能量存储系统模块化水平上的高级电池充电的制作方法

能量存储系统模块化水平上的高级电池充电
1.相关应用的交叉引用本技术要求2019年5月30日提交的申请号为62/854，861的美国临时申请的权益和优先权，出于所有目的，该美国临时申请通过引用以其整体并入本文中。
技术领域
2.本文中描述的主题一般涉及在移动和固定应用二者中使用的能量存储系统中的能量源的高级充电。


背景技术：

3.已经标识了与现有充电方法相关联的多个缺陷和问题，诸如热损失、降级和充电速率慢。例如，公知的是，电动车辆的长充电时间是限制其广泛采用的主要因素。由于这些和其他原因，存在对于改进的系统、设备和方法的需要。通过应用的努力、独创性和创新，通过开发包括在本公开的实施例中的解决方案，这些被标识的问题中的许多已经被解决，其中的许多示例在本文中被详细描述。


技术实现要素：

4.本文中描述了用于级联模块化能量存储系统中的能量源（例如，电池、电容器、燃料电池单元）的高级充电的系统、设备和方法的示例实施例。与高带宽充电算法相组合的级联模块化系统允许对电化学电荷存储设备的电化学反应进行改进的控制。本文中描述的实施例可以以自适应或非自适应的方式应用，例如，利用或不利用对施加刺激电荷信号的测量响应。本文中描述的实施例可以涉及施加足够持续时间的充电脉冲以引发电化学反应。在一些实施例中，电化学反应被引发，并且脉冲在有害副反应的引发和/或驱动之前被终止。实施例的方面可以在电极区域上实现高度均匀的电荷转移，即使在不均匀的电荷转移电阻或电解质电阻下，并且因此可以避免电极区域的电流聚焦和浓度梯度。与本领域中已知的充电方法相比，本公开的实施例使得能够以更少或更低的热损失和降级来加速充电。还公开了系统、设备和方法的许多其他实施例。
5.在研究以下各图和详细描述后，本文中描述的主题的其他系统、设备、方法、特征和优点对于本领域技术人员将是或将变得清楚。意图所有这样的附加系统、方法、特征和优点都包括在本说明书内，在本文中所描述主题的范围内，并受所附权利要求的保护。在权利要求中缺少示例实施例的特征的明确记载的情况下，那些特征决不应当被解释为限制所附权利要求。
附图说明
6.通过研究附图，本文中阐述的主题的细节（关于其结构和操作两者）可以是清楚的，在附图中，相同的参考数字指代相同的部分。各图中的组件不一定是按比例的，取而代之，将重点放在说明本主题的原理上。此外，所有图示都意图传达概念，其中可以示意性地
而不是字面上或精确地图示相对大小、形状和其他详细属性。
7.图1a
‑
1c是描绘具有各种控制配置的模块化能量存储系统的示例实施例的框图。
8.图2是描绘转换器模块的示例实施例的框图。
9.图3
‑
5是描绘能量存储系统内的转换器模块的附加示例实施例的框图。
10.图6a
‑
6b是描绘转换器电路的示例实施例的示意图。
11.图7a
‑
7c是描绘能量源的示例实施例的框图。
12.图8a
‑
8c是描绘能量缓冲器的示例实施例的示意图。
13.图9a
‑
9f是描绘可以包括在转换器模块内的次级能量源的示例实施例的框图。
14.图10a是描绘能量存储系统内的转换器源模块的附加示例实施例的示意图。
15.图10b是描绘耦合到源和/或汇的能量存储系统内的转换器源模块的附加示例实施例的示意图。
16.图11a
‑
11b是示例输出波形的曲线图。
17.图11c
‑
11f是脉宽调制中使用的示例波形的曲线图。
18.图12a
‑
12h是描绘能量存储系统配置的示例实施例的框图。
19.图13a
‑
13c是描绘转换器模块的示例外壳配置的框图。
20.图14a
‑
14b是描绘转换器模块的基板布局的示例实施例的框图。
21.图15a和15b分别是描绘刺激信号和响应信号的曲线图。
22.图16是描绘在高带宽刺激期间在电化学界面处发生的弛豫和扩散机制的示意图。
23.图17a和17b是描绘充电方案的不同实施例下的刺激和响应的曲线图。
24.图18a和18b是描绘恒定电流和高带宽刺激之间的示例比较的电流和电压信号以驱动电化学反应的曲线图。
25.图18c示意性图示了电化学电极的横截面，其中活性电化学物质在不同时间依次经历恒定电流和高带宽模拟信号。
26.图19a和19b是描绘为模块化能量存储系统充电的方法的示例实施例的流程图。
具体实施方式
27.在详细描述本主题之前，要理解的是，本公开不限于所描述的特定实施例，因为这当然可以变化。还要理解的是，本文中使用的术语仅仅是为了描述特定的实施例，而不是意图是限制性的，因为本公开的范围将仅由所附权利要求来限制。
28.本技术涉及移动应用（诸如ev、自驾驶汽车、汽车共享应用）以及固定存储应用（诸如电网稳定、微电网、桥能量存储）的电池单元或多电池单元布置的高级充电，以向关键基础设施（诸如数据中心、云计算机、安全照明，但不限于这些应用）供电。
29.描述的模块化能量拓扑包括可以与电源总线系统和通信总线系统互连的模块。在实施例中，通信总线系统与电源总线系统相组合以减少布线。在实施例中，通信总线系统是无线的。在实施例中，本发明的能量模块包括能量单元、一个或多个微控制器、存储器系统、逆变器电路、开关单元和具有嵌入式软件算法的电压调节器。本实施例与嵌入在模块级的故障、降级和自适应充电和放电例程相组合，使得能够从根本上改进电池管理。
30.本公开的实施例可以提供新的能力。例如，本系统设计基于在模块级的能量存储单元的故障或降级模式建立自适应充电和放电模式。
31.本文中描述了基于模块的能量系统的示例实施例，如下：这样的系统内的设备、电路、软件和组件的示例实施例；操作和使用这样的系统的方法的示例实施例；以及其中可以实现或并入这样的系统或者可以与这样的系统一起利用的应用的示例实施例（例如，装置、机器、电网、场所、结构、环境等）。在许多情况下，这些应用可以被分类为移动应用或固定应用。
32.应用示例移动应用一般是这样的应用，其中基于模块的能量系统位于实体上或实体内，并存储和提供电能，以通过电机转换成动力来移动或辅助移动该实体。可以与本文中公开的实施例一起使用的移动实体的示例包括但不限于：在陆地上或下面、海洋上或下面、陆地上方或海洋上方以及与陆地或海洋脱离接触（例如，在空中飞行或盘旋）或通过外层空间移动的电动和/或混合动力实体。可以与本文中公开的实施例一起使用的移动实体的示例包括但不限于：车辆、火车、轮船、船只、航天器和宇宙飞船。可以与本文中公开的实施例一起使用的移动车辆的示例包括但不限于：仅具有一个轮或轨道的移动车辆、仅具有两个轮或轨道的移动车辆、仅具有三个轮或轨道的移动车辆、仅具有四个轮或轨道的移动车辆、以及具有五个或更多个轮或轨道的移动车辆。可以与本文中公开的实施例一起使用的移动实体的示例包括但不限于：汽车、公共汽车、卡车、摩托车、踏板车、工业车辆、采矿车辆、飞行器（例如，飞机、直升机、无人机等）、海上船只（例如，商业航运船只、轮船、游艇、小船或其他水运工具）、潜艇、机车或基于铁路的车辆（例如，火车等）、军用车辆、宇宙飞船和卫星。
33.固定应用一般是除移动应用以外的应用。一般地，在固定应用中，基于模块的能量系统驻留在静态位置中，同时提供电能供一个或多个其他实体消耗。本文中公开的实施例可以用于其中或与其一起使用的固定应用的示例包括但不限于：由一个或多个住宅结构或场所使用或在其内使用的能量系统、由一个或多个工业结构或场所使用或在其内使用的能量系统、由一个或多个商业结构或场所使用或在其内使用的能量系统，由一个或多个政府结构或场所使用或在其内使用的能量系统（包括军事和非军事用途两者），以及将太阳能、风能、地热能、化石燃料或核反应转换为电进行存储的系统。本文中公开的实施例可以用于其中或与其一起使用的固定应用的示例包括但不限于：用于对上述移动应用充电的能量系统（例如，充电站）。本文中公开的实施例可以用于其中或与其一起使用的固定应用的其他示例包括但不限于：数据中心存储系统、电网或微电网。固定能量系统可以以存储或非存储角色使用。
34.在描述本文中的实施例时，可以参考特定的移动应用（例如，电动车辆（ev））或固定应用（例如，电网）。这样的参考是为了便于解释，并且不意味着特定的实施例仅限用于该特定的移动或固定应用。向电机提供功率的系统的实施例可以用于移动和固定应用两者中。虽然某些配置可能比其他配置更适合于一些应用，但是除非另外指出，否则本文中公开的所有示例实施例都能够用于移动和固定应用两者中。
35.基于模块的能量系统的示例实施例图1a描绘了基于模块的能量系统100的示例实施例。这里，系统100包括控制电路102，其分别通过通信路径或链路106
‑
1至106
‑
n与n个转换器
‑
源模块108
‑
1至108
‑
n通信地耦合。在这些实施例中，可以使用任何数量的两个或更多个转换器
‑
源模块108（例如，n大于或等于二）。转换器
‑
源模块108可以以多种方式彼此连接，如将参考图12a
‑
12h更详细描述
的。为了便于说明，在图1a
‑
1c中，模块108被示为串联连接，或者作为一维阵列，其中第n个模块耦合到负载101。负载101是当系统100用于提供功率时向其输出功率的电负载。负载101可以是任何类型的负载，包括但不限于电机或电网。为了充电，附加于或代替于负载101，模块可以与充电源（未示出）耦合。如本文中将更详细描述的，系统100可以被配置为供应多个负载101，包括主要负载和辅助负载两者。
36.在图1a的实施例中，控制电路102被配置为基于从相同或不同的一个或多个模块接收的状态信息来控制一个或多个模块108。控制也可以基于一个或多个其他因素，诸如负载101的要求。在许多实施例中，被控制的方面是每个模块随时间的输出功率；然而，作为输出功率的替代或附加于此，可以控制其他方面。
37.在许多实施例中，系统100中的每个模块的状态信息将被传送到控制电路102，控制电路102将根据该状态信息独立地控制每个模块108
‑1……
108
‑
n。其他变型是可能的。例如，对特定模块（或模块的子集）的控制可以基于该特定模块（或模块的子集）的状态信息，基于不是特定模块（或模块的子集）的不同模块的状态信息，基于除特定模块（或模块的子集）之外的所有模块的状态信息，基于该特定模块（或模块的子集）的状态信息以及不是该特定模块（或模块的子集）的至少一个其他模块的状态信息，或者基于系统100中所有模块的状态信息。
38.如本文中将描述的，状态信息可以是关于每个模块的一个或多个方面的信息。状态信息可以是操作特性或其他参数。状态信息的类型包括但不限于模块或其组件的以下方面：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）、健康状态（soh）（例如，能量源的条件与其理想条件相比的品质因数）、容量、温度、电压、电流或存在或不存在故障。每个模块108
‑1……
108
‑
n包括一个或多个传感器或其他测量元件，用于收集构成状态信息或可以被转换成状态信息的感测或测量信号或数据。不需要单独的传感器来收集每种类型的状态信息，因为可以利用单个传感器来感测或测量多于一种类型的状态信息，或者以其他方式通过算法来确定，而不需要附加的传感器。
39.图1b描绘了系统100的另一示例实施例。这里，控制电路102被实现为分别通过通信路径或链路115
‑
1至115
‑
n与n个不同的本地控制设备114
‑
1至114
‑
n通信地耦合的主控制设备112。每个本地控制设备114
‑
1至114
‑
n分别通过通信路径或链路116
‑
1至116
‑
n与一个转换器
‑
源模块108
‑
1至108
‑
n通信地耦合，使得在本地控制设备114与转换器
‑
源模块108之间存在1∶1的关系。
40.图1c描绘了系统100的另一示例实施例。这里，主控制设备112分别通过通信路径或链路115
‑
1至115
‑
m与m个不同的本地控制设备114
‑
1至114
‑
m通信地耦合。本地控制设备114可以与两个或更多个转换器
‑
源模块108耦合并控制它们。在这里示出的示例中，每个本地控制设备114与两个转换器
‑
源模块108通信地耦合，使得m个本地控制设备114
‑
1至114
‑
m分别通过通信路径或链路116
‑
1至116
‑
2m与2m个转换器
‑
源模块108
‑
1至108
‑
2m耦合。
41.通信路径或链路106、115和116每个都可以是以并行或串行方式双向传送数据或信息的有线或无线通信路径或链路。数据可以以标准或自定义格式进行传送。在汽车应用中，通信路径或链路115可以被配置为根据flexray或can协议来传送数据。
42.在参考图1b和1c描述的实施例中，本地控制设备114从每个模块接收状态信息，或者根据从每个模块接收的感测或测量信号或数据确定状态信息，并将该信息传送给主控制
设备112。在一些实施例中，本地控制设备114将测量或感测的数据传送给主控制设备112，然后主控制设备112在该原始数据的基础上通过算法确定状态信息。主控制设备112然后可以使用模块108的状态信息来相应地做出控制确定。控制确定可以采取可以由本地控制设备114解释或利用以维持或调整模块的操作或贡献的指令、命令或其他信息（诸如下面描述的调制指数）的形式。
43.例如，主控制设备112可以接收状态信息，该状态信息指示特定模块（或其组件）相对于系统100中的一个或多个其他模块正在其下操作的以下条件中的一个或多个：具有相对较低的soc、具有相对较低的soh、具有相对较低的容量、具有相对较低的电压、具有相对较低的电流、具有相对较高的温度或具有故障。在这样的示例中，主控制设备112可以输出控制信息，该控制信息引起该特定模块的功率输出减小（或者在一些情况下，取决于条件而升高）。以这种方式，可以降低以例如更高温度操作的模块的功率输出，以便引起该模块的温度朝向一个或多个其他模块的温度收敛。
44.在其他实施例中，是否调整特定模块的操作的确定可以通过将状态信息与预定阈值、极限或条件进行比较，而不一定通过与其他模块的状态进行比较来做出。预定阈值、极限或条件可以是静态阈值、极限或条件，诸如由制造商设置的在使用期间不改变的那些。预定阈值、极限或条件可以是动态阈值、极限或条件，它们在使用期间准许改变或确实改变。例如，如果模块的状态信息指示其正在违反（例如，高于或低于）预定阈值或限制的情况下操作，或者在可接受的操作条件的预定范围之外操作，则主控制设备112可以调整该模块的操作。类似地，如果模块的状态信息指示实际或潜在故障（例如，警报或警告）的存在，或者指示实际或潜在故障的不存在或移除，则主控制设备112可以调整该模块的操作。故障的示例包括但不限于组件的实际故障、组件的潜在故障、短路或其他过电流条件、开路、过电压条件、未能接收通信、接收损坏的数据等等。
