CN114801782A - 用于高效充电和放电的可重配置的电池系统 - Google Patents

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G·M·布朗
S·刘
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Abstract

用于高效充电和放电的可重配置的电池系统，公开了可重配置的电池系统。可重配置的电池系统包括可重配置的电池单元阵列、控制器和总线开关。电池单元阵列被配置为在第一放电模式、第二放电模式或充电模式下操作。电池单元阵列包括被布置为在第二电池端子和第一电池端子之间的至少第一列电池单元的多个电池单元，以及在第一列电池单元内的每个电池单元之间的开关。总线开关在第一电池端子处与电池单元阵列进行信号通信并且被配置为在将第一电池端子电连接到正常电压总线或高压总线之间进行选择。

Description

用于高效充电和放电的可重配置的电池系统
技术领域
本公开的领域总体上涉及电池系统，并且更具体地涉及高效电池系统。
背景技术
电动交通工具诸如电动汽车、卡车、海运交通工具和飞机在当今社会中变得越来越普遍。所有这些交通工具都包括需要快速充电时间的电池，这与石油基交通工具的加油过程时间相当。不幸的是，电池的充电速率主要受电池内的电荷传输过程和化学反应过程(即氧化-还原)的限制。超过此限制的快速充电导致充电容量降低，可能产生可导致电池热退化的过多热量。
此外，随着电池放电，它们的电池电压降低。在电池放电容量接近尾声时，电池电压可低至完全荷电状态下电压的40％。在此较低电压下，电池电流在恒定功率负载下变大。与电池电压较高并接近电池完全荷电状态时产生的热量相比，这种增加的电流在电池以及与电池电连接的任何设备上产生的热量显著增加。这种增加的热量产生的不利影响包括例如能量损失(效率降低)、系统冷却负荷增加(消耗更多功率)、设备额定电流增加(更重)和加速的设备退化(循环寿命短)。因此，需要解决这些问题的系统和方法。
发明内容
公开了可重配置的电池系统。可重配置的电池系统包括电池单元阵列和总线开关。电池单元阵列被配置为在第一放电模式、第二放电模式和充电模式下操作。电池单元阵列包括被布置为在第二电池端子和第一电池端子之间的至少第一列电池单元的多个电池单元以及在第一列电池单元内的每个电池单元之间的开关。总线开关在第一电池端子处与电池单元阵列以信号通信并且被配置为在将第一电池端子电连接到正常电压总线或高压总线之间进行选择。电池单元阵列还可以包括被布置为在第二电池端子和第一电池端子之间的多列电池单元的多个电池单元并且开关可以在多列电池电源的每列电池单元内的每个电池单元之间。
在操作的示例中，可重配置的电池系统可以执行一种方法，该方法包括当电池单元阵列被配置为在第一放电模式下操作时将第一电池端子电连接到正常电压总线以及将在第一列电池单元中的每个电池单元电连接成在第一电池端子和第二电池端子之间形成电并联连接的配置，其中第一列电池单元中的每个电池单元在第一电池端子和第二电池端子之间并联。该方法还包括当电池单元阵列被配置为在第二放电模式下操作时将第一电池端子电连接到高压总线，以及将第一列电池单元中的每个电池单元电连接成在第一电池端子和第二电池端子之间形成电串联连接的配置，其中电串联连接包括第一列电池单元的所有电池单元。此外，该方法还包括当电池单元阵列被配置为在充电模式下操作时，将第一电池端子电连接到高压总线以及将第一列电池单元中的每个电池单元电连接成在第一电池端子和第二电池端子之间形成电串联连接的配置，其中电串联连接包括第一列电池单元的所有电池单元。
在检查以下附图和详细描述后，本发明的其他装置、设备、系统、方法、特征和优点对于本领域技术人员来说将是或将变得显而易见。旨在将所有此类附加装置、设备、系统、方法、特征和优点包括在本说明书内，落入本发明的范围内，并受所附权利要求的保护。
附图说明
通过参考以下附图可以更好地理解本发明。图中的组件不一定按比例绘制，而是强调说明本发明的原理。在附图中，相同附图标记在不同的视图中表示相应的部分。
图1是根据本公开的可重配置的电池系统的实施方式的示例的系统框图。
图2是根据本公开的可重配置的电池系统的电池单元阵列的实施方式的示例的系统框图。
图3A是根据本公开的处于第一放电模式的可重配置的电池系统的电池单元阵列的实施方式的示例的系统框图。
图3B是根据本公开的处于充电模式的可重配置的电池系统的电池单元阵列的实施方式的示例的系统框图。
图3C是根据本公开的处于第二放电模式的可重配置的电池系统的电池单元阵列的实施方式的示例的系统框图。
图4是根据本公开的可重配置的电池系统的操作方法的实施方式的示例的流程图。
图5是根据本公开的可重配置的电池系统的另一操作方法的实施方式的示例的流程图。
具体实施方式
