KR20140130232A - 커패시터와 배터리 컴비네이션 - Google Patents

커패시터와 배터리 컴비네이션 Download PDF

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KR20140130232A
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타카오 심보리
미카엘 세터버그
프리야 벤델
톰 도허티
일야 카민스키
로버트 솨우 린즈
하 큐 헝
존 미카엘 밀러
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Abstract

이 공보는 결합된 배터리/커패시터 에너지 저장 디바이스에 대한 시스템, 방법, 및 장치를 제공한다. 이 디바이스는 제1 디바이스 단자, 제2 디바이스 단자, 제1 단자와 제2 단자 사이에 연결된 배터리, 및 상기 배터리와 병렬 연결된 커패시터를 포함한다. 하나의 실시예 속에서, 상기 제1 단자와 상기 커패시터 사이에 정류기가 연결되어 있고, 상기 정류기는 전류의 흐름이 상기 제1 단자에서 상기 커패시터로 실질적으로 단일 방향으로 흐르게 설정되어 있다. 또 다른 하나의 실시예 속에서, 상기 커패시터와 상기 제1 단자 사이에 스위치가 있다. 또 다른 하나의 실시예 속에서, 상기 제1 단자와 상기 커패시터 사이에 전류 리미터가 확장된다. 또 다른 하나의 실시예 속에서, 상기 디바이스는 통합된 배터리 하우징 부분과 커패시터 하우징 부분을 포함하는 하우징을 포함한다. 또 다른 실시예 속에서, 버스 바 시스템은 상기 배터리, 상기 커패시터 및 상기 단자들을 전기적으로 연결한다.

Description

커패시터와 배터리 컴비네이션{CAPACITOR AND BATTERY COMBINATION}
본 발명은 일반적으로 결합된 커패시터와 배터리 컴비네이션과 관련이 있고, 그러한 컴비네이션들을 만들고 사용하는 방법에 대해 관련이 있다.
배터리 또는 커패시터가 포함된 그러한 시스템들과 같은, 많은 서로 다른 유형의 에너지 저장 시스템들이 알려져 있다. 이러한 통상적인 에너지 저장 시스템은 자동차의 스타터와 같이 다른 디바이스에 전력을 제공하기 위해 실행된다.
통상적인 자동차 배터리들은 몇몇의 제한을 가지고 있다. 하나의 제한은 배터리의 충전 효율이 제한되는 것이고, 따라서 감소된 충전 성과를 경험하게 되거나 또는 주어진 횟수의 충전/방전 순환 이후에는 그것의 충전 능력을 완전히 잃게 된다. 예를 들어, 전기에서 가스 파워로 적응시키기 위해 스타터를 규칙적으로 작동시키는 하이브리드 자동차와 같이, 엔진을 규칙적으로 키고 끄는 자동차에서 사용될 때, 배터리의 순환효율이 감소할 것이다. 배터리의 순환 효율은 아래 설명될 것처럼, 몇몇의 온도 조건에도 또한 영향을 받을 것이다. 하이브리드 자동차와 자동차가 내연기관과 함께 여기에서 언급되는 동안, 여기에서 묘사되는 다른 자동차 또는 자동차가 아닌 시스템 안의 실시 예들이 이용될 것을 알 수 있을 것이다.
배터리들은 몇몇의 서로 다른 측정들을 사용하여 등급이 매겨진다. 예를 들면, Cold Cranking Amps("CCA")는 배터리 산업에서 저온에서 엔진을 시동 걸 수 있는 배터리의 능력을 정의하기 위해 사용되는 등급이다. 상기 등급은 12V 배터리가 최소 7.2V의 전압을 유지하면서, 새로운 완전히 충전된 배터리가 0℉에서 30초간 전달할 수 있는 암페어의 숫자를 말한다. 더 높은 CCA 등급일 수록, 상기 배터리의 시동 전력이 더 좋은 것이다.
"CA"라는 용어는 Cranking Amps를 의미하고, 배출 부하를 Amperes로써 기술하기 위해 사용되고, 새로운 완전히 충전된 배터리가 32℉(0℃)에서 단자 전압을 셀 당 1.2V 이상으로 유지하면서 30초간 연속적으로 전달하는 것을 말한다. 때때로는 Marine Cranking Amps로 일컬어 진다. 게다가, 용어 Reserve Capacity("RC")는 이용할 수 없는 교류발전기 또는 팬 벨트와 함께 배터리가 자동차에 동력을 공급하는 능력을 정의하기 위해 사용되는 용어이다. 상기 등급은 80℉에서 배터리가 25 amps를 방전하고, 12V 배터리가 10.5V를 유지하는 분의 수이다. 더 높은 비축 등급을 가질 수록, 교류발전기 또는 팬 벨트가 고장 난 경우에 자동차가 더 길게 작동할 수 있다.
이 공보의 시스템들, 방법들 그리고 디바이스들은 각각 몇몇의 혁신적인 특징들을 가지고, 이런 특징들 중 어느 하나라도 여기에서 공개된 바람직한 속성들에 대해서만 원인이 되는 것은 아니다.
이 공보에서 기술되는 주제들 중 혁신적인 하나의 특징은 에너지 저장 디바이스에서 실행될 수 있다. 상기 에너지 저장 디바이스는 제1 디바이스 단자와 제2 디바이스 단자를 가진다. 상기 에너지 저장 디바이스는 상기 제1 단자와 제2 단자 사이에 연결된 배터리를 포함한다. 상기 에너지 저장 디바이스는 상기 배터리와 병렬 연결된 커패시터를 포함한다. 상기 에너지 저장 디바이스는 상기 제1 단자와 상기 커패시터 사이에 연결된 정류기(Rectifier)를 포함한다. 상기 정류기는 상기 제1 단자에서 상기 커패시터로 실질적으로 단일방향의 전류 흐름을 가능하게 설정되어 있다.
이 공보에서 기술되는 주제들 중 다른 하나의 혁신적인 특징은 에너지 저장 디바이스에서 실행될 수 있다. 상기 에너지 저장 디바이스는 제1 디바이스 단자와 제2 디바이스 단자를 포함한다. 상기 에너지 저장 디바이스는 제1 단자와 제2 단자 사이에 연결된 배터리를 포함한다. 상기 에너지 저장 디바이스는 상기 배터리에 병렬 연결된 커패시터를 포함한다. 상기 에너지 저장 디바이스는 상기 커패시터와 상기 제1 단자 사이에 제1 스위치를 포함한다. 상기 제1 스위치는 상기 커패시터와 상기 제1 단자 사이에 전기적 통신을 선택적으로 제어하기 위해서 설정되어 있다.
이 공보에서 기술되는 주제들 중 다른 하나의 혁신적인 특징은 에너지 저장 디바이스에서 실행될 수 있다. 상기 에너지 저장 디바이스는 제1 디바이스 단자와 제2 디바이스 단자를 포함한다. 상기 에너지 저장 디바이스는 제1 단자와 제2 단자 사이에 연결된 커패시터를 포함한다. 상기 에너지 저장 디바이스는 상기 커패시터와 병렬 연결된 제1 배터리를 포함한다. 상기 에너지 저장 디바이스는 상기 제1 배터리와 상기 커패시터 사이에 병렬 연결된 제2 배터리를 포함한다. 상기 에너지 저장 디바이스는 제1 배터리와 제2 배터리 사이에 병렬 연결된 제1 정류기를 포함한다. 상기 에너지 저장 디바이스는 상기 제2 단자와 제1 정류기 사이에 연결된 제2 정류기를 포함한다. 상기 에너지 저장 디바이스는 제1 정류기와 제1 단자 사이에 연결된 제3 정류기를 포함한다.
이 공보에서 기술되는 주제들 중 다른 하나의 혁신적인 특징은 에너지 저장 디바이스에서 실행될 수 있다. 상기 에너지 저장 디바이스는 전력원에서 전력을 흡수하도록 설계된 제1 양의 디바이스 단자를 포함한다. 상기 에너지 저장 디바이스는 음의 또는 접지 단자를 포함하는 제2 디바이스 단자를 포함한다. 상기 에너지 저장 디바이스는 상기 제1 단자와 상기 제2 단자 사이에 연결된 배터리를 포함한다. 상기 에너지 저장 디바이스는 상기 배터리에 병렬 연결된 커패시터를 포함한다. 상기 에너지 저장 디바이스는 상기 제1 단자와 상기 커패시터 사이로 확장되는 전류 리미터를 포함하고, 상기 전류 리미터는 상기 커패시터가 외부 디바이스로 전력을 공급할 때, 상기 배터리로부터 전류 드로우(Draw)가 감소하도록 설계되어 있다.
이 공보에서 기술되는 주제들 중 다른 하나의 혁신적인 특징은 셀프-밸런싱(Self-balancing) 결합된 배터리/커패시터 에너지 저장 디바이스에서 실행될 수 있다. 상기 에너지 저장 디바이스는 전력원에서 전력을 흡수하도록 설계된 제1 양의 디바이스 단자를 포함한다. 상기 에너지 저장 디바이스는 음의 또는 접지 단자를 포함하는 제2 디바이스 단자를 포함한다. 상기 에너지 저장 디바이스는, 제1 단자와 제2 단자 사이에서 직렬 연결된 복수의 배터리를 포함하는 배터리 뱅크(Bank)를 포함한다. 상기 에너지 저장 디바이스는 복수의 커패시터가 직렬 연결된 커패시터 뱅크를 포함한다. 상기 커패시터 뱅크는 상기 배터리 뱅크와 병렬 연결되어 있다. 상기 에너지 저장 디바이스는 상기 배터리 뱅크와 상기 커패시터 뱅크 사이에 확장되는 하나 이상의 인터커넥트(Interconnect)를 포함하고, 각각의 인터커넥트는 커패시터 뱅크의 상응하는 인접한 커패시터 한 쌍 사이의 노드(Node)에 연결된 제1 단부(End), 상응하는 인접한 배터리 한 쌍 사이의 노드에 연결된 제2 단부를 포함한다.
이 공보에서 기술되는 주제들 중 다른 하나의 혁신적인 특징은 결합된 배터리/커패시터 에너지 저장 디바이스에서 실행될 수 있다. 상기 에너지 저장 디바이스는 통합된 배터리 하우징(Housing) 부분, 커패시터 하우징 부분, 및 하우징 뚜껑(Lid)을 포함하는 하우징을 포함한다. 상기 에너지 저장 디바이스는 상기 통합된 배터리 하우징 부분 안에 직접 포함되고 상기 통합된 배터리 하우징 부분 안에서 통합된 배터리를 형성하도록 설정된 복수의 배터리 전극과 전해질을 포함한다. 상기 에너지 저장 디바이스는 상기 배터리와 병렬 연결되고 상기 커패시터 하우징 부분 안에 포함되는 커패시터를 포함한다. 상기 에너지 저장 디바이스는 상기 하우징에 걸쳐 확장되는 제1 디바이스 단자와 제2 디바이스 단자를 포함한다.
이 공보에서 기술되는 주제들 중 다른 하나의 혁신적인 특징은 결합된 배터리/커패시터 에너지 저장 디바이스를 생산하는 방법에서 실행될 수 있다. 상기 방법은 에너지 저장 디바이스 하우징을 제공하는 단계를 포함하고, 상기 디바이스 하우징은 통합된 배터리 하우징 부분, 커패시터 하우징 부분, 및 하우징 뚜껑을 포함한다. 상기 방법은 복수의 배터리 전극을 상기 배터리 하우징 부분에 삽입하는 단계를 포함하고, 각각의 배터리 전극은 제1 과 제2 배터리 셀 단자를 포함한다. 상기 방법은 상기 배터리 하우징 부분을 전해질로 채우는 단계를 포함한다. 상기 방법은 제1 과 제2 배터리 단자를 각각으로 형성하기 위해서, 상기 복수의 제1 과 제2 배터리 셀 단자를 연결하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 하나 또는 복수의 커패시터를 상기 커패시터 하우징 부분에 삽입하는 단계를 포함하고, 상기 하나 또는 복수의 커패시터들은 제1 과 제2 커패시터 단자를 포함한다. 상기 방법은 상기 제1 배터리 단자와 제1 커패시터 단자, 그리고 제2 배터리 단자와 제2 커패시터 단자를 연결하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 배터리 하우징 부분과 상기 커패시터 하우징 부분을 상기 하우징 뚜껑으로 덮는 단계를 포함한다. 상기 방법은 하우징을 따라 확장되는 제1 과 제2 디바이스 단자를 형성하는 단계를 포함한다.
이 공보에서 기술되는 주제들 중 다른 하나의 혁신적인 특징은 에너지 저장 디바이스에서 실행될 수 있다. 상기 에너지 저장 디바이스는 에너지 저장 디바이스 하우징을 포함한다. 상기 에너지 저장 디바이스 하우징은 배터리 하우징 부분, 커패시터 하우징 부분, 그리고 상기 배터리 하우징 부분과 상기 커패시터 하우징 부분을 덮도록 설정된 하우징 뚜껑을 포함한다. 상기 에너지 저장 디바이스는 상기 배터리 하우징 부분 안에 배치된 배터리를 포함한다. 상기 배터리는 상기 배터리 하우징 부분을 동봉하는 배터리 뚜껑을 따라 확장되는 제1 배터리 단자를 포함한다. 상기 에너지 저장 디바이스는 상기 커패시터 하우징 부분에 배치되는 커패시터를 포함하고 상기 배터리와 병렬 연결되어 있다. 상기 커패시터는 제1 커패시터 단자를 포함한다. 상기 에너지 저장 디바이스는 상기 제1 배터리 단자와 상기 제1 커패시터 단자를 전기적으로 연결하는 제1 버스 바를 포함한다. 상기 에너지 저장 디바이스는 상기 에너지 저장 디바이스 하우징을 따라 확장되고 상기 제1 배터리 단자와 상기 버스 바를 전기적으로 연결하도록 설정된 제1 외부 디바이스 단자를 포함한다.
이 공보에서 기술되는 주제들 중 다른 하나의 혁신적인 특징은 결합된 배터리/커패시터 에너지 저장 디바이스를 생산하는 방법으로 실행될 수 있다. 상기 방법은 배터리 하우징 부분, 커패시터 하우징 부분, 그리고 상기 배터리 하우징 부분과 상기 커패시터 하우징 부분을 덮도록 설정된 하우징 뚜껑으로 구성되는 에너지 저장 디바이스 하우징을 제공하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 배터리 하우징 부분 안에 배터리를 제공하는 단계를 포함한다. 상기 배터리는 상기 배터리 하우징 부분을 동봉하는 배터리 뚜껑을 따라 확장되는 제1 배터리 단자를 포함한다. 상기 방법은 상기 커패시터 하우징 부분 안에 커패시터를 삽입하는 단계를 포함한다. 상기 커패시터는 제1 커패시터 단자를 포함한다. 상기 방법은 제1 버스 바를 상기 제1 배터리 단자와 상기 제1 커패시터 단자에 연결하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 에너지 저장 디바이스 하우징을 따라 제1 외부 디바이스 단자를 확장하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 제1 외부 디바이스 단자를 상기 제1 배터리 단자와 상기 버스 바에 전기적으로 연결하는 단계를 포함한다.
이 공보에서 기술되는 주제들 중 하나 또는 복수의 실시예들의 자세한 사항은 아래에 수반될 도면과 설명에 준비되어 있다. 이 공보에서 제공되는 상기 실시예들은 자동차 시스템에 관하여 우선적으로 기술되었음에도 불구하고, 여기서 제공되는 개념들은 에너지 저장 시스템이 구현되는 다른 유형의 시스템에도 적용할 수 있을 것이다. 다른 특징, 특성 및 장점들도 하기의 설명, 도면 및 청구항을 통해서 분명해 질 것이다. 다음의 특징들의 상대적인 크기들은 수량화되지 않을 것임을 말해둔다.
도 1은 커패시터/배터리 결합의 에너지 저장 디바이스의 일 실시예를 도시한다.
도 2A는 정면 관점에서 횡단면 및 2-단자 커패시터/배터리 결합 에너지 저장 디바이스의 일 실시예의 분해조립도 이다.
도 2B는 커패시터/배터리 결합 에너지 저장 디바이스 안에 구현된 커패시터 뱅크의 좌측 관점의 모습이다.
도 3은 3-단자 커패시터/배터리 결합 에너지 저장 디바이스의 일 실시예의 정면 관점에서 횡단면이다.
도 4는 커패시터/배터리 결합 에너지 저장 디바이스의 일 실시예의 정면 관점의 분해조립도 이다.
도 5는 커패시터/배터리 결합 에너지 저장 디바이스의 다른 일 실시예의 정면 관점의 분해조립도 이다.
도 6A는 단자와 커패시터/배터리 결합 에너지 저장 디바이스에서 구현될 수 있는 버스-바의 일 실시예의 측면관점에서의 횡단면 모습이다..
도 6B는 도 6A에서 도시된 상기 단자와 버스-바의 일 실시예의 측면 관점에서 횡단면 분해조립도 모습이다.
도 7은 신축성 있는 버스 바가 있는 커패시터/배터리 결합 에너지 저장 디바이스의 일 실시예의 측면 모습이다.
도 8은 두 개의 외부 단자가 있는 커패시터/배터리 결합 에너지 저장 디바이스의 일 실시예를 도시한 개략적인 다이어그램이다.
도 9는 세 개의 외부 단자와 정류기가 있는 커패시터/배터리 결합 에너지 저장 디바이스의 일 실시예를 도시한 개략적인 다이어그램이다.
도 10은 도 9에서 도시한 커패시터/배터리 결합 에너지 저장 디바이스의 일 실시예에 상기 정류기와 직렬 연결된 전류 리미터가 있는 것을 도시한 개략적인 다이어그램이다.
도 11은 커패시터/배터리 결합 에너지 저장 디바이스의 다른 실시예에 DC/DC 컨버터가 있는 것을 도시한 개략적인 다이어그램이다.
도 12는 도 11에서 도시한 상기 DC/DC 컨버터의 일 실시예와 함께 커패시터/배터리 결합 에너지 저장 디바이스의 다른 실시예를 도시한 개략적인 다이어그램이다.
도 13은 상기 주된 정류기와 병렬 연결된 DC/DC 컨버터가 있는, 도 12의 커패시터/배터리 결합 에너지 저장 디바이스의 다른 실시예를 도시한 개략적인 다이어그램이다.
도 14A는 두 개의 스위치가 있는 2-단자 커패시터/배터리 결합 에너지 저장 디바이스의 일 실시예를 도시한 개략적인 다이어그램이다.
도 14B는 두 개의 스위치가 있는 2-단자 커패시터/배터리 결합 에너지 저장 디바이스의 다른 실시예를 도시한 개략적인 다이어그램이다.
도 15는 한 개의 스위치가 있는 3-단자 커패시터/배터리 결합 에너지 저장 디바이스의 일 실시예를 도시한 개략적인 다이어그램이다.
도 16은 두 개의 단자들 사이에 전류 리미터가 있는 3-단자 커패시터/배터리 결합 에너지 저장 디바이스의 일 실시예를 도시한 개략적인 다이어그램이다.
도 17은 정류기들의 네트워크가 있는 3-단자 커패시터/배터리 결합 에너지 저장 디바이스의 일 실시예를 도시한 개략적인 다이어그램이다.
도 18은 커패시터 뱅크와 배터리 뱅크가 있는 2-단자 커패시터/배터리 결합 에너지 저장 디바이스의 다른 실시예를 도시한 개략적인 다이어그램이다.
다양한 도면 속에서 같은 참조 번호와 같은 명칭을 가진 것은 같은 원소를 가리킨다.
