专利名称：包括超电容器的自治系统中电池的脉冲充电的方法
技术领域：
本发明涉及一种利用输送直流电的间歇式电源来对自治(autonomous ) 系统的电池进行充电的方法，所述方法包括以由充电控制电路管理的脉冲电 流进行充电的至少 一个阶段。
背景技术：
呼吁开发由间歇式电源(例如，光伏板(photovoltaic panel)或风力类 型发电机)供电的自治系统。这些自治系统通常安装在难以访问的孤立地点， 对于所述系统，传统的通过线缆进行电力供应的成本将是高昂的。对于此类 配置，优化维护和自治是极为重要的，以使得能够实现操作成本的大量减少。
利用脉冲电流执行对电池充电的最终步骤已经从电化学的角度证明了 它的价值。实际上，通过适应电流值、充电时间和充电频率，于是可改善充 电处理，从而增长电池的寿命。脉冲电流充电和充电结束(end-of-charging) 方法已经具体描述在文献WO-A-2005/122319和2007年11月5日提交的国 际专利申请PCT/FR2007/001821中。
然而，由诸如光伏板或风力发电机之类的间歇式电源所能够生成的电力 和能量有限。这就是电池传统上直接连接到电源并且开关在过量充电的情况 下执行电池断开的原因。
发明内容
本发明的目的在于提供一种易于实现的方法，该方法在能量上 (energy-wise )与脉冲电流充电结束兼容、并且确保了电池的长寿命。
根据本发明的方法由所附权利要求表征，并更具体地由如下事实表征， 超电容器经由第一电子开关与电池并联连接、并经由至少第二电子开关与电 源并联连接，所述控制电路相继地执行以下步骤
-在电流脉沖期间，测量电池的端子处在所述脉沖期间的电流 沖的幅 度以及电压增加的幅度，-才艮据所述幅度来确定电池的动态内部电阻，
-根据预定义的最大电压阈值和所述动态内部电阻来确定电池可接受 的最大电流阈值，
-在下一电流脉冲处，通过控制第二电子开关的闭合时间来将电池充电 电流的值限制到低于所述最大电流阈值的值。
根据仅为了非限制性示例目的而给出并表示在附图中的本发明具体实
施例的以下描述，其它优点和特征将变得更清楚明显，其中 图1示意性表示根据本发明的自治系统。 图2以流程图形式表示根据本发明的方法的具体实施例。 图3图示了在根据本发明的方法中电池充电电流I随时间的变化。 图4图示了在根据本发明的方法中在超电容器的端子处的电压Ve随时
间的变化。
图5图示了在根据本发明的方法中在电池端子处的电压Ubatt随时间的变化。
具体实施例方式
如图1所图示的，自治系统包括构成电力存储元件的至少一个电池1、 间歇式电源2、以及包含用于管理充电和充电结束的装置的充电控制电路3。 第一电子开关4和第二电子开关5串联连接在间歇式电源2和电池1之间。 由充电控制电路3经由集成控制装置来控制电子开关4、 5的切断和闭合。
电池1例如是铅或镍电池，并且更通常的方式是具有含水电解液 (aqueous electrolyte )的电池。
在它的操作时期期间，间歇式电源2输送取决于外部环境的直流电I,。
所述系统还包括由超电容器6形成的中间电力存储元件。超电容器6经 由第一电子开关4与电力存储元件1并联连接、并经由至少笫二电子开关5 与间歇式电源并联连接。如图l所图示的，超电容器6如此连接在第一电子 开关和第二电子开关之间。中间电力存储元件6必须呈现(具体地，在效率 和寿命方面呈现)与自治结构(set-up)中的使用兼容的存储特性。
为了脉沖充电的满意管理，在超电容器6的端子处的电压实质上必须不大于电池l的电压，以避免在每个电流脉冲处损坏电池。有利地，当施加电 流脉冲时，选择与电池1的端子处的电压冲妾近的电压。以这个方式，如果发
生控制电路3的元件或者电子开关4和5的命令误操作，则避免了大电流。 例如，可以选择在零电压之下闭合的类型的电子开关4，其在发生误操作时 使得能够将两个电压保持相等。