公开可重配置的电池系统。可重配置的电池系统包括电池单元阵列和总线开关。电池单元阵列被配置为在第一放电模式、第二放电模式和充电模式下操作。电池单元阵列包括布置为(1)在第二电池端子和第一电池端子之间的至少第一列电池单元的多个电池单元和(2)在第一列电池单元内的每个电池单元之间的开关。总线开关在第一电池端子处与电池单元阵列信号通信并且被配置为在将第一电池端子电连接到正常电压总线或高压总线之间进行选择。电池单元阵列还可以包括被布置为在第二电池端子和第一电池端子之间的多列电池单元的多个电池单元，并且开关可以在多列电池单元中的每列中的每个电池单元之间。
在操作的示例中，可重配置的电池系统可以执行一种方法，该方法包括当电池单元阵列被配置为在第一放电模式下操作时将第一电池端子电连接到正常电压总线以及将在第一列电池单元中的每个电池单元电连接成在第一电池端子和第二电池端子之间形成电并联连接的配置，其中第一列电池单元的每个电池单元在第一电池端子和第二电池端子之间并联。该方法还包括当电池单元阵列被配置为在第二放电模式下操作时将第一电池端子电连接到高压总线，以及将第一列电池单元中的每个电池单元电连接成在第一电池端子和第二电池端子之间形成电串联连接的配置，其中电串联连接包括第一列电池单元的所有电池单元。此外，该方法还包括当电池单元阵列被配置为在充电模式下操作时将第一电池端子电连接到高压总线以及将第一列电池单元中的每个电池单元电连接成在第一电池端子和第二电池端子之间形成的电串联连接的配置，其中电串联连接包括第一列电池单元的所有电池单元。
在图1中，根据本公开示出了可重配置的电池系统100的实施方式的示例的系统框图。可重配置的电池系统100可以是例如电动车辆101的一部分。经由包括正常电压总线106、负载总线108、高压总线110和负总线111的多个电连接件，可重配置的电池系统100被配置为与电动车辆负载(通常简称为“负载”)102和充电站104信号通信。可重配置的电池系统100可以包括电池单元阵列112、控制器114和总线开关116。控制器114与电池单元阵列112和总线开关116信号通信。总线开关116还分别经由第一电池端子118、第二电池端子119、正常电压总线106、负载总线108、高压总线110和负总线111与电池单元阵列112、负载102和充电站104信号通信。在此示例中，第一电池端子118可以是正极性端子并且第二电池端子119可以是负极性端子。
在此示例中，负载102是充当可重配置的电池系统100的电负载的装置。电动交通工具101的示例可以包括电动或混合动力汽车、卡车、摩托车、飞机、船舶等。因此，负载102的示例可以包括例如一个或多个电动马达驱动器或其他电负载。此外，除了交通工具，负载102也可以由利用电力并希望快速充电和高效放电的电池系统的非交通工具装置来代替。此类型的非交通工具装置的示例可以包括固定负载，例如建筑物和/或家庭上的太阳能系统或便携式电气和/或电子负载。充电站104可以是电源、电动交通工具的充电站，例如电动轿车的快速充电器、建筑物和/或家庭上的太阳能系统或其他类似的供电装置。此外，充电站104也可以是例如机载站或飞行器系统上的DC总线。
电池单元阵列112包括多个电池单元和在多个电池单元的至少两个电池单元之间的至少一个开关，其中多个电池单元被布置成至少第一列电池单元。通常，电池单元阵列包括布置在一列电池单元或多列电池单元中的两(2)×N×M个电池单元，其中N是多列电池单元中的每一列中的电池单元的数量，并且M是电池单元的列的数量。在此示例中，N和M都至少等于一，使得最小的电池单元阵列112是2×1电池单元阵列。
因此，电池单元阵列122包括多个电池单元，在每个电池单元之间或在一组电池单元之间具有至少一个开关。作为示例，在开关在每个电池单元之间的情况下，如果电池单元阵列112被配置为2×1电池单元阵列，则电池单元阵列112包括被布置为单列电池单元的两个电池单元之间的单个开关。相反，如果电池单元阵列112被配置为4×1电池单元阵列，则电池单元阵列112被布置为单列电池单元，在单列电池单元中的四个电池单元之间具有三个开关。此外，如果电池单元阵列112被配置为2×3电池单元阵列，则电池单元阵列112被布置为三列电池单元，其中每列电池单元在列内具有两个电池单元。在此示例中，每列电池单元将具有在每列中的两个电池单元之间的单个开关，从而引起电池单元阵列112总共具有三个开关(即，每列电池单元一个)。此外，相反，如果电池单元阵列112被配置为4×5电池单元阵列，则电池单元阵列112被布置为五列电池单元，其中每列电池单元具有在该列内的四个电池单元。在此示例中，每列电池单元将在每列中的四个电池单元之间具有三个开关，从而引起电池单元阵列112总共具有十五(15)个开关(即，每列电池单元三个)。
