用于管理基于双向转换器的电池模块的方法和系统与流程

本公开一般地涉及管理能源。更具体地，本公开涉及用于管理基于双向转换器的电池模块的方法和系统。

背景技术：

运输制冷系统(trs)通常用于控制运输单元(例如，集装箱(例如，平车上的集装箱、联运集装箱等)、卡车、厢式车、半拖车、公共汽车或其他类似运输单元)内的环境条件(例如，温度、湿度、空气质量等)。在一些实施例中，运输单元可以包括多个区域，并且trs可以是多区域trs(mtrs)，所述多区域被配置为向运输单元内的多个区域中的每一个区域都提供独立的气候控制。在一些实施例中，运输单元可以包括加热、通风和空气调节(hvac)系统。卡车和/或运输单元可以包括车辆电气系统(例如，参见美国专利no.8,441,228，其描述了车辆电气系统)。车辆电气系统可以向卡车和/或运输单元的电气负载提供电力，和/或对卡车和/或运输单元的电池进行充电或放电。

技术实现要素：

本公开一般地涉及管理能源。更具体地，本公开涉及用于管理基于双向转换器的电池模块的方法和系统。

特别地，这里描述的实施例可以管理和平衡多个能源，包括车辆电气系统中的电池。也就是说，这里描述的实施例可以通过例如双向转换器协调多个能源的切换。因此，可以提高电力传输效率，可以减少脉动电流管理部件，可以减少电磁干扰(emi)缓和项目，并因此可以降低系统成本(包括用于脉动电流(如果有的话)的电容成本(能量存储)和/或emi缓和部件的成本)。

在一个实施例中，提供了一种用于车辆电气系统的基于双向转换器的电池模块控制方法。该方法包括监控多个智能充电模块(scm)。多个智能充电模块中的每一个都可以包括双向转换器和多个电气开关。多个电气开关中的每一个都可以连接到电池模块并控制电池模块。该方法还包括监控来自车辆电气系统的负载。该方法还包括确定多个智能充电模块中的每一个的操作模式。该方法还包括确定多个智能充电模块的同步样式。同步样式是用于定相电流消耗以使得多个智能充电模块中的每一个的电流消耗彼此不重叠的样式。此外，该方法包括多个智能充电模块基于同步样式将电力引导到负载。

在另一个实施例中，提供了一种用于车辆电气系统的基于双向转换器的电池模块控制系统。控制系统包括用于操作车辆电气系统的至少一个负载。控制系统还包括多个智能充电模块。控制系统还包括控制器。控制器被配置为监控多个智能充电模块。控制器还被配置成监控来自车辆电气系统的至少一个负载。控制器还被配置为确定多个智能充电模块中的每一个的操作模式。控制器还被配置为确定多个智能充电模块的同步样式。多个智能充电模块被配置为基于同步样式将电力引导到至少一个负载。多个智能充电模块中的每一个可以包括双向转换器和多个电气开关。多个电气开关中的每一个都可以连接到电池模块并控制电池模块。

在又一个实施例中，提供了一种运输单元。运输单元包括车辆电气系统。车辆电气系统包括基于双向转换器的电池模块控制系统。控制系统包括用于操作车辆电气系统的至少一个负载。控制系统还包括多个智能充电模块。控制系统还包括控制器。控制器被配置为监控多个智能充电模块。控制器还被配置成监控来自车辆电气系统的至少一个负载。控制器还被配置为确定多个智能充电模块中的每一个的操作模式。控制器还被配置为确定多个智能充电模块的同步样式。多个智能充电模块被配置为基于同步样式将电力引导到至少一个负载。车辆电气系统可以包括向至少一个负载和多个智能充电模块供电的电源。

通过考虑以下详细描述和附图，其他特征和方面将变得显而易见。

附图说明

参考形成本公开的一部分的附图，其中所述附图示出了可以实施的在说明书中描述的系统和方法的实施例。

图1a示出了根据一个实施例的具有多温运输制冷系统的冷藏/冷冻运输单元的示意性横截面侧视图；

图1b示出了根据一个实施例的具有辅助电力单元(apu)的车辆的透视图；

图1c示出了根据一个实施例的辅助电力单元(apu)的前视图；

图1d示出了根据一个实施例的具有车辆供电的运输制冷单元的卡车的侧视图；

图2示出了根据一个实施例的气候控制系统的车辆电气系统的一个实施例的示意性框图；

图3示出了根据一个实施例的电力管理单元的智能充电模块的一个实施例的示意性框图；

图4示出了根据一个实施例的不连续dc格式的智能充电模块的dc电流消耗和系统总线上的智能充电模块的电流消耗；

图5是示出根据一个实施例的用于管理用于车辆电气系统的基于双向转换器的电池模块的方法的流程图；以及

图6示出了根据一个实施例的具有不同脉冲宽度的不连续dc格式的智能充电模块的dc电流消耗。

在整个附图中，相同的附图标记表示相同的部件。

具体实施方式

本公开一般地涉及管理能源。更具体地，本公开涉及用于管理基于双向转换器的电池模块的方法和系统。

具体地，这里描述的实施例可以管理和平衡多种能源，所述多种能源包括车辆电气系统中的电池。也就是说，这里描述的实施例可以通过例如双向转换器协调多种能源的切换。因此，可以提高电力传输效率，可以减少脉动电流管理部件，可以减少emi缓和项目，并因此可以降低系统成本(包括用于脉动电流(如果有的话)的电容成本(能量存储)和/或emi缓和部件的成本)。

这里描述的实施例例如可以在诸如用于运输单元(tu)的trs或mtrs、用于车辆的hvac系统等的气候控制系统中被提供。

图1a示出了用于tu125的mtrs100的一个实施例，其中tu125可以例如由拖拉机(未示出)牵引。mtrs100包括运输制冷单元(tru)110，所述运输制冷单元在tu125的内部空间150内提供环境控制(例如，温度、湿度、空气质量等)。mtrs100还包括mtrs控制器170和一个或多个传感器(例如，霍尔效应传感器、电流传感器等)(参见图2)，所述一个或多个传感器被配置为测量mtrs100的一个或多个参数(例如，环境温度、压缩机吸气压力、压缩机排气压力、供气温度、回风温度、湿度等)，并将参数数据通信给mtrs控制器170。mtrs100由电源模块112供电。tru110设置在tu125的前壁130上。在其他实施例中，应当理解，tru110可以例如设置在tu125的顶板126或另一个壁上。

