專利名稱：阻抗平衡器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的實施方式總體上涉及多單元能量系統(tǒng)，并且更具體地，涉及用于蓄能系統(tǒng)或者產能系統(tǒng)內的單元的平衡和監(jiān)測設備及方法。
背景技術：
隨著消費者對于既方便又環(huán)保的能量解決方案的需求的增加，功率存儲和生成技術快速發(fā)展。能量系統(tǒng)(例如可以是蓄能系統(tǒng)和產能系統(tǒng))常常包括電連接在一起的多個較小的單元，諸如可充電電池單元。由于多種原因，能量系統(tǒng)內的個體單元和/或并聯(lián)單元組可能以不同的速度吸納或者產生電流(在電池的情況下是充電或者放電)，這造成了單元之間的失衡。

發(fā)明內容
本發(fā)明的示例實施方式包括用于對例如蓄能系統(tǒng)或產能系統(tǒng)等能量系統(tǒng)中的多個功率單元或者并聯(lián)功率單元組之間的阻抗進行平衡的方法和裝置。在一些示例實施方式中，可以使用電容器在能量系統(tǒng)的功率單元之間傳遞能量，以平衡存儲在功率單元或者并聯(lián)功率單元組中的能量。與每個功率單元或者并聯(lián)功率單元組相關聯(lián)的電容器可被配置為作為飛跨電容器(flying capacitor)進行操作，以傳遞去往和來自軌道電容器(rail capacitor)的電荷。軌道電容器可被實現(xiàn)為在飛跨電容器之間并且最終在功率單元之間傳遞電荷以進行平衡。根據(jù)一些示例實施方式，阻抗平衡器可以是無傳感器設備，因為為了通過電容器傳遞電荷而執(zhí)行的切換不受單元電壓或者電阻擴展、單元的歐姆下降或者提高等影響。不論能量系統(tǒng)的負載條件如何(例如，在重負載下，在輕負載下，或者無負載下)，阻抗平衡器均可進行操作。另外，還可以監(jiān)測軌道電容器的電壓，以確定能量系統(tǒng)的功率單元的總體狀態(tài)。


由此已經(jīng)概括地描述了本發(fā)明，現(xiàn)在將參考附圖，附圖不一定是按比例繪制的，并且其中圖1是根據(jù)各種示例實施方式的功率單元的示例電配置的示意圖；圖2示出了根據(jù)各種示例實施方式的連接至兩個功率單元的示例阻抗平衡器；圖3示出了根據(jù)各種示例實施方式的用于執(zhí)行功率單元平衡的示例方法；圖4示出了根據(jù)各種示例實施方式的另一示例阻抗平衡器；圖5是根據(jù)各種示例實施方式的控制信號波形圖；圖6是根據(jù)各種示例實施方式的對飛跨電容器和軌道電容器進行充電的圖；圖7a是根據(jù)各種示例實施方式的備選控制信號波形圖；圖7b示出了根據(jù)各種示例實施方式的包括用于生成圖7a的波形的控制信號波形生成器的電路的示意圖8示出了根據(jù)各種示例實施方式的作為阻抗平衡器的組件而連接的示例能量管理系統(tǒng)監(jiān)測器；以及圖9示出了根據(jù)各種示例實施方式的具有示例能量管理系統(tǒng)監(jiān)測器的另一示例阻抗平衡器。
具體實施例方式以下將參考附圖對本發(fā)明的示例實施方式進行更加全面的描述，其中示出了本發(fā)明的一些但非全部的實施方式。實際上，本發(fā)明可以在多種不同的形式中實現(xiàn)，并且不應當解釋為限制于此處描述的實施方式。在全文中，相同的參考數(shù)字表示相同的元件。圖1示出了可以在能量系統(tǒng)內使用以便為各種設置的負載供電的功率單元105的示例電配置100。例如，包括汽車、卡車、自行車等的車輛可以由此類能量系統(tǒng)功率單元配置來供電。蓄能系統(tǒng)還可以與智能電網(wǎng)技術配合使用，以執(zhí)行例如高峰調節(jié)、備用電源等等。 能量系統(tǒng)的電壓和載流量可以通過將系統(tǒng)的功率單元電連接在一起的方式來確定。在此方面，功率單元可以連接為一系列并聯(lián)組。功率單元可以是輸出或者吸納功率的任意類型的裝置。根據(jù)各種示例實施方式，任何共同電壓或者化學性質的功率單元可以通過在此描述的示例阻抗平衡器來進行平衡。功率單元例如可以包括電化學或者靜電單元，其可以包括諸如鋰離子、鉛酸和金屬空氣電池的電池；電容器(例如超電容器和超級電容器)；燃料電池；光電池；Peltier結設備；壓電單元，熱電器件，固態(tài)轉換單元，其他電化學和靜電單元的混合，等及其組合。用于包括多個功率單元的能量系統(tǒng)的不同應用可能需要不同的電壓和載流量，從而需要功率單元的不同電配置。示例的電配置100是如IOp配置，其表示4個串聯(lián)連接的10個并聯(lián)功率單元組組成該配置。能量系統(tǒng)內的功率單元可被描述為具有特定的電荷狀態(tài)。電荷狀態(tài)可以定義為 剩余能量容量與功率單元完全充電狀態(tài)下的可用能量容量之比。例如當功率單元置于負載之下或者當單元正在再充電時，功率單元的電荷狀態(tài)改變。此處描述的各種示例實施方式操作以通過阻抗平衡來平衡電荷狀態(tài)。在功率單元是產能而非蓄能的情況下(諸如太陽能電池或者Peltier結設備)，不存在電荷狀態(tài)。相反，這些功率生成單元具有在某種程度上類似于電荷狀態(tài)的功率輸出級別，其可以定義為瞬時輸出功率與最大可能(或者最大額定，視情況而定)輸出功率之比。以上定義的“功率輸出級別”可以認為與“電荷狀態(tài)”詞匯可互換，視考慮中的功率單元的類型而定。由于各種原因，能量系統(tǒng)內的單元可以不同地操作。