CN113540584A - 包括用于管理单元的管理电路的电能存储或生产单元的组装件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种能够递送输出电流的组装件，包括：‑N个等级为i的电能存储或生产单元，其中，N≥2，每个电能存储或生产单元能够在所有时间t供应最大电流Imax,i；‑管理电路，其用于管理所述电能存储或生产单元，其特征在于，在所述单元根据它们的等级i以递减的使用优先级被分类的情况下，所述管理电路包括一种模块，该模块用于至少对等级为1的单元进行寻址，或根据单元的等级i并根据以下标准对单元进行寻址：‑‑只要等级为1的单元能够供应输出电流Is<Imax1，该单元就被独立地寻址；‑‑等级为1的单元与附加的数量为k的单元一起被寻址，这些数量为k的单元是根据它们的等级i被依次寻址的，以便在放电模式下在所有时间供应电流Is，数量k使得2<k≤N并且满足以下条件：
Figure DDA0003023911890000011
并且
Figure DDA0003023911890000012
。

Description

包括用于管理单元的管理电路的电能存储或生产单元的组 装件
技术领域
本发明的领域是电能存储或生产单元(例如，电池、氢燃料单元)的组装件的领域，并且更精确地，本发明的领域涉及包括用于管理单元的管理电路的组装件，使得可以增加所述组装件的可用能量或者由所述组装件供应的系统的持续运行时段(period ofautonomy)。
本发明中解决的问题涉及从充电的特定状态开始供应电流的容量的下降以及由电能存储或生产单元供应的系统的持续运行时段。
背景技术
一般来说，电池的充电和放电条件(regime)可以由通常被称为“C-速率”的参数来表征。1mAh的电池被评估为1C意味着如果电池能够在1C的条件下放电，则该电池能够供应1mA持续一小时。
电池的存储容量通常由制造商利用电池的规格供应，其对应于小时乘以标称电流的乘积，该标称电流是该电池能够在20℃供应的，直到达到单元的预定的放电结束电压为止。出于这个原因，电池的标称容量与期望的放电时段相关。
申请人已经证明，在微电池的情况下，从放电的某种状态开始供应标称电流的容量急剧下降。这种减小尽管对于高容量锂离子电池而言不太显著而且是更平缓的，但是这种减小也是存在的。
因此，这个问题引起了人们的普遍关注，包括在以下高功率应用的上下文中：运输工具(自行车、汽车、卡车、火车等)、自动系统(太阳能无线电继电器、卷帘式快门、连接的对象等)、固定存储装置等。
一般来说，微电池是一种电化学设备，其由被电绝缘体和离子导体(电解质)分隔开的两个电极(正极和负极)组成，并且其中离子(例如，锂离子)从一个电极转移到另一个电极，这取决于微电池是在充电还是在放电。
目标应用领域(物联网、医疗植入物、自动传感器等)对供应设备的能量源的大小施加了重大限制。正极形成锂离子库，并且存储的能量的量与其体积(以恒定的密度)直接相关。
用于增加微电池的容量的一种直接方法可以例如包括增加阴极的厚度，典型地超过10μm。也可能形成并联连接的多个电池单元的栈，由此可能保持相同的表面面积。
然而，这些解决方案具有多个缺点：
-由于阴极溅射沉积技术(其限制厚度超过10μm)，因此增加正极的厚度会引起表面和体积缺陷的增加，可能引起微电池的故障；
-微电池在第一次充电和第一次放电之间表现出不可逆的容量损失，当阴极的厚度很大时，这一点尤为明显，因此对于厚度大于10μm的正极，这些解决方案特别不利。
图1更精确地示出了微电池的充电电流I和电势差E(V对Li+/Li)作为锂基微电池(正极由LiCoO2制成，负极由钛制成，固体电解质由LiPON制成)的充电容量和放电容量的函数。
图1示出了在4.2V的恒定电势充电期间的电流曲线(右侧为电流标度，且顶部为以Ah为单位的充电标度的虚线曲线)。在放电期间，施加-6μA的固定电流，并且电势差(左侧为电压标度，且底部为以Ah为单位的放电标度的连续线曲线)在4.2V和3V之间变化。
损失占总容量的30％至40％(充电容量与放电容量之间的差异由水平箭头突出显示)，这是由于放电结束时的动力限制而导致的。然而，克服该限制是可能的，但是放电电流会显著减小，由此使得不可能在除了待机模式之外供应任何组件。
