JP5731545B2 - エネルギー貯蔵システムおよび方法 - Google Patents

Description

多くの大出力システムにおいて、ウルトラキャパシタおよびバッテリーの組み合わせは、バッテリー単体よりもよく機能する。しかし今日のシステムは、ウルトラキャパシタおよびバッテリーの両方を利用するものであっても、改善の余地が多く残されている。システムパフォーマンスは、実際の負荷および保守利用の全ての範囲にわたって決して良好とは言えない。そしてバッテリーは望まれるほど長くは持たない。以下に詳述されるように、本発明は、よりよいパフォーマンスおよびより長いバッテリー寿命の可能性を提供する。しかしまず、専門用語を明らかにし、今まで実現できなかった大きな必要性をわかりやすくするための背景が提供される。

図１は、ハイブリッド自動車２１の簡略化されたブロック図を示す。内燃機関およびオルタネータ２３は、電力をモーター・発電機２４に供給し、モーター・発電機２４は今度はドライブトレインおよび車輪２５に機械的に結合されている。重要なことに、自動車は回生ブレーキを使用し、ここで自動車は、ドライブトレイン２５を通したモーター・発電機２４への運動エネルギーを、エネルギー貯蔵システム２６に貯蔵される電気エネルギーに変換することによって減速する。エネルギー貯蔵システム２６は、端子３０，３１における２端子素子として理想化される。多くの今日のハイブリッド車において、エネルギー貯蔵システム２６の主要な（またはおそらく唯一の）要素は、電気化学バッテリー２２である。回生ブレーキを通して発生され、貯蔵システム２６に貯蔵されたエネルギーは、エンジン・オルタネータ２３の代わりに、またはそれに加えて、モーター・発電機２４に電力を与えるために利用され得る。

内燃機関だけを用いる従来の自動車と比較して、ハイブリッド自動車２１は、部分的には回生ブレーキの使用により、改善された燃料経済性を提供する。改良された燃料経済性は、もちろんコスト、つまりバッテリー２２の無視できない製造コストと共に、そのような非常に大きなバッテリーの、後の処分またはリサイクルコストを代償として得られる。特筆すべきは、自動車２１は、非常に重いバッテリー２２をある場所から他の場所へと移動しなければならない負担があるとしても、それにもかかわらず自動車２１は、上述の改良された燃料経済性を享受する。

ハイブリッド車は、日々の経験においてまだ比較的最近のものであるが、バッテリー寿命が非常に重要であることは既に理解されつつある。もしより長いバッテリー寿命を期待させる発明があるなら、少なくとも３つの理由で非常に良いニュースとなろう。すなわち、第１に、最初のバッテリーの相当な出費がより長い耐用年数にわたって拡散され得る。第２に、バッテリーの処分またはリサイクルの出費が先延ばしされ得る。第３に、バッテリーの故障、またはそれに伴うバッテリー交換の間の非運転期間による、ユーザに対する不便が少なくなるか、先延ばしされ得る。

上述のように図１は簡略化されている。例えば図１は、トランスファーケースおよび２つのディファレンシャルによって４つの車輪に接続された単一のモーター・発電機２４を示す。しかし他のアプローチによれば、それぞれが対応する車輪に機械的に結合される４つのモーター・発電機を利用することが理解されよう。

図１では明瞭さのために省略されているが、自動車２１は、従来の車のアクセルペダルまたはブレーキペダルと同じ結果を得るために重要である、スイッチおよび他の制御電子装置を有することがわかるだろう。また、バッテリー２２の外部での短絡の場合に電源を遮断するために、バッテリー２２に接続している線にはヒューズまたはヒュージブルリンクが存在する。過温度状態が終わるまでバッテリーをディレーティングできるよう意図された１つ以上の温度センサがバッテリー２２の中にあってもよい。

図２は、図１に示されるような典型的なエネルギー貯蔵システム２６をより詳細に示す。バッテリー２２は、直列の多くの電気化学セル２７を含む。（図２には不図示だが直列−並列構成を利用してもよい。）
バッテリー２２は、化学反応を通してエネルギーを貯蔵および解放する電気化学デバイスである。化学反応は、瞬間的には起こり得ず、時間がかかる。また化学反応は、熱も発生し得る。このことは、バッテリーは、その貯蔵されたエネルギーの全てまたは一部を瞬間的に伝達することはできず、そのエネルギーを伝達するのにある程度時間がかかることを意味する。同様にこれは、もしエネルギーが外から貯蔵システムに入ってくるなら（例えば回生ブレーキによって）、そのようなエネルギーは、すぐにはバッテリーに貯蔵され得ず、そうするのにある程度時間がかかる。バッテリーから大量のエネルギーを非常に素早く引き出す努力は、いくつかの欠点を提供する加熱につながり得る。すなわち、第１に、加熱は、そうでなければ有効に使えたかもしれないエネルギーを浪費することを表す。第２に、加熱は、バッテリーから放熱する機構を設計する必要を意味する。第３に、加熱は、耐用年数を縮めることがあり、時期尚早な故障のリスクを増やすこともある。

