CN114207982A - 能量递送系统 - Google Patents

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Abstract

一种能量递送系统，该能量递送系统将具有不同化学成分或物理结构的多个能量存储源/系统与公共控制系统相结合，该控制系统被配置为因变于每个系统的不同性能特性从该系统输出能量，因此能够优化所组合的系统的各种运行特性。控制系统被配置为利用每个能量存储系统的单独的可变阻抗网络来调整每个能量存储系统的相对输出电流或放电速率，以诸如优化每个能量存储系统的循环寿命、放电深度、温度、递送功率和/或感知到的安全性。

Description

能量递送系统
本申请是2020年4月30日提交的美国专利申请序列第16/760,762号的部分继续申请，该申请是于2017年12月22日提交的国际申请第PCT/US2017/068301号的国家阶段申请，两者均通过引用并入本文。本申请还要求于2019年8月5日提交的美国临时专利申请第62/882,817号的优先权，该美国临时专利申请通过引用将其并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及用于电子设备的能量源，尤其涉及用于从能量存储系统或源递送能量的系统。
背景技术
本节旨在介绍本领域的各个方面，这些方面可以与本公开的示例性实施例相关联。本讨论被认为有助于提供一个框架，以便于更好地理解本公开的特定方面。因此，应当理解，本节应当从这个角度来理解，而不一定作为对现有技术的承认。
人们对于提供电力以实现技术便利的能量设备的依赖比以往任何时候更多。主要地，电力来自连续运行的电网。然而，由于电网不可用的偏远地区或者中断，存在从非电网源供应的电力的需要。可以使用这些源从非电网设备和系统中提取能量并将能量递送或转换为与现有电网框架和完整的电气工程兼容，这些源包括化学能量存储、势能能量存储或动能能量存储。化学能量存储系统的示例包括但不限于锂电池、镍电池、流动电池和铅酸电池。势能能量存储系统的示例包括但不限于参数化设备，诸如锂电容器、超级电容器和双电层电容器(“ELDC”)。动能能量存储系统的示例包括但不限于旋转质量系统，诸如飞轮和通过机电转换过程耦合的其他机械设备。在本公开中，这些术语可以互换地用于能量递送设备，每个能量递送设备可以递送电能量以施加电压、供应电流和/或做功。
电池、电容器或其他能量存储系统的性能特性通常取决于设备的结构，并且在电化学能量存储设备的情况下，取决于其化学成分。此类特性包括但不限于体积能量密度(瓦时单位体积)、重量(gravimetric)能量密度(瓦时每单位质量)、功率密度(即从设备中提取能量的速率)、充电/放电循环寿命、工作温度范围、(多个)电极电压，以及抗老化的整体稳定性。此外，在电池的情况下，某些化学成分在故障状况期间更稳定，并且因此产生更耐热失控的电池，因此被认为比其他化学制剂“更安全”。例如，锂离子电池是最常用的电化学能量存储设备之一。附加地，由于某些原材料的不同的市场价格，当按每瓦时的储存能量的单价进行检查时，不同成分的电池之间可能存在显著的价格差异。
电池单元(在本文中也称为“能量单元”)通常以串联和/或并联组合进行耦合，以形成电池单元堆叠(在本文中也称为“单元堆叠”或“电池堆叠”)，当与适当的控制系统结合时，形成了现代基于电池的能量存储/递送系统的基础。然而，尚未被提供，因而需要可以将彼此不同的多个能量存储源或系统(例如，包含基于一种以上化学成分的电池单元)安全组合的能量递送系统。这种能量存储/递送系统不仅具有电气性能优势，还具有成本、安全和/或寿命优势。例如，通过将不同化学成分的电池单元仔细组合，能量存储系统可以由针对价格、安全和/或延长的日历和循环寿命而进行化学优化的电池组成，并且另一种能量存储系统可以由针对一些不同但在其他方面很重要的参数进行优化的电池组成。
附图说明
图1示出了电池单元模型的示意图。
图2示出了因变于示例性电池单元的充电状态的直流内阻(“DCIR”)和开路电压的曲线图。
图3示出了直流负载条件下电池单元的模型的示意图。
图4示出了一系列特性电压与充电状态曲线的图，每个曲线表示示例性单个电池单元的不同电池电流水平。
图5示出了串联耦合的多个电池单元的模型的示意图。
图6示出了串联耦合的多个电池单元的简化模型的示意图。
图7示出了一系列特性电压与充电状态曲线的图，每个曲线都是在示例性电池单元堆叠的不同单元堆叠电流水平下获得的。
图8示出了与可变阻抗网络耦合的电池单元堆叠的模型的示意图。
图9示出了其中可变阻抗网络包括串联耦合的多个可切换二极管的电路框图。
图10示出了展示引入多个串联耦合的可切换二极管所导致的对示例性电池单元堆叠的一系列特性电压与充电状态曲线的影响的示例的图。
图11示出了其中可变阻抗网络包括并联耦合的多个可切换电阻元件的电路框图。
图12示出了展示引入电阻元件所导致的对示例性电池单元堆叠的一系列特性电压与充电状态曲线的影响的示例图。
图13示出了能量递送系统的框图。
图14示出了根据本公开的实施例配置的能量递送系统的框图。
图15示出了图14的能量递送系统的模型的示意图。
图16示出了其中多个可切换二极管串联耦合在可变阻抗网络内的图14的能量递送系统模型的示意图。
图17示出了根据本公开的实施例配置的流程图。
图18示出了根据本公开的实施例配置的能量递送系统的框图。
图19示出了根据本公开的实施例配置的能量递送系统的框图。
图20示出了在具有不同化学成分的两个电池单元堆叠的示例性放电期间的一系列特性电压与充电状态曲线的图。
图21示出了两个不同电池单元堆叠的放电曲线图。
图22示出了根据本公开的实施例配置的能量递送系统的框图。
图23示出了具有不同化学成分的两个不同电池单元堆叠的特性电压与充电状态的图。
图24示出了两个不同电池单元堆叠的放电曲线图。
具体实施方式
应当理解，本文所描述的特定实施例通过图示的方式示出，而不是作为对本发明的实施例的限制。在不脱离本发明范围的情况下，本发明的主要特征可以用于各种实施例中。
由于与其他类型的能量存储和机械设备相比，电化学存储系统(例如，电池技术)的能量密度提高，部署的应用和使用更高，因此本发明的实施例关于电化学存储系统进行了描述。然而，本公开的实施例不限于将电池单元用于能量存储系统；本文所描述的本公开的各种实施例适用于任何类型的能量存储系统的利用，能量存储系统的类型包括但不限于势能能量和动能能量存储系统，诸如本文所公开的那些系统。
本公开的实施例提供了能量递送系统，该能量递送系统将具有不同化学成分或物理结构的多个能量存储源/系统与公共控制系统结合，该公共控制系统被配置为因变于每个系统的不同性能特性从该系统递送能量，并且因此能够优化所组合的系统的各种运行特性。根据本公开的某些实施例，提供了一种能量递送系统，该能量递送系统将并联耦合并且耦合到公共负载的两个或更多电池或其他能量存储系统进行组合。耦合的能量存储系统中的每一者包含具有明显不同的化学成分、结构或操作方法的电池单元。根据本公开的实施例，控制系统被配置为利用每个能量存储系统的单独可变阻抗网络来调整每个能量存储系统的相对输出电流或放电速率，诸如优化循环寿命、放电深度、温度、递送功率，和/或每个能量存储系统的感知安全性。例如，根据本公开的实施例，能量递送系统可包含两个或更多电池单元堆叠，每个电池单元堆叠具有不同的电池化学成分。这种多化学系统可以包含两组或更多组独立的串联/并联连接的单元，以在公共控制系统的控制下形成两个或更多个电池堆叠，以提供能量递送系统。在此类非限制性示例中，每个电池堆叠可能具有独特并且不同的性能特性，该性能特性是由每个电池堆叠内部的电池单元的化学成分确定的。两个或更多单独的电池堆叠可并联耦合，以创建将输出功率递送至所耦合的负载的电池系统。根据本公开的某些实施例，每个电池堆叠的串联单元计数可以被预定为使得每个堆叠的总堆叠电压是最佳匹配的。根据本公开的某些实施例，每个电池堆叠的并联单元计数可以被预定为以按最终使用应用所需优化每个电池堆叠的瓦时容量。
