电池控制系统以及使用该控制系统的电池系统和太阳能电力系统的制作方法

本发明涉及电池控制系统，诸如控制可再充电电池的充电和放电的电路。
背景技术：
：可再充电电池被使用在众多应用中。例如，它们被用作具有时变功率输出和时变能量输入的系统中的临时能量存储装置。例如，照明灯具越来越多地设置有集成电池。这些电池由太阳能充电，通常在不需要照明时太阳能是可用的，而在太阳能不可用时需要照明。因此，它们用作能量存储元件，以计及用于充电能量的可用性和输出功率需求之间的时间延迟。特别对于室外灯具而言，但更一般地对于室外系统而言，电池将通常暴露于环境温度。诸如锂离子（lifepo4）电池的可再充电电池的性能取决于压力参数，诸如每个蓄电池（cell）的最大充电电压、充电和放电电流、放电深度（dod）和电池使用过程期间的电池操作温度。随着充电和放电电流、dod和每个蓄电池的最大充电电压增加，电池的循环寿命减少。如果电池不是在室温下操作，则电池的操作温度也对寿命显示相当大的影响。例如，低温电池充电（例如低于10摄氏度）显著影响电池循环寿命。从实验中可以看出，如果lifepo4在25摄氏度下循环并提供5500次循环的寿命时间，那么如果相同电池在10摄氏度下循环，则它将提供3750次循环，并且如果相同电池在-10摄氏度下循环，则它将仅提供146次循环。下表示出了不同温度下（100%充电深度）电池寿命时间的循环数nf。温度nf-10°c146±1510°c3750±6025°c5550±50035°c4930±100050°c1950±350在具有集成电池的室外灯具的情况下，电池在许多区域中将经历极低的温度。即使对于室内灯具（例如用于办公室空间），电池也将放置在灯具上方，并因此处于建筑物的不太隔离的部分。同样，电池可能经历极低的温度。将有可能提供加热器以使得电池能够保持在期望的温度。然而，这浪费功率，并且需要附加的硬件。因此，存在提高暴露于低温下的可再充电电池的电池寿命时间但不浪费附加功率的需要。在电气车辆领域，存在循环由电池转换器生成的热量以加热电池的技术。us20100050676a1公开了一种冷却系统，其中逆变器装置可以改变其在切换元件中的切换操作，以增加功率损耗并加热冷却水。技术实现要素：已知系统的缺点是电池转换器的热量生成不受主动控制。因此，不容易灵活地微调/调节电池的温度。本发明由权利要求限定。本发明的概念是通过改变电池转换器的效率或功率损耗以主动调节转换器的热量生成，来将电池温度保持在适合电池充电/放电的范围内。这种改变还可以在保持电池的所需电气输入或输出功率的前提下。改变转换器的效率或功率损耗可以例如通过修改转换器的设置来实现。这些设置可以进一步例如包括频率、电压转换比率或电池配置。根据依照本发明的一方面的示例，提供了一种与电池一起使用的电池控制系统，包括：转换器，用于对电池进行充电和/或放电，其中转换器被适配为热耦合到电池；和传感器，用于感测电池的温度，其中系统还包括控制电路，用于根据由传感器感测的电池的温度来控制转换器的效率或功率损耗，从而更改热量生成的水平，并进而更改从转换器到电池的传递。该系统通过主动控制热量生成，并进而控制来自转换器的传递，来控制电池的温度。因此，通过以更高效或不太高效的模式选择性地操作转换器，可以调节热量生成，并进而可以调节向电池的传递。通过将电池保持在合适的温度（特别是在充电期间），可以提高寿命时间（就充电循环数而言）。电池寿命时间例如通过将温度保持在期望的范围（诸如10摄氏度至35摄氏度、或者15摄氏度至35摄氏度）内来延长。对于某些锂离子电池来说，电池充电的最合适温度是例如23至25摄氏度。