JP5965918B2 - 電力充電または放電のためのシステムおよび方法 - Google Patents

Description

本開示の実施形態は、一般に、電力充電または放電のためのシステムおよび方法に関し、より詳細には、コンデンサなどのエネルギー蓄積構成要素の充電または放電のためのシステムおよび方法に関する。

地球の表面における水の１％未満が家庭または工業用途での直接消費に適する。自然の飲料用の水源は限られており、一般に脱塩として知られる、海水または汽水の脱イオン化が淡水を生成する１つの方法である。水源を脱イオンする、または塩分除去するために現在用いられているいくつかの脱塩技術がある。

電気吸着脱イオン（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｄｅｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ）は、脱塩技術の１つである。塩水が大表面積の電極組立体を通過するときに、溶解塩、金属、および他のいくつかの有機物などの水中のイオンは、反対に荷電された電極に引き寄せられる。これはイオンを電極に集中させ、水中のイオンの濃度を減少させる。電極の容量が使い尽くされると、塩分を含んだ給水の流れは停止され、コンデンサは、適宜別のより濃縮された溶液内へ、放電される。

従来は、電極組立体を充電または放電するために、エネルギー回収能力の有無にかかわらず、変換器が用いられる。しかし通常は、変換器の効率は低い。

上述の問題に対処するために効率が改善された、エネルギー蓄積デバイスを充電または放電するためのシステムおよび方法を実現することが望ましい。

国際公開第２００７／０７０５９４Ａ２号

本明細書に開示される一実施形態によれば、荷電種を有する液体を脱イオンするためのシステムが提供される。システムは、充電状態および放電状態で動作することができる複数の積層体を含む。システムは、複数の変換器をさらに含む。複数の変換器のそれぞれは、複数の積層体の対応する１つに電気的に結合される。複数の変換器のそれぞれは、充電状態では、液体中のイオンを吸着するために対応する積層体を充電し、放電状態では、対応する積層体によって吸着されたイオンを脱着するために対応する積層体を放電するように動作することができる。複数の変換器のそれぞれは、対応する積層体の充電状態または放電状態に応じて、第１のモードおよび第２のモードで動作させることができる。複数の積層体の１つが第１の状態で充電または放電されるときは、積層体に関連する複数の変換器の１つは、第１のモードで動作し、少なくとも中間段によって第１の電圧を第２の電圧に間接的に変換するように構成されている。複数の積層体の１つが第２の状態で充電または放電されるときは、積層体に関連する複数の変換器の１つは、第２のモードで動作し、第１の電圧を第２の電圧に直接変換するように構成されている。

本明細書に開示される他の実施形態によれば、電気エネルギーを供給して負荷を充電し、または電気エネルギーを回収して負荷を放電するための変換器が提供される。変換器は、第１の変換段と、第１の変換段にカスケード接続された第２の変換段とを含む。第１の変換段および第２の変換段の１つは、負荷の充電状態または放電状態に応じて電気エネルギーを変換するように動作される。

本明細書に開示される他の実施形態によれば、積層体を充電または放電するように変換器を動作させる方法が提供される。方法は少なくとも以下のステップすなわち、積層体の充電状態または放電状態を検出するステップであって、積層体は、充電状態では液体中のイオンを吸収し、放電状態ではイオンを脱着するように構成されている、ステップと、積層体の検出された充電状態または検出された放電状態に応じて、第１のモードにてまたは第２のモードにて動作するように変換器を構成するステップとを含む。

本開示の上記ならびにその他の特徴、態様、および利点は、各図面を通して同様な文字は同様な部分を表す添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読めば、より良く理解されよう。

本開示の一実施形態による、電力充電または放電のための例示的なシステムの概略ブロック図である。 本開示の一実施形態による積層体の分解斜視図である。 本開示の一実施形態による、充電の動作状態中の脱塩セルの透視図である。 本開示の一実施形態による、放電の動作状態中の脱塩セルの透視図である。 本開示の一実施形態による双方向変換器の例示的なトポロジーを示す図であり、この双方向変換器は、第１のモードで動作する。 図５に示される双方向変換器の例示的なトポロジーを示す図であり、この双方向変換器は、第２のモードで動作する。 第１のモードおよび第２のモードで双方向変換器を動作させることによって、積層体の両端の電圧に対する変換効率を示すグラフである。 本開示の他の実施形態による双方向変換器の例示的なトポロジーを示す図であり、この双方向変換器は、第１のモードで動作する。 図８に示される双方向変換器の例示的なトポロジーを示す図であり、この双方向変換器は、第２のモードで動作する。 本開示の例示的実施形態による、積層体を充電する方法の様々なステップを示すフローチャートである。 本開示の例示的実施形態による、積層体を放電する方法の様々なステップを示すフローチャートである。

以下では電力充電または放電に関する１つまたは複数の特定の実施形態について述べる。これらの実施形態の簡潔な説明を行うために、本明細書では実際の実装形態のすべての特徴については述べない。技術または設計プロジェクトなどでのこのような実際の実装形態の開発においては、実装形態ごとに変わり得るシステム関連および事業関連の制約への準拠など、開発者の特定の目標を達成するためには、実装形態に特有な数多くの決定が行われなければならないことが理解されるべきである。さらにこのような開発努力は、複雑で時間がかかり得るがそれでも本開示を利用することにより当業者にとっては、設計、製作、および製造の日常的な仕事となるであろうことが理解されるべきである。

別段の規定がない限り本明細書で用いられる技術的および科学的用語は、本開示が属する技術分野の当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書で用いられる「第１」「第２」などの用語は順序、量、または重要性を示すものではく、１つの要素を他の要素から区別するために用いられる。また「ａ」および「ａｎ」の用語は数量の限定を示すものではなく、参照される品目が少なくとも１つあることを示すものである。本明細書での「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、または「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、およびそれらの変形の使用は、以降に列挙される品目およびそれらの等価物、ならびに追加の品目を包含するものである。「接続される（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」および「結合される（ｃｏｕｐｌｅｄ）」という用語は物理的または機械的な接続または結合に限定されず、直接または間接に関わらず電気的な接続または結合を含むことができる。

以下で詳しく述べるように、本開示の実施形態は、液体を脱イオンまたは塩分除去するためのスーパーキャパシタなどのエネルギー蓄積デバイスを充電または放電するためのシステムおよび方法に関する。しかし実施形態は非限定的に、電池充電器または放電器、および無停電電源装置を含む他の用途に応用できることを理解されたい。

スーパーキャパシタは、通常のコンデンサと比べると比較的大きなエネルギー密度を有する電気化学的コンデンサである。本明細書で用いられる「スーパーキャパシタ」とは、ウルトラキャパシタなどの他の高性能コンデンサを包含する。コンデンサは１対の近接した間隔で配置された導電体（「プレート」と呼ばれる）の間の電界内にエネルギーを蓄積することができる電気デバイスである。コンデンサに電圧が印加されたときは、大きさが等しく極性が反対の電荷が各プレート上に蓄積する。

