專利名稱：用于最大化電池充電時(shí)間的直流功率控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開(kāi)通常涉及功率控制系統(tǒng)。更具體地，本公開(kāi)涉及用于在DC(直流)功率系 統(tǒng)中控制功率傳送以便最大化系統(tǒng)功率輸出、最大化電池充電時(shí)間和增加系統(tǒng)壽命的系統(tǒng) 和方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的DC功率系統(tǒng)包括電源、DC功率控制器和電池。傳統(tǒng)的DC功率控制器是公 知的。它們典型地使用快速充電方法、電壓調(diào)節(jié)/轉(zhuǎn)換、和/或電池保護(hù)，以便延長(zhǎng)電池運(yùn) 行壽命和加速充電時(shí)間。典型的系統(tǒng)利用電源和電池之間的開(kāi)關(guān)，其中功率控制器脈沖寬 度調(diào)制(PWM)開(kāi)關(guān)，以便實(shí)現(xiàn)從電源到電池的功率傳送。在這樣的系統(tǒng)中，電池通過(guò)電源快 速充電，放電以便為負(fù)載供電，然后再次快速充電。盡管傳統(tǒng)的DC功率控制系統(tǒng)已經(jīng)被證明一般適于它們想要的目的，但是它們具 有降低它們的總體效率和合意性的固有缺陷。例如，傳統(tǒng)的DC功率控制系統(tǒng)沒(méi)有有效地使 用來(lái)自電源和電池的功率，導(dǎo)致更高的系統(tǒng)復(fù)雜性和成本。此外，電池的頻繁充電和放電循 環(huán)劣化了功率傳送效率，并且減少了電池的運(yùn)行壽命，導(dǎo)致縮短的系統(tǒng)壽命。

發(fā)明內(nèi)容
在此公開(kāi)了用于在包括電源、開(kāi)關(guān)矩陣控制器和多個(gè)電池的開(kāi)關(guān)矩陣DC功率控 制系統(tǒng)中提供改進(jìn)的功率傳送的系統(tǒng)和方法。根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)示例，開(kāi)關(guān)矩陣DC功率控制系統(tǒng)在重的負(fù)載要求條件下，通過(guò) 組合來(lái)自電源的功率和來(lái)自多個(gè)電池的功率管理總的輸出功率。組合來(lái)自電源和電池的功 率允許系統(tǒng)使用具有減小的最大功率輸出的電源，降低系統(tǒng)成本。在較輕的負(fù)載要求條件 下，電源可以單獨(dú)為負(fù)載供電，并且來(lái)自電源的任何多余功率用于充電電池。僅當(dāng)負(fù)載要求 大于電源可以提供的功率時(shí)才使用電池功率減小了電池充電/放電循環(huán)，因此延長(zhǎng)了電池 運(yùn)行壽命。根據(jù)本公開(kāi)的另一示例，通過(guò)獨(dú)立地控制每個(gè)電池的充電和放電，開(kāi)關(guān)矩陣DC功 率控制系統(tǒng)最大化充電多個(gè)電池的時(shí)間量。每個(gè)電池默認(rèn)地處于充電狀態(tài)。功率控制系統(tǒng) 監(jiān)控負(fù)載處的輸入電壓，以便控制開(kāi)關(guān)矩陣動(dòng)態(tài)地放電來(lái)自僅僅需要來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載的那些電 池的功率。每個(gè)電池的獨(dú)立充電/放電控制改進(jìn)了到負(fù)載的功率傳送的效率，并且還通過(guò) 最大化電池的充電時(shí)間延長(zhǎng)電池運(yùn)行壽命。當(dāng)結(jié)合附圖考慮時(shí)，通過(guò)參照以下詳細(xì)描述，將更完整地理解本公開(kāi)的實(shí)施例的 這些和其它目的和優(yōu)點(diǎn)。


圖1是根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施例的DC功率控制系統(tǒng)的框圖；圖2是根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施例的、用于多個(gè)電池的充電/放電開(kāi)
