使用多线电感器的高能电容变换设备的制作方法

使用多线电感器的高能电容变换设备
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年3月20日提交的且标题为“high
‑
energy capacitive transform device using multifilar inductor”的美国临时专利申请62/821,386的优先权。
技术领域
3.实施例通常涉及能量转移电路，且更具体地涉及智能地将电容能量切换到电感器内以将高水平的能量变换成有用电压。
4.背景
5.某些类型的电池化学物质常常用于储存由发电机组(genset)和其他发电设备产生的能量。与这些可再充电电池不同，其他类型的电池不能被再充电。这两种类型的电池所共有的是下面的事实：电池电压具有从完全被充电到大部分被放电的相对平坦的放电曲线，其定义它的“有用电荷”。换句话说，在它的有用能量范围内，电池电压可以仅降低几个百分点。这个相对平坦的放电曲线定义电池的驱动一个负载的有用性。由于这些原因，电池输出电压通常可以向上或向下转换以适合于各种应用，因而导致常用的电池电压转换器。
6.电容器是另一常见类型的储能设备。然而，作为储能电荷转移设备，电容器受限于渐近能量放电曲线，且所有电容器显示这个特征参数。例如，电容器的放电曲线可以下降50％，但在负载下的放电周期期间释放它的能量容量的75％。利用电池放电曲线(平坦)和电容器放电曲线(渐近)之间的这些差异，可以推测出可能对电池有效地起作用的某些转换技术可能对电容器不那么有效。
7.电池也是相对低电压的储能设备。例如，目前的铅酸电池产生大约1.5v每电池单体电压(per cell voltage)，而锂离子电池可以产生刚好超过3.0v。在任一情况下，为了实现有用的公共电压，例如12v、24v、48v或用于电动车辆或类似应用的几百伏电压，电池必须被堆叠。因此，为了满足高功率需求，可能需要使用并联电池堆。
8.另一方面，电容器可以储存非常高的电压。虽然类似的电路原理适用，但电容器的存储电压通常仅被它的介电击穿电压限制。因此，使用假设的1000伏、1.0法拉电容器，该电容器将能够存储(c
×
v2)/2或500kj(千焦)，但是应该注意，渐近放电曲线意味着它的电压将一直降低到500v(50％)，以便提取375kj(75％)的能量。换句话说，对于电容器，能量越高，电压下降幅度就越大；以及如果电池能量转换器用于转换电容器电压，将会有更低效率的转换。因此，简单地设计电容器能量转换器以在整个宽电压分布内工作是不够的，而是要设计将能量有效地转换成在宽电压范围内的有用电压的能量转换器。
9.超级电容器通常包含这样的电容器，其具有比其他电容器高得多、也许每单位体积能量比电解电容器多大约几千倍的存储值但具有较低的电压极限。超级电容器的一个有利用途是作为由柴油(或其他燃料类型)发电机组充电的高压(或“hv”)电容器组。当能量通过高压(hv)电容器组变换到它的供电电压(或“sc”)电容器组时，发电机组在它的最有效的rpm下充电；而供电组以大约相同的效率将从0.0到100％给它的负载馈电。以这种方式，发
电机组总是以它的最大效率运行，并帮助克服发电机组的rpm的变化和在一定范围的负载条件中一般遭受的效率的相关损失。图1a示出了如目前已知的典型发电机组的效率与燃料消耗的关系。如在图1a的曲线图100中所示的，示出负载的百分比(水平轴)的效率曲线102相对于特定燃料消耗104的降低水平向上上升。
10.如目前所采用的，电池高功率兆焦耳(mj)能量转换系统在各种切换和线性配置中是通常已知的。例子包括1)开关转换器或所谓的“降压转换器”，以及2)基于变压器的线性转换器。对于高能电容能量变换，开关转换器的效率显著降低，因为直接指数电容下降能量
‑
放电电压与电池系统中的平整线(flat
‑
line)放电电压通常不相关。然而，合并基于变压器的系统的兆焦耳大小的变换线性电路不仅遭受相同的前述效率缺陷，而且除了别的以外，它们还常常需要用于这些应用的温度控制的大部件。此外，除了上面提到的限制之外，线性转换器和开关转换器都还需要dc到频率变换和回到dc变换，以便操作。这些类型的效率限制变换可以不出现在下面公开的实施例中。
11.例如在美国专利号9,287,701和9,713,993(这两个专利都被转让给本技术的受让人并且被全部并入本文)中描述的那些的当前发展已经产生了改进的系统，它们在对其的电损耗的相应减少的情况下例如通过消除变压器加频率分量来最小化开关需求的数量。因此，这些解决方案最大限度地减少了所需部件，包括高压电容器储能开关和为供电电压(sv)电容器组馈电的电感器。
12.然而，还众所周知，使高电流横越电感器流动可以导致破坏性反emf和相关杂散电压以及其他有害影响。无论被配置在接地(并联)还是不接地(串联)电路中，都考虑在短时间段(例如10毫秒)期间在1.0h(亨利)下切换横越电感器的适度的50a的例子。当开关打开时，电流从50.0a急剧下降到0.0a。电流的这个急剧下降可以相当于高达5000伏的反emf。以微分形式计算此得到方程式1.0：
13.v
em
≡l(
‑
di/dt)方程式1.0。
14.应该注意，这一点在静态假设基础上被预测。在更现实的真实世界环境中，动态(与静态相比)电感l是连续变化的量，并且完全依赖于与磁导率μ与电流i的关系相对的b/h(或b
‑
h)曲线。这个动态关系在图1b的图中示出，图1b示出了对于通量密度114、磁导率112和磁化力116的不同值的b/h曲线120和磁导率曲线118。b/h曲线120示出了在特定材料的磁通量密度(b)114和磁场强度(h)116之间的关系。这些值通过材料的磁化强度m通过下面的关系式与彼此相关：b＝hμ
m
。因此，在方程式1.0中可能隐含的初始磁导率(μ
初始
)只是几个b/hμ描述之一。例如，一份参考文献(mclyman)列出了十几个这样的材料
‑
敏感描述，例如增量磁导率μδ；以及最大磁导率μ
max
。
15.一般来说，为了提供能量的有效变换，高能/高压存储系统需要用于克服来自反emf、热载荷和其他类似效应的显著有害影响的机制。因此，所需要的是能量变换系统，其采用具有智能监控、控制和切换方案的先进电容器和电感器设备来提供高水平的所生成能量到有用电压的有效变换。
