CN105210258A - 用于产生可动态重配置的储能装置的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种产生可动态重配置能源的方法和设备，其由各个隔离的可控能源模块组成，通过软件支持以测量和管理能源模块并有助于重配置，其中该平台由基于倒相H桥电路的硬件结合软件组成，软件使能实时管理、控制和配置模块并使用软件算法和局部电子开关的组合实现本发明的性能和功能，其匹配或超过用于充电、储能管理、功率换向、及电动机或负载控制的传统大、重和成本高的基于功率电子学的产品。

Description

用于产生可动态重配置的储能装置的方法和设备

发明背景

本发明涉及结合电池单体使用的电力管理系统，其使电池和电池组能变为可变储能源，这些可变储能源可用在例如电动汽车或电网储存器的装置中。更具体地，本发明为一种平台，其使用具有2n+2个开关的开关模块，其中n为1或以上并基于能源模块的数量，包括基于倒相H桥电路的开关模块及具有交替极性的开关模块，这将在后面进一步描述，结合使能实时监测、管理、控制和配置能源模块的软件。

电池供电的应用包括将AC电源如120V、60Hz壁装插座电源转换为适当的DC水平以对电池进行充电的AC-DC转换器，或者将DC电源如太阳电池板转换为适当的水平以对电池进行充电的DC-DC转换器。电池供电的应用还包括向负载应用提供电力的转换器/逆变器，其中负载可以是任一DC，如电动汽车中的DC电动机，或者AC如风扇的AC电动机。DC-AC逆变器必须适于补偿在DC电源电压中出现的电压变化。前述电压变化可由于电池单体在运行期间放电而出现。通常，DC-DC转换器连接在电池装置和DC-AC逆变器之间。DC-DC转换器适于向DC-AC逆变器提供恒定的DC电源电压，因此补偿由电池装置提供的电压中的电压变化。遗憾的是，提供DC-DC转换器增加了系统的复杂性。DC-DC转换器还可能提供不必要的功率损耗和/或在系统平衡中提供另外的开销需求。

电池装置包括多个电池单体，其为可再充电电池如锂离子电池。这些电池连接成使得它们共享共同接地。多个电池单体串联或并联连接，其中DC充电电压由该串联装置提供。高电压电池还可包括用于其它目的的许多电池或电池模块的连接。例如，高电压电池的使用包括用于航空/航天器应用、电信电源、计算机电源、不间断电源、电业储能、商业应用、太阳能储能、风能储能等的电池单体阵列。高电压电池可以是不同类型，包括锂离子电池、燃料电池、其它电化学电池等。

同样，大多数类型的蓄电池如锂离子电池不应被放电到低于电压低限或者充电到高于电压高限，以防止降级或损坏。为防止各个蓄电池不适当的放电或充电，应用电池均衡方案。前述均衡方案包括将更高带电电池放电到较低带电电池的水平，或者在充电情形下，将更低带电电池充电到高带电电池的水平。除DC-AC逆变器和充电器之外，还需要用于执行电池均衡方案的电路布置。

非常希望尽可能地简化电池管理系统和降低老化及延长电池单体的寿命以降低更换电池的成本。此外，本领域需要一种精细控制和优化电池单体和任何其它电存储装置的再充电的系统以减轻充电期间的损害及延长存储装置的寿命。类似地，这些要求也应用于放电及充电和放电之间的交互作用。与电池寿命和电池管理系统相关联的另一问题是寄生损失、内部放电及服务于某些应用所需要的不必要的功率水平开销。

在现有技术系统中，电池监测和均衡通过在每一电池中包括复杂的电子电路实现，或者通过具有许多接头以使外部电路能监测和均衡电池的电连接器实现。每一电池处的复杂电路固有地不太可靠。如果需要许多连接，连接器存在电击安全问题。如果连接器较重，则它们不适合航空、航天器及其它便携应用。

对于一些应用，可能希望提供分开的电池系统元件如外部充电器和外部电池电荷测量子系统。为提供监测各个电池单体的能力，在电池上需要多插脚连接器及另外的布线或读出线。在大的高电压电池中，这样的连接器具有几个缺点。连接器需要每电池至少一插脚。由于电池可产生高电压，读出线需要安全断开连接或电绝缘以避免在使用连接器时将地面员工或工作人员暴露于高电压。由于电池可产生高电流，读出线还需要某类保险丝或其它导线保护。

解决安全问题、法定符合性和紧急情况管理程序还可能需要另外的监测、控制和安全开关，其引入另外的元件、破坏点和成本。

已努力通过管理电池充电和系统解决这些问题的专利包括2006年12月12日授予Burany等的美国专利7,148,654，其公开了用于监测形成电池堆的多个串联连接的电化学电池的电池电压的系统和方法。该方法包括将电池分为至少两个电池组，跨每一电池组测量电压并基于平均电池堆电压和每组中估计的有缺陷电池的数量估计每组的最小电池电压。之后确定整个电池堆的最低的最小电池电压。

2006年7月25日授予Liu等的美国专利7,081,737公开了一种监测电路，用于监测电池组的多个电池单体中的每一个的电压水平，其包括模数转换器(ADC)和处理器。ADC配置成接受来自多个电池单体中的每一个的模拟电压信号并将每一模拟电压信号转换为表示每一电池单体的精确电压水平的数字信号。处理器接收前述信号并基于这些信号中的至少一个提供安全警报信号。ADC分辨率可调节。如果至少两个数字信号表明两个电池之间的电压差大于电池单体均衡阈值，均衡电路提供均衡信号。还提供了包括前述监测和均衡电路的电子装置。

2006年1月3日授予Burns的美国专利6,983,212公开了用于控制电池串中的各个电池的电池管理系统。该电池管理系统包括充电器、伏特计、选择电路和微处理器。在微处理器的控制下，选择电路将电池串的每一电池连接到充电器和伏特计。记录和分析与电池性能有关的信息。分析取决于电池在其之下进行工作的条件。通过监测不同条件下的电池性能，可确定和校正各个电池的问题。

2005年1月18日授予Canter的美国专利6,844,703公开了用于具有多个电池单体的电池组的电池单体均衡系统。该系统包括电源和电连接到电池的多个变压器/整流器电路。对具有最低充电状态的电池优先充电。至少一限流装置电连接到变压器/整流器电路和电源。限流装置缓冲来自多个电池中的至少一个的反射电压的源电压。

2004年10月12日授予Gottlieb等的美国专利6,803,678公开了用于向负载提供备用电源的UPS系统，其包括：功率输入；多个电池；多个电池壳体，每一壳体包括电池之一，电池并联连接；多个电池监测器处理器，每一监测器位于相应电池壳体中并连接到对应的电池；连接并配置成从多个电池监测器处理器接收监测器数据的UPS处理器；包含UPS处理器并与电池壳体错开的UPS处理器壳体；及连接和配置成从功率输入和电池之一有选择地提供功率的功率输出。

2003年12月16日授予Kutkut的美国专利6,664,762公开了用于对高电压电池串充电的电池充电器，包括DC-AC转换器，其驱动具有多个次级线圈的变压器的初级线圈。每一次级绕组具有对应的由整流电路、输出电感器和输出电容器形成的输出级。输出级的输出端子可并联或串联连接。在任一配置中，电感器电流和电容器电压在输出级电路之间自动均衡。控制器通常通过在电压模式工作而调节输出端子电压，但在电感器电流的平均值超出指定极限值时通过在电流模式工作限制电流。从并联到串联的重配置通过输出级端子的物理重接及调整单电压反馈换算因子而获得，反之亦然。串联连接输出级以产生高电压输出降低了整流电路上的电压应力并使能使用肖特基(Schottky)二极管避免反向恢复问题。

2003年6月24日授予Baldwin的美国专利6,583,603公开了用于在用作备用电源的电池串中对各个电池单体或电池组进行可控地充电和放电的装置和方法。该装置包括用于将电池串与负载总线和初级电源至少部分隔离的电池供应模块。部分隔离通过开关网络实现，其包括两个安排成并联的受控开关以有选择地隔离电池串。在某些公开的实施例中，受控开关之一打开以将电池串连接到负载总线，直到另一受控开关闭合为止。该系统包括主电源，其向每一电池供应模块中的调节器提供用于对电池串进行充电的电源总线，及向每一电池供应模块提供用于对电池进行放电的放电总线。

2001年7月31日授予Bearfield的美国专利6,268,711公开了一种电池管理器，其提供切换多个电池、电池单体或其它形式的电源以向串联和/或并联的外部装置个别地供电的能力。该装置通常基于电子电路并包括用于将每一电源与参考电压比较的电压水平检测电路、用于控制切换矩阵的FET控制逻辑、及完成电源的所需配置以提供输出电源的切换矩阵。该发明可进行扩展，即增加输出功率监测器、DC/DC转换器、及增大内部切换的控制信号。根据实施要求，该电池管理器可以是单一集成电路的形式。

2001年1月30日授予Chen的美国专利6,181,103公开了一种将智能电池组转换为可拆卸的及可取得数据的(RADA)电池组的系统及嵌入在主机中的智能功率管理算法。RADA电池组包含温度传感器、显示器单元和存储器(EEPROM)。安装在主机侧的外围设备包含控制单元、充电电路、负载电路、分压器、电流检测器、温度控制电路、及用于对付AICPM系统的拆卸和数据存取操作的数据总线。可拆卸及可取得数据的电池组利用该发明提供的功能读取、更新和记录关于电池组的数据，如使用次数、剩余容量、可用时间及标称容量。其还将这些数据保存在RADA电池组的EEPROM中使得当下次使用电池组时，AICPM系统可从EEPROM读出这些数据并将它们用作电池组新信息。

2000年2月29日授予Wiley等的美国专利6,031,354公开了一种在线电池管理和监测系统及用于监测多个电池单体的方法识别和计算各个电池和电池组运行参数。该系统包括多个控制器与其连接的中央监测站，每一控制器具有多个其监测的电池单体。该发明包括下述特征：显示连接到每一控制器的每一电池单体的测量和警报条件数据；以色码显示电池单体的数据，显示颜色取决于电池条件；数据分析的性能及开始必要的维护请求；控制器在自动本地模式、自动远程模式、或维护模式下运行；提供从控制器到中央监测站的定期呼叫；及产生中央监测站和控制器之间的红色紧急呼叫、黄色紧急呼叫、低档紧急呼叫、及诊断呼叫。

1999年11月9日授予Stuart的美国专利5,982,143电子电池均衡电路，其使电池组中的多个串联连接的电池的电压均衡。电流波形处于用于提供零电流切换的斜坡形状。变压器具有初级绕组电路和至少一次级绕组电路。在一实施例中，每一次级绕组电路连接到不同的电池对。均衡电流在充电周期的一半期间提供给电池组的一半中的最低电压电池。之后，均衡电流在充电周期的另一半期间提供给电池组的另一半中的最低电压电池。在另一实施例中，每一次级绕组电路连接到不同的单一电池。均衡电流在切换周期的每一半期间提供给电池组中的最低电压电池。该电子电池均衡电路还包括连接到初级绕组电路的反馈控制电路，用于控制来自均衡电流供应源的电流。在另一实施例中，光学连接的开关连接到电池电压监测器以向电池组中的最低电压偶数和奇数电池提供均衡电流。