본 발명의 몇몇의 실시예들은 시스템과 커패시터 시스템과 결합이 이루어진 배터리 시스템을 포함하는 에너지 저장 디바이스의 결합을 제공하는 방법에 연관이 있다. 몇몇의 실시예들에서, 상기 배터리 시스템은 하나 또는 복수의 배터리들을 가지고 상기 커패시터 시스템은 하나 또는 복수의 커패시터들을 가진다. 상기 커패시터들은 울트라커패시터와 같은, 슈퍼커패시터 또는 전기적 이중층 커패시터로 알려진 다양한 기술에 기초하고 있을 수 있다. 예를 들어, 울트라커패시터들의 예시는 U.S.특허번호 7,791,860; 7,352,558; 7,342,770; 8,072,734; 및 7,508,651에서 찾을 수 있다. 예를 들어, 결합된 배터리와 울트라커패시터 디바이스의 예들은 미국 특허공개공보 2012-0237799에서 찾을 수 있고, 이 공보의 전체적으로 일부와 관련이 있고 참조되었다. 여기에서 "EDLC"-Electric double layer capacitor-(전기적 이중층 커패시터) 또는 울트라커패시터가 참조되는 동안, 여기에서 기술되는 상기 실시예들은 EDLC 또는 울트라커패시터에 제한되지 않고, 다른 유형의 커패시터에 의해서 실현될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 결합된 에너지 저장 디바이스는 하나의 통합된 패키지안에서, 배터리와 커패시터를 포함한다. 몇몇의 실시예들에서, 양 전극으로 쓰이는 물질과 유사하게 이루어진 대칭적인 커패시터가 쓰일 수 있다. 몇몇의 실시예들에서, 두 개의 전극으로 쓰이는 서로 다른 물질로써 비대칭적인 커패시터가 쓰일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 상기 결합된 에너지 저장 디바이스는 오픈 마켓에서 "OEM"배터리로 사용되는 기준 자동차의 Non-hybrid 배터리들과 동일한 사이즈의 하나의, 통합된 패키지를 포함한다.
다르게 구체화되지 않는다면, 여기서 기술하는 커패시터와 배터리의 단수형 또는 복수형은 하나의 커패시터 또는 배터리 각각, 또는 직렬 또는 병렬 연결된 커패시터 뱅크 안의 또는 배터리 뱅크 안의 복수의 커패시터 또는 배터리 각각을 나타낸다. 결합된 배터리/커패시터 에너지 저장 디바이스 안의 배터리와 결합된 커패시터의 구현은, 에너지 저장소로써 오직 배터리만을 포함하는 에너지 저장 시스템의 앞서 언급된 제한들의 한 가지 또는 여러 가지들을 줄이고 또는 경감하는데 도움이 될 수 있다.
예를 들면, 커패시터는 더 증가한 횟수의 방전/충전 순환을 일반적으로 지지할 수 있고, 따라서 비슷한 배터리보다 더 긴 순환 수명을 가진다. 배터리와 결합된 커패시터를 사용하는 결합된 에너지 저장 디바이스는 따라서 향상된 순환 수명을 제공할 수 있고, 시작/종료 어플리케이션과 같은 어플리케이션에 증가된 충전/방전 순환의 이익을 제공할 수 있을 것이다.
커패시터는 또한 좀 더 효율적인 전력의 전달이 가능하고, 비슷한 배터리보다 더 빠른 충전, 방전 시간을 제공할 수 있다. 이러한 향상된 커패시터의 효율성은 일반적으로 비슷한 배터리와 비교할 때 좀 더 효율적인 전하 수용성, 높은 방전 비율과 빠른 화학 반응속도에서 기인하였다. 커패시터는 또한 비슷한 배터리의 저항 값 보다 낮은 등가 직렬 저항(ESR-Equivalent Series Resistance)을 가진다. 따라서, 여기서 묘사된 것처럼, 커패시터는 교류발전기와 같은 전력 공급원이 충전을 멈춘 때, 일반적으로 배터리처럼 앞서 언급된 전압의 강하를 겪지 않는다. 비슷하게, 커패시터는 또한 시간에 따른 "순환 저하"를 배터리의 그것과 비교했을 때 감소되는 경향을 보인다. 배터리와 결합되어 사용되는 커패시터는 사용기간 동안 배터리에 의해 경험하는 피크 전류 스트레스도 감소하는 것으로 알려졌다.
커패시터는 또한 일반적으로 몇몇의 온도 효과에 대해 배터리보다 덜 민감하다. 예를 들면, 커패시터는 낮은 온도에서 전하를 지탱하고 그리고/또는 높은 전압을 유지한다. 따라서 같은 온도의 비슷한 배터리보다 또는 높은 온도의 비슷한 커패시터보다 높은 전력을 전달할 수 있다. 커패시터의 이와 같은 특징들이 예를 들어, 커패시터가 스타터에 전력을 공급하도록 사용 될 때 자동차 점화 시스템에 향상된 성과를 제공하는 것을 알려졌다.
게다가, 커패시터는 교류발전기 또는 다른 전력 원과 연결이 끊어졌을 때, 더 높은 출력 전압 또는 개회로 전압을 가지고 유사한 조건의 비슷한 배터리보다 부하에 대해 더 낮은 전압 강하를 보인다. 이러한 커패시터의 낮은 전압 강하는 또한, 상기 커패시터가 자동차 에너지 저장 시스템에 사용될 때, 증가된 크랭킹(Cranking) 전력 그리고 따라서 자동차 스타터의 빠른 크랭크 속력으로 전환 될 것이다. 커패시터의 전압 강하에서 앞서 언급된 개선점들은 낮은 온도 조건에서는 좀 더 향상될 것이다.
추가적으로, 에너지 저장 디바이스에서 배터리와 결합되어 사용되는 커패시터는 저하된 배터리 성과 또는 오류 (예를 들어, 긴급 라이트 전력, 스타터 또는 교류 발전기를 제공하는 것)의 경우에 비축 또는 백업 에너지 소스를 제공할 수 있는 것으로 알려졌다.
한 가지 실시예는 결합된 에너지 저장 디바이스 안에 배터리와 울트라커패시터의 결합이다. 상기 배터리와 울트라커패시터는 결합 디바이스 안에서 수 많은 다른 방법에 의해서 함께 일괄 처리 될 수 있다. 예를 들면, 몇몇의 실시예들은 Battery Council International(BCI) 그룹 31 배터리와 같은 자동차 배터리 시스템에 있어서 하나 또는 복수의 배터리들의 "드롭인" 대체가 되는 배터리 시스템을 형성하는 결합된 배터리/커패시터 저장 디바이스를 포함한다. 물론, 기술 분야의 하나의 원천 기술은 아래 기술될 BCI 그룹의 시스템과 같이, OEM 크기와 기준들을 만족시키기 위해 설계되는 결합된 커패시터/배터리 시스템을 만들기 위해서 본 발명 공보의 가르침을 이용할 수 있을 것이다. 그와 같이, 몇몇의 실시예들은 OEM 배터리들과 같은 실질적으로 동일한 크기의 하우징, 마운팅(Mounting) 특징, 및/또는 유사한 위치의 단자들, 및/또는 크기, 및/또는 유사한 아웃풋 등급들을 가지는 결합된 배터리/커패시터 저장 디바이스를 포함한다. 예를 들어, 몇몇의 실시예에서, 상기 배터리와 울트라커패시터는 6V에서 12V의 출력을 제공하도록 선택되었고, 기준의 폼 팩터(Form factor)는 상응하는 6V에서 12V 배터리를 형성한다. 몇몇의 실시예에서, 상기 기준 폼 팩터는 납축배터리를 위한 기준을 형성한다. 몇몇의 실시예에서, 상기 배터리와 울트라커패시터의 출력과 상기 공보의 폼 팩터는, 울트라 커패시터 없는 하나 또는 여러 개의 통상적인 저장 셀들을 포함하는 배터리의 보강을 허용하기 위해서 기준의 전압 등급과 기준의 폼 팩터를 형성한다. 몇몇의 실시예들은 기준 폼 팩터를 형성하는 공보 안에서, 배터리와 전기적 에너지를 배터리의 단자들을 통해서 결합된 하이브리드 에너지 저장 디바이스로 외부로 제공하기 위해 상기 배터리와 연결된 적어도 하나의 울트라커패시터를 배치하는 단계가 포함된 그러한 배터리 시스템을 만드는 방법을 포함한다. 몇몇의 실시예들은, 울트라커패시터가 없는 하나의 또는 여러 개의 통상적인 저장 셀들로 이루어진 배터리를 위한 기준 폼 팩터를 대신하여 설치되기 위한 상기 공보내용에 적용되는 적어도 하나의 어답터와 함께, 여기에 기술된 상기 에너지 저장 디바이스의 조립을 제공하는 단계를 포함한다. 이 공보는 설치된 것과 비교하여 배터리의 기준 폼 팩터가 더 작을 수 있고 또는 설치된 것과 비교하여 배터리의 기준 폼 팩터가 서로 다르게 형성될 수 있다.
배터리/커패시터 통합
도 1은 하이브리드 커패시터/배터리 결합 에너지 저장 디바이스(10)의 일 실시예를 도시한다. 하이브리드 디바이스(10)는 울타리 또는, 하나 또는 여러 개의 커패시터(20)(예를 들면, EDLC) 와 배터리(30)가 배치 될 수 있는 내부의 공간을 형성하는 하우징(12)를 포함한다. 하우징(12)는 하우징의 내부 공간을 형성하기 위해서 측벽(11), 뚜껑(12), 및 베이스(15)를 포함할 수 있다. 뚜껑(13)은 영구적으로 또는 제거 가능하도록 하우징(12)의 나머지 부분에 부착이 가능하다. 외부 디바이스 단자(48,49)는 뚜껑에 부착될 수 있고 디바이스(10)를 외부 시스템에 연결하도록 설정될 수 있다. 상기 디바이스 시스템(48,49)는 기준 폼 팩터 배터리의 외부 배터리 단자에 상응하도록 크기와 모양이 결정될 수 있다. 몇몇의 실시예에서는, 상기 디바이스(10)는 여기의 몇몇 실시예에서 기술된 것과 같이 추가적인 기능성을 제공하기 위해서, 제3 디바이스 단자를 포함한다. 상기 단자들은 상기 하우징(12)의 정면과 측면 위치의 상부에 적어도 하나에서 확장되어 존재한다.
상기 디바이스(10)는 다음의 표 1에 정리된 BCI 그룹 크기의 하나 또는 여러 개와 같이 기준 OEM 배터리에 맞추기 위해서, 높이(H), 너비(W), 및 깊이(D)와 함께 크기가 결정될 수 있다.
BCI
Group
Number 		전형적인최대전체크기
밀리미터 인치
W D H W D H
승용차와 저용량 판매용 배터리들 12V (6 셀)
21 208 173 222 8 3/16 6 13/16 8 3/4
22F 241 175 211 9 1/2 6 7/8 8 5/16
22HF 241 175 229 9 1/2 6 7/8 9
22NF 240 140 227 9 7/16 5 1/2 8 15/16
22R 229 175 211 9 6 7/8 8 5/16
24 260 173 225 10 1/4 6 13/16 8 7/8
24F 273 173 229 10 3/4 6 13/16 9
24H 260 173 238 10 1/4 6 13/16 9 3/8
24R 260 173 229 10 1/4 6 13/16 9
24T 260 173 248 10 1/4 6 13/16 9 3/4
25 230 175 225 9 1/16 6 7/8 8 7/8
26 208 173 197 8 3/16 6 13/16 7 3/4
26R 208 173 197 8 3/16 6 13/16 7 3/4
27 306 173 225 12 1/16 6 13/16 8 7/8
27F 318 173 227 12 1/2 6 13/16 8 15/16
27H 298 173 235 11 3/4 6 13/16 9 1/4
29NF 330 140 227 13 5 1/2 8 15/16
33 338 173 238 13 5/16 6 13/16 9 3/8
34 260 173 200 10 1/4 6 13/16 7 7/8
34R 260 173 200 10 1/4 6 13/16 7 7/8
35 230 175 225 9 1/16 6 7/8 8 7/8
36R 263 183 206 10 3/8 7 1/4 8 1/8
40R 277 175 175 10 15/16 6 7/8 6 7/8
41 293 175 175 11 3/16 6 7/8 6 7/8
42 243 173 173 9 5/16 6 13/16 6 13/16
43 334 175 205 13 1/8 6 7/8 8 1/16
45 240 140 227 9 7/16 5 1/2 8 15/16
46 273 173 229 10 3/4 6 13/16 9
47 246 175 190 9 11/16 6 7/8 7 1/2
48 306 175 192 12 1/16 6 7/8 7 9/16
49 381 175 192 15 6 7/8 7 3/16
50 343 127 254 13 1/2 5 10
51 238 129 223 9 3/8 5 1/16 8 13/16
51R 238 129 223 9 3/8 5 1/16 8 13/16
52 186 147 210 7 5/16 5 13/16 8 1/4
53 330 119 210 13 4 11/16 8 1/4
54 186 154 212 7 5/16 6 1/16 8 3/8
55 218 154 212 8 5/8 6 1/16 8 3/8
56 254 154 212 10 6 1/16 8 3/8
57 205 183 177 8 1/16 7 3/16 6 15/16
58 255 183 177 10 1/16 7 3/16 6 15/16
58R 255 183 177 10 1/16 7 3/16 6 15/16
59 255 193 196 10 1/16 7 5/8 7 3/4
60 332 160 225 13 1/16 6 5/16 8 7/8
61 192 162 225 7 9/16 6 3/8 8 7/8
62 225 162 225 8 7/8 6 3/8 8 7/8
63 258 162 225 10 3/16 6 3/8 8 7/8
64 296 162 225 11 11/16 6 3/8 8 7/8
65 306 190 192 12 1/16 7 1/2 7 9/16
70 208 179 196 8 3/16 7 1/16 7 11/16
71 208 179 216 8 3/16 7 1/16 8 1/2
72 230 179 210 9 1/16 7 1/16 8 1/4
73 230 179 216 9 1/16 7 1/16 8 1/2
74 260 184 222 10 1/4 7 1/4 8 3/4
75 230 179 196 9 1/16 7 1/16 7 11/16
76 334 179 216 13 1/8 7 1/16 8 1/2
78 260 179 196 10 1/4 7 1/16 7 11/16
85 230 173 203 9 1/16 6 13/16 8
86 230 173 203 9 1/16 6 13/16 8
90 246 175 175 9 11/16 6 7/8 6 7/8
91 280 175 175 11 6 7/8 6 7/8
92 317 175 175 12 1/2 6 7/8 6 7/8
93 354 175 175 15 6 7/8 6 7/8
95R 394 175 190 15 9/16 6 7/8 7 1/2
96R 242 173 175 9 9/16 6 13/16 6 7/8
97R 252 175 190 9 15/16 6 7/8 7 1/2
98R 283 175 190 11 3/16 6 7/8 7 1/2
승용차와 저용량 판매용 배터리들 6V(3 셀)
1 232 181 238 9 1/8 7 1/8 9 3/8
2 264 181 238 10 3/8 7 1/8 9 3/8
2E 492 105 232 19 7/16 4 1/8 9 1/8
2N 254 141 227 10 5 9/16 8 15/16
17HF 187 175 229 7 3/8 6 7/8 9
무거운 업무용인 판매용 12V (6 셀)
4D 527 222 250 20 3/4 8 3/4 9 7/8
6D 527 254 260 20 3/4 10 10 1/4
8D 527 283 250 20 3/4 11 1/8 9 7/8
28 261 173 240 10 5/16 6 13/16 9 7/16
29H 334 171 232 13 1/8 6 3/4 9 1/8 10
30H 343 173 235 13 1/2 6 13/16 9 1/4 10
31 330 173 240 13 6 13/18 9 7/16
전기 자동차 배터리들 6V (3 셀)
GC2 264 183 270 10 3/8 7 3/16 10 5/8
GC2H 264 183 295 10 3/8 7 3/16 11 5/8
표1에서 기재된 대략적인 최대 높이는 단자의 기둥을 포함한다. 배터리의 아래 부분의 홀드-다운 플랜지(Flange)는 제외하고, 돌출된 플랜지를 포함하여 너비와 길이의 측정값은 일반적으로 가장 넓은 부분에 해당한다. BGI 그룹 크기에 기재되지 않은 Heavy-Duty Motor Coach, 버스, 및 Special Tractor 배터리 등을 포함한 다른 OEM 크기가 실현되어도 이해할 수 있을 것이다.
다시 한 번 도 1에 대해서 언급하자면, 상기 EDLC(20)은 상기 기술에 알려진 대로 각각의 EDLC의 하우징(22)안에 포함된 전극과 전해질을 포함한다. 복수의 EDLC(20)은 전기적으로 직렬 또는 병렬로 커패시터 뱅크를 형성한다. 상기 배터리(30)는 상기 기술에 알려진 대로, 배터리 플레이트, 전해질 및 다른 컴포넌트들을 포함하도록 설정된 내부 배터리 구멍이 있는 하우징(32)를 포함한다. 상기 배터리(30)의 하우징(32)는 뚜껑(33), 베이스(35) 및 측벽(31)을 배터리의 내부 구멍을 형성하기 위해서 포함한다. 상기 배터리(30)은 BCI 그룹 크기와 같은 기준 OEM 배터리이다. 도1의 실시 예는, EDLC들(20)과 배터리(30) 각각을 위한 상기 하우징(22,32) 그리고 전체 하이브리드 디바이스(10)을 위한 하우징(12)를 포함하며, 추가적인 패키징 재료 및 구조를 포함할 수 있다.
여기에서 몇몇의 실시예는 상기 플레이트, 전해질, 기타와 같은 배터리의 내부 부분을 상기 결합 에너지 저장 디바이스를 제공하기 위해서 상기 배터리와 상기 EDLC 팩을 받도록 설정된 하우징 안으로 넣는다. 그러한 실시예들은 이러한 디바이스와 관련된 부품의 개수 및 제조 가격들을 감소시킨다. 게다가, 몇몇의 실시예들은 증가된 배터리 및/또는 커패시터 전하 용량이 있는 디바이스가 추가적인 외부 패키지 안으로, 미리 포장된 캐퍼시터 및 배터리 모두를 사용하는 디바이스의 실시예 같은 유사한 공간 속으로 자리잡도록 해준다. 예를 들면, 일 실시예 속에서, 내부 배터리 컴포넌트와 ELDC 팩을 수용하는 통합된 패키지가 있는 42amp-시간 비율의 디바이스는 추가적인 하우징 안에 동봉된 미리 포장된 캐퍼시터와 배터리가 있는 30amp-시간 비율의 디바이스의 비슷한 크기의 포장 안에 맞게 들어갔다. 통합된 배터리 하우징은, 내부 배터리 칸 및 외부 결합 에너지 저장 디바이스 하우징 사이에 어떤 인슐레이팅 층이 없고, 또한 개선된 열전도와 배터리로부터의 열적 소실을 제공한다.
EDLC pack at the side of battery
도 2A는 정면 관점의 횡단면 모습과 통합된 커패시터/배터리(100)의 실시예의 분해 조립도를 나타낸다. 디바이스(100)은 배터리(130)과 커패시터(120)을 포함하고 도 1의 디바이스(10), 배터리(30) 및 커패시터(20)과 유사하다. 상기 커패시터(120)는 병렬 또는 직렬로 위치한 복수의 커패시터 셀들(120A-120F)을 포함하는 커패시터 뱅크를 포함한다. 커패시터 셀들(120A-120F)의 개수는 다양할 수 있고, 도시된 용도에서는 6개가 도시되었다. 커패시터 셀들(120A-120F)와 디바이스(100)의 다른 컴포넌트 사이의 전기적 연결들은 도 2B, 6A 및 6B을 참고하여 아래에서 더욱 설명한다,
도 2A에서 언급한 것을 이어서, 상기 디바이스(100)은 하나 또는 복수의 측벽들(111A-111D), 베이스(115) 및 뚜껑(113)을 포함하는 디바이스 하우징(112)를 포함한다. 상기 디바이스 하우징(112)는 배터리 또는 배터리의 부분을 포함하도록 설정된 내부 배터리 구멍(116)이 있는 배터리 하우징 부분(114)를 포함한다. 예를 들면, 상기 배터리 하우징 부분은 OEM 배터리와 같은 포장된 배터리(30)를 받도록 설정될 수 있고, 도 1에서 도시된 상기 배터리 하우징(12)과 유사한 배터리의 외부 하우징(32)을 포함한다. 그와 같이, 별개의 배터리들이 배터리 하우징 부분 안에 포함될 수 있다.
몇몇의 실시예 속에서, 상기 하우징 디바이스(112)는 통합된 배터리를 받기 위해서 통합된 배터리 하우징(114)를 형성할 수 있다. 예를 들면, 상기 내부 배터리 구멍(116)은 하나 또는 복수의 배터리 전극, 배터리 셀 단자들 및 다른 전기적 연결들, 전해질, 기타 등등(도시되지 않은 것들)와 같은 배터리 내부의 것들을 포함하도록 설정될 수 있고, 그러나 전체 외부의 배터리 하우징(32) 그리고 (도 1의) 하이브리드 디바이스(10)의 전체 외부의 하우징(12)을 필요로 하지는 않는다. 예를 들면, 내부 배터리 구멍(116)은 측벽(111A-111C)의 부분, 베이스(115)의 부분, 배터리 뚜껑(133) 및 111B와 111D사이로 확장되는 내부 측벽(17)으로부터 형성될 수 있다.
