CN108206514A - 用于改善单元平衡和单元失效检测的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于改善单元平衡和单元失效检测的系统和方法。在一个方面，本发明的实施方式包括储能装置平衡设备。该储能装置平衡设备包括平衡电路和报警电路。平衡电路和报警电路都耦接到储能装置。平衡电路被配置为监测储能单元的电压，并且如果电压处于或高于第一参考电压则从储能单元消耗能量。报警电路配置为当储能单元的电压处于或高于第二参考电压时生成警报，并且当电压处于或高于第二参考电压时从储能单元消耗能量。

Description

用于改善单元平衡和单元失效检测的系统和方法

技术领域

本公开总体上涉及包括超电容器和超级电容器的储能装置和储能系统，诸如电池和电容器模块及系统，并且具体地，涉及以模块部署的电容器或电池，其中，每个模块包含一些数量的电池和/或电容器单元。

背景技术

存在通过对过度的单元电压进行放电而使储能系统中的单个单元的电压平衡的各种系统和技术。然而，现有方法不能完全且有效地消耗过度的单元电压并且需要昂贵的部件。

此外，用于平衡模块的系统和技术可能不能够在形成平衡的模块的各个单元中的一个或多个内对负电压进行放电。这些负电压在这样的系统中可能呈现问题。

另外，存在用于检测储能系统中的故障并且发出警报的系统和技术，但是它们通常由于来自储能系统的过度的电压而失效。在一些系统和技术中，可以使用分离的但冗余的报警系统来监测和警报各种模块方面的状况。例如，模块中的开路单元状况(例如，在这种情况下模块的整体电压高达750伏特(V))可以在模块的报警电路上表示，并且可能损坏报警电路。因此，需要能够承受高电压(例如750V)的冗余电路，以在变化的状况下提供持续的警报。

发明内容

本文中公开的实施方式解决了现有技术中的上述问题。本公开的系统、方法以及装置各自具有若干创新方面，其中没有一个方面单独负责本文中公开的期望属性。

在所附权利要求的范围内的方法和装置的各种实施方式各自具有若干方面，其中没有单个方面单独负责本文中所描述的期望属性。在不限制所附权利要求的范围的情况下，本文中描述了一些突出特征。

在一个方面，本发明的实施方式包括一种储能装置平衡设备。该储能装置平衡设备包括平衡电路和报警电路。平衡电路和报警电路都耦接到储能装置。平衡电路被配置为监测储能单元的电压，并且如果电压处于或高于第一参考电压则从储能单元消耗能量。报警电路被配置为当储能单元的电压处于或高于第二参考电压时生成警报，并且当电压处于或高于第二参考电压时从储能单元消耗能量。

另外，在该方面的一些实施方式中，平衡电路通过使放电电流通过无源耗散部件和有源耗散部件中的至少一个进行传导而从储能单元消耗能量。在一些实施方式中，报警电路通过使放电电流通过无源耗散部件和有源耗散部件中的至少一个进行传导而从储能单元消耗能量。

在一些方面，报警电路通过使放电电流通过电阻器进行传导而从储能单元消耗能量。在一些方面，平衡电路包括被配置为以比较器模式操作的分路调节器。

在另一方面，本发明的实施方式包括储能装置单元平衡设备。储能装置单元平衡设备包括第一耗散部件和第二耗散部件，两者都耦接到储能单元。第一耗散部件被配置为监测储能单元的电压，并且如果电压处于或高于正阈值电压，则通过使放电电流通过第一耗散部件进行传导而从储能单元消耗能量。第二耗散部件配置为消耗来自储能单元的负电压。

在一些方面，第二耗散部件串联耦接到二极管，二极管被配置为提供用于通过第二耗散部件对储能单元的负电压进行放电的通路。在一些其它方面，第二耗散部件进一步配置为，当单元被正充电时，如果电压处于或高于正阈值电压，则通过使放电电流通过第二耗散部件而从储能单元消耗正能量。在一些实施方式中，第一耗散部件进一步被配置为如果电压处于或高于正参考电压，则通过使放电电流通过第一耗散部件进行传导而从储能单元消耗能量。

在一些方面，第二耗散部件包括无源耗散部件和有源耗散部件中的至少一个。在一些其它方面，第二耗散部件包括电阻器。

在另一方面，本发明的实施方式包括一种过电压报警输送设备。该过电压报警输送设备包括过电压报警电路、齐纳二极管、隔离装置以及限流电路。过电压报警电路被配置为基于接收的过电压信号生成过电压报警信号。隔离装置被配置为提供隔离的输出信号。限流电路被配置为当暴露于超过齐纳二极管的额定值的电压时，向隔离装置提供流过齐纳二极管的电流。齐纳二极管、隔离装置以及限流电路配置为如果过电压报警电路本身不能保持过电压报警信号，则保持由过电压报警电路生成的过电压报警信号。

