具有冷却设备并具有可更换的能量源能力的模块化级联能量系统
1.相关申请的交叉引用本技术主张于2020年4月14日申请的美国临时申请号63/009,996和于2020年9月28日申请的美国临时申请号63/086,003的权益和优先权，这两项美国临时申请出于所有目的以引用的方式全文并入到本文。
技术领域
2.本文所描述的主题一般涉及用于为模块化级联能量系统提供冷却并提供移除和更换能量源的能力的系统、装置和方法。
背景技术：
3.具有多个能量源或能量库的能量系统在许多工业中司空见惯。一个示例是汽车工业。经过过去一个世纪的发展，如今的汽车技术的特点当中尤其是马达、机械元件和电子器件的相互作用。这些是影响交通工具性能和驾驶者体验的关键组件。马达有燃烧型或电动型，并且在几乎所有情况下，来自马达的旋转能都是经由一组高度精密的机械元件来输送的，诸如离合器、变速器、差速器、传动轴、扭矩管、耦合器等。这些部分在很大程度上控制着对车轮的扭矩转换和功率分配，并限定轿车和道路处理的性能。
4.电动交通工具（ev）包括与动力传动系统相关的各种电气系统，尤其包括电池组、充电器和马达控制。高压电池组通常按较低压电池模块的串行链进行组织。每个这样的模块进一步包括一组串行连接的各个单元和简单的嵌入式电池管理系统（bms），bms用于调节基本的单元相关的特性，诸如充电状态和电压。缺少具有更精密的能力或某种形式的智能互联性的电子器件。因此，任何监测或控制功能都是由单独的系统处理的，如果完全存在于轿车的其它地方，则该单独的系统缺乏监测各个单元健康状况、充电状态、温度和影响度量的其它性能的能力。也没有能力来以任何形式有意义地调整每个单独的单元所汲取的功率。一些主要后果是：（1）最弱的单元约束了整个电池组的整体性能，（2）任何单元或模块的故障都导致需要更换整个组，（3）电池的可靠性和安全性大大降低，（4）电池寿命有限，（5）热管理困难，（6）电池组总是在最大容量以下操作，（7）再生制动产生的电功率的突然涌入无法容易地存储在电池中，并且要求经由转储电阻耗散。
5.ev的充电电路通常在单独的车载系统中实现。它们以ac信号或dc信号的形式分级（stage）来自ev外部的功率，将其转换为dc，并将其馈送到电池组。充电系统监测电压和电流，并且通常供应恒定馈电。给定电池组和典型充电电路的设计，基于单元健康状况、性能特性、温度等来为各个电池模块定制充电流的能力微乎其微。充电周期通常也很长，因为充电系统和电池组缺乏允许脉冲充电的电路或优化电荷转移或可实现的总电荷的其它技术。
6.常规的控制包含用于将电池组电压电平调整至ev的电气系统的总线电压的dc到dc转换阶段。而电动马达由简单的两级多相转换器驱动，这些转换器为马达提供所要求的（一个或多个）ac信号。每个马达在传统上由单独的控制器控制，该控制器按三相设计驱动
马达。双马达ev将要求两个控制器，而使用四个轮内马达的ev将要求四个单独的控制器。常规的控制器设计也缺乏驱动下一代马达（诸如开关磁阻马达（srm））的能力，下一代马达的特点是极片数量更多。调适将要求更高的相位设计，从而使系统更加复杂并且最终无法解决电噪声和驱动性能，诸如高扭矩纹波和声学噪声。
7.这些缺陷中的许多缺陷不仅适用于汽车，也适用于其它马达驱动的交通工具，而且在很大程度上也适用于固定应用。出于这些和其它原因，需要用于移动和固定应用的能量系统的改进的系统、装置和方法。
技术实现要素：
8.本文中提供了用于冷却模块化能量系统的系统、装置和方法的示例实施例。实施例可以利用环绕模块化能量系统的壳体来以靠近模块化能量系统的模块的组件传递的方式路由冷却剂。实施例可以提供泵送冷却剂的序列，以使得冷却剂首先冷却电动交通工具的具有最低期望操作温度的组件，紧接着冷却具有相对较高的期望操作温度的组件。
9.本文中还提供了用于具有可移除和可更换的能量源的模块化能量系统的系统、装置和方法的示例实施例。该系统可以按各种各样不同的电气配置进行配置，并且采用允许快速移除具有相对较低的电荷状态的能量源并用具有相对较高的电荷状态的不同能量源更换那些能量源的方式安置在电动交通工具内。能量源可以可拆卸地锁在电动交通工具内的合适位置，以使得每个能量源可从与之相关联的转换器电子器件的电连接中移除。
10.在阅读以下附图和详细描述后，本文中所描述的主题的其它系统、装置、方法、特征和优势将对于本领域技术人员将是或者将变得显而易见。意图的是所有此类额外的系统、方法、特征和优势都包含在本描述中，在本文所描述的主题的范围内，并受随附权利要求书的保护。在权利要求书中没有明确记载示例实施例的特征的情况下，绝不应该将示例实施例的特征解释为限制所附权利要求书。
附图说明
11.本文所阐述的主题的关于其结构和操作两者的细节可通过研究附图显而易见，图中，相似的参考数字指相似的部分。图中的组件不一定按比例绘制，而是将重点放在说明主题的原理上。此外，所有图示都是为了表达概念，其中，可能示意性地而不是在字面上或精确地图示相对大小、形状和其它详细属性。
12.图1a-1c是描绘模块化能量系统的示例实施例的框图。
13.图1d-1e是描绘用于能量系统的控制装置的示例实施例的框图。
14.图1f-1g是描绘与负载和充电电源耦合的模块化能量系统的示例实施例的框图。
15.图2a-2b是描绘能量系统内的模块和控制系统的示例实施例的框图。
16.图2c是描绘模块的物理配置的示例实施例的框图。
17.图2d是描绘模块化能量系统的物理配置的示例实施例的框图。
18.图3a-3c是描绘具有各种电气配置的模块的示例实施例的框图。
19.图4a-4f是描绘能量源的示例实施例的示意图。
20.图5a-5c是描绘能量缓冲器的示例实施例的示意图。
21.图6a-6c是描绘转换器的示例实施例的示意图。
22.图7a-7e是描绘具有各种拓扑的模块化能量系统的示例实施例的框图。
23.图8a是描绘模块的示例输出电压的图表。
24.图8b是描绘模块阵列的示例多电平输出电压的图表。
25.图8c是描绘在脉宽调制控制技术中可用的示例参考信号和载波信号的图表。
26.图8d是描绘在脉宽调制控制技术中可用的示例参考信号和载波信号的图表。
27.图8e是描绘根据脉宽调制控制技术生成的示例开关信号的图表。
28.图8f是描绘在脉宽调制控制技术下由来自模块阵列的输出电压的叠加所生成的示例多电平输出电压的图表。
29.图9a-9b是描绘模块化能量系统的控制器的示例实施例的框图。
30.图10a是描绘具有互连模块的多相模块化能量系统的示例实施例的框图。
31.图10b是描绘图10a的多相实施例中的互连模块的示例实施例的示意图。
32.图10c是描绘具有通过互连模块连接在一起的两个子系统的模块化能量系统的示例实施例的框图。
33.图10d是描绘具有用于为辅助负载供电的互连模块的三相模块化能量系统的示例实施例的框图。
34.图10e是描绘图10d的多相实施例中的互连模块的示例实施例的示意图。
35.图10f是描绘具有用于为辅助负载供电的互连模块的三相模块化能量系统的示例实施例的框图。
36.图11a是描绘用于冷却电动交通工具的组件的过程流的示例实施例的框图。
37.图11b是描绘配置成冷却模块化能量系统的壳体的示例实施例的透视图。
38.图11c是描绘用于冷却电动交通工具的组件的过程流的另一示例实施例的框图。
39.图11d是描绘配置成冷却模块化能量系统的壳体的另一示例实施例的透视图。
40.图11e是描绘相对于顶部壳体的模块组件放置的示例实施例的透视图。
41.图11f是描绘靠近冷却设备的模块的示例实施例的横截面视图。
42.图12a-12b是描绘配置成使用可更换电池模块操作的电动交通工具的示例实施例的侧视图。
43.图13a是描绘在电动交通工具内具有可更换的电池模块的模块化能量系统的示例实施例的示意图。
44.图13b是描绘图13a的模块化能量系统的电气布局的示例实施例的框图。
45.图14a、图14d、图14e和图14f是描绘具有处于各种接合和脱离状态的可更换电池模块的转换器模块的示例实施例的透视图。
46.图14b-14c是描绘模块电子器件的外壳的示例实施例的端视图。
具体实施方式
47.在详细描述本发明主题之前，应理解，本公开不限于所描述的特定实施例，因为实施例当然可以变化。本文中所使用的术语仅用以描述特定实施例，而不意在限制，因为本公开的范围将仅受随附权利要求书的限制。
48.在描述涉及冷却系统和可更换的能量源的示例实施例之前，首先有用的是更详细地描述这些底层模块化能量系统。参考图1a至图10f，以下章节描述了可以在其中实现模块
化能量系统的实施例的各种应用、用于模块化能量系统的控制系统或装置的实施例、关于充电电源和负载的模块化能量系统实施例的配置、各个模块的实施例、模块在系统内的布置的拓扑的实施例、控制方法的实施例、平衡系统内的模块的操作特性的实施例以及使用互连模块的实施例。
49.应用的示例固定应用是其中模块化能量系统在使用过程中位于固定位置的那些应用，尽管它可在不使用时能够运送到备选位置。基于模块的能量系统在提供电能以便供一个或多个其它实体消耗、或存储或缓冲能量以供以后消耗时驻留在静态位置中。可以在其中使用本文所公开的实施例的固定应用的示例包括但不限于：供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；供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；供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；供一个或多个政府结构或场所（包括军事和非军事用途两者）使用或在其内使用的能量系统；用于为下文所描述的移动应用充电的能量系统（例如，充电电源或充电站）；以及将太阳能、风能、地热能、化石燃料或核反应转换为电能进行存储的系统。固定应用通常为诸如电网和微电网、马达和数据中心之类的负载供电。固定能量系统可以用于或存储或非存储作用。
50.移动应用有时称为牵引应用，它们一般是这样的应用，其中，基于模块的能量系统位于某个实体上或内部，并存储和提供电能，以便通过马达转换为动力，从而移动或协助移动该实体。可以与本文中所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上或地下、在海上或海中、在陆地或海洋上方并且与其不接触（例如，在空中飞行或盘旋）或穿过外层空间移动的电动和/或混合实体。可以与本文中所公开的实施例一起使用的移动实体的示例包括但不限于交通工具、火车、有轨电车、轮船、传播、飞机和航天器。可以与本文中所公开的实施例一起使用的移动交通工具的示例包括但不限于：只有一个轮子或轨道的、只有两个轮子或轨道的、只有三个轮子或轨道的、只有四个轮子或轨道的、以及有五个或更多个轮子或轨道的移动交通工具。可以与本文中所公开的实施例一起使用的移动实体的示例包括但不限于轿车、公共汽车、卡车、摩托车、滑板车、工业交通工具、采矿交通工具、飞行交通工具（例如，飞机、直升机、无人机等）、海事船舶（例如，商业运输船、轮船、游艇、船只或其它水运工具）、潜艇、基于机车或轨道的交通工具（例如，火车、有轨电车等）、军用交通工具、航天器和卫星。
51.在描述本文中的实施例时，可能提及特定的固定应用（例如，电网、微电网、数据中心、云计算环境）或移动应用（例如，电动轿车）。提及此类引用是为了便于解释，而不是意味着特定的实施例仅限于用于该特定的移动或固定应用。为马达供电的系统的实施例可以用于移动和固定应用两者。虽然某些配置可能比其它配置更适合于一些应用，但是除非另外说明，否则本文中所公开的所有示例实施例都能够在移动和固定应用两者中使用。
52.基于模块的能量系统的示例图1a是描绘基于模块的能量系统100的示例实施例的框图。这里，系统100包括控制系统102，控制系统102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通信耦合。模块108配置成存储能量并根据需要将能量输出到负载101（或其它模块108）。在这些实施例中，可以使用两个或更多个中的任意数量的模块108（例如，n大于或等于二）。模块108可以采用各种方式连接到彼此，这将关于图7a-7e更详细地描述。为了便
于图示，在图1a-1c中，将模块108示为串联连接或示为一维阵列，其中，第n个模块耦合到负载101。
53.系统100配置成为负载101供电。负载101可以是任何类型的负载，诸如马达或电网。系统100还配置成存储从充电电源接收的功率。图1f是描绘具有用于从充电电源150接收功率的功率输入接口151和用于将功率输出到负载101的功率输出接口的系统100的示例实施例的框图。在该实施例中，系统100可以在通过接口152输出功率的同时通过接口151接收和存储功率。图1g是描绘具有可切换接口154的系统100的另一示例实施例的框图。在该实施例中，系统100可以或者可以经指示以在从充电电源150接收功率与将功率输出到负载101之间选择。系统100可以配置成为多个负载101（包括主要负载和辅助负载两者）供电和/或从多个充电电源150（例如，公用事业运营的功率电网和本地可再生能量源（例如，太阳能））接收功率。
54.图1b描绘了系统100的另一示例实施例。这里，控制系统102实现为主控制装置（mcd）112，mcd 112分别通过通信路径或链路115-1至115-n与n个不同的本地控制装置（lcd）114-1至114-n通信耦合。每个lcd 114-1至114-n分别通过通信路径或链路116-1至116-n与一个模块108-1至108-n通信耦合，以使得lcd 114和模块108之间存在1:1关系。
55.图1c描绘了系统100的另一示例实施例。这里，mcd 112分别通过通信路径或链路115-1至115-m与m个不同的lcd 114-1至114-m通信耦合。每个lcd 114可以与两个或更多个模块108耦合并对其进行控制。在这里示出的示例中，每个lcd 114与两个模块108通信耦合，以使得m个lcd 114-1至114-m分别通过通信路径或链路116-1至116-2m与2m个模块108-1至108-2m耦合。
56.控制系统102可以配置成整个系统100的单个装置（例如，图1a），或者可以跨越多个装置分布或作为多个装置实现（例如，图1b-1c）。在一些实施例中，控制系统102可以分布在与模块108相关联的lcd 114之间，以使得mcd 112不是必需的，并且可以从系统100中省略。
57.控制系统102可以配置成使用软件（存储在存储器中的可通过处理电路执行的指令）、硬件或其组合来执行控制。控制系统102的这一个或多个装置可以各自包括处理电路120和存储器122，如这里所示。下面将进一步描述处理电路和存储器的示例实现。
58.控制系统102可以具有用于通过通信链路或路径105与位于系统100外部的装置104通信的通信接口。例如，控制系统102（例如，mcd 112）可以将关于系统100的数据或信息输出到另一控制装置104（例如，移动应用中的交通工具的电子控制单元（ecu）或马达控制单元（mcu）、固定应用中的电网控制器等）。
59.通信路径或链路105、106、115、116和118（图2b）可以各自是以并行或串行方式双向传达数据或信息的有线（例如，电、光）或无线通信路径。数据可以用标准化（例如，ieee、ansi）或自定义（例如，专有）的格式进行通信。在汽车应用中，通信路径115可以配置成根据flexray或can协议通信。通信路径106、115、116和118也可以提供有线功率，以便直接从一个或多个模块108为系统102提供操作功率。例如，每个lcd 114的操作功率可以只由与该lcd 114相连的这一个或多个模块108供应，而mcd 112的操作功率可以从模块108中的一个或多个间接供应（例如，诸如通过轿车的功率网络）。
60.控制系统102配置成基于从相同或不同的一个或多个模块108接收的状态信息来
控制模块108中的一个或多个。控制也可以基于一个或多个其它因素，诸如负载101的要求。可控方面包括但不限于每个模块108的电压、电流、相位和/或输出功率中的一个或多个。
61.可以将系统100中的每个模块108的状态信息传达给控制系统102，控制系统102可以独立地控制每个模块108-1
…
108-n。其它变型也是可能的。例如，特定模块108（或模块108的子集）可以基于以下信息进行控制：该特定模块108（或子集）的状态信息，不是该特定模块108（或子集）的不同模块108的状态信息，该特定模块108（或子集）以外的所有模块108的状态信息，该特定模块108（或子集）的状态信息和不是该特定模块108（或子集）的至少一个其它模块108的状态信息，或系统100中的所有模块108的状态信息。
62.状态信息可以是关于每个模块108的一个或多个方面、特性或参数的信息。状态信息的类型包括但不限于模块108或其一个或多个组件（例如，能量源、能量缓冲器、转换器、监测电路）的以下方面：该模块的这一个或多个能量源的电荷状态（soc）（例如，能量源的电荷水平相对于其容量，诸如分数或百分比），该模块的这一个或多个能量源的健康状态（soh）（例如，某个能量源的状况与其理想状况相比的品质因数），该模块的这一个或多个能量源或其它组件的温度，该模块的这一个或多个能量源的容量，该模块的这一个或多个能量源和/或其它组件的电压，该模块的这一个或多个能量源和/或其它组件的电流，和/或该模块的组件中的任何一个或多个组件中是否存在故障。
63.lcd 114可以配置成从每个模块108接收状态信息，或根据从每个模块108中或在每个模块108内接收的监测信号或数据确定状态信息，并将该信息传达到mcd 112。在一些实施例中，每个lcd 114可以将原始收集的数据传达到mcd 112，然后mcd 112在该原始数据的基础上在算法上确定状态信息。接着，mcd 112可以使用模块108的状态信息相应地做出控制决定。决定可采取指令、命令或其它信息（如本文所描述的调制指数）的形式，lcd 114可以利用此类指令、命令或其它信息来或维持或调整每个模块108的操作。
64.例如，mcd 112可接收状态信息并评估该信息以确定至少一个模块108（例如，其组件）与至少一个或多个其它模块108（例如，其可比组件）之间的差异。例如，，mcd 112可确定，与一个或多个其它模块108相比，某个特定模块108在以下条件之一下操作：以相对较低或较高的soc，以相对较低或较高的soh，以相对较低或较高的容量，以相对较低或较高的电压，以相对较低或较高的电流，以相对较低或较高的温度，或在有或无故障的情况下。在此类示例中，mcd 112可以输出控制信息，控制信息使得该特定模块108的相关方面（例如，输出电压、电流、功率、温度）降低或增加（取决于状况）。以这种方式，可以降低离群模块108（例如，在相对较低的soc或较高的温度下操作）的利用，以便使该模块108的相关参数（例如，soc或温度）向一个或多个其它模块108的相关参数收敛。
65.确定是否调整特定模块108的操作可以通过将状态信息与预定的阈值、限制或条件进行比较而不必通过与其它模块108的状态进行比较来做出。预定的阈值、限制或条件可以是静态的阈值、限制或条件，比如由制造商设置的在使用过程中不会改变的那些。预定的阈值、限制或条件可以是动态的阈值、限制或条件，它们在使用过程中被允许改变或确实改变。例如，如果某个模块108的状态信息指示其操作违反（例如，高于或低于）预定的阈值或限制或超出预定的可接受的操作条件的范围，则mcd 112可以调整该模块108的操作。类似地，如果某个模块108的状态信息指示存在实际或潜在的故障（例如，警报或警告）或指示不存在或已移除实际或潜在的故障，则mcd 112可以调整该模块108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，短路或其它电流过高的状况，开路，电压过高的状况，接收通信失败，接收到损坏的数据，等等。取决于故障的类型和严重程度，可以减少故障模块的利用以避免损坏该模块，或者可以完全停止该模块的利用。
66.mcd 112可以控制系统100内的模块108以达到或收敛到期望的目标。例如，目标可以是所有模块108在相对于彼此相同或类似的水平上操作，或在预定的阈值、限制或条件内操作。这个过程又称为在模块108的操作或操作特性中平衡或寻求达到平衡。本文中所使用的术语“平衡”并不要求模块108或其组件之间的绝对平等，而是广义上地用于表达系统100的操作可以用来积极地降低模块108之间原本存在的操作差异。
67.mcd 112可以将控制信息传达到lcd 114，用以控制与lcd 114相关联的模块108。控制信息可以是例如本文所描述的调制指数和参考信号、调制参考信号或其它。每个lcd 114可以使用（例如，接收和处理）控制信息以生成开关信号，这些开关信号控制（一个或多个）相关联的模块108内的一个或多个组件（例如，转换器）的操作。在一些实施例中，mcd 112直接生成开关信号，并将它们输出到lcd 114，lcd 114将开关信号中继到预期的模块组件。
68.控制系统102的全部或部分可以与控制移动或静止应用的一个或多个其它方面的系统外部控制装置104组合。当集成在这个共享或公共控制装置（或子系统）中时，系统100的控制可以用任何期望的方式实现，比如通过共享装置的处理电路执行的一个或多个软件应用、使用共享装置的硬件、或其组合。外部控制装置104的非详尽示例包括：具有一个或多个其它交通工具功能（例如，马达控制、驾驶者界面控制、牵引控制等）的控制能力的交通工具ecu或mcu；负责一个或多个其它功率管理功能（例如，负载接口连接、负载功率要求预测、传输和开关、与充电电源（例如，柴油、太阳能、风能）的接口、充电电源功率预测、备份电源监测、资产调度等）的电网或微电网控制器；以及数据中心控制子系统（例如，环境控制、网络控制、备份控制等）。
69.图1d和图1e是描绘可以在其中实现控制系统102的共享或公共控制装置（或系统）132的示例实施例的框图。在图1d中，公共控制装置132包括主控制装置112和外部控制装置104。主控制装置112包括用于通过路径115与lcd 114通信的接口141以及用于通过内部通信总线136与外部控制装置104通信的接口142。外部控制装置104包括用于通过总线136与主控制装置112通信的接口143以及用于通过通信路径136与整个应用的其它实体（例如，交通工具或电网的组件）通信的接口144。在一些实施例中，公共控制装置132可以集成为公共外壳或封装，其中包含作为离散集成电路（ic）芯片或封装实现的装置112和104。
70.在图1e中，外部控制装置104充当公共控制装置132，其中主控制功能性作为装置104内的组件112实现。该组件112可以是或可以包括存储和/或硬编码在装置104的存储器中并由其处理电路执行的软件或其它程序指令。该组件还可以包含专用硬件。该组件可以是自包含的模块或核，其具有用于与外部控制装置104的操作软件通信的一个或多个内部硬件和/或软件接口（例如，应用程序接口（api））。外部控制装置104可以管理通过接口141与lcd 114的通信，并且可以管理通过接口144与其它装置的通信。在各种实施例中，装置104/132可以集成为单个ic芯片，可以集成到单个封装中的多个ic芯片中，或者集成为公共外壳内的多个半导体封装。
71.在图1d和图1e的实施例中，系统102的主控制功能性在公共装置132中共享，但是，
或者容许共享控制的其它划分。例如，主控制功能性的部分可以分布在公共装置132和专用mcd 112之间。在另一个示例中，本地控制功能性的至少部分和主控制功能性都可以在公共装置132中实现（例如，其余的本地控制功能性在lcd 114中实现）。在一些实施例中，控制系统102的全部在公共装置（或子系统）132中实现。在一些实施例中，本地控制功能性在与每个模块108的另一组件共享的装置（诸如，电池管理系统（bms））中实现。
72.级联能量系统内的模块的示例模块108可以包括一个或多个能量源和功率电子转换器以及（如果需要的话）能量缓冲器。图2a-2b是描绘具有模块108的系统100的附加示例实施例的框图，模块108具有功率转换器202、能量缓冲器204和能量源206。转换器202可以是电压转换器或电流转换器。本文参考电压转换器描述了这些实施例，尽管实施例不限于此。转换器202可以配置成将来自能量源204的直流（dc）信号转换为交流（ac）信号，并通过功率连接110（例如，逆变器）输出它。转换器202还可以通过连接110接收ac或dc信号，并以连续或脉冲形式以任一极性将它应用到能量源204。转换器202可以是或可以包括诸如半桥或全桥（h-桥）之类的开关（例如，功率晶体管）的布置。在一些实施例中，转换器202只包括开关，并且转换器（以及模块作为整体）不包括变压器。
73.转换器202也可以（或备选地）配置成执行ac到dc转换（例如，整流器）以便从ac源为dc能量源充电，执行dc到dc转换，和/或执行ac到ac转换（例如，与ac-dc转换器组合）。在诸如执行ac-ac转换的一些实施例中，转换器202可以或者单独地或者与一个或多个功率半导体（例如，开关、二极管、晶闸管等）组合地包括变压器。在诸如重量和成本是重要因素的实施例之类的其它实施例中，转换器202可以配置成只使用功率开关、功率二极管或其它半导体装置而不使用变压器来执行转换。
74.能量源206最好是能够输出直流电并具有适合于电力驱动的装置的储能应用的能量密度的鲁棒的储能装置。燃料电池可以是单个燃料电池、串联或并联连接的多个燃料电池或燃料电池模块。每个模块中可以包含两个或更多个能量源，并且这两个或更多个能量源可以包括相同或不同类型的两个电池、相同或不同类型的两个电容、相同或不同类型的两个燃料电池、一个或多个电池与一个或多个电容和/或燃料电池的组合、以及一个或多个电容与一个或多个燃料电池的组合。
75.能量源206可以是电化学电池，比如单个电池单元、或一起连接在电池模块或阵列中的多个电池单元、或其任意组合。图4a-4d是描绘配置成单个电池单元402（图4a）、具有多个（例如，四个）单元402的串联连接的电池模块（图4b）、具有单个单元402的并联连接的电池模块（图4c）和包括具有支路（每个支路具有多个（例如，两个）单元402）的并联连接的电池模块（图4d）的能量源206的示例实施例的示意图。本文中的其它地方描述了电池类型的示例。
76.能量源206也可以是高能量密度（hed）电容，诸如超级电容（ultracapacitor/supercapacitor）。与典型的电解质电容的固体电介质类型相反，hed电容可以配置成双层电容（静电电荷存储）、赝电容（电化学电荷存储）、混合电容（静电和电化学）或其它。除了更高的容量之外，hed电容的能量密度可以是电解质电容的10到100倍（或更高）。例如，hed电容的比能量可以大于每千克1.0瓦时（wh/kg），并且电容大于10-100法拉（f）。与关于图4a-4d所描述的电池一样，能量源206可以配置成单个hed电容或一起连接成阵列（例如，串联、