몇몇의 실시예 속에서, 상기 내부 구멍(116)은 상기 배터리 하우징 부분(114)안의 파티션(119)의 연결을 따라 복수의 서브-구멍들(116A)로 분리될 수 있다. 각각의 서브-구멍들(116A)은 구멍(116)안에 하나 또는 복수의 개별적 배터리 셀들을 형성하기 위해 배터리 전극을 포함한다. 각각의 배터리 셀은 양과 음의 배터리 셀 단자(도시되지 않은)을 포함한다. 이들 배터리 셀 단자들은 전기적으로 알려진, 개별적 OEM 배터리와 유사한 방법에 의해서 함께 연결될 수 있고, 상기 뚜껑(113)을 따라 확장되는 내부 배터리 단자들(41, 42)와 전기적으로 통신할 수 있도록 놓여질 수 있다. 상기 "내부 배터리 단자들"은 상기 에너지 저장 디바이스 하우징 안에 놓여진 개별적 배터리를 위한 외부 단자들로써 정의될 수 있고, 또는 여기서 더 기술될 것처럼, 상기 통합된 배터리 하우징 안에 형성되는 통합된 배터리의 상기 배터리 단자를 통해 정의될 수 있다.
도 2A에서 도시된 것처럼 상기 통합된 배터리 하우징(114)안의 디바이스(100)의 실시예들은 하나 또는 복수의 측벽(31) 및 도 1에서 도시된 상기 배터리 하우징(32)의 베이스(35)에 대한 필요성을 제거할 수 있을 것이다. 그와 마찬가지로, 디바이스(100)는 배터리(130)를 전체의 추가적, 분리된 외부 배터리 하우징을 필요로 하지 않고 하이브리드 에너지 저장 디바이스(100)의 상기 디바이스 하우징(112)안에 직접적으로 통합되는 것을 허용한다. 도 2A에 관해 다시 말하면, 몇몇의 실시예 속에서, 모든 또는 디바이스(100)의 상기 통합된 디바이스 하우징(112)의 부분은 통합적으로 형성된 단일의 컴포넌트를 포함할 수 있다. 몇몇의 실시예 속에서, 상기 측벽들(111A-111D), 베이스(115) 및 내부 측벽(117)은 예를 들어 몰딩 또는 다른 적합한 절차를 통해서 단일의 컴포넌트를 통합적으로 형성할 수 있다.
상기 디바이스 하우징(112)은 커패시터들(120A-120F)을 포함하도록 설정된 내부 커패시터 구멍(126)과 함께 커패시터 하우징 부분(124)으로 나뉘어 진다. 상기 커패시터 하우징 부분(124)는 상기 배터리 하우징 부분(114)와 수평적으로 인접하게 위치된다. 사용에 따라, 상기 내부 배터리 컴포넌트는 배터리 하우징 부분(114)의 상기 내부 구멍(116)안으로 적재될 수 있고, 상기 내부 배터리 단자들을 형성하기 위해 연결되고 배터리 뚜껑(133)에 의해 덮인 또는 밀봉된 앞서 언급된 배터리 셀 단자들과 연결될 수 있다. 상기 커패시터 하우징 부분(124)는 상기 커패시터들(120-120F)에 적재될 수 있고, 아래 더 기술될 커패시터들(120A-120F)와 배터리(130)사이에 만들어진 전기적 연결들이 가능하다. 상기 디바이스 하우징(112) 닫아지거나 또는 상기 디바이스 커버(113)에 의해 밀봉될 것이다. 몇몇의 실시예에서는, 상기 배터리 뚜껑(113)이 생략될 수 있고, 상기 디바이스 커버(113)은 상기 배터리 하우징 부분(114)와 상기 커패시터 하우징 부분(124) 모두를 덮는데 사용될 수 있다.
상기 커패시터 구멍(126)은 세 측벽(111A, 111B, 및 111D), 베이스 부분(115), 내부 측벽(117), 및 뚜껑(113)에 의해서 형성될 수 있다. 그러한 이유로, 측벽(111A, 111B, 및 111D), 베이스(115), 및 내부 측벽(117)들은 상기 배터리 하우징 부분(114)과 상기 커패시터 하우징 부분(124) 모두를 형성할 수 있을 것이다. 그러한 이유로, 커패시터 하우징 부분(124)과 상기 배터리 하우징 부분(114)은 하나 또는 모두의 공통된 벽들을 공유할 수 있을 것이다. 몇몇의 실시예에서는, 상기 내부 측벽(117)은 상기 커패시터(120)와 상기 배터리의 내부 컴포넌트(130) 사이에 추가적인 가로막는 벽들 없이 위치할 것이다. 몇몇의 실시예에서는, 상기 배터리(130)는 하나 또는 복수의 측벽들(111) 및/또는 베이스(115)안에 이런 것들 그리고 내부 배터리 컴포넌트들 사이를 가로막는 구조 없이 형성될 것이다.
추가적인 불필요한 벽들 없이, 배터리 하우징 부분(114)과 커패시터 하우징 부분(124) 모두를 형성하는 하나 또는 복수의 이 공통된 벽들을 포함하는 디바이스 하우징(112)의 실시예들은 디바이스(100)의 전체적 공간 포장을 감소시킬 것이다. 추가적으로, 디바이스(100)을 위한 상기 배터리 및/또는 커패시터의 충전 용량은 증가할 것이고, 열 전도도 및 디바이스(100)안에서의 상기 배터리(130)으로부터의 주어진 공간 포장 안에서의 열적 손실이 증가될 수 있다. 예를 들면, 하이브리드 디바이스(100)가 기준 OEM 배터리의 미리 지정된 공간 포장 안에 맞춰지도록 설정됐을 때, 이러한 이익들은 도움이 될 것이다.
상기 디바이스(100)의 상기 커패시터 하우징 부분(124)은 다양한 수량, 크기, 모양 및/또는 방향의 커패시터들을 포함하도록 크기와 모양이 만들어 질 수 있고, 하나의 크기, 또는 모양, 또는 방향의 커패시터들만 포함하도록 크기와 모양이 만들어 질 수 있다. 예를 들면, 상기 커패시터 하우징 부분(124)는 확대할 수 있는 것일 수 있고, 그리고/또는 커패시터 용량의 확대를 허용하기 위한 여분의 공간을 포함하도록 크기가 만들어졌을 수도 있다. 도 2A에서 도시된 상기 하우징 부분(124)은 보이는 관점에 대해 수평적으로 또는 수직적으로 또는 접선의 방향으로 ( 보이는 평면의 향하는 방향/나오는 방향) 확장되도록 설정할 수 있을 것이다. 추가적으로, 상기 커패시터들(120A-120F)은 도 2A에서 대략적으로 수평 방향으로 보임에도 불구하고, 상기 EDLC는 수직적으로, 수평적으로, 접선 방향으로 하나 또는 복수의 열 또는 행 또는 그것들의 컴비네이션에서 위치할 수 있다.
도 3은 통합된 커패시터/배터리 디바이스(200)의 3 단자 실시예의 정면 관점의 횡단면 모습이다. 도 3에서 보여진 디바이스(200)은 디바이스(100)과 유사하지만, 제3 단자(50)과 함께 추가적인 기능을 제공한다. 디바이스(200)의 상기 기능성에 관한 좀 더 자세한 것들, 그리고 도 2와 도 3A에서 보여진 전선, 터미널, 및 버스 바 구성들은 아래에서 제공될 것이다.
상기 배터리의 위쪽에서의 EDLC 팩
도 4 및 도 5는 결합된 커패시터/배터리 디바이스 100A, 100B 각각의 실시예들의 정면 관점에서의 분해 조립도를 나타낸 것이다. 도 4 및 도 5에서 나타난 상기 실시예들은 다음의 하나 또는 복수의 차이점과 함께 도 2A-3에서의 것들과 유사하다.
도 4 및 도 5에서 도시된 실시예들에서, 상기 배터리 하우징 부분(214)은 (보다 위에 또는 밑에) 커패시터 하우징 부분(224)와 수직적으로 인접하도록 설정되어 있다. 분명히 하고자 하는 목적에서, 상기 배터리 하우징 부분(214)는, 상기 배터리(23)이 상기 커패시터(220) 밑에 위치하는 것처럼, 상기 커패시터 하우징 부분(224)의 밑에 위치하고 있다. 뚜껑(213)은 상기 커패시터(20)을 에워싸기 위해서 커패시터 하우징 부분(224)을 덮고 및/또는 밀봉하도록 설정될 수 있다.
분리기 뚜껑(234)는 상기 배터리 하우징 부분(214)와 상기 커패시터 하우징 부분(224)의 사이에 위치할 수 있다. 상기 분리기 뚜껑(234)은 위의 (도 2A-3)에서 기술된 상기 배터리 뚜껑(133) 및 내부 측벽(117) 모두의 이중 기능성을 제공하도록 설정될 수 있다. 예를 들면, 상기 분리기 뚜껑(234)은 상기 배터리 하우징 부분(214)의 내부 구멍(216)을 덮고 그리고 상기 배터리 하우징 부분(214)을 커패시터 하우징 부분(224)로부터 분리시키도록 설정할 수 있다. 분리기 뚜껑(234)는 적어도 부분적으로는 상기 배터리 하우징 부분(214)를 밀봉한다. 예를 들면, 상기 분리기 뚜껑(234)은 그곳으로부터 부분적인 분출을 허용하는 동안에, 누출되는 것을 예방하고 또는 감소시키기 위해 배터리 하우징 부분(214)안의 상기 배터리 내부 것들을 실질적으로 밀봉할 것이다. 상기 분리기 뚜껑(234)는 제거 가능한 것이거나 또는 영구적으로 상기 배터리 하우징 부분에서 그러한 밀봉 기능을 제공하면서 부착되어 있을 수 있다. 그러한 실시예들은 상기 배터리 뚜껑(133)과 상기 배터리 하우징 부분(14)와 커패시터 하우징 부분(124)(도 2A-3) 사이의 상기 측벽(117)이 대한 필요성을 경감시킬 수 있다. 배터리 뚜껑과 배터리와 커패시터 부분들(214,224) 각각의 기능성들을 통합함으로써, 상기 분리기 뚜껑(234)를 포함하는 디바이스(100A, 100B)의 실시예들은 더욱 더 배터리 및/또는 커패시터를 증가시키고, 주어진 공간 포장에 대한 상기 배터리로부터 열 전도와 열적 소실을 향상시킨다.
도 4 및 도 5에 관한 언급을 이여서, 상기 디바이스 하우징 (212)의 상기 측벽(211)은 배터리 하우징 부분(214)를 형성하는 배터리 부분 측벽(111A)와 커패시터 하우징 부분(224)의 부분을 형성하는 커패시터 부분 측벽(111B)을 포함할 수 있다. 상기 측벽들(111A, 111B)는 많은 다른 방법들로 설정될 수 있다. 예를 들면, 상기 측벽들(111B)은 부착될 수 있고, 분리기 뚜껑(234)로부터 위쪽방향으로 확장될 수 있다. 몇몇의 실시예속에서, 측벽들(111A)은 측벽들(111B)안에 만들어진 주위 공간 안으로 삽입되도록 설정된 상기 분리기 뚜껑(234)과 함께 상기 측벽들(111B)로부터 위쪽 방향으로 확장되도록 할 수 있다. 몇몇의 실시예속에서, 측벽들은(111B) 상기 커패시터 하우징 부분(224)를 형성하고 상기 커패시터(120)을 에워싸기 위해서 상기 뚜껑(213)으로부터 아래방향으로 확장할 수 있다. 상기 측벽(111B)은 분리된 컴포넌트인 뚜껑(213)과 함께 상기 커패시터 하우징 부분(224)을 형성하는 분리된 부분으로 설정될 수 있다. 따라서, 여기에서 기술되는 상기 디바이스 하우징과 그것의 다양한 부분들은 분리되도록 또는 통합되도록 다양한 방법들에 의해서 형성될 수 있다.
도 4 및 도 5에서 도시된 상기 실시예는 배터리로써 조작을 위한 무게 분산을 향상하도록 하고, 일반적으로 좀 더 밀도가 높도록, 그리고 따라서, EDLC보다 더 무겁도록, 대략적으로 상기 전체적 디바이스(10)의 너비를 따라 균등하게 분포되도록 한다. 몇몇의 실시예 속에서, 상기 배터리는 무게 분포와 조작을 더욱 향상시키고, 상기 디바이스의 토플링을 방지하기 위해서 상기 커패시터 아래에 위치하도록 한다.
도 4 및 도 5에서 도시된 결합된 배터리/커패시터 저장 디바이스의 일 실시예 속에서, 9.3인치(길이)*6.8인치(너비)*7.0인치(높이)의 크기를 갖는, 그룹 75/25 배터리(12V)가 사용되었다. 상기 통합된 배터리는 상기 컨테이너의 낮은 2/3부분만큼을 대략적으로 차지하도록 설정되었다. 이 실시예 속에서, 상기 커패시터들은 9.0인치(길이)*6.5인치(너비)*2.3인치(높이)의 측정된 부피를 상기 커패시터 하우징 부분 안에서 차지할 수 있다. 이 실시예가 그룹 75/25 배터리 또는 상기 전압 및 기술된 크기 등에 한정되는 것이 아니라는 것을 알 수 있고, 이는 거의 설명하기 위한 목적을 위해서 이다.
단자들/ 버스 바들
도 6A 및 6B는 각각 측면 관점의 횡단면 모습과 횡단면의 분해 조립도 이고, 도 2A 및 3에서 도시된 것들과 같은 결합된 배터리/커패시터 저장 디바이스 안에 구현된 전기적 연결들, 단자 및 버스 바 구성들을 설명하는 실시예들이다. 도 2B는 도 2A 및 3의 디바이스(100,200)과 같은 커패시터/배터리 결합 에너지 저장 디바이스 안에서 구현된 커패시터 뱅크의 왼쪽 관점의 모습이다.
보여주기 위한 목적에서, 도 2A, 3, 6A 및 6B의 실시예들은 나란히 있는 맥락에서 또는 수평적으로 결합된 배터리/커패시터 디바이스와 인접하도록 도시되었다. 그러나, 여기에서 기술되고 도 4 및 5에서 도시되는 것 과 같은 위-아래 또는 결합된 배터리/커패시터 디바이스와 수직적으로 인접한 상기 단자 및 버스-바 구성을 위해 유사한 특징들이 쓰일 수 있을 것이다. 추가적으로, 상기 통합된 배터리 또는 분리된 배터리들과 함께 에너지 저장 디바이스의 버스-바 구성을 위해 도시된 상기 실시예들이 쓰일 수도 있다.
도 2A와 2B에 관하여, 커패시터들(120A-120F)는 각각 커패시터 뱅크(120)을 형성하기 위해 서로서로에 대하여 직렬 또는 병렬 연결될 수 있는 커패시터 단자들(123A 및 123B)을 포함한다. 상기 단자들(123A 및 123B)는 복수의 커패시터 인터커넥트들, 버스 바들 그리고 기타의 것들에 연결될 수 있다. 도시된 실시예 속에서, 커패시터 인터커넥터들(121A-121E)은 뱅크(120) 속 인접한 커패시터들의 단자들(123A, 123B)사이로 확장되고, 전기적으로 연결된다. 예를 들어, 상기 인터커넥트(121A)(도 2A)는 커패시터(120C)의 단자(123B)과 함께 커패시터(120A)의 단자(123A)에 그리고 등등 연결될 수 있다. 도시된 실시예 속에서, 커패시터(120A-120F)는 커패시터(120A)의 단자(123B)가 제1 커패시터 뱅크 단자(124)를 형성하고 커패시터(120B)의 단자(123A)가 제2 커패시터 뱅크 단자(127)를 형성하는 것과 같이, 인터커넥트들(121A-121E)과 직렬로 연결된다.
도 2A와 도 2B에서 언급된 것처럼, 상기 결합된 배터리/커패시터 디바이스(100)은 두 개의 내부 배터리 단자들(41과 42)을 포함하는 2-단자 디바이스로써 설정될 수 있다. 상기 배터리 단자들(41,42)는 하나 또는 복수의 각각의 단자를 통해 확장되는 개구(43)들을 포함한다. 상기 개구들(43)은 부싱(Bushing) 또는 꿰어진 개구들로 구성된다. 몇몇의 실시예 속에서, 상기 배터리 단자들(41,42)은 상기 배터리 뚜껑(33)으로 삽입-함몰될 수 있다. 상기 내부 배터리 컴포넌트들은 상기 개구(43)와 맞물리도록 설정된 내부 단자 기둥을 포함한다. 상기 내부 단자 기둥은 납과 같은, 어떠한 적합한 단자 재료를 포함한다. 상기 내부 단자 기둥은 인덕션 웰딩(Induction welding)등과 같이 다양한 방법에 의해서 상기 개구(43)와 함께 맞물릴 수 있다. 상기 배터리 단자(41,42)들 위의 상기 내부 스레드(Thread)들은 상기 배터리를 상기 커패시터 뱅크(120)에 뿐만 아니고 아래에 더 기술될 것처럼 결합된 에너지 저장 디바이스에 외부 단자를 연결하는데 사용될 수 있다.
도시된 실시예 속에서, 상기 제1 배터리 단자(41)는 제1 버스 바(44)와 함께 상기 커패시터 뱅크(120)의 상기 제1 커패시터 뱅크 단자(125)에 연결될 수 있다. 상기 제 1 버스 바(41)은 어떤 모양도 될 수 있다.-실시예 속에서, 아래 방향으로 배터리(130)의 측면을 따라서 확장되는 아래 방향으로 펼쳐진 부분(44A)을 포함하고 상기 커패시터 단자(125)와 함께 상기 배터리 단자(41)을 연결한다. (도 2B)- 위 방향으로 펼쳐진 부분(44B)은 배터리(130)의 측면을 따라, 부분(44B)로부터 상기 제1 외부 디바이스 단자(48)를 향하여 펼쳐진 측면으로 확장된 부분(44C)와 함께 확장될 수 있다. 상기 제1 외부 디바이스 단자(48)은 상기 제1 버스 바(44)로부터 상기 디바이스(100)을 자동차의 전기적 시스템으로의 연결과 같은(예로써 도 3A;6A-6B;8-18을 보라.) 제1 점에서 외부 시스템에 연결하기 위해서 확장할 수 있다.
도 2A 및 2B에 관하여 또 다시 언급하자면, 상기 제2 배터리 단자(42)는 제2 버스 바(46)과 함께 상기 커패시터 뱅크(120)의 상기 제2 커패시터 단자(127)에 연결될 수 있다. 제2 외부 디바이스 단자(49)는 상기 제2 버스 바(46)으로부터, 상기 디바이스(100)을 자동차의 전기적 시스템에 대한 양의 연결과 같은(예로써, 도 2A; 6A-6B; 8-18을 보라.) 제2 점에서 외부 시스템으로 연결하기 위해서 확장될 수 있다. 외부 디바이스 단자들(48,49)은 기준 OEM 배터리의 상기 단자들의 존재하는 크기에 맞게 상응하도록 설정될 수 있다. 여기에서 기술된 상기 외부 디바이스 단자들이 상기 뚜껑(113), 측벽(111A-D), 베이스(115) 또는 에너지 저장 디바이스(100)의 다른 부분들로부터 확장될 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 3으로부터 언급된 것처럼, 디바이스(200)의 상기 3-단자 실시예는 도 2A에서 도시된 디바이스(100)의 상기 2-단자 실시예와 유사하고, 그러나 상기 뚜껑(113)을 따라 상기 제2 버스 바(46)으로부터 확장되는 추가적인 외부 단자(50)을 가지고 있다. 추가적인 전기적 컴포넌트는 하나 또는 복수의 상기 디바이스 단자들(48,49 및 50), 배터리 단자들(41 및 42), 버스 바들(44 및 46), 커패시터 단자들(45 및 47) 또는 추가적인 기능성을 위해서 디바이스(200)안의 다른 곳에 연결될 수 있다. 예를 들어, 도 3은 버스 바(46)의 부분(46A)와 부분(48B) 사이에 위치한 전기적인 컴포넌트(54)를 도시한다. 추가적인 전기적 구성 부품 및 기능성과 함께 하이브리드 배터리/커패시터 에너지 저장 디바이스의 실시예들은 도 8-18를 참고하여 아래 기술해 두었다.