具体地从文献WO-A-2003/03667中，已知组合地包4舌超电容器和孩丈电 池的能量存储混合器件，以使得能够进行高速充电。使这两个组件相关联使 得能够存储大量的能量，而且同时具有高的瞬时可用电力。在这个文献中， 非常迅速地(在小于1秒内)从外部电源对超电容器充电，并且在必要的时 间(例如，几分钟)上从超电容器对微电池进行再充电。
在图2的流程图所图示的具体实施例中，控制电路3根据由合适的测量 电^^提供的在电池1的端子处的电压和电流的测量(I/V)来确定(步骤F1 ) 电池l的不同特性。有利地，控制电路3考虑电池的温度或特性温度。控制 电路3比较(步骤F2)电池的特性和第一预定义阈值(即，第一类充电的 充电结束阈值，例如为在电池端子处的电压)，以便确定是否已经达到第一 类充电的充电结束阈值。
如果电池端子处的电压Ubatt低于第一预定义阈值Uthresh。un(F2的输出为
否)，则还没有满足充电结束准则，并且控制电路3根据第一充电模式继续 对电池充电。充电结束准则U^esh。icu例如对应于电池的最大电压的90%乃至 95% (其对应于充电状态的80% )。
如果电池端子处的电压Ub甜大于第一预定义阈值Uthresh。ldl ( F2的输出为 是)，则已经达到充电结束准则，并且控制电路3触发(步骤F3)切换到进 行脉沖电流充电的第二充电模式。脉冲电流充电由控制电i 各3管理，然后控 制电路3根据电池1和间歇式电源2的端子处的电压和电流的测量(I/V) 来确定(步骤F4)电池1和间歇式电源2的不同特性。
控制电路3比较(F5 )电池1的特性和第二预定义阔值(即，脉冲电流 充电结束阈值，例如为在电池端子处的电压Ubatt)，以便确定是否已经达到
脉沖电流充电结束阈值(例如，阔值电压Uthresh。,d2)。
如果电池端子处的电压Ub甜大于第二预定义阈值Uthresh。,d2(F5的输出为
是)，则控制电路3例如通过断开电池1来停止对电池充电(F6)。
如果电池端子处的电压Ub甜低于第二预定义阔值Uthresh。W2(F5的输出为否)，则控制电路3根据第二充电模式继续对电池1充电，并且控制电路3 然后确定(F7)用于脉冲电流充电的最佳充电参数。这些参数例如是电流脉 沖的频率(典型为lHz)、和脉冲的占空因数(即，在一时期内、与在低状 态中度过的时间相比的在高状态中度过的时间，典型为25%)。当施加脉冲 时，因此直接根据先前的两个参数的值来推导电流值。然后#4居上面定义的 参数来利用脉冲电流充电对电池1进行充电。
如图3和图5中图示的，从由电源2生成的电力对电'池1充电包括两个 连续阶段。在第一充电阶段中(在时间to与t,之间)，对电池1充电直到达 到第 一充电阈值为止。这个第一充电阶段典型地利用电流I,通过第一类充电 (有利地为直流电充电)来执行。然而，可使用其它类型充电，例如以恒定 电压进^f亍充电。
在第二充电阶段，充电控制电路3通过脉冲电流充电阶段(在时间^与 ts之间)来执行充电。在这个充电阶段，由电源2输送的直流电被转换为具 有预定义特性的脉冲电流。在脉冲电流充电阶段，独立地致动第一开关4和 第二开关5。在第一充电阶段和第二充电阶段二者中，第一开关4和第二开 关5的操作一直是彼此独立的。
当执行脉冲电流充电时，第 一开关4使得能够定义电流脉冲的时间特性， 具体地为频率和占空因数。第二开关5通过限制充电时间来使得能够限制超 电容器的充电。
在脉沖电流充电的第一时期中(在图2中的时间t,与12之间)，第二电 子开关5闭合，而第一电子开关4切断。电池充电电流I是零(图3)。然后， 电源2直接连接到从电池1断开的超电容器6。超电容器6充电。电源2被 同化(assimilate)为直流电源，超电容器6的端子处的电压与它的充电时间 成比例，即与介于时间t,与t2之间的时间段成比例。在时间t2处，超电容器 的端子处的电压等于Vo (图4)。
