JP7269892B2 - エネルギー源による寄生電力損失を低減させるためのシステムおよび方法 - Google Patents

エネルギー源による寄生電力損失を低減させるためのシステムおよび方法 Download PDF

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Description

（関連出願の相互参照）
本願は、２０１７年６月１４日に出願され、「Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｒｅｄｕｃｉｎｇ Ｐａｒａｓｉｔｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｌｏｓｓｅｓ Ｂｙ ａｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｏｕｒｃｅ」と題された、米国仮特許出願第６２／５１９，２８２号の優先権および利益を主張する。上記に参照される内容全体は、参照することによって本明細書に組み込まれる。
これまでの数十年間にわたって、海洋における使用のために展開される無人水中ロボットシステムの数の定常的増加が、認められている。これらのシステムは、自律型水中車両（ＡＵＶ）とも称される。これらのシステムの全ては、それらの個別の任務を遂行するためのバッテリを含む、エネルギー源またはシステムを装備する。典型的バッテリ電力システムは、ダウンコンバータ回路を使用し、ある様式でバッテリを補完する寄生システムに電力を提供し、容認できない電力放電および短縮されたバッテリ寿命をもたらす。バッテリは全て、ある内部抵抗を有するため、バッテリから引き出される電流のいかなる量も、Ｉ２Ｒ電力損失に基づいて、ある量のエネルギー損失をもたらす。また、典型的電圧ダウンコンバータは、抵抗要素を含み、電力源からの出力電圧を低減させる電圧降下を生じさせる。再び、レジスタのダウンコンバージョンを横断するそのような電圧降下が、さらなるＩＶ電力損失をもたらす。寄生損失が、ホテル負荷（他の低電圧回路およびシステム）および回路構成要素（例えば、ダイオード）によって被られ得る。高電圧電力源からのさらに比較的に少量の寄生電流が、比較的に短時間周期にわたって実質的量のＩ２Ｒ電力損失をもたらし得、これは、ひいては、任務の過程にわたって無人水中車両のための実質的に低減された動作可能時間をもたらす。故に、水中車両内のより低電圧寄生システムをダウンコンバートおよび給電することに関連付けられる電力損失を低減させ、バッテリ再充電が要求される前に、水中車両の稼働時間を延長する必要性が、存在する。
例えば、別個のより低電圧バッテリを実装し、そうでなければ電圧ダウンコンバータを伴う一次バッテリシステムを使用することから生じるであろう電力損失の量が、実質的に低減され、改善されたバッテリ寿命およびＡＵＶ性能を可能にするように、寄生システムに電力を供給することによって、寄生電力損失を低減させる必要性に対処する、システムおよび方法が、本明細書に説明される。二重電圧または多重電圧電力システムのためのシステムおよび方法が、本明細書に説明される。いくつかの側面では、電力システムは、第１のバッテリモジュールと、第２のバッテリモジュールとを含むことができる。いくつかの側面では、第１のバッテリモジュールは、第１の電圧において動作し、第２のバッテリモジュールは、第２の電圧において動作する。いくつかの側面では、第１のバッテリモジュールは、複数の一次システムに電力を送達する。いくつかの側面では、第２のバッテリモジュールは、複数の寄生システムに電力を送達する。
１つの実装では、自律車両のための電力システムは、第１のバッテリモジュールと、第２のバッテリモジュールとを含む。いくつかの側面では、第１のバッテリモジュールは、第１の電圧において動作し、第２のバッテリモジュールは、第２の電圧において動作する。いくつかの側面では、第１のバッテリモジュールは、複数の一次システムに電力を送達する。いくつかの側面では、第２のバッテリモジュールは、複数の寄生システムに電力を送達する。
寄生システムは、例えば、１つ以上のプロセッサおよび／またはコントローラ、１つ以上のセンサ、１つ以上のスイッチ、１つ以上の低電圧サーボまたはモータ、１つ以上のモニタまたは科学器具（例えば、カメラシステム、照明システム等）、１つ以上の通信回路、およびバッテリシステムからの一次出力電圧より低い電圧を使用する、１つ以上の電子システムを含んでもよい。１つ以上のプロセッサおよび／またはコントローラは、無人水中車両の１つまたは複数の機能を制御するための回路および／またはソフトウェアを含んでもよい。いくつかの側面では、第１、すなわち、一次電圧は、公称上、３００Ｖである。第１の電圧は、二次、すなわち、寄生電圧に関連して任意の比較的により高い電圧であってもよい。公称一次電圧は、二次電圧の数倍高くてもよい。倍数は、２、３、４、５、１０、２０、５０、１００等であってもよい。一次電圧は、約５０Ｖ以上、７５Ｖ以上、１００Ｖ以上、２００Ｖ以上、３００Ｖ以上、４００Ｖ以上、５００Ｖ以上、６００Ｖ以上、および１，０００Ｖ以上であってもよい。いくつかの側面では、第２、すなわち、公称二次電圧は、３０Ｖである。第２の公称二次電圧は、約１Ｖ以下、２Ｖ以下、３Ｖ以下、４Ｖ以下、５Ｖ以下、１０Ｖ以下、２０Ｖ以下、３０Ｖ以下、５０Ｖ以下、および１００Ｖ以下であってもよい。
