KR102506558B1 - 전기 시스템 인핸서 - Google Patents

Abstract

전기 시스템용 전기 시스템 인핸서로서, 전기 시스템은 화학 저장 배터리를 포함하며; 상기 인핸서는 울트라 커패시터들의 어레이 및 지능형 세류 충전 회로(intelligent trickle charge circuit)를 포함하고, 울트라 커패시터들의 어레이는 세류 충전 회로의 제어 하에서 화학 저장 배터리에 제어가능하게, 스위칭가능하게, 전기적으로 연결가능하다. 또한, 차량의 저장 배터리와 울트라 커패시터들의 어레이를 상호연결함으로써 차량 전기 시스템의 성능을 인핸싱하는 방법이 개시되며; 상기 울트라 커패시터들의 어레이는 지능형 세류 충전 회로에 의해 차량 전기 화학 저장 배터리에 제어가능하게, 스위칭가능하게 전기적으로 연결된다. 특히 바람직한 형태에서, 세류 충전 회로는 배터리와 세류 충전 회로 사이의 전기적 연결을 유지하면서, 미리 정의된 조건들 하에서 화학 저장 배터리를 울트라 커패시터들의 어레이에 연결하고 이로부터 연결해제하도록 프로그래밍된 마이크로프로세서를 포함한다.

Description

전기 시스템 인핸서{ELECTRICAL SYSTEM ENHANCER}

[001] 본 발명은 전기 전력 저장 시스템들에 관한 것이고, 보다 구체적으로 그러나 배타적이지 않게는, 차량(vehicle)의 전기 시스템을 필요에 따라 보충하거나 개선하도록 의도된 인핸서(enhancer) 모듈의 울트라 커패시터들 형성 부분의 사용에 관한 것이다.

[002] 때때로 슈퍼 커패시터 또는 이중-층 커패시터들로서 지칭되는 울트라 커패시터들은 종래의 커패시터들에 비해 매우 높은 에너지 밀도들 및 종래의 납 배터리들(lead acid batteries)에 비교될 때 매우 높은 전력 밀도를 가진 커패시터들이다 - 도 1 참조.

[003] 최근에, 자동차들에는 점점 더 많은 부수적인 전기 디바이스들, 이를테면 파워 윈도우(power window)들, 좌석, 위성 내비게이션, 고출력 오디오 시스템들, 안정성 제어 및 파워 스티어링(power steering)이 설치되고 있다. 이들 중 일부는 차량 엔진이 동작하지 않고 표준 차량 배터리가 교류 발전기(alternator)로부터 전하를 수신하지 않는 동안 활성화하거나 대기할 수 있다. 몇몇 진보된 럭셔리 차량들은 이제 이들의 추가적 전력 수요들을 다루기 위하여 짐칸(luggage compartment) 내에 무거운 큰 배터리의 설치를 요구한다.

[004] 이때 몇몇 동작 조건들에서는 차량의 스타터 모터를 유효하게 구동하기에 불충분한 배터리 용량이 있을 수 있다는 것은 종래의 차량 배터리의 단점이다.

[005] 종래의 차량 배터리들, 통상적으로 납 배터리들의 다른 단점은 주위 온도가 매우 낮을 때 용량이 손실되는 것이다. 이것은, 비교적 낮은 온도에서 용량 손실이 비교적 크지 않은 울트라 커패시터들과는 대조적이다.

[006] 종래의 배터리가 고갈된 차량의 시동을 돕기 위한 커패시터 저장 기술에 기초하는 부스터 팩(booster pack)들의 다양한 양상들을 커버하는 US 7,015,674호를 포함하여, Midtronics Inc.에 양도된 일련의 미국 특허들이 있다. 본 출원의 실시예들은 더 효율적인 어레인지먼트를 제공하고자 하고, 몇몇 양상들에서 현재의 전자 제어 차량들에 통합하기에 더 적합한 시스템을 제공하고자 한다.

[007] 현재 몇몇 차량들이 연료 효율성을 개선하는 수단으로서 단기간 동안 내연 엔진을 실제로 정지하는 경우가 있다. 또한 현재 몇몇 차량들이 전기 모터 보조를 가짐으로써 전기 모터가 차량을 추진하도록 기능하는 동안 내연 엔진이 정지되는 경우가 있다. 그 결과, 내연 엔진 시동 사이클들의 횟수가 증가가 차량의 내연 엔진의 시동을 위한 종래의 전기화학 배터리-기반 어레인지먼트들에 부가적으로 압력을 가하게 된다.

[008] 본 발명의 목적은 상기 단점들 중 몇몇을 처리하거나 적어도 개선하거나 유용한 대안을 제공하는 것이다.

주석들

[009] 용어 "포함하는"(및 이들의 문법적 변형들)은 "독점적 구성"의 배타적 의미가 아니고 "가지는" 또는 "포함하는"의 포괄적 의미로 본 명세서에서 사용된다.

[0010] 본 발명의 배경에서 종래 기술의 상기 논의는, 여기서 논의된 임의의 정보가 인용가능한 종래 기술 또는 임의의 나라의 당업자들의 공통된 일반적 지식의 부분이라는 것의 허용이 아니다.

정의들:

[0011] 이 명세서에서, 다음 용어들은 표시된 의미들을 갖는다:

[0012] 울트라 커패시터: 간혹 수퍼 커패시터 또는 이중-층 커패시터들로 지칭되는 울트라 커패시터들은 종래의 커패시터들에 비해 매우 높은 에너지 밀도들 및 종래의 전기 화학 배터리들, 예컨대 납 배터리에 비해 매우 높은 전력 밀도를 갖는 커패시터들이다. 이러한 특성들은 적절히 구성되고 크기가 정해질 때, 이들이 예컨대, 내연(IC) 엔진의 스타터 모터를 작동시키기에 충분한 높은 암페어 수의 전류의 버스트들을 낮은 내부 저항에서 단시간 기간 동안 전달할 수 있게 한다.

[0013] 종래의 배터리 또는 화학 저장 배터리: 어떠한 상당한 고유 용량성 저장 컴포넌트도 포함하거나 갖지 않는 전기 화학 저장 디바이스. 자동차 산업의 경우에는, 내연 엔진이 꺼졌을 때(그리고 이에 따라 내연 엔진에 의해 구동되는 교류 발전기가 구동되고 있지 않을 때) 차량의 전기 장치에 동력을 공급하기 위해 그리고 또한 스타터 모터의 동력 공급을 위해(어떤 경우든 교류 발전기 시스템이 제공하도록 설계된 것보다 상당히 더 많은 전류를 필요로 한다) 내연 엔진과 함께 배터리가 필요했다. 상당히 최근까지 대부분의 자동차 배터리들은 납 배터리 형태를 취했다. 이러한 배터리들은 비교적 높은 내부 저항을 나타낸다. 더욱이, 내부 저항은 배터리 상의 전하 및 배터리로부터 끌어내는 전류뿐 아니라 주위 환경들―예컨대, 온도와 상관적인 경향이 있다.

[0014] 이에 따라, 본 발명의 하나의 넓은 형태에서는, 전기 시스템을 위한 전기 시스템 인핸서가 제공되며, 전기 시스템은 화학 저장 배터리를 포함하고; 상기 인핸서는 울트라 커패시터들의 어레이 및 지능형 세류 충전(intelligent trickle charge) 회로를 포함하며; 상기 울트라 커패시터들의 어레이는 세류 충전 회로의 제어 하에서 화학 저장 배터리에 제어 가능하게, 스위칭 가능하게, 전기적으로 연결 가능하다.

[0015] 본 발명의 또 더 넓은 형태에서는, 차량의 화학 저장 배터리를 울트라 커패시터들의 어레이와 상호 연결함으로써 차량 전기 시스템의 성능을 향상시키는 방법이 제공되며; 상기 울트라 커패시터들의 어레이는 지능형 세류 충전 회로에 의해 차량 화학 저장 배터리에 제어 가능하게, 스위칭 가능하게 전기적으로 연결된다.