상기 단자 버스 바들과 상기 외부 디바이스 단자들 사이의 연결
도 6A 및 6B는 외부 디바이스 단자(48), 배터리 뚜껑(133), 디바이스 뚜껑(113), 버스 바(44) 및 배터리 단자(41)사이의 연결의 자세한 사항과 함께 디바이스(100)의 실시예를 보여준다. 유사한 방법들이 상기 다른 외부 디바이스 단자들, 버스 바들, 배터리 단자들 및 커패시터 단자들을 상기 배터리 및 여기에서 기술된, 디바이스(100 및 200)에 관하여 기술된 다른 것들과 같은, 디바이스 뚜껑에 연결하기 위해서 쓰일 수 있다. 도시된 대로, 상기 외부의 단자(48)는 상기 디바이스 하우징 뚜껑(113)을 통해서, 상기 터미널 버스 바(44)를 통해서, 그리고 상기 외부 배터리 단자(41)을 향하여 확장될 수 있다.
도 6B에 관하여 언급하면, 몇몇의 실시예 속에서, 단자(48)의 튀어나온 스터드(48A)는 개구(13A)를 따라서 디바이스 뚜껑(113)속에서 확장될 수 있다. 몇몇의 실시예 속에서, 상기 단자 스터드(48A)의 동일한 부분은 단자 버스 바(44) 속의 개구(144) 안을 향해 더욱 확장될 수 있다. 몇몇의 실시예 속에서, 상기 단자 스터드(48A)의 동일한 부분은 상기 단자 버스 바(44)안의 상기 개구(144)를 따라서 더욱 확장되고, 상기 배터리 단자의 메이팅(Mating) 부분(43)안으로 확장될 수 있다. 상기 단자 스터드(48A)의 상기 부분은 부싱 또는 스레드된 연결을 통해서 하나 또는 복수의 앞서 언급된 개구들과 맞물릴 수 있다. 몇몇의 실시예 속에서, 상기 스터드는 상기 커패시터 단자의 상응하는 부분에 맞물릴 수 있다. 그러한 실시예는 하나의 결합된 배터리/커패시터 에너지 저장 디바이스의 하나 또는 복수의 외부 단자들이 상기 외부 단자, 버스 바 및 내부 배터리 단자들 사이의 강화된 전기적 그리고 기계적 결합점으로써 기능하도록 하는 것을 도와주고, 그럼으로써 상기 에너지 저장 디바이스의 복잡성을 감소시킨다.
따라서 몇몇의 실시예들은 에너지 저장 디바이스(10)의 상기 배터리 단자들(41,42)이 상기 외부 디바이스 단자들(48,49, 및 50)에 나란히 놓이도록 해주고, 상기 외부 디바이스 단자들(48,49, 및 50)은 상기 버스 바들(44,46)과 상기 내부 배터리 또는 내부 커패시터 단자들에 또한 연결되면서, 상기 에너지 저장 디바이스 뚜껑(113)의 외부로부터 설치되도록 한다. 상기 배터리 단자들(41,42) 및/또는 커패시터 단자들(45,47) 및 상기 외부 디바이스 단자들(48,49 또는 50)사이의 그러한 정렬이 바람직한 것이 아닌 실시예들 속에서, 상기 외부 디바이스 단자들(48,49 또는 50)은 상기 디바이스 뚜껑(113)을 통해서 설치될 수 있고, 상기 커패시터 배터리 단자들(41,42) 또는 커패시터 단자들(45,47)에 직접적인 연결 없이 상기 버스 바(44,46)들에 하나에 연결될 수 있다.
상기 단자의 버스 바들(44,46)은 많은 다른 방법에 의해서 자리잡는 경로가 결정될 수 있다. 도 2A와 3에 도시된 양쪽 모두의 실시예 속에서, 상기 터미널 버스 바들은 상기 배터리 뚜껑(133)과 상기 디바이스 뚜껑(113)사의 공간을 통해 자리잡는 경로가 결정되었다.(또한, 도2A-2B를 보라.)
도 6A 및 6B를 다시 한번 언급하자면, 몇몇의 실시예들 속에서, 상기 외부 디바이스 단자들(48,49 또는 50)은 상기 하우징 뚜껑과 대조적으로 밀봉을 제공하도록 설정된 밀봉 부분(Seal)을 포함할 수 있다. 추가적으로, 납축전지 단자 또는 납축 디바이스 외부 단자 및 알루미늄 EDLC 버스 바들 사이의 연결부에서 갈바닉 부식을 방지하기 위해서, 상기 알루미늄 버스 바 위에 주석 도금이 사용될 수 있고 또는 전기적 결합 어플리케이션을 위해 만들어질 수 있는 기름칠이 사용될 수 있다. 앞서 언급된 구조와 방법들은 상기 단자들 그리고 감소된 수의 연결과 부품을 가지는, 여기서 설명되는 상기 결합된 배터리/커패시터 디바이스의 실시예의 버스 바들의 효과적인 조립을 위해서 제공될 수 있다.
도 7은 배터리 단자(41)와 커패시터 단자 버스 바(144)사이에 연결된 신축성 있는 버스 바(52)가 있는 결합된 배터리/커패시터 디바이스(100)의 실시예의 측면 모습이다. 상기 신축성 있는 버스 바(52)는 커패시터(20)과 배터리(30)사이의 몇몇의 상대적인 움직임을 보충하기 위한 충분한 신축성을 제공할 수 있다. 이러한 상태적인 움직임은 결합된 배터리/커패시터 디바이스(10)속의 배터리(30)과 커패시터(20)이 함께 포장됐을 때 좀 더 일반적일 수 있다. 신축성 있는 버스 바(52)의 신축성은 버스 바(52)에서 마모와 이른 시기의 고장을 방지할 수 있고, 따라서 에너지 저장 디바이스(10)의 신뢰성과 사용 수명을 증가시킨다. 상기 신축성은 그것의 구조적 특징 및/또는 재료를 통해서 버스 바(52)에게 제공될 수 있다. 예를 들면, 상기 신축성 있는 버스 바(52)는 구리 구슬, 연조선(Stranded wire), 또는 편복선(Brided wire) 같이, 상기 기술 영역의 일반적인 기술을 가진 사람에 의해서 통상적으로 이해될 수 있는, 버스 바를 위한 이성적인 크기와 환경적인 조건 아래에서 적절한 신축성을 가지는 재료를 포함한다. 몇몇의 실시예 속에서, 평평하게 땋은 전기 선이 사용될 수 있다. 상기 전기 선의 끝은 주석 도금되고, 통합된 돌출부를 형성하고자 구멍이 뚫릴 것이다. 몇몇의 실시예 속에서, 버스 바(52)는 버스 바(52)의 구부러짐과 배터리(30)과 커패시터(20)사이의 상대적인 움직임들을 허용해주는 하나 또는 복수의 구부러진 부분(53)을 포함한다.
도 8-18은 도1-7에 관하여 위에서 기술된 하나 또는 복수의 상기 디바이스(10, 100, 100A, 100B 및 200)들과 같은, 커패시터/배터리 결합 에너지 저장 디바이스 안에 실현될 수 있는 전기적 특징들의 다양한 실시예들을 도시하는 개략적인 다이어그램이다. 예를 들면, 상기 전기적 특징들은 상기 배터리 및 울트라 커패시터에 연결되고 상기 내부에 배치된 제어 또는 규제 전기 회로망을 포함한다.
일반적인 2-단자 디바이스들
도 8은 2 외부 단자들(48,49)가 있는 커패시터/배터리 결합 디바이스(300)의 도시된 실시예의 개략적인 다이어그램을 나타낸다. 상기 커패시터/배터리 결합 디바이스(300)를 위해 개략적으로 도시된 전기 장치는 여기에서 기술되는 다른 2-단자 커패시터/배터리 결합 디바이스 안에서 실행될 수 있다. 단자(48)은 양의 단자가 될 수 있고, 단자(49)는 음의 또는 접지 단자가 될 수 있다. 하나의 또는 복수의 디바이스들은 단자(48,49)들 사이에 병렬로 연결될 수 있다. 예를 들면, 도시된 실시예에서, 커패시터(30)과 배터리(20)는 단자(48,49) 사이에 병렬로 연결될 수 있다. 자동차 안에 위치할 때는, 상기 결합된 에너지 저장 디바이스(300)은 전기적으로 하나 또는 복수의 자동차 부하들에 연결될 수 있다. 예를 들면, 상기 결합된 디바이스(300)은 스타터(60)또는 다른 자동차 부하들(자동차 부하(62)로써 도시됨.)에 연결될 수 있다. 상기 결합된 디바이스(300)는, 자동차가 운행되는 동안에 상기 결합된 디바이스(300)을 충전하기 위해서, 또한 교류발전기(61)와 같은 파워 서플라이에 연결될 수 있다. 다른 파워 서플라이들은, 여기에서 기술되고 도면으로 도시된 상기 실시예들 중 어떤 것이라도 달리 구체화되지 않는 이상, 교류발전기(61)의 그 대신에 또는 추가하여 실현될 수 있을 것이다. 예를 들면, 또 다른 외부의 파워 서플라이는 전기의 또는 하이브리드 자동차를 위한 충전소와 같은, 배터리(20)을 충전하기 위해서 디바이스(300)에 연결될 수 있을 것이다. 상기 자동차 부하(62), 교류발전기(61), 및 스타터(60)의 정돈 순서와 위치들이 다양할 수 있을 것이고, 결합된 에너지 저장 디바이스(300)에 관하여 오직 설명하기 위한 목적으로 도 8에 도시된 순서로써 제공될 수 있을 것이다.
도 8 안에서의 상기 디바이스(300)의 실시예는 상기 커패시터(30)와 상기 배터리(20) 모두를 교류발전기(61)과 같은 파워 서플라이로부터 충전되도록 허용하고, 또한 전력을 스타터(60) 또는 다른 자동차 부하들(62)와 같은 자동차 시스템에 공급하도록 해준다. 전형적인 자동차 어플리케이션 안에, 상기 배터리(20)과 상기 커패시터(30) 모두가 상기 교류발전기(61)로부터 대략 12-16V의 범위를 가지는 충전 전압과 함께 충전되고, 전형전인 평균 충전 전압은 약 14.4V를 가진다. 상기 교류발전기(61)로부터의 연결 중단에 앞서서, 상기 배터리는 일반적으로 이성적으로 높은 충전 상태를 유지할 수 있다.
그러나, 상기 교류발전기(61)가 충전 소스로써 전원이 나가거나 또는 제거된 이후에는, 상기 배터리(30)의 충전 상태는 상기 교류발전기(61)이 꺼진 지점으로 떨어지게 될 것이다. 예를 들면, 만약 상기 배터리(30)가 더 오래된 것이고, 더 차가운 환경에서 또는 상기 교류발전기(61)이 꺼지기 앞서 완전히 충전되지 않고 현저하게 방전되어 있다면(시동/멈춤 어플리케이션 안에서의 같이), 배터리(30)의 용량이 그것의 용량의 65-85% 비율로 범위 하는 점으로 떨어지게 된다는 것은 흔한 일이다. 알려진 바대로, 많은 배터리들은 그들의 비용과 어플리케이션에 의존하여 더 많은 또는 적은 용량을 가지고 있음에도 불구하고, 전형적 배터리는 60 amp-시간 용량을 가지면서 배터리 용량은 amp 시간으로 측정된다. 교류발전기(61)이 꺼졌을 때, 배터리의 전압이 대략적으로 12.4V까지 떨어지게 된다는 것은 흔한 일이다. 배터리가 사용 수명의 끝 근처에 도달했을 때, 상기 전하는 11.5V 또는 그 이하로 떨어질 수 있다. 몇몇의 경우에는, 상기 교류발전기(61)이 꺼졌을 때, 배터리 전압은 7V만큼 떨어질 수도 있다. 상기 배터리(30)에서의 이러한 큰 전압강하는 배터리의 수명을 줄이고, 신뢰할 수 있는 스타터 크랭크(Crank)의 가능성을 막거나 감소시키고, 또는 낮은 배터리 전압에 의해서 여기에서 기술된 다른 문제들을 야기시킬 수 있다.
상기 배터리(30)를 병렬 연결로 상기 커패시터(20)에 제공하는 것은, 도 8 에서 도시된 것처럼, 이러한 것들과 배터리만의 시스템의 하나 또는 복수의 앞서 언급된 제한들을 완충한다는 것을 알 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 하나의 실시예는 상기 커패시터(20)과 배터리(30) 사이의 양-방향성의 흐름을 허용하는 결합된 배터리/커패시터 시스템이다. 커패시터(20) 안의 충전과 전압의 상태가 상기 배터리(30)보다 높을 때, 이것은 상기 커패시터(20)가 상기 배터리(30)을 재충전하도록 설정된 시스템을 제공한다. 상기 커패시터(20)의 증가된 순환 효율은 또한 상기 배터리(30)의 사용수명과 따라서 상기 디바이스(10)의 전체적인 사용수명이 증가되는 동안, 상기 커패시터(20)가 그러한 기능을 제공할 수 있게 해준다. 그 효과로써, 상기 커패시터(20)는 "일" 또는 그렇지 않다면 상기 배터리(30)에 의해 수행될 전력 요구를 흡수할 수 있다. 게다가, 상기 커패시터(20)의 효율적인 전하 수용과 방전 비율, 및 그것의 순환 효율성은 커패시터가, 시동/멈춤 어플리케이션과 같은 상기 디바이스의 작동 중에 파워의 몇몇의 스파이크(Spike) 및 드롭을 완화할 수 있도록 해준다. 도 8에서의 상기 2-단자 결합된 에너지 저장 디바이스(300)는 또한 좀 더 쉽게 기준 2-단자 OEM 배터리, 예를 들면, 드롭-인 대체로써 대체하도록 설정될 수 있다.
상기 2-단자 결합된 배터리/커패시터 에너지 저장 디바이스(300)의 실시예들의 전력 매니지먼트 특성들은 배터리(30)과 커패시터(20)이 병렬로 연결되도록 설정되고, 전류의 자유-흐름이 상기 배터리(30), 커패시터(20), 및 스타터(60)사이에 흐르도록 허용될 때, 영향을 받을 수 있다. 예를 들면, 상기 배터리(30)과 상기 커패시터(20) 모두에게서부터 비례하도록 자동차의 시동 이벤트가 발생되고 있는 동안, 상기 결합된 저장 디바이스(300)으로부터 자동차 스타터(60)로 어떤 전류가 공급되고, 그것은 상기 배터리(30)의 저항 값, 상기 커패시터(20)의 ESR, 및 상기 커패시터(20)의 커패시턴스에 영향을 받을 것 이다. 예를 들어, 그러한 설정의 시험 속에서, 전형적인 자동차 시동 이벤트 동안에, 상기 배터리(30)는 대략적으로 200A의 전류를 공급하고 상기 울트라커패시터는 대략적으로 600A만큼 기여한다.
추가적으로, 전류가 자유롭게 상기 커패시터(20)과 상기 배터리(30) 사이를 흐를 수 있기 때문에, 상기 교류발전기(61) 또는 다른 전력 원이 꺼진 상태일 때 상기 배터리(30)의 전하, 전압 평형과 비교해서 상기 커패시터(20)의 이용 가능한 전하 및 전압은 또한 일반적으로 전하 및 전압 평형상태를 향하여 이동할 것이다. 만약 커패시터가 상기 배터리(30)와 전기적으로 분리되어 있다면, 그러한 전압 평형은 일반적으로 상기 커패시터(20)의 전하 및 전압의 상태보다 덜 될 것이다. 예를 들면, 위에서 기술한 대로, 상기 결합된 디바이스가 시간 주기 동안 휴식기에 있을 때, 또는 상기 배터리(30)이 완전히 재충전되지 않았을 때, 상기 배터리 전압과 충전 상태는 떨어질 수 있다. 따라서, 적어도 부분적으로 전기적으로 상기 배터리와 커패시터가 분리된 결합된 배터리/커패시터 저장 디바이스의 실시예들은 상기 커패시터가 상기 교류발전기가 꺼졌을 때 상기 배터리에게 전하를 잃는 것을 줄이거나 방지하는 이익이 있을 수 있다.
3-단자 전류 제어 디바이스
도 9는 도 8에서의 많은 유사한 컴포넌트가 있는, 결합된 배터리/커패시터 에너지 저장 디바이스(400)의 실시예를 도시한다. 차이점은 도 9에서의 에너지 저장 디바이스(400)의 실시예는 도 3에서 도시된 것과 같은 제3 단자(50)을 포함할 수 있다는 것이다. 상기 커패시터/배터리 결합 디바이스(400)에서 개략적으로 도시된 상기 전기장치는 여기에서 기술되는 다른 3-단자 커패시터/배터리 결합 디바이스들 안에서 실현될 수 있다. 단자(48)는 상기 교류발전기(61)와 연결되도록 설정된 제1 양의 단자를 포함한다. 단자(50)는 스타터(60)와 연결되도록 설정된 제2 양의 단자를 포함한다. 그러한 실시예는 예를 들면, 상기 커패시터(20)와 상기 교류발전기(61)가 상기 배터리(30)과 같은 단자에 전기적으로 설정되도록 한 것처럼, 상기 스타터(60)가 상기 디바이스(300)의 같은 단자에 전기적으로 설정되도록 하는 것을 도와줄 수 있다. 당연히, 실시예들은 스타터(60)을 상기 제1 양의 단자에 연결하는 것에만 제한되는 것은 아니다. 단자들(48) 및/또는 (50)은 커패시터 또는 배터리에 직접적으로 연결되도록 이익이 되는 다른 자동차 부하들(62)와 함께 연결되도록 설정될 수 있다.
정류기(63)은 상기 교류발전기 단자(48)와 상기 스타터 단자(50)의 사이에 위치한다. 정류기(63)은 상기 교류발전기(61)로부터 상기 커패시터(20)으로의 전류 흐름을 허용하도록 구성되고, 전류의 흐름이 상기 커패시터(20)에서 단자(48) 및 배터리(30)으로 흐르는 것을 방지하거나 감소시키는 동안, 커패시터가 충전되는 것을 허용한다. 그러한 실시예는 적어도 부분적으로는 전기적으로 상기 커패시터(20)를 상기 배터리(30)로부터 분리시킨다. 정류기(63), 또는 여기에서 기술되는 다른 어떤 정류기들은, 다이오드, 동시 발생하는 정류기, 제어 가능한 FET와 같은 트랜지스터, 그러한 기능을 제공하기 위한 다른 적절한 디바이스.
상기 스타터(60)를 상기 커패시터(20)와 같은 단자 위에 두고, 상기 배터리(30)으로부터 상기 커패시터를 분리하도록(둘 사이의 전류 흐름을 오직 단일 방향으로만 허용함으로써)하는 실시예들은 다양한 이익을 제공할 수 있다. 예를 들면, 그러한 실시예들은 실질적으로 상기 커패시터(20)에 저장된 전력과 전류가 시동 이벤트 동안에는 상기 스타터(60)에만 제공되도록 하고, 발생할 수도 있는 앞서 언급된 상기 배터리 저항의 영향을 줄이거나 제거해준다. 상기 커패시터(20)과 배터리(30)사이의 기능성의 그러한 분리는 상기 커패시터(20)이 상기 스타터(60)와 같은, 빠르고 또는 높은 전력 펄스 디바이스에 전력을 공급하도록 허용할 수 있고, 상기 배터리(30)이 매체 또는 긴 주기 요구가 있는 디바이스들에 대해 전력을 공급할 수 있다. 그러한 실시예들은 커패시터(20)의 전하와 전압의 상태가 또한 상기 배터리(30)의 앞서 언급된 낮은 전압에 의해 감소하는 것, 또는 결합된 배터리/커패시터가 전압의 평형 상태에 도달하는 것을 방지해준다. 위에 기술된 대로, 상기 배터리가 우연히 방전되고, 불충분하게 충전되고(예를 들면, 시동/멈춤 어플리케이션에서) 또는 추운 환경 속에서 동작하기 때문에 상기 배터리(30)가 아마도 바람직하지 않고, 낮은 전압에서 작동할 수 있다. 상기 배터리는 낮은 전하 수용성 때문에 그렇지 않으면 낮은 충전 상태에 다다르게 된다. 3-단자 시스템 속에서 상기 정류기(63)과 함께 상기 배터리(30)과 커패시터(20)가 적어도 부분적으로는 분리된 것에 의하여, 상기 교류발전기(61) 또는 다른 전원 공급원이 꺼지고, 상기 배터리(30)의 충전 상태, 전압, 및 용량으로부터 분리되었을 때, 상기 커패시터(20)은 높은 전압과 충전 상태에 머물러 있을 수 있다. 그러한 분리는 따라서 또한 상기 배터리(30)의 제한 효과 없이, 상기 커패시터(20)으로부터 상기 스타터(60)에 또한 전체적으로 높은 에너지를 제공할 수 있다.