図１は、例示的実施形態による、１つまたは複数の積層体を充電または放電するためのシステム１００を示す。図１を参照すると一実装形態では、システム１００は給送装置１０８を含むことができる。給送装置１０８は、第１のラインの第１の積層体１２２または第２の積層体１２４、あるいは第２のラインの第１の積層体１３２または第２の積層体１３４などの、１つまたは複数の積層体によって浄化されるべき供給液体を供給するために用いられる。供給液体はたとえば、海水、汽水、冷却塔ブローダウン水、化学プロセス廃水流、塩水、湖沼水、河川水、貯水された水、およびそれらの組み合わせを含むことができる。

さらに図１を参照すると、一実装形態では、給送装置１０８からの供給液体は、１つまたは複数の流路すなわちラインに分割することができる。一実装形態では供給液体は、第１のライン１１４および第２のライン１１６を通じて供給される。他の実装形態では給送装置１０８からの供給液体は、単一のラインまたは３つ以上のラインを通じて供給することができる。図示の実施形態では第１のライン１１４では、供給液体は第１の積層体１２２および第２の積層体１２４を含む２つの積層体を通過する。他の実装形態では供給液体は３つ以上の積層体を通過することができる。他の実装形態では供給液体は１つまたは複数の積層体を繰り返し通過することができる。図１に示されるように第１の積層体１２２および第２の積層体１２４は直列に接続される。第１の積層体１２２および第２の積層体１２４は、第１の積層体１２２に入る供給液体の塩度とは異なるように、第２の積層体１２４から出る液体の塩度を制御するように動作される。塩度の差は、積層体１２２、１２４が充電状態または放電状態にあるかどうかに応じて大きくまたは小さくすることができる。

さらに図１を参照すると、一実装形態では、第１の積層体１２２および第２の積層体１２４は、それぞれ第１の変換器１４２および第２の変換器１４４に電気的に結合される。第１の変換器１４２および第２の変換器１４４は、双方向ＤＣ−ＤＣ変換器を含むことができる。本明細書で用いられる「双方向ＤＣ−ＤＣ変換器」とは、エネルギー蓄積構成要素に電気エネルギーを供給する、またはエネルギー蓄積構成要素から電気エネルギーを回収する能力を有する変換器を指すことができる。矢印１２３、１２５によって示されるように、積層体１２２、１２４とそれぞれの変換器１４２、１４４との間のエネルギーの流れはいずれの方向でもよい。たとえば、第１の積層体１２２の充電状態では電気エネルギーは第１の変換器１４２から第１の積層体１２２に流れることができ、第１の積層体１２２の放電状態では電気エネルギーは第１の積層体１２２から第１の変換器１４２に流れることができる。一実装形態では第１の積層体１２２または第２の積層体１２４から回収した電気エネルギーは他の変換器に供給することができ、これにより充電状態で動作している対応する積層体を充電するように電気エネルギーを供給する。他の実装形態では、第１の積層体１２２または第２の積層体１２４から回収した電気エネルギーは、送電網に給電することができる。

以下でより詳しく述べるように、第１の変換器１４２および第２の変換器１４４は、少なくとも２つのモードで動作するように構成することができる。一実装形態では、第１の変換器１４２および第２の変換器１４４は、１つまたは複数の規定された基準に基づいて手動でまたは自動的に第１のモードと第２のモードの間で切り換えることができる。第１のモードでは、第１の変換器１４２または第２の変換器１４４は、第１のＤＣ電圧を中間電圧に変換し、次いで中間ＤＣ電圧を第２の電圧に変換することができる。第２のモードでは、第１の変換器１４２および第２の変換器１４４は、中間の変換段なしに第１の電圧を第２の電圧に直接変換することができる。一実装形態では非限定的な例として、第１の変換器１４２または第２の変換器１４４のいずれかの入力端でのＤＣ電圧と、第１の積層体１２２または第２の積層体１２４のいずれかでのＤＣ電圧との間の電圧差は、動作モードを決定するために用いることができる。たとえば電圧差が閾値より大幅に大きいときは、第１の変換器１４２または第２の変換器１４４は第１のモードに構成されている。電圧差が電圧差閾値より大幅に小さいときは、第１の変換器１４２または第２の変換器１４４は第２のモードに構成されている。他の実装形態では第１の積層体１２２または第２の積層体１２４の充電電流または放電電流は、それ対応して第１の変換器１４２または第２の変換器１４４の動作モードを決定するのに用いることができる。

図１をさらに参照すると、第１の変換器１４２は第１の共通バス１４１を通じて第１の整流器１０２に電気的に結合することができ、第２の変換器１４４は第２の共通バス１４３を通じて第２の整流器１０４に電気的に結合することができる。第１の整流器１０２は、ＡＣ電源（図１に示さず）から単相または多相交流（ＡＣ）電力を受け取って整流し、整流した直流（ＤＣ）電力を第１の共通バス１４１を通じて第１の変換器１４２に供給するように構成されている。第２の整流器１０４は、ＡＣ電源から単相または多相ＡＣ電力を受け取り、整流し、整流したＤＣ電力を第２の共通バス１４３を通じて第２の変換器１４４に供給するように構成されている。以下でより詳しく述べるように、第１の整流器１０２および第２の整流器１０４はさらに、整流したＤＣ電力を、第２のライン１１６に関連する他の変換器に供給することができる。非限定的な例として、第１の整流器１０２および第２の整流器１０４はそれぞれ、ＡＣ電力を、整流したＤＣ電力に変換するために４つのダイオードを有する全波ブリッジを使用することができる。

システム１００はさらに、システム１００の様々な構成要素に電気的に結合することができる、コントローラ１０６を含むことができる。コントローラは、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、構成可能／プログラム可能ロジック、またはそれらの組み合わせなどの多様な方法で実装することができる。

一実装形態では、図１に示されるようにコントローラ１０６は、第１の変換器１４２、第２の変換器１４４、第１の積層体１２２、および第２の積層体１２４に電気的に結合される。コントローラ１０６は、第１の変換器１４２および第２の変換器１４４の動作モードを自動的に切り換えるようにプログラムすることができる。一実装形態ではコントローラ１０６は、第１の変換器１４２または第２の変換器１４４のいずれかの入力端でのＤＣ電圧と、第１の積層体１２２または第２の積層体１２４のいずれかでのＤＣ電圧との間の電圧差を、監視するように構成することができる。コントローラ１０６はさらに、電圧差を閾値電圧値と比較するように構成することができる。閾値電圧値は、予めコントローラ１０６内に記憶しておくことができる。コントローラ１０６はさらに、比較結果に基づいて第１の変換器１４２および第２の変換器１４４の動作モードを切り換えるように制御信号を送るように構成することができる。

図１にさらに示されるように、コントローラ１０６はさらに、第１の整流器１０２および第２の整流器１０４に電気的に結合することができる。コントローラ１０６は、２つの整流器１０２、１０４の１つ、または整流器１０２、１０４の両方を動作できるようにすべきかどうかを判定するように構成することができる。一実装形態では、整流したＤＣ電圧を供給するように特に第１の整流器１０２をイネーブルし、第２の整流器１０４をディスエーブルすることができる。他の実装形態では、第１の整流器１０２および第２の整流器１０４の両方をイネーブルして、整流したＤＣ電力をそれぞれ第１の変換器１４２および第２の変換器１４４に供給することができる。図１には具体的に示されないが、他の実装形態ではコントローラ１０６はさらに、給送装置１０８に電気的に結合することができる。この場合はコントローラ１０６は、手動でまたは自動的に給送装置１０８をターンオンまたはスイッチオフするための制御信号を送るように構成することができる。たとえばコントローラ１０６は、ユーザ入力に応答し、それに従って給送装置１０８をターンオンすることができる。

