电力生成和分配的制作方法

电力生成和分配
相关申请的交叉引用
1.本技术要求于2020年2月25日提交的美国专利申请序列号16/800,146的优先权，该申请是于2019年6月3日提交的美国专利申请序列号16/430,342的部分继续申请。
技术领域
2.本发明总体上涉及生成、储存和/或提供电能的系统和方法。


背景技术：

3.随着传统的非电动机器被电动机器取代，全世界的电力消耗巨大，并将可能继续增长。例如，电动交通工具，特别是乘用汽车，在国家的道路系统中正变得越来越普遍。美国一家2015-2016年具有约5万辆的年销量的流行的电动汽车制造商已宣布，它打算在仅仅几年内将销量增加到50万辆。
4.电力切换的动力是多方面的。生成电力的成本和环境影响被认为优于替代能源(诸如基于化石燃料的能源)的成本和环境影响。政府和行业鼓励消费者利用电力代替非电力，从而扩大了这种优势。例如，电动交通工具用户已享受税收减免、优先停车、优先道路通行和免费再充电，所有这些都是由于使用电力而不是化石燃料生成的能源来满足他们的交通需求而提供的。相应地，存在对于生成、储存和分配电力的系统的持续且增长的需求。
5.发达国家都已在全国部署了先进的电力生成和分配系统，有时也称为“电网”。尽管电网被广泛使用且无处不在，但它并不总是可用的，并且在很长一段时间内可能无法提供最低的电力成本。虽然断电的情况很少见，但偶尔的暴风雨可能会在很长一段时间内破坏对大部分人口的电力分配。这些断电的情况干扰了家庭生活和工作，并可能导致生产力和舒适度的显著损失。此外，从电网获得电力的成本可能很高，而且几乎没有能力向系统注入大量竞争来驱使价格下降。因此，存在对移动电力生成系统和固定电力生成系统二者的需要，这些电力生成系统具有为单个家庭、企业和交通工具供电的规模，且日常运行不严重依赖电网。
6.相应地，本发明的一些(但不一定是所有)实施例的目的在于提供高效地生成用于家庭、商业和交通工具使用的电力的系统和方法。本发明的一些(但不一定是所有)实施例的目的还在于提供高效地存储和分配用于家庭、商业和交通工具使用的电力的系统和方法。对于电力生成、存储和分配领域的普通技术人员来说，本发明的一些(但不一定是所有)实施例的这些和其他优点将是显而易见的。


技术实现要素：

7.为了应对上述挑战，申请人已开发了一种创新的电力系统，包括：电池子系统；切换子系统，该切换子系统耦合到电池子系统；电动功能控制子系统，该电动功能控制子系统耦合到切换子系统和电池子系统，该电动功能控制子系统包括处理器和存储器；电容器子系统，该电容器子系统耦合到电动功能控制子系统；电动机，该电动机耦合到电动功能控制
子系统；发电机子系统，该发电机子系统可操作地连接到电动机；电力分配子系统，该电力分配子系统通过逆变器子系统耦合到发电机子系统，所述电力分配子系统包括出口负载线，该出口负载线被配置为连接到电负载；电感器子系统，该电感器子系统耦合到电力分配子系统；以及整流器子系统，该整流器子系统耦合到电感器子系统、切换子系统和电池子系统。
8.申请人已进一步开发了一种创新的电力系统，包括：第一和第二电池子系统，每个电池子系统具有带第一极性的第一极和带第二极性的第二极；切换子系统，该切换子系统耦合到第一电池子系统的第一极和第二电池子系统的第一极；电动功能控制子系统，该电动功能控制子系统耦合到切换子系统以及第一电池子系统的第二极和第二电池子系统的第二极，所述电动功能控制子系统包括处理器和存储器；电容器子系统，该电容器子系统耦合到电动功能控制子系统；电动机，该电动机耦合到电动功能控制子系统；发电机子系统，该发电机子系统可操作地连接到电动机；电力分配子系统，该电力分配子系统耦合到发电机子系统，所述电力分配子系统包括出口负载线，该出口负载线被配置为连接到电负载；电感器子系统，该电感器子系统耦合到电力分配子系统；以及整流器子系统，该整流器子系统耦合到电感器子系统、切换子系统以及第一电池子系统的第二极和第二电池子系统的第二极。
9.申请人已进一步开发了一种创新的电力系统，包括：第一和第二电池子系统，每个电池子系统具有带第一极性的第一极和带第二极性的第二极；切换子系统，该切换子系统耦合到第一电池子系统的第一极和第二电池子系统的第一极；电动功能控制子系统，该电动功能控制子系统耦合到切换子系统以及第一电池子系统的第二极和第二电池子系统的第二极，所述功能控制子系统包括处理器和存储器；电容器子系统，该电容器子系统耦合到功能控制子系统；电动机，该电动机耦合到功能控制子系统；发电机，该发电机可操作地连接到电动机；电力分配子系统，该电力分配子系统耦合到发电机子系统，所述电力分配子系统包括出口负载线，该出口负载线被适配成连接到电负载；电感器子系统，该电感器子系统耦合到电力分配系统；以及整流器子系统，该整流器子系统耦合到电感器子系统、切换子系统以及第一电池子系统的第二极和第二电池子系统的第二极。
10.申请人已进一步开发了一种创新的电力系统，包括：第一和第二电池子系统，每个电池子系统具有带第一极性的第一极和带第二极性的第二极；切换子系统，该切换子系统耦合到第一电池子系统的第一极和第二电池子系统的第一极；电池充电控制器子系统，该电池充电控制器子系统耦合到切换子系统以及第一电池子系统的第二极和第二电池子系统的第二极；逆变器，该逆变器耦合到切换子系统和电池子系统；电力分配子系统，该电力分配子系统耦合到逆变器，该电力分配子系统包括出口负载线，该出口负载线被配置成连接到电负载；整流器子系统，该整流器子系统耦合到电力分配子系统；电动功能控制子系统，该电动功能控制子系统耦合到整流器子系统，该电动功能控制子系统包括处理器和存储器；电容器子系统，该电容器子系统耦合到电动功能控制子系统；电动机，该电动机耦合到电动功能控制子系统；发电机子系统，该发电机子系统包括发电机，该发电机可操作地连接到电动机并从电动机接收输入旋转运动，其中该电动机的输出旋转速度和提供给该发电机的输入旋转速度彼此恒定；以及电池充电控制器子系统耦合到发电机子系统、切换子系统、逆变器和电池子系统。
