JP6482105B2 - 電源と電気負荷との間において動的に電力を管理するための装置および方法 - Google Patents

Description

エンジン発電機、タービン発電機、火力発電機、燃料電池等において一般的に炭化水素を燃焼させる多種多様な非再生可能エネルギー源、および太陽電池、風力発電機、水力発電装置、バイオマス発電機、太陽熱システム、地熱システム等の多種多様な再生可能エネルギー源から得られる交流（ＡＣ）および直流（ＤＣ）電力を、蛍光灯または蒸気アーク灯（vapor-arc lighting）のためのモーターや安定器といった様々な電気的な誘導負荷、または公知の白熱電球といった抵抗負荷、または容量性のモータースターターといった容量負荷、あるいはこれらの組み合わせに供給する電源装置は周知である。太陽電池および風力発電機は、例えば、日光または風といった利用可能性が予測できないエネルギー源に頼るため、そのような再生可能エネルギー源は、一般的に、不定の時間で、制御されない不安定な周波数または電圧レベルで、予測できず、かつ調整されていないＡＣまたはＤＣ電力を生み出す。よって、一般的に、それらの電源を利用する電源装置は、一般的に時間をかけてＤＣ電池群にエネルギーを集めて蓄え、蓄えたＤＣ電力を必要に応じて負荷に直接用いており、一般的に自立システムとして運用されている。電池群は、電源装置のために予備エネルギー容器を提供する。

それらの所望の目的に対して概ね満足できるものではあるが、従来の電源装置は非効率的である。上述のごとく、１つ以上の電源は、常に利用可能ではないかもしれず、また、利用可能であっても常に定格公称電力の状態または最も効率的な状態ではないかもしれないため、電力の供給は不安定で変わりやすい。さらに、様々な負荷の負荷状態は、１つ以上の負荷がオンラインおよびオフラインになるときと同様にそれらの通常動作の経過中にも変わりやすい。上述の電池群は、そのような変わりやすい電力および負荷の状態を補う役目を果たすが、電池群の充電および放電は相当な時間が必要となり、その結果、システム効率が低下する。利用可能な電源がどれであるかについて、また利用可能な各電源から、特に電力および負荷の状態が変化する間に全ての動作が迅速に実行されることを必要とされる場合に、電力を必要とする１つ以上の負荷に分配されるための電力がどの程度得られるかについて、管理されていないか、または管理が貧弱であれば、システム効率が低下する。効率向上は経済的な目標でも保全的な目標でもある。

本発明の一形態は、要約すると、電力を供給する１つ以上の電源と電力を消費する１つ以上の電気負荷との間において動的かつ効率的に電力を管理するための装置に属する。電源はＡＣ送電網または幹線といった任意の交流（ＡＣ）電源、任意の直流（ＤＣ）電源、または組み合わさった任意のＡＣ／ＤＣ電源を含むことができる。電源は、例えばエンジン発電機、タービン発電機、火力発電機、燃料電池等において一般的に炭化水素を燃焼させる任意の非再生可能エネルギー源、または太陽電池、風力発電機、水力発電装置、バイオマス発電機、太陽熱システム、地熱システム等の任意の再生可能エネルギー源を含むことができる。負荷は、蛍光灯または蒸気アーク灯のためのモーターや安定器といった任意の電気的誘導負荷、または公知の白熱電球といった任意の抵抗負荷、または容量性のモータースターターといった任意の容量負荷、あるいはこれらの組み合わせを含むことができる。

上記装置は、各電源に接続される入力端子、各負荷に接続される出力端子、および各入力端子と各出力端子とに接続される複数のモニターノード（monitor node）を含む。複数の電力貯蔵セルは、入力および出力端子の間に接続される。後述のごとく、各セルは、少なくとも１つの電源からの電力を蓄えることができ、かつ、蓄えた電力を少なくとも１つの負荷に放電することができる。各セルは、少なくとも１つの電源からのＤＣ電圧を蓄え、かつ、蓄えたＤＣ電圧を少なくとも１つの負荷に放電するために、それ自体がキャパシターを含むこと、またはバッテリーとキャパシターとを並列に組み合わせたものを含むことが好ましい。それらの各セルは、電圧レギュレーターおよびフィルターとして機能し、再充電可能で、かつ、電力貯蔵が９５％を超える場合に高効率で急速な再充電のために非常に小さい内部抵抗を有することが好ましい。セルは、構造的に同一であって互いに交換可能であることが好ましい。セルの少なくとも１つは、ベースレイヤーに配置される。

