CN110521078B - 电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池系统。该电池系统包括：多个电池电芯单元；一个或多个开关组件，其操作性地配置为选择性地将多个电池电芯单元中的任何一个电芯单元与来自多个电池电芯单元的任何其他电池电芯单元以串联的方式电连接，并且断开连接与来自多个电池电芯单元的任何其他电池电芯单元连接的任何一个电池电芯单元，其中开关组件配置为基于一组控制参数选择性地连接和断开连接电池电芯单元。电池系统还包括两个或多于两个控制器，用于确定控制参数组并且控制开关组件，以便提供具有可控电压分布的系统输出。两个或多于两个控制器配置为同步操作。

Description

电池系统
相关申请
本申请要求2017年2月8日提交的澳大利亚临时专利申请2017900386的优先权，其内容通过引用并入本文。
技术领域
本文描述的发明总体涉及电池系统。
背景技术
储能系统通常包括多个储能电芯单元的布置，这些储能系统应用于诸如全电动车辆、混合动力电动车辆、以及在电网连接应用或离网应用中的固定式储能器。
在包括多个储能单元的储能系统中，电芯单元之间的差异可以影响整个储能系统的性能。特别地，在包括重复使用的电池电芯单元的电池系统中，电芯单元之间的这种差异可能是显著的。而且，单个坏电芯单元可能非期望地影响整个系统的性能和可靠性。
传统的电池管理系统通常使用开关电阻器来耗散来自较高被充电的电芯单元的剩余能量，或使用开关电容器或开关电感器来将能量从较高被充电的电芯单元传递到较低被充电的电芯单元。这些系统的主要作用是均衡在充电放电循环中的特定点处，例如在充电结束时，串联连接的电芯单元的充电状态差异。使循环中的一个特定点处的充电状态均衡确保串联布置中的最低容量电芯单元能够在整个循环中完全充电和放电。然而，它不允许更高容量的电芯单元在整个循环中完全充电和放电。
为了克服由包括串联连接的多个电芯单元的储能系统中的最低容量电芯单元所构成的限制，需要更先进的方法。本发明的目的是提供一种电池系统，其克服或改进上述一个或多个缺点或问题，或者至少为消费者提供可用的选择。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种电池系统，其包括：
串联连接的多个电池电芯单元，
一个或多个开关组件，和
两个或多于两个控制器，其用于确定一个或多个控制参数，并基于所述控制参数控制所述开关组件以选择性地将与来自所述多个电池电芯单元中的任何其他电池电芯单元连接的任何一个电池电芯单元断开连接，并且
将来自所述多个电池电芯单元的任何一个电池电芯单元与任何其他电池电芯单元以串联的方式电连接，以便提供具有可控电压分布的系统输出，所述两个或多于两个控制器被配置用于同步操作。
在一个实施方式中，提供一种电池系统，其中，所述控制器控制开关组件选择性地允许：
在第一状态下操作，在第一状态下，第一电池电芯单元和第二电池电芯单元以串联的方式电连接且第三电池电芯单元被断开连接，
在第二状态下操作，在第二状态下，第一电池电芯单元和第三电池电芯单元以串联的方式电连接且第二电池电芯单元被断开连接，且
在第三状态下操作，在第三状态下，第二电池电芯单元和第三电池电芯单元以串联的方式电连接且第一电池电芯单元被断开连接。
控制器中的至少一个可以被配置为生成用于两个或多于两个控制器的时间同步的同步信号。
电池系统可以进一步包括专用同步线路，用于在两个或多于两个控制器之间通信时间同步信号。
输出电压分布可以是DC或整流后的DC输出。替换性地，输出电压分布可以是AC输出。
电池系统可进一步包括用于控制系统输出的输出模块，其中所述输出模块具有一个或多个输出开关，用于选择性地将连接的电池电芯单元连接到系统输出或与系统输出断开连接。
电池系统可进一步包括在系统输出处的电容器，用于平滑输出电压。此外，电池系统可进一步包括在系统输出处的电感器，用于平滑输出电流。
电池系统可以包括一个或多个电池电芯模块，每个电池电芯模块可以包括电池电芯单元，并且每个电池电芯单元可以包括一个或多个电池电芯。在一个实施方式中，每个电池电芯模块的输出可以等于其对应的电池电芯单元的输出。
多个电池电芯单元可以包括被预先使用和/或以其他方式在电荷存储容量上差异量巨大的两个或多于两个电池电芯单元。在某些情况下，这种差异量可以是电荷存储容量的5％或更多。
每个电池电芯模块可以包括用于连接或断开连接(或绕过)对应的电池电芯单元的开关组件。开关组件可包括用于连接对应的电池电芯单元的第一开关，以及用于断开连接对应的电池电芯单元的第二开关。
控制参数之一可以包括对于每个电池电芯单元的时移。时移可以确定将各个电池电芯单元与所述多个电池电芯单元中的一个或多个其他电池电芯单元以串联的方式电连接的时间。
控制参数之一可以包括对于每个电池电芯单元的占空比。占空比确定当各个电池电芯单元与所述多个电池电芯单元中的一个或多个其他电池电芯单元以串联的方式电连接时，为各个电池电芯单元维持电连接的时间百分比。
控制参数可以包括对于每个电池电芯单元的占空比，由控制器之一基于各个电芯单元电压测量值而确定占空比。占空比可以确定在操作期间各个电池电芯单元连接的时间百分比。电芯单元的占空比的总和与100％占空比之间的比率可以与电池系统输出电压和电池系统内的电池电芯单元的平均电压之间的比率成比例。在一个实施方式中，电芯单元的占空比的总和与100％占空比之间的比率可以等于电池系统输出电压与每个电池电芯单元的平均电压之间的比率。在一些实施方式中，电芯单元的占空比的总和与对于每个电池电芯单元的占空比之间的比率可以等于或缩放到等于电池系统输出电压与每个电池电芯单元的平均电压之间的比率的值。
在一个实施方式中，每个电池电芯模块的占空比(D)可以分别基于以下两个用于放电和充电的公式来计算：
其中，
Dx，charge是充电期间电池电芯单元'x'的占空比，
Dx，discharge是放电期间电池电芯单元'x'的占空比，
'Cap'是给定电池电芯单元在完全充电时可以存储的安培小时的总容量，例如，通过间或对电池电芯单元进行完全充电和完全放电确定总容量，并测量电池电芯单元在完全充电和完全放电状态之间的过渡期间能够提供的充电量，
Cx是以安培小时为单位的电池单位'x'的当前存储电荷水平，
X是分配给电池电芯单元'x'的数值(其中每个电池电芯单元被分配一个从1到N的数字)，
N是电池系统中电池电芯单元的总数，
Y是暂时或永久禁用的特定电池电芯单元的指数'x'的集合，
Z是在任何给定时间需要连接的电芯单元的数量，以及
α和β是在等式中用于求和的变量。
在一些实施方式中，对于每个电池电芯单元的占空比(D)可以取决于各个电池电芯单元的当前电压，以及电池系统中的一个或多个其他电芯单元的当前电压，和/或测量或预设的电池系统输出电流或电压。
通过进一步阐述，可以基于特定电池电芯单元Cx的电荷水平、电池系统Ctot的总电荷水平以及在任何给定时间Z同时连接的电芯单元的数量来计算每个电芯单元的占空比(D)。
在一些实施方式中，系统可以相应地放大或缩小占空比值以提供期望输出分布。在一个实例中，系统可以将占空比值缩小超过1，并且将占空比值放大到1以下。
在一些实施方式中，系统可以检测具有标准或预设范围之外的性能参数的电池电芯单元并将检测到的电池电芯单元断开连接。性能参数可以包括电压和/或电流输出、温度等。
控制参数可以进一步包括每个电池电芯单元的时移值。时移值可以基于电池系统中的电池电芯单元的总数和/或所需的电池系统输出电压由控制器之一计算。时移值可以确定对于各个电池电芯单元的占空比的开始的每个时段的时移。更具体地，时移值可以确定对于每个电池电芯单元的控制参考时段的开始。换句话说，时移值可以基于占空比确定何时打开和关闭各个电芯单元。
在一个实施方式中，可以基于以下公式计算每个电池电芯单元的时移(T)：