引き続き図１を参照すると、第２のライン１１６では、給送装置１０８からの供給液体は、第１の積層体１３２および第２の積層体１３４を通過する。第２のライン１１６内に配置された積層体１３２、１３４は、第１のライン１１４内に配置された積層体１２２、１２４と同様である。積層体１３２、１３４は、供給液体中に含まれるイオンを吸着するように充電し、または対応する積層体によって吸着されたイオンを脱着するように放電することができる。第２のライン１１６内の第１の積層体１３２および第２の積層体１３４は、それぞれ第３の変換器１５２および第４の変換器１５４に電気的に結合される。第３の変換器１５２および第４の変換器１５４は、それぞれ第１の変換器１４２および第２の変換器１４４と同様に構成されている。図１に示されるように第３の変換器１５２は、第１の共通バス１４１に電気的に結合される。一実装形態では第３の変換器１５２は、第１の整流器１０２から第１の共通バス１４１を通じて整流したＤＣ電圧を受け取ることができる。第３の変換器１５２はまた、第１の共通バス１４１を通じて第１の変換器１４２に電気エネルギーを供給することができる。さらに、第２のライン１１６内の積層体１３２、１３４、および対応する変換器１５２、１５４はコントローラ１０６に電気的に結合される。コントローラ１０６は、上述のような変換器１４２、１４４と同様なやり方で、変換器１５２、１５４の動作モードを変化させるように構成されている。積層体１２２、１２４、１３２、１３４の例示的な構成については、図２に関連して以下で述べる。

図２を参照すると、一実装形態では、積層体１２１は、２つの支持板３２、脱塩セル１６、および電流コレクタ３０を含む。脱塩セル１６および電流コレクタ３０は、支持板３２の間に配置される。各脱塩セル１６は、電極２４および２６と、絶縁スペーサ２８とを含む。絶縁スペーサ２８は電気絶縁性ポリマーを含むことができる。適当な電気絶縁性ポリマーとしてはオレフィンベースの材料を含むことができる。適当なオレフィンベースの材料としてはポリエチレンおよびポリプロピレンを含むことができ、これらはハロゲン化することができる。他の適当な電気絶縁性ポリマーとしてはたとえば、ポリ塩化ビニル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリスルホン、ポリアリーレンエーテル、およびナイロンを含むことができる。供給液体が通って流れることを可能にするために、支持板３２、電極２４、２６、および絶縁スペーサ２８内には複数の穴または開口２１が画定される。たとえば供給液体は、開口２１を通る方向指示矢印２２によって示されるように積層体１２１内に導入され、方向指示矢印２３によって示されるように積層体１２１の少なくとも一部分を通って流れ、方向指示矢印２５によって示されるように積層体１２１を出る。

図３は、充電状態時の脱塩セル１６を示す。図３を参照すると、カチオン３６およびアニオン３８を含む供給液体３４がセル１６内に導入される。反対に荷電された電極２４および２６は、脱塩セル１６を通過する供給液体３４から反対の電荷のイオンを引き寄せて保持する。脱塩セル１６から出る液体は、供給液体３４よりも少ないカチオン３６およびアニオン３８を含んでおり、「希釈された液体」４０として図中に示され、これは浄化された液体を表す。典型的には電極２４および２６は、約１ボルトから約２ボルト（直流電圧）の間の電位差を規定する。カチオン３６およびアニオン３８は、反対に荷電された電極２４および２６にて、表面が飽和するまで吸着され、その時点では供給液体３４はカチオン３６およびアニオン３８の濃度は変化せずに脱塩セル１６を通過するようになる。

図４は、放電状態時の脱塩セル１６を示す。放電状態時には電極２４および２６は短絡され、カチオン３６およびアニオン３８は電極２４および２６の表面から解放される。この例では、放電状態時に脱塩セル１６に入る流体は、沈殿ユニット４６から出る飽和したまたは過飽和したイオン性溶質４２の流れである。放電状態時にセル１６を出る流体は、図中には「排出液体」４４として示される。排出流４４は沈殿ユニット４６に移動され、そこではイオン性溶質の一部は、固体沈殿物４８として排出流４４から分離する。イオン性固体の沈殿後の沈殿ユニットの流体は、イオン性溶質で飽和または過飽和したままとなる。しかし沈殿ユニット４６内でのイオン種の沈殿のために、この流れは排出流４４よりは濃度が低くなる。

図５は、本開示の一実施形態による双方向変換器１１０の例示的なトポロジーを示す。双方向変換器１１０は、図１に示される４つの変換器１４２、１４４、１５２、および１５４に適用することができる。

図示の実施形態では双方向変換器１１０は、２つの入力端子２１２、２１４を含む。２つの入力端子２１２、２１４は、第１の整流器１０２（図１に示される）から第１の共通バス１４１を通じて伝送される整流したＤＣ電圧２０２を受け取るように、第１の整流器１０２に電気的に結合することができる。一実装形態ではＤＣ電圧２０２は、第１のコンデンサ２１６によって平滑化することができる。第１のコンデンサ２１６は、２つの入力端子２１２、２１４の直後に結合することができる。他の実装形態では第１のコンデンサ２１６は省くことができる。

さらに図５を参照すると双方向変換器１１０はさらに、第１の変換段２１０と、第２の変換段２２０とを含むことができる。第１の変換段２１０は２つの入力端子２１２、２１４に電気的に結合される。第１の変換段２１０は、第１の電圧を中間電圧に変換するように構成されている。一実装形態では第１の変換段２１０は、２つの入力端子２１２、２１４の間のＤＣ電圧２０２、または第１のコンデンサ２１６によって平滑化されたＤＣ電圧を、中間ＤＣ電圧２０４に変換するように構成することができる。一実装形態では、第１の変換段２１０と第２の変換段２２０の間に、第２のコンデンサ２３２を結合することができる。第２のコンデンサ２３２は、中間ＤＣ電圧２０４をほぼ一定のレベルに維持するように構成されている。

第２の変換段２２０は、第１の変換段２１０とカスケード接続され、すなわち直列接続される。第２の変換段２２０は、第１の変換段２１０と同様の構成を有し、中間電圧を第２の電圧に変換するように構成されている。一実装形態では第２の変換段２２０は、第１の変換段２１０によって生成され第２のコンデンサ２３２によって維持される中間ＤＣ電圧２０４を、ＤＣ電圧２０６に変換するように構成されている。ＤＣ電圧２０６は、積層体２６０を充電するために積層体２６０に印加される。一実装形態では積層体２６０は、第１のライン１１４内に配置された積層体１２２、１２４、または第２のライン１１６内に配置された積層体１３２、１３４（図１を参照）のいずれか１つとすることができる。