1999年7月13日授予Sideris等的美国专利5,923,148公开了用于监测多个电池单体的在线电池监测系统，其识别和计算各个电池和电池组运行参数。该系统包括用于指定将要监测的特定电池单体的控制器、响应于控制器选择特定电池单体进行监测或选择电池组进行监测的指定的复用器、用于从特定电池单体接收电信号从而提供表示特定电池单体的参数(电压、温度等)的测量结果的输出的模拟板、用于感测跨电池组的正和负端子出现的电压的电压传感器电路、及响应于选择开始负载测试、电池组充电、或共模电压测量的地址信息的控制板。

1999年6月22日授予Becker-Irvin的美国专利5,914,606公开了在一个或两个测量点处于超过典型差分放大器允许的电压时进行差分电压测量的电路和方法，其尤其用于监测组成可再充电电池的多个串联连接的电池单体的各个电池电压，其中部分电池电压必须在存在高共模电压时进行测量。每一测量点连接到相应分压器的输入，所有分压器输出连接到具有两个输出的复用器。两个复用器输出连接到差分放大器。当分压器“接近地匹配”时，差分放大器的输出直接正比于分压器连接到其的一对点之间的差分电压，及这两个点之间的差分电压被精确地确定。分压器向下分每一测量点的电压，使得其中每一个足够低以能作为传统差分放大器的输入。通过选择每一分压器的“比”，该电路可用于在存在几乎任何共模电压时测量差分电压。该发明需要由传统双电源供电的单一差分放大器。

1997年9月9日授予Bourbeau的美国专利5,666,040公开了一种安全、低成本的电池监控系统。电子模块连接到组成一串的相应电池的端子。每一模块针对四种电池条件中的每一个产生进行/不进行信号：过电压、欠电压、过热、浮动电压，这些由经单一三导线局域网连接到每一模块的网络控制器读取。基于接收到的信息，控制器可调节给电池串的充电电流、终止充电周期、在处于使用状态时限制从电池串流出的电流、或者将电池串与供电的系统断开连接。控制器可记录每一电池的充电和放电活动的历史，使得可识别和更换最弱的电池，而不是去除整个电池串。该系统控制在充电周期期间传给每一电池的充电电流以确保每一电池既不过充也不欠充，其通过在检测到过电压条件时跨电池端子连接旁路电路以减小充电电流或者通过减小给电池串的充电电流实现。电池的电压测量被温度补偿，使得其可与随温度而变的限值准确地比较。可寻址的开关为双向开关，使得控制器例如可迫使旁路电阻器跨所选电池连接以在冷环境下加热电池。

2007年12月6日公开的、Altemose等申请的美国专利申请2007/0279003公开了用于均衡蓄电池内的多个蓄电池单体之间的电荷的系统。该电池均衡系统感测其内包含的电荷均衡电路的总谐振频率可能由环境影响引起的变化。使用基于锁相环的控制器，该电池均衡系统通过在与实际感测到的电池均衡电路谐振频率匹配的频率下驱动电池均衡电路而补偿谐振频率变化。

美国专利7,489,107公开了用于对储电装置进行充电并延长其寿命的系统和方法，并使能开发储电装置的电池单体模型结构、确定该结构的充电-放电数据的模型参数，其通过基于充电-放电表现测量该结构的电压值并从测得的电压值得到瞬时损害率、及在电压-电荷平面确定该结构的充电-放电表现以基于瞬时损坏率开发充电曲线，使得充电曲线针对每周期的损害优化充电电流。该系统和方法利用混合模型方法以延长储电装置的总寿命。

美国公开专利申请2011/0198936公开了包括多级转换器的电路装置。该多级转换器包括：适于提供AC输出电压的电压源端子；至少两个转换器单元，每一转换器单元包括适于使电荷存储单元与其连接的输入端子、输出端子、和连接在输入和输出端子之间的开关装置，开关装置适于接收控制信号及适于在输出端子处提供具有随控制信号而变的占空因数的脉宽调制输出电压，至少两个转换器单元彼此串联连接在电压源端子之间；及控制电路，适于针对至少两个转换器单元产生控制信号使得至少两个转换器单元的输出电压的占空因数随所希望的AC输出电压频率而变及随周期参数或电荷存储单元的充电状态中的至少一个而变。

美国专利8,183,870公开了利用与电池单体互相连接的多个变压器的电池系统。每一变压器具有用于至少在具有第一方向的磁通量的第一磁性状态和具有第二方向的磁通量的第二磁性状态磁化的至少一变压器铁心。变压器铁心保持第一磁性状态和第二磁性状态，而没有电流流过多个变压器。电路用于在第一和第二磁性状态之间切换所选变压器铁心以感测电压和/或均衡特定电池单体或特定电池单体组。

在电池供电的应用中，最近已有尝试利用倒相H桥结构用于电池管理和充电。例如，授予Asano等的美国专利4,467,407公开了多级逆变器拓扑结构，其中多级逆变器由一组DC电源组成，其包括3个以上串联连接的电源，包括多个用于取得所需电压水平的端子，及一组开关，连接到对应于所需电压水平的端子的开关的接头闭合以将多级电压输出给负载。Asano系统还包括控制电路，并提供借助于其可向多相负载提供电压的方法。

授予Peng等的美国专利5,642,275公开了具有多个DC源的多级级联的电压源逆变器，其中该逆变器可应用于高电压应用。该逆变器由至少一相组成，其中每一相具有包含独立DC源(即电池)的多个全桥逆变器，其中逆变器开发近似正弦曲线的逼近，及该逆变器已设计成特别用于电压均衡和补偿无功功率的应用。

授予Kim等的美国专利8,330,419公开了用于管理大规模电池系统的动态可重配置框架。该框架运行一组控制电池单体应怎样使用或者绕过以从电池单体故障恢复的规则。Kim论述了保持恒定电压的策略和向多个不同应用供电的允许动态电压的策略，其聚焦于电压输出要求及从电池串隔离/移除电池单体。

授予Kim等的美国专利8,508,191公开了为延长电池寿命在电池中进行电荷调度的系统，其通过基于电池健康和负载需求动态调整电池活动进行。该专利提出了一种滤波技术，藉此处理负载需求，及使电池能同时充电和放电的“调度程序”。Kim聚焦于将电池组分离为可进行充电的部分和可进行放电的部分。为此，Kim提出了确定电池的SOC的方法并提供滤波方法。尽管还提出了检测电池的SOC并使用其确定是否可使用特定电池单体的方法，该发明进一步陈述了负载控制、缩放、及充电源灵活性(即AC/DC)的应用。所提出的方法还讨论了故障检测和迁移，其不包含在该文献中。

Graovac等申请的美国公开申请2011/0198936公开了用在AC电动机需要由DC源如电池组驱动的应用中的、包括多级逆变器的电路装置。其提出使用多级逆变器拓扑结构构建AC正弦波的方法，与授予Peng等的美国专利5,642,275类似，其集中于通过命令储能装置上的局部开关而应用众所周知的多级逆变器桥拓扑结构向负载提供AC电压。Gollob等申请的美国公开申请2011/0267005公开了基于组合的电开关拓扑结构和相关联的控制开关的控制电路的有效电荷均衡电路和储能装置及方法，使得特定电池单体可被绕过或者在特定电池单体集合中电流流动可反向。

需要提供一种电池和/或电池单体监测和管理系统，其具有最低复杂性如不需要保险丝的读出线、电隔离每一电池单体、电池单体上的泄漏电流耗用有限、及限制各个电池单体的过充电率。

发明内容

本发明致力于产生动态可重配置的能源的方法和设备，其由个体、浮动、可控制的能源模块组成，并由软件支持以测量和管理这些能源模块并有助于重配置。本发明为包括储能装置中使用的硬件的系统，其包括多个储能电路、输入和输出端子、储能装置、多个传感器、控制单元和具有2n+2个开关的切换模块，其中n为1或以上并基于储能单元的数量，本发明基于倒相H桥电路或基于交替极性开关配置，如将进一步阐述的，与使能实时管理、监控和配置切换模块的软件结合。硬件还提供向辅助装置及控制和监测电路供电的装置。使用软件算法和局部电子开关的组合，本发明的性能和功能可匹配或超过用于充电、电池管理、功率换向和电动机或负载控制的、传统的大、重和成本高的基于功率电子学的产品的性能和功能。该系统统称为由任何数量的个体能源模块组成的“组”，其可包括电池单体(可以是锂、铅酸等电池)、电容器或类似储能装置。

如在此使用的，下面的定义应用于本申请：

“动态”意为实时、连续或即刻的功能性，例如，瞬间检测故障并进行校正动作和/或控制能源模块的能力。

“可重配置”意为储能装置如单一电池单体可使其正和负端子的极性例如经电子开关的软件控制改变。例如，可重配置的电池单体将具有四个选择：正极性、负极性、断路或旁路。配置取决于一些基于软件的控制信号，其控制储能元件或电池单体另外的机载电子电路的运行。

“系统”指硬件和软件。

“硬件”指所有切换、感测和物理互连，包括安装装置、连接器、布线和物理芯片。

“软件”指基于来自硬件装置进行的测量的反馈或者预测模型管理和控制定时、切换和决策过程的控制算法。

“储能装置”指任何储能介质，包括个体电池单体、电容器、燃料电池或其组合等。

“能源模块”或简单地“模块”指包括浮动储能装置如单一电池单体的个体单元，其根据本发明可经软件控制算法和局部电子电路进行控制以关于其两个端子提供正输出、负输出、断开或绕过。每一能源模块由储能装置如电池单体、电子开关如MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)、隔离的控制信号、隔离的能量转移方法、及隔离的测量信号(电压)组成。

“内部储能装置”指在能源模块内进行管理和利用的储能装置。

“局部储能装置”指另外的、用于存储外部提供的驱动能源模块的电力开关的能量的储能装置。

“组”指按串联/并联配置的任何组合连接的能源模块集合。

“串”指有限数量的串联连接的能源模块。

“控制器”指微处理器装置，其包含软件控制和监测处理器。

“堆积”指使一个或多个模块彼此物理连接的行为。该术语可指串联或并联连接。

“金字塔型管理结构”指用于管理任何组的管理体系结构。

“管理器”指用适合管理器承担的任务的软件编程的微处理器。

“分组控制器”指负责一个或多个其端子串联连接的能源模块的分组的管理器。之后，分组控制器将具有两个以上能源模块，在串联连接的每一端上具有单一断开端子。

“串控制器”指控制一个或多个其断开端子串联连接的分组控制器的管理器。再次地，如分组控制器一样，将有两个能源模块，串联连接的每一端上具有单一断开端子。

“并联串控制器”指控制几个并联连接的串控制器的管理器。每一串控制器经每一串控制器的串内串联的开关与其它串控制器隔离。

“充电状态算法”指用于确定电池单体内当前可用的能量的建模算法。这样的算法在本领域已知。一种这样的算法在美国专利7,489,107中公开，其通过引用组合于此。

“健康状态算法”指提供确定特定动作导致电池的损害的方式的算法。这样的算法在本领域已知。一种这样的算法在美国专利7,489,107中公开，其通过引用组合于此。

“故障预测算法”指使用从健康状态算法(如损害率传感器)提供的参数确定储能装置何时出现故障的算法。

“切换算法”指与控制每一能源模块上的电力开关有关的任何算法。这些算法可基于输入源、所需输出如电压、电流、频率、特定能源模块中的可用能量、或能源模块的内部储能装置的健康、及可连到本发明的能源模块控制系统的其它外部传感器系统。

“通信协议”指用于在金字塔型体系结构中提及的多个不同管理水平中的每一个之间通信的协议。

“处理单元”指微处理器或FPGA或任何其他计算装置。

“浮动”，当提及能源模块时，指未经电开关连接到其它装置或与其它装置断开连接或与其它装置隔离的储能装置，前述将储能装置连接到另一装置的电开关均断开。但前述能源模块可被隔离或已被隔离。当所有模块均被绕过时，则所有模块均为浮动模块。