其中，
Tx是电池电芯单元'x'的时移值，
TD是占空比的时段，其中f是电池系统的控制频率，
X是分配给电池电芯单元'x'的数值(其中每个电池电芯被分配一个从1到N的数字)，并且
N是电池系统中的电池电芯单元的总数。
在其他实施方式中，可以迭代地确定时移值。例如，第一电池电芯单元的时移值可以是0，并且第二电池电芯单元的时移值可以是第一电池电芯单元的时移加上第一电池电芯单元的占空比，依此类推。
电池系统可以采用任何合适的控制参考频率。在一个实施方式中，电池系统采用高频操作。更具体地，控制频率可以在0.1Hz到10kHz之间。在一些实施方式中，控制频率可以小于40Hz。在一些实施方式中，控制频率可以超过70Hz。
在一些实施方式中，控制参数可包括在任何给定时间串联连接的多个电池电芯单元以提供预设输出。在一个实例中，在电池系统输出是DC波形并且所有电池电芯单元具有相同的当前电压的情况下，可以使用以下公式计算在任何给定时间串联连接的电池电芯单元的数量Z：
其中，
Z是在任何给定时间串联的电池电芯单元的数量，
Vout是电池系统的预设目标输出电压，和
Vcell,x是电池系统的电池电芯单元的电压。
系统输出电压分布可以是恒定电压(DC)、重复振荡电压(AC)、整流后的振荡电压波形或任何其他波形。
在一些实施方式中，系统输出电压可以是用户定义的值。在其他实施方式中，预设输出可以是来自电气设备或器具的输入，以由电池系统供电或向电池系统供电。
在一些实施方式中，电池系统可以包括用于平滑输出的输出滤波器。可以使用任何合适的输出滤波器。在一个实施方式中，输出滤波器是LC电路。
电池系统可以进一步包括用于测量电池系统的输出电流的电流传感器。在一些实施方式中，电池系统可以包括一个或多个输出开关，用于选择性地连接或断开连接电池系统的输出，例如以满足诸如电池系统输出电压或电流限制的操作要求。
每个电池电芯单元可以由各个控制器控制。替换性地，两个或多于两个电池电芯单元由共享控制器控制。在一个实施方式中，控制器中的至少一个是中央控制器，用于生成一个或多个其他控制器的控制信号。
在一个实施方式中，控制器之一是中央控制器，并且每个电池电芯单元与分散式单元控制器相关联，用于与中央控制器通信并控制开关组件。特别地，每个电池电芯模块可以包括电池电芯单元、用于将电池电芯单元连接到系统或与系统断开连接的开关组件，以及用于控制开关组件和与中央控制器通信的电芯单元控制器。在该实施方式中，电池系统可以包括用于将中央控制器耦接到电池电芯模块的共享电缆。特别地，连接到中央控制器的单个控制通信线路可以连接到每个电芯单元控制器，并且可以在中央控制器和电芯单元控制器之间传输单向或多向通信。另外，连接到中央控制器的单个时间信号线路可以连接到每个单元控制器，并且可以从任何一个控制器向多个其他控制器传输单个时间信号，其中该信号用于中央控制器和电芯单元控制器的时间同步。
在一些实施方式中，系统可以具有集中式或半集中式配置。特别地，集中式配置可以包括中央控制器，其直接控制电芯单元开关组件，其中专用电缆将中央控制器连接到所述多个电池电芯单元开关组件。
半集中式配置可以包括电池电芯单元的集群或组、以及单个中央控制器，中央控制器具有连接到每个电池电芯单元集群或电池电芯单元组的单独控制线路。每个电池电芯单元组集群或电池电芯单元组可以共享单个组控制器。
每个电池电芯单元可以包括一个或多个电池电芯，并且连接到开关组件以用于在操作期间选择性地将电池电芯单元连接到电池系统的电池电芯单元或从电池系统断开连接电池电芯单元。每个开关组件可包括一个或多个开关元件(诸如MOSFETS、包括双极开关的机电接触器)。在一个实施方式中，开关组件的一个或多个的每个包括最多两个开关元件。可以使用可以包含电隔离的单个控制信号来控制每个开关组件。电隔离可以由光隔离器、隔离变压器或其他隔离装置提供。在一些实施方式中，开关组件可以连接到电池电芯单元控制器。
在一个实施方式中，至少一个开关组件包括：
用于接收来自至少一个控制器的控制信号的栅极驱动电子器件，该栅极驱动电子器件具有一个或多个隔离元件以用于将所述至少一个开关组件与控制器隔离，和
一个或多个开关元件，用于传导在串联连接的电池电芯单元之间的直流电路中流动的电流；并且
其中所述隔离元件的数量小于开关元件的数量。栅极驱动电子器件可包括光耦合器。
在一个实施方式中，第一开关组件可以配置为控制一个或多个对应的电池电芯单元，第一开关组件包括用于接收来自所述至少一个控制器的控制信号的栅极驱动电子器件。栅极驱动电子器件可以至少部分地由一个或多个对应的电池电芯单元供电。
在一些实施方式中，每个电池电芯单元可以包括各个电池电芯单元和并联连接的电芯块的组合。在本发明的说明书中，术语“电池电芯单元”或“电芯单元”可以指单个电池电芯或并联连接的电芯块、或者多个单独电池电芯、或者多个并联电池块、或串联连接的电池电芯和并联电池块的混合物，并且类似的推理适用于这些术语的变体，诸如复数形式。它还可以指并联或串联连接的电池块，其中诸如熔丝、电阻器或电感器的一个或多个电路部件与各个电池串联和/或并联连接。
在一个实施方式中，中央控制器可以被一个或多个电池电芯单元供电。另外，每个电芯单元控制器可以被其各个电池电芯单元供电。
电池系统可以进一步包括用于将电池系统输出处的直流信号转换成交流电的AC/DC转换器。电池系统可以进一步包括逆变器。电池系统输出可以根据逆变器的输入提供所需的特定的DC输出电压分布。
电池系统可以进一步包括H桥电路用于将整流后的正弦波输出信号转换为全正弦波输出信号。
任选地，电池系统可以进一步包括变压器。该变压器可以在系统输出处改变电压振幅。
根据本发明的另一方面，提供了电池包系统，其包括两个或多于两个如前所述的电池系统，其中电池系统彼此并联连接。在一个实施方式中，电池包系统通过控制每个电池系统的输出电压分布来控制每个电池系统的功率贡献。每个电池系统的输出电压分布可以是DC电压。
在此还公开了一种储能系统，其包括：
多个储能电芯单元，
一个或多个开关组件，其操作性地配置为选择性
将来自所述多个储能电芯单元的任何一个储能电芯单元与来自所述多个储能电芯单元的任何其他储能电芯单元以串联的方式电连接，并且
将与所述多个储能电芯单元中的任何其他储能电芯单元连接的所述任何一个储能电芯单元断开连接，其中开关组件配置为基于一组控制参数选择性地连接到储能电芯单元和与储能电芯单元断开连接，和
两个或多于两个控制器，其用于确定控制参数组并且控制开关组件以便提供具有可控电压分布的系统输出，所述两个或多于两个控制器配置为同步操作。
储能电芯单元可包括电芯单元、电容器、超电容器等，和/或其任何组合。
根据本发明的进一步的方面，提供了一种用于控制前文描述的电池系统的方法。
为了使本发明更容易理解和付诸实践，现在仅通过举例的方式，参考附图将描述其一个或多个优选实施方式。
附图说明
图1是根据本发明一个实施方式的电池系统的示意图。
图2是图解图1的电池系统的输出板的示意电路图。
图3是图解用于图1的电池系统的可选的输出板的示意电路图。
图4是根据本发明一个实施方式的图1的电池系统的电池电芯模块的电路图。
图5是根据本发明另一个实施方式的图1的电池系统的电池电芯模块的电路图。
图6是图解根据本发明一个实施方式的使用图1的电池系统提供系统电压输出的方法的过程流程图。
图7是图解根据本发明的一个实例实施方式的电池系统的电池电芯单元的占空比和时移值随时间变化的曲线图。
图8是图解根据本发明的进一步实施方式的使用图1的电池系统提供系统电压输出的方法的过程流程图。
图9是图解根据本发明的一个实施方式的使用图1的电池系统提供系统电压输出的方法的过程流程图。
图10是图解根据本发明的进一步实例实施方式的电池系统的电池电芯单元的占空比和时移值随时间变化的曲线图。
