JP7445707B2 - 電力伝送システム及び方法 - Google Patents

Description

本開示内容は、電力伝送システム及び方法に関し、特にその操作モードを柔軟に調整できる電力伝送システム及び方法に関する。

現在の電力伝送モジュールは、給電端と受電端でハンドシェイク手順を完了した後で、固定の電圧変換で充放電の操作を行う。しかしながら、このような制限により、例えば、異なる電圧変換要求のあるシステムに適用されなく、電力伝送モジュール両端の電圧差が大きすぎることによる変換効率がよくないという課題がよくある。

本開示内容の態様は、電力伝送システムである。電力伝送システムは、電力伝送モジュールと、前記電力伝送モジュールに結合される給電／受電モジュールと、少なくとも１つのバッテリーユニットを含み、前記電力伝送モジュールに結合され、前記電力伝送モジュールと前記給電／受電モジュールによって充電又は放電操作を行うことに用いられるバッテリーモジュールと、を備え、前記バッテリーモジュールが充電操作を行う場合、前記電力伝送モジュールは、ハンドシェイク情報に基づいて前記給電／受電モジュールから出力された給電電圧を調整し、前記給電電圧を前記バッテリーモジュールに受け取られる充電電圧に変換することに用いられて、前記少なくとも１つのバッテリーユニットに対して充電を行い、前記バッテリーモジュールが放電操作を行う場合、前記電力伝送モジュールは、前記バッテリーモジュールから出力された放電電圧を前記給電／受電モジュールに必要な要求電圧に変換することに用いられて、前記給電／受電モジュールに対して給電を行い、前記バッテリーモジュールと前記給電／受電モジュールは、最大電力モード、最適効率モード又はその組み合わせで充電又は放電操作を行う。

本開示内容の別の態様は、電力伝送方法である。電力伝送方法は、電力伝送モジュールに適用される電力伝送方法であって、前記電力伝送モジュールによるハンドシェイク手順に基づいて、バッテリーモジュールと給電／受電モジュールが充電又は放電操作を行うように決めることを備え、前記バッテリーモジュールが充電操作を行う工程は、前記給電／受電モジュールから出力された給電電圧を調整することと、前記給電電圧を前記バッテリーモジュールに受け取られる充電電圧に変換して、前記バッテリーモジュールの少なくとも１つのバッテリーユニットに対して充電を行うことと、を含み、前記バッテリーモジュールが放電操作を行う工程は、前記バッテリーモジュールから出力された放電電圧を前記給電／受電モジュールに必要な要求電圧に変換して、前記給電／受電モジュールに対して給電を行うことを含み、前記バッテリーモジュールと前記給電／受電モジュールは、最大電力モード、最適効率モード又はその組み合わせで充電又は放電操作を行う。

まとめると、本開示内容の電力伝送システムは、電力伝送モジュールによりバッテリーモジュールと給電／受電モジュールとの間の電力伝送を調整し、電源の変換効率、バッテリーの充電効率、バッテリーの放電耐久性を向上させ、そしてほとんどのシステムに適用できるというメリットがある。

本開示内容のいくつかの実施例による電力伝送システムを示す構造模式図である。 本開示内容のいくつかの実施例による電力伝送方法を示すフロー図である。 図２における電力伝送方法のうちの一操作を示すフロー図である。 図２における電力伝送方法のうちの一操作を示すフロー図である。 図２における電力伝送方法のうちの一操作を示すフロー図である。 図２における電力伝送方法のうちの一操作を示すフロー図である。 本開示内容の別の実施例による電力伝送システムを示す構造模式図である。 本開示内容の別の実施例による電力伝送システムを示す構造模式図である。

下記は、図面を参照して実施例を挙げて詳しく説明したが、説明された具体的な実施例は、本発明を解釈するためのものだけであるが、本発明を限定するためのものではなく、構造や動作についての記述も、その実行の手順を限定するためのものではなく、素子から新たに組み合わせてなる構造、それによる等価な効果を持つ装置であれば、いずれも本開示内容の範囲に含まれる。

全体の明細書と特許請求範囲に用いられる用語（ｔｅｒｍｓ）は、特に明記されない限り、通常、用語ごとにこの分野、この開示の内容と特殊内容に使用される一般的な意味を持つ。

また、本文に使用される「結合」又は「接続」とは、２つ又は複数の素子が互いに直接的に実体又は電気的に接触し、又は互いに間接的に実体又は電気的に接触することを指してもよく、２つ又は複数の素子が互いに操作し又は動作することを指してもよい。

図１を参照されたく、図１は、本開示内容のいくつかの実施例による電力伝送システム１００を示す。いくつかの実施例において、電力伝送システム１００は、電力伝送モジュール１０、給電／受電モジュール２０及びバッテリーモジュール３０を備える。具体的に、電力伝送モジュール１０は、給電／受電モジュール２０とバッテリーモジュール３０との間のスイッチング装置として、給電／受電モジュール２０とバッテリーモジュール３０との間に結合され、給電／受電モジュール２０とバッテリーモジュール３０との間の電力伝送に寄与する。

いくつかの実施例において、電力伝送モジュール１０は、電圧変換回路１０１及び処理回路１０２を備える。電圧変換回路１０１は、電圧変換に用いられる。処理回路１０２は、電圧変換回路１０１、給電／受電モジュール２０とバッテリーモジュール３０に結合され、バッテリーモジュール３０及び給電／受電モジュール２０とハンドシェイク（ｈａｎｄｓｈａｋｅ）手順を行ってハンドシェイク情報（例えば、電力伝送モジュール１０、給電／受電モジュール２０とバッテリーモジュール３０の各々の操作可能な電力範囲、電圧範囲及び電流範囲）を取得し、ハンドシェイク情報に基づいて電圧変換回路１０１を制御し、そして制御要求（未図示）を給電／受電モジュール２０とバッテリーモジュール３０に伝送することに用いられる。

理解すべきなのは、電圧変換回路１０１はバックコンバータ、ブーストコンバータ、バックブーストコンバータ、フライバックコンバータ、その組み合わせなどにより実現されてよく、且つ処理回路１０２は１つ又は複数の中央処理装置（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ；ＣＰＵ）、特定用途向け集積回路（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ；ＡＳＩＣ）、マイクロプロセッサー、システムオンチップ（Ｓｙｓｔｅｍ ｏｎ Ｃｈｉｐ；ＳｏＣ）又は他の適切な処理ユニットにより実現されてよい。