在第二时间段中(在图3至图5中的时间12与13之间)，第二开关5切 断。然后第一开关4和第二开关5处于相同状态中。在这个第二时间段中， 不再通过电源2利用电流对先前以电压Vo进行充电的超电容器6进行供电。 由于时间t2与13之间的时间段短，所以电容器端子处的电压被认为是恒定的。 此外，由于电池端子处的电压恒定，所以从第一充电模式^^皮停止开始，即从 时间t,开始(图5)，它没有改变。在图3至图5中的时间t3与t4之间的第三时间段中，第一开关4闭合， 超电容器6不再与电源2连接，超电容器6然后利用与电流脉沖对应的电流 12来对电池1充电。由超电容器6供应的电流随着超电容器6放电而降低。
在超电容器中存储的电力在时间段tpt3期间被发送到电池1。电池具有内部
电阻Rib，过电压AU在每个电流脉沖上(即，在图5中的时间13与14之间)， 发生于电池端子处。在图5中表示的两个脉冲上，可以看出，在脉沖外部的、 电池端子处的电压轻微地增加，这指明了充电状态的显著增加。
在电流脉沖期间，电池1的状态没有改变太多，并因此它的电动势E恒
定。因此，可通接下来的等式来描述电池的充电电压^(o和电流/(,)随时间
的变更
KcO) = ￡ + (r0-
刷》—五"—〃" 其中
五是电池1的电动势，
^是在电流脉沖的开始时，在超电容器6的端子处的电压， / ,是超电容器6和电池1的内部电阻之和， C是超电容器6的电容。
这些脉冲的周期性重复构成了用于被设计为终结电池充电的脉沖电流 充电阶段的脉沖电流。脉冲电流的频率和占空因数用开关4和5的开关频率 来定义。
电池充电电压和电流是超电容器的端子处的电压Ve的函数，该电压Vc 本身是它的来自电源2的充电时间的函数。时间t3与t4之间的时期对应于电 流脉沖的持续时间。时间t,与13之间的时期对应于在其期间没有向电池1供 应电流的时期的剩余部分。电流脉冲的时期对应于时间t,与tt之间的时期。 在有利的方式中，通过时间12与t3之间的时期来实现脉冲电流充电的频率和 占空因数的调整。
如果时间t,与t2之间的时期的持续时间大于由控制电路3确定的用于执 行脉冲电流充电的时期，则第二开关5 —直处于闭合状态。
通过超电容器6以及第一开关4和第二开关5的独立切断和闭合，控制 电路3可以在非常大的脉沖频率和占空因数自由度的情况下、以幅度12的电流脉沖的形式来执行电池的充电，该幅度12大于由电源2能够供应的电流的 幅度I"当在每个时期期间执行脉冲电流充电时，发生从电源2到超电容器6并 然后从超电容器6到电池1的电力传输，但是这也可以是同时的。包括用作电源2与电池1之间的中间存储元件的超电容器6使得能够在 脉冲电流充电阶段获得更高幅度的电流脉沖，而且同时将电源2所供应的电 力迅速恢复到电池1。为了防止对电池1的任何过早的(premature)损坏，电池1的端子处的 电压Ubatt必须不超过预定义的电压阈值UMAx。电池1具有内部电阻，在每 个电流脉冲处，电池端子处的电压增加，这可能是有害的。为了防止电池端 子处的电压在电流脉沖期间超过最大电压阈值Umax,因此控制电路3将充 电电流I2限制到最大可接受电流阈值imax。当电池l的状态随着电流脉冲而 变化时，最大可接受电流imax可以在每个脉冲处变化。为了防止对电池有害的任何电压增加，限制在超电容器6中存储的电力，该电力然后以电流脉冲 的形式输送到电池1。对于每个电流脉冲，控制电路3如此测量在电池1的端子处的电压幅度 △U，即，在电流脉冲上达到的最大和最小电压之间的电压差AU。最小电压 典型地对应于在电池端子处的无负载电压Uthresh。ldl。对于每个脉冲，控制电 路3还测量在电池端子处的电流脉沖的幅度AI。最小电流可以为零，这典型 地是第一开关4切断、并且没有对电池充电的情况。电流还可以接近于电源 2连续输送的电流，所述电流的连续输送典型地通过让第一开关连续闭合而 仅控制第二开关5的切断和闭合来进行。