CN117318206A - 电源系统中能量装置的充放电控制 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电源系统中能量装置的充放电控制。并入1:2解复用器的控制开关用于控制同时切换、先断后通或先通再通的功率复用的时间，并且可配置成将多个控制开关链接成控制链，以对电源系统中耦合到控制链的多个电池执行顺序充电、顺序放电、并行充电、并行放电、同时顺序充电和放电。

Description

电源系统中能量装置的充放电控制
技术领域
本发明涉及一种控制开关，适用于同时切换、先断后通(break-before-make)或先通再通(make-before-make)的功率复用，可配置成充电、放电或组合充放电使用，且可链接成充电或放电控制链进行顺序和并行操作，并可链接成充放电组合控制链以自动控制电源系统中多个储能装置的操作。
背景技术
在传统的功率开关或功率复用器中，当多个这样的开关或复用器级联成用于功率输出控制的链式配置时，通常使用微控制器来控制其输出的顺序。市售的功率复用器可以连接到控制功率测序，而无需使用外部微控制器，如TPS22990功率测序器或TPS25942x功率MUX。然而，它们的功率复用需要监测前一个控制开关的功率输出状态，以便在两个相邻控制开关之间切换时切换到后一个控制开关。
例如，TPS22900功率测序器，它连接前一个TPS22900开关的功率Good(PG)输出端，以启用后续TPS22900开关的打开输入信号，其中，只有在其漏极PG输出信号被拉到逻辑高电平并且被后续TPS22900器件处的打开输入引脚检测到之后，才能将后续开关接通进行功率输出。在这种“先断后通”的功率切换过程中，两个TPS22900开关的输出端之间可存在电压差。
类似地，TPS25942x功率复用器可以使用类似的上拉PGOOD与后续TPS25942x功率复用器上的过压保护(OVP)输入引脚交互，这也是先断后通切换。然而，芯片中的二极管模式控制引脚(DMODE)可用于“先通后断”的功率复用控制。“先通后断”切换意味着在第一开关关断之前，第二开关被打开用于功率输出。先通后断开关有益于相同电压的两个电源之间的功率切换。不管先断后通还是先通后断的功率切换，大多数常规开关的缺点是后继开关需要信号交换才能监测前导开关的功率状态，以确定何时可发生控制切换。
发明内容
在一个实施方式中，公开了适用于并行切换、先断后通或先通后断(make-before-break)的功率复用以及可配置用于充电、放电或充放电使用的控制开关。还公开了一种将多个控制开关连接到充电、放电或充放电控制链中，以对多个能量装置(如电池或电池模块)执行顺序和并行功率运算的实施方式。
电池是电动汽车(EV)的关键部件。安装在电动汽车上的电池通常是一个大型电池包，以输送高能量供电动汽车使用。为大型电池包充电通常需要相对较长的时间，除非有高功率充电系统可以缩短充电时间。然而，大功率充电系统在大多数地方都不可用。在高强度充电系统不可用的情况下，提出了解决电动汽车电池充电问题的方法。
可将多个能量装置组合在电池包中以供电动汽车使用。为管理多个能量装置的充放电，可选择与多个能量装置耦合的多个控制开关，其中控制开关可以是充电控制开关、放电控制开关、双操作控制开关或充放电组合控制开关。多个控制开关可串联连接，形成顺序充电控制链、顺序放电控制链或充放电组合顺序控制链，以控制多个能量装置的充电和/或放电。设置在控制链前端位置的控制开关比设置在控制链后方位置的控制开关具有更高的优先级。
在一个实施方式中，充电控制开关和放电控制开关都包括1:2解复用器。1:2解复用器以下称为解复用器。解复用器在控制开关中起着主要作用。解复用器包括解复用器输入，该解复用器输入连接到向控制开关的使能输入信号。解复用器由源自比较器输出的选择控制信号控制，该比较器适于将源自耦合到控制开关的能量装置的衰减电压与参考电压进行比较，以生成比较器输出。解复用器还包括两个输出，其中一个输出，即正输出，通过将解复用器输入与选择控制信号进行与运算而生成，而另一个解复用器输出，即负输出，通过将解复用器输入与选择控制信号的逆变或逆函数进行与运算而生成。在一个实施方式中，可以调节两个解复用器输出的切换时序(时机，timing)，使得在对解复用器的选择控制信号改变状态时，控制开关中传输装置的停用和链接控制链中后一个控制开关中传输装置的激活可以任何顺序操纵。
在一个实施方式中，在解复用器的选择控制信号输入和正输出之间可包括直接布线互连、缓冲器、偶数个逆变器、延迟线或可编程延迟线，以使得正输出的有效(assertion)被延迟。开路漏极逆变器、逆变缓冲器、奇数个逆变器、逆变延迟线或逆变可编程延迟线可作为逆变功能，以延迟负输出的有效。通过操纵正输出和负输出有效中的延迟时间，可以很容易地实现同时、先通后断或先断后通功率复用中的各种应用。同时切换最大限度地减少了功率复用中的电源小故障。
在一个实施方式中，两个解复用器输出中的一个耦合到控制开关中的传输装置，并且解复用器输出中的另一个耦合到使能输出信号以启用后一个控制开关。当对控制开关的使能输入信号被禁用时，以及对解复用器的输入也被禁用时，正输出和负输出都被否定(无效，negate)。当对控制开关的使能输入信号启用时，两个解复用器输出中的一个启用。根据控制开关中比较器装置所监测的能量状态，解复用器控制在控制开关与后一个控制开关之间的切换。除了该前一个控制开关只是向后一个控制开关发出使能信号以进行功率复用以及控制同时、先断后通或先通后断切换的时序之外，不需要后一个控制开关来监测前一个控制开关中的电源状态。
在一个实施方式中，通过将比较器输出与异常检测状态(如在控制开关的功率输入端口处监测的能量不足或过电压，控制开关检测的过温、过流和短路，以及对控制开关有效的外部INHIBIT控制信号等)的限定符与进行AND(与)运算，可以生成向解复用器的选择控制信号。检测到的任何异常停用控制开关中的传输装置，并使得使能输出信号对后一个控制开关有效(assert)。
在一个实施方式中，控制开关可划分为控制段和传输段，其中控制段包括解复用器及其控制逻辑、和异常检测电路，异常检测电路用于向解复用器生成选择控制信号。传输段包括功率输入端口、传输装置、用于激活传输装置的控制信号和功率输出端口。通过将传输段与控制开关分离，可以选择不同的传输装置来满足不同的功率要求。
在一个实施方式中，通过将前一个控制开关的使能输出信号耦合到后一个控制开关的使能输入信号，多个控制开关可以链接成顺序控制链。对于顺序控制链中的控制开关，通过将功率输入端口适当连接到外部直流电源或储能装置，并将功率输出端口连接到储能装置或供外部使用，顺序控制链可以配置成顺序充电控制链或顺序放电控制链。
在一个实施方式中，顺序控制链可划分为多个子控制链，其中，当向子控制链的关联使能输入信号有效时，将关联的使能输入信号耦合到每个子控制链的第一控制开关，以启用子控制链的并行操作。不同的直流电源可以耦合到不同的子控制链，这对于具有可用于充电操作的多个外部电源的电源系统是有用的。
在一个实施方式中，并联控制信号可与链接在控制链中的每个控制开关的使能输入信号进行OR(或)运算，以赋予顺序控制链中的控制开关进行并行充电或并行放电操作。顺序或并行充电操作的选择可由直流电源的可用性和耦合到控制链上的一组电池模块的能量状态来确定。一旦控制链被激活，控制链就自动进行充电和/或放电控制而无需外部微控制器，以控制充电和放电顺序。
在一个实施方式中，保护开关可耦合在储能装置或电池模块的输出端处，其中，当控制链被禁用时，保护开关常开，其防止电池模块的能量泄漏。保护开关被闭合以启用来自电池模块的能量输入和输出。
在一个实施方式中，顺序充电控制链和顺序放电控制链可以耦合到同一组电池模块上，以便在启用时对电源系统中耦合到两个控制链的一组电池模块进行顺序充电、顺序放电或顺序同时充放电(sequential concurrent charging and discharging)。
在一个实施方式中，控制开关的比较器输出可以与外部控制信号CHARGE进行XOR(异或)运算或者XNOR(异或非)运算，其被输入到控制开关以生成选择控制信号。包括得出选择控制信号的控制的XOR门的控制开关在下文称为XOR控制开关。通过向XOR门输入一个高电平，即在CHARGE信号处的高电平，XOR控制开关可以配置成充当充电控制开关。此外，通过向XOR门输入低电平，XOR控制开关可以配置成充当放电控制开关。当向XOR控制开关的使能输入信号启用时，XOR信号也可用于旁通或关断XOR控制开关中传输装置的启用，并在功率传输期间向后一个控制开关使得输出使能信号有效。
如果选择外部控制信号CHARGE的逆变(即DISCHARGE控制信号)作为XOR控制开关的输入，则XOR门将转换为XNOR门，形成XNOR控制开关。通过简单地改变外部控制信号CHARGE或DISCHARGE的极性，XOR控制开关或XNOR控制开关可以配置成充电控制开关或放电控制开关。
在一个实施方式中，可以组合充电控制开关和放电控制开关，形成组合充放电控制开关，其中单一比较器用于生成比较输出，以导出用于充电操作和放电操作的选择控制信号。组合控制开关中包括两个2:1解复用器，其中一个用于控制充电操作，另一个用于控制放电操作。
在一个实施方式中，在其输入处具有第二使能输入信号的OR函数可以耦合到充电解复用器的使能输入信号，以启用对组合控制开关的并行充电，具有单独使能输入信号的附加OR函数也可以耦合到放电解复用器的使能输入信号，以启用用于组合控制开关的并行放电。
在一个实施方式中，当多个组合控制开关被链接以形成组合控制链时，可同时对耦合到控制链上的多个电池模块进行充放电。组合控制链处的同时充电和放电操作在不同的电池模块上进行，如果放电操作和充电操作发生冲突，则放电操作优先于充电操作。即耦合到组合控制链的电池模块在放电时，其将不同时进行充电。
在一个实施方式中，组合控制开关采用单一传输装置。该传输装置可与作为外部装置的控制段分离，以便为充电操作和放电操作提供更大的功率传输灵活性。传输装置可以集成在组合控制开关中，其中需要单独的2:1复用器来选择从外部直流电源或从耦合到组合控制开关的能量装置输入到组合控制开关中的传输装置的功率；另外还有一个1:2选择器，用于选择从传输装置输出的能量，以便在充电操作期间输出到能量装置，或在放电操作期间输出供外部使用。
功率切换可发生在两个控制开关之间，这两个控制开关在控制链中彼此不相邻，该控制链每级具有约一个AND门的时序偏差(timing skew)。功率复用可以跳过控制链中的多个控制开关来激活满足切换条件的控制开关。下面将详细描述控制开关和控制链中的一些变型。
