动态管理电源和电负载之间的电力的配置和方法与流程

背景技术：

用于从各种不可再生能源以及从各种可再生能源向各种电感性负载和/或电阻性负载和/或电容性负载供应交流(ac)和直流(dc)电力的供电系统是众所周知的，其中，不可再生能源在内燃发电机、涡轮发电机、热电式发电机、燃料电池等中一般燃烧碳氢化合物燃料，可再生能源诸如为光伏电池、风力发电机、水力发电装置、生物质发电机、太阳能集热系统、地热系统等，电感性负载诸如为用于荧光灯或汽弧照明的马达和镇流器，电阻性负载诸如为普通灯丝灯泡，电容性负载诸如为电容性马达起动器。由于光伏电池和风力发电机例如依赖于例如阳光或风的能量源的不可预测的可用性，因此这样的可再生能源一般会在不确定的可变时间以不受控的频率或电压水平产生不可预测、不可控的ac或dc电力。因此，使用这样的能源的供电系统一般会随时间把能量收集且存储在dc电池组中，然后在需要时将所存储的dc电力直接应用到负载，并且一般作为独立系统操作。电池组为供电系统提供了备用能量储存器。

尽管已知供电系统一般可满足于其期望目的，但效率低下。如上所述，电力供应不稳定且易变，这是因为电源中的一个或更多个不总是可用，且即使可用，也不总是以其额定标称功率状态或最经济状态工作。另外，随着一个或更多个负载被连上或断连以及在负载正常操作期间，各种负载的装载情况是变化的。上述电池组用来补偿这种变化的电力和负载情况，但是给电池组充电和再充电花费相当多时间，从而降低了系统效率。在对于哪个可用电源以及从这种可用电源的每个中将多少电力分配和递送给需要这种电力的一个或更多个负载没有管理或管理差的情况下，尤其是当在电力和负载情况变化时需要有利地快速执行所有这些动作时，系统效率降低。更高的效率是一个经济和节约的双重目标。

技术实现要素：

简言之，本发明的一方面在于一种用于动态且高效地管理供应电力的一个或更多个电源以及消耗电力的一个或更多个电负载之间的电力的配置。电源可以包括诸如ac电网或馈电干线等的任何交流(ac)源、任何直流(dc)源或任何组合ac/dc源。电源可以包括例如在发电机、涡轮发电机、热电式发电机、燃料电池等中一般燃烧碳氢化合物燃料的任何不可再生能源，或诸如光伏电池、风力发电机、水力发电装置、生物质发电机、太阳能集热系统、地热系统等的任何可再生能源。负载可以包括诸如用于荧光灯或汽弧照明的马达和镇流器等的任何电感性负载，和/或诸如普通灯丝灯泡等的电阻性负载，和/或诸如电容性马达起动器等的任何电容性负载。

该配置包括连接到各电源的输入端子、连接到各负载的输出端子、以及连接到各输入端子和各输出端子的多个监视节点。多个电力存储单元在输入和输出端子之间连接。如下所述，各单元能够存储来自至少一个电源的电力，且能够将存储的电力放电到至少一个负载。优选地，各单元自身包括电容器或电池和电容器的并行组合，用于存储来自至少一个电源的dc电压且将存储的dc电压放电到至少一个负载。有利地，这样的单元各自用作电压调节器和滤波器、可再充电且具有极低的内部电阻从而以高于95％的高能量存储效率快速再充电。单元优选地结构上相同且可彼此互换。单元中的至少一个配置在基础层中。

该配置还包括多个可控开关，该多个可控开关连接到单元且具有用于使得各开关能够在开关状态之间切换的控制输入。有利地，各开关是具有栅极、基极或触发器作为控制输入的晶体管。各开关例如可以是固态开关或诸如继电器等的其等同物，固态开关诸如场效应晶体管(fet)(特别是hexfet或mosfet或flipfet)、绝缘栅极双极晶体管(igbt)、或可控硅整流器(scr)等。多个二极管也连接在该配置中以控制在输入端子和输出端子之间流动的dc电流的方向。二极管阻断该配置中dc电流沿着不希望路径的流动。开关中的至少一个和单元中的另一个共同配置在开关层中。

