用于基于模块的级联能量系统中的相内和相间平衡的系统、设备和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2020年9月30日提交的第63/085,628号美国临时申请的权益和优先权，该申请的全部内容针对所有目的通过引用结合在本文中。

技术领域

本文描述的主题一般涉及用于在移动和固定应用中可用的基于模块的级联能量系统中的相内和相间平衡的系统、设备和方法。

背景技术

具有多个能量源或汇的能量系统在许多行业中是常见的。一个例子是汽车工业。随着上世纪的发展，当今的汽车技术的特征在于，其中，有电动机、机械元件和电子设备的相互作用。这些是影响车辆性能和驾驶员体验的关键组成部分。发动机是燃烧型的或电动型的，并且在几乎所有情况下，来自发动机的转动能量都会经由例如离合器、变速器、差速器、驱动轴、扭矩管、联轴器等的一组高度复杂的机械元件来传递。这些部件很大程度上控制扭矩转换和对车轮的动力分配，并且这些部件限定了汽车和道路操纵的性能。

电动车辆(EV)包括与动力传动系统相关的各种电气系统，包括电池组、充电器和发动机控制器等。高压电池组通常被组织在低电压电池模块的串行链中。每个这样的模块还包括一组串联连接的单独电池单元和简单的嵌入式电池管理系统(BMS)，以调节例如充电状态和电压的基本的电池单元相关特性。缺少具有更复杂能力或某种形式的智能互连的电子设备。因此，任何监测或控制功能都是由单独的系统处理的，如果该单独的系统存在于汽车中的任何其它地方，则该单独的系统会缺乏监测单个电池单元健康、充电状态、温度和影响度量的其它性能的能力。也没有能力以任何形式有意义地调节每个单独电池单元的电力汲取。一些主要后果是：最弱的电池单元限制了整个电池组的整体性能，(2)任何电池单元或模块的故障都会导致需要更换整个电池组，(3)电池可靠性和安全性显著降低，(4)电池寿命受限，(5)热管理困难，(6)电池组总是在最大能力以下工作，(7)再生制动所得到的电功率的突然涌入不能容易地存储在电池中，并且需要经由泄放电阻器来耗散。

用于EV的充电电路通常在单独的机载系统中实现。它们将来自EV外部的电力以交流信号或直流信号的形式分级，将其转换为直流并将其馈送到电池组。充电系统监测电压和电流，并且通常提供稳定的恒定馈电。给定电池组和典型充电电路的设计，基于电池健康、性能特性、温度等来定制到各个电池模块的充电流的能力很小。充电周期通常也很长，因为充电系统和电池组缺少允许脉冲充电的电路或其它将优化充电转移或可实现的总充电的技术。

传统的控制包括直流到直流转换级以将电池组电压电平调节到EV的电气系统的总线电压。然后，电动机又由简单的两级多相转换器驱动，该转换器向电动机提供所需的交流信号。每个电动机传统上是由单独的控制器控制的，该控制器以三相设计驱动电动机。双电动机EV将会需要两个控制器，而使用四个轮内电动机的EV将会需要四个单独的控制器。传统的控制器设计也缺乏驱动下一代电动机的能力，例如开关磁阻电动机(SRM)，其特征在于极片的数量更高。适应性将需要更高的相设计，使得系统更复杂，并且最终不能处理电噪声和驱动性能，例如高转矩脉动和声学噪声。

这些缺陷中的许多不仅适用于汽车，而且适用于其它机动车辆，并且在很大程度上还适用于固定应用。由于这些和其它原因，需要用于移动和固定应用的能量系统的改进的系统、设备和方法。

发明内容

本文提供了用于模块化能量系统的相内和相间平衡的系统、设备和方法的示例性实施例。示例性实施例可以在各种各样的模块化级联拓扑中用于各种各样的移动和固定应用中。示例性实施例可以包括生成表示为模块收集或确定的状态信息的模块状态值。模块状态值可以是每个模块的状态的中间定量表示，因为它与系统寻求平衡的一个或多个操作特性有关。实施例可以利用阈值来划分模块的操作特性的严重性，并且多个这样的操作特性，如充电状态和温度，可以被独立地加权以生成表示总模块状态的单个模块状态值。然后，该中间定量表示可以用于生成模块的调制指数，然后，该调制指数可以用作诸如脉冲宽度调制的更大的控制技术的一部分，用于系统的控制和平衡。示例性实施例还使得能够利用模块状态值来生成阵列的总体健康状况的表示，然后可以将该表示与系统的其他阵列进行比较，以使用相间平衡技术来执行相间平衡，诸如共模注入或来自互连模块的能量注入。

在检查以下附图和详细描述之后，本文描述的主题的其他系统、设备、方法、特征和优点对本领域技术人员而言应当是或应当会变得显而易见。所有这些附加的系统、方法、特征和优点都旨在包括在本说明书中，在本文所述主题的范围内，并由所附权利要求保护。在权利要求中没有明确叙述那些特征的情况下，示例性实施例的特征决不应被解释为限制所附权利要求。

附图说明

通过研究附图，本文所阐述的主题的关于其结构和操作的细节可以是显而易见的，在附图中，相同的附图标记指代相同的部件。附图中的组件不一定是按比例的，而是将重点放在示出本主题的原理上。此外，所有的图示都是用来传达发明构思的，其中，相对的尺寸、形状和其它详细的属性可以被示意性地而不是字面上或精确地示出。

图1A-1C是描绘模块化能量系统的示例性实施例的框图。

图1D-1E是描绘用于能量系统的控制设备的示例性实施例的框图。

图1F-1G是描绘与负载和充电源耦合的模块化能量系统的示例性实施例的框图。

图2A-2B是描绘一个能量系统内的模块和控制系统的示例性实施例的框图。

图2C是描绘一个模块的物理配置的一个示例性实施例的框图。

图2D是描绘一个模块化能量系统的物理配置的一个示例性实施例的框图。

图3A-3C是描绘具有各种电配置的模块的示例性实施例的框图。

图4A-4F是描绘能量源的示例性实施例的示意图。

图5A-5C是描绘能量缓冲器的示例性实施例的示意图。

图6A-6C是描绘转换器的示例性实施例的示意图。

图7A-7E是描绘具有各种拓扑的模块化能量系统的示例性实施例的框图。

图8A是描绘一个模块的一个示例性输出电压的线图。

图8B是描绘一个模块阵列的一个示例性多级输出电压的线图。

图8C是描绘可用于脉宽调制控制技术中的一个示例性参考信号和载波信号的线图。

图8D是描绘可用于脉宽调制控制技术中的示例性参考信号和载波信号的线图。

图8E是描绘根据脉宽调制控制技术产生的示例性开关信号的线图。

图8F是描绘在脉冲宽度调制控制技术下由来自模块阵列的输出电压的叠加产生的一个示例性多级输出电压的线图。

图9A-9B是描绘用于一个模块化能量系统的控制器的示例性实施例的框图。

图9C是描绘一个模块化能量系统的相内控制器的一个示例性实施例的框图。

图9D是描绘用于一个模块化能量系统的相间控制器的一个示例性实施例的框图。

图10A是描绘具有互连模块的多相模块化能量系统的一个示例性实施例的框图。

图10B是描绘在图10A的多相实施例中的互连模块的一个示例性实施例的示意图。

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一个示例性实施例的框图。

图10D是描绘具有为辅助负载供电的互连模块的三相模块化能量系统的一个示例性实施例的框图。

图10E是描绘图10D的多相实施例中的互连模块的一个示例实施例的示意图。

图10F是描绘具有为辅助负载供电的互连模块的三相模块化能量系统的另一示例性实施例的框图。

具体实施方式

在详细描述本主题之前，应当理解，本公开不限于所描述的特定实施例，因为这些实施例当然可以变化。本文所用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并且没有进行限制的意图，因为本公开的范围应当仅由所附权利要求来限制。

应用的示例

固定应用是这样的应用，其中，模块化能量系统在使用期间是位于固定位置的，尽管它在不使用时能够被运输到替选位置。基于模块的能量系统驻留在固定位置，同时提供电能以供一个或多个其他实体消耗，或者存储或缓冲能量以供稍后消耗。其中，可以使用本文公开的实施例的固定应用的示例包括但不限于：由一个或多个住宅结构或场所使用或在其中使用的能量系统、由一个或多个工业结构或场所使用或在其中使用的能量系统、由一个或多个商业结构或场所使用或在其中使用的能量系统、由一个或多个政府结构或场所使用或在其中使用的能量系统(包括军事和非军事用途)、用于对下面描述的移动应用充电的能量系统(例如，充电源或充电站)、以及将太阳能、风、地热能、化石燃料或核反应转换成电力以用于存储的系统。固定应用通常为负载供电，例如为电网和微电网、电动机和数据中心供电。固定能量系统可以用于存储或非存储角色。

移动应用，有时称为牵引应用，通常是基于模块的能量系统位于一个实体上或一个实体内，并且存储和提供电能以通过电动机转换成原动力以移动或辅助移动该实体的应用。可以与本文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地上或地下、在海面上或海面下、在地面或海面上之上或与地面或海面脱离接触(例如，在空中飞行或悬停)或穿过外部空间移动的电实体和/或混合实体。可以与本文公开的实施例一起使用的移动实体的示例包括但不限于车辆、火车、电车、轮船、船舶、飞行器和航天器。可以使用这里公开的实施例的移动车辆的示例包括但不限于仅具有一个车轮或履带的那些移动车辆、仅具有两个车轮或履带的那些移动车辆、仅具有三个车轮或履带的那些移动车辆、仅具有四个车轮或履带的那些移动车辆以及具有五个或更多个车轮或履带的那些移动车辆。可以与本文公开的实施例一起使用的移动实体的示例包括但不限于汽车、公共汽车、卡车、摩托车、小型摩托车、工业车辆、采矿车辆、飞行车辆(例如，飞机、直升机、无人机等)、海运船舶(例如，商用航运船舶、轮船、游艇、小艇或其他水运工具)、潜艇、机车或基于轨道的车辆(例如，火车、有轨电车等)、军用车辆、航天器和卫星。

在描述本文的实施例时，可以参考特定的固定应用(例如，电网、微电网、数据中心、云计算环境)或移动应用(例如，电动汽车)。这样的参考是为了便于解释而做出的，并不意味着特定实施例仅限于用于特定的移动或固定应用。向电动机提供电力的系统的实施例可被用在移动和固定应用中。虽然某些配置可能比其它配置更适合于一些应用，但是除非另外指出，否则本文公开的所有示例性实施例能够在移动和固定应用两者中使用。