在一个实施方式中，充电、放电、双重充电或放电、以及组合充放电控制开关可作为集成电路实现，或使用分立器件实现。它们可植入到用于功率复用控制的电源系统中。控制开关中的传输装置和控制段可以实现为两个集成电路，使得可以选择不同的传输装置用于不同的额定功率。
附图说明
图1A是根据本发明的一个实施方式的顺序充电控制开关的基本配置。
图1B示出根据本发明的一个实施方式的顺序充电控制开关的替选配置。
图2A是根据本发明的一个实施方式的用于并行和顺序充电控制的示例性控制开关。
图2B示出了根据本发明的一个实施方式的用于并行和顺序充电控制的另一个示例性控制开关。
图3A示出了根据本发明的一个实施方式的用于一组电池模块的示例性顺序充电控制链。
图3B是根据本发明的一个实施方式在顺序充电控制链中并入并行充电功能的示例。
图4A是根据本发明的一个实施方式的顺序放电控制开关的基本配置。
图4B示出根据本发明的一个实施方式的顺序放电控制开关的替选配置。
图5示出了根据本发明的一个实施方式用于并行和顺序放电控制的示例性控制开关。
图6示出了根据本发明的一个实施方式的用于一组电池模块的示例性顺序放电控制链。
图7示出了根据本发明的一个实施方式耦合到一组电池模块的顺序充电和放电控制链的示例。
图8A示出了根据本发明的一个实施方式用于充电或放电控制的示例性控制开关。
图8B示出了根据本发明的一个实施方式用于充电或放电控制的另一个示例性控制开关。
图8C示出了根据本发明的一个实施方式用于并行和顺序充电或放电控制的示例性控制开关芯片组。
图9示出根据本发明的一个实施方式使用XOR/XNOR控制开关进行顺序充电或放电控制的各种示例。
图10示出根据本发明的一个实施方式，使用用于耦合到一组电池模块的顺序充电和放电控制链的各种XOR控制开关的示例。
图11示出了根据本发明的一个实施方式植入子控制链的示例性控制链结构。
图12示出了根据本发明的一个实施方式用于并行和顺序充放电控制的示例性控制开关芯片组。
图13A示出根据本发明的一个实施方式的组合顺序充放电控制开关的基本配置。
图13B示出了根据本发明的一个实施方式的组合顺序充放电控制开关的等效配置。
图14示出了根据本发明的一个实施方式的示例性并行和顺序充放电控制链。
具体实施方式
根据电力资源的可用性，将电动汽车中的整个电池包划分为许多较小的可移动电池(本文交替地称为电池模块或可移动电池模块)，以获得在整个电池包或电池模块上控制电池的充电和放电的灵活性，这是有好处的。
将整个电池包划分为许多较小的可移动电池模块的一个优点是，电动汽车中的电池容量变得可扩展。根据行驶需要，可能会在车内安装合适数量的电池模块，以优化成本和能源使用，而不是一直在车内安装一个大的电池包，这样不仅拥有成本更高，而且在行驶时携带大的电池包可能并不节能。对于短途通勤的人来说，大的电池包不是必须的。
此外，在电动汽车中调节电池模块可以为驾驶员提供另一个优势，即在服务站更换耗尽的电池模块的灵活性，或者只是在更短的时间内为多个耗尽的电池模块充电以获得足够的能量到达目的地，然后驾驶员可以将整个电池包充满电。如果偏远地区没有充电服务，电动汽车司机可携带一些备用电池模块以备更换。如果备用电池模块是可用的，则可以在电动汽车外出行驶时在主站对备用电池模块进行充电。当电动汽车返回主站时，可以立即更换耗尽的电池模块，这样电动汽车在更换耗尽的电池模块后就可以再次行驶，而无需等待电池包充电。这可对驾驶或送货服务公司有用。
快速充电一个较大的电池包，通常需要一个更强大的充电器，这可能在大多数地方(例如，家)都没有。使用用于对电池包充电的1级或2级充电器需要更长的时间。例如，120V 20A的AC1级充电器的最高输出功率约为2.4KW，240V 40A AC2级充电器的最高输出功率约为9.6KW。用这样的充电器给一个容量为50KWh的电池包充电，会需要数小时甚至一天的时间。但是，如果一个电池包被分割成多个可拆卸的电池模块，那么与对整个电池包充电相比，对足以行驶的一定数量的电池模块充电，所花费的时间会更短。
能量收集是新兴的电动汽车技术。虽然在电动汽车表面安装太阳能电池板会比一级或二级充电器提供更少的电能，但它适合对能量容量较小的电池模块充电。通过观察电池模块的能量状态，电动汽车驾驶员可以感知并更灵活地管理电动汽车电池充电。
当电动汽车中的电池包被组织为一组可拆卸电池时，期望一种不使用外部微控制器而自动管理电池包中电池的充电和放电的方法。本文将电池交替地称为电池模块或能量装置。控制开关有许多变化，根据应用，可将其称为负载开关、功率复用器、功率顺序器或功率开关。例如，一些应用使用功率复用，在省电或相容问题的不同情况下对单一负载提供不同的电压。一些功率复用是在主电源轨和备用电源轨之间以相同的电压提供一致的使用功率。
将电动汽车中的大型电池包划分为一组较小的电池或电池模块，可以根据每个模块对电池包中的电池进行充电和放电。图1A是根据本发明的一个实施方式的用于充电控制的控制开关100的示例性示意图。控制开关100可以以串联方式连接到其他控制开关以形成顺序控制链。储能装置(即电池或电池模块)可以耦合到顺序控制链中的控制开关上。在一个实施方式中，充电控制开关100可以部分地包括三个基本元件，即电压比较装置或比较器110、1:2解复用器120和功率传输装置140。功率传输装置可由一组MOS-FET或双极晶体管组成。电压比较器110将由分压器R1和R2导出的耦合到电池模块145的衰减电压VBATT与参考电压Vref进行比较，以生成比较器110的输出。当电池模块145中有足够的能量时，比较器输出饱和到逻辑高电平。除非另有说明，在本文所述的大多数示例中，为比较器输出选择正逻辑。可以理解，通过逆变比较器输入的顺序，比较器输出改变状态，在这种情况下，可以去除逆变器115。本文替代地将1:2解复用器称为解复用器。输入到控制开关100的使能输入信号PSCEN(即前一个顺序充电使能信号)也是解复用器120的输入。使能输出信号NXCEN(即下一个充电使能)是控制开关100的输出，也是解复用器的输出。通过控制开关从PSCEN输入传输到NXCEN输出的接口信号只有一个AND(与)门延迟。
解复用器120有选择控制信号119，其源于比较器110的输出。在图1所示的示例中，解复用器120的选择控制信号119是被逆变器115逆变的比较器110的输出。解复用器120具有两个输出。通过将选择控制信号119经由AND门125与解复用器输入经过与运算得出解复用器120的一个输出，以下称为“正输出”。通过将选择控制信号119经由逆变器130的逆变经由AND门135与解复用器输入经过与运算得出解复用器120的另一输出，以下称为“负输出”。正输出或负输出可耦合到控制开关100中的传输装置140。在图1所示的示例中，正输出耦合到传输装置140，负输出耦合到使能输出信号NXCEN。
在控制开关100中，当使能输入信号PSCEN有效并且当电池模块145中的能量低于阈值电压时，比较器110的输出饱和到逻辑低。比较器输出的逆变是对解复用器120的选择控制信号的逻辑高值，并且将正输出，以使传输装置140能够将能量从外部直流电源105传输到充电电池模块145。同时，负输出被否定以禁用从控制开关100的NXCEN输出，这也是对后一个控制开关101的使能输入PSCEN。
如果从控制开关100中的选择控制信号119通过负输出以启用后一个(本文也称为后续)控制开关101中的传输装置141的延迟大于在控制开关100处否定正输出的延迟，则在选择控制信号119上升处，即，当电池模块145变得充满电时，发生先断后通功率复用。
在功率复用控制中，解复用器的配置尤其具有弹性。例如，如果在选择控制信号119和控制开关100中的AND门125之间包括延迟装置或延迟缓冲器123，以调节否定正输出的时序，使得控制开关100中的传输装置140的关闭几乎同时与后一个控制开关101中的传输装置141的打开相匹配，则实现了同时切换。然而，如果延迟缓冲器123的延迟进一步延长，那么在选择控制信号119上升时也可以很容易地实现先断后通的功率切换。延迟缓冲器123可以是导线连接、缓冲器、串联耦合的偶数个逆变器、延迟线、可编程延迟线等。延迟缓冲器123可以沿着正输出信号的时序路径从选择控制信号119耦合到传输装置140的输入端。
在一个实施方式中，控制开关100与后一个控制开关101之间的功率复用完全处于前控制开关100的控制之下，这意味着后一个控制开关101不需要查询前控制开关100处的电压水平或电源状态，以便切换功率控制。前控制开关100只是采用单一使能输出信号来控制功率复用中的切换和切换时序。
信号PSCEN的否定(negation)否定(negate)控制开关100和链接到控制链中的控制开关100的所有后续的控制开关。当信号PSCEN输入有效，并且当电池模块145有足够的能量时，比较器110将饱和到逻辑高电平。逆变器115的输出变为逻辑低电平，以使控制开关100中的传输装置140停用，从而断开直流电源105对电池模块145的充电的连接。同时，逆变器115处的逻辑低输出将有效NXCEN使能输出信号，从而激活后一个控制开关101中的传输装置141以对其相关的电池模块146充电。
如果电池模块145没有足够的能量，则比较器110的输出饱和至逻辑低电平。通过逆变器115将比较器110的逆变输出转换为逻辑高，这将激活控制开关100中的传输装置140，以将直流电源105传输到充电电池模块145。同时，NXCEN输出信号将被否定，使得任何后一个控制开关101中的传输装置141被停用，从而阻止其对相关联的电池模块146充电。
图1A中的传输器件140使用一对PMOS-FET(PMOS)142、143传输门来控制功率传输。这对PMOS 142、143中的本体二极管阻挡来自功率输出引脚VB的反向电流和来自直流电源105的漏电流。PMOS 142中的本体二极管还为NMOS-FET(NMOS)141提供上拉电源，当AND 125的输出有效时，其被下拉以驱动这对有源低PMOS 142、143。漏极状态(STATUS)输出由外部电阻R4上拉，并由NMOS 144驱动。当传输装置140被激活以给电池模块145充电时，有效STATUS输出。
图1B是根据本发明的实施方式的顺序充电控制开关150的另一种配置。控制开关150中的传输装置190耦合到示例中的负输出。不使用图1A所示的逆变比较器输出作为选择控制信号，而是比较器160输出直接用作控制开关150中的选择控制信号169。在图1B中，负输出耦合到控制开关150中的传输装置190，正输出控制NXCEN信号。