图11是图解根据本发明的进一步实例实施方式的电池系统的电池电芯单元的占空比和时移值随时间变化的曲线图。
图12是图解根据本发明的实施方式的使用图1的电池系统提供系统电压输出的方法的过程流程图。
图13是图解根据本发明的一个实例实施方式的电池系统的随时间变化的电池系统的输出电压与目标电压相比较的曲线图。
图14是图解根据本发明的进一步实例实施方式的电池系统的电池电芯单元随时间的占空比和时移值的曲线图。
图15是图解根据本发明一个实施方式的电池系统的输出配置的示意电路图。
图16是图解根据本发明另一个实施方式的电池系统的输出配置的示意电路图。
图17是图解根据本发明的进一步实施方式的电池系统的输出配置的示意电路图。
图18是图解根据本发明的进一步实施方式的包括并联连接的两个电池系统的电池系统布置的配置的示意电路图。
图19是图解根据本发明一个实施方式的电池系统的集中配置的示意图。
图20和21是图解根据本发明的一些实施方式的电池系统的两个实例半集中配置的示意图。
图22是图解根据本发明一个实施方式的除了任何专用中央控制器之外的电池系统的分散配置的示意图。
图23是图解根据本发明的一个实施方式的除了任何专用中央控制器和利用电功率线路通信之外的电池系统的分散配置的示意图。
具体实施方式
如图1和2所示，电池系统100包括多个电池电芯模块102、用于控制电池电芯模块102操作的中央控制器104，以及用于测量和验证电池电芯模块102输出的输出模块106、和/或处理输出以提供所需的输出电压分布。可以基于用户输入或要由电池系统100供电的设备或装置的电压要求来确定输出分布。
中央控制器104包括微控制器，其基于从电池电芯模块102检索的输入参数，诸如当前电压、最大充电电压和每个电池电芯模块102的最小放电电压以及整个电池系统100的电压值，确定一组控制参数以控制电池电芯模块102。控制参数确定每个电池电芯模块102何时以及如何在任何给定时间点操作。特别地，控制参数包括占空比和时移，如下面的进一步详细解释。
每个电池电芯模块102包括用于与中央控制器104通信的电芯微控制器108。可以使用任何合适的通信协议。在一个实施方式中，中央控制器104使用I2C协议与电池电芯模块102中的每一个上的电芯微控制器108以及输出模块106通信。
每个电池电芯模块102还包括电池电芯单元110和开关组件112。开关组件112包括晶体管114，用于选择性地连接或断开连接(或绕过)电池电芯单元110，以及开关控制电路(图4和5)，用于控制晶体管114。在一个实施方式中，两个功率晶体管(即MOSFET)用于每个开关组件112，一个MOSFET用于连接电池电芯单元110，并且一个MOSFET用于断开连接例如，以“半桥”电路配置的电池电芯单元110。所有连接的电池电芯模块102的输出以串联的方式电连接。PCT申请序列号PCT/AU2016/050917中描述了开关组件和电池电芯单元的一些进一步实例配置，其全部内容通过引用并入本文。
在该实施方式中，输出模块106包括输出微控制器116和一组输出开关106，其可以是背靠背型NMOS MOSFET。如图2中更清楚地所示，输出模块106还包括两个电压传感器119、121。第一电压传感器119与电池电芯模块102的累积电压输出端125并联连接。第二电压传感器与电池系统100的累积输出端127并联连接。输出模块还包含与电池电芯模块102串联连接的电流传感器123。电压传感器119、121和电流传感器123可用于测量电池系统性能并提供电池系统诊断。输出开关可以提供电池系统输出的处理，和/或保护电池系统和/或连接到输出的电气设备。
图3图解了可选的输出模块107。在该实施方式中，输出模块107包括一组输出开关125、一个或多个电压和电流测量传感器(未示出)，并且还包括用于平滑电池电芯模块102的累积电压和电流输出的LC滤波器118。LC滤波器118用于通过减小由电池电芯单元110的切换引起的电压变化和/或电流尖峰来提供电池系统输出的进一步稳定。输出微控制器116与中央控制器104通信并与传感器和晶体管125接口。当中央控制器104指示时，或当输出模块107上的传感器显示超出预期操作阈值的电流或电压时，晶体管125可用于将整个电池系统100与电气设备或装置(未示出)断开连接。
在图1所示的实施方式中，电池系统100根据模块化物理布局配置。在模块化物理布局中，每个电池电芯模块102位于单独的电路板上。这在某些情况下是有益的，例如其中每个模块102的电池电芯单元110可能经历一些可能损坏共享电路板的相对物理运动。还有利的是，可以包括在电池系统100中的电池电芯单元110的总数不由共享板上的开关接口的数量来固定，从而允许通过添加或移除电池电芯模块102来简单地改变电池包尺寸，该电池电芯模块102具有如图1所示的专用电路，而无需重新设计共享电路板以满足不同数量的电池电芯单元110。
在电池系统100的模块物理布局中，系统部件之间的通信经由模块化控制线路122执行。进一步详细说明，替代于每个电池电芯模块102从中央控制器104接收一个或多个专用和唯一的控制信号，每个电池电芯模块102连接到同一组控制线路122，并从中央控制器104接收相同的控制信号。控制信号包括哪个电池电芯模块102被寻址的信息，所以给定的消息仅由一个或多个特定电池电芯模块102而不是所有模块起作用。模块化控制的好处是中央控制器104仅需要提供一组控制线路122，所有电池电芯模块102连接到该控制线路122(即，允许将中央控制器104连接到电池电芯模块102的“线性”控制线路布置)，而不是在“蜘蛛形”布置中具有从中央控制器104到每个电芯模块102的一组独立控制线路。电池系统100的模块化控制降低了电缆要求并且允许容易地改变电池电芯模块102的数量，例如，通过简单地在图1所示的布局的下端添加或减少电池电芯模块102。
图1中的图图解了模块化控制线路122包括SYNC或同步线路124、SDA或数据线路126(用于I2C通信)，以及SCL或时钟线路128(用于I2C通信)。
同步线路124用于从中央控制器104向电池电芯模块102发送时间信号，以允许电池电芯模块102相应地紧密同步它们相应的控制定时。在高频控制环境中，所有电池电芯模块102必须以非常准时的方式操作它们相应的开关组件112。通常，定时精度要求比电芯微控制器108的标准时钟所允许的容差更严格，并且来自同步线路124的同步信号允许电芯模块102以更高的定时精度操作。
数据线路126用于从中央控制器104向各个电池电芯模块102发送占空比和时移值，并将测量的电压和温度传感器值从各个电池电芯模块102发送到中央控制器104。占空比和时移值确定每个模块102的开关组件112如何操作。这将在下面的进一步细节中解释。
根据I2C通信，电芯微控制器108使用时钟信号来解密从中央控制器104接收的数据。
用于电池系统100的可选的硬件配置在下面参考图19至23的进一步细节中描述。
现在转到图4，其图解了根据本发明一个实施方式的电池电芯模块102的电路布局。电池电芯单元包括电芯微控制器108、电池电芯单元110和开关组件112。开关组件112包括四个晶体管114a、114b、114c、114d和电压以及任选的温度传感器(未示出)。它还包括栅极驱动电路130，其包括隔离电子器件132(例如光耦合器)。
在操作期间，电芯微控制器108接收电压传感器读数的传感器输入，与中央控制器104通信并基于传感器读数接收控制信号。控制信号由电芯微控制器108解密并用于经由隔离电子器件132驱动栅极驱动电路130。隔离电子器件132允许电芯微控制器108(其电耦合到地并且不能经受高电压)与驱动电路132和电池电芯单元110(在电池包中处于高电压，其中许多电池电芯单元串联连接)接口。
