JP6890974B2 - 蓄電池とウルトラコンデンサの組合せを備えた指定車両、および蓄電池とウルトラコンデンサの組合せへの置換のための方法 - Google Patents

Description

本発明は、電力貯蔵システムに関し、および特に、限定しないが車両の電気システムを必要に応じて補足するかまたは強化することを目的としたエンハンサモジュールの一部を形成するウルトラコンデンサの使用に関する。

時にはスーパーコンデンサまたは二重層コンデンサと称するウルトラコンデンサは、従来のコンデンサのそれと比較して超高エネルギ密度および従来の鉛蓄電池と比較して非常に高出力密度を備えたコンデンサである−図１を参照されたい。

近年、自動車は、パワーウインドウ、シート、衛星ナビゲーション、ハイパワーオーディオシステム、安定性制御およびパワーステアリングのような、ますます多くの補助的な電気装置を装備するようになってきた。これらの一部は車両のエンジンが停止している間アクティブであるかまたは待機していることができ、および標準車両電池はオルターネータから電荷を受け取らない。いくつかの高度な高級車両は、ここでこれらの余分な電力需要を処理するために荷物室内に重い大きな電池の据付けを必要とする。

いくつかの動作条件において車両のスターターモータを効果的に駆動するためにその時電池内に十分な能力がないかもしれないことが従来の車両電池の欠点である。

従来の車両電池、一般的に鉛蓄電池の別の欠点は、非常に低い周囲温度でのそれらの能力の損失である。これは、比較的低温での能力の損失が相対的にほんの僅かであるウルトラコンデンサと対照的である。

従来の電池が空にされた車両の始動を補助するためのコンデンサ蓄積技術に基づくブースタパックの種々の態様を扱う特許文献１を含むＭｉｄｔｒｏｎｉｃｓ Ｉｎｃに譲渡された一連の米国特許がある。本出願の実施態様は、より効率的な配置、およびいくつかの態様において、最新の、電子制御された車両への組込みのためにより適しているシステムを提供するよう努める。

さらにいくつかの車両がここで、燃料効率を向上させる手段として短い期間の間内燃機関を実際に停止する場合である。それは、さらにいくつかの車両がここで電動モータアシストを含み、それによって電動モータが車両を推進するように機能する間内燃機関が停止される場合である。最終結果は、車両の内燃機関の始動のための従来の電気化学電池ベースの配置に追加的な圧力をかける内燃機関始動サイクルの数の増加である。

米国特許第７０１５６７４号明細書 米国特許第５４４８１８０号明細書 米国特許第５４４８５６１号明細書 米国特許第５５３９７７８号明細書 米国特許第５５７２６５８号明細書

上記の欠点に対処するかもしくは少なくとも一部を改善するか、または有効な代替物を提供することが、本発明の一目的である。

注記：用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」（およびそれの文法変形）は、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」または「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」の包括的な意味でこの明細書内に使用され、かつ排他的な意味の「だけから成る（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｎｌｙ ｏｆ）」で使用されるのではない。

本発明の背景技術内の従来技術の上記の考察は、そこで検討される任意の情報が任意の国における当業者の引用に値する従来技術または共通の一般知識の一部であることの容認ではない。

定義：この明細書において、以下の用語は次に示される意味を有する

ウルトラコンデンサ：時にはスーパーコンデンサまたは二重層コンデンサと称するウルトラコンデンサは、従来のコンデンサと比較して超高エネルギ密度および鉛蓄電池のような従来の電気化学電池と比較して非常に高出力密度を備えたコンデンサである。適切に構成されて寸法を規定される時、これらの特性は、例えば内燃（ＩＣ）機関のスターターモータを動作させるのに十分低い内部抵抗で、短時間スパンにわたって高電流量のバーストをそれらに供給することを可能にする。

従来の電池または化学蓄電池：何の有意な固有の容量蓄積構成部品も含まないかまたは有さない電気化学蓄積装置。自動車業界の場合電池は、内燃機関がオフの（およびそれゆえに内燃機関によって駆動されるオルターネータが駆動されていない）時、車両の電気装置に電力を供給するために、更に、スターターモータの動力供給（それはいずれにしてもオルターネータシステムが供給するように設計されているよりも相当に多い電流を必要とする）のために内燃機関と連動して必要とされている。非常に最近まで、大部分の自動車電池は鉛蓄電池の形をとっていた。これらの電池は、相対的に高い内部抵抗を呈する。さらに、内部抵抗は電池上の電荷および電池から引き出される電流、同じく周囲条件−例えば温度の関数である傾向がある。

したがって、本発明の１つの広い形態において電気システムのための電気システムエンハンサが提供され、電気システムが化学蓄電池を含み、前記エンハンサがウルトラコンデンサの配列および高機能細流充電回路を備え、前記ウルトラコンデンサの配列が、細流充電回路の制御の下で化学蓄電池に制御可能に、切り替え可能に、電気的に接続可能である。

本発明のなお更に広い形態においてウルトラコンデンサの配列と前記車両の化学蓄電池を相互接続することによって車両電気システムの性能を強化する方法が提供され、前記ウルトラコンデンサの配列が、高機能細流充電回路を用いて車両化学蓄電池に制御可能に、切り替え可能に電気的に接続される。

本発明のなお更に広い形態において再充電可能な電池装置の構成の方法が提供され、前記再充電可能な電池装置が、第１の特性を有する第１の再充電可能な電源および前記第１の特性と異なる第２の特性を有する第２の再充電可能な電源を有し、前記第１の再充電可能な電源が従来の電池を含み、前記第２の再充電可能な電源が単数または複数のウルトラコンデンサを含み、前記方法が、
前記単数または複数のウルトラコンデンサを調達するステップ、
前記従来の電池を調達するステップ、
細流充電装置回路を調達するステップ、
前記細流充電装置回路と少なくとも前記従来の電池および前記単数または複数のウルトラコンデンサを機械的に関連づけてかつ電気的に相互接続し、それによって前記再充電可能な電池装置を形成するステップを含む。

