用于产生可动态重配置的储能装置的方法和设备的制造方法
【专利说明】用于产生可动态重配置的储能装置的方法和设备
[0001] 发明背景
[0002] 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η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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] 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。
[0017] 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。
[0018] 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。
[0019] 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。
[0020] 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。
[0021] 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。
[0022] 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。
[0023] 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。
[0024] 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。
[0025] 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。
[0026] 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。
[0027] 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