CN116491046A

CN116491046A - 用于能量源的脉冲充电和加热技术

Info

Publication number: CN116491046A
Application number: CN202180079336.XA
Authority: CN
Inventors: R·法兴; G·洛夫莱斯; M·斯列普琴科夫; R·纳德里
Original assignee: TAE Technologies Inc
Current assignee: TAE Technologies Inc
Priority date: 2020-09-28
Filing date: 2021-09-27
Publication date: 2023-07-25

Abstract

公开了提供用于能量存储应用的能量源布置的高级充电的实施例。实施例可以被使用在具有转换器模块的级联布置的能量存储系统内。实施例可以包括将脉冲施加到系统的每个模块的能量源。脉冲可以是为了充电和预热目的而施加的。还公开了基于反馈的脉冲控制实施例。

Description

用于能量源的脉冲充电和加热技术

相关申请的交叉引用

本申请要求2020年9月28日提交的美国临时申请No.63/084,352和2020年11月30日提交的美国临时申请No.63/119,504的权益和优先权，这两个美国临时申请被在其整体上通过引用合并于此并且用于所有目的。

技术领域

在此描述的主题一般涉及在移动应用和固定应用这两者中使用的能量存储系统中的能量源的脉冲充电。

背景技术

电能存储系统是全世界范围内向更清洁形式的能量转变的重要方面。电能存储系统存在于许多固定应用和移动应用中。采用电池组或机架形式的电能存储系统可以被用于对混合动力载具和全电动载具供电，并且可以被用于存储由载具生成的电力(例如，通过使用再生制动)。

电能存储系统要求周期性的充电以补充放电掉的电力。已经标识了与现有的充电方法关联的许多缺陷和问题，诸如热损失、劣化和慢速率充电。例如，众所周知的是，用于电动载具(EV)的长充电时间是限制其广泛地普及采用的主要因素。使用常规的恒定电流充电方法可能花费许多小时来使对电池组完全充电。当将EV用于在针对EV的一次充电的范围之外的行驶时，这样的长的等待时间产生相当大的不便和低效。像这样，常规的EV大多典型地用于本地通勤或者可以在不要求电池组的重新充电的情况下完成的旅行。在存在能够在更短时间内以更高电压充电的充电站程度上，重复使用这样的站可能造成电池组寿命的显著降低。由于这些和其它原因，存在针对用于电能存储系统的快速或迅速的充电的改进的系统、设备和方法的需要。

发明内容

在此描述了用于对孤立的或作为能量存储系统(例如，电动载具的电池组、驱动微电网的固定系统以及其它)的一部分的能量源进行快速充电的系统、设备和方法的示例实施例。在此描述的实施例可以包括通过施加预热信号来加热能量源，预热信号升高源温度并且降低能量源的总阻抗，使得加速的电化学反应是通过随后的充电而可能的。实施例可以包括利用在通过能量源的双片材电容并且降低源的激活阻抗的频率下的充电脉冲对能量源进行充电，从而准许以更高的充电率(Crate，“C速率”)对源充电而没有退化反应。实施例还可以包括脉冲预热阶段或脉冲充电阶段与更高温度下的恒定电流(或非脉冲)充电阶段的组合，并且某些实施例可以包括所有三个阶段的至少一个实例。在此描述的实施例特别适合于在级联模块化能量存储系统——其中每个模块包括能量源和能够以脉冲方式施加电流以用于预热和/或充电的开关电路——中的应用。还公开了用于监控能量源以检测诸如不均匀锂化和锂镀覆的可能的退化状况的实施例。

在查阅以下各图和详细描述时在此描述的主题的其它系统、设备、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。意图的是所有这样的附加的系统、方法、特征和优点被包括在本描述中、处于在此描述的主题的范围内、并且受随附权利要求保护。在权利要求中没有明确记述示例实施例的特征的情况下，这些特征决不应当被解释为限制所附权利要求。

附图说明

通过研究其中同样的参考标号指代同样的部分的随附各图，在此阐述的主题的关于其结构和操作这两者的细节可以是显而易见的。各图中的组件未必按比例，相反重点被放在图示本主题的原理上。此外，所有的图示意图传达构思，其中相对的大小、形状和其它详细的属性可以是示意性地而不是字面地或准确地图示的。

图1A至图1C是描绘模块化能量系统的示例实施例的框图。

图1D至图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至图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至图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至图3C是描绘具有各种电气配置的模块的示例实施例的框图。

图4A至图4F是描绘能量源的示例实施例的示意性视图。

图5A至图5C是描绘能量缓冲器的示例实施例的示意性视图。

图6A至图6C是描绘转换器的示例实施例的示意性视图。

图7A至图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线图。

图8B是描绘模块阵列的示例多级输出电压的线图。

图8C是描绘在脉冲宽度调制控制技术中可使用的示例参考信号和载波信号的线图。

图8D是描绘在脉冲宽度调制控制技术中可使用的示例参考信号和载波信号的线图。

图8E是描绘根据脉冲宽度调制控制技术生成的示例开关信号的线图。

图8F是描绘在脉冲宽度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线图。

图9A至图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是描绘在图10A的多相实施例中的互连模块的示例实施例的示意性图。

图10C是描绘具有被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是描绘具有对辅助负载进行供给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是描绘具有对辅助负载进行供给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至图11B是描绘用于描述快速充电协议的多个示例实施例的框架的线图。

图11C至图11D是分别描绘具有和不具有时间间隙的预热脉冲串的示例实施例的电流对于时间的图。

图11E是描绘在多个子阶段期间施加的预热信号的示例实施例的电流对于时间的图。

图11F是描绘用于在脉冲充电阶段中使用的脉冲充电信号的示例实施例的电流对于时间的图。

图12A是一般化的锂离子电池单元的横截面视图。

图12B是描绘放大的阳极和阴极的图示并且列出在典型的锂离子电池单元内可能发生的劣化模式的示例的解释性的图。

图12C是电池单元的电气示意性模型。

图12D是描绘对于施加到锂离子单元的充电脉冲的示例电压响应的线图。

图12E是描绘锂离子单元上跨充电状态范围的示例电压的图。

图12F是描绘锂离子单元的示例阻抗响应的线图。

图13A是描绘针对恒定电流充电阶段中的恒定电流充电信号的示例的各级的图。

图13B是描绘具有在逐步减小的量值下的恒定电流信号的快速充电协议的另一示例实施例的图。

图14是描绘针对已经发生锂镀覆的指示进行监控的示例实施例的一系列线图。

图15A至图15B分别是绝对容量保持和标准化容量保持的线图，比较了对额定用于在功率应用中使用的成对锂离子电池单元执行的恒定电流充电和脉冲充电示例实施例的实验数据。

图16A至图16B分别是绝对容量保持和标准化容量保持的线图，比较了对额定用于在功率应用中使用的成对锂离子电池单元执行的恒定电流充电和快速充电协议的示例实施例的实验数据。

图16C是容量对于时间的图，并且图16D是电压对于时间的图，这两者示出从对电池单元执行快速充电协议的一个示例循环采集的数据。

图17A至图17B是电压对于容量的线图，比较了对额定用于在功率应用中使用的成对锂离子电池单元分别执行恒定电流充电和脉冲充电的示例实施例的实验数据。

图18A是针对恒定电流充电单元和脉冲充电单元在寿命结束时的虚部阻抗分量和实部阻抗分量的线图。

图18B是单元电压对于时间的线图，其描绘针对暴露于恒定电流充电和具有不同的脉冲持续时间的脉冲充电的锂离子单元采集的实验数据。

图19A至图19G是描绘用于各种电池类型的快速充电协议的实现的示例实施例的框图。

图20是描绘可以被配置为应用在此描述的快速充电协议的应用的示例实施例的框图。

具体实施方式

在详细描述本主题之前，要理解的是本公开不限制于所描述的特定实施例，因为这样的实施例当然可以变化。还要理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并且不意图进行限制，因为本公开的范围将仅受所附权利要求限制。

在描述与对模块化能量系统进行充电和放电有关的示例实施例之前，首先有用的是更详细地描述这些基础系统。参照图1A至图10F，以下各部分描述了其中可以实现如下的各种应用：模块化能量系统的实施例、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、单独的模块的实施例、用于系统内的模块布置的拓扑的实施例、控制方法的实施例、平衡系统内的模块的操作特性的实施例、以及使用互连模块的实施例。

应用的示例

固定应用是其中模块化能量系统在使用期间位于固定位置的应用，虽然其可以在不使用时能够被运输到替换的位置。基于模块的能量系统驻留在固定位置中，同时提供用于由一个或多个其它实体消耗的电能，或者存储或缓冲能量以用于稍后消耗。其中可以使用在此公开的实施例的固定应用的示例包括但是不限制于：用于由一个或多个住宅机构或场所使用或在其中的能量系统、用于由一个或多个工业机构或场所使用或在其中的能量系统、用于由一个或多个商业机构或场所使用或在其中的能量系统、用于由一个或多个政府机构或场所(包括军事和非军事用途这两者)使用或在其中的能量系统、用于对下面描述的移动应用(例如，充电源或充电站)充电的能量系统、以及将太阳能、风、地热能、化石燃料或核反应转换成电力以用于存储的系统。固定应用经常对诸如电网和微电网、马达和数据中心的负载供进行供给。固定的能量系统可以被使用于存储或非存储角色。

移动应用有时被称为牵引应用，其一般是其中基于模块的能量系统位于实体上或位于实体内并且存储和提供电能以用于通过马达转换成原动力以移动或帮助移动该实体的应用。可以与在此公开的实施例一起使用的移动实体的示例包括但是不限制于在地面上或地面下、在海面上或海面下、在地面或海面上之上并且与地面或海面不接触(例如，在空中飞行或悬停)或通过外空间移动的电动的和/或混合的实体。可以与在此公开的实施例一起使用的移动实体的示例包括但是不限制于载具、火车、有轨电车、轮船、船舶、飞行器和航天器。可以与在此公开的实施例一起使用的移动载具的示例包括但是不限制于仅具有一个车轮或履带的那些移动载具、仅具有两个车轮或履带的那些移动载具、仅具有三个车轮或履带的那些移动载具、仅具有四个车轮或履带的那些移动载具以及具有五个或更多个车轮或履带的那些移动载具。可以与在此公开的实施例一起使用的移动实体的示例包括但是不限制于汽车、公共汽车、卡车、摩托车、小型机车、工业载具、采矿载具、飞行载具(例如，飞机、直升机、无人机等)、海运船舶(例如，商业航运船舶、轮船、游艇、小艇或其它水运工具)、潜艇、机车或基于轨道的载具(例如，火车、有轨电车等)、军用载具、航天器和卫星。

在描述在此的实施例时，可以参照特定的固定应用(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)。这样的参照是为了容易解释而作出的并且不意味着特定实施例仅被限制于用于该特定的移动或固定应用。向马达提供电力的系统的实施例可以被使用在移动和固定应用这两者中。虽然某些配置较之其它配置可能更适合于一些应用，但是除非另外指出，否则在此公开的所有示例实施例能够在移动和固定应用这两者中使用。

基于模块的能量系统的示例

图1A是描绘基于模块的能量系统100的示例实施例的框图。在此，系统100包括分别经通信路径或链路106-1至106-N与N个转换器-源模块108-1至108-N通信地耦合的控制系统102。模块108被配置为存储能量并且根据需要将能量输出到负载101(或其它模块108)。在这些实施例中，可以使用任何数量的两个或更多个模块108(例如，N大于或等于2)。模块108可以以各种方式彼此连接，如将参照图7A至图7E更详细地描述的那样。为了容易说明，在图1A至图1C中，模块108被示出为串联连接，或者作为一维阵列，其中第N个模块耦合到负载101。

系统100被配置为向负载101供给电力。负载101可以是任何类型的负载，诸如马达或电网。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(例如，公用事业操作的电网、微电网、本地可再生能量源等)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可以在经接口152输出电力的同时经接口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者被指示在这两者之间进行选择。系统100可以被配置为向包括主负载和辅助负载这两者的多个负载101进行供给，和/或从多个充电源150(例如，公用事业操作的电力电网和本地可再生能量源(例如，太阳能))接收电力。

图1B描绘系统100的另一示例实施例。在此，控制系统102被实现为分别经通信路径或链路115-1至115-N与N个不同的本地控制设备(LCD)114-1至114-N通信地耦合的主控制设备(MCD)112。每个LCD114-1至114-N分别经通信路径或链路116-1至116-N与一个模块108-1至108-N通信地耦合，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。在此，MCD 112分别经通信路径或链路115-1至115-M与M个不同的LCD 114-1至114-M通信地耦合。每个LCD 114可以与两个或更多个模块108耦合并且对其进行控制。在此示出的示例中，每个LCD 114与两个模块108通信地耦合，使得M个LCD 114-1至114-M分别经通信路径或链路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)或者可以是跨多个设备分布的或被实现为多个设备(例如，图1B至图1C)。在一些实施例中，控制系统102可以被分布在与模块108关联的LCD 114之间，使得MCD 112不是必需的并且可以被从系统100省略。

控制系统102可以被配置为使用软件(存储在存储器中的由处理电路可执行的指令)、硬件或其组合来执行控制。控制系统102的一个或多个设备的每个可以包括处理电路120和存储器122，如在此示出的那样。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可以具有用于经通信链路或路径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外的控制设备104(例如，移动应用中的载具的电子控制单元(ECU)或马达控制单元(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)的每个可以是以并行或串行方式双向地传送数据或信息的有线(例如电气、光学)或无线通信路径。数据可以被以标准化(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直接为系统102供给操作电力。例如，可以仅由LCD 114所连接的一个或多个模块108来供给用于每个LCD 114的操作电力，并且可以从一个或多个模块108间接地供给(例如，诸如通过汽车的电力网络)用于MCD 112的操作电力。

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它因素，诸如负载101的要求。可控制的方面包括但是不限制于每个模块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的状态信息可以被传送到控制系统102，系统102可以根据该状态信息独立地控制每个模块108-1、...、108-N。其它的变化是可能的。例如，可以基于特定模块108(或子集)的状态信息、基于不是该特定模块108(或子集)的不同的模块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108(或子集)的至少一个其它模块108的状态信息，或基于系统100中的所有模块108的状态信息，来控制该特定模块108(或模块108的子集)。

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是不限制于模块108的以下方面或它们的一个或多个组件(例如，能量源、能量缓冲器、转换器、监控器电路)：模块的一个或多个能量源的充电状态(SOC)(例如，能量源相对于其容量的充电水平，诸如分数或百分比)、模块的一个或多个能量源的健康状态(SOH)(例如，能量源的状况相比于其理想状况的品质因数)、模块的一个或多个能量源或其它组件的温度、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/或其它组件的电压、模块的一个或多个能量源和/或其它组件的电流、以及/或者模块的任何一个或多个组件中故障存在与否。

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接收的或在每个模块内的数据或监控的信号来确定状态信息，并且将该信息传送到MCD 112。在一些实施例中，每个LCD114可以将原始采集的数据传送到MCD 112，MCD 112然后基于该原始数据以算法方式确定状态信息。MCD 112然后可以使用模块108的状态信息来相应地作出控制确定。确定可以采取指令、命令或可以由LCD 114利用的其它信息(诸如在此描述的调制指数)的形式，以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且评估该信息以确定至少一个模块108(例如，其组件)和至少一个或多个其它模块108(例如，其相当的组件)之间的差异。例如，MDC 112可以确定特定模块108与一个或多个其它模块108相比在以下状况之一下操作：具有相对更低或更高的SOC、具有相对更低或更高的SOH、具有相对更低或更高的容量、具有相对更低或更高的电压、具有相对更低或更高的电流、具有相对更低或更高的温度、或者具有或不具有故障。在这样的示例中，MCD112可以输出控制信息，该控制信息引起特定模块108的相关方面(例如，输出电压、电流、功率、温度)被减小或增加(取决于状况)。以此方式，可以减少离群值模块108的利用(例如，以相对更低的SOC或更高的温度进行操作)，以便引起该模块108的相关参数(例如，SOC或温度)朝向一个或多个其它模块108的相关参数收敛。

是否调整特定模块108的操作的确定可以是通过将状态信息与预定阈值、限制或条件进行比较而作出的，并且未必通过与其它模块108的状态进行比较。预定阈值、限制或条件可以是静态的阈值、限制或条件，诸如由制造商设置的在使用期间不改变的那些。预定阈值、限制或条件可以是在使用期间被准许改变或确实改变的动态的阈值、限制或条件。例如，如果针对模块108的状态信息指示其违反(例如，高于或低于)预定阈值或限制地操作或者在可接受的操作条件的预定范围之外操作，则MCD 112可以调整该模块108的操作。类似地，如果针对模块108的状态信息指示存在实际的或可能的故障(例如，警告或报警)或者指示不存在或移除了实际的或可能的故障，则MCD 112可以调整模块108的操作。故障的示例包括但是不限制于组件的实际的失效、组件的可能的失效、短路或其它过电流状况、开路、过电压状况、接收通信的失效、接收到被破坏的数据的等。取决于故障的类型和严重性，可以减少故障模块的利用以避免损坏模块，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以实现合期望的目标或朝向合期望的目标收敛。目标可以是例如所有模块108相对于彼此在相同或相似的水平下或者在预定的阈值限制或条件内的操作。该处理还被称为在模块108的操作或操作特性中进行平衡或寻求实现平衡。如在此使用的术语“平衡”不要求模块108或其组件之间的绝对等同，而是被在宽泛的意义上使用以传达系统100的操作可以被用于主动地减少否则将另外存在的在模块108之间的操作上的差异。