バッテリーの化学的性質の与えられた選択、および与えられた詳細なバッテリーの設計について、バッテリーの、その耐用年数の間に利用可能な充電・放電サイクルは、限られた回数しかないことが経験からわかっている。（上述のように、過温度、または過度に高い電流を引き出したり、過度に高い電流で充電したりすることのような極端な動作条件は、そうでなければ利用可能であるはずの、充電・放電サイクルの利用可能な回数を減少させる。）
近年、これらや他の要因によって、システム設計者は、ウルトラキャパシタをバッテリーと並列に挿入しようとする。例えば、図３は、バッテリー２２と並列なウルトラキャパシタ２８（直列の多くの個別ウルトラキャパシタ２９を含む）を含むエネルギー貯蔵システム２６を示す。このアプローチは、バッテリー２２単体の使用（図２のように）に対して利点がある。ウルトラキャパシタは、非常に速く、すなわちバッテリーができるよりもずっと速く、エネルギー（例えば回生ブレーキからの）を受け取ることができる。エネルギーが負荷に与えられるべき時（例えば急加速のために）は、ウルトラキャパシタが、その負荷に非常に速く、すなわちバッテリーができるよりもずっと速くエネルギーを供給できる。

上述のように、ウルトラキャパシタおよびバッテリーの組み合わせは、バッテリー単体よりもしばしばずっとよく働くことが経験からわかっている。これによって研究者は、ウルトラキャパシタおよびバッテリーのサイズのなんらかの最適な比が存在するか（特定のアプリケーションのために）を知るために、より大きなウルトラキャパシタおよびより小さなウルトラキャパシタを使用することを試すようになってきている。またこれによって研究者は、図３に示される単純な接続よりも、ウルトラキャパシタ、バッテリー、および負荷の間のより複雑な接続がよりよい結果につながるかを検討するようになってきている。

一つのアプローチは、ウルトラキャパシタおよびバッテリーに加えて「電力変換器」を利用することである。典型的な実施形態では、電力変換器は、所望の電流のフローを示す制御ラインによって導かれるように、電流が２つの方向のうちのいずれかの方向に流れるようにする。そのような電力変換器は、例えば、１つのコンバータがそれぞれの方向に向いている２つのバックコンバータ、および１つのコンバータがそれぞれの方向に向いている２つのブーストコンバータ、および４つのコンバータのうちの１つをオンにする（他の３つを除いて）、所望の電流フローを発生するのに必要とされる任意のデューティーサイクルを持つ制御電子を含み得る。ヌル状態（制御信号が印加されない）では、コンバータは、好ましくはストレートワイヤになるべく近くなる。

図４は、ピン３０および３１における２端子素子として負荷につながるエネルギー貯蔵システム３４を示す。ウルトラキャパシタ２８は、バッテリー２０と共に使われてもよい。重要なことには、図４のシステムにおいては、ピン３５および３６における２端子素子としてシステムにつながる電力変換器３２がある。制御線３３は、制御信号を電力変換器３２に伝える。

図５は、図４のシステムの代替としてのエネルギー貯蔵システム３４を示す。図５のシステム３４は、再び、ピン３０および３１における２端子素子として負荷につながる。ウルトラキャパシタ２８は、再び、バッテリー２０と共に示される。重要なことに、図５のシステムにおいては、電力変換器３２は、ウルトラキャパシタ２８と直列ではなく、バッテリー２０と直列である。再び、制御線３３は、制御信号を電力変換器３２に伝える。

ここで図１０を先に見ると、図４の貯蔵システム３４のより詳細な図解が示されている。端子３０，３１は、システム３４の外部の負荷及び／又は電源に接続する。バッテリー２２は、電流センサ４９を通して端子３０，３１に接続され、バッテリー２２における電圧は、電圧センサ５７によって計測される。好ましくはウルトラキャパシタであるキャパシタ２８が設けられる。電力変換器３２は、電流駆動線（current drive line）３３の制御の下で、バッテリーからキャパシタへの、またはキャパシタからバッテリーへの電力の制御された導通（または非導通）を可能にする。電圧センサ４７は、キャパシタ２８の両端の電圧を検出し、電流センサ４５は、キャパシタ２８への電流、またはキャパシタ２８からの電流を検出する。電流センサ５３は、バッテリー２２への電流、またはバッテリー２２からの電流を検出する。温度センサ４３，５１は、キャパシタ２８およびバッテリー２２の内部温度をそれぞれ検出する。センス線４４，４６，４８，５２，５４，５０，５８は、前述のセンサからエネルギー管理システムコントローラ５５へ情報を提供する。コントローラ５５は、電流駆動線３３において電流駆動信号を提供する。コントローラ５５は、アーキテクチャ３４の外部の回路と通信可能に結合され得る、双方向制御／データバス５６を有する。図１０では簡潔さのために省略されている他の信号には、システムの雰囲気温度のセンサからの信号、および電力変換器からのステータス信号が含まれる。

