CN110023872B - 充电管理系统 - Google Patents

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Abstract

一种充电管理系统，包括用于将能量从电源分配到负载的配电总线电路，以及可操作地连接到该配电总线电路的、用于协助向负载分配能量的中间储能电路。充电管理系统控制器可以配置为在一个或多个模式期间控制中间储能电路和配电总线电路之间的能量释放。这样的充电管理系统可以使得该配电总线电路在功率总线电压响应于负载需求而下降之前从中间储能电路接收能量，而这可以使电源响应功率总线电压的扰动并最小化电源的浪涌电流。该系统还可用于软启动高功率设备，或吸收与关闭相关联的能量尖峰。

Description

充电管理系统
技术领域
本发明一般涉及功率控制电路，更具体地涉及一种用于改善能量源的功率输送的充电管理系统。
背景技术
许多使用电子设备或机电设备的应用，例如电动机或高脉冲电流电子设备，通常需要电源的高功率输出。在这样的系统中，通常设计一电路用于从电源向设备负载输送能量，并且通常使用电容器来在供电时对电压降进行限制。然而，在这种高功率设备的操作或启动期间，负载可能会改变且有时会快速地改变，因而需要把大量电流输送给负载。在这些情况下，电源所要求的浪涌电流可能相对较高，这可能会损坏电路、机电设备和/或电源。这种高浪涌电流也可能会产生影响机电设备性能的电磁干扰。
发明内容
上述类型的功率输送电路通常试图通过增加电路中的电容量(可能会导致沉重和笨重)或通过在启动期间使用会降低设备性能的控制电路来解决这种功率扰动问题。
本公开尤其提供了一种充电管理系统，其能够从电源将足够的能量分配到负载，同时最小化功率扰动和电源引起的尖峰电流。更具体地，充电管理系统可以包括中间储能电路，该中间储能电路配置为用作在这种高功率输送电路的操作期间协助分配能量的桥。
例如，充电管理系统可以配置成使得中间储能电路可以在相对长的时间段内存储能量，然后在需要时将存储的能量释放到配电总线电路中。
充电管理系统还可以包括充电管理控制器，该充电管理控制器可以配置为通过在门控时间段内测量功率总线电路外的电流来控制从中间储能电路到配电总线电路的能量释放。
中间储能电路可以包括放电开关，该放电开关可操作地耦合到充电管理控制器，用于控制从中间储能电路分配到功率总线电路的充电量。
这样的充电管理系统可以使得配电总线电路在功率总线电压响应于负载需求而下降之前从中间储能电路接收能量。以这种方式，该充电管理系统可以使主电源响应功率总线电压中的扰动，而这可以最小化主电源的浪涌电流。
例如，当负载电流需求增加时，充电管理系统可以实现从中间储能电路到配电总线电路的能量瞬时传输，使得输出电压增加且来自电源的下冲电流减少。对于具有升压拓扑功率因数校正的交流系统，由此可以减小右手平面零点(right hand plane zero)的影响。
另外，在操作使用了充电管理系统的设备或装置的期间，由中间储能电路存储的能量可足以允许这种设备平稳地上升到稳态操作状态，而不会将过高的负载施加到该功率总线电路的输出。且这可以在缺少通常用于此目的的隔离变压器的情况下完成。
这种充电管理系统还可以在多个储能源之间实现力功率共享，同时最小化或消除配电总线的不稳定。
当配电总线电路两端的电压超过预定电平时，该充电管理系统还可以将再生能量从配电总线电路存储到中间储能电路中。
中间储能电路可以包括捕获充电开关，该捕获充电开关可操作地耦合到充电管理控制器，用于控制从配电总线电路分配到中间储能电路的充电量。
中间储能电路还可以用于软启动设备或装置，特别是在其线路输入上具有大量电容的装置。这可以在充电管理系统的输入继电器之间缺少耗散电阻器的情况下完成。
充电管理系统还可用于吸收与这种高功率装置的关闭相关的能量尖峰。
根据本发明的一方面，提供一种操作用于将能量从电源分配到负载的充电管理系统的方法，该充电管理系统包括可操作地连接到该电源和该负载的配电总线电路，以及可操作地连接到该配电总线电路的中间储能电路，该方法包括：(i)对中间储能电路中的至少一个储能电容器进行充电；(ii)激活放电开关，以将该至少一个储能电容器可操作地连接到配电总线电路中的至少一个功率总线电容器，从而将存储在该储能电容器中的至少一些能量释放到该至少一个功率总线电容器；(iii)停用放电开关，以将该至少一个储能电容器与该至少一个功率总线电容器可操作地断开；以及，(iv)确定该至少一个功率总线电容器两端的电压是否在预定范围内；其中，在确定期间，当该至少一个功率总线电容器两端的电压确定不在预定范围内时，则重复步骤(i)至步骤(iv)；而在确定期间，当该至少一个功率总线电容器两端的电压确定在预定范围内时，则接着将该电源可操作地连接到该负载。
根据本发明的另一方面，提供一种操作用于将能量从电源分配到负载的充电管理系统的方法，该充电管理系统包括可操作地连接到该电源和该负载的配电总线电路，以及可操作地连接到该配电总线电路的中间储能电路，该方法包括：(i)将电源可操作地连接到负载；(ii)对中间储能电路中的至少一个储能电容器进行充电；(iii)确定负载电流需求，并且基于确定负载需要的电流是满足或超过预定电平的判定结果，激活放电开关，以将中间储能电路中的该至少一个储能电容器可操作地连接到配电总线电路中的至少一个功率总线电容器，从而将存储在储能电容器中的至少一些能量和存储在功率总线电容器中的至少一些能量释放到负载；(iv)停用放电开关，以将该至少一个储能电容器与该至少一个功率总线电容器可操作地断开；以及，(v)重复步骤(ii)至步骤(iv)。
根据本发明的另一方面，提供一种操作用于将能量从电源分配到负载的充电管理系统的方法，该充电管理系统包括可操作地连接到该电源和该负载的配电总线电路，以及可操作地连接到该配电总线电路的中间储能电路，该方法包括：(i)确定配电总线电路中的至少一个功率总线电容器两端的电压，并且基于确定该至少一个功率总线电容器两端的电压大于预定电平的判定结果，激活捕获充电开关，以将该至少一个功率总线电容器可操作地连接到中间储能电路中的至少一个储能电容器，从而将存储在该至少一个功率总线电容器中的至少一些能量释放到该至少一个储能电容器；(ii)停用捕获充电开关，以将该至少一个功率总线电容器与该至少一个储能电容器可操作地断开；(iii)基于确定该至少一个储能电容器两端的电压低于预定电平的判定结果，对中间储能电路中的该至少一个储能电容器进一步充电；(iii)确定负载电流需求，并且基于确定负载需要的电流是满足或超过预定电平的判定结果，激活放电开关，以将该至少一个储能电容器可操作地连接到该至少一个功率总线电容器，从而将存储在储能电容器中的至少一些能量和存储在功率总线电容器中的至少一些能量释放到负载；以及，(iv)停用放电开关，以将该至少一个储能电容器与该至少一个功率总线电容器可操作地断开。
根据本发明的另一方面，提供一种充电管理系统，其通过具有至少一个功率总线电容器的配电总线电路将能量从电源分配到负载，该充电管理系统包括：中间储能电路，其可操作地连接到配电总线电路，该中间储能电路具有至少一个储能电容器以及至少一个放电开关，该放电开关配置为将该至少一个储能电容器可操作地连接到该至少一个功率总线电容器或将该至少一个储能电容器与该至少一个功率总线电容器可操作地断开；系统控制器，其可操作地连接到配电总线电路和中间储能电路。
在启动模式中，该系统控制器可以配置为：(i)激活储能电容器充电开关，以将该至少一个储能电容器可操作地连接到至少一个能量源，从而使得能够对该至少一个储能电容器充电；(ii)激活放电开关，以将该至少一个储能电容器可操作地连接到该至少一个功率总线电容器，从而使得能够将存储在储能电容器中的至少一些能量释放到该至少一个功率总线电容器；(iii)停用放电开关，以将该至少一个储能电容器与该至少一个功率总线电容器可操作地断开；以及，(iv)确定该至少一个功率总线电容器两端的电压是否在预定范围内，使得基于确定该至少一个功率总线电容器两端的电压不在预定范围内的判定结果，控制器配置为重复步骤(i)至步骤(iv)，而基于在确定期间确定该至少一个功率总线电容器两端的电压在预定范围内的判定结果，则控制器配置为激活功率继电器开关以将电源可操作地连接到负载。