さらに図５を参照すると、第１の変換段２１０は、第１のスイッチング素子２１８、第２のスイッチング素子２２４、および第１のインダクタ２２８を含むことができる。第１のスイッチング素子２１８および第２のスイッチング素子２２４は、２つの入力端子２１２、２１４の間に直列に接続される。一実装形態では第１のスイッチング素子２１８および第２のスイッチング素子２２４は、２つのダイオード２２２、２２６と並列にそれぞれ結合される。ダイオード２２２、２２６は対応するスイッチング素子２１８、２２４を保護するために用いられる。一実装形態ではダイオード２２２は、そのカソードは第１の入力端子２１２に接続され、そのアノードは第１のスイッチング素子２１８と第２のスイッチング素子２２４の間の接続部に接続される。対応するスイッチング素子２１８、２２４に接続されたダイオード２２２、２２６、および以下で述べる同様な接続を有するいずれの他のダイオードも「逆並列ダイオード」または「逆向き並列ダイオード」と呼ぶことができる。第１のインダクタ２２８の一方の端子は、第１のスイッチング素子２１８と第２のスイッチング素子２２４の間の接続部に結合される。第１のインダクタ２２８の他方の端子は、第２のコンデンサ２３２の一方の端子に電気的に結合される。

さらに図５を参照すると、第２の変換段２２０は、第３のスイッチング素子２３８、第４のスイッチング素子２４４、および第２のインダクタ２５４を含むことができる。第３のスイッチング素子２３８および第４のスイッチング素子２４４は、第２のコンデンサ２３２の２つの端子の間に直列に電気的に結合される。一実装形態では、第３のスイッチング素子２３８および第４のスイッチング素子２４４は、それぞれ逆並列ダイオード２４２、２４６に結合される。ダイオード２４２、２４６は対応するスイッチング素子２３８、２４４を保護するために用いられる。第２のインダクタ２５４の一方の端子は、第３のスイッチング素子２３８と第４のスイッチング素子２４４の間の接続部に結合される。第２のインダクタ２５４の他方の端子は、積層体２６０の一方の端子に結合される。

図５に示されるように、双方向変換器１１０はさらに、第５のスイッチング素子２３６と、第６のスイッチング素子２４８とを含むことができる。第５のスイッチング素子２３６は、第１の変換段２１０と第２の変換段２２０の間に結合される。より具体的には第５のスイッチング素子２３６は、第１のインダクタ２２８と第３のスイッチング素子２３８の間に結合される。第６のスイッチング素子２４８は、第１の入力端子２１２と、第３のスイッチング素子２３８と第４のスイッチング素子２４４の間の接続部との間に結合される。一実装形態では、第５のスイッチング素子２３６は逆並列ダイオード２３４に結合され、第６のスイッチング素子２４８は逆並列ダイオード２５２に結合される。ダイオード２３４、２５２は対応するスイッチング素子２３６、２４８を保護するために用いられる。

上述のスイッチング素子２１８、２２４、２３６、２３８、２４４、および２４８は、コントローラ１０６（図１に示される）からの電気制御信号を通じて「オン」すなわち導通状態と、「オフ」すなわち非導通状態の間で切り換わるように動作可能な、任意の適当な形のスイッチとすることができる。一実装形態ではスイッチング素子２１８、２２４、２３６、２３８、２４４、および２４８は、ＭＯＳＦＥＴを含むことができる。他の実装形態では、サイリスタ、ＩＧＢＴ、ＢＪＴ、または任意の他の半導体ベースのスイッチング構成要素を用いることができる。一部の実施形態ではスイッチング素子２１８、２２４、２３６、２３８、２４４、および２４８のそれぞれは、スイッチング構成要素の組み合わせを含むことができる。たとえばスイッチング素子２１８、２２４、２３６、２３８、２４４、および２４８は個々に、コントローラ１０６からの対応する制御信号に従ってオン状態とオフ状態の間で選択的に遷移するように動作するために、直列または並列に接続された２つ以上の半導体ベースのスイッチを含むことができる。

充電プロセス時には、方向変換器１１０は、対応する積層体２６０を充電するために第１のモードと第２のモードの間で切り換わることができる。一実装形態では第１のモードおよび第２のモードはバックモードである。本明細書で用いられる「バックモード」とは、ＤＣ電圧がより低い電圧に変換される場合を指す。コントローラ１０６（図１に示される）は、第５のスイッチング素子２３６および第６のスイッチング素子２４８に制御信号を送って２つのスイッチング素子２３６、２４８をターンオフすることができ、それによって電流はスイッチング素子２３６、２４８を通って流れることができなくなる。２つのスイッチング素子２３６、２４８はターンオフされるので、第１の変換段２１０および第２の変換段２２０の両方が動作できるようになる。

第１の変換段２１０がバックモードで動作する場合は、第２のスイッチング素子２２４はコントローラ１０６から送られる制御信号によってターンオフされ、第１のスイッチング素子２１８はパルス幅変調（ＰＷＭ）モードにて動作する。本明細書で用いられる「ＰＷＭモード」とは、それによってスイッチング素子が、パルス信号に応答して交互にターンオンおよびターンオフすることができる制御方式を指し、パルス信号のデューティサイクルは出力電圧のレベルを調整するように変化させることができる。第１のスイッチング素子２１８がターンオンされて電流を導通するときは、整流したＤＣ電圧２０２が第１のインダクタ２２８に印加される。第１のインダクタ２２８を通って流れる電流によって、第１のインダクタ２２８に一時的にエネルギーが蓄積される。第１のスイッチング素子２１８がターンオフされたときは、第１のインダクタ２２８は蓄積したエネルギーを解放し、これはダイオード２２６を通る電流の流れを引き起こす。第１のインダクタ２２８に蓄積されたエネルギーは解放されて第２のコンデンサ２３２を充電する。コントローラ１０６から第１のスイッチング素子２１８に送られる制御信号のデューティサイクルを変えることによって、第１の変換段２１０によって変換される中間ＤＣ電圧２０４のレベルを調整することができる。一実装形態ではデューティサイクルは約０．５であり、中間ＤＣ電圧２０４は、整流したＤＣ電圧２０２の約半分に制御することができる。第１のスイッチング素子２１８のデューティサイクルは約０．５であるので、第１の変換段２１０の変換効率は高い。

第２の変換段２２０がバックモードで動作する場合は、第４のスイッチング素子２４４はコントローラ１０６から送られる制御信号によってターンオフされ、第３のスイッチング素子２３８はパルス幅変調（ＰＷＭ）モードで動作する。第３のスイッチング素子２３８がターンオンされたときは、中間ＤＣ電圧２０４が第２のインダクタ２５４に印加される。第２のインダクタ２５４を通って流れる電流によって、第２のインダクタ２５４に一時的にエネルギーが蓄積される。第３のスイッチング素子２３８がターンオフされたときは、第２のインダクタ２５４は蓄積したエネルギーを解放し、これはダイオード２４６を通る電流の流れを引き起こす。第２のインダクタ２５４に蓄積されたエネルギーは解放されて積層体２６０を充電する。積層体２６０の電圧は増加し、コントローラ１０６から第３のスイッチング素子２３８に送られる制御信号のデューティサイクルは絶えず変化される。中間ＤＣ電圧２０４とＤＣ電圧２０６の間の電圧差は小さいので、第２の変換段２２０の変換効率は高い。その結果として、双方向変換器１１０の全体としての変換効率は高い。

