(54)【考案の名称】拡張可能な可変エネルギー電源

(73)【実用新案権者】リンカーン グローバル,インコーポレイテッド

(72)【考案者】【考案者】

(72)【考案者】【考案者】

[fig000002]
【選択図】図4

【概要説明】

【分野】

【0001】
本考案は、一般に、エンジンコンポーネント、及び拡張可能な補助電源コンポーネントを有する電源に関する。
【課題を解決するための手段】
【0002】
本考案は、一般に、電力を生成するエンジンコンポーネントに電気的に接続される制御装置を含むとともに、選択された電力出力を提供するために制御装置を複数の補助電源又は複数のタイプの補助電源に電気的に接続するモジュラコネクタを含む拡張可能な電源を提供する。考案の更なる態様によれば、電源は、器具に接続されており、器具に選択された電力を供給する。考案の別の態様によれば、器具は、溶接用トーチ又はプラズマカッタである。
【0003】
本考案は、電力を生成するように構成されるエンジンコンポーネントと、前記エンジンコンポーネントと通信するとともに、前記エンジンコンポーネントから電力を受け取る電力制御装置と、前記エンジンコンポーネント、及び前記電力制御装置を包含する筐体と、モジュラコネクタにより前記電力制御装置に電気的に接続される補助電源であって、前記モジュラコネクタが当該補助電源から前記電力制御装置に電力を伝送するように構成される電力接続部を含む、前記補助電源とを備え、前記モジュラコネクタが、前記補助電源から前記電力制御装置に識別情報を提供するように構成される識別アセンブリを更に含み、前記電力制御装置が、選択された電流出力又は電圧出力を生成するために、前記エンジンコンポーネント及び前記補助電源からの電力を制御する、電源を更に提供する。
【0004】
本考案は、電力を生成するように構成されるとともに、ラジエータ及びファンを含むエンジンコンポーネントであって、熱伝達流体が当該エンジンコンポーネントに操作可能に取り付けられたポンプにより前記ラジエータを通して循環され、前記ファンが当該エンジンコンポーネントにより駆動される前記エンジンコンポーネントと、前記エンジンコンポーネント、前記ポンプ、及び前記ファンと通信するとともに、前記エンジンコンポーネントから電力を受け取る制御装置と、前記エンジンコンポーネント、及び前記制御装置を包含する筐体であって、少なくとも1つの補助電源を受容するように構成される受容器を含む前記筐体と、前記筐体上のモジュラコネクタであって、前記少なくとも1つの補助電源から前記制御装置に電力を伝送するように構成される電力接続部を含む前記モジュラコネクタとを備え、前記モジュラコネクタが、前記少なくとも1つの補助電源から前記制御装置に識別情報を提供するように構成される識別アセンブリを更に含み、前記識別情報が、前記少なくとも1つの補助電源の、補助電源タイプ、電流、電圧、又は電力容量のうちの少なくとも1つ、及び貯蔵容量を含み、前記制御装置が、前記識別情報に基づいて選択された電流出力又は電圧出力を生成するために、前記エンジンコンポーネント及び前記補助電源からの電力を制御する、電源を更に提供する。
【図面の簡単な説明】
【0005】
【図1】本考案によるハイブリッド電源の部分的な概略図である。
【図2】本考案によるハイブリッド電源の構成図である。
【図3】本考案の別の実施例によるハイブリッド電源の構成図である。
【図4】モジュラ補助電源の接続の詳細を示す本考案によるハイブリッド電源の部分的な概略図である。
【図5】拡張可能な電源の一実施例を示す図である。
【図6】拡張可能な電源の一実施例を示す図である。
【図7】拡張可能な電源の一実施例を示す図である。

【0006】
下記の説明及び添付された図面は、権利請求された主題の特定の実例となる態様を詳細に説明する。しかしながら、これらの態様は、技術革新の原理が使用されるかもしれない様々な方法のうちのほんの2、3を表しており、権利請求された主題は、そのような態様の全て、及びそれらの等価物を含むことを意図している。権利請求された主題の他の利点及び新奇な特徴は、図面とともに考察された場合に、技術革新の下記の詳細な説明から明白になるであろう。
【0007】
ここで使用されるように、“上方に(above)”、“下方に(below)”、“上側の(upper)”、“下側の(lower)”、“内側の(inner)”、“外側の(outer)”、“右側の(right)”、“左側の(left)”、“垂直の(vertical)”、“水平の(horizontal)”、“最上部の(top)”、“最下部の(bottom)”、“上向きの(upward)”、“下向きの(downward)”、“横方向に(laterally)”、“直立した(upstanding)”などのような空間的に方向付ける用語は、添付図面の方向で示された又は添付図面の方向に従った態様のそれぞれの位置を参照することができる。“内側に向けて(inward)”は、一般に、物体に対して離れたポイントから物体の中心に向かう方向であることを意図しており、“外側に向けて(outward)”は、一般に、物体における内部のポイントから物体に対して離れたポイントに向かう方向であることを意図している。そのような用語は、図面を説明する際の明瞭化の目的のために使用されるとともに、位置、方向、視点、構成などに関して、排他的である、包括的である、又はそうでなければ限定すると解釈されるべきでない。
【0008】
ここで、表示が、好ましい実施例のみを例示する目的であり、実施例を限定する目的ではない図1及び図2を参照すると、電源を含む電気アーク溶接機が例示される。本考案の電源は、全部ではないが、エンジン溶接機、プラズマカッタ、発電機などに現在使用されている大部分の電源の代用にされることができる。これらは、電流を生成する発電機を動かすために使用される、ガソリンを動力とする(gasoline powered)エンジン、又はディーゼルを動力とする(diesel powered)エンジンにより動力を供給される。この電流は、溶接用トーチ、プラズマカッタ、はんだごて、ろう付けトーチ、超音波加工用工具、及びレーザのような器具I(図6)を接続することにより、多くのアプリケーションにおいて使用され得る。
