DC能量传输装置、应用、部件及方法与流程

受让人：理查德·谢拉特，1150Ballena Blvd,Ste.250,Alameda,CA 94501US

技术领域

本申请公开了纯直流(DC)能量传输设备、能量传输控制器、纯DC能量传输网络、在这样的电路中使用的部件、从包括和/或使用纯DC能量传输设备和/或网络受益的装置以及根据本发明对如上进行操作的方法。部件可以包括但不限于至少一个电容性器件、开关器件和/或电感性器件，每个器件在概述中和详细的公开中进行定义和公开。本应用装置可以包括但不限于混合动力电动交通工具、电动交通工具和/或太阳能发电设备。交通工具可以是汽车、货车、公共汽车、电车、火车、飞机、用于水面或水下行驶的船只、卫星和/或宇宙飞船。优选的交通工具可以是汽车、货车或公共汽车。交通工具可以是有人驾驶的或无人驾驶的。太阳能发电设备可以包括但不限于来自太阳能阵列和/或太阳能存储器的能量传输设备，这些设备是基于电网的或是离网型的。

发明背景

至少从二十世纪初开始，从一个电压到另一个电压的直流(DC)能量转换就已经是许多电力系统和电子系统中的标准功能。

如本文所使用的动态电状态(DES)表示电路中至少一个节点相对于第二节点的电压、电流或电感中的一个或多个。电压和/或电流可以通过节点和第二节点之间的测量结果确定，测量结果可能随着时间变化。关于电感器讨论了电感。电流可被考虑成从节点流入第二节点的电荷随时间的变化率。该文献中的标准单位，对于电压是伏特(V)，对于电流是安培(Amp)，对于电荷是库伦(C)。在本文中认为电压与电位差同义。

电路通常可以包括但不限于包括端子、多个节点、一些而非全部端子和/或一些而非全部节点之间的电连接的设备。电路与其包括的设备以及电连接一起形成多个DES。每个DES可以具有可在与单独的第二节点有关的多个节点之间共享的电状态。在其它情况中，一个或多个DES可具有相对于第二节点从一个节点到另一个节点可测量地改变的电状态。

在电路中发现的一些标准设备包括但不限于电容器、电阻器、电感器、二极管和/或开关。现在将根据现有技术简要讨论这些标准设备。

电容器通常是两端子器件，其主要电属性是电容器的两个端子之间的电容。电容通常被视为将被存储在设备中的电荷的水平，并且因此被视为电能的水平。电容器通常建模和/或构造成由电介质分隔的两个平行导电板。电容通常被建模为与导电板的表面积成正比且与导电板之间的分隔距离成反比。电容还被认为是板的几何形状和电介质的介电常数的函数。本文所使用的电容的单位是法拉。充电一库伦的一法拉的电容器被定义为在电容器的板之间具有一伏特的电位差。电容的常用模型是C＝e_r e₀A/d，其中C是以法拉为单位的电容。A是平行板的重叠部分的面积。e_r是电介质的介电常数。e₀是电学常数(约是8.854*10^-12法/米)，且d是以米为单位的板的间距。能量以焦耳(J)为单位测量，且当能量存储在电容器中时，通常被定义将电容器充电到其当前状态的工作已经完成。存储在电容器中的能量通常估计为CV²/2并且以焦耳报告。

电感器通常是两端子器件，其主要电磁属性是电感器的两个端子之间的电感。电感器通常包括往往被称为导线的导电材料的线圈。导线连接电感器的两个端子。在端子之间的导线往往绕着轴。在一些情况中，绕组实质上是关于轴对称的。线圈的内部可以包括或可以不包括金属芯。电感往往被定义为导线的电磁属性，由此流经导线的电流中的变化在导线本身(自感应)和在任何附近的导线中(互感应)中感生电压(电动势)。电感往往被测量为线圈对随时间变化的、往往是正弦的、施加到它的端子之间的给定频率的电压的响应。在本文献中的电感的单位是亨利(用符号H表示)，其为标准的国际(SI)单位。换算到基本SI单位，一亨利等于一千克平方米每二次方秒每二次方安培(kg m²s^-2A^-2)。对电感器常见的是在特定频率(往往是千赫兹)的正弦测试模式下以亨利为单位进行评定。

电阻器通常是两端子器件，其主要电属性是电阻器的两个端子之间的电阻。电阻以SI单位欧姆为单位测量。如本文所使用的，欧姆定义为两个节点之间的电阻，当一伏特的恒定电位差施加到这两个节点时，产生一安培电流。

二极管通常是两端子器件，其主要电属性是其阻止从第一端子到第二端子的电流流动，而允许通过导通电阻从第二端子到第一端子的电流流动。

开关是指以下项中的任意一种或多种：机械开关、固态开关和/或合并的固态和机械开关。如本文所使用的开关包括第一和第二端子以及控制端子。当控制端子处于闭合状态时，第一和第二端子是连接的或闭合的。当控制端子处于断开状态时，第一和第二端子是断开的或非连接的。

系统可以包括一个或多个电路和/或一个或多个设备。例如，汽车被认为是可以包括被操作以协助驱动汽车的传输电路和被操作以协助汽车的乘客舱内的气候控制的空调设备的系统。

直流电(DC)DES在本文中是指其电流只在节点和第二节点之间的一个方向上流动的DES。交流电(AC)DES是指其电流随着时间从节点到第二节点以及从第二节点到第一节点流动的DES。

如本文所使用的，能量传输设备将指的是包括输入DC端子、输出DC端子以及控制端子的电路，且适于接收来自输入DC端子的DC DES且生成至少一个输出DC DES。输入DC DES具有作为其第一节点的输入DC端子。输出DC DES具有作为其第一节点的输出DC端子。输入和输出DC DES共享作为其第二节点的公共端子。

促进能量传输设备实现为DC到DC转换器是几十年的传统知识。这些DC到DC转换器使用响应于AC定时DES的逆变器以将DC输入DES变换为驱动变压器的主线圈的AC内部电力DES。变压器的次级线圈生成至少一个次级AC DES。然后将次级AC DES滤波和整流以产生DC到DC转换器的输出DC DES。需要注意的是，一些或全部AC DES特别是次级AC DES往往由一对导线实现。

