技术摘要：
本发明涉及一种具有提高的功率转换效率的功能设备（10A）。功能设备（10A）包括功能单元（12）、两个或更多个能量存储单元（14A、14B、14C、14D）和电功率转换器单元（16）。电功率转换器单元（16）被配置为从外部功率源（20）接收输入电压，并且向彼此串联连接的能量  全部
背景技术：
US2012/0319477A1示出了一种利用来自电能存储系统和替代能源的电力的照明 系统。该照明系统具有控制器，该控制器被配置为基于当时哪个电功率源最便宜来从多个 电功率源中选择一电功率源。电能存储系统包括第一和第二电能存储介质。每个存储介质 可以具有一个或多个电池。N个所述电池可以串联布置，使得该串联具有电压N×V，并且电 池可以连接到导体和开关，该导体和开关使得所述电池的第一子集能够以小于N×V的第一 电压供电。电池还可以连接到第二组导体和开关，该第二组导体和开关被配置为对除电池 的第一子集之外的电池充电。所述电池的第二子集可以在不等于第一电压的第二电压下供 电。电池的第一子集可以提供适合DC照明的电压，并且电池的第二子集可以提供足以运行 DC电机的电压。 US6342775B1公开了一种电池切换电路，该电路提供了一种机构，通过该机构，多 个电存储电池可以基于海上定位和操纵系统的手动控制操纵杆的位置交替地并联或串联。 当操纵杆处于空档位置时，存储电池并联连接来用于充电，并且当操纵杆移出其空档位置 时，电池立即串联连接以向用于驱动对接系统的多个叶轮的多个电动机供电。 US2006/122655A1公开了一种用于可植入使用的具有低内部自放电的高能量功率 源，包括多个可充电能量存储电池单元、适合于为能量存储单元充电的主功率源、适合于在 用于充电的并联连接配置和用于放电的串联连接配置之间切换能量存储单元单元的切换 系统、以及适合于仅响应于表示需要放电能量的输入来启动能量存储单元的充电并在接收 到输入之前抑制对能量存储单元进行的充电。
技术实现要素：
本发明的一个目的可以视为是提供一种功能设备、功能系统、用于操作功能设备 的方法以及用于操作功能设备的计算机程序，其允许更高效的功率转换。 在本发明的第一方面，提出了一种功能设备。该功能设备包括功能单元、两个或更 多个能量存储单元以及电功率转换器单元。功能单元被配置成执行功能。两个或更多个能 量存储单元被配置成存储电能。电功率转换器单元被配置为连接到外部功率源，从外部功 率源接收输入电压，并且向彼此串联连接的能量存储单元的充电组提供转换的输入电压， 该充电组具有适合于从外部功率源接收的输入电压的充电组电压，以便最小化输入电压和 转换的输入电压之间的电压差。能量存储单元的放电组被配置为向功能单元提供适合于功 能单元所需的功能单元输入电压的输出电压，以便最小化输出电压和功能单元输入电压之 4 CN 111587519 A 说　明　书 2/11 页 间的电压差。 由于充电组电压适合于外部功率源的输入电压，即，基于每个能量存储单元的电 压，充电组电压低于并尽可能接近输入电压，因此可以减少由于输入电压和电功率转换器 单元的转换的输入电压的差异导致的功率转换效率损失。此外，由于放电组被配置为向功 能单元提供适合于功能单元输入电压的输出电压，即，基于每个能量存储单元的电压，放电 组提供的输出电压高于并尽可能接近功能单元输入电压，因此可以减少由于输出电压和功 能单元输入电压的差异而导致的功率转换效率损失。因此，功能设备允许更高效的功率转 换。 充电组可以包括所有能量存储单元或能量存储单元的子集。充电组中能量存储单 元的数量可以小于、大于或等于放电组中能量存储单元的数量。优选地，充电组中能量存储 单元的数量大于放电组中能量存储单元的数量。如果输入电压与转换的输入电压之比接近 1，则功率转换效率最大。外部功率源的输入电压和功能单元输入电压之间的较大差异可能 导致功率转换效率降低。充电组中能量存储单元的数量可以不同于放电组中能量存储单元 的数量。这允许保持输入电压与转换的输入电压之比接近1，因为充电组具有适合于从外部 功率源接收的输入电压的电压，同时放电组具有适合于功能单元所需的功能单元输入电压 的输出电压。