【0009】
例えば、器具Iが溶接用トーチである場合に、電流は、溶接手順の間に電気アークを形成するために使用される。エンジン溶接機に使用されるエンジン及び発電機のサイズは、エンジン溶接機の最大電力定格によって決まる。従来のエンジン溶接機に使用されるエンジン及び発電機は、特定の溶接作業のデューティサイクルのタイプにかかわりなく、いつでもエンジン溶接機の最大電力定格を供給するのに十分な大きさのものでなければならない。その結果、高電力定格を有するこれらの過去のエンジン溶接機は、エンジン溶接機のための定格電力を生成するために、大きなエンジン及び発電機を含んでいた。本考案の電源は、現在必要とされる大きなエンジン及び発電機を使用しなくても電気アーク溶接機に大きな電力定格を提供するように設計されている。
【0010】
本考案の電源は、電気アークに必要とされる電力を供給するために、2つの異なる電源を利用する。一方の電源は、再充電可能なバッテリ電源である。もう一方の電源は、通常はエンジン駆動の発電機である。本考案のこの実施例を説明する目的のために、電源は2つの電源のみを含むが、しかしながら、追加の電源が使用されることができるということが認識されることができる。さらに、エンジン駆動の発電機がこの特定の実施例において使用されるが、しかしながら、他の非バッテリ電源又は追加の非バッテリ電源が使用されることができるということが認識されるであろう。論じられた溶接の実例において、電源は、中位の又は重い負荷(duty)の溶接機に電力を供給するために、少なくとも約100アンペアの出力定格を有するように設計されている。他の選択された出力定格が、他のアプリケーション、又は、電源に接続された器具の数若しくはタイプに適しているかもしれない。
【0011】
様々な電気回路図が、本考案を実施するために使用されることができるが、しかしながら、一実施例が図1において例示される。溶接機Aの非バッテリ電源は、複数の出力巻線102、104、106を有する発電機100である。発電機によって生成されたAC電流は、ゲートリード線112a、114a、116aによって制御されるSCR112、114、116の3つのセットを有する線周波数切り替えネットワークを含む整流器ブリッジ110により整流される。
【0012】
整流電流は、バッテリ140の充電を監視するとともに制御するために使用されるバッテリ充電レギュレータ120まで導かれる。バッテリ充電レギュレータは、どのくらいの電流がバッテリに流入しているか、及び/又はどのくらいの電流がバッテリから流出しているかを判定するために、配線132、134を通して、バッテリ電流フィードバックセンサ130からの信号を受け取る。バッテリ電流フィードバックセンサ130は、バッテリへの電流の流れ、及びバッテリからの電流の流れを監視するように概して設計されている。バッテリ電流フィードバックセンサがバッテリからの電流の流出を感知する場合に、バッテリ電流フィードバックセンサは、バッテリが電極Eと工作物Wとの間に電気アークを形成するために現在電流を供給しているという信号を、バッテリ充電レギュレータに送信することになる。バッテリ充電レギュレータは、バッテリが電気アークに電流を供給している間、バッテリを充電することが発生しないように設計されることができる。バッテリが電気アークに電流を供給していない場合、バッテリ充電レギュレータは、バッテリを再充電するために、整流電流を発電機からバッテリまで導くように設計されることができる。認識されることができるように、電気アークが生成されている時、発電機からの電流は電極Eまで導かれることができる。同様に認識されることができるように、電気アークが生成されている時でさえ、発電機からの電流はバッテリまで導かれることができる。バッテリ充電レギュレータは、配線122、124を通して、バッテリの充電レベルに関する情報を監視するか、又は受け取り、十分な充電を維持するために、バッテリに対する電流を調整するように設計されることができる。
【0013】
図1において示されるように、バッテリ140からの電流は、溶接電流の所望の波形を生成するために使用されるチョッパ150まで導かれる。チョッパは、標準キャパシタ152、ダイオード154、及び配線162を通して溶接出力制御部160により制御されるスイッチ156を含む。溶接出力制御部160は、配線172、174を通して電流センサ170から受け取られた電流情報、及び/又は配線180、182を通して受け取られた電圧信号に基づいてチョッパを制御するために使用される。チョーク190の形式のDCフィルタは、溶接電流のための所望の波形を獲得する際に容易にするように、溶接電流を滑らかにするために使用される。
【0014】
本考案の一実施例の動作は、図2の構成図により例示される。図2において例示されるように、エンジン200は、駆動軸202を介して発電機210を駆動する。発電機は、整流器充電レギュレータ220により整流されるAC電流を生成する。図2において例示されるように、発電機210は、同様に、電力をAC電流のための補助電力出力260に供給し得る。さらに、発電機210からのAC電流は、整流されて、図示されない補助DC電力出力まで部分的に導かれることができる。フィードバック信号232が、バッテリは充電される必要があるか、及び/又はバッテリは充電されることに利用可能であるということを示す場合に、整流器充電レギュレータ220からのDC電流は、バッテリを充電するためにバッテリシステム230に導かれ得る。バッテリシステム230のバッテリから供給されたDC電流は、アーク溶接処理の間所望の電流波形を形成するために使用されるチョッパモジュール溶接出力部240に導かれる。整流器充電レギュレータ220からのDC電流は、同様に、チョッパモジュール溶接出力部240に直接的に供給され得る。したがって、整流器充電レギュレータ220からのDC電流は、単にバッテリシステム230を充電するために使用されることができるか、又はバッテリシステム230を充電するとともに、チョッパモジュール溶接出力部240に電流を供給する両方のために使用されることができる。
【0015】