由于包括老化、暴露于高溫、 制造缺陷等各種因素，功率單元可能無法存儲和遞送與功率系統(tǒng)內的其他單元相同量的能量。單元內出現(xiàn)的變化(例如，因老化而出現(xiàn))常常導致單元的內部阻抗以及蓄能能力或者產能能力改變。阻抗的這些差別(可以是溫度相關的)可能導致一些單元輸出多于其他單元的功率，從而在能量系統(tǒng)內產生熱點，這對單元壽命可能是不利的并且會導致失衡加劇。 如果系統(tǒng)具有串聯(lián)的不止一個并聯(lián)功率單元組，則該失衡可能表現(xiàn)為串聯(lián)行中的每個并聯(lián)組吸納或者產生電流的差異，這導致電流路徑的阻塞，可能導致最低載流量并聯(lián)組的元件被驅動到其實際瞬時載流量之上(或者其電壓常規(guī)操作限制之外)，而系統(tǒng)的其他元件在其常規(guī)操作限制之內。另外，如果一個單元變?yōu)橐淹耆烹姡渌麊卧^續(xù)驅動負載， 則已放電的單元可能不可預知地操作，并且可能例如變?yōu)殚_路、短路、改變極性(這可能導致單元損壞)等等。這種問題對能量系統(tǒng)的整體操作可能產生不利影響，并且降低系統(tǒng)內的一些或者所有單元的壽命和載流量。為了避免由于功率單元失衡而出現(xiàn)的問題，諸如功率單元105的功率單元可以在單個功率單元基礎上相對于彼此進行平衡，或者平衡可以針對并聯(lián)組(諸如在電配置100 的四個并聯(lián)組之間)來執(zhí)行。平衡功率單元或者并聯(lián)功率單元組的一個選項可以是簡單地將單元并聯(lián)連接。通過將功率單元并聯(lián)連接，可以對功率單元的阻抗進行平衡，并且可以避免與失衡相關聯(lián)的問題。然而，這將不必要地改變能量系統(tǒng)的電配置以及電壓和載流量特性。根據(jù)各種示例實施方式，與單元或者并聯(lián)單元組可切換地并聯(lián)連接的電容器可以用于在不改變單元電配置的情況下執(zhí)行阻抗平衡。為了實現(xiàn)關于單元之間的阻抗差異的單元平衡，電容器可以用于在單元或者并聯(lián)單元組之間傳遞電荷或者能量。電荷可以從具有較多電荷或者吸納或產生較多電流的功率單元或者并聯(lián)組向具有較少電荷或者吸納或產生較少電流的功率單元或者并聯(lián)組傳遞。以此方式，可以實現(xiàn)單元之間的平衡。通過在單元之間傳遞電荷，可以使單元的操作標準化，這可以最小化由不均勻加熱而造成的功率單元的生熱和過早損壞。另外，電荷的傳遞對功率單元內的能量分布進行了再分配，不造成熱生成的大幅度增加。因為功率單元的阻抗可以是溫度相關的，所以通過由單元平衡來限制生熱量還降低了對執(zhí)行進一步平衡的需要，這是因為沒有引入持續(xù)造成功率單元阻抗變化的熱量。根據(jù)各種示例實施方式，電容器可以用于在能量系統(tǒng)充電的同時、在能量系統(tǒng)向負載提供功率或從源吸納功率的同時或者在能量系統(tǒng)無負載時來平衡單元的阻抗并且傳遞電荷或者能量。在此方面，可以實現(xiàn)示例實施方式，用以在例如功率單元的充電期間執(zhí)行平衡，而不考慮使用的是并聯(lián)還是串聯(lián)充電機制。另外，根據(jù)各種示例實施方式的阻抗平衡可以連續(xù)地執(zhí)行，而不考慮能量系統(tǒng)的負載或者電荷狀況。在一些示例實施方式中，阻抗平衡可以在整個能量系統(tǒng)(其可以包括多個串聯(lián)的并聯(lián)功率單元組)之間執(zhí)行。本發(fā)明的各種示例實施方式使用電容器或者其他電荷存儲設備在能量系統(tǒng)的功率單元之間傳遞能量，以通過平衡阻抗來對功率單元中存儲的電荷或者由功率單元產生或被吸納入功率單元的電流進行平衡。通過使用將功率單元的端并聯(lián)起來或者將功率單元組并聯(lián)起來的電容器，可以認為功率單元或者并聯(lián)功率單元組在平衡操作期間并聯(lián)連接，以使兩個單元或者并聯(lián)單元組具有共同的阻抗。然而，通過使用可切換連接的電容器，并聯(lián)單元組的單元在平衡期間并非實際上并聯(lián)連接。因此，從一個功率單元流向電容器的電荷可以傳遞至另一功率單元。因此，電容器可以用于向較低電勢的功率單元提供電荷或者從具有較高電勢的功率單元接收電荷。基于這一思想，通過切換的使用，充電或者放電的電容器可以通過軌道電容器將電荷從第一功率單元移至另一功率單元，以執(zhí)行平衡操作。根據(jù)一些示例實施方式，按此方式的操作可以為應用提供靈活性，因為可以對具有任何類型的單元化學性質和任何額定電壓的功率單元進行平衡。另外，對于充電，由于電荷從高充電單元或者并聯(lián)組向較低充電單元或者并聯(lián)組的傳遞，因此根據(jù)一些示例實施方式，單元電荷例如可以連接至單個單元或者單個并聯(lián)組。 如在此所述，經(jīng)由通過電容器的阻抗平衡，來自正在充電的單元或者并聯(lián)組的電荷可以在能量系統(tǒng)的單元中重新分配。圖2示出了連接至兩個功率單元205和210的示例阻抗平衡器200。出于說明目的，針對兩個單元205和210之間的平衡來描述阻抗平衡器200。然而，阻抗平衡器200可以通過增加飛跨電容器、開關和驅動開關的電路而進行擴展，從而對任意數(shù)目的單元或者并聯(lián)單元組進行平衡。阻抗平衡器200可以包括飛跨電容器225和235，軌道電容器230， 開關組240,250,260和270，以及能量系統(tǒng)端215和220。