图1a中所示的tu125是拖车单元。然而，应当理解，本文描述的实施例不限于卡车和拖车单元，而是可以应用于任何其他类型的运输单元，包括但不限于集装箱(例如，平板车上的集装箱、联运集装箱等)、卡车、厢式车或其他类似的运输单元。

可编程mtrs控制器170可以包括单个集成控制单元，或者可以包括trs控制元件的分布式网络。给定网络中的分布式控制元件的数量可以取决于本文描述的原理的具体应用。mtrs控制器170被配置为控制mtrs100的操作。

如图1a所示，电力模块112设置在tru110中。在其他实施例中，电力模块112可以与tru110分离。此外，在一些实施例中，电力模块112可以包括设置在tru110内部或外部的两个或更多个不同的电源。在一些实施例中，电力模块112可以包括原动机、电池、交流发电机、发电机、太阳能电池板、燃料电池等中的一个或多个。此外，原动机可以是内燃机，例如双速发动机、变速发动机等。电力模块112可以向例如mtrs控制器170、压缩机(未示出)、多个dc部件(未示出)、电力管理单元(参见图2)等提供电力。dc部件可以是mtrs100的需要dc电力来操作的配件或部件。dc部件的示例可以包括例如用于冷凝器风扇或蒸发器鼓风机的dc风扇电机(一个或多个)(例如，电动换向电机(ecm)、无刷dc电机(bldc)等)、燃料泵、排水管加热器、电磁阀(例如，控制器脉冲控制阀)等。

电力模块112可以包括用于向多个dc部件(未示出)提供dc电力的dc电源(未示出)、电力管理单元(参见图2)等。dc电源可以例如从岸电电源(例如，公用电力等)，与发电机(例如，带驱动的交流发电机)耦合的原动机(例如，柴油发动机等)接收机械和/或电力。例如，在一些实施例中，由柴油发动机产生的机械能通过发电机转换成电能。然后，经由皮带驱动的交流发电机产生的电能经由例如双向转换器被转换成dc电力。双向转换器可以是双向多电池电压转换器。

内部空间150可以被分成多个区域152。术语“区域”表示通过壁175分隔开的内部空间150的区域的一部分。应当理解，本文公开的发明也可以用于单个区域trs。

在一些实施例中，用于tu125的mtrs100可以包括加热、通风、空气调节和/或制冷系统(hvacr)。在一些实施例中，hvacr可以由辅助电力单元(apu，参见图1b和1c)供电。当tu125的主原动机关闭时诸如，例如，当驾驶员将tu125停放一段延长的休息时间时，apu可以被操作。apu可以提供例如操作辅助hvacr单元的电力以向tu125的车厢提供经调节的空气。apu还可以提供操作车厢内的车厢配件(例如，电视、微波炉、咖啡机、冰箱等)的电力。apu可以是机械驱动的apu(例如，原动机驱动的)或电驱动的apu(例如，电池驱动的)。

拖拉机包括用于向拖拉机、mtrs100和/或tu125的电气负载供应电力的车辆电气系统(参见图2)。

图1b示出了根据一个实施例的车辆10。车辆10是半拖拉机，所述半拖拉机用于将储存在货舱(例如，集装箱、拖车等)中的货物运输到一个或多个目的地。在下文中，术语“车辆”应该用于表示所有这种拖拉机和卡车，并且不应该被解释为将本发明的应用仅限于拖拉机-拖车组合中的拖拉机。在一些实施例中，车辆10可以是例如单体货车、箱式货车等。

车辆10包括主动力源20、限定睡眠部30和驾驶部35的车厢25、apu40和多个车辆配件45(例如，电子通信装置、车厢灯、辅助hvac系统、辅助hvac风扇、用于车辆10的窗户/挡风玻璃的遮阳板等)。车厢25可以通过驾驶员侧门(未示出)和乘客侧门32进入。车厢25可以包括主hvac系统(未示出)和辅助hvac系统(未示出)，所述主hvac系统可以配置成在驾驶部35并潜在地在整个车厢25内提供经调节的空气，所述辅助hvac系统用于在车厢25的睡眠部30内提供经调节的空气。车厢25还可以包括多个车厢配件(未示出)。车厢配件的示例可以包括例如用于车辆10的窗户/挡风玻璃的遮阳板、冰箱、电视机、视频游戏机、微波炉、设备充电站(一个或多个)、持续气道正压通气(cpap)机、咖啡机、用于向睡眠部30提供经调节的空气的辅助hvac系统。

主动力源20可以提供足够的电力来操作(例如，驱动)车辆10以及多个车辆配件45和车厢配件中的任一个。主动力源20还可以向主hvac系统和辅助hvac系统提供电力。在一些实施例中，主动力源可以是诸如柴油发动机的原动机。

当主动力源20不可用时，apu40是用于车辆10的辅助动力单元。例如，当主动力源20不可用时，apu40可以被配置为向车辆配件、车厢配件、主hvac系统和辅助hvac系统中的一个或多个提供电力。在一些实施例中，apu40可以是电动apu。在其他实施例中，apu40可以是原动机驱动的apu。apu40可以使用任何连接方法连接到车辆10。在一些实施例中，apu40可以由车辆10的乘员(例如，驾驶员或乘客)打开(即，启动)或关闭(即，停用)。apu40通常不提供足够电力来操作(例如，驾驶)车辆10。