附图说明

在下面的附图和描述中阐述了本公开中描述的主题的一个或多个实施方式的细节。尽管本公开中提供的实例有时根据电容器或电容器单元来描述，但是本文中提供的概念可以应用于其它类型的储能系统。从描述、附图以及权利要求书中，其它特征、方面以及优点将变得显而易见。应当注意，以下附图的相对尺寸可能不按比例绘制。

图1示出包括平衡电路的平衡和过电压报警电路的实施方式，其中，当平衡和过电压报警电路暴露于经历过电压状况的单元或模块时，集成的报警电路使电压放电。

图2示出平衡电路的实施方式，其中，当耗散部件串联耦接到二极管时，耗散部件对平衡电路耦接到的负充电的单元进行放电。

图3示出平衡电路的另一实施方式，其中，当耗散部件串联耦接到与受控开关并联的二极管时，耗散部件对平衡电路耦接到的充负电的单元进行放电。

图4示出报警系统400的实施方式，报警系统400包括用于将过电压状况传送到外部报警监测电路的冗余单元过电压报警电路402。

图5示出报警系统的实施方式，该报警系统包括用于将过电压状况传递到外部报警监测电路的组合式单元和模块过电压报警电路。

具体实施方式

以下结合附图阐述的详细描述旨在作为示例性实施方式的描述，并不旨在表示可以实践本发明的仅有的实施方式。贯穿本说明书使用的术语“示例性”意味着“用作示例、实例或说明”，并且不应必须解释为比其它示例性实施方式优选或有利。详细描述包括特定细节用于提供对示例性实施方式的透彻理解的目的。在某些情况下，一些装置以框图形式示出。

储能系统可以包括串联布置的多个单独的电池或超电容器单元，以形成具有比单个单元更高的电压输出的储能模块或组。模块进而可以与其它模块串联连接，以输出更高的组合电压。模块的单个电容器或电池有时分别被称为电容器单元或电池单元，或更通常地被称为单元。

过度的电池电压可以损坏单个单元、单元所位于的模块或两者。单元平衡电路(“平衡电路”)可以用于对电池或超电容器单元进行放电以均衡单元电压并防止或最小化由过度的单元电压状况所引起的损坏。这样的过度的单元电压可以通过平衡电路中的无源部件(例如一个或多个电阻器)和有源部件(例如一个或多个晶体管或稳压器)中的一个或多个进行放电。

无源耗散部件可能不能单独地控制电流的流动，而有源耗散部件可能能够控制电流流动。有源耗散部件和无源耗散部件两者都可以消耗电压。在一些实施方式中，无源耗散部件可以通过恒定电流放电或通过电阻放电来对电压进行放电。在恒定电流放电电路的情况下，不依赖于单元电压或放电的电压，从单元中提取恒定的放电电流。电阻放电电路提取与单元电压成比例的放电电流。随着单元的电压增加，放电电流也增加，并且反之亦然。无源耗散部件的实例可以包括固定电阻器、可变电阻器、热敏电阻器、无源衰减器、电位计等。有源耗散部件的实例可以包括晶体管、调节器、有源衰减器、有源二极管等。

本文中描述的平衡电路的一些实施方式允许分开有源部件与无源部件之间的实际电压耗散。相对于先前的单元平衡电路，这可以提高电压耗散的效率、可以减少所需的部件的数量并且可以消除对一些昂贵的有源部件或无源部件的需求。

改进的单元平衡电路

在一些实施方式中，本文描述的单元平衡电路耦接到一个或多个报警电路。这些报警电路可以向用户或外部电路提供过电压状况的指示。例如，报警电路可以耦接到指示灯或可听报警。

在一些实施方式中，包括有源耗散部件和无源耗散部件的单元平衡电路可能在其过电压放电率方面受到限制。平衡的单元增加来自模块的可用能量。因此，更快的平衡允许更快地到达模块的最大能量状态。在一些实施方式中，可以将额外的有源耗散部件和/或无源耗散部件添加到平衡电路，因此增加了平衡电路的成本和复杂性。可替换地或另外，在一些实施方式中，过电压报警电路可以与平衡电路的有源耗散部件和/或无源耗散部件的电压耗散属性相结合提供电压耗散。通过组合报警功能与平衡功能，可以降低用于平衡电路和报警电路的总成本。