さらに、上記装置は、セルに接続されて各スイッチの開閉状態を切り替え可能とするための制御入力を有する複数の制御可能なスイッチを含む。各スイッチは、ゲート、ベース、またはトリガーを制御入力として有するトランジスタであることが好ましい。各スイッチは、例えば、電界効果トランジスタＦＥＴ（特にヘクスフェットＨＥＸＦＥＴまたはＭＯＳＦＥＴ）、またはＦｌｉｐ−ＦＥＴ、または絶縁ゲートバイポーラトランジスタＩＧＢＴ、またはシリコン制御整流器ＳＣＲといった半導体スイッチとすることができ、または、これらと同等なもの（例えばリレー）とすることができる。また、入力および出力端子の間でＤＣ電流の流れる方向を制御するために、複数のダイオードが装置に接続される。ダイオードは、装置において望まない経路へのＤＣ電流の流れを阻止する。スイッチの少なくとも１つと、別のセルとは、いずれもスイッチングレイヤーに配置される。

さらに、上記装置は、各レイヤーのスレーブコントローラーおよび各スレーブコントローラーに稼働可能に接続されたマスターコントローラーを含むプログラムされたコントロールシステムを含む。コントロールシステムは、各電源および各負荷の稼働中にモニターノードで稼働状況（例えば稼働電圧）を動的に測定し、かつ、測定された稼働状況に応じて、様々な回路接続態様でセルを互いに接続するために制御入力により選択的かつ動的にスイッチを制御する。コントロールシステムは、開閉状態の１つ（例えば閉状態）で各セルが少なくとも１つの電源からの電圧を蓄えることができるようにし、かつ、他の開閉状態（例えば開状態）で各セルが蓄えた電圧を少なくとも１つの負荷に放電することができるようにする。

コントロールシステムは、記憶されている回路接続態様に対応するデータを備えたメモリまたはルックアップテーブルにアクセスし、測定された稼働状況に応じたデータを読み出す。例えば、ある接続態様においては、全てのセルが、互いに充電または放電、あるいはこれらの組み合わせを可能とするために、直列または並列または直列−並列、あるいはこれらの組み合わせで接続され、他の異なる接続態様においては、個々のセルが、充電または放電、あるいはこれらの組み合わせのために選定される。様々な接続態様は、１つまたは並列の工程で同時または連続して実施することが可能である。

モジュールとも呼ばれる装置は、前述のベースレイヤーと１つ以上の前述のスイッチングレイヤーとを備える。モジュールは、スイッチングレイヤーを任意の数だけ有することができるため、モジュールは容易に拡張可能である。これはコストを削減するだけでなく、スイッチングレイヤーの分解能または数（resolution or number）が特定の利用法のために好ましいものに選定されることを可能とする。スイッチングレイヤーは、互いに垂直な平面に配置することができる。例えば、１つ以上のスイッチングレイヤーは、二次元的に互いに接続されて水平またはＸ−Ｙ空間に位置することができ、さらに、１つ以上の追加のスイッチングレイヤーは、三次元的に互いに接続されて垂直またはＺ平面に位置することができ、その結果、コントローラーによって選定される利用可能な回路接続態様の数を大幅に増やすことができる。さらに、前述の入力端子が前述の出力端子と同様に装置の右側または左側に配置されるという点で装置が対称的であり、その結果、外部電源または外部負荷を装置の片側に接続することが可能である。

さらに、本発明の他の特徴は、各電源と各電気負荷との間において動的に電力を管理するための方法に属する。この方法は、各電源に各入力端子を接続すること、各負荷に各出力端子を接続すること、各入力および出力端子にモニターノードを接続すること、入力および出力端子の間に、少なくとも１つの電源からの電力を蓄えることができ、かつ、蓄えた電力を少なくとも１つの負荷に放電することができる電力貯蔵セルを接続すること、セルの１つをベースレイヤーに配置すること、セルに、各スイッチの開閉状態を切り替え可能とするための制御入力を有する複数の制御可能なスイッチを接続すること、スイッチの少なくとも１つと別のセルとをスイッチングレイヤーに配置すること、各電源および各負荷の稼働中に、各レイヤーのスレーブコントローラーと各スレーブコントローラーに稼働可能に接続されたマスターコントローラーとを用いて、モニターノードで稼働状況を動的に測定すること、測定された稼働状況に応じて、様々な回路接続態様でセルを互いに接続するために各コントローラーの稼働によって、制御入力により選択的かつ動的にスイッチを制御すること、１つの開閉状態において、各セルが少なくとも１つの電源からの電力を蓄えることを可能とすること、および他の開閉状態において、各セルが蓄えた電力を少なくとも１つの負荷に放電することを可能とすることによって行われる。

本発明の特徴として考えられる新規な特徴は、特に添付の請求項において示される。しかし、構造と稼働の方法との双方に関して、本発明が付加的な構成要素および効果を備えてもよいことは、添付の図面と関連付けて書かれている以下の具体的な実施形態の説明から理解できるであろう。