4關(guān)矩陣和來(lái)自電源的直接功率開(kāi)關(guān)的圖；圖3是根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施例的、用于多個(gè)電池的放電開(kāi)關(guān)矩陣 以及用于控制放電開(kāi)關(guān)矩陣的輸出電壓檢測(cè)器和放電控制電路；圖4是根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施例的、用于多個(gè)電池的充電開(kāi)關(guān)矩陣 以及用于控制充電開(kāi)關(guān)矩陣的輸入電壓檢測(cè)器和充電控制電路；以及圖5是根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施例的、用于控制單個(gè)電池組的充電/ 放電開(kāi)關(guān)矩陣的檢測(cè)器/控制電路的框圖。通過(guò)參照以下的詳細(xì)描述，最好地理解本公開(kāi)的實(shí)施例和它們的優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)該理解， 相同的參考標(biāo)號(hào)用于標(biāo)識(shí)在一個(gè)或多個(gè)圖中圖示的相同的元件。
具體實(shí)施例方式公開(kāi)了用于改進(jìn)開(kāi)關(guān)矩陣DC功率控制系統(tǒng)中的功率控制的系統(tǒng)和方法。在DC 功率控制系統(tǒng)中，如太陽(yáng)能電池陣列、風(fēng)力渦輪機(jī)、水力發(fā)電機(jī)、氣體發(fā)電機(jī)、或并網(wǎng)(grid ties)的電源可以用于將太陽(yáng)能、風(fēng)力、水力、礦物燃料、AC電力、或者其它形式的能量轉(zhuǎn)換 為DC電能以驅(qū)動(dòng)負(fù)載。圖1是根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施例的DC功率控制系統(tǒng)10的框圖，該 DC功率控制系統(tǒng)10具有電源100、開(kāi)關(guān)矩陣控制器200、多個(gè)電池300和負(fù)載400。電源 100可以是但不限于太陽(yáng)能電池陣列、風(fēng)力渦輪機(jī)、水力發(fā)電機(jī)、汽油發(fā)電機(jī)、或并網(wǎng)，其生 成電能以在電源輸出101建立電壓電平。開(kāi)關(guān)矩陣控制器200管理來(lái)自電源100的電能的 傳送以便為負(fù)載400供電，管理來(lái)自電源100的電能的傳送以便充電多個(gè)電池300，并且管 理來(lái)自多個(gè)電池300的電能的傳送以便為負(fù)載400供電。多個(gè)電池300存儲(chǔ)來(lái)自電源100 的多余電能，使得可以放電存儲(chǔ)的能量以便單獨(dú)或結(jié)合電源100為負(fù)載400供電。多個(gè)電 池可以包括四個(gè)電池A、B、C、D，其中每個(gè)電池由開(kāi)關(guān)矩陣控制器200獨(dú)立地控制，盡管取決 于系統(tǒng)需要其它數(shù)目的電池也可以是合適的。在電源輸出101處的電壓電平可以通過(guò)開(kāi)關(guān)矩陣控制器200中的輸入電壓檢測(cè)器 210來(lái)監(jiān)控。如果電源輸出101變得太高，則來(lái)自輸入電壓檢測(cè)器210的輸出可以由充電控 制電路230使用來(lái)避免損壞電池。默認(rèn)地，多個(gè)充電開(kāi)關(guān)沈1、沈2、沈3、264可以處于閉合 位置，以便允許來(lái)自電源輸出101的電能流分別充電電池A、B、C、D。充電開(kāi)關(guān)沈1-264可 以被控制并且控制為具有與相應(yīng)的放電開(kāi)關(guān)271-274相反的狀態(tài)。因此，如果放電開(kāi)關(guān)閉 合，則相應(yīng)的充電開(kāi)關(guān)將斷開(kāi)，且如果放電開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，則相應(yīng)的充電開(kāi)關(guān)將閉合。在負(fù)載400處，可以通過(guò)開(kāi)關(guān)矩陣控制器200中的輸出電壓檢測(cè)器220監(jiān)控在負(fù) 載輸入401處的電壓電平，以便確定是否存在來(lái)自電源的足夠電壓可用于為負(fù)載供電。