图2更精确地示出了这种情况，即，示出了放电电流(以μA为单位表示)作为放电容量(以μAh为单位表示)的函数的演进。图2还突出显示了电势差E(V对Li+/Li)。
在第一条件下，微电池通常可以以施加的-6μAh电流操作，从而生成跨所述微电池的端子的电压降。在第二条件下，典型地可能维持3V的电压，并且被释放的放电电流减小，从-6μAh变为接近0的低得多的电流。
在第二条件下，也可能施加非常低的电流，如图3中示出的。
因此证明，在这两种场景中，放电电流变得非常低，使得不再可能在第二条件下获得足够的供应电流。
因此，变得有必要使用与微电池相关联的能量管理电路，以便克服上面提到的缺点。
在微电池的领域中已知一种拟用于管理堆叠式微电池的能量的设备，并且在密歇根大学的专利US009635147B2中特别地描述了该设备。微电池通过供应由应用所要求的电流峰值来供应电容电荷库，该电容电荷库的功能是供应外部电路。
在设备的操作期间，通过微电池的方式定期地对该电荷库进行再充电。由于周期性的再充电导致对信息传输速率的固有限制，因此这构成了该解决方案的主要缺点。此外，库越大，在表面积和制造方面就越昂贵。
文档US009252415B2(Medtronics公司)也公开了在堆叠过程期间通过堆叠晶片来并联地放置微电池，这些芯片通过再分配和过孔层的方式进行连接。
然而，上面描述的两种解决方案并未解决第一次循环后的不可逆损失的问题，这不利于组件的容量和体积空间量符合预期目标，特别是在很大的阴极厚度(厚度大于10μm)的情况下。
申请人已经集中于这种不可逆的损失，并且已经特别地证明，在微电池的第二放电条件下(其可能占存储的能量高达34％)，电流太低从而无法保证应用的标称操作。
发明内容
为了解决该问题，申请人提出了一种包括能量管理电路的电能存储或生产单元的组装件，使得可以优化组装件的持续运行时段，并且特别是保持单元在其第一条件下可用，而其他的一个或多个单元继续在其第二条件下供应电流(第二放电部分)。该解决方案可能特别适用于微电池的情况，但是在电能存储或生产单元的任何其他情况下也很重要，并且使得可以在延长的时段内继续供应应用电流。
单元的放电被优先处理，以便尽早使用其第二条件，并且随后的单元被依次切换，以便在所有时间供应满足应用的需要所需的附加电流。与电池仅在前66％内放电的标准情况相比，这可能导致在操作期间容量增加30％-35％的数量级。
应当注意的是，在本发明的上下文中，电池或电能存储或生产单元被定义为基本单元或以串联和/或并联放置的基本单元的组装件。
本发明的组装件包括单元的集合和相关联的管理电路，其中：
-集合由两个或更多个单元组成；
-能量由单元中的每一个以阶梯方式供应，以便通过使第二条件下的动力学限制的影响平滑来使用其全部容量；
-取决于单元的电荷状态，能够利用不同的条件对单元进行同时寻址；
-单元和管理电路可以有利地被包含在3D栈中；
-在诸如序言中描述的常规微电池之类的单元的情况下，正极的厚度典型地(但不限于)大于10μm，这是由于总容量越高，损失越显著。
本发明更精确地涉及一种能够递送输出电流Is的组装件，包括：
-N个等级为i的电能存储或生产单元，其中，N≥2，每个单元包括基本单元或以串联和/或并联放置的基本单元的基本组装件，每个电能存储或生产单元能够在所有时间t供应最大电流Imax,i；
-管理电路，其用于管理所述电能存储或生产单元，
其特征在于，在所述电能存储或生产单元根据它们的等级i以递减的使用优先级被分类的情况下，所述管理电路包括一种模块，在放电模式下，该模块用于至少对等级为1的电能存储或生产单元进行寻址，或根据电能存储或生产单元的等级i并根据以下标准对其进行寻址：
--只要等级为1的电能存储或生产单元能够供应所述输出电流Is，该电能存储或生产单元(B1)就被独立地寻址，其中，Is<Imax1；
--等级为1的电能存储或生产单元与附加的数量为k的电能存储或生产单元一起被寻址，这些数量为k的电能存储或生产单元是根据它们的等级i被依次寻址的，以便在放电模式下在所有时间供应电流Is，数量k使得2<k≤N并且满足以下条件：