45.本地控制设备114可以接收、处理和传输：来自转换器
‑
源模块的各种传感器（例如，温度、电压和电流传感器）的信号；去往和来自半导体开关的开关（例如触发）和故障信号；能量存储和缓冲元件的基本电池单元的电压；和其他信号。本地控制设备可以与主控制设备112进行通信，以及向主控制设备112和从主控制设备112传输对应的控制信号。
46.以这种方式，主控制设备112可以控制系统100内的模块108，以实现期望的目标或朝向期望的目标收敛。例如，该目标可以是所有模块相对于彼此在相同或相似水平上的操作，或者在预定阈值极限或条件内的操作。该过程也被称为平衡或寻求实现模块的操作或操作特性中的平衡。如本文中使用的术语“平衡”不要求在模块108或其组件之间的绝对相等，而是在广义上使用，以向本领域普通技术人员传达系统100的操作可以用于主动减少原本将存在的模块之间的操作差异。
47.返回参考图1a，控制电路102可以被配置为使用软件（存储在存储器中的可由处理电路执行的指令）、硬件或其组合来操作和执行控制。如这里所示，控制电路102可以包括处理电路和存储器。处理电路和存储器的示例实现方式在下面进一步描述。通信路径或链路106还可以包括有线电源，以便从一个或多个转换器源模块108直接为控制电路102供应操作功率。在某些实施例中，用于控制电路102的功率仅从一个或多个转换器源模块108供应。
48.参考图1b
‑
1c，主控制设备112和本地控制设备114可以类似地被配置为使用软件（存储在存储器中的可由处理电路执行的指令）、硬件或其组合来操作和执行控制，并且每
个可以包括处理电路和存储器，如这里所示。处理电路120和存储器122的示例实现方式在下面进一步描述。通信路径或链路116还可以包括有线电源，以便从一个或多个转换器源模块108直接为本地控制设备114供应操作功率。在某些实施例中，用于每个本地控制设备114的操作功率仅由该本地控制设备114通过路径116连接到的一个或多个转换器源模块108供应。主控制设备112的操作功率可以从一个或多个转换器
‑
源模块108间接供应（例如，诸如通过汽车的功率网络）。
49.在一些实施例中，控制电路102可以包括用于整个系统100的单个控制设备。在其他实施例中，控制电路可以分布在与模块108相关联的本地控制设备114之间，使得单独的主控制设备112不是必需的，并且可以从系统100中省略。
50.在一些实施例中，系统100的控制可以分布在系统100专用或本地的控制电路102和与应用的其他部分共享的控制电路之间。例如，在汽车应用中，主控制设备112可以被实现为负责一个或多个其他汽车功能（例如，电机控制、驾驶员界面控制、牵引力控制等）的车辆的另一控制设备（例如，电子控制单元（ecu））的一部分。
51.控制电路102可以具有用于与应用的另一控制设备通信的通信接口。例如，在汽车应用中，控制电路102（例如，主控制设备112）可以向车辆的另一控制设备（例如，ecu）输出关于系统100的数据或信息。
52.级联能量存储系统内模块的示例实施例图2中示出了模块108的示例实施例的框图。模块108可以包括任何数量的一个或多个能量源202。在该示例中，模块108包括一个能量源202，该能量源202可以是本文中描述的任何类型或者其组合。模块108还可以包括功率电子转换器电路206或308（例如，可控开关电路）、电压、电流和/或温度测量电路201，以及本地控制设备（lcd）114或与存储器通信地耦合（或包括存储器）的其他控制电路，该存储器可以存储自适应控制算法或可执行软件步骤。转换器电路206、308可以通过电源连接110接收和/或输出功率。本地控制设备可以经由通信总线116通信地耦合到其他本地控制设备114和/或主控制设备112。
53.电源连接110是用于向模块108传输能量或功率、从模块108传输能量或功率以及通过模块108传输能量或功率的连接。模块108可以将来自能量源202的能量或功率输出到电源连接110，在电源连接110中，能量或功率可以被传输到系统的其他模块或负载。模块108还可以从其他模块108或充电源（dc充电器、单相充电器、多相充电器）接收能量或功率。信号也可以绕过能量源202通过模块108。能量或功率进或出模块108的路由由功率电子转换器206、308在诸如lcd 114的控制电路的控制下执行。
54.模块108、特别是lcd 114可以通过通信总线116传送（接收和/或发送）信息。该信息可以是关于模块及其组件的操作特性的测量或数据，该测量或数据由lcd 114发送到其他控制电路，诸如主控制设备（mcd）112。该信息也可以是控制信息，例如电压参考信号和/或调制指数，由lcd 114接收并用于为功率电子转换器206、308生成一个或多个控制信号。通信总线116可以将lcd 114与其他模块108的其他控制电路、诸如mcd的主控制电路或其他设备通信地连接。
55.测量电路201被配置为测量模块108的一个或多个组件（诸如能量源）的一个或多个电压、温度和/或电流。在一些实施例中，测量电路201能够测量能量源202的各方面，诸如充电状态、温度、电流和电压。该信息可以在模块108内被传输到lcd 114，以供监视模块108
中的控制电路使用，并相对于系统的一个或多个其他模块控制从模块108输出和/或输入到模块108的能量。这准许系统中模块的相对测量方面相对于彼此平衡。
56.图3
‑
5描绘了如图1b中所描绘的系统100内的转换器
‑
源模块108的示例实施例，其中每个模块具有一个本地控制设备114。除非另外指出，否则图2
‑
5的实施例和本文中描述的任何和所有其他实施例可以根据图1a
‑
1c的配置来实现。
57.模块108可以实现为电压转换器或电流转换器。为了便于描述，本文中描述的实施例是参考电压转换器来完成的，尽管实施例不限于此。
58.图3是描绘系统100内的模块108a的示例实施例的框图。模块108a的该实施例在本文中可以被称为示例模块的版本1（v1），并且是一种类型的转换器
‑
源模块108的示例。还示出的是本地控制设备114（lcd）和主控制设备112（mcd）。模块108a与lcd 114通信地耦合，lcd 114又与mcd 112通信地耦合。
59.模块108a包括能量源202，能量源202可以包括一个或多个能量存储元件。能量源202可以是例如以下各项中的一个，但不限于：超级电容器600（图7a），包括至少一个电池单元或串联和/或并联连接的多个电池单元的电池模块601（图7b），或燃料、燃料电池单元或燃料电池单元模块602（图7c）。
60.能量源202的输出out1和out2可以分别连接到能量缓冲器204的输入端子in1和in2，能量缓冲器可以包括但不限于例如以下元件和拓扑中的一个，以下元件和拓扑基于：电解和/或薄膜电容器ceb 700（图8a）；由两个电感器leb1和leb2以及两个电解和/或薄膜电容器ceb1和ceb2形成的z源网络710（图8b）；由两个电感器leb1和leb2、两个电解和/或薄膜电容器ceb1和ceb2以及二极管deb形成的准z源网络720（图8c）。能量缓冲器204的具体拓扑和组件的选择取决于能量缓冲器204输出端子out1和out 2上高频电压脉动的最大可准许幅度。这些脉动可能使模块108的性能降级，因此可以通过设计合适的元件和拓扑作为其基础来高效地缓冲它们。
61.能量缓冲器204的输出out1和out2分别连接到转换器206的输入in1和in2。图6a中示出了转换器206的示例实施例的示意表示。在许多实施例中，转换器206可以包括至少四个开关s3、s4、s5、s6，它们可以被配置为半导体开关，诸如金属氧化物半导体场效应晶体管或mosfet（如图6a
‑
6b中所示）。另一个开关示例是绝缘栅双极晶体管或igbt。半导体开关可以在相对高的开关频率下操作，从而允许转换器206在期望时以脉宽调制模式操作，并在相对短的时间间隔内响应于控制命令。这可以提供高输出电压调节容差和瞬态模式下的快速动态行为。
62.在该实施例中，转换器206通过经由开关s3、s4、s5、s6的不同组合，将dc线电压vdcl在其端子in1和in2之间连接到其输出端子out1和out2，从而生成三个不同的电压输出 vdcl、0和
–
vdcl。为了获得 vdcl，开关s3和s6被接通，而
–
vdcl可以通过接通开关s4和s5来获得。通过接通s3和s5或s4和s6，输出电压被设置为零或参考电压。
63.半导体开关s3、s4、s5、s6的控制开关信号可以取决于lcd和mcd中采用的控制技术的灵活性和要求以不同的方式生成。一种方法是使用空间矢量脉宽调制svpwm或正弦脉宽调制spwm或其变型，来生成转换器206的输出电压。图11a中示出了转换器206的输出电压波形900的示例。调制方法还取决于其应用于系统100的哪个版本，并且一种可能的调制解决方案将在本文中作为示例进一步呈现。
64.在使用脉宽调制的一些实施例中，lcd（而不是mcd）为模块中的开关生成开关信号。在一些实施例中，诸如那些使用滞后的实施例，开关信号的生成可以由mcd执行。图3中所示的lcd 114可以经由一组诊断、测量、保护和控制信号线连接到模块108a，并且可以执行三个主要功能中的一个或多个。第一个功能是能量源202的管理。第二个功能是能量缓冲器204的保护，并且更具体地说，是保护其组件免受过流、过压和高温条件的影响。第三个功能是转换器206的控制和保护。
65.在一个示例实施例中，由lcd 114对用于模块108a的能量源202进行管理的功能如下。lcd 114接受测量信号ves1、tes1、ies1，它们是：ves1——能量源202的至少一个、优选全部基本组件的电压或基本组件群组的电压，诸如例如并且不限于（个体或串联和/或并联连接的）电池单元、（个体或串联和/或并联连接的）超级电容器电池单元；tes1——能量源202的至少一个、优选全部基本组件的温度或基本组件群组的温度；ies1——能量源202的输出电流。基于这些测量信号，lcd 114可以执行以下各项中的一项或多项：基本组件或基本组件群组的真实容量、实际充电状态（soc）和健康状态（soh）的计算或确定；基于测量和/或计算的数据设置警告或警报信号；和/或向mcd 112传输对应的信号。
66.在一个示例实施例中，lcd 114对能量缓冲器204的保护功能如下。lcd 114接受测量信号veb、teb、ieb，它们是：veb ——能量缓冲器的至少一个主要组件的电压，例如并且不限于电容器ceb或电容器ceb1、ceb2（参见图8a
‑
8c）；teb——能量缓冲器的至少一个组件的温度；和/或ieb——通过能量缓冲器204的至少一个组件的电流。基于这些测量信号，lcd 114可以执行以下各项：基于测量数据设置警告或警报信号；和/或向mcd 112传输对应的警告或警报信号。
67.在一个示例实施例中，由lcd 114对模块108a的转换器206的控制和保护的功能如下。lcd 114可以（例如，通过链路115，链路115例如可以是flexray或can）从mcd接收命令信号，在一些实施例中，该命令信号可以是调制参考信号和使能信号，或者是参考信号和调制指数，其可以与lcd 114中的脉宽调制技术一起使用，以生成用于半导体开关s3、s4、s5、s6的控制信号。来自转换器206的集成电流传感器的电流反馈信号iout（图3中未示出）可以与来自转换器206的开关的驱动电路（图3中未示出）的一个或多个信号f一起用于过流保护，该一个或多个信号f可以携带关于转换器206中所有开关的故障状态（例如，短路或开路故障模式）的信息。基于该数据，lcd 114可以做出关于如下的决定：哪个开关信号组合将被施加到对应的半导体开关s3、s4、s5、s6，以使转换器206和整个模块108a绕过系统100或从系统100断连。（特定开关的开关信号可以使该开关接通或关断。）。
68.图4是描绘模块108b的另一示例实施例的框图，模块108b在本文中可以被称为版本2，并且是一种类型的转换器
‑
源模块108的示例。模块108b与lcd 114通信地耦合，lcd 114又与mcd 112通信地耦合。
69.在该实施例中，模块108b处于具有主要能量源202和次级能量源304的双能量源配置中。能量源202可以包括例如以下中的一个，但不限于：高能量密度电容器600、诸如超级电容器或超电容器（图7a），电池模块601（图7b）、包括至少一个电池单元或者串联和/或并联连接的多个电池单元，以及燃料、燃料电池单元或燃料电池单元模块602（图7c）。
70.能量源202的输出out1和out2可以连接到能量缓冲器204的输入端子in1和in2，能量缓冲器204的变型如上所述。能量缓冲器204的输出out1和out2分别连接到转换器308的
输入in1和in3。
71.能量缓冲器204的输出out2也可以连接到能量源304的输出out2。能量源304的另一个输出out1连接到转换器308的输入in2。能量源304可以包括但不限于例如以下存储元件中的一个，以下存储元件诸如是：电解和/或薄膜电容器ceb 800（图9a）；hed电容器810（图9b）；电池模块820，包括串联和/或并联连接的至少一个电池单元或多个电池单元（图9c）；与hed电容器810并联连接的电解和/或薄膜电容器ceb 800（图9d）；与电池模块820并联连接的电解和/或薄膜电容器ceb 800，包括串联和/或并联连接的至少一个电池单元或多个电池单元（图9e）；与hed电容器810和电池模块820并联连接的电解和/或薄膜电容器ceb 800，包括串联和/或并联连接的至少一个电池单元或多个电池单元（图9f）。
72.图6b中示出了转换器308的示例实施例的简化示意性表示。这里，转换器308包括六个开关s1、s2、s3、s4、s5、s6，它们可以被配置为半导体开关，诸如例如mosfet（如图6b中所示）或igbt。半导体开关可以在高开关频率下操作，从而准许转换器308在需要时在脉宽调制模式下操作，并且在短时间间隔内响应于控制命令，从而提供高输出电压调节容差和瞬态模式下的快速动态行为。
73.转换器308的左手侧包括两个开关s1和s2，并且可以在节点1处生成两个不同的电压，即 vdcl和0，参考输入in3，其可以处于虚拟零电势。耦合电感器l
c
