本发明通常涉及用于通过总线从主控制单元(主机)向至少一个从属单元(从机)提供脉冲电能和数据的方法和系统的领域。具体而言，本发明涉及在其中主机和从机被电气解耦合的这类系统，例如涉及包括多个可充电电池的可充电能量存储系统。
发明背景
在现有技术中，几种用于在总线上传递电能和数据的技术是公知的。一个公知的示例是“电力线通信”(PLC)，在其中在同时被用于承载AC电能的导电体上承载数据。一个具体示例是“电力猫”，其是支持在现有家庭电力线路上的联网的各种电力线通信规范的族名。这样的系统的特性在于电能是低频AC信号(例如220V，50Hz)，并且数据信息在发射机侧被作为高频信号(例如高至30MHz)叠加，通过在接收机侧的合适的滤波-技术可以从电力信号中分离出数据信号。这种系统的缺点在于在每一个发射机和接收机侧上它都需要一个调制解调器，这使得该系统对于某些应用来说是极其昂贵的，并需要额外的板载空间(当与无需调制解调器的系统相比较而言)。另一个缺点在于该连接到总线的设备电气耦合到总线，除非使用变压器，这再次使得从属单元进而是该系统体积大且昂贵。
FR2612019A1揭示了一种系统，包括例如屏蔽双绞线的两条线的总线以及连接到该总线的几个单元。所述总线配备有通用电源变压器，并且所述系统的每个单元通过第一变压器耦合到所述总线。每个单元通过具有铁芯的隔离变压器耦合到总线，所述隔离变压器旨在在总线和单元之间传送数字信号。这种系统的一个缺点在于每个单元需要用于接收电能的第一变压器，以及用于数据通信的具有铁芯的隔离变压器。这使得所述单元进而是所述系统体积大、笨重且昂贵。
WO2011/036147描述了一种用于平衡多个串联耦合的可充电能量存储设备12(例如电池单元)上的电荷的系统，如在图1中所示。从属设备(在此：平衡单元15)依靠串联电容器19从电力总线30被电气分隔。在从机和主控制单元20之间的数据通信在分开的总线40(例如CAN总线)上发生。由于从机15处于不同的电势，它们不能被直接连接到CAN总线，但例如可以借助使用光-耦合的接口设备被连接到该总线，所述接口设备需要板载空间并增加了组件成本。
图1示出了一种用于对串联连接以形成串11的多个电池单元12进行充电的系统，每个单元12由平衡单元15控制。该系统的主控制单元20包括用于在总线30上提供电能脉冲的AC信号发生器14，其可以通过串联电容器19被提供给从属单元15。该电能的一部分被用于从属单元的本地电源22，参见图2，以为本地微控制器18供电。微控制器18被安排用于打开和/或闭合开关SW1、SW2，以对对应的电池单元12进行充电和/或放电。电能脉冲的另一部分被用于对对应的电池单元12进行充电或放电。微控制器18可以通过借助内部A/D转换器21测量在引脚S+和S-上的电压差来测量例如电池单元12的电压。通过与电力总线30分开的第二总线40，主控制单元20可以向每个从属单元15发送命令以例如指令特定的从属单元测量对应的电池单元12的电池电压，并且当该值被测量并借助A/D转换器21被数字化时，该特定从属单元可以通过数据总线40将所测量的电压值发送给主控制单元20。感兴趣的读者可以参考EP2302757A1以获得更多细节。
第二总线40可以是例如(公知的)CAN总线。然而，由于从属单元15被连接到存储元件12，其被串联连接，从机15处于不同的电势，并且因此，它们不能被直接连接到第二总线40，但需要通过电分隔手段(例如光耦合)来连接。
图2更详细地示出图1的可充电能量存储系统的平衡单元15中的一个。开关SW1和SW2的控制和目的在EP2302757A1中有描述。节点“P”是在其处从电力总线30通过串联电容器19注入电能，而节点\"C\"是微控制器18和主控制单元20可以通过它经由第二总线40通信的节点。通信接口在EP2302757A1中没有被详细描述。
存在对用于在总线上提供电能和数据的另一种方法和系统的需求。
发明概述
本发明的实施例的目的是提供用于定址被连接到主控制单元的个别从机的替换方法和系统。
该目的通过根据本发明的各实施例的系统和方法来实现。
在第一方面，本发明提供了一种用于通过第一总线将电能和数据信号从主控制单元提供到至少一个从属单元的系统；所述主控制单元包括被适配用于通过第一总线将包括多个第一脉冲的第一AC信号提供给至少一个从属单元的第一AC信号发生器；每个从属单元借助第一串联电容器(或电容电路，或电容设备)被AC耦合到第一总线；每个第一串联电容器(或电容电路，或电容设备)被安排用于将在其输入处提供的第一脉冲转换成在其输出处的第二脉冲；主控制单元被被适配用于通过调制所述多个第一脉冲将数据发送到至少一个从属单元；至少一个从属单元被被适配用于通过解调所述多个第二脉冲来接收所述数据。所述脉冲优选地是块或方波脉冲，因为购买用于其的电子组件是经济的。本发明的实施例使用用于将要被发送的数据信号转换成脉冲列的方法来调制和解调脉冲序列。所述脉冲可以是二进制脉冲，即它们具有一个“高”值和一个“低”值。主单元包括脉冲生成器和发射机以发送经调制的脉冲，而从机具有接收机。所述脉冲可以是二进制脉冲，并且主机具有二进制脉冲生成器和发射机，而接收机具有二进制脉冲解调器。数据信息可以承载在脉冲的可检测特性上，例如信号的幅度，或者信号可以沿信号的时间轴被承载。本发明的实施例可以利用脉冲幅度调制、脉冲位置调制(PPM)、脉冲宽度调制(PWM)、脉冲频率调制(PFM)、脉冲间隔调制(PIM)，脉冲计数调制等。具体而言，所述脉冲具有至少一个边缘或侧翼。所述脉冲可以具有上升或下降的边缘或侧翼，其可被用作来自所接收信号的数据信息的解调中的参考点。脉冲边缘或侧翼之间的脉冲幅度或时间差可以与一个比特值相关联，该比特值是所接收的数据信息的一部分。在优选实施例中，脉冲边缘或侧翼可以是一个脉冲上的第一脉冲边缘或侧翼和第二脉冲上的第二脉冲边缘或侧翼。脉冲边缘或侧翼可以是上升边缘或下降边缘，由此前缘是优选的。脉冲边缘或侧翼可以是一个脉冲上的第一脉冲边缘或侧翼和同一脉冲上的第二脉冲边缘或侧翼。这定义了脉冲的宽度。
或者，脉冲列可以在从属单元处被接收并被计数，由此，所述计数数目与某个比特值相关联。(例如某个长度的可区分的)脉冲的特定高状态或脉冲的低状态降为被用作计数的停止信号和/或开始信号。
附加于或替代从主机单元向从属单元发送数据和电能，本发明的系统可以从从机向主机发送数据信息，由此可以使用类似的脉冲列。例如，通信可以是时分的，即一个时间周期可以被分配给要从主机发送到从机的数据，并且另一个时间周期可以被分配给从机以将数据发送给主机单元和/或其他从属单元。
注意，取代与从属单元相关联的单个第一串联电容器，也可使用电容器的组合，例如两个或更多串联的电容器。例如，可以使用将电容值提供给所述电路的组件的电路。所述电路或个别电容器可以被描述为“电容设备”或“电容电路”，意指处理电容值并用作电容器的设备或电路，即它阻止DC电压信号并允许通过诸如方波之类的交变信号-尽管在通过隔直流电容器之后该信号可能失真。
根据该实施例，电能脉冲和数据可以在同一总线上，即同一物理导体例如电线上，被提供。
