CN115916581A - 具有模块化级联能量系统的基于轨道的和其他电动车辆的系统、设备和方法 - Google Patents

Abstract

提供了用于具有一个或多个模块化级联能量系统的电动车辆的系统、设备和方法的示例实施例，所述电动车辆经受间歇充电，例如基于轨道的电动车辆。一个或多个模块化系统可配置为向EV的多个电机和辅助负载提供多相、单相和/或DC电力。如果EV中存在多个系统或子系统，则它们可以互连，来以多种不同的方式在它们之间交换能量，例如通过指定用于从间歇性连接的充电源输送电力的线路或通过子系统阵列之间互连的模块的存在来交换能量。子系统可以被配置为单独为电机负载、为与辅助负载组合的电机负载以及单独为辅助负载提供电力的子系统。

Description

具有模块化级联能量系统的基于轨道的和其他电动车辆的系统、设备和方法

相关申请的交叉引用

本申请主张2020年5月14日提交的美国临时申请第63/025099号、2020年5月22日提交的美国临时申请第63/029368号和2020年9月28日提交的美国临时申请第63/084293号的权益和优先权，所有这些美国临时申请都以引用的方式在其整体上并入本文，并适用于所有目的。

技术领域

本文描述的主题一般涉及用于具有模块化级联能量系统的基于轨道的和其他电动车辆的系统、设备和方法。

背景技术

对于在轨道上操作的电动车辆，驱动电机的电力由充电源提供。该充电源通常为沿轨道跨度存在的高压导体的形式。充电源可以是架空线路（例如悬链线路）、地面电源（例如第三轨）或地下电源（例如导管）。基于轨道的EV通过导电元件（例如，受电弓或犁）从该充电源接收电力，该导电元件在EV移动时保持与充电源连续接触。在某些情况下，基于轨道的EV使用静态方法，并在车辆静止时将导体延伸至与充电源接触，在车辆不移动时充电，并在恢复移动之前将导体从与充电源的接触中撤回。

持续沿轨道运行的充电源线路需要额外的物理空间和基础设施，可能不美观，可能对环境中的公众造成风险，并且我们以安全的方式建造和维护成本高昂。传统的基于轨道的EV可以配置有能量存储系统，该能量存储系统存储用于操作电机的电力，并且允许基于轨道的EV在没有充电源的情况下横穿轨道跨度。然而，这些基于轨道的EV可能受到范围的限制、能量源寿命的限制，以及对于具有大量需要电力的电机和辅助负载的基于轨道的EV而言，在实现方面缺乏灵活性。

因此，存在对于在基于轨道的电动车辆和相关车辆以及固定应用中使用的改进能量系统的需要。

发明内容

本文提供了用于具有一个或多个模块化级联能量系统的电动车辆的系统、设备和方法的示例实施例，所述电动车辆经受间歇充电，例如基于轨道的电动车辆。一个或多个模块化系统可配置为向EV的多个电机和辅助负载提供多相、单相和/或DC电力。如果EV中存在多个系统或子系统，则它们可以互连，来以多种不同的方式在它们之间交换能量，例如通过指定用于从间歇性连接的充电源输送电力的线路或通过子系统阵列之间互连的模块的存在来交换能量。子系统可以被配置为单独为电机负载、为与辅助负载组合的电机负载以及单独为辅助负载提供电力的子系统。

子系统的每个模块可以配置有多个转换器和一个或多个能量源，使得模块可以从间歇连接的充电源接收相对高的电压信号并利用一个或多个转换器修改该电压来对一个或多个能量源充电，并且还使得模块可以利用另一个转换器将来自一个或多个能量源的DC电压转换为AC输出电压，以向EV的一个或多个负载供电。充电可以在EV移动时发生，例如，基于轨道的EV从高架、地面或地下充电源接收电力。这些实施例也适用于其他应用。

对于审阅了以下附图和详细描述的本领域技术人员来说，本文所描述的主题的其他系统、设备、方法、特征和优点将是或将变得清楚。旨在将所有这些附加的系统、方法、特征和优点都包括在本说明书中，在本文所描述的主题的范围内，并受所附权利要求的保护。在没有权利要求中的那些特征的明确陈述的情况下，示例实施例的特征决不应被解释为以任何方式限制所附权利要求。

附图说明

本文阐述的主题的细节（关于其结构和操作二者）可以通过研究附图而变得清楚，其中相似的附图标记指代相似的部分。图中的组成部分不一定按比例，而是将重点放在说明主题的原理。此外，所有图示都旨在传达概念，其中相对尺寸、形状和其他详细属性可能是示意性而不是字面上或精确图示的。

图1A-1C是描述模块化能量系统的示例实施例的框图。

图1D-1E是描绘用于能量系统的控制设备的示例实施例的框图。

图1F-1G是描绘与负载和充电源耦合的模块化能量系统的示例实施例的框图。

图2A-2B是描绘能量系统内的模块和控制系统的示例实施例的框图。

图2C是描绘模块的物理配置的示例实施例的框图。

图2D是描绘模块化能量系统的物理配置的示例实施例的框图。

图3A-3C是描绘具有各种电配置的模块的示例实施例的框图。

图4A-4F是描绘能量源的示例实施例的示意性视图。

图5A-5C是描绘能量缓冲器的示例实施例的示意性视图。

图6A-6C是描绘转换器的示例实施例的示意性视图。

图7A-7E是描绘具有各种拓扑的模块化能量系统的示例实施例的框图。

图8A是描绘模块的示例输出电压的曲线图。

图8B是描绘模块阵列的示例多级输出电压的曲线图。

图8C是描绘可用于脉宽调制控制技术的示例参考信号和载波信号的曲线图。

图8D是描绘在脉宽调制控制技术中可用的示例参考信号和载波信号的曲线图。

图8E是描绘根据脉宽调制控制技术生成的示例切换信号的曲线图。

图8F是描绘在脉宽调制控制技术下由来自模块阵列的输出电压的叠加生成的示例多级输出电压的曲线图。

图9A-9B是描绘用于模块化能量系统的控制器的示例实施例的框图。

图10A是描绘具有互连模块的多相模块化能量系统的示例实施例的框图。

图10B是描绘图10A的多相实施例中的互连模块的示例实施例的示意图。

图10C是描绘具有通过互连模块连接在一起的两个子系统的模块化能量系统的示例实施例的框图。

图10D是描绘具有供应辅助负载的互连模块的三相模块化能量系统的示例实施例的框图。

图10E是描绘图10D的多相实施例中的互连模块的示例实施例的示意性视图。

图10F是描绘具有供应辅助负载的互连模块的三相模块化能量系统的另一示例实施例的框图。

图11A是描绘基于电轨的车辆的示例路线的图示。

图11B是描绘用于基于电轨的车辆的模块化能量系统的电气布局的示例实施例的框图。

图11C是描绘用于基于电轨的车辆的模块化能量系统的电气布局的示例实施例的侧视图。

图11D是描绘用于基于电轨的车辆的模块化能量系统的电气布局的另一示例实施例的框图。

图11E是描绘用于基于电轨的车辆的模块化能量系统的电气布局的另一示例实施例的侧视图。

图11F是描绘用于基于电轨的车辆的模块化能量系统的电气布局的另一示例实施例的框图。

图12A-12B是描绘用于模块化能量系统中的模块的示例实施例的框图。

图13A-13C是描绘用于模块化能量系统中的模块的示例实施例的示意图。

图14A-14B是描绘模块化能量系统拓扑的示例实施例的框图。

图14C-14D是描绘用于模块化能量系统的互连模块的示例实施例的示意图。

图15是描绘模块化能量系统拓扑的示例实施例的框图。

图16是描绘互连模块的另一示例实施例的示意图。

具体实施方式

在详细描述本主题之前，应当理解，本公开不限于所描述的特定实施例，当然，这些实施例可以变化。这里使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并不旨在是限制性的，因为本公开的范围将仅由所附权利要求限定。

在描述与在基于轨道的应用和依赖于间歇充电的其他应用中实现的模块化能量系统有关的示例实施例之前，首先更详细地描述这些基础系统是有用的。参考图1A至图10F，以下各节描述了可以实现模块化能量系统的实施例的各种应用、用于模块化能量系统的控制系统或设备的实施例、模块化能量系统实施例关于充电源和负载的配置、单个模块的实施例、用于在系统内布置模块的拓扑的实施例、控制方法的实施例、平衡系统内模块的操作特性的实施例以及互连模块的使用的实施例。

应用示例

固定应用是指模块化能量系统在使用期间位于固定位置的那些应用，尽管其在不使用时可能能够运输到可选位置。基于模块的能量系统驻留在静态位置，同时提供电能供一个或多个其他实体消耗，或者存储或缓冲能量供以后消耗。本文所公开的实施例可用于其中的固定应用的示例包括但不限于：由一个或多个住宅结构或场所使用的或在其中使用的能量系统、由一个或者多个工业结构或场所使用的或在其内使用的能量系统、由一或多个商业结构或场所使用的或者在其内使用的能量系统、由一个或多个政府结构或场所使用的或在其内使用的能量系统（包括军事和非军事用途）、用于对以下描述的移动应用进行充电的能量系统（例如，充电源或充电站），以及将太阳能、风能、地热能、化石燃料或核反应转化为电力以进行存储的系统。固定应用通常为诸如电网和微电网、电机和数据中心的负载供电。固定能量系统可以以储存或非储存角色来使用。

移动应用（有时称为牵引应用）通常是这样的应用，其中基于模块的能量系统位于实体上或实体内，并且存储和提供电能以由电机转换成动力，以移动或辅助移动该实体。本文所公开的实施例可与之一起使用的移动实体的示例包括但不限于在陆地上或陆地下、海上或海底、陆地或海洋上方或与陆地或海洋脱离接触（例如，在空中飞行或悬停）或通过外层空间移动的电和/或混合实体。本文公开的实施例可与之一起使用的移动实体的示例包括但不限于车辆、火车、电车、船舶、船只、飞机和航天器。本文所公开的实施例可与之一起使用的移动车辆的示例包括但不限于仅具有一个车轮或轨道的那些、仅具有两个车轮或轨道的那些、仅有三个车轮或轨道的那些、只有四个车轮或轨道的那些、以及具有五个或更多个车轮或轨道的那些。本文所公开的实施例可与之一起使用的移动实体的示例包括但不限于汽车、公共汽车、卡车、摩托车、滑板车、工业车辆、采矿车辆、飞行车辆（例如，飞机、直升机、无人机等）、海上船只（例如，商业船只、船舶、游艇、船或其他水运工具）、潜艇、机车或铁路车辆（例如火车、电车等）、军用车辆、航天器和卫星。

在这里描述实施例时，可以参考特定的固定应用（例如，电网、微电网、数据中心、云计算环境）或移动应用（例如电动汽车）。这样的参考是为了便于解释而做出的，并不意味着特定实施例仅限于用于该特定移动或固定应用。向电机提供电力的系统的实施例可以用于移动和固定应用二者。虽然某些配置可能比其他配置更适合于一些应用，但除非另有说明，否则本文公开的所有示例实施例都能够在移动和固定应用二者中使用。

基于模块的能量系统示例

 图1A是描绘基于模块的能量系统100的示例实施例的框图。这里，系统100包括分别通过通信路径或链路106-1至106-N与N个转换器-源模块108-1至108-N通信耦合的控制系统102。模块108被配置为存储能量并根据需要将能量输出到负载101（或其他模块108）。在这些实施例中，可以使用两个或更多个模块108中任意数量的模块（例如，N大于或等于2）。模块108可以以多种方式彼此连接，如将参照图7A-7E更详细描述的。为了便于说明，在图1A-1C中，模块108被示为串联连接，或者被示为一维阵列，其中第N个模块被耦合到负载101。

系统100被配置为向负载101供电。负载101可以是任何类型的负载，例如电机或电网。系统100还被配置为存储从充电源接收的电力。图1F是描绘具有用于从充电源150接收电力的电力输入接口151和用于向负载101输出电力的电力输出接口的系统100的示例实施例的框图。在该实施例中，系统100可以在通过接口152输出电力的同时通过接口151接收和存储电力。图1G是描绘具有可切换接口154的系统100的另一示例实施例的框图。在该实施例中，系统100可以在从充电源150接收电力和向负载101输出电力之间进行选择或被指示进行选择。系统100可以被配置为向多个负载101供电，包括主负载和辅助负载二者，和/或从多个充电源150（例如，公用事业运营的电网和本地可再生能源（例如，太阳能））接收电力。

图1B描绘了系统100的另一示例实施例。这里，控制系统102被实现为分别通过通信路径或链路115-1至115-N与N个不同的本地控制设备（LCD）114-1至114-N通信耦合的主控制设备（MCD）112。每个LCD 114-1到114-N分别通过通信路径或链路116-1到116-N与一个模块108-1到108-N通信耦合，使得LCD 114和模块108之间存在1:1的关系。

图1C描绘了系统100的另一示例实施例。这里，MCD 112分别通过通信路径或链路115-1至115-M与M个不同的LCD 114-1至114-M通信耦合。每个LCD 114可以与两个或更多个模块108耦合并控制它们。在这里所示的示例中，每个LCD 114与两个模块108通信耦合，使得M个LCD 114-1至114-M分别通过通信路径或链路116-1至116-2M与2M个模块108-1至108-2M耦合。

控制系统102可以被配置为用于整个系统100的单个设备（例如，图1A），或者可以跨多个设备分布或实现为多个设备（例如图1B-1C）。在一些实施例中，控制系统102可以分布在与模块108相关联的LCD 114之间，使得不需要MCD 112并且可以从系统100中省略。

控制系统102可以被配置为使用软件（存储在存储器中的可由处理电路执行的指令）、硬件或其组合来执行控制。控制系统102的一个或多个设备可以各自包括处理电路120和存储器122，如这里所示。下面进一步描述处理电路和存储器的示例实现。

控制系统102可以具有用于通过通信链路或路径105与系统100外部的设备104通信的通信接口。例如，控制系统102（例如，MCD 112）可以将关于系统100的数据或信息输出到另一控制设备104（例如，移动应用中的车辆的电子控制单元（ECU）或电机控制单元（MCU）、固定应用中的电网控制器等）。

 通信路径或链路105、106、115、116和118（图2B）可以分别是有线（例如，电的、光的）或无线通信路径，其以并行或串行的方式双向传送数据或信息。数据可以以标准化（例如，IEEE、ANSI）或定制（例如，专有）格式传送。在汽车应用中，通信路径115可以被配置为根据FlexRay或CAN协议进行通信。通信路径106、115、116和118还可以提供有线电力，以从一个或多个模块108直接为控制系统102提供操作电力。例如，每个LCD 114的操作电力只能由LCD 114所连接的一个或多个模块108提供，并且MCD 112的操作电力可以从一个或多个模块108间接提供（例如，诸如通过汽车的电力网络）。

控制系统102被配置为基于从相同或不同的一个或多个模块108接收的状态信息来控制一个或多个模块108。控制还可以基于一个或多个其他因素，例如负载101的要求。可控方面包括但不限于每个模块108的电压、电流、相位和/或输出电力中的一个或多个。

系统100中的每个模块108的状态信息可以传送到控制系统102，控制系统102可以独立地控制每个模块108-1……108-N。其他变化是可能的。例如，特定模块108（或模块108的子集）可以基于以下各项被控制：该特定模块108（或子集）的状态信息、基于不是该特定模块108（或子集）的不同模块108的状态信息、基于除了该特定模块108（或子集）之外的所有模块108的状态信息、基于该特定模块108（或子集）的状态信息和不是该特定模块（或子集中）的至少一个其他模块108的状态信息、或者基于系统100中的所有模块108的状态信息。

状态信息可以是关于每个模块108的一个或多个方面、特性或参数的信息。状态信息的类型包括但不限于模块108或其一个或多个组件（例如，能量源、能量缓冲器、转换器、监控电路）的以下方面：模块的一个或多个能量源的荷电状态（SOC）（例如，相对于其容量的能量源的充电水平，诸如分数或百分比）、模块的一个或多个能量源或其他组件的健康状态（SOH）（例如，与其理想条件相比的能量源条件的品质因数）、模块的一个或多个能量源或其他组件的温度、模块的一个或多个能量源的容量、模块的一个或多个能量源和/或其他组件的电压、模块的一个或多个能量源和/或其他组件的电流、和/或模块的任何一个或多个组件中是否存在故障。

LCD 114可以被配置为从每个模块108接收状态信息，或者根据从每个模块108接收或在每个模块108内接收的监控信号或数据确定状态信息，并将该信息传送到MCD 112。在一些实施例中，每个LCD 114可以将原始收集的数据传送到MCD 112，MCD 112然后基于该原始数据在算法上确定状态信息。MCD 112然后可以使用模块108的状态信息来相应地进行控制确定。确定可以采取指令、命令或其他信息（例如本文所述的调制指数）的形式，LCD114可以利用这些信息来维持或调整每个模块108的操作。