在替代示例中，如果至少一个开关在一组电池单元之间，则将应用相同的先前描述，但是这些描述改为关于各个电池单元的阵列。电池单元阵列122可以包括各个电池单元组的阵列，其中每组电池单元充当可以具有比单独电池单元更大的电压的单个组合的电池单元模块。为了在本申请中便于说明和描述，术语“电池单元”用于表示单独电池单元(即，单个电池)或单独电池单元模块(即，包括电池单元模块内的多个单个电池的单个组合的电池单元模块)。
在此示例中，电池单元阵列112的至少一个开关和总线开关116可以是例如电子开关、机电开关或机械开关。作为示例，总线开关可以是被配置为将电池单元阵列112连接到正常电压总线106或高压总线110的单刀双掷(SPDT)开关。另外，电池单元阵列112的每个开关(在电池单元阵列112中的每个电池单元之间)可以是例如双刀双掷(DPDT)开关。
总线开关116被配置为当电池单元阵列112被配置为第一放电模式或第二放电模式时将电池单元阵列112电连接到正常电压总线106。在此示例中，第一放电模式是其中可重配置的电池系统100正常向负载102放电的操作模式。此外，第二放电模式是其中可重配置的电池系统100以高效放电模式释放电力的操作模式。
具体地，总线开关116包括大致同时动作的第一开关BS1和第二开关BS2。在放电时的操作示例中，当第一开关BS1将第一电池端子118电连接到正常电压总线106并且第二开关BS2电连接第二电池端子119到负载102的负载总线108时，可重配置的电池系统100将电力传输到负载102。作为充电时的操作示例，当第一开关BS1将第一电池端子118电连接到高压总线110并且第二开关BS2将第二电池端子119电连接至充电站104的负总线111时，可重配置的电池系统100从充电站104接收电力。
本领域普通技术人员可以理解，随着电池放电，它们的电池电压降低并且在电池放电容量接近尾声时，电池电压可以低至其完全荷电状态时的电压的40％。在此较低电压下，在恒定功率负载下电池电流变大，并且与电池电压较高且接近电池的完全荷电状态时产生的热量相比，这种增加的电流在电池和任何与电池电连接的设备上产生的热量明显更多。
这种增加的热量产生的不利影响包括例如导致电池效率降低的能量损失、需要消耗更多电力的系统冷却需求增加、设备电流额定值增加以及导致设备循环寿命缩短的加速的设备退化。可重配置的电池系统100通过将放电操作从当电池单元阵列具有高于预定值的荷电状态水平时的正常放电模式切换到当电池单元阵列具有低于预定值时的荷电状态水平的高效放电模式来解决这些问题。
高效放电模式引起电池单元阵列112产生更高电压和相应更低的电流，同时以较低的荷电状态水平向相同负载(即负载102)放电。这在电池单元阵列112具有低于预定值的荷电状态水平时产生传送到负载102的相同量的电力而没有相应地产生任何附加热量。
在此示例中，当电池单元阵列112被配置为处于第一放电模式(即，正常放电模式)时，电池单元阵列112内的每个电池单元之间的开关被配置为将在第一列电池单元中的每个电池单元电连接成在第一电池端子和第二电池端子之间形成电并联连接的配置。在此配置中，第一列电池单元中的每个电池单元在第一电池端子118和第二电池端子119之间并联。此外，如果存在多列电池单元，则每列电池单元中的每个电池单元也并联在第一电池端子118和第二电池端子119之间。
相反，如果电池单元阵列112被配置为处于第二放电模式(即，高效模式)下，则每个电池单元之间的开关被配置为将第一列电池单元中的每个电池单元电连接成在第一电池端子118和第二电池端子119之间形成电串联连接的配置。在此配置中，电串联连接包括第一列电池单元的所有电池单元。此外，如果存在多列电池单元，则每列电池单元中的每个电池单元也串联在第一电池端子118和第二电池端子119之间。
在此示例中，当可重配置的电池系统100被配置为在充电模式下操作时，总线开关116被配置为将电池单元阵列112的第一电池端子118电连接到高压总线110。当电池单元阵列112被配置为处于充电模式时，类似于电池单元阵列112处于第二放电模式中的配置，每个电池单元之间的开关被配置为将第一列电池单元中的每个电池单元电连接成在第一电池端子118和第二电池端子120之间形成电串联连接的配置。电串联连接包括第一列电池单元的所有电池单元。此外，如果存在多列电池单元，则每列电池单元中的每个电池单元也串联在第一电池端子118和第二电池端子119之间。
