CN110546851B - 用于功率储存和分配的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

根据一个方面，本发明的实施例提供了一种功率系统，该功率系统包括：包括多个功率连接件的输入功率分配电路；耦合到多个功率连接件中的第一功率连接件的第一电源；可扩展电池组，其包括耦合到多个功率连接件中的第二功率连接件的至少第一电池模块，第一电池模块包括第一电池和第一电池充电器，第一电池充电器和第一电源是可移除的和可互换的；以及输出功率分配电路，其耦合到第一电源和第一电池，并且被配置成提供从第一电源和第一电池中的至少一个获得的输出功率。

Description

用于功率储存和分配的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年5月30日提交的标题为“System and Method for PowerStorage and Distribution”的美国申请序列号US 15/608,155的优选权，该申请通过引用以其整体并入本文以用于所有目的。
发明背景
发明领域
根据本发明的至少一个示例总体上涉及智能能量储存和功率分配。
相关技术的讨论
太阳能、电池和电网功率系统是众所周知的，它们包括为远程位置中的无线互联网服务提供商(ISP)供电的那些系统。随着新兴经济体对互联网的依赖增加，持续可靠的互联网网络接入的重要性显著提高。然而，在许多不发达和/或发展中国家，可靠电网功率系统的可接入性仍然有限，并限制了可靠互联网网络接入的可用性。因此，许多本地ISP依赖单个不可靠的能源的组合来为网络部件供电。由于能源和网络部件的物理分布性质以及接收到的功率的质量不一致，使用本地电池储存来满足可用性需求对于网络部件是至关重要的。
概述
各方面和实施例总体上涉及智能功率储存和分配系统及方法。本文讨论的各方面和实施例的示例解决了具有单个集成功率系统的远程网络设备的大量功率储存和能量消耗需求。本文描述的示例功率系统的特定实现解决了影响新兴经济体(例如在不发达和/或发展中国家中的那些经济体)的可变能量容量、灵活运行时间容量和低启动成本考虑。
根据一个方面，提供了一种功率系统。在一个示例中，功率系统包括：包括多个功率连接件(connection)的输入功率分配电路；耦合到多个功率连接件中的第一功率连接件的第一电源；可扩展电池组，其至少包括耦合到多个功率连接件中的第二功率连接件的第一电池模块，第一电池模块包括第一电池和第一电池充电器，其中，第一电池充电器和第一电源是可移除的和可互换的；以及输出功率分配电路，其耦合到第一电源和第一电池，并且被配置成提供从第一电源和第一电池中的至少一个获得的输出功率。
根据某些示例，输出功率分配电路还包括公共DC(直流)总线线路，在第一操作模式期间，第一电源耦合到公共DC总线线路并且被配置成向公共DC总线线路提供第一DC电压，以及在第二操作模式期间，第一电池耦合到公共DC总线线路并且被配置成向公共DC总线线路提供第二DC电压。在一个示例中，第一电池充电器还在第三操作模式期间耦合到公共DC总线线路，并且被配置成向公共DC总线线路提供第三DC电压。根据一个示例，输出功率分配电路还包括至少第一输出选项卡，该第一输出选项卡耦合到公共DC总线线路，并且被配置成向第一负载提供第一可调输出。
在一些示例中，输出功率分配电路还包括至少第二输出选项卡，该第二输出选项卡耦合到公共DC总线线路，并且被配置成向第二负载提供第二可调输出，该第二可调输出具有与第一可调输出不同的输出功率配置。根据一个示例，输出功率分配电路还包括云使能控制电路，该云使能控制电路被配置成监控至少第一输出选项卡和第二输出选项卡。在一个示例中，第一输出选项卡还包括以太网供电注入器。
根据某些示例，功率系统还包括耦合到多个功率连接件中的第三功率连接件的第二电源，并且第二电源与第一电源并联耦合。在一个示例中，可扩展电池组还包括耦合到多个功率连接件中的第四功率连接件的第二电池模块，第二电池模块包括第二电池和第二电池充电器，并且第二电池充电器、第一电池充电器以及第一电源是可移除的和可互换的。
在一个示例中，第一电池模块还包括直接连接件，该直接连接件被配置成当第一电池模块从功率系统移除时，从替代功率源接收输入功率。根据一个示例，第一电池充电器包括最大功率点跟踪器(MPPT)电路。在一个示例中，输出功率分配电路还包括功率质量监控器，该功率质量监控器被配置成测量在输入功率分配电路处接收的输入功率的功率质量。
根据一个方面，提供了一种用于功率分配的方法。在一个示例中，该方法包括：在输入功率分配电路处接收输入功率，该输入功率分配电路耦合到至少第一电源和可扩展电池组的第一电池模块；将输入功率分配给至少第一电源和第一电池模块的第一电池充电器，其中，第一电池充电器和第一电源是可移除的和可互换的；在第一操作模式期间，从第一电源向公共DC(直流)总线线路提供第一DC电压；在第二操作模式期间，从第一电池模块的第一电池向公共DC总线线路提供第二DC电压；以及提供从第一电源和第一电池中的至少一个获得的输出功率。
