CN112188969A

CN112188969A - 用于功率管理和控制的系统和方法

Info

Publication number: CN112188969A
Application number: CN201980033177.2A
Authority: CN
Inventors: M·斯列普钦科夫; R·纳德里
Original assignee: Alpha Energy Technology
Current assignee: Alpha Energy Technology; TAE Technologies Inc
Priority date: 2018-03-22
Filing date: 2019-03-22
Publication date: 2021-01-05
Also published as: US20230202312A1; MX2020009845A; EP3768543A1; US10821843B2; PH12020551479A1; SG11202009200TA; US20200207219A1; BR112020019176A2; WO2019183553A1; PE20201086A1; US20210170885A1; AU2019239085A1; EP3768543A4; CA3094188A1; EA202092249A1; JP2021518733A; CL2020002422A1; IL277189A; ZA202005538B; US11840150B2

Abstract

针对改进电池管理、电机控制、能量存储和电池充电的系统和方法。该系统和方法实现车辆电气化并提供范例改变平台，其实现电池管理、充电和电机控制与管理再生制动、牵引和操控的装置的集成。在实施例中，系统和方法针对具有级联架构的统一模块化电池组系统，该级联架构包括具有对等通信能力的联网低压转换器/控制器、嵌入式超电容器或其它二次能量存储元件、电池管理系统和作为基本构建块的各个单元的串联连接的组的集成组合。

Description

用于功率管理和控制的系统和方法

技术领域

本公开涉及电池系统的电功率管理和控制，并且更特别地涉及促进电动车辆和其它固定应用的改进的电池管理、电机控制、能量存储以及电池充电的系统和方法。

背景技术

在过去一个世纪中演进的当今汽车技术的特征尤其在于电机、机械元件和电子器件的相互作用。这些是影响车辆性能和驾驶员体验的关键部件。电机是燃烧或电动类型的，并且通常发现每辆车一台电机，但具体混合传动系统的车是例外，其特征是内燃机与一或两个电动电机的组合，或者配备有两个电机的性能导向的电动车辆。在几乎所有情况下，来自(一个或多个)电机的旋转能量都是经由一组高度复杂的机械元件传递的，所述机械元件诸如离合器、变速器、差速器、驱动轴、扭矩管、耦合器等。这些部件在很大程度上控制着扭矩转换和到车轮的动力分布，并且是限定车的性能的关键元件。它们还影响道路操控。多年来，各个汽车制造商已对这些机械部件进行了高度优化，以提供更好的性能、更高的燃料效率以及最终在市场上的分化。在控制侧，除了诸如娱乐、导航和人机界面元件之类的驾驶员舒适度外，通常只存在少数几组专用电子硬件和嵌入式软件，其控制/优化电机、离合器/变速箱操作和道路保持/操控。

当今的电动汽车或车辆(EV)在很大程度上已经采用了燃烧车辆的百年设计范例中的大部分，其中用电池、充电系统和电动电机明显代替通常的汽箱、燃料泵/喷射器和内燃机。尽管控制电子器件适合于部件的分化，但是重要的是要认识到上述大多数机械传动系统部件仍然在那里(例如，参见图1A和1B)。这就是说，当前EV的总体设计理念几乎没有超出常规范例。因此，电气化的真正潜力尚未实现。

EV包括与传动系统相关的各种电气系统，所述传动系统包括，除了别的以外，电池、充电器和电机控制。这些电气系统的当前能力和缺点的简短清单包括：

常规电池设计

目前，高压电池组通常组织在较低压电池模块的串联链中。每个这样的模块进一步包括串联连接的各个单元(cell)的组和简单的嵌入式电池管理系统，以调节基本的单元相关特性，诸如电荷状态和电压。没有具有更复杂能力或某种形式的灵巧互连的电子器件。结果，任何监控或控制功能都由单独的系统操控，如果都存在于车中的其它位置，则其缺少监控各个单元健康、电荷状态、温度和其它影响度量的性能的能力。也没有能力以任何形式调整每个各个单元的功率汲取。一些主要后果是：(1)最弱的单元约束整个电池组的整体性能；(2)任何单元或模块的故障导致需要更换整个组；(3)电池可靠性和安全性大大降低；(4)电池寿命被限制；(5)热管理困难；(6)电池组始终在最大能力以下操作；(7)再生制动导出的电功率的突然涌入到电池组中不能容易地存储在电池中，并且将需要经由转储电阻器进行耗散。

电流充电器设计

充电电路通常在单独的车载系统中实现。它们以AC信号或DC信号的形式将来自EV外部的功率分级，将其转换为DC并将其馈送到(一个或多个)电池组。充电系统监控电压和电流，并通常供应稳定的恒定馈送。在给定电池组和典型充电电路的设计的情况下，几乎没有能力来基于单元健康、性能特性、温度等调整到各个电池模块的充电流。充电周期通常也长，因为充电系统和电池组缺少允许脉冲充电的电路或其它将优化电荷转移或可达到的总电荷的技术。

电流电机控制设计

常规控件包含DC到DC转换级，以将电池组电压电平调整为EV的电气系统的总线电压。转而，电机然后由简单的两电平多相转换器驱动，该转换器向电动电机提供所需的(一个或多个)AC信号。传统上，每个电机都由单独的控制器控制，该控制器以3相设计驱动电机。双电机EV将需要两个控制器，而使用四个轮中电机的EV将需要4个单独的控制器。常规的控制器设计还缺乏驱动下一代电机的能力，诸如开关磁阻电机(SRM)，其特征在于极片的更高数量。适应将需要更高的相设计，使系统更加复杂，并且最终无法解决电动噪声和驱动性能，诸如高扭矩脉动和声学噪声。

鉴于前述限制，期望促进改进的电池管理、电机控制、功率存储和电池充电的系统和方法来解决上述缺点并提供范例改变平台。

发明内容

本公开的实施例针对促进改进的电池管理、电机控制、能量存储和电池充电的系统和方法。因此，本文提供的系统和方法使得能够实现车辆电气化的真正潜力，并且提供了范例改变平台，该范例改变平台将电池管理、充电和电机控制与管理再生制动、牵引和操控的装置智能地集成。

本公开的示例性实施例优选地针对具有级联架构的统一模块化电池组系统，该级联架构包括具有对等通信能力的联网低压转换器/控制器、嵌入式超电容器或其它二次能量存储器元件、电池管理系统和串联连接的作为基本构建块的各个单元的组的集成组合。这样的智能电池模块的互连组件有效地变成了灵巧电气“神经网络”，并代替了：(1)充电系统，(2)电池管理模块，(3)DC到DC转换器和(4)(一个或多个)电机控制器。

