混合存储系统的拓扑和控制策略的制作方法
【技术领域】
[0001]本申请涉及用于远程能量系统(RES)的混合存储系统。
【背景技术】
[0002]铅酸蓄电池通常作为离网太阳能系统中和远程能量系统(RES)中的主要存储介质已被使用多年。铅酸蓄电池的普及主要是由它们的低廉的购买价格推动的。然而，在RES的整个使用期内，Pb蓄电池常常变成主要的成本动因，因为它必须每I到3年被更换，导致为获取和更换几个蓄电池的高成本。这种例如与备用系统中的铅(Pb)蓄电池相比相对短的使用期是由于远程能量应用的性质造成的。例如，在离网太阳能系统中，根据地理位置和天气在白天期间对蓄电池部分地充电几个小时，并且在夜间对该蓄电池主要放电，例如用于运行灯泡、用于运行电视机或其他设备和机器。由于这些条件，Pb蓄电池大部分时间保持在低荷电状态(SOC)并且它很少被完全充电。这些方面影响铅酸蓄电池的容量，因为它们易于增加铅酸蓄电池中的硫酸化过程。
[0003]US6353304公开了提供两个蓄电池串，其可以通过AC/DC转换器和开关连接到AC电源，使得一个蓄电池串被加载同时另一个蓄电池串被放电。这种布置可以为除了太阳能电池还具有发电机的太阳能混合系统提供改善的蓄电池管理。相比之下，本申请提供了一种改善的充电和放电，即使在仅存在可用的光伏能源时。
【发明内容】
[0004]本申请的目的是提供一种改善的混合存储系统和用于对该混合存储系统的蓄电池充电和放电的改善的方法。这些目的通过独立权利要求来解决。进一步的发展在从属权利要求中公开。
[0005]本申请提供一种混合蓄电池充电设备，其具有用于连接光伏面板的输入端子和用于连接铅酸蓄电池的第一蓄电池连接件。根据本申请的铅酸蓄电池包括多种类型，例如液体酸蓄电池、铅胶体蓄电池或吸水玻璃纤维毡(AGM)铅蓄电池。
[0006]此外，该蓄电池充电设备包括用于连接高循环化学蓄电池的第二蓄电池连接件。优选地，锂蓄电池，例如锂离子蓄电池或锂聚合物蓄电池，提供高循环化学蓄电池，然而也可以使用其他高循环化学蓄电池，例如镍铁蓄电池。
[0007]在本申请的上下文中，“化学蓄电池”指的是其中蓄电池的充电或放电涉及在蓄电池的相应阳极处的化学反应和离子的移动的蓄电池。这与电容器形成对比，例如平板电容器、电解电容器或双层电容器，它们也被称为超级电容器，其中充电或放电仅涉及电子或其他带电粒子的重新排列而不发生化学反应。此外，根据本申请的高循环化学蓄电池是可再充电的蓄电池。
[0008]根据本申请，高循环化学蓄电池的特性补充铅酸蓄电池的特性。铅酸蓄电池非常适合被完全充电或者甚至被稍微过充电，而高循环化学蓄电池非常适合较深的放电水平。铅酸蓄电池相对便宜，并且常常用于远程能量系统。这种铅酸蓄电池甚至可以由简单的汽车蓄电池提供，然而更有利的是使用容许较深放电的特别适配的蓄电池。
[0009]蓄电池充电设备包括双向DC/DC转换器，其也称为二向DC/DC转换器。双向DC/DC转换器用于沿第一电流方向给锂蓄电池充电以及沿第二电流方向给锂蓄电池放电。
[0010]双向DC/DC转换器的第一组端子与第二蓄电池连接件相连接，并且双向DC/DC转换器的第二组端子与第一蓄电池连接件相连接。到第二组端子的输入得自混合蓄电池充电设备的输入端子。在本文，B的输入“得自”A意味着B从A接收输入，其中该输入可以通过电线直接从A传送到B或者通过其他部件(例如开关、晶体管等)间接地从A传送到B。
[0011]此外，提供通过相应的控制线连接到双向DC/DC转换器和用于连接负载的输出端子的充电和放电控制系统。输出端子的输入通过连接装置得自第一蓄电池连接件，该连接装置用于将输出端子连接到第一蓄电池连接件，例如磁性开关或半导体开关。
[0012]在混合蓄电池充电设备的直流电路中，任一极可以以已知的方式连接到公共地。例如，第一蓄电池连接件的负极连接件以及输出端子的负极端子可以连接到公共地电势。换句话说，相应的蓄电池连接件之一以及输出端子之一可以通过相应的连接件被提供到公共地电势。双向DC/DC转换器的输入端子也称为“系统端子”并且系统端子两端的电压也称为“系统电压”。
[0013]此外，混合蓄电池充电设备可以包括控制设备，例如受控的通/断开关、脉宽调制(PWM)、最大功率点跟踪器等，用于更好地控制蓄电池的充电电压。控制设备连接在系统的输入端子和DC/DC转换器的输入端子之间，所述DC/DC转换器的输入端子又连接到铅酸蓄电池的端子。此外，控制设备通过控制线连接到充电和放电控制系统。例如，控制线可以被配置用于切换控制设备中的PWM的晶体管。