エンジン制御システム270は、エンジン200の動作を制御するために提供される。エンジン制御システムは、バッテリシステムから、配線272を通して、バッテリシステムに関する充電を表している信号を受信する。バッテリシステムが十分に充電されている場合に、エンジン制御システムは、エンジン200を減速するか、又はエンジン200を停止(turn off)する。バッテリシステムが十分に充電されるより少ないか、及び/又はバッテリシステムが所定の充電レベルを下回っている場合に、エンジン制御システムは、エンジンを加速させるか、及び/又はエンジンを作動(turn on)させる。
【0016】
配線254を通して受け取られた出力電流情報に基づいて、溶接制御部250は、信号252によってチョッパモジュール溶接出力部240を制御する。図2は、同様に、溶接制御部250が、バッテリシステム230からチョッパモジュール溶接出力部240まで導かれたDC電流から、電圧情報を追加として受け取ることができる、ということを例示する。チョッパモジュール溶接出力部240からのDC電流は、溶接アークを形成するために使用されるDC電流を滑らかにするために、DCフィルタチョーク260に導かれる。
【0017】
開回路検出器280は、溶接作業の間、アークが電極と工作物との間で形成されているか、又はアークが電極と工作物との間で形成されようとしているかどうかを判定するために提供される。開回路検出器280がアークを検出しない場合、開回路検出器は、チョッパモジュール溶接出力部240を停止させ、それによりバッテリシステムからの電力の流出を減少させる。限定されない一設計において、工作物と電極との間の電圧レベルは、アークの電流状態(current state)を判定するために監視される。
【0018】
図2において例示されるように、溶接出力まで導かれる電流の全ては、バッテリシステム230によって供給される。バッテリシステム230が溶接出力290に全電流を供給するためには、バッテリシステムのサイズは、溶接機の最大電力定格を十分な期間の間供給することができる適正なアンペア時間の大きさを有するように選択される。概して、大部分の手動のスティック溶接(stick welding)のためのデューティサイクルは、約20〜40%である。その結果、約10分の期間の間に、電気アークはわずか2〜4分の間だけ生成される。バッテリシステム230のサイズ及びアンペア定格は、アーク溶接処理の間に適切な電気アークを得るために、このデューティサイクルの間に電気アークに電力の全量を少なくとも供給するのに十分であるかもしれない。その代りに、発電機及びバッテリからの電力が、デューティサイクルの間に十分な電力を電気アークに供給するために、並行して印加され得る。電気アークが生成されない時間の間、整流器充電レギュレータ220は、消耗したバッテリシステムを再充電するために、バッテリシステム230にDC電流を導く。概して、バッテリのアンペア時間の大きさは、少なくとも約1分の間、そして概して約5〜45分の間溶接機の最大溶接出力定格に対するアーク溶接要件を提供するように、選択される。下記で示される代わりの実施例において、電力制御装置は、所定のアプリケーションのために必要とされる電流出力、電圧出力、又は電力出力を提供するために、エンジンコンポーネントからの電力とバッテリのような補助電源からの電力を結合する。
【0019】
電源の設計及び動作から認識されることができるように、エンジン200及び発電機210のサイズは、溶接機の最大溶接出力定格を提供するように寸法決定される必要がない。エンジン200及び発電機210のサイズは、電気アークを形成している時にバッテリが部分的に放電されたあとでバッテリを適切に再充電するために、十分な電流をバッテリシステム230のバッテリに供給するように十分に寸法決定されるだけで良い。例えば、もし溶接機の最大溶接出力定格が10kWの電力であるとともに、溶接作業のための最大の平均デューティサイクルが40%であるならば、この多量の電流は溶接機のための特定のデューティサイクルの間にバッテリシステムにより放電されているだけであるので、エンジン及び発電機は、最大溶接出力定格の40%を供給するための十分な電流を生成するだけで良い。その結果、エンジンのサイズ及び発電機のサイズは、本考案の電源を使うことによって著しく削減されることができる。本考案の別の態様によれば、電源の電力出力は、制御装置に接続されるバッテリのタイプ又は数を変更することによって、増やされ得るか、若しくは減らされ得るか、又はそうでなければ変えられ得る。より小さいエンジン及び発電機を使用することに関連付けられる費用節約に加えて、電気アークの形成の間にバッテリが部分的に放電されたあとで、大部分の電流がバッテリを再充電するために使用されるので、発電機により生成された電流の使用に対する効率の定格は著しく増加する。従来は、デューティサイクルが約20〜40%であった場合に、発電機により生成された電流の20〜40%だけが溶接作業において使用された。エネルギー使用効率の増加に加えて、より小さなエンジンが電源に動力を供給するために必要とされるので、溶接機の最大溶接出力定格を満たすための十分な電力を供給するのに必要とされるモータのサイズは減少する。電源の別の利点は、エンジン200及び発電機210を動かさなくても溶接電流を生成するための溶接機の能力である。バッテリシステム230が十分に充電されている場合に、バッテリシステムは、特定の期間の間溶接アーク要件を提供するための十分なアンペア時間の大きさを有している。その結果、溶接機は、エンジンを動力源とした溶接機の運転がノイズ及び/又はエンジン排気問題のために容認できない場所で使用されることができる。
【0020】