いくつかの実施例において、バッテリーモジュール３０は、バッテリー管理ユニット３０１、少なくとも１つのスイッチ回路３０２、複数のバッテリーユニット３０３及び制御スイッチ３０４を備える。図１に示すように、バッテリー管理ユニット３０１は、処理回路１０２、スイッチ回路３０２、複数のバッテリーユニット３０３と制御スイッチ３０４に結合される。スイッチ回路３０２は、複数のバッテリーユニット３０３に結合され、且つ制御スイッチ３０４は、複数のバッテリーユニット３０３と電圧変換回路１０１との間に結合される。理解すべきなのは、説明の便宜上及び簡略化のために、図１におけるスイッチ回路３０２と複数のバッテリーユニット３０３の接続構造は省略されている。図１に直接示されていないが、バッテリー管理ユニット３０１は、複数のバッテリーユニット３０３とスイッチ回路３０２に直接結合されてよい。また、複数のバッテリーユニット３０３は図１に示すような数（即ち、２つ）に限定されない。

バッテリー管理ユニット３０１は、バッテリー電圧Ｖｂａｔを調整するように、処理回路１０２から出力された制御要求に基づいてスイッチ回路３０２を制御して複数のバッテリーユニット３０３の直列・並列構造を変えることに用いられてよい。具体的に、複数のバッテリーユニット３０３は、すべて直列に接続又はすべて並列に接続されてもよく、部分的に直列に接続且つ部分的に並列に接続されてもよい。理解すべきなのは、バッテリー電圧Ｖｂａｔは、複数のバッテリーユニット３０３の直列・並列構造に基づいて発生される。言い換えれば、複数のバッテリーユニット３０３の異なる直列・並列構造は、異なるバッテリー電圧Ｖｂａｔに対応する。例として、複数のバッテリーユニット３０３の直列・並列構造は、５直４並、１０直２並及び２０直１並を少なくとも含み、５直４並の構造と対応するバッテリー電圧Ｖｂａｔは２０Ｖ（ボルト）であってよく、１０直２並の構造と対応するバッテリー電圧Ｖｂａｔは４０Ｖであってよく、２０直１並の構造と対応するバッテリー電圧Ｖｂａｔは８０Ｖであってよい。理解すべきなのは、５直４並の構造とは、バッテリーモジュール３０は並列に接続される４組のバッテリーストリングを備え、且つ各組のバッテリーストリングが直列に接続される５つのバッテリーユニット３０３を含むことを示す。他の直列・並列構造の構成は、このように類推されてよいので、ここに説明しない。

更に、バッテリー管理ユニット３０１は、複数のバッテリーユニット３０３から複数のバッテリーユニット３０３の各々のバッテリー情報を受信することに用いられてよい。具体的に、バッテリー情報は、バッテリー電圧、バッテリー温度などの情報を含んでよい。また、バッテリー管理ユニット３０１は、制御スイッチ３０４により、複数のバッテリーユニット３０３と電圧変換回路１０１との間の接続線路をオン又はオフにしてもよい。処理回路１０２は、バッテリー管理ユニット３０１によって制御スイッチ３０４を制御してよく、電圧変換の後で複数のバッテリーユニット３０３と電圧変換回路１０１との間の接続線路をオンにするように決める。即ち、電圧変換を行っていない場合、処理回路１０２は、制御スイッチ３０４によって複数のバッテリーユニット３０３と電圧変換回路１０１との間の接続線路をオフにしてよい。理解すべきなのは、別の実施例において、バッテリーモジュール３０における制御スイッチ３０４を省略してよい。

いくつかの実施例において、給電／受電モジュール２０は、電力サプライヤーであってよく、給電電圧Ｖｓｕｐを電力伝送モジュール１０に提供し、処理回路１０２から出力された制御要求に基づいて給電電圧Ｖｓｕｐの大きさを調整することに用いられてよい。図１に示すように、電力伝送モジュール１０は、バッテリーモジュール３０のバッテリー電圧Ｖｂａｔの大きさに基づいて、給電電圧Ｖｓｕｐを充電電圧Ｖｃｈａに変換してよくて、複数のバッテリーユニット３０３に対して充電を行う。

別の実施例において、給電／受電モジュール２０は、電子装置（例えば、家電製品、電気運送工具など）であってよく、要求電圧Ｖｒｅｑを要求してよい。図１に示すように、バッテリーモジュール３０は、バッテリー電圧Ｖｂａｔにより放電電圧Ｖｄｉｓを電力伝送モジュール１０に出力してよい。電力伝送モジュール１０は、給電／受電モジュール２０の正常な動作に寄与するように、放電電圧Ｖｄｉｓを要求電圧Ｖｒｅｑに変換してよい。

以下、図２に合わせて電力伝送システム１００の操作を詳しく説明する。図２を参照されたく、図２は、本開示内容のいくつかの実施例による電力伝送方法２００を示すフロー図である。電力伝送方法２００は、図１における電力伝送モジュール１０によって実行されてよい。しかしながら、本開示内容はこれに限定されない。図２に示すように、電力伝送方法２００は、工程Ｓ２０１～Ｓ２０６を含む。

工程Ｓ２０１において、電力伝送モジュール１０は、バッテリーモジュール３０及び給電／受電モジュール２０とハンドシェイク手順を行って、ハンドシェイク情報を取得する。例として、電力伝送モジュール１０における処理回路１０２は、バッテリーモジュール３０におけるバッテリー管理ユニット３０１及び給電／受電モジュール２０における制御回路（未図示）と情報を交換してよい。

工程Ｓ２０２において、電力伝送モジュール１０は、ハンドシェイク情報に基づいて、バッテリーモジュール３０と給電／受電モジュール２０が最大電力モード、最適効率モード又はその組み合わせで充電又は放電操作を行うように決める。