16.在背景部分中讨论的主题不应由于它在背景部分中的提及而仅仅被假设为现有技术。类似地，在背景部分中提到的或者与背景部分的主题相关联的问题不应该被假设为先前在现有技术中所认识到的。在背景部分中的主题仅仅代表不同的方法，其就本身而言也可以是发明。
17.附图简述
18.在下面的附图中，相似的参考数字表示相似的结构元件。尽管附图描绘了各种示例，但是本文描述的一个或更多个实施例和实现不限于在附图中描绘的示例。
19.图1a示出了如目前已知的典型发电机组的效率与燃料消耗的关系曲线。
20.图1b示出了对于通量密度和磁化力的不同值的b/h曲线和磁导率。
21.图2示出了根据一些实施例的由双线绕组电感器形成的源emf的估计波形200。
22.图3是根据一些实施例的使用电容存储系统的高电压充电系统的总体图。
23.图4示出了根据一些实施例的结合双线或多线绕铁氧体环形电感器的高电压、高能电容转换系统。
24.图5示出了根据一些实施例的图4的监督控制部件的简化表示。
25.图6a示出了根据一些实施例的在图5的hv组中的超级电容器单元的示例配置。
26.图6b是图6a的示例电容器组的能量相对于电压的示例条形图。
27.图7是根据一些实施例的监督控制、切换和到sv组的电感器连接的框图。
28.图8示出了根据一些实施例的hv组部分的示例切换拓扑。
29.图9a示出了根据实施例的在图8中使用的发电机组开关触点分配。
30.图9b示出了根据实施例的图8的充电计划表的表格。
31.图10是根据一些实施例的用于通过s1开关对hv电容器组充电的时序图。
32.图11a是示出根据一些实施例的通过双线电感器将功率从hv电容组变换到sv组的总体方法的流程图。
33.图11b是示出根据一些实施例的通过开关阵列对两个hv电容组充电的方法的流程图，每个hv电容组具有两个部分。
34.图12示出了根据一些实施例的在电容转换系统中使用的环形双线电感器。
35.图13示出了根据实施例的图12的电感器的具有间隙的磁芯的一些细节。
36.图14示出了根据实施例的与图12的电感器一起使用的缓冲电路。
37.图15示出了图12的电感器在抑制反电磁力(electro
‑
magnetic force)(emf)时的示例有利效果。
38.图16示出了根据一些实施例的具有静电计探头的监督控制电路。
39.图17是图16的实施例的采样电容器静电计探头的更详细的图示。
40.图18包含示出根据实施例的图16和图17的探头的某些分配的表1和表2。
41.图19是示出根据实施例的sv组的以1伏增量的增加和在用于切换s1开关的hv组中的相应减少的时序图。
42.详细描述
43.下面提供了一个或更多个实施例的详细描述连同说明所述实施例的原理的附图。虽然结合这样的实施例描述了发明技术的各方面，但是应该理解，它不限于任何一个实施例。相反，范围仅由权利要求限定，并且所述实施例包括许多备选方案、修改和等同物。为了示例的目的，在接下来的描述中阐述了许多特定细节，以便提供所述实施例的透彻理解，这些实施例可以根据权利要求在没有这些特定细节中的一些或全部的情况下被实践。为了清楚的目的，没有详细描述在与实施例相关的技术领域中已知的技术材料，从而不会不必要地使所述实施例含糊。
44.应当认识到，可以以多种方式实现上述实施例，这些方式包括作为过程、装置、系统、在较大系统内的设备或部件、方法或制品。
45.实施例针对通过使用先进电容和电感部件以及智能监控、控制和切换机制将在高能量水平下生成的电能变换成有用电压的电气部件和电路。实施例还针对具有多线绕组的电感器或电感电路以最小化或阻止破坏性影响，例如反emf和热载荷。这样的电感器可以用在发电机组装置中，该发电机组装置包括耦合到高压(hv)电容器组的充电电路、将高电压切换到电感器内的开关电路以及对供电电压(sv)电容器组充电的输出电路。sv组可以仅在负载下是活动的，并且控制电路监控sv组，使得开关在某些电压极限之间操作。电感器可以包括提高有效能量处理的多线缠绕环形电感器。
46.发电机组组合发电机和发动机(或其他电源)以形成单个单元。发电机使用电磁感应的过程来工作，其中源在磁场中移动电导体以通过在其生成电流之间产生电压差来感应电荷的流动。发动机可以燃烧燃料，例如柴油、汽油、丙烷等。发电机组可以被构建到任何实际规模，并可以被设计用于不同的应用，例如提供连续负载、备份生成、峰值负载抑制或便携式使用。
47.电感器具有许多电路应用。这些应用中的一个是储能设备。因此，电感器可以以任何数量的几何形状被构造。一些可以是几何形状的组合，使得也可以构造更复杂的电感器，例如多个线圈、多个芯或其组合。芯(电线缠绕在该芯周围)可以是空气或磁性材料。可以从微尺度到巨大尺度(例如，建筑物的尺寸的数量级)构造电感器。确定尺寸的通常是电感器的电压与电流的函数。
48.如所提到的，电感器是多方面的。与简单的单线圈电感器相反，可以在各种配置中用多个线缠绕电感器。通常，这些可以被称为多线绕组。在这个命名法下，双线绕电感器(double wire
‑
wound inductor)可以被称为双线(bifilar)；三线绕电感器可以被称为三线(trifilar)；四线绕电感器可以被称为四线(quadfilar)，依此类推。
49.在电感器/变压器设计中的另一个关键参数是磁通量饱和度b
sat
(参见例如colonel mclyman，2011年，第1
‑
8页及后面的页，crc出版社)。在这点上，磁性材料被分类为几种介质类别，例如铁氧体、粉末、铁合金等，每种介质具有它的典型b
sat
点。在这些材料中，铁氧体可以具有最低b
sat
。mclyman进一步列举了哪种磁性材料与其他这样的材料相比拥有某些参数优势。例如，铁氧体的某些有效性质可能是理想的，尽管有它的比较低的b
sat
和居里温度。因此，铁氧体可以拥有某些优越的参数，但可以具有最低b
sat
。
50.针对高电流缓和铁氧体的低b
sat
点的一种可能的方法可以是将间隙插到磁性结构内。更特别地，某些磁性结构(例如环形形式)可以有助于间隙配置。因此，在某些实现中，环形铁氧体可能是最有利的配置。
51.另一可能的设计方法可以是采用多线绕组，例如双线继电器绕组。这此外帮助减轻反emf的影响。反emf通常指与被感应的电流的方向相反的感应电磁力(emf)，而且是关于在高能应用(例如大规模发电机组)中的感应电路的静态和动态操作的重要问题。在一个实施例中，双线绕铁氧体环形电感器用于改善在所述实施例的某些设备和电路中的反emf。对于ac或者dc激励的情况，这个减小的反emf进一步由被短路或由缓冲电路连接的双线绕组中的一个实现。