能量存储单元的放电组可以包括一个或多个能量存储单元。如果放电组包括 两个或更多个能量存储单元，则能量存储单元的放电组的能量存储单元彼此串联连接。在 一实施例中，所有能量存储单元可以具有相同的额定电压，这意味着每个能量存储单元可 以用基本相同的充电电压单独充电，并且以基本相同的放电电压放电。在替代实施例中，一 个或多个或所有能量存储单元可以具有不同的额定电压。 电功率转换器单元被配置成将电能从一种形式转换成另一种形式。电能可以以各 种形式存储，例如，以作为交流电（AC）或直流电（DC）的电能信号。存储电能的信号（即电能 信号）例如可以从AC转换为DC，电能信号的电压水平可以改变为另一个电压水平，和/或电 能信号的频率可以改变为另一个频率。这允许用来自各种外部功率源的电能为功能设备供 电。例如，在AC电压转换成DC电压的情况下，AC输入电压可以用AC到DC的转换因数转换成DC 输入电压。AC到DC的转换因数取决于整流、电容滤波和电功率转换器单元占空比。 电功率转换器单元可以包括降压转换器、升压转换器或者降压和升压转换器。电 功率转换器单元可以是开关模式功率源（SMPS）。SMPS是一种电子功率源，包括用于高效转 换电能的开关调节器。SMPS允许高效能量转换。如果输入电压与转换的输入电压之比接近 1，则可以实现SMPS的最大功率转换效率。SMPS可以包括功率因数校正（PFC）转换器。PFC允 许提供更高的功率因数并减少电流谐波。功率因数是功能设备中有功功率和视在功率的比 率。例如，如果从提供正弦电流的外部功率源汲取非正弦电流，就会导致电流谐波。 外部功率源例如可以是公用电网、市电功率源、太阳能功率源、风力涡轮机功率 源、水功率源、生物质功率源或任何其他外部功率源。例如，对于提供120  V  AC输入电压的 市电功率源形式的外部功率源，整流和电容器滤波后的AC输入电压对应于1.414·120  V  DC输入电压，即170  V  DC，并且如果用于充电的电功率转换器单元占空比为90%，则120  V  AC输入电压对应于153  V  DC输入电压。在这种情况下，功能设备可以例如包括对应于144  V  DC的串联连接的十二个12  V能量存储单元的充电组。因此，对于AC外部功率源的情况，当考 虑输入电压和转换的输入电压之间的电压差的最小化时，整流的DC电压被用作所述最小化 5 CN 111587519 A 说　明　书 3/11 页 的输入电压。例如，对于提供240  V  DC输入电压的外部功率源，功能设备可以包括对应于 240  V  DC的二十个12  V能量存储单元的充电组。在这两种情况下，功能设备可以分别包括 十二个、二十个12  V能量存储单元。可替代地，功能设备也可以包括多于分别是十二个、二 十个12  V能量存储单元，例如分别是15个、25个能量存储单元。 对于需要24  V的功能单元，放电组的输出电压例如可以是24  V。24  V例如可以由 串联连接的两个12  V能量存储单元的放电组提供。在功能单元需要40  V的情况下，输出电 压可以由4个能量存储单元的放电组提供，使得提供48  V的输出电压，该输出电压的电压量 高于并最接近可从能量存储单元获得的所需电压。功能单元所需的功能单元输入电压例如 可以是发光二极管（LED）的正向电压，即LED导电和发光所需的伏特量。 由于来自外部功率源的输入电压被分配给能量存储单元的充电组，而能量存储单 元的放电组被用于用适合于功能单元输入电压的输出电压来为功能单元供电，所以功能设 备允许在外部功率源的输入电压和功能单元输入电压之间有较大差异时以高功率转换效 率操作。这允许避免现有技术中已知的高降压比，诸如10，并因此允许提高功率转换效率。 此外，功能设备允许电功率转换器单元和功能单元在不同的电压和功率水平下操作。 功能设备可以包括用于连接功能单元、能量存储单元和电功率转换器单元的电 路。电路可以包括电子电路。功能设备还可以包括开关布置。