这种模块化的灵巧电池组系统不仅可与常规的EV电机和传动系统结合，还可与供未来的EV中的使用开发的新的轮中EV电机结合。

在本文提供的示例性实施例中，每个模块化灵巧电池组的电子器件基于多电平控制器，在某些示例性实施例中，该多电平控制器优选地是双向多电平滞后控制器，其与温度传感器和联网接口逻辑结合。这种设计提供了很多优点：(1)通过基于模块的年龄、热状况和性能特性进行模块的各个切换的改进的电池利用；(2)通过谨慎的功耗或发电平衡的减少的单元的热损失；(3)通过更好的各个热管理和高阶电流谐波的过滤的减缓的单元老化；(4)电池健康的细粒度监控和维修需要预警的能力；(5)即使在各个模块出现故障时，也能够维持可驱动性的故障安全和冗余设计；(6)通过利用在较低部件电压下操作的新半导体技术以减少功率损耗和成本的更高效率和更好经济效益；(7)基于软件的拓扑优化和控制方法，以适应不同的车辆特性；(8)借助嵌入式超电容器，几乎完全可以避免来自再生制动的能量，以及对加速的快速响应；(9)由于各个单元的负载平衡和监控，集成了车载优化充电，包括由智能控制器电路驱动的超快速脉冲充电；(10)降低的电路拓扑结构的电磁干扰和灵敏度；(11)基于自适应神经网络的模块之间的协调，以加强整体系统性能、响应时间、热管理和总体系统效率；(12)消除与轮中电机结合时的机械传动系统部件和相关联损失；(13)减少整体传动系统的磁损耗和电损耗；(14)与轮中电机一起使用时，功率密度增加；(15)由于来自精制的电机控制和电气过滤而减少了电气和机械噪声而导致的减小的扭矩脉动以及提高的乘客舒适度；(16)适应于所有当前和下一代电机设计并对其进行优化的能力；(17)空间的减少，以为乘客/货物/附加电池提供更大的空间(更大范围)；(18)重量的减轻，以提供更好的性能、更高的车辆效率、更远的行驶范围；(19)与轮中电机结合时的更好的操控性和更好的牵引力；(20)通用构建块，可适用于供从小型乘用车到大型巴士和商用卡车的使用；(21)基于软件的车辆特性区分，而不是经由传统的机械部件设计。

在检查以下附图和详细描述时，示例实施例的其它系统、方法、特征和优点对于本领域技术人员将是或将变得显而易见。

附图说明

可以通过研究附图来部分地收集示例实施例的细节，包括结构和操作，在附图中，相似的附图标记指代相似的部分。附图中的部件不一定按比例，而是将重点放在说明本公开的原理上。此外，所有图示旨在传达概念，其中相对大小、形状和其它详细属性可被示意性地而不是从字面上或精确地图示。

图1图示了常规电池电动车辆的功率电子电路和电动电机的简化示意图。

图2图示了根据本公开的实施例的用于电池电动车辆的功率电子电路和电动电机的示意图，该功率电子电路和电动电机具有带有级联架构的统一模块化系统，该统一模块化系统包括智能模块化AC电池组，该智能模块化AC电池组包括智能低压电池模块的串联连接。

图3A至3I图示了示意图，其示出了根据本公开的实施例的功率电子电路，作为图1中所示的用于电池电动车辆的常规高压功率电子电路的智能、模块化表示；图3A示出了包括低压电池模块的串联链的高压电池组；图3B示出了每个电池模块，其包括较低压电池单元的串联连接以及集成的电池管理或控制系统；图3C示出了高压DC/AC转换器分成多个串联的低压DC/AC转换器；图3D示出了集成在各个电池模块内的各个低压DC/AC转换器；图3E示出了集成在各个电池模块内以间歇性存储制动功率涌入的超电容器或超级电容器；图3F示出了高压智能模块化AC电池组，其包括与电池管理或控制系统、低压转换器和超电容器集成的较低压智能电池模块的串联连接；图3G和3H示出了从功率电子电路中移除的DC/DC转换器；图3I示出了从功率电子电路中移除的AC/DC转换器/充电器。

图4图示了根据本公开的实施例的智能电池模块的透视图概念表示，该智能电池模块包括与电池管理和控制系统集成的电池、低压转换器和超电容器。

图5图示了根据本公开的实施例的智能电池模块的示意图，该智能电池模块耦合至电池模块控制系统(或本地电子控制单元(ECU))和主控制系统(或主ECU)。

图6图示了根据本公开的实施例的多个智能模块化AC电池组的示意图，该多个智能模块化AC电池组耦合至三相电机以及用于耦合至单相或三相电网或电源的充电耦合器。

图7A和7B图示了用于一个(1)智能电池模块(图7A)和一(1)相的智能模块化AC电池组的输出电压的典型波形的图，所述AC电池组具有在每个相中串联连接的六个(6)智能电池模块(图7B)。

图8A、8B、8C和8D图示了示出相移载波技术原理的图。

图9图示了九电平四象限滞后控制器的电压电平选择器的功能图的示意图。

图10A、10B和10C图示了示出九电平四象限滞后控制器的操作的图；图10A将电流控制误差I_ERROR图示为I_REAL和I_REF之间的差；图10B图示了电机相中的参考电流I_REF和实际电流I_REAL；图10C图示了转换器输出电压V_OUT。

图11图示了具有电荷状态(SOC)平衡和零状态旋转的9电平4象限滞后电流控制器的功能图。

图12图示了智能电池模块旋转控制器的功能图。

图13图示了di/dt估计器的功能图。

图14A和14B图示了-0VDC旋转(图14A)和+0VDC旋转(图14B)块的功能图。

图15A和15B图示了+1VDC旋转(图15A)和-1VDC旋转(图15B)块的功能图。

图16A、16B、16C和16D图示了0VDC旋转生成器(图16A)、1VDC旋转生成器(图16B)、2VDC旋转生成器(图16C)和3VDC旋转生成器(图16D)的功能图。

图17图示了用于电荷状态(SOC)平衡的所有智能模块到主ECU的集中连接的示意图。

图18图示了智能电池模块中的结构功率流管理的流程图。

图19图示了示出智能电池模块的拓扑结构以及节点1中的电流的电路图。

图20图示了当超级电容器模块操作为有源滤波器时，智能电池模块中的电流的图。

图21图示了连接到单相负载的单相智能电池组。

图22图示了连接到开关磁阻电机的三相智能电池组。

应当注意的是，在整个附图中，出于说明的目的，相似结构或功能的元件通常由相似的附图标记表示。还应注意，附图仅旨在促进优选实施例的描述。

具体实施方式

详细描述以下实施例以使本领域技术人员能够制作和使用本公开的各种实施例。应该理解，基于本公开，其它实施例将是显而易见的，并且可以在不脱离本实施例的范围的情况下作出系统、过程或改变。

本公开的实施例针对促进改进的电池管理、电机控制、能量存储和电池充电的系统和方法。因此，本文提供的系统和方法使得能够实现车辆电气化的真正潜力，并且提供了范例改变平台，该范例改变平台将电池管理、充电和电机控制与用于管理再生制动、牵引和操控的装置智能地集成。

本公开的示例性实施例优选地针对具有级联架构的统一模块化电池组系统，该级联架构包括具有对等通信能力的联网低压转换器/控制器、嵌入式超电容器、电池管理系统和串联连接的作为基本构建块的各个单元的组的集成组合。这样的智能电池模块的互连组件有效地变成了灵巧电气“神经网络”，并代替了：(1)充电系统，(2)电池管理模块，(3)DC到DC转换器和(4)(一个或多个)电机控制器。

这种模块化灵巧电池组系统不仅可与常规的EV电机和传动系统结合，还可与正在开发的供未来的EV使用的新的轮中EV电机结合。

在本文提供的示例性实施例中，电子器件基于与温度传感器和联网接口逻辑结合的双向多电平控制器。在某些示例性实施例中，双向控制器是双向多电平滞后控制器。

详细转向附图，图1中示出了常规功率电子电路10和电动电机70的简化示意图。如图1中所示，功率电子电路10通常包括：充电器20，其包括AC-DC转换器；高压电池组30，其电耦合到充电器20；DC-DC转换器40，其电耦合到高压电池组30；DC-AC转换器50，其电耦合到DC-DC转换器40；以及电动电机60，其电耦合到DC-AC转换器50。