本発明に基づく、少なくとも１つの電源と少なくとも１つの電気負荷との間において動的に電力を管理するための装置の一実施形態の一部を示す電子回路図である。 図１の装置で使用されるためにプログラムされたコントローラーである。 図２のコントローラーによりアクセスされるルックアップテーブルである。 本発明に基づく、他の実施形態に係る装置の電子回路図である。 本発明に基づく、他の実施形態に係る装置の電子回路図である。 図１と類似するが、複数のスレーブコントローラーを示している点が異なる、本発明に基づく、少なくとも１つの電源と少なくとも１つの電気負荷との間において動的に電力を管理するための装置のさらに別の一実施形態を示す電子回路図である。 図６の実施形態において、マスターコントローラーが各スレーブコントローラーにどのように接続されているかを示す電子回路図である。

参照番号１０は、電力を供給する１つ以上の外部電源１２，１４，１６と電力を消費する１つ以上の外部電気負荷Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３との間において動的かつ効率的に電力を管理するための装置を大まかに特定している。電源は、ＡＣパワーグリッドまたは幹線といった任意の交流（ＡＣ）電源１４、任意の直流（ＤＣ）電源１６、または組み合わさった任意のＡＣ／ＤＣ電源１２を含むことができる。電源１２，１４，１６は、例えばエンジン発電機、タービン発電機、火力発電機、燃料電池等において一般的に炭化水素を燃焼させるものである任意の非再生可能エネルギー源、または太陽電池、風力発電機、水力発電装置、バイオマス発電機、太陽熱システム、地熱システム等の任意の再生可能エネルギー源を含むことができる。図１では３つの電源が図示されているが、電源を１つだけ含む構成を採用することもでき、電源の数は任意とすることができる。負荷Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３は、蛍光灯または蒸気アーク灯のためのモーターや安定器といった任意の電気的誘導負荷、または公知の白熱電球といった任意の抵抗負荷、または容量性のモータースターターといった任意の容量負荷、あるいはこれらの組み合わせを含むことができる。図１では３つの負荷が図示されているが、負荷を１つだけ含む構成を採用することができ、負荷の数は任意とすることができる。

装置１０は、各電源１２，１４，１６に接続される複数の入力端子１８，２０，２２（ＩＮ１，ＩＮ２，ＩＮ３とラベルされている）で図示された少なくとも１つの入力端子と、各負荷Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３に接続される複数の出力端子２４，２６，２８（ＯＵＴ１，ＯＵＴ２，ＯＵＴ３とラベルされている）で図示された少なくとも１つの出力端子と、抵抗Ｒを介して入力および出力端子にそれぞれ接続される複数のモニターノードＮ１，Ｎ２，Ｎ３，Ｎ４、Ｎ５，Ｎ６，Ｎ７，Ｎ８，Ｎ９を含む。後述のごとく、プログラムされたコントロールシステムは、電源および負荷の稼働中にモニターノードで稼働状況（例えば稼働電圧）を動的に測定する。図１−５の実施形態では、コントロールシステムは単一のマスターコントローラー３０（図２参照）を備える。図６−７の実施形態では、コントロールシステムは、単一のマスターコントローラー４２と、複数のスレーブコントローラー４４、４６および４８（図７参照）とを備える。図２のマスターコントローラー３０は、モニターノードＮ１，Ｎ２，Ｎ３，Ｎ４，Ｎ５，Ｎ６，Ｎ７，Ｎ８，Ｎ９に個別に接続される入力ピン１〜９を有する。

また、入力および出力端子の間でＤＣ電流の流れる方向を制御するために、複数のダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ６，Ｄ７，Ｄ１１，Ｄ１２が装置１０に接続される。ダイオードは、望まない経路へのＤＣ電流の流れを阻止する。モニターノードＮ１，Ｎ４、Ｎ７は、それぞれ入力端子１８，２０，２２に接続される。モニターノードＮ３，Ｎ６，Ｎ９は、それぞれ出力端子２４，２６，２８に接続される。ダイオードＤ１，Ｄ６，Ｄ１１は、モニターノードペアＮ１，Ｎ２；Ｎ４，Ｎ５；Ｎ７，Ｎ８の間に接続される。

複数の電力貯蔵セル３２，３４，３６は、入力および出力端子の間に接続される。後述のごとく、各セル３２，３４，３６は、少なくとも１つの電源から電力を蓄えることができ、かつ、蓄えた電力を少なくとも１つの負荷に放電することができる。各セル３２，３４，３６は、少なくとも１つの電源からＤＣ電圧を蓄え、かつ、蓄えたＤＣ電圧を少なくとも１つの負荷に放電するために、それ自体がキャパシターを含むこと、またはバッテリー（Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３）とキャパシター（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３）とを並列的に組み合わせたものを含むことが好ましい。それらの各セル（Ｂ−ＣＡＰ１，Ｂ−ＣＡＰ２，Ｂ−ＣＡＰ３ともラベルされている）は、電圧レギュレーターおよびフィルターとして機能し、再充電可能で、かつ、電力貯蔵が９５％を超える場合に高効率で急速な再充電のために非常に小さい内部抵抗を有することが好ましい。セルは、スーパーキャパシター（supercaps）またはウルトラキャパシター（ultracaps）として知られている電気二重層キャパシターであることが好ましい。セル３２，３４，３６は、構造的に同一であって互いに交換可能であることが好ましい。