例如，MCD 112可以接收状态信息并评估该信息以确定至少一个模块108（例如，其组件）与至少一个或多个其他模块108（例如，其可比组件）之间的差异。例如，与一个或多个其他模块108相比，MCD 112可以确定特定模块108在以下条件之一下操作：相对较低或较高的SOC、相对较低的或较高的SOH、相对较或较高的容量、相对较低或较高的电压、相对较低或较高的电流、相对较低或较高的温度、或有或没有故障。在这样的示例中，MCD 112可以输出控制信息，该控制信息使得特定模块108的相关方面（例如，输出电压、电流、电力、温度）减小或增大（取决于条件）。以此方式，可以降低异常模块108（例如，以相对较低的SOC或较高的温度操作）的利用率，以使该模块108的相关参数（例如，SOC或温度）向一个或多个其他模块108的参数收敛。

确定是否调整特定模块108的操作可以通过将状态信息与预定阈值、限制或条件进行比较来进行，而不必通过与其他模块108的状态进行比较。预定阈值、限制或条件可以是静态阈值、限制或者条件，例如由制造商设置的在使用期间不改变的那些。预定阈值、限制或条件可以是允许在使用期间改变或确实改变的动态阈值、限制和条件。例如，如果模块108的状态信息指示其操作违反（例如，高于或低于）预定阈值或限制，或者在可接受操作条件的预定范围之外，则MCD 112可以调整模块108的操作。类似地，如果模块108的状态信息指示存在实际或潜在故障（例如，警报或警告）或指示不存在或消除实际或潜在的故障，MCD112可以调整模块108的操作。故障的示例包括但不限于组件的实际故障、组件的潜在故障、短路或其他过电流条件、开路、过电压条件、接收通信失败、接收损坏数据等。根据故障的类型和严重程度，可以降低故障模块的利用率以避免损坏模块，或者可以完全停止模块的利用。

MCD 112可以控制系统100内的模块108以实现或朝着期望的目标收敛。例如，目标可以是所有模块108在相对于彼此相同或相似的水平上或在预定阈值限制或条件内的操作。该过程也称为平衡或寻求在模块108的操作或操作特性中实现平衡。这里使用的术语“平衡”不要求模块108或其组件之间的绝对相等，而是在广义上用于传达系统100的操作可用于主动减少否则将存在的模块108之间的操作差异。

MCD 112可以向LCD 114传送控制信息，用于控制与LCD 114相关联的模块108的目的。控制信息可以是例如如本文所述的调制指数和参考信号、调制参考信号或其他。每个LCD 114可以使用（例如，接收和处理）控制信息来生成控制（一个或多个）相关联模块108内的一个或多个组件（例如，转换器）的操作的切换信号。在一些实施例中，MCD 112直接生成切换信号并将其输出到LCD 114，LCD 114将切换信号中继到预期的模块组件。

控制系统102的全部或一部分可以与控制移动或固定应用的一个或多个其他方面的系统外部控制设备104组合。当集成在该共享或公共控制设备（或子系统）中时，系统100的控制可以以任何期望的方式实现，所述方式例如由共享设备的处理电路执行的一个或多个软件应用、共享设备的硬件或其组合。外部控制设备104的非穷尽性示例包括：具有用于一个或多个其他车辆功能的控制能力（例如，电机控制、驾驶员接口控制、牵引控制等）的车辆ECU或MCU；负责一个或多个其他电力管理功能（例如，负载接口、负载电力需求预测、传输和切换、与充电源（例如，柴油、太阳能、风能）的接口、充电源电力预测、备用电源监控、资产调度等）的电网或微电网控制器；以及数据中心控制子系统（例如，环境控制、网络控制、备用控制等）。

图1D和1E是描绘其中可以实现控制系统102的共享或公共控制设备（或系统）132的示例实施例的框图。在图1D中，公共控制设备132包括主控制设备112和外部控制设备104。主控制设备112包括用于通过路径115与LCD 114通信的接口141，以及用于通过内部通信总线136与外部控制设备104通信的接口142。外部控制设备104包括用于通过总线136与主控制设备112通信的接口143，以及用于通过通信路径136与整个应用的其他实体（例如，车辆或电网的组件）通信的接口144。在一些实施例中，公共控制设备132可以被集成为公共外壳或封装，其中设备112和104被实现为包含在其中的分立集成电路（IC）芯片或封装。

在图1E中，外部控制设备104充当公共控制设备132，主控制功能被实现为设备104内的组件112。该组件112可以是或包括存储和/或硬编码在设备104的存储器内并由其处理电路执行的软件或其他程序指令。该组件还可以包含专用硬件。该组件可以是自包含的模块或核心，具有用于与外部控制设备104的操作软件通信的一个或多个内部硬件和/或软件接口（例如，应用程序接口（API））。外部控制设备104可以管理通过接口141与LCD 114的通信以及通过接口144与其他设备的通信。在各种实施例中，设备104/132可以集成为单个IC芯片，可以集成到单个封装中的多个IC芯片中，或者集成为公共外壳内的多个半导体封装。

在图1D和1E的实施例中，系统102的主控制功能在公共设备132中共享，然而，共享控制的其他划分是允许的。例如，主控制功能的一部分可以分布在公共设备132和专用MCD112之间。在另一示例中，主控制功能和至少部分本地控制功能二者都可以在公共设备132中实现（例如，在LCD 114中实现剩余的本地控制功能）。在一些实施例中，所有控制系统102都在公共设备（或子系统）132中实现。在一些实施例中，本地控制功能在与每个模块108的另一组件（例如电池管理系统（BMS））共享的设备内实现。

级联能量系统中的模块示例

模块108可以包括一个或多个能量源和电力电子转换器，并且如果需要，还可以包括能量缓冲器。图2A-2B是描绘具有模块108的系统100的附加示例实施例的框图，模块108具有功率转换器202、能量缓冲器204和能量源206。转换器202可以是电压转换器或电流转换器。这里参考电压转换器描述实施例，尽管实施例不限于此。转换器202可以被配置为将来自能量源204的直流（DC）信号转换为交流（AC）信号，并通过电力连接110（例如，逆变器）将其输出。转换器202还可以通过连接110接收AC或DC信号，并将其以连续或脉冲形式的极性应用到能量源204。转换器202可以是或包括开关（例如，功率晶体管）的布置，例如全桥的半桥（H桥）。在一些实施例中，转换器202仅包括开关，并且转换器（以及作为整体的模块）不包括变压器。

转换器202还可以（或可选地）被配置为执行AC至DC转换（例如整流器），例如从AC源对DC能量源充电、DC至DC转换和/或AC至AC转换（例如，与AC-DC转换器组合）。在一些实施例中，例如为了执行AC-AC转换，转换器202可以单独地或与一个或多个功率半导体（例如，开关、二极管、晶闸管等）组合地包括变压器。在其他实施例中，例如重量和成本是重要因素的那些实施例，转换器202可以被配置为仅使用功率开关、功率二极管或其他半导体器件而不使用变压器来执行转换。

能量源206优选地是能够输出直流电并且具有适合于电激励设备的能量存储应用的能量密度的鲁棒能量存储设备。燃料电池单元可以是单个燃料电池单元、串联或并联连接的多个燃料电池单元或燃料电池单元模块。每个模块中可以包括两个或更多个能量源，并且两个或更多个能量源可以包括相同或不同类型的两个电池、相同或不同类型的两个电容器、相同或不相同类型的两个燃料电池单元、与一个或多个电容器和/或燃料电池单元组合的一个或多个电池、以及与一个或者多个燃料电池单元组合的一个或者多个电容器。

能量源206可以是电化学电池，例如在电池模块或阵列中连接在一起的单个电池单元或多个电池单元，或其任何组合。图4A-4D是描绘以下示例实施例的示意图：能量源206被配置为单个电池单元402（图4A）、具有多个（例如四个）电池单元的串联连接的电池模块402（图4B）、具有单个电池单元的并联连接的电池模块402（图4C）、以及具有支路（每个支路具有多个（例如两个）电池单元）的并联连接的电池模块402（图4D）。电池类型的示例包括固态电池、基于液体电型的电池、液相电池，以及诸如锂（Li）金属电池、Li离子电池、Li空气电池、钠离子电池、钾离子电池、镁离子电池、碱性电池、镍金属氢化物电池、硫酸镍电池、铅酸电池、锌空气电池等的液流电池。锂离子电池类型的一些示例包括锂钴氧化物（LCO）、锂锰氧化物（LMO）、锂镍锰钴氧化物（NMC）、锂铁磷酸盐（LFP）、锂镍钴铝氧化物（NCA）和钛酸锂（LTO）。

能量源206也可以是高能量密度（HED）电容器，例如超电容器或超级电容器。与典型电解电容器的固体电介质类型相反，HED电容器可以配置为双层电容器（静电电荷存储）、伪电容器（电化学电荷存储），混合电容器（静态和电化学），或其他。除了更高的容量之外，HED电容器可以具有电解电容器的10至100倍（或更高）的能量密度。例如，HED电容器可以具有大于每千克1.0瓦时（Wh/kg）的比能量和大于10-100法拉（F）的电容。与参照图4A-4D描述的电池一样，能量源206可以被配置为以阵列（例如，串联、并联或其组合）连接在一起的单个HED电容器或多个HED电容器。

能量源206也可以是燃料电池单元。燃料电池单元的示例包括质子交换膜燃料电池单元（PEMFC）、磷酸燃料电池单元（PAFC）、固体酸燃料电池单元、碱性燃料电池单元、高温燃料电池单元、固体氧化物燃料电池单元、熔融电解质燃料电池单元等。与参照图4A-4D描述的电池一样，能量源206可以被配置为以阵列（例如串联、并联或其组合）连接在一起的单个燃料电池单元或多个燃料电池单元。电池、电容器和燃料电池单元的上述示例不旨在形成详尽的列表，并且本领域普通技术人员将认识到落入本主题范围内的其他变体。

能量缓冲器204可以抑制或过滤跨DC线路或链路的电流波动（例如，如下所述的+V_DCL和-V_DCL），以帮助维持DC链路电压的稳定性。这些波动可以是由转换器202的切换或其他瞬态引起的相对较低（例如，千赫）或较高（例如，兆赫）的频率波动或谐波。这些波动可以被缓冲器204吸收，而不是传递到源206或转换器202的端口IO3和IO4。

电力连接110是用于将能量或电力传输到模块108、从模块108传输能量或电力以及通过模块108传输能量或电力的连接。模块108可以将能量从能量源206输出到电力连接110，在电力连接110中，能量可以被传输到系统的其他模块或负载。模块108还可以从其他模块108或充电源（DC充电器、单相充电器、多相充电器）接收能量。信号也可以绕过能量源206而穿过模块108。在LCD 114（或系统102的另一实体）的控制下，由转换器202执行能量或电力进出模块108的路由。

在图2A的实施例中，LCD 114被实现为与模块108分离的组件（例如，不在共享模块外壳内），并且经由通信路径116连接到转换器202并且能够与转换器202通信。在图2B的实施例中，LCD 114被包括作为模块108的组件，并且经由内部通信路径118（例如，共享总线或分立连接）连接到转换器202并且能够与转换器202通信。LCD 114还能够通过路径116或118从能量缓冲器204和/或能量源206接收信号并向其传输信号。

模块108还可以包括监控电路208，监控电路208被配置为监控（例如，收集、感测、测量和/或确定）模块108和/或其组件的一个或多个方面，例如电压、电流、温度或构成状态信息（或者可以被例如LCD 114用于确定状态信息）的其他操作参数。状态信息的主要功能是描述模块108的一个或多个能量源206的状态以使得能够确定与系统100中的其他源相比该能量源的利用量，尽管描述其他组件的状态的状态信息（例如，缓冲器204中的电压、温度、和/或故障的存在，转换器202中的温度和/或故障的存在，模块108中其他地方故障的存在等）也可以用于利用率确定。监控电路208可以包括一个或多个传感器、分流器、除法器、故障检测器、库仑计数器、控制器或被配置为监控这些方面的其他硬件和/或软件。监控电路208可以与各个组件202、204和206分离，或者可以与每个组件202、204和206集成（如图2A-2B所示）或其任何组合。在一些实施例中，监控电路208可以是电池能量源204的电池管理系统（BMS）的一部分或与之共享。不需要分立电路来监控每种类型的状态信息，因为可以用单个电路或设备监控多于一种类型的状态信息，或者以其他方式在不需要额外电路的情况下通过算法确定多于一种类型的状态信息。

LCD 114可以通过通信路径116、118接收关于模块组件的状态信息（或原始数据）。LCD 114还可以通过路径116、118向模块组件传输信息。路径116和118可以包括诊断、测量、保护和控制信号线。所传输的信息可以是用于一个或多个模块组件的控制信号。控制信号可以是转换器202的切换信号和/或从模块组件请求状态信息的一个或多个信号。例如，LCD114可以通过直接请求状态信息，或者通过应用使得生成状态信息的刺激（例如，电压），在某些情况下结合将转换器202置于特定状态的切换信号，使得状态信息通过路径116、118传输。

模块108的物理配置或布局可以采取各种形式。在一些实施例中，模块108可以包括公共外壳，其中容纳了所有模块组件，例如转换器202、缓冲器204和源206，以及其他可选组件，例如集成LCD 114。在其他实施例中，各种组件可以在分立外壳中分离，这些分立外壳固定在一起。图2C是描绘模块108的示例实施例的框图，模块108具有保持模块的能量源206和诸如监控电路208（未示出）之类的伴随电子设备的第一外壳220、保持诸如转换器202、能量缓冲器204以及诸如监控电路（未示出）的其他伴随电子设备之类的模块电子设备的第二外壳222，以及保持模块108的LCD 114（未示出）的第三外壳224。各种模块组件之间的电连接可以前进通过外壳220、222、224，并且可以暴露在任何外壳外部上，用于与诸如其他模块108或MCD 112的其他设备连接。

系统100的模块108可以根据应用的需要和负载的数量以各种配置相对于彼此物理地布置。例如，在系统100为微电网供电的固定应用中，模块108可以放置在一个或多个机架或其他框架中。这样的配置也可以适用于更大的移动应用，例如海上船只。可选地，模块108可以固定在一起并位于称为组装件的公共外壳内。机架或组装件可以具有其自己的专用冷却系统，该冷却系统跨所有模块共享。组装件配置对于较小移动应用（诸如电动汽车）是有用的。系统100可以用一个或多个机架（例如，用于向微电网并联供电）或一个或多个组装件（例如，服务于车辆的不同电机）或其组合来实现。图2D是描绘系统100的示例实施例的框图，该系统100被配置为具有九个模块108的组装件，这些模块108在公共外壳230内电耦合和物理耦合在一起。

这些和其他配置的示例在国际公布第2020/205574号中有描述，该国际公布通过引用在其整体上并入本文以用于所有目的。

图3A-3C是描绘具有各种电配置的模块108的示例实施例的框图。这些实施例被描述为每个模块108具有一个LCD 114，其中LCD 114容纳在相关联模块内，但是可以如本文所述以其他方式配置。图3A描绘了系统100内的模块108A的第一示例配置。模块108A包括能量源206、能量缓冲器204和转换器202A。每个组件具有电力连接端口（例如，端子、连接器），电力可以输入到这些端口中和/或可以从这些端口输出电力，所述端口这里称为IO端口。根据上下文，这些端口也可以被称为输入端口或输出端口。

能量源206可以被配置为本文所述的任何能量源类型（例如，关于图4A-4D所述的电池、HED电容器、燃料电池单元或其他）。能量源206的端口IO1和IO2可以分别连接到能量缓冲器204的端口IO1和IO2。能量缓冲器204可以被配置为缓冲或过滤通过转换器202到达缓冲器204的高频和低频能量脉动，所述高频和低频能量脉动否则可能使模块108的性能降级。缓冲器204的拓扑和组件被选择为适应这些高频电压脉动的最大允许幅度。在图5A-5C的示意图中描绘了能量缓冲器204的几个（非穷尽的）示例实施例。在图5A中，缓冲器204是电解电容器和/或薄膜电容器C_EB，在图5B中缓冲器204是由两个电感器L_EB1和L_EB2以及两个电解电容器和/或薄膜电容器C_EB1和C_EB2形成的Z源网络710，以及在图5C中缓冲器204为由两个电感器L_EB1和L_EB2、两个电解电容器和/或薄膜电容器C_EB1和C_EB2以及二极管D_EB形成的准Z源网络720。