図１０において、エネルギー管理システム（ＥＭＳ）コントローラ５５は、ウルトラキャパシタの温度、電流、および電圧を（それぞれ線４４，４６，４８において）、バッテリーの温度、電流、および電圧を（それぞれ線５２，５４，および５８において）、負荷への電流および負荷からの電流を（線５０において）モニタする。コントローラ５５は、ＣＡＮまたは他の通信チャネル５６からの制御入力を備え、同じ通信チャネル５６に出力し、線３３において電力変換器電流命令を発生する。

ここで図６に戻り、エネルギー貯蔵システム３４（図４から）が可視化され、モーター・発電機２４に結合されている例示的実施形態が示され、モーター・発電機２４はさらに機械的にドライブトレイン２５に結合される。

システム３４のパフォーマンスを最適化するために、図１０および４に示されるようなコントローラを採用することが知られている。そのようなコントローラは例えば、容量の７７パーセントのレベルまでウルトラキャパシタ上の電荷を押し上げる努力がなされる設定点を有し得る。しかし典型的な実在のドライブトレインおよび実在の負荷では、その利益を提供するウルトラキャパシタ２８の能力は、キャパシタがゼロ近くまで電荷を出力すると急速に衰える（キャパシタが電源を負荷に供給するよう要求されている時、おそらくは電力変換器が負荷に対してブーストモードである時）。同様にウルトラキャパシタ２８がほとんどフルに充電されている時、ウルトラキャパシタが回生ブレーキから多くのエネルギーを吸収する必要がある場合は、その利益は急速になくなる。

エネルギー貯蔵システムのより良くより洗練された制御を可能にするアプローチがもし見つかるならそれが望ましい。例えばもしコントローラがよりインテリジェントに構成され得るなら、これはエネルギー貯蔵システムの所望の改良された制御をもたらすだろう。そのようなアプローチは、より良いバッテリー寿命を提供し、加熱による損失を低減し、設計者がより小さいウルトラキャパシタで対応できるようにし、設計者がより小さいバッテリーで対応できるようにするだろう。

バッテリーおよびウルトラキャパシタを含むエネルギー貯蔵システムにおいて、キャパシタの充電の状態（ＳＯＣ）は、動的設定点の課題である。この動的設定点制御は、貯蔵システムが曝される負荷のシステム、例えばハイブリッド自動車または電気自動車の関数である。制御は、負荷電流の実時間高速フーリエ変換分析に一部は基づき得るので、制御係数の実時間調整が可能である。このようにして、例えば回生ブレーキから大電流を吸収できることが望まれる時に、キャパシタが完全に充電されることが起こるのを最小化することができる。同様に、利用可能なブースト電力を有することが望まれる時に、キャパシタがほとんど放電しつつあることが起こるのを最小化することができる。この結果は、比較的小さいウルトラキャパシタ（おそらくバッテリーのエネルギー貯蔵容量の１／２００しか有さない）でも、バッテリーで放熱される無駄な熱を大幅に減らすことができ、電流がバッテリーに入り、かつバッテリーから出る、そうでなければ不必要な電流循環を減らすことができる。これはバッテリー寿命を延ばし、バッテリーパフォーマンスを向上することができる。

図１は、従来技術による内燃機関およびエネルギー貯蔵システムを持つ従来技術のハイブリッドカーを示す図である。 図２は、従来技術によるエネルギー貯蔵システムを示す図である。 図３は、従来技術によるウルトラキャパシタおよびバッテリーを持つエネルギー貯蔵システムを示す図である。 図４は、ウルトラキャパシタおよびバッテリーを持つエネルギー貯蔵システムの第１トポロジーを示す機能ブロック図である。 図５は、ウルトラキャパシタおよびバッテリーを持つエネルギー貯蔵システムの第２トポロジーを示す機能ブロック図である。 図６は、モーター・発電機およびドライブトレインに接続された、ウルトラキャパシタおよびバッテリーを持つ図４のようなエネルギー貯蔵システムの第１トポロジーを示す機能ブロック図である。 図７は、モーター・発電機に向かって流れる電力がある図６のシステムを示す図である。 図８は、モーター・発電機からエネルギー貯蔵システムに向かって流れる電力がある図６のシステムを示す図である。 図９は、ウルトラキャパシタおよびバッテリーの間である方向または他の方向に流れる電力がある図６のシステムを示す図である。 図１０は、図４のシステムをより詳細に示す図である。 図１１は、電力変換器をより詳細に示す図である。 図１２は、コントローラをより詳細に示す図である。 図１３は、機能ブロック図表現におけるセンサのいくつかを示す図である。