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的示例性实施例的框图。这里，系统100包括分别通过通信路径或链路106-1至106-N与N个转换器-源模块108-1至108-N通信地耦合的控制系统102。模块108被配置成存储能量并根据需要将能量输出到负载101(或其他模块108)。在这些实施例中，可以使用任何数量的两个或更多个模块108(例如，N大于或等于二)。模块108可以以多种方式彼此连接，如将参照图7A-7E更详细地描述的。为了便于说明，在图1A-1C中，模块108被示出为串联连接的，或者作为一维阵列，其中，第N个模块耦合到负载101上。

系统100被配置成向负载101供电。负载101可以是任何类型的负载，例如电动机或电网。系统100还被配置成存储从充电源接收的电力。图1F是描述具有用于从充电源150接收电力的电力输入接口151和用于向负载101输出电力的电力输出接口的系统100的一个示例性实施例的框图。在该实施例中，系统100可以在通过接口152输出电力的同时通过接口151接收和存储电力。图1G是描绘具有可切换接口154的系统100的另一示例性实施例的框图。在该实施例中，系统100可以在从充电源150接收电力和向负载101输出电力之间进行选择或被指示进行选择。系统100可以被配置成向包括主负载和辅助负载的多个负载101供电，和/或从多个充电源150(例如，公共事业操作的电力网和本地可再生能量源(例如，太阳能))接收电力。

图1B描绘了系统100的另一示例性实施例。在本文中，控制系统102被实现为分别通过通信路径或链路115-1至115-N与N个不同的本地控制设备(LCD)114-1至114-N通信地耦合的主控制设备(MCD)112。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通信地耦合，使得LCD 114与模块108之间存在1:1的关系。

图1C描绘了系统100的另一示例性实施例。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通信地耦合。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。在这里所示的示例中，每个LCD 114与两个模块108通信地耦合，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。

控制系统102可以被配置成用于整个系统100的单个设备(例如，图1A)，或者可以分布在多个设备上或被实现为多个设备(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，使得MCD 112不是必需的，并且可以从系统100中省略。

控制系统102可以被配置成使用软件(存储在存储器中的可由处理电路执行的指令)、硬件或其组合来执行控制。控制系统102的一个或多个设备可以各自包括处理电路120和存储器122，如这里所示。下面进一步描述处理电路和存储器的示例性实现。

控制系统102可以具有用于通过通信链路或路径105与系统100外部的设备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设备104(例如，移动应用中的车辆的电子控制单元(ECU)或电动机控制单元(MCU)、固定应用中的电网控制器等)。

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送数据或信息的有线(例如电、光)或无线通信路径。数据可以以标准化(例如IEEE、ANSI)或定制(例如专有)格式传送。在汽车应用中，通信路径115可以被配置成根据FlexRay或CAN协议进行通信。通信路径106、115、116和118还可以提供有线电力，以从一个或多个模块108直接为系统102提供工作电力。例如，可以仅由LCD 114所连接的一个或多个模块108来提供每个LCD 114的工作电力，并且可以从一个或多个模块108间接地提供MCD 112的工作电力(例如，诸如通过汽车的电力网络)。

控制系统102被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一个或多个模块108。控制还可以基于一个或多个其它因素，例如负载101的要求。可控方面包括但不限于每个模块108的电压、电流、相和/或输出电力中的一个或多个。

系统100中的每个模块108的状态信息可以被传送到控制系统102，系统102可以从该状态信息独立地控制每个模块108-1、1…108、108-N。例如，可以基于特定模块108(或子集)的状态信息、基于不是该特定模块108(或子集)的不同模块108的状态信息、基于除了该特定模块108之外的所有模块108的状态信息(或子集基于该特定模块108(或子集)的状态信息和不是该特定模块108(或子集)的至少一个其他模块108的状态信息，或基于系统100中的所有模块108的状态信息，来控制该特定模块108(或模块108的子集))。

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：模块的一个或多个能量源的充电状态(SOC)(例如，能量源相对于其容量的充电水平，诸如一部分或百分比)、模块的一个或多个能量源的健康状态(SOH)(例如，能量源的状况相对于其理想状况的品质因数)、模块的一个或多个能量源或其它组件的温度、模块的一个或多个能量源的容量、模块的一个或多个能量源和/或其它组件的电压、模块的一个或多个能量源和/或其它组件的电流、和/或模块的任何一个或多个组件中存在故障。

LCD 114可以被配置成从每个模块108接收状态信息，或者根据从每个模块108接收的或在每个模块内接收的监测信号或数据来确定状态信息，并且将该信息传送到MCD112。在一些实施例中，每个LCD 114可以将原始收集的数据传送到MCD 112上，然后MCD基于该原始数据通过算法确定状态信息。MCD 112然后可以使用模块108的状态信息来相应地做出控制确定。确定可以采取指令、命令或其他信息(诸如本文描述的调制指数)的形式，LCD114可以利用这些信息来维持或调节每个模块108的操作。

例如，MCD 112可以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他模块108(例如，其相当的组件)之间的差异。例如，MDC 112可确定特定模块108与一个或多个其他模块108相比正在以下状况之一下操作：具有相对较低或较高的SOC、具有相对较低或较高的SOH、具有相对较低或较高的容量、具有相对较低或较高的电压、具有相对较低或较高的电流、具有相对较低或较高的温度、或者具有或不具有故障。在这样的示例中，MCD 112可以输出控制信息，该控制信息使得特定模块108的相关方面(例如，输出电压、电流、功率、温度)减小或增大(取决于状况)。以此方式，可以减少离群值模块108(例如，以相对较低的SOC或较高的温度操作)的使用，以便使该模块108的相关参数(例如，SOC或温度)向一个或多个其他模块108的参数收敛。

是否调节特定模块108的操作的确定可以通过将状态信息与预定阈值、限制或状况进行比较来做出，而不必通过与其他模块108的状态进行比较。预定阈值、限制或状况可以是静态阈值、限制或状况，诸如由制造商设置的在使用期间不改变的那些。预定阈值、限制或状况可以是在使用期间被允许改变或确实改变的动态阈值、限制或状况。例如，如果模块108的状态信息指示其违反(例如，高于或低于)预定阈值或限制或者在可接受操作状况的预定范围之外工作，则MCD 112可以调节模块108的操作。类似地，如果模块108的状态信息指示存在实际或潜在故障(例如，警报或警告)或者指示不存在或去除了实际或潜在故障，则MCD 112可以调节模块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、短路或其他过电流状况、开路、过电压状况、接收通信的失败、接收了损坏的数据等。根据故障的类型和严重性，可以减少故障模块的使用以避免损坏模块，或者可以完全停止模块的使用。

MCD 112可以控制系统100内的模块108以实现期望目标或朝向期望目标收敛。目标可以是例如所有模块108在彼此相同或相似的水平上、或在预定阈值限制或状况内的操作。该过程也被称为平衡或寻求在模块108的操作或操作特性中实现平衡。如本文所使用的术语“平衡”不要求模块108或其组件之间的绝对相等，而是在广义上用于传达系统100的操作可用于主动地减少模块108之间的操作中的差异，否则所述差异将会存在。

MCD 112可以将控制信息传送到LCD 114，以便控制与LCD 114相关联的模块108。控制信息可以是例如如本文所述的调制指数和参考信号、调制参考信号或其它。每个LCD114可以使用(例如，接收和处理)控制信息来生成控制相关联的模块108内的一个或多个组件(例如，转换器)的操作的开关信号。在一些实施例中，MCD 112直接生成开关信号并将其输出到LCD 114，后者将开关信号中继到预期的模块组件上。

控制系统102的全部或一部分可以与控制移动或固定应用的一个或多个其它方面的系统外部控制设备104组合。当集成在该共享或公共控制设备(或子系统)中时，系统100的控制可以以任何期望的方式实现，诸如由共享设备的处理电路执行的一个或多个软件应用、利用共享设备的硬件或其组合。外部控制设备104的非穷举示例包括：具有用于一个或多个其他车辆功能的控制能力(例如，电动机控制、驾驶员接口控制、牵引控制等)的车辆ECU或MCU；电网或微电网控制器，其负责一个或多个其它电力管理功能(例如，负载接口、负载功率要求预测、传输和切换、与充电源(例如，柴油、太阳能、风)接口、充电源功率预测、备用源监测、资产分派等)；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)。

图1D和1E是描绘其中可以实现控制系统102的共享或公共控制设备(或系统)132的示例性实施例的框图。在图1D中，公共控制设备132包含主控制设备112及外部控制设备104。主控制设备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与外部控制设备104通信的接口142。外部控制设备104包括用于通过总线136与主控制设备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，车辆或电网的组件)通信的接口144。在一些实施例中，公共控制设备132可以与作为分立集成电路(IC)芯片或包含在其中的设备112和104集成在一起作为一个公共外壳或封装。

在图1E中，外部控制设备104充当公共控制设备132，其中，主控制功能实施为设备104内的一个组件。该组件112可以是或包括存储和/或硬编码在设备104的存储器内并由其处理电路执行的软件或其他程序指令。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心，具有一个或多个内部硬件和/或软件接口(例如，应用程序接口(API))，用于与外部控制设备104的操作软件通信。外部控制设备104可以管理通过接口141与LCD 114的通信以及通过接口144与其它设备的通信。在各种实施例中，设备104/132可以被集成为一个单个IC芯片，可以被集成到单个封装中的多个IC芯片中，或者被集成为公共外壳内的多个半导体封装。

在图1D和1E的实施例中，系统102的主控制功能在公共设备132中共享，然而，共享控制的其他划分也是可以的。例如，主控制功能的一部分可以分布在公共设备132和专用MCD 112之间。在另一示例中，主控制功能和至少部分本地控制功能都可以在公共设备132中实现(例如，其余本地控制功能在LCD 114中实现)。在一些实施例中，控制系统102的全部在公共设备(或系统)132中实现。在一些实施例中，在与每个模块108的另一组件共享的设备内实现本地控制功能，所述另一组件诸如电池管理系统(BMS)。

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，并且如果需要，可以包括能量缓冲器。图2A-2B是描述具有模块108的系统100的附加示例性实施例的框图，该模块具有功率转换器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。在此参考电压转换器描述实施例，尽管实施例并不局限于此。转换器202可被配置成将来自能量源204的直流(DC)信号转换成交流(AC)信号并通过电力接线110(例如，逆变器)将其输出。转换器202还可以通过连接110接收交流或直流信号，并将其以连续或脉冲形式施加到具有任一极性的能量源204。转换器202可以是或包括开关(例如，功率晶体管)的布置，诸如全桥的半桥(H桥)。在一些实施例中，转换器202仅包括开关，并且转换器(以及作为整体的模块)不包括变压器。