并联或其组合）的多个hed电容。
77.能量源206也可以是燃料电池。燃料电池的示例包括质子交换膜燃料电池（pemfc）、磷酸燃料电池（pafc）、固体酸燃料电池、碱性燃料电池、高温燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融电解质燃料电池等。与关于图4a-4d所描述的电池一样，能量源206可以配置成单个燃料电池或一起连接成阵列（例如串联、并联或其组合）的多个燃料电池。前面提到的电池、电容和燃料电池的示例并不意在形成详尽的列表，并且本领域普通技术人员将认识到落在本发明主题的范围内的其它变型。
78.能量缓冲器204可以抑制或过滤跨越dc线路或链路（例如，如下文所描述的 v
dcl
和-v
dcl
）的电流中的波动，以协助维持dc链路电压的稳定性。这些波动可以是由转换器202的开关或其它瞬态引起的相对低频（例如，千赫兹）或高频（例如，兆赫）的波动或谐波。这些波动可以被缓冲器204吸收，而不是被传递到电源206或传递到转换器202的端口io3和io4。
79.功率连接110是用于向、从以及通过模块108传输能量或功率的连接。模块108可以将能量从能量源206输出到功率连接110，可以在功率连接110中将能量转移到系统的其它模块或负载。模块108还可以从其它模块108或充电电源（dc充电器、单相充电器、多相充电器）接收能量。还可以通过模块108旁路能量源206传递信号。进出模块108的能量或功率的路由转换器202在lcd 114（或系统102的另一实体）的控制下执行。
80.在图2a的实施例中，lcd 114实现为与模块108分离（例如，不在共享模块外壳内）的组件，并经由通信路径116连接到转换器202并能够与之通信。在图2b的实施例中，lcd 114作为模块108的组件包含在其中，并经由内部通信路径118（例如，共享总线或离散连接）连接到转换器202并能够与之通信。lcd 114还能够通过路径116或118从以及向能量缓冲器204和/或能量源206接收和传送信号。
81.模块108还可以包括监测电路208，监测电路208配置成监测（例如，收集、感知、测量和/或确定）模块108和/或其组件的一个或多个方面，诸如电压、电流、温度或构成状态信息（或可以用于通过例如lcd 114确定状态信息）的其它操作参数。状态信息的主要功能是描述模块108的这一个或多个能量源206的状态，以使得能够确定与系统100中的其它能量源相比有多少利用该能量源，不过在使用确定中也可以使用描述其它组件的状态（例如，缓冲器204中的电压、温度和/或故障存在、转换器202中的温度和/或故障存在、模块108中的其它地方中的故障存在等）的状态信息。监测电路208可以包括一个或多个传感器、分流器、分压器、故障检测器、库仑计数器、控制器或配置成监测此类方面的其它硬件和/或软件。监测电路208可以与各种组件202、204和206分离，或者可以与每个组件202、204和206集成（如图2a-2b所示），或其任意组合。在一些实施例中，监测电路208可以是电池能量源204的电池管理系统（bms）的一部分或与之共享。不需要离散电路来监测每种类型的状态信息，因为可以使用单个电路或装置来监测多于一种类型的状态信息，或者不需要附加电路就可以通过算法以其它方式确定多于一种类型的状态信息。
82.lcd 114可以通过通信路径116、118接收关于模块组件的状态信息（或原始数据）。lcd 114还可以通过路径116、118将信息传送到模块组件。路径116和118可以包括诊断、测量、保护和控制信号线。所传送的信息可以是一个或多个模块组件的控制信号。控制信号可以是转换器202的开关信号、和/或向模块组件请求状态信息的一个或多个信号。例如，lcd 114可以通过直接请求状态信息、或通过施加刺激（例如，电压）以使得生成状态信息而使得
通过路径116、118传送状态信息，在一些情况下，与将转换器202置于特定状态的开关信号组合。
83.模块108的物理配置或布局可以采取各种形式。在一些实施例中，模块108可以包括公共外壳，在公共外壳中容纳了所有模块组件（例如，转换器202、缓冲器204和能量源206）以及其它可选组件，诸如集成的lcd 114。在其它实施例中，各种组件可以在紧固在一起的离散外壳中分离。图2c是描绘具有存放模块的能量源206和伴随的电子器件（诸如监测电路208（未示出））的第一外壳220、存放模块电子器件（诸如转换器202、能量缓冲器204和其它伴随的电子器件，诸如监测电路（未示出））的第二外壳222以及存放模块108的lcd 114（未示出）的第三外壳224的模块108的示例实施例的框图。各种模块组件之间的电气连接可以穿过外壳220、222、224行进，并且可以暴露在外壳外部的任何地方上，以便与诸如其它模块108或mcd 112之类的其它装置连接。
84.系统100的模块108可以在各种配置中相对于彼此进行物理布置，各种配置取决于应用的需要和负载的数量。例如，在系统100为微电网供电的固定应用中，模块108可以放置在一个或多个机架或其它框架中。此类配置可能也适合于更大的移动应用，诸如海上船舶。备选地，模块108可以紧固在一起，并且位于共同外壳（称为组）中。机架或组可具有跨越所有模块共享的它自己的专用冷却系统。组配置对于诸如电动轿车之类的较小型移动应用有用。系统100可以使用一个或多个机架（例如，用于为微电网并联供电）或一个或多个组（例如，服务于交通工具的不同马达）、或其组合来实现。图2d是描绘系统100的示例实施例的框图，系统100配置成具有在电气和物理上一起耦合在公共外壳230内的九个模块108的组。
85.这些和进一步配置的示例如在2020年3月27日申请的题为“module-based energy systems capable of cascaded and interconnected configurations, and methods related thereto”的国际申请号pct/us20/25366中所描述，该国际申请出于所有目的以引用的形式全文并入到本文。
86.图3a-3c是描绘具有各种电气配置的模块108的示例实施例的框图。将这些实施例描述为每个模块108具有一个lcd 114，lcd 114容纳在相关联的模块内，但是如本文所描述可以按其它方式进行配置。图3a描绘了系统100内的模块108a的第一示例配置。模块108a包括能量源206、能量缓冲器204和转换器202a。每个组件都具有功率连接端口（例如，端子、连接器），可以将功率输入到这些端口中和/或可以从这些端口输出功率，这些端口在本文中称为io端口。取决于上下文，此类端口又可以称为输入端口或输出端口。
87.能量源206可以配置成本文所描述的能量源类型中的任何类型（例如，关于图4a-4d所描述的电池、hed电容、燃料电池或其它）。能量源206的端口io1和io2可以分别连接到能量缓冲器204的端口io1和io2。能量缓冲器204可以配置成缓冲或过滤通过转换器202到达缓冲器204的高频和低频能量脉动，否则此类脉动可能会使模块108的性能降级。选择缓冲器204的拓扑和组件，以适应这些高频电压脉动的最大可允许振幅。在图5a-5c的示意图中描绘了能量缓冲器204的若干个（非详尽的）示例实施例。在图5a中，缓冲器204是电解质和/或薄膜电容c
eb
，在图5b中，缓冲器204是由两个电感l
eb1
和l
eb2
与两个电解质和/或薄膜电容c
eb1
和c
eb2
形成的z-源网络710，并且在图5c中，缓冲器204是由两个电感l
eb1
和l
eb2
、两个电解质和/或薄膜电容c
eb1
和c
eb2
以及二极管d
eb
形成的准z-源网络720。
88.能量缓冲器204的端口io3和io4可以分别连接到转换器202a的端口io1和io2，转
换器202a可以配置成本文所描述的功率转换器类型中的任何类型。图6a是描绘转换器202a的示例实施例的示意图，转换器202a配置成可以在端口io1和io2处接收dc电压并进行开关以在端口io3和io4处生成脉冲的dc-ac转换器。转换器202a可以包括多个开关，并且这里，转换器202a包括按全桥配置布置的四个开关s3、s4、s5、s6。控制系统10二或lcd 114可以经由到每个栅极的控制输入线118-3独立控制每个开关。
89.开关可以是任何合适的开关类型，比如功率半导体，如这里所示的金属-氧化物-半导体场效应晶体管（mosfet）、绝缘栅双极晶体管（igbt）或氮化镓（gan）晶体管。半导体开关可以按相对较高的开关频率操作，从而容许转换器202在期望时以脉宽调制（pwm）模式操作，并在相对较短的时间间隔内对控制命令做出响应。这可以在瞬态模式中提供输出电压调节的高容差和快速动态行为。
90.在该实施例中，可以在端口io1和io2之间将dc线路电压v
dcl
施加到转换器202。通过借助于开关s3、s4、s5、s6的不同组合将v
dcl
连接到端口io3和io4，转换器202可以在端口io3和io4处生成三种不同的电压输出： v
dcl
、0和-v
dcl
。提供给每个开关的开关信号控制开关是开（闭合）还是关（断开）。为了获得 v
dcl
，开关s3和s6打开，而开关s4和s5关闭；而通过打开开关s4和s5并关闭开关s3和s6，可以获得-v
dcl
。通过打开s3和s5并关闭s4和s6，或者通过打开s4和s6而关闭s3和s5，可以将输出电压设置为零（包括接近于零）或参考电压。可以通过功率连接110从模块108输出这些电压。转换器202的端口io3和io4可以连接到（或形成）功率连接110的模块io端口1和2，从而生成输出电压以便供来自其它模块108的输出电压使用。
91.取决于供系统100用于生成转换器202的输出电压的控制技术，可以用不同的方式生成本文所描述的转换器202的实施例的控制或开关信号。在一些实施例中，控制技术是pwm技术，诸如空间向量脉宽调制（svpwm）或正弦脉宽调制（spwm）或其变型。图8a是描绘转换器202的输出电压波形802的示例的电压对时间的曲线图。为了便于描述，将在pwm控制技术的上下文中描述本文中的实施例，尽管实施例并不限于此。可以使用其它种类的技术。一种备选种类基于滞后，其示例如在国际公开号wo 2018/231810a1、wo 2018/232403a1和wo 2019/183553a1中所描述，这些国际公开案出于所有目的以引用的方式并入到本文。
92.每个模块108可以配置有多个能量源206（例如，两个、三个、四个或更多个）。模块108的每个能量源206都可控制（可切换）以独立于模块的其它能量源206向连接110供电（或从充电电源接收功率）。例如，所有能量源206可以同时向连接110输出功率（或进行充电），或者只有一个能量源206（或子集）可以在任一时间供电（或进行充电）。在一些实施例中，模块的能量源206可以在它们之间交换能量，例如，一个能量源206可以为另一能量源206充电。能量源206中的每个都可以配置成本文所描述的任何能量源（例如，电池、hed电容、燃料电池）。能量源206中的每个可以是相同类型（例如，每个都可以是电池）或不同类型（例如，第一能量源可以是电池，而第二能量源可以是hed电容，或者第一能量源可以是具有第一类型的电池（例如，nmc），而第二能量源可以是具有第二类型的电池（例如，lfp））。
93.图3b是描绘具有主能量源206a和辅能量源206b的双能量源配置中的模块108b的示例实施例的框图。主能量源206a的端口io1和io2可以连接到能量缓冲器204的端口io1和io2。模块108b包括具有附加io端口的转换器202b。缓冲器204的端口io3和io4可以分别连接到转换器202b的端口io1和io2。辅能量源206b的端口io1和io2可以分别连接到转换器
202b的端口io5和io2（还连接到缓冲器204的端口io4）。
94.在模块108b的该示例实施例中，主能量源202a以及系统100的其它模块108供应负载所需要的平均功率。辅能量源202b可以通过在负载功率峰值提供附加功率、或吸收多余的功率或其它方式充当协助能量源202的功能。
95.如上所述，取决于转换器202b的开关状态，可以同时或在单独的时间利用主能量源206a和辅能量源202b两者。如果同时使用，则可以将电解质和/或薄膜电容（c
es
）与能量源206b并联放置，如在图4e中所描绘，以便充当能量源206b的能量缓冲器，或者能量源206b可以配置成利用与另一能量源（例如，电池或燃料电池）并联的hed电容，如在图4f中所描绘。
96.图6b和6c分别是描绘转换器202b和202c的示例实施例的示意图。转换器202b包括开关电路部分601和602a。部分601包括以与转换器202a类似的方式配置成全桥的开关s3至s6，并且配置成选择性地将io1和io2耦合到io3和io4中的任一，从而改变模块108b的输出电压。部分602a包括配置成半桥并耦合在端口io1和io2之间的开关s1和s2。耦合电感lc连接在端口io5与存在于开关s1和s2之间的node1之间，以使得开关部分602a是可以调节（升压或降压）电压（或反之，电流）的双向转换器。开关部分602a可以在node1处生成两个不同的电压，即，以端口io2为基准的 v
dcl2
和0，端口io2可以处于虚拟零电位。从能量源202b汲取或输入到能量源202b的电流可以通过使用例如脉宽调制技术或用于换向开关s1和s2的滞后控制方法来调节耦合电感lc上的电压来进行控制。还可以使用其它技术。
97.转换器202c不同于202b，因为开关部分602b包括配置成半桥并耦合在端口io5和io2之间的开关s1和s2。耦合电感lc连接在端口io1与存在于开关s1和s2之间的node1之间，以使得开关部分602b配置成调节电压。
98.控制系统10二或lcd 114可以经由到每个栅极的控制输入线118-3来独立控制转换器202b和202c的每个开关。在这些实施例和图6a的实施例中，lcd 114（不是mcd 112）为转换器开关生成开关信号。备选地，mcd 112可以生成开关信号，可以将开关信号直接传达到开关，或通过lcd 114中继开关信号。
99.在模块108包括三个或更多个能量源206的实施例中，转换器202b和202c可以相应地缩放，以使得每个附加的能量源206b耦合到附加的io端口，从而导致附加的开关电路部分602a或602b，这取决于特定能量源的需要。例如，双能量源转换器202可以包括开关部分202a和202b两者。
100.具有多个能量源206的模块108能够执行附加功能，比如能量源206之间的能量共享、从应用内捕获能量（例如，再生制动）、甚至在整个系统处于放电状态时通过辅能量源对主能量源充电、以及模块输出的主动过滤。主动过滤功能也可以通过具有典型的电解质电容而不是辅能量源的模块来执行。这些功能的示例在2020年3月27日申请的题为“module-based energy systems capable of cascaded and interconnected configurations, and methods related thereto”的国际申请号pct/us20/25366和2019年3月22日申请的题为“systems and methods for power management and control”的国际公开号wo 2019/183553中进行了更详细地描述，这两个国际申请出于所有目的以全文引用的方式并入到本文。
101.每个模块108可以配置成利用其一个或多个能量源206为一个或多个辅助负载供电。辅助负载是要求比主负载101更低电压的负载。辅助负载的示例可以是例如电动交通工
具的车载电力网络、或电动交通工具的hvac系统。系统100的负载可以是例如电动交通工具马达或电力网的相位之一。该实施例可以允许能量源的电气特性（端子电压和电流）与负载的电气特性之间的完全解耦。
102.图3c是描绘模块108c的示例实施例的框图，模块108c配置成向第一辅助负载301和第二辅助负载302供电，其中，模块108c包括以类似于图3b的方式耦合在一起的能量源206、能量缓冲器204和转换器202b。第一辅助负载301要求的电压相当于从能量源206供应的电压。负载301耦合到模块108c的io端口3和4，而这两个端口又耦合到能量源206的端口io1和io2。能量源206可以将功率输出到功率连接110和负载301两者。第二辅助负载302要求比能量源206的电压更低的恒定电压。负载302耦合到模块108c的io端口5和6，这两个端口分别耦合到转换器202b的端口io5和io2。转换器202b可以包括开关部分602，开关部分602具有耦合到端口io5的耦合电感lc（图6b）。可以通过转换器202b的开关部分602将由能量源206供应的能量供应给负载302。假设，负载302具有输入电容（如果没有，则可在模块108c中添加电容），因此开关s1和s2可以进行换向，以调节耦合电感lc上的电压和经过其的电流，并且从而为负载302产生稳定的恒定电压。该调节可以将能量源206的电压逐步降低至负载302所要求的较低振幅电压。
103.模块108c因而可以配置成以关于负载301所描述的方式为一个或多个第一辅助负载供电，其中这一个或多个第一负载耦合到io端口3和4。模块108c也可以配置成以关于负载302所描述的方式为一个或多个第二辅助负载供电。如果存在多个第二辅助负载302，那么对于每个附加负载302，模块108c可以利用附加的专用模块输出端口（如5和6）、附加的专用开关部分602和耦合到附加部分602的附加转换器io端口进行扩展。
104.因此，能量源206可以为任意数量的辅助负载（例如，301和302）供电，并供应主负载101所要求的系统输出功率的对应部分。从能量源206到各种负载的功率流可以根据需要进行调整。
105.模块108可以根据需要配置有两个或更多个能量源206（图3b），并通过为每个附加的能量源206b或第二辅助负载302添加开关部分602和转换器端口io5而为第一和/或第二辅助负载供电（图3c）。可以根据需要添加额外的模块io端口（例如，3、4、5、6）。模块108也可以配置成互连模块，以便在两个或更多个阵列、两个或更多个包或两个或更多个系统100之间交换能量（例如，用于平衡），如本文中进一步描述。这种互连功能性同样可以与多个能量源和/或多个辅助负载供应能力组合。
106.控制系统102可以关于模块108a、108b和108c的组件执行各种功能。这些功能可以包括：管理每个能量源206的利用（使用量），保护能量缓冲器204免受过电流、过电压和高温状况的影响，以及控制和保护转换器202。
107.例如，为了管理（例如，通过增加、减少或维持来调整）每个能量源206的利用，lcd 114可以从每个能量源206（或监测电路）接收一个或多个监测电压、温度和电流。监测的电压可以是能量源206的独立于其它组件的每个基本组件（例如，每个单独的电池单元、hed电容和/或燃料电池）的电压中的至少一个，最好是所有电压，或者是多组基本组件作为整体的电压（例如，电池阵列、hed电容阵列和/或燃料电池阵列的电压）。类似地，监测的温度和电流可以是能量源206的独立于其它组件的每个基本组件的温度和电流中的至少一个，最好是所有的温度和电流，或者是多组基本组件作为整体的温度和电流，或者是其任意组合。
监测的信号可以是状态信息，lcd 114可以利用这些状态信息来执行以下操作中的一个或多个：运算或确定基本组件或基本组件群组的实际容量、实际电荷状态（soc）和/或健康状态（soh）；基于监测和/或计算的状态信息设置或输出警告或警报指示；和/或将状态信息传输到mcd 112。lcd 114可以从mcd 112接收控制信息（例如，调制指数、同步信号），并使用该控制信息来为转换器202生成用于管理能量源206的利用的开关信号。
108.为了保护能量缓冲器204，lcd 114可以从能量缓冲器204（或监测电路）接收一个或多个监测电压、温度和电流。监测的电压可以是缓冲器204的（例如，c
eb
、c
eb1
、c
eb2
、l
eb1
、l
eb2
、d
eb
的）每个基本组件独立于其它组件的电压中的至少一个，最好是所有电压，或者是多组基本组件或缓冲器204作为整体的电压（例如，io1和io2之间或io3和io4之间的电压）。类似地，监测的温度和电流可以是缓冲器204的每个基本组件独立于其它组件的温度和电流中的至少一个，最好是所有温度和电流，或者是各组基本组件或缓冲器204作为整体的温度和电流，或者其任意组合。监测的信号可以是状态信息，lcd 114可以利用这些状态信息来执行以下操作中的一个或多个：设置或输出警告或警报指示；将状态信息传达到mcd 112；或控制转换器202调整（增加或减少）能量源206和模块108作为整体的使用以进行缓冲器保护。
109.为了控制和保护转换器202，lcd 114可以从mcd 112接收控制信息（例如，调制的参考信号、或参考信号和调制指数），此类控制信息可以在lcd 114中与pwm技术一起用于为每个开关（例如，s1至s6）生成控制信号。lcd 114可以从转换器202的电流传感器接收电流反馈信号，该电流反馈信号可以与来自转换器开关的驱动电路（未示出）的一个或多个故障状态信号一起用于过电流保护，这一个或多个故障状态信号可以携带关于转换器202的所有开关的故障状态（例如，短路或开路故障模式）的信息。基于该数据，lcd 114可以决定使用开关信号的哪种组合来管理模块108的利用，并且潜在地旁路转换器202（和整个模块108）或将转换器202（和整个模块108）与系统100断开连接。
110.如果对为第二辅助负载302供电的模块108c进行了控制，则lcd 114可以接收模块108c中的一个或多个监测的电压（例如，io端口5和6之间的电压）和一个或多个监测的电流（例如，耦合电感lc中的电流，这是负载302的电流）。基于这些信号，lcd 114可以调整s1和s2的开关周期（例如，通过调整调制指数或参考波形）以控制（并稳定）负载302的电压。
111.级联能量系统拓扑的示例两个或更多个模块108可以耦合在级联阵列中，该级联阵列输出通过叠加由阵列内的每个模块108所生成的离散电压而形成的电压信号。图7a是描绘系统100的拓扑的示例实施例的框图，其中，n个模块108-1、108
ꢀ‑2…
108-n串联耦合在一起以形成串行阵列700。在该实施例和本文所描述的所有实施例中，n可以是大于一的任何整数。阵列700包括第一系统io端口sio1和第二系统io端口sio2，在这些端口两端生成阵列输出电压。阵列700可以用作dc或ac单相负载的dc或单相ac能量源，这些负载可以连接到阵列700的sio1和sio2。图8a是描绘通过具有48伏能量源的单个模块108所产生的示例输出信号的电压对时间的图表。图8b是描绘通过具有串联耦合的六个48v模块108的阵列700所生成的示例单相ac输出信号的电压对时间的图表。
112.系统100可以按各种各样不同的拓扑布置以满足应用的变化的需求。系统100可以通过使用多个阵列700来向负载提供多相功率（例如，两相、三相、四相、五相、六相等），其
中，每个阵列可以生成具有不同相位角的ac输出信号。
113.图7b是描绘具有耦合在一起的两个阵列700-pa和700-pb的系统100的框图。每个阵列700是由n个模块108的串联连接形成的一维。这两个阵列700-pa和700-pb可以各自生成单相ac信号，其中，这两个ac信号具有不同的相位角pa和pb（例如，相隔180度）。每个阵列700-pa和700-pb的模块108-1的io端口1可以分别形成或连接到系统io端口sio1和sio2，而系统io端口sio1和sio2又可以充当每个阵列的第一输出端，该第一输出端为负载提供两相功率（未示出）。或者备选地，端口sio1和sio2可以连接成从两个并行阵列提供单相功率。每个阵列700-pa和700-pb的模块108-n的io端口2可以在该阵列的与系统io端口sio1和sio2相反的一端上充当每个阵列700-pa和700-pb的第二输出端，可以在公共节点处耦合在一起，并且如果需要，可以可选地用于额外的系统io端口sio3，该端口sio3可以充当中立点。这个公共节点可以称为轨道，并且每个阵列700的模块108-n的io端口2可以称为位于阵列的轨道侧上。
114.图7c是描绘具有耦合在一起的三个阵列700-pa、700-pb和700-pc的系统100的框图。每个阵列700是由n个模块108的串联连接形成的一维。这三个阵列700-1和700-2可以各自生成单相ac信号，其中，这三个ac信号具有不同的相位角pa、pb、pc（例如，相隔120度）。每个阵列700-pa、700-pb和700-pc的模块108-1的io端口1可以分别形成或连接到系统io端口sio1、sio2和sio3，而这些系统io端口sio1、sio2和sio3又可以为负载（未示出）提供三相功率。每个阵列700-pa、700-pb和700-pc的模块108-n的io端口2可以在公共节点处耦合在一起，并且如果需要，可选地用于额外的系统io端口sio4，该端口sio4可以充当中立点。
115.关于图7b和图7c的两相和三相实施例所描述的概念可以扩展到系统100生成甚至更多的功率相。例如，附加示例的非详尽列表包括：系统100具有四个阵列700，每个阵列配置成生成具有不同相位角（例如，相隔90度）的单相ac信号：系统100具有五个阵列700，每个阵列配置成生成具有不同相位角（例如，相隔72度）的单相ac信号；以及系统100具有六个阵列700，每个阵列配置成生成具有不同相位角（例如，相隔60度）的单相ac信号。
116.系统100可以配置成使得阵列700在每个阵列内的模块108之间的电节点处相互连接。图7d是描绘具有以组合的串联和三角布置方式耦合在一起的三个阵列700-pa、700-pb和700-pc的系统100的框图。每个阵列700包括与n个模块108（其中，n为二或更大）的第二串联连接耦合的m个模块108（其中，m为二或更）的第一串联连接。三角配置由阵列之间的互连形成，阵列可以放置在任何想要的位置。在该实施例，阵列700-pc的模块108-(m n)的io端口2与阵列700-pa的模块108-m的io端口2和模块108-(m 1)的io端口1耦合在一起，阵列700-pb的模块108-(m n)的io端口2与阵列700-pc的模块108-m的io端口2和模块108-(m 1)的io端口1耦合在一起，并且阵列700-pa的模块108-(m n)的io端口2与阵列700-pb的模块108-m的io端口2和模块108-(m 1)的io端口1耦合在一起。