图1示出包括平衡电路140a和集成的平衡和报警电路130的平衡和过电压报警电路100的实施方式。平衡电路140a可以在耦接到经历过电压状况的单元或模块时对电压进行放电。在耦接到过电压状况触发报警的单元或模块时，平衡和报警电路130也可以对电压进行放电。平衡和过电压报警电路100可以耦接到储能单元或可以包括储能单元。例如，平衡和过电压报警电路100可以在储能单元外部，并且例如在节点124和节点126处与储能单元并联连接。储能单元可以包括单个或多个电池、电容器、超电容器或其它可替代的储能装置，或者可以与多个类似的单元(每个单元具有对应的平衡和过电压报警电路)组合以形成储能模块。因此，在一些实施方式中，可以实现多个平衡和过电压报警电路100以在模块上使用，其中，每个过电压报警电路向模块内的对应单元提供功能性。为了便于本文中描述，储能单元可以包括在平衡和过电压报警电路100的内部或外部的单个单元或模块。

平衡和过电压报警电路100的平衡电路140a可以包括一个或多个共享耗散平衡电路，这里示出为共享耗散平衡电路140a。在平衡和过电压报警电路100中可以包括比图1所示更多或更少的共享耗散平衡电路140a。在一些实施方式中，耗散平衡电路140的其它电路变形可以包括在平衡和过电压报警电路100中。图1中所示的共享耗散平衡电路140a可以包括电阻分压器、有源耗散部件以及无源耗散部件。对于共享耗散平衡电路140a，电阻分压器可以包括电阻器102和电阻器104；有源耗散部件可以包括分路调节器108；无源耗散部件可以包括电阻器106。

包括电阻器102和电阻器104的电阻分压器可以允许有源耗散部件108以不同于有源耗散部件108的内置参考值的电压值处传导放电电流。例如，电阻器102和电阻器104可以使有源耗散部件108从开始传导放电电流的初始电压偏置。因此，由电阻器102和电阻器104形成的电阻分压器可以允许有源耗散部件108更加通用并且使其能够在更多的电压范围中使用。

有源耗散部件108可以包括具有端子1、2和3的三端装置。端子2可以是连接到耗散平衡电路140a的电阻器102与电阻器104之间的节点128的参考端子。因此，有源部件108可以监测节点128处的电阻分压器的电压。如果节点128处的电阻分压器的电压上升到阈值电压(例如2.5伏(V))以上，则有源耗散部件108可以允许放电电流从储能单元流过有源部件端子2和有源部件端子3以及无源耗散部件106，从而使储能单元中的过度的单元电压分别通过有源部件108和无源部件106两者耗散。

在一些实施方式中，分路调节器(例如TexasTL431分路调节器)可以用于实现有源耗散部件108。有源部件108可以通过以预设或内置参考电压(例如2.5V)配置比较器模式下的分路调节器，来监测储能单元中的电压。在一些实施方式中，预设或内置参考电压可以是用户可设置的。有源耗散部件108可以进一步包括输出晶体管(未示出)。当储能单元的电压超过参考电压时，比较器可以在不饱和模式下激活或导通输出晶体管，从而使放电电流流过无源部件106和有源部件108并且使无源部件106和有源部件108消耗过度的单元电压。在一些实施方式中，有源部件108的输出晶体管可以保持有源部件108两端的最大恒定电压降。例如，在一些实施方式中，该最大恒定电压降可以是近似2V。储能单元的任何额外的过度的单元电压在无源部件106的两端下降(或耗散)。在一些实施方式中，无源部件106可包括被配置为无源地消耗电压的任何装置或装置组。在一些实施方式中，有源部件108可以包括被配置为监测电压并有源地消耗电压的任何装置或装置组。在一些实施方式中，有源部件108可以包括测量电压并控制有源电压耗散和流动的分离的装置。因此，平衡电路140a中的耗散可以分别在无源耗散部件106与有源耗散部件108之间共享。

集成的平衡和报警电路130中的平衡电路可以类似于平衡电路140a的方式运作。集成的平衡和报警电路130中的平衡电路的共享耗散可以允许更有效的电压耗散以及更少的部件和更低成本的部件，并且因此，在其它益处当中，与耗散平衡电路140a相比降低总成本，而不是仅具有有源部件或仅无源部件的平衡电路。在一些实施方式中，即使当实现两个或更多个共享耗散电路时，也可以认识到这样的益处，同时改进额外的功能改进，例如耗散的速度。