连接在输入in3和节点1之间。能量源304的输出out1连接到转换器308的输入in 3处的耦合电感器lc。从能量源2 304消耗或向能量源304生成的电流可以通过调节耦合电感器l
c
上的电压来控制，例如使用脉宽调制技术或用于换向开关s1和s2的滞后控制方法。也可以使用其他技术。
74.转换器308的右手侧包括四个开关s3、s4、s5、s6，并且通过经由开关s3、s4、s5、s6的不同组合将端子in1和in2之间的dcl
‑
电压vdcl连接到输出端子out1和out2，能够生成三个不同的电压输出，即 vdcl、0和
–
vdcl。为了获得out1和out2之间的 vdcl电压，开关s3和s6接通，而out1和out2之间的
–
vdcl电压可以通过接通开关s4和s5获得。通过接通s3和s5或s4和s6，输出电压被设置为零或参考电势。
75.半导体开关s3、s4、s5、s6的控制开关信号可以取决于lcd 114和mcd 112中采用的控制技术的灵活性和要求以不同的方式生成。一种方法是使用脉宽调制，诸如空间矢量脉宽调制（svpwm）或正弦脉宽调制（spwm）（包括其附加变型），来生成转换器v2的输出电压。图11a中示出了转换器308的典型输出电压波形900。调制方法可以基于应用的需要而变化。
76.在模块108b的该示例实施例中，能量源202充当主要能量源，并且因此供应负载所需的平均功率。能量源304可以是具有通过在负载功率峰值处提供附加功率或吸收过量功率来辅助能量源202的功能的次级能量源。
77.图11b示出了来自具有六个示例转换器
‑
源模块的示例基于模块的能量存储系统的输出电压波形1000。
78.由转换器v2执行并且上面描述的主要和次级功能两者可以单独或同时执行。如果同时，则能量源304可以包括与其他能量存储元件并联连接的电解电容器或超级电容器810（如图9a、9b和9d
‑
9f中所示）。
79.图4中示出了lcd 114，其经由一组诊断、测量、保护和控制信号线连接到模块108b，并且可以执行四个主要功能中的至少一个、优选全部。第一个功能是能量源202的管理。第二个功能是能量源304的管理。第三个功能是能量缓冲器204的保护，并且更具体地
说，是保护其组件免受过流、过压和高温影响。第四个功能是转换器308的控制和保护。
80.能量源202的管理功能可以如下。lcd 114接受测量信号ves1、tes1、ies1，它们是：ves1——能量源202的所有基本组件/电池单元的电压或基本组件/电池单元群组的电压，诸如例如但不限于单独或串联和/或并联连接的电池单元、单独或串联和/或并联连接的超级电容器电池单元；tes1——能量源1所有基本组件的温度或基本组件群组的温度；ies1——能量源202的输出电流。基于这些测量信号，lcd可以执行以下各项：计算基本组件或基本组件群组的真实容量、实际充电状态（soc）和健康状态（soh）；基于测量和计算的数据设置警告或警报信号；向mcd 112传输对应的信号。
81.用于模块108b的能量源304的管理功能可以如下。lcd 114可以接收测量信号ves2、tes2、ies2，它们是：ves2——能量源304的所有基本组件或电池单元的电压或基本组件或电池单元群组的电压，诸如例如但不限于单独或串联和/或并联连接的电池单元、单独或串联和/或并联连接的超级电容器电池单元；tes2——能量源304的所有基本组件的温度或基本组件群组的温度；ies2——能量源304的输出电流。基于这些测量信号，lcd可以执行以下各项：计算基本组件或基本组件群组的真实容量、实际充电状态（soc）和健康状态（soh）；基于测量和计算的数据设置警告或警报信号；和/或向mcd传送对应的信号。
82.用于模块108b的能量缓冲器204的保护功能可以如下。lcd 114接收测量信号veb、teb、ieb，它们是：veb——能量缓冲器204的至少一个主要组件的电压，所述主要组件例如并且不限于电容器ceb或电容器ceb1、ceb2（参见图8a
‑
8c）；teb——能量缓冲器204的至少一个主要组件的温度；和/或ieb——通过能量缓冲器204的至少一个主要组件的电流。基于这些测量信号，lcd 114可以执行以下各项：基于测量数据设置故障（例如，警告或警报）信号；和/或向mcd 112传输对应的故障信号。
83.用于模块108b的转换器308的控制和保护功能可以如下。lcd 114从mcd 112接收命令信号，该命令信号可以是调制参考信号和使能信号，或者是参考信号和调制指数，其可以用在lcd中的pwm和/或滞后功能中，以根据上述功率管理和/或二阶谐波降低技术生成半导体开关s1、s2、s3、s4、s5、s6的控制信号。来自转换器308的集成电流传感器（图4中未示出）的电流反馈信号ies2、iout可以与例如来自转换器308的半导体器件的驱动电路（图4中未示出）的信号f一起用于过流保护，该信号f携带关于一个或多个、优选所有半导体开关的故障状态（例如，短路或开路故障模式）的信息。基于该特定数据，lcd 114可以做出关于将开关信号s1、s2、s3、s4、s5、s6的哪个组合应用于对应的半导体开关的决定，以使转换器308和整个模块108b绕过系统100（例如电池包等）或从系统100断连。
84.图5是描绘了模块108c的示例实施例的框图，该模块108c被称为版本3并且是一种类型的转换器
‑
源模块108的示例。在该示例中，模块108c与lcd 114通信地耦合，lcd 114又与mcd 114通信地耦合。
85.如果期望，模块108c可以包括能量源202和转换器308，转换器308具有用于连接辅助负载410的附加输入，如图5中所示。模块108c具有输出端口1和2，用于与示例系统100内的其他模块108（例如，v1、v2和/或v3）连接。如图5中所示，如果需要，模块108c的图示输出端口3和4可以用于将示例模块108c连接到示例系统100的其他模块108c的相同输出端口，和/或如果期望，用于连接到辅助负载1 408。如图5中所示，如果需要，模块108c的图示输出端口5和6可以用于将示例模块108c连接到示例系统100的其他模块108c的相同输出端口，
和/或如果期望，用于连接到辅助负载410。
86.与模块108a和108b一样，能量源202的输出out1和out2可以连接到能量缓冲器204的输入端子in1和in2。能量缓冲器204的输出out1和out2可以分别连接到转换器308的输入in1和in3。
87.再次参考图6b，耦合电感器l
c
可以连接在输入in3和节点1之间。耦合电感器l
c
的输出可以通过转换器308的输入in2连接到模块108c的端口5和可选的辅助负载410，如图5中所示。假设辅助负载410具有输入电容器，因此转换器308可以调节和稳定负载上所需的恒定电压，从而调节耦合电感器lc上的电压和通过耦合电感器lc的电流。
88.半导体开关s3、s4、s5、s6的控制开关信号可以取决于lcd 114和mcd 112中采用的控制技术的灵活性和要求以不同的方式生成。
89.能量源202可以供应系统100的负载、辅助负载408和/或辅助负载410（如果连接的话）所需的对应部分功率。能量源202、辅助负载1和辅助负载2之间的功率流可以根据期望进行调整。辅助负载的示例可以是例如电动车辆的车载电网络、电动车辆的hvac系统。系统100的负载可以是例如电动车辆电机或电网的相位中的一个。该实施例可以允许能量源的电特性（端子电压和电流）和负载的电特性之间完全去耦。
90.用于模块180c的lcd 114在图5中示出。它可以经由一组诊断、测量、保护和控制信号线连接到模块108b，并且可以执行四个主要功能中的至少一个、优选全部。第一个功能可以是能量源202的管理。第二个功能可以是辅助负载410的管理。第三个功能可以是能量缓冲器204的保护，并且更具体地说，是保护其组件免受过流、过压和高温影响。第四个功能可以是转换器308的控制和保护。
91.在一些示例实施例中，用于模块108c的能量源202的能量管理功能可以如下。lcd 114接受测量信号ves1、tes1、ies1，它们是：ves1——能量源 202的所有基本组件/电池单元的电压或基本组件/电池单元群组的电压，诸如例如但不限于单独或串联和/或并联连接的电池单元、单独或串联和/或并联连接的超级电容器电池单元；tes1——能量源1的所有基本组件的温度或基本组件群组的温度；ies1——能量源1的输出电流。基于这些测量信号，lcd 114可以执行以下各项：计算基本组件或基本组件群组的真实容量、实际充电状态（soc）和健康状态（soh）；基于测量和计算的数据设置警告或警报信号；向mcd 112传输对应的信号。
92.用于模块108c的辅助负载2 410的管理功能可以如下。lcd 114接收测量信号val2、ial2，它们是：val2——模块108c的端口5和6之间的电压；以及ial2——转换器308的耦合电感器lc中的电流，它是辅助负载2的电流。基于这些信号，lcd 114可以执行对lcd中的脉宽调制的参考信号的校正，以稳定和/或控制辅助负载410上的电压。
93.用于模块108c的能量缓冲器204的保护功能可以如下。lcd 114可以接收测量信号veb、teb、ieb，它们是：veb——能量缓冲器204的至少一个主要组件的电压，所述主要组件例如并且不限于电容器ceb或电容器ceb1、ceb2（参见图8a
‑
8c）；teb——能量缓冲器的至少一个主要组件的温度；ieb——通过能量缓冲器204的至少一个主要组件的电流。基于这些测量信号，lcd 114可以执行以下各项：基于测量数据设置故障（例如，警告或警报）信号；和/或向mcd 112传输对应的故障信号。
94.用于模块108c的转换器308的控制和保护功能可以如下。lcd 114从mcd 112接收
命令信号，该命令信号可以是调制参考信号和使能信号，或者是参考信号和调制指数，其可以用在lcd中的pwm和/或滞后功能中，以根据上述功率管理和/或二阶谐波降低技术生成半导体开关s1、s2、s3、s4、s5、s6的控制信号。来自转换器308的集成电流传感器（图5中未示出）的电流反馈信号ies2、iout可以与来自转换器308的半导体器件的驱动电路（图5中未示出）的一个或多个信号f一起用于过流保护，该一个或多个信号f携带关于一个或多个、优选所有半导体开关的故障状态（例如，短路或开路故障模式）的信息。基于该特定数据，lcd 114可以做出关于将开关信号s1、s2、s3、s4、s5、s6的哪个组合应用于对应的半导体开关的决定，以使转换器308和整个模块108c绕过系统100（例如电池包等）或从系统100（例如电池包等）断连。
95.在其他示例实施例中，模块108可以与诸如光伏板和/或无线充电接收器之类的附加电力源连接。在其他示例实施例中，系统100可以连接到与不同电压水平的其他辅助负载耦合的另一系统100（例如，另一电池包），诸如例如，ev的车载电网络系统和空调。
96.图10a中示出了转换器模块108的另一示例实施例。模块108的示例实施例包括双向电源连接110、通信总线116、第一能量源202——在该示例中第一能量源202包括串联连接的十二（12）个能量存储单元或电池单元（例如电池单元）221至232、具有任何对应功率电子器件的第二能量源304（例如hed电容器）、被配置为测量例如能量源202和304的开路电压的测量电路201、温度传感器251，电流传感器（分流器）252、lcd 114、将测量电路201与lcd 114通信地耦合的测量总线242、第二能量源连接244、存储器256（例如，能够存储控制和自适应算法/软件）、将存储器256与lcd 114、功率转换器电路206或308通信地耦合的存储器总线243、以及将lcd 105与功率转换器电路206、308通信地耦合的控制总线245。 本文中描述的组件可以以各种不同的配置互连，以实现期望的功能。
97.仅作为示例，并且一个实施例的主要能量源202可以是锂离子电池，例如nmc/石墨型，并且可以展现大约43伏（v）的标称电压，具有33v的低截止电压和51v的高截止电压。类似地，在一个实施例中，测量电路201可以是高带宽电路。例如，对于电压和/或电流，电路201可以具有一毫秒（ms）或更小的测量采样率能力，具有一毫伏（mv）或更小的电压分辨率。测量电路104可以具有c/100000或更好的电流分辨率，其中c是能量源202和/或306的c
‑
速率。这也促进增量充电。在一些实施例中，lcd 114可以具有一千赫（khz）或更快的示例切换能力，以出于充电目的生成具有2 ms或更短脉冲长度的脉冲。
98.图10b图示了系统100内的模块108的另一示例实施例。这里，模块108包括串联连接的多个电池单元（900
‑
912）、测量电路201以及lcd处理电路和存储器114。测量电路201可以将测量的信息（电流、电压、温度）传送到lcd 114。类似地，lcd 114可以指令测量电路201何时进行测量以及收集什么类型的测量。图10b的示例还包括dc/dc转换器930和转换器（例如，开关电路）206，其具有半桥配置的开关941
‑
944，其中开关能力在khz
‑
10khz（和更高）范围内。转换器206可以在公共基板940上实现。转换器206可以耦合到源/汇950，源/汇950可以是负载和/或充电设备。测量电路201可以在向电池单元施加充电脉冲之前、期间或之后测量每个电池单元的电压响应和/或电流响应。测量布线960将每个电池单元耦合到测量电路201，用于例如对每个电池单元进行电压测量。测量布线961可以将测量信息（例如，电流或电压信号）运载到测量电路201，测量电路201又可以将测量信息传送到lcd 114。例如，如这里所示，测量布线961可以将测量的电流响应从分流器970运载到测量电路201，然后可以
将测量的电流响应传送到lcd 114。在一些实施例中，可以放置多个分流器970来测量每个电池单元的电流响应。转换器206可以将来自电源连接110的电压（例如，运载来自dc或ac电荷源950的电荷）施加到dc
‑
dc转换器930，然后该dc
‑
dc转换器930可以将电压或电流调整到电池单元900
‑
912快速充电所期望的水平。转换器930可以被配置成dc
‑
dc转换器、ac
‑
dc转换器或其他电路，以实现类似的功能。
99.基于模块的系统的模块布置的示例实施例图12a
‑
