテリ電池４０２（図４Ａ）、４つの電池４０２の直列接続を伴うバッテリモジュール（図４Ｂ）、単一の電池４０２の並列接続を伴うバッテリモジュール（図４Ｃ）、および、各々が２つの電池４０２を有するレッグとの並列接続を伴うバッテリモジュール（図４Ｄ）として構成されるエネルギー源２０６の例示的実施形態を描写する概略図である。バッテリタイプの例は、本明細書の別の場所に説明される。
エネルギー源２０６はまた、ウルトラコンデンサまたはスーパーコンデンサ等の高エネルギー密度（ＨＥＤ）コンデンサであり得る。ＨＥＤコンデンサは、固体誘電タイプの典型的な電解コンデンサとは対照的に、二重層コンデンサ（静電電荷貯蔵装置）、擬似コンデンサ（電気化学的電荷貯蔵装置）、ハイブリッドコンデンサ（静電および電気化学）、またはその他として構成されることができる。ＨＥＤコンデンサは、より高い容量に加えて、電解コンデンサのものの１０～１００倍の（またはより高い）エネルギー密度を有することができる。例えば、ＨＥＤコンデンサは、１．０ワット時間／キログラム（Ｗｈ／ｋｇ）を上回る比エネルギー、１０～１００ファラド（Ｆ）を上回る静電容量を有することができる。図４Ａ－４Ｄに関して説明されるバッテリと同様、エネルギー源２０６は、単一のＨＥＤコンデンサ、またはアレイにおいて一緒に接続される（例えば、直列、並列、またはそれらの組み合わせ）複数のＨＥＤコンデンサとして構成されることができる。
エネルギー源２０６は、燃料電池でもあり得る。燃料電池の例は、陽子交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）、リン酸燃料電池（ＰＡＦＣ）、固体酸形燃料電池、アルカリ燃料電池、高温燃料電池、固体酸化物形燃料電池、溶融電解質燃料電池、およびその他を含む。図４Ａ－４Ｄに関して説明されるバッテリと同様、エネルギー源２０６は、単一の燃料電池、またはアレイにおいて一緒に接続される（例えば、直列、並列、またはそれらの組み合わせ）複数の燃料電池として構成されることができる。バッテリ、コンデンサ、および燃料電池の前述の例は、包括的リストを形成することを意図するものではなく、当業者は、本主題の範囲内に該当する他の変形も認識するであろう。
エネルギーバッファ２０４は、ＤＣ線またはリンク（例えば、下記に説明されるように、＋ＶＤＣＬおよび－ＶＤＣＬ）を横断する電流の変動を減衰またはフィルタリングし、ＤＣリンク電圧における安定性を維持することを補助することができる。これらの変動は、コンバータ２０２の切り替えまたは他の過渡によって引き起こされる比較的に低（例えば、キロヘルツ）または高（例えば、メガヘルツ）周波数変動または高調波であり得る。これらの変動は、源２０６またはコンバータ２０２のポートＩＯ３およびＩＯ４に通される代わりに、バッファ２０４によって吸収されることができる。
電力接続１１０は、モジュール１０８へ、それから、および、それを通してエネルギーまたは電力を移送するための接続である。モジュール１０８は、エネルギーをエネルギー源２０６から電力接続１１０に出力することができ、エネルギーは、システムの他のモジュールまたは負荷に移送されることができる。モジュール１０８はまた、エネルギーを他のモジュール１０８または充電源（ＤＣ充電器、単相充電器、多相充電器）から受け取ることができる。信号も、モジュール１０８に通され、エネルギー源２０６を避けることができる。エネルギーまたは電力のモジュール１０８の内外への経路指定は、ＬＣＤ１１４（またはシステム１０２の別のエンティティ）の制御下で、コンバータ２０２によって実施される。
図２Ａの実施形態において、ＬＣＤ１１４は、モジュール１０８と別個の（例えば、共有モジュール筐体内にない）コンポーネントとして実装され、通信経路１１６を経由して、コンバータ２０２に接続され、それと通信することが可能である。図２Ｂの実施形態において、ＬＣＤ１１４は、モジュール１０８のコンポーネントとして含まれ、内部通信経路１１８（例えば、共有バスまたは別々の接続）を経由して、コンバータ２０２に接続され、それと通信することが可能である。ＬＣＤ１１４は、経路１１６または１１８を介して、信号をエネルギーバッファ２０４および／またはエネルギー源２０６から受信すること、信号をそれらに伝送することも可能であり得る。
モジュール１０８は、モニタ回路網２０８を含むこともでき、モニタ回路網２０８は、ステータス情報を構成する（または例えば、ＬＣＤ１１４によって、ステータス情報を決定するために使用され得る）電圧、電流、温度、または他の動作パラメータ等、モジュール１０８および／またはそのコンポーネントの１つ以上の側面を監視（例えば、収集、感知、測定、および／または決定）するように構成される。ステータス情報の主要機能は、モジュール１０８の１つ以上のエネルギー源２０６の状態を説明し、システム１００内の他の源と比較して、エネルギー源を利用すべき量に関する決定を可能にすることであるが、他のコンポーネントの状態を説明するステータス情報（例えば、バッファ２０４内の電圧、温度、および／または障害の存在、コンバータ２０２内の温度および／または障害の存在、モジュール１０８内の別の場所の障害の存在等）も、利用決定において使用されることができる。モニタ回路網２０８は、そのような側面を監視するように構成される１つ以上のセンサ、シャント、除算器、障害検出器、クーロンカウンタ、コントローラ、または他のハードウェアおよび／またはソフトウェアを含むことができる。モニタ回路網２０８は、種々のコンポーネント２０２、２０４、および２０６と別個であり得るか、または、各コンポーネント２０２、２０４、および２０６（図２Ａ－２Ｂに示されるように）と統合されることができるか、または、それらの任意の組み合わせであり得る。いくつかの実施形態において、モニタ回路網２０８は、バッテリエネルギー源２０４のためのバッテリ管理システム（ＢＭＳ）の一部であるか、または、それと共有されることができる。２つ以上のタイプのステータス情報が追加の回路の必要性を伴わずに単一の回路またはデバイスを用いて監視されるので、または、そうでなければ、アルゴリズム的に決定され得るので、別々の回路網は、ステータス情報の各タイプを監視するために必要とされない。
ＬＣＤ１１４は、通信経路１１６、１１８を介して、モジュールコンポーネントについてのステータス情報（または未加工データ）を受信することができる。ＬＣＤ１１４は、経路１１６、１１８を介して、情報をモジュールコンポーネントに伝送することもできる。経路１１６および１１８は、診断、測定、保護、および制御信号線を含むことができる。伝送される情報は、１つ以上のモジュールコンポーネントのための制御信号であり得る。制御信号は、コンバータ２０２のためのスイッチ信号、および／またはステータス情報をモジュールコンポーネントから要求する１つ以上の信号であり得る。例えば、ＬＣＤ１１４は、直接、ステータス情報を要求することによって、または、ある場合、コンバータ２０２を特定の状態に設置するスイッチ信号と組み合わせて、ステータス情報が発生させられるようにする刺激（例えば、電圧）を印加することによって、経路１１６、１１８を介して、ステータス情報が伝送されるようにすることができる。
モジュール１０８の物理的構成またはレイアウトは、種々の形態をとることができる。いくつかの実施形態において、モジュール１０８は、その中に全てのモジュールコンポーネント、例えば、コンバータ２０２、バッファ２０４、および源２０６が、統合されたＬＣＤ１１４等の他の随意のコンポーネントとともに格納される共通筐体を含むことができる。他の実施形態において、種々のコンポーネントは、一緒に固定される別々の筐体内で分離されることができる。図２Ｃは、モジュール１０８の例示的実施形態を描写するブロック図であり、モジュール１０８は、モジュールのエネルギー源２０６とモニタ回路網等の付随の電子機器とを保持する第１の筐体２２０と、コンバータ２０２、エネルギーバッファ２０４、およびモニタ回路網等の他の付随の電子機器等のモジュール電子機器を保持する第２の筐体２２２と、モジュール１０８のためのＬＣＤ１１４を保持する第３の筐体２２４とを有する。種々のモジュールコンポーネント間の電気接続は、筐体２２０、２２２、２２４を通して進むことができ、他のモジュール１０８またはＭＣＤ１１２等の他のデバイスとの接続のために、筐体外部のいずれかの上で露出させられることができる。
システム１００のモジュール１０８は、互いに対して、用途の必要性および負荷の数に依存する種々の構成において、物理的に配置されることができる。例えば、システム１００がマイクログリッドのための電力を提供する定置型用途では、モジュール１０８は、１つ以上のラックまたは他のフレームワーク内に設置されることができる。そのような構成は、海洋船舶等のより大きい移動用途のためにも好適であり得る。代替として、モジュール１０８は、一緒に固定され、パックと称される共通筐体内に位置することができる。ラックまたはパックは、全てのモジュールにわたって共有されるそれ自体の専用冷却システムを有し得る。パック構成は、電気自動車等のより小さい移動用途のために有用である。システム１００は、１つ以上のラック（例えば、マイクログリッドへの並列供給のため）、または１つ以上のパック（例えば、車両の異なるモータに供給する）、またはそれらの組み合わせを用いて実装されることができる。図２Ｄは、９つのモジュール１０８が共通筐体２３０内で電気的および物理的に一緒に結合されるパックとして構成されるシステム１００の例示的実施形態を描写するブロック図である。
これらおよびさらなる構成の例は、２０２０年３月２７日に出願され、「Ｍｏｄｕｌｅ－Ｂａｓｅｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｃａｐａｂｌｅ ｏｆ Ｃａｓｃａｄｅｄ ａｎｄ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｅｄ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ， ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｔｈｅｒｅｔｏ」と題された国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０／２５３６６号（あらゆる目的のために、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる）に説明される。
図３Ａ－３Ｃは、種々の電気構成を有するモジュール１０８の例示的実施形態を描写するブロック図である。これらの実施形態は、モジュール１０８ごとに１つのＬＣＤ１１４を有し、ＬＣＤ１１４が、関連付けられたモジュール内に格納されるものとして説明されるが、本明細書に説明されるように、別様に構成されることもできる。図３Ａは、システム１００内のモジュール１０８Ａの第１の例示的構成を描写する。モジュール１０８Ａは、エネルギー源２０６と、エネルギーバッファ２０４と、コンバータ２０２Ａとを含む。各コンポーネントは、本明細書では、ＩＯポートと称される電力が入力され、および／または、電力が出力され得る電力接続ポート（例えば、端子、コネクタ）を有する。そのようなポートは、文脈に応じて、入力ポートまたは出力ポートとも称され得る。
エネルギー源２０６は、本明細書に説明されるエネルギー源タイプ（例えば、図４Ａ－４Ｄに関して説明されるようなバッテリ、ＨＥＤコンデンサ、燃料電池、またはその他）のうちのいずれかとして構成されることができる。エネルギー源２０６のポートＩＯ１およびＩＯ２は、それぞれ、エネルギーバッファ２０４のポートＩＯ１およびＩＯ２に接続されることができる。エネルギーバッファ２０４は、バッファ２０４に到着する高および低周波数エネルギー波動をコンバータ２０２を通してバッファまたはフィルタリングするように構成されることができ、それは、そうでなければ、モジュール１０８の性能を低下させ得る。バッファ２０４のためのトポロジおよびコンポーネントは、これらの高周波数電圧波動の最大許容可能振幅に適応するように選択される。エネルギーバッファ２０４のいくつかの（非包括的）例示的実施形態が、図５Ａ－５Ｃの概略図に描写される。図５Ａでは、バッファ２０４は、電解および／またはフィルムコンデンサＣＥＢであり、図５Ｂでは、バッファ２０４は、２つのインダクタＬＥＢ１およびＬＥＢ２と、２つの電解および／またはフィルムコンデンサＣＥＢ１およびＣＥＢ２とによって形成されるＺ－源ネットワーク７１０であり、図５Ｃでは、バッファ２０４は、２つのインダクタＬＥＢ１およびＬＥＢ２と、２つの電解および／またはフィルムコンデンサＣＥＢ１およびＣＥＢ２と、ダイオードＤＥＢとによって形成される準Ｚ－源ネットワーク７２０である。
エネルギーバッファ２０４のポートＩＯ３およびＩＯ４は、それぞれ、コンバータ２０２ＡのポートＩＯ１およびＩＯ２に接続されることができ、コンバータ２０２Ａは、本明細書に説明される電力コンバータタイプのうちのいずれかとして構成されることができる。図６Ａは、ＤＣ電圧をポートＩＯ１およびＩＯ２において受信し、パルスをポートＩＯ３およびＩＯ４において発生させるように切り替え得るＤＣ－ＡＣコンバータとして構成されるコンバータ２０２Ａの例示的実施形態を描写する概略図である。コンバータ２０２Ａは、複数のスイッチを含むことができ、ここでは、コンバータ２０２Ａは、フルブリッジ構成に配置される４つのスイッチＳ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６を含む。制御システム１０２またはＬＣＤ１１４は、各ゲートへの制御入力線１１８－３を経由して、独立して、各スイッチを制御することができる。
スイッチは、ここに示される金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、絶縁されたゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、または窒化ガリウム（ＧａＮ）トランジスタのような電力半導体等の任意の好適なスイッチタイプであり得る。半導体スイッチは、比較的に高切り替え周波数で動作し、それによって、コンバータ２０２が、所望される場合、パルス幅変調（ＰＷＭ）モードで動作され、比較的に短時間間隔内で制御コマンドに応答することを可能にすることができる。これは、過渡モードにおいて、出力電圧規制の高許容誤差および高速動的挙動を提供することができる。
本実施形態において、ＤＣ線電圧ＶＤＣＬが、ポートＩＯ１とＩＯ２との間でコンバータ２０２に印加されることができる。スイッチＳ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６の異なる組み合わせによって、ＶＤＣＬをポートＩＯ３およびＩＯ４に接続することによって、コンバータ２０２は、３つの異なる電圧出力、すなわち、＋ＶＤＣＬ、０、および－ＶＤＣＬをポートＩＯ３およびＩＯ４に発生させることができる。各スイッチに提供されるスイッチ信号は、スイッチがオン（閉）またはオフ（開）にされるかどうかを制御する。＋ＶＤＣＬを取得するために、スイッチＳ３およびＳ６は、オンにされながら、Ｓ４およびＳ５は、オフにされる一方、－ＶＤＣＬは、スイッチＳ４およびＳ５をオンにし、Ｓ３およびＳ６をオフにすることによって取得されることができる。出力電圧は、Ｓ３およびＳ５をオンにした状態で、Ｓ４およびＳ６をオフにすることによって、またはＳ４およびＳ６をオンにした状態で、Ｓ３およびＳ５をオフにすることによって、ゼロ（ほぼゼロを含む）または基準電圧に設定されることができる。これらの電圧は、電力接続１１０を介して、モジュール１０８から出力されることができる。コンバータ２０２のポートＩＯ３およびＩＯ４は、他のモジュール１０８からの出力電圧との使用のための出力電圧を発生させるように、電力接続１１０のモジュールＩＯポート１および２に（またはそれらから）接続されることができる。
本明細書に説明されるコンバータ２０２の実施形態のための制御またはスイッチ信号は、システム１００によってコンバータ２０２の出力電圧を発生させるために利用される制御技法に応じて、異なる方法で発生させられることができる。いくつかの実施形態において、制御技法は、空間ベクトルパルス幅変調（ＳＶＰＷＭ）または正弦波パルス幅変調（ＳＰＷＭ）またはその変形例等のＰＷＭ技法である。図８Ａは、コンバータ２０２の出力電圧波形８０２の例を描写する電圧対時間のグラフである。説明を容易にするために、本明細書における実施形態は、ＰＷＭ制御技法の文脈で説明されるであろうが、実施形態は、そのように限定されない。他の技法のクラスも、使用されることができる。１つの代替クラスは、ヒステリシスに基づき、その例は、国際公開第ＷＯ２０１８／２３１８１０Ａ１号、第ＷＯ２０１８／２３２４０３Ａ１号、および第ＷＯ２０１９／１８３５５３Ａ１号（あらゆる目的のために、参照することによって本明細書に組み込まれる）に説明されている。
各モジュール１０８は、複数のエネルギー源２０６（例えば、２つ、３つ、４つ、またはそれを上回る）とともに構成されることができる。モジュール１０８の各エネルギー源２０６は、モジュールの他の源２０６から独立して、電力を接続１１０に供給する（または電力を充電源から受け取る）ように制御可能（切り替え可能）であり得る。例えば、全ての源２０６は、同時に、電力を接続１１０に出力する（または充電される）ことができるか、または、源２０６のうちの１つ（または一部）のみが、任意の時点において、電力を供給する（または充電される）ことができる。いくつかの実施形態において、モジュールの源２０６は、それらの間でエネルギーを交換することができ、例えば、１つの源２０６が、別の源２０６を充電することができる。源２０６の各々は、本明細書に説明される任意のエネルギー源（例えば、バッテリ、ＨＥＤコンデンサ、燃料電池）として構成されることができる。源２０６の各々は、同じタイプ（例えば、各々が、バッテリであり得る）または異なるタイプであり得る（例えば、第１の源は、バッテリであり得、第２の源は、ＨＥＤコンデンサであり得るか、または、第１の源は、第１のタイプを有するバッテリ（例えば、ＮＭＣ）であり得、第２の源は、第２のタイプを有するバッテリ（例えば、ＬＦＰ）であり得る）。
図３Ｂは、一次エネルギー源２０６Ａと、二次エネルギー源２０６Ｂとを伴う二重エネルギー源構成におけるモジュール１０８Ｂの例示的実施形態を描写するブロック図である。一次源２０２ＡのポートＩＯ１およびＩＯ２は、エネルギーバッファ２０４のポートＩＯ１およびＩＯ２に接続されることができる。モジュール１０８Ｂは、追加のＩＯポートを有するコンバータ２０２Ｂを含む。バッファ２０４のポートＩＯ３およびＩＯ４は、それぞれ、コンバータ２０２ＢのポートＩＯ１およびＩＯ２に接続されることができる。二次源２０６ＢのポートＩＯ１およびＩＯ２は、それぞれ、コンバータ２０２ＢのポートＩＯ５およびＩＯ２に接続される（バッファ２０４のポートＩＯ４にも接続される）ことができる。
モジュール１０８Ｂのこの例示的実施形態において、一次エネルギー源２０２Ａは、システム１００の他のモジュール１０８とともに、負荷によって必要とされる平均電力を供給する。二次源２０２Ｂは、追加の電力を負荷電力ピークにおいて提供すること、または過剰電力を吸収することによって、または別様に、補助エネルギー源２０２の機能を果たすことができる。
述べられたように、一次源２０６Ａおよび二次源２０６Ｂの両方は、コンバータ２０２Ｂのスイッチ状態に応じて、同時に、または別個の時間に、利用されることができる。同時である場合、電解および／またはフィルムコンデンサ（ＣＥＳ）は、図４Ｅに描写されるように、源２０６Ｂと並列に設置され、源２０６Ｂのためのエネルギーバッファとしての機能を果たすことができるか、または、エネルギー源２０６Ｂは、図４Ｆに描写されるように、別のエネルギー源（例えば、バッテリまたは燃料電池）と並列に、ＨＥＤコンデンサを利用するように構成されることができる。
図６Ｂおよび６Ｃは、それぞれ、コンバータ２０２Ｂおよび２０２Ｃの例示的実施形態を描写する概略図である。コンバータ２０２Ｂは、スイッチ回路網部分６０１および６０２Ａを含む。部分６０１は、コンバータ２０２Ａと類似する様式において、フルブリッジとして構成されるスイッチＳ３－Ｓ６を含み、ＩＯ１およびＩＯ２をＩＯ３およびＩＯ４のいずれかに選択的に結合するように構成され、それによって、モジュール１０８Ｂの出力電圧を変化させる。部分６０２Ａは、ハーフブリッジとして構成され、ポートＩＯ１とＩＯ２との間に結合されるスイッチＳ１およびＳ２を含む。結合インダクタＬＣが、スイッチ部分６０２Ａが、（ブーストまたはバック）電圧（または逆に、電流）を調整し得る双方向性コンバータであるように、ポートＩＯ５と、スイッチＳ１とＳ２との間に存在するノード１との間に接続される。スイッチ部分６０２Ａは、事実上ゼロ電位であり得るポートＩＯ２に参照される＋ＶＤＣＬ２および０である２つの異なる電圧をノード１において発生させることができる。エネルギー源２０２Ｂから引き出される電流またはそれに入力される電流は、例えば、スイッチＳ１およびＳ２を整流するためのパルス幅変調技法またはヒステリシス制御方法を使用して、結合インダクタＬＣ上の電圧を調整することによって制御されることができる。他の技法も、使用されることができる。
コンバータ２０２Ｃは、スイッチ部分６０２Ｂが、ハーフブリッジとして構成され、ポートＩＯ５とＩＯ２との間に結合されるスイッチＳ１およびＳ２を含むので、２０２Ｂのそれと異なる。結合インダクタＬＣが、スイッチ部分６０２Ｂが電圧を調整するように構成されるように、ポートＩＯ１と、スイッチＳ１とＳ２との間に存在するノード１との間に接続される。
制御システム１０２またはＬＣＤ１１４は、独立して、各ゲートへの制御入力線１１８－３を介して、コンバータ２０２Ｂおよび２０２Ｃの各スイッチを制御することができる。これらの実施形態および図６Ａのそれでは、ＬＣＤ１１４（ＭＣＤ１１２ではなく）が、コンバータスイッチのための切り替え信号を発生させる。代替として、ＭＣＤ１１２も、切り替え信号を発生させることができ、それは、直接、スイッチに通信されるか、または、ＬＣＤ１１４によって中継されることができる。