11.申请人已进一步开发了一种创新的电力系统，包括：第一和第二电池子系统，每个电池子系统具有带第一极性的第一极和带第二极性的第二极；切换子系统，该切换子系统耦合到第一电池子系统的第一极和第二电池子系统的第一极；电动功能控制子系统，该电动功能控制子系统耦合到切换子系统以及第一电池子系统的第二极和第二电池子系统的第二极，所述功能控制子系统包括处理器和存储器；逆变器，该逆变器耦合到切换子系统和电池子系统；第一电力分配子系统，该第一电力分配子系统耦合到逆变器，该第一电力分配子系统包括出口负载线，该出口负载线被配置成连接到电负载；整流器子系统，该整流器子系统耦合到第一电力分配子系统；电动功能控制子系统，该电动功能控制子系统耦合到切换子系统、逆变器子系统和电池子系统，该电动功能控制子系统包括处理器和存储器；电容器子系统，该电容器子系统耦合到电动功能控制子系统；电动机，该电动机耦合到电动功能控制子系统；发电机子系统，该发电机子系统包括发电机，该发电机可操作地连接到电动机并从电动机接收输入旋转运动，其中该电动机的输出旋转速度和提供给该发电机的输入旋转速度彼此恒定；以及第二电力分配子系统，该第二电力分配子系统耦合到发电机子系统和逆变器子系统。
12.申请人已进一步开发了一种创新的电力系统，包括：第一电池子系统和第二电池子系统，每个电池子系统具有带第一极性的第一极和带第二极性的第二极；切换子系统，该切换子系统耦合到第一电池子系统的第一极和第二电池子系统的第一极；整流器/电感器子系统，该整流器/电感器子系统耦合到第一电池子系统的第一极和第二极以及第二电池子系统的第一极和第二极，该整流器子系统耦合到电池子系统的整流器子系统；断路器子系统，该断路器子系统耦合到整流器子系统；电动功能控制子系统，该电动功能控制子系统耦合到整流器子系统，该电动功能控制子系统包括处理器和存储器；电容器子系统，该电容器子系统耦合到电动功能控制子系统；电动机，该电动机耦合到电动功能控制子系统；发电机子系统，该发电机子系统包括发电机，该发电机可操作地连接到电动机并从电动机接收输入旋转运动，其中该电动机的输出旋转速度和提供给该发电机的输入旋转速度彼此恒定；逆变器子系统，该逆变器子系统耦合到发电机子系统；电力分配子系统，该电力分配子系统耦合到逆变器子系统和断路器系统，该电力分配子系统包括出口负载线，该出口负载线被配置成连接到电负载；电池充电控制器子系统，该电池充电控制器子系统耦合到发电机子系统和电池子系统。
13.申请人已进一步开发了一种生成、存储和分配电力的创新方法，包括：将直流电力从第一电池子系统施加到功能控制子系统，其中所述功能控制子系统耦合到电容器子系统；将直流电力从功能控制子系统施加到直流电机；将来自直流电机的输入旋转运动提供给直流电机，并由直流电机生成输出旋转运动；从直流电机的输出旋转运动生成交流电力；将生成的交流电力的第一部分分配给被适配成连接到电负载的出口负载线，并将生成的交流电力的第二部分分配给电感器子系统；将交流电力从电感器子系统施加到整流器子系统，并使用整流器子系统生成直流电力；以及将直流电力从整流器子系统施加到第二电池子系统，其中，直流电机的输入旋转运动与输出旋转运动的关系被设置以针对出口负载线上预定水平的可用功率以及第一运行阶段、第二运行阶段和第三运行阶段的预定持续时间优化第一电池子系统的功率损耗。
14.申请人已进一步开发了一种生成、存储和分配电力的创新方法，包括：将直流电力
从电池子系统施加到切换子系统，其中该切换子系统耦合到逆变器子系统；将交流电力从逆变器子系统施加到能量分配子系统；将交流电力的第一部分分配到被配置成连接到电负载的出口负载线，并将交流电力的第二部分分配到整流器子系统；将直流电从整流器子系统施加到功能控制子系统；将直流电从功能控制子系统施加到直流电机；向[[[直流]]发电机提供来自直流电机的输入旋转运动，其中直流电机的输出旋转速度和提供给发电机的输入旋转速度彼此恒定；从直流电机的输出旋转运动生成直流电力，其中设置旋转速度以优化用于外部电力分配的瓦数供应；将直流电力从直流发电机子系统施加到电池充电控制器子系统；以及将直流电力从电池充电控制器子系统施加到切换子系统、逆变器和电池子系统。
[0015]
申请人已进一步开发了一种生成、存储和分配电力的创新方法，包括：将直流电力从电池子系统施加到切换子系统，其中该切换子系统耦合到逆变器子系统；将直流电力转换为交流电力；将交流电力的第一部分分配给耦合到被配置成连接到电负载的出口负载线的第一能量分配系统，并将交流电力的第二部分分配给第二能量分配子系统；将交流电力从第一能量分配子系统施加到整流器子系统；将直流电力从整流器子系统施加到功能控制子系统；将直流电力从功能控制子系统施加到直流电机；向发电机提供来自直流电机的输入旋转运动，其中直流电机的输出旋转速度和提供给发电机的输入旋转速度彼此恒定；从直流电机的输出旋转运动生成交流电力，其中设置旋转速度以优化用于外部电力分配的瓦数供应；将交流电力施加到第二能量分配子系统；将交流电力转换为直流电力；以及将直流电力施加到电池子系统。
[0016]
申请人已进一步开发了一种生成、存储和分配电力的创新方法，包括：将直流电力从电池子系统施加到整流器子系统；将直流电力从整流器子系统施加到功能控制子系统，其中该功能控制子系统耦合到电容器子系统；将直流电力从功能控制子系统施加到直流电机；向发电机提供来自直流电机的输入旋转运动，其中直流电机的输出旋转速度和提供给发电机的输入旋转速度彼此恒定；从直流电机的输出旋转运动生成直流电力；将该直流电力转换为交流电力；将直流电力施加到电力分配系统；将交流电力的第一部分从电力分配系统分配到负载源，且将交流电力的第二部分从电力分配系统分配到断路器子系统；将交流电力从断路器子系统施加到整流器子系统；将直流电力从整流器子系统施加到电池子系统；以及通过电池充电控制器子系统将电流从发电机施加到电池子系统。
[0017]
应当理解，前面的一般性描述和下面的具体实施方式两者仅是示例性和解释性的，并且不限制所要求保护的发明。