[0016] 본 발명의 또 더 넓은 형태에서는, 재충전 가능한 배터리 디바이스의 구성 방법이 제공되는데; 상기 재충전 가능한 배터리 디바이스는 제1 특성을 갖는 제1 재충전 가능한 전력원 및 상기 제1 특성과 상이한 제2 특성을 갖는 제2 재충전 가능한 전력원을 갖고; 상기 제1 재충전 가능한 전력원은 종래의 배터리를 포함하며; 상기 제2 재충전 가능한 전력원은 하나 이상의 울트라 커패시터들을 포함하고; 상기 방법은: 상기 하나 이상의 울트라 커패시터들을 입수하는 단계; 상기 종래의 배터리를 입수하는 단계; 세류 충전기 회로를 입수하는 단계; 적어도 상기 종래의 배터리 및 상기 하나 이상의 울트라 커패시터들을 상기 세류 충전기 회로와 기계적으로 연관시키고 전기적으로 상호 연결함으로써 상기 재충전 가능한 배터리 디바이스를 형성하는 단계를 포함하며,

[0017] 초기에 세류 충전기 회로는 초기 충전 시퀀스가 착수하게 될 때까지 배터리를 울트라 커패시터들로부터 분리되게 유지한다.

[0018] 본 발명의 또한 더 넓은 형태에서, 전기 시스템 인핸서 회로가 제공되고, 전기 시스템 인핸서 회로는, 하나 이상의 전기적으로 연결된 울트라 커패시터들의 어레이; 상기 커패시터들의 뱅크와 전기적으로 통신하는 세류 충전 회로; 세류 충전 회로에 의해 제어 가능한 전기 절연 스위치를 포함하고; 상기 커패시터들의 어레이는 상기 전기 절연 스위치를 통해 저장 배터리에 연결가능하고; 상기 전기 절연 스위치는, 상기 커패시터들의 어레이가 상기 세류 충전 회로에 의해 충전되는 동안에 상기 세류 충전 회로에 의해 개방 회로 조건으로 유지되고, 이로써 커패시터들의 어레이는 상기 커패시터들의 어레이의 세류 충전 동안에 상기 화학 저장 배터리로부터 분리되어 유지된다.

[0019] 본 발명의 또한 더 넓은 형태에서, 지정 애플리케이션에서의 화학 저장 배터리를, 결합된 화학 저장 배터리 및 울트라커패시터 결합체로 대체하는 방법이 제공되고, 상기 방법은, 지정 애플리케이션에 대한 배터리를 지정된 냉간 크랭킹 전류(CCA; Cold Cranking Amps) 등급에 있는 것으로 크기-결정하는 단계; 지정된 배터리 및 울트라커패시터 결합 CCA 등급을 산출하기 위해 지정된 CCA 등급으로부터 미리 결정된 조절 CCA 값을 감산함으로써 배터리 및 울트라 충전기 결합체에 대한 배터리를 크기-결정하고, 지정된 배터리 및 울트라커패시터 결합 CCA 등급에 따라 대체 결합된 배터리 및 울트라커패시터 결합체에 대한 배터리를 크기-결정하는 단계; 최대 전력 전달이 지정 애플리케이션에 대한 배터리의 최소한 전류 전달인 미리 결정된 시간 윈도우에 걸쳐 자신의 일관된 최대 전류 전달 능력에 따라 대체 배터리 및 울트라커패시터 결합체의 울트라 커패시터를 크기-결정하고, 대체된 배터리 및 울트라커패시터 결합체를 형성하기 위해 대체 배터리 및 상기 울트라커패시터 결합체를 전기적으로 연결하는 단계; 지정 애플리케이션으로부터 상기 배터리를 제거하고, 애플리케이션 내의 전기 연결에 의해 애플리케이션 내로 대체된 배터리 및 울트라커패시터 결합체를 대체하는 단계를 포함한다.

[0020] 바람직하게는, 세류 충전 회로는, 배터리와 세류 충전 회로 사이의 전기적 연결을 유지하면서, 미리 정의된 조건들 하에서 화학 저장 배터리를 울트라 커패시터들의 어레이에 연결하고 이로부터 연결해제하도록 프로그래밍된 마이크로프로세서를 포함한다.

[0021] 바람직하게는, 상기 세류 충전 회로는 세류 충전 회로와 통신하는 프로세서를 포함하고, 상기 전기 절연 스위치는, 화학 저장 배터리에 걸친 전압이 정상 충전 모드에서 미리 결정된 레벨에 있거나 이를 초과할 때, 스위치를 통한 전류 흐름을 허용하고, 이로써 화학 저장 배터리에 의한 상기 커패시터 어레이(또는 저장 배터리에 전기적으로 연결된 차량 전기 시스템)의 충전을 허용하다.

[0022] 바람직하게는, 울트라 커패시터들의 어레이는 10 F보다 더 큰 전체 어레이 커패시턴스를 갖는다.

[0023] 바람직하게는, 상기 화학 저장 배터리 및 울트라 커패시터들의 어레이는 전기적으로 상호연결된다.

[0024] 바람직하게는, 상기 울트라 커패시터들의 어레이의 울트라 커패시터들은 직렬로 상호연결된다.

[0025] 바람직하게는, 상기 울트라 커패시터들의 어레이의 울트라 커패시터들은 상기 화학 저장 배터리로부터 전하를 수신하고, 상기 전하는 마이크로프로세서 및 세류 충전 회로의 레귤레이터 모듈에 의해 변조된다.

[0026] 바람직하게는, 상기 울트라 커패시터들의 어레이의 각각의 울트라 커패시터는 개별적으로 충전된다.

[0027] 바람직하게는, 상기 울트라 커패시터들의 어레이의 울트라 커패시터들은 쌍들로 충전되고, 각각의 상기 쌍은 병렬로 상호연결된 커패시터들을 포함한다.

[0028] 바람직하게는, 상기 전기 시스템 인핸서는 상기 화학 저장 배터리와의 상호연결을 위해 개조(retro-fitted)된다.

[0029] 바람직하게는, 상기 전기 시스템 인핸서 및 상기 화학 저장 배터리는 전기적으로 상호연결되고, 공통의 인클로저(enclosure)에 싸여짐으로써 스마트 배터리를 형성한다.

[0030] 바람직하게는, 인핸서는 지정 애플리케이션에서 활용된다.

[0031] 바람직하게는, 지정 애플리케이션은 차량 애플리케이션이다.

[0032] 바람직하게는, 차량 애플리케이션은 내연 엔진을 포함하는 것이다.

[0033] 바람직하게는, 애플리케이션은 모터사이클 또는 소형 경량 패신저(passenger) 차량 또는 대형 패신저 차량 또는 트럭 애플리케이션 중 하나이다.

[0034] 바람직하게는, 울트라 커패시터 어레이 정격은 지정 애플리케이션과 상관적이다.

[0035] 바람직하게는, 애플리케이션은 1 L 이하의 내연 엔진을 갖는 모터바이크 애플리케이션이고, 대체 커패시터는 20 F 이상이고, 대체 배터리는 정격이 10 CCA 이상이고, 미리 결정된 조절 CCA 값은 적어도 50 CCA이다.

[0036] 바람직하게는, 애플리케이션은 2 L 이하의 내연 엔진을 갖는 소형 경량 패신저 차량 애플리케이션이고, 대체 커패시터는 60 F 이상이고, 대체 배터리는 정격이 50 CCA 이상이고, 미리 결정된 조절 CCA 값은 적어도 200 CCA이다.

[0037] 바람직하게는, 애플리케이션은 4 L 이하의 내연 엔진을 갖는 대형 경량 패신저 차량 애플리케이션이고, 대체 커패시터는 80 F 이상이고, 대체 배터리는 정격이 150 CCA 이상이고, 미리 결정된 조절 CCA 값은 적어도 350 CCA이다.

[0038] 바람직하게는, 애플리케이션은 8 L 이하의 내연 엔진을 갖는 트럭 차량 애플리케이션이고, 대체 커패시터는 100 F 이상이고, 대체 배터리는 정격이 200 CCA 이상이고, 미리 결정된 조절 CCA 값은 적어도 600 CCA이다.

[0039] 바람직하게는, 커패시터 어레이는 스위치를 통해 화학 저장 배터리에 전기적으로 연결되고, 상기 스위치는 어레이의 커패시터들의 세류 충전 동안에 회로를 개방하고, 이로써 커패시터 어레이는 화학 저장 배터리로부터 분리된 동안에 충전된다.