附图说明

本发明的前述及其它特征和优点在阅读下面结合附图进行的描述之后对本领域技术人员而言将显而易见，其中：

图1为倒相H桥储能装置的示意图，还示出了另外的开关以提供外部电池故障隔离的能力。

图2为倒相H桥储能装置的一般分组连接的示意图。

图3为连接到储能装置的交替极性能源模块的示意图。

图4为交替极性连接的储能装置的一般分组连接的示意图。

图5A-5C为按交替极性配置的四组储能装置的示意图，配置成跨其输出端子输出4xVdc，并示出了绕过储能装置的配置。

图6为倒相H桥拓扑结构经来自混合的内部和外部具备储能源的能量隔离控制和供电的示意图。

图7为用于将电力传给桥电路的隔离方法的示意图。

图8为串联连接的倒相H桥模块的示意图，具有使用用于向辅助电路供电的储能装置的有源能量转移电路。

图9为串联连接的倒相H桥模块的示意图，具有使能辅助电路的供电的无源电路。

图10为来自能源模块内的内部储能装置经直接物理连接的并联的示意图。

图11为来自能源模块内的内部储能装置的并联的示意图。每一储能装置与个体开关连接，其提供除去该特定储能装置的能力。

图13为控制多个分组控制器的串控制器。

图14为包含主控制器的控制体系结构层次图，其具有导控器、协调器、并联串控制器、串控制器。

图15为能源模块组放电时的操作流程图。

图16为能源模块组充电时的操作流程图。

图17为一般阶梯波形的示意图。

图18为具有共同参考点的多个串联连接的能源模块的示意图，其使能可变DC源的能力。

图19为用于感测能源模块组中的压力的光学传感器的图。

图20为示出并联连接的两个串联连接的能源模块的连接的图。

具体实施方式

本发明是电源管理系统可基于具有2n+2个开关的开关模块的发明的结果，其中n为1或以上，并基于存储单元的数量管理隔离的储能装置中的充电和负载使得储能装置完全变成可配置的能源单元，其可安排成实时产生可变输出能源。类似地，隔离的储能装置可重配置以最佳地容纳和接收来自外部进入的直流或交流输入能源的能量。应意识到，本发明可应用于多种电源管理系统，如便携电子装置、不间断电源、电动汽车电力系统、风力系统、太阳能系统、电网存储系统等。

本发明包括多种不同的用于监测、管理和控制存储装置的方法和应用，包括提供能源模块电路内使用的开关的故障安全操作的设备和方法、向受控储能应用中的局部辅助能源提供电力的设备和方法、将能量转移到串联连接的储能装置的设备和方法、减少跨倒相H桥拓扑结构的动态可配置储能应用所需开关的设备和方法。本发明的能量转移方法和设备用于电池组中的实时充电和放电均衡，用于设置储能装置的默认配置而不采用控制装置，用于测量具有不同接地参考的电池电压，及用于控制并联的储能装置。本发明的设备和方法还考虑到另外的无源电路，其自适应于动态可重配置的储能装置以提供用于监测、控制或其它辅助装置、附属系统和/或电路的辅助电力。本发明的软件管理结构使能动态可重配置的储能装置、将能量转移到控制器和具有不同接地参考的电子装置的方法、及金字塔型切换结构应用于电池管理和控制。本发明的设备和方法在电池组中提供在故障后使能组功能性的故障保护、使能动态可重配置的储能装置的通信协议、及从一个电池组产生多个可变DC源的方法。本发明还提供从DC和/或AC源快速充电。

本发明的基本构建模块为图1和3中所示的能源模块。能源模块可由单一储能装置10、硬件电子电路、和用于控制硬件电子电路的软件控制信号组成。图1中还示出了非必需的隔离开关15和16，其提供使受控储能装置能从使用中除去的冗余能力。隔离开关15断开从能源模块的其余部分到储能装置的电连接。另一方面，隔离开关16短接连接点IO_A&IO_B。这些可用隔离的开关实施，如机械继电器或微机电继电器。能源模块的核心元件包含在点线内并记为17。开关元件15为能源模块的非必需的部分，将在随后进一步描述。本发明为例如图2和4中所示的多个能源模块提供用同样设计进行缩放规模的能力，其按非常大(100000+模块)或非常小(<100个模块)及二者之间的任一大小的能源模块阵列的形式。能源模块被控制以按图1和3中所示重配置其输出。

在图1和3中，输出端子记为IO_A和IO_B。图1示出了基于倒相H桥的能源模块配置并将指定为能源模块-倒相H桥(或EM-IH)。图3示出了基于允许交替极性的电路的能源模块并将指定为能源模块-交替极性(或EM-AP)。这些能源模块包括2n+2个开关，其中n为1或以上，并基于能源模块的数量。在多能源模块阵列中，当为EM-IH配置时，开关的数量将为4n，其起始于2(n＝1))+2。当为EM-AP配置时，开关的数量将继续遵循2n+2级数。EM-IH在n为1时具有最少情形的4个开关，这使模块能输出下述配置(4个开关在图1中记为11、12、13和14)：

1、关于输出端子IO_A和IO_B的正极化输出电压(12和13断开，11和14闭合)；

2、关于输出端子IO_A和IO_B的负极化输出电压(11和14断开，12和13闭合)；

3、绕过(11和13闭合，12和14断开；或者12和14闭合，11和13断开)；

4、断开(11、12、13和14均断开)；

5、短接(11和12闭合或者13和14闭合)。注意，该配置仅用在电池单体完全断开或者有与电池单体一致的保险丝的配置中使用。该条件可被触发以感生大量电流以烧断保险丝然后有意地从电池组除去储能装置。

为形成能源模块的分组，这可通过连接两个以上EM-IH使得一模块的IO_B连接到另一EM-IH的IO_A实现。如图2中所示，可变输出电压可从该EM-IH的分组产生。可直接产生的可变输出电压为离散的电压阶跃，其由从能源模块内的每一内部储能装置提供的可能输出组合组成。在该配置中，如果内部储能装置的数量为n，且其中这些内部储能装置没有并联连接，则将需要4*n个开关用于实施该能源模块配置及多个不同的输出电压。

实施能源模块的分组的备选选择使能减少所需开关，如下所述。该配置将另外记为“能源模块-交替极性”(EM-AP)。为实现开关的减少，需要至少两个内部储能装置，其极性如图3中所示交替。在该配置中，可产生与上面提及的EM-IH配置一样的离散可变输出电压。使用该类型配置的主要优点在于开关的数量减少到2(n-1)+4(其简化为2n+2)，其中n为分组内的内部储能装置的数量。2(n-1)+4等式按该形式书写以表达与如图4中所示的一般形式的EM-AP配置中所需开关数量的数学相关。“2(n-1)”表示2个开关连接在所有n个内部储能装置之间。对于数量“+4”，该数量表示4个另外的开关，整个分组的每一端上2对。每一内部储能装置安排成使得每一相邻的内部储能装置具有相反极性，因此称为能源模块-交替极性。图3中所示的开关记为31、32、33、34、35和36。基于开关位置的配置，在端子IO_a和IO_b处出现的电压为下述之一：

1)正极性：

a、+2V_cell(有效开关34、32和36接通)

b、+V_cell，该输出条件可通过两种不同的切换组合引起。

i、34、32和33接通；

ii、31、32和36接通。

2)负极性：

a、-2V_cell，有效开关31、35和33接通

b、-V_cell，该输出条件可通过两种不同的切换组合引起。

i、31、35和36接通；

ii、34、35和33接通。

3)绕过：～0，该输出条件可通过两种不同的切换组合引起。

a、31、32和33接通；

b、34、35和36接通。

4)断开：

a、31和34断开；

b、32和35断开；

c、33和36断开。

5)短接：该配置仅在电池完全断开或有与电池一致的保险丝的配置中使用。该条件可被触发以感生大量电流从而烧断保险丝，然后有意地从电池组除去储能装置。

a、31和34接通；

b、32和35接通；

c、33和36接通；

其中V_cell为电池单体的电压。

图4表明，通过采用n个源，需要2n+2个开关来控制输出电压，其具有阶跃为Vdc的范围(-2nVdc到+2nVdc)(假定每一内部储能装置具有一样的Vdc值。如果它们具有不同的电压，则范围和阶跃将简单地随不同的内部储能装置电压变化)。表1示出了EM-AP新拓扑结构中相较于EM-IP转换器拓扑结构中的开关数量和可能的电压水平。从表1可以看出，EM-AP需要2n-2个开关，低于EM-IH分组概念，同时保持一样的电压输出能力。所需开关的数量较少降低了跨每一开关的电压降的次数，这进而提高效率。开关的减少还因减少可能的开关故障次数而提高可靠性。EM-IH分组和EM-AP分组之间的一个主要区别在于，如果需要从EM-AP分组内除去一个运行的储能装置，相邻的电池单体也必须被绕过以使该分组能继续其功能。这是使能保持储能装置的交替极性所需要的。必须除去偶数数量的相邻储能装置。下面的电池单体去除例子使该论述清楚。

表1

图5A-5C示出了4个储能装置的利用，其编号为520、521、522和523，每一储能装置具有任意的电压“Vdc”。突出显示的线路和开关配置成使得分组的输出提供4xVdc作为输出电压。现在假定需要从分组去除编号521的储能装置。有两种选择：第一选择是改变希望去除的储能装置右侧的切换条件，如图5B中所示。由于503和508为互补的开关，当503闭合和508断开时，储能装置521和522从分组的总输出除去。这使想要去除的储能装置521被绕过同时保持不想去除的储能装置522闲着。注意，如果储能装置520和522因绕过储能装置521而刚好串联连接，则520和522的有效输出电压将相反，因此彼此相消。如果储能装置520和522的电压彼此抵消，则该组的最大电压输出将为储能装置523的电压。然而，通过一起绕过两个储能装置521和523，该分组的最大输出电压现在为储能装置520和523的可用输出。第二种选择是简单地改变将要去除的储能装置左侧的切换配置，如图5C中所示。类似的策略可用于为特定所需输出而需要去除电池单体的其它情形。与EM-IH配置相比，一次仅需要去除一个电池单体，因此从EM-IH分组的最大输出电压仅去除一个电压输出。

如已提及的，从能源模块的分组仅可输出离散的输出电压(由该分组内的内部储能装置的电压的组合组成)。作为该概念的一个例子，如果有由三个具有电压1V、1.5V和2V的电池单体组成的假定能源模块分组，则该分组的可能输出电压可以是下述值之间的正和负值：0V、1V、1.5V、2V、2.5V、3V、3.5V和4.5V。随着另外使用滤波元件(如电容器、电感器、和/或有源滤波器元件等)及为所选滤波元件设计的切换频率，可产生另外的超过离散值的电压。通过在两个离散的阶跃之间切换(如在极化正和绕过之间切换单一能源模块的状态)，另外的离散阶跃之间的输出电压是可能的。例如，以50％占空因数(即50％开和50％关)的高频率在极化正和绕过之间切换能源模块，将得到内部储能装置的50％的输出电压。当然，这源于假定适当设计的低通滤波网络，这些电路的设计是简单的且在文献中众所周知。这被称为脉宽调制，其实质上控制固定时间段中接通时间和断开时间的百分比。在能源模块分组的情形下，脉宽调制使能实现为一个或多个内部储能装置的百分比的输出电压阶跃。回到具有电压为1V、1.5V和2V的电池单体的能源模块分组的初始例子，在包含1V的能源模块以80％占空因数使用脉宽调制及对能源模块分组的输出进行低通滤波，可获得0.8V的电压输出。使用本发明内的该概念，可获得大得多的输出电压范围。