图1c示出了根据一个实施例的可以与车辆(例如，图1b中所示的车辆10)一起使用的原动机驱动的apu140。apu140包括辅助原动机60，所述辅助原动机连接到皮带65以驱动辅助hvac系统55的交流发电机70和压缩机75。辅助原动机60与车辆的主动力源(例如，图1b中所示的车辆的主动力源20)分开。在一些实施例中，辅助原动机60可以是柴油发动机。交流发电机70可以将由apu140产生的电力提供给一个或多个车辆配件、车厢配件和主hvac系统。辅助hvac系统55可以将调节空气提供给车辆车厢的睡眠部(例如，图1b中所示的车厢25的睡眠部30)。在一些实施例中，apu140可以由车辆的乘员(例如，驾驶员或乘客)打开或关闭。例如，当车辆的主动力源关闭时，乘员可以打开apu140的原动机60以产生电力。

在一个实施例中，apu(例如，如图1b所示的apu40和/或如图1c所示的apu140)包括车辆电气系统(参见图2)。

图1d描绘了温度控制的单体卡车11，所述单体货车包括用于运载货物的经调节的装载空间12。tru14安装到装载空间12的前壁16。卡车11还包括驾驶室18，所述驾驶室容纳诸如柴油发动机的原动机21，所述原动机提供移动卡车11并操作tru14的动力。在一些实施例中，原动机21可以与可选的机器22(例如，交流发电机)组合工作。在一个实施例中，tru14包括车辆电气系统(参见图2)。

图2示出了车辆电气系统200的一个实施例的示意框图。车辆电气系统200可以被设置成例如向图1a所示的拖拉机、mtrs100和/或tu125的电气负载提供电力。车辆电气系统200还可以被设置成为apu的一部分(例如，图1b中所示的apu40和/或图1c中所示的apu140)以向连接到apu的一个或多个负载供应电力。此外，车辆电气系统200可以设置在图1d所示的tru14中以向tru14供应电力。

车辆电气系统200包括系统总线280。应当理解，车辆电气系统200的部件之间的公共连接(即，彼此电连通)通常可以称为车辆电气系统“总线”。车辆电气系统200还包括电力管理单元210。应当理解，在其他实施例中，车辆电气系统200可以包括两个或更多个电力管理单元210。车辆电气系统200还包括多个电气负载250、电源270和控制器260。电力管理单元210、多个电气负载250、电源270和控制器260连接到系统总线280并且彼此电连通。此外，车辆电气系统200包括连接到系统总线280的传感器240。应当理解，在其他实施例中，车辆电气系统200可以包括两个或更多个传感器240。

在一个实施例中，电源270可以是电源模块(例如，图1a中所示的电源模块112)。在一个实施例中，控制器260可以是mtrs控制器(例如，图1a中所示的mtrs控制器170)。

在一个实施例中，hvacr系统可以限定运输单元的示例性电气负载250。运输单元还可以包括其他电气负载(例如，车辆配件、灯、用于原动机的起动电机等)。通常，电气负载250具有与负载消耗相关的动力特性，其对应于为电气负载250充分供电所需的电功率。此外，运输单元上的电池的充电可以构成另一种类型的负载。在一个实施例中，多个电气负载250还可以包括图1a中描述的一个或多个dc组件。

在一个实施例中，电力管理单元210包括多个智能充电模块(scm)230,231和232、传感器240和单元主控制器220。智能充电模块230,231,232中的每一个都连接到系统总线280，并且被配置为对电池模块(一个或多个)进行充电或放电。多个智能充电模块230,231,232中的每一个都包括双向转换器(参见图3)。关于双向转换器的一些实施例的详细描述可以在例如美国专利no.8,441,228、美国专利no.8,541,905、美国专利no.9,199,543和美国专利no.9,102,241中获得，这些专利中的每一个都通过引用整体并入本文。应当理解，在一些实施例中，车辆电气系统200可以仅包括单个智能充电模块。

传感器240可以被配置为感测/读取来自系统总线280的电流和/或电压。应当理解，在一些实施例中，传感器240不是电力管理单元210的一部分，而是车辆电气系统200的一部分，以使得电力管理单元210与车辆电气系统200的传感器240通信。在一个实施例中，传感器240可以是霍尔效应传感器、电流传感器等。

电力管理单元210还包括单元主控制器220，所述单元主控制器被配置为与智能充电模块230,231,232和传感器240通信并对智能充电模块230,231,232和传感器240进行控制。电力管理单元210可以从智能充电模块230,231,232提供电力(通过例如将与智能充电模块230,231,232相关联的电池模块放电)给电气负载(例如，电气负载250)。电力管理单元210还可以协调从电源(例如，电源270)到智能充电模块230,231,232的电力(以对与智能充电模块230,231,232相关联的电池模块充电)。从智能充电模块230,231,232提供的电力或提供给智能充电模块230,231,232的电力的定时(协调)可以由控制器220控制。在一个实施例中，电力管理单元210的单元主控制器220和车辆电气系统200的控制器260可以是一个单独的控制器。

图3示出了电力管理单元(例如，图2中所示的电力管理单元210)的智能充电模块300的一个实施例的示意框图。智能充电模块300包括双向转换器330。智能充电模块300还包括多个电气开关310,311和312。电气开关310,311和312中的每一个都分别连接到相应的电池模块340,341和342(或与所述相应的电池模块340,341和342断开连接)。

在一个实施例中，多个电气开关310,311和312可以是电池继电器、电子开关等。在一个实施例中，电子开关310,311和312可以是例如半导体(固态)开关(例如，smartfet型开关)。smartfet型开关可以是具有智能内置特征(例如，诊断和保护能力)的场效应晶体管(fet)开关。在一个实施例中，电池模块340,341和342中的一个或多个可以是用于在车辆不运行时为配件(例如灯和/或hvacr)供电的辅助电池。在一个实施例中，多个电气开关310,311和312被配置为选择性地仅将电池模块340,341和342中的一个连接到双向转换器330，以使得在任何给定时间，仅电池模块340,341和342中的一个连接到双向转换器330。控制器(例如，图2中所示的单元主控制器220)可以被配置成控制多个电气开关310,311，312，以选择性地仅将电池模块340,341和342中的一个连接到双向转换器330。