[0040] 바람직하게는, 상기 커패시터 어레이는 직렬 연결된 커패시터들을 포함한다.

[0041] 바람직하게는, 상기 어레이의 커패시터들은 슈퍼 커패시터들이다.

[0042] 바람직하게는, 상기 어레이의 커패시터들은 울트라 커패시터들이다.

[0043] 바람직하게는, 상기 어레이의 커패시터들은 듀얼 레이어 커패시터들을 포함한다.

[0044] 바람직하게는, 상기 커패시터 어레이는 적어도 2개의 직렬 연결된 커패시터들을 포함한다.

[0045] 바람직하게는, 상기 커패시터 어레이는 짝수의 커패시터들을 포함한다.

[0046] 바람직하게는, 상기 커패시터 어레이는 6개의 직렬 연결된 커패시터들을 포함한다.

[0047] 바람직하게는, 커패시터 어레이는 정격이 적어도 1 F이다.

[0048] 바람직하게는, 커패시터 어레이는 정격이 적어도 10 F이다.

[0049] 바람직하게는, 커패시터 어레이는 정격이 적어도 50 F이다.

[0050] 바람직하게는, 커패시터 어레이는 정격이 적어도 100 F이다.

[0051] 바람직하게는, 각각의 커패시터는 병렬로 연결되는 하나 이상의 커패시터들로서 형성될 수 있다.

[0052] 바람직하게는, 어레이를 구성하는 각각의 커패시터의 단자들이 다이오드 및 코일의 양단에 연결되며, 다이오드 및 코일은 직렬로 연결함으로써, 각각의 상기 커패시터가 직렬로 연결된 상태를 유지하면서 각각의 상기 커패시터의 분리식 충전을 허용한다.

[0053] 바람직하게는, 코일은 트랜스포머의 이차 코일이다.

[0054] 바람직하게는, 절연기 스위치가 직렬 연결된 커패시터 어레이와 직렬로 연결됨으로써, 직렬 연결된 커패시터 어레이를 상기 커패시터 어레이 양단에 연결되는 부하(load)로부터 분리시킨다.

[0055] 바람직하게는, 부하는 화학 저장 배터리를 포함한다.

[0056] 바람직하게는, 부하는 커패시터 어레이 양단과 병렬로 연결되는 화학 저장 배터리를 포함한다.

[0057] 바람직하게는, 부하는 커패시터 어레이 양단에 연결되는 합성 DC 부하를 포함한다.

[0058] 바람직하게는, 합성 DC 부하는 차량의 전기 시스템이다.

[0059] 바람직하게는, 릴레이 스위치가 부하와 배터리 사이에 배치되고 부하를 배터리로부터 그리고 인핸서로부터 제어가능하게 분리시키기 위해서 인핸서에 의해 제어가능하다.

[0060] 바람직하게는, 인핸서는 통신 모듈을 포함하고, 이로써, 화학 저장 배터리로부터 모니터링될 수 있는 적어도 화학 저장 배터리의 상태가 원격 위치로부터 모니터링될 수 있고 인핸서의 양상들이 원격 위치로부터 제어될 수 있다.

[0061] 바람직한 형태에서, 위에서 설명된 인핸서는 배터리 스택을 포함한다.

[0062] 바람직하게는, 배터리 스택은 개별 셀들로 이루어지며, 개별 셀들 각각은 상기 인핸서에 의해 별개로 제어가능하게 충전가능하다.

[0063] 바람직하게는, 배터리 스택은 상기 인핸서에 직렬로 연결되는 다이오드를 포함한다.

[0064] 바람직하게는, 위에서 설명된 인핸서는 외부 전원에 전기 접속이 해제가능하도록(releasably) 적응되는 내부 전력 공급 유닛(power supply unit)을 더 포함한다.

[0065] 바람직하게는, 외부 전원은 USB 전원이다.

[0066] 바람직하게는, 내부 전력 공급 유닛은 인핸서 동작들을 제어하는 프로세서와 통신한다.

[0067] 본 발명의 실시예들은 이제 첨부한 도면들을 참조하여 설명될 것이다.
[0068] 도 1은, 종래의 배터리들, 울트라 커패시터들 및 커패시터를 비교하는 에너지 밀도 대 전력 밀도의 그래프이다.
[0069] 도 2는, 통상적인 현재의 차량 납(lead acid) 배터리에 대한 충전 대 단자 배터리 전압 특징들의 표이다.
[0070] 도 3은, 상이한 특징들의 2개의 전력원들과 부하 사이에서 이용가능한 전력 흐름 관계들의 블록도이다.
[0071] 도 4는, 종래의 배터리의 일부를 형성하는 울트라 커패시터들 및 울트라 커패시터 결합체에 대한 충전 회로의 일 버전의 개략도이다.
[0072] 도 4a는 "스마트" 또는 인핸스드 배터리로서의 도 4의 회로의 애플리케이션이다.
[0073] 도 4b는 점프 스타터 또는 플러그-인 인핸서 모듈로서의 도 4의 회로의 애플리케이션이다.
[0074] 도 4c는 제조 시에 차량에 통합되는 도 4의 회로의 애플리케이션이다.
[0075] 도 5는, 종래의 배터리의 일부를 형성하는 울트라 커패시터들 및 무선 인터넷 접속 및/또는 GPS 위치 인식 능력을 추가적으로 포함하는 울트라 커패시터 결합체에 대한 충전 회로의 추가적인 버전의 개략도이다.
[0076] 도 6은 차량의 객실 내에서 인핸서 제어를 개시하기 위한 차량 온-보드 제어기의 개략적인 블록도이다.
[0077] 도 7은, 종래의 배터리의 일부를 형성하는 울트라 커패시터들 및 무선 인터넷 접속 및/또는 GPS 위치 인식 능력을 추가적으로 포함하고 근접장 라디오 통신 능력을 더 포함하는 울트라 커패시터 결합체에 대한 충전 회로의 추가적인 버전의 개략도이다.
[0078] 도 8은 이전에 설명된 실시예들 중 임의의 실시예에 따른 시스템의 실시예들에 대한 구축 블록을 형성하는 인핸서의 코어 모듈의 블록도이다.
[0079] 도 9는 도 8의 코어 모듈 상에 구축한 점프 시동 실시예이다.
[0080] 도 10은 외부에 위치된 배터리 스택들을 관리하기 위해 이용되는 코어 모듈의 블록도이다.
[0081] 도 11은 외부에 위치된 리튬 배터리 스택의 관리를 도시한 도 10의 코어 모듈의 블록도이다.

[0082] 도입 및 배경으로서, 도 1은, 통상적인 현대의 울트라 커패시터들의 전력 밀도가 현재의 종래의 배터리들의 전력 밀도보다 수십배 더 높다는 것을 그래픽적으로 도시한다. 한편, 현재의 종래의 배터리들의 에너지 밀도는 현재의 울트라 커패시터들의 에너지 밀도보다 10 또는 100배 더 높다.

[0083] 본 발명의 실시예들은, 이들 2개의 디바이스들 둘 모두가 전력 공급 시스템으로 전기적으로 통합되는 경우, 이들 2개의 디바이스들의 특징들을 결합 및 이용하기를 추구하며, 통상적으로 그러나 배타적이지 않게, 내연 엔진 또는 전기 모터와 함께 내연 엔진 중 어느 하나에 의해 배타적으로 전력 공급되는 경량 승용 차량 또는 트럭과 같은 차량에 대해 전력 공급 시스템이 설계된다.

[0084] 도 2는, 통상적인 현재의 차량 납 배터리에 대한 충전 대 단자 배터리 전압 특징들의 표이다. 통상적으로, 배터리 단자 전압에서의 비교적 작은 변화가 납 배터리의 충전 상태에서의 상당한 변화를 유도한다는 것이 관측될 것이다. 아래에서 설명될 본 발명의 실시예들은, 배터리 및 울트라 커패시터 결합의 결합된 전력원에 대해 제어 시스템에서 이러한 특징을 이용 또는 모니터링한다.