本願は、それぞれ２０１０年１月２５日に出願された米国特許出願番号61/298,204および61/298,206の利益を主張し、これらそれぞれは、全ての目的のためにここで参照によって援用される。

本発明は図面を参照して説明される。可能である場合は、同様の要素は同様の参照番号で示されている。

より完全に本発明を理解するために、図６の自動車の運転において起こり得る電流の流れのいくつかを記載するのが便利である。

もし重い負荷の場合（例えば自動車が坂を登っている時、または運転者がアクセルペダルを踏んでいる時、またはそれらの両方）なら、図７に示されるように、モーター２４は、電流３７をウルトラキャパシタ２８から引き出し、電流３６をバッテリー２０から引き出し得る。キルヒホフの法則がもちろん満たされるので、端子３０を通る（よって端子３１を通る）電流は、前述の２つの電流の和になる。

対照的に図８は、モーター・発電機からエネルギー貯蔵システムへ向かって流れる電流を持つ図６のシステムを示す。例えば、自動車の運転者が強くブレーキをかけていると、モーター・発電機２４は発電機になり、回生ブレーキを行う。このような場合においては、キャパシタ２８に流れ込む電流４１と、バッテリー２０に流れ込む電流４０とが存在し得る。図７と同様に、キルヒホフの法則が満たされるので、端子３０を通る（よって端子３１を通る）電流は、前述の２つの電流の和になる。

図９は、モーター・発電機２４における負荷を通してほとんど電流が流れないか、または全く電流が流れない時において、ウルトラキャパシタおよびバッテリー間をある向きに、またはその逆の向きに電流４２が流れる図６のシステムを示す。

前述のように、少なくとも１つの従来技術のシステムでは、電力変換器への制御信号は、ウルトラキャパシタ２８のＳＯＣ（充電状態）を７７％に保持するよう試みる。すなわち制御信号は、そのレベルから逸脱した後は、多少なりともＳＯＣを７７％に戻すよう試みる。そのような従来技術のシステムでは、ＳＯＣが何らかの他のレベルが好ましい時でも、キャパシタが完全に放電したり、完全に充電したりしやすい。

例えばキャパシタが完全に充電されると、発電機から戻されて受け取られたさらなる電流は、バッテリー２０以外に行く場所がない。この電流は、バッテリーの通常の最適な充電電流を超えるかもしれず、よってキャパシタまたはバッテリーのどちらかで受け取られることができない電流（またはその一部）を吸収または発散することができるシステムの任意の部分における、バッテリーの加熱または他のエネルギー消費につながる。

例えばキャパシタの電荷がゼロに近づくと、モーターに高い電力を伝達するのが望ましい程度まで、そのような伝達はキャパシタからは来ることができず、バッテリーによって伝達され得るそのような電力は、その電力を伝達するバッテリーの能力に限定される。もし例えばバッテリーがある程度の内部抵抗を有するとモデル化すると、非常に高いレベルの電力をバッテリーから引き出そうと努力すれば、バッテリーの加熱を生じることが予期される。そのような加熱は、エネルギーを浪費し、バッテリー寿命を短くするリスクを負う。

本発明によれば、エネルギー貯蔵システム３４のためのコントローラは、図９の電流の、図７および図８に示されるような電流との重ね合わせをもたらし得る。ある程度、詳細に記載されるように、このことは、キャパシタがモーター２４へ伝達される電力をブーストできることが役立つであろう、ちょうどその時に、ウルトラキャパシタ２８の電荷がほとんどゼロになりつつあるという不幸な結果を最小限に減らす（または完全になくす）ことを可能にし得る。同様に、このことは、キャパシタがモーター２４から伝達されるいくらかの電力を貯蔵できることが役立つであろう、ちょうどその時に、ウルトラキャパシタ２８がフル充電に達しつつあるという不幸な結果を最小限に減らす（または完全になくす）ことを可能にし得る。

それから本発明のある実施形態は、ダイナミック設定点制御と名付けられるものを提供する。これはウルトラキャパシタの充電状態（ＳＯＣ）がアクティブに制御されて、その初期設定を探し出す技術革新である。例えば上述のように、典型的なウルトラキャパシタＳＯＣの設定点は、車の予期されるタイプおよび予期されるドライブサイクルに依存して公称では７７％である。ダイナミックＳＯＣ設定点レギュレータは、ウルトラキャパシタパックＳＯＣを連続的に計算することによってこの機能を実現し、それからこれを利用して、任意の特定の瞬間におけるモードに関係なく、ＤＣ−ＤＣ変換器の制御ループのフィードバックゲインをスケジューリングする。これはより詳細に以下に記載される。