そして、初期充電シーケンスが始められるまで、最初に細流充電装置回路が電池をウルトラコンデンサから絶縁されるよう維持する。

本発明のなお更に広い形態において以下を備える電気システムエンハンサ回路が提供され、
単数または複数の電気的に接続されたウルトラコンデンサの配列、
前記コンデンサのバンクと電気通信する細流充電装置回路
細流充電装置回路によって制御可能な電気絶縁スイッチ、
前記コンデンサの配列が前記電気絶縁スイッチ経由で蓄電池に接続可能であり、
前記コンデンサの配列が前記細流充電装置回路によって充電される間、前記電気絶縁スイッチが前記細流充電装置回路によって開回路状態に維持され、それによって前記コンデンサの配列の細流充電中に前記コンデンサの配列が前記化学蓄電池からの絶縁に維持される。

本発明のなお更に広い形態において複合化学蓄電池およびウルトラコンデンサ組合せによる指定された用途における化学蓄電池の置換のための方法が提供され、前記方法が
指定された用途のための電池を指定されたＣＣＡ規格（低温始動アンペア）になるように大きさを設定するステップ、
電池およびウルトラ充電装置組合せのための電池を、指定された電池およびウルトラコンデンサ組合せＣＣＡ規格を生成するように、所定の調節ＣＣＡ値を指定されたＣＣＡ規格から減ずることによって大きさを設定するステップ、
指定された電池およびウルトラコンデンサ組合せＣＣＡ規格に従って代替複合電池およびウルトラコンデンサ組合せのための電池の大きさを設定するステップ、
最大電流供給が少なくとも指定された用途のための電池のそれである所定の時間ウィンドウにわたってその持続する最大電流供給能力に従って代替電池およびウルトラコンデンサ組合せのウルトラコンデンサの大きさを設定するステップ、
置換された電池およびウルトラコンデンサ組合せを形成するように前記代替電池およびウルトラコンデンサ組合せを電気的に接続するステップ、
指定された用途から前記電池を除去してかつそこへの電気接続によってこの用途に置換された電池およびウルトラコンデンサ組合せを置換するステップを含む。

好ましくは細流充電回路が、電池と細流充電回路との間の電気接続を維持する間事前定義された条件の下で化学蓄電池をウルトラコンデンサの配列に接続してかつそれから切り離すようにプログラムされるマイクロプロセッサを含む。

好ましくは、前記細流充電装置回路は前記電気絶縁スイッチがそれを通して電流の流れを可能にする細流充電装置と通信するプロセッサを含み、それによって化学蓄電池を横切る電圧が標準充電モードで所定のレベル以上である時化学蓄電池（または蓄電池に電気的に接続される車両電気システム）による前記コンデンサ配列の充電を可能にする。

好ましくは、ウルトラコンデンサの配列は１０Ｆより大きな合計配列容量を有する。

好ましくは、前記化学蓄電池および前記ウルトラコンデンサの配列は電気的に相互接続される。

好ましくは、前記ウルトラコンデンサの配列のウルトラコンデンサは、直列に相互接続される。

好ましくは、前記ウルトラコンデンサの配列のウルトラコンデンサは、前記化学蓄電池から電荷を受け取り、前記電荷はマイクロプロセッサおよび細流充電回路のレギュレータモジュールによって変調される。

好ましくは、前記ウルトラコンデンサの配列の各ウルトラコンデンサは、個々に充電される。

好ましくは、前記ウルトラコンデンサの配列のウルトラコンデンサは、一対ずつ充電され、各前記対は並列に相互接続されるコンデンサを備えている。

好ましくは、前記電気システムエンハンサは前記化学蓄電池との相互接続のために後から取付けられる。

好ましくは、前記電気システムエンハンサおよび前記化学蓄電池は、電気的に相互接続されてかつ共通のエンクロージャ内に封入され、それによって高性能電池を形成する。

好ましくは、エンハンサは指定された用途に利用される。

好ましくは、指定された用途は車両の用途である。

好ましくは、車両の用途は内燃機関を含むものである。

好ましくは、用途はオートバイまたは小型軽量乗用車または大型乗用車またはトラック用途のうち１つである。

好ましくは、ウルトラコンデンサ配列規格は指定された用途の関数である。

好ましくは、用途は１Ｌ以下の内燃機関を有するモーターバイク用途であり、そして代替コンデンサは２０Ｆ以上であり、および代替電池は定格１０ＣＣＡ以上であり、そして所定の調節ＣＣＡ値は少なくとも５０ＣＣＡである。

好ましくは、用途は２Ｌ以下の内燃機関を有する小型軽量乗用車用途であり、そして代替コンデンサは６０Ｆ以上であり、および代替電池は定格５０ＣＣＡ以上であり、そして所定の調節ＣＣＡ値は少なくとも２００ＣＣＡである。

好ましくは、用途は４Ｌ以下の内燃機関を有する大型軽量乗用車用途であり、そして代替コンデンサは８０Ｆ以上であり、および代替電池は定格１５０ＣＣＡ以上であり、そして所定の調節ＣＣＡ値は少なくとも３５０ＣＣＡである。

好ましくは、用途は８Ｌ以下の内燃機関を有するトラック車両用途であり、そして代替コンデンサは１００Ｆ以上であり、および代替電池は定格２００ＣＣＡ以上であり、そして所定の調節ＣＣＡ値は少なくとも６００ＣＣＡである。

好ましくは、コンデンサ配列がスイッチ経由で化学蓄電池に電気的に接続され、前記スイッチは配列のコンデンサの細流充電中に開回路し、それによって化学蓄電池から絶縁される間コンデンサ配列が充電される。