能量缓冲器204的端口IO3和IO4可以分别连接到转换器202A的端口IO1和IO2，转换器202A可以被配置为本文描述的任何电力转换器类型。图6A是描绘转换器202A的示例实施例的示意图，转换器202A被配置为DC-AC转换器，其可以在端口IO1和IO2处接收DC电压，并切换以在端口IO3和IO4处生成脉冲。转换器202A可以包括多个开关，并且这里转换器202A包括以全桥配置布置的四个开关S3、S4、S5、S6。控制系统102或LCD 114可以经由到每个门的控制输入线路118-3独立地控制每个开关。

开关可以是任何合适的开关类型，例如功率半导体，如这里所示的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）或氮化镓（GaN）晶体管。半导体开关可以在相对高的开关频率下操作，从而如果需要，允许转换器202在脉宽调制（PWM）模式下操作，并在相对短的时间间隔内响应控制命令。这可以提供输出电压调节的高容差和瞬态模式中的快速动态行为。

在该实施例中，可以在端口IO1和IO2之间向转换器202应用DC线路电压V_DCL。通过开关S3、S4、S5、S6的不同组合将V_DCL连接到端口IO3和IO4，转换器202可以在端口IO3与IO4处生成三个不同的电压输出：+V_DCL、0和-V_DCL。提供给每个开关的切换信号控制开关是打开（闭合）还是关闭（断开）。为了获得+V_DCL，开关S3和S6接通同时S4和S5关断，而–V_DCL可以通过接通开关S4和S5并关断S3和S6获得。通过在S4和S6断开的情况下接通S3和S5，或者在S3和S5断开的情况下接通S4和S6，可以将输出电压设置为零（包括接近零）或参考电压。这些电压可以通过电力连接110从模块108输出。转换器202的端口IO3和IO4可以连接到（或形成）电力连接110的模块IO端口1和2，以便生成用于与来自其他模块108的输出电压一起使用的输出电压。

根据系统100用于生成转换器202的输出电压的控制技术，可以以不同的方式生成本文所述的转换器202的实施例的控制或切换信号。在一些实施例中，控制技术是PWM技术，例如空间矢量脉宽调制（SVPWM）或正弦脉宽调制（SPWM）或其变体。图8A是描绘转换器202的输出电压波形802的示例的电压对时间的图。为了便于描述，这里的实施例将在PWM控制技术的上下文中描述，尽管实施例不限于此。可以使用其他类的技术。一个可选类是基于滞后的，其示例在国际公布第WO 2018/231810A1、WO 2018/232403A1和WO 2019/183553A1号中有描述，这些国际公布通过引用并入本文以用于所有目的。

每个模块108可以配置有多个能量源206（例如，两个、三个、四个或更多个）。模块108的每个能量源206可以是可控的（可切换的），以独立于模块的其他能量源206向连接110提供电力（或从充电源接收电力）。例如，所有源206可以同时向连接110输出电力（或被充电），或者在任何一个时间只有一个源206（或源206的子集）可以提供电力（或充电）。在一些实施例中，模块的源206可以在它们之间交换能量，例如，一个源206可以对另一个源204充电。每个源206可以被配置为本文所述的任何能量源（例如，电池、HED电容器、燃料电池单元）。每个源206可以是相同类型（例如，每个源可以是电池），或者是不同类型（例如第一源可以是电池，并且第二源可以是HED电容器，或者第一源可以为具有第一类型的电池（例如，NMC），并且第二源可以为具有第二类型的电池（例如，LFP）。

图3B是描绘具有主能量源206A和次级能量源206B的双能量源配置中的模块108B的示例实施例的框图。主源202A的端口IO1和IO2可以连接到能量缓冲器204的端口IO1和IO2。模块108B包括具有附加IO端口的转换器202B。缓冲器204的端口IO3和IO4可以分别连接到转换器202B的端口IO1和IO2。次级源206B的端口IO1和IO2可以分别连接到转换器202B的端口IO5和IO2（也连接到缓冲器204的端口IO4）。

在模块108B的该示例实施例中，主能量源202A与系统100的其他模块108一起提供负载所需的平均电力。次级源202B可以通过在负载电力峰值处提供额外电力、或吸收多余电力或其他方式来提供辅助能量源202的功能。

如所提及的，根据转换器202B的开关状态，主源206A和次级源206B可以同时使用或在分开的时间使用。如果同时，电解和/或薄膜电容器（C_ES）可以如图4E所描绘与源206B并联放置，以充当源206B的能量缓冲器，或者能量源206B可以被配置为如图4F所描绘利用与另一能量源（例如，电池或燃料电池单元）并联的HED电容器。

图6B和6C是分别描绘转换器202B和202C的示例实施例的示意性视图。转换器202B包括开关电路部分601和602A。部分601包括以与转换器202A类似的方式被配置为全桥的开关S3至S6，并且被配置为选择性地将IO1和IO2耦合到IO3和IO4中的任一个，从而改变模块108B的输出电压。部分602A包括被配置为半桥并耦合在端口IO1和IO2之间的开关S1和S2。耦合电感器L_C连接在端口IO5和存在于开关S1和S2之间的节点1之间，使得开关部分602A是可以调节（升压或降压）电压（或反向电流）的双向转换器。开关部分602A可以在节点1处生成两个不同的电压，即+V_DCL2和0，参考端口IO2，其可以处于虚拟零电位。可以通过调节耦合电感器L_C上的电压来控制从能量源202B汲取或输入到能量源202B的电流，例如使用用于换向开关S1和S2的脉宽调制技术或滞后控制方法来进行所述调节。也可以使用其他技术。

转换器202C与202B的转换器不同，因为开关部分602B包括被配置为半桥并耦合在端口IO5和IO2之间的开关S1和S2。耦合电感器L_C连接在端口IO1和存在于开关S1和S2之间的节点1之间，使得开关部分602B被配置为调节电压。

控制系统102或LCD 114可以经由到每个门的控制输入线路118-3独立地控制转换器202B和202C的每个开关。在这些实施例和图6A的实施例中，LCD 114（而不是MCD 112）生成用于转换器开关的切换信号。可选地，MCD 112可以生成切换信号，该切换信号可以直接传送到开关，或者由LCD 114中继。

在模块108包括三个或更多个能量源206的实施例中，取决于特定源的需要，转换器202B和202C可以相应地缩放，使得每个附加能量源206B耦合到通向附加开关电路部分602A或602B的附加IO端口。例如，双源转换器202可以包括开关部分202A和202B二者。

具有多个能量源206的模块108能够执行附加功能，例如在源206之间的能量共享、来自应用内的能量捕获（例如，再生制动）、即使在整个系统处于放电状态时由次级源对初级源充电、以及模块输出的有源过滤。在2020年3月27日提交并且题为“Module-BasedEnergy Systems Capable Of Cascaded And Interconnected Configurations, AndMethods Related Thereto”的国际公布第WO 2020/205574号和2019年3月22日提交并且题为“Systems and Methods for Power Management and Control”的国际公布第WO 2019/183553号中对这些功能的示例进行了更详细的描述，这两篇国际公布通过引用在其整体上并入本文以用于所有目的。

每个模块108可以被配置为向一个或多个辅助负载提供其一个或多个能量源206。辅助负载是需要比主负载101低的电压的负载。辅助负载的示例可以是例如电动车辆的车载电气网络或电动车辆的HVAC系统。系统100的负载可以是例如电动车辆电机或电网的一个相。该实施例可以允许能量源的电特性（端子电压和电流）与负载的电特性之间的完全去耦。

图3C是描绘被配置为向第一辅助负载301和第二辅助负载302提供电力的模块108C的示例实施例的框图，其中模块108C包括以与图3B的方式类似的方式耦合在一起的能量源206、能量缓冲器204和转换器202B。第一辅助负载301需要与从源206提供的电压相等的电压。负载301耦合到模块108C的IO端口3和4，这些端口又耦合到源206的端口IO1和IO2。源206可以向电力连接110和负载301两者输出电力。第二辅助负载302需要低于源206的电压的恒定电压。负载302耦合到模块108C的IO端口5和6，其分别耦合到转换器202B的端口IO5和IO2。转换器202B可以包括具有耦合到端口IO5的耦合电感器L_C的开关部分602（图6B）。由源206提供的能量可以通过转换器202B的开关部分602提供给负载302。假设负载302具有输入电容器（如果没有，可以将电容器添加到模块108C），因此开关S1和S2可以被换向以调节通过耦合电感器L_C的电压和电流，并因此为负载302产生稳定的恒定电压。该调节可以将源206的电压降到负载302所需的较低幅值电压。

因此，模块108C可以被配置为以关于负载301描述的方式提供一个或多个第一辅助负载，其中一个或多个第一负载耦合到IO端口3和4。模块108C还可以被配置为以关于负载302所描述的方式提供一个或多个第二辅助负载。如果存在多个第二辅助负载302，那么对于每个附加负载302，模块108C可以用附加的专用模块输出端口（如5和6）、附加的专用开关部分602和耦合到附加部分602的附加转换器IO端口来缩放。

因此，能量源206可以为任意数量的辅助负载（例如301和302）以及主负载101所需的系统输出电力的相应部分提供电力。可以根据需要调节从源206到各种负载的电力流。

模块108可以根据需要配置有两个或更多个能量源206（图3B），并通过为每个附加源206B或第二辅助负载302添加开关部分602和转换器端口IO5来提供第一和/或第二附加负载（图3C）。可以根据需要添加附加模块IO端口（例如，3、4、5、6）。模块108还可以被配置为互连模块，以在两个或更多个阵列、两个或更多个组装件、或两个或更多个系统100之间交换能量（例如，用于平衡），如本文进一步描述的。这种互连功能同样可以与多个源和/或多个辅助负载供应能力相结合。

控制系统102可以执行关于模块108A、108B和108C的组件的各种功能。这些功能可以包括管理每个能量源206的利用率（使用量）、保护能量缓冲器204免受过电流、过电压和高温条件的影响，以及控制和保护转换器202。

 例如，为了管理（例如，通过增加、减少或维持来调整）每个能量源206的利用率，LCD 114可以从每个能量源206（或监控电路）接收一个或多个监控电压、温度和电流。监控电压可以是以下各项中的至少一个、优选地是所有以下各项：独立于源206的其他组件（例如，每个单独的电池单元、HED电容器和/或燃料电池单元）的每个基本组件的电压，或者基本组件组作为整体的电压（例如，电池阵列、HED电容器阵列和/或燃料电池单元阵列的电压）。类似地，监控温度和电流可以是以下各项中的至少一个、优选地是所有以下各项：独立于源206的其他组件的每个基本组件的温度和电流，或者基本组件组作为整体的温度和电流，或其任意组合。所监控的信号可以是状态信息，LCD 114可以利用该状态信息执行以下一项或多项：计算或确定基本组件或基本组件组的实际容量、实际荷电状态（SOC）和/或健康状态（SOH）；基于监控和/或计算的状态信息设置或输出警告或警报指示；和/或向MCD112传输状态信息。LCD 114可以从MCD 112接收控制信息（例如，调制指数、同步信号），并使用该控制信息为管理源206的利用的转换器202生成切换信号。

为了保护能量缓冲器204，LCD 114可以从能量缓冲器204（或监控电路）接收一个或多个监控电压、温度和电流。监控电压可以是以下各项中的至少一个、优选地是所有以下各项：独立于其他组件的缓冲器204的每个基本组件（例如C_EB、C_EB1、C_EB2、L_EB1、L_EB2、D_EB）的电压，或者基本组件组或缓冲器204作为整体（例如IO1和IO2之间或IO3和IO4之间）的电压。类似地，监控温度和电流可以是以下各项中的至少一个、优选地是所有以下各项：独立于其他组件的缓冲器204的每个基本组件的温度和电流，或者基本组件组或缓冲器204作为整体的温度和电流，或其任何组合。所监控的信号可以是状态信息，LCD 114可以利用该状态信息执行以下一项或多项：设置或输出警告或警报指示；将状态信息传送到MCD 112；或控制转换器202调整（增加或减少）源206和模块108作为整体的利用率，以进行缓冲保护。

为了控制和保护转换器202，LCD 114可以从MCD 112接收控制信息（例如，调制的参考信号，或参考信号和调制指数），其可以与LCD 114中的PWM技术一起使用，以生成每个开关（例如，S1到S6）的控制信号。LCD 114可以从转换器202的电流传感器接收电流反馈信号，该电流反馈信号可以与来自转换器开关的驱动器电路（未示出）的一个或多个故障状态信号一起用于过电流保护，该故障状态信号可以携带关于转换器202的所有开关的故障状态（例如，短路或开路故障模式）的信息。基于该数据，LCD 114可以决定应用哪种切换信号组合来管理模块108的利用率，并潜在地绕过或断开转换器202（以及整个模块108）与系统100的连接。

如果控制向第二辅助负载302供电的模块108C，LCD 114可以接收模块108C中的一个或多个监控电压（例如，IO端口5和6之间的电压）和一个或多个监控电流（例如，耦合电感器L_C中的电流，其为负载302的电流）。基于这些信号，LCD 114可以调节S1和S2的切换周期（例如，通过调节调制指数或参考波形），以控制（和稳定）负载302的电压。

级联能量系统拓扑示例

两个或更多个模块108可以以级联阵列耦合在一起，该级联阵列输出由阵列内的每个模块108生成的离散电压的叠加形成的电压信号。图7A是描绘系统100的拓扑的示例实施例的框图，其中N个模块108-1、108-2……108-N串联耦合在一起以形成串联阵列700。在这里描述的这个和所有实施例中，N可以是大于1的任何整数。阵列700包括跨其生成阵列输出电压的第一系统IO端口SIO1和第二系统IO端口SIO2。阵列700可以用作DC或AC单相负载的DC或单相AC能量源，其可以连接到阵列700的SIO1和SIO2。图8A是描绘由具有48伏能量源的单个模块108产生的示例输出信号的电压对时间的曲线图。图8B是描绘由具有串联耦合的六个48V模块108的阵列700生成的示例单相AC输出信号的电压对时间的曲线图。

系统100可以被布置成各种各样不同的拓扑以满足应用的不同需求。系统100可以通过使用多个阵列700向负载提供多相电力（例如，两相、三相、四相、五相、六相等），其中每个阵列可以生成具有不同相位角的AC输出信号。

图7B是描绘具有耦合在一起的两个阵列700-PA和700-PB的系统100的框图。每个阵列700是一维的，由N个模块108的串联连接形成。两个阵列700-PA和700-PB可以各自生成单相AC信号，其中两个AC信号具有不同的相位角PA和PB（例如，180度分开）。每个阵列700-PA和700-PB的模块108-1的IO端口1可以分别形成或连接到系统IO端口SIO1和SIO2，其又可以用作每个阵列的第一输出，所述第一输出可以向负载（未示出）提供两相电力。或者可选地，端口SIO1和SIO2可以被连接以从两个并行阵列提供单相电力。每个阵列700-PA和700-PB的模块108-N的IO端口2可以用作每个阵列700-PA和700-PB在与系统IO端口SIO1和SIO2的阵列相对端上的第二输出，并且可以在公共节点处耦合在一起，并且如果需要，可选地用于额外的系统IO端口SiO3，系统IO端口SiO3可以用作中性点。该公共节点可以称为轨道，并且每个阵列700的模块108-N的IO端口2可以称为位于阵列的轨道侧。

图7C是描绘具有耦合在一起的三个阵列700-PA、700-PB和700-PC的系统100的框图。每个阵列700是一维的，由N个模块108的串联连接形成。三个阵列700-1和700-2可以各自生成单相AC信号，其中三个AC信号具有不同的相位角PA、PB、PC（例如，分开120度）。每个阵列700-PA、700-PB和700-PC的模块108-1的IO端口1可以分别形成或连接到系统IO端口SIO1、SIO2和SIO3，其又可以向负载（未示出）提供三相电力。每个阵列700-PA、700-PB和700-PC的模块108-N的IO端口2可以在公共节点处耦合在一起，并且如果需要，可选地用于额外的系统IO端口SIO4，系统IO端口SIO4可以用作中性点。

关于图7B和7C的两相和三相实施例描述的概念可以扩展到生成再更多相电力的系统100。例如，附加示例的非穷尽列表包括：具有四个阵列700的系统100，每个阵列700被配置为生成具有不同相位角（例如，分开90度）的单相AC信号；具有五个阵列700的系统100，每个阵列700被配置为生成具有不同相位角（例如，分开72度）的单相AC信号；以及具有六个阵列700的系统100，每个阵列被配置为生成具有不同相位角（例如分开60度）的单相AC信号。

系统100可以被配置为使得阵列700在每个阵列内的模块108之间的电节点处互连。图7D是描绘具有以组合的串联和三角（delta）布置耦合在一起的三个阵列700-PA、700-PB和700-PC的系统100的框图。每个阵列700包括M个模块108的第一串联连接，其中M是二或更大，所述第一串联连接与N个模块108（其中N是二或更大）的第二串联连接耦合。三角配置由阵列之间的互连形成，所述阵列可以放置在任何期望的位置。在该实施例中，阵列700-PC的模块108-（M+N）的IO端口2与阵列700-PA的模块108-M的IO端口2及模块108-（M+1）的IO端1耦合，阵列700-PB的模块108-（M+N）的IO端口2与阵列700-PC的模块108-M的IO端口2及模块108-（M+1）的IO端1耦合，并且阵列700-PA的模块108-（M+N）的IO端口2与阵列700-PB的模块108-M的IO端口2和模块108-（M+1）的IO端口1耦合。