12g描绘了根据各种架构或配置布置的系统100的示例实施例。在这些实施例中，系统100被称为被配置成包，诸如其中组件彼此物理固定并且可以位于公共外壳中。这些实施例不限于作为包的实现。此外，为了便于说明，没有示出每个实施例中的mcd和lcd。如可以看出，模块可以以多种方式布置，使得每个模块贡献的功率可以求和，以形成例如单相ac输出、多相ac输出和dc输出中的一个或多个。
100.图12a示出了根据本公开的包括数量n个级联模块108
‑
1、108
‑2……
108
‑
n的一维阵列的包1500的示例实施例。阵列中的每个模块可以根据本文中描述的模块中的任何一个来配置。多个模块可以包括根据相同模块版本（例如，v1、v2、v3或其他）配置的模块，或者根据两个或更多个模块版本（例如，v1、v2、v3或其他）配置的模块的混合。一维阵列的第一行的模块108
‑
1的第一端口1连接到模块的一维阵列的第一输出端子out1。第一模块108
‑
1的第二端口2连接到第二行中的模块108
‑
2的第一端口1。第二模块108
‑
2的第二端口2连接到第三行中的模块108
‑
3（未示出）的第一端口，以相同的顺序以此类推进一步向下到第n行或最后一行中的第n个模块108
‑
n。第n个模块108
‑
n的第二端口2连接到一维阵列1500的第二输出端子out 2。该数量n个互连的模块的一维阵列可以用作dc或单相ac能量源，诸如例如电池包，用于dc或ac单相负载的固定能量存储应用。dc或ac单相负载可以连接在第一和第二输出端子out1和out2之间。
101.数量n个互连的模块108的一维阵列的输出电压可以使用例如但不限于利用相移载波技术的空间矢量调制或正弦脉宽调制（“pwm”）来生成。然后，可以使用相移载波技术生成每个模块的转换器的开关信号。该技术确保了模块连续旋转，并且功率几乎相等地分布在它们之间。
102.相移技术的方面是使用增量偏移的两电平波形生成多电平输出pwm波形。因此，通过n
‑
1个两电平pwm波形的求和来创建n电平pwm波形。这些两电平波形是通过将参考波形与增量偏移360
º
/(n
‑
1)的三角形载波1400、1410（图11c、11d）进行比较而生成的。图11c中示出了9电平示例1400。载波增量偏移360
º
/(9
‑
1) = 45
º
，并与参考波形进行比较。所得到的两电平pwm波形1420在图11e中示出。这些两电平波形可以用作每个模块108中转换器的半导体开关的开关信号。作为示例，对于包括四个互连的模块的一维阵列，每个模块具有转换器206，0
°
信号用于s3，并且180
°
信号用于第一模块的s6，45
°
信号用于s3，并且225
°
信号用于第二模块的s6，以此类推。注意到，在所有转换器206中，s3的信号与s4互补，并且s5的信号与s6互补，连同具有一定的死区时间，以避免每个支路的击穿。图11f描绘了由来自四个模块108的输出电压叠加产生的示例ac波形1430。
103.图12a中所示的系统100的该一维阵列1500实施例使得能够：在模块中以显著降低的开关和传导损耗使用低电压和/或中电压额定能量源元件和开关组件（mosfet、jfet、igbt等），在第一和第二端子out1和out2之间获得具有非常低的总谐波失真的任何形状的
高电压。
104.图12b示出了根据本公开的包括数量n个级联模块108
‑
1、108
‑2……
108
‑
n的二维阵列1600或两个一维阵列1500的包的另一示例实施例。形成该二维阵列1600的两个一维阵列1500中的每一个的dc或ac电压生成的配置和输出方面在上面参考图12a进行了描述。两个一维阵列的第n行或最后一行中的第n个模块中的每一个的第二端口2连接在一起，并连接到二维阵列的公共输出端子out3。在第一和第二输出端子out1和out2以及公共输出端子out3之间提供输出电压。
105.数量2n个模块108的该二维阵列可以用作两相ac能量源，用于dc或ac单相负载的固定能量存储应用。如果需要，负载可以连接在第一和第二输出端子out1和out2之间，而公共端子out3可以连接到负载的中性点。
106.当公共输出端子out3连接到ac或dc负载的第二端子时，示例基于二维阵列的包的第一和第二输出端子out1和out2可以经由耦合电感器连接在一起，并且连接到ac或dc负载的相同第一端子。在该情况下，这样的具有n行的基于二维阵列的包的输出功率能力是具有相同数量n行的基于一维阵列的包的输出功率能力的两倍之高。
107.图12b中所示的系统100的该二维阵列实施例使得能够获得具有90度相位移位的高电压的两相系统。例如，这样的系统可以用在电炉中。一般而言，在模块中以显著降低的开关和传导损耗使用低电压和/或中电压额定能量源元件和开关组件（mosfet、jfet、igbt等），可以在端子out1、out2和公共端子out3（其可以用作中性点）之间获得具有非常低的总谐波失真的任何形状的高电压。
108.图12c示出了根据本公开的包括数量n和n 1个级联的模块108
‑
1、108
‑2……
108
‑
n的二维阵列1700或两个一维阵列的包的另一示例实施例。上面参考图12a描述了两个一维阵列1500中的每一个的dc或ac电压生成的配置和输出方面，该两个一维阵列1500具有形成该二维阵列的数量n和n 1个级联的模块。在两个一维阵列的第n行或最后一行中的第n个模块的每一个的第二端口2连接到附加的或第n 1个模块的第一和第二端口1和2。
109.数量2n 1个级联模块的该二维阵列可以用作用于dc或ac单相负载的固定能量存储应用的单相ac能量源。负载可以连接在每个一维阵列的第一行中的第一模块的第一和第二输出端子out1和out2之间。
110.图12d示出了根据本公开的包括在三维阵列1800中级联的多个模块108
‑
1、108
‑2……
108
‑
n的包的另一示例实施例。包的第一、第二和第三输出端子out1、out2和out3连接到三个一维阵列1500的每一个的第一行的第一模块的第一端口1，这三个一维阵列1500形成了该基于三维阵列1800的包。上面参考图12a描述了形成该基于三维阵列1800的包的三个一维阵列1500中的每一个的dc或ac电压生成的配置和输出方面。三个一维阵列的每一个的第n行或最后一行中的第n个模块的第二端口2连接在一起，并连接到三维阵列的公共输出端子out4。输出电压提供在第一、第二和第三输出端子out1、out2、out3和公共输出端子out4之间。
111.3n个级联模块108
‑
1、108
‑2……
108
‑
n的该三维阵列1800可以用作用于dc或ac单负载、三相负载、三相电网或三相电机的固定能量存储或电动车辆应用的三相ac能量源。如果需要，三相负载可以连接在第一、第二和第三输出端子out1、out2、out3之间，而公共输出端子out4可以连接到负载的中性点。
112.当公共输出端子out4连接到dc或单相ac负载的第二端子时，基于三维阵列的包的第一、第二和第三输出端子out1、out2和out3可以经由耦合电感器连接在一起，并连接到dc或单相ac负载的相同第一端子。在该情况下，这样具有n行的基于三维阵列的包的输出功率能力是具有相同数量n行的基于一个一维阵列的包的三倍之高。
113.图12e中所示的系统100的该三维阵列1900实施例，在模块中以显著降低的开关和传导损耗使用低和/或中电压额定能量源元件和开关组件（mosfet、jfet、igbt等），在端子ou1、out2、out3和公共端子out3（其可以用作中性点）之间提供具有非常低的总谐波失真的任何形状的高电压三相系统。这样的系统可以连接到配电网，并且可以用作有源电源或缓冲器、无功功率补偿器和功率因数校正器、具有非常高动态响应的有源谐波滤波器以及out1、out2、out3和电网相位之间显著减小大小的无源滤波器。该系统还可以连接到从诸如电池、hed电容器、燃料电池单元等之类的能量源元件提供能量的三相负载。
114.图12e示出了根据本公开的包括以三维阵列1900级联的多个模块108的包的另一示例实施例。三个一维阵列1500中的每一个的第一行的模块108
‑
1的第一端口1连接到三个一维阵列中的每一个的第一、第二和第三输出端子out1、out2和out3，这三个一维阵列形成了该基于三维阵列的包。上面参考图12a描述了三个一维阵列中的每一个的dc或ac电压生成配置和输出方面，该三个一维阵列具有形成该三维阵列的数量n个级联的模块108。第一模块108
‑
1的第二端口2连接到三个一维阵列的第二行中的模块108
‑
2的第一端口1。第二模块的第二端口2连接到三个一维阵列的第三行中模块的第一端口1（未示出），以相同的顺序以此类推进一步向下到数量m行的模块，其中m是2或更大。
115.第m 1行的模块的第一端口1连接到第m行的模块的第二端口2（未示出）。第m 1行中的模块的第二端口2连接到第m 2行中的模块的第一端口1（未示出）。第m 2行中的模块的第二输出端口2连接到第m 3行中的模块的第一端口1（未示出），以相同的顺序以此类推进一步向下到数量m n行的模块。
116.三维阵列的第一列1500的最后一行或第m n行中的模块的第二端口2连接到三维阵列的第二列1500’的第m 1行中的模块的第一端口1。三维阵列的第二列的最后一行或第m n行中的模块的第二端口2连接到三维阵列的第三列1500”的第m 1行的模块的第一端口1。三维阵列的第三列的最后一行或第m n行中的模块的第二端口2连接到三维阵列的第一列的m 1行的模块的第一端口1。
117.级联模块的该三维阵列可以用作固定能量存储或电动车辆应用的三相能量源，用于dc或ac单负载、三相负载、三相电网或三相电机。
118.除了关于图12d提到的优点之外，图12e中所示的系统100的该三相（三维阵列）配置的实施例——具有串联和德尔塔连接模块的组合——使得能够在系统的所有模块和电网或负载的相位之间进行有效的能量交换（相间平衡）。德尔塔和串联模块的组合允许减少阵列中模块的总数量，以获得所期望的输出电压。
119.图12f示出了根据本公开的包括以三维阵列2000级联的多个模块的包的另一示例实施例。包的第一、第二和第三输出端子out1、out2和out3连接到三个一维阵列1500的第一行的模块108
‑
1的第一端口1，该三个一维阵列1500形成该基于三维阵列2000的包。上面关于图12a描述了具有形成该三维阵列的数量n个互连模块108
‑
1、108
‑2……
108
‑
n的三个一维阵列中的每一个的配置和输出dc或ac电压生成的方面。三维阵列的第一列的第n行的模
块的第二端口2连接到第n 1行的第一附加模块108c的第一端口1。三维阵列的第二列的第n行的模块的第二端口2连接到第n 1行的第一附加模块108c的第二端口2。三维阵列的第三列的第n行的模块的第二端口2连接到第n 1行的第二附加模块108c的第一端口1。第二附加模块的第二端口2连接到包的第四输出端子out4。第n 1行的第一和第二附加模块的第三和第四端口3和4互连，如图12f中所示。
120.级联模块的该三维阵列可以用作固定能量存储或电动车辆应用的三相能量源，用于dc或ac单负载、三相负载、三相电网或三相电机。三相负载可以连接在第一、第二和第三输出端子out1、out2和out3之间，而第四输出端子out4可以作为一个充电端子。
121.除了关于图12d提到的优点之外，图12f中所示的系统100的该三相（三维阵列）配置的实施例——具有两个附加的互连模块108c——使得能够在系统的所有模块和电网或负载的相位之间进行有效和快速的能量交换（相间平衡）。
122.图12g示出了连接到任何类型的三相电机2200的包的另一示例实施例2500。该包如图12f中呈现的，其中第n 1行的两个附加模块108
‑
c的第三和第四输出端口3和4连接在一起，并连接到第二辅助负载410。第n 1行的两个附加模块进一步包括连接在一起并连接到第一辅助负载408的第五和第六输出端口5和6。第一辅助负载和第二辅助负载410具有不同的电压，并且分别表示例如但不限于电动车辆的车载网络系统和空调电源系统。
123.除了提及的优点之外，图12g中所示的系统100（三维阵列）的该三相电机驱动实施例——具有两个附加的互连模块108c——使得能够在系统的所有模块和各相电机之间进行有效和快速的能量交换（相间平衡）。互连模块108c的附加输出端子3、4、5、6提供不同水平的低电压，该低电压可以用于为辅助负载提供功率，辅助负载又表示例如电动车辆的电动车载网络和hvac功率线。在该情况下，不需要额外的低电压电池；上面提及的系统的能量是由整个模块108阵列提供的。
124.图12h图示了系统100的示例实施例，系统100被配置为与三相电机420耦合并向其供电，并且还通过可控开关410以及——如果期望的话——充电连接430（例如，插头）切换为替代地与充电源440（未示出）耦合。用于模块通信的总线系统未在图12h中示出。
125.示例模块化系统100包括以三个阵列布置的n个级联模块108，以向电机420供应三相功率，电机420又通过机械连接421耦合到电动车辆的车轮422。开关410可以进入将模块108电连接到电机420的第一位置。开关410可以进入第二位置，该第二位置将模块108从电机420电断开，并且取而代之通过连接430将模块108电连接到充电源440。在该第二位置，模块108可以从充电源440接收能量，充电源440可以是dc充电器、单相ac充电器或多相ac充电器。这里示出的配置——其中开关410插入在模块108和电荷汇（例如，电机420）和源440之间——可以应用于本文中描述的任何系统配置（例如，关于图12a
‑
12g描述的系统）。
126.在实施例中，示例模块化能量拓扑可以耦合到多个汇和多个源。在实施例中，示例模块化能量拓扑可以连接到多个（例如，两个）电机以为车辆（例如，四轮车辆）供电，并且可连接到dc和/或ac源以为模块充电。在又另一实施例中，示例模块化能量拓扑可以连接到多个（例如，四个或更多个）电机以为飞行器供电。在又另一实施例中，示例模块化能量拓扑可以连接到作为汇连接的多个外壳（例如住宅）负载和作为源的太阳能或风能发电机。在这样的实施例中，该系统可以用于住宅能量存储。在又另一些实施例中，连接的电网可以作为汇以及作为源（例如，出于电网稳定的目的）。
127.与布局和外壳相关的示例实施例在本文中的许多实施例中，模块108被示出或描述为与lcd 114分离。然而，在本文中描述的任何和所有实施例中，模块108可以被配置成使得lcd 114是其组件。例如，图13a是描绘模块108的示例实施例的框图。在该实施例中，模块108具有容纳模块108的lcd 114以及转换器206、308、能量缓冲器204和能量源202（以及可选的能量源304，如果存在的话）的公共外壳或物理包装4302。因此，在该实施例中，模块108被提供或制造为集成的或统一的设备或子系统。