在操作模式中，该系统控制器可以配置为：(i)将电源可操作地连接到负载；(ii)确定该至少一个储能电容器两端的电压是否处于或高于预定电平，并且基于确定该储能电容器两端的电压低于预定电平的判定结果，控制器配置为激活储能电容器充电开关，以将该至少一个储能电容器可操作地连接到该至少一个能量源，从而能够对该至少一个储能电容器充电；(iii)确定负载电流需求，并且基于确定负载需要的电流是满足或超过预定电平的判定结果，激活放电开关，以将该至少一个储能电容器可操作地连接到该至少一个功率总线电容器，从而能够将存储在储能电容器中的至少一些能量和存储在功率总线电容器中的至少一些能量释放到负载；以及，(iv)停用放电开关，以将该至少一个储能电容器与该至少一个功率总线电容器可操作地断开。
在再生模式中，控制器可以配置为确定该至少一个功率总线电容器两端的电压，并且基于确定该至少一个功率总线电容器两端的电压大于预定电平的判定结果，控制器配置为激活捕获充电开关，以将该至少一个功率总线电容器可操作地连接到该至少一个储能电容器，从而使得能够将存储在该至少一个功率总线电容器中的至少一些能量释放到该至少一个储能电容器。
以下描述和附图阐述了本发明的某些说明性实施例。然而，这些实施例仅表明可以采用本发明原理的各种方式中的一些方式。当以下详细描述结合附图考虑时，根据本发明的各种方面的其他目的、优点和新颖特征将变得显而易见。
附图说明
附图示出了本发明的各个方面，其中这些附图并非按比例绘制。
图1是根据本发明一实施例的示例性充电管理系统的示意框图；
图2是表示使用图1的充电管理系统的示例性启动模式的流程图；
图3A是表示根据图2的启动模式的一部分生成的示例性模拟结果的x-y曲线图；
图3B是图3A的特写图；
图4A示出了根据不使用图1中的充电管理系统的系统的启动模式生成的模拟结果的x-y曲线图；
图4B是示出使用图1中的充电管理系统的启动模式生成的示例性模拟结果的x-y曲线图；
图5是表示使用图1的充电管理系统的示例性操作模式的流程图；
图6A是表示根据不使用图1的充电管理系统的系统的操作模式生成的模拟结果的x-y曲线图；图6B是表示使用图1的充电管理系统的操作模式生成的示例性模拟结果的x-y曲线图；
图7是表示使用图1的充电管理系统的示例性再生模式的流程图；
图8是表示使用图1的充电管理系统的再生过电压保护模式在启动期间生成的示例性模拟结果的x-y曲线图；
图9是表示使用图1的充电管理系统的示例性关闭模式的流程图；
图10A和图10B是表示根据不使用图1的充电管理系统的系统的关闭模式生成的模拟结果的x-y曲线图；
图11A和图11B是表示使用图1的充电管理系统的关闭模式生成的示例性模拟结果的x-y曲线图；
图12是根据本发明一实施例的示例性充电管理系统的示例性电路图。
具体实施方式
将在本文下面进行主要描述的本发明的原理特别适用于大功率设备或装置，例如电动机、雷达、激光雷达、电子战系统，脉冲射频高功率定向能武器等。然而，还应理解，本发明的原理可适用于需要提供充电管理系统的其他系统或应用，其中该充电管理系统能够将足够的能量从电源分配到负载，同时最小化功率扰动和电源引起的尖峰电流。
参照图1，其示出了示例性充电管理系统10的示意性框图。该充电管理系统10包括配电总线电路12、中间储能电路14和充电管理系统控制器16(也称为系统控制器16)。
该配电总线电路12可操作地连接到主电源V1和负载20。该负载20包括需要电源V1提供能量的一个或多个设备或装置，例如机电装置。这种机电装置可以包括交流(AC)或直流(DC)电动机，例如用于车辆(例如串联混合动力或并联混合动力车辆)的再生电动机驱动器；或者这种机电装置可以包括高功率电子设备，例如雷达、激光雷达、电子战(EW)系统、脉冲射频(RF)高功率定向能武器等。该主电源V1(也称为电源)可以是AC电源或DC电源。例如，AC电源可以包括具有功率因数校正(PFC)电路的AC发电机，例如用于将AC能量转换为DC能量的三相整流器组件。而DC电源可以包括例如电池组、太阳能电池阵列或燃料电池，例如氢动力燃料电池。在示例但非限制性实施例中，该主电源V1可以是具有115Vdc、270Vdc、400Vdc或540Vdc输出电压的电压源，或具有任意频率的任何其他电压。应当理解，负载和/或电源的前述示例是用于说明而非限制的，并且可以根据本领域技术人员理解的系统要求来选择可通过AC电源或DC电源操作的任何合适的设备。
该配电总线电路12可包括一个或多个主功率继电器开关S1、S2和至少一个功率总线电容器C1。该主功率继电器开关S1、S2可以配置成将电源V1可操作地连接到负载20。一个或多个主功率继电器开关S1、S2可以包括机械或固态开关，或者可以包括用于中断电路中的电流的任何其他合适的设备。该至少一个功率总线电容器C1可以配置为在配电总线电路12上存储能量。功率总线电容器C1可以包括电解电容器，例如铝电解电容器；或超级电容器，如高容量电化学电容器；或者可以包括用于在电路中存储能量或电荷的具有合适电容的任何其他电容器。
该中间储能电路14可操作地连接到该配电总线电路12。中间储能电路14还可以可操作地连接到至少一个能量源V2，该能量源V2可以包括AC电源或DC电源。在一些实施例中，该至少一个能量源V2可以与主电源V1基本相似或相同。例如，在能量源V2和主电源V1相同或相似的情况下，该至少一个能量源V2和主电源V1可以可操作地耦合在一起以共享相同的能量路径，或者可以彼此集成在一起。在其他实施例中，该至少一个能量源V2也可以与主电源V1不同。例如，在该至少一个能量源V2和主电源V1不同的情况下，该至少一个能量源V2和主电源V1可以可操作地耦合在一起但具有不同的能量路径、或者可以彼此集成在一起但具有不同的功率级、或者该至少一个能量源V2可以是与主电源V1分开的独立电源。在一些实施例中，该至少一个能量源V2可以是以串联或并联的方式可操作地耦合在一起的多个能量源。在示例性实施例中，该至少一个能量源V2可以是AC、电池存储器、或者可以是产生DC的燃料电池，例如氢燃料电池或太阳能电池阵列。在示例性实施例中，能量源V2可以是具有相对低瓦数的电压源。例如，在一些实施例中，能量源V2可具有约400Vdc电压和约25W瓦特。然而，应当理解，电源的前述示例是用于说明而非限制的，并且可以根据本领域技术人员理解的系统要求来选择可通过AC电源或DC电源操作的任何合适的电源。
该中间储能电路14可以包括用于在电路14中存储能量的至少一个电容器C5。例如，如图示实施例中所示，该至少一个电容器C5可以包括第一储能电容器C2、第二储能电容器C3和第三储能电容器C4。如图所示，第二电容器C3和第三电容器C4可以在中间储能电路14的两端可操作地彼此串联连接，并且第一储能电容器C2可以与第二电容器C3和第三电容器C4可操作地并联连接。应当理解，相应的储能电容器C2、C3和/或C4可以彼此基本相似，或者相应的电容器C2、C3和/或C4彼此不同。储能电容器C2、C3和/或C4可以包括电解电容器，例如铝电解电容器；或超级电容器，如高容量电化学电容器；或者可以包括用于在电路中存储能量或电荷的具有合适电容的任何其他电容器。在示例性实施例中，相应的电容器C2、C3和/或C4可以具有彼此大致相同的电容或能量存储容量，该电容或能量存储容量小于功率总线电容器C1的电容或能量存储容量。
该中间储能电路14可以包括至少一个开关，用于将中间储能电路可操作地连接到配电总线电路12和/或能量源V2和/或从配电总线电路12和/或能量源V2断开。例如，如图示实施例中所示，中间储能电路14可包括至少一个储能电容器充电开关S3，用于将该至少一个储能电容器C5可操作地连接到能量源V2或从能量源V2断开。在示例性实施例中，中间储能电路14配置为使得当激活储能电容器充电开关S3时，能量源V2能够对该至少一个储能电容器C5充电，其中该至少一个储能电容器C5包括相应的电容器C2、C3和/或C4中一个或多个。
该中间储能电路14还可以包括至少一个放电开关S4，用于将该至少一个储能电容器C5可操作地连接到配电总线电路12或从配电总线电路12断开。如图所示，放电开关S4(也称为储能电容器放电开关)可以配置成使得当被激活时，将该至少一个储能电容器C5(包括储能电容器C2、C3和/或C4中的一个或多个)中的至少一些能量释放到功率总线电容器C1和/或负载20。
该中间储能电路14还可包括至少一个能量捕获充电开关S5，用于将功率总线电容器C1可操作地连接到该至少一个储能电容器C5或从该至少一个储能电容器C5断开。更具体地，该捕获充电开关S5可以配置为当被激活时，使得功率总线电容器C1中的至少一些能量释放到该至少一个储能电容器C5(包括第一储能电容器C5、以及储能电容器C3和储能电容器C4(也称为能量捕获电容器)中的一个或多个)。应当理解，各个开关S3、S4和/或S5可以包括机械开关或固态开关，包括场效应晶体管(FET)等；或者可以包括用于中断电路中的电流流动的任何其他合适的设备。