[0085] 도 3은 울트라 커패시터 뱅크(1)(비교적 큰 전력 밀도, 낮은 내부 저항 전력원을 표현함), 주 에너지 소스(2)(비교적 큰 에너지 밀도, 비교적 높은 내부 저항 소스를 표현함), 및 예컨대 차량용 부하(이에 제한되지 않음)에서 발견되는 부하(3)(부하는 높은 단기 전류 인출 요건들, 그러나 비교적 낮은 장기 전류 인출 요건들을 나타낼 수 있음)의 결합에 이용가능한 전력 흐름들을 블록도 형태로 예시한다.

[0086] 도 4를 참조하면, 바람직한 실시예에서, 모터 차량 전기 시스템(12)에 대한 전기 시스템 인핸서(10)는 차량(16)의 통상적인 화학적 저장 배터리(14)와 사용되도록 구성된다. 인핸서(10)의 울트라 커패시터들(20)의 어레이 또는 세트(18)는 통상적인 차량 저장 배터리(14) 및 차량 전기 시스템(12)과 병렬로 연결된다.

[0087] 바람직한 형태에서, 어레이(18)와 배터리(14) 사이의 연결은 스위치(19)를 포함하고, 이 스위치(19)에 의해, 어레이는 제어가능하게, 스위칭가능하게, 전기적으로 배터리에 연결되고 그리고 예컨대 차량 전기 시스템(12)에 연결될 수 있는 임의의 다른 부하에 연결된다.

[0088] 인핸서(10)는 지능형 세류 충전기 회로(22) 및 울트라 커패시터들(20)의 어레이(18)로 구성된다. 바람직한 어레인지먼트에서, 여섯 개의 울트라 커패시터들(20)의 어레이는 차량의 저장 배터리(14) 또는 전기 시스템(12)으로부터 지능형 세류 충전기 회로(22)의 제어 하에서 그리고 스위치(19)를 통해 전하를 수신한다.

[0089] 인핸서(10)에서 어레이(18) 내의 울트라 커패시터들(20)의 개수는, 차량 전기 시스템으로의 원하는 전달 전압 및 개별 커패시터들의 사양과 상관적이다. 예컨대, 15V의 원하는 전달 전압 및 2.5V 정격 울트라 커패시터들의 경우, 예시적 시스템(10)에서와 같이 직렬로 배열된 여섯 개의 커패시터들의 어레이가 요구된다.

[0090] 세류 충전기 회로(22)는, 이 세류 충전기 회로(22)가, 충전 프로세스의 제어를 위해 마이크로프로세서(24)(또는 유사한 프로그램가능 데이터-프로세싱 엘리먼트) 및 레귤레이터 모듈(26)을 포함하고, 그리고 각각의 울트라 커패시터(20)의 충전을 개별적으로 제공하거나, 또는 바람직한 어레인지먼트에서 울트라 커패시터들의 쌍별로(각각의 쌍은 병렬로 충전기에 연결됨) 충전을 제공한다는 점에서, 지능형이다.

[0091] 이 예시에서, 컨트롤러는, 예시된 바와 같이 절연 트랜스포머들(17)을 통해 별개로, 이상적으로는 또한 예시된 바와 같이 적어도 하나의 다이오드(21)를 통해 각각의 커패시터에 연결된다.

[0092] 이 어레인지먼트는, 각각의 커패시터가 비교적 낮은 전압 소스(이 예시에서, 약 2.5V)로부터 충전될 수 있어, 차량의 저장 배터리가 6V만큼 최소로 내려가더라도, 15V의 요구되는 전압 정격을 커패시터 어레이(18)에 제공하기 위해 직렬로 연결된 채로 유지되면서, 인핸서의 개별 울트라 커패시터들이 여전히 그들의 정격 커패시티로 충전될 수 있도록 한다.

[0093] 바람직한 동작 모드에서, 세류 충전기(22)가 커패시터 어레이(18)를 충전하고 있는 동안에 스위치(19)는 개방된 채로 유지되어, 이로써 배터리(14) 및 차량 전기 시스템(12)(연결된 경우)으로부터 어레이(18)가 연결해제된다. 이 전기적 절연은 뱅크(18)를 형성하는 개별 커패시터들(20)의 저전압 세류 충전을 허용한다. 이 어레인지먼트는 특히, 배터리(14)가 방전되게 되는 경우에 유리하다. 이 모드에서는, 본 명세서에서 추가로 설명되는 바와 같이, 릴레이 동작가능 스위치(27)가 설치된 경우, 릴레이 동작가능 스위치(27)도 차량 전기 시스템(12)으로부터 배터리(14)를 절연시키기 위해 개방 상태로 있을 수 있다.

[0094] 대안적으로, 이는, 커패시터들이 충전을 위해 서로 절연되고, 이후, 직렬로 재연결되는 기계적 스위칭 어레인지먼트에 의해 달성될 수 있다.

[0095] 충전 동안에 배터리로부터 커패시터들의 절연은 또한, 전체 커패시터 뱅크 양단의 전압이 배터리의 전압을 초과할 수 있도록 한다.

[0096] 자동차의 맥락에서 사용가능한 본 발명의 실시예들의 인핸서 시스템(10)은 전형적으로, 차량의 엔진을 점프 시동하기 위해 200 및 600 Amps 사이의 추가 전류 서지를 차량의 전기 시스템 및 스타터 모터, 앰플(ample)에 전달할 수 있도록 크기-결정된 울트라 커패시터들을 갖는다. 그 다음, 차량의 교류 발전기는 차량의 저장 배터리를 재충전할 수 있다.

[0097] 대부분의 경우들에서, 이 전력 서지는 (낮은 배터리가 단지 문제라고 가정하면) 제1 커패시터 전하 전달을 통해 엔진을 점프 시동할 것이다. 울트라 커패시터들은 일반적으로, 하나 초과의 전력 서지를 전달할 수 있다. 그러나, 차량의 크기(차량의 엔진의 크기)에 따라, 추가의 점프 시동 시도들이 요구되는 경우 울트라 커패시터들의 재-충전이 필요할 수 있다. 여기서, 울트라 커패시터들의 또 다른 중요한 이점은 재-충전하는데 수 분만큼 적은 시간이 걸릴 수 있다는 점에 있다.

[0098] 바람직한 형태에서, 전기 시스템 인핸서(10)는 예시되는 바와 같은 마이크로프로세서(24)로부터의 출력에 의해 제어되는 릴레이 동작가능한 스위치(27)를 포함한다. 상업적으로, 스위치(27)는 "스마트 스위치"라 칭해질 수 있다. 스위치(27)는 그것이 (이 예에서는, 배터리(14) 및 울트라 커패시터(20) 공급부 결합으로부터 먼쪽 상의) 모터 차량 전기 시스템(12)에 DC 공급부를 선택적으로 연결하도록 회로 내에 배치된다. 바람직한 형태에서, 스위치(27)는 종래의 배터리(14)에 걸쳐 감지되는 단자 전압이 미리 결정된 값 아래로 떨어지는 경우 모터 차량 전기 시스템(12)으로의 전기 공급부를 연결해제하도록 동작된다. 특정한 바람직한(그러나 제한적이지 않은) 형태에서, 전압은 12.2V DC로 또는 대략 12.2V DC로 세팅될 수 있다. 도 2를 참조하면, 이는 종래의 12V 정격 배터리(14)가 그 용량의 50% 이하의 충전 레벨에 있는 것에 대응한다는 것을 알 수 있다.

[0099] 특정한 형태에서, 마이크로프로세서(24)는 캔버스 I/O 제어기(28)와 통신한다. 이것은 차량 캔버스(30) 상에서 데이터로의 액세스를 제공하며, 마이크로프로세서(24)가 차량의 캔버스에 또한 연결되는 차량 내의 다른 디바이스들과 통신하게 허용한다. 전형적으로, 이것은 많은 주변 디바이스들 및 센서들과 함께 차량의 메인 차량 제어기(29)를 포함할 것이다.