这使能电池单体本身的增量之间的电压，这在需要对总电压进行更精细的控制时需要。例如，如果分组中的每一电池单体为3V，在没有该概念的情形下，选择为以3V(1个电池单体)、6V(2个电池单体)或9V(3个电池单体)运行电动机。为了更精细的输出电压或速度控制，可能希望以50％的占空因数切换一个能源模块，使得该能源模块输出有效的1.5V。同样，在针对占空因数切换时，有固有的切换热量损失。通过执行循环型选择，其能源模块实际执行占空因数切换，散热可跨几个能源模块分布并使散热片更小。此外，前述的输出电压精调将消除下游电压调节、提高总性能、增加效率和降低系统平衡。

当将能源模块连接在一起形成大的储能系统时，需要隔离的开关驱动电路或电压水平转变电路以适当地驱动能源模块分组内的每一开关。本发明提供向能源模块电路提供故障安全操作的方法及向受控储能应用中的局部辅助能源提供电力的方法。这使能所得储能系统的可扩缩性，同时隔离的控制系统的智能管理和控制提供另外的系统特征和容错性。

能源模块的开关可由内部储能装置或者外部能源驱动和供电。如图1中所示，能源模块包括储能装置、四个开关11、12、13和14、两个输入/输出点IO_A和IO_B。在从能源模块的内部储能装置驱动开关及向其供电的情形下，当内部储能装置下降到低电压或低充电状态时出现问题。这将导致没有足够的能量控制能源模块的开关。控制能源模块的逻辑可停止运行应用或跳过处于低充电状态的特定能源模块以防止该问题出现。然而，如果电池单体因缺陷发生故障(如导致故障的断路或短路)，向开关供电的问题仍将存在。

作为备选，这些开关可从外部电源驱动。通过用外部电源驱动开关，开关可进行控制，而不依赖于能源模块的储能装置的充电状态。“外部供电的”开关意味着开关驱动电路从单独的不同于内部储能装置的源供电。换言之，单独的外部储能装置将用于对开关电路供电并对其进行驱动。这意味着外部电源将能量传给能源模块以特别用于驱动其开关或为此目的进行存储。另一选择是利用固有地外部驱动的开关。其例子可以是机械开关(如机械继电器或簧片开关)。不管能源模块的储能装置的状态如何，机械开关可在外部进行控制。然而，机械开关具有性能限制，如切换速度和相对高的功耗。固态继电器或MEMS继电器也是满足速度要求和较低功耗的备选选择。

在没有回避出现故障或低电压的能源模块储能装置的方法的情形下，能源模块的电力开关不能控制。如果电力开关不能控制，特定能源模块将不能被命令改变状态。当电力开关为半导体器件时，这将影响其充电/放电的能力。由于半导体器件在用作开关时在其端子处需要特定偏压或偏流以适当地行动，充电/放电的能力将受影响。在没有适当的偏压或偏流时，半导体电力开关可能切换到未知状态，不管给该开关的控制信号命令其断开还是闭合。应注意，尽管在此示出和讨论了EM-IH配置，先前的讨论也可与EM-AP配置一起使用。这样，当另外的概念被讨论并与EM-IH配置有关时，这些概念可容易地保留和应用于EM-AP配置，除非另行说明。

为扩展将能量从外部源转移到能源模块的概念，图6示出了提供该能力的电路。图示为使用能源模块的储能装置和外部源的混合。另外的、相对小的局部储能装置可用于对门驱动电路供电。图6示出了一种系统，其包含前面提及的一组4个供电的隔离的开关和储能装置。除了这些基本元件之外，图中还示出了用于该组四个开关的驱动电路，及另外的、门驱动电路从其得到电力的“局部储能装置”。该局部储能装置经所示脉冲变压器从外部源或经二极管连接从内部储能装置接收能量，如图6中所示。为将能量传给另外的局部储能装置，所涉及的过程包括使变压器脉动以从控制器自己的能量存储传送能量“包”。能量转移速率经控制器(或任何其它计算装置)进行控制。作为备选，如果能源模块的内部储能装置具有足够高的电压电势，其将经二极管连接向局部储能装置传送能量，如图6中所示。使用局部储能装置中的可用能量和从微控制器提供的电隔离的控制信号的组合，能源模块的电力开关可控。换言之，隔离的信号用于控制能源模块的电力开关驱动电路，其进而经局部储能装置供电。

这些另外的局部储能装置可经其它外部隔离的能量转移方法及通过使用已知方法进行驱动，包括美国专利8,269,455中公开的方法，其公开内容通过引用组合于此，其涉及将能量从一储能装置传给另一储能装置并公开了将相对小量的能量传给局部储能器的能力。在本发明中，该能量供应进而用于向开关驱动电路供电以控制能源模块的输出配置。基本的H桥结构已知并在美国专利4,467,407和5,642,275及美国公开申请2011/0025258、2011/0198936和2011/0267005中公开，这些文献通过引用组合于此。在本发明中，H桥电路的使用不同，因为本发明在其系统中实现了容错和故障安全操作并提出了为避免故障绕过单一电池单体及解决电池单体或开关的外部电力的隔离的方法。在已知现有技术系统中，它们必须在外部供电，否则它们不能运行。此外，本发明取得电池单体级的电流测量结果并使用实时建模方法确定充电状态(或SOC)。本发明有能力利用电池单体动态学的实时建模，其已知并已公开例如在美国专利7,489,107中公开，该专利的教导通过引用组合于此，该专利公开了SOC检测方法因此公开了系统的管理。

“外部供电的”隔离的开关的另一备选方法如图7中所示，不需要另外的“局部储能装置”。采用具有一个初级绕组和两个次级绕组的变压器。再次地，图7包含前面提及的一组四个电力开关和内部储能装置。变压器的初级绕组用脉冲调制，具有正极性或负极性。初级侧的脉冲极性确定每一半桥的上还是下电力开关接通。实质上，该配置允许通过隔离的控制信号(经脉冲变压器)控制这四个电力开关的备选方法。在该备选方法中，开关直接经外部源驱动。根据所需能源模块输出，输入1和2配置成高或低。如图中所示，输入1和2中的每一个简单地输入到单独的非门。这些非门进而经电压源即VDD供电。VDD被隔离并具有与为输入1和2提供信号的外部控制器(如微控制器或FPGA装置)一样的接地参考。此外，有连接到非门的电力端子的开关，这使VDD能接通到非门和与其断开。当VDD接通到非门时，线圈具有跨非门的电势，及根据输入1和2的值感生电流。当VDD与非门断开时，非门输出转到高阻抗状态，因此不再被驱动。在该状态下，没有电流被感生。如果所需能源模块状态仅为：被绕过、负极化输出或正极化输出(如上详细所述)，则需要最少的两个独立信号驱动这些开关。这是图7中所示的配置。为有效驱动电力开关，到VDD的开关必须脉动开和关以在变压器中感生电流并跨隔离势垒传送能量以驱动电力开关。只要VDD被脉动到两个非门，则能源模块状态可改变。该状态之后简单地取决于输入1和2的值。如果输入1高和输入2低，则正极化输出状态有效。类似地，如果输入1低和输入2高，则负极化输出状态有效。最后，如果输入1和输入2均低或均高，被绕过状态有效。

在前面提及的能源模块及其使用的描述中已暗示一些类型的计算装置或控制器。该控制器监测和管理串联连接的能源模块的分组。监测包括检查能源模块的健康和存储的能量，控制包括改变能源模块的输出配置。多个能源模块的分组在下面进一步阐述。为向该控制器装置和/或其它辅助装置供电，不必须提供另外的能源如另外的电池单体是有利的。另外的能源需要进行管理、充电和监测。作为备选，可能使用能源模块之一内的一个或多个内部储能装置直接提供所需功率。然而，在该情形下，相较于其它能源模块，更多功率将从该特定能源模块的内部储能装置直接获得，即使在运行能源模块分组的应用未处于使用状态时也是如此。这在能源模块分组长时间未充电的情形下是不理想的。这可导致能源模块的内部储能装置过充到损害储能装置的点，同样在该功率不足以保持控制器装置供电时也有问题。可能将用于对控制器供电的储能装置的大小做成远大于其它能源模块的储能装置，然而，如果该分组长时间欠充，将导致同样的问题。为在该配置中消除对另外的能源的需要或者直接利用能源模块内部储能装置之一，能够从多个能源模块本身的分组获得能量是有利的。将公开从能源模块分组提供能量的有源方法和无源方法。

下面为将能量从一组内的一个或多个能源模块转移到另一单独的储能装置的有源方法，需要另外的电路。通过添加四个另外的开关、电感器、和跨一组能源模块的输出的二极管，能量可从一个或多个电池单体转移到另一储能装置，如图8的点线框中所示并记为801。该能量可用于提供辅助电力，其用于向控制和监测电路或者不直接由整个能源模块分组的输出驱动的任何其他电路供电。作为例子，如果能源模块分组用于直接驱动高尔夫推车内的电动机，在该情形下，辅助电力将用于对控制装置、+12V无线电、头灯及其它附件供电。假定连接至少一能源模块以跨串联连接的能源模块串内的能源模块的端子输出正或负输出，该输出电势可用于将能量传到单独的储能装置。点线框内的电路实质上为H桥电路和巴克(Buck)转换器。H桥部分使从能源模块分组进入的能量能切换到所需极性以对单独的储能装置充电。电感器和二极管形成巴克转换器，其调节单独的储能装置的电流和充电。再次地，单独的储能装置内的能量特别用于对控制器或用于监测和控制它们管理的能源模块的任何电路供电。由于控制器将控制其管理的能源模块的输出配置，其将知道以何种方式切换H桥电路以对正向其供电的单独的储能装置充电。该想法由于能源模块拓扑结构的性质是有价值的，因为在电池组内没有一致的接地参考。这样，在具有几个控制器的非常大的能源模块组中，没有另外的外部源向能源模块组内的控制装置供电是有利的，且依然使容易放缩(不必提供另外的对每一另外的控制装置供电及管理其的方法)。

下面为从分组配置中的一个或多个能源模块转移能量以提供前面提及的辅助电力的无源方法。无源电路通过每能源模块增加两个二极管组成。这在图9中示出，具有一般数量的按分组连接的能源模块。第一二极管的阳极连接到内部储能装置的正端子，及第二二极管的阴极连接到电池单体的负端子。如图9中所示，连接到相应储能装置的正端子的所有二极管使其阴极连在一起。类似地，与相应储能装置的负端子连接的所有二极管使其阳极连在一起。公共结点903和904分别为辅助电力电路的正极性和负极性连接点。两个公共结点连接点906表示的辅助电路。辅助电路可包括的东西的例子为：调节电路(即线性调节器或dc/dc转换器)，其可用于向控制和监测装置及上面结合辅助电力的描述提及的任何其他辅助装置供电。

在跨903和904出现什么电压方面，考虑三种情形。这三种情形与分组中的能源模块的配置及其给输出端子901和902的共同合成输出相关联。示出了一般负载并由905表示(如电动机、LED灯、AC装置等)。为了参考和描述，901和902分别指定为正和负。要考虑的第一种情形为当能源模块配置成跨901和902输出一些具有正极性的特定量值时。要考虑的第二种情形为当能源模块配置成跨901和902输出一些具有负极性的特定量值时。第三种情形为跨901和902没有输出电压(当所有能源模块配置成绕过状态或断开状态时)。

