TW201931721A - 電池系統與配電匯流排的連接 - Google Patents

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Abstract

一種用於經由配電匯流排將電力提供至負載之供電單元的備用系統包括電源、在電源的一輸出端與配電匯流排之間耦接的切換元件的網路、與該切換元件並聯耦接的二極體、以及組態以選擇性地激活或去激活每一個切換元件以使得電源經由配電匯流排將電力提供至一負載的控制器。切換元件可以是電晶體，以及二極體可以是電晶體的寄生內接二極體。電源可以為一電池，諸如可充電電池。來自電池的輸出電壓位準可由控制器根據激活或去激活的電晶體的數目來調節。

Description

電池系統與配電匯流排的連接
本發明大致上係有關於電池技術，並且特別是有關於一種用於監控電池並在連接到配電匯流排時控制其放電的系統。
這個部分旨在介紹本領域的各個態樣，其可以與本揭露的例示性實施例相關聯。相信這裡所討論的有助於提供架構以利於更好地理解本揭露的特定態樣。因此，應理解到應該從這個角度來閱讀這個部分，而不一定是對先前技術的承認。
現代資訊技術與電信系統含有在各種配電匯流排電壓下工作的配電匯流排。例如，電腦伺服器通常將12伏(「V」)分配給它們的內部子系統，諸如記憶體、處理器、儲存器、冷卻風扇、及I/O(由配電匯流排提供供應電壓至內部子系統在本文中稱作為「負載電路」、或簡稱為「負載」)。有線電信系統使用48 V分配，無線電信與蜂巢位址系統通常使用24 V。所有上述系統共享幾個共同特徵在於這些配電匯流排在正常操作下可能承載數十甚至數百安培的電流，並且通常要求調節這些匯流排上的電壓以確保匯流排上的最大電壓偏移被界定在高於或低於期望標稱值的固定值。經調節的配電匯流排將具有應用於其標稱值的一指定電壓容差。例如，具有+/- 10%容差的12 V配電匯流排將具有操作範圍為13.2 V至10.8 V。
在過去五年中，已經開發出被優化用於在短時間內提供非常高的電流電池系統。電池系統通常包括一或多個電池(在本文中，用語「電池(battery)」和「電池(cell)」可以互換使用)。由於它們的尺寸小，這些在某些設備類型中變得具有吸引力，目的是替換傳統的不間斷電源(「UPS」)，其在AC主電力斷電時起到設備的短期電力備用的作用。這些高功率電池系統在提供非常高的放電電流方面是獨特的，但是具有僅能夠緩慢接收充電電流的缺點。採用當今市場上的技術，放電電流與充電電流的比率可高達30：1，甚至40：1。
目前用於短時備用應用的高功率電池系統通常採用能夠處理高能量的DC-DC轉換器形式的輸出穩壓器(例如，輸出DC-DC轉換器)以使電池系統的輸出電壓與配電匯流排電壓相匹配，並且防止電流從配電匯流排回流到電池中，這將導致不安全的充電電流並且存在安全隱憂。在當今的許多系統中，充電電流通過與放電電流分開的路徑提供，並且可以由單獨的低功率充電DC-DC轉換器提供。因此，如果可以消除這種高能量輸出DC-DC轉換器或者用具有更高電效率和更低成本的不同方案替換這種高能量輸出DC-DC轉換器，則存在降低成本和提高電效率的機會，同時允許電池系統直接透過這個改進的方案連接至配電匯流排。
目前存在將電池系統直接連接到電性匯流排的現有技術，幾乎全部都使用高側或低側金屬氧化物半導體場效電晶體(「MOSFET」)對，以作為用於充電和放電電流的導通(ON)/斷開(OFF)控制的切換元件(在本文中也簡稱為「開關」)。MOSFET通常用於這些應用中，因為它們的製造處理本質上包含二極體(即，內接二極體)，即使當MOSFET斷開時，它也允許電流在一個方向上流過MOSFET。這個內接二極體在許多應用中代表一個問題，但實際上在本發明的實施例中被用為優點。
目前的許多電池系統使用兩個背對背放置的開關，每個開關包括與每個開關並聯的寄生內接二極體或跨越開關的外部二極體。具有前向二極體(自電池面向負載)的開關被認為是「充電」開關(在其斷開狀態，它阻止任何充電電流)，而另一個開關是「放電」開關(在其斷開狀態中，它阻止任何放電電流)。此方案適用於滿足以下條件的低功率配電匯流排：(1)匯流排的總電流容量(可從匯流排上獲得或由耦接到匯流排的負載消耗)不超過電池的安全充電或放電電流，(2)配電匯流排電壓是可控制的，以便在需要時可以將其提升到足夠高，以使電池在放電後接收完全充電，以及(3)負載電路的允許操作電壓範圍介於或包括電池完全放電時的最小電池端電壓(即0％充電狀態)，以及電池充滿電時的最大電池端電壓(即，100％的充電狀態)。然而，當匯流排上的電壓需要嚴格調節(例如，如負載所要求的)使得它必須保持低於電池的完全充電電壓時，使用這種方法是不實際的；或當匯流排上正常可用的電流超過電池充電電流的安全水平時也不能使用。
在低功率系統中可以看到將單個或多個電池系統直接連接到配電匯流排的產業標準，例如用於筆記型電腦和平板電腦以及手機。這些裝置使用前面所提的單個電晶體開關的「背對背」組態進行充電和放電控制。圖1繪示開關的「高側」組態，其中開關Q1 和Q2 (例如，MOSFET)被配置成使得開關連接到電池的高壓側(+側)。連接開關Q1 和Q2 ，使得電池可以根據兩個開關中的哪一個導通而充電和放電。控制器耦接到每個開關並且控制開關中的哪個開關導通、在什麼條件下以及持續多長時間。因此，控制器施加充電和放電控制。控制器可以基於電池的健康狀態、充電位準、瞬時容量、電壓、電流、溫度或設計者可以選擇的任何其他參數來允許或不允許充電或放電。開關、它們的寄生內接二極體以及控制器的組合允許電池的輸出端的充電控制、放電控製或完全電隔離。
這種雙開關控制方案適用於許多電池應用，其中充電電流、放電電流以及可用匯流排電流的量值接近，或者允許的充電電流遠高於可用的匯流排電流。膝上型電腦電池具有典型的設計點，其中充電速率近似等於放電速率，例如接近1C(即，標稱電池容量C的一倍)。可攜式電話電池可以設計成具有更高的充電速率(例如，高達4C)，但通常具有非常低的放電速率。這使得電話可以快速充電，同時在一次充電時具有較長的使用壽命。在這些低充電和放電速率下，開關的寄生內接二極體具有足夠的熱和功率能力，能夠以最小的溫升和功率損耗傳遞必要的充電和放電電流。
然而，存在越來越多的具有電池充電-放電不對稱性的系統的現實世界的例子，其中可允許的放電率遠遠超過可允許的充電率。例如，用於電備用責務的電池通常設計為60-90分鐘的充電時間，高速放電時間可在60-90秒內完全耗盡電池。正常充電和正常放電電流之間的這種非常大的差異(即，大的充電-放電電流不對稱性)使得圖1的雙開關控制方案不切實際。具體而言，在充電開關中看到的內接二極體完全不適合承載放電電流，如果使用這種方案它會看到放電電流，因為其壓降和功率耗散會對系統的操作產生不利影響。此外，在具有作為能量儲存裝置的鋰離子電池之嚴格調節的+12 V配電匯流排的實例中，為這種應用選擇的電池需要盡可能接近+12V(例如，3或4個串聯連接的電池，每個電池充電至4.0 V)。所屬技術領域中具有通常知識者可以看出，不可能通過具有較差順向電壓特性的隔離二極體將該電池從+12V電源完全充電(例如常見於習知MOSFET的寄生內接二極體)。