图7E是描绘具有以组合的串联和三角布置耦合在一起的三个阵列700-PA、700-PB和700-PC的系统100的框图。除了具有不同的交叉连接之外，该实施例与图7D的实施例类似。在该实施例中，阵列700-PC的模块108-M的IO端口2与阵列700-PA的模块108-1的IO端口1耦合，阵列700-PB的模块108-M的IO端口2与阵列700-PC的模块108-1的IO端口1耦合，并且阵列700-PA的模块108-M的IO端口2与阵列700-B的模块108-1的IO端口1耦合。图7D和7E的布置可以用每个阵列700中的少至两个模块来实现。组合的三角和串联配置使得能够在系统的所有模块108（相位间平衡）和电网或负载的相位之间有效地交换能量，并且还允许减少阵列700中的模块108的总数以获得期望的输出电压。

在本文描述的实施例中，尽管系统100内的每个阵列700中的模块108的数量相同是有利的，但这不是必需的，并且不同的阵列700可以具有不同数量的模块108。此外，每个阵列700可以具有全部相同配置的模块108（例如，所有模块为108A，所有模块为108B，所有模块为108C，或其他）或不同配置的模块（例如，一个或多个模块为108A、一个或多个模块为108B、以及一个或多个模块为108C或其他）。因此，本文所涵盖的系统100的拓扑的范围是广泛的。

控制方法的示例实施例

如上所述，系统100的控制可以根据各种方法来执行，例如滞后或PWM。PWM的几个示例包括空间矢量调制和正弦脉宽调制，其中转换器202的切换信号是用相移载波技术生成的，该相移载波技术连续地旋转每个模块108的利用以在它们之间均匀地分配电力。

图8C-8F是描绘可以使用递增移位的两电平波形生成多电平输出PWM波形的相移PWM控制方法的示例实施例的曲线图。X电平PWM波形可以通过（X-1）/2个两电平PWM波形的总和来创建。通过将参考波形Vref与以360º/（X-1）递增移位的载波进行比较，可以生成这些两电平波形。载波是三角形的，但实施例不限于此。图8C中示出了九电平示例（使用四个模块108）。载波以360º/（9-1）=45º递增移位，并与Vref进行比较。所得的两电平PWM波形示于图8E中。这些两电平波形可以用作转换器202的半导体开关（例如，S1至S6）的切换信号。作为参考图8E的示例，对于包括四个模块108的一维阵列700（每个模块具有转换器202），0º信号用于控制第一模块108-1的S3并且180º信号用于S6，45º信号用于第二模块108-2的S3并且225º信号用于S6，90信号用于第三模块108-3的S3并且270信号用于S6，并且135信号用于第四模块108-4的S3并且315信号用于S6。S3的信号与S4互补，并且S5的信号与S6互补，其中具有足够的停滞时间以避免每个半桥贯通。图8F描绘了由来自四个模块108的输出电压的叠加（求和）产生的示例单相AC波形。

可选的是是利用具有第一（N-1）/2载波的正参考信号和负参考信号。图8D中示出了九电平示例。在该示例中，通过将+Vref与图8D的0º至135º载波进行比较来生成0º至135º切换信号（图8E），并且通过将-Vref与图8D的0°至135º载波进行比较来生成180º至315º切换信号。然而，后一种情况下的比较逻辑是相反的。诸如状态机解码器的其他技术也可用于为转换器202的开关生成门信号。

在多相系统实施例中，相同的载波可以用于每个相，或者载波集合可以作为整体针对每个相移动。例如，在具有单个参考电压（Vref）的三相系统中，每个阵列700可以使用具有如图8C和8D所示的相同相对偏移的相同数量的载波，但是第二相的载波与第一相的载波相比移位120度，并且第三相的载波与第一相的载波相比移位240度。如果不同的参考电压可用于每个相，则相信息可以被携带在参考电压中，并且相同的载波可以用于每个相。在许多情况下，载波频率将是固定的，但在一些示例实施例中，载波频率可以被调整，这可以帮助减少高电流条件下EV电机的损耗。

适当的切换信号可以由控制系统102提供给每个模块。例如，MCD 112可以根据LCD114控制的一个或多个模块108向每个LCD 114提供Vref和适当的载波信号，并且然后LCD114可以生成切换信号。或者阵列中的所有LCD 114可以被提供有所有载波信号，并且LCD可以选择适当的载波信号。

可以基于状态信息来调整每个模块108的相对利用率，以执行如本文所述的一个或多个参数的平衡。与不执行单独模块利用率调整的系统相比，参数的平衡可以涉及调整利用率以最小化随时间的参数偏差。利用率可以是当系统100处于放电状态时模块108正在放电的相对时间量，或者当系统100处在充电状态时模块108正在充电的相对时间量。

如本文所述，模块108可以相对于阵列700中的其他模块进行平衡，这可以被称为阵列内平衡或相位内平衡，并且不同阵列700可以相对于彼此进行平衡，其可以被称作阵列间平衡或相位间平衡。不同子系统的阵列700也可以相对于彼此进行平衡。控制系统102可以同时执行相位内平衡、相位间平衡、模块内多个能量源的利用、有源过滤和辅助负载供应的任何组合。

图9A是描绘用于单相AC或DC阵列的控制系统102的阵列控制器900的示例实施例的框图。阵列控制器900可以包括峰值检测器902、除法器904和相内（或阵列内）平衡控制器906。阵列控制器900可以接收参考电压波形（Vr）和关于阵列中的N个模块108中的每一个的状态信息（例如，充电状态（SOCi）、温度（Ti）、容量（Qi）和电压（Vi））作为输入，并生成标准化的参考电压波形（Vrn）和调制指数（Mi）作为输出。峰值检测器902检测Vr的峰值（Vpk），其可以特定于控制器900操作和/或平衡的相位。除法器904通过将Vr除以其检测到的Vpk来生成Vrn。相位内平衡控制器906使用Vpk以及状态信息（例如，SOCi、Ti、Qi、Vi等）来生成用于被控制的阵列700内的每个模块108的调制指数Mi。

调制指数和Vrn可用于为每个转换器202生成切换信号。调制指数可以是介于0和1之间的数字（包括0和1）。对于特定模块108，标准化参考Vrn可以由Mi调制或缩放，并且该调制参考信号（Vrnm）可以根据参照图8C-8F描述的PWM技术或根据其他技术用作Vref（或–Vref）。以此方式，调制指数可用于控制提供给转换器开关电路（例如，S3-S6或S1-S6）的PWM切换信号，并因此调节每个模块108的操作。例如，被控制以维持正常或完全操作的模块108可以接收为1的Mi，而被控制以低于正常或完全操作的模块108可接收小于1的Mi，并且被控制以停止电力输出的模块108可接收为0的Mi。该操作可以通过控制系统102以各种方式执行，例如通过MCD 112向适当的LCD 114输出Vrn和Mi以用于调制和切换信号生成、通过MCD114执行调制并向适当的LCD 114输出经调制的Vrnm以用于切换信号生成，或者通过MCD112执行调制和切换信号生成并将切换信号直接输出到每个模块108的LCD或转换器202。Vrn可以连续发送，Mi以规律间隔发送，例如Vrn每个周期发送一次，或每分钟发送一次等。

控制器906可以使用本文描述的任何类型或各类型的状态信息（例如，SOC、温度（T）、Q、SOH、电压、电流）的组合来生成每个模块108的Mi。例如，当使用SOC和T时，与阵列700中的其他模块108相比，如果SOC相对较高且温度相对较低，则模块108可以具有相对较高的Mi。如果SOC相对较低或T相对较高，则该模块108可以具有相对较低的Mi，导致比阵列700中的其他模块108低的利用率。控制器906可以确定Mi，使得模块电压的总和不超过Vpk。例如，Vpk可以是每个模块的源206的电压与该模块的Mi的乘积之和（例如，Vpk＝M₁V₁+M₂V₂+M₃V₃…+M_NV_N等）。可以使用调制指数的不同组合，并且因此可以使用模块的相应电压贡献，但是总生成电压应当保持相同。

控制器900可以在不妨碍在任何一个时间（例如，诸如在EV的最大加速期间）实现系统的电力输出要求的程度上控制操作，使得每个模块108中的（一个或多个）能量源的SOC保持平衡或在它们不平衡的情况下收敛到平衡条件，和/或使得每个模块中的（一个或多个）能量源或其他组件（例如能量缓冲器）的温度保持平衡或如果它们不平衡则收敛到平衡条件。可以调节进出模块的电力流，使得源之间的容量差异不会导致SOC偏差。SOC和温度的平衡可以间接导致SOH的一些平衡。如果需要，电压和电流可以直接平衡，但在许多实施例中，系统的主要目标是平衡SOC和温度，并且SOC的平衡可以导致在模块具有相似容量和阻抗的高度对称系统中的电压和电流的平衡。

由于不可能同时平衡所有参数（例如，一个参数的平衡可能会进一步使另一个参数不平衡），因此可以应用平衡任意两个或更多个参数（SOC、T、Q、SOH、V、I）的组合，其中根据应用的要求给予其中一个优先级。在平衡中，可以相对于其他参数（T、Q、SOH、V、I）给予SOC优先级，如果其他参数（T、Q、SOH、V和I）中的一个达到阈值之外的严重不平衡条件，则会出现例外情况。

不同相位的阵列700（或相同相位的阵列，例如，如果使用并行阵列）之间的平衡可以与相位内平衡同时执行。图9B描绘了Ω相（或Ω阵列）控制器950的示例实施例，该控制器950被配置为在Ω相位系统100中操作，该Ω相位系统具有至少Ω个阵列700，其中Ω是大于1的任何整数。控制器950可以包括一个相位间（或阵列间）控制器910和Ω个相位内平衡控制器906-PA……906-PΩ用于相位PA到PΩ，以及峰值检测器902和除法器904（图9A），用于从每个相位特定参考VrPA到VrPΩ生成标准化参考VrnPA到VrnPΩ。相位内控制器906可以为每个阵列700的每个模块108生成Mi，如关于图9A所描述的。相位间平衡控制器910被配置或编程为例如在不同相位的阵列之间跨整个多维系统平衡模块108的各方面。这可以通过向相位注入共模（例如，中性点移位）或通过使用互连模块（本文描述）或通过两者来实现。共模注入涉及向参考信号VrPA至VrPΩ引入相位和振幅偏移，以生成标准化波形VrnPA至VrnPΩ，以补偿一个或多个阵列中的不平衡，并在并入本文的国际公布第WO 2020/205574号中有进一步描述。

控制器900和950（以及平衡控制器906和910）可以在控制系统102内以硬件、软件或其组合来实现。控制器900和950可以在MCD 112内实现，部分或全部分布在LCD 114之间，或者可以实现为独立于MCD 112和LCD 114的分立控制器。

互连（IC）模块的示例实施例

模块108可以连接在不同阵列700的模块之间，以用于以下目的：在阵列之间交换能量、充当辅助负载的源或两者。这样的模块在本文中被称为互连（IC）模块108IC。IC模块108IC可以以任何已经描述的模块配置（108A、108B、108C）和本文将描述的其他配置来实现。IC模块108IC可以包括任意数量的一个或多个能量源、可选的能量缓冲器、用于向一个或多个阵列供应能量和/或用于向一种或更多个辅助负载供应电力的开关电路、控制电路（例如，本地控制设备）以及用于收集关于IC模块自身或其各种负载的状态信息（例如，能量源的SOC、能量源或能量缓冲器的温度、能量源的容量、能量源的SOH、与IC模块相关的电压和/或电流测量、与（一个或多个）辅助负载相关的电压或/或电流测量等）的监控电路。

图10A是描绘能够利用Ω个阵列700-PA至700-PΩ产生Ω相电力的系统100的示例实施例的框图，其中Ω可以是大于1的任何整数。在该实施例和其他实施例中，IC模块108IC可以位于阵列700的轨道侧，使得模块108IC所连接的阵列700（在本实施例中为阵列700-PA至700-PΩ）电连接在模块108IC和到负载的输出（例如，SIO1和SIOΩ）之间。这里，模块108IC具有Ω个IO端口，用于连接到阵列700-PA至700-PΩ的每个模块108-N的IO端口2。在这里描绘的配置中，模块108IC可以通过选择性地将模块108IC的一个或多个能量源连接到阵列700-PA至700-PΩ中的一个或者多个来执行相位间平衡（或者如果不需要相位间平衡，则连接到无输出，或者相等地连接到所有输出）。系统100可以由控制系统102（未示出，见图1A）控制。

图10B是描绘模块108IC的示例实施例的示意图。在该实施例中，模块108IC包括与能量缓冲器204连接的能量源206，能量缓冲器204又与开关电路603连接。开关电路603可以包括开关电路单元604-PA至604-PΩ，用于分别将能量源206独立地连接到阵列700-PA至700-PΩ中的每一个。各种开关配置可用于每个单元604，在本实施例中，其被配置为具有两个半导体开关S7和S8的半桥。每个半桥由来自LCD 114的控制线路118-3控制。该配置类似于关于图3A描述的模块108A。如关于转换器202所描述的，开关电路603可以以适合于应用要求的任何布置和任何开关类型（例如，MOSFET、IGBT、硅、GaN等）来配置。

开关电路单元604耦合在能量源206的正端子和负端子之间，并且具有连接到模块108IC的IO端口的输出。单元604-PA至604-PΩ可由控制系统102控制，以选择性地将电压+V_IC或-V_IC耦合到相应的模块I/O端口1至Ω。控制系统102可以根据任何期望的控制技术（包括本文所述的PWM和滞后技术）来控制开关电路603。这里，控制电路102被实现为LCD 114和MCD 112（未示出）。LCD 114可以从模块108IC的监控电路接收监控数据或状态信息。该监控数据和/或从该监控数据导出的其他状态信息可以被输出到MCD 112以用于本文所述的系统控制。LCD 114还可以接收定时信息（未示出），用于系统100的模块108和一个或多个载波信号（未示）的同步的目的，所述载波信号例如PWM中使用的锯齿波信号（图8C-8D）。

对于相位间平衡，可以向阵列700-PA至700-PΩ中的任何一个或多个提供来自源206的成比例的更多能量，与其他阵列700相比，其电荷相对较低。向特定阵列700供应该补充能量允许该阵列700中的那些级联模块108-1至108-N的能量输出相对于（一个或多个）未被供应的相位阵列减少。

例如，在应用PWM的一些示例实施例中，LCD 114可以被配置为（从MCD 112）接收模块108IC耦合到的一个或多个阵列700中的每个阵列的标准化电压参考信号（Vrn），例如，VrnPA到VrnPΩ。LCD 114还可以分别从MCD 112接收每个阵列700的开关单元604-PA至604-PΩ的调制指数MiPA至MiPΩ。LCD 114可以用直接耦合到该阵列的开关部分的调制指数来调制（例如，相乘）每个相应的Vrn（例如，VrnA乘以MiA），并且然后利用载波信号来生成每个开关单元604的（一个或多个）控制信号。在其他实施例中，MCD 112可以执行调制并将每个单元604的调制电压参考波形直接输出到模块108IC的LCD 114。在再其他实施例中，所有处理和调制都可以由单个控制实体进行，该控制实体可以将控制信号直接输出到每个单元604。

该切换可以被调制，使得来自能量源206的电力以适当的间隔和持续时间被提供给（一个或多个）阵列700。这种方法可以以各种方式实现。

基于收集的系统100的状态信息，例如每个阵列中每个能量源的当前容量（Q）和SOC，MCD 112可以确定每个阵列700的聚集电荷（例如，阵列的聚集电荷可以确定为该阵列的每个模块的容量乘以SOC的总和）。MCD 112可以确定是否存在平衡或不平衡状态（例如，通过使用本文描述的相对差阈值和其他度量），并相应地为每个开关单元604-PA到604-PΩ生成调制指数MiPA到MiPΩ。

在平衡操作期间，每个开关单元604的Mi可以被设置为使得能量源206和/或能量缓冲器204随时间向每个阵列700提供相同或类似量的净能量的值。例如，每个开关单元604的Mi可以是相同或类似的，并且可以被设置为使得模块108IC在平衡操作期间向一个或多个阵列700-PA至700-PΩ执行能量的净或时间平均放电的水平或值，以便以与系统100中的其他模块108相同的速率排放模块108IC。在一些实施例中，每个单元604的Mi可以被设置为在平衡操作期间不引起能量的净或时间平均放电（引起零的净能量放电）的水平或值。如果模块108IC具有比系统中其他模块更低的聚集电荷，则这可能是有用的。