[0014]双向DC/DC转换器可以包括例如降压-升压转换器、降压转换器或升压转换器，用于提供合适的电压比率来对锂蓄电池充电或放电。特别地，双向DC/DC转换器可以包括用于将比铅酸蓄电池的充电结束电压更高的电压提供给锂蓄电池的增压转换器。
[0015]特别地，双向DC/DC转换器可以包括至少两个半导体开关，其中晶体管的相应输入连接件通过相应的控制线连接到充电控制系统。这样，双向DC/DC转换器易于通过电信号控制。特别地，晶体管可以实现为功率晶体管。
[0016]此外，混合蓄电池充电设备可以包括第一和第二电压测量连接件，用于连接第一和第二电压传感器。第一电压传感器连接到铅酸蓄电池的端子，并且第一电压测量连接件连接到充电和放电控制系统。第二电压传感器连接到锂蓄电池的端子，并且第二电压测量连接件连接到充电和放电控制系统，其中所述连接可以是直接的或者也可以是通过单独的控制器的间接的，所述单独的控制器用于管理锂蓄电池的荷电状态，所述单独的控制器例如电压监控芯片。电压监控芯片可以连接到锂蓄电池的电压传感器以及通过控制线连接到充电控制系统。
[0017]特别地，锂蓄电池、双向DC/DC转换器和用于锂蓄电池的电压监控芯片可以一起被安装在能量存储子系统中，其中该能量存储子系统提供用于将能量存储子系统插入混合蓄电池充电设备中的输入端子。由此，可以使用并且与混合蓄电池充电设备的其余部分分开地检修包括锂蓄电池的构建块。
[0018]第一和第二电压传感器可以例如在充电和放电控制系统内被提供作为混合蓄电池充电设备的部件，或者它们可以被提供作为相应蓄电池的部件。
[0019]混合蓄电池充电设备还可以包括用于锂蓄电池的单独的蓄电池管理系统，该单独的蓄电池管理系统连接到充电和放电控制系统。这样，现有的蓄电池充电设备，例如用于锂蓄电池的蓄电池充电设备，或者其部分，可以用在根据本申请的混合蓄电池充电设备中。
[0020]本申请还公开了一种具有根据本申请的混合充电设备的混合存储系统，该混合充电设备还包括连接到第二蓄电池连接件的锂蓄电池。
[0021]此外，混合存储系统还可以包括电容器，例如超级电容器，其与锂蓄电池并联连接，用于快速响应所连接的负载的高负载峰值。
[0022]此外，本申请公开了一种具有根据本申请的混合充电设备的混合存储系统，该混合充电设备还包括连接到第一蓄电池连接件的铅酸蓄电池。
[0023]混合存储系统还可以包括第一电压传感器和第二电压传感器，该第一电压传感器连接到第一蓄电池的一个或多个端子以及连接到充电和放电控制系统，该第二电压传感器连接到第二电压蓄电池的一个或多个端子以及连接到充电和放电控制系统。
[0024]此外，本申请公开了一种用于通过电源(例如光伏面板)给混合存储系统的铅酸蓄电池和锂蓄电池充电的方法。
[0025]根据本申请，在第一蓄电池充电阶段中给铅酸蓄电池充电直到铅酸蓄电池已经达到第一预先确定的荷电状态为止。在其中铅酸蓄电池被充电的第一蓄电池充电阶段期间，可以仅通过例如通过使用充电电压和电流作为输入数据的PID控制器限制到最大电流或限制于执行无限制充电或大量充电(bulk charging)来控制充电。
[0026]在均衡阶段(其也称为升顶(topping)或升压阶段)中，铅酸蓄电池和锂蓄电池都被充电直到铅酸蓄电池已经达到第二预先确定的荷电状态为止。另外，铅酸蓄电池和锂蓄电池还可以在铅酸蓄电池的“吸收阶段”或升压阶段期间被充电。在均衡和吸收阶段中，系统电压在对应于各阶段的不同设定点处保持恒定。
[0027]在均衡阶段期间，可以使得在铅酸蓄电池处施加的电压在预先确定的较低电压和预先确定的较高电压之间振荡。特别地，可以通过脉冲充电并且尤其是通过脉宽调制充电施加该电压。充电脉冲的电压可以比铅酸蓄电池的充电结束电压高。充电脉冲可以通过均衡蓄电池单元上的荷电、将电解质混合并降低硫酸化来贡献较高的荷电和寿命预期。此外，在铅酸蓄电池的各端子处的平均电压接近在均衡阶段期间铅酸蓄电池的充电结束电压。在均衡阶段期间，到铅酸蓄电池的充电电流将降低，因为铅酸蓄电池的荷电状态接近100%。
[0028]在第三蓄电池充电阶段中给锂蓄电池充电，在该阶段期间基本恒定的系统电压被施加到铅酸蓄电池的系统端子并且第一电压被转换成在锂蓄电