第１の電圧より低い第２の電圧を有する第２のバッテリモジュールを利用することによって、第１の電圧を第２の電圧に低減させるために電圧ダウンコンバータを使用する必要性が、排除される。故に、ダウンコンバータを通して第１のバッテリモジュールから引き出される寄生電流によってもたらされる、Ｉ２Ｒ電力損失は、排除され、電力システムの寄生損失を低減させる。第２のバッテリモジュールは、それ自体の内部抵抗を有するが、第２のバッテリモジュールから寄生電流を引き出すことによって被られるＩ２Ｒ電力損失は、そうでなければダウンコンバータを使用する第１のバッテリモジュールによって被られているであろう、Ｉ２Ｒ電力損失より実質的に低い。故に、寄生構成要素および／または回路に電力を提供するために第２のバッテリモジュールを利用する構成は、有利には、第１のバッテリモジュールおよび第２のバッテリモジュールの両方のためにさらなる電力を留保し、それによって、有利には、バッテリモジュールの再充電が必要とされる前に、無人水中車両の稼働時間を延長させる。
いくつかの側面では、第１のバッテリモジュールは、第１の複数のバッテリセルを備える。いくつかの側面では、第２のバッテリモジュールは、第２の複数のバッテリセルを備える。１つの構成では、第１の複数のバッテリセルは、直列に配列され、第１、すなわち、一次電圧を提供する。少なくとも１つのバッテリセルが、一次電圧より低い、二次電圧を提供するように構成されてもよい。二次電圧は、いくつかまたは全ての寄生システムまたは構成要素に提供されてもよい。１つの実装では、第１のバッテリモジュールは、二次電圧を提供するように配列される、少なくとも２つのバッテリセルを含む。このように、第１のバッテリセルから寄生システムへの二次電圧出力が、閾値電圧を下回る場合、電圧出力は、第２のバッテリセルに切り替えられ、寄生システムに二次電圧を提供することができる。１つの実装では、第２のバッテリモジュールは、第１のバッテリモジュールの少なくとも１つのバッテリセルを含む。
別の側面では、自律車両に電力を提供するための方法は、第１の電圧において第１のバッテリモジュールを動作させることと、第１のバッテリモジュールから、第１の１つ以上の一次システムに第１の電力を送達することと、第２の電圧において第２のバッテリモジュールを動作させることであって、第２の電圧は、第１の電圧より低い、ことと、第２のバッテリモジュールから、第２の１つ以上の一次システムに第２の電力を送達することとを含む。
本明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
自律車両のための電力システムであって、
第１のバッテリモジュールであって、前記第１のバッテリモジュールは、第１の電圧において動作し、１つ以上の一次システムに第１の電力を送達する、第１のバッテリモジュールと、
第２のバッテリモジュールであって、前記第２のバッテリモジュールは、第２の電圧において動作し、第１の１つ以上の寄生システムに第２の電力を送達する、第２のバッテリモジュールと
を備える、電力システム。
（項目２）
前記第２の電圧は、前記第１の電圧を下回る、項目１に記載の電力システム。
（項目３）
前記第２の電圧は、前記第１の電圧の２分の１、３分の１、４分の１、５分の１、１０分の１、１５分の１、２０分の１、および１００分の１のうちの１つの大きさである、前記項目のうちのいずれかに記載の電力システム。
（項目４）
前記第１の電圧は、６００Ｖ以上、５００Ｖ以上、４００Ｖ以上、３００Ｖ以上、２００Ｖ以上、１００Ｖ以上、７５Ｖ以上、および５０Ｖ以上のうちの１つである、前記項目のうちのいずれかに記載の電力システム。
（項目５）
前記第２の電圧は、１Ｖ以下、２Ｖ以下、３Ｖ以下、４Ｖ以下、５Ｖ以下、１０Ｖ以下、２０Ｖ以下、３０Ｖ以下、５０Ｖ以下、および１００Ｖ以下のうちの１つである、前記項目のうちのいずれかに記載の電力システム。
（項目６）
前記第１のバッテリモジュールは、第１の複数のバッテリセルを備える、前記項目のうちのいずれかに記載の電力システム。
（項目７）
前記第２のバッテリモジュールは、第２の複数のバッテリセルを備える、前記項目のうちのいずれかに記載の電力システム。
（項目８）
第３のバッテリモジュールであって、前記第３のバッテリモジュールは、前記第２の電圧において動作し、前記第１の１つ以上の寄生システムに第３の電力を送達する、第３のバッテリモジュール
を備える、前記項目のうちのいずれかに記載の電力システム。
（項目９）
前記第３のバッテリモジュールは、第２のバッテリモジュールが前記第１の１つ以上の寄生システムに電力をもはや提供していないことに応答して、前記第１の１つ以上の寄生システムに第３の電力を提供する、前記項目のうちのいずれかに記載の電力システム。
（項目１０）
第３のバッテリモジュールであって、前記第３のバッテリモジュールは、前記第１および第２の電圧より低い第３の電圧において動作し、前記第３のバッテリモジュールは、第２の１つ以上の寄生システムに第３の電力を送達する、第３のバッテリモジュール
を備える、前記項目のうちのいずれかに記載の電力システム。
（項目１１）
外部電力源へのインターフェースを備え、前記外部電力源は、前記第１の１つ以上の寄生システムに第４の電力を提供する、前記項目のうちのいずれかに記載の電力システム。
（項目１２）
前記外部電力源が前記第４の電力を提供する間、前記第１の１つ以上の寄生システムから前記第２の電力源を接続解除することを含む、項目１１に記載の電力システム。
（項目１３）