当阵列700之间出现不平衡条件时，则可以调整系统100的调制指数，以导致向平衡条件收敛或最小化进一步的发散。例如，与其他阵列相比，控制系统102可以使模块108IC以较低的电荷向阵列700放电更多，并且还可以使该低阵列700的模块108-1至108-N放电相对较少（例如，在时间平均的基础上）。与被辅助的阵列700的模块108-1至108-N相比，以及还与模块108IC贡献给其他阵列的净能量的量相比，模块108IC所贡献的相对净能量增加。这可以通过以下方式实现：增加为该低阵列700供电的开关单元604的Mi，并以将该低阵列700的Vout维持在适当或所需电平的方式降低低阵列700的模块108-1至108-N的调制指数，并且维持向其他较高阵列供电的其他开关单元604的调制指数相对不变（或减小它们）。

图10A-10B中的模块108IC的配置可以单独用于为单个系统提供相位间或阵列间平衡，或者可以与一个或多个其他模块108IC组合使用，每个模块108IC具有能量源和耦合到一个或多个阵列的一个或多个开关部分604。例如，具有与Ω个不同阵列700耦合的Ω个开关部分604的模块108IC可以与具有与一个阵列700耦合的一个开关部分604的第二模块108IC组合，使得两个模块组合以服务具有Ω+1个阵列700的系统100。可以以这种方式组合任意数量的模块108IC，每个模块与系统100的一个或多个阵列700耦合。

此外，IC模块可以被配置为在系统100的两个或更多个子系统之间交换能量。图10C是描绘具有由IC模块互连的第一子系统1000-1和第二子系统1000-2的系统100的示例实施例的框图。具体地，子系统1000-1被配置为通过系统I/O端口SIO1、SIO2和SIO3向第一负载（未示出）提供三相电力PA、PB和PC，而子系统1000-2被配置为分别通过系统I/O接口SIO4、SIO5和SIO6向第二负载（未示出）提供三相电力PD、PE和PF。例如，子系统1000-1和1000-2可以被配置为向EV的不同电机供应电力的不同组装件或为不同微电网供应电力的不同机架。

在该实施例中，每个模块108IC与子系统1000-1的第一阵列（经由IO端口1）和子系统1000-2的第一阵列（经由IO端口2）耦合，并且每个模块108C可以通过I/O端口3和4与每个其他模块108IC电连接，如关于图3C的模块108C所述，这些端口与每个模块108IC的能量源206耦合。这种连接将模块108IC-1、108IC-2和108IC-3的源206并行放置，并因此由模块108IC存储和供应的能量通过这种并行布置汇集在一起。也可以使用诸如严重连接的其他布置。模块108IC容纳在子系统1000-1的公共外壳内，然而，互连模块可以位于公共外壳的外部，并且物理上定位为两个子系统1000的公共外壳之间的独立实体。

如参照图10B所述，每个模块108IC具有与IO端口1耦合的开关单元604-1和与I/O端口2耦合的开关单元604-2。因此，为了在子系统1000之间进行平衡（例如，组装件间或机架间平衡），特定模块108IC可以向其所连接的两个阵列中的一个或两个提供相对更多的能量（例如，模块108IC-1可以向阵列700-PA和/或阵列700-PD提供能量）。控制电路可以监控不同子系统的阵列的相对参数（例如，SOC和温度），并调整IC模块的能量输出，以补偿不同子系统阵列或相位之间的不平衡，其方式与本文描述的补偿相同机架或组装件的两个阵列之间的不均衡的方式相同。因为所有三个模块108IC是并行的，所以可以在系统100的任何和所有阵列之间有效地交换能量。在该实施例中，每个模块108IC向两个阵列700供电，但是可以使用其他配置，包括单个IC模块用于系统100的所有阵列和每个阵列700一个专用IC模块的配置（例如，用于六个阵列的六个IC模块，其中每个IC模块具有一个开关单元604）。在具有多个IC模块的所有情况下，能量源可以并行耦合在一起，以便如本文所述共享能量。

在相位之间具有IC模块的系统中，也可以通过如上所述的中性点移位（或共模注入）来执行相位间平衡。这种组合允许在更广范围的操作条件下进行更鲁棒和灵活的平衡。系统100可以确定适当的情况，在这种情况下，通过单独的中性点移位、单独的相位间能量注入或两者的组合同时来执行相位间平衡。

IC模块还可以被配置为向一个或多个辅助负载301（以与源206相同的电压）和/或一个或多个辅助负载302（以从源302降压电压）供应电力。图10D是描绘三相系统100A的示例实施例的框图，其中两个模块108IC被连接以执行相位间平衡并向辅助负载301和302供电。图10E是描述系统100的该示例实施例的示意图，重点是模块108IC-1和108IC-2。这里，控制电路102再次被实现为LCD 114和MCD 112（未示出）。LCD 114可以从模块108IC接收监控数据（例如，ES1的SOC、ES1的温度、ES1的Q、辅助负载301和302的电压等），并且可以将该和/或其他监控数据输出到MCD 112以用于本文所述的系统控制。每个模块108IC可以包括用于由该模块供电的每个负载302的开关部分602A（或参照图6C描述的602B），并且每个开关部分602可以独立地或基于来自MCD 112的控制输入由LCD 114控制以维持负载302的所需电压电平。在该实施例中，每个模块108IC包括连接在一起以向一个负载302供电的开关部分602A，尽管这不是必需的。

图10F是描绘三相系统的另一示例实施例的框图，该三相系统被配置为向具有模块108IC-1、108IC-2和108IC-3的一个或多个辅助负载301和302供应电力。在该实施例中，模块108IC-1和108IC-2以与关于图10D-10E描述的相同的方式配置。模块108IC-3被配置为纯辅助角色，并且不主动地向系统100的任何阵列700注入电压或电流。在该实施例中，模块108IC-3可以像图3B的模块108C那样配置，具有带有一个或多个辅助开关部分602A的转换器202B、C（图6B-6C），但省略了开关部分601。这样，模块108IC-3的一个或多个能量源206与模块108IC-1和108IC-2的能量源并联互连，并因此系统100的该实施例配置有附加能量，用于为辅助负载301和302供电，并且用于通过与模块108IC-3的源206的并联连接来维持模块108IC-1和108IC-2的源206A上的电荷。

每个IC模块的能量源206可以与系统的其他模块108-1至108-N的源206处于相同的电压和容量，尽管这不是必需的。例如，在一个模块108IC向多个阵列700（图10A）应用能量以允许IC模块以与相位阵列自身的模块相同的速率放电的实施例中，可能需要相对较高的容量。如果模块108IC也在为辅助负载供电，则可能需要甚至更大的容量，以便允许IC模块以与其他模块相对相同的速率进行为辅助负载供电和放电二者。

具有间歇充电的应用的拓扑的示例实施例

参考图11A-16描述了与在具有间歇性可用充电源的应用中使用的模块化能量系统100有关的示例实施例。这些实施例可以用关于图1A-10F描述的系统100的所有方面来实现，除非另有说明或逻辑上不可信。因此，关于以下实施例，将不再重复已经描述的许多变型。这些示例实施例特别适合于移动应用，例如在像火车、有轨电车、台车和其他机车车辆这样在轨道上操作的电动车辆（基于轨道的EV），其中充电源是间歇性可用的。这些实施例也可以与其他车辆一起使用，例如汽车、公共汽车、卡车、海上车辆（例如，电动渡轮）、飞机等，并且甚至可以在一些固定应用中使用。因此，为了便于描述，将在基于轨道的EV，特别是电动有轨电车或火车的上下文下描述示例实施例，应理解这些实施例对其他车辆和应用具有广泛得多的适用性。

示例实施例可以以各种配置来实现，以在电动有轨电车移动通过没有充电源的轨道区段时存储和输送能量。图11A是描绘在轨道1105上行驶的电动有轨电车1100的示例路线的一部分的图示，其中有轨电车1100从第一位置车站-A行驶到第二位置车站-B。区-A内车站-A周围有充电源可用，并且区-B内车站-B周围也有充电源可用。充电源可以位于空中、地面或地下。当在区-A和区-B内时，有轨电车1100可以延伸电接触设备（例如，用于接触网的受电弓）以连接到充电源，并且无论是移动还是静止，有轨电车1100都可以接收用于操作有轨电车1100的负载和用于对系统100的能量源206充电的电力。区-N在没有充电源可用的区-A和区-B之间划定轨道1105的长度。当行进通过区-N时，接触设备可以缩回，并且有轨电车1100使用存储在其一个或多个系统100内的能量为有轨电车1100内的所有负载供应电力。

有轨电车1100可以配置有系统100的一个或多个迭代，每个迭代具有其自己的控制系统102，并且系统100的每个迭代可以提供一个或多个负载，例如电机负载和辅助负载。有轨电车可以具有系统100的单个迭代，该迭代具有为所有车厢的所有负载供应电力的一个或多个子系统1000。一个或多个子系统1000可以共享一个控制系统102（例如，用于所有子系统1000的单个MCD 112）或者可以具有独立的控制系统102。车厢可以各自具有系统100的一个或多个子系统1000，用于为该车厢内的负载供电，或者车厢可以完全依赖于由另一车厢中的子系统1000提供的电力。在特定车厢具有用于为该特定车厢的某些负载供电的子系统1000并且该特定车厢还可以具有从不同车厢中的另一子系统1000接收电力的其他负载的情况下，可以使用方法的组合。

图11B是描绘具有两个车厢1101和1102的电动有轨电车1100的示例实施例的框图，两个车厢之间具有互连1103。系统100位于第一车厢1101中，该车厢1101具有可缩回的导体1104，用于当导体1104与源150接触时从充电源150接收电荷。系统100可以被配置为向每个车厢1101和1102内的一个或多个电机提供高压多相电力。这里，系统100具有多个阵列（未示出），用于通过线路1111向车厢1101的电机1110-1A至1110-XA提供三相电力（PA、PB、PC），其中X可以是为2或更大的任意整数。线路1111通过互连1103继续到车厢1102，其中三相电力可以被供应到车厢1112的电机1110-1B到1110-XB。

系统100还可以被配置为向具有不同电力需求的辅助负载提供多个电压，包括多相电力、单相电力和各自处于一个或多个电压处的DC电力。辅助负载的示例可以包括用于HVAC系统的压缩机、电池热管理系统（BTMS）、用于为有轨电车1100的所有自动化方面供电的车载电气网络等。这里，系统100被配置为通过线路1113向三相辅助负载1112-1提供三相电力（PD、PE、PF），通过线路1115向单相辅助负载1114-1提供单相（SP）电力（线路（L）、中性点（N）），通过线路1117向辅助负载301-1提供处于第一电平的DC电压，以及通过线路1119向辅助负载302-1提供处于第二电平的DC电压（例如，参见关于图10D和10E所述的负载301和302的电源）。线路1113、1115、1117和1119继续通过互连1103，以向车厢1102内的类似负载1112-2、1114-2、301-2和302-2供电。这里，通过车厢1102内的负载的相同线路以并行方式提供车厢1101内的负载的供电。在其他实施例中，根据实现的需要，可以使用不同的线路以非并行方式为每个车厢1101和1102内的各种负载供电。

一个或多个电机1110（例如，一个、两个、三个、四个或更多个）可固定到转向架上或与转向架相关联，并且基于轨道的车辆的每个车厢可以具有多个（例如，两个或更多）此类转向架。系统100及其子系统1000的放置可以非常接近电机1110或本文所述的其他地方。图11C是描绘具有关于图11A描述的电气布局的有轨电车1100的示例实施例的侧视图。这里，每个车厢包括具有两个电机1110的两个转向架1120，每个电机1110被配置为提供驱动车轴1122的动力。系统100物理上位于车厢1101中，并且可以被放置在将驻留于乘客头部上方的位置（如这里所示）或者在可选实施例中被放置在乘客脚部或地板下方。每个车厢包括辅助负载1112、1114、301和302。所有电机1110和辅助负载由系统100通过所示的箭头供电（为清楚起见，省略了单独的线路1111、1113、1115、1117和1119）。

图11D是描绘电动有轨电车1100的另一示例实施例的框图，但具有多个子系统1000。每个子系统1000可以被配置为具有公共外壳的单独组装件。在该示例中，车厢1101包括用于通过一组线路1111-1为电机1110-1和1110-2供应电力的第一子系统1000-1和用于通过一组线路1111-2为电机1110-3和1110-4供应电力的第二子系统1000-2。车厢1102包括用于通过一组线路1111-3向电机1110-5和1110-6供应电力的第三子系统1000-3和用于通过一组线路1111-4向电机1110-7和1110-8供应电力的第四子系统1000-4。车厢1102还包括用于为一个或多个辅助负载提供多相和/或单相电力的第五子系统1000-5。这里，子系统1000-5通过线路1113向辅助负载1112提供三相电力，并通过线路1115向辅助负载1114提供单相电力。子系统1000-1至1000-5中的每一个可以被配置为通过一个或多个模块108IC或108C（例如，参见图3C和图10A-10F）为负载301和302提供DC电力。

每个子系统1000可以连接到用于共享DC电力的多组共享线路，并且这些线路可以通过互连1103在车厢1101和1102之间交叉。当有轨电车1100连接到充电源150时，线路1130可以分别携带来自充电源150的高压正和负DC信号DC_CS+和DC_CS-，用于向每个系统100的所有模块108提供充电电压。共享线路还可以交换较低的DC电压以供应给辅助负载301和302。线路1131可以分别携带正和负DC信号DC1+和DC1-，用于向辅助负载301提供较低的DC电压。例如，这些线路可以类似于互连IC模块108IC（和108C）的端口3和4的线路，如参照图3C、10D和10E所述，并且可以携带互连模块108的能量源206的电压。线路1132可以分别携带正和负DC信号DC2+和DC2-，用于向辅助负载302提供较低的DC电压。例如，这些线路可以类似于互连IC模块108IC（和108C）的端口5和6的线路，如参照图3C、10D和10E所述，并且可以携带来自源206的经调节的降压电压。

图11E是描绘具有关于图11C描述的电气布局的有轨电车1100的另一示例实施例的侧视图。这里，子系统1000-1至1000-4中的每一个为与转向架1120的车轴1122相关联的两个电机1110供应电力。车厢1102中的子系统1000-5为负载1112和1114供应电力，这些负载也位于车厢1102中，但也可以位于其他车厢中。每个子系统1000连接到用于充电和能量交换的共享线路1130，以及用于能量交换和为负载301供电的线路1131，以及用于为负载302供电的线路1132。与图11B的实施例一样，子系统1000-1至1000-5中的每一个都可以放置在将驻留于乘客头部上方（如这里所示）或乘客脚部下方或其他位置的位置。

图11F是描绘具有多个子系统1000但具有辅助电力转换器1150而不是辅助子系统1000-5的电动有轨电车1100的另一示例实施例的框图。辅助转换器1150可以将DC线路1130上可用的高电压转换成用于有轨电车1100的一个或多个辅助负载的单相和/或多相电力。在该实施例中，转换器1150被配置为通过线路1152向三相负载1112提供三相电力，并通过线路1154向单相负载1114提供单相电力。当连接到充电源150时，辅助转换器1150可以使用由源150通过线路1130提供的DC电压来向负载1112和1114供电。如参照图12B所述，当未连接到源150时，其他子系统1000-1至1000-4可以通过使用双向DC-DC转换器1210从端口7和8向线路1130输出DC电压，通过线路1130向辅助转换器1150提供电力。来自每个模块108的DC输出电压可以在DC线1130上相加，以向电力辅助转换器1150提供足够的电压。

图11B-11F的实施例是关于具有两个车厢1101和1102的有轨电车1100描述的，但是可以扩展到具有任意数量的车厢（一个、三个、四个和更多个）的机车车辆，具有每个车厢内的子系统的任意组合（例如，为一个或多个电机1110、一个或多个负载1112、一个或者多个负载1104、一个或多个负载301和/或一个或多个负载302供电）。

图11D-11F的实施例还可以包括连接在线路1130（DC_CS+和DC_CS-）之间的一个或多个常规高压电池组，如子系统1000。常规电池组可以包括串联连接的多个电池（例如，锂离子）或HED电容器，并且不配置为模块化级联多级转换器。常规电池组可用于为任何子系统1000（通过共享DC线路1130）、为辅助转换器1150、直接为电机负载1110（如果通过逆变器连接）、直接为DC辅助负载301和302（例如通过DC-DC转换器连接）、和/或直接为AC辅助负载1112和/或1114（如果通过DC-AC转换器连接）提供补充电力。常规电池组可以通过串联插在常规电池组和充电源150之间的线路1130上的DC-DC转换器由充电源150充电。可选地，可以省略插入的DC-DC转换器，并且当连接充电源150时，可以使用开关（例如，接触器）将常规电池组与线路1130选择性地断开，并且在断开源150之后，可以将电池组重新连接到线路1130并由一个或多个子系统1000充电。

