足够高的存储电荷，其将把能量转移给电容器。计 算装置如微控制器向每一能源模块提供两个隔离的控制信号以按需改变每一模块的输出 配置。假定每一锂电池继续正常运行并具有足够高的电荷，开关驱动电路可继续适当地运 行。然而，如果锂电池之一发生故障从而阻止足够的能量经二极管通路传给该能源模块对 应的电容器，则能源模块的电力开关将失去其适当的偏置。如果开关的适当偏置未适当地 满足，将不可实现电力开关的可靠控制。这是为什么通过隔离将能量从微控制器传给能源 模块的局部储能装置有利的原因。这将使电力开关在某些类型的内部储能装置故障出现时 能进行控制。在该例子中，如果串联连接的能源模块的锂电池之一发生故障，没有另外的局 部储能装置可用于向开关驱动电路供电，则该特定能源模块不能被放入旁路配置。如果出 现这种情况，整串能源模块将在故障电池处中断，在整个能源模块串输出端子（图2中每一 端上的输出端子）处得不到输出。除了能够在故障电池情形下继续电力开关的操作之外， 在某些应用中还可能需要另外的故障隔离（如具有固有安全故障安全规格的应用例如军 事和医疗应用，或者具有可能经历热击穿的电池化学的应用）。在该例子中，故障电池的完 全隔离可通过提供与内部储能装置串联连接的常闭机械开关实现，如图1中所示。在电池 故障的情形下，串联连接的开关可通过管理微控制器迫使断开以隔离电池。其代价是有另 外的功耗，但将使故障电池完全去除。如果故障电池经串联连接的常闭机械开关隔离和去 除，发生故障的能源模块可使用两个选择之一绕过。第一选择是按如上所述继续利用局部 供电的电力开关将发生故障的能源模块配置为绕过状态。第二选择，与能源模块并联的常 开机械开关（在图1的底部）可代替第一选择或用作冗余以确保发生故障的能源模块被绕 过。再次地，与串联连接的常闭机械开关情形一样，采用该第二机械开关的代价也是具有另 外的功耗。
[0295] 具有能源模块的OEM应用的另一例子
[0296] 高尔夫推车可由电池供电。该能源假定为从120Vac源或36Vdc太阳电池板充电 及额定用于36V电动机运行的机载能源。使用串联连接的一组60个能源模块，及能源模块 内的内部储能装置为标称3. 3V的电池单体。如果60个能源模块中的52个经适当的开关 配置串联连接，可获得的最大标称电压为171. 6V。另外8个能源模块用作在电池单体处于 坏健康状态时的冗余，及在提到均衡电池单体的充电状态时使能更大的灵活性。52个能源 模块的标称值使分组能直接连接到标准120Vrms AC插座，使用图17中所示的每一能源模 块的适当切换（同一概念的缩小版），它们可直接从AC源充电。用于管理这60个能源模块 的体系结构在下面的描述中给出。
[0297] 能源模块被再分为5个分组（每一分组具有12个能源模块），每一分组用一个分 组控制器管理。按12个分组是任意的，为分组控制器设计的电路在该分组控制器管理多少 能源模块方面将具有实际限制。在任何情形下，在该例子中，有12个能源模块由单一分组 控制器管理。每一分组控制器将知道其管理的每一能源模块内的储能装置的状况和充电状 态。单一串控制器进而将管理5个分组控制器。串控制器将询问分组控制器关于每一能源 模块的信息。串控制器将管理进入和输出的能量将从哪里传送及传到哪一分组控制器的能 源模块。在该管理结构上面是主控制器，其将与串控制器直接交互。主控制器将向串控制 器提供从外部源进入的能量或输出能量需求的信息。充电和放电过程的更深度的描述在下 面部分提供。