ここで、図3を参照すると、バッテリシステム、及び燃料電池システム、発電機、電力供給網(electric power grid)、及び/又は同様のもののような非バッテリシステムにより電力を供給される溶接機が例示される。非バッテリシステムとして複数の燃料電池が使用される場合に、燃料電池は概して一緒に積み重ねられる。燃料電池システムの電圧を増加させるために、降圧回路(buck circuit)及び/又は昇降圧回路(boost-buck circuit)が提供され得る。あらゆる数の燃料電池タイプが使用されることができる。概して、プロトン交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell)が使用され得るが、しかしながら、これは必須ではない。電力供給網が非バッテリ電源として使用される場合に、電力供給網は、概してローカル又は局地的な送電網システムにより電力を供給されるコンセント(electric outlet)又はプラグである。発電機が非バッテリ電源として使用される場合に、図2に関して上記で示されたように、発電機は、概してエンジンを動力源とした発電機であるが、しかしながら、これは必須ではない。認識されることができるように、1つより多いタイプの非バッテリ電源が電流を溶接機に供給するために使用されることができる。
【0021】
溶接機のバッテリ電源は、電気的及び機械的エネルギーストレージ310として例示される。概して、電気的及び機械的エネルギーストレージシステムは、1つ又は複数の充電式バッテリで構成されるが、しかしながら、電気的及び機械的エネルギーストレージシステムは、キャパシタ、インダクタ、及び/若しくはフライホイール(flywheel)を含み得るか、又はその代りに、キャパシタ、インダクタ、及び/若しくはフライホイールであり得る。電気的及び機械的エネルギーストレージ310に接続されているのは電力変換回路320である。電力変換回路320は、AC電流とDC電流との間で電力を変換する。認識されることができるように、もし電気的及び機械的エネルギーストレージ310が主に充電式バッテリから構成されるならば、電力変換回路320は除去されるであろう。燃料電池電力供給網及び/又は電気的及び機械的エネルギーストレージから流出する電流は、電力変換回路330に導かれる。電力変換回路320と同様に、電力変換回路330は、DC電源からAC電源に電流を変換する。もしDC電流がインバータチョッパ回路350に導かれるべきであるならば、電力変換回路320が除去されることができるということが認識されることができる。図3において示されるように、溶接機は、様々なタイプの溶接機に接続される装置に電力を供給するために使用されることができる補助電気出力360を含むことができる。補助インバータ340は、DC電流からAC電流に電流を変更するか、及び/又は線路電圧の電圧レベルを補助電気出力360に送られるべき120及び/又は240VACの線路電圧源になるように変更するために使用されることができる。
【0022】
制御システム380は、非バッテリ電源300の動作、又は非バッテリ電源300により提供される電流を制御するために提供される。制御システムは、電気的及び機械的エネルギーストレージシステムから、配線382を通して、電気的及び機械的エネルギーストレージシステムの充電レベル又はエネルギーレベルを表す信号を受け取る。電気的及び機械的エネルギーストレージシステムが十分に充電される場合に、制御システムは、発電機若しくは燃料電池を減速するか若しくは停止し、及び/又は、溶接機から電力網を外す。電気的及び機械的エネルギーストレージシステムが十分な充電に満たないか、及び/又は事前に定義された充電レベルを下回っている場合、制御システムは、燃料電池又は発電機を作動させるか、及び/又は更に多くの電流を生成させるか、及び/又は電力網を溶接機と再度結合させる。
【0023】
電力変換回路330から流出する電流は、電気アークの電流波形を形成するために使用されるインバータチョッパ回路350に導かれる。インバータチョッパ回路350からの電流波形は、工作物上に溶接ビードを形成する際の使用のために溶接機出力370まで導かれる。
【0024】
開回路検出器390は、溶接作業の間、アークが電極と工作物との間で形成されているか、又はアークが電極と工作物との間で形成されようとしているかどうかを判定するために提供される。開回路検出器390がアークを検出しない場合、開回路検出器は、インバータチョッパ回路350を停止させ、それにより非バッテリ電力システムからの電力の流出を減少させる。限定されない一設計において、工作物と電極との間の電圧レベルは、アークの電流状態(current state)を判定するために監視される。
【0025】
図3において例示される溶接システムの限定されない構成において、電気的及び機械的エネルギーストレージ310は、溶接ビードを形成するために電気アークが電極と工作物との間で形成される場合に、溶接機のピークエネルギー要求を提供するように設計される。燃料電池は、電気アークが溶接機により生成されていない時間の間に電気的及び機械的エネルギーストレージ310を再充電するために、ある期間にわたって十分な量の電力を生成するように、寸法決定されるとともに設計される。
【0026】
一実施例において、電源100は、エンジンコンポーネントと、選択された電力出力、電流出力、又は電圧出力を供給するために電力制御装置Cにつながる補助電源コンポーネント400とを含む。補助電源コンポーネント400は、1つ又は複数の補助電源405を含む。補助電源405は、バッテリ、燃料電池、キャパシタ、フライホイールなどであり得る。電源100は、代替電源のタイプを変えるために容易に置き換えられるか、又は、所望の出力又は他の特性を達成するために補助電源を追加するか若しくは取り去るようにモジュール式の接続性を提供する、補助電源コンポーネントを提供することによって、拡張可能な状態にされる。例えば、補助電源はバッテリであり得る。バッテリは、ニッケル水素電池(NiMH)、ニッケルカドミウム電池(NiCd)、リチウムイオン電池(Li-ion)、リチウムポリマ電池(Li-polymer)、鉛蓄電池(lead acid)などを含むがそれに限定されない、選択された電流出力、電圧出力、又は電力出力を提供するあらゆる商業上利用可能なバッテリ又は特別注文のバッテリであり得る。本考案によれば、電源は、第1の出力を提供する第1のタイプの第1のバッテリを提供され得る。電源の全体の出力を変更するために、所望の出力を達成するように、異なる出力を有する第2のバッテリが、第1のバッテリの代用にされ得るか、又は第1のバッテリと一緒に(in tandem with)制御装置Cに接続され得る。