专利名称：利用太阳能的汽车储能系统和方法
技术领域：
本发明涉及可再生能源技术，特别涉及一种利用太阳能的汽车储能系统和方法。
技术背景
资源有限、污染严重的传统石化燃料能源正在一天天减少，于是资源无限、清洁干净的可再生能源成为人们关注的焦点。其中太阳能作为一种新兴的绿色能源，以其永不枯竭、无污染、不受地域资源限制等优点，正得到迅速的推广应用。根据光生伏特效应原理，利用太阳电池将太阳光能直接转化为电能的光伏技术是一项非常重要的技术，能够实现人类向可持续的全球能源系统转变。国际上普遍认为，在长期的能源战略中，太阳能光伏发电在太阳能热发电、风力发电、海洋发电、生物质能发电等许多可再生能源中具有更重要的地位。预计到2030年光伏发电在世界的总发电量中将占到5%到20%。
目前业界已经开发出将太阳能作为汽车能量来源的技术，但是由于太阳能照射强度弱且不稳定，再加之转换效率低，因此汽车上的太阳能电池目前都作为补充的能量来源使用，在许多情况下汽车电器仍然需要依赖于汽车的发电机和蓄电池的储能。显然，如果能够将主要能量来源与补充能量来源灵活地组合使用，则可以大幅度提高能源使用效率并降低环境污染。发明内容
本发明的一个目的是提供一种利用太阳能的汽车储能系统，其可以提高能源利用效率并改善驱动能力。
上述目的可以由下述技术方案实现。
一种利用太阳能的汽车储能系统，包括
太阳能电池单元；
主储能单元；
副储能单元；以及
充电单元，连接在所述太阳能电池单元与所述主储能单元之间以及所述太阳能电池单元与副储能单元之间，
其中，在所述充电单元的控制下，所述太阳能电池单元能够向所述主储能单元和所述副储能单元充电，并且所述副储能单元能够向所述主储能单元充电。
优选地，在上述汽车储能系统中，所述主储能单元和所述副储能单元为蓄电池或超级电容器，所述主储能单元用于汽车启动的供电。
优选地，在上述汽车储能系统中，所述充电单元包括
第一充电适配电路，用于将输入的电压转换为适于所述主储能单元的充电电压；
第二充电适配电路，用于将输入的电压转换为适于所述副储能单元的充电电压；
控制器；
切换电路，与所述太阳能电池单元、所述第一和第二充电适配电路以及所述控制器相连，用于在控制器的控制下实现下列任一连接状态
1)所述太阳能电池单元同时与所述第一和第二充电适配电路接通；
2)所述太阳能电池单元与所述第一充电适配电路接通，所述太阳能电池单元与所述第二充电适配电路不接通并且所述第一充电适配电路与所述第二充电适配电路不接通； 以及
3)所述太阳能电池单元与所述第一充电适配电路接通，所述太阳能电池单元与所述第二充电适配电路不接通并且所述第一充电适配电路与所述第二充电适配电路接通。
优选地，在上述汽车储能系统中，所述太阳能电池单元包括
太阳能电池；以及
与所述太阳能电池的输出端相连的输出功率优化电路，用于调整所述太阳能电池的输出功率，其中，所述输出功率优化电路通过持续地向所述太阳能电池的输出电压施加扰动并比较当前太阳能电池输出功率与前一周期的输出功率的大小，对所述太阳能电池的工作点进行实时控制调整，以实现对最大功率点的跟踪。
优选地，在上述汽车储能系统中，所述控制器包括
计算装置，用于计算所述主储能单元和所述副储能单元的剩余电量；
与所述计算装置相连的总线通信装置，用于将从总线上获取的主储能单元和所述副储能单元的状态参数送往所述计算装置；以及
控制策略生成装置，用于根据所述太阳能电池的输出功率、所述主储能单元和所述副储能单元的剩余电量生成相应的命令，以使所述切换电路实现所述连接状态1)-3)中的其中一种。
优选地，在上述汽车储能系统中，所述控制策略生成装置按照下列方式生成所述相应的命令如果所述主储能单元的剩余电量大于一个预设的阈值，则生成使所述切换电路实现所述连接状态1)的命令；如果所述主储能单元和副储能单元的剩余电量都不大于所述预设的阈值，则生成使所述切换电路实现所述连接状态幻的命令；如果所述主储能单元的剩余电量不大于所述预设的阈值并且所述副储能单元的剩余电量大于所述预设的阈值，则生成使所述切换电路实现所述连接状态3)的命令。