[0298] 当处于充电模式时，主控制器将监测可用能量的输入能源端子。其将确定该源是 AC源还是DC源并采样电压量值。一旦主控制器确定输入源的类型，其将开始与串控制器交 互，串控制器进而与分组控制器交互，以应用适当的算法将电荷分布到各个能源模块。这些 算法的总目标是将每一储能装置充电到其最佳充电水平。这通过监测每一储能装置的充电 状态、其健康水平（即电池的电压和温度在可接受的范围内）及监测输入能源目前的电压 量值进行。考虑该信息，主控制器将命令串控制器产生某一配置以容纳输入能源。串控制 器进而将请求分组控制器管理其自身的能源模块（通过命令每一能源模块为绕过、正极性 或负极性）并验证请求成功。这种情况重复，直到能源模块已内部充电其储能装置为止。
[0299] 当处于放电模式时，主控制器将与多种不同的命令信号交互，即，制动信号（应用 或不应用）、油门踏板（与油门踏板下沉多远相关联的模拟信号）、正向或反向开关（指所 希望的高尔夫推车方向）。当主控制器确定油门踏板踩下时，其将检查方向。然后根据油门 踏板被踩下多少，主控制器将请求串控制器串联连接足够的能源模块并经开关引导该能量 以驱动电动机。能源模块连接的极性取决于方向开关（例如如果方向为正向，能源模块将 正连接，如果方向为向后，它们将负连接）。连接的能源模块的数量将取决于油门踏板被踩 下多远。串控制器将选择最高电荷的能源模块产生驱动电动机的所需电压。主控制器将请 求串控制器仅施加约OV到36V范围的电压。在该请求提供给串控制器之后，串控制器将与 分组控制器交互以确定哪些电池可提供所需输出。请求将在分组控制器和串控制器之间进 行，串控制器将通知主控制器所请求的命令成功。如果串控制器未在预定时间量内答复，主 控制器将尝试询问串控制器可能的故障以能够向用户提供可能的故障/错误条件（如发生 故障的储能装置、低电荷、高温等）。
[0300] 提供下面的一组充电例子以说明用本发明充电的灵活性。对于这些充电例子，使 用下面的并联能源模块配置：
[0301] 该例子基于两个并联连接的、串联连接的能源模块的分组，如图20中所示，每一 串包含一般数量即η个能源模块。尽管EM-IH系统将被讨论，但这也将应用于EM-AP系统。 不管能源模块配置的类型如何，该系统将用上面讨论的控制层次进行控制。图20示出了 2 个另外的用于串联连接的能源模块的两个分组的开关，每一端上各一个，记为201。这些另 外的开关使可控制器能控制每一并联的串到总配置输出202和203的连接。
[0302] 用AC源充电
[0303] 充电源可以是AC源或DC源。在AC源的情形下，主装置可置为AC充电模式，其将 检测AC源的量值并控制能源模块匹配及从AC源充电。如上所述，可采用各个能源模块的 脉宽调制以跟踪输入AC源，这使该体系结构能控制进入能源模块分组的充电电流。这是假 定能源模块的数量η足够大以匹配AC源的最大电压量值的情形。
[0304] 用固定DC源充电
[0305] 在固定DC输入充电源的情形下，该源可以是固定DC充电装置（如商用锂电池充 电器）。主机可置为使其能检测DC源的量值的模式。一旦其检测到来自DC源的最大电压 是多少，其可确定一次可充电的串联连接的能源模块的最大数量。之后，在该例子中，将在 每一并联的能源模块串中选择最大数量的串联连接的能源模块。之后，两组将经并联连接 开关并联连接。之后，主机可以循环方式改变能源模块组，基于充电状态和健康状态按需互 换能源模块，以优化能源模块的充电。
[0306] 用变化的DC源充电
[0307] 在可变DC源如来自太阳电池板或风轮机的情形下，主机可置为使能改变DC源的 充电电压以使进入的电流最大化的模式。实际上，通过使电流和电压最大化，还实现最大可 用功率。这在行业中也称为"最大功率点跟踪"或"匹配输入源的特性阻抗"。通常，最大功 率点跟踪通过使用控制电路完成，其改变DC-DC切换转换器中的占空因数以使太阳电池板 与电池组匹配。通过将给定数量的串联连接的能源模块连接到输入DC源然后测量串联串 进入的电流和电压，主机可确定该数量的能源模块的功率。之后，简单地通过增大或减小该 数量及重复电流和电压测量，主机可比较每一多个串联连接的能源模块处的可用功率。主 机可以这种方式继续搜索以找到进入的功率最高的数量。非必须地，为增加找到最大功率 运行点电压的分辨率，主机可开始PWM各个能源模块以使输入DC源在两个能源模块之间的 电压之间运行。这是用本发明实现固有的最大功率点跟踪的新方法。