飛跨電容器225和235可以被稱為“飛跨”是因為其可切換地連接至相應的功率單元205、210或者軌道電容器230，以在相應的功率單元205、210和軌道電容器230之間傳遞能量。在一些示例實施方式中，可以基于功率單元的額定電流來選擇飛跨電容器的電荷載運量，從而限制傳遞電容器與功率單元之間的最大電流。例如，對于5安培額定功率單元來說，對于給定的開關電阻值，可以選擇20微法的電容器用于飛跨電容器。因為軌道電容器230優(yōu)選地可切換連接至飛跨電容器225、235中的每一個，所以其可以稱為軌道電容器230。根據(jù)一些示例實施方式，可以調節(jié)軌道電容器的大小以使其具有大于飛跨電容器的電荷載運量。例如，如果飛跨電容器是20微法，則軌道電容器可以是 100微法。開關組240、250、260和270可以是可受控以產生和斷開電連接的任何類型的設備。開關組240、250、260和270中的每一個可以配置為作為兩個開關組來操作，其中每一個開關基本一致地操作以產生或者斷開電連接。在此方面，開關組240、250、260和270可以配置為作為雙刀單擲開關來操作。根據(jù)一些示例實施方式，開關組中的每個開關可以是場效應晶體管，其通過去往場效應晶體管的柵極端的控制信號來控制。再次參考裝置200，連接開關組M0，使得當開關組240閉合時(即，產生電連接)， 飛跨電容器225的端電跨接功率單元205的端，并且當開關組240打開時(S卩，斷開電連接)，飛跨電容器225不與功率單元205連接而是與功率單元205電隔離。連接開關組250， 使得當開關組250閉合時，飛跨電容器225的端電跨接軌道電容器230的端，并且當開關組 250打開時，飛跨電容器225不與軌道電容器230電連接而是與軌道電容器230電隔離。類似地，連接開關組沈0，使得當開關組沈0閉合時，飛跨電容器235的端電跨接軌道電容器 230的端，并且當開關組260打開時，飛跨電容器235不與軌道電容器230電連接而是與軌道電容器230電隔離。連接開關組270，使得當開關組270閉合時，飛跨電容器235的端電跨接功率單元210的端，并且當開關組270打開時，飛跨電容器235不與功率單元210連接而是與功率單元210電隔離。開關組M0、250、260和270中的每一個可以通過由例如控制信號電路提供的控制信號來進行控制。根據(jù)一些示例實施方式，開關組中的每個開關可以由相應的控制信號來控制?？刂菩盘杻?yōu)選地配置為協(xié)調開關的操作以執(zhí)行平衡操作。圖3示出了用于執(zhí)行單元平衡的示例方法，其例如可以通過導致開關對0、250、 260和270的操作的控制信號而由裝置200來實現(xiàn)。在此方面，在300處，開關組240 (第一開關組)可以接收控制信號，使得開關組240產生飛跨電容器225(第一飛跨電容器)的端與功率單元205(第一功率單元)的端之間的電連接，以便對跨接功率單元205的端的飛跨電容器225進行充電或者放電。在310處，開關組240可以接收控制信號，使得開關組240 斷開飛跨電容器225的端與功率單元205的端之間的電連接，以停止對跨接功率單元205 的端的飛跨電容器225的充電或者放電。在320處，開關組250 (第二開關組)可以接收控制信號，使得開關組250產生飛跨電容器225的端與軌道電容器230的端之間的電連接，以便對跨接軌道電容器230的端的飛跨電容器225進行充電或者放電。在330處，開關組250可以接收控制信號，使得開關組250斷開飛跨電容器225的端與軌道電容器230的端之間的電連接，以停止對跨接軌道電容器230的端的飛跨電容器225的充電或者放電。在340處，開關組260 (第三開關組)可以接收控制信號，使得開關組260產生飛跨電容器235 (第二飛跨電容器)的端與軌道電容器230的端之間的電連接，以便對跨接軌道電容器230的端的飛跨電容器235進行充電或者放電。在350處，開關組260可以接收控制信號，使得開關組260斷開飛跨電容器235的端與軌道電容器230的端之間的電連接， 以停止對跨接軌道電容器230的端的飛跨電容器235的充電或者放電。在360處，開關組270 (第四開關組)可以接收控制信號，使得開關組270產生飛跨電容器235的端與功率單元210 (第二功率單元)的端之間的電連接，以便對跨接功率單元210的端的飛跨電容器235進行充電或者放電。在370處，開關組270可以接收控制信號，使得開關組270斷開飛跨電容器235的端與功率單元210的端之間的電連接，以停止對跨接功率單元210的端的飛跨電容器235的充電或者放電。通過圖3的示例方法，可以將能量從功率單元205轉移至功率單元210，以平衡單元之間的能量。根據(jù)一些示例實施方式，通過翻轉圖3的示例方法的操作順序，可以將能量從功率單元210轉移至功率單元205。另外，根據(jù)一些示例實施方式，操作300到370可以進行擴展，以通過軌道電容器的使用來執(zhí)行任意數(shù)目的單元之間的平衡。根據(jù)一些示例實施方式，控制開關組240和250的控制信號可以配置為使得開關組240和250不同時閉合， 以避免將軌道電容器與功率單元205的端電跨接。類似地，根據(jù)一些示例實施方式，控制開關組260和270的控制信號可以配置為使得開關組260和270也不同時閉合。另外，根據(jù)一些示例實施方式，特定開關組的給定開關的操作可以基于控制該開關的控制信號的頻率。相同組內的開關可以使用具有相同或者相似頻率的控制信號來操作，以促進組內開關的同時操作。另外，根據(jù)一些示例實施方式，控制信號的頻率和波形可以按照如下方式定義，即避免開關組240與開關組250或者開關組沈0與開關組270同時閉合。