在一个实施例中，系统仅包括一个从属单元。在另一个实施例中，系统包括连接到第一总线的多个从属单元，例如两个从属单元(可由一个位唯一地寻址)，或从三个到四个的从属单元(可由2个位唯一地寻址)，或从五个到八个的从属单元(可由3个位唯一地寻址)，或超过八个的从属单元。电能和数据总线的一个优点在于可将单个总线用于向所有从属单元提供电能和数据。在此情况下，协议可以使用广播-命令(即针对所有从机的命令)，或可以发送仅定址到所述从机的一个或多个子集的特定命令。
通过经由第一串联电容器或第一电容电路或第一电容设备将至少一个从属单元耦合到第一总线，所述至少一个从属单元与第一总线是电气分隔的。这在其中需要非接触电能和信号传输的应用中是有用的，例如在用于在身体之外的主设备和植入的设备之间建立通信、例如释放药剂的医疗应用中，或在具有处于不同电势的大量从机的系统中(例如在包括串联耦合的一串可充电能量存储设备的可充电能量存储系统中)，或在用于安全目的的计量系统中。
通过叠加数据信号和电能信号在单个总线上发送电能和数据是众所周知的。然而，就发明人所知，并不存在用于通过调制脉冲电能信号自身并结合通过串联电容器、电容电路或电容设备的AC耦合在单个总线上提供脉冲电能和数据的现有电路。一种可能的解释是由于在串联电容器的输出处的信号可能严重失真，并且因此被认为难以被用作基带数据信号。然而，发明人发现，这种失真的信号还是可以被用于有效提供电能和数据两者。本发明的促成因素之一是(1)经济价格的小型可编程微控制器的可用性，其允许具有变化调制特性(例如定时特性)的方形或块波，被容易地生成，以及(2)这允许传入的失真信号的数字化处理(例如检测脉冲的特性，诸如检测上升边缘的到达的时间实例、频率变化、特定停止脉冲等)。然而，应该提到，电容耦合通常对于长的线路(例如长于20.0m)来说无法很好工作，但本技术却非常适合于类似能量存储系统的应用，例如诸如具有外围尺寸小于例如5.0m(优选地小于3.0m)的电池组。
与(既不提供电分隔又要求更加复杂的硬件，例如诸如FR2612019(A1)中所述的硬件，其中所述主单元和每个从机要求变压器，其比电容器更加沉重且体积更大且更加昂贵)现有技术的电路相比较而言，本发明的实施例的主要优点之一在于本发明可以借助许多用于(通过主控制单元)发送数据和(通过从机)接收数据的简单硬件来构建。在需要多个从属单元的系统中，例如诸如在具有多个平衡单元的可充电电池系统中，成本是非常重要的一个因素。
可以施加不同类型的第一脉冲，例如矩形脉冲、三角形脉冲、具有梯形的脉冲等，但出于可使用的电子组件的简化性，方波或矩形脉冲是优选的。并且可以以几种方式来调制脉冲波形，例如通过脉冲幅度调制、脉冲计数调制、脉冲宽度调制(PWM)或脉冲位置调制(PPM)等，每种方式都是本发明的一个实施例。
通过使用总线，与在其中主控制单元被各自连接到每个从属单元的情况相比，可以通过减少数目的电线将电能和数据传递给多个从属单元。
与例如以交替方式使用分开的数据脉冲和分开的电能脉冲的系统相比而言，本发明的实施例的一个优点在于电能脉冲可以被自身调制以供发送数据，因为它允许数据在发送电能的同时也被发送。如果(提供电能脉冲)的电源在数据通信期间没有被中断，在从属电源中需要较少的解耦合。
在系统的实施例中，主控制单元被适配用于提供第一AC信号，这样第一脉冲具有上升或下降边缘；主控制单元被适配用于通过改变这些脉冲的特性(例如幅度或在连续的第一脉冲的上升(或下降)边缘之间的或一个脉冲的上升和下降边缘之间的时间距离)来发送数据；至少一个从属单元被适配用于通过确定这些脉冲的特性(例如幅度或在边缘之间的时间差，例如在连续的第二脉冲的上升(或下降)边缘之间的或一个脉冲的上升和下降边缘之间的时间差)来接收数据，并被适配用于将所确定的时间差转换成对应的数据码元。
通过仅检测脉冲的上升(或下降)前缘，可以省略用于检测负边缘的附加电路，在第二脉冲上的负边缘可以假定为负电压电平。这进一步简化了检测电路。所述时间距离优选地在连续脉冲的上升(或下降边缘)边缘之间被测量。
在本发明的实施例中，负边缘的位置对于数据通信来说不需要是重要的。如果所有的脉冲具有相同波形(具体而言相同宽度)，这种调制可以被称为脉冲位置调制，但这在本发明中并不是绝对必需的，并且脉冲的宽度可以是恒定的或可以变化。
在一个实施例中，第一AC信号发生器被适配用于生成基本上矩形的脉冲。
基本上矩形的(第一)脉冲可以例如借助开关和恒定DC电流源或触发器电路被容易地生成。这样的脉冲的定时可以通过在适合的时间间隔打开和闭合开关来被容易地确定。在发射机侧，这样的时间实例可以通过使用微处理器的定时器中断被容易地生成。在接收机侧，上升(或下降)边缘之间的时间距离可以通过使用具有中断能力的输入引脚(这样可以在输入引脚处的信号的上升边缘处自动生成中断)被容易地测定。这在发射机和接收机两侧都仅要求少量(例如最少量)的处理能力，并且可通过现有微处理器例如低成本微控制器实现。
在一个实施例中，主控制单元和至少一个从属单元被适配用于分别应用或检测至少第一和第二预定边缘的定时，例如分别对应于第一或第二数据码元的时间距离。
例如，第一数据码元可能是零位“0”，而第二数据码元可能是1位“1”。在这种情况下，信号发生器将把一个数据位与每个电能脉冲一起发送。例如，如果AC信号是10kHz(经调制的)脉冲列，那么总线上的原始数据率(即包括协议开销)将是10kbits/s。可以由主机单元发送到一个或多个从机的净数据率取决于正使用的协议。众所周知，在万一没有要发送的净数据的情况下，AC信号发生器可以在总线上发送例如“伪分组”。
在一个实施例中，主控制单元和至少一个从属单元被适配用于分别应用或检测至少第一、第二、第三和第四的边缘的幅度或定时，例如分别对应于第一或第二、第三和第四的数据码元的时间距离。
在这种情况下，信号发生器将两个数据位与每个电能脉冲一起发送。例如，如果AC信号是10kHz(经调制的)脉冲列，那么总线上的原始数据率(即包括协议开销)将是20kbits/s。然而，本发明不仅仅局限于每码元一个或两个数据位，并且超过两个的数据位，例如三个或四个，或甚至超过四个位/脉冲也可以被使用。
在一个实施例中，主控制单元和至少一个从属单元被适配用于应用或检测至少第一、第二和第三边缘的幅度或定时，例如分别对应于第一或第二和第三的数据码元的时间距离，所述第三数据码元是伪数据码元。
例如，第一数据码元可以是零位“0”，而第二数据码元可以是1位“1”，而伪数据码元可以是伪位。在这种情况中，信号发生器可以应用第三定时或幅度或电能脉冲之间的时间距离，当没有数据只有电能被发送时。这种协议可以具有下述优点：在接收机侧的解码处理更加简单，并且可以需要较少的处理能力，因为无需处理伪数据。这样的实施例对于帧错误可能也是更加可靠的，例如当在不同的分组之间发送伪数据时。
如果例如数据是从每8位的帧或序列或命令中发送的，那么伪数据码元可以被用作例如命令分隔符(就像开始位)或用作时钟信号。但是该协议也可以使用每帧少于8位或每帧多于8位。