发明概述

本申请公开了纯直流(DC)能量传输电路、能量传输控制器、纯DC能量传输网络、在这样的电路中使用的部件、从包括和/或使用能量传输设备受益的装置和操作装置的方法、根据本发明的部件和/或装置。如本文所使用的，本发明的电路中使用的部件也可以是其它应用中使用的部件。

如本文所使用的，纯DC能量传输设备可以包括输入DC端子、输出DC端子以及公共端子，并且，通过这些端子接收来自输入DC端子的DC DES并且生成通过输出端子的至少一个输出DC DES，公共端子充当两个DES的第二节点。纯DC能量传输设备包括至少一个内部DES，其促进实质上构成DC DES的输出DC DES的生成，在本文是指内部DC DES。术语内部DES是指纯DC能量传输设备设备内的至少一个节点，该节点不是用于传输输入DC端子和输出DC端子之间的大部分和可能全部能量的输入端子或输出端子中的一个。

本公开首先讨论纯DC能量传输设备的三个基本实现。第一个实现展示了本发明的一个实施例的基本操作和性能。第二和第三个实现可以用在各种应用中，例如，混合动力电动/内燃机(ice)汽车。纯DC能量传输设备的第二个实现的优选实施例可以支持维持每加仑至少100英里的燃料使用，或以公制单位，每公升燃料(如汽油)至少43公里的燃料使用的混合动力电动/ICE汽车。纯DC能量传输设备的第三个实现的优选实施例可以支持维持每加仑至少200英里或每公升至少86公里的燃料使用的混合动力电动/ice汽车。纯DC能量传输设备的第二个实现和第三个实现可以优选地包括在用于诸如混合动力电动/ice汽车的装置中的纯DC能量传输网络中。

返回纯DC能量传输设备，在一些实现中，DC能量传输设备的每个内部DES还可以认为是主要的DC DES。如本文所使用的，主要的DC DES是其电压和电流可随着时间改变而其任何短时间窗中的功率谱被集中在DC或接近于0频率分量的DC DES。如本文所使用的，短时间窗可以具有为以下项中的至少一个的持续时间：64分钟、32分钟、16分钟、8分钟、4分钟、2分钟、1分钟、30秒、15秒、8秒、4秒、2秒、1秒、0.5秒、0.25秒、125毫秒、63毫秒、32毫秒、或16毫秒。

在一些实现中，装置可以包括能量传输控制器，其适于响应输入DC DES和/或输出DC DES以生成被纯DC能量传输设备接收的至少一个控制DES，从而通过响应于控制DES来引导其操作。控制DES可以表示布尔逻辑值诸如“0”和“1”，这可以以在详细描述中所讨论的几个不同方式实现。

应用装置可以包括但不限于混合动力电动交通工具、电动交通工具和/或太阳能发电设备。交通工具可以是汽车、货车、公共汽车、电车、火车、飞机、用于水面或水下行驶的船只、卫星和/或宇宙飞船。优选的交通工具可以是汽车、货车或公共汽车。这些交通工具中的任意一种可以是有人驾驶的或无人驾驶的。太阳能发电设备可以包括但不限于太阳能发电单元和/或太阳能储存器，这些设备是基于电网的或离网型的。

部件可以包括但不限于电容性器件、开关器件和/或电感性器件中的至少一种。

附图简述

图1示出了与包括纯DC能量传输设备和能量传输控制器的系统的前三个示例实现有关的简化的示例。

图2示出了使用和包括纯DC能量传输设备和能量传输控制器以根据本发明实现交通工具，特备是混合动力电动和内燃机(ice)汽车的图1的系统。

图3示出了在道路的右侧提供了一单位的燃料的图2中的交通工具和/或汽车，该交通工具和/或汽车行驶了一定距离，且因此消耗了该单位的燃料。

图4-图12示出了适于在支持图1中的纯DC能量传输设备的第二和/或第三实现的交通工具和/或混合动力电动-内燃机汽车内传输能量的图2中的纯DC能量传输网络的一些细节。

图13示出了包括纯DC能量传输设备和纯DC降压(SD)级的纯DC能量传输网络可具有在任何一个时间只有一个降压级被操作用于整个网络的方面的优势。

图14示出了包括纯DC能量传输设备和纯DC SD级的3个实例的纯DC能量传输网络可具有在任何一个时间只有一个降压级被操作用于整个网络的方面的优势。

图15A-15I示出了至少第一个电容性器件的一些特征，这些特征也可适用于一个或多个其他电容性器件。

图16总结了可以根据或被调整为满足本发明的各个实施例和/或实现的需求而单独制造的本发明的一些装置。

图17示出了至少一个能量传输控制器，其可以包括由控制器、计算机、配置和包括至少一个存储内容的永久存储器构成的组中的至少一项的至少一个实例。

图18示出了图17的程序部件的一些示例，这些部件中的任何一种都可以实现操作和/或使用纯DC能量传输设备、纯DC能量传输网络和/或系统，特别是混合动力电动/ICE汽车中的至少一个的至少一部分的方法的至少一个部件。

具体实施方式

本申请公开了纯直流(DC)能量传输电路、能量传输控制器、纯DC能量传输网络、在这样的电路中使用的部件、从包括和/或使用纯DC能量传输设备受益的装置、以及根据本发明对上述电路、控制器、网络、部件和装置进行操作的方法。详细的描述通过定义与权利要求的解释和由本说明书对这些权利要求的可实施性的阐述潜在相关的一些术语开始。讨论了纯DC能量传输设备的三个基本实现。还包括公开的本发明的各个组合和备选方案的细节。

定义一些术语：在以上发明概述、本发明的该详细描述、以下的权利要求以及附图中，参考了本发明的特定特征。例如，这些特征可以是部件、成分、元件、设备、装置、系统、组、范围、方法步骤、测试结果、以及包括程序指令的指令。

应该理解的是，在该说明书中的本发明的公开包括这些特定特征的全部可能的组合。例如，在特定的方面、特定的实施例、特定的权利要求或特定图的上下文中公开了特定特征时，该特征通常还可以结合本发明中的其他特定方面、实施例、权利要求和图而使用，除非上下文排除了该可能性。