根据某些示例，该方法还包括在第三操作模式期间，从第一电池充电器向公共DC总线线路提供第三DC电压。在一些示例中，该方法还包括从耦合到公共DC总线线路的第一输出选项卡向第一负载提供第一可调输出。根据一个示例，该方法还包括从耦合到公共DC总线线路的第二输出选项卡向第二负载提供第二可调输出，并且该第二可调输出具有与第一可调输出不同的输出功率配置。在一个示例中，该方法还包括为第一负载和第二负载指定优先级，根据指定的优先级提供第一可调输出和第二可调输出。
在一个示例中，在输入功率分配电路处接收输入功率包括从太阳能板功率源接收输入功率。根据一个示例，该方法还包括监控输入功率的功率质量，并且至少部分地基于监控的功率质量在第一操作模式和第二操作模式之间切换。
根据一个方面，提供了一种功率系统。在一个示例中，功率系统包括：耦合到功率源以接收输入功率的输入功率分配电路；耦合到输入功率分配电路以接收输入功率的多个电源；包括多个电池模块的可扩展电池组，每个电池模块包括电池和电池充电器，并且每个电池充电器与多个电源中的至少一个是可互换的，其中，每个电池模块耦合到输入功率分配电路以接收输入功率；耦合到多个负载的输出功率分配电路，输出功率分配电路被配置成将从多个电源中的至少一个或多个电池模块中的至少一个获得的可调输出功率传送到多个负载中的每个负载；以及外壳，其被定位成封装功率系统。
以下还对这些示例性方面和实施例的其他方面、实施例以及优点进行详细地讨论。此外，应当理解，上述信息和下面的详细描述都仅仅是各个方面和实施例的说明性的示例，并且旨在提供用于理解所要求保护的方面和实施例的性质和特性的综述或者框架。本文所公开的任何实施例可以以任何方式与和在本文中公开的目标、目的以及需要中的至少一个一致的任何其他实施例结合，及对“实施例”、“一些实施例”、“替代实施例”、“各种实施例”、“一个实施例”或类似短语的引用并不一定是相互排斥的，并且旨在指示出结合实施例所描述的特定的特征、结构或特性可以被包括在至少一个实施例中。本文中这类术语的出现不一定都指同一实施例。
附图简述
下面参照附图讨论至少一个实施例的各个方面，附图并没有被规定为按比例绘制。附图被包括以提供对各个方面和实施例的说明和进一步的理解，并且被并入该说明书并构成该说明书的一部分，但是不旨在作为对本发明的限制的定义。在附图中，在不同图中示出的每个相同或几乎相同的部件由相似的数字表示。为了清楚的目的，可能不是每个部件都在每个附图中被标出。在附图中：
图1是根据本发明各方面的示例功率系统的框图；
图2是根据本发明各方面的图1中所示的示例功率系统的示例电池模块的框图；
图3是根据本发明各方面的图1中所示的示例功率系统的另一示例电池模块的框图；
图4是根据本发明各方面的图1中所示的示例功率系统的示例结构布局；
图5是根据本发明各方面的图1中所示的示例功率系统的另一示例结构布局；以及
图6是根据本发明各方面的用于分配功率的方法的示例过程流程。
发明的详细描述
各方面和实施例总体上涉及智能功率储存和分配系统及方法。本文描述的示例功率系统的特定实现解决了影响新兴经济体(例如不发达和/或发展中国家中的那些经济体)的可变能量容量、灵活运行时间容量和低启动成本考虑。在某些示例中，本文描述的功率系统可以包括至少一个电源和至少一个电池充电器，它们能够从功率系统移除以及被互换。在这样的示例中，电源和电池充电器的适应性和互换性允许用户在使用的整个生命周期内动态地扩展和改编系统。
本文所讨论的系统和方法的示例在应用中不限于在以下描述中阐述的或者在附图中示出的构造细节和部件的布置。系统和方法能够在其他实施例中实现，并且能够以各种途径来实践或执行。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讨论的动作、部件、元件以及特征不旨在排除在任何其他的示例中的类似作用。
另外，本文所用的措辞和术语是出于描述的目的，而不应视为限制性的。对本文中以单数提及的系统和方法的示例、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，并且对本文的任何实施例、部件、元件或者动作以复数的任何引用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不旨在限制目前公开的系统或者方法、它们的部件、动作或者元件。本文使用“包括”、“包含”、“具有”、“含有”、“涉及”及其变型意在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”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，在该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，在并入的特征中的术语用法作为对本文件中的术语用法的补充；对于不可调和的区别，以该文件中的术语用法为准。
如上所述，在不发达和/或发展中国家以及在农村地区，许多本地ISP依赖单个不可靠的能源的组合来为网络部件供电。由于能源和网络部件的物理分布性质以及接收到的功率的质量不一致，操作网络部件所需的可变的能量容量和运行时间容量在使用的整个生命周期内可能截然不同。此外，当需求发生变化时，现有的功率储存和分配系统的安装、操作和更新成本可能是昂贵的。
