CN107431373A - 自适应电池组 - Google Patents

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Abstract

根据至少一个方面，本文的实施例提供一种自适应电池组模块，其包括锂离子电池、耦合到锂离子电池的低电压总线、耦合到低电压总线的双向DC‑DC转换器、耦合到低电压总线的低电压输出端、高电压输出端以及耦合在双向DC‑DC转换器和高电压输出端之间的高电压总线，其中低电压输出端被配置为耦合到至少一个外部电池组模块的至少一个锂离子电池，并且其中双向DC‑DC转换器被配置为经由低电压总线接收来自锂离子电池和至少一个外部电池组模块的至少一个锂离子电池的DC功率，将所接收的DC功率转换成输出DC功率，并向高电压总线提供输出DC功率。

Description

自适应电池组
发明背景
1.发明领域
本文描述的至少一些实施例大体上涉及基于锂离子(Li离子)的自适应电池组。
2.相关技术的讨论
电池是包括将所储存的化学能转换成电能的一个或更多个电化学电池单元(cell)的设备。有多种不同类型的电池技术。例如，一种常见类型的电池是阀控式铅酸(VRLA)电池。典型的VRLA电池是包括两个铅板的可再充电电池，该铅板用作悬浮在电解质溶液中的电极。在放电过程中，铅板与电解质溶液起反应以在板上产生电压。另一种类型的电池是锂离子(Li-离子)电池。常见的锂离子电池使用作为一种电极材料的锂化合物和作为另一种电极材料的碳。在典型的锂离子电池的放电过程中，锂离子通过电解质从负电极移动到正电极，生成电压。由于锂是高活性元素(reactive element)，因此锂离子电池通常具有高能量密度。
发明概述
本发明的至少一个方面针对一种自适应电池组模块，其包括锂离子电池、耦合到锂离子电池的低电压总线、耦合到低电压总线的双向DC-DC转换器、耦合到低电压总线的低电压输出端、高电压输出端以及耦合在双向DC-DC转换器和高电压输出端之间的高电压总线，其中低电压输出端被配置为耦合到至少一个外部电池组模块的至少一个锂离子电池，并且其中双向DC-DC转换器被配置为经由低电压总线从锂离子电池和至少一个外部电池组模块的至少一个锂离子电池接收DC功率，将所接收的DC功率转换成输出DC功率，并向高电压总线提供输出DC功率。
根据一个实施例，双向DC-DC转换器被配置为在低电压总线和高电压总线之间提供电流隔离。在一个实施例中，双向DC-DC转换器包括串联谐振转换器。在一个实施例中，双向DC-DC转换器包括全桥到全桥转换器和全桥到半桥转换器之一。在另一个实施例中，双向DC-DC转换器包括耦合在低电压总线和高电压总线之间的变压器。
根据另一实施例，高电压输出端被配置为在串联配置和并联配置中的一个中耦合到至少一个外部电池组模块的输出端。
根据一个实施例，高电压输出端被配置为耦合到外部DC电源，并且其中双向DC-DC转换器还被配置为经由高电压输出端接收来自外部DC电源的DC功率，将来自外部DC电源的接收到的DC功率转换为低电压DC功率，并经由低电压总线向锂离子电池和至少一个外部电池组模块的至少一个锂离子电池提供低电压DC功率。在一个实施例中，自适应电池组模块与整流器、DC总线和逆变器组合在一起，其中DC总线耦合在整流器和逆变器之间，并被配置为接收来自整流器的经整流的DC功率，并且其中高电压输出端还被配置为耦合到DC总线并且接收来自DC总线的经整流的DC功率。
根据另一实施例，锂离子电池包括多个电池单元和电池管理系统(BMS)，该电池管理系统(BMS)被配置为监控多个电池单元并操作锂离子电池以在期望的电压电平处输出DC功率。
根据一个实施例，自适应电池组模块还包括耦合在锂离子电池和双向DC-DC转换器之间的串行通信链路。在另一个实施例中，自适应电池组模块还包括耦合在双向DC-DC转换器和通信接口之间的通信总线。
本发明的另一方面针对一种用于使用多个自适应电池组模块向负载提供DC功率的方法，每个模块包括配置成提供DC功率的锂离子电池、耦合到锂离子电池的低电压总线、耦合到低电压总线的双向DC-DC转换器以及耦合到双向DC-DC转换器的高电压总线，该方法包括将每个模块的低电压总线并联地耦合在一起，经由并联耦合的低电压总线与每个模块的双向DC-DC转换器共享来自每个锂离子电池的DC功率，在升压操作模式中操作每个双向DC-DC转换器以将共享的DC功率转换为输出DC功率，将来自每个双向DC-DC转换器的输出DC功率组合在一起以生成组合的输出DC功率，以及向负载提供组合的输出DC功率。
根据一个实施例，该方法还包括：使用每个双向DC-DC转换器接收来自外部DC电源的DC功率，在充电操作模式中操作每个双向DC-DC转换器以将来自外部DC电源的DC功率转换成低电压DC功率，以及经由并联耦合的低电压总线用低电压DC功率对每个锂离子电池充电。
根据另一实施例，该方法还包括将每个模块的高电压总线串联耦合在一起，并且将来自每个双向DC-DC转换器的输出DC功率组合在一起包括将来自每个双向DC-DC转换器的输出DC功率组合在一起以生成具有期望输出电压电平的组合的输出DC功率。
根据一个实施例，该方法还包括将每个模块的高电压总线并联耦合在一起，并且将来自每个双向DC-DC转换器的输出DC功率组合在一起包括将来自每个双向DC-DC转换器的输出DC功率组合在一起以生成具有期望输出功率容量和运行时间之一的组合的输出DC功率。在另一实施例中，该方法还包括在每个模块的低电压总线和高电压总线之间提供电流隔离。