さらに、装置１０は、セルに接続されて各スイッチを開状態および閉状態において切り替え可能とするための制御入力Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４を有する複数の制御可能なスイッチＭ１、Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４を含む。各スイッチは、ゲート、ベース、またはトリガーを制御入力として有するトランジスタであることが好ましい。各スイッチは、例えば、電界効果トランジスタＦＥＴ（特に図示されるヘクスフェットＨＥＸＦＥＴ（登録商標）またはＭＯＳＦＥＴ）、またはＦｌｉｐ−ＦＥＴ、または絶縁ゲートバイポーラトランジスタＩＧＢＴ、またはシリコン制御整流器ＳＣＲといった半導体スイッチとすることができ、または、これらと同等なもの（例えばリレー）とすることができる。スイッチＭ１は、入力端子１８，２０の間においてセル３２と並列に接続されている。スイッチＭ２は、出力端子２４，２６の間においてセル３２と並列に接続されている。スイッチＭ３は、入力端子２０，２２の間においてセル３４と並列に接続されている。スイッチＭ４は、出力端子２６，２８の間においてセル３４と並列に接続されている。

さらに、装置１０は、複数の制御入力端子３８，４０（ＩＮ Ａ，ＩＮ Ｂとラベルされている）を含む。ダイオードＤ４およびスイッチＭＡを有する１つの分岐と、ダイオードＤ５およびスイッチＭＢを有する他の分岐との並列な組み合わせは、端子３８，２６をまたいで接続されるとともに、セル３２，３４を互いに接続する。ダイオードＤ９およびスイッチＭＣを有する１つの分岐と、ダイオードＤ１０およびスイッチＭＤを有する他の分岐との並列な他の組み合わせは、端子４０，２８をまたいで接続されるとともに、セル３４，３６を互いに接続する。スイッチＭＡ，ＭＢ，ＭＣ，ＭＤは、制御入力ＧＡ，ＧＢ，ＧＣ，ＧＤを有する。制御入力ＧＸを有する付加的なスイッチＭＸは、端子３８とアース端子との間にダイオードＤ３を介して接続される。制御入力ＧＹを有する付加的なスイッチＭＹは、端子４０とアース端子との間にダイオードＤ８を介して接続されている。

マスターコントローラー３０は、前述したように、各電源および各負荷の稼働中に全てのモニターノードＮ１，Ｎ２，Ｎ３，Ｎ４，Ｎ５，Ｎ６，Ｎ７，Ｎ８，Ｎ９で稼働状況（例えば稼働電圧）を動的に測定する。マスターコントローラー３０は、１つ以上のそれらのノードで電圧を検出して、例えば、いずれの特定の電源が電力を供給しているか、またはいずれの特定の負荷が電力を受け取っているか、あるいはこれらの組み合わせを測定する。また、マスターコントローラー３０は、測定された稼働状況に応じて、様々な回路接続態様でセル３２，３４，３６を接続するために、それぞれの制御入力により全てのスイッチＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，ＭＡ，ＭＢ，ＭＣ，ＭＤ，ＭＸ，ＭＹを選択的かつ動的に制御する。コントローラー３０は、それらの制御入力にそれぞれ接続される出力ピン１２〜１７，１９〜２２を有する。ピン１０にはＤＣ電圧が供給される。ピン１１は接地される。ピン１８は予備である。コントローラー３０、セル３２，３４，３６、およびスイッチＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，ＭＡ，ＭＢ，ＭＣ，ＭＤ，ＭＸ，ＭＹは、ＤＣ装置（DC device）である。したがって、ＡＣ−ＤＣ整流器１３および１５は、ＡＣ電源１２および１４のそれぞれによって供給されるＡＣ電圧をＤＣ電圧へ変換するために採用される。同様に、ＤＣ−ＡＣ変換器１９はＡＣ負荷１７に接続される。

マスターコントローラー３０は、開閉状態の１つ（例えば閉状態）で各セルが少なくとも１つの電源からの電圧を蓄えることができるようにし、かつ、他の開閉状態（例えば開状態）で各セルが蓄えた電圧を少なくとも１つの負荷に放電することができるようにする。マスターコントローラー３０は、記憶されている回路接続態様に対応するデータを備えたメモリまたはルックアップテーブル（図３参照）にアクセスし、測定された稼働状況に応じたデータを読み出すことが好ましい。例えば、ある接続態様においては、全てのセルが、互いに充電または放電、あるいはこれらの組み合わせを可能とするために、直列または並列または直列−並列、あるいはこれらの組み合わせで接続され、他の異なる接続態様においては、個々のセルが、充電または放電、あるいはこれらの組み合わせのために選定される。様々な接続態様は、１つまたは並列の工程で同時または連続して実施することが可能である。