在给端子901和902正极性输出的第一种情形下，跨辅助电路输入端子903和904出现的电压极性也为正。跨辅助电路输入端子903和904出现的电压量取决于转到负载输出端子901和902的输出。根据各个能源模块的配置，给辅助电路的输入端子的量在[+(Vcell),+(nxVcell)]的范围中，其中Vcell表示来自每一储能装置的标称电压，及n为能源模块的总数。之后，辅助电路设计成取得该正极性变化量并将其经dc/dc转换器转换为向自身的元件供电所需的电压。

在给负载端子901和902负极性输出的第二种情形下，跨辅助电路输入端子903和904出现的电压极性还保持为正。作为该特征的结果，第二种情形与第一种情形类似地表现，且取决于各个能源模块的配置，给辅助电路的输入端子的量在[+(Vcell),+(nxVcell)]的范围中。再次地，该正变化量可经dc/dc转换器转换为辅助电路元件需要的电压。

在第三种情形下，当所有能源模块均处于断开状态或绕过状态时，储能装置有效地彼此并联连接。这是假定所有储能装置电压相等的情形。然而，如果一个储能装置具有高于其它储能装置的电压，所有储能装置的个别最高电压将跨辅助输入端子903和904出现。这提供非常有益的特征，其通过利用最高电压储能装置向辅助电力电路提供能量使储能装置能自平衡。最高电压储能装置将继续使用直到其自身的电压降低为止(因存储的能量减少)。其将继续降低到等于第二最高带电的储能装置的点。在该点，两个装置的电压将一起降低直到它们等于下一最高电压储能装置为止。这将继续直到所有储能装置的电压下降到最低电压储能装置为止。在该点，所有储能装置将并联连接。

无源概念的两个主要优点在于：1)当所有能源模块均处于绕过状态或断开状态时，其自动变成无源储能装置电荷均衡器，因为其强迫使用最高电压储能装置(其与最高充电的装置相关联)；2)其产生可用于向其它装置供电的自动固定极性、量变电压输出。

对于本发明，如果控制信号被去除或丢失，可采用“配置开关”(即变光开关、可编程门闩、跳线器等)以使能源模块能默认为四个前面提及的配置之一(断开、绕过、正极化输出、或负极化输出)。这些“配置开关”使电力开关能默认为所需输出配置。这使能源模块能在该默认配置中使用，不需要软件控制器(及相关联的另外的控制信号功耗)。这些“配置开关”将简单地控制每一半桥是上拉还是下拉(假定半桥用半导体开关实施)。因而，本发明提供在能源模块未被有效控制时不采用控制装置设置储能装置的默认配置的方法。类似地，如果需要，可应用外部“超越”或“关断”控制。

如果需要更高的电流，储能装置具有最大电流极限，这可通过添加另外的并联到能源模块的内部储能装置解决。图10和11示出了本发明怎样提供用于并联储能装置的控制方法。这些图中的每一个表示具有内部储能装置的能源模块，分别用直接连接或切换连接并联。图10示出了能源模块的内部储能装置由几个直接电连接的并联储能装置组成的配置。另一方面，图11示出了内部储能装置仍然并联连接的一种配置。然而，每一储能装置只有一侧直接电连接。每一储能装置的另一侧经可控开关1101连接。图10的直接连接的方法通过直接并联物理连接储能装置而使能更高的电流。由于储能装置并联连接，能源模块开关可就像只有一个内部储能装置一样精确地动作。图11的切换连接方法通过并联储能装置使能更高的电流，然而，每一并联的储能装置可被切入和切出并联连接。该方法提供隔离和去除并联连接的储能装置分组内检测到的出现故障的储能装置的能力。

为使按多种不同并联或串联配置连接能源模块的放缩性和灵活性，本发明采用一种管理体系结构，其也可适应这些配置因而使能动态可重配置的储能装置。该管理体系结构是本发明的关键。通过该管理结构，系统输入和输出被控制，从而产生先前讨论的结果，包括能源模块状态(断开、绕过、正输出、负输出)的实时配置、电池组的AC/DC输入或输出配置、和一般能量管理能力。

本发明有助于模块的按比例增加，图2示出了能源模块分组。分组控制器管理形成单一分组的一套能源模块。分组控制器将简单地是图12中所示的微控制器的延伸，但对分组内的每一能源模块具有电力开关控制信号(也称为能源模块的门驱信号)及电压测量。电压测量提出挑战，因为每一能源模块的内部储能装置浮动。每一能源模块基于其电流开关配置具有不同的参考点因而具有不同的接地参考。为使能在任何时间进行该测量的能力，每一能源模块的电压通过隔离的方法监测，如馈入光隔离器或局部供电的微处理器的电压-频率转换器，其使用机载模数转换器并经光隔离器发送数字信号。也可使用的非隔离备选方法是高电压共模差分放大器。这些装置使能测量远超过差分放大器装置的电力干线的高差分电压。分组控制器还将测量温度及进入和流出串的电流。应注意，温度传感器不必然需要电隔离，并可由局部电源供电(即其处于与分组控制器一样的参考接地)。对能源模块的整个串联串测量一次电流。每一能源模块被物理连接，如图2中所示，并取决于一分组中选择的能源模块的数量，从该分组获得的最高电压为内部各个储能装置的标称电压的和。如图13中所示，串控制器管理两组以上分组的能源模块，其进而形成单一串。因此，将一分组控制器的能源模块连接到下一分组控制器的能源模块形成串。从该串可获得的最高电压则为来自每一分组控制器的分组的所有内部各个电池单体的标称电压的和。如图14中所示，并联的串控制器管理几个串，使这些串中的多个能按并联配置连接。单串限于可从特定储能装置获得的电流量方面的物理限制(由储能装置制造商确定)。如果需要更多电流，可在该点添加另外的并联串，特定并联的串控制器将管理将用于满足所需电流需量的许多串。

同样如图14中所示，协调器的目的在于管理多个并联的串控制器。在需要获得电流的请求时，协调器将与其当前管理的并联的串控制器联系并请求确认来自每一并联的串控制器的多少串将被使用。如果单一协调器要处理太多的并联串控制器，需要多个协调器。层次可通过导控器继续，其也在图14中示出。如图14中所示，最上面为单一主控制器，其至多监测下面的“X”数量的管理位置。每一应用具有单一主控制器。主控制器将监测输入能源并控制整个能源模块组的总能量输出。

主控制器和其它层次的控制器还可容纳光纤和其它压力传感器、废气传感器及可能也可不需要电隔离的其它外部传感器。此外，本发明的实时控制器可与其它外部控制系统和/或其它应用交互。

在仅具有单一能源模块分组的小应用中，主控制器可能仅为一分组控制器。作为备选，根据总组大小，主控制器也可以仅为单一串控制器、或单一并联串控制器、依此类推。此外，主控制器可以是先前描述的任一较低的管理层级，假定其仅监测“X”数量的直接报告。如果多于“X”数量的“直接报告”，则该数量的“直接报告”可在导控器层级再分。如果必要，可增加导控器层级的数量直到“直接报告”的数量可与单一主控制器联系为止。这是为了限制主控制器直接看到的通信吞吐量。

为进一步说明电池单体C可怎样分组成具有A个电池单体(或更一般地，任何储能装置，在本说明书的任何地方，使用的术语“电池单体”可与任何类型的储能装置互换)的组。数量A的最大值基于单一处理装置可监测多少电池单体施加的实际限制。此外，这些电池单体不需要在化学、大小方面属于同一类型，甚或不需要同一类型的储能装置。同样，对于本说明书的其余部分，提及单一电池单体的地方，均可用图10或11所示的并联的电池单体代替。

分组记为{C[1],C[2],…,C[A]}。每一分组不必然需要包含A个电池单体，而是可包含少于A(该值针对特定应用具有进行调整的灵活性)个的电池单体。然而，为了对称，我们继续用每一分组包含A个电池单体进行讨论。

分组控制器GC

单一分组控制器管理这些A个电池单体的分组中的每一分组。该分组的A个电池单体物理连接为一串倒相H桥模块，如图2中所示。分组控制器将监测和管理每一个体电池单体的特性(通过测量电压、温度、电流，及实施实时建模以确定充电状态、健康状态、寿命状态、故障检测等)。

例子

如果对于具有A个电池单体的分组有一个分组控制器，可将其记为：

GC{C[1]C[2]…C[A]}

矩阵1：具有A个电池单体的分组的单一分组控制器

串控制器管理几个分组控制器。串控制器至多负责这些分组控制器中的B个。再次地，数量B来自用于实施系统的硬件的实际限制。这样，每一串控制器将管理多达B个分组(再次地，单一串控制器可管理少于B个的分组)。由于这是串控制器，该特定串控制器下管理的每一分组控制器彼此连接。换言之，来自一分组控制器的电池单体处于与另一分组控制器的电池单体一样的倒相H桥模块串联串中，假如它们均由同一串控制器管理。

这使串联串的电池单体可增加到一串最多AxB个电池单体(分组控制器管理的电池单体的最大数量乘以分组控制器的总数)。

$SC\&lsqb;1\&rsqb;\left[\begin{array}{cccc}GC\&lsqb;1\&rsqb;\{C\&lsqb;1\&rsqb;& C\&lsqb;2\&rsqb;& \mathrm{...}& C\&lsqb;A\&rsqb;\}\\ GC\&lsqb;2\&rsqb;\{C\&lsqb;1\&rsqb;& C\&lsqb;2\&rsqb;& \mathrm{...}& C\&lsqb;A\&rsqb;\}\\ & .& & \\ & .& & \\ & .& & \\ GC\&lsqb;B\&rsqb;\{C\&lsqb;1\&rsqb;& C\&lsqb;2\&rsqb;& \mathrm{...}& C\&lsqb;A\&rsqb;\}\end{array}\right]$

$SC\&lsqb;2\&rsqb;\left[\begin{array}{cccc}GC\&lsqb;1\&rsqb;\{C\&lsqb;1\&rsqb;& C\&lsqb;2\&rsqb;& \mathrm{...}& C\&lsqb;A\&rsqb;\}\\ GC\&lsqb;2\&rsqb;\{C\&lsqb;1\&rsqb;& C\&lsqb;2\&rsqb;& \mathrm{...}& C\&lsqb;A\&rsqb;\}\\ & .& & \\ & .& & \\ & .& & \\ GC\&lsqb;B\&rsqb;\{C\&lsqb;1\&rsqb;& C\&lsqb;2\&rsqb;& \mathrm{...}& C\&lsqb;A\&rsqb;\}\end{array}\right]$

矩阵2：两个串控制器，每一串控制器管理B个分组控制器，每一分组控制器管理A个电池单体。

子串控制器SSC

在特定应用需要的分组控制器比单一串控制器自身可管理的分组控制器多的情形下(大于AxB个电池单体)，引入子串控制器。子串控制器与串控制器一样的表现，除了其将监测至多C个分组控制器之外(B可等于C，但非必须)。子串控制器的数量将由特定应用中一串中所需的电池单体总数量确定。再次地，C的最大数量来自用于实施系统的硬件的实际限制(但再次地，单一子串控制器可管理少于C个的分组控制器)。