好ましくは、前記コンデンサ配列が直列接続されたコンデンサを備える。

好ましくは、前記配列の前記コンデンサがスーパーコンデンサである。

好ましくは、前記配列のコンデンサがウルトラコンデンサである。

好ましくは、前記配列のコンデンサが二重層コンデンサを備える。

好ましくは、前記コンデンサ配列が少なくとも２個の直列接続されたコンデンサを備える。

好ましくは、前記コンデンサ配列が偶数のコンデンサを備える。

好ましくは、前記コンデンサ配列が６個の直列接続されたコンデンサを備える。

好ましくは、コンデンサ配列が定格少なくとも１Ｆである。

好ましくは、コンデンサ配列が定格少なくとも１０Ｆである。

好ましくは、コンデンサ配列が定格少なくとも５０Ｆである。

好ましくは、コンデンサ配列が定格少なくとも１００Ｆである。

好ましくは、各コンデンサが並列に接続される単数または複数のコンデンサとして形成されることができる。

好ましくは、配列を占める各コンデンサの端子が、ダイオードおよびコイルが直列に接続されるダイオードおよびコイル両端に接続され、それによって各前記コンデンサが直列に接続されたままの間各前記コンデンサの絶縁された充電を可能にする。

好ましくは、コイルはトランスの二次コイルである。

好ましくは、アイソレータスイッチが直列接続されたコンデンサ配列と直列に接続され、それによって直列接続されたコンデンサ配列を前記コンデンサ配列両端に接続される負荷から絶縁する。

好ましくは、負荷は化学蓄電池を含む。

好ましくは、負荷はコンデンサ配列両端に並列に接続される化学蓄電池を含む。

好ましくは、負荷はコンデンサ配列両端に接続される複合ＤＣ負荷を含む。

好ましくは、複合ＤＣ負荷は車両の電気システムである。

好ましくは、リレースイッチが負荷と電池との間に配置されてかつ負荷を電池から、かつエンハンサから制御可能に絶縁するようにエンハンサによって制御可能である。

好ましくは、エンハンサは通信モジュールを含み、それによって少なくとも化学蓄電池の状態が遠隔位置から監視されることができ、およびエンハンサの態様が遠隔位置から制御されることができる。

好ましい形態において、上記したエンハンサは、電池スタックを組み込む。

好ましくは、電池スタックは、それぞれが前記エンハンサによって別々に制御可能に充電可能である個別セルから成る。

好ましくは、電池スタックは前記エンハンサへのその接続と直列にダイオードを含む。

好ましくは、上記したエンハンサは、外部電源への着脱自在電気接続のために適応される内部電源ユニットを更に含む。

好ましくは、外部電源はＵＳＢ電源である。

好ましくは、内部電源ユニットはエンハンサ動作を制御するプロセッサと通信する。

本発明の実施態様は、次に添付の図面を参照して記述され、そこにおいて、

従来の電池、ウルトラコンデンサおよびコンデンサを比較するエネルギ密度対出力密度のグラフである 典型的現代車両鉛蓄電池に対する電荷対端子電池電圧特性の表である。 異なる特性の２個の電源と負荷との間で利用可能な電力潮流関係のブロック図である。 従来の電池およびウルトラコンデンサ組合せの一部を形成するウルトラコンデンサのための充電回路の１つのバージョンの略図である。 「高性能」または強化された電池としての図４の回路の用途である。 ジャンプスタータまたはプラグインエンハンサモジュールとしての図４の回路の用途である。 製作の時に車両に一体化される図４の回路の用途である。 無線インターネット接続性および／またはＧＰＳ位置認識能力を更に組み込む従来の電池およびウルトラコンデンサ組合せの一部を形成するウルトラコンデンサのための充電回路の更なるバージョンの略図である。 車両のキャビン内からエンハンサ制御を開始するための車両オンボードコントローラのブロック略図である、 無線インターネット接続性および／またはＧＰＳ位置認識能力を更に組み込み、かつ近距離場無線通信能力を更に含む従来の電池およびウルトラコンデンサ組合せの一部を形成するウルトラコンデンサのための充電回路の更なるバージョンの略図である、 先に述べた実施態様のいずれかに従うシステムの実施態様のための基礎単位を形成するエンハンサのコアモジュールのブロック図である、 図８のコアモジュール上に構築するジャンプスタート実施態様である、 外部に位置する電池スタックを管理するために利用されるコアモジュールのブロック図である、 外部に位置するリチウム電池スタックの管理を示す図１０のコアモジュールのブロック図である。

導入および背景として、図１は典型的な現代のウルトラコンデンサの出力密度が現代の従来電池のそれより数桁高いことを、図表を用いて例示する。他方、現代の従来電池のエネルギ密度は現代のウルトラコンデンサのそれより１、２桁高い。

本発明の実施態様は、電源システム、一般的にしかし限定されないが、内燃機関だけまたは電動モータと連携した内燃機関のどちらかによって動力を供給される軽量乗用車両またはトラックのような車両のために設計された電源システムに両方が電気的に一体化される時、これらの２台の装置の特性を組み合わせてかつ活用しようと求める。

図２は、典型的現代車両鉛蓄電池に対する電荷対端子電池電圧特性の表である。一般的に、電池端子電圧の相対的に小さな変化が鉛蓄電池の電荷状態の有意な変化に導くことが観測される。以下に記載する本発明の実施態様は、電池およびウルトラコンデンサ組合せの複合電源のための制御システムにおいてこの特性を利用するかまたは監視する。

図３はブロック図の形で、ウルトラコンデンサバンク１（相対的に大出力密度低内部抵抗電源を代表する）、主要エネルギ源２（相対的に大エネルギ密度、相対的に高内部抵抗供給源を代表する）および車両負荷に見いだされるがそれに限定されないような負荷３（ここで負荷は大きい短期的電流要求を呈するが、相対的に小さい長期的電流要求を呈することができる）の組み合わせに利用可能な電力潮流を例示する。