[00100] CAN은 전자 제어 유닛들(또한 ECU들이라고 칭해짐)을 연결시키기 위한 멀티-마스터 브로드캐스트 시리얼 버스 표준 및 프로토콜이다. 특정한 바람직한 형태에서, 그것은 우선순위-기반 버스 중재를 포함한다. 우선순위-기반 버스 중재 시스템하에서, 메시지들에는 식별자들이 주어지고, 메시지들은 우선순위에 따라 랭킹된다. 그것은 US 5,448,180호, US 5,448,561호, US 5,539,778호, US 5,572,658호를 포함하는, Bosch에 양도된 다수의 US 특허들의 주제이다.

[00101] US 5,448,180호, US 5,448,561호, US 5,539,778호 및 US 5,572,658호의 전체 본문 및 도면들은 상호 참조에 의해 본원에 포함된다.

[00102] 바람직한 형태에서, 사용 중에, 릴레이(27)가 폐쇄되고, 그에 의해, 울트라 커패시터들(20)이 종래의 배터리(14)와 전기 통신하고, 그들은 함께 차량 전기 시스템(12)과 통신한다. 종래의 배터리(14)는 제1 특성을 갖는 제1 재충전가능한 전력원(40)를 포함하는 반면, 울트라 커패시터들(20)은 집합적으로 제2 특성을 갖는 제2 재충전가능한 전력원(41)를 포함한다(도 3 참조). 이 예에서, 2개의 전력원들은 전기 전력을 차량 전기 시스템(12)에 제공하기 위해 함께 작동한다. 이들은 또한, 특정한 환경들에서 차량 시스템(12)으로부터의 전류의 형태로 전력을 수신하기 위해 함께 작동한다. 전력 수신 모드에 있는 경우, 수신된 전력은 제1 재충전가능한 전력원을 포함하는 종래의 배터리(14)를 재충전하기 위해 그리고 또한 세류 충전기 회로(22)의 제어 하에서 제2 재충전가능한 전력원을 포함하는 울트라 커패시터들(20)을 재충전하기 위해 활용된다. 전력 플로우는 도 3에 광범위하게 예시되는 다수의 상이한 모드들 및 루트들을 채택할 수 있다.

제1 바람직한 실시예 - 스마트/인핸스드 배터리(도 4a)

[00103] 이러한 제1 바람직한 실시예에서, 전기 시스템 인핸서(10)는 울트라 커패시터들(20)의 어레이와 상호연결되는 세류 충전기(22)로 구성된다. 일반화된 도 4의 실시예와 관련하여 설명되는 바와 같이, 세류 충전기는 세류 충전기(22)의 마이크로프로세서(24) 및 레귤레이터 모듈(26)을 통해 울트라-커패시터들을 충전하기 위해 차량의 저장 배터리(14)로부터 전력을 인출한다.

[00104] 이러한 실시예에서, 저장 배터리(14), 울트라 커패시터 어레이(18) 및 세류 충전기(22)는 "스마트 배터리"를 형성하기 위해 공통 인클로저 내에 단일 통합 유닛(31)을 형성한다.

[00105] 위에서 유의된 바와 같이, 인핸서가 약 200 내지 600의 추가의 amps를 이용가능한 전력 전달에 추가할 수 있어서, 포함된 저장 배터리는 훨씬 더 작을 수 있다. 따라서, 이러한 어레인지먼트는 저장 배터리 컴포넌트에 의해 요구되는 유닛 내의 볼륨이 상당히 감소되도록 허용하여서, 통합 유닛의 사이즈가, 주어진 차량에 적합한 종래의 납 배터리의 사이즈보다 더 클 필요가 없거나 또는 단지 미미하게만 더 클 필요가 있다.

[00106] 스마트 배터리가 대체하는 화학 저장 배터리와 비교하여 스마트 배터리(31)의 화학 저장 배터리(14)를 크기-결정하기 위한 방법론이 채택될 수 있다. 대략적으로, 스마트 배터리(31)가 대체하는 화학 저장 배터리와 비교할 때, 스마트 배터리(31)로부터의 우수한 CCA(Cold Cranking Amps) 성능을 적어도 유지하면서 대체 배터리의 CCA 등급이 감소할 수 있다. 대체 배터리의 크기를 더 작게 하는 것은, 스마트 배터리가 대체하는 종래의 독립형 화학 저장 배터리와 동일한 물리적 볼륨을 스마트 배터리가 가질 수 있게 한다. 일부 예들에서, 대체 스마트 배터리 유닛이 대체하는 종래의 독립형 화학 저장 배터리와 비교하여 대체 스마트 배터리 유닛의 중량이 감소할 수 있다. 대체 배터리의 CCA 등급 감소 팩터를 포함하여 대체 화학 저장 배터리의 크기를 결정하기 위한 알고리즘이 개발될 수 있다. 상이한 적용기기(애플리케이션)들에 대한 연관된 총 커패시터 뱅크 사이즈와 함께 독립형의 종래의 배터리 및 대체 배터리의 가능한 통상의 크기 범위들이 아래의 표에서 주어진다.

[00107] 이 표로부터, 적용기기에 따라 감소 팩터가 대략 50 CCA가 되거나 또는 훨씬 더 높은 경향이 있음이 확인될 것이다.

[00108] 바람직한 형태의 트럭 애플리케이션의 내연 엔진은 디젤 내연(IC) 엔진일 수 있다.

제2 바람직한 실시예 - 플러그 인 인핸서 모듈/점프 스타터(도 4b)

[00109] 도 4b에 예시된 바와 같은 하나의 바람직한 어레인지먼트에서, 인핸서(10)는, 배터리 부족 문제를 가진 다른 차량을 점프 시동하는데 있어서의 인핸서(10)의 사용을 허용하기 위해 차량의 전기 시스템으로부터 용이하게 분리가능할 수 있다. 이러한 방식으로, 이는 도로변 지원 용도(roadside assistance use)에 특히 적합하다.

제3 바람직한 실시예 - OEM/차량 내 통합(도 4c)

[00110] 제3 바람직한 실시예에서, 인핸서 어셈블리(10)는 공장에서 자동차가 조립될 때 설치될 수 있다. 대안적으로, 인핸서 어셈블리(10)는 종래의 저장 배터리가 장착된 기존의 차량의 전기 시스템에 개조(retro-fit)될 수 있다. 이러한 개조는 공인 서비스 센터에서 차량 제조자의 사양에 따라 통상적으로 수행되는 "공장" 수리일 수 있다. 대안적으로, 개조는 제공된 설명들을 따라 차량 소유자에 의해 수행될 수 있다.

[00111] 도 5를 참조하면, 인핸서(10)의 기능은, 마이크로프로세서(24)와 통신하는 GPS 위치 모듈(32)의 포함에 의해 보완될 수 있다. 또한, 인핸서(10)는, 이동 전화 네트워크(34)를 통한 인터넷(35)으로의 통신을 위해, 마이크로프로세서(24)와 통신하는 GSM 모듈과 같은 무선 통신 모듈(33)을 포함할 수 있다. 이러한 어레인지먼트는, 예컨대, 마이크로프로세서(24)에 대한 소프트웨어 업데이트들의 다운로드 및 인핸서(10)의 추적을 허용하는 것과 같은, 인핸서(10)의 증가된 기능을 허용할 것이다. 그것은 또한, 예컨대, 인핸서 모듈(10) 및 더 일반적으로는 차량(16)의 예방적 서비스를 제공하는 것 및 유지보수 기록들의 목적을 위해, 인터넷(35)을 통한 배터리(14) 상태의 원격 위치들로의 통신을 허용할 수 있다.

구현

[00112] 시스템의 세류 충전기 회로(22)를 포함하는 인핸서(10)는, (12V 시스템에서) 배터리가 6V 정도로 낮은 상태로 방전된 경우라 하더라도, 차량의 저장 배터리(14)로부터 전력을 인출함으로써 시스템의 울트라 커패시터들을 충전한다. 울트라 커패시터 뱅크(18)는, 2분 또는 3분 내에 15V로 충전될 수 있으며, 이는 엔진을 시동하기 위한 전력의 서지를 제공하는 것을 가능하게 하고, 그 이후에, 교류발전기가 차량의 종래 저장 배터리를 정상적으로 충전한다. 따라서, 본 발명의 시스템은, 필요한 경우 큰 에너지 버퍼를 제공한다.