在充电模式配置中，电池单元阵列112被配置为允许以比在每个单独电池单元在各个电池单元的额定电压下单独充电情况下正常可能的电压更高的电压(即，高电压值)对电池单元列充电。本领域普通技术人员可以理解，串联电连接的多个电池单元的端子两端的电压等于每个电池单元的单独电压组合的总电压。例如，如果四个电池单元串联电连接并且每个电池单元具有电压5伏，则串联电池单元的组合产生的总电压为20伏。结果，电池单元阵列112能够以比各个电池单元的额定电压更高的电压充电。因为功率等于电压乘以电流，所以相同量的电力可以被输送到电池单元阵列112(即，充电)，而从充电站104向电池单元阵列112输送更高的电压和更低的电流值。因为相同功率量的电流较低，所以电池单元阵列112可以以较高效率被充电，因为较低电流产生较少热量。假设应用充电站的相同可用充电电流限制，这还引起电池单元阵列112在比常规方法所需的时间更短的时间内(即更快)被充电。在此示例中，布置成电池单元列的电池单元的数量与最大充电电压直接相关，该最大充电电压可用于对电池单元阵列112有效且快速地充电。利用此技术，电池单元阵列112可以配置为以各个电池额定电压充电的两倍、四倍、六倍、八倍等。通常，充电电压可以增加一列电池单元中的电池单元数量的两倍。这种技术还允许以更高功率量对电池单元阵列112充电，因为此配置允许使用在正常充电过程中使用的相同量电流，同时使用比各个电池单元的额定电压更高的电压。
在此示例中，控制器114可以是任何类型的控制装置，诸如微处理器、专用集成电路(ASIC)、可编程门阵列(PGA)、逻辑电路或其他类似装置。控制器114与电池单元阵列112中的每个电池单元之间的至少一个开关和总线开关116进行信号通信。控制器114可以被配置为基于电池单元阵列112在第一放电模式、第二放电模式或充电模式下的操作来控制每个电池单元之间的开关和总线开关116。控制器114还可以被配置为确定电池单元阵列112内的荷电状态水平并且响应于电池单元阵列112内的荷电状态水平选择第一放电模式或第二放电模式。
控制器114还可以被配置为控制系统，该控制系统包括开关控制器(未示出)、电池系统控制器(未示出)和交通工具控制器(未示出)。这些控制器可以是独立装置、模块或组件或子组件或控制器114的模块。通常，第一开关BS1、第二开关BS2和电池单元阵列112内的开关由开关控制器控制，其是电池系统控制器的控制器。电池系统控制器可从车辆控制器和可重配置的电池系统100内或与可重配置的电池系统100相关联的其他传感器接收命令信号。作为示例，电池系统控制器可接收包括电压、电流、荷电状态、温度、压力的命令信号以及与可重配置的电池系统100、电动交通工具101和负载102相关的其他信息。
本领域普通技术人员应当理解，可重配置的电池系统100的或与之相关联的电路、组件、模块和/或装置被描述为彼此信号通信，其中信号通信是指电路、组件、模块和/或装置之间的任何类型的通信和/或连接，该通信和/或连接允许电路、组件、模块和/或装置传递信号和/或信息到另一个电路、组件、模块和/或装置和/或从另一个电路、组件、模块和/或装置接收该信号和/或信息。通信和/或连接可以沿着电路、组件、模块和/或装置之间的允许信号和/或信息从一个电路、组件、模块和/或装置传递到另一个的任何信号路径并且包括无线或有线信号路径。信号路径可以是物理的，例如，导线、电磁波导、电缆、附接和/或电磁或机械耦连的端子、半导体或介电材料或装置或其他类似的物理连接或耦连。此外，信号路径可以是非物理的，例如自由空间(在电磁传播的情况下)或通过数字组件的信息路径，其中通信信息以不同的数字格式从一个电路、组件、模块和/或装置传递到另一个，无需通过直接的电磁连接传递。
在图2中，根据本公开示出了可重配置的电池系统100的电池单元阵列200的实施方式的示例的系统框图。在此示例中，电池单元阵列200与总线开关116信号通信，其中总线开关116被配置为在正常电压总线106和高压总线110之间进行选择。电池单元阵列200包括第一电池端子118和第二电池端子119。在此示例中，电池单元阵列200被配置为4×5电池单元阵列，其包括二十(20)个电池单元B11、B12、B13、B14、B15、B21、B22、B23、B24、B25、B31、B32、B33、B34、B35、B41、B42、B43、B44和B45以及十五(15)个开关S11、S12、S13、S14、S15、S21、S22、S23、S24、S25、S31、S32、S33、S34和S35，其中每个开关电连接在一列中的相邻电池单元之间。在此示例中，电池单元阵列200包括五(5)列电池单元。第一列电池单元202包括电池单元B11、B21、B31和B41以及开关S11、S21和S31。第二列电池单元204包括B12、B22、B32和B42以及S12、S22和S32。第三列电池单元206包括B13、B23、B33和B43以及S13、S23和S33。第四列电池单元208包括B14、B24、B34和B44以及S14、S24和S34。第五列电池单元210包括B15、B25、B35和B45以及S15、S25和S35。在此示例中，电池单元202、204、206、208和210的所有列均电连接在第一电池端子118和第二电池端子119之间。如前所述，每个电池单元B11、B12、B13、B14、B15、B21、B22、B23、B24、B25、B31、B32、B33、B34、B35、B41、B42、B43、B44和B45可以是单个电池单元(即单个电池)或电池单元模块(即，在模块中包括多于一个电池单元的单个电池单元模块)。