他の実装形態では、第２のインダクタ２５４を通って流れる電流をコントローラ１０６にフィードバックとして供給することができ、コントローラ１０６はフィードバック電流信号に従って充電電流を制御する。それにより双方向変換器１１０は定電流モードにて動作することができる。

一実装形態では、双方向変換器１１０の充電プロセス時には、コントローラ１０６は、整流したＤＣ電圧２０２とＤＣ電圧２０６の間の電圧差を監視することができる。電圧差が閾値より大幅に大きいとコントローラ１０６が判定したときは、双方向変換器１１０は第１のモードで動作する。第５のスイッチング素子２３６および第６のスイッチング素子２４８は継続的にターンオフされて、第１の変換段２１０および第２の変換段２２０の両方が動作できるようになる。

電圧差が閾値より大幅に小さいとコントローラ１０６が判定した後は、コントローラ１０６は双方向変換器１１０を第１のモードから第２のモードに切り換える。コントローラ１０６は制御信号を送って第３のスイッチング素子２３８をターンオフする。第３のスイッチング素子２３８がターンオフされたので、第２のコンデンサ２３２に蓄積されたエネルギーは第２の変換段２２０に移動することができない。図６を参照すると、第４のスイッチング素子２４４、第６のスイッチング素子２４８、および第２のインダクタ２５４は、第３の変換段２３０を形成する。第３の変換段２３０がバックモードで動作する場合は、第４のスイッチング素子２４４はターンオフされ、第６のスイッチング素子２４８はＰＷＭモードで動作する。整流したＤＣ電圧２０２は、ＤＣ電圧２０６に直接変換される。積層体２６０でのＤＣ電圧２０６は高く、整流したＤＣ電圧２０２とＤＣ電圧２０６の間の電圧差は小さいので、双方向変換器１１０の変換効率は高い。

図７を参照すると、一実装形態において、積層体２６０の両端の電圧と、変換器１１０の変換効率が示される。図７に示されるように、Ｖは積層体２６０の両端の電圧を表す横軸の変数であり、ηは変換器１１０の変換効率を表す縦軸の変数である。図７に示される第１の曲線２７２は、第１の変換段２１０および第２の変換段２２０の両方が積層体２６０を充電するように動作する変換器１１０を示す。図７に示される第２の曲線２７４は、第３の変換段２３０が積層体２６０を充電するように動作する変換器１１０を示す。動作時は、積層体２６０の両端の電圧が閾値Ｖ₀より小さいと判定されたときは、変換器１１０は第１の領域２７６で動作するように切り換えられ、そこでは２つの変換段２１０、２２０が動作した状態で変換器１１０は相対的に高い変換効率を有する。積層体２６０の両端の電圧が閾値Ｖ₀より大きいと判定されたときは、変換器１１０は第２の領域２７８で動作するように切り換えられ、そこでは１つの変換段２３０が動作した状態で変換器１１０は相対的に高い変換効率を有する。したがって、積層体２６０の充電状態に従って変換器１１０の動作モードを切り換えることにより、変換器１１０の高い変換効率を得ることができる。

図５および図６をさらに参照すると、放電プロセス時には、双方向変換器１１０はまた、積層体２６０を放電するために第１のモードと第２のモードの間で切り換えることができる。一実装形態では、第１のモードおよび第２のモードは、ブーストモードである。本明細書で用いられる「ブーストモード」とは、ＤＣ電圧がより高い電圧に変換される場合を指す。放電プロセスでは、最初に積層体２６０でのＤＣ電圧は高い。整流したＤＣ電圧２０２とＤＣ電圧２０６の間の電圧差が閾値より小さいとコントローラ１０６が判定したときは、コントローラ１０６は、第１のモードで動作するように双方向変換器１１０を制御する。第１のモードではコントローラ１０６は、制御信号を送って第３のスイッチング素子２３８をターンオフする。第３の変換段２３０がブーストモードで動作する場合は、第６のスイッチング素子２４８はターンオフされ、第４のスイッチング素子２４４はＰＷＭモードで動作する。ＤＣ電圧２０６は、整流したＤＣ電圧２０２に直接変換される。積層体２６０でのＤＣ電圧２０６は高く、整流したＤＣ電圧２０２とＤＣ電圧２０６の間の電圧差は小さいので、双方向変換器１１０の変換効率は高い。

整流したＤＣ電圧２０２とＤＣ電圧２０６の間の電圧差が閾値より大幅に大きいとコントローラ１０６が判定したときは、コントローラ１０６は双方向変換器１１０を第１のモードから第２のモードに切り換える。第２のモードではコントローラ１０６は、制御信号を第５のスイッチング素子２３６および第６のスイッチング素子２４８に送って２つのスイッチング素子２３６、２４８をターンオフし、第１の変換段２１０および第２の変換段２２０の両方が動作できるようにすることができる。第２の変換段２２０はＤＣ電圧２０６を中間ＤＣ電圧２０４に変換し、第１の変換段２１０は中間ＤＣ電圧２０４を整流したＤＣ電圧２０２に変換する。

第２の変換段２２０がブーストモードで動作する場合は、第３のスイッチング素子２３８はターンオフされ、第４のスイッチング素子２４４はＰＷＭモードで動作する。第１の変換段２１０がブーストモードで動作する場合は、第１のスイッチング素子２１８はターンオフされ、第２のスイッチング素子２２４はＰＷＭモードで動作する。積層体２６０に蓄積されたエネルギーは第２のコンデンサ２３２に移動され、次いで第２のコンデンサ２３２に蓄積されたエネルギーは第１のコンデンサ２１６に移動される。

一実装形態では、第１のライン１１４内の第１の積層体１２２の放電プロセス時には、第２のライン１１６内の１つまたは複数の積層体は充電プロセスにて動作することができる。たとえば第２のライン１１６内の第１の積層体１３２は、充電プロセスにて動作することができる。この場合は、第１のライン１１４内の第１の積層体１２２から回収したエネルギーは、第３の変換器１５２を通じて第２のライン１１６内の第１の積層体１３２を充電するために用いることができる（図１参照）。

図８は、本開示の他の実施形態による双方向変換器１２０の例示的なトポロジーを示す。図８を参照すると双方向変換器１２０は、第１の整流器１０２（図１に示される）から整流したＤＣ電圧３０２を受け取るための２つの入力端子３１２、３１４を含むことができる。充電プロセス時には双方向変換器１２０は、整流したＤＣ電圧３０２を直接または間接的にＤＣ電圧３０６に変換するために、第１のモードと第２のモードの間で切り換わることができる。本明細書で用いられる「間接的」とは、双方向変換器が、入力ＤＣ電圧を１つまたは複数の中間電圧に変換し、１つまたは複数の中間電圧を出力ＤＣ電圧に変換する能力を有することを指す。放電プロセス時には双方向変換器１２０はまた、対応する積層体３９０からエネルギーを回収するために第１のモードと第２のモードの間で切り換わることができる。