モジュール１０８が３つ以上のエネルギー源２０６を含む実施形態において、コンバータ２０２Ｂおよび２０２Ｃは、各追加のエネルギー源２０６Ｂが、特定の源の必要性に応じて、追加のスイッチ回路網部分６０２Ａまたは６０２Ｂにつながる追加のＩＯポートに結合されるように、適宜、スケーリングされることができる。例えば、二重源コンバータ２０２は、スイッチ部分２０２Ａおよび２０２Ｂの両方を含むことができる。
複数のエネルギー源２０６を伴うモジュール１０８は、源２０６間のエネルギー共有、用途内からのエネルギー捕捉（例えば、回生制動）、全体的システムが放電状態にある間でも、二次源による一次源の充電、およびモジュール出力の能動フィルタリング等の追加の機能を実施することが可能である。能動フィルタリング機能は、二次エネルギー源の代わりに、典型的な電解コンデンサを有するモジュールによって実施されることもできる。これらの機能の例は、２０２０年３月２７日に出願され、「Ｍｏｄｕｌｅ－Ｂａｓｅｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｃａｐａｂｌｅ ｏｆ Ｃａｓｃａｄｅｄ ａｎｄ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｅｄ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ， ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｔｈｅｒｅｔｏ」と題された国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０／２５３６６号、および２０１９年３月２２日に出願され、「Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ」と題された国際公開第ＷＯ２０１９／１８３５５３号（その両方は、あらゆる目的のために、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる）により詳細に説明されている。
各モジュール１０８は、その１つ以上のエネルギー源２０６を用いて、１つ以上の補助負荷に供給するように構成されることができる。補助負荷は、一次負荷１０１より低い電圧を要求する負荷である。補助負荷の例は、例えば、電気自動車の車載電気ネットワークまたは電気自動車のＨＶＡＣシステムであり得る。システム１００の負荷は、例えば、電気自動車モータまたは配電網の位相のうちの１つであり得る。本実施形態は、エネルギー源の電気特性（端子電圧および電流）と負荷の電気特性との間の完全な分断を可能にすることができる。
図３Ｃは、電力を第１の補助負荷３０１および第２の補助負荷３０２に供給するように構成されるモジュール１０８Ｃの例示的実施形態を描写するブロック図であり、モジュール１０８Ｃは、図３Ｂのそれに類似する様式で一緒に結合されたエネルギー源２０６と、エネルギーバッファ２０４と、コンバータ２０２Ｂとを含む。第１の補助負荷３０１は、源２０６から供給されるそれと同等の電圧を要求する。負荷３０１は、モジュール１０８ＣのＩＯポート３および４に結合され、それらは、順に、源２０６のポートＩＯ１およびＩＯ２に結合される。源２０６は、電力を電力接続１１０および負荷３０１の両方に出力することができる。第２の補助負荷３０２は、源２０６のそれより低い、定電圧を要求する。負荷３０２は、モジュール１０８ＣのＩＯポート５および６に結合され、それらは、それぞれ、コンバータ２０２ＢのポートＩＯ５およびＩＯ２に結合される。コンバータ２０２Ｂは、ポートＩＯ５（図６Ｂ）に結合される結合インダクタＬＣを有するスイッチ部分６０２を含むことができる。源２０６によって供給されるエネルギーは、コンバータ２０２Ｂのスイッチ部分６０２を通して、負荷３０２に供給されることができる。負荷３０２は、入力コンデンサを有し（コンデンサは、該当しない場合、モジュール１０８Ｃに追加されることができる）、したがって、スイッチＳ１およびＳ２は、結合インダクタＬＣ上の電圧およびそれを通した電流を調整するように整流され、したがって、負荷３０２のための安定した定電圧を生産し得ると仮定される。この調整は、源２０６の電圧を負荷３０２によって要求されるより低い大きさの電圧に下げることができる。
モジュール１０８Ｃは、したがって、１つ以上の第１の負荷がＩＯポート３および４に結合された状態で、負荷３０１に関して説明される様式において、１つ以上の第１の補助負荷に供給するように構成されることができる。モジュール１０８Ｃは、負荷３０２に関して説明される様式において、１つ以上の第２の補助負荷に供給するように構成されることもできる。複数の第２の補助負荷３０２が、存在する場合、各追加の負荷３０２に関して、モジュール１０８Ｃは、追加の専用モジュール出力ポート（５および６のように）、追加の専用スイッチ部分６０２、および追加の部分６０２に結合される追加のコンバータＩＯポートを伴って、スケーリングされることができる。
エネルギー源２０６は、したがって、任意の数の補助負荷（例えば、３０１および３０２）および一次負荷１０１によって必要とされるシステム出力電力の対応する部分のために電力を供給することができる。源２０６から種々の負荷への電力流は、所望に応じて調節されることができる。
モジュール１０８は、必要に応じて、２つ以上のエネルギー源２０６（図３Ｂ）で構成され、各追加の源２０６Ｂまたは第２の補助負荷３０２に関して、スイッチ部分６０２およびコンバータポートＩＯ５の追加を通して、第１および／または第２の補助負荷（図３Ｃ）に供給するように構成されることができる。追加のモジュールＩＯポート（例えば、３、４、５、６）が、必要に応じて追加されることができる。モジュール１０８は、相互接続モジュールとしても構成され、本明細書にさらに説明されるような２つ以上のアレイ、２つ以上のパック、または２つ以上のシステム１００間でエネルギーを交換することができる（例えば、平衡のために）。この相互接続機能性は、同様に、複数の源および／または複数の補助負荷供給能力と組み合わせられることができる。
制御システム１０２は、モジュール１０８Ａ、１０８Ｂ、および１０８Ｃのコンポーネントに関する種々の機能を実施することができる。これらの機能は、各エネルギー源２０６の利用（使用の量）の管理、エネルギーバッファ２０４の過電流、過電圧、および高温条件からの保護、およびコンバータ２０２の制御および保護を含むことができる。
例えば、各エネルギー源２０６の利用を管理する（例えば、増加、減少、または維持させることによって、調節する）ために、ＬＣＤ１１４は、１つ以上の監視電圧、温度、および電流を各エネルギー源２０６（またはモニタ回路網）から受信することができる。監視電圧は、源２０６の他のコンポーネント（例えば、各個々のバッテリ電池、ＨＥＤコンデンサ、および／または燃料電池）から独立した各基本的コンポーネントの電圧、または基本的コンポーネントの群の全体としての電圧（例えば、バッテリアレイ、ＨＥＤコンデンサアレイ、および／または燃料電池アレイの電圧）のうちの少なくとも１つ、好ましくは、全てであり得る。同様に、監視温度および電流は、源２０６の他のコンポーネントから独立した各基本的コンポーネントの温度および電流、または基本的コンポーネントの群の全体としての温度および電流、またはそれらの任意の組み合わせのうちの少なくとも１つ、好ましくは、全てであり得る。監視信号は、ステータス情報であり得、ＬＣＤ１１４は、それを用いて以下のうちの１つ以上を実施し得る：基本的コンポーネントまたは基本的コンポーネントの群の実際の容量、実際の充電状態（ＳＯＣ）、および／または健全性の状態（ＳＯＨ）の計算または決定；監視および／または計算されたステータス情報に基づく、警告またはアラーム指示の設定または出力；および／または、ＭＣＤ１１２へのステータス情報の伝送。ＬＣＤ１１４は、制御情報（例えば、変調指数、同期信号）をＭＣＤ１１２から受信し、この制御情報を使用して、源２０６の利用を管理するコンバータ２０２のためのスイッチ信号を発生させることができる。
エネルギーバッファ２０４を保護するために、ＬＣＤ１１４は、１つ以上の監視電圧、温度、および電流をエネルギーバッファ２０４（またはモニタ回路網）から受信することができる。監視電圧は、他のコンポーネントから独立したバッファ２０４の各基本的コンポーネント（例えば、ＣＥＢ、ＣＥＢ１、ＣＥＢ２、ＬＥＢ１、ＬＥＢ２、ＤＥＢ）の電圧、またはバッファ２０４の基本的コンポーネントの群の全体として（例えば、ＩＯ１とＩＯ２との間またはＩＯ３とＩＯ４との間）の電圧のうちの少なくとも１つ、好ましくは、全てであり得る。同様に、監視温度および電流は、他のコンポーネントから独立したバッファ２０４の各基本的コンポーネントの温度および電流、またはバッファ２０４の基本的コンポーネントの群の全体としての温度および電流、またはそれらの任意の組み合わせのうちの少なくとも１つ、好ましくは、全てであり得る。監視信号は、ステータス情報であり得、ＬＣＤ１１４は、それを用いて以下のうちの１つ以上を実施する：警告またはアラーム指示の設定または出力；ＭＣＤ１１２へのステータス情報の通信；または、制御コンバータ２０２が、バッファ保護のために源２０６およびモジュール１０８の全体としての利用を調節（増加または減少）し得る。
コンバータ２０２を制御および保護するために、ＬＣＤ１１４は、制御情報（例えば、変調基準信号、または基準信号および変調指数）をＭＣＤ１１２から受信することができ、制御情報は、ＰＷＭ技法を用いて、ＬＣＤ１１４内で使用され、各スイッチ（例えば、Ｓ１－Ｓ６）のための制御信号を発生させることができる。ＬＣＤ１１４は、電流フィードバック信号をコンバータ２０２の電流センサから受信することができ、フィードバック信号は、コンバータスイッチのドライバ回路（図示せず）からの１つ以上の障害ステータス信号とともに、過電流保護のために使用されることができ、障害ステータス信号は、コンバータ２０２の全てのスイッチの障害ステータス（例えば、短絡回路または開回路故障モード）についての情報を搬送し得る。このデータに基づいて、ＬＣＤ１１４は、モジュール１０８の利用を管理し、潜在的に、システム１００からコンバータ２０２（およびモジュール１０８全体）をバイパスまたは接続解除するために印加されるべき切り替え信号の組み合わせに関する決定を行うことができる。
第２の補助負荷３０２に供給するモジュール１０８Ｃを制御する場合、ＬＣＤ１１４は、モジュール１０８Ｃ内の１つ以上の監視電圧（例えば、ＩＯポート５と６との間の電圧）と、１つ以上の監視される電流（例えば、負荷３０２の電流である結合インダクタＬＣ内の電流）とを受信することができる。これらの信号に基づいて、ＬＣＤ１１４は、Ｓ１およびＳ２の切り替えサイクルを調節し、負荷３０２のための電圧を制御する（および安定化させる）ことができる（例えば、変調指数または基準波形の調節によって）。
（カスケード式エネルギーシステムトポロジの例）
（カスケード式エネルギーシステムトポロジの例）
２つ以上のモジュール１０８が、カスケード式アレイにおいて一緒に結合されることができ、カスケード式アレイは、アレイ内の各モジュール１０８によって発生させられる別々の電圧の重ね合わせによって形成される電圧信号を出力する。図７Ａは、システム１００のためのトポロジの例示的実施形態を描写するブロック図であり、Ｎ個のモジュール１０８－１、１０８－２・・・１０８－Ｎが、直列に一緒に結合され、直列アレイ７００を形成する。本明細書に説明されるこの実施形態および全ての実施形態において、Ｎは、２以上の任意の整数であり得る。アレイ７００は、第１のシステムＩＯポートＳＩＯ１と、第２のシステムＩＯポートＳＩＯ２とを含み、それを横断して、アレイ出力電圧が、発生させられる。アレイ７００は、アレイ７００のＳＩＯ１およびＳＩＯ２に接続され得るＤＣまたはＡＣ単相負荷のためのＤＣまたは単相ＡＣエネルギー源として使用されることができる。図８Ａは、４８ボルトエネルギー源を有する単一のモジュール１０８によって生産される例示的出力信号８０１を描写する電圧対時間のプロットである。図８Ｂは、直列に結合される６つの４８Ｖモジュール１０８を有するアレイ７００によって発生させられる例示的単相ＡＣ出力信号８０２を描写する電圧対時間のプロットである。
システム１００は、多種多様な異なるトポロジに配置され、用途の様々な必要性を満たすことができる。システム１００は、複数のアレイ７００の使用によって、多相電力（例えば、２相、３相、４相、５相、６相等）を負荷に提供することができ、各アレイは、異なる位相角度を有するＡＣ出力信号を発生させることができる。
図７Ｂは、一緒に結合される２つのアレイ７００－ＰＡおよび７００－ＰＢを伴うシステム１００を描写するブロック図である。各アレイ７００は、１次元であり、Ｎ個のモジュール１０８の直列接続によって形成される。２つのアレイ７００－ＰＡおよび７００－ＰＢの各々は、単相ＡＣ信号を発生させることができ、２つのＡＣ信号は、異なる位相角度ＰＡおよびＰＢを有する（例えば、１８０度離れている）。各アレイ７００－ＰＡおよび７００－ＰＢのモジュール１０８－１のＩＯポート１は、それぞれ、システムＩＯポートＳＩＯ１およびＳＩＯ２を形成する、またはそれに接続されることができ、システムＩＯポートＳＩＯ１およびＳＩＯ２は、次に、２つの位相電力を負荷（図示せず）に提供し得る各アレイの第１の出力としての役割を果たすことができる。または、代替として、ポートＳＩＯ１およびＳＩＯ２は、単相電力を２つの並列アレイから提供するように接続されることができる。各アレイ７００－ＰＡおよび７００－ＰＢのモジュール１０８－ＮのＩＯポート２は、システムＩＯポートＳＩＯ１およびＳＩＯ２のアレイと反対端において、各アレイ７００－ＰＡおよび７００－ＰＢのための第２の出力としての役割を果たすことができ、各アレイ７００－ＰＡおよび７００－ＰＢのモジュール１０８－ＮのＩＯポート２は、共通ノードにおいて、一緒に結合され、随意に、所望される場合、追加のシステムＩＯポートＳＩＯ３のために使用されることができ、それは、中立としての役割を果たすことができる。この共通ノードは、レールと称され得、各アレイ７００のモジュール１０８－ＮのＩＯポート２は、アレイのレール側にあると称され得る。
図７Ｃは、一緒に結合される３つのアレイ７００－ＰＡ、７００－ＰＢ、および７００－ＰＣを伴うシステム１００を描写するブロック図である。各アレイ７００は、１次元であって、Ｎ個のモジュール１０８の直列接続によって形成される。３つのアレイ７００－１および７００－２の各々は、単相ＡＣ信号を発生させることができ、３つのＡＣ信号は、異なる位相角度ＰＡ、ＰＢ、ＰＣを有する（例えば、１２０度離れている）。各アレイ７００－ＰＡ、７００－ＰＢ、および７００－ＰＣのモジュール１０８－１のＩＯポート１は、それぞれ、システムＩＯポートＳＩＯ１、ＳＩＯ２、およびＳＩＯ３を形成するか、または、それらに接続されることができ、システムＩＯポートＳＩＯ１、ＳＩＯ２、およびＳＩＯ３は、次に、３相電力を負荷（図示せず）に提供することができる。各アレイ７００－ＰＡ、７００－ＰＢ、および７００－ＰＣのモジュール１０８－ＮのＩＯポート２は、共通ノードにおいて、一緒に結合されることができ、随意に、所望される場合、追加のシステムＩＯポートＳＩＯ４のために使用されることができ、それは、中立としての役割を果たすことができる。
図７Ｂおよび７Ｃの２相および３相実施形態に関して説明される概念は、さらにより多くの位相の電力を発生させる、システム１００に拡張されることができる。例えば、追加の例の非包括的リストは、それらの各々が異なる位相角度を有する（例えば、９０度離れている）単相ＡＣ信号を発生させるように構成される４つのアレイ７００を有するシステム１００、それらの各々が異なる位相角度を有する（例えば、７２度離れている）単相ＡＣ信号を発生させるように構成される５つのアレイ７００を有するシステム１００、および、各アレイが異なる位相角度を有する（例えば、６０度離れている）単相ＡＣ信号を発生させるように構成される６つのアレイ７００を有するシステム１００を含む。
システム１００は、アレイ７００が、各アレイ内のモジュール１０８間の電気ノードにおいて相互接続されるように構成されることができる。図７Ｄは、組み合わせられた直列およびデルタ配置において一緒に結合される３つのアレイ７００－ＰＡ、７００－ＰＢ、および７００－ＰＣを伴うシステム１００を描写するブロック図である。各アレイ７００は、Ｍ個のモジュール１０８の第１の直列接続を含み（Ｍは、２またはそれを上回る）、第１の直列接続は、Ｎ個のモジュール１０８の第２の直列接続と結合されている（Ｎは、２またはそれを上回る）。デルタ構成は、アレイ間の相互接続によって形成され、相互接続は、任意の所望の場所に設置されることができる。本実施形態において、アレイ７００－ＰＣのモジュール１０８－（Ｍ＋Ｎ）のＩＯポート２は、アレイ７００－ＰＡのモジュール１０８－ＭのＩＯポート２およびモジュール１０８－（Ｍ＋１）のＩＯポート１と結合され、アレイ７００－ＰＢのモジュール１０８－（Ｍ＋Ｎ）のＩＯポート２は、アレイ７００－ＰＣのモジュール１０８－ＭのＩＯポート２およびモジュール１０８－（Ｍ＋１）のＩＯポート１と結合され、アレイ７００－ＰＡのモジュール１０８－（Ｍ＋Ｎ）のＩＯポート２は、アレイ７００－ＰＢのモジュール１０８－ＭのＩＯポート２およびモジュール１０８－（Ｍ＋１）のＩＯポート１と結合される。
図７Ｅは、組み合わせられた直列およびデルタ配置において一緒に結合される３つのアレイ７００－ＰＡ、７００－ＰＢ、および７００－ＰＣを伴うシステム１００を描写するブロック図である。本実施形態は、図７Ｄのそれに類似するが、異なる交差接続を伴う。本実施形態において、アレイ７００－ＰＣのモジュール１０８－ＭのＩＯポート２は、アレイ７００－ＰＡのモジュール１０８－１のＩＯポート１と結合され、アレイ７００－ＰＢのモジュール１０８－ＭのＩＯポート２は、アレイ７００－ＰＣのモジュール１０８－１のＩＯポート１と結合され、アレイ７００－ＰＡのモジュール１０８－ＭのＩＯポート２は、アレイ７００－ＰＢのモジュール１０８－１のＩＯポート１と結合される。図７Ｄおよび７Ｅの配置は、各アレイ７００内に２つ程度の少ないモジュールを伴って実装されることができる。組み合わせられたデルタおよび直列の構成は、システムの全てのモジュール１０８間のエネルギーの効果的交換（相間平衡）と送電網または負荷の位相の効果的交換とを可能にし、アレイ７００内のモジュール１０８の総数を低減させ、所望の出力電圧を取得することも可能にする。
本明細書に説明される実施形態において、モジュール１０８の数は、システム１００内の各アレイ７００で同じであることが有利であるが、それは、要求されず、異なるアレイ７００は、異なる数のモジュール１０８を有することができる。さらに、各アレイ７００は、全て同じ構成（例えば、全てのモジュールが、１０８Ａである、全てのモジュールが、１０８Ｂである、全てのモジュールが、１０８Ｃである、またはその他）または異なる構成（例えば、１つ以上のモジュールが、１０８Ａである、１つ以上のモジュールが、１０８Ｂである、１つ以上のモジュールが、１０８Ｃである、またはその他）であるモジュール１０８を有することができる。したがって、本明細書で包含されるシステム１００のトポロジの範囲は、広範である。
（制御方法論の例示的実施形態）
（制御方法論の例示的実施形態）
述べられたように、システム１００の制御は、ヒステリシスまたはＰＷＭ等の種々の方法論に従って実施されることができる。ＰＷＭのいくつかの例は、空間ベクトル変調および正弦パルス幅変調を含み、コンバータ２０２のための切り替え信号は、各モジュール１０８の利用を連続的に回転させ、電力をそれらの間で等しく分配する位相シフトキャリア技法を用いて発生させられる。
図８Ｃ－８Ｆは、増加的にシフトされる２レベル波形を使用して、マルチレベル出力ＰＷＭ波形を発生させ得る位相シフトＰＷＭ制御方法論の例示的実施形態を描写するプロットである。ＸレベルＰＷＭ波形が、（Ｘ－１）／２の２レベルＰＷＭ波形の合計によって生成されることができる。これらの２レベル波形は、基準波形Ｖｒｅｆと３６０°／（Ｘ－１）ずつ増加的にシフトされたキャリアと比較することによって、発生させられることができる。キャリアは、三角形であるが、実施形態は、そのように限定されない。９レベル例が、図８Ｃに示される（４つのモジュール１０８を使用して）。キャリアは、３６０°／（９－１）＝４５°ずつ増加的にシフトされ、Ｖｒｅｆと比較される。結果として生じる２レベルＰＷＭ波形は、図８Ｅに示される。これらの２レベル波形は、コンバータ２０２の半導体スイッチ（例えば、Ｓ１－Ｓ６）のための切り替え信号として使用され得る。例として、図８Ｅを参照すると、それぞれ、コンバータ２０２を伴う４つのモジュール１０８を含む、１次元アレイ７００に関して、０°信号は、第１のモジュール１０８－１のＳ３の制御のためのものであり、１８０°信号は、第１のモジュール１０８－１のＳ６のためのものであり、４５°信号は、第２のモジュール１０８－２のＳ３のためのものであり、２２５°信号は、第２のモジュール１０８－２のＳ６のためのものであり、９０°信号は、第３のモジュール１０８－３のＳ３のためのものであり、２７０°信号は、第３のモジュール１０８－３のＳ６のものであり、１３５°信号は、第４のモジュール１０８－４のＳ３のためのものであり、３１５°信号は、第４のモジュール１０８－４のＳ６のためのものである。Ｓ３のための信号は、各ハーフブリッジのシュートスルーを回避するために、十分な不感時間を伴って、Ｓ４に相補的であり、Ｓ５のための信号は、Ｓ６に相補的である。図８Ｆは、４つのモジュール１０８からの出力電圧の重ね合わせ（合計）によって生産される例示的単相ＡＣ波形を描写する。
代替は、第１の（Ｎ－１）／２のキャリアとともに、正および負の基準信号の両方を利用することである。９レベル例が、図８Ｄに示される。この例では、０°～１３５°切り替え信号（図８Ｅ）が、＋Ｖｒｅｆと図８Ｄの０°～１３５°キャリアを比較することによって発生させられ、１８０°～３１５°切り替え信号が、－Ｖｒｅｆと図８Ｄの０°～１３５°キャリアを比較することによって発生させられる。しかしながら、後者の場合の比較の論理は、逆にされる。状態マシンデコーダ等の他の技法も、コンバータ２０２のスイッチのためのゲート信号を発生させるために使用され得る。