いくつかの実施例において、電力伝送モジュール１０は、バッテリーモジュール３０と給電／受電モジュール２０が最大電力モードで充電操作を行うように決めて、工程Ｓ２０３を実行する。工程Ｓ２０３において、電力伝送モジュール１０は、バッテリーモジュール３０と給電／受電モジュール２０が最大電力モードで充電操作を行うように制御する。理解すべきなのは、本文に記載の「電力伝送モジュールは給電／受電モジュール及び／又はバッテリーモジュールを制御する」とは、電力伝送モジュールはその内部の処理回路により制御要求を給電／受電モジュール及び／又はバッテリーモジュールに伝送して、間接的に給電／受電モジュール及び／又はバッテリーモジュールを制御することができる。実際的に、給電／受電モジュールは、その内部の制御回路により制御要求を受信し、制御要求に基づいて関連操作を行うが、バッテリーモジュールは、バッテリー管理ユニットにより制御要求を受信し、制御要求に基づいて関連操作を行う。以下、図３に合わせてバッテリーモジュール３０の最大電力モードでの充電操作を詳しく説明する。

図３を参照されたく、図３は、本開示内容のいくつかの実施例によるバッテリーモジュール３０の最大電力モードでの充電操作を示すフロー図である。図３に示すように、工程Ｓ２０３は、サブ工程Ｓ３０１～Ｓ３０３を含む。サブ工程Ｓ３０１において、電力伝送モジュール１０は、給電／受電モジュール２０、電力伝送モジュール１０とバッテリーモジュール３０の何れも操作可能な最大電力値に基づいて、給電／受電モジュール２０から出力された給電電圧Ｖｓｕｐを決める。例として、電力伝送モジュール１０と給電／受電モジュール２０との間に結合される伝送ケーブル（例えば、ＵＳＢ Ｔｙｐｅ－Ｃ（ユニバーサルシリアルバスタイプＣ））の伝送可能な最大電流値は５Ａ（アンペア）であるが、給電／受電モジュール２０から出力可能な電圧範囲は５～４８Ｖである。この場合、給電／受電モジュール２０の最大電力値は２４０Ｗ（ワット）である。電力伝送モジュール１０とバッテリーモジュール３０との両方も２４０Ｗの電力値を負荷できると判断すると、電力伝送モジュール１０は、処理回路１０２により給電／受電モジュール２０から４８Ｖの給電電圧Ｖｓｕｐを出力するように制御してよく、これにより給電／受電モジュール２０が最大電力値（例えば、２４０Ｗ）で出力することができる。

サブ工程Ｓ３０２において、電力伝送モジュール１０は、給電電圧Ｖｓｕｐに基づいてバッテリーモジュール３０の複数のバッテリーユニット３０３の直列・並列構造を決めて、充電電圧Ｖｃｈａと給電電圧Ｖｓｕｐとの電圧差をプリセット電圧差値に維持し又はできる限りに近づけるようにする。例として、プリセット電圧差値は２Ｖである。複数のバッテリーユニット３０３が１０直２並の構造（対応するバッテリー電圧Ｖｂａｔが４０Ｖ）である場合、バッテリーモジュール３０に受け取られる充電電圧Ｖｃｈａ（例えば、３０～４２Ｖ）と給電電圧Ｖｓｕｐ（例えば、４８Ｖ）との電圧差を２Ｖにできる限りに近づけてよい。これにより、電力伝送モジュール１０は、複数のバッテリーユニット３０３の直列・並列構造を１０直２並に調整するようにバッテリー管理ユニット３０１に通知する。

サブ工程Ｓ３０３において、電力伝送モジュール１０は、給電電圧Ｖｓｕｐを充電電圧Ｖｃｈａに変換して、複数のバッテリーユニット３０３に対して充電を行う。例として、電力伝送モジュール１０は、図１における電圧変換回路１０１により給電電圧Ｖｓｕｐ（例えば、４８Ｖ）を充電電圧Ｖｃｈａに変換する。理解すべきなのは、充電電圧Ｖｃｈａは、複数のバッテリーユニット３０３の充電中の電力の変化に基づいて変化する非定電圧（例えば、３０～４２Ｖ）であってよい。注意すべきなのは、電圧変換回路１０１は、入力電圧と出力電圧との電圧差がプリセット電圧差値である（例えば、入力電圧が出力電圧よりも２Ｖ高い）場合に最も優れた変換効率を有する。給電／受電モジュール２０を最大電力値で出力（即ち、工程Ｓ３０１）し且つ充電電圧Ｖｃｈａと給電電圧Ｖｓｕｐとの電圧差をプリセット電圧差値（即ち、工程Ｓ３０２）にできる限りに近づけることができるため、電力伝送モジュール１０の変換効率とバッテリーモジュール３０との充電効率は高められる。

いくつかの実施例において、電力伝送モジュール１０は、バッテリーモジュール３０と給電／受電モジュール２０が最適効率モードで充電操作を行うように決めて、工程Ｓ２０４を実行する。図２に示すように、工程Ｓ２０４において、電力伝送モジュール１０は、バッテリーモジュール３０と給電／受電モジュール２０が最適効率モードで充電操作を行うように制御する。以下、図４に合わせてバッテリーモジュール３０が最適効率モードでの充電操作を詳しく説明する。

図４を参照されたく、図４は、本開示内容のいくつかの実施例によるバッテリーモジュール３０の最適効率モードでの充電操作を示すフロー図である。図４に示すように、工程Ｓ２０４は、サブ工程Ｓ４０１～Ｓ４０３を含む。サブ工程Ｓ４０１において、電力伝送モジュール１０は、給電／受電モジュール２０、電力伝送モジュール１０とバッテリーモジュール３０の各々の操作可能な電力範囲、電圧範囲及び電流範囲に基づいて、バッテリーモジュール３０の複数のバッテリーユニット３０３の直列・並列構造を決める。例として、給電／受電モジュール２０から出力された給電電圧Ｖｓｕｐ範囲は５～４８Ｖであり、且つ複数のバッテリーユニット３０３によるバッテリー電圧Ｖｂａｔは２０、４０又は８０Ｖであってよく。これにより、電力伝送モジュール１０は、複数のバッテリーユニット３０３の直列・並列構造を１０直２並（対応するバッテリー電圧Ｖｂａｔが４０Ｖ）に調整するようにバッテリー管理ユニット３０１に通知して、サブ工程Ｓ４０２を行う。