本发明的至少一个方面针对一种包括多个自适应电池组模块的电池系统，每个模块包括被配置成提供DC功率的锂离子电池、耦合到锂离子电池的双向DC-DC转换器电池和输出端，以及用于在多个模块中的每一个模块的双向DC-DC转换器之间共享来自锂离子电池的DC功率的装置，其中，多个模块中的每个模块的双向DC-DC转换器被配置为接收来自锂离子电池的共享的DC功率，将共享的DC功率转换为输出DC功率，并向输出端提供输出DC功率。
根据一个实施例，电池系统还包括用于在多个自适应电池组模块中的每一个模块之间提供电流隔离的装置。在另一实施例中，电池系统还包括用于组合每个双向DC-DC转换器的输出DC功率以生成具有期望输出电压、功率容量和运行时间之一的组合的输出DC功率的装置。
根据另一实施例，多个自适应电池组模块中的第一个的锂离子电池由第一电池单元技术构造，并且多个自适应电池组模块中的第二个的锂离子电池由与第一电池单元技术不同的第二电池单元技术构造。
附图简述
附图不旨在按比例绘制。附图中，在各个图中示出的每个相同的或者几乎相同的部件用相似的编号表示。出于清楚的目的，并非每个部件在每个图中都可被标记。在附图中：
图1是根据本发明的方面的锂离子自适应电池组的框图；
图2是根据本发明的方面的锂离子自适应电池组的3D图示；
图3是示出根据本发明的方面的串联的两个锂离子自适应电池组模块的耦合的框图；
图4是示出根据本发明的方面的并联的两个锂离子自适应电池组模块的耦合的框图；
图5包括根据本发明的方面的并联耦合在一起的两个锂离子自适应电池组模块的3D图示以及串联耦合在一起的两个锂离子自适应电池组模块的3D图示。
图6包括根据本发明的方面的多个不同的锂离子自适应电池组模块串行配置的框图；
图7是示出根据本发明的方面的两个锂离子自适应电池组模块与接地中心抽头串联的耦合的框图；
图8是示出根据本发明的方面的锂离子自适应电池组模块的并联配置的框图。
图9是示出根据本发明的方面的具有不同功率容量的锂离子自适应电池组模块的并联配置的框图；
图10是示出根据本发明的方面串联耦合的两个锂离子自适应电池组模块的冗余操作的框图；
图11是示出根据本发明的方面的不同电池技术的锂离子自适应电池组模块的并联配置的框图；
图12是示出根据本发明的方面的锂离子自适应电池组模块与UPS的连接的框图；
图13是根据本发明的方面的双向DC/DC转换器的一个实施例的电路图；以及
图14是根据本发明的方面的双向DC/DC转换器的另一实施例的电路图。
详细描述
本文所讨论的方法和系统的示例并不将其应用限于下面描述中阐述的或者在附图中示出的部件的结构和布置的细节。方法和系统能够在其他实施例中实施，并且能够以各种方式实践或执行。本文提供的特定实现的示例仅用于说明性目的而并不旨在限制。具体来说，结合任何一个或更多个示例论述的动作、部件、元件以及特征不旨在排除任何其他示例中的类似角色。
另外，本文所用的措辞和术语出于描述的目的，且不应视为具有限制性。对于本文中的系统和方法得以单数提及的示例、实施例、部件、元件或者动作的任何引用也可以包含包括复数的实施例，并且对于本文的任何实施例、部件、元件或者动作以复数的任何提及也可以包含仅包括单数的实施例。单数形式或者复数形式的引用并不旨在限制当前公开的系统或者方法、它们的部件、动作或者元件。“包括”、“包含”、“具有”、“含有”和“涉及”及其变型在本文的使用意指包括其后列举的项目及其等价物以及额外的项目。“或”的引用可解释为包括性的，使得使用“或”所描述的任何术语可以指示所描述的术语的单个、多于一个以及全部中的任何一种。另外，在本文件和通过引用并入本文的文件之间术语的用法不一致的情况下，在并入的参考文件中的术语用法作为对本文件中的术语用法的补充；对于不可协调的不一致，以本文件中的术语用法为准。
如上所讨论的，VRLA电池是在各种不同应用中使用的常见类型的电池技术。然而，在宽温度范围环境中，VRLA电池遭受差的性能。在非IT应用中使用的单相不间断电源(例如，风力涡轮机、太阳能光伏(PV)系统、智能交通灯系统等)通常需要具有宽操作温度范围(例如，-20℃至+60℃)、长寿命周期(例如，5-7年)和相对长的储存期(例如，>1年)的电池。标准VRLA电池技术不适用于这样的应用，因为在高温下电池化学反应变得更加活跃，导致电池单元的劣化。而且在低温下，电池化学反应减慢，降低了输送额定电流的能力和运行时间。
锂离子(Li-离子)——一种新兴的电池单元技术——在移动、电动工具和电动车辆应用中非常受欢迎，且通常用于解决与VRLA电池相关联的宽温度范围和电池寿命问题，因为它通常比VRLA电池提供在更宽的温度范围内的更长的循环和日历寿命。此外，与VLRA电池相比，锂离子电池技术具有很大的重量和体积优势。例如，对于所存储的能量的给定值，与VRLA技术相比，Li离子电池可实现三到五倍的减小。
然而，在使用锂离子电池技术开发高电压电池组(例如，96Vdc、192Vdc、+/-192Vdc)时存在一些挑战。例如，规章符合性(例如，美国保险商实验室(UL)认证)对于具有>60V的电压的锂离子电池组具有挑战性。这通常导致更高成本的电池组和生产电池组的更耗时的工作。还有可以为需要>48V的应用开发锂离子高电压电池组的有限的系统积分器。此外，通常存在用于创建对于指定的额定功率的新的锂离子电池组的长和复杂的开发周期(如24个月以上)。配置成监控高电压电池串的集成电路(IC)不容易获得。使用锂离子电池技术创建+/-电池总线(例如，+/-192Vdc)通常是复杂且昂贵的，并且使用多个锂离子电池单元可能对可靠性和鲁棒性有负面影响。