52.双线绕铁氧体环形电感器的某些测试也揭示了显著的伴随益处，如可以关于铁氧
体的低饱和点b
sat
看到的。
53.对于高能大电流(即高能)应用，任何磁性结构必须适合在由方程式2.0限定的限制内：
54.h＝(0.4πni)/le方程式2.0
55.在方程式2.0中，以奥斯特(oe)为单位的左侧h等于源emf。右侧等于在以厘米为单位的环形的圆形尺寸le与绕组的数量和峰值电流的乘积n乘以i之间相除的关系。(注意：0.4π表示记数系统的转换)。例如，如果i＝100a，h可以恰好在70oe左右出现。在这里，铁氧体在大约15oe处饱和。某些测试显示，在被认为是三倍于b
sat
点的峰值电流的电流处没有饱和，但替代地，实际峰值电流原来是在b
sat
点内部。这个效应是由于sv组电容加上由双线绕组添加的电容导致的。
56.图2示出了根据一些实施例的由双线绕组形成的源emf的估计波形。曲线200的波形由产生脉冲(或方)波(一般每几毫秒一次)的sv组负载开关s1实现。因为横越双线绕铁氧体环形电感器l1的电流在s1＝t0时为零，可以看到从x＝0到如被标记为“中数(mean)”、“中(median)”和“模”的所示的(三个垂直点中的)第一和第二垂直点形成的斜率。当电流i开始流过l1时，它必须克服由1)铜绕组、2)感抗和3)电容的总和形成的各种电阻。波形200的斜率表示这些分量的矢量和。主分量是它的电容之和，其主要(但不排他地)包括sv组和由双线绕组产生的附加电容。
57.曲线200的波形的斜率是能量随着时间的过去的积分，其近似于在下面的方程式3.0中给出的值：
[0058][0059]
波形斜率的峰值电流远小于假设的静态计算结果。双线绕电感器(l1)因此提供了两个属性。首先，它减轻了反emf，以及其次，当耦合到sv电容器组时，它增加了在b
sat
内部的能量变换。
[0060]
某些测试还指示，在电感器的操作期间有很小或没有温度上升。首先，在铁氧体铜线绕环形线圈中，主要电阻来自铜线。在数学上，温度上升等于：电流(i)的平方乘以铜线电阻乘以电流流过电感器的时间，然后再除以电容。因此，如在方程式4.0中所示：
[0061]
δt＝i2tδt/c方程式4.0
[0062]
温度上升效应的这个抑制被表示为绝热载荷。也就是说，所变换的能量的时间如此之短，以至于不引起热耗散。因此，除了前述两个属性之外，给定的铁氧体还具有相对低的居里温度点；绝热载荷的第三和重要属性被提供。
[0063]
关于绝热载荷，已知当通过电压摆幅v对电容负载c充电时，使用恒压源的传统充电电路耗散如由e
diss
＝[(i2r)(占空比)]给出的能量，而使用具有与电容器c串联的电阻器r的恒流源的理想绝热充电电路耗散如由e
diss
＝i2rt＝(q2r)/t＝cv2((rc)/t)给出的能量。因此在理论上，绝热充电将传统充电的能量效率提高了0.5(t/(rc))倍。
[0064]
进一步关于绝热载荷、电感器的某些实施例的有效性和sv组集成，某些磁性材料(例如铁氧体)在相对小的电流下饱和。某些磁性材料(例如铁氧体)又实际上生成很少涡流或不生成涡流，因而增加效率。在高能(例如超过一兆焦耳)的变换中，需要大电流，这是可
能看起来禁止使用这样的有效磁性材料的分歧。然而，转向不太有效的磁性材料然后使所述兆焦耳变换遭受相当大的能量损耗。为了说明这一点，5％的损耗(95％的效率)意味着兆焦耳级损耗。饱和曲线受制于几个因素。例如，在铁氧体环形绕芯中的小开口(间隙)将延长饱和曲线，因而提高电流容差。其中另一个可以是通过电感器电容，例如通过将兆焦耳能量源变换成电容器存储组。实际上，在大电感器电容的情况下，可以容忍高电流i。
[0065]
在示例实施例中，供电电压电容器组(sv组)以充电周期vdc被设置到117.5vdc的电压。也就是说，它被充电到126vdc，且然后在五秒内被放电到负载中。然后，它在大约114vdc处在几个脉冲中重新充电回到126vdc。换句话说，sv组电容被设置在一个值处，其中它的设计负载(例如在126vdc和114vdc之间运行5秒的实施例中)具有被设置为使得每个脉冲将电压升高大约1伏回到126vdc的脉冲列。脉冲宽度将缩短至几毫秒。从而引起绝热载荷占空比后果。尽管有绝热载荷效应，但前述脉冲实施例同样实现了所谓的压缩电流，其中以兆焦耳为单位的高电流值可以用更小规格的铜绕组来变换。尽管有前述压缩电流效应和最重要地由相对大的电流i产生的绝热载荷，但是它在整个脉冲过程中使低于饱和的曲线变平。某些测试还指示，在电感器的操作期间有很小或没有温度上升。首先，在铁氧体铜线绕环形电感器中，主要电阻来自铜线。在数学上，温度上升等于：电流(i)的平方乘以铜线电阻乘以电流流过电感器的时间，再除以电容。因此，如在上文方程式4.0中所示：δt＝i2tδt/c。该方程式描述了在被电容限制的源和作为绝热载荷的结果的温度上升效应之间的关系。
[0066]
高能电容转换系统
[0067]
实施例包括结合了双线或多线绕铁氧体环形电感器的高压、高能电容转换系统，其减小反emf，提供高电流积分，并减小绝热载荷问题，以实现了通过供电电压电容器组从高能高压电容器系统到有用电压的更有效转换。稍后将关于图12至图15在本描述中提供关于电感器的组成和特性的细节。
[0068]
包括该电感器的电容转换系统可以被称为兆焦耳(mj)系统，并且表示有效地变换来自高压电容器系统的能量的功率转换器实用解决方案。它提供了优于使用电池并采用开关转换器(例如降压转换器)的已知现有技术系统的显著优点。如上所述，这些系统具有由电容转换系统克服的缺点，电容转换系统能够计量(metering)从高压存储侧到负载驱动器线性供电电压的大量能量。
[0069]
图3是根据一些实施例的使用电容存储系统的高压充电系统的总体图。总体系统300包括用于高压电容器组304的充电系统，其可以包括两个组：a和b。实施例被配置为与发电机组一起工作，但是可以使用emf的任何源。
[0070]