然后，控制电路3利用公式DIR (动态内部电阻)=AU/AI，根据在电 池端子处所测量的电压幅度AU和电流幅度AI的值，来确定电池的动态内 部电阻DIR的值。电池的动态 内部电阻DIR是在执行充电时变化的特性。然后，控制电路3通过电池1可接受的最大阈值电压umax和动态内部电阻DIR，利用公式IMAX= ( UMAx - Uthresh。ldl )/DIR,来确定该电池可接受的最大电流阈值lMAX，其中Uthresh。un对应于在电池1的端子处的无负载电压。当执行脉沖电流充电时，电池充电电流12不能大于最大可接受电流阈值 Imax。这样，对于下一电流脉冲，如果根据最佳充电条件定义的充电电流的值关 5的闭合时间来限制超电容器充电时间。这个超电容器充电时间在图3至图 5中用时间t,与t2之间的时期来表示。例如，自治系统由65Ah类型的12V铅电池1形成。在第一阶段，电池 1用等于2A的恒定电流充电。然后，当电池1的端子处的电压达到13.85V (实质上对应于已80%充电的电池)时，用脉冲电流对电池1充电。这个脉 沖电流是以大约1Hz的频率和大约1/4的占空因数(即，25%的时间具有8A 的充电电流，而75%的时间具有零电流)在0和8A之间变化的矩形信号。17.5V的额定电压和大约50F的电容的超电容器。用等于2A的电流对超电 容器充电。在脉冲电流充电阶段，控制电路3可根据电池1的充电状态，通过电子 开关4和5的闭合和切断控制装置，来修改脉冲电流的特性(充电强度、充 电时间、充电频率等)。搜索和充电算法可集成在充电和充电结束控制装置中和/或集成在控制 单元中。分别使得能够测量电池1的端子处的电源V和该电池的充电电流I 的测量电路被连接到充电控制电路3的输入。在传统的方式中，温度测量电路还连接到控制电路3，并且负载(未表 示出)传统地由电池1来供电。电源2例如是微液压、风力类型或有利地是光伏板，并且电力蓄电池l 例如是4&或4臬电池。
权利要求
1.一种利用用于输送直流电(I1)的间歇式电源(2)来对自治系统的电池进行充电的方法，所述方法包括以由充电控制电路(3)管理的脉冲电流来充电的至少一个阶段，所述控制电路相继地执行以下步骤-在电流脉冲期间，测量电池(1)的端子处在所述脉冲期间的电流脉冲的幅度以及电压增加的幅度，-根据所述幅度来确定电池(1)的动态内部电阻(DIR)，-根据预定义的最大电压阈值(UMAX)、所述动态内部电阻和电池端子处的无负载电压(Uthreshold1)来确定电池可接受的最大电流阈值(IMAX)，-在下一电流脉冲处，通过控制第二电子开关(5)的闭合时间来将电池充电电流的值限制到低于所述最大电流阈值(IMAX)的值，所述方法的特征在于，超电容器(6)经由第一电子开关(4)与电池并联连接、并经由至少第二电子开关(5)与电源(2)并联连接。
2. 根据权利要求l的方法，其特征在于，所述间歇式电源(2)是光伏板。
3. 根据权利要求1的方法，其特征在于，所述电池(1 )是具有含水电 解液的电池。
4. 根据权利要求1的方法，其特征在于，所述方法包括在脉沖电流 处的充电阶段之前的、以恒定电流的充电阶段。
全文摘要
自治系统包括用于输送直流电(I<sub>1</sub>)的间歇式电源(2)。超电容器(6)分别经由第一开关(4)和第二开关(5)而与电池(1)和电源(2)并联连接。电池充电包括由控制电路(3)管理的脉冲电流充电。在电流脉冲期间，测量电池(1)的端子处的电流幅度和电压增加幅度。根据这些幅度确定电池的动态内部电阻。根据最大电压阈值、所述动态内部电阻和电池端子处的无负载电压来确定最大可接受电流阈值。在下一电流脉冲处，通过控制第二开关(5)的闭合时间来限制充电电流的值。
文档编号H02J7/00GK101677144SQ20091017355
公开日2010年3月24日 申请日期2009年9月15日 优先权日2008年9月16日
发明者安托万·拉布鲁尼, 西尔维尔·格尼斯, 阿诺·德莱尔 申请人:原子能委员会