Figure BDA0003023911870000041
并且
Figure BDA0003023911870000042
根据本发明的一些变体，用于管理所述电能存储或生产单元的管理电路包括：
--等级为i的块，每个电能存储或生产单元被耦合到块，被耦合到块的每个单元能够递送输出电流；
--所述块的集合，其生成等于输出电流Ii的总和的输出电流Is，所述块选择第一电能存储或生产单元，直到在不超过电流值Imax,1的情况下该第一电能存储或生产单元被完全地耗尽为止，然后选择第二电能存储或生产单元，直到在不超过电流值Imax,2的情况下该第二电能存储或生产单元被完全地耗尽为止等等，然后选择第N个电能存储或生产单元。
根据本发明的一些变型，每个块包括开关、用于管理所述电能存储或生产单元的所述管理电路，从而在全有或全无模式下通过迟滞来控制所述电能存储或生产单元中的每一个。
根据本发明的一些变体，每个块包括具有参考输出电压Uthi的调节器。组装件可以以输出电压Vs来进行操作，每个块包括以电压阈值操作的调节器，并且调节器的电压阈值使得：
Uth2>Uth3>……>UthN，并且
-如果Vs≥Uth2，则等级为1的单元被独立地激活，以便供应Imax,1；
-当Vs<Uth2时，除了第一单元之外，第二单元被激活，以便供应附加的电流；等等；
-当Vs<UthN时，除了较低等级的单元之外，第N个单元被激活，以便供应附加的电流。
根据本发明的一些变体，组装件以输出电压Vs来进行操作，其特征在于，每个块包括切换模式转换器，该切换模式转换器具有设定点电压并且能够：
-当输出电压Vs低于所述设定点电压时，在输出处供应电流，以便使输出电压Vs保持在设定点电压处，并且
-当输出电压Vs大于该设定点时，供应零电流。
根据本发明的一些变体，组装件包括具有不同电容量值的电能存储或生产单元。
根据本发明的一些变体，电能存储或生产单元具有根据等级i递减的电容量值。
根据本发明的一些变体，管理电路包括一种模块，在对应于负输出电流-Is的再充电模式下，该模块用于将所有单元并联放置。
根据本发明的一些变体，管理电路包括一种模块，在对应于负输出电流-Is的再充电模式下，该模块用于按照从等级N到等级1的优先级对高等级的单元进行寻址。
根据本发明的一些变体，基本电能存储或生产单元是电池。
根据本发明的一些变体，基本电能存储或生产单元是微电池。
根据本发明的一些变体，基本电能存储或生产单元是氢燃料单元。
根据本发明的一些变体，微电池和管理电路被包含在3D栈中。
附图说明
通过阅读以下描述(其是不受限制地给出的)并且借助附图，本发明将被更好地理解，并且其他优点将变得显而易见，其中：
[图1]图1示出了根据已知的现有技术的在微电池中的第一充电与第一放电之间的容量的损失；
[图2]图2示出了在放电操作期间，并且特别是在保持在3V电压的微电池的第二条件下，电压和电流行为作为时间的函数；
[图3]图3示出了在放电操作期间，并且特别是在保持非常低的放电电流的微电池的第二条件下，电压和电流行为作为时间的函数；
[图4]图4示出了根据现有技术的微电池的能量管理电路的第一示例；
[图5]图5示出了根据现有技术的微电池的能量管理电路的第二示例；
[图6]图6示意性地示出了包括根据本发明的能量管理电路的组装件；
[图7a]图7a示出了与能够用于组装件中的单元相关的块的一个示例，该组装件包括根据本发明的能量管理电路；
[图7b]图7b示出了与能够用于组装件中的单元相关的块的一个示例，该组装件包括根据本发明的能量管理电路；
[图7c]图7c示出了与能够用于组装件中的单元相关的块的一个示例，该组装件包括根据本发明的能量管理电路；
[图8]图8示出了与组装件的一个示例中使用一个、两个、三个或四个单元相关的输出电流作为时间的函数的演进的一个示例，该组装件包括根据本发明的以4个单元的集合操作的能量管理电路；
[图9]图9示出了组装件的一个示例的输出电流行为作为时间的函数，该组装件包括根据本发明的包括两个相同单元的能量管理电路；
[图10]图10示出了组装件的一个示例的输出电流行为作为时间的函数，该组装件包括根据本发明的包括两个不同单元的能量管理电路；