在一个实施例中，所述系统是包括串行耦合的一串可充电能量存储设备的可充电能量存储系统，并且每个从属单元是用于对所述可充电能量存储设备之一进行充电或放电的平衡单元。
在该示例中，置于第一总线上的电能主要用于加载可充电能量设备(例如电池单元)，并且仅第一总线上注入的电能的小部分被平衡设备自己使用(例如用于控制开关、用于测量电压、用于通信)。
在一个实施例中，所述系统还包括第二总线，其借助电解耦合元件连接在主控制单元和至少一个从属单元之间，用于将数据从至少一个从属单元传送到主控制单元的。
第二总线不同于第一总线。优选地，第二总线连接到所有从属单元。在第一总线上的数据通信通常将被称为“下链路”，而在第二总线上的数据通信通常将被称为“上链路”。
所述第二数据信道可以是例如I2C总线，或CAN总线或任何其他本领域技术人员所知的单向或双向总线，(尽管这种双向总线可能仅在单个方向中使用，例如在某些实施例中从从机到主机单元)，并且电解耦合元件可以是例如具有I2C总线接口或CAN总线接口等等的光-解耦合元件。
这样的实施例将允许一个或多个从属单元向后与主控制单元通信。例如，在具有多个从属单元的可充电能量存储系统的情况下，从属单元可以将对应的能量电池的电压电平传递给主控制单元。
该实施例提供了下述优点：通过电分隔，无需必须在这两个方向(从主控制单元到从属单元以及回程)中都使用光-耦合，双向通信是可能的(在第一总线上从主机单元到从属单元，以及在第二总线上从从属单元到主机单元)。
在一个实施例中，至少一个从属单元被适配用于例如与第一AC信号同步地在第二总线上发送数据到主控制单元。
在同步的实施例中，从机之一将在检测到电能脉冲的上升边缘后很短时间内(例如立刻)在第二总线上(例如通过光-耦合器)放置数据(例如一个位)。
脉冲位置调制(PPM)可以在第一总线和第二总线两者上都被使用，但是这并不是绝对需要的，例如第二总线还可以使用另一种类型的调制，例如诸如脉冲宽度调制(PWM)、脉冲幅度调制或脉冲计数调制。然而，在这些情况的一些情况中，主机单元必须能够检测由从属单元发送的脉冲的上升边缘和下降边缘这两者。
由主机单元发送的脉冲的形状和由从机发送的脉冲的形状不需要是相同的。例如，由主机单元发送的脉冲可以是三角形，而由从机发送的脉冲可以是矩形，但是优选地是主机单元和从机两者都发送矩形脉冲。
在系统的一些实施例中，主控制单元和任何从属单元不同时发送实际数据。在上述具有三个预定义时间差的示例中，对应于“没有数据”的第三时间距离可以在当从机之一通过上链路信道通信的时刻在下链路上被使用。通过继续从主机单元发送具有/没有数据的脉冲，所有单元可以容易且有效地例如通过对脉冲计数来保持同步，并且可以避免来自从机的数据冲突。与例如使用RS232-定时-协议相比而言，在第二总线上的数据率可以被增加。
在具有第二总线的本系统的一个实施例中，电解耦合元件是第二串联电容器、电容电路或电容设备；至少一个从属单元被适配用于将包括具有上升边缘(或下降边缘)的多个第三脉冲的第二AC信号提供给第二串联电容器、电容电路或电容设备，由此边缘的幅度或定时(例如连续的第三脉冲的上升边缘(或下降边缘)之间的时间距离)根据要从从属单元发送到主控制单元的数据被调制；主控制单元被适配用于检测当第三脉冲被施加到其输入时源自第二串联电容器、电容电路或电容设备的输出的第四脉冲的边缘的幅度或定时(例如上升边缘(或下降边缘)之间的时间距离)。
在本实施例的第一示例中，第二总线和第一总线是一条且是同一总线，而第二和第一电容器、电容电路或电容设备是一个电容器且是同一电容器、电容电路或电容设备。在本示例中，单个总线被用于将电能和/或数据从主控制单元传送到从机和从从机将数据传送到主机。当主控制单元静默时，来自从机的数据可以例如被放置在总线上。来自从机的数据可以例如在由主控制单元(例如在相对短或相对长的周期)发送的命令之间交错，在所述周期期间主控制单元不在总线上放置电能脉冲。将单个总线用于电能和前向和后向通信，提供了仅需要单个总线的优点(由此是更少电线、更少处理、更少连接、更低成本的优点)。
在本实施例的另一个示例中，第一总线和第二总线彼此不同。这提供了下述优点：可以并行发生前向和后向通信，并且在第二总线上没有发生电能脉冲，这可以允许在硬件方面的更加简单和更加便宜的实现(例如由于较低的幅度可被用于由从机发送的脉冲)，和/或在总线上发生的更少干扰，和/或从机所需的更少电容解耦合(由于在第一总线上的电能传递可以继续)，和/或可以需要更少的数据缓冲，和/或在软件方面例如更简单的协议。在任一情况中，(从从机到主控制单元)的向后通信，无论是在(电能脉冲串之间)单个总线上发送还是在分开的第二总线上，都可以在与第一AC信号的频率基本上相同的时钟频率上或在不同的时钟频率上发生。
使用第二串联电容器、电容电路或电容设备提供了下述显著的优点：根本不需要光-耦合单元，在下链路中不需要且在上链路信道中也不需要。这节省了成本、节省了板载空间、减少了劳动力、并增加了可靠性(具有更少组件的优点)。
每个数据码元的幅度、脉冲计数或预定时间距离的持续时间(或脉冲宽度等等)，例如由从属单元用于发送数据的“0”或“1”，可以是与主控制单元在发送数据时使用的幅度、脉冲计数或时间距离的持续时间相同的或不同的。用于下链路通信的每脉冲的位数可以与用于上链路通信的每脉冲的位数相同或不同。
根据第二方面，本发明提供了一种用于通过第一总线将电能和数据信号从主控制单元提供到至少一个从属单元的方法，所述至少一个从属单元借助一个或多个串联电容器、电容电路和电容设备与第一总线AC耦合，所述方法包括步骤：a)通过生成包括多个第一脉冲的第一AC信号并通过将所述第一AC信号施加到第一总线来将组合的电能和数据信号从主控制单元提供到至少一个从属单元；b)在所述一个或多个串联电容器、电容电路和电容设备的输入处接收所述第一脉冲，并在所述一个或多个串联电容器、电容电路和电容设备的输出处提供第二脉冲；c)通过调制所述多个第一脉冲从主控制单元发送数据到至少一个从属单元；d)通过解调所述多个第二脉冲在所述至少一个从属单元中接收所述数据。优选地，所述至少一个从属单元是多个从属单元，所有从属单元被连接到所述第一总线。
在所述方法的一个实施例中，生成所述第一AC信号，使得所述第一脉冲具有上升(或下降)边缘；通过改变在同一或连续的第一脉冲的上升(或下降)边缘之间的时间距离来完成所述第一脉冲的调制；通过检测在同一或连续的第二脉冲的上升(或下降)边缘之间的时间距离并通过将所确定的时间距离转换成对应的数据码元来完成所述第二脉冲的解调。
在一个实施例中，第一AC生成器分别施加第一和第二预定时间距离以分别发送第一和第二数据码元；并且所述至少一个从属单元通过测量同一或连续的第二脉冲的上升(或下降)边缘之间的时间距离并通过从两个预定时间距离中选择与所测量的时间距离对应的一个预定时间距离，并通过将所选的时间距离转换成对应的第一和第二数据码元来解调第二脉冲。