本発明の関連する局面は、エネルギー管理の高レベルな調整と、変換器が平均的要素に単に応答するだけでなく、車両の道路負荷のダイナミクスにも主として応答できるようにするＤＣ−ＤＣ変換器フィードバック信号の弁別とである。本発明のこの局面によれば、バッテリーブランチ（battery branch）（バッテリー２０の周辺回路）は、電荷枯渇（charge depleting）、すなわち「ＣＤ」モードとして知られる、連続的なＳＯＣ枯渇（depletion）に遭遇する。ＣＤモードにおいては、電気自動車エネルギーバッテリーは、多少なりとも連続的で低い放電速度（discharge rate）に遭遇する。

例示的実施形態のバッテリー２０は、１５０Ａｈ、７５Ｖの容量を持つ、鉛蓄電池のＶＲＬＡバッテリーであり、よって約１１ｋＷｈを供給できる。しかし理解されるように、本発明の教示は、ニッケル・メタルハイドライド、リチウムイオンまたは燃料電池を含む任意のエネルギー貯蔵システムに適用可能である。

ＣＤモード上に重ね合わせられる高出力ダイナミクスは、能動的に並列したやり方で、ウルトラキャパシタおよび変換器ブランチへとルーティングされる。ＣＤモードのバッテリーを一方とし、電荷維持（すなわち動的設定点制御）ＣＳモードを他方とし、これらの間での道路負荷電力（road load power）の分割は、エネルギー管理戦略の重要な部分である。

シミュレーションを通じて開発されたある例では、近隣型電気自動車、すなわちＮＥＶは、１１ｋＷｈの容量を持つバッテリーと、５４Ｗｈの使用可能な容量しかないウルトラキャパシタとを有した。これは、約２０４対１のエネルギー比である。シミュレーションでは、結果は、多くの加熱する負荷がバッテリーから取り去られたという点で非常に劇的なものであった。このシミュレーションでは、ゲインスケジューラは、回生ブレーキのエネルギーの事実上１００％をウルトラキャパシタへ捕捉するように機能した（バッテリーにこのエネルギーを吸収させるのではなく）。このシミュレーションでは、ウルトラキャパシタは今度は、ほぼ５０対５０の比（すなわち負荷によって吸収されたエネルギーの５０％を供給する）でバッテリーに電荷を供給する。

これらの比は、例えばリチウムイオンパックのエネルギー貯蔵容量に比較した時の、相対的なウルトラキャパシタエネルギー貯蔵容量と、設計されたシステムの電力容量とに依存することが理解されよう。

高レベル道路負荷電力信号弁別のための始動戦略は、道路負荷電力計測値から周波数要素を抽出するためにオフラインフーリエ変換方法を用いることである。フーリエの結果は、メインフィードバックフィルタＧ１（ｓ）の係数を設定するのに用いられ得る。

しかしＧ１（ｓ）係数を調整するためには単にそのようなオフラインフーリエ手法で開始し、それから実時間計測を実行することが望ましいと考えられる。好ましくはコントローラ５５は、応用例の電気駆動の検出された負荷電流に対してＦＦＴ（高速フーリエ変換）を実行することによって制御係数を展開する、オンラインの、または組み込まれたコントローラである。例えば図１０において、コントローラ５５は、ある期間にわたって検出されたその電流に対して実行されるＦＦＴによって、線５０を介して４９において負荷電流を検出し得る。

具体的な制御のアプローチのさまざまなものが、ここで求められる結果を生むために採用され得るが、好結果を生むと考えられる一つのアプローチは、最も低い３から５つの周波数を単に平均し（ＦＦＴの結果から）、タイプに依存するフィルタ係数をこの公称値から設定することである。

上述のように、システムの構成における柔軟性の領域の一つは、それに向かってＳＯＣが駆動される値を規定する設定値を、モニタされる負荷電流の関数として動的に調整することである。もしシステムが自動車内にあり、かつもし自動車の運転者が（例えば）ブレーキをかなり頻繁に、かなり急にかける傾向にあるなら、設定点を下側に調整することによって、回生ブレーキからの電流を吸収するためのある程度の容量をキャパシタに残すことが理屈に合う。この発見的なアプローチは、システムが、起こるであろうシステムの要求について、関与している特定の運転者の関数として、何かを学習することを可能にするよう意図される。このような発見的なアプローチに従う時、本発明の実施形態によれば、システムの運転者の変化を表す、検出されることが可能なイベントが存在し得る。例えばもしシステムが、位置が調整可能な座席を持つ自動車の一部であるなら、検出されるイベントは、座席の位置の調整を含み得る。他の例として、もしシステムが位置が調整可能なミラーを持つ自動車の一部であるなら、検出されるイベントは、ミラーの位置の調整を含み得る。