锂离子电池单元通常可分为两个类别，该两个类分别与能量容量或功率容量有关。锂离子“能量电池”被描述为具有最大的体积能量密度或最大的重量能量密度，并具有将锂离子存储最大化的内部化学成分，但具有高的内部阻抗，该高的内部阻抗限制锂离子“能量电池”递送高于3C的高电流的能力(其中“C”指电池容量)。这种能量电池用于诸如笔记本电脑和蜂窝电话的应用中，在这些应用中，能量会在数小时或数天内缓慢提取。锂离子“功率电池”被描述为具有最大的电流递送能力，并且具有使内部阻抗最小化以允许锂离子的无阻碍质量传输的内部化学成分，因此，在不将电池端子电压降低到其截止极限的情况下，允许递送非常高的脉冲或连续电流。功率电池可以具有的大于8C并且高达50C的放电速率。与能量电池相比，功率电池通常具有更厚的集电器。这些内部结构差异和化学差异导致了与能量电池相比较低的能量存储容量和循环寿命能力。功率电池通常用于无绳电钻和必须在短时间内递送大量能量并且所存储的能量的全部都在诸如一小时或更短的放电时间内提取掉的其他工具等应用中。在每个电池分类(功率或能量)中，可能有范围广泛的电池零件号，其具有不同的能量密度和不同的内阻值。
锂离子电池有范围广泛的化学成分和制造技术，每种锂离子电池在与循环寿命、成本、安全性和能量密度相关的性能方面都有特定的相对优势和相对劣势，如下表所示：
Figure BDA0003495354230000051
所列的电池类型中的每一种都可以说具有与其他电池基本上不同的化学成分。如果设计者被给定设计所需循环寿命为5000次充电和放电循环的能量存储系统的任务，那么从该表明显看出，磷酸铁锂(“LFP”)或氧化钛锂(“LTO”)会是更适当的选择，而锂镍锰钴(“NMC”)由于其相对较短的循环寿命而不是更适当的选择。同样明显的是，此类系统的相对成本会更高，因为LFP和LTO是可用的两种最高成本选择。并且因为这两个电池单元类型的能量密度相对较低，所以需要更多的电池单元以达到任何给定系统的瓦时容量。
以前述关于各种能量存储源/系统的不同相对特性的示例性信息为例，对于可能的能量存储性能要求的较大部分，存在两种或更多种电池单元化学物质的组合，该两个或更多个电池单元化学物质的组合可被配置为单个能量递送系统，使得与仅使用单一化学物质的电池单元可实现的系统相比，该系统的至少一些特性得到了增强。
为了展示本公开的实施例的优点，现在将描述示例性能量递送系统，该能量递送系统包含能量存储系统，该能量存储系统包括第一电池堆叠，该第一电池单元堆叠包含LFP电池，该能量存储系统包括第二电池堆叠，该第二电池堆叠包含以近似60％LFP和40％NMC的瓦时容量比组合的NMC电池，该能量存储系统被配置为利用LFP的相对较长的寿命和增强的安全性的特性，但由于NMC减少的相对成本以及较高的能量密度，该能量存储系统成本较低并且尺寸较小。根据本公开的示例性实施例，系统性能和特性可以通过调整所使用的电池化学物质和电池类型以及它们组合的比率来进一步配置。虽然下文描述的示例性实施例提供了基于两个堆叠的能量存储元件的系统，其中每个堆叠基于锂离子电池的不同化学成分，但根据本公开的各种实施例，可以利用其他能量存储系统，诸如基于第一堆叠的电池单元和第二堆叠的ELDC的能量存储系统，该能量存储系统可以针对峰值脉冲功率进行优化，并允许比单独使用电池更快的充电。根据本公开的实施例，可以包括两个以上的能量存储系统(其中此类系统中的至少两个或更多个被配置具有不同的化学物质或能量存储技术(例如，从任何潜在的能量存储系统、化学能量存储系统和/或动能能量存储系统中选择)以进一步定制整体系统性能和/或能量递送系统的特性。
如图1所示，可以将电池单元建模为电子电路网络(例如，参见R.Rao等人，“Battery Modeling for Energy-Aware System Design(能量感知系统设计的电池建模)”，计算机，第36卷，第12期，第77–87页，2003年12月，其通过引用并入本文)普遍接受的模型包括表示开路电压(本文称为“OCV”或“Voc”)的理想电压源、内部串联电阻(Rs)和流过该电阻的电流(Is)，以及串联和/或并联连接的电阻器和电容器组合的无功分量(RnCn)，其中In是流过无功分量(reactive component)的电流。请注意，模型可能包括多(即n，其中n≥1)个RC元件，该多个RC元件对电池单元阻抗的总无功分量有贡献。
在直流(“DC”)负载条件下，电池端子的电压(“Vbatt”)根据以下方程表示：
Vbatt＝Voc–RsIs–∑RnIn
电池的内部串联电阻(Rs+∑Rn)也称为直流内阻(“DCIR”)。DCIR因变于电池的充电状态(“SOC”)而变化。
图2示出了描绘典型NMC电池单元的电池单元DCIR电池单元OCV因变于SOC的图。充电状态越高，Voc电压越高，DCIR越低。DCIR在低充电状态下增加，尤其是低于约30％SOC时增加。
注意，基于时间的分量可能会考虑突然负载变化和充电和/或放电循环期间的瞬态响应和法拉第贡献。在电流不随时间变化的DC负载条件下考虑电池单元的整体行为时，可以将电阻元件相加，而忽略电容元件，因此可以将模型简化为：
Vbatt＝Voc–RbattIbatt
这种简化的电池单元模型如图3所示。因此，Vbatt可以通过在不同Ibatt电流值下获得的各种电流下一系列电压与SOC曲线(在本文中也称为特性V-I曲线)来表征。典型单个NMC电池单元的该一系列特性V-I曲线如图4所示。(在图4和其他示出了电压与SOC曲线图的附图中，其中线条表示与电池额定容量C相关的不同电流值下的电压。)
参考图5，当多(n)个相同的电池单元串联耦合时，模型可以表示为：
Vbatt＝n(Voc–RbattIbatt)
其中n是串联的电池单元的数量。简化模型如图6所描绘的。
参考图7，与前面描述的单个电池单元的示例一样，可以针对此类串联连接的电池单元系统(在该非限制性示例中，前面描述的典型NMC电池单元的电池堆叠，其中11个电池单元串联连接)生成一系列示例性特性V-I曲线。
参考图8，电池单元堆叠可耦合至可变阻抗电路(在本文中称为“Zvar”或“Zvariable”)。Zvar项表示电路的可变阻抗，该电路可被配置为可切换元件的网络(因此，可变阻抗电路在本文中也将被称为“可变阻抗网络”)。对于任何给定的输出电流值，Zvar项允许如此配备的每个能量源(例如电池单元堆叠)通过调整Zvar值，相对于能量源的正常特性电压曲线位置(即Zvar＝0时观察到的放电曲线)向下移动能量源的Vbatt输出特性曲线位置。
本公开的实施例可被配置为利用可变阻抗电路和/或网络内的任何适当电路系统。国际专利申请第PCT/US2017/068301号(以下简称“PCT/US2017/068301”)公开了根据如本文所述的本公开的各种实施例的包括可在可变阻抗网络中使用的可切换元件的电路系统的示例性实现。如图9所示，PCT/US2017/068301(来自PCT/US2017/068301的图6，如图9所提供的)中公开的第一实现利用了数个串联连接的可切换二极管电路610a…610c，这些二极管电路610a…610c可根据由控制系统602执行的控制算法(使用开关元件，例如FET)从电路选择性地插入或移除，控制系统602可实时监控系统600。虽然图9所示的实施例示出了三个串联连接的可切换二极管电路610a–610c，但根据确切的系统配置和最终使用要求，可以利用更多或更少的此类可切换二极管电路。注意，为了简单，图9中示出的其余元件没有进一步描述，但是可以通过回顾PCT/US2017/068301来参考。