在一个实施例中，提供了一种锂离子自适应电池组，其利用积木式(buildingblock)方法来创建用于能量存储应用(例如，诸如使用不间断电源(UPS))的高电池电压。自适应电池组模块包括锂离子电池和高频(例如>500kHz)、高效率(例如>96％)、双向和电流隔离的DC-DC转换器。双向转换器充当充电器和升压转换器，并且转换器的电流隔离允许自适应电池组在HV侧上串联或并联连接，同时被独立地控制。通过将多个自适应电池组模块的低电压(LV)侧并联连接在一起，可以在自适应电池组模块之间共享功率。此外，通过将多个自适应电池组模块的高电压(HV)侧并联或串联连接在一起，可以满足宽范围的电压和功率要求。
图1是根据本发明的方面的锂离子自适应电池组模块100的框图，以及图2是锂离子自适应电池组模块100的3D图示。模块100包括锂离子电池102、双向DC-DC转换器104、串行通信链路106、LV电源总线108、HV电源总线110和通信总线112。根据至少一个实施例，模块100还包括LV连接器204、HV连接器206、外壳208、排气扇210和气流导向器212。
串行通信链路106耦合在电池102和转换器104之间。LV电源总线108耦合在电池102和转换器104之间，并且还耦合到LV输出端116。LV输出端116耦合到LV连接器204。HV电源总线110耦合在转换器104和HV输出端114之间。HV输出端114耦合到HV连接器206。通信总线112耦合在转换器104和通信总线113之间。根据一个实施例，通信接口113还耦合到HC连接器206；然而，在其他实施例中，通信接口113可以耦合到独立通信线路。锂离子电池102、双向DC-DC转换器104、串行通信链路106、LV电源总线108、HV电源总线110、通信总线112、排气扇210以及气流导向器212被包括在外壳208内。在一个实施例中，外壳208由金属板制成；然而在其他实施例中，外壳208可以由任何其他适当的材料制成。排气扇210耦合到气流导向器212，并且气流导向器212穿过外壳208从DC-DC转换器104延伸到排气扇210。
锂离子电池102包括一组电池单元214和耦合到该组电池单元214和LV电源总线108的专用电池管理系统(BMS)216。在一个实施例中，锂离子电池102被配置为向LV电源总线108输出48V输出电压，并且包括一组串联堆叠的锂离子电池单元(例如，13个锂离子电池单元)，以生成48V输出电压(即，“48V串”)。然而在其他实施例中，锂离子电池102可以包括在任何其它适当的配置中布置的任何数量的不同电池单元，以生成任何其它期望的输出电压。
电池102的BMS 216监控电池单元214的状态并操作电池102以维持期望的输出电压。例如，根据至少一个实施例，BMS 216利用过电压、欠电压和过温保护电路来监控并控制电池102。在一个实施例中，电池102还包括经由串行通信链路106与转换器104通信的收发器(例如，通用异步接收器/发射器(UART))。根据一个实施例，串行通信链路106是串行外围接口(SPI)总线；然而在其他实施例中，可以使用不同类型的串行通信链路。气流导向器212和排气扇210操作来向自适应电池组模块100提供适当的冷却。
通信总线112允许在转换器104(即，在转换器104内的控制器105)与正在操作多个模块100的外部控制器/系统(例如UPS控制器)之间的通信。在一个实施例中，利用多点通信网络来允许在自适应电池组模块100和外部控制器/系统之间的通信。例如，在一些实施例中，通信总线112是RS-485通信总线或使用主/从配置(例如，外部控制器/系统作为主设备，而模块100作为从设备)的控制器局域网(CAN)总线。请求响应协议(如MODBUS)可用于在主系统(例如外部控制器/系统)和模块100之间传送数据和/或信息(关于状态、控制、配置等)。在一个实施例中，每个模块100由主系统分配唯一的地址。例如，在至少一个实施例中，利用在2013年6月28日提交的标题为“SYSTEM AND METHOD FOR AUTOMATICALLYADDRESSING DEVICES IN A MULTI-DROP MASTER/SLAVE NETWORK”的专利合作条约(PCT)申请号PCT/US2013/048596中描述的自动寻址方法，该PCT申请通过引用以其整体并入本文。
根据一个实施例，双向DC-DC转换器104是高频(例如，>500kHz)和高效率(例如，>96％)DC-DC转换器；然而在其他实施例中，可以使用任何其他适当类型的双向DC-DC转换器。转换器包括输入端107、输出端109和本地控制器105。本地控制器105基于经由通信总线112从外部主系统/控制器接收的信息/指令在升压操作模式或充电操作模式中操作转换器104。在升压操作模式中，转换器104将由电池102提供的在LV电源总线108上的电压(例如48V)升高到期望的输出电压(例如96V)，并经由HV电源总线110和HV连接器206将输出电压提供给负载(例如外部DC总线)。在充电操作模式中，转换器104将HV电源总线108上的电压(例如，由外部DC总线提供至HV连接器206的96V)降低至期望的充电电压(例如48V)，并将充电电压提供到LV电源总线108以对电池102充电。
转换器104还在LV电源总线108和HV电源总线110之间提供电流隔离。例如，在一个实施例中，转换器104包括具有耦合到LV电源总线108的第一绕组和耦合到HV电源总线110的第二绕组的变压器。