因此，各方面和实施例提供了一种改进的功率系统，该功率系统可以被递增地和动态地修改以适应变化的功率需求和运行时间需求。此外，这些方面和实施例可以递增地扩展，以提供低成本的功率储存和分配系统，该系统可以在系统的生命周期期间被扩大或减小。下面参照图1-6讨论本文描述的示例功率系统和方法的各种其他优点和益处。
图1是根据某些方面和实施例的示例功率系统100的框图。例如，图1所示的示例功率系统100的特定实现可以包括不间断电源(UPS)。在所示示例中，功率系统100可以包括输入功率分配电路102、一个或更多个电源104、可扩展电池组106和输出功率分配电路108。如所示的，可扩展电池组106可以包括一个或更多个电池模块116，并且每个电池模块116可以各自包括电池120和电池充电器118。为了便于说明，示例功率系统100被示为包括第一电源104、第二电源104和第三电源104以及第一电池模块116、第二电池模块116和第三电池模块116。在各种实施例中，功率系统100可以包括任何合适数量的电源104和电池模块116。此外，附加电源104和/或任何合适数量的电池模块116可以被添加到功率系统100和/或从功率系统100移除，这取决于特定的负载需求。
在某些实施例中，输入功率分配电路102从功率源接收输入功率(总体上被示出为箭头122)，并通过耦合到电源104或电池模块116的功率连接件112分配输入功率。如所示的，每个电源104和每个电池模块116可以经由相应的功率连接件112与输入功率分配电路102电耦合。在第一操作模式(例如，主功率操作模式)期间，每个电源104向可以给负载供电的输出功率分配电路108提供DC(直流)电压。在第二操作模式(例如，备用操作模式)期间，相应电池模块116的每个电池120向可以给负载供电的输出功率分配电路108提供DC电压。基于从电源104或电池120获得的功率(例如，接收到的DC电压)，输出功率分配电路108向负载提供可调节的输出。在某些实施例中，输出功率分配电路108可以包括控制电路，例如云使能控制电路124，控制电路被配置成监控功率系统100，并且在第一操作模式和第二操作模式之间切换功率系统100，反之亦然。
尽管本文附图的几个视图中的元件可以在框图中被示出和描述为分立元件，并且可以被称为“电路(circuitry)”或“电路(circuit)”，但是除非另有说明，否则这些元件可以被实现为模拟电路、数字电路或执行软件指令的一个或更多个微处理器中的一种或其组合。例如，软件指令可以包括数字信号处理(DSP)指令。除非另有说明，信号线可以被实现为分立的模拟或数字信号线、具有适当信号处理的单个分立数字信号线或者无线通信系统的元件。处理操作中的一些操作可以通过其他模拟或数字信号处理技术来执行，并且被包括在本专利申请的范围内。除非另有说明，控制信号可以数字或模拟形式编码。附图中可能未示出传统的数模或模数转换器。
在各种实施例中，输入功率分配电路102可以从各种功率源接收输入功率。例如，输入功率分配电路102可以包括AC(交流)功率分配板，并且可以接收AC功率输入。在这样的示例中，输入功率分配电路102可以耦合到一个或更多个AC功率源，例如电网和/或AC发电机。然而，在其他示例中，输入功率分配电路102可以包括DC功率分配板，并且可以接收DC功率输入。在这样的示例中，输入功率分配电路102可以耦合到一个或更多个DC功率源，例如一个或更多个太阳能板功率源、一个或更多个外部电池系统、或者一个或更多个燃料电池系统。
如图1所示，输入功率分配电路102向一个或更多个功率连接件112提供公共输入。在某些实施例中，输入功率分配电路102在功率输入连接器(例如带盖的硬线接线盒和IEC60320入口)处接收输入功率。一旦接收到输入功率，输入功率分配电路102可以为每个电源104和电池模块116提供浪涌保护功能和一个或更多个滤波功能。在一个示例中，输入功率分配电路102可以包括浪涌保护设备，例如金属氧化物变阻器(或其他合适的浪涌保护设备)，该浪涌保护设备被布置成限制施加到每个电源104和每个电池模块116的电压。根据某些实施例，输入功率分配电路102的每个功率连接件112是“触摸安全的”功率输出连接，例如IEC 60320 C13或C14电器耦合器。
如图1所示，每个电源104(例如，第一电源、第二电源和第三电源)耦合到输入功率分配电路102的相应功率连接件112，并且被配置成从其接收输入功率。每个电源104可以基于功率系统100的预期负载来确定大小，并且可以在40W至200W的额定值之间变化。每个电源104可以与功率系统100内的其他电源隔离，并且在某些实施例中，每个电源104可以并联耦合以实现系统扩展。也就是说，可以向功率系统100添加附加电源104，以“适当调整(rightsize)”功率系统100的峰值功率电平。
例如，一个或更多个附加电源104可以被独立地添加到功率系统100，以提高峰值功率电平。同样，一个或更多个电源104可以独立地从功率系统100移除，以降低峰值功率电平。如上所讨论的，除了允许在功率系统100的寿命期间进行递增的系统升级之外，每个电源104的模块化减少了在系统故障事件中修复功率系统100所需的时间。根据某些示例，电源104可以在功率系统100的操作期间被独立地实时移除、替换或添加，而不会中断系统100的操作。