图10示出了将数个串联连接的二极管(在这种情况下，五个理想二极管)引入到电路时对特性曲线位置的影响。注意，特性曲线中的每一个相对于无插入阻抗(即Zvariable＝0)向下移位(电压降低)的量相同。在这个非限制性示例中，Zvariable＝5*Vf，其中Vf是理想二极管的正向电压。请注意，电池电流对该移位的水平没有影响；每个电流水平的曲线移位相同的量。使用串联连接的可切换二极管的本实施例的可变性质来源的事实是，任何数量的二极管(即，从零二极管到最大数量的所实现的二极管)可随时从电路中添加或移除。因此，在被配置有这种可变阻抗网络的能量递送系统的操作期间，与所实现的电池单元堆叠相关联的特性V-I曲线可以随时上下移位。
图11提供了包括PCT/US2017/068301中公开的可切换元件的电路的第二示例性实现(来自PCT/US2017/068301中的图7，如图11所提供的)。在该示例性实现中，包括可切换元件的电路系统被配置为可切换电阻元件750a–750d的并联连接。每个可切换电阻元件可根据控制系统702执行的控制算法(使用开关元件，例如FET)从电路中选择性地插入或移除，并且可切换电阻网络的总阻抗由在给定时间打开或关闭的可切换电阻元件的数量决定。以与关于图9所描述的大致相同的方式，在此类电路系统中增加或减少电阻将导致电池单元堆叠的特性V-I曲线的位置的移位。注意，为了简单，图11中示出的其余元件没有进一步描述，但是可以通过回顾PCT/US2017/068301来参考。
图12示出了包括可切换电阻元件被设置为0欧姆(即Zvariable＝0)的电路系统的特性曲线以及包括可切换电阻元件被设置为1欧姆(即Zvariable＝1ohm)的电路系统的特性曲线之间的比较。如可以看出的，当实现可切换二极管时，产生的特性移位本质上不同于关于示例性实现所展示的特性移位。并非如图10所示的将所有曲线向下移位相等的量，而是每个曲线向下移位的幅度与每个曲线所表示的电流成比例。这导致各种特性曲线“分散”，而不是所有曲线向下移位固定的电压值。跨电阻的电压降是电流x电阻，而跨理想二极管的电压降是与电流无关的固定电压。因此，在可切换电阻元件的网络的情况下，对特性V-I曲线的影响取决于电流(例如，零电流导致零电压降，1X电流导致1X电压降，2X电流导致2X电压降等)。这意味着每个特定电流水平下的特性V-I曲线将因变于电阻而“扩展”；插入的电阻越大，导致的扩展越大。在可切换二极管的情况下，无论电流的幅度为何，正向电压降都是固定的。因此，所有特性V-I曲线都会由于切换到电路中的二极管数量(即未被开关短路的二极管数量)而向下移位。一个二极管将使所有曲线向下移位相同的量(例如，Vf＝0.75V)；两个二极管将使曲线向下移位1.5V；5个二极管将使曲线向下移位3.75V，依此类推，而不管二极管中存在的电流的幅度。
参考图13，示出了系统1300，其中电池堆叠1301包含多个串联连接的电池单元和可变阻抗网络1302，该电池堆叠1301在正极端子处呈现电压Vo。电池堆叠1301中的每个电池单元的电压由模拟前端测量设备(“AFE”)1303监控。AFE 1303还可以收集温度数据，并将收集的数据递送到控制系统(例如，微控制器“MCU”)1304。电池堆叠1301可以通过感测电阻器(Rsense)1305耦合到Vo负极。感测电阻器1305的每一侧可耦合到电量计(fuel gauge)集成电路(“IC”)1306，每当感测电阻器1305中存在电流时，向电量计IC 1306提供表示电池电流(io)值的电压。电量计IC 1306可以与MCU 1304通信关于电池堆叠1301的充电状态(“SOC”)的信息。MCU 1304耦合到可变阻抗网络1302并控制可变阻抗网络1302。MCU 1304可以执行一个或多个控制算法，该一个或多个算法被配置为以预定方式控制(例如，优化)系统1300的操作状态。例如由控制系统1304操作的控制算法可被配置为确定电池堆叠1301的状态并操纵可变阻抗网络1302，以通过调整确定Vo正极端子的电压的特性V-I曲线的位置来控制(例如，调整或修改)呈现给系统1300的Vo正极端子的电压。MCU 1304可被配置为(例如，经由通信链路或总线1307)向外部主机系统传送数据和/或信息。
参考图14，示出了根据本公开的实施例配置的能量递送系统1400。在能量递送系统1400中，第一电池单元堆叠1401a与第二电池单元堆叠1401b并联耦合，其中每个电池单元堆叠可耦合到类似的控制和监控电路。电池单元堆叠1401a、电池单元堆叠1401b可以耦合到公共控制系统(例如，微控制器“MCU”)1404，使得(例如，同时地)收集来自每个电池堆叠的参数信息，并且使得控制算法被执行以控制可变阻抗网络1402a、可变阻抗网络1402b中的一者或二者的操作。电池堆叠1401a中的每个电池单元的电压可由模拟前端测量设备(“AFE”)1403a监控。AFE 1403a还可以收集温度数据，并将收集的数据递送到控制系统1304。电池单元堆叠1401a可以通过感测电阻器(Rsense)1405a耦合到Vo负极。感测电阻器1405a的每一侧可耦合到电量计集成电路(“IC”)1406a，每当感测电阻器1405a中存在电流时，向电量计IC 1406a提供表示电池电流(i1)值的电压。电量计IC 1406a可与控制系统1404通信关于电池堆叠1401a的充电状态(“SOC”)的信息。电池堆叠1401b中的每个电池单元的电压可由AFE 1403b监控。AFE 1403b还可以收集温度数据，并将收集的数据递送到控制系统1304。电池单元堆叠1401b可以通过感测电阻器(Rsense)1405b耦合到Vo负极。感测电阻器1405b的每一侧可耦合到电量计IC 1406b，每当感测电阻器1405b中存在电流时，向电量计IC 1406b提供表示电池电流(i2)值的电压。电量计IC 1406b可以与控制系统1304通信关于电池堆叠1401b的SOC的信息。基本上，电量计IC 1406a、1406b可被配置为测量瞬时电流甚至电池温度，然后根据所测量的数据或以数字方式递送给它的数据计算平均电流、瞬时充电状态、电池堆叠经历的充电/放电循环次数、电池堆叠的电阻，以及其他参数。
注意，根据本公开的某些实施例，Vo正极输出端子在可变阻抗网络1402a、可变阻抗网络1402b之间是公共的。由此，根据本公开的实施例，与在系统1300内执行的控制呈现给端子Vo正极的输出电压不同，由来自控制系统1404的信号进行选择性控制的可变阻抗网络1402a、可变阻抗网络1402b可被配置为控制流经每个可变阻抗网络1402a、可变阻抗网络1402b并递送至输出端子的电流的水平。可以通过控制系统1404对可变阻抗网络1402a、可变阻抗网络1402b执行选择性控制，使得电池堆叠1401a、电池堆叠1401b中的每一个根据能量递送系统1400的预定性能标准保持在预定输出电流范围内。
控制系统1404可被配置为(例如，经由通信链路或总线1407)向外部主机系统传送数据和/或信息。各种部件之间和/或来自控制系统1404的外部的内部通信可以是有线或无线的。可以利用的通信协议包括但不限于SMB、I2C、RS232、TTL、串行、USB、CAN、网络等。
在非限制性示例中，可变阻抗网络1402a、可变阻抗网络1402b可以包含多个可切换电阻元件，诸如图11的系统700中利用的可切换电阻元件750a…750d的配置。每个开关710a…710d可由控制系统1404根据预定控制算法单独打开或关闭。电阻器750a…750d可被配置有相同或不同的电阻值。通过其相应开关710a…710d改变并联耦合的电阻器750a…750d的数量，可变阻抗网络1402a、可变阻抗网络1402b中的一者或二者的有效电阻可在预定范围内进行调整(例如，从预定最小电阻值到预定最大电阻值)。
能量递送系统1400可由图15所示的简化模型表示，其可由以下方程描述：
Vo正极＝V1–R1*i1–i1*可变R1
Vo正极＝V2–R2*i2–i2*可变R2
i1+i2＝i输出