除了前面敘述的隔離開關之外，調節系統還被設計用於在轉換電池電壓以連接到電力匯流排時控制電輸出。例如，線性穩壓器可用於提供為特定值或設定點之均勻的電壓輸出。參考圖2，其示出了回授電路，回授電路包括驅動串聯通路元件(例如，具有與二極體並聯的電晶體)的運算放大器(「OPAMP」)。在此種調節系統中，圖2的電路基本上取代了圖1的放電控制開關Q2 ，以在負載處提供調節的電壓輸出，直到串聯通路元件上的最小壓降在至線性穩壓器的輸入與其輸出之間(即，在電池端和負載端之間)的壓降足以使在負載端處的電壓低於最小操作電壓臨限(例如，最小可接受的操作電壓位準)的交叉點。
當實施於低功率裝置時，此種線性穩壓器可以工作。然而，隨著功率位準的增加，會出現許多缺陷。首先，串聯通路元件操作在其線性模式下，其中輸入和輸出電壓之間的電壓差施加在串聯通路元件上，其在高電流的情況下產生非常高的功率損耗和基於熱量產生的V-I。這種產生的熱量必須轉移到環境中或以其他方式從裝置中移除，否則這種熱量將集中在串聯通路元件封裝內，甚至高功率電晶體也會迅速過熱並失效。能夠處理由此功率損耗產生的熱量的封裝需要具有直接安裝散熱器之非常大的實體封裝。大多數高功率電池系統具有實體空間限制和製造限制，這阻礙了此種類型的電晶體封裝的使用。而且，很難找到能夠透過其印刷電路板(「PCB」)接觸件散發足夠熱量之切合實際的表面安裝電晶體(「SMT」)。
切換穩壓器還用於將電池電壓轉換為固定匯流排電壓。通常，步降或「降壓」轉換器需要高於其輸出電壓的輸入電壓以實現其最高效率。這導致串聯連接的電池堆疊具有更高的串聯電池數，以向轉換器提供更高的輸入電壓，以實現高效率與可管理的切換工作循環。然而，這種更高的電池數會增加成本、電路複雜性、總電路封裝體積、與電池管理系統(「BMS」)組件數量和復雜性。
及
應理解到本文敘述的特定實施例係說明性的，而不是作為本發明實施例的限制。在不脫離本發明的範圍的情況下，可以在各種實施例中採用本發明的主要特徵。
作為如先前所揭露的線性或切換穩壓器的替代，本發明的實施例提供一組單獨控制的開關(例如，MOSFET)，其將電源(例如，電池端電壓)連接到輸出(例如，配電匯流排)，該輸出可連接負載電路。根據本發明的實施例，當MOSFET用作開關時，MOSFET以預定(例如，編程)的方式操作，以利用MOSFET的內接二極體及/或與每個MOSFET串聯耦接的外部電阻(例如，電阻元件)的固有順向電壓壓降來調節來自電池堆疊的輸出電壓的傳遞。與在高功率下操作的線性或切換穩壓器相比，此種電路系統可以被組態為替換電池放電DC-DC轉換器(承受高放電電流)及/或在許多操作模式中更有效地操作。
本發明的實施例提供一種用於將電池系統連接到配電匯流排的系統，其利用在編程控制下操作的可編程激活(例如，序列、二進制計數、或任何其他序列)充電和/或放電控制開關(例如，MOSFET)，它可以取代前面敘述的反饋控制線性或切換DC-DC轉換器穩壓器。在本文中揭示的實施例可實施N(其中N≥1)串聯連接的充電控制開關(例如，參見圖3與6)及/或N(其中N≥1)並聯連接的放電控制開關(例如，參見圖7)。
參照圖8，為了理解充電控制開關的串聯連接或放電控制開關的並聯連接如何控制電池放電電壓的應用以及提供等效的輸出電壓調節，現在討論典型電池的特徵操作。圖8示出對於單個例示性鋰離子可充電電池，在不同可能負載電流下的一系列電壓曲線與充電狀態(「SOC」)的關係圖。這些曲線定義了電池電壓可以在電池電流和SOC的各種組合下操作的操作範圍。
可充電電池(例如基於鋰離子(「鋰離子」)的可充電電池)可以以界定操作電壓範圍、最大放電電流、內部阻抗、與每個電池的特定容量的不同的內部材料和特定的化學成分建構。這些參數中的每一個都界定了一系列放電電壓之於放電電流曲線，每個類型的電池都是唯一的。
電池以給定的化學容量建構，如電池中有限量的活性化學物質給定。該容量係藉由在給定電流下與直到達到某個最小電壓之時間的放電測量。容量通常以毫安時(「mAh」)或安培-小時(「Ah」)報告。這個容量在這裡用字母「C」表示，對應於電池可用1小時的連續電流，其導致電池從100％SOC(完全充電)狀態放電到0％SOC狀態(完全放電)。
對於任何給定的放電電流，電池的端電壓將根據其充電狀態(「SOC」)下降。100％滿SOC由電池的最大充電電壓表示。0％滿或100％空SOC由電池的最小放電電壓表示。隨著電池的化學容量耗盡，SOC將從100％減少到0％。
在圖8中示出了在不同負載電流下的電壓曲線與SOC的關係，其表示在10A(「安培」)、12A、15A與20A的電流需求期間具有1Ah的容量的示例性鋰離子電池。可以容易地看出，給定SOC的電池的端電壓將隨著電流需求的增加而降低。當電流需求增加時，電壓標度上的曲線之間的距離是由電池的內部電阻或阻抗引起的。內部阻抗越高，對於給定的施加電流負載，電池端電壓將越低。因此，給定SOC下的電池端電壓不僅取決於SOC，還取決於負載電流需求，並且存在於由特性曲線界定的操作範圍內。
從圖8的圖示可以理解，典型電池的輸出(放電)電壓不是恆定的，而是隨負載電流與SOC而變化，因此典型的電池不具有在存儲的能量從電池耗盡或隨著負載電流變化所花費的時間內將放電電壓調節或維持在特定電壓範圍內的固有能力。然而，如前所述，在電力系統中非常普遍的是，需要向配電匯流排供電的任何電源來調節提供給配電匯流排的電壓，以確保配電匯流排上的最大電壓偏移限制在高於或低於所需標稱值的指定固定值，即負載可容許的允許電壓範圍(例如)以確保無誤操作(本文稱為「指定的負載電壓容差範圍」)。這是為什麼已經實施了諸如先前提到的那些電壓調節器以便將輸出電壓(例如，藉由電池或其他電源)提供給在此指定的負載電壓容差範圍內的配電匯流排的原因之一。
圖9-11示出了由圖8中所述的不同數量的串聯連接的例示性鋰離子可充電電池產生的電壓曲線與SOC的關係圖。可能需要不同數量的串聯連接的電池來實現與不同的常規實施的配電匯流排電壓兼容的特定電池堆疊電壓。
參考圖9-11中所示的實例，文中界定的是相對於指定的負載電壓容差範圍的三個電壓區域，其需要經由配電匯流排傳遞到負載。疊加在每組曲線上的是灰色陰影區域，其對應於指定的負載電壓容差範圍。這種疊加的結果是每個圖被分成三個區域。區域1係界定為其中供應電壓(例如，由電源(諸如，電池)提供)存在於指定的負載電壓容差範圍(灰色陰影區域上方的區域)之上的所有操作點。這相當於供應電壓高於指定的負載電壓容差範圍內的最大電壓。區域2係界定為其中供應電壓存在於指定的負載電壓容差範圍內(灰色陰影區域內)內的所有操作點。區域3係界定為其中供應電壓存在於指定的負載電壓容差範圍(灰色陰影區域內)之下的所有操作點。區域3這相當於供應電壓低於指定的負載電壓容差範圍內的最小電壓。
圖9繪示了對於14個串聯連接的電池(諸如－關於圖8敘述的電池)的示例性48V電池堆疊在不同可能負載電流處的一系列電壓曲線之於SOC的圖。應當注意到在此實例中，指定的負載電壓容差範圍(標記為區域2)等於電池電流和SOC的實質上所有值的總電池堆疊電壓，除了在放電結束時(例如，SOC小於約7％)，即電池操作特性實質上位於區域2內，直到電池中儲存的幾乎所有能量都耗盡。