选择“对应的”预定时间距离通常通过计算在所测量的时间距离和对应于数据码元的预定时间距离的每个时间距离之间的差，并通过选择具有最小绝对差值的一个来执行，但是还可使用其他技术。
在一个实施例中，第一AC生成器施加第一或第二和第三预定时间距离以发送第一或第二和第三数据码元，例如“0”、“1”、“x”；所述第三数据码元是伪数据信号；并且其中所述至少一个从属单元通过测量同一或连续的第二脉冲的上升(或下降)边缘之间的时间距离并通过从第一、第二和第三预定时间距离中选择与所测量的时间距离对应的一个预定时间距离，并通过将所选的时间距离转换成对应的第一、第二和第三数据码元来解调第二脉冲，所述第三数据码元是伪数据信号。
在一个实施例中，所述至少一个从属单元借助电解耦合单元进一步与第二总线通信耦合，并且所述方法进一步包括通过第二总线与第一AC信号同步或异步地从所述从属单元之一向主控制单元传送数据的步骤。
当使用光耦合器作为电解耦合元件时，从机的数据输出不会失真，并且主机单元可以很容易地检测到由从机发送的矩形脉冲的上升和下降边缘。在这种情况下，从机可以使用例如脉冲-位置-调制或脉冲-宽度-调制或RS-232调制。
当电容耦合被用于从从机到主机单元的通信时，信号可能失真。如果从机发送矩形脉冲并使用脉冲-宽度-调制(PWM)，主机单元将必须能够检测用于解码所述数据的上升和下降边缘这两者。如果从机使用脉冲-位置-调制(PPM)，主机单元仅需要检测上升边缘。其他调制可以被使用，例如幅度调制或脉冲计数调制。
从机单元可以使用与用于第一脉冲的时钟频率相同(或基本相同)的时钟频率来发送数据，但是这并不是绝对需要的，并且所述从属单元还可以使用无关的时钟频率，例如基于本地振荡器。然而，不同的从机的时钟频率应该是基本相同的。
使用同步通信的一个优点在于数据率可以比异步通信高得多。
通过使用合适的协议，在向后信道上的消息冲突可以被避免。几种协议是可能的，例如在其中主机首先发送消息或命令给一个特定从机，其中在这之后给予一个从机在第二总线上进行响应的时间的协议。当第一从机已经发送其数据，主机定址下一从机等。但也可使用其他协议。
在所附独立和从属权利要求中陈述了本发明的具体和优选方面。来自从属权利要求的特征在适当时可与独立权利要求的特征组合，且可与其他从属权利要求的特征组合，而不仅如权利要求中显式陈述的那样。
参考以下描述的实施例，本发明的这些以及其他方面将是显而易见的且得以说明。
附图说明
图1示出包括现有技术中公知的串联连接的多个可充电电池的可充电能量存储系统。
图2更详细地示出图1的可充电能量存储系统的平衡单元中的一个。
图3示出了根据本发明的实施例的可充电能量存储系统。
图4示出可用在图3的系统中的从属单元的示例的放大框图。
图5示出图4的从属单元的部分的电路示意图，以示出如何使用光耦合设备建立从从属单元到主控制单元的通信，所述第二开关出于简明的原因在附图中被省略。
图6是现有技术公知的简单的测试电路的示例，用于解释如何将具有上升边缘(例如矩形脉冲的陡峭的上升边缘)的第一脉冲转换成具有上升边缘(例如跟随有电平衰减的陡峭的上升边缘)的第二脉冲。所述第二脉冲的上升边缘与所述第一脉冲的上升边缘基本上同时出现。
图7A示出包括具有上升边缘的第一脉冲的脉冲电能波形，其中根据正在从主控制单元(主机)向从属单元发送的数据调制在第一脉冲的上升边缘之间的距离。
图7B示出当图7A的波形被施加到的图6的电路的输入时，在其输出处获得的第二脉冲的示例。
图7C示出了脉冲电能波形的又一实施例。
图7D到7H示出了脉冲电能波形的又一实施例。
图7I示出如何计算解耦合电容器的值。
图8示出根据本发明的各方面的系统的实施例，由此，主控制单元被适配用于发送电能和数据给多个从机，但是不存在从从机到主机单元的返回信道。
图9示出可用在图8的系统中的从属单元的示例。
图10示出根据本发明的各方面的系统的实施例，由此，主控制单元被适配用于在总线上发送电能和数据给多个从机，并且由此从机被适配用于在相同总线上选择性地将数据发送到主控制单元。
图11示出可用在图10的系统中的从属单元的示例。
图12示出根据本发明的各方面的系统的实施例，由此，主控制单元被适配用于在第一总线上发送电能和数据给多个从机，并且由此从机被适配用于在不同于第一总线的第二总线上选择性地将数据发送到主控制单元。
图13示出可用在图12的系统中的从属单元的示例。
附图仅仅是示例性的而非限制性的。
在附图中，出于说明的目的，一些元件的尺寸可被夸大且不按比例地绘制。
权利要求书中的任何附图标记不应当被解释为限制范围。在不同附图中，相同参考标记指示相同或相似元件。
具体实施方式
将针对具体实施例且参考特定附图来描述本发明，但是本发明不限于此而仅由权利要求书定义。所描述的附图只是示意性的和非限制性的。在附图中，出于说明的目的，一些元件的尺寸可被夸大且不按比例地绘制。尺寸和相对尺寸并不对应于为实践本发明的实际再现。
此外，在说明书和权利要求书中，术语“第一”、“第二”等用于在类似元素之间进行区分，而不一定用于描述时间顺序、空间顺序、等级排序、或者任何其他方式的顺序。应理解，如此使用的术语在适当情况下是可互换的，且本文中所描述的本发明的实施例能以不同于本文所描述或示出的其它顺序操作。
此外，说明书和权利要求书中的术语在……之上、在……之下等等被用于描述目的，而不一定用于描述相对位置。应理解，如此使用的术语在适当情况下是可互换的，且本文中所描述的本发明的实施例能以不同于本文所描述或示出的其它取向操作。
应注意，在权利要求中使用的术语“包括”不应当被解释为受限于下文中列出的含义；它不排除其它元件或步骤。因此它应当被解读为指定所述特征、整数、步骤或部件如所述及的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤或部件或其群组的存在或添加。因此，措词“一种包括装置A和B的设备”的范围不应当被限定于仅由组件A和B构成的设备。这意味着该设备的唯一与本发明有关的组件是A和B。
在本说明书通篇中对“一个实施例”或“一实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的一个或多个实施例中。因此，在本说明书通篇中的各个位置中短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”的出现不一定全都指的是同一实施例，但是可以是指同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，如本领域普通技术人员根据本公开内容显而易见的是，特定特征、结构或特性可以任何适当的方式组合。
类似地，应当理解的是，在本发明的示例实施例的描述中，本发明的各个特征有时在单个实施例、附图及其描述中被组合到一起，以将本公开内容连成整体，并帮助理解各个发明方面中的一个或多个方面。然而，本公开的方法不应被解读为反映所要求保护的发明需要比在每一权利要求中明确表述的特征更多的特征的意图。相反，如所附权利要求书所反映的，各发明性方面在于比以上公开的单个实施例的所有特征要少的特征。因此，随详细描述所附的权利要求在此明确地被纳入到此详细描述中，其中每个权利要求自行作为本发明的单独实施例。