本文所述的模块108A-C和108IC可用于有轨电车1100内。还描述了模块配置的附加示例实施例。图12A是描绘被配置为在有轨电车1100的系统100内使用的模块108D的示例实施例的框图。在本文描述的所有实施例中，模块108D可以包括任意数量的能量源206，例如一个或多个电池、一个或多个高能量密度（HED）电容器和/或一个或多个燃料电池单元。如果包括多个电池，则那些电池可以具有如本文所述的相同或不同的电化学性质。类似地，可以使用不同类型的高能量密度电容器和燃料电池单元。每个电池可以是单个电池单元或串联、并联或其组合连接的多个电池单元，以获得期望的电压和电流特性。如图12A所示，模块108包括第一源206A和第二源206B，其中源可以是不同类型的电池（例如，诸如LTO电池和LFP电池），或者一个可以是电池，并且另一个可以为HED电容器，或者如本文所述的任何其他组合。

模块108D包括以类似于关于图3B的模块108B所描述的方式与能量源206A和206B耦合的转换器202B或202C。能量源206A与能量缓冲器204耦合，能量缓冲器204又与单向隔离DC-DC转换器1200耦合。模块108D包括I/O端口7和8，它们分别通过线路1130与充电源信号DC_CS+和DC_CS-连接。这些信号被输入到转换器1200的DC-AC转换器1202，在那里它们被转换成高频AC形式并然后输入到变压器和整流器区段1204。

变压器和整流器区段1204可以包括高频变压器和单相二极管整流器。端口7和8上的DC电压可以是低于由充电源提供的总电压的电压，因为子系统1000可以包括同时接收电荷的许多这样的模块108。如果需要，变压器和整流器区段1204可以修改来自转换器1202的AC信号的电压，并将AC信号转换回DC形式以对源206A和206B充电。区段1204还向模块108D的其他组件202、204、206和114提供高压隔离。

通过二极管整流器提供单向性，该二极管整流器允许电流从充电源150接收并传递到缓冲器204，但不允许以相反的方式输出电流。例如，在制动时，如果车辆具有能量回收系统，那么来自制动的电流可以通过电力连接110被传送回每个模块108，并且通过转换器202B、C被路由到源206A和206B中的任一个。单向DC-DC隔离转换器1200（二极管整流器）的存在将防止回收的能量通过模块108D经由线路1130传递回到充电源。

LCD 114可以分别通过数据连接118-5和118-6监控转换器1200的状态，特别是转换器1202和区段1204。与模块108E的其他组件一样，可以包括用于转换器1202和区段1204的监控电路以测量电流、电压、温度、故障等。这些连接118-5和118-6还可以提供控制信号以控制转换器1202的切换，并控制区段1204内的任何有源元件。LCD 114的隔离可以通过存在于线路118-5和118-6上的隔离电路（例如，隔离的栅极驱动器和隔离的传感器）来维持。

图12B是描绘模块108E的示例实施例的框图。模块108E与模块108D的配置类似地被配置，但具有双向DC-DC隔离转换器1210而不是转换器1200，并且可以在源206（或电力连接110）与连接到线路1130的端口7和8之间执行双向能量交换。双向转换器1210可以将电流从端口7和8路由到充电源206A和206B（通过转换器202B、C），将电流从端口7和8路由以对负载供电（通过从转换器202B、C输出到端口1和2），将电流从源206A和/或206B（具有转换器202B，C）路由到端口7和8以用于经由辅助转换器1150（图11F）向一个或多个高压辅助负载供电，并且将电流从源206A和和/或206（经由转换器202B、C）路由至端口7和端口8以用于通过线路1130对系统100的其他模块108充电。

双向转换器1210连接在I/O端口7和8之间，并且缓冲器204包括连接到变压器1206的DC-AC转换器1202，变压器1206又连接到AC-DC转换器1208。转换器1202可以将端口7和8处的DC电压转换为高频AC电压，如果需要，变压器1206可以将该高频AC电压修改为较低的电压，并将修改后的AC电压输出到AC-DC转换器1208，AC-DC转换器1208可以将AC信号转换回DC形式以提供给源206A、206B或模块端口1和2。变压器1206还可以将模块组件202、204、206、1208和114与端口7和8处的高压隔离。与模块108E的其他组件一样，可以包括用于转换器1202、变压器1206和转换器1208的监控电路，以测量电流、电压、温度、故障等。LCD 114可以分别通过数据连接118-5、118-7和118-8监控转换器1210（特别是转换器1202）、变压器1206（例如，监控电路或与其相关联的有源组件）和转换器1208的状态。这些连接118-5和118-6还可以提供控制信号以控制转换器1202的切换，并控制与变压器1206相关联的任何可控元件。LCD 114的隔离可以通过存在于线路118-5和118-6上的隔离电路（例如，隔离的栅极驱动器和隔离的传感器）来维持。

此外，对于电化学电池源206，AC-DC转换器1208应用到源206的充电脉冲的长度可以维持为具有一定长度，例如，小于5毫秒，以促进电池单元中电化学存储反应的发生，而不会发生可导致降级的显著副反应。充电方法可以结合来自每个能量源的主动反馈，以确保如果检测到电池降级，则通过降低电压或暂停该模块的充电例程或其他方式来减轻电池降级。这种脉冲可以以高C速率（例如5C-15C或更高）应用，以使能实现对源206的快速充电。充电脉冲的持续时间和频率可以由控制系统102控制。可与本文所述的所有实施例一起使用的此类技术的示例在于2020年5月29日提交并且题为“Advanced Battery Charging onModular Levels of Energy Storage Systems”的国际公布第WO 2020/243655号中有描述，该国际公布通过引用并入本文以用于所有目的。

图13A是描绘模块108D的示例实施例的示意图。转换器202B与次级源206B耦合，并且在其他实施例中，可以像转换器202C（图6C）那样配置。缓冲器204在此被配置为电容器。I/O端口7和8耦合到LC过滤器1302，LC过滤器1302又耦合到双向转换器1210，特别是DC-AC转换器1202，其被配置为具有开关S10、S11、S12和S13的全桥转换器。LC过滤器1302可以是分布式DC过滤器，其可以对来自和到DC线路1130的谐波进行过滤，如果需要的话提供电流减缓功能，和/或执行其他功能。来自节点N1和N2的全桥输出连接到区段1204内的变压器1206的初级绕组。变压器1206的次级绕组与具有二极管D1-D4的区段1204的二极管整流器的节点N3和N4耦合。转换器1202的开关可以是被配置为MOSFET、IGBT、GaN器件或本文所述的其他器件的半导体开关。LCD 114或控制系统102的另一元件可以提供用于控制开关S1-S6和S10-S13的切换信号。连同本文所述的其他功能一起，转换器202B可以被控制为独立地将电流从端口7和8路由到用于充电的源206B，或者路由到用于为电机负载1110供电的I/O端口1和2。

图13B是描绘模块108E的示例实施例的示意图。转换器202B与次级源206B耦合，并且在其他实施例中，可以像转换器202C（图6C）那样配置。缓冲器204被配置为电容器。I/O端口7和8耦合到LC过滤器1302，LC过滤器1302又耦合到双向转换器1210，特别是DC-AC转换器1202，其被配置为具有开关S10、S11、S12和S13的全桥转换器。来自节点N1和N2的全桥输出连接到变压器1206的初级绕组。变压器1206的次级绕组与配置为AC-DC转换器1208的第二全桥电路的节点N3和N4耦合，AC-DC转换器1208具有开关S14、S15、S16和S17。转换器1208的开关可以是被配置为MOSFET、IGBT、GaN器件或本文所述的其他器件的半导体开关。LCD 114或控制系统102的另一元件可以提供用于控制开关S1-S6和S10-S17的切换信号。连同本文所述的其他功能一起，转换器202B可以被控制为独立地将电流从端口7和8路由到用于充电的源206B，或者路由到用于为电机负载供电的I/O端口1和2。

图13C是描绘模块108E的另一示例实施例的示意图，其中AC-DC转换器1208被配置为推挽式转换器，其具有通过电感器L2连接到变压器1206的双次级绕组的一侧的源206的第一端子，以及连接在双次级绕组相对侧和与源206的相对端子耦合的公共节点（例如，节点4）之间的开关S18和S19。推挽式配置只需要两个开关，并因此比全桥转换器更具成本效益，尽管开关具有跨它们应用的更大电压。

图14A是描绘子系统1000的示例实施例的框图，子系统1000被配置为并行地为两个电机1110-1和1110-2提供三相电力。此实施例包括三个串联阵列700-PA、700-PB和700-PC，其中模块108以级联方式布置，端口1和2如本文别处所述在模块之间菊花链接。子系统1000具有三个阵列700-PA、700-PB和700-PC，用于通过系统端口SIO1、SIO2和SIO3向一个或多个负载1112提供三相电力。在该实施例和图14B的实施例中，每个模块108可以被配置为模块108D（图12A）或模块108E（图12B、13A、13B）。如果需要，SIO6（N）处有中性信号可用。从线路1130提供的DC电压信号DC_CS+和DC_CS-分别通过系统I/O端口SIO4和SIO5提供给子系统1000。每个模块108的端口7和8是菊花链接的，使得所应用的充电源电压跨每个阵列700的模块108-1到108-N分路。与其他实施例一样，子系统1000可以在每个阵列700中配置有N个模块108，其中N可以是为2或更大的任意整数。

图14B是描绘子系统1000的另一示例实施例的框图，子系统1000被配置为向电机1110-1和1110-2提供三相电力，并且还具有模块108IC-1、108IC-2和108IC-3。模块108IC可以具有互连的能量源206，并且可以被配置用于如本文别处所述的阵列700之间的相位间平衡。模块108IC还可以被配置为向一个或多个辅助负载301和/或一个或多个辅助负载302的线路1131和1132提供DC电压。图14A和14B的示例实施例可以用作如关于图11D和11E所描述的子系统1000-1至1000-4中的任何一个，这取决于每个子系统1000是否被配置为向辅助负载供应电力并且通过互连模块108IC被配置为具有相位间平衡能力。

图14C和14D是示出被配置为与图14B的实施例一起使用的模块108IC的示例实施例的示意图。在该实施例中，模块108IC配置有单个开关部分604，该单个开关部分604被配置为将IO端口1连接到源206的正DC电压（端口3）或源206的负DC电压（端口4）。开关部分602A调节并降压源206的电压，以提供为线路1132的辅助负载电压。过滤电容器C3可以放置在端口5和6之间。模块108IC包括双向转换器1210，其配置有与图13A的全桥转换器类似的两个全桥转换器。图14D描绘了另一实施例，其中AC-DC转换器1208被配置为与图13B的实施例类似的推挽转换器。

图15是描绘子系统1000-5的示例实施例的框图，该子系统被配置为向有轨电车1100的辅助负载提供多相、单相和DC电力。子系统1000-5具有三个阵列700-PD、700-PE和700-PF，用于通过系统端口SIO1、SIO2和SIO3向一个或多个负载1112提供三相电力。子系统1000-5具有第四阵列700-PG，用于通过系统输出SIO6（SP（L））和SIO7（SP（N））向一个或多个负载1114提供单相电力。子系统1000-5可以被配置为通过添加另外的阵列700来提供必要的多个不同相的电力。每个阵列内的模块108的数量可以根据负载的电压要求而变化。例如，尽管所有阵列700在此被示出为具有N个模块108，但是N的值在阵列之间可以不同。每个阵列700的N个模块108中的每一个都可以像模块108D（图13A）或模块108E（图13B）那样配置。

每个阵列700还可以包括具有用于能量共享和相位间平衡的互连源206的模块108IC。模块108IC-1至108IC-3可以像与关于图14A和14B描述的实施例那样配置。图16是描绘用于单相阵列700-PD中的模块108IC-4的示例实施例的框图。该实施例类似于图14A的实施例，除了模块108IC-4包括两个开关部分604-1和604-2。部分604-1和604-2被配置为分别独立地将IO端口1和2连接到VDCL+（端口3）或VDCL-（端口4）。如图15所示，I/O端口1可以连接到阵列700-PD的模块108-N的端口2。I/O端口2可以充当阵列700-PD提供的电力的中性点。如所示的，LC电路1600可以连接在端口1和2之间以提供谐波过滤。

在一些实施例中，可能不需要单独的子系统1000来生成辅助负载所需的三相和单相电压。在这样的实施例中，可以省略子系统1000-5，并且可以使用辅助电力转换器来替代地生成三相/单相辅助负载电压。该辅助转换器可以连接到DC充电源线路1130，并且可以从充电源150接收电力或者当充电源150未连接时从其他子系统1000接收电力。

在子系统1000-1至1000-5的模块中使用双向转换器1210允许那些子系统跨线路1130提供相对较高的DC电压，例如在诸如电池热管理系统（BTMS）之类的大型辅助负载直接从线路1130供电的配置中。在这种情况下，当连接到有轨电车1100时，跨线路1130连接的辅助负载可以由充电源直接供电，并且然后可以由一个或多个子系统1000供电，一个或多个子系统1000通过每个模块108的双向转换器1210从源206输出电力。

本文公开的实施例不限于使用任何特定电压、电流或电力的操作。作为示例并且出于上下文的目的，在一个示例实现中，充电源150可以在线路1130上提供600-1000V的电压。如果需要，子系统1000-1至1000-4中的每一个子系统可以提供由电压和频率调节和稳定的多相电压，其中取决于电机的需要，那些电压可以是300-1000V。负载1112的示例三相辅助电压可以是300-500V，根据需要调节和稳定。负载1114的示例单相辅助电压可以是120-240V，根据需要调节和稳定。负载301的示例辅助电压可以是48-60V，并且负载302的示例辅助电压可以是24-30V。再次，这些仅仅是出于上下文的目的的示例，并且系统100可以提供的电压将根据应用的需要而变化。

为了维持整个系统的平衡，辅助子系统1000-5的源206的能量可以通过线路1131和共享互连模块连接传送到任何（非辅助）子系统1000-1至1000-4，并且该能量可以用于对那些子系统1000-1至1000-4充电或向电机供电。因此，来自辅助子系统1000-5的能量可以用于激励一个或多个电机，即使不直接连接到那些电机，而是通过一个或多个其他子系统1000-1至1000-4间接连接到那些电机。类似地，通过制动回收的能量可以通过线路1131和共享互连模块连接在子系统1000-1至1000-5之间共享。

以下阐述本主题的各个方面，以回顾和/或补充到目前为止描述的实施例，这里重点是以下实施例的相互关系和可互换性。换言之，除非另有说明，否则强调的是实施例的每个特征可以与每个和所有其他特征相结合的事实。

在许多实施例中，提供了一种可控制向负载提供电力的模块化能量系统，所述系统包括：多个模块，所述多个模块连接在一起以输出AC电压信号，该AC电压信号包括来自每个模块的第一输出电压的叠加，其中每个模块包括：能量源；第一转换器，其连接到能量源并且被配置为在模块的第一端口处生成第一输出电压；以及连接在模块的第二端口和能量源之间的第二转换器，其中第二转换器被配置为在第二端口处接收充电信号，并将充电信号转换为第二输出电压以对能量源充电。

在一些实施例中，第一转换器包括多个开关。在所述系统中，多个开关可以被配置为全桥转换器。

在一些实施例中，第二转换器是包括变压器的DC-DC转换器，该变压器被配置为将能量源和第一转换器与第二端口隔离。在所述系统中，第二转换器可以包括连接在第二端口和变压器之间的DC-AC转换器。在所述系统中，第二转换器可以包括连接在变压器和能量源之间的二极管整流器。在所述系统中，第二转换器可以包括连接在变压器和能量源之间的AC-DC转换器。在所述系统中，AC-DC转换器可以配置为全桥转换器或推挽转换器。在所述系统中，第二转换器可以是将电从第二端口传导到能量源的单向转换器。在所述系统中，第二转换器可以是在第二端口和能量源之间传导电的双向转换器。

在一些实施例中，多个模块被串联连接为阵列，并被连接以接收总充电源电压，使得应用到每个模块的第二端口的电荷信号的电压从总充电源电压中被分压。在所述系统中，能量源可以是第一能量源，并且其中每个模块可以包括第二能量源。在所述系统中，第二能量源可以通过电感器连接到第一转换器。在所述系统中，第一能量源可以是第一类型的锂离子电池，并且第二能量源可以是第二类型的锂离子电池，其中第一和第二类型可以不同。在所述系统中，第一能量源可以是电池并且第二能量源可以是高能量密度（HED）电容器。