自适应电池组模块100被配置为与其它类似的自适应电池组串联或并联地耦合在一起。例如，图3是示出在串联配置300中的两个48V锂离子自适应电池组100(即，模块1和模块2)的耦合的框图。每个组100的LV侧(即，LV电源总线108)并联耦合在一起，而每个组100的HV侧(即，HV电源总线110)串联连接在一起。模块1的HV连接器206的正端子302和模块2的HV连接器206的负端子308耦合到负载。模块1的HV连接器206的负端子304耦合到模块2的HV连接器206的正端子306。
LV电源总线108并联耦合在一起允许每个模块100平等地共享由每个电池102提供的电压和电流。例如，如图3所示，每个模块100的转换器104从它自己的相应电池102和另一个模块100的电池102中抽取电流和48Vdc。每个模块100的控制器105在升压操作模式中操作它的对应转换器104以输出96Vdc电压。通过将模块100(即，模块1和模块1)的HV电源总线110串联耦合在一起，每个模块100的输出电压被组合以生成192Vdc的组合输出电压，其可以提供给负载。此外，由于模块100被电流隔离；每个电池组100独立于另一电池组100而操作，并由它自己的控制器105单独地管理以生成期望的输出电压。
图4是示出在并联配置400中的两个1.5kW锂离子自适应电池组模块100(即，模块1和模块2)的耦合的框图。每个模块100的LV侧(即，LV电源总线108)并联耦合在一起，而每个组100的HV侧(即，HV电源总线110)并联耦合在一起。每个模块的HV连接器206并联耦合到负载。
LV电源总线108并联耦合在一起允许每个模块100平等地共享由每个电池102提供的电压和电流。例如，如图4所示，每个模块100的转换器104从它自己的相应电池102和另一模块100的电池102中抽取电力。每个模块100的控制器105在升压操作模式中操作它的对应转换器104以输出96Vdc电压。通过将1.5kW模块100(即，模块1和模块1)的HV电源总线110并联耦合在一起，每个模块的输出功率被组合以生成96Vdc、3kW的组合输出，其可以提供给加载。此外，由于模块100被电流隔离；每个电池组100独立于另一电池组100而操作，并且由它自己的控制器105单独地管理以生成期望的输出功率。
图5包括并联耦合在一起的两个锂离子自适应电池组模块100的3D图示500和串联耦合在一起的两个锂离子自适应电池组模块100的3D图示550。在并联配置500中，每个1.5kW模块100的LV连接器204并联耦合在一起，而每个模块100的HV连接器206并联耦合到负载502(例如DC总线)，导致96Vdc、3kW的输出被提供给负载502。根据一个实施例，每个模块的HV连接器206直接耦合到负载502；然而在其他实施例中，HV连接器206可以经由中间连接器503(例如，如图5所示)耦合到负载502。此外，如上所讨论的，由于模块100被电流隔离；每个电池组100独立于另一电池组100而操作，并由它自己的控制器105单独地管理以生成期望的输出功率。
在串联配置550中，每个模块100的LV连接器204并联耦合在一起，第一模块100的HV连接器206的正端子302和第二模块100的HV连接器206的负端子308耦合到负载，并且第一模块100的HV连接器206的负端子304耦合到第二模块100的HV连接器206的正端子306。这种配置导致192Vdc的输出电压被提供给负载504。根据一个实施例，每个HV连接器206直接耦合负载504且耦合到另一模块100的HV连接器206；然而，在其他实施例中，每个HV连接器206经由中间连接器505耦合到负载504且耦合到另一模块100的HV连接器206(例如，如图5所示)。此外，如上所讨论的，由于模块100被电流隔离；每个电池组100独立于另一电池组100而操作，并且由它自己的控制器105单独地管理以生成期望的输出电压。
锂离子自适应电池组模块100可以在任何数量的不同配置中耦合在一起以生成期望的输出电压、输出功率容量和/或运行时间。例如，图6包括多个不同的锂离子自适应电池组模块串行配置的框图。第一串行配置600与图3所示的串行配置300基本上相同，除了接地中心抽头602也与模块100串联耦合以外。例如，如图7所示，模块1的HV连接器206的负端子304和模块2的HV连接器206的正端子306耦合到接地中心抽头602。当模块100的HV侧和接地中心抽头602如在图7的配置600中所示的串联耦合时，+/-96Vdc被提供给输出端。
在第二配置610中，两对锂离子自适应电池组模块100与接地中心抽头615串联耦合以向负载提供+/-192Vdc。第一对612中的每个模块100的LV侧并联耦合在一起，导致第一对612中的每个模块100从它自己的电池中抽取电流和48Vdc，以及从第一对612中的另一个模块100的另一个电池中抽取电流和48Vdc。第二对612中的每个模块100的LV侧并联耦合在一起，导致第二对614中的每个模块100从它自己的电池中抽取电流和48Vdc，以及从第二对614中的另一个模块100的另一个电池中抽取电流和48Vdc。作为结果，第一对612和第二对614中的每个模块100的转换器输出96Vdc。当模块100的第一对612的HV侧、模块100的第二对614的HV侧和接地中心抽头615如在图6的配置610中所示的串联耦合时，+/-192Vdc被提供给输出端。