该配置还包括程序化的控制系统，其包括针对各层的从控制器和可操作地连接到各从控制器的主控制器。控制系统可操作用于在各电源和各负载工作期间对监视节点处的诸如工作电压等的工作状态进行动态监视，且用于响应于所监视的工作状态在开关的控制输入处选择性动态控制开关，从而以不同的电路拓扑将单元互连。控制系统使得处于开关状态中的一个(如闭合状态)的各单元能够存储来自至少一个电源的电压，且使得处于开关状态中的另一个(如打开状态)的各单元能够将存储的电压放电到至少一个负载。

控制系统有利地访问具有与存储的电路拓扑相对应的数据的存储器或查找表，并且响应于监视的工作状态检索上述数据。例如，在一些不同的拓扑中，所有单元以串联和/或并联和/或串并联的方式彼此连接，以充电和/或放电；且在其它不同的拓扑中，选择个别的单元来充电和/或放电。各种拓扑可以在一个或多个步骤中同时实施或按序实施。

该配置，也称作模块，包括上述基础层以及一个或多个上述开关层。模块可以具有任意数目的开关层，且因此模块是易于张缩的。这不仅降低了成本，而且使得可以针对特定应用按期望选择分辨率或开关层的数目。开关层可以配置在相互垂直的平面中。例如，一个或更多个开关层可以在两个维度中互连，且位于水平平面或x-y平面中，且一个或更多个另外的开关层可以在第三维度中互连且位于垂直平面或z平面中，从而大大增加了控制器能够选择的可用电路拓扑数目。另外，该配置是对称的，这是因为上述输入端子以及上述输出端子可以位于该配置的右侧或左侧，从而使得外部源或外部负载能够在该配置的任一侧被连接。

本发明的另一方面在于，一种动态管理各电源和各电负载之间的电力的方法。该方法通过以下步骤来执行：将各输入端子连接到各电源，将各输出端子连接到各电负载，将监视节点连接到各输入端子和输出端子，在输入和输出端子中连接电力存储单元，各单元能够存储来自至少一个电源的电力且能够将所存储的电力放电到至少一个电负载，将单元中的一个配置在基础层中，将可控开关连接到单元，各开关具有使得开关能够在开关状态之间切换的控制输入，将开关中的至少一个和单元中的另一个配置在开关层中，在各电源和各电负载的工作期间，使用针对各层的从控制器和可操作连接到各从控制器的主控制器来对监视节点处的工作状态进行动态监视，响应于所监视的工作状态而通过控制器的操作在控制输入处选择性动态控制开关从而以不同的电路拓扑将单元互连，使得处于开关状态中的一个状态的各单元存储来自至少一个电源的电力，且使得处于开关状态中的另一个状态的各单元将存储的电力放电到至少一个电负载。

在所附权利要求中具体阐述了被视为本发明特征的新颖特征。然而，本发明自身在其构造和其操作方法方面连同其另外的目的和优点，将从以下结合附图解读的实施例的描述中得到最佳理解。

附图说明

图1是根据本发明的用于对至少一个电源和至少一个电负载之间的电力进行动态管理配置的一个实施例的部分示意电路图。

图2是用于图1的配置的程序化的主控制器。

图3是图2的主控制器访问的查找表。

图4和图5一起包括根据本发明的配置的另一实施例的示意电路图。

图6是根据本发明的用于对至少一个电源和至少一个电负载之间的电力进行动态管理的配置的另一实施例的示意电路，且类似于图1，然而描绘了多个从控制器。

图7是描绘了主控制器如何连接到图6的实施例中的各从控制器的电路示意图。

具体实施方式

附图标记10总地标识用于动态且高效地管理提供电力的一个或更多个外部电源12、14和16以及一个或更多个消耗电力的外部电负载r1、r2和r3中的电力的配置。源可以包括诸如ac电力网或输电干线等的任何交流(ac)源14、任何直流(dc)源16或任何组合的ac/dc源12。源12、14和16可以包括例如在发电机、涡轮发电机、热电式发电机、燃料电池等中一般燃烧碳氢化合物燃料的任何不可再生能源，或诸如光伏电池、风力发电机、水力发电装置、生物质发电机、太阳能集热系统、地热系统等的任何可再生能源。尽管图1示出三个源，然而可以采用包括仅一个源的任何数目的源。负载可以包括诸如普通灯丝灯泡等的任何dc电阻性负载r1和r2、或诸如用于荧光灯或汽弧照明的马达和镇流器中的电感性负载、和/或诸如电容性马达起动器的电容性负载。尽管在图1中示出了三个负载，然而可以采用包括仅一个负载的任何数目的负载。