栅极驱动电路132包括电子部件的集合，电芯微控制器108通过该电子部件控制功率晶体管114。驱动电路132根据需要将信号转换成适当的电压和电流以驱动晶体管114(例如，当MOSFET接收到处于足够高的电压并提供高电流的信号时，MOSFET通常更好操作)，并确保晶体管114不会同时闭合，因为这会不期望地使电池电芯单元短路。
如图4所示，低功率晶体管114a是NMOS，并且具有在其传导时使电池电芯单元110断开连接的作用。高功率晶体管114c是PMOS，并且在其传导时具有包括电池电芯单元110的作用。使用一个NMOS和一个PMOS晶体管意味着遍及两个功率晶体管114a、114c的给定输入信号(高或低)共用总是使一个晶体管导通而另一个截止，从而避免电池短路。当输入信号改变时(高至低或反之亦然)，电阻器134使其中一个功率晶体管114接收大于另一个的控制栅极电流，这将使其中一个功率晶体管在第二个开始传导之前停止传导。在该实施方式中，两个栅极晶体管114b(NMOS)和114d(PMOS)以及相关的电阻器(136和138)用于获取隔离电子器件132提供的低电流信号，并将其转换为足够高电流驱动功率晶体管114的信号。
两个节点140、142和相关的分压电阻器144、146、148、150用于电压测量。在该实施方式中，没有采取措施将功率晶体管114的栅极驱动电压增加到高于各个电池电芯单元110提供的电压。这意味着必须在考虑该电压范围的情况下仔细选择功率晶体管114。
图4所图解的该实施方式的优点在于它避免了专用驱动器电子器件和电压转换器的成本。栅极驱动电路130包括单个隔离元件，进一步降低成本。然而，认识到缺少高功率晶体管栅极电压限制了适合使用的功率晶体管的选择。另外，栅极晶体管114b、114d直接由各个电池电芯单元110供电。在一些实施方式中，栅极晶体管114b、114d可以部分地由各个电池电芯单元110供电。
现在参考图5，其图解了根据本发明另一个实施方式的电池电芯模块102'。两个NMOS功率晶体管144a、144b分别用于与电池电芯单元110连接或断开连接。每个功率晶体管144连接到专用电子高侧驱动电子器件148、150，其隔离信号并提供适当高电流能力以驱动晶体管144。附加DC-DC电压转换器152用于提供具有适当高电压能力的高侧驱动电子器件148、150以驱动晶体管144。DC-DC电压转换器152从电池电芯单元110接收其正和负功率输入。电芯微控制器154控制两个高侧驱动电子器件148、150且用于确保其中一个功率晶体管144在另一个开始传导之前停止传导，以避免电芯单元短路的可能性。两个高侧驱动电子器件148、150通过从DC-DC电压转换器输入的驱动电压接收它们的电功率，并且因此间接地从电池电芯单元110接收电功率。
该实施方式的优点包括其使用具有宽范围栅极电压的各种功率晶体管的能力。然而，应认识到该实施方式涉及高侧驱动器148、150和电压转换器152的成本增加。
现在转到图6，其图解了通过确定包括占空比和时移的一组控制参数来操作电池系统100以控制电池电芯模块102的方法200。
在步骤202，中央控制器104从每个电池电芯模块102检索包括电压和潜在电流测量值，并估计每个电池电芯模块102的当前充电水平的输入204。
在步骤206，中央控制器104接收关于期望或预设输出的输入208，以确定电池系统100的所需或目标输出。如所讨论的，输出可以基于用户输入值或者由电池系统100供电的设备或装置电压要求。
中央控制器104计算目标输出和要同时连接的电芯单元的相关总数的方式将用下面的实例解释。
在该实例中，电池系统具有串联连接的100个电池电芯模块102，每个电芯模块102具有电池电芯单元110，其在完全充电时能够提供4.2V的电压并且在完全放电时提供2.7V的电压。在这个实例中，电池系统100开始于所有电池电芯单元110完全充电。电池系统将放电，同时在260-280V的窄范围内提供电池系统DC输出电压。
在这个实例中，当电池系统输出是DC波形并且所有电池电芯单元具有相同的当前电压时，可以使用以下公式计算要同时串联连接的电池电芯单元的数量Z：
其中，
Z是在任何给定时间串联连接的电池电芯单元的数量，
Vout是电池系统的目标输出电压，和
Vcell是电池系统的电池电芯单元的电压。
因此，为了提供大约270V的稳定输出电压，最初将64个电池同时串联连接(64×4.2V＝270V)。在整个放电过程中，随着电池电压的降低，控制器104将逐渐增加同时串联连接的电池的数量。最后，当电池电芯单元110接近完全放电时，所有100个电池电芯单元110将被连接以提供270V(100×2.7V＝270V)的输出。
类似地，可以选择其他电池输出值，如果所需电压低于完全放电时所有电池电芯单元110的最小电压之和，则具有特别适用性。在这些情况下，当所有电池电芯单元110已完全放电时，并非所有电池电芯单元110都连接到系统100。
在该实例中用于计算在放电期间同时连接的电池电芯单元的数量的上述公式同样可以用于计算在充电期间同时连接的电池电芯单元的数量。在那种情况下，电池系统的目标输出电压是电池的外部充电电压。
在步骤210，中央控制器104基于在步骤202检索的测量输入值204计算每个电池电芯单元110的占空比值。占空比定义开关组件112在操作期间将各个的电池电芯单元110连接到电池系统100的时间量或比例。
在步骤212，中央控制器104计算每个电池电芯单元110的时移值，并且基于在步骤202、206中获得的输入值204、208根据需要缩放在步骤210计算的占空比值。时移是用于控制特定电池电芯模块102的占空比何时开始的变量。例如，对于以1Hz系统占空比频率操作的电池系统100和具有占空比值50％的电池电芯模块102，相关联的开关组件112可以在t＝0时将相关联的电池电芯单元110连接到输出，并且在t＝0.5s时将相关的电池电芯单元110断开连接。在t＝1s时，由于1Hz频率，循环将重复。然而，电池电芯模块102替换性地在t＝0时连接，在t＝0.25s时断开连接，并且在t＝0.75s时再次连接。当每个电池电芯模块102的连接占空比发生时，时移控制以提供目标电池系统输出。
中央控制器104计算每个电池电芯模块102的占空比和时移的方式将通过以下实例进行解释。
在该实例中，电池系统100包括7个将被充电的电池电芯模块102。在这个实例中，电池系统的目标输出是电池电芯单元110的平均电压输出的3倍。为简单起见，每个电芯模块102具有它可以保持为列于下表中的“高”或“低”的最大充电容量。具有“高”容量的每个电芯模块102可以保持1.5Ah的电荷，而具有“低”电容水平的每个电芯模块102可以保持1Ah的电荷。而且，在该实例中，所有电池电芯开始处于完全放电状态，并且所有电池具有相同的电压。
电芯 容量
1 高
2 低
3 高
4 低
5 高
6 低
7 高
然而，应该理解，在实践中，电池系统100可以具有许多不同的最大电荷存储容量、开始的电荷水平和电压水平。
在该实例中，中央控制器使用以下公式计算电芯模块102的充电占空比：
其中，
Dx，charge是充电期间电池电芯单元'x'的占空比，
'Cap'是给定电池电芯单元110在完全充电时能够存储的总容量，例如，通过有时对电池电芯单元进行完全充电和完全放电确定总容量，并测量电池电芯单元在完全充电和完全放电状态之间的过渡期间能够提供的充电量，
Cx是电池电芯单元'x'的当前电荷水平，
X是分配给电池电芯单元'x'110的数值(其中每个电池电芯单元被分配一个从1到N的数字)，
N是电池系统100中电池电芯单元110的总数，
Y是暂时或永久禁用的特定电池电芯单元的指数'x'的集合，
Z是在任何给定时间需要连接的电池电芯单元110的数量，和
α和β是在等式中用于求和的变量。
上述公式为每个电池电芯模块102提供0和1(或0％和100％)之间的占空比值，表示给定电池电芯单元110经由开关组件112连接到系统100的时间百分比。