考虑本公开的示例性实施例，其中能量递送系统1400包含具有不同组操作参数的电池单元堆叠(例如，由于不同材料和/或化学成分)，其中，电池单元堆叠1401a包括相对于电池单元堆叠1401b中的电池单元具有较高循环寿命的电池单元，电池单元堆叠1401b包括被配置有相对于电池单元堆叠1401a较低的循环寿命的电池单元，但也可以包括被配置有相对较高的能量密度。假设两个电池单元堆叠的能量容量大致相同。根据本公开的实施例，在放电期间，具有相对较高的循环寿命的电池单元堆叠(即电池单元堆叠1401a)递送大部分能量，这对于能量递送系统1400的操作可能是有利的。例如，根据本公开的实施例，控制系统1404可以被配置使得在放电期间，从电池单元堆叠1401a吸取的电流是从电池单元堆叠1401b吸取的电流的两倍，或者换句话说，从电池单元堆叠1401a吸取的循环能量是从电池单元堆叠1401b吸取的循环能量的两倍，以利用电池单元堆叠1401a的更长循环寿命。在此类示例性操作场景下，方程可被改写如下：
i1＝2*i2(i1始终是i2的2倍)
Vo正极＝V1–R1*2*i2–2*i2*可变R1；以及
Vo正极＝V2–R2*i2–i2*可变R2
可以从与电池单元堆叠1401a、电池单元堆叠1401b(诸如图2所示的)中利用的电池类型相关联的电池单元特性曲线中知道值V1、值V2、值R1和值R2，并且因此，求解维持i1＝2*i2的条件的可变R1和可变R2的值的方程，从而用适当的值配置可变阻抗网络1402a、可变阻抗网络1402b，这是很简单的。
能量递送系统1400也可以由图16所示的简化模型表示，其中可变阻抗网络1402a、可变阻抗网络1402b各自包括多个可切换二极管，诸如图9的系统600中利用的可切换二极管610a…610c的配置。可切换二极管610a…610c中的每一个与开关(例如FET)耦合，该开关可以绕过二极管周围的任何电流。开关可以根据从控制系统1404接收的控制信号(例如，类似于图9的控制信号621a…621c)打开或关闭。二极管中的每一个可被配置有相同或不同的正向电压降(Vf)值。控制系统1404可调整与二极管相关联的开关打开从而对其相关联的可变阻抗网络1402a和可变阻抗网络1402b贡献了正向电压降的二极管的数量，以及与二极管相关联的开关关闭从而不会对其相关联的可变阻抗网络1402a和可变阻抗网络1402b贡献正向电压降的二极管的数量，并且，电压降的总和是可变的。
与关于图15描述的示例一样，该系统可以通过以下方程来描述：
Vo正极＝V1–Vvar1–i1*R1
Vo正极＝V2–Vvar2–i2*R2
i1+i2＝i输出
同样，在前面的示例中，考虑能量递送系统1400包括两个不同的电池单元，例如，其中电池单元堆叠1401a包括被配置有相对于电池堆1401b非常高的循环寿命的电池单元，并且电池单元堆叠1401b包括被配置有相对于电池单元堆叠1401a较低的循环寿命的电池单元，但也可以包括更高的相对能量密度。假设两个电池单元堆叠的能量容量大致相同。并且，与前面的示例一样，考虑能量递送系统1400，其中期望i1＝2*i2，因此，方程被重写如下：
i1+i2＝i输出
i1＝2*i2(i1始终是i2的2倍)
Vo正极＝V1–Vvar1–2*i2*R1
Vo正极＝V2–Vvar2–i2*R2
值V1、V2、R1和R2从诸如图3所示的电池单元特性曲线中再次知道，并且因此，求解保持i1＝2*i2的条件的Vvar1和Vvar2的确切值的方程并用适当的值配置每个阻抗网络中的有源二极管的数量，这是很简单的。
值V1、V2、R1和R2可以从与电池单元堆叠1401a、电池单元堆叠1401b(诸如图2所示)中使用的电池单元类型相关联的电池单元特性曲线中知道，并且因此，求解保持i1＝2*i2的条件的Vvar1和Vvar2值的方程，从而用适当的值配置每个可变阻抗网络1402a、可变阻抗网络1402b中的有源二极管数量，这是很简单的。需要注意的是，既然每个二极管的Vf值是取决于半导体技术和设备类型的固定的特性值，因此可变阻抗网络1402a、可变阻抗网络1402b中的每一者的确切值不是精确可调的，而是Vf值的某个固定倍数。
根据本公开的实施例，能量递送系统1400的实现，无论是可变阻抗网络1402a、可变阻抗网络1402b通过利用可切换电阻元件、可切换二极管还是二者的组合的而实现的，该实现可利用在控制系统1404内编程的控制算法，该控制算法体现关于图15或图16(视情况而定)所描述的数学表达式，以便控制可变阻抗网络1402a、可变阻抗网络1402b内电阻元件或二极管的切换。附加地，根据本公开的实施例，电池单元特定值V1、V2、R1和R2可根据这些值的单独的电池单元特性曲线确定。既然这些值随电池单元的充电状态、温度和寿命而变化很大，因此可以将这些值纳入某种适当的数据库，诸如查找表，以捕获特征化数据并创建模型来估计老化特性。
根据本公开的实施例，控制系统1404可以利用基于逐次逼近的控制算法。例如，当能量递送系统1400被初始化并且在任何能量的任何放电开始之前，可配置可变阻抗网络1402a、可变阻抗网络1402b的初始状态(例如，通过求解描述方程)。然后，一旦放电开始，控制系统1404不执行连续的方程处理，而是控制系统1404可以在参数测量步骤中重复循环，在参数测量步骤中动态地改变能量递送系统1400的操作条件，例如测量每个电池单元堆叠1401a、电池单元堆叠1401b的电压、电流和SOC，然后进行比较步骤，在该比较步骤中将每个电池单元堆叠1401a、电池单元堆叠1401b的输出电流或其他选定参数相互比较以及与目标性能进行比较，然后执行校正步骤，在该校正步骤中调整可变阻抗网络1402a、可变阻抗网络1402b(例如，在小的、离散的步骤中)以使被控制的参数在每次调整中朝着期望的行为移动。可以在回路中添加延迟，以允许电池参数在对可变阻抗网络1402a、可变阻抗网络1402b中的任一者的每次调整之后稳定化。例如，使用关于图14描述的能量递送系统1400的先前示例，控制系统1404可被配置为持续保持i1和i2相等，或i1为i2的固定百分比，或i1仅在电池单元堆叠1401a的SOC高于25％时为i2的固定百分比，而在电池单元堆叠1401a的SOC低于25％时为不同的固定百分比，或者当电池单元堆叠温度之间的差达到某个阈值时，将具有最高温度的电池单元堆叠的电流降低至具有最低温度的电池单元堆叠的电流的10％。上述示例不限制控制算法中可能出现的变化。
图17示出了根据本公开实施例的包括在能量递送系统1400的控制系统1404内执行的示例性控制算法的过程1700的流程图。如将进一步描述的，过程1700还可以在关于图18、图19和图22所描述的系统1800的控制系统1804内执行。
能量递送系统1400可以初始化(开始)。在过程框1701(评估机器状态)中，可以确定能量递送系统1400的状态。例如，可以测量电压(例如，经由AFE 1403a、AFE 1403b测量电池单元堆叠1401a、电池单元堆叠1401b内的电池单元的电压)、电流(例如，由感测电阻器1405a、感测电阻器1405b感测的)、温度(例如，经由AFE 1403a、AFE 1403b测量电池单元堆叠1401a、电池单元堆叠1401b内的电池单元的温度)，并由控制系统1404收集该数据。使用该数据，可过程框1702中确定能量递送系统1400是否准备好放电。如果没有，可以在过程框1710中采取一些校正动作。
例如，如果通过收集的数据确定电池单元堆叠1401a、电池单元堆叠1401b中的一者或两者未完全充电，则可以从外部能量源施加充电电流(例如，分别参见图9和图11中的充电器603、充电器703)。如果通过收集的数据确定电池单元堆叠1401a、电池单元堆叠1401b中的一者或两者中的一个或多个电池单元太热，则可激活冷却系统(未示出)。如果接合了手动互锁，则能量递送系统1400可被配置为等待其被清除。在校正动作已经启动之后，过程1700可以返回到过程框1701，并且该循环可以持续执行，直到控制系统1404内的过程1700已经确定能量递送系统1400准备好将能量释放到负载(未示出)。