제조

[00113] 바람직한 형태들에서, 도 4a, 4b, 또는 4c 중 임의의 도면의 어레인지먼트들은 적어도, 세류 충전기 모듈을 갖는 커패시터 뱅크의 어셈블리를 포함한다.

[00114] 바람직한 형태들에서, 세류 충전기 및 더 상세하게는 세류 충전기의 조정기 모듈 부분은, SCR(silicon controlled rectifier)들 또는 MOSFET들과 같은 고 전류 용량 고체-상태 디바이스들의 이용을 포함할 것이다. 이들 디바이스들은, 애플리케이션에 의존하여 600A 내지 1000A의 피크 전류들을 핸들링할 수 있을 필요가 있을 것이다. 바람직한 형태들에서, 레귤레이터 모듈(26)은, 현재 상업적으로 이용가능한 LT3751 플라이 백(fly back) 제어기를 포함할 수 있다. 마이크로프로세서(24)는 PIC24F16KA101 저전력 소모 마이크로제어기를 사용하여 구현될 수 있다. 허가된 CANBUS 제어기 유닛들이 현재 상업적으로 이용가능하다.

울트라 커패시터 특성들의 개요

[00115] 20%의 성능 감소만으로 최대 500,000의 매우 높은 사이클 수명(cycle life),

[00116] 종래의 저장 배터리들의 충전/방전 메모리 효과들이 없음,

[00117] -400C 내지 +650C의 큰 동작 온도 범위,

[00118] 매우 긴 보관 수명(shelf life)으로 충전되지 않은 채 저장될 수 있음.

[00119] 역극성(Reverse polarity) 보호,

[00120] 고체 상태 컴포넌트들, 움직이는 부분들이 전혀 없어서 마모가 더 적음,

[00121] 경량, 본 발명의 인핸서 어셈블리는 700g 미만일 수 있음,

[00122] 신호 차단을 방지함으로써 차량 오디오 시스템 성능을 개선할 수 있음.

앞서 설명된 시스템의 추가적인 실시예들이 이제 설명될 것이다.

객실 제어 실시예

[00123] 도 6은 차량(16)의 객실(43) 내에서 인핸서 제어를 개시하기 위한 차량 온-보드 제어기(42)의 개략적인 블록도이다.

[00124] 이러한 예시에서, 차량 온-보드 제어기(42)는, 메모리(45)와 통신하고 그리고 일 형태에서는 무선 송신기 수신기(46)와 통신하는 마이크로프로세서(44)를 포함한다. 일 형태에서, 프로세서(44)는 차량 CANBUS(30)와 통신한다.

[00125] 마이크로프로세서(44)는, 바람직하게는 대시보드 탑재형(dashboard mounted) 스위치(47)로부터 입력을 수신한다. 마이크로프로세서(44)는 또한, 대시보드 탑재형 디스플레이(48)와 통신할 수 있다. 추가적인 특정한 형태에서, 대시보드 탑재형 디스플레이(48)는, 스위치(47)의 기능이 그에 포함될 수 있는 터치 감응식 스크린일 수 있다.

[00126] 메모리(45)는, 프로세서(44)를 작동시키기 위한 코드 프로그램들을 포함하는데, 이에 의해, 낮은 배터리 전압 조건이 검출되는 경우에, 드라이버에 의한 액츄에이션에 따라, 인핸서(10)로 하여금 울트라-커패시터 충전 모드로 들어가게 하기 위해, 스위치(47)가 활성화되며, 이에 의해, 울트라-커패시터들(20)의 뱅크(18)가 차량의 스타터 모터(도시되지 않음)에 전력을 공급하기에 충분한 전압 및 커패시티를 갖기에 충분한 전형적으로 1 내지 5분 기간에 걸쳐서 울트라-커패시터(20)를 제어 가능하게, 선택적으로 충전하는 데에 차량 배터리(14)로부터의 충전이 활용된다.

[00127] 객실(43) 내의 마이크로프로세서(44)와 인핸서(10)(전형적으로, 차량(12)의 엔진 베이 내에 장착됨) 사이의 통신은, 인핸서(10)의 대응하는 무선 모듈(49)(도 7 참조)과 통신하는 무선 송수신기(46)를 통하거나, 또는 캔버스(30)(도 4c 참조)를 통한다(또는 도 5를 참조하면, 차량(16)의 캔버스(30)와 통신하는 캔버스에 분리 가능하게, 연결 가능하게 인핸서(10)가 배치 가능한 캔버스 커넥터(50)를 통한다).

근거리 무선 제어 실시예

[00128] 도 7은, 종래의 배터리의 부분을 형성하는 울트라 커패시터들 및 무선 인터넷 연결성 및/또는 GPS 위치 인식 능력을 더 통합하고, 근거리 무선 통신 능력을 더 포함하는 울트라 커패시터 결합체를 위한 충전 회로의 추가적인 버전의 개략도이다. 도 7에 도시된 실시예는 도 5와 관련하여 설명된 모든 피쳐들을 통합하지만, 본 예에서는, GPS 유닛(32) 및 GSM 유닛(33) 대신에 또는 부가적으로, 근거리 무선 통신을 위해 이루어진 무선 모듈(49)을, 예컨대, 차량(16) 내에 위치된 온보드 제어기와 통합한다. 근거리 무선 통신은 블루투스 기술 또는 Wi-Fi 기술 또는 현재 이용 가능한 NFC 기술에 기초할 수 있다.

지능형 제어 실시예

[00129] 도 8은, 앞서 설명된 실시예들 중 임의의 실시예에 따른 시스템의 실시예들을 위한 빌딩 블록을 형성하는, 인핸서(10)의 코어 모듈의 블록도이다. 이러한 예에서, 마이크로프로세서(24)는 다음과 같은 기능들을 포함하도록 포함하도록 프로그래밍된다:

a. 차량(16) 및/또는 외부 모니터링 권한에 알림을 경고함.

b. 외부 모니터링 권한에 의한 인핸서(10)(그리고 따라서, 차량(16))의 트랙킹.

c. 인핸서(10)를 절연시키는 것을 포함하여, 인핸서(10)를 제어하기 위해, 예컨대, 외부 모니터링 권한에 의한 원격 액세스.

d. 몇몇 실시예들에서, 외부 모니터링 권한과 통신하기 위해, 무선 통신 모듈(33)과 함께 동작(예컨대, GSM 네트워크를 통해 동작)하기 위해 SIM이 요구될 것이다.

점프 시동 실시예

[00130] 도 9는, 도 8의 코어 모듈 상에 빌딩된 점프 시동 실시예이다.

[00131] 이러한 경우에, 인핸서(10)는, 울트라-커패시터 뱅크(18)를 충전하기에 충분한, 결과적으로, 울트라-커패시터(20)가 적어도 하나의 시동 사이클 동안 차량(16)의 스타터 모터(미도시)에 전력을 공급하기에 충분한 용량을 갖는 내부의 통상적인 배터리 팩(51)을 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 차량 저장 배터리(14)는 차량(16) 내에서 별개로 유지된다. 인핸서(10)의 이러한 점프 시동 버전은 편리하게, 차량 글러브 컴파트먼트 또는 유사한 것 내에 수용될 수 있고, 배터리(14)가 '점프 시동'을 요구하는 경우에 배티러(14)의 단자들에 대한 해제가능한 전기적인 부착을 허용하기 위한 작은 앨리게이터 클립들(52)을 포함할 것인 별개의 독립형 유닛으로서 제공될 수 있다. 계산들은, 다수의 라이트 차량들을 위한 배터리 팩(51)이, 점프 시동 유닛에 의해 공급될 수 있거나 또는 필요한 경우에 새로 구입될 수 있는 2개, 3개, 또는 4개의 AA 사이즈의 배터리들을 포함할 수 있다는 것을 나타낸다.

외부 배터리 스택 관리 실시예

[00132] 도 10은, 외부 또는 내부에 위치된 배터리 스택들을 관리하기 위해 활용되는 인핸서(10)의 코어 모듈의 블록도이다.