此外，尽管此处描述的一些实施例包括其他实施例中所包括的一些特征但没有其他实施例中包括的其他特征，但是不同实施例的特征的组合意图落在本发明的范围内，并且形成如本领域技术人员所理解的不同实施例。例如，在所附的权利要求书中，所要求保护的实施例中的任何实施例均可以任何组合来使用。
在本文提供的描述中，陈述了众多具体细节。然而，应当理解，可以在不具有这些具体细节的情况下实施本发明的各实施例。在其它实例中，未详细示出众所周知的方法、结构以及技术，以免混淆对本描述的理解。
当在本文中做出对“数据”的引用时，引用对任何类型的数据做出，包括例如负载数据、地址信息、命令等。如何解释数据是在主控制单元和从属单元之间使用的通信协议的事情。虽然，将更加详细地描述一种可能的协议的一些方面，本发明并不局限于此，并且其他协议也可很好地使用。
当在本文中对信号的从“低”电压电平改变到“高”电压电平的“上升边缘”的“上升时间”做出引用时，对信号从低到高电平的阶段从10％改变到90％值所花费的时间做出引用。例如，其中脉冲信号是具有12V幅度(在0V和12V之间变化)的矩形波形，上升时间被定义为信号从1.20V改变到10.80V所需的时间。
当使用上升边缘描述实施例时，它们也可以使用下降边缘来实现。前缘可以优选地为当确定定时时的后缘。
本发明的实施例可以与能量存储系统一起使用，但本发明不仅仅局限于的能量存储系统，还可以在其他应用中使用，在所述应用中主控制单元要将电能和数据提供给一个或多个从属单元，同时与它们电气分隔。本发明的原理可以例如也被用于医疗应用中，其中一个或多个从属设备被植入到身体中，并且其中在身体外部的主控制单元通过电容耦合向从属设备提供电能和数据。另一个应用可以是门禁控制系统，由此主控制单元是徽章读取器的部分，并且从属单元是门禁卡的部分。
第一实施例
图3到图7将被用于解释本发明的实施例的主要原理。
图3示出根据本发明的各方面的系统113。系统113是图1的能量存储系统13的变形，但这并不是要将本发明限制为能量存储系统。当将图3的框图与图1的框图比较时，在这两个系统113、13之间的主要区别立刻变得很清楚：从主控制单元120到一个或多个从属单元115的数据出现在第一总线130上，而不是第二总线140，如由箭头“电能和数据”和“数据”所指示。尽管并非从图3中显而易见，这提供了第二总线140可以是单向的(而不是双向的)重要优点。当使用光耦合器时，这意味着这两个光耦合器之一(每个方向一个)可以被每个从机115省略。这在板载空间和组件成本方面有较大优势，特别是在诸如具有多个从机(例如具有至少8个或至少16个或至少32个从机或甚至更多)的能量存储系统之类的系统中。另外，在第二总线140上的话务被减少(与图1的系统13相比)，这可以允许使用较慢的对接设备，例如较慢的光-耦合器，其可以进一步降低组件成本。这也可以减少噪声、EMC和EMI问题，并且因而增加系统可靠性。
本发明的一个重要方面是如何可以在同一总线130上同时传输电能和数据，那条总线借助于串联电容器119与从机115电解耦合，如接下来将描述的。
图4示出可用在图3的能量存储系统113中的从属单元115的实施例。(从主控制单元120所发射的)电能和数据信号被通过输入注释“P”提供给从属单元115。如关于图1和图2所解释地，通过以与在上述现有技术中所描述的类似方式控制开关SW1、SW2，电能的一部分被用于本地电源122，而另一部分可以被传送给外部设备，在这种情况下是电池单元12(图4中未示出)。微控制器118可以通过线路RX从主控制单元120接收数据，并且通过线路TX向主控制单元120发送数据。然而在图2中，通信线路Rx和TX都行进至图4中的从属单元中的节点\"C\"，仅线路TX(用于发送)的数据行进至节点\"C\"，而线路RX(用于接收数据)被连接到节点\"P\"。这种差别的重要优势可能无法从图4的框图中立刻显现，但是将从其示例在图5中示出的示意图中显现，但是本发明并不仅仅局限于该示意图，而且其他示意图也是可用的。
图5更加详细地示出图4的从属单元115，除了第二开关SW2以及一些解耦合电容器、电容电路或电容设备之外，出于简明的目的它们被省略。本地电源122被示为框图，但是这样的电路在本领域是公知的，并且因此无需在此被进一步详细示出或描述。C2是用于将电能传递到本地电源122和用于对电池单元12(未示出)充电同时阻断DC分量的串联电容器(或电容电路或电容设备)。电容器C2(或电容电路或电容设备)对应于图3中的电容器119，但如所示，第二电容器C1(或电容电路或电容设备)是可选地与C2并联以使得所述通信更加可靠并且更少依赖于电池元件12的状态和开关SW1的状态。如果存在，C1的值通常比C2的值小几个量级。或者，电容器C1(或电容电路或电容设备)可以被忽略，在这种情况下中，将把电阻器R1连接到C2的输出，但在该情况中，如果第一开关SW1将被闭合，则所述通信信号将变弱，而对应的电池12(图5中未示出)的电压将变低。在总线130和从属单元115之间加入单独的数据路径(通过串联电容器C1(或电容电路或电容设备))，提供了当要接收数据时不必打开开关SW1的优点。这使得通信更加可靠，并且也简化了微处理器118的软件。开关SW1可以是例如双极晶体管或FET或半导体闸流管或任何其他合适的现有技术公知的开关。光隔离组件135的输出级可以借助电能信号PP从主控制单元120供电。微控制器118优选地在其输入处具有钳位二极管(未示出)，该钳位二极管防止在输入引脚处的电压电平远远地超过VDD(例如多于0.5V)或远远低于本地GND(例如多于0.5V)。微控制器118的接地引脚GND将通常通过S-节点被连接到电池单元12的低电压电平。这允许通过简单的电阻器R1将电容器C1(或电容电路、或电容设备)耦合到微控制器118的输入引脚，而不损坏它。由此，脉冲P2的负部分将(在微控制器的内部上)基本上消失。如果该从属单元115要被用在图1的现有系统13中，电容器C1(或电容电路、或电容设备)和电阻器R1将被忽略，但另一个(单向)光隔离组件将必须被加入以用于微控制器所接收的数据，它将占据更多的板载空间并增加成本。
已经描述了系统113的结构，并且特别是从属单元115，现在将参考图6和7来描述其工作。
首先，借助图6的简单的测试电路将解释如何通过串联电容器119(或电容电路、或电容设备)将由主控制单元120和AC信号发生器114(参见图3)所生成的第一脉冲P1(例如矩形脉冲)转换(变形)成非矩形的第二脉冲P2。众所周知，具有陡峭上升边缘r1的矩形脉冲P1通过串联电容被转换成具有陡峭上升边缘r2的第二脉冲，所述陡峭上升边缘r2与第一脉冲的上升边缘r1基本同时出现，但随后随时间呈指数衰减。第一和第二脉冲P1和P2的精确尺寸和形状对于本发明的各实施例的工作来说并非特别重要，只要所述脉冲适合于提供足够量的电能给从属单元115，并且只要被用于传送信息的脉冲的相关性特性可以在从机处提取出。例如，在一些实施例中，从属单元115能够以足够的精度测量连续脉冲P2的上升边缘r2a和r2b之间的时差，如将进一步解释地。在图1和3的可充电能量系统113中，电能脉冲P1优选地为具有预定幅度(例如12V)、在预定频率(例如10kHz或25kHz)、并具有预定的占空比(例如约50％的占空比)的矩形脉冲。然而，比12V更大或更小的其他幅度也是可用的，例如5V或约6V或约24V，并且其他频率和占空比也是可用的。