同様に、同じ出力を維持しながら、異なるタイプのバッテリに置き換えるか、又は異なるタイプのバッテリを追加することが望ましいかもしれない。例えば、異なるタイプのバッテリは、異なるバッテリタイプに固有の最適な放電容量/放電率、又は貯蔵容量/貯蔵率を利用することが望ましいかもしれない。例えば、異なるタイプのバッテリは、温度によって異なって反応する。したがって、周囲温度に応じて、1つのタイプのバッテリは、別のものより優れた放電容量/貯蔵容量を提供し得る。異なるタイプのバッテリの接続、又はバッテリの組み合わせの柔軟性を促進するために、補助電源は、下記で説明されるモジュラコネクタ500の一部分を少なくとも含む補助電源筐体を含む。補助電源コンポーネントは、参照符号425によって一般に示される補助電源識別アセンブリを含む。識別アセンブリ425は、電流、電圧、若しくは電力容量のうちの少なくとも1つ、貯蔵容量、又はシステムに接続されたエネルギー源のタイプを含んでいる、補助電源コンポーネント400の特性を含む識別情報をメインの電力制御装置Cに提供する。識別アセンブリ425は、補助電源のタイプ若しくは特性、又はエネルギー源を識別するためにエネルギー源から供給された信号を検出する識別センサ430、あるいは、システムに対するエネルギー源の物理的な接続によってエネルギー源を識別する機械システムを含み得る。
【0027】
識別アセンブリ425は、制御装置Cに接続されるとともに、例えばバッテリ、燃料電池などの電源のタイプ、電源に対する動作特性、及び期待される出力を含むがそれに限定されない、補助電源405に関する様々な情報を提供する。識別情報は、同様に、接続されている特定のタイプの電源を識別し得る。例えば、バッテリを再検討する中で、ニッケルカドミウム(NiCd)バッテリは、リチウムイオン(Lithium-ion)バッテリ又は他の化学合成品と区別され得る。その代りに、識別は、電流定格又は電圧定格のような補助電源の動作特性を識別することを含み得る。例えば、識別アセンブリ425は、50amp/hrの補助電源又は100amp/hrの補助電源が取り付けられたかどうかを識別し得る。識別アセンブリ425は、補助電源の特定のタイプ又は特性を検出するように構成されるセンサ430を含み得るか、又は補助電源405から識別情報を受け取り、それを制御装置Cに伝達する感知リード線435であり得る。識別センサ430は、補助電源405に電気的につながることによって電源405に関する情報を検出する電気部品を含み得る。その代りに、機械的センサが、特定の電源405を識別する物理的特性を検出するために使用され得る。例えば、バッテリを再検討する中で、商業上利用可能な鉛蓄電池、ニッケルカドミウム(NiCd)電池、ニッケル水素(NiMH)電池、リチウムイオン(Li-ion)又はリチウムイオンポリマ(Li-ion polymer)電池は、明白なプロファイルを有している。そのため、識別センサ430は、第1のタイプのバッテリを受容するように寸法決定されるか、又は輪郭が形成される、ブラケット、ベイ(bay)、又は他の第1の受容器441と、第2のタイプのバッテリを受容するように寸法決定されるか、又は輪郭が形成される第2の受容器442とを含むことができ、ここで、第1のバッテリ及び第2のバッテリは相互に異なる。それらのバッテリは、使用されるバッテリのタイプにおいて相互に異なり得るか、又は、それらは同じタイプのバッテリであるが、しかし、異なるエネルギー容量、貯蔵容量、若しくは他の動作特性を有するかもしれない。
【0028】
電源100は、中間に存在して様々なタイプの補助電源を受容するように構成されるモジュラコネクタ450を含む。モジュラコネクタ450は、一般に参照符号455で示される共通のコネクタを通して、補助電源を制御装置Cに電気的に接続する。さらに、モジュラコネクタは、識別アセンブリ425を含み得る。図4において示される実例において、モジュラコネクタ450は、2つの異なるタイプのバッテリを受容する。特に、モジュラコネクタ450は、ニッケルカドミウム(NiCd)バッテリを受容する第1の受容器441、及びリチウムイオン(Lithium-ion)バッテリを受容する第2の受容器442を含む。図示されるように、第1の受容器441は、第1の長さL1、及び第1の幅W1を有する矩形の受容器である。第2の受容器442は、第2の長さL2、及び第2の幅W2を有している。両方の受容器は、矩形の輪郭を有するように示されるが、しかし、他の輪郭(443、444)が、第1のバッテリ及び第2のバッテリのプロファイルに応じて使用され得る。示された実例において、それらの輪郭は、商業上利用可能なニッケルカドミウム(NiCd)バッテリ、及びリチウムイオン(Lithium-ion)バッテリに基づいている。ニッケルカドミウム(NiCd)バッテリは、リチウムイオン(Lithium-ion)バッテリより、より大きい幅を含むより大きなプロファイルを有している。そのため、第1の受容器441は、ニッケルカドミウム(NiCd)バッテリの幅を受容するように寸法決定され、そしてニッケルカドミウム(NiCd)バッテリの長さに順応するように第1の長さL1によって相互に間隔を開けられる第1の端壁445を含む。第2の受容器442の第2の端壁446は、リチウムイオン(Lithium-ion)バッテリの比較的狭いプロファイルに順応するように寸法決定される。第1の受容器及び第2の受容器がお互いに別々に形成され得るということが理解されるであろう。示された実例において、それらの受容器は、筐体の内の共通の場所に形成されるとともに、オーバラップしている空間448を共有する。第1の受容器及び第2の受容器は、このオーバラップを考慮し、そしてユーザが使用されるバッテリのタイプを区別するのを助けるように、異なる方向に方向付けられる。示された実例では、第1の受容器441は、第2の受容器442に垂直である。
【0029】