[00133] 인핸서(10)의 충전 제어 부분들, 특히 다수의 독립적으로 구동되는 절연기 트랜스포머들(17)의 모듈화 성질은, 커패시터 어레이(18)의 개별적인 울트라 커패시터 셀들(20)과 마찬가지로, 배터리 팩(51)의 개별적인 셀들(53)을 제어가능하게 충전하기 위해 활용될 수 있다.

[00134] 이러한 배열은, 차량 저장 배터리(14)를 완전히 독립적으로 동작시킬 수 있는 인핸서(10)를 제공하는 이점과 함께 사용될 수 있다. 대안적인 시나리오들에서, 이러한 배열은 차량 배터리(14) 대신에 동작될 수 있다.

리튬 배터리 스택 관리 실시예

[00135] 도 11은, 각각 별개의 절연 트랜스포머(17)에 걸쳐 연결된 다수의 리튬 배터리 셀들(56)로 구성된 외부 또는 내부에 위치된 리튬 배터리 스택(55)의 관리를 도시하는, 도 10의 코어 모듈의 블록도이다. 절연 트랜스포머(17)는 차례로, 마이크로프로세서(24)의 제어 하에서 레귤레이터(26)에 의해 구동된다.

[00136] 이러한 배열은 리튬 배터리 스택(55)을 구성하는 셀들(56)의 개별적인 충전을 허용한다. 이러한 경우에, 도 11에서 예시된 바와 같이 절연 다이오드(57)가 포함되고, 그에 의해, 인핸서(10) 외부의 전기적인 소스들에 의해 영향을 받고/충전되는 것으로부터 리튬 배터리 스택(55)을 절연시킨다.

[00137] 커패시터 뱅크(18) 및 리튬 배터리 스택(55) 양자 모두가 하나의 인핸서(10)에 의해 제어되는 형태들에서, 요구되는 바와 같은 별개의 제어가능한 충전을 허용하기 위해, 스택과 뱅크 사이에 부가적인 스위칭이 필요할 수 있다.

[00138] 바람직한 형태에서, 리튬 셀들이 매우 약한 상태에 있는 경우를 제외하고, 리튬 스택은 커패시터 뱅크가 계속 충전되게 한다.

[00139] 특정한 바람직한 형태에서, 스택(55)은, 각각 3.6 내지 4.2 볼트 정격의, 그리고 30 내지 80 퍼센트의 충전 사이클 범위 상에서 동작하는 4개의 리튬 셀들로 구성될 수 있다.

[00140] 특정한 형태에서, 인핸서(10)는, 차량 저장 배터리(14) 이외의(또는 그에 대한 대안으로서의) 외부 전력원(59)로부터 전력을 수용하도록 구성된 내부 전력 공급 유닛(58)을 더 포함한다. 특정한 바람직한 형태에서, 외부 전력원(58)는, 소켓(60)을 통해 인핸서(10)에 해제가능하게 연결될 수 있는 USB 전력원이다. 전력의 이러한 외부 소스는, 낮은 레벨로부터의 배터리 스택(55)의 초기 충전 또는 후속 재충전을 위한 전력원을 제공하는 이점과 함께 사용될 수 있다.

[00141] 특정 형태에서, 내부 전력 공급 유닛(58)은 마이크로프로세서(24)에 의해 제어되고 이로써 레귤레이터(26)를 통해 인핸서(10)의 충전 동작들이 동시 발생하게 된다.

[00142] 특정 형태에서, 레귤레이터(26)는 스위칭형 레귤레이터이다. 매우 특정한 형태에서, 커패시터 뱅크(18) 또는 배터리 스택(55)의 충전은 레귤레이터(26)의 간단한 온/오프 사이클링을 통해 달성된다.

[00143] 배터리 스택(55)이 리튬 배터리 기술을 이용하는 이러한 특정 형태로 설명되었지만, 니켈 수소 및, 실제 납(lead acid)을 포함하는 다른 형태들의 재충전가능 배터리 기술이 이용될 수 있다.

[00144] 따라서 자동차의 전기 시스템에 울트라 커패시터의 통합은 다수의 장점을 갖는다. 본 발명의 울트라 커패시터 어레이의 매우 높은 전력 밀도는, 자동차의 저장 배터리가 그렇게 할 수 없는 조건들하에서 차량 스타터 모터를 구동시키기 위해 600Amps까지의 안정적인 추가적인 전력원을 제공한다.

[00145] 단일 전력 공급 유닛 내에 울트라 커패시터 어레이 및 제어 모듈을 갖는 화학 저장 배터리를 통합하는 것은, 기존의 납 배터리가 차량을 시동하고 작동시키기 위한 충분한 전력의 제공을 실패했을 수 있는 조건들하에서 보다 큰 신뢰성을 갖는 인핸스드 차량 전기 시스템을 제공한다.

Claims (216)