优选地，在上述汽车储能系统中，所述主储能单元和副储能单元为蓄电池，所述剩余电量以所述蓄电池的SOC表征，所述计算装置按照下列方式计算所述蓄电池的SOC
如果汽车处于静止状态超过一个预设的时间并且所述蓄电池的电流小于一个预设的电流值时，则根据下式计算所述蓄电池的SOC
SOC = η 1 X [Es+I X (R0+Rr) ] + η 2
其中h为所述蓄电池的电压，I为所述蓄电池的电流，RO为所述蓄电池的欧姆内阻，Rr为所述蓄电池的极化内阻，nl和n2为常数；
如果汽车处于运行状态或所述蓄电池的电流大于或等于所述预设的电流值，则根据下式计算所述蓄电池的SOC t
SOC = [1 + a(At H-0)]-c ji(x)dxο
其中At为所述蓄电池的温度增大值，i (χ)为所述蓄电池在时刻χ的电流，t为从初始时刻到当前所经历的时间，a、b和c为常数。
本发明的另一个目的是提供一种利用太阳能的汽车储能方法，其可以提高能源利用效率并改善驱动能力。
上述目的可以由下述技术方案实现。
一种利用太阳能的汽车储能方法，其中，所述汽车的储能系统包括太阳能电池单元、主储能单元和副储能单元，所述方法包括下列步骤
获取所述主储能单元和所述副储能单元的状态参数；
根据获取的状态参数计算所述主储能单元和所述副储能单元的剩余电量；
根据所述主储能单元和所述副储能单元的剩余电量生成相应的命令，以使所述太阳能电池单元同时向所述主储能单元和所述副储能单元充电，或者使所述太阳能电池仅向所述主储能单元充电，或者使所述太阳能电池和所述副储能单元向所述主储能单元充电。
优选地，在上述汽车储能方法中，依照下列方式，根据所述主储能单元和所述副储能单元的剩余电量生成相应的命令如果所述主储能单元的剩余电量大于一个预设的阈值，则生成使所述太阳能电池单元同时向所述主储能单元和所述副储能单元充电的命令； 如果所述主储能单元和副储能单元的剩余电量都不大于所述预设的阈值，则生成使所述太阳能电池仅向所述主储能单元充电的命令；如果所述主储能单元的剩余电量不大于所述预设的阈值并且所述副储能单元的剩余电量大于所述预设的阈值，则生成使所述太阳能电池和所述副储能单元向所述主储能单元充电的命令。
按照本发明的实施例，太阳能被储存在主储能单元和副储能单元中，因此大大提高了太阳能的利用效率。另外，将电能储存在蓄电池中后能够积少成多，用来驱动更大的负载，改进了太阳能的易用性。再者，将多余的太阳能存储在主储能单元内还可以避免汽车长期闲置后出现的电量不足的现象。又，按照本发明的实施例的汽车储能系统能够很好地兼容传统动力汽车，因此有很好的实用性，便于推广。
从结合附图的以下详细说明中，将会使本发明的上述和其它目的及优点更加完全清楚。
图1为按照本发明一个实施例的汽车储能系统的结构框图。
图2为图1所示的汽车储能系统中的充电单元的内部结构示意图。
图3为图2所示的充电单元中的控制器的内部结构示意图。
图4为图1所示的汽车储能系统中的太阳能电池单元的内部结构示意图。
图5为图4所示的太阳能电池单元中的输出功率优化电路对太阳能电池的工作点进行实时控制调整的策略示意图。
图6为按照本发明另一个实施例的汽车储能方法的流程图。
具体实施方式
下面将根据表示本发明实施方式的附图具体说明本发明。
在本说明书中，“连接”一词应当理解为在两个单元之间直接传送能量或信号，或者经一个或多个第三单元间接传送能量或信号，而且这里所称的信号包括但不限于以电、 光和磁的形式存在的信号。
图1为按照本发明一个实施例的汽车储能系统的结构框图。
参见图1，本实施例的利用太阳能的汽车储能系统包括太阳能电池单元100、主储能单元200、副储能单元300和充电单元400。太阳能电池100经充电单元400分别与主储能单元200和副储能单元300连接，此外，主储能单元200和副储能单元300之间也经充电单元400连接。在图1中，充电单元400可以根据太阳能电池单元100、主储能单元200和副储能单元300的状态，使得太阳能电池单元100向主储能单元200和副储能单元300充电，并且使得副储能单元300能够向主储能单元200充电。
在本实施例中，可以采用蓄电池或超级电容器作为主储能单元200和副储能单元 300。