在此公开的发明和权利要求包括不在本文中具体描述的实施例，并且，例如可以利用未在本文具体描述，但是却提供了与在本文具体公开的特征相同、等同或相似的功能的特征。

术语“包括(comprises)”以及其语法上的同解词用在本文意指除了具体确定的特征之外，还可选地存在其他特征。例如，“包括(comprising)”(或“其包括”)部件A、B和C的组合或设备可以只包括部件A、B和C，或者不止包括A、B和C而还包括一个或多个其他部件。类似地解释术语“包含”和“含有”。

术语“实质上由…组成”以及其语法上的同解词用在本文意指除了具体确定的特征之外，可以存在实质上不改变所要求保护的本发明的其他特征。

其后接着数字的术语“至少(at least)”用在本文表示以该数字开始的范围的开始(根据定义的不同，可以是具有上限或也可以是不具有上限的范围)。例如，“至少1个”意指1个或多于1个，而“至少80％”意指80％或多于80％。

其后接着数字的术语“至多(at most)”用在本文表示以该数字结束的范围的结束(根据定义的不同，可以是以1或0作为其下限的范围或是没有下限的范围)。例如，“至多4个”意指4个或少于4个，而“至多40％”意指40％或少于40％。当范围给定为“(第一个数)到(第二个数)”或“(第一个数)-(第二个数)”，这意指其下限是第一个数且其上限是第二个数的范围。例如“从8到20个碳原子”或“8-20个碳原子”意指其下限是8个碳原子且其上限是20个碳原子的范围。术语“几个(plural)”、“multiple(多个)”、“几个(plurality)”和“多个(multiplicity)”用在本文表示两个或多于两个的特征。

当在本文中引用包括两个或多于两个所定义的步骤的方法时，所定义的步骤可以以任何的顺序或同时执行(除了上下文排除该可能性外)，并且该方法可选地包括在任何定义的步骤之前、两个定义的步骤之间或全部定义的步骤之后执行的一个或多个其他步骤，除了上下文排除了该可能性之外。

当在本文中引用“第一”和“第二”特征时，其通常用于识别的目的；除非上下文另有要求，否则第一和第二特征可以相同或不同，且引用第一特征不是意指第二特征必然存在(尽管其可能是存在的)。

当在本文中引用“一个(a)”或“一个(an)”特征时，这包括存在两个或多于两个这样的特征的可能性(除了上下文排除该可能性之外)。因此，可以存在单个这样的特征或多个这样的特征。当在本文中引用两个或多于两个特征时，这包括所述两个或多于两个特征被提供相同功能的更少数量的特征或更多数量的特征替换的可能性，除了上下文排除了该可能性之外。

本文中给定的数字应该用适于其上下文和表达的范围来解释；例如，每个数字根据在本说明书提交的日期由本领域的技术人员常规使用的方法能够测量的精确度而变化。

术语“和/或”用在本文意指在“和/或”之前和之后阐述的两种可能性中的任何一个的存在或者两者都存在。例如，可能性可以是部件、成分、元件、设备、装置、系统、组、范围以及步骤。例如，“项A和/或项B”揭示三种可能性，即(1)只存在项A，(2)只存在项B，以及(3)项A和项B两者都存在。类似地，A、B和/或C将解释为意指(A和/或B)和/或C，其被认为等于A和/或(B和/或C)，除非另有说明。

根据35USC 112的规定，如果本说明书的权利要求中的任何元件被认为是权利要求中用于表示为执行具体功能的装置或步骤的组合的元件，而没有在权利要求中详述支持其的结构、材料或动作，则因此被解释为覆盖说明书中所描述的相应的结构、材料或动作及其等同物，那么，所考虑的相应的结构、材料或动作不仅包括说明书中明确描述的相应的结构、材料或动作及所述相应的结构、材料或动作的等同物，还包括由本文通过引用并入的美国专利文献中描述的这样的结构、材料或动作和这样的结构、材料或动作的等同物。类似地，如果本申请的权利要求中的任何元件(虽然未明确地使用术语“装置”)被正确地解释为等同于执行具体功能的术语装置或步骤，而无需在权利要求中详述支持其的结构、材料或动作，则所考虑的相应的结构、材料或动作不仅包括说明书中明确描述的相应的结构、材料或动作和所述结构、材料或动作的等同物，还包括通过引用并入本文的美国专利文献中描述的这样的结构、材料或动作和这样的结构、材料或动作的等同物。

本说明书通过引用并入了本文通过申请数据单引用的所有文献，以及与本说明书同时提交或与本申请相关的先前提交的所有文献，其中包括但不限于与本说明书一同对公众公开接受检查的同类文献。

纯DC能量传输设备的前三个实现可概括如下：第一个实现展示了本发明的一个实施例的基本操作和性能。第二和第三个实现可以用在各种应用中，例如，混合动力电动/内燃机(ice)汽车。纯DC能量传输设备的第二个实现的优选实施例可以支持维持每加仑至少100英里的燃料使用，或以公制单位，维持每公升燃料(如汽油)至少43公里的燃料使用的混合动力电动/ice汽车。纯DC能量传输设备的第三个实现的优选实施例可以支持维持每加仑至少200英里或每公升至少86公里的燃料使用的混合动力电动/ice汽车。

图1示出了与包括纯DC能量传输设备100和能量传输控制器170的系统180的前三个示例实现有关的简化的示例。

在其最简化的形式中，纯DC能量传输设备100如在上述能量传输设备的定义中提到的包括输入DC端子102、输出DC端子104、以及公共端子106。纯DC能量传输设备100适于响应于在输入DC端子102处的输入DC DES 110以将电能通过至少一个内部DES 114传输到在输出DC端子104处的输出DC DES 112；每个内部DES 114实质上由DC DES组成。通过定义回顾，DC DES适于只在一个方向上流动电流。在该示例中，内部DC DES 114具有第一节点1和第二节点2，第一节点1连接到开关SW1 140的第二端子2，其第二节点2连接到电感器L1 150的第一端子1。

纯DC能量传输设备100可以包括第一电容性器件C1 130、第二电容性器件C2 160、开关SW1 140、以及电感性器件L1 150。第一电容性器件C1 130、第二电容性器件C2 160、开关SW1 140、以及电感性器件L1 150的每个都包括第一端子1和第二端子2。开关SW1 140还包括控制端子C。开关SW1 130适于在闭合状态174闭合开关的第一端子1和第二端子2之间的连接，并且在断开状态176断开连接，其中的闭合状态和断开状态可以通过控制端子108根据对控制端子(作为节点1)相对于作为节点2的公共端子的控制DES 182的响应提供。