在第一操作模式期间，每个电源104向输出功率分配电路108提供DC电压。例如，耦合到输入功率分配电路102的每个电源104可以接收值在80VAC和280VAC之间的电压，并且提供值在42VDC和56VDC之间的输出DC电压。虽然图1中没有明确示出，但是在各种实施例中，每个电源104可以包括附加电路部件(例如可控AC/DC转换器或可控DC/DC转换器)以将DC电压调节到期望值。在特定实现中，每个电源104可以接收一个或更多个控制信号，该控制信号指示电源104调节提供给输出功率分配电路108的DC电压。在这样的实施例中，控制信号可以包括由云使能控制电路124生成的模拟或数字控制信号。如下面更详细讨论的，每个电源104可以耦合到输出功率分配电路108的公共DC总线。虽然控制电路在本文中被描述为在某些示例中包括云使能控制电路124，但是在各种其他实现中，控制电路可以包括本地工业控制器(例如，嵌入式微控制器)。
在各种实施例中，可扩展电池组106包括一个或更多个电池模块116，每个电池模块各自包括电池120和电池充电器118。在另外的示例中，每个电池模块116还可以包括电池监控电路。每个电池充电器118和电池监控电路可以集成在相应的电池模块116内，以确保对于功率系统100内的每个电池模块116充电时间保持恒定，而不管其中包括的电池模块116的数量如何。每个电池模块116(例如，第一电池模块、第二电池模块和第三电池模块)耦合到输入功率分配电路102的相应功率连接件112，并被配置成从其接收输入功率。特别地，每个输入连接112可以与每个电池模块116的电池充电器118耦合。
根据输入功率包括输入AC功率的示例，每个电池充电器118可以包括耦合到电池监控电路和相应电池120的AC/DC转换器。响应于接收到输入AC功率，电池充电器118可以将转换后的DC功率储存在电池120的一个或更多个单元中。根据输入功率包括输入DC功率的某些其他示例，每个电池充电器118可以包括耦合到电池监控电路和相应电池120的DC/DC转换器。例如，每个电池充电器118可以包括最大功率点跟踪(MPPT)电路。MMPT电路可以跟踪输入功率的电气特性，并调节负载的负载特性，以实现源和负载之间最高效率的功率传输。
参考图2，示出了图1所示的电池模块116的一个示例。在所示示例中，电池充电器118与电池监控电路和直接连接件202(例如，功率电缆)耦合。当相应的电池模块116从功率系统100移除时，直接连接件202可以从替代功率源接收输入功率。当电池模块116从功率系统100移除时，这样的实施例允许电池充电器118对电池120再充电。例如，直接连接件202可以将电池充电器118与并网功率条带(grid-connection power strip)、车载AC逆变器或具有AC功率输出的发电机直接耦合。如上所讨论的，在某些实施例中，每个电池模块116可以包括具有DC/DC转换器的电池充电器118。因此，在至少一个实现中，直接连接件202可以包括AC辅助电路(例如AC/DC转换器)，以允许电池模块116在其从功率系统100移除时接收AC功率。图3示出了电池模块116的一个示例，该电池模块116包括具有AC辅助电路302的直接连接件202。然而，在某些其他实现中，当电池模块从功率系统100移除时，直接连接件202可以将电池充电器118与DC功率源(例如太阳能板功率源304)直接耦合。
参考图1，每个电池模块116的电池监控电路可以执行一个或更多个操作来跟踪电池模块116(例如，电池充电器118和电池120)的性能和操作，例如充电器状态、充电的状态、一个或更多个温度、充电/放电计数和/或其他历史性能数据。在一个特定示例中，电池监控电路和/或相应电池模块116的电池充电器118可以响应于来自云使能控制电路124的一个或更多个握手请求来认证电池模块116。云使能控制电路124可以在新的电池模块116耦合到输入功率分配电路102和/或输出功率分配电路108的任何时候发送握手请求。在这样的实现中，电池充电器118和/或电池监控电路阻止电池120放电，除非电池120已经被认证并与有效负载耦合。
根据某些示例，每个电池120可以包括磷酸铁锂(LiFePO4)电池。在第二操作模式期间，相应电池模块116的每个电池120可以放电，以向输出功率分配电路108提供DC电压。例如，云使能控制电路124可以控制功率系统100来：切换到第二操作模式，从输出功率分配电路108断开一个或更多个电源104，以及使每个电池模块116的电池120放电。在各种示例中，每个电池120可以包括串联的16个单元，每个单元能够为大约300Wh的能量额定值提供3.2V的标称电压。然而，在各种其他示例中，可以使用其他合适的电池，并且电池120的特定特性可以取决于功率系统100的性能需求。
如参照电源104所讨论的，每个电池模块116可以被独立地移除、替换或添加到可扩展电池组106。特别地，在功率系统100的操作期间，每个电池模块116可以被实时移除、替换或添加，而不中断系统100的操作。向可扩展电池组106添加一个或更多个附加电池模块116可以增加可扩展电池组106的运行时间，并允许用户递增地提高系统100的性能。也就是说，附加电池模块116可以被添加到功率系统100中，以“适当调整”可扩展电池组106的运行时间。例如，一个或更多个附加电池模块116可以被独立地添加到功率系统100中以增加运行时间，或者一个或更多个电池模块116可以独立地从功率系统100移除以减少运行时间。