상기 커패시터(20)와 스타터(60)으로부터의 상기 배터리(30)의 앞서 언급한 분리는 또한 엔진 크랭크 동안의 상기 배터리(30)에의 부하를 감소시키고, 따라서 예를 들면, 시동/멈춤 어플리케이션 동안의 상기 배터리(30)의 사용 수명을 향상시킨다. 따라서 이러한 실시예들은 자동차 시동 효율을 향상시키고, 시스템이 자동차를 시동시키기 위해서 상기 스타터(60)에 충분한 전력을 제공할 수 없는 상황의 가능성을 감소시킨다. 예를 들면, 평균적인 조건들 속에서, 상기 교류발전기(61)이 꺼진 이후에, 상기 스타터 단자(50)에서의 상기 커패시터(20)의 이용 가능한 방전 전압은 대략적으로 13.5V였다.(상기 교류발전기 전압에서 상기 정류기에 걸리는 전압 강하를 뺀 것, 또는 -14.2-0.7=13.5V). 유사한 조건들 속에서, 상기 교류발전기 단자(48)의 방전 전압, 그리고 배터리(30)의 그것은, 상기 교류발전기(61)이 꺼진 후에 대략적으로 12.6V까지 떨어질 것이다.
분리된 커패시터(20)와 스타터(60)의 사용으로써 제공되는 전압과 충전 상태의 증가는 낮은 온도에서의 자동차 시동 능력을 보다 향상시킬 수 있을 것이다. 예를 들면, 배터리의 전압이 배터리의 전압이 낮은 온도에서 부하가 걸린 경우, 좀 더 극명하게 커패시터의 전압보다 떨어지게 되고, 이는 낮은 크랭킹 파워와 효율성을 야기시킬 수 있다. 예를 들면, 대략적으로 15V로 충전되고(대략적으로 온도는 -10℉) 대략적으로 500 amps를 방전하는 배터리는 2초당 대략 9.5V의 전압 방전을 야기시킨다. 그와 비교하여, 대략적으로 15V로 충전되고(대략적으로 온도는 -10℉) 대략적으로 500 amps를 방전하는 커패시터는 대략 13.5V의 전압 방전을 야기시킨다. 따라서, 이러한 예의 조건들 아래에서, 커패시터는 스타터에게 대략적으로 추가적인 4V전압을 제공한다. 그러한 높은 커패시터 전압은 차례로 다음 엔진 크랭크와 빠른 스타팅에 있어서 높은 스타터 크랭킹 파워와 모터 속력을 야기시킨다. 따라서 4V의 추가적인 크랭킹 파워의 위의 예제는 대략적으로 40%의 더 빠른 크랭크 파워를 제공한다.
낮은 온도에서, 커패시터는 다른 커패시터에 관하여도 추가적인 에너지를 저장하는 것이 가능하고, 더욱이 자동차 시동 동안에 상기 커패시터를 분리하는 것의 이익을 향상시킨다. 예를 들면, 커패시터의 저장된 에너지는 수학식 E=1/2*C*V2에 의해서 정의되고, C는 커패시턴스 이고 V는 전압 값이다. 따라서, 예를 들면, -10℉에서 전형적인 자동차 교류발전기(61)의 15V의 전압 공급을 받고 있는 같은 온도의 400F의 커패시터는 45kJ의 에너지를 저장할 수 있다. 이것은 160℉에서 전형적인 자동차 교류발전기(61)의 13.4V의 전압 공급을 받고 있는 같은 온도의 유사한 400F의 커패시터가 36kJ만을 오직 저장한다는 것에 비하면 확실하게 많은 에너지이다. 그러한 증가된 에너지는 증가된 크랭킹 파워, 및 차가운 온도에서의 증가된 시동 신뢰성에 상응한다.
어플리케이션에 의존하여, 정류기(63)는 다양한 크기가 존재할 수 있다. 기준 자동차 배터리(대략적으로 12V)를 사용한 예제에서, 400amp 다이오드가 사용되었다. 그러나, 대략적으로 300에서 1000amps 범위 안에 평가되는 다이오드도 유사한 결과를 제공할 것이다.
도 10은 도 9와 많은 유사한 컴포넌트를 가진 3-단자 결합된 배터리/커패시터 에너지 저장 디바이스(500)의 다른 실시예를 도시한다. 상기 커패시터/배터리 결합 디바이스(500)을 개략적으로 도시한 전자 장치들은 여기에서 기술되는 다른 3-단자 커패시터/배터리 결합 디바이스 안에서 실행될 수 있다. 도시된 실시예 속에서, 전류 리미터(65)는 상기 정류기(63)과 상기 스타터 단자(50) 사이에 쓰일 수 있다. PTC 서미스터(Positive-temperature coefficient thermistor), 셀프리셋팅 회로 절단기, 바이패스 스위치가 있는 인러쉬(In-rush) 제한 저항, 및 그와 같은 것들 등의 어떠한 적합한 전류-제한 디바이스들도 사용될 수 있다. 상기 전류 리미터(65)는 상기 정류기(63)의 크기를 줄이기 위해 또는 다른 이유들로 쓰일 수 있다.
상기 전류 리미터(65)는 그것이 너무 높은 전류에 노출 될 때, 개방되도록 설정될 수 있다. (그리고 따라서 그것의 저항 값을 증가시킨다.) 예를 들면, 상기 커패시터(20)가 위에서 기술된 것처럼 상기 스타터(60)를 크랭크로 돌리기 위해 사용될 때, 그러한 높은 전류 상황은 엔진 시동 이벤트의 전형적인 것일 것이다. 높은 전류가 상기 배터리(30)에서부터 추출될 때, 상기 배터리의 작동 수명은 감소될 것이다. 상기 전류 리미터(65)는 상기 스타터(60) 크랭크 동안에 상기 배터리(30)로부터 상기 스타터(60)로의 전류 추출을 방지하거나 또는 줄이고, 배터리(30)의 수명을 증가시킨다. 추가적으로, 상기 교류발전기 단자(48)로부터 상기 스타터(60)을 향해 상기 정류기(63)를 통한 전류 추출의 방지와 감소로써, 상기 전류 리미터(65)는 또한 상기 정류기(63)를 증가된 전류 크기로부터 보호할 수 있다. 상기 정류기(63)에 대한 그러한 전류 보호는 그것의 더 작은 크기를 만드는 것을 가능하게 해준다. 예를 들면, 전류 리미터(65)를 사용하는 시스템은 대략적으로 25에서 400amps 사이의 등급으로 상기 정류기(63)의 크기를 감소시킬 수 있다. 작은 다이오드는 디바이스(10)의 공간 포장을 더 작게 또는 같은 크기로 가능하게 해주고, 그러나 상기 배터리 및/또는 커패시터의 용량은 증가되게 해준다. 전류 리미터(65)는 여기에서의 다른 실시예에서 기술된 다른 정류기들과 직렬 연결되어서 비슷한 기능을 제공하도록 실현될 수 있다.
도 11은 도9-10에서의 많은 유사한 컴포넌트들과 함께, 3-단자 결합된 배터리/커패시터 에너지 저장 디바이스(600)의 다른 실시예를 도시한다. 상기 커패시터/배터리 결합 디바이스(600)의 개략적으로 도시된 전기 장치들은 여기에서 묘사된 다른 3-단자 커패시터/배터리 결합 디바이스들 안에서 실현될 수 있다. 이 실시예에서는, DC/DC 컨버터(66)가 상기 교류발전기 단자(48)와 상기 스타터 단자(50)의 사이에 위치하게 된다. 상기 DC/DC 컨버터(66)는 상기 앞서 언급된 정류기(63), FET(64) 또는 전류 리미터(65)와 함께 결합되어 사용되는 정류기(63)와 같이 유사한 전류 운영 기능을 제공할 수 있다. 상기 DC/DC 컨버터(66)는 또한 상기 배터리(30)가 크랭킹 전류의 전체를 제공하는 것을 막고, 그리고 상기 커패시터(20)이 상기 배터리(30)의 전압보다 높은 전압으로 충전되는 것을 허용한다. 상기 DC/DC 컨버터(66)은 또한 다른 환경적인 조건에 따라서 상기 커패시터를 다른 전압으로 충전한다. 상기 커패시터는 낮은 온도에서는 높은 전압으로 또는 높은 온도에서는 낮은 전압으로 충전될 수 있을 것이다. DC/DC 컨버터는 배터리의 온도 상승량을 감소시키기 위해 배터리로의 인러쉬 전류를 제어할 수 있다. DC/DC 컨버터는 또한 과전압 상황을 예방하기 위해서 상기 커패시터의 전압을 규제할 수 있다.
도 12는 도 11에서 도시된 상기 DC/DC 컨버터(64)의 실시예가 있는 3-단자 결합된 배터리/커패시터 에너지 저장 디바이스(700)의 다른 실시예를 나타낸다. 상기 커패시터/배터리 결합 디바이스(700)의 개략적으로 도시된 전기 장치들은 여기에서 기술된 다른 3-단자 커패시터/배터리 결합 디바이스들 안에서 실행될 수 있다. 이 실시예 속에서, 상기 DC/DC 컨버터(64)는 상기 접지 단자(49)와 상기 정류기(63) 사이에 위치하는 FET(64)를 제어하도록 설정된 부스트 제어기(70)를 포함한다. FET(64)말고 다른 유형의 스위칭 디바이스 또는 트랜지스터들도 실행될 수 있다는 것을 알 수 있다. 상기 FET(64)와 부스트 제어기(70)는 배터리(30)가 스타터 크랭크 동안에 전류로부터 분리되어있는 동안, 커패시터(20)이 배터리(30)의 전압보다 높은 전압을 충전할 수 있도록 하기 위해서, 상기 정류기(63)을 통해서 상기 커패시터(20)에 전하를 제공할 수 있다.
인덕터(71)는 상기 교류발전기 단자(48)와 상기 정류기(63) 사이에 위치되어서, 상기 부스트 제어기(70)과 상기 FET(64)와 병렬로 연결되어 있다. 상기 인덕터(71)는 기포화철심(Saturable core)으로 둘러싸는 전선 또는 버스 바를 포함한다. 따라서, 인덕터(71)는 가포화 인덕터(Saturable Inductor)를 포함한다. 상기 인덕터(71) 및 상기 정류기(63)는 배터리(30)이 스타터 크랭크 동안에 전류로부터 분리된 동안에, 수동적으로 커패시터(20)을 배터리(30)보다 큰 전압으로 충전시킬 수 있다. 예를 들면, 커패시터(20)의 전압이 배터리(30)보다 낮을 때(예를 들면, 시동 이벤트 이후), 상기 커패시터(20)는 수동적으로 인덕터(71)와 정류기(63)를 따라 상기 배터리 전압만큼 충전될 수 있다. 인덕터(71)과 정류기(63)을 통한 초기 충전 이후에, 상기 부스트 제어기(70)는 FET(64)를 활성화하고, 상기 커패시터(20)가 배터리(30)보다 높은 전압으로 능동적으로 충전되도록 해준다. 수동적 그리고 능동적 충전 모두의 포함으로써, 작고 덜 비싼 제어기(70)와 FET(64)가 실현될 수 있고, 상기 커패시터(20)에 대한 충전시간이 감소한다. 따라서, 도 12 안에서 도시된 상기 부스트 제어기 회로는 다른 DC/DC 컨버터들과 유사한 기능을 제공할 수 있고, 그러나 덜 복잡하고 덜 비싸다.
도 13은 도 12와 같은 많은 유사한 컴포넌트들이 있는 3-단자 결합된 배터리/커패시터 에너지 저장 디바이스(800)의 다른 실시예를 도시한다. 상기 커패시터/배터리 결합 디바이스(800)의 개략적으로 도시된 전기 장치들은 여기에서 기술된 다른 3-단자 커패시터/배터리 결합 디바이스 안에서 실행될 수 있다. 이 실시예에서, 제2 정류기(73)은 상기 교류발전기 단자(48)과 상기 스타터 단자(50)사이에 위치하고, 상기 인덕터(71A)와 정류기(63)에 병렬 연결된다. 몇몇의 실시예에서, 인덕터(71A)는 포화가능하지 않다. 도 13에서 도시된 부스트 충전기 회로는 도 12에서 도시된 회로와 유사한 기능을 제공할 수 있다. 이 실시예에서, 상기 정류기(73)은 커패시터를 대략적으로 상기 배터리의 전압과 같은 전압으로 충전할 수 있다. 상기 부스트 충전기는 켜지고 상기 커패시터 전압을 상기 배터리 전압보다 높은 설정 값으로 증가시킬 수 있다. 상기 부스트 충전기는 인덕터(71A)(도 12의 상기 인덕터(71)보다 일반적으로 작은 것임), 상기 정류기(63)(정류기(73)보다 일반적으로 작은 것임), FET(64)와 부스트 제어기(70)을 포함한다. 상기 부스트 충전기는 어떠한 적합한 토폴로지(topology) 또는 실행이 가능할 것이다.
2-단자 디바이스-스위칭
도 14A는 도9-13과 같은 수 많은 유사한 컴포넌트가 있는 2-단자 결합된 배터리/커패시터 에너지 저장 디바이스(900)을 도시한다. 상기 커패시터/배터리 결합 디바이스(900)의 개략적으로 도시된 전자 장치들은 여기에서 기술되는 다른 2-단자 커패시터/배터리 결함 디바이스들 안에서 실행될 수 있다. 이 실시예에서, 제1 전기 스위치(75)는 상기 커패시터(20)이 단자(48) 또는 그와 관련된 단자 버스와 전기적으로 연결, 그리고 연결을 끊는 것을 허용하기 위해서 존재한다. 제2 전기 스위치(77)는 상기 배터리(30)를 단자(48) 또는 그것과 연관 된 단자 버스에 연결하고, 연결을 끊는 것을 허용하도록 설정될 수 있다. 상기 디바이스(900)은 정류기(63)을 포함할 수 있다. 상기 정류기(63)은 상기 커패시터(20)를 스위치(75)가 개방된 동안에, 반대 방향으로의 전류 흐름을 방지하면서 충전될 수 있도록 허용하기 위해서 스위치(75)와 병렬로 연결되도록 설정될 수 있다. 예를 들면, 커패시터(20)는 스위치(75,77)의 위치들에 관계없이, 수동적으로 정류기(63)을 따라 교류발전기(61)로부터 충전될 수 있도록 할 수 있다. 몇몇의 실시예 안에서, 서미스터와 같은 전류 리미터는, 도 10에 도시된 것처럼 상기 정류기(63)와 상기 배터리(30)가 겪게 되는 전류 부하를 감소시키기 위해서, 상기 정류기(63)와 직렬로 연결되어 포함될 수 있다.
상기 스위치들(75,77)은 반도체 스위치 또는 기계적인 콘택터와 같은 어떠한 수 많은 적합한 구성이 될 수 있다. 적합한 반도체 스위치는, 예를 들어, 많은 유형의 FFT 또는 IGB를 포함한다. 상기 스위치들(75,77)은 손으로 또는 자동적으로 동작하도록 설정될 수 있다. 물론, 몇몇의 실시예들에서는 상기 정류기(63), 또는 하나 또는 복수의 전기적 스위치들(75,77)이 사용되지 않은 컴비네이션들을 포함하는 것을 인식해야한다. 몇몇의 실시예에서는 도 11-13속에서 도시되는 것들과 같은, 선택적 DC/DC 컨버터가 단자(48)와 커패시터(20)의 사이에 위치한다.
스위치들(75) 및/또는 (77)은 충전 제어기(74)와 함께 전기적으로 제어될 수 있다. 여기에서 기술되는 어떠한 수 많은 제어기들이라도 스위치 (75) 및/또는 (77)을 제어하기 위해서 사용될 수 있다. 예를 들면, 충전 제어기(74)는 마이크로 제어기가 될 수 있다. 그 대신에, 상기 전기적 스위치들 (75) 및/또는 (77)은 개별적인 로직에 의해서 제어될 수 있다. 상기 충전 제어기(74)는 하나 또는 복수의 다음의 입력 값들을 제공받을 수 있다. : 상기 커패시터에서 측정된 전압(Ivc),상기 배터리에서 측정된 전압(Ivb),및/또는 상기 배터리 출력단에서 측정된 전류(Ib).온도 측정과 같은, 다른 입력 값들은 추가적인 기능성을 제공하기 위해서 또한 실행될 수 있다. 이러한 입력 값들은 어떠한 다양한 센서들, 또는 환경적 조건을 측정하고 상기 충전 제어기(74)에 입력 값을 제공하는 다른 디바이스들을 사용함으로써 제공될 것이다. 상기 충전 제어기(74)는 하나 또는 복수의 다음의 출력 값들을 제공한다. : 스위치(75)를 제어하는 출력 값(Oa),및/또는 스위치(77)를 제어하기 위한 출력 값(Ob).하나 또는 복수의 앞서 언급 된 스위칭, 감지(sensing), 및 제어 기능은 하나 또는 복수의 분리된 또는 통합적으로 형성된 컴포넌트들을 통해 제공할 수 있을 것이다. 예를 들면, 전압 센서 그리고 스위치는 각각 유닛속에서 결합되고, 그리고/또는 상기 스위치 및 마이크로제어기는, 예를 들면, 복잡한 전자기기들 없이, 입력 신호에 반응하여 직접적으로 스위치 되는 적합한 계전기(Relay)가 될 수 있다.
도 14B는 도 9-14A와 같은 많은 유사한 컴포넌트들과 함께, 2-단자 결합된 배터리/커패시터 에너지 저장 디바이스(1000)의 실시예를 도시한다. 상기 커패시터/배터리 결합 디바이스(500)의 개략적으로 도시된 전자 기기들은 여기에서 기술된 다른 2-단자 커패시터/배터리 결합 디바이스들 안에서도 실행될 수 있다. 도 14B에서 도시된 실시예는 도 14A의 실시예와 스위치들(75,77)에 대한 상기 정류기(63)의 다른 위치를 제외하고는 유사하다. 도 14B에서, 상기 정류기(63)는 스위치(77)에 의한 간섭 없이도, 배터리(30)에 연결된다. 따라서, 도 14B의 디바이스(1000)는 스위치들(75,77)의 개방 또는 닫힘 상태와 무관하게, 수동적으로 상기 커패시터(20)을 배터리(30)으로부터 상기 정류기(63)을 통해서 충전하기 위해서, 상기 배터리(30)으로부터 상기 커패시터(20)까지 경로를 제공한다. 도 14B에서 도시된 것처럼, 디바이스(10)는 도시된 상기 전류 리미터(65)를 포함할 수 있다. 도 14B 안에서 상기 스위치들(75,77)의 기능은 그렇지 않으면 도 14A 또는 15에 관하여 여기에서 기술된 기능과 유사하다.
3-단자 디바이스들-스위칭
도 15는 3-단자 결합된 배터리/커패시터 에너지 저장 디바이스(1110)이라는 점을 제외하면 도 14A와 실질적으로 유사한 실시예를 도시한다. 상기 커패시터/배터리 결합 디바이스(1100)의 개략적으로 도시된 전자 기기들은 여기에서 기술된 다른 3-단자 커패시터/배터리 결합 디바이스들 안에서 실행될 수 있다. 도 15는 도 14A에서 도시된 상기 입력 값들, 출력 값들 및 스위치(77)과 같은 몇몇의 컴포넌트들을 포함하지 않지만, 도 14에 있어서 기술된 실시예들처럼 유사한 기능을 제공하기 위해서, 이러한 컴포넌트들과 함께 설정될 수는 있다.
도14A-14B 및 15에 있어서 도시되고, 기술된 상기 결합된 배터리/커패시터 에너지 저장 디바이스들의 실시예들의 스위치 된 구성은 다음의 예들과 같은, 수 많은 다른 기능들을 제공하기 위해서, 수 많은 다른 방법들로 제어될 수 있다.