128.图13b是描绘模块108的另一示例实施例的框图。在该实施例中，模块108具有容纳模块108的lcd 114以及转换器206、308和能量缓冲器204的外壳或物理包装4303。能量源202（以及可选的能量源304，如果存在的话）提供在单独的外壳4304中。外壳4303和4304可以在安装到系统100中之前物理联接、固定或连接在一起，或者可以是电连接在一起的单独实体。外壳4303、4304可以具有端口或其他接入，以容纳各种设备114、206、308、202等之间的电连接。
129.图13c是描绘模块108的另一示例实施例的框图。在该实施例中，模块108具有容纳模块108的lcd 114的第一外壳或物理包装4306，以及容纳转换器206、308和能量缓冲器204的第二外壳或物理包装4308。能量源202（以及可选的能量源304，如果存在的话）提供在单独的外壳4304中。外壳4306、4308和4304可以在安装到系统100中之前物理联接、固定或连接在一起，或者可以是电连接在一起的单独实体。所有外壳4306、4308和4304都可以具有端口或其他接入，以容纳各种设备114、206、308、202等之间的电连接。
130.在本文中描述的任何和所有实施例中，各种电路组件可以集成在一个或多个基板上，以降低形状因数。例如，如参考图13a
‑
13c所述，lcd可以是模块108的一部分。图14a是描绘示例实施例的示意性视图，其中lcd 114、转换器206、308和能量缓冲器204各自安装或固定到单个公共基板4402，该单个公共基板4402可以是单个印刷电路板（pcb）。这些组件可以与基板4402电耦合并且彼此电耦合，以准许它们之间的信号或数据交换。其他无源或有源组件同样可以安装或固定到基板4402。
131.图14b是描绘示例实施例的示意图，其中转换器206、308和能量缓冲器204各自安装或固定到单个公共基板4404，该单个公共基板4404可以是单个印刷电路板（pcb）。这些组件可以与基板4404电耦合并且彼此电耦合，以准许它们之间的信号或数据交换。lcd 114安装或固定到不同的基板4406，该不同的基板4406也可以是单个pcb。其他无源或有源组件同样可以安装或固定到基板4404和4406。lcd 114和基板4404上的组件之间的通信可以通过一个或多个总线、导线或光纤进行。
132.系统100可以跨如在各种固定和移动应用中可能需要的宽频率范围内操作。例如，固定应用中的系统ac输出频率通常将为60hz。在转换器206、308（图6a
‑
6b）中的每个开关使用mosfet的实施例中，每个mosfet的开关频率（fsw）可以在1khz
‑
2khz或更大的范围内。在每个相位阵列中有8个模块的示例中，然后ac输出电压中的所得脉动频率将是每个相位阵列中有8个模块的示例中，然后ac输出电压中的所得脉动频率将是或更大。常规系统的开关频率——像基于igbt的高功率逆变器——通常小于5khz。在移动应用中，系统频率将取决于（一个或多个）电机的需要，对于正弦输出波形，其通常范围从0hz至2000hz或更大。在电路207的开关的fsw是5khz的示例实施例中，然后具有五个串联模块的示例系统100（等效输出脉动）的开关频率将是
。这与具有小于20khz的开关频率的常规功率逆变器相比。在转换器206、308包括氮化镓（gan）开关的实施例中，然后操作频率可以高于mosfet或igbt的操作频率。这些示例仅图示了系统100相对于常规系统的增强性能，并且决不意图是限制性的。
133.与脉冲充电相关的示例实施例本文中提供了与系统100的脉冲充电（有时称为快速充电）相关的实施例。这些实施例将主要在电化学电池充电的背景下针对模块108进行描述，模块108具有以电池形式的至少一个能量源202（具有一个或多个电池单元）。电池可以具有任何期望的电化学成分（例如，锂离子、铅酸、碱性、镍金属氢化物等）。然而，实施例也可以有益于高能量密度电容器和燃料电池单元，以及一个或多个电池、一个或多个hed电容器和一个或多个燃料电池单元的组合。因此，本文中描述的实施例可以与所有前面提及的能量源一起使用。
134.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根据需要在模块108的能量源202、304之间划分，以实现不同复杂性的充电方案。例如，电压（或电流）可以以脉冲方式施加，其中一些源在特定时间被充电，并且其他源通常不被提供，施加到能量源（和系统的其他电荷汇）的总电压等于充电源在该时刻供应到系统的dc或ac电压。施加的脉冲的电压和持续时间（以及脉冲之间的静息时间的持续时间）可以基于如模块（例如，测量电路201和lcd 114）监视的那些源的状态而变化和定时。因此，模块之间的电压划分既允许根据需要对模块的源进行充电，并且也允许根据需要对模块的源进行静息。
135.在控制电路102的控制下，由转换器206、308的开关电路完成对模块的每个源的充电脉冲的施加。因此，对于具有多个电池单元的以电池形式的能量源202，在许多实施例中，来自转换器206、308的充电脉冲将被施加到所有电池单元。
136.图15a图示了可以作为高带宽刺激信号施加的电流刺激脉冲。图15b图示了在施加图15a的高带宽刺激信号期间电化学系统的时间响应。在图15a中，模拟是电流阶跃函数，并且在图15b中，电压信号携带具有不同弛豫方案的系统的响应。在刺激信号是电压信号的相反情况下，然后电流信号将展现系统响应。
137.参考图15b，不同的弛豫机制发生在电化学活性界面上。典型地，响应可以被区分，因为它们由四个不同的弛豫机制定义。电子的弛豫发生在几阿托秒到几子飞秒内，离子的弛豫通常具有以毫秒为单位的时间常数，电解质中物质的扩散弛豫发生在几秒到几小时内，活性材料中的扩散弛豫范围从几分钟到几小时。图15b中所示的不同系统响应和刺激信号是610：响应a（电子的弛豫在几阿托秒到几飞秒内）；620：响应b（离子的弛豫在几毫秒到几亚秒内）；630：响应c（电极材料中电子和/或离子的电化学离子转移的激活）；640：响应d（在固体和/或液体离子传导材料中的扩散在几秒到几小时内）；650：高带宽电流阶跃刺激。下面的表1总结了本文中提到的响应。响应标签弛豫机制响应a电子响应b离子响应c电极材料中电子或离子的电化学离子转移响应d固体和/或液体离子传导材料中的扩散表1。
138.图16示意性图示了在高带宽刺激期间在电化学界面处发生的典型弛豫/扩散机
制。参考图16，示意性图示了横截面，横截面示出了浸入包含活性电化学物质的电解质中的活性电极。图16图示了电化学活性电极741，其中施加的高带宽刺激信号被负极化到完全电池单元布置的第二电极。图16进一步图示了电极741和电解质743之间的电化学界面742，其中电解质包括电化学活性物质。图16进一步图示了在高带宽刺激信号之前位于活性材料中的一个电子751。响应a（752）图示了由于高带宽刺激信号，电子751在debye长度范围内靠近电极界面表面的位置的移动。响应a导致电子751的新位置753更靠近电极界面。
139.图16进一步图示了带负电荷的离子761。在该示例实施例中，在高带宽信号刺激之前，物质不涉及活性电化学反应。由于高带宽刺激信号的电场，响应b（762）导致带负电荷的反离子761的移动。响应d（763）由于浓度梯度
‑
扩散而导致反离子764的移动（例如，764图示了由于响应b的移动所致的反离子的位置）。图16中还示出了在高带宽信号模拟之前的带正电荷的离子771——在该实施例中，该物质是电化学活性的。由于浓度梯度——扩散，响应d（772）导致活性离子771的移动。由于高带宽刺激信号的电场，响应b（773）导致活性离子771的移动——迁移。还在图16中示出，活性离子774定位在电极界面表面附近。图16进一步图示了电化学反应和从电解质到活性电化学物质的活性电极的传输782，其需要增加的激活能级。由于活性电极中的浓度梯度——活性物质在活性电极材料中的扩散，响应d（792）导致活性离子783的移动，其中793图示了响应d之后活性离子的位置。
140.在实施例中，充电算法以及特别是本文中描述的快速充电算法在模块级上自主操作，并且可以集成在每个模块108内。例如，参考图10b，模块108以单相级联布置连接，并且可以通过通信总线在彼此之间和mcd 112（如果存在的话）之间通信。在该实施例中，模块和源或汇的能量可以通过两极电源总线交换。
141.部分或所有控制功能（电流、电压、温度）以及测量功能（电流、电压和温度）可以在模块级实行。处理可以直接发生在具有lcd 114的每个模块108处，其中可以集成或存储充电算法。这样的布置使得高带宽数据处理和反馈控制回路能够独立于模块化能量拓扑的大小和复杂性。每个模块108不需要通过通信总线将模块108的每个能量源的高带宽数据传输回到mcd 112，mcd 112也不需要在短时间帧（诸如亚毫秒范围（小于1 ms））内传输回高带宽控制信号来控制每个能量源。通信总线仅需要传输系统信息——诸如每个模块的操作方式的低带宽控制和同步信号（例如调制指数、操作状态（例如空闲、充电、放电）等），这允许总线带宽保持在低且稳健的水平。
142.例如，图10a和图10b的实施例各自具有用于如本文中所述的主要存储的12个存储单元（例如，用于电池的电池单元）。实施例可以小于或大于12个，这仅仅是示例。与常规电池包技术相比，仅12个存储单元的信号需要由模块108的lcd 114读取和处理，在常规电池包技术中，每个电池模块的每个电池单元都需要由集中化芯片或芯片组读取和处理。这些常规电池包在系统主控制器水平上处理每个存储单元的信号。例如，与本文中描述的系统100的实施例相比，具有216个能量存储单元的电池包具有12倍更高需求的通信和处理要求，其中，例如，每个具有12个存储单元的18个模块和分立的lcd 114可以集成在模块级上。将领会，信号处理和反馈控制对缩放不敏感，并且因此不依赖于本公开中描述的模块化能量拓扑的总系统大小。
143.因此，本文中描述的模块化布置使得每个个体存储单元的操作能够在高带宽信号水平下，以独立于总系统大小的亚毫秒的时间水平控制刺激响应。对于使用电化学系统的
实施例，这种控制水平使得每个个体存储单元（例如，诸如响应b、c或d方案下的电池或燃料电池单元）的操作能够具有将用于充电以及放电的控制算法相组合的高精度。
144.因此，本实施例的特征使得模块的设计以及制造能够在不知道总系统级所需的能量单位的大小和数量的情况下进行。此外，由于模块级上所需的处理速度降低，模块级上的组件与在每个能量存储单元上的相同带宽信号控制水平上操作的常规系统的组件的要求相比更简单。与常规的电池包架构相比，这些特征允许更简单的系统设计以及降低总系统成本。
145.在实施例中，可以向电池施加电流或电压，使得仅离子被移动但尚未嵌入材料中。电流响应或电压响应的形状可以用于确定li离子何时开始在活性材料（例如阴极材料或阳极材料）中移动。典型地，充电脉冲长度将在亚毫秒（例如（0.1 ms））到秒（1000 ms或更长）的数量级。电流和电压响应将以1khz或更快的频率采样，以确定li离子在阴极和阳极中的活性嵌入何时开始。活性嵌入反应的开始确定了充电脉冲的结束，随后是静息阶段。在电化学界面上的离子梯度由于活性材料中的进一步嵌入和扩散而弛豫之后，施加下一个脉冲。静息时间由电解质和活性材料之间界面上电压的弛豫确定。
146.图17a描绘了快速充电算法的示例实施例的电流和电压信号，其利用了本文中描述的用于高级和加速充电的某些响应方案。图17a图示了与常规恒定电流充电策略相比，高级和加速充电的重要方案。重要的操作方案发生在响应b向响应c的转变、响应c期间以及从响应c向响应d的转变。然而，优选的操作可能是在响应c中，当存储相关的电化学反应被激活时，如图17a中所示。在该实施例中，电流被控制，并且每个电池单元的电压响应被用作控制反馈信号。电压也可以被控制，并且电流可以被用作控制反馈信号，以在刺激期间将操作终点保持在响应c中。图17a的组件和细节是电流刺激（10010）、电压刺激（10020）、电流接通（10011）、电流关断（10012）、电压响应a（10030）；10040，电压响应b（10040），具有开关断开条件和一定阈值a的电压响应c（10050），电压响应a（10031），由于在电化学界面上的电荷交换的离子梯度和电压的弛豫（10041），其中开关接通条件、一定阈值b。
147.图18a和图18b分别图示了恒定电流和高带宽刺激驱动电化学反应之间的示例比较的电流和电压信号。图18c示意性图示了根据恒定电流和高带宽模拟信号在不同时间序列具有活性电化学物质的电化学电极的横截面。
148.图18a中所示为恒定电流刺激
‑
电流信号（11010）、恒定电流刺激
‑
电压信号（11015），并且图18b中所示为高带宽充电
‑
电流信号（11020）和高带宽充电
‑
电压信号（11025）。
149.图18c中所示为电解质（11030）、电化学活性离子（11031）、电化学界面（11040）、电化学活性电极材料（例如，嵌入材料）（11050）、活性电极材料中的非定位电子（11051）、电化学活性离子的电化学电荷转移反应（11041）和嵌入活性材料中的电化学活性离子，其中一个相关联电子定位在过渡金属位点（11052）。
150.常规充电基于恒定电流阶段，直到电池单元的最大电压达到恒定电压阶段。在恒定电压阶段期间，电池单元电压保持在电池单元的最大电压，直到电流达到较低的阈值。文献中还描述了使用阶跃电流函数或脉冲电流模式的其他充电策略。然而，已知的策略具有
需要通过从外部源施加的电压和电流直接驱动界面上的电化学反应的共同点。施加电流或电压的时间比响应a、响应b和响应c长，并且在活性电极材料是嵌入材料的场景中（如图18c中所示），导致活性物质在电解质中的电极表面以及在活性材料中的分布均匀。嵌入材料或与活性离子物质反应的材料通常用于电池中。活性离子物质在电解质中和活性电极材料中的这种不均匀分布主要是由于电解质的局部电阻和电极表面上的局部电荷转移电阻率的不均匀性造成的。由于电池的设计和构造，这些电阻的不均匀性是不可避免的。这可由于热点而导致局部过热，并且可导致浓度梯度，这可引起li沉积在电池的阳极或其他部分上以及阴极上的相位变换。局部过热可导致电极表面上电解质副反应增加。所有这些效果导致电池加速降级，并限制充电电流并且因此限制充电速率和速度。