詳述すると、図３のテーブルは、スイッチＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，ＭＡ，ＭＢ，ＭＣ，ＭＤ，ＭＸ，ＭＹを、上の一行に表している。１番目の列は、セルが充電しているか放電しているかを示す。２番目の列は、接続態様を示す。行と列の交差点における“Ｘ”は、コントローラー３０によって閉状態に切り替えられる特定のスイッチを示している。行と列の交差点における“Ｏ”は、コントローラー３０によって開状態に切り替えられる特定のスイッチを示している。

セルは、レイヤーに配置されることが好ましい。セルの１つ（例えばセル３６）は、ベースレイヤー６０に配置され、ダイオードＤ１１，Ｄ１２とモニターノードＮ７，Ｎ８，Ｎ９とともに配置されることが好ましい。他のセル（例えばセル３４）は、スイッチングレイヤー６２に、１つ以上のスイッチＭ３，Ｍ４，ＭＣ，ＭＤ，ＭＹとダイオードＤ６，Ｄ７とモニターノードＮ４，Ｎ５，Ｎ６とともに配置される。さらに、他のセル（例えばセル３２）は、他のスイッチングレイヤー６４に、１つ以上のスイッチＭ１，Ｍ２，ＭＡ，ＭＢ，ＭＸとダイオードＤ１，Ｄ２とモニターノードＮ１，Ｎ２，Ｎ３とともに配置される。モジュールとも呼ばれる装置は、１つのベースレイヤー６０と１つ以上のスイッチングレイヤー６２，６４を備える。モジュールは、スイッチングレイヤーを任意の数だけ有することができ、よって、モジュールは容易に拡張可能である。これはコストを削減するだけでなく、レイヤーの分解能または数が特定の利用法のために好ましいものに選定されることを可能とする。レイヤーは、互いに垂直な平面に配置することができる。例えば、前述のベースレイヤー６０と１つ以上の前述のスイッチングレイヤー６２は、二次元的に互いに接続されて水平またはＸ−Ｙ平面に位置することができ、さらに、図４および図５で見られる付加的なセルＢ−ＣＡＰ４，Ｂ−ＣＡＰ５，Ｂ−ＣＡＰ６を含む追加のスイッチングレイヤーは、三次元的に互いに接続されて垂直またはＺ平面に位置することができ、その結果、コントローラーによって選定される利用可能な回路接続態様の数を大幅に増やすことができる。さらに、入力端子１２，１４，１６が、出力端子２４，２６，２８と同様に、装置の右側または左側に配置されるという点で装置が対称的かつ２方向であり、その結果、外部電源または外部負荷を装置の片側に接続することが可能である。

多重経路を有し、対称的であり、かつマトリクス状を有する上記構造は、低コストおよび高効率のために装置１０を大いに拡張できるようにすることを可能とする。場合によっては、効率は、９９％に達するか、または９９％を超える。装置１０は、所望される複数の並列なスイッチングレイヤーにより構成される。それらのスイッチングレイヤーの数は、装置の利用可能な分解能を決定する。装置は、高インピーダンスから低インピーダンスにわたって変化する可能性のある様々なＡＣおよびＤＣ電源を含んだ並列の外部電源を効率的に統合し、１つ以上のセルで貯蔵するために、または１つ以上の負荷に届けるために、あるいはこれらの組み合わせのために、利用可能なそれら１つ以上の出力電力を足し合わせる。特定の負荷状態のための利用可能な出力電力がない、または不足している場合には、セルは、１つ以上の負荷に届けるために１つ以上の利用可能な蓄えた電力を足し合わせる責任を負う。電力の貯蔵または転送は、同時に、または連続して起こる。

装置１０は、動的にすなわちリアルタイムで稼働する知的なエネルギー収集装置および分配装置と言い表すことができる。ベースレイヤーと１つ以上のスイッチングレイヤーは、１つのプリント回路基板（ＰＣＢ）上に実装することができる。１つ以上のスイッチングレイヤーを有する付加的なＰＣＢは、最初に言及したＰＣＢに容易に接続することができる。装置１０は、繰り返しパターンで組み立てられた簡素なモジュラー構造を採用している。セルの数は、最大負荷電力と、求められる電圧分解能（voltage resolution）により決定される。連続する滞らない負荷および電源の状態の測定が求められる。モニターノードを測定することにより、コントローラー３０は、任意の特定のレイヤーまたはＰＣＢが欠陥品であるか否かを検出することができ、そのような欠陥のあるレイヤーまたはＰＣＢをバイパスするためにスイッチを制御することができる。