子串控制器将直接管理其范围下的所有分组控制器。子串控制器进而将向串控制器报告。这使总串控制器管理的装置能仅限于B个装置。

$SC\&lsqb;1\&rsqb;\left[\begin{array}{c}SSC\_1\&lsqb;1\&rsqb;\left[\begin{array}{cccc}GC\&lsqb;1\&rsqb;\{C\&lsqb;1\&rsqb;& C\&lsqb;2\&rsqb;& \mathrm{...}& C\&lsqb;A\&rsqb;\}\\ GC\&lsqb;2\&rsqb;\{C\&lsqb;1\&rsqb;& C\&lsqb;2\&rsqb;& \mathrm{...}& C\&lsqb;A\&rsqb;\}\\ & .& & \\ & .& & \\ & .& & \\ GC\&lsqb;C\&rsqb;\{C\&lsqb;1\&rsqb;& C\&lsqb;2\&rsqb;& \mathrm{...}& C\&lsqb;A\&rsqb;\}\end{array}\right]\\ .\\ .\\ .\\ .\\ .\\ .\\ SSC\_1\&lsqb;B\&rsqb;\left[\begin{array}{cccc}GC\&lsqb;1\&rsqb;\{C\&lsqb;1\&rsqb;& C\&lsqb;2\&rsqb;& \mathrm{...}& C\&lsqb;A\&rsqb;\}\\ GC\&lsqb;2\&rsqb;\{C\&lsqb;1\&rsqb;& C\&lsqb;2\&rsqb;& \mathrm{...}& C\&lsqb;A\&rsqb;\}\\ & .& & \\ & .& & \\ & .& & \\ GC\&lsqb;C\&rsqb;\{C\&lsqb;1\&rsqb;& C\&lsqb;2\&rsqb;& \mathrm{...}& C\&lsqb;A\&rsqb;\}\end{array}\right]\end{array}\right]$

矩阵3：在B个子串控制器上面监测的单一串控制器

子串控制器层级

如果必要，可引入另外的子串控制层级以确保串控制器至多管理B个装置，同样确保任何子串控制器层级(X)至多管理BX个电池单体。

子串控制器层级1：SSC_1

子串控制器层级2：SSC_2

子串控制器层级X-1：SSC_(X-1)

子串控制器层级X：SSC_X

$SC\left[\begin{array}{c}SSC\_1\&lsqb;1\&rsqb;\left[\begin{array}{c}SSC\_2\&lsqb;1\&rsqb;\left\{\mathrm{...}\right\}\\ .\\ .\\ .\\ SSC\_2\&lsqb;B2\&rsqb;\left\{\mathrm{...}\right\}\end{array}\right]\\ SSC\_1\&lsqb;2\&rsqb;\left[\begin{array}{c}SSC\_2\&lsqb;1\&rsqb;\left\{\mathrm{...}\right\}\\ .\\ .\\ .\\ SSC\_2\&lsqb;B2\&rsqb;\left\{\mathrm{...}\right\}\end{array}\right]\\ .\\ .\\ .\\ SSC\_1\&lsqb;B1\&rsqb;\left[\begin{array}{c}SSC\_2\&lsqb;1\&rsqb;\left\{\mathrm{...}\right\}\\ .\\ .\\ .\\ SSC\_2\&lsqb;B2\&rsqb;\left\{\mathrm{...}\right\}\end{array}\right]\end{array}\right]$

矩阵4：管理B1个子串层级1控制器的单一串控制器，B1个子串层级1控制器管理B2个子串层级2控制器，其进而管理它们自己的一组分组控制器。

并联串控制器PSC

并联的串控制器管理高达D个个体串控制器。再次地，D的数量来自用于实施系统的硬件的实际限制(但再次地，单一并联串控制器可管理少于D个的分组)。

$PSC\&lsqb;1\&rsqb;\left[\begin{array}{c}SC\&lsqb;1\&rsqb;\&lsqb;\&rsqb;\\ SC\&lsqb;2\&rsqb;\&lsqb;\&rsqb;\\ .\\ .\\ .\\ SC\&lsqb;D\&rsqb;\&lsqb;\&rsqb;\end{array}\right]$

矩阵5：在D个串控制器上面管理的单一并联串控制器

协调器CD

协调器控制E个并联串控制器。

矩阵5：协调器控制多达E个并联串控制器。

直到该管理层级为止，每一渐增的管理层级已与管理的电池组的物理特性对应。例如，分组控制器管理能源模块的物理分组。串控制器管理几个物理分组以形成能源模块的串联串(作为备选，如果单串中具有太多能源模块，引入子串控制器以管理几个分组控制器，在该点，串控制器管理几个子串控制器而不是管理分组控制器)。并联串控制器进而管理几个物理的串控制器，其实质上是几个并联的物理串的管理。协调器将管理几个并联串控制器，其物理上为并联的能源模块串的几个分组。然而，在协调器管理层级之后，每一渐增的层级实质上控制其下的其它分组的分组。因此，协调器层级上面的管理层级用于限制将由最高管理层级看到的“直接报告”的量。物理上，这与所涉及的通信量和在特定通信总线上将看到多少吞吐量联系。

导控器层级1“D1”

导控器控制F个协调器。

导控器层级2“D2”

导控器控制G个导控器层级{1}。

·

·

·

导控器层级X“DX”

导控器控制Y个导控器层级{X-1}。

主控制器

在最上面为单一主控制器，其监测下面的至多Z个管理位置。每一应用具有单一主控制器。

-在仅具有A个电池单体的单一分组的小应用中，主控制器可能仅为分组控制器。

-主控制器也可仅为单一串控制器或单一并联串控制器等。

-实际上，主控制器可以是任何管理层级，假如其仅监测其下面的Z个“直接报告”(其中Z≥F,Z≥E,Z≥D,Z≥C,Z≥B,Z≥A)。

-如果多于Z个“直接报告”，则该数量的“直接报告”可在导控器层级之间再分。如果必要，可增加导控器层级的数量直到“直接报告”的数量可与单一主控制器联系为止。

为精确地确定健康状态、寿命状态和充电状态，需要给定能源模块的内部储能装置的参数及储能装置的表现的准确模型。当使用电压作为确定储能装置如电池单体中的这些参数的唯一度量时，其可能因影响电压水平的许多因素而不准确，前述因素如温度、电池进出的电流消耗、老化、制造公差等。在本发明中，建模方法并非关键，及可采用任何数量的方法。建模方法的例子为美国专利7,489,107中描述的方法，其可用于对这些参数进行建模。模型的输入为电池温度、电池电压和电池电流消耗。模型的输出为早前提及的参数(健康状态、寿命状态和充电状态)。

此外，电压和电流的隔离测量对本发明很重要，但该系统允许可用于确定系统健康状态的其它补充测量。例如，可能检测内部出现气体因而膨胀的故障电池。这可通过温度测量、光纤和其它压力传感器、气体传感器及其它传感器进行，但这些传感器不必然必须隔离。另一方法可以是感测压力或来自故障电池的气体。图19示出了实时光学压力传感器。其使能高准确度地定位和隔离膨胀或鼓胀的电池。如图19中所示，光纤，其为玻璃(硅石)或塑料光纤并具有由具有较低折射率的透明覆层材料包围的透明纤芯，使光能传输并通过内部反射保持在纤芯中。前述光纤众所周知。单股光纤放在所有口袋电池和壳体容器的外壳之间，并形成贯穿整个组的连续环路。当压力施加到光纤时，如电池膨胀，该变化将导致通过这股光纤的信号的反射、波长和/或振幅变化。信号使用激光器或LED二极管产生，当其到达光缆端部时，使用光检测器检测。由于光纤信号的速度，该信号被实时接收和监测。基于光纤的长度，可能准确定位应变，其使用一般测量如温度、电压或电流并不总是可能做到。这将变换为关于电池内的膨胀和变形的实时数据，因此用作其健康状态的另外的指示。光学压力传感器和气体泄漏传感器对“纤芯交换功能”均不重要，但它们可用作整个控制系统的一部分。

因此，主控制器从储能装置测量结果(如电压和电流)及外部输入(如压力传感器、废气传感器和温度)进行切换决策。内部数据从能源模块、固件算法等实时获得，外部数据通过到其它传感器系统的直接连接或经外部通信接口如汽车工业的CAN端口或公用工业的SCADA接口提供。这样，使用另外的或外部的传感器系统和/或控制接口可有助于消除个别或多组电池单体或者在紧急情形下关闭系统的决策。因而，本发明可服务于任何电池，及本发明的控制系统可适应另外的传感器和/或其它外部源或控制系统进行决策。

图15示出了在能源模块组向负载放电时用于对其进行管理的算法的流程图。主控制器将与外部应用接口连接(例如高尔夫推车应用：主控制器将与油门踏板和开/关开关接口连接)。基于外部应用能量需求，主控制器将与其下面的管理层级(如并联串控制器、串控制器等)一起工作以确定能源模块组内的内部储能装置的状态。假定有足够能量用于应用运行，主控制器将继续与其下面的管理层级一起工作以配置最多带电的能源模块向应用输出能量。如果在任何时间任一分组控制器检测到过热(高于储能装置制造商推荐的额定温度)、过电压(高于推荐的电压)、或过电流(高于推荐从内部储能装置取得的电流)，将发出信号表明存在故障条件。控制器将一起工作以确保该不健康的特性(如温度或电压偏离储能装置运行的预期温度或电压)被绕过从而使应用能以其余功能能源模块继续。

只要有足够的具有足够存储的能量的能源模块可配置成满足应用需求，主控制器将使应用继续运行。在整个放电阶段期间，主控制器将尝试与下面的管理层级一起工作以确保用于应用的能量输出在能源模块之间均匀分布。这将确保能源模块随着应用运行将接近一样的能级。当所有能源模块的能级达到储能装置制造商确定的低限时，主控制器还可继续运行应用，但具有降低的性能。这在某些应用如具有低能量的高尔夫推车中是有利的。在该应用中，用户想要继续以降低的速度运行以使他/她能回到充电站。如果在不从内部储能装置过度取得能量(这将导致损害储能装置)的情形下应用不再能运行，主控制器将禁止应用直到充电源可对能源模块组再充电为止。

图16示出了在能源模块组从能源充电时用于对其进行管理的算法的流程图。与能源模块的放电类似，主控制器将与输入能源接口连接。主控制器将确定能源为AC还是DC及在AC输入情形下确定什么量值和相位或者在DC输入情形下仅确定量值。如果能源模块可配置成容纳进入的能源，主控制器将与其下面的管理层级一起工作以配置能源模块接受输入能源。

之后，主控制器将通过将输入能源切入配置的能源模块组而使能输入能源。主控制器和下面的管理层级将经常重配置能源模块以调节来自输入源的能量。主控制器和下面的管理层级将一起工作以确保进入的能量在能源模块内的健康内部储能装置之间均匀分布。这将继续，直到能源模块内的所有储能装置均被充电到制造商推荐的全电势为止。同样，在放电描述中提及的过热、过电压和过电流故障条件将以同样的方式检测和处理。如果能源模块被检测到具有出故障的内部储能装置，主控制器将尝试通过隔离和限制任何出故障的能源模块的使用而继续能源模块组的运行。

该系统基于与数模转换器一样的原理产生AC输出，其中各个电池单体被堆叠以产生正弦波输出。该过程的切换控制至关重要，因而导致软件算法很重要。电池单体通过切换和控制能源模块分组内的能源模块的配置进行连接。图17示出了EM-AP配置，示出了9个可能的输出水平，当定时和配置成输出适当电压时，其从能源模块分组的输出端子形成正弦波。在该图中所示的例子中，这利用4个储能装置进行，然而，任何数量的储能装置可用于增加正弦波的电压量值。显然，通过简单地控制开关的定时，正弦波也可具有所需频率。在该方法中，可变频率通过控制切换实现，从而可产生任何频率(即60Hz、50Hz等)。通过控制切换和根据所选储能装置的说明书仔细管理充电和放电过程，充电和放电可在不损害电池的情形下进行。这样，该方法可有助于标准化和认证。以前，一旦电源被认证，其不能改变。因而，本发明将减少对外部能量控制器如电动机控制器和逆变器的需要。由于改变频率和电压的能力，本发明可消除对电动机控制器或其它感应负载的需要、消除对外部充电器、充电站和或专用充电基础设施的需要、及可消除对充电控制装置的需要。