图2为图1所示的汽车储能系统中的充电单元的内部结构示意图。
参见图2，充电单元400包括第一充电适配电路410、第二充电适配电路420、控制器430和切换电路440，其中，切换电路440的两个输入端T1、T2分别与图1中的太阳能电池单元100和第二充电适配电路420相连，两个输出端Τ3、Τ4分别连接至第一充电适配电路410和第二充电适配电路420，另外，切换电路440的控制端Τ5被连接至控制器430。
第一充电适配电路410与图1中的主储能单元200相连，以将切换电路440提供的电压转换为适于主储能单元200的充电电压。第二充电适配电路420与图1中的副储能单元300相连，可以将切换电路440提供的电压转换为适于副储能单元300的充电电压，另一方面也可以将副储能单元300的电压转换为适于主储能单元200的充电电压。
在控制器430的控制下，切换电路440可以实现下列任一连接状态
1)使太阳能电池单元100同时与第一和第二充电适配电路410和420接通，由此太阳能电池单元100可以同时向主储能单元200和副储能单元300充电。
2)使太阳能电池单元100与第一充电适配电路410接通，但是使太阳能电池单元 100与第二充电适配电路420不接通，并且使第一充电适配电路410与第二充电适配电路 420也不接通。在该连接状态下，太阳能电池单元100仅向主储能单元200充电。
3)使太阳能电池单元与第一充电适配电路410接通，太阳能电池单元100与第二充电适配电路420不接通，但是使第一充电适配电路410与第二充电适配电路420接通。在该连接状态下，太阳能电池单元100和副储能单元300同时向主储能单元200充电。优选地，第二充电适配电路420提升副储能单元300的输出电压以确保副储能单元300成功地对主储能单元200进行充电。
图3为图2所示的充电单元中的控制器的内部结构示意图。
参见图3，控制器430包括计算装置431、总线通信装置432和控制策略生成装置 433，其中计算装置431与总线通信装置432和控制策略生成装置433相连，控制策略生成装置433还与图2中的切换电路440的控制端Τ5相连。
在图3中，总线通信装置432从总线(例如CAN总线)上获取主储能单元200和副储能单元300的状态参数(例如包括但不限于储能单元的温度、电流和电压等)并将获得的状态参数送往计算装置431。计算装置431根据上述状态参数计算主储能单元200和副储能单元300的剩余电量并将计算得到的结果送至控制策略生成装置433。有关计算装置431计算剩余电量的方式将在下面作进一步的描述。
控制策略生成装置433是控制器430的核心，用于根据主储能单元200和副储能单元300的剩余电量生成相应的命令并输出至切换电路440的控制端T5，以使图2中的切换电路440实现上面所述的连接状态1)-3)中的其中一种。
以下描述控制策略生成装置433生成命令的具体方式。
如果主储能单元200的剩余电量大于一个预设的阈值Th，则控制策略生成装置 433将生成使切换电路440实现连接状态1)的命令。在本实施例中，当主储能单元200的剩余电量大于阈值Th时即可视为该储能单元存储了足够的电量满足汽车用电的需求，因此其只需少量充电即可，此时使太阳能电池单元100同时向副储能单元300充电可以避免太阳能被白白浪费。
如果主储能单元200和副储能单元300的剩余电量都不大于阈值Th，则控制策略生成装置433将生成使切换电路440实现连接状态幻的命令。在本实施例中，当主储能单元200的剩余电量不大于阈值Th时即可视为该储能单元需要补充电量，由于主储能单元 200负责汽车启动阶段的供电，因此为保证启动成功，此时太阳能电池单元100将仅向主储能单元200充电。
如果主储能单元200的剩余电量不大于阈值Th并且副储能单元300的剩余电量大于阈值Th，则控制策略生成装置将生成使切换电路440实现连接状态3)的命令。在本实施例中，当主储能单元200的剩余电量不大于阈值Th时即可视为该储能单元需要补充电量，而副储能单元300的剩余电量大于阈值Th则被视为储存了足够的电量，因此为加快对主储能单元200的充电速度，此时太阳能电池单元100和副储能单元300同时向主储能单元200充电。