如果比较器160输出的逆变被用作在控制开关150中的选择控制信号，则在不改变控制开关功能的情况下，将正输出转换为负输出，并且将负输出转换为正输出，除了输出时序特性不同。控制开关150中的解复用器170的一个优点是，通过调节逆变器180的装置尺寸，它可以平衡控制开关150和后一个控制开关中传输装置的切换时序。
在一个实施方式中，在解复用器170中，当耦合到负输出(AND门175处)的逆变器180被逆变延迟装置(如逆变延迟缓冲器、奇数个串联逆变器、具有逆变输出的固定或可编程延迟线)所代替时，以延长AND门175处负输出的有效时序，使得不同类型的切换，如同时、先断后通和先通后断功率复用，很容易通过简单地调节负输出处的延迟时序来实现，而不管传输门是连接到正输出还是连接到负输出。类似地，可以在正输出路径上并入延迟装置，以调节各种功率复用器的正输出时序。逆延迟装置或延迟装置可以分别在解复用器内，也可以分别并入在控制开关的负输出或正输出的输出路径处。
图2A示出了根据本发明的另一个实施方式的示例性顺序充电控制开关200。并行充电控制作为可选特征包括在控制开关200中。当有更大的电源(例如3级充电器)可用时，并行充电可以同时对更多的电池模块充电。而顺序充电(一次给一个电池模块充电)可更适合连接到一个较小的电源。为了支持并行和顺序充电，OR(或)门231接收第一使能输入“并行充电打开”(Parallel Charging ON,PACON)和第二使能输入“优先顺序充电使能”(PriorSequential Charging Enable)PSCEN，以生成用于控制开关200的新的使能输入“优先充电使能”PRCEN。所示的PRCEN信号成为向1:2解复用器220的输入。或门231可以包括在控制开关200中，或包括在控制开关的外部附加设备中。
PSCEN的有效或PACON的有效均可使控制开关200中的解复用器220激活传输装置240以将直流电源205传输到充电电池模块245，条件是由比较器210检测到的电池模块245中的能量处于低水平，且由比较器211检测到的直流电源205在其中具有足够的能量。比较器210监测由分压器R3、R4导出的来自电池模块245的衰减电压VBATT，以及比较器211监测由分压器R1、R2导出的从直流电源205的衰减电压VATT。
在控制开关200中，除了通过比较器210输出监测电池模块245的能量状态外，对解复用器220的选择控制信号由使能限定符与AND门219进行AND运算得出，该AND门219部分地执行对直流电源205的能量状态和异常(如功率输入处的过压和过流、器件结过温、短路)的检测状态进行布尔AND运算，加上可选的抑制控制INHIBIT，这对于外部设备暂时禁用控制开关200是有用的。异常的有效将导致解复用器220停用传输装置240，并有效NXCEN信号启用后续的控制开关。
控制开关200中的传输装置240采用一对NMOS场效应晶体管242、243来控制功率传输。NMOS晶体管的栅极电压应高于对于该晶体管的其源电压，以使晶体管在导电区域工作。当传输装置240被激活时，从直流电源205获取VIN的充电泵(charge pump)246提高驱动器241的输出电压以打开用于功率传输的NMOS晶体管。
只要选择控制信号的极性可相应改变，就可以灵活地将控制开关中的传输装置耦合到正输出或负输出。图2B中的控制开关250(与图2A中的控制开关200类似)示出这样的例子。当选择负输出以激活解复用器270中的传输装置290时，选择控制信号的极性从AND 219逆变为NAND函数。图2B所示的布尔等价将NAND函数转换为OR 269，其中向所有OR 269的输入都相应地逆变。转换后的OR 269输出成为对解复用器270的选择控制信号。
图3A示出了根据另一个实施方式的示例性的顺序充电控制链，其串联链接一组充电控制开关。虽然在示例中仅示出三个控制开关310、320、330，但是可以理解，在控制链中可以链接更多的控制开关。在图3A所示的示例中，按键开关(key switch)301控制控制链300的激活。当按键开关301打开时，下拉电阻R1禁用整个控制链300。当按键开关301闭合时，从按键开关301输出的逻辑高VLOGIC使得向第一控制开关310的使能输入信号PSCEN有效，其也激活控制链300。控制开关310用比较器311监测直流电源305处的能量状态，用比较器312监测电池模块319中的能量状态。两个比较结果耦合到示例中的AND门313，以生成用于解复用器315的选择控制信号。正输出或负输出可被选择以激活传输装置。在控制开关310中，选择正输出。需要逆变器314将比较器312的输出逆变以用于充电应用。当电池模块319中的能量低于阈值电压时，比较器312输出饱和至逻辑低电平。由于图3示例中的传输装置318耦合到正输出，因此需要在选择控制信号处的逻辑高电平来有效正输出，并且在这种情况下逆变器314逆变比较器输出。
当电池模块319充电达到阈值水平时，比较器312输出饱和为逻辑高，AND 313输出变为逻辑低。解复用器315的选择控制信号处的低逻辑电平信号在负输出处有效信号NXCEN，并有效信号PSCEN，从而启用后一个控制开关320并停用耦合到控制开关310中的正输出的传输装置316。类似的过程将继续进行，直到充电控制链300中的所有控制开关320、330被激活，从而使所有电池模块319、329、339被充分充电并与直流电源305断开连接。
形成如下所述的链接序列。图3A所示的链接顺序从由按键开关301提供的PSCEN信号开始；信号PSCEN，依次输入到控制开关310的AND门317以生成信号NXCEN，信号依次显示为输入到第二控制开关320的PSCEN并应用于控制开关320的AND门327的输入；AND门327为控制开关330生成信号NXCEN，其又显示为第三控制开关330的PSCEN输入，等。如本文所述的链接顺序形成顺序控制链300，其中公用直流电源305对一组电池模块319、329、339充电。链中的第一开关(即控制开关310)具有的优先级高于控制开关320，控制开关320具有的的优先级高于控制开关330。
如果耦合到这些控制开关的电池中的能量恰好是满的，则有效的使能控制输出信号可跳过控制链中多个连续的控制开关。后一个控制开关寻求的用以在顺序控制链中激活的延迟是每级一个AND门延迟。
在一些实施方式中，当来自控制链中较高优先级控制开关的使能输出信号有效时，例如用电池包中的空电池模块替换完全更换的电池模块，则从该较高优先级控制开关开始的所有后续使能输出信号被否定，以激活用于电池充电的较高优先级控制开关，而不考虑两者之间的级数。
图3B示出了实现并行控制的充电控制开关350的实施方式的示例。实施方式350类似于实施方式300，不同之处在于：实施方式350部分包括一个OR门到OR(即，执行布尔或函数)，应用于所有控制开关360、370和380的并行使能信号PACON。例如，与充电控制开关360相关联的或门364对信号PACON和与充电控制开关360相关联的串行使能信号PSCEN进行布尔或操作，以生成应用于AND门367的控制信号PRCEN。将AND门367的输出信号应用到与充电控制开关370相关联的或门374的输入端，同样地，将AND门377的输出信号应用到与充电控制开关380相关联的或门384的输入端。因此，可启用控制链350中的所有控制开关，对耦合到控制链350上的所有电池模块进行并行充电和顺序充电。按键开关302、303分别适于有效顺序充电和并行充电的使能信号。按键开关351发起顺序充电，按键开关352发起并行充电。同样，当按键开关352打开时，如果按键开关351关闭以有效信号PSCEN，则下拉电阻R2启用并行充电控制信号PACON，控制链300启用顺序充电。然而，当按键开关352闭合时，PACON的有效将导致或门364、374、384的所有输出有效，从而启用控制链350中的所有控制开关360、370、380(本文中替代地称为充电控制开关)以激活其各自的传输装置366、376、386从直流电源355传输能量，同时为其相关的电池模块369、379、389充电。当并行充电控制链中的电池模块充电时，AND门368、378、388耦合到各自的负输出以启用分别设置在控制开关360、370、380中的传输装置366、376、386将被否定，以切断直流电源355对各自电池模块的进一步充电，而AND门367、377、387生成的耦合到各自正输出好各自的使能输出信号则有效。但是，使能输出信号的有效对并行充电操作没有影响。当并行充电操作启用时，或门364、374、384的OR输出分别抑制AND门367、377、387的输出。
当有高强度电源(例如3级充电器)可用于快速充电时，并行充电适用于给电池模块充电。其他充电来源，如一级或二级充电器，可能能量不够，无法及时为整个电池包充电。一些新兴技术，如在汽车表面安装太阳能电池板，甚至在电动汽车的气流路径上放置压电膜来收集移动能量，可能是一个可行的选择，尽管可能广度不够。如果将电动汽车的电池包划分为多个较小的电池模块，则顺序充电链适合收集这种绿色能源。
例如，根据再生能量的强度和成本考虑，太阳能电池板可以在太阳能电池板的输出端使用一种执行脉宽调制(PWM)的装置，该装置以特定的频率接通和关闭，以生成与电池模块额定电压兼容的输出电压，从而为顺序充电控制链中连接的电池模块充电。然而，当有大型太阳能发电系统可用于电池充电时，太阳能电池板输出可连接到更高效的最大功率点跟踪(MPPT)设备，该设备适于输出相对较高的电压和功率，从而一次为更多的电池充电。当有强大的太阳能发电输出时，这样的大型太阳能电池板会在具有并行充电支持的充电控制链中激活并行充电。当太阳能电池板输出变得相对较弱时，充电可自动切换为顺序充电。
图4A是根据本发明的一个实施方式的顺序放电控制开关400的基本示意性配置。如图所示，开关400部分包括电压比较器410、1:2解复用器420和功率传输装置440。比较器410将耦合到电池模块405的分压器R1、R2得出的衰减电压VATT与参考电压Vref进行比较。比较器410的输出用于为解复用器420生成选择控制信号。
放电控制开关类似于充电控制开关，两者都监测耦合电池的能量状态。然而，对于充电控制开关，当检测到耦合电池中的能量处于低水平时，就会进行充电活动，直到电池充电到指定的水平(例如，由用户确定的80％、90％或100％)，此时充电停止。对于放电控制开关，当检测到耦合电池中的能量为逻辑高电平，表明电池充电充足时，就会发生放电活动。当电池中的能量达到指定水平(例如，由用户确定的5％、10％或15％)时，放电活动停止。两个控制开关之间的差异在于比较器输出饱和到放电操作的逻辑高电平，或饱和到充电操作的逻辑低电平。当充电操作或放电操作发生时，控制开关中的传输装置被激活。