hv组304通过充电路径301由发电机组302充电。发电机组302可以是例如由柴油、汽油、丙烷、天然气等提供动力的任何合适的内燃发动机(ice)加上发电机，并且可以是正常吸气的或强制进气(forced induction)(例如涡轮或增压的)。它也可以由任何其他可行的功率源(例如燃料电池或电池组)实现。发电机组甚至可以是能够对hv组a和组b充电的简单线电压(例如，115vac)电源。发电机组302和hv电容器组304应该被配置且配对，使得组304可以在相对短的时间段(即，大约几秒而不是几分钟或几小时)内被充电。
[0071]
在实施例中，hv组304基于具有大约1至10兆焦耳的电容的超级电容器，然而实施例并不被这样限制。可以使用针对应用和安装规模的任何适合的电容器，包括电解电容器等。可以被开发的其他电容器(例如陶瓷电容器)也是可能的。在实施例中，hv组被分成两个
组(a和b)，其中每个组可以包含例如180个ea堆叠的4000f
×
2.85v超级电容器单元。在示例实现中，对于3mj的电容，这个布置在22.22f下产生完全充电的510v。在耗尽(50％电压，250v)时，大约75％(或2.1mj)的能量从hv组中变换出来。此时(大约250v)，当前hv组(a或b)开始充电，且负载切换到另一组(b或a)。上面给出的值仅仅是例子，且实施例并不被这样限制。根据应用要求和限制，可以使用hv组的任何适当的配置、尺寸、组成和电容。
[0072]
如在系统300中所示，hv电容器组304通过监督控制(sc)电路306耦合到供电电压(sv)电容器组308。sc电路306是控制在系统内的切换并在部件当中按规定路线发送信号的电子控制模块。在实施例中，切换由脉冲发生器控制，并且sc单元可以包括一个或更多个处理器以提供对切换的可编程控制。
[0073]
在实施例中，sv组还包括类似于hv组的电容器的超级电容器。然而，通常只为sv组提供一个电容器组。可选地，根据所需的输出电压和负载水平，任何类型的电容器或电容器的组/阵列可以用于sv组。
[0074]
一般而言，开关指下列项中的任一个或更多个：机械开关、固态开关和/或合并的固态和机械开关。如在本文所使用的，开关包括第一和第二端子以及控制端子。当控制端子在闭合状态中时，第一和第二端子被连接或闭合。当控制端子在断开状态中时，第一和第二端子断开或未被连接。
[0075]
sv电容器组308的放电侧驱动负载312。可以提供可选的dc电压调节器310。这样的部件可以包括dc到ac逆变器以驱动负载。
[0076]
图4是图3的hv充电系统的更详细的图。图4示出了根据一些实施例的结合了双线或多线绕铁氧体环形电感器的高压、高能电容转换系统。如图4所示，电容转换系统400包括由发电机组410充电的hv电容组的两个组a和b(402，404)。总体监督控制功能(图3中的306)在hv(高压)控制单元408和sv(供电电压)控制单元414之间分配。在组a402和组b404之间的切换由组切换单元406控制，组切换单元406由监督控制功能的hv控制部分408控制。物理开关s4(412)响应于来自监督控制单元408的控制信号在组a和组b之间切换。图4的实施例包括由开关s1(416)和sv控制单元414控制的电感器l1(418)。sv控制单元414还控制sv组420与负载422的耦合。
[0077]
在实施例中，系统400经由开关s1316计量从高压(hv)存储侧到负载的能量。在以前的系统中，例如基于电池的功率转换器，一般使用开关转换器或降压转换器。然而，如上面所提到的，降压转换器以固定频率为特征，而图4的高压、高能电容转换系统的实施例消除了该固定频率部件。
[0078]
关于术语，在系统400中转换并如以焦耳(j)为单位测量的能量等于所估计的相对介电常数乘以电压的平方乘以电容再整体除以2，如在方程式5.0中所示：
[0079]
j＝(εr*v2)/2方程式5.0
[0080]
在系统400中，能量通过开关s1进行计量，如由开关的断开或闭合状态控制的。当开关s1接通时，hv组402/404连接到电感器l1(418)。电压下降的量的差值大约等于当s1关闭时这样转换的焦耳数。这在方程式4.1中示出：
[0081]
j
转换的
＝(j
s1＝1,t＝0时
–
j
当s1＝关闭时
)方程式5.1
[0082]
如果s1断开(或关闭)，在hv组或者sv组(方程式5.1的右侧j
转换的
)处的测量电压根据方程式5.0被定义为相对电压。换句话说，相对电压等于瞬时静态电压。相反，当s1闭合
(被启用)时，在hv组或者sv组处的测量电压根据方程式5.0被定义为动态电压。在该实施例中，仅当sv组在负载下(即，连接到负载422)时，s1闭合。
[0083]
关于瞬时静态电压，因为高能、高压电容器组仅可用作超级电容器，这样的超级电容器具有明显的连续静态泄漏电流。因此，当少量电流连续地泄漏时，连续的电压测量(例如，通过长仪表，例如6.5数字(6.5digit)dvm)将显示电压的等效损失，意味着相对电压等于瞬时静测量结果。
[0084]
为了描述的目的，“计量”被定义为开关s1在特定占空比下闭合所计算的特定脉冲宽度。在这种情况下，“计算的”被定义为用于监控hv/sv组电压并从而设置适当的s1脉冲宽度的各种普通数字/模拟电路的计算。例如，通过测量当前的hv组电压并经由断开s1的算法计算电压来监控sv组电压并设置s1脉冲宽度。然后，在hv组电压通过计量被耗尽的点处，s1由此被关闭。应该注意，“普通”意指结合到日常生产和使用(例如商业、工业和军事产品和仪器)中的模拟/数字电路。一种类型的普通电路用于监控sv组电压，加上将近似等于1伏的电压；由此在所测量的sv组电压通过计量而增加的点处，开关s1断开。
[0085]
图5示出了根据一些实施例的图4的监督控制部件的简化表示。如在图5的图示500中所示，监督控制单元504布置在hv组502和sv组506之间。hv组502具有两个组(组a和组b，每个组具有多个堆叠的超级电容器单元)以及两部分切换，以在每个组之间和之内的单元当中转移能量。sv组部分506具有通过负载开关510耦合到负载512的sv组存储系统508。能量到sv组508的转移由开关s4和s1以及电感器l1控制。在实施例中，l1是双线绕环形电感器，并且将在下面更详细地被描述。图5中所示的一些代表性配置和操作值(例如在组a和组b中的单元的数量)以及hv和sv部分的电压电平仅作为例子被提供，并且其他值和配置可以被使用。
[0086]