附图说明
[0018]
为了帮助理解本发明，现在将参考附图，其中相似的参考字符指代相似的要素。附图只是示例性的，并且不应被解释为限制本发明。
[0019]
图1是根据本发明第一实施例的电力生成、分配和存储系统的示意图。
[0020]
图2是图1中所示的系统的电池子系统和切换子系统的详细示意图。
[0021]
图3是用于图1中所示的系统的替代的切换子系统的详细示意图。
[0022]
图4是根据本发明第二实施例的用于在网供电的电力生成、分配和存储系统的组件的示意图。
[0023]
图5是根据本发明第三实施例的用于离网供电的电力生成、分配和存储系统的组件的示意图。
[0024]
图6是根据本发明第四实施例的用于在网和离网供电的电力生成、分配和存储系统的示意图。
[0025]
图7是根据本发明第五实施例的用于在网和离网供电的电力生成、分配和存储系统的示意图。
[0026]
图8是根据本发明第六实施例的用于在网和离网供电的电力生成、分配和存储系统的示意图。
[0027]
图9是根据本发明第七实施例的用于在网和离网供电的电力生成、分配和存储系统的示意图。
具体实施方式
[0028]
现在将详细参考本发明的各实施例，其示例在各附图中示出。
[0029]
参考图1，在本发明的第一实施例中，直流(dc)电池系统100可通过切换子系统200电连接至电力生成系统300。电力生成系统300可以电连接到ac电力分配子系统400，ac电力分配子系统400进而可以连接到负载源500和电池充电系统600。电池充电系统600可以通过切换子系统200连接到电池系统100。
[0030]
dc电池系统100可以包括第一、第二和第三电池子系统或电池组110、120和130，每个电池子系统或电池组可由多个单独的电池和电池芯组成。构成电池子系统中的每一个电池子系统的单独电池和电池芯可以串联连接。在一个非限制性示例中，每个电池子系统可包括总共十二个12伏、200安培的铅酸深循环电池。具有这些参数的电池子系统可提供5kw的恒定输出，持续15分钟的时间段，然后再充电(或休息)15分钟，如果刚刚再充电则休息15分钟(或如果刚刚休息，则再充电15分钟)。在一个非限制性示例中，每个电池子系统可包括至少一个锂离子电池。应了解，使用的电池的类型、电压、安培数和其他材料及质量可以在不脱离本发明的预期范围的情况下变化。
[0031]
当组合成电池子系统时，电池应具有足够的功率和安培数，以在预定义的时间段内为切换子系统200、电力生成系统300、负载源500和电池充电系统600供电，而不会过度放电。在一个实施例中，每个电池子系统110、120和130可在电池寿命开始时，在四十五(45)分钟周期中为整个系统供电十五(15)分钟，而放电不超过约百分之二十(20％)。
[0032]
第一电池子系统110、第二电池子系统120和第三电池子系统130的第一正极可分别经由导体150、152和156电连接至切换子系统200。进而，切换子系统200可以经由正极性导体通过点a电连接到电力生成系统300，并且经由正极性导体通过点c电连接到电池充电系统600。第一电池子系统110、第二电池子系统120和第三电池子系统130的负极可经由导体154通过点b电连接到电力生成系统300和电池充电系统600。
[0033]
切换子系统200的一个非限制性实施例如图2所示。参考图2，切换子系统200可以包括一个或多个计时器210，计时器210可以电连接到第一低压接触器220、第二低压接触器222和第三低压接触器224。第一低压接触器220可以控制第一高压接触器231和第二高压接触器232；第二低压接触器222可以控制第三高压接触器233和第四高压接触器234；且第三低压接触器224可控制第五高压接触器235和第六高压接触器230，这些高压接触器通过电
路中的点d连接在一起。
[0034]
在计时器210以及第一低压接触器220和第三低压接触器224的控制下，第一高压接触器231和第六高压接触器230可以选择性地将第一电池子系统110连接到第一总线240、第二总线242或两条总线都不连接。计时器210以及第一低压接触器220和第二低压接触器222可以控制第二高压接触器232和第三高压接触器233，以选择性地将第二电池子系统120连接到第一总线240、第二总线242或两条总线都不连接。类似地，计时器210以及第二低压接触器222和第三低压接触器224可以控制第四高压接触器234和第五高压接触器235，以选择性地将第三电池子系统130连接到第一总线240、第二总线242或两条总线都不连接。
[0035]
计时器210可以自动和/或在功能控制子系统的控制下，向第一低压接触器220、第二低压接触器222和第三低压接触器224发送低压控制信号，如下文所描述的。此类信号可激活特定低压接触器，并使其打开或关闭与其相连的高压接触器。结果，计时器210、低压接触器220、低压接触器222和低压接触器224以及高压接触器230、高压接触器231、高压接触器232、高压接触器233、高压接触器234和高压接触器235的组合可以选择性地将电池子系统110、电池子系统120和电池子系统130中的每一个连接到第一总线240、第二总线242或两条总线都不连接。计时器210、低压接触器220、低压接触器222、低压接触器224和高压接触器230-235的级联布置一次仅允许电池子系统中的一个电池子系统连接到第一总线240，并且仅允许电池子系统中的另一个电池子系统连接到第二总线242。然而，应了解，该系统可容忍两个电池子系统可以同时连接到相同总线的短时间重叠的可能性。
[0036]
参考图1和图2，第一总线240可通过点a连接到电力生成系统300，并且第二总线242可通过点c连接到电池充电系统600。因此，功能地，切换子系统200可以被适配成在以下各者之间选择性地切换：(i)将第一电池子系统110的第一极连接到电池充电系统600，同时在第一运行阶段将第二电池子系统120的第一极连接到电力生成系统300，(ii)将第二电池子系统120的第一极连接到电池充电系统600，同时在第二运行阶段将第三电池子系统130的第一极连接到电力生成系统300，以及(iii)将第三电池子系统130的第一极连接到电池充电系统600，同时在第三运行阶段将第一电池子系统110的第一极连接到电力生成系统300。