개선된 시동 기능
이 부분의 실시예들은 자동차 시동 효율성을 증가시킬 수 있고, 상기 배터리(30)이 상기 스타터(60)이 상기 자동차를 시동 걸기 위한 충분한 전력을 제공하지 못하는 상황의 가능성을 감소할 수 있다. 예를 들면, 상기 배터리(30)가 우연하게 방전되거나 불충분하게 재충전되었기 때문에 바람직하지 않고, 낮은 전압을 가진 상기 배터리(30)는 추운 환경에서 작동되어야 할 것이고, 또는 낮은 전하 수용성 또는 낮은 용량 때문에, 상기 배터리(30)은 그렇지 않으면, 낮은 충전 상태에 도달하게 된다. 예를 들어, 시동/멈춤 어플리케이션에서, 완전히 재충전될 충분한 충전 시기 없이, 배터리는 방전될 것이다.
도 14A에 관하여, 상기 자동차 엔진이 켜졌을 때, 스위치들(75,77)은 닫힌 위치 안에 있을 수 있다. 이러한 동작 모드에서, 상기 배터리(30)와 상기 커패시터(20) 모두는 상기 교류발전기(61)로부터 전압이 충전되고, 예를 들어, 자동차 어플리케이션 안에서는, 대략적으로 12에서 16V사이에 범위하고, 또는 평균 약 14.4V에 위치한다. 그렇지 않으면, 예를 들어, 상기 교류발전기(61) 또는 다른 전력 원이 충분한 충전 전압을 전달하는 것을 멈췄을 때, 자동차가 오프 상태인 것이 탐지될 수 있다. 몇몇의 실시예 속에서, 상기 자동차 오프 상태는 입력값 Ib,Ivb,및/또는 다른 입력 값들을 통해서 상기 충전 제어기(74)에 의해 탐지될 수 있다. 일단 상기 교류발전기(61)가 충전 전압을 상기 배터리(30)에 전달하는 것을 멈추면, 상기 교류발전기(61)가 멈춘 점에서의 배터리의 충전 상태에 의하여 상기 배터리(30)의 전압은 부하에서 감소된 출력된 전압까지 떨어질 것이다. 상기 커패시터(20)가 상기 배터리(30)의 개방 회로 전압으로 방전되는 것을 방지하기 위해서, 출력 신호 Oa를 통해서 상기 충전 제어기(74)로부터 상기 커패시터(20)을 상기 배터리(30)와 단자(48)을 분리하면서 스위치(75)가 개방될 수 있을 것이다. 몇몇의 실시예들 속에서, 상기 자동차가 꺼진 전체 시간 동안, 스위치(75)는 개방된 상태로 남아있을 수 있다. 그러나, 몇몇의 실시예는 상기 자동차가 꺼졌을 때, 스위치(75)를 시간 주기 동안 닫히도록 허용할 수 있고, 여전히 여기서 기술된 향상된 시동 기능을 제공할 수 있다는 것을 알 수 있다.
상기 충전 제어기(74)는, 예를 들어, Ib,상기 에너지 저장 디바이스(900)을 통해 나오는 전류 값, 전류 출력 값의 변화의 비율(dI/dt), 및/또는 상기 배터리(20)의 전압 값의 변화(dV/dt), 또는 그것들의 결합을 관찰함으로써, 상기 스타터(60) 크랭킹의 이벤트를 탐지하도록 설정되어 있을 수 있다. 상기 이벤트가 탐지되었을 때, 스위치(75)는 상기 커패시터(20)가 상기 스타터(60)에 전력을 공급할 수 있는 것과 같이 닫히게 될 것이다. 상기 커패시터(20)는 사전에 적어도 부분적으로는 상기 배터리 개방 회로 전압으로부터 분리되어 있기 때문에 스위치(75)가 열리는 시간 동안에, 일단 스위치(75)가 시동 기간에 닫히면, 상기 커패시터(20)는 상기 스타터(60)에 상기 배터리 개방 회로 전압 보다 높은 전압을 제공할 수 있게 된다. 상기 커패시터(20)에 의해 제공된 그러한 높은 전압은 상기 스타터(60)의 크랭크 속력을 높일 수 있고, 스타터(60)가 자동차를 시동 걸 수 있는 것의 신뢰도를 향상시킨다.
예를 들어, 위에서 기술한 것처럼, 자동차 어플리케이션에서, 상기 배터리(30)과 커패시터(20)의 충전 전압은 상기 교류발전기(61)이 작동하는 동안, 12와 16V의 사이를 범위로 하여, 대략적으로 14.4V의 평균 값과 함께 존재할 것이다. 상기 교류발전기(61)의 멈춤 조건 이후에, 상기 배터리 개방 회로 전압은 대략적으로 12와 13V사이의 점으로 떨어지게 될 것이다. 스위치(75)의 앞서 언급한 제어를 통해서, 상기 커패시터의 충전 상태를 유지하려고 하는 경향, 상기 커패시터(20)의 개방 회로 전압의 강하는 상기 배터리(30)의 그것보다 적을 것이다. 따라서, 상기 커패시터(20)는 상기 교류발전기(61)의 멈춤 조건의 동안에 상기 배터리(30)의 개방 회로 전압에 비교하여 더 높은 개방 회로 전압을 유지하고, 자동차의 시동 기간에 증가된 전압과 시동 전력을 제공할 수 있을 것이다. 선택적인 스위치(77)이 존재하지 않는 실시예에서는, 상기 배터리(30)는 상기 커패시터(20)와 병렬 연결된 상기 시동 전류의 감소된 부분에 대하여 스위치(75)의 닫음과 상기 스타터(60) 크랭크 동안의 상기 커패시터(20)의 사용에 따라 기여하게 될 것이다.
몇몇의 실시예 속에서, 상기 커패시터(20)의 전압은 상기 교류발전기(61)가 꺼졌을 때, 상기 교류발전기(61)가 작동중일때 상기 정류기(63)의 전압강하에 근거한 값으로부터 감소하게 될 것이다. 그러나, 몇몇의 실시예 속에서, 이상적인 다이오드 회로가 실현될 것이다. 그러한 회로들은 상기 교류발전기(61)가 작동중일때, 스위치(75)의 양단의 전압을 관찰할 수 있다. 상기 회로는 스위치(75) 방향의 상기 교류발전기(61)의 전압 값이 관찰되는 값에 도달 했을 때, 스위치(75)를 닫을 수 있다. 스위치(75)를 닫는 것은 상기 정류기(63)을 건너뛰고 상기 커패시터(20)의 전압이 증가하고 상기 교류발전기(61)의 전압 값에 접근하도록 허용하는 것을 하게 해준다. 그러한 실시예 속에서, 교류발전기(61)가 꺼졌을 때, 스위치(75)는 열리고, 상기 커패시터(20)은 상기 교류발전기(61)의 전압과 대략적으로 같은 개방 회로 전압을 유지할 수 있다.
선택적인 스위치(77)를 포함하는 몇몇의 실시예 속에서, 스위치(77)는 예를 들어 상기 충전 제어기(74)에 의해서 상기 배터리(30)으로부터 공급되는 전류의 연결을 끊기 위해서 개방될 수 있고, 따라서 상기 커패시터(20)와 배터리(30)이 분리될 수 있다. 예를 들어, 스위치(77)는 스위치(75)가 상기 배터리(20)로부터 커패시터(30)를 분리하도록 닫혀진 시간 동안에 열릴 수 있고, 앞서 언급된 자동차 시동의 동안에 상기 스타터(60)이 크랭크 하도록 증가된 커패시터 전압(그리고 전력)을 허용하도록 할 수 있다. 그것은 또한 전력을 상기 커패시터 에서 비상 라이트와 같은 하나 또는 복수의 다른 자동차 부하들에 연결되도록 할 수 있다. 스위치(77)는, 예를 들어, 상기 커패시터 전압이 대략적으로 배터리 전압과 같아졌을 때 또는 크랭킹 이벤트의 종료가 감지됐을 때, 다시 닫힐 수 있다. 앞서 언급된 분리는 엔진 크랭크 동안에 배터리에 걸리는 부하를 감소시키고, 따라서 상기 배터리(30)의 수명을 증가시키고, 예를 들면, 시동/멈춤 어플리케이션 동안, 그리고 순환 감소 효과를 줄일 수 있다. 그러한 분리는 또한 적어도 부분적으로는 상기 시동 전류와 분리된 상기 배터리(30)와 함께, 전체적으로 높은 에너지를 상기 커패시터(20)로부터 상기 스타터(60)에 제공할 수 있다.
제동 에너지를 회복하다.
몇몇의 실시예들은 하이브리드 자동차, 내연기관이 있는 자동차, 또는 스타터(60)를 갖춘 다른 자동차들 속에서 추가적인 기능을 제공할 수 있다. 예를 들면, 몇몇의 자동차들은 상기 자동차가 정지했을 때, 에너지를 발생시키고 회복하고 또는 재발전 하도록 하는 능력이 있는 스타터(60) 발전기를 포함한다. 그러나, 많은 배터리 화학물은 커패시터 또는 울트라커패시터 보다 낮은 전하 수용성을 가지고, 따라서 배터리들은 그러한 재발생된 제동 에너지를 받고 저장하는 커패시터 보다 낮은 효율성을 가진다. 다음의 실시예들은 재발생된 제동의 효율성을 향상시키고 상기 배터리가 상기 에너지 저장 디바이스에 전하는 전하 수용성의 제한을 경감시키기 위해서, 일부의 또는 실질적으로 전체 재발생된 제동 에너지를 상기 배터리 대신에 상기 커패시터 방향으로 흐르게 해줄 수 있다.
상기 자동차 엔진이 켜졌을 때, 스위치들(75,77)은 닫혀진 위치에 있는 것으로 설정될 수 있다. 이러한 작동 모드 동안에, 상기 배터리(30)와 상기 커패시터(20)는 상기 교류발전기(61)에 의해서 전압이 12에서 16V 사이에 존재하도록 또는 위에서 기술된 것처럼 전형적인 자동차 어플리케이션에서 전형적으로 14.4V 평균을 가지도록 충전될 수 있다. 상기 충전 제어기(74)는 상기 교류발전기(61)에 의해서 제공되던 전압에 비해서 커다란 전압의 상승을 탐지함으로써 재생식의 제동 이벤트가 시작되는 것을 탐지할 수 있을 것이다. 예를 들면, 앞서 언급된 전형적인 자동차 어플리케이션 속에서, 재생식의 제동 이벤트 동안의 평균 전압은 대략적으로 14.4V와 18V사이에 범위를 갖도록 증가할 것이다. 그러나, 재생식의 제동 이벤트가 사용된 경우라도 재생식 제동 이벤트 동안의 전압은 전압 제한 안에서의 어떤 값까지 오르게 된다는 것을 이해할 수 있다. 상기 충전 제어기(74)가 재생식의 제동 이벤트가 발생한 것을 탐지했을 때, 스위치(77)은 재생식의 제동 에너지가 오직 상기 커패시터(20)를 향하도록 열릴 수 있을 것이다. 그러한 커패시터 분리는, 전력을 자동차의 다른 보조의 부하들( 불빛, 에어컨, 카빈 히터와 그와 같은 것들)에 공급하거나 또는 스위치(75)의 닫힘에 의한 상기 배터리(30)의 재충전을 위해서, 커패시터에 갇힌 에너지가 저장되도록 해주고 다음의 크랭킹 이벤트에 사용되도록 해준다. ( 예를 들면, 자동차의 시동/멈춤 기능 ) 몇몇의 실시예들 속에서, 상기 커패시터 전압이 상기 커패시터(20)가 완전한 충전 상태에 도달했다는 것을 가리키는 점에서 탐지되었을 때, 스위치(75)는 다시 열리고, 스위치(77)은 닫히고, 시스템으로부터 상기 커패시터(20)를 분리시키고, 재생식의 제동 에너지를 상기 배터리(30)에 다시 향하도록 한다. 몇몇의 실시예 속에서, 재생식의 제동 에너지가 상기 커패시터(20)와 배터리(30) 모두를 향하게 하도록 해주기 위해서, 재생식의 제동 이벤트의 경우에 스위치(75)와 스위치(77) 모두를 닫히도록 한다. 그러한 실시예 속에서, 상기 재생식의 제동 에너지와 전류는 상기 커패시터와 배터리 사이에 흩어질 것이다.
순환-저하 효과를 줄이기 위한 상기 커패시터로부터 상기 배터리의 트리클 충전(Trickle charge)
몇몇의 실시예에서, 상기 자동차 엔진이 켜진 경우, 스위치들(75)와 (77)은 닫혀진 위치에 있다. 이러한 작동 모드 속에서, 상기 배터리(30)와 상기 커패시터(20) 모두는 12에서 16V 범위의 충전 전압 또는 전형적인 14.4V의 평균 충전 전압으로 상기 교류발전기(61)로 부러 충전될 수 있다. 몇몇의 실시예 속에서, 상기 충전 제어기(74)는 상기 교류발전기(61)이 더 이상 충분한 충전 전압을 전달하지 못할 때, 상기 자동차가 꺼진 것을 탐지 할 수 있다. 이 점에서는, 스위치(75)는 상기 커패시터(20)가 상기 배터리(30) 및 상기 배터리(또는 단자(48))에 연결된 다른 부하들로 방전되는 것을 예방하고 또는 그러한 가능성을 줄이기 위해서, 스위치(75)는 열릴 수 있다. 충전 전압 공급으로부터 상기 교류발전기(61)를 꺼지게 하는 것에 앞서, 상기 배터리(30)는 일반적으로 이성적으로 높은 충전 상태를 유지할 수 있다.
그러나, 상기 교류발전기(61)이 꺼지거나 또는 충전원으로부터 제거된 이후, 상기 배터리(30)의 충전 상태는 상기 교류발전기(61)이 꺼지게 되는 지점까지 떨어지게 될 것이다. 예를 들면, 만약 상기 배터리(30)이 오래되고, 추운 환경에서, 또는 상기 교류발전기(61)이 꺼지기에 앞서 완전히 재충전되지 않고 대단히 방전되었다면(시동/멈춤 어플리케이션과 같이), 배터리 용량이 그것의 용량 비율의 65-85%에 범위하는 점으로 떨어지는 것은 흔한 일이다. 알려진 대로, 많은 배터리들이 그들의 비용 및 어플리케이션에 따라서 좀 더 많은 또는 작은 용량을 가짐에도 불구하고, 배터리 용량은 60 amp-시간의 용량을 가지는 전형적 배터리와 함께 amp 시간으로 측정된다. 상기 교류 발전기가 꺼졌을 때, 배터리의 전압이 대략적으로 12.4V로 떨어지는 것은 흔한 일이다. 배터리가 그것의 사용 수명의 끝점 근처에 있을 때, 전하는 11.5V 또는 그 이하로 떨어지게 될 것이다. 몇몇의 경우에는, 상기 교류발전기(61)가 꺼진 이후에, 배터리 전압은 7V까지 낮게 떨어질 것이다. 상기 배터리의 이러한 커다란 전압 강하는 배터리 수명을 감소시키고 또는 배터리가 이미 그것의 사용 수명의 끝점에 도달했다는 신호가 될 수 있다. 이러한 시나리오는 신뢰할 만한 스타터(60)크랭크의 가능성을 막거나 감소시키고, 또는 낮은 배터리 전압에 관하여 여기에서 기술된 다른 문제들을 야기할 수 있다.
몇몇의 실시예는, 상기 배터리(30)가 상기 교류발전기(61)로부터 전력의 공급을 잃게 된 이후에, 배터리 충전 상태, 용량 및 전압 등에 발생할 수 있는 앞서 언급된 문제들을 보상하는 것을 도울 수 있다. 예를 들면, 스위치들(75,77)이 닫힐 수 있어 상기 커패시터(20)가 상기 배터리(30)에 에너지를 공급하도록 해줄 수 있고, 따라서 이전의 낮은 충전 상태 또는 상기 배터리(30)의 개방 회로 전압의 전부 또는 일부를 저장할 수 있도록 해준다. 그러한 상기 커패시터(20)의 상기 배터리(30)로의 트리클 충전 이벤트는 상기 교류발전기(61)이 꺼진 이후에 다양한 시간에서 발생할 수 있다. 그러나 상기 배터리(30)의 전압이 극명하게 떨어지는 가능성을 감소시키고 상기 배터리(30)의 전압을 근접 또는 대략적으로 그것의 충전 전압을 유지하도록 하기 위해서, 스위치(75)를 닫는 것과 상대적으로 짧은 시간 주기(10초 이하의)안의 상기 배터리(30)의 트리클 충전은 이익이 될 것이다. 그러한 실시예는 상기 배터리(30)가 필요로 하는 일의 양을 감소시킬 수 있고, 그리고 따라서 상기 배터리(30)의 마모를 감소시키고, 상기 배터리의 수명을 증가시키고, 상기 컴비네이션 커패시터/배터리 디바이스(900)이 쓰이는 자동차의 전체적인 효율성을 증가시킬 수 있다. 동작이 재개되었을 때, 이러한 실시예들은 또한 상기 배터리(30)의 전하 수용성에 긍정적인 효과를 가져온다. 요컨대, 전압 순환에 의해 필요로 하는 일은, 상기 배터리(30) 대신에 그러한 순환을 위해 설계된 상기 커패시터에 전달된다. 상기 배터리(30)가 시동/멈춤 어플리케이션 속에서 하이브리드 자동차로써 커패시터(20)에 의해서 트리클 충전될 때, 상기 배터리(30)의 향상된 효율성 덕분에 상기 자동차의 연료 효율성은 향상될 수 있다.
(상기 배터리(30)의 상기 커패시터(20)와 함께 트리클 충전을 위해서) 스위치(75)가 닫힌 시간의 길이는 매우 다양하고, 그러나 일반적으로는 대략적으로 1시간에서 대략적으로 4시간 사이에 위치한다. 상기 트리클 충전은 연속적으로 적용 가능하지만, 간헐적으로 또한 적용 가능하다. 예를 들면, 트리클 충전은, 배터리 플레이트 안에서 이온 층 표면을 제거하는 펄스-너비-모듈레이티드(PWM) 제어와 함께 적용가능하고, 상기 배터리는 좀 더 빠르게 충전될 수 있다. 트리클 충전은 또한 자동차의 휴식 동안 한번 또는 주어진 시간 주기의 수많은 시간 동안에 적용될 수 있다.
울트라커패시터와 함께 배터리의 트리클 충전을 사용하는 시험에서, 그룹 31 AGM 납 배터리는 12.45OCV로 순환 저하되고, 두 달 동안 지속되는 것을 허용한다. 이 점에서, 배터리의 전하 수용성은 6 amps, 14.4V, 45℉로 측정된다. 5일 연속 동안, 14.4V로 초기에 충전된 울트라커패시터로부터 대략적으로 4 공간 하전을 받게 된다. 상기 커패시터로부터 그러한 트리클 충전을 받은 후에, 상기 배터리의 새로운 OCV는 12.64V로 측정된다. 상기 배터리가 12.45V로 다시 방전되었을 때, 상기 배터리의 측정된 전하 수용성은 28amps였다. 이러한 시험은 트리클 충전에 대하여 순환 저하 배터리의 전하 수용성에 있어 이익을 증명해주었다. 여기에서 기술된 트리클 충전의 그러한 이익들의 연관된 효율성들은 하이브리드 자동차의 전형적인 시동/멈춤 어플리케이션 속에서 1년간의 일반적인 사용에 있어서 200-250amp 시간이라는 배터리에 의해 요구되는 일의 양을 감소시킬 수 있다.
트리클 충전이 커패시터(20)와 배터리(30) 전압의 강하로부터, 상기 스타터(60)이 시작될 수 없는(약 12V) 점 이하로 떨어지는 것을 예방하기 위해서ㅡ 커패시터(20)와 배터리(30)의 전압의 양은 상기 트리클 충전 동안에 관찰될 수 있다. 만약 전압이 트리클 충전 동안에 그러한 낮은 전압에 도달한 경우에, 상기 전하 제어기(74)는 다시 스위치(75)를 열고, 상기 스타터(60)이 시작되기에 충분한 커패시터(20)의 전압을 유지할 수 있다.