在一些实现中，纯DC能量传输设备100还包括以下项。

输入DC端子102连接到第一电容性器件C1 130的第一端子1并且连接到开关SW1 140的第一端子1。

第一电容性器件C1 130的第二端子2连接到公共端子106。

开关SW1 140的第二端子2连接到电感性器件L1 150的第一端子1。

电感性器件L1 150的第二端子2连接到第二电容性器件C2 160的第一端子1并且连接到输出DC端子104。

第二电容性器件C2 160的第二端子2连接到公共端子106。

图1还示出了能量传输控制器180，其适于响应于感测到输入DC DES 110和/或输出DC DES 112，通过生成控制DES 182以将闭合状态174或断开状态176通过控制端子108提供给开关SW1 140来操作纯DC能量传输设备100。在一些实现中，能量传输控制器180还可以包括估计的输入DES 178和/或估计的输出DES 180。

在一些实现中，DC能量传输设备可以包括能量传输控制器，其适于响应输入DC DES和至少输出DC DES以生成被纯DC能量传输设备接收来引导其配置的至少一个控制DES。DC能量传输设备适于响应控制DES以配置其操作。控制DES可以表示布尔逻辑值诸如“0”和“1”，这可以以几个不同的方式实现。

例如，常见的手段是将这些布尔值实现为两个不重叠的电压范围，例如，“0”可以表示从0到1伏特的电压范围而“1”表示从2到3.4伏特的电压范围。

对于另一个示例，同样很常见的手段是将“0”表示为负值范围，诸如-1.5至-0.75伏特，而将“1”表示为正电压范围，诸如0.75至1.5伏特。这种信号表示有时称为差分信号表示。

本领域的技术人员将意识到，这样的控制DES的规定不影响纯DC能量传输设备的内部DES，与存在一个或多个内部DES无关。

图1还示出了在系统180的一些实现中，公共端子106连接到可能的滤波公共端产生器，其可以进一步将滤波后的公共端提供给能量传输控制器170。可以提供滤波的公共端来使能量传输控制器170免受噪声影响，这些噪声可能不影响纯DC能量传输设备100的供电电路。

现在将讨论纯DC能量传输设备100的三个实现。第一个实现展示了如在图1中所示的测试电路系统180，开关SW1 140的第二端子2与电感性器件L1 150的第一端子1之间的连接同时还包括了第一二极管D1。电感器L1 150的第二端子2和第二电容器C2 160的第一端子1之间的连接还包括第二二极管D2。二极管D1和D2衰减来自开关SW1 140的断开和闭合的可能的负脉冲信号，以进一步地确保内部DES 114本质上是DC DE，因为这些二极管确保电流只在一个方向上流动。

电容性器件C1和C2中所使用的电容器全都是额定为1800微(10^-6)法拉和450伏特的电容器。然而，对这些电容器中的每一个的测试显示其中的单个电容在1600微法的范围中。使用电阻、电容和电感(RCL)测量仪测试它们。这些电容器中的每个用其测量的电容来标记。

第一电容性器件C1 130使用三个串联布置的电容器制成以具有530.76微法的电容且支持大至1000伏特的工作电压。

第二电容性器件C2 160结合几个并联布置的电容器进行测试，所述电容器的编号从1到5，且与约为1600微法的集总电容并联。

开关SW1 140是机械开关，其适于在超过1000V操作并且能够处理纯DC能量传输设备100的电流。

对这些测试进行总结，输入DC DES被测量为40伏特。输出DE DES约为15.65伏特。从第一电容性器件C1 130传输到第二电容性器件C2的能量是0.2379焦耳。能量传输效率估计值为大约83.34％。因此，纯DC能量传输设备可以具有至少K％的能量传输效率，其中K是至少65，K还可能是至少75％，K还可以能是至少83，上述内容基于发明人的实验证据。

执行最初的测试以建立基准。使用了DC计量等级表，从而使得不同电压的测量结果精确到10^-6焦耳的单位。对于大部分，记录4位十进制有效数字。同时使用内部标准和来自最近获得的由销售商的认证校准实验室设置为制造商的技术规范的仪器的比较电压读数来校准这些仪器。

图2示出了使用和包括纯DC能量传输设备100和能量传输控制器180以根据本发明实现交通工具200，特别是实现混合动力电动和内燃机(ice)汽车210的图1的系统180。该汽车210包括图1的系统180的元件以及可控制的给ICE 222提供的燃料220。操作ICE 222以给发电机230提供能量，该发电机的电力输出被提供给纯DC能量传输设备100的输入DC端子102。在该简化的示意图中，输出DC端子104连接到电动机250，该电动机250驱动一个或多个车轴以转动汽车的车轮。

图3示出了在道路330右侧配备有一单位的燃料220的图2的交通工具220和/或汽车230。交通工具200和/或汽车210如箭头所示从附图的右边向左边行进，在附图左边示出了在耗尽了该单位的燃料220并行进一段距离310之后的交通工具220和/或汽车230。

第二个实现使纯DC能量传输网络200中的能量传输设备100适于在混合动力电动/内燃机(ice)汽车210中操作，从而支持维持每加仑至少100英里的燃料使用，或以公制单位表示，维持每公升燃料(如汽油)至少43公里的燃料使用的汽车。换句话说，当单位320是一加仑时，期望行进的距离超过100英里。当单位320是一公升时，期望行进的距离超过43公里。

第三个实现使在纯DC能量传输网络200中的能量传输设备100适于在汽车210中操作，从而维持每加仑至少200英里的燃料使用或每公升至少86公里的燃料使用。换句话说，当单位320是一加仑时，期望行进的距离超过200英里。当单位320是一公升时，期望行进的距离超过86公里。

图4-图11示出了适于在支持图1中的纯DC能量传输设备100的第二个和/或第三个实现的图2的交通工具200和/或混合动力电动-内燃机汽车210内传输能量的图2中的纯DC能量传输网络220的一些细节。首先将单独讨论这些图，然后关于对第二和/或第三实现的支持，对其进行集中讨论。