管理回路をさらに備え、前記管理回路は、前記第１のバッテリモジュールから送達される前記第１の電力と、前記第２のバッテリモジュールから送達される前記第２の電力とを管理するように構成される、前記項目のうちのいずれかに記載の電力システム。
（項目１４）
前記管理回路は、前記第１のバッテリモジュールから送達される前記第１の電力を管理するための第１のサブ管理回路と、前記第２のバッテリモジュールから送達される前記第２の電力を管理するための第２のサブ管理回路とを含む、項目１３に記載の電力システム。
（項目１５）
接続箱をさらに備え、前記接続箱は、前記管理回路に前記第１のバッテリモジュールおよび前記第２のバッテリモジュールを接続するように構成される、項目１３および１４のうちのいずれかに記載の電力システム。
（項目１６）
自律車両のための電力システムのバッテリモジュールであって、
第１の電圧において動作する第１の複数のバッテリセルと、
第２の電圧において動作する第２の複数のバッテリセルであって、前記第２の電圧は、前記第１の電圧より低い、第２の複数のバッテリセルと
を備える、バッテリモジュール。
（項目１７）
前記第１の複数のバッテリセルは、直列に配列され、前記第１の電圧を提供し、前記第２の複数のバッテリセルは、直列に配列され、前記第２の電圧を提供する、項目１６に記載のバッテリモジュール。
（項目１８）
前記第１の複数のバッテリセルおよび前記第２の複数のバッテリセルは、直列に配列され、第３の電圧を提供し、前記第３の電圧は、前記第１の電圧と、前記第２の電圧との合計である、項目１７に記載のバッテリモジュール。
（項目１９）
前記第１の複数のバッテリセルのうちの少なくとも１つおよび前記第２の複数のバッテリセルのうちの少なくとも１つは、直列に配列され、第４の電圧を提供する、項目１６－１８のうちのいずれかに記載のバッテリモジュール。
（項目２０）
自律車両に電力を提供するための方法であって、
第１の電圧において第１のバッテリモジュールを動作させることと、
前記第１のバッテリモジュールから、第１の１つ以上の一次システムに第１の電力を送達することと、
第２の電圧において第２のバッテリモジュールを動作させることであって、前記第２の電圧は、前記第１の電圧より低い、ことと、
前記第２のバッテリモジュールから、第２の１つ以上の一次システムに第２の電力を送達することと
を含む、方法。
本発明の他の目的、特徴、および利点が、添付される図面と併せて以下の詳細な説明を精査することに応じて明白となるであろう。
本明細書に説明されるシステムおよび方法が、添付の請求項に記載される。しかしながら、説明の目的のために、いくつかの例証的側面が、以下の図に記載される。
図１は、本開示に説明されるシステムおよび方法の少なくとも一部を実装するための、例示的遠隔車両システムのブロック図である。
図２は、本開示に説明されるシステムおよび方法の少なくとも一部を実装するための、例示的コンピュータシステムのブロック図である。
図３は、本開示の例示的側面による、例示的遠隔車両を描写するブロック図である。
図４は、本開示の例証的側面による、圧力耐性エネルギーシステムの例証的実施例を描写するブロック図である。
図５は、本開示の例証的側面による、二重電圧電力システムを伴う、二重電圧電力システムの例示的実施例を描写するブロック図である。
図６は、本開示の例証的側面による、複数のバッテリセルを含む、バッテリモジュールのブロック図である。
図７Ａおよび７Ｂは、本開示の例証的側面による、例示的遠隔車両を描写するブロック図である。
図８Ａおよび８Ｂは、本開示の例証的側面による、例示的遠隔車両を描写するブロック図である。
図９は、本開示の例証的側面による、例示的遠隔車両を描写するブロック図である。
図１０Ａおよび１０Ｂは、本開示の例証的側面による、複数のバッテリセルを含む、バッテリモジュールを描写するブロック図である。 図１０Ａおよび１０Ｂは、本開示の例証的側面による、複数のバッテリセルを含む、バッテリモジュールを描写するブロック図である。
図１は、本開示の例証的側面による、例証的遠隔車両を描写するブロック図である。システム１００は、ソナー信号を送信および受信するための、ソナーユニット１１０と、受信される（または反射される）信号を調整するための、プリプロセッサ１２０と、パルス圧縮およびビーム形成を実施するための、整合フィルタ１３０とを含む。システム１００は、高周波数（約１００ｋＨｚを上回る）ソナー信号を使用してナビゲートすることを可能にするように構成される。そのようなＨＦナビゲーションを可能にするために、システム１００は、グレージング角誤差を補償し、位相誤差を補正するための、信号補正器１４０を含む。システム１００はまた、受信される画像をマップとコヒーレントに相関させるための、信号検出器１５０を含む。いくつかの側面では、システム１００は、車載型ナビゲーションコントーラ１７０と、モータコントローラ１８０と、センサコントローラ１９０とを含む。ナビゲーションコントローラ１７０は、（利用可能なとき）ＧＰＳ／ＲＦリンク１７２、加速度計１７４、ジャイロスコープ、およびコンパス１７６からナビゲーションパラメータを受信するように構成されてもよい。モータコントローラ１８０は、車両を操舵するための複数のモータ１８２、１８４、および１８６を制御するように構成されてもよい。センサコントローラ１９０は、バッテリモニタ１７２、温度センサ１９４、および圧力センサ１９６から測定値を受信してもよい。