该系统控制器16可操作地连接到配电总线电路12中的一个或多个开关(包括功率继电器开关S1和S2)，并且还可以可操作地连接到中间储能电路14中的一个或多个开关(包括储能电容器充电开关S3、放电开关S4和捕获充电开关S5)。如下面将进一步详细描述的，系统控制器16可以配置为，基于与相应电路12和14、能量源V2、主电源V1和/或负载20以及其他考虑因素相关联的一个或多个条件的判定结果，通过激活或停用相应的开关来操作示例性充电管理系统10。应当理解，系统控制器16包含可用于处理数据的所有装置、设备和/或机器。例如，系统控制器16可以包括数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)集成电路、模拟控制器、离散控制电路或可用于控制充电管理系统10的操作的任何其他合适的设备。
参照图2，示出了在启动模式期间操作充电管理系统10的示例性方法100的流程图。示例性过程可以在充电管理系统被激活并进入启动模式的步骤105开始。在步骤110，该系统控制器16可以停用或打开相应电路12和14中的所有开关，包括开关S1、开关S2、开关S3、开关S4和开关S5。一旦确定所有开关已经停用，则该过程可以进行至步骤115，其中在步骤115可以将功率施加到能量源V2。在步骤120，可以激活或接通储能电容器充电开关S3，以将能量源V2可操作地连接到该至少一个储能电容器C5。此后，在步骤125，该至少一个储能电容器C5(包括储能电容器C2、C3和/或C4中的一个或多个)可以由能量源V2充电到预定能量电平或预定能量范围。在示例性实施例中，用于限定预定范围的典型阶跃电压将是功率总线电容器C1两端的电压的大约1-2％。作为非限制性示例，如果功率总线电容器C1准备充电到270Vdc，则用于限定预定范围的典型阶跃电压将约为270Vdc的1-2％，或5-10Vdc±2Vdc。在示例性实施例中，能量源V2是将该至少一个储能电容器C5充电到由电压源确定的电压的电压源，其中的充电的速率可以是任意的。这允许了电压源为小瓦数电源，例如大约10W。应当注意，在此操作期间，当储能电容器充电开关S3被激活并且能量捕获充电开关S5被停用时，第二电容器C3和第三电容器C4可以在中间储能电路14的两端可操作地彼此串联连接，而第一储能电容器C2可以可操作地并联连接到第二电容器C3和第三电容器C4。还应注意，在此操作期间，放电开关S4可以被停用以将该至少一个储能电容器C5与功率总线电路12可操作地断开。以这种方式，由于负载20通常通过例如变压器与电源V1隔离，该负载20也会与该至少一个储能电容器C5断开。
在确定该至少一个储能电容器C5已经充电到预定电平之后，启动操作可以进行至步骤130，其中步骤130可以停用或关闭储能电容器充电开关S3以可操作地断开能量源V2的该至少一个储能电容器C5。在步骤135，激活放电开关S4以将该至少一个储能电容器C5可操作地连接到配电总线电路12中的该至少一个功率总线电容器C1。一旦以这种方式激活放电开关S4，存储在该至少一个储能电容器C5中的至少一些能量可以瞬时释放到功率总线电容器C1并存储。在示例性实施例中，来自该至少一个储能电容器C5的能量的放电包括存储在储能电容器C2中的能量的放电，其中该储能电容器C2与彼此串联连接的储能电容器C3和储能电容器C4组合并联连接。
在步骤140，系统控制器16可以确定该至少一个储能电容器C5到该至少一个功率总线电容器C1的放电是否完成(例如，该至少一个储能电容器C5两端的电压和该功率总线电容器C1的两端的电压是否在预定范围内)。在示例性实施例中，用于限定预定范围的典型充电终止电压将是功率总线电容器C1两端的电压的大约90％。作为非限制性示例，如果功率总线电容器C1准备充电到270Vdc，则用于限定预定范围的典型充电终止电压将是270Vdc的大约90％、或250Vdc。如果确定放电未完成，则操作可以等待并继续放电C5和充电C1。一旦放电完成(例如，各个电容器C5、C1两端的电压在预定范围内)，则启动操作可以进行至步骤145，其中放电开关S4被停用以可操作地将该至少一个功率总线电容器C1从该至少一个储能电容器C5断开。此后，在步骤150，系统控制器16可以确定该至少一个功率总线电容器C1两端的电压是否在指定范围内，例如是否在上面定义的充电终止电压处。如果确定功率总线电容器C1没有被充电到指定范围内，则继续进行至步骤120，重复该过程。当确定功率总线电容器C1已被充电到指定范围内时，则该过程可以进行至步骤155，其中在该步骤155，主功率继电器开关S1、S2被激活以将电源V1可操作地连接到负载20。
参照图3A，示出了启动操作100的一部分的x-y曲线图。在所示的图中，该至少一个储能电容器C5两端的电压(以伏特为单位)绘制在上方的曲线图162中的y轴上，而该至少一个功率总线电容器C1两端的电压(以伏特为单位)则绘制在下方的曲线图164中的y轴上。在对该至少一个储能电容器C5按顺序(例如，参考图2所示经由上述的步骤120至步骤130)充电的期间，在相同的时间刻度(x轴，以秒为单位)上绘制出C5(162)的电压和C1(164)的电压，然后将该能量释放到功率总线电容器C1(例如，通过上述的步骤135至步骤145)，再然后则重复该顺序(如上所述，例如通过步骤150并返回至步骤120)。
参考图3B，其示出了在图3A的约325毫秒至约950毫秒之间的一部分特写图。图3B中使用的附图标记对应于图2的流程图中的各个步骤，以示出用于充电管理系统10的操作100的示例性启动模式。例如，如图3B所示，当激活储能电容器充电开关时(步骤120')，该至少一个储能电容器由电源充电(步骤125')，其显示为在接下来的50毫秒左右，该储能电容器的电压呈上升趋势。在该示例性实施例中，储能电容器被充电到预定电平或预定范围，该预定电平或预定范围为在该操作期间从大约95V增加到大约105V的大约20V增量。该20V增量是在该非限制性示例中选择的任意值，以便演示电路系统的操作。接着，停用储能电容器充电开关(步骤130')并且稍后激活该储能电容器放电开关(步骤135')，从而将存储在该储能电容器中的能量释放到功率总线电容器，其显示为功率总线电容器的电压瞬时增加到预定范围内。在该非限制性示例中，限定的预定范围为功率总线电容器两端的电压与储能电容器电压大约相等，或者在示例性实施例中约为20Vdc±2Vdc。在此期间，系统控制器可以确定功率总线电容器两端的电压是否在预定范围内(步骤140')，并且一旦功率总线电容器两端的电压达到该范围，则停用放电开关(步骤145')。然后，系统控制器可以确定功率总线电容器两端的电压是否在指定范围内以激活主电源开关(步骤150')。如果需要继续增加功率总线电容器两端的电压，则重复该过程，这在示例性实施例中示出为大约每55毫秒重复一次，直到功率总线电容器电压达到240V(如图3A所示)。当确定功率总线电容器电压在规定范围内时，例如在该示例中为240V，激活主电源开关(步骤155')。
参照图4A和图4B，图4B中示出了启动操作模式(使用了示例性充电管理系统10)生成的示例性模拟结果，而用来比较的图4A中则示出了不使用充电管理系统的启动操作模式生成的示例性模拟结果。如图4A所示，在不使用示例性充电管理系统的系统启动期间，当电源可操作地连接到负载时，尖峰浪涌电流是450安培(在附图标记165'处示出)。相比之下，参考图4B的上方曲线图170，示出了重复的阶跃函数，其对应于随时间增加的功率总线电容器的电压(类似于图3中所示的)。参考图4B的下方曲线图175，当电源连接到负载时，尖峰浪涌电流仅为42安培(如附图标记165'所示)，这比不使用充电管理系统的系统减少约90％。在所示的示例中，使用了示例性充电管理系统的浪涌电流为42安培，仅略微高于在满负载操作期间从10W电源汲取的39安培电流。另外，示例表明，这种充电管理系统可以允许用于10W电源的该至少一个功率总线电容器由25W能量源充电，以在5秒内获得正常工作电压，而无需使用耗散电阻器。