图4示出了图2的纯DC能量传输网络220，其包括图1的纯DC能量传输设备100以及在图5中示出另外的细节的纯DC降压(SD)级的两个例子400-1和400-2。纯DC能量传输网络220可以包括高能量端子202、公共端子106以及如首先在图2中示出的服务端子204。纯DC能量传输网络220还可以包括标记为208A到208E的多个控制端子，其也是首先在图2中示出。

在图4中，每个控制端子208A-208E处相对于公共端子106的控制DES将在断开或闭合相关部件中的开关方面进行讨论。

例如，控制DES A是“闭合的”是指给控制端子208A提供断开如图1中示出的纯DC能量传输设备100内的开关SW1 140的条件。

在另一个示例中，控制DES B是“断开的”是指给控制端子208B提供断开如图5所示的第一纯DC降压级400中的开关SW4 540的条件。

在第三个示例中，控制DES C是“闭合的”是指给控制端子208C提供闭合SW2 410-2的条件。

图5示出了图4中的纯DC降压(SD)级400-1和/或400-2的一个或多个例子的一些细节。每个纯DC SD级包括如首先在图4中示出的输入DC端子402、输出DC端子404、控制端子408、以及公共端子106。纯DC SD级还包括开关SW4 540、第二电感器L2 550、以及第三电容性器件C3 560。

为了简化图4到图11的讨论和分析的目的，控制端子208C和209E的控制DES将假设为从不同时闭合。这将允许对图2中的服务端子204处的DES条件的分析在以下假设下进行：这些条件可以通过存储在如在图5中示出的第三电容性器件C3 560中的能量来获取(address)。虽然该简化有助于理解本发明的操作和分析，但是这并不排除通过图2中的能量控制器280以所发现的任何有用的组合的形式操作这些控制DES。

图6示出了图4中的纯DC能量传输网络220的改进，现在纯DC能量传输网络220包括第三和第四纯DC SD级400-3和400-4。该纯DC能量传输网络220还包括四个附加的控制端子208F到208I。类似于先前的讨论，在任何时间，开关SW2 410-2、SW3 420-3、SW4 420-4或SW5 420-5中的至多一个是闭合的。虽然该简化有助于理解本发明的操作和分析，但是这并不排除通过图2中的能量控制器280以所发现的任何有用的组合的形式操作这些控制DES。然而，与纯DC SD级400-1到400-4的4个例子的控制端子C 408相关的控制DES可以或可以不同时是“闭合的”。闭合纯DC SD级中的这些内部开关中的两个允许同时对图5中的两个第三电容性器件C3 560进行充电，然而这些电容性器件中的每个单独进行放电可能是有用的，对第三实现特别有用。

图7示出了对图4的改进，其中纯DC能量传输网络220还包括第五纯DC SD 400-5。双级纯DC能量传输设备700包括第一纯DC能量传输设备100-1以及第五纯DC降压(SD)级400-5。双级纯DC能量传输设备700的端子包括(如之前所述)输入DC端子102和公共端子106。为了避免混淆，输出端子标记为404以与该图一致。如图所示，第一纯DC能量传输设备100-1的输出DC端子104连接到纯DC降压(SD)级的第五个例子的输入DC端子402。双级纯DC能量传输设备700在第五个例子中支持两级降压、中间电压，因此降低了在一些实现中对先前示出的纯DC降压级的常规第一到第四例子的且如由该图的第一和第二纯DC SD级400-1和400-2实现的服务DES的需求。

图8示出通过使用双级能量传输设备700替换第一纯DC能量传输设备100-1而获得的对图6的纯DC能量传输网络220的改进。这种替换引起如结合如上所讨论的关于图6的潜在优点关于图7所讨论的相似潜在优点。

图9A到图9C示出了具有共享输出电感器L3 950的纯DC能量传输设备900的四个可能的实现。

在图9A和图9B中，具有共享电感器900的纯DC能量传输设备包括纯DC能量传输设备100的例子。

在图9A中，纯DC能量传输设备100的输出DC端子104连接到第三电感性器件L3 950的第一端子1。第三电感性器件L3 950的第二端子2连接到共享输出DC端子904。

在图9B中，纯DC能量传输设备100的输出DC端子104通过第五二极管D5连接到第三电感性器件L3 950的第一端子1。第三电感性器件L3 950的第二端子2通过第六二极管D6连接到共享输出DC端子904。

在图9C和图9D中，具有共享电感器900的纯DC能量传输设备包括双纯DC能量传输设备700的实例。

在图9C中，双纯DC能量传输设备700的输出DC端子404连接到第三电感性器件L3 950的第一端子1。第三电感性器件L3 950的第二端子2连接到共享输出DC端子904。

在图9D中，双纯DC能量传输设备700的输出DC端子104通过第七二极管D7连接到第三电感性器件L3 950的第一端子1。第三电感性器件L3 950的第二端子2通过第八二极管D8连接到共享输出DC端子904。

图10示出了先前的各图的纯DC能量传输网络220的实现，其中包括具有共享电感器的纯DC能量传输设备900、纯DC电容级的两个实例1000-1和1000-2、以及两个开关SW2 410-2和SW3 410-3。通过如在图9A到图9D中所示地共享第三电感器L3 950，纯DC电容级1000-1和1000-2不需要电感器，如在图11中所示。该实现可能在纯DC能量传输网络220的一些实现中是有用的。

图11示出了根据在图9A到图9D中示出的具有共享电感器的纯DC能量传输设备900的纯DC电容级的示例。

图12改进了图10的纯DC能量传输网络220以进一步地包括纯DC电容级的第三和第四实例1000-3和100-4。

对于图2和图3的混合动力电动-内燃机汽车210的之前的各种变化，做出如下假设。汽车210重约3,000磅或重约1361千克。电动机250将需要大致接近50千瓦的电力的连续传输以维持汽车210在正常使用中的操作，诸如能够以每小时70英里缓缓行驶且以每小时55英里爬上5％的斜坡。汽车210将通过启动内燃机(ICE)222运行发电机230以生成能量，该能量通过高能量端子204提供给纯DC能量传输网络220，从而反复循环对纯DC能量传输网络220充电。启动ICE 222将消耗燃料220，从而为纯DC能量传输网络220充电，以支持通过服务端子204向电动机250提供电力。