[图11]图11示出了组装件的一个示例的输出电流行为作为时间的函数，该组装件包括根据本发明的包括三个不同单元的能量管理电路；
[图12]图12示出了包括根据本发明的包括基于开关的块的能量管理电路的组装件的一个示例；
[图13]图13示出了用于控制单元的算法的一个示例，该算法在全有或全无模式下通过迟滞执行，在放电操作期间，这些单元能够用于诸如图12中示出的组装件之类的组装件的管理电路中；
[图14]图14示出了用于控制单元的算法的一个示例，这些单元能够用于根据本发明的组装件的管理电路中，并且以由阈值电压定义的线性模式(放电时的操作)操作；
[图15]图15示出了用于控制单元的算法的一个示例，这些单元能够用于根据本发明的组装件的管理电路中，并且以由每个单元上可用的电流与所请求的电流之间的平衡定义的线性模式(放电时的操作)操作；
[图16]图16示出了用于控制单元的算法的一个示例，这些单元能够用于根据本发明的组装件的管理电路中并且以线性模式运行，该线性模式由再充电操作期间每个单元上可接受的再充电电流与整体再充电电流之间的平衡定义。
具体实施方式
一般来说，本专利申请中定义的单元是基本电能存储或生产单元，或以串联和/或并联放置的基本电能存储或生产单元的基本组装件，如下面的图6所描述的，图6示出了由基本子单元CEij的组装件组成的单元Bi。
基本单元CEij典型地是电化学对，例如，电池、微电池、氢燃料单元等。该基本单元可以与其他基本单元串联组合以获得特定电压(例如，在串联组合6个元件的铅酸电池中为12V)，和/或该基本单元可以与其他基本单元并联组合以供应更高的电流。
在下面的详细描述中，基本单元是微电池，应用的管理电路在除微电池之外的基本单元的更一般范围中仍然能够是相同的。
如图6中示出的，管理电路包括耦合到单元Bi的块Mi。
所有块Mi的期望目标是优先选择一个单元，直到其被完全地耗尽为止，然后选择第二个单元，直到其被完全地耗尽为止等，然而，不超过针对单元中的每一个的最大电流值Imax,i，这取决于所述单元的电荷的状态。
电流Is是由输出负载施加的，并且可以根据需要随时间波动。这是在知道每个单元能够在所有时间供应不能被超过的最大电流Imax,i的情况下，由于在块Mi中的每一个的输出处的电流I1、I2、……、IN的总和导致的。
块Mi可以是不同种类的，并且可以例如通过连接速率、通过降压组装件或通过电压调节器来控制电流t。
图7a、图7b和图7c示出了以下3个示例：块Mi耦合在对单元Bi的输入处、耦合在可选电阻器Ri处、以及耦合在负载Cout的输出处。更精确地，图7a示出了具有串联滤波和开关的设备的一个示例，包括开关Ki和电容器CMi。图7b示出了切换模式转换器设备的一个示例，该切换模式转换器设备包括两个开关Ki1和Ki2、电容器CMi和电感器LMi。图7c示出了具有电压调节器Rgi的设备的一个示例。这三个示例性块Mi使得可以调节电流以便选择性地对耦合到所述块的单元进行寻址或不寻址。
在一个示例中，图8中示出了输出电流Is随时间的演进，并且这是以4个单元操作的，看起来优先选择例如单元B1，然后选择单元B2，然后选择单元B3，并且最后选择单元B4，以便满足由输出在所有时间t要求的电流。
具体地，根据本发明，单元是根据它们的等级i以递减的使用优先级被分类的。
按照优先级对单元B1进行寻址，并且如果单元B1能够供应足够的电流Imax,1≥Is，则单元B1是被寻址的唯一单元。
如果Imax,1<Is，则有必要在符合优先级次序的同时确定要被寻址的单元的数量k，以使得可以满足所要求的输出电流。
等级为1的电能存储或生产单元B1与附加的数量为k的电能存储或生产单元Bi一起被寻址，这些数量为k的电能存储或生产单元Bi是根据它们的等级i被依次寻址的，以便在放电模式下在所有时间供应电流Is，数量k使得2<k≤N，N是组装件中存在的单元的数量并且满足以下条件：
Figure BDA0003023911870000091
并且
Figure BDA0003023911870000092
申请人利用包括可变数量的锂离子微电池(例如，上面示出的具有和不具有根据本发明的管理电路的锂离子微电池)的组装件执行模拟，以便对多个微电池进行依次寻址。
模拟假设如下：