上述の型式とは異なる他の型式の構造物とすることによって、上述の要素の各々、または２つ以上から有益な応用物を見出すことができることは理解できるであろう。例えば、２つのヘクスフェットＭＡ，ＭＢとダイオードＤ４，Ｄ５は、１つのＦｌｉｐＦＥＴに置き換えることもできる。

ここで図６、図７の実施形態を参照して、図６は、前述のスレーブコントローラー４４、４６、および４８が各レイヤー６４、６２、および６０のそれぞれに１つずつ示していることを除いて、図１と同一である。図７は、これらのスレーブコントローラー４４、４６、および４８がマスターコントローラー４２にどのように接続されているかを示している。図６、図７のノード、セル、およびスイッチは、図１−図３で前述したものと構造および機能が同様である。このため、これらの詳細な説明は省略する。マスターコントローラー３０のみに依拠して、前述の機能を実行するのではなく、図６、図７においては、マスターコントローラー４２とそのスレーブコントローラー４４、４６、および４８とが、それらと同様の機能を実行し、しかも、速度および効率はより高く、追加の機能も備えている。

図７に示すように、マスターコントローラー４２は、双方向またはハンドシェーク線５０、５２、および５４を介してスレーブコントローラー４４、４６、および４８に接続されている。マスターコントローラー４２は、スイッチングレイヤー６２内のスレーブコントローラー４６の入力ＧＹ、Ｇ３、ＧＣ、ＧＤ、およびＧ４を制御するために、スイッチングレイヤー６４内のスレーブコントローラー４４の制御入力ＧＸ、Ｇ１、ＧＡ、ＧＢ、およびＧ２のいずれかに接続された制御出力Ｃｏｎｔｒｏｌ１、Ｃｏｎｔｒｏｌ２、Ｃｏｎｔｒｏｌ３、Ｃｏｎｔｒｏｌ４、およびＣｏｎｔｒｏｌ５を有している。スレーブコントローラー４４は、ノードＮ１、Ｎ２、およびＮ３を測定するとともに、制御入力ＧＸ、Ｇ１、ＧＡ、ＧＢ、およびＧ２に接続される。スレーブコントローラー４６は、ノードＮ４、Ｎ５、およびＮ６を測定するとともに、制御入力ＧＹ、Ｇ３、ＧＣ、ＧＤ、およびＧ４に接続される。スレーブコントローラー４８は、ノードＮ７、Ｎ８、およびＮ９を測定する。

したがって、この開示によれば、この装置は、スイッチングレイヤーにおいて複数の同一のセルまたは電源オブジェクトを備える。各電源オブジェクトは、極性が破られないことを確保するための逆流防止ダイオード付きの正の入出力および負の入出力を含んでいる。電源への接続を接地するための接続が常にある。電源とグラウンドは、いずれの極性にもなることができる。電源オブジェクトの中心には、前述のスーパーキャパシター（supercaps）Ｂ−ＣＡＰ１、Ｂ−ＣＡＰ２、およびＢ−ＣＡＰ３のような急速充電および放電エネルギーの貯蔵部品がある。電源を除く、全ての信号経路に接続されるのは、制御可能なスイッチであり、一般的にはＨＥＸＦＥＴのような半導体デバイスである。これらのスイッチを制御することによって、利用可能な電力は、充電のために電源オブジェクトに向けられ、また、必要に応じて、電力は、電圧、アンペア数、波形、およびタイミングなどの必要な形態で所望の負荷または目標物に放出される。各スイッチングレイヤーは、任意の時点における最良の解決方法（パフォーマンス）のために、スイッチを制御し、かつ、利用可能な電力の状態と必要および／または可能な負荷要求とを測定するための信号入出力線を有する。これら全てを制御するのは、コントロールシステムとプログラマブルＲＯＭである。様々なタイミングおよび部品の組合せは、電力の状態だけでなく、電力の形状およびタイミングも定義する。

装置は、電力パルス消費源（電力充電）として、または電力パルス発生器（電力供給）として稼働することができる。セルの充電または放電は、少なくとも１つの時間限定機能、あるいは一連の時間限定機能として実行することができる。これらの時間限定機能（パルス）は、非常に長くても非常に短くてもよく、または、それらの間の任意の時間であってもよい。素早い（rapid）一連の長いパルスは、変動性がほとんどまたは全くないほぼ一定の出力、またはまっすぐな水平ライン関数である形状のほぼ一定の出力、またはＤＣ電圧を生み出す。他の全てのものは、少なくとも勾配またはさらに大きな変動性を有する可変出力、またはＡＣ電圧を生み出す。各電力状態は、所定の時間周期の少なくとも１つのパルス（電圧、アンペア数、および時間から構成されるパルス）またはパルスの集合か
ら構成する（be composed）ことができるので、任意の所定の電源、または任意の所定の負荷に対し、必要に応じて、任意のタイプの電力充電機能または任意のタイプの電力消費機能を構成することができる。