[0037]
切换子系统200的替代实施例如图3示意图所示。关于图1和图3，三路开关250、252和254可各自将相关联的电池子系统(110、120和130)的正极连接到以下中的一个：整个电路中的点a或点c，或电路断开位置(如图所示)。三路开关250、252和254可由一个或多个计时器210控制，以提供类似于图2实施例所提供的切换。
[0038]
重新参考图1，电力生成系统300可以包括通过切换子系统200与电池系统100电连接并由电池系统100供电的功能控制子系统310。功能控制子系统310可以可选地连接到切换子系统200中的计时器210并控制切换子系统200中的计时器210。功能控制子系统310可以一次从电池系统100中的电池子系统中的一个提供功率以驱动dc电动机330，而dc电动机330进而可以驱动ac发电机350。功能控制子系统310可以控制电动机子系统330的速度。
[0039]
常规发电机具有高扭矩要求，这使得在先前已知的系统中必须增加齿轮箱。在这些系统中，需要齿轮箱来降低扭矩和降低电机消耗的功率。通过使用新型的专门设计的低扭矩要求的发电机，齿轮箱被从电流系统中消除。这将去除系统中可能发生故障的机械元
件，并进一步去除齿轮箱增加到系统中的应力，并使系统更加高效。
[0040]
电力生成系统300还可包括由功能控制子系统310控制的冷却子系统360。冷却子系统360可与整个系统的任何和/或所有发热组件(诸如功能控制子系统310、电动机330和发电机350)运行性接触。冷却子系统360可以以本领域技术人员已知的方式将系统元件保持在最佳运行温度范围内。
[0041]
电容器子系统320可电耦合至功能控制子系统310。电容器子系统320可以包括相互并联连接的多个电容器。电容器子系统320可用于控制和校正系统特性，诸如功率因数滞后和相移。电容器子系统320还可以增加存储能量并改善由功能控制子系统310中的处理器生成的正弦波的稳定性。
[0042]
功能控制子系统310可按需地包括数字处理器、数字存储器组件和控制编程，以按本文所描述的方式运行整个系统。例如，功能控制子系统310可以包括用于控制系统组件的启动顺序、关闭顺序、振动监测、过热监测和远程监测的编程。功能控制子系统310还可以包括或连接到提供系统数据的一个或多个参数监测组件。此类数据可以包括但不限于：电池充电水平和容量、电池安培数、电池电压、电池使用时间、电池充电时间、电流时间、系统元件温度、振动、电源负载、电动机扭矩、电动机转速、发电机扭矩、发电机转速、电池充电系统负载、整流器设置和电感器设置。
[0043]
可以选择电机330和发电机350的大小和运行特性，以提供系统所服务的给定预期负载500的最佳电力生成和电池寿命，以及电池子系统110、电池子系统120和电池子系统130的再充电速率和时间。对于所描述的类型的电池子系统，电动机330可能需要144v/100a来维持运行。电动机330的速度优选地设置为或接近驱动发电机所需的最小转速，以提供所需的安培数和电压来服务负载500并为一个电池子系统再充电，同时减小或最小化发电机350施加的扭矩。新型低扭矩要求发电机350的使用可在发电机350处提供扭矩，而不增加(且优选地减少)电动机330的扭矩要求，从而降低驱动电动机的电池子系统的功耗，并改善发电机的给定功率输出的电池损耗特性。
[0044]
电动机330的速度可以由功能控制子系统310实时地自动设置。功能控制子系统310可以从例如位于电机轴上的速度传感器接收电动机330的速度数据，以及从其他传感器接收电池再充电和负载500功率需求。功能控制子系统310可以调整电动机330的速度，使得发电机350在该时间点以最大扭矩向发电机提供所需的功率，并在电机上以最小扭矩提供所需的功率。以这种方式，功能控制子系统310可以实时地优化功率生成条件(电动机转速速度和发电机转速速度)。
[0045]
发电机350可经由一个或多个电导体连接到ac功率分配子系统400。功率分配子系统可包括例如ac断路器盒。功率分配子系统400可以经由一个或多个导体连接到负载源500和电池充电系统600。负载源500和电池充电系统600的电力需求可以通过有线或无线通信信道从与功率分配子系统400、负载源500和/或电池充电系统600相关联的传感器传送到功能控制子系统310。功率需求可由功能控制子系统310的自动节流控制模块使用，以将电动机330设置为在系统功率需求的正确转速下运行。
[0046]
电池充电系统600可包括电感器子系统610，电感器子系统610经由一个或多个断路器620电连接到整流器子系统630。电感器子系统610和整流器子系统630的组合用于在期望的再充电循环期间向空闲的电池子系统110、电池子系统120或电池子系统130中的一个
提供所需的再充电水平，在使用三个电池子系统的系统的情况下，这是整个系统循环时间的三分之一。整流器子系统630可以自调整以适应当前正在充电的电池子系统的再充电消耗。换句话说，通常在没有电感器子系统610的情况下，自调整整流器子系统630可以降低在充电循环过程中提供给正在再充电的电池子系统的电压和/或安培数。结果，在不包括电感器子系统610的情况下，电池子系统再充电可能不足够快，不能在期望的循环时间内完全再充电。与没有感应线圈的系统相比，添加具有可调变阻器的电感器子系统610可以允许增加电池充电系统600的安培数消耗(从而增加可用于对空闲电池子系统再充电的安培数消耗)。优选地，电感器子系统610的变阻器设置可以在功能控制310的控制下在再充电循环的过程中自动调整。最好实时地调整变阻器设置，使得在所需时间量内使用电池子系统上用于为系统供电的最小总功耗完成完全或接近完全再充电。在实施例中，电池充电控制器子系统650(未示出)可以耦合发电机子系统350和电池系统100。