图7A、图7B和图7C示出在本发明的实施例中数据可以如何从主控制单元120传送到从属单元115的原理。例如，在图3的系统113中，存在电能脉冲自身的调制。图7A和图7C示出这样的一系列第一脉冲P1的示例，其中所述脉冲具有上升边缘(优选地是陡峭的上升边缘)，并且其中根据要从主控制单元120传送到从属单元115的数据来调制(具体而言是基带调制)后续第一脉冲P1的上升边缘之间的差(时差)。可以使用如在本领域中公知为“PPM”的脉冲位置调制的调制技术。然而，并不是绝对要求使用该技术。所示的波形是其变体，因为在经典的PPM中每个脉冲的高电平时间是相同的，但是对于本发明的实施例来说这并不是绝对要求的。对于本发明的实施例，仅上升边缘的位置是重要的。在其他实施例中，可以使用列边缘来代替。图7A示出由AC信号发生器114所生成的波形的示例。主机单元具有用于发送经调制AC信号的发射机。AC信号可以是二进制信号。应该注意，并不是绝对要求将矩形脉冲用作第一脉冲P1，并且例如来自锯齿形波形的三角形脉冲也可被使用。然而，矩形脉冲是有利的，因为它们非常容易由例如(作为主控制单元120的部分)微控制器之类的简单的电子电路，例如通过在'0'和'1'之间切换数字输出引脚并将其施加到称为H桥接的输入来产生。这样的电路通常被用在电机控制电路中，因而无需在此被进一步详细描述。例如，众所周知的是H桥接的输出可以是“低”电平有效，或“高”电平或“高阻抗”有效的。
图7B示出当图7A或图7C的波形被施加到的串联电容器119(或电容电路、或电容设备)的输入时，在其输出处出现的第二脉冲P2的示例。第二脉冲P2的波形的确切形状可以背离图6所示的理想波形，这取决于(在从机侧的)阻抗“之后”的电路的实际阻抗。例如，在图6的电路中，阻抗是单个电阻器R，在这种情况，第二脉冲P2按照指数函数衰减。但在图5的电路的情况中，阻抗是包括二极管D2、电源122、开关SW1(可以是打开或闭合的)以及可选地还有能量存储电池(未示出)的更加复杂的电路的阻抗。然而，在这些实施例中，通过选择合适的调制和解调技术，例如PPM，第二脉冲P2的确切形状是较不或不重要的，并且仅在脉冲边缘(诸如例如连续脉冲的上升边缘r2a、r2b)之间的位置是重要的，其是正被调制的参数。
在图7A、图7B和图7C中所示的示例中，在连续脉冲之间的时差Δt可以假设为许多个预定值(例如三个预定值)之一。当没有数据从主控制单元120发送到从机115时，使用在后续脉冲之间的第三预定时差Δt3，对应于“无数据”或“伪位”。这些脉冲仅承载电能，没有数据。当“1”位被从主控制单元120发送到从机115时，使用在后续脉冲之间的第二预定时差Δt2，对应于“1”位。这些的脉冲承载电能和数据信息两者。当“0”位被从主控制单元120发送到从机115时，使用在后续脉冲之间的第一预定时差Δt1，对应于“0”位。这些的脉冲也承载电能和数据信息两者。在后续脉冲之间的第二预定时差Δt2可以例如比在后续脉冲之间的第一预定时差Δt1更大，并且在后续脉冲之间的第三预定时差Δt3可以比在后续脉冲之间的第一预定时差Δt1更小。但是，这并不是一种要求；相反情况可能也如此，或者在后续脉冲之间的第二和第三预定时差Δt2、Δt3这两者可能比在后续脉冲之间的第一预定时差Δt1更小或更大。在其中第一总线上的脉冲的频率是约25kHz的示例中，可例如选择Δt1、Δt2和Δt3分别等于约35、40和45微秒(伴随例如每个小于1.5微秒的容差)，并且可以分别对应于“0”、“1”和“无数据”，但也可以使用其他值。
上述描述涉及可以被描述为使用脉冲频率调制形式的(即相对于图7A、7B、7C示出并描述的)本发明的实施例。调制可以通过改变块波的周期以编码位来实现。一个周期(Δt3)发出“空闲”、“伪”或“无数据”信号。其他周期发出一个或多个位的不同的位组合。通过测量在上升边缘和与不同时间长度相关的位值之间的时间来实现解调。
或者，在另外的实施例中，可以通过保持脉冲的周期恒定但通过变化块波的开启和关闭时间(图7D、图7E)来执行调制。这是一种脉冲宽度调制形式。为了解调，测量在每个脉冲的上升和下降边缘之间的时间推移。在图6中示出的电路的各组件被调整大小以便保持可测量的下降边缘。再次，可以对一个或多个位的不同位组合(图E)编码，以便增加带宽。
根据本发明的另外的实施例，可以使用两种前述技术的组合，例如由给定周期T1生成空闲信号。这些脉冲仅发送电能。对于数据，使用不同的时间T2(参见图7F)。在不同的数据值之间的区分可以通过改变T2内的占空比来实现。这意味着在T2占空比内使用了脉冲宽度调制。解调在某种程度上被简化，因为可以将简单的周期测量用于确定数据是否要被发送。一旦开始数据接收，通过脉冲用测量来执行解调。
本发明的又另一个实施例利用了图7G中所示的调制技术。在本实施例中，数据信号的提供是通过使得某个数目的脉冲表示一个位值。对于解调，一个脉冲列内的脉冲可以被计数，而不是测量时间。为了指示一个脉冲列何时开始或结束，可以使用较长(参见图7G)或较短空闲时间或比在用于计数的脉冲列中所使用的更长或更短的脉冲。例如，针对图G中示出的脉冲列，脉冲之间更长的衰减，即更长的低电平值被用作开始/结束信号，并且简单的超时计数器可以被用于确定何时重置所述脉冲计数。本实施例的优点在于，无需在接收机侧增加的处理能力，就可以增加载波频率(例如x8)。以此方式，相比较于先前的实施例，保持了数据带宽，但发送给从机的电能可以被增加或耦合电容器(319)或电容电路或电容设备可以在尺寸上被减小。
在又另一个实施例中，可以通过使用具有超过一个幅度的块波以与不同周期相类似的方式来执行调制。这是一种幅度调制的形式。在这种情况中，可以通过在具有用于例如块波的不同输出电压的电源之间进行切换来执行调制。这要求在发送者侧的额外开关。对于解调，可能需要额外的比较器来确定原始幅度。
本发明的实施例还可以用于双向数据传输。例如，从机可以例如以广播信号形式生成用于传输到主机或其他从机的脉冲数据。例如，在本发明的任何实施例中，可以在原始生成的块波定时内或以任何合适的时隙生成高阻抗状态，例如还在无需停止块波生成的实施例。在这种情况下中，块波可以被认为是允许从从机到主控制器的同步通信的时钟脉冲列。通过在高阻抗状态期间在数据线上生成其自己的不同类型的脉冲，从机可以进行通信(参见图7H)。这个脉冲，其相对于块波的位置和/或其长度可以由主控制器检测。这些参数可以被链接到位图。