151.在根据本公开的高带宽充电的情况下，电化学反应不是由外部施加的电压或电流直接驱动的。电化学反应更确切地说仅由施加的电压和电流激活（而不是由它们驱动）。在电化学反应激活之后，外部源断开，并且反应进一步由响应a、响应b和响应c期间积聚的浓度梯度驱动。浓度梯度在电化学界面区域上非常均匀地积聚，几乎与电荷转移电阻的局部电阻变化无关。如图18c中示意性示出的，这减轻了热点的积聚，以便高带宽充电应用。
152.前面提及的实施例导致电解质中活性物质的改进的浓度均匀性，并且更重要的是活性材料中活性物质的改进的浓度均匀性，并且它们减轻了局部过热。这直接关系到电池在充电期间更低的降级和更少的损坏，以及以更高的电流密度为电池充电以加速充电的能力。
153.图19a和图19b是分别描绘基于电流控制和电压控制的高带宽刺激为一个或多个电池充电的方法1900和1950的示例实施例的流程图。这些方法可以由模块电路在控制电路102的控制下执行，控制电路102优选地是位于模块（例如，lcd 114）的本地的控制电路102。用于每个电池的化学成分和类型的阈值将不同。所述方法可以利用自学习算法来优化和适应在电池老化期间的阈值，并且电池的使用可以集成到在控制电路102（例如，lcd 114）上执行的高级充电算法中。方法1900和1950将被描述为由系统100的个体模块108执行，尽管所述方法的特征也可以应用于系统级的水平。
154.首先参考图19a，在步骤1902，可以测量模块108的电池202的一个或多个参数。一个或多个参数可以针对整个电池或者针对电池的每个电池单元单独测量。这些参数可以包括例如电池或电池单元的充电状态，以及可选的还有电池或电池单元的温度。步骤1902可以在系统100的正常放电操作期间执行，并且因此可能不需要在系统100已经被置于充电状态（例如，系统100到充电源的连接和切换）之后执行。步骤1902可以根据需要在整个方法1900中重复，以获得当前参数值。
155.如果电池的充电状态足够低以准许应用快速充电技术（例如，低于诸如60
‑
80%容量的阈值），则可以应用高电流脉冲以相对快速的方式为电池单元充电。在步骤1904，来自电源连接的分压可以被转换成控制的电流脉冲。例如，转换器206、308的开关电路可以从电源连接110向可控dc
‑
dc转换器（例如，图10b的转换器930）或可以被控制以产生期望电流水平的脉冲的其他电路供应电压脉冲。在1906，电流控制脉冲可以被施加到电池（例如，如果串联连接，则一起施加到所有电池单元，或者如果并联连接，则相同的脉冲被划分并单独施加到每个电池单元）。在一些实施例中，调节电流以确保施加到电池的电压不超过最大阈值（例如，电源的额定最大值），诸如电池在100% soc时的预期电压。在其他实施例中，超过该
最大值的电压可以施加短暂的时间，该短暂的时间不引发或驱动电池单元中的副反应，如本文中进一步所述（例如，参见图17b）。
156.在1907，测量模块108中每个电池单元上的电压响应（例如，利用测量电路201）。在1908，测量的响应可以用于评估是否已经满足截止条件。在一些实施例中，如果确定电压响应的第二推导为负并且电压响应的第一推导低于阈值，则可以满足截止条件。确定截止条件的模块的电池或电池单元可以是满足截止条件的第一个这样的电池或电池单元，或者可以基于加权算法。在满足截止条件但至少一个电池单元之后，然后电流脉冲可以由开关电路（例如，转换器206、308）终止。
157.在步骤1910，电池单元可以在没有施加脉冲的情况下在静息时段内静息。在1911，可以做出是否达到了次最大soc阈值（例如，60
‑
80%，或另一水平）的确定，并且这可能需要另一充电状态测量的性能。所选的阈值可以取决于电池化学性质。如果达到阈值，则在步骤1912，系统可以使用相对较慢的方法（诸如使用更长持续时间的恒定较低电流）转变到另一充电技术，以达到如系统需要所规定的完全soc水平（例如，100%）。如果该方法继续，则在步骤1914，做出是否调整下一个脉冲的电流的确定。该确定可以基于在脉冲接通阶段期间测量的电压来进行，例如通过评估电池单元的预定最大电压和在施加脉冲时测量的电池单元的电压峰值之差。随着差减小，在每个连续脉冲期间施加的电流可以减小，以帮助电池单元不超过预定的最大电压。如果不进行调整，则该方法可以恢复到步骤1902或1904并重复。如果将调整电流，则这可以在恢复之前的1916发生。下一个脉冲的施加可以以满足重启条件为条件，和/或在经过最小或预定时间段之后。满足重启条件的示例可以是在确定电压响应的第二推导是阳性的并且电压响应的第一推导大于阈值之后，该阈值可以是相同或不同的阈值。
158.图19b描绘了方法1950，其类似于方法1900，但是用电压控制脉冲而不是电流控制脉冲来执行。在步骤1952，可以测量模块108的电池202的一个或多个参数。一个或多个参数可以针对整个电池或者针对电池的每个电池单元单独测量。这些参数可以包括例如电池或电池单元的充电状态，以及可选的还有电池或电池单元的温度。步骤1952可以在系统100的正常放电操作期间执行，并且因此可能不需要在系统100已经被置于充电状态（例如，系统100到充电源的连接和切换）之后执行。步骤1952可以根据需要在整个方法1950中重复，以获得当前参数值。
159.如果电池的充电状态足够低以准许应用快速充电技术（例如，低于诸如60
‑
80%容量的阈值），则可以应用高电压脉冲以相对快速的方式为电池单元充电。在步骤1954，来自电源连接的分压可以被转换成控制的电压脉冲。例如，转换器206、308的开关电路可以从电源连接110向可控dc
‑
dc转换器（例如，图10b的转换器930）或可以被控制以产生期望电压水平的脉冲的其他电路供应电压脉冲。在1956，电压控制脉冲可以作为整体施加到电池（例如，如果串联连接，则一起施加到所有电池单元，或者如果并联连接，则相同的脉冲单独施加到每个电池单元）。在一些实施例中，调节电流以确保施加到电池的电压不超过最大阈值（例如，源的额定最大值），诸如电池在100% soc时的预期电压。在其他实施例中，超过该最大值的电压可以施加短暂的时间，该短暂的时间不引发或驱动电池单元中的副反应，如本文中进一步所述（例如，参见图17b）。
160.在1957，测量模块108中每个电池单元上的电流响应（例如，利用测量电路201）。在
1958，测量的响应可以用于评估是否已经满足截止条件。在一些实施例中，如果确定电流响应的第二导数为负并且电流响应的第一导数低于阈值，则可以满足截止条件。确定截止条件的模块的电池或单元可以是满足截止条件的第一个这样的电池或电池单元，或者可以基于加权算法。在满足截止条件但至少一个电池单元之后，然后电压脉冲可以由开关电路（例如，转换器206、308）终止。
161.在步骤1960，电池单元可以在没有施加脉冲的情况下在静息时段内静息。在1911，可以做出是否达到了次最大soc阈值（例如，60
‑
80%，或另一水平）的确定，并且这可能需要另一soc测量的性能。所选的阈值可以取决于电池的化学性质。如果达到阈值，则在步骤1962，系统可以使用相对较慢的方法转变到另一充电技术，相对较慢的方法诸如是使用更长持续时间的恒定较低电压（低于完全充电时的预期电压），以达到如系统需要所规定的完全soc水平（例如，100%）。如果该方法继续，则在步骤1964，做出是否调整下一个脉冲的电压的确定。该确定可以通过评估电池单元的预定最大电压和施加脉冲时测量的电池单元电压峰值之差来进行。随着差减小，在每个连续脉冲期间施加的电压可以减小，以帮助电池单元不超过预定的最大电压。如果不进行调整，则该方法可以恢复到步骤1952或1954并重复。如果将调整电流，则这可以在恢复之前的1966发生。下一个脉冲的施加可以以满足重启条件为条件，和/或在经过最小或预定时间段之后。满足重启条件的示例可以是在确定电流响应的第二推导是阳性的并且电流响应的第一推导大于阈值之后，该阈值可以是相同或不同的阈值。
162.在电化学存储设备中，可发生主要反应和副反应。电化学反应是用于能量储存并且也可以称为一个或多个储存反应的主要过程。对于锂离子电池化学性质来说，它是li离子与活性材料的反应。在li离子电池负极上的这样的反应的示例是与石墨的嵌入反应、与硅的合金化反应、与氧化物的置换反应或者甚至是li金属的电镀反应。在li离子电池的正极上，主要存储反应的典型示例是与氧化物或磷酸盐类材料的嵌入反应、与氧化物或氟化物的置换反应，或者甚至是与如在锂空气电池中使用的氧的形成反应。典型地，这些反应相当简单，并且是单个电子电化学反应，其中仅转移一个电子。对于其他电池化学性质，电化学反应通常也是基于电化学过程，其中转移不超过几个（例如两个）电子。例如，在铅酸和碱性化学成分的情况下，仅有两个电子被转移，并且对于镍金属氢化物化学成分中仅有一个电子被转移。
163.副反应是不期望的反应，其既不有助于能量储存，也不增强源的能量储存能力。副反应可以是诸如通过在充电或放电过程期间限制截止电压而对源的降级或退化，和/或能量源的操作寿命的减少。本文中提供的实施例包括施加脉冲以引发电化学反应而不引发和/或驱动源中至少一个副反应、优选所有副反应的技术。
164.这样的反应的示例的非穷尽列表包括：电解质在正极上的氧化反应、在负极上的还原反应、活性材料的分解反应（例如，还原或相变反应）、活性材料的金属化合物的溶解反应、导致枝晶形成的反应（例如，锂离子电池的锂枝晶电镀）、导致阳极上sei（固体电解质间相）溶解或不想要的生长的反应以及导致任一电极上的集电器（current collector）溶解或氧化的反应。
165.这些副反应通常比电化学反应更复杂，并且涉及通常伴随有缓慢的化学、运输或重新布置过程的多电子转移。例如，碳酸乙烯酯是li离子电池电解质的典型成分，它通过多
种反应途径分解。这些分解反应路径形成乙烯、伴随有一系列亲核反应的聚碳酸酯，乙烯二烷氧基锂、二氧化碳和基于五个电子转移的乙烯脱碳酸锂。
166.与多电子转移反应相比，具有单个或少量电子转移的反应通常在动力学上快得多，具有短得多的反应时间常数。这种行为可以用马库斯理论与考虑电子隧穿过程的第一原理相组合来描述和理解。
167.对于诸如电池、燃料电池单元和hed电容器之类的电化学存储设备的后果是，期望的主要存储反应的开始比不期望的副反应的开始快得多。这种行为使能可以抑制或甚至完全避免如本文中所述和所提出的副反应的新的充电或放电策略。本文中提供了实施例，其中每个模块108被配置为给能量源202充电，使得以足以在源中引发电化学反应的方式施加脉冲，而不引发、驱动或基本上驱动源中的副反应。
168.脉冲模式的应用，其中每个脉冲具有比主要电化学反应的反应时间常数长的持续时间，但是因为副反应的时间常数准许在充电过程期间以升高的电压水平施加一个或多个脉冲而更短，这与常规的恒定电流和恒定电压充电方法相比可以导致更快的充电。此外，对副反应的有效抑制减缓了老化和降级，并且因此将延长能量源的寿命。
169.电化学反应的反应时间常数可以直接与反应的交换电流密度或电荷转移电阻相连。取决于反应的复杂性，电荷转移电阻和交换电流可以范围在几个数量级内。诸如离子或钴的过渡金属的还原（通常用于锂离子化学的主要存储反应中）具有高达1 a/cm2（安培每平方厘米）的高交换电流密度，这对应于具有亚毫秒（例如0.1 ms）反应时间常数的非常低的交换电阻率。另一方面，水的分解反应是具有含水电解质的电池中的主要的副反应，其示出在10
‑6至10
‑
10 a/cm2范围内的非常低的交换电流密度，具有高的交换电阻率和高达一秒或多秒的反应时间常数。在这样的示例中，模块的控制电路（例如，lcd 114）可以使用脉冲模式控制脉冲到源的施加，其中每个脉冲的长度或持续时间长于亚毫秒持续时间，以便引发（并且可选地驱动）主要电化学反应，但是短于一秒或几秒以避免引发水分解副反应。
170.尽管取决于源的化学性质，但是在某些实施例中，脉冲长度可以范围从0.1毫秒（ms）到5秒，更优选1 ms到100 ms，并且还更优选从5 ms到25 ms（诸如，例如具有锂离子化学性质）。这些范围对应于不同的示例实施例，并且强调本文中公开的主题不限于这些范围中的任何一个，因为实现可以并且将取决于源的结构、化学性质和/或成分而变化。
171.避免引发副反应的这些和其他脉冲模式使得能够施加具有可以高于完全充电状态条件（例如，100% soc）下的预期源电压的电压的脉冲。这种预期电压的示例是电源的额定最大电压（例如，如制造商提供的）。在一些实施例中，在100% soc下，该增加的电压水平在预期电压的101%和200%之间。在一些实施例中，该范围可以更窄，诸如在101%和180%之间，或者在105%和150%之间。表2提供了常见化学性质的电池在100% soc（最大电压）下的示例预期电压列表。这些仅是示例，并且最大电压将基于电池化学性质、成分、大小和结构而变化。
172.例如，利用nmc/石墨锂离子化学物质，电池单元可以被限制在施加大约4.2v的电压（100% soc下的预期电压），并且在使用标准充电和放电协议的任何操作点期间，电压值将不被超过。对于如本文中所述的避免副反应的脉冲模式，在完全充电状态下，在预期电压的0%至80%的电压范围内，施加的电压可以高于4.2v。当源处于小于完全soc（例如，60
‑
80%）的充电水平时，可以以这些升高的电压水平施加脉冲。当源处于低soc水平时，脉冲电压水平可能比当源处于高soc水平时更大。例如，当源处于小于完全soc的第一soc时，施加的脉冲的电压可以处于第一水平，并且在充电之后，当源处于大于第一soc的第二soc时，随后施加的脉冲处于小于第一电压水平的第二水平。例如，与当处于较高充电状态时的升高水平相比，处于低充电状态时的升高水平可以高50%。因此，升高的电压水平可以随着源soc增加而减小，并且当源达到小于完全soc（例如，100%）的目标soc水平（例如，60
‑
80%）时，优选停止施加处于升高水平的脉冲。目标水平可以基于源化学来选择。
173.图17b描绘了快速充电算法的另一示例实施例的电流和电压信号，该快速充电算法利用脉冲方案，该脉冲方案产生用于高级和加速充电的升高的电压水平。在该实施例中，控制电流以产生如所述的升高的电压响应。图17b的特征是电流刺激（17010）、电压刺激