应当理解，在一些实施例中，多个电气开关310,311和312可以被配置为选择性地将电池模块340,341和342中多于一个的电池模块连接到双向转换器330。还将应当理解，多个电气开关310,311和312可以是单个电池继电器或单个电子开关，所述单个电池继电器或单个电子开关可以被配置为将多个电池模块340,341和342中的一个或多个选择性地连接到双向转换器330。

双向转换器330可以连接到车辆电气系统(例如，图2中所示的车辆电气系统200)的系统总线，以使得所选择的电池模块(一个或多个)340,341和342可以将电力输送到车辆电气系统的电气负载(例如，图2中所示的电气负载250)或者可以被其他电源充电。控制器(例如，图2中所示的单元主控制器220)可以控制/切换双向转换器330的多个开关(未示出)，以控制双向转换器330何时何地引导电流(例如，在放电模式下从所选择的电池模块到电气负载，或者在充电模式下从其他电源到所选择的电池模块)。

应当理解，当多个电池模块340,341和342正在充电时，多个电池模块340,341和342可以被认为是车辆电气系统的电气负载。还应当理解，智能充电模块300的多个电池模块340,341,342可以对另一个智能充电模块的电池模块充电(即，将电力输送给另一个智能充电模块的电池模块)，反之亦然，以平衡存储在每一个智能充电模块的电池模块(一个或多个)中的电力/能量。还应当理解，可以组合/选择不同智能充电模块的电池模块(一个或多个)，直到总电力输送容量(例如，在给定电压(例如12伏)下以峰值安培测量)足以提供车辆电气系统的电力需求。基于负载消耗，不同智能充电模块的所选的电池模块可以为车辆电气系统的电气负载提供足够的电力。

通常，不同智能充电模块的所选的电池模块在充电阶段期间从另一个电源接收电力，并且在放电阶段期间将电力释放到车辆电气系统的电气负载。当例如电源(例如，图2中所示的电源270)正在向车辆的车辆电气系统输入电力时可能会发生充电阶段，并且当例如电源不向车辆的车辆电气系统输入电力时(例如，当原动机停止且岸电不可用时)可能会发生放电阶段。

智能充电模块300的双向转换器330可以在电源(例如，图2中所示的电源270)与所选择的电池模块340,341和342之间传输电力/能量。双向转换器330也被称为双向多电池电压转换器。双向转换器330可以包括控制电路(未示出)。控制电路可以选择性地给多个电气开关310,311和312中的一个或多个通电，以将所选择的电池模块340,341和342与双向转换器330连接。

智能充电模块300可以以三种模式之一操作：充电模式、放电模式和空模式。当处于充电模式时，智能充电模块300可以使用电源(例如，图2中所示的电源270)给电池模块340,341和342中的一个或多个充电。当处于放电模式时，智能充电模块300可以将电力从电池模块340,341和342中的一个或多个输送到电气负载(例如，图2中所示的电气负载250)。智能充电模块300还可以在空模式下操作，在该空模式下，在电池模块340,341和342中的任何一个与车辆电气系统的其余部分之间将没有电流流动。在空模式中，电池模块340,341和342中没有一个被选择。

在充电模式中，智能充电模块300可以用作三阶段(大容量充电阶段、吸收充电阶段和浮动充电阶段)充电器。这里使用的阶段(stage)也可以被称为模式(mode)。在大容量充电阶段，智能充电模块300可以提供固定电流以快速地将电池模块340,341,342中的一个或多个再充电到部分充电点。在大容量充电阶段，充电电流保持近似恒定，而充电电压上升。当要被充电的电池模块340,341,342(一个或多个)相对耗尽时，可以使用大容量充电阶段。

在吸收充电阶段，电压保持恒定，而智能充电模块300向正在被充电的电池模块340,341,342提供不同水平的电流。在吸收充电阶段，充电电流减小，而充电电压被保持在恒定的升高水平。吸收充电阶段可以用于完成对要充电的电池模块(一个或多个)340,341,342的充电。

在浮动充电阶段，监控正在被再充电的电池模块(一个或多个)的电池电压，并且智能充电模块300根据需要对电池模块(一个或多个)进行再充电，以将电池模块(一个或多个)340,341,342保持在预定的电压范围。在浮动充电阶段，充电电压和电流两者都保持恒定。浮动充电阶段可以用于将要被充电的电池模块(一个或多个)340,341,342的电池充电维持在延长的时间段。

使用多阶段充电方法可以快速地为电池模块再充电，同时保持最长的电池寿命。智能充电模块300操作模式和/或阶段可以由控制器(例如，图2中所示的单元主控制器220)确定。智能充电模块操作模式/阶段的改变可以指示负载变化。例如，当智能充电模块300从大容量充电阶段切换到吸收充电阶段(或反之亦然)时，由于双向转换器330在不同模式/阶段的变化负载，可能会发生负载变化。

智能充电模块300可以经由控制电路(所述控制电路可以包括从与电池模块(一个或多个)340,341,342相关联的电压传感器和/或电流传感器获得读数的微控制器)确定多个电池模块340,341和342(一个或多个)的充电状态，并确定多个电池模块340,341和342的用于对电池模块进行充电或放电的选择顺序。电池模块的充电状态可以指示电池模块被充满电、部分充电/放电、或完全放电。例如，最低充电状态可以指示电池模块最需要充电，而最高充电状态可以指示电池模块可以在最短的时间段内充满电。选择顺序(将电池模块(一个或多个)340,341,342连接到双向转换器330的顺序)指示要选择哪个电池模块(即，连接到双向转换器330的电池模块)以及何时选择。例如，在充电期间，如果电池模块340被充满电，则智能充电模块300可以使与电池模块340相关联的电气开关310断电并且给与电池模块341或342相关联的电气开关311,342中的一个或两个提供电力以对电池模块341,342中的一个或两个充电。