根據(jù)一些示例實施方式，可以提高或者降低開關組的操作頻率，以具有不同的平衡效果。例如，如果頻率提高，則能量系統(tǒng)的單元可以更快地平衡，以實現(xiàn)一段時間內的較低平均失衡。在能量系統(tǒng)輸出高電流時，可能傾向于以相對較快的速度導致單元之間的失衡，因此可能期望提高平衡的頻率。另一方面，例如，可以降低操作的頻率以放慢單元的平衡。當儲能系統(tǒng)輸出低電流或者不輸出電流時，其可能傾向于以較慢的速度導致單元之間的失衡，因此可以使用減慢平衡操作。在低電流或者無電流輸出期間降低頻率還可以通過減少用于平衡操作的能量而獲得功率節(jié)省。根據(jù)一些示例實施方式，示例平衡裝置中可以包括電流計或者其他電流感測設備，其測量功率系統(tǒng)的輸出電流，并且基于測量的輸出電流來修改操作開關的頻率。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的各種示例實施方式的另一示例阻抗平衡器400。與圖3 相比，阻抗平衡器400包括用于與單個單元交互的開關和飛跨電容器。然而，基于圖3的描述，可以對針對圖4描述的構思進行擴展，以便與任何數(shù)目的功率單元進行交互，從而執(zhí)行阻抗平衡。
圖4的阻抗平衡器400包括軌道電容器405，飛跨電容器410，開關415、420、425 和430，以及控制信號電路440。軌道電容器405通過開關415和420可切換地連接至飛跨電容器410。飛跨電容器410通過開關425和430可切換地連接至功率單元435。同樣地， 參考圖3，開關425和430可以與開關組240相關，并且開關415和420可以與開關組250 相關。開關415、420、4邪和430中的每一個包括兩個場效應晶體管(FET)，其源-源連接并且共享連接至控制信號電路440的共同柵極端。在此配置中，兩個FET可以作為單個開關來操作，其可以通過施加于共同柵極連接的信號來控制。根據(jù)各種示例實施方式，控制信號電路440優(yōu)選地配置為生成用于開關415、420、 425和430中每一個的開關控制信號。由控制信號電路440生成的信號可以配置為驅動FET 的柵極端。在此方面，當施加于柵極端的電壓為特定電壓時，每個FET可以配置為生成導電溝道(閉合開關或者產生電連接)。例如，當施加于柵極端上的電壓超過柵極閾值電壓時， FET可以配置為生成導電溝道。這樣，例如，如果向FET的柵極端施加正弦波，則FET可以在正弦波超過柵極閾值電壓的部分期間生成導電溝道。當正弦波的電壓降到柵極閾值電壓以下時，不形成導電溝道(開關打開或者斷開電連接)。如上所述，操作開關415、420、425和430以生成和斷開作為阻抗平衡操作的部分的的順序可被配置為防止開關425和430與開關415和420同時閉合。為此，根據(jù)一些示例實施方式，可以將開關415和420所接收的波形進行翻轉或者移位180度，并提供至FET 的相應柵極端。在一些示例實施方式中，可以通過將相對于用于開關425和430的極性相反極性的控制信號連接至開關415和420，來生成相同波形的翻轉或者180度移位變形。圖4的控制信號電路440提供了生成開關控制信號的裝置的一個示例。控制信號電路可以包括信號生成器445、變壓器450(例如，變壓器450a、450b、450c和450d)、二極管 451 (例如，二極管 451a、451b、451c、451d)以及電阻 452 (例如，電阻 452a,452b,452c 和 452d)。信號生成器445可以是配置為生成動態(tài)變化信號(例如，交流電信號)的任何類型的設備。根據(jù)一些示例實施方式，信號生成器所產生的信號可以采用符號波、鋸齒波、階梯函數(shù)等形式。信號生成器445的第一端可以電連接至變壓器450中每一個的相應第一初級繞組端，并且信號生成器445的第二端可以連接至變壓器450中每一個的相應第二初級繞組端。 例如可以基于FET的柵極閾值電壓和信號生成器的電壓的變化率來選擇變壓器450以及變壓器450的匝數(shù)比。另外，F(xiàn)ET的柵極端可以具有內部電容，其中變壓器450可以配置為存儲超過柵極的內部電容中可存儲的任何能量的足夠能量。在此方面，變壓器可以配置為存儲足夠的能量以使得FET產生導電溝道。根據(jù)一些示例實施方式，變壓器450可以是脈沖變壓器。另外，變壓器的次級端可以連接至FET的柵極，使得與開關415和420的連接所使用的極性同與開關425和430的連接中所使用的極性相反。以此方式，開關415和420的 FET的柵極端可以接收相對于開關425和430的FET的柵極端處接收的信號而言的反相信號。一些示例實施方式可以包括電阻器452和二極管451，然而，在一些示例實施方式中，阻抗平衡器可以構造為沒有電阻器452和二極管451?？缃幼儔浩?50的次級端的電阻452可以操作以形成具有限流電壓降的電路電流路徑。二極管451可以是穩(wěn)壓二極管，其以如下方式連接在變壓器端與FET的柵極端之間，即影響變壓器端的波形輸出，以在第一組開關的最晚打開和第二組開關的最早閉合之間產生間隙。以此方式，驅動柵極的波形在零伏附近可以是不對稱的。在此方面，例如當正弦波形下降到跨接變壓器的次級端的旁路電容器的充電內部電容電壓以下時，F(xiàn)ET的柵極的內部電容或者該旁路電容器可以通過二極管來放電。因為波形的電壓下降穿過例如零伏，所以通過二極管的這一放電可以具有使波形的一部分平坦的效果。圖5是在給定正弦源信號的情況下在圖4中的FET的柵極端處接收的所得波形的圖示。