（17020）、电流接通（17011）、电流关断（17012）、电压响应a（10030）；电压响应b（10040），具有开关关断条件和一定阈值a的电压响应c（10050），以及由于电化学界面上的电荷交换所致的离子梯度和电压的弛豫（10041），其中开关接通条件，一定阈值b。100% soc下的e对应于完全充电时的预期电压。这里，前两个脉冲通常以超过e的相同电压施加，并且第三个脉冲以调整和降低的电压施加，并且第四个脉冲以小于e的电压施加。实际上，可以在高于e的电压下连续施加与所需数量一样多的脉冲。脉冲之间的静息时间可以变化，并且不需要恒定，脉冲本身的持续时间也不需要恒定。
174.本文中提供的实施例进一步包括如下技术：其中施加脉冲以引发电化学反应，而不引发和/或驱动降级或退化的副反应（诸如上面列出的那些和可以溶解sei的那些），但是准许那些有益的副反应，诸如导致电池单元结构修改以使性能（例如寿命）升级的非降级或再生副反应。例如，在一些实施例中，在电池的第一个循环或前几个循环中形成sei（固体电解质间相）促进形成稳定的保护涂层，该稳定的保护涂层可以改进电池的运转寿命。因此，用于形成sei的副反应可以对电池单元产生有益的效果。在这样的实施例中，可以控制脉冲持续时间，使得这些副反应发生。在形成sei涂层之后，可以修改（缩短）脉冲持续时间，使得电化学反应在没有引发和/或驱动这个和其他副反应的情况下被引发。本文中所述的实施例也可以被利用和定制，使得证明有用的其它副反应在源的寿命期间被准许。
175.关于脉冲充电的所有前面提及的实施例可以根据如关于图11c
‑
11f描述的脉宽调制方案来实现，在适用的情况下实现关于脉冲长度的附加约束，以便不违反本文中描述的某些实施例的脉冲持续时间条件，诸如关于在不引发副反应的情况下引发电化学反应的那些条件。
176.以上讨论的示例实施例可以应用于系统级，以使能诸如例如机车和铁路车辆、公共汽车、卡车、渡船、飞行器等之类的公共运输车辆和系统的电气化。在利用机车或铁路车辆、公共汽车、卡车、渡船、飞行器或其他车辆的公共交通系统中，示例实施例可以应用于具有三个或更多个航点的第一环境——其包括在所有航点的电池充电或电池交换设备，或者应用于具有三个或更多个航点的第二环境——其包括在少于所有航点处的电池充电或电池交换设备。航点包括但不限于停靠点、车站、码头、港口、能够非固定充电的位置，以及车辆可以停止和/或接收能量源（无论是电的还是其他的）的其他位置。
177.在第一环境内操作的车辆可以配备有比在第二环境内操作的车辆更小的（一个或多个）电池包[和/或（一个或多个）其他能量存储单元]。此外，由于充电之间的较短距离，在每个充电站所需的功率在第一环境的上下文中与在第二环境中相比可能更小。在另一种情况下，如果第二环境的实现准许更久的充电停止（例如，在路线的最末端），则第一环境的实现（其中车辆沿着其路线进行短的停止）可能需要与在第二环境的上下文中操作的相同车辆相比更高的充电功率。
[0178]
本文中所述的任何一个或多个高级的电池充电方法、模块化能量拓扑、电池系统和/或转换器电池单元可以应用于这样的示例的上下文中，以改进公共交通系统的能量管理和其他方面。包括任何数量的航点的其他示例系统也是可能的，其中个体航点具有独特的属性，包括但不限于：车辆停止时间、充电设备及其可用充电功率、电池或能量存储单元交换设备和/或沿着给定路线距（一个或多个）相邻停靠点的距离。
[0179]
在这样的系统中，能量消耗或要求通常太高，以至于不能安装能量存储单元来支
持车辆在完全操作班次（operation shift）上的操作。例如，铁路车辆、公共汽车、飞行器等的操作班次可以是12
‑
19小时。在高速铁路示例的情况下，19小时操作班次的能量消耗高于25mwh。具有足够量的能量的电池将太重且太贵。因此，如果不需要，则更好是在班次操作期间充电。
[0180]
可以应用本实施例的第一示例场景包括在终点车站和子车站/停靠点中的快速充电。本文中提供的实施例使得高带宽脉冲充电能够在不损坏电池单元的情况下加速充电（例如，20分钟而不是40分钟至70
‑
80 %的充电状态）。在这样的场景中，在车站、子车站、停靠点处不需要特殊的充电器。本文中提供的实施例使能从任何ac或dc功率系统充电，并且是双向的，使得实施例可以用于给电机供电以及给电池充电。实施例还使得高级能量调峰能够使电网基础设施的额定功率最小化。
[0181]
可以应用本实施例的第二示例场景包括可交换能量源的使用，诸如在终点车站或和子车站或停靠点。这些实施例可以包括模块化系统，其中可以移除电池模块或包，并用其他电池模块或包替换移除的模块或包，而不需要模块或包与已经就位的其他模块或包相匹配。因此，实施例使能如下二者：根据需要仅部分交换几个模块或包，或者如果期望则交换整个转换器
‑
电池系统。取决于所期望的能量和功率要求——如果负载较低则可能使用较少的电池模块，电池容量可以通过在操作期间添加模块来调整。
[0182]
可以应用本实施例的第三示例场景包括在提供能量源的铁路上对电池进行快速充电，例如在走廊或路线的部分上的第三铁路或一些充电接触网基础设施。以上实施例使得高带宽脉冲充电能够在不损坏电池单元、无需特殊充电器的情况下加速充电（例如，20分钟而不是40%至70%的充电状态），并且使能从任何ac或dc功率系统充电。与常规系统相比，实施例使能高级的温度控制，并使能在系统级上更高的充电c速率。
[0183]
车辆电池包配置可以取决于需要在操作的寿命期间进行适配。在需要将车辆用于需要不同功率或能量的不同路线的情况下，电池包模块可以根据需要进行改变和适配。电池模块可以具有不同的电池单元化学成分、不同的c速率能力以及不同的容量，并且系统将相应地适配。
[0184]
此外，车辆模块可以取决于模块的健康状态进行部分更新。此外，车辆电池包不需要在期望的寿命内尺寸过大，因为与常规技术相比，通过应用本文中讨论的实施例来改进老化电池的能量利用率可以避免在期望的寿命内大幅尺寸过大，这样可以导致更少的电池模块或电池包，降低成本。
[0185]
由于公众运输应用的高循环寿命，电池的寿命可能大幅受限。如在两个高速铁路示例中所讨论的，其中高能量电池单元的寿命为250次循环（其初始容量/能量的70
‑
80%），电池单元需要每一年或两年更换一次。本文中描述的实施例允许直接使用模块，而无需对任何固定存储应用进行任何改装。由于模块在公众运输应用之后保持高的价值，因此这使能节省成本。这将避免用于再循环的另外成本或费用。
[0186]
在本文中描述的所有实施例中，特定系统的每个模块的主要能量源可以具有相同的电压（标准操作电压或标称电压）。这样的配置简化了系统的管理和构造。主要和第二能量源也可以具有相同的电压（标准或标称）。可以实现其他配置，诸如相同系统的不同模块的主要能量源具有不同电压（标准或标称）的那些配置，以及模块的主要和次级能量源具有不同电压（标准或标称）的那些配置。还可以实现其他配置，其中系统模块的主要能量源具
有不同化学性质的主要能量源电池，或者系统模块具有第一化学性质的主要能量源电池和第二化学性质的次级能量源电池。彼此不同的模块可以基于系统中的放置（例如，相位阵列内的模块不同于（一个或多个）ic模块）。
[0187]
各图的各种组成部分（例如，元件、组件、设备、系统和/或功能块）被描绘为与一个或多个其他组成部分（例如，元件、组件、设备、系统和/或功能块）耦合或连接到一个或多个其他组成部分（例如，元件、组件、设备、系统和/或功能块）。这些组成部分通常被示出为在没有中间实体存在的情况下诸如在直接耦合或连接中被耦合或连接。鉴于本说明书，本领域普通技术人员将容易认识到，这些耦合或连接可以是直接的（没有一个或多个中间组件）或间接的（具有未示出的一个或多个中间组件）。因此，该段落用作作为直接耦合连接或者间接耦合或连接的所有耦合或连接的先行支持。
[0188]
在题为“systems and methods for power management and control”的2019年3月22日提交的公开号为wo 2019/183553的国际公开、题为“module
‑
based energy storage systems having converter
‑
source modules and methods related thereto”的2020年3月27日提交的申请号为pct/us20/25202的国际申请以及题为“module
‑
based energy storage systems capable of cascaded and interconnected configurations, and methods related thereto”的2020年3月27日提交的申请号为pct/us20/25366的国际申请中提供了关于可以与本文中所述的系统、设备和方法结合使用的系统（例如，aci电池包）、设备和方法的详细讨论，以上所有出于所有目的通过引用并入本文中，如同完整阐述一样。
[0189]
当在例如汽车行业中用作电池包时，本文中描述的实施例准许取消作为伴随每个电池模块的子系统的常规电池管理系统。通常由电池管理系统执行的功能性被本文中描述的系统实施例的不同且在许多方面更大的功能性所包含或替换。
[0190]
本领域普通技术人员将理解，如本文中使用的术语“模块”是指系统100内的设备、组装件或子系统，并且系统100不必被配置为准许每个个体模块相对于其他模块在物理上是可移除和可替换的。例如，系统100可以封装在不准许移除和替换任何一个模块的公共外壳中，而不需要将系统作为一个整体来拆卸。然而，本文中的任何和所有实施例可以被配置成使得每个模块相对于其他模块以方便的方式是可移除和可替换的，诸如不需要拆卸系统。
[0191]
本文中使用的术语“主控制设备”是广义的，并且不需要实现任何特定的协议，诸如与任何其他设备（诸如本地控制设备）的主和从关系。
[0192]
本文使用的术语“输出”是广义的，并且不排除作为输出和输入两者以双向方式运转。类似地，本文中使用的术语“输入”是广义的，并且不排除作为输出和输入两者以双向方式运转。
[0193]
本文中使用的术语“端子”和“端口”是广义的，可以是单向的或双向的，可以是输入或输出，并且不需要诸如凹形或凸形配置之类的特定物理或机械结构。
[0194]
本文中描述的示例实施例可以与一个或多个冷却系统一起使用，以从系统的任何和所有组件（例如，开关电路、能量源、能量缓冲器、控制电路等）散热。冷却系统可以利用冷却介质，诸如气体、液体或固体。冷却系统可以利用一个或多个压电冷却元件。
[0195]
下下面阐述了本主题的各个方面，以回顾和/或补充到目前为止描述的实施例，这里的重点是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
个特征可以与各个和每个其他特征相组合，除非另外明确声明或者逻辑上不可信。
[0196]
在许多实施例中，提供了一种模块化能量存储系统，包括：以至少一个阵列耦合在一起的多个转换器模块，每个转换器模块包括电池单元和开关电路，其中在放电状态下，至少一个阵列被配置为生成至少一个ac电压波形，该至少一个ac电压波形包括来自多个转换器模块的输出电压的叠加；以及与多个转换器模块相关联的控制电路，其中在充电状态下，控制电路被配置为以足以在电池单元中引发电化学反应而基本上不驱动电池单元中的副反应的方式控制脉冲的施加。
[0197]
在一些实施例中，至少一个脉冲以大于电池单元在完全充电时的预期电压的第一电压施加。
[0198]
在一些实施例中，至少一个脉冲以大于电池单元在100%充电状态下的预期电压的第一电压施加。第一电压可以是电池单元在100%充电状态下的预期电压的101%和200%之间的电压。控制电路可以被配置为控制脉冲的施加，使得当电池单元的充电状态小于100%时施加至少一个脉冲。控制电路被配置为控制脉冲的施加，使得当电池单元的充电状态小于80%时施加至少一个脉冲。至少一个脉冲可以是至少一个第一脉冲，并且控制电路可以被配置为控制脉冲的施加，使得当电池单元的充电状态大于施加至少一个第一脉冲时电池单元的充电状态时，以小于第一电压的第二电压施加至少一个第二脉冲，其中第二电压大于电池单元在100%充电状态下的预期电压。控制电路可以被配置为控制脉冲的施加，使得当电池单元的充电状态小于80%时，施加至少一个第一脉冲和至少一个第二脉冲。
[0199]
在一些实施例中，控制电路可以被配置为以足以在电池单元的充电状态不超过80%时在电池单元中引发电化学反应而基本上不驱动电池单元中的副反应的方式控制脉冲的施加。
[0200]
在一些实施例中，控制电路可以被配置为以足以在电池单元中引发电化学反应而基本上不驱动电池单元中的副反应的方式控制脉冲的施加，其中每个脉冲具有0.1毫秒与5秒之间的持续时间。
[0201]
在一些实施例中，控制电路可以被配置为以足以在电池单元中引发电化学反应而基本上不驱动电池单元中的副反应的方式控制脉冲的施加，其中每个脉冲具有1毫秒与100毫秒之间的持续时间。
[0202]
在一些实施例中，控制电路可以被配置为以足以在电池单元中引发电化学反应而基本上不驱动电池单元中的副反应的方式控制脉冲的施加，其中每个脉冲具有5毫秒与25毫秒之间的持续时间。电池单元可以是锂离子电池单元。
[0203]
在一些实施例中，每个模块包括多个电池单元，并且控制电路被配置为以足以在多个电池单元中引发电化学反应而基本上不驱动多个电池单元中的副反应的方式控制脉冲的施加。
[0204]
在一些实施例中，控制电路可以被配置为以足以在电池单元中引发电化学反应而不驱动电池单元中的副反应的方式控制脉冲的施加。
[0205]
在一些实施例中，控制电路可以被配置为以足以在电池单元中引发电化学反应而不在电池单元中引发副反应的方式控制脉冲的施加。
[0206]
在一些实施例中，电池单元包括电化学活性离子，并且控制电路可以被配置为使得脉冲的施加基本上在电化学活性离子的活性嵌入开始的时间结束。电池单元可以包括电
解质和活性电极材料，并且控制电路可以被配置为基本上在电解质和活性电极材料之间的界面上的电压弛豫时施加充电脉冲。
[0207]
在一些实施例中，多个转换器模块中的每一个包括通信地耦合到控制电路的监视电路，其中监视电路被配置为检测电池单元的电压或电流响应。
[0208]
在一些实施例中，控制电路可以被配置为使得脉冲基于由监视电路检测到的响应而引发和/或终止。
[0209]