转到图3A-3C，根据本公开示出了可重配置的电池系统100的另一个电池单元阵列300的实施方式的示例的系统框图。如前所述，电池单元阵列300可以包括任意数量的电池单元和开关，其中通常，电池单元阵列300包括布置在一列电池单元或多列电池单元中的2×N×M个电池单元，其中，N是多列电池单元的每列中的电池单元的数量，且M是电池单元的列的数量。N和M都等于至少一(1)，使得最小的电池单元阵列112是2×1电池单元阵列。在此示例中，为了便于说明，电池单元阵列300是2×3电池单元阵列，包括电池单元B11、B21、B12、B22、B13和B23以及开关S1、S2和S3。电池单元B11和B21以及开关S1布置在电池单元的第一列302中，电池单元B12和B22以及开关S2布置在电池单元的第二列304中，并且电池单元B13和B23以及开关S3布置在电池单元的第三列306中。在此示例中，总线开关116是SPDT开关并且电池单元阵列112的每个开关S1、S2和S3是DPDT开关。
在图3A中，电池单元阵列300根据本公开被配置为处于第一放电模式。如前所述，第一放电模式可以是正常放电模式，其中电池单元阵列300产生输出功率信号308，该输出功率信号308等于第二电池端子119和第一电池端子118两端的电压乘以由电池单元阵列300产生的电流。当总线开关116经由第一开关BS1将第一电池端子118电连接到正常电压总线106并且经由第二开关BS2将第二电池端子119电连接到负载总线108时，该输出功率信号308被传输到正常电压总线106。输出功率信号308然后被传输到负载102。
在第一放电模式中，电池单元B11和B21之间的开关S1被配置为将第一列302中的每个电池单元B11和B21电连接成在第一电池端子118和第二电池端子119之间形成电并联连接的配置。具体地，第一列302的电池单元B11和B21相互并联配置在第一电池端子118和第二电池端子119之间。类似地，电池单元B12和B22之间的第二开关S2被配置为将第二列304中的每个电池单元B12和B22电连接成在第一电池端子118和第二电池端子119之间形成电并联连接的配置。此外，电池单元B13和B23之间的第三开关S3被配置为将第三列306中的每个电池单元B13和B23电连接成在第一电池端子118和第二电池端子119之间形成的电并联连接的配置。
结果是每个电池单元B11、B21、B12、B22、B13和B23被配置为并联在第一电池端子118和第二电池端子119之间。在此示例中，在正常电压总线106处的放电电压等于各个电池单元B11、B21、B12、B22、B13和B23的额定电压。
在图3B中，电池单元阵列300根据本公开被配置为处于充电模式。如前所述，充电模式是高效充电模式，其允许使用比电池单元阵列300的单个电池单元的电压额定值更高的电压对电池单元阵列300有效且快速地充电。
在充电模式中，总线开关116被配置为将电池单元阵列300的第一电池端子118电连接到高压总线110，其中电池单元阵列300被配置为以高压值充电。具体地，在充电模式下，当总线开关116经由第一开关BS1将第一电池端子118电连接到高压总线110并且经由第二开关BS2将第二电池端子119电连接到负总线111时，电池单元阵列300从充电站104接收电力信号310。
在此示例中，电池单元B11和B21之间的第一开关S1被配置为将第一列302中的电池单元B11和B21电连接成在第一电池端子118和第二电池端子119之间形成电串联连接的配置。类似地，电池单元B12和B22之间的第二开关S2被配置为将第二列304中的电池单元B12和B22电连接成在第一电池端子118和第二电池端子119之间形成电串联连接的配置。此外，电池单元B13和B23之间的第三开关S3被配置为将第三列306中的电池单元B13和B23电连接成在第一电池端子118和第二电池端子119之间形成电串联连接的配置。
结果是列的每个电池单元被配置为串联在第一电池端子118和第二电池端子119之间。在此示例中，来自高压总线110的充电电压可以是两倍于各个电池单元B11、B21、B12、B22、B13和B23的额定电压，从而在相同充电站电流限制下允许充电站104在比常规充电方法更短的时间内使用更高电压的充电功率信号310对电池单元阵列300充电。
在图3C中，电池单元阵列300根据本公开被配置为处于第二放电模式。如前所述，第二放电模式是高效放电模式，其中电池单元阵列300产生新输出功率信号312，其再次等于第二电池端子119和第一电池端子118两端的电压乘以由电池单元阵列300产生的电流，其中第二电池端子119和第一电池端子118两端的电压高于当电池单元阵列300具有低于预定值的荷电状态水平时关于图3A描述的电压。当总线开关116将第一电池端子118电连接到正常电压总线106时，此新输出功率信号312被传送到正常电压总线106。新输出功率信号312然后被传送到负载102。