圖10繪示了對於3個串聯連接的電池(諸，如關於圖8敘述的電池)的示例性12 V電池堆疊在不同可能負載電流處的一系列電壓曲線之於SOC的曲線圖。如在圖9中，指定的負載電壓容差範圍(標記為區域2)等於電池電流和SOC的實質上所有值的總電池堆疊電壓，除了在放電結束時(例如，SOC小於約5％)，即電池操作特性實質上位於區域2內，直到電池中儲存的幾乎所有能量都耗盡。
圖11繪示了對於4個串聯連接的電池(諸如，關於圖8敘述的電池)的12 V電池堆疊在不同負載電流處的一示例性系列電壓曲線之於SOC。應當注意，在此實例中，高SOC處的電池操作特性曲線存在於圖的區域1中，其高於指定的負載電壓容差範圍(標記為區域2)。當電池在區域1內操作時，應在將所產生的降低的電壓遞送到負載之前實施從電池提供給配電匯流排之電壓的電壓調節(例如，降低)，以防止提供給負載的電壓變化超出指定的負載電壓容差範圍的位準(標記為區域2)。
例如，如圖11所示(並且將參考圖6與7進一步描述)，指定的負載電壓容差範圍(在圖11中標記為區域2)可以比為實施備用目的之電池堆疊的整體放電電壓範圍更窄。然而，本發明的實施例能夠在不使用傳統電壓調節器的情況下實施，但能夠基本上在指定的負載電壓容差範圍內維持(調節)從電池堆疊供應到配電匯流排的輸出電壓。
圖3繪示根據本發明實施例組態之系統300的電路方塊圖。系統300包括組態以透過開關之界定的組態將電池308的輸出端選擇性地耦接至配電匯流排304電池系統306。在此實例中，電池308的端電壓特性類似於圖10中所示的那些，其中對應於所有操作點(電流與SOC的組合)的電池電壓位於指定的負載電壓容差範圍(即，存在於特徵曲線之區域2內的所有電池操作點)內。根據本發明的實施例，此界定的切換組態包括在電池308與配電匯流排304之間耦接的串聯連接的開關(在此非限制性例示性實施例中，放電控制開關的數量(N)是1(在圖3中標記為311))，其耦接至已知的供電單元(「PSU」)301，該供電單元301經由已知的AC線路輸入電壓供電。PSU 301將AC線路輸入電壓轉換為DC輸出電壓，其饋送至一或多個負載電路(本文也簡稱為「負載」)305所連接的配電匯流排304。
根據本發明的實施例，電池系統306、界定的開關組態、與PSU 301組合以形成多個開關電池備用單元(「BBU」)。當AC線路輸入電壓存在且在正常操作限制內時，BBU可組態以用作一般電源。如果PSU 301的輸出下降(例如，由於AC線路輸入電壓損失或PSU 301的內部故障)，則系統300可組態以從電池308提供足夠的電力以使負載305操作預定的最小持續時間(例如，足夠長以切換到發電機備用或完成合適的關閉程序)。因此，如果到PSU 301的AC線路輸入電壓失效(或不在正常或所需的操作範圍內)，或者PSU 301經歷內部組件故障或者意外停止操作，電池系統306可組態以為用作備用電源。根據本發明的實施例，電池系統306包括電池308控制器302。控制器302可包括任何組態以執行本文中所述之功能的電路系統，或控制器302可被實施為任何其它電路系統、積體電路(「IC」)模組或能夠執行本文中關於控制器302所敘述之功能的微處理器。電池308可實施為一或多個電池(例如，組態在電池堆疊中的一或多個鋰原子單元)。
根據本發明的實施例，開關309-311中的一或多個可實施為FET(諸如，p型或n型MOSFET)，其中在控制器302內的電路系統可組態以根據需要適當且獨立地導通與斷開FET 309-311中的每一個(例如，分別經由閘極驅動線320-322)，以實施本文中所敘述的各種功能。或者，開關309-311中的任何一或多個可以用適合於執行如本文所述的各別功能的任何電路系統取代。根據本發明的實施例，FET310-311中的一或多個可實施以含有寄生內接二極體，其當各自的FET 310-311的導電通道處於斷開狀態時將用於允許電流僅在一個方向上流動。根據本發明的某些實施例，切換元件311可組態為不具有寄生內接二極體。
PSU 301可以包括已知的內部電子(未圖示)，其組態以透過信號線312發送輸出信號，例如數位邏輯位準或類比信號(標記為AC_OK)，其指示PSU 301是否經由配電匯流排304向負載305提供足夠的電力(例如，指示PSU 301是否正常運行或已經發生故障，或者AC線路輸入電壓是否在一般(例如，所需)操作範圍內)。控制器302係具備有透過信號線312來自PSU 301的輸入信號(AC_OK)，以監視AC線路輸入電壓。應注意到，根據本發明的實施例，一或多個電源(PSU)301可以連接至配電匯流排304以供應電力至負載305。
根據本發明的某些實施例，電池系統306可進一步包括組態以檢測及測量流入或流出電池308之電流的電流感測器307。電流感測器307可組態為耦接至一放大器的感測電阻器，諸如圖3中所描繪。根據本發明的某些實施例，控制器302可組態以測量透過電流感測器307從電池308提取或遞送到電池308的電流的大小(例如，以安培為單位)與方向(正或負)。參考圖4-5進一步敘述電流感測器307的利用。
在關於圖3敘述的例示性實施例中，其中放電開關的數量(N)等於1，電池308的特徵操作電壓範圍可組態以實質上匹配要提供至配電匯流排304(例如，如負載305所要求的)的指定的負載電壓容差範圍，例如圖10和11中的區域2所示。
根據本發明的某些實施例，控制器302可組態以導通充電控制FET309(或任何合適的開關元件)以允許藉由單獨的充電電路(「充電器」)303對電池308充電。FET 309還可以包括寄生內接二極體，如圖3所示。此外，本發明的實施例還可進一步包括二極體330(或等效電路元件)，其組態以防止來自電池308的電力通過充電器303。

多開關電池操作-從PSU到電池的電力切換
參照圖3與4，以下敘述了電池308經由配電匯流排304至負載305的多開關連接的例示性非限制性可編程組態，諸如在PSU 301的AC線路輸入功率損失或PSU 301故障期間。根據本發明的實施例，系統300可組態以使得當來自供給配電匯流排304之PSU 301的電壓由於某種原因降低到臨限位準以下(例如，低於指定的負載電壓容差範圍的允許下限)時，電池308向負載305提供電力。作為一實例，考慮在某個時間點，去除至PSU 301的AC線路輸入電壓，或者PSU 301未能適當地操作(這裡稱為「PSU故障事件」)。例如，這可能是由於外部AC斷電提供AC線路輸入電壓。
當PSU 301內的電路系統發生故障或者PSU 301的內部電子檢測到AC線路輸入電壓下降時，PSU 301可組態以使得信號線312上的AC_OK信號的狀態改變(例如，AC_OK= 0)作為對整個系統警告PSU 301已經經歷PSU故障事件並且電力關閉是可發生的。在圖4中，提供給負載305的電壓(稱為「負載電壓」)由虛線表示，由PSU 301提供的電壓(稱為「PSU電壓」)由鄰接實線表示，以及由電池308提供的電壓由虛線表示。