-连续等于4μA的应用的需要；
-考虑到分布在N个微电池上的108μAh的总容量(例如，36μAh的3个单元并联)，在C/6的第一条件下，电流可访问容量的前72.2％(78μAh)，即，18μA(电流等于容量除以6小时：108μAh/6h)。
在第二条件下，电流可访问容量的后27.8％(30μAh)，等于容量除以36(在电流为C/36的情况下)，即，电流为3μA。
使用单个单元
如果仅使用108μAh的单个微电池(其可能由多个并联的微电池组成)，则仅第一条件下的电流(18μA)能够满足应用(4μA)，第二条件下的电流(等于3μA)小于4μA的应用电流。仅微电池的容量的72.2％(即，78μAh)是可用的，或者换言之，能够持续运行78μAh/4μA＝19.5h。
在本发明范围内使用两个单元：
在本发明范围内使用两个相同的单元：
取两个相同的单元，每个单元为54μAh(整体容量为108μAh)，在第一条件下，每个单元的电流Imax为54μAh/6＝9μA，并且在第二条件下，每个单元的电流Imax为54μAh/36＝1.5μA。
图9中示出了电流曲线作为时间的函数，并且展示了电流曲线，其中，I1是第一单元消耗的电流(4μA)，并且I2是第二单元消耗的电流(与第一条件相比，第二条件以阴影线形式示出)。
54μAh的容量的72.2％能够供应4μA的电流达584.8分钟。
当改变到第一单元的第二条件时，可能仅供应小于或等于第二条件的电流Imax,1(被确立在1.5μA)的电流。
然后对第二单元进行寻址，该单元负责供应2.5μA的附加电流(4μA-1.5μA的附加电流)，该电流保持远低于第二单元在其第一条件下的Imax,2(9μA)。
通过将微电池的容量分成两部分(在图9中：无阴影线区域和有阴影线区域)，并且通过优先选择对两个中的一个进行放电，设备能够供应所要求的4μA达23.25小时，即，与具有等效标称容量的单个微电池相比，持续运行时间增加了3.75小时或+19％。
超出第1395分钟(23.25h)之后，设备仅能够供应1.5μA，这不再足以供应应用，并且该剩余的能量因此未被使用。
根据本发明使用优化的两个不同单元：
考虑到两个不同的单元，遵循同样的推理，以便获得甚至更多的持续运行时间并优化两个单元的相对容量。申请人对具有不同容量的单元执行了模拟，并且展示了86μAh的一个单元和22μAh的另一单元的优化的状态。
图10中示出了在优化了两个不同单元的情况下实现的电流曲线作为时间的函数，并且展示了电流曲线，其中，I1是第一单元消耗的电流，并且I2是第二单元消耗的电流。
用于供应4μA的持续运行时间然后改变为25.5h，即，比先前多2.25h，并且比单个单元的情况多6h。
在本发明范围内使用三个单元
在本发明范围内使用三个相同单元：
如果使用36μAh的3个相同单元(总容量仍然为108μAh)，则持续运行时间为24.375小时，这比仅一个单元或两个相同的单元更好，但是不如两个单元相对于彼此充分优化的情况好。
在本发明范围内使用优化的三个不同单元：
申请人展示了分别为89μAh、11μAh、8μAh的3个单元的优化的持续运行时间，以使得可以达到26.12h的持续运行时间，即，比两个优化的单元多0.625h。
图11中示出了在优化的情况下实现的电流曲线作为时间的函数，并且展示了电流曲线，其中，I1是第一单元消耗的电流，I2是第二单元消耗的电流，并且I3是第三单元消耗的电流。
综上所述，这些模拟展示了在本发明中呈现的解决方案使得可以在持续运行时间方面实现可能达到33％左右的增益(与并行寻址的三个单元相比，以及根据在本发明中提出的管理电路寻址的三个优化的单元)。
根据本发明的用于控制包括控制电路的能量存储设备中的单元的算法的第一示 例：
本发明的组装件可以是图12中示意性示出的组装件，并且包括耦合到开关Ki的单元Bi。
根据该第一示例，在全有或全无模式下通过迟滞来控制单元，如下面所解释的：
在放电模式下，在操作期间以递减的使用优先级对单元B1、B2、B3、……、BN进行分类(B1是所有单元中首先连接的单元，并且BN是所有单元中最后连接的单元)。