如在第一放电模式中，对于第二放电模式，总线开关116被配置为将电池单元阵列300的第一电池端子118电连接到高压总线110，其中电池单元阵列300被配置为以高电压值充电。再次，当总线开关116将第一电池端子118经由第一开关BS1电连接到正常电压总线106并且将第二电池端子119经由第二开关BS2电连接到负载总线108时，新输出功率信号312被传输到正常电压总线106。
与第一充电模式类似，在此示例中，电池单元B11和B21之间的第一开关S1被配置为将第一列302中的电池单元B11和B21电连接成在第一电池端子118和第二电池端子119之间形成电串联连接的配置。类似地，电池单元B12和B22之间的第二开关S2被配置为将第二列304中的电池单元B12和B22电连接成在第一电池端子118和第二电池端子119之间形成电串联连接的配置。此外，电池单元B13和B23之间的第三开关S3被配置为将第三列306中的电池单元B13和B23电连接成在第一电池端子118和第二电池端子119之间形成电串联连接的配置。
同样，结果是列的每个电池单元被配置为串联在第一电池端子118和第二电池端子119之间。在此示例中，来自第一电池端子118的输出电压可以为各个电池单元B11、B21、B12、B22、B13和B23的可用电压的两倍之多，从而在电池单元阵列300的电荷状态水平下降到低于预定值时允许电池单元阵列300向负载102提供相对恒定的新输出功率信号312。
在这些示例中，电池单元阵列300的荷电状态水平的预定值可以是电池单元阵列300的完全荷电状态的百分比阈值。此百分比阈值可以基于电池单元和/或电池单元阵列300的设计而被预定义。
在这些配置中，控制器114被配置为基于电池单元阵列300在第一放电模式、第二放电模式或充电模式下的操作来控制每列的每对相邻电池单元之间的开关和总线开关116。控制器114还被配置为确定电池单元阵列300内的荷电状态水平并且响应于电池单元阵列300内的荷电状态水平选择第一放电模式或第二放电模式。
转向图4，示出了根据本公开的可重配置的电池系统100的操作方法400的实施方式的示例的流程图。方法400开始于当电池单元阵列112、200或300被配置为在第一放电模式下操作时将第一电池端子118电连接402到正常电压总线106，以及大约同时地，将每列电池单元中的每个电池单元电连接成在第一电池端子118和第二电池端子119之间形成电并联连接的配置，其中每列电池单元中的每个电池单元在第一电池端子118和第二电池端子119之间并联。然后方法400将输出功率信号308传输404到负载102并监测(经由决策步骤406)电池单元阵列112、200或300的荷电状态水平以确定荷电状态水平是否低于预定值。如果荷电状态水平低于预定值，则选择408第二放电模式。方法400然后将新输出功率信号312传输410到负载102。方法400然后确定(经由决策步骤412)电池单元阵列112、200或300是否需要充电。如果电池单元阵列112、200或300需要充电，则方法400将第一电池端子电连接414到高压总线110，以及大致同时将第一列电池单元中的每个电池单元电连接成在第一电池端子和第二电池端子之间形成电串联连接的配置，其中电串联连接包括第一列电池单元的所有电池单元。普通技术人员可以理解，如果可重配置的电池系统100已经处于第二放电模式，则只有第一电池端子118连接到高压总线110，因为电池单元阵列112、200或300的电池单元已配置为串联连接。然后方法400从充电站104接收416充电功率信号310并对电池单元阵列112、200或300充电。然后方法400返回到步骤402并且方法重复。
如果在决策步骤412中电池单元阵列112、200或300不需要充电，则方法400返回到步骤410并继续向负载102发送新输出功率信号312并且方法400重复。如果在决策步骤406中，荷电状态水平没有下降到预定值以下，则方法400返回到步骤404并且继续将输出功率传输404到电负载并且该方法重复。
在图5中，根据本公开示出了可重配置的电池系统100的另一操作方法500的实施方式的示例的流程图。方法500通过将数据加载502到控制器114而开始。加载的数据包括例如用于触发可重配置的电池系统100的重新配置的参考电压(Vref)、电池电压上限(VUL)、电池电压下限(VLL)和操作模式(MODE)，其中MODE指定是否对电池单元阵列112、200或300充电或放电。控制器114然后确定(在决策步骤504)MODE是否处于放电模式。如果MODE处于放电模式，则控制器114将可重配置的电池系统100的电池单元阵列112、200或300和总线开关116设置506为先前关于图3A所示示例描述的第一放电模式。控制器114然后从电池电压传感器接收508测量的电池电压(Vb)。电池电压传感器可以是可重配置的电池系统100的一部分或与可重配置的电池系统100相关联。控制器114然后(在决策步骤510中)将Vb与VREF进行比较以确定Vb是否小于或等于VREF。如果Vb大于VREF，则控制器114继续将可重配置的电池系统100维持在第一放电模式，并且方法返回到再次测量Vb的步骤508。