図８に示されるように、一実装形態では、双方向変換器１２０は、第１の変換段３１０、第２の変換段３２０、第３の変換段３３０、および第４の変換段３４０を含む。第１の変換段３１０および第２の変換段３２０は交互配置された形にて結合され、第３の変換段３３０および第４の変換段３４０はやはり交互配置された形にて結合される。本明細書で用いられる「交互配置される」とは、２つの変換段がほぼ並列に結合される場合を指す。第１の変換段３１０および第２の変換段３２０は、図５に関連して上述した第１の変換段２１０と同様に構成されている。第１の変換段３１０のインダクタ３４２と、第２の変換段３２０のインダクタ３３８とは、コンデンサ３４４に共通に接続される。第３の変換段３３０および第４の変換段３４０は、図５に関連して上述した第２の変換段２２０と同様に構成されている。第３の変換段３３０のインダクタ３８４と、第４の変換段３４０のインダクタ３８２とは、積層体３９０に共通に接続される。

双方向変換器１２０はさらに、第１のスイッチング素子３４６、第２のスイッチング素子３５６、および第３のスイッチング素子３７２を含むことができる。第１のスイッチング素子３４６は、第２の変換段３２０と第３の変換段３３０の間に結合される。第２のスイッチング素子３５６は、第１の入力端子３１２と、第３の変換段３３０の２つのスイッチング素子３５２、３５４の間の接続部との間に結合される。第３のスイッチング素子３７２は、第１の入力端子３１２と、第４の変換段３４０の２つのスイッチング素子３６２、３６４の間の接続部との間に結合される。

動作時には双方向変換器１２０は、積層体３９０を充電するように動作することができる。整流したＤＣ電圧３０２とＤＣ電圧３０６の間の電圧差が閾値より大幅に大きいとコントローラ１０６が判定したときは、コントローラ１０６は、第１のモードで動作するように双方向変換器１２０を制御する。第１のモードではコントローラ１０６は制御信号を送って、第１のスイッチング素子３４６をターンオンし、第２のスイッチング素子３５６および第３のスイッチング素子３７２をターンオフする。第１の変換段３１０および第２の変換段３２０のそれぞれは、図５に関して上述した第１の変換段２１０と同様なやり方で動作する。第３の変換段３３０および第４の変換段３４０のそれぞれは、図５に関して上述した第２の変換段２２０と同様なやり方で動作する。

充電プロセスの第１のモードでは、第１の変換段３１０内のスイッチング素子３２２はターンオフされ、第１の変換段３２０内のスイッチング素子３１８はＰＷＭモードで動作する。さらに第２の変換段３２０内のスイッチング素子３３２はターンオフされ、第２の変換段３２０内のスイッチング素子３２８はＰＷＭモードで動作する。一実装形態では、スイッチング素子３１８およびスイッチング素子３２８に送られるＰＷＭモード制御信号は同相である。他の実装形態ではスイッチング素子３１８およびスイッチング素子３２８に送られるＰＷＭモード制御信号は異なる位相である。たとえばスイッチング素子３１８のための制御信号は、スイッチング素子３２８のための制御信号よりπ／２だけ進めるまたは遅らせることができ、それによってコンデンサ３４４の両端のＤＣ電圧リップルが低減する。

同様に、充電プロセスの第１のモードでは、第３の変換段３３０内のスイッチング素子３５４はターンオフされ、第３の変換段３３０内のスイッチング素子３５２はＰＷＭモードで動作する。さらに、第４の変換段３４０内のスイッチング素子３６４はターンオフされ、第４の変換段３４０内のスイッチング素子３６２はＰＷＭモードで動作する。一実装形態では、スイッチング素子３５２およびスイッチング素子３６２に送られる制御信号は同相である。他の実装形態では、スイッチング素子３５２およびスイッチング素子３６２に送られる制御信号は異なる位相である。たとえばスイッチング素子３５２のための制御信号は、スイッチング素子３６２のための制御信号よりπ／２だけ進めるまたは遅らせることができ、それによって積層体３９０の両端のＤＣ電圧リップルが低減する。

整流したＤＣ電圧３０２とＤＣ電圧３０６の間の電圧差が閾値より大幅に小さいとコントローラ１０６が判定したときは、コントローラ１０６は、第２のモードで動作するように双方向変換器１２０を制御する。コントローラ１０６は制御信号を送って、第２のスイッチング素子３５６および第３のスイッチング素子３７２をターンオンする。

充電プロセスの第２のモードでは、スイッチング素子３５２およびスイッチング素子３６２は、コントローラ１０６から送られる制御信号に応答してターンオフされる。図９に示されるように、２つのスイッチング素子３５４、３５６、およびインダクタ３８４は第５の変換段３５０を形成し、２つのスイッチング素子３６４、３７２、およびインダクタ３８２は第６の変換段３６０を形成する。第５の変換段３５０がバックモードで動作する場合は、スイッチング素子３５４はターンオフされ、スイッチング素子３５６はＰＷＭモードで動作する。整流したＤＣ電圧３０２は、ＤＣ電圧３０６に直接変換される。積層体３９０でのＤＣ電圧３０６は高く、整流したＤＣ電圧３０２とＤＣ電圧３０６の間の電圧差は小さいので、双方向変換器１２０の変換効率は高い。

引き続き、図８および図９を参照すると、双方向変換器１２０は、積層体３９０を放電するように動作することができる。放電プロセス時には、図８および図９に示される双方向変換器１２０は、図５および図６に関連して上述した双方向変換器１１０と同様なやり方で動作することができる。

図１０は、本開示の一実施形態による、１つまたは複数の積層体を充電するように、図１に示されるシステム１００を動作させる方法２００のフローチャートを示す。

図示の実施形態では、方法２００はブロック２００２で開始する。ブロック２００２では１つまたは複数の変換器は、１つまたは複数の積層体を充電するように第１のモードに構成されている。一実装形態では、図５に示される双方向変換器１１０、または図８に示される双方向変換器１２０は、１つまたは複数の積層体を充電するように動作させることができる。たとえば図５に示される双方向変換器１１０は、整流したＤＣ電圧２０２をＤＣ電圧２０６に変換して、それにより積層体２６０を充電するように動作される。より具体的には第１のモードでは、第１の変換段２１０は整流したＤＣ電圧２０２を中間ＤＣ電圧２０４に変換するように動作し、第２の変換段２２０は中間ＤＣ電圧２０４をＤＣ電圧２０６に変換するように動作する。

ブロック２００４では、方法２００は続いて、１つまたは複数の積層体の両端の電圧と、１つまたは複数の変換器の入力電圧とを検出する。一実装形態では、コントローラ１０６（図１に示される）は、積層体２６０の両端のＤＣ電圧２０６を検出することができる。コントローラ１０６はさらに、双方向変換器１１０に印加される整流したＤＣ電圧２０２を検出することができる。

ブロック２００６では、方法２００は続いて、検出した１つまたは複数の積層体の両端の電圧と、１つまたは複数の変換器の入力電圧との間の電圧差が閾値より小さいかどうかを判定する。一実装形態では、図１に示されるコントローラ１０６は、ブロック２００６の動作を行うことができる。電圧差が閾値より小さいと判定された場合は、方法２００はブロック２００８に進む。電圧差が閾値より大きいと判定された場合は、方法２００はブロック２００２に戻り、そこで変換器は第１のモードのままとなるように構成されている。