配置10包括：至少一个输入端子，且如图所示，包括连接到各源12、14和16的多个输入端子18、20和22(标为in1、in2和in3)；至少一个输出端子，且如图所示，包括连接到各负载r1、r2和17的多个输出端子24、26和28(标为out1、out2和out3)；以及多个监视节点n1、n2、n3、n4、n5、n6、n7、n8和n9，各节点经由电阻器r连接到输入端子和输出端子。如下所述，程序化的控制系统在源和负载工作期间动态监视监视节点处的例如工作电压的工作状态。在图1-5的实施例中，控制系统包括单个主控制器30(见图2)。在图6-7的实施例中，控制系统包括单个主控制器42和多个从控制器44、46和48(见图7)。图2的主控制器30具有分别连接到监视节点n1、n2、n3、n4、n5、n6、n7、n8和n9的输入引脚1-9。

多个二极管d1、d2、d6、d7、d11和d12也连接在配置10中以控制在输入和输出端子之间流动的dc电流的方向。二极管阻断沿不希望路径的dc电流的流动。监视节点n1、n4和n7分别连接到输入端子18、20和22。监视节点n3、n6和n9分别连接到输出端子24、26和28。二极管d1、d6和d11连接在监视节点对n1、n2，对n4、n5和对n7、n8之间。

多个电力存储单元32、34和36连接在输入端子和输出端子中。如下所述，各单元32、34和36能够存储来自至少一个源的电力且能够将存储的电力放电到至少一个负载。优选地，各单元32、34和36或电力体自身包括电容器，或电池(b1、b2和b3)与电容器(c1、c2和c3)的并行组合，用于存储来自至少一个源的dc电压且用于将存储的dc电压放电到至少一个负载。有利地，这样的单元各自(也标为b-cap1、b-cap2和b-cap3)用作电压调节器和滤波器、可再充电且具有极低的内部电阻用于以高于95％的能量存储高效率快速再充电。有利地，单元是电双层电容器，也称为超级电容(supercap或ultracap)。单元32、34和36优选地结构上相同且可彼此互换。

配置10还包括多个可控开关m1、m2、m3和m4，其连接到上述单元且具有使得各开关能够在打开和闭合开关状态之间切换的控制输入g1、g2、g3和g4。有利地，各开关是具有栅极、基极或触发器作为控制输入的晶体管。各开关可以例如是固态开关或诸如继电器等的其等同物，固态开关诸如场效应晶体管(fet)(特别是hexfet(如图所示)或mosfet或flipfet)、绝缘栅双极型晶体管(igbt)、或可控硅整流器(scr)等。开关m1跨单元32连接在输入端子18、20之间。开关m2跨单元32连接在输出端子24、26之间。开关m3跨单元34连接在输入端子20、22之间。开关m4跨单元34连接在输出端子26、28之间。

配置10还包括多个控制输入端子38、40(标为ina和inb)。具有一个分支中的二极管d4和开关ma以及另一个分支中的二极管d5和开关mb的并行组合跨端子38和26连接，且将单元32和34互连。具有一个分支中的二极管d9和开关mc以及另一个分支中的二极管d10和开关md的另一并行组合跨端子40和28连接，且将单元34和36互连。开关ma、mb、mc和md具有控制输入ga、gb、gc和gd。具有控制输入gx的另外的开关mx经由二极管d3连接在端子38和地之间。具有控制输入gy的另外的开关my经由二极管d8连接在端子40和地之间。

主控制器30如上所述在各源和各负载工作期间动态监视所有监视节点n1、n2、n3、n4、n5、n6、n7、n8和n9处的工作状态，例如工作电压。主控制器30检测这些节点中的一个或更多个节点处的电压，且确定例如特定源是否在供应电力，和/或特定负载是否在接收电力。主控制器30还响应于监视的工作状态，在下述开关的各个控制输入处选择性动态控制所有开关m1、m2、m3、m4、ma、mb、mc、md、mx和my从而以不同的电路拓扑互连单元32、34和36。控制器30具有分别连接到这些控制输入的输出引脚12-17和19-22。对引脚10提供dc电压。引脚11接地。引脚18保留。控制器30、单元32、34和36以及所有开关m1、m2、m3、m4、ma、mb、mc、md、mx和my都是dc装置。因此，采用ac-dc整流器13和15来将各个ac源12和14提供的ac电压转换成dc电压。类似地，在ac负载17处连接dc-ac逆变器19。