转换器202还可以(或可选地)被配置成执行交流到直流转换(例如，整流器)，例如从交流源对直流能量源充电、直流到直流转换和/或交流到交流转换(例如，与交流-直流转换器结合)。在一些实施例中，例如为了执行交流-交流转换，转换器202可以包括变压器，该变压器可以是单独的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。在其它实施例中，例如在重量和成本是重要因素的那些实施例中，转换器202可以被配置成仅利用功率开关、功率二极管或其它半导体器件而不利用变压器来执行转换。

能量源206最好是能够输出直流电并且具有适合于电动设备的能量存储应用的能量密度的鲁棒能量存储设备。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。每个模块中可以包括两个或更多个能量源，并且两个或更多个能量源可以包括两个相同或不同类型的电池、两个相同或不同类型的电容器、两个相同或不同类型的燃料电池、与一个或多个电容器和/或燃料电池组合的一个或多个电池、以及与一个或多个燃料电池组合的一个或多个电容器。

能量源206可以是电化学电池，例如单个电池单元或在电池模块或阵列中连接在一起的多个电池单元，或其任何组合。图4A-4D是示出了能量源206的示例性实施例的示意图，该能量源被配置成单个电池单元402(图4A)、具有四个电池单元402的串联连接的电池模块(图4B)、具有单个电池单元402的并联连接的电池模块(图4C)以及具有带有各自具有两个电池单元402的支路的并联连接的电池模块(图4D)。电池类型的实例在本文别处描述。

能量源206还可以是高能量密度(HED)电容器，例如超级电容器。HED电容器可以被配置成双层电容器(静电电荷存储设备)、伪电容器(电化学电荷存储设备)、混合电容器(静电和电化学)或其他，与典型电解电容器的固体电介质类型相反。除了较高的容量之外，HED电容器可以具有电解电容器的能量密度的10至100倍(或更高)的能量密度。例如，HED电容器可具有大于1.0瓦时/千克(Wh/kg)的比能量和大于10-100法拉(F)的电容。如同参考图4A-4D描述的电池，能量源206可以被配置成单个HED电容器或以阵列(例如，串联、并联或其组合)连接在一起的多个HED电容器。

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。如同参考图4A-4D描述的电池一样，能量源206可以被配置成单个燃料电池或以阵列(例如，串联、并联或其组合)连接在一起的多个燃料电池。电池、电容器和燃料电池的上述示例不是要形成穷举列表，本领域的普通技术人员应当可以认识到落入本主题范围内的其它变型。

能量缓冲器204可以抑制或过滤直流线路或链路(例如，如下所述的+V

电力接线110是用于向、从和通过模块108传送能量或功率的连接。模块108可以从能量源206输出能量到电力接线110，在那里它可以被传送到系统的其它模块或负载上。模块108还可以从其它模块108或充电源(直流充电器、单相充电器、多相充电器)接收能量。信号也可以绕过能量源206通过模块108。在LCD 114(或系统102的另一实体)的控制下，转换器202执行将能量或功率路由到模块108中和从其中路由出去。

在图2A的实施例中，LCD 114被实现为与模块108分离的组件(例如，不在共享的模块外壳内)，并且经由通信路径116连接到转换器202并能够与其通信。在图2B的实施例中，LCD 114被包括作为模块108的组件，并且经由内部通信路径118(例如，共享总线或离散连接)连接到转换器202并能够与其通信。LCD 114还能够通过路径116或118从能量缓冲器204和/或能量源206接收信号，并向其发送信号。

模块108还可以包括监测器电路208，其被配置成监测(例如，收集、感测、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的其他操作参数(或者可以被例如LCD 114用于确定状态信息)。状态信息的主要功能是描述模块108的一个或多个能量源206的状态，以使得能够确定与系统100中的其它源相比利用该能量源多少，尽管描述其它组件的状态信息(例如，电压、温度和/或缓冲器204中故障的存在、转换器202中故障的温度和/或存在、模块108中其它地方故障的存在等)也可以用于利用确定。监测电路208可以包括一个或多个传感器、分流器、分配器、故障检测器、库仑计数器、控制器或被配置成监测这些方面的其他硬件和/或软件。监测器电路208可与各种组件202、204和206分离，或可与每一组件202、204和206集成(如图2A到2B中所示)，或其任何组合。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)的一部分或与其共享。不需要分立电路来监测每种类型的状态信息，因为可以用单个电路或设备监测多于一种类型的状态信息，或者在不需要附加电路的情况下以其他方式通过算法确定多于一种类型的状态信息。

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将信息发送到模块组件。路径116和118可以包括诊断、测量、保护和控制信号线。所发送的信息可以是用于一个或多个模块组件的控制信号。控制信号可以是用于转换器202的开关信号和/或从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，或者通过施加激励(例如，电压)以使状态信息得以生成，在一些情况下与将转换器202置于特定状态的开关信号相结合，来使得状态信息通过路径116、118被发送出去。

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可以包括一个公共外壳，其中，容纳了所有模块组件，例如转换器202、缓冲器204和源206，以及诸如集成LCD 114的其它可选组件。在其它实施例中，各种组件可以在固定在一起的分立外壳中分离。图2C是描绘模块108的示例性实施例的框图，该模块具有容纳模块的能量源206和诸如监测器电路的附属电子器件的第一外壳220、容纳诸如转换器202、能量缓冲器204的模块电子器件和诸如监测器电路的其它附属电子器件的第二外壳222、以及容纳模块108的LCD 114的第三外壳224。各种模块组件之间的电连接可以穿过外壳220、222、224，并且可以暴露在外壳外部的任何位置上，以便与其它设备(例如其它模块108或MCD 112)连接。

系统100的模块108可以以各种配置相对于彼此物理地布置，这取决于应用的需要和负载的数量。例如，在系统100为微电网提供电力的固定应用中，模块108可以放置在一个或多个机架或其他框架中。这种配置也适用于更大的移动应用，例如海运船舶。或者，模块108可以固定在一起并位于称为一个组的公共外壳内。机架或组可以具有其自己的在所有模块之间共享的专用冷却系统。组结构对于诸如电动汽车的较小的移动应用是有用的。系统100可以用一个或多个机架(例如，用于向微电网并联供电)或一个或多个组(例如，服务车辆的不同电动机)或其组合来实现。图2D是描绘了被配置成具有在公共外壳230内电气地和物理地耦合在一起的九个模块108的组的系统100的一个示例性实施例的框图。

这些和其它配置的示例在2020年3月27日提交的申请号为PCT/US20/25366，题为“Module-Based Energy Systems Capable of Cascaded and InterconnectedConfiguration,and Methods Related Thereto”的国际申请中描述了，在此将其全部内容引入作为参考。

图3A-3C是描述具有各种电配置的模块108的示例性实施例的框图。这些实施例被描述为每个模块108具有一个LCD 114，LCD 114容纳在相关联的模块内，但是可以如本文所述以其他方式配置。图3A描绘了系统100内的模块108A的第一示例性配置。模块108A包括能量源206、能量缓冲器204和转换器202A。每个组件具有电力连接端口(例如，端子、连接器)，电力可以输入到所述电力连接端口中和/或电力可以从所述电力连接端口输出，在本文中被称为IO端口。根据上下文，这样的端口也可以被称为输入端口或输出端口。

能量源206可以被配置成本文所述的任何能量源类型(例如，如参考图4A-4D所述的电池、HED电容器、燃料电池或其他)。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可以被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，否则这会降低模块108的性能。选择缓冲器204的拓扑结构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的几个(非穷举)示例性实施例。在图5A中，缓冲器204是电解和/或薄膜电容器C

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，其可以被配置成本文所述的任何功率转换器类型。图6A是描绘被配置成直流-交流转换器的转换器202A的一个示例性实施例的示意图，该直流-交流转换器可以在端口IO1和IO2处接收直流电压并且切换以在端口IO3和IO4处生成脉冲。转换器202A可包括多个开关，并且这里转换器202A包括以全桥配置布置的四个开关S3、S4、S5、S6。控制系统102或LCD 114可以经由到每个栅极的控制输入线118-3独立地控制每个开关。

开关可以是任何合适的开关类型，例如功率半导体，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。半导体开关可以以相对高的开关频率操作，从而允许转换器202在需要时以脉宽调制(PWM)模式操作，并且在相对短的时间间隔内响应控制命令。这可以提供输出电压调节的高容限和瞬态模式中的快速动态行为。

在此实施例中，直流线电压V

根据系统100用来产生转换器202的输出电压的控制技术，可以以不同的方式产生用于本文所述的转换器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，例如空间矢量脉宽调制(SVPWM)或正弦脉宽调制(SPWM)或其变型。图8A是电压对时间的线图，其描绘了转换器202的输出电压波形802的一个示例。为了便于描述，将在PWM控制技术的上下文中描述这里的实施例，尽管实施例并不局限于此。可以使用其它类型的技术。一个备选类是基于滞后作用的，其示例在国际公开WO 2018/231810A1、WO 2018/232403A1和WO 2019/183553A1中描述了，在此为所有目的将其引入作为参考。

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可以是可控的(可切换的)，以独立于模块的其它源206向连接110供电(或从充电源接收电力)。例如，所有源206都可以同时向连接110输出电力(或被充电)，或者在任何一个时间仅对一个(或子集)源206供电(或被充电)。在一些实施例中，模块的源206可以在它们之间交换能量，例如，一个源206可以对另一个源206充电。每个源206可以被配置成本文所述的任何能量源(例如，电池、HED电容器、燃料电池)。每个源206可以是相同类型的(例如，每个可以是电池)或不同类型的(例如，第一电源可以是电池，第二电源可以是HED电容器，或者第一电源可以是具有第一类型(例如，NMC)的电池，第二电源可以是具有第二类型(例如，LFP)的电池)。

图3B是描绘具有主能量源206A和辅助能量源206B的双能量源配置中的模块108B的一个示例性实施例的框图。主源202A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。辅助源206B的端口IO1和IO2可以分别连接到转换器202B的端口IO5和IO2(也连接到缓冲器204的端口IO4)。

在模块108B的该示例性实施例中，主能量源202A与系统100的其它模块108一起为负载供应所需的平均功率。辅助源202B可以通过在负载功率峰值时提供附加功率或吸收过多功率或其它方式来起到辅助能量源202的作用。

如上所述，根据转换器202B的开关状态，可以同时或在不同的时间利用主源206A和辅助源206B。如果同时，电解质和/或薄膜电容器(C

图6B和6C是分别描绘转换器202B和202C的示例性实施例的示意图。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，并且被配置成选择性地将IO1和IO2耦合到IO3和IO4中的任一个，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。耦合电感器L

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。耦合电感器L

控制系统102或LCD 114可以经由到每个栅极的控制输入线118-3独立地控制转换器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)生成用于转换器开关的开关信号。或者，MCD 112可以生成开关信号，该开关信号可以直接传送到开关，或者由LCD 114中继。