MCD 112可以将控制信息传送到LCD 114以用于控制与LCD 114关联的模块108的目的。控制信息可以是例如如在此描述的调制指数和参考信号、调制的参考信号或者其它。每个LCD 114可以使用(例如，接收和处理)控制信息来生成控制(多个)关联的模块108内的一个或多个组件(例如，转换器)的操作的开关信号。在一些实施例中，MCD 112直接生成开关信号并且将其输出到LCD 114，LCD 114将开关信号中继到所意图的模块组件。

控制系统102的全部或部分可以与控制移动或固定应用的一个或多个其它方面的系统外部控制设备104组合。当被集成在该共享的或公共的控制设备(系统或子系统)中时，系统100的控制可以以任何合期望的方式实现，诸如由共享设备的处理电路执行的一个或多个软件应用、利用共享设备的硬件或它们的组合。外部控制设备104的非穷举示例包括：具有用于一个或多个其它载具功能的控制能力(例如，马达控制、驾驶员接口控制、牵引控制等)的载具ECU或MCU；电网或微电网控制器，其负责一个或多个其它电力管理功能(例如，负载接口、负载功率要求预测、传输和开关、与充电源(例如，柴油、太阳能、风)的接口、充电源功率预测、备用源监控、资产分派等)；以及数据中心控制子系统(例如，环境控制、网络控制、备份控制等)。

图1D和图1E是描绘其中可以实现控制系统102的共享的或公共的控制设备(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包括用于经路径115与LCD114通信的接口141，以及用于经内部通信总线136与外部控制设备104通信的接口142。外部控制设备104包括用于经总线136与主控制设备112通信的接口143，以及用于经通信路径136与整个应用的其它实体(例如，载具或电网的组件)通信的接口144。在一些实施例中，公共控制设备132可以与被实现为包含于其中的分立集成电路(IC)芯片或封装的设备112和104集成在一起作为公共外壳或封装。

在图1E中，外部控制设备104充当公共控制设备132，其中主控制功能实现为设备104内的组件。该组件112可以是或者包括被存储和/或硬编码在设备104的存储器内并且由其处理电路执行的软件或其它程序指令。组件还可以包含专用硬件。组件可以是自包含的模块或核心，具有一个或多个内部硬件和/或软件接口(例如，应用程序接口(API))以用于与外部控制设备104的操作软件通信。外部控制设备104可以管理经接口141与LCD 114的通信以及经接口144与其它设备的通信。在各种实施例中，设备104/132可以被集成为单个IC芯片，可以被集成到单个封装中的多个IC芯片中，或者被集成为公共外壳内的多个半导体封装。

在图1D和图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，共享控制的其它划分是准许的。例如，主控制功能的一部分可以被分布在公共设备132和专用MCD 112之间。在另一示例中，主控制功能和至少部分本地控制功能这两者可以被实现在公共设备132中(例如，其中其余的本地控制功能被实现在LCD 114中)。在一些实施例中，控制系统102的全部被实现在公共设备(或子系统)132中。在一些实施例中，在与诸如电池管理系统(BMS)的每个模块108的另外的组件共享的设备内实现本地控制功能。

级联能量系统内的模块的示例

模块108可以包括一个或多个能量源和功率电子器件转换器，并且如果是合期望的话，可以包括能量缓冲器。图2A至图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。在此参照电压转换器描述实施例，虽然实施例并不被限制于如此。转换器202可以被配置为将来自能量源204的直流(DC)信号转换成交流(AC)信号并且经电力连接110(例如，逆变器)将其输出。转换器202还可以经连接110接收AC或DC信号，并且将其以连续或脉冲的形式施加到具有任一极性的能量源204。转换器202可以是或者包括开关(例如，功率晶体管)的布置，诸如全桥中的半桥(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(或者替换地)被配置为执行AC到DC转换(例如，整流器)，诸如从AC源对DC能量源充电、DC到DC转换和/或AC到AC转换(例如，与AC-DC转换器组合)。在一些实施例中，诸如为了执行AC-AC转换，转换器202可以包括变压器，变压器是单独的或者与一个或多个功率半导体(例如，开关、二极管、晶闸管等)组合。在诸如其中在重量和成本是重要因素的那些其它实施例中，转换器202可以被配置为仅利用功率开关、功率二极管或其它半导体器件而不利用变压器来执行转换。

能量源206优选地是能够输出直流并且具有适合于用于电气供电设备的能量存储应用的能量密度的鲁棒的能量存储设备。燃料单元可以是单个燃料单元、串联或并联连接的多个燃料单元、或燃料单元模块。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、相同或不同类型的两个燃料单元、与一个或多个电容器和/或燃料单元组合的一个或多个电池、以及与一个或多个燃料单元组合的一个或多个电容器。

能量源206可以是电化学电池，诸如单个电池单元或在电池模块或阵列中连接在一起的多个电池单元，或者它们的任何组合。图4A至图4D是描绘能量源206的示例实施例的示意性图，能量源206被配置为单个电池单元402(图4A)、具有四个单元402的串联连接的电池模块(图4B)、具有单个单元402的并联连接的电池模块(图4C)以及具有每个具有两个单元402的支路的并联连接的电池模块(图4D)。电池类型的示例在此被在别处描述。

能量源206也可以是高能量密度(HED)电容器，诸如超电容器或超级电容器。HED电容器可以被配置为双层电容器(静电电荷存储)、伪电容器(电化学电荷存储)、混合电容器(静电和电化学)或者其它，与典型的电解电容器的固体电介质类型相反。除了更高的容量之外，HED电容器还可以具有电解电容器的能量密度的10至100倍(或更高)的能量密度。例如，HED电容器可以具有大于1.0瓦时每千克(Wh/kg)的比能量和大于10～100法拉(F)的电容。如在关于图4A至图4D描述的电池的情况下那样，能量源206可以被配置为单个HED电容器或以阵列(例如，串联、并联或其组合)连接在一起的多个HED电容器。

能量源206也可以是燃料单元。燃料单元的示例包括质子交换膜燃料单元(PEMFC)、磷酸燃料单元(PAFC)、固体酸燃料单元、碱性燃料单元、高温燃料单元、固体氧化物燃料单元、熔融电解质燃料单元等。如在关于图4A至图4D描述的电池的情况下那样，能量源206可以被配置为单个燃料单元或以阵列(例如，串联、并联或其组合)连接在一起的多个燃料单元。电池、电容器和燃料单元的前述示例不意图形成穷举列表，并且本领域普通技术人员将认识到落入到本主题的范围内的其它变型。

能量缓冲器204可以抑制或过滤跨DC线路或链路(例如，如下面描述的+V_DCL和-V_DCL)的电流中的波动，以帮助维持DC链路电压上的稳定性。这些波动可以是由转换器202的开关引起的相对低频率(例如，千赫兹)或高频率(例如，兆赫兹)的波动或谐波，或是其它瞬态。这些波动可以被缓冲器204吸收，而不是被传递到源206或转换器202的端口IO3和IO4。

电力连接110是用于向模块108转移能量或电力、转移来自模块108的能量或电力以及将能量或电力转移通过模块108的连接。模块108可以从能量源206输出能量到电力连接110，在其处能量可以被转移到系统的其它模块或负载。模块108还可以从其它模块108或充电源(DC充电器、单相充电器、多相充电器)接收能量。信号也可以旁路能量源206而通过模块108。在LCD 114(或系统102的另外的实体)的控制下由转换器202执行将能量或电力路由到模块108中以及将能量或电力路由出模块108。

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，不在共享的模块外壳内)并且被经由通信路径116连接到转换器202并且能够与其通信。在图2B的实施例中，LCD 114被包括作为模块108的组件并且被经由内部通信路径118(例如，共享总线或分立连接)连接到转换器202并且能够与其通信。LCD 114还可以能够经路径116或118从能量缓冲器204和/或能量源206接收信号并且向能量缓冲器204和/或能量源206传输信号。

模块108还可以包括监控器电路208，其被配置为监控(例如，采集、感测、测量和/或确定)模块108和/或其组件的一个或多个方面，诸如电压、电流、温度或构成状态信息的其它操作参数(或者可以被用于例如通过LCD 114确定状态信息)。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中的其它源相比多大程度地利用能量源，虽然描述其它组件的状态的状态信息(例如，电压、温度和/或缓冲器204中故障的存在、转换器202中的温度和/或故障的存在、模块108中其它地方故障的存在等)也可以被用于利用的确定。监控器电路208可以包括一个或多个传感器、分流器、分压器、故障检测器、库仑计数器、控制器或被配置为监控这样的方面的其它硬件和/或软件。监控器电路208可以与各种组件202、204和206分离，或者可以与每一组件202、204和206集成(如在图2A至图2B中示出那样)，或者是它们的任何组合。在一些实施例中，监控器电路208可以是用于电池能量源204的电池管理系统(BMS)的一部分或者是与电池管理系统(BMS)共享的。不需要分立电路来监控每种类型的状态信息，因为可以利用单个电路或设备监控多于一种类型的状态信息，或者在不需要附加电路的情况下另外地以算法方式确定多于一种类型的状态信息。

LCD 114可以经通信路径116、118接收关于模块组件的状态信息(或原始数据)。LCD 114还可以经路径116、118将信息传输到模块组件。路径116和118可以包括诊断、测量、保护和控制信号线路。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。控制信号可以是用于转换器202的开关信号和/或从模块组件请求状态信息的一个或多个信号。例如，LCD 114可以通过如下来引起状态信息被经路径116、118传输：直接请求状态信息，或者施加激励(例如电压)以引起状态信息被生成，在一些情况下与将转换器202置于特定状态的开关信号组合。

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，其中连同诸如集成的LCD 114的其它可选组件一起容纳有全部模块组件，例如转换器202、缓冲器204和源206。在其它实施例中，各种组件可以被分离在紧固在一起的分立的外壳中。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和诸如监控器电路的附随电子器件的第一外壳220、保持诸如转换器202、能量缓冲器204的模块电子器件和诸如监控器电路的其它附随电子器件的第二外壳222、以及保持用于模块108的LCD114的第三外壳224。各种模块组件之间的电连接可以行进通过外壳220、222、224并且可以被暴露在任何外壳外部上以用于与其它设备(诸如其它模块108或MCD 112)连接。

系统100的模块108可以被以取决于应用的需要和负载的数量的各种配置相对于彼此物理地布置。例如，在其中系统100为微电网提供电力的固定应用中，模块108可以被放置在一个或多个机架或其它框架中。这样的配置也可以适合于更大的移动应用，诸如海运船舶。替换地，模块108可以被紧固在一起并且位于称为一个组的公共外壳内。机架或组可以具有它们自己的跨所有模块共享的专用冷却系统。组配置对于诸如电动汽车的更小的移动应用而言是有用的。系统100可以是利用一个或多个机架(例如，用于向微电网并联供给)或一个或多个组(例如，服务于载具的不同马达)或其组合实现的。图2D是描绘系统100的示例实施例的框图，系统100被配置为具有在公共外壳230内电气地和物理地耦合在一起的九个模块108的组。

这些和进一步的配置的示例被描绘于2020年3月27日提交的题为“Module-BasedEnergy Systems Capable of Cascaded and Interconnected Configuration，andMethods Related Thereto”的国际申请No.PCT/US20/25366，出于所有目的将其在整体上通过引用合并于此。

图3A至图3C是描绘具有各种电气配置的模块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被容纳在关联的模块内，但是可以如在此描述的那样以其它方式配置。图3A描绘系统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)，电力可以被输入到电力连接端口中并且/或者电力可以被从电力连接端口输出，电力连接端口在此被称为IO端口。取决于上下文，这样的端口也可以被称为输入端口或输出端口。

能量源206可以被配置为在此描述的任何能量源类型(例如，如关于图4A至图4D描述的电池、HED电容器、燃料单元或其它)。能量源206的端口IO1和IO2可以被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，其否则可能使模块108的性能劣化。选择用于缓冲器204的拓扑和组件以适应这些高频电压脉动的最大可准许幅度。在图5A至图5C的示意性图中描绘能量缓冲器204的若干(非穷举)示例实施例。在图5A中，缓冲器204是电解和/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以及两个电解和/或薄膜电容器C_EB1和C_EB2形成的Z源网络710，并且在图5C中，缓冲器204是由两个电感器L_EB1和L_EB2、两个电解和/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可以被分别连接到转换器202A的端口IO1和IO2，转换器202A可以被配置为在此描述的任何功率转换器类型。图6A是描绘被配置为DC-AC转换器的转换器202A的示例实施例的示意性图，DC-AC转换器可以在端口IO1和IO2处接收DC电压并且进行开关以在端口IO3和IO4处生成脉冲。转换器202A可以包括多个开关，并且在此转换器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可以经由到每个栅极的控制输入线路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，诸如功率半导体，如在此示出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。半导体开关可以以相对高的开关频率操作，由此准许转换器202以脉冲宽度调制(PWM)模式操作(如果是合期望的话)，并且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限和瞬态模式中的快速动态行为。

在该实施例中，DC线路电压V_DCL可以在端口IO1和IO2之间施加到转换器202。通过凭借开关S3、S4、S5、S6的不同组合将V_DCL连接到端口IO3和IO4，从而转换器202可以在端口IO3和IO4处生成三个不同的电压输出：+V_DCL，0，和-V_DCL。提供给每个开关的开关信号控制开关是导通(闭合)还是断开(打开)。为了获得+V_DCL，开关S3和S6被接通同时S4和S5被关断，而-V_DCL可以是通过接通开关S4和S5并且关断S3和S6而获得的。通过在S4和S6断开的情况下接通S3和S5，或者通过在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。这些电压可以经电力连接110从模块108输出。转换器202的端口IO3和IO4可以被连接到(或形成)电力连接110的模块IO端口1和2，以便生成输出电压，以用于与来自其它模块108的输出电压一起使用。

取决于由系统100利用来生成转换器202的输出电压的控制技术，可以以不同的方式生成用于在此描述的转换器202的实施例的控制或开关信号。在一些实施例中，控制技术是PWM技术，诸如空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)或正弦脉冲宽度调制(SPWM)或其变型。图8A是电压对于时间的图，其描绘转换器202的输出电压波形802的示例。为了容易描述，将在PWM控制技术的上下文中描述在此的实施例，虽然实施例并不限制于如此。可以使用其它种类的技术。一个替换的种类基于滞后作用，其示例被描述于国际公开No.WO 2018/231810A1、WO 2018/232403A1和WO 2019/183553A1，它们被出于所有目的通过引用合并于此。

每个模块108可以被配置有多个能量源206(例如，两个、三个、四个或更多个)。模块108的每个能量源206可以是可控制的(可开关的)，以独立于模块的其它源206向连接110供给电力(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源206中的仅一个源(或子集)可以供给电力(或被充电)。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206充电。每个源206可以被配置为在此描述的任何能量源(例如，电池、HED电容器、燃料单元)。每个源206可以是相同类型的(例如，每个可以是电池)或不同类型的(例如，第一源可以是电池并且第二源可以是HED电容器，或者第一源可以是具有第一类型(例如，NMC)的电池并且第二源可以是具有第二类型(例如，LFP)的电池)。

图3B是描绘具有主能量源206A和辅助能量源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可以被连接到能量缓冲器204的端口IO1和IO2。模块108B包括具有附加的IO端口的转换器202B。缓冲器204的端口IO3和IO4可以被分别连接到转换器202B的端口IO1和IO2。辅助源206B的端口IO1和IO2可以被分别连接到转换器202B的端口IO5和IO2(还连接到缓冲器204的端口IO4)。

在模块108B的该示例实施例中，主能量源202A连同系统100的其它模块108一起供给负载所需要的平均功率。辅助源202B可以通过在负载功率峰值时提供附加功率或吸收过多的功率或以其它方式来服务于帮助能量源202的功能。

如所提到的那样，取决于转换器202B的开关状态，可以同时地或在不同的时间利用初级源206A和辅助源206B这两者。如果是同时，则电解质和/或薄膜电容器(C_ES)可以如图4E中描绘那样与源206B并联放置以充当用于源206B的能量缓冲器，或者能量源206B可以被配置为利用与另外的能量源(例如电池或燃料单元)并联的HED电容器，如在图4F中描绘那样。

图6B和图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，由此改变模块108B的输出电压。部分602A包括被配置为半桥并且耦合在端口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(或者反向地电流)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，其为+V_DCL2和0，参考可以处于虚拟零电势的端口IO2。从能量源202B汲取的电流或输入到能量源202B的电流可以通过调节耦合电感器L_C上的电压来控制，例如使用脉冲宽度调制技术或滞后作用控制方法以用于换向开关S1和S2。也可以使用其它技术。

转换器202C不同于转换器202B，因为开关部分602B包括被配置为半桥并且耦合在端口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可以经由到每个栅极的控制输入线路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(不是MCD 112)生成用于转换器开关的开关信号。替换地，MCD 112可以生成开关信号，该开关信号可以被直接传送到开关，或者被由LCD 114中继。