开关布置可以被配置成根据开 关的断开和闭合状态形成能量存储单元的充电组、放电组或充电组和放电组。开关可以是 例如固态开关或继电器开关。 开关的无源状态可以被选择为对于典型应用，例如充电组的充电或放电组的放 电，仅需要最小的激活能量。这允许降低能耗。开关布置还可以包括一个或多个二极管，以 便降低控制开关布置的复杂性。开关布置可以包括双稳态继电器开关。这允许进一步降低 能耗。 功能设备可以包括控制单元。控制单元可以被配置为控制开关的切换，以便根据 从外部功率源接收的输入电压形成充电组，根据功能单元所需的功能单元输入电压形成放 电组，或者根据从外部功率源接收的输入电压和功能单元所需的功能单元输入电压形成能 量存储单元的充电组和放电组。控制单元可以包括处理单元，例如用于执行计算、处理信号 等的处理器。 控制单元可以基于有线或无线连接到开关，以便控制开关布置。控制单元可以包 括收发器，用于无线控制开关布置的开关。控制单元可以被配置成经由收发器传输控制信 号来控制开关布置的开关。开关可以包括用于接收控制单元的控制信号的收发器，并且可 以根据控制信号被控制，即，开关可以在断开和闭合状态之间被切换，使得电路断开或闭 合。开关布置可以例如包括机电继电器。机电继电器可以包括用于同时控制多个开关的线 圈。线圈可以连接到用于接收控制单元的控制信号的收发器，以便切换机电继电器。继电器 逻辑可以例如被实现用于为充电组充电或对放电组放电，即，常开（NO）和常闭（NC）开关可 以被布置成使得继电器的稳定状态使得能量存储单元被充电或放电。可替代地，继电器逻 辑也可以被实现为使得能量存储单元的充电和放电被同时执行。 控制单元可以被配置为确定从外部功率源接收的输入电压、功能单元所需的功能 单元输入电压或者从外部功率源接收的输入电压和功能单元所需的功能单元输入电压，以 便控制开关的切换。这允许功能设备与各种外部功率源的连接以及功能单元的操作具有更 6 CN 111587519 A 说　明　书 4/11 页 高的灵活性。功能单元可以例如具有使用功能单元的不同电子组件的各种操作模式，使得 根据功能单元的操作模式需要不同的功能单元输入电压。 控制单元可以被配置成形成具有多个串联连接的能量存储单元的充电组，使得充 电组电压低于并尽可能接近从外部功率源接收的输入电压。外部功率源可以提供例如110  V至120  V（诸如120  V）、230  V至240  V（诸如230  V）或277  V的输入电压。在能量存储单元具 有相等的电压（例如12  V）并且外部功率源提供120  V的情况下，控制单元将形成具有十个 能量存储单元的充电组，其产生120  V，即大约120  V，因为由外部功率源提供的电压需要大 于充电组的电压，这或者是由于较低的初始电压和由于充电而增加的充电组的电压，或者 也可以是充电组的电压和外部功率源之间的小电压差，例如0.1  V。在外部功率源提供120  V和131  V之间的情况下，控制单元也将形成具有十个能量存储单元的充电组，其产生120  V 控制单元可以被配置为形成具有多个能量存储单元的放电组，使得放电组的输出电压 高于并尽可能接近功能单元输入电压。如果放电组包括两个或更多个能量存储单元，则控 制单元被配置为形成具有串联连接的能量存储单元的放电组。 控制单元可以被配置为确定能量存储单元的充电状态（SOC）。各个能量存储单元 的SOC是存储在各个能量存储单元中的电能与能够存储在各个能量存储单元中的电能总量 的比率，即SOC范围从0%到100%。控制单元还可以被配置为根据能量存储单元的SOC形成充 电组、放电组或者充电组和放电组。这允许减少能量消耗并允许功能设备的稳定操作。 控制单元可以被配置为根据能量存储单元的SOC选择能量存储单元以形成充电 组。与具有较高SOC的能量存储单元相比，具有较低SOC的能量存储单元可以优选被包括在 充电组中。控制单元可以被配置为监控能量存储单元的SOC，并根据能量存储单元的当前 SOC来调整充电组。