[0308] 从无线充电系统充电
[0309] 本发明可另外与多种无线充电系统一起应用，包括感应、谐振感应和无线电频率 (RF)。在该应用中，本发明可与无线功率接收器的功率转换级（如二极管整流器或充电栗） 交互，或者作为备选，可与前述系统的设计集成，与能量收获装置（如加载的线圈或天线） 直接交互。与先前部分的用"变化的DC源"充电的情形非常类似，能源模块分组可动态重 配置整个分组的串联电压并确定源的电流，再次地，使工作功率点最大化。这在与RF或感 应充电系统交互时至关重要。
[0310] 从另一串联连接的能源模块串分组充电
[0311] 两个独立的、串联连接的能源模块串的分组可连接，就像它们如图20中所示并联 连接一样。为了讨论，一个能源模块串联连接的串记为串1，及另一串记为串2。假定串1 中的一个或多个储能装置的组合具有高于串2中的任何个体储能装置的电势，能量可从串 1传到串2,反之亦然。实际例子可以是两个电动汽车中的电池系统，二者均包含本发明，在 两个电池系统之一运行到能量低时可交换能量。每一电池系统中的主机可置为使两个系统 之间能协作交换能量的模式。主机将简单地需要能量交换方向。由于本发明的灵活性质， 两个系统不需要具有一样数量的能源模块或一样大小的储能装置。每一系统可修改串联连 接的能源模块的数量以执行交换。这公开了在两个基于能源模块的系统之间交换能量的概 念，然而，这也可用两个以上基于能源模块的系统同时进行。
[0312] 尽管本发明已结合特定例子和实施方式详细描述，在此包含的例子和实施方式仅 为说明性及并非穷尽的罗列。本领域技术人员将容易对本发明进行变化和修改。本发明包 括所有前述修改及等同方案。权利要求独自用于限制本发明。
【主权项】
1. 一种可重配置的储能系统，包括： 一个或多个能源模块，其包括： 多个彼此互相连接的电路，每一电路具有 至少两个输入/输出端子，其可用作输入或输出端子； 具有正端子和负端子的储能单元，任何一个储能单元可插入在输入/输出端子之间； 具有2n+2个开关的开关模块，其中n为1或以上并基于两个输入/输出端子之间连接 的储能单元的数量，其中所述开关模块提供串联和/或旁路连通性并使能颠倒所述储能装 置中的极性的能力；及 控制单元，其监测所述能源模块中的所述储能单元的运行状态并控制开关以在根据所 述运行状态与多个电路连接时绕过、串联连接储能单元、和/或改变所述储能单元的极性， 其中所述控制单元从所述储能单元确定可用在所述多个电路中的多个储能单元。2. 根据权利要求1所述的可重配置的储能系统，其中所述开关模块包括至少四个开关 并基于倒相H桥。3. 根据权利要求1所述的可重配置的储能系统，其中所述控制单元监测所述储能系统 的充电状态、健康状态、寿命状态和故障预测。4. 根据权利要求1所述的可重配置的储能系统，其中所述控制单元监测关于所述储能 系统的充电状态、健康状态、寿命状态和故障预测的信息并在所述系统充电或放电时采用 所述信息区分所述储能单元的使用次序并平衡所述储能系统内的多个储能单元的充电状 O5. 根据权利要求1所述的可重配置的储能系统，其中每一储能电池分组由安排成满足 电压输出要求的一串储能单元组成。6. 根据权利要求1所述的可重配置的储能系统，其中所述控制单元接收特定输出的电 压输出要求并配置所述多个储能电路中的所述开关模块以形成输出满足所述电压输出要 求的电压的电路结构。7. 根据权利要求1所述的可重配置的储能系统，其中辅助电源可从所述可重配置的储 能系统得到以向控制电路、监测电路及其它固定电压装置供电。8. 