在其中模块108包括三个或更多个能量源206的实施例中，转换器202B和202C可以被相应地缩放，使得取决于特定源的需要，每个附加的能量源206B被耦合到通向附加的开关电路部分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这两者。

具有多个能量源206的模块108能够执行附加功能，诸如在源206之间的能量共享、来自应用内的能量捕获(例如再生制动)、甚至在整个系统处于放电状态时由辅助源对主源充电、以及模块输出的有源滤波。有源滤波功能也可以由具有典型的电解电容器而不是辅助能量源的模块来执行。这些功能的示例在2020年3月27日提交的并且题为“Module-BasedEnergy Systems Capable of Cascaded and Interconnected Configuration，andMethods Related Thereto”的国际申请No.PCT/US20/25366和2019年3月22日提交的并且题为“System and Methods for Power management and Control”的国际申请No.WO2019/183553中更详细地描述，出于所有目的将这两者的全部内容通过引用合并于此。

每个模块108可以被配置为利用其一个或多个能量源206对一个或多个辅助负载进行供给。辅助负载是要求比主负载101低的电压的负载。辅助负载的示例可以是例如电动载具的车载电网络或电动载具的HVAC系统。系统100的负载可以是例如电动载具马达或电网的相之一。该实施例可以允许能量源的电特性(端电压和电流)和负载的电特性之间的完全解耦。

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供给电力的模块108C的示例实施例的框图，其中模块108C包括以类似于图3B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要求与从源206供给的电压相等的电压。负载301耦合到模块108C的IO端口3和4，其进而耦合到源206的端口IO1和IO2。源206可以向电力连接110和负载301这两者输出电力。第二辅助负载302要求低于源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(图6B)的耦合电感器L_C的开关部分602。由源206供给的能量可以被通过转换器202B的开关部分602供给到负载302。假设负载302具有输入电容器(如果不是的话，则电容器可以被添加到模块108C)，因此开关S1和S2可以被换向以调节耦合电感器L_C上的电压和通过耦合电感器L_C的电流，并且因此产生用于负载302的稳定的恒定电压。该调节可以将源206的电压逐步降低到负载302所要求的更低量值的电压。

模块108C因此可以被配置为以关于负载301描述的方式向一个或多个第一辅助负载进行供给，其中一个或多个第一负载被耦合到IO端口3和4。模块108C还可以被配置为以关于负载302描述的方式向一个或多个第二辅助负载进行供给。如果存在多个第二辅助负载302，则那么对于每个附加的负载302而言，模块108C可以被利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和耦合到附加的部分602的附加的转换器IO端口进行缩放。

因此，能量源206可以供给用于任何数量的辅助负载(例如301和302)的电力以及主负载101所需要的系统输出电力的对应部分。从源206到各种负载的电力流动可以被合期望地调整。

模块108可以如需要的那样被配置有两个或更多个能量源206(图3B)，并且通过针对每个附加的源206B或第二辅助负载302添加开关部分602和转换器端口IO5来对第一和/或第二辅助负载(图3C)进行供给。可以如需要的那样添加附加的模块IO端口(例如，3、4、5、6)。模块108也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、或者两个或更多个系统100之间交换能量(例如，用于平衡)，如在此进一步描述的那样。这种互连功能同样可以与多个源和/或多个辅助负载供给能力组合。

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(使用量)、保护能量缓冲器204免受过电流、过电压和高温状况、以及转换器202的控制和保护。

例如，为了管理(例如，通过增加、减少或维持来进行调整)每个能量源206的利用，LCD 114可以从每个能量源206(或监控器电路)接收一个或多个监控的电压、温度和电流。监控的电压可以是如下中的至少之一(优选地是如下中的所有)：独立于源206的其它组件的每个基本组件(例如，每个单独的电池单元、HED电容器和/或燃料单元)的电压、或者是作为整体的基本组件的群组的电压(例如，电池阵列、HED电容器阵列和/或燃料单元阵列的电压)。类似地，监控的温度和电流可以是如下中的至少之一(优选地是如下中的所有)：独立于源206的其它组件的每个基本组件的温度和电流、或者是作为整体的基本组件的群组的温度和电流，或者是它们的任何组合。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中的一个或多个：计算或确定基本组件或基本组件的群组的实际容量、实际充电状态(SOC)和/或健康状态(SOH)；基于所监控和/或计算的状态信息来设置或输出报警或警告指示；和/或将状态信息传输到MCD 112。LCD 114可以从MCD 112接收控制信息(例如，调制指数、同步信号)，并且使用该控制信息来生成用于转换器202的开关信号，开关信号管理源206的利用。

为了保护能量缓冲器204，LCD 114可以从能量缓冲器204(或监控器电路)接收一个或多个监控的电压、温度和电流。监控的电压可以是如下中的至少之一(优选地是如下中的所有)：独立于其它组件的缓冲器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、或者是作为整体(例如IO1和IO2之间或者IO3和IO4之间)的基本组件或缓冲器204的群组的电压。类似地，监控的温度和电流可以是如下中的至少之一(优选地是如下中的所有)：独立于其它组件的缓冲器204的每个基本组件的温度和电流、或者是作为整体的基本组件或缓冲器204的群组的温度和电流、或者是它们的任何组合。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中的一个或多个：设置或输出报警或警告指示；将状态信息传送到MCD 112；或者控制转换器202来调整(增加或减少)源206和模块108作为整体的利用以用于缓冲器保护。

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，或者参考信号和调制指数)，其可以与PWM技术一起使用于LCD 114中以生成用于每个开关(例如，S1至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，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流保护，一个或多个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，短路或开路失效模式)的信息。基于该数据，LCD 114可以关于如下作出决定：应用开关信号的哪种组合来管理模块108的利用，并且可能地从系统100旁路或断连转换器202(以及整个模块108)。

如果控制对第二辅助负载302进行供给的模块108C，则LCD 114可以接收模块108C中的一个或多个监控的电压(例如，IO端口5和6之间的电压)和一个或多个监控的电流(例如，耦合电感器L_C中的电流，其是负载302的电流)。基于这些信号，LCD 114可以调整S1和S2的开关循环(例如通过调整调制指数或参考波形)以控制(和稳定)用于负载302的电压。

级联能量系统拓扑的示例

两个或更多个模块108可以被以级联阵列耦合在一起，级联阵列输出通过由阵列内的每个模块108生成的离散电压的叠加来形成的电压信号。图7A是描绘用于系统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被串联耦合在一起以形成串联阵列700。在此描述的该实施例和所有实施例中，N可以是大于一的任何整数。阵列700包括第一系统IO端口SIO1和第二系统IO端口SIO2，跨第一系统IO端口SIO1和第二系统IO端口SIO2生成阵列输出电压。阵列700可以被用作为用于可以被连接到阵列700的SIO1和SIO2的DC或AC单相负载的DC或单相AC能量源。图8A是电压对于时间的线图，其描绘由具有48伏能量源的单个模块108产生的示例输出信号801。图8B是电压对于时间的线图，其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802。

系统100可以是以各种各样的不同拓扑布置的，以满足应用的不同需要。系统100可以通过使用多个阵列700来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的相角的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的每个可以生成单相AC信号，其中两个AC信号具有不同的相角PA和PB(例如，分开180度)。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，其进而可以用作为每个阵列的可以向负载(未示出)提供两相电力的第一输出。或者替换地，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可以用作为用于每个阵列700-PA和700-PB的在阵列的与系统IO端口SIO1和SIO2相对的端部上的第二输出，并且可以在公共节点处耦合在一起，并且如果合期望的话被可选地用于附加的系统IO端口SIO3，其可以用作为中性部。该公共节点可以被称为轨道，并且每个阵列700的模块108-N的IO端口2可以被称为在阵列的轨道侧上。

图7C是描绘具有被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的每个可以生成单相AC信号，其中三个AC信号具有不同的相角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，其进而可以向负载(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，并且如果合期望的话可选地用于附加的系统IO端口SIO4，其可以用作为中性部。

关于图7B和图7C的两相和三相实施例描述的构思可以被扩展到还生成更多相的电力的系统100。例如，附加的示例的非穷举列表包括：具有四个阵列700的系统100，每个阵列被配置为生成具有不同相角(例如，分开90度)的单相AC信号；具有五个阵列700的系统100，每个阵列被配置为生成具有不同相角(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被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德尔塔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为2或更大，其与N个模块108的第二串联连接耦合，其中N为2或更大。德尔塔配置是由阵列之间的互连形成的，其可以被放置于任何合期望的位置。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和模块108-(M+1)的IO端口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和模块108-(M+1)的IO端口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德尔塔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-PB的模块108-1的IO端口1耦合。图7D和图7E的布置可以是利用每个阵列700中两个那么少的模块实现的。组合的德尔塔和串联配置使得能够在系统的所有模块108(相间平衡)和电网或负载的相之间进行有效的能量交换，并且还允许减少阵列700中的模块108的总数量以获得合期望的输出电压。

在此描述的实施例中，虽然对于模块108的数量而言有利的是在系统100内的每个阵列700中为相同，但是并不要求如此并且不同的阵列700可以具有不同数量的模块108。进一步地，每个阵列700可以具有如下的模块108：其全部具有相同的配置(例如，所有模块是108A，所有模块是108B，所有模块是108C，或者其它)或不同的配置(例如，一个或多个模块是108A，一个或多个是108B，以及一个或多个是108C，或者是其它)。像这样，在此覆盖的系统100的拓扑的范围是宽泛的。

控制方法的示例实施例

如所提到的那样，系统100的控制可以是根据诸如滞后作用或PWM的各种方法执行的。PWM的若干示例包括空间矢量调制和正弦脉冲宽度调制，其中用于转换器202的开关信号是利用相位偏移载波技术生成的，相位偏移载波技术使对每个模块108的利用连续地转动以在它们当中均等地分布电力。

图8C至图8F是描绘可以使用递增偏移的两级波形生成多级输出PWM波形的相位偏移PWM控制方法的示例实施例的线图。X级PWM波形可以是通过(X-1)/2个两级PWM波形的求和创建的。可以通过将参考波形Vref与递增地偏移360°/(X-1)的载波进行比较来生成这些两级的波形。载波是三角形的，但是实施例并不限制于如此。在图8C中示出了九级的示例(使用四个模块108)。载波被递增地偏移360°/(9-1)＝45°并且与Vref进行比较。在图8E中示出所得到的两级PWM波形。这些两级波形可以被用作为用于转换器202的半导体开关(例如，S1至S6)的开关信号。作为参照图8E的示例，对于包括四个模块108(每个模块具有转换器202)的一维阵列700而言，0°信号用于控制第一模块108-1的S3并且180°信号用于控制第一模块108-1的S6，45°信号用于控制第二模块108-2的S3并且225°信号用于控制第二模块108-2的S6，90°信号用于控制第三模块108-3的S3并且270°信号用于控制第三模块108-3的S6，并且135°信号用于控制第四模块108-4的S3并且315°信号用于控制第四模块108-4的S6。用于S3的信号与S4互补并且用于S5的信号与S6互补，具有足够的死区时间以避免每个半桥的击穿。图8F描绘通过来自四个模块108的输出电压的叠加(求和)产生的示例单相AC波形。

一种替换是利用具有第一(N-1)/2个载波的正的和负的参考信号这两者。在图8D中示出九级的示例。在该示例中，通过将+Vref与图8D的0°到135°载波进行比较来生成0°到135°的开关信号(图8E)，并且通过将-Vref与图8D的0°到135°载波进行比较来生成180°到315°的开关信号。然而，在后一种情况下比较的逻辑是相反的。诸如状态机解码器的其它技术也可以被用于生成用于转换器202的开关的栅极信号。

在多相系统实施例中，相同的载波可以被用于每个相，或者载波集合可以被作为整体而针对每个相进行偏移。例如，在具有单个参考电压(Vref)的三相系统中，每个阵列700可以使用具有相同的相对偏移的相同数量的载波，如在图8C和图8D中示出那样，但是与第一相的载波相比第二相的载波被偏移120度，并且与第一相的载波相比第三相的载波被偏移240度。如果对于每个相而言不同的参考电压是可用的，则那么相位信息可以被携带在参考电压中并且同样的载波可以被用于每个相。在许多情况下，载波频率将是固定的，但是在一些示例实施例中，载波频率可以被调整，这可以有助于减少在高电流情况下EV马达中的损耗。

可以由控制系统102将适当的开关信号提供给每个模块。例如，取决于LCD 114控制的一个或多个模块108，MCD 112可以向每个LCD114提供Vref和适当的载波信号，并且LCD114然后可以生成开关信号。或者，可以向阵列中的所有LCD 114提供所有载波信号，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对每个模块108的相对利用以执行如在此描述的平衡或一个或多个参数的平衡。参数的平衡可以涉及对利用的调整以与其中不执行各个模块利用调整的系统相比使随时间经过的参数发散最小化。利用可以是当系统100处于放电状态时模块108放电的相对时间量，或者是当系统100处于充电状态时模块108充电的相对时间量。

如在此描述的那样，模块108可以被相对于阵列700中的其它模块平衡，这可以被称为阵列内平衡或相内平衡，并且不同的阵列700可以被相对于彼此平衡，这可以被称为阵列间平衡或相间平衡。不同子系统的阵列700也可以被相对于彼此进行平衡。控制系统102可以同时地执行相内平衡、相间平衡、模块内多个能量源的利用、有源滤波和辅助负载供给的任何组合。

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N个模块108中的每个的状态信息(例如，充电状态(SOCi)、温度(Ti)、容量(Qi)和电压(Vi))作为输入，并且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)，其可以是控制器900所操作于的和/或正平衡的相所特有的。除法器904通过将Vr除以其检测到的Vpk来生成Vrn。相内平衡控制器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可以被用于生成用于每个转换器202的开关信号。调制指数可以是零和一之间的数(包括零和一)。对于特定的模块108而言，标准化的参考Vrn可以被Mi调制或缩放，并且该调制的参考信号(Vrnm)可以根据关于图8C至图8F描述的PWM技术或者根据其它技术被用作为Vref(或-Vref)。以这种方式，调制指数可以被用于控制提供给转换器开关电路(例如，S3-S6或S1-S6)的PWM开关信号，并且因此调节每个模块108的操作。例如，被控制以维持正常或完全操作的模块108可以接收作为一的Mi，而被控制为小于正常或完全操作的模块108可以接收小于一的Mi，并且被控制为停止电力输出的模块108可以接收作为零的Mi。该操作可以由控制系统102以各种方式执行，诸如通过MCD 112将Vrn和Mi输出到适当的LCD 114以用于调制和开关信号生成，通过MCD 112执行调制并且将调制的Vrnm输出到适当的LCD 114以用于开关信号生成，或者通过MCD 112执行调制和开关信号生成并且将开关信号直接输出到每个模块108的LCD或转换器202。Vrn可以被连续地发送，Mi可以被以规则的间隔发送，诸如针对Vrn的每个周期被发送一次，或每分钟被发送一次等。

控制器906可以使用在此描述的任何类型或类型组合的状态信息(例如SOC、温度(T)、Q、SOH、电压、电流)针对每个模块108生成Mi。例如，当使用SOC和T时，如果与阵列700中的其它模块108相比SOC相对高并且温度相对低，则模块108可以具有相对高的Mi。如果SOC相对低或者T相对高，则那么模块108可以具有相对低的Mi，造成比阵列700中的其它模块108更少的利用。控制器906可以确定Mi，使得模块电压之和不超过Vpk。例如，Vpk可以是每个模块的源206的电压与用于该模块的Mi的乘积的和(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的电压贡献，但是总的生成电压应当保持相同。

控制器900可以在其不阻止在任何一个时间(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，使得如果每个模块108中的(多个)能量源的SOC不平衡则使它们保持平衡或者收敛到平衡状态，和/或使得如果每个模块中的(多个)能量源或其它组件(例如能量缓冲器)的温度不平衡则使它们保持平衡或收敛到平衡状态。可以调节到模块中或离开模块的电力流动，使得源之间的容量差异不引起SOC偏差。SOC和温度的平衡可以间接地引起SOH的一定平衡。如果合期望的话可以直接平衡电压和电流，但是在许多实施例中，系统的主要目标是平衡SOC和温度，并且SOC的平衡可以导致在其中模块具有相似的容量和阻抗的高度对称的系统中平衡电压和电流。

由于可能不可能同时平衡所有参数(例如，平衡一个参数可能进一步使另外的参数不平衡)，因此可以应用平衡任何两个或更多个参数(SOC、T、Q、SOH、V、I)的组合，其中取决于应用的要求对任一个给予优先级。可以优于其它参数(T，Q，SOH，V，I)地对SOC给予平衡上的优先级，除非其它参数(T，Q，SOH，V，I)之一达到阈值之外的严重不平衡状态。