図４を参照して好ましい一実施態様において、自動車電気システム１２のための電気システムエンハンサ１０が、車両１６の従来の化学蓄電池１４とともに使用するために適応される。エンハンサ１０のウルトラコンデンサ２０の配列または組１８が、従来の車両蓄電池１４および車両電気システム１２と並列に接続される。

好ましい形態において配列１８と電池１４との間の接続は、配列が電池におよび車両電気システム１２のような接続されるかもしれないその他の負荷に制御可能に、切り替え可能に、電気的に接続されるスイッチ１９を含む。

エンハンサ１０は、高機能細流充電装置回路２２およびウルトラコンデンサ２０の配列１８から成る。好ましい構成では、６個のウルトラコンデンサ２０の配列が高機能細流充電装置回路２２の制御の下でかつスイッチ１９経由で車両の蓄電池１４または電気システム１２から電荷を受け取る。

エンハンサ１０内の配列１８のウルトラコンデンサ２０の数は、車両電気システムに対する所望の供給電圧および個々のコンデンサの仕様の関数である。例えば、１５Ｖの所望の供給電圧および定格２．５Ｖのウルトラコンデンサに対して、例示的なシステム１０内に直列に配置される６個のコンデンサの配列が必要とされる。

細流充電装置回路２２は、それがマイクロプロセッサ２４（またはプログラマブルデータ処理要素のようなもの）および充電過程の制御のためのレギュレータモジュール２６を含み、かつ個々に各ウルトラコンデンサ２０の、または１つの好ましい実施態様において、並列に充電装置に接続される各対を備えた、ウルトラコンデンサの対で充電を提供するという点で高機能である。

この場合、例示されるように、コントローラは別々に各コンデンサに絶縁トランス１７経由で、理想的にはさらに図示するように少なくとも１個のダイオード２１経由で接続される。

この配置は、各コンデンサが相対的に低電圧源（この場合約２．５Ｖ）から充電されることができることを可能にし、たとえ車両の蓄電池がわずか６Ｖに下がっているとしても、１５Ｖの必要とされた電圧定格をコンデンサ配列１８に供給するために直列に接続されたままである間、エンハンサの個々のウルトラコンデンサが、それらの定格容量まで依然として充電されることができるようにする。

好ましい動作モードにおいて、スイッチ１９は、細流充電装置２２がコンデンサ配列１８を充電している間オープンに保たれ、それによって配列１８を電池１４および車両電気システム１２（接続されるところ）から切り離す。この電気絶縁は、バンク１８を占める個々のコンデンサ２０の低圧細流充電を可能にする。電池１４が放電された場合、この配置はとりわけ有利である。このモードにおいて、明細書内に更に記述されるように、リレー動作可能スイッチ２７が、ここで取り付けられて、車両電気システム１２から電池１４を絶縁するためにさらにオープン状態になることができる。

代わりとして、これは機械スイッチ配置によって達成されることができ、それによってコンデンサが充電のために互いに絶縁されて、そして次に直列に再接続される。

充電中の電池からのコンデンサの絶縁は、コンデンサバンク全体を横切る電圧が電池のそれより高くなることをさらに可能にする。

自動車状況で使用可能な本発明の実施態様のエンハンサシステム１０は、車両のエンジンをジャンプスタートするのに十分な車両の電気システムおよびスターターモータに２００アンペアと６００アンペアとの間の追加的な電流サージを供給することが可能であるように大きさを設定されるウルトラコンデンサを一般的に有する。車両のオルターネータが、次いで車両の蓄電池を再充電することができる。

ほとんどの場合、この電力サージは最初のコンデンサ電荷供給でエンジンをジャンプスタートする（低電圧が唯一の問題であると想定して）。ウルトラコンデンサは、一般に複数の電力サージを供給することが可能である。しかしながら、車両のサイズ（そのエンジンのサイズ）に従い、更なるジャンプスタート試行が必要とされる場合、ウルトラコンデンサの再充電が必要とされるかもしれない。ここで、再充電がほんの２、３分しかかからないという点で、ウルトラコンデンサの別の重要な利点が効果を示し始める。

好ましい形態において電気システムエンハンサ１０は、図示するようにマイクロプロセッサ２４からの出力によって制御されるリレー動作可能なスイッチ２７を含む。商業的に、スイッチ２７は「高性能スイッチ」と呼ばれる場合がある。それがＤＣ供給源を自動車電気システム１２に選択的に接続するように、それが回路内に配置される（この場合電池１４およびウルトラコンデンサ２０供給源組合せから向こう側に）。好ましい形態においてスイッチ２７は、従来の電池１４両端に検出される端子電圧が所定の値より下に低下した場合に自動車電気システム１２への電気供給を切り離すように動作する。限定されないが特に好ましい形態において、電圧は１２．２Ｖ ＤＣ周辺であることができる。図２を参照してこれが、従来の１２Ｖ定格電池１４がその能力の５０％以下の充電レベルにあることに対応することができることが分かる。

特定の形態においてマイクロプロセッサ２４は、Ｃａｎｂｕｓ Ｉ／Ｏコントローラ２８と通信する。これは、車両Ｃａｎｂｕｓ ３０上のデータへのアクセスを提供してかつさらに車両のＣａｎｂｕｓに接続される車両内の他の装置とマイクロプロセッサ２４が通信することを可能にする。一般的に、これは多くの周辺機器およびセンサと共に車両の主要車両コントローラ２９を含む。

ＣＡＮは、電子制御ユニット（またＥＣＵと呼ばれる）を接続するためのマルチマスターブロードキャストシリアルバス標準およびプロトコールである。特定の好ましい形態においてそれは優先ベースのバス仲裁を含む。優先ベースのバス仲裁システムの下でメッセージは識別子を与えられ、かつ優先でランク付けされる。それは、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５を含む、Ｂｏｓｃｈに譲渡された複数の米国特許の主題である。

特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５の本文および図面の全体が相互参照によって本願明細書に組み込まれる。