在该实例中，基于占空比公式，具有“高”电荷的每个电芯单元接收50％的占空比，并且具有“低”电荷的每个电芯单元接收33.3％的占空比。所有占空比值的总和(Dtotal)计算如下：
由于Dtotal的占空比是100％占空比的大约3倍，并且因此与Z中所需的电池数相匹配，因此不需要缩放。然而，如果Dtotal大于或小于300％，则中央控制器104可以计算缩放因子S以缩放占空比值，从而实现300％的Dtotal。然后，中央控制器104将根据缩放的占空比值控制每个电池电芯模块102。
根据步骤212，中央控制器104接下来计算每个电池电芯单元110的移位值。如所讨论的，时移定义了在给定电池系统占空比期间电芯单元在断开连接与连接之间转换的时间。
在该实施方式中，有效的第一电池电芯单元110没有时移(T1):
T1＝0
每个后续电芯单元(Tx)的时移是先前电芯单元110(Tx-1)的时移的值加上先前电芯单元110的占空比的值(Dx-1)，但不大于1：
Tx＝Tx-1+Dx-1-floor(Tx-1+Dx-1)
由上述占空比和时移值产生的电芯单元行为可以在图7中看到。在该图中，x轴表示按系统占空比测量的时间。在这种情况下，一个系统占空比表示每个电芯单元110被导通和断开的时间。y轴表示电池电芯单元110是否连接到输出器或与输出器断开连接。可见，例如，在系统开始时占空比(时间＝0％)，电芯单元1、3和5连接，并且所有其他电芯单元断开连接。在每个时间点连接三个电芯单元，其将根据需要提供每个电池电芯单元110的平均输出电压的大约3倍的总输出值。由于循环不断重复，包括电芯单元3的一些电芯单元在一个占空比的末端附近开始并继续进入下一个占空比。在操作期间，一次又一次地重复电芯单元行为，直到由中央控制器计算和分配新的占空比值，从而引起电芯模块102的切换行为的改变。
在上面的实例中，中央控制器104可以通过选择在特定时间点连接的电芯单元的数量来控制电池电芯模块102以控制系统100的总输出。虽然在上面的实例中，一次使用三个电芯单元，但在其他例子中，可以同时使用更少或更多的电芯单元以提供更高的输出电压。
在可选实施方式中，中央控制器104可以在步骤210基于以下公式计算每个电池电芯单元110的占空比。
其中，
Dx是电池电芯单元'x'的占空比，
Vt是各个电池电芯单元'x'内的电池电芯的当前电压，
Vmin是电池电芯单元'x'的电池电芯的最小允许电压(例如，当电池完全放电时)，以及
Vcharge是电池电芯单元'x'的电池充满电时的电压。
由于当前的电池电压与存储的电荷有关，上述占空比计算将为电池电芯单元110提供不同的占空比，其具有不同的存储电荷量。
在一些实施方式中，中央控制器104可以在步骤2012基于以下公式计算时移
其中，
Tx是电池电芯单元'x'的时移值，
TD是占空比的时期，其中f是电池系统的控制频率，
X是分配给电池电芯单元'x'的数值(其中每个电池电芯被分配一个从1到N的数字)，并且
N是电池系统中电池电芯单元的总数。
该公式导致电池电芯模块102的时移值在0和TD之间均匀地间隔开。因此，电池电芯单元112将以交错的方式一个接另一个地连接，这对于特定的占空比提供了理想的电压输出分布。
在步骤214，中央控制器104向电芯微控制器108和输出微控器116发出控制信号，以控制每个电池电芯模块102和输出模块106的操作，以便提供所需的输出以匹配从输入208获得的值。
现在将参考图8描述控制电池系统100以提供所需电压输出的另一方法250。
在步骤252，系统100确定Cx，当前存储在每个电池电芯单元110中的充电水平。例如，通过将测量的电池电压与查找表或电池电压的函数进行比较来确定Cx的该值，并考虑在特定条件下的剩余容量关系，其包括充电和温度和/或通过测量每个电池电芯随时间进入和/或离开的电荷量。
在步骤254，系统100确定要同时连接的电芯单元的总数，以便提供所需的输出电压。
在步骤256，电芯微控制器108检查其各个电池电芯单元110的性能参数。这些性能参数中的一些可包括温度、输出电压、电流等。在各个电池电芯单元110具有在标准或预设范围之外的性能参数的情况下，微控制器108通知中央控制器104在当前操作循环中将与其各个电芯单元102断开连接。系统100将断开连接的电池电芯单元110标记为无效的电池电芯单元110。在随后的循环中，如果确定性能参数的值在标准或预设范围内，则电芯微控制器108通知中央控制器104可以连接各个电池电芯单元110以用目前的操作周期。系统100将连接的电池电芯单元110标记为有效的电池电芯单元110。
在步骤258，系统100根据以下两个公式确定每个电芯单元110'x'的放电占空比Dx，discharge(例如，当电池系统100向负载提供电功率时)和充电占空比Dx，charge(例如，当电池系统100由外部电源充电)：
如果系统100向负载提供电功率且放电，则在放电期间如下计算特定电芯单元x的占空比：
其中，
Dx，discharge是放电期间电池电芯单元'x'的占空比，
Cx是电芯单元'x'的电流电荷水平[在步骤252中计算]。
X是分配给电池电芯单元'x'110的数值(其中每个电芯单元被分配从1到N的一个数字)，并且
N是电池系统100中的电池电芯单元110的总数。
Y是暂时或永久禁用的特定电芯单元的指数'x'的集合。[在步骤256中确定]。
Z是在任何给定时间需要连接的电池电芯单元110的数量[在步骤254中计算]。
α和β是在等式中用于求和的变量。
在式1中，放电期间所有电池电芯单元110中存在的总容量是(∑β∈YCβ)是所有电池电芯单元110的容量，由于任何给定的原因不能使用，例如，已排除的电池将其保持在其安全电压或温度操作区域中和/或保护其免于过度降级，如步骤256中所确定的。因此，从所有电池电芯单元110的总容量中减去不能使用的电池电芯单元110的总容量提供了可用电池电芯单元110的总容量(“总可用容量”)。
然后，式1将每个电芯单元x中的容量除以总可用容量-结果项指定单个电池总放电量需要多少百分比才能达到最佳放电。最后，将其转换为占空比的接通时间需要乘以需要串联连接的电池电芯单元110的数量，以提供可接受的输出电压。
如果系统100没有向负载提供电功率并且正在充电，则在充电期间特定电芯单元x的占空比计算如下：
其中，
'Cap'是给定电池电芯单元110在完全充电时可以存储的总容量，例如，通过有时电芯单元完全充电和完全放电来确定总容量，并测量电芯单元在完全充电和完全放电状态之间的整个过渡期间能够提供的电荷量。
所有其他术语对于放电方程而言具有相同的含义。
在查询步骤260，系统100确定任何电池电芯单元110的占空比是否超过1或100％。如果系统100中的任何一个或多个电池电芯单元110具有超过100％的占空比值，则方法250前进到步骤262。如果不是，则方法250前进到步骤264。
例如，当放电电池系统包括一个给定的电池电芯单元时，该电池电芯单元在放电时保持比其他电池电芯单元显著更高的存储电荷量，占空比的计算值可以超过1。类似地，这也可以在充电期间发生，此时一个电池具有与其他电池相同的存储电荷量但是具有显著更高的容量。在这些情况下，由于不可能在占空比大于100％的情况下操作任何电池电芯单元110，系统100按比例扩大那些具有占空比小于100％电池电芯单元110的占空比值，以均衡每个电池电芯单元110的输出要求，以便实现尽可能接近所需的输出。在某些情况下，这可能是不可能的，例如，不可能提供具有每个6V的输出的3个有效电池电芯单元110的24V的输出。在这种情况下，系统100可以被指示提供最接近的可能输出，或者被关闭。
在步骤262，对于所有电池电芯单元110的占空比值，除了具有恰好100％的占空比的任何电池电芯单元110之外，根据下面的公式进行缩放。