优选地，控制电路用于控制转换器的效率或功率损耗，其前提是：在对电池进行充电时保持转换器的输入功率；或者在对电池进行放电时保持转换器的输出功率。例如，当从太阳能电池板对电池进行充电时，转换器的输入功率保持在太阳能电池板的最大功率点，因此太阳能得到最佳利用。当使电池向负载放电时，转换器向负载的输出功率被保持，使得以稳定的方式驱动负载。转换器可以包括功率开关，并且控制电路被适配为根据由传感器感测的电池的温度来调整开关的导电性，或者调整转换器的输入电压的幅度和转换器的输出电压的幅度之间的差。这些措施可以用于控制来自功率开关的散热，并从而控制热量生成，以及进而控制从转换器到电池的传递。已知的是，转换器的输入电压和输出电压之间的大的差异导致低效率，并因此导致大的功率损耗。传统上，这种大的差异要被避免，以提高效率。然而，本发明的实施例主动调整该差异，以获得可以故意低于转换器的最佳效率的效率，以便产生更多的热量生成。电池可以包括多个蓄电池，并且转换器可以被适配为对电池进行充电，并且控制电路被适配为选择蓄电池的串联连接或并联连接，以便调节转换器的输入电压或输出电压。蓄电池的串联或并联连接提供了一种简单的方法来对转换器输入电压（当对电池进行放电时）或输出电压（当对电池进行充电时）进行大的改变，并因此更改转换器效率。转换器例如包括具有功率开关的切换模式电源，并且控制电路被适配为根据由传感器感测的电池的温度来控制转换器的切换行为。切换模式转换器是电池充电系统的常用组件，并且切换行为影响转换器的效率。通过调节切换模式转换器的切换行为，可以调节转换器的热量生成。控制电路例如被适配为调节转换器的切换频率。切换频率影响功率开关的热损耗，并且这可以在不需要改变输入或输出电压的情况下而被更改。例如，通常功率开关能够以频率范围内的最佳效率操作，但是如果其在该范围外的较高频率下操纵，则其效率下降。该实施例故意将开关设置为超出其最佳频率范围操作，以便增加用于加热电池的热量生成。控制电路例如被适配为：如果由传感器感测的电池的温度低于第一阈值，则增加转换器的切换频率，并且如果由传感器感测的电池的温度高于第二阈值，则降低转换器的切换频率。以这种方式，当所感测的温度达到上或下阈值限度时，切换频率被更改以主动控制热量生成。限度例如是10摄氏度和35摄氏度，或者任何更小的范围。下阈值例如在10到23度之间，并且上阈值例如在25到35度之间。控制电路可以被适配为根据输入电压的幅度的变化来调节转换器的切换频率，以便保持电池的温度。以这种方式，在转换器的输入电压变化的情况下（诸如太阳能电池板上的云阴影），转换器的转换比率和转换器的效率改变。然后控制开关的切换行为，以补偿由于变化的转换比率所致的效率变化，并提供恒定的热能生成，并进而提供向电池的传递，使得电池的温度保持稳定。控制电路可以被适配为根据由传感器感测的电池的温度来控制切换模式电源以软切换模式或硬切换模式操作。切换模式电源的不同的软切换操作模式和硬切换操作模式具有不同的效率。软切换模式（也称为谐振模式）具有高效率，其中，当不存在跨开关的电流/电压或存在跨开关的小电流/电压时，开关被接通和关断；而硬切换模式导致较低的效率和较大的热量损耗，其中，当存在通过开关的大电流或跨开关的大电压时，开关被接通和关断。例如，控制电路可以被适配为控制切换模式电源：如果由传感器感测的电池的温度低于第一阈值，则以硬切换模式操作；和如果由传感器感测的电池的温度高于第二阈值，则以软切换模式操作。以这种方式，当感测的电池的温度达到上或下阈值限度时，切换模式被更改以向电池提供转换器的不同热量生成。控制电路可以被进一步适配为根据由传感器感测的电池的温度来控制进入到转换器的功率开关中的开关电流的幅度，从而更改热量生成的水平，并进而更改从转换器到电池的传递。