システム１００はさらに、ソナー測定値および他のナビゲーションおよびセンサパラメータに基づいてナビゲーションパラメータを決定するための、そして車両の移動を制御するためのハブとしての役割を果たし得る、中央制御ユニット（ＣＣＵ）１６０を含む。水上または水中車両の状況では、ＣＣＵ１６０は、位置（緯度および経度）、速度（あらゆる方向への）、方角、進行方向、加速、および高度等のナビゲーションパラメータを決定してもよい。ＣＣＵ１６０は、進路に沿った方向（前方および後方）、進路を横断する方向（左舷および右舷）、および垂直方向（上方および下方）に沿った運動を制御するために、これらのナビゲーションパラメータを使用してもよい。ＣＣＵ１６０は、車両をヨー、ピッチ、ロール、または別様に回転させるための運動を制御するために、これらのナビゲーションパラメータを使用してもよい。
上記に記載されるように、システム１００は、音響信号を伝送および受信するための、ソナーユニット１１０を含む。ソナーユニットは、１つ以上の伝送要素、すなわち、プロジェクタと、列内に配列される複数の受信要素とを有する、トランスデューサアレイ１１２を含む。ある側面では、トランスデューサアレイ１１２は、別個のプロジェクタと、受信器とを含む。トランスデューサアレイ１１２は、ＳＡＳモード（進路要図またはスポットライトモードのいずれか）または実開口モードで動作するように構成されてもよい。ある側面では、トランスデューサアレイ１１２は、多重ビーム音響測深器、側方走査ソナー、または扇状走査ソナーとして動作するように構成される。アレイ１１２の一実施例は、１２ ３／４インチ車両内に搭載される、５センチメートル要素を伴う１６チャネルアレイを含む。
システム１００は、本開示の範囲から逸脱することなく、図示されていない他の構成要素を含んでもよい。例えば、システム１００は、データロギングおよび記憶エンジンを含んでもよい。ある側面では、データロギングおよび記憶エンジンは、科学データを記憶するために使用されてもよく、これは、次いで、ナビゲーションを補助するための後処理において使用されてもよい。システム１００は、システム１００へのアクセスを制御し、かつその１つ以上の特徴の使用を認可するためのセキュリティエンジンを含んでもよい。セキュリティエンジンは、アクセスを制御するための好適な暗号化プロトコルおよび／またはセキュリティキーおよび／またはドングルを伴って構成されてもよい。例えば、セキュリティエンジンは、マップ記憶装置１５４内に記憶される１つ以上のマップを保護するために使用されてもよい。マップ記憶装置１５４内の１つ以上のマップへのアクセスは、適切なライセンス、権限、または許可を有するある個人またはエンティティに限定されてもよい。セキュリティエンジンは、いったんこれが、これらの個人またはエンティティが認可されたことを確認した時点で、これらの個人またはエンティティが１つ以上のマップにアクセスすることを選択的に可能にしてもよい。セキュリティエンジンは、限定ではないが、ナビゲーションコントローラ１７０、モータコントローラ１８０、センサコントローラ１９０、伝送器コントローラ１１８、およびＣＣＵ１６０を含む、システム１００の他の構成要素へのアクセスを制御するように構成されてもよい。
随意に、本システムは、慣性ナビゲーションシステム、ドップラセンサ、高度計、ホログラフィックマップの装着部分上にセンサを固定するためのジンバルシステム、全地球測位システム（ＧＰＳ）、長基線（ＬＢＬ）ナビゲーションシステム、超短基線（ＵＳＢＬ）ナビゲーション、または任意の他の好適なナビゲーションシステムを含んでもよい。
図３は、本開示の例示的側面による、例示的遠隔車両を描写するブロック図である。そのような例示的遠隔または自律車両は、駆動ユニット３０４に加えて、主本体３０２を含む。例えば、駆動ユニット３０４は、プロペラであってもよい。遠隔車両は、主本体３０２内の異なるコンパートメント内に位置し得る、内部構成要素を含む。例えば、主本体３０２は、構成要素３０６を収容してもよい。例えば、構成要素３０６は、ソナーユニットであってもよい。同様に、主本体３０２は、例えば、図１および図２に説明されるようなコンピュータシステムを含み得る、圧力耐性エネルギーシステム３１０を収容してもよい。加えて、遠隔または自律車両は、電力発生システム３０８を含む。例えば、電力発生システム３０８は、それぞれ、バッテリセルのスタックを備える、バッテリ要素のスタックであってもよい。
大型バッテリは、セルの大きいアレイを使用する。直列接続（他の並列接続の有無にかかわらず）が、特定の電力要件を満たすために要求され得る。セル間のいかなる不均衡も、バッテリ性能に影響を及ぼし得る。直列のセルを充電する場合、充電は、セルのうちの１つがその最大セル電圧に到達するまでのみ望ましく、その点を超えて充電を進行させることは、セル損傷をもたらし、および／またはバッテリを通して火災または爆発をもたらし得る。