以下描述计算装置431计算剩余电量的方式，在该方式下，假设主储能单元200和副储能单元300为蓄电池，因此剩余电量以蓄电池的SOC来表征。
该方式的基本思想由发明人提出，要点是首先将蓄电池分为两个状态，即蓄电池内部结构稳定并且流经的电流较小的状态(以下又称为状态1)和蓄电池内部结构不稳定或者流经的电流较大的状态(以下又称为状态幻，然后针对不同的状态采用不同的算法。
发明人经过研究发现，当汽车处于静止状态超过一段时间之后，蓄电池的内部结构一般比较稳定；发明人还发现，在汽车处于静止状态超过一段时间之后并且蓄电池的电流小于一定的电流值(该值可以根据实验确定并且对于一块蓄电池来说在蓄电池工作寿命期间基本上保持固定)时，用下式(1)计算得到的蓄电池的SOC的准确度较高
SOC = η IX [Es+I X (R0+Rr) ] + η 2 (1)
其中h为蓄电池的电压，I为蓄电池的电流，RO为蓄电池的欧姆内阻，Rr为蓄电池的极化内阻，η 和η 2为常数(可以通过实验确定)。
另一方面，当汽车处于运行状态或蓄电池的电流大于或等于上述电流值时，发明人发现由式(1)计算得到的结果的精度不能令人满足，此时应采用电流积分法计算蓄电池的 SOC。
由于温度将对蓄电池的SOC产生影响，因此为了获得精确的结果，应该将温度因素考虑进去。发明人经过研究发现，下式( 可以较好地反映温度对按照电流积分法计算得到的SOC的影响
权利要求
1.一种利用太阳能的汽车储能系统，其特征在于，包括 太阳能电池单元；主储能单元； 副储能单元；以及充电单元，连接在所述太阳能电池单元与所述主储能单元之间以及所述太阳能电池单元与副储能单元之间，其中，在所述充电单元的控制下，所述太阳能电池单元能够向所述主储能单元和所述副储能单元充电，并且所述副储能单元能够向所述主储能单元充电。
2.如权利要求1所述的汽车储能系统，其中，所述主储能单元和所述副储能单元为蓄电池或超级电容器，所述主储能单元用于汽车启动的供电。
3.如权利要求1所述的汽车储能系统，其中，所述充电单元包括第一充电适配电路，用于将输入的电压转换为适于所述主储能单元的充电电压； 第二充电适配电路，用于将输入的电压转换为适于所述副储能单元的充电电压； 控制器；切换电路，与所述太阳能电池单元、所述第一和第二充电适配电路以及所述控制器相连，用于在控制器的控制下实现下列任一连接状态1)所述太阳能电池单元同时与所述第一和第二充电适配电路接通；2)所述太阳能电池单元与所述第一充电适配电路接通，所述太阳能电池单元与所述第二充电适配电路不接通并且所述第一充电适配电路与所述第二充电适配电路不接通；以及3)所述太阳能电池单元与所述第一充电适配电路接通，所述太阳能电池单元与所述第二充电适配电路不接通并且所述第一充电适配电路与所述第二充电适配电路接通。
4.如权利要求1所述的汽车储能系统，其中，所述太阳能电池单元包括 太阳能电池；以及与所述太阳能电池的输出端相连的输出功率优化电路，用于调整所述太阳能电池的输出功率，其中，所述输出功率优化电路通过持续地向所述太阳能电池的输出电压施加扰动并比较当前太阳能电池输出功率与前一周期的输出功率的大小，对所述太阳能电池的工作点进行实时控制调整，以实现对最大功率点的跟踪。
5.如权利要求3所述的汽车储能系统，其中，所述控制器包括 计算装置，用于计算所述主储能单元和所述副储能单元的剩余电量；与所述计算装置相连的总线通信装置，用于将从总线上获取的主储能单元和所述副储能单元的状态参数送往所述计算装置；以及控制策略生成装置，用于根据所述主储能单元和所述副储能单元的剩余电量生成相应的命令，以使所述切换电路实现所述连接状态1)-3)中的其中一种。
6.如权利要求5所述的汽车储能系统，其中，所述控制策略生成装置按照下列方式生成所述相应的命令如果所述主储能单元的剩余电量大于一个预设的阈值，则生成使所述切换电路实现所述连接状态1)的命令；如果所述主储能单元和副储能单元的剩余电量都不大于所述预设的阈值，则生成使所述切换电路实现所述连接状态2)的命令；如果所述主储能单元的剩余电量不大于所述预设的阈值并且所述副储能单元的剩余电量大于所述预设的阈值，则生成使所述切换电路实现所述连接状态幻的命令。CN 102545391 A