117.图7e是描绘具有以组合的串联和三角布置方式耦合在一起的三个阵列700-pa、700-pb和700-pc的系统100的框图。该实施例与图7d类似，不同之处在于具有不同的交叉连接。在该实施例中，阵列700-pc的模块108-m的io端口2与阵列700-pa的模块108-1的io端口1耦合，阵列700-pb的模块108-m的io端口2与阵列700-pc的模块108-1的io端口1耦合，并且阵列700-pa的模块108-m的io端口2与阵列700-pb的模块108-1的io端口1耦合。图7d和图7e的布置可以在每个阵列700中使用少至两个模块的情况下实现。组合的三角和串联配置使
得能够在系统的所有模块108（相间平衡）和功率电网或负载的相之间有效交换能量，并且还允许降低阵列700中的模块108的总数以获得期望的输出电压。
118.在本文所描述的实施例中，尽管在系统100内的每个阵列700中模块108的数量相同是有利的，但这不是所要求的，并且不同的阵列700可以具有不同数量的模块108。此外，每个阵列700可以包括具有相同配置（例如，所有模块都是108a、所有模块都是108b、所有模块都是108c、或其它）或不同配置（例如，一个或多个模块是108a、一个或多个模块是108b、一个或多个模块是108c、或其它）的模块108。因此，本文所涵盖的系统100的拓扑的范围是广泛的。
119.控制方法的示例实施例如上文所提及，系统100的控制可以根据诸如滞后或pwm之类的各种方法来执行。pwm的若干个示例包括空间向量调制和正弦脉宽调制，其中，转换器202的开关信号利用移相载波技术生成，移相载波技术连续旋转每个模块108的使用以在它们之中平等地分配功率。
120.图8c-8f是描绘移相pwm控制方法的示例实施例的图表，该控制方法可以使用逐渐移位的双电平波形来生成多电平输出pwm波形。x-电平pwm波形可以由（x-1）/2个双电平pwm波形的总和生成。这些双电平波形可以通过将参考波形vref与逐渐移位360
º
/(x-1)的载波进行比较来生成。载波是三角形，但是实施例不限于此。图8c中示出了九-电平示例（使用四个模块108）。载波逐渐移位360
º
/(9-1)= 45
º
，并将其与vref进行比较。由此产生的双-电平pwm波形如图8e所示。这些双电平波形可用作转换器202的半导体开关（例如，s1至s6）的开关信号。作为参考图8e的示例，对于包括各自具有转换器202的四个模块108的一维阵列700，0
º
信号用于控制第一模块108-1的s3，并且180
º
信号用于控制第一模块108-1的s6；45
º
信号用于控制第二模块108-2的s3，并且225
º
信号用于控制第二模块108-2的s6；90
º
信号用于控制第三模块108-3的s3，并且270
º
信号用于控制第三模块108-3的s6；并且135
º
信号用于控制第四模块108-4的s3，并且315
º
信号用于控制第四模块108-4的s6。s3的信号与s4互补，并且s5的信号与s6互补，其中具有足够的死区时间以避免每个半桥的射穿。图8f描绘了通过来自四个模块108的输出电压的叠加（求和）而产生的示例单相ac波形。
121.备选方案是与前(n-1)/2个载波一起利用正参考信号和负参考信号两者。图8d中示出了九-电平示例。在该示例中，0
º
至135
º
开关信号（图8e）是通过将 vref与图8d的0
º
至135
º
载波进行比较而生成的，并且180
º
至315
º
开关信号是通过将-vref与图8d的0
º
至135
º
载波进行比较而生成的。然而，后一种情况下的比较的逻辑是相反的。也可使用诸如状态机解码器之类的其它技术来为转换器202的开关生成栅极信号。
122.在多相系统实施例中，可以对每个相使用相同的载波，或者载波集合可以对于每个相作为整体进行移位。例如，在具有单个参考电压（vref）的三相系统中，每个阵列700可以使用相同数量的载波和相同的相对偏移，如图8c和图8d所示，但是第二相的载波与第一相的载波相比移位120度，并且第三相的载波与第一相的载波相比移位240度。如果对于每个相有不同的参考电压可用，则可以在参考电压中携带相信息，并且可以对每个相使用相同的载波。在许多情况下，载波频率将是固定的，但是在一些示例实施例中，载波频率可以调整，这可以有助于降低在大电流条件下ev马达中的损耗。
123.可以通过控制系统102将适当的开关信号提供给每个模块。例如，取决于lcd 114
所控制的这个或这些模块108，mcd 112可以将vref和适当的载波信号提供给每个lcd 114，并且lcd 114可以接着生成开关信号。或者，可以为阵列中的所有lcd 114提供所有载波信号，并且lcd可以选择适当的载波信号。
124.每个模块108的相对使用可以基于状态信息进行调整，以执行如本文所描述的一个或多个参数的平衡。参数的平衡可以涉及调整利用，以便与不执行单独的模块利用调整的系统相比，最大限度地减少参数随时间的差异。利用可以是系统100处于放电状态时模块108放电的相对时间量，或者是系统100处于充电状态时模块108充电的相对时间量。
125.如本文所描述，模块108可以相对于阵列700中的其它模块进行平衡，这可以称为阵列内平衡或相内平衡，并且不同的阵列700可以关于彼此进行平衡，这可以称为阵列间平衡或相间平衡。不同子系统的阵列700也可以关于彼此进行平衡。控制系统102可以同时执行相内平衡、相间平衡、模块内的多个能量源的利用、主动过滤和辅助负载供电的任意组合。
126.图9a是描绘用于单相ac或dc阵列的控制系统102的阵列控制器900的示例实施例的框图。阵列控制器900可以包括峰值检测器902、分压器904和相内（或阵列内）平衡控制器906。阵列控制器900可以接收参考电压波形（vr）和关于阵列中的这n个模块108中的每个模块的状态信息（例如，电荷状态（soci）、温度（ti）、容量（qi）和电压（vi））以作为输入，并生成归一化的参考电压波形（vrn）和调制指数（mi）以作为输出。峰值检测器902检测vr的峰值（vpk），这可以是控制器900正在操作和/或平衡的相位所特有的。分压器904通过将vr除以它的检测到的vpk而生成vrn。相内平衡控制器906使用vpk以及状态信息（例如，soci、ti、qi、vi等）来为受到控制的阵列700内的每个模块108生成调制指数mi。
127.调制指数和vrn可以用于为每个转换器202生成开关信号。调制指数可以是零到一之间的数字（包括0和1）。对于特定模块108，可以将归一化的参考vrn调制或缩放mi，并且根据关于图8c-8f所描述的pwm技术或根据其它技术，该调制后的参考信号（vrnm）可以用作vref（或-vref）。以这种方式，调制指数可以用于控制提供给转换器开关电路（例如，s3-s6或s1-s6）的pwm开关信号，并且从而调节每个模块108的操作。例如，受到控制以维持正常或完全操作的模块108可能会接收到一的mi，而受到控制以低于正常或完全操作的模块108可能会接收到小于一的mi，而受到控制以停止功率输出的模块108可能会接收到0的mi。该操作可以通过控制系统102以各种方式执行，比如：通过mcd 112将vrn和mi输出到适当的lcd 114以进行调制和开关信号生成；通过mcd 112执行调制并将调制后的vrnm输出到适当的lcd 114以进行开关信号生成；或通过mcd 112智慧型调制和开关信号生成并将开关信号直接输出到lcd或每个模块108的转换器202。可以在每隔一定时间发送mi（诸如，vrn的每个时段发送一次、或每分钟发送一次等等）的情况下连续发送vrn。
128.控制器906可以使用本文所描述的任何类型的状态信息（例如，soc、温度（t）、q、soh、电压、电流）或任何类型的状态信息的任何组合来为每个模块108生成mi。例如，当使用soc和t时，如果与阵列700中的其它模块108相比，某个模块108的soc相对较高，并且温度相对较低，则该模块108可以具有相对较高的mi。如果或者soc相对较低或者t相对较高，则该模块108可以具有相对较低的mi，从而导致利用低于阵列700中的其它模块108。控制器906可以确定mi，以使得模块电压之和不超过vpk。例如，vpk可以是每个模块的能量源206的电压和该模块的mi的乘积之和（例如，vpk = m
1v1 m
2v2 m
3v3
ꢀ…
m
nvn
等）。可使用调制指
数并且因此的模块的相应的电压贡献的不同组合，但是所生成的总电压应该保持不变。
129.在控制器900不会防止在任一时间（例如，诸如在ev的最大加速期间）实现系统的功率输出要求的程度，控制器900可以控制操作，以使得每个模块108中的（这个或这些）能量源的soc保持平衡或收敛到平衡的状况（如果它们不平衡的话），和/或使得每个模块中的（这个或这些）能量源或其它组件（例如，能量缓冲器）的温度保持平衡或收敛到平衡的状况（如果它们不平衡的话）。可以调节进、出模块的功率流，以使得能量源之间的容量差不会导致soc偏差。soc和温度的平衡可能会间接地导致soh的一定平衡。如果需要，电压和电流可以直接平衡，但是在许多实施例中，系统的主要目标是平衡soc和温度，并且在模块具有类似的容量和阻抗的高度对称的系统中，soc的平衡可能会导致电压和电流的平衡。
130.由于不可能同时平衡所有参数（例如，一个参数的平衡可能会进一步使另一参数失衡），所以取决于应用的要求，可在赋予任一参数优先级的情况下应用平衡任意两个或更多个参数（soc、t、q、soh、v、i）的组合。相较于其它参数（t、q、soh、v、i），可以赋予soc平衡中的优先级，但是如果其它参数（t、q、soh、v、i）之一达到阈值之外的严重的不平衡状况，则例外。
131.不同相的阵列700（或相同相的阵列，例如，如果使用并行阵列的话）之间的平衡可以与相内平衡同时执行。图9b描绘了配置用于在具有至少ω个阵列700的ω-相系统100中操作的ω-相（或ω-阵列）控制器950的示例实施例，其中，ω是大于一的任何整数。控制器950可以包括一个相间（或阵列间）控制器910和用于相pa至pω的ω个相内平衡控制器906-pa
…
906-pω以及峰值检测器902和分压器904（图9a），分压器904用于从每个相特定的参考vrpa至vrpω生成归一化的参考vrnpa至vrnpω。相内控制器906可以为每个阵列700的每个模块108生成mi，如关于图9a所描述。相间平衡控制器910配置成或编程为平衡跨越整个多维系统（例如，在不同相的阵列之间）的模块108的各个方面。这可通过向这些相注入共模（例如，中性点移位）或通过使用互连模块（本文所描述）或通过两者来实现。共模注入涉及通过vrpω向参考信号vrpa引入相位和振幅移位以生成归一化的波形vrnpa至vrnpω，从而补偿一个或多个阵列中的不平衡，它如在并入到本文的国际申请号pct/us20/25366中所进一步描述。
132.控制器900和950（以及平衡控制器906和910）可以在控制系统102内以硬件、软件或其组合实现。控制器900和950可以在mcd 112中实现，部分或完全地分布在lcd 114之中，或者可作为独立于mcd 112和lcd 114的离散控制器实现。
133.互连（ic）模块的示例实施例模块108可以连接在不同阵列700的模块之间，以便在阵列之间交换能量、充当辅助负载的能量源或两者兼有。此类模块在本文中称为互连（ic）模块108ic。ic模块108ic可以按已经描述过的模块配置（108a、108b、108c）和本文中即将描述的其它模块配置中的任何模块配置实现。ic模块108ic可以包括一个或多个能量源、可选的能量缓冲器、用于为一个或多个阵列供应能量和/或用于为一个或多个辅助负载供电的开关电路、控制电路（例如，本地控制装置）、以及用于收集关于ic模块本身或其各种负载的状态信息（例如，能量源的soc、能量源或能量缓冲器的温度、能量源的容量、能量源的soh、与ic模块相关的电压和/或电流测量、与（一个或多个）辅助负载相关的电压和/或电流测量等）的监测电路。
134.图10a是描绘能够利用ω个阵列700-pa至700-pω产生ω-相功率的系统100的示
例实施例的框图，其中，ω可以是大于一的任何整数。在该实施例和其它实施例中，ic模块108ic可以位于阵列700的轨道侧上，以使得与模块108ic相连的阵列700（在该实施例中为阵列700-pa至700-pω）在电气上连接在模块108ic和到负载的输出端（例如，sio1至sioω）之间。这里，模块108ic具有用于连接到阵列700pa至700-pω的每个模块108-n的io端口2的ω个io端口。在这里所描绘的配置中，模块108ic可以通过将模块108ic的这一个或多个能量源选择性地连接到阵列700-pa至700-pω中的一个或多个阵列（或不连接到输出端，或平等地连接到所有输出端，如果不要求相间平衡的话）来执行相间平衡。系统100可以由控制系统102（未示出，见图1a）进行控制。
135.图10b是描绘模块108ic的示例实施例的示意图。在该实施例中，模块108ic包括与能量缓冲器204连接的能量源206，而能量缓冲器204又与开关电路603连接。开关电路603可以包括用于将能量源206独立地连接到阵列700-pa至700-pω中的每个的开关电路单元604-pa至604-pω。可以对每个单元604使用各种开关配置，在该实施例中，单元604配置成具有两个半导体开关s7和s8的半桥。每个半桥由来自lcd 114的控制线路118-3控制。该配置类似于关于图3a所描述的模块108a。如关于转换器202所描述，开关电路603可以按任何布置并利用适合于应用要求的任何开关类型（例如，mosfet、igbt、硅、gan等）来配置。
136.开关电路单元604耦合在能量源206的正端子和负端子之间，并且具有连接到模块108ic的io端口的输出端。单元604-pa至604-pω可以由控制系统102控制，以便选择性地将电压 v
ic
或-v
ic
耦合到相应的模块i/o端口1至ω。控制系统102可以根据任何期望的控制技术（包括本文中所提到的pwm和滞后技术）来控制开关电路603。这里，控制电路102实现为lcd 114和mcd 112（未示出）。lcd 114可以从模块108ic的监测电路接收监测数据或状态信息。该监测数据和/或从该监测数据导出的其它状态信息可以输出到mcd 112，以用于本文所描述的系统控制。lcd 114还可以接收计时信息（未示出），以用于系统100的模块108和诸如在pwm中所使用的锯齿信号（图8c-8d）之类的一个或多个载波信号（未示出）的同步。
137.对于相间平衡，可以按比例将来自能量源206的更多能量供应给阵列700-pa至700-pω中与其它阵列700相比电荷相对较低的任意一个或多个阵列。将该补充能量供应给特定阵列700允许相对于（这个或这些）未得到供应的相阵列降低那些级联模块108-1至108-n的能量输出。
138.例如，在应用pwm的一些示例实施例中，lcd 114可以配置成（从mcd 112）接收与模块108ic耦合的这一个或多个阵列700中的每个阵列的归一化的电压参考信号（vrn），例如，vrnpa至vrnpω。lcd 114还可以从mcd 112分别接收每个阵列700的开关单元604-pa至604-pω的调制指数mipa至mipω。lcd 114可以利用直接耦合到该阵列的开关区段的调制指数来调制每个相应的vrn（例如，将两者相乘），然后利用载波信号来为每个开关单元604生成（这个或这些）控制信号。在其它实施例中，mcd 112可以执行调制，并将每个单元604的调制后的电压参考波形直接输出到模块108ic的lcd 114。在仍有的其它实施例中，所有处理和调制都可以由单个控制实体进行，该控制实体可以将控制信号直接输出到每个单元604。
139.可以对这种开关进行调制，以便以适当的间隔和持续时间将来自能量源206的功率供应给（这个或这些）阵列700。此类方法可以用各种方式实现。
140.基于收集到的系统100的状态信息，比如每个阵列中的每个能量源的当前容量（q）和soc，mcd 112可以确定每个阵列700的总电荷（例如，某个阵列的总电荷可以确定为该阵
列的每个模块的容量乘以soc的总和）。mcd 112可以确定是存在平衡还是不平衡的状况（例如，通过使用相对差阈值和本文所描述的其它度量），并且相应地为每个开关单元604-pa至604-pω生成调制指数mipa至mipω。
141.在平衡的操作过程中，可以将每个开关单元604的mi设置为使得通过能量源206和/或能量缓冲器204将随时间相同或类似量的净能量供应给每个阵列700的值。例如，每个开关单元604的mi可以相同或类似，并且可以设置为这样的水平或值，该水平或该值使得模块108ic在平衡操作期间执行将能量净或时间平均地放电给这一个或多个阵列700-pa至700-pω，以便使模块108ic以与系统100中的其它模块108相同的速率耗尽。在一些实施例中，可以将每个单元604的mi设置为在平衡操作期间不会使得能量的净或时间平均放电（使得净能量放电为零）的水平或值。如果模块108ic的总电荷低于系统中的其它模块，则这就可能有用。
142.当在阵列700之间发生不平衡的状况时，那么可以调整系统100的调制指数，以使得其向平衡的状况收敛或使进一步的差异最小化。例如，控制系统102可以使模块108ic以低于其它模块的电荷向阵列700更多地放电，并且还可以使该低阵列700的模块108-1至108-n相对较少地放电（例如，以平均时间为基础）。与被协助的阵列700的模块108-1至108-n相比，并且也与模块108ic对其它阵列贡献的净能量的量相比，由模块108ic所贡献的相对净能量增加。这可以通过以下方式来完成：增加供应该低阵列700的开关单元604的mi；以将该低阵列的vout维持在适当的或所要求的水平的方式降低该低阵列700的模块108-1至108-n的调制指数；并使供应其它较高阵列的其它开关单元604的调制指数维持相对不变（或降低它们）。
143.图10a-10b中的模块108ic的配置可以单独用于为单个系统提供相间或阵列间平衡，或者可以与一个或多个其它模块108ic组合使用，每个模块具有一个能量源和耦合到一个或多个阵列的一个或多个开关部分604。例如，具有与ω个不同阵列700耦合的ω个开关部分604的模块108ic可以与第二模块108ic组合，第二模块108ic具有与一个阵列700耦合的一个开关部分604，以使得这两个模块组合起来为具有ω 1个阵列700的系统100提供服务。任何数量的模块108ic都可以按这种方式组合，每个模块与系统100的一个或多个阵列700耦合。
144.此外，ic模块可以配置成在系统100的两个或更多个子系统之间交换能量。图10c是描绘具有通过ic模块互连的第一子系统1000-1和第二子系统1000-2的系统100的示例实施例的框图。具体来说，子系统1000-1配置成借助于系统i/o端口sio1、sio2和sio3向第一负载（未示出）供应三相功率pa、pb和pc，而子系统1000-2配置成借助于系统i/o端口sio4、sio5和sio06分别向第二负载（未示出）供应三相功率pd、pe和pf。例如，子系统1000-1和1000-2可以配置成为ev的不同马达供电的不同组，或配置成为不同的微电网供电的不同机架。
145.在该实施例中，每个模块108ic与子系统1000-1的第一阵列（经由io端口1）和子系统1000-2的第一阵列（经由io端口2）耦合，并且每个模块108ic可以借助于i/o端口3和4与每个其它模块108ic电气连接，i/o端口3和4与每个模块108ic的能量源206耦合，如关于图3c的模块108c所描述。这种连接将模块108ic-1、108ic-2和108ic-3的能量源206并行放置，并且因此由模块108ic存储和供应的能量通过这种并行布置汇集在一起。也可以使用其它
布置，诸如串行连接。模块108ic容纳在子系统1000-1的公共壳体内，但是这些互连模块可以位于公共壳体外部，并且在物理上作为两个子系统1000的公共壳体之间的独立实体定位。
146.每个模块108ic具有与io端口1耦合的开关单元604-1和与i/o端口2耦合的开关单元604-2，如关于图10b所描述。因此，为了在子系统1000之间平衡（例如，组间或机架间平衡），特定的模块108ic可以为与它所连接的两个阵列中的任何个或两个阵列供应相对更多的能量（例如，模块108ic-1可以为阵列700-pa和/或阵列700-pd供电）。控制电路可以监测不同子系统的阵列的相对参数（例如，soc和温度），并调整ic模块的能量输出，以便以与本文描述为补偿相同机架或组的两个阵列之间的不平衡的方式相同的方式来补偿不同子系统的阵列或相位之间的不平衡。由于所有三个模块108ic都是并联的，所以可以在系统100的任何和所有阵列之间有效地交换能量。在该实施例中，每个模块108ic为两个阵列700供电，但是可以使用其它配置，包括单个ic模块用于系统100的所有阵列以及对于每个阵列700具有一个专用ic模块的配置（例如，六个阵列有六个ic模块，其中，每个ic模块具有一个开关单元604）。在具有多个ic模块的所有情况下，能量源可以并联耦合在一起，以便共享能量，如本文所描述。
147.在相位之间具有ic模块的系统中，相间平衡也可以通过如上文所描述的中性点移位（或共模注入）来执行。此类组合允许在更广泛的操作条件下更鲁棒且灵活的平衡。系统100可以确定仅通过中性点移位、仅通过相间能量注入或同时使用两者的组合执行相间平衡的适当情况。
148.ic模块也可以配置成为一个或多个辅助负载301（以与能量源206相同的电压）和/或一个或多个辅助负载302（以从能量源302逐渐降低的电压）供电。图10d是描绘三相系统100a的示例实施例的框图，三相系统100a具有经连接以执行相间平衡并为辅助负载301和302供电的两个模块108ic。图10e是描绘系统100的该示例实施例的示意图，其重点放在模块108ic-1和108ic-2上。这里，控制电路102同样实现为lcd 114和mcd 112（未示出）。lcd 114可以从模块108ic接收监测数据（例如，es1的soc、es1的温度、es1的q、辅助负载301和302的电压等），并且可以将这些和/或其它监测数据输出到mcd 112，以用于系统控制，如本文所描述。每个模块108ic可以对于由该模块供电的每个负载302包括开关部分602a（或关于图6c描述的602b），并且每个开关部分602可以由lcd 114或独立控制或基于来自mcd 112的控制输入进行控制以维持负载302的所要求的电压电平。在该实施例中，每个模块108ic包括连接在一起以便这一个负载302供电的开关部分602a，尽管这不是所要求的。
149.图10f是描绘配置成为一个或多个辅助负载301和302供电的具有模块108ic-1、108ic-2和108ic-3的三相系统的另一示例实施例的框图。在该实施例中，模块108ic-1和108ic-2以与关于图10d-10e所描述的方式相同的方式进行配置。模块108ic-3配置成纯粹辅助的角色，它不主动向系统100的任何阵列700中注入电压或电流。在该实施例中，模块108ic-3可以像图3b的模块108c一样配置，它包括具有一个或多个辅助开关部分602a、但省略了开关部分601的转换器202b、c（图6b-6c）。因此，模块108ic-3的这一个或多个能量源206与模块108ic-1和108ic-2的能量源并联互连，并且因此，系统100的该实施例配置有额外的能量，以用于为辅助负载301和302供电，并用于通过与模块108ic-3的能量源206的并联连接维持模块108ic-1和108ic-2的能量源206a上的电荷。
150.每个ic模块的能量源206可以与系统的其它模块108-1至108-n的能量源206具有相同的电压和容量，尽管这不是所要求的。例如，在一个模块108ic将能量施加到多个阵列700（图10a）以允许该ic模块以与相阵列模块本身相同的速率放电的实施例中，相对较高的容量可能是可取的。如果模块108ic也为辅助负载供电，则可能期望甚至更大的容量，以便容许ic模块即为辅助负载供电并又以与其它模块相对相同的速率放电。
151.关于图1a-10f所描述的前面提到的实施例可以与涉及系统100的冷却系统以及在具有可移动和可更换模块的应用中的系统100的实现的所有以下实施例一起使用。
152.冷却系统的示例实施例由于系统100在操作过程中所生成的热量可能非常大，所以通常必需提供冷却系统，该冷却系统具有靠近系统100的各种元件和/或马达和ev的任何其它要求冷却的元件循环冷却剂的功能。图11a描绘了冷却布置1100的示例，其中，通过泵1101抽吸冷却剂以通过布置1100的各个元件。冷却剂可以循环，以使得首先安排具有最大冷却要求的组件，并且最后冷却具有较宽松的热要求的那些组件。例如，在该实施例中，泵1101首先向电池模块206循环冷却剂，电池模块206可能要求在20至30℃之间的相对较低温度的冷却剂；然后向模块108的功率转换器202和控制（例如，lcd 114）电子器件1104循环冷却剂，这些组件可能要求至多40或50℃的相对较高温度的冷却剂；最后到达这一个或多个马达1106，它们可能要求低于60℃的更高温度的冷却剂。在紧密靠近这些组件循环以便冷却它们之后，冷却剂可以继续通过热交换器1108，在热交换器1108中，它的温度恢复到接近于电池模块206的要求的温度，这时它通过泵1101循环，并且循环重复。
153.本文所描述的子系统1000中的一个或多个子系统可以在公共壳体中实现。包含在公共壳体内的储能系统常称为组，例如电池组。图11b描绘了用于系统100的一个或多个子系统的公共壳体1110的示例。公共壳体1110将包括这一个或多个子系统的模块108中的每个模块，并且还可以包括现有的任何互连模块。转换器的能量源、能量缓冲器和功率电子器件（开关电路）、控制电子器件以及模块的任何其它组件都将包含在公共壳体1110中。例如，见图11e，其中，电池模块206位于底部，并且相关联的功率转换器和控制电子器件1104位于壳体内电池上方。公共壳体1110可以包括底部壳体1112（诸如底座）和相对的顶部壳体1111（诸如盖子），并且顶部和底部壳体都可以包括用于通过壳体1111和1112的那些方面循环冷却剂以冷却模块108的一个或多个导管。如这里所示，来自泵301的冷却剂可以循环到底部壳体1112，在底部壳体1112中它经过导管网络1114，就像对于顶部壳体1111所示，并且因此靠近电池传递，并为它们提供冷却。冷却剂可以从底部壳体1112退出并传递到顶部壳体1111（或者通过位于壳体1110外部的导管，或者经由壳体1110侧面或内部的导管），并通过导管网络1114循环，在导管网络1114中它靠近模块的电子器件传递并冷却它们。然后，冷却剂可以从顶部壳体1111退出，其中它可以继续到系统的下一个组件，诸如（一个或多个）马达1106。
