太阳能供电和电池操作的系统以及用于控制该系统的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及太阳能供电的产品，并且特别地涉及合并用于电荷存储的电池以及用于生成电流以便为电池再充电的太阳能面板的产品。
【背景技术】
[0002]本发明对于具有来自太阳能面板和电池的随时间变化的需求的产品特别感兴趣。一个示例是太阳能供电的照明，诸如离网街道照明。
[0003]电池寿命被视为用于太阳能供电的照明产品的主要区分因素。目前的电池供电的灯使用电池来存储能量以在夜晚使用。由于成本的原因，电池技术的目前选择是铅(Pb)电池。目前的Pb电池具有2至3年的相对短寿命。这主要由在太阳能应用中的使用所造成。如果Pb电池在放电之后被立即再充电，并且具有正确的充电廓形(profile)，则它可以享有高达5年的寿命跨度。然而，太阳能应用不总是产生足够的电流以用于完整的再充电，特别是在当Pb电池运行在部分充电条件中(所谓的部分“充电状态”)时的冬季。结果是Pb电池具有典型地为2至3年的较短寿命跨度，这可能不被认为是足够的。
[0004]理论上，锂电池技术确实具有长得多的寿命，在最优条件下声称有10年的寿命。然而，同样对于Li离子电池，室外太阳能充电条件限制寿命跨度，这次是由操作下的温度造成的。此外，电池每晚进行循环(即充电和放电)。
[0005]在太阳能供电的能量应用中，季节效应造成能量供给和需求不平衡。这意味着电池在冬季被完全使用并且在夏季仅被部分使用。
[0006]现在将使用离网太阳能供电的(街道)照明技术作为示例来讨论涉及室外太阳能应用的特定问题，并且这将被称为“0SL”。
[0007]并网室外照明的当前技术主要由于高电网安装成本和杆安装成本而具有高安装成本。还存在高维护成本。例如当树根穿透线缆时可能需要线缆维修。
[0008]如以上描述的并网室外照明系统的一些问题通过太阳能供电的、电池驱动的系统来解决，但是当前技术由于若干原因而不是最优的。
[0009]在温暖条件中，几乎所有电池技术遭受增加的降级。缓解办法是将电池的尺寸设计得过大以用于预期寿命末端容量，但是这花费附加的金钱。更好的方式是避免电池可能在利用(较)高电流进行充电时变得太热。由于电池具有有限寿命，因此它们需要被更换，并且旧电池需要被处理掉。大多数电池技术包含不能留在环境中的材料，诸如铅或电解液。如果使用非基于铅的电池，可以避免将它们埋到地下的需要以消除昂贵的地面工作。此外，具有较长寿命的电池技术将降低这些成本。为了在所设计的寿命内达到性能要求，电池必须减载运行(在其最大输出以下操作)，这抬高了成本、体积和重量。
[0010]放电深度(即作为完全充电状态的百分比，电荷从电池被移除的深度)直接涉及电池的预期寿命。电池寿命与放电深度的关系通常在来自IEC-896-2循环测试的图表中示出。当典型的铅电池完全放电时，对应的寿命为大约300次循环。为了实现600次循环，可以使用完整电荷的不超过60%。例如:为了在每晚充电/放电的情况下达到5年的操作寿命，需要1825次循环，这仅在该典型铅电池被放电不超过20%的情况下是可实现的。这意味着为了达到5年的寿命跨度，要求基于如用在街道照明中的典型Pb电池技术的5倍过大尺寸设计。事实上，在典型室外、太阳能充电条件下使用Pb电池一般达不到5年。
[0011]本发明旨在通过积极利用在不同时间处针对不同电池使用的需要来实现用在太阳能应用中的电池的寿命跨度的增加。用于室外、太阳能充电的街道照明应用的电池组典型地针对冬季中的最短白昼来设计尺寸。此外，可以安装备用容量以在若干天的恶劣天气期间提供功率。结果得到的能量存储要求通常仅利用以串联和/或并联方式放置在一起的多个电池(模块)来实现。
【发明内容】
[0012]本发明由权利要求限定。从属权利要求限定有利实施例。