对于具有大于100％的占空比值的电池电芯单元110，缩放的占空比值Ddown为1或100％。
对于具有小于100％的占空比值的电池电芯单元110，基于下面的式3计算缩放的占空比值Dup。
其中，
Dx是每个电池电芯单元110的计算的未缩放占空比值，
Dα是每个具有超过1或100％的占空比值的电池电芯单元110的计算的未缩放占空比值。
因此，Dα-1是这些占空比值每一个超过1(“占空比盈余”)的量。
因此，∑α∈W(Dα-1)是所有具有占空比超过1的电池电芯单元110的占空比盈余总和。
W是具有超过1的未缩放的占空比值的特定电池电芯单元110的指数'x'的集合，并且α是用于等式中的求和的变量。
∑β∈VDβ,x是具有小于1的未缩放占空比值的电池电芯单元110的占空比值的总和。
V是具有小于1的未缩放占空比值的特定有效电池电芯单元110的指数'x'的集合，并且
α和β是在等式中用于求和的变量。
如果步骤262导致具有小于1的未缩放占空比值的任何电芯单元超过1，则重复缩放步骤262，其中所有未缩放的占空比用在先前缩放步骤期间计算的占空比值替换。这样做直到所有缩放的占空比具有100％或更低的值。如果式3中的占空比计算得出除以零，则表明输出要求和可用电芯单元基本上不兼容，此时系统可能转变为部分降低功能的状态或完全与取决于用户设置的输出断开连接。
在步骤264中，系统100基于在先前步骤中计算的其各个占空比值(按比例缩放或未缩放)计算每个有效电池电芯单元110的时移值。如上所述，如果在步骤258中计算的占空比值都不超过1，则将使用未缩放的占空比值，否则使用在步骤262中计算的缩放的占空比值。
第一连接的电池电芯单元110没有时移，因此：
T1＝0
每个后续电芯单元的时移(Tx)是先前电池电芯单元110(Tx-1)的时移的值加上先前电池电芯单元110(Dx-1)的占空比的值，但不大于1：
Tx＝Tx-1+Dx-1-floor(Tx-1+Dx-1)
包含floor函数项确保如果Tx-1+Dx-1是1或更大，然后则减去1以返回Tx到等于或大于0且小于1的分数。如果floor函数内的项等于或大于0且小于1，然后floor函数返回0值，并且不参与时移计算。结果是，有效电池电芯单元110以交错的方式连接和断开连接，以提供等于或紧密匹配所需输出分布的输出分布。
在步骤266，中央控制器104向电芯微控制器108和输出微控制器116发出控制信号，以控制每个电池电芯模块102和输出模块106的操作，以便提供所需的输出。
在图1所示的配置中，方法250的步骤主要由中央控制器104执行。每个电芯微控制器108将每个电池电芯单元110的对应的值通信到中央控制器104，并且解密从中央控制器104到其各个电池电芯单元110的相关的占空比和时移值，并且使用这些值来控制各个开关组件114以在适当的时间断开连接或连接各个电池电芯单元110。然而，在其他配置中，如果不使用中央控制器104，则可以在电芯微控制器108的任何一个或多个中执行上述方法步骤。
现在将在下面参考图8至11解释方法250的实例。
假设电池包由六个电池电芯单元组成，其中x＝1到6，电池电芯单元具有各个容量2、3、4、4、5和6Ah，并且其中每个电池电芯单元在完全充电时提供大约4V的输出电压，半充电时提供3.5V的输出电压，放电时提供3V的输出电压。该电池包开始完全充电并首先放电并且然后充电，同时提供范围在10.5-14V之间的输出电压。在放电开始时，所有单元都是功能性的，因此没有指数为Y的电芯。当它开始放电时，系统计算出在输出电压范围内提供电压时，需要同时使用三个电池—由于4V/电芯*3电芯＝12V。可以如下计算得到的电芯占空比：
基于先前提供的时移公式和过程，可以如下计算电芯单元时移：
T1＝0
T2＝T1+D1-floor(T1+D1)＝0+25％-floor(25％)＝25％
T3＝25％+37.5％-floor(62.5％)＝62.5％
T4＝62.5％+50％-floor(62.5％+50％)＝112.5％-1＝12.5％
T5＝12.5％+50％-floor(62.5％)＝62.5％
T6＝62.5％+62.5％-floor(62.5％+62.5％)＝125％-1＝25％
由上述占空比和时移值产生的电芯单元行为可以在图9中看到。可见，当电芯单元1断开连接时，电芯单元2变成连接。在右边可以看到的结果是在所有时间点连接的具有4个电芯单元的系统。
当电池电芯单元被放电一半时，电芯单元x＝1至6具有相应剩余存储电荷1、1.5、2、2、2.5和3Ah。此时，电池包的电压已达到3.5V/电芯*3电芯＝10.5V。由于进一步放电电池包将导致电池输出电压降至10.5V以下，系统计算出同时使用四个电芯继续放电是理想的，因为3.5V/电芯*4电芯＝14V，即所需电压范围的高端，随着电池包继续放电，电池包电压的空间减小。更改为电池1、4和6的四个电芯即刻之前的占空比可以计算为与上述相同：
类似地，更改前的时移值在以下位置保持相同：
T1＝0
T2＝T1+D1-floor(T1+D1)＝0+25％-floor(25％)＝25％
T3＝25％+37.5％-floor(62.5％)＝62.5％
T4＝62.5％+50％-floor(62.5％+50％)＝112.5％-1＝12.5％
T5＝12.5％+50％-floor(62.5％)＝62.5％
T6＝62.5％+62.5％-floor(62.5％+62.5％)＝125％-1＝25％此更改后的占空比可以按如下方式计算：
对应的时移可以如下计算：
T1＝0
T2＝33.3％-floor(33.3％)＝33.3％
T3＝33.3％+50％-floor(33.3％+50％)＝83.3％
T4＝83.3％+66.7％-floor(83.3％+66.7％)＝150％-1＝50％
T5＝50％+66.7％-floor(50％+66.7％)＝116.7％-1＝16.7％
T6＝16.7％+83.3％-floor(16.7％+83.3％)＝100％-1＝0％
由上述占空比和时移值产生的电芯单元行为可见于图10中。
假设在该改变即刻之后进一步，系统基于当前温度或电压测量确定电芯单元3应该临时断开连接以便延长其操作寿命。在这种情况下，占空比的变化如下：
电芯单元3暂时断开连接，这意味着它的占空比为0。
如前所述，任何给定电芯的占空比不能超过100％。由于电池6的占空比在没有其上限的情况下将超过该数量，因此缩放被发挥作用。由此可见，在上面的实例中，在任何时间点都不再提供串联的4个电池，因为连接电池的占空比总和为40％+60％+80％+100％+100％＝3.8，即不再是整个操作串联的4个同时电芯所需的4个电池。
根据先前给出的缩放公式，重新计算每个电池的容量<100％。因此，电池1、2和4的新占空比变为：
在此缩放之后，占空比的总和可以计算为44.4％+66.7％+88.9％+100％+100％＝4。这样，所得到的系统操作能够根据需要提供4个串联电池以同时连接。
对应的时移值可以如下计算：
T1＝0
T2＝44.4％-floor(44.4％)＝44.4％
T3＝44.4％+66.7％-floor(44.4％+66.7％)＝111.1％-1＝11.1％
T4＝11.1％+0％-floor(11.1％+0％)＝11.1％
T5＝11.1％+88.9％-floor(11.1％+88.9％)＝100％-1＝0％
T6＝0％+100％-floor(100％)＝100％-1＝0％
由上述占空比和时移值产生的电芯单元行为可见于图11中。
上述实例说明系统如何产生DC输出电压分布，但电池系统100可以类似地能够产生其他输出波形。通过选择输出为整流后的正弦波形式，这可以简化到AC输出的转换。电池系统100还能够基于用户输入或者连接到输出的设备所需的不同输出波形之间切换。