一時的に図１３へ移ると、ミラー調整システム２０１からの入力と、座席調整システム２０２からの入力とを受け取るコントローラ５５が示される。

ここで図１０へ戻り、ウルトラキャパシタ２８は、ＤＣ−ＤＣ変換器３２の１つの端子に接続され、ウルトラキャパシタの電圧Ｕｃ（４７において検出される）、および電流Ｉｃ（４５において検出される）は線４６，４８によってモニタされる。ウルトラキャパシタ電圧およびパックの定格電圧Ｕｍｘ（ウルトラキャパシタの両端の最大許容電圧）は、ウルトラキャパシタの充電の状態を決定するために、ＳＯＣ計算機によって用いられる。ＳＯＣが与えられると、それからそのＳＯＣから、負荷電流レギュレータのゲインスケジューリングが動的設定点制御によって行われる。バッテリー電流がモニタされ（５３において）、参考のためにバッテリーＳＯＣを導出するのに用いられる。状態空間平均化モデリングを用いる変換器３２のモデリングは計測された信号に依存し、例えば４９における検出された負荷電流に依存する。例えば車によっては、モーター２４はＡＣモーターであり、パワーインバータ（上述の機能ブロック図では明瞭さのために省略）が、インバータおよびＡＣトラクションモーターを含むＡＣ駆動ユニットの一部として用いられる。

本発明の多くの教示は、図１に示されるような内燃機関２３と共にエネルギー貯蔵システム２２を用いる車を意味する、例示的なハイブリッドカーと関連してある程度詳細に記載されてきた。しかし本発明のほとんど全ての教示は、電気自動車（内燃機関を有しない代わりに、ときどきバッテリーを再充電することに依存する）においても、それらの効果を奏する。そのような電気自動車では、上で議論した要求が同様に存在する。すなわちバッテリーの無駄な加熱を避けること、ブーストパワーが必要とされるちょうどその時にウルトラキャパシタを空にすることを避ける努力をすること、回生ブレーキによる電力を吸収することが望まれるちょうどその時にウルトラキャパシタのＳＯＣが１００％に達することを避ける努力をすることである。

電力変換器については、電力変換器の具体的な設計は重要ではないと考えることが役に立つ。一般に、電力変換器は、余分な熱を出さないようなるべく効率的であることが望まれる。記載された２つのブーストコンバータおよび２つバックコンバータによって適切なアプローチが提供されると考えられるが、上述されたもの以外の多くの電力変換器の設計がここで述べられた目的に適うだろう。

ここで図１１を見れば、変換器３２がより詳細に示されている。変換器３２は基本的に３端子素子（制御線３３および状態線７６は数に入れず、後者は図１１では明瞭さのために省略）である。第１端子は、ウルトラキャパシタ２８と接続し、第２端子はバッテリー２２と接続し、第３端子は接地される。変換器３２内部は、より詳細にこれから説明される半波ブーストバック双方向回路である。スイッチ１５４，１５８は、図１０と関連して上で述べられた線３３によって制御される制御部１５１によって制御される。スイッチ１５４，１５８は、整流器１５６，１５５とそれぞれ並列である。インダクタ１５３およびキャパシタ１５２，１５７も図示されている。

全波ブーストバックコンバータ、Ｃｕｋコンバータ、またはSEPIC/Luoコンバータのような他の双方向電力変換器トポロジーも採用され得ることが理解されよう。具体的なコンバータトポロジーの選択に影響を与え得るファクターの一部は「Comparing DC-DC Converters for Power Management in Hybrid Electric Vehicles」、R.M. Schupbach, J.C. Balda, Electric Machines and Drives Conference, 2003, IEEE International, Volume 3, pages 1369 - 1374 (2003)で議論されており、ここで参照によって援用される。いくつかの適切なトポロジーのうちのいずれも本発明からいかようにも逸脱することなく採用され得る。

図１２は、より詳細にコントローラ５５を示す。マイクロプロセッサ１６７は、ＲＯＭまたはＰＲＯＭまたはＥＰＲＯＭ１７０内のコードを実行し、ＲＡＭ１７１を用いる。通信バスインタフェース１７２は、プロセッサ１６７がバス５６（図１０参照）上で通信することを可能にする。電力（典型的には直流１２Ｖ）が１６２において供給され、電源１６８は、コントローラ５５内のさまざまな位置において用いられる電圧１６９を発生する。デジタルＩ／Ｏ１７４は、プロセッサ１６７が電力変換器３２からステータス情報を線７６上で受け取ることを可能にし、例えば過電圧、過電流、または加熱の状態、または故障状態をユーザに見えるインジケータパネル上で告知するような個別の出力１７５をプロセッサ１６７が供給することを可能にする。主な制御出力は、コンタクタ７５（出力ドライバ１７２を介して）への出力、およびドライバ１７３によってパルス幅変調されている電力変換器３２への出力３３である。