使用中に、好ましい形態において、リレー２７が閉じられ、それによってウルトラコンデンサ２０が従来の電池１４と電気通信し、および共にそれらが車両電気システム１２と通信する。ウルトラコンデンサ２０が第２の特性を有する第２の再充電可能な電源４１を集合的に備える間、従来の電池１４が第１の特性を有する第１の再充電可能な電源４０を備える（図３を参照）。この場合２つの電源は、車両電気システム１２に電力を供給するために共に機能する。それらは、さらに特定の状況において車両システム１２から電流の形で電力を受け取るために共に機能する。受信電力モードにおいて受信電力は、第１の再充電可能な電源を備える従来の電池１４を再充電して、更に細流充電装置回路２２の制御の下で第２の再充電可能な電源を備えるウルトラコンデンサ２０を再充電するために利用される。図３内に概括的に例示されるように、電力潮流は複数の異なるモードおよびルートを採用することができる。

第１の好ましい実施態様−高性能／強化された電池（図４Ａ）
この第１の好ましい実施態様において、電気システムエンハンサ１０はウルトラコンデンサ２０の配列と相互接続する細流充電装置２２から成る。一般化された図４実施態様に関して説明したように、細流充電装置は、マイクロプロセッサ２４および細流充電装置２２のレギュレータモジュール２６経由でウルトラコンデンサを充電するために車両の蓄電池１４から電力を引き出す。

本実施態様において、蓄電池１４、ウルトラコンデンサ配列１８および細流充電装置２２が「高性能電池」を形成するために共通のエンクロージャ内に単一の一体型のユニット３１を形成する。

上記したように、組み込まれた蓄電池が非常により小さくなることができるように、エンハンサは利用可能電力供給に約２００から６００追加アンペアを追加することが可能である。したがってこの配置は、一体型ユニットのサイズが、所定の車両に適した従来の鉛蓄電池のそれより大きくないかまたはわずかに大きい必要があるだけであるように、蓄電池構成部品によって必要とされるユニット内の容積がかなり減少されることを可能にする。

高性能電池が置換する化学蓄電池と比較して、高性能電池３１の化学蓄電池１４の大きさを設定するために方法論が採用されることができる。概括的に、それが置換する化学蓄電池と比較して高性能電池３１から良好なＣＣＡ性能と少なくとも同じくらいを維持する間、代替電池のＣＣＡ（低温始動アンペア）規格の低減ができる。代替電池のより小さなサイジングは、それが置換する従来のスタンドアローン化学蓄電池と同じ物理的容積を高性能電池が占めることを可能にする。諸事例では、それが置換する従来のスタンドアローン化学蓄電池と比較して、代替高性能電池ユニットの減量があることができる。代替電池のＣＣＡ規格減少係数を備える代替化学蓄電池のサイジングのためのアルゴリズムが開発されることができる。異なる用途に対する関連合計コンデンサバンクサイズと共にスタンドアローン従来電池および代替電池の可能な典型的サイジング範囲が、下の表１で与えられる。

減少係数が５０ＣＣＡの程度である傾向があってかつ用途に従い非常により高くなることができることが表から見られる。

好ましい形態におけるトラック用途の内燃機関は、ディーゼル内燃（ＩＣ）機関であることができる。

第２の好ましい実施態様−プラグインエンハンサモジュール／ジャンプスタータ（図４Ｂ）
図４Ｂにて図示するように、１つの好ましい実施態様において、エンハンサ１０が、低電圧問題を有する別の車両をジャンプスタートする際にその使用を可能にするために車両の電気システムから直ちに着脱可能であることができる。このように、それはとりわけ沿道支援使用に適している。

第３の好ましい実施態様−ＯＥＭ／車両への統合化（図４Ｃ）
第３の好ましい実施態様において、自動車それ自体が組み立てられるにつれて、エンハンサアセンブリ１０が工場で取り付けられることができる。代わりとして、それは従来の蓄電池を取り付けられた既存の車両の電気システムに後から取付けられることができる。この改造は、認可されたサービスセンターで車両製造業者の仕様に従って一般的に実行される、「工場」改装であることができる。代わりとして、改造は供給される説明書に従って車両所有者によって実行されることができる。

図５を参照して、エンハンサ１０の機能がマイクロプロセッサ２４と通信するＧＰＳ位置モジュール３２の含有によって補充されることができる。それはさらに、インターネット３５への携帯電話ネットワーク３４を介した通信のためにマイクロプロセッサ２４と通信するＧＳＭ（登録商標）モジュールのような無線通信モジュール３３を含むことができる。この配置は、例えばエンハンサ１０のトラッキングおよびマイクロプロセッサ２４に対するソフトウェアアップデートのダウンロードを可能にするようなエンハンサ１０の機能の向上を可能にする。それはさらに、例えばエンハンサモジュール１０およびより一般に車両１６の保修記録および率先的なサービスのために遠隔位置へのインターネット３５経由での電池１４の状態の通信を可能にすることができる。

実現
システムの細流充電装置回路２２を含むエンハンサ１０は、電池がわずか６Ｖ（１２Ｖのシステムで）まで放電されている時でさえ、車両の蓄電池１４から電力を引き出すことによってシステムのウルトラコンデンサを充電する。ウルトラコンデンサバンク１８は、２または３分以内に１５Ｖまで充電されることができ、それがエンジンを始動するために電力のサージを供給することを可能にし、そしてその後オルターネータが車両の従来の蓄電池を普通に充電する。したがって、本発明のシステムはそれが必要な時大エネルギバッファを提供する。