如图5所示，hv组部分502包括两个单独的内部组a和b。这些组中的每一个包括多个堆叠的超级电容器。图6a示出了根据一些实施例的在图5的hv组中的超级电容器单元的示例配置。图6a示出了180个单元的示例超级电容器堆。该堆分成两半，从单元1到单元89以及从单元90到单元180。这两半被表示为部分a和部分b。这加快了充电功能，因为切换布置可以被使用，使得发电机组(或其他emf源)通过分别对每个部分单独地充电来在较低的电压下对整个堆充电。应当注意，在该堆中的电容器的数量和组成可以根据系统约束和要求而变化。该堆可以包含任何实际数量的单元，并且划分单元的部分的数量也可以根据发电机组功率和充电要求而变化。例如，单元可以被分为四个部分或八个部分，依此类推。
[0087]
在hv组502中使用的超级电容器可以是任何合适类型的超级电容器，例如具有活性炭电极或衍生物的双层电容器(edlc)、具有过渡金属氧化物或具有高电化学赝电容的导电聚合物电极的赝电容器或者具有不对称电极的混合电容器。尽管图5示出了超级电容器单元的堆，但是应当注意，实现必要和/或期望的存储容量的任何等效结构可以被使用。
[0088]
图6b是图6a的示例电容器组的能量相对于电压的示例条形图。如图6b所示，在25％处的以焦耳为单位的能量在电平612处，而在50％处的电压在电平614处。这说明存在发散电压摆幅与能量的关系。也就是说，电容器组(或任何电容器)电压将在它的75％的能量范围内降低50％。
[0089]
图7是根据一些实施例的监督控制、切换和到sv组的电感器连接的框图。如图示700所示，s4组开关在hv组部分的组a和组b之间进行选择。该开关设置连同来自管理器/监
督控制单元(supervisor/y control unit)702的控制信号一起控制开关s1的状态，开关s1与电感器l1 708接合或去耦。在实施例中且如在图7中所表示的，电感器l1是双线绕电感器(具有两个线圈)，并且l1的第二绕组的每一端可以被短路或耦合到二极管/电阻器网络(缓冲器)。来自hv组部分的能量通过电感器l1(当开关s1闭合时)被馈送到sv组704，并通过负载需求开关s5被馈送到负载706。如图7所示，例如sv组具有被维持在115v和120v之间的电压。sv组显示在120v处，且充电的触发点设置在115v处。图示700示出了意欲强调将电压控制在117.5v /
‑
2.5v处的能力的间隔的量。
[0090]
图7还示出了来自监督控制单元702的控制信号701以向hv组中的s2/s3开关阵列提供控制信号。如图5所示，hv组502包含分成一组八个开关功能的两个分立开关s2和s3。图8示出了根据一些实施例的hv组部分的示例s2/s3切换拓扑。图8表示图5的切换和发电机组电路502的更详细的图示。系统800示出了两个hv组a和b的组成，每个hv组具有堆叠的超级电容器单元的两个部分：用单元1
‑
90表示的部分1和用单元91
‑
180表示的部分2。这产生了用于由发电机组充电器810充电的四个单独区域802至808。区域802是a组的部分1(被表示为a1)，并且包含开关s2a1和s3a1；区域804是b组的部分1(被表示为b1)，并且包含开关s3b1和s2b1；区域806是a组的部分2(被表示为a2)，并且包含开关s2a2和s3a2；以及区域808是b组的部分2，并且包含开关s3a2和s3b2。开关s2和s3将两个组a和b中的每个分别分成两个部分，用于一次为一个部分充电。图8示出了对于发电机组810对组a部分1(a2)充电的情况的这些开关的一些示例图式连接。充电功能完全独立地操作，而它的对应组通过开关s4连接到开关s1(如图7所示)。一旦组的第二部分被完全充电，它就作为一个组被重新连接(单元1至180)。此时，对应的反向电压下降至全电压的大约50％，它的对应组获得馈电，且耗尽的组然后以相同的方式被充电。
[0091]
图9a示出了根据实施例的在图8中使用的发电机组开关触点分配。图9a示出了根据示例实施例的被表示为s2a1、s2a2、s2b1、s2b2、s3a1、s3a2、s3b1和s3b2的某些触点的配置以及对部分1和2的相应分配。
[0092]
图9b示出了根据实施例的图8的充电计划表的表格。在本示例中，当部分1和部分2串联地连接在一起时，全组电压为510v，如在图示的组b中所示。发电机组向每个部分(1或2)输送200a，给每个部分单独地充电至255v，如在图示的组a中所示。全组电压为510v。当被耗尽至50％时，全组电压为大约255v。每个部分将在大约123v(255v的50％)处。每个部分将在200a下从大约123v被充电到255v。当两个部分重新连接成单个组时，电压然后将恢复回到大约510v。
[0093]
如上面关于图3所陈述的，监督控制电路306包括脉冲发生器以使在hv电容器组和sv电容器组之间的开关电路的控制同步。图10是根据一些实施例的用于通过s1开关对hv电容器组充电的时序图。
[0094]
波形1002示出了开关s1如何通过电感器l1在某个电平t1处用脉冲调制电流，例如7a。如关于图7所提到的，sv组704保持在115v和120v之间，使得sv组电压在负载706两端放电。此时，开关s1在短时间量(例如几毫秒)期间或在刚好将sv组电压从115v升高到116v的足够时间期间被启用。在短持续时间(例如100毫秒)之后，第二l1脉冲被启用，使得sv组电压升高另一伏特，即，从116v到117v。连续的l1脉冲将sv组电压升回到120v。这被显示为波形1008，其示出了sv组电压从115v斜升到120v。将sv组电压升高到120v的全充电电平的整
个时间段被示为波形1004。波形1006表示随着每个l1脉冲1002递减的hv组电压的近似。虽然描述了特定的电压电平，但是实施例并不被这样限制，且实际电压范围和值可以根据系统配置和要求而变化。
[0095]