さらに装置の汎用性を高めかつ電力を増大するために、アクセス可能なメモリを有する前述のスレーブコントローラー４４、４６および４８が、各レイヤー中の各セルに追加されることにより、各セルを「スマート（smart）」にする。局所的に「スマート（smart）」なセルを追加することにより、充電状態、ノイズコントロール、タイミング、歪み（distortion）、形状等の特定の機能を電源によってより良く、かつ、より速く管理することができる追加の能力を提供し、これにより、装置の高度化を図るとともに効率を高める。装置は、カスタマイズされた機能性（例えば、特定波形、電力制限、負荷優先度の低下（a load priority dropout）および／またはシーケンステーブル等）を提供するための追加のサブルーチンを実行するための、真理値表を格納するアクセス可能なメモリを有するマスターコントローラーによって、常に測定および管理される。スレーブコントローラー４４、４６、および４８は、マスターコントローラーと同じ方法で各レイヤーのローカル状態を測定するが、各スレーブコントローラーは、マスターコントローラーによって特定の機能が割り当てられ、マスターコントローラーの機能を引き継ぐか、またはマスターコントローラーの機能を補充する。さらに、ノイズ除去またはスイッチング歪みのような、２次または３次機能をスレーブコントローラー４４，４６，４８に委ねることができる。装置は、そのハードウェアプラットフォーム上でのソフトウェア開発を通じて多くの多様な電力管理機能を開発する能力を有する。

１つ以上の電源と１つ以上の電気負荷との間において動的に電力を管理するための装置、または方法として図示され、また説明されてきた発明であるが、それは詳細まで限定したものであることを示唆するものではなく、様々な調整と設計変更が本発明の精神から逸脱することなく行える。

さらに分析することなく、先述のものは、他者が、先行技術の観点から最新の知識を適合することにより、この発明の一般的または具体的な態様について必要な特性を構成する特徴を省略することなく様々な応用物に適応することができるくらいに本発明の主旨を表しており、そのため、そのような適応は、次に来る請求項の均等の範囲および手段に含まれることを意味し、また含まれるべきである。

添付の特許請求の範囲に、新規で特許証により保護されるべき要求を明記する。

１０ 装置
１２，１４，１６ 電源
１３，１５ ＡＣ−ＤＣ整流器
１７ ＡＣ負荷
１８，２０，２２ 入力端子
１９ ＤＣ−ＡＣ変換器
２４，２６，２８ 出力端子
３２，３４，３６ 電力貯蔵セル
３０，４２ マスターコントローラー
４４，４６，４８ スレーブコントローラー
５０，５２，５４ ハンドシェーク線
６０ ベースレイヤー
６２，６４ スイッチングレイヤー
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４，ＧＡ，ＧＢ，ＧＣ，ＧＤ，ＧＸ，ＧＹ 制御入力
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，ＭＡ，ＭＢ，ＭＣ，ＭＤ，ＭＸ，ＭＹ スイッチ
Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３，Ｎ４、Ｎ５，Ｎ６，Ｎ７，Ｎ８，Ｎ９ モニターノード
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ 電気負荷

Claims (11)