图13示出了包括纯DC能量传输设备100和纯DC降压(SD)级400的纯DC能量传输网络220，其中纯DC SD级400的输入DC端子402连接到高能量端子202，有效地与图5的第四开关SW4的第一端子1共享存储在图1的第一电容性器件C1 130中的能量。该网络220可在任意时刻仅使一个降压级在整个网络中操作方面具有优势。

图14示出了包括纯DC能量传输设备100和纯DC降压(SD)级的3个实例400-1、400-2和400-3的纯DC能量传输网络220，其中纯DC SD级400-1、400-2和400-3中的每一级的输入DC端子402都连接到高能量端子202，有效地与纯DC SD级的每个实例400-1、400-2和400-3中的图5的第四开关SW4的第一端子1共享存储在图1的第一电容性器件C1 130中的能量。该网络220可在任意时刻仅使一个降压级在整个网络中操作方面具有优势。

纯DC能量传输设备100和纯DC能量传输网络220的一个商业目标是增加消耗单位320燃料220时的行进距离310。能量效率被认为是ICE运行时间长度与电动机运行时间长度之间的比率。燃料效率将是多个单位320的燃料220与行进距离310的比率。

第二个实现要求纯DC能量传输网络200中的能量传输设备100支持汽车维持每加仑至少100英里的燃料使用，或以公制单位表示，维持每公升燃料(如汽油)至少43公里的燃料使用。

假设ICE 222运行了30秒以生成50千瓦被传送以对纯DC能量传输网络220进行充电的电力，在ICE再次启动并重复能量传输循环之前，在纯DC能量传输网络220中将50千瓦电力存储起来并且在上述驱动条件下在至少100秒内对电动机250放电。在一小时内存在36个100秒的间隔，所以ICE将在一小时内运行18分钟。对于时速70英里的汽车210，每加仑运行40英里的话，行进70英里大约消耗1.75加仑。使用纯DC能量传输网络220，ICE在一小时内只运行18分钟，因此，每小时消耗约0.5加仑，其燃料效率为每加仑大约140英里或每公升大约60公里。应注意的是，以较低的速度驾驶汽车210有可能增加燃料效率。还要注意的是，在设置每加仑100英里的目标时，在该分析中为目前不可见和尚未实现的商业目标的实验因素留出了空间。

第二实现的部件的演变。回故图1。假设第一开关SW1 140是断开的。当存储在第一电容性器件130的能量达到其充电的阈值时，来自输入DC端子102的能量传输开始。当存储在第一电容性器件的能量超过其充电的阈值时，第一开关SW1被闭合，并且能量开始从第一电容性器件经过电感性器件L1 150流到第二电容性器件C2 160。可以从开始存储在第一电容性器件C1 130中的能量的大小与在开关SW1 140断开开关的端子1和2之间的连接之前传输到第二电容性器件C2 160的能量的大小之间的差，看出能量传输设备100的能量效率。

图15A-15I示出了至少第一个电容性器件1310的一些特征，这些特征也可适于其他电容性器件C2 160、C3 560、和/或C4 1160中的一个或多个。

为了将5-6兆焦耳存储在第一电容性器件C1 130中，将要求电容在1到1.4法拉的范围中且电压在2,700-3,000伏特的范围中。回顾现有技术，C＝e_r e₀A/d，其中C是以法拉为单位的电容，A是平行板的重叠部分的面积，e_r是电介质的介电常数，e₀是电学常数(约是8.854*10^-12法/米)，且d是以米为单位的板的间距。

图15A示出了第一电容性器件C1 130的俯视图。第一电容性器件可以包括形状像圆或圆的一部分，诸如四分之一圆的电极板。第一电容性器件C1 130可以包括4个独立的电容性四分之一圆区域C11到C14。这些电容性四分之一圆区域可以电耦合且绑定在一起以形成第一电容性器件C1 130。电容性器件的直径D1可以是由1.2米、1米、0.75米、0.5米和0.25米组成的组中的至多一个成员。需注意的是，板的重叠面积A约为0.25*pi*D1²。

图15B示出了关于例如图15A的C14的其中一个电容性四分之一圆的横截面的简化示例。该横截面可以包括层和板的集合。在该示例中，层是电介质1330的层。电介质1330可以是陶瓷，可能实质上由包括钛酸钡、钛酸锶钡或钛酸锶的组中的一个或多个成员构成。电介质1330可以被提供为可能经过高度压缩或处理的粉末以排除造成电容损失的空隙和/或湿气。这样的粉末可以成为是“烧结的”。电介质1330的层可以具有实质上为d的厚度，其中d被建模为板1和板2之间的距离。电极1 1310可以包括板1的全部。电极2 1320可以包括板2的全部。电极1 1310和电极2 1320可以实质上由相同的物质组成，诸如金属元素的合金，其中所述金属元素还可以是由锡和铝构成的组的成员。

图15C示出了还包括电池1340层、电阻1350层和/或二极管1360层中的至少一层的图15B的层状图的改进。电池1340层可以用来额外地存储可能在比板1和板2以及电介质层之间释放的能量释放更长的时间的能量。电阻1350层可以消除对于作为纯DC能量传输设备100中的独立部件的一个或多个电阻器的需要。二极管1360层可以起到保护第一电容性器件C1 130避免纯DC能量传输设备100中的负脉冲信号条件的作用。

图15D示出了来自图15A的电容性部件C14的横截面A-A。

图15E示出了第一电极1310的各个板的耦合以形成第一电极，第二电极1320的各个板的耦合以形成第二电极，以及在图15D的A-A横截面中分离两个电极1310和1320的板的电介质1330的布置。

图15F到图15H示出包括如放置和/或形成在板的侧面上的碳纳米管的指状物的一个或多个电极的一个或多个板的一个或多个侧面的一些示例。指状物，如碳纳米管可以增加表面的有效面积，可能增加了至少110％、150％、175％、200％、250％的系数或超过了板的宏观面积更多。这些特征可以将电容性器件诸如C1、C2、C3和/或C4的电容提高相同的系数同时减小设备所需要的大小和重量。