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，根据特定源的需要，使每个附加能量源206B耦合到通向附加开关电路部分602A或602B的附加IO端口。例如，双源转换器202可以包括两个开关部分202A和202B。

具有多个能量源206的模块108能够执行附加功能，例如在源206之间的能量共享、来自应用内的能量捕获(例如再生制动)、甚至在整个系统处于放电状态时由辅助源对主源充电、以及模块输出的有源滤波。这些功能的示例在2020年3月27日提交的申请号为PCT/US20/25366，题为“Module-Based Energy Systems Capable of Cascaded andInterconnected Configuration,and Methods Related Thereto”和2019年3月22日提交的WO 2019/183553，题为“System andMethods for Power management and Control”的国际申请中更详细地描述了,这两个专利的全部内容为了所有目的通过引用并入本文。

每个模块108可以被配置成以其一个或多个能量源206向一个或多个辅助负载供电。辅助负载是需要比主负载101更低的电压的负载。辅助负载的示例可以是例如电动车辆的车载电网络或电动车辆的HVAC系统。系统100的负载可以是例如电动车辆电动机或电网的相之一。该实施例可以使能量源的电特性(端电压和电流)与负载的电特性完全解耦。

图3C是描绘被配置成向第一辅助负载301和第二辅助负载302供电的模块108C的一个示例性实施例的框图，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需要与从电源206提供的电压相等的电压。负载301耦合到模块108C的IO端口3和4，其又耦合到源206的端口IO1和IO2。电源206可以向电力接线110和负载301输出电力。第二辅助负载302需要低于电源206的恒定电压。负载302连接到模块108C的IO端口5和6，其分别连接到转换器202B的端口IO5和IO2。转换器202B可以包括具有耦合到端口IO5(图6B)的耦合电感器L

模块108C因此可被配置成以相对于负载301所述的方式向一个或多个第一辅助负载供电，其中，所述一个或多个第一负载耦合到IO端口3和4。模块108C还可以被配置成以参考对负载302描述的方式向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，则对于每个附加负载302来说，模块108C可以用附加专用模块输出端口(如5和6)、附加专用开关部分602和耦合到附加部分602的附加转换器IO端口来缩放。

因此，能量源206可为任何数量的辅助负载(例如，301和302)，以及主负载101所需的系统输出电力的相应部分供应电力。从源206到各种负载的功率流可以根据需要进行调节。

模块108可根据需要配置两个或多个能量源206(图3B)，并通过为每个附加源206B或第二辅助负载302增加开关部分602和转换器端口IO5来为第一和/或第二辅助负载(图3C)供电。可以根据需要添加附加的模块IO端口(例如，3、4、5、6)。模块108也可以被配置成一个互连模块，以在两个或更多个阵列、两个或更多个组、或者两个或更多个系统100之间交换能量(例如，用于平衡)，如本文进一步描述的。这种互连功能同样可以与多个源和/或多个辅助负载供电能力组合。

控制系统102可以执行关于模块108A、108B和108C的组件的各种功能。这些功能可以包括管理每个能量源206的使用(使用量)，保护能量缓冲器204免于过电流、过电压和高温状况，以及控制和保护转换器202。

例如，为了管理(例如，通过增加、减少或维持来调节)每个能量源206的利用，LCD114可以从每个能量源206(或监测电路)接收一个或多个监测的电压、温度和电流。所监测的电压可以是独立于电源206的其他组件(例如，每个单独的电池单元、HED电容器和/或燃料电池)的每个基本组件的电压中的至少一个，优选地是所有电压，或者是作为整体的基本组件组的电压(例如，电池阵列、HED电容器阵列和/或燃料电池阵列的电压)。类似地，所监测的温度和电流可以是独立于源206的其他组件的每个基本组件的温度和电流中的至少一个，优选地是所有温度和电流，或者是作为整体的基本组件的组的温度和电流，或者是其任意组合。所监测的信号可以是状态信息，LCD 114可以利用该状态信息执行以下中的一个或多个：计算或确定基本组件或基本组件组的实际容量、实际充电状态(SOC)和/或健康状态(SOH)；基于所监测和/或计算的状态信息来设置或输出警告或警报指示；和/或将状态信息传送到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生成用于转换器202的开关信号，该开关信号管理源206的利用。

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的电压、温度和电流。所监测的电压可以是独立于其它组件的缓冲器204的每个基本组件(例如C

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，调制参考信号，或者参考信号和调制指数)，其可以与PWM技术一起用于LCD 114中以生成用于每个开关(例如，S1至S6)的控制信号。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器电路(未示出)的一个或多个故障状态信号一起用于过流保护，该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可以决定应用哪个开关信号组合来管理模块108的使用，并且可能从系统100旁路或断开转换器202(以及整个模块108)。

如果控制向第二辅助负载302供电的模块108C，则LCD 114可以接收模块108C中的一个或多个监测电压(例如，IO端口5和6之间的电压)和一个或多个监测电流(例如，耦合电感器L

级联能量系统拓扑的示例

两个或多个模块108可以以级联阵列耦合在一起，该级联阵列输出由阵列内的每个模块108生成的离散电压叠加而形成的电压信号。图7A是描绘系统100的拓扑的一个示例性实施例的框图，其中，N个模块108-1、108-2...、108-N串联耦合在一起以形成一个串联阵列700。在此描述的这个和所有实施例中，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，在它们上产生一个阵列输出电压。阵列700可被用作直流或交流单相负载的直流或交流单相能量源，该能量源可被连接到阵列700的SIO1和SIO2上。图8A是电压对时间的线图，其描绘了由具有48伏能量源的单个模块108产生的一个示例性输出信号801。图8B是电压对时间的线图，其描绘了由具有六个串联耦合的48V模块108的阵列700生成的一个示例性单相交流输出信号802。

系统100可以以各种不同的拓扑结构来布置，以满足应用的不同需要。系统100可以通过使用多个阵列700向负载提供多相电力(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角的交流输出信号。

图7B是描绘具有两个耦合在一起的阵列700-PA和700-PB的系统100的框图。每个阵列700是一维的，由N个模块108的串联连接形成。两个阵列700-PA和700-PB每个可产生一个单相交流信号，其中，两个交流信号具有不同的相角PA和PB(例如，180度分开)。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，其又可以用作每个阵列的第一输出，其可以向负载(未示出)提供两相电力。或者端口SIO1和SIO2可以被连接以从两个并行阵列提供单相电力。每个阵列700-PA和700-PB的模块108-N的IO端口2可以作为阵列700-PA和700-PB中的每个阵列在系统IO端口SIO1和SIO2的相对端的第二输出，并且可以在一个公共节点处耦合在一起，并且如果需要的话，可选地用于附加的系统IO端口SIO3，其可以作为中性点。该公共节点可以被称为一个轨，并且每个阵列700的模块108-N的IO端口2可以被称为在阵列的轨侧。

图7C是描绘具有三个耦合在一起的阵列700-PA、700-PB和700-PC的系统100的框图。每个阵列700是一维的，由N个模块108的串联连接形成。三个阵列700-1和700-2每个都可以产生一个单相交流信号，其中，三个交流信号具有不同的相角PA、PB、PC(例如，120度分开)。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，其又可以向负载(未示出)提供三相电力。每个阵列700-PA、700-PB和700-PC的模块108-N的IO端口2可以在一个公共节点处耦合在一起，并且如果需要，可选地用于附加系统IO端口SIO4，其可以用作中性点。

关于图7B和7C的两相和三相实施例描述的发明构思可以扩展到产生更多相电力的系统100。例如，附加示例的非穷举列表包括：系统100具有四个阵列700，每个阵列被配置成生成具有不同相角(例如，90度分开)的一个单相交流信号：系统100具有五个阵列700，每个阵列被配置成生成具有不同相角(例如，72度分开)的一个单相交流信号；以及系统100具有六个阵列700，每个阵列被配置成生成具有不同相角(例如，60度分开)的一个单相交流信号。

系统100可以被配置成使得阵列700在每个阵列内的模块108之间的电节点处互连。图7D是描绘具有以组合的串联和三角形布置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M个模块108的第一串联连接，其中，M是二或更大，其与N个模块108的第二串联连接耦合，其中，N是二或更大。三角形配置是由阵列之间的互连形成的，其可以放置在任何期望的位置。在该实施例中，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，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，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。

图7E是描述具有以组合的串联和三角形布置耦合在一起的三个阵列700-PA、700-PB和700-PC的系统100的框图。除了交叉连接不同之外，该实施例与图7D的实施例相似。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，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7E的布置可以用每个阵列700中少至两个模块来实现。组合的三角形和串联配置使得能够在系统的所有模块108(相间平衡)与电网或负载的相之间进行有效的能量交换，并且还可以减少阵列700中的模块108的总数以获得期望的输出电压。

在本文所述的实施例中，尽管模块108的数量在系统100内的每个阵列700中相同是有利的，但这不是必需的，并且不同的阵列700可具有不同数量的模块108。此外，每个阵列700可以具有模块108，其全部具有相同的配置(例如，所有模块是108A，所有模块是108B，所有模块是108C，或其他)或不同的配置(例如，一个或多个模块是108A，一个或多个是108B，以及一个或多个是108C，或其他)。因此，在本文中覆盖的系统100的拓扑的范围是广泛的。

控制方法的示例性实施例

如上所述，系统100的控制可以根据各种方法来执行，例如滞后或PWM。PWM的几个示例包括空间矢量调制和正弦脉宽调制，其中，用于转换器202的开关信号是利用相移载波技术产生的，该相移载波技术连续地旋转利用每个模块108以在它们之间均等地分配电力。

图8C-8F是描绘可使用递增移位的两级波形产生多级输出PWM波形的相移PWM控制方法的一个示例性实施例的线图。X级PWM波形可以通过(X-1)/2个两级PWM波形的总和来产生。通过将参考波形Vref与增量移动360°/(X-1)的载波进行比较，可以产生这些两级的波形。载波是三角形的，但是实施例并不局限于此。图8C中示出了一个九级的示例(使用四个模块108)。载波递增地移动360°/(9-1)＝45°并与Vref相比。图8E示出所得的两级PWM波形。这些两级波形可被用作转换器202的半导体开关(例如，S1至S6)的开关信号。作为参考图8E的一个示例，对于包括四个模块108的一维阵列700，每个模块具有一个转换器202，0°信号用于控制第一模块108-1的S3，180°信号用于S6，45°信号用于第二模块108-2的S3，225°信号用于S6，90°信号用于S3，270°信号用于第三模块108-3的S6，135°信号用于S3，315°信号用于第四模块108-4的S6。S3的信号与S4互补，S5的信号与S6互补，具有足够的停滞时间以避免击穿每个半桥。图8F描绘了通过来自四个模块108的输出电压的叠加(求和)产生的一个示例性单相交流波形。