一旦控制系统1404内的过程1700确定能量递送系统1400准备好放电，可变阻抗网络1402a、可变阻抗网络1402b二者都可被设置为预定初始值。这些初始值可以根据在控制系统1404内实时执行的方程(例如，参见关于图15和图16描述的方程)来确定，可以基于在过程框1701中测量的诸如SOC、电池单元堆叠电压、温度等参数根据预定初始值的预定查找表来设置，和/或可以基于与电池单元堆叠1401a、电池单元堆叠1401b相关联的特性V-I曲线根据预定查找表来设置。
一旦设置了可变阻抗网络1402a、可变阻抗网络1402b的初始值，过程1700可以等待负载电流的放电开始，诸如在负载电路耦合到能量递送系统1400(例如，耦合到Vo正极端子和Vo负极端子)时。这可以包括过程1700循环回到过程框1701。一旦在过程框1704中检测到放电电流，则过程框1705从电池单元堆叠1401a、电池单元堆叠1401b、可变阻抗网络1402a、可变阻抗网络1402b和/或系统1400的其他部分收集参数(也称为“参数数据”)(例如，利用AFE 1403a、AFE 1403b和电流传感器1405a、电流传感器1405b的电压、电流、温度、SOC、充电/放电循环、电阻、阻抗等)。在过程框1706中，可分析该数据以确定是否允许继续放电。例如，可以终止放电的参数包括电池单元堆叠电压低于安全限值、电池单元堆叠电流高于安全限值、电池单元堆叠温度在安全限值之外、手动安全互锁接合和/或控制或测量系统中的任何其他故障等。如果在过程框1706中确定放电不能安全地继续，则过程1700可以前进至过程框1710以采取适当的动作。
如果在过程框1706中确定放电可以安全地继续，那么在过程框1707中，可以确定是否需要调整可变阻抗网络1402a、可变阻抗网络1402b中的一者或两者。例如，根据本公开的非限制性实施例，在控制系统1404中执行的控制算法可被配置为在电池单元堆叠1401a、电池单元堆叠1401b二者中保持平均工作电流(例如，由电流传感器1405a、电流传感器1405b在预定时间段内测量的)相等。因此，如果最近收集的参数数据指示电池单元堆叠1402a中的平均电流高于电池单元堆叠1401b中的平均电流，则由控制系统1404执行的控制算法可被配置为采取两个潜在动作中的一个动作以应用校正。或者MCU1404可以向可变阻抗网络1402a中的开关发送信号以增加其总阻抗的值，或者控制系统1404可以向可变阻抗网络1402b中的开关发送信号以降低其总阻抗的值。任何一种选择都可能是可接受的，但是控制系统1404可以被配置为根据任何一个或多个预定因子而优选这些校正动作中的一种。例如，可变阻抗网络1402a可以被设置在其最小阻抗值附近，并且在这种情况下，控制系统1404进而可以被配置为降低可变阻抗网络1402b的阻抗值。既然控制系统1404被配置为知道可变阻抗网络1402a、可变阻抗网络1402b二者的状态，因此控制系统1404可以被配置为选择最合适的动作。一旦在过程框1707内确定了校正动作，则在过程框1708中，控制系统1404向可变阻抗网络1402a、可变阻抗网络1402b中的一者或两者发送一个或多个控制信号以实现该动作(即，应用新的阻抗设置)。一旦应用了新的设置，过程1700可被配置为实现延迟例程(过程框1709)，以允许电池单元堆叠电流(i1、i2)中的一者或两者在这些新设置下稳定。一旦该延迟超期，则过程1700可返回到过程框1705。注意，关于过程框1707描述的前述算法是示例性的，不限于本公开的实施例。
以下示例进一步图示了本公开的实施例，这些示例旨在说明本公开的主题，并且不应被解释为限制性的。这些示例描述了为确认本系统实施例在各种条件下递送和释放一种或多种材料的能力而进行的测试，举例说明了可在其中利用本系统实施例的各种环境。
参考图18，示出了根据本公开的实施例配置的能量递送系统1800。在能量递送系统1800中，第一电池单元堆叠1801a与第二电池单元堆叠1801b并联耦合，其中每个电池单元堆叠可耦合到类似的控制和监控电路。电池单元堆叠1801a、电池单元堆叠1804b可以耦合到公共控制系统(例如，微控制器“MCU”)1804，使得(例如，同时地)收集来自每个电池堆叠的参数信息，并且使得控制算法被执行以控制可变阻抗网络1802a、可变阻抗网络1802b中的一者或二者的操作。电池单元堆叠1801a中每个电池单元的电压可由模拟前端测量设备(“AFE”)1803a监控。AFE 1803a还可以收集温度数据，并将收集的数据递送到控制系统1304。电池单元堆叠1801a可以通过感测电阻器(Rsense)1805a耦合到Vo负极。感测电阻器1805a的每一侧可耦合到电量计集成电路(“IC”)1806a，每当感测电阻器1805a中存在电流时，向电量计IC 1806a提供表示电池电流(i1)值的电压。电量计IC 1806a可与控制系统1804通信关于电池单元堆叠1801a的充电状态(“SOC”)的信息。电池单元堆叠1801b中的每个电池单元的电压可由AFE 1803b监控。AFE1803b还可以收集温度数据，并将收集的数据递送到控制系统1304。电池单元堆叠1801b可以通过感测电阻器(Rsense)1805b耦合到Vo负极。感测电阻器1805b的每一侧可耦合到电量计IC 1806b，每当感测电阻器1805b中存在电流时，向电量计IC 1806b提供表示电池电流(i2)值的电压。电量计IC 1806b可以与控制系统1804通信关于电池单元堆叠1801b的SOC的信息。控制系统1804可被配置为(例如，经由通信链路或总线1807)向外部主机系统传输数据和/或信息。各种部件之间和/或来自控制系统1804的外部的内部通信可以是有线或无线的。可以利用的通信协议包括但不限于SMB、I2C、RS232、TTL、串行、USB、CAN、网络等。
每个可变阻抗网络1802a、1802b包含诸如关于图16所描述的具有旁路开关的多个二极管。尽管在每个可变阻抗网络1802a、可变阻抗网络1802b中二极管和相应开关的数量图示为相同，但两者之间的实际数量可以相同或者可以不同。每个可变阻抗网络1802a、1802b中存在的二极管数量限定了从每个电池单元堆叠1801a、电池单元堆叠1801b的高压侧到输出端子Vo正极的最大电压降，该最大电压降是所有二极管正向电压(Vf)降的总和。根据本公开的某些实施例，二极管中的一者或多者可以具有不同的参数特性，使得通过每个二极管实现不同的正向电压降。每个可变阻抗网络1802a、1802b中有源二极管的数量和绕开的二极管的数量可由控制系统1804控制，以在每个电池堆叠1801a、1801b的特性曲线中产生预定幅度的向下移位，从而影响能量递送系统1800中每个电池单元堆叠1801a、1801b的负载电流贡献。
图18描绘了能量递送系统1800，其中在可变阻抗网络1802a、可变阻抗网络1802b中的二者中的开关打开，使得每个可变阻抗网络1802a、1802b中的所有二极管的全正向电压降在每个电池单元堆叠1801a、1801b和输出端子Vo正极之间实现。虽然图18公开了双电池堆叠能量递送系统，但本公开的实施例可被配置有以各种串联和/或并联组合方式进行耦合并由控制系统1804监控和控制的两个以上的电池堆叠。
根据能量递送系统1800的示例性实施例，电池单元堆叠1801a包含被配置有相对高循环寿命电池化学成分(例如，LFP或LTO)的电池单元，使得其端子电压和特性V-I曲线与电池单元堆叠1801b的端子电压和特性V-I曲线重叠，电池单元堆叠1801b包含NMC电池单元，诸如图20中的示例性特性V-I曲线所示。LFP堆叠1801a包含13个电池单元，其中典型的全充电电压介于44V–46.8V(3.6V/电池)之间。NMC电池单元堆叠1801b包含11个电池单元，其中典型的完全充电电压介于43.3V–46.2V(4.0V/电池单元)之间。LFP和NMC电池堆叠二者可以在完全充电时充电到相同的电压，或者，可以调节最大充电电压，使得电池堆叠中的一个电池堆叠的电压保持高于其他电池堆叠的电压。在该实施例中，LFP电池单元堆叠1801a和NMC电池单元堆叠1801b被配置为具有类似的以安时(Amp-hours)为单位的化学容量。