多相システム実施形態において、同じキャリアが、各位相のために使用されることができるか、または、キャリアの組が、各位相のために全体としてシフトされることができる。例えば、単一基準電圧（Ｖｒｅｆ）を伴う３相システムでは、各アレイ７００は、図８Ｃおよび８Ｄに示されるものと同じ相対的オフセットを伴う同数のキャリアを使用することができるが、第２の位相のキャリアは、第１相のキャリアと比較して、１２０度シフトされ、第３の位相のキャリアは、第１相のキャリアと比較して、２４０度シフトされる。異なる基準電圧が、各位相のために利用可能である場合、位相情報は、基準電圧内で搬送されることができ、同じキャリアが、各位相のために使用されることができる。多くの場合、キャリア周波数は、固定されるであろうが、いくつかの例示的実施形態において、キャリア周波数は、調節されることができ、それは、高電流条件下でのＥＶモータにおける損失を低減させることに役立つことができる。
適切な切り替え信号が、制御システム１０２によって、各モジュールに提供されることができる。例えば、ＭＣＤ１１２は、ＬＣＤ１１４が制御するモジュールまたは複数のモジュール１０８に応じて、Ｖｒｅｆおよび適切なキャリア信号を各ＬＣＤ１１４に提供することができ、ＬＣＤ１１４は、次いで、切り替え信号を発生させることができる。または、アレイ内の全てのＬＣＤ１１４は、全てのキャリア信号を提供されることができ、ＬＣＤは、適切なキャリア信号を選択することができる。
各モジュール１０８の相対的利用は、本明細書に説明されるように、ステータス情報に基づいて調節され、１つ以上のパラメータの平衡を実施することができる。パラメータの平衡は、利用を調節し、個々のモジュール利用調節が実施されないシステムと比較して、パラメータ発散を経時的に最小化することを伴うことができる。利用は、システム１００が放電状態にあるとき、モジュール１０８が放電している相対的時間量、またはシステム１００が充電状態にあるときのモジュール１０８が充電している相対的時間量であり得る。
本明細書に説明されるように、モジュール１０８は、アレイ７００内の他のモジュールに対して平衡を保たせられることができ、それは、アレイ内または相内平衡と称され得、異なるアレイ７００も、互いに対して平衡を保たせられることができ、それは、アレイ間または相間平衡と称され得る。異なるサブシステムのアレイ７００も、互いに対して平衡を保たせられることができる。制御システム１０２は、同時に、相内平衡、相間平衡、モジュール内の複数のエネルギー源の利用、能動フィルタリング、および補助負荷供給の任意の組み合わせを実施することができる。
図９Ａは、単相ＡＣまたはＤＣアレイのための制御システム１０２のアレイコントローラ９００の例示的実施形態を描写するブロック図である。アレイコントローラ９００は、ピーク検出器９０２と、除算器９０４と、相内（またはアレイ内）平衡コントローラ９０６とを含むことができる。アレイコントローラ９００は、アレイ内のＮ個のモジュール１０８の各々についての基準電圧波形（Ｖｒ）およびステータス情報（例えば、充電状態（ＳＯＣｉ）、温度（Ｔｉ）、容量（Ｑｉ）、および電圧（Ｖｉ））を入力として受信し、正規化された基準電圧波形（Ｖｒｎ）および変調指数（Ｍｉ）を出力として発生させることができる。ピーク検出器９０２は、Ｖｒのピーク（Ｖｐｋ）を検出し、Ｖｐｋは、コントローラ９００が動作しているおよび／または平衡を保っている位相に特有であり得る。除算器９０４は、Ｖｒをその検出されたＶｐｋで除算することによって、Ｖｒｎを発生させる。相内平衡コントローラ９０６は、Ｖｐｋをステータス情報（例えば、ＳＯＣｉ、Ｔｉ、Ｑｉ、Ｖｉ等）とともに使用し、制御されているアレイ７００内の各モジュール１０８に関して、変調指数Ｍｉを発生させる。
変調指数およびＶｒｎは、各コンバータ２０２に関する切り替え信号を発生させるために使用されることができる。変調指数は、ゼロ～１（ゼロおよび１を含む）の数であり得る。特定のモジュール１０８に関して、正規化された基準Ｖｒｎが、Ｍｉによって変調またはスケーリングされることができ、この変調基準信号（Ｖｒｎｍ）は、図８Ｃ－８Ｆに関して説明されるＰＷＭ技法に従って、または他の技法に従って、Ｖｒｅｆ（または－Ｖｒｅｆ）として使用されることができる。このように、変調指数は、コンバータ切り替え回路網（例えば、Ｓ３－Ｓ６またはＳ１－Ｓ６）に提供されるＰＷＭ切り替え信号を制御し、したがって、各モジュール１０８の動作を調整するために使用されることができる。例えば、通常または完全動作を維持するために制御されているモジュール１０８は、１のＭｉを受信し得る一方、通常または完全未満の動作に制御されているモジュール１０８は、１未満のＭｉを受信し得、電力出力を停止するように制御されるモジュール１０８は、ゼロのＭｉを受信し得る。この動作は、制御システム１０２によって、種々の方法において実施されることができる（ＭＣＤ１１２が変調およびスイッチ信号発生のためにＶｒｎおよびＭｉを適切なＬＣＤ１１４に出力することによって、ＭＣＤ１１２がスイッチ信号発生のために変調を実施し、変調Ｖｒｎｍを適切なＬＣＤ１１４に出力することによって、または、ＭＣＤ１１２が変調およびスイッチ信号発生を実施し、スイッチ信号を各モジュール１０８のＬＣＤまたはコンバータ２０２に直接出力することによって等）。Ｖｒｎは、Ｖｒｎの周期毎に１回または１分あたり１回等、規則的間隔において送信されるＭｉとともに、連続的に送信されることができる。
コントローラ９０６は、本明細書に説明される任意のタイプまたはタイプの組み合わせのステータス情報（例えば、ＳＯＣ、温度（Ｔ）、Ｑ、ＳＯＨ、電圧、電流）を使用して、各モジュール１０８に関するＭｉを発生させることができる。例えば、ＳＯＣおよびＴを使用するとき、モジュール１０８は、アレイ７００内の他のモジュール１０８と比較して、ＳＯＣが比較的に高く、温度が比較的に低い場合、比較的に高いＭｉを有することができる。ＳＯＣが、比較的に低い場合、または、Ｔが比較的に高い場合、そのモジュール１０８は、比較的に低いＭｉを有し、アレイ７００内の他のモジュール１０８より少ない利用をもたらすことができる。コントローラ９０６は、モジュール電圧の合計がＶｐｋを超えないように、Ｍｉを決定することができる。例えば、Ｖｐｋは、各モジュールの源２０６の電圧とそのモジュールに関するＭｉとの積の合計（例えば、Ｖｐｋ＝Ｍ１Ｖ１＋Ｍ２Ｖ２＋Ｍ３Ｖ３・・・＋ＭＮＶＮ等）であり得る。変調指数の異なる組み合わせ、したがって、モジュールによるそれぞれの電圧寄与が、使用され得るが、総発生電圧は、同じままであるべきである。
コントローラ９００は、それがシステムの電力出力要件を達成することを妨げない限りにおいて、任意の時点（例えば、ＥＶの最大加速中等）、において動作を制御することができ、それによって、各モジュール１０８内のエネルギー源のＳＯＣは、平衡を保たせられたままであるか、または、それらが不平衡である場合、平衡条件に収束し、および／または、各モジュール内のエネルギー源または他のコンポーネント（例えば、エネルギーバッファ）の温度は、平衡を保たせられたままであるか、または、それらが不平衡である場合、平衡条件に収束する。モジュール内外への電力流は、源間の容量差がＳＯＣ偏差を引き起こさないように、調整されることができる。ＳＯＣおよび温度の平衡は、ＳＯＨのある程度の平衡を間接的に引き起こし得る。電圧および電流は、所望される場合、直接平衡を保たれることができるが、多くの実施形態において、システムの主要目標は、ＳＯＣおよび温度の平衡を保つことであり、ＳＯＣの平衡は、高度に対称のシステム（モジュールが、類似した容量およびインピーダンスである）内の電圧および電流の平衡につながることができる。
全てのパラメータの平衡を保つことが、同時に可能ではないこともある（例えば、１つのパラメータの平衡が、別のパラメータの平衡をさらに失わせ得る）ので、いずれか２つ以上のパラメータ（ＳＯＣ、Ｔ、Ｑ、ＳＯＨ、Ｖ、Ｉ）の平衡を保つことの組み合わせが、用途の要件に応じて、いずれか１つに与えられる優先順位を伴って適用され得る。平衡における優先順位は、他のパラメータ（Ｔ、Ｑ、ＳＯＨ、Ｖ、Ｉ）と比べてＳＯＣに与えられることができ、他のパラメータのうちの１つ（Ｔ、Ｑ、ＳＯＨ、Ｖ、Ｉ）が閾値外の深刻な不平衡条件に到達する場合、例外が認められる。
異なる位相のアレイ７００（または、例えば、並列アレイが使用される場合、同じ位相のアレイ）間の平衡は、相内平衡と同時に実施されることができる。図９Ｂは、少なくともΩ個のアレイ７００を有するΩ相システム１００内の動作のために構成されるΩ相（またはΩアレイ）コントローラ９５０の例示的実施形態を描写し、Ωは、２以上の任意の整数である。コントローラ９５０は、１つの相間（またはアレイ間）コントローラ９１０と、位相ＰＡ～ＰΩのためのΩ個の相内平衡コントローラ９０６－ＰＡ・・・９０６－ＰΩと、正規化された基準ＶｒｎＰＡ～ＶｒｎＰΩを各位相特有の基準ＶｒＰＡ～ＶｒＰΩから発生させるためのピーク検出器９０２および除算器９０４（図９Ａ）とを含むことができる。相内コントローラ９０６は、図９Ａに関して説明されるように、各アレイ７００の各モジュール１０８のためのＭｉを発生させることができる。相間平衡コントローラ９１０は、多次元システム全体を横断して、例えば、異なる位相のアレイ間のモジュール１０８の側面の平衡を保たせるように構成またはプログラムされる。これは、コモンモードを位相に注入すること（例えば、中立点シフト）を通して、または相互接続モジュール（本明細書に説明される）の使用を通して、または両方を通して、達成され得る。コモンモード注入は、位相および振幅シフトを基準信号ＶｒＰＡ～ＶｒＰΩに導入し、正規化された波形ＶｒｎＰＡ～ＶｒｎＰΩを発生させ、１つ以上のアレイ内の非平衡を補償することを伴い、本明細書に組み込まれる国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０／２５３６６号にさらに説明されている。
コントローラ９００および９５０（および平衡コントローラ９０６および９１０）は、制御システム１０２内で、ハードウェア、ソフトウェア、またはそれらの組み合わせで実装されることができる。コントローラ９００および９５０は、ＭＣＤ１１２内に実装される部分的または完全に、ＬＣＤ１１４間に分散させられることができるか、または、ＭＣＤ１１２およびＬＣＤ１１４から独立して、別々のコントローラとして実装され得る。
（相互接続（ＩＣ）モジュールの例示的実施形態）
（相互接続（ＩＣ）モジュールの例示的実施形態）
モジュール１０８は、アレイ間でエネルギーを交換する目的のために、補助負荷のための源としての機能を果たす目的のために、または両方の目的のために、異なるアレイ７００のモジュール間に接続されることができる。そのようなモジュールは、本明細書では、相互接続（ＩＣ）モジュール１０８ＩＣと称される。ＩＣモジュール１０８ＩＣは、すでに説明されたモジュール構成（１０８Ａ、１０８Ｂ、１０８Ｃ）および本明細書に説明されるその他のうちのいずれかで実装されることができる。ＩＣモジュール１０８ＩＣは、任意の数の１つ以上のエネルギー源と、随意のエネルギーバッファと、エネルギーを１つ以上のアレイに供給することおよび／または電力を１つ以上の補助負荷に供給することを行うためのスイッチ回路網と、制御回路網（例えば、ローカル制御デバイス）と、ＩＣモジュール自体またはその種々の負荷についてのステータス情報（例えば、エネルギー源のＳＯＣ、エネルギー源またはエネルギーバッファの温度、エネルギー源の容量、エネルギー源のＳＯＨ、ＩＣモジュールに関する電圧および／または電流測定値、補助負荷に関する電圧および／または電流測定値等）を収集するためのモニタ回路網とを含むことができる。
図１０Ａは、Ω個のアレイ７００－ＰＡ～７００－ＰΩを用いて、Ω相電力を生産することが可能であるシステム１００の例示的実施形態を描写するブロック図であり、Ωは、２以上の任意の整数であり得る。この実施形態および他の実施形態において、ＩＣモジュール１０８ＩＣは、アレイ７００のレール側に位置することができ、モジュール１０８ＩＣが接続されるアレイ７００（本実施形態において、アレイ７００－ＰＡ～７００－ＰΩ）は、モジュール１０８ＩＣと負荷への出力（例えば、ＳＩＯ１～ＳＩＯΩ）との間に電気的に接続されている。ここでは、モジュール１０８ＩＣは、アレイ７００－ＰＡ～７００－ＰΩの各モジュール１０８～ＮのＩＯポート２への接続のためのΩ個のＩＯポートを有する。ここで描写される構成では、モジュール１０８ＩＣは、モジュール１０８ＩＣの１つ以上のエネルギー源をアレイ７００－ＰＡ～７００－ＰΩのうちの１つ以上に（または相間平衡が要求されない場合、無出力に、または等しく全ての出力に）選択的に接続することによって、相間平衡を実施することができる。システム１００は、制御システム１０２によって制御されることができる（図示せず、図１Ａ参照）。
図１０Ｂは、モジュール１０８ＩＣの例示的実施形態を描写する概略図である。本実施形態において、モジュール１０８ＩＣは、エネルギーバッファ２０４と接続されるエネルギー源２０６を含み、エネルギーバッファ２０４は、次に、スイッチ回路網６０３と接続される。スイッチ回路網６０３は、スイッチ回路網ユニット６０４－ＰＡ～６０４－ＰΩを含むことができ、それらは、それぞれ、エネルギー源２０６をアレイ７００－ＰＡ～７００－ＰΩの各々に独立して接続するためである。種々のスイッチ構成が、各ユニット６０４ために使用されることができ、それは、本実施形態において、２つの半導体スイッチＳ７およびＳ８を伴うハーフブリッジとして構成されている。各ハーフブリッジは、ＬＣＤ１１４からの制御線１１８－３によって制御される。この構成は、図３Ａに関して説明されるモジュール１０８Ａに類似する。コンバータ２０２に関して説明されるように、スイッチ回路網６０３は、用途の要件のために好適である任意の配置で、任意のスイッチタイプ（例えば、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、シリコン、ＧａＮ等）で構成されることができる。
スイッチ回路網ユニット６０４は、エネルギー源２０６の正の端子と負の端子との間に結合され、モジュール１０８ＩＣのＩＯポートに接続される出力を有する。ユニット６０４－ＰＡ～６０４－ＰΩは、制御システム１０２によって、電圧＋ＶＩＣまたは－ＶＩＣをそれぞれのモジュールＩ／Ｏポート１～Ωに選択的に結合するように制御されることができる。制御システム１０２は、本明細書に述べられたＰＷＭおよびヒステリシス技法を含む任意の所望の制御技法に従って、スイッチ回路網６０３を制御することができる。ここでは、制御回路網１０２は、ＬＣＤ１１４およびＭＣＤ１１２（図示せず）として実装される。ＬＣＤ１１４は、監視データまたはステータス情報をモジュール１０８ＩＣのモニタ回路網から受信することができる。この監視データおよび／またはこの監視データから導出される他のステータス情報は、本明細書に説明されるように、システム制御における使用のために、ＭＣＤ１１２に出力されることができる。ＬＣＤ１１４は、システム１００のモジュール１０８の同期の目的のためのタイミング情報（図示せず）と、ＰＷＭにおいて使用される鋸歯信号（図８Ｃ－８Ｄ）等の１つ以上のキャリア信号（図示せず）とも受信することができる。
相間平衡のために、源２０６からの比例的により多くのエネルギーが、他のアレイ７００と比較して、比較的に低充電状態であるアレイ７００－ＰＡ～７００－ＰΩのうちのいずれか１つ以上のものに供給されることができる。特定のアレイ７００へのこの補完的エネルギーの供給は、供給されない位相アレイと比較して、そのアレイ７００内のそれらのカスケード式モジュール１０８－１～１０８－Ｎのエネルギー出力が低減させられることを可能にする。
例えば、ＰＷＭを印加するいくつかの例示的実施形態において、
ＬＣＤ１１４は、モジュール１０８ＩＣが結合される１つ以上のアレイ７００の各々に関する正規化された電圧基準信号（Ｖｒｎ）、例えば、ＶｒｎＰＡ～ＶｒｎＰΩを受信する（ＭＣＤ１１２から）ように構成されることができる。ＬＣＤ１１４は、各アレイ７００に関して、ＭＣＤ１１２から、スイッチユニット６０４－ＰＡ～６０４－ＰΩのための変調指数ＭｉＰＡ～ＭｉＰΩを受信することもできる。ＬＣＤ１１４は、直接そのアレイに結合されるスイッチ区分のために、変調指数を用いて、各それぞれのＶｒｎを変調（例えば、乗算）し（例えば、ＶｒｎＡにＭｉＡを乗算したもの）、次いで、キャリア信号を利用し、各スイッチユニット６０４のための制御信号を発生させることができる。他の実施形態において、ＭＣＤ１１２は、変調を実施し、各ユニット６０４のための変調電圧基準波形をモジュール１０８ＩＣのＬＣＤ１１４に直接出力することができる。なおも他の実施形態において、全ての処理および変調は、制御信号を直接各ユニット６０４に出力し得る単一の制御エンティティによって生じることができる。
ＬＣＤ１１４は、モジュール１０８ＩＣが結合される１つ以上のアレイ７００の各々に関する正規化された電圧基準信号（Ｖｒｎ）、例えば、ＶｒｎＰＡ～ＶｒｎＰΩを受信する（ＭＣＤ１１２から）ように構成されることができる。ＬＣＤ１１４は、各アレイ７００に関して、ＭＣＤ１１２から、スイッチユニット６０４－ＰＡ～６０４－ＰΩのための変調指数ＭｉＰＡ～ＭｉＰΩを受信することもできる。ＬＣＤ１１４は、直接そのアレイに結合されるスイッチ区分のために、変調指数を用いて、各それぞれのＶｒｎを変調（例えば、乗算）し（例えば、ＶｒｎＡにＭｉＡを乗算したもの）、次いで、キャリア信号を利用し、各スイッチユニット６０４のための制御信号を発生させることができる。他の実施形態において、ＭＣＤ１１２は、変調を実施し、各ユニット６０４のための変調電圧基準波形をモジュール１０８ＩＣのＬＣＤ１１４に直接出力することができる。なおも他の実施形態において、全ての処理および変調は、制御信号を直接各ユニット６０４に出力し得る単一の制御エンティティによって生じることができる。
この切り替えは、エネルギー源２０６からの電力が、適切な間隔および持続時間において、アレイ７００に供給され得るように、変調されることができる。そのような方法論は、種々の方法において実装されることができる。
現在の容量（Ｑ）および各アレイ内の各エネルギー源のＳＯＣ等、システム１００に関する収集されるステータス情報に基づいて、ＭＣＤ１１２は、各アレイ７００に関して、総充電量を決定することができる（例えば、あるアレイに関する総充電量は、そのアレイの各モジュールに関して、容量×ＳＯＣの合計として決定されることができる）。ＭＣＤ１１２は、平衡または非平衡条件が存在するかどうかを決定し（例えば、本明細書に説明される相対的差異閾値および他のメトリックの使用を通して）、適宜、各スイッチユニット６０４－ＰＡ～６０４－ＰΩに関して、変調指数ＭｉＰＡ～ＭｉＰΩを発生させることができる。
平衡動作中、各スイッチユニット６０４のためのＭｉは、正味エネルギーの同じまたは類似する量がエネルギー源２０６および／またはエネルギーバッファ２０４によって各アレイ７００に経時的に供給されるようにする値に設定されることができる。例えば、各スイッチユニット６０４のためのＭｉは、同じまたは類似し得、平衡動作中、システム１００内の他のモジュール１０８と同じ率でドレインするように、モジュール１０８ＩＣに１つ以上のアレイ７００－ＰＡ～７００－ＰΩへのエネルギーの正味または時間平均放電をモジュール１０８ＩＣに実施させるレベルまたは値に設定されることができる。いくつかの実施形態において、各ユニット６０４のためのＭｉは、平衡動作中、エネルギーの正味または時間平均放電を引き起こさない（ゼロの正味エネルギー放電を引き起こす）レベルまたは値に設定されることができる。これは、モジュール１０８ＩＣがシステム内の他のモジュールより低い総充電を有する場合、有用であり得る。
非平衡条件がアレイ７００間で生じる場合、システム１００の変調指数は、平衡条件に向かう収束を引き起こすように、または、さらなる発散を最小化するように調節されることができる。例えば、制御システム１０２は、その他より低充電量を伴うアレイ７００により多くモジュール１０８ＩＣに放電させることができ、その低アレイ７００のモジュール１０８－１～１０８－Ｎに比較的に少なく放電させることができる（例えば、時間平均ベースで）。モジュール１０８ＩＣによって与えられる相対的正味エネルギーは、支援されているアレイ７００のモジュール１０８－１～１０８－Ｎと比較して増加し、モジュール１０８ＩＣが他のアレイに与える正味エネルギーの量と比較しても、増加する。これは、その低アレイ７００に供給しているスイッチユニット６０４に関するＭｉを増加させることによって、および、その低アレイに関するＶｏｕｔを適切なまたは要求されるレベルに維持し、他のより高いアレイに供給している他のスイッチユニット６０４に関する変調指数を比較的に不変に維持する（またはそれらを減少させる）様式において、低アレイ７００のモジュール１０８－１～１０８－Ｎの変調指数を減少させることによって、遂行されることができる。
図１０Ａ－１０Ｂにおけるモジュール１０８ＩＣの構成は、単独で、単一のシステムのための相間またはアレイ間平衡を提供するために使用されることができるか、または、各々がエネルギー源と１つ以上のアレイに結合される１つ以上のスイッチ部分６０４とを有する１つ以上の他のモジュール１０８ＩＣと組み合わせて使用されることができる。例えば、Ω個の異なるアレイ７００と結合されるΩ個のスイッチ部分６０４を伴うモジュール１０８ＩＣは、１つのアレイ７００と結合された１つのスイッチ部分６０４を有する第２のモジュール１０８ＩＣと組み合わせられることができ、それによって、２つのモジュールが、Ω＋１個のアレイ７００を有するシステム１００に供給するように結合する。任意の数のモジュール１０８ＩＣが、この方式において、組み合わせられることができ、各々は、システム１００の１つ以上のアレイ７００と結合される。