控制器(例如，图2中所示的单元主控制器220)可以基于诸如平衡电池模块的充电状态的其他标准来超控智能充电模块300的操作(以使得电池模块可以被均匀地充电或放电)或通过防止深度放电来最大化电池寿命。平衡电池模块的充电/放电还可以最大化电池模块的储能容量。如果电池模块的充电/放电不平衡，则电池模块的储能容量和电池模块的电池寿命可能会丧失。当一个电池(或子单元/电池)变得比其他电池弱并且主导充电/放电周期时，损失可能会进一步恶化。

在一个实施例中，均匀地对电池模块进行充电(或放电)(即，平衡充电/放电)意味着每一个电池都在充电时接收大约相同的电流量(或者在放电时给出大约相同的电流量)。例如，即使电池模块340没有被充满电，控制器也可以切换以给电池模块341或342充电。另一个例子是在放电模式中，智能充电模块300可以被设置首先给与电池模块341相关联的电气开关310通电，从而连接电池模块340以首先放电。如果控制器确定电池模块340具有比电池模块341或342更长的放电历史(例如，在过去预定的时间段内，电池模块340被放电的频率(或容量百分比等)大于电池模块341或342的频率(或容量百分比等))，控制器可以超控智能充电模块300并选择电池模块341或342以首先放电。智能充电模块300和/或控制器可以通过附加的电池模块切换标准被编程，例如，对电池模块进行放大的电流限制(例如，可以从电池模块汲取的最大电流)。电流限制可以保护电池模块340,341,342免于过度放电速率并且可以促进电池模块340,341,342之间的电流共享。

在操作中，控制器(例如，图2中所示的单元主控制器220)可以管理和/或平衡电池模块340,341和/或342，以改善车辆电气系统的能量管理。这例如在存在有限量的可用电能的全部或部分电气系统中是有用的。

控制器(例如，图2中所示的单元主控制器220)可以将双向转换器330接通(启用)以从车辆电气系统的系统总线汲取电流或关闭(禁用)以防止双向转换器330汲取电流。例如，当双向转换器330被接通时，在充电模式中，双向转换器330可以将来自一个或多个电源的电流引导到多个电池模块340,341,342中的所选电池模块。当双向转换器330被接通时，在放电模式中，双向转换器330可以将电流从多个电池模块340,341,342中的所选电池模块引导到一个或多个电气负载(例如，图2中所示的电气负载250)。当双向转换器330被关闭时，在电池模块和系统总线之间没有电流经双向转换器330流动。

取决于控制器何时接通(启用)或关闭(禁用)双向转换器，双向转换器330可以以特定间隔用作不连续直流(dc)电气负载和直流电流。如本文所使用的，不连续dc格式的dc电力是指保持恒定极性但电压和/或电流可以随时间变化的dc电力。在一些实施例中，不连续dc格式的dc电流可以是周期性的。例如，不连续dc格式的dc电力可以具有其极性不反转的周期性方形波形、周期性三角形波形等。在一些实施例中，不连续dc格式的dc电流可以是可变的。

如果电流消耗(以不连续的dc格式)在多个双向转换器之间同步(也被称为同相)，则同步双向转换器的电流消耗可以累积并引起峰值电力浪涌。这些峰值电力浪涌也可能会导致电磁(em)辐射增加、系统的效率降低且性能下降。对于电磁干扰(emi)，当切换多个双向转换器时，可能会产生emi。当多个双向转换器的切换以相同的同相频率发生时，可以进一步增加emi。

图4示出了不连续dc格式的多个智能充电模块(多个scm中的每一个都可以类似于图3中所示的智能充电模块300)的dc电流汲取波形以及车辆电气系统(例如，图2中所示的车辆电气系统200)的系统总线上的多个智能充电模块的电流汲取波形。在一个实施例中，时钟(即，智能充电模块可以汲取电流的周期性顺序的频率)可以是57khz。在一个实施例中，智能充电模块的周期性频率可以低于8mhz。在图4中，智能充电模块a和智能充电模块c被切换以同相地(大约在同一时间)吸收电流。智能充电模块b被切换以与智能充电模块a和/或智能充电模块c异相地汲取电流。在这样的实施例中，智能充电模块a可以向电气负载a(未示出)提供电力，智能充电模块b可以向电气负载b(未示出)提供电力，而智能充电模块c可以向电气负载c(未示出)提供电力。应当理解，负载a、b和/或c可以是相同的电气负载或不同的电气负载。

异相意味着一个智能充电模块在另一个智能充电模块停止汲取电流之前不会开始汲取电流。在一个智能充电模块停止汲取电流与另一个智能充电模块开始汲取电流之间可能存在间隔或没有间隔。在系统总线上，智能充电模块a、b和c的电流消耗波形表明智能充电模块a和智能充电模块c的电流消耗相加在一起。应当理解，在系统总线上，由于智能充电模块的双向转换器的电感，电流消耗波形是三角形脉冲。智能充电模块a和智能充电模块c的电流消耗的加和可能会导致脉动电流并在系统总线上产生噪声。

智能充电模块c*表明智能充电模块c的电流消耗波形(通过控制器)被协调以与智能充电模块a和/或智能充电模块b异相。在系统总线上，由于智能充电模块c的电流消耗波形被控制器移位到智能充电模块c*的电流消耗波形，因此智能充电模块a、b和c*的电流消耗波形不会相加在一起。在这样的实施例中，智能充电模块c汲取电流的时间(参见图5的时隙描述)被延迟(成为智能充电模块c*的时间，在智能充电模块a和智能充电模块b之间)。当智能充电模块c*(即，具有移位电流汲取波形的智能充电模块c)被供电时，负载(智能充电模块c将电力提供给所述负载)以相同的方式(例如，相同的速度)操作。在系统总线上，从智能充电模块a、b和c*汲取的电流比从智能充电模块a、b和c汲取的电流更均匀。

当电压随时间变化(dv/dt)时，系统总线上可能会出现尖峰。该变化可以发射可能对车辆电气系统的其他部件有害的em能量。如果尖峰堆叠在彼此之上，例如，当智能充电模块中的每一个的双向转换器被同时切换时，em能量发射可以增加到可能够会增加损坏车辆电气系统的其他部件的可能性的水平。电流可以表示辐射的能量的量，因此如果峰值电流降低，则可以降低em能量发射。