参考图19，在默认操作模式下，系统1800可被配置为使得两个可变阻抗网络1802a、1802b内的所有二极管开关都闭合，从而绕过二极管，使得每个电池单元堆叠1801a、1801b的特性V-I曲线显示在Vo正极端子上，而不受可变阻抗网络1802a和可变阻抗网络1802b的任何影响。在感兴趣的负载电流范围内，电池单元堆叠1801a、电池单元堆叠1801b将基于放电期间所有时间点的特性V-I曲线限定的电池单元堆叠1801a、电池单元堆叠1801b的堆叠电压而共享负载，因为在大多数充电状态条件下，这两个系列的特性V-I曲线彼此重叠。在任何给定时刻，每个电池堆叠中的电流将使得LFP堆叠1801a中的电流i1和NMC堆叠1801b中的电流i2将存在于对应于电池端子上的相等电压的各自的特性V-I曲线上。特性V-I曲线位置的差异越大，堆叠1801a、堆叠1801b之间的电流差异越大。参考图20所示的因变于充电状态的(多个)电池单元堆叠电压，可以从并联耦合的LFP电池堆叠1801a和NMC电池堆叠1801b的示例放电中看出，在恒定负载点，NMC电池堆叠1801b初始地在大约10％的放电深度下具有较高的端子电压。在剩余的放电深度期间，LFP电池堆叠1801a具有更高的端子电压，并且在放电期间具有比例更大的电流份额。
图21示出了如图19中配置的系统1800在100W恒定功率下的示例性放电图(可变阻抗网络1802a、可变阻抗网络1802b二者内的所有二极管开关均闭合，因此两个网络的Zvar＝0，使得电池单元堆叠电压直接耦合到输出负载)。每个电池堆叠1801a、1801b充电至44V的开始电压。放电持续时间为约1.8小时。电池单元堆叠1801a、电池单元堆叠1801b能够基于每个电池堆叠的特性V-I曲线放电和平衡电流。与图20中的电压曲线一致，当负载耦合到能量递送系统1800时，图21示出LFP堆叠1801a中的电流i1升高，并且电压快速下降到NMC堆叠1801b的电压以下。这是由于LFP化学成分在接近全充电状态时的陡峭开路电压曲线，以及操作点从轻负载V-I曲线移位到更高的电流V-I曲线。NMC堆叠1801b很快实现了相对于LFP堆叠1801a略高的端子电压，并递送了绝大部分的负载电流。放电约0.18小时后，由于NMC的SOC降低，NMC电压降低，堆叠电压开始下降到LFP堆叠1801a的范围内。在放电的这一点处，LFP堆叠1801a开始递送更高百分比的电流。从这一点开始，LFP堆叠1801a保持比NMC堆叠1801b更高的电压和更高的电流，使得LFP堆叠1801a在SOC中的下降速度比NMC堆叠1801b快，并最终耗尽。LFP堆叠1801a的SOC在大约1.4小时内从100％缓慢移动到大约5％。在放电事件的这一点处，LFP堆叠1801a的能量几乎耗尽，使得LFP堆叠1801a的端子电压降到NMC电池堆叠1801b的端子电压以下。然后，在放电的最后几分钟，NMC电池堆叠1801b将其电流份额增加到近100％。
图22示出了用于系统1800的过程框1707–过程框1708的操作的示例性实施例，其中目标是配置系统1800以将能量放电从NMC堆叠1801b偏置到LFP堆叠1801a，使得LFP电流i1从放电开始时始终高于NMC电流i2，直到LFP堆叠1801a中的能量完全耗尽。在该示例性实施例中，LFP堆叠1801a的可变阻抗网络1802a中的二极管开关闭合，从而为LFP堆叠1801a创建Zvar＝0，而NMC堆叠1801b的可变阻抗网络1802b中的二极管开关打开，从而创建最大值的Zvar(Zvar＝3*Vf)。如图23示出的图所示，LFP特性V-I曲线仍然与先前示例(参见图20)相同，但NMC特性V-I曲线现在向下移位了相当于3*Vf的量。
如所预期的，基于图22所示的能量递送系统1800的配置，由于Zvar贡献，NMC堆叠1801b的电压曲线将偏移低于LFP堆叠1801a的电压曲线。图23中描绘了移位的电压曲线。几乎在整个SOC范围内，LFP电压都大于NMC电压，而NMC电压的由相关联的Zvar导致的这种向下移位在大部分放电期间转换为到LFP堆叠1801a的显著电流偏置。
图24示出了如图22中配置的系统1800在100W恒定功率下的示例性放电图。每个电池堆叠1801a、1801b充电至44V的开始电压。放电持续时间为约1.8小时。在该示例中，可变阻抗网络1802a中的二极管开关闭合，使得它们的Zvar＝0，并且LFP电池堆叠电压直接耦合到输出负载Vo正极，而可变阻抗网络1802b中的二极管开关保持打开，使得NMC堆叠电压向下偏移3*Vf。电池单元堆叠1801a、电池单元堆叠1801b中的每一者的操作点落在其各自的特性V-I曲线上的点上，使得能量递送系统1800的输出电流比图20和图21中的示例中更朝向LFP堆叠1801a偏置。对比图24所示的放电和图21所示的放电，可以看出，由于NMC特性V-I曲线的较低位置，NMC堆叠1801b初始地递送负载电流的约20％。NMC电流(i2)最初上升到LFP电流(i1)之上，直到在系统操作点根据各种电池单元堆叠的变化的SOC穿过特性V-I曲线过渡时的短时间之后突然反转，此处不存在电流“反转”。LFP堆叠1801a保持总放电电流的较高比例，直到LFP堆叠1801a几乎耗尽。LFP堆叠1801a的SOC在大约1.4小时内从100％缓慢过渡到大约5％。在放电事件的这一点处，LFP电池堆叠1801a的能量几乎耗尽，并且在诸如在此处：在明显更高的NMC SOC处，LFP特性V-I曲线低于相应的NMC特性V-I曲线的低充电状态下，因此NMC堆叠1801b接管，稳步增加其在总输出中的比例，直到放电终止。
通过调整每个可变阻抗网络1802a、1802b，使得相应的特性V-I曲线的位置也被调整，可以使不同电池堆叠之间的电流份额移位，并使放电电流朝向一个或另一个堆叠偏置，以满足特定目标并且优化特定性能特性。例如，将放电电流朝向具有相对较高循环寿命的电池堆叠偏置，并远离具有相对较低循环寿命的电池堆叠，使得在发生数百次中等持续时间放电事件的情况下，较高循环寿命的电池堆叠将递送比其他电池堆叠多很多倍的循环能量。
能量存储系统的总放电深度将取决于负载持续时间。通常电池堆叠仅完成部分放电，其中总存储能量的40％至70％被递送。如图24中的示例所示，在部分放电持续1.3小时的情况下，高循环寿命LFP电池堆叠1801a已放电其能量的95％(完成0.95个循环)，NMC堆叠1801b仅放电其能量的约40％(完成0.40个循环)。如果该相同的放电发生1000次，与NMC电池堆叠1801b仅完成了400个循环相比，LFP电池堆叠1801a将被视为完成了950个循环。
根据本公开的各种实施例，能量递送系统1400和能量递送系统1800可以类似地配置，其中控制系统、AFE、电量计IC和感测电阻器以基本相似的方式操作，但根据耦合到的能量存储系统的类型以及可变阻抗网络中利用的配置的类型，可能对任一系统进行的修改除外。
数字通信链路1407、数字通信链路1807可以被配置为将某些数据从控制系统1404、控制系统1804发送到主机系统(未示出)。诸如1400、1800的能源递送系统可以被嵌入诸如计算机、电动自行车或滑板车、电动交通工具等较大的系统中。因此，这些较大的系统被视为它们嵌入的能源递送系统的主机，并且这些较大的系统可能具有其他系统，诸如电机控制、用户或操作者界面，以及类似的为了安全操作可以取决于其支持的能源递送系统的最新状态的系统。在电动交通工具的情况下，这样的主机系统可以是电机控制系统，如果电池温度超过某个阈值或可用能量变得低于某个阈值，该电机控制系统可以降低电机的速度。数字通信链路1407、数字通信链路1807可被配置为向被供电的装备上游递送能量递送系统1400、能量递送系统1800的状态的瞬时描述。