車両、例えば、水中車両が、各バッテリパックがバッテリセルを備える、バッテリパックのアレイによって給電されてもよい。これらのバッテリセルは、車両にエネルギーを提供するための、限定ではないが、任意の好適なバッテリケミストリ、リチウムバッテリ、リチウムイオンバッテリ、リチウムポリマーバッテリ、またはリチウム硫黄バッテリを含む、任意の好適なバッテリを備えてもよい。バッテリセルは、マトリクス状であってもよい、またはバッテリセルは、任意の好適な配列に配列、整合、または位置付けられてもよい。いくつかの側面では、バッテリセルは、相互の上に積み重ねられてもよい。そのような側面では、バッテリセルは、各垂直に積み重ねられたセルの間にセパレータを含んでもよい。１つ以上のバッテリセルは、トレイ上に位置付けられてもよく、トレイは、１つ以上のバッテリセルのための構造的支持、整合、および電気的絶縁を提供する。バックプレーンが、下記にさらに詳細に説明される管理回路に、バッテリセルを接してもよい。代替側面では、バッテリセルが、管理回路に直接接続されてもよい。いくつかの側面では、バッテリセルは、通信ネットワークを通して管理回路に接続されてもよい。通信ネットワークは、制御信号を通信するための、任意の好適なネットワークであってもよい。管理回路は、任意の好適なプログラミング言語を使用して手動でプログラミングされ得る、圧力耐性回路基板を備えてもよい。いくつかの側面では、温度センサが、直接またはバックプレーンを通してのいずれかでバッテリセルに接続されてもよい。バッテリセルは、少なくとも電圧と、温度とを含む、セル状態情報を管理回路に通信するように構成されてもよい。管理回路は、水の存在下で抵抗が低下する伝導性トレースを備え得る、水侵入検出回路基板を含んでもよい。
自律車両の任務持続時間およびセンサペイロード能力に影響を及ぼす主要因は、バッテリモジュールの充電および放電するための能力を含む、バッテリモジュールの性能を含む。あるセルケミストリ（例えば、リチウムイオン）に関して等しく重要なものは、バッテリ構成要素の管理において使用される回路である。バッテリ管理装置（ＢＭＧＲ）が、外界とインターフェースをとり、電圧または温度安全限界が超過された場合、バッテリを保護する（充電入力および／または放電出力を接続解除することによって）ように構成されてもよい。ＢＭＧＲは、これが、任意の個々のセル電圧が最大セル電圧を上回ることを検出する場合、または任意の個々のセル温度が製造業者によって推奨される最大温度を超過する場合、即座にバッテリを停止させてもよい。ＢＭＧＲは、任意のセル温度が、製造業者によって推奨される最小温度を下回る場合、バッテリシステムの充電を無効にしてもよい。ＢＭＧＲは、任意のセル温度が、充電限界温度と異なり得る、放電に関して製造業者によって推奨される最小温度を下回る場合、バッテリシステムの放電を無効にしてもよい。過放電保護特徴が、随時、アクティブ化されてもよく、これはまた、任意の個々のセル電圧が、製造業者によって推奨される最小セル電圧を下回るように降下する場合、バッテリを停止させるであろう。過電流条件を防止するために、バッテリシステムは、正端子と直列に圧力耐性ヒューズを装備してもよく、ＢＭＧＲは、制御可能な二重接続解除器（ハイおよびローサイドスイッチ）を提供してもよい。例示的圧力耐性ヒューズに関するさらなる詳細が、米国特許出願公開第２０１２／０２８１５０３号（その内容全体は、参照することによって本明細書に組み込まれる）に提供される。これは、バッテリ出力においてコマンドされていない出力電圧がもたらされ得る前に、２つの同時故障が生じることを要求することによって、安全特徴を提供する。
図４は、図３に描写される圧力耐性エネルギーシステム３１０等の、圧力耐性エネルギーシステムの例証的実施例を描写するブロック図である。圧力耐性エネルギーシステム３１０は、１つ以上のバッテリセル４０２と、トレイ４０４と、電気接続部４０６と、バックプレーン４０８と、通信ネットワーク４１０と、管理回路４１２と、温度センサ４１４と、マルチレベルバッテリ保護システム４１６と、好適なエンクロージャとを備えてもよい。
バッテリセル４０２は、水中車両にエネルギーを提供するための、限定ではないが、リチウムバッテリ、リチウムイオンバッテリ、リチウムポリマーバッテリ、またはリチウム硫黄バッテリを含む、任意の好適なバッテリを備えてもよい。いくつかの側面では、バッテリセル４０２は、（例えば、真水または海／海洋水と比較すると）中立的浮揚性（ｎｅｕｔｒａｌｌｙ ｂｕｏｙａｎｔ）であってもよい。バッテリセル４０２は、図４に３×２のマトリクス状に描写されているが、バッテリセル４０２は、任意の好適な配列に配列、整合、または位置付けられてもよい。いくつかの側面では、バッテリセル４０２は、相互の上に積み重ねられてもよい。そのような側面では、バッテリセル４０２は、各垂直に積み重ねられたセルの間にセパレータを含んでもよい。
バッテリセル４０２は、トレイ４０４の中に設置されてもよい。トレイ４０４は、熱成形されたプラスチック等の任意の好適な材料から作製されてもよい。トレイ４０４は、バッテリセル４０２のための構造的支持、整合、および電気的絶縁を提供してもよい。トレイは、エンクロージャ内に設置され、相互の上に積み重ねられる複数のトレイを支持してもよい。
バッテリセル４０２は、バックプレーン４０８に電気的および／または構造的に接続されてもよい。バックプレーンは、バッテリセル４０２のための構造的支持および整合の両方を提供してもよい。バックプレーンはまた、図３に描写されるエネルギー分配システム３１２等のエネルギー分配システムに接続されてもよい。代替側面では、バッテリセル４０２は、エネルギー分配システムに直接接続されてもよい。