波形510可以驅動例如開關415和420的柵極端，并且波形520可以驅動例如開關 425和430的柵極端。由于柵極端電路中存在二極管，所以波形510和520在例如530處是平坦的。隨著電壓下降，該平坦在零伏處產生波形510和520之間的延續(xù)間隙，并且波形不交叉直到大約負2伏。因此，假設FET的柵極閾值電壓是正電壓(例如，0.6伏)，則開關 415和420將不與開關425和430同時產生電連接。圖6是基于圖5的控制信號跨接功率單元435而充電的飛跨電容器410的圖610， 以及基于圖5的控制信號通過飛跨電容器410對軌道電容器405充電的圖620。飛跨電容器充電圖610的經(jīng)過限幅的波峰和波谷是當開關415、420、425和430全都打開以促進飛跨電容器410從連接至功率單元435到繼而連接至軌道電容器405的先開后合轉變時的延續(xù)間隙的結果。圖610中的飛跨電容器電壓還指示功率單元電壓在圖6描述的過程期間緩慢增加。軌道電容器充電圖620示出了當飛跨電容器410放電時，軌道電容器405通過飛跨電容器410充電。值得注意的是，圖620示出了軌道電容器的電荷持續(xù)增加。然而，根據(jù)各種示例實施方式，如果軌道電容器405可切換地連接至附加的飛跨電容器和相關聯(lián)的功率單元，則軌道電容器可以向其他飛跨電容器放電，從而降低軌道電容器的電荷存儲水平。圖7a示出了可以向例如圖4中的FET的柵極端提供的備選控制信號550的圖示。 在此方面，可以向開關415和420的柵極端提供控制信號550，并且可以向開關425和430 的柵極端提供控制信號陽0的反相。波形550定義為3級階梯函數(shù)，其中，波形的每個周期包括處于高電平的時間段、處于零電平的時間段560和處于低電平的時間段。處于零電平的時間段560可以配置為使得持續(xù)時間足以保證例如開關415和420不與開關425和430 同時閉合。根據(jù)一些示例實施方式，波形550和波形550的反相例如可以通過被配置為生成波形陽0的信號生成器來直接向相應開關的柵極端提供。在此方面，根據(jù)一些示例實施方式，信號生成器可以包括輸出，其中輸出的第一極連接至415和420的柵極端，并且作為第二極的相對極連接至開關425和430的柵極端。圖7b示出了根據(jù)各種示例實施方式的用于控制信號波形生成器電路的示例原理圖。控制信號波形生成器電路900可以配置為生成圖7a的波形550?？刂菩盘柌ㄐ紊善麟娐?00向諸如圖5的變壓器450的變壓器的初級輸出。在此方面，控制信號波形生成器電路900可以與信號生成器445相關。另外，電路910可以被配置為用于向邏輯組件提供電源的一個示例電路。另外，電路920可以配置為用于提供電源以驅動變壓器的一個示例電路。圖8示出了連接至圖2的阻抗平衡器200的能量管理系統(tǒng)監(jiān)測器700。能量管理系統(tǒng)監(jiān)測器700可以包括監(jiān)測電路，其配置為監(jiān)測跨軌道電容器230的端的電壓，并且使用電壓的指示作為能量系統(tǒng)的功率單元的總狀態(tài)指示符。在此方面，監(jiān)測電路可以接收跨軌道電容器端的電壓的指示，并且基于接收到的指示來提供能量系統(tǒng)的狀態(tài)指示符。根據(jù)各種示例實施方式，可以由例如處理器或者模擬系統(tǒng)對軌道電容器電壓的指示進行分析，并且可以向用戶接口的顯示器輸出例如實際電壓值的詳細信息并且將其用作能量系統(tǒng)狀態(tài)的指示。在一些示例實施方式中，可以定義針對欠壓和過壓條件的參考電壓，并且可以將軌道電容器的電壓與上述參考進行比較。在此方面，監(jiān)測電路可以配置為將跨軌道電容器端的電壓的指示與過壓參考進行比較，以確定能量系統(tǒng)的過壓狀態(tài)；以及將跨軌道電容器端的電壓的指示與欠壓參考進行比較以確定能量系統(tǒng)的欠壓狀態(tài)。如果識別到過壓條件，則例如過壓發(fā)光二極管(LED)可以發(fā)光。類似地，如果識別到欠壓條件，則例如欠壓LED可以發(fā)光。根據(jù)一些示例實施方式，能量管理系統(tǒng)監(jiān)測器可以配置為考慮并聯(lián)組的當前總平均電壓，其由跨軌道電容器的電壓、整個能量系統(tǒng)當前吸納或者產生的電流以及整個能量系統(tǒng)的阻抗(例如，整個系統(tǒng)的dv/dl)來指示。基于功率單元的給定化學性質的特性放電曲線的圖譜(例如，剩余電壓(resting voltage)對提取能量的百分比，或者剩余電壓對輸入或者輸出的焦耳的圖譜或者圖)、局部阻抗(dV/dl)以及組成系統(tǒng)的并聯(lián)組的平均電壓的質量估計(例如軌道電容器處觀察到的電壓)，可以使用歐姆定律來確定特性放電曲線中“剩余電壓”的位置。在一些示例實施方式中，特性放電曲線可以基于歷史系統(tǒng)數(shù)據(jù)來動態(tài)確定。電壓和電流之間的關系可以通過使用例如處理器、電壓傳感器和電流傳感器來確定，并且可以基于最近收集的電壓和電流的數(shù)據(jù)點來更新?？梢詮碾妷?電流關系導出系統(tǒng)的阻抗數(shù)據(jù)。在此方面，軌道電容器上的電壓傳感器可以提供輸入電壓(Vrail)，并且能量系統(tǒng)輸出上的電流傳感器可以提供輸出電流(Iout)。例如易失性存儲器的存儲器可以存儲放電曲線形狀和計算剩余電壓的公式，該公式是Vrest = Vrail+IouWRsystem。利用模擬系統(tǒng)，可變增益放大器和固定增益的運算放大器(opamp)可以用于確定結果。