154.在一些实施例中，有可能只通过壳体1111的顶部提供冷却剂并冷却模块108的所有方面，而无需首先冷却电池并接着随后冷却电子器件。图11c描绘了示例布置320，其中，冷却剂从泵301循环到模块320，在模块320中，它同时冷却电池和相关联的电子器件两者，然后传递到（一个或多个）马达1106和热交换器1108。图11d描绘了类似于图11b的示例实施例，但是其中，冷却剂仅在顶部壳体内经过导管网络1114。
155.图11e是示出壳体1110内的模块的示例布局的透视图。这里，将每个模块示为电池与它的转换器相邻（例如，第一模块是电池1和转换器1的组合，依此类推）。这里只示出了顶部壳体1111，并且为了清楚起见，省略了壳体1110的两侧和底部以及顶部外壳内的导管网络。在该示例中，将转换器放置在电池上方，并且冷却剂在转换器上方流过顶部壳体1111，以使得来自电池的热量通过转换器向上传递到顶部壳体1111，在顶部壳体1111通过循环冷却剂去除热量。也可以实现反向配置，其中，将转换器放置在底部，并将电池放置在转换器上方，并且同样按照图11e通过顶部壳体或者按照图11b通过底部和顶部两者提取热量。在仍有的另一实施例中，转换器和电池可以如图11e所示那样或按相反的配置进行布置，但是冷却剂只能通过底部壳体传递。在再一个实施例中，转换器和电池可以并排放置，并且冷却剂可以通过顶部和/或底部壳体循环。所有前面提到的变型都可以在冷却剂还经过壳体的顶部、底部和/或侧面中的导管网络的情况下实现。
156.图11f是其中转换器和控制电子器件1108位于电池206上方的示例实施例的横截面。将关于位于顶部壳体1111内的导管1114描述该实施例，但是该实施例的特征可以同样适用于如所描述地在壳体的底部或壳体的侧面内通过的导管1114。在图11f中，转换器和控制系统的电子器件1108包含在电子外壳1122中。电子器件1108安装在诸如印刷电路板（pcb）或绝缘金属基板（ims）板之类的一个或多个基板1124上，这一个或多个基板提供在各种组件之间通过的电气连接。pcb或ims在电子器件1108上方定向，以便以倒置的方式安装电子器件。电池206位于外壳1122下方，并位于底座1126上，底座1126可以是底部壳体。电池206具有位于电池的顶部上的正、负端子1128。电气连接1130从端子1128通过外壳1122（或备选地在其外部）延伸到pcb或ims和/或用于开关的转换器电子器件。pcb或ims位于与由高导热材料（例如铝、铝合金、铜或钢）组成的散热片板1132紧紧相邻的位置。
157.顶部壳体1111包括用于冷却剂1136的导管1114，如关于图11b和图11d所描述。导管1114可以由高导热材料（例如，铝、铜或钢）组成，并且形状为多边形横截面，如这里所描绘，不过也可以使用其它形状，诸如椭圆形、或圆形、或圆形和多边形形状的组合。导管1114可以位于顶部壳体1111中的通道1120内，通道1120的形状与导管相对应。例如，如果导管1114具有多边形横截面，那么通道1120也可以具有多边形横截面，以允许导管1114位于其中。顶部壳体1111也可以由高导热材料（例如，铝、铜或钢）组成。可以将通道1120机加工或蚀刻到顶部壳体1111中，并且导管1114可以在其中压配合。
158.如这里所示，导管1114的两个区段在系统100的特定模块108上方通过。如果需要，可以在导管1114的底部表面和散热片1132的顶部表面之间存在界面层1134。界面层1134可以是具有高导热性和一定程度的可变形性或弹性以便在散热片1132与导管1114的底部表面（以及顶部壳体1111的底部表面）之间形成连续且持久的接触的材料。界面层1134可以比顶部壳体1111和散热片1132相对薄，并且界面层1134可以由例如导热聚合物组成。
159.在该实施例中，导管1114被示为在一个模块上方通过，然而，导管1114的布局的密度将基于应用的热要求变化。虽然最好至少有一个导管1114在每个模块上方通过，但这不是所要求的。一个导管1114可以由两个或更多个模块共享。导管1114可敷设在模块的中心上方，或者可以在与模块的侧面相距约三分之一的位置处（如在图11f中所描绘），或者在其它位置。
160.对于本文中所描述的只使用壳体1110的顶部壳体的实施例，关于图11f所描述的
配置可以完成可靠的冷却。如上所述，类似的布置可以沿壳体1110的两侧和/或沿壳体1110的底部放置，以使得导管1114与电池的底部相邻或通过第二层界面层与电池的底部分离。
161.可移除和可更换模块的示例实施例本文所描述的示例拓扑可以配置成容许将每个模块108的能量源206从ev内的位置移除并加以更换。这种可移除和可更换的能力可以用来快速且方便地将电荷相对较低的电池（或其它能量源）更换为电荷相对较高的电池，从而潜在地大大降低给ev充电所必需的时间。此类能力对于ev的利用时间在一天中延长的时段的环境有利，诸如车队运营（例如，拼车、送货或轿车租赁）。
162.图12a和图12b描绘了具有可更换电池（或其它能量源）能力的ev 1200的示例实施例。在该实施例中，ev的每一侧（左和右）都具有总共一个电池检视面板或门，它在ev操作期间关闭，并打开以容许进入到存放系统100的各种电池的空间1202。电池可以具有薄的形状因子，以使得电池具有相对较长的长度和相对较短的高度，这将在本文中更详细地描述。较短的高度允许电池沿底盘的底部放置，以使得任何乘客或驾驶者都可以位于电池及其模块上方，而不会显著地增加ev 1200的整体高度。图12a描绘了总共一个电池检修门关闭的ev 1200，而图12b描绘了电池检修门1201打开的ev 1200，在这种情况下它处于抬起的位置。打开总共一个电池检修门会暴露电池检修空间1202，可以从空间1202移除每个电池并更换为另一电池（或在某些情况下在充电或修复后为相同电池）。
163.在图12a-12b的实施例以及下文所描述的图13a的实施例中，每个电池都配置成具有多个单元的电池模块（bm）。模块化能量系统包括用于为ev 1200的不同电动马达供电的多个子系统。每个电池模块关于其所在的子系统、其所在阵列的相位以及容纳电池模块的模块所在阵列的等级进行引用。例如，将与第一子系统、第一子系统的相位a的阵列以及该阵列的等级2中的模块（例如，模块108-2）相关联的电池模块标记为bm1a2（电池模块、子系统1、相位a、等级2）。与根据本文所描述的任何实施例配置的互连模块108ic相关联的电池模块通过其状态标记为互连模块（ic）、借以对其进行检修的电池检修门1201（l为左、r为右）以及该互连模块的编号（例如，1、2、3）。例如，作为可从交通工具左侧检修的第三互连模块的一部分的电池模块标记为bmicl3。图13a的转换器（c）以类似的方式引用。
164.图13a是其中包含系统100的ev 1200的示例实施例的横截面的自顶向下视图。在该实施例中，ev 1200包括四个轮内马达1-4。在左边和右边示出电池检修门1201。系统100以与关于图13b所描述的电气布置类似的电气布置进行配置。在该实施例中，每个马达由三个阵列供电，每个阵列中具有三个模块108。系统100可以配置用于每个阵列中的任意数量的模块n，其中，n为二或更大。这里，每个模块由与转换器耦合的电池模块表示，其它组件没有示出。转换器可以包括与该模块相关联的所有电子器件（包括该模块的本地控制装置114）。电池所特有的电子器件（例如，诸如电池管理系统（bms））可以位于与电池模块一起。在ev 1200的中心区域中示出模块之间的功率连接。这些连接可以用绝缘总线条实现。绝缘总线条可以沿转换器的内侧（如这里所示）、沿转换器的底部、沿转换器的顶部或其任意组合布置，以有效地转移功率。虽然没有示出，但是还存在模块之间以及与主控制装置112的数据通信。
165.还示出了六个ic模块108ic。互连模块icl1、icl2和icl3互连为马达1和2供电的子系统，而互连模块icr1、icr2和icr3互连为马达3和4供电的子系统。互连模块可以用于为辅
助负载（未示出）供电并执行相间平衡。
166.图14a是描绘电池模块206和用于模块电子器件的外壳1402的示例实施例的透视图。电池模块206可以配置有任何标准操作电压（例如，24v、48v、60v等），并具有轻薄的形状因子。这里所示的长尺寸（长度）可以大于18英寸，而宽度和高度可以是6英寸或更小。在其它实施例中，长度可以是宽度的至少两倍、宽度的至少三倍、宽度的至少四倍、或宽度的至少五倍。在该实施例中，宽度约为高度的一半。外壳1402附连到导轨1404，导轨1404可以引导电池模块206滑动运动到与转换器和其它电子器件（例如，能量缓冲器204、lcd 114）电气连接。电池模块206具有正端子1411（如这里所示）以及在相对一侧上的负端子（未示出）。取决于实施例，定向可以相反。也可以实现另一配置，其中，正端子和负端子都位于同一侧（面向外壳1402）上，如图14f所示。电池模块206还具有用于携带关于电池的信息（诸如电荷和温度信息）的数据连接（未示出），在该数据连接中可以与外壳1402上标记为bms的电连接器相匹配。电池模块206可以锁到或锁定到与外壳1402内的电子器件锁定和连接的位置。图14a描绘了可以相对于导轨1404转环的面板形式的锁扣机构1406的一个示例实施例。面板包括可以与电池的正端子1411连接的功率连接器1408（ ）。另一功率连接器1409（-）示为位于bms端口下方，并且该连接器可以与电池模块206上的负端子配合。
167.图14d描绘了在滑到（或脱离）与外壳1402内的电子器件的电气触点过程的电池模块206。图14e描绘了在完全前进到与电子器件接触之后以及在锁扣机构1406已经抬起到与电池模块206的正端子形成电气连接的锁定位置之后的电池模块206。来自该连接的功率可以沿导轨1404的底侧发送到另一端上的电子器件。在图14e的位置中，电池模块206相对于外壳1402处于紧固位置，并且电池模块206与外壳1402内的电子器件之间的所有电气连接已经形成。在ev操作期间，电池模块206将处于在图14e中所描绘的位置。
168.为了移除完全或部分放电的电池模块206，可以打开ev的电池检修门1201，可以打开该电池模块206的锁扣机构1406，并且可以沿导轨1404将电池模块206滑出而不与电子器件电气触点，并且通过打开的电池检修门1201从ev 1200移除。以这种方式，可以在几分钟（例如，五分钟或更短时间）内陆陆续续移除并更换所有模块的所有电池模块206，以将低电量的ev 1200转换为高电量或充满电。
169.图14b是描绘与具有bms和功率连接器1409（-）端口的一端相对的外壳1402的另一端的端视图。这里示出了用于向以及从外壳1402内的本地控制装置114（未示出）交换信息的控制和数据端口。来自该控制和数据端口的信息可以路由到系统100的其它模块和主控制装置112（未示出）。还示出了用于连接到系统100的其它组件的功率连接端口1和2，这取决于模块在系统100中的位置（例如，连接到其它模块或连接到马达）。见例如图3a-3c的模块108a-108c的io端口1和2。
170.图14c是描绘互连模块外壳1402的端部的端视图。互连模块108ic可以与关于图14a、14b、14d、14e和14f所描述的大体上相同地配置，只是具有用于为其它互连模块108ic以及辅助负载301和302供电（例如，图13b）供电的附加功率连接端口3、4、5和/或6（例如，图3c的模块108c的io端口3-6）。
171.关于图14a-14f所描述的各种数据和功率连接端口可以用任何期望的方式实现。例如，电池模块206上的端口可以配置为设计成与外壳1402和锁扣机构1406上的对应的母端口耦合的公端口，或反之。图14b和14c中所示的io端口均可以实现为设计成与用于向以
及从外壳1402携带数据和/或功率的总线条或其它连接器耦合的公端口或母端口。
172.虽然不限于此，但是本发明实施例可以与具有通用ev平台的电动交通工具一起使用，通用ev平台包括具有储能系统以及附连到储能系统的一个或多个马达、不带传动系的轮内马达、或组合的电动动力系统。通用ev平台可以是ev的基本框架或底盘，取决于特定应用，它可以与任意数量的ev车身附连、配合或以其它方式集成，ev车身可以是诸如自动化无人驾驶和无乘客车身（例如，用于自动化送货服务的低电压应用）、用于搭载至少一名乘客或驾驶者（并且因此具有中度或中等电压要求）的不要求运输重负载的应用的中型车身（例如，厢式轿车、轿跑或跑车）、以及用于移动多个乘客和一名驾驶者和/或大负载（并且因此要求相对较高的电压功率要求）的大型车身（例如，客运客车、载货等）。
173.在下文、在对到目前为止所描述的实施例的回顾和/或补充中阐述了本主题的各个方面，这里的重点放在以下实施例的相互关系和可互换性上。换句话说，强调这样一个事实，即，除非另外明确指出或教导，否则实施例的每个特征都可以与每个其它特征组合。
174.在许多实施例中，提供一种可控制以向负载供电的模块化能量系统，该系统包括：连接在一起以输出ac电压信号的多个模块，ac电压信号包括来自每个模块的第一输出电压的叠加，其中，每个模块包括能量源以及转换器电子器件，转换器电子器件配置成连接到能量源并从能量源生成第一输出电压；以及用于所述多个模块的壳体，其中，壳体配置成传递冷却剂以冷却所述多个模块。
175.在一些实施例中，壳体包括配置成传递冷却剂的导管区段。壳体可以包括形状与导管区段的形状相对应的通道，其中，导管区段位于通道内。导管区段压配合在通道内。所述多个模块中的第一模块可以具有安装在基板上的转换器电子器件，并且基板可以位于导管区段和第一模块的转换器电子器件之间。基板和转换器电子器件可以位于第一模块的能量源和导管区段之间。该系统可以进一步包括位于导管区段和基板之间的散热片。该系统可以进一步包括位于导管区段和散热片之间的界面层。界面层可以是可变形的。导管区段可以与界面层接触，界面层可以与散热片接触，并且散热片可以与基板接触。说是多个模块中的每个模块可以具有安装在基板上的转换器电子器件，并且基板可以位于导管区段和每个模块的转换器电子器件之间。
176.在一些实施例中，壳体包括第一底座区段、与底座区段相对的第二区段和侧壁区段。导管区段可以位于第一底座区段、第二区段和侧壁区段中的至少一个区段内。第二区段是壳体的盖子，并且其中，导管区段在盖子内。
177.在许多实施例中，提供一种用于冷却电动交通工具的模块化能量系统的方法，该方法包括：通过冷却设备靠近模块化能量系统泵送冷却剂，以使得冷却剂冷却模块化能量系统的模块；然后靠近ev的马达泵送冷却剂以冷却马达；以及然后通过热交换器泵送冷却剂以冷却冷却剂。
178.在一些实施例中，通过冷却设备泵送冷却剂包括：靠近模块化能量系统的模块的至少一个电池泵送冷却剂，以冷却所述至少一个电池；然后靠近模块的电子器件泵送冷却剂以冷却电子器件。
179.在一些实施例中，通过冷却设备泵送冷却剂包括通过模块化能量系统的壳体的某一区段泵送冷却剂。该区段可以是底座区段、与底座区段相对的第二区段和侧壁区段中的至少一个区段。
180.在一些实施例中，通过冷却设备泵送冷却剂包括：先通过模块化能量系统的壳体的底座区段泵送冷却剂，然后通过与底座区段相对的壳体的第二区段泵送冷却剂。模块化能量系统的模块的电池可以位于与底座区段相邻的位置，并且模块化能量系统的模块的电子器件可以位于与第二区段相邻的位置。通过冷却设备泵送冷却剂可以包括仅通过底座区段、第二区段和侧壁区段之一泵送冷却剂。
181.在许多实施例中，提供一种可控制以向电动交通工具的马达供电的模块化能量系统，该系统包括：至少三个阵列，每个阵列包括连接在一起以输出ac电压信号的多个模块，ac电压信号包括来自每个模块的第一输出电压的叠加，其中，每个模块包括能量源和配置成从能量源生成第一输出电压的转换器电子器件，其中，由三个阵列输出的ac电压信号向马达供应三相功率，其中，能量源可释放地连接到转换器电子器件。
182.在一些实施例中，该系统进一步包括配置将能量源成可释放地连接到转换器电子器件的锁扣机构。每个模块可以包括用于存放转换器电子器件的外壳。外壳可以耦合到能量源的导轨。能量源可以沿导轨滑动。
183.在一些实施例中，能量源具有宽度、长度和高度，其中，长度是宽度的至少两倍。长度可以是宽度的至少三倍。长度可以是宽度的至少四倍。
184.在一些实施例中，锁扣机构包括用于将能量源连接到转换器电子器件的功率连接器。
185.在一些实施例中，系统包括至少一个互连模块，所述至少一个互连模块包括能量源和转换器，其中，互连模块的转换器耦合到阵列中的至少两个阵列。互连模块可以包括用于存放互连模块的转换器的外壳，其中，外壳包括控制端口、用于将转换器耦合到阵列中的至少两个阵列的至少两个连接器、以及用于将能量源或互连模块的转换器耦合到至少一个辅助负载的至少两个连接器。
186.在一些实施例中，能量源是电池模块。每个模块的外壳可以包括用于将电池模块的电池管理系统连接到容纳在外壳内的本地控制装置的连接器。
187.在一些实施例中，该系统进一步包括用于控制模块的转换器的控制系统。控制系统配置成控制每个阵列内的相内平衡。控制系统配置成控制跨越阵列的相间平衡。
188.在许多实施例中，提供一种电动交通工具，该电动交通工具包括：电动马达；根据本文中所描述的任何实施例配置以用于为电动马达供电的模块化能量系统；以及配置成在覆盖模块化能量系统的能量源的第一位置和暴露能量源以便移除的第二位置之间移动的至少一个检修面板。
189.在一些实施例中，所述至少一个检修面板是配置成枢转的门。
190.在许多实施例中，提供一种用于管理电动交通工具的功率的方法，其中，电动交通工具包括具有至少三个阵列的模块化能量系统，每个阵列包括多个模块，所述多个模块以级联方式连接在一起以为电动交通工具的马达生成ac电压信号，其中，每个模块包括电池模块和转换器电子器件，并且其中，该方法包括：从电动交通工具内的第一位置移除第一电池模块；以及将第二电池模块插入到电动交通工具内的第一位置中，其中，第二电池模块具有比第一电池模块相对更高的电荷状态。
191.在一些实施例中，移除第一电池模块包括在电动交通工具内从锁定状态解锁第一电池模块。该方法可进一步包括将第二电池模块锁定在第一位置中。
192.在一些实施例中，该方法可以进一步包括：在移除第一电池模块之前，将电动交通工具的检修面板从覆盖第一电池模块的封闭位置移动到暴露第一电池模块的开放位置。检修面板可以在乘客门下方。
193.在一些实施例中，该方法进一步包括：从电动交通工具上移除所有电池模块，并插入具有比移除的电池模块相对更高的电荷状态的不同的电池模块。
194.在一些实施例中，从电动交通工具内的第一位置移除第一电池模块包括从与第一电池模块相关联的第一转换器电子器件的电气触点移除第一电池模块。将第二电池模块插入到电动交通工具内的第一位置中可以包括将第二电池模块插入到与第一转换器电子器件的电气触点中。
195.在一些实施例中，从电动交通工具内的第一位置移除第一电池模块可以包括沿导轨滑动第一电池模块。
196.在一些实施例中，将第二电池模块插入到电动交通工具内的第一位置中可以包括沿导轨滑动第二电池模块。
197.如本文中所使用的术语“模块”是指较大系统内的两个或更多个装置或子系统之一。模块可以配置成与类似大小、功能和物理布置（例如，电气端子、连接器的位置等）的其它模块一起工作。具有相同功能和（一个或多个）能量源的模块可以与相同系统（例如，机架或组）中的所有其它模块配置相同（例如，大小和物理布置），而具有不同功能或（一个或多个）能量源的模块可在大小和物理布置上变化。虽然每个模块可相对于系统的其它模块（例如，像轿车上的轮子、或信息技术（it）刀片服务器中的刀片）在物理上可移除并且可更换，但这不是所要求的。例如，可将系统封装在这样的公共外壳中，即，在不将系统作为整体拆卸的情况下，该公共外壳不容许移除和更换任何一个模块。然而，本文中的任何和所有实施例可以配置成使得每个模块相对于其它模块以方便的方式（诸如无需拆卸系统）可移除和可更换。
198.术语“主控制装置”在本文中广义地使用，并且不要求实现任何特定的协议，诸如与任何其它这种（诸如本地控制装置）的主从关系。
199.术语“输出”在本文中广义地使用，并且不排除作为输出和输入两者以双向方式起作用。类似地，术语“输入”在本文中广义地使用，并且不排除作为输入和输出以双向方式起作用。
200.术语“端子”和“端口”在本文中广义地使用，可以是或单向或双向，可以是输入或输出，并且不要求特定的物理或机械结构，诸如母或公配置。
201.本文中使用不同的参考数字符号。使用这些符号是为了便于描述本发明主题，而不是限制本发明主题的范围。一般来说，用数字（例如，“123”）来指元件的属，并在该数字后附加字母（例如，123a或123b）来指其亚属。在没有字母附录的情况下对属的提及（例如，123）是指作为整体的属，包括所有亚属。一些图示出了同一元件的多个实例。那些元件可以附加
“‑
x”格式的数字或字母，例如123-1、123-二或123-pa。这种-x格式并不意味着必须在每个实例中相同地配置这些元件，而是用于在引用图中的元件时便于区分。在没有-x附录的情况下对属123的引用广泛地指该属中的元件的所有实例。
202.在下文、在对到目前为止所描述的实施例的回顾和/或补充中阐述了本主题的各个方面，这里的重点放在以下实施例的相互关系和可互换性上。换句话说，强调这样一个事
实，即，除非另外明确指出或逻辑上难以置信，否则实施例的每个特征都可以与每个其它特征组合。
203.处理电路可以包括一个或多个处理器、微处理器、控制器和/或微控制器，其中每一个都可以是分立的或独立的芯片，或者可以分布在多个不同的芯片（或其一部分）之中。可以实现任何类型的处理电路，诸如但不限于个人计算体系结构（例如，诸如用于桌面型pc、膝上型计算机、平板等）、可编程门阵列体系结构、专有体系结构、定制体系结构和其它。处理电路可以包括数字信号处理器，它可以用硬件和/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，这些软件指令使得处理电路采取一系列不同的动作并控制其它组件。
204.处理电路还可以执行其它软件和/或硬件例程。例如，处理电路可与通过接口与通信电路连接并执行模-数转换、编码和解码、其它数字信号处理、多媒体功能、将数据转换为适合于提供给通信电路的格式（例如，同相和正交），和/或可使得通信电路（有线或无线地）传送数据。
205.除非指出或在逻辑上不可信，否则本文中所描述的任何和所有通信信号都可以无线地通信。可以对于无线通信包括通信电路。通信电路可以实现为在适当的协议（例如，wi-fi、蓝牙、低能蓝牙、近场通信（nfc）、射频识别（rfid）、专有协议和其它）下通过链路执行无线通信的一个或多个芯片和/或组件（例如，传送器、接收器、收发器和/或其它通信电路）。一个或多个其它天线可以根据需要与通信电路包含在一起，以便利用各种协议和电路操作。在一些实施例中，通信电路可以共享天线以通过链路传输。rf通信电路可以包括传送器和接收器（例如，集成为收发器）以及相关联的编码器逻辑。
206.处理电路还可以适于执行操作系统和任何软件应用，并执行与所传送和接收的通信的处理无关的那些其它功能。
207.用于根据所描述的主题实行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编写，包括面向对象的编程语言（诸如java、javascript、smalltalk、c 、c#、transact-sql、xml、php等）以及常规的过程式编程语言（诸如“c”编程语言或类似的编程语言）。
208.存储器、存储设备和/或计算机可读介质可以由现有的各种功能单元中的一个或多个功能单元共享，或者可以分布在其中两个或更多个功能单元之中（例如，作为存在于不同芯片内的独立存储器）。存储器也可以驻留在它自己的独立芯片中。
209.在本文所公开的实施例包括存储器、存储设备和/或计算机可读介质或与之联合操作的程度，则该存储器、存储设备和/或计算机可读介质是非暂时性的。因此，在一个或多个权利要求涵盖存储器、存储设备和/或计算机可读介质的程度，那么该存储器、存储设备和/或计算机可读介质只是非暂时性的。如本文中所使用的术语“非暂时性”和“有形”意在描述排除传播电磁信号的存储器、存储设备和/或计算机可读介质，而不是要在存储设备的持久性或其它方面限制存储器、存储设备和/或计算机可读介质的类型。例如，“非暂时性”和/或“有形”存储器、存储设备和/或计算机可读介质涵盖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）和其变型。
210.应当注意，关于本文所提供的任何实施例所描述的所有特征、元件、组件、功能和
步骤都意在与来自任何其它实施例的那些可自由组合和替换。如果仅关于一个实施例描述了某个特征、元件、组件、功能或步骤，那么应该理解，除非另外明确地指出，否则该特征、元件、组件、功能或步骤可以与本文所描述的每个其它实施例一起使用。因此，本段在任何时候都作为介绍权利要求的前提基础和书面支持，这些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，或者将来自一个实施例的特征、元件、组件、功能和步骤替换为另一实施例的那些，即使以下描述在特定实例中没有明确声明，此类组合或替换是可能的。明确地承认，对每一种可能的组合和替换的明确记载是过于繁重的，特别是考虑到每一种这样的组合和替换的可允许性都是本领域技术人员很容易认识到的。
211.如在本文以及在随附权利要求中所使用，除非上下文另外明确地规定，否则单数形式“一”、“某一”和“该”包括复数引用。
212.虽然实施例易于进行各种修改和备选形式，但是在附图中示出并已在本文中详细描述了其具体示例。然而，应该理解，这些实施例不限于所公开的特定形式，而是相反，这些实施例将涵盖落在本公开的精神内的所有修改、等效物和备选方案。此外，可在权利要求书中记载或添加这些实施例的任何特征、功能、步骤或元件以及通过不在权利要求书的发明范围内的特征、功能、步骤或元件限定权利要求书的发明范围的消限制制。