相反，如果Vb小于或等于VREF，则控制器114将可重配置的电池系统100的电池单元阵列112、200或300和总线开关116重配置512成第二放电模式以增加先前关于图3B所示的示例描述的放电电压。控制器114(在决策步骤514中)然后将Vb与VLL比较以确定Vb是否小于或等于VLL。VLL为截止电压，并且如果Vb小于或等于VLL，则控制器114停止电池单元阵列112、200或300的放电，并且过程结束。
相反，如果控制器114确定(在决策步骤504中)MODE不处于放电模式，则控制器114设置516电池单元阵列112、200或300和可重配置的电池系统100的总线开关116进入充电模式。一旦处于充电模式，控制器从电池电压传感器接收518Vb并将Vb与VUL比较(在决策步骤520中)。如果Vb小于或等于VUL，则控制器114将电池单元阵列112、200或300和可重配置的电池系统100的总线开关116重配置522成高压充电，如先前关于图3C所示的示例所描述的。充电后，方法结束。
相反，如果控制器114确定(在决策步骤520中)Vb大于VUL，则控制器114停止对电池单元阵列112、200或300充电并且过程结束。
应当理解，可以在不背离本公开的范围下改变本公开的各个方面或细节。本公开非穷举的并且也不将要求保护的公开内容限制为公开的精确形式。此外，以上描述仅用于说明目的并非用于限制。根据以上描述，修改和变化是可以的，或者可以通过实施本公开而获得。权利要求及其等价物定义本公开的范围。此外，尽管已经以特定于结构特征和/或方法行为的语言描述这些技术，但是应当理解，所附权利要求不一定限于所描述的特征或动作。相反，这些特征和动作被描述为这种技术的示例实施方式。
就本文使用的术语“包括”、“包含”、“具有”、“含有”及其变体而言，此类术语旨在以类似于作为在不排除任何附加或其他元素的情况下开放过渡词的术语“包括”的方式具有包容性。此外，除非另有明确说明，否则条件性语言诸如“能够”、“可”、“可能”或“可以”在上下文中被理解为表示某些示例包括(而其他示例不包括)某些特征、元件和/或步骤。因此，无论在任何特定示例中是否包括或将执行某些特征、元件和/或步骤，此类条件性语言通常都不旨在暗示某些特征、元件和/或步骤以任何方式对于一个或多个示例来说是必需的，或者一个或多个示例必须包括用于在有或没有用户输入或提示的情况下进行决策的逻辑。除非另有明确说明，否则连词语言诸如短语“X、Y或Z中的至少一个”应理解为表示项目、术语等可以是X、Y或Z，或它们的组合。

Claims (20)

1.一种可重配置的电池系统，包括：
电池单元阵列，其被配置为在第一放电模式、第二放电模式和充电模式下操作，其中所述电池单元阵列包括：
多个电池单元，其被布置为在第一电池端子和第二电池端子之间的至少第一列电池单元；和
开关，其在所述第一列电池单元内的每个电池单元之间；和
总线开关，其在所述第一电池端子处与所述电池单元阵列信号通信，其中所述总线开关被配置为在将所述第一电池端子电连接到正常电压总线或高压总线之间进行选择。
2.根据权利要求1所述的可重配置的电池系统，其中所述总线开关是单刀双掷开关即SPDT开关。
3.根据权利要求1所述的可重配置的电池系统，其中每个电池单元之间的所述开关是双刀双掷开关即DPDT开关。
4.根据权利要求1所述的可重配置的电池系统，其进一步包括：
控制器，其与每个电池单元之间的所述开关和所述总线开关进行信号通信；
其中所述控制器被配置为：
基于所述电池单元阵列在所述第一放电模式、所述第二放电模式或所述充电模式下的操作来控制每个电池单元之间的所述开关和所述总线开关；
确定所述电池单元阵列内的荷电状态水平；和
响应于所述电池单元阵列内的所述荷电状态水平选择所述第一放电模式或所述第二放电模式。
5.根据权利要求1所述的可重配置的电池系统，其中所述总线开关被配置为在所述电池单元阵列被配置处于所述第一放电模式或所述第二放电模式时将所述电池单元阵列电连接到所述正常电压总线。
6.根据权利要求5所述的可重配置的电池系统，其中：
所述电池单元阵列被配置处于所述第一放电模式；和
每个电池单元之间的所述开关将所述第一列电池单元中的每个电池单元电连接成在所述第一电池端子和所述第二电池端子之间形成电并联连接的配置。
7.根据权利要求5所述的可重配置的电池系统，其中：
所述电池单元阵列被配置处于所述第二放电模式；并且