サブ工程Ｓ４０２において、電力伝送モジュール１０は、給電／受電モジュール２０から出力された給電電圧Ｖｓｕｐを動的に調整して、バッテリーモジュール３０に受け取られる充電電圧Ｖｃｈａと給電電圧Ｖｓｕｐとの電圧差をプリセット電圧差値に維持するようにする。例として、複数のバッテリーユニット３０３が１０直２並の構造である場合、充電電圧Ｖｃｈａは、充電中の変化範囲が約３０～４２Ｖである。これにより、電力伝送モジュール１０は、充電中に充電電圧Ｖｃｈａの大きさに基づいて持続的に給電電圧Ｖｓｕｐの大きさを調整して、給電電圧Ｖｓｕｐと充電電圧Ｖｃｈａとの電圧差を２Ｖ（即ち、プリセット電圧差値）に維持するようにする。いくつかの実際の応用において、給電電圧Ｖｓｕｐ（例えば、３２～４４Ｖ）は、持続的に調整されて充電電圧Ｖｃｈａよりも２Ｖ高くなるように維持される。

サブ工程Ｓ４０３において、電力伝送モジュール１０は、給電電圧Ｖｓｕｐを充電電圧Ｖｃｈａに変換して、複数のバッテリーユニット３０３に対して充電を行う。理解すべきなのは、充電電圧Ｖｃｈａと給電電圧Ｖｓｕｐとの電圧差がプリセット電圧差値に維持される場合、電圧変換回路１０１は、持続的に最適動作点（即ち、その入力電圧と出力電圧との電圧差がプリセット電圧差値）で動作される。このようにして、電力伝送モジュール１０の変換効率は、常に最適変換効率に維持され、且つバッテリーモジュール３０の充電効率も高められる。

いくつかの実施例において、バッテリーモジュール３０と給電／受電モジュール２０は、最大電力モードと最適効率モードの組み合わせで充電操作を行う（下記の複数の実際の応用を例として詳しく説明する）。一実際の応用において、プリセット電圧差値は２Ｖ（例えば、給電電圧Ｖｓｕｐは充電電圧Ｖｃｈａよりも２Ｖ高くなる必要がある）であり、充電電圧Ｖｃｈａの変化範囲は３０～４２Ｖであるが、給電電圧Ｖｓｕｐの最大値は３６Ｖである。この場合、充電電圧Ｖｃｈａが３４Ｖよりも低い場合、電力伝送モジュール１０は、充電電圧Ｖｃｈａと給電電圧Ｖｓｕｐとの電圧差をプリセット電圧差値に維持するように、給電／受電モジュール２０を制御することができる。充電電圧Ｖｃｈａが３４Ｖを超える場合、充電電圧Ｖｃｈａと給電電圧Ｖｓｕｐとの電圧差は、プリセット電圧差値に維持できない。これにより、電力伝送モジュール１０は、給電／受電モジュール２０を制御して最大給電電圧Ｖｓｕｐで出力（最大電力値による出力に相当する）して、充電電圧Ｖｃｈａと給電電圧Ｖｓｕｐとの電圧差をプリセット電圧差値にできる限りに近づけるようにする。

別の実際の応用において、プリセット電圧差値は２Ｖ（例えば、給電電圧Ｖｓｕｐは充電電圧Ｖｃｈａよりも２Ｖ高くなる必要がある）であり、充電電圧Ｖｃｈａの変化範囲は１５～２１Ｖであるが、給電電圧Ｖｓｕｐの範囲は２０～３６Ｖである。この場合、充電電圧Ｖｃｈａが１８Ｖよりも低い場合、充電電圧Ｖｃｈａと給電電圧Ｖｓｕｐとの電圧差は２Ｖ（即ち、プリセット電圧差値）に維持できない。これにより、電力伝送モジュール１０は、給電／受電モジュール２０を制御して最小給電電圧Ｖｓｕｐ（即ち、２０Ｖ）で出力して、充電電圧Ｖｃｈａと給電電圧Ｖｓｕｐとの電圧差をプリセット電圧差値にできる限りに近づけるようにする。充電電圧Ｖｃｈａが１８Ｖを超える場合、電力伝送モジュール１０は給電／受電モジュール２０を制御して、充電電圧Ｖｃｈａと給電電圧Ｖｓｕｐとの電圧差をプリセット電圧差値に維持するようにする。

また、別の実際の応用において、プリセット電圧差値は２Ｖ（例えば、給電電圧Ｖｓｕｐは充電電圧Ｖｃｈａよりも２Ｖ高くなる必要がある）であり、伝送ケーブルの耐えられる最大電流値は５Ａであり、給電電圧Ｖｓｕｐの範囲は５～３６Ｖであるが、電圧変換回路１０１の変換可能な最大電力値は１５０Ｗである。この場合、電力伝送モジュール１０は、上記の情報に基づいて複数のバッテリーユニット３０３を１０直２並の構造（対応するバッテリー電圧Ｖｂａｔが４０Ｖ）に調整し、これは、複数のバッテリーユニット３０３が５直４並の構造である時に最大電力モードで充電操作を行うことができなく、且つ２０直１並の構造である時に最適効率モードで充電操作を行うことができないからである。複数のバッテリーユニット３０３の直列・並列構造が１０直２並である場合、充電電圧Ｖｃｈａの変化範囲は２４～４２Ｖである場合がある。バッテリーモジュール３０の充電中に、充電電圧Ｖｃｈａが２８Ｖよりも低い場合、電力伝送モジュール１０は、３０Ｖの給電電圧Ｖｓｕｐを出力するように給電／受電モジュール２０を制御する。なお、充電電圧Ｖｃｈａが２８Ｖを超える場合、電力伝送モジュール１０は、給電電圧Ｖｓｕｐと充電電圧Ｖｃｈａとの電圧差をプリセット電圧差値に維持するように、給電電圧Ｖｓｕｐが３６Ｖに増加するまで、給電／受電モジュール２０を制御して３０Ｖから給電電圧Ｖｓｕｐを徐々に増加する。理解すべきなのは、給電電圧Ｖｓｕｐが３０Ｖである場合、給電／受電モジュール２０は５Ａの電流で出力し、その出力電力を１５０Ｗに維持する（電圧変換回路１０１の変換可能な最大電力値で出力し、即ち、充電効率を向上させることに相当する）。給電電圧Ｖｓｕｐが３０Ｖを超える場合、給電／受電モジュール２０は対応的に出力された電流値を減少し、これによりその出力電力が依然として１５０Ｗに維持される（即ち、充電速度を維持し変換効率を向上させる）。