[0047]
图1-3中所示的系统可用于生成、存储和分配电以向负载源500供电，同时以以下方式生成电力以对耗尽的电池子系统110、电池子系统120和/或电池子系统130再充电。使用所示系统的方法可以由功能控制子系统310在第一运行阶段期间向切换子系统200发送有线或无线控制信号来发起。功能控制子系统310信号可以使计时器210向第一低压接触器220、第二低压接触器222和第三低压接触器224发送低压控制信号。计时器210控制信号可以引导第一低压接触器220和第三低压接触器224通过导体150和高压接触器230和/或高压接触器231将第一电池子系统110的第一正极耦合到第一总线240。进而，第一总线240将第一电池子系统110连接到功能控制器310和电动机330。因为第一电池子系统110的第二负极永久性地耦合到功能控制310和电动机330，所以临时完成使用第一电池子系统为电动机供电的电路。
[0048]
在第一电池子系统用于为电动机330供电的同时(即，第一运行阶段)，从功能控制310发送到计时器210的控制信号可用于控制第一低压接触器220、第二低压接触器222和第三低压接触器224进行其他电池子系统连接和断开。具体地，低压接触器220、低压接触器222和低压接触器224可用于控制高压接触器232、高压接触器233、高压接触器234和高压接触器235将第二电池子系统120的第一正极临时连接到第二总线242，并将第三电池子系统130的第一正极与任何电路临时隔离。结果，第二电池子系统120可以连接到整流器子系统630，并且第三电池子系统130可以在第一运行阶段期间被隔离。
[0049]
在第一运行阶段期间，电动机330在第一电池子系统110的功率下旋转。电机330的旋转运动用于通过电动机330驱动发电机350。电动机上的发电机350的转矩电阻可根据从负载源500和电池充电系统600施加到发电机上的负载而变化。电动机330的速度可由功能控制器310选择性地调整，以优化施加到发电机350的负载的速度。
[0050]
发电机350的电力输出部分地由分配子系统400引导到电池充电系统600。电池充电系统600的电感器子系统610和整流器子系统630协同工作，优选地在功能控制310的控制下，以在第一运行阶段期间对第二电池子系统120再充电。第一运行阶段可在设定的经过时间之后、在检测到第一电池子系统110的设定放电水平之后或在第二电池子系统120的设定再充电水平之后自动结束。
[0051]
第一运行阶段结束后立即随着第二运行阶段的建立，在第二运行阶段期间，功能控制310指示切换系统200：用第二电池子系统120代替第一电池子系统110，用第三电池子
系统130代替第二电池子系统120，用第一电池子系统110代替第三电池子系统130。换句话说，在第二运行阶段期间，第二电池子系统120用于供电，第三电池子系统130被再充电，并且第一电池子系统110与电力和再充电电路断开。在第三运行阶段期间，第三电池子系统130为系统供电，第一电池子系统110被再充电，且第二电池子系统120断开。通过第一运行阶段、第二运行阶段和第三运行阶段的旋转可被重复，以向负载源500提供不间断电力。
[0052]
图4中说明了本发明的替代实施例，其中相同附图标记指的是以与结合其他实施例描述的元件相同的方式运行相同元素。电力生成系统300可以通过在网逆变器370连接到ac电力分配系统400，以向负载源500供电。电力生成系统300还可以通过整流器/电感器系统700连接到dc电池和不间断电源(ups)系统100。电池/ups系统100可以通过整流器/电感器系统700选择性地向电力生成系统300供电。切换子系统200可以控制电池/ups系统100切换入和切换出整个电路，以从连接到电力分配系统400以完成电路的电池充电系统600接收再充电功率。
[0053]
继续参考图4，在切换系统200的控制下，可通过将电池/ups系统100连接到整流器/电感器系统700来启动整个系统以生成功率。dc电力可从电池/ups系统100流过电感器710、断路器720和整流器730。来自整流器730的dc电力被提供给电力生成系统300。功能控制子系统310将dc电力从整流器730施加到dc电动机子系统330。进而，dc电机驱动dc发电机380。
[0054]
电动机330可运行地连接至发电机350。功能控制子系统310可以控制电动机子系统330的速度。电力生成系统300还可包括由功能控制子系统310控制的冷却子系统360。冷却子系统360可与整个系统的任何和/或所有发热组件(诸如功能控制子系统310、电动机子系统330和dc发电机380)运行性接触。冷却子系统360可以以本领域技术人员已知的方式将系统元件保持在最佳运行温度范围内。
[0055]
电容器子系统320可电耦合至功能控制子系统310。电容器子系统320可以包括相互并联连接的多个电容器。电容器子系统320可用于控制和校正系统特性，诸如功率因数滞后和相移。电容器子系统320还可以增加存储能量并改善由功能控制子系统310中的处理器生成的正弦波的稳定性。
[0056]
功能控制子系统310可按需地包括数字处理器、数字存储器组件和控制编程，以按本文所描述的方式运行整个系统。例如，功能控制子系统310可以包括用于控制系统组件的启动顺序、关闭顺序、振动监测、过热监测和远程监测的编程。功能控制子系统310还可以包括或连接到提供系统数据的一个或多个参数监测组件。此类数据可以包括但不限于：电池充电水平和容量、电池安培数、电池电压、电池使用时间、电池充电时间、电流时间、系统元件温度、振动、电源负载、电动机扭矩、电动机转速、发电机扭矩、发电机转速、电池充电系统负载、整流器设置和电感器设置。
[0057]