为了提供AC输出，中央控制器104确定在任何给定时间连接的电池电芯单元110的数量，以提供某一频率(例如家庭住户使用的50或60Hz)的输出电压波动。例如，可以控制包括100个电池电芯模块102的电池系统，使得系统在没有连接的电池电芯单元110(输出＝0V)，与连接的电池数量增加之间交替，直到给定的总输出电压水平达到，例如达到270V为止，然后再次降低并降至零之前。通过及时地这样做，可以产生整流后的正弦波。整流后的正弦波的优点是使用相对简单和标准的一组电子开关，例如H桥，该输出可以转换成正负振荡50/60Hz信号。任选地，标准AC变压器可以另外用于将AC信号增加或减少到所需的水平(例如，输出电压可以减小到230V)。
现在将参考图12描述控制电池系统100以提供所需电压输出的另一方法600。
在步骤602，系统100确定每个电池电芯单元110的电压Vx和当前存储在每个电池电芯单元110中的电荷水平Cx。例如，通过将测量的电池电压与查找表或电池电压的函数进行比较来确定Cx的该值，并考虑包括电荷和温度在内的特定条件下的剩余容量关系和/或通过测量随时间进入和/或离开每个电池电芯单元的电荷量。
在步骤604，电芯微控制器108检查其各个电池电芯单元110的性能参数。这些性能参数中的一些可包括温度、输出电压、电流等。在各个电池电芯单元110具有在标准或预设范围之外的性能参数的情况下，微控制器108通知中央控制器104在当前操作循环中将断开连接其各个电芯单元102。系统100将断开连接的电池电芯单元110标记为无效的电池电芯单元110。在随后的循环中，如果确定性能参数的值在标准或预设范围内，则电芯微控制器108通知中央控制器104可以连接各个电池电芯单元110以用于目前的操作周期。系统100将连接的电池电芯单元110标记为有效电池电芯单元110。
在步骤606，系统100计算可用的电池电芯单元110的所有可能组合并计算相关联的组合电压。组合电压是作为组合的一部分的所有电芯单元的电芯单元电压的总和。然后，系统100形成包含可用的电芯单元组合和组合电压的查找表。
在一个实例中，电池系统100包含5个电池电芯单元110，每个电芯单元具有充电容量、存储的电荷和电压如下表所示。
下面提供了定义的多个组合的选择子集和可以计算的组合电压。
在步骤608，系统100使用查找表将预设或期望的系统输出电压与电芯单元的组合相匹配。然后，系统100使用该查找表来定义每个电芯单元110的一个或多个占空比和时间延迟。
在上面的实例中，所期望的系统输出电压可以是图13中图解的非线性、正弦目标电压。系统继续与此分布匹配在电压方面最接近的各个组合并定义为了达到最佳匹配所需的占空比和时间延迟。在一些实施方式中，系统可以在系统目标和组合电压之间的不匹配期间(例如，在t<0.05×10-2秒的实例中)，另外使用脉冲宽度调制方法来进一步改善电压匹配。在图14中可以看到由相关的占空比和时移值产生的电芯单元行为。图13中可以看到由相关的占空比和时移值产生的系统电压。
在步骤610，电池系统进行在最佳目标电压匹配和电池容量的最佳使用之间的权衡过程。假设上面的实例并且电池包要放电，该过程根据以下数学不等式检查所有两个电芯的组。
其中，
Cx,used是存储在第一电池电芯单元110中的电荷，第一电池电芯单元意图在由特定占空比和时移定义的时间T连接，
Cy,unused存储在第二电池电芯单元110中的电荷，第二电池电芯单元意图在时间T断开连接，
F是一个值大于零的权衡因素，其定义了提供与最大化电池包中可接入容量的重要性相比，接近所需输出电压的系统输出电压的重要性，
VT,used是意图在时间T连接的第一电池电芯单元110的电压，
并且VT,used是意图在时间T断开连接的第一电池电芯单元110的电压。
如果对于给定的一组电芯单元发现上述不等式是真实的，那么在给定时间T意图断开连接的电池电芯单元110将在那时连接，而在那时意图连接的电池将在那时断开连接。这个公式有效地确保了如果一个具有较大存储电荷的电芯单元意图断开连接，而另一个具有较低存储电荷的电芯单元要连接，但它们的电压不会极度地不相同，那么它们会切换角色，因此有更大的剩余容量的电芯单元可以对输出做出更多贡献。因为在上面的具体实例中，所有电芯单元具有相同的存储电荷，对于任何一组两个电芯单元，不等式不成立并且不会发生权衡。
在步骤612，中央控制器104向电芯微控制器108和输出微控制器116发出控制信号，以控制每个电池电芯模块102和输出模块106的操作，以便提供所需的输出。
现在转到图15，其示出了包含电池系统100的部件的电池系统300，以及进一步包括逆变器302。逆变器302转换从端子304输出的DC电压(如上所述生成)并在输出端306处将DC信号转换成AC信号。
图16图解了电池系统400的一个实施方式，其包括电池系统100的部件，并且进一步包括H桥402。电池系统400可以提供“单侧”信号，诸如如前所述的在端304处的整流后的正弦波输出，并且H桥402转换波形以在输出端子406处提供正负振荡。
图17图解了电池系统500进一步的实施方式，其包括电池系统400的部件，并且进一步包括变压器502。类似于图9，输出端504提供具有振荡正负波形的输出信号。变压器502能够将输出信号上升或下降到某个所需的水平。如果系统500中的电池电芯单元510的数量不允许输出电压在目标水平，则系统500可用于某些应用中。例如，如果系统500仅包括10个电池电芯单元510，每个电池电芯单元在完全充电时提供4.2V，则变压器502，如果作为升压变压器操作，允许系统500提供大于42V(10*4.2V)的总输出电压。
图18图解了根据进一步的实施方式的电池系统900，其中两个电池系统100并联连接。由于可以以前述方式控制来自电池系统100的输出电压，所以也可以通过控制两个电池系统100的相对电压来类似地控制来自每个系统100的输出电流。每个系统100的输出控制水平允许系统100以图11所示的方式兼容并行连接。虽然图11图解了每个系统100包括对应的输出模块106，但是应该理解，在某些应用中两个系统100也可以共享单输出模块106。
在标准的电池包系统中，并联的DC端可能是有问题的，因为不同的电池包具有不同的容量，并且可以从一个电池包吸取比另一个电池包更多的能量。结果，在并联连接之前，在每个电池包的输出端上经常需要DC-DC转换器，以便将电池包电压彼此脱离耦接并允许一定程度的控制，从而增加了成本。
在某些情况下，可以将根据本发明一个实施方式的电池系统100连接到标准或传统的电池系统。通常并联两个不同化学品和类型的电池包可能是有问题的，因为每个系统中的电池各自遵循不同的电压分布。然而，使用电池系统100，可以配置电池系统100以匹配标准或传统电池包系统的电压分布以进行并联连接。
图19图解了根据进一步的实施方式的电池系统，其中中央微控制器具有与每个分布式控制器的专用通信线路。在该实施方式中，只有输出模块包含分布式控制器，而开关组件经由来自中央微控制器的专用线路接收控制信号，而没有除电隔离之外的本地处理。该实施方式具有通过避免需要与电芯单元开关组件相关联的分布式控制器来降低控制器成本的优点，但是具有到每个开关组件的专用信号线路的缺点，这可能增加系统布局复杂性并降低可靠性。
图20图解了根据进一步的实施方式的电池系统，其中中央微控制器经由共享通信线路与半分布式微控制器通信，该半分布式微控制器进而具有到电池电芯模块的专用通信线路。在该实施方式中，在中央微控制器和半分布式微控制器之间的通信信号上实现电隔离。因此，每个半分布式微控制器在接地电位下操作，该电位等于或接近其控制的对应的电芯模块的接地电位。