製作
好ましい形態において図４Ａ、４Ｂまたは４Ｃのいずれか１つの配置が、細流充電装置モジュールと少なくともコンデンサバンクのアセンブリを含む。

好ましい形態において細流充電装置および特にそれのレギュレータモジュール部分が、シリコン制御整流器（ＳＣＲ）またはＭＯＳＦＥＴのような高電流容量固体装置の利用を含む。これらの装置は、用途に従い６００Ａと１０００Ａとの間のピーク電流を処理することが可能な必要がある。好ましい形態において、レギュレータモジュール２６は現在市販のＬＴ３７５１フライバックコントローラを備えることができる。マイクロプロセッサ２４は、ＰＩＣ２４Ｆ１６ＫＡ１０１低消費電力マイクロコントローラを使用して実現されることができる。公認のＣＡＮＢＵＳコントローラが、現在市販されている。

ウルトラコンデンサ特徴の要約
２０％だけの性能低減で最高５００，０００サイクルの非常に大きいサイクル寿命

従来の蓄電池の充電／放電メモリ効果が全くない、

−４００Ｃから＋６５０Ｃまでの大きな動作温度範囲

非常に長い貯蔵寿命で充電されないで保管されることができる

逆分極保護、

固体素子、何の可動部もなくそれで損傷がより少ない、

軽重量、本発明のエンハンサアセンブリは７００ｇ未満であることができる

信号切断を予防することによって車両オーディオシステム性能を向上させることが可能である。

先に述べたシステムの更なる実施態様が、次に記述される。

キャビン制御実施態様
図６は、車両１６のキャビン４３内からエンハンサ制御を開始するための車両オンボードコントローラ４２のブロック略図である。

この場合、車両オンボードコントローラ４２はメモリ４５と通信するマイクロプロセッサ４４および、１つの形態において、無線トランシーバ４６を備える。１つの形態においてプロセッサ４４は、車両ＣＡＮＢＵＳ ３０と通信する。

マイクロプロセッサ４４は、好ましくはダッシュボード搭載のスイッチ４７からの入力を受信する。マイクロプロセッサ４４は、さらにダッシュボード搭載のディスプレイ４８と通信することができる。更なる特定の形態において、ダッシュボード搭載のディスプレイ４８はスイッチ４７の機能がその中に組み込まれることができるタッチ式画面であることができる。

メモリ４５は、プロセッサ４４を動作させるコードプログラムを含有し、それによって低電池電圧状態が検出される場合には、スイッチ４７が可能にされ、ドライバによる作動の際に、エンハンサ１０をウルトラコンデンサ充電モードに入らせ、それによって車両電池１４からの充電が、ウルトラコンデンサ２０のバンク１８が車両のスターターモータ（図示せず）に電力を供給するのに十分な電圧および容量を有するように十分な、一般的に１から５分の期間にわたってウルトラコンデンサ２０を制御可能に、選択的に充電するために利用される。

キャビン４３内のマイクロプロセッサ４４とエンハンサ１０（一般的に、車両１２のエンジンベイ内に搭載される）との間の通信は、エンハンサ１０の対応する無線モジュール４９と通信する無線トランシーバ４６経由で（図７を参照）、またはＣＡＮＢＵＳ ３０経由で（図４Ｃを参照）あることができ、（または図５を参照してＣＡＮＢＵＳコネクタ５０経由であることができ、それによってエンハンサ１０は、車両１６のＣＡＮＢＵＳ ３０と通信するＣＡＮＢＵＳ内に着脱自在に、接続可能に配置可能である）。

近距離場無線制御実施態様
図７は、無線インターネット接続性および／またはＧＰＳ位置認識能力を更に組み込み、かつ近距離場無線通信能力を更に含む従来電池およびウルトラコンデンサ組合せの一部を形成するウルトラコンデンサに対する充電回路の更なるバージョンの略図である。図７内に図示された実施態様は、図５を参照して記述される全ての特徴を組み込むが、この場合、ＧＰＳユニット３２およびＧＳＭ（登録商標）ユニット３３に加えて、またはそれらの代わりに、例えば、車両１６内に位置するオンボードコントローラを備えた、近距離場無線通信のために適応される無線モジュール４９を組み込む。近距離場無線通信は、ブルートゥース（登録商標）技術に、またはＷｉ−Ｆｉ技術に、または現在利用可能なＮＦＣ技術に基づくことができる。

高機能制御実施態様
図８は、先に述べた実施態様のいずれかに従うシステムの実施態様のための基礎単位を形成するエンハンサ１０のコアモジュールのブロック図である。この場合マイクロプロセッサ２４は、例えば以下のような機能を含むようにプログラムされる、
ａ．車両１６へのおよび／または外部監視当局への警報通知。
ｂ．外部監視当局によるエンハンサ１０（およびそれゆえに車両１６）のトラッキング。
ｃ．例えばそれを絶縁するためを含むエンハンサ１０を制御するために外部監視当局による遠隔アクセス。
ｄ．実施態様によっては外部監視当局と通信するために、（例えば、ＧＳＭ（登録商標）ネットワークを介して動作する）無線通信モジュール３３と連動して動作するためにＳＩＭが必要とされる。

ジャンプスタート実施態様
図９は図８のコアモジュール上に構築するジャンプスタート実施態様である。

この場合、エンハンサ１０はウルトラコンデンサバンク１８を充電するのに十分な、次に少なくとも１つの始動サイクルに対して車両１６のスターターモータ（図示せず）に電力を供給するウルトラコンデンサ２０に十分な容量を有する内部従来電池パック５１を組み込むことができる。本実施態様において、車両蓄電池１４は車両１６内に別々に残る。エンハンサ１０のこのジャンプスタートバージョンは車両グローブボックスなどの中に収容されることができる別々のスタンドアローンユニットとして都合よく供給されることができ、かつ電池１４が『ジャンプスタート』を必要とする時、電池１４の端子への着脱可能な電気結合を可能にするための小さなワニクチクリップ５２を組み込む。多くの軽量車両のための電池パック５１が、ジャンプスタートユニットに同梱されるかまたは必要な時に新たに購入されることができる２、３個のまたは４個のＡＡサイズの電池を備えることができることを計算が示している。