根据权利要求1所述的可重配置的储能系统，其中所述开关模炔基于倒相H桥设计， 及在有一个以上能源模块时，开关的数量将为4n，其中n为能源模块的数量。9. 根据权利要求1所述的可重配置的储能系统，其中所述储能单元选自下组：电池单 体、储能电池、燃料电池及电容器。10. 根据权利要求1所述的可重配置的储能系统，其中所述储能单元为可再充电系统。11. 根据权利要求1所述的可重配置的储能系统，其中所述开关模炔基于具有2n+2个 开关的交替极性电路，其中n为储能单元的数量。12. 根据权利要求1所述的可重配置的储能系统，其中所述开关模炔基于具有2n+2个 开关的交替极性电路，其中n为储能单元的数量，有两个以上储能单元，相邻储能单元安排 成具有相反极性。13. 根据权利要求1所述的可重配置的储能系统，其中所述控制单元配置所述多个储 能电路中的所述开关模块，其通过确定满足电压输出要求所需要的安排成串联的多个储能 单元并从可用的多个储能单元确定可安排成彼此并联的多个储能单元分组进行，其中每一 储能电池分组由满足电压输出要求的安排成串联的一串储能单元组成。14. 根据权利要求1所述的可重配置的储能系统，其中所述控制单元接收多个并联电 池分组并配置所述多个储能电路中的开关模块以形成电路结构，其使该电路结构中被绕过 的可用储能单元的数量最小化。15. 根据权利要求1所述的可重配置的储能系统，其中所述控制单元通过控制多个开 关以隔离发生故障的电池而检测和隔离故障，其中所述故障可由检测到或预测的极值引 起，包括温度、电压、电流、充电状态、健康状态、寿命状态、电池膨胀、废气排放、或者所述控 制系统知道的短路或断路情形。16. -种电源管理系统，包括根据权利要求1所述的可重配置的储能系统，及其中所 述控制系统检测充电源并安排多个电池以容纳充电，其中所述充电源可以是交流或直流种 类，包括在电压范围的一个或多个相，所述电压范围跨越从单一储能单元的相当电压到串 联连接的储能单元的电压的和。17. -种电源管理系统，包括根据权利要求1所述的可重配置的储能系统，及其中所述 控制系统检测负载并配置多个电池以顺应负载需求，其可以是交流或直流型，包括在电压 范围的一个或多个相，所述电压范围跨越从单一储能单元的相当电压到串联连接的储能单 元的电压的和。18. -种电源管理系统，包括根据权利要求1所述的可重配置的储能系统，及其中充电 源选自下组：由多个电压和相组成的电网电力系统、包括风力、太阳能、热电或核电的备用 能源、或者包括感应、谐振感应或无线电频率的其它无线充电源。19. 一种电源管理系统，包括根据权利要求1所述的可重配置的储能系统，及其中所述 负载选自下组：涉及使用蓄电池组的包括多个电动汽车、电网和备用存储单元的应用、航空 应用、便携设备、及消费者电子装置。20. 根据权利要求1所述的可重配置电池系统，连接到一个或多个其它根据权利要求1 所述的可重配置电池系统，其中每一系统的控制单元使能每一系统之间的协作能量交换。
【专利摘要】本发明公开了一种产生可动态重配置能源的方法和设备，其由各个隔离的可控能源模块组成，通过软件支持以测量和管理能源模块并有助于重配置，其中该平台由基于倒相H桥电路的硬件结合软件组成，软件使能实时管理、控制和配置模块并使用软件算法和局部电子开关的组合实现本发明的性能和功能，其匹配或超过用于充电、储能管理、功率换向、及电动机或负载控制的传统大、重和成本高的基于功率电子学的产品。
【IPC分类】H02J7/00
【公开号】CN105210258
【申请号】CN201480028587
【发明人】T·V·沃, C·A·格拉斯, K·克里斯滕森, S·迈莫迪奇拉提
【申请人】设计通量技术公司
【公开日】2015年12月30日
【申请日】2014年3月17日
【公告号】EP2973935A1, US20140312828, WO2014145756A1