도 14A의 시스템에 대하여 하나 또는 복수의 앞서 언급된 기능들은 다른 2-단자, 도 14B의 2 스위치 실시예, 또는 도 15에서 도시되는 스위치(75)와 상기 정류기(63)가 있는 3-단자 구성들에서 제공될 수 있다. 도 14A와 14B에서 도시되는 실시예들의 장점은 그들은 2-단자 설계이고, 좀 더 쉽게 존재하는 2-단자 OEM 배터리들을 대체할 수 있다는 것이다. 그러나, 3-단자 실시예도 몇몇의 유사한 기능들을, 예를 들면, 스위치(77)가 없는 간단한 어플리케이션 속에서, 제공할 수 있다. 그러한 실시예들은 상기 커패시터(20)로 부터의 전류 흐름을 상기 배터리(30)로부터의 전류 흐름에서 분리할 수 있고, 상기 스타터(60)가 (스위치(75)가 열려 있을 때), 상기 커패시터(20)로부터 더 높은 전압을 받도록 해줄 수 있다. 그러한 실시예들은 도 14A에서 도시되고, 여기에서 "개선된 시동 기능"이라고 제목 붙여진 부분에서 기술된 실시예들과 유사한 이익을 제공할 수 있다. 추가적으로, 스위치(75)는 "제동 에너지를 회복하다."라고 제목 붙여진 부분에서 기술되고 도 14에서 보여진 실시예 같은 유사한 이익을 제공하기 위해서, 에너지를 재생식의 제동에서 상기 커패시터(20)로만 흐르게 하기 위해서 개방 위치로 이동될 수 있고, 또는 에너지를 재생식의 제동에서 상기 커패시터(20)와 상기 배터리(30) 모두로 흐르게 하기 위해서 닫힌 위치로 이동할 수 있다. 추가적으로, "순환-저하 효과를 줄이기 위한 상기 커패시터로부터 상기 배터리의 트리클 충전"이라고 제목 붙여진 부분에서 기술되고 도 14A에서 보여진 실시예들과 같은 유사한 이익을 제공하고자, 상기 커패시터(20)는 상기 배터리를 트리클 충전하도록 해주기 위해서, 스위치(75)를 닫힌 위치로 이동시킬 수 있다.
저항성 있는 브릿지
도 16은 도 9-15와 유사한 많은 컴포넌트들이 있는, 3-단자 결합된 배터리/커패시터 에너지 저장 디바이스(1200)의 또 다른 실시예를 도시한다. 상기 커패시터/ 배터리 결합 디바이스(1200)의 개략적으로 도시된 전자기기들은 여기에서 기술된 다른 3-단자 커패시터/배터리 결합 디바이스들 안에서도 실행 가능하다. 이러한 실시예 속에서, 전류 리미터(76)는 스타터 단자(50)과 교류발전기 단자(48) 사이에 위치할 수 있다. 몇몇의 실시예 속에서 디바이스(1200)은 여기에서 기술된 다른 2-단자 디바이스들과 유사한 2-단자 디바이스를 포함한다. 예를 들면, 디바이스(1200)는 단자(48)가 없고, 단자(50)와 배터리(30) 사이에 위치한 상기 전류 리미터와, 그리고 상기 교류발전기(61)과 단자(50)에 연결된 자동차 부하(62)와 함께 설정될 수 있다. 상기 전류 리미터(76)는 하나 또는 복수의 저항들로 구성되는 저항성 있는 브릿지를 포함한다. 상기 전류 리미터(76)은 하나 또는 복수의 정 온도 계수 저항기, 셀프-리셋팅 회로 절단기, 또는 다른 적합한 전류-리미팅 디바이스를 포함한다. 상기 전류 리미터(76)는 여기에서 기술된 결합된 에너지 저장 디바이스들의 다른 실시예와 유사하게, 커패시터(20)에 의한 스타터의 크랭크 동안에 상기 배터리(30)로의 전류 드로우를 감소시키지만, 낮은 컴포넌트들, 낮은 비용, 그리고 증가된 신뢰성이 있다. 전류 리미터(76)의 저항은 크기, 부하 프로필, 및 상기 배터리(30)의 내부 저항 및 상기 커패시터(20)의 ESR에 기초하여 크기가 결정될 수 있다. 일반적으로 상기 전류 리미터(76)는 상기 커패시터의 재충전 비율이 실용적인 값 이하로 내려갈 정도로 크지 않도록, 앞서 언급된 상기 배터리로의 전류 드로우를 감소시키는 이익들을 제공하는데 충분하게 적합하도록 크게 크기가 결정될 수 있다. 일반적으로, 상기 전류 리미터는 시스템 시간 상수(저항값*커패시컨스)가 시스템의 피크 전력 요구의 지속 기간 보다 대략적으로 10에서 100배정도 크도록 크기가 결정된다. 대부분의 자동화된 어플리케이션에서는, 시스템의 피크 전력 요구는 대략적으로 1에서 10초간 지속되고, 따라서 디바이스(1200)의 시간 상수는 대략적으로 10에서 1000초 사이에서 크기가 결정된다. 몇몇의 실시예 속에서, 디바이스(1200)의 상기 시간 상수는 대략적으로 1에서 10000초 사이에 존재한다. 예를 들면, 2000W 또는 그 이상의 등급을 가지는 저항성 브릿지는 개방 회로 전압이 288V인 배터리와 대략적으로 24F 커패시턴스와 병렬 연결된 커패시터를 포함하는 결합된 배터리/커패시터 디바이스 안에서 실행될 수 있다. 상기 전류 리미터(76)는 추가적으로 도 9-15에서 도시된 하나 또는 복수의 다른 실시예들에서 실행 가능하다.
정류기 네트워크
도 17은 도 9-16에서와 같은 많은 비슷한 컴포넌트를 가진, 2-단자 결합된 배터리/커패시터 에너지 저장 디바이스(1300)의 다른 실시예를 도시한다. 상기 커패시터/배터리 결합 디바이스(1300)를 개략적으로 도시한 전자기기들은 여기에서 기술되는 다른 2-단자 커패시터/배터리 결합 디바이스들 안에서 실행될 수 있다. 이 실시예 속에서, 디바이스(1300)는 두 개의 배터리들(30A, 30B) 사이에 병렬 연결되어 선 속에서 운영되는 정류기들(63,73, 및 78)의 네트워크를 포함한다. 배터리들(30A,30B)은 대략적으로 같은 등급의 전압과 용량을 가진다. 정류기들(63,73, 및 78)의 시스템, 및 배터리들(30A, 30B)은 커패시터(20)와 함께 병렬로 연결될 것이다.
도 17에서 도시된 디바이스(1300)의 실시예는 도 11-15에서 도시된 것들과 같은 DC/DC 컨버터 또는 스위치되는 시스템을 포함하는, 여기에서 기술된 컴비네이션 디바이스들과 같은 이익들의 일부를 제공할 수 있다. 예를 들면, 배터리들(30A, 30B)은 배터리(30A,30B)의 전압 비율과 같거나 또는 아래와 같은 특정한 레벨아래로 상기 커패시터(20)가 격감되었을 때, 병렬로 연결되어 작동할 수 있다. 재충전 동안에, 상기 커패시터(20)가 상기 배터리들(30A,30B)의 전압 비율의 두 배와 같은, 특정 레벨에 도달할 때까지, 상기 커패시터(20)은 전력을 먼저 전달 받는다. 그 뒤에, 전력은 상기 배터리들(30A,30B)을 재충전하는데 사용될 수 있다. 배터리들(30A,30B)의 재충전은 배터리들의 높은 내부 저항 값 때문에 아마도 낮은 효율적 비율일 것이다. 도 17 속의 디바이스(1300)의 실시예는 오직 솔리드 스테이트(solid state) 컴포넌트에서 실행될 수 있고, 따라서 DC/DC 컨버터 또는 스위치 된 시스템이 있는 디바이스에 대해서 보다 더 간단할 수 있다. 따라서, 도 17의 실시예는 좀 더 신뢰할 수 있고, 몇몇의 다른 하이브리드 배터리/커패시터 에너지 저장 디바이스들 보다 낮은 비용에서 제공될 수 있다.
셀프 밸런싱 디바이스
도 18은 도 9-17에서의 많은 유사한 컴포넌트들과 함께, 2-단자 결합된 배터리/커패시터 에너지 저장 디바이스(1400)의 다른 실시예를 도시한다. 상기 커패시터/배터리 결합 디바이스(1400)의 개략적으로 도시된 전자기기들은 여기에서 기술되는 다른 2-단자 커패시터/배터리 결합 디바이스들 안에서 실행될 수 있다. 이러한 실시예들 속에서, 커패시터(20)는 복수의 커패시터들(20A-20F)이 직렬로 연결된 커패시터 뱅크와 복수의 배터리들(30A-30F)이 직렬 연결된 배터리 뱅크를 포함한다. 몇몇의 실시예 속에서, 아래에서 기술될 것처럼 배터리들과 커패시터들 사이의 더 좋은 밸런싱을 제공하기 위해서, 에너지 저장 디바이스(10)안에서 실행되는 커패시터들의 개수와 배터리들의 개수가 동일하다. 복수의 인터커넥트들(80A-80E)은 상기 커패시터(20)와 배터리(30)의 사이에 확장되고, 각각의 인터커넥트들은 상응하는 인접한 커패시터들의 한 쌍 사이에 연결된 제1 단부와 상응하는 인접한 배터리들의 한 쌍 사이에 연결된 제2 단부를 포함하는 것이다. 예를 들면, 인터커넥트(80A)는 커패시터들(20A,20B) 사이의 점에 연결된 제1 단부(81A)와 배터리들(30A,30B) 사이의 점에 연결된 제2 단부(82A)를 포함하고, 기타로 인터커넥트들의 나머지들, 배터리들, 및 커패시터들을 포함한다. 인터커넥트들은 전선, 버스-바 또는 다른 전기적 연결들로 구성된다. 인터커넥트들(80A-80E)은 인접한 커패시터들 및 배터리들 사이에 확장되는 다른 전기적 컴포넌트들 없이 전선, 버스바, 또는 다른 전기적 연결을 포함한다. 몇몇의 실시예들 속에서, 도시된 배터리들과 커패시터들의 개수(6개)와 인터커넥트들의 개수(5개)는 설명하기 위한 목적에서 한 것을 알 수 있다.
도 18에서 도시된 디바이스(1400)의 실시예는 각각 서로 연관된 커패시터 뱅크(20)안의 개별적 커패시터들(20A-20F)의 전압과 커패시터 뱅크(20)의 전체적인 출력단 전압의 밸런싱을 제공한다. 실시예는 또한 각각 서로 연관된 배터리 뱅크(30)안의 개별적인 배터리들(30A-30F)의 전압과 배터리 뱅크(30)의 전체적인 아웃풋 전압의 밸런싱을 제공한다. 그러한 밸런싱은 개별적인 커패시터들 및/또는 배터리들의 전압 사이의 차이를 감소시킨다. 그러한 밸런싱은 어떤 커패시터들 또는 배터리들이 다른 커패시터들 또는 배터리들 보다 더 높은 또는 더 낮은 전압으로 충전되는 것을 막아주고, 그것은 상기 커패시터(20), 배터리(30), 또는 상기 하이브리드 에너지 저장 디바이스(1400)의 사용 수명에 영향을 준다. 그러한 밸런싱은 또한 하나 또는 복수의 개별적인 커패시터들(20A-20F) 및 배터리들(30A-30F)의 고장의 경우에 전체적인 커패시터 뱅크(20) 또는 배터리 뱅크(30)의 완전한 고장을 방지할 수 있다. 도 18의 밸런싱 회로는 유사한 기능을 제공하는 몇몇의 밸런싱 회로들보다 좀 더 간단하고, 좀 덜 비싸고, 더 내구성은 좋으며, 스위치들, 제어기들, 및 그와 같은 것들이 있어 다만 좀 더 복잡함을 가진다.
용어에 관한 설명
기술분야에서 기술을 가진 자들은 더욱 다양한 실시예가 되는 논리적인 블록들, 모듈들, 회로들을 인식하게 될 것이고, 여기에서 공개된 실행들과 연결되어 기술된 처리 단계들은 전기적인 하드웨어, 컴퓨터 스프트웨어, 또는 그 둘의 결합에 의해서 실행될 수도 있다. 하드웨어와 소프트웨어의 호환성에 대해서 분명하게 설명하기 위해서, 다양한 실시예가 되는 컴포넌트들, 블록들, 모듈들, 회로들, 및 단계들이 그들의 기능에 관해서 일반적으로 위에서 기술되어 왔다. 그러한 기능들이 하드웨어 또는 소프트웨어로써 실행될 지 여부는 특정한 어플리케이션과 전체적인 시스템에 의해 쓰이는 설계 제약에 달려있다. 숙련된 장인은 기술된 기능을 각각의 특정한 어플리케이션의 다양한 방법들 속에서 실행할 것이고, 그러나 그러한 실행 결정들은 본 발명의 범위에서 벗어난 것으로 해석되지 않아야 할 것이다. 기술 분야의 숙련된 사람은 전체와 같거나 그 보다 적은 것들로 구성되는 부분 또는 부품을 인식할 수도 있다.
여기에서 기술된 다양한 실시예가 되어 실행과 연관지어 기술된 논리적인 블록들, 모듈들, 및 회로들은 일반적인 목적 프로세서, 디지털 신호 프로세서(DSP), 어플리케이션 구체화 통합된 회로(ASIC), 필드 프로그램 가능한 게이트 배열(FPGA) 또는 다른 프로그램 가능한 로직 디바이스, 개별적 게이트 또는 트랜지스터 로직, 개별적 하드웨어 컴포넌트들 또는 어떤 여기에서 기술된 기능들을 수행하도록 설계된 것들의 컴비네이션들과 함께 실행되거나 수행될 수 있다. 일반적인 목적 프로세서는 마이크로프로세서가 될 수 있고, 하지만 대안으로써, 프로세서는 어떤 통상적인 프로세서, 제어기, 마이크로제어기 또는 상태 기계가 될 수 있다. 프로세서는 컴퓨팅 프로세스의 컴비네이션에 의해 또한 실행될 수 있다. 예를 들면, DSP와 마이크로프로세서의 결합, 복수의 마이크로프로세서들, 하나 또는 복수의 마이크로프로세서와 결합된 DSP 코어, 또는 다른 그러한 구성들이 있다.
여기에서 기술된 실행들과 연결되어 기술된 방법 또는 처리의 단계들은 하드웨어 안에서 직접, 프로세서로 실행되는 소프트웨어 모듈, 또는 이 둘의 컴비네이션에 의해서 구현될 수 있다. 소프트웨어 모듈은 RAM 메모리, 플래쉬 메모리, ROM 메모리, EPROM 메모리, EEPROM 메모리, 레지스터들, 하드디스크, 지울 수 있는 디스크, CD-ROM, 또는 다른 어떤 기술 영역에 알려진 일시적이지 않은 저장 매체에 담을 수 있을 것이다. 본보기의 컴퓨터-읽기 가능한 저장 매체는 프로세서가 정보를 컴퓨터-읽기가능한 저장 매체에서 읽어오고 컴퓨터-읽기가능한 저장 매체에 정보를 기록할 수 있는 상기 프로세서에 연결된다. 대안으로써, 저장 매체는 프로세서와 통합될 수 있을 것이다. 상기 프로세서와 상기 저장 매체는 ASIC안에 담을 수 있을 것이다. ASIC은 사용자 단자, 카메라 또는 다른 디바이스 안에 담을 수 있을 것이다. 대안으로써, 프로세서 및 저장 매체는 사용자 단자, 카메라 또는 다른 디바이스 안의 개별적 컴포넌트들로써 존재할 수 있다.
제목들은 여기에서 참고가 되는 것으로써 다양한 섹션들의 위치를 찾는데 도움이 되도록 담겨있다. 이런 제목들은 거기에 관하여 기술된 개념들의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 그러한 개념들은 전체 설명을 통해서 수용 가능할 것이다.
시스템은 아래 자세하게 기술되는 것 같이 다양한 모듈들을 포함한다. 기술 분야의 숙련된 한 사람에 의해서 인식될 수 있는 것처럼, 각각의 모듈들은 다양한 서브-경로들, 절차들, 명확한 진술들 및 매크로들을 포함한다. 각각의 모듈들은 전형적으로 각각 따로따로 컴파일 되고, 하나의 실행 가능 한 프로그램으로 연결된다. 그러므로, 각각의 모듈들의 다음의 설명은 우선적 시스템의 기능을 편리하게 기술하는데 사용된다. 따라서, 모듈들 각각에 의해서 겪어진 처리절차들은 하나의 모듈이 함께 결합된 또는 예를 들어 공유되는 동적 링크 라이브러리에서 사용할 수 있도록 만들어진, 다른 모듈들 중 하나에 임의적으로 재배포 될 것이다.
여기에서 공개된 본 발명은 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어 또는 그런것들의 어떤 컴비네이션을 생산하기 위한 기준 프로그래밍 또는 엔지니어링 기술의 사용으로써 방법, 장치 또는 제조 물건(Article of manufacture) 으로써 실행될 수 있을 것이다. 여기서 사용된 제조 물건이라는 용어는 광 저장 디바이스, 그리고 휘발성 또는 비 휘발성 저장 디바이스들과 같은 하드웨어 또는 컴퓨터의 읽기 가능한 매체들에 실현되는 코드 또는 로직을 일컫는다. 그러한 하드웨어는 필드 프로그램 가능한 게이트 배열(FPGAs), 어플리케이션 구체화 통합된 회로(ASICs), 복잡한 프로그램 가능한 로직 디바이스(CPLDs), 프로그램 가능한 로직 배열(PLAs), 마이크로프로세서들, 또는 다른 유사한 프로세싱 디바이스를 포함하고, 그러나 이들로 한정되는 것은 아니다.
여기에서 기술되는 본 발명의 실시예들은 어떤 수 많은 다른 소프트웨어, 하드웨어, 펌웨어, 전자 회로들, 제어기기들, 컴퓨터들(핸드-헬드 컴퓨팅 디바이스들 포함), 마이크로칩들, 통합된 회로들, 프린트된 회로 보드들, 및/또는 알려지거나 여기서 기술된 다른 마이크로전자 컴포넌트, 또는 그것들의 컴비네이션, 여기서 기술된 기능을 제공하기 위한 적합한 그와 관련된 방법들을 포함한다. 추가적으로 여기에서 기술된 커패시터 시스템을 운영하는 기능은 어떤 적합한 전자의, 기계적인, 기압의, 유압의, 및/또는 다른 컴포넌트들 및/또는 시스템들, 또는 그것들의 컴비네이션, 또는 그와 관련 있는 방법에 의해서 제공될 것이다.
공개된 실행들의 이전의 기술은 기술 분야의 숙련된 어떤 사람이라도 본 발명을 만들거나 이용할 수 있도록 제공된다. 이런 실행들의 다양한 수정들은 기술분야의 숙련된 자들에게는 쉽게 분명한 것이고, 여기서 정의된 포괄적인 원칙들은 본 발명의 의미 또는 범위를 떠나지 않고 다른 실행들에 적용될 수 있다. 따라서 본 발명은 여기서 도시된 실시예들로 제한하고자 하는 목적이 아니고, 여기서 공개된 원칙들과 신규한 특성들의 일관된 가장 넓은 범위가 부여될 것이다.
상기 설명들이 다양한 실시예로 적용하여 본 발명의 신규 특성을 지적할 때, 숙련된 사람들은 도시된 형식 및 상기 디바이스에 관한 자세한 사항 또는 처리 절차들 속에서 다양한 생략들, 교체들, 및 교환들이 본 발명의 범위를 떠나지 않고 만들어 진다는 것을 알 수 있을 것이다.

Claims (60)

  1. 에너지 저장 디바이스에 있어서,
    제1 디바이스 단자와 제2 디바이스 단자;
    상기 제1 단자와 상기 제2 단자 사이에 연결되는 배터리;
    상기 배터리에 병렬 연결되는 커패시터; 및
    상기 제1 단자와 상기 커패시터 사이에 연결되는 정류기- 상기 정류기는 상기 제1 단자에서 상기 커패시터로 흐르는 전류가 실질적으로 단일 방향으로 흐르도록 하는 것임-
    을 포함하는 에너지 저장 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 정류기는 다이오드를 포함하는
    에너지 저장 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 단자는 전력 원으로부터 전력을 받도록 구성된 양극 단자이고, 상기 제2 단자는 음극 단자 또는 접지 단자이고,
    상기 에너지 저장 디바이스는,
    상기 정류기와 상기 커패시터 사이에 있는 제3 단자 - 상기 제3 단자는 상기 커패시터로부터의 전력을 외부의 부하로 공급하도록 구성됨 -
    을 더 포함하는 에너지 저장 디바이스.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 정류기와 상기 커패시터 사이에 직렬 연결되는 전류 리미터
    를 더 포함하는 에너지 저장 디바이스.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 전류 리미터는 정 온도 계수 저항기를 포함하는 것인
    에너지 저장 디바이스.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 단자와 상기 제3 단자 사이에 연결된 직류/직류 컨버터를 더 포함하고,
    상기 직류/직류 컨버터는
    상기 정류기;
    상기 제2 단자와 상기 정류기 사이에 연결되는 스위치;
    상기 스위치를 제어하는 부스트 제어기; 및
    상기 제1 단자와 상기 정류기 사이에서 상기 정류기에 직렬로 연결된 인덕터
    를 포함하는 것인
    에너지 저장 디바이스.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 정류기는 제1 정류기를 포함하고, 상기 제1 단자와 상기 제3 단자 사이에 연결되며 상기 제1 정류기와 상기 인덕터에 병렬 연결되는 제2 정류기를 더 포함하는 에너지 저장 디바이스.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 인덕터는 가포화 인덕터를 포함하는 것인 에너지 저장 디바이스.