参照图5，示出了在正常操作模式期间操作充电管理系统10的示例性方法200的流程图。该操作可以在步骤210开始，其中系统控制器16可以在图2所示的启动模式之后进入操作模式。在操作模式200期间，如步骤212和步骤214所示，主电源V1被激活并且可操作地连接到负载20。还应注意，当在步骤210进入操作模式时，基于确定该至少一个储能电容器C5低于阈值水平并且需要充电的判定结果，该过程还可选地进行至步骤224，在该步骤224处，储能电容器充电开关S3被激活以对该至少一个储能电容器C5充电，如下面进一步详细讨论的。
在步骤214施加负载之后，接着该过程可以进行至步骤216，在该步骤216处，系统控制器16可以确定负载电流需求。接着，操作可以等待直到系统控制器16确定负载20要求电流满足或超过预定电平，于是该过程可以继续进行至步骤218。如本领域技术人员所理解的，可以根据设计要求来选择预定电平。例如，在示例性实施例中，预定电平可以是约25±2％最大脉冲负载。在步骤218，激活储能放电开关S4以将该至少一个储能电容器C5可操作地连接到该至少一个功率总线电容器C1，从而将存储在储能电容器C5中的至少一些能量和存储在功率总线电容器C1中的至少一些能量释放到负载20。转移给负载的电荷由下式给出：
Vbus＝[V(存储电容器的初始值)*电容(存储电容器C5)+V(总线电容器的初始值)*电容(总线电容器C1)]/[电容(存储电容器C5)+电容(总线电容器C1)]
其中：
Vbus是功率总线电路12两端的电压，
V(存储电容器的初始值)是该至少一个存储电容器C5上的初始电压，
电容(存储电容器)是该至少一个存储电容器C5(以组合的方式)的电容，
V(总线电容器的初始值)是该至少一个功率总线电容器C1两端的电压，以及
电容(总线电容器)是该至少一个功率总线电容器C1的电容。
在示例性实施例中，当激活放电开关S4时，能量便从与该至少一个储能电容器C5并联的功率总线电容器C1瞬间传输到负载20，其中该至少一个储能电容器C5(包括与彼此串联连接的储能电容器C3和储能电容器C4组合并联的储能电容器C2)。有利地，这种把能量瞬时充电传输给负载20会增加配电总线电路12的输出电压，而这可以减少与升压拓扑电源中的右手平面零点相关联的下冲。换言之，右手平面零点通常由以下的传输函数引起：
Vout＝Vin*(1/1-DC)
其中：
Vout是功率总线电路12输出到负载20的电压，
Vin是电源V1输入给功率总线电路12的电压，以及
DC是负载所需的电流，例如直流电流。
因此，由于Vout减小，负载所需的增加的电流可能导致电流或DC增加。然而，通过使用示例性充电管理系统并以上述方式将电荷瞬时转移，DC并没有减小，而是增加，从而迫使进入误差放大器的电压也增加。结果是Vout增加而与右手平面零点相关联的下冲减少。
在步骤218中激活放电开关S4之后，在各个电容器C1和电容器C5(包括电容器C2、C3和C4中的一个或多个)的放电期间，系统控制器16可以在步骤220确定放电是否完成(例如该至少一个储能电容器C5两端的电压和功率总线电容器C1两端的电压是否在预定范围内，例如各自的约±10％)。如果确定放电未完成，则操作可等待并继续放电。一旦放电完成(例如，各个电容器C5、C1两端的电压在各自的±10％以内)，则操作可以进行至步骤222，在该步骤222处，放电开关S4被停用使得该至少一个储能电容器C5与该至少一个功率总线电容器C1可操作地断开。
在步骤222中停用放电开关S4之后，操作可以继续以重复步骤216至步骤222。如上所述，基于确定该至少一个储能电容器C5具有足够的电荷以适应增加的负载电流需求的判定结果，该过程可以以这种方式继续进行。另一方面，当确定该至少一个储能电容器C5低于阈值能量电平并且可能需要额外的电荷时，则该过程可以从步骤222进行至步骤224。在步骤224，激活储能电容器充电开关S3以将能量源V2可操作地连接到该至少一个储能电容器C5。此后，在步骤226，通过能量源V2将该至少一个储能电容器C5充电到预定的能量电平或预定的能量范围，其中该预定的能量电平或预定的能量范围可以在步骤228由系统控制器16确定。作为非限制性示例，对于功率总线电压C1为270Vdc的情况，该至少一个储能电容器C5两端的电压可以是大约400Vdc±10Vdc。在确定该至少一个储能电容器C5已经充电到预定电平之后，操作可以进行至步骤230，其中在该步骤230处，储能电容器充电开关S3被停用，以可操作地能量源V2断开该至少一个储能电容器C5。然后，该过程在步骤232等待，直到出现来自系统控制器16的放电指令。如图所示，放电指令基于在步骤216放电开关S3被激活的判定结果，于是该过程在步骤218继续进入循环。
参照图6A和图6B，图6B中示出了操作模式200(使用了示例性充电管理系统10)生成的示例性模拟结果，而用来比较的图6A中则示出了不使用充电管理系统的操作模式生成的示例性模拟结果。如图6A所示，在不使用示例性充电管理系统的系统的操作期间，负载所需的基线电流小于5安培(在参考标号265'处示出)，而当负载需要增加的电流时，到负载的尖峰浪涌电流则增加到大约95安培(在参考标号270'处示出)。如图6B所示，在示例性充电管理系统10的操作期间，负载所需的基线电流也小于5安培(在参考标号265”处示出)，然而当负载需要增加的电流并且确定激活放电开关S4以用于从该至少一个储能电容器C5释放出能量时，到负载的尖峰浪涌电流仅增加到大约42安培(在附图标记270”处示出)。如上面关于启动操作模式所讨论的，在操作模式期间使用了示例性充电管理系统的浪涌电流为42安培，仅略微高于在满负载操作期间从10W电源汲取的39安培电流。以这种方式，充电管理系统可以将施加到负载的浪涌减少大约50％，并且使用25瓦的电源，其中这50％的减少可以例如每5秒实现一次。
参照图7，示出了在再生模式期间操作充电管理系统10的示例性方法300的流程图。该操作可以在步骤310开始，在该步骤310系统控制器16可以在图5所示的正常操作模式期间进入功率总线监控模式。如图5中的步骤310所示，功率总线监控模式可以在施加负载20的同时持续地运行。如图7所示，在步骤310进入功率总线监控模式之后，该过程可以进行至步骤315，其中在该步骤315处，系统控制器16可以确定配电总线电路12中的该至少一个功率总线电容器C1两端的电压。如果系统控制器16确定功率总线电容器C1具有低于阈值能量电平或范围的能量电平，则控制器可以继续监测功率总线电容器C1并等待。当系统控制器16确定该至少一个功率总线电容器C1两端的电压大于预定电平或预定范围时，则该过程可以进行至步骤320和/或步骤325。
在步骤320，系统控制器16可以可选地停用储能充电开关S3，并且还可以停用放电开关S4。在步骤325，可以激活能量捕获开关S5以将该至少一个功率总线电容器C1可操作地连接到该至少一个储能电容器C5，从而将存储在该至少一个功率总线电容器C1中的至少一些能量释放到该至少一个储能电容器C5(包括电容器C2、C3和/或C4中的一个或多个)。在示例性实施例中，当储能电容器充电开关S3被停用并且能量捕获充电开关S5被激活时，第二储能电容器C3和第一储能电容器C2可操作地彼此串联连接，并且第三储能电容器C4可以与第二电容器C3和第一电容器C2可操作地并联连接。以这种方式，当激活捕获充电开关S5时，来自功率总线电容器C1的能量可以被传递到第三电容器C4，其中第三电容器C4与C1和C2并联，而C1和C2彼此串联。
在步骤325激活捕获充电开关S5之后，在从功率总线电容器C1释放能量到该至少一个储能电容器C5的期间，系统控制器16可以在步骤330确定放电是否完成(例如，确定该至少一个储能电容器C5两端的电压和该总线电容器C1两端的电压是否在预定范围内，该预定范围例如为功率总线电路12的最大可允许电压的约±5％)。例如，在示例性实施例中，270Vdc可以允许去到320Vdc，这将允许电压尖峰达到270Vdc±13Vdc。这样将会很好地处于400V额定电容器的允许电压范围内。如果确定放电未完成，则操作可等待并继续放电。一旦放电完成(例如，当C5和C1两端的电压在预定范围内时)，则操作可以进行至步骤335，其中捕获充电开关S5被停用以将该至少一个储能电容器C5与该至少一个功率总线电容器C1可操作地断开。