ブロック２００８では、方法２００は続いて、１つまたは複数の変換器を第２のモードに構成し、それにより１つまたは複数の積層体を充電する。一実装形態では、コントローラ１０６は、双方向変換器１１０を第１のモードから第２のモードに切り換える。第２のモードでは変換段２３０（図６に示される）は、整流したＤＣ電圧２０２をＤＣ電圧２０６に直接変換するように動作する。

ブロック２０１０では、方法２００は続いて、放電状態で動作している少なくとも１つの積層体から電力を受け取る。一実装形態では、双方向変換器１４２が受け取った電力は、放電状態で動作している第２のライン１１６内の第１の積層体１３２から回収することができる。一実装形態では、双方向変換器１４２が受け取った電力は、第１の整流器１０２（図１に示される）から供給することができる。

図１１は、本開示の一実施形態による、１つまたは複数の積層体を放電するように、図１に示されるシステム１００を動作させる方法３００のフローチャートを示す。

図示の実施形態では、方法３００はブロック３００２で開始し、そこでは１つまたは複数の変換器は、１つまたは複数の積層体から放電された電気エネルギーを回収するように第１のモードに構成されている。一実装形態では、図１に示される双方向変換器１４２は、第１の積層体１２２から電気エネルギーを回収するように動作させることができる。第１のモードでは積層体２６０の両端の電圧は高いので、双方向変換器１１０は、第１の積層体１２２のＤＣ電圧２０６を、２つの第１の入力端子２１２、２１４でのＤＣ電圧２０２に昇圧するように動作する変換段２３０（図６に示される）を有する。

ブロック３００４では、方法３００は続いて、１つまたは複数の積層体の両端の電圧と、１つまたは複数の変換器の入力端子での電圧とを検出する。一実装形態では、コントローラ１０６（図１に示される）は、積層体２６０の両端のＤＣ電圧２０６と、２つの入力端子２１２、２１４でのＤＣ電圧２０２とを検出する。

ブロック３００６では、方法３００は続いて、検出した１つまたは複数の積層体の両端の電圧と、１つまたは複数の変換器の入力端子での電圧との間の電圧差が閾値より小さいかどうかを判定する。一実装形態では、コントローラ１０６はブロック３００６の動作を行う。電圧差が閾値より小さいと判定された場合は、方法はブロック３００８に進む。電圧差が閾値より大きいと判定された場合は、手順はブロック３００２に戻る。

ブロック３００８では、方法３００は続いて、１つまたは複数の積層体から放電される電気エネルギーを回収するように、１つまたは複数の変換器を第２のモードに構成する。一実装形態では、コントローラ１０６は、双方向変換器１１０を第１のモードから第２のモードに切り換える。

ブロック３０１０では方法３００は、続いて、充電状態で動作している少なくとも１つの積層体に電力を供給する。一実装形態では、第１のモードおよび第２のモードで動作している双方向変換器１４２によって回収された電気エネルギーは、充電状態で動作している第２のライン１１６内の第１の積層体１３２に供給することができる。

上述の方法２００および３００は、コンピュータ可読媒体に記憶され、プロセッサによって実行されたときに方法２００および３００の様々なステップを行う命令を用いてプログラムすることができる。コンピュータ可読媒体は、任意の方法または技術によって実現された揮発性および不揮発性、リムーバブルおよびノンリムーバブル媒体を含むことができる。コンピュータ可読媒体は非限定的に、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリまたは他のメモリ技術、ＣＤ−ＲＯＭ、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）または他の光記憶装置、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスク装置または他の磁気記憶装置、あるいは所望の情報を記憶するのに用いることができ、命令実行システムによってアクセスできる他の任意の媒体を含む。

方法２００および３００において述べられた動作は、必ずしも図１０および図１１に示された順序で行われる必要はなく、任意の適当な順序で行うことができる。さらに本開示の一部の実施形態では、図９および図１０に示される要素または動作のすべてよりも多いまたは少ない要素または動作を行うことができる。

上述のすべてのこのような目的または利点は、必ずしもいずれの特定の実施形態により達成できるものではないことが理解されるべきである。したがって、たとえば当業者なら本明細書で述べられたシステムおよび技術は、本明細書で教示されまたは提案され得る他の目的または利点を必ずしも達成せずに、本明細書で教示されるような１つの利点または一群の利点を達成または最適化するやり方で実施または実行できることが認識されよう。

さらに当業者には、異なる実施形態からの様々な特徴は交換可能であることが認識されよう。述べられた様々な特徴、および各特徴に対する知られている等価物は、当業者によって、本開示の原理により追加のシステムおよび技術を構築するためにうまく組み合わせることができる。

１６ 脱塩セル
２１ 開口
２２ 方向指示矢印
２３ 方向指示矢印
２４ 電極
２５ 方向指示矢印
２６ 電極
２８ 絶縁スペーサ
３０ 電流コレクタ
３２ 支持板
３４ 供給液体
３６ カチオン
３８ アニオン
４０ 希釈された液体
４２ イオン性溶質の流れ
４４ 排出液体、排出流
４６ 沈殿ユニット
４８ 固体沈殿物
１００ システム
１０２ 第１の整流器
１０４ 第２の整流器
１０６ コントローラ
１０８ 給送装置
１１０ 双方向変換器
１１４ 第１のライン
１１６ 第２のライン
１２０ 双方向変換器
１２１ 積層体
１２２ 第１の積層体
１２３ 矢印
１２４ 第２の積層体
１２５ 矢印
１３２ 第１の積層体
１３４ 第２の積層体
１４１ 第１の共通バス
１４２ 第１の変換器
１４３ 第２の共通バス
１４４ 第２の変換器
１５２ 第３の変換器
１５４ 第４の変換器
２００ 方法
２０２ 整流したＤＣ電圧
２０４ 中間ＤＣ電圧
２０６ ＤＣ電圧
２１０ 第１の変換段
２１２ 入力端子
２１４ 入力端子
２１６ 第１のコンデンサ
２１８ 第１のスイッチング素子
２２０ 第２の変換段
２２２ ダイオード
２２４ 第２のスイッチング素子
２２６ ダイオード
２２８ 第１のインダクタ
２３０ 第３の変換段
２３２ 第２のコンデンサ
２３４ 逆並列ダイオード、ダイオード
２３６ 第５のスイッチング素子
２３８ 第３のスイッチング素子
２４２ 逆並列ダイオード、ダイオード
２４４ 第４のスイッチング素子
２４６ 逆並列ダイオード、ダイオード
２４８ 第６のスイッチング素子
２５２ 逆並列ダイオード、ダイオード
２５４ 第２のインダクタ
２６０ 積層体
２７２ 第１の曲線
２７４ 第２の曲線
２７６ 第１の領域
２７８ 第２の領域
３００ 方法
３０２ 整流したＤＣ電圧
３０６ ＤＣ電圧
３１０ 第１の変換段
３１２ 入力端子
３１４ 入力端子
３１８ スイッチング素子
３２０ 第２の変換段
３２２ スイッチング素子
３２８ スイッチング素子
３３０ 第３の変換段
３３２ スイッチング素子
３３８ インダクタ
３４０ 第４の変換段
３４２ インダクタ
３４４ コンデンサ
３４６ 第１のスイッチング素子
３５０ 第５の変換段
３５２ スイッチング素子
３５４ スイッチング素子
３５６ 第２のスイッチング素子
３６０ 第６の変換段
３６２ スイッチング素子
３６４ スイッチング素子
３７２ 第３のスイッチング素子
３８２ インダクタ
３８４ インダクタ
３９０ 積層体