1.相关申请的交叉引用本技术主张于2020年4月14日申请的美国临时申请号63/009,996和于2020年9月28日申请的美国临时申请号63/086,003的权益和优先权，这两项美国临时申请出于所有目的以引用的方式全文并入到本文。
技术领域
2.本文所描述的主题一般涉及用于为模块化级联能量系统提供冷却并提供移除和更换能量源的能力的系统、装置和方法。
背景技术：
3.具有多个能量源或能量库的能量系统在许多工业中司空见惯。一个示例是汽车工业。经过过去一个世纪的发展，如今的汽车技术的特点当中尤其是马达、机械元件和电子器件的相互作用。这些是影响交通工具性能和驾驶者体验的关键组件。马达有燃烧型或电动型，并且在几乎所有情况下，来自马达的旋转能都是经由一组高度精密的机械元件来输送的，诸如离合器、变速器、差速器、传动轴、扭矩管、耦合器等。这些部分在很大程度上控制着对车轮的扭矩转换和功率分配，并限定轿车和道路处理的性能。
4.电动交通工具（ev）包括与动力传动系统相关的各种电气系统，尤其包括电池组、充电器和马达控制。高压电池组通常按较低压电池模块的串行链进行组织。每个这样的模块进一步包括一组串行连接的各个单元和简单的嵌入式电池管理系统（bms），bms用于调节基本的单元相关的特性，诸如充电状态和电压。缺少具有更精密的能力或某种形式的智能互联性的电子器件。因此，任何监测或控制功能都是由单独的系统处理的，如果完全存在于轿车的其它地方，则该单独的系统缺乏监测各个单元健康状况、充电状态、温度和影响度量的其它性能的能力。也没有能力来以任何形式有意义地调整每个单独的单元所汲取的功率。一些主要后果是：（1）最弱的单元约束了整个电池组的整体性能，（2）任何单元或模块的故障都导致需要更换整个组，（3）电池的可靠性和安全性大大降低，（4）电池寿命有限，（5）热管理困难，（6）电池组总是在最大容量以下操作，（7）再生制动产生的电功率的突然涌入无法容易地存储在电池中，并且要求经由转储电阻耗散。
5.ev的充电电路通常在单独的车载系统中实现。它们以ac信号或dc信号的形式分级（stage）来自ev外部的功率，将其转换为dc，并将其馈送到电池组。充电系统监测电压和电流，并且通常供应恒定馈电。给定电池组和典型充电电路的设计，基于单元健康状况、性能特性、温度等来为各个电池模块定制充电流的能力微乎其微。充电周期通常也很长，因为充电系统和电池组缺乏允许脉冲充电的电路或优化电荷转移或可实现的总电荷的其它技术。
6.常规的控制包含用于将电池组电压电平调整至ev的电气系统的总线电压的dc到dc转换阶段。而电动马达由简单的两级多相转换器驱动，这些转换器为马达提供所要求的（一个或多个）ac信号。每个马达在传统上由单独的控制器控制，该控制器按三相设计驱动
马达。双马达ev将要求两个控制器，而使用四个轮内马达的ev将要求四个单独的控制器。常规的控制器设计也缺乏驱动下一代马达（诸如开关磁阻马达（srm））的能力，下一代马达的特点是极片数量更多。调适将要求更高的相位设计，从而使系统更加复杂并且最终无法解决电噪声和驱动性能，诸如高扭矩纹波和声学噪声。
7.这些缺陷中的许多缺陷不仅适用于汽车，也适用于其它马达驱动的交通工具，而且在很大程度上也适用于固定应用。出于这些和其它原因，需要用于移动和固定应用的能量系统的改进的系统、装置和方法。
技术实现要素：
8.本文中提供了用于冷却模块化能量系统的系统、装置和方法的示例实施例。实施例可以利用环绕模块化能量系统的壳体来以靠近模块化能量系统的模块的组件传递的方式路由冷却剂。实施例可以提供泵送冷却剂的序列，以使得冷却剂首先冷却电动交通工具的具有最低期望操作温度的组件，紧接着冷却具有相对较高的期望操作温度的组件。
9.本文中还提供了用于具有可移除和可更换的能量源的模块化能量系统的系统、装置和方法的示例实施例。该系统可以按各种各样不同的电气配置进行配置，并且采用允许快速移除具有相对较低的电荷状态的能量源并用具有相对较高的电荷状态的不同能量源更换那些能量源的方式安置在电动交通工具内。能量源可以可拆卸地锁在电动交通工具内的合适位置，以使得每个能量源可从与之相关联的转换器电子器件的电连接中移除。
10.在阅读以下附图和详细描述后，本文中所描述的主题的其它系统、装置、方法、特征和优势将对于本领域技术人员将是或者将变得显而易见。意图的是所有此类额外的系统、方法、特征和优势都包含在本描述中，在本文所描述的主题的范围内，并受随附权利要求书的保护。在权利要求书中没有明确记载示例实施例的特征的情况下，绝不应该将示例实施例的特征解释为限制所附权利要求书。
附图说明
11.本文所阐述的主题的关于其结构和操作两者的细节可通过研究附图显而易见，图中，相似的参考数字指相似的部分。图中的组件不一定按比例绘制，而是将重点放在说明主题的原理上。此外，所有图示都是为了表达概念，其中，可能示意性地而不是在字面上或精确地图示相对大小、形状和其它详细属性。
12.图1a-1c是描绘模块化能量系统的示例实施例的框图。
13.图1d-1e是描绘用于能量系统的控制装置的示例实施例的框图。
14.图1f-1g是描绘与负载和充电电源耦合的模块化能量系统的示例实施例的框图。
15.图2a-2b是描绘能量系统内的模块和控制系统的示例实施例的框图。
16.图2c是描绘模块的物理配置的示例实施例的框图。
17.图2d是描绘模块化能量系统的物理配置的示例实施例的框图。
18.图3a-3c是描绘具有各种电气配置的模块的示例实施例的框图。
19.图4a-4f是描绘能量源的示例实施例的示意图。
20.图5a-5c是描绘能量缓冲器的示例实施例的示意图。
21.图6a-6c是描绘转换器的示例实施例的示意图。
22.图7a-7e是描绘具有各种拓扑的模块化能量系统的示例实施例的框图。
23.图8a是描绘模块的示例输出电压的图表。
24.图8b是描绘模块阵列的示例多电平输出电压的图表。
25.图8c是描绘在脉宽调制控制技术中可用的示例参考信号和载波信号的图表。
26.图8d是描绘在脉宽调制控制技术中可用的示例参考信号和载波信号的图表。
27.图8e是描绘根据脉宽调制控制技术生成的示例开关信号的图表。
28.图8f是描绘在脉宽调制控制技术下由来自模块阵列的输出电压的叠加所生成的示例多电平输出电压的图表。
29.图9a-9b是描绘模块化能量系统的控制器的示例实施例的框图。
30.图10a是描绘具有互连模块的多相模块化能量系统的示例实施例的框图。
31.图10b是描绘图10a的多相实施例中的互连模块的示例实施例的示意图。
32.图10c是描绘具有通过互连模块连接在一起的两个子系统的模块化能量系统的示例实施例的框图。
33.图10d是描绘具有用于为辅助负载供电的互连模块的三相模块化能量系统的示例实施例的框图。
34.图10e是描绘图10d的多相实施例中的互连模块的示例实施例的示意图。
35.图10f是描绘具有用于为辅助负载供电的互连模块的三相模块化能量系统的示例实施例的框图。
36.图11a是描绘用于冷却电动交通工具的组件的过程流的示例实施例的框图。
37.图11b是描绘配置成冷却模块化能量系统的壳体的示例实施例的透视图。
38.图11c是描绘用于冷却电动交通工具的组件的过程流的另一示例实施例的框图。
39.图11d是描绘配置成冷却模块化能量系统的壳体的另一示例实施例的透视图。
40.图11e是描绘相对于顶部壳体的模块组件放置的示例实施例的透视图。
41.图11f是描绘靠近冷却设备的模块的示例实施例的横截面视图。
42.图12a-12b是描绘配置成使用可更换电池模块操作的电动交通工具的示例实施例的侧视图。
43.图13a是描绘在电动交通工具内具有可更换的电池模块的模块化能量系统的示例实施例的示意图。
44.图13b是描绘图13a的模块化能量系统的电气布局的示例实施例的框图。
45.图14a、图14d、图14e和图14f是描绘具有处于各种接合和脱离状态的可更换电池模块的转换器模块的示例实施例的透视图。
46.图14b-14c是描绘模块电子器件的外壳的示例实施例的端视图。
具体实施方式
47.在详细描述本发明主题之前，应理解，本公开不限于所描述的特定实施例，因为实施例当然可以变化。本文中所使用的术语仅用以描述特定实施例，而不意在限制，因为本公开的范围将仅受随附权利要求书的限制。
48.在描述涉及冷却系统和可更换的能量源的示例实施例之前，首先有用的是更详细地描述这些底层模块化能量系统。参考图1a至图10f，以下章节描述了可以在其中实现模块
化能量系统的实施例的各种应用、用于模块化能量系统的控制系统或装置的实施例、关于充电电源和负载的模块化能量系统实施例的配置、各个模块的实施例、模块在系统内的布置的拓扑的实施例、控制方法的实施例、平衡系统内的模块的操作特性的实施例以及使用互连模块的实施例。
49.应用的示例固定应用是其中模块化能量系统在使用过程中位于固定位置的那些应用，尽管它可在不使用时能够运送到备选位置。基于模块的能量系统在提供电能以便供一个或多个其它实体消耗、或存储或缓冲能量以供以后消耗时驻留在静态位置中。可以在其中使用本文所公开的实施例的固定应用的示例包括但不限于：供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；供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；供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；供一个或多个政府结构或场所（包括军事和非军事用途两者）使用或在其内使用的能量系统；用于为下文所描述的移动应用充电的能量系统（例如，充电电源或充电站）；以及将太阳能、风能、地热能、化石燃料或核反应转换为电能进行存储的系统。固定应用通常为诸如电网和微电网、马达和数据中心之类的负载供电。固定能量系统可以用于或存储或非存储作用。
50.移动应用有时称为牵引应用，它们一般是这样的应用，其中，基于模块的能量系统位于某个实体上或内部，并存储和提供电能，以便通过马达转换为动力，从而移动或协助移动该实体。可以与本文中所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上或地下、在海上或海中、在陆地或海洋上方并且与其不接触（例如，在空中飞行或盘旋）或穿过外层空间移动的电动和/或混合实体。可以与本文中所公开的实施例一起使用的移动实体的示例包括但不限于交通工具、火车、有轨电车、轮船、传播、飞机和航天器。可以与本文中所公开的实施例一起使用的移动交通工具的示例包括但不限于：只有一个轮子或轨道的、只有两个轮子或轨道的、只有三个轮子或轨道的、只有四个轮子或轨道的、以及有五个或更多个轮子或轨道的移动交通工具。可以与本文中所公开的实施例一起使用的移动实体的示例包括但不限于轿车、公共汽车、卡车、摩托车、滑板车、工业交通工具、采矿交通工具、飞行交通工具（例如，飞机、直升机、无人机等）、海事船舶（例如，商业运输船、轮船、游艇、船只或其它水运工具）、潜艇、基于机车或轨道的交通工具（例如，火车、有轨电车等）、军用交通工具、航天器和卫星。
51.在描述本文中的实施例时，可能提及特定的固定应用（例如，电网、微电网、数据中心、云计算环境）或移动应用（例如，电动轿车）。提及此类引用是为了便于解释，而不是意味着特定的实施例仅限于用于该特定的移动或固定应用。为马达供电的系统的实施例可以用于移动和固定应用两者。虽然某些配置可能比其它配置更适合于一些应用，但是除非另外说明，否则本文中所公开的所有示例实施例都能够在移动和固定应用两者中使用。
52.基于模块的能量系统的示例图1a是描绘基于模块的能量系统100的示例实施例的框图。这里，系统100包括控制系统102，控制系统102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通信耦合。模块108配置成存储能量并根据需要将能量输出到负载101（或其它模块108）。在这些实施例中，可以使用两个或更多个中的任意数量的模块108（例如，n大于或等于二）。模块108可以采用各种方式连接到彼此，这将关于图7a-7e更详细地描述。为了便
于图示，在图1a-1c中，将模块108示为串联连接或示为一维阵列，其中，第n个模块耦合到负载101。
53.系统100配置成为负载101供电。负载101可以是任何类型的负载，诸如马达或电网。系统100还配置成存储从充电电源接收的功率。图1f是描绘具有用于从充电电源150接收功率的功率输入接口151和用于将功率输出到负载101的功率输出接口的系统100的示例实施例的框图。在该实施例中，系统100可以在通过接口152输出功率的同时通过接口151接收和存储功率。图1g是描绘具有可切换接口154的系统100的另一示例实施例的框图。在该实施例中，系统100可以或者可以经指示以在从充电电源150接收功率与将功率输出到负载101之间选择。系统100可以配置成为多个负载101（包括主要负载和辅助负载两者）供电和/或从多个充电电源150（例如，公用事业运营的功率电网和本地可再生能量源（例如，太阳能））接收功率。
54.图1b描绘了系统100的另一示例实施例。这里，控制系统102实现为主控制装置（mcd）112，mcd 112分别通过通信路径或链路115-1至115-n与n个不同的本地控制装置（lcd）114-1至114-n通信耦合。每个lcd 114-1至114-n分别通过通信路径或链路116-1至116-n与一个模块108-1至108-n通信耦合，以使得lcd 114和模块108之间存在1:1关系。
55.图1c描绘了系统100的另一示例实施例。这里，mcd 112分别通过通信路径或链路115-1至115-m与m个不同的lcd 114-1至114-m通信耦合。每个lcd 114可以与两个或更多个模块108耦合并对其进行控制。在这里示出的示例中，每个lcd 114与两个模块108通信耦合，以使得m个lcd 114-1至114-m分别通过通信路径或链路116-1至116-2m与2m个模块108-1至108-2m耦合。
56.控制系统102可以配置成整个系统100的单个装置（例如，图1a），或者可以跨越多个装置分布或作为多个装置实现（例如，图1b-1c）。在一些实施例中，控制系统102可以分布在与模块108相关联的lcd 114之间，以使得mcd 112不是必需的，并且可以从系统100中省略。
57.控制系统102可以配置成使用软件（存储在存储器中的可通过处理电路执行的指令）、硬件或其组合来执行控制。控制系统102的这一个或多个装置可以各自包括处理电路120和存储器122，如这里所示。下面将进一步描述处理电路和存储器的示例实现。
58.控制系统102可以具有用于通过通信链路或路径105与位于系统100外部的装置104通信的通信接口。例如，控制系统102（例如，mcd 112）可以将关于系统100的数据或信息输出到另一控制装置104（例如，移动应用中的交通工具的电子控制单元（ecu）或马达控制单元（mcu）、固定应用中的电网控制器等）。
59.通信路径或链路105、106、115、116和118（图2b）可以各自是以并行或串行方式双向传达数据或信息的有线（例如，电、光）或无线通信路径。数据可以用标准化（例如，ieee、ansi）或自定义（例如，专有）的格式进行通信。在汽车应用中，通信路径115可以配置成根据flexray或can协议通信。通信路径106、115、116和118也可以提供有线功率，以便直接从一个或多个模块108为系统102提供操作功率。例如，每个lcd 114的操作功率可以只由与该lcd 114相连的这一个或多个模块108供应，而mcd 112的操作功率可以从模块108中的一个或多个间接供应（例如，诸如通过轿车的功率网络）。
60.控制系统102配置成基于从相同或不同的一个或多个模块108接收的状态信息来
控制模块108中的一个或多个。控制也可以基于一个或多个其它因素，诸如负载101的要求。可控方面包括但不限于每个模块108的电压、电流、相位和/或输出功率中的一个或多个。
61.可以将系统100中的每个模块108的状态信息传达给控制系统102，控制系统102可以独立地控制每个模块108-1
…
108-n。其它变型也是可能的。例如，特定模块108（或模块108的子集）可以基于以下信息进行控制：该特定模块108（或子集）的状态信息，不是该特定模块108（或子集）的不同模块108的状态信息，该特定模块108（或子集）以外的所有模块108的状态信息，该特定模块108（或子集）的状态信息和不是该特定模块108（或子集）的至少一个其它模块108的状态信息，或系统100中的所有模块108的状态信息。
62.状态信息可以是关于每个模块108的一个或多个方面、特性或参数的信息。状态信息的类型包括但不限于模块108或其一个或多个组件（例如，能量源、能量缓冲器、转换器、监测电路）的以下方面：该模块的这一个或多个能量源的电荷状态（soc）（例如，能量源的电荷水平相对于其容量，诸如分数或百分比），该模块的这一个或多个能量源的健康状态（soh）（例如，某个能量源的状况与其理想状况相比的品质因数），该模块的这一个或多个能量源或其它组件的温度，该模块的这一个或多个能量源的容量，该模块的这一个或多个能量源和/或其它组件的电压，该模块的这一个或多个能量源和/或其它组件的电流，和/或该模块的组件中的任何一个或多个组件中是否存在故障。
63.lcd 114可以配置成从每个模块108接收状态信息，或根据从每个模块108中或在每个模块108内接收的监测信号或数据确定状态信息，并将该信息传达到mcd 112。在一些实施例中，每个lcd 114可以将原始收集的数据传达到mcd 112，然后mcd 112在该原始数据的基础上在算法上确定状态信息。接着，mcd 112可以使用模块108的状态信息相应地做出控制决定。决定可采取指令、命令或其它信息（如本文所描述的调制指数）的形式，lcd 114可以利用此类指令、命令或其它信息来或维持或调整每个模块108的操作。
64.例如，mcd 112可接收状态信息并评估该信息以确定至少一个模块108（例如，其组件）与至少一个或多个其它模块108（例如，其可比组件）之间的差异。例如，，mcd 112可确定，与一个或多个其它模块108相比，某个特定模块108在以下条件之一下操作：以相对较低或较高的soc，以相对较低或较高的soh，以相对较低或较高的容量，以相对较低或较高的电压，以相对较低或较高的电流，以相对较低或较高的温度，或在有或无故障的情况下。在此类示例中，mcd 112可以输出控制信息，控制信息使得该特定模块108的相关方面（例如，输出电压、电流、功率、温度）降低或增加（取决于状况）。以这种方式，可以降低离群模块108（例如，在相对较低的soc或较高的温度下操作）的利用，以便使该模块108的相关参数（例如，soc或温度）向一个或多个其它模块108的相关参数收敛。
65.确定是否调整特定模块108的操作可以通过将状态信息与预定的阈值、限制或条件进行比较而不必通过与其它模块108的状态进行比较来做出。预定的阈值、限制或条件可以是静态的阈值、限制或条件，比如由制造商设置的在使用过程中不会改变的那些。预定的阈值、限制或条件可以是动态的阈值、限制或条件，它们在使用过程中被允许改变或确实改变。例如，如果某个模块108的状态信息指示其操作违反（例如，高于或低于）预定的阈值或限制或超出预定的可接受的操作条件的范围，则mcd 112可以调整该模块108的操作。类似地，如果某个模块108的状态信息指示存在实际或潜在的故障（例如，警报或警告）或指示不存在或已移除实际或潜在的故障，则mcd 112可以调整该模块108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，短路或其它电流过高的状况，开路，电压过高的状况，接收通信失败，接收到损坏的数据，等等。取决于故障的类型和严重程度，可以减少故障模块的利用以避免损坏该模块，或者可以完全停止该模块的利用。
66.mcd 112可以控制系统100内的模块108以达到或收敛到期望的目标。例如，目标可以是所有模块108在相对于彼此相同或类似的水平上操作，或在预定的阈值、限制或条件内操作。这个过程又称为在模块108的操作或操作特性中平衡或寻求达到平衡。本文中所使用的术语“平衡”并不要求模块108或其组件之间的绝对平等，而是广义上地用于表达系统100的操作可以用来积极地降低模块108之间原本存在的操作差异。
67.mcd 112可以将控制信息传达到lcd 114，用以控制与lcd 114相关联的模块108。控制信息可以是例如本文所描述的调制指数和参考信号、调制参考信号或其它。每个lcd 114可以使用（例如，接收和处理）控制信息以生成开关信号，这些开关信号控制（一个或多个）相关联的模块108内的一个或多个组件（例如，转换器）的操作。在一些实施例中，mcd 112直接生成开关信号，并将它们输出到lcd 114，lcd 114将开关信号中继到预期的模块组件。
68.控制系统102的全部或部分可以与控制移动或静止应用的一个或多个其它方面的系统外部控制装置104组合。当集成在这个共享或公共控制装置（或子系统）中时，系统100的控制可以用任何期望的方式实现，比如通过共享装置的处理电路执行的一个或多个软件应用、使用共享装置的硬件、或其组合。外部控制装置104的非详尽示例包括：具有一个或多个其它交通工具功能（例如，马达控制、驾驶者界面控制、牵引控制等）的控制能力的交通工具ecu或mcu；负责一个或多个其它功率管理功能（例如，负载接口连接、负载功率要求预测、传输和开关、与充电电源（例如，柴油、太阳能、风能）的接口、充电电源功率预测、备份电源监测、资产调度等）的电网或微电网控制器；以及数据中心控制子系统（例如，环境控制、网络控制、备份控制等）。
69.图1d和图1e是描绘可以在其中实现控制系统102的共享或公共控制装置（或系统）132的示例实施例的框图。在图1d中，公共控制装置132包括主控制装置112和外部控制装置104。主控制装置112包括用于通过路径115与lcd 114通信的接口141以及用于通过内部通信总线136与外部控制装置104通信的接口142。外部控制装置104包括用于通过总线136与主控制装置112通信的接口143以及用于通过通信路径136与整个应用的其它实体（例如，交通工具或电网的组件）通信的接口144。在一些实施例中，公共控制装置132可以集成为公共外壳或封装，其中包含作为离散集成电路（ic）芯片或封装实现的装置112和104。
70.在图1e中，外部控制装置104充当公共控制装置132，其中主控制功能性作为装置104内的组件112实现。该组件112可以是或可以包括存储和/或硬编码在装置104的存储器中并由其处理电路执行的软件或其它程序指令。该组件还可以包含专用硬件。该组件可以是自包含的模块或核，其具有用于与外部控制装置104的操作软件通信的一个或多个内部硬件和/或软件接口（例如，应用程序接口（api））。外部控制装置104可以管理通过接口141与lcd 114的通信，并且可以管理通过接口144与其它装置的通信。在各种实施例中，装置104/132可以集成为单个ic芯片，可以集成到单个封装中的多个ic芯片中，或者集成为公共外壳内的多个半导体封装。
71.在图1d和图1e的实施例中，系统102的主控制功能性在公共装置132中共享，但是，
或者容许共享控制的其它划分。例如，主控制功能性的部分可以分布在公共装置132和专用mcd 112之间。在另一个示例中，本地控制功能性的至少部分和主控制功能性都可以在公共装置132中实现（例如，其余的本地控制功能性在lcd 114中实现）。在一些实施例中，控制系统102的全部在公共装置（或子系统）132中实现。在一些实施例中，本地控制功能性在与每个模块108的另一组件共享的装置（诸如，电池管理系统（bms））中实现。
72.级联能量系统内的模块的示例模块108可以包括一个或多个能量源和功率电子转换器以及（如果需要的话）能量缓冲器。图2a-2b是描绘具有模块108的系统100的附加示例实施例的框图，模块108具有功率转换器202、能量缓冲器204和能量源206。转换器202可以是电压转换器或电流转换器。本文参考电压转换器描述了这些实施例，尽管实施例不限于此。转换器202可以配置成将来自能量源204的直流（dc）信号转换为交流（ac）信号，并通过功率连接110（例如，逆变器）输出它。转换器202还可以通过连接110接收ac或dc信号，并以连续或脉冲形式以任一极性将它应用到能量源204。转换器202可以是或可以包括诸如半桥或全桥（h-桥）之类的开关（例如，功率晶体管）的布置。在一些实施例中，转换器202只包括开关，并且转换器（以及模块作为整体）不包括变压器。
73.转换器202也可以（或备选地）配置成执行ac到dc转换（例如，整流器）以便从ac源为dc能量源充电，执行dc到dc转换，和/或执行ac到ac转换（例如，与ac-dc转换器组合）。在诸如执行ac-ac转换的一些实施例中，转换器202可以或者单独地或者与一个或多个功率半导体（例如，开关、二极管、晶闸管等）组合地包括变压器。在诸如重量和成本是重要因素的实施例之类的其它实施例中，转换器202可以配置成只使用功率开关、功率二极管或其它半导体装置而不使用变压器来执行转换。
74.能量源206最好是能够输出直流电并具有适合于电力驱动的装置的储能应用的能量密度的鲁棒的储能装置。燃料电池可以是单个燃料电池、串联或并联连接的多个燃料电池或燃料电池模块。每个模块中可以包含两个或更多个能量源，并且这两个或更多个能量源可以包括相同或不同类型的两个电池、相同或不同类型的两个电容、相同或不同类型的两个燃料电池、一个或多个电池与一个或多个电容和/或燃料电池的组合、以及一个或多个电容与一个或多个燃料电池的组合。
75.能量源206可以是电化学电池，比如单个电池单元、或一起连接在电池模块或阵列中的多个电池单元、或其任意组合。图4a-4d是描绘配置成单个电池单元402（图4a）、具有多个（例如，四个）单元402的串联连接的电池模块（图4b）、具有单个单元402的并联连接的电池模块（图4c）和包括具有支路（每个支路具有多个（例如，两个）单元402）的并联连接的电池模块（图4d）的能量源206的示例实施例的示意图。本文中的其它地方描述了电池类型的示例。
76.能量源206也可以是高能量密度（hed）电容，诸如超级电容（ultracapacitor/supercapacitor）。与典型的电解质电容的固体电介质类型相反，hed电容可以配置成双层电容（静电电荷存储）、赝电容（电化学电荷存储）、混合电容（静电和电化学）或其它。除了更高的容量之外，hed电容的能量密度可以是电解质电容的10到100倍（或更高）。例如，hed电容的比能量可以大于每千克1.0瓦时（wh/kg），并且电容大于10-100法拉（f）。与关于图4a-4d所描述的电池一样，能量源206可以配置成单个hed电容或一起连接成阵列（例如，串联、