在特定示例中，每个电池充电器118也可以从电池模块116移除或替换。具体地，每个电池充电器118可以与每个电源104互换。每个电源104和每个电池充电器118可以具有一系列基本相同的输入连接器126和输出连接器128(例如，IEC 60320C5或C6电器耦合器)，这允许电源和电池充电器中的每一个可以以另一个的位置耦合在功率系统100内。也就是说，电源104中的每一个可以根据用户的决定被移除以及与电池充电器118交换，并且每个电池充电器118可以根据用户的决定被移除以及与电源104交换。此外，电池充电器118和电源104的模块化和互换性减少了在系统故障事件中维修功率系统100所需的时间，并降低了备件的复杂性。
虽然在某些示例中，电源104和电池120可以是向输出功率分配电路108供电(例如，DC电压)的主要源，但是在某些其他实现中，每个电池充电器118也可以向输出功率分配电路108供电。例如，在第三操作模式期间，每个电池充电器118可以直接向输出功率分配电路108提供DC电压。因此，每个电池模块116的电池充电器118可以充当冗余功率源，以当一个或更多个电源104或一个或更多个电池120发生故障时，为输出功率分配电路108供电。
如所示的，输出功率分配电路108可以耦合到电源104、电池120和/或电池充电器118中的一个或更多个。具体地，输出功率分配电路108的公共DC总线线路114可以与电源104、电池120和电池充电器118耦合，以从它们接收DC电压。被耦合到公共DC总线线路114的输出功率分配电路108可以包括一个或更多个输出选项卡110A、110B、110C(本文统称为输出选项卡110)。每个输出选项卡110可从输出功率分配电路108的相应端口移除，并且可以向负载提供可调输出。具体地，每个输出选项卡110可以提供具有不同输出功率配置的可调输出。例如，在图1所示的示例中，输出功率分配电路108被示出为包括用于提供第一DC电压(例如，12V、24V、48V或56V)的第一输出选项卡110A、用于提供第二DC电压(例如，12V、24V、48V或56V)的第二输出选项卡110B、以及包括用于提供PoE输出(例如，PoE中跨供电(IEEE802.af或IEEE 802.at))的以太网供电(PoE)注入器的第三输出选项卡110C。
如图1进一步所示，每个输出选项卡110可以包括插在DC/DC转换器132和一个或更多个输出连接器134之间的功率限制模块130。根据某些示例，每个功率限制模块130可以包括电流传感器、电流阈值检测电路和可变电阻，如果感测的电流超过阈值，该可变电阻会显著增加电阻。在其他示例中，每个功率限制模块130是串联正温度系数(PTC)可变电阻器，如果流经该PTC的电流超过某个阈值，则该PTC可变电阻器会显著增加电阻。
虽然图1示出了第一输出选项卡110A和第二输出选项卡110B都包括四个输出连接器134，但是可以使用任何合适数量的输出连接器134。在另外的示例中，以及如参照第三输出选项卡110C所示，每个输出选项卡110可以包括具有一系列以太网输入和一系列PoE输出的PoE端口136。例如，图1示出了PoE端口136具有四个10/100以太网输入和四个10/100PoE输出。在另外的示例中，每个输出选项卡110可以包括负载指示器138、跳闸复位电路140、和/或过电流保护电路(未示出)。每个负载指示器138可以指示：在相应的输出连接器134处指定范围内的输出电压的存在/不存在、和/或在输出连接器134处单独和/或合计供应的电量、和/或其他功率质量或系统状态信息。虽然在一个示例中被描述为能够提供PoE输出，但是在各种其他实现中，输出选项卡110中的一个或更多个可能能够提供PoE+或全功率PoE输出。每个输出选项卡110可以被移除、替换或添加到功率系统100，以基于负载需求进一步定制功率系统100。
在某些实施例中，除了功率系统100的其他部件，输出功率分配电路108还包括控制电路以监控和控制输出选项卡110中的每一个。例如，图1示出了包括云使能控制电路124的输出功率分配电路108，云使能控制电路124被配置成能够实现至少第一输出选项卡110A、第二输出选项卡110B和第三输出选项卡110C的远程控制和操作。在特定实现中，云使能控制电路124可以包括经由网络连接卡144(例如，SNMP或以太网)耦合到云服务提供商的控制器142。一条或更多条控制信号线146可以将输入功率分配电路102、电源104、电池模块116(例如，电池充电器118和电池120)和输出选项卡110与云使能控制电路124的设备接口148耦合。
在各种实施例中，控制器142被配置成与云服务交换信息，交换信息包括功率系统100识别信息。控制器142还可以被配置成经由网络服务器提供用户接口，从而允许用户与交换的信息进行交互，并远程控制功率系统100的一个或更多个方面。例如，交换的信息可以包括输入功率质量(例如，输入AC功率质量或输入DC功率质量)、可调输出功率信息(例如，电流和/或电压)、电池模块充电/放电状态、系统温度信息和/或活动信息等信息。在另外的实施例中，云使能控制电路124可以从云服务接收一个或更多个命令，并生成一个或更多个控制信号，以为一个或更多个输出选项卡110提供系统切换、功率循环、复位切换或其他控制操作。