令Uhigh为上电压阈值，并且Ulow为较低的电压阈值，从而构成输出电压Vs，这些电压阈值与单元的正常操作相关。这些阈值是迟滞阈值，其可能不同于单元能够经受的最小电压阈值和最大电压阈值。典型地，Ulow可以接近由制造商指定的单元的最小电压(例如，该限制值的+5％至+20％)，而Uhigh可以实质上位于由制造商指定的最小电压与最大电压之间的中间。
在放电模式下，如下进行操作：
在放电模式下，单元B1实际上总是连接。呈现了图13中指示的状态“0”。
放电电压不应当下降到低于较低的电压阈值Ulow，该阈值对于Li+/Li电池可能典型地为3V。
首先，当单元B1处于放电模式时，只要Vs≥Ulow，就仅B1被激活，并且B1能够供应电流Imax,1。
当Vs<Ulow时，系统改变为图13中的状态“1”，除了单元B1之外，单元B2也被激活。每次系统经过图13中的状态“1”时，索引i递增1(i＝i+1)，除非i已经达到N，这示意性地示出了更高等级Bi+1的单元的连接，以便供应所请求的电流。
在选定的被称为Delay1的稳定时间之后，存在到状态“0”的返回，其中，单元的集合在放电模式下连接。
因此，当输出电压Vs下降到低于较低的电压阈值Ulow时，原理包括连接接下来的单元Bi+1。
还存在上单元迟滞电压UHigh。
另外，如果电压Vs使得Vs>UHigh，则决定优选地将具有最高索引的连接的单元断开连接。该断开连接动作由图13中的状态“2”示出，并且由i＝i-1的改变示意性地示出。
在连接的单元的数量递增或递减之后(在站点1到N的限制内)，在返回到状态“0”之前，可以应用小的等待时段Delay1或Delay2，使得输出电压在配置改变之后有时间稳定到其新值，并且避免与i的两个值之间的不稳定情况相关的过高频切换(例如，>100kHz)。
在再充电模式下，典型地当充电系统在电流方面相对于能够再充电的单元的电流实际上不受限制时，所有单元被并联放置，并且对所有单元同时进行再充电。
另一方面，如果可用于再充电的电流相对适度(无法对所有单元快速充电)，则可以通过优先选择对单元N进行再充电，然后对单元N-1进行再充电等来应用反向优先权，以便再次迅速地使系统能够供应高电流。
包括根据本发明的控制电路的能量存储设备的第二示例：
根据该第二示例，以线性模式控制电池单元。
参考图6，每个单元Bi与块或管理电路Mi相关联。该管理电路可以例如是图7b中的类型或图7c中的类型。
这种类型的管理电路使得可以更精确地管理每个单元对输出电流的电流贡献。
例如，当单元B1和B2两者共同贡献时，使得能够在单元B1上选择比在单元B2上更高的电流。
线性模式可以由阈值电压定义：
在放电模式下，如下进行操作：
取Uth2、……、Uthi、……、UthN作为具有递减值的电压阈值，其分别对应于块M2、……、Mi、……、MN的输入电压阈值。当输出电压Vs大于或等于Uth2时，则仅第一单元B1供应输出电压。
当输出电压Vs趋向于下降到低于Uth2时，第二单元仅干预到保持Vs＝Uth2所必要的程度，而第一单元是100％连接的(就如同开关要将第一单元直接地连接到具有较低电压降的输出一样)。
当两个第一单元不再设法维持电压Uth2时，尽管2个第一单元是100％连接的，但是电压Vs下降到低于Uth2。
当输出电压趋向于下降到低于Uth3时，第三单元仅干预到保持Vs在Uth3所必要的程度，而两个第一单元是100％连接的。
以此类推，直到最后的单元干预以使Vs保持在电压UthN。
操作原理也在图14中以图形形式示出。
在状态“0”中，单元B1至Bi-1是100％连接的，单元Bi有助于使输出电压Vs保持在电压Uthi，而其他单元Bi+1至BN断开连接。
当Vs继续下降并变得使得Vs<Uthi–ε时，对单元Bi进行寻址，以便有助于使Vs保持为等于Uthi，并且此时改变为状态“1”。
具体地，取决于电压Vs是增加还是减小，可以将小的∈添加到阈值电压或从阈值电压中减去以与电压Vs进行比较，以便形成小迟滞，并且避免在阈值电压周围的不需要的切换操作。
以与上面所描述的相同的方式，当电压Vs>Uthi-1时，最高等级的单元断开连接，并且仅B1、……、Bi-1连接。
在实践中，使用如图7c中描述的调节器来实现这种原理是容易的，每个调节器具有参考输出电压Uthi，其中，电压Uthi随索引i递减。