并联或其组合）的多个hed电容。
77.能量源206也可以是燃料电池。燃料电池的示例包括质子交换膜燃料电池（pemfc）、磷酸燃料电池（pafc）、固体酸燃料电池、碱性燃料电池、高温燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融电解质燃料电池等。与关于图4a-4d所描述的电池一样，能量源206可以配置成单个燃料电池或一起连接成阵列（例如串联、并联或其组合）的多个燃料电池。前面提到的电池、电容和燃料电池的示例并不意在形成详尽的列表，并且本领域普通技术人员将认识到落在本发明主题的范围内的其它变型。
78.能量缓冲器204可以抑制或过滤跨越dc线路或链路（例如，如下文所描述的 v
dcl
和-v
dcl
）的电流中的波动，以协助维持dc链路电压的稳定性。这些波动可以是由转换器202的开关或其它瞬态引起的相对低频（例如，千赫兹）或高频（例如，兆赫）的波动或谐波。这些波动可以被缓冲器204吸收，而不是被传递到电源206或传递到转换器202的端口io3和io4。
79.功率连接110是用于向、从以及通过模块108传输能量或功率的连接。模块108可以将能量从能量源206输出到功率连接110，可以在功率连接110中将能量转移到系统的其它模块或负载。模块108还可以从其它模块108或充电电源（dc充电器、单相充电器、多相充电器）接收能量。还可以通过模块108旁路能量源206传递信号。进出模块108的能量或功率的路由转换器202在lcd 114（或系统102的另一实体）的控制下执行。
80.在图2a的实施例中，lcd 114实现为与模块108分离（例如，不在共享模块外壳内）的组件，并经由通信路径116连接到转换器202并能够与之通信。在图2b的实施例中，lcd 114作为模块108的组件包含在其中，并经由内部通信路径118（例如，共享总线或离散连接）连接到转换器202并能够与之通信。lcd 114还能够通过路径116或118从以及向能量缓冲器204和/或能量源206接收和传送信号。
81.模块108还可以包括监测电路208，监测电路208配置成监测（例如，收集、感知、测量和/或确定）模块108和/或其组件的一个或多个方面，诸如电压、电流、温度或构成状态信息（或可以用于通过例如lcd 114确定状态信息）的其它操作参数。状态信息的主要功能是描述模块108的这一个或多个能量源206的状态，以使得能够确定与系统100中的其它能量源相比有多少利用该能量源，不过在使用确定中也可以使用描述其它组件的状态（例如，缓冲器204中的电压、温度和/或故障存在、转换器202中的温度和/或故障存在、模块108中的其它地方中的故障存在等）的状态信息。监测电路208可以包括一个或多个传感器、分流器、分压器、故障检测器、库仑计数器、控制器或配置成监测此类方面的其它硬件和/或软件。监测电路208可以与各种组件202、204和206分离，或者可以与每个组件202、204和206集成（如图2a-2b所示），或其任意组合。在一些实施例中，监测电路208可以是电池能量源204的电池管理系统（bms）的一部分或与之共享。不需要离散电路来监测每种类型的状态信息，因为可以使用单个电路或装置来监测多于一种类型的状态信息，或者不需要附加电路就可以通过算法以其它方式确定多于一种类型的状态信息。
82.lcd 114可以通过通信路径116、118接收关于模块组件的状态信息（或原始数据）。lcd 114还可以通过路径116、118将信息传送到模块组件。路径116和118可以包括诊断、测量、保护和控制信号线。所传送的信息可以是一个或多个模块组件的控制信号。控制信号可以是转换器202的开关信号、和/或向模块组件请求状态信息的一个或多个信号。例如，lcd 114可以通过直接请求状态信息、或通过施加刺激（例如，电压）以使得生成状态信息而使得
通过路径116、118传送状态信息，在一些情况下，与将转换器202置于特定状态的开关信号组合。
83.模块108的物理配置或布局可以采取各种形式。在一些实施例中，模块108可以包括公共外壳，在公共外壳中容纳了所有模块组件（例如，转换器202、缓冲器204和能量源206）以及其它可选组件，诸如集成的lcd 114。在其它实施例中，各种组件可以在紧固在一起的离散外壳中分离。图2c是描绘具有存放模块的能量源206和伴随的电子器件（诸如监测电路208（未示出））的第一外壳220、存放模块电子器件（诸如转换器202、能量缓冲器204和其它伴随的电子器件，诸如监测电路（未示出））的第二外壳222以及存放模块108的lcd 114（未示出）的第三外壳224的模块108的示例实施例的框图。各种模块组件之间的电气连接可以穿过外壳220、222、224行进，并且可以暴露在外壳外部的任何地方上，以便与诸如其它模块108或mcd 112之类的其它装置连接。
84.系统100的模块108可以在各种配置中相对于彼此进行物理布置，各种配置取决于应用的需要和负载的数量。例如，在系统100为微电网供电的固定应用中，模块108可以放置在一个或多个机架或其它框架中。此类配置可能也适合于更大的移动应用，诸如海上船舶。备选地，模块108可以紧固在一起，并且位于共同外壳（称为组）中。机架或组可具有跨越所有模块共享的它自己的专用冷却系统。组配置对于诸如电动轿车之类的较小型移动应用有用。系统100可以使用一个或多个机架（例如，用于为微电网并联供电）或一个或多个组（例如，服务于交通工具的不同马达）、或其组合来实现。图2d是描绘系统100的示例实施例的框图，系统100配置成具有在电气和物理上一起耦合在公共外壳230内的九个模块108的组。
85.这些和进一步配置的示例如在2020年3月27日申请的题为“module-based energy systems capable of cascaded and interconnected configurations, and methods related thereto”的国际申请号pct/us20/25366中所描述，该国际申请出于所有目的以引用的形式全文并入到本文。
86.图3a-3c是描绘具有各种电气配置的模块108的示例实施例的框图。将这些实施例描述为每个模块108具有一个lcd 114，lcd 114容纳在相关联的模块内，但是如本文所描述可以按其它方式进行配置。图3a描绘了系统100内的模块108a的第一示例配置。模块108a包括能量源206、能量缓冲器204和转换器202a。每个组件都具有功率连接端口（例如，端子、连接器），可以将功率输入到这些端口中和/或可以从这些端口输出功率，这些端口在本文中称为io端口。取决于上下文，此类端口又可以称为输入端口或输出端口。
87.能量源206可以配置成本文所描述的能量源类型中的任何类型（例如，关于图4a-4d所描述的电池、hed电容、燃料电池或其它）。能量源206的端口io1和io2可以分别连接到能量缓冲器204的端口io1和io2。能量缓冲器204可以配置成缓冲或过滤通过转换器202到达缓冲器204的高频和低频能量脉动，否则此类脉动可能会使模块108的性能降级。选择缓冲器204的拓扑和组件，以适应这些高频电压脉动的最大可允许振幅。在图5a-5c的示意图中描绘了能量缓冲器204的若干个（非详尽的）示例实施例。在图5a中，缓冲器204是电解质和/或薄膜电容c
eb
，在图5b中，缓冲器204是由两个电感l
eb1
和l
eb2
与两个电解质和/或薄膜电容c
eb1
和c
eb2
形成的z-源网络710，并且在图5c中，缓冲器204是由两个电感l
eb1
和l
eb2
、两个电解质和/或薄膜电容c
eb1
和c
eb2
以及二极管d
eb
形成的准z-源网络720。
88.能量缓冲器204的端口io3和io4可以分别连接到转换器202a的端口io1和io2，转
换器202a可以配置成本文所描述的功率转换器类型中的任何类型。图6a是描绘转换器202a的示例实施例的示意图，转换器202a配置成可以在端口io1和io2处接收dc电压并进行开关以在端口io3和io4处生成脉冲的dc-ac转换器。转换器202a可以包括多个开关，并且这里，转换器202a包括按全桥配置布置的四个开关s3、s4、s5、s6。控制系统10二或lcd 114可以经由到每个栅极的控制输入线118-3独立控制每个开关。
89.开关可以是任何合适的开关类型，比如功率半导体，如这里所示的金属-氧化物-半导体场效应晶体管（mosfet）、绝缘栅双极晶体管（igbt）或氮化镓（gan）晶体管。半导体开关可以按相对较高的开关频率操作，从而容许转换器202在期望时以脉宽调制（pwm）模式操作，并在相对较短的时间间隔内对控制命令做出响应。这可以在瞬态模式中提供输出电压调节的高容差和快速动态行为。
90.在该实施例中，可以在端口io1和io2之间将dc线路电压v
dcl
施加到转换器202。通过借助于开关s3、s4、s5、s6的不同组合将v
dcl
连接到端口io3和io4，转换器202可以在端口io3和io4处生成三种不同的电压输出： v
dcl
、0和-v
dcl
。提供给每个开关的开关信号控制开关是开（闭合）还是关（断开）。为了获得 v
dcl
，开关s3和s6打开，而开关s4和s5关闭；而通过打开开关s4和s5并关闭开关s3和s6，可以获得-v
dcl
。通过打开s3和s5并关闭s4和s6，或者通过打开s4和s6而关闭s3和s5，可以将输出电压设置为零（包括接近于零）或参考电压。可以通过功率连接110从模块108输出这些电压。转换器202的端口io3和io4可以连接到（或形成）功率连接110的模块io端口1和2，从而生成输出电压以便供来自其它模块108的输出电压使用。
91.取决于供系统100用于生成转换器202的输出电压的控制技术，可以用不同的方式生成本文所描述的转换器202的实施例的控制或开关信号。在一些实施例中，控制技术是pwm技术，诸如空间向量脉宽调制（svpwm）或正弦脉宽调制（spwm）或其变型。图8a是描绘转换器202的输出电压波形802的示例的电压对时间的曲线图。为了便于描述，将在pwm控制技术的上下文中描述本文中的实施例，尽管实施例并不限于此。可以使用其它种类的技术。一种备选种类基于滞后，其示例如在国际公开号wo 2018/231810a1、wo 2018/232403a1和wo 2019/183553a1中所描述，这些国际公开案出于所有目的以引用的方式并入到本文。
92.每个模块108可以配置有多个能量源206（例如，两个、三个、四个或更多个）。模块108的每个能量源206都可控制（可切换）以独立于模块的其它能量源206向连接110供电（或从充电电源接收功率）。例如，所有能量源206可以同时向连接110输出功率（或进行充电），或者只有一个能量源206（或子集）可以在任一时间供电（或进行充电）。在一些实施例中，模块的能量源206可以在它们之间交换能量，例如，一个能量源206可以为另一能量源206充电。能量源206中的每个都可以配置成本文所描述的任何能量源（例如，电池、hed电容、燃料电池）。能量源206中的每个可以是相同类型（例如，每个都可以是电池）或不同类型（例如，第一能量源可以是电池，而第二能量源可以是hed电容，或者第一能量源可以是具有第一类型的电池（例如，nmc），而第二能量源可以是具有第二类型的电池（例如，lfp））。
93.图3b是描绘具有主能量源206a和辅能量源206b的双能量源配置中的模块108b的示例实施例的框图。主能量源206a的端口io1和io2可以连接到能量缓冲器204的端口io1和io2。模块108b包括具有附加io端口的转换器202b。缓冲器204的端口io3和io4可以分别连接到转换器202b的端口io1和io2。辅能量源206b的端口io1和io2可以分别连接到转换器
202b的端口io5和io2（还连接到缓冲器204的端口io4）。
94.在模块108b的该示例实施例中，主能量源202a以及系统100的其它模块108供应负载所需要的平均功率。辅能量源202b可以通过在负载功率峰值提供附加功率、或吸收多余的功率或其它方式充当协助能量源202的功能。
95.如上所述，取决于转换器202b的开关状态，可以同时或在单独的时间利用主能量源206a和辅能量源202b两者。如果同时使用，则可以将电解质和/或薄膜电容（c
es
）与能量源206b并联放置，如在图4e中所描绘，以便充当能量源206b的能量缓冲器，或者能量源206b可以配置成利用与另一能量源（例如，电池或燃料电池）并联的hed电容，如在图4f中所描绘。
96.图6b和6c分别是描绘转换器202b和202c的示例实施例的示意图。转换器202b包括开关电路部分601和602a。部分601包括以与转换器202a类似的方式配置成全桥的开关s3至s6，并且配置成选择性地将io1和io2耦合到io3和io4中的任一，从而改变模块108b的输出电压。部分602a包括配置成半桥并耦合在端口io1和io2之间的开关s1和s2。耦合电感lc连接在端口io5与存在于开关s1和s2之间的node1之间，以使得开关部分602a是可以调节（升压或降压）电压（或反之，电流）的双向转换器。开关部分602a可以在node1处生成两个不同的电压，即，以端口io2为基准的 v
dcl2
和0，端口io2可以处于虚拟零电位。从能量源202b汲取或输入到能量源202b的电流可以通过使用例如脉宽调制技术或用于换向开关s1和s2的滞后控制方法来调节耦合电感lc上的电压来进行控制。还可以使用其它技术。
97.转换器202c不同于202b，因为开关部分602b包括配置成半桥并耦合在端口io5和io2之间的开关s1和s2。耦合电感lc连接在端口io1与存在于开关s1和s2之间的node1之间，以使得开关部分602b配置成调节电压。
98.控制系统10二或lcd 114可以经由到每个栅极的控制输入线118-3来独立控制转换器202b和202c的每个开关。在这些实施例和图6a的实施例中，lcd 114（不是mcd 112）为转换器开关生成开关信号。备选地，mcd 112可以生成开关信号，可以将开关信号直接传达到开关，或通过lcd 114中继开关信号。
99.在模块108包括三个或更多个能量源206的实施例中，转换器202b和202c可以相应地缩放，以使得每个附加的能量源206b耦合到附加的io端口，从而导致附加的开关电路部分602a或602b，这取决于特定能量源的需要。例如，双能量源转换器202可以包括开关部分202a和202b两者。
100.具有多个能量源206的模块108能够执行附加功能，比如能量源206之间的能量共享、从应用内捕获能量（例如，再生制动）、甚至在整个系统处于放电状态时通过辅能量源对主能量源充电、以及模块输出的主动过滤。主动过滤功能也可以通过具有典型的电解质电容而不是辅能量源的模块来执行。这些功能的示例在2020年3月27日申请的题为“module-based energy systems capable of cascaded and interconnected configurations, and methods related thereto”的国际申请号pct/us20/25366和2019年3月22日申请的题为“systems and methods for power management and control”的国际公开号wo 2019/183553中进行了更详细地描述，这两个国际申请出于所有目的以全文引用的方式并入到本文。
101.每个模块108可以配置成利用其一个或多个能量源206为一个或多个辅助负载供电。辅助负载是要求比主负载101更低电压的负载。辅助负载的示例可以是例如电动交通工
具的车载电力网络、或电动交通工具的hvac系统。系统100的负载可以是例如电动交通工具马达或电力网的相位之一。该实施例可以允许能量源的电气特性（端子电压和电流）与负载的电气特性之间的完全解耦。
102.图3c是描绘模块108c的示例实施例的框图，模块108c配置成向第一辅助负载301和第二辅助负载302供电，其中，模块108c包括以类似于图3b的方式耦合在一起的能量源206、能量缓冲器204和转换器202b。第一辅助负载301要求的电压相当于从能量源206供应的电压。负载301耦合到模块108c的io端口3和4，而这两个端口又耦合到能量源206的端口io1和io2。能量源206可以将功率输出到功率连接110和负载301两者。第二辅助负载302要求比能量源206的电压更低的恒定电压。负载302耦合到模块108c的io端口5和6，这两个端口分别耦合到转换器202b的端口io5和io2。转换器202b可以包括开关部分602，开关部分602具有耦合到端口io5的耦合电感lc（图6b）。可以通过转换器202b的开关部分602将由能量源206供应的能量供应给负载302。假设，负载302具有输入电容（如果没有，则可在模块108c中添加电容），因此开关s1和s2可以进行换向，以调节耦合电感lc上的电压和经过其的电流，并且从而为负载302产生稳定的恒定电压。该调节可以将能量源206的电压逐步降低至负载302所要求的较低振幅电压。
103.模块108c因而可以配置成以关于负载301所描述的方式为一个或多个第一辅助负载供电，其中这一个或多个第一负载耦合到io端口3和4。模块108c也可以配置成以关于负载302所描述的方式为一个或多个第二辅助负载供电。如果存在多个第二辅助负载302，那么对于每个附加负载302，模块108c可以利用附加的专用模块输出端口（如5和6）、附加的专用开关部分602和耦合到附加部分602的附加转换器io端口进行扩展。
104.因此，能量源206可以为任意数量的辅助负载（例如，301和302）供电，并供应主负载101所要求的系统输出功率的对应部分。从能量源206到各种负载的功率流可以根据需要进行调整。
105.模块108可以根据需要配置有两个或更多个能量源206（图3b），并通过为每个附加的能量源206b或第二辅助负载302添加开关部分602和转换器端口io5而为第一和/或第二辅助负载供电（图3c）。可以根据需要添加额外的模块io端口（例如，3、4、5、6）。模块108也可以配置成互连模块，以便在两个或更多个阵列、两个或更多个包或两个或更多个系统100之间交换能量（例如，用于平衡），如本文中进一步描述。这种互连功能性同样可以与多个能量源和/或多个辅助负载供应能力组合。
106.控制系统102可以关于模块108a、108b和108c的组件执行各种功能。这些功能可以包括：管理每个能量源206的利用（使用量），保护能量缓冲器204免受过电流、过电压和高温状况的影响，以及控制和保护转换器202。
107.例如，为了管理（例如，通过增加、减少或维持来调整）每个能量源206的利用，lcd 114可以从每个能量源206（或监测电路）接收一个或多个监测电压、温度和电流。监测的电压可以是能量源206的独立于其它组件的每个基本组件（例如，每个单独的电池单元、hed电容和/或燃料电池）的电压中的至少一个，最好是所有电压，或者是多组基本组件作为整体的电压（例如，电池阵列、hed电容阵列和/或燃料电池阵列的电压）。类似地，监测的温度和电流可以是能量源206的独立于其它组件的每个基本组件的温度和电流中的至少一个，最好是所有的温度和电流，或者是多组基本组件作为整体的温度和电流，或者是其任意组合。
监测的信号可以是状态信息，lcd 114可以利用这些状态信息来执行以下操作中的一个或多个：运算或确定基本组件或基本组件群组的实际容量、实际电荷状态（soc）和/或健康状态（soh）；基于监测和/或计算的状态信息设置或输出警告或警报指示；和/或将状态信息传输到mcd 112。lcd 114可以从mcd 112接收控制信息（例如，调制指数、同步信号），并使用该控制信息来为转换器202生成用于管理能量源206的利用的开关信号。
108.为了保护能量缓冲器204，lcd 114可以从能量缓冲器204（或监测电路）接收一个或多个监测电压、温度和电流。监测的电压可以是缓冲器204的（例如，c
eb
、c
eb1
、c
eb2
、l
eb1
、l
eb2
、d
eb
的）每个基本组件独立于其它组件的电压中的至少一个，最好是所有电压，或者是多组基本组件或缓冲器204作为整体的电压（例如，io1和io2之间或io3和io4之间的电压）。类似地，监测的温度和电流可以是缓冲器204的每个基本组件独立于其它组件的温度和电流中的至少一个，最好是所有温度和电流，或者是各组基本组件或缓冲器204作为整体的温度和电流，或者其任意组合。监测的信号可以是状态信息，lcd 114可以利用这些状态信息来执行以下操作中的一个或多个：设置或输出警告或警报指示；将状态信息传达到mcd 112；或控制转换器202调整（增加或减少）能量源206和模块108作为整体的使用以进行缓冲器保护。
109.为了控制和保护转换器202，lcd 114可以从mcd 112接收控制信息（例如，调制的参考信号、或参考信号和调制指数），此类控制信息可以在lcd 114中与pwm技术一起用于为每个开关（例如，s1至s6）生成控制信号。lcd 114可以从转换器202的电流传感器接收电流反馈信号，该电流反馈信号可以与来自转换器开关的驱动电路（未示出）的一个或多个故障状态信号一起用于过电流保护，这一个或多个故障状态信号可以携带关于转换器202的所有开关的故障状态（例如，短路或开路故障模式）的信息。基于该数据，lcd 114可以决定使用开关信号的哪种组合来管理模块108的利用，并且潜在地旁路转换器202（和整个模块108）或将转换器202（和整个模块108）与系统100断开连接。
110.如果对为第二辅助负载302供电的模块108c进行了控制，则lcd 114可以接收模块108c中的一个或多个监测的电压（例如，io端口5和6之间的电压）和一个或多个监测的电流（例如，耦合电感lc中的电流，这是负载302的电流）。基于这些信号，lcd 114可以调整s1和s2的开关周期（例如，通过调整调制指数或参考波形）以控制（并稳定）负载302的电压。
111.级联能量系统拓扑的示例两个或更多个模块108可以耦合在级联阵列中，该级联阵列输出通过叠加由阵列内的每个模块108所生成的离散电压而形成的电压信号。图7a是描绘系统100的拓扑的示例实施例的框图，其中，n个模块108-1、108
ꢀ‑2…
108-n串联耦合在一起以形成串行阵列700。在该实施例和本文所描述的所有实施例中，n可以是大于一的任何整数。阵列700包括第一系统io端口sio1和第二系统io端口sio2，在这些端口两端生成阵列输出电压。阵列700可以用作dc或ac单相负载的dc或单相ac能量源，这些负载可以连接到阵列700的sio1和sio2。图8a是描绘通过具有48伏能量源的单个模块108所产生的示例输出信号的电压对时间的图表。图8b是描绘通过具有串联耦合的六个48v模块108的阵列700所生成的示例单相ac输出信号的电压对时间的图表。
112.系统100可以按各种各样不同的拓扑布置以满足应用的变化的需求。系统100可以通过使用多个阵列700来向负载提供多相功率（例如，两相、三相、四相、五相、六相等），其
中，每个阵列可以生成具有不同相位角的ac输出信号。
113.图7b是描绘具有耦合在一起的两个阵列700-pa和700-pb的系统100的框图。每个阵列700是由n个模块108的串联连接形成的一维。这两个阵列700-pa和700-pb可以各自生成单相ac信号，其中，这两个ac信号具有不同的相位角pa和pb（例如，相隔180度）。每个阵列700-pa和700-pb的模块108-1的io端口1可以分别形成或连接到系统io端口sio1和sio2，而系统io端口sio1和sio2又可以充当每个阵列的第一输出端，该第一输出端为负载提供两相功率（未示出）。或者备选地，端口sio1和sio2可以连接成从两个并行阵列提供单相功率。每个阵列700-pa和700-pb的模块108-n的io端口2可以在该阵列的与系统io端口sio1和sio2相反的一端上充当每个阵列700-pa和700-pb的第二输出端，可以在公共节点处耦合在一起，并且如果需要，可以可选地用于额外的系统io端口sio3，该端口sio3可以充当中立点。这个公共节点可以称为轨道，并且每个阵列700的模块108-n的io端口2可以称为位于阵列的轨道侧上。
114.图7c是描绘具有耦合在一起的三个阵列700-pa、700-pb和700-pc的系统100的框图。每个阵列700是由n个模块108的串联连接形成的一维。这三个阵列700-1和700-2可以各自生成单相ac信号，其中，这三个ac信号具有不同的相位角pa、pb、pc（例如，相隔120度）。每个阵列700-pa、700-pb和700-pc的模块108-1的io端口1可以分别形成或连接到系统io端口sio1、sio2和sio3，而这些系统io端口sio1、sio2和sio3又可以为负载（未示出）提供三相功率。每个阵列700-pa、700-pb和700-pc的模块108-n的io端口2可以在公共节点处耦合在一起，并且如果需要，可选地用于额外的系统io端口sio4，该端口sio4可以充当中立点。
115.关于图7b和图7c的两相和三相实施例所描述的概念可以扩展到系统100生成甚至更多的功率相。例如，附加示例的非详尽列表包括：系统100具有四个阵列700，每个阵列配置成生成具有不同相位角（例如，相隔90度）的单相ac信号：系统100具有五个阵列700，每个阵列配置成生成具有不同相位角（例如，相隔72度）的单相ac信号；以及系统100具有六个阵列700，每个阵列配置成生成具有不同相位角（例如，相隔60度）的单相ac信号。
116.系统100可以配置成使得阵列700在每个阵列内的模块108之间的电节点处相互连接。图7d是描绘具有以组合的串联和三角布置方式耦合在一起的三个阵列700-pa、700-pb和700-pc的系统100的框图。每个阵列700包括与n个模块108（其中，n为二或更大）的第二串联连接耦合的m个模块108（其中，m为二或更）的第一串联连接。三角配置由阵列之间的互连形成，阵列可以放置在任何想要的位置。在该实施例，阵列700-pc的模块108-(m n)的io端口2与阵列700-pa的模块108-m的io端口2和模块108-(m 1)的io端口1耦合在一起，阵列700-pb的模块108-(m n)的io端口2与阵列700-pc的模块108-m的io端口2和模块108-(m 1)的io端口1耦合在一起，并且阵列700-pa的模块108-(m n)的io端口2与阵列700-pb的模块108-m的io端口2和模块108-(m 1)的io端口1耦合在一起。