在控制开关400中，传输装置440可适于耦合到正输出或负输出，这取决于为选择控制信号选择适当的极性。图4A所示的控制开关400可以进一步部分地包括耦合到AND门425的正输出的延迟缓冲器425。延迟缓冲器425可以是布线互连、缓冲器、偶数个逆变器、延迟线、可编程延迟线等。可沿正输出信号从选择控制信号到传输装置420的输入的时序路径包括延迟缓冲器425。它还包括在AND门435的负输出的输入端处的逆变器430。逆变器430可以是奇数个逆变器、逆变缓冲器、固定或可编程逆变延迟线等。相应地，放电控制开关400适于执行同时、先断后通、或先通后断的功率复用。
参考图4A，当电池模块405具有足够的能量时，比较器410的输出饱和至逻辑高电平。如果还有效使能输入信号PSDEN，则比较器410的输出处的高电平(也作为解复用器420的选择控制信号)有效正输出，从而激活传输装置440以在放电时将能量从电池模块405传输到VOUT。
相反，如果比较器410的输出饱和到逻辑低电平，从而表明电池模块405没有足够的能量用于输出，则在解复用器420的选择控制信号处的逻辑低信号使得负输出有效；从而使得后一个控制开关的使能输出信号有效以激活其传输装置，使耦合电池模块放电以输出能量供外部使用，前提是其具有足够的可用能量。
缓冲器426可以耦合在传输装置440的使能输入的邻近，以指示在控制开关400处正在进行放电。如果将缓冲器426重新连接到比较器410的输出，则无论在控制开关400中可能遇到任何异常，它都将指示电池模块405的电源状态。
图4B是根据本发明的另一个实施方式的顺序放电控制开关450的另一示意性配置。在开关450中，相对于控制开关400中耦合到信号NXDEN和传输装置440的负输出和正输出，耦合到信号NXDEN和传输装置490的正输出和负输出(作为AND门485和480的输出)被反向。相对于图4A的解复用器420的极性，图4B的解复用器470的选择控制信号的极性由逆变器465进行逆变。
图5是根据本发明的另一个实施方式的并行和顺序放电控制开关500的示意图。并行和顺序放电控制开关500包括用于检测操作异常的限定符逻辑，例如输入电源的过压和过流、器件结过温、短路等。检测到的异常的逆变经由NAND门515与比较器510输出在逻辑上进行AND运算，以生成解复用器520的选择控制信号，其中比较器510的输出监测电池模块505中的能量状态。可选控制信号INHIBIT可包括用于外部设备以禁用控制开关500中的传输装置540。
在图5中，如果电池模块505能量充足且未发生异常，则AND函数输出为逻辑高，其由NAND门515实现以输出逻辑低，以有效负输出而激活传输装置540。如果遇到任何异常，选择控制信号将成为用于解复用器520的逻辑高电平使传输装置540停用并有效NXCEN，从而导致后一个控制开关被激活。
类似地，第二使能输入信号PADEN包括在控制开关500中以通过或门516与顺序使能输入信号PSDEN进行或运算，以生成用于输入到解复用器520的输入信号PRDEN。当NAND515输出处的选择控制信号为逻辑低时，PADEN的有效或PSDEN的有效将有效负输出以激活传输设备540以传输电池505能量供外部使用。或门516可以是一个内部逻辑或控制开关500的外部附加设备。
输出缓冲器576可以耦合在靠近传输装置540的负输出处，用于状态观察。当STATUS输出有效时，其指示：控制开关500在满意的放电条件下，正在通过终端VOUT释放电池能量。输出缓冲器可重新定位到比较器510的输出，以指示电池模块505是否有足够的能量，从而用于观察电池包中各电池模块的能量状态。
图6是根据本发明的一个实施方式的链接一组放电控制开关610、620、630、640以控制电池包605中一组电池模块650、660、670、680的顺序放电的顺序放电控制链600的示意图。虽然示出了仅有4个放电控制开关610、620、630、640，但是可以理解的是，任意数量的放电控制开关都可以被链接起来形成一个链接。
按键开关606用于发起控制链600中的放电操作。可选开关BKi和SWi串联连接在每个放电开关上，在图6所示的示例中，其中i为1到4的数。例如，可选开关BK1和SW1连接在电池模块650和放电开关610之间的放电开关610。同样，开关BK2和SW2用于电池模块660和放电开关620的输入之间的放电开关620。开关BKi常开，且开关SWi常闭。当控制按键开关606打开时，其下拉电阻R1确保所有BKi开关保持打开。当按键开关606闭合时，逻辑高电压VLOGIC被输送到使能顺序放电控制链600，且闭合所有BKi开关，使得电池模块耦合到顺序放电控制链600中各自的放电控制开关上。
当各自电池模块中的能量低于指定水平时，每个开关SWi变成打开。例如，当电池模块650的能量耗尽到指定水平以下时，信号NSDEN1将有效以打开开关SW1，其将断开电池模块650与控制开关610的连接，以防止电池模块650的能量的进一步耗尽。信号NSDEN1的有效还启用控制链600中的后一个控制开关620进行放电，前提是其耦合电池模块660具有足够的能量。否则，下一个控制开关630将通过有效信号NSDEN2来启用，这也将断开SW2开关的连接。操作以上述方式自动进行，直到控制链600中耦合到相关放电控制开关的所有电池模块耗尽，此时所有SWi开关再次打开。
在第一控制开关610的输出处可任选地包括延迟元件(本文中也称为设备618)。最初，当控制按键开关606打开时，所有开关BKi开关通过下拉电阻R1打开。在示例性控制链600中，由于信号PSDEN1的否定，设置于控制开关610中的AND门616的输出处的正输出最初处于逻辑低。但是当控制按键开关606闭合时，信号PSDEN1经过AND门延迟后有效使能信号NSDEN1，并且可以比比较器612的有效更早地打开开关SW1，从而可以导致控制开关610能量上升的竞争状态，从而又可阻止电池模块650向控制开关610供电。为了防止这种竞争状态，延迟器件618在AND 616的输出端处使用。选择与延迟设备618相关联的延迟足够长，以使控制链600中的第一控制开关610完全初始化，以防止开关SW1过早关断。竞争状态如果不加以抑制，会阻止少数电池模块供电。在一些实施方式中，当按键开关606长时间保持接通时，适于保护其耦合电池模块不发生深度耗尽的开关SWi可以不用于放电链600。在这些实施方式中，开关BKi可以维持防止电池包605关断时电池模块的深度耗尽。
图7是根据本发明的一个实施方式的电池包705中一组电池模块719、729、739的顺序充放电控制的示意图。电池包705显示为耦合到适于进行顺序充电的顺序充电控制链700上，并且还耦合到适于进行顺序放电的顺序放电控制链750上。顺序充电和放电可同时发生。虽然仅示出三个充电控制开关和三个放电控制开关，即仅示出三个级，每个充电和放电级与其中一个电池模块相关联，但是可以理解，本申请的实施方式不受此限制，并且同样适用于任何数量的级。如图所示，每级包括充电控制链700中的充电控制开关，电池包705中的电池模块，用于电池充电保护的可选开关CKi和用于电池放电保护的可选开关BKi，以及放电控制开关，其中“i”为本例中是1至3的数。虽然在充电控制开关中选择正输出来激活传输装置，在放电控制开关中选择负输出来激活传输装置，但据了解，也可以使用不同的配置。
在图7中，常开按键开关702被选择以开始顺序充电控制链700的操作，该顺序充电控制链700包括充电控制开关710、720和730。当充电控制链中的一个控制开关满足激活条件(如耦合电池模块就位，或耦合电池模块中的能量低于预定值，或未检测到控制开关异常，等)时，则控制开关被激活以对其耦合电池模块充电。否则，将跳过该控制开关，在控制链中寻找满足激活条件的另一个后续控制开关进行激活。在控制链中搜索待激活的控制开关，每级只需一个AND门延迟。在大多数情况下，控制开关及其后续待激活的开关通常是背靠背的。
在一个实施方式中，控制开关中的解复用器在没有握手协议的情况下控制从一个控制开关(例如710)到后一个控制开关(例如720)的切换。控制链700中停用一个控制开关(例如710)和激活后一个控制开关(例如720)的切换时间也可由控制开关(例如710)中的解复用器(例如716)控制，其中控制开关(例如710)中分别的正输出和负输出的有效和无效(desertion)可通过调节解复用器(例如716)中的内部延迟来控制。
在充电控制开关710、720、730和电池模块719、729、739之间分别设置一组常开开关CK1、CK2和CK3。当按键开关702断开时，连接在按键开关702上的下拉电阻R1将使所有开关CK1、CK2和CK3保持断开状态，以防止电池模块潜在的漏电，例如由于连接在电池模块上的分压器存在电流通路。当关按键开关702闭合时，CK1、CK2和CK3开关全部闭合，从而使充电控制开关710、720、730连接到顺序充电链700中各自的电池模块719、729、739。
将充电控制链划分为多个子控制链是可能的。例如，控制开关720的负输出与控制开关730的使能输入PSCEN之间的链路连接被断开，以及按键开关704连接到控制开关730的PSCEN输入，则形成两条子控制链，其中一条由控制开关710、720组成，另一条由控制开关730组成。当同一直流电源应用于多个子控制链时，则对多个子控制链的充电并行进行。当直流电源可用时，可以将不同的直流电源连接到不同的子控制链上，分别对子控制链进行充电。微控制器可以用来激活控制链或控制链的部分，而不是使用按键开关。
在顺序放电控制链750中，其示出为包括放电控制开关760、770、780，其中一个单独的常开按键开关703开始顺序放电控制链750的操作。其关联的放电控制开关(例如760)中的解复用器(例如766)的输出时序可进行调节，使其能够同时切换到后续的放电控制开关(例如770)，以最小化控制链750中放电功率转换期间的功率差错(power glitch)。
一组常开开关BK1、BK2和BK3被示出分别设置在电池模块719、729、739和放电控制开关760、770、780之间。例如，当按键开关703处于打开状态时，耦合到按键开关703输出端的下拉电阻R2将保持所有开关BK1、BK2、BK3处于打开状态，以防止电池模块719、729、739漏电。当开关703闭合时，开关BK1、BK2、BK3将闭合以将电池模块719、729、739耦合到它们各自的放电控制开关760、770、770，以启用控制链750中的一组电池模块的顺序放电。