來(lái) 自輸出電壓檢測(cè)器220的輸出可以由放電控制電路240用于確定可以放電多個(gè)電池的哪個(gè) (如果有的話)來(lái)補(bǔ)充來(lái)自電源的功率。默認(rèn)地，放電開(kāi)關(guān)271、272、273、274處于斷開(kāi)位 置，并且可以由放電控制電路240閉合以允許分別從電池A、B、C、D到負(fù)載的電能的傳送。 如果放電控制電路240確定電池已經(jīng)充分放電使得它們不再能支持負(fù)載，則放電開(kāi)關(guān)可以 斷開(kāi)。從電源輸出101到負(fù)載輸入401的電能流可以通過(guò)由電源輸出控制電路250控制 的直接輸出開(kāi)關(guān)四0。默認(rèn)地，直接輸出開(kāi)關(guān)290處于閉合位置，以便將來(lái)自電源的功率直接傳送到負(fù)載。電源輸出控制電路250可以監(jiān)控在電源輸出101處的電壓。如果存在過(guò)度 的電源輸出，則電源輸出控制電路250可以脈沖調(diào)制(pulse)直接輸出開(kāi)關(guān)四0，以便保護(hù) 負(fù)載并且維持到負(fù)載的穩(wěn)定電壓。一旦閉合，放電開(kāi)關(guān)271-274就停留在閉合位置，直到通過(guò)來(lái)自重置電路280的重 置脈沖從該狀態(tài)釋放。重置電路280可以生成周期性的重置脈沖，以便將放電開(kāi)關(guān)271-274 重置回到它們默認(rèn)的斷開(kāi)位置，這依次可以導(dǎo)致充電開(kāi)關(guān)沈1_264被重置回到它們的默認(rèn) 閉合位置。立即，輸出電壓檢測(cè)器220可以感測(cè)在負(fù)載輸入401處的電壓，并且放電控制電 路240可以確定是否任何電池必須被放電以驅(qū)動(dòng)負(fù)載。因此，重置電路280允許開(kāi)關(guān)矩陣 控制器200響應(yīng)于變化的負(fù)載要求周期性地重新分配功率傳送。參照?qǐng)D2，示出了根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的、從電源輸出101到負(fù)載400、 從電源輸出101到電池和從電池到負(fù)載400的使用開(kāi)關(guān)矩陣的電功率的分配?？梢酝ㄟ^(guò)組合通過(guò)直接輸出開(kāi)關(guān)四0的電源輸出101處的功率和通過(guò)放電開(kāi)關(guān) 271、272、273、274的來(lái)自電池A、B、C、D的存儲(chǔ)的能量為負(fù)載400供電。將電源和電池視為 單個(gè)電源減少了來(lái)自電源的最大功率輸出要求，并且與僅使用電源或電池單獨(dú)為負(fù)載供電 相比降低了電源的成本。這還最大化了電池的充電時(shí)間并且最小化電池放電/充電循環(huán)。當(dāng)直接輸出開(kāi)關(guān)四0處于它默認(rèn)的閉合位置時(shí)，電源輸出101提供功率到負(fù)載 400?？梢钥刂浦苯虞敵鲩_(kāi)關(guān)四0以避免在直接輸出開(kāi)關(guān)290處的過(guò)高電壓損壞負(fù)載。圖1 的電源輸出控制電路250可以調(diào)制處于閉合位置的直接輸出開(kāi)關(guān)四0的占空比，以便維持 在負(fù)載處的穩(wěn)定狀態(tài)電壓。最初，當(dāng)在負(fù)載輸出401處的電壓停留在最小閾值之上時(shí)，指示 電源輸出可以單獨(dú)支持負(fù)載，電池處于默認(rèn)的充電狀態(tài)，其中開(kāi)關(guān)26H64閉合并且開(kāi)關(guān) 271-274斷開(kāi)。如果負(fù)載要求增加并且電源輸出功率維持相同，則流入負(fù)載400的電流可 能增加，導(dǎo)致在負(fù)載輸出401處的較低電壓。圖1的放電控制電路240感測(cè)負(fù)載輸入電壓 降到最小閾值之下，并且可以閉合一個(gè)或多個(gè)放電開(kāi)關(guān)271-274，并且斷開(kāi)相應(yīng)的充電開(kāi)關(guān) 261-264,以便放電電池以滿足增加的負(fù)載要求。