本考案の別の態様によれば、補助電源識別アセンブリ425が提供される。識別アセンブリ425は、使用される補助電源405に特有のタイプ又は特性に関する識別情報を検出/受信する識別センサ430を含む。図4で示される実例において、識別センサ430は、各受容器と比類なく関連付けられた一組の圧力スイッチ431、432を含む。第1の圧力スイッチ431は、オーバラップしている空間448の外側の位置における第1の受容器441の底部に配置される。第2の圧力スイッチ432は、オーバラップしている空間448の外側の第2の受容器442の底部に配置される。このように、ニッケルカドミウム(NiCd)バッテリが第1の受容器441の中に置かれる場合に、バッテリは、ニッケルカドミウム(NiCd)バッテリが使用されていることを示す信号を制御装置Cに送信する第1の圧力スイッチ431の上に載っている。同様に、リチウムイオン(Lithium-ion)バッテリが第2の受容器442の中に置かれる場合に、バッテリは、リチウムイオン(Lithium-ion)バッテリが使用されているという信号を制御装置Cに送信するように、第2の圧力スイッチ432を活性化する。他のセンサが、受容器の固有の輪郭に頼らずに、受容器の中のバッテリのタイプを判定するために使用され得る。
【0030】
本考案の別の態様によれば、モジュラコネクタ450は、バッテリがどの受容器に配置されるかに関係なく、バッテリにつながるために、電気的接続部の共通のセットを含む。例えば、バッテリがそれらのそれぞれの受容器に配置される場合に、どちらのバッテリ上の端子にも届く(reach:達する)ように、正(プラス)の接続部461及び負(マイナス)の接続部462が、補助電源受容器の一端に提供され得る。例えば、バッテリ端子に接触するか、又は付着するように移動するとともに、バッテリケーブル又は回転コネクタ(図示される)を含むがそれに限定されない、接続部が使用され得る。他の方向がバッテリ上の端子の構成に順応するために必要とされるかもしれないので、図示されたコネクタの方向は限定的ではない。
【0031】
補助電源405の識別に基づいて、制御装置Cは、システムの少なくとも1つの性能特性を最大限にするために、電源100の動作特性を変更し得る。例えば、異なるタイプのバッテリは、異なる動作温度範囲内で、最高のエネルギー容量又は最高のエネルギー貯蔵容量を提供し得る。例えば、ニッケルカドミウム(NiCd)バッテリ又はニッケル水素(NiMH)バッテリは、かなり広い動作温度範囲(−40℃から100℃)を、範囲を横断する比較的安定した放電率とともに有し、一方、リチウムイオン(Lithium-ion)バッテリは、かなり広い動作温度範囲(−20℃から140℃)を有しているが、しかし、より高い温度で最高の放電容量を提供する傾向がある。耐用年数に関しては、大部分のバッテリは、20℃又はわずかに下の温度で使用されるならば、最高の耐用年数を達成する。高い周囲温度で繰り返し使用された場合、ニッケル系のバッテリは急速に劣化する。そのため、使用されるバッテリの化学的性質に基づいて、制御装置Cは、エンジン駆動されたコンポーネント470の性能を変更し得るか、又はバッテリを所望の性能特性のための最適温度に維持するように試みるように、バッテリが配置される空間475を調整し得る。例えば、もし大きい度合いの放電容量が短時間の間必要とされるならば、制御装置Cは、システムに接続されたバッテリの放電容量に基づいて温度を最適化するために、筐体内の温度を高め得る。もし寿命がより重要な懸案事項であるならば、制御装置は、理想的な20℃の動作温度を維持しようと試み得る。その代りに、制御装置は、バッテリ情報及び周囲温度情報に基づいて、バッテリの放電容量を判定し得るとともに、バッテリの予測される放電容量に基づいて、エンジンコンポーネントから獲得されるエネルギーのバランスを変更し得る。例えば、もし温度がバッテリコンポーネントに理想的であるならば、エンジン駆動されたコンポーネントからの出力が減らされるか、又は過剰エネルギーがバッテリを充電するために流用され得る。対照的に、もし温度がより低い放電容量が提供されるであろう範囲にあるならば、エンジン駆動されたコンポーネントは、追加の電力を生成し、そしてバッテリコンポーネントからのあらゆる不足を補うために、より高い速度で運転され得る。同じ変更が他のタイプの補助電源に行われ得るとともに、したがって、バッテリコンポーネントに関する議論は限定的ではない。
【0032】
温度フィードバックを獲得するために、1つ又は複数の温度センサ480が使用され得る。示された実例では、第1の温度センサ481が、補助電源コンポーネント400の近くの温度を監視し、第2の温度センサ482が、エンジンコンポーネント470の近くの温度を監視する。
【0033】
本考案の別の態様によれば、電源100は拡張可能である。図5から図7において示されるように、拡張可能な電源100の一実施例は、エンジン駆動されたコンポーネントと、エンジン駆動されたコンポーネントに接続された1つ又は複数の補助電源コンポーネントとを含む。電源は、エンジン駆動されたコンポーネントとあらゆる補助電源コンポーネントの共通制御機構を提供する制御装置を含む。このように追加の補助電源コンポーネントは、電源により供給されるエネルギーの量を増減するように、電源に接続され得る。例えば、エンジン駆動されたコンポーネント300、及び第1の補助電源コンポーネント400を有する電源は、第1の出力を提供し得る。電力出力を増やすように、第2の補助電源が、第1の出力より大きい第2の出力を提供するために、電源に接続され得る。
【0034】
本考案の一実施例によれば、電源100は、1つ又は複数の補助電源405を制御装置Cに交換可能な方法で接続するように構成されるモジュラコネクタ500を含む筐体Hを含む。モジュラコネクタ500は、外部電源に接続するために使用され得るか、又は、図示されるように、補助電源コンポーネント400がユニットとしてエンジン駆動されたコンポーネントと一緒に移動され得るように、筐体H内に、又は筐体H上に補助電源コンポーネント400を接続し得る。補助電源コンポーネント400は、バッテリ、キャパシタ、燃料電池などのような、1つ又は複数の補助電源405を含み得る。示された実例では、補助電源405はバッテリを含む。バッテリは、鉛蓄電池(lead acid)、ニッケルカドミウム電池(NiCd)、ニッケル水素電池(NiMH)、リチウムイオン電池(Li-ion)、又はリチウムイオンポリマ電池(Li-ion polymer)を含むがそれに限定されない、あらゆる商業上利用可能なバッテリ又は特別注文のバッテリを含み得る。図5、図6において示されるように、補助電源コンポーネント400は、筐体Hに取り付けられ得るあらゆる数の補助電源405(補助電源1、2、・・・N)を含み得る。