当前系统不容许非执行/故障电池。这意味着单一电池单体故障通常导致整个串断开连接，结果是失去系统功能，从而导致需要更换整个组。使用本发明，仅在软件中完全“换出”或不使用坏电池单体的能力是可能的。由于该能力，每一个体电池单体的寿命可延长，因此整个系统的寿命和可靠性增加。该系统还可从电池组排除有缺陷的电池并报告所有前述故障条件以进行适当的校正行动。这说明金字塔型切换结构用于电池管理的应用。

作为例子，考虑使用上面提及的具有9个电池的金字塔型系统。如果电池1处于100％充电状态，电池2处于88％，其余电池处于90％，则可控制使用“较低”电池的时间量。也就是说，包含具有较低充电状态的储能装置的能源模块将从电池组切出，且其利用少于具有较高电荷的储能装置的能源模块。这种情形继续，直到最低电荷的能源模块不再最低电荷为止。继续以这种方式运行将使应用的能量需求由最高电荷能源模块提供直到能源模块变成均衡为止。该均衡算法将每一储能装置的电压、温度、和工作电流取作输入并输出电池健康指数和可用能量。使用输出的信息，管理算法对电池排序并将它们纳入有组织的位置以使整个“电源”(电池组)的健康和寿命最大化。类似地，可添加另外的传感器以帮助核心控制和管理系统如气体监测、电池膨胀等。

图1示出了另外的隔离的开关15和16的选择，其在电池组中提供故障保护的方法以在故障之后使能电池组功能。图1中所示的电路由两个另外的机械开关组成，其用在需要另外的故障保护的应用中。在该配置中，任何能源模块可被完全去除，而仅使用电池组的其余部分。这些另外的开关从辅助电源供电且常闭(以降低功耗)。两个机械开关由与电池单体串联的开关和另一绕过整个倒相H桥的开关组成。这将确保在倒相H桥模块内的任何开关发生故障时，电池仍可被隔离并使给定串中连接的其余能源模块继续运行，直到出现故障的能源模块被处理为止。

本发明提供通信协议以使能动态可重配置的储能装置。如果随后的方法未被采用，前面提及的能力则不可能。定时是本发明功能的重要组成部分。例如，如果在单一电池单体断开的同时开关也被断开，全组电压将跨单一开关存在，因此导致系统故障。定时问题由先前详细描述的管理体系结构部分处理。在本系统内，将增加延时以滤及能源模块的增加。另外，定时闸门必须由主控制器采用以确保每一随后的控制器(导控器、协调器等)处于同一时间表并通信。协议将具有长和短包，其中长包传递重要信息，短包尽可能快地传递信息。

长包将按如下起作用：

主控制器

1、包的末尾

a、确保发送包时每一个均复位。

2、模块标识符

a、这是管理器给予模块的序号。

b、2字节。

3、长包代码

a、2-4字节

4、发送的字节数

a、1字节

5、日期/时间

a、4字节

b、这仅在电池具有RTC时重要

6、动作代码

a、读数据

b、写数据

c、报告状态

d、切断电池

e、切断模块

f、读临时文件

g、读电压

h、读电流

i、读SOC

j、复位同步计数

k、读同步计数

l、重新发送上一消息

7、用于动作代码的数据，如果有的话

8、校验和或散列

9、包的末尾

从

1、发送的字节数

a、1字节

2、确认动作代码

3、要报告的数据

4、校验和或散列

5、包的末尾

短包描述

主控制器

1、模块标识符

2、短包代码

a、1-2字节

3、短动作代码

a、切断电池

b、切断模块

c、切断组

d、设定新金字塔位置

e、有效金字塔位置

f、设定金字塔的电池数量

从

1、管理器标识符

2、短包代码

3、确认

a、收到和实施消息

b、收到消息但不能实施

动作代码描述

下面为所有“长”动作代码的列表及它们做什么：

-读数据-(0x01)：该代码将请求从主控制器到模块的数据以请求信息。这预留用于一般数据。

-写数据-(0x02)：如果在模块上发现一般数据不正确，则主控制器可改变或校正数据。

-报告状态-(0x03)：这将按主控制器的请求给出模块的当前状态报告。

a、返回代码

b、全部均OK

c、具有低电池

d、不能产生所需电压

e、具有坏电池

-切断电池-(0x04)：这将给予主控制器去除个别电池的能力。这应留给串决定，因为模块具有所有信息。这预留用于紧急情况。

-切断模块-(0x05)：这是切断串信号。这用于紧急情况或当需要关闭串时。在紧急情况时最好使用短代码以使其更快关闭。

-读临时文件-(0x06)：从串获得临时文件。这可由主控制器用于报告及仅在紧急情况时起作用。

-读电压-(0x07)：读串的全电压。这可在粗略估计多少电池应分配给串以获得组电压时由主控制器使用。

-读电流-(0x08)：获得串放电电流。这可以也可不实施。整个系统可在主控制器层级(充电层级)或串层级具有电流读数。

-读SOC-(0x09)：给予串SOC。这将帮助主控制器向模块“加载”正确量的电池以达到所需电压。

-复位同步计数-(0x0A)：所有串将保持当前同步计数的计数器。主控制器可针对特殊情形复位同步计数。

-读同步计数-(0x0B)：这给予主控制器查看串的当前同步计数的能力以确保它们正确地同步。

-重新发送上一传送-(0x0F)：如果校验和或散列不一致，则主控制器可请求另一响应。

下面为所有“短”动作代码的列表及它们做什么。短动作代码意为可以低延时传递的快包：

-切断电池-(0x04)：这将给予主控制器切断(停止使用)个别电池的能力。这应留给模块决定，因为串具有所有信息。这预留用于紧急情况。

-切断模块-(0x05)：这是切断串信号。这用于紧急情况或当需要关闭特定串时。

-切断组-(0x0C)：该代码将广播给参与线路上的所有串以切断每一串。

-设定新金字塔位置-(0x0D)：告诉串它们处于金字塔的什么位置。

-有效金字塔位置-(0x0E)：这将返回串的有效位置以确认模块处于金字塔中的正确位置。

-设定金字塔电池数-(0x10)：这将告诉能源串，金字塔中多少电池将有效。例如，如果该电池数为2，则模块中的11个电池一次至多2个接通。

-动作计数-(0x11)：这是将来在同步计数等于动作计数时新配置将变成的同步计数。

-删除动作计数-(0x12)：这将删除先前的动作计数，当前配置将不进行改变。

从一电池组产生多个可变DC源或多相AC源的方法

图18示出了本发明应用于产生多个可变DC源或多相AC源。为通过本发明产生多个可变DC源，选择一串能源模块内的中点，该点之后建立为接地点。该接地点的右边，模块可从+Vdc_A变化到-Vdc_A，而左边可从+Vdc_C切换到–Vdc_C以从公共参考点建立多个可变DC源。在接地点上面和下面，分别获得下述电压：+Vdc_B到–Vdc_B、+Vdc_D到–Vdc_D。在不损失一般性的情形下，可能使Vd_A的量值与Vdc_B、Vdc_C或Vdc_D的量值相同或不同。

该方法的示例应用包括：

a、每一轮上具有直接电动机驱动的四轮汽车，每一轮通过该硬件配置独立驱动。

b、具有多种不同电压需求的任何系统。

c、为产生三相AC源，Vss可用作中性线，Va、Vb和Vc中的能源模块可进行控制以产生在每一AC信号之间具有所需相位偏移的AC正弦波。

利用故障-安全方法及另外的具有能源模块组的局部储能装置的应用例子

作为例子，取五个能源模块串联连接的串作为图2所示的升级版。在该例子中，假定每一能源模块具有锂电池用于其内部储能装置。在该例子中，每一能源模块具有另外的局部储能装置和图6中提供的电路。简单地，每一能源模块的局部储能装置为电容器。如果能源模块内的锂电池运行正常并具有足够高的存储电荷，其将把能量转移给电容器。计算装置如微控制器向每一能源模块提供两个隔离的控制信号以按需改变每一模块的输出配置。假定每一锂电池继续正常运行并具有足够高的电荷，开关驱动电路可继续适当地运行。然而，如果锂电池之一发生故障从而阻止足够的能量经二极管通路传给该能源模块对应的电容器，则能源模块的电力开关将失去其适当的偏置。如果开关的适当偏置未适当地满足，将不可实现电力开关的可靠控制。这是为什么通过隔离将能量从微控制器传给能源模块的局部储能装置有利的原因。这将使电力开关在某些类型的内部储能装置故障出现时能进行控制。在该例子中，如果串联连接的能源模块的锂电池之一发生故障，没有另外的局部储能装置可用于向开关驱动电路供电，则该特定能源模块不能被放入旁路配置。如果出现这种情况，整串能源模块将在故障电池处中断，在整个能源模块串输出端子(图2中每一端上的输出端子)处得不到输出。除了能够在故障电池情形下继续电力开关的操作之外，在某些应用中还可能需要另外的故障隔离(如具有固有安全故障安全规格的应用例如军事和医疗应用，或者具有可能经历热击穿的电池化学的应用)。在该例子中，故障电池的完全隔离可通过提供与内部储能装置串联连接的常闭机械开关实现，如图1中所示。在电池故障的情形下，串联连接的开关可通过管理微控制器迫使断开以隔离电池。其代价是有另外的功耗，但将使故障电池完全去除。如果故障电池经串联连接的常闭机械开关隔离和去除，发生故障的能源模块可使用两个选择之一绕过。第一选择是按如上所述继续利用局部供电的电力开关将发生故障的能源模块配置为绕过状态。第二选择，与能源模块并联的常开机械开关(在图1的底部)可代替第一选择或用作冗余以确保发生故障的能源模块被绕过。再次地，与串联连接的常闭机械开关情形一样，采用该第二机械开关的代价也是具有另外的功耗。

具有能源模块的OEM应用的另一例子

高尔夫推车可由电池供电。该能源假定为从120Vac源或36Vdc太阳电池板充电及额定用于36V电动机运行的机载能源。使用串联连接的一组60个能源模块，及能源模块内的内部储能装置为标称3.3V的电池单体。如果60个能源模块中的52个经适当的开关配置串联连接，可获得的最大标称电压为171.6V。另外8个能源模块用作在电池单体处于坏健康状态时的冗余，及在提到均衡电池单体的充电状态时使能更大的灵活性。52个能源模块的标称值使分组能直接连接到标准120VrmsAC插座，使用图17中所示的每一能源模块的适当切换(同一概念的缩小版)，它们可直接从AC源充电。用于管理这60个能源模块的体系结构在下面的描述中给出。

能源模块被再分为5个分组(每一分组具有12个能源模块)，每一分组用一个分组控制器管理。按12个分组是任意的，为分组控制器设计的电路在该分组控制器管理多少能源模块方面将具有实际限制。在任何情形下，在该例子中，有12个能源模块由单一分组控制器管理。每一分组控制器将知道其管理的每一能源模块内的储能装置的状况和充电状态。单一串控制器进而将管理5个分组控制器。串控制器将询问分组控制器关于每一能源模块的信息。串控制器将管理进入和输出的能量将从哪里传送及传到哪一分组控制器的能源模块。在该管理结构上面是主控制器，其将与串控制器直接交互。主控制器将向串控制器提供从外部源进入的能量或输出能量需求的信息。充电和放电过程的更深度的描述在下面部分提供。