在一些实施例中，每个模块还可以包括与能量源并联连接的能量缓冲器。在所述系统中，能量缓冲器可以是电容器。

在一些实施例中，所述系统还可以包括被配置为控制第一和第二转换器的切换的控制系统。在所述系统中，控制系统可以包括与多个模块相关联的多个本地控制设备和与多个本地控制设备通信耦合的主控制设备。在所述系统中，控制系统可以被配置为控制每个模块的第二转换器的切换，以在模块的能量源之间交换能量。

在许多实施例中，提供了一种可控制以向负载提供电力的模块化能量系统，所述系统包括：第一阵列，所述第一阵列包括第一多个模块，所述第一多个模块连接在一起以输出包括来自第一多个模块的输出电压的叠加的第一AC电压信号；以及第二阵列，所述第二阵列包括第二多个模块，所述第二多个模块连接在一起以输出包括来自第二多个模块的输出电压的叠加的第二AC电压信号，其中第一多个模块和第二多个模块中的每个模块包括：能量源；第一转换器，其连接到能量源并且被配置为在模块的第一端口处生成输出电压；以及连接到模块的第二端口和能量源的第二转换器，其中第二转换器被配置为在第二端口处接收充电信号并将充电信号转换为充电电压以对能量源充电。

在一些实施例中，所述系统还可以包括与第一阵列耦合的第一互连模块和与第二阵列耦合的第二互连模块，其中，第一和第二互连模块各自包括：第一端口和第二端口；能量源；第一转换器，其连接到能量源并且被配置为在第一端口处生成输出电压；以及连接到第二端口和能量源的第二转换器，其中第二转换器被配置为在第二端口接收充电信号，并将充电信号转换为充电电压以对能量源充电。在所述系统中，第一和第二互连模块的能量源可以并联连接。在所述系统中，第一互连模块可以被配置为向辅助负载供电。在所述系统中，第一互连模块可以包括第三端口，该第三端口被配置为将第一互连模块的能量源连接到辅助负载。在所述系统中，第一互连模块可以包括第三端口，该第三端口被配置为通过第一互连模块的开关电路和电感器将第一互连模块的能量源连接到第一互连模块外部的辅助负载。所述系统还可以包括控制系统，该控制系统被配置为控制第一互连模块和第二互连模块中的每一个的第一转换器以平衡第一阵列和第二阵列之间的能量。所述系统还可以包括控制系统，该控制系统被配置为控制第一互连模块和第二互连模块中的每一个的第一转换器以平衡第一阵列和第二阵列之间的能量。

在一些实施例中，第一转换器可以包括多个开关。在所述系统中，多个开关可以被配置为全桥转换器。

在一些实施例中，在所述系统中，第二转换器可以是DC-DC转换器，该DC-DC转换器包括变压器，该变压器被配置为将能量源和第一转换器与第二端口隔离。在所述系统中，第二转换器可以包括连接在第二端口和变压器之间的DC-AC转换器。在所述系统中，第二转换器可以包括连接在变压器和能量源之间的二极管整流器。在所述系统中，第二转换器可以包括连接在变压器和能量源之间的AC-DC转换器。在所述系统中，AC-DC转换器可以配置为全桥转换器或推挽转换器。在所述系统中，第二转换器可以是将电从第二端口传导到能量源的单向转换器。在所述系统中，第二转换器可以是在第二端口和能量源之间传导电的双向转换器。

在一些实施例中，第一多个模块串联连接在第一阵列中，并且被连接以接收总充电源电压，使得应用到第一阵列的每个模块的第二端口的电荷信号的电压从总充电源电压中被分压。

在一些实施例中，能量源是第一能量源，并且其中每个模块可以包括第二能量源。在所述系统中，第二能量源可以通过电感器连接到第一转换器。在所述系统中，第一能量源可以是第一类型的锂离子电池，并且第二能量源可以是第二类型的锂离子电池，其中第一和第二类型可以不同。在所述系统中，第一能量源可以是电池并且第二能量源可以是高能量密度（HED）电容器。

在一些实施例中，第一多个模块的每个模块、第二多个模块的每一个模块、第一互连模块和第二互连模块还包括与能量源并联连接的能量缓冲器。在所述系统中，能量缓冲器可以是电容器。

在一些实施例中，所述系统还包括被配置为控制第一和第二转换器的切换的控制系统。在所述系统中，控制系统可以包括与多个模块相关联的多个本地控制设备和与多个本地控制设备通信耦合的主控制设备。在所述系统中，控制系统可以被配置为控制每个模块的第二转换器的切换，以在模块的能量源之间交换能量。

在许多实施例中，提供了一种可控制以向电动车辆的负载提供电力的模块化能量系统，所述系统包括：在第一、第二和第三阵列中连接在一起的第一多个模块，每个阵列被配置为输出AC电压信号，该AC电压信号包括来自该阵列的模块的输出电压的叠加；以及在第四阵列中连接在一起的第二多个模块，所述第四阵列被配置为输出包括来自第二多个模块的输出电压的叠加的AC电压信号，其中第一多个模块被配置为向电动车辆的第一辅助负载提供三相电力，并且其中第二多个模块被配置为向电动车辆的第二辅助负载提供单相电力。

在一些实施例中，所述系统还包括连接到第一、第二、第三和第四阵列的多个互连模块。在所述系统中，多个互连模块中的第一互连模块可以被配置为向电动车辆的第三辅助负载提供DC电力。在所述系统中，第一互连模块可以包括能量源并且可以被配置为将能量源连接到第三辅助负载。在所述系统中，第一互连模块可以包括能量源，并且可以被配置为通过第一互连模块的开关电路和电感器将能量源连接到第三辅助负载。

在一些实施例中，所有模块单独地包括：能量源；第一转换器，其连接到能量源并且被配置为在模块的第一端口处生成输出电压；以及连接到模块的第二端口和能量源的第二转换器，其中第二转换器被配置为在第二端口处接收充电信号并将充电信号转换为充电电压以对能量源充电。所述系统还可以包括控制系统，该控制系统被配置为控制多个互连模块中的每个互连模块的第一转换器，以平衡第一、第二、第三和第四阵列之间的能量。在所述系统中，第一阵列的模块可以被串联连接以接收总充电源电压，使得应用到第一阵列的每个模块的第二端口的电荷信号的电压从总充电源电压被分压。在所述系统中，第一阵列、第二阵列和第三阵列可以并联连接以接收总充电源电压，使得应用到每个阵列的每个模块的第二端口的电荷信号的电压从总充电源电压中被分压。

在一些实施例中，每个模块还包括能量缓冲器。在所述系统中，能量缓冲器是电容器。

在一些实施例中，所述系统还包括被配置为控制每个模块的控制系统。

在许多实施例中，提供了一种可控制向负载提供电力的模块化能量系统，所述系统包括：连接在一起以输出AC电压信号的多个模块，该AC电压信号包括来自每个模块的第一输出电压的叠加，其中每个模块包括能量源，第一转换器，所述第一转换器连接到能量源并被配置为在模块的第一端口处生成第一输出电压，以及第二转换器，所述第二转换器被连接在模块的第二端口与能量源之间；以及控制系统，其被配置为控制每个模块的第一转换器和第二转换器。

在一些实施例中，控制系统被配置为根据脉宽调制技术控制每个模块的第一转换器以输出第一输出电压。在所述系统中，控制系统可以被配置为控制每个模块的第二转换器以对模块的能量源充电。

在一些实施例中，控制系统被配置为控制每个模块的第二转换器以模块的能量源充电，并同时控制每个模块中的第一转换器以输出第一输出电压。在所述系统中，多个模块中的至少模块子集可以以级联方式连接在一起，使得所述子集中的每个模块的第一端口耦合到所述子集中的另一模块的第一端口，并且所述子集中的每个模块的第二端口耦合到所述子集中的另一模块的第二端口。在所述系统中，控制系统可以被配置为控制多个模块中的第一模块的第二转换器和多个模块中的第二模块的第二转换器，以在第一模块的能量源和第二模块的能量源之间交换能量。

在一些实施例中，多个模块中的每个模块的第二转换器是DC-DC转换器，该DC-DC转换器包括变压器，该变压器被配置为将能量源和第一转换器与第二端口隔离。在所述系统中，多个模块的每个模块的第二转换器可以包括连接在第二端口和变压器之间的DC-AC转换器。在所述系统中，多个模块中的每个模块的第二转换器可以包括连接在变压器和能量源之间的二极管整流器。在所述系统中，多个模块中的每个模块的第二转换器可以包括连接在变压器和能量源之间的AC-DC转换器。在所述系统中，AC-DC转换器可以配置为全桥转换器或推挽转换器。

在一些实施例中，能量源是第一能量源，并且其中多个模块中的每个模块包括通过电感器与第一转换器耦合的第二能量源。

在一些实施例中，控制系统包括与多个模块相关联的多个本地控制设备，以及与多个本地控制设备通信耦合的主控制设备。

在一些实施例中，第一多个模块在第一、第二和第三阵列中连接在一起，每个阵列被配置为输出包括来自该阵列的模块的输出电压的叠加的AC电压信号。所述系统还可以包括在第四、第五和第六阵列中连接在一起的第二多个模块，每个阵列被配置为输出包括来自该阵列的模块的输出电压的叠加的AC电压信号。所述系统还可以包括在第七阵列中连接在一起的第三多个模块，该第七阵列被配置为输出包括来自第三多个模块的输出电压的叠加的AC电压信号。在所述系统中，第一多个模块可以被配置为向电动车辆的电机提供三相电力，第二多个模块可以配置为向电动车辆的第一辅助负载提供三相电力并且第三多个模块可以被配置为向电动车辆的第二辅助负载提供单相电力。在所述系统中，控制系统可以被配置为控制第二多个模块和第三多个模块中的每个模块的第一转换器和第二转换器。

在一些实施例中，所述系统还包括耦合到所述系统的DC线路的辅助转换器，该辅助转换器被配置为将来自DC线路的DC电力转换为用于辅助负载的AC电力。控制系统可以被配置为控制每个模块的第二转换器，以从每个模块的第二端口输出DC电压，使得向DC线路应用输出的DC电压来对辅助转换器供电。

在许多实施例中，提供了一种操作包括模块化能量存储系统的基于轨道的电动车辆的方法，所述方法包括：将包括来自多个模块的多个第一输出电压的AC电力信号输出到基于轨道的电动车辆的电机，其中多个模块各自包括能量源，第一转换器，所述第一转换器与能量源耦合并且被配置为从模块的第一端口输出第一输出电压，以及第二转换器，所述第二转换器耦合在模块的能量源和第二端口之间；向电动车辆应用充电信号，其中来自充电信号的电压被应用到多个模块中的每个模块的第二端口；以及控制多个模块中的每个模块的第二转换器以对每个模块的能量源充电。在所述方法中，当应用充电信号时，电动车辆可以移动。

此处使用的术语“模块”是指较大系统内的两个或更多个设备或子系统中的一个。模块可配置为与具有相似尺寸、功能和物理布置（例如，电气端子、连接器等的位置）的其他模块一起工作。具有相同功能和（一个或多个）能量源的模块可配置成与同一系统内的所有其他模块（例如，机架或组装件）相同（例如，在尺寸和物理布置方面），而具有不同功能或（一个或多个）能量源的模块可以在尺寸和物理布置上变化。虽然每个模块可以相对于系统的其他模块（例如，像汽车上的车轮或信息技术（IT）刀片服务器中的刀片）物理上可移除和可更换，但这不是必需的。例如，系统可以封装在公共外壳中，该外壳不允许在不拆卸作为整体的系统的情况下移除和更换任何一个模块。然而，本文中的任何和所有实施例都可以被配置为使得每个模块以方便的方式相对于其他模块可移除和更换，例如不需要拆卸系统。

术语“主控制设备”在本文中广义地使用，并且不需要实现任何特定协议，例如与任何其他设备（例如本地控制设备）的主和从关系。

术语“输出”在本文中广义地使用，并不排除以双向方式作为输出和输入二者起作用。类似地，术语“输入”在本文中广义地使用，并且不排除以双向方式作为输入和输出二者起作用。

术语“端子”和“端口”在本文中广义地使用，可以是单向或双向的，可以是输入或输出，并且不需要特定的物理或机械结构，例如阴或阳配置。

这里使用不同的参考数字符号。这些符号用于促进本主题的描述，并且不限制该主题的范围。一些图示出了相同或相似元素的多个实例。这些元素可以以“–X”格式附加数字或字母，例如123-1、123-2或123-PA。此–X格式并不意味着元素必须在每个实例中配置相同，而是用于在引用图中的元素时促进区分。对不带-X附录的属数（例如123）的引用广泛指代属内元素的所有实例。

以下阐述本主题的各个方面，以回顾和/或补充到目前为止描述的实施例，这里重点是以下实施例的相互关系和可互换性。换言之，重点在于实施例的每个特征可以与每个和所有其他特征组合的事实，除非另有明确说明或逻辑上不可信。

处理电路可以包括一个或多个处理器、微处理器、控制器和/或微控制器，其中的每一个都可以是分立的或独立的芯片，或者分布在多个不同的芯片之间（并且是其一部分）。可以实现任何类型的处理电路，例如但不限于个人计算架构（例如，诸如用于台式PC、膝上型计算机、平板电脑等中）、可编程门阵列架构、专有架构、定制架构等。处理电路可以包括数字信号处理器，其可以用硬件和/或软件实现。处理电路可以执行存储在存储器上的软件指令，该软件指令使得处理电路采取大量不同的动作并控制其他组件。

处理电路还可以执行其他软件和/或硬件例程。例如，处理电路可以与通信电路对接，并执行模数转换、编码和解码、其他数字信号处理、多媒体功能、将数据转换成适合提供给通信电路的格式（例如，同相和正交），和/或可以使通信电路传输数据（有线或无线）。

本文中描述的任何和所有通信信号都可以无线通信，除非指出或逻辑上不可信。可以包括用于无线通信的通信电路。通信电路可以被实现为一个或多个芯片和/或组件（例如，发射机、接收机、收发机和/或其他通信电路），其通过在适当协议（例如，Wi-Fi、蓝牙、蓝牙低能耗、近场通信（NFC）、射频识别（RFID）、专有协议等）下的链路执行无线通信。根据需要，一个或多个其他天线可以与通信电路包括在一起，以与各种协议和电路一起操作。在一些实施例中，通信电路可以共享天线以通过链路进行传输。RF通信电路可以包括发射机和接收机（例如集成为收发机）以及相关联的编码器逻辑。

处理电路还可以适于执行操作系统和任何软件应用，并执行与传输和接收的通信的处理无关的那些其他功能。

用于执行根据所描述的主题的操作的计算机程序指令可以以一种或多种编程语言的任意组合来编写，所述编程语言包括面向对象的编程语言，诸如Java、JavaScript、Smalltalk、C++、C#、Transact-SQL、XML、PHP等，以及传统的过程编程语言，例如“C”编程语言或类似的编程语言。

存储器、存储设备和/或计算机可读介质可以由存在的各种功能单元中的一个或多个共享，或者可以分布在它们中的两个或更多个之间（例如，作为不同芯片中存在的单独存储器）。存储器也可以驻留在其自己的单独芯片中。

在本文所公开的实施例包括存储器、存储设备和/或计算机可读介质或与之相关联地操作的范围内，那么存储器、存储设备和/或计算可读介质是非暂时性的。因此，在存储器、存储设备和/或计算机可读介质被一项或多项权利要求所涵盖的范围内，则存储器、存储设备和/或计算可读介质仅为非暂时性的。本文中使用的术语“非暂时性”和“有形”旨在描述存储器、存储设备和/或计算机可读介质（不包括传播电磁信号），但不旨在限制存储器、存储设备或计算机可读媒体在存储持久性或其他方面的类型。例如，“非暂时性”和/或“有形”存储器、存储设备和/或计算机可读介质包括易失性和非易失性介质，例如随机存取介质（例如RAM、SRAM、DRAM、FRAM等）、只读介质（例如ROM、PROM、EPROM、EEPROM、闪存等）及其组合（例如混合RAM和ROM、NVRAM等）及其变体。

应当注意，关于本文提供的任何实施例描述的所有特征、元件、组件、功能和步骤旨在与来自任何其他实施例的那些可自由组合和替换。如果仅针对一个实施例描述了某一特征、元件、组件、功能或步骤，则应当理解，除非另有明确说明，否则该特征、元件，组件，功能或步骤可以与本文描述的每个其他实施例一起使用。因此，本段作为在任何时候引入权利要求的前提基础和书面支持，该权利要求组合了来自不同实施例的特征、元件、组件、功能和步骤，或者将来自一个实施例的特征、元件、组件、功能和步骤替换为另一个实施方案的那些，在特定情况下，即使以下描述未明确说明，这种组合或替换是可能的。应明确的是，对每一种可能的组合和替换都明确记载是过于累赘的，特别是考虑到每一种和所有此类组合和替换的可容许性是本领域普通技术人员将容易认识到的。