上記の複数の実際の応用からわかるように、バッテリーモジュール３０の充電中に、電力伝送モジュール１０の変換効率は、常に最適変換効率に維持できない。これにより、バッテリーモジュール３０の充電中に、電力伝送モジュール１０は、電力伝送モジュール１０の変換効率とバッテリーモジュール３０の充電効率をできる限りに向上させるように、状況に応じて異なる操作モードで切り替える（即ち、最大電力モードと最適効率モードの組み合わせで動作される）ことができる。

いくつかの実施例において、電力伝送モジュール１０は、バッテリーモジュール３０と給電／受電モジュール２０が最大電力モードで放電操作を行うように決めて、工程Ｓ２０５を実行する。図２に示すように、工程Ｓ２０５において、電力伝送モジュール１０は、バッテリーモジュール３０と給電／受電モジュール２０が最大電力モードで放電操作を行うように制御する。以下、図５に合わせてバッテリーモジュール３０が最大電力モードでの放電操作を詳しく説明する。

図５を参照されたく、図５は、本開示内容のいくつかの実施例によるバッテリーモジュール３０が最大電力モードでの放電操作を示すフロー図である。図５に示すように、工程Ｓ２０５は、サブ工程Ｓ５０１～Ｓ５０２を含む。サブ工程Ｓ５０１において、電力伝送モジュール１０は、バッテリーモジュール３０、電力伝送モジュール１０と給電／受電モジュール２０の何れも操作可能な最大電力値に基づいて、バッテリーモジュール３０の複数のバッテリーユニット３０３の直列・並列構造を決めて、バッテリーモジュール３０に放電電圧Ｖｄｉｓを出力させる。例として、電力伝送モジュール１０とバッテリーモジュール３０との間に結合される伝送ケーブル（例えば、ＵＳＢ Ｔｙｐｅ－Ｃ）の伝送可能な最大電流値は５Ａであり、且つ複数のバッテリーユニット３０３によるバッテリー電圧Ｖｂａｔは２０、４０又は８０Ｖであってよい。この場合、バッテリーモジュール３０の最大電力値は４００Ｗである。電力伝送モジュール１０と給電／受電モジュール２０も４００Ｗの電力値を負荷できると判断すると、電力伝送モジュール１０は、処理回路１０２により複数のバッテリーユニット３０３の直列・並列構造を２０直１並に調整するようにバッテリー管理ユニット３０１に通知して、バッテリーモジュール３０が８０Ｖのバッテリー電圧Ｖｂａｔを放電電圧Ｖｄｉｓとして出力するようにする。別の例において、電力伝送モジュール１０の負荷可能な最大電力値（例えば、２４０Ｗ）がバッテリーモジュール３０の最大電力値（例えば、４００Ｗ）よりも小さい。これにより、電力伝送モジュール１０は、電力伝送モジュール１０の負荷可能な最大電力値に基づいて複数のバッテリーユニット３０３の直列・並列構造を決めて、バッテリーモジュール３０の出力電力値を電力伝送モジュール１０の負荷可能な最大電力値に近く且つそれを超えないようにする。

サブ工程Ｓ５０２において、電力伝送モジュール１０は、放電電圧Ｖｄｉｓを給電／受電モジュール２０に必要な要求電圧Ｖｒｅｑに変換して、給電／受電モジュール２０に対して給電を行う。例として、要求電圧Ｖｒｅｑは４８Ｖである。バッテリー電圧Ｖｂａｔが変換できないシステムに比べると、電力伝送システム１００は、給電／受電モジュール２０の要求を満たすように、バッテリーモジュール３０の出力電力を大幅に向上させることができる。

いくつかの実施例において、電力伝送モジュール１０は、バッテリーモジュール３０と給電／受電モジュール２０が最適効率モードで放電操作を行うように決めて、工程Ｓ２０６を実行する。図２に示すように、工程Ｓ２０６において、電力伝送モジュール１０は、バッテリーモジュール３０と給電／受電モジュール２０が最適効率モードで放電操作を行うように制御する。以下、図６に合わせてバッテリーモジュール３０の最適効率モードでの放電操作を詳しく説明する。

図６を参照されたく、図６は、本開示内容のいくつかの実施例によるバッテリーモジュール３０の最適効率モードでの放電操作を示すフロー図である。図６に示すように、工程Ｓ２０６は、サブ工程Ｓ６０１～Ｓ６０２を含む。サブ工程Ｓ６０１において、電力伝送モジュール１０は、給電／受電モジュール２０、電力伝送モジュール１０とバッテリーモジュール３０の各々の操作可能な電力範囲、電圧範囲及び電流範囲に基づいてバッテリーモジュール３０の複数のバッテリーユニット３０３の直列・並列構造を決めて、バッテリーモジュール３０から出力された放電電圧Ｖｄｉｓと給電／受電モジュール２０に必要な要求電圧Ｖｒｅｑとの電圧差をプリセット電圧差値に維持し又はできる限りに近づけるようにする。例として、要求電圧Ｖｒｅｑは４８Ｖであり、且つプリセット電圧差値は２Ｖである（即ち、放電電圧Ｖｄｉｓが要求電圧Ｖｒｅｑよりも２Ｖ高くなる）。複数のバッテリーユニット３０３が１０直２並の構造（対応するバッテリー電圧Ｖｂａｔが４０Ｖ）である場合、バッテリーモジュール３０は４０Ｖのバッテリー電圧Ｖｂａｔを放電電圧Ｖｄｉｓとして出力することができる。これにより、電力伝送モジュール１０は、処理回路１０２により複数のバッテリーユニット３０３の直列・並列構造を１０直２並に調整するようにバッテリー管理ユニット３０１に通知して、放電電圧Ｖｄｉｓと要求電圧Ｖｒｅｑとの電圧差（即ち、－８Ｖ）を２Ｖにできる限りに近づけるようにする。