117.图7e是描绘具有以组合的串联和三角布置方式耦合在一起的三个阵列700-pa、700-pb和700-pc的系统100的框图。该实施例与图7d类似，不同之处在于具有不同的交叉连接。在该实施例中，阵列700-pc的模块108-m的io端口2与阵列700-pa的模块108-1的io端口1耦合，阵列700-pb的模块108-m的io端口2与阵列700-pc的模块108-1的io端口1耦合，并且阵列700-pa的模块108-m的io端口2与阵列700-pb的模块108-1的io端口1耦合。图7d和图7e的布置可以在每个阵列700中使用少至两个模块的情况下实现。组合的三角和串联配置使
得能够在系统的所有模块108（相间平衡）和功率电网或负载的相之间有效交换能量，并且还允许降低阵列700中的模块108的总数以获得期望的输出电压。
118.在本文所描述的实施例中，尽管在系统100内的每个阵列700中模块108的数量相同是有利的，但这不是所要求的，并且不同的阵列700可以具有不同数量的模块108。此外，每个阵列700可以包括具有相同配置（例如，所有模块都是108a、所有模块都是108b、所有模块都是108c、或其它）或不同配置（例如，一个或多个模块是108a、一个或多个模块是108b、一个或多个模块是108c、或其它）的模块108。因此，本文所涵盖的系统100的拓扑的范围是广泛的。
119.控制方法的示例实施例如上文所提及，系统100的控制可以根据诸如滞后或pwm之类的各种方法来执行。pwm的若干个示例包括空间向量调制和正弦脉宽调制，其中，转换器202的开关信号利用移相载波技术生成，移相载波技术连续旋转每个模块108的使用以在它们之中平等地分配功率。
120.图8c-8f是描绘移相pwm控制方法的示例实施例的图表，该控制方法可以使用逐渐移位的双电平波形来生成多电平输出pwm波形。x-电平pwm波形可以由（x-1）/2个双电平pwm波形的总和生成。这些双电平波形可以通过将参考波形vref与逐渐移位360
º
/(x-1)的载波进行比较来生成。载波是三角形，但是实施例不限于此。图8c中示出了九-电平示例（使用四个模块108）。载波逐渐移位360
º
/(9-1)= 45
º
，并将其与vref进行比较。由此产生的双-电平pwm波形如图8e所示。这些双电平波形可用作转换器202的半导体开关（例如，s1至s6）的开关信号。作为参考图8e的示例，对于包括各自具有转换器202的四个模块108的一维阵列700，0
º
信号用于控制第一模块108-1的s3，并且180
º
信号用于控制第一模块108-1的s6；45
º
信号用于控制第二模块108-2的s3，并且225
º
信号用于控制第二模块108-2的s6；90
º
信号用于控制第三模块108-3的s3，并且270
º
信号用于控制第三模块108-3的s6；并且135
º
信号用于控制第四模块108-4的s3，并且315
º
信号用于控制第四模块108-4的s6。s3的信号与s4互补，并且s5的信号与s6互补，其中具有足够的死区时间以避免每个半桥的射穿。图8f描绘了通过来自四个模块108的输出电压的叠加（求和）而产生的示例单相ac波形。
121.备选方案是与前(n-1)/2个载波一起利用正参考信号和负参考信号两者。图8d中示出了九-电平示例。在该示例中，0
º
至135
º
开关信号（图8e）是通过将 vref与图8d的0
º
至135
º
载波进行比较而生成的，并且180
º
至315
º
开关信号是通过将-vref与图8d的0
º
至135
º
载波进行比较而生成的。然而，后一种情况下的比较的逻辑是相反的。也可使用诸如状态机解码器之类的其它技术来为转换器202的开关生成栅极信号。
122.在多相系统实施例中，可以对每个相使用相同的载波，或者载波集合可以对于每个相作为整体进行移位。例如，在具有单个参考电压（vref）的三相系统中，每个阵列700可以使用相同数量的载波和相同的相对偏移，如图8c和图8d所示，但是第二相的载波与第一相的载波相比移位120度，并且第三相的载波与第一相的载波相比移位240度。如果对于每个相有不同的参考电压可用，则可以在参考电压中携带相信息，并且可以对每个相使用相同的载波。在许多情况下，载波频率将是固定的，但是在一些示例实施例中，载波频率可以调整，这可以有助于降低在大电流条件下ev马达中的损耗。
123.可以通过控制系统102将适当的开关信号提供给每个模块。例如，取决于lcd 114
所控制的这个或这些模块108，mcd 112可以将vref和适当的载波信号提供给每个lcd 114，并且lcd 114可以接着生成开关信号。或者，可以为阵列中的所有lcd 114提供所有载波信号，并且lcd可以选择适当的载波信号。
124.每个模块108的相对使用可以基于状态信息进行调整，以执行如本文所描述的一个或多个参数的平衡。参数的平衡可以涉及调整利用，以便与不执行单独的模块利用调整的系统相比，最大限度地减少参数随时间的差异。利用可以是系统100处于放电状态时模块108放电的相对时间量，或者是系统100处于充电状态时模块108充电的相对时间量。
125.如本文所描述，模块108可以相对于阵列700中的其它模块进行平衡，这可以称为阵列内平衡或相内平衡，并且不同的阵列700可以关于彼此进行平衡，这可以称为阵列间平衡或相间平衡。不同子系统的阵列700也可以关于彼此进行平衡。控制系统102可以同时执行相内平衡、相间平衡、模块内的多个能量源的利用、主动过滤和辅助负载供电的任意组合。
126.图9a是描绘用于单相ac或dc阵列的控制系统102的阵列控制器900的示例实施例的框图。阵列控制器900可以包括峰值检测器902、分压器904和相内（或阵列内）平衡控制器906。阵列控制器900可以接收参考电压波形（vr）和关于阵列中的这n个模块108中的每个模块的状态信息（例如，电荷状态（soci）、温度（ti）、容量（qi）和电压（vi））以作为输入，并生成归一化的参考电压波形（vrn）和调制指数（mi）以作为输出。峰值检测器902检测vr的峰值（vpk），这可以是控制器900正在操作和/或平衡的相位所特有的。分压器904通过将vr除以它的检测到的vpk而生成vrn。相内平衡控制器906使用vpk以及状态信息（例如，soci、ti、qi、vi等）来为受到控制的阵列700内的每个模块108生成调制指数mi。
127.调制指数和vrn可以用于为每个转换器202生成开关信号。调制指数可以是零到一之间的数字（包括0和1）。对于特定模块108，可以将归一化的参考vrn调制或缩放mi，并且根据关于图8c-8f所描述的pwm技术或根据其它技术，该调制后的参考信号（vrnm）可以用作vref（或-vref）。以这种方式，调制指数可以用于控制提供给转换器开关电路（例如，s3-s6或s1-s6）的pwm开关信号，并且从而调节每个模块108的操作。例如，受到控制以维持正常或完全操作的模块108可能会接收到一的mi，而受到控制以低于正常或完全操作的模块108可能会接收到小于一的mi，而受到控制以停止功率输出的模块108可能会接收到0的mi。该操作可以通过控制系统102以各种方式执行，比如：通过mcd 112将vrn和mi输出到适当的lcd 114以进行调制和开关信号生成；通过mcd 112执行调制并将调制后的vrnm输出到适当的lcd 114以进行开关信号生成；或通过mcd 112智慧型调制和开关信号生成并将开关信号直接输出到lcd或每个模块108的转换器202。可以在每隔一定时间发送mi（诸如，vrn的每个时段发送一次、或每分钟发送一次等等）的情况下连续发送vrn。
128.控制器906可以使用本文所描述的任何类型的状态信息（例如，soc、温度（t）、q、soh、电压、电流）或任何类型的状态信息的任何组合来为每个模块108生成mi。例如，当使用soc和t时，如果与阵列700中的其它模块108相比，某个模块108的soc相对较高，并且温度相对较低，则该模块108可以具有相对较高的mi。如果或者soc相对较低或者t相对较高，则该模块108可以具有相对较低的mi，从而导致利用低于阵列700中的其它模块108。控制器906可以确定mi，以使得模块电压之和不超过vpk。例如，vpk可以是每个模块的能量源206的电压和该模块的mi的乘积之和（例如，vpk = m
1v1 m
2v2 m
3v3
ꢀ…
m
nvn
等）。可使用调制指
数并且因此的模块的相应的电压贡献的不同组合，但是所生成的总电压应该保持不变。
129.在控制器900不会防止在任一时间（例如，诸如在ev的最大加速期间）实现系统的功率输出要求的程度，控制器900可以控制操作，以使得每个模块108中的（这个或这些）能量源的soc保持平衡或收敛到平衡的状况（如果它们不平衡的话），和/或使得每个模块中的（这个或这些）能量源或其它组件（例如，能量缓冲器）的温度保持平衡或收敛到平衡的状况（如果它们不平衡的话）。可以调节进、出模块的功率流，以使得能量源之间的容量差不会导致soc偏差。soc和温度的平衡可能会间接地导致soh的一定平衡。如果需要，电压和电流可以直接平衡，但是在许多实施例中，系统的主要目标是平衡soc和温度，并且在模块具有类似的容量和阻抗的高度对称的系统中，soc的平衡可能会导致电压和电流的平衡。
130.由于不可能同时平衡所有参数（例如，一个参数的平衡可能会进一步使另一参数失衡），所以取决于应用的要求，可在赋予任一参数优先级的情况下应用平衡任意两个或更多个参数（soc、t、q、soh、v、i）的组合。相较于其它参数（t、q、soh、v、i），可以赋予soc平衡中的优先级，但是如果其它参数（t、q、soh、v、i）之一达到阈值之外的严重的不平衡状况，则例外。
131.不同相的阵列700（或相同相的阵列，例如，如果使用并行阵列的话）之间的平衡可以与相内平衡同时执行。图9b描绘了配置用于在具有至少ω个阵列700的ω-相系统100中操作的ω-相（或ω-阵列）控制器950的示例实施例，其中，ω是大于一的任何整数。控制器950可以包括一个相间（或阵列间）控制器910和用于相pa至pω的ω个相内平衡控制器906-pa
…
906-pω以及峰值检测器902和分压器904（图9a），分压器904用于从每个相特定的参考vrpa至vrpω生成归一化的参考vrnpa至vrnpω。相内控制器906可以为每个阵列700的每个模块108生成mi，如关于图9a所描述。相间平衡控制器910配置成或编程为平衡跨越整个多维系统（例如，在不同相的阵列之间）的模块108的各个方面。这可通过向这些相注入共模（例如，中性点移位）或通过使用互连模块（本文所描述）或通过两者来实现。共模注入涉及通过vrpω向参考信号vrpa引入相位和振幅移位以生成归一化的波形vrnpa至vrnpω，从而补偿一个或多个阵列中的不平衡，它如在并入到本文的国际申请号pct/us20/25366中所进一步描述。
132.控制器900和950（以及平衡控制器906和910）可以在控制系统102内以硬件、软件或其组合实现。控制器900和950可以在mcd 112中实现，部分或完全地分布在lcd 114之中，或者可作为独立于mcd 112和lcd 114的离散控制器实现。
133.互连（ic）模块的示例实施例模块108可以连接在不同阵列700的模块之间，以便在阵列之间交换能量、充当辅助负载的能量源或两者兼有。此类模块在本文中称为互连（ic）模块108ic。ic模块108ic可以按已经描述过的模块配置（108a、108b、108c）和本文中即将描述的其它模块配置中的任何模块配置实现。ic模块108ic可以包括一个或多个能量源、可选的能量缓冲器、用于为一个或多个阵列供应能量和/或用于为一个或多个辅助负载供电的开关电路、控制电路（例如，本地控制装置）、以及用于收集关于ic模块本身或其各种负载的状态信息（例如，能量源的soc、能量源或能量缓冲器的温度、能量源的容量、能量源的soh、与ic模块相关的电压和/或电流测量、与（一个或多个）辅助负载相关的电压和/或电流测量等）的监测电路。
134.图10a是描绘能够利用ω个阵列700-pa至700-pω产生ω-相功率的系统100的示
例实施例的框图，其中，ω可以是大于一的任何整数。在该实施例和其它实施例中，ic模块108ic可以位于阵列700的轨道侧上，以使得与模块108ic相连的阵列700（在该实施例中为阵列700-pa至700-pω）在电气上连接在模块108ic和到负载的输出端（例如，sio1至sioω）之间。这里，模块108ic具有用于连接到阵列700pa至700-pω的每个模块108-n的io端口2的ω个io端口。在这里所描绘的配置中，模块108ic可以通过将模块108ic的这一个或多个能量源选择性地连接到阵列700-pa至700-pω中的一个或多个阵列（或不连接到输出端，或平等地连接到所有输出端，如果不要求相间平衡的话）来执行相间平衡。系统100可以由控制系统102（未示出，见图1a）进行控制。
135.图10b是描绘模块108ic的示例实施例的示意图。在该实施例中，模块108ic包括与能量缓冲器204连接的能量源206，而能量缓冲器204又与开关电路603连接。开关电路603可以包括用于将能量源206独立地连接到阵列700-pa至700-pω中的每个的开关电路单元604-pa至604-pω。可以对每个单元604使用各种开关配置，在该实施例中，单元604配置成具有两个半导体开关s7和s8的半桥。每个半桥由来自lcd 114的控制线路118-3控制。该配置类似于关于图3a所描述的模块108a。如关于转换器202所描述，开关电路603可以按任何布置并利用适合于应用要求的任何开关类型（例如，mosfet、igbt、硅、gan等）来配置。
136.开关电路单元604耦合在能量源206的正端子和负端子之间，并且具有连接到模块108ic的io端口的输出端。单元604-pa至604-pω可以由控制系统102控制，以便选择性地将电压 v
ic
或-v
ic
耦合到相应的模块i/o端口1至ω。控制系统102可以根据任何期望的控制技术（包括本文中所提到的pwm和滞后技术）来控制开关电路603。这里，控制电路102实现为lcd 114和mcd 112（未示出）。lcd 114可以从模块108ic的监测电路接收监测数据或状态信息。该监测数据和/或从该监测数据导出的其它状态信息可以输出到mcd 112，以用于本文所描述的系统控制。lcd 114还可以接收计时信息（未示出），以用于系统100的模块108和诸如在pwm中所使用的锯齿信号（图8c-8d）之类的一个或多个载波信号（未示出）的同步。
137.对于相间平衡，可以按比例将来自能量源206的更多能量供应给阵列700-pa至700-pω中与其它阵列700相比电荷相对较低的任意一个或多个阵列。将该补充能量供应给特定阵列700允许相对于（这个或这些）未得到供应的相阵列降低那些级联模块108-1至108-n的能量输出。
138.例如，在应用pwm的一些示例实施例中，lcd 114可以配置成（从mcd 112）接收与模块108ic耦合的这一个或多个阵列700中的每个阵列的归一化的电压参考信号（vrn），例如，vrnpa至vrnpω。lcd 114还可以从mcd 112分别接收每个阵列700的开关单元604-pa至604-pω的调制指数mipa至mipω。lcd 114可以利用直接耦合到该阵列的开关区段的调制指数来调制每个相应的vrn（例如，将两者相乘），然后利用载波信号来为每个开关单元604生成（这个或这些）控制信号。在其它实施例中，mcd 112可以执行调制，并将每个单元604的调制后的电压参考波形直接输出到模块108ic的lcd 114。在仍有的其它实施例中，所有处理和调制都可以由单个控制实体进行，该控制实体可以将控制信号直接输出到每个单元604。
139.可以对这种开关进行调制，以便以适当的间隔和持续时间将来自能量源206的功率供应给（这个或这些）阵列700。此类方法可以用各种方式实现。
140.基于收集到的系统100的状态信息，比如每个阵列中的每个能量源的当前容量（q）和soc，mcd 112可以确定每个阵列700的总电荷（例如，某个阵列的总电荷可以确定为该阵
列的每个模块的容量乘以soc的总和）。mcd 112可以确定是存在平衡还是不平衡的状况（例如，通过使用相对差阈值和本文所描述的其它度量），并且相应地为每个开关单元604-pa至604-pω生成调制指数mipa至mipω。
141.在平衡的操作过程中，可以将每个开关单元604的mi设置为使得通过能量源206和/或能量缓冲器204将随时间相同或类似量的净能量供应给每个阵列700的值。例如，每个开关单元604的mi可以相同或类似，并且可以设置为这样的水平或值，该水平或该值使得模块108ic在平衡操作期间执行将能量净或时间平均地放电给这一个或多个阵列700-pa至700-pω，以便使模块108ic以与系统100中的其它模块108相同的速率耗尽。在一些实施例中，可以将每个单元604的mi设置为在平衡操作期间不会使得能量的净或时间平均放电（使得净能量放电为零）的水平或值。如果模块108ic的总电荷低于系统中的其它模块，则这就可能有用。
142.当在阵列700之间发生不平衡的状况时，那么可以调整系统100的调制指数，以使得其向平衡的状况收敛或使进一步的差异最小化。例如，控制系统102可以使模块108ic以低于其它模块的电荷向阵列700更多地放电，并且还可以使该低阵列700的模块108-1至108-n相对较少地放电（例如，以平均时间为基础）。与被协助的阵列700的模块108-1至108-n相比，并且也与模块108ic对其它阵列贡献的净能量的量相比，由模块108ic所贡献的相对净能量增加。这可以通过以下方式来完成：增加供应该低阵列700的开关单元604的mi；以将该低阵列的vout维持在适当的或所要求的水平的方式降低该低阵列700的模块108-1至108-n的调制指数；并使供应其它较高阵列的其它开关单元604的调制指数维持相对不变（或降低它们）。
143.图10a-10b中的模块108ic的配置可以单独用于为单个系统提供相间或阵列间平衡，或者可以与一个或多个其它模块108ic组合使用，每个模块具有一个能量源和耦合到一个或多个阵列的一个或多个开关部分604。例如，具有与ω个不同阵列700耦合的ω个开关部分604的模块108ic可以与第二模块108ic组合，第二模块108ic具有与一个阵列700耦合的一个开关部分604，以使得这两个模块组合起来为具有ω 1个阵列700的系统100提供服务。任何数量的模块108ic都可以按这种方式组合，每个模块与系统100的一个或多个阵列700耦合。
144.此外，ic模块可以配置成在系统100的两个或更多个子系统之间交换能量。图10c是描绘具有通过ic模块互连的第一子系统1000-1和第二子系统1000-2的系统100的示例实施例的框图。具体来说，子系统1000-1配置成借助于系统i/o端口sio1、sio2和sio3向第一负载（未示出）供应三相功率pa、pb和pc，而子系统1000-2配置成借助于系统i/o端口sio4、sio5和sio06分别向第二负载（未示出）供应三相功率pd、pe和pf。例如，子系统1000-1和1000-2可以配置成为ev的不同马达供电的不同组，或配置成为不同的微电网供电的不同机架。
145.在该实施例中，每个模块108ic与子系统1000-1的第一阵列（经由io端口1）和子系统1000-2的第一阵列（经由io端口2）耦合，并且每个模块108ic可以借助于i/o端口3和4与每个其它模块108ic电气连接，i/o端口3和4与每个模块108ic的能量源206耦合，如关于图3c的模块108c所描述。这种连接将模块108ic-1、108ic-2和108ic-3的能量源206并行放置，并且因此由模块108ic存储和供应的能量通过这种并行布置汇集在一起。也可以使用其它
布置，诸如串行连接。模块108ic容纳在子系统1000-1的公共壳体内，但是这些互连模块可以位于公共壳体外部，并且在物理上作为两个子系统1000的公共壳体之间的独立实体定位。
146.每个模块108ic具有与io端口1耦合的开关单元604-1和与i/o端口2耦合的开关单元604-2，如关于图10b所描述。因此，为了在子系统1000之间平衡（例如，组间或机架间平衡），特定的模块108ic可以为与它所连接的两个阵列中的任何个或两个阵列供应相对更多的能量（例如，模块108ic-1可以为阵列700-pa和/或阵列700-pd供电）。控制电路可以监测不同子系统的阵列的相对参数（例如，soc和温度），并调整ic模块的能量输出，以便以与本文描述为补偿相同机架或组的两个阵列之间的不平衡的方式相同的方式来补偿不同子系统的阵列或相位之间的不平衡。由于所有三个模块108ic都是并联的，所以可以在系统100的任何和所有阵列之间有效地交换能量。在该实施例中，每个模块108ic为两个阵列700供电，但是可以使用其它配置，包括单个ic模块用于系统100的所有阵列以及对于每个阵列700具有一个专用ic模块的配置（例如，六个阵列有六个ic模块，其中，每个ic模块具有一个开关单元604）。在具有多个ic模块的所有情况下，能量源可以并联耦合在一起，以便共享能量，如本文所描述。
147.在相位之间具有ic模块的系统中，相间平衡也可以通过如上文所描述的中性点移位（或共模注入）来执行。此类组合允许在更广泛的操作条件下更鲁棒且灵活的平衡。系统100可以确定仅通过中性点移位、仅通过相间能量注入或同时使用两者的组合执行相间平衡的适当情况。
148.ic模块也可以配置成为一个或多个辅助负载301（以与能量源206相同的电压）和/或一个或多个辅助负载302（以从能量源302逐渐降低的电压）供电。图10d是描绘三相系统100a的示例实施例的框图，三相系统100a具有经连接以执行相间平衡并为辅助负载301和302供电的两个模块108ic。图10e是描绘系统100的该示例实施例的示意图，其重点放在模块108ic-1和108ic-2上。这里，控制电路102同样实现为lcd 114和mcd 112（未示出）。lcd 114可以从模块108ic接收监测数据（例如，es1的soc、es1的温度、es1的q、辅助负载301和302的电压等），并且可以将这些和/或其它监测数据输出到mcd 112，以用于系统控制，如本文所描述。每个模块108ic可以对于由该模块供电的每个负载302包括开关部分602a（或关于图6c描述的602b），并且每个开关部分602可以由lcd 114或独立控制或基于来自mcd 112的控制输入进行控制以维持负载302的所要求的电压电平。在该实施例中，每个模块108ic包括连接在一起以便这一个负载302供电的开关部分602a，尽管这不是所要求的。
149.图10f是描绘配置成为一个或多个辅助负载301和302供电的具有模块108ic-1、108ic-2和108ic-3的三相系统的另一示例实施例的框图。在该实施例中，模块108ic-1和108ic-2以与关于图10d-10e所描述的方式相同的方式进行配置。模块108ic-3配置成纯粹辅助的角色，它不主动向系统100的任何阵列700中注入电压或电流。在该实施例中，模块108ic-3可以像图3b的模块108c一样配置，它包括具有一个或多个辅助开关部分602a、但省略了开关部分601的转换器202b、c（图6b-6c）。因此，模块108ic-3的这一个或多个能量源206与模块108ic-1和108ic-2的能量源并联互连，并且因此，系统100的该实施例配置有额外的能量，以用于为辅助负载301和302供电，并用于通过与模块108ic-3的能量源206的并联连接维持模块108ic-1和108ic-2的能量源206a上的电荷。
150.每个ic模块的能量源206可以与系统的其它模块108-1至108-n的能量源206具有相同的电压和容量，尽管这不是所要求的。例如，在一个模块108ic将能量施加到多个阵列700（图10a）以允许该ic模块以与相阵列模块本身相同的速率放电的实施例中，相对较高的容量可能是可取的。如果模块108ic也为辅助负载供电，则可能期望甚至更大的容量，以便容许ic模块即为辅助负载供电并又以与其它模块相对相同的速率放电。
151.关于图1a-10f所描述的前面提到的实施例可以与涉及系统100的冷却系统以及在具有可移动和可更换模块的应用中的系统100的实现的所有以下实施例一起使用。
152.冷却系统的示例实施例由于系统100在操作过程中所生成的热量可能非常大，所以通常必需提供冷却系统，该冷却系统具有靠近系统100的各种元件和/或马达和ev的任何其它要求冷却的元件循环冷却剂的功能。图11a描绘了冷却布置1100的示例，其中，通过泵1101抽吸冷却剂以通过布置1100的各个元件。冷却剂可以循环，以使得首先安排具有最大冷却要求的组件，并且最后冷却具有较宽松的热要求的那些组件。例如，在该实施例中，泵1101首先向电池模块206循环冷却剂，电池模块206可能要求在20至30℃之间的相对较低温度的冷却剂；然后向模块108的功率转换器202和控制（例如，lcd 114）电子器件1104循环冷却剂，这些组件可能要求至多40或50℃的相对较高温度的冷却剂；最后到达这一个或多个马达1106，它们可能要求低于60℃的更高温度的冷却剂。在紧密靠近这些组件循环以便冷却它们之后，冷却剂可以继续通过热交换器1108，在热交换器1108中，它的温度恢复到接近于电池模块206的要求的温度，这时它通过泵1101循环，并且循环重复。
153.本文所描述的子系统1000中的一个或多个子系统可以在公共壳体中实现。包含在公共壳体内的储能系统常称为组，例如电池组。图11b描绘了用于系统100的一个或多个子系统的公共壳体1110的示例。公共壳体1110将包括这一个或多个子系统的模块108中的每个模块，并且还可以包括现有的任何互连模块。转换器的能量源、能量缓冲器和功率电子器件（开关电路）、控制电子器件以及模块的任何其它组件都将包含在公共壳体1110中。例如，见图11e，其中，电池模块206位于底部，并且相关联的功率转换器和控制电子器件1104位于壳体内电池上方。公共壳体1110可以包括底部壳体1112（诸如底座）和相对的顶部壳体1111（诸如盖子），并且顶部和底部壳体都可以包括用于通过壳体1111和1112的那些方面循环冷却剂以冷却模块108的一个或多个导管。如这里所示，来自泵301的冷却剂可以循环到底部壳体1112，在底部壳体1112中它经过导管网络1114，就像对于顶部壳体1111所示，并且因此靠近电池传递，并为它们提供冷却。冷却剂可以从底部壳体1112退出并传递到顶部壳体1111（或者通过位于壳体1110外部的导管，或者经由壳体1110侧面或内部的导管），并通过导管网络1114循环，在导管网络1114中它靠近模块的电子器件传递并冷却它们。然后，冷却剂可以从顶部壳体1111退出，其中它可以继续到系统的下一个组件，诸如（一个或多个）马达1106。