一个替选方案是利用具有第一(N-1)/2个载波的正和负参考信号。图8D中示出了一个九级的示例。在该示例中，通过比较图8D的+Vref至0°至135°的载波产生0°至135°的开关信号(图8E)，通过比较图8D的-Vref至0°至135°的载波产生180°至315°的开关信号。然而，在后一种情况下，比较的逻辑是相反的。诸如状态机解码器的其它技术也可被用于生成用于转换器202的开关的门控信号。

在多相系统的实施例中，同一载波可被用在每个相上，或者载波集合可以作为一个整体进行移位而用在每个相上。例如，在具有一个单个参考电压(Vref)的一个三相系统中，每个阵列700可以使用具有相同相对偏移的相同数量的载波，如图8C和8D所示，但是第二相的载波与第一相的载波相比偏移120度，并且第三相的载波与第一相的载波相比偏移240度。如果不同的参考电压可用于每个相，则相信息可以被携带在参考电压中，并且同一载波可被用在每个相。在许多情况下，载波频率会是固定的，但是在一些示例性实施例中，载波频率可被调节，这可以帮助减少EV电动机在高电流情况下的损耗。

控制系统102可以将适当的开关信号提供给每个模块。例如，MCD 112可以根据LCD114控制的一个或多个模块108向每个LCD 114提供Vref和适当的载波信号，并且LCD 114然后可以生成开关信号。或者，可以向阵列中的所有LCD 114提供所有载波信号，并且LCD可以选择适当的载波信号。

可基于状态信息来调节每一模块108的相对利用率以执行如本文所描述的一个或多个参数的平衡。参数的平衡可涉及调节利用率以与不执行个别模块利用率调节的系统相比使随时间的参数发散最小化。利用率可以是当系统100处于放电状态时模块108正在放电的相对时间量，或者是当系统100处于充电状态时模块108正在充电的相对时间量。

如本文所述，模块108可以相对于阵列700中的其它模块平衡，这可以被称为阵列内或相内平衡，并且不同的阵列700可以相对于彼此平衡，这可以被称为阵列间或相间平衡。不同子系统的阵列700也可以相对于彼此进行平衡。控制系统102可以同时执行相内平衡、相间平衡、模块内多个能量源的利用、有源滤波和辅助负载供电的任何组合。

图9A是描绘用于单相交流或直流阵列的控制系统102的阵列控制器900的一个示例性实施例的框图。阵列控制器900可以包括峰值检测器902、除法器904和相内(或阵列内)平衡控制器906。阵列控制器900可接收参考电压波形(Vr)和关于阵列中N个模块108中的每一个的状态信息(例如，充电状态(SOCi)、温度(Ti)、容量(Qi)和电压(Vi))作为输入，并产生归一化的参考电压波形(Vrn)和调制指数(Mi)作为输出。峰值检测器902检测Vr的峰值(Vpk)，其可以是控制器900正工作时的相和/或平衡所特有的。除法器904通过将Vr除以其检测到的Vpk来生成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)来生成受控阵列700内的每个模块108的调制指数Mi。

调制指数和Vrn可以用于生成用于每个转换器202的开关信号。调制指数可以是零和一之间的数(包括零和一)。对于特定模块108，归一化参考Vrn可以由Mi调制或缩放，并且该调制参考信号(Vrnm)可以根据参考图8C-8F描述的PWM技术或根据其他技术用作Vref(或-Vref)。以这种方式，调制指数可被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，并且因此调节每个模块108的操作。例如，被控制以维持正常或完全操作的模块108可以接收为一的Mi，而被控制以小于正常或完全操作的模块108可以接收小于一的Mi，并且被控制以停止电力输出的模块108可以接收为零的Mi。该操作可以由控制系统102以各种方式执行，诸如通过MCD 112将Vrn和Mi输出到适当的LCD 114以用于调制和开关信号生成，通过MCD 112执行调制并将调制的Vrnm输出到适当的LCD 114以用于开关信号生成，或者通过MCD 112执行调制和开关信号生成并将开关信号直接输出到每个模块108的LCD或转换器202。Vrn可以与Mi一起以规则的间隔连续地发送出去，诸如Vrn的每个周期发送一次，或每分钟发送一次，等等。

控制器906可以使用本文描述的任何类型或类型组合的状态信息(例如SOC、温度(T)、Q、SOH、电压、电流)为每个模块108生成Mi。例如，当使用SOC和T时，如果与阵列700中的其他模块108相比SOC相对高并且温度相对低，则模块108可以具有相对高的Mi。如果SOC相对低或者T相对高，则模块108可以具有相对低的Mi，导致比阵列700中的其它模块108更少的利用率。控制器906可以确定Mi，使得模块电压之和不超过Vpk。例如，Vpk可以是每个模块的源极206的电压与该模块的Mi的乘积的和(例如，Vpk＝M

控制器900可以控制操作，在一定程度上，其不会阻止在任何一个时刻(例如，在EV的最大加速期间)实现系统的电力输出要求，使得每个模块108中的能量源的SOC保持平衡，或者如果它们不平衡则收敛到平衡状态，和/或使得每个模块中的能量源或其它组件(例如，能量缓冲器)的温度保持平衡，或者如果它们不平衡则收敛到平衡状态。可以调节流入和流出模块的功率流，使得源之间的容量差异不会引起SOC偏差。SOC和温度的平衡可间接地引起SOH的一些平衡。如果需要，可以直接平衡电压和电流，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SOC的平衡可以导致在模块具有类似容量和阻抗的高度对称系统中平衡电压和电流。

由于不可能同时平衡所有参数(例如，平衡一个参数可能进一步使另一个参数不平衡)，所以可以应用平衡任何两个或更多参数(SOC、T、Q、SOH、V、I)的组合，其中，根据应用的要求将优先级给予任一个。平衡的优先权可以给予SOC高于其它参数(T，Q，SOH，V，I)，除非其它参数(T，Q，SOH，V，I)之一达到了阈值之外的严重不平衡状态。

可以与相内平衡同时执行不同相的阵列700(或者例如如果使用并行阵列，则为相同相的阵列)之间的平衡。图9B描绘了一个Ω相(或Ω阵列)控制器950的一个示例性实施例，其被配置用于在Ω相系统100中工作，具有至少Ω阵列700，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和相PA到PΩ的Ω相内平衡控制器906-PA...906-PΩ，以及峰值检测器902和除法器904(图9A)，用于从每个相特定的参考VrPA到VrPΩ产生归一化参考VrPA到VrPΩ。相内控制器906可为每一阵列700的每一模块108产生Mi，如参考图9A所描述的。相间平衡控制器910被配置或编程为在整个多维系统上，例如在不同相的阵列之间，平衡模块108的各方面。这可以通过向相中注入共模(例如，中性点偏移)或通过使用互连模块(本文中描述的)或通过这两者来实现。共模注入涉及向参考信号VrPA到VrPΩ引入相移和幅度移位以生成归一化波形VrPA到VrPΩ以补偿一个或多个阵列中的不平衡，并且在引入本文的申请号为PCT/US20/25366国际申请中进一步描述了。例如，如果确定将相A中的模块的能量输出降低10％，则可以从VrnA中减去等于VrnA的10％的分量，并且也可以从VrnB和VrnC中减去VrnA的该相同的10％分量(例如，共模)，这将使中性点朝A偏移。如上所述，这可以在执行相内平衡的同时发生。

图9C是示出了被配置成生成阵列700的每个模块的调制指数的相内平衡控制器906的示例性实施例的框图。该控制器906可以在控制系统102中多次实现，一次用于每个受控阵列或相。在该实施例中，示出了控制器906的三个实例，一个实例用于三相系统(PA、PB、PC)的每个阵列。或者，控制器906可以是单个控制器，其顺序地确定了所有阵列的模块的调制指数。

在本实施例中，将包括各模块的SOC值、各模块的温度(T)、各模块的容量(Q)的状态信息输入到确定阵列700的各模块的模块状态值(MSi)的模块状态计算部分920。状态信息可以直接测量或用模型估计。MSi是模块状态的定量表示，因为它涉及正被平衡的系统的操作特性(例如，SOC和/或温度等)。模块的MSi值被用于比较每个模块，以根据模块可以产生和应该产生多少电压来评估它们的相对状况，以便向平衡操作收敛。部分920可以基于状态信息的每个参数类别(SOC，T，Q)中的值的评估来生成MSi。MSi可以是表示每个模块的SOC、T和Q的这些多个参数的单个值。每个参数可以被加权，使得接近阈值的指示低状态或差健康的参数被给予比远离其阈值的参数更大的权重。例如，如果模块之间的T和Q相等，则具有相对低的SOC值的第一模块可以具有大于具有较高SOC的第二模块的MSI。如果具有相对低的SOC值的第一模块的温度比具有较高SOC的第二模块的温度更接近最大温度阈值，则第二模块的温度可以比第一模块的温度更接近最大温度阈值。多个阈值可以用于每个参数类别。例如，低于第一温度阈值(Tthld)的温度可以被最小地加权或者根本不被加权，稍微超过Tthld的温度可以被相对较高地加权，而高于Tthld并且处于或接近最大温度阈值(Tmax)的温度可以被相对较高地加权。类似地，一个或多个阈值可以用于SOC和Q，以及在实施例中实现的任何其他状态信息。

然后，将所生成的MSi值从部分920传递到调制指数计算部分922，其被配置成使用这些MSi值为每个模块生成调制指数(Mi)。部分922可通过使用这些MSi值将阵列的电压要求分布在阵列的所有模块上来产生每一Mi。例如，电压要求可以是从阵列的参考信号(Vr)检测到的峰值电压(Vpk)。部分922可以利用每个模块(模块的可用源206)的当前电压Vi，并且分配一些或全部Vi以达到阵列的电压要求(例如，Vpk)。根据模块的MSi确定分配多少Vi，与具有相对较少状态的那些模块相比，具有更好状态(如更健壮的MSi值所反映的)的那些模块被分配更大部分的可用Vi。分配是对每个模块的确定中的Mi进行量化。部分922可以利用最大调制指数值(Mmax)来表示模块在该值小于100％(例如，小于一)的实施例中可以具有的最大Mi。使用小于100％的Mmax可以帮助在PWM过程中维持最小脉冲宽度。