サブ工程Ｓ６０２において、電力伝送モジュール１０は、放電電圧Ｖｄｉｓを要求電圧Ｖｒｅｑに変換して、給電／受電モジュール２０に対して給電を行う。理解すべきなのは、放電電圧Ｖｄｉｓと要求電圧Ｖｒｅｑ（即ち、電圧変換回路１０１の入力電圧と出力電圧）との電圧差がプリセット電圧差値に維持され又はできる限りに近づけられるため、電力伝送モジュール１０の変換効率及びバッテリーモジュール３０の放電耐久性は高められる。

いくつかの実施例において、バッテリーモジュール３０と給電／受電モジュール２０は最大電力モードと最適効率モードの組み合わせで放電操作を行う。いくつかの実際の応用において、複数のバッテリーユニット３０３の直列・並列構造を決める場合、電力伝送モジュール１０は、バッテリーモジュール３０、電力伝送モジュール１０と給電／受電モジュール２０の何れも操作可能な最大電力値を考慮することに加え、バッテリーモジュール３０から出力された放電電圧Ｖｄｉｓと給電／受電モジュール２０に必要な要求電圧Ｖｒｅｑとの電圧差をプリセット電圧差値に維持し又はできる限りに近づける。このようにして、バッテリーモジュール３０が特定の出力電力を維持することを可能にすることに加えて、電力伝送モジュール１０の変換効率をできる限りに向上させることができる。

前記実施例において、複数のバッテリーユニット３０３の直列・並列構造を決めた後で、電力伝送モジュール１０は、後続の充電又は放電操作において複数のバッテリーユニット３０３の直列・並列構造を再度調整しない。しかしながら、本開示内容はこれに限定されない。他の実施例において、複数のバッテリーユニット３０３の直列・並列構造をすでに決めたが、電力伝送モジュール１０は、電圧変換回路１０１の入力電圧と出力電圧との電圧差をプリセット電圧差値に維持し又はできる限りに近づけるように、バッテリーモジュール３０の充電又は放電操作において依然として状況に応じて複数のバッテリーユニット３０３の直列・並列構造を調整することができる。以下、複数の実際の応用を例として詳しく説明する。

一実際の応用において、バッテリーモジュール３０に対して充電操作を行う。プリセット電圧差値は２Ｖであり（例えば、給電電圧Ｖｓｕｐが充電電圧Ｖｃｈａよりも２Ｖ高くなる）、伝送ケーブルの耐えられる最大電流値は５Ａであり、給電電圧Ｖｓｕｐの範囲は５～３６Ｖであり、且つ給電／受電モジュール２０の最大電力値は８０Ｗである。バッテリーモジュール３０の複数のバッテリーユニット３０３が３種の直列・並列構造（３直４並、６直２並及び１２直１並を含む）で切り替えられ、３直４並の構造の対応する充電電圧Ｖｃｈａ範囲は７．２～１２．６Ｖであり、６直２並の構造の対応する充電電圧Ｖｃｈａ範囲は１４．４～２５．２Ｖであり、１２直１並の構造の対応する充電電圧Ｖｃｈａ範囲は２８．８～５０．４Ｖである。電力伝送モジュール１０は、上記の情報に基づいてまず複数のバッテリーユニット３０３を１２直１並の構造に調整するように決める。バッテリーモジュール３０の充電中に、充電電圧Ｖｃｈａは２８．８Ｖから徐々に増加し、且つ給電電圧Ｖｓｕｐは制御されて対応的に３０．８Ｖから徐々に増加し、これにより給電電圧Ｖｓｕｐは充電電圧Ｖｃｈａよりも２Ｖ高くなるように維持される。充電電圧Ｖｃｈａが３４Ｖに達する場合、電力伝送モジュール１０は、バッテリーモジュール３０が複数のバッテリーユニット３０３を６直２並の構造に調整するように制御して、給電電圧Ｖｓｕｐと充電電圧Ｖｃｈａとの電圧差を２Ｖに維持するようにする。複数のバッテリーユニット３０３が６直２並の構造に調整された後で、充電電圧Ｖｃｈａは対応的に１７Ｖに減少する。電力伝送モジュール１０は、引き続きバッテリーモジュール３０に対して充電を行い、充電電圧Ｖｃｈａが１７Ｖから徐々に２５．２Ｖまで増加し（即ち、複数のバッテリーユニット３０３が完全に充電される）、給電電圧Ｖｓｕｐが対応的に１９Ｖから徐々に２７．２Ｖまで増加する。これからわかるように、バッテリーモジュール３０の充電中に複数のバッテリーユニット３０３の直列・並列構造を調整することにより、給電電圧Ｖｓｕｐは常に充電電圧Ｖｃｈａよりも２Ｖ高くなるように維持され、且つ給電／受電モジュール２０は持続的に最大電力値で出力することができる。このようにして、電力伝送モジュール１０の変換効率及びバッテリーモジュール３０の充電速度は高められる。

別の実際の応用において、バッテリーモジュール３０は、放電操作を行う。プリセット電圧差値は２Ｖであり（例えば、放電電圧Ｖｄｉｓが要求電圧Ｖｒｅｑよりも２Ｖ高くなる）、給電／受電モジュール２０は９Ｖの電圧（即ち、要求電圧Ｖｒｅｑ）及び２７Ｗの電力を要求し、且つバッテリーモジュール３０と電力伝送モジュール１０との間に接続される伝送ケーブルの耐えられる最大電流値は３Ａである。バッテリーモジュール３０の複数のバッテリーユニット３０３は、３種の直列・並列構造（３直４並、６直２並及び１２直１並を含む）で切り替えられる。電力伝送モジュール１０は、上記の情報に基づいてまず複数のバッテリーユニット３０３を３直４並の構造（対応する放電電圧Ｖｄｉｓ範囲が７．２～１２．６Ｖ）に調整するように決める。バッテリーモジュール３０の放電中に、放電電圧Ｖｄｉｓは１２．６Ｖから徐々に減少する。理解すべきなのは、電力伝送モジュール１０の変換効率が９５％であると仮定すると、放電電圧Ｖｄｉｓが９．４７Ｖよりも低い場合、バッテリーモジュール３０（又は電力伝送モジュール１０）は伝送ケーブルの制限により２７Ｗの電力値で出力できない。これにより、放電電圧Ｖｄｉｓが９．４７Ｖまで減少する場合、電力伝送モジュール１０は、バッテリーモジュール３０が複数のバッテリーユニット３０３を６直２並の構造に調整するように要求する。複数のバッテリーユニット３０３が６直２並の構造に調整された後で、放電電圧Ｖｄｉｓが対応的に１８．９４Ｖに増加し、これによりバッテリーモジュール３０（又は電力伝送モジュール１０）は２７Ｗの電力値で出力することができる。これからわかるように、バッテリーモジュール３０の放電中に複数のバッテリーユニット３０３の直列・並列構造を調整することにより、電力伝送モジュール１０は、最適変換効率で持続的に操作し、且つ持続的に給電／受電モジュール２０の要求を満たすことができる。