平衡和报警电路130中的平衡电路可以包括电阻器110和电阻器112；有源耗散部件可以包括分路调节器114；无源耗散部件可以包括电阻器116。平衡和报警电路130的过电压报警电路132可以包括电阻器118、晶体管120以及二极管122。在一些实施方式中，过电压报警电路132可以馈送求和电路或类似电路，其中来自多个单元或模块的过电压报警电路一起被监测。晶体管120可以用作由平衡和报警电路130的分路调节器114控制的开关。电阻器118可以由晶体管120的发射极—基极结分流。在一些实施方式中，分路调节器114可以利用被配置为执行类似功能的集成电路所代替。

在一些实施方式中，平衡电路140a以及平衡和报警电路130的平衡电路中的一个或两个可以由可替换的平衡电路代替。

可替换的平衡电路可以包括有源部件，所述有源部件具有用于电压输入的两个端子和输出端子。该可替换的平衡电路的有源部件可以经由电压输入端子监测耦接的单元的电压，并且如果耦接的单元的电压上升到预定阈值电压以上，则在有源部件的输出端子处输出信号。另一个可替换的平衡电路可以另外包括电阻器和晶体管。来自有源部件的输出信号可以经由电阻器中的第一个电阻器提供给晶体管。晶体管可以用作由信号输出控制的开关，其中信号输出激活或导通晶体管。当晶体管激活时，其创建从耦接的单元通过第二电阻器和晶体管的通路，从而提供可以消耗耦接的单元中的过度电压的电阻放电(可变电流)。该另一可替换的平衡电路可以主要通过第二电阻器消耗过度的单元电压。第一电阻器和晶体管可以不对使过度的单元电压放电作出显著贡献。

第二可替换的平衡电路也可以耦接到单元并可以包括有源部件和无源部件。有源部件可以是三端装置。端子之一可以是参考端子，通过该参考端子，有源部件可以监测耦接的单元的电压。如果耦接的单元的电压上升到阈值电压以上，则有源部件可允许放电电流从耦接的单元流过有源部件和无源部件，从而使过度的单元电压在有源部件和无源部件的两端被耗散。在一些实施方式中，如本文中所述，分路调节器(例如TexasTL431分路调节器)可以用于实现有源部件。

第三平衡电路在结构上可以类似于第二共享耗散平衡电路。第三平衡电路可以是第二平衡电路的线性实施方式。因此，第三平衡电路的有源部件的参考端可以耦接到有源部件和无源部件之间的节点。因此，有源部件可以配置为监测该节点处的电压。

平衡和过电压报警电路100可以比单独的平衡电路更快地对过电压单元或模块进行放电。在一些实施方式中，平衡和过电压报警电路100可以提供多级平衡方法。例如，平衡和过电压报警电路100的平衡电路140a可以提供第一级的平衡，而平衡和报警电路130可以提供第二级的平衡。因此，平衡和报警电路130可以仅在耦接的单元的电压超过第二指定阈值时耗散电压，而平衡电路140a可在耦接的单元的电压超过不同于第二指定阈值不同并低于第二指定阈值的第一指定阈值时耗散电压。例如，可以存在三种电压耗散状态：(1)平衡电路140a以及平衡和报警电路130都不耗散电压(单元的电压小于第一和第二指定阈值)的状态；(2)仅平衡电路140a耗散电压(单元的电压大于第一指定阈值但小于第二指定阈值)的状态；和(3)平衡电路140a以及平衡和报警电路130都耗散电压(单元的电压大于第一和第二指定阈值)的状态。

在一些实施方式中，平衡和过电压报警电路100可以集成到单元管理系统中或者其中单元或模块平衡电压或电平低于过电压报警电压或电平的其它系统中。因此，在一些实施方式中，当单元或模块过电压超过指定阈值(例如激活过电压报警的过电压)时，平衡和报警电路130可仅用作耗散部件。指定阈值可以等于或大于，但不小于平衡电路140a用于从过电压单元或模块耗散电压的阈值。因此，平衡和过电压报警电路100可以被配置为在任何给定情况下利用平衡电路140a以及平衡和报警电路130中的一个或两个耗散过电压单元或模块，而在平衡和报警电路130的平衡电路耗散电压的同时，过电压报警电路132指示过电压报警状况。

与其它电路相比，本文描述的电路的实施方式可改善过度的电压的放电的效率，其中，恒定电流放电和比例放电中的一者或两者的益处可被保持并实施为参与过度的电压的放电的有源和无源部件。另外，改进的电路可以允许更多样化的应用，其中电路可以需要更少的、更便宜(和更小)的部件，并且因此可以需要更少的空间来实现。平衡和报警电路130可以提供额外的单元放电电流，并且因此当存在有源过电压报警时增加平衡电流。平衡和报警电路130可以提取额外的平衡电流以加速具有高于过电压限制的电荷的耦接单元的放电，从而比单独操作平衡电路140a更快地提供单元电压的均衡，而没有对整体系统添加额外的部件。组合的平衡和过电压报警电路可以应用于平衡级别小于过电压报警级别的单元管理系统，其中使用平衡电路140a的单元平衡开始于使用平衡和报警电路130的单元平衡之前。