在步骤335停用捕获充电开关S5之后，操作可以可选地进行至步骤340，然后进行至步骤350以进入如图5所示的电容器充电模式。基于确定该至少一个储能电容器C5低于阈值能量电平并且需要额外的充电的判定结果，该过程可以以这种方式进行。如果确定应该对该至少一个储能电容器C5充电，则可以在步骤340激活储能电容器充电开关S3，以将能量源V2可操作地连接到该至少一个储能电容器C5，从而对至少一个储能电容器C5进行充电，如图5的步骤226所示。存储在储能电容器C5中的能量可以稍后用于上述启动或操作模式。如此一来，能量得以节省而不是像现有技术的电路设计那样浪费能量，因此效益得以提高。
参照图8，示出了在使用充电管理系统10的再生过电压保护模式在一段示例性启动期间生成的示例性模拟结果。在所示的示例中，示出了取自启动模式期间的大约8.89毫秒至大约8.95毫秒之间的一时间段(x轴)的特写视图。图8中的上方362的x-y曲线图描绘了第一储能电容器C2的电压(y轴，以伏特为单位)、x-y曲线的中间部分364则描绘了功率总线电容器C1两端的电压(y轴，以伏特为单位)、而下方366的x-y曲线图则描绘了第三储能电容器C4两端的电压(y轴，以伏特为单位)。在图示的时序期间，在相同的时间刻度(x轴，以毫秒为单位)上绘制出C2的电压(362)、C1的电压(364)和C4的电压(366)。
如图8所示，在大约8.895毫秒至大约8.908毫秒之间的初始时段期间，第三储能电容器C4的电压恒定在大约106Vdc。在该初始时段期间，能量捕获充电开关S5被停用，并且能量释放开关S4也被停用。在大约8.908毫秒时，能量捕获充电开关S5被激活(在附图标记370处示出)，于是储能电容器C4几乎瞬时地从大约106Vdc充电到大约256Vdc(在附图标记372处示出)。在捕获充电开关S5最初被激活的这段时间内，功率总线电容器C1的电压几乎瞬间从大约295Vdc降低到大约271Vdc(在附图标记374处示出)。其中功率总线电容器C1(约271Vdc)与储能电容器C4(约256Vdc)之间的大约15伏的差异是由于捕获充电开关S5中的电阻引起的。
在所示的示例中，储能电容器充电开关S3在能量捕获充电开关S5被激活的时间段期间也被激活，而放电开关S4保持停用状态。在该配置中，第二储能电容器C3和第一储能电容器C2在中间储能电路14上彼此可操作地串联连接，并且第三储能电容器C4可以与彼此串联的第二电容器C3和第一电容器C2组合可操作地并联连接。以这种方式，在S5被激活并且S3被激活的时间段期间，储能电容器C2的电压通过C4和C2之间的并联耦合以线性速率增加。例如，如附图标记376所示，当S5和S3被激活时，C2的电压在约624纳秒的时间段内增加约1.5Vdc。然而，应当注意，在示例性实施例中，在捕获充电开关S5被激活的时间段期间可将能量充电开关S3停用。与所示示例相比，这将导致第一储能电容器C2的电压在S5被激活的624纳秒时间段内增加约0.3Vdc。
如图所示，在约624纳秒的定时脉冲周期之后，捕获充电开关S5被停用(在附图标记378处示出)。在所示的示例中，当停用捕获充电开关S5时，由于来自功率总线电容器C1的至少一些能量的传递，储能电容器C4两端的电压比发生脉冲充电事件之前的电压高出约7Vdc。另外，储能电容器C1两端的电压比发生脉冲充电事件之前的电压高出约1.5Vdc。以这种方式，在示例性启动时段期间，至少有一些电荷已从功率总线电容器C1传输到该至少一个储能电容器C5。如图所示，该过程可以在预定的时间段(例如在所示示例中的大约8.942毫秒)之后重复。应当理解，前述示例仅用于说明而非带有限制的，并且可以使用如本领域技术人员所能理解的各种其他电压值和时间值。还应理解，这种示例性再生过电压保护模式可以在上述操作模式期间使用。
参考图9，示出了在关闭模式期间操作充电管理系统10的示例性方法400的流程图。该操作可以在步骤410开始，在该步骤410处，系统控制器16在图5所示的正常操作模式期间进入关闭监控模式。如图5中的步骤410所示，该关闭监控模式可以在施加负载20的同时持续地运行。如图9所示，在步骤410进入关闭监控模式之后，该过程可以进行至步骤415，在该步骤415处，系统控制器16可以确定是否已经接收到关闭指令信号。如果系统控制器16确定尚未接收到这样的关闭指令信号，则控制器可以继续监控系统并等待。当系统控制器16确定已经接收到关闭命令信号时，则可以停用负载20并且可以通过停用主功率继电器开关S1、S2来可操作地断开与电源V1的连接。然后，该过程可以进行至步骤420、步骤425和/或步骤430。如图所示，在步骤420，停用储能电容器充电开关S3，以将该至少一个储能电容器C5与能量源V2可操作地断开。在步骤425，停用捕获充电开关S5以将功率总线电容器C1与该至少一个储能电容器C5的连接可操作地断开，从而阻止中间储能电路12的充电。在步骤430，激活储能电容器放电开关S4以将该至少一个储能电容器C5可操作地连接到功率总线电容器C1，从而释放出存储在各个电容器C2、C3、C4中的能量。如步骤435所示，存储在该至少一个储能电容器C5中的能量和存储在该功率总线电容器C1中的能量可以被释放到可选的电阻器放电电路(未示出)。然后，该过程可以在步骤450以所示的关闭状态结束。
在示例性实施例中，关闭模式还可以包括再生过电压保护模式，以通过停用负载20来释放和存储功率总线电路12中的多余能量。例如，当系统控制器16确定负载20已被停用和/或功率总线电容器C1两端的电压超过预定电平时，可以停用储能放电开关S3并且激活捕获充电开关S5。接着，来自功率总线电容器C1的过剩能量可以被释放到该至少一个储能电容器C5，更具体地是释放到用于存储这种能量的能量捕获电容器C3和C4。
参考图10A、图10B、图11A和图11B，示出了在关闭模式期间的这种再生过电压保护模式生成的示例性模拟结果，图11A和图11B中所示的是使用了示例性充电管理系统10的模式生成的模拟结果，而图10A和图10B中所示的是不使用充电管理系统的模式生成的模拟结果。在图示的图10A、图10B、图11A和图11B中，主电源(例如，V1)是270Vdc，能量源(例如，V2)则是具有400Vdc的电压源。负载(例如，20)可以通过场效应晶体管(FET)等与配电总线电路(例如，12)可操作地断开。
在所示的示例中，图10A描绘了经过负载(参见20)的电流(以安培为单位)随时间(以毫秒为单位)的变化，而图10B描绘了功率总线电容器(参见C1)两端的电压(以伏特为单位)随时间(以毫秒为单位)的变化。如图10A和图10B中所示的系统不使用示例性充电管理系统，在2毫秒时，FET被停用以可操作地断开负载(在510'处示出)，并且在2.09毫秒处，功率总线电容器两端的电压增加到426Vdc(在515'示出)。此外，经过负载的电流在大约2.6毫秒处(在520'处示出)变为零，并且功率总线电容器两端的电压保持在大约320Vdc(在525'处示出)，因为无处可供能量分配。
相比之下，图11A和图11B示出了使用示例性充电管理系统10的模拟结果，其中图11A描绘了经过负载20的电流(以安培为单位)随时间(以毫秒为单位)的变化，而图11B则描绘了功率总线电容器C1两端的电压(以伏特为单位)随时间(以毫秒为单位)的变化。如图11A和图11B所示，在2毫秒时，FET被停用以可操作地断开负载(在510”处示出)。接着，系统控制器16确定负载已被停用，并且储能充电开关S3被停用以及能量捕获开关S5被激活，从而如上所述使得功率总线电容器C1中的能量能够被释放到能量捕获电容器C3和C4。在大约2.02毫秒时，功率总线电容器C1两端的电压为312Vdc(在515”示出)，比图9A和图9B所示的电压低114Vdc。另外，经过负载20的电流在大约2.6毫秒(在520”处示出)变为零，并且功率总线电容器C1两端的电压保持在大约280Vdc(在525”处示出)。
参照图12，示出了模拟充电管理系统610的示例性电路图。在图12所示的实施例中，充电管理系统610中的与充电管理系统10中的附图标记对应相同的标记用于表示相同或类似的结构。另外，充电管理系统10的前述描述同样适用于充电管理系统610，并且应当理解，充电管理系统10和充电管理系统610的各方面均可以彼此替换或者在适当的地方彼此结合使用。
如图12所示，充电管理系统610包括主电源V1、主功率总线电容器C1和用于将主电源V1可操作地耦合到负载20的主功率继电器开关S1和S2，在示出的模拟电路610中，该负载20为电压源V5、开关S6和电阻器R1。充电管理系统610还包括能量源V2；至少一个储能电容器C5，其包括储能电容器C2、C3和C4；储能电容器充电开关S3；储能电容器放电开关S4；以及能量捕获充电开关S5。