さらに、ＩＣモジュールは、システム１００の２つ以上のサブシステム間でエネルギーを交換するように構成されることができる。図１０Ｃは、ＩＣモジュールによって相互接続される第１のサブシステム１０００－１と、第２のサブシステム１０００－２とを伴うシステム１００の例示的実施形態を描写するブロック図である。具体的に、それぞれ、サブシステム１０００－１は、システムＩ／ＯポートＳＩＯ１、ＳＩＯ２、およびＳＩＯ３を用いて、３相電力ＰＡ、ＰＢ、およびＰＣを第１の負荷（図示せず）に供給するように構成される一方、サブシステム１０００－２は、システムＩ／ＯポートＳＩＯ４、ＳＩＯ５、およびＳＩＯ０６を用いて、３相電力ＰＤ、ＰＥ、およびＰＦを第２の負荷（図示せず）に供給するように構成されている。例えば、サブシステム１０００－１および１０００－２は、ＥＶの異なるモータのための電力を供給する異なるパックとして、または異なるマイクログリッドのための電力を供給する異なるラックとして構成されることができる。
本実施形態において、各モジュール１０８ＩＣは、サブシステム１０００－１の第１のアレイ（ＩＯポート１を介して）およびサブシステム１０００－２の第１のアレイ（ＩＯポート２を介して）と結合され、各モジュール１０８ＩＣは、図３Ｃのモジュール１０８Ｃに関して説明されるように、各モジュール１０８ＩＣのエネルギー源２０６と結合されているＩ／Ｏポート３および４を用いて、各他のモジュール１０８ＩＣと電気的に接続されることができる。この接続は、モジュール１０８ＩＣ－１、１０８ＩＣ－２、および１０８ＩＣ－３の源２０６を並列に設置し、したがって、モジュール１０８ＩＣによって貯蔵および供給されるエネルギーは、この並列配置によって、一緒にプールされる。直列接続等の他の配置も、使用されることができる。モジュール１０８ＩＣは、サブシステム１０００－１の共通エンクロージャ内に格納されるが、しかしながら、相互接続モジュールは、共通エンクロージャの外部にあり、両方のサブシステム１０００の共通エンクロージャ間に独立エンティティとして物理的に位置することができる。
各モジュール１０８ＩＣは、図１０Ｂに関して説明されるように、ＩＯポート１と結合されるスイッチユニット６０４－１と、Ｉ／Ｏポート２と結合されるスイッチユニット６０４－２とを有する。したがって、サブシステム１０００間の平衡（例えば、パック間またはラック間平衡）のために、特定のモジュール１０８ＩＣは、それが接続される２つのアレイの一方または両方に比較的に多くのエネルギーを供給することができる（例えば、モジュール１０８ＩＣ－１は、アレイ７００－ＰＡおよび／またはアレイ７００－ＰＤに供給することができる）。制御回路網は、本明細書に説明される同じラックまたはパックの２つのアレイ間の非平衡を補償するものと同じ様式で、異なるサブシステムのアレイの相対的パラメータ（例えば、ＳＯＣおよび温度）を監視し、ＩＣモジュールのエネルギー出力を調節し、異なるサブシステムのアレイまたは位相間の非平衡を補償することができる。全ての３つのモジュール１０８ＩＣは、並列であるので、エネルギーは、システム１００のあらゆるアレイ間で効率的に交換されることができる。本実施形態において、各モジュール１０８ＩＣは、２つのアレイ７００に供給するが、他の構成（システム１００の全てのアレイのための単一のＩＣモジュール、および各アレイ７００のための１つの専用ＩＣモジュールを伴う構成（例えば、６つのアレイのための６つのＩＣモジュールであり、各ＩＣモジュールは、１つのスイッチユニット６０４を有する）を含む）も、使用されることができる。複数のＩＣモジュールを伴う全ての場合、エネルギー源は、本明細書に説明されるように、エネルギーを共有するように、並列に一緒に結合されることができる。
位相間にＩＣモジュールを伴うシステムでは、相間平衡も、上記に説明されるように、中立点シフト（またはコモンモード注入）によって実施されることができる。そのような組み合わせは、より広い動作条件範囲下で、よりロバストかつ柔軟な平衡を可能にする。システム１００は、その下で中立点シフトのみ、相間エネルギー注入のみ、または両方の組み合わせを同時に用いて、相間平衡を実施するべき適切な状況を決定することができる。
ＩＣモジュールは、電力を１つ以上の補助負荷３０１（源２０６と同じ電圧で）および／または１つ以上の補助負荷３０２（源３０２から逓減された電圧で）に供給するように構成されることもできる。図１０Ｄは、相間平衡を実施し、補助負荷３０１および３０２に供給するように接続される２つのモジュール１０８ＩＣを伴う３相システム１００Ａの例示的実施形態を描写するブロック図である。図１０Ｅは、モジュール１０８ＩＣ－１および１０８ＩＣ－２に強調が置かれたシステム１００のこの例示的実施形態を描写する概略図である。ここでは、制御回路網１０２は、再び、ＬＣＤ１１４およびＭＣＤ１１２（図示せず）として実装される。ＬＣＤ１１４は、監視データ（例えば、ＥＳ１のＳＯＣ、ＥＳ１の温度、ＥＳ１のＱ、補助負荷３０１および３０２の電圧等）をモジュール１０８ＩＣから受信することができ、本明細書に説明されるように、システム制御における使用のために、この監視データおよび／または他の監視データをＭＣＤ１１２に出力することができる。各モジュール１０８ＩＣは、そのモジュールによって供給されている各負荷３０２のためのスイッチ部分６０２Ａ（または図６Ｃに関して説明される６０２Ｂ）を含むことができ、各スイッチ部分６０２は、独立して、またはＭＣＤ１１２からの制御入力に基づいて、ＬＣＤ１１４によって、負荷３０２のための必須電圧レベルを維持するように制御されることができる。本実施形態において、各モジュール１０８ＩＣは、一緒に接続され、１つの負荷３０２に供給するスイッチ部分６０２Ａを含むが、そのようには、要求されない。
図１０Ｆは、モジュール１０８ＩＣ－１、１０８ＩＣ－２、および１０８ＩＣ－３を用いて、電力を１つ以上の補助負荷３０１および３０２に供給するように構成される３相システムの別の例示的実施形態を描写するブロック図である。本実施形態において、モジュール１０８ＩＣ－１および１０８ＩＣ－２は、図１０Ｄ－１０Ｅに関して説明されるものと同じ様式で構成されている。モジュール１０８ＩＣ－３は、純粋に補助の役割において構成され、電圧または電流をシステム１００の任意のアレイ７００の中に能動的に注入しない。本実施形態において、モジュール１０８ＩＣ－３は、図３Ｂのモジュール１０８Ｃのように構成され、１つ以上の補助スイッチ部分６０２Ａを伴うが、スイッチ部分６０１を省略するコンバータ２０２Ｂ、Ｃ（図６Ｂ－６Ｃ）を有することができる。したがって、モジュール１０８ＩＣ－３の１つ以上のエネルギー源２０６は、モジュール１０８ＩＣ－１および１０８ＩＣ－２のそれらと並列に相互接続され、したがって、システム１００の本実施形態は、補助負荷３０１および３０２に供給し、かつモジュール１０８ＩＣ－３の源２０６との並列接続を通してモジュール１０８ＩＣ－１および１０８ＩＣ－２の源２０６Ａ上の充電を維持するための追加のエネルギーで構成されている。
各ＩＣモジュールのエネルギー源２０６は、システムの他のモジュール１０８－１～１０８－Ｎの源２０６と同じ電圧および容量にあり得るが、そのようには、要求されない。例えば、比較的に高い容量が、１つのモジュール１０８ＩＣがエネルギーを複数のアレイ７００（図１０Ａ）に印加し、ＩＣモジュールが位相アレイ自体のモジュールと同じ率で放電することを可能にする実施形態において、望ましくあり得る。モジュール１０８ＩＣが、補助負荷にも供給している場合、さらにより多くの容量が、ＩＣモジュールが、補助負荷に供給し、他のモジュールと比較的に同じ率で放電することの両方を可能にするように、所望され得る。
（高速充電）
（高速充電）
例示的実施形態が、ここで、パルス予熱および／またはパルス充電技法を使用する、エネルギー源のための高速充電技法に関して、本明細書に説明されるであろう。本実施形態は、主として、バッテリであるエネルギー源２０６の文脈において説明されるであろうが、本実施形態は、他のエネルギー源タイプ（例えば、高エネルギー密度コンデンサおよび燃料電池）にも同様に適用可能である。本実施形態は、単一の電池を有するバッテリ、複数の電池を有するバッテリ（例えば、直列、並列、またはそれらの組み合わせにおいて接続され、時として、バッテリモジュールと称される）、および複数のバッテリモジュールを有するシステム（例えば、直列、並列、またはそれらの組み合わせにおいて接続され、時として、バッテリパックと称される）を充電するために適用されることができる。
本主題との使用のために好適なバッテリタイプの例は、固体状態バッテリ、液体エレクトロタイプベースのバッテリ、液相バッテリ、およびフローバッテリ（リチウム（Ｌｉ）金属バッテリ、Ｌｉイオンバッテリ、Ｌｉ空気バッテリ、ナトリウムイオンバッテリ、カリウムイオンバッテリ、マグネシウムイオンバッテリ、アルカリバッテリ、ニッケル水素バッテリ、硫酸ニッケルバッテリ、鉛酸バッテリ、亜鉛空気バッテリ、およびその他等）を含む。Ｌｉイオンバッテリタイプのいくつかの例は、Ｌｉコバルト酸化物（ＬＣＯ）、Ｌｉマンガン酸化物（ＬＭＯ）、Ｌｉニッケルマンガンコバルト酸化物（ＮＭＣ）、Ｌｉリン酸鉄（ＬＦＰ）、Ｌｉニッケルコバルトアルミニウム酸化物（ＮＣＡ）、およびＬｉチタン酸（ＬＴＯ）を含む。
エネルギー貯蔵システムの任意の特定の構成とともに使用されるように要求されないが、本明細書に説明されるシステム１００の実施形態は、特に、本高速充電実施形態との使用から利益を享受することができる。その中のエネルギー源２０６を充電するためにシステム１００の実施形態とともに使用されるとき、各モジュール１０８のコンバータ２０２は、電力接続１１０から源２０６に正、ゼロ、または負のパルスを印加するように独立して制御される。電力接続１１０に印加されるＡＣまたはＤＣ信号は、全てのモジュール１０８からの全ての出力パルスの重ね合わせを発生させるための本明細書に説明されるプロセスとは逆の方式で、源２０６にフィードバックされることができる。各コンバータ２０２は、例えば、５０％デューティサイクルにおいて５ミリ秒（ｍ秒）以下のパルスを印加するために、１００Ｈｚを上回る周波数で切り替えられることができる。異なるデューティサイクルを伴うより長いまたはより短いパルス持続時間も、使用されることができる。このパルス化能力は、本明細書に説明されるであろうように、エネルギー源が充電および／または加熱されることを可能にする。
コンバータ２０２は、パルス幅変調技法、ヒステリシス技法、または経時的に等しく全てのモジュールを利用するように努める別の技法を適用する制御システムを使用して制御されることができる。各モジュール１０８は、そのモジュール１０８のエネルギー源２０６のステータス（例えば、充電状態（ＳＯＣ）、温度、電圧、電流等）を監視し、この監視情報を制御システム１０２にフィードバックすることができ、制御システム１０２は、平衡を保たせられるべき選定されたパラメータまたは複数のパラメータ（例えば、ＳＯＣおよび／または温度）の平衡を維持するように、または、その平衡条件に向かって収束するように、各モジュール１０８の充電利用を個々に調節することができる。
システム１００のカスケード式トポロジは、様々な複雑さの充電スキームを実装するために、必要に応じて、充電源からの充電電圧または充電電流がエネルギー源間で分割されることを可能にする。例えば、電圧（または電流）が、パルス式様式で印加されることができ、いくつかの源２０６が、概して、源２０６（およびシステムの他の充電シンク）に印加される総電圧が時間内のその瞬間に充電源によってシステム１００に供給されるＤＣまたはＡＣ電圧に等しいという条件で、ある時間に充電され、その他が充電されない。印加されるパルスの電圧および持続時間（およびパルスの間の休止時間の持続時間）は、各モジュール１０８（例えば、モニタ回路網２０８およびＬＣＤ１１４）によって監視されるようなそれらの源２０６の状態に基づいて、変動させられ、タイミングを合わせられることができる。したがって、モジュール１０８間の電圧の分割は、必要に応じて、モジュール１０８の源２０６の充電および休止の両方を可能にする。
本実施形態は、様々な粒度で源２０６を充電するために使用されることができる。例えば、バッテリモジュールが、全体としてパルスにされることができ、例えば、１つのパルスが、そのバッテリモジュールを構成する電池の全てのために印加されることができる。代替として、追加の切り替え回路網（例えば、コンバータ２０２に関して示される構成に加えて）が、バッテリモジュールの各電池が、独立してパルスにされ得るように、各個々の電池のために含まれることができる。例えば、各々がＭ個の電池を有するＮ個のバッテリモジュールを有するシステム１００は、ＮＭ（ＮにＭを乗算したもの）個のコンバータまたはスイッチ回路で構成されることができる。各バッテリモジュール内の電池の群をパルス充電する能力（例えば、電池は、２つの群に分割され、それらの各々は、システムが、２Ｎ個のコンバータまたはスイッチ回路を有するように、独立して制御されることができる）等、他のレベルの粒度も、可能である。種々のバッテリモジュールおよび／または電池に関するスイッチ回路網の制御は、システムモジュール１０８と通信可能に結合された制御システム１０２（例えば、ＬＣＤ１１４と通信可能に結合されるＭＣＤ１１２）によって実施されることができる。
（高速充電技法の例示的実施形態）
（高速充電技法の例示的実施形態）
改良された速度におけるエネルギー源の高速または急速充電に関連する例示的実施形態が、本明細書において提供される。例示的実施形態は、局所化された加熱を通してそのバッテリの温度を上昇させるためのバッテリへの電圧または電流パルスの印加、バッテリを充電するためのバッテリへの電圧または電流パルスの印加、より高い温度においてバッテリを充電するためのバッテリへの定（非パルス式）電圧または定電流の印加、充電中の劣化条件に関するバッテリの監視、およびそれらの任意の組み合わせに関連する。本明細書に説明される実施形態は、バッテリ電池に関してある電圧および温度制約を超えないという条件で、定置型および移動エネルギー貯蔵システムが広い範囲のＣレートで充電されることを可能にすることができる。例えば、本実施形態は、１００キロワット時（ｋＷｈ）貯蔵能力を伴うＥＶが、バッテリパックの定格寿命にわたって容量を実質的に低下させることなく、１０分（以下の）でゼロから８０％の容量まで充電されることを可能にすることができる。
図１１Ａは、バッテリ源２０６を比較的に低い充電状態（ＳＯＣ）から１５分未満の短いタイムフレームで相当なＳＯＣまで充電するための高速充電プロトコル１１００の複数の例示的実施形態を説明するためのフレームワークを描写するプロットである。図１１Ｂは、例示的値が適用されるプロトコル１１００の実施形態のプロットである。図１１Ａ－１１Ｂ（および本明細書の別の場所）に関して説明される高速充電プロトコル１１００は、単一の電池のみを有するバッテリまたは２つ以上の電池（例えば、２～１００個の電池）を有するバッテリモジュールに適用されることができ、外部充電源の近くの充電およびスイッチ回路網によって実装されることができる。例えば、充電器は、全体としてのバッテリデバイスの温度（例えば、表面）および電圧応答を感知し、それに応じて、予熱および充電信号の印加を調節することができる。そのようなアプローチは、単一の電池、複数の電池を伴うバッテリモジュール、または、全体としてのシステム（例えば、バッテリパック）でさえ充電するために可能であるが、アプローチは、バッテリモジュール内の個々の電池および／またはシステム内の個々のバッテリモジュールに適用されるような予熱および充電プロセスの粒状制御を可能にしない。
より粒度の細かい制御を提供するために、プロトコル１１００は、本明細書に説明されるそれ等のカスケード式モジュール式エネルギー貯蔵システム１００内に適用されることもでき、各モジュール１０８は、単一の電池のみであり得るか、または、２つ以上の電池（例えば、２～１００個の電池）を含み得るバッテリ２０６を含み、モジュール１０８の数は、２以上であり得る（例えば、２～１，０００個のモジュール１０８）。各モジュール１０８のコンバータ２０２は、プロトコル１１００が、システム１００の各モジュール１０８によって独立して制御され得るように、本明細書に説明されるように独立して制御されることができる。例えば、各々が１２個の電池を含むバッテリ２０６を有する１２個のモジュール１０８を有するバッテリパックを考慮すると、プロトコル１１００は、１２個の電池を有する各バッテリ２０６を１５分以下で充電するように各モジュール１０８によって独立して適用されることができ、したがって、同じまたは類似する時間でバッテリパック全体を充電する。システム１００内のバッテリ２０６の条件は、変動するであろうから、かつ、実施形態は、各バッテリ２０６からのフィードバックに基づいて充電率を調節することができるの、各バッテリ２０６のための充電時間は、変動し得る。充電サイクルの開始時、いくつかのバッテリ２０６は、２～３％のＳＯＣにあり得る一方、その他は、０％またはその付近のＳＯＣ、またはそれらの間のあるパーセンテージにある。いくつかのバッテリ２０６は、その他より高い容量を有し得、所望されるＳＯＣに到達するためにより長い時間を要求するであろう。いくつかのバッテリ２０６は、充電中、劣化の兆候または充電プロセスが減速されることを必要とする他の特性を示し得る。
より詳細にプロトコル１１００の議論を可能にするために、図１２Ａ－１２Ｆは、バッテリ電池特性および構造の文脈を提供するために議論されるであろう。図１２Ａは、一般化されたリチウムイオンバッテリ電池１２００の断面図である。電池１２００は、繰り返し層状構造を含み、各層は、アノード１２０１と、カソード１２０２とを含み、それらの間に隔離板１２０３を伴う。各アノード１２０１は、アノード材料１２０４を含み、アノード材料１２０４は、電解質１２０８が散りばめられ、アノード材料１２０４の中に位置付けられた集電器１２０５を有する。同様に、各カソード１２０２は、電解質１２０９が散りばめられ、その中に位置付けられる集電器１２０７を有するカソード材料１２０６を含む。
図１２Ｂは、拡大されたアノード１２０１およびカソード１２０２の図示を描写し、典型的なリチウムイオンバッテリ電池内で生じ得る劣化モードの例をリストアップする、解説図である。ここでリストアップされる劣化モードの各々は、直接または間接的に、アノードおよびカソードへの過電圧の印加によって、および過剰な温度で充電することによって、引き起こされ得る。本明細書に説明される例示的実施形態は、過電圧の印加および過剰な温度における動作を限定し、したがって、これらの劣化モードを限定することを追求する。
図１２Ｃは、バッテリ電池１２００の電気回路図モデルである。アノードは、オーム成分（Ｖｏｈｍｉｃ）と、電気化学的界面成分（ＶＥＣ ＩＮＴＥＲＦＡＣＥ）とを含む、電圧降下を示す。Ｖｏｈｍｉｃは、アノードのオーム抵抗（Ｒｏｈｍｉｃ）の大きさによって決定される。ＶＥＣ ＩＮＴＥＲＦＡＣＥは、アノード二重層シート容量（ＣＤＬ）と並列で、直列に接続されたコンポーネントとしてモデル化される活性化インピーダンス（ＲＣＴ）および拡散ベースのインピーダンス（ＲＷａｒｂｕｒｇ）によって決定される。ＶＡは、ＲＣＴを横断する活性化ベースの電圧降下である一方、ＶＮｅｒｎｓｔは、ＲＷａｒｂｕｒｇを横断する拡散ベースの電圧降下である。アノードの全インピーダンスは、Ｒｏｈｍｉｃ、ＲＣＴ、およびＲＷａｒｂｕｒｇの合計である。カソードは、同様にモデル化されるが、それ自体の特性値を伴う。電解質も、オーム抵抗（Ｒｏｈｍｉｃ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ）によって決定される電圧（Ｖｏｈｍｉｃ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ）降下を示す。
図１２Ｄは、リチウムイオン電池に印加される充電パルス１２１４に対する例示的電圧応答１２１２を描写するプロットである。アノードおよびカソードに関する抵抗（Ｖｏｈｍｉｃ）、活性化ベース（ＶＡ）、および拡散ベース（ＶＮｅｒｎｓｔ）の電圧成分が、充電パルス１２１４の終了後に応答の分析によって決定されることができる。図１２Ｅは、ＳＯＣの範囲を横断するリチウムイオン電池上の例示的電圧を描写するグラフであり、カソード、アノード、および電池自体に起因する電圧の成分を示す。電圧応答分析が、アノードおよびカソード上の過電圧の大きさを決定するために使用されることができ、充電パルスの大きさおよび周波数は、容認可能な限界内に留まるように、それに応じて、維持、増加、または減少させられることができる。アノードおよびカソードに関する利用可能な過電圧範囲は、電池上の充電状態が、増加するにつれて、減少する。本明細書の実施形態は、電流が、電池が任意の段階１１１０、１１２０、１１３０において充電されるにつれて低減させられるように、適用されることができる。
図１２Ｆは、リチウムイオン電池の例示的インピーダンス応答１２１０を描写するプロットである。充電パルスの周波数が、増加するにつれて、インピーダンス応答は、低い虚数成分を伴って、実数インピーダンスの純粋なＲｏｈｍｉｃ部分に向かって移動する。より高い周波数におけるパルス化は、電圧応答の活性化成分を低減させることができる。
再び図１１Ａ－１１Ｂを参照すると、プロトコル１１００は、３つの段階、すなわち、予熱段階１１１０、第１の充電段階１１２０、および第２の充電段階１１３０を有することができる。バッテリ２０６に印加される予熱および充電信号に関するエネルギーは、システムの外部の充電源（例えば、グリッドまたは充電ステーション）から供給されることができ、ある場合、第２の源２０６Ｂを通して等、内部から供給されることができる。ここでは、パルス予熱段階１１１０は、設定された持続時間にわたって（ｔｉｍｅ＿０～ｔｉｍｅ＿１）、または第１の温度閾値に到達するまで（ｔｅｍｐ＿１）続くことができる。図１１Ｂでは、予熱段階１１１０は、バッテリが３０℃に到達するまで印加され、それは、約１分後に生じる。
予熱段階１１１０は、パルスの列または一続きとしての予熱パルス信号１１１２の印加を伴い、各パルスは、等しいまたは実質的に等しい持続時間の充電パルス（負の電流）から放電パルス（正の電流）に交互する（随意に、充電および放電パルス対の印加の間に時間ギャップを伴って）。図１１Ｃ－１１Ｄは、それぞれ、時間ギャップを伴う、および伴わない予熱パルス列１１１２の例示的実施形態を描写する電流対時間グラフであり、予熱パルス列１１１２は、正の予熱電流（＋Ｉｐｈ）と、等しいが反対の負の予熱電流（－Ｉｐｈ）との間で振動する。