常规的高压电池组30通常被组织在低压电池模块32的串联链中(参见，例如图3A和3B)。每个这样的模块32进一步包括串联连接的各个较低压单元34的组和简单的嵌入式电池管理系统36，以调节与基本单元相关的特性，诸如电荷状态和电压(参见，例如图3B)。没有具有更复杂能力或某种形式的灵巧互连的电子设备。因此，也没有能力以任何形式调整每个单独的单元34的功率汲取。一些主要后果是：(1)最弱的单元约束整个电池组的整体性能；(2)任何单元/模块的故障需要更换整个组；(3)电池可靠性和安全性大大降低；(4)电池寿命被限制；(5)热管理困难；(6)组始终在最大能力以下操作；(7)再生制动导出的电功率的突然涌入不能容易地存储在电池中。

诸如由充电器20所代表的那些常规的充电电路或系统通常在单独的车载系统中实现。这样的充电系统对来自EV外部的功率(AC或DC信号)进行分级，并将其转换为DC，并将其馈送到(一个或多个)电池组30。充电系统监控电压和电流，并通常供应稳定的恒定馈送。给定电池和典型充电电路的设计的情况下，几乎没有能力来基于单元健康、性能特性、温度等来调整到电池组30的各个电池模块32的充电流。充电周期通常也长，因为充电系统和电池组30以及各个模块32缺少允许脉冲充电的电路或其它将优化电荷转移或可达到的总电荷的技术。

常规控件包含DC到DC转换级(例如，参见DC-DC转换器40)，以将电池组30的电压电平调整到EV的电气系统的总线电压。然后转而由简单的两电平多相转换器(例如，参见DC-AC转换器50)驱动诸如电机60之类的电机，该两电平多相转换器向电机60提供所需的(一个或多个)AC信号。传统上，每个电机都由单独的控制器控制，该控制器以3相设计驱动电机。双电机EV将需要两个控制器，而使用四个轮中电机的EV将需要4个单独的控制器。常规的控制器设计还缺乏驱动下一代电机的能力，诸如，例如开关磁阻电机(SRM)，其特征在于极片的较高数量。适应将需要更高的相设计，使系统更加复杂，并且最终无法解决电动噪声和驱动性能，诸如高扭矩脉动和声学噪声。

与常规EV的复杂功率电子电路10相比，本文提供的示例性实施例如图2中所图示，用智能或灵巧模块化AC电池组130代替充电系统20、电池管理模块、DC到DC转换器40和(一个或多个)电机控制器50，所述电池组130包括有效提供灵巧电气“神经网络”的智能或灵巧电池模块132的互连组件。

转到图3A至3I，一系列示意图图示了将用于图1中所示的常规EV的复杂高压功率电子电路10简化成如图2中所示的智能或灵巧电池组130，其包括根据本公开的示例性实施例的智能电池模块132的互连组件。如图3A中所示，高压电池组30包括较低压电池模块32的串联链，较低压电池模块32的串联链中的每一个包括较低压电池单元34的串联连接以及如图3B中所示的集成电池管理和控制系统36。高压DC/AC转换器50可以分成如图3C中所示的串联连接的多个低压DC/AC转换器52。各个低压DC/AC转换器52中的每个可以被集成在各个电池模块内以形成如图3D中所示的灵巧或智能电池模块132。为了间歇地存储制动功率的涌入，图3E示出了集成在各个智能电池模块132内的超电容器38(例如，也参见图4)。如图3F中所示，高压智能电池组130包括智能电池模块132的互连组件。如图3G和3H中所示，高压智能电池组130有效地消除了对DC/DC转换器40的需要。如图3H和3I中所示，高压智能电池组130实际上是智能模块化AC电池组130，有效地消除了对AC/DC转换器/充电器20的需要。

智能电池模块架构

图4和5分别示出了智能电池模块132的透视图和图，该智能电池模块132具有使用超级电容器(或超电容器)的再生制动/加速能力。它具有三个主要部件：具有BMS 36的电池32、具有基于MOSFET晶体管(MOSFET)S1和S2(其具有超级电容器群CSC和耦合电感器LC)的双向DC-DC转换器的超级电容器模块38，以及基于具有四个MOSFET S3-S6的四象限H桥拓扑结构的输出转换器52。如图5中所示，智能电池模块132耦合到电池模块控制系统200(或本地电子控制单元(ECU))和主控制系统210(或主ECU)。

ACi电池组的工作原理

图6描绘了连接到电机60并且包括在每个相中串联连接的N个智能电池模块的3相ACi电池组(130A、130B、130C)的拓扑结构。图5和6中的每个智能电池模块可以通过四个开关(S₃、S₄、S₅和S₆)的不同组合通过将(电池的)DC电压VDC连接到AC输出，从而生成三个不同的电压输出+V_dc、0和-V_dc。为了获得+V_dc，开关S₃和S₆接通，而-V_dc可以通过接通开关S₄和S₅获得。通过接通S₃和S₅或S₄和S₆，输出电压为0。不同输出转换器电平中的每个的AC输出串联连接，使得合成电压波形为逆变器输出的总和。ACi电池组中输出相电压电平的数量m由m＝2s+1定义，其中s是智能电池模块的数量。在图7B中呈现了用于脉宽调制(PWM)调制的13电平ACi电池组的示例相电压波形，在每个相中具有六个串联连接的智能电池模块；以及在图7A中示出了智能电池模块132之一的输出电压。

如图6中所示，当车辆连接到AC电源时，ACi电池组还可以用作智能电池模块132电池的整流器/充电器。

每个智能电池模块132中的输出转换器152的开关S₃÷S₆的开关信号S₃÷S₆(见图5和图6)可以取决于所采用的控制硬件的灵活性和要求以不同的方式生成。一种方法是使用空间矢量调制或正弦PWM来为智能电池模块132的每个相生成参考电压。然后可以使用相移载波技术生成每个智能电池模块的输出转换器的开关信号。此技术确保单元连续旋转，并且功率几乎均等地分布在其中。

ACi电池组中的输出电压的调制——多电平PWM调制

相移技术的原理是使用增量移位的两电平波形生成多电平输出PWM波形。因此，通过对N-1个两电平PWM波形求和来创建N电平PWM波形。通过将参考波形与增量移位360°/(N-1)的三角载波进行比较来生成这些两电平波形。9电平示例在图8A中示出。载波增量移位360°/(9-1)＝45°，并与参考波形进行比较。产生的两电平PWM波形如图8C中所示。这些两电平波形可用作每个智能电池模块中输出转换器(H桥)MOSFET的栅极信号。对于我们的9电平示例，其包括四个H桥，第一模块的S₃使用0°信号以及S₆使用180°信号；第二模块的S₃使用45°信号，以及S₆使用225°信号，依此类推。注意，在所有H桥中，S₄的信号与S₃互补以及S₅的信号与S₆互补，连同一定的死区时间，以避免每个分支的击穿。

取决于用于实现调制的硬件的资源和限制，代替方案是与第一(N-1)/2个载波一起生成负参考信号。9电平示例如图8B中所示。在这种情况下，通过将V_ref与对应的载波进行比较来生成0°至135°PWM信号，以及通过将-V_ref与0°至135°的载波进行比较来生成180°至315°的PWM信号。但是，在后一种情况下的比较逻辑必须颠倒。

其它技术，诸如状态机解码器，也可以用于生成H桥的门信号。

ACi电池组中的输出电压的调制——多电平滞后控制

为每个智能电池模块中的输出转换器的开关创建开关信号S₃÷S₆(参见图5和6)的另一种方法是多电平滞后控制技术。此控制方法可用于任何类型的电机，并且非常有效，尤其是对于开关磁阻电机(SRM)驱动器。

此处仅针对三相ACi电池组的三相中的一相描述了多电平滞后控制。在PMSM电机的情况下，必须将三个控制器与附加的循环电流减小模块(此处未描述)一起使用。对于SRM电机，控制器的数量可以多于三个，并且不需要循环电流减小模块。