图11a是示出根据一些实施例的通过双线电感器将功率从hv电容组变换到sv组的总体方法的流程图。图11a的流程图涉及图5所示的系统架构，其中hv和sv电容器组通过电感器被耦合，hv组被分成组a和组b。图11a的过程通过使用布置到两个组a和b内的超级电容器来提供或部署hv组部分而开始，步骤1101。每个组可以包括例如在图6a中所示的多个堆叠的超级电容器单元。hv组通过双线(或多线)电感器耦合到超级电容器sv组部分和负载，步骤1103。通过智能受控的传输和切换网络，sv组从hv组部分的组(a或b)之一被充电，取决于哪一个组完全地被充电或比另一个组更多地被充电。sv组从该hv组被充电，直到该hv组被耗尽为止，步骤1105。耗尽可以被定义为在充电组的规定的最小阈值电压电平处或之下的电压电平。在耗尽时，监督控制器从耗尽的组切换到应该被充分或完全充电的另一组，以对sv组充电，步骤1107。当另一hv组对sv组充电时，耗尽的组由发电机组(或其它电源)充电，步骤1109。针对耗尽而持续或周期性地检查hv组的电压电平，步骤1111，并且在期望的部署周期期间持续地执行交替的充电和切换步骤。
[0096]
如上所述，hv组可以被分成单独的部分以优化充电过程。图11b是示出根据一些实施例的通过开关阵列对两个hv电容组充电的方法的流程图，每个hv电容组具有两个部分。图11b的流程图涉及具有两个hv组a和b并由开关s1、s2、s3和s4控制的图5所示的系统架构，每个hv组具有两个部分1和2。图11b表示图11a所示的过程的稍微更详细的表示。图11b的过程通过测量两个组a和b的电压电平开始。该测量步骤检查在hv组部分中的耗尽的组a或b，步骤1102。耗尽的组(a或b)然后发出请求，步骤1104。响应于该请求，开关s4在耗尽的组(a或b)和充电的组(b或a)之间切换，步骤1110。然后，针对来自脉冲发生器的s1脉冲切换耗尽的组，步骤1112。然后，耗尽的组被切换到两个部分1和2内，步骤1106。在两个部分1和2之间多路传输这些测量结果，步骤1108。对于这两个部分1109，该过程将部分1(步骤114)或部分2(步骤116)从大约125v充电到大约250v。在两个部分被充电之后，这两个部分重新连接到彼此，步骤1120。
[0097]
环形双线电感器
[0098]
如图7所示，电感器l1是双线绕环形电感器。如前面所陈述的，这样的电感器提供下面的特性：(1)限制反emf，(2)b/h曲线电感随着时间的过去的扩展，以及(3)绝热载荷。关于如图10所示的sv组的充电时间，电感器l1还提供了另一个优点，即最小化将sv组电压增加1伏增量的有效时间。参考图5和图6a，hv组部分被分成两个组：a和b。在实施例中，每个组包含180个ea堆叠的4000f
×
2.85v超级电容器单元。在22.2222f处在510v下被完全充电的每个组容纳3mj的能量。在耗尽或50％的电压(250v)时，大约75％(或2.1mj)的能量从hv组中变换出来。此时，在大约250v处，当前hv组开始充电，且负载切换到另一组。sv组电容等于hv组，但它的超级电容器并联地而不是如它们在hv组中那样串联地耦合在一起。因此，将sv组升高大约1伏需要大约8mj到10mj。这意味着将sv组电压从115v升高到120v将是大约40mj的转换。在电感器l1上的电流i的传统脉冲转换将是大约数百毫秒。然而，如图2所示，峰值电流结果是远小于奇点峰值电流(singularity peak current)。由于这个原因，开关s1只接通几毫秒。这意味着总充电占空比相应地减小。
[0099]
图12示出了被表示为l1的单线圈电感器，其包括磁芯14、围绕磁芯的双线绕组12、被称为电感器端子对(itp)1和itp 2的两个端子对，每个端子对耦合到在双线绕组中的单独磁线。注意，在一些实施例中，单线圈电感器包括围绕磁芯的绕组部件，其中绕组部件基本上由耦合到itp 1和itp 2的双线绕组组成。
[0100]
单线圈电感器l1使用在磁芯14周围的双线绕组12来增强能量变换，提高绝热载荷的效率，并减小反emf。如本文使用的，术语“双线绕组”指至少两个平行的磁线。磁芯14指环形磁芯。磁芯14可以由一种或更多种磁性材料组成，或者被布置为单独的材料成分，或者被混合为一种或更多种复合材料成分。在有单独材料成分的情况下，芯由这些单独的材料成分制成。在某些实现中，单一材料(例如铁氧体)可用于制造磁芯。
[0101]
单线圈电感器包括两对端子：电耦合到双线绕组12的第一磁线的第一端子对(itp 1)。第二端子对(itp 2)电耦合到双线绕组的第二磁线。第二端子对适合于最小化反emf。例如，第二端子对的两个端子可以电耦合以最小化反emf。
[0102]
如本文所使用的，双线绕组12指平行磁线，其指包含至少两个磁线的制品，这两个磁线都局部地平行于彼此，可以形成带，每个线通过绝缘材料与彼此电隔离。在一些实施例中，磁线可以或可以不在电绝缘的情况下单独地被涂覆。磁线可以或可以不平行地嵌在两片绝缘材料之间，两片绝缘材料联合起来将线和绝缘材料结合在一起，以制造平行结合的磁线带。绝缘磁线然后可以平行于彼此布置，并且可以结合在一起以形成平行结合的磁线带。磁线可以主要由金属组成，例如铜或铝、两种或更多种金属的合金、可能包含内层铝和外层铜的分层线。另一种替代层线可以包含内层铜和外层铝。
[0103]
如前面所陈述的，针对高电流缓解铁氧体的低b
sat
点的一种方式可以是将间隙插到磁性结构中。环形磁性结构(在任何多线构造中)适合于间隙构造。因此，在一个实施例中，图12的环形磁芯14配置有间隙，如图13所示，图13示出了作为具有间隙16的环形芯的磁芯14的一些细节。间隙16可以依尺寸被制造以优化缓解铁氧体芯的低b
sat
点的有利效果。
[0104]
也如前面所陈述的，双线电感器的第二绕组的每一端可以被短路或耦合到二极管/电阻器网络(缓冲器)。图14示出了还包括缓冲电路的图12的装置，它的两个端子耦合到第二电感器端子对(itp 2)的端子。缓冲电路可以被实现为下列项中的一个或更多个：电阻器和电容器(rc)缓冲器20，其包括共同地适合于减小在单线圈电感器两端的反emf的电阻器和电容器的串联电路的两个端子；二极管缓冲器，其包括包含用于耦合到第一端子对的两个触点的单个整流二极管，还适合于减小在单线圈电感器两端的反emf；rcd缓冲器，其包括电阻器和电容器的并联耦合，该并联耦合与二极管串联耦合。rcd缓冲器具有两个端子。rcd缓冲器的第一端子到电阻器和电容器的并联耦合，该并联耦合没有耦合到二极管。rcd缓冲器的第二端子到二极管的第二端子，其没有耦合到并联耦合。
[0105]