然后，阵列700中的每个模块的Mi值被传递到调制部分924，其通过调制指数来调制阵列的归一化参考信号(Vrn)，分别地用于每个模块，以产生每个模块特定的调制参考信号(REFi)。该调制参考信号REFi可以用于产生用于模块的转换器的开关信号(例如，如图8C-8D的实施例中的Vref)。如本文所述，可以在控制器906中(例如，在MCD 112中)执行部分924，使得REFi被直接发送到每个模块(例如，LCD 114)，如这里所示，或者可以在模块处本地生成(例如，通过LCD 114)用于阵列的Vrn和Mi，并且Mi可以被发送到REFi中的适当模块。

图9D是描绘被配置成在具有多个阵列的实施例中执行相间平衡的相间平衡控制器910的一个示例性实施例的框图。在该实施例中，控制器910是三相控制器，并且从电动机控制单元931接收用于三个阵列的参考信号VrPA、VrPB和VrPC。控制器910包括空间矢量共模计算部分934和平衡共模计算部分936。空间矢量部分934估算参考信号VrPA、VrPB和VrPC，并确定第一补偿电压信号(例如，共模)，然后由组合部分938将该第一补偿电压信号注入到三个参考信号。补偿电压信号通过降低总谐波失真(THD)来改善交流参考信号的质量，并且还利用了转换器能够产生的最大线电压。在(1)中阐述了由部分934执行的用于产生补偿电压信号(Vcm)的一个等式的示例。

(1) Vcm＝-(max(VrPA，VrPB，VrPC)+min(VrPA，VrPB，VrPC))/2

组合部分938还可以注入由部分936产生的共模信号，以通过中性点偏移进行相间平衡。部分936可以评估三个阵列之间是否存在状态差异，并且如果存在状态差异，则基于评估的差异产生第二补偿电压信号，该第二补偿电压信号可以通过组合部分938注入到参考信号VrPA、VrPB和VrPC。部分936可利用表示每一阵列的总体状态的度量来评估是否存在差异。在该实施例中，每个阵列的模块状态值的总和(∑MS

部分938输出具有任何共模修改的参考信号(Vr'PA、Vr'PB和Vr'PC)以便由峰值检测部分902和除法器904进行标准化。所确定的峰值电压(Vpk，PA，Vpk，PB，Vpk，PC)可以被输出到控制器906的部分922以用于生成调制指数，并且所得到的归一化参考信号(RefN

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、软件或其组合来实现。控制器900和950可以在MCD 112内实现，部分或全部分布在LCD 114之间，或者可以实现为独立于MCD 112和LCD 114的分立控制器。

互连(IC)模块的示例性实施例

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、充当辅助负载的源、或者两者兼有。这样的模块在这里被称为互连(IC)模块108IC。IC模块108IC可以以任何已经描述的模块配置(108A、108B、108C)和这里将描述的其它模块配置来实现。IC模块108IC可以包括任意数量的一个或多个能量源、可选的能量缓冲器、用于向一个或多个阵列供应能量和/或用于向一个或多个辅助负载供电的开关电路、控制电路(例如，本地控制设备)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模块有关的电压和/或电流测量、与辅助负载有关的电压和/或电流测量等)的监测电路。

图10A是描述能够利用Ω阵列700-PA至700-PΩ产生Ω相电力的系统100的一个示例性实施例的框图，其中，Ω可以是大于一的任何整数。在这个和其它实施例中，IC模块108IC可以位于阵列700的轨道侧，使得模块108IC所连接的阵列700(在这个实施例中为阵列700-PA至700-PΩ)电连接在模块108IC和到负载的输出(例如，SIO1至SIOΩ)之间。这里，模块108IC具有ΩIO端口，用于连接到阵列700-PA至700-PΩ的每个模块108-N的IO端口2。在本文描述的配置中，模块108IC可以通过选择性地将模块108IC的一个或多个能量源连接到阵列700-PA至700-PΩ中的一个或多个(或者如果不需要相间平衡，则连接到无输出，或者同样连接到所有输出)来执行相间平衡。系统100可以由控制系统102(未示出，见图1A)控制。

图10B是描绘模块108IC的一个示例性实施例的示意图。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，该能量缓冲器又与开关电路603连接。开关电路603可以包括开关电路单元604-PA到604-PΩ，用于独立地将能量源206分别连接到阵列700-PA到700-PΩ中的每一个。各种开关配置可用于每个单元604，在该实施例中，其被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118-3控制。该配置类似于参考图3A描述的模块108A。如关于转换器202所述的，开关电路603可以以任何布置来配置，并且具有适合于应用要求的任何开关类型(例如，MOSFET、IGBT、硅、GaN等)。

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。单元604-PA至604-PΩ可由控制系统102控制以选择性地将电压+V

为了相间平衡，来自源206的成比例的更多能量可以被供应到阵列700-PA到700-PΩ中的任何一个或多个，与其他阵列700相比，该阵列上的充电量较低。将该补充能量提供给特定阵列700可以使该阵列700中的那些级联模块108-1至108-N的能量输出相对于未被提供的相阵列减少。

例如，在应用PWM的一些示例性实施例中，LCD 114可以被配置成接收针对模块108IC所耦合到的一个或多个阵列700中的每一个的归一化电压参考信号(Vrn)(来自MCD112)，例如，通过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可以用直接耦合到该阵列的开关部分的调制指数(例如，VrnA乘以MiA)调制(例如，相乘)每个相应的Vrn，然后利用载波信号来生成每个开关单元604的控制信号。在其他实施例中，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。在其它实施例中，所有处理和调制都可以由可将控制信号直接输出到每一单元604的一个单个控制实体发生。

可以调制这种开关，使得来自能量源206的电力以适当的间隔和持续时间被提供给阵列700。这种方法可以以各种方式实现。

基于所收集的系统100的状态信息，诸如当前容量(Q)和每个阵列中的每个能量源的SOC，MCD 112可以确定每个阵列700的总充电(例如，阵列的总充电可以被确定为该阵列的每个模块的容量乘以SOC的和)。MCD 112可以确定是否存在平衡或非平衡状况(例如，通过使用相对差阈值和本文所述的其他度量)，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。

在平衡操作期间，每个开关单元604的Mi可以被设置为一个值，该值使得随着时间的过去，相同或相似量的净能量由能量源206和/或能量缓冲器204提供给每个阵列700。例如，每个开关单元604的Mi可以相同或相似，并且可以被设置在使得模块108IC在平衡操作期间执行到一个或多个阵列700-PA的通过700-PΩ的能量的净平均放电或时间平均放电的电平或值，以便以与系统100中的其他模块108相同的速率消耗模块108IC。在一些实施例中，每个单元604的Mi可以被设置在不会在平衡操作期间引起净平均能量放电或时间平均能量放电(引起零净能量放电)的水平或值。如果模块108IC具有比系统中的其它模块更低的总充电，则这是有用的。

当在阵列700之间出现不平衡状态时，则可以调节系统100的调制指数，以便向平衡状态收敛或者使进一步的发散最小化。例如，控制系统102可以使模块108IC以比其它模块低的充电向阵列700放电更多，并且还可以使该低阵列700的模块108-1至108-N放电相对较少(例如，在时间平均的基础上)。与被辅助的阵列700的模块108-1到108-N相比，并且还与净能量模块108IC对其它阵列的贡献量相比，由模块108IC贡献的相对净能量增加了。这可以通过增加用于向低阵列700供电的开关单元604的Mi，并且通过以将用于该低阵列的Vout维持在适当或所需水平的方式降低低阵列700的模块108-1至108-N的调制指数，并且维持用于向其它更高阵列供电的其它开关单元604的调制指数相对不变(或降低它们)来实现。

图10A-10B中的模块108IC的配置可以单独使用，以便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可以与具有与一个阵列700耦合的一个开关部分604的第二模块108IC组合，使得两个模块组合以服务具有Ω+1个阵列700的系统100。可以以这种方式组合任意数量的模块108IC，每个模块与系统100的一个或多个阵列700耦合。

此外，IC模块可以被配置成在系统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的一个示例性实施例的框图。具体讲，子系统1000-1被配置成通过系统I/O端口SIO1、SIO2和SIO3向第一负载(未示出)提供三相电力PA、PB和PC，而子系统1000-2被配置成分别通过系统I/O端口SIO4、SIO5和SIO06向第二负载(未示出)提供三相电力PD、PE和PF。例如，子系统1000-1和1000-2可被配置成不同的组，以为EV的不同电动机供电，或被配置成不同的机架，以为不同的微电网供电。

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可以通过I/O端口3和4与每个其它模块108IC电连接，所述I/O端口如参考图3C的模块108C所述与每个模块108IC的能量源206耦合。这种连接将模块108IC-1、108IC-2和108IC-3的源206并联放置，并且因此由模块108IC存储和供应的能量通过这种并联布置而被集中在一起。也可以使用其它布置，例如串连的连接。模块108IC容纳在子系统1000-1的一个公共封装内，然而，互连模块也可以在公共封装外部，并且作为独立实体物理地位于两个子系统1000的公共封装之间。

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，如参考图10B所述。因此，为了子系统1000之间的平衡(例如，组间或机架间平衡)，特定模块108IC可以向其所连接的两个阵列中的任一个或两个提供相对更多的能量(例如，模块108IC-1可以向阵列700-PA和/或阵列700-PD提供能量)。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)，并且以与本文描述的补偿相同机架或组的两个阵列之间的不平衡的相同方式，调节IC模块的能量输出以补偿不同子系统的阵列或相之间的不平衡。由于所有三个模块108IC都是并联的，所以能量可以在系统100的任何和所有阵列之间有效地交换。在该实施例中，每个模块108IC提供了两个阵列700，但是也可以使用其他配置，包括用于系统100的所有阵列的单个IC模块和具有用于每个阵列700的一个专用IC模块的配置(例如，六个IC模块用于六个阵列，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如本文所述共享能量。

在具有相间IC模块的系统中，相间平衡也可以通过如上所述的中性点偏移(或共模注入)来执行。这种组合允许在更宽范围的操作状况下更稳健和灵活的平衡。系统100可以确定适当的环境，在该环境下执行相间平衡，其中，中性点偏移单独存在、相间能量注入单独存在、或者二者同时存在。

IC模块还可以被配置成向一个或多个辅助负载301(处于与源206相同的电压)和/或一个或多个辅助负载302(处于从源302逐步降低的电压)供电。图10D是描绘具有被连接以执行相间平衡并向辅助负载301和302供电的两个模块108IC的三相系统100A的一个示例性实施例的框图。图10E是描绘系统100的该示例性实施例的一个示意图，其重点在于模块108IC-1和108IC-2。这里，控制电路102同样被实现为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)，并且可以将该监测数据和/或其他监测数据输出到MCD 112以用于如本文所述的系统控制。每个模块108IC可以包括用于由该模块供电的每个负载302的开关部分602A(或关于图6C描述的602B)，并且可以控制每个开关部分602以独立地或基于来自MCD 112的控制输入由LCD 114维持负载302的必需电压电平。在该实施例中，每个模块108IC包括连接在一起以向一个负载302供电的开关部分602A，尽管这不是必需的。