充电管理系统610还包括系统控制器16，该系统控制器16在所示实施例中被示为电路。系统控制器16包括电压源V3；与(AND)门A2；电阻器R9、R10、R20、R2、R3、R4、R5、R23、R6、R8、R10和R15；运算放大器U1；逆变器A6和逆变器A4；以及比较器U6、U5和U8。
如上所述，示例性充电管理系统包括用于将能量从电源分配到负载的配电总线电路，以及可操作地连接到该配电总线电路的中间储能电路，该中间储能电路用于协助向负载分配能量。充电管理系统控制器可以配置为在一个或多个模式期间控制中间储能电路和配电总线电路之间的能量释放。这样的充电管理系统可以使得配电总线电路在功率总线电压响应于负载需求而下降之前从中间储能电路接收能量，而这可以使得电源响应功率总线电压的扰动并使最小化电源的浪涌电流。该系统还可以用于软启动高功率设备、允许再生能量存储、和/或吸收与关闭这种高功率设备相关联的能量尖峰、以及其他考虑因素。
根据本发明的一方面，提供一种操作用于将能量从电源分配到负载的充电管理系统的方法，该充电管理系统包括可操作地连接到该电源和该负载的配电总线电路，以及可操作地连接到该配电总线电路的中间储能电路，该方法包括：(i)对中间储能电路中的至少一个储能电容器进行充电；(ii)激活放电开关，以将该至少一个储能电容器可操作地连接到配电总线电路中的至少一个功率总线电容器，从而将存储在储能电容器中的至少一些能量释放到该至少一个功率总线电容器；(iii)停用放电开关，以将该至少一个储能电容器与该至少一个功率总线电容器可操作地断开；以及，(iv)确定该至少一个功率总线电容器两端的电压是否在预定范围内；其中，在确定期间，当该至少一个功率总线电容器两端的电压确定不在预定范围内时，则重复步骤(i)至步骤(iv)；而在确定期间，当确定该至少一个功率总线电容器两段的电压在预定范围内时，则接着将电源可操作地连接到负载。
本发明的实施例可以单独地或组合地包括以下附加特征中的一个或多个。
基于确定该至少一个储能电容器和该至少一个功率总线电容器在预定范围内的判定结果，停用放电开关。
激活储能电容器充电开关，以将该至少一个储能电容器可操作地连接到至少一个能量源，从而对该至少一个储能电容器充电。
该至少一个能量源可以与电源不同。
对该至少一个储能电容器充电可包括将其充电到预定电平。
在将该至少一个储能电容器充电到预定电平之后，该方法可以进一步包括停用储能电容器充电开关以将该至少一个储能电容器与该至少一个能量源可操作地断开。
根据本发明的另一方面，提供一种操作用于将能量从电源分配到负载的充电管理系统的方法，该充电管理系统包括可操作地连接到该电源和该负载的配电总线电路，以及可操作地连接到该配电总线电路的中间储能电路，该方法包括：(i)将电源可操作地连接到负载；(ii)对中间储能电路中的至少一个储能电容器进行充电；(iii)确定负载电流需求，并且基于确定负载需要的电流是满足或超过预定电平的判定结果，激活放电开关，以将中间储能电路中的该至少一个储能电容器可操作地连接到配电总线电路中的至少一个功率总线电容器，从而将存储在储能电容器中的至少一些能量和存储在功率总线电容器中的至少一些能量释放到负载；(iv)停用放电开关，以将该至少一个储能电容器与该至少一个功率总线电容器可操作地断开；以及，(v)重复步骤(ii)至步骤(iv)。
本发明的实施例可以单独地或组合地包括以下附加特征中的一个或多个。
基于确定该至少一个储能电容器和该至少一个功率总线电容器在预定范围内的判定结果，停用放电开关。
激活储能电容器充电开关，以将该至少一个储能电容器可操作地连接到至少一个能量源，从而对该至少一个储能电容器充电。
该至少一个能量源可以与电源不同。
在对该至少一个储能电容器充电的期间，该方法还可以包括确定该至少一个储能电容器两端的电压在预定范围内的时间。
基于确定该至少一个储能电容器两端的电压在预定范围内的判定结果，激活放电开关，以将该至少一个储能电容器可操作地连接到该至少一个功率总线电容器。
该至少一个储能电容器可以包括第一储能电容器、第二储能电容器和第三储能电容器。
第二储能电容器和第三储能电容器可操作地彼此串联连接。
第一储能电容器与第二储能电容器和第三储能电容器可操作地并联连接。
当激活放电开关时，存储在相应的第一、第二和第三储能电容器中的能量可以瞬间释放到负载，从而导致输出电压、施加到负载的电流以及由主电源提供的电流的增加。
该方法还可以包括确定配电总线电路中的该至少一个功率总线电容器两端的电压，并且基于确定该至少一个功率总线电容器两端的电压大于预定电平的判定结果，激活捕获充电开关，以将该至少一个功率总线电容器可操作地连接到该至少一个储能电容器，从而将存储在该至少一个功率总线电容器中的至少一些能量释放到该至少一个能量捕获电容器。
该至少一个储能电容器可以包括彼此串联的第一储能电容器和第二储能电容器，相应的第一和第二储能电容器配置为当捕获充电开关被激活时捕获从该至少一个功率总线电容器释放出的能量。
该方法还可以包括停用捕获充电开关，以将该至少一个功率总线电容器与该至少一个储能电容器可操作地断开。
基于确定该至少一个储能电容器和该至少一个功率总线电容器在预定范围内的判定结果，停用捕获充电开关。
该方法还可以包括确定关闭指令信号已经接收的时间，并且基于关闭指令信号已经接收的判定结果，停用储能电容器充电开关以及激活放电开关，从而将至少一个储能电容器和该至少一个功率总线电容器放电。
根据本发明的另一方面，提供一种操作用于将能量从电源分配到负载的充电管理系统的方法，该充电管理系统包括可操作地连接到该电源和该负载的配电总线电路，以及可操作地连接到该配电总线电路的中间储能电路，该方法包括：(i)确定配电总线电路中至少一个功率总线电容器两端的电压，并且基于确定该至少一个功率总线电容器两端的电压大于预定电平的判定结果，激活捕获充电开关，以将该至少一个功率总线电容器可操作地连接到中间储能电路中的至少一个储能电容器，从而将存储在该至少一个功率总线电容器中的至少一些能量释放到该至少一个储能电容器；(ii)停用捕获充电开关，以将该至少一个功率总线电容器与该至少一个储能电容器可操作地断开；(iii)基于确定该至少一个储能电容器两端的电压低于预定电平的判定结果，对中间储能电路中的该至少一个储能电容器进一步充电；(iii)确定负载电流需求，并且基于确定负载需要的电流是满足或超过预定电平的判定结果，激活放电开关，以将该至少一个储能电容器可操作地连接到该至少一个功率总线电容器，从而将存储在储能电容器中的至少一些能量和存储在功率总线电容器中的至少一些能量释放到负载；以及，(iv)停用放电开关，以将该至少一个储能电容器与该至少一个功率总线电容器可操作地断开。
本发明的实施例可以单独地或组合地包括以下附加特征中的一个或多个。
中间储能电路中的该至少一个储能电容器可以包括第一储能电容器、第二储能电容器和第三储能电容器。
第二储能电容器和第三储能电容器可操作地彼此串联连接，而第一储能电容器与第二储能电容器和第三储能电容器可操作地并联连接。
当捕获充电开关被激活以将该至少一个功率总线电容器可操作地连接到该至少一个储能电容器时，存储在该至少一个功率总线电容器中的至少一些能量可以被释放到第二储能电容器和第三储能电容器。
对该至少一个储能电容器进一步充电可以包括激活储能电容器充电开关。以将第一储能电容器可操作地连接到与电源不同的至少一个能量源。
当放电开关被激活时，存储在相应的第一、第二和第三储能电容器中的能量和存储在该至少一个功率总线电容器中的能量可以被释放到负载。
根据本发明的另一方面，一种充电管理系统，通过具有至少一个功率总线电容器的配电总线电路将能量从电源分配到负载，该充电管理系统包括：中间储能电路，其可操作地连接到配电总线电路，该中间储能电路具有至少一个储能电容器以及至少一个放电开关，该放电开关配置为将该至少一个储能电容器可操作地连接到该至少一个功率总线电容器或将该至少一个储能电容器与该至少一个功率总线电容器可操作地断开；系统控制器，其可操作地连接到该配电总线电路和该中间储能电路。
本发明的实施例可以单独地或组合地包括以下附加特征中的一个或多个。
例如，系统控制器可以配置为执行上述的一个或多个方法步骤。