可以与相内平衡同时地执行不同相的阵列700(或者例如如果使用并行阵列，则为相同相的阵列)之间的平衡。图9B描绘Ω相(或Ω阵列)控制器950的示例实施例，Ω相(或Ω阵列)控制器950被配置用于在具有至少Ω阵列700的Ω相系统100中操作，其中Ω是大于一的任何整数。控制器950可以包括一个相间(或阵列间)控制器910和用于相PA到PΩ的Ω相内平衡控制器906-PA...906-PΩ，以及用于从每个相特定参考VrPA到VrPΩ生成标准化的参考VrnPA到VrnPΩ的峰值检测器902和除法器904(图9A)。相内控制器906可以为每个阵列700的每个模块108生成Mi，如关于图9A描述的那样。相间平衡控制器910被配置或编程为跨整个多维度系统(例如在不同相的阵列之间)平衡模块108的各方面。这可以是通过向各相注入共模(例如，中性点偏移)或通过使用互连模块(在此描述的)或通过这两者实现的。共模注入涉及向参考信号VrPA到VrPΩ引入相位和幅度偏移以生成标准化的波形VrnPA到VrnPΩ以补偿一个或多个阵列中的不平衡，并且被在合并于此的国际申请No.PCT/US20/25366中进一步描述。

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，部分地或全部分布在LCD 114当中，或者可以被实现为独立于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可以被连接在不同阵列700的模块之间以用于在阵列之间交换能量的目的、充当用于辅助负载的源的目的、或者这两者。这样的模块在此被称为互连(IC)模块108IC。IC模块108IC可以是以任何已经描述的模块配置(108A、108B、108C)和在此将描述的其它模块配置实现的。IC模块108IC可以包括任何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给能量和/或用于向一个或多个辅助负载供给电力的开关电路、控制电路(例如，本地控制设备)以及用于采集关于IC模块本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模块有关的电压和/或电流测量、与(多个)辅助负载有关的电压和/或电流测量等)的监控器电路。

图10A是描绘能够利用Ω阵列700-PA到700-PΩ产生Ω相电力的系统100的示例实施例的框图，其中Ω可以是大于一的任何整数。在该实施例和其它实施例中，IC模块108IC可以位于阵列700的轨道侧上使得模块108IC所连接到的阵列700(在该实施例中，阵列700-PA到700-PΩ)被电连接在模块108IC和到负载的输出(例如，SIO1到SIOΩ)之间。在此，模块108IC具有Ω个IO端口以用于连接到阵列700-PA到700-PΩ的每个模块108-N的IO端口2。在此描绘的配置中，模块108IC可以通过将模块108IC的一个或多个能量源选择性地连接到阵列700-PA到700-PΩ中的一个或多个来执行相间平衡(或者如果不要求相间平衡，则不连接到输出或者等同地连接到所有输出)。系统100可以由控制系统102(未示出，参见图1A)控制。

图10B是描绘模块108IC的示例实施例的示意性图。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进而与开关电路603连接。开关电路603可以包括开关电路单元604-PA到604-PΩ以用于独立地将能量源206分别连接到阵列700-PA到700-PΩ中的每个。各种开关配置可以被用于每个单元604，在该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描述的那样，开关电路603可以被以任何布置配置，并且具有适合于应用的要求的任何开关类型(例如，MOSFET、IGBT、硅、GaN等)。

开关电路单元604被耦合在能量源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可以由控制系统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可以根据任何合期望的控制技术(包括在此提到的PWM和滞后作用技术)来控制开关电路603。在此，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的监控器电路接收监控数据或状态信息。该监控数据和/或从该监控数据得出的其它状态信息可以被输出到MCD 112以用于在如在此描述的系统控制中使用。LCD 114还可以为了同步系统100的模块108以及一个或多个载波信号(未示出)的目的接收定时信息(未示出)载波信号诸如为在PWM中使用的锯齿信号(图8C至图8D)。

为了相间平衡，来自源206的成比例地更多的能量可以被供给到阵列700-PA到700-PΩ中的与其它阵列700相比在充电上相对低的任何一个或多个。将该补充能量供给到特定阵列700允许该阵列700中的那些级联模块108-1至108-N的能量输出相对于未被供给的(多个)相阵列是减少的。

例如，在应用PWM的一些示例实施例中，LCD 114可以被配置为接收针对模块108IC所耦合到的一个或多个阵列700中的每个的标准化的电压参考信号(Vrn)(来自MCD 112)，例如VrnPA到VrnPΩ。LCD114还可以从MCD 112分别接收用于针对每个阵列700的开关单元604-PA到604-PΩ的调制指数MiPA到MiPΩ。LCD 114可以利用针对直接耦合到该阵列的开关部分的调制指数调制(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用于每个开关单元604的(多个)控制信号。在其它实施例中，MCD 112可以执行调制并且将用于每个单元604的经调制的电压参考波形直接输出到模块108IC的LCD114。还在其它实施例中，所有处理和调制可以通过可以将控制信号直接输出到每个单元604的单个控制实体来发生。

这种开关可以被调制以使得来自能量源206的电力被以适当的间隔和持续时间供给到(多个)阵列700。这样的方法可以被以各种方式实现。

基于所采集的针对系统100的状态信息，诸如每个阵列中的每个能量源的当前容量(Q)和SOC，MCD 112可以确定针对每个阵列700的合计充电(例如，针对阵列的合计充电可以被确定为针对该阵列的每个模块的容量乘以SOC的和)。MCD 112可以确定是否存在平衡或非平衡的情况(例如，通过使用相对差异阈值和在此描述的其它度量)，并且相应地针对每个开关单元604-PA到604-PΩ生成调制指数MiPA到MiPΩ。

在平衡操作期间，针对每个开关单元604的Mi可以被设置在如下的值：该值引起随着时间经过相同或相似的量的净能量被由能量源206和/或能量缓冲器204供给到每个阵列700。例如，针对每个开关单元604的Mi可以相同或相似并且可以被设置在如下的水平或值：该水平或值引起模块108IC在平衡操作期间执行到一个或多个阵列700-PA到700-PΩ的能量的净放电或时间平均放电，以便以与系统100中的其它模块108相同的速率消耗模块108IC。在一些实施例中，针对每个单元604的Mi可以被设置在如下的水平或值：该水平或值在平衡操作期间不引起能量的净放电或时间平均放电(引起为零的净能量放电)。如果模块108IC具有比系统中的其它模块低的合计充电，则这可以是有用的。

当在阵列700之间出现不平衡状态时，于是可以调整系统100的调制指数，以引起朝向平衡状态收敛或者使进一步的发散最小化。例如，控制系统102可以引起模块108IC更多地向阵列700放电而与其它模块相比具有更低的充电，并且还可以引起该低的阵列700的模块108-1至108-N相对少地放电(例如，在时间平均的基础上)。与被帮助的阵列700的模块108-1至108-N相比并且还与模块108IC贡献于其它阵列的净能量的量相比由模块108IC贡献的相对净能量增加。这可以通过如下来实现：使针对向该低的阵列700进行供给的开关单元604的Mi增加，并且以将用于低的阵列的Vout维持在适当的或所要求的水平的方式减小该低的阵列700的模块108-1至108-N的调制指数，并且维持针对向其它更高的阵列进行供给的其它开关单元604的调制指数相对不改变(或使它们减小)。

图10A至图10B中的模块108IC的配置可以被单独使用以为单个系统提供相间或阵列间平衡，或者可以与一个或多个其它模块108IC组合使用，每个模块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。任何数量的模块108IC可以被以这种方式组合，每个模块与系统100的一个或多个阵列700耦合。

更进一步地，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是描绘具有通过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)供给三相电力PA、PB和PC，而子系统1000-2被相应地配置为通过系统I/O端口SIO4、SIO5和SIO06向第二负载(未示出)供给三相电力PD、PE和PF。例如，子系统1000-1和1000-2可以被配置为向EV的不同马达供给电力的不同的组，或者被配置为向不同的微电网供给电力的不同的机架。

在该实施例中，每个模块108IC与子系统1000-1的第一阵列耦合(经由IO端口1)并且与子系统1000-2的第一阵列耦合(经由IO端口2)，并且每个模块108IC可以通过I/O端口3和4与每个其它模块108IC电连接，I/O端口3和4如关于图3C的模块108C描述的那样与每个模块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并联放置，并且因此由模块108IC存储和供给的能量被通过该并联布置集中在一起。也可以使用诸如串联连接的其它布置。模块108IC被容纳在子系统1000-1的公共包封物内，然而，互连模块可以在公共包封物外部，并且作为独立实体物理地位于两个子系统1000的公共包封物之间。

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，如关于图10B描述的那样。因此，为了在子系统1000之间进行平衡(例如组间或机架间平衡)，特定的模块108IC可以向其所连接的两个阵列中的任一个或两者供给相对更多的能量(例如，模块108IC-1可以向阵列700-PA和/或阵列700-PD进行供给)。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)，并且以与在此描述的补偿同一机架或组的两个阵列之间的不平衡的相同的方式，调整IC模块的能量输出以补偿不同子系统的阵列或相之间的不平衡。因为所有三个模块108IC是并联的，所以能量可以被高效地在系统100的任何和所有阵列之间交换。在该实施例中，每个模块108IC供给两个阵列700，但是可以使用其它配置，包括单个IC模块用于系统100的所有阵列，以及具有用于每个阵列700的一个专用IC模块的配置(例如，六个IC模块用于六个阵列，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，能量源可以被并联地耦合在一起以便如在此描述的那样共享能量。

在具有在各相之间的IC模块的系统中，还可以通过如上面描述的中性点偏移(或共模注入)来执行相间平衡。这样的组合允许在更宽范围的操作条件下的更鲁棒并且灵活的平衡。系统100可以确定适当的环境，在该环境下单独以中性点偏移来执行相间平衡、单独以相间能量注入来执行相间平衡、或者同时以这两者的组合执行相间平衡。

IC模块还可以被配置为向一个或多个辅助负载301(处在与源206相同的电压)和/或一个或多个辅助负载302(处在从源302逐步降低的电压)供给电力。图10D是描绘具有被连接以执行相间平衡并且对辅助负载301和302进行供给的两个模块108IC的三相系统100A的示例实施例的框图。图10E是描绘系统100的该示例实施例的示意性图，其中重点在模块108IC-1和108IC-2上。在此，控制电路102再次被实现为LCD 114和MCD 112(未示出)。LCD114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)，并且可以将该监控数据和/或其它监控数据输出到MCD 112以用于在系统控制中使用，如在此描述的那样。每个模块108IC可以包括用于由该模块进行供给的每个负载302的开关部分602A(或关于图6C描述的602B)，并且可以控制每个开关部分602以独立地或基于来自MCD 112的控制输入由LCD 114维持用于负载302的必需的电压水平。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进行供给的开关部分602A，虽然并不要求是这样。

图10F是描绘三相系统的另一示例实施例的框图，三相系统被配置为利用模块108IC-1、108IC-2和108IC-3向一个或多个辅助负载301和302供给电力。在该实施例中，模块108IC-1和108IC-2被以与关于图10D至图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将电压或电流注入到系统100的任何阵列700中。在该实施例中，模块108IC-3可以与图3B的模块108C类似地配置，具有转换器202B、C(图6B至图6C)，具有一个或多个辅助开关部分602A，但是省略了开关部分601。像这样，模块108IC-3的一个或多个能量源206与模块108IC-1和108IC-2的那些能量源并联地互连，并且因此系统100的该实施例被配置有附加的能量，用于向辅助负载301和302进行供给，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上的充电。

每个IC模块的能量源206可以处在与系统的其它模块108-1至108-N的能量源206相同的电压和容量，虽然并不要求这样。例如，在其中一个模块108IC将能量施加到多个阵列700(图10A)以允许IC模块以与各相阵列的模块本身相同的速率放电的实施例中，相对更高的容量可能是合期望的。如果模块108IC也在对辅助负载进行供给，则那么甚至更大的容量可能是合期望的，以便准许IC模块以与其它模块相对相同的速率进行对辅助负载的供给和放电这两者。

快速充电

现在将在此关于使用脉冲预热和/或脉冲充电技术的针对能量源的快速充电技术描述示例实施例。将主要在作为电池的能量源206的情形下描述实施例，虽然实施例也可应用于其它能量源类型(例如，高能量密度电容器和燃料单元)。实施例可以被应用于对如下充电：具有单个单元的电池、具有多个单元(例如被串联、并联或以串联和并联的组合连接，有时被称为电池模块)的电池、以及具有多个电池模块(例如，被串联、并联或以串联和并联的组合连接，有时被称为电池组)的系统。

适合用于与本主题一起使用的电池类型的示例包括固态电池、基于液体电铸的电池、液相电池以及液流电池，诸如锂(Li)金属电池、锂离子电池、锂空气电池、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-空气电池以及其它。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)。

虽然不要求与能量存储系统的任何特定配置一起使用，但是在此描述的系统100的实施例可以特别是受益于与本快速充电实施例一起使用。当与系统100的实施例一起使用以对其中的能量源206充电时，每个模块108的转换器202被独立地控制以将正脉冲、零或负脉冲从电力连接110施加到源206。施加到电力连接110的AC或DC信号可以被以与在此描述的处理相反的方式反馈回源206中以用于生成来自所有模块108的所有输出脉冲的叠加。每个转换器202可以被以大于100Hz的频率进行开关以施加脉冲，例如以50％的占空比施加五毫秒(ms)或更少的脉冲。也可以使用具有不同占空比的更长或更短的脉冲持续时间。这种脉冲能力允许能量源被充电和/或加热，如在此将描述的那样。

可以使用应用脉冲宽度调制技术、滞后作用技术或努力在时间上均等地利用所有模块的另外的技术的控制系统来控制转换器202。每个模块108可以监控该模块108的(多个)能量源206的状态(例如，充电状态(SOC)、温度、电压、电流等)，并且将该监控的信息反馈给控制系统102，控制系统102可以单独地调整每个模块108的充电利用，以维持平衡或朝向所选取的要被平衡的一个或多个参数(例如，SOC和/或温度)的平衡状态收敛。

系统100的级联拓扑准许来自充电源的充电电压或充电电流被根据需要在能量源当中划分，以实现变化复杂度的充电方案。例如，电压(或电流)可以被以脉冲方式施加，其中一些源206在某些时间被充电而其它源不被充电，一般假定施加到源206(和系统的其它电荷阱)的总电压等于在时间上该时刻由充电源供给到系统100的DC或AC电压。所施加的脉冲的电压和持续时间(以及脉冲之间的停息时间的持续时间)可以基于由每个模块108(例如，监控器电路208和LCD 114)监控的那些源206的状态而变化和定时。因此，电压在模块108之间的划分允许根据需要进行模块108的源206充电和停息这两者。

实施例可以被用于以变化的粒度程度对源206充电。例如，电池模块可以被作为整体而施加脉冲，例如，一个脉冲可以被施加于构成该电池模块的所有单元。替换地，附加的开关电路(例如，除了针对转换器202示出的配置之外)可以被包括用于每个单独的单元，使得电池模块的每个单元可以被独立地施加脉冲。例如，具有N个电池模块(每个电池模块具有M个单元)的系统100可以被配置有NM(N乘以M)个转换器或开关电路。其它粒度水平是可能的，诸如对每个电池模块中的单元的群组进行脉冲充电的能力(例如，单元被划分成两个群组，每个可以被独立地充电，使得系统具有2N个转换器或开关电路)。用于各种电池模块和/或单元的开关电路的控制可以是由与系统模块108通信地耦合的控制系统102(例如，与LCD 114通信地耦合的MCD 112)执行的。

快速充电技术的示例实施例

在此提供了涉及以改进的速度对能量源进行快速或迅速的充电的示例实施例。示例实施例涉及向电池施加电压或电流脉冲以便通过局部加热来升高该电池的温度、向电池施加电压或电流脉冲以便对电池充电、向电池施加恒定(非脉冲)电压或恒定电流以便在更高温度下对电池充电、在充电时针对退化状况对电池进行监控、以及它们的任何组合。在此描述的实施例可以使得固定的和移动的能量存储系统能够被以宽范围的充电率充电，只要对于电池单元而言不超过特定的电压和温度约束。例如，实施例可以允许具有100千瓦小时(kWh)存储容量的EV在10分钟内(或更少)被从零充电到容量的80％，而在电池组的额定寿命期间不使容量实质地劣化。

图11A是描绘用于描述快速充电协议1100的多个示例实施例的框架的线图，快速充电协议110用于在小于15分钟的短时间段内将电池源206从相对低的充电状态(SOC)充电到高的SOC。图11B是应用有示例值的协议1100的实施例的线图。关于图11A至图11B(以及在此其它地方)描述的快速充电协议1100可以被应用于仅具有单个单元的电池或具有两个或更多个单元(例如，在2个和100个单元之间)的电池模块，并且可以通过外部充电源本地的充电和开关电路来实现。例如，充电器可以感测电池设备作为整体的温度(例如，表面)和电压响应，并且相应地调整预热和充电信号的施加。虽然这样的方法对于对单个单元、具有多个单元的电池模块、或者甚至作为整体的系统(例如，电池组)进行充电而言是可能的，但是该方法不允许对施加到电池模块内的各个单元和/或系统内的各个电池模块的预热和充电处理进行粒度控制。