外部電池スタック管理実施態様
図１０は、外部にまたは内部に位置した電池スタックを管理するために利用されるエンハンサ１０のコアモジュールのブロック図である。

エンハンサ１０の充電制御部分のモジュールで組み立てられた性質、とりわけ多数の独立に駆動されたアイソレータトランス１７は、電池パック５１の個々のセル５３、ちょうど同じくコンデンサ配列１８の個々のウルトラコンデンサセル２０を制御可能に充電するために利用されることができる。

この配置は、車両蓄電池１４から完全に独立して動作させることができるエンハンサ１０を提供する利点とともに使用されることができる。代替シナリオにおいてこの配置は、車両電池１４の置換で動作することができる。

リチウム電池スタック管理実施態様
図１１は、各々、別々の絶縁トランス１７両端に接続される多数のリチウム電池セル５６から成る外部にまたは内部に位置したリチウム電池スタック５５の管理を示す図１０のコアモジュールのブロック図である。絶縁トランス１７は、次にマイクロプロセッサ２４の制御の下でレギュレータ２６によって駆動される。

この配置は、リチウム電池スタック５５を占めるセル５６の個々の充電を可能にする。この場合絶縁ダイオード５７が図１１にて図示したように組み込まれ、それによってリチウム電池スタック５５を、エンハンサ１０に対して外部の電源によって影響される／充電されることから絶縁する。

コンデンサバンク１８およびリチウム電池スタック５５の両方が１台のエンハンサ１０によって制御される形態において必要に応じて別々の制御可能な充電を可能にするバンクとスタックとの間の追加的なスイッチングがある必要があるかもしれない。

好ましい形態においてリチウムセルが非常に弱い状態にある場合を除き、リチウムスタックがコンデンサバンクを充電されたまま保持する。

特定の好ましい形態においてスタック５５が、各々３．６から４．２ボルト規格で３０から８０パーセントの充電サイクル範囲で動作する４個のリチウムセルから成ることができる。

特定の形態において、エンハンサ１０が、車両蓄電池１４以外の（またはそれに代わるものとして）外部電源５９から電力を受け取るように適応される内部電源ユニット５８を更に含む。特定の好ましい形態において、外部電源５９は、ソケット６０経由でエンハンサ１０に着脱自在に接続されることができるＵＳＢ電源である。電力のこの外部供給源は、電力の供給源を低レベルからの電池スタック５５の初期の充電または以降の再充電のどちらかを提供する利点とともに使用されることができる。

特定の形態において、内部電源ユニット５８が、マイクロプロセッサ２４によって制御され、それによってレギュレータ２６経由でエンハンサ１０の充電動作を同期する。

特定の形態において、レギュレータ２６は、スイッチトレギュレータである。非常に特定の形態において、コンデンサバンク１８または電池スタック５５のどちらかの充電が、レギュレータ２６の単純なオン／オフサイクリング経由で達成される。

電池スタック５５がリチウム電池技術を利用するこの特定の形態で記述されたのに対して、再充電可能電池技術の他の形態がニッケル水素および、実際に鉛酸を含んで利用されることができる。

自動車の電気システム内のウルトラコンデンサの取込みは、したがって複数の利点を有する。本発明のウルトラコンデンサ配列の非常に高い出力密度は、車両の蓄電池がそうすることができない条件の下で、車両スターターモータを駆動するために最高６００アンペアの信頼性が高い追加的な電源を提供する。

単一電源ユニット内のウルトラコンデンサ配列および制御モジュールと化学蓄電池の統合化が、従来の鉛蓄電池が車両を始動してかつ動作させるために十分な電力を供給するのに失敗するかもしれない条件の下で、より大きな信頼性を備えた強化された車両電気システムを提供する。

１ ウルトラコンデンサバンク
２ 主要エネルギ源
３ 負荷
１０ 電気システムエンハンサ
１２ 車両電気システム
１４ 従来の化学蓄電池
１６ 車両
１７ アイソレータトランス
１８ ウルトラコンデンサの配列または組
１９ スイッチ
２０ ウルトラコンデンサ
２１ ダイオード
２２ 高機能細流充電装置回路
２４ マイクロプロセッサ
２６ レギュレータモジュール
２７ リレー動作可能スイッチ
２８ Ｃａｎｂｕｓ Ｉ／Ｏコントローラ
２９ 主要車両コントローラ
３０ 車両Ｃａｎｂｕｓ
３１ 高性能電池
３２ ＧＰＳ位置モジュール
３３ 無線通信モジュール
３４ 携帯電話ネットワーク
３５ インターネット
４０ 第１の再充電可能な電源
４１ 第２の再充電可能な電源
４２ 車両オンボードコントローラ
４３ キャビン
４４ マイクロプロセッサ
４５ メモリ
４６ 無線トランシーバ
４７ ダッシュボード搭載のスイッチ
４８ ダッシュボード搭載のディスプレイ
４９ 無線モジュール
５０ ＣＡＮＢＵＳコネクタ
５１ 電池パック
５２ ワニクチクリップ
５３ 電池パックの個々のセル
５５ リチウム電池スタック
５６ リチウム電池セル
５７ 絶縁ダイオード
５８ 内部電源ユニット
５９ 外部電源
６０ ソケット

Claims (17)

