混合存儲(chǔ)系統(tǒng)的拓?fù)浜涂刂撇呗缘闹谱鞣椒?br>【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請涉及用于遠(yuǎn)程能量系統(tǒng)(RES)的混合存儲(chǔ)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]鉛酸蓄電池通常作為離網(wǎng)太陽能系統(tǒng)中和遠(yuǎn)程能量系統(tǒng)(RES)中的主要存儲(chǔ)介質(zhì)已被使用多年。鉛酸蓄電池的普及主要是由它們的低廉的購買價(jià)格推動(dòng)的。然而，在RES的整個(gè)使用期內(nèi)，Pb蓄電池常常變成主要的成本動(dòng)因，因?yàn)樗仨毭縄到3年被更換，導(dǎo)致為獲取和更換幾個(gè)蓄電池的高成本。這種例如與備用系統(tǒng)中的鉛(Pb)蓄電池相比相對(duì)短的使用期是由于遠(yuǎn)程能量應(yīng)用的性質(zhì)造成的。例如，在離網(wǎng)太陽能系統(tǒng)中，根據(jù)地理位置和天氣在白天期間對(duì)蓄電池部分地充電幾個(gè)小時(shí)，并且在夜間對(duì)該蓄電池主要放電，例如用于運(yùn)行燈泡、用于運(yùn)行電視機(jī)或其他設(shè)備和機(jī)器。由于這些條件，Pb蓄電池大部分時(shí)間保持在低荷電狀態(tài)(SOC)并且它很少被完全充電。這些方面影響鉛酸蓄電池的容量，因?yàn)樗鼈円子谠黾鱼U酸蓄電池中的硫酸化過程。
[0003]US6353304公開了提供兩個(gè)蓄電池串，其可以通過AC/DC轉(zhuǎn)換器和開關(guān)連接到AC電源，使得一個(gè)蓄電池串被加載同時(shí)另一個(gè)蓄電池串被放電。這種布置可以為除了太陽能電池還具有發(fā)電機(jī)的太陽能混合系統(tǒng)提供改善的蓄電池管理。相比之下，本申請?zhí)峁┝艘环N改善的充電和放電，即使在僅存在可用的光伏能源時(shí)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本申請的目的是提供一種改善的混合存儲(chǔ)系統(tǒng)和用于對(duì)該混合存儲(chǔ)系統(tǒng)的蓄電池充電和放電的改善的方法。這些目的通過獨(dú)立權(quán)利要求來解決。進(jìn)一步的發(fā)展在從屬權(quán)利要求中公開。
[0005]本申請?zhí)峁┮环N混合蓄電池充電設(shè)備，其具有用于連接光伏面板的輸入端子和用于連接鉛酸蓄電池的第一蓄電池連接件。根據(jù)本申請的鉛酸蓄電池包括多種類型，例如液體酸蓄電池、鉛膠體蓄電池或吸水玻璃纖維氈(AGM)鉛蓄電池。
[0006]此外，該蓄電池充電設(shè)備包括用于連接高循環(huán)化學(xué)蓄電池的第二蓄電池連接件。優(yōu)選地，鋰蓄電池，例如鋰離子蓄電池或鋰聚合物蓄電池，提供高循環(huán)化學(xué)蓄電池，然而也可以使用其他高循環(huán)化學(xué)蓄電池，例如鎳鐵蓄電池。
[0007]在本申請的上下文中，“化學(xué)蓄電池”指的是其中蓄電池的充電或放電涉及在蓄電池的相應(yīng)陽極處的化學(xué)反應(yīng)和離子的移動(dòng)的蓄電池。這與電容器形成對(duì)比，例如平板電容器、電解電容器或雙層電容器，它們也被稱為超級(jí)電容器，其中充電或放電僅涉及電子或其他帶電粒子的重新排列而不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。此外，根據(jù)本申請的高循環(huán)化學(xué)蓄電池是可再充電的蓄電池。
[0008]根據(jù)本申請，高循環(huán)化學(xué)蓄電池的特性補(bǔ)充鉛酸蓄電池的特性。鉛酸蓄電池非常適合被完全充電或者甚至被稍微過充電，而高循環(huán)化學(xué)蓄電池非常適合較深的放電水平。鉛酸蓄電池相對(duì)便宜，并且常常用于遠(yuǎn)程能量系統(tǒng)。這種鉛酸蓄電池甚至可以由簡單的汽車蓄電池提供，然而更有利的是使用容許較深放電的特別適配的蓄電池。