例如，云使能控制电路124可以提供一个或更多个控制信号，以在第一操作模式、第二操作模式和第三操作模式种的任何一个之间切换功率系统100。具体而言，云使能控制电路124可以与位于输入功率分配电路102内的功率质量传感器耦合并通信。云使能控制电路124可以至少部分地基于所监控的输入功率的质量来提供一个或更多个切换信号。在特定示例中，云使能控制电路124还可以为耦合到输出功率分配电路108的一个或更多个负载指定优先级。在这样的实施例中，每个输出选项卡110可以至少部分地基于所指定的优先级来提供可调输出。也就是说，当可用的输入功率或电池功率减少时，或者当可用的运行时间受限时，具有相对较高优先级的输出选项卡110可以优先于那些具有相对较低优先级的输出选项卡。
根据某些示例，云使能控制电路124内的控制器142可以包括处理器、数据储存器、设备接口、用户接口和通信接口。处理器可以耦合到数据储存器、设备接口和用户接口。处理器执行一系列指令，这些指令产生储存在数据储存器中和从数据储存器中检索的操控数据。根据各种示例，处理器是市售的处理器，例如由INTEL、AMD、MOTOROLA或FREESCALE制造的处理器。然而，处理器可以是任何类型的处理器、多处理器或控制器，无论是市售的还是专门制造的。例如，根据一个示例，处理器可以包括由MOTOROLA制造的MPC823微处理器。
在其他示例中，处理器可以被配置成执行操作系统。操作系统可以向应用软件提供平台服务。这些平台服务可以包括进程间和网络通信、文件系统管理和标准数据库操控。可以使用许多操作系统中的一个或更多个，并且示例不限于任何特定的操作系统或操作系统特性。在一些示例中，处理器可以被配置成执行实时操作系统(RTOS)(例如RTLinux)或者非实时操作系统(例如BSD或GNU/Linux)。
数据储存器包括计算机可读和可写的非易失性数据储存介质，该数据储存介质被配置成储存非暂时性指令和数据。此外，数据储存器包括在处理器的操作期间储存数据的处理器存储器。在一些示例中，处理器存储器包括相对高性能的易失性随机存取存储器，例如动态随机存取存储器(DRAM)、静态存储器(SRAM)或同步DRAM。然而，处理器存储器可以包括用于储存数据的任何设备(例如非易失性存储器)，该设备具有足够的吞吐量和储存容量来支持本文描述的功能。此外，示例不限于特定的存储器、存储系统或数据储存系统。
储存在数据储存器上的指令可以包括可执行程序或可由处理器执行的其他代码。指令可以被永久储存为编码信号，并且指令可以使处理器执行本文描述的功能。数据储存器可以包括记录在介质上或介质中的信息，并且该信息可以在指令的执行期间被处理器处理。数据储存器还可以包括例如，输入功率质量(例如，输入AC功率质量或输入DC功率质量)、可调输出功率(例如，电流和/或电压)、电池模块充电/放电状态、系统温度和/或活动等信息的数据记录的说明书。该介质可以例如是光盘、磁盘或闪存等，并且可以永久地附着到处理(treatment)控制器或从处理控制器移除。
在各种实施例中，控制器142包括几个设备接口部件。这些设备接口部件中的每一个被配置成与可位于功率系统100的外壳内或其他地方的一个或更多个功率系统部件交换数据。接口使用的设备接口部件可以包括硬件部件、软件部件或两者的组合。在每个设备接口内，这些部件将控制器142物理地和逻辑地耦合到功率系统100的部件。这种物理和逻辑耦合使得控制器142能够与功率系统部件通信，并且在一些情况下，能够为功率系统部件供电或控制功率系统部件的操作。除了图1所示的功率系统部件，这些功率系统部件还可以包括各种传感器、开关和计算机联网设备。
根据各种示例，设备接口的硬件和软件部件实现各种耦合和通信技术。在一些示例中，设备接口使用导线、电缆或其他有线连接器作为导管来在控制器和功率系统部件之间交换数据。在其他示例中，设备接口使用诸如射频或红外技术的无线技术来与功率系统部件通信。设备接口中包含的软件部件使处理器能够与功率系统部件通信。这些软件部件可以包括诸如对象、可执行代码和填充数据结构等元素。这些软件部件一起提供软件接口，处理器可以通过这些接口与功率系统部件交换信息。此外，在一个或更多个功率系统部件使用模拟信号进行通信的至少一些示例中，设备接口还包括被配置成将模拟信息转换成数字信息且反之亦然的设备接口部件，以使处理器能够与功率系统部件通信。
在各种示例中，通信接口的部件经由网络连接卡144将处理器耦合到一个或更多个外部系统。根据各种示例，通信接口支持各种标准和协议，这些标准和协议的示例包括USB、TCP/IP、ETHERNET、BLUETOOTH、ZIGBEE、CAN-总线、IP、IPV6、UDP、DTN、HTTP、HTTPS、FTP、SNMP、CDMA、NMEA和GSM。应当理解，控制器142的通信接口可以实现某一范围内的其他设备之间的通信。
用户接口可以包括允许控制器142直接与诸如用户的外部实体通信的硬件和软件部件的组合。这些部件可以被配置成从诸如在功率系统100的外壳的外表面上的按钮或键盘的激活之类的动作接收信息。此外，用户接口的部件可以向外部实体提供信息。可以在用户接口内使用的部件的示例包括键盘、按钮、麦克风、触摸屏、显示屏和扬声器。