7.如权利要求5所述的汽车储能系统，其中，所述主储能单元和副储能单元为蓄电池， 所述剩余电量以所述蓄电池的SOC表征，所述计算装置按照下列方式计算所述蓄电池的 SOC 如果汽车处于静止状态超过一个预设的时间并且所述蓄电池的电流小于一个预设的电流值时，则根据下式计算所述蓄电池的SOC SOC = nix [Es+I X (R0+Rr) ] + η 2其中&为所述蓄电池的电压，I为所述蓄电池的电流，RO为所述蓄电池的欧姆内阻， Rr为所述蓄电池的极化内阻，η 和η2为常数；如果汽车处于运行状态或所述蓄电池的电流大于或等于所述预设的电流值，则根据下式计算所述蓄电池的SOC tSOC = [1 + a(At + b)]-c ji(x)dxO其中At为所述蓄电池的温度增大值，i (χ)为所述蓄电池在时刻χ的电流，t为从初始时刻到当前所经历的时间，a、b和c为常数。
8.一种利用太阳能的汽车储能方法，其特征在于，所述汽车的储能系统包括太阳能电池单元、主储能单元和副储能单元，所述方法包括下列步骤获取所述主储能单元和所述副储能单元的状态参数；根据获取的状态参数计算所述主储能单元和所述副储能单元的剩余电量；根据所述主储能单元和所述副储能单元的剩余电量生成相应的命令，以使所述太阳能电池单元同时向所述主储能单元和所述副储能单元充电，或者使所述太阳能电池仅向所述主储能单元充电，或者使所述太阳能电池和所述副储能单元向所述主储能单元充电。
9.如权利要求8所述的汽车储能方法，其中，所述主储能单元和所述副储能单元为蓄电池或超级电容器，所述主储能单元用于汽车启动的供电。
10.如权利要求8所述的汽车储能方法，其中，依照下列方式，根据所述主储能单元和所述副储能单元的剩余电量生成相应的命令如果所述主储能单元的剩余电量大于一个预设的阈值，则生成使所述太阳能电池单元同时向所述主储能单元和所述副储能单元充电的命令；如果所述主储能单元和副储能单元的剩余电量都不大于所述预设的阈值，则生成使所述太阳能电池仅向所述主储能单元充电的命令；如果所述主储能单元的剩余电量不大于所述预设的阈值并且所述副储能单元的剩余电量大于所述预设的阈值，则生成使所述太阳能电池和所述副储能单元向所述主储能单元充电的命令。
11.如权利要求10所述的汽车储能方法，其中，所述主储能单元和副储能单元为蓄电池，所述剩余电量以所述蓄电池的SOC表征，所述计算装置按照下列方式计算所述蓄电池的 SOC 如果汽车处于静止状态超过一个预设的时间并且所述蓄电池的电流小于一个预设的电流值时，则根据下式计算所述蓄电池的SOC SOC = nix [Es+I X (R0+Rr) ] + η 2其中&为所述蓄电池的电压，I为所述蓄电池的电流，RO为所述蓄电池的欧姆内阻， Rr为所述蓄电池的极化内阻，η 和η2为常数；如果汽车处于运行状态或所述蓄电池的电流大于或等于所述预设的电流值，则根据下式计算所述蓄电池的SOC
全文摘要
本发明涉及可再生能源技术，特别涉及一种利用太阳能的汽车储能系统和方法。按照本发明的利用太阳能的汽车储能系统包括太阳能电池单元；主储能单元；副储能单元；以及充电单元，连接在所述太阳能电池单元与所述主储能单元之间以及所述太阳能电池单元与副储能单元之间，其中，在所述充电单元的控制下，所述太阳能电池单元能够向所述主储能单元和所述副储能单元充电，并且所述副储能单元能够向所述主储能单元充电。按照本发明的实施例，太阳能被储存在主储能单元和副储能单元中，因此大大提高了太阳能的利用效率。再者，将多余的太阳能存储在主储能单元内还可以避免汽车长期闲置后出现的电量不足的现象。
文档编号H02N6/00GK102545391SQ20101062062
公开日2012年7月4日 申请日期2010年12月29日 优先权日2010年12月29日
发明者林颖露, 邓恒, 陈日红 申请人:上海汽车集团股份有限公司