根据本公开的实施例，关于能量递送系统1400、能量递送系统1800公开的电量计可以实现为集成电路，该集成电路可以在MCU 1404、MCU 1804的单独的封装中，但是该集成电路的功能也可以被集成到MCU 1404、MCU 1804中。电量计可配置为通过直接测量或作为由MCU 1404、MCU 1804从AFE中继到电量计的数字数据包来接收电池温度信息和电池单元电压信息，和/或可以包括被配置为库仑计数器的模数转换器，该模数转换器测量跨电流感测电阻器的模拟电压，并在数字域或模拟域中连续地对这些测量值进行数学积分。跨感测电阻器产生的电压是流入或流出电池单元堆叠的电流的直接表示，其中负电压表示电流流出电池单元堆叠(放电)，正电压表示电流流入电池单元堆叠(充电)。通过对这些电流值随时间进行数学积分，可以确定电池单元堆叠中所包含的电荷的净变化，并且通过将任何给定时间的电池电荷的净变化与已知的起始SOC相加，可以确定当前SOC。电量计还可被配置为包含数字硬件和编程指令，以不仅计算电荷和当前SOC的总净变化，而且计算感测电阻器中的瞬时电流、感测电阻器在某个平均时间段(例如数秒或数十秒)内的平均电流、单个电池单元和/或所有电池单元的充电和放电循环总数(由从电池单元堆叠的使用日期开始的每个方向上的总通过电荷确定的)以及其他参数，诸如电池单元的电阻。
根据本公开的实施例，关于能量递送系统1400和能量递送系统1800公开的电池单元堆叠还可以包括由公共控制系统管理的防回流设备。这种防回流设备的功能是防止能量从一个电池堆叠到另一个电池堆叠的不想要的转移。PCT/US2017/068301中描述了此类防回流设备的操作。
根据本公开的替代性实施例，(多个)可变阻抗网络可被配置有多个串联连接电阻器和随后与之并联连接的相关联的开关。配置有此类可变阻抗网络的能量递送系统提供了以类似方式操纵单独的电池堆叠的特性V-I曲线的能力，并且可以在电池堆叠或能量存储系统之间偏置放电电流方面实现类似的结果。
在本公开的又一个实施例中，(多个)可变阻抗网络可被配置有并联连接的电阻器，以提供比串联电阻器更好的取决于电流的电压降分辨率。电压阶跃分辨率的提高可用于进一步调节能量递送系统1400、能量递送系统1800的输出电压。
根据本公开的替代性实施例，任何或所有可变阻抗网络中的一个或多个可切换二极管可替换为并联可切换电阻器网络。在这种配置下，控制系统可以利用串联二极管进行“粗略”调整，利用并联电阻器进行“精细”调整。然而，本公开的实施例可以用包含可切换二极管、可切换电阻器或两者的组合的可变阻抗网络中的一个或多个来实现。
本文描述的本公开的实施例可以利用不间断电源(“UPS”)系统和需要高能量密度以将体积能量存储最大化的能量存储系统中。这些还需要高循环寿命，尤其是在重复的深放电条件下。能量存储系统可配置为每天进行一次完整的充电/放电循环。但是，系统的放电深度将根据负载需求而变化。低负载需求将减少能量存储系统递送的所需能量，首先耗尽设计用于高循环计数的电池堆叠，而不耗尽设计用于功率密度的电池单元堆叠。
本文描述的本公开的实施例可以被利用于交通工具应用，其中长循环寿命、长运行时间优先，但存在对瞬态高电流负载的周期性需求。
如本领域技术人员将理解的，本发明的各方面(例如，控制系统1404、控制系统1804和过程1700)可以体现为系统、方法和/或程序产品。相应地，本发明的各方面(例如，控制系统1404、控制系统1804、AFE、电量计、可变阻抗网络)可以采取完全硬件实施例、完全软件实施例(包括固件、驻留软件、微代码等)的形式，或者结合软件和硬件方面的实施例，这些方面在本文中通常被称为“电路”、“电路系统”、“模块”或“系统”此外，本发明的各方面(例如，过程1700)可以采取体现在一个或多个计算机可读存储介质中的程序产品的形式，该一个或多个计算机可读存储介质上具有计算机可读程序代码。(然而，可以利用一个或多个计算机可读介质的任何组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或计算机可读存储介质。)
还将注意到，电路框图和/或过程1700中表示的功能的每个框，以及电路框图和/或过程1700中表示的功能的框的组合，可以通过基于专用硬件的系统或专用硬件和计算机指令的组合来实现，该基于专用硬件的系统执行特定的功能或动作。例如，模块(例如，控制系统1404、控制系统1804、AFE、电量计、可变阻抗网络)可以实现为硬件电路，该硬件电路包括定制的VLSI电路或门阵列、现成的半导体，诸如逻辑芯片、晶体管、控制器或其他分立部件。模块(例如，控制系统1404、控制系统1804、AFE、电量计、可变阻抗网络)也可以在可编程硬件设备中实现，诸如现场可编程门阵列、可编程阵列逻辑、可编程逻辑设备，等等。
本文使用的标题仅用于组织目的，不用于限制说明的范围。正如本申请书中所使用的那样，“可以”一词是在允许的意义上使用(即，意味着有可能)，而不是在强制性的意义上使用(即，意味着必须)。类似地，词语“包括(include)”、“包括(including)”、“包含(includes)”、“包含(contain)”、“包含(containing)”和“包含(contains)”意味着包括但不限于。
各种单元、电路、电路系统或其他部件(例如，控制系统1404、控制系统1804、AFE、电量计、可变阻抗网络)可被描述为“配置为”执行一项或多项任务。在这种情况下，“配置为”是对结构的广泛叙述，通常意味着“具有能够…的电路系统”在操作期间执行任务或多个任务。因此，即使单元/电路/部件当前未开启，也可以将单元/电路/部件配置为执行任务。通常，形成与“配置为”相对应的结构的电路系统可以包括硬件电路和/或软件(包括固件、驻留软件、微代码等)。类似地，为了描述中的方便，可以将各种单元/电路/部件描述为执行一个或多个任务。此类描述应解释为包含短语“配置为。”叙述配置为执行一个或多个任务的单元/电路/部件，明确地旨在不援引35U.S.C.§112第6段对该设备/电路/组件的解释。
除非另外定义，否则在本文中所使用的所有技术和科学术语具有与本公开主题所属领域的普通技术人员所通常理解相同的含义。
如本文所使用的，术语“约”用于通过提供给定值可以是“略高于”或“略低于”端点来为数值范围端点提供灵活性。
在本文的描述中，流程图的技术可以是以一系列顺序动作描述的。动作的顺序和执行动作的一方可以自由改变而不脱离教导的范围。动作可以通过多种方式添加、删除或更改。类似地，这些动作可能会被重新排序或被循环。进一步，尽管过程、方法、算法或者等等可按顺序描述，但此类过程、方法、算法或其任何组合可按替代顺序执行。进一步，过程、方法或算法中的一些动作可以在至少一个时间点期间同时执行(例如，并行执行的动作)，也可以全部、部分或其任何组合执行。
除非明确陈述相反情况，或摂指的是包含性的或，不是指排他性的或。例如，条件A或B满足以下任何一项：A为真(或存在)且B为假(或不存在)，A为假(或不存在)且B为真(或存在)，以及A和B均为真(或存在)。
如本文所使用的，术语和“和/或”和当在实体列表的上下文中使用时在两个词之间的“/”字符的使用是指单独或组合存在的实体。因此，例如，短语“A、B、C和/或D”包括单独地A、B、C和D，但也包括A、B、C和D的任何和所有组合和子组合。
而且，“一”或“一个”的使用被用于描述本文描述的元素和资源。这仅仅是为了方便，并且给出了本发明一般意义上的范围。这种描述应该被理解为包括一个或至少一个，且单数也包括复数，或反之亦然，除非明确指出其他含义。例如，当本文描述单个装置时，可以使用多于一个装置来代替单个装置。类似地，在本文中描述了多于一个装置的情况下，可以用单个装置代替那一个装置。
在本文未描述的范围内，关于特定材料，处理动作和电路的许多细节是常规的，并且可以在计算、电子和软件领域的教科书和其他来源中找到。

Claims (20)

1.一种能量递送系统，所述能量递送系统包括：
第一能量存储系统；
第二能量存储系统；