1. 電力を供給する少なくとも１つの電源と電力を消費する少なくとも１つの電気負荷との間において動的に電力を管理するための装置であって、
   前記少なくとも１つの電源に接続される少なくとも１つの入力端子と、
   前記少なくとも１つの電気負荷に接続される少なくとも１つの出力端子と、
   前記少なくとも１つの入力端子と前記少なくとも１つの出力端子とに接続された複数のモニターノードと、
   前記少なくとも１つの入力端子と前記少なくとも１つの出力端子との間に接続された、前記少なくとも１つの電源からの電力を蓄えることができ、かつ、蓄えた電力を前記少なくとも１つの電気負荷に放電することができる複数の電力貯蔵セルであって、複数のうちの１つがベースレイヤーに配置され、前記ベースレイヤーに配置された前記電力貯蔵セルとは別の前記電力貯蔵セルがスイッチングレイヤーに配置されているものと、
   前記電力貯蔵セルに接続され、各スイッチの開閉状態を切り替え可能とするための制御入力を有する複数の制御可能なスイッチであって、前記スイッチングレイヤーに配置されているものと、
   前記少なくとも１つの電源および前記少なくとも１つの電気負荷の稼働中に前記モニターノードで稼働状況を動的に測定し、かつ、測定された前記稼働状況に応じて、様々な回路接続態様で前記電力貯蔵セルを互いに接続するために前記制御入力により選択的かつ動的に前記スイッチを制御し、かつ、１つの前記開閉状態において、前記各電力貯蔵セルが前記少なくとも１つの電源からの電力を蓄えることを可能とし、かつ、他の前記開閉状態において、前記各電力貯蔵セルが蓄えた電力を前記少なくとも１つの電気負荷に放電することを可能とするようにプログラムされたコントロールシステムであって、前記ベースレイヤーのスレーブコントローラーと、前記スイッチングレイヤーのスレーブコントローラーと、各前記スレーブコントローラーに稼働可能に接続されたマスターコントローラーとを含むものと、を備え、
   前記スイッチングレイヤーの前記スレーブコントローラーは、前記スイッチングレイヤーにおいて、少なくとも１つの前記スイッチの少なくも１つの前記制御入力に接続されており、かつ、前記少なくとも１つのスイッチを制御し、前記ベースレイヤーの前記スレーブコントローラーは、前記スイッチの前記制御入力のいずれにも接続されていない
   ことを特徴とする装置。
2. 前記入力端子を複数備え、複数の前記入力端子の１つが交流（ＡＣ）と直流（ＤＣ）とが組み合わされた電源に接続され、複数の前記入力端子の他の１つがＡＣ電源のみに接続され、さらに、複数の前記入力端子の他の１つがＤＣ電源のみに接続されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記出力端子を複数備え、複数の前記出力端子の１つがＡＣ負荷に接続され、複数の前記出力端子の他の１つがＤＣ負荷に接続されることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記モニターノードの１つが前記少なくとも１つの入力端子に接続され、かつ、前記モニターノードの他の１つが前記少なくとも１つの出力端子に接続されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 前記各電力貯蔵セルは、前記少なくとも１つの電源からの電圧を蓄え、かつ、蓄えた電圧を前記少なくとも１つの電気負荷に放電するためのキャパシターを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 前記各電力貯蔵セルは、前記少なくとも１つの電源からの電圧を蓄え、かつ、蓄えた電圧を前記少なくとも１つの電気負荷に放電するための、バッテリーとキャパシターとを並列的に組み合わせたものを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
7. 前記各スイッチは、ゲート、ベース、およびトリガーのうちの１つを前記制御入力として有するトランジスタであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
8. 前記少なくとも１つの入力端子と前記少なくとも１つの出力端子との間にＤＣ電流の流れる方向を制御するための複数のダイオードを備えることを特徴とする請求項２に記載の装置。
9. 前記コントロールシステムは、記憶されている前記回路接続態様に対応するデータにアクセスし、測定された前記稼働状況に応じた前記データを読み出すことを特徴とする請求項１に記載の装置。
10. 前記マスターコントローラーおよび前記スレーブコントローラーは、前記スイッチを時間的に制御し、かつ、前記様々な接続態様を１つ以上の工程で実装するように稼働することを特徴とする請求項１に記載の装置。
11. 電力を供給する少なくとも１つの電源と電力を消費する少なくとも１つの電気負荷との間において動的に電力を管理するための方法であって、
    前記少なくとも１つの電源に少なくとも１つの入力端子を接続する工程と、
    前記少なくとも１つの電気負荷に少なくとも１つの出力端子を接続する工程と、
    前記少なくとも１つの入力端子と前記少なくとも１つの出力端子とに、複数のモニターノードを接続する工程と、
    前記少なくとも１つの入力端子と前記少なくとも１つの出力端子との間に、前記少なくとも１つの電源からの電力を蓄えることができ、かつ、蓄えた電力を前記少なくとも１つの電気負荷に放電することができる複数の電力貯蔵セルを接続する工程と、
    前記電力貯蔵セルの１つをベースレイヤーに配置する工程と、
    各スイッチの開閉状態を切り替え可能とするための制御入力を有する複数の制御可能なスイッチを前記電力貯蔵セルに接続する工程と、
    前記スイッチの少なくとも１つと、前記ベースレイヤーに配置した前記電力貯蔵セルとは別の前記電力貯蔵セルとをともにスイッチングレイヤーに配置する工程と、
    前記少なくとも１つの電源および前記少なくとも１つの電気負荷の稼働中に、前記ベースレイヤーのスレーブコントローラーと、前記スイッチングレイヤーのスレーブコントローラーと、各前記スレーブコントローラーに稼働可能に接続されたマスターコントローラーとを用いて、前記モニターノードで稼働状況を動的に測定する工程と、
    測定された前記稼働状況に応じて、様々な回路接続態様で前記電力貯蔵セルを互いに接続するために、前記マスターコントローラー、および前記スレーブコントローラーの稼働によって前記制御入力により選択的かつ動的に前記スイッチを制御する工程と、
    １つの前記開閉状態において、前記各電力貯蔵セルが前記少なくとも１つの電源からの電力を蓄えることを可能とする工程と、
    他の前記開閉状態において、前記各電力貯蔵セルが蓄えた電力を前記少なくとも１つの電気負荷に放電することを可能とする工程と、
    少なくとも１つの前記スイッチを制御するために、前記少なくとも１つのスイッチの少なくとも１つの前記制御入力を、前記ベースレイヤーの前記スレーブコントローラーには接続せず、前記スイッチングレイヤーの前記スレーブコントローラーに接続する工程と、を含む
    ことを特徴とする方法。

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