如果負(fù)載要求隨后減少，則流入負(fù)載的電 流可能減少，導(dǎo)致在負(fù)載輸入401處的較高電壓。當(dāng)負(fù)載輸入電壓上升回到最小閾值之上 時(shí)，放電控制電路240可以將放電開(kāi)關(guān)271-274恢復(fù)回到默認(rèn)的斷開(kāi)位置，以便禁止放電。 然后將充電開(kāi)關(guān)沈1力64恢復(fù)回到它們默認(rèn)的閉合位置，以便啟動(dòng)從電源輸出101充電以 補(bǔ)充電池功率。僅當(dāng)負(fù)載輸入電壓降到閾值之下時(shí)放電電池最大化電池的充電時(shí)間。這還 最小化放電/充電循環(huán)，以便延長(zhǎng)電池壽命。因此，在變化的負(fù)載輸入條件和波動(dòng)的電源輸 出下，開(kāi)關(guān)矩陣用于有效地將來(lái)自電源和電池的功率傳送到負(fù)載。參照?qǐng)D3，示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的放電開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)，其包括圖1的輸出電壓檢測(cè)器 220、放電控制電路M0、用于多個(gè)電池A-D的放電開(kāi)關(guān)271-274和負(fù)載400。輸出電壓檢測(cè)器220可以在每個(gè)周期性的重置之后感測(cè)負(fù)載輸入401處的電壓電 平。該電壓電平可以與多個(gè)電壓基準(zhǔn)比較，每個(gè)電池一個(gè)電壓基準(zhǔn)。每個(gè)基準(zhǔn)電壓比較器的 輸出可以由放電控制電路240用于確定是否要通過(guò)放電開(kāi)關(guān)271-274放電一個(gè)或多個(gè)電池 以滿足負(fù)載要求。對(duì)于每個(gè)電池，電壓基準(zhǔn)可以設(shè)置在不同的電平，使得電池可以遞增地放 電以滿足增加的負(fù)載要求，或者隨著負(fù)載要求降低而遞增地恢復(fù)到充電狀態(tài)。例如，對(duì)于電 池A、B、C、D的電源基準(zhǔn)可以分別設(shè)為12. 5V、12V、11.5V和IlV0在負(fù)載輸入401處的電壓 與每個(gè)電源基準(zhǔn)進(jìn)行比較，并且如果負(fù)載輸入低于任何電壓基準(zhǔn)，則比較器可以生成信號(hào)
6以閉合放電開(kāi)關(guān)來(lái)放電電池。因此，如果最初在負(fù)載輸入401處的電壓是12. 5V之上，則其 高于所有電壓基準(zhǔn)；基準(zhǔn)電壓比較器不觸發(fā)；放電開(kāi)關(guān)271-274都處于它們默認(rèn)的斷開(kāi)位 置，并且所有電池處于充電狀態(tài)。如果負(fù)載要求增加，則流入負(fù)載400的電流可能增加，導(dǎo) 致在負(fù)載輸入401處的較低電壓。如果在負(fù)載輸入401處的電壓降到12. 5V之下，則第一 基準(zhǔn)電壓比較器可以觸發(fā)，導(dǎo)致放電開(kāi)關(guān)271閉合以便放電電池A到負(fù)載。如果負(fù)載要求 進(jìn)一步增加，則流入負(fù)載的電流可能進(jìn)一步增加，導(dǎo)致在負(fù)載輸出處更低的電壓。如果在負(fù) 載輸入401處的電壓降低到12V之下，則第二基準(zhǔn)電壓比較器可以觸發(fā)，導(dǎo)致放電開(kāi)關(guān)272 閉合以便放電電池B到負(fù)載。隨著負(fù)載要求進(jìn)一步增加并且在負(fù)載輸入401處的電壓降低 到IlV之下，則所有基準(zhǔn)電壓比較器可以觸發(fā)，導(dǎo)致所有放電開(kāi)關(guān)271-274閉合以便放電所 有四個(gè)電池A-D來(lái)支持增加的負(fù)載要求。相反地，如果負(fù)載要求減少，并且在負(fù)載輸入401 處的電壓從1IV之下上升到12. 5V之上，逐漸更多電源基準(zhǔn)比較器可能停止觸發(fā)，直到最終 所有放電開(kāi)關(guān)271-274斷開(kāi)，導(dǎo)致電池A-D恢復(fù)到它們的充電狀態(tài)以通過(guò)電源補(bǔ)充。放電 控制電路240還可以具有安全性機(jī)制，以便如果在負(fù)載輸入401處的電壓降低到最小電池 電壓閾值之下，則終止從所有電池放電。