在一些实施例中，控制电路包括：与多个转换器模块通信地耦合的多个本地控制设备，使得至少一个转换器模块与每个本地控制设备相关联；以及与多个本地控制设备通信地耦合的主控制设备。转换器模块的本地控制设备可以被配置为确定是否引起脉冲的引发和/或终止。本地控制设备可以被配置为在没有来自主控制设备的指令的情况下确定是否引起脉冲的引发和/或终止。多个转换器模块中的每一个可以具有用于输出和接收能量的电源端口，并且与每个转换器模块相关联的本地控制设备可以被配置为控制转换器模块的开关电路，使得施加到电源端口的电压被用于生成施加到电池单元的脉冲。主控制设备可以被配置为控制多个本地控制设备，以协调从外部电压源施加到至少一个阵列的充电电压的利用。
[0210]
在一些实施例中，多个转换器模块中的每个转换器模块包括电耦合在开关电路和电池单元之间的dc
‑
dc转换器。
[0211]
在一些实施例中，多个转换器模块以三个或更多个阵列耦合在一起，其中三个或更多个阵列中的每一个被配置为生成具有不同相位角的ac电压波形。
[0212]
在一些实施例中，多个转换器模块包括耦合到三个或更多个阵列中的至少两个的至少一个互连模块。
[0213]
在许多实施例中，提供了一种模块化能量存储系统，其中该系统包括：以至少一个阵列耦合在一起的多个转换器模块，每个转换器模块包括电池单元和开关电路，其中在放电状态下，该至少一个阵列被配置为生成至少一个ac电压波形，该至少一个ac电压波形包括来自多个转换器模块的输出电压的叠加；以及与多个转换器模块相关联的控制电路，其中在充电状态下，控制电路被配置为以足以在电池单元中引发电化学反应的方式控制脉冲的施加。
[0214]
在一些实施例中，至少一个脉冲以大于电池单元在完全充电时的预期电压的第一电压施加。
[0215]
在一些实施例中，至少一个脉冲以大于电池单元在100%充电状态下的预期电压的第一电压施加。
[0216]
在一些实施例中，第一电压是电池单元在100%充电状态下的预期电压的101%和200%之间的电压。
[0217]
在一些实施例中，控制电路被配置为控制脉冲的施加，使得当电池单元的充电状态小于100%时施加至少一个脉冲。
[0218]
在一些实施例中，控制电路被配置为控制脉冲的施加，使得当电池单元的充电状态小于80%时施加至少一个脉冲。该至少一个脉冲可以是至少一个第一脉冲，并且控制电路可以被配置为控制脉冲的施加，使得当电池单元的充电状态大于施加至少一个第一脉冲时电池单元的充电状态时，以小于第一电压的第二电压施加至少一个第二脉冲，其中第二电
压大于电池单元在100%充电状态下的预期电压。控制电路可以被配置为控制脉冲的施加，使得当电池单元的充电状态小于80%时，施加至少一个第一脉冲和至少一个第二脉冲。
[0219]
在一些实施例中，控制电路可以被配置为以足以在电池单元中引发电化学反应而基本上不驱动电池单元中的副反应的方式控制脉冲的施加。
[0220]
在一些实施例中，控制电路可以被配置为以足以在电池单元的充电状态不超过80%时在电池单元中引发电化学反应而基本上不驱动电池单元中的副反应的方式控制脉冲的施加。
[0221]
在一些实施例中，控制电路可以被配置为控制脉冲的施加，其中每个脉冲具有0.1毫秒与5秒之间的持续时间。
[0222]
在一些实施例中，控制电路可以被配置为控制脉冲的施加，其中每个脉冲具有1毫秒与100毫秒之间的持续时间。
[0223]
在一些实施例中，控制电路可以被配置为控制脉冲的施加，其中每个脉冲具有5毫秒与25毫秒之间的持续时间。电池单元可以是锂离子电池单元。
[0224]
在一些实施例中，电池单元包括电化学活性离子，并且控制电路可以被配置为使得脉冲的施加基本上在电化学活性离子的活性嵌入开始的时间结束。电池单元可以包括电解质和活性电极材料，并且控制电路可以被配置为基本上在电解质和活性电极材料之间的界面上的电压弛豫时施加充电脉冲。
[0225]
在一些实施例中，多个转换器模块中的每一个包括通信地耦合到控制电路的监视电路，其中监视电路被配置为检测电池单元的电压或电流响应。
[0226]
在一些实施例中，控制电路可以被配置为使得脉冲基于由监视电路检测到的响应而引发和/或终止。
[0227]
在一些实施例中，控制电路包括：与多个转换器模块通信地耦合的多个本地控制设备，使得至少一个转换器模块与每个本地控制设备相关联；以及与多个本地控制设备通信地耦合的主控制设备。转换器模块的本地控制设备可以被配置为确定是否引起脉冲的引发和/或终止。本地控制设备可以被配置为在没有来自主控制设备的指令的情况下确定是否引起脉冲的引发和/或终止。多个转换器模块中的每一个可以具有用于输出和接收能量的电源端口，并且与每个转换器模块相关联的本地控制设备可以被配置为控制转换器模块的开关电路，使得施加到电源端口的电压用于生成施加到电池单元的脉冲。主控制设备可以被配置为控制多个本地控制设备，以协调从外部电压源施加到至少一个阵列的充电电压的利用。
[0228]
在一些实施例中，多个转换器模块中的每个转换器模块可以包括电耦合在开关电路和电池单元之间的dc
‑
dc转换器，其中dc
‑
dc转换器可由控制电路控制，以调整来自开关电路的信号的电压，用于施加到电池单元。
[0229]
在一些实施例中，多个转换器模块可以以三个或更多个阵列耦合在一起，其中三个或更多个阵列中的每一个被配置为生成具有不同相位角的ac电压波形。多个转换器模块可以包括耦合到三个或更多个阵列中的至少两个的至少一个互连模块。
[0230]
在一些实施例中，每个模块包括多个电池单元，并且控制电路被配置为以足以在多个电池单元中引发电化学反应的方式控制脉冲的施加。
[0231]
在许多实施例中，提供了一种为模块化能量存储系统充电的方法，该系统包括：以
至少一个阵列耦合在一起的多个转换器模块，每个转换器模块包括电池单元和开关电路，其中该方法包括：以足以在电池单元中引发电化学反应的方式施加脉冲。
[0232]
在一些实施例中，该方法进一步包括在第一电压下施加至少一个脉冲，该第一电压大于电池单元在完全充电时的预期电压。
[0233]
在一些实施例中，该方法进一步包括在第一电压下施加至少一个脉冲，该第一电压大于电池单元在100%充电状态下的预期电压。
[0234]
在一些实施例中，第一电压是在电池单元在100%充电状态下的预期电压的101%和200%之间的电压。
[0235]
在一些实施例中，该方法进一步包括当电池单元的充电状态小于100%时施加至少一个脉冲。
[0236]
在一些实施例中，该方法进一步包括当电池单元的充电状态小于80%时施加至少一个脉冲。至少一个脉冲可以是至少一个第一脉冲，并且该方法可以进一步包括当电池单元的充电状态大于施加至少一个第一脉冲时电池单元的充电状态时，以小于第一电压的第二电压施加至少一个第二脉冲，其中第二电压大于电池单元在100%充电状态下的预期电压。当电池单元的充电状态小于80%时，可以施加至少一个第一脉冲和至少一个第二脉冲。
[0237]
在一些实施例中，以足以在电池单元中引发电化学反应而基本上不驱动电池单元中的副反应的方式施加脉冲。
[0238]
在一些实施例中，以足以在电池单元的充电状态不超过80%时在电池单元中引发电化学反应而基本上不驱动电池单元中的副反应的方式施加脉冲。
[0239]
在一些实施例中，施加多个脉冲，每个脉冲具有0.1毫秒与5秒之间的持续时间。
[0240]
在一些实施例中，施加多个脉冲，每个脉冲具有1毫秒与100毫秒之间的持续时间。
[0241]
在一些实施例中，施加多个脉冲，每个脉冲具有5毫秒与25毫秒之间的持续时间。电池单元可以是锂离子电池单元。
[0242]
在一些实施例中，电池单元包括电化学活性离子，并且脉冲的施加基本上在电化学活性离子的活性嵌入开始的时间结束。电池单元可以包括电解质和活性电极材料，并且脉冲的施加基本上在电解质和活性电极材料之间的界面上的电压弛豫时结束。
[0243]
在一些实施例中，该方法进一步包括检测电池单元的电压或电流响应。该方法可以进一步包括基于在电池单元中检测到的响应而引发和/或终止脉冲的施加。
[0244]
在一些实施例中，该系统进一步包括与多个转换器模块相关联的控制电路。
[0245]
在许多实施例中，提供了一种用于为模块化能量存储系统充电的方法，该系统包括：以至少一个阵列耦合在一起的多个转换器模块，每个转换器模块包括能量源和与电源连接耦合的开关电路，其中该方法包括：测量能量源的参数；从与开关电路的电源连接生成第一脉冲；向能量源施加第一控制脉冲，其中第一控制脉冲从第一脉冲生成；以及测量能量源的响应。
[0246]
在一些实施例中，该方法进一步包括基于测量的响应确定是否满足脉冲截止条件。该方法可以进一步包括在满足脉冲截止条件之后终止受控响应的应用。脉冲截止条件可以基于测量响应的第一推导和第二推导。该方法可以进一步包括确定能量源是否处于次最大充电阈值。该方法可以进一步包括如果达到次最大充电阈值，则转变到不同的充电方法。
[0247]
在一些实施例中，该方法可以进一步包括确定是否调整第二控制脉冲的电压或电流。该方法可以进一步包括调整第二控制脉冲的电压或电流，使得电压或电流小于第一控制脉冲的电压或电流。
[0248]
在许多实施例中，提供了一种模块化能量存储系统，该系统包括：以至少一个阵列耦合在一起的多个转换器模块，每个转换器模块包括能量源和与电源连接耦合的开关电路，其中在放电状态下，至少一个阵列被配置为生成至少一个ac电压波形，该至少一个ac电压波形包括来自多个转换器模块的输出电压的叠加；以及与多个转换器模块相关联的控制电路，其中控制电路被配置为：引起能量源的参数的测量；引起从与开关电路的电源连接生成第一脉冲；引起第一控制脉冲施加到能量源，其中第一控制脉冲从第一脉冲生成；以及引起测量能量源的响应。
[0249]
在一些实施例中，控制电路可以被配置为基于测量的响应来确定是否满足脉冲截止条件。控制电路可以被配置为在满足脉冲截止条件之后终止受控响应的应用。脉冲截止条件基于测量响应的第一推导和第二推导。
[0250]
在一些实施例中，控制电路被配置为确定能量源是否处于次最大充电阈值。控制电路可以被配置为如果达到次最大充电阈值，则转变到不同的充电方法。
[0251]
在一些实施例中，控制电路可以被配置为确定是否调整第二控制脉冲的电压或电流。控制电路可以被配置为引起第二控制脉冲的电压或电流的调整，使得电压或电流小于第一控制脉冲的电压或电流。
[0252]
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，每个处理器、微处理器、控制器和/或微控制器可以是分立的芯片，或者分布在多个不同的芯片中（和其中的一部分）。处理电路可以包括数字信号处理器，其可以用硬件和/或软件实现。处理电路可以执行存储在存储器上的软件指令，该软件指令使得处理电路采取许多不同的动作并控制其他组件。
[0253]
处理电路也可以适用于执行操作系统和任何软件应用，并执行与传输和接收到的通信的处理无关的那些其他功能。
[0254]
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，作为存在于不同芯片内的单独存储器）。存储器也可以是其自身的单独芯片。存储器是非暂时性的，并且可以是易失性存储器（例如，ram等）和/或非易失性存储器（例如，rom、闪存、f
‑
ram等）。
[0255]
用于实行根据所述主题的操作的计算机程序指令可以用一种或多种编程语言的任何组合来编写，所述一种或多种编程语言包括面向对象的编程语言——诸如java、javascript、smalltalk、c 、c#、transact
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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，读取器）上执行，或者部分在用户的计算设备上执行。程序指令可以部分驻留在用户的计算设备上并且部分驻留在远程计算设备上，或者完全驻留在远程计算设备或服务器上——例如对于所标识的频率被上传到远程位置进行处理的实例。在后一种场景中，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。
[0256]
应当注意，针对本文中提供的任何实施例描述的所有特征、元件、组件、功能和步骤旨在与来自任何其他实施例的特征、元件、组件、功能和步骤自由可组合和可替换。如果
某个特征、元件、组件、功能或步骤仅针对一个实施例进行描述，则应当理解，该特征、元件、组件、功能或步骤可以与本文中描述的每隔一个实施例一起使用，除非另有明确说明。因此，该段落在任何时候都用作权利要求的引入的先行基础和书面支持，该权利要求组合了来自不同实施例的特征、元件、组件、功能和步骤，或者用来自一个实施例的特征、元件、组件、功能和步骤替换来自另一个实施例的特征、元件、组件、功能和步骤，即使以下描述在特定情况下没有明确声明这样的组合或替换是可能的。清楚承认的是，每一种可能的组合和替换的明确叙述都过于繁琐，尤其是考虑到各个和每个这样的组合和替换的准许性将容易被本领域普通技术人员认识到。
[0257]
就本文中公开的实施例包括存储器、存储装置和/或计算机可读介质或与存储器、存储装置和/或计算机可读介质相关联地操作的程度而言，该存储器、存储装置和/或计算机可读介质是非暂时性的。因此，就存储器、存储装置和/或计算机可读介质被一个或多个权利要求覆盖的程度而言，该存储器、存储装置和/或计算机可读介质仅仅是非暂时性的。如本文中使用的术语“非暂时性的”和“有形的”旨在描述除传播电磁信号之外的存储器、存储装置和/或计算机可读介质，但是不旨在依据存储装置的持久性或其他方面来限制存储器、存储装置和/或计算机可读介质的类型。例如，“非暂时性”和/或“有形”存储器、存储装置和/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）及其组合（例如，混合ram和rom、nvram等）及其变体。
[0258]
如本文中和所附权利要求中使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指代物，除非上下文另有明确规定。
[0259]
虽然实施例容许进行各种修改和替代形式，但是其具体示例已经在附图中示出并在本文中详细描述。然而，应当理解，这些实施例不限于所公开的特定形式，相反，这些实施例将覆盖落入本公开精神内的所有修改、等同物和替代物。此外，实施例的任何特征、功能、步骤或元素可以在权利要求中陈述或添加到权利要求，以及通过不在该范围内的特征、功能、步骤或元素来限定权利要求的发明范围的负面限制。