予熱段階１１１０は、電気化学反応の活性化を伴わずに、アノード集電器１２０５、カソード集電器１２０７、および電解質１２０９（図１２Ａ）の温度を上昇させることによって、局所的加熱を達成することができる。多くの実施形態において、予熱信号１１１２の周波数（Ｆｐｒｅｈｅａｔ）は、以下の式（１）に従う。
（１） Ｆｐｒｅｈｅａｔ＞＞１／（ＲＣＴ×ＣＤＬ）
（１） Ｆｐｒｅｈｅａｔ＞＞１／（ＲＣＴ×ＣＤＬ）
予熱信号１１１２は、単一の周波数における信号であり、各パルスは、長方形または実質的に長方形の形態（時間ドメインにおいて可視化されるように）を有し得る。他の実施形態において、予熱信号１１１２は、１ヘルツ（Ｈｚ）～最大１メガヘルツ（Ｍｈｚ）の周波数ドメインにおいて、一次パルス列および二次パルス等の複数の周波数成分を有するより複雑な方式で実装されることができる。種々の実施形態において、予熱信号１１１２は、１００Ｈｚ～１００キロヘルツ（ｋＨｚ）の周波数範囲を有する。予熱信号１１１２の周波数は、主として電解質インピーダンスおよび集電器インピーダンスの作用によって、電圧降下が生じることを引き起こし、したがって、予熱信号１１１２の電圧は、比較的に低い充電状態および比較的に高い充電状態の両方において、それらの相対的カットオフ過電圧を超えるカソードおよびアノード電圧につながり得る。
予熱段階１１１０は、活性材料を加熱するためにオームインピーダンスを標的化する一方、副反応（例えば、電解質の分解、活性体の分解、リチウムめっき）または主電気化学反応（例えば、リチウム化）等の電気化学反応の活性化を避けることによって、バッテリ電池内の局所的領域における温度増加を引き起こす。これらの反応は、好ましくは、それらが、実質的に生じないように（それぞれの商業的、研究、または産業用途における長い機能的動作を可能にする当業者によって識別される合理的な許容範囲内で）避けられる。段階１１１０は、活性化インピーダンスおよび全インピーダンスが十分に小さくなるまで電池を暖め、したがって、アノード上の過電圧は、電気化学反応を促進し、リチウムめっきを促進しない。段階１１１０は、したがって、電気化学的界面の急速な加熱およびバルク材料温度制御を可能にし、アノードおよびカソード材料の急速な劣化（例えば、リチウム化または脱リチウム）に起因する副反応または材料応力に起因する損傷を引き起こすことなく、後続充電を可能にする。
予熱段階１１１０は、どんな電池も最大温度閾値を超えないという条件で、源２０６の全ての電池が最小温度閾値に到達するまで適用されることができる。電池が、最大閾値に到達する場合、予熱段階１１１０は、減速または停止させられることができるか、または、プロトコル１１００は、本明細書に説明されるような次の段階（第１または第２の充電段階１１２０、１１３０）に移行することができる。電池温度が、温度センサ（例えば、赤外線）を用いて直接、または間接的に（例えば、電池の部分群における、または電池と近接する温度）測定されることができる。代替として、または、直接感知と組み合わせて、１つ以上の電池（全ての電池を含む）に関する温度が、１つのセンサ（例えば、複数の電池の赤外線画像）を用いて測定されることができる。温度は、他の間接的メトリック（例えば、電圧、電流、インピーダンス）を参照するモデルまたはルックアップテーブルの使用によって、随意に、以前に特性評価された電池から収集されたデータに基づいて、推論されることもできる。この段階および他の段階に関する温度閾値は、好ましくは、電解質および活性材料が位置する電池の内部温度に互いに関係付けられている。したがって、バッテリ電池表面温度が、（例えば、サーミスタまたは光学デバイスを用いて）測定される場合、閾値は、推定、ルックアップテーブル、またはモデルに基づいて、所望の内部電池温度と互いに関係がある表面温度に関して設定される。
予熱段階１１１０は、バッテリ２０６の温度を第１の温度閾値まで上昇させ、第１の温度閾値は、図１１Ｂの例では、電池表面上で測定される摂氏３０度（℃）である。温度閾値は、バッテリタイプに依存し得、リチウムイオンバッテリに関して、例えば、２５～７０℃（それらの値を含む）であり得る。他の実施形態において、予熱段階１１１０は、１分未満、１分、２分、３分、５分、またはその他等の所定の持続時間（ｔｉｍｅ＿０～ｔｉｍｅ＿１）にわたって続くことができる。段階１１１０の持続時間は、開始温度に基づいて変動し、より低い開始温度は、比較的により多くの時間を要求し得る。予熱信号１１１２が、等しいまたは実質的に等しい持続時間の充電パルスおよび放電パルスを含むとき、バッテリ２０６の正味電荷は、この段階中、実質的に変化せず、初期ＳＯＣに、またはその付近に留まる。さらに、パルス一続きの印加周波数形態は、好ましくは、貯蔵反応または副反応の電気化学反応を開始しないように選定される。好ましい周波数範囲は、予熱パルス信号１１１２に関して１００ｈｚ～１００ｋＨｚである。
予熱段階１１１０中に印加されるパルスのＣレートは、広く変動し得、主として、この段階中の電池のオーム特性、印加電圧、および熱挙動に依存する。最大３０Ｃおよびより高いＣレートが、段階１１１０において適用されることができる。さらに、段階１１１０が、いかなる正味充電または放電も生じないように適用されることができるが、他の実施形態において、充電パルスの長さは、後続の段階と比較して、比較的に低い率において電池の充電を開始するために、放電パルスの長さよりわずかに長く（例えば、１～１５％）あり得る。これは、例えば、バッテリ２０６が移行閾値温度または時間に向かって加熱しているとき、予熱段階１１１０から第１の充電段階１１２０の移行に向かって生じることができる。したがって、段階１１１０は、いかなる充電も生じない第１の副段階１１１４と、充電パルス長が、下記に説明されるパルス充電の第２の段階より遅い率においてであるが、充電を開始するために、放電パルス長より長くされるより高い温度に到達した後の第２の後続の副段階１１１６とに分割されることができる。副段階１１１４および１１１６の両方の間に印加される予熱信号１１１２の例示的実施形態が、図１１Ｅに描写される。第２の副段階１１１６は、固定された率（例えば、５％より長い充電パルス）において充電を導入することができるか、または、第１の充電段階１１２０への移行まで持続時間にわたって、徐々に増加量によって充電を開始することができる（例えば、３０秒にわたって１％長い充電パルス、続けて、３０秒にわたって２％長い充電パルス等）。
段階１１１０から第１の充電段階１１２０への移行、または代替として、第１の副段階１１１４から第２の副段階１１１６への移行は、パルス充電がリチウムめっき等の重大な副反応を引き起こすことなく、高速充電のために高いＣレートにおいて生じ得る条件において生じることができる。いくつかの実施形態において、この条件は、意図されるパルス充電率の平均電流×ワールブルグインピーダンス（ＲＷａｒｂｕｒｇ）が、いずれの電極に関しても過電圧範囲を超える電圧をもたらさないようなものであり得る。他の実施形態において、パルス充電への移行を左右し得るこの条件は、ＲＷａｒｂｕｒｇが、各電極に関し、全インピーダンスの５０％以下、４０％以下、３０％以下、２０％以下、または１０％以下まで低減させられるときであり得る。予熱段階１１１０が、（パルス充電段階１１２０を伴わずに）定電流充電段階１１３０に直接移行する実施形態に関して、移行条件は、いくつかの例では、活性化インピーダンスが、各電極に関し、全インピーダンスの５０％以下、４０％以下、３０％以下、２０％以下、または１０％以下まで降下するときであり得る。
第１の充電段階１１２０は、パルス充電信号がバッテリ２０６に印加されるパルス充電段階である。段階１１２０は、本明細書により詳細に解説されるように、低減させられた活性化過電圧を伴い、低減させられた副反応の発生を伴う高いＣレートにおける高速充電を可能にする。図１１Ｆは、段階１１２０における使用のためのパルス充電信号１１２２の例示的実施形態を描写する電流対時間グラフである。信号１１２２は、ゼロと＋Ｉｐｃとの間で振動し、本実施形態において、＋Ｉｐｃパルスが、持続時間１１２４、５０％のデューティサイクルを有する方形波の形態である。段階１１２０中、信号１１２２の大きさは、バッテリ２０６の一定の温度を維持するように制御されることができるか、または、電気化学的界面上の過電圧をさらに減少させるために、貯蔵反応の動力学を加速させるようにさらに増加させられることができる。電流制御パルスが、予熱信号１１１２およびパルス充電信号１１２２に関して説明されるが、電圧制御パルスも、同様に使用されることができる。
段階１１１０において印加されるパルスは、エネルギー源２０６のカットオフ電圧（上側および下側）を超える電圧を有することができる。いくつかの実施形態において、段階１１１０パルスがカットオフ電圧を超え得る量は、電解質の破壊電圧によって限定される。段階１１２０において印加されるパルスはまた、エネルギー源２０６のカットオフ電圧（上側および下側）を超える電圧を有することができる。いくつかの実施形態において、段階１１２０パルスがカットオフ電圧を超え得る量は、パルス充電電流×電極に関する活性化インピーダンス以下である。
印加パルスの最適な周波数および持続時間１１２４は、バッテリタイプに依存する。多くの実施形態において、パルス充電信号１１２２の周波数（Ｆｐｕｌｓｅ）は、以下の式（２）に従う。
（２） Ｆｐｕｌｓｅ＞１／（ＲＣＴ×ＣＤＬ）
（２） Ｆｐｕｌｓｅ＞１／（ＲＣＴ×ＣＤＬ）
式（２）のものの２倍を上回るＦｐｕｌｓｅ値は、活性化インピーダンスおよび活性化過電圧を実質的に排除し（例えば、図１２ＣのＶＡおよびＲＣＴ成分を排除し）、ＥＣ界面における最大過電圧を超えることなく、より高速の充電を可能にする。グラファイトアノードおよびニッケルコバルトカソード化学物質を伴うリチウムイオンバッテリのある実施形態に関して、２ミリ秒（ｍ秒）の充電パルス持続時間１１２４（例えば、５０％のデューティサイクルにおいて２５０Ｈｚ）が、類似するアンペア数における定電流充電信号と比較して、経時的な（例えば、バッテリ２０６が低充電または充電なしから名目上のＳＯＣレベルまで循環される多数の充電サイクルの過程にわたって）実質的な容量低下を伴わずに、高速の率（例えば、１５分未満で０～７５％の充電）においてバッテリ２０６を充電するために、プロトコル１１００において利用され得ることが見出されている。５ｍ秒以下の充電パルス持続時間１１２４は、類似するアンペア数における定電流充電信号と比較して、経時的な容量保持における著しい改良を伴う高速の率においてバッテリ２０６を充電することができる。本明細書に説明される例示的実施形態は、バッテリタイプに関して動作可能である任意の充電パルス持続時間１１２４において適用されることができる。実施形態は、５ｍ秒以下、４ｍ秒以下、３ｍ秒以下、２ｍ秒以下、および１ｍ秒以下のリチウムイオンバッテリに関する充電パルス持続時間を含む。持続時間は、０．０５ｍ秒または０．１ｍ秒と同程度に短くあり得る。データは、５０％のデューティサイクルにおいて収集されたが、パルスは、２５～７５％、４０～６０％、および４５～５５％等の種々の異なるデューティサイクルにおいて印加されることができる。実施形態において、パルスは、９分で８０％を充電するために１０．６７ＣのパルスＣレートにおいて印加され、それは、５０％のデューティサイクルを所与として、第２の段階に関して５．３３Ｃの時間平均Ｃレートをもたらす（１０．６７Ｃ／２）。
デューティサイクルに応じて、時間平均Ｃレートは、所望の標的（例えば、約９分以内に８０％のＳＯＣ）を満たすために、より大きい、またはより小さくあり得る。Ｃレート自体の大きさは、適用されるＣレートが、本明細書に説明される電圧および温度制約またはバッテリ電池の化学的および物理的制約、および充電されるシステムおよび充電器の電気的および物理的制約を超えない限り、制約ではない。したがって、第２の段階に関する時間平均Ｃレートは、実施形態にわたって著しく変動し得る。一例では、パルス充電段階１１２０に関する時間平均Ｃレートは、４Ｃ～８Ｃであるが、主題は、そのように限定されない。プロトコル１１００に関して、３０Ｃおよびより高い時間平均Ｃレートは、主題の範囲内である。
パルス信号１１２２は、各バッテリ電池が、電池の開回路電圧を上回るが、アノード電極上およびカソード電極上の電気化学的界面電圧（オーム過電圧を除外する）の上側カットオフ電圧を下回る電圧応答を示すような電流大きさにおいて印加されることができる。種々の実施形態において、パルスは、各電池が、アノードのみの過電圧範囲、カソードのみの過電圧範囲、またはアノードおよびカソードを併せた過電圧範囲を超えないように印加される。パルス充電は、低減させられた活性化過電圧の結果として、電池電圧を同じ（より低い）温度範囲における定電流充電より高い電圧に駆動することができる。
段階１１２０の最適な持続時間は、バッテリタイプに依存し、より長いパルス充電段階が、より多くの活性化またはより高い温度において持続する活性化を有する化学物質のために使用されることができる。パルス充電段階１１２０は、活性化インピーダンスが（例えば、段階１１２０の開始時点で）全初期インピーダンスの５０％以下まで低減させられるまで継続することができる。他の実施形態において、段階１１２０は、活性化インピーダンスが全インピーダンスの４０％以下、３０％以下、２０％以下、または１０％以下まで低減させられるまで継続することができる。電池温度およびカットオフ電圧等の他の制約も、段階１１２０が終了するときを決定することができる。
再び図１１Ａおよび１１Ｂを参照すると、第１の充電段階１１２０は、所定の持続時間にわたって（例えば、ｔｉｍｅ＿１～ｔｉｍｅ＿２）、ＳＯＣまたは容量閾値に到達するまで（例えば、ＳＯＣ＿１）、温度閾値に到達するまで（例えば、ｔｅｍｐ＿２）、またはそれらの任意の組み合わせ（例えば、時間、ＳＯＣ、または温度閾値のいずれかに到達するときに終了する）で継続することができる。段階１１２０は、パルスにすることの利益が優勢である比較的に低い温度における充電を意図しているが、そのように限定されない。例えば、段階１１２０は、より高い充電状態まで充電するために定電流充電を適用するために、第２の充電段階１１３０に移行するために好適であるものまで温度をさらに増加させるように設計されることもできる。
図１１Ｂの実施形態において、段階１１２０は、バッテリ２０６の温度が約５０℃であるときに終了する。他の実施形態において、例えば、温度閾値（ｔｅｍｐ＿２）は、３０～６０℃または４０～５５℃等、３０℃を上回り得る。これらの範囲外の閾値も、バッテリ化学物質に基づいて、可能である。図１１Ｂの実施形態において、バッテリＳＯＣが、約５５％に到達すると、段階１１２０を終了するための温度閾値に到達する。ＳＯＣ閾値を使用する実施形態において、その閾値は、３０％～８０％、４０％～７０％、または５０～６０％であり得る。図１１Ｂの実施形態において、第２の段階は、約５分の持続時間後に終了する。他の実施形態において、例えば、持続時間は、１分～９分、２分～８分、３分～７分、または５分～７分等、１分を上回り得る。
第２の充電段階１１３０は、定電流信号がパルスにされることなしにバッテリ２０６に印加される定電流充電段階である。段階１１３０は、そのアクティブ化および拡散ベースのインピーダンスが低減させられる（例えば、図１２ＣのＶＡ、ＲＣＴ、ＶＮｅｒｎｓｔ、およびＲＷａｒｂｕｒｇ成分）電気化学的界面における比較的に高い温度を意図しており、したがって、パルス充電の利益は、低減させられる。低減させられた活性化および拡散インピーダンスは、最大過電圧を超えることなく、より高い率およびより高いＳＯＣにおける定電流充電を可能にする。段階１１３０は、第１の充電段階１１２０の完了後に開始されることができ、バッテリ２０６が完全に充電されるか、または、かなり充電される（＞５０％）まで継続することができる。各電池の開回路電圧が上昇するので、充電パルスの大きさは、好ましくは、各電池の上側カットオフ電圧を超えないように制御される。
定電流は、４Ｃ～８Ｃ（またはより高い）等の比較的に高い時間平均Ｃレートにおいて印加されることができる。定電流を用いることで、電流が印加されるとき、概して、時間平均Ｃレートと実際のＣレートとの間のいかなる差異も、存在しないであろうが、ある場合、電流のわずかな変動が、時間平均Ｃレートをより関連するメトリックにし得る。
いくつかの実施形態において、第２の充電段階１１３０中、定電流充電信号の大きさは、充電プロセスが進むにつれて、変動させられることができる。例えば、いくつかの実施形態において、定電流充電信号１１３２の大きさは、比較的に高いＣレートにおいて段階１１３０を開始し、次いで、ＳＯＣが増加するときに過電圧範囲を超えることを回避するために、充電プロセスが進むにつれて、より低いＣレート値に次第に移行することができる（図１２Ｅ参照）。比較的に短い一時停止または休止期間が、バッテリ電圧が安定化することを可能にするために、定電流充電中に生じることができる。図１３Ａは、段階１１３０における定電流充電信号１１３２に関する例示的レベルを描写するグラフであり、第１の副段階１１３３中、信号１１３２が、第１の持続時間Ｔ１（例えば、６０～１２０秒）にわたって第１のＣレート（例えば、６Ｃ～８Ｃ）において印加され、いかなる信号も印加されない比較的に短い一時停止期間（例えば、５～１５秒）が続き、次いで、第２の副段階１１３４中、信号１１３２が、第２の持続時間Ｔ２（例えば、９０～１５０秒）にわたって第２の比較的に低いＣレート（例えば、４Ｃ～６Ｃ）において印加され、再び、いかなる信号も印加されない比較的に短い一時停止期間（例えば、５～１５秒）が続き、次いで、第３の副段階１１３５中、信号１１３２が、第３の持続時間Ｔ３（例えば、９０～１５０秒）にわたって第３のなおもより少ないＣレート（例えば、２Ｃ～４Ｃ）において印加され、再び、いかなる信号も印加されない比較的に短い一時停止期間（例えば、５～１５秒）が続き、次いで、第４の副段階１１３６中、信号１１３２が、第４の持続時間Ｔ４（例えば、４～８分）にわたって第４のなおもより少ないＣレート（例えば、１Ｃ～２Ｃ）において印加され、充電プロトコル実施形態１１００を完了する。信号１１３２が各副段階１１３３－１１３６中に印加される持続時間Ｔ１－Ｔ４は、一定であり得るか、または、可変であり得、信号１１３２は、バッテリ（または電池）電圧が過電圧条件に入ることを回避するために選択された閾値に到達すると、停止させられる。ここで提供される例示的Ｃレートおよび持続時間は、例にすぎず、実施形態は、これらの範囲外で実践的であるので、限定的ではない。段階１１３０は、単一の定電流率、または定電流率が反復的に減少させられる任意の数の２つ以上の副段階（例えば、１１３３－１１３６）を用いて実施されることができる。
図１３Ｂは、第２の充電段階１１３０が、図１３Ａに関して説明されるもののように次第に減少する大きさにおいて定電流信号を印加されるプロトコル１１００の別の例示的実施形態のグラフである。副段階１１３３－１１３６の各々は、時間閾値、温度閾値、ＳＯＣ閾値、電圧閾値、および／またはそれらの任意の組み合わせの発生に応じて、終了され、次の副段階に移行させられることができる。
プロトコル１１００は、全ての３つの段階１１１０、１１２０、および１１３０を実行するように要求されない。いくつかの実施形態において、第１の充電段階１１２０は、省略されることができ、プロトコル１１００は、パルス予熱段階１１１０から定電流充電段階１１３０に直ちに進むことができる。他の実施形態において、第２の充電段階１１３０は、省略されることができ、プロトコル１１００は、パルス予熱段階１１１０から第１の充電段階１１２０に直ちに進み、続けて終了することができる。なおも他の実施形態において、パルス予熱段階１１１０は、例えば、バッテリ２０６がすでに十分に加熱されている場合、省略されることができる。プロトコル１１００に対するこれらおよび他の変形例を伴う例示的実施形態が、図１９Ｂ－１９Ｇに関して説明される。
プロトコル１１００はまた、潜在的に劣化性の条件の指示に関して各バッテリ２０６を監視することを含む。段階１１１０、１１２０、および１１３０のうちのいずれかおよび全の中で実施され得るこの監視は、電圧および／またはインピーダンス応答分析、および／または、リチウムめっきが生じたという指示に関する監視を含むことができる。例えば、各バッテリ２０６の電圧およびインピーダンスは、加速または減速された副反応の指示を検出するための電圧およびインピーダンス応答分析を用いて監視されることができる（例えば、図１２Ｆ参照）。副反応の検出は、充電信号の特性を修正するために使用されることができ、例えば、充電信号の電圧は、副反応を減速させるために低減させられることができ、充電パルスの持続時間は、副反応を減速させるために低減させられることができ、充電パルスの印加の周波数は、副反応を減速させるために低減させられることができ、または、副反応の率がより高速の充電を可能にするために十分に低いと決定される場合、逆のことが、実施されることができる。電圧およびインピーダンス分析は、全ての３つの段階（１１１０、１１２０、１１３０）中、予熱段階１１１０中のみ、第１の充電段階１１２０中のみ、第２の充電段階１１３０中のみ、またはそれらの任意の組み合わせの中で、実施されることができる。
図１４は、リチウムめっきが生じている指示に関する監視の例示的実施形態１４００を描写する一連のプロットである。本実施形態において、信号１４０２が、バッテリ２０６に印加され、信号１４０２は、プロット１４０１において上段に示されるように、充電パルスを含み、その直後に、等しいまたは実質的に等しい持続時間の放電パルスが。パルスの印加の間に、小さい時間ギャップが、存在し得る。ここでは、第１の充電パルス１４０４および後続放電パルス１４０５は、例１４０８に関して示され、いかなるリチウムめっきも生じておらず、第２の充電パルス１４０６および第２の放電パルス１４０７は、例１４０９に関して示され、リチウムめっきが生じている。