隨著電池放電，在它們的輸出處和在負(fù)載輸入401 處的電壓電平可能下降。如果高負(fù)載要求繼續(xù)不減弱，則可以放電電池直到功率接近耗盡， 導(dǎo)致在負(fù)載輸入401處的電壓降低到最小電池電壓閾值之下。當(dāng)這發(fā)生時(shí)，所有的放電開(kāi) 關(guān)可能斷開(kāi)，并且電池可能從負(fù)載斷開(kāi)，直到它們的功率恢復(fù)。參照?qǐng)D4，示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的充電開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)，其包括圖1的輸入電壓檢 測(cè)器210、充電控制電路230、放電開(kāi)關(guān)271-274的狀態(tài)和用于多個(gè)電池A-D的充電開(kāi)關(guān) 261-264。輸入電壓檢測(cè)器210可以感測(cè)在電源輸出101處的電壓，以便檢測(cè)任何來(lái)自電源 100的過(guò)高電壓。在電源輸出101處的電壓可以與電壓基準(zhǔn)比較。如果電源輸出電壓變得 太高，則它可能超過(guò)電壓基準(zhǔn)，導(dǎo)致比較器觸發(fā)。為了避免高電壓充電和損壞電池，觸發(fā)的 比較器的輸出可以由充電控制電路230用來(lái)脈沖調(diào)制到電池的電壓。對(duì)于每個(gè)電池獨(dú)立地 控制電池的充電和放電。充電開(kāi)關(guān)沈1_264可以配置為具有與放電開(kāi)關(guān)271-274相反的狀 態(tài)，如由反相器422所示。因?yàn)榉烹婇_(kāi)關(guān)271-274默認(rèn)地?cái)嚅_(kāi)，除非增加的負(fù)載要求使得需 要放電電池以補(bǔ)充電源，充電開(kāi)關(guān)沈1_264默認(rèn)地處于閉合位置以充電電池。最大化電池 處于充電狀態(tài)的時(shí)間減少了電池的充電/放電循環(huán)的頻率，幫助延長(zhǎng)電池壽命。如果增加 的負(fù)載要求要求放電開(kāi)關(guān)閉合，則充電開(kāi)關(guān)261-264可以相應(yīng)地?cái)嚅_(kāi)以終止電池的充電。 相反，由于減輕的負(fù)載要求或當(dāng)電池接近耗盡時(shí)一斷開(kāi)放電開(kāi)關(guān)，充電開(kāi)關(guān)261-264就可 以閉合以在此啟動(dòng)充電。當(dāng)超過(guò)一個(gè)充電開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，可以分配充電，使得按比例地將更多 功率分配到具有較低充電電平的電池。因此，充電遵循最小電阻的路徑，以便最大化功率效 率并且避免最低充電的電池完全放電。參照?qǐng)D5，示出用于控制電池A的充電和放電和用于控制從電源到負(fù)載的功率的 傳送的開(kāi)關(guān)矩陣控制器200的功能塊之間的相互作用。在負(fù)載輸入401處的電壓可以通過(guò)負(fù)載輸入電壓比較器421與負(fù)載輸入電壓基準(zhǔn) 423進(jìn)行比較，用于控制電池A的放電開(kāi)關(guān)271。負(fù)載輸入電壓基準(zhǔn)423可以對(duì)于給定電池 固定，但是可以對(duì)于不同電池設(shè)置在不同電壓電平，使得不同電池可以在不同時(shí)間開(kāi)始放 電。當(dāng)在負(fù)載輸入401處的電壓超過(guò)負(fù)載輸入電壓基準(zhǔn)423時(shí)，負(fù)載輸入電壓比較器421不觸發(fā)，并且放電開(kāi)關(guān)271處于默認(rèn)的斷開(kāi)位置。如果負(fù)載輸入電壓401由于增加的負(fù)載 要求而減小，并且電壓下降到負(fù)載輸入電壓基準(zhǔn)423之下，則負(fù)載輸入電壓比較器421可能 觸發(fā)以閉合放電開(kāi)關(guān)271來(lái)放電電池A。一旦負(fù)載輸入電壓比較器421觸發(fā)，它就停留在觸 發(fā)的位置，直到重置電路280釋放觸發(fā)。重置電路280可以生成周期性的重置脈沖，以便將 負(fù)載輸入電壓比較器421和放電開(kāi)關(guān)271重置回到它們的默認(rèn)狀態(tài)。