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1〇 3和IO b处出现的电压为下述之一：
[0092] 1)正极性：
[0093] a、+2Vcell (有效开关 34、32 和 36 接通）
[0094] b、+Vrell，该输出条件可通过两种不同的切换组合引起。
[0095] i、34、32 和 33 接通；
[0096] ii、31、32 和 36 接通。
[0097] 2)负极性：
[0098] a、-2Veell，有效开关 31、35 和 33 接通
[0099] b、-Vrell，该输出条件可通过两种不同的切换组合引起。
[0100] i、31、35 和 36 接通；
[0101] ii、34、35 和 33 接通。
[0102] 3)绕过：~0,该输出条件可通过两种不同的切换组合引起。
[0103] a、31、32 和 33 接通；
[0104] b、34、35 和 36 接通。
[0105] 4)断开：
[0106] a、31 和 34 断开；
[0107] b、32 和 35 断开；
[0108] c、33 和 36 断开。
[0109] 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。
[0110] a、31 和 34 接通；
[0111] b、32 和 35 接通；
[0112] c、33 和 36 接通；
[0113] 其中Vcell为电池单体的电压。
[0114] 图4表明，通过采用η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。
[0117] 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。
[0118] 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IV、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IV、I. 5V和2V的电池单体的能源模块分组的初始例子，在包含IV 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。
[0119] 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。
[0120] 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。
[0121] 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IOjP IOb。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。
[0122] 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。
[0123] 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。
[0124] 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。
[0125] 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。
[0126] "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皇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。
[0127] 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。
[0128] 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）。
[0129] 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