根據本發明的實施例，PSU301可含有組態以儲存從AC線路接收的能量之一或多個已知能量儲存元件(例如，電容器，未圖示)，其允許在沒有AC輸入功率的情況下，匯流排304上的PSU電壓也能在短時間內保持基本恆定，在圖4中稱為「PSU保持時間」。根據本發明的實施例，PSU保持時間通常可以在2毫秒至20毫秒的時間範圍內，但PSU保持時間的精確持續時間將取決於這種能量儲存元件的能量儲存容量。當PSU 301內的能量儲存元件開始耗盡這儲存的能量時，匯流排304上的PSU電壓開始以某個特定的衰減速率衰減或下降，如PSU 301的內部電路與外部負載(例如，能量儲存元件)所判定的那樣並且從PSU301(例如，藉由負載305)汲取的瞬時輸出功率。電壓衰減在本領域中是已知的，因為當裝置在受限制的功率遞送條件下驅動負載時，裝置的輸出電壓逐漸降低。此電壓衰減在圖4中的PSU電壓曲線中描繪為「PSU輸出電壓衰減」。
控制器302可組態以響應於在信號線312上接收到AC_OK信號的狀態變化(例如，AC_OK=0)而導通FET 311 (例如，藉由在Q2閘極驅動線322上判定適當的電壓(在圖4中稱為「Q2閘極信號高」))。這導致來自電池308的電壓透過FET 310的內接二極體連接到匯流排304，因為FET 310的導電通道保持斷開(因為此時控制器302係組態以在Q1閘極驅動線321上輸出不足以導通FET 310的導電通道的電壓信號)。試圖從配電匯流排304反向流動(即，進入電池308)的任何電流由FET 310的內接二極體阻擋，但是在匯流排304上的電壓下降到低於來自電池308的電壓減去FET 310之內接二極體的順向電壓(Vbatt -VfQ1 )的瞬間，電力可以從電池308流入配電匯流排304。此條件在圖4中稱為「電池放電就緒狀態」。
當PSU 301內的能量儲存元件開始耗盡能量時，匯流排304上的電壓將下降，直到它達到其等於來自電池308的電壓減去FET310之內接二極體的順向電壓(Vbatt -VfQ1 )的點。此時，電池308開始透過FET 310的內接二極體(Q1內接二極體導通期間)向配電匯流排304(以及因此負載305)遞送電流，並且電池308與PSU 301在配電匯流排304上共享電流(在圖3中用「電池電流」與「PSU電流」表示)。這在圖4中稱為電池308放電週期的「從PSU到電池的電力切換」。根據本發明的實施例，一旦FET 310的內接二極體開始導通，控制器302可組態以檢測從電池308流出至配電匯流排304上的非零電流，這可以藉由與電流電流感測器307中的瞬時電流成比例的信號(例如，類比)的傳輸來實現，其在電池電流測量線325上被發送至控制器302。
此時，為了防止FET 310的內接二極體中的進一步功率耗散(及相應的發熱)，控制器302可組態以導通FET 310 (例如，藉由在Q1閘極驅動線321(在圖4中稱為「Q1閘極信號高」)上判定適當的電壓)，導致在Q1內建立導電通道，將電流從高耗散內接二極體轉移至低耗散導電通道，從而降低在FET 310中的整體功耗。FET 310與311兩者導通的條件在本文圖4中稱為「電池充電電流通過Q1與Q2導電通道」。處於「導通」狀態的FET 310與311以及與PSU 301共享負載電流的電池308的這種情況將持續直到達到PSU 301中的能量儲存元件的低能量臨限，此時PSU 301將停止操作或關閉。在PSU 301關閉時，電池308將接管為負載305供電。該條件對應於電池308放電的區域2範圍內的操作，如圖9和10所示，其中電池308經由匯流排304連接到負載305。典型的負載305通常可以表現出恆定的電力特性，因此電池308的電流將緩慢上升，與電池308的電壓下降的速率相當，如圖4所示。電池308將在其儲存的能量消耗時正常放電，並且當控制器302檢測到電池端電壓已達到最小允許匯流排電壓或者在圖9和10所示中稱為電池308放電之區域3範圍時控制器302將終止電池放電。該點可以由藉由應用或負載電路界定的預定的較低電壓限制來判定最小可允許負載電壓(例如，指定的負載電壓容差範圍的下限)。一旦到達區域3範圍，電池308中剩餘的任何能量將不可用於匯流排304。
當電池308耗盡化學能時，作為響應，控制器302可組態以斷開FET 310和311兩者(例如，經由Q1閘極驅動線321與Q2閘極驅動線322)，從而將電池308與配電匯流排304隔離，從負載移除電力並終止其操作。圖4中所描繪的總運行時間可以由負載305和電池308中的電池的總能量儲存能力判定。

多開關操作-從電池到PSU的電電力切換
參考圖5，假設電池308的單元尚未完全耗盡，並且當AC線路電源恢復到PSU 301(或者以其他方式恢復PSU 301的正常操作)時電池308仍然將電流遞送到配配電匯流排304，PSU 301可組態以開始其啟動序列，改變信號線312上的AC_OK信號的狀態(例如，AC_OK=1)，並且連接到配電匯流排304的PSU輸出電壓(在圖5中描繪為「PSU電壓」線)將開始上升(「PSU輸出電壓斜坡」)。當上升的PSU電壓與配電匯流排304電壓匹配時，PSU 301將開始接管遞送至負載305的一部分電流。此後，當PSU電壓開始上升到高於電池308的電壓時，反向(充電)電流將出現在電池308的輸出端(在圖5中稱為「進入電池的負電流」)，這可以由電流感測器307感測。當檢測到來自PSU 301的有效AC_OK=1信號以及「進入電池的負電流」時，控制器302將Q2閘極驅動信號322的狀態改變為FET 311，導致FET 311的Q2導電通道被關閉。在稍後當PSU 301的輸出電壓穩定時的某個時間，控制器302可組態以經由其Q1閘極驅動信號321斷開FET 310，其用於將電池308與配電匯流排304隔離。然後PSU電壓可以繼續上升，直到PSU 301達到其一般操作電壓調節位準，並且PSU 301可持續在這種條件下直到另一個停電事件發生。
圖6繪示根據本發明實施例組態之系統600的電路方塊圖。系統600中的每個元件可以以與先前關於系統300敘述的相應標記之元件類似的方式操作。系統600採用組態以透過界定的切換組態(即，數個串聯連接的開關)將電池608的輸出端選擇性地耦接至配電匯流排604電池系統606。根據本發明的實施例，這個界定的切換組態包括在電池608與配電匯流排604之間串聯連接的一系列N(其中N≥2)個充電控制開關(例如，FET，其可以是MOSFET)，其中每個FET由控制器602獨立控制。
系統600可以用於電池系統，其具有在指定的負載電壓容差範圍之上延伸的電池端電壓操作點(例如，如負載605所要求的；例如，參見圖11的實例中所示的區域2範圍)。如本文其他地方所討論的，典型的電池具有位於許多負載所需的更窄的指定的負載電壓容差範圍之外的操作點。因此，系統600可用於將供應的電池電壓實質上調節在指定的負載電壓容差範圍內。根據本發明的某些實施例，電池608的電壓可組態以在某些SOC與電池電流條件下位於配電匯流排604的指定的負載電壓容差範圍之上，並且在其他SOC或電池電流條件下實質上匹配配電匯流排604的指定的負載電壓容差範圍。
