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。
[0130] 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）。
[0131] 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),+(η X Vcell)]的范围中，其中Vcell表示来自每一储能装置的标称电压，及η 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。
[0132] 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)，+(n X Vcell)]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。
[0133] 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。
[0134] 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。
[0135] 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。
[0136] 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。
[0137] 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。
[0138] 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。每一能源模炔基于其电 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。
[0139] 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。
[0140] 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。
[0141] 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。
[0142] 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。
[0143] 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。
[0144] 分组控制器GC
[0145] 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）。
[0146] 例子
[0147] 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：
[0148] GC{C[1] C[2]…C[A]}
[0149] 矩阵I :具有A个电池单体的分组的单一分组控制器
[0150] 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。
[0151] 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）。
[0154] 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。
[0155] 子串控制器SSC
[0156] 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）。
[0157] 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。
[0159] 矩阵3 :在B个子串控制器上面监测的单一串控制器
[0160] 子串控制器层级
[0161] 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。
[0162] 子串控制器层级I :SSC_1
[0163] 子串控制器层级2 :SSC_2
[0164] 子串控制器层级X-I :SSC_(X-I)
[0165] 子串控制器层级X :SSC_X
[0167] 矩阵4 :管理BI个子串层级1控制器的单一串控制器，BI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。
[0168] 并联串控制器PSC
[0169] 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）。
[0171] 矩阵5 :在D个串控制器上面管理的单一并联串控制器
[0172] 协调器CD
[0173] 协调器控制E个并联串控制器。
[0175] 矩阵5 :协调器控制多达E个并联串控制器。
[0176] 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。
[0177] 导控器层级I "D1"
[0178] 导控器控制F个协调器。
[0179] 导控器层级2"D2"
[0180] 导控器控制G个导控器层级{1}。
[0181] ·
[0182] ·
[0183] ·
[0184] 导控器层级X "DX"
[0185] 导控器控制Y个导控器层级{X-1}。
[0186] 主控制器
[0187] 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。
[0188] -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。
[0189] -主控制器也可仅为单一串控制器或单一并联串控制器等。
[0190] -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彡F，Z彡E，Z彡D，Z彡C，Z彡B，Z彡A)。
[0191] -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。
[0192] 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）。
[0193] 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