第一可变阻抗网络，所述第一可变阻抗网络耦合在所述第一能量存储系统和输出端子之间，所述第一可变阻抗网络具有第一可调整阻抗；
第二可变阻抗网络，所述第二可变阻抗网络耦合在所述第二能量存储系统和所述输出端子之间，所述第二可变阻抗网络具有第二可调整阻抗；以及
控制系统，所述控制系统被配置为选择性地(1)向所述第一可变阻抗网络发送信号以调整所述第一可调整阻抗，以改变由所述第一能量存储系统递送到所述输出端子的第一电流的水平，以及(2)向所述第二可变阻抗网络发送信号以调整第二可调整阻抗，以改变由所述第二能量存储系统递送到所述输出端子的第二电流的水平。
2.如权利要求1所述的能量递送系统，其中，所述第一可变阻抗网络包括多个可切换电阻元件，所述多个可切换电阻元件被配置为在所述控制系统的控制下，在预定范围内调整所述第一可变阻抗网络的有效电阻。
3.如权利要求1所述的能量递送系统，其中，所述第一可变阻抗网络包括多个可切换二极管，所述多个可切换二极管被配置为在所述控制系统的控制下，在预定范围内调整所述第一可变阻抗网络中存在的数个正向二极管电压降。
4.如权利要求1所述的能量递送系统，其中，所述第一能量存储系统与所述第二能量存储系统是基本上不同的。
5.如权利要求4所述的能量递送系统，其中，所述第一能量存储系统被配置有第一特性V-I曲线，并且其中所述第二能量存储系统被配置有第二特性V-I曲线，并且其中所述第一特性V-I曲线与所述第二特性V-I曲线不同，并且其中所述第一特性V-I曲线在预定充电状态处与所述第二特性V-I曲线相交。
6.如权利要求5所述的能量递送系统，其中，所述控制系统被配置为向所述第一可变阻抗网络和所述第二可变阻抗网络中的至少一者发送信号，以调整所述第一特性V-I曲线与所述第二特性V-I曲线的相交的位置。
7.如权利要求4所述的能量递送系统，其中，所述第一能量存储系统包括多个电池单元的第一电池单元堆叠，所述第一电池单元堆叠中的每一个电池单元具有第一化学成分，并且其中所述第二能量存储系统包括多个电池单元的第二电池单元堆叠，所述第二电池单元堆叠中的每一个电池单元具有第二化学成分，其中所述第一化学成分与所述所述第二化学成分不同，其中所述第一电池单元堆叠相对于所述输出端子与所述第二电池单元堆叠并联耦合。
8.如权利要求7所述的能量递送系统，其中，所述第一电池单元堆叠包含第一数量的电池单元，所述第二电池单元堆叠包含第二数量的电池单元，其中，所述第一数量与所述第二数量不同。
9.如权利要求4所述的能量递送系统，其中，所述第一能量存储系统是从包括化学能量存储系统、动能能量存储系统和势能能量存储系统的第一组中选择的，并且其中所述第二能量存储系统是从包括化学能量存储系统、动能能量存储系统和势能能量存储系统的第二组中选择的。
10.如权利要求5所述的能量递送系统，其中，所述控制系统被配置为向所述第一可变阻抗网络和所述第二可变阻抗网络中的至少一者发送信号，以控制由所述第一能量存储系统和所述第二能量存储系统提供给所述输出端子的电流的相对百分比。
11.如权利要求7所述的能量递送系统，其中，所述控制系统被配置为因变于从所述第一能量存储系统和所述第二能量存储系统收集的参数数据，选择性地向所述第一可变阻抗网络和所述第二可变阻抗网络发送信号，其中所述参数数据包括电压测量和电流测量，所述电压测量与所述电流测量与所述第一能量存储源的所述第一电流的递送和所述第二能量存储源的所述第二电流的所述递送相关联。
12.如权利要求1所述的能量递送系统，进一步包括：
第一模拟前端，所述第一模拟前端被配置为测量与所述第一能量存储系统相关联的第一电压，并且被配置为将所述第一电压传送到所述控制系统；
第二模拟前端，所述第二模拟前端被配置为测量与所述第二能量存储系统相关联的第二电压，并且被配置为将所述第二电压传送到所述控制系统；
第一感测电阻器，所述第一感测电阻器耦合到所述第一能量存储系统；
第一电量计电路，所述第一电量计电路耦合到所述第一感测电阻器，其中所述第一电量计电路被配置为因变于所述第一感测电阻器感测的所述第一电流确定第一信息，并且将所述第一信息传送到所述控制系统；
第二电量计电路，所述第二电量计电路耦合到所述第二感测电阻器，其中所述第二电量计电路被配置为因变于所述第二感测电阻器感测的所述第二电流确定第二信息，并且将所述第二信息传送到所述控制系统，
其中，所述控制系统被配置为因变于所述第一电压、所述第二电压、所述第一信息和所述第二信息，选择性地向所述第一可变阻抗网络和所述第二可变阻抗网络发送信号。
13.一种向负载递送能量的方法，所述方法包括：
收集第一参数数据，所述第一参数数据包括电压信息和电流信息，所述电压信息和电流信息与由第一能量存储系统向所述负载的第一电流的供应有关；
收集第二参数数据，所述第二参数数据包括电压信息和电流信息，所述电压信息和电流信息与由第二能量存储系统向所述负载的第二电流的供应有关；
因变于所收集的第一参数数据和第二参数数据，使用第一可变阻抗网络调整所述第一电流，其中所述第一可变阻抗网络耦合在所述第一能量存储系统和所述负载之间；
因变于所收集的第一参数数据和第二参数数据，使用第二可变阻抗网络调整所述第二电流，其中所述第二可变阻抗网络耦合在所述第二能量存储系统和所述负载之间，其中所述第一能量存储系统和所述第二能量存储系统相对于所述负载并联耦合，其中所述第一能量存储系统具有与所述第二能量存储系统不同的化学成分或物理结构。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述第一电流的调整是响应于从收集所述第一参数数据的控制系统接收到的第一控制信号执行的，并且所述第二电流的调整是响应于从收集所述第二参数数据的所述控制系统接收到的第二控制信号执行的。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述第一可变阻抗网络包括被配置为响应于所述第一控制信号调整所述第一可变阻抗网络的有效电阻的多个可切换电阻元件，并且其中所述第二可变阻抗网络包括被配置为响应于所述第二控制信号调整所述第二可变阻抗网络的有效电阻的多个可切换电阻元件。
16.如权利要求14所述的方法，其中，所述第一可变阻抗网络包括被配置为响应于所述第一控制信号调整所述第一可变阻抗网络中存在的数个正向二极管电压降的多个可切换二极管，并且其中，所述第二可变阻抗网络包括被配置为响应于所述第二控制信号来调整所述第二可变阻抗网络中存在的数个正向二极管电压降的多个可切换二极管。
17.如权利要求14所述的方法，其中，所述第一能量存储系统被配置有第一特性V-I曲线，并且其中所述第二能量存储系统被配置有第二特性V-I曲线，并且其中所述第一特性V-I曲线与所述第二特性V-I曲线不同，并且其中所述第一特性V-I曲线在预定充电状态处与所述第二特性V-I曲线相交，其中所述控制系统被配置为向所述第一可变阻抗网络和所述第二可变阻抗网络中的至少一者发送信号，以调整所述第一特性V-I曲线与所述第二特性V-I曲线相交的位置。
18.如权利要求14所述的方法，其中，所述第一能量存储系统包括多个电池单元的第一电池单元堆叠，所述第一电池单元堆叠中的每一个电池单元具有第一化学成分，并且其中所述第二能量存储系统包括多个电池单元的第二电池单元堆叠，所述第二电池单元堆叠的每一个电池单元具有第二化学成分，其中，所述第一化学成分与所述第二化学成分不同。
19.如权利要求14所述的方法，其中，所述第一能量存储系统是从包括化学能量存储系统、动能能量存储系统和势能能量存储系统的第一组中选择的，并且其中所述第二能量存储系统是从包括化学能量存储系统、动能能量存储系统和势能能量存储系统的第二组中选择的。
20.如权利要求14所述的方法，其中，所述控制系统被配置为向所述第一可变阻抗网络和所述第二可变阻抗网络中的至少一者发送信号，以控制所述第一电流和所述第二电流提供给所述输出端子的电流的相对百分比。
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