在优选实施例中，dc发电机380可以在低转速以相对较低的扭矩要求输出10kw的功率。例如，dc发电机380每1kw的输出功率可能需要5英尺-磅的扭矩。来自dc发电机380的dc电力输出可以提供到需要220ac伏特运行的在网(例如，10kw)逆变器370。进而，来自在网逆变器370的ac电力可以在线提供给本地或国家电网、本地电力出口和电力分配系统400。一旦整个系统启动并电力生成，在网逆变器370可以为连接到电力分配系统400的负载源500提供所有电流需求，以及提供为dc电动机子系统330供电所需的电流。任何多余的电力
都可以从在网逆变器370供应到国家电网，以向连接到电网的负载(诸如家用墙壁出口410)供电。输送到国家电网的该多余电力可出售给电力公司或进行信贷交易。
[0058]
如上文所提及的，电力分配系统400可连接至包括整流器的电池充电系统600。电力分配系统可连接至国家电网，以向包括墙壁出口410等的家庭输送电力。来自电池充电系统600的dc电力可用于保持电池/ups系统100完全充电。再充电不需要的多余功率可被引导至整流器/电感器系统700，以用于为dc电机330供电。当电池/ups系统100处于完全充电状态时，用于驱动dc电机330的所有电力可由电池充电系统600提供。以这种方式，电池/ups系统100可以作为电流催化剂而不是电流提供者。在实施例中，电池充电控制器子系统650(未示出)可以耦合电力分配子系统400和电池系统100。
[0059]
参考图5，示出了与图4所示几乎相同的系统。图5系统与图4系统的不同之处在于，其包括(例如，8kw)离网逆变器372，而不是在网逆变器(370，图4)。离网逆变器372未连接到国家电网。图5的系统以与图4的系统相同的方式运行，除了没有连接到国家电网，且因此没有能力将电力从离网逆变器372向国家电网供应。
[0060]
图6示出了组合图4和图5的元素的系统，以便在网逆变器370和离网逆变器372都被包括。图6的系统可用于在国家电网断电时提供不间断电力。图6的系统包括使系统在国家电网运行时使用在网逆变器370的特征。然而，当国家电网发生故障时，系统切换到使用离网逆变器372供应电力，从而断开系统与国家电网的连接。
[0061]
图7中说明了本发明的替代实施例，其中相同附图标记指的是以与结合其他实施例描述的元件相同的方式运行相同元素。
[0062]
dc电池系统100通过导体150、152和156连接到切换子系统200。切换系统200进而通过dc/ac逆变器640连接到ac电力分配系统400。ac电力分配系统400连接到负载源500和电力生成系统300二者。电力生成系统300进而通过电池充电控制器子系统650连接到切换系统200。
[0063]
具体地，dc电池系统100的第一电池子系统110、第二电池子系统120和第三电池子系统130的第一正极可分别经由导体150、导体152和导体156电连接至切换子系统200。进而，切换子系统200可以经由正极性导体通过点a电连接到电池充电控制器子系统650，并且经由正极性导体通过点c电连接到dc/ac逆变器640。第一电池子系统110、第二电池子系统120和第三电池子系统130的负极可经由导体154通过点b电连接至电池充电控制器子系统650和dc/ac逆变器640。
[0064]
一般地，电池充电控制器限制向电池添加或从电池中汲取电流的速率。在该应用中，电池充电控制器子系统650在电池超过预定且设定的高电压水平时停止对电池子系统100中的电池充电，并在电池电压降至该预定水平以下时重新启用充电。
[0065]
在实施例中，电池充电控制器子系统650包括脉宽调制(pwm)和最大功率点跟踪器(mppt)技术，根据电池水平调整充电速率，以允许充电更接近电池的最大容量。
[0066]
电池充电控制器子系统650可减少过度充电的可能性，并可以防止过压，过压会降低电池性能或寿命，并可能造成安全风险。根据电池技术，电池充电控制器子系统650还可以防止电池完全放电或深度放电，或执行受控制的放电，以保护电池寿命。在实施例中，电池充电控制器子系统650向发电机子系统380施加所需的负载或消耗，以确保在预定时间段内对电池子系统100再充电。在一个实施例中，电池充电控制器子系统650向发电机子系统
380施加所需负载或消耗，以确保电池子系统100以预定速率接收所需电压和安培数。
[0067]
切换子系统200可以控制dc电池系统100在整个电路中的切换入和切换出，以通过连接到电力生成系统300以完成电路的电池充电控制器子系统650接收再充电功率。
[0068]
继续参考图7，通过穿过切换系统200且在切换系统200的控制下将dc电池系统100连接到dc/ac逆变器640，可以启动整个系统以生成电力。dc电力可从dc电池系统100通过切换子系统200、dc/ac逆变器640流向ac电力分配系统400。
[0069]
将ac电力从ac电力分配系统400提供到电力生成系统300和负载源500。功能控制子系统310将dc电力从连接到ac电力分配系统400的整流器630施加到dc电动机子系统330。
[0070]
将ac电力从400通过630提供到300。将dc电力从630通过310提供到330。进而，dc电机330驱动dc发电机380。如上文所提及的，电力分配系统400可以连接到包括整流器子系统630的电力生成系统300。
[0071]
功能控制子系统310等等可控制dc电动机子系统330的速度。dc电动机330和ac发电机350之间的耦合器的旋转速度可以根据需要而变化，但是耦合器的旋转速度相对于dc电动机330和ac发电机350的输出速度不变。在实施例中，dc电动机330和ac发电机350直接耦合。
[0072]
功率生成系统300还可包括由功能控制子系统310控制的冷却子系统360。冷却子系统360可与整个系统的任何和/或所有发热组件(诸如功能控制子系统310、dc电动机子系统330和dc发电机380)运行性接触。冷却子系统360可以以本领域技术人员已知的方式将系统元件保持在最佳运行温度范围内。
[0073]