前記実施例において、図３及び図４に示すように、電力伝送モジュール１０は、電圧変換回路１０１により充電電圧Ｖｃｈａを出力することでバッテリーモジュール３０に対して充電を行うが、本開示内容はこれに限定されない。別の実施例において、電力伝送モジュール１０は、電圧電流変換回路（未図示）を更に含み、且つ電圧電流変換回路により給電電圧Ｖｓｕｐを充電電流（未図示）に変換し出力して、バッテリーモジュール３０に対して充電を行うことができる。

前記実施例において、図１～図６に示すように、バッテリー管理ユニット３０１は、スイッチ回路３０２により複数のバッテリーユニット３０３の直列・並列構造を調整することができるが、本開示内容はこれに限定されない。別の実施例において、複数のバッテリーユニット３０３の直列・並列構造が調整できなく、バッテリーモジュール３０におけるスイッチ回路３０２を省略してよい。理解すべきなのは、複数のバッテリーユニット３０３の直列・並列構造が調整できない実施例において、前記複数のバッテリーユニット３０３の直列・並列構造に対する調整に関する操作は省略される。例として、複数のバッテリーユニット３０３の直列・並列構造が５直４並（対応するバッテリー電圧Ｖｂａｔが２０Ｖ）として固定され、この場合の充電電圧Ｖｃｈａの変化範囲は１２～２１Ｖである。最大電力モードで充電操作を行う場合、電力伝送モジュール１０は、依然として給電／受電モジュール２０、電力伝送モジュール１０とバッテリーモジュール３０の何れも操作可能な最大電力値に基づいて給電電圧Ｖｓｕｐを決める。最適効率モードで充電操作を行う場合、電力伝送モジュール１０は、依然として給電電圧Ｖｓｕｐを制御して、充電電圧Ｖｃｈａと給電電圧Ｖｓｕｐとの電圧差をプリセット電圧差値に維持するようにする。他の操作は、このように類推されてよいので、ここに説明しない。

前記実施例において、電力伝送モジュール１０における処理回路１０２は、充電電圧Ｖｃｈａ、放電電圧Ｖｄｉｓ及び／又は給電電圧Ｖｓｕｐを決める時に、３つのモジュール（即ち、電力伝送モジュール１０、給電／受電モジュール２０とバッテリーモジュール３０）の何れも操作可能な最大電力値及び／又は各々の操作可能な電圧、電流及び電力範囲を考慮するが、本開示内容はこれに限定されない。理解すべきなのは、いくつかの実際の応用において、処理回路１０２は、３つのモジュールの操作可能な電圧、電流及び電力範囲の操作を考慮し、更に３つのモジュールの間に接続される複数本の伝送ケーブルの耐えられる電圧、電流及び電力範囲を考慮する。また、前記実施例において、プリセット電圧差値は充放電中に固定な数値であるが、本開示内容はこれに限定されない。他の実施例において、プリセット電圧差値は充放電中に可変の数値である。

図１の実施例において、電力伝送モジュール１０、給電／受電モジュール２０及びバッテリーモジュール３０は独立して設けられるが、本開示内容はこれに限定されない。別の実施例において、電力伝送モジュール１０の設置は要求に応じて変更される。以下、図７及び図８に合わせて電力伝送モジュール１０の異なる設置を説明する。

図７を参照されたく、図７は、本開示内容のいくつかの実施例による電力伝送システム７００を示す構造模式図である。図７に示すように、電力伝送モジュール１０は、給電／受電モジュール２０内に設けられる（又は給電／受電モジュール２０と統合されている）。電力伝送システム７００の他の設置と操作は、前記実施例と同じ又は類似しているので、ここに説明しない。

図８を参照されたく、図８は、本開示内容のいくつかの実施例による電力伝送システム８００を示す構造模式図である。図８に示すように、電力伝送モジュール１０は、バッテリーモジュール３０内に設けられる（又はバッテリーモジュール３０と統合されている）。図８において電力伝送モジュール１０とバッテリー管理ユニット３０１とは独立して設けられるが、理解すべきなのは、電力伝送モジュール１０はバッテリー管理ユニット３０１と統合されてよい。電力伝送システム８００の他の設置と操作は、前記実施例と同じ又は類似しているので、ここに説明しない。

上記の本開示内容の実施形態からわかるように、本開示内容の電力伝送システム１００は、電力伝送モジュール１０によりバッテリーモジュール３０と給電／受電モジュール２０との間の電力伝送を調整し、電源の変換効率、バッテリーの充電効率、バッテリーの放電耐久性を向上させ、そしてほとんどのシステムに適用できるというメリットがある。

本開示内容は実施形態を前述の通りに開示したが、これは本開示内容を限定するものではなく、当業者であれば、本開示内容の精神と範囲から逸脱しない限り、多様の変更や修飾を加えることができる。従って、本開示内容の保護範囲は、下記特許請求の範囲で指定した内容を基準とするものである。

１０ 電力伝送モジュール
２０ 給電／受電モジュール
３０ バッテリーモジュール
１００ ７００ ８００ 電力伝送システム
１０１ 電圧変換回路
１０２ 処理回路
２００ 電力伝送方法
３０１ バッテリー管理ユニット
３０２ スイッチ回路
３０３ バッテリーユニット
３０４ 制御スイッチ
Ｖｓｕｐ 給電電圧
Ｖｒｅｑ 要求電圧
Ｖｃｈａ 充電電圧
Ｖｄｉｓ 放電電圧
Ｖｂａｔ バッテリー電圧
Ｓ２０１～Ｓ２０６、Ｓ３０１～Ｓ３０３、Ｓ４０１～Ｓ４０３、Ｓ５０１～Ｓ５０２、Ｓ６０１～Ｓ６０２ 工程