类似地，在一些实施方式中，放电控制链可分为多个子控制链，每个子控制链通过关联的按键开关被启用。例如，当断开控制开关770的负输出与控制开关780的PSDEN输入之间的链路连接，将按键开关705连接到控制开关780的PSDEN输入时，则形成两条放电子控制链，其中一条由控制开关760、770组成，另一条由开关780组成。当两个放电子控制链的输出耦合在一起，并且两个按键开关703、705都闭合时，则两个子控制链将同时放电，使VOUT功率输出加倍。当将放电控制链划分为多个子控制链，所有子控制链的输出都耦合在一起时，则当所有开关键闭合启用子控制链时，放电控制链的输出电流将增加数倍。放电子控制链的输出可由不同的应用采购。当所有控制开关被启用以并联工作时，实现放电控制链750的最高功率输出。
顺序充电控制链700和顺序放电控制链750适于同时进行顺序充电控制和顺序放电控制。对两个充电和放电控制链中的控制开关进行了调节，以避免在同时存取同一电池模块进行充放电时发生冲突。以电池模块719为例，如果电池模块719有足够的能量，则充电控制开关710中的比较器711将饱和至逻辑高位，其逆变输出将否定AND 715处的选择控制信号，以禁用充电控制开关710中的传输装置718。这导致电池模块719断开连接，从而防止电池模块719在电池模块启用放电时被直流电源701充电，而不管用于充电的控制开关710是否由充电控制链700激活。这样，当电池模块有足够的能量进行放电时，该电池模块将被充电控制链跳过，从而不被充电。
反之，如果电池模块没有足够的能量，则会阻止电池模块相应的放电控制开关在放电控制链中激活其传输装置以获取能量。这样，例如，当已使能控制链700中的充电控制开关710对其电池模块719充电时，自动阻止电池模块719的放电。
在一个实施方式中，与电池包中同一组电池模块耦合的充电控制链和放电控制链不会同时对同一电池模块进行充电和放电，从而适于于在充电和放电控制链中链接的控制开关的控制下，对电池充电和放电进行无缝操作。防止直流电源701在电池模块放电时向电池模块供电，避免了在VBOUT处直流电源输入与电池模块输出之间的电压争用(voltagecontention)。
图7中的控制链结构可用于从各种直流电源获取能量。为了同时收集来自多个直流电源的能量以对电池包充电，可以将充电控制链划分为多个子控制链，以实现各种电源的同时充电，其中子控制链耦合到各自的直流电源，为充电子控制链控制的充电控制开关供电。在电动汽车应用中，这样的多个直流电源可包括，例如，充电器，从安装在电动汽车车身表面的太阳能电池板收集的能量，以及从贴在气流路径上的压电膜收集的势能。气流会引起压电膜的弯曲和振动，在驾驶过程中，压电膜可以从中收集能量。
图8A示出了根据本公开的一个实施方式的适于控制功率充电或功率放电的示例性开关。充电控制开关和放电控制开关的配置的不同之处在于，充电控制开关中的比较装置监测耦合电池模块中的能量是否低于预定义的电平以启用能量充电操作，而放电控制开关中的比较装置则监测耦合电池模块中的能量是否高于预定义的电平，然后启用能量放电操作。两个控制开关中用于解复用器的选择控制信号在比较器输出的极性上是不同的。
参照图8A，双输入独占或门815在其输入端中的一个处接收比较器810的输出，在其另一个输入端处接收控制信号CHARGE。信号CHARGE也是控制开关800的输入，如果CHARGE控制信号设置为逻辑高电平或“1”，则控制开关800适用于充当充电控制开关，其中XOR 815充当如图1A的控制开关100所示的逆变器。
如果信号CHARGE处于逻辑低或“0”，则XOR门815作为直通缓冲器工作。当CHARGE信号设为“0”时，控制开关800作为放电控制开关工作，如图4A中所示的放电控制开关400一样。XOR815的第二个输入是比较器810的输出，它监测功率输入VIN处的衰减电压。对于充电操作，控制开关800的VIN耦合到外部直流电源，VOUT输出耦合到电池模块或负载。而对于放电操作，VIN耦合到具有VOUT的电池模块，VOUT连接供外部使用。
XOR815输出示出为与其他限定符(例如通过逆变器816的逆变INHIBIT输入和使用AND函数819检测到的异常结果)进行与运算，AND函数819响应生成1:2解复用器820的选择控制信号，其中逆变的异常信号表示控制开关800没有遇到异常。INHIBIT控制是外部设备在必要时暂时禁用控制开关中的功率传输功能的可选功能。1:2解复用器820控制传输装置830的启用和到其他控制开关的切换。控制开关800可通过选择CHARGE控制信号进行充电或放电操作。控制开关800可在本文中交替地称为“双重控制开关(duality controlswitch)”。
图8B示出根据本发明的另一个实施方式适于控制充电或放电的另一示例性开关。参考图8A和8B，适于激活在图8A的双重控制开关800中传输装置830的正输出可转换为用于激活图8B的传输装置860的负输出，负输出耦合到图8B的控制开关850中的解复用器870。对于重新配置，AND 819输出的选择控制信号也应相应逆变为NAND。图8B中控制开关850所示的布尔等价包括图8B中NAND转换为OR 869，以及其在控制开关850中所有输入的逆变，其中包括XOR815转换为XNOR 865，以及在INHITBIT输入和异常输入处去除逆变器。缓冲器879是用于观察功率传输状态的一个可选的特征。
参照图8B，在控制开关中使用解复用器的负输出信号来驱动传输装置有利于并行开关控制。例如，在控制开关850中，通过调节逆变器875的器件尺寸，或采用奇数个逆变器串联来代替单一逆变器875，或采用具有逆变输出的固定或可编程延迟线，使从输入处选择控制信号通过逆变器函数875到解复用器870到负输出使传输装置860停用的总延迟与通过AND门878启用并激活后一个控制开关中的传输装置的正输出信号的总延迟相匹配，则实现功率复用中的同时切换。
但是，如果将解复用器870中的逆变器功能875的延迟调节为进一步延长延迟，使得后一个控制开关中的传输装置完全接通，而控制开关850中的传输装置860在电源切换时仍未关断，则实现了先通后断的功率复用；这在负载连接到多个电源，但无法承受负载电源中断的应用中非常有用。这种延长的延迟对于持久的电源应用是有用的。
参照图8A，同样，可以通过在解复用器820的正输出路径上包括延迟缓冲装置826来调节控制开关800中传输装置830的切换时序，该延迟缓冲装置826可以是简单的布线连接(wire connection)、缓冲器、串联的偶数个逆变器、延迟线或具有可调延迟时序的可编程延迟线，以实现同时切换或先断后通的功率复用。在先断后通功率复用中，从有效选择控制信号，通过AND门828和后一个控制开关的解复用器的负输出来激活其传输装置的总延迟比到控制开关800中的正输出来禁用传输装置830的总延迟要长。在连接多个不同电压的直流电源为负载供电的应用中，先断后通功率复用是有用的。在控制开关的两个解复用器输出处的延迟时间调节是独特的和有利的。
在一个实施方式中，图8A、8B的传输装置830、860可以是外部装置，以提供更大的灵活性以供图8C所示的更大的功率负载使用。图8C中控制开关880的传输段882中的传输装置可以是现成的装置，而控制段881可以使用分立器件或作为一个或多个集成电路来实现。
图8A中的双重控制开关800可以重新配置成使用CHARGE信号的逆变(即DISCHARGE)作为放电操作的外部控制。当选择CHARGE的逆变作为控制输入时，图8A中的XOR815被逆变并替换为如图8C所示的XNOR 885。在图8C中，当DISCHARGE输入为逻辑高电平或“1”时，XNOR 885作为直通缓冲器(pass-through buffer)，控制开关880操作成为放电控制开关。当DISCHARGE输入为逻辑低电平或“0”时，XNOR 885作为逆变器，控制开关880作为充电控制开关。NAND门889的输出(这是图8A所示控制开关800中选择控制AND的逆变)提供控制开关880中解复用器890的选择控制信号。这样，控制开关880中的传输器件895就变成了从正输出耦合到负输出。
控制开关880中可包括可选的并行充放电操作。这是通过在控制开关880的OR输入处第二控制使能信号PAEN(即，并行启用或成对启用)通过OR门888与顺序使能信号PSEN进行或运算，以生成应用于控制开关880中的控制段881的新的使能信号PREN，这也是解复用器890的新的使能输入。
图9示出了使用XOR/XNOR门的各种示例，部分用于实现双重控制开关的充电或放电操作，其中示出了顺序充电控制的四种情况，也示出了顺序放电控制的四种情况。在双重控制开关的选择控制信号的推导中，仅说明了AND函数。如果在选择控制信号的导出中也包含NAND函数，那么在充电或放电操作中双重控制开关的配置数量将增加一倍。而不是使用特定的CHARGE或DISCHARGE来命名双重控制开关的控制输入，而是使用一个中性的名称“函数选择”。无论CHARGE或DISCHARGE信号是“1”还是“0”，双重控制开关都可以作为充电控制开关或放电控制开关。使用“函数选择”来命名输入控制信号避免了这样的混淆。
在图9中，所有图(i)-(viii)都假定对双重控制开关的使能输入信号有效。图(i)是情况1的顺序充电控制开关，其中比较器911比较来自耦合到控制开关910的能量装置(或电池)919的衰减电压。当比较器911检测到的衰减电压导致比较器输出饱和至逻辑低电平或“0”时，则表示能量装置919没有足够的能量，下文用“电量用尽(battery empty)”来表示这种情况。当函数选择为正输入或“1”时，XOR门912将比较器输出逆变以在AND 915输出处具有高电平或“1”作为选择控制信号，以有效控制开关910处的正输出。如果选择传输装置918耦合到正输出，则正输出的有效将激活外部直流电源对能量装置919或电池充电，形成顺序充电控制开关910。
图9的图(ii)示出了情况2的顺序充电控制开关。当电量用尽导致比较器的921输出饱和到逻辑低电平或“0”时，当函数选择为负输入或“0”时，XOR门922缓冲比较器的921的输出在AND 925输出处具有低电平或“0”作为选择控制信号，以有效在控制开关920处的负输出。如果选择传输装置928耦合到负输出，则负输出的有效将激活外部直流电源对能量装置929或电池充电，从而形成顺序充电控制开关920。
图(iii)示出了情况3的顺序充电控制开关。当电量用尽时，比较器931饱和至逻辑低电平或“0”。当函数选择为正输入或“1”时，XNOR门932缓冲比较器931输出，使其在935输出处具有低电平或“0”作为选择控制信号以有效负输出。如果将传输装置938耦合到控制开关930的负输出，则负输出的有效将激活传输装置938供外部直流电源对能量装置939或电池充电，形成顺序充电控制开关930。