系統600包括經由已知的AC線路輸入電壓供電的已知的供電單元(“PSU”)601。PSU 601將AC線路輸入電壓轉換為DC輸出電壓，其饋送至負載605所連接的配電匯流排604。根據本發明的實施例，電池系統606、界定的切換組態、與PSU 601組合以形成多個開關電池備用單元(「BBU」)。當AC線路輸入電壓存在且在正常操作限制內時，BBU可組態以用作一般電源。如果PSU 601的輸出下降(例如，由於AC線路輸入電壓損失或PSU 601的內部故障)，則系統600可組態以從合適尺寸的電池608提供足夠的電力以使負載605操作最小的界定持續時間(例如，足夠長以切換到發電機備用或完成合適的關閉程序)。因此，如果到PSU 601的AC線路輸入電壓失效(或PSU 601的輸出在正常或所需的操作範圍之外)，或者PSU 601失效或者意外停止操作，電池系統606可組態以為用作備用電源。
根據本發明的實施例，電池系統606包括電池608控制器602。電池608可實施為一或多個電池(例如，鋰原子單元)。控制器602可包括任何組態以執行本文中所述之功能的電路系統，或控制器602可被實施為任何其它電路系統、IC模組或能夠執行本文中關於控制器602所敘述之功能的微處理器。
在圖6中所示的非限制的例示性實施例，系統600實施N(其中N≥2)個充電控制開關(例如，N MOSFET 610a ... 610c)的網路，以代替圖3的FET 310。串聯連接的充電控制FET的數量可以從2到任何更大的數量，其可以由所實施的控制器602實際控制。FET的數量N可以由最大電池堆疊電壓與所需輸出電壓的差值判定(例如，由指定的負載電壓容差範圍判定(例如，參見圖11中的區域2))。根據本發明的實施例，控制器602內的電路系統可組態以根據所需適當地導通與斷開FET 609、610a...610c、與611中的每一個(例如，分別經由閘極驅動線620、621a... 621c、與622)以實施本文所述之本發明實施例的功能。或者，FET 609、610a...610c、與611中的任何一或多個可以用適合於執行如本文所述的各別功能的任何電路系統取代。
控制器602可組態以單獨地使FET 610a... 610c、與611中的每一個導通與斷開。根據本發明的實施例，FET 610a... 610c、與611中的一或多個可實施為含有寄生內接二極體，其在當各別FET610a ... 610c處於斷開狀態時用於防止電流流入電池(充電電流)，並且當FET 611處於斷開狀態時防止放電電流進入負載。根據本發明的某些實施例，切換元件611可組態為不具有寄生內接二極體。根據本發明的替代實施例，為了使當電流導通通過內接二極體時最小化FET封裝(即N個充電控制FET 610a ... 610c與放電控制FET 611)中的功率損耗(及產生的熱)，外部肖特基二極體(未圖示)也可以與任何或所有充電控制開關並聯連接(或內置於封裝之中)。
PSU 601可以包括內部電子(未圖示)，其組態以透過信號線612發送輸出信號，例如數位邏輯位準或類比信號(標記為AC_OK)，其指示PSU 601是否經由配電匯流排604向負載605提供足夠的電力(例如，指示PSU 601是否正常運行或已經發生故障，或者AC線路輸入電壓是否在一般(例如，所需)操作範圍內)。控制器601係具備有透過信號線612來自PSU 601的輸入(AC_OK)，以監視AC線路輸入電壓。應注意到，根據本發明的實施例，一或多個電源(PSU)601可以連接至配電匯流排604以供應電力至負載605。
根據本發明的某些實施例，電池系統606可進一步包括組態以檢測及測量流入或流出電池608之電流的電流感測器607。電流感測器607可組態為耦接至放大器(例如，OPAMP)的感應電阻器R，其在電池電流感測器線625上輸出信號。根據本發明的某些實施例，控制器602可組態以測量透過電流感測器607從電池608提取或遞送到電池608的電流的大小(例如，以安培為單位)與方向。系統600可進一步包括電池電壓回授電路642以及組態以用作為電壓感測器來判定電池608的電壓位準與負載605處的輸出電壓位準的負載電壓回授電路641。
根據本發明的某些實施例，控制器602可組態以導通充電控制FET609(或任何合適的開關元件)以允許藉由充電電路(「充電器」)603對電池608充電。FET 609還可以包括寄生內接二極體，如圖6所示。此外，本發明的實施例還可進一步包括二極體630(或等效電路元件)，其組態以防止來自電池608的電力通過充電器603。
當電池連接時並且實質上與電池608的電流遞送到負載605同時(對應於FET 611的導通)，電池端電壓將根據電池608的特性阻抗曲線下拉或下降，並且提供給配電匯流排604的電壓將是由每個內接二極體的總順向電壓壓降乘上處於斷開狀態的N個FET 610a ... 610c的數量(如由控制器602判定)之和減小的電池端電壓。控制器602可組態以經由電壓感測器642感測電池電壓並且經由電壓感測器641感測輸出電壓(至負載605)，並且響應需要導通或斷開充電控制開關(例如，N FET 610a ... 610c)之數量的判定，以便將負載605處的電壓維持在期望的操作範圍內(例如，指定的負載電壓容差範圍(例如，參見圖11中所描繪的區域2))。當電池電壓由於電流增加(阻抗曲線效應)或減少其充電狀態(基於SOC的電壓壓降)持續下降，N個FET 610a ... 610c可以由控制器602響應由電壓感測器642與641感測到的改變電壓條件以預定的編程方式(例如，序列、二進制計數或任何其他序列)導通，以減小電池端與輸出(負載)端之間的串聯順向二極體電壓壓降的總數，以便調節由電池608提供給負載605的電壓。同樣地，由負載605汲取導致電池端電壓由於特性阻抗效應而增加之突然減小的電流可以藉由控制器602斷開N個FET 610a ... 610c中的一或多個來補償，從而將一或多個順向二極體電壓降回到N個FET 610a ... 610c的串聯電路中。
圖12中描繪了可以在控制器602內實施的調節方案之非限制性實例，其顯示了N(其中N=3)個串聯連接的FET 610a ... 610c上的總電壓壓降根據導通或斷開的FET數量(0 ... N)變動。可以看出，N個FET 610a ... 610c的網路上的總電壓壓降可以由控制器602以離散步驟控制，從基本上0 V到由FET的數量(N)界定的電壓，其由所需負載電壓(及其容差)與電池608端處的最大電壓之間的差值(在此實例中，其中N=3，大約2.4 V)。由於其置於電池608的輸出端和負載605的輸入端之間的電路中，負載605將其輸入電壓視為電池608的端電壓減去FET網路上的電壓壓降。藉由該技術，調節提供給負載605的電壓(例如，實質上在指定的負載電壓容差範圍之內)可透過控制器602導通/斷開N個FET 610a ... 610c來實現與維持，以調節FET網路上的電壓壓降。根據本發明的實施例，控制器602也可組態以導通/斷開FET 610a ... 610c與611中任何一或多個，以便最小化在任何單獨FET之內接二極體中的功率耗散。