为了提供更有粒度的控制，协议1100也可以被应用在诸如在此描述的级联模块化能量存储系统100中，其中每个模块108包括电池206，其可以仅是单个单元或可以包括两个或更多个单元(例如，在两个和100个单元之间)，并且模块108的数量可以是两个或更多(例如，在两个和1000个模块108之间)。每个模块108的转换器202可以如在此描述那样被独立地控制，使得协议1100可以由系统100的每个模块108独立地执行。例如，考虑具有12个模块108的电池组，每个模块具有包括12个单元的电池206，协议1100可以由每个模块108独立地应用，以在15分钟或更短时间内对具有12个单元的每个电池206充电，并且因此在相同或相似的时间内对整个电池组充电。因为系统100内的电池206的状况将变化，并且因为实施例可以基于来自每个电池206的反馈来调整充电速率，所以每个电池206的充电时间可以变化。在充电循环开始时，一些电池206可以处于2-3％的SOC，而其它电池处于或接近0％的SOC或在其间的某个百分比。一些电池206可以具有比其它电池高的容量，并且将要求更长的时间来达到合期望的SOC。一些电池206在充电时可能呈现出劣化迹象或者需要使充电处理减慢其它特性。

为了使得能够更详细地讨论协议1100，将讨论图12A至图12F以提供电池单元特性和结构的上下文。图12A是一般化的锂离子电池单元1200的横截面视图。单元1200包括重复的层状结构，其中每层包括阳极1201和阴极1202以及其间的分隔部1203。每个阳极1201包括散布有电解质1208并且具有位于其中的集电器1205的阳极材料1204。类似地，每个阴极1202包括散布有电解质1209并且具有位于其中的集电器1207的阴极材料1206。

图12B是描绘放大的阳极1201和阴极1202的图示以及列出可能发生在典型的锂离子电池单元内的劣化模式的示例的解释性的图。在此列出的每种劣化模式可以是直接地或间接地由向阳极和阴极施加过电压以及由在过度的温度下充电引起的。在此描述的示例实施例寻求限制过电压的施加和在过度的温度下的操作，并且因此限制这些退化模式。

图12C是电池单元1200的电气示意性模型。阳极呈现包括欧姆分量(V_ohmic)和电化学界面分量(V_{EC INTERFACE})的电压降。V_ohmic由阳极的欧姆电阻的量值(R_ohmic)确定。V_{EC INTERFACE}由被建模为与阳极双层片材电容(C_DL)并联的串联连接的组件的基于扩散的阻抗(R_Warburg)和激活阻抗(R_CT)确定。V_A是跨R_CT的基于激活的电压降，而V_Nernst是跨R_Warburg的基于扩散的电压降。阳极的总阻抗是R_ohmic、R_CT和R_Warburg的和。阴极被类似地建模，但是具有其自身的特性值。电解质还呈现由欧姆电阻(R_{ohimic electrolyte})确定的电压(V_{ohimic electrolyte})降。

图12D是描绘对施加到锂离子单元的充电脉冲1214的示例电压响应1212的线图。针对阳极和阴极的电阻(V_ohmic)电压分量、基于激活(V_A)的电压分量和基于扩散(V_Nernst)的电压分量可以是通过分析充电脉冲1214终止后的响应确定的。图12E是描绘锂离子单元上跨SOC范围的示例电压的图，并且指示可归因于阴极、阳极和单元本身的电压的分量。电压响应分析可以被用于确定阳极和阴极上的过电压的量值，并且充电脉冲的幅度和频率可以被相应地维持、增加或减少以保持在可接受的限度内。对于阳极和阴极而言可用的过电压范围随着单元上的充电状态增加而减小。可以应用在此的实施例，使得当单元在任何阶段1110、1120、1130中被充电时电流被减小。

图12F是描绘锂离子单元的示例阻抗响应1210的线图。随着充电脉冲的频率增加，阻抗响应朝向实部阻抗的纯R_ohmic部分移动，具有低的虚部分量。在更高频率下施加脉冲可以降低电压响应的激活分量。

返回参照图11A至图11B，协议1100可以具有三个阶段：预热阶段1110、第一充电阶段1120和第二充电阶段1130。用于预热的能量和施加到电池206的充电信号可以源自于系统外部的充电源(例如，电网或充电站)，并且在一些情况下可以源自内部，诸如通过第二源206B。在此，脉冲预热阶段1110可以持续设置的时间持续期间(time_0至time_1)或者直到达到第一温度阈值(temp_1)。在图11B中，应用预热阶段1110，直到电池达到30摄氏度，这发生在大约一分钟之后。

预热阶段1110涉及施加作为脉冲串或脉冲序列的预热脉冲信号1112，其中每个脉冲从充电脉冲(负电流)交替到具有相等或实质上相等的持续时间的放电脉冲(正电流)，可选地在充电和放电脉冲对的施加之间具有时间间隙。图11C至图11D是电流对于时间的图，描绘分别具有和不具有时间间隙的并且在正预热电流(+Iph)和相等但是相反的负预热电流(-Iph)之间振荡的预热脉冲序列1112的示例实施例。

预热阶段1110可以通过如下来实现局部加热：升高阳极集电器1205、阴极集电器1207和电解质1209(图12A)的温度而不激活电化学反应。在许多实施例中，预热信号1112的频率(F_preheat)符合式(1)：

(1)F_preheat>>1/(R_CT*C_DL)

预热信号1112可以处在单个频率，其中每个脉冲具有矩形或实质上矩形的形式(如在时域中可见的)。在其它实施例中，预热信号1112可以被以更复杂的方式实现，具有在1赫兹(Hz)直到1兆赫兹(Mhz)之间的频域中的多个频率分量，诸如主脉冲串和辅助脉冲。在各种实施例中，预热信号1112具有在100Hz和100千赫兹(kHz)之间的频率范围。预热信号1112的频率主要通过电解质阻抗和集电器阻抗的作用而引起电压降发生，并且因此预热信号1112的电压可能导致在相对低和相对高的充电状态这两者下超过其相对截止过电压的阴极电压和阳极电压。

预热阶段1110通过以欧姆阻抗为目标加热有源材料同时避免诸如副反应(例如，电解质的分解、有源物的分解、锂镀覆)和主电化学反应(例如，锂化)的电化学反应的激活来引起电池单元内的局部区域处的温度增加。这些反应优选地被避免，使得它们实质上不发生(在本领域普通技术人员标识的合理容限内，准许在相应的商业、研究或工业应用中延长的功能操作)。阶段1110暖化单元，直到激活阻抗和总阻抗足够小从而阳极上的过电压驱动电化学反应而不是锂镀覆。阶段1110因此准许电化学界面的迅速加热和体材料温度控制，以准许随后的充电而不引起由于副反应所致的损坏或由于阳极和阴极材料的迅速劣化(例如锂化或脱锂)所致的材料应力。

可以应用预热阶段1110，直到源206的所有单元达到最小温度阈值，只要没有一个单元超过最大温度阈值。如果单元达到最大阈值，则那么预热阶段1110可以被减慢或停止，或者协议1100可以转变到下一阶段(第一充电阶段1120或第二充电阶段1130)，如在此描述的那样。单元温度可以是利用温度传感器(例如红外线)直接地或间接地测量的(例如，单元的子组中或接近于单元处的温度)。作为替换，或与直接感测组合地，可以利用一个传感器测量用于一个或多个单元(包括所有单元)的温度(例如，多个单元的红外图像)。温度也可以是通过使用模型或参考其它间接度量(例如，电压、电流、阻抗)的查找表推断的，可选地基于从先前表征的单元采集的数据。针对该阶段和其它阶段的温度阈值优选地与电解质和有源材料位于其中的单元的内部温度相关。因此，如果测量电池单元表面温度(例如，利用热敏电阻或光学设备)，则那么基于估计、查找表或模型来针对与合期望的内部单元温度相关的表面温度设置阈值。

预热阶段1110将电池206的温度升高到第一温度阈值，在图11B的示例中，第一温度阈值是在单元表面上测量的30摄氏度(℃)。温度阈值可以取决于电池类型，并且对于锂离子电池而言可以例如在25和70摄氏度(被包括在内)之间。在其它实施例中，预热阶段1110可以持续预定的持续时间(time_0到time_1)，诸如小于一分钟、两分钟、三分钟、五分钟或其它。阶段1110的持续时间可以基于起始温度而变化，其中更低的起始温度要求相对更多的时间。当预热信号1112包括持续时间相等或实质上相等的充电脉冲和放电脉冲时，电池206的净充电在该阶段期间实质上不改变，并且保持在初始SOC或接近初始SOC。进一步地，优选地选取脉冲序列的施加频率模式，以既不引发存储反应的电化学反应也不引发副反应。用于预热脉冲信号1112的优选的频率范围在100Hz到100kHz之间。

在预热阶段1110期间施加的脉冲的充电率可以宽范围地变化，并且主要取决于在该阶段期间的单元的欧姆特性、施加的电压和热行为。在阶段1110中可以应用达到30C和更高的充电率。更进一步地，虽然可以应用阶段1110以使得不发生净充电或放电，但是在其它实施例中，充电脉冲的长度可以比放电脉冲的长度略长(例如，1～15％)，以与随后的阶段相比以相对低的速率开始对单元充电。这可以例如随着电池206朝着转变阈值温度或时间加热而朝着从预热阶段1110到第一充电阶段1120的转变发生。因此，阶段1110可以被划分成其中不发生充电的第一子阶段1114和在达到更高温度之后的随后的第二子阶段1116，其中使充电脉冲长度比放电脉冲长度长以开始充电，但是以比下面描述的脉冲充电第二阶段慢的速率进行。图11E中描绘了在两个子阶段1114和1116期间施加的预热信号1112的示例实施例。第二子阶段1116可以以固定速率(例如，更长5％的充电脉冲)引入充电，或者可以通过在时间持续期间内的递增(例如，在30秒内更长1％的充电脉冲，随后在30秒内更长2％的充电脉冲等)直到转变到第一充电阶段1120来逐步地开始充电。

阶段1110向第一充电阶段1120的转变或者替换地第一子阶段1114向第二子阶段1116的转变可以在其中脉冲充电可以以高充电率发生以用于快速充电而不引起显著的副反应(诸如锂镀覆)的情况下发生。在一些实施例中，这种情况可以使得为所意图的脉冲充电速率的平均电流乘以华宝(Warburg)阻抗(R_Warburg)不造成超过针对任一电极的过电压范围的电压。在其它实施例中，可以支配到脉冲充电的转变的这种情况可以是在对于每个电极而言R_Warburg降低到总阻抗的50％或更少、40％或更少、30％或更少、20％或更少、或10％或更少时。对于其中预热阶段1110直接转变到恒定电流充电阶段1130(没有脉冲充电阶段1120)的实施例而言，在一些示例中，转变条件可以是在对于每个电极而已激活阻抗下降到总阻抗的50％或更小、40％或更小、30％或更小、20％或更小、或10％或更小时。

第一充电阶段1120是其中脉冲充电信号被施加到电池206的脉冲充电阶段。阶段1120允许以高的充电率快速充电，具有降低的激活过电压并且其中出现减少的副反应，如在此更详细地解释的那样。图11F是描绘用于在阶段1120中使用的脉冲充电信号1122的示例实施例的电流对于时间的图。信号1122在零和+Ipc之间振荡，并且在该实施例中采用方波的形式，其中+Ipc脉冲具有持续时间1124和50％的占空比。在阶段1120期间，可以控制信号1122的幅度以维持电池206的恒定温度，或者可以进一步增加信号1122的幅度以加速存储反应的动力学，以进一步降低电化学界面上的过电压。关于预热信号1112和脉冲充电信号1122描述了电流控制脉冲，但是同样可以使用电压控制脉冲。

在阶段1110中施加的脉冲可以具有超过能量源206的截止电压(上限截止电压和下限截止电压)的电压。在一些实施例中，阶段1110脉冲可以超过截止电压的量受电解质的击穿电压限制。在阶段1120中施加的脉冲也可以具有超过能量源206的截止电压(上限截止电压和下限截止电压)的电压。在一些实施例中，阶段1120脉冲可以超过截止电压的量等于或小于脉冲充电电流乘以针对电极的激活阻抗。

施加的脉冲的最佳频率和持续时间1124取决于电池类型。在许多实施例中，脉冲充电信号1122的频率(F_pulse)符合式(2)：

(2)F_pulse>1/(R_CT*C_DL)

高于式(2)的两倍的F_pulse值实质上消除激活阻抗和激活过电压(例如，消除图12C的V_A和R_CT分量)，允许更快的充电而不超过在EC接口处的最大过电压。已经发现，对于具有石墨阳极和镍钴阴极化学性质的锂离子电池的某些实施例而言，在协议1100中可以利用两毫秒(ms)(例如在50％占空比下250Hz)的充电脉冲持续时间1124，以与在类似安培数下的恒定电流充电信号相比以更快的速率(例如，在小于15分钟内0～75％充电)对电池206充电，而没有随着时间经过(例如，在其中电池206从低充电或未充电循环到标称SOC水平的多个充电循环的过程中)的实质的容量劣化。与在类似安培数下的恒定电流充电信号相比，5ms或更短的充电脉冲持续时间1124可以以快的速率对电池206充电，具有在随着时间经过的容量保持方面的显著的改进。在此描述的示例实施例可以是以对于电池类型而言可操作的任何充电脉冲持续时间1124来应用的。实施例包括5ms或更短、4ms或更短、3ms或更短、2ms或更短以及1ms或更短的用于锂离子电池的充电脉冲持续时间。持续时间可以如0.05ms或0.1ms那么短。数据是在50％占空比下采集的，但是脉冲可以是以各种不同的占空比施加的，诸如25～75％、40～60％和45～55％。在实施例中，以10.67C的脉冲充电率施加脉冲，以在九分钟内充电80％，这造成针对给定50％占空比的第二阶段的5.33C的时间平均充电率(10.67C/2)。

取决于占空比，时间平均充电率可以更大或更小以满足合期望的目标(例如，在近似九分钟内80％SOC)。充电率本身的大小不是约束，因为所施加的充电率不超过在此描述的电压和温度约束，也不超过电池单元的化学和物理约束，以及被充电的系统和充电器的电气和物理约束。因此，用于第二阶段的时间平均充电率可以跨各实施例而显著地变化。在一个示例中，用于脉冲充电阶段1120的时间平均充电率是从4C到8C，虽然本主题并不被限制于如此。对于协议1100而言，30C和更高的时间平均充电率是在本主题的范围内的。

脉冲信号1122可以是以一定的电流幅度施加的，使得每个电池单元呈现大于单元的开路电压但是小于阳极电极和阴极电极上的电化学界面电压的上限截止电压(欧姆过电压除外)的电压响应。在各种实施例中，施加脉冲以使得每个单元不超过单独阳极的过电压范围、单独阴极的过电压范围、或阳极和阴极一起的过电压范围。作为降低的激活过电压的结果，脉冲充电可以在相同的(更低的)温度范围内将单元电压驱动到比恒定电流充电高的电压。

阶段1120的最佳持续时间取决于电池类型，并且更长的脉冲充电阶段可以被用于具有更多激活或在更高温度下持续的激活的化学性质。脉冲充电阶段1120可以继续，直到激活阻抗减小到总的初始阻抗(例如，阶段1120开始时的阻抗)的50％或更小。在其它实施例中，阶段1120可以继续，直到激活阻抗减小到总阻抗的40％或以下、30％或以下、20％或以下、或10％或以下。其它约束也可以决定阶段1120何时结束，诸如电池温度和截止电压。

返回参照图11A和图11B，第一充电阶段1120可以在预定的时间持续期间内(例如，time_1到time_2)继续，直到达到SOC或容量阈值(例如，SOC_1)，直到达到温度阈值(例如，temp_2)，或者它们的任何组合(例如，当达到时间、SOC或温度阈值时结束)。阶段1120旨在用于在相对更低的温度下充电，其中脉冲的益处占主导，但是并不限制于此。例如，阶段1120还可以被设计成进一步将温度增加到适合于转变到第二充电阶段1130的温度，以施加恒定电流充电来充电到更高的充电状态。

在图11B的实施例中，当电池206的温度近似为50℃时，阶段1120结束。在其它实施例中，例如，温度阈值(temp_2)可以大于30℃，诸如在30和60℃之间，或者在40和55℃之间。基于电池化学性质，在这些范围之外的阈值是可能的。在图11B的实施例中，当电池SOC达到近似55％时，达到结束阶段1120的温度阈值。在使用SOC阈值的实施例中，该阈值可以在30％和80％之间、在40％和70％之间、或者在50％和60％之间。在图11B的实施例中，第二阶段在近似五分钟的持续时间之后结束。在其它实施例中，例如，持续时间可以大于一分钟，诸如在一分钟和九分钟之间、在两分钟和八分钟之间、在三分钟和七分钟之间、或者在五分钟和七分钟之间。

第二充电阶段1130是恒定电流充电阶段，其中恒定电流信号被施加到电池206而没有脉冲。阶段1130旨在用于在电化学界面处的相对更高的温度，在电化学界面处，基于激活和扩散的阻抗减小(例如，图12C的V_A、R_CT、V_Nernst和R_Warburg分量)，并且因此脉冲充电的益处减小。减小的激活和扩散阻抗使得能够在更高的速率下以及在更高的SOC下进行恒定电流充电，而不超过最大过电压。阶段1130可以在第一充电阶段1120完成之后开始，并且可以继续直到电池206被完全充电或被显著地充电(>50％)。当每个单元的开路电压升高时，充电脉冲的幅度优选地被控制以便不超过每个单元的上限截止电压。

恒定电流可以是以相对高的时间平均充电率(诸如4C-8C(或更高))施加的。在恒定电流的情况下，在施加电流时，在时间平均充电率和实际充电率之间一般将不存在差异，但是在一些情况下，电流上的微小变化可能使时间平均充电率成为更相关的度量。