图(iv)示出了情况4的顺序充电控制开关。当电量用尽时，比较器941饱和到逻辑低电平或“0”。当函数选择为负输入或“0”时，XNOR门942将比较器的941输出逆变，使其在And 945输出处具有高电平或“1”，作为选择控制信号以有效正输出。如果将传输装置948耦合到控制开关940的正输出，正输出的有效将激活传输装置948供外部直流电源给能量装置949充电或电池耦合到控制开关940，从而形成顺序充电控制开关940。
参照图9中(i)、(iii)或(ii)、(iv)，在函数选择输入不变的情况下，通过将充电控制开关910和930对XOR改为XNOR，或将充电控制开关920和940对中XNOR改为XOR，将每对控制开关的传输装置与正输出或负输出的耦合相应交换，起到充电控制开关的作用。除了改变每对控制开关的输出时序特性外。
图9的图(v)示出了情况1的顺序放电控制开关，其中比较器951比较了耦合到控制开关950的能量装置(或电池)959生成的衰减电压。当比较器951检测到的衰减电压使比较器输出饱和至逻辑高电平或“1”时，表示能量装置959中有足够的能量，下文用“电池充满”来表示这种情况。当函数选择为负输入或“0”时，XOR门952缓冲比较器输出，使其在AND 955输出处具有高电平或“1”，作为选择控制信号以有效正输出。如果传输装置958耦合到控制开关950的正输出，则正输出的有效将激活传输装置958从能量装置959输出能量供外部使用，从而形成顺序放电控制开关950。
图9的图(vi)示出了情况2的顺序放电控制开关。当能量装置969或耦合到控制开关960的电池充满时，比较器961饱和至逻辑高电平或“1”。当函数选择为正输入或“1”时，XOR门962将比较器的961输出逆变，在And 965输出处具有低电平或“0”作为选择控制信号以有效负输出。如果将传输装置968耦合到控制开关960的负输出，则负输出的有效将激活传输装置968从能量装置969传输能量供外部使用，从而形成顺序放电控制开关960。
图9的图(vii)示出了情况3的顺序放电控制开关。当能量装置979或与控制开关970耦合的电池充满时，比较器971饱和至逻辑高电平或“1”，当函数选择为负输入或“0”时，XNOR门972将比较器961的输出逆变为低电平或“0”作为选择控制信号，在AND 975输出处有效负输出。如果将传输装置978耦合到控制开关970的负输出，则负输出的有效将激活传输装置978从能量装置979传输能量供外部使用，从而形成顺序放电控制开关970。
类似地，图9的图(viii)示出了情况4的顺序放电控制开关。当能量装置989或耦合到控制开关980的电池充满时，比较器981饱和到逻辑高电平或“1”。当函数选择为正输入或“1”时，XNOR门982缓冲比较器的981输出，使其在And 985输出处具有高电平或“1”作为选择控制信号以有效正输出。如果将传输装置988耦合到控制开关980的正输出，则正输出的有效将激活传输装置988从能量装置989传输能量供外部使用，也形成顺序放电控制开关980。
参考(i)和(v)，(ii)和(vi)，(iii)和(vii)，或(iv)和(viii)，控制开关910和950，920和960，930和970，或940和980具有相同的配置。它只是应用一个适当的函数选择输入，一个双重控制开关可以用作充电控制开关或放电控制开关。例如，当函数选择为正输入时，XOR控制开关910为充电控制开关，当函数选择为负输入时，XOR控制开关910为放电控制开关，如控制开关950中所示。同理，如XNOR控制开关930在函数选择为正值时为充电控制开关，在函数选择为负值时为放电控制开关，如控制开关970中所示。
参照图9中的(v)、(vi)或(vii)、(viii)，对于放电控制开关，当函数选择由0变为1时，将传输装置由控制开关950、960所示的负输出重新耦合到正输出，或由控制开关970、980所示的正输出重新耦合到负输出时，放电功能不变，只是改变了输出时序特性。类似的转换适用于充电控制开关(i)和(ii)，或(iii)和(iv)，其中当函数选择输入从1变为0时，传输装置从正输出重新连接到负输出(如控制开关910和920)，或从负输出重新连接到正输出(如控制开关930和940)，除了改变输出时序特性外，充电功能不变。
参照图9中的(v)、(viii)或(vi)、(vii)，如果不改变负输出或正输出的外部耦合，即不改变放电控制开关的输出时序特性，则可以通过改变函数选择的输入交换控制开关的XOR与XNOR来实现。这也适用于充电控制开关，通过观察(i)和(iv)，或(ii)和(iii)可以明显看出。
图10是适于根据本公开的一个实施方式对多个电池模块执行顺序充电和放电的控制电路的示意图。如上所述，所述双重控制开关用于实现电池包1005中示例性电池模块1019、1029、1039的顺序充电控制链1000和顺序放电控制链1050。虽然在示例中只示出了三个电池模块和控制开关，但可以理解，可以使用任意数量的电池模块和控制开关。顺序充电控制链1000和顺序放电控制链1050的操作和功能类似于参照图7所示的顺序充电控制链700和顺序放电控制链750所描述的操作和功能。
当充电控制链1000中的双重控制开关1010、1020、1030的函数选择输入被绑定到逻辑高电平或VLOGIC时，它分别启用设置在双重控制开关1010、1020、1030中的XOR门1013、1023、1033作为逆变器功能，使每一个双重控制开关1010、1020、1030作为充电控制开关。因此，控制链1000起顺序充电控制链的作用。
相反，如果函数选择输入被绑定到接地，或绑定到逻辑低状态，则双重控制开关1060、1070、1080中的XOR门1063、1073、1083分别操作作为直通缓冲器，而双重控制开关1060、1070、1080执行作为放电控制开关。因此，控制链1050起顺序放电控制链的作用。通过对连接在控制链中的双重控制开关应用适当的函数选择输入，控制链可以作为顺序充电控制链或作为顺序放电控制链。
在一个实施方式中，第二使能输入信号可以包括在控制开关中，以增强链接的控制链的功能。例如，如图8B所示，可将PAEN信号(即并行使能信号)与顺序使能输入信号PSEN进行OR(或)操作，以生成用于控制开关850的新的使能输入PREN。
图11是根据本公开的一个实施方式的通过配置有并入外部或函数的控制开关的示例性控制链。控制链1100包括捆绑在耦合到充电控制链和放电控制链的电池包1190中的一组电池1191、1192、…，1199。该充电控制链由用于各种充电操作的充电子链1110、1120和1130组成。该放电控制链由用于各种放电操作的放电子控制链1150、1160组成。
与每个控制开关耦合的OR函数接收两个输入，即，顺序使能输入和并行使能输入。顺序使能输入信号可以是前一个控制开关的使能输出，也可以通过按键开关或微控制器变得有效。例如，如果按键开关1101、1102、1103、1105或1106用于启用子链1110、1120、1130、1150或1160，通过关闭按键开关1101、1102、1103以有效PSCEN1、PSCEN2、PSCEN3信号作为OR门1111、1121、1131的输入，以启用各自子链1110、1120、1130的第一控制开关1112、1122、1132，则它将启用所有顺序子链1110、1120和1130的同时充电，其中，在每个子链中，其链接的控制开关将依次充电。这不同于关闭按键开关1104以有效PACEN1使能信号，其被输入到所有OR门1111、1113、1121、1123和1125，以启用子链1110和1120中的所有控制开关1112、1114、1122、1124和1126以接收直流电源1181，而对并联的电池组1191、1192、…，1195充电。对子链中的所有控制开关进行并行充电，还是对所有子链进行“并行顺序”充电，取决于用于充电的直流电源的可用性和强度。
通过将来自子链1110的控制开关1114的使能输出PSCEN2耦合到对子链1120的控制开关1122的PSCEN2使能输入，可以将两个子链1110和1120链接成单一扩展子链，其中可将按键开关1102耦合以单独地启用子链1120。在输入到与控制开关1122耦合的或门1121之前，NXCEN1可以与PSCEN2进行或运算。可以提供不同的直流电源(如直流电源1181、1182)对不同的子链(如子链1110、1130)充电。更多地对电池或电池子链同时并行充电，可减少电池包1190的充电时间。
同样，通过闭合按键开关1105、1106使得PSDEN1、PSDEN2有效而作为或门1151、1161的输入，以启用各自子链1150、1160的第一控制开关1152、1162，其会启用子链1150、1160的同时顺序放电。子链1150的VOUT1和子链1160的VOUT2可以是两个单独的输出，用于不同的应用用途。它们可以耦合在一起以增加电池包1190的输出电流。当同时启用更多的子链以释放能量并使输出耦合在一起时，输出电流增加。然而，来自放电子链(例如子链1150)的最高输出电流使得PADEN1并行使能信号有效，以启用子链1150中的所有控制开关来同时输出其功率。
同样，通过将来自子链1150的控制开关1158的使能输出NXDEN1耦合到子链1160的PSDEN2使能输入，子链1150可被链接到子链1160以形成扩展的顺序放电链，其中，开关键1106可被耦合以单独地启用子链1160的放电。NXDEN1的输出可以与来自按键开关1106的输出进行或运算，以成为到或门1161的PSDEN2输入，或门1161耦合到控制开关1162。
图12示出了根据本公开的一个实施方式的电路示例，其在芯片组中组合了充电控制开关和放电控制开关，以方便电池模块的充电控制和放电控制，其中充电控制开关和的控制段放电控制开关的控制段进行组合，但传输装置与控制段分离，以增加其灵活性来支持应用中的不同额定功率。这样的配置可以替代地称为“芯片组中的组合控制开关”。如果对同一电池模块进行充电和放电，单一传输装置就足够了。这是因为当电池有足够的能量进行放电时，不需要同时充电。
图12所示芯片组1200中的示例性组合充放电控制开关包括控制段1201和分开的功率传输段1202，其中控制段1201部分地包括：充电解复用器1215，用于生成用于充电操作的充电控制输出NXCEN和CHARGE；以及放电解复用器1225，用于生成用于放电操作的放电控制输出NXDEN和DISCHARGE。两个解复用器1215、1225使用相同的比较器1210来生成各自的选择控制信号。