对于9电平ACi电池组(参见图6)，其包括在每个相中串联连接的四个智能电池模块132，表1呈现了具有对应输出电压电平的输出转换器的开关的所有可能开关状态。在该表中仅呈现奇数开关元件(MOSFET S₃ ^N和S₅ ^N，其中N＝1、2、3、4是智能电池模块的数量)的开关状态。实际上，为了避免滤波电容器C_F ^N的短路，在任何时刻仅可以接通(处于导电模式)输出H桥转换器的半桥中的一个开关。因此，通过反转相同半桥的奇数开关元件的状态，可以容易地获得偶数开关元件(MOSFET S₄ ^N和S₆ ^N，其中N＝1、2、3、4是智能电池模块的数量)的控制信号。例如，如果S₃ ^N＝1并且S₅ ^N＝0，则S₄ ^N＝0并且S₆ ^N＝1。

表1：9电平4象限多电平级联转换器的开关状态

如果所有单元同时在零状态下工作，则可以确保零输出电压0VDC。这可以通过开关接通两个上部开关或两个下部开关而绕开电池来获得。例如，对于智能电池模块1：S₃ ¹＝1，S₅ ¹＝1，S₄ ¹＝0，S₆ ¹＝0或S₃ ¹＝0，S₅ ¹＝0，S₄ ¹＝1，S₆ ¹＝1。

可以使用四种不同组合(±3VDC1、±3VDC2、±3VDC3、±3VDC4)来获得电压电平(-3VDC和+3VDC两者)，其中最后一个指数对应于在零状态下工作的智能电池模块的数量，从而提供输出零电压。转而，每个零状态可以使用上述两个开关组合进行编码。因此，存在设置±3VDC输出电压电平的八种可能的组合。

类似地，可以取决于哪两个智能电池模块在零状态电压下操作，通过五个不同的组合(±2VDC12、±2VDC13、±2VDC14、±2VDC23、±2VDC24)来设置电压电平(-2VDC和+2VDC两者)。考虑到提供零状态的双重可能性，±2VDC的可能组合的总数量等于十。

可以使用四种不同组合(±lVDC1、±lVDC2、±lVDC3、±lVDC40来获得电压电平(-1VDC和+1VDC两者)。最后一个指数对应于在±1VDC电平下操作的智能电池模块的数量。同样，每个零状态都是双重获得的。因此，像±3VDC电平一样，存在提供±1VDC输出电压电平的八种可能的组合。

最后，当所有同相智能电池模块同时工作时，可以在转换器的相输出处提供最大电压电平-4VDC和+4VDC。因此，对于每个这些情况，仅存在开关状态的一种可用组合。

滞后控制中的电压电平选择

先前解释了如何通过四个智能电池模块142的输出转换器的不同开关组合来获得九电平ACi电池组的每个电压电平。但是，对于多电平滞后控制器而言，最重要的任务是基于电流反馈(电机相)信号I_REAL，在转换器工作的任何时刻识别适当的输出电压电平。

电压电平选择器300的框图在图9中呈现。电压电平选择器包括两个求和块(求和1301和求和2 307)、五个滞后块(302、303、304、305和306)、以及一个用于电压电平确定的查找表。从参考电流I_REF和电流误差信号I_ERROR减去实际反馈电流信号I_REAL，因为它们的差到达所有五个滞后块的输入。如表2中所呈现，这些块中的每一个都有高(HB)和低(LB)边界阈值的不同设置，其中△I是最大允许电流误差的预设值。当I_ERROR到达滞后块的对应高边界(HB)时，其输出值设置为“1”，并保持在该电平，直到I_ERROR越过其低边界(LB)。这将在滞后块的输出处设置“0”，并且输出维持在该电平，直到I_ERROR再次达到HB。因此，如果五个滞后块的低和高边界分布在-△I和+△I之间的范围内(如表2中所示)，则求和2的输出将在1到6之间变化，这取决于I_ERROR值。图9中呈现的查找表308用于基于滞后块的总状态值(求和2的输出)并考虑实际(或参考)电流导数di/dt的符号来确定所需的输出电压电平。如下所述，di/dt的符号可以在求和2达到值6的时刻被确定为正，并将在求和2变成等于1时改变为负。

滞后边界	电流阈值
		HB1	ΔI/5
LB1	-ΔI/5

HB2	2ΔI/5
		LB2	-2ΔI/5

		HB3	3ΔI/5
LB3	-3ΔI/5

HB4	4ΔI/5
		LB4	-4ΔI/5

		HB5	ΔI
LB5	-ΔI

表2：滞后块的电流阈值电平

九电平四象限滞后控制中的电压电平之间的切换

以下呈现了用于九电平ACi电池组工作的一相的九电平四象限滞后控制技术中的电压电平之间的切换的主要原理的详细描述。

在图10B中，将电机相中的参考电流I_REF(红色迹线)和实际电流I_REAL(蓝色迹线)与五个正(HB1÷HB5)和五个负(LB1÷LB5)滞后边界(参见表2以及还有图10A)一起呈现，其均匀分布在I_REF-ΔI和I_REF+ΔI之间，并以ΔI/5彼此分开(绿色迹线)。电流控制误差I_ERROR，作为I_REAL和I_REF之间的差，以及转换器输出电压V_OUT在图10(a)和10(c)中分别呈现。

所考虑的时间窗口(从23.06ms)中的V_OUT的初始状态由控制系统预先设置为+4VDC(其中VDC＝80V)。在此电压电平下，电流I_REAL上升，并且当I_ERROR到达点A(图10(a)中的电平-ΔI/5)处的第一滞后边界LB1时，第一滞后块的输出状态从“1”改变到“0”，因此求和2块的输出处的总和从“6”减少了l到“5”(图9)。并且根据图9中的表，对于di/dt＞0，电压V_OUT变为+3VDC。

从所考虑的时间窗口的开始以及直到时间tl(图10C)，电流I_REF具有正的di/dt值，并且滞后控制器应以图10C(di/dt＞0)中的查找表的第二列中呈现的电压电平工作。从t1开始，电流I_REF的di/dt符号为负，但是当I_ERROR达到第五滞后边界LB5并且求和2＝1时，滞后控制器保持针对正di/dt的操作直到时间t2。此事件将把滞后控制器的操作切换到针对di/dt<0的表的第一列。换句话说，在时刻(t2)，di/dt的符号可以确定为负，当求和2达到值为“1”时(以及当求和2变成等于“6”时将改变为正)。该逻辑在di/dt估计器块中实现，这将如在本文档的下一节中描述的那样来呈现。

当V_OUT处于其最大负电平-4VDC时，电流I_REAL下降(图10(b))，并且当其达到点F(其对应于图10(a)中的第一滞后边界HB1)时，第一滞后块的输出状态从“0”变为“1”，因此求和2的输出处的总和从“1”增加一到“2”(图9)。并且根据图9中的针对di/dt<0的查找表，电压V_OUT变为-3VDC。在点G处，当I_REAL和I_ERROR达到HB2时，求和2再次递增，并且V_OUT变为-2VDC。

在本文提供的滞后控制方法中，最大电流误差△I仅在参考电流I_REF的di/dt值改变符号的点处发生。除了这些关键点之外，该方法还以这样的方式工作以在给定的负载参数下以尽可能快的速度将△I/5处的电流误差I_ERROR最小化。

总体方法描述

具有电荷平衡状态和零状态旋转的9电平4象限滞后电流控制器500的通用功能图在图11中呈现。它包括开关级选择器300，其功能如前所述。图9中求和2的输出信号在图11中称为“电平”。该信号代表九电平滞后控制器的一般电平(从1到6)的数值，该信号在该方法中进一步用于选择智能电池模块输出转换器的适当输出电压电平。