第三配置620与第二配置610基本上相同，除了接地中心抽头615被移除以外。当模块100的第一对612的HV侧和模块100的第二对614的HV侧如在图6的配置620中所示的串联耦合时，384Vdc被提供给输出端。
图8是示出锂离子自适应电池组模块100的并联配置800的框图。并联配置800包括与接地中心抽头802串联耦合的多组模块100(例如，如在图6的串行配置610中所示)。如上所述，模块100的每个串行配置的组向输出端提供+/-192Vdc。当模块100的组如图8所示的并联耦合在一起时，提供给输出端的电压保持在+/-192Vdc处；然而，配置800的功率容量和运行时间增加。
在至少一个实施例中，多个LV电源总线108并联耦合在一起允许具有不同容量的模块100耦合在一起。例如，图9是示出具有不同功率容量的锂离子自适应电池组模块的并联配置900的框图。在配置900中，第一模块902和第二模块904并联耦合在一起(例如，如上面关于图4类似地讨论的)。第一模块902和第二模块904与上文关于图1讨论的模块100基本上相同，除了第一模块902具有2kW的功率容量以及第二模块904具有1kW的功率容量以外。
LV电源总线108并联耦合在一起允许每个模块902、904平等地共享由每个电池102提供的电压和电流，即使模块902、904具有不同的容量。例如，如图9所示，每个模块902、904的转换器104从它自己的对应电池102和另一模块902、904的电池102中抽取电力。每个模块902、904的控制器105在升压操作模式中操作它的相应转换器104以输出96Vdc电压。通过将1kW模块904的HV连接器206与2kW模块902的HV连接器206并联耦合，可以向负载提供96Vdc、3kW的输出。
此外，由于并联耦合的每个模块902、904平等地共享来自电池102的电压和电流；在至少一个实施例中，如果电池102不平等地被充电，则配置900可以操作以自动均衡电池102上的电荷。例如，当转换器104从2kW模块902的电池102和1kW模块902的电池102中抽取电力时，如果在2kW模块902的电池102上的电荷不足以向转换器104提供必要的电力，则转换器104将从1kW模块904的较高充电的电池102抽取更多的电力，以补偿在它自己的电池102上的不足的电荷。在一段时间后，电池102上的电荷将均衡，并且转换器104将从每个电池102中抽取相等的电力。
在至少一个实施例中，多个LV电源总线108并联耦合也提供冗余。例如，图10是示出串联耦合的两个锂离子自适应电池组模块的冗余操作的框图。如图10所示，模块100(即，模块1和模块2)如上文关于图3所述的串联耦合在一起。如果两个模块100都是可操作的，则配置300提供192Vdc输出。然而，如果模块100之一发生故障，则因为模块100平等地共享来自电池102的电压和电流，所以配置300仍能够提供输出功率的一部分。例如，如果模块1发生故障，则模块1的转换器104和模块2的转换器104都将从模块2的电池102抽取电流和48Vdc。每个模块100的控制器105在升压操作模式中操作它的对应转换器104以输出96Vdc电压。通过将模块1和模块2的HV电源总线110串联耦合在一起，如图10所示，仍然可以向负载提供192Vdc的输出电压。然而，由于输出功率仅从模块100中的一个生成，因此配置300将以50％的减小的功率容量和运行时间来操作。
如上所述，通过将多个自适应电池组模块的高电压(HV)侧并联或串联连接在一起，并且并联连接自适应电池组的低电压(LV)侧，能够满足宽范围的电压、功率和运行时间要求。多个自适应电池组模块的LV侧并联耦合在一起允许每个模块平等地共享由每个电池组提供的电压和电流。多个自适应电池组模块的HV侧可以串联地耦合以产生高电压电池组模块(例如，192Vdc)。多个自适应电池组模块的HV侧可以并联地耦合以产生具有增加的功率容量和运行时间的电池组模块。
由在每个模块100中的转换器104提供的电流隔离(例如，通过转换器104中的变压器)允许每个模块100的独立操作。每个模块100被单独地控制(例如由本地控制器105)以生成期望的输出电压，而与其他模块100当前正在输出的东西无关。这允许每个模块100的“热交换(hot-swapping)”(即，每个模块100可以安全地快速耦合到其他操作模块100或与其他操作模块100解耦合)。根据至少一个实施例，每个模块100包括软预充电和/或断开机构以防止形成电弧。而且，根据另一个实施例，每个模块100包括由本地控制器105操作的开关电路，以便如果本地控制器105识别出模块100中的问题或对服务的需要，则将模块100与它耦合到的其它模块100断开。
根据一个实施例，自适应电池组模块的电流隔离还允许将包括不同电池单元技术/电池单元化学性质(cell chemistry)的电池的模块耦合在一起。例如，图11是示出不同电池单元技术/电池单元化学性质的锂离子自适应电池组模块的并联配置1100的框图。并联配置1100包括包含第一基于锂离子的电池单元技术的电池(例如，图1所示的电池102)的模块1104的第一组1102和包含第二基于锂离子的电池单元技术的电池(例如，图1所示的电池102)的模块1112的第二组1110。如上类似地所述的，每个串联配置的模块的组1102、1110向输出端提供+/-192Vdc。当模块的组1102、1110如图11所示并联耦合在一起时，提供给输出端的电压保持在+/-192Vdc处；然而，配置1100的功率容量和运行时间增加。由于在模块1102、1110之间提供的电流隔离，这是可能的，而不管不同的电池单元技术/电池单元化学性质，由于在模块1102,1110之间提供的电隔离。在一个实施例中，第一组1102中的模块1104包括具有良好短浪涌能力的电池(例如，包括具有25-30A放电能力的高放电率2.0Ah电池单元的电池)，并且第二组1110中的模块1112包括具有延长的运行时间的电池(例如，包括具有2.0A或更小放电能力的低或中等放电率2.0Ah电池单元的电池)。然而在其他实施例中，由于电流隔离，包括使用任何不同类型的电池单元技术/电池单元化学性质的电池的组可以并联耦合在一起。