154.在一些实施例中，有可能只通过壳体1111的顶部提供冷却剂并冷却模块108的所有方面，而无需首先冷却电池并接着随后冷却电子器件。图11c描绘了示例布置320，其中，冷却剂从泵301循环到模块320，在模块320中，它同时冷却电池和相关联的电子器件两者，然后传递到（一个或多个）马达1106和热交换器1108。图11d描绘了类似于图11b的示例实施例，但是其中，冷却剂仅在顶部壳体内经过导管网络1114。
155.图11e是示出壳体1110内的模块的示例布局的透视图。这里，将每个模块示为电池与它的转换器相邻（例如，第一模块是电池1和转换器1的组合，依此类推）。这里只示出了顶部壳体1111，并且为了清楚起见，省略了壳体1110的两侧和底部以及顶部外壳内的导管网络。在该示例中，将转换器放置在电池上方，并且冷却剂在转换器上方流过顶部壳体1111，以使得来自电池的热量通过转换器向上传递到顶部壳体1111，在顶部壳体1111通过循环冷却剂去除热量。也可以实现反向配置，其中，将转换器放置在底部，并将电池放置在转换器上方，并且同样按照图11e通过顶部壳体或者按照图11b通过底部和顶部两者提取热量。在仍有的另一实施例中，转换器和电池可以如图11e所示那样或按相反的配置进行布置，但是冷却剂只能通过底部壳体传递。在再一个实施例中，转换器和电池可以并排放置，并且冷却剂可以通过顶部和/或底部壳体循环。所有前面提到的变型都可以在冷却剂还经过壳体的顶部、底部和/或侧面中的导管网络的情况下实现。
156.图11f是其中转换器和控制电子器件1108位于电池206上方的示例实施例的横截面。将关于位于顶部壳体1111内的导管1114描述该实施例，但是该实施例的特征可以同样适用于如所描述地在壳体的底部或壳体的侧面内通过的导管1114。在图11f中，转换器和控制系统的电子器件1108包含在电子外壳1122中。电子器件1108安装在诸如印刷电路板（pcb）或绝缘金属基板（ims）板之类的一个或多个基板1124上，这一个或多个基板提供在各种组件之间通过的电气连接。pcb或ims在电子器件1108上方定向，以便以倒置的方式安装电子器件。电池206位于外壳1122下方，并位于底座1126上，底座1126可以是底部壳体。电池206具有位于电池的顶部上的正、负端子1128。电气连接1130从端子1128通过外壳1122（或备选地在其外部）延伸到pcb或ims和/或用于开关的转换器电子器件。pcb或ims位于与由高导热材料（例如铝、铝合金、铜或钢）组成的散热片板1132紧紧相邻的位置。
157.顶部壳体1111包括用于冷却剂1136的导管1114，如关于图11b和图11d所描述。导管1114可以由高导热材料（例如，铝、铜或钢）组成，并且形状为多边形横截面，如这里所描绘，不过也可以使用其它形状，诸如椭圆形、或圆形、或圆形和多边形形状的组合。导管1114可以位于顶部壳体1111中的通道1120内，通道1120的形状与导管相对应。例如，如果导管1114具有多边形横截面，那么通道1120也可以具有多边形横截面，以允许导管1114位于其中。顶部壳体1111也可以由高导热材料（例如，铝、铜或钢）组成。可以将通道1120机加工或蚀刻到顶部壳体1111中，并且导管1114可以在其中压配合。
158.如这里所示，导管1114的两个区段在系统100的特定模块108上方通过。如果需要，可以在导管1114的底部表面和散热片1132的顶部表面之间存在界面层1134。界面层1134可以是具有高导热性和一定程度的可变形性或弹性以便在散热片1132与导管1114的底部表面（以及顶部壳体1111的底部表面）之间形成连续且持久的接触的材料。界面层1134可以比顶部壳体1111和散热片1132相对薄，并且界面层1134可以由例如导热聚合物组成。
159.在该实施例中，导管1114被示为在一个模块上方通过，然而，导管1114的布局的密度将基于应用的热要求变化。虽然最好至少有一个导管1114在每个模块上方通过，但这不是所要求的。一个导管1114可以由两个或更多个模块共享。导管1114可敷设在模块的中心上方，或者可以在与模块的侧面相距约三分之一的位置处（如在图11f中所描绘），或者在其它位置。
160.对于本文中所描述的只使用壳体1110的顶部壳体的实施例，关于图11f所描述的
配置可以完成可靠的冷却。如上所述，类似的布置可以沿壳体1110的两侧和/或沿壳体1110的底部放置，以使得导管1114与电池的底部相邻或通过第二层界面层与电池的底部分离。
161.可移除和可更换模块的示例实施例本文所描述的示例拓扑可以配置成容许将每个模块108的能量源206从ev内的位置移除并加以更换。这种可移除和可更换的能力可以用来快速且方便地将电荷相对较低的电池（或其它能量源）更换为电荷相对较高的电池，从而潜在地大大降低给ev充电所必需的时间。此类能力对于ev的利用时间在一天中延长的时段的环境有利，诸如车队运营（例如，拼车、送货或轿车租赁）。
162.图12a和图12b描绘了具有可更换电池（或其它能量源）能力的ev 1200的示例实施例。在该实施例中，ev的每一侧（左和右）都具有总共一个电池检视面板或门，它在ev操作期间关闭，并打开以容许进入到存放系统100的各种电池的空间1202。电池可以具有薄的形状因子，以使得电池具有相对较长的长度和相对较短的高度，这将在本文中更详细地描述。较短的高度允许电池沿底盘的底部放置，以使得任何乘客或驾驶者都可以位于电池及其模块上方，而不会显著地增加ev 1200的整体高度。图12a描绘了总共一个电池检修门关闭的ev 1200，而图12b描绘了电池检修门1201打开的ev 1200，在这种情况下它处于抬起的位置。打开总共一个电池检修门会暴露电池检修空间1202，可以从空间1202移除每个电池并更换为另一电池（或在某些情况下在充电或修复后为相同电池）。
163.在图12a-12b的实施例以及下文所描述的图13a的实施例中，每个电池都配置成具有多个单元的电池模块（bm）。模块化能量系统包括用于为ev 1200的不同电动马达供电的多个子系统。每个电池模块关于其所在的子系统、其所在阵列的相位以及容纳电池模块的模块所在阵列的等级进行引用。例如，将与第一子系统、第一子系统的相位a的阵列以及该阵列的等级2中的模块（例如，模块108-2）相关联的电池模块标记为bm1a2（电池模块、子系统1、相位a、等级2）。与根据本文所描述的任何实施例配置的互连模块108ic相关联的电池模块通过其状态标记为互连模块（ic）、借以对其进行检修的电池检修门1201（l为左、r为右）以及该互连模块的编号（例如，1、2、3）。例如，作为可从交通工具左侧检修的第三互连模块的一部分的电池模块标记为bmicl3。图13a的转换器（c）以类似的方式引用。
164.图13a是其中包含系统100的ev 1200的示例实施例的横截面的自顶向下视图。在该实施例中，ev 1200包括四个轮内马达1-4。在左边和右边示出电池检修门1201。系统100以与关于图13b所描述的电气布置类似的电气布置进行配置。在该实施例中，每个马达由三个阵列供电，每个阵列中具有三个模块108。系统100可以配置用于每个阵列中的任意数量的模块n，其中，n为二或更大。这里，每个模块由与转换器耦合的电池模块表示，其它组件没有示出。转换器可以包括与该模块相关联的所有电子器件（包括该模块的本地控制装置114）。电池所特有的电子器件（例如，诸如电池管理系统（bms））可以位于与电池模块一起。在ev 1200的中心区域中示出模块之间的功率连接。这些连接可以用绝缘总线条实现。绝缘总线条可以沿转换器的内侧（如这里所示）、沿转换器的底部、沿转换器的顶部或其任意组合布置，以有效地转移功率。虽然没有示出，但是还存在模块之间以及与主控制装置112的数据通信。
165.还示出了六个ic模块108ic。互连模块icl1、icl2和icl3互连为马达1和2供电的子系统，而互连模块icr1、icr2和icr3互连为马达3和4供电的子系统。互连模块可以用于为辅
助负载（未示出）供电并执行相间平衡。
166.图14a是描绘电池模块206和用于模块电子器件的外壳1402的示例实施例的透视图。电池模块206可以配置有任何标准操作电压（例如，24v、48v、60v等），并具有轻薄的形状因子。这里所示的长尺寸（长度）可以大于18英寸，而宽度和高度可以是6英寸或更小。在其它实施例中，长度可以是宽度的至少两倍、宽度的至少三倍、宽度的至少四倍、或宽度的至少五倍。在该实施例中，宽度约为高度的一半。外壳1402附连到导轨1404，导轨1404可以引导电池模块206滑动运动到与转换器和其它电子器件（例如，能量缓冲器204、lcd 114）电气连接。电池模块206具有正端子1411（如这里所示）以及在相对一侧上的负端子（未示出）。取决于实施例，定向可以相反。也可以实现另一配置，其中，正端子和负端子都位于同一侧（面向外壳1402）上，如图14f所示。电池模块206还具有用于携带关于电池的信息（诸如电荷和温度信息）的数据连接（未示出），在该数据连接中可以与外壳1402上标记为bms的电连接器相匹配。电池模块206可以锁到或锁定到与外壳1402内的电子器件锁定和连接的位置。图14a描绘了可以相对于导轨1404转环的面板形式的锁扣机构1406的一个示例实施例。面板包括可以与电池的正端子1411连接的功率连接器1408（ ）。另一功率连接器1409（-）示为位于bms端口下方，并且该连接器可以与电池模块206上的负端子配合。
167.图14d描绘了在滑到（或脱离）与外壳1402内的电子器件的电气触点过程的电池模块206。图14e描绘了在完全前进到与电子器件接触之后以及在锁扣机构1406已经抬起到与电池模块206的正端子形成电气连接的锁定位置之后的电池模块206。来自该连接的功率可以沿导轨1404的底侧发送到另一端上的电子器件。在图14e的位置中，电池模块206相对于外壳1402处于紧固位置，并且电池模块206与外壳1402内的电子器件之间的所有电气连接已经形成。在ev操作期间，电池模块206将处于在图14e中所描绘的位置。
168.为了移除完全或部分放电的电池模块206，可以打开ev的电池检修门1201，可以打开该电池模块206的锁扣机构1406，并且可以沿导轨1404将电池模块206滑出而不与电子器件电气触点，并且通过打开的电池检修门1201从ev 1200移除。以这种方式，可以在几分钟（例如，五分钟或更短时间）内陆陆续续移除并更换所有模块的所有电池模块206，以将低电量的ev 1200转换为高电量或充满电。
169.图14b是描绘与具有bms和功率连接器1409（-）端口的一端相对的外壳1402的另一端的端视图。这里示出了用于向以及从外壳1402内的本地控制装置114（未示出）交换信息的控制和数据端口。来自该控制和数据端口的信息可以路由到系统100的其它模块和主控制装置112（未示出）。还示出了用于连接到系统100的其它组件的功率连接端口1和2，这取决于模块在系统100中的位置（例如，连接到其它模块或连接到马达）。见例如图3a-3c的模块108a-108c的io端口1和2。
170.图14c是描绘互连模块外壳1402的端部的端视图。互连模块108ic可以与关于图14a、14b、14d、14e和14f所描述的大体上相同地配置，只是具有用于为其它互连模块108ic以及辅助负载301和302供电（例如，图13b）供电的附加功率连接端口3、4、5和/或6（例如，图3c的模块108c的io端口3-6）。
171.关于图14a-14f所描述的各种数据和功率连接端口可以用任何期望的方式实现。例如，电池模块206上的端口可以配置为设计成与外壳1402和锁扣机构1406上的对应的母端口耦合的公端口，或反之。图14b和14c中所示的io端口均可以实现为设计成与用于向以
及从外壳1402携带数据和/或功率的总线条或其它连接器耦合的公端口或母端口。
172.虽然不限于此，但是本发明实施例可以与具有通用ev平台的电动交通工具一起使用，通用ev平台包括具有储能系统以及附连到储能系统的一个或多个马达、不带传动系的轮内马达、或组合的电动动力系统。通用ev平台可以是ev的基本框架或底盘，取决于特定应用，它可以与任意数量的ev车身附连、配合或以其它方式集成，ev车身可以是诸如自动化无人驾驶和无乘客车身（例如，用于自动化送货服务的低电压应用）、用于搭载至少一名乘客或驾驶者（并且因此具有中度或中等电压要求）的不要求运输重负载的应用的中型车身（例如，厢式轿车、轿跑或跑车）、以及用于移动多个乘客和一名驾驶者和/或大负载（并且因此要求相对较高的电压功率要求）的大型车身（例如，客运客车、载货等）。
173.在下文、在对到目前为止所描述的实施例的回顾和/或补充中阐述了本主题的各个方面，这里的重点放在以下实施例的相互关系和可互换性上。换句话说，强调这样一个事实，即，除非另外明确指出或教导，否则实施例的每个特征都可以与每个其它特征组合。
174.在许多实施例中，提供一种可控制以向负载供电的模块化能量系统，该系统包括：连接在一起以输出ac电压信号的多个模块，ac电压信号包括来自每个模块的第一输出电压的叠加，其中，每个模块包括能量源以及转换器电子器件，转换器电子器件配置成连接到能量源并从能量源生成第一输出电压；以及用于所述多个模块的壳体，其中，壳体配置成传递冷却剂以冷却所述多个模块。
175.在一些实施例中，壳体包括配置成传递冷却剂的导管区段。壳体可以包括形状与导管区段的形状相对应的通道，其中，导管区段位于通道内。导管区段压配合在通道内。所述多个模块中的第一模块可以具有安装在基板上的转换器电子器件，并且基板可以位于导管区段和第一模块的转换器电子器件之间。基板和转换器电子器件可以位于第一模块的能量源和导管区段之间。该系统可以进一步包括位于导管区段和基板之间的散热片。该系统可以进一步包括位于导管区段和散热片之间的界面层。界面层可以是可变形的。导管区段可以与界面层接触，界面层可以与散热片接触，并且散热片可以与基板接触。说是多个模块中的每个模块可以具有安装在基板上的转换器电子器件，并且基板可以位于导管区段和每个模块的转换器电子器件之间。
176.在一些实施例中，壳体包括第一底座区段、与底座区段相对的第二区段和侧壁区段。导管区段可以位于第一底座区段、第二区段和侧壁区段中的至少一个区段内。第二区段是壳体的盖子，并且其中，导管区段在盖子内。
177.在许多实施例中，提供一种用于冷却电动交通工具的模块化能量系统的方法，该方法包括：通过冷却设备靠近模块化能量系统泵送冷却剂，以使得冷却剂冷却模块化能量系统的模块；然后靠近ev的马达泵送冷却剂以冷却马达；以及然后通过热交换器泵送冷却剂以冷却冷却剂。
178.在一些实施例中，通过冷却设备泵送冷却剂包括：靠近模块化能量系统的模块的至少一个电池泵送冷却剂，以冷却所述至少一个电池；然后靠近模块的电子器件泵送冷却剂以冷却电子器件。
179.在一些实施例中，通过冷却设备泵送冷却剂包括通过模块化能量系统的壳体的某一区段泵送冷却剂。该区段可以是底座区段、与底座区段相对的第二区段和侧壁区段中的至少一个区段。
180.在一些实施例中，通过冷却设备泵送冷却剂包括：先通过模块化能量系统的壳体的底座区段泵送冷却剂，然后通过与底座区段相对的壳体的第二区段泵送冷却剂。模块化能量系统的模块的电池可以位于与底座区段相邻的位置，并且模块化能量系统的模块的电子器件可以位于与第二区段相邻的位置。通过冷却设备泵送冷却剂可以包括仅通过底座区段、第二区段和侧壁区段之一泵送冷却剂。
181.在许多实施例中，提供一种可控制以向电动交通工具的马达供电的模块化能量系统，该系统包括：至少三个阵列，每个阵列包括连接在一起以输出ac电压信号的多个模块，ac电压信号包括来自每个模块的第一输出电压的叠加，其中，每个模块包括能量源和配置成从能量源生成第一输出电压的转换器电子器件，其中，由三个阵列输出的ac电压信号向马达供应三相功率，其中，能量源可释放地连接到转换器电子器件。
182.在一些实施例中，该系统进一步包括配置将能量源成可释放地连接到转换器电子器件的锁扣机构。每个模块可以包括用于存放转换器电子器件的外壳。外壳可以耦合到能量源的导轨。能量源可以沿导轨滑动。
183.在一些实施例中，能量源具有宽度、长度和高度，其中，长度是宽度的至少两倍。长度可以是宽度的至少三倍。长度可以是宽度的至少四倍。
184.在一些实施例中，锁扣机构包括用于将能量源连接到转换器电子器件的功率连接器。
185.在一些实施例中，系统包括至少一个互连模块，所述至少一个互连模块包括能量源和转换器，其中，互连模块的转换器耦合到阵列中的至少两个阵列。互连模块可以包括用于存放互连模块的转换器的外壳，其中，外壳包括控制端口、用于将转换器耦合到阵列中的至少两个阵列的至少两个连接器、以及用于将能量源或互连模块的转换器耦合到至少一个辅助负载的至少两个连接器。
186.在一些实施例中，能量源是电池模块。每个模块的外壳可以包括用于将电池模块的电池管理系统连接到容纳在外壳内的本地控制装置的连接器。
187.在一些实施例中，该系统进一步包括用于控制模块的转换器的控制系统。控制系统配置成控制每个阵列内的相内平衡。控制系统配置成控制跨越阵列的相间平衡。
188.在许多实施例中，提供一种电动交通工具，该电动交通工具包括：电动马达；根据本文中所描述的任何实施例配置以用于为电动马达供电的模块化能量系统；以及配置成在覆盖模块化能量系统的能量源的第一位置和暴露能量源以便移除的第二位置之间移动的至少一个检修面板。
189.在一些实施例中，所述至少一个检修面板是配置成枢转的门。
190.在许多实施例中，提供一种用于管理电动交通工具的功率的方法，其中，电动交通工具包括具有至少三个阵列的模块化能量系统，每个阵列包括多个模块，所述多个模块以级联方式连接在一起以为电动交通工具的马达生成ac电压信号，其中，每个模块包括电池模块和转换器电子器件，并且其中，该方法包括：从电动交通工具内的第一位置移除第一电池模块；以及将第二电池模块插入到电动交通工具内的第一位置中，其中，第二电池模块具有比第一电池模块相对更高的电荷状态。
191.在一些实施例中，移除第一电池模块包括在电动交通工具内从锁定状态解锁第一电池模块。该方法可进一步包括将第二电池模块锁定在第一位置中。
192.在一些实施例中，该方法可以进一步包括：在移除第一电池模块之前，将电动交通工具的检修面板从覆盖第一电池模块的封闭位置移动到暴露第一电池模块的开放位置。检修面板可以在乘客门下方。
193.在一些实施例中，该方法进一步包括：从电动交通工具上移除所有电池模块，并插入具有比移除的电池模块相对更高的电荷状态的不同的电池模块。
194.在一些实施例中，从电动交通工具内的第一位置移除第一电池模块包括从与第一电池模块相关联的第一转换器电子器件的电气触点移除第一电池模块。将第二电池模块插入到电动交通工具内的第一位置中可以包括将第二电池模块插入到与第一转换器电子器件的电气触点中。
195.在一些实施例中，从电动交通工具内的第一位置移除第一电池模块可以包括沿导轨滑动第一电池模块。
196.在一些实施例中，将第二电池模块插入到电动交通工具内的第一位置中可以包括沿导轨滑动第二电池模块。
197.如本文中所使用的术语“模块”是指较大系统内的两个或更多个装置或子系统之一。模块可以配置成与类似大小、功能和物理布置（例如，电气端子、连接器的位置等）的其它模块一起工作。具有相同功能和（一个或多个）能量源的模块可以与相同系统（例如，机架或组）中的所有其它模块配置相同（例如，大小和物理布置），而具有不同功能或（一个或多个）能量源的模块可在大小和物理布置上变化。虽然每个模块可相对于系统的其它模块（例如，像轿车上的轮子、或信息技术（it）刀片服务器中的刀片）在物理上可移除并且可更换，但这不是所要求的。例如，可将系统封装在这样的公共外壳中，即，在不将系统作为整体拆卸的情况下，该公共外壳不容许移除和更换任何一个模块。然而，本文中的任何和所有实施例可以配置成使得每个模块相对于其它模块以方便的方式（诸如无需拆卸系统）可移除和可更换。
198.术语“主控制装置”在本文中广义地使用，并且不要求实现任何特定的协议，诸如与任何其它这种（诸如本地控制装置）的主从关系。
199.术语“输出”在本文中广义地使用，并且不排除作为输出和输入两者以双向方式起作用。类似地，术语“输入”在本文中广义地使用，并且不排除作为输入和输出以双向方式起作用。
200.术语“端子”和“端口”在本文中广义地使用，可以是或单向或双向，可以是输入或输出，并且不要求特定的物理或机械结构，诸如母或公配置。
201.本文中使用不同的参考数字符号。使用这些符号是为了便于描述本发明主题，而不是限制本发明主题的范围。一般来说，用数字（例如，“123”）来指元件的属，并在该数字后附加字母（例如，123a或123b）来指其亚属。在没有字母附录的情况下对属的提及（例如，123）是指作为整体的属，包括所有亚属。一些图示出了同一元件的多个实例。那些元件可以附加
“‑
x”格式的数字或字母，例如123-1、123-二或123-pa。这种-x格式并不意味着必须在每个实例中相同地配置这些元件，而是用于在引用图中的元件时便于区分。在没有-x附录的情况下对属123的引用广泛地指该属中的元件的所有实例。
202.在下文、在对到目前为止所描述的实施例的回顾和/或补充中阐述了本主题的各个方面，这里的重点放在以下实施例的相互关系和可互换性上。换句话说，强调这样一个事
实，即，除非另外明确指出或逻辑上难以置信，否则实施例的每个特征都可以与每个其它特征组合。
203.处理电路可以包括一个或多个处理器、微处理器、控制器和/或微控制器，其中每一个都可以是分立的或独立的芯片，或者可以分布在多个不同的芯片（或其一部分）之中。可以实现任何类型的处理电路，诸如但不限于个人计算体系结构（例如，诸如用于桌面型pc、膝上型计算机、平板等）、可编程门阵列体系结构、专有体系结构、定制体系结构和其它。处理电路可以包括数字信号处理器，它可以用硬件和/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，这些软件指令使得处理电路采取一系列不同的动作并控制其它组件。
204.处理电路还可以执行其它软件和/或硬件例程。例如，处理电路可与通过接口与通信电路连接并执行模-数转换、编码和解码、其它数字信号处理、多媒体功能、将数据转换为适合于提供给通信电路的格式（例如，同相和正交），和/或可使得通信电路（有线或无线地）传送数据。
205.除非指出或在逻辑上不可信，否则本文中所描述的任何和所有通信信号都可以无线地通信。可以对于无线通信包括通信电路。通信电路可以实现为在适当的协议（例如，wi-fi、蓝牙、低能蓝牙、近场通信（nfc）、射频识别（rfid）、专有协议和其它）下通过链路执行无线通信的一个或多个芯片和/或组件（例如，传送器、接收器、收发器和/或其它通信电路）。一个或多个其它天线可以根据需要与通信电路包含在一起，以便利用各种协议和电路操作。在一些实施例中，通信电路可以共享天线以通过链路传输。rf通信电路可以包括传送器和接收器（例如，集成为收发器）以及相关联的编码器逻辑。
206.处理电路还可以适于执行操作系统和任何软件应用，并执行与所传送和接收的通信的处理无关的那些其它功能。
207.用于根据所描述的主题实行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编写，包括面向对象的编程语言（诸如java、javascript、smalltalk、c 、c#、transact-sql、xml、php等）以及常规的过程式编程语言（诸如“c”编程语言或类似的编程语言）。
208.存储器、存储设备和/或计算机可读介质可以由现有的各种功能单元中的一个或多个功能单元共享，或者可以分布在其中两个或更多个功能单元之中（例如，作为存在于不同芯片内的独立存储器）。存储器也可以驻留在它自己的独立芯片中。
209.在本文所公开的实施例包括存储器、存储设备和/或计算机可读介质或与之联合操作的程度，则该存储器、存储设备和/或计算机可读介质是非暂时性的。因此，在一个或多个权利要求涵盖存储器、存储设备和/或计算机可读介质的程度，那么该存储器、存储设备和/或计算机可读介质只是非暂时性的。如本文中所使用的术语“非暂时性”和“有形”意在描述排除传播电磁信号的存储器、存储设备和/或计算机可读介质，而不是要在存储设备的持久性或其它方面限制存储器、存储设备和/或计算机可读介质的类型。例如，“非暂时性”和/或“有形”存储器、存储设备和/或计算机可读介质涵盖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）和其变型。
210.应当注意，关于本文所提供的任何实施例所描述的所有特征、元件、组件、功能和
步骤都意在与来自任何其它实施例的那些可自由组合和替换。如果仅关于一个实施例描述了某个特征、元件、组件、功能或步骤，那么应该理解，除非另外明确地指出，否则该特征、元件、组件、功能或步骤可以与本文所描述的每个其它实施例一起使用。因此，本段在任何时候都作为介绍权利要求的前提基础和书面支持，这些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，或者将来自一个实施例的特征、元件、组件、功能和步骤替换为另一实施例的那些，即使以下描述在特定实例中没有明确声明，此类组合或替换是可能的。明确地承认，对每一种可能的组合和替换的明确记载是过于繁重的，特别是考虑到每一种这样的组合和替换的可允许性都是本领域技术人员很容易认识到的。
211.如在本文以及在随附权利要求中所使用，除非上下文另外明确地规定，否则单数形式“一”、“某一”和“该”包括复数引用。
212.虽然实施例易于进行各种修改和备选形式，但是在附图中示出并已在本文中详细描述了其具体示例。然而，应该理解，这些实施例不限于所公开的特定形式，而是相反，这些实施例将涵盖落在本公开的精神内的所有修改、等效物和备选方案。此外，可在权利要求书中记载或添加这些实施例的任何特征、功能、步骤或元件以及通过不在权利要求书的发明范围内的特征、功能、步骤或元件限定权利要求书的发明范围的消限制制。
再多了解一些
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