根據本發明的實施例，有許多眾所周知的控制技術，諸如誤差放大器的實施方案、狀態空間控制、或實施在控制器602中以響應於由感測器642與641提供的電壓感測以及由感測器607提供的電流感測來判定導通或斷開任何特定FET(例如，N個FET610a ... 610c)的順序和時序的磁滯控制方法。
圖7繪示根據本發明實施例組態之系統700的電路方塊圖。系統700中的每個元件可以以與先前關於系統300和600敘述的相應標記之元件類似的方式操作。系統700採用組態以透過界定的切換組態將電池708的輸出端選擇性地耦接至配電匯流排704電池系統706。根據本發明的實施例，此界定的切換組態包括N(其中N≥2)個並聯連接的放電開關710a ... 710d(例如，MOSFET)的網路，其各與電阻器750a ... 750d串聯耦接以形成N個FET/電阻器對的網路。
系統700可以用於電池系統，其具有在指定的負載電壓容差範圍之上延伸的電池端電壓(例如，如負載705所要求的；例如，參見圖11的實例中所示的區域2範圍)。如本文其他地方所討論的，典型的電池在某些操作點處具有端電壓，該端電壓位於許多負載所需的更窄的指定的負載電壓容差範圍之外。因此，系統700可用於將供應的電池電壓實質上調節在指定的負載電壓容差範圍內。根據本發明的某些實施例，電池708的電壓可組態以在某些SOC與電池電流條件下位於配電匯流排704的指定的負載電壓容差範圍之上，並且在其他SOC或電池電流條件下實質上匹配配電匯流排704的指定的負載電壓容差範圍。
電阻器750a ... 750d中的每一個可組態有不同的電阻值，並且可組態成使得750a ... 750d串列中的每個電阻器的電阻值低於該串列中的前一電阻器(例如，電阻器750b具有低於電阻器750a的電阻值，電阻器750c具有低於電阻器750b的電阻值等)。FET/電阻器對可以通透另一個開關元件(例如，MOSFET)711並聯連接在電池端和配電匯流排704之間，該開關元件711防止電池直接從配電匯流排704充電，並且其中N個FET 710a ... 710d中的每一者及其成對電阻器以及FET 711藉由控制器702經由控制線721a ... 721e獨立地控制。然而，本發明的實施例可以用一或多個電阻器750a ... 750d實施，電阻器750a ... 750d具有實質上相等的電阻值。
並聯連接的充電控制FET/電阻器對的數量(N)可以從2到任何數量，其可以由控制器702實際控制。放電控制FET/電阻器對的數量N通常可以由許多因素判定，諸如電池堆疊可用的最小與最大電壓、最小與最大輸出電流的預期範圍、以及所需的最小與最大輸出電壓範圍(例如，由指定的負載電壓容差範圍判定(例如，參見圖11中的區域2))。
根據本發明的實施例，電池708可以藉由控制器702以編程方式(例如，序列、二進制計數序列或任何其他序列)激活(例如，導通)N個FET 710a ... 710d中的一或多個來連接到配電匯流排704，諸如，從FET 710a開始，其可以與最高電阻值電阻器750a配對。在導通FET 710a時，電流將開始流向負載705，並且電池708的端電壓將根據電池阻抗特性曲線開始下降。如果通過FET/電阻器對710a/750a的串聯組合的負載705的電流足夠高，則FET/電阻器對710a/ 750a的串聯組合上的電壓壓降將增加直到負載705處的電壓下降到預定臨限，其可以根據負載705的最小調節點規範(例如，指定的負載電壓容差範圍的下限)來設置(例如，在控制器702內)。當達到該臨限並且由控制器702透過輸出電壓感測器741感測時，控制器702可組態以關閉FET/電阻器對710a/750a，並且導通與電阻器750b配對的FET，其可以具有電阻器750a ... 750d串列中的下一個最高電阻值。根據本發明的實施例，與FET 710b串聯的電阻器750b可組態以具有顯著小於電阻器750a之電阻值的電阻值，因此FET 710b與電阻器750b之串聯組合上的電壓壓降將低於FET 710a與電阻器750a之串聯組合上的電壓壓降。這樣的效果是將到負載705的輸出電壓升高到高於先前提到的與負載705的最小調節點規範有關的臨限(例如，指定的負載電壓容差範圍的下限)，並且因此保持至負載705的輸出電壓高於該最小預定臨限。以這種方式，在改變電池端電壓與負載電流的情況下，控制器702可以在調節窗口內維持至負載705的輸出電壓(例如，指定的負載電壓容差範圍(例如，參見圖11中的區域2))，至負載705的輸出電壓可藉由控制器702經由電池電壓感測器742、輸出電壓感測器741與電流感測器707感測，藉由控制器702選擇性地啟動N個FET 710a ... 710d(例如，以向上的二進制計數序列)提升負載電壓，並選擇性地停用N個FET 710a ... 710d(例如，以向下的二進制計數序列)以降低負載電壓，其中FET 710a與二進制序列計數器的最低有效位元相關聯，並且FET 710d(或更高)與最高有效位元相關聯。
圖13中描繪了可實施在控制器702內的調節方案的非限制性實例，其顯示並聯連接的FET/電阻器對上的總電壓壓降依據由N個FET 710a ... 710d的控制器選擇性地啟動之二進制技術序列而變動。可以看出，FET/電阻器對網路上的電壓壓降可以在N2 個離散步驟(例如，當N=4時為16)中控制，範圍從基本上0 V到一些期望的最大電壓(在該實例中，大約3.0 V)。由於其置於電池708的輸出端和負載705的輸入端之間的電路中，負載705將其輸入電壓視為電池708的端電壓減去FET/電阻器對網路上的電壓壓降。藉由該技術，調節提供給負載605的電壓(例如，實質上在指定的負載電壓容差範圍之內)可透過控制器702導通/斷開N個FET 710a ... 710d來實現與維持，以調節FET/電阻器對網路上的電壓壓降。
根據本發明的實施例，這樣的N個並聯放電切換元件的網路(即，N個FET/電阻器對)可以組態以操作(例如，回應於從控制器702接收的指令)作為高電流數位類比轉換器，其中源電壓(即，來自電池708)隨時間不恆定(例如，參見圖8)。在此組態中，來自電壓感測器741、742與電流感測器707的資訊可由控制器702利用來補償輸入和輸出電壓(即，電池708與負載705)的變化。
因此，所得到的系統700係組態為N個固定阻抗元件(即，N個FET 710a ... 710d及相關聯的電阻器750a ... 750d)的網路，其可以藉由控制器702接入和斷開網路，以補償輸入(即，電池708)與輸出(即，負載705)上的電壓變化。改變電阻器750a ... 750d的電阻值將界定各個元件阻抗。根據本發明的實施例，每個FET/電阻器對可組態有在預定施加電流下的指定的電壓壓降。結果，系統700可組態以控制在電池708與負載705之間界定可變的、可控制的阻抗的元件網路。隨著負載705的電壓增加，網路藉由控制器702調整，使得總阻抗增加並且傳遞到負載705的電壓減小。當電池708的電壓降低，網路藉由控制器702重新組態，使得總阻抗減小，因此網路上的電壓也降低，用於將遞送到負載705的電壓維持在期望的範圍內(例如，實質上在指定的負載電壓容差範圍內)。然後，控制器702可以使用任何數量的不同控制技術來控制來自電池電壓減去的網路上的補償電壓壓降，使得透過對系統700中的各種N個FET/電阻器對進行排序來控制遞送到負載705的所得電壓，以在每當電池操作點存在(例如，漂移無論何種原因)區域1操作範圍內(例如，如圖11所示)電池工作點時都能提供高分辨率電壓匹配。