Claims (17)

1. 荷電種を有する液体を脱イオンするためのシステムであって、
   充電状態および放電状態で動作することができる複数の積層体と、
   複数の変換器であって、各変換器は、前記複数の積層体の対応する１つに電気的に結合され、前記充電状態では、前記液体中のイオンを吸着するために前記対応する積層体を充電し、前記放電状態では、前記対応する積層体によって吸着されたイオンを脱着するために前記対応する積層体を放電するように動作することができる、複数の変換器と、
   前記複数の変換器に電気的に結合されたコントローラであって、前記コントローラは、前記変換器に供給された電圧と前記対応する積層体に印加された電圧との間の電圧差を判定し、前記電圧差が閾値より小さいときは、第１のモードで動作するように前記変換器を制御し、前記電圧差が前記閾値より大きいときは、第２のモードで動作するように前記変換器を制御するように構成される、前記コントローラと、
   を備え、
   前記複数の変換器が、
   第１の変換段と、
   前記第１の変換段と直列に結合された第２の変換段と、
   前記第１の変換段と前記第２の変換段の間に結合されたエネルギー蓄積素子と、
   第３の変換段と、
   を備え、
   前記第１の変換段及び前記第２の変換段は、前記第１のモードで動作し、
   前記第３の変換段は、前記第２のモードで動作するように構成されている、
   システム。
2. 前記複数の積層体は、第１の経路に沿って配置された積層体の第１の組と、第２の経路に沿って配置された積層体の第２の組とを備え、前記積層体の第１の組は、前記第１の経路を通って供給される液体を脱イオンするように構成され、前記第２の積層体は、前記第２の経路を通って供給される液体を脱イオンするように構成されている、請求項１記載のシステム。
3. 前記複数の変換器の１つが、前記充電状態では、電気エネルギーを前記対応する積層体に変換し、前記放電状態では、前記対応する積層体から電気エネルギーを回収するための双方向変換器を備える、請求項１記載のシステム。
4. 前記対応する積層体から回収した前記電気エネルギーが、前記充電状態で動作する別の積層体に移動される、請求項３記載のシステム。
5. 前記第１の変換段が、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子とを備え、
   前記第２の変換段が、第３のスイッチング素子と第４のスイッチング素子とを備え、
   前記第３の変換段が、前記第４のスイッチング素子と第６のスイッチング素子とを備える、請求項１乃至４のいずれかに記載のシステム。
6. 前記複数の変換器が、前記第１の変換段と前記第２の変換段との間に配置された、第５のスイッチング素子を備える、請求項５に記載のシステム。
7. 前記複数の変換器が、
   前記第１の変換段と同様に構成された前記第３の変換段であって、前記第１の変換段と交互配置された、前記第３の変換段と、
   前記第２の変換段と同様に構成された第４の変換段であって、前記第２の変換段と交互配置された、第４の変換段と
   をさらに備える、請求項１乃至４のいずれかに記載のシステム。
8. 前記第１の変換段および前記第３の変換段には、異なる位相の制御信号を供給することができ、前記第２の変換段および前記第４の変換段には、異なる位相の制御信号を供給することができる、請求項７記載のシステム。
9. 前記複数の変換器の１つは、前記第１のモードで前記複数の積層体の対応する１つを充電するように動作し、前記第１の変換段は、前記第１の電圧をより低い中間電圧に変換するように動作し、前記エネルギー蓄積素子は、前記中間電圧のレベルを維持するように充電され、前記第２の変換段は、前記中間電圧をより低い前記第２の電圧に変換するように動作する、請求項１乃至８のいずれかに記載のシステム。
10. 前記複数の変換器の１つは、前記第２のモードで前記複数の積層体の対応する１つを充電するように動作し、前記第１の変換段は、ディスエーブルされ、前記第２の変換段は、前記第１の電圧をより低い前記第２の電圧に直接変換するように動作する、請求項１乃至９のいずれかに記載のシステム。
11. 前記複数の変換器の１つは、前記第１のモードで前記複数の積層体の対応する１つを放電するように動作し、前記第２の変換段は、前記第１の電圧をより高い中間電圧に変換するように動作し、前記エネルギー蓄積素子は、前記中間電圧のレベルを維持するように充電され、前記第１の変換段は、前記中間電圧をより高い前記第２の電圧に変換するように動作する、請求項１乃至１０のいずれかに記載のシステム。
12. 前記複数の変換器の１つが前記第２のモードで前記複数の積層体の対応する１つを放電するように動作するときは、前記第１の変換段は、ディスエーブルされ、前記第２の変換段は、前記第１の電圧をより高い前記第２の電圧に直接変換するように動作する、請求項１乃至１１のいずれかに記載のシステム。
13. 前記第１の変換段が、逆並列ダイオードに結合された第１のスイッチング素子と、逆並列ダイオードに結合された第２のスイッチング素子と、第１のインダクタとを備え、前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子は、前記変換器の第１の入力端子と第２の入力端子の間に直列に結合され、前記第１のインダクタの一方の端子は、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子の間の接合点に結合され、前記第１のインダクタの他方の端子は、前記エネルギー蓄積素子の一方の端子に結合される、請求項１乃至１２のいずれかに記載のシステム。
14. 前記第２の変換段が、逆並列ダイオードに結合された第３のスイッチング素子と、逆並列ダイオードに結合された第４のスイッチング素子と、第２のインダクタとを備え、前記第３のスイッチング素子および前記第４のスイッチング素子は、前記エネルギー蓄積素子の２つの端子の間に直列に結合され、前記第２のインダクタの一方の端子は、前記第４のスイッチング素子と前記第３のスイッチング素子の間の接合点に結合され、前記第２のインダクタの他方の端子は、積層体の一方の端子に結合される、請求項１３記載のシステム。
15. 逆並列ダイオードに結合された第５のスイッチング素子と、逆並列ダイオードに結合された第６のスイッチング素子とをさらに備え、前記第５のスイッチング素子は、前記第１の変換段と前記第２の変換段の間に結合され、前記第６のスイッチング素子は、前記変換器の前記第１の入力端子と、前記第３のスイッチング素子と前記第４のスイッチング素子の間の接合点との間に結合される、請求項１３記載のシステム。
16. 請求項１乃至１５のいずれかに記載のシステムが、積層体を充電または放電するように変換器を動作させる方法であって、
    前記積層体の充電状態または放電状態を検出するステップであって、前記積層体は、前記充電状態では、液体中のイオンを吸収し、前記放電状態では、イオンを脱着するように構成されている、ステップと、
    前記積層体の前記検出された充電状態または前記検出された放電状態に応じて、第１のモードにてまたは第２のモードにて動作するように前記変換器を構成するステップと
    を含む方法。
17. 前記積層体の両端の電圧を検出するステップと、
    前記検出した電圧が閾値より小さいときは、前記第１のモードで動作し、前記検出した電圧が前記閾値より大きいときは、前記第２のモードで動作するように、前記変換器を構成するステップと
    をさらに含む、請求項１６記載の方法。