在一些实施例中，在第二充电阶段1130期间，恒定电流充电信号的幅度可以随着充电处理进行而变化。例如，在一些实施例中，恒定电流充电信号1132的幅度可以以相对高的充电率开始阶段1130，然后随着充电处理进行而逐步转变到更低的充电率值，以便避免随着SOC增加而超过过电压范围(参见图12E)。在恒定电流充电之间可以出现相对短暂的暂停或停息时段，以允许使电池电压稳定。图13A是描绘阶段1130中用于恒定电流充电信号1132的示例水平的图，其中在第一子阶段1133期间，在第一持续时间T1(例如，60-120秒)内以第一充电率(例如，6C-8C)施加信号1132，随后是相对更短的暂停时段(例如，5-15秒)，其中没有信号被施加，然后在第二子阶段1134期间，第二持续时间T2(例如，90-150秒)内以相对更低的第二充电率(例如，4C-6C)施加信号1132，随后再次是相对更短的暂停时段(例如，5-15秒)，其中没有信号被施加，然后在第三子阶段1135期间，在第三持续时间T3(例如，90-150秒)内以仍然更少的第三充电率(例如，2C-4C)施加信号1132，随后再次是相对更短的暂停时段(例如，5-15秒)，其中没有信号被施加，然后在第四子阶段1136期间，在第四持续时间T4(例如，4-8分钟)内以仍然更少的第四充电率(例如，1C-2C)施加信号1132，以完成充电协议实施例1100。在每个子阶段1133-1136期间施加信号1132的持续时间T1-T4可以是恒定的，或者可以是可变的，其中一旦电池(或单元)电压达到为避免进入过电压状况而选择的阈值，信号1132就停止。在此证明的示例充电率和持续时间仅仅是示例而不是限制，因为实施例在这些范围之外是可行的。阶段1130可以是利用单个恒定电流速率执行的，或者是利用任何数量的两个或更多个子阶段(例如，1133-1136)——其中恒定电流速率被迭代地降低——执行的。

图13B是协议1100的另一示例实施例的图，其中第二充电阶段1130被施加有在逐步减小的幅度下的恒定电流信号，如关于图13A所描述的。每个子阶段1133-1136可以在出现时间阈值、温度阈值、SOC阈值、电压阈值和/或其任何组合时终止并且转变到下一子阶段。

不要求协议1100执行所有三个阶段1110、1120和1130。在一些实施例中，第一充电阶段1120可以被省略，并且协议1100可以立即从脉冲预热阶段1110进行到恒定电流充电阶段1130。在其它实施例中，第二充电阶段1130可以被省略，并且协议1100可以立即从脉冲预热阶段1110进行到第一充电阶段1120，并且随后结束。还在其它实施例中，例如在其中电池206已经被充分加热的情况下，可以省略脉冲预热阶段1110。关于图19B至图19G描述了具有协议1100的这些和其它变化的示例实施例。

协议1100还包括监控每个电池206以用于指示可能的退化状况。可以在阶段1110、1120和1130中的任何和所有阶段期间执行的该监控可以包括电压和/或阻抗响应分析和/或监控已经发生锂镀覆的指示。例如，可以利用电压和阻抗响应分析来监控每个电池206的电压和阻抗，以检测加速或减速的副反应的指示(例如，参见图12F)。对副反应的检测可以被用于修改充电信号的特性，例如，充电信号的电压可以被减小以使副反应减速，充电脉冲的持续时间可以被减小以使副反应减速，并且充电脉冲的施加频率可以被减小以使副反应减速，或者如果确定为副反应的速率足够低以准许更快的充电，则可以执行相反的操作。电压和阻抗分析可以在所有三个阶段(1110、1120、1130)期间、仅在预热阶段1110期间、仅在第一充电阶段1120期间、仅在第二充电阶段1130期间、或其任何组合期间执行。

图14是描绘监控已经发生锂镀覆的指示的示例实施例1400的一系列的线图。在该实施例中，信号1402被施加到电池206，其中信号1402包括充电脉冲，随后紧接的是相等或实质上相等的持续时间的放电脉冲，如在线图1401中在顶部处示出那样。在脉冲的施加之间可以存在小的时间间隙。在此，针对其中没有发生锂镀覆的示例1408示出第一充电脉冲1404和随后的放电脉冲1405，并且针对其中发生了锂镀覆的示例1409示出第二充电脉冲1406和第二放电脉冲1407。

如在中间线图1410中示出那样，可以监控电池206对信号1402的电压响应。对于其中没有发生锂镀覆的示例而言，在左边示出正常的电压响应1412，并且在右边示出指示已经发生锂镀覆的电压响应1414，具体地，镀覆的锂已经剥离的指示。如果发生了锂镀覆事件，则那么这在对放电脉冲1406的电压响应1414的部分中变得明显，典型地为在以一般地恒定的幅度施加放电脉冲时从一个电压到另一个电压的响应1414中的相对迅速的转变。电压响应1414中的这种迅速转变指示镀覆的锂随后剥离。因此，响应是通过锂的剥离生成的，并且因此指示在施加放电脉冲1407之前已经发生锂镀覆。

镀覆可以是直接从电压响应检测的或者是从如在底部的线图1420中描绘的电压响应的导数1422检测的。电压响应的导数在其中电压响应经历相对显著的非线性转变的时间(诸如其中电流脉冲被引发和终止1424的时间，以及还有其中如由1426示出那样发生锂剥离事件的时间)时产生转变(例如，峰值或尖峰，正的或者负的)。在一些实施例中，仅监控关于放电脉冲的电压响应或其导数。如果检测到锂镀覆，则那么可以如上面关于阻抗监控描述的那样修改充电信号的特性。锂镀覆检测1400可以是在所有三个阶段期间、仅在预热阶段1110期间、仅在第一充电阶段1120期间、仅在第二充电阶段1130期间、或其任何组合间歇地执行的。例如，可以每5秒、每10秒、每20秒或者以任何其它合期望的间隔执行监控例程1400。例程1400可以包括施加一对脉冲(例如，1404和1405)或多对脉冲。脉冲长度可以在从0.1ms到10秒的范围内，优选地在100ms或更小的量级上，以便最小程度地影响例程1400的充电时间。

图15A是比较脉冲充电和恒定电流充电对额定用于在功率应用中(诸如在常规EV汽车电池组中)使用的一对锂离子电池单元的影响的实验数据的线图。数据1502指示来自以1C速率利用恒定电流充电的单元的结果，并且数据1504指示来自以与针对脉冲充电阶段1120描述的方式类似的方式进行脉冲充电的单元的结果。图15A将以毫安小时(mAh)为单位的容量与循环时间比较，循环时间是在重复的循环中对单元进行测试的累积时间的度量。恒定电流充电循环是通过如下形成的：施加1C恒定电流充电至近似2.95Ah的完整额定容量的大约2.5Ah，随后以1C速率放电至零，并且然后重复该循环。脉冲循环是通过如下形成的：在一小时内施加在50％占空比下具有2ms持续时间的1C脉冲，随后以1C速率放电一小时，并且然后重复该循环。在25℃下采集实验数据，并且循环被运行近似280小时。图15A示出在每个循环中脉冲充电的单元获得比恒定电流充电的单元平均大10％的容量，并且对于这两者而言循环寿命以近似相同的速率劣化。

图15B示出与图15A中相同的数据，但是采用标准化的形式，其中容量被示出为所实现的初始容量的百分比。这再次示出与恒定电流数据1512相比在针对脉冲充电单元数据1514的循环寿命上的几乎相同的减少。因此，图15A至图15B的数据指示与恒定电流单元相比脉冲充电不引起增加的循环寿命劣化。脉冲充电降低了激活阻抗，并且可以造成改进的容量。如果调整条件以将单元脉冲充电至与恒定电流单元实现的相同的更低的容量，则那么与恒定电流充电单元相比针对脉冲充电单元的循环寿命将被改进。

图16A是比较快速充电协议1100与恒定电流充电对额定用于在功率应用中(诸如在常规EV汽车电池组中)使用的一对锂离子电池单元的影响的实验数据的线图。协议1100是利用预热阶段1110、第一充电阶段1120和第二充电阶段1130来执行的，并且然后被冷却和放电以形成一个循环。在两个电池单元上连续地并且独立地重复该循环。图16C是容量对于时间的图，并且图16D是电压对于时间的图，这两者示出从对电池单元执行协议1100的一个示例循环采集的数据。协议1100的这个示例实施例包括净零充电脉冲预热阶段1110，其将单元温度从近似20摄氏度升高到近似35摄氏度。这之后是3分钟的脉冲充电阶段1120，其中施加5C和50％占空比下的2ms脉冲。这进而接着是恒定电流充电阶段1130，其具有：在90秒内以7C速率进行的第一子阶段1133，接着是10秒的停息时段；在120秒内以5C速率进行的第二子阶段1134，接着是10秒的停息时段；在120秒内以3.3C速率进行的第三子阶段1135，接着是10秒的停息时段；以及在6分钟内以1.8C速率进行的第四子阶段1136。脉冲充电阶段1120和子阶段1133-1136也经受单元电压限制(对于阶段1120而言为4.25V，对于子阶段1133-1136而言为4.2V)。协议1100的该示例在少于13分钟内实现大于75％的标称容量。在充电之后，执行近似60秒的相对更长的停息时段以允许电池单元冷却，之后以一定速率对单元放电在从协议1100开始起的一小时期满时实现零容量。

返回参见图16A，数据1602指示来自被以3.2C速率利用恒定电流充电的单元的结果，并且数据1604指示来自利用如关于图16B至图16C描述的协议1100充电的单元的结果。图16A将容量(mAh)与循环时间比较，循环时间是在重复的循环中对单元进行测试的累积时间的度量。通过如下来形成针对数据1602的恒定电流充电循环：在13分钟内施加3.2C恒定电流，然后以一定速率放电以在从开始起一小时之后实现完全放电，使得完整的恒定电流循环持续一小时，然后连续地重复循环。循环运行近似200小时。图16B示出与图16A中相同的数据，但是采用标准化形式，其中容量被示出为所实现的初始容量的百分比。

图16A至图16B示出在标准的恒定电流快速充电数据1602的情况下出现的迅速容量衰减。这种迅速容量衰减是通过由恒定电流充电在单元中引发的高阻抗增长而引起的。相反，快速充电协议1100避免了这种阻抗增长，并且使得能够实质地改进容量保持(类似于图15A至图15B的1C基线速率)，同时在少于13分钟内实现75％的标称容量。协议1100的参数的还进一步的细化可以导致甚至更快的10分钟或更短的充电时间以达到相同或相似的容量。

用于采集图15A至图15B的数据的电池单元经受慢充电循环特征分析，并且结果被呈现在图17A至图17B的电压对于容量的线图中。图17A描绘用于1C恒定电流充电单元的数据，其中特征曲线1702是在关于图15A至图15B描述的测试之前在寿命开始(BOL)时取得的，并且特征曲线1704是在测试完成之后在寿命结束(EOL)时取得的。曲线1702和1704的比较指示恒定电流单元经历了近似15％的不可逆容量损失。图17B描绘用于1C脉冲充电单元的数据，其中特征曲线1712是在关于图15A至图15B描述的测试之前在寿命开始(BOL)时取得的，并且特征曲线1714是在测试完成之后在寿命结束(EOL)时取得的。曲线1712和1714的比较指示脉冲充电单元也经历了近似15％的不可逆容量损失。因此，在EOL时，与(BOL)相比，脉冲充电单元具有与恒定电流单元相似的不可逆容量损失。循环寿命也是相当的。因此脉冲充电不显著地使单元劣化，也不引起迅速的阻抗增长。

图18A是用于在EOL时恒定电流充电单元和脉冲充电单元的虚部阻抗分量和实部阻抗分量的线图。数据1802对应于恒定电流充电单元，并且数据1804对应于脉冲充电单元。两对单元呈现实质上相同的阻抗特性，其中脉冲充电单元仅示出比它们的阻抗略微更高的欧姆和激活分量。这可能是由于SEI层的建立和由于高于最佳温度所致的所得到的阻抗增长，这可以被通过进一步细化协议1100的参数而允许更大的温度控制来减轻。

图18B是单元电压对于时间的线图，其描绘针对暴露于恒定电流充电(1812)、具有10ms脉冲持续时间的脉冲充电(1814)和具有2ms脉冲持续时间的脉冲充电(1816)的锂离子单元采集的实验数据。以恒定电流或脉冲充电进行充电，随后是停息，允许快速进行欧姆/激活对比扩散贡献的测量。在下面的表1中对测量进行了总结。这些发现呈现出脉冲充电1816降低激活阻抗和激活过电压，同时保持类似的扩散过电势。

充电	频率	欧姆阻抗	激活阻抗	欧姆过电压	激活过电压
						恒定电流	0Hz	20.7mOhm	7.8mOhm	36mV@1.75A	14mV@1.75A
10ms脉冲	50Hz	20.7mOhm	7.2mOhm	72mV@3.5A	26mV@3.5A
						2ms脉冲	250Hz	20.7mOhm	1.2mOhm	72mV@3.5A	5.6mV@3.5A

表1

图19A至图19G是描绘用于各种电池类型的快速充电协议1100的实现的示例实施例的框图。在这些图中，单元温度一般随着时间而增加。图19A描绘根据图11A至图11B的实施例实现的协议1100-1，其中首先执行脉冲预热阶段1110，随后是脉冲充电阶段1120，并且以相对更高的温度恒定电流(CC)充电阶段1130结束。协议1100-1可以例如在NMC或NCA电池单元的情况下使用。

图19B描绘协议1100-2，其首先执行脉冲预热阶段1110，随后是脉冲充电阶段1120，其中省略了恒定电流充电阶段1130的。通过示例的方式，该实施例可以适用于如下的电池类型：与NMC或NCA电池单元相比，该电池类型具有在可接受的充电温度下具有相对更高的激活但是相对更低的扩散的化学性质。

图19C描绘协议1100-3，其仅具有脉冲充电阶段1120而其中省略了预热阶段1110和恒定电流充电阶段1130。通过示例的方式，该实施例可以适用于如下的电池类型：与NMC或NCA电池单元相比，该电池类型具有在可接受的充电温度下具有相对更高的激活的化学性质。

图19D描绘协议1100-4，其具有脉冲充电阶段1120，随后是恒定电流充电阶段1130，但是其中省略了预热阶段1110。通过示例的方式，该实施例可以适用于如下的电池类型：与NMC或NCA电池单元相比，该电池类型具有在高充电状态下具有相对更低的激活的化学性质，这使得能够在那些高充电状态下进行恒定电流充电。

图19E描绘协议1100-5，其具有脉冲预热阶段1110和紧随其后的恒定电流充电阶段1130。省略了脉冲充电阶段1120。通过示例的方式，该实施例可以适用于如下的电池类型：与NMC或NCA电池单元相比，该电池类型具有在可接受的充电温度下具有相对更低的激活的化学性质。

图19F描绘与1100-5类似的协议1100-6，其具有第一预热阶段1110-1和恒定电流阶段1130-1，但是协议1100-6利用第二脉冲预热阶段1110-2和第二恒定电流充电阶段1130-2重复该模式。通过示例的方式，该实施例可以适用于如下的电池类型：与NMC或NCA电池单元相比，该电池类型具有在可接受的充电温度下具有相对更低的激活的化学性质，并且是跨两个分离的温度模式执行。

图19G描绘协议1100-7，其具有脉冲预热阶段1110，紧接着是第一恒定电流充电阶段1130-1，然后接着是脉冲充电阶段1120和第二恒定电流充电阶段1130-2。通过示例的方式，该实施例可以适用于如下的电池类型：与NMC或NCA电池单元相比，该电池类型具有在中等范围的充电状态下具有相对更高的激活的化学性质。

关于图19A至图19G以及在此在其它地方描述的协议实施例可以是针对被充电的系统中的每个能量源独立地执行的。可以针对每个源采集关于每个源的状况的信息(例如SOC、温度、电压响应、阻抗响应、锂镀覆的指示等)，并且将其传送到控制系统(例如102)，以使得能够进行对协议1100的应用和到每个模块或源的电力连接(例如110)中的电力分布的协调的系统宽度上的管理。例如，具有N个不同模块108(每个模块108具有能量源206)的阵列的模块化能量系统100可以在N个模块108中的每个处独立地执行图19A的协议1100-1。控制系统102(例如MCD 112)可以作出每个源206何时达到转变条件(例如从阶段1110、1120到阶段1120、1130，或者在子阶段1114、1116、1133之间)的决定并且可以发出适当的指令，使得模块108转变到针对其中的每个源206的下一阶段(例如通过MCD 112指令LCD 114修改到转换器202的开关信号以生成与预热脉冲串相对的充电脉冲(或恒定电流))。第一群组的一个或多个模块108可能已经满足用于从脉冲预热阶段1110转变到脉冲充电阶段1120的条件(例如，在最小温度下等)，而第二群组的一个或多个不同模块108可能尚未满足条件。因此，系统100可以利用控制系统102控制和划分电力的施加(例如在MCD 112的指导下)，使得第一群组的一个或多个模块108处于脉冲充电阶段1120，同时第二群组的一个或多个不同的模块108保持处于脉冲预热阶段1110。当第二群组的每个模块108独立地达到转变条件时，该模块108可以与第一群组的模块108一起进入脉冲预热阶段。类似地，当处于脉冲充电阶段1120中的每个模块108独立地达到转变到恒定电流充电阶段1130的条件时，该模块108可以从阶段1120转变到阶段1130。在一些示例中，所有不同的阶段1110、1120和1130可以是在同一系统内的不同能量源上同时地执行的。这同样适用于在系统内的源上执行协议子阶段(例如1114、1116和1133-1136)，使得可以同时地在不同的源上执行不同的子阶段。