バックプレーンは、管理回路４１２にバッテリセル４０２を接続してもよい。代替側面では、バッテリセル４０２が、管理回路４１２に直接接続されてもよい。いくつかの側面では、バッテリセル４０２は、通信ネットワーク４１０を通して管理回路４１２に接続されてもよい。通信ネットワーク４１０は、制御信号を通信するための、任意の好適なネットワークであってもよい。管理回路４１２は、任意の好適なプログラミング言語を使用して手動でプログラミングされ得る、圧力耐性回路基板を備えてもよい。いくつかの側面では、温度センサが、直接またはバックプレーン４０８を通してのいずれかでバッテリセル４０２に接続されてもよい。バッテリセル４０２は、少なくとも電圧と、温度とを含む、セル状態情報を管理回路４１２に通信するように構成されてもよい。管理回路４１２は、水の存在下で抵抗が低下する伝導性トレースを備え得る、水侵入検出回路基板を含んでもよい。バッテリセル４０２は、マルチレベルバッテリ保護システム４１６に接続されてもよい。マルチレベルバッテリ保護システムは、接続箱および各バッテリセルおよび電流限定回路（ＣＬＣ）およびマイクロプロセッサ回路に、ヒューズを備えてもよい。
図５は、図３に描写される圧力耐性エネルギーシステム３１０等の二重電圧電力システムを伴う、圧力耐性エネルギーシステムの例示的実施例を描写するブロック図である。圧力耐性エネルギーシステム３１０は、管理回路４１２と、通信ネットワーク４１０と、バックプレーン４０８と、電気接続部４０６と、トレイ４０４と、一次バッテリモジュール５０２と、寄生バッテリモジュール５０４とを含んでもよい。図４の圧力耐性エネルギーシステム３１０によって図示される他の構成要素は、説明を容易にするために省略されている。
一次バッテリモジュール５０２は、一次システムに電力を提供することに好適な電圧において動作してもよい。一次バッテリモジュール５０２の公称動作電圧は、３００Ｖであってもよい。一次バッテリモジュール５０２は、図４に示されるような複数のバッテリセル４０２を備えてもよい。寄生バッテリモジュール５０４は、寄生システムに電力を提供することに好適な電圧において動作してもよい。寄生バッテリモジュール５０４の公称動作電圧は、３０Ｖであってもよい。寄生バッテリモジュール５０４は、図４に示されるような複数のバッテリセル４０２を備えてもよい。いくつかの側面では、寄生バッテリモジュール５０４は、１つのバッテリセル４０２を備えてもよい。
一次バッテリモジュール５０２および寄生バッテリモジュール５０４は、トレイ４０４の中に設置されてもよい。トレイ４０４は、熱成形されたプラスチック等の任意の好適な材料から作製されてもよい。トレイ４０４は、一次バッテリモジュール５０２および寄生バッテリモジュール５０４のための構造的支持、整合、および電気的絶縁を提供してもよい。いくつかの側面では、一次バッテリモジュール５０２および寄生バッテリモジュール５０４は、一次バッテリモジュール５０２と寄生バッテリモジュール５０４との間の動作電圧の大きい差に起因してさらなる電気的絶縁を提供するために、２つの別個のトレイの中に設置されてもよい。これらの別個のトレイは、（図９に示されるような）同一のエンクロージャまたは（図７および８に示されるような）別個のエンクロージャのいずれかの中で重ねられてもよい。
ある側面では、一次バッテリモジュール５０２および寄生バッテリモジュール５０４は、おそらく接続箱によって、エネルギー分配システム（電気「バス」）に直接接続されてもよい。別の側面では、一次バッテリモジュール５０２および寄生バッテリモジュール５０４は、２つの異なるエネルギー分配ネットワークに接続されてもよい。各エネルギー分配システムは、それら自体のエンクロージャ内からまたは（図１０に示されるような）エンクロージャ間の接続を介してのいずれかで、それぞれ、一次システムおよび寄生システムに電力を分配してもよい。
ある側面では、一次バッテリモジュール５０２および寄生バッテリモジュール５０４が、管理回路４１２に直接接続されてもよい。いくつかの側面では、一次バッテリモジュール５０２および寄生バッテリモジュール５０４は、通信ネットワーク４１０を通して管理回路４１２に接続されてもよい。通信ネットワーク４１０は、制御信号を通信するための、任意の好適なネットワークであってもよい。管理回路４１２は、任意の好適なプログラミング言語を使用して手動でプログラミングされ得る、圧力耐性回路基板を備えてもよい。いくつかの側面では、管理回路４１２は、一次バッテリモジュール５０２から送達される電力および寄生バッテリモジュール５０４から送達される電力を管理してもよい。いくつかの側面では、管理回路４１２は、一次バッテリモジュール５０２からの電力および寄生バッテリモジュール５０４から送達される電力を別個に管理するために、２つのサブ管理回路を備えてもよい。
図６は、本開示の例証的側面による、複数のバッテリセル６０６、６０８、６１０、６１２、６１４、および６１６を含む、バッテリモジュール６００のブロック図である。１つの構成では、第１の複数のバッテリセル６０６－６１６は、直列に配列され、第１、すなわち、一次電圧出力６０２、例えば、３００Ｖを（負荷６０２と６２２との間に）提供する。少なくとも１つのバッテリセル６１６が、一次電圧出力６０２より低い、二次電圧出力６０４、例えば、３０Ｖを（負荷６０４と６２２との間に）提供するように構成されてもよい。二次電圧出力６０４は、いくつかまたは全ての寄生システムまたは構成要素に提供されてもよい。１つの実装では、バッテリモジュール６００は、二次電圧を提供するように配列される、少なくとも２つのバッテリセル６１４および６１６を含む。このように、第１のバッテリセル６１６から寄生システムへの二次電圧出力が、閾値電圧を下回る場合、電圧供給は、第２のバッテリセル６１４に切り替えられ、寄生システムに二次電圧を（負荷６１８と６２０との間に）提供することができる。閾値電圧は、例えば、２５ボルトまたは２０ボルトに設定されてもよい。中央制御ユニット１６０等のプロセッサが、二次電圧出力６０４を監視し、電圧が閾値電圧を下回るように降下することに応答して、バッテリセル６１４に切り替え、負荷６１８および６２０を介して二次電圧を提供してもよい。