图10F是描绘三相系统的另一示例性实施例的框图，该三相系统被配置成利用模块108IC-1、108IC-2和108IC-3向一个或多个辅助负载301和302供电。在该实施例中，模块108IC-1和108IC-2以与参考图10D-10E所描述的相同方式来配置。模块108IC-3被配置成纯辅助角色，并且不主动地将电压或电流注入到系统100的任何阵列700中。在该实施例中，模块108IC-3可以被配置成类似于图3B的模块108C，具有转换器202B、C(图6B-6C)，其具有一个或多个辅助开关部分602A，但是省略了开关部分601。这样，模块108IC-3的一个或多个能量源206与模块108IC-1和108IC-2的那些并联互连，并且因此系统100的这个实施例配置有附加能量，用于向辅助负载301和302供电，并且用于通过与模块108IC-3的源206的并联连接来维持模块108IC-1和108IC-2的源206A上的充电。

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，尽管这不是必需的。例如，在一个模块108IC将能量施加到多个阵列700(图10A)以使IC模块以与相阵列的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期望的。如果模块108IC也在为辅助负载供电，则可能期望甚至更大的容量，以便使IC模块可以以与其它模块相对相同的速率为辅助负载供电和放电。

本主题的各个方面在迄今为止描述的实施例的回顾和/或补充中在下面阐述，这里强调以下实施例的相互关系和可互换性。换句话说，重点在于实施例的每个特征可以与每个和所有其他特征组合，除非明确地声明或以其他方式教导。

在许多实施例中，提供了一种控制模块化能量系统的方法，包括：监测阵列中的多个模块的状态信息；基于状态信息确定多个模块中的每个模块的模块状态值；以及基于多个模块的模块状态值和阵列的电压要求，确定多个模块中的每个模块的调制指数。

在一些实施例中，状态信息包括与每个模块相关联的充电状态和与每个模块相关联的温度。监测状态信息可以包括利用监测电路测量充电状态以及利用监测电路测量温度。监测状态信息可以包括利用模型估计充电状态和利用模型估计温度。状态信息还可以包括与每个模块相关联的容量。确定每个模块的模块状态值可以包括确定至少表示模块的充电状态状况和温度状况的单个模块状态值。确定单个模块状态值可以包括对充电状态状况和温度状况中的至少一个进行加权。

在一些实施例中，确定模块状态值包括根据阈值或状况评估状态信息。阈值或状况可以包括充电状态阈值或温度阈值中的至少一个。

在一些实施例中，阵列的电压要求是阵列的峰值电压。

在一些实施例中，确定每个模块的调制指数可以包括基于多个模块的模块状态值、每个模块的电压和阵列的电压要求来确定每个模块的调制指数。每个模块的电压可以用监测电路来测量。每个模块的电压可以基于模块的充电状态和模块的电流中的至少一个来估计。

在一些实施例中，确定每个模块的调制指数可以包括基于阵列的每个模块的模块状态值，在阵列的模块上分布阵列的电压要求。

在一些实施例中，该方法还可以包括将每个模块的调制指数和阵列的归一化参考信号从系统的主控制设备传送到与多个模块相关联的多个本地控制设备。

在一些实施例中，该方法还可以包括，对于多个模块中的每个模块，用模块的调制指数调制阵列的归一化参考信号，并将调制的参考信号从系统的主控制设备传送到与模块相关联的本地控制设备。

在一些实施例中，多个模块在阵列中电连接在一起以输出包括来自多个模块中的每一个的输出电压的叠加的交流电压信号，其中，多个模块中的每一个包括能量源和转换器。每个模块还可包括配置成监测模块的状态信息的监测电路，其中，每个模块配置成将状态信息输出到控制系统，并且其中，控制系统配置成基于状态信息控制每个模块的转换器。

在一些实施例中，该方法还包括使用每个模块的调制指数来控制每个模块根据脉宽调制技术输出电压。

在一些实施例中，所述多个模块是所述阵列中的第一多个模块，所述第一多个模块是第一阵列，并且该方法还包括：监测第二阵列中的第二多个模块的状态信息；基于状态信息确定第二多个模块中的每个模块的模块状态值；以及基于第二多个模块的模块状态值和第二阵列的电压要求来确定第二多个模块中的每个模块的调制指数。该方法还可以包括：基于第一阵列和第二阵列的模块状态值评估第一阵列的状态和第二阵列的状态；以及执行共模注入以在第一阵列和第二阵列之间移动中性点。评估第一阵列的状态和第二阵列的状态可以包括将第一多个模块的模块状态值的总和与第二多个模块的模块状态值的总和进行比较。第一多个模块的模块状态值的和可以小于第二多个模块的模块状态值的和，并且可以执行共模注入以将中性点从第二阵列向第一阵列移位。

在许多实施例中，提供了一种控制模块化能量系统的方法，该系统具有第一阵列和第二阵列，每个阵列包括在阵列中电连接在一起的多个模块，以输出包括来自多个模块中的每个模块的输出电压的叠加的交流电压信号，其中，多个模块中的每个模块包括能量源和转换器，该方法包括：监测第一阵列的模块和第二阵列的模块的状态信息；基于状态信息确定第一阵列和第二阵列的每个模块的模块状态值；以及基于模块状态值评估第一阵列和第二阵列之间的状态差异。

在一些实施例中，该方法还可以包括基于所评估的差异对第一阵列和第二阵列的参考信号执行共模注入。该方法还可以包括：基于第一阵列的模块状态值和第一阵列的电压要求，确定第一阵列的每个模块的调制指数；以及基于第二阵列的模块状态值和第二阵列的电压要求来确定第二阵列的每个模块的调制指数。

在一些实施例中，状态信息包括与每个模块相关联的充电状态和与每个模块相关联的温度。状态信息还可以包括与每个模块相关联的容量。确定每个模块的模块状态值可以包括确定至少表示模块的充电状态状况和温度状况的单个模块状态值。确定单个模块状态值可以包括对充电状态状况和温度状况中的至少一个进行加权。

在一些实施例中，确定模块状态值包括根据阈值或状况评估状态信息。阈值或状况可以包括充电状态阈值或温度阈值中的至少一个。

在一些实施例中，该系统还包括第三阵列，该第三阵列包括在第三阵列中电连接在一起的多个模块，以输出包括来自多个模块中的每一个的输出电压的叠加的交流电压信号，其中，多个模块中的每一个包括能量源和转换器。该方法还可以包括：基于状态信息确定第三阵列的每个模块的模块状态值；以及基于模块状态值评估第一阵列、第二阵列和第三阵列之间的状态差异。在一些实施例中，该方法还可以包括基于所评估的差异对第一阵列、第二阵列和第三阵列的参考信号执行共模注入。

在许多实施例中，提供了一种计算机可读介质，该介质存储多个指令，当由处理电路执行时，所述指令使处理电路执行以下步骤，包括：监测阵列中的多个模块的状态信息；基于状态信息确定多个模块中的每个模块的模块状态值；以及基于多个模块的模块状态值和阵列的电压要求，确定多个模块中的每个模块的调制指数。

在一些实施例中，状态信息包括与每个模块相关联的充电状态和与每个模块相关联的温度。在一些实施例中，监测状态信息包括利用监测电路测量充电状态以及利用监测电路测量温度。在一些实施例中，监测状态信息包括利用模型估计充电状态和利用模型估计温度。状态信息还可以包括与每个模块相关联的容量。确定每个模块的模块状态值可以包括确定至少表示模块的充电状态状况和温度状况的单个模块状态值。确定单个模块状态值可以包括对充电状态状况和温度状况中的至少一个进行加权。

在一些实施例中，确定模块状态值包括根据阈值或状况评估状态信息。阈值或状况可以包括充电状态阈值或温度阈值中的至少一个。

在一些实施例中，阵列的电压要求是阵列的峰值电压。

在一些实施例中，确定每个模块的调制指数包括基于多个模块的模块状态值、每个模块的电压和阵列的电压要求来确定每个模块的调制指数。

在一些实施例中，确定每个模块的调制指数包括基于阵列的每个模块的模块状态值，将阵列的电压要求分布在阵列的模块上。

在一些实施例中，多个指令使处理电路执行附加步骤，包括使用每个模块的调制指数来控制每个模块根据脉宽调制技术输出电压。

在一些实施例中，多个模块是阵列中的第一多个模块，多个指令使处理电路执行附加步骤，附加步骤包括：监测第二阵列中的第二多个模块的状态信息；基于状态信息确定第二多个模块中的每个模块的模块状态值；以及基于第二多个模块的模块状态值和第二阵列的电压要求来确定第二多个模块中的每个模块的调制指数。多个指令可以使处理电路执行附加步骤，包括：基于第一阵列和第二阵列的模块状态值评估第一阵列的状态和第二阵列的状态；以及使共模注入的性能在第一阵列和第二阵列之间移动中性点。评估第一阵列的状态和第二阵列的状态可以包括将第一多个模块的模块状态值的总和与第二多个模块的模块状态值的总和进行比较。

在许多实施例中，提供了一种计算机可读介质，该介质存储多个指令，当由处理电路执行时，所述指令使处理电路执行以下步骤，包括：监测第一阵列的模块和第二阵列的模块的状态信息；基于状态信息确定第一阵列和第二阵列的每个模块的模块状态值；以及基于模块状态值评估第一阵列和第二阵列之间的状态差异。

在一些实施例中，第一阵列的模块中的每一个包括能量源和转换器，并且电连接在一起以输出包括来自第一阵列的模块中的每一个的输出电压的叠加的交流电压信号，并且其中，第二阵列的模块中的每一个包括能量源和转换器，并且电连接在一起以输出包括来自第二阵列的模块中的每一个的输出电压的叠加的交流电压信号。

在一些实施例中，多个指令在被执行时还使处理电路基于所评估的差异来执行对第一阵列和第二阵列的参考信号的共模注入。

在一些实施例中，多个指令在被执行时还使处理电路执行以下步骤，包括：基于第一阵列的模块状态值和第一阵列的电压要求，确定第一阵列的每个模块的调制指数；以及基于第二阵列的模块状态值和第二阵列的电压要求来确定第二阵列的每个模块的调制指数。

在一些实施例中，状态信息包括与每个模块相关联的充电状态和与每个模块相关联的温度。确定每个模块的模块状态值可以包括确定至少表示模块的充电状态状况和温度状况的单个模块状态值。确定单个模块状态值可以包括对充电状态状况和温度状况中的至少一个进行加权。