根据图9中的查找表，需要知道di/dt符号以选择适当的输出电压电平。如前所述，当“电平”达到值“1”时，可以将di/dt的符号确定为负；以及当“电平”变成等于“6”时，di/dt的符号将改变为正。此逻辑在di/dt估计器块中实现，在图13中示出。估计器块包括两个数字比较器(Comp 1和Comp 2)和RS触发器元件。当“电平”信号等于“6”(Comp 1)和“1”(Comp2)时，两个比较器在那时刻提供从“假”到“真”的转变脉冲。这些上升沿由RS触发器检测，该触发器相应地改变其输出状态，从而当di/dt>0时在其非反向输出Q处提供“真”信号，而当di/dt<0时提供“假”信号。

如前所述并在表1中呈现的，当所有智能电池模块参与提供最大的正或负输出电压时，除了±4VDC外，九电平ACi电池组的每个电压电平都存在许多可用的开关状态。因此，考虑到滞后“电平”和di/dt的符号是已知参数，存在以下主要任务，其必须被解决以控制电机电流：

1)基于每个智能电池模块的电荷状态(SOC)，智能电池模块的识别必须重复切换达一段时间以提供所需的输出电压电平和输出电流调节。这种识别方法必须确保ACi电池组操作期间电荷状态的平衡。提供此功能时，存储在电池中或从电机传递或传递到电机的能量均等分布在所有智能电池模块之中。这是ACi电池组的正确操作的必要条件，其中必须基于半导体开关的操作方式针对半导体开关的特定温度曲线设计每个单元。该任务由本文提供的方法中的SOC平衡块(参见图11)执行，并且图12中呈现了作为该块的主要部件的智能电池模块旋转控制器600的功能图。

2)对于智能电池模块，其由SOC平衡块识别零开关状态的旋转。该旋转在操作中的特定模块内的开关之间提供能量分布。有两种可能的开关组合，以在智能电池模块的输出处提供零电压，如表1中所示。旋转方法交替用于在单元的每隔一个正或负操作电平提供零电压的开关。实际上，如本文档的下一节将示出，与智能电池模块和整个ACi电池组的输出电压频率相比，这种旋转将开关的谢欢频率降低到一半。在本文提供的方法中，存在四个旋转生成器块1001、1002、1003和1004，以用于从0VDC到3VDC的不同电平的输出电压，如图16A、16B、16C和16D中所呈现。

图16A、16B、16C和16D中的四个旋转生成器中的每个包括：四个数字比较器、一个反相元件、四个逻辑元件“与”、两个SR触发器锁存器1和锁存器2和两个2分频器。所有旋转生成器块的结构和操作原理相同；仅数字比较器的预设值有所不同。在0VDC旋转生成器中，当来自di/dt估计器输出的“di/dt”信号为“真”时，当“电平”信号等于“3”时，比较器Comp1将SR触发器锁存器1输出设置为“真”，这对应于+1VDC的输出电压电平。当“电平”信号等于“2”时，另一个比较器Comp2，在正di/dt处将复位锁存器2，这对应于+OVDC的输出电压电平。换句话说，锁存器1的输出处的高电平脉冲串将对应于九电平转换器的输出处的+1VDC电压，而其零电平将指示+OVDC电压电平(+0指示0VDC电平在+VDC电平之后和/或之前)。最后，包括分频器块和逻辑元件“与”的该电路，其旨在将输出信号Rot+OVDC设置为“真”，其中锁存器1输出的高电平发生在+1VDC输出电压电平处，并维持该“真”信号，直到发生从+OVDC到+1VDC的第二转变。在提供+1VDC电压电平的操作中，这种输出信号Rot+OVDC被用于交替用于智能电池模块的两个可能的零状态开关组合。Rot-0VDC信号后面有相同的操作逻辑，该信号由同一个0VDC旋转生成器生成，以在提供-1VDC电压电平的操作中交替用于智能电池模块的两个零状态开关组合。

进一步解释本文提供的用于多电平滞后控制器的智能电池模块旋转控制器600和SOC平衡块。智能电池模块旋转控制器的详细功能图在图12中呈现。该模块的输入是在一相中来自所有四个智能电池模块的电池管理系统(BMS)的测量的电荷状态SOC1、SOC2、SOC3和SOC4。输出信号是智能电池模块的数量(从1到4)，其最大电荷状态SOCmax、最小电荷状态SOCmin，然后是SOCrot3和SOCrot4，其分布如下：SOCmin<SOCrot4<SOCrot3<SOCmax。在开始，将SOC1和SOC2相互比较，以及如果它们的差△SOC₁₂高于或低于滞后块Hyst 1的正或负阈值，则将该块的输出分别设置为“1”或“0”，否则，它将在输出处维持其先前设置的值。此阈值帮助忽略反馈信号中一定电平的噪声，并调节智能电池模块应多久发生一次旋转。基于Hyst 1输出信号，开关1选择具有较高SOC的智能电池模块的数量(1或2)，而开关5将其对应的SOC值传递给求和3，将其与SOC3和SOC4的最低电荷状态进行比较，它们经历相同的比较技术。因此，在智能电池模块旋转控制器的输出处，智能电池模块编号根据它们的SOC被分布为SOCmin＜SOCrot4＜SOCrot3＜SOCmax。在去到旋转之前，考虑到参考电流I_REF的符号，将块信号SOCmax和SOCmin重新分配给SOC平衡块(参见图11)中的SOCrot1和SOCrot2。如果电流I_REF为正(对应于能量从智能电池模块转移到电机)，则具有最大SOC的智能电池模块将参与所有正输出电压电平的旋转(但不同时)。这将导致具有最大SOC的智能电池模块更快地放电，因为在正输出电压和正负载电流下，只有一种能量传递方式：从智能电池模块到电机。同时，在正输出电流(或I_REF)下，具有最小SOC的智能电池模块必须参与仅提供负输出电压电平，以尽快为其电池的电压充电。这是因为在输出转换器的正负载电流但负输出电压的情况下，只有一个能量传递方向：从电机到电池。

0VDC旋转和1VDC旋转块分别呈现在图14A、14B、15A和15B中。让我们先描述+0VDC旋转。该块接收来自智能电池模块平衡模块SOCrotl的一个控制信号，以及来自OVDC旋转生成器的一个信号Rot+0VDC，并为用于+OVDC输出电压的九电平ACi电池组的开关元件提供控制信号，其中+0意味着0VDC电平在+VDC电平之后和/或之前。多路复用器开关1基于输入信号SOCrot1选择开关信号的四个不同组合之一，该输入信号SOCrot1指示哪个智能电池模块在提供+VDC输出电平的同时操作。这意味着必须对此特定的智能电池模块(具有SOCrotl数量)执行零开关状态的旋转。输入信号Rot+0VDC控制同一智能电池模块在两个可能的零状态[1 1]和[0 0]之间切换的顺序。

块+1VDC旋转具有更复杂的结构。除了来自1VDC旋转生成器块的控制信号Rot+1VDC之外，它还从SOC平衡块接收两个控制信号SOCrot1和SOCrot3。多路复用器开关1使用第一信号SOClrot在智能电池模块的输出处设置正电压，该数量由该信号指定。这可以通过为该智能电池模块提供开关组合[1 0]来完成。所有其它三个智能电池模块都必须提供零开关状态。如果在转换器的输出处，电压在+0VDC和+1VDC之间改变，则信号Rot+lVDC始终为“真”，而对于其它三个单元，零开关状态不会旋转。如果输出电压在+1VDC和+2VDC之间变化，则必须仅对参与+2VDC电平产生的一个特定智能电池模块执行零状态旋转。输入信号Rot+1VDC控制该智能电池模块在两个可能的零状态[1 1]和[0 0]之间切换的顺序。