图20是描绘可以被配置为应用在此描述的协议1100的应用的示例实施例的框图。在此，充电源150被示出在底部的行中，并且被充电的能量源配置被示出在顶部的行中。在示例配置2010中，充电源150-1被配置为DC充电器，其具有开关电路以准许DC充电电压被脉冲化以用于执行脉冲预热。充电源150-1被用于对常规的电传动系2012(诸如常规的电动载具的串联连接的电池组)充电。在示例配置2020中，充电源150-2被配置为DC充电器并且被用于对配置有开关电路的常规传动系2014充电，以准许所接收的DC充电电压被脉冲化以用于在输入到电池能量存储之前预热和/或充电。在示例配置2030中，充电源150-3被根据关于图1A至图10F描述的系统100的实施例配置，并且向常规的传动系2012供给脉冲的DC或AC电压。在示例配置2040中，充电源150-4被配置为DC充电器，其被用于将DC充电电压供给到根据关于图1A至图10F描述的实施例配置的能量系统100。在示例配置2050中，充电源150-5被配置为AC充电器，其被用于将AC充电电压供给到根据关于图1A至图10F描述的实施例配置的能量系统100。在示例配置2060中，充电源150-3(类似于配置2030的充电源)被用于将DC或AC电压供给到根据关于图1A至图10F描述的实施例配置的能量系统100，在此情况下充电源或系统100可以供给脉冲能力。

虽然不限制于此，但是配置2010、2020和2030可以特别适合于相对更低的电压应用(例如，10瓦时至20千瓦时(kWh))，而配置2040和2050可以特别适合于相对更高(中等)的电压应用(例如，20kWh至100kWh)，并且配置2060可以特别适合于相对更高的电压应用(例如，100kWh和更大)。

涉及脉冲充电的所有前面提到的实施例可以是根据如在此描述的脉冲宽度调制控制方案或基于滞后作用的控制方案实现的，其中在可适用的情况下实现关于脉冲长度的附加约束以便不违反在此描述的某些实施例的脉冲持续时间条件。

涉及快速充电的所有前面提到的实施例同样也可以被用于以快速方式对系统放电。

在此描述的所有实施例中，特定系统的每个模块的主能量源可以具有相同的电压(标准工作电压或标称电压)。这样的配置简化了系统的管理和构造。主能量源和第二能量源也可以具有相同的电压(标准的或标称的)。可以实现其它配置，诸如其中同一系统的不同模块的主能量源具有不同的电压(标准的或标称的)的那些配置，以及其中模块的主能量源和辅助能量源具有不同的电压(标准的或标称的)的那些配置。还可以实现其它配置，其中系统的模块的主能量源具有不同化学性质的主能量源电池，或者其中系统的模块具有第一化学性质的主能量源电池和第二化学性质的辅助能量源电池。彼此不同的模块可以基于系统中的放置(例如，相阵列内的模块不同于(多个)IC模块)。

本主题的各种方面是鉴于至此描述的实施例的回顾和/或对至此描述的实施例的补充而在下面阐述的，其中在此强调以下实施例的相互关系和可互换性。换句话说，重点在于如下事实：实施例的每个特征可以与每个以及每一其它特征组合，除非明确地声明或以其它方式被教导。

在许多实施例中，提供了一种用于对能量源充电的方法，方法包括：将包括交替的充电和放电能量脉冲的序列的预热信号施加到能量源，使得能量源的温度增加；并且然后将充电信号施加到能量源，使得能量源的充电增加。

在一些实施例中，施加预热信号直到能量源达到第一温度，并且在能量源达到第一温度之后施加充电信号。

在一些实施例中，在第一时间持续期间内施加预热信号，并且在第一时间持续期间之后施加充电信号。

在一些实施例中，预热信号具有一定频率以使得在能量源中不发生电化学存储反应或副反应的频率。

在一些实施例中，能量源是锂离子电池，并且预热信号具有大于一千赫兹的频率。

在一些实施例中，预热信号具有一定频率以使得避免能量源的主存储反应和副反应的电化学电荷转移。在方法中电化学电荷转移可以被能量源的电极到能量源的电解质的界面电容旁路。

在一些实施例中，充电信号包括多个充电脉冲。在方法中多个充电脉冲可以具有小于或等于十毫秒、小于或等于五毫秒、或者小于或等于两毫秒的脉冲持续时间。在方法中能量源可以具有开路电压和上限截止电压，并且其中多个充电脉冲可以处在开路电压和上限截止电压之间的电压。

在一些实施例中，充电信号是包括多个脉冲的第一充电信号，方法可以进一步包括：在施加第一充电信号之后，向能量源施加第二充电信号，其中第二充电信号可以是恒定电流充电信号。在方法中可以施加预热信号直到能量源达到第一温度，可以施加第一充电信号直到能量源达到第二温度，并且可以在能量源达到第二温度之后施加第二充电信号。在方法中第一温度可以是25摄氏度或更高，或者在25摄氏度和40摄氏度之间。在方法中第二温度可以是45摄氏度或更高，或者在45摄氏度和55摄氏度之间。在方法中可以施加第一充电信号直到能量源达到第一充电状态，并且可以在能量源达到第一充电状态之后施加第二充电信号。在方法中可以施加第二充电信号，直到能量源达到95％或更高的充电状态。在方法中在施加第一充电信号的第一时间时能量源可以具有5％或更小的充电状态，其中在施加第二充电信号之后的第二时间时能量源可以具有75％或更大的充电状态，并且其中第一时间和第二时间之间的差可以是十分钟或更小。在方法中在施加第一充电信号之前可以在两分钟或更短时间内施加预热信号。

在一些实施例中，能量源是包括锂的电池，方法可以进一步包括针对锂镀覆对能量源进行监控。其中针对锂镀覆对能量源进行监控的方法可以包括确定能量源对随后接有放电脉冲的充电脉冲的施加的电压响应是否包括锂剥离标志。其中针对锂镀覆对能量源进行监控的方法可以包括：将随后紧接有放电脉冲的充电脉冲施加到能量源；执行对于至少放电脉冲的电压响应的求导；以及确定导数是否包括锂剥离标志。其中针对锂镀覆对能量源进行监控的方法可以是在其中施加充电信号的能量源的充电阶段期间间歇地执行的。

在一些实施例中，方法可以进一步包括监控能量源的阻抗以用于指示劣化。方法可以进一步包括响应于所监控的阻抗来调整充电信号的施加。其中监控能量源的阻抗的方法可以是在其中施加充电信号的能量源的充电阶段期间间歇地执行的。

在一些实施例中，能量源是电池单元。

在一些实施例中，能量源是包括多个电池单元的电池模块。

在一些实施例中，充电信号包括多个充电脉冲，并且当能量源的电极的华宝阻抗为电极的总阻抗的20％或更小时，停止预热信号的施加并且开始充电信号的施加。

在一些实施例中，充电信号包括多个充电脉冲，并且当能量源的电极的华宝阻抗为电极的总阻抗的10％或更小时，停止预热信号的施加并且开始充电信号的施加。

在一些实施例中，充电信号包括多个充电脉冲，并且当电极的华宝阻抗乘以充电信号的平均电流小于电极的可用的过电压时，停止预热信号的施加并且开始充电信号的施加。

在一些实施例中，充电信号是恒定电流充电信号，并且当能量源的电极的激活阻抗是电极的总阻抗的20％或更小时，停止预热信号的施加并且开始充电信号的施加。

在一些实施例中，充电信号是恒定电流充电信号，并且当能量源的电极的激活阻抗是电极的总阻抗的10％或更小时，停止预热信号的施加并且开始充电信号的施加。

在一些实施例中，当能量源的电极的激活阻抗是电极的总阻抗的50％或更小时，停止第一充电信号的施加并且开始第二充电信号的施加。

在一些实施例中，当能量源的电极的激活阻抗是电极的总阻抗的20％或更小时，停止第一充电信号的施加并且开始第二充电信号的施加。

在一些实施例中，当能量源的电极的激活阻抗是电极的总阻抗的10％或更小时，停止第一充电信号的施加并且开始第二充电信号的施加。

在一些实施例中，脉冲预热信号是以大于能量源的上限截止电压和下限截止电压的电压施加的。

在一些实施例中，充电信号包括处在大于能量源的截止电压的峰值电压的多个充电脉冲。

在许多实施例中，提供了一种被配置为对能量源进行充电的系统，系统包括：控制系统，其被配置为：(a)控制开关电路以向能量源施加预热信号，使得能量源的温度增加直到能量源满足一定条件，其中预热信号包括交替的充电和放电能量脉冲的序列；以及(b)在能量源满足条件之后控制开关电路以将充电信号施加到能量源。

在一些实施例中，控制系统包括与存储器通信地耦合的处理电路，其中存储器存储指令，当由处理电路执行指令时，所述指令引起控制系统执行步骤(a)和(b)。

在一些实施例中，控制系统被进一步配置为检测能量源何时满足条件或接收能量源满足条件的指示。

在一些实施例中，条件是温度条件，控制系统被配置为控制开关电路以施加预热信号直到能量源达到第一温度，并且在能量源达到第一温度之后施加充电信号。

在一些实施例中，控制系统被配置为控制开关电路以在第一时间持续期间内施加预热信号，并且在第一时间持续期间之后施加充电信号。

在一些实施例中，预热信号具有被配置为防止在能量源中发生电化学存储反应和副反应的频率。

在一些实施例中，预热信号具有被配置为避免能量源的主存储反应和副反应的电化学电荷转移的频率。

在一些实施例中，充电信号包括多个充电脉冲。

在一些实施例中，多个充电脉冲具有小于或等于十毫秒的脉冲持续时间。在系统中多个充电脉冲可以具有小于或等于五毫秒或者小于或等于两毫秒的脉冲持续时间。在系统中能量源可以具有开路电压和上限截止电压，并且其中多个充电脉冲处在开路电压和上限截止电压之间的电压处。

在一些实施例中，充电信号是包括多个脉冲的第一充电信号，并且其中控制系统被配置为控制开关电路以在施加第一充电信号之后向能量源施加第二充电信号，其中第二充电信号是恒定电流充电信号。在系统中控制系统可以被配置为控制开关电路以施加预热信号直到能量源达到第一温度，施加第一充电信号直到能量源达到第二温度，以及在能量源达到第二温度之后施加第二充电信号。在系统中第一温度可以是25摄氏度或更高，或者在25摄氏度和40摄氏度之间。在系统中第二温度可以是45摄氏度或更高，或者在45摄氏度和55摄氏度之间。在系统中控制系统被配置为控制开关电路以施加第一充电信号直到能量源达到第一充电状态，并且在能量源达到第一充电状态之后施加第二充电信号。在系统中控制系统可以被配置为控制开关电路以施加第二充电信号直到能量源达到95％或更高的充电状态。

在一些实施例中，能量源是包括锂的电池，并且其中控制系统被配置为针对锂镀覆对能量源进行监控。在系统中控制系统可以被配置为确定能量源对随后接有放电脉冲的充电脉冲的施加的电压响应是否包括锂剥离标志。

在一些实施例中，控制系统被配置为：控制开关电路以向能量源施加充电脉冲，紧接的是放电脉冲；执行对于至少放电脉冲的电压响应的求导；以及确定导数是否包括锂剥离标志。在系统中控制系统可以被配置为在其中施加充电信号的能量源的充电阶段期间间歇地针对锂镀覆对能量源进行监控。

在一些实施例中，控制系统被配置为监控能量源的阻抗以用于指示劣化。在系统中控制系统可以被配置为控制开关电路以响应于所监控的阻抗来调整充电信号的施加。在系统中控制系统可以被配置为在其中施加充电信号的能量源的充电阶段期间间歇地监控能量源的阻抗。

在一些实施例中，能量源是电池单元。

在一些实施例中，能量源是包括多个电池单元的电池模块。

在许多实施例中，提供了一种对能量存储系统内的多个能量源充电的方法，其中能量存储系统包括以级联方式连接在一起的多个模块，多个模块中的每个包括能量源和开关电路，其中能量存储系统被配置为利用由多个模块生成的输出信号的叠加来生成AC电力，方法包括：通过每个模块的开关电路将包括交替的充电和放电能量脉冲的序列的预热信号施加到每个模块的能量源，使得每个模块的能量源的温度增加；并且然后通过每个模块的开关电路将充电信号施加到每个模块的能量源。

在一些实施例中，能量源包括多个单元，并且施加预热信号直到所有单元达到第一最小温度或直到至少一个单元达到最大温度。

在一些实施例中，充电信号包括多个充电脉冲。在方法中多个充电脉冲可以具有小于或等于十毫秒、小于或等于五毫秒、或者小于或等于两毫秒的脉冲持续时间。在方法中每个模块的能量源可以具有开路电压和上限截止电压，并且其中多个充电脉冲处在开路电压和上限截止电压之间的电压处。

在一些实施例中，充电信号是包括多个充电脉冲的第一充电信号，方法可以进一步包括：在施加第一充电信号之后，通过每个模块的开关电路将第二充电信号施加到每个模块的能量源，其中第二充电信号是恒定电流充电信号。在方法中可以施加预热信号直到能量源达到第一温度，可以施加第一充电信号直到能量源达到第二温度，并且可以在能量源达到第二温度之后施加第二充电信号。在方法中第一温度可以是25摄氏度或更高，或者在25摄氏度和40摄氏度之间。在方法中第二温度可以是41摄氏度或更高，或者在41摄氏度和60摄氏度之间。在方法中可以施加第一充电信号直到能量源达到第一充电状态，并且可以在能量源达到第一充电状态之后施加第二充电信号。在方法中可以施加第二充电信号直到能量源达到95％或更高的充电状态。在方法中在施加第一充电信号的第一时间时能量源可以具有5％或更小的充电状态，其中在施加第二充电信号之后的第二时间时能量源可以具有75％或更大的充电状态，并且其中第一时间和第二时间之间的差可以是十分钟或更小。在方法中在施加第一充电信号之前可以在两分钟或更短时间内施加预热信号。

在一些实施例中，每个模块的能量源是包括锂的电池，方法可以进一步包括针对锂镀覆对每个模块的能量源进行监控。其中针对锂镀覆对每个模块的能量源进行监控的方法可以包括确定能量源对随后接有放电脉冲的充电脉冲的施加的电压响应是否包括锂剥离标志。其中针对锂镀覆对每个模块的能量源进行监控的方法可以包括：将随后紧接有放电脉冲的充电脉冲施加到能量源；执行对于至少放电脉冲的电压响应的求导；以及确定导数是否包括锂剥离标志。其中针对锂镀覆对每个模块的能量源进行监控的方法可以是在其中施加充电信号的每个模块的能量源的充电阶段期间间歇地执行的。方法可以进一步包括监控在每个模块处的能量源的阻抗以用于指示劣化。方法可以进一步包括响应于所监控的阻抗来调整充电信号的施加。其中监控在每个模块处的能量源的阻抗的方法可以是在其中施加充电信号的能量源的充电阶段期间间歇地执行的。

在一些实施例中，能量源是电池单元。

在一些实施例中，能量源是包括多个电池单元的电池模块。

在许多实施例中，提供了一种能量存储系统，包括：以级联方式连接在一起的多个模块，多个模块中的每个包括能量源和开关电路，其中能量存储系统被配置为利用由多个模块生成的输出信号的叠加来生成AC电力，其中能量存储系统被配置为针对每个模块：(a)控制开关电路以将预热信号施加到能量源，使得能量源的温度增加，直到能量源达到第一温度，其中预热信号包括交替的充电和放电能量脉冲的序列；以及(b)当能量源处在或高于第一温度时，控制开关电路以将充电信号施加到能量源。

在一些实施例中，系统可以进一步包括被配置为执行(a)和(b)的控制系统。在系统中控制系统可以包括主控制设备和与多个模块关联的多个本地控制设备，其中主控制设备与多个本地控制设备通信地耦合，并且其中多个本地控制设备被配置为向多个模块的开关电路输出开关控制信号。

在一些实施例中，系统可以进一步包括与存储器通信地耦合的处理电路，其中存储器存储指令，当由处理电路执行指令时，所述指令引起系统执行(a)和(b)。

在一些实施例中，系统可以被配置为控制开关电路以施加预热信号直到能量源达到第一温度，并且在能量源达到第一温度之后施加充电信号。

在一些实施例中，系统可以被配置为控制开关电路以在第一时间持续期间内施加预热信号，并且在第一时间持续期间之后施加充电信号。

在一些实施例中，充电信号包括多个充电脉冲。在系统中能量源具有开路电压和上限截止电压，并且其中多个充电脉冲处在开路电压和上限截止电压之间的电压处。

在一些实施例中，充电信号是包括多个脉冲的第一充电信号，并且其中控制系统被配置为控制开关电路以在施加第一充电信号之后向能量源施加第二充电信号，其中第二充电信号是恒定电流充电信号。在系统中控制系统可以被配置为控制开关电路以施加预热信号直到能量源达到第一温度，施加第一充电信号直到能量源达到第二温度，以及在能量源达到第二温度之后施加第二充电信号。在系统中控制系统可以被配置为控制开关电路以施加第一充电信号直到能量源达到第一充电状态，并且在能量源达到第一充电状态之后施加第二充电信号。在系统中控制系统可以被配置为控制开关电路以施加第二充电信号直到能量源达到95％或更高的充电状态。