图15F示出了包括第一表面的第一电极1 1310的示例板，碳纳米管1312放置和/或形成在第一表面上。

图15G示出了包括第一表面的第二电极2 1320的示例板，碳纳米管1312放置和/或形成在第一表面上。

图15H示出了具有放置和/或形成在板的两个面上的碳纳米管1312的一个电极1310。需注意的是，该图也可以应用到第二电极2 1320。

图15I示出了包括将其第一端子连接以形成第一电容性器件C1 130的第一端子1的m个实例C1.1 130.1到C1.m 130.m的第一电容性器件C1 130的示例。同样将C1.1到C1.m的第二端子2连接以形成C1 130的第二端子2。这样的电路耦合往往被称为部件的并联电路。如本文所使用的，m至少是二。

第二电容性器件C2 150的实现可以包括如在图15I中示出的电路，其中m是6。在第二个实现中，服务端子和公共端子之间的服务电压是64伏特或64伏特的小倍数。暂时假设服务电压是64伏特且需要第二电容性器件C2来存储2百万焦耳或多于2百万焦耳。在该实现中的部件，C2.1到C2.m可以是大容量电容器的堆叠(串联电路)，每个堆叠可能实现64伏特和125法拉。如今，这样的部件处于大规模的生产中。

需注意的是，在各个实现中，电容性器件C1 130的任何或全部特征的组合都可以用来实现其他电容性器件C2 160、C3 560和/或C4 1160中的任何一个或全部。

在纯DC能量传输网络220的一些第二实现中，如在图4、图7以及图10中示出的，优选的组件可以包括双输出级，双输出级中的每个可以单独进行充电和放电可能是有益的。

在纯DC能量传输网络220的一些第二实现中，单级纯DC能量传输设备100可能是优选的，如在图4和图6中所示出的。

在纯DC能量传输网络220的一些第二实现中，双级纯DC能量传输设备700可能是优选的，如在图7和图8中所示出的。

在纯DC能量传输网络220的一些第二实现中，纯DC能量传输设备900、共享的输出电感器可能是优选的，如在图10和图12中所示出的。在这些图中，纯DC电容级可以按照图11中所示出的实现。

具有共享电感器的纯DC能量设备900可以使用如在图9A和图9B中示出的单级纯DC能量传输设备100来实现，或使用如在图9C和图9D中示出的双级纯DC能量传输设备700来实现。

如在图9A中所示，共享的电感器L3 950可以直接连接在输出DC端子104和共享输出DC端子904之间，如在图9A中所示。可选地，如在图9B中所示，共享的电感器L3 950可以分别通过第五二极管D5和/或通过第六二极管D6而连接在输出DC端子104和共享输出DC端子904之间。

如在图9C中所示，共享的电感器L3 950可以直接连接在输出DC端子404和共享输出DC端子904之间。可选地，如在图9D中所示，共享的电感器L3 950可以分别通过第七二极管D7和/或通过第八二极管D8而连接在输出DC端子404和共享输出DC端子904之间。

回顾纯DC能量传输网络220的第三个实现，其使纯DC能量传输网络200中的能量传输设备100适于在汽车210中进行操作，从而维持每加仑至少200英里的燃料使用或每公升至少86公里的燃料使用。换句话说，当单位320是一加仑时，期望行进的距离超过200英里。当单位320是一公升时，期望行进的距离超过86公里。

假定生产成本有可能是汽车制造中普遍关心的问题，那么找到可靠的更简单的电路将是优选的。然而，能够投产具有二倍燃料效率的第二种版本的汽车210具有巨大的商业价值，如果这样的部署具有快速的上市时间则更是如此。

如果通过使用如在图4或图7中所示出的两个纯DC SD级400-1和400-2，满足了纯DC能量传输网络220的第二个实现的需求，则使用如在图6或图8中所示的纯DC SD级的四个实例400-1到400-4的纯DC能量传输网络220的第三个实现可能是优选的。

如果纯DC能量传输网络220的第二个实现的需求由如在图10中所示出的纯DC电容级的两个实例1000-1和1000-2来满足，则使用如图12中所示的纯DC电容级的四个实例1000-1到1000-4的纯DC能量传输网络220的第三个实现可能是优选的。

电感性器件L1 150、L2 550以及L3 950在最初可以用市场上可买到的电感器来实现。

然而，可能存在对电感器的冷却和校准的改进的需求。

针对其在纯DC能量传输设备100和/或纯DC能量传输网络220中的其它部分中的各个实现中的性能，确定电感器的特征可能是优选的，这是因为，其性能的设计将同时反映穿过它们的高能量以及其通常操作所涉及的低频率。

适合在本发明的各个实现中使用的电感器可能还需要或许是液体电介质(如矿物油)的冷却层。

开关SW1 140、SW2 410-2、SW3 410-3、SW4 540、SW5 410-5和/或SW6 410-6可以由早已生产的固态开关来实现。

然而，存在对可靠的机械开关的实现的需求，例如，包括电枢腔的继电器，电枢可以在电枢腔内在端子1和端子2的断开连接和闭合连接之间移动。

可以将电枢腔用液体电介质填满以抑制当电枢断开和闭合开关端子1和2之间的连接时的电弧效应。

机械开关还可以包括活塞，该活塞适于在开关被闭合时，抽动液体电介质远离电枢和端子触点之间的间隙，并在开关被断开时，将液体电介质推入间隙。

尽管两级以上的纯DC能量传输设备被认为落入本发明的范围内，但是为了简洁起见，它们的讨论仅限于本段。

尽管纯DC SD级400的四个以上实例被认为落入本发明的范围内，但是为了简洁起见，它们的讨论仅限于本段。纯DC SD级400的实例数可以至少是一，并且不受限于2的倍数。例如，电动机250的三级循环可能是优选的，导致纯DC能量传输网络220中的3个实例。

图16总结了可以根据或适于满足本发明的各个实施例和/或实现的需求而单独制造的本发明的某种装置10。装置10包括但不限于，纯DC能量传输设备100、双级纯DC能量传输设备700、能量传输控制器170和/或280、纯DC能量传输网络220、在这样的电路中使用的部件1400、从包括和/或使用纯DC能量传输设备和/或网络受益的装置以及根据本发明对如上进行操作的方法。

部件1400可以包括但不限于，电容性器件C1到C4中的至少一个、开关器件SW1到SW6中的至少一个、电感性器件L1到L3中的至少一个、全SD级400中的至少一个、和/或纯DC电容性器件1000中的至少一个，这些设备的每一个都在概述中和详细的公开中定义和公开。