根据一个实施例，任何数量的自适应电池组模块可以直接耦合到不间断电源(UPS)。例如，图12是示出锂离子自适应电池组模块(例如，上文关于图1所讨论的自适应电池组模块100)到UPS 1200的连接的框图。UPS 1200包括AC输入端1202、AC到DC转换器(例如整流器)1204、DC总线1206、DC到AC逆变器1208和AC输出端1210。AC到DC转换器1204耦合在AC输入端1202和DC总线1206之间。DC到AC逆变器1208耦合在DC总线1206和AC输出端1210之间。在一个实施例中，自适应电池组模块100直接耦合到DC总线1206。在另一个实施例中，模块100经由外部DC到DC转换器耦合到DC总线1206。
在正常操作模式中，AC输入端1202接收来自AC电源的输入AC功率。AC到DC转换器1204将输入AC功率转换成DC功率并且向DC总线1206提供DC功率。DC总线上的DC功率通过DC到AC逆变器1208转换成经调节的AC功率，并且经调节的AC功率经由AC输出端1210被提供到负载。DC总线上的DC功率也被提供给模块100。模块的双向转换器104由本地控制器105操作以将来自DC总线的DC功率转换成经调节的DC功率。经由LV电源总线108将经调节的DC功率提供给电池102，以对电池102充电。本地控制器105还可以经由通信总线112接收来自UPS控制器1212的信息/指令。
在电池操作模式中(例如，当输入AC功率不足以为耦合到输出端1210的负载供电时)，电池102放电，并且来自电池102的DC功率经由LV电源总线108提供给转换器104。本地控制器105操作双向转换器104以将DC功率转换成经调节的DC功率。经调节的DC功率被提供给UPS 1200的DC总线1206，并且DC到AC逆变器1208将来自模块的经调节的DC功率转换成经调节的AC功率。经调节的AC功率经由AC输出端1210被提供给负载。如图12所示，单个模块耦合到UPS 1200；然而在其他实施例中，在任何数量的不同配置(例如，如上所示和所讨论的)中耦合在一起的任何数量的模块100可以连接到UPS 1200以向UPS 1200提供期望的DC功率。
图13是双向DC/DC转换器1300(例如，诸如图1所示的双向DC/DC转换器104)的一个实施例的电路图。转换器1300是全桥到全桥串联谐振转换器，其包括输入端1302、第一全桥整流器1304、变压器1306、第二全桥整流器1308和输出端1310。输入端1302耦合到第一全桥整流器1304的输入端。第一全桥整流器1304的输出端耦合到变压器1306的第一绕组1305。变压器1306的第二绕组1307耦合到第二全桥整流器1310的输入端。输出端1310与第二全桥整流器1310的输出端耦合。
输出端1302被配置成耦合到并联的任何数量的不同电池。并联耦合在一起的多个电池在图13中被示为单个电池1301。例如，电池1301可以包括来自电池组模块100的任何数量的锂离子电池102，其如上所讨论的并联耦合在它们的LV侧上。来自电池1301的DC功率被提供给转换器1300。第一全桥整流器1304和第二全桥整流器1308由控制器105与变压器1306共同操作，以在输出端1310处生成期望的电压。在一个实施例中，转换器被操作以输出96Vdc。如上所讨论的，转换器1300的输出端1310(即，转换器1300的HV侧)可以与其它类似的转换器串联或并联耦合以生成期望的输出。也如上所讨论的，变压器1306在输入端1302和输出端1310之间提供电流隔离。
图14是双向DC/DC转换器1400(例如，诸如图1所示的双向DC/DC转换器104)的另一实施例的电路图。转换器1400是全桥对半桥串联谐振转换器，其包括输入端1402、全桥整流器1404、变压器1406、第一半桥整流器1408、第二半桥整流器1411和输出端1410。输入端1402耦合到全桥整流器1404的输入端。全桥整流器1404的输出端耦合到变压器1406的初级绕组1405。变压器1406的第一次级绕组1407耦合到第一半桥整流器1408的输入端。变压器1406的第二次级绕组1409耦合到第二半桥整流器1411的输入端。输出端1410与第一半桥整流器1408的输出端1414和第二半桥整流器1411的输出端1416串联耦合。
输入端1402被配置成耦合到并联的任何数量的不同电池。并联耦合在一起的多个电池在图14中示为单个电池1401。例如，电池1401可以包括来自电池组模块100的任何数量的锂离子电池102，其如上所讨论的并联耦合在它们的LV侧上。来自电池1401的DC功率被提供给转换器1400。全桥整流器1404和第一半桥整流器1408由控制器105与变压器1406共同来操作，以在第一半桥整流器1408的输出端1414处生成期望的电压(例如96Vdc)。全桥整流器1404和第二半桥整流器1411由控制器105与变压器1406共同操作，以在第二半桥整流器1411的输出端1416处生成期望的电压(例如96Vdc)。在一个实施例中，当第一半桥整流器1408的输出端1414和第二半桥整流器1411的输出端1416串联耦合在一起时，在输出端1410处提供192Vdc的电压。如上所讨论的，转换器1400的输出端1410(即，转换器1400的HV侧)可以与其它类似的转换器串联或并联耦合以生成期望的输出。此外，变压器1406在输入端1402和输出端1410之间提供电流隔离。