在一些实施例中，多个指令在被执行时还使处理电路执行以下步骤，包括：基于状态信息确定第三阵列的每个模块的模块状态值；以及基于模块状态值评估第一阵列、第二阵列和第三阵列之间的状态差异。当执行多个指令时，多个指令可以进一步使处理电路基于所评估的差异来执行对第一阵列、第二阵列和第三阵列的参考信号的共模注入。当执行多个指令时，多个指令还可以使处理电路基于所评估的差异来执行从互连模块到第一阵列、第二阵列和第三阵列中的至少一个阵列的能量注入。

在许多实施例中，提供了一种模块化能量系统，该系统包括：控制系统，其被配置成：监测阵列中的多个模块的状态信息；基于状态信息确定多个模块中的每个模块的模块状态值；以及基于多个模块的模块状态值和阵列的电压要求来确定多个模块中的每个模块的调制指数。

在一些实施例中，状态信息包括与每个模块相关联的充电状态和与每个模块相关联的温度。该系统还可以包括监测电路，以测量与每个模块相关联的充电状态和温度。控制系统可以被配置成利用模型估计充电状态并且利用模型估计温度。状态信息还可以包括与每个模块相关联的容量。控制系统可以被配置成确定至少表示模块的充电状态状况和温度状况的单个模块状态值。控制系统可以被配置成对充电状态状况和温度状况中的至少一个进行加权。

在一些实施例中，控制系统可以被配置成对照阈值或状况来评估状态信息。阈值或状况可以包括充电状态阈值或温度阈值中的至少一个。

在一些实施例中，阵列的电压要求是阵列的峰值电压。

在一些实施例中，控制系统被配置成基于多个模块的模块状态值、每个模块的电压和阵列的电压要求来确定每个模块的调制指数。

在一些实施例中，控制系统被配置成基于阵列的每个模块的模块状态值，在算法上将阵列的电压要求跨阵列的模块分布。

在一些实施例中，控制系统被配置成使用每个模块的调制指数来控制每个模块根据脉宽调制技术输出电压。

在一些实施例中，该系统还包括阵列中的多个模块。

在许多实施例中，提供了一种模块化能量系统，该系统包括：控制系统，其被配置成：监测第一阵列的多个模块和第二阵列的多个模块的状态信息；基于状态信息确定第一阵列和第二阵列的每个模块的模块状态值；以及基于模块状态值评估第一阵列和第二阵列之间的状态差异。

在一些实施例中，该系统还包括第一阵列的多个模块和第二阵列的多个模块，其中，第一阵列的多个模块中的每一个包括能量源和转换器，并且电连接在一起以输出包括来自第一阵列的模块中的每一个的输出电压的叠加的交流电压信号，并且其中，第二阵列的多个模块中的每一个包括能量源和转换器，并且电连接在一起以输出包括来自第二阵列的模块中的每一个的输出电压的叠加的交流电压信号。

在一些实施例中，控制系统被配置成基于所评估的差异来引起对第一阵列和第二阵列的参考信号的共模注入的执行。

在一些实施例中，控制系统被配置成：基于第一阵列的模块状态值和第一阵列的电压要求，确定第一阵列的每个模块的调制指数；以及基于第二阵列的模块状态值和第二阵列的电压要求来确定第二阵列的每个模块的调制指数。

在一些实施例中，状态信息包括与每个模块相关联的充电状态和与每个模块相关联的温度。控制系统可以被配置成确定至少表示模块的充电状态状况和温度状况的单个模块状态值。在一些实施例中，控制系统可以被配置成对充电状态状况和温度状况中的至少一个进行加权。

在一些实施例中，该系统还包括第三阵列，该第三阵列包括在第三阵列中电连接在一起的多个模块，以输出包括来自多个模块中的每一个的输出电压的叠加的交流电压信号，其中，多个模块中的每一个包括能量源和转换器。控制系统可以被配置成：基于状态信息确定第三阵列的每个模块的模块状态值；以及基于模块状态值评估第一阵列、第二阵列和第三阵列之间的状态差异。控制系统可以被配置成基于所评估的差异来引起对第一阵列、第二阵列和第三阵列的参考信号的共模注入的执行。控制系统可以被配置成基于所评估的差异来引起从互连模块到第一阵列、第二阵列和第三阵列中的至少一个的能量注入的执行。

如本文所使用的术语“模块”是指较大系统内的两个或两个以上设备或子系统中的一个。模块可以被配置成与具有类似尺寸、功能和物理布置(例如，电端子、连接器等的位置)的其他模块结合工作。具有相同功能和能量源的模块可以被配置成与相同系统(例如，机架或组)内的所有其他模块相同(例如，尺寸和物理布置)，而具有不同功能或能量源的模块可以在尺寸和物理布置上变化。虽然每个模块相对于系统的其他模块(例如，像汽车上的车轮或信息技术(IT)刀片服务器中的刀片)可以是物理上可去除的和可替换的，但是这不是必需的。例如，系统可以被封装在不允许去除和替换任何一个模块的公共外壳中，而不将系统作为一个整体拆卸。然而，本文的任何和所有实施例可被配置成使得每个模块相对于其它模块以方便的方式是可去除的和可替换的，诸如在不拆卸系统的情况下。

术语“主控制设备”在这里是广义使用的，并且不需要实现任何特定协议，例如与任何其它设备(例如本地控制设备)的主从关系。

术语“输出”在这里是按广义使用的，并且不排除以双向方式作为输出和输入起作用。类似地，术语“输入”在这里是广义使用的，并且不排除以双向方式作为输入和输出两者起作用。

术语“端子”和“端口”在这里按广义使用的，可以是单向的或双向的，可以是输入或输出，并且不需要特定的物理或机械结构，例如凹形或凸形结构。

在本文中使用了不同的参考数字标记。这些符号用于帮助描述本主题，而不是限制该主题的范围。通常，要素的属用数字表示，例如“123”，其亚属用附加于数字的字母表示，例如123A或123B。提及没有字母附录的属(例如123)是指包括所有亚属在内的整个属。一些图示出了同一要素的多个实例。这些元素可以附加有“-X”格式的数字或字母，例如123-1、123-2或123-PA。这种-X格式并不意味着在每种情况下必须对要素进行相同的配置，而是用于在参考附图中的要素时便于区分。在没有-X附录的情况下对123的引用泛指该属内元素的所有实例。

本主题的各个方面在迄今为止描述的实施例的回顾和/或补充中在下面阐述，这里强调以下实施例的相互关系和可互换性。换句话说，重点在于实施例的每个特征可以与每个和所有其它特征组合，除非另外明确地声明或者逻辑上不可靠。

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，其中的每一个可以是分立的或独立的芯片，或者分布在多个不同的芯片(以及其一部分)之间。可以实现任何类型的处理电路，诸如但不限于，个人计算架构(例如，诸如在台式PC、膝上型计算机、平板电脑等中使用的)、可编程门阵列架构、专有架构、定制架构等。处理电路可以包括数字信号处理器，其可以以硬件和/或软件来实现。处理电路可以执行存储在存储器上的软件指令，该软件指令使得处理电路可以采取许多不同的动作并控制其他组件。

处理电路还可以执行其他软件和/或硬件例程。例如，处理电路可以与通信电路接口，并且执行模数转换、编码和解码、其他数字信号处理、多媒体功能、将数据转换成适于提供给通信电路的格式(例如，同相和正交)，和/或可以使得通信电路发送数据(有线或无线)。

本文所述的任何和所有通信信号可以无线地传送，除非指出或逻辑上不可信。可以包括通信电路以用于无线通信。通信电路可以被实现为在适当协议(例如，Wi-Fi、蓝牙低功耗、近场通信(NFC)、射频识别(RFID)、专有协议等)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，发射器、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一起被包括进来以与各种协议和电路一起操作。在一些实施例中，通信电路可以共享天线以用于通过链路进行传输。RF通信电路可以包括发射器和接收器(例如，集成为收发器)以及相关的编码器逻辑。

处理电路还可适于执行操作系统和任何软件应用，并执行与所发送和接收的通信的处理无关的那些其它功能。

用于执行根据所描述的主题的操作的计算机程序指令可以以一种或多种编程语言的任意组合来编写，所述编程语言包括面向对象的编程语言，诸如Java、JavaScript、Smalltalk、C++、C#、Transact-SQL、XML、PHP等，以及常规的过程编程语言，诸如“C”编程语言或类似的编程语言。

存储器、存储设备和/或计算机可读介质可以由存在的各种功能单元中的一个或多个共享，或者可以分布在它们中的两个或更多个之间(例如，作为存在于不同芯片内的单独的存储器)。存储器还可以位于其自身的单独芯片中。

就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存储器、存储设备和/或计算机可读介质相关联地操作而言，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，就存储器、存储设备和/或计算机可读介质被一个或多个权利要求覆盖而言，则该存储器、存储设备和/或计算机可读介质仅是非暂时性的。如本文所使用的术语“非暂时性”和“有形的”旨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，但是不旨在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“有形的”存储器、存储设备和/或计算机可读介质包括易失性和非易失性介质，例如随机存取介质(例如，RAM、SRAM、DRAM、FRAM等)、只读介质(例如，ROM、PROM、EPROM、EEPROM、闪存等)及其组合(例如，混合RAM和ROM、NVRAM等)及其变型。

应当注意，关于本文提供的任何实施例描述的所有特征、要素、组件、功能和步骤旨在与来自任何其它实施例的那些自由组合和替代。如果仅针对一个实施例描述了特定特征、要素、组件、功能或步骤，则应当理解，该特征、要素、组件、功能或步骤可以与本文描述的每个其它实施例一起使用，除非另有明确说明。因此，本段落用作在任何时候对权利要求的介绍的前提基础和书面支持，其组合来自不同实施例的特征、要素、组件、功能和步骤，或者用来自一个实施例的特征、要素、组件、功能和步骤替换另一实施例的特征、要素、组件、功能和步骤，即使以下描述在特定实例中未明确地陈述这样的组合或替换是可能的。明确地承认，明确地叙述每种可能的组合和替代是过于累赘的，尤其是考虑到每个这样的组合和替代的容许性应当可以容易地被本领域普通技术人员认识到的情况下。

如本文和所附权利要求中所用，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指代物，除非上下文另外明确指出。

虽然实施例易于进行各种修改和替换，但是其具体示例已经在附图中示出并且在此详细描述了。然而，应当理解，这些实施例不限于所公开的特定形式，而是相反，这些实施例将涵盖属于本发明的精神内的所有修改、等效物和替代方案。此外，实施例的任何特征、功能、步骤或要素以及通过不在权利要求的范围内的特征、功能、步骤或要素限定权利要求的发明范围的负面限制可以在权利要求中叙述或添加到权利要求。