主控制器30使得处于开关状态之一诸如闭合状态下的各单元能够存储来自至少一个源的电压，并且使得处于开关状态中另一个诸如打开状态下的各单元能够将存储的电压放电到至少一个负载。主控制器30有利地访问具有与存储的电路拓扑对应的数据的存储器或查找表(见图3)，并且响应于监视的工作状态检索数据。例如，在一些不同的拓扑中，所有单元彼此串联和/或并联和/或串并联连接以进行充电和/或放电；且在其它不同拓扑中，选择个别单元来充电和/或放电。各个拓扑可以在单个或多个步骤中同时实施或按序实施。

更具体地，图3的表在顶行描绘了开关m1、m2、m3、m4、ma、mb、mc、md、mx和my。第一列指示单元是否被充电或放电。第二列指示拓扑。列和行交叉处的“x”表示特定开关被控制器30切换到闭合状态。列和行交叉处的“o”表示特定开关被控制器30切换到打开状态。

单元优选地以层来配置。单元中的一个诸如36优选地与二极管d11和d12以及与监视节点n7、n8和n9共同配置在基础层60中。单元中的另一个诸如34与开关m3、m4、mc、md和my中的一个或更多个以及与二极管d6和d7以及与监视节点n4、n5和n6共同配置在开关层62中。单元中的另一个诸如32与开关m1、m2、ma、mb和mx中的一个或更多个以及与二极管d1和d2以及与监视节点n1、n2和n3共同配置在另一开关层64中。该配置也称为模块，包括一个基础层60以及开关层62、64中的一个或更多个。该模块可以具有任何数目的开关层，因此该模块易于张缩。这不仅降低了成本，还使得能够针对特定应用按期望选择分辨率或层的数目。层可以配置在相互垂直的平面中。例如，上述基础层60和上述开关层62、64中的一个或更多个可以在两个维度互连且位于水平平面或x-y平面中，且如图4最佳所示的各自包括另外单元b-cap4、b-cap5和b-cap6的另外开关层可在第三维度互连且位于垂直平面或z平面中，从而大大提高了控制器可选择的可用电路拓扑的数目。此外，该配置是对称的且双向的，这是因为输入端子12、14和16以及输出端子24、26和28可位于该配置的右侧或左侧，从而使得外部源或外部负载能够在该双向配置任一侧被连接。

多路径、对称、矩阵状构造使得配置10能够以低成本且高效地无限扩展。在一些情况下，效率达到或超过99％。配置10包括如期望那么多的重复开关层。这样的开关层的数目限定了配置的可用分辨率(resolution)。配置高效地集成多个外部电源，包括可在高低阻抗之间变化的不同ac和dc源，并将其可用输出功率中的一个或更多个混合以存储在一个或更多个单元中和/或递送至一个或更多个负载。如果针对特定加载情况不存在可用输出功率或可用输出功率不足，则单元承担将一个或更多其存储的可用功率混合以递送至一个或更多个负载的任务。功率存储或功率转移可同时发生或按序发生。

配置10可被描述为智能能量收集器和分布器，其动态地工作，即实时工作。基础层以及一个或更多个开关层可安装在单个印刷电路板(pcb)上。具有一个或更多个开关层的另外的pcb可容易地互连到第一次提到的pcb。配置10采用以重复模式组装的单模块结构。单元的数目由最大负载功率和所需的电压分辨率限定。需要对负载和源的状态的持续监视或频繁监视。通过监视监视节点，控制器30可检测任何特定层或pcb是否是有缺陷的，且可控制开关来旁路任何这种有缺陷的层或pcb。

应理解的是，各上述元件或者两个或更多个上述元件一起也可以在与上述类型不同的其它类型构造中找到有用的应用。例如，两个hexfetma和mb及其二极管d4和d5可被单个flipfet替换。