図７Ａおよび７Ｂは、本開示の例証的側面による、例示的ＡＵＶ７００を描写するブロック図である。１つの構成では、図７Ａに示されるように、ＡＵＶ７００は、スラスタモータ７０６、慣性ナビゲーションシステム（ＩＮＳ）センサ７０８、およびモータコントローラ７１０に電力を送達するために使用される、３００Ｖバッテリパック７０２を含む。本構成では、ＤＣ／ＤＣコンバータ７１２が、バッテリパック７０２からの３００Ｖ出力を、ＩＮＳセンサ７０８およびモータコントローラ７１０のための２４Ｖ入力に変換する。ＤＣ／ＤＣコンバータ７１２を使用した３００Ｖから２４Ｖへの変換は、寄生損失をもたらす。図７Ｂに示されるような構成は、電圧のダウンコンバージョンの必要性を排除することによって、寄生損失を低減させる。図７Ｂでは、ＡＵＶ７００は、個別のエンクロージャ内の３００Ｖバッテリパック７０２に加えて、３０Ｖバッテリパック７０４を含む。３０Ｖバッテリパック７０４は、ＩＮＳセンサ７０８およびモータコントローラ７１０に電力を送達するために使用されることができる。
図８Ａおよび８Ｂは、本開示の例証的側面による、例示的ＡＵＶ８００を描写するブロック図である。ＡＵＶ７００と同様に、図７Ａおよび７Ｂに示されるように、ＡＵＶ８００は、スラスタモータ８０６、ＩＮＳセンサ８０８、モータコントローラ８１０、および深度センサ８１６に電力を送達するために使用される、３００Ｖバッテリパック８０２を含む。本構成では、ＤＣ／ＤＣコンバータ８１２が、バッテリパック８０２からの３００Ｖ出力を、ＩＮＳセンサ８０８およびモータコントローラ８１０のための２４Ｖ入力に変換する。ある側面では、ＡＵＶ８００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８１２からの２４Ｖ出力を深度センサ８１６のための１２Ｖ入力に変換する、付加的なＤＣ／ＤＣコンバータ８１４を含む。ＤＣ／ＤＣコンバータ８１２および８１４を使用した、それぞれ、３００Ｖから２４Ｖおよび２４Ｖから１２Ｖへの変換は、寄生損失をもたらす。図８Ｂに示されるような構成は、電圧のダウンコンバージョンの必要性を排除することによって、寄生損失を低減させる。図８Ｂでは、ＡＵＶ８００が、個別のエンクロージャ内の３００Ｖバッテリパック８０２に加えて、３０Ｖバッテリパック８０４と、１２Ｖバッテリパック８１８とを含む。３０Ｖバッテリパック８０４は、ＩＮＳセンサ７０８およびモータコントローラ７１０に電力を送達するために使用されることができ、１２Ｖバッテリパック８１８は、深度センサ８１６に電力を送達するために使用されることができる。
図９は、本開示の例証的側面による、例示的ＡＵＶ９００を描写するブロック図である。ＡＵＶ９００は、バッテリが同一のエンクロージャ内にあることを除いては、ＡＵＶ７００およびＡＵＶ８００に類似する。ＡＵＶ９００は、スラスタモータ９０６、ＩＮＳセンサ９０８、およびモータコントローラ９１０に電力を送達する、二重電圧バッテリパック９０２を含む。二重電圧バッテリパック９０２は、バッテリ管理装置９１２と、３００Ｖにおいてスラスタモータ９０６に電力を送達するために直列に接続され得る、またはバッテリのうちの１つが３０ＶにおいてＩＮＳセンサ９０８に電力を送達し得、別のバッテリが３０Ｖにおいてモータコントローラ９１０に電力を送達し得るように配列される、いくつかのバッテリ９１４とを含む。図７Ｂおよび８Ｂに関連して議論されるように、本構成は、電圧のダウンコンバージョンの必要性を排除することによって、寄生損失を低減させる。
図１０Ａおよび１０Ｂは、本開示の例証的側面による、複数のバッテリセルを含むバッテリパックを描写するブロック図である。図１０Ａは、バッテリ管理装置１００４と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１００６と、バッテリ１００８とを含む、３００Ｖバッテリパック１０００を示す。バッテリ１００８は、３００Ｖにおいて電力出力を送達するために直列に接続されることができる。各バッテリ１００８は、複数のバッテリセルと、３．３Ｖ電力源を要求する、マイクロプロセッサとを含む。ＤＣ／ＤＣコンバータ１００６は、直列に接続されるバッテリ１００８の３００Ｖ出力を、各バッテリ１００８のマイクロプロセッサに給電するための３．３Ｖ入力に変換する。３００Ｖから３．３Ｖへのダウンコンバージョンは、寄生損失をもたらす。これらの寄生損失は、図１０Ｂに示されるような構成を使用することによって低減されることができる。図１０Ｂは、３００Ｖバッテリパック１０００および３０Ｖバッテリパック１００２を示す。３０Ｖバッテリパックは、各バッテリ１００８が３０Ｖ電力出力を送達するように配列されることができる。３０Ｖ電力出力は、３．３Ｖ電力が、３００Ｖバッテリパックおよび３０Ｖバッテリパックのバッテリ１００８のマイクロプロセッサに電力を送達するために使用され得るように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１００６を使用して３．３Ｖにダウンコンバートされることができる。電圧ダウンコンバージョンを１桁の大きさだけ低減させることによって、寄生電力喪失は、低減される。