【0035】
各補助電源405は、筐体に補助電源を取り付けることを可能にする第1のコネクタ511、及び次の補助電源に対して付着点を提供する第2のコネクタ512を含み得る。図示されるように、本考案の一実施例によれば、第1の補助電源は、筐体H内に提供されるか、又は筐体Hに取り付けられる。第1の補助電源を筐体Hに取り付けるために使用される第1のコネクタ511は、筐体Hの一部分の上に横たわるタブ513を含み得るとともに、ファスナFによって筐体Hに取り付けられる。ファスナFは、例えばボルト、ネジ、ツメ(detent:戻り止め)など、接着剤、溶接、又は特別注文のファスナのような機械的ファスナを含み得るが、しかし機械的ファスナには限定されない。コネクタ510は、コンポーネントの間の適合を向上させるために、タブの一部分を少なくとも受容する、例えば凹部(recess)、切り込み(notch)、開口部(opening)のような、筐体又は隣接の補助電源上の受容器515を含み得る。検討されたように、複数の補助電源405が、所望の電力出力又は他の特性を獲得するために制御装置Cに接続され得る。モジュラコネクタ500は、補助電源405の置き換え、又は追加の電源405の取り付けを容易にするために、補助電源コンポーネント400上で提供される。モジュラコネクタ500は、補助電源405を制御装置Cに電気的に接続するために、電気的接続部を含む。これらの接続部は、機械的コネクタの一部分として提供され得るか、又は、図示されるように、個別の電気的接続部が提供され得る。示された実例では、モジュラコネクタ500は、電力接続部520、及び感知接続部530を含み、電力接続部520は、補助電源405へ/補助電源405から電力を伝送し、感知接続部530は、補助電源405から識別情報を受け取り、制御信号を補助電源405へ伝達するために使用され得る。図6において最もよく示されるように、電力接続部520、及び感知接続部530は、接続を形成するように相互に適合する、文字A及び文字Bによって示されたオス形状とメス形状の2つの片側コネクタを含み得る。例えば、電力接続部520の第1の片側コネクタ520Aは、電力接続部520のオス形状の第2の片側コネクタ520Bを受容する、メス形状の受容器を含み得る。片側コネクタのそれぞれは、電気的接続を提供する導電体を有する。同様に、感知接続部530の第1の片側コネクタ530Aは、メス形状の受容器であり得るとともに、感知接続部530の第2の片側コネクタ530Bは、連結された場合に感知結合(sense connection)を提供するオス形状のコネクタであり得る。オス形状の片側コネクタ及びメス形状の片側コネクタが逆転され得るか、又は、別の適当なタイプの接続が利用され得る、ということが理解されるであろう。示された接続は、隣接のコンポーネントとの間の電気的接続と同様に、物理的接続を提供する。個別の機械的接続部が利用され得るとともに、それらの片側コネクタが電気的接続を提供することに限定される、ということが理解されるであろう。単純化のために、それらの片側コネクタが参照符号により示され、そして片側コネクタに対する電気配線は、図面の右側の分離した電源405において示される。同じ接続/配線が、各補助電源405又はコンポーネント400に関して、それらを交換可能な状態にするために使用されるであろう。示された実例において、正の端子接続部及び負の端子接続部は、電力接続部520に経路指定(route:接続)されており、一方、センサワイヤは、感知接続部530に経路指定(route:接続)されている。
【0036】
任意に、一般に参照符号610で示される流体接続が、熱伝達流体が補助電源を通して循環されることを可能にするために、筐体Hと補助電源405との間に提供され得る。図6及び図7において最もよく示されるように、流体接続610は、カフ(cuff:そで口)又はカラー(collar:襟)を含み、筐体に形成された開口部に適合するとともに、補助電源に形成された対応する開口部に及ぶ、あらゆるタイプの導管であり得る。その代りに、流体接続は、隣接の電源における対応する開口部と整列するか、又は、隣接の電源が存在しない場合に通気孔(vent)としての機能を果たす、電源筐体(図7)における開口部を単に含み得る。
【0037】
補助電源筐体AHは、追加の補助電源と流体接続するための第2の開口部を有し得る。熱伝達流体615は、単に、加熱目的又は冷却目的のために周囲空気を引き込む通気孔、又はエンジンコンポーネント470から加熱された空気を引き込む導管であり得る、熱伝達源620によって供給される。いくつかの場合において、エンジンコンポーネント470は、ファン471、及び/又は熱伝達流体源としての機能を果たすことができるラジエータを含み得る。ラジエータは、ラジエータを通る空気、冷却剤、水、又は他の流体を含むがそれに限定されない熱伝達流体を循環させるための、エンジンコンポーネントから離れて駆動されるポンプを含み得る。制御装置Cは、筐体内の所望の温度、又はそうでなければ補助電源の周囲の所望の温度を維持するように、熱伝達流体の循環を制御するためにファン及びポンプに接続し得る。
【0038】
その代りに、個別の熱伝達流体源が提供され得る。例えば、クーリングファン625が、補助電源を所望の温度範囲に維持するために、制御装置Cにより選択的に操作され得る。制御装置は、筐体若しくは電源の中からの周囲温度フィードバック若しくはセンサフィードバックに基づいて、又は、周囲温度に基づいて、ファン625を操作し得る。センサフィードバックは、識別の電気的接続部(感知接続部530)、又はモジュラコネクタ500の一部分として提供され得る個別の温度センサ接続部に沿って伝達され得る。更なる代替として、各補助電源は、その動作温度を制御するために、それ自身のファン又は他の熱伝達源を含み得る。これらの熱伝達源は、オンボード温度制御器に対する温度フィードバックに基づいて、独立して機能するか、又は、制御装置Cが各補助電源内の所望の温度を維持することを可能にするために、適切な有線/無線接続を通して電力制御装置Cに接続され得る。