信号１４０２に対するバッテリ２０６の電圧応答が、中間プロット１４１０において示されるように監視されることができる。正常な電圧応答１４１２が、いかなるリチウムめっきも生じていない例に関して左側に示され、リチウムめっきが生じていることを示す電圧応答１４１４、具体的に、めっきされたリチウムが剥がされた指示が、右側に示される。リチウムめっき事象が、生じている場合、それは、放電パルス１４０６に対する電圧応答１４１４の部分、典型的に、放電パルスが略一定の大きさにおいて印加されている間の１つの電圧から別の電圧への応答１４１４における比較的に急速な移行において明白となる。電圧応答１４１４におけるこの急速な移行は、めっきされたリチウムが続けて剥がされていることを示す。したがって、応答は、リチウムの剥がれよって発生させられ、したがって、リチウムめっきが放電パルス１４０７の印加の前に生じていることを示す。
めっきは、電圧応答から直接検出されることができるか、または、プロット１４２０において下側に描写されるような電圧応答の微分１４２２から検出されることができる。電圧応答の微分は、電圧応答が比較的に有意な非線形移行を受ける時間（電流パルスが開始および終了される場合１４２４、および、リチウム剥がれ事象が１４２６によって示されるように生じる場合等）に、移行（例えば、正または負のいずれかのピークまたはスパイク）を生成する。いくつかの実施形態において、放電パルスに対する電圧応答またはそれの微分のみが、監視される。リチウムめっきが、検出される場合、充電信号の特性は、上記のインピーダンス監視に関して説明されるように修正されることができる。リチウムめっき検出１４００は、全ての３つの段階中、予熱段階１１１０中のみ、第１の充電段階１１２０中のみ、第２の充電段階１１３０中のみ、またはそれらの任意の組み合わせの中で、断続的に実施されることができる。例えば、監視ルーチン１４００は、５秒毎に、１０秒毎に、２０秒毎に、または任意の他の所望の間隔毎に１回実施されることができる。ルーチン１４００は、パルスの１つの対（例えば、１４０４および１４０５）または複数の対の印加を含むことができる。パルス長は、０．１ｍ秒～１０秒、好ましくは、ルーチン１４００の充電時間に殆ど影響を及ぼさないように、約１００ｍ秒以下に及ぶことができる。
図１５Ａは、従来のＥＶ自動車バッテリパックにおいて等の電力用途における使用のために定格と決められたリチウムイオンバッテリ電池の対に対するパルス充電および定電流充電の効果を比較する、実験データのプロットである。データ１５０２は、１Ｃレートにおける定電流を用いて充電された電池からの結果を示し、データ１５０４は、パルス充電段階１１２０に関して説明されるものに類似する様式でパルス充電された電池からの結果を示す。図１５Ａは、ミリアンペア時間（ｍＡｈ）単位の容量とサイクル時間を比較し、それは、電池が繰り返されるサイクルにおいて試験された累積時間の尺度である。定電流充電サイクルが、２．９５Ａｈの完全定格容量の約２．５Ａｈまで充電するために１Ｃ定電流の印加によって形成され、１Ｃレートにおけるゼロまでの放電が続き、次いで、サイクルは、繰り返された。パルスサイクルが、１時間にわたる５０％のデューティサイクルにおいて２ｍ秒の持続時間を伴う１Ｃパルスの印加によって形成され、１Ｃレートにおける１時間にわたる放電が続き、次いで、サイクルは、繰り返された。実験データは、２５℃において収集され、サイクルは、約２８０時間にわたって実行された。図１５Ａは、パルス充電電池が、各サイクルにおいて定電流充電電池を平均して１０％上回る容量を達成し、両方に関するサイクル寿命が、ほぼ同じ率において低下したことを示す。
図１５Ｂは、図１５Ａと同じデータを正規化形態において示し、容量は、達成された初期容量のパーセントとして示される。これは、再び、定電流データ１５１２と比較したパルス充電電池データ１５１４に関するサイクル寿命のほぼ同一の低減を示す。したがって、図１５Ａ－１５Ｂのデータは、パルス充電が、定電流電池と比較して、増加させられたサイクル寿命低下を引き起こしていないことを示す。パルス充電は、活性化インピーダンスを低減させ、改良された容量をもたらすことができる。条件が、定電流電池が達成していたものと同じより低い容量まで電池をパルス充電するように調節される場合、パルス充電電池に関するサイクル寿命は、定電流充電電池と比較して改良されるであろう。
図１６Ａは、電力用途における（従来のＥＶ自動車バッテリパックにおける等）使用のために定格と決められたリチウムイオンバッテリ電池の対に対する高速充電プロトコル１１００の効果を定電流充電と比較する実験データのプロットである。プロトコル１１００は、予熱段階１１１０、第１の充電段階１１２０、および第２の充電段階１１３０を用いて実施され、次いで、冷却および放電され、１つのサイクルを形成した。このサイクルは、２つのバッテリ電池上で連続的に、かつ独立して繰り返された。図１６Ｃは、容量対時間のグラフであり、図１６Ｄは、電圧対時間のグラフであり、両方は、バッテリ電池に対するプロトコル１１００の一例示的サイクルの実施から収集されたデータを示す。プロトコル１１００のこの例示的実施形態は、電池温度を約２０℃から約３５℃まで上昇させた、正味ゼロ充電パルス予熱段階１１１０を含んでいた。これに、３分にわたるパルス充電段階１１２０が続き、５Ｃおよび５０％のデューティサイクルにおける２ｍ秒のパルスが、印加された。これに、順に、１０秒の休止期間、９０秒にわたる７Ｃレートを伴う第１の副段階１１３３、１０秒の休止期間、１２０秒にわたる５Ｃレートを伴う第２の副段階１１３４、１０秒の休止期間、１２０秒にわたる３．３Ｃレートを伴う第３の副段階１１３５、および６分にわたる１．８Ｃレートを伴う第４の副段階１１３６を有する定電流充電段階１１３０が続いた。パルス充電段階１１２０および副段階１１３３－１１３６はまた、電池電圧限界（段階１１２０に関して４．２５Ｖ、副段階１１３３－１１３６に関して４．２Ｖ）を受けた。プロトコル１１００のこの例は、１３分未満で７５％を上回る名目上の容量を達成した。充電後、約６０秒の比較的に長い休止期間が、バッテリ電池が冷却されることを可能にするために実施され、その後、電池は、プロトコル１１００の開始から１時間の経過時にゼロ容量を達成した率において放電された。
再び図１６Ａを参照すると、データ１６０２は、３．２Ｃレートにおける定電流を用いて充電された電池からの結果を示し、データ１６０４は、図１６Ｂ－１６Ｃに関して説明されるようなプロトコル１１００を用いて充電された電池からの結果を示す。図１６Ａは、容量（ｍＡｈ）をサイクル時間と比較し、それは、電池が繰り返されるサイクルにおいて試験された累積時間の尺度である。データ１６０２に関する定電流充電サイクルが、１３分にわたる３．２Ｃ定電流の印加によって形成され、開始から１時間後に完全放電を達成する率における放電が続き、それによって、完全定電流サイクルが、１時間持続し、次いで、サイクルは、連続的に繰り返された。サイクルは、約２００時間にわたって実行された。図１６Ｂは、図１６Ａと同じデータを正規化形態において示し、容量は、達成された初期容量のパーセントとして示される。
図１６Ａ－１６Ｂは、急速な容量の消失が、標準的な定電流高速充電データ１６０２で生じることを示す。この急速な容量の消失は、定電流充電によって電池において誘発される高インピーダンス成長によって引き起こされる。逆に、高速充電プロトコル１１００は、このインピーダンス成長を回避し、１３分未満で７５％の名目上の容量を達成しながら、実質的に改良された容量保持（図１５Ａ－１５Ｂの１Ｃベースライン率に類似する）を可能にする。プロトコル１１００のパラメータのなおもさらなる精緻化は、同じまたは類似する容量に到達するために、１０分以下のさらに高速の充電時間につながることができる。
図１５Ａ－１５Ｂのデータを収集するために使用されるバッテリ電池は、低速充電サイクル特性評価分析を受け、結果は、図１７Ａ－１７Ｂの電圧対容量プロットに提示される。図１７Ａは、１Ｃ定電流充電電池に関するデータを描写し、特性評価曲線１７０２が、図１５Ａ－１５Ｂに関して説明される試験の前に寿命初期（ＢＯＬ）においてとられ、特性評価曲線１７０４が、その試験が完了した後に寿命末期（ＥＯＬ）においてとられた。曲線１７０２と１７０４との比較は、定電流電池が、約１５％の不可逆的な容量損失を受けたことを示す。図１７Ｂは、１Ｃパルス充電電池に関するデータを描写し、特性評価曲線１７１２が、図１５Ａ－１５Ｂに関して説明される試験の前に寿命初期（ＢＯＬ）においてとられ、特性評価曲線１７１４が、その試験が完了した後に寿命末期（ＥＯＬ）においてとられた。曲線１７１２と１７１４との比較は、パルス充電電池も、約１５％の不可逆的な容量損失を受けたことを示す。したがって、ＥＯＬにおいて、パルス充電電池は、（ＢＯＬ）と比較して、定電流電池に類似する不可逆的な容量損失を有していた。サイクル寿命も、同等であった。パルス充電は、したがって、電池を著しく劣化させず、急速なインピーダンス成長も引き起こさない。
図１８Ａは、ＥＯＬにおける定電流充電電池およびパルス充電電池に関する虚数および実数インピーダンス成分のプロットである。データ１８０２は、定電流充電電池に対応し、データ１８０４は、パルス充電電池に対応する。両方の電池の対は、実質的に同じインピーダンス特性を示し、パルス充電電池は、それらのインピーダンスに対してわずかにより高いオームおよび活性化成分を示すにすぎない。これは、最適な温度より高い温度に起因するＳＥＩ層蓄積および結果として生じるインピーダンス成長に起因する可能性が高く、それは、さらなる温度制御を可能にするプロトコル１１００のパラメータのさらなる精緻化を通して軽減されることができる。
図１８Ｂは、定電流充電（１８１２）、１０ｍ秒のパルス持続時間を伴うパルス充電（１８１４）、および２ｍ秒のパルス持続時間を伴うパルス充電（１８１６）にさらされたリチウムイオン電池に関して収集された実験データを描写する電池電圧対時間のプロットである。定電流またはパルス充電のいずれかにおいて充電し、休止が続くことは、オーム／活性化対拡散寄与の迅速な測定を可能にする。測定は、下記の表１に要約される。これらの所見は、パルス充電１８１６が、活性化インピーダンスおよび活性化過電圧を低減させるが、同様の拡散過電位を維持することを示す。
図１９Ａ－Ｇは、種々のバッテリタイプに関する高速充電プロトコル１１００の実装の例示的実施形態を描写するブロック図である。これらの図では、電池温度は、概して、時間に伴って増加する。図１９Ａは、図１１Ａ－１１Ｂの実施形態に従って実装されるプロトコル１１００－１を描写し、パルス予熱段階１１１０が、最初に実施され、パルス充電段階１１２０が続き、比較的に高い温度の定電流（ＣＣ）充電段階１１３０で終了する。プロトコル１１００－１は、例えば、ＮＭＣまたはＮＣＡバッテリ電池とともに使用されることができる。
図１９Ｂは、パルス予熱段階１１１０を最初に実施し、パルス充電段階１１２０が続き、定電流充電段階１１３０が省略されるプロトコル１１００－２を描写する。例として、本実施形態は、ＮＭＣまたはＮＣＡバッテリ電池と比較して、容認可能な充電温度において、比較的に高い活性化を伴うが、比較的に低い拡散を伴う化学物質を有するバッテリタイプのために好適であり得る。
図１９Ｃは、パルス充電段階１１２０のみを有し、予熱段階１１１０および定電流充電段階１１３０が省略されるプロトコル１１００－３を描写する。例として、本実施形態は、ＮＭＣまたはＮＣＡバッテリ電池と比較して、容認可能な充電温度において、比較的に高い活性化を伴う化学物質を有するバッテリタイプのために好適であり得る。
図１９Ｄは、パルス充電段階１１２０を有し、定電流充電段階１１３０が続くが、予熱段階１１１０が省略されるプロトコル１１００－４を描写する。例として、本実施形態は、ＮＭＣまたはＮＣＡバッテリ電池と比較して、それらの高い充電状態において定電流充電を可能にする高い充電状態において比較的に低い活性化を伴う化学物質を有するバッテリタイプのために好適であり得る。
図１９Ｅは、パルス予熱段階１１１０を有し、定電流充電段階１１３０が直ちに続く、プロトコル１１００－５を描写する。パルス充電段階１１２０は、省略される。例として、本実施形態は、ＮＭＣまたはＮＣＡバッテリ電池と比較して、容認可能な充電温度において、比較的に低い活性化を伴う化学物質を有するバッテリタイプのために好適であり得る。
図１９Ｆは、第１の予熱段階１１１０－１および定電流相１１３０－１を伴う１１００－５に類似するプロトコル１１００－６を描写するが、プロトコル１１００－６は、第２のパルス予熱段階１１１０－２および第２の定電流充電段階１１３０－２を伴う本形態を繰り返す。例として、本実施形態は、ＮＭＣまたはＮＣＡバッテリ電池と比較して、容認可能な充電温度において、比較的に低い活性化を伴う化学物質を有するバッテリタイプのために好適であり得、２つの別個の温度形態を横断して実施される。
図１９Ｇは、パルス予熱段階１１１０を有し、第１の定電流充電段階１１３０－１が直ちに続き、次いで、パルス充電段階１１２０および第２の定電流充電段階１１３０－２が続く、プロトコル１１００－７を描写する。例として、本実施形態は、ＮＭＣまたはＮＣＡバッテリ電池と比較して、中間範囲の充電状態において、比較的に高い活性化を伴う化学物質を有するバッテリタイプのために好適であり得る。
図１９Ａ－１９Ｇおよび本明細書の別の場所に関して説明されるプロトコル実施形態は、充電されているシステム内の各エネルギー源に関して独立して実施されることができる。各源の条件（例えば、ＳＯＣ、温度、電圧応答、インピーダンス応答、リチウムめっきの指示等）についての情報は、各源に関して収集され、制御システム（例えば、１０２）に通信され、プロトコル１１００の適用および各モジュールまたは源への電力接続（例えば、１１０）における電力の分配の調整されたシステム全体の管理を可能にすることができる。例えば、各々がエネルギー源２０６を有するＮ個の異なるモジュール１０８のアレイを有するモジュール式エネルギーシステム１００は、Ｎ個のモジュール１０８の各々において、独立して図１９Ａのプロトコル１１００－１を実施することができる。各源２０６が移行条件（例えば、段階１１１０、１１２０から段階１１２０、１１３０に、または副段階１１１４、１１１６、１１３３－１１３６の間）に到達したときの決定は、制御システム１０２（例えば、ＭＣＤ１１２）によって行われることができ、適切な命令が、そのモジュール１０８がその中の各源２０６に関して次の段階に移行するように（例えば、予熱パルス列とは対照的に充電パルス（または定電流）を発生させるために、コンバータ２０２への切り替え信号を修正するようにＬＣＤ１１４に命令するＭＣＤ１１２によって）発行されることができる。１つ以上のモジュール１０８の第１の群が、パルス予熱段階１１１０からパルス充電段階１１２０に移行するための条件（例えば、最小温度における等）を満たしていることもある一方、１つ以上の異なるモジュール１０８の第２の群が、条件をまだ満たしていないこともある。したがって、システム１００は、１つ以上のモジュール１０８の第１の群が、パルス充電段階１１２０にあると同時に、１つ以上の異なるモジュール１０８の第２の群が、パルス予熱段階１１１０に留まるように、（例えば、ＭＣＤ１１２の指示で）制御システム１０２を用いて電力の印加を制御および分割することができる。第２の群の各モジュール１０８が、独立して、移行条件に到達すると、そのモジュール１０８は、モジュール１０８の第１の群とともにパルス予熱段階に入ることができる。同様に、パルス充電段階１１２０における各モジュール１０８が、独立して、定電流充電段階１１３０に移行するための条件に到達すると、そのモジュール１０８は、段階１１２０から段階１１３０に移行することができる。いくつかの例では、異なる段階１１１０、１１２０、および１１３０の全てが、同じシステム内の異なるエネルギー源上で同時実行され得る。同じことが、異なる副段階が、異なる源上で同時に実行され得るように、システム内の源上のプロトコル副段階（例えば、１１１４、１１１６、および１１３３－１１３６）の実行に適用される。
図２０は、本明細書に説明されるプロトコル１１００を適用するように構成され得る用途の例示的実施形態を描写するブロック図である。ここでは、充電源１５０は、下側行に示され、充電されるエネルギー源構成は、上側行に示される。例示的構成２０１０では、充電源１５０－１は、ＤＣ充電電圧がパルス予熱の実施のためにパルスにされることを可能にするために、切り替え回路網を伴うＤＣ充電器として構成されている。充電源１５０－１は、従来の電気自動車の直列接続されたパック等の従来の電気パワートレイン２０１２を充電するために使用される。例示的構成２０２０では、充電源１５０－２は、ＤＣ充電器として構成され、バッテリエネルギー貯蔵装置への入力に先立って、受け取られたＤＣ充電電圧が予熱および／または充電のためにパルスにされることを可能にするために、スイッチ回路網で構成される従来のパワートレイン２０１４を充電するために使用される。例示的構成２０３０では、充電源１５０－３は、図１Ａ－１０Ｆに関して説明されるシステム１００の実施形態に従って構成され、パルスにされたＤＣまたはＡＣ電圧を従来のパワートレイン２０１２に供給する。例示的構成２０４０では、充電源１５０－４は、図１Ａ－１０Ｆに関して説明される実施形態に従って構成されるエネルギーシステム１００にＤＣ充電電圧を供給するために使用されるＤＣ充電器として構成されている。例示的構成２０５０では、充電源１５０－５は、図１Ａ－１０Ｆに関して説明される実施形態に従って構成されるエネルギーシステム１００にＡＣ充電電圧を供給するために使用されるＡＣ充電器として構成されている。例示的構成２０６０では、充電源１５０－３（構成２０３０のもののような）は、図１Ａ－１０Ｆに関して説明される実施形態に従って構成されるエネルギーシステム１００にＤＣまたはＡＣ電圧を供給するために使用され、その場合では、充電源またはシステム１００のいずれかが、パルス能力を供給することができる。
そのように限定されないが、構成２０１０、２０２０、および２０３０は、比較的に低い電圧用途（例えば、１０ワット時～２０キロワット時（ｋＷｈ））のために特に好適であり得る一方、構成２０４０および２０５０は、比較的に高い（中程度の）電圧用途（例えば、２０ｋＷｈ～１００ｋＷｈ）のために特に好適であり得、構成２０６０は、比較的に高い電圧用途（例えば、１００ｋＷｈおよびそれを上回る）のために特に好適であり得る。
パルス式充電に関連する前述の実施形態の全ては、本明細書に説明されるようなパルス幅変調制御スキームまたはヒステリシスベースの制御スキームに従って実装され、パルス長に関する追加の制約が、本明細書に説明されるある実施形態のパルス持続時間条件に違反しないように、該当する場合に実装されることができる。
高速充電に関連する前述の実施形態の全ては、同様に、システムを高速様式で同様に放電するために、使用されることができる。
本明細書に説明される実施形態の全てにおいて、特定のシステムの各モジュールの一次エネルギー源は、同じ電圧（標準動作電圧または名目上の電圧のいずれか）を有することができる。そのような構成は、システムの管理および構造を簡略化する。一次および二次エネルギー源は、同じ電圧（標準または名目上）を有することができる。同じシステムの異なるモジュールの一次エネルギー源が、異なる電圧（標準または名目上）を有するもの、およびモジュールの一次および二次エネルギー源が、異なる電圧（標準または名目上）を有するもの等の他の構成も、実装されることができる。システムのモジュールの一次エネルギー源が異なる化学物質である一次エネルギー源バッテリを有する構成、または、システムのモジュールが第１の化学物質の一次エネルギー源バッテリと第２の化学物質の二次エネルギー源バッテリとを有するなおも他の構成も、実装されることができる。互いに異なるモジュールは、システムにおける設置に基づくことができる（例えば、段階アレイ内のモジュールは、ＩＣモジュールと異なる）。
本主題の種々の側面が、これまで説明された実施形態を精査して、および／または、それを補足して下記に記載され、ここでは、以下の実施形態の相互関係および互換性が強調される。言い換えると、別様に明示的に記載されない、または教示されない限り、実施形態の各特徴は、あらゆる他の特徴と組み合わせられ得るという事実が強調される。
多くの実施形態において、エネルギー源を充電する方法が、提供され、方法は、エネルギー源の温度が増加するようにエネルギー源に、交互する充電および放電エネルギーパルスの一続きを含む予熱信号を印加することと、次いで、エネルギー源の充電量が、増加するように、エネルギー源に充電信号を印加することとを含む。
いくつかの実施形態において、予熱信号は、エネルギー源が第１の温度に到達するまで印加され、充電信号は、エネルギー源が第１の温度に到達した後に印加される。
いくつかの実施形態において、予熱信号は、第１の持続時間にわたって印加され、充電信号は、第１の持続時間の後に印加される。
いくつかの実施形態において、予熱信号は、いかなる電気化学的貯蔵反応も副反応も、エネルギー源において起こらないような周波数を有する。
いくつかの実施形態において、エネルギー源は、リチウムイオンバッテリであり、予熱信号は、１キロヘルツを上回る周波数を有する。
いくつかの実施形態において、予熱信号は、エネルギー源の主貯蔵反応および副反応の電気化学的電荷移動が避けられるような周波数を有する。電気化学的電荷移動は、エネルギー源の電解質に対するエネルギー源の電極の界面容量によって避けられることができる、方法。
いくつかの実施形態において、充電信号は、複数の充電パルスを含む。複数の充電パルスは、１０ミリ秒以下、５ミリ秒以下、または２ミリ秒以下のパルス持続時間を有することができる方法。エネルギー源は、開回路電圧と上側カットオフ電圧とを有することができ、複数の充電パルスは、開回路電圧と上側カットオフ電圧との間の電圧にあり得る方法。
いくつかの実施形態において、充電信号は、複数のパルスを含む第１の充電信号であり、方法は、第１の充電信号を印加した後、第２の充電信号をエネルギー源に印加するさらに含むことができ、第２の充電信号は、定電流充電信号であり得る。予熱信号は、エネルギー源が第１の温度に到達するまで印加されることができ、第１の充電信号は、エネルギー源が第２の温度に到達するまで印加されることができ、第２の充電信号は、エネルギー源が第２の温度に到達した後に印加されることができる方法。第１の温度は、摂氏２５度またはそれより高いか、または摂氏２５度～４０度であり得る方法。第２の温度は、摂氏４５度またはそれより高いか、または摂氏４５度～５５度であり得る方法。第１の充電信号は、エネルギー源が第１の充電状態に到達するまで印加されることができ、第２の充電信号は、エネルギー源が第１の充電状態に到達した後に印加されることができる方法。第２の充電信号は、エネルギー源が９５％以上の充電状態に到達するまで印加されることができる方法。エネルギー源は、第１の充電信号が印加される第１の時間に、５％以下の充電状態を有することができ、エネルギー源は、第２の充電信号が印加された後の第２の時間に７５％またはそれを上回る充電状態を有することができ、第１の時間と第２の時間との間の差異は、１０分以下であり得る方法。予熱信号は、第１の充電信号の印加の前に２分以下にわたって印加されることができる方法。