前述は、自律型水中車両に関連する実装を説明するが、当業者は、前述の開示が、陸上、空中、水中、または宇宙において動作する任意のバッテリ動作システムに適用され得ることを認識する。例えば、本明細書で説明される側面は、製造または他の設備内で動作する陸上車両および／またはロボットシステム、月面上の月面車両、消費者への材料または製品の送達のために使用される空中ドローン、バッテリ電力源を利用しながら、比較的に異種の高および低電圧システムおよび／または負荷を有する任意の車両に適用され得る。
そのような側面が、実施例としてのみ提供されることが、当業者に明白となるであろう。多数の変形例、代替物、変更、および代用が、本発明を実践する際に当業者によって採用され得ることを理解されたい。故に、本発明が、本明細書に開示される側面に限定されるべきではなく、法令下で許容される限り広義に解釈される以下の請求項から理解されるべきであることを理解されたい。

Claims (13)

  1. 自律車両のための電力システムであって、
    第１のバッテリモジュールであって、前記第１のバッテリモジュールは、第１の電圧において動作し、１つ以上の一次システムに第１の電力を送達する、第１のバッテリモジュールと、
    第２のバッテリモジュールであって、前記第２のバッテリモジュールは、第２の電圧において動作し、第１の１つ以上の寄生システムに第２の電力を送達し、前記第２のバッテリモジュールは、電圧ダウンコンバータを備え、前記第２のバッテリモジュールは、前記電圧ダウンコンバータから前記第１のバッテリモジュールに第３の電圧を送達するように構成される、第２のバッテリモジュールと
    を備える、電力システム。
  2. 前記第２の電圧は、前記第１の電圧を下回る、請求項１に記載の電力システム。
  3. 前記第２の電圧は、前記第１の電圧の２分の１、３分の１、４分の１、５分の１、１０分の１、２０分の１、および１００分の１のうちの１つの大きさである、請求項１～２のうちのいずれか一項に記載の電力システム。
  4. 前記第１の電圧は、６００Ｖ以上、５００Ｖ以上、４００Ｖ以上、３００Ｖ以上、２００Ｖ以上、１００Ｖ以上、７５Ｖ以上、および５０Ｖ以上のうちの１つである、請求項１～３のうちのいずれか一項に記載の電力システム。
  5. 前記第２の電圧は、１Ｖ以下、２Ｖ以下、３Ｖ以下、４Ｖ以下、５Ｖ以下、１０Ｖ以下、２０Ｖ以下、３０Ｖ以下、５０Ｖ以下、および１００Ｖ以下のうちの１つである、請求項１～４のうちのいずれか一項に記載の電力システム。
  6. 前記第１のバッテリモジュールは、第１の複数のバッテリセルを備える、請求項１～５のうちのいずれか一項に記載の電力システム。
  7. 前記第２のバッテリモジュールは、第２の複数のバッテリセルを備える、請求項１～６のうちのいずれか一項に記載の電力システム。
  8. 管理回路をさらに備え、前記管理回路は、前記第１のバッテリモジュールから送達される前記第１の電力と、前記第２のバッテリモジュールから送達される前記第２の電力とを管理するように構成される、請求項１～７のうちのいずれか一項に記載の電力システム。
  9. 前記管理回路は、前記第１のバッテリモジュールから送達される前記第１の電力を管理するための第１のサブ管理回路と、前記第２のバッテリモジュールから送達される前記第２の電力を管理するための第２のサブ管理回路とを含む、請求項８に記載の電力システム。
  10. 接続箱をさらに備え、前記接続箱は、前記管理回路に前記第１のバッテリモジュールおよび前記第２のバッテリモジュールを接続するように構成される、請求項８および９のうちのいずれか一項に記載の電力システム。
  11. 自律車両のための電力システムのバッテリモジュールであって、
    第１の電圧において動作する第１の複数のバッテリセルと、
    第２の電圧において動作する第２の複数のバッテリセルであって、前記第２の電圧は、前記第１の電圧より低く、前記第２の複数のバッテリセルは、電圧ダウンコンバータを備え、前記第２の複数のバッテリセルは、前記電圧ダウンコンバータから前記第１の複数のバッテリセルに第３の電圧を送達するように構成される、第２の複数のバッテリセルと
    を備える、バッテリモジュール。
  12. 前記第１の複数のバッテリセルは、直列に配列され、前記第１の電圧を提供し、前記第２の複数のバッテリセルは、直列に配列され、前記第２の電圧を提供する、請求項１１に記載のバッテリモジュール。
  13. 自律車両に電力を提供するための方法であって、
    第１の電圧において第１のバッテリモジュールを動作させることと、
    前記第１のバッテリモジュールから、第１の１つ以上の一次システムに第１の電力を送達することと、
    第２の電圧において第２のバッテリモジュールを動作させることであって、前記第２の電圧は、前記第１の電圧より低い、ことと、
    前記第２のバッテリモジュールによって、電圧ダウンコンバータを動作させることと、
    前記電圧ダウンコンバータから、前記第１のバッテリモジュールに第３の電圧を送達することと、
    前記第２のバッテリモジュールから、第２の１つ以上の一次システムに第２の電力を送達することと
    を含む、方法。
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