【0039】
図6において示される実例では、空気の形式の熱伝達流体は、吸気口を通して大気と連通しているファン625により提供される。ファン625からの空気は、筐体Hにおける導管635を通して補助電源405に対してポンプで送り込まれる。流体接続610は、隣接の電源405を流体接続するために提供されるとともに、電源405によって生成された対流を利用するために、ちょうど電源405の上に配置される。連結した最後の電源は、外側の空気に対して電源405を選択的に開くか、又は閉じるために、例えばフラップ、スライディング又は回転密封装置、ルーバなどのバルブ645を任意に含み得る通気孔640を含む。
【0040】
対象の技術革新が、特定の好ましい実施例又は複数の実施例に関して示されて説明されたが、当業者には、この明細書及び添付の図面の読み取り及び理解に基づいて、同等の変更及び修正が思い浮かぶことになる、ということは明らかである。特に、上記の説明された構成要素(例えば、筐体、面、コンポーネント、アセンブリなど)により実行される様々な機能に関して、そのような構成要素を説明するために使用される用語(“手段”に対する参照を含む)は、たとえそれがここで例示された代表的な技術革新の実施例又は複数の実施例における機能を実行する開示された構造に構造上対応しないとしても、特に示されない限り、説明された構成要素の指定された機能を実行するあらゆる構成要素(例えば、それは機能的に同等である)に対応することを意図している。さらに、技術革新の特定の特徴がいくつかの例示された実施例の1つ又は複数だけに関して上記で説明されたかもしれない場合に、そのような特徴は、あらゆる所定の又は特定のアプリケーションのために要求されるとともに有利であり得るように、他の実施例の1つ又は複数の他の特徴と結合され得る。特定の実施例が示されて説明されたが、当業者には、添付された請求項の範囲に入る等価物及び修正物が、この明細書の読み取り及び理解に基づいて思い浮かぶことになる、ということが理解される。
【0041】
さらに、対象の技術革新の特定の特徴が、いくつかの実装例のうちの1つだけに関して説明された一方、そのような特徴は、あらゆる所定の又は特定のアプリケーションのために要求されるとともに有利であり得るように、他の実装例の1つ又は複数の他の特徴と結合され得る。さらに、用語“含む(include)”、“含んでいる(including)”、“有する(have)”、“包含する(contain)”、これらの変形、及び他の同様の言葉が、詳細な説明又は請求項のいずれにおいても使用されるという点で、これらの用語は、あらゆる追加の構成要素又は他の構成要素を排除しない、公然とした転換語として、用語“備えている(comprising)”と類似した方法において、包括的であることを意図している。
【0042】
100 電源(発電機)
102 出力巻線
104 出力巻線
106 出力巻線
110 整流器ブリッジ
112a ゲートリード線
114a ゲートリード線
116a ゲートリード線
120 バッテリ充電レギュレータ
122 配線
124 配線
130 バッテリ電流フィードバックセンサ
132 配線
134 配線
140 バッテリ
150 チョッパ
152 標準キャパシタ
154 ダイオード
156 スイッチ
160 溶接出力制御部
162 配線
170 電流センサ
172 配線
174 配線
180 配線
182 配線
190 チョーク
200 エンジン
202 駆動軸
210 発電機
220 整流器充電レギュレータ
230 バッテリシステム
232 フィードバック信号
240 チョッパモジュール溶接出力部
250 溶接制御部
252 信号
254 配線
260 補助電力出力/フィルタチョーク
270 エンジン制御システム
272 配線
280 開回路検出器
290 溶接出力
300 非バッテリ電源(エンジン駆動されたコンポーネント)
310 エネルギーストレージ
320 電力変換回路
330 電力変換回路
340 補助インバータ
350 インバータチョッパ回路
360 補助電気出力
370 溶接機出力
380 制御システム
382 配線
390 開回路検出器
400 第1の補助電源コンポーネント
405 補助電源
425 識別アセンブリ
430 識別センサ
431 第1の圧力スイッチ
432 第2の圧力スイッチ
435 感知リード線
441 第1の受容器
442 第2の受容器
443 輪郭
444 輪郭
445 第1の端壁
446 第2の端壁
448 空間
450 モジュラコネクタ
455 共通のコネクタ
461 接続部
462 接続部
470 エンジンコンポーネント
471 ファン
475 空間
480 温度センサ
481 第1の温度センサ
482 第2の温度センサ
500 モジュラコネクタ
510 コネクタ
511 第1のコネクタ
512 第2のコネクタ
513 タブ
515 受容器
520 電力接続部
520A 第1の片側コネクタ
520B 第2の片側コネクタ
530 感知接続部
530A 第1の片側コネクタ
530B 第2の片側コネクタ
610 流体接続
615 熱伝達流体
620 熱伝達源
625 クーリングファン
635 導管
640 通気孔
645 バルブ

(57)【要約】

【課題】拡張可能な電源を提供する。【解決手段】電力を生成するエンジンコンポーネント470に電気的に接続される制御装置Cを含むとともに、選択された電力出力を提供するために制御装置Cを複数の補助電源又は複数のタイプの補助電源に電気的に接続するモジュラコネクタを含む。


【パテントレビュー】

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【インターネット特許番号リンク】

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