緊接在重置之后，負(fù) 載輸入電壓比較器421可以再次比較負(fù)載輸入401處的電壓與負(fù)載輸入電壓基準(zhǔn)423。如 果負(fù)載輸入電壓401仍在負(fù)載輸入電壓基準(zhǔn)423之下，則負(fù)載輸入電壓比較器421可以再 次觸發(fā)以閉合放電開(kāi)關(guān)271。重置脈沖保持為短，使得即使放電開(kāi)關(guān)271從閉合到斷開(kāi)回到 閉合位置來(lái)回切換，電容性負(fù)載可以使在負(fù)載輸入401處的高頻電壓切換平滑。可以改變 重置脈沖的周期，以便允許負(fù)載輸入電壓比較器421更好地適應(yīng)在負(fù)載輸入401處的波動(dòng) 電壓。如果隨著電池接近耗盡在負(fù)載輸入401處的電壓降到太低，則重置電路280還可以 終止負(fù)載輸入電壓比較器421的任何進(jìn)一步觸發(fā)。負(fù)載輸入電壓比較器421的輸出可以通過(guò)反相器422反相，使得充電開(kāi)關(guān)總 是處于與放電開(kāi)關(guān)271相反的狀態(tài)。因此，電池A在每個(gè)重置脈沖之后默認(rèn)地處于充電狀 態(tài)，除非負(fù)載輸入電壓比較器421觸發(fā)放電電池A。電源輸出101還可以通過(guò)電源電壓比 較器424與電源電壓基準(zhǔn)425比較。如果電源輸出101超過(guò)電源電壓基準(zhǔn)425，則電源電 壓比較器似4可以觸發(fā)以使得充電控制電路230脈沖調(diào)制到充電開(kāi)關(guān)的電壓。因?yàn)槌?電開(kāi)關(guān)261在負(fù)載輸入電壓比較器421的控制下，并且不能獨(dú)立地控制來(lái)響應(yīng)于在電源輸 出101處的電壓波動(dòng)，所以脈沖調(diào)制到充電開(kāi)關(guān)的電壓避免在電源輸出101處的過(guò)高 電壓損壞電池A。重置電路280可以控制電源電壓基準(zhǔn)425，以便周期性地重置電源電壓比 較器424。對(duì)于電源電壓比較器424的重置可以與對(duì)于負(fù)載輸入電壓比較器421的重置同 步。可以改變重置的周期，以便允許電源電壓比較器似4更好地適應(yīng)在電源輸出101處的 波動(dòng)電壓。直接輸出開(kāi)關(guān)290控制從電源100到負(fù)載400的功率的傳送。默認(rèn)地，直接輸出 開(kāi)關(guān)290處于閉合位置。然而，類似于用于電池的安全性機(jī)制，可以控制直接輸出開(kāi)關(guān)四0 以保護(hù)負(fù)載400?？梢酝ㄟ^(guò)輸出控制電路250監(jiān)控電源輸出101。如果在電源輸出101處 存在過(guò)高電壓，則輸出控制電路250可以以脈沖方式調(diào)制直接輸出開(kāi)關(guān)290斷開(kāi)和閉合，以 便保護(hù)負(fù)載和維持到其的穩(wěn)定電壓。圖1的開(kāi)關(guān)矩陣控制器200管理作為單個(gè)組合輸出的電池和電源以便為負(fù)載供 電，允許該系統(tǒng)使用具有減小的最大功率輸出的電源，降低系統(tǒng)成本和復(fù)雜性。此外，開(kāi)關(guān) 矩陣控制器有效地和動(dòng)態(tài)地管理內(nèi)部功率傳送，以便最小化電池的充電/放電循環(huán)，同時(shí) 確保電源和電池滿足改變的負(fù)載功率要求。最后，開(kāi)關(guān)矩陣控制器最大化電池充電時(shí)間，并 且獨(dú)立地控制每個(gè)電池以便增加功率效率，延長(zhǎng)電池的運(yùn)行壽命并且增加總體系統(tǒng)壽命。盡管已經(jīng)描述了本公開(kāi)的示例性實(shí)施例，但是示例性實(shí)施例僅僅說(shuō)明而不是限制 本發(fā)明。應(yīng)該理解的是，本公開(kāi)的實(shí)施例不應(yīng)限制為這些示例性實(shí)施例，而是本領(lǐng)域的普通 技術(shù)人員可以進(jìn)行多種修改和變化，并且包括在如由權(quán)利要求要求保護(hù)的本發(fā)明的精神和 范圍內(nèi)。例如，起作用為開(kāi)關(guān)的任何類型的元件可以用于開(kāi)關(guān)261力64、271-274和四0?？?制電路230、240和250可以獨(dú)立地與其相應(yīng)的開(kāi)關(guān)或多個(gè)開(kāi)關(guān)組合。