控制单元可以被配置为从充电组移除能量存储单元，并且向充电组添加 其他能量存储单元，例如，完全充电的充电组的能量存储单元之一可以被未完全充电的能 量存储单元代替。这允许提高功率转换效率和电能的使用。控制单元还可以被配置为从充 电组移除能量存储单元并向充电组添加能量存储单元，使得能量存储单元的SOC平衡。控制 单元可以被配置为形成充电组，使得能量存储单元基于能量存储单元的当前SOC以相同的 速率或以时间间隔充电，并且使得能量存储单元的SOC平衡。这允许减少充电周期。 控制单元可以被配置为根据能量存储单元的SOC选择能量存储单元以形成放电 组。与具有较低SOC的能量存储单元相比，具有较高SOC的能量存储单元可以优选被包括在 放电组中。控制单元可以被配置为监控能量存储单元的SOC，并根据能量存储单元的当前 SOC来调整放电组。控制单元可以被配置为从放电组移除能量存储单元，并且向放电组添加 其他能量存储单元，例如，完全耗尽的充电组的能量存储单元之一可以被至少部分充电的 能量存储单元代替。这允许提高功率转换效率、电能的使用和能量存储单元的利用率。控制 单元还可以被配置为从放电组移除能量存储单元并向放电组添加能量存储单元，使得能量 存储单元的SOC平衡。控制单元可以被配置为形成放电组，使得能量存储单元基于能量存储 单元的当前SOC以相同的速率或以时间间隔放电，并且使得能量存储单元的SOC平衡。这允 许延长放电周期。 控制单元可以被配置为使用简单的控制方案来从充电组中顺序移除能量存储单 元中的一个或多个，并将一个或多个能量存储单元添加到放电组中来为功能单元供电。控 制单元可以被配置为同时包括充电组和放电组中的能量存储单元，使得充电组和放电组中 7 CN 111587519 A 说　明　书 5/11 页 的相应能量存储单元同时充电和放电。可替代地，控制单元可以被配置为仅在充电组和放 电组之一中包括相应的能量存储单元，使得相应的能量存储单元被充电或放电。 控制单元可以被配置为在断开和闭合状态之间切换开关布置的一组开关，以便形 成能量存储单元的充电组、放电组或者充电组和放电组。该组开关可以例如使用机电继电 器来切换。这允许容易地控制切换，因为一组开关被控制，而不是单独地切换各开关。 提供输出电压的能量存储单元的放电组可以与其他能量存储单元电流隔离。开关 布置允许充电和放电能量存储单元彼此电流隔离。将能量存储单元彼此电流隔离允许防止 能量存储单元之间的不需要的电流流动。 功能单元可以包括恒流驱动器，其用于基于变化的驱动电压向功能单元提供恒定 电流。这允许需要恒定电流的功能单元的操作，并防止热失控。恒流驱动器例如可以是LED 驱动器。功能单元可以包括能量缓冲器，诸如电解电容器。能量缓冲器允许更平滑的接管。 功能单元可以包括照明单元、致动单元、用户接口、加热单元、冷却单元或温度调 节单元。照明单元可以提供光，致动单元可以提供移动，用户接口可以为用户提供交互的可 能性，加热单元可以提供热量，冷却单元可以提供冷却，并且温度调节单元可以提供温度调 节。 能量存储单元可以包括电池、电容器或者电池和电容器。电池是可充电的。电容器 例如可以是超级电容器。如果能量存储单元的各自能量存储单元包括电池和电容器，则电 池可以用于慢速充电和放电，而电容器可以用于快速充电和放电。 控制单元可以被配置为执行各种操作模式。控制单元可以被配置为执行第一操作 模式，在第一操作模式中，当前未放电的能量存储单元可以被充电，即被添加到充电组。此 外，放电组的能量存储单元中的一个或多个可以在第一操作模式下的放电期间被充电，即 放电组的能量存储单元中的一个或多个可以被添加到充电组，使得能量存储单元中的一个 或多个被同时充电和放电。控制单元可以被配置为在第二操作模式下操作，在第二操作模 式中，当前未放电的能量存储单元可以被充电，并且放电组的能量存储单元在放电期间不 被充电。优选地，在第二操作模式下，放电组的能量存储单元与其他能量存储单元电流隔 离。 功能设备可以同时包括三组不同的能量存储单元，即充电组、放电组和闲置组。闲 置组包括既不包括在充电组中也不包括在放电组中的能量存储单元。