根据其他实施例，任何其他类型的双向DC-DC转换器可以在模块100中用作转换器104以生成期望的输出功率。
如上所讨论的，自适应电池组模块100能够向负载提供期望的功率。每个自适应电池组模块100还能够对相应的电池102充电。例如，在充电操作模式中，耦合到外部DC电源(例如，DC总线)的每个模块100在它的HV电源总线110处接收来自外部DC电源的DC功率。每个模块100的双向转换器104将来自外部DC电源的DC功率转换成低电压DC功率，并向LV电源总线108提供低电压DC功率。当每个模块100的LV电源总线108并联耦合在一起时，来自每个转换器104的低电压DC功率被组合在并联耦合的LV总线108上并被提供给每个电池102以对电池充电。
如上所讨论的，每个模块100能够提供96Vdc；然而在其他实施例中，可以不同地配置模块100以提供任何其它期望的输出电压。还如上所讨论的，自适应电池组模块100被组合以生成384Vdc；然而在其他实施例中，任何数量的自适应电池组模块100可以以任何数量的方式组合以生成小于或大于384Vdc的输出电压。
如上所讨论的，自适应电池组模块100可以与UPS一起使用。在其他实施例中，自适应电池组模块100可以在任何其他类型的系统中被利用，其中需要DC源来提供DC功率(例如，在格状网(grid network)中的能量存储系统中)。
如上所讨论的，每个电池102是包括BMS的高级“智能”电池。然而在至少一个实施例中，电池102不包括s BMS。也如上所讨论的，每个电池102是基于锂离子的电池；然而在其他实施例中，电池102可以基于某种其它电池技术。
也如上所讨论的，每个模块100包括单个DC-DC转换器；然而在其他实施例中，模块可以包括被配置为生成期望输出的多于一个转换器。例如在至少一个实施例中，模块100包括串联耦合以生成期望的高电压输出的多个转换器。
如上所讨论的，一组模块中的每个自适应电池组模块100的LV侧可以并联耦合在一起，以允许模块100中的每个共享功率。然而在其他实施例中，一组自适应电池组模块100可以仅在HV侧上串联或并联耦合在一起以生成期望的输出，并且可以不在LV侧上并联耦合在一起。在这种实施例中，通过仅在HV侧而不在LV侧上将模块100串联或并联耦合在一起，模块100仍然可被配置为在不共享通过将LV侧耦合在一起而提供的功率(和冗余)的情况下生成期望的总输出。
在至少一个实施例中，提供了一种基于锂离子的自适应电池组，其利用积木式方法来产生高电池电压以用于能量存储应用(例如，诸如使用不间断电源(UPS))。自适应电池组模块包括锂离子电池和高频、高效率、双向和电流隔离的DC-DC转换器。
双向转换器充当充电器和升压转换器。通过将多个自适应电池组模块的高电压(HV)侧并联或串联连接在一起并且并联连接自适应电池组的低电压(LV)侧，可以满足宽范围的电压和功率要求。多个自适应电池组模块的LV侧并联耦合在一起允许每个模块平等地共享由每个电池组提供的电压和电流。多个自适应电池组模块的HV侧可以串联耦合以产生高电压电池组模块。多个自适应电池组模块的HV侧可以并联耦合，以产生具有增加的功率容量和运行时间的电池组模块。
由在每个模块中的转换器提供的电流隔离允许每个模块的独立操作。每个模块被单独控制以生成期望的输出电压，而与其他模块当前正在输出的东西无关。这允许每个模块的“热交换”且允许将包括不同电池技术的电池的模块耦合在一起。此外，根据一个实施例，由于每个模块的隔离，可以利用在每个模块的LV侧上的不同的接地选项(例如，接地、中性、底盘、浮动等)，这可以提高安全性和/或可靠性。例如，在其中底盘接地在模块的LV侧上被利用的实施例中，模块的隔离可有助于限制电磁干扰(EMI)。
通过利用在自适应电池组模块中的标准电池，如上所讨论的，该模块可以相对容易单独地或与其它模块组合地被配置，以提供期望的输出。例如在至少一个实施例中，通过利用在模块中的标准电池，该模块可以仅经历对标准电池的单轮监管认证。作为结果，这样的模块可以容易地并且快速地与其他模块组合以生成期望的输出，而不需要组合系统的重新认证。此外，通过基于标准电池组来标准化电池系统，如上所讨论的，可以提高电池系统的可靠性和鲁棒性。
在这样描述了本发明的至少一个实施例的几个方面后，应认识到，本领域的技术人员将容易想到各种变更、修改和改进。这些更改、修改和改进被认为是本公开的一部分，且被认为落入在本发明的精神和范围内。因此，前文的描述和附图仅仅是示例性的。

Claims (20)

1.一种自适应电池组模块，包括：
锂离子电池；
低电压总线，所述低电压总线耦合到所述锂离子电池；
双向DC-DC转换器，所述双向DC-DC转换器耦合到所述低电压总线；
低电压输出端，所述低电压输出端耦合到所述低电压总线；
高电压输出端；以及
高电压总线，所述高电压总线耦合在所述双向DC-DC转换器和所述高电压输出端之间，
其中，所述低电压输出端被配置为耦合到至少一个外部电池组模块的至少一个锂离子电池，以及