电容器子系统320可电耦合至功能控制子系统310。电容器子系统320可以包括相互并联连接的多个电容器。电容器子系统320可用于控制和校正系统特性，诸如功率因数滞后和相移。电容器子系统320还可以增加存储能量并改善由功能控制子系统310中的处理器生成的正弦波的稳定性。
[0074]
功能控制子系统310可按需地包括数字处理器、数字存储器组件和控制编程，以按本文所描述的方式运行整个系统。例如，功能控制子系统310可以包括用于控制系统组件的启动顺序、关闭顺序、振动监测、过热监测和远程监测的编程。功能控制子系统310还可以包括或连接到提供系统数据的一个或多个参数监测组件。此类数据可以包括但不限于：电池充电水平和容量、电池安培数、电池电压、电池使用时间、电池充电时间、电流时间、系统元件温度、振动、电源负载、电动机扭矩、电动机转速、发电机扭矩、发电机转速、电池充电系统负载、整流器设置和电感器设置。
[0075]
在优选实施例中，dc发电机380可以在低转速以相对较低的扭矩要求输出10kw的功率。例如，dc发电机380每1kw的输出功率可能需要5英尺-磅的扭矩。
[0076]
一旦整个系统启动并生成电力，dc/ac逆变器640可以为了连接到电力分配系统400的负载源500提供所有电流需求，以及提供为dc电动机子系统330供电所需的电流。在一些实施例中，逆变器640可以关闭dc电动机330，以便系统由电池子系统100供电。当电池子系统100放电到预定水平时，逆变器640将重启dc电动机330。
[0077]
从电力生成系统300流过电池充电控制器子系统650的dc电力可用于保持dc电池系统100完全充电。
[0078]
再充电不需要的多余电力可被引导至逆变器子系统640、电力分配子系统400、整
流器子系统630和电动功能控制310，用于为dc电机330供电。
[0079]
当dc电池系统100处于完全充电状态时，用于驱动dc电机330的所有电力可以由电池充电系统600提供。以这种方式，dc电池系统100可以作为电流催化剂而不是电流提供者。
[0080]
图8中说明了本发明的替代实施例，其中相同附图标记指的是以与结合其他实施例描述的元件相同的方式运行相同元素。
[0081]
dc电池系统100通过导体150、152和156连接到切换子系统200。切换系统200进而通过dc/ac逆变器640连接到第一ac电力分配系统410和第二ac电力分配系统420。第一ac电力分配系统410连接到负载源500和电力生成系统300二者。电力生成系统300连接到第二ac电力分配系统420。电力生成系统300包括从第一ac电力分配子系统接收ac电力的整流器子系统。电力生成系统300还包括功能控制子系统310、dc电动机330和ac发电机350，下面将更详细地讨论所有这些。
[0082]
具体地，dc电池系统100的第一电池子系统110、第二电池子系统120和第三电池子系统130的第一正极可分别经由导体150、导体152和导体156电连接至切换子系统200。进而，切换子系统200可以经由正极性导体通过点a电连接到功能控制子系统310，并且经由正极性导体通过点c电连接到dc/ac逆变器640。第一电池子系统110、第二电池子系统120和第三电池子系统130的负极可经由导体154通过点b电连接至功能控制子系统310和dc/ac逆变器640。
[0083]
切换子系统200可以控制dc电池系统100在整个电路中的切换入和切换出，以通过功能控制子系统310接收再充电功率，功能控制子系统310是电力生成系统300的部分，以完成电路。
[0084]
继续参考图8，通过穿过切换系统200且在切换系统200的控制下将dc电池系统100连接到dc/ac逆变器640，可以启动整个系统以生成电力。进而，ac电力可以从逆变器640流向第一ac电力分配子系统410。
[0085]
将ac电力的第一部分从第一ac电力分配系统410提供到负载源500，并且将ac电力的第二部分提供到整流器630，整流器630是电力生成系统300的一部分
[0086]
功能控制子系统310将dc电力从整流器630的施加到dc电动机子系统330。进而，dc电动机330驱动ac发电机350。然后，ac电力从ac发电机350流向第二ac电力分配系统420，并进而流向逆变器640以完成电路。
[0087]
功能控制子系统310等等可控制dc电动机子系统330的速度。dc电动机330和ac发电机350之间的耦合器的旋转速度可以根据需要而变化，但是耦合器的旋转速度相对于dc电动机330和ac发电机350的输出速度不变。在实施例中，dc电动机330和ac发电机350直接耦合。
[0088]
功率生成系统300还可包括由功能控制子系统310控制的冷却子系统360。冷却子系统360可与整个系统的任何和/或所有发热组件(诸如功能控制子系统310、dc电动机子系统330和ac发电机350)运行性接触。冷却子系统360可以以本领域技术人员已知的方式将系统元件保持在最佳运行温度范围内。
[0089]
电容器子系统320可电耦合至功能控制子系统310。电容器子系统320可以包括相互并联连接的多个电容器。电容器子系统320可用于控制和校正系统特性，诸如功率因数滞后和相移。电容器子系统320还可以增加存储能量并改善由功能控制子系统310中的处理器
生成的正弦波的稳定性。
[0090]
功能控制子系统310可按需地包括数字处理器、数字存储器组件和控制编程，以按本文所描述的方式运行整个系统。例如，功能控制子系统310可以包括用于控制系统组件的启动顺序、关闭顺序、振动监测、过热监测和远程监测的编程。功能控制子系统310还可以包括或连接到提供系统数据的一个或多个参数监测组件。此类数据可以包括但不限于：电池充电水平和容量、电池安培数、电池电压、电池使用时间、电池充电时间、电流时间、系统元件温度、振动、电源负载、电动机扭矩、电动机转速、发电机扭矩、发电机转速、电池充电系统负载、整流器设置和电感器设置。
[0091]