闲置组的能量存储单 元可以在需要时被添加到充电组或放电组。 在本发明的另一方面，提出了一种功能系统。该功能系统包括根据权利要求1至10 中任一项所述的功能设备或该功能设备的任一实施例。该功能系统还包括外部功率源。 该功能系统例如可以是集成有电池的照明系统。 在本发明的另一方面，提出了一种方法。用于操作根据权利要求1的功能设备的方 法包括以下步骤： -从外部功率源接收输入电压， -使得彼此串联连接的能量存储单元的充电组具有适合于从外部功率源接收的输入电 压的充电组电压，以便最小化输入电压和转换的输入电压之间的电压差， -将转换的输入电压提供给能量存储单元的充电组， -使得能量存储单元的放电组被配置为提供适合于功能单元所需的功能单元输入电压 8 CN 111587519 A 说　明　书 6/11 页 的输出电压，以便最小化输出电压和功能单元输入电压之间的电压差，以及 -向功能单元提供输出电压。 该方法还可以包括以下步骤： -根据从外部功率源接收的输入电压形成充电组，以及 -根据功能单元所需的功能单元输入电压形成放电组。 形成充电组和放电组可以通过切换开关布置的开关来执行。可以根据从外部功率 源接收的输入电压和功能单元所需的功能单元输入电压来切换开关。 该方法可以包括以下步骤： -确定从外部功率源接收的输入电压。 可替代地或附加地，该方法可以包括以下步骤： -确定功能单元所需的功能单元输入电压。 该方法可以包括以下步骤： -确定能量存储单元的SOC。 可替代地或附加地，该方法可以包括以下步骤： -根据能量存储单元的SOC形成充电组、放电组或者充电组和放电组。 该方法可以包括以下步骤： -使得能量存储单元的放电组与其他能量存储单元电流隔离。 该方法可以包括以下步骤： -执行功能单元的功能，例如，在照明单元的情况下，可以提供光，在致动单元的情况 下，可以提供致动器的移动，在加热单元的情况下，可以提供热量，或者在冷却单元的情况 下，可以提供冷却。 该方法可以被执行用于操作功能设备，例如照明设备，使得能量存储单元被时移 并且一个接一个地顺序放电，以便操作功能单元，例如包括用于提供光的LED的照明单元。 该方法可以通过同时为充电组中的能量存储单元充电和为放电组中的能量存储 单元放电来执行，它们以电流隔离彼此独立。 在本发明的另一方面，提供了一种用于操作根据权利要求1所述的功能设备的计 算机程序。该计算机程序包括程序代码装置，用于当计算机程序在处理器上运行时，使处理 器执行根据权利要求12所述的方法或该方法的任一实施例。该计算机程序还可以被配置为 操作根据权利要求11所述的功能系统。 在另一方面，提出了一种存储有根据权利要求14所述的计算机程序的计算机可读 介质。可替代地或附加地，该计算机可读介质可以存储有根据计算机程序的任一实施例的 计算机程序。 应当理解，权利要求1所述的功能设备、权利要求11所述的功能系统、权利要求12 所述的用于操作功能设备的方法、权利要求14所述的计算机程序和权利要求15所述的计算 机可读介质具有相似和/或相同的优选实施例，特别是如从属权利要求中所定义的优选实 施例。 应当理解，本发明的优选实施例也可以是从属权利要求或以上实施例与相应独立 权利要求的任意组合。 根据下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见并得到阐述。 9 CN 111587519 A 说　明　书 7/11 页 附图说明 在下面的附图中： 图1示意性且示例性地示出了处于充电模式的功能系统的第一实施例中的功能设备的 第一实施例； 图2示意性且示例性地示出了处于同时充电和放电模式的功能系统的第一实施例中的 功能设备的第一实施例； 图3示意性且示例性地示出了功能系统的第二实施例中的功能设备的第二实施例； 图4示意性且示例性地示出了功能系统的第三实施例中的功能设备的第三实施例； 图5示意性且示例性地示出了具有示例性开关布置的功能设备的实施例的一部分； 图6示出了针对各种输入电压的降压转换器效率与输出电流的关系图； 图7示出了用于操作功能设备的方法的实施例。