根據本發明的實施例，有許多眾所周知的控制技術，諸如誤差放大器的實施方案、狀態空間控制、或實施在控制器702中以響應於由電壓感測器741與742提供的電壓感測以及由電流感測器707提供的電流感測來判定導通或斷開特定FET/電阻器對的順序和時序的磁滯控制方法。
作為前面的敘述的結果，可以容易地理解，系統600或系統700、或者組合系統600和700兩者的FET網路的系統，可組態以在電池放電時將從電池提供給負載電路的輸出電壓維持在期望電壓範圍內，包括將這樣的輸出電壓保持在所需的操作電壓範圍內(例如，實質上在指定的負載電壓容差範圍內)，以便能夠將系統600及/或系統700實施為電壓調節器(例如，用作BBU)。
再次參照圖3，在例示性非限制性實施例中，PSU 301可組態為具有40.8 V至55.2 V的輸出電壓範圍，這是用於具有+/- 15%變化的配電匯流排304的標稱48 V輸出。PSU 301可耦接至鋰離子電池堆疊308，其中14個單獨的電池串聯連接以界定14S組態。當每個電池充電至3.95 V時，電池308將具有55.3 V的完全充電電壓與39.2 V的完全放電電壓，因此對於所有充電和負載條件除了剩餘容量為最後4％-5％之外，此48 V配電匯流排304(例如，實質上在指定的負載電壓容差範圍內)在所需的規範內。此14S單元組態具有完全充電與一般放電電壓，其允許直接連接到配電匯流排304而不需要任何電池電壓的降低(即，如圖9所示，電池電壓限制在區域2操作範圍，其為SOC範圍的95％或更多)。因此，這是本發明實施例的合適應用環境，其中這種放電切換元件的數量為一(即，N=1)，如圖3所示。
在使電池308放電到配電匯流排304中的事件(例如，PSU故障事件；參見圖4)期間，電池308的電壓將在施加的負載305下降低。電池308的電壓壓降量將取決於所施加的負載305的大小和電池308中的每個電池的內部阻抗。可以仔細選擇電池308的電池的電壓、電流與阻抗特性，以便能夠支持它們所連接的配電匯流排304的全部功率要求，同時維持足夠小的電壓壓降以使配電匯流排304在放電事件期間(例如，實質上在指定的負載電壓容差範圍內)保持在其電壓限制內(例如，上述具有+/- 15%變化的標稱48V輸出)。
參照圖11，在本發明的又一非限制例示性實施例中，4單元電池堆疊可組態以直接連接到12 V電匯流排。與前面的實例相比，電池V-I-SOC曲線表明該4單元電池在移動到區域2範圍內之前將在區域1操作範圍的大部分放電中操作。根據此非限制例示性實施例，可以利用諸如圖6及/或圖7中所示的電路組態，允許透過在電池與負載之間實施的切換網路來降低電池端電壓。
儘管本文揭露了本發明的實施例，其利用電池作為電源(例如，用於電池備用目的)，但是本發明的實施例可組態為利用任何適當類型的電源。相應地，系統300、600及/或700適用於具有未調節輸出電壓的任何類型的電源(而不是電池)(例如，這種電源的輸出電壓在配電匯流排電壓容差範圍之外變化)。
如所屬技術領域中具有通常知識者將理解的，本發明的態樣(例如，控制器302、602及/或702)可以實施為系統、方法和/或程式產品。因此，本發明的態樣(例如，控制器302、602及/或702)可以採用完全硬體實施例、完全軟件實施例(包括韌體、常駐軟體、微碼等)的形式，或者組合軟體與硬體態樣的實施例，這些實施例在本文中通常都稱為「電路」、「電路系統」、「模組」、或「系統」。此外，本發明的態樣可以採取實施在一或多個電腦可讀的儲存媒體中的程式產品的形式，該電腦可讀的儲存媒體具有實施其上的電腦可讀的程式碼。(然而，可以使用一或多個電腦可讀媒體的任何組合。電腦可讀媒體可以為電腦可讀信號媒體或電腦可讀的儲存媒體。)
還應注意到電路方塊圖的每一方塊及/或圖4與圖5之圖中所表示的功能，以及電路方塊圖中方塊的組合及/或圖4與圖5之圖中表示的功能，可以由執行特定功能或行為的專用基於硬體的系統或專用硬體與電腦指令的組合來實施。例如，模組(例如，控制器302、602、及/或702)可被實施為硬體電路(例如特定硬月積體電路(ASIC)包含客制VLSI電路或閘極陣列、現有的半導體諸如邏輯晶片、電晶體、控制器或其他離散組件。模組(例如，控制器302、602、及/或702)亦可在可編程化硬體裝置中實施，諸如場可編程閘極陣列、可編程化陣列邏輯、可編程化邏輯裝置或類似者。
除非以其它方式定義，否則本文使用的所有技術與科學用語具有與本揭露發明標的所屬領域之具有通常知識者通常理解的相同的含義。當在本申請中使用時(包括申請專利範圍)，用語「一」和「一個」意指「一或多個」。
如本文中所使用，用語「約」用於藉由給定值可以「略高於」或「略低於」端點來為數值範圍端點提供靈活性。
如本文中所使用，用語「實質上」指動作、特徵、屬性、狀態、結構、項目或結果的完整或接近完整的情況或程度。例如，「實質上」封閉的物體意味著該物體被完全封閉或幾乎完全封閉。在某些情況下，與絕對完整性的確切允許偏差程度可能取決於具體情況。然而，一般而言，完成的接近程度將具有相同的總體結果，就好像獲得絕對與完全完成。當在負面含義中使用時，「實質上」的使用同樣適用於指代完全或幾乎完全缺乏動作、特徵、屬性、狀態、結構、項目或結果。
如本文所使用的，當在實體列表的上下文中使用時，用語「及/或」以及兩個詞之間的「/」符號的使用是指單獨或組合存在的實體。因此，例如，用語「A、B、C及/或D」分別包括A、B、C與D，但也包括A、B、C與D的任何及所有組合和子組合。
300、600、700‧‧‧系統
301、601、701‧‧‧供電單元
302、602、702‧‧‧控制器
303、603、703‧‧‧充電器
304、604、704‧‧‧配電匯流排
305、605、705‧‧‧負載
306、606、706‧‧‧電池系統
307、607、707‧‧‧電流感測器
308、608、708‧‧‧電池
309、310、311、609、610a、610b、610c、611、709、710a、710b、710c、710d、711‧‧‧FET
312、612、712‧‧‧信號線
320、321、322、620、621a、621b、621c、622、720、721a、721b、721c、721d、721e‧‧‧閘極驅動線
330、630、730‧‧‧二極體
625、725‧‧‧電池電流感測器線
641‧‧‧負載電壓回授電路
642‧‧‧電池電壓回授電路
741‧‧‧輸出電壓感測器
742‧‧‧電池電壓感測器
750a、750b、750c、750d‧‧‧電阻器