在此方面， 第一 opamp可以緩存測量的軌道電容器電壓，并且第二 opamp可以縮放電流傳感器數(shù)據(jù)。第三opamp可以取第一 opamp和第二 opamp的輸出的微分，并且提供剩余電壓估計。來自電流傳感器的電壓信號可以通過可變增益放大器相乘，其中增益是Rsystem的值，其可以從模擬微分電路得到?；谔幚砥鞯幕蛘呋谀M組件的系統(tǒng)二者都可以由此準確地提供特性放電曲線內的充電狀態(tài)。這可以根據(jù)直接測量以及最近歷史操作數(shù)據(jù)點的緩沖器來實時地執(zhí)行， 以導出阻抗和放電曲線。能量管理系統(tǒng)監(jiān)測器還可以將系統(tǒng)的阻抗視作系統(tǒng)狀況的指示。 附加地或者備選地，特性放電曲線的形狀和位置的變化可以用作系統(tǒng)狀況的指示?？梢詫⒊潆姞顟B(tài)以及其他測量的和確定的值輸出至用戶接口(例如，發(fā)光二極管、顯示器等等)， 或者將其用作對可以將值作為數(shù)據(jù)來存儲或者執(zhí)行進一步分析的其他系統(tǒng)的輸入。能量系統(tǒng)狀況的附加或者備選測量可以基于流入或者流出飛跨電容器與單元或者并聯(lián)單元組之間的、或者飛跨電容器與軌道電容器之間的飛跨電容器的電流(例如，RMS 電流)。在平衡后的系統(tǒng)中，該電流將相對較小或者是零。飛跨電容器的相對較高的電流可以指示相關聯(lián)的單元或者并聯(lián)單元組是強還是弱。由連接至飛跨電容器的電流傳感器提供的值可以向用戶接口提供輸入，用戶接口諸如相應的LED，其中LED的亮度可以指示相關聯(lián)的單元或者并聯(lián)組的相對狀況。附加地或者備選地，電流傳感器可以向處理器提供輸入，處
13理器例如可以對值進行進一步的聚合和分析、向顯示器提供值的指示或者存儲值以供歷史分析。同樣地，阻抗平衡器內的軌道電容器的操作還可以用來提供與能量系統(tǒng)的單元的總體狀況有關的信息。通過以此方式來監(jiān)測軌道電容器，根據(jù)一些示例實施方式，僅使用一個電壓監(jiān)測器用于整個能量系統(tǒng)，從而降低了成本和復雜度。能量管理系統(tǒng)監(jiān)測器700可以使用跨軌道電容器的電壓來提供能量系統(tǒng)的狀態(tài)指示符。能量管理系統(tǒng)監(jiān)測器700包括過壓參考710、過壓比較器715、過壓狀態(tài)輸出720、 欠壓參考725、欠壓比較器730和欠壓狀態(tài)輸出735。過壓參考710和欠壓參考725可以是可變電阻、精密電壓源、帶隙(bandgap)參考，或者用于根據(jù)參考電壓源705所提供的電壓來建立所需參考電壓的其他機制?？梢詫⑦^壓參考和欠壓參考的輸出饋送到相應的比較器715和730的輸入。比較器715和730還可以例如通過電阻器網(wǎng)絡來接收跨軌道電容器230的電壓的指示。過壓比較器715可以配置為確定跨軌道電容器230的電壓的指示是否大于過壓參考710所提供的電壓。如果跨軌道電容器230的電壓的指示大于參考電壓，則過壓狀態(tài)輸出720可以指示“真”輸出(例如， 提供高電平)。如果跨軌道電容器230的電壓的指示小于參考電壓，則過壓狀態(tài)輸出720可以指示“假”輸出(例如，提供低電平)。類似地，欠壓比較器730可以配置為確定跨軌道電容器230的電壓的指示是否小于欠壓參考725所提供的電壓。如果跨軌道電容器230的電壓的指示小于參考電壓，則欠壓狀態(tài)輸出735可以指示“真”輸出(例如，提供高電平)。如果跨軌道電容器230的電壓的指示小于參考電壓，則過壓狀態(tài)輸出735可以指示“假”輸出 (例如，提供低電平)。諸如能量管理系統(tǒng)監(jiān)測器700的能量管理系統(tǒng)監(jiān)測器，可以配置為在能量系統(tǒng)為負載供電、進行充電或者休眠時進行操作。另外，能量管理系統(tǒng)監(jiān)測器700可以配置為在平衡操作(例如關于圖3所描述的平衡操作)期間進行操作。在此方面，根據(jù)一些示例實施方式，圖3的示例方法可以進一步包括接收跨軌道電容器的電壓的指示，以及基于接收到的指示來提供能量系統(tǒng)的狀態(tài)指示符。在一些示例實施方式中，圖3的示例方法可以附加地或者備選地包括將跨軌道電容器端的電壓的指示與過壓參考進行比較，以確定能量系統(tǒng)的過壓狀態(tài)；以及將跨軌道電容器端的電壓的指示與欠壓參考進行比較以確定能量系統(tǒng)的欠壓狀態(tài)。另外，根據(jù)一些示例實施方式，還可以將軌道電容器用于充電目的。在此方面，電壓源705可以是跨接軌道電容器230的端的充電裝置。電壓源705可以將軌道電容器充電至所需要的電平，并且通過使用與用于平衡的相同的開關操作機制，軌道電容器230可以執(zhí)行充電。在某些方面，阻抗平衡裝置可以將電壓源705視作用于平衡的另一單元或者并聯(lián)單元組。然而，因為電壓源705是能量進入系統(tǒng)的入口點，所以軌道電容器230將持續(xù)地由電壓源705充電，直到電壓源705從作為充電器的電路中移除。圖9示出了本發(fā)明的另一示例實施方式，其包括示例阻抗平衡器800和能量管理系統(tǒng)監(jiān)測器810。阻抗平衡器800示出了任意數(shù)目的功率單元或者并聯(lián)功率單元組可以如何連接至阻抗平衡器。另外，能量管理系統(tǒng)監(jiān)測器810包括四個比較器，用于指示欠壓、低操作電壓以上、最大操作電壓以下和過壓條件。比較器的輸入可以從電阻器網(wǎng)絡820獲取， 其中電阻器值根據(jù)與相應條件相關聯(lián)的電壓閾值來選擇。根據(jù)一些示例實施方式，例如，諸如微功率系統(tǒng)、阻抗平衡器800、能量管理系統(tǒng)監(jiān)測器810和此處描述的其他示例實施方式，可以部分或全部在現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、專用集成電路(ASIC)等等中實現(xiàn)。