1. 내연 엔진을 갖는 차량으로서,
   상기 차량은 제1 저장 배터리를 갖고, 상기 내연 엔진은 전기 시스템에 대한 전기 시스템 인핸서(enhancer)로부터의 전력의 공급에 의해 시동되고, 상기 전기 시스템은 제2 저장 배터리를 포함하고,
   상기 전기 시스템 인핸서는 울트라 커패시터들의 어레이 및 지능형 세류 충전 회로를 포함하고,
   상기 울트라 커패시터들의 어레이는 상기 세류 충전 회로의 제어 하에 상기 제2 저장 배터리에 제어-가능하게, 스위칭-가능하게, 전기적으로 연결가능하여, 제2 저장 배터리 및 울트라 커패시터 어레이 결합체를 형성하고,
   상기 제2 저장 배터리 및 울트라 커패시터 어레이 결합체는 다음의 단계들:
   상기 제1 저장 배터리의 냉간 크랭킹 전류(CCA; cold cracking amps) 등급(rating)을 특정된 CCA 등급으로서 결정하는 단계;
   제2 저장 배터리 및 울트라 커패시터 어레이 결합체의 특정된 CCA 등급을 산출하기 위해, 상기 제1 저장 배터리의 특정된 CCA 등급으로부터 미리 결정된 CCA 등급 값을 감산(substract)함으로써 상기 제2 저장 배터리의 CCA 등급을 결정하는 단계;
   미리 결정된 시간 윈도우 동안 지속되는 최대 전류 전달 능력에 따라 상기 제2 저장 배터리 및 울트라 커패시터 어레이 결합체의 울트라 커패시터 어레이의 최대 전류 전달을 결정하는 단계 ― 상기 미리 결정된 시간 윈도우 동안 상기 최대 전류 전달은 적어도 상기 차량에 대한 상기 제1 저장 배터리의 최대 전류 전달이고, 상기 울트라 커패시터 어레이의 전류 등급(current rating)이 미리 결정된 시간 윈도우 동안 지속되는 최대 전류 전달 능력으로서 정의됨 ―;
   상기 제2 저장 배터리 및 울트라 커패시터 어레이 결합체를 형성하기 위해 상기 제2 저장 배터리와 울트라 커패시터 어레이를 전기적으로 연결하는 단계; 및
   상기 제2 저장 배터리 및 울트라 커패시터 어레이 결합체를 상기 차량에 전기적으로 연결함으로써, 상기 제1 저장 배터리 대신에 상기 제2 저장 배터리 및 울트라 커패시터 어레이 결합체를 상기 차량 내로 대체하여 넣는 단계
   에 의해 결정되는,
   차량.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 저장 배터리는 상기 단계들 동안 상기 차량 내에 위치하는,
   차량.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제1 저장 배터리는 상기 단계들 이전에 상기 차량 내에서 사용된 것인,
   차량.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제2 저장 배터리 및 울트라 커패시터 어레이 결합체는 통신 모듈을 더 포함하고, 이에 의해, 적어도 상기 제2 저장 배터리의 상태가 원격 위치로부터 모니터링될 수 있고, 그리고 상기 제2 저장 배터리 및 울트라 커패시터 어레이 결합체의 양상(aspect)들이 상기 원격 위치로부터 제어될 수 있는,
   차량.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제2 저장 배터리 및 울트라 커패티서 어레이 결합체와 통신하는 엔진 컨트롤러를 결합하여 포함하고,
   상기 엔진 컨트롤러는 스탑-스타트 기능을 가짐으로써, 상기 차량의 내연 엔진은 공회전(idle)하기 보다는 상기 엔진 컨트롤러에 의해 정지하게 되고, 상기 내연 엔진은 실질적으로 상기 제2 저장 배터리 및 울트라 커패시터 어레이 결합체로부터의 전력의 공급에 의해 재시동되는,
   차량.
6. 제1항에 있어서,
   상기 세류 충전 회로는, 상기 제2 저장 배터리와 상기 세류 충전 회로 사이의 전기적 연결을 유지하면서, 미리 정의된 조건들 하에서 상기 제2 저장 배터리를 상기 울트라 커패시터 어레이에 연결하고 그리고 울트라 커패시터 어레이로부터 연결해제하도록 프로그래밍된 마이크로프로세서를 포함하는,
   차량.
7. 제6항에 있어서,
   상기 세류 충전 회로는 전기 절연 스위치를 포함하고,
   상기 제2 저장 배터리에 걸린 전압이 정상 충전 모드의 미리 결정된 레벨에 있거나 이를 초과할 때, 상기 전기 절연 스위치는 상기 전기 절연 스위치를 통하는 전류 흐름을 허용하여, 상기 제2 저장 배터리에 의한 또는 상기 제2 저장 배터리에 전기적으로 연결된 차량 전기 시스템에 의한 상기 울트라 커패시터 어레이의 충전을 허용하는,
   차량.
8. 제1항에 있어서,
   상기 울트라 커패시터 어레이는 10F보다 큰 전체(total) 어레이 커패시턴스를 갖는,
   차량.
9. 제1항에 있어서,
   상기 제2 저장 배터리와 상기 울트라 커패시터 어레이는 전기적으로 상호연결되는,
   차량.
10. 제1항에 있어서,
    상기 울트라 커패시터 어레이의 울트라 커패시터들은 직렬로 상호연결되는,
    차량.
11. 제6항에 있어서,
    상기 울트라 커패시터 어레이의 울트라 커패시터들은 상기 제2 저장 배터리로부터의 전하(charge)를 수신하고, 상기 전하는 상기 세류 충전 회로의 마이크로프로세서 및 레귤레이터(regulator) 모듈에 의해 변조(modulate)되는,
    차량.
12. 제1항에 있어서,
    상기 울트라 커패시터 어레이의 각각의 울트라 커패시터는 개별적으로 충전되는,
    차량.
13. 제1항에 있어서,
    상기 울트라 커패시터 어레이의 울트라 커패시터들은 뱅크별로(in banks) 충전되는,
    차량.
14. 제1항에 있어서,
    상기 전기 시스템 인핸서는 상기 제2 저장 배터리와의 상호연결을 위해 개조(retro-fit)되는,
    차량.
15. 제1항에 있어서,
    상기 전기 시스템 인핸서 및 상기 제2 저장 배터리는 전기적으로 상호연결되고 공통의 인클로저 내에 싸여짐으로써 스마트 배터리를 형성하는,
    차량.
16. 제1항에 있어서,
    상기 울트라 커패시터 어레이는 스위치를 통해 상기 제2 저장 배터리에 전기적으로 연결되고,
    상기 스위치는 상기 울트라 커패시터 어레이의 울트라 커패시터들의 세류 충전 동안 회로를 개방하여, 상기 울트라 커패시터 어레이가 상기 제2 저장 배터리로부터 분리된(isolated) 상태로 충전되는,
    차량.
17. 제1항에 있어서,
    상기 제2 저장 배터리와 부하 사이에 릴레이 스위치가 배치되고, 상기 릴레이 스위치는 상기 제2 저장 배터리로부터 그리고 상기 전기 시스템 인핸서로부터 상기 부하를 제어가능하게 절연시키도록 상기 전기 시스템 인핸서에 의해 제어가능한,
    차량.
18. 지정된 적용기기(desginated application)에서 제1 저장 배터리를, 제2 저장 배터리 및 울트라 커패시터 어레이의 결합체로 대체하는 방법으로서,
    상기 지정된 적용기기에 대한 상기 제1 저장 배터리의 냉간 크랭킹 전류(CCA; cold cracking amps) 등급을 특정된 CCA 등급으로서 결정하는 단계;
    특정된 제2 저장 배터리 및 울트라 커패시터 어레이 결합체 CCA 등급을 산출하기 위해, 상기 제1 저장 배터리의 상기 특정된 CCA 등급으로부터 미리 결정된 CCA 등급 값을 감산함으로써 상기 제2 저장 배터리의 CCA 등급을 결정하는 단계;
    미리 결정된 시간 윈도우 동안 지속되는 최대 전류 전달 능력에 따라 상기 제2 저장 배터리 및 울트라 커패시터 어레이 결합체의 울트라 커패시터 어레이의 최대 전류 전달을 결정하는 단계 ― 상기 미리 결정된 시간 윈도우 동안 상기 최대 전류 전달은 적어도 상기 지정된 적용기기에 대한 상기 제1 저장 배터리의 최대 전류 전달이고, 상기 울트라 커패시터 어레이의 전류 등급이 미리 결정된 시간 윈도우에 걸쳐 지속되는 최대 전류 전달 능력으로서 정의됨 ―;
    상기 제2 저장 배터리 및 울트라 커패시터 어레이 결합체를 형성하기 위해 상기 제2 저장 배터리와 울트라 커패시터 어레이를 전기적으로 연결하는 단계; 및
    상기 제2 저장 배터리 및 울트라 커패시터 어레이 결합체를 상기 적용기기에 전기적으로 연결함으로써, 상기 제1 저장 배터리 대신에 상기 제2 저장 배터리 및 울트라 커패시터 어레이 결합체를 상기 적용기기 내로 대체하여 넣는 단계
    를 포함하는,
    방법.
19. 제18항에 있어서,
    상기 지정된 적용기기는 차량이고, 상기 제1 저장 배터리는 상기 단계들 동안 차량 내에 위치하는,
    방법.
20. 제19항에 있어서,
    상기 제1 저장 배터리는 상기 단계들 이전에 상기 차량 내에서 사용된 것인,
    방법.
21. 제18항에 있어서,
    상기 제2 저장 배터리 및 울트라 커패시터 어레이 결합체는 통신 모듈을 더 포함하고, 이에 의해, 적어도 상기 제2 저장 배터리의 상태가 원격 위치로부터 모니터링될 수 있고, 그리고 상기 제2 저장 배터리 및 울트라 커패시터 어레이 결합체의 양상들이 상기 원격 위치로부터 제어될 수 있는,
    방법.
22. 제21항에 있어서,
    상기 제2 저장 배터리 및 울트라 커패시터 어레이 결합체는 세류 충전 회로를 더 포함하고,
    상기 세류 충전 회로는, 상기 제2 저장 배터리와 상기 세류 충전 회로 사이의 전기적 연결을 유지하면서, 미리 정의된 조건들 하에서 상기 제2 저장 배터리를 상기 울트라 커패시터 어레이에 연결하고 그리고 울트라 커패시터 어레이로부터 연결해제하도록 프로그래밍된 마이크로프로세서를 포함하는,
    방법.
23. 제22항에 있어서,
    상기 세류 충전 회로는 전기 절연 스위치를 포함하고,
    상기 전기 절연 스위치는, 상기 제2 저장 배터리에 걸린 전압이 정상 충전 모드의 미리 결정된 레벨에 있거나 이를 초과할 때, 상기 전기 절연 스위치를 통한 전류 흐름을 허용하여, 상기 제2 저장 배터리에 의한 또는 상기 제2 저장 배터리에 전기적으로 연결된 차량 전기 시스템에 의한 상기 울트라 커패시터 어레이의 충전을 허용하는,
    방법.
24. 제18항에 있어서,
    상기 울트라 커패시터 어레이는 10F보다 큰 전체(total) 어레이 커패시턴스를 갖는,
    방법.
25. 제18항에 있어서,
    상기 제2 저장 배터리와 상기 울트라 커패시터 어레이는 전기적으로 상호연결되는,
    방법.
26. 제18항에 있어서,
    상기 울트라 커패시터 어레이의 울트라 커패시터들은 직렬로 상호연결되는,
    방법.
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