1. 第２の蓄電池とウルトラコンデンサの配列との組合せによる指定された用途における第１の蓄電池の置換のための方法であって、前記ウルトラコンデンサの配列は、前記第２の蓄電池に制御可能に、切り替え可能に、かつ電気的に接続可能であり、それにより前記第２の蓄電池とウルトラコンデンサの配列との組合せを形成し、
   前記方法が、
   指定されたＣＣＡ規格（低温始動アンペア）になるように前記指定された用途のための前記第１の蓄電池のＣＣＡ規格を決定するステップと、
   特定の第２の蓄電池とウルトラコンデンサの配列の組合せに対するＣＣＡ規格を作成するために、前記第１の蓄電池の前記指定されたＣＣＡ規格から所定のＣＣＡ規格を差し引いて前記特定の第2の蓄電池のＣＣＡ規格を決定するステップと、
   予め定められた時間窓に亘って持続可能な最大電流供給能力に従って前記第２の蓄電池とウルトラコンデンサの配列の組合せの前記ウルトラコンデンサの配列の最大電流供給能力を決定するステップであって、前記最大電流供給能力は少なくとも前記指定された用途のための前記第１の蓄電池の電流供給能力であり、前記ウルトラコンデンサの配列の電流定格は予め定められた時間窓に亘って持続可能な最大電流供給能力として定義される、ステップと、
   前記第２の蓄電池とウルトラコンデンサの配列の組合せを形成するように前記第２の蓄電池とウルトラコンデンサを電気的に接続するステップと、
   前記指定された用途から前記第１の蓄電池を除去して、さらにそこへの電気接続によって前記第２の蓄電池とウルトラコンデンサの配列の組合せを置換するステップと
   を含む、方法。
2. 前記指定された用途は車両であり、前記ステップの間、前記第１の蓄電池が前記指定車両に配置されている、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の蓄電池は、前記ステップに先立って前記指定車両で使用されている、請求項２に記載の方法。
4. 前記第２の蓄電池とウルトラコンデンサの配列の組合せは通信モジュールをさらに含み、前記通信モジュールによって、少なくとも前記第２の蓄電池の状態を遠隔地から監視することができ、前記第２の蓄電池とウルトラコンデンサの組合せの配列の状態を遠隔地から制御することができる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記第２の蓄電池とウルトラコンデンサの配列の組合せは細流充電回路を含み、前記細流充電回路が、所定のレベルに対して、前記第２の蓄電池と前記ウルトラコンデンサの配列とを接続および切断するようにプログラムされるマイクロプロセッサを含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記細流充電回路が、電流の流れを可能にする電気絶縁スイッチを含み、それにより前記第２の蓄電池の電圧が標準充電モードにおける所定のレベル以上であるときに前記第２の蓄電池または前記第２の蓄電池に電気的に接続される車両電気システムにより、前記ウルトラコンデンサの配列の充電を可能にする、請求項５に記載の方法。
7. 前記ウルトラコンデンサの配列が１０Ｆより大きな合計配列容量を有する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記ウルトラコンデンサの配列の各ウルトラコンデンサが、直列に相互接続される、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 第１の蓄電池を有する指定された用途における第２の蓄電池とウルトラコンデンサの配列の組み合わせのＣＣＡ（低温始動アンペア）規格を決定するための方法であって、前記ウルトラコンデンサの配列は、前記第２の蓄電池に制御可能に、切り替え可能に、かつ電気的に接続可能であり、それにより前記第２の蓄電池とウルトラコンデンサの配列との組合せを形成し、
   前記方法が、
   指定されたＣＣＡ規格になるように前記指定された用途のための前記第１の蓄電池のＣＣＡ規格を決定するステップと、
   特定の第２の蓄電池とウルトラコンデンサの配列の組合せに対するＣＣＡ規格を作成するために、前記第１の蓄電池の前記指定されたＣＣＡ規格から所定のＣＣＡ規格を差し引いて前記特定の第2の蓄電池のＣＣＡ規格を決定するステップと、
   予め定められた時間窓に亘って持続可能な最大電流供給能力に従って前記第２の蓄電池とウルトラコンデンサの配列の組合せの前記ウルトラコンデンサの配列の最大電流供給能力を決定するステップであって、前記最大電流供給能力は少なくとも前記指定された用途のための前記第１の蓄電池の電流供給能力であり、前記ウルトラコンデンサの配列の電流定格は予め定められた時間窓に亘って持続可能な最大電流供給能力として定義される、ステップと、
   前記第２の蓄電池とウルトラコンデンサの配列の組合せを形成するように前記第２の蓄電池とウルトラコンデンサを電気的に接続するステップと
   を含む、方法。
10. 前記指定された用途から前記第１の蓄電池を除去して、さらにそこへの電気接続によって前記第２の蓄電池とウルトラコンデンサの配列の組合せを置換するステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記指定された用途は車両であり、前記ステップの間、前記第１の蓄電池が前記指定車両に配置されている、請求項９または１０に記載の方法。
12. 前記第１の蓄電池は、前記ステップに先立って前記指定車両で使用されている、請求項１１に記載の方法。
13. 前記第２の蓄電池とウルトラコンデンサの配列の組合せは通信モジュールをさらに含み、前記通信モジュールによって、少なくとも前記第１の蓄電池および前記第２の蓄電池の状態を遠隔地から監視することができ、前記第２の蓄電池とウルトラコンデンサの組合せの配列の状態を遠隔地から制御することができる、請求項９〜１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記第２の蓄電池とウルトラコンデンサの配列の組合せは細流充電回路を含み、前記細流充電回路が、所定のレベルに対して、前記第１の蓄電池および前記第２の蓄電池と前記ウルトラコンデンサの配列とを接続および切断するようにプログラムされるマイクロプロセッサを含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記細流充電回路が、電流の流れを可能にする電気絶縁スイッチを含み、それにより前記第１の蓄電池および前記第２の蓄電池の電圧が標準充電モードにおける所定のレベル以上であるときに前記第１の蓄電池および前記第２の蓄電池、または前記第１の蓄電池および前記第２の蓄電池に電気的に接続される車両電気システムにより、前記ウルトラコンデンサの配列の充電を可能にする、請求項１４に記載の方法。
16. 前記ウルトラコンデンサの配列が１０Ｆより大きな合計配列容量を有する、請求項９〜１５のいずれか１項に記載の方法。
17. 前記ウルトラコンデンサの配列の各ウルトラコンデンサが、直列に相互接続される、請求項９〜１６のいずれか１項に記載の方法。

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