コントローラ５５への入力は、例えば、線４６上のウルトラキャパシタにおける電流、線５４上のバッテリーにおける電流、外部電流５０、線４８上のキャパシタにおける電圧、および線５８上のバッテリーにおける電圧である。もともとアナログであるこれらの信号は、それぞれ１６３においてマルチプレクスされ、プロセッサ１６７につながるアナログ・デジタル変換器１６５に利用可能にされる。電流計測は、例えば、電流が流れている導体を囲むトロイダルコイル、またはリーフシャントまたはホール効果センサによって、本発明から逸脱することなく多くのやり方のうちの任意のものでなされ得る。電圧計測は、本発明から逸脱することなく多くのやり方でなされ得る。

コントローラへの他の入力には、線４４上のウルトラキャパシタにおける温度計測値、および線５２上のバッテリーにおける温度計測値と併せて、線１６１上の雰囲気温度計測値がある。これら温度計測は、例えばＲＴＤつまり熱電対などによって、本発明から逸脱することなく実行され得る。それぞれのそのような信号は、用いられているセンサの種類に依存して適切なアナログ処理回路へ伝達され（図１２では明瞭さのために省略）、それからマルチプレクサ１６４、アナログ・デジタル変換器１６６、およびプロセッサ１６７へ伝達される。

適切なＥＳＤ（帯電）保護回路が、そのような害に対するコントローラの脆弱性を改善するために、それぞれの入力または出力において設けられる。適切なＥＭＩ（電磁波干渉）回路が、コントローラから他の近くのデバイスにＥＭＩが伝搬することを最小限にするために設けられる。

図４のトポロジーは好ましいと考えられるが、代わりに図５のトポロジーが採用されても、ここで説明された目的の全てではないにしてもその多くが同様に達成される。

ここでの教示から触発され洞察を得た当業者であれば、本発明から逸脱することなく、本発明に対するさまざまな自明な改良および変形例を考案するのに困難はないはずであり、全てのそのような自明な改良および変形例は、以下のクレームによって包含されるよう意図される。

Claims (18)