相同的操作原理对于-0VDC旋转和-1VDC旋转有效，其中只有输入信号SOCrot2有差异、而不是SOCrot1和Rot-lVDC、而不是Rot+lVDC中。SOCrot3信号，指示以+2DC和-2VDC电平操作的单元数量，与保持关于正旋转块相同。

块+2VDC旋转和+3VDC旋转具有四个输入信号的复杂结构，其中的三个SOCrot1、SOCrot2和SOCrot3来自SOC平衡块，以及一个信号来自2VDC旋转生成器或3VDC旋转生成器，旨在控制特定智能电池模块在零开关状态之间改变的顺序。

2017年6月12日提交的美国临时申请No.62/518331和2017年6月16日提交的美国临时申请No.62/521227中提供了有关多电平滞后控制的详细讨论，这些申请通过引用如完整阐述的那样被并入。

本地和主ECU功能

功率电子转换器和管理智能电池模块操作132(参见图5)的本地ECU 200通过利用电荷状态(SOC)估计器来测量电池的初始SOC来工作。主控制系统(ECU)210接收所有智能电池模块的初始SOC数据(如图17中所描绘(也参见图5))，并对它们进行分类。

上面描述了用于多电平滞后控制器的SOC平衡技术。对于多电平PWM，此平衡方法如下：假设所有电池在放电前已平衡，则当ACi电池组完全充电时，最强的电池是具有最高初始SOC的电池，以及最弱的电池是具有最低初始SOC的电池。

取决于该数据，主ECU 210基于其电池容量来计算对于每个各个智能电池模块的合适操作所必需的对应的开关信号阵列。换句话说，为了平衡模块的电荷状态，应该将每个模块的SOC与总SOC进行比较，总SOC可以计算为：

其中SOC_i和Q_i——第i个智能电池模块的电池的各个SOC和容量以及差连同PI控制器可用于控制每个模块的调制指数(M)。注意，在模块充电时，必须反转SOC差的影响的方向，因为在这种情况下，与其它模块相比，具有较高SOC的模块预期接收较少的能量。

智能电池模块132的本地控制系统获得该信息，并且因此，对于每个智能电池模块，存在不同的开关信号阵列S_1……N，其确定系统的各个DC电流(I_DC1、I_DC2……I_DCN)和DC总线电压(电池电压V_B1、V_B2……V_BN)。这样，电源管理操作，以及内置的功率电子单位自主管理每个智能电池模块的输出功率。最强的电池承载最高的电流，而最弱的电池承载最少的电流，使得所有电池的SOC在特别的时间收敛。

超级电容器模块

智能电池模块132(图5)的超级电容器模块38并联连接到主要电池32和输出转换器52。在加速过程中，允许电容器电压从满电荷(50Vdc)放电至其标称电压(17Vdc)的大约三分之一，从而允许其传送11kW的有用能量。此能量的量允许在5秒期间从一个智能电池模块获取2.2kW的功率，以及如果将30个智能电池模块放在ACi电池组中，则总共可以获取66kW，这是用于良好的加速而不损害电池寿命的足够的功率和时间。在减速(再生制动)期间，能量以类似的方式回收，从而充电回超级电容器。

当车辆加速时，电池将传送电机所需的电流量。如果此电流超过电池的电流限制，则超级电容器提供差。再生制动操作类似。在这种情况下，电机工作作为生成器，其将回收的能量传送到电池中，但是如果注入的电流超过限制，则DC-DC转换器将多余量注入到超级电容器中。

DC-DC转换器以两种方式工作：升压操作，用于加速，这使超级电容器放电；以及降压操作，用于减速(再生制动)，其使超级电容器充电。在升压操作(加速)期间，MOSFET S₂以受控的占空比D导通和关断，以将所需量的能量从电容器转移到电池组。当S₂接通时，能量从超级电容器中获取并存储在电感器L_C中。当S₂关断时，存储在L_C中的能量通过S₁转移到C_F，然后转移到电机和/或电池中。在降压操作期间，转换器将能量从电池引入超级电容器。该操作以在S₁上进行受控操作来完成。当S₁导通时，能量从电池去到超级电容器，并且L_C存储一部分该能量。当S₁关断时，存储在L_C中的剩余能量通过S₂的二极管在超级电容器内部转移。

电池作为主能源是具有最高能量含量的一种，以及因此应供应电机所需的平均功率。超级电容器是辅助能源，并且通过提供/吸收瞬时负载功率峰来辅助电池。

图18中呈现了两个电源和电机之间的功率流管理的冗余结构。它在其它功率控制方法中的具有优势，因为它允许每个电源的电气特性(端子电压和电流)与负载的电气特性之间的完全去耦。功率流控制器1从智能电池模块的本地ECU接收参考电池功率流P_BATT，REF的信号。该信号由位于主ECU中的主要功率管理控制器基于电机功率P_iBATTERY要求和各个智能电池模块的电池的SOC确定。功率流控制器1估计最大可允许电池充电/放电电流并计算实际允许的电池功率流P_BATT。将该信号与P_iBATTERY进行比较，并将它们的差作为信号P_SC，REF施加到功率流控制器2。该控制器基于超级电容器电压V_SC计算I_SCM电流，并确定超级电容器模块的降压/升压转换器的开关信号S₁和S₂，上面描述了其基本工作原理。因此，P_iBATTERY流由输出转换器提供，P_BATT是基于最大电池电流和实际SOC估算的，并被确保是P_iBATTERY和P_SC之间的差，其中最后一个由超级电容器模块的转换器管理。

由超级电容器模块执行的另一项重要功能是，对输出转换器的DC电流I_DC中出现的二阶电流谐波进行有源滤波，该谐波是由于单相系统的固有脉动功率本质产生的。将V(t)_OUT和I(t)_OUT视为智能电池模块的输出电压和电流：

智能电池模块的瞬时输入输出功率平衡给出：

第一常数项是指用于对电池进行充电/放电的平均功率。然而，第二振荡项对平均电池SOC没有贡献。该分量具有相当大的峰峰值，其在调制指数一致时可以达到电网电流幅度的两倍。二阶电流分量展现一些缺点，例如，与所产生电流RMS值相关的内部电池电阻损耗的增加以及电池行为的周期性改变。

有源滤波情况的主要波形在图20A和20B中所示。超级电容器用作有源滤波器，其旨在消除电池电流I_B中的二阶谐波。在补偿开始之前(时刻t1之前)，电池I_B的电流包括DC分量(I_B＝130A)和具有幅值I_2AC＝60A的二阶分量。从时刻tl开始，超级电容器模块开始生成超级电容器电流I_SC，从而将电流I_B的二阶谐波重定向到超级电容器(参见图20B)。该电流I_SC具有主谐波的幅度等于I_DC电流的二阶谐波幅度(参见图19)，但是具有几乎相反的相角，以这样的方式使得电池I_B中产生的电流仅包括DC分量，或者大部分DC分量，其具有一些显著减少的AC脉动，如图20A中所示。

在高RPM时，通过滤波电容器C_F显著抑制二阶电流谐波，并且不需要超级电容器模块的操作。

图21示出了连接到单相负载(呈现为RL负载)的单相九电平四象限智能电池组。该系统可用于住宅或商业建筑的能量存储和可中断电源系统。

图22示出了三相智能电池组，该三相智能电池组包括连接到三相开关磁阻电机(SRM)的三个九电平两象限单相智能电池组。多电平滞后电流控制器和智能电池组的使用允许改进SRM的效率和整体性能，以及扭矩脉动和声学噪声的显著降低。