權(quán)利要求
1.一種開(kāi)關(guān)矩陣功率控制系統(tǒng)，包括 電源和電池之間的充電開(kāi)關(guān)；耦合到充電開(kāi)關(guān)的充電控制電路，用于選擇性地將功率從電源傳送到電池； 電池和負(fù)載之間的放電開(kāi)關(guān)；耦合到放電開(kāi)關(guān)的放電控制電路，用于選擇性地將功率從電池傳送到負(fù)載； 電源和負(fù)載之間的直接輸出開(kāi)關(guān)；以及耦合到直接輸出開(kāi)關(guān)的輸出控制電路，用于選擇性地將功率從電源傳送到負(fù)載。
2.如權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)矩陣功率控制系統(tǒng)，其中從電池到負(fù)載的功率傳送可與從 電源到負(fù)載的功率傳送組合。
3.如權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)矩陣功率控制系統(tǒng)，還包括耦合到放電控制電路的電壓比 較器和電壓基準(zhǔn)，用于將在負(fù)載處的電壓與電壓基準(zhǔn)進(jìn)行比較，以便開(kāi)始從電池到負(fù)載的 功率傳送。
4.如權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)矩陣功率控制系統(tǒng)，其中充電開(kāi)關(guān)處于與放電開(kāi)關(guān)相反的 狀態(tài)。
5.如權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)矩陣功率控制系統(tǒng)，其中電池包括多個(gè)電池。
6.如權(quán)利要求5所述的開(kāi)關(guān)矩陣功率控制系統(tǒng)，其中充電開(kāi)關(guān)和放電開(kāi)關(guān)每個(gè)包括對(duì) 應(yīng)于多個(gè)電池的多個(gè)開(kāi)關(guān)。
7.如權(quán)利要求6所述的開(kāi)關(guān)矩陣功率控制系統(tǒng)，還包括耦合到放電控制電路的多個(gè)電 壓比較器和多個(gè)電壓基準(zhǔn)，用于將在負(fù)載處的電壓與多個(gè)電壓基準(zhǔn)進(jìn)行比較，以便開(kāi)始從 相應(yīng)的電池到負(fù)載的功率傳送。
8.如權(quán)利要求6所述的開(kāi)關(guān)矩陣功率控制系統(tǒng)，其中多個(gè)充電開(kāi)關(guān)處于與用于多個(gè)電 池的相應(yīng)的多個(gè)放電開(kāi)關(guān)相反的狀態(tài)。
9.如權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)矩陣功率控制系統(tǒng)，還包括耦合到放電控制電路的電壓比較器和第一電壓基準(zhǔn)，用于將在負(fù)載處的電壓與第一電 壓基準(zhǔn)進(jìn)行比較，以便終止從電池到負(fù)載的功率傳送；耦合到充電控制電路的電壓比較器和第二電壓基準(zhǔn)，用于將在電源處的電壓與第二電 壓基準(zhǔn)進(jìn)行比較，以便針對(duì)過(guò)高的電源電壓保護(hù)電池；以及耦合到輸出控制電路的電壓比較器和第三電壓基準(zhǔn)，用于將在電源處的電壓與第三電 壓基準(zhǔn)進(jìn)行比較，以便針對(duì)過(guò)高的電源電壓保護(hù)負(fù)載。
10.如權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)矩陣功率控制系統(tǒng)，還包括耦合到放電控制電路的重置 電路，用于生成周期性的信號(hào)以終止從電池到負(fù)載的功率傳送。
11.一種功率控制系統(tǒng)，包括 耦合在電源和負(fù)載之間的第一開(kāi)關(guān)； 耦合在電源和電池源之間的第二開(kāi)關(guān)；耦合在負(fù)載和電池源之間的第三開(kāi)關(guān)；以及耦合到負(fù)載的第一檢測(cè)器，用于確定提供到負(fù)載的功率來(lái)自電源、電池源還是電源和 電池源的組合。