同样，也可能使用如图7b中描述的转换器上的输出电压设定点，或者串联切换模式系统(图7a中描述)或任何其他类型的转换器上的输出电压设定点。
应当注意的是，这些转换器仅在输出电压趋向于下降到低于其设定点电压时才在输出处供应电流，以便使输出电压保持在期望的设定点电压，并且当输出电压大于该设定点时，输出电流为零(即，单元好像与输出完全断开连接)。
在再充电模式下，可以将所有单元并联放置，或者经由另一专用组装件应用任何其他配置。
线性模式可以由可用电流定义：
管理电路还可以包括或连接到用于估计单元Bi能够在所有时间供应的最大电流Imax,i的估计器。
该估计器可以例如基于单元Bi上不超过的最大电流作为单元Bi的充电的状态、温度等的函数的先前记录。在这种情况下，系统估计单元的电荷状态例如作为其电压、其温度、已经经过的安培小时数等的函数，并且然后确定单元Bi能够消耗的最大电流。
此外，该最大电流Imax,i的值可能已经被确定，以便保证一定的服务寿命，并且该最大电流Imax,i不是绝对最大电流，而是被建议的最大电流，以保证电池的耐久性和/或一定的效率和/或包含发热等等。
在实践中，存在用于确定在所有时间不被超过的该最大电流Imax,i许多可能的方法。这是在所有时间的最大值，其可以被定义为Imax,i(t)。
图15中的图示出了用于利用线性模式下的这种操作来管理放电的算法的步骤，该线性模式是由可用电流定义的。
在状态“0”中，电能存储或生产单元B1至Bi-1供应其最大电流Imax,i，单元Bi有助于使电压Vs保持在期望的电压Vset，并且其他单元断开连接。
应当注意的是，在图中，当i＝1时，仅单元B1供应使Vs保持在Vset所要求的电流。
如果具有最高索引的连接的单元供应零电流，则该单元可能断开连接(i＝i-1)。相比之下，如果贡献电流的单元不能维持输出电压，则随后的单元(i＝i+1)必须贡献电流。
一般目标是保证输出处的电压电平，因此目标是“Bi有助于将Vs保持在期望的电压Vset”，但是也可以设想其他目标：
-“Bi有助于将输出电流Is保持在期望的电流值Iset(电流源系统)”；
-“Bi有助于将Vs保持在电流Iset的限制内的期望的电压Vset(限流电压源系统)。”。
可以使用如图7b中描述的切换模式转换器来实现对电流Imax,i或输出目标的监视，但是也可以设想其他结构，例如，升压结构。
可以采取任何方法以用于再充电(Is<0)，例如，将所有单元并联放置。可能性中的一种是通过优先选择高索引单元来执行再充电，以便在放电模式下迅速恢复电流容量(如果在再充电结束之前电流Is发生反转)。
图16示出了用于控制单元的算法的一个示例，这些单元能够用于根据本发明的组装件的管理电路中并且以反向优先级的次序操作，并且同时符合每个单元在再充电操作期间能够接受的最大再充电电流。
出于这个原因，可以针对单元Bi中的每一个定义在所有时间建议的最大再充电电流：Irechargemax,i。
应当注意的是，在图16中，当i＝N时，表达“Bi+1至BN接收其Irechargemax,i”不再相关，并且没有单元接收其最大电流。仅单元BN接收到再充电电流Is。
在当前情况下，输出电流Is为负，这是由于它是再充电电流而不是放电电流导致的。
本发明的组装件可以有利地被形成在3D栈中，例如，文献中并且特别是在以下引用中描述的微电池的栈：“low-power analog techniques,sensors for mobile devices,and energy efficient amplifiers”(Advances in Analog Circuit Design 2018，由Springer出版)，其公开了两个微电池的栈。关于块Mi，使用电压调节器(例如，来自Microchip公司的参考MIC5225YM5-TR)是可能的。

Claims (13)

1.一种能够递送输出电流Is的组装件，包括：
-N个等级为i的电能存储或生产单元(Bi)，其中，N≥2，每个单元包括基本单元或以串联和/或并联放置的基本单元(CEij)的基本组装件，每个电能存储或生产单元能够在所有时间t供应最大电流Imax,i；