在前面的描述中，给出了许多特定细节以提供对本实施例的透彻理解。然而，将显而易见的是，可以在没有这些特定细节的情况下实践本实施例。为了增加清楚性，可能不详细描述一些公知的电路、系统配置和处理步骤。在其它实例中，以框图形式示出了结构和设备，以避免使本发明难理解。

示出本公开的实施例的附图是半示意性的并且不按比例，并且特别地，一些尺寸是为了呈现的清楚性并且在附图中被夸大地示出。

前述描述中对“一个实施例”或“一实施例”或“某些实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特别特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。说明书中各种地方出现的短语“在一个实施例中”不一定都指代同一实施例。

根据对计算机存储器内的数据位的操作的算法和符号表示来呈现详细描述的某些部分。这些算法描述和表示是数据处理领域技术人员用来最有效地向本领域其它技术人员传达其工作实质的方法。这里，算法通常被认为是导致期望的结果的自洽步骤序列。这些步骤是需要对物理量进行物理操纵的步骤。通常，尽管不一定，这些量采取能够被存储、转移、组合、比较或以其它方式操纵的电或磁信号的形式。主要出于通用的原因，有时已经证明将这些信号称为位、值、元素、符号、字符、项、数字等是方便的。

然而，应该记住，所有这些和类似术语均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记。除非另外明确指出，否则如从下面的公开中显而易见的，应理解，在整个公开中，诸如“处理”、“计算”、“运算”、“确定”、“显示”等的术语是指计算机系统或类似电子计算设备的动作和过程，其将表示为计算机系统的寄存器和存储器内的物理(电子)量的数据操纵和转变成类似地表示为计算机系统的存储器或寄存器或其它这样的信息存储、传输或显示设备内的物理量的其它数据。

本实施例还涉及用于执行本文的操作的装置。该装置可以为所需目的而专门构造，或者其可以是由计算机中存储的计算机程序选择性地激活或重新配置的通用计算机。本实施例可以采取完全硬件实施例、完全软件实施例或包括硬件和软件元素两者的实施例的形式。在一个实施例中，本实施例以包括存储在计算机可读存储介质上的指令或数据的软件来实现，该计算机可读存储介质包括但不限于固件、常驻软件、微代码或用于存储指令以供由处理器执行的另一种方法。

此外，本实施例可以采取可从计算机可用或计算机可读存储介质访问的计算机程序产品的形式，该计算机可用或计算机可读存储介质提供由计算机或任何指令执行系统使用或与其结合使用的程序代码。为了该描述的目的，计算机可用或计算机可读存储介质是可以包含、存储或传输程序以供由指令执行系统、装置或设备使用或与其结合使用的任何装置。所述计算机可读存储介质可以是电子、磁性、光学、电磁、红外或半导体系统(或装置或设备)或传播介质。有形计算机可读存储介质的示例包括但不限于半导体或固态存储器、磁带、可移除计算机磁盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、硬磁盘、光盘、EPROM、EEPROM、磁卡或光卡，或适用于存储电子指令的任何类型的计算机可读存储介质，并且各自耦合到计算机系统总线。光盘的示例包括紧致盘——只读存储器(CD-ROM)、紧致盘——读/写(CD-R/W)和数字视频盘(DVD)。

在本文公开的实施例包括存储器、存储和/或计算机可读介质或与存储器、存储和/或计算机可读介质相关联地操作的程度上，则该存储器、存储和/或计算机可读介质是非暂时性的。因此，在存储器、存储和/或计算机可读介质被一个或多个权利要求覆盖的程度上，则该存储器、存储和/或计算机可读介质仅是非暂时性的。本文使用的术语“非暂时性”和“有形的”旨在描述存储器、存储和/或计算机可读介质，而不包括传播的电磁信号，但无意于在存储的持久性或其它方面限制存储器、存储和/或计算机可读介质的类型。例如，“非暂时性”和/或“有形”存储器、存储和/或计算机可读介质涵盖易失性和非易失性介质，诸如随机存取介质(例如，RAM、SRAM、DRAM、FRAM等)、只读介质(例如，ROM、PROM、EPROM、EEPROM、闪速存储器等)及其组合(例如，混合RAM和ROM、NVRAM等)及其后续开发的变体。

一种适合于存储和/或执行程序代码的数据处理系统，包括至少一个通过系统总线直接或间接耦合到存储器元件的处理器。存储器元件可以包括在程序代码的实际执行期间采用的本地存储器、大容量存储和提供至少一些程序代码的临时存储以便减少在执行期间必须从大容量存储中检索代码的次数的高速缓冲存储器。在一些实施例中，输入/输出(I/O)设备(例如键盘、显示器、指点设备或配置为接收数据或呈现数据的其它设备)直接或通过中间的I/O控制器耦合到系统。

网络适配器也可以耦合到数据处理系统，以允许通过中间的私人或公共网络耦合到其它数据处理系统或远程打印机或存储设备。调制解调器、电缆调制解调器和以太网卡仅是当前可用类型的网络适配器的示例。

最后，本文提出的方法和显示与任何特别计算机或其它装置都不固有地相关。各种通用系统可以与根据本文的教导的程序一起使用，或者其可以证明构造更专用的装置以执行所需的方法步骤是方便的。多种这些系统所需的结构根据下面的描述是显而易见的。应当理解，可以使用多种编程语言来实现如本文所描述的本发明的教导。

附图和详细描述仅通过说明的方式描述了某些实施例。本领域技术人员将从前述描述中容易地认识到，在不脱离本文描述的原理的情况下，可以采用本文图示的结构和方法的替代实施例。现在将详细参考若干个实施例，其示例在附图中图示。注意的是，在可实践的情况下，在附图中可使用相似或相同的附图标记来指示相似或相同的功能性。

本公开的实施例针对用于智能电池(iBattery)模块的转换器-电池模块架构，该智能电池(iBattery)模块用作智能电池组或智能电池组的系统的构建单位。在实施例中，iBattery模块包括电池单元，超级电容器或超电容器模块单位以及输出转换器单位。在实施例中，iBattery模块的本地控制单位被配置为接受、处理和传输信号，包括但不限于，从iBattery模块的温度、电压和电流传感器等；去往和来自半导体开关的触发和故障信号；电池单位和超级电容器模块的元件单元的电压。在实施例中，本地控制系统执行与到包括多个iBattery模块的智能交流电池组(ACi-电池组)的主控制单位以及来自其的对应的控制信号的传输的通信。

本公开的实施例针对一种智能交流电池组(ACi-电池组)，其包括在每个相中互连在一起的两个或更多iBattery模块。在实施例中，可以在ACi电池组的输出处生成任何形状和频率的输出电压，作为各个iBattery模块的输出电压的叠加。

本公开的实施例针对一种用于控制ACi电池组以提供SOC和ACi电池组中的iBattery之间的平衡的多电平电流滞后控制的方法。在实施例中，该方法使得能够在ACi电池组中的所有iBattery模块之间共享功率。在实施例中，所有iBattery模块之间的功率共享可以用于在操作期间始终保持iBatteriy的电池模块的SOC平衡，这确保了利用每个模块的全部容量而不管容量中的可能的差如何。

本公开的实施例针对本文描述的过程、方法和系统，其涉及电动车辆和固定能量存储系统。

本公开的实施例针对一种电动车辆，该电动车辆具有底盘，三个或更多轮，其能操作地耦合到底盘，一个或多个电动电机，其能操作地耦合到三个或更多轮，一个或多个智能模块化电池组，其能操作地耦合到一个或多个电机，以及控制系统，其能操作地耦合到一个或多个电池组和一个或多个电机。