应用装置可以包括但不限于混合动力电动交通工具、电动交通工具和/或太阳能发电设备。

所述交通工具中的任何一个可以是有人驾驶的或无人驾驶的汽车、货车、公共汽车、电车、火车、飞机、用于水面或水下行驶的船只，卫星和/或宇宙飞船。

优选的交通工具可以是汽车、货车或公共汽车。

太阳能发电设备可以包括但不限于来自太阳能发电阵列和/或太阳能存储器的能量传输设备，这些设备是基于电网的或离网型的。

在本公开中特别关注的是混合动力电动/内燃机(ICE)汽车210。

图17示出了能量传输控制器170和/或280可以包括由控制器1500、计算机1510、配置1520和包括至少一个存储内容1540的永久存储器1530构成的组的至少一个成员的至少一个实例。

控制器1500可以包括至少一个输入端、至少一个输出端、以及可能包括至少一个内部状态。控制器1500可以通过改变内部状态来响应输入。控制器1500可以基于输入端的至少一个值和/或至少一个内部状态的至少一个值，生成输出。内部状态可以实现永久存储器1530、存储内容1540和/或配置1520的一个或多个实例。

计算机1500包括至少一个指令处理器和至少一个数据处理器。每个数据处理器由至少一个指令处理器指示。计算机可以实现永久存储器1530、存储内容1540和/或配置1520的一个或多个实例。

存储内容1540可以被保留在永久存储器1530、控制器1500和/或计算机1510中。

存储内容1540可以包括下载1550、安装包1552、操作系统1554中的至少一个和/或至少一个程序部件1556的至少一个实例，其中的任何一个都可实现操作本发明的一些元件的方法的至少部分。

如本文所使用的，无论装置10目前是否正致力于生成供纯DC能量传输设备100和/或纯DC能量传输网络220使用的电力，永久存储器1530都可以包括至少一个非易失性存储器部件和/或至少一个易失性存储器部件，所述易失性存储器部件提供了适于在例行操作中消除其易失性的电源。无论是否给存储器提供电力，非易失性存储器都适于保持其存储内容1540。在一段时间内不提供任何电力的情况下，易失性存储器可能丢失其存储内容1540。

图18示出了图17的程序部件1556的一些示例，所述程序部件中的任何一个都可以实现操作纯DC能量传输设备100、纯DC能量传输网络220、包括和/或使用100和/或220中的至少一个的系统180、特别是混合动力电动/ICE汽车210中的至少一个的至少一部分的方法的至少一个部件。与方法包括一个或多个步骤非常类似，程序部件1556包括所指示的下列操作中的一个或多个：

程序操作1600支持操作纯DC能量传输设备100以响应于相对于公共端子106对输入DC端子102和/或输出DC端子104的感测。能量传输控制器170可以改变控制状态172以向第一开关SW1 140的控制端子C提供闭合状态174或断开状态176中的一个。

通过示例的方式，输入DC端子可以连接到如在图1中所示的第一电容性器件C1 130，其具有被估计为Cest1的电容且输入DC DES在t0时刻具有Vin_est0伏特的电压而在t1时刻具有Vin_est1伏特的电压。由C1在t0时刻存储的估计能量可以计算为1/2*Cest1*Vin_est0²。由C1在t1时刻存储的估计能量可以计算为1/2*Cest1*Vin_est1²。从t0时刻到t1时刻自C1传输的能量的一种估计可以计算为1/2*Cest1*(Vin_est1²-Vin_est0²)。

第二个示例也基于图1。假设第二电容性器件C2 160具有Cest2的估计电容。假设输出DC DES在t0时刻具有Vout_est0的电压以及在t1时刻具有Vout_est1的电压。类似地，从t0时刻到t1时刻传输的能量的一种估计可以计算为1/2*Cest2*(Vout_est1²-Vout_est0²)。

操作纯DC能量传输设备100可以包括，当C1存储的估计能量在阈值之下时或当输入DC DES的估计电压在第二阈值之下时，充电第一电容性器件100。假设在C1处的最大电压是3000伏特并且电容是一法拉。第一阈值在最大操作电压是3000伏特时，可以是在C1处存储的能量的1/4或者第二阈值可以是3000伏特的1/2。

t0和t1之间的能量传输效率可以通过在C2处传输的能量除以在C1处传输的能量的比率来估计，其可以计算为Cest2*(Vout_est1²-Vout_est0²)/(Cest1*(Vin_est1²-Vin_est0²))。

程序操作1610支持操作纯DC能量传输网络220以响应于相对于公共端子106对高能量端子202和/或服务端子204的感测。

程序操作1620支持操作双级纯DC能量传输设备700以相对于公共端子106感测其端子102和/或404中的至少一个。这些操作可以包括改变两个控制状态172-1和172-2以通过控制端子108和408分别控制双级纯DC能量传输设备700中的两个开关。

程序操作1630支持操作至少一个降压(SD)级400以响应于相对于公共端子106对高能量端子202和/或服务端子204的感测。

程序操作1640支持操作至少一个电容(Cap)级100以响应于相对于公共端子106对高能量端子202和/或服务端子204的感测。

程序操作1650支持操作至少一部分系统180以响应于纯DC能量传输设备100和/或至少部分纯DC能量传输网络220中的至少一个的至少一个感测的DES。

程序操作1660支持操作混合动力电动/ICE汽车210以响应于至少部分纯DC能量传输网络220的至少一个感测的DES。

虽然提出这些示例和讨论用来公开和允许在多个国家的本申请的权利要求和未来的分案申请和接续申请的权利要求，但是涉及本文的本领域的普通技术人员将意识到本发明的范围超过了这些话语能够表达的范围。

例如，最简单的纯DC能量传输设备100可以由所定义的能量传输设备的元件之外的至少一个内部DES构成，该至少一个内部DES促进实质上由DC DES构成的输出DC DES的生成，其在本文被称为内部DC DES。

在另一个示例中，如在图1中示出的纯DC能量传输设备100的部件之间的一个或多个连接可以不包括二极管D1或D2，虽然图中示出了二极管D1和D2。

在另一个示例中，在图1和后续的图的任何连接之间，可以耦合额外的部件，举一些例子，诸如电阻器、电容器、二极管和/或电感器，假设这些额外的部件不破坏促进DC能量传输的内部DC DES。