负电荷耗散电路

在一些实施方式中，本文描述的单元平衡电路耦接到包括多个单元的一个或多个模块。当耗散来自这些模块的电压(例如从高电流下降到低电压(例如，零伏))时，在整个模块测量低电压(例如，零伏)时，多个单元中的一个或多个可能导致负(或反向)电压。例如，虽然模块测量近似为零伏，但是可能形成模块的一个单元具有+1V的电压，而形成该模块的另一单元具有-1V的电压。被负充电的单元在包括多个单元的模块中可能是危险的。在一些实施方式中，被负充电的单元可以降低包括该被负充电的单元的模块的总电压。在一些实施方式中，单元中的负电压会缩短单元的寿命。然而，用于形成模块的单元的平衡电路可以包括能够使负电压放电的部件。

图2示出了包括耗散部件206的平衡电路200的实施方式，该耗散部件206对平衡电路200耦接到其上的被负充电的单元放电。耗散部件206可以串联耦接到二极管208，二极管208也耗散二极管208耦接到的被负充电的单元的电压的至少一部分。平衡电路200可以耦接到或可以包括储能单元。例如，平衡电路200可以在储能单元外部并且例如在节点210和212处与储能单元并联连接。储能单元可以包括单个或多个电池、电容器、超电容器或其它替代的储能工具，或者可以与多个类似的单元(每个单元具有相应的平衡和过电压报警电路)组合，以形成储能模块。为了便于本文的描述，储能单元可以包括在平衡电路200内部或外部的单个单元或模块。例如，单个单元可以包括超电容器单元202。

平衡电路200可以进一步包括附加耗散部件，例如有源部件204。有源部件204可以具有用于电压输入的两个端子(端子2和3)以及输出端子1。在一些实施方式中，有源部件204可以被配置为如果监测的正电压超过第一阈值则监测并耗散来自单元202的正电压。例如，阈值电压可以是1.5V，并且一旦单元202的电压上升到1.5V以上，有源部件204可以耗散高于1.5V阈值的任何正电压。然而，如上所述，有源部件204可能不能检测和/或耗散单元202中的负电压。

耗散部件206可以耦接到节点210和二极管208。耗散部件206可以包括无源耗散部件，例如所示的电阻。然而，耗散部件可以基于所应用的系统的特性(包括期望的成本、期望的功能等)包括任何有源或无源耗散部件。

平衡电路200进一步包括二极管208。二极管208可以耦接在节点212和耗散部件206之间。在一些实施方式中，当二极管208两端的电压差超过由二极管限定的指定阈值(例如，二极管的阳极和阴极之间的0.6-0.7V的差)时，二极管208可以允许电流在一个方向上流动。一旦单元电压比0.6-0.7V更负，则二极管208可以变为正向偏置并且可以开始在耗散部件206和二极管208本身上传导和耗散负电荷。二极管电压降可以保持在0.7V。如所示的，当超电容器单元202被负充电时，二极管208允许电流从节点212通过二极管208并通过耗散部件206流至节点210。

在一些实施方式中，二极管208可以与作为集成电路(未示出)的一部分的有源部件204集成以保护集成电路。在这样的实施方式中，二极管208可以被认为是“反并联二极管”。另外，集成电路可以包括二极管208(例如，反并联二极管)以及耗散部件206(未示出)两者。例如，集成电路的有源部件204可以被配置为耗散正电压(如本文所述)而允许通过反并联二极管和集成耗散部件对负电压放电，。

在一些实施方式中，分流调节器(例如TexasTL431分流调节器)可以用于实现有源部件204。有源部件204可以包括被设计为检测正电压差的任何比较器或集成电路。在一些实施方式中，有源部件204可以包括被配置为监测正电压并主动消散正电压的任何装置或装置组。在一些实施方式中，有源部件204可以包括测量正电压并控制有源正电压耗散和流动的单独的装置。在一些实施方式中，平衡电路200中的正电压耗散可以在无源和有源耗散部件之间共享。例如，有源部件204和耗散部件206都可以耗散正电压，其中，耗散部件206是无源部件(例如，电阻)。

图3示出平衡电路250的实施方式。平衡电路250可耦接到或可以包括储能单元202。平衡电路250可以包括有源部件204、耗散部件206和二极管208，类似于上面关于平衡电路200和单元202所描述的那些部件，为了简洁的目的将不再对其进行描述。