其中，所述双向DC-DC转换器被配置为经由所述低电压总线接收来自所述锂离子电池和所述至少一个外部电池组模块的所述至少一个锂离子电池的DC功率，将所接收的DC功率转换成输出DC功率，并向所述高电压总线提供所述输出DC功率。
2.根据权利要求1所述的自适应电池组模块，其中，所述双向DC-DC转换器被配置为在所述低电压总线和所述高电压总线之间提供电流隔离。
3.根据权利要求2所述的自适应电池组模块，其中，所述双向DC-DC转换器包括串联谐振转换器。
4.根据权利要求3所述的自适应电池组模块，其中，所述双向DC-DC转换器包括全桥到全桥转换器和全桥到半桥转换器之一。
5.根据权利要求3所述的自适应电池组模块，其中，所述双向DC-DC转换器包括耦合在所述低电压总线和所述高电压总线之间的变压器。
6.根据权利要求2所述的自适应电池组模块，其中，所述高电压输出端被配置为在串联配置和并联配置中的一个中耦合到所述至少一个外部电池组模块的输出端。
7.根据权利要求2所述的自适应电池组模块，其中，所述高电压输出端被配置为耦合到外部DC电源，并且其中所述双向DC-DC转换器还被配置为经由所述高电压输出端接收来自所述外部DC电源的DC功率，将来自所述外部DC电源的接收到的DC功率转换为低电压DC功率，并经由所述低电压总线向所述锂离子电池和所述至少一个外部电池组模块的所述至少一个锂离子电池提供所述低电压DC功率。
8.根据权利要求7所述的自适应电池组模块，其与整流器、DC总线和逆变器组合，
其中，所述DC总线耦合在所述整流器和所述逆变器之间，并被配置为接收来自所述整流器的经整流的DC功率，以及
其中，所述高电压输出端还被配置为耦合到所述DC总线并且接收来自所述DC总线的经整流的DC功率。
9.根据权利要求2所述的自适应电池组模块，其中，所述锂离子电池包括多个电池单元和电池管理系统(BMS)，所述电池管理系统(BMS)被配置为监控所述多个电池单元并操作所述锂离子电池以在期望的电压电平处输出DC功率。
10.根据权利要求2所述的自适应电池组模块，还包括耦合在所述锂离子电池和所述双向DC-DC转换器之间的串行通信链路。
11.根据权利要求2所述的自适应电池组模块，还包括耦合在所述双向DC-DC转换器和通信接口之间的通信总线。
12.一种用于使用多个自适应电池组模块向负载提供DC功率的方法，所述多个自适应电池组模块中的每个模块包括配置成提供DC功率的锂离子电池、耦合到所述锂离子电池的低电压总线、耦合到所述低电压总线的双向DC-DC转换器以及耦合到所述双向DC-DC转换器的高电压总线，所述方法包括：
将每个模块的所述低电压总线并联地耦合在一起；
经由并联耦合的所述低电压总线与每个模块的所述双向DC-DC转换器共享来自每个锂离子电池的DC功率；
在升压操作模式中操作每个双向DC-DC转换器以将共享的DC功率转换为输出DC功率；
将来自每个双向DC-DC转换器的所述输出DC功率组合在一起以生成组合的输出DC功率；以及
向所述负载提供组合的输出DC功率。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括：
使用每个双向DC-DC转换器接收来自外部DC电源的DC功率；
在充电操作模式中操作每个双向DC-DC转换器以将来自所述外部DC电源的DC功率转换成低电压DC功率；以及
经由并联耦合的低电压总线用所述低电压DC功率对每个锂离子电池充电。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括将每个模块的所述高电压总线串联耦合在一起，以及其中将来自每个双向DC-DC转换器的所述输出DC功率组合在一起包括将来自每个双向DC-DC转换器的所述输出DC功率组合在一起以生成具有期望输出电压电平的组合的输出DC功率。
15.根据权利要求12所述的方法，还包括将每个模块的所述高电压总线并联耦合在一起，以及其中将来自每个双向DC-DC转换器的所述输出DC功率组合在一起包括将来自每个双向DC-DC转换器的所述输出DC功率组合在一起以生成具有期望输出功率容量和运行时间之一的组合的输出DC功率。
16.根据权利要求12所述的方法，还包括在每个模块的所述低电压总线和所述高电压总线之间提供电流隔离。
17.一种电池系统，包括：
多个自适应电池组模块，每个模块包括：
锂离子电池，所述锂离子电池被配置成提供DC功率；
双向DC-DC转换器，所述双向DC-DC转换器耦合到所述锂离子电池；以及
输出端；以及
用于在所述多个模块中的每一个模块的所述双向DC-DC转换器之间共享来自所述锂离子电池的DC功率的装置，
其中，所述多个模块中的每个模块的所述双向DC-DC转换器被配置为接收来自所述锂离子电池的共享的DC功率，将所述共享的DC功率转换为输出DC功率，并向所述输出端提供所述输出DC功率。
18.根据权利要求17所述的电池系统，还包括用于在所述多个自适应电池组模块中的每一个之间提供电流隔离的装置。
19.根据权利要求18所述的电池系统，还包括用于组合每个双向DC-DC转换器的输出DC功率以生成具有期望输出电压、功率容量和运行时间之一的组合的输出DC功率的装置。
20.根据权利要求17所述的电池系统，其中，所述多个自适应电池组模块中的第一个的所述锂离子电池由第一电池单元技术构造，并且所述多个自适应电池组模块中的第二个的所述锂离子电池由与所述第一电池单元技术不同的第二电池单元技术构造。
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