[0009]蓄電池充電設(shè)備包括雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器，其也稱為二向DC/DC轉(zhuǎn)換器。雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器用于沿第一電流方向給鋰蓄電池充電以及沿第二電流方向給鋰蓄電池放電。
[0010]雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器的第一組端子與第二蓄電池連接件相連接，并且雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器的第二組端子與第一蓄電池連接件相連接。到第二組端子的輸入得自混合蓄電池充電設(shè)備的輸入端子。在本文，B的輸入“得自”A意味著B從A接收輸入，其中該輸入可以通過電線直接從A傳送到B或者通過其他部件(例如開關(guān)、晶體管等)間接地從A傳送到B。
[0011]此外，提供通過相應(yīng)的控制線連接到雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器和用于連接負(fù)載的輸出端子的充電和放電控制系統(tǒng)。輸出端子的輸入通過連接裝置得自第一蓄電池連接件，該連接裝置用于將輸出端子連接到第一蓄電池連接件，例如磁性開關(guān)或半導(dǎo)體開關(guān)。
[0012]在混合蓄電池充電設(shè)備的直流電路中，任一極可以以已知的方式連接到公共地。例如，第一蓄電池連接件的負(fù)極連接件以及輸出端子的負(fù)極端子可以連接到公共地電勢。換句話說，相應(yīng)的蓄電池連接件之一以及輸出端子之一可以通過相應(yīng)的連接件被提供到公共地電勢。雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入端子也稱為“系統(tǒng)端子”并且系統(tǒng)端子兩端的電壓也稱為“系統(tǒng)電壓”。
[0013]此外，混合蓄電池充電設(shè)備可以包括控制設(shè)備，例如受控的通/斷開關(guān)、脈寬調(diào)制(PWM)、最大功率點(diǎn)跟蹤器等，用于更好地控制蓄電池的充電電壓?？刂圃O(shè)備連接在系統(tǒng)的輸入端子和DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入端子之間，所述DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入端子又連接到鉛酸蓄電池的端子。此外，控制設(shè)備通過控制線連接到充電和放電控制系統(tǒng)。例如，控制線可以被配置用于切換控制設(shè)備中的PWM的晶體管。
[0014]雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器可以包括例如降壓-升壓轉(zhuǎn)換器、降壓轉(zhuǎn)換器或升壓轉(zhuǎn)換器，用于提供合適的電壓比率來對(duì)鋰蓄電池充電或放電。特別地，雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器可以包括用于將比鉛酸蓄電池的充電結(jié)束電壓更高的電壓提供給鋰蓄電池的增壓轉(zhuǎn)換器。
[0015]特別地，雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器可以包括至少兩個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)，其中晶體管的相應(yīng)輸入連接件通過相應(yīng)的控制線連接到充電控制系統(tǒng)。這樣，雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器易于通過電信號(hào)控制。特別地，晶體管可以實(shí)現(xiàn)為功率晶體管。
[0016]此外，混合蓄電池充電設(shè)備可以包括第一和第二電壓測量連接件，用于連接第一和第二電壓傳感器。第一電壓傳感器連接到鉛酸蓄電池的端子，并且第一電壓測量連接件連接到充電和放電控制系統(tǒng)。第二電壓傳感器連接到鋰蓄電池的端子，并且第二電壓測量連接件連接到充電和放電控制系統(tǒng)，其中所述連接可以是直接的或者也可以是通過單獨(dú)的控制器的間接的，所述單獨(dú)的控制器用于管理鋰蓄電池的荷電狀態(tài)，所述單獨(dú)的控制器例如電壓監(jiān)控芯片。電壓監(jiān)控芯片可以連接到鋰蓄電池的電壓傳感器以及通過控制線連接到充電控制系統(tǒng)。