いくつかの実施形態において、エネルギー源は、リチウムを含むバッテリであり、方法は、リチウムめっきに関してエネルギー源を監視することをさらに含むことができる。リチウムめっきに関してエネルギー源を監視することは、放電パルスが続く充電パルスの印加に対するエネルギー源の電圧応答が、リチウム剥がれシグネチャを含むかどうかを決定することを含むことができる方法。リチウムめっきに関してエネルギー源を監視することは、充電パルス、直後に放電パルスをエネルギー源に印加することと、少なくとも放電パルスに対する電圧応答の微分を実施することと、微分がリチウム剥がれシグネチャを含むかどうかを決定することとを含むことができる方法。リチウムめっきに関してエネルギー源を監視することは、充電信号が印加される場合、エネルギー源の充電段階中、断続的に実施されることができる方法。
いくつかの実施形態において、方法は、劣化の指示に関してエネルギー源のインピーダンスを監視することをさらに含むことができる。方法は、監視されるインピーダンスに応答して、充電信号の印加を調節することをさらに含むことができる。エネルギー源のインピーダンスを監視することは、充電信号が印加される場合、エネルギー源の充電段階中、断続的に実施されることができる、方法。
いくつかの実施形態において、エネルギー源は、バッテリ電池である。
いくつかの実施形態において、エネルギー源は、複数のバッテリ電池を含むバッテリモジュールである。
いくつかの実施形態において、充電信号は、複数の充電パルスを含み、エネルギー源の電極のワールブルグインピーダンスが電極の全インピーダンスの２０％以下のとき、予熱信号の印加は、停止させられ、充電信号の印加が、開始される。
いくつかの実施形態において、充電信号は、複数の充電パルスを含み、エネルギー源の電極のワールブルグインピーダンスが電極の全インピーダンスの１０％以下のとき、予熱信号の印加は、停止させられ、充電信号の印加が、開始される。
いくつかの実施形態において、充電信号は、複数の充電パルスを含み、電極のワールブルグインピーダンス×充電信号の平均電流が電極の利用可能な過電圧を下回るとき、予熱信号の印加は、停止させられ、充電信号の印加が、開始される。
いくつかの実施形態において、充電信号は、定電流充電信号であり、エネルギー源の電極の活性化インピーダンスが電極の全インピーダンスの２０％以下のとき、予熱信号の印加は、停止させられ、充電信号の印加が、開始される。
いくつかの実施形態において、充電信号は、定電流充電信号であり、エネルギー源の電極の活性化インピーダンスが電極の全インピーダンスの１０％以下のとき、予熱信号の印加は、停止させられ、充電信号の印加が、開始される。
いくつかの実施形態において、エネルギー源の電極の活性化インピーダンスが電極の全インピーダンスの５０％以下のとき、第１の充電号の印加は、停止させられ、第２の充電信号の印加が、開始される。
いくつかの実施形態において、エネルギー源の電極の活性化インピーダンスが電極の全インピーダンスの２０％以下のとき、第１の充電号の印加は、停止させられ、第２の充電信号の印加が、開始される。
いくつかの実施形態において、エネルギー源の電極の活性化インピーダンスが電極の全インピーダンスの１０％以下のとき、第１の充電号の印加は、停止させられ、第２の充電信号の印加が、開始される。
いくつかの実施形態において、パルス予熱信号は、エネルギー源の上側カットオフ電圧および下側カットオフ電圧より大きい電圧において印加される。
いくつかの実施形態において、充電信号は、エネルギー源のカットオフ電圧より大きいピーク電圧における複数の充電パルスを含む。
多くの実施形態において、エネルギー源を充電するように構成されるシステムが、提供され、システムは、（ａ）エネルギー源がある条件を満たすまで、エネルギー源の温度が増加するようにエネルギー源に予熱信号を印加するようにスイッチ回路網を制御することであって、予熱信号は、交互する充電および放電エネルギーパルスの一続きを含む、ことと、（ｂ）エネルギー源が条件を満たした後、エネルギー源に充電信号を印加するようにスイッチ回路網を制御することとを行うように構成された制御システムを含む。
いくつかの実施形態において、制御システムは、メモリと通信可能に結合された処理回路網を含み、メモリは、処理回路網によって実行されると、制御システムに、ステップ（ａ）および（ｂ）を実施させる命令を記憶する。
いくつかの実施形態において、制御システムは、エネルギー源が条件を満たすときを検出すること、またはエネルギー源が条件を満たしたという指示を受信することを行うようにさらに構成されている。
いくつかの実施形態において、条件は、温度条件であり、制御システムは、エネルギー源が第１の温度に到達するまで予熱信号を印加し、エネルギー源が第１の温度に到達した後に充電信号を印加するようにスイッチ回路網を制御するように構成されている。
いくつかの実施形態において、制御システムは、第１の持続時間にわたって予熱信号を印加し、第１の持続時間の後に充電信号を印加するようにスイッチ回路網を制御するように構成されている。
いくつかの実施形態において、予熱信号は、エネルギー源における電気化学的貯蔵反応および副反応の発生を防止するように構成された周波数を有する。
いくつかの実施形態において、エネルギー源は、リチウムイオンバッテリであり、予熱信号は、１キロヘルツを上回る周波数を有する。
いくつかの実施形態において、予熱信号は、エネルギー源の主貯蔵反応および副反応の電気化学的電荷移動を避けるように構成される周波数を有する。
いくつかの実施形態において、充電信号は、複数の充電パルスを含む。
いくつかの実施形態において、複数の充電パルスは、１０ミリ秒以下のパルス持続時間を有する。複数の充電パルスは、５ミリ秒以下、または２ミリ秒以下のパルス持続時間を有することができるシステム。エネルギー源は、開回路電圧と上側カットオフ電圧とを有することができ、複数の充電パルスは、開回路電圧と上側カットオフ電圧との間の電圧におけるものあるシステム。
いくつかの実施形態において、充電信号は、複数のパルスを含む第１の充電信号であり、制御システムは、第１の充電信号の印加の後にエネルギー源に第２の充電信号を印加するようにスイッチ回路網を制御するように構成され、第２の充電信号は、定電流充電信号である。制御システムは、エネルギー源が第１の温度に到達するまで予熱信号を印加し、エネルギー源が第２の温度に到達するまで第１の充電信号を印加し、エネルギー源が第２の温度に到達した後に第２の充電信号を印加するようにスイッチ回路網を制御するように構成されることができるシステム。第１の温度は、摂氏２５度またはそれより高いか、または摂氏２５度～４０度であり得るシステム。第２の温度は、摂氏４５度またはそれより高いか、または摂氏４５度～５５度であり得るシステム。制御システムは、エネルギー源が第１の充電状態に到達するまで第１の充電信号を印加し、エネルギー源が第１の充電状態に到達した後に第２の充電信号を印加するようにスイッチ回路網を制御するように構成されるシステム。制御システムは、エネルギー源が９５％以上の充電状態に到達するまで第２の充電信号を印加するようにスイッチ回路網を制御するように構成されることができるシステム。
いくつかの実施形態において、エネルギー源は、リチウムを含むバッテリであり、制御システムは、リチウムめっきに関してエネルギー源を監視するように構成されている。制御システムは、放電パルスが続く充電パルスの印加に対するエネルギー源の電圧応答が、リチウム剥がれシグネチャを含むかどうかを決定するように構成されることができる、システム。
いくつかの実施形態において、制御システムは、充電パルス、直後に放電パルスをエネルギー源に印加し、少なくとも放電パルスに対する電圧応答の微分を実施し、微分がリチウム剥がれシグネチャを含むかどうかを決定するようにスイッチ回路網を制御するように構成されている。制御システムは、充電信号が印加されるエネルギー源の充電段階中に断続的にリチウムめっきに関してエネルギー源を監視するように構成されることができる、システム。
いくつかの実施形態において、制御システムは、劣化の指示に関してエネルギー源のインピーダンスを監視するように構成されている。制御システムは、監視されるインピーダンスに応答して、充電信号の印加を調節するようにスイッチ回路網を制御するように構成されることができるシステム。制御システムは、充電信号が印加されるエネルギー源の充電段階中に断続的にエネルギー源のインピーダンスを監視するように構成されることができるシステム。
いくつかの実施形態において、エネルギー源は、バッテリ電池である。
いくつかの実施形態において、エネルギー源は、複数のバッテリ電池を含むバッテリモジュールである。
多くの実施形態において、エネルギー貯蔵システム内の複数のエネルギー源を充電する方法が、提供され、エネルギー貯蔵システムは、カスケード方式で一緒に接続された複数のモジュールを含み、複数のモジュールの各々は、エネルギー源とスイッチ回路網とを含み、エネルギー貯蔵システムは、複数のモジュールによって発生させられる出力信号の重ね合わせを伴うＡＣ電力を発生させるように構成され、方法は、各モジュールのスイッチ回路網によって、各モジュールのエネルギー源の温度が増加するように各モジュールのエネルギー源に、交互する充電および放電エネルギーパルスの一続きを含む予熱信号を印加することと、次いで、各モジュールのスイッチ回路網によって、各モジュールのエネルギー源に充電信号を印加することとを含む。
いくつかの実施形態において、予熱信号は、エネルギー源が第１の温度に到達するまで印加され、充電信号は、エネルギー源が第１の温度に到達した後に印加される。
いくつかの実施形態において、エネルギー源は、複数の電池を含み、予熱信号は、全ての電池が第１の最小温度に到達するまで、または少なくとも１つの電池が最大温度に到達するまで印加される。
いくつかの実施形態において、予熱信号は、第１の持続時間にわたって印加され、充電信号は、第１の持続時間の後に印加される。
いくつかの実施形態において、充電信号は、複数の充電パルスを含む。複数の充電パルスは、１０ミリ秒以下、５ミリ秒以下、または２ミリ秒以下のパルス持続時間を有することができる方法。各モジュールのエネルギー源は、開回路電圧と上側カットオフ電圧とを有することができ、複数の充電パルスは、開回路電圧と上側カットオフ電圧との間の電圧におけるものある方法。
いくつかの実施形態において、充電信号は、複数の充電パルスを含む第１の充電信号であり、方法は、各モジュールのスイッチ回路網によって、第１の充電信号を印加した後、各モジュールのエネルギー源に第２の充電信号を印加することをさらに含むことができ、第２の充電信号は、定電流充電信号である。予熱信号は、エネルギー源が第１の温度に到達するまで印加されることができ、第１の充電信号は、エネルギー源が第２の温度に到達するまで印加されることができ、第２の充電信号は、エネルギー源が第２の温度に到達した後に印加されることができる方法。第１の温度は、摂氏２５度またはそれより高いか、または摂氏２５度～４０度であり得る方法。第２の温度は、摂氏４１度またはそれより高いか、または摂氏４１度～６０度であり得る方法。第１の充電信号は、エネルギー源が第１の充電状態に到達するまで印加されることができ、第２の充電信号は、エネルギー源が第１の充電状態に到達した後に印加されることができる方法。第２の充電信号は、エネルギー源が９５％以上の充電状態に到達するまで印加されることができる方法。エネルギー源は、第１の充電信号が印加される第１の時間に、５％以下の充電状態を有することができ、エネルギー源は、第２の充電信号が印加された後の第２の時間に７５％またはそれを上回る充電状態を有することができ、第１の時間と第２の時間との間の差異は、１０分以下であり得る方法。予熱信号は、第１の充電信号の印加の前に２分以下にわたって印加されることができる方法。
いくつかの実施形態において、各モジュールのエネルギー源は、リチウムを含むバッテリであり、方法は、リチウムめっきに関して各モジュールのエネルギー源を監視することをさらに含むことができる。リチウムめっきに関して各モジュールのエネルギー源を監視することは、放電パルスが続く充電パルスの印加に対するエネルギー源の電圧応答が、リチウム剥がれシグネチャを含むかどうかを決定することを含むことができる方法。リチウムめっきに関して各モジュールのエネルギー源を監視することは、充電パルス、直後に放電パルスをエネルギー源に印加することと、少なくとも放電パルスに対する電圧応答の微分を実施することと、微分がリチウム剥がれシグネチャを含むかどうかを決定することとを含むことができる方法。リチウムめっきに関して各モジュールのエネルギー源を監視することは、充電信号が印加される場合、各モジュールのエネルギー源の充電段階中、断続的に実施されることができる方法。方法は、劣化の指示に関して各モジュールにおけるエネルギー源のインピーダンスを監視することをさらに含むことができる。方法は、監視されるインピーダンスに応答して、充電信号の印加を調節することをさらに含むことができる。各モジュールにおけるエネルギー源のインピーダンスを監視することは、充電信号が印加される場合、エネルギー源の充電段階中、断続的に実施されることができる方法。
いくつかの実施形態において、エネルギー源は、バッテリ電池である。
いくつかの実施形態において、エネルギー源は、複数のバッテリ電池を含むバッテリモジュールである。
多くの実施形態において、カスケード方式で一緒に接続された複数のモジュールを含み、複数のモジュールの各々は、エネルギー源とスイッチ回路網とを含む、エネルギー貯蔵システムが、提供され、エネルギー貯蔵システムは、複数のモジュールによって発生させられる出力信号の重ね合わせを伴うＡＣ電力を発生させるように構成され、エネルギー貯蔵システムは、各モジュールに関して、（ａ）エネルギー源が第１の温度に到達するまで、エネルギー源の温度が増加するようにエネルギー源に予熱信号を印加するようにスイッチ回路網を制御することであって、予熱信号は、交互する充電および放電エネルギーパルスの一続きを含む、ことと、（ｂ）エネルギー源が第１の温度以上であるとき、エネルギー源に充電信号を印加するようにスイッチ回路網を制御することとを行うように構成されている。
いくつかの実施形態において、システムは、（ａ）および（ｂ）を実施するように構成される制御システムをさらに含むことができる。制御システムは、マスタ制御デバイスと、複数のモジュールに関連付けられた複数のローカル制御デバイスとを含むことができ、マスタ制御デバイスは、複数のローカル制御デバイスに通信可能に結合され、複数のローカル制御デバイスは、複数のモジュールのスイッチ回路網に切り替え制御信号を出力するように構成されているシステム。
いくつかの実施形態において、システムは、メモリと通信可能に結合された処理回路網をさらに含むことができ、メモリは、処理回路網によって実行されると、システムに、（ａ）および（ｂ）を実施させる命令を記憶する。
いくつかの実施形態において、システムは、エネルギー源が第１の温度に到達するまで予熱信号を印加し、エネルギー源が第１の温度に到達した後に充電信号を印加するようにスイッチ回路網を制御するように構成されることができる。
いくつかの実施形態において、システムは、第１の持続時間にわたって予熱信号を印加し、第１の持続時間の後に充電信号を印加するようにスイッチ回路網を制御するように構成されることができる。
いくつかの実施形態において、予熱信号は、エネルギー源における電気化学的貯蔵反応および副反応の発生を防止するように構成された周波数を有する。
いくつかの実施形態において、エネルギー源は、リチウムイオンバッテリであり、予熱信号は、１キロヘルツを上回る周波数を有する。
いくつかの実施形態において、予熱信号は、エネルギー源の主貯蔵反応および副反応の電気化学的電荷移動を避けるように構成される周波数を有する。
いくつかの実施形態において、充電信号は、複数の充電パルスを含む。エネルギー源は、開回路電圧と上側カットオフ電圧とを有し、複数の充電パルスは、開回路電圧と上側カットオフ電圧との間の電圧におけるものある、システム。
いくつかの実施形態において、充電信号は、複数のパルスを含む第１の充電信号であり、制御システムは、第１の充電信号の印加の後にエネルギー源に第２の充電信号を印加するようにスイッチ回路網を制御するように構成され、第２の充電信号は、定電流充電信号である。制御システムは、エネルギー源が第１の温度に到達するまで予熱信号を印加し、エネルギー源が第２の温度に到達するまで第１の充電信号を印加し、エネルギー源が第２の温度に到達した後に第２の充電信号を印加するようにスイッチ回路網を制御するように構成されることができるシステム。制御システムは、エネルギー源が第１の充電状態に到達するまで第１の充電信号を印加し、エネルギー源が第１の充電状態に到達した後に第２の充電信号を印加するようにスイッチ回路網を制御するように構成されることができるシステム。制御システムは、エネルギー源が９５％以上の充電状態に到達するまで第２の充電信号を印加するようにスイッチ回路網を制御するように構成されることができるシステム。
いくつかの実施形態において、エネルギー源は、リチウムを含むバッテリであり、制御システムは、リチウムめっきに関してエネルギー源を監視するように構成されている。制御システムは、放電パルスが続く充電パルスの印加に対するエネルギー源の電圧応答が、リチウム剥がれシグネチャを含むかどうかを決定するように構成されることができる、システム。
いくつかの実施形態において、制御システムは、充電パルス、直後に放電パルスをエネルギー源に印加し、少なくとも放電パルスに対する電圧応答の微分を実施し、微分がリチウム剥がれシグネチャを含むかどうかを決定するようにスイッチ回路網を制御するように構成されている。制御システムは、充電信号が印加される場合、エネルギー源の充電段階中に断続的にリチウムめっきに関してエネルギー源を監視するように構成されることができるシステム。
いくつかの実施形態において、制御システムは、劣化の指示に関してエネルギー源のインピーダンスを監視するように構成されている。制御システムは、監視されるインピーダンスに応答して、充電信号の印加を調節するようにスイッチ回路網を制御するように構成されることができるシステム。制御システムは、充電信号が印加される場合、エネルギー源の充電段階中に断続的にエネルギー源のインピーダンスを監視するように構成されているシステム。
いくつかの実施形態において、全てのエネルギー源は、バッテリ電池である。
いくつかの実施形態において、全てのエネルギー源は、複数のバッテリ電池を含むバッテリモジュールである。
いくつかの実施形態において、複数のモジュールは、第１の複数のモジュールであり、システムは、カスケード方式で一緒に接続された第２の複数のモジュールであって、第２の複数のモジュールの各々は、エネルギー源とスイッチ回路網とを含み、エネルギー貯蔵システムは、第２の複数のモジュールによって発生させられる出力信号の重ね合わせを伴うＡＣ電力を発生させるように構成される、第２の複数のモジュールと、カスケード方式で一緒に接続された第３の複数のモジュールであって、第３の複数のモジュールの各々は、エネルギー源とスイッチ回路網とを含み、エネルギー貯蔵システムは、第３の複数のモジュールによって発生させられる出力信号の重ね合わせを伴うＡＣ電力を発生させるように構成され、ＡＣ電力は、３相ＡＣ電力を含む、第３の複数のモジュールとをさらに含む。システムは、自動車電気車両のモータに給電するように構成されることができるシステム。
多くの実施形態において、エネルギー源を充電する方法が、提供され、方法は、エネルギー源の温度が増加するようにエネルギー源に、交互する充電および放電エネルギーパルスの一続きを含む予熱信号を印加することを含み、予熱信号は、エネルギー源の二重層容量を通過する周波数にある。
いくつかの実施形態において、二重層容量は、エネルギー源のアノードの二重層容量と、エネルギー源のカソードの二重層容量とを含む。
いくつかの実施形態において、予熱信号は、エネルギー源を実質的に充電しない。
いくつかの実施形態において、予熱信号は、エネルギー源が実質的に充電されることなく加熱されるように、第１の持続時間にわたって印加され、次いで、予熱信号は、エネルギー源が加熱され、かつ充電されるように、第２の持続時間にわたって印加される。充電エネルギーパルスの持続時間は、放電エネルギーパルスに対して第２の持続時間中、徐々に増加させられることができる。
いくつかの実施形態において、エネルギー源は、バッテリ電池である。
いくつかの実施形態において、エネルギー源は、複数のバッテリ電池を含むバッテリモジュールである。
いくつかの実施形態において、予熱信号は、エネルギー源が第１の温度に到達するまで印加され、充電信号は、エネルギー源が第１の温度に到達した後に印加される。
いくつかの実施形態において、予熱信号は、第１の持続時間にわたって印加され、充電信号は、第１の持続時間の後に印加される。
いくつかの実施形態において、予熱信号は、いかなる電気化学的貯蔵反応も副反応も、エネルギー源において起こらないような周波数を有する。
いくつかの実施形態において、エネルギー源は、リチウムイオンバッテリであり、予熱信号は、１キロヘルツを上回る周波数を有する。
いくつかの実施形態において、予熱信号は、エネルギー源の主貯蔵反応および副反応の電気化学的電荷移動が避けられるような周波数を有する。電気化学的電荷移動は、エネルギー源の電解質に対するエネルギー源の電極の界面容量によって避けられることができる、方法。