参考图4，在某些实施例中，功率系统100可以被封装在外壳内，以保护功率系统100免受环境暴露。图4示出了在一种这样的外壳402内的功率系统100的示例结构布局。如所示的，功率系统100的部件，例如电源104和电池模块116，可以可移除地被耦合到安装在外壳402的内表面上的一个或更多个机架。在图4所示的示例外壳中，每个电池模块116安装到横跨外壳402的内部横截面延伸的搁板404，并且每个电源104安装到悬挂的机架结构406。功率系统100的其他部件，例如输入功率分配电路102和输出功率分配电路108，可以耦合到外壳402的内表面408。虽然在图4中未示出，但是外壳402可以包括接入面板(例如铰链门)，该接入面板允许接入外壳402的内部和所示的功率系统100部件。图5示出了在示例外壳502内功率系统100的部件(例如，电源104和电池模块116)的另一示例布置。
如上参照图1所述，几个实施例执行储存和分配功率的过程。在一些实施例中，这些过程由功率系统(例如上面参照图1描述的系统100)来执行。这样的过程的一个示例在图6中示出。根据该示例，过程600包括接收输入功率、分配输入功率、提供第一DC电压、提供第二DC电压和提供输出功率的动作。继续参照图1所示的功率系统100及其部件来描述图6所示的过程。
在动作602中，过程600可以包括在耦合到第一电源和电池模块的输入功率分配电路处接收输入功率。如图1所示，电池模块可以是包括在可扩展电池组内的许多电池模块中的一个电池模块。在某些示例中，过程600可以包括从一个或更多个AC功率源(例如电网或发电机)接收AC输入功率。然而，在各种其他示例中，过程600可以包括从一个或更多个DC功率源(例如太阳能板功率源)接收DC输入功率。
响应于接收到输入功率，过程600可以包括将输入功率分配给功率系统的至少一个电源和/或一个或更多个电池充电器的动作(动作604)。如参照图1所示的示例功率系统所讨论的，将输入功率分配给电源和/或电池充电器可以包括将输入功率作为公共输入提供给一个或更多个功率连接件。功率连接件中的每一个可以将输入功率分配电路与相应的电池充电器或电源耦合。如上面参照图1进一步讨论的，在各种实施例中，每个电源和每个功率充电器可以是可移除的和可互换的。因此，过程600的某些示例还可以包括移除一个或更多个电源和/或一个或更多个电池充电器的动作。在这样的示例中，过程600还可以包括交换、替换或向功率系统添加电源或电池充电器的动作。
参考动作606，过程600可以包括在第一操作模式期间，从一个或更多个电源向公共DC总线线路提供DC电压。类似地，在动作608中，过程600可以包括在第二操作模式期间，从一个或更多个电池模块中的电池向公共DC总线线路提供DC电压。在动作610中，过程600可以包括提供从电源中的至少一个和电池中的至少一个获得的输出功率(例如，提供给公共DC总线线路的DC电压)。根据某些实现，提供输出功率的动作可以包括从可配置的输出选项卡提供可调节的输出。虽然在图6的过程流程中没有明确示出，但是在某些其他示例中，过程600可以包括如参照图1所示的示例功率系统100进一步讨论的附加动作和过程。
因此，本文讨论的各个方面和示例解决了具有单个集成功率系统的远程网络设备的大量功率储存和能量消耗需求。本文描述的示例功率系统的特定实现解决了影响新兴经济体(例如在不发达和/或发展中国家中的那些经济体)的可变能量容量、灵活运行时间容量和低启动成本考虑。
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。这种变更、修改和改进旨在成为本公开的一部分，并且旨在落入本发明的精神和范围内。因此，前述描述和附图仅仅作为示例。

Claims (20)

1.一种功率系统，包括：
输入功率分配电路，其包括输入功率连接件和多个输出功率连接件，所述输入功率分配电路被配置为将输入功率分配到多个输出功率连接件；
第一电源，其具有输入连接器并且具有输出连接器，所述输入连接器耦合到所述多个输出功率连接件中的第一输出功率连接件，所述输出连接器与所述输入连接器分离；
可扩展电池组，其包括耦合到所述多个输出功率连接件中的第二输出功率连接件的至少第一电池模块，所述第一电池模块包括第一电池和第一电池充电器，其中，所述第一电池模块和所述第一电源包括基本相同的输入连接器和输出连接器，所述第一电池充电器和所述第一电源是可移除的和能够彼此互换的，并且其中所述第一电池模块的输入连接器耦合到所述第二输出功率连接件，并且所述第一电池模块的输出连接器与输入连接器分离；以及
输出功率分配电路，其耦合到所述第一电源的输出连接器和所述第一电池模块的输出连接器，并且所述输出功率分配电路被配置成提供从所述第一电源和所述第一电池中的至少一个获得的输出功率。
2.根据权利要求1所述的功率系统，其中，所述输出功率分配电路还包括公共DC总线线路，其中，在第一操作模式期间，所述第一电源耦合到所述公共DC总线线路并且被配置成向所述公共DC总线线路提供第一DC电压，以及其中，在第二操作模式期间，所述第一电池耦合到所述公共DC总线线路并且被配置成向所述公共DC总线线路提供第二DC电压。