比较器1210将来自耦合到电池模块1249的分压器R1、R2的衰减电压VBATT与参考电压Vref进行比较，以生成比较器输出，其中AND门1213接收比较器输出的逆变、异常输入的逆变和外部INHIBIT控制的逆变，以生成用于充电解复用器1215的选择控制信号，同时AND门1223接收比较器输出、异常输入的逆变和外部INHIBIT控制的逆变以生成用于放电解复用器1225的选择控制信号。
充电解复用器1215接收PRCEN作为其输入，其对两个外部使能信号或运算，其包括用于连接到前充电控制开关的顺序使能输入PSCEN和有益于链接在充电控制链中的控制开关的并行充电操作的第二使能输入PACON。充电解复用器1215生成两个控制输出，包括：NXCEN信号，该信号是来自PRCEN与AND函数1213生成的选择控制信号的逆变进行与运算得到的负输出，用于连接并启用下一个控制开关；以及充电信号，该信号是从PRCEN与选择控制信号进行与运算得到的正输出，用于激活传输装置1240对耦合电池1249充电。当AND1213输出被逆变时，可以交换正输出和负输出的外部耦合，其中逆变的AND函数1213可以布尔转换为OR函数，其所有输入也被逆变。
放电解复用器1225接收PRDEN作为其输入，其对两个外部使能信号进行或运算，其包括用于连接到前放电控制开关的顺序使能输入PSDEN和有益于启用链接在放电控制链中的控制开关的并行放电操作的第二使能输入PADON。放电解复用器1225生成两个控制输出，其包括：NXDEN信号，该信号是将PRDEN与AND函数1223生成的选择控制信号的逆变进行与运算的负输出，用于链接并启用下一个放电控制开关；放电信号，该信号是将PRDEN与选择控制信号进行与运算的正输出，从而当电池1249中的能量输出供外部使用时，其控制常开开关1230的关闭。当AND 1223输出被逆变时，可以交换正输出和负输出的外部耦合，其中逆变的AND函数1223可以布尔转换为OR函数，其所有输入也被逆变。
图13A示出了根据本发明的一个实施方式的电路的示例，其将充电控制开关和放电控制开关组合成用于对电池模块进行充电和放电的单一控制开关，该控制开关在下文替代地称为“组合控制开关”。组合控制开关1300部分包括充电解复用器1310、放电解复用器1320和比较器1320，比较器1320将耦合到电池模块1349的分压器R1、R2导出的衰减电压VBATT与参考电压Vref进行比较，其中当电池模块1349具有足够的能量或“能量满”时，比较器的输出饱和至逻辑高或“1”。
充电解复用器1310接收比较器输出以生成两个输出，即，正输出和负输出，其中正输出将来自前充电控制开关的使能输入信号PSCEN与通过AND门1311的比较器输出进行与运算，以生成NXCEN作为链路控制和使能信号到下一个充电控制开关；负输出将使能输入信号PSCEN与通过AND门1312的比较器输出的逆变进行与运算，以生成用于或函数1319的输入。
放电解复用器1320接收比较器输出生成两个输出，即，负输出和正输出，其中，负输出将来自前放电控制开关的使能输入信号PSDEN与通过AND门1318的比较器输出的逆变进行与运算，以生成NXDEN作为链路控制和使能信号到下一个放电控制开关；正输出将使能输入信号PSDEN与通过AND门1313的比较器输出进行与运算，以生成或门1319的输入。当组合控制开关1300被激活用于充电或放电操作时，或门1319的输出则激活传输装置1335。
组合控制开关1300还包括2:1复用器1330，当比较器输出为逻辑低或“0”时，其输入从直流电源1301选择，或者当比较器输出为“1”时，其输入从电池模块1349选择。复用器输出1330输入到传输装置1335，其中传输装置1335的输出进一步耦合到1:2选择器1340，当比较器输出为“0”时，该选择器将输出路由到充电电池模块1349，当比较器输出为“1”时，其输出来自电池模块1349的能量供外部使用。传输装置1335是组合控制开关1300的一部分。
在任何给时序间，经由充电解复用器1310的AND门1312的正输出或经由放电解复用器1020的AND门1317的负输出被启用，但不是同时被启用，这取决于比较器1315的输出是否饱和到逻辑高或逻辑低。在组合控制开关1300中，放电功能优先于充电功能。当电池模块1349有足够的用于输出的能量时，比较器输出将选择2:1复用器1330和1:2选择器1340，以输出来自电池模块1349的能量供外部使用，并且然后不对该电池模块充电。
在图13B所示的充放电组合控制开关1350中，将充电解复用器1360的负输出与放电解复用器1370的正输出通过或门1369进行或运算，以形成2:1复用器1375来控制传输装置1385的激活，其中比较器1365的输出用作用于复用器1375的选择控制信号。
图14是根据本发明的一个实施方式的由两个组合的控制开关1410、1430配置的示例性充放电控制链1400。虽然在示例中只示出了两个级，但它适用于两个以上的级。
组合控制开关1410包括充电输入或(OR)门1411以及放电输入或门1421。所述充电输入或(OR)门1411接收用于充电控制的顺序使能输入PSCEN+用于充电控制的第二使能输入PACON。所述放电输入或门1421接收用于放电控制的顺序使能输入PSDEN+用于放电控制的第二使能输入PADON。
组合控制开关1410还包括输出使能或门1413和输出使能或门1423。输出使能或门1413接收组合解复用器1415的正输出和异常检测结果，生成NXCEN1信号，对后续组合控制开关1430启用充电控制。输出使能或门1423接收组合解复用器1415的负输出和异常检测输出，以生成NXDEN1信号，对后续组合控制开关1430启用放电控制。植入式传输装置1417由复用器1414的输出激活，并通过AND 1415处异常检测结果的逆变进行选通。检测到任何异常将使传输装置1417失去激活(de-activate)，并有效NXCEN1和NXDEN1使能信号启用后续组合控制开关的充电控制段和放电控制段。
同样，组合控制开关1430包括OR门1431、1441，其接收从前组合控制开关1410的NXCEN1、NXDEN1输出，用于分别链接到PSCEN2、PSDEN2输入，并分别接收PACON、PADON输入。
PSCEN1、PSDEN1、PACON或PADON可以通过关闭按键开关1403、1404、1402或1405或通过使用外部微控制器来有效，以启用组合控制链1400的顺序充电、顺序放电、并行充电或并行放电。当电池模块电量不足时，如果PSCEN1使能信号有效以依次对电池模块1419、1439进行充电，则根据耦合到电池模块1419、1439的组合控制开关1410、1430的优先级，直流电源1401通过复用器1416、1436、传输装置1417、1437和选择器1418、1438对电池模块1419、1439进行充电。如果PACON使能信号有效，则所有电池模块1419和1439将同时充电。
同样，当电池模块有足够的能量时，如果PSDEN1使能信号有效对电池模块1419、1439的能量依次放电，则按照耦合到电池模块1419、1439的组合控制开关1410、1430的优先级，电池模块1419、1439将通过复用器1416、1436、传输装置1417、1437和选择器1418、1438输出能量供外部使用。如果PACON使能信号有效，则所有电池模块1419、1439将同时放电。
通过使用组合控制开关实现在电源系统中的充放电控制链，可以将控制开关的数量减少一半。
结论
综上所述，在控制开关中并入1:2解复用器的实施方式能够将控制开关链接到电源系统中的用于充电、放电或功率复用的控制链中。控制开关可配置成充电控制开关、放电控制开关、充电或放电可选控制开关或充放电组合控制开关。控制在控制开关的解复用器输出处的延迟的灵活性实现链接在控制链中的控制开关之间的同时、先通后断、先断后通的功率复用。
将大型储能设备划分为多个较小的储能单元，可以在控制大型储能设备(如电动汽车中的电池包)的充放电方面提供更大的灵活性。如果将电动汽车的电池包分割成更小的、可拆卸的、易于安装的电池模块，那么回收再生能源就更可行，对电动汽车电池的充电管理也更友好，还可降低电动汽车的拥有成本。控制开关可以在集成电路中配置分立组件，或者分割成芯片组，其包括单独的传输装置，以满足各种电源应用需求。

Claims (30)

1.一种用于能量切换控制的设备，所述设备包括控制段和传输段，所述传输段包括：
功率输入端口，用于接收能量；
功率输出端口；和
传输装置，适于在启用所述传输装置时将能量从所述功率输入端口传输到所述功率输出端口；
其中，所述控制段包括：
控制输入端口，用于接收使能输入信号；
控制输出端口，用于输出使能输出信号；
比较器，适于将来自耦合到所述设备的能量装置的电压与参考电压进行比较，以生成作为应答的比较器输出；和
解复用器，包括：
解复用器输入，耦合到所述使能输入信号；
选择控制信号，其从所述比较器输出生成，用以启用两个解复用器输出中的一个；
正输出信号，其通过将解复用器输入与选择控制信号进行AND运算所生成，以及
负输出信号，其通过将解复用器输入与所述选择控制信号的倒数叠加进行AND运算所生成；其中
所述正输出信号或所述负输出信号中的一者耦合到所述传输装置，且
将所述正输出信号或所述负输出信号中的另一者耦合到所述使能输出信号，以启用第二设备，用于能量切换控制。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，用于能量切换控制的所述第二设备包括：
用于接收能量的第二功率输入端口；
第二功率输出端口；
第二传输装置，所述第二传输装置适于在启用时将能量从所述第二功率输入端口传输到所述第二功率输出端口；和
第二控制段包括：
第二控制输入端口，用于接收第二使能输入信号；
第二控制输出端口，用于输出第二使能输出信号；
第二比较器，用于将来自第二能量装置的第二电压与所述参考电压进行比较，以生成第二比较器输出；和
响应所述第二比较器输出和所述第二使能输入信号的切换控制，用以启用用于能量传输的所述第二传输装置，并且其适于在所述第二能量装置中的能量改变状态时生成所述第二使能输出信号。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，当所述使能输入信号无效时，所述正输出信号和所述负输出信号均被否定；并且其中，当所述使能输入信号有效时，所述解复用器控制所述设备与所述第二设备之间的切换。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，
当从所述能量装置导出的电压高于所述参考电压时，所述比较器输出饱和到逻辑高电平；和