本領域技術人員將想到此處描述的本發(fā)明的多種修改和其他實施方式，這些發(fā)明適于具有以上描述和相關聯(lián)的附圖提出的教導的益處。因此，需要理解的是，本發(fā)明并不限制于公開的具體實施方式
，修改的和其他的實施方式包括在所附權利要求的范圍內。另外， 雖然以上描述和相關聯(lián)的附圖在元件和/或功能的特定示例組合的上下文中描述了示例實施方式，但是應當理解的是，備選實施方式可以在不脫離所附權利要求的范圍的情況下， 提供元件和/或功能的不同組合。在此方面，例如，除以上明確描述的以外的元件和/或功能的不同組合也考慮為可以在一些所附權利要求中描述。雖然此處采用了特定術語，但是其僅用于普遍和描述性的意義，并不是為了限制的目的。
權利要求
1.一種阻抗平衡器，包括軌道電容器，其包括軌道電容器端；第一電容器，其包括第一電容器端，其中所述第一電容器端經(jīng)由第一組可控制開關可切換地跨接第一功率單元的端，并且其中所述第一電容器端還經(jīng)由第二組可控制開關可切換地跨接所述軌道電容器端；以及第二電容器，其包括第二電容器端，其中所述第二電容器端經(jīng)由第三組可控制開關可切換地跨接所述軌道電容器端，并且其中所述第二電容器端還經(jīng)由第四組可控制開關可切換地跨接第二功率單元的端。
2.如權利要求1的阻抗平衡器，進一步包括控制信號電路，其配置用于向所述第一組可控制開關、所述第二組可控制開關、所述第三組可控制開關和所述第四組可控制開關提供相應的控制信號。
3.如權利要求1的阻抗平衡器，進一步包括電壓監(jiān)測電路，其配置用于接收跨所述軌道電容器端的電壓的指示；以及基于接收的所述指示來提供能量系統(tǒng)的狀態(tài)指示符。
4.如權利要求1的阻抗平衡器，進一步包括電壓監(jiān)測電路，其配置用于將跨所述軌道電容器端的電壓的指示與過壓參考進行比較，以確定能量系統(tǒng)的過壓狀態(tài)；以及將跨所述軌道電容器端的電壓的指示與欠壓參考進行比較，以確定所述能量系統(tǒng)的欠壓狀態(tài)。
5.如權利要求1的阻抗平衡器，其中所述第一功率單元至少與第三功率單元并聯(lián)電連接，并且其中所述第二功率單元至少與第四功率單元并聯(lián)電連接。
6.如權利要求1的阻抗平衡器，進一步包括控制信號電路，其配置用于向所述第一組可控制開關和所述第二組可控制開關中的每個開關提供相應的控制信號，其中所述相應的控制信號配置用于使所述第一組可控制開關產生所述第一電容器端與所述第一功率單元的所述端之間的電連接，以便對跨接所述第一功率單元的所述端的所述第一電容器進行充電或者放電； 以及使所述第二組可控制開關產生所述第一電容器端與所述軌道電容器端之間的電連接， 以便對跨接所述軌道電容器的端的所述第一電容器進行充電或者放電。
7.如權利要求1的阻抗平衡器，進一步包括控制信號電路，其配置用于向所述第二組可控制開關提供第一組控制信號，并且向所述第三組可控制開關提供第二組控制信號；其中所述第一組控制信號使所述第二組可控制開關基于所述第一組控制信號的頻率來產生和斷開所述第一電容器端與所述軌道電容器端之間的電連接；以及其中所述第二組控制信號使所述第三組可控制開關基于所述第二組控制信號的頻率來產生和斷開所述軌道電容器端與所述第二電容器端之間的電連接。
8.如權利要求1的阻抗平衡器，進一步包括控制信號電路，其配置用于向所述第一組可控制開關提供第一組控制信號，并且向所述第二組可控制開關提供第二組控制信號，其中所述第一組控制信號和所述第二組控制信號各自的頻率基于包括所述第一功率單元和所述第二功率單元的能量系統(tǒng)的輸出電流。
9.如權利要求1的阻抗平衡器，進一步包括控制信號電路，其配置用于向所述第一組可控制開關、所述第二組可控制開關、所述第三組可控制開關和所述第四組可控制開關中的每一個開關提供相應的控制信號，其中所述相應的控制信號配置用于使所述第一組可控制開關產生所述第一電容器端與所述第一功率單元的所述端之間的電連接，以便對跨接所述第一功率單元的所述端的所述第一電容器進行充電或者放電； 使所述第二組可控制開關產生所述第一電容器端與所述軌道電容器端之間的電連接， 以便對跨接所述軌道電容器的端的所述第一電容器進行充電或者放電；使所述第三組可控制開關產生所述軌道電容器端與所述第二電容器端之間的電連接， 以便對跨接所述軌道電容器端的所述第二電容器進行充電或者放電；以及使所述第四組可控制開關產生所述第二電容器端與所述第二功率單元的所述端之間的電連接，以便對跨接所述第二功率單元的所述端的所述第二電容器進行充電或者放電； 其中所述第一組可控制開關和所述第四組可控制開關不同時生成電連接。
10.如權利要求1的阻抗平衡器，進一步包括控制信號電路，其配置用于向所述第一組可控制開關、所述第二組可控制開關、所述第三組可控制開關和所述第四組可控制開關中的每一個開關提供相應的控制信號，其中所述相應的控制信號配置用于控制所述第二組可控制開關和所述第三組可控制開關，以防止所述軌道電容器端同時電連接至所述第一電容器端和所述第二電容器端。