在优选实施例中，dc发电机380可以在低转速以相对较低的扭矩要求输出10kw的功率。例如，dc发电机380每1kw的输出功率可能需要5英尺-磅的扭矩。
[0092]
一旦整个系统启动并生成电力，dc/ac逆变器640可以为连接到电力分配系统400的负载源500提供所有的电流需求，以及为电力生成子系统300，特别是dc电动机子系统330供应所需的电流。在一些实施例中，逆变器640可以关闭dc电动机330，以便系统由电池子系统100供电。当电池子系统100放电到预定水平时，逆变器640将重启dc电动机330。
[0093]
从电力生成系统300流过电池充电控制器子系统650的dc电力可用于保持dc电池系统100完全充电。
[0094]
在本实施例中，与图7所示出的相比，dc发电机380被ac发电机350取代。这使得能够将ac电流直接输送到第二电力分配盘420。并将ac电力直接施加于dc/ac逆变器，这进而将对逆变器具有与在网情况相同的影响。逆变器内的传感器将检测ac电力，并允许ac电力通过它们直接流向第一电力分配盘410。此外，通过使用ac发电机，不再存在对于电池充电控制器子系统650的需要，因为系统将利用逆变器中包含的充电控制器。
[0095]
图9中说明了本发明的替代实施例，其中相同附图标记指的是以与结合其他实施例描述的元件相同的方式运行相同元素。
[0096]
dc电力生成系统300可以通过在网逆变器370连接到ac电力分配系统400，以向负载源500供电。dc电力生成系统300还可以通过整流器/电感器系统700连接到dc电池系统100。电池/ups系统100可以通过整流器/电感器系统700选择性地向功率生成系统300供电。切换子系统200可以控制电池100在整个电路中的切换入和切换出，以从连接到dc发电机380以完成电路的电池充电控制器子系统650接收再充电功率。
[0097]
继续参考图9，在切换系统200的控制下，可以通过将电池100连接到整流器/电感器系统700来启动整个系统以生成电力。dc电力可从电池/ups系统100流过整流器730和断路器720。来自整流器730的dc电力被提供给功率生成系统300。功能控制子系统310将dc电力从整流器730施加到dc电动机子系统330。进而，dc电机驱动dc发电机380。dc电机330和ac发电机350之间的耦合器的旋转速度可以根据需要而变化，但是耦合器的旋转速度相对于dc电动机330和ac发电机350的输出速度不变。在实施例中，dc电动机330和ac发电机350直接耦合。
[0098]
功能控制子系统310可以控制电动机子系统330的速度。功率生成系统300还可包括由功能控制子系统310控制的冷却子系统360。冷却子系统360可与整个系统的任何和/或所有发热组件运行性接触，诸如功能控制子系统310、电动机子系统330、齿轮箱340和dc发电机380。冷却子系统360可以以本领域技术人员已知的方式将系统元件保持在最佳运行温
度范围内。
[0099]
电容器子系统320可电耦合至功能控制子系统310。电容器子系统320可以包括相互并联连接的多个电容器。电容器子系统320可用于控制和校正系统特性，诸如功率因数滞后和相移。电容器子系统320还可以增加存储能量并改善由功能控制子系统310中的处理器生成的正弦波的稳定性。
[0100]
功能控制子系统310可按需地包括数字处理器、数字存储器组件和控制编程，以按本文所描述的方式运行整个系统。例如，功能控制子系统310可以包括用于控制系统组件的启动顺序、关闭顺序、振动监测、过热监测和远程监测的编程。功能控制子系统310还可以包括或连接到提供系统数据的一个或多个参数监测组件。此类数据可以包括但不限于：电池充电水平和容量、电池安培数、电池电压、电池使用时间、电池充电时间、电流时间、系统元件温度、振动、电源负载、电动机扭矩、电动机转速、发电机扭矩、发电机转速、电池充电系统负载和整流器设置。
[0101]
在优选实施例中，dc发电机380可以在低转速以相对较低的扭矩要求输出10kw的功率。例如，dc发电机380每1kw的输出功率可能需要5英尺-磅的扭矩。
[0102]
来自dc发电机380的dc电力输出可以提供到需要220ac伏特运行的在网(例如，10kw)逆变器370。进而，来自在逆变器370的ac电力可以在线提供给本地或国家电网、本地功率出口和功率分配系统400。一旦整个系统启动并生成电力，在网逆变器370可以为连接到电力分配系统400的负载源500供应所有电流需求，以及通过电力分配系统400和整流器/电感器系统700供应dc电动机子系统330供电所需的电流。任何多余的功率都可以从在网逆变器370供应到国家电网，以向连接到电网的负载(诸如家用墙壁出口410)供电。输送到国家电网的多余功率可出售给电力公司或进行信贷交易。
[0103]
如上文所提及的，电力分配系统400可通过电感器系统70连接到电池充电系统600，电感器系统70包括断路器720和整流器730。电力分配系统可连接至国家电网，以向包括墙壁出口410等的家庭输送电力。从dc发电机380流过电池充电控制器子系统650的dc电力可用于保持电池/ups系统100完全充电。再充电不需要的多余功率可被引导至整流器/电感器系统700，以用于为dc电机330供电。当电池/ups系统100处于完全充电状态时，用于驱动dc电机330的所有电力可由电池充电系统600提供。以这种方式，电池/ups系统100可以作为电流催化剂而不是电流提供者。
[0104]
本领域技术人员将理解，本发明可以在不脱离其精神或基本特征的情况下以其他特定形式体现。提供上文所描述的元素作为用于实施本发明的一种技术的说明性示例。本领域技术人员将认识到，在不脱离如权利要求所阐述的本发明的情况下，许多其他实现是可能的。例如，所使用的电池、电动机、发电机、电感器和整流器的类型、大小和容量可以在不脱离本发明的预期范围的情况下变化。相应地，本发明的公开旨在说明但不限制本发明的范围。本发明旨在涵盖本发明的所有此类修改和变化，前提是它们在所附权利要求及其等效物的范围内。