其中当从所述能量装置导出的电压低于所述参考电压时，所述比较器输出饱和到逻辑低电平。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，当输入到所述比较器的输入互换时，所述比较器输出改变状态，从而引起耦合到所述比较器输出的所述选择控制信号的改变。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，
当输入到所述解复用器的所述选择控制信号的极性被逆变时，所述正输出信号转换为所述负输出信号，并将所述负输出信号转换为所述正输出信号，其中所述解复用器的输出时序改变。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，调节所述设备中所述正输出信号和所述负输出信号的延迟时序以实现功率复用中的一个：
所述设备中的所述传输装置和所述第二设备中的所述传输装置同时改变状态；
在所述第二设备中的所述传输装置接通之前，关断所述设备中的所述传输装置，从而提示先断后通的功率复用操作；和
在所述设备中的所述传输装置关断之前，接通所述第二设备中的所述传输装置，从而提示先通后断的功率复用操作。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，通过沿所述正输出信号的时序路径包括延迟元件来调节所述正输出时序，其中所述延迟元件选自由以下组成的组：
直接布线互连，
缓冲器，
偶数个逆变器，
延迟线，以及
可编程延迟线。
9.根据权利要求1所述的设备，其中，通过沿着到所述负输出信号的时序路径包括逆变延迟元件来调节所述负输出时序，其中所述逆变延迟元件选自由以下组成的组：
开路漏极逆变器，
逆变缓冲器，
奇数个逆变器，
逆变延迟线，以及
逆变可编程延迟线。
10.根据权利要求1所述的设备，
其中，当所述功率输入端口配置成接收来自所述直流电源的能量，并且所述电源输出端口配置成向所述能量装置输出能量时，所述设备配置成充电控制开关；和
其中，当所述功率输入端口耦合到所述能量装置，并且所述电源输出端口配置成输出供外部使用的能量时，所述设备配置成放电控制开关。
11.根据权利要求1所述的设备，其中通过选择以下中的一个导出所述解复用器的所述选择控制信号：
与所述比较器输出直接耦合；
与逆变的比较器输出直接耦合；
与所述比较器输出耦合，以与代表一个或多个合格条件的一个或多个信号进行“与”运算；和
与逆变的比较器输出耦合，以与代表一个或多个合格条件的一个或多个信号进行“与”运算。
12.根据权利要求1所述的设备，其中
调节所述正输出信号和所述负输出信号中的延迟，使得当所述选择控制信号改变状态时，所述设备中的所述传输装置和所述第二设备中的所述传输装置基本上同时切换，以提示在所述设备和所述第二设备之间的同时切换。
13.根据权利要求1所述的设备，其中
所述正输出信号耦合到所述设备中的传输装置，
所述负输出信号耦合到所述使能输出信号以启用所述第二设备，其中
当所述选择控制信号从逻辑高电平变化至逻辑低电平时，设置延迟设备以将延迟延长到所述负输出信号，其适于在接通所述第二设备的传输装置之前关断所述设备中的传输装置，其提示先断后通的功率复用。
14.根据权利要求1所述的设备，其中
所述正输出信号耦合到所述设备中的传输装置，
所述负输出信号耦合到所述使能输出信号以启用所述第二设备，其中
当所述选择控制信号从逻辑高电平变化至逻辑低电平时，设置延迟设备以将延迟延长到所述正输出信号，其适于在关断所述设备的传输装置之前接通所述第二设备，其提示先通后断的功率复用。
15.根据权利要求1所述的设备，其中
所述负输出信号耦合到所述设备中的传输装置，
所述正输出信号耦合到所述使能输出信号以启用所述第二设备，其中
当所述选择控制信号从逻辑低电平变化至逻辑高电平时，设置延迟设备以将延迟延长到所述正输出信号，其适于在接通所述第二设备之前关断所述设备的传输装置，其提示先断后通的功率复用。
16.根据权利要求1所述的设备，其中
所述负输出信号耦合到所述设备中的传输装置，
所述正输出信号耦合到所述使能输出信号以启用所述第二设备，其中
当所述选择控制信号从逻辑高电平变化至逻辑低电平时，设置延迟设备以将延迟延长到所述负输出信号，其适于在关断所述设备的传输装置之前接通所述第二设备的传输装置，其提示先通后断的功率复用。
17.根据权利要求1所述的设备，其中所述传输段和所述控制段形成在集成电路中。
18.根据权利要求1所述的设备，其中所述传输段形成在第一集成电路中，并且所述控制段形成在第二集成电路中。
19.根据权利要求1所述的设备，其中所述设备是使用分立装置形成的。
20.根据权利要求1所述的设备，其中所述设备植入到功率控制系统中。
21.根据权利要求1所述的设备，其中
所述负输出信号耦合到所述传输段中的传输装置，
所述正输出信号耦合到向所述第二设备的所述使能输出信号，
所述选择控制信号耦合到所述比较器输出，并且
当所述使能输入信号有效时，其中
当所述能量装置中的能量低于预定义值时，所述比较器输出饱和到逻辑低电平，
所述选择控制信号的无效(i)使得用于所述传输装置的所述负输出信号有效，以启用外部DC电源对耦合到所述功率输出端口的能量装置进行充电，(ii)否定所述正输出信号以否定向所述第二设备的所述使能输出信号；和
当所述能量装置被充电到预定义的电平时，所述比较器输出饱和到逻辑高电平，
所述选择控制信号的有效(i)否定所述传输装置的负输出信号，以使得所述外部DC电源从对所述能量装置充电进行断开，(ii)使得所述正输出信号有效，以启用所述第二设备。
22.根据权利要求1所述的设备，其中
所述正输出信号耦合到所述传输段中的所述传输装置，
所述负输出信号耦合到向所述第二设备的所述使能输出信号，
所述选择控制信号耦合到所述比较器输出的逆变，以及
当所述使能输入信号有效时，其中
当从所述能量装置得出的电压低于预定义的电平时，所述比较器输出饱和到逻辑低电平，
所述选择控制信号的有效(i)使得所述传输装置的所述正输出信号有效，以启用外部DC电源为耦合到所述功率输出端口的能量装置充电，(ii)否定所述负输出信号以否定向所述第二设备的所述使能输出信号；和
当所述能量装置被充电到所述预定义的电平时，所述比较器输出饱和到逻辑高电平，
所述选择控制信号的否定(i)否定了所述传输装置的正输出信号，以使得所述外部DC电源从所述能量装置断开，并且(ii)使得所述负输出信号有效，以启用所述第二设备。
23.根据权利要求1所述的设备，其中
所述正输出信号耦合到所述传输段中的传输装置，
所述负输出信号耦合到向所述第二设备的使能输出信号，
所述选择控制信号耦合到所述比较器输出，并且
当所述使能输入信号有效时，其中
当耦合到所述设备的功率输入端口的所述能量装置中的能量高于预定义的电平时，
所述选择控制信号的有效(i)使得所述传输设备的正输出信号有效，以将能量传输到所述能量装置中供外部使用，并且(ii)否定了所述负输出信号，以否定向所述第二设备的使能输出信号；和
当所述能量装置中的能量低于预定义的电平时，所述比较器输出饱和到逻辑低电平，
所述选择控制信号的否定(i)否定了耦合到所述传输装置的正输出信号，以使得所述能量装置从释放能量进行断开，并且(ii)使得所述负输出信号有效，以启用所述第二设备。
24.根据权利要求1所述的设备，其中
所述负输出信号耦合到所述传输段中的所述传输装置，
所述正输出信号耦合到向所述第二设备的使能输出信号，
所述选择控制信号耦合到所述比较器输出的逆变，并且
当所述使能输入信号有效时，其中
当所述能量装置中的能量高于预定义的电平时，所述比较器输出饱和到逻辑高电平，
所述负输出信号的有效(i)启用所述传输设备以传输所述能量装置中的能量用于外部使用，并且(ii)否定所述正输出信号，以否定向所述第二设备的所述使能输出信号；和
当所述能量装置中的能量低于所述预定义的电平时，所述比较器输出饱和到逻辑低电平，
所述选择控制信号的有效(i)使得所述负输出信号无效，以停用所述传输装置，以使得所述能量装置从释放能量进行断开，以及(ii)使得所述正输出信号有效，以启用向所述第二设备的使能输出信号。
25.根据权利要求1所述的设备，其中
通过将所述比较器输出与分别代表异常条件的一个或多个信号进行“与”运算来导出所述选择控制信号，其中，所述异常条件包括：
向所述功率输入端口的能量不足，
在所述功率输入端口处的过电压，
过温度，
过电流，
短路，
用以禁用所述传输装置的外部禁止控制信号，
其中所述一个或多个异常信号的检测否定了所述设备中的所述传输装置，并使得所述使能输出信号有效以启用所述第二设备。
26.根据权利要求1所述的设备，其中
所述选择控制信号是通过所述比较器输出与代表一个或多个异常条件的一个或多个信号的“与”运算导出的，
代表一个或多个异常条件的信号的有效否定了所述设备中的传输装置，并使得所述使能输出信号有效以启用所述第二设备，
当将所述“与”运算转换为“与非”运算时，将所述正输出信号转换为所述负输出信号，并所述负输出信号转换为所述正输出信号，以及
当所述“与非”运算转换为“或”运算时，对所述“或”运算的所有输入都被逆变。
27.根据权利要求1所述的设备，其中第二使能输入信号与所述使能输入信号进行“或”运算，以向所述解复用器生成经过“或”运算的使能输入信号。
28.根据权利要求1所述的设备，其中所述能量装置是电池；其中
在充电操作期间，所述传输装置将从所述电源输入端口接收到的能量传输到所述功率输出端口，以及
在放电操作期间，所述传输装置将所述电池中存储的能量从所述功率输入端口传输到功率输出端口，用于外部使用。
29.一种切换控制设备，其使用使能信号来控制向后续设备的切换和复用时序，所述切换控制设备包括：
向所述设备的输入使能信号；
输出使能信号；
1:2解复用器；
用以监测与所述切换控制设备耦合的装置处的能量的比较器，以生成比较器输出作为解复用选择控制信号，以控制两个解复用输出中的一个的启用：
通过所述使能输入信号与所述比较器输出进行“与”运算所生成的正输出信号，以及
通过所述使能输入信号的逆变与所述比较器输出进行“与”运算所生成的负输出信号，其中
所述正输出信号和所述负输出信号中的一者耦合到向所述后续设备的所述输出使能信号；
其中，当所述输入使能信号有效时，且当所述比较器输出改变状态时，对所述正输出信号和所述负输出信号的延迟进行调节使得能够切换至具有受控复用时序的所述后续设备。
30.根据权利要求29的开关控制设备，其中
来自所述切换控制设备的所述输出使能信号控制用于向所述后续设备的同时、先断后通和先通后断功率复用的启用和时序。
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