如本文和所附权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指代，除非上下文另有明确规定。

虽然实施例容易有各种修改和替代形式，但其具体示例已在附图中示出并在本文中详细描述。然而，应当理解，这些实施例不限于所公开的特定形式，相反，这些实施方式要涵盖落入本公开精神范围内的所有修改、等同和替代。此外，实施例的任何特征、功能、步骤或元件可以在权利要求以及反面限制中陈述或添加，所述反面限制通过不在该范围内的特征、功能、步骤或元件限定权利要求的发明范围。

Claims (92)

1.一种可控制向负载提供电力的模块化能量系统，包括：

多个模块，所述多个模块连接在一起以输出AC电压信号，所述AC电压信号包括来自每个模块的第一输出电压的叠加，

其中每个模块包括：

能量源；

第一转换器，其连接到能量源并且被配置为在模块的第一端口处生成第一输出电压；以及

第二转换器，其连接在模块的第二端口和能量源之间，其中第二转换器被配置为在第二端口处接收充电信号，并将充电信号转换为第二输出电压以对能量源充电。

2.根据权利要求1所述的系统，其中第一转换器包括多个开关。

3.根据权利要求2所述的系统，其中多个开关被配置为全桥转换器。

4.根据权利要求1所述的系统，其中第二转换器是DC-DC转换器，所述DC-DC转换器包括变压器，所述变压器被配置为将能量源和第一转换器与第二端口隔离。

5.根据权利要求4所述的系统，其中第二转换器包括连接在第二端口和变压器之间的DC-AC转换器。

6.根据权利要求5所述的系统，其中第二转换器包括连接在变压器和能量源之间的二极管整流器。

7.根据权利要求4所述的系统，其中第二转换器包括连接在变压器和能量源之间的AC-DC转换器。

8.根据权利要求7所述的系统，其中AC-DC转换器被配置为全桥转换器或推挽转换器。

9.根据权利要求4所述的系统，其中第二转换器是将电从第二端口传导到能量源的单向转换器。

10.根据权利要求4所述的系统，其中第二转换器是在第二端口和能量源之间传导电的双向转换器。

11.根据权利要求1所述的系统，其中多个模块被串联连接为阵列，并且被连接以接收总充电源电压，使得应用到每个模块的第二端口的电荷信号的电压从总充电源电压被分压。

12.根据权利要求1-11中任一项所述的系统，其中能量源是第一能量源，并且其中每个模块包括第二能量源。

13.根据权利要求12所述的系统，其中第二能量源通过电感器连接到第一转换器。

14.根据权利要求12所述的系统，其中第一能量源是第一类型的锂离子电池，并且第二能量源是第二类型的锂离子电池，其中第一和第二类型不同。

15.根据权利要求12所述的系统，其中第一能量源是电池，并且第二能量源是高能量密度（HED）电容器。

16.根据权利要求1-11中任一项所述的系统，其中每个模块还包括与能量源并联连接的能量缓冲器。

17.根据权利要求16所述的系统，其中能量缓冲器是电容器。

18.根据权利要求1-17中任一项所述的系统，还包括控制系统，所述控制系统被配置为控制第一和第二转换器的切换。

19.根据权利要求18所述的系统，其中控制系统包括与多个模块相关联的多个本地控制设备，以及与多个本地控制设备通信耦合的主控制设备。

20.根据权利要求18所述的系统，其中控制系统被配置为控制每个模块的第二转换器的切换，以在模块的能量源之间交换能量。

21.一种可控制以向负载提供电力的模块化能量系统，包括：

第一阵列，所述第一阵列包括第一多个模块，所述第一多个模块连接在一起以输出包括来自第一多个模块的输出电压的叠加的第一AC电压信号；以及

第二阵列，所述第二阵列包括第二多个模块，所述第二多个模块连接在一起以输出包括来自第二多个模块的输出电压的叠加的第二AC电压信号，

其中第一多个模块和第二多个模块中的每个模块包括：

能量源；

第一转换器，其连接到能量源并且被配置为在模块的第一端口处生成输出电压；以及

第二转换器，其连接到模块的第二端口和能量源，其中第二转换器被配置为在第二端口处接收充电信号并将充电信号转换为充电电压以对能量源充电。

22.根据权利要求21所述的系统，还包括与第一阵列耦合的第一互连模块和与第二阵列耦合的第二互连模块，其中第一互连模块与二互连模块各自包括：

第一端口和第二端口；

能量源；

第一转换器，其连接到能量源并且被配置为在第一端口处生成输出电压；以及

第二转换器，其连接到第二端口和能量源，其中第二转换器被配置为在第二端口处接收充电信号，并将充电信号转换成充电电压以对能量源充电。

23.根据权利要求22所述的系统，其中第一互连模块和第二互连模块的能量源并联连接。

24.根据权利要求22-23中任一项所述的系统，其中第一互连模块被配置为向辅助负载提供电力。

25.根据权利要求24所述的系统，其中第一互连模块包括第三端口，所述第三端口被配置为将第一互连模块的能量源连接到辅助负载。

26.根据权利要求24所述的系统，其中第一互连模块包括第三端口，所述第三端口被配置为通过第一互连模块的开关电路和电感器将第一互连模块的能量源连接到第一互连模块外部的辅助负载。

27.根据权利要求22-26中任一项所述的系统，还包括控制系统，所述控制系统被配置为控制第一互连模块和第二互连模块中的每一个的第一转换器以平衡第一阵列和第二阵列之间的能量。

28.根据权利要求22-26中任一项所述的系统，还包括控制系统，所述控制系统被配置为控制第一互连模块和第二互连模块中的每一个的第一转换器以平衡第一阵列和第二阵列之间的能量。

29.根据权利要求21所述的系统，其中第一转换器包括多个开关。

30.根据权利要求29所述的系统，其中多个开关被配置为全桥转换器。

31.根据权利要求21所述的系统，其中第二转换器是DC-DC转换器，所述DC-DC转换器包括变压器，所述变压器被配置为将能量源和第一转换器与第二端口隔离。

32.根据权利要求31所述的系统，其中第二转换器包括连接在第二端口和变压器之间的DC-AC转换器。

33.根据权利要求32所述的系统，其中第二转换器包括连接在变压器和能量源之间的二极管整流器。

34.根据权利要求31所述的系统，其中第二转换器包括连接在变压器和能量源之间的AC-DC转换器。

35.根据权利要求34所述的系统，其中AC-DC转换器被配置为全桥转换器或推挽转换器。

36.根据权利要求31所述的系统，其中第二转换器是将电从第二端口传导到能量源的单向转换器。

37.根据权利要求31所述的系统，其中第二转换器是在第二端口和能量源之间传导电的双向转换器。

38.根据权利要求21所述的系统，其中第一多个模块在第一阵列中串联连接，并且被连接以接收总充电源电压，使得应用到第一阵列的每个模块的第二端口的电荷信号的电压从总充电源电压被分压。

39.根据权利要求21-38中任一项所述的系统，其中能量源是第一能量源，并且其中每个模块包括第二能量源。

40.根据权利要求39所述的系统，其中第二能量源通过电感器连接到第一转换器。

41.根据权利要求39所述的系统，其中第一能量源是第一类型的锂离子电池，并且第二能量源是第二类型的锂离子电池，其中第一和第二类型不同。

42.根据权利要求39所述的系统，其中第一能量源是电池，并且第二能量源是高能量密度（HED）电容器。

43.根据权利要求21-38中任一项所述的系统，其中第一多个模块中的每个模块、第二多个模块中每个模块、第一互连模块和第二互连模块还包括与能量源并联连接的能量缓冲器。

44.根据权利要求43所述的系统，其中能量缓冲器是电容器。

45.根据权利要求21-44中任一项所述的系统，还包括被配置为控制第一和第二转换器的切换的控制系统。

46.根据权利要求45所述的系统，其中控制系统包括与多个模块相关联的多个本地控制设备，以及与多个本地控制设备通信耦合的主控制设备。

47.根据权利要求45所述的系统，其中控制系统被配置为控制每个模块的第二转换器的切换，以在模块的能量源之间交换能量。

48.一种可控制以向电动车辆的负载提供电力的模块化能量系统，包括：

在第一、第二和第三阵列中连接在一起的第一多个模块，每个阵列被配置为输出AC电压信号，所述AC电压信号包括来自该阵列的模块的输出电压的叠加；以及

在第四阵列中连接在一起的第二多个模块，所述第四阵列被配置为输出包括来自第二多个模块的输出电压的叠加的AC电压信号，

其中第一多个模块被配置为向电动车辆的第一辅助负载提供三相电力，并且

其中第二多个模块被配置为向电动车辆的第二辅助负载提供单相电力。

49.根据权利要求48所述的模块化能量系统，还包括连接到第一、第二、第三和第四阵列的多个互连模块。

50.根据权利要求49所述的模块化能量系统，其中多个互连模块中的第一互连模块被配置为向电动车辆的第三辅助负载提供DC电力。

51.根据权利要求50所述的系统，其中第一互连模块包括能量源，并且被配置为将能量源连接到第三辅助负载。

52.根据权利要求50所述的系统，其中第一互连模块包括能量源，并且被配置为通过第一互连模块的开关电路和电感器将能量源连接到第三辅助负载。

53.根据权利要求48-50中任一项所述的模块化能量系统，其中所有模块单独地包括：

能量源；

第一转换器，其连接到能量源并且被配置为在模块的第一端口处生成输出电压；以及

第二转换器，其连接到模块的第二端口和能量源，其中第二转换器被配置为在第二端口处接收充电信号，并将充电信号转换为充电电压以对能量源充电。

54.根据权利要求53所述的系统，还包括控制系统，所述控制系统被配置为控制多个互连模块中的每一个的第一转换器，以平衡第一、第二、第三和第四阵列之间的能量。

55.根据权利要求53所述的系统，其中第一阵列的模块被串联连接以接收总充电源电压，使得应用到第一阵列的每个模块的第二端口的电荷信号的电压从总充电源电压被分压。

56.根据权利要求53所述的系统，其中第一阵列、第二阵列和第三阵列并联连接以接收总充电源电压，使得应用到每个阵列的每个模块的第二端口的电荷信号的电压从总充电源电压被分压。

57.根据权利要求48-56中任一项所述的系统，其中每个模块还包括能量缓冲器。

58.根据权利要求57所述的系统，其中能量缓冲器是电容器。

59.根据权利要求48-58中任一项所述的系统，还包括控制系统，所述控制系统被配置为控制每个模块。

60.一种基于轨道的电动车辆，包括：

模块化能量系统，其可控制以向所述基于轨道的电动车辆的负载提供电力，其中模块化能量系统根据权利要求1-47中的任一项配置。

61.根据权利要求60所述的基于轨道的电动车辆，其被配置为电动火车或电动有轨电车。

62.根据权利要求60所述的基于轨道的电动车辆，其被配置为在运动中时间歇地连接到充电源。

63.根据权利要求62所述的基于轨道的电动车辆，其中充电源是悬链线。

64.根据权利要求60-63中任一项所述的基于轨道的电动车辆，其中负载是电机。

65.一种基于轨道的电动车辆，包括：

模块化能量系统，其可控制以向所述基于轨道的电动车辆的负载提供电力，其中模块化能量系统根据权利要求48-59中的任一项配置。

66.根据权利要求65所述的基于轨道的电动车辆，其被配置为电动火车或电动有轨电车。

67.根据权利要求65所述的基于轨道的电动车辆，其被配置为在运动中时间歇地连接到充电源。

68.根据权利要求67所述的基于轨道的电动车辆，其中充电源是悬链线。

69.一种电动车辆，包括：

第一模块化能量系统，其可控制以向基于轨道的电动车辆的负载提供电力，其中第一模块化能量系统根据权利要求1-47中的任一项配置，并且其中负载是电机；以及

第二模块化能量系统，其可控制以向基于轨道的电动车辆的辅助负载提供电力，或者其中第二模块化能量系统根据权利要求48-59中的任一项配置。

70.一种可控制以向负载提供电力的模块化能量系统，包括：

多个模块，其连接在一起以输出包括来自每个模块的第一输出电压的叠加的AC电压信号，其中每个模块包括能量源，第一转换器，所述第一转换器连接到能量源并被配置为在模块的第一端口处生成第一输出电压，以及第二转换器，所述第二转换器被连接在模块的第二端口与能量源之间；以及

控制系统，其被配置为控制每个模块的第一转换器和第二转换器。

71.根据权利要求70所述的系统，其中控制系统被配置为根据脉宽调制技术控制每个模块的第一转换器以输出第一输出电压。

72.根据权利要求71所述的系统，其中控制系统被配置为控制每个模块的第二转换器以对模块的能量源充电。

73.根据权利要求70所述的系统，其中控制系统被配置为控制每个模块的第二转换器以对模块的能量源充电，并且同时控制每个模块的第一转换器以输出第一输出电压。

74.根据权利要求72和73所述的系统，其中多个模块中的至少模块子集以级联方式连接在一起，使得所述子集中的每个模块的第一端口耦合到所述子集中的另一模块的第一端口，并且所述子集中的每个模块的第二端口耦合到所述子集中的另一模块的第二端口。

75.根据权利要求74所述的系统，其中控制系统被配置为控制多个模块中的第一模块的第二转换器和多个模块中的第二模块的第二转换器，以在第一模块的能量源和第二模块的能量源之间交换能量。

76.根据权利要求70-75中任一项所述的系统，其中多个模块中的每个模块的第二转换器是DC-DC转换器，所述DC-DC转换器包括变压器，所述变压器被配置为将能量源和第一转换器与第二端口隔离。

77.根据权利要求76所述的系统，其中多个模块中的每个模块的第二转换器包括连接在第二端口和变压器之间的DC-AC转换器。

78.根据权利要求77所述的系统，其中多个模块中的每个模块的第二转换器包括连接在变压器和能量源之间的二极管整流器。

79.根据权利要求77所述的系统，其中多个模块中的每个模块的第二转换器包括连接在变压器和能量源之间的AC-DC转换器。

80.根据权利要求79所述的系统，其中AC-DC转换器被配置为全桥转换器或推挽转换器。

81.根据权利要求70-80中任一项所述的系统，其中能量源是第一能量源，并且其中多个模块中的每个模块包括通过电感器与第一转换器耦合的第二能量源。

82.根据权利要求70-81中任一项所述的系统，其中控制系统包括与多个模块相关联的多个本地控制设备，以及与多个本地控制设备通信耦合的主控制设备。

83.根据权利要求70-82中任一项所述的系统，其中第一多个模块在第一、第二和第三阵列中连接在一起，每个阵列被配置为输出包括来自该阵列的模块的输出电压的叠加的AC电压信号。

84.根据权利要求83所述的系统，还包括在第四、第五和第六阵列中连接在一起的第二多个模块，每个阵列被配置为输出包括来自该阵列的模块的输出电压的叠加的AC电压信号。

85.根据权利要求84所述的系统，还包括在第七阵列中连接在一起的第三多个模块，所述第七阵列被配置为输出包括来自第三多个模块的输出电压的叠加的AC电压信号。

86.根据权利要求85所述的系统，其中第一多个模块被配置为向电动车辆的电机提供三相电力，第二多个模块配置为向电动车辆的第一辅助负载提供三相电力，并且第三多个模块被配置为向电动车辆的第二辅助负载提供单相电力。

87.根据权利要求86所述的模块化能量系统，其中控制系统被配置为控制第二多个模块和第三多个模块中的每个模块的第一转换器和第二转换器。

88.根据权利要求70-77和79-85中任一项所述的模块化能量系统，还包括耦合到所述系统的DC线路的辅助转换器，辅助转换器被配置为将来自DC线路的DC电力转换为用于辅助负载的AC电力。

89.根据权利要求88所述的模块化能量系统，其中控制系统被配置为控制每个模块的第二转换器以从每个模块的第二端口输出DC电压，使得向DC线路应用输出的DC电压来对辅助转换器供电。

90.一种操作包括模块化能量存储系统的基于轨道的电动车辆的方法，所述方法包括：

将包括来自多个模块的多个第一输出电压的AC电力信号输出到基于轨道的电动车辆的电机，其中多个模块各自包括能量源，第一转换器，所述第一转换器与能量源耦合并且被配置为从模块的第一端口输出第一输出电压，以及第二转换器，所述第二转换器耦合在模块的能量源和第二端口之间；

向电动车辆应用充电信号，其中来自充电信号的电压被应用到多个模块中的每个模块的第二端口；以及

控制多个模块中的每个模块的第二转换器以对每个模块的能量源充电。

91.根据权利要求88所述的方法，其中当应用充电信号时，电动车辆正在移动。

92.根据权利要求88所述的方法，其中模块化能量存储系统根据权利要求1-47中的任一项配置。

Images