在该实施方式中，有源部件204的输出信号可以控制晶体管220，晶体管220进而可以控制用于正电压耗散的通过耗散部件206的电流。通过晶体管220和耗散部件206的电流可以在与用于负电压耗散的通过二极管208和耗散部件206的电流相反的方向上。晶体管220可与二极管208并联地耦接到节点210和耗散部件206。当超电容器单元202被正充电时，晶体管220可以通过耗散部件206提供电流通路，此处未示出。

如关于图2和图3所述的平衡电路200和250可以利用耗散部件206(例如，电阻)经由二极管208对耦接到平衡电路200和250的被负充电的单元(例如，超电容器202)进行放电。在一些实施方式中，二极管208可以作为反并联二极管被集成在具有有源部件204和晶体管220中的一个或多个的集成电路中。无论平衡电路200和250如何配置，平衡电路200和250都能够经由二极管208和耗散部件206(其可以是有源或无源的)快速和安全地对被负充电的模块或单元进行放电。

组合单元、模块和冗余过电压报警电路

如本文所述，模块或单元可以包括过电压报警电路。在一些应用中，单独的单元过电压检测器或报警电路或模块过电压检测器或报警电路会产生警报。单元和模块报警电路可以向用户或外部电路提供过电压状况的指示。例如，报警电路可以耦接到指示灯或可听报警。额外的报警监测电路可以定期监测或查看这些警报。当系统包括单元和模块过电压报警电路两者时，由模块电路产生的警报和由单元电路产生的警报可以单独地传送到报警监测电路(例如使用单独的光耦合器)。

串联模块中最灾难性的故障之一是开路单元故障。在这样的故障中，单元串的整个电压(例如，在该特定情况下为750V)可以在一个单元或一个模块的警报监测电路的两端表现出来。该高电压可能破坏现有的过电压报警电路或以其它方式使现有的过电压报警电路失效，并且可能停止产生过电压报警。

冗余或开路过电压报警电路可以经受住这样的事件，并继续向用户或外部电路发送过电压报警，即使电路的其余部分(例如，报警监测电路)被破坏了。只要存在高电压，该冗余电路就不会被复位，并且因此只要存在过电压状况，就会保持过电压报警。在一些实施方式中，过电压报警监测电路和冗余电路可以集成到更简单的组合电路中，这导致两个电路之间的更少的部件。

图4示出了报警系统400的实施方式，报警系统400包括用于将过电压状况传送到外部报警监测电路的单元过电压报警电路402。报警系统400包括单元过电压报警电路402、超电容器模块410、晶体管412、第一光耦合器414和电阻420。第二冗余过电压报警系统由光耦合器416、齐纳二极管422和与光耦合器416串联的限流电路424构成。节点406对地电压是在正常条件下的单模块电压和在开路单元故障条件期间和之后的模块电压的整个串联串。第一和第二光耦合器414和416可以分别耦接到外部报警监测电路或者是外部报警监测电路的一部分。如报警系统400中所示，当模块的一个或多个单元经历过电压状况时，单独的报警电路(例如，图1的报警电路132)可以激活并输出报警信号。来自形成特定模块的多个单元中的每一个的相应的输出报警信号可以耦接在一起以产生单元过电压报警电路402的组合输出。然后该组合输出可以控制晶体管412。因此，当模块的一个或多个单元经历过电压状况时，单元过电压报警电路402的输出报警信号可以导通或激活晶体管412。通过导通晶体管412，产生从超电容器模块410(例如，在节点406)通过电阻420、光耦合器414和晶体管412至地的电流通路。因此，当其中一个单元经历过电压状况时，晶体管412关闭，并且电流通过光耦接器414，将过电压状况传递到次级系统(未示出)。

对于冗余过电压报警电路，齐纳二极管422耦接在节点406和限流电路424之间，以确保冗余报警开始在高于单模块电压的电压下操作。齐纳二极管422可以基于齐纳二极管422的齐纳电压偏移超电容器模块410的全正电压。在一些实施方式中，齐纳电压可以基于单模块电压来设置。限流电路424可以限制通过光耦接器416的电流，并且在本实施方式中可以经受住无限的非常高的电压(例如750V)。在一些实施方式中，限流电路将电流限制到安全电平(例如，5mA)，而不管施加的电压(例如，高达800V)。

在一些实施方式中，光耦合器414和416可以是两个电路或系统之间的隔离信号传输装置(例如，将潜在危险的超电容器模块全串电压与次级仪器系统隔离)。可以使用替代的报警装置来代替光耦合器414和416。在一些应用中，次级系统可以在包括具有单元过电压报警电路402的单元和模块的车辆的仪表板或显示器中实现，其中所产生的警报可以由车辆操作者例如通过LED的照明或其它视觉、听觉或触觉可感知工具来察觉到。在一些实施方式中，警报可以是可通信的，使得远程操作者或观察者可以跟踪警报。