[0013]根据本发明，提供了一种用于控制功率供给系统的控制器。
[0014]本发明因而提供了使得用在太阳能系统内的电池的电池寿命能够延长的控制器。预期能量需求和供给例如基于季节和天气模式在特定时刻来确定。基于该信息，导出维持特定能量需求所需要的电池模块数目，并且实施模块到休息或充电-再充电循环模式中的轮转。术语充电-再充电循环模式限定其中电池正在执行充电循环的模式，充电循环是为可再充电电池充电并且根据需要将其放电到负载中的过程。通过在不需要电池时减少电池充电循环，减少降级并且延长电池系统的寿命。
[0015]因此，电池组容量由多个模块构成。在某些时间(例如季节和天气模式)，并不需要所有模块来维持能量需求。然后可以通过在该时间使用较少电池模块来缩减再充电循环。循环交错将模块轮转到休息或再充电循环中。
[0016]以此方式，所使用的模块可以保持在“理想”充电状态(“SoC”)。
[0017]基于供给与需求之间的经预测的预期能量平衡来控制电池模块，其目的是防止不必要的充电/放电循环。系统可以智能地将模块轮转到充电、放电或空闲模式中以促进相等老化。
[0018]控制器可以适于基于至少全年的时间段内的能量供给和需求数据来操作。这意味着可以考虑到季节天气以及每日日晒时间。
[0019]用于向负载和要再充电的模块供给电功率的模块可以选择成使得随时间所有模块经受相同数目的充电和放电循环。这意味着使不同模块的寿命相同，使得总体电池寿命可以尽可能多地拉长。
[0020]用于向负载供给电功率的模块(及其数目)可以使得在它们被再充电之前使用所选模块的容量的预定部分。这使实现了使用电池模块的电荷存储容量的高效方式。
[0021 ] 可以使用其它方案，并且可以针对所使用的电池技术的特定类型定制电池再充电操作。
[0022]用于供给负载的模块数目可以每次在多日的时段内固定，例如至少两周或甚至按月。
[0023]本发明还提供了一种太阳能供电的系统，包括:
-太阳能电池单元；
-模块化电池，其包括可配置成使得模块的期望的组合可以用于向负载提供电功率的电池模块集合的；以及
-本发明的控制器，其用于控制电池模块配置和电池模块的再充电。该再充电可以使用太阳能电池单元输出。
[0024]模块化电池可以例如包括锂离子电池。
[0025]基于峰值负载需求(如已知的，例如冬季中的最短白昼)来设计电池的尺寸，但是当负载需求在峰值以下时可以使用模块的子集。所使用的模块优选地连接成使得提供相同电压而不管所使用的模块数目如何。它们可以全部并联，或者一个分支可以包括串联模块集合，并且然后分支数目受控制(再次使得模块的配置不改变电压)。
[0026]负载可以包括照明单元，并且系统于是可以是离网照明系统。
[0027]本发明还提供了一种使用具有太阳能电池单元和包括多个模块的电池的系统来向负载提供功率供给的方法。
[0028]本发明还提供了一种包括代码构件的计算机程序，所述代码构件适于当在计算机上运行时执行本发明的方法。
【附图说明】
[0029]现在将参照附图详细描述本发明的示例，其中:
图1示出依照本发明的系统的示例；
图2示出用在系统内的功率供给图；
图3示出所要求的功率供给在一年过程期间如何变化；
图4示出在系统内使用的功率需求图；
图5示出如何基于能量平衡图控制系统中的电池模块；
图6以流程图的形式示出本发明的总体系统；
图7示出在用于一些不同电气负载的常规系统中电池使用如何随时间变化；
图8示出依照本发明控制的系统中的电池使用如何随时间变化；
图9示出可能的电池模块控制信息的示例；
图10示出本发明的控制如何使得放电-再充电循环的数目能够减少；
图11示出基于所准许的循环数目的随之而来的系统寿命的延长；
图12示出基于电池模块的数目的随之而来的系统寿命的延长；以及图13示出本发