图15示出了单线圈电感器在抑制反电磁力(emf)时的有利效果，使得磁场崩溃的时间被延迟。在一些实施例中，能量转移在磁场崩溃之前的时间期间操作。因此，图15示出了与传统场崩溃1504相比的延迟的场崩溃1502。在一些另外的实施例中，能量转移被实现为在时间间隔上的小电压差的连续脉冲，其中电流总是在单个方向上移动。可以有在单线圈电感器l1上转移的电能的一个或更多个源。
[0106]
度量(metrology)功能
[0107]
在操作过程期间，进行电压电平、电流、响应时间等的连续测量，以确保图11a和图
11b所示的充电和切换功能被最佳地执行。为了确保这些值的准确测量和比较，某些计量/测量(度量)功能和部件被包括。在实施例中，电容能量变换设备的度量功能包括：(1)隔离式低噪声电源(pp
‑
1)，其可以是48v(或类似的)超级电容开关设置；(2)由pp
‑
1驱动的高度调节的电源电压v
cc
和参考电压v
ref
(这些电源可在大约35℃是温度控制的，导致低ppm稳定性和准确度)；(3)探头；以及(4)上述电路的逻辑设计。
[0108]
图5的监督控制功能和部件504包括某些元件。这些元件包括多路转换开关、若干(例如三个)静电计探头、若干dac(数模转换器)电路、时钟发生器和专门设计的电源。这些元件允许电容器的两个hv组和一个sv组的操作以及使两个hv组交替的操作协调，使得一个组总是准备好输送电力；而另一组以连续的方式在两个部分中由发电机组充电。
[0109]
在实际操作中，尽管sv组经由单脉冲s1以1伏的增量被充电，标称电压窗口(在本实施例中)是115v至120v。然而，在真实世界中，该窗口可以降至114v或高达121v或任何其他可能的偏差。同理适用于hv组测量。其中50％耗尽点可以在切换组的过程中低于55％以确保连续电力供应。在实施例中，测量系统包括静电计探头，其给dac电路馈电，用于与固定值比较。例如，一个dac电路监控给它的负载馈电的sv组。当电压降至115v时，s1被启用。脉冲宽度由在大约1伏到116v的电压增加时关闭s1的dac电路设定。提供任意的稳定时间(例如50毫秒)以允许s1在大约1伏到117v等等一直到121v再次被启用。类似的其它dac电路可以用于监控耗尽电压和充电电压。
[0110]
关于dc度量，实际要求是进行具有大约在20ppm之下的准确度和稳定性的电压比较。这是因为hv组必须按比例缩小到(10:1)/2，其中sv组按10:1比例缩小。因此需要dc度量级电路。每个dac的v
ref
必须比在20ppm之下好四倍，或大约5ppm或更小。在实施例中，这通过双重堆叠到20v的定制10v v
ref
设备来实现。这些电路被制成emi(电磁干扰)的，并通过定制壳体成为温度保护的。
[0111]
对于静电计探头，使用采样电容器。这可以是0.25％聚、特氟隆或蓝宝石平行板配置。通过在采样电容器c11的每一侧上的先通后断切换系统来完成采样。因此，这将探头与由两个组可能产生的所有杂散电压隔离。静电计确保准确的电压采样，在c11上实质上没有电压负荷。
[0112]
图16示出了根据一些实施例的具有静电计探头的监督控制电路1602。图16示出了通过相应的多路器开关(mx开关)耦合到某些hv组部分的两个采样电容器静电计探头1603和1604。第三探头1605耦合到sv组。图示1606示出了用于与静电计探头一起使用的某些dac参考电路。
[0113]
图17是图16的实施例的采样电容器静电计探头的更详细的图示。
[0114]
图18包含示出根据实施例的图16和图17的探头的某些分配的表1和表2。尽管示出了某些特定的连接，但是实施例并不被这样限制，并且其他分配是可能的。
[0115]
图19是示出根据实施例的sv组1904的以1伏增量的增加和在用于切换s1开关的hv组1906中的相应减少的时序图。如图19所示，时钟发生器1902通过探头dr
‑
3的信号脉冲交替地启用和关闭s1。该图示与在图18的表2中指定的参考电路相关。
[0116]
应用
[0117]
本文描述的功率转换器的实施例可以用在各种不同的应用中，例如混合车辆应用。另一种应用可以用在电梯备用系统中。这样的系统可以是完全被动的，作为常开主电动
充电器。因此，它可能安放多年而不使用；以及与需要定期检查和维护的电池系统的替代方案不同，对基于电容的mj功率转换器不需要这样的持续关注。在被启用之后，如果电梯出现故障或主电源或备用电源出现故障，这样的系统将确保由电梯失速引起的被困的乘客可以安全地离开和/或支持第一响应者。
[0118]
功率转换器的另一个示例实施例可以结合到电动车辆ev充电系统内。在这个配置中，存在几个潜在的应用。一个应用用于在道路上的快速充电，像路边辅助救援一样。另一个应用是在充电器地点处，其中功率转换器可以增加充电器功率。例如，在50kw sae国际dc组合(ccs)充电站中。通过用功率转换器补充ccs 50kw；12mj系统将充电时间缩短大约一半。该实施例说明了另一个有益属性，因为功率转换器可以与通过充电系统可获得的一样慢或快地被充电。例如，对于仅115vac mps充电电源，可能花费也许两分钟来对mps功率转换器充电，而不是本文描述的一(1)分钟充电。在较慢充电源的这种情况下，功率转换器产生较低的占空比。
[0119]
一般来说，电动汽车充电站符合三个标准之一：1)sae int’j1772级1和级2；2)sae国际快速充组合(ccs)，特斯拉超级充电器；以及3)chademo(日本)。这些标准被各种国际充电站制造商支持，以确保充电器安全且有效地给汽车制造商的电池系统充电。然而，同样合适的是在锂离子大小充电和充电时间之间的共同性。因为所有ev使用锂离子电池化学性质，无论充电器的类型或它的标准如何，相同能量等级都适用。作为相同能量等级的例子，充电电池组的当前ev里程刚刚超过200英里。因此，无论是gm bolt ev(ccs)、tesla model 3(特斯拉)还是nissan leaf(chademo)，电池组都正好大约60kw。因此，可适用的标准无论是哪个，对于具有60kw电池组的这些ev，充电将始终接近60kw电池组。这个共同性部分地定义了功率转换器充电应用。在60kw下使用200英里的bolt ev ccs充电器额定值72分钟，mps功率转换器可以再增加60kw，在mps充电周期期间将72分钟周期缩短一半。作为例子，连续充电的mj mps功率转换器可以在36分钟期间增加60kw；用于增加200英里的里程的原始充电时间(72分钟)减半。
[0120]