圖1與圖2示出用於將電池系統連接至配電匯流排的先前技術系統。
圖3示出根據本發明之實施例組態的系統。
圖4示出圖3之系統的一例示性操作，圖3顯示該系統從其中供電單元將電力供應至一負載的狀態轉變至其中電池供應電力至該負載的狀態。
圖5示出圖3之系統的一例示性操作，圖3顯示該系統從其中該電池供應電力至該負載的狀態轉變至其中供電單元供應電力至該負載的狀態。
圖6示出系統的電路方塊圖，該系統根據本發明之實施例組態，其中使用一組串聯連接的開關代替圖3中的一個開關。
圖7示出系統的電路方塊圖，該系統根據本發明之實施例組態，其中使用一組並聯連接的開關代替圖3中的一個開關。
圖8示出對於單個例示性鋰離子可充電電池，在不同可能負載電流下的一系列電壓曲線與充電狀態(「SOC」)的關係圖。
圖9-11示出了由圖8中所述的不同數量的串聯連接的例示性鋰離子可充電電池產生的電壓曲線與SOC的關係圖。
圖12示出可在圖6的系統內實施的調節方案的非限制性實例。
圖13示出可在圖7的系統內實施的調節方案的非限制性實例。

Claims (20)

  1. 一種用於供電單元的備用系統，該供電單元經由配電匯流排將電力提供至一負載，該系統包含： 一電源； 在該電源的輸出端與該配電匯流排之間串聯連接的第一與第二電晶體； 一第一二極體，其與該第二電晶體並聯耦接；以及 電路系統，其組態以選擇性地導通與斷開該第一與第二電晶體，以致能該電源經由該配電匯流排為該負載供電，其中該電路系統係組態以在響應於該供電單元已經經歷故障的信號而保持該第二電晶體斷開的同時導通該第一電晶體。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的系統，其中該第一二極體係耦接至該第二電晶體作為一寄生內接二極體，其中所述導通該第一電晶體導致從該電源供應的第一電壓經由該第一電晶體與該第二電晶體的該寄生內接二極體至該配電匯流排的一耦接。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的系統，其中該電路系統係組態以當從該供電單元供應的一第二電壓下降至低於從該電源供應的該第一電壓減去該第一二極體的順向電壓時導通該第二電晶體。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的系統，其中該電路系統係組態以響應於在該供電單元經歷故障之後已經恢復從該供電單元至該配電匯流排的一足夠電壓的一信號斷開該第一與第二電晶體。
  5. 如申請專利範圍第2項所述的系統，其中該電路系統係組態以響應於檢測到該電源流出的一非零電流導通該第二電晶體。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的系統，其進一步包含耦接至該電源的一電流感測器，其中該電流感測器係組態以發送一資料信號至已檢測到該電源流出的該非零電流的該電路系統。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的系統，其中該電源為一電池，其包含一或多個串聯連接的電池。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的系統，其進一步包含在該電池與電池充電器之間耦接的一第三電晶體，其中該電路系統係組態以導通該第三電晶體，以利用該電池充電器充電該電池。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的系統，其中該電路系統係組態以響應於檢測到一充電電流流入該電池中而斷開該第一與第二電晶體。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的系統，其中該供電單元經歷的故障係該供電單元未接收到一AC線路輸入電壓的一結果。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的系統，其進一步包含： 與該第一及第二電晶體串聯耦接的一第三電晶體； 與該第三電晶體並聯耦接的一第二二極體，其中該第一二極體係耦接至該第二電晶體作為一第一寄生內接二極體，其中該第二二極體係耦接至該第三電晶體作為一第二寄生內接二極體，其中該第一電晶體的導通導致從該電源供應一第一電壓經由該第一電晶體、該第二電晶體的該第一寄生內接二極體以及該第三電晶體的該第二寄生內接二極體耦接至該配電匯流排，其中該電路系統係組態以選擇性地並單獨地導通/斷開該第二與第三電晶體以便根據該第一和第二寄生內接二極體上的順向電壓壓降來調節提供至該負載的一第二電壓。
  12. 一種用於供電單元的備用系統，該供電單元經由配電匯流排將電力提供至一負載，該系統包含： 一電源； N(其中N＞1)個電晶體網路，其在該電源的一輸出端與該配電匯流排之間耦接，其中該等N個電晶體中的每一者係與一二極體並聯耦接；以及 一控制器，其組態以選擇性地並單獨地激活/去激活該等N個電晶體以使得該電源經由該配電匯流排對該負載供電，其輸出電壓位準根據激活/去激活的該等N個電晶體的數量來調節。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的系統，其中耦接至該等N個電晶體的該等二極體係寄生內接二極體，其中該輸出電壓位準係根據與激活/去激活的該等電晶體有關的一或多個寄生內接二極體上的順向電壓壓降的量來調節。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的系統，其中該電源為一電池，其包含一或多個串聯連接的電池。
  15. 如申請專利範圍第12項所述的系統，其中該等N個電晶體的網路包含N個串聯連接的電晶體，其中該輸出電壓位準係根據與由該控制器激活/去激活的該等N個電晶體有關的一或多個二極體上的順向電壓壓降的量來調節。
  16. 如申請專利範圍第12項所述的系統，其中該等N個電晶體的網路包含N個並聯連接的電晶體/電阻器對，其中該控制器係組態以根據通過該網路的一瞬時電流與該網路的一輸入電壓激活/去激活一特定數量的該等N個並聯連接的電晶體/電阻器對來調整該網路上的一電壓壓降。
  17. 如申請專利範圍第12項所述的系統，其進一步包含與該等N個電晶體中的每一個串聯耦接的一電阻器，其中該等N個電晶體的網路包含N個並聯連接的電晶體，其中該輸出電壓位準係根據與由該控制器激活/去激活的該等N個電晶體有關的一或多個電阻器上的電壓壓降的量來調節。
  18. 如申請專利範圍第17項所述的系統，其中該輸出電壓位準係還根據與由該控制器激活/去激活的該等N個電晶體有關的一或多個二極體上的順向電壓壓降的量來調節。
  19. 如申請專利範圍第14項所述的系統，其中該輸出電壓位準係調節至最大位準低於該電池的一初始放電電壓的一電壓範圍內。
  20. 如申請專利範圍第14項所述的系統，其中該輸出電壓位準係調節至一指定的負載電壓容差範圍內。
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