多くの実施形態において、リチウムめっきの発生に関してリチウムを含むバッテリを監視する方法が、提供され、方法は、充電パルス、続けて放電パルスをバッテリに印加することと、放電パルスが続く充電パルスの印加に対するバッテリの電圧応答が、リチウム剥離シグネチャを含むかどうかを決定することとを含む。
いくつかの実施形態において、電圧応答がリチウム剥がれシグネチャを含むかどうかを決定することは、少なくとも放電パルスに対するバッテリの電圧応答の微分を実施することと、微分がリチウム剥がれシグネチャを含むかどうかを決定することとを含む。リチウム剥がれシグネチャは、放電パルスが印加される間の微分の移行であり得る方法。
いくつかの実施形態において、電圧応答がリチウム剥がれシグネチャを含むかどうかを決定することは、放電パルスの印加の間の電圧応答の変動が閾値を上回るかどうかを決定することを含む。
いくつかの実施形態において、方法は、バッテリの充電段階中に断続的に実施される。
いくつかの実施形態において、バッテリは、単一のバッテリ電池を含む。
いくつかの実施形態において、バッテリは、複数のバッテリ電池を含む。
多くの実施形態において、エネルギー源を充電する方法が、提供され、方法は、充電パルスを備えている第１の充電信号をエネルギー源に印加することであって、各充電パルスの持続時間は、１０ミリ秒を下回る、ことと、エネルギー源が移行条件を満たすときを決定することと、移行条件を満たすことを決定した後、エネルギー源に第２の充電信号を印加することであって、第２の充電信号は、定電流充電信号である、こととを含む。
いくつかの実施形態において、各充電パルスの持続時間は、５ミリ秒以下の。
いくつかの実施形態において、各充電パルスの持続時間は、２ミリ秒以下の。
いくつかの実施形態において、エネルギー源は、開回路電圧と上側カットオフ電圧とを有し、充電パルスは、開回路電圧と上側カットオフ電圧との間の電圧にある。
いくつかの実施形態において、移行条件は、充電状態閾値である。
いくつかの実施形態において、エネルギー源は、リチウムを備えている、バッテリであり、方法はさらに、リチウムめっきに関してエネルギー源を監視することを含む。
いくつかの実施形態において、リチウムめっきに関してエネルギー源を監視することは、放電パルスが続く充電パルスの印加に対するエネルギー源の電圧応答がリチウム剥がれシグネチャを備えているかどうかを決定することを含む。
いくつかの実施形態において、リチウムめっきに関してエネルギー源を監視することは、充電パルス、直後に放電パルスをエネルギー源に印加することと、少なくとも放電パルスに対する電圧応答の微分を実施することと、微分がリチウム剥がれシグネチャを備えているかどうかを決定することとを含む。
いくつかの実施形態において、リチウムめっきに関してエネルギー源を監視することは、充電信号が印加される場合、エネルギー源の充電段階中、断続的に実施される。
いくつかの実施形態において、方法は、劣化の指示に関してエネルギー源のインピーダンスを監視することをさらに含む。
いくつかの実施形態において、方法は、監視されるインピーダンスに応答して、充電信号の印加を調節することをさらに含む。
いくつかの実施形態において、エネルギー源のインピーダンスを監視することは、充電信号が印加される場合、エネルギー源の充電段階中、断続的に実施される。
いくつかの実施形態において、移行条件は、エネルギー源の電極の活性化インピーダンスが電極の全インピーダンスの５０％以下のときである。
いくつかの実施形態において、移行条件は、エネルギー源の電極の活性化インピーダンスが電極の全インピーダンスの２０％以下のときである。
いくつかの実施形態において、移行条件は、エネルギー源の電極の活性化インピーダンスが電極の全インピーダンスの１０％以下のときである。
いくつかの実施形態において、充電パルスは、エネルギー源のカットオフ電圧より大きいピーク電圧にある。
本主題の種々の側面が、これまで説明された実施形態を精査して、および／またはそれを補足して下記に記載され、ここでは、以下の実施形態の相互関係および互換性が強調される。言い換えると、別様に明示的に記載されない、または論理的に非現実的ではない限り、実施形態の各特徴は、あらゆる他の特徴と組み合わせられ得るという事実が強調される。
処理回路網は、それらの各々が別々のチップである、またはいくつかの異なるチップ（およびその一部）間に分散させられ得る１つ以上のプロセッサ、マイクロプロセッサ、コントローラ、および／またはマイクロコントローラを含むことができる。処理回路網は、ハードウェアおよび／またはソフトウェアで実装され得るデジタル信号プロセッサを含むことができる。処理回路網は、メモリ上に記憶されたソフトウェア命令を実行することができ、命令は、多くの異なるアクションを行い、他のコンポーネントを制御することを処理回路網に行わせる。
処理回路網は、オペレーティングシステムおよび任意のソフトウェアアプリケーションを実行し、伝送および受信される通信の処理に関連しないそれらの他の機能も実施するように適合されることができる。
メモリが、存在する種々の機能ユニットのうちの１つ以上によって共有されることができるか、または（例えば、異なるチップ内に存在する別個のメモリとして）それらのうちの２つ以上の間に分散させられることができる。メモリは、それ自体の別個のチップでもあり得る。メモリは、非一過性であり、揮発性（例えば、ＲＡＭ等）および／または不揮発性メモリ（例えば、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、Ｆ－ＲＡＭ等）であり得る。
説明される主題に従って動作を実行するためのコンピュータプログラム命令が、Ｊａｖａ（登録商標）、Ｊａｖａ（登録商標）Ｓｃｒｉｐｔ、Ｓｍａｌｌｔａｌｋ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、Ｔｒａｎｓａｃｔ－ＳＱＬ、ＸＭＬ、ＰＨＰ等のオブジェクト指向プログラミング言語、および「Ｃ」プログラミング言語または類似するプログラミング言語等の従来の手続き型プログラミング言語を含む１つ以上のプログラミング言語の任意の組み合わせにおいて書き込まれ得る。プログラム命令は、完全にユーザのコンピューティングデバイス（例えば、リーダ）上で、または部分的にユーザのコンピューティングデバイス上で実行され得る。プログラム命令は、例えば、識別された周波数が、処理のために遠隔場所にアップロードされる事例に関して、部分的にユーザのコンピューティングデバイス上に、かつ部分的に遠隔コンピューティングデバイス上に、または完全に遠隔コンピューティングデバイスまたはサーバ上に常駐し得る。後者のシナリオでは、遠隔コンピューティングデバイスは、任意のタイプのネットワークを通してユーザのコンピューティングデバイスに接続され得るか、または、接続は、外部コンピュータに行われ得る。
本明細書で提供される任意の実施形態に関して説明される全ての特徴、要素、コンポーネント、機能、およびステップが、任意の他の実施形態からのそれらと自由に組み合わせ可能かつ置き換え可能であることを意図していることに留意されたい。ある特徴、要素、コンポーネント、機能、またはステップが、１つのみの実施形態に関して説明される場合、その特徴、要素、コンポーネント、機能、またはステップが、別様に明示的に記載されない限り、本明細書に説明される全ての他の実施形態とともに使用され得ることを理解されたい。この段落は、したがって、任意の時点で、以下の説明が、特定の事例において、そのような組み合わせまたは置き換えが可能であることを明示的に記載しない場合でさえも、異なる実施形態からの特徴、要素、コンポーネント、機能、およびステップを組み合わせる、または一実施形態からの特徴、要素、コンポーネント、機能、およびステップを別の実施形態のもので置き換える請求項の導入のための先行詞および記述支援としての役割を果たす。特に、あらゆるそのような組み合わせおよび置き換えの許容性が当業者によって容易に認識されるであろうことを所与として、全ての可能な組み合わせおよび置き換えの明示的列挙が、過剰に負担となることが明示的に確認される。
本明細書に開示される実施形態が、メモリ、記憶装置、および／またはコンピュータ読み取り可能な媒体を含む、またはそれに関連して動作する限りにおいて、次いで、そのメモリ、記憶装置、および／またはコンピュータ読み取り可能な媒体は、非一過性である。故に、そのメモリ、記憶装置、および／またはコンピュータ読み取り可能な媒体が、１つ以上の請求項によって包含される限りにおいて、次いで、そのメモリ、記憶装置、および／またはコンピュータ読み取り可能な媒体は、非一過性のみである。本明細書で使用されるような用語「非一過性」および「有形」は、伝搬する電磁信号を除外するメモリ、記憶装置、および／またはコンピュータ読み取り可能な媒体を説明することを意図しているが、記憶の持続性の観点から、または別様に、メモリ、記憶装置、および／またはコンピュータ読み取り可能な媒体のタイプを限定することを意図していない。例えば、「非一過性」および／または「有形」メモリ、記憶装置、および／またはコンピュータ読み取り可能な媒体は、ランダムアクセス媒体（例えば、ＲＡＭ、ＳＲＡＭ、ＤＲＡＭ、ＦＲＡＭ（登録商標）等）、読み取り専用媒体（例えば、ＲＯＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュ等）、およびそれらの組み合わせ（例えば、ハイブリッドＲＡＭおよびＲＯＭ、ＮＶＲＡＭ等）、およびそれらの後で開発される変形等の揮発性および不揮発性媒体を包含する。
本明細書および添付の請求項で使用されるように、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈が明確に別様に決定付けない限り、複数指示物を含む。
実施形態は、種々の修正および代替形態の影響を受け得るが、その具体的例が、図面に示されており、本明細書に詳細に説明される。しかしながら、これらの実施形態が、開示される特定の形態に限定されるものではなく、反対に、これらの実施形態が、本開示の精神内に該当する全ての修正、均等物、および代替物を網羅するものであることを理解されたい。さらに、実施形態の任意の特徴、機能、ステップ、または要素、および請求項の発明の範囲内ではない特徴、機能、ステップ、または要素によってその範囲を定義する否定的限定が、請求項に列挙されるか、または、追加され得る。
Claims (44)
- エネルギー源を充電する方法であって、前記方法は、
複数の電池を備えているリチウムイオンバッテリモジュールに、等しい持続時間の交互する充電および放電エネルギーパルスの一続きを備えている予熱信号を印加し、前記リチウムイオンモジュールの温度が増加するように局所加熱を誘発することであって、前記予熱信号の周波数は、１キロヘルツより大きく、前記予熱信号の印加は、前記リチウムイオンバッテリモジュールの主貯蔵反応および副反応の電気化学的電荷移動を避けるように生じる、ことと、
次いで、前記リチウムイオンバッテリの電荷が増加するように前記リチウムイオンバッテリに充電信号を印加することと
を含み、
予熱信号は、前記リチウムイオンバッテリが第１の温度に到達するまで印加され、前記充電信号は、前記リチウムイオンバッテリが前記第１の温度に到達した後、印加される、方法。 - 前記電気化学的電荷移動は、前記エネルギー源の電解質に対する前記リチウムイオンバッテリモジュールの電極の界面容量によって避けられる、請求項１に記載の方法。
- 前記充電信号は、１０ミリ秒以下のパルス持続時間を有する複数の充電パルスを備えている、請求項１に記載の方法。
- 前記リチウムイオンバッテリモジュールは、開回路電圧と上側カットオフ電圧とを有し、前記複数の充電パルスは、前記開回路電圧と前記上側カットオフ電圧との間の電圧におけるものある、請求項３に記載の方法。
- 前記充電信号は、複数のパルスを備えている第１の充電信号であり、前記方法は、
前記第１の充電信号を印加した後、第２の充電信号を前記リチウムイオンバッテリモジュールに印加することをさらに含み、
前記第２の充電信号は、定電流充電信号である、請求項１に記載の方法。 - 前記予熱信号は、前記リチウムイオンバッテリモジュールが第１の温度に到達するまで印加され、前記第１の充電信号は、前記リチウムイオンバッテリモジュールが第２の温度に到達するまで印加され、前記第２の充電信号は、前記リチウムイオンバッテリモジュールが前記第２の温度に到達した後、印加される、請求項５に記載の方法。
- 前記第１の温度は、摂氏２５度以上であり、前記第２の温度は、摂氏４５度以上である、請求項６に記載の方法。
- 前記第１の充電信号は、前記リチウムイオンバッテリモジュールが第１の充電状態に到達するまで印加され、前記第２の充電信号は、前記リチウムイオンバッテリモジュールが前記第１の充電状態に到達した後、印加される、請求項５に記載の方法。
- 前記第２の充電信号は、前記リチウムイオンバッテリモジュールが９５％以上の充電状態に到達するまで印加される、請求項８に記載の方法。
- 前記リチウムイオンバッテリモジュールの電極の活性化インピーダンスが前記電極の全インピーダンスの５０％以下のとき、前記第１の充電信号の印加は、停止させられ、前記第２の充電信号の印加が、開始される、請求項５に記載の方法。
- リチウムめっきに関して前記リチウムイオンバッテリモジュールを監視することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
- 劣化の指示に関して前記リチウムイオンバッテリモジュールのインピーダンスを監視することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
- 前記監視されるインピーダンスに応答して、前記充電信号の印加を調節することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
- 前記リチウムイオンバッテリモジュールのインピーダンスを監視することは、前記充電信号が印加される場合、前記リチウムイオンバッテリモジュールの充電段階中に断続的に実施される、請求項１３に記載の方法。
- 前記充電信号は、複数の充電パルスを備え、前記リチウムイオンバッテリモジュールの電極のワールブルグインピーダンスが前記電極の全インピーダンスの２０％以下のとき、前記予熱信号の印加は、停止させられ、前記充電信号の印加が、開始される、請求項１に記載の方法。
- 前記パルス予熱信号は、前記リチウムイオンバッテリモジュールの上側カットオフ電圧および下側カットオフ電圧より大きい電圧において印加される、請求項１に記載の方法。
- 前記充電信号は、前記リチウムイオンバッテリモジュールのカットオフ電圧より大きいピーク電圧における複数の充電パルスを備えている、請求項１に記載の方法。
- エネルギー源を充電するように構成されたシステムであって、前記システムは、制御システムを備え、前記制御システムは、
（ａ）エネルギー源がある条件を満たすまで、前記エネルギー源の温度が増加するように前記エネルギー源に予熱信号を印加するようにスイッチ回路網を制御することであって、前記予熱信号は、交互する充電および放電エネルギーパルスの一続きを備えている、ことと、
（ｂ）前記エネルギー源が前記条件を満たした後、前記エネルギー源に充電信号を印加するように前記スイッチ回路網を制御することと
を行うように構成されている、システム。 - エネルギー貯蔵システム内の複数のエネルギー源を充電する方法であって、前記エネルギー貯蔵システムは、カスケード方式で一緒に接続された複数のコンバータモジュールを備え、前記複数のコンバータモジュールの各々は、エネルギー源とスイッチ回路網とを備え、前記複数のコンバータモジュールの各々は、モジュール電圧を出力するように制御システムによって独立して制御可能であり、前記エネルギー貯蔵システムは、前記複数のコンバータモジュールによって発生させられるモジュール出力電圧の重ね合わせを伴うＡＣ電力を発生させるように構成され、前記方法は、
各モジュールの前記スイッチ回路網によって、等しい持続時間の交互する充電および放電エネルギーパルスの一続きを備えている予熱信号を各モジュールの前記エネルギー源に印加し、各モジュールの前記エネルギー源の温度が増加するようにオーム加熱を誘発することであって、前記予熱信号の周波数は、１キロヘルツより大きく、前記予熱信号の印加は、前記エネルギー源の主貯蔵反応および副反応の電気化学的電荷移動を避けるように生じる、ことと、
次いで、各モジュールの前記スイッチ回路網によって、各モジュールの前記エネルギー源に充電信号を印加することと
を含む、方法。 - 前記モジュールは、各モジュールが温度閾値に到達するときに基づく異なる時間に、前記予熱信号の印加から前記充電信号の印加に移行する、請求項１９に記載の方法。
- 前記充電信号は、１０ミリ秒以下のパルス持続時間を有する複数の充電パルスを備えている、請求項１９に記載の方法。
- 前記エネルギー源は、開回路電圧と上側カットオフ電圧とを有し、前記複数の充電パルスは、前記開回路電圧と前記上側カットオフ電圧との間の電圧におけるものある、請求項２１に記載の方法。
- 前記充電信号は、複数のパルスを備えている第１の充電信号であり、前記方法は、
前記第１の充電信号を印加した後、第２の充電信号を前記エネルギー源に印加することをさらに含み、
前記第２の充電信号は、定電流充電信号である、請求項１９に記載の方法。 - 前記予熱信号は、前記エネルギー源が第１の温度に到達するまで印加され、前記第１の充電信号は、前記エネルギー源が第２の温度に到達するまで印加され、前記第２の充電信号は、前記エネルギー源が前記第２の温度に到達した後、印加される、請求項２３に記載の方法。
- 前記第１の温度は、摂氏２５度以上であり、前記第２の温度は、摂氏４５度以上である、請求項２４に記載の方法。
- 前記第１の充電信号は、前記エネルギー源が第１の充電状態に到達するまで印加され、前記第２の充電信号は、前記エネルギー源が前記第１の充電状態に到達した後、印加される、請求項２４に記載の方法。
- 前記第２の充電信号は、前記エネルギー源が９５％以上の充電状態に到達するまで印加される、請求項２６に記載の方法。
- 前記エネルギー源の電極の活性化インピーダンスが前記電極の全インピーダンスの５０％以下のとき、前記第１の充電信号の印加は、停止させられ、前記第２の充電信号の印加が、開始される、請求項２４に記載の方法。
- リチウムめっきに関して前記エネルギー源を監視することをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
- 劣化の指示に関して前記エネルギー源のインピーダンスを監視することをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
- 前記監視されるインピーダンスに応答して、前記充電信号の印加を調節することをさらに含む、請求項３０に記載の方法。
- 前記エネルギー源のインピーダンスを監視することは、前記充電信号が印加される場合、前記エネルギー源の充電段階中、断続的に実施される、請求項３１に記載の方法。
- 前記充電信号は、複数の充電パルスを備え、前記エネルギー源の電極のワールブルグインピーダンスが前記電極の全インピーダンスの２０％以下のとき、前記予熱信号の印加は、停止させられ、前記充電信号の印加が、開始される、請求項１９に記載の方法。
- 前記パルス予熱信号は、前記エネルギー源の上側カットオフ電圧および下側カットオフ電圧より大きい電圧において印加される、請求項１９に記載の方法。
- 前記充電信号は、前記エネルギー源のカットオフ電圧より大きいピーク電圧における複数の充電パルスを備えている、請求項１９に記載の方法。
- エネルギー貯蔵システムであって、前記エネルギー貯蔵システムは、
カスケード方式で一緒に接続された複数のモジュールを備え、前記複数のモジュールの各々は、エネルギー源とスイッチ回路網とを備え、前記エネルギー貯蔵システムは、前記複数のモジュールによって発生させられる出力信号の重ね合わせを伴うＡＣ電力を発生させるように構成され、前記エネルギー貯蔵システムは、各モジュールに関して、
（ａ）前記エネルギー源が第１の温度に到達するまで、前記エネルギー源の温度が増加するように前記エネルギー源に予熱信号を印加するように前記スイッチ回路網を制御することであって、前記予熱信号は、交互する充電および放電エネルギーパルスの一続きを備えている、ことと、
（ｂ）前記エネルギー源が前記第１の温度以上であるとき、前記エネルギー源に充電信号を印加するように前記スイッチ回路網を制御することと
を行うように構成されている、エネルギー貯蔵システム。 - エネルギー源を充電する方法であって、前記方法は、
前記エネルギー源の温度が増加するように交互する充電および放電エネルギーパルスの一続きを備えている予熱信号を前記エネルギー源に印加することを含み、
前記予熱信号は、前記エネルギー源の二重層容量を通過する周波数におけるものである、方法。 - 前記二重層容量は、前記エネルギー源のアノードの二重層容量と、前記エネルギー源のカソードの二重層容量とを備えている、請求項３７に記載の方法。
- 前記予熱信号は、前記エネルギー源を実質的に充電しない、請求項３７に記載の方法。
- 前記予熱信号は、前記エネルギー源が実質的に充電されることなく加熱されるように、第１の持続時間にわたって印加され、次いで、前記予熱信号は、前記エネルギー源が加熱され、かつ充電されるように、第２の持続時間にわたって印加される、請求項３７に記載の方法。
- 前記充電エネルギーパルスの持続時間は、前記放電エネルギーパルスに対して前記第２の持続時間中、徐々に増加させられる、請求項４０に記載の方法。
- 前記予熱信号は、前記エネルギー源が第１の温度に到達するまで印加され、前記充電信号は、前記エネルギー源が前記第１の温度に到達した後、印加される、請求項３７に記載の方法。
- 前記予熱信号は、第１の持続時間にわたって印加され、前記充電信号は、前記第１の持続時間の後に印加される、請求項３７に記載の方法。
- 前記予熱信号は、いかなる電気化学的貯蔵反応も副反応も、前記エネルギー源において起こらないような周波数を有する、請求項３７に記載の方法。
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