这里描述的实施例可以协调智能充电模块的双向转换器的切换以在不同时间汲取电流，以使得可以降低由智能充电模块汲取的峰值总电流，并且可以最小化从系统总线上的智能充电模块的双向转换器产生的切换噪声。这里描述的实施例可以降低系统成本并实现更理想的系统性能。协调电力切换可以降低管理脉动电流和em发射的成本，并提高车辆电气系统的可以靠性和性能。这里描述的实施例可以通过减少脉动管理部件来提高电力传输效率、降低系统成本，并且减少emi缓和项目。这里描述的实施例可以确保从系统总线上的每一个智能充电模块汲取的电流在系统总线上的所有智能充电模块之间被协调，以确保低脉动电流。

这里描述的实施例可以在多个智能充电模块中协调和调度切换事件以最小化脉动电流。因此，可以最小化脉动电流(如果有的话)的容量(能量存储)。由于脉动电流减小，如果连接到系统总线，被协调的电流消耗可以最小化所需的滤波。这种最小化还有助于满足电磁兼容性法规和/或通过emi测试。

当电流传感器检测(通过感测系统总线上的电流)到同相切换时，这里描述的实施例可以协调电流消耗并管理智能充电模块的双向转换器的切换以优化能量管理。

图5是示出用于管理用于车辆电气系统的用于改进能量管理的基于双向转换器的电池模块的方法500的流程图。

方法500开始于510处，在510处，控制器(例如，图2中所示的单元主控制器220)监控电力管理单元(例如，图2的电力管理单元210)的多个智能充电模块(例如，图3的智能充电模块1，2...n)。在一个实施例中，多个智能充电模块的监控包括控制器与多个智能充电模块中的每一个建立通信。当每一个智能充电模块登录到车辆电气系统(或打开)时，执行程序并且控制器建立与智能充电模块的通信。

控制器和智能充电模块之间的通信可以通过控制器局部网(can)进行。can是一种基于消息的协议，该协议被设计成为允许微控制器和装置在没有主机的情况下在应用程序中相互通信。每一个智能充电模块都具有唯一标识符(例如，序列号)。控制器可以向can的节点(例如，智能充电模块等)发送全局消息(例如，全局登录请求)并请求节点进行回复。can通信可以是自仲裁的(例如，关于哪个消息具有比其他消息更高的优先级)，或者可以设计仲裁方案以确保每一个智能充电模块都有机会回复全局登录请求。

在全局登录请求之后，可以在控制器和每一个单独的智能充电模块之间启动登录程序。在登录程序期间，可以(例如，通过控制器)准许(例如，来自智能充电模块)加入网络(例如，can)的请求，并且可以由控制器设置智能充电模块参数。登录程序/过程可以由控制器执行。因此，控制器可以获得关于转换器/电池网络(例如，can)的数量和布置的信息。在控制器检测到通信丢失(例如，控制器不能从can的识别节点读取值)的情况下，则可以开始通过上面详述的相同的全局登录请求重新初始化can。

通过登录程序，控制器可以确定有多少个智能充电模块连接到车辆电气系统并且可以基于连接到车辆电气系统的智能充电模块的数量来确定车辆电气系统的拓扑。车辆电气系统的拓扑结构是车辆电气系统的布置，包括构成车辆电气系统的部件和部件之间的连接。然后，方法500进行到520。

在520处，控制器监控从车辆电气系统汲取电力的负载(例如，图2中所示的电气负载250)。例如，控制器可以监控负载的状态(例如，负载开启或关闭、负载的速度、负载的容量等)，并确定何时向负载提供电流消耗和/或将多少电流消耗提供给负载。应当理解，电池模块(一个或多个)可以是当在充电模式时的负载。当控制器监控负载时，控制器还可以监控来自负载的电流需求。然后，方法500进行到530。

在530处，控制器确定智能充电模块中的每一个的操作模式。操作模式可以例如是充电模式、放电模式和空模式之一。例如，如果控制器确定电力/电流应被提供给负载，则控制器可以确定智能充电模块中的至少一个处于放电模式。如果控制器检测到电源(例如，岸电)连接到电力管理单元，则控制器可以确定智能充电模块中的至少一个处于充电模式。如果没有来自电气负载的电力/电流请求，和/或没有外部电源(或者没有来自电池模块的充电需求)，则控制器可以确定智能充电模块中的至少一个处于空模式。充电模式可以包括大容量充电模式/阶段、吸收充电模式/阶段和浮动充电模式/阶段。应当理解，操作模式的改变可以指示负载变化。然后，方法500进行到540。

在540处，控制器基于在520和530处获得的信息确定智能充电模块的同步样式，以使得控制器可以切换和控制智能充电模块以汲取电流(从另一个电源到选定的电池模块或从选定的电池模块到电气负载)。在一个实施例中，控制器确定智能充电模块的同步样式可以是例如确定何时第一智能充电模块开始汲取电流以及何时第一智能充电模块停止汲取电流。在这样的实施例中，控制器还可以确定何时第二智能充电模块开始汲取电流以及何时第二智能充电模块停止汲取电流，等等。智能充电模块的同步样式是用于对智能充电模块的电流消耗进行定相以使得智能充电模块中的每一个的电流消耗不重叠(例如，第二智能充电模块不会开始汲取电流直到第一智能充电模块停止汲取电流时或之后)的样式。智能充电模块的同步样式可以确保每一个智能充电模块的电流消耗中的峰值彼此相位隔开，以减小和/或消除电流消耗中的峰值(例如，脉动电流)。在一个实施例中，控制器确定智能充电模块的同步样式可以是在不同时间启用(接通)和/或禁用(关闭)每一个智能充电模块。