如所示的，过电压报警电路402和限流电路424以及相应的报警信号复用一些部件，最值得注意的是光耦合器414和416。另外，为了激活过电压报警输出信号并激活光耦合器414，超电容器模块410(和节点406)可以处于在被电阻420减小之后激活光耦合器414的最小电压。在一些实施方式中，当模块电压处于最高标称模块电压时，电阻420(或类似部件)的值和额定功率可以被选择来限制通过光耦合器414的电流。因此，该值和/或额定功率建立了光耦合器414的操作所必需的特定最小模块电压。

图5示出了用于将过电压状况通信到外部报警监测电路(例如本文参照图4所描述的外部报警监测电路)的报警系统500的实施方式。报警系统500共享如报警系统400的具有类似附图标记的许多部件。这样的共享部件的细节在上面关于报警系统400中进行了描述，并且为了简洁的目的将不再描述。

如报警系统500中所示，当模块的一个或多个单元经历过电压状况时，单独的报警电路(例如，图1的报警电路132)可以激活并输出报警信号。来自形成特定模块的多个单元的输出报警信号可以耦接在一起以产生单元过电压报警电路502的输出。然后，该组合输出或任何单元过电压信号可以控制晶体管512。当模块的一个或多个单元经历过电压状况时，单元过电压报警电路502的输出报警信号可以导通或激活晶体管512。通过导通晶体管512，产生从超电容器模块510(例如，在节点506)通过晶体管512并通过光耦合器516至地的电流通路。因此，当单元中的一个经历过电压状况时，晶体管512关闭，并且电流通过限流电路524和光耦合器516，将过电压状况传送到次级系统(未示出)。限流电路424可以类似于上面关于图4和报警系统400所描述的那样限制通过光耦合器516的电流。

报警系统500在将晶体管412从NPN晶体管改变为PNP晶体管512时消除光耦合器414和电阻410。另外，晶体管512与齐纳二极管522并联。通过减少部件的数量，与报警系统400相比，降低了整个报警系统500的成本和复杂性。另外，通过在过电压操作的正常模式中短路齐纳二极管512，超电容器模块510可以在在放电模块中单个的单元过电压的情况下产生单个的单元电压过电压警报时，具有降低的模块电压。如所示的，与图4的电路相比，图5的电路结构可以需要更少的部件和降低的电路复杂性。另外，由于限流电路524可以使低电流通过光耦合器516并且可以在无限的非常高的电压下操作，所以限流电路524可以维持通过光耦合器516的冗余过电压报警信号。因此，电路板布局可以在冗余报警保持工作的同时，允许破坏常规过电压报警。因此，单元过电压报警电路502和晶体管512可能被损坏，但齐纳二极管522、限流电路524和光耦合器516可以继续操作并输出过电压报警信号。

本公开的范围不旨在受本节或本说明书中其它地方的优选实施方式的具体公开的限制，并且可以由本节或本说明书中的其它地方呈现的或在将来所呈现的权利要求限定。权利要求的语言将基于权利要求中使用的语言广泛地解释，并且不限于本说明书中描述的示例或在本申请的实施期间，这些示例被解释为非排他性的。

上述方法的各种操作可以由能够执行操作的任何合适的工具来执行，例如各种硬件和/或软件部件、电路和/或模块。通常，图中所示的任何操作可以由能够执行操作的相应功能工具来执行。

结合本文中所揭示的实施方式而描述的各种说明性逻辑框、模块、电路和方法步骤可以实施为电子硬件、计算机软件或两者的组合。为了清楚地说明硬件和软件的这种可互换性，上面已经在其功能方面一般性地描述了各种说明性部件、框、模块，电路和步骤。这种功能是实现为硬件还是软件取决于特定应用和施加在整个系统上的设计约束。所描述的功能可以针对每个特定应用以变化的方式实现，但是这样的实施方式决策不应被解释为导致脱离实施方式的范围。

结合本文所公开的实施方式描述的各种说明性框、模块和电路可用通用硬件处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑装置、离散门或晶体管逻辑、离散硬件部件或其任何组合来实现或执行。通用硬件处理器可以是微处理器，但是可替代地，硬件处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器或状态机。硬件处理器还可以实现为计算装置的组合，例如DSP和微处理器、多个微处理器、结合DSP核心的一个或多个微处理器或任何其它这样的配置的组合。