每个电池单元之间的所述开关将所述第一列电池单元中的每个电池单元电连接成在所述第一电池端子和所述第二电池端子之间形成电串联连接的配置。
8.根据权利要求1所述的可重配置的电池系统，其中所述总线开关被配置为当所述电池单元阵列被配置为以高压值充电时将所述电池单元阵列电连接到所述高压总线。
9.根据权利要求8所述的可重配置的电池系统，其中每个电池单元之间的所述开关将所述第一列电池单元中的每个电池单元电连接成在所述第一电池端子和所述第二电池端子之间形成电串联连接的配置。
10.一种可重配置的电池系统，其包括：
电池单元阵列，其被配置为在第一放电模式、第二放电模式和充电模式下操作，其中所述电池单元阵列包括：
多个电池单元，其被布置为在第二电池端子和第一电池端子之间的多列电池单元；和
开关，其在所述多列电池单元的每一列内的每个电池单元之间；和总线开关，其在所述第一电池端子处与所述电池单元阵列进行信号通信，其中所述总线开关被配置为在将所述第一电池端子电连接到正常电压总线或高压总线之间进行选择。
11.根据权利要求10所述的可重配置的电池系统，其中：
所述电池阵列包括2×N×M个电池单元；
N是所述多列电池单元的每列中的电池单元的数量；并且
M是电池单元的列的数量。
12.根据权利要求10所述的可重配置的电池系统，其进一步包括与每个电池单元之间的所述开关和所述总线开关进行信号通信的控制器，其中所述控制器被配置为基于所述电池单元阵列在所述第一放电模式、所述第二放电模式或所述充电模式下的所述操作来控制每个电池单元之间的所述开关和所述总线开关。
13.根据权利要求10所述的可重配置的电池系统，其中所述总线开关被配置为在所述电池单元阵列被配置处于所述第一放电模式或所述第二放电模式时将所述电池单元阵列电连接到所述正常电压总线。
14.根据权利要求13所述的可重配置的电池系统，其中：
所述电池单元阵列被配置处于所述第一放电模式；并且
每个电池单元之间的所述开关将所述多列电池单元的每一列中的每个电池单元电连接成在所述第一电池端子和所述第二电池端子之间形成电并联连接的配置。
15.根据权利要求13所述的可重配置的电池系统，其中：
所述电池单元阵列被配置处于所述第二放电模式；
每个电池单元之间的所述开关将所述多列电池单元的每一列中的每个电池单元电连接成在所述第一电池端子和所述第二电池端子之间形成多个电串联连接的配置。
16.根据权利要求10所述的可重配置的电池系统，其中所述总线开关被配置为当所述电池单元阵列被配置为以高压值充电时将所述电池单元阵列电连接到所述高压总线。
17.根据权利要求16所述的可重配置的电池系统，其中每个电池单元之间的所述开关将所述多列电池单元的每一列中的每个电池单元电连接成在所述第一电池端子和所述第二电池端子之间形成多个电串联连接的配置。
18.一种用于对可重配置的电池系统充电或放电的方法，所述可重配置的电池系统具有被配置为在第一放电模式、第二放电模式或充电模式下操作的电池单元阵列，其中所述电池单元阵列具有布置为在第一电池端子和第二电池端子之间的至少第一列电池单元的多个电池单元，所述方法包括：
当所述电池单元阵列被配置为在所述第一放电模式下操作时，将所述第一电池端子电连接到正常电压总线并将所述第一列电池单元中的每个电池单元电连接成在所述第一电池端子和所述第二电池端子之间形成电并联连接的配置，其中所述第一列电池单元中的每个电池单元并联在所述第一电池端子和所述第二电池端子之间；
当所述电池单元阵列被配置为在所述第二放电模式下操作时，将所述第一电池端子电连接到所述正常电压总线并且将所述第一列电池单元中的每个电池单元电连接成在所述第一电池端子和所述第二电池端子之间形成电串联连接的配置，其中所述电串联连接包括所述第一列电池单元的所有所述电池单元；和
当所述电池单元阵列被配置为在所述充电模式下操作时，将所述第一电池端子电连接到高压总线并将所述第一列电池单元中的每个电池单元电连接成在所述第一电池端子和所述第二电池端子之间形成电串联连接的配置，其中所述电串联连接包括所述第一列电池单元的所有所述电池单元。
19.根据权利要求18所述的方法，其中将所述第一列电池单元中的每个电池单元电连接成在所述第一电池端子和所述第二电池端子之间形成电串联连接的配置包括：
确定所述电池单元阵列内的荷电状态水平；和
响应于所述荷电状态水平低于或等于预定值而选择第二放电模式。
20.根据权利要求19所述的方法，其进一步包括：
将新输出功率信号传输到所述负载；
其中将所述第一电池端子电连接到高压总线并将所述第一列电池单元中的每个电池单元电连接成在所述第一电池端子和所述第二电池端子之间形成电串联连接的配置包括
确定所述电池单元阵列是否需要充电；和
响应于确定所述电池单元阵列需要充电而选择所述充电模式。
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