在一个实施例中，确定智能充电模块的同步样式可以包括控制器确定对应于多个智能充电模块的多个时隙。基于智能充电模块的拓扑，控制器可以基于时钟(例如，57khz时钟)确定在周期性序列的一个周期中可以有多少个时隙可以用。然后，控制器可以基于拓扑和负载，和/或基于用于电流消耗的优先级或其他标准之类的信息，诸如电流限制、放电历史、平衡充电状态、和/或通过防止深度放电来最大化电池寿命，将每一个时隙分配给每一个智能充电模块。

控制器可以发送周期性消息(例如，节拍器消息)以与智能充电模块通信关于时隙的分配。周期性消息可以分别包括智能充电模块的标识(id)和分配给id的时隙。周期性消息可以通过控制器局部网(can)从控制器发送到智能充电模块，所述控制器局部网具有比非控制消息(可以通过例如系统总线发送)更高的优先级。使用周期性消息的一个优点是当发生负载变化时，或者当电流传感器检测到同相电流消耗时，控制器可以更新时隙的分配并且快速地与智能充电模块通信关于新的分配。使用周期性消息的另一个优点是，由于通过控制器已知车辆电气系统的拓扑结构，因此控制器可以最大化智能充电模块中的每一个在周期性序列中的每一个周期中可以进行的电流消耗，而不需要考虑操作的变化。例如，由于控制器知道车辆电气系统中有多少个智能充电模块，因此控制器可以将连续数量的时隙分配给第一智能充电模块，将另一连续数量的时隙分配给第二智能充电模块，依此类推。智能充电模块可以被配置为仅在分配给智能充电模块的时隙处汲取电流。智能充电模块可以被配置为在分配给其他智能充电模块的时隙处不汲取电流。当被分配连续数量的时隙时，智能充电模块可以在这些时隙期间连续地汲取电流，且不会在每一个时隙中改变操作(例如，从汲取电流变到停止汲取电流或反之亦然)。

在另一个实施例中，确定智能充电模块的同步样式可以包括控制器为智能充电模块中的每一个分配序列号以控制智能充电模块的开始顺序。智能充电模块的开始顺序可以指示智能充电模块中的每一个何时开始分别汲取电流。序列号可以基于智能充电模块登录程序。当智能充电模块登录时，可以将一值分配给智能充电模块。该值可以确定智能充电模块何时被切换到汲取电流的顺序。例如，当第一智能充电模块登录时，可以将值1(例如，通过控制器)分配给第一智能充电模块，并且可以第一个(例如，在周期性序列的周期中的第一时隙时)切换第一智能充电模块。当第二智能充电模块登录时，可以将值2分配给第二智能充电模块，并且可以第二个(例如，在周期性序列的周期中的第二时隙时)切换智能充电模块。如果没有其他智能充电模块，则在第二智能充电模块停止汲取电流之后，可以再次(例如，在周期性序列的周期中的第三时隙时)切换第一智能充电模块。控制器可以使用启动序列来设置开关以基于序列号切换智能充电模块。使用如此处所述的较少的周期性启动序列的一个优点是可以防止频繁的重新同步(其可能会导致更多的通信消息的开销)。

然后，方法500进行到550。在550处，智能充电模块基于同步样式将电力引导到负载。在一个实施例中，切换智能充电模块并且切换的开始定时可以是在不同的间隔处(例如，在分配给智能充电模块的时隙处)。在另一个实施例中，可以基于控制器设置的开始顺序，顺序地切换智能充电模块。然后方法500返回到510。

图6示出了具有不同脉冲宽度的不连续dc格式的智能充电模块的dc电流消耗。在一个实施例中，当存在来自负载的电流需求时，控制器可以打开所有可用的智能充电模块。例如，当有两个智能充电模块可用时，每一个智能充电模块可以为一半负载提供电力。

在一个实施例中，智能充电模块的所选电池模块的充电状态可以变化。因此，每一个智能充电模块的电流消耗的脉冲持续时间(即，脉冲宽度)可以根据在智能充电模块的所选电池模块处可用的电压/电力或基于负载而不同。所选择的电池模块可能比其他电池模块变得被深度耗尽，或者与其他电池模块(一个或多个)被选择时相比，当选择该电池时负载可能很大。深度耗尽的电池模块(或电池)可能需要更多的电流(意味着比被过充的电池模块更长的脉冲宽度)。被过充(morecharged)的电池模块比未充满(lesscharged)的电池模块(一个或多个)需要更少的电流并且具有更小/更短的脉冲宽度。控制器被配置为选择一组智能充电模块(或其对应的电池模块)以最大化周期性序列的周期中的时隙的使用。例如，如果深度耗尽的电池模块的脉冲宽度是周期性序列的周期的75％，而被过充的电池模块的脉冲宽度是周期的25％，则选择两个深度耗尽的电池模块可能导致电池模块的脉冲宽度重叠从而产生脉动电流。选择一个深度耗尽的电池模块和一个被过充的电池模块可以有助于确保连续的dc电流消耗并最小化峰值电力。在这样的示例中，如果选择两个深度耗尽的电池模块，则脉动电流将是不可避免的。在这样的示例中，如果选择两个被过充的电池模块，则可能不会最大化周期性序列的周期中的时隙的使用。

控制器可以基于智能充电模块的可变脉冲宽度主动协调双向转换器以最小化峰值电力浪涌。例如，可以使用周期性消息(例如节拍器消息)来执行智能充电模块的协调。例如，控制器可以将周期性序列的周期分成100个时隙，为智能充电模块1分配50个连续时隙(例如，被深度耗尽并需要更多的电流)，为智能充电模块2(其可以例如比智能充电模块1更多地充电)分配20个连续时隙，为智能充电模块3分配20个连续时隙等，以最大化时隙的使用并优化系统。