例如，在启动模式中，系统控制器可以配置为：(i)激活储能电容器充电开关，以将该至少一个储能电容器可操作地连接到至少一个能量源，从而使得能够对该至少一个储能电容器充电；(ii)激活放电开关，以将该至少一个储能电容器可操作地连接到该至少一个功率总线电容器，从而使得能够将存储在储能电容器中的至少一些能量释放到该至少一个功率总线电容器；(iii)停用放电开关，以将该至少一个储能电容器与该至少一个功率总线电容器可操作地断开；以及，(iv)确定该至少一个功率总线电容器两端的电压是否在预定范围内，使得基于确定该至少一个功率总线电容器两端的电压不在预定范围内的判定结果，控制器配置为重复步骤(i)到步骤(iv)，而基于在确定期间确定该至少一个功率总线电容器两端的电压在预定范围内的判定结果，则控制器配置为激活功率继电器开关以将电源可操作地连接到负载。
在操作模式中，该系统控制器可以配置为：(i)将电源可操作地连接到负载；(ii)确定该至少一个储能电容器两端的电压是否处于或高于预定电平，并且基于确定该储能电容器两端的电压低于预定电平的判定结果，控制器配置为激活储能电容器充电开关，以将该至少一个储能电容器可操作地连接到该至少一个能量源，从而能够对该至少一个储能电容器充电；(iii)确定负载电流需求，并且基于确定负载需要的电流是满足或超过预定电平的判定结果，激活放电开关，以将该至少一个储能电容器可操作地连接到该至少一个功率总线电容器，从而能够将存储在储能电容器中的至少一些能量和存储在功率总线电容器中的至少一些能量释放到负载；以及，(iv)停用放电开关，以将该至少一个储能电容器与该至少一个功率总线电容器可操作地断开。
在再生模式中，该控制器可以配置为确定该至少一个功率总线电容器两端的电压，并且基于确定该至少一个功率总线电容器两端的电压大于预定电平的判定结果，控制器配置为激活捕获充电开关，以将该至少一个功率总线电容器可操作地连接到该至少一个储能电容器，从而使得能够将存储在该至少一个功率总线电容器中的至少一些能量释放到该至少一个储能电容器。
该至少一个储能电容器可以包括第一储能电容器、第二储能电容器和第三储能电容器。
第二储能电容器和第三储能电容器在中间储能电路上彼此可操作地串联连接，而第一储能电容器与第二储能电容器和第三储能电容器可操作地并联连接。
在操作模式中，控制器可以配置为激活储能电容器充电开关，以将第一储能电容器可操作地连接到该至少一个能量源，从而能够对第一储能电容器充电。
在再生模式中，控制器可以配置为激活捕获充电开关以将该至少一个功率总线电容器可操作地连接到第二电容器和第三电容器，从而使得存储在该至少一个功率总线电容器中的至少一些能量释放到第二储能电容器和第三储能电容器。
控制器可以配置为激活放电开关，从而使得存储在相应的第一、第二和第三储能电容器中的能量和存储在该至少一个功率总线电容器中的能量能够释放到负载。
在上述图2、图5、图7和图9的示例性流程图中，块表示为可以用逻辑件实现的“处理块”。处理块可以表示用于执行所述方法步骤的方法步骤或装置元件。流程图未描绘任何特定的编程语言语法、编程方法或编程语言类型(例如，面向过程的、面向对象的)。相反地，流程图示出的是本领域技术人员可以用来开发逻辑件以执行所示过程的功能信息。应当理解，在一些示例中，并未示出诸如临时变量、例程循环等程序元素。应当进一步理解，电子和软件应用程序可以涉及动态和灵活的过程，使得所示的块可以以与所示的那些顺序不同的其他顺序执行、或者可以将块组合或分成多个组件。应当理解，可以使用诸如机器语言、程序、面向对象或人工智能技术的各种编程方法来实现这些过程。在示例性实施例中，方法被实现为由控制器或计算机可读介质提供的处理器可执行的指令或操作。因此，在一示例中，计算机可读介质可以存储用于操作以执行方法的处理器可执行指令。还应理解，虽然图2、图5、图7和图8示出了以串行方式发生的各种指令，但是应当理解，这些实施例中示出的各种指令也可以基本上以并行的方式发生。
这里使用的算法描述和表达是本领域技术人员用来将他们工作的实质传达给他人的手段。这里的算法或方法通常被认为是产生结果的一系列操作。该操作可以包括对物理量的物理操纵。通常，尽管不是必须的，物理量采用的是能够存储、传输、组合、比较和以其他方式在逻辑件等中操纵的电信号或磁信号的形式。
有时，主要出于通用的原因，已经证明将这些信号称为比特、值、元素、符号、字符，术语、数字等是方便的。然而，应该记住，这些类似术语应与适当的物理量相关联，并且仅仅是应用于这些量的方便标签。除非另外特别说明，否则应理解，在整个说明书中，诸如处理、计算、运算、确定、显示等术语是指对计算机系统、逻辑件、处理器或类似电子设备(用于操作和转换表示为物理(电子)量的数据)的操纵和处理。
在详细说明书或权利要求书中使用的术语“包括”，其意图包含与术语“包括”类似的方式，因为该术语在权利要求中用作过渡词解释。此外，在详细说明书或权利要求书中使用的术语“或”，例如A或B，意图表示“A或B或两者”。当申请人打算表示“仅A或B但不是两者”时，将使用术语“仅A或B但不是两者”。因此，在此使用的术语“或”是包含性的，而不是排他性的。
在此使用的“可操作连接”或实体之间的连接关系为“可操作地连接”或“可操作地耦合”是指在其中可以发送或接收信号、物理通信或逻辑通信。通常，可操作连接包括物理接口、电接口或数据接口，但是应注意，可操作连接可包括足以允许可操作控制的这些或其他类型连接的不同组合。例如，两个实体可以通过能够彼此直接连接的通信信号或经过一个或多个中间实体(如处理器、操作系统、逻辑件、软件或其他实体)可操作地连接。逻辑或物理通信信道可用于创建可操作的连接。
这里使用的“逻辑件”包括但不限于硬件、固件、软件或其每个的组合以执行功能或指令、或者引起来自另一逻辑件、方法或系统的功能或指令。例如，基于期望的应用或需求，逻辑件可以包括软件控制的微处理器，诸如专用集成电路(ASIC)的离散逻辑件、编程的逻辑件设备、包含指令的存储器设备等。逻辑件可以包括一个或多个门、门的组合或其他电路组件。逻辑件也可以完全用软件实现。在描述多个逻辑逻辑件的情况下，可以将多个逻辑逻辑件合并到一个物理逻辑件中。类似地，在描述单个逻辑逻辑件的情况下，也可以在多个物理逻辑件之间分配该单个逻辑逻辑件。
这里使用的“计算机程序”(也称为程序、软件、软件应用程序、脚本或代码)可以用任何形式的编程语言编写，包括编译或解释语言、声明或过程语言，它可以以任何形式配置，包括作为独立程序或作为模块、组件、子例程或适用于计算环境的其他单元。计算机程序不一定对应于文件系统中的文件。程序可以存储在文件的一部分中，该文件将其他程序或数据(例如，存储在标记语言文档中的一个或多个脚本)保存在专用于所讨论的程序的单个文件中，或者保存在多个协调文件(例如，存储一个或多个模块、子程序或代码部分的文件)中。计算机程序可以部署在一个计算机上执行或者部署在位于一个站点上或分布在多个站点上并通过通信网络互连的多个计算机上执行。
这里使用的“软件”包括但不限于可以被读取、解释、编译或执行的一个或多个计算机或处理器指令，并且使得计算机、处理器或其他电子设备能够执行功能、指令或以所希望的方式执行。指令可以以各种形式体现，例如，例程、算法、模块、方法、线程或包括来自动态或静态链接库的单独应用或代码的程序。软件还可以以各种可执行或可加载的形式实现，包括但不限于独立程序、函数调用(本地或远程)、小型应用程序、小应用程序、存储在存储器中的指令、部分操作系统或其他类型的可执行指令。本领域普通技术人员将理解，软件的形式可以取决于例如期望的应用的要求、运行的环境、或者设计者/程序员的期望等。还应当理解，计算机可读或可执行指令可以位于一个逻辑件中或分布在两个或更多个能够通信、协作或并行处理的逻辑件之间，因此可以以串行、并行、大规模并行和其他方式加载或执行。无论是整个系统还是系统的组件，软件都可以体现为是一种制品，并作为计算机可读介质的一部分进行维护或提供。
应当理解，本说明书中描述的主题的实施例可以结合数字电子电路或计算机软件、固件或硬件的组合来实现。本说明书中描述的主题的实施例可以在计费管理系统中实现，该计费管理系统使用在计算机可读介质上编码的一个或多个计算机程序指令模块，以由数据处理装置执行或控制数据处理装置的操作。计算机可读介质可以是制造的产品，例如计算机系统中的硬盘驱动器或通过零售渠道销售的光盘、或嵌入式系统。计算机可读介质可以被单独获取并随后用计算机程序指令的一个或多个模块进行编码，例如通过有线或无线网络分发计算机程序指令的一个或多个模块的方式。计算机可读介质可以是机器可读存储设备、机器可读存储基板、存储器设备或它们中的一个或多个的组合。