3.根据权利要求2所述的功率系统，其中，所述第一电池充电器还在第三操作模式期间耦合到所述公共DC总线线路，并且被配置成向所述公共DC总线线路提供第三DC电压。
4.根据权利要求2所述的功率系统，其中，所述输出功率分配电路还包括至少第一输出选项卡，所述第一输出选项卡耦合到所述公共DC总线线路，并且被配置成向第一负载提供第一可调输出。
5.根据权利要求4所述的功率系统，其中，所述输出功率分配电路还包括至少第二输出选项卡，所述第二输出选项卡耦合到所述公共DC总线线路，并且被配置成向第二负载提供第二可调输出，所述第二可调输出具有与所述第一可调输出不同的输出功率配置。
6.根据权利要求5所述的功率系统，其中，所述输出功率分配电路还包括云使能控制电路，所述云使能控制电路被配置成监控至少所述第一输出选项卡和所述第二输出选项卡。
7.根据权利要求5所述的功率系统，其中，所述第一输出选项卡还包括以太网供电注入器。
8.根据权利要求1所述的功率系统，所述功率系统还包括耦合到所述多个输出功率连接件中的第三输出功率连接件的第二电源，其中，所述第二电源与所述第一电源并联耦合。
9.根据权利要求1所述的功率系统，其中，所述可扩展电池组还包括耦合到所述多个输出功率连接件中的第四输出功率连接件的第二电池模块，所述第二电池模块包括第二电池和第二电池充电器，并且其中，所述第二电池充电器、所述第一电池充电器和所述第一电源是可移除的和可互换的。
10.根据权利要求1所述的功率系统，其中，所述第一电池模块还包括直接连接件，所述直接连接件被配置成当所述第一电池模块从所述功率系统移除时，从替代功率源接收输入功率。
11.根据权利要求1所述的功率系统，其中，所述第一电池充电器包括最大功率点跟踪器电路。
12.根据权利要求1所述的功率系统，其中，所述输出功率分配电路还包括功率质量监控器，所述功率质量监控器被配置成测量在所述输入功率分配电路处接收的输入功率的功率质量。
13.一种用于功率分配的方法，所述方法包括：
在输入功率分配电路的输入功率连接件处接收输入功率，所述输入功率分配电路具有多个输出功率连接件，所述多个输出功率连接件耦合到至少第一电源和可扩展电池组的第一电池模块；
将所述输入功率分配给至少所述第一电源和所述第一电池模块的第一电池充电器，其中，所述第一电池模块和所述第一电源包括基本相同的输入连接器和输出连接器，所述第一电池充电器和所述第一电源是可移除的和能够彼此互换的，并且其中将所述输入功率分配给所述第一电源和所述第一电池充电器包括：从所述多个输出功率连接件中的输出功率连接件向所述第一电源的输入连接器和所述第一电池模块的输入连接器提供功率；
在第一操作模式期间，从所述第一电源向公共DC总线线路提供第一DC电压；
在第二操作模式期间，在所述第一电池模块的输出连接器处从所述第一电池模块的第一电池向所述公共DC总线线路提供第二DC电压，所述输出连接器与输入连接器分离；以及
提供从所述第一电源和所述第一电池中的至少一个中获得的输出功率。
14.根据权利要求13所述的方法，所述方法还包括在第三操作模式期间，从所述第一电池充电器向所述公共DC总线线路提供第三DC电压。
15.根据权利要求13所述的方法，所述方法还包括从耦合到所述公共DC总线线路的第一输出选项卡向第一负载提供第一可调输出。
16.根据权利要求15所述的方法，所述方法还包括从耦合到所述公共DC总线线路的第二输出选项卡向第二负载提供第二可调输出，其中，所述第二可调输出具有与所述第一可调输出不同的输出功率配置。
17.根据权利要求16所述的方法，所述方法还包括为所述第一负载和所述第二负载指定优先级，所述第一可调输出和所述第二可调输出根据所指定的优先级来提供。
18.根据权利要求13所述的方法，其中，在所述输入功率分配电路处接收所述输入功率包括从太阳能板功率源接收所述输入功率。
19.根据权利要求13所述的方法，所述方法还包括：
监控所述输入功率的功率质量；以及
至少部分地基于所监控的功率质量在所述第一操作模式和所述第二操作模式之间切换。
20.一种功率系统，包括：
输入功率分配电路，其具有输入功率连接件和多个输出功率连接件，所述输入功率连接件耦合到功率源以接收输入功率；
多个电源，每个电源具有相应的输入连接器，所述相应的输入连接器分别耦合到所述多个输出功率连接件中的相应输出功率连接件以接收所述输入功率，并且每个电源都具有相应的输出连接器；
可扩展电池组，其包括多个电池模块，每个电池模块包括电池和电池充电器，每个电池模块和所述多个电源中的至少一个电源包括基本相同的输入连接器和输出连接器，并且每个电池充电器与所述多个电源中的至少一个电源是可互换的，其中，每个电池模块的相应输入连接器耦合到所述多个输出功率连接件中的相应输出功率连接件以接收所述输入功率，所述输出连接器与所述输入连接器分离；
输出功率分配电路，其耦合到多个电源的输出连接器、多个电池模块的输出连接器和多个负载，所述输出功率分配电路被配置成将从所述多个电源中的至少一个或所述多个电池模块中的至少一个获得的可调输出功率传送到所述多个负载中的每个负载；以及
外壳，其被定位成封装所述功率系统。
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