-管理电路，其用于管理所述电能存储或生产单元(Bi)，
其特征在于，在所述电能存储或生产单元根据它们的等级i以递减的使用优先级被分类的情况下，所述管理电路包括一种模块，在放电模式下，所述模块用于至少对等级为1的电能存储或生产单元进行寻址，或根据所述电能存储或生产单元的等级i并根据以下标准对其进行寻址：
--只要等级为1的电能存储或生产单元(B1)能够供应所述输出电流Is，所述电能存储或生产单元(B1)就被独立地寻址，其中，Is<Imax1；
--所述等级为1的电能存储或生产单元(B1)与附加的数量为k的电能存储或生产单元(Bi)一起被寻址，所述数量为k的电能存储或生产单元(Bi)是根据它们的等级i被依次寻址的，以便在放电模式下在所有时间供应所述电流Is，所述数量k使得2<k≤N并且满足以下条件：
Figure FDA0003023911860000011
并且
Figure FDA0003023911860000012
-用于管理所述电能存储或生产单元(Bi)的所述管理电路包括：
--等级为i的块(Mi)，每个电能存储或生产单元(Bi)被耦合到块(Mi)，被耦合到块(Mi)的每个单元(Bi)能够递送输出电流(Ii)；
--所述块(Mi)的集合，其生成等于所述输出电流(Ii)的总和的输出电流(Is)，所述块(Mi)选择第一电能存储或生产单元，直到在不超过电流值Imax,1的情况下所述第一电能存储或生产单元被完全地耗尽为止，然后选择第二电能存储或生产单元，直到在不超过电流值Imax,2的情况下所述第二电能存储或生产单元被完全地耗尽为止等等，然后选择第N个电能存储或生产单元。
2.根据权利要求1所述的组装件，其特征在于，每个块(Mi)包括开关、用于管理所述电能存储或生产单元的所述管理电路，从而在全有或全无模式下通过迟滞来控制所述电能存储或生产单元(Bi)中的每一个。
3.根据权利要求1所述的组装件，其特征在于，每个块(Mi)包括具有参考输出电压Uthi的调节器(Rgi)。
4.根据权利要求3所述的组装件，以输出电压Vs来进行操作，每个块(Mi)包括以电压阈值操作的调节器，并且所述调节器(Rgi)的所述电压阈值使得：
Uth2>Uth3>……>UthN，并且
-如果Vs≥Uth2，则等级为1的单元(B1)被独立地激活，以便供应Imax,1；
-当Vs<Uth2时，除了所述第一单元(B1)之外，第二单元(B2)被激活，以便供应附加的电流；
-当Vs<UthN时，除了较低等级的单元B1+B2+……BN-1之外，第N个单元(BN)被激活，以便供应附加的电流。
5.根据权利要求1所述的组装件，以输出电压Vs来进行操作，其特征在于，每个块(Mi)包括切换模式转换器，所述切换模式转换器具有设定点电压并且能够：
-当所述输出电压Vs低于所述设定点电压时，在输出处供应电流，以便使所述输出电压Vs保持在所述设定点电压处，并且
-当所述输出电压Vs大于所述设定点时，供应零电流。
6.根据权利要求1和2中的任一项所述的组装件，其特征在于，所述组装件包括具有不同电容量值的电能存储或生产单元。
7.根据权利要求3所述的组装件，其特征在于，所述电能存储或生产单元具有根据所述等级i递减的电容量值。
8.根据权利要求1至7中的一项所述的组装件，其特征在于，所述管理电路包括一种模块，在对应于负输出电流-Is的再充电模式下，所述模块用于将所有单元并联放置。
9.根据权利要求1至7中的一项所述的组装件，其特征在于，所述管理电路包括一种模块，在对应于负输出电流-Is的再充电模式下，所述模块用于按照从等级N到等级1的优先级对高等级的单元进行寻址。
10.根据权利要求1至9中的一项所述的组装件，其特征在于，基本电能存储或生产单元是电池。
11.根据权利要求1至9中的一项所述的组装件，其特征在于，基本电能存储或生产单元是微电池。
12.根据权利要求1至9中的一项所述的组装件，其特征在于，基本电能存储或生产单元是氢燃料单元。
13.根据权利要求11所述的组装件，其特征在于，所述微电池和所述管理电路被包含在3D栈中。
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