12.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，還包括耦合到電源的第二檢測(cè)器，用于確定來(lái)自電源 的功率提供到電池源、負(fù)載還是電池源和負(fù)載兩者。
13.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，還包括耦合在第二開(kāi)關(guān)和電源之間的充電控制電路； 耦合在第三開(kāi)關(guān)和負(fù)載之間的放電控制電路；以及 耦合在第一開(kāi)關(guān)和電源之間的輸出控制電路。
14.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，還包括耦合在充電和放電控制電路之間的重置電路。
15.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中第二和第三開(kāi)關(guān)是互補(bǔ)的。
16.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中電池源包括多個(gè)電池。
17.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中第二和第三開(kāi)關(guān)每個(gè)包括對(duì)應(yīng)于多個(gè)電池的多個(gè)開(kāi)關(guān)。
18.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，還包括耦合在第二開(kāi)關(guān)和電源之間的充電控制電路，用于獨(dú)立地控制多個(gè)第二開(kāi)關(guān)； 耦合在第三開(kāi)關(guān)和負(fù)載之間的放電控制電路，用于獨(dú)立地控制多個(gè)第三開(kāi)關(guān)；以及 耦合在第一開(kāi)關(guān)和電源之間的輸出控制電路，用于控制第一開(kāi)關(guān)。
19.一種管理到負(fù)載的功率的方法，包括 確定負(fù)載需要的電壓；如果電源足以提供電壓，則從電源提供電壓；并且 如果電源不足以提供電壓，則從電源和電池源提供電壓。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，還包括 確定來(lái)自電源的電壓；并且如果來(lái)自電源的電壓高于電池源的基準(zhǔn)電壓，則從電源脈沖充電電池源。
21.如權(quán)利要求19所述的方法，還包括 確定來(lái)自負(fù)載的電壓；并且如果來(lái)自負(fù)載的電壓低于電池源的基準(zhǔn)電壓，則終止從電池源的電源的提供。
22.如權(quán)利要求19所述的方法，還包括 確定來(lái)自電源的電壓，并且如果來(lái)自電源的電壓高于基準(zhǔn)電壓，則脈沖調(diào)制從電源到負(fù)載的電壓。
23.如權(quán)利要求19所述的方法，還包括從電源充電電池源，除非來(lái)自電池源的電壓需 要用于負(fù)載。
24.如權(quán)利要求19所述的方法，其中電池源包括多個(gè)電池。
25.如權(quán)利要求M所述的方法，還包括基于負(fù)載要求的電壓，選擇性地放電一個(gè)或多 個(gè)電池。
全文摘要
提供了管理作為單個(gè)組合輸出的電池和電源以便為負(fù)載供電的系統(tǒng)和方法，允許該系統(tǒng)使用具有減小的最大功率輸出的電源，降低系統(tǒng)成本和復(fù)雜性。此外，開(kāi)關(guān)矩陣控制器有效地和動(dòng)態(tài)地管理內(nèi)部功率傳送，以便最小化電池的充電/放電循環(huán)，同時(shí)確保電源和電池滿足改變的負(fù)載功率要求。最后，最大化電池充電時(shí)間，并且具有每個(gè)電池的獨(dú)立控制增加功率效率，延長(zhǎng)電池的運(yùn)行壽命并且增加總體系統(tǒng)壽命。
文檔編號(hào)H02J7/00GK102113191SQ200980129680
公開(kāi)日2011年6月29日 申請(qǐng)日期2009年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月28日
發(fā)明者卡爾文·陳, 李福輿 申請(qǐng)人:美國(guó)信賴股份有限公司