在一些实施例中，每个能量源是电池单元。

在一些实施例中，每个能量源是包括多个电池单元的电池模块。

在一些实施例中，多个模块是第一多个模块，并且系统进一步包括：以级联方式连接在一起的第二多个模块，第二多个模块中的每个包括能量源和开关电路，其中能量存储系统被配置为利用由第二多个模块生成的输出信号的叠加来生成AC电力；以及以级联方式连接在一起的第三多个模块，第三多个模块中的每个包括能量源和开关电路，其中能量存储系统被配置为利用由第三多个模块生成的输出信号的叠加来生成AC电力，其中AC电力包括三相AC电力。在系统中系统可以被配置为对机动电动载具的马达供电。

在许多实施例中，提供了一种对能量源充电的方法，方法包括：向能量源施加包括交替的充电和放电能量脉冲的序列的预热信号，使得能量源的温度增加，其中预热信号处在通过能量源的双层电容的频率处。

在一些实施例中，双层电容包括能量源的阳极的双层电容和能量源的阴极的双层电容。

在一些实施例中，预热信号实质上不对能量源充电。

在一些实施例中，在第一时间持续期间内施加预热信号，使得能量源被加热而实质上不被充电，并且然后在第二时间持续期间内施加预热信号，使得能量源被加热和充电。在第二时间持续期间，相对于放电能量脉冲，充电能量脉冲的持续时间可以是递增地增加的。

在一些实施例中，能量源是电池单元。

在一些实施例中，能量源是包括多个电池单元的电池模块。

在一些实施例中，预热信号具有一定频率，使得在能量源中不发生电化学存储反应或副反应。

在许多实施例中，提供了一种针对锂镀覆的发生对包括锂的电池进行监控的方法，方法包括：将随后接有放电脉冲的充电脉冲施加到电池；以及确定电池对随后接有放电脉冲的充电脉冲的施加的电压响应是否包括锂剥离标志。

在一些实施例中，其中确定电压响应是否包括锂剥离标志包括：执行电池的对于至少放电脉冲的电压响应的求导；以及确定导数是否包括锂剥离标志。在方法中锂剥离标志可以是在施加放电脉冲时导数上的转变。

在一些实施例中，其中确定电压响应是否包括锂剥离标志包括确定在施加放电脉冲期间电压响应上的变化是否大于阈值。

在一些实施例中，在电池的充电阶段期间间歇地执行方法。

在一些实施例中，电池包括单个电池单元。

在一些实施例中，电池包括多个电池单元。

在许多实施例中，提供了一种对能量源充电的方法，方法包括：将包括充电脉冲的第一充电信号施加到能量源，其中每个充电脉冲的持续时间小于十毫秒；确定能量源何时满足转变条件；以及在确定满足转变条件之后，将第二充电信号施加到能量源，其中第二充电信号是恒定电流充电信号。

在一些实施例中，每个充电脉冲的持续时间小于或等于五毫秒。

在一些实施例中，每个充电脉冲的持续时间小于或等于两毫秒。

在一些实施例中，能量源具有开路电压和上限截止电压，并且充电脉冲处在开路电压和上限截止电压之间的电压处。

在一些实施例中，转变条件是充电状态阈值。

在一些实施例中，能量源是包括锂的电池，方法进一步包括针对锂镀覆对能量源进行监控。

在一些实施例中，针对锂镀覆对能量源进行监控包括确定能量源对随后接有放电脉冲的充电脉冲的施加的电压响应是否包括锂剥离标志。

在一些实施例中，针对锂镀覆对能量源进行监控包括：将随后紧接有放电脉冲的充电脉冲施加到能量源；执行对于至少放电脉冲的电压响应的求导；以及确定导数是否包括锂剥离标志。

在一些实施例中，针对锂镀覆对能量源进行监控是在其中施加充电信号的能量源的充电阶段期间间歇地执行的。

在一些实施例中，方法进一步包括监控能量源的阻抗以用于指示劣化。

在一些实施例中，方法进一步包括响应于所监控的阻抗来调整充电信号的施加。

在一些实施例中，监控能量源的阻抗是在其中施加充电信号的能量源的充电阶段期间间歇地执行的。

在一些实施例中，转变条件是当能量源的电极的激活阻抗是电极的总阻抗的50％或更小时。

在一些实施例中，转变条件是当能量源的电极的激活阻抗是电极的总阻抗的20％或更小时。

在一些实施例中，转变条件是当能量源的电极的激活阻抗是电极的总阻抗的10％或更小时。

在一些实施例中，充电脉冲处在大于能量源的截止电压的峰值电压处。

本主题的各种方面是鉴于至此描述的实施例的回顾和/或对至此描述的实施例的补充而在下面阐述的，其中在此强调以下实施例的相互关系和可互换性。换句话说，重点在于如下事实：实施例的每个特征可以与每个以及每一其它特征组合，除非另外明确地声明或者在逻辑上不合理。

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，其中的每个可以是分立的芯片，或者分布在多个不同的芯片(以及其一部分)之间。处理电路可以包括数字信号处理器，其可以是以硬件和/或软件实现的。处理电路可以执行存储在存储器上的软件指令，软件指令引起处理电路采取许多不同的动作并且控制其它组件。

处理电路还可以被适配为执行操作系统和任何软件应用，并且执行与所传输和接收的通信的处理无关的那些其它功能。

存储器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，存在于不同芯片内的分离的存储器)。存储器也可以是其自己的分离的芯片。存储器是非暂态的，并且可以是易失性的(例如，RAM等)和/或非易失性的存储器(例如，ROM、闪速存储器、F-RAM等)。

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是以一种或多种编程语言的任何组合编写的，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，以及常规的过程编程语言，诸如“C”编程语言或类似的编程语言。程序指令可以完全在用户的计算设备(例如，阅读器)上执行或部分地在用户的计算设备上执行。程序指令可以部分地驻留在用户的计算设备上，并且部分地驻留在远程计算设备上，或者完全地驻留在远程计算设备或服务器上，例如，其中例如所标识的频率被上传到远程位置以用于处理。在后一种情况下，远程计算设备可以通过任何类型的网络连接到用户的计算设备，或者可以进行到外部计算机的连接。

应当注意，关于在此提供的任何实施例描述的所有特征、要素、组件、功能和步骤旨在与来自任何其它实施例的那些自由组合和替代。如果仅针对一个实施例描述了特定特征、要素、组件、功能或步骤，则应当理解，特征、要素、组件、功能或步骤也可以与在此描述的每个其它实施例一起使用，除非另有明确说明。因此，本段落被用作为在任何时候针对权利要求的介绍的前提基础和书面支持，其组合来自不同实施例的特征、要素、组件、功能和步骤，或者用来自一个实施例的特征、要素、组件、功能和步骤替换另一实施例的特征、要素、组件、功能和步骤，即使以下描述在特定实例中未明确地陈述这样的组合或替换是可能的。明确地承认，明确地记述每种可能的组合和替代是过于累赘的，尤其是考虑到每个这样的组合和替代的容许性将容易地被本领域普通技术人员认识到的情况下。

就在此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存储器、存储设备和/或计算机可读介质关联地操作而言，那么存储器、存储部和/或计算机可读介质是非暂态的。因此，就存储器、存储部和/或计算机可读介质被一个或多个权利要求覆盖而言，存储器、存储和/或计算机可读介质仅是非暂态的。如在此使用的术语“非暂态”和“有形的”旨在描述排除传播电磁信号的存储器、存储部和/或计算机可读介质，但是不旨在存储的持久性或其它方面限制存储器、存储部和/或计算机可读介质的类型。例如，“非暂时性”和/或“有形的”存储器、存储部和/或计算机可读介质包括易失性和非易失性介质，诸如随机存取介质(例如，RAM、SRAM、DRAM、FRAM等)、只读介质(例如，ROM、PROM、EPROM、EEPROM、闪存等)以及它们的组合(例如，混合RAM和ROM、NVRAM等)以及其以后开发的变型。

如在此和所附权利要求中使用的那样，单数形式“一”、“一个”和指代词“该”包括复数指代物，除非上下文另外明确指出。

虽然实施例易于进行各种修改和替换，但是其具体示例已经在附图中示出并且在此被详细描述。然而，应当理解，这些实施例不限制于所公开的特定形式，而是相反地，这些实施例将覆盖落入本发明的精神内的所有修改、等同物和替换。更进一步地，实施例的任何特征、功能、步骤或要素以及通过不在权利要求的创新范围内的特征、功能、步骤或要素限定权利要求范围的负面限制可以在权利要求中记述或添加到权利要求中。

Claims

1.一种对能量源充电的方法，包括：

向包括多个单元的锂离子电池模块施加包括具有相等持续时间的交替的充电和放电能量脉冲的序列的预热信号以引起局部加热，使得锂离子电池模块的温度增加，其中预热信号的频率大于一千赫兹，并且其中预热信号的施加发生为避免锂离子电池模块的主存储反应和副反应的电化学电荷转移；以及

然后向锂离子电池施加充电信号，使得锂离子电池的充电增加，其中施加预热信号直到锂离子电池达到第一温度，并且在锂离子电池达到第一温度之后施加充电信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其中电化学电荷转移被通过锂离子电池模块的电极到能量源的电解质的界面电容旁路。

3.根据权利要求1所述的方法，其中充电信号包括具有小于或等于十毫秒的脉冲持续时间的多个充电脉冲。

4.根据权利要求3所述的方法，其中锂离子电池模块具有开路电压和上限截止电压，并且其中所述多个充电脉冲处在开路电压和上限截止电压之间的电压处。

5.根据权利要求1所述的方法，其中充电信号是包括多个脉冲的第一充电信号，所述方法进一步包括：

在施加第一充电信号之后向锂离子电池模块施加第二充电信号，其中第二充电信号是恒定电流充电信号。

6.根据权利要求5所述的方法，其中施加预热信号直到锂离子电池模块达到第一温度，施加第一充电信号直到锂离子电池模块达到第二温度，并且在锂离子电池模块达到第二温度之后施加第二充电信号。

7.根据权利要求6所述的方法，其中第一温度为25摄氏度或更高，并且第二温度为45摄氏度或更高。

8.根据权利要求5所述的方法，其中施加第一充电信号直到锂离子电池模块达到第一充电状态，并且在锂离子电池模块达到第一充电状态之后施加第二充电信号。

9.根据权利要求8所述的方法，其中施加第二充电信号直到锂离子电池模块达到95％或更高的充电状态。

10.根据权利要求5所述的方法，其中当锂离子电池模块的电极的激活阻抗为电极的总阻抗的50％或更小时，停止第一充电信号的施加并且开始第二充电信号的施加。

11.根据权利要求1所述的方法，进一步包括针对锂镀覆对锂离子电池模块进行监控。

12.根据权利要求1所述的方法，进一步包括监控锂离子电池模块的阻抗以用于指示劣化。

13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括响应于所监控的阻抗来调整充电信号的施加。

14.根据权利要求13所述的方法，其中监控锂离子电池模块的阻抗是在其中施加充电信号的锂离子电池模块的充电阶段期间间歇地执行的。

15.根据权利要求1所述的方法，其中充电信号包括多个充电脉冲，并且其中当锂离子电池模块的电极的华宝阻抗为电极的总阻抗的20％或更小时停止预热信号的施加并且开始充电信号的施加。

16.根据权利要求1所述的方法，其中以大于锂离子电池模块的上限截止电压和下限截止电压的电压施加脉冲预热信号。

17.根据权利要求1所述的方法，其中充电信号包括处在大于锂离子电池模块的截止电压的峰值电压处的多个充电脉冲。

18.一种被配置为对能量源充电的系统，包括：

控制系统，其被配置为：

(a)控制开关电路以向能量源施加预热信号，使得能量源的温度增加直到能量源满足条件，其中预热信号包括交替的充电和放电能量脉冲的序列；以及

(b)控制开关电路以在能量源满足条件之后向能量源施加充电信号。

19.一种对能量存储系统内的多个能量源充电的方法，其中能量存储系统包括以级联方式连接在一起的多个转换器模块，所述多个转换器模块中的每个包括能量源和开关电路，其中所述多个转换器模块中的每个是由控制系统独立地可控制的以输出模块电压，并且其中能量存储系统被配置为利用由所述多个转换器模块生成的模块输出电压的叠加来生成AC电力，所述方法包括：

通过每个模块的开关电路将包括具有相等持续时间的交替的充电和放电能量脉冲的序列的预热信号施加到每个模块的能量源以引起欧姆加热，使得每个模块的能量源的温度增加，其中预热信号的频率大于一千赫兹，并且其中预热信号的施加发生为避免能量源的主存储反应和副反应的电化学电荷转移；以及

然后通过每个模块的开关电路将充电信号施加到每个模块的能量源。

20.根据权利要求19所述的方法，其中模块基于每个模块达到温度阈值的时间而在不同的时间处从预热信号的施加转变为充电信号的施加。

21.根据权利要求19所述的方法，其中充电信号包括具有小于或等于十毫秒的脉冲持续时间的多个充电脉冲。

22.根据权利要求21所述的方法，其中能量源具有开路电压和上限截止电压，并且其中所述多个充电脉冲处在开路电压和上限截止电压之间的电压处。

23.根据权利要求19所述的方法，其中充电信号是包括多个脉冲的第一充电信号，所述方法进一步包括：

在施加第一充电信号之后将第二充电信号施加到能量源，其中第二充电信号是恒定电流充电信号。

24.根据权利要求23所述的方法，其中施加预热信号直到能量源达到第一温度，施加第一充电信号直到能量源达到第二温度，并且在能量源达到第二温度之后施加第二充电信号。

25.根据权利要求24所述的方法，其中第一温度为25摄氏度或更高，并且第二温度为45摄氏度或更高。

26.根据权利要求24所述的方法，其中施加第一充电信号直到能量源达到第一充电状态，并且在能量源达到第一充电状态之后施加第二充电信号。

27.根据权利要求26所述的方法，其中施加第二充电信号直到能量源达到95％或更高的充电状态。

28.根据权利要求24所述的方法，其中当能量源的电极的激活阻抗是电极的总阻抗的50％或更小时，停止第一充电信号的施加并且开始第二充电信号的施加。

29.根据权利要求19所述的方法，进一步包括针对锂镀覆对能量源进行监控。

30.根据权利要求19所述的方法，进一步包括监控能量源的阻抗以用于指示劣化。

31.根据权利要求30所述的方法，进一步包括响应于所监控的阻抗来调整充电信号的施加。

32.根据权利要求31所述的方法，其中监控能量源的阻抗是在其中施加充电信号的能量源的充电阶段期间间歇地执行的。

33.根据权利要求19所述的方法，其中充电信号包括多个充电脉冲，并且其中当能量源的电极的华宝阻抗为电极的总阻抗的20％或更小时，停止预热信号的施加并且开始充电信号的施加。

34.根据权利要求19所述的方法，其中以大于能量源的上限截止电压和下限截止电压的电压施加脉冲预热信号。

35.根据权利要求19所述的方法，其中充电信号包括处在大于能量源的截止电压的峰值电压处的多个充电脉冲。

36.一种能量存储系统，包括：

以级联方式连接在一起的多个模块，所述多个模块中的每个模块包括能量源和开关电路，其中所述能量存储系统被配置为利用由所述多个模块生成的输出信号的叠加来生成AC电力，其中所述能量存储系统被配置为针对每个模块：

(a)控制开关电路以向能量源施加预热信号，使得能量源的温度增加直到能量源达到第一温度，其中预热信号包括交替的充电和放电能量脉冲的序列；以及

(b)控制开关电路以当能量源处在或高于第一温度时向能量源施加充电信号。

37.一种对能量源充电的方法，包括：

向能量源施加包括交替的充电和放电能量脉冲的序列的预热信号，使得能量源的温度增加，

其中预热信号处在通过能量源的双层电容的频率处。

38.根据权利要求37所述的方法，其中双层电容包括能量源的阳极的双层电容和能量源的阴极的双层电容。

39.根据权利要求37所述的方法，其中预热信号实质上不对能量源充电。

40.根据权利要求37所述的方法，其中在第一时间持续期间内施加预热信号，使得能量源被加热而实质上不被充电，并且然后在第二时间持续期间内施加预热信号，使得能量源被加热和充电。

41.根据权利要求40所述的方法，其中在第二时间持续期间，相对于放电能量脉冲，充电能量脉冲的持续时间被递增地增加。

42.根据权利要求37所述的方法，其中施加预热信号直到能量源达到第一温度，并且在能量源达到第一温度之后施加充电信号。

43.根据权利要求37所述的方法，其中在第一时间持续期间内施加预热信号，并且在第一时间持续期间之后施加充电信号。

44.根据权利要求37所述的方法，其中预热信号具有使得在能量源中不发生电化学存储反应或副反应的频率。