11.如權利要求1的阻抗平衡器，其中至少所述第一組可控制開關、所述第二組可控制開關、所述第三組可控制開關和所述第四組可控制開關中的可控制開關是晶體管，并且其中所述晶體管的柵極端由經(jīng)由變壓器的端提供的控制信號來驅動。
12.如權利要求1的阻抗平衡器，其中至少所述第一組可控制開關、所述第二組可控制開關、所述第三組可控制開關和所述第四組可控制開關中的可控制開關是晶體管，并且其中所述晶體管的柵極端由經(jīng)由變壓器的端提供的控制信號來驅動，所述控制信號的波形由跨接所述變壓器的次級端的旁路電阻器和二極管來修改。
13.一種用于執(zhí)行功率單元平衡的方法，所述方法包括產生第一電容器的端與第一功率單元的端之間的電連接，以便對跨接所述第一功率單元的所述端的所述第一電容器進行充電或者放電；產生所述第一電容器的所述端與軌道電容器的端之間的電連接，以便對跨接所述軌道電容器的所述端的所述第一電容器進行充電或者放電；產生所述軌道電容器的所述端與第二電容器的端之間的電連接，以便對跨接所述軌道電容器的所述端的所述第二電容器進行充電或者放電；以及產生所述第二電容器的所述端與第二功率單元的端之間的電連接，以便對跨接第二功率單元的端的所述第二電容器進行充電或者放電。
14.如權利要求13的方法，進一步包括在第一組可控制開關處接收控制信號，以產生所述第一電容器的所述端與所述第一功率單元的所述端之間的電連接；在第二組可控制開關處接收控制信號，以產生所述第一電容器的所述端與所述軌道電容器的所述端之間的電連接；在第三組可控制開關處接收控制信號，以產生所述軌道電容器的所述端與所述第二電容器的所述端之間的電連接；以及在第四組可控制開關處接收控制信號，以產生所述第二電容器的所述端與所述第二功率單元的所述端之間的電連接。
15.如權利要求13的方法，進一步包括接收跨所述軌道電容器的所述端的電壓的指示；以及基于接收的所述指示來提供能量系統(tǒng)的狀態(tài)指示符。
16.如權利要求13的方法，進一步包括將跨所述軌道電容器的所述端的電壓的指示與過壓參考進行比較，以確定能量系統(tǒng)的過壓狀態(tài)；以及將跨所述軌道電容器的所述端的電壓的指示與欠壓參考進行比較，以確定所述能量系統(tǒng)的欠壓狀態(tài)。
17.如權利要求13的方法，其中所述第一功率單元至少與第三功率單元并聯(lián)電連接， 并且其中所述第二功率單元至少與第四功率單元并聯(lián)電連接。
18.如權利要求13的方法，進一步包括基于第一組控制信號的頻率，來產生和斷開所述第一電容器的所述端與軌道電容器的端之間的電連接；以及基于第二組控制信號的頻率，來產生和斷開所述軌道電容器的所述端與第二電容器的端之間的電連接；其中所述第一組控制信號和所述第二組控制信號進一步配置用于防止所述軌道電容器的所述端同時與所述第一電容器的所述端和所述第二電容器的所述端電連接。
19.如權利要求13的方法，進一步包括基于第一組控制信號的頻率，來產生和斷開所述第一電容器的所述端與軌道電容器的端之間的電連接；以及基于第二組控制信號的頻率，來產生和斷開所述軌道電容器的所述端與第二電容器的端之間的電連接；其中所述第一組控制信號和所述第二組控制信號各自的頻率基于包括所述第一功率單元和所述第二功率單元的能量系統(tǒng)的輸出電流。
20.如權利要求13的方法，其中產生所述第一電容器的所述端與第一功率單元的端之間的電連接、產生所述第一電容器的所述端與所述軌道電容器的所述端之間的電連接、產生所述軌道電容器的所述端與所述第二電容器的所述端之間的電連接或者產生所述第二電容器的所述端與所述第二功率單元的所述端之間的電連接中的至少一個通過經(jīng)由變壓器的端而驅動晶體管的柵極端來執(zhí)行。
21.如權利要求13的方法，其中產生所述第一電容器的所述端與第一功率單元的端之間的電連接、產生所述第一電容器的所述端與所述軌道電容器的所述端之間的電連接、產生所述軌道電容器的所述端與所述第二電容器的所述端之間的電連接或者產生所述第二電容器的所述端與所述第二功率單元的所述端之間的電連接中的至少一個通過經(jīng)由變壓器的端而驅動晶體管柵極端來執(zhí)行，向所述柵極端提供的信號的波形由跨接所述變壓器的端的旁路電阻器和二極管來修改。
22.一種能量管理系統(tǒng)監(jiān)測器，包括配置用于測量跨軌道電容器的電壓以及基于測量的所述電壓來輸出狀態(tài)指示的電路，其中所述軌道電容器可切換地連接至第一電容器并且可切換地連接至第二電容器，并且其中所述第一電容器還可切換地連接至第一功率單元， 并且所述第二電容器還可切換地連接至第二功率單元。
23.如權利要求22的能量管理系統(tǒng)監(jiān)測器，其中配置用于輸出所述狀態(tài)指示的所述電路包括配置用于通過將測量到的所述電壓與相應的多個參考電壓進行比較來輸出多個狀態(tài)指示。
全文摘要
本發(fā)明涉及阻抗平衡器。具體地，提供了一種用于使用阻抗變化來進行功率單元平衡的阻抗平衡器。該裝置可以包括可切換地連接至第一電容器并且可切換地連接至第二電容器的軌道電容器。第一電容器還可以可切換地連接至第一功率單元，并且第二電容器還可以可切換地連接至第二功率單元。通過可控制開關，第一電容器和第二電容器可以通過軌道電容器在功率單元之間傳遞能量。還提供了附加的相關方法和裝置。
文檔編號H02J15/00GK102195364SQ20101016353
公開日2011年9月21日 申請日期2010年4月12日 優(yōu)先權日2010年3月15日
發(fā)明者R·R·小費伯 申請人:電子港公司