在本发明的任何实施例中，在从属单元或别处的解耦合电容器的尺寸可以以参考图7I的下述方式来确定。图5中的C1或图6中的C的电容值可以从通过下述公式计算出的电容器的放电电流开始计算：
当I已知时，C可以通过下述公式来计算：
图7I示出了来自最大1V的Δv，并且从生成的块波已知Δt。
从属单元115的微控制器118可以很容易地，例如通过使用在上升边缘上自动生成中断的输入引脚，来解码或解调这样的经组合的电能和数据信号，并且微控制器仅需要，例如通过测量当第一脉冲出现时的时间值(或计数值)并测量当第二脉冲出现时的时间值(或计数值)并随后计算这些时间实例(或计数值)之间的差，来确定后续脉冲之间的时间间隔，并且随后找出与预定值Δt1、Δt2和Δt3中的一个的最佳匹配并分配对应的位“0”或“1”或“无数据-位”。
本领域技术人员清楚的是上述详细说明了可用在图3的硬件上的公知的OSI模型的“物理层”的一种可能的实施例。物理层详细说明了如何在设备之间通信“位”。该层典型地指定了参数，诸如例如电压、速度和电缆的引出脚。
虽然在该物理层的顶部可以使用任何合适的更高的层协议，在可充电能量系统113中使用的合适的协议将在接下来作为一个实施例进行描述，并且根据本发明对其系统没有限制。
在一个示例中，每个微控制器118并且这样每个从属单元115将在总线上具有唯一的地址，例如在具有32个从属单元的系统中为5位的地址。该地址可以，例如在从机软件中被硬编码，或写入在非易失存储器(嵌入到从机中或与其外部相连的闪存或EEPROM)，或可以甚至通过填充上拉电阻或下拉电阻，或通过使用拨码开关或以任何其他方式来在PCB-层设置。通信循环以“空闲”状态开始，对应于上述的“无-数据-位”。主控制单元120仅发送电能脉冲，无数据。从属单元115通过测量连续脉冲的上升边缘之间的时间差Δt(在此情况中它们将检测Δt3)正在“监听”总线。随后，主控制单元120发送由预定数目的位(包括指令信息和地址信息)构成的数据分组。仅作为示例，主控制单元12可以发送8位数据分组，包括用于指令的3个位+用于地址的5个位。这样的8位数据分组提供了8种可能的命令和32个从机地址。当然，数据分组的长度可以被适配用于需求，即特定应用所需的地址数目和命令数目。一种可能的命令是“打开所有的第一开关SW1”，在这种情况中，地址字段是无关的，并且每个从属单元115将打开其第一开关SW1。另一个命令可以是：“闭合一个第一开关SW1”，在这种情况中仅被定址的从属单元闭合其第一开关。另一个命令可以是“测量所有电压”。随后，每个微控制器118可以通过使用其A/D转换器测量其电池12的电压并将该值临时存储在存储器中。另一个命令可以是“传送一个所测量的电压”，并且定址的从机将在第二总线40上发送所测量的电压。
在第二总线140上的通信可以基于与第一总线130的通信相同的频率，例如可以与其同步，但是正不是绝对需要的。
在同步情况中，每个接入电能脉冲将被用作用于在第二总线140上输出数据的时钟信号，即在接入脉冲的每个上升边缘处，被定址的从机将发送一个位值给其光耦合器135，直到所测量的值的所有位被发送。由于主机120正在第一总线30上发送第一脉冲P1，可以很容易地在第二总线140上解码数据。
作为异步通信的一个示例，每个从属单元115可以通过在光接口上使用类似RS232的定时协议来使用其自己的定时，例如使用源自本地振荡器的本地时钟。当然，主控制单元120将必须在第二总线140的接收侧使用相同的协议来解码从从机115接收到的数据。
然而，在图7A和7B示出的波形示出了3种可能的时间差Δt1、Δt2和Δt3，本发明并不局限于此，并且其他实现也是可能的，如上面已经指出的。例如，作为另一种可能实现(未示出)，可能仅使用两个时间差Δt1和Δt2，由此，Δt1对应于“1”位，而Δt2对应于“0”位。再次，通过使用合适的协议，例如通过使用具有报头字段(例如包括同步字节，诸如例如出于同步目的的十六进制数0x47)和具有命令字段(例如3个位)和地址字段(例如5个位)的数据分组，该主控制单元120将能够通过调制所述电能脉冲在第一总线130上与每个从属单元115通信。在这种情况中，当没有数据信息被发送给从机时，伪分组将在总线上被发送，例如“NOP”命令(无操作)，这可以以任何合适的方式，例如作为8种命令之一，被实现，但要求无动作。如上所述，其他协议可以被用于这种物理层的顶部。
作为另一种可能实现(未示出)，可能使用4个时间差Δt1、Δt2、Δt3、Δt4，由此，Δt1对应于包括两个位的码元'00'，Δt2对应于'01'，Δt3对应于码元'10'，而Δt4对应于码元'11'。通过使用这样的硬件层，可以每电能脉冲发送两个数据位。可能的定时可以是Δt1＝约32.5微秒，Δt2＝约37.5微秒，Δt3＝约42.5微秒，而Δt4＝约47.5微秒(每个具有+/-1.5微秒或更少的容差)，但另一个定时也可被选择。
作为还是另一种可能实现(未示出)，可能使用5个时间差Δt1、Δt2、Δt3、Δt4、Δt5，由此，Δt1对应于包括两个位的码元“00”，Δt2对应于“01”，Δt3对应于码元“10”，而Δt4对应于码元“11”，并且Δt5对应于“无数据”。末尾的码元例如可以被用作分组分隔符。由此的一个优点在于：在同步丢失的情况下很容易地重新同步，因为并非整个分组或甚至给定长度的多个分组需要被扫描。
综上所述，对于本领域的读者来说应该清楚通过使用更多，例如8或9，个预定时间差Δt1到Δt8以及可选的Δt9(对应于“000”,“001”,...“111”以及可选的“无数据”)，还可能在每电能信号发送超过2个的数据-位。为了实现在第一总线130上的可靠通信，上升边缘优选的是陡峭的，即具有与预定距离相关的短“上升时间”。例如，上升时间应该优选地为小于在上升边缘之间的最小时间差的20％，优选为小于10％，更优选地为小于5％或甚至小于3％。通常，第一脉冲P1的脉冲频率越高，则所需的上升时间越短，以便维持可靠的通信。
尽管第一实施例被描述为能量存储系统，可以明白如以上所解释地，用于在总线上提供脉冲电能和数据的方法和系统也可以应用在其他系统中，在其中，主控制单元被连接到总线，并且在其中一个或多个从属单元借助串联电容器被连接到总线，例如上述的医疗植入设备。类似地，这样的系统的从属单元不需要是平衡单元，这取决于所述应用。例如，铅酸电池组通常不需要个体平衡，但可能需要个体监视。这同样应用于燃料电池或液流电池。
第二实施例:
在借助关于图3到图7I所描述的第一实施例已经解释了本发明的主要原理后，本发明的更多实施例将变得容易理解。在下述内容中，与上述第一实施例有关的所有公开通过在该实施例中引用被包括在此。具体而言，参考图7a到图7h所描述的所有脉冲波形、调制和解调技术通过在该实施例中引用而被包括。
图8示出根据本发明的各方面的系统213的第二实施例，由此，主控制单元220被适配用于在总线230上发送经组合的电能和数据脉冲给一个或多个从机215，借助串联电容器219(或电容电路或电容设备)从机215被连接到总线230。从机215可以以任何方式或以与上述(第一实施例)相同的方式接收数据，例如通过测量微控制器218所见到的第二脉冲P2的上升边缘之间的时间差Δt。