现在转向图6-7的实施例，除了示出上述从控制器44、46和48，针对各层64、62和60一个从控制器外，图6与图1相同。图7描绘了这些从控制器44、46和48如何连接到主控制器42。图6-7中的节点、单元和开关在结构和功能上与图1-3中以上描绘的相同，且因此不需要再重复。不是仅依赖于主控制器30来执行其上述功能，在图6-7中，主控制器42及其从控制器44、46和48执行这些同样的功能，然而是以更高的速度和效率执行这些同样的功能，并且也执行另外的功能。

如图7所示，主控制器42通过双向线或握手线50、52和54连接到从控制器44、46和48。主控制器42具有以下控制输出：控制1、控制2、控制3、控制4和控制5，这些控制输出被连接以对开关层64中从控制器44的输入gx、g1、ga、gb和g2和/或控制开关层62中从控制器46的输入gy、g3、gc、gd和g4进行控制。从控制器44监视节点n1、n2和n3且连接到控制输入gx、g1、ga、gb和g2。从控制器46监视节点n4、n5和n6，且连接到控制输入gy、g3、gc、gd和g4。从控制器48监视节点n7、n8和n9。

因此，根据本公开，该配置在开关层中包括多个相同的单元或电力体。各电力体包含正输入/输出和负输入/输出，具有阻断二极管来确保极性不被反转。总是有到地的连接以及到电源的连接。电力和地可以是任一极性。在电力体的中心是快速充放电能量存储元件，诸如上述超级电容b-cap1、b-cap2和b-cap3。除了电力外，连接到所有信号路径的是可控开关，一般是诸如hexfet等的半导体装置。通过控制这些开关，可用电力被导向电力体用于充电，且然后在适当时电力以诸如电压、安培、波形和定时(timing)等所需形式被释放到期望的负载或目标。开关层中的各层具有信号输入和输出线，用于控制开关且用于监视可用的电力状态，以及所需和/或可能的负载需求以用于任何给定时刻的最佳可能方案(性能)。控制所有这些的是控制系统和可编程rom。各种定时和组件组合不仅限定了电力的状态，还限定了电力的形状和定时。

该配置可操作为电力脉冲消耗器(电力充电)，或电力脉冲发生器(电力供应器)。对单元充电或放电可作为至少一个定时函数(timedfunction)或作为一系列定时函数来执行。这些定时函数(脉冲)可以非常长或非常短，或其间的任何时段。快速系列的长脉冲将产生变化极少或没有变化的基本恒定的输出或形状基本恒定的输出，即水平直线函数或dc电压。其它任何情况将产生具有至少一个斜度或甚至更大变化的可变输出，或ac电压。由于各电力状态可包括给定时段的至少一个脉冲或脉冲集合体(脉冲包括电压、安培和时间)，因此可以针对任何给定源或任何给定负载根据需要成形任何类型的电力充电函数或电力消耗函数。

为了进一步提高该配置的多用性和电力，将具有可访问存储器的上述从控制器44、46和48添加到各层中的各单元以使得各单元“智能”。本地化的“智能”单元的添加提供了在源处传递诸如充电状态、噪声控制、定时、失真、形状等的特定功能的额外能力，使得它们能够得到更好和更快速的管理，从而扩展该配置的先进性和效率。该配置总是由主控制器监视和管理，主控制器具有可访问存储器来存储真值表，且执行提供诸如特定波形、功率限制、负载优先级丢失和/或序列表等的定制功能的另外子程序。从控制器44、46和48以与主控制器相同的方式监视各层中的本地情况，然而各从控制器被主控制器分配特定功能以接管或补充主控制器的功能。另外，诸如噪声去除或开关失真等的第二或第三功能可转移给从控制器44、46和48。该配置具有通过其硬件平台上的软件研发开发出许多不同电力管理功能的能力。

尽管本发明已被示出和描述为一种对一个或更多个电源和一个或更多个电负载中的电力进行动态管理的配置和方法，然而不旨于将本发明限于所示细节，因为在不以任何方式脱离本发明精神的情况下可以做出各种修改和结构变化。

无需进一步分析，以上内容充分揭示了本发明的主旨，他人可通过应用现有的知识，在不省略从现有技术观点看完全构成本发明的一般或特别方面的主要特征的特征点的情况下，便利地修改以上内容以适于各种应用，因此，这样的修改应该且旨在包含于权利要求的等同物的含义和范围内。

被主张为是新颖的、且期望通过专利权保护的内容在权利要求中阐述。