当处于充电模式时，主控制器将监测可用能量的输入能源端子。其将确定该源是AC源还是DC源并采样电压量值。一旦主控制器确定输入源的类型，其将开始与串控制器交互，串控制器进而与分组控制器交互，以应用适当的算法将电荷分布到各个能源模块。这些算法的总目标是将每一储能装置充电到其最佳充电水平。这通过监测每一储能装置的充电状态、其健康水平(即电池的电压和温度在可接受的范围内)及监测输入能源目前的电压量值进行。考虑该信息，主控制器将命令串控制器产生某一配置以容纳输入能源。串控制器进而将请求分组控制器管理其自身的能源模块(通过命令每一能源模块为绕过、正极性或负极性)并验证请求成功。这种情况重复，直到能源模块已内部充电其储能装置为止。

当处于放电模式时，主控制器将与多种不同的命令信号交互，即，制动信号(应用或不应用)、油门踏板(与油门踏板下沉多远相关联的模拟信号)、正向或反向开关(指所希望的高尔夫推车方向)。当主控制器确定油门踏板踩下时，其将检查方向。然后根据油门踏板被踩下多少，主控制器将请求串控制器串联连接足够的能源模块并经开关引导该能量以驱动电动机。能源模块连接的极性取决于方向开关(例如如果方向为正向，能源模块将正连接，如果方向为向后，它们将负连接)。连接的能源模块的数量将取决于油门踏板被踩下多远。串控制器将选择最高电荷的能源模块产生驱动电动机的所需电压。主控制器将请求串控制器仅施加约0V到36V范围的电压。在该请求提供给串控制器之后，串控制器将与分组控制器交互以确定哪些电池可提供所需输出。请求将在分组控制器和串控制器之间进行，串控制器将通知主控制器所请求的命令成功。如果串控制器未在预定时间量内答复，主控制器将尝试询问串控制器可能的故障以能够向用户提供可能的故障/错误条件(如发生故障的储能装置、低电荷、高温等)。

提供下面的一组充电例子以说明用本发明充电的灵活性。对于这些充电例子，使用下面的并联能源模块配置：

该例子基于两个并联连接的、串联连接的能源模块的分组，如图20中所示，每一串包含一般数量即n个能源模块。尽管EM-IH系统将被讨论，但这也将应用于EM-AP系统。不管能源模块配置的类型如何，该系统将用上面讨论的控制层次进行控制。图20示出了2个另外的用于串联连接的能源模块的两个分组的开关，每一端上各一个，记为201。这些另外的开关使可控制器能控制每一并联的串到总配置输出202和203的连接。

用AC源充电

充电源可以是AC源或DC源。在AC源的情形下，主装置可置为AC充电模式，其将检测AC源的量值并控制能源模块匹配及从AC源充电。如上所述，可采用各个能源模块的脉宽调制以跟踪输入AC源，这使该体系结构能控制进入能源模块分组的充电电流。这是假定能源模块的数量n足够大以匹配AC源的最大电压量值的情形。

用固定DC源充电

在固定DC输入充电源的情形下，该源可以是固定DC充电装置(如商用锂电池充电器)。主机可置为使其能检测DC源的量值的模式。一旦其检测到来自DC源的最大电压是多少，其可确定一次可充电的串联连接的能源模块的最大数量。之后，在该例子中，将在每一并联的能源模块串中选择最大数量的串联连接的能源模块。之后，两组将经并联连接开关并联连接。之后，主机可以循环方式改变能源模块组，基于充电状态和健康状态按需互换能源模块，以优化能源模块的充电。

用变化的DC源充电

在可变DC源如来自太阳电池板或风轮机的情形下，主机可置为使能改变DC源的充电电压以使进入的电流最大化的模式。实际上，通过使电流和电压最大化，还实现最大可用功率。这在行业中也称为“最大功率点跟踪”或“匹配输入源的特性阻抗”。通常，最大功率点跟踪通过使用控制电路完成，其改变DC-DC切换转换器中的占空因数以使太阳电池板与电池组匹配。通过将给定数量的串联连接的能源模块连接到输入DC源然后测量串联串进入的电流和电压，主机可确定该数量的能源模块的功率。之后，简单地通过增大或减小该数量及重复电流和电压测量，主机可比较每一多个串联连接的能源模块处的可用功率。主机可以这种方式继续搜索以找到进入的功率最高的数量。非必须地，为增加找到最大功率运行点电压的分辨率，主机可开始PWM各个能源模块以使输入DC源在两个能源模块之间的电压之间运行。这是用本发明实现固有的最大功率点跟踪的新方法。

从无线充电系统充电

本发明可另外与多种无线充电系统一起应用，包括感应、谐振感应和无线电频率(RF)。在该应用中，本发明可与无线功率接收器的功率转换级(如二极管整流器或充电泵)交互，或者作为备选，可与前述系统的设计集成，与能量收获装置(如加载的线圈或天线)直接交互。与先前部分的用“变化的DC源”充电的情形非常类似，能源模块分组可动态重配置整个分组的串联电压并确定源的电流，再次地，使工作功率点最大化。这在与RF或感应充电系统交互时至关重要。

从另一串联连接的能源模块串分组充电

两个独立的、串联连接的能源模块串的分组可连接，就像它们如图20中所示并联连接一样。为了讨论，一个能源模块串联连接的串记为串1，及另一串记为串2。假定串1中的一个或多个储能装置的组合具有高于串2中的任何个体储能装置的电势，能量可从串1传到串2，反之亦然。实际例子可以是两个电动汽车中的电池系统，二者均包含本发明，在两个电池系统之一运行到能量低时可交换能量。每一电池系统中的主机可置为使两个系统之间能协作交换能量的模式。主机将简单地需要能量交换方向。由于本发明的灵活性质，两个系统不需要具有一样数量的能源模块或一样大小的储能装置。每一系统可修改串联连接的能源模块的数量以执行交换。这公开了在两个基于能源模块的系统之间交换能量的概念，然而，这也可用两个以上基于能源模块的系统同时进行。

尽管本发明已结合特定例子和实施方式详细描述，在此包含的例子和实施方式仅为说明性及并非穷尽的罗列。本领域技术人员将容易对本发明进行变化和修改。本发明包括所有前述修改及等同方案。权利要求独自用于限制本发明。

Claims (20)

1.一种可重配置的储能系统，包括：

一个或多个能源模块，其包括：

多个彼此互相连接的电路，每一电路具有

至少两个输入/输出端子，其可用作输入或输出端子；

具有正端子和负端子的储能单元，任何一个储能单元可插入在输入/输出端子之间；

具有2n+2个开关的开关模块，其中n为1或以上并基于两个输入/输出端子之间连接的储能单元的数量，其中所述开关模块提供串联和/或旁路连通性并使能颠倒所述储能装置中的极性的能力；及

控制单元，其监测所述能源模块中的所述储能单元的运行状态并控制开关以在根据所述运行状态与多个电路连接时绕过、串联连接储能单元、和/或改变所述储能单元的极性，其中所述控制单元从所述储能单元确定可用在所述多个电路中的多个储能单元。

2.根据权利要求1所述的可重配置的储能系统，其中所述开关模块包括至少四个开关并基于倒相H桥。

3.根据权利要求1所述的可重配置的储能系统，其中所述控制单元监测所述储能系统的充电状态、健康状态、寿命状态和故障预测。

4.根据权利要求1所述的可重配置的储能系统，其中所述控制单元监测关于所述储能系统的充电状态、健康状态、寿命状态和故障预测的信息并在所述系统充电或放电时采用所述信息区分所述储能单元的使用次序并平衡所述储能系统内的多个储能单元的充电状态。

5.根据权利要求1所述的可重配置的储能系统，其中每一储能电池分组由安排成满足电压输出要求的一串储能单元组成。

6.根据权利要求1所述的可重配置的储能系统，其中所述控制单元接收特定输出的电压输出要求并配置所述多个储能电路中的所述开关模块以形成输出满足所述电压输出要求的电压的电路结构。

7.根据权利要求1所述的可重配置的储能系统，其中辅助电源可从所述可重配置的储能系统得到以向控制电路、监测电路及其它固定电压装置供电。

8.根据权利要求1所述的可重配置的储能系统，其中所述开关模块基于倒相H桥设计，及在有一个以上能源模块时，开关的数量将为4n，其中n为能源模块的数量。

9.根据权利要求1所述的可重配置的储能系统，其中所述储能单元选自下组：电池单体、储能电池、燃料电池及电容器。

10.根据权利要求1所述的可重配置的储能系统，其中所述储能单元为可再充电系统。

11.根据权利要求1所述的可重配置的储能系统，其中所述开关模块基于具有2n+2个开关的交替极性电路，其中n为储能单元的数量。

12.根据权利要求1所述的可重配置的储能系统，其中所述开关模块基于具有2n+2个开关的交替极性电路，其中n为储能单元的数量，有两个以上储能单元，相邻储能单元安排成具有相反极性。

13.根据权利要求1所述的可重配置的储能系统，其中所述控制单元配置所述多个储能电路中的所述开关模块，其通过确定满足电压输出要求所需要的安排成串联的多个储能单元并从可用的多个储能单元确定可安排成彼此并联的多个储能单元分组进行，其中每一储能电池分组由满足电压输出要求的安排成串联的一串储能单元组成。

14.根据权利要求1所述的可重配置的储能系统，其中所述控制单元接收多个并联电池分组并配置所述多个储能电路中的开关模块以形成电路结构，其使该电路结构中被绕过的可用储能单元的数量最小化。

15.根据权利要求1所述的可重配置的储能系统，其中所述控制单元通过控制多个开关以隔离发生故障的电池而检测和隔离故障，其中所述故障可由检测到或预测的极值引起，包括温度、电压、电流、充电状态、健康状态、寿命状态、电池膨胀、废气排放、或者所述控制系统知道的短路或断路情形。

16.一种电源管理系统，包括根据权利要求1所述的可重配置的储能系统，及其中所述控制系统检测充电源并安排多个电池以容纳充电，其中所述充电源可以是交流或直流种类，包括在电压范围的一个或多个相，所述电压范围跨越从单一储能单元的相当电压到串联连接的储能单元的电压的和。

17.一种电源管理系统，包括根据权利要求1所述的可重配置的储能系统，及其中所述控制系统检测负载并配置多个电池以顺应负载需求，其可以是交流或直流型，包括在电压范围的一个或多个相，所述电压范围跨越从单一储能单元的相当电压到串联连接的储能单元的电压的和。

18.一种电源管理系统，包括根据权利要求1所述的可重配置的储能系统，及其中充电源选自下组：由多个电压和相组成的电网电力系统、包括风力、太阳能、热电或核电的备用能源、或者包括感应、谐振感应或无线电频率的其它无线充电源。

19.一种电源管理系统，包括根据权利要求1所述的可重配置的储能系统，及其中所述负载选自下组：涉及使用蓄电池组的包括多个电动汽车、电网和备用存储单元的应用、航空应用、便携设备、及消费者电子装置。

20.根据权利要求1所述的可重配置电池系统，连接到一个或多个其它根据权利要求1所述的可重配置电池系统，其中每一系统的控制单元使能每一系统之间的协作能量交换。