图21图解了根据进一步的实施方式的电池系统，其中中央微控制器经由共享通信线路与半分布式微控制器通信，该分布式微控制器进而具有到电池电芯模块的专用通信线路。在该实施方式中，对半分布式微控制器与其控制的对应的电芯模块之间的信号实施电隔离。因此，每个半分布式微控制器在接地电位下操作，该电位等于或接近其他半分布式微控制器和/或中央微控制器的接地电位。
图22图解了根据进一步实施方式的电池系统，其在多个分布式微控制器之间具有一条或多条共享通信线路。替代地，为控制器104保留的控制决策由分布式控制器中的一个或由几个联合制成。
图23图解了根据进一步的实施方式的电池系统，其中许多分布式微控制器经由电功率线路进行通信。替代地，为控制器104保留的控制决策由分布式控制器中的一个或由几个联合制成。
释义
包括权利要求的本说明书旨在解释如下：
说明书中描述的实施方式或实例旨在说明本发明，而不是限制其范围。如本领域技术人员容易想到的，本发明能够通过各种修改和添加来实施。因此，应该理解，本发明的范围不限于所描述或说明的确切结构和操作，而是仅由所附权利要求限制。
仅仅在说明书中方法步骤或产品要素的公开内容不应被解释为对本文要求保护的发明是必要的，除非明确说明如此或在权利要求中明确记载。
权利要求中的术语具有最广泛的含义，如相关日期本领域普通技术人员将给出的含义。
除非另有明确说明，否则术语“一”和“一个”表示“一个或多个”。
本申请的标题和摘要都不应被视为以所要求保护的发明的范围的任何方式进行限制。
在权利要求的前序部分描述了要求保护的发明的目的、益处或可能的用途的情况下，其并不将要求保护的发明限制为仅具有该目的、益处或可能的用途。
在说明书中，包括权利要求，术语“包括”和该术语的变体，诸如“包含”或“含有”，用于表示“包括但不限于”，除非另有明确说明，或者除非在上下文或用法需要对该术语进行排他性解释。
本文提及的任何文件的公开内容通过引用结合到本专利申请中作为本公开内容的一部分，但仅用于书面描述和实现的目的，并且绝不应用于限制、定义或以其他方式解释任何本申请中的术语，其中本申请没有通过引用并入，将不会提供可确定的含义。任何以引用方式并入并不构成对任何并入文件中包含的任何陈述、意见或论据的任何认可或批准。
在本说明书中对任何背景技术或现有技术的引用不是承认这样的背景技术或现有技术构成相关领域中的公知常识，或者是与权利要求的有效性相关的其他可接受的现有技术。

Claims (24)

1.一种电池系统，包括：
串联连接的多个电池电芯单元，
一个或多个开关组件，和
两个或多于两个控制器，其用于确定一个或多个控制参数，并基于所述一个或多个控制参数控制所述一个或多个开关组件以选择性地将来自所述多个电池电芯单元的任何一个电池电芯单元与任何其他电池电芯单元的连接断开，以及
将来自所述多个电池电芯单元的任何一个电池电芯单元与任何其他电池电芯单元以串联的方式电连接，
以便基于电池电芯单元的选择性连接和断开提供具有可控AC或整流后的DC电压分布的系统输出，所述两个或多于两个控制器配置为同步操作，且
其中，所述控制器中的至少一个配置成生成用于所述两个或多于两个控制器的所述一个或多个开关组件的时间同步的同步信号。
2.根据权利要求1所述的电池系统，其中所述控制器控制开关组件选择性地允许
在第一状态下操作，在第一状态下，第一电池电芯单元和第二电池电芯单元以串联的方式电连接且第三电池电芯单元被断开连接，
在第二状态下操作，在第二状态下，第一电池电芯单元和第三电池电芯单元以串联的方式电连接且第二电池电芯单元被断开连接，且
在第三状态下操作，在第三状态下，第二电池电芯单元和第三电池电芯单元以串联的方式电连接且第一电池电芯单元被断开连接。
3.根据权利要求1或2所述的电池系统，还包括配置成在所述两个或多于两个控制器之间通信仅时间同步信号的同步线路。
4.根据权利要求1或2所述的电池系统，还包括配置成在所述两个或多于两个控制器之间通信至少时间同步信号的同步线路。
5.根据权利要求3或4所述的电池系统，其中，时间同步信号包括单一时间信号。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电池系统，其中，由所述两个或多于两个控制器用以控制开关组件的控制参数基于下述测量值中的至少一个：电池系统电压，电池系统电流，提供给连接负载的电压，每个电池电芯的最大充电电压，每个电池电芯的最小放电电压，电芯电压，和/或多个电芯电压的结合。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电池系统，其中每个电池电芯单元由相应控制器控制。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的电池系统，其中两个或多于两个电池电芯单元由共享控制器控制。
9.根据前述权利要求中任一项所述的电池系统，其中控制器中的至少一个是用于为一个或多个其他控制器生成控制信号的中央控制器。
10.根据前述权利要求中任一项所述的电池系统，还包括用于控制所述系统输出的输出模块，其中所述输出模块具有一个或多个输出开关，用于选择性地将已连接的电池电芯单元连接到所述系统输出或与所述系统输出断开连接。
11.根据前述权利要求中任一项所述的电池系统，还包括在所述系统输出处的用于平滑输出电压的电容器。
12.根据前述权利要求中任一项所述的电池系统，还包括在所述系统输出处的用于平滑输出电流的电感器。
13.根据前述权利要求中任一项所述的电池系统，其中所述多个电池电芯单元包括至少两个具有基本上为5％或更多电荷存储容量差的电池电芯单元。
14.根据前述权利要求中任一项所述的电池系统，其中所述控制参数之一包括用于所述电池电芯单元中的每个的时移，并且其中所述时移确定各个电池电芯单元与所述多个电池电芯单元中的一个或多个其他电池电芯单元以串联的方式电连接的时间。
15.根据前述权利要求中任一项所述的电池系统，其中所述控制参数之一包括用于所述电池电芯单元中的每个的占空比，并且其中所述占空比确定当各个电池电芯单元与所述多个电池电芯单元中的一个或多个其他电池电芯单元以串联的方式电连接时，为各个电池电芯单元维持电连接的时间百分比。
16.根据前述权利要求中任一项所述的电池系统，其中至少一个开关组件包括：
用于接收来自所述控制器中的至少一个的控制信号的栅极驱动电子器件，所述栅极驱动电子器件具有用于将至少一个开关组件与所述控制器隔离的一个或多个隔离元件，和
一个或多个开关元件，用于传导在串联连接的电池电芯单元之间的直流电路中流动的电流；且
其中所述隔离元件的数量小于所述开关元件的数量。
17.根据权利要求16所述的电池系统，其中所述栅极驱动电子器件包括光耦合器。
18.根据前述权利要求1至15中任一项所述的电池系统，
其中，第一开关组件配置为控制一个或多个对应的电池电芯单元，所述第一开关组件包括用于接收来自控制器中的至少一个的控制信号的栅极驱动电子器件，
其中，所述栅极驱动电子器件至少部分地由一个或多个对应的电池电芯单元供电。
19.根据前述权利要求中任一项所述的电池系统，其中开关组件中的一个或多个均包括最多两个开关元件。
20.根据前述权利要求中任一项所述的电池系统，还包括AC/DC转换器，用于将电池系统输出处的直流电信号转换成交流电。
21.根据前述权利要求中任一项所述的电池系统，还包括H桥电路，用于将整流后的正弦波输出信号转换为全正弦波输出信号。
22.根据前述权利要求中任一项所述的电池系统，还包括用于在系统输出处改变电压振幅的变压器。
23.一种包括两个或多于两个根据前述权利要求中任一项所述的电池系统的电池包系统，其中所述两个或多于两个电池系统以并联的方式电连接，所述电池包系统配置为调节电池系统中的每个的系统输出。
24.一种用于控制根据前述权利要求1至22中任一项所述的电池系统的方法。
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