  9. 에너지 저장 디바이스에 있어서,
    제1 디바이스 단자와 제2 디바이스 단자;
    상기 제1 단자와 상기 제2 단자 사이에 연결된 배터리;
    상기 배터리에 병렬 연결되는 커패시터; 및
    상기 커패시터와 상기 제1 단자 사이의 제1 스위치- 상기 제1 스위치는 상기 커패시터와 상기 제1 단자사이의 전기적 통신을 선택적으로 제어하는 것임-
    를 포함하는 에너지 저장 디바이스.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 단자와 상기 커패시터 사이에 연결된 정류기-상기 정류기는 상기 제1 단자에서 상기 커패시터로 전류 흐름이 실질적으로 단일방향으로 진행할 수 있도록 해주는 것임-
    을 더 포함하는 에너지 저장 디바이스.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 정류기는 다이오드를 포함하는 것인
    에너지 저장 디바이스.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 배터리의 아웃풋 전압이 탐지량 이하로 떨어졌을 때, 상기 제1 스위치를 여는 제어기
    를 더 포함하는 에너지 저장 디바이스.
  13. 제 9항에 있어서,
    상기 제1 단자로의 외부 전력 손실이 탐지된 것에 반응하여 상기 제1 스위치를 닫는 제어기
    를 더 포함하는 에너지 저장 디바이스.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제어기는 시간의 미리 지정된 주기마다 상기 제1 스위치를 닫은 후에 상기 제1 스위치를 추가적으로 여는
    에너지 저장 디바이스.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 배터리와 상기 제1 단자 사이의 제2 스위치- 상기 제2 스위치는 상기 배터리와 상기 제1 단자 사이에 전기적 통신을 선택적으로 제어하는 것임-
    를 더 포함하는 에너지 저장 디바이스.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제1 단자의 전압이 탐지량 이상으로 증가했을 때, 상기 제1 스위치를 닫고 상기 제2 스위치를 여는 제어기
    를 더 포함하는 에너지 저장 디바이스.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 커패시터의 아웃풋 전압이 탐지량 이상으로 증가했을 때, 상기 제어기는 상기 제2 스위치를 닫는
    에너지 저장 디바이스.
  18. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 스위치는 상기 정류기와 병렬로 연결되는 것인
    에너지 저장 디바이스.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 정류기와 상기 커패시터 사이의 제3 단자- 상기 제1 단자와 상기 제3 단자 사이에 상기 제1 스위치가 배치되는 것임-
    를 더 포함하는 에너지 저장 디바이스.
  20. 에너지 저장 디바이스에 있어서,
    제1 디바이스 단자와 제2 디바이스 단자;
    상기 제1 단자와 상기 제2 단자 사이에 연결된 커패시터;
    상기 커패시터에 병렬 연결된 제1 배터리;
    상기 제1 배터리와 상기 커패시터 사이에 병렬 연결된 제2 배터리;
    상기 제1 배터리와 상기 제2 배터리 사이에 병렬 연결된 제1 정류기;
    상기 제2 단자와 상기 제1 정류기 사이에 연결된 제2 정류기; 및
    상기 제1 정류기와 상기 제1 단자 사이에 연결된 제3 정류기
    를 포함하는 에너지 저장 디바이스.
  21. 에너지 저장 디바이스에 있어서,
    전력 원으로부터 전력을 받는 제1 양극의 디바이스 단자;
    음극 또는 접지 단자를 포함하는 제2 디바이스 단자;
    상기 제1 단자와 상기 제2 단자 사이에 연결된 배터리;
    상기 배터리와 병렬 연결된 커패시터; 및
    상기 제1 단자와 상기 커패시터 사이로 확장되는 전류 리미터-상기 전류 리미터는 상기 커패시터가 외부 디바이스에 전력을 공급할 때 배터리에서부터 전류 드로우가 감소되도록 하는 것임-
    포함하는 에너지 저장 디바이스.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 커패시터에서 외부 디바이스로 전력이 공급되도록 하는 제3 단자- 상기 전류 리미터는 상기 제1 단자와 상기 제3 단자 사이로 확장되는 것임-
    를 더 포함하는 에너지 저장 디바이스.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 전류 리미터는 적어도 하나의 정 온도 계수 저항기와 적어도 하나의 저항성 있는 브릿지
    를 포함하는 에너지 저장 디바이스.
  24. 셀프 밸런싱 하는 배터리/커패시터 결합 에너지 저장 디바이스에 있어서,
    전력 원으로부터 전력을 받는 제1 양극의 디바이스 단자;
    음극 또는 접지 단자를 포함하는 제2 디바이스 단자;
    상기 제1 단자와 상기 제2 단자 사이에 직렬로 연결된 복수의 배터리들을 포함하는 배터리 뱅크;
    직렬 연결된 복수의 커패시터를 포함하는 커패시터 뱅크이고, 상기 커패시터 뱅크는 상기 배터리 뱅크와 병렬 연결된 것인 상기 커패시터 뱅크; 및
    상기 배터리 뱅크와 상기 커패시터 뱅크 사이로 확장되는 하나의 또는 복수의 인터커넥트 -각각의 인터커넥트는 상기 커패시터 뱅크의 상응하는 인접한 커패시터 한 쌍 사이의 노드에 연결된 제1 단부와 상응하는 인접한 배터리 한 쌍 사이의 노드에 연결된 제2 단부를 포함하는 것임-
    를 포함하는 셀프 밸런싱 하는 결합된 배터리/커패시터 에너지 저장 디바이스.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 배터리 뱅크의 배터리 개수와 상기 커패시터 뱅크의 커패시터 개수가 동일한 개수인
    셀프 밸런싱 하는 결합된 배터리/커패시터 에너지 저장 디바이스.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 인터커넥트는 다른 전기적 컴포넌트 없이 인접한 커패시터들과 배터리들 사이로 확장된 전선만을 포함하는
    셀프 밸런싱 하는 결합된 배터리/커패시터 에너지 저장 디바이스.
  27. 배터리/커패시터 결합 에너지 저장 디바이스에 있어서,
    통합된 배터리 하우징 부분, 커패시터 하우징 부분 및 하우징 뚜껑을 포함하는 하우징;
    상기 통합된 배터리 하우징 부분 안에 직접적으로 포함되고, 통합된 배터리가 상기 통합된 배터리 하우징 부분 안에 형성되도록 하는 복수의 배터리 전극과 전해질;
    상기 배터리와 병렬 연결되고 상기 커패시터 하우징 부분 안에 포함된 커패시터; 및
    상기 하우징을 따라 확장되는 제1 디바이스 단자와 상기 하우징을 따라 확장되는 제2 디바이스 단자
    를 포함하는 배터리/커패시터가 결합된 에너지 저장 디바이스.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 배터리 하우징 부분과 상기 커패시터 하우징 부분이 각각에 대하여 서로 수평적으로 인접한
    에너지 저장 디바이스.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 하우징은,
    각각이 상기 배터리 하우징 부분과 상기 커패시터 하우징 부분 양 쪽 모두의 일부를 형성하는 두 개의 공유된 외부 측벽 및 베이스,
    상기 배터리 하우징 부분의 일부를 형성하는 외부 배터리 측벽,
    상기 커패시터 하우징 부분의 일부를 형성하는 외부 커패시터 측벽 및
    상기 두 개의 공유된 외부 측벽 사이로 확장되고 상기 배터리 하우징 부분과 상기 커패시터 하우징 부분을 분리하는 내부 측벽
    을 포함하는 에너지 저장 디바이스.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 네 개의 외부 측벽, 베이스 그리고 내부 측벽이 단일 피스를 포함하는
    에너지 저장 디바이스.
  31. 제 29 항에 있어서,
    상기 하우징 뚜껑이 상기 커패시터 하우징 부분과 상기 배터리 하우징 부분, 두 개 모두를 에워싸는
    에너지 저장 디바이스.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 배터리 하우징 부분을 에워싸고 밀봉하는 하우징 뚜껑
    을 더 포함하는 에너지 저장 디바이스.
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 배터리는 상기 배터리 뚜껑을 따라 확장되는 배터리 단자를 포함하고, 상기 커패시터는 커패시터 단자를 포함하고,
    상기 에너지 저장 디바이스는 상기 배터리 뚜껑과 상기 디바이스 뚜껑 사이로 확장되고, 상기 배터리 단자와 상기 커패시터 단자를 연결하는 버스 바
    를 더 포함하는 에너지 저장 디바이스.
  34. 제 27 항에 있어서,
    상기 하우징은 기준 OEM 배터리의 폼 팩터에 맞도록 하는 것인
    에너지 저장 디바이스.
  35. 제 34 항에 있어서,
    상기 하우징은 BCI 그룹 배터리의 폼 팩터에 맞도록 하는 것인
    에너지 저장 디바이스.
  36. 제 27 항에 있어서,
    상기 하우징을 따라 확장되는 제3 디바이스 단자를
    더 포함하는 에너지 저장 디바이스.
  37. 제 27 항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 배터리 하우징 부분과 상기 커패시터 하우징 부분이 다른 상기 배터리 하우징 부분과 다른 상기 커패시터 하우징 부분의 위에 존재하도록 된
    에너지 저장 디바이스.
  38. 제 29 항에 있어서,
    상기 커패시터 하우징 부분이 상기 배터리 하우징 부분의 위에 존재하도록 된
    에너지 저장 디바이스.
  39. 결합된 배터리/커패시터 에너지 저장 디바이스 제조 방법에 있어서,
    통합된 배터리 하우징 부분, 커패시터 하우징 부분 및 하우징 뚜껑을 포함하는 에너지 저장 디바이스 하우징을 공급하는 단계;
    각각의 배터리 전극이 제1 및 제2 배터리 셀 단자를 포함하는 것인, 복수의 배터리 전극들을 상기 배터리 하우징 부분에 삽입하는 단계;
    상기 배터리 하우징 부분을 전해질로 채우는 단계;
    제1 배터리 단자와 제2 배터리 단자를 형성하기 위해 복수의 제1 배터리 셀 단자들과 복수의 제2 배터리 셀 단자들을 각각 연결하는 단계;
    제1 및 제2 커패시터 단자를 포함하는 하나의 또는 복수의 커패시터를 상기 커패시터 하우징 부분에 삽입하는 단계;
    상기 제1 배터리 단자와 상기 제1 커패시터 단자를, 그리고 상기 제2 배터리 단자와 상기 제2 커패시터 단지를 연결하는 단계;
    상기 배터리 하우징 부분과 상기 커패시터 하우징 부분을 상기 하우징 뚜껑으로 덮는 단계; 및
    상기 하우징을 따라 확장되는 제1 및 제2 디바이스 단자를 형성하는 단계
    를 포함하는 결합된 배터리/커패시터 에너지 저장 디바이스 제조 방법.
  40. 제 39 항에 있어서,
    상기 하우징 뚜껑 아래에 위치하는 배터리 뚜껑으로 상기 배터리를 밀봉하는 단계
    를 더 포함하는 결합된 배터리/커패시터 에너지 저장 디바이스 제조 방법.
  41. 제 39 항에 있어서,
    상기 에너지 저장 디바이스 하우징은
    상기 배터리 하우징 부분과 상기 커패시터 하우징 부분 모두의 일부를 각각 형성하는 두 개의 공유된 외부 측벽 및 베이스,
    상기 배터리 하우징 부분의 일부를 형성하는 외부 배터리 측벽,
    상기 커패시터 하우징 부분의 일부를 형성하는 외부 커패시터 측벽, 및
    상기 두 개의 공유된 외부 측벽 사이로 확장되고, 상기 배터리 하우징 부분과 상기 커패시터 하우징을 분리하는 내부 측벽
    을 포함하는 것인 결합된 배터리/커패시터 에너지 저장 디바이스 제조 방법.
  42. 제 41 항에 있어서,
    상기 네 개의 외부 측벽, 베이스 및 내부 측벽이 단일의 피스를 포함하는 것인
    결합된 배터리/커패시터 에너지 저장 디바이스 제조 방법.
  43. 제 39 항에 있어서,
    상기 하우징은 기준 OEM 배터리의 폼 팩터에 맞도록 하는 것인
    결합된 배터리/커패시터 에너지 저장 디바이스 제조 방법.
  44. 제 43 항에 있어서,
    상기 하우징은 BCI 배터리 그룹의 폼 팩터에 맞도록 하는 것인
    결합된 배터리/커패시터 에너지 저장 디바이스 제조 방법.
  45. 제 39 항에 있어서,
    상기 하우징을 따라 확장되는 제3 디바이스 단자를 형성하는 단계를 더 포함하는
    결합된 배터리/커패시터 에너지 저장 디바이스 제조 방법.
  46. 에너지 저장 디바이스에 있어서,
    배터리 하우징 부분;
    커패시터 하우징 부분; 및
    상기 배터리 하우징 부분과 상기 커패시터 하우징 부분을 덮는 하우징 뚜껑
    을 포함하는 에너지 저장 디바이스 하우징;
    상기 배터리 하우징 부분 내에 배치된 배터리로써, 상기 배터리 하우징 부분을 에워싸는 배터리 뚜껑을 따라 확장되는 제1 배터리 단자
    를 포함하는 상기 배터리;
    상기 커패시터 하우징 부분 안에 배치된 커패시터로써, 제1 커패시터 단자를 포함하고 상기 배터리와 병렬 연결 된 것인 상기 커패시터;
    상기 제1 배터리 단자와 상기 제1 커패시터 단자를 전기적으로 연결하는 제1 버스 바;
    상기 에너지 저장 디바이스 하우징을 따라 확장되고, 상기 제1 배터리 단자와 상기 버스 바를 전기적으로 연결하는 제1외부 디바이스 단자
    를 포함하는 에너지 저장 디바이스.
  47. 제 46 항에 있어서,
    상기 제1 외부 디바이스 단자는 상기 하우징 뚜껑 안의 개구를 따라서, 상기 제1 버스 바의 개구를 따라, 상기 배터리 단자 안의 제1 개구 안을 향하여 확장되는 스터드를 포함하는 것인
    에너지 저장 디바이스.
  48. 제 46 항에 있어서,
    상기 배터리 하우징 부분과 커패시터 하우징 부분이 서로에게 각각 수평적으로 인접한 것인
    에너지 저장 디바이스.
  49. 제 48 항에 있어서,
    상기 제1 버스 바는 상기 배터리 뚜껑 부분을 가로지르고, 상기 배터리 뚜껑과 상기 하우징 뚜껑 사이에서 상기 제1 커패시터 단자 쪽으로 확장되는 것인
    에너지 저장 디바이스.
  50. 제 49 항에 있어서,
    제2 커패시터 단자, 제2 배터리 단자, 제2 외부 디바이스 단자 및 제2 버스 바
    -상기 제2 버스 바는 상기 제2 배터리 단자를 상기 제2 커패시터 단자에 전기적으로 연결하기 위해, 상기 배터리 뚜껑의 일 부분을 가로지르고, 상기 배터리 뚜껑과 상기 하우징 뚜껑 사이로 확장되는 것임-
    를 더 포함하는 에너지 저장 디바이스.
  51. 제 50 항에 있어서,
    상기 제2 버스 바는 상기 커패시터 뱅크와 상기 하우징 뚜껑 사이에서, 상기 제2 커패시터 단자로부터 상기 제2 디바이스 단자 방향으로 확장되는 것인
    에너지 저장 디바이스.
  52. 제 51 항에 있어서,
    상기 제1 과 상기 제2 버스 바는 각각 상기 제1 및 제2 배터리 단자에 연결된 수평적으로 확장된 부분과 상기 제1 및 제2 커패시터 단자에 연결된 수직적으로 확장된 부분을 포함하는 것인
    에너지 저장 디바이스.
  53. 제 46 항에 있어서,
    상기 버스 바는 상기 커패시터와 상기 배터리의 상대적인 움직임에 따라서 신축하는 신축성 있는 버스 바를 포함하는 것인
    에너지 저장 디바이스.
  54. 결합된 배터리/커패시터 에너지 저장 디바이스 제조 방법에 있어서,
    배터리 하우징 부분, 커패시터 하우징 부분 및 상기 배터리 하우징 부분과 상기 커패시터 하우징 부분을 덮는 하우징 뚜껑을 포함하는 에너지 저장 디바이스 하우징을 공급하는 단계;
    상기 배터리 하우징 부분 안의 배터리로써, 상기 배터리는 상기 배터리 하우징 부분에 에워싸인 배터리 뚜껑을 따라 확장되는 제1 배터리 단자를 포함하는 것으로, 상기 배터리를 공급하는 단계;
    제1 커패시터 단자를 포함하는 커패시터를 상기 커패시터 하우징 부분에 삽입하는 단계;
    제1 버스 바를 상기 제1 배터리 단자와 상기 제1 커패시터 단자에 연결하는 단계;
    제1 외부 디바이스 단자를 상기 에너지 저장 디바이스 하우징을 따라 확장하는 단계; 및
    상기 제1 외부 디바이스 단자를 상기 제1 배터리 단자와 상기 버스 바에 전기적으로 연결하는 단계
    를 포함하는 결합된 배터리/커패시터 에너지 저장 디바이스 제조 방법.
  55. 제 54 항에 있어서,
    상기 제1 외부 디바이스 단자는 스터드를 포함하고,
    상기 확장하는 단계는 스터드를 상기 하우징 뚜껑 안의 개구를 따라서, 상기 제1 버스 바 안의 개구를 따라서, 그리고 상기 배터리 단자 안의 제1 개구 방향으로 확장되는 것을 포함하는 것인
    결합된 배터리/커패시터 에너지 저장 디바이스 제조 방법.
  56. 제 54 항에 있어서,
    상기 제1 버스 바를 전기적으로 연결하는 단계는 상기 제1 버스 바를 상기 배터리 뚜껑의 일 부분을 가로 지르고, 상기 배터리 뚜껑과 상기 하우징 뚜껑 사이에 상기 제1 커패시터 단자 방향으로 확장되는 것을 포함하는 것인
    결합된 배터리/커패시터 에너지 저장 디바이스 제조 방법.
  57. 제 56 항에 있어서,
    제2 버스 바를 상기 배터리 뚜껑의 일 부분을 가로지르고, 상기 배터리 뚜껑과 상기 하우징 뚜껑 사이에 확장함으로써, 제2 커패시터 단자와 제2 배터리 단자를 상기 제2 버스 바에 전기적으로 연결하는 단계
    를 더 포함하는 결합된 배터리/커패시터 에너지 저장 디바이스 제조 방법.
  58. 제 57 항에 있어서,
    상기 제2 버스 바가 상기 커패시터 뱅크와 상기 하우징 뚜껑 사이에, 상기 제2 커패시터 단자로부터 제2 디바이스 단자까지 확장되는
    결합된 배터리/커패시터 에너지 저장 디바이스 제조 방법.
  59. 제 58 항에 있어서,
    상기 제1 과 상기 제2 버스 바들이 각각 상기 제1 과 제2 배터리 단자들과 연결되는 수평적인 확장 부분과 상기 제1 과 제2 커패시터 단자들과 연결되는 수직적인 확장 부분을 포함하는 것인
    결합된 배터리/커패시터 에너지 저장 디바이스 제조 방법.
  60. 제 54 항에 있어서,
    상기 버스 바는 상기 커패시터와 상기 배터리 사이의 상대적인 움직임에 대하여 신축되는 신축성 버스 바를 포함하는 것인
    결합된 배터리/커패시터 에너지 저장 디바이스 제조 방법.

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