如上所述，系统控制器16包括用于处理数据的所有装置、设备和机器，包括例如可编程处理器、计算机或多个处理器或计算机。除了硬件之外，该装置还可以包括为所讨论的计算机程序创建执行环境的代码，例如，构成处理器固件的代码、协议栈、数据库管理系统、操作系统、运行环境或者它们中的一个或多个的组合。此外，该装置可以采用各种不同的计算模型基础结构，例如web服务、分布式计算和网格计算基础结构。
处理器包括适用于执行计算机程序的所有装置、设备和机器，例如，包括通用和专用微处理器、以及任何类型的数字计算机的任何一个或多个处理器。通常，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或两者接收指令和数据。计算机的基本元件包括用于执行指令的处理器和用于存储指令和数据的一个或多个存储器设备。通常，计算机还将包括用于存储数据的一个或多个大容量存储设备(或可操作地耦接到一个或多个大容量存储设备以从中接收数据或传输数据到该设备或两者)，例如磁盘、磁光盘或光盘。然而，计算机也可以不需要这样的设备。此外，计算机可以嵌入在另一个设备中，例如移动设备或便携式存储设备(例如，通用串行总线(USB)闪存驱动器)。适用于存储计算机程序指令和数据的设备包括所有形式的非易失性存储器、介质和存储器设备，包括例如半导体存储器设备，例如EPROM、EEPROM和闪存设备；磁盘，例如内部硬盘或可移动磁盘；磁光盘；以及CD-ROM盘和DVD-ROM盘。处理器和存储器可以由专用逻辑电路补充或并入专用逻辑电路中。
尽管已经针对某个实施例示出和描述了本发明，但是显而易见的是，本领域的其他技术人员在阅读和理解本说明书和附图时将容易想到等同的变型和修改。特别是关于由上述元件(部件、组件、装置、组合物等)执行的各种功能，除非另有说明，否则即使结构上不是等同于在本文所示的示例性实施例或本发明的实施例中用于执行功能的所公开的结构，用于描述这些元件的术语(包括对“装置”的引用)也均旨在对应于用于执行所述元件的指定功能的任何元件(即，功能上等同的)。另外，尽管上面仅针对若干示出的实施例中的一个或多个描述了本发明的特定特征，但是假如对于任何给定或特定应用是期望和有利的，这些特征也可以与其他实施例的一个或多个其他特征组合。

Claims (9)

1.一种操作用于将能量从电源分配到负载的充电管理系统的方法，包括：
(i)提供所述充电管理系统，其中所述充电管理系统包括可操作地连接到所述电源和所述负载的配电总线电路，以及可操作地连接到所述配电总线电路的中间储能电路，其中所述配电总线电路包括至少一个功率继电器开关，所述至少一个功率继电器开关在激活时将电源可操作地连接到负载，并且在停用时可操作地将电源与负载断开；
(ii)对所述中间储能电路中的至少一个储能电容器进行充电；
(iii)当至少一个功率继电器开关处于停用状态时，激活放电开关，以将所述至少一个储能电容器可操作地连接到所述配电总线电路中的至少一个功率总线电容器，从而将存储在所述储能电容器中的至少一些能量释放以对所述至少一个功率总线电容器充电；
(iv)停用放电开关，以将所述至少一个储能电容器与所述至少一个功率总线电容器可操作地断开；以及
(v)确定所述至少一个功率总线电容器两端的电压是否在预定范围内；
其中，在确定期间，当所述至少一个功率总线电容器两端的电压确定不在预定范围内时，重复步骤(i)至步骤(v)；以及
其中，在确定期间，当所述至少一个功率总线电容器两端的电压确定在预定范围内时，则激活所述至少一个功率继电器开关，以将电源可操作地连接到负载。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，基于确定所述至少一个储能电容器和所述至少一个功率总线电容器在预定范围内的判定结果，停用所述放电开关。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，激活储能电容器充电开关，以将所述至少一个储能电容器可操作地连接到与电源不同的至少一个能量源，从而对所述至少一个储能电容器充电。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，对所述至少一个储能电容器充电包括将其充电到预定电平；以及
在将所述至少一个储能电容器充电到预定电平之后，停用储能电容器充电开关以将所述至少一个储能电容器与所述至少一个能量源可操作地断开。
5.一种充电管理系统，该充电管理系统包括：
将能量从电源分配到负载的配电总线电路，其包括至少一个功率总线电容器以及至少一个功率继电器开关，所述至少一个功率继电器开关在激活时将电源可操作地连接到负载，并且在停用时可操作地将电源与负载断开；
中间储能电路，其可操作地连接到所述配电总线电路，所述中间储能电路具有至少一个储能电容器以及至少一个放电开关，所述放电开关配置为将所述至少一个储能电容器可操作地连接到所述至少一个功率总线电容器或将所述至少一个储能电容器与所述至少一个功率总线电容器可操作地断开；以及
系统控制器，其可操作地连接到所述配电总线电路和所述中间储能电路；
其中，在启动模式下，该系统控制器配置为：
(i)激活储能电容器充电开关，以将所述至少一个储能电容器可操作地连接到至少一个能量源，从而使得能够对所述至少一个储能电容器充电；
(ii)当至少一个功率继电器开关处于停用状态时，激活放电开关，以将所述至少一个储能电容器可操作地连接到所述至少一个功率总线电容器，从而使得能够将存储在储能电容器中的至少一些能量释放到所述至少一个功率总线电容器；
(iii)停用放电开关，以将所述至少一个储能电容器与所述至少一个功率总线电容器可操作地断开；以及
(iv)确定所述至少一个功率总线电容器两端的电压是否在预定范围内，使得基于确定所述至少一个功率总线电容器两端的电压不在预定范围内的判定结果，控制器配置为重复步骤(i)至步骤(iv)，而基于在确定期间确定所述至少一个功率总线电容器两端的电压在预定范围内的判定结果，控制器配置为激活所述至少一个功率继电器开关以将电源可操作地连接到负载；
其中，在操作模式下，系统控制器配置为：
(i)将电源可操作地连接到负载；
(ii)确定所述至少一个储能电容器两端的电压是否处于或高于预定电平，
并且基于确定储能电容器两端的电压低于预定电平的判定结果，控制器配置为激活储能电容器充电开关，以将所述至少一个储能电容器可操作地连接到所述至少一个能量源，从而能够对所述至少一个储能电容器充电；
(iii)确定负载电流需求，并且基于确定负载需要的电流是满足或超过预定电平的判定结果，激活放电开关，以将所述至少一个储能电容器可操作地连接到所述至少一个功率总线电容器，从而能够将存储在储能电容器中的至少一些能量和存储在功率总线电容器中的至少一些能量释放到负载；以及
(iv)停用放电开关，以将所述至少一个储能电容器与所述至少一个功率总线电容器可操作地断开。
6.根据权利要求5所述的充电管理系统，其中，在再生模式中，控制器配置为确定所述至少一个功率总线电容器两端的电压，并且基于确定所述至少一个功率总线两端的电压大于预定电平的判定结果，控制器配置为激活捕获充电开关，以将所述至少一个功率总线电容器可操作地连接到所述至少一个储能电容器，从而能够将存储在所述至少一个功率总线电容器中的至少一些能量释放到所述至少一个储能电容器。
7.根据权利要求6所述的充电管理系统，其中，所述至少一个储能电容器包括第一储能电容器、第二储能电容器和第三储能电容器，所述第二储能电容器和第三储能电容器在中间储能电路上彼此可操作地串联连接，并且第一储能电容器与第二储能电容器和第三储能电容器可操作地并联连接。
8.根据权利要求7所述的充电管理系统，
其中，在操作模式中，控制器配置为激活储能电容器充电开关，以将所述第一储能电容器可操作地连接到所述至少一个能量源，从而能够对所述第一储能电容器充电；以及
其中，在再生模式中，控制器配置为激活捕获充电开关，以将所述至少一个功率总线电容器可操作地连接到第二电容器和第三电容器，从而使得存储在所述至少一个功率总线电容器中的至少一些能量能够释放到第二储能电容器和第三储能电容器。
9.根据权利要求8所述的充电管理系统，其中，控制器配置为激活所述放电开关，从而使得存储在相应的第一、第二和第三储能电容器中的能量和存储在所述至少一个功率总线电容器中的能量能够释放到负载。
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