在实施例中，底盘是无传动系统的。在实施例中，一个或多个电机是轮中电机。

在实施例中，一个或多个智能模块化电池组具有级联的互连的架构。

在实施例中，电池组包括多个互连的智能电池模块。

在实施例中，电池模块包括具有对等通信能力的联网低压转换器/控制器、嵌入式超电容器或超级电容器、电池管理系统以及串联连接的各个单元的组的集成组合。

在实施例中，电池组包括神经网络，所述神经网络包括多个互连的智能电池模块。

在实施例中，电池模块包括具有BMS的电池、超级电容器模块和输出转换器的集成组合。

在实施例中，超级电容器模块包括双向DC-DC转换器和超级电容器群。

在实施例中，输出转换器包括四象限H桥。

在实施例中，控制系统包括双向多电平控制器。

在实施例中，双向多电平控制器是双向多电平滞后控制器。

在实施例中，双向多电平控制器与温度传感器和联网接口逻辑结合。

在实施例中，控制系统被配置为基于模块年龄、热状况和性能特性通过模块的各个切换来平衡电池利用。

在实施例中，电池组可切换至整流器/充电器操作。

本公开的实施例针对一种智能模块化电池组，该智能模块化电池组包括级联架构，该级联架构包括多个互连的智能电池模块。

在实施例中，电池模块包括具有对等通信能力的联网低压转换器/控制器、嵌入式超电容器、电池管理系统以及串联连接的各个单元的组的集成组合。

在实施例中，互连的智能电池模块包括神经网络。

在实施例中，输出转换器包括四象限H桥。

本公开的实施例针对一种智能电池模块，该智能电池模块包括具有对等通信能力的集成低压转换器/控制器、嵌入式超电容器、电池管理系统以及多个串联连接的各个单元的组。

本公开的实施例针对一种智能电池模块，该智能电池模块包括具有集成BMS的电池，能操作地耦合到电池的超级电容器模块，以及能操作地耦合到电池和超级电容器模块的输出转换器。

在实施例中，输出转换器包括四象限H桥。

相对于本文提供的任何实施例描述的所有特征、元件、部件、功能和步骤旨在与来自任何其它实施例的那些自由组合和替换。如果仅关于一个实施例描述了某个特征、元件、部件、功能或步骤，则应当理解，除非明确地另外指出，否则该特征、元件、部件、功能或步骤可以与本文描述的每个其它实施例一起使用。因此，该段落在任何时候用作权利要求书的引入的前提基础和书面支持，所述权利要求书结合了来自不同实施例的特征、元件、部件、功能和步骤，或者利用一个实施例的特征、元件、部件、功能和步骤替换了来自另一个实施例的特征、元件、部件、功能和步骤，即使在特别情况下以下描述未明确指出，这样的组合或替换也是可能的。对每种可能的组合和替换的明确叙述是非常繁重的，尤其是考虑到本领域普通技术人员在阅读本说明书后将很容易认识到每种这样的组合和替换的允许性。

在许多情况下，本文将实体描述为耦合到其它实体。应当理解，术语“耦合”和“连接”或其任何形式在本文可互换地使用，并且在两种情况下，一般都是没有任何不可忽略的，例如，寄生中间实体的两个实体的直接耦合以及具有一个或多个不可忽略的中间实体的两个实体的间接耦合。当实体被示出为直接耦合在一起，或者被描述为耦合在一起而没有任何中间实体的描述时，应当理解，除非上下文另外明确指出，否则那些实体也可以被间接耦合在一起。

尽管实施例易于进行各种修改和替换形式，但是其特定示例已经在附图中示出并且在本文被详细描述。然而，应理解，这些实施例不限于所公开的特别形式，而是相反，这些实施例要覆盖落入本公开的精神内的所有修改、等同形式和替换。此外，实施例的任何特征、功能、步骤或元素可以在权利要求中陈述或添加到权利要求中，以及可以通过不在该范围内的特征、功能、步骤或元素来限定权利要求的发明范围的负面限制。

Claims

1.一种电动车辆，包括：

底盘，

三个或更多轮，其能操作地耦合到所述底盘，

一个或多个电动电机，其能操作地耦合到所述三个或更多轮，

一个或多个智能模块化电池组，其能操作地耦合到所述一个或多个电机，以及

控制系统，其能操作地耦合到所述一个或多个电池组和所述一个或多个电机。

2.根据权利要求1所述的电动车辆，其中所述底盘是无传动系统的。

3.根据权利要求1所述的电动车辆，其中所述一个或多个电机是轮中电机。

4.根据权利要求1所述的电动车辆，其中所述一个或多个智能模块化电池组具有级联架构。

5.根据权利要求4所述的电动车辆，其中所述电池组包括多个互连的智能电池模块。

6.根据权利要求5所述的电动车辆，其中所述电池模块包括具有对等通信能力的联网低压转换器/控制器、嵌入式超电容器、电池管理系统以及串联连接的各个单元的组的集成组合。

7.根据权利要求1所述的电动车辆，其中所述电池组包括神经网络，所述神经网络包括多个互连的智能电池模块。

8.根据权利要求5所述的电动车辆，其中所述电池模块包括具有BMS的电池、超级电容器模块和输出转换器的集成组合。

9.根据权利要求8所述的电动车辆，其中所述超级电容器模块包括双向DC-DC转换器和超级电容器群。

10.根据权利要求8所述的电动车辆，其中所述输出转换器包括四象限H桥。

11.根据权利要求1所述的电动车辆，其中所述控制系统包括双向多电平控制器。

12.根据权利要求11所述的电动车辆，其中所述双向多电平控制器是双向多电平滞后控制器。

13.根据权利要求11所述的电动车辆，其中所述双向多电平控制器与温度传感器和联网接口逻辑结合。

14.根据权利要求11-13所述的电动车辆，其中所述控制系统被配置为基于模块年龄、热状况和性能特性通过模块的各个切换来平衡电池利用。

15.根据权利要求1-14所述的电动车辆，其中所述电池组能切换至整流器/充电器操作。

16.一种智能模块化电池组，包括级联架构，该级联架构包括多个互连的智能电池模块。

17.根据权利要求16所述的智能模块化电池组，其中所述电池模块包括具有对等通信能力的联网低压转换器/控制器、嵌入式超电容器、电池管理系统以及串联连接的各个单元的组的集成组合。

18.根据权利要求16所述的智能模块化电池组，其中所述互连的智能电池模块包括神经网络。

19.根据权利要求16所述的智能模块化电池组，其中所述电池模块包括具有BMS的电池、超级电容器模块和输出转换器的集成组合。

20.根据权利要求19所述的智能模块化电池组，其中所述超级电容器模块包括双向DC-DC转换器和超级电容器群。

21.根据权利要求19所述的智能模块化电池组，其中所述输出转换器包括四象限H桥。

22.一种智能电池模块，包括具有对等通信能力的集成低压转换器/控制器、嵌入式超电容器、电池管理系统以及多个串联连接的各个单元的组。

23.根据权利要求22所述的智能电池模块，其中所述转换器/控制器包括四象限H桥。

24.一种智能电池模块，包括

具有集成BMS的电池，

超级电容器模块，其能操作地耦合到所述电池，以及

输出转换器，其能操作地耦合到所述电池和所述超级电容器模块。

25.根据权利要求24所述的智能电池模块，其中所述超级电容器模块包括双向DC-DC转换器和超级电容器群。

26.根据权利要求24所述的智能电池模块，其中所述输出转换器包括四象限H桥。