1. 可変の負荷と接続されたエネルギー貯蔵システムと共に用いる方法であって、前記負荷は、ある時には前記エネルギー貯蔵システムから電力を引き出し、他の時には前記エネルギー貯蔵システム内に貯蔵されるべき電力を再生し、前記引き出される電力は、ある時はより大きく、他の時はより小さく、前記貯蔵されるべき再生された電力は、ある時はより大きく、他の時はより小さく、前記エネルギー貯蔵システムは、貯蔵バッテリーおよびウルトラキャパシタを備え、
   前記ウルトラキャパシタの充電の状態（ＳＯＣ）をモニタすること、
   前記ＳＯＣがそれに向けて駆動されるよう構成される設定点を動的に設定すること、
   検出された負荷電流の関数として前記動的な設定点を調整することであって、前記検出された負荷電流は、エネルギー貯蔵システムおよび前記負荷の間で検出される、前記動的な設定点を調整すること
   を含む方法であって、
   前記設定点の動的設定は、前記検出された負荷電流の高速フーリエ変換によって得られた、最も低い３つの周波数の平均の関数である、方法。
2. 前記ウルトラキャパシタの前記ＳＯＣを前記設定点に向かって駆動することをさらに含み、
   前記駆動は、もし前記ＳＯＣがゼロに近づきつつあるなら、前記バッテリーによって前記負荷へ電流が供給されていても、前記キャパシタの充電により多い電流を割り当てるようになされ、
   前記駆動は、もし前記ＳＯＣが１００％に近づきつつあるなら、前記負荷によって前記バッテリーへ電流が供給されていても、前記キャパシタの充電により少ない電流を割り当てるようになされる
   請求項１に記載の方法。
3. 前記ウルトラキャパシタの前記ＳＯＣをモニタすることは、ウルトラキャパシタ電圧Ｕｃを検出すること、前記検出されたウルトラキャパシタ電圧Ｕｃおよび前記ウルトラキャパシタの最大許容ウルトラキャパシタ電圧Ｕｍｘに基づいて前記ＳＯＣを計算することを含む請求項１に記載の方法。
4. 前記動的設定点を調整することは、前記ウルトラキャパシタおよび前記バッテリー間を流れる電流の量を調整するよう構成された制御ループのフィードバックゲインをスケジューリングすることを含む請求項１に記載の方法。
5. 前記動的設定点に基づいて、前記ウルトラキャパシタおよび前記バッテリーの間に流れる電流の量を調整することをさらに含む請求項１に記載の方法。
6. 前記ウルトラキャパシタおよび前記バッテリーの間に流れる電流の量を調整することは、前記検出された負荷電流がほぼゼロである時に前記ウルトラキャパシタおよび前記バッテリーの間に流れる電流の量を調整することを含む請求項５に記載の方法。
7. 前記システムの運転者の変化を表す、検出されたイベントが発生する時に、前記設定点を調整することをさらに含む請求項１に記載の方法。
8. 前記システムは、位置が調整可能な座席を持つ自動車の一部であり、前記検出されたイベントは、前記座席の位置調整を含む請求項７に記載の方法。
9. 前記システムは、位置が調整可能なミラーを持つ自動車の一部であり、前記検出されたイベントは、前記ミラーの位置調整を含む請求項７に記載の方法。
10. 可変の負荷と接続されたエネルギー貯蔵システムであって、前記負荷は、ある時には前記エネルギー貯蔵システムから電力を引き出し、他の時には前記エネルギー貯蔵システム内に貯蔵されるべき電力を再生し、前記引き出される電力は、ある時はより大きく、他の時はより小さく、前記貯蔵されるべき再生された電力は、ある時はより大きく、他の時はより小さく、
    貯蔵バッテリー、
    充電の状態（ＳＯＣ）を有するウルトラキャパシタ、
    前記ウルトラキャパシタと直列である電力変換器、
    前記ウルトラキャパシタおよび電力変換器の直列は、前記バッテリーと並列であり、前記可変の負荷と接続されるよう構成され、
    前記エネルギー貯蔵システムおよび前記負荷の間の負荷電流を検出するよう構成された負荷電流センサ、
    前記負荷電流センサおよび前記ウルトラキャパシタの前記ＳＯＣを決定するよう構成された１つ以上のＳＯＣセンサに接続されたコントローラ
    を備え、
    前記コントローラは、前記検出された負荷電流の１つ以上に応答して、前記ＳＯＣがそれに向けて駆動されるよう構成される設定点を動的に設定し、前記動的な設定点を前記検出された負荷電流の関数として調整する
    エネルギー貯蔵システムであって、
    前記コントローラは、複数の前記検出された負荷電流の高速フーリエ変換によって得られた、最も低い３つの周波数の平均の関数として前記設定点を動的に設定する、エネルギー貯蔵システム。
11. 前記コントローラは、もし前記ＳＯＣがゼロに近づきつつあるなら、前記バッテリーによって前記負荷へ電流が供給されていても、前記キャパシタの充電により多い電流が割り当てられるように前記ウルトラキャパシタの前記ＳＯＣを駆動するよう構成され、
    前記コントローラは、もし前記ＳＯＣが１００％に近づきつつあるなら、前記負荷によって前記バッテリーへ電流が供給されていても、前記キャパシタの充電により少ない電流が割り当てられるように前記ウルトラキャパシタの前記ＳＯＣを駆動するよう構成される請求項１０に記載のエネルギー貯蔵システム。
12. ウルトラキャパシタ電圧Ｕｃを検出するよう構成された電圧センサをさらに備え、
    前記コントローラは、前記検出されたウルトラキャパシタ電圧Ｕｃおよび前記ウルトラキャパシタの最大許容ウルトラキャパシタ電圧Ｕｍｘに基づいて前記ＳＯＣを計算するよう構成されている
    請求項１０に記載のエネルギー貯蔵システム。
13. 前記コントローラは、前記動的設定点に基づいて、前記ウルトラキャパシタおよび前記バッテリー間を流れる電流の量を調整するよう、前記電力変換器のフィードバックゲインをスケジューリングするよう構成されている請求項１０に記載のエネルギー貯蔵システム。
14. 前記コントローラは、前記動的設定点に基づいて、前記ウルトラキャパシタおよび前記バッテリー間を流れる電流の量を調整するよう構成されている請求項１０に記載のエネルギー貯蔵システム。
15. 前記コントローラは、前記検出された負荷がほぼゼロの時に、前記動的設定点に基づいて、前記ウルトラキャパシタおよび前記バッテリー間を流れる電流の量を調整するよう構成されている請求項１４に記載のエネルギー貯蔵システム。
16. 前記コントローラは、前記システムの運転者の変化を表す、検出されたイベントに応答して、前記設定点を調整するよう構成されている請求項１０に記載のエネルギー貯蔵システム。
17. 前記システムは、位置が調整可能な座席を持つ自動車の一部であり、前記検出されたイベントは、前記座席の位置調整を含む請求項１６に記載のエネルギー貯蔵システム。
18. 前記システムは、位置が調整可能なミラーを持つ自動車の一部であり、前記検出されたイベントは、前記ミラーの位置調整を含む請求項１６に記載のエネルギー貯蔵システム。

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