在图6中，智能充电模块1具有比智能充电模块2长的脉冲宽度。智能充电模块2*示出了在应用上述同步样式之后智能充电模块2的电流消耗。

上述实施例可以通过应用同步样式以协调多个智能充电模块来防止脉动电流的发生。在一些实施例中，当发生脉动电流的产生时，控制器可以被配置为更新同步样式以减小脉动电流。例如，当车辆电气系统的负载变化时，可能发生脉动电流的产生。智能充电模块的操作模式改变也可能会导致负载变化。在一个实施例中，电流传感器可以感测车辆电气系统的系统总线上的电流。当控制器基于系统总线上的感测电流确定负载变化时，控制器可以为智能充电模块确定新的同步样式。然后，智能充电模块可以基于新的同步样式将电力引导到负载。如果控制器确定没有发生负载变化，则同步样式可以保持不变并且不会被更新。

应当理解，控制器可以发出全局重置，所述全局重置同时重置所有设备(例如，智能充电模块)。默认情况下，控制器切换智能充电模块的时钟是同相的(即，同时)。全局重置有助于确保每一个智能充电模块可以在同一时间或几乎同时吸收电流。然后，控制器可以建立同步样式以减小脉动电流。

方面：

应理解，方面1-7，8-10和11-12中的任一方面可以组合。

方面1.一种用于车辆电气系统的基于双向转换器的电池模块控制方法，该方法包括：

监控多个智能充电模块(scm)以建立与所述多个智能充电模块中的每一个的通信；

监控来自所述车辆电气系统的负载；

确定所述多个智能充电模块中的每一个的操作模式；

基于所述负载和所述操作模式确定所述多个智能充电模块的同步样式；和

基于所述同步样式，所述多个智能充电模块中的一个或多个将电力引导到所述负载。

方面2.根据方面1所述的基于双向转换器的电池模块控制方法，其中，监控多个智能充电模块(智能充电模块)以建立与所述多个智能充电模块中的每一个的通信包括：

确定所述多个智能充电模块的拓扑，

其中确定所述多个智能充电模块的同步样式包括：

确定对应于所述多个智能充电模块的多个时隙；

基于所述拓扑和所述负载将所述多个时隙中的每一个分配给所述多个智能充电模块中的每一个；和

与所述多个智能充电模块中的每一个周期性地通信所述多个时隙的分配。

方面3.根据方面1所述的基于双向转换器的电池模块控制方法，其中，确定所述多个智能充电模块的同步样式包括向所述多个智能充电模块中的每一个分配序列号以控制所述多个智能充电模块的开始顺序。

方面4.根据方面1所述的基于双向转换器的电池模块控制方法，其中，确定所述多个智能充电模块的同步样式包括：

确定所述多个智能充电模块中的每一个的充电状态；

基于所述充电状态确定所述多个智能充电模块中的每一个的脉冲宽度值；

基于所述多个智能充电模块中的每一个的脉冲宽度值确定多个时隙；和

为所述多个智能充电模块中的每一个分配多个时隙中的时隙。

方面5.根据方面1-4中任一个所述的基于双向转换器的电池模块控制方法，其中，所述同步样式是用于定相电流消耗以使得所述多个智能充电模块中的每一个的电流消耗不重叠的样式。

方面6.根据方面1-5中任一个所述的基于双向转换器的电池模块控制方法，还包括：

电流传感器感测所述车辆电气系统的系统总线上的电流；

控制器监控由所述电流传感器检测到的电流；和

所述控制器基于监控的电流确定负载变化，并且当所述控制器确定负载变化时：

控制器为所述多个智能充电模块确定新的同步样式；和

所述多个智能充电模块基于所述新的同步样式将电力引导到所述负载。

方面7.根据方面1-5中任一项所述的基于双向转换器的电池模块控制方法，还包括基于所述操作模式的变化确定负载变化，

其中所述操作模式包括充电模式和放电模式，所述充电模式包括大容量充电模式、吸收充电模式和浮动充电模式。

方面8.一种用于车辆电气系统的基于双向转换器的电池模块控制系统，所述基于双向转换器的电池模块控制系统包括：

至少一个负载；

多个智能充电模块(智能充电模块)；和

控制器，所述控制器被配置为：

监控所述多个智能充电模块；

监控来自所述车辆电气系统的所述至少一个负载；

确定所述多个智能充电模块中的每一个的操作模式；和

确定所述多个智能充电模块的同步样式，

其中，所述多个智能充电模块被配置为基于所述同步样式将电力引导到所述至少一个负载。

方面9.根据方面8所述的基于双向转换器的电池模块控制系统，其中，所述多个智能充电模块中的每一个都包括：

双向转换器；和

多个电气开关。

方面10.根据方面8或9所述的基于双向转换器的电池模块控制系统，还包括：

电流传感器，所述电流传感器被配置为感测所述车辆电气系统的系统总线上的电流，

其中所述控制器被配置为监控由所述电流传感器感测的电流，所述控制器被配置为基于监控的电流确定负载变化，并且当所述控制器确定负载变化时：

所述控制器被配置为确定用于所述多个智能充电模块的新的同步样式；以及

所述多个智能充电模块被配置为基于所述新的同步样式将电力引导到所述负载。

方面11.一种运输单元，包括：

具有基于双向转换器的电池模块控制系统的车辆电气系统，

其中所述基于双向转换器的电池模块控制系统包括：

至少一个负载；

多个智能充电模块(scm)；和

控制器，所述控制器被配置为：

监控所述多个智能充电模块；

监控来自所述车辆电气系统的所述至少一个负载；

确定所述多个智能充电模块中的每一个的操作模式；和

基于所述负载和所述操作模式确定所述多个智能充电模块的同步样式，

其中，所述多个智能充电模块被配置为基于所述同步样式将电力引导到所述至少一个负载。

方面12.根据方面11所述的运输单元，其中，所述车辆电气系统包括向所述至少一个负载和所述多个智能充电模块供电的电源。

本说明书中使用的术语旨在描述特定实施例，而不是限制性的。除非另有明确说明，否则术语“一”，“一个”和“该”也包括复数形式。当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件。

关于前面的描述，应该理解的是，在不脱离本公开的范围的情况下，可以进行细节上的改变，尤其是在所采用的结构材料和部件的形状、尺寸和布置方面。本说明书和所描述的实施例仅是示例性的，本公开的真实范围和精神由所附权利要求指示。