第二实施例和第一实施例之间的主要差异在于在第二实施例中并不存在通过其从机215可以传送数据到主控制单元220的第二信道。这样，本发明还可以用于单向通信系统中。
图9示出可用在图8的系统213中的从属单元215的示例。注意到该从属单元215根本不需要光-耦合器，因而可以进一步减少板载空间、组件计数和成本，并且可以进一步增加系统可靠性。
第三实施例：
图10示出根据本发明的各方面的系统313的第三实施例，由此，主控制单元320被适配用于在总线330上发送电能和数据信号给一个或多个从属单元315，借助串联电容器319(或电容电路或电容设备)从属单元315被连接到总线330。从属单元315可以以任何方式或以与上述(第一实施例)相同的方式从主控制单元320接收数据，例如通过测量第二脉冲P2的上升边缘之间的时间差Δt。在下述内容中，与上述第一和第二实施例有关的所有公开通过在该实施例中引用被包括在此。具体而言，参考图7a到图7h所描述的所有脉冲波形、调制和解调技术通过在该实施例中引用而被包括。
第三实施例和第一实施例之间的主要差异在于从属单元315可以通过相同的信道330并通过相同的串联电容器319(或电容电路或电容设备)传送回主控制单元320。然而，主控制单元320和从属单元315不能同时地通信(不是全双工)，因为基带通信被使用，但可以例如预定的时间周期交替通信。这可以要求当从机正在发送时AC信号发生器314的输出驱动器被置于高阻抗状态。然而，AC信号发生器还可以以其他方式从第一总线解耦合，例如借助在总线330和AC信号发生器314之间的开关(未示出)，或以任何其他方式。
在一个示例中，首先，通过以任何方式或以如上所述的类似方式，主控制单元320将通过发送第一脉冲P1将足够的能量和可选地还有数据提供给从属单元315，并随后将停止发送脉冲。接着，从机之一将以任何方式或与上面针对主控制单元320所述的类似的方式将例如具有上升边缘的矩形脉冲的第三脉冲P3提供给电容器319(或电容电路或电容设备)然而，第三脉冲P3无需与第一脉冲P1完全相同，因为从属单元315仅需要发送没有电能的数据给主控制单元320，并且这样所述脉冲P3可以例如具有不同的幅度和/或形状和/或定时，并且数据可以以与第一脉冲所使用的频率不同的频率被发送。第三脉冲P3通过串联电容器319(或电容电路或电容设备)以与图6所示的类似的方式被转换成第四脉冲P4。相比较于第一实施例，在其中由从属单元315发送的数据可以与第一脉冲(时钟)同步，这在图10的实施例中是不可能的。取而代之的是，图10的实施例的主控制单元320的微处理器(未示出)将测量第四脉冲P4的上升边缘之间的时间差Δt，并将它们转换成位流，随后可以由正在使用的协议以与第一实施例的从属单元所做的类似的方式对其进行解释。预定时间差(例如Δt1、Δt2等)的值和在从主控制单元320向从属单元315的通信(即下链路)中使用的协议并不需要必须与从从属单元315到主控制单元320(即上链路)的通信中使用的值和协议相同，但使用相同的协议可以更容易地执行。
图11示出可用在图10的系统313中的从属单元315的示例。注意，该从属单元315不需要用于与主控制单元320通信的光-耦合器，但需要用于生成第三脉冲P3(其通过电容器319(或电容电路或电容设备)被转换成第四脉冲P4)的附加AC信号发生器345。该AC信号发生器345可以包括电压缓冲器或由电压缓冲器组成，或可以包括H-桥接或其他合适的电路。优选地，当主单元正在发送电能和/或数据时该缓冲器345被置于高阻抗状态，或TX线路可以以另一种方式从P节点断开，例如通过使用附加的开关(未示出)。
在系统313是能量存储系统(这样通过添加存储电池和开关SW1、SW2)，该系统将提供与现有电路13(图1)相同的功能，但是却更加紧凑，具有更低的重量、更低的成本和更高的系统可靠性。
第四实施例：
图12示出根据本发明的各方面的系统413的第四实施例，由此，主控制单元420被适配用于在总线430上发送电能和数据信号给一个或多个从属单元415，借助串联电容器419(或电容电路或电容设备)从属单元415被连接到总线。从属单元415可以以与上述(第一实施例)相同的方式从主控制单元420接收数据，例如通过测量第二脉冲P2的上升边缘之间的时间差Δt。在下述内容中，与上述第一到第三实施例有关的所有公开通过在该实施例中引用被包括在此。具体而言，参考图7a到图7h所描述的所有脉冲波形、调制和解调技术通过在该实施例中引用而被包括。
第四实施例和(图3的)第一实施例之间的主要差异在于从属单元415可以通过与第一信道430不同的第二信道440传送回主控制单元420，但是取代使用光-耦合器、电分隔的是借助于第二串联电容器441(或电容电路或电容设备)来获得。
在一个示例中，首先，通过以任何方式或以如上所述的类似方式，主控制单元420将通过发送第一脉冲P1将足够的能量和可选地还有数据提供给从属单元415。取决于所述实现，具体而言，取决于微控制器的处理能力，主单元随后可以停止发送脉冲，以便从属单元不需要解码或解调，或可以继续仅发送电能脉冲，或可以继续发送电能和数据脉冲，但仅针对从机的子集。接着，从机之一将以任何方式或与上面针对主控制单元420所述的类似的方式将例如具有上升边缘的矩形脉冲的第三脉冲P3提供给电容器441(或电容电路或电容设备)然而，如上所述，第三脉冲P3无需与第一脉冲P1精确相同，因为从属单元415仅需要发送没有电能的数据给主控制单元420，并且这样所述脉冲P3可以例如具有不同的幅度和/或形状和/或定时。第三脉冲P3将通过串联电容器441(或电容电路或电容设备)以与图6所示的类似的方式被转换成第四脉冲P4。第三脉冲P3可以是例如以与第一脉冲P1基本上相同的时钟频率被发送，或以另一个时钟频率，例如以微控制器的本地时钟频率被发送。预定时间差(例如Δt1、Δt2等)的值和在从主控制单元420向从属单元415的通信(即下链路)中使用的协议并不需要必须与从从属单元415到主控制单元420(即上链路)的通信中使用的值和协议相同，但使用相同的协议可以更容易地执行。
图13示出可用在图12的系统413中的从属单元415的示例。注意，该从属单元415不需要用于与主控制单元420通信的光-耦合器，但需要用于生成第三脉冲P3的附加AC信号发生器445。该AC信号发生器可以包括电压缓冲器或由电压缓冲器组成，或可以包括H-桥接或其他合适的电路。AC信号发生器445将不被连接到节点“P”，而是连接到单独的节点“C”，以与串联电容器441(或电容电路或电容设备)相连。
在系统413是能量存储系统(这样通过添加存储电池和开关SW1、SW2)，该系统将提供与现有技术电路13(图1)相同的功能，但是却更加紧凑，具有更低的重量、更低的成本和更高的系统可靠性，因为CAN-总线已经被移除，并且所有的光-耦合器由电容器419、441(或电容电路或电容设备)来取代。