Claims (10)

1. 電力伝送モジュールと、
   前記電力伝送モジュールに結合され、給電電圧を出力するように構成される給電モジュールと、
   少なくとも１つのバッテリーユニットを含み、前記電力伝送モジュールに結合され、前記電力伝送モジュールと前記給電モジュールによって充電操作を行うことに用いられるバッテリーモジュールと、
   を備え、
   前記バッテリーモジュールが充電操作を行う場合、前記電力伝送モジュールは、ハンドシェイク情報に基づいて給電電圧を調整し、前記ハンドシェイク情報に基づいて前記少なくとも１つのバッテリーユニットの直列・並列構造を調整することにより前記バッテリーモジュールによって受信される充電電圧と前記給電電圧との電圧差をプリセット電圧差値に維持し又はできる限り近づけるようにして、前記給電電圧を充電電圧に変換することを用いて前記少なくとも１つのバッテリーユニットに対して充電を行い、
   前記バッテリーモジュールと前記給電モジュールは、最大電力モード又は最適効率モードで充電操作を行う電力伝送システム。
2. 前記バッテリーモジュールが前記最大電力モードで充電操作を行う場合、前記電力伝送モジュールは、前記給電モジュール、前記電力伝送モジュールと前記バッテリーモジュールの何れも操作可能な最大電力値に基づいて前記給電電圧を決め、前記給電電圧に基づいて前記少なくとも１つのバッテリーユニットの直列・並列構造を決めることに用いられて、前記充電電圧と前記給電電圧との電圧差をプリセット電圧差値に維持し又はできる限りに近づけるようにする請求項１に記載の電力伝送システム。
3. 前記バッテリーモジュールが前記最適効率モードで充電操作を行う場合、前記電力伝送モジュールは、前記給電モジュール、前記電力伝送モジュールと前記バッテリーモジュールの各々の操作可能な電力範囲、電圧範囲及び電流範囲に基づいて前記少なくとも１つのバッテリーユニットの直列・並列構造を決め、前記給電モジュールから出力された前記給電電圧を動的に調整することに用いられて、前記給電電圧と前記充電電圧との電圧差をプリセット電圧差値に維持するようにする請求項１に記載の電力伝送システム。
4. 前記給電電圧と前記充電電圧との電圧差が前記プリセット電圧差値に維持できない場合、前記電力伝送モジュールは、前記給電モジュールから出力された前記給電電圧又は／及び前記少なくとも１つのバッテリーユニットの直列・並列構造を制御することに用いられて、前記給電電圧と前記充電電圧との電圧差を前記プリセット電圧差値にできる限りに近づけるようにする請求項３に記載の電力伝送システム。
5. 前記電力伝送モジュールは、電圧変換に用いられる電圧変換回路と、前記バッテリーモジュール及び前記給電モジュールとハンドシェイク手順を行って前記ハンドシェイク情報を取得し、前記ハンドシェイク情報に基づいて前記電圧変換回路を制御し、そして制御要求を前記給電モジュールと前記バッテリーモジュールに伝送することに用いられる処理回路と、を含む請求項１に記載の電力伝送システム。
6. 前記電力伝送モジュールは、独立して設けられ又は前記バッテリーモジュール又は前記給電モジュール内に設けられる請求項１に記載の電力伝送システム。
7. 電力伝送モジュールに適用される電力伝送方法であって、
   前記電力伝送モジュールによるハンドシェイク手順に基づいて、バッテリーモジュールと給電モジュールが充電操作を行うように決めることを備え、給電モジュールは、給電電圧を出力するように構成されており、
   前記バッテリーモジュールは、少なくとも１つのバッテリーユニットを含み、前記電力伝送モジュールに結合され、前記電力伝送モジュールと前記給電モジュールによって充電操作を行うことに用いられ、
   前記バッテリーモジュールが充電操作を行う工程は、
   給電電圧を調整することと、
   ハンドシェイク情報に基づいて前記少なくとも１つのバッテリーユニットの直列・並列構造を調整することにより前記バッテリーモジュールによって受信される充電電圧と前記給電電圧との電圧差をプリセット電圧差値に維持し又はできる限り近づけるようにすることと、
   前記給電電圧を充電電圧に変換して、前記少なくとも１つのバッテリーユニットに対して充電を行うことと、を含み、
   前記バッテリーモジュールと前記給電モジュールは、最大電力モード又は最適効率モードで充電操作を行う電力伝送方法。
8. 前記バッテリーモジュールが前記最大電力モードで充電操作を行う工程は、
   前記給電モジュール、前記電力伝送モジュールと前記バッテリーモジュールの何れも操作可能な最大電力値に基づいて前記給電電圧を決めることと、
   前記給電電圧に基づいて前記少なくとも１つのバッテリーユニットの直列・並列構造を決めて、前記充電電圧と前記給電電圧との電圧差をプリセット電圧差値に維持し又はできる限りに近づけるようにすることと、
   を含む請求項７に記載の電力伝送方法。
9. 前記バッテリーモジュールが前記最適効率モードで充電操作を行う工程は、
   前記給電モジュール、前記電力伝送モジュールと前記バッテリーモジュールの各々の操作可能な電力範囲、電圧範囲及び電流範囲に基づいて前記少なくとも１つのバッテリーユニットの直列・並列構造を決めることと、
   前記給電モジュールから出力された前記給電電圧を動的に調整して、前記給電電圧と前記充電電圧との電圧差をプリセット電圧差値に維持するようにすることと、
   を含む請求項７に記載の電力伝送方法。
10. 前記給電電圧と前記充電電圧との電圧差が前記プリセット電圧差値に維持できない場合、前記給電モジュールから出力された前記給電電圧又は／及び前記少なくとも１つのバッテリーユニットの直列・並列構造を制御して、前記給電電圧と前記充電電圧との電圧差を前記プリセット電圧差値にできる限りに近づけるようにすることを更に含む請求項９に記載の電力伝送方法。

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