关于快速充电(例如，用于路边援助)，三(3)分钟的一次充电将增加大约10英里的里程。这可以完全足以从高速公路下来并去充电站。还有替代的可能性，例如，作为充电站后援，或者缓和在充电站处的长队。将认识到，这些仅仅是一些示例应用，且许多其他或类似的应用也可以被使用。
[0121]
实施例针对一种方法，该方法包括：使用布置到两个组a和b内的超级电容器提供hv组部分；通过由监督控制器控制的多线电感器和开关电路来将hv组耦合到超级电容器sv组部分和负载；从组a或b的更完全充电的组对sv组充电，直到充电组被耗尽为止；当充电组耗尽时，从耗尽的组切换到组a或b中的另一组以对sv组充电；当另一个hv组对sv组充电时，通过电源对耗尽的组充电；以及在规定的部署周期期间重复在两个组之间的切换和充电过程。多线电感器可以是具有缠绕在环形铁氧体芯周围的两个或更多个独立线圈的环形电感器，并且铁氧体芯可以具有间隙。超级电容器可以具有大约1至10兆焦耳的电容。
[0122]
在实施例中，每个组a和b包含180个ea堆叠的4000f
×
2.85v超级电容器单元。电源可以包括发电机组，发电机组包括发电机和由柴油、汽油、丙烷或天然气中的一种提供动力的内燃发动机。充电组的耗尽可以被定义为在充电组的规定的最小阈值电压电平处或之下的电压电平。在实施例中，每个组a和b被分成两个部分，用于通过电源进行最佳充电。开关
电路可以是被表示为s1、s2、s3和s4的四个开关，以及其中s1将电感器耦合到hv组，s2和s3在每个相应的组a和b的两个部分之间切换，以及s4在hv组的组a或b之间切换，用于交替的组切换过程。可以有对于hv组a和b以及sv组的耗尽和充电水平基于规定的阈值电压来同步和触发sv组的充电的脉冲发生器，并且sv组的充电可以响应于在sv组的115v到120v的范围内的单电压阶跃(one
–
voltage steps)而被触发。
[0123]
实施例进一步针对一种用于将高电流输入能量变换成有用电压电平的电感设备，其包括：缠绕在环形铁氧体芯周围的两个或更多个绕组；一组输入端子，其通过开关s1耦合到使用布置到两个组a和b内的超级电容器的hv组部分；以及耦合到sv组部分和负载的一组输出端子，其中sv组部分根据组a或b的相对电荷电平由两个组a和b中的一个充电。铁氧体芯可具有间隙，且电感设备还可包括耦合到缓冲器的一组端子。在实施例中，组成部件被配置为减小反电动势(emf)，提供高电流积分，减少绝热载荷问题，并且最小化增加sv组电压的有效时间，所有这些都能实现从hv组到sv组的更有效变换。
[0124]
实施例还进一步针对一种电容能量传输设备，其包括：hv组部分，其使用布置到两个组a和b内的超级电容器；传输部分，其通过由监督控制器控制的多线电感器和开关电路将hv组耦合到超级电容器sv组部分和负载；充电和控制路径，其从组a或b中的更完全充电的组对sv组充电，直到充电组被耗尽为止，并且在充电组耗尽时，从耗尽的组切换到组a或b中的另一组以对sv组充电，并且当另一hv组对sv组充电时，通过电源进一步对耗尽的组充电；以及控制电路，其在规定的部署周期期间重复在两个组之间的切换和充电过程。多线电感器可以是具有缠绕在有间隙的环形铁氧体芯周围的两个或更多个独立线圈的环形电感器，并且其中电源包括发电机组，该发电机组包括发电机和由柴油、汽油、丙烷或天然气中的一种提供动力的内燃发动机。超级电容器可以具有大约1到10兆焦耳的电容，并且其中每个组a和b包含180个ea堆叠的4000f
×
2.85v超级电容器单元。在实施例中，充电组的耗尽被定义为在充电组的规定的最小阈值电压电平处或之下的电压电平，并且其中每个组a和b被分成两个部分，用于通过电源进行最佳充电。开关电路可以是被表示为s1、s2、s3和s4的四个开关，以及其中s1将电感器耦合到hv组，s2和s3在每个相应组a和b的两个部分之间切换，以及s4在hv组的组a或b之间切换，用于交替的组切换过程，并且还包括对于hv组a和b以及sv组的耗尽和充电水平基于规定的阈值电压来同步和触发sv组的充电的脉冲发生器，并且其中sv组的充电响应于在sv组的115v到120v的范围内的单电压阶跃而被触发。
[0125]
通常针对具有多线绕组的电感器或电感电路描述实施例，以最小化或阻止破坏性反emf。这样的电感器可以用在包括充电电路到高压(hv)电容器组的发电机组装置中。开关电路(s1)将这样的hv切换到磁性结构内；以及输出电路对供电电压电容器组(sv)充电。sv组可以仅在负载下是活动的，并且控制电路监控sv组，使得s1在某些电压极限之间操作。电感器可以包括提高有效能量处理和绝热载荷有效性的多线绕环形电感器。实施例包括智能地将超级电容器存储的能量切换到多线环形电感器内，以将高水平的能量变换成有用电压。
[0126]
尽管关于某些示例配置和部件描述和示出了某些实施例，但是应当理解，实施例并不被这样限制，并且部件的任何实际配置、组成、操作范围或选择是可能的。同样，在本文提供了某些特定值和操作参数。这样的示例被规定为仅用于说明，且实施例并不被这样限制。任何适当的替代方案可以由本领域中的普通技术人员使用来实现所描述的功能。
[0127]
为了清楚起见，本文的过程和方法用特定的流程示出，但是应该理解，其他顺序也许是可能的，并且一些可以被并行地执行，而不偏离本发明的精神。另外，步骤可以被细分或组合。
[0128]
除非上下文另有明确要求，否则在整个说明书和权利要求书中，词“包括(comprise)”、“包括(comprising)”和诸如此类应在与排他性或详尽的意义相反的包含界限的意义上、也就是说在“包括但不限于”的意义上被解释。使用单数或复数的词也分别包括复数或单数。此外，词“在本文”、“在下文”、“在上面”、“在下面”以及类似含义的词指作为一个整体的本技术，而不是指本技术的任何特定部分。当词“或”关于两个或更多个项的列表被使用时，该词涵盖该词的所有下面的解释：列表中的任何项、列表中的所有项以及列表中的项的任何组合。
[0129]
本文引用的所有参考文献被规定为通过引用被并入。虽然作为例子并从特定实施例方面描述了一个或更多个实现，但是应当理解，一个或更多个实现不限于所公开的实施例。相反，它旨在覆盖如对本领域中的技术人员明显的各种修改和类似布置。因此，所附权利要求的范围应该符合最广泛的解释，以便包括所有这样的修改和类似的布置。