[0017]特別地，鋰蓄電池、雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器和用于鋰蓄電池的電壓監(jiān)控芯片可以一起被安裝在能量存儲(chǔ)子系統(tǒng)中，其中該能量存儲(chǔ)子系統(tǒng)提供用于將能量存儲(chǔ)子系統(tǒng)插入混合蓄電池充電設(shè)備中的輸入端子。由此，可以使用并且與混合蓄電池充電設(shè)備的其余部分分開地檢修包括鋰蓄電池的構(gòu)建塊。
[0018]第一和第二電壓傳感器可以例如在充電和放電控制系統(tǒng)內(nèi)被提供作為混合蓄電池充電設(shè)備的部件，或者它們可以被提供作為相應(yīng)蓄電池的部件。
[0019]混合蓄電池充電設(shè)備還可以包括用于鋰蓄電池的單獨(dú)的蓄電池管理系統(tǒng)，該單獨(dú)的蓄電池管理系統(tǒng)連接到充電和放電控制系統(tǒng)。這樣，現(xiàn)有的蓄電池充電設(shè)備，例如用于鋰蓄電池的蓄電池充電設(shè)備，或者其部分，可以用在根據(jù)本申請的混合蓄電池充電設(shè)備中。
[0020]本申請還公開了一種具有根據(jù)本申請的混合充電設(shè)備的混合存儲(chǔ)系統(tǒng)，該混合充電設(shè)備還包括連接到第二蓄電池連接件的鋰蓄電池。
[0021]此外，混合存儲(chǔ)系統(tǒng)還可以包括電容器，例如超級(jí)電容器，其與鋰蓄電池并聯(lián)連接，用于快速響應(yīng)所連接的負(fù)載的高負(fù)載峰值。
[0022]此外，本申請公開了一種具有根據(jù)本申請的混合充電設(shè)備的混合存儲(chǔ)系統(tǒng)，該混合充電設(shè)備還包括連接到第一蓄電池連接件的鉛酸蓄電池。
[0023]混合存儲(chǔ)系統(tǒng)還可以包括第一電壓傳感器和第二電壓傳感器，該第一電壓傳感器連接到第一蓄電池的一個(gè)或多個(gè)端子以及連接到充電和放電控制系統(tǒng)，該第二電壓傳感器連接到第二電壓蓄電池的一個(gè)或多個(gè)端子以及連接到充電和放電控制系統(tǒng)。
[0024]此外，本申請公開了一種用于通過電源(例如光伏面板)給混合存儲(chǔ)系統(tǒng)的鉛酸蓄電池和鋰蓄電池充電的方法。
[0025]根據(jù)本申請，在第一蓄電池充電階段中給鉛酸蓄電池充電直到鉛酸蓄電池已經(jīng)達(dá)到第一預(yù)先確定的荷電狀態(tài)為止。在其中鉛酸蓄電池被充電的第一蓄電池充電階段期間，可以僅通過例如通過使用充電電壓和電流作為輸入數(shù)據(jù)的PID控制器限制到最大電流或限制于執(zhí)行無限制充電或大量充電(bulk charging)來控制充電。
[0026]在均衡階段(其也稱為升頂(topping)或升壓階段)中，鉛酸蓄電池和鋰蓄電池都被充電直到鉛酸蓄電池已經(jīng)達(dá)到第二預(yù)先確定的荷電狀態(tài)為止。另外，鉛酸蓄電池和鋰蓄電池還可以在鉛酸蓄電池的“吸收階段”或升壓階段期間被充電。在均衡和吸收階段中，系統(tǒng)電壓在對(duì)應(yīng)于各階段的不同設(shè)定點(diǎn)處保持恒定。
[0027]在均衡階段期間，可以使得在鉛酸蓄電池處施加的電壓在預(yù)先確定的較低電壓和預(yù)先確定的較高電壓之間振蕩。特別地，可以通過脈沖充電并且尤其是通過脈寬調(diào)制充電施加該電壓。充電脈沖的電壓可以比鉛酸蓄電池的充電結(jié)束電壓高。充電脈沖可以通過均衡蓄電池單元上的荷電、將電解質(zhì)混合并降低硫酸化來貢獻(xiàn)較高的荷電和壽命預(yù)期。此外，在鉛酸蓄電池的各端子處的平均電壓接近在均衡階段期間鉛酸蓄電池的充電結(jié)束電壓。在均衡階段期間，到鉛酸蓄電池的充電電流將降低，因?yàn)殂U酸蓄電池的荷電狀態(tài)接近100%。
[0028]在第三蓄電池充電階段中給鋰蓄電池充電，在該階段期間基本恒定的系統(tǒng)電壓被施加到鉛酸蓄電池的系統(tǒng)端子并且第一電壓被轉(zhuǎn)換成在鋰蓄電