结合本文公开的实施方式描述的方法和功能的步骤可直接体现为硬件、由硬件处理器执行的软件模块或两者的组合。如果以软件实现，则功能可以作为一个或多个指令或代码存储在有形的非暂时性计算机可读介质上或作为一个或多个指令或代码发送。软件模块可以驻留在随机存取存储器(RAM)、闪存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)、寄存器，硬盘、可移动磁盘、CD ROM或本领域已知的任何其它形式的存储介质。存储介质耦接到硬件处理器，使得硬件处理器可以从存储介质读取信息和向存储介质写入信息。或者，存储介质可以集成到件处理器。如本文所使用的磁盘和光盘包括压缩光盘(CD)、激光光盘、光盘、数字通用光盘(DVD)、软盘和蓝光光盘，其中磁盘通常磁性地再现数据，而光盘用激光光学地再现数据。上述的组合也应包括在计算机可读介质的范围内。硬件处理器和存储介质可以驻留在ASIC中。

为了总结本公开的目的，本文描述了某些方面、优点和新颖特征。应当理解，根据任何特定实施方式不一定可以实现所有这些优点。因此，本发明可以以实现或优化如本文所教导的一个优点或一组优点的方式实施或实现，而不必实现本文可能教导或建议的其它优点。

上述实施方式的各种修改将是显而易见的，并且在不脱离本申请的精神或范围的情况下，本文定义的一般原理可以应用于其它实施方式。因此，本申请不旨在限于本文所示的实施方式，而是符合与本文公开的原理和新颖特征一致的最宽范围。

Claims (13)

1.一种储能装置平衡设备，包括：

平衡电路，耦接到储能单元并且被配置为：

监测所述储能单元的电压；并且

如果所述电压处于或高于第一参考电压，则从所述储能单元消耗能量；以及

报警电路，耦接到所述储能单元并且被配置为：

当所述储能单元的电压处于或高于第二参考电压时，生成警报，并且

当所述电压处于或高于所述第二参考电压时，从所述储能单元消耗能量。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述平衡电路通过使放电电流通过无源耗散部件和有源耗散部件中的至少一个进行传导而从所述储能单元消耗能量。

3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述报警电路通过使放电电流通过无源耗散部件和有源耗散部件中的至少一个进行传导而从所述储能单元消耗能量。

4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述报警电路通过使放电电流通过电阻器进行传导而从所述储能单元消耗能量。

5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述平衡电路包括被配置为以比较器模式操作的分路调节器。

6.一种储能装置单元平衡设备，包括：

第一耗散部件，耦接到储能单元并且被配置为：

监测所述储能单元的电压；并且

如果所述电压处于或高于正阈值电压，则通过使放电电流通过所述第一耗散部件进行传导而从所述储能单元消耗能量；以及

第二耗散部件，耦接到所述储能单元并且被配置为消耗来自所述储能单元的负电压。

7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述第二耗散部件串联耦接到二极管，所述二极管被配置为提供用于通过所述第二耗散部件对所述储能单元的负电压进行放电的通路。

8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述第二耗散部件进一步被配置为，当单元被正充电时，如果所述电压处于或高于所述正阈值电压，则通过使放电电流通过所述第二耗散部件而从所述储能单元消耗正能量。

9.根据权利要求6所述的设备，其中，所述第一耗散部件进一步被配置为，如果所述电压处于或高于正参考电压，则通过使放电电流通过所述第一耗散部件进行传导而从所述储能单元消耗能量。

10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述第二耗散部件包括无源耗散部件和有源耗散部件中的至少一个。

11.根据权利要求9所述的设备，其中，所述第二耗散部件包括电阻器。

12.一种过电压报警输送设备，包括：

过电压报警电路，被配置为基于接收的过电压信号生成过电压报警信号；

齐纳二极管；

隔离装置，被配置为提供隔离的输出信号；以及

限流电路，被配置为当暴露于超过齐纳二极管的额定值的电压时，向所述隔离装置提供流过所述齐纳二极管的电流，

其中，所述齐纳二极管、所述隔离装置以及所述限流电路被配置为如果所述过电压报警电路本身不能保持所述过电压报警信号，则保持由所述过电压报警电路生成的所述过电压报警信号。

13.根据权利要求12所述的设备，其中，所述过电压报警电路包括：

平衡电路，耦接到储能单元并且被配置为：

监测所述储能单元的电压；并且

如果所述电压处于或高于第一参考电压，则从所述储能单元消耗能量；以及

报警电路，耦接到所述储能单元并且被配置为：

当所述储能单元的电压处于或高于第二参考电压时生成警报，并且

当所述电压处于或高于所述第二参考电压时，从所述储能单元消耗能量。