功率损耗基于功率开关处的电流和电压的乘积来确定。因此，增加开关电流也可以增加功率损耗。控制电路例如被适配为控制转换器，以在控制转换器的切换频率之前达到供应给转换器的源的最大功率点跟踪的峰值功率，并且控制电路被适配为控制转换器的切换频率，以在转换器达到峰值功率之后，增加热量生成的水平，并进而增加从转换器到电池的传递。最大功率点跟踪例如用于处理太阳能电池板的功率输出。如果电流不处于最大功率点电流，则该功率输出将下降。因此，优选首先达到最大功率点，并且如果加热仍然没有处于期望的水平，则继续增加切换频率。转换器和电池可以放置在热隔离腔室内，使得从转换器到电池的传递得以保证。热隔离腔室内也可以存在空气再循环装置，以在转换器和电池之间再循环空气。这可以在相同腔室内提供从转换器到电池的更好的热量分布。本发明还提供了一种电池系统，包括电池和如上定义的电池控制系统。本发明还提供了一种太阳能电力系统，包括：一组太阳能蓄电池；和如上定义的电池系统，用于将该组太阳能蓄电池传送的能量存储到电池中。本发明还提供了一种电池充电控制方法，包括：使用转换器对电池进行充电或放电，其中转换器和电池热耦合；感测电池的温度；和根据感测的电池的温度来控制转换器的效率或功率损耗，从而更改热量生成的水平，并进而更改从转换器到电池的传递。充电或放电例如利用包括功率开关的转换器，并且该方法包括调整：开关的导电性；转换器的输入电压的幅度；转换器的输出电压的幅度；转换器的切换频率；或者输出电压和输入电压之间的比率。充电或放电例如利用切换模式电源，并且该方法包括以软切换模式（用于低热量生成）或硬切换模式（用于高热量生成）操作转换器。电池可以包括多个蓄电池，并且该方法包括在电池充电期间选择蓄电池的串联连接或并联连接，以便调节转换器的输出电压。参考下文描述的（多个）实施例，本发明的这些和其他方面将变得清楚明白并得以阐明。附图说明现在将参考附图详细描述本发明的示例，在附图中：图1示出了在具有太阳能充电的灯具内使用的电池控制系统；图2示出了在图1的系统中使用的转换器的一个可能示例；图3示出了如果转换器的频率增量增加，则切换损耗增加；图4示出了输入电压的变化对转换效率的影响；和图5示出了电流与电压和功率与电压的关系曲线图，以解释最大功率点跟踪功能。具体实施方式本发明提供了电池控制系统，其与电池一起使用，并且具有对电池进行充电和/或放电的转换器。转换器热耦合到电池，并且电池的温度被感测。控制电路被提供用于根据由传感器感测的电池的温度来控制转换器的效率或功率损耗，从而更改热量生成的水平，并进而更改从转换器到电池的传递。以这种方式，控制电池温度，使得可以延长电池的寿命时间。它利用现有转换器来传送热能，使得避免了单独的加热器。控制器电路优选地用于控制转换器的效率或功率损耗，其前提是：在对电池进行充电时保持转换器的输入功率；或者在对电池进行放电时保持转换器的输出功率。该前提意味着：当对电池进行充电时，转换器的改变的热量生成不是由输入功率的变化引起的，而是由转换器的效率引起的；当对电池进行放电时，转换器的改变的热量生成不是由输出功率的变化引起的，而是由转换器的效率引起的。图1示出了将与电池12一起使用的电池控制系统10。系统10包括对电池12进行充电或放电的转换器14，其中充电以具有附图标记e（针对“电能传递”）的箭头示出，并且转换器热耦合到电池。因此，由于电转换过程的低效率的原因，所以由转换器生成的热量至少部分地传递到电池12，如以具有附图标记h（针对“热量传递”）的箭头所示出的。提供温度传感器16来用于感测电池12的温度，其中获得了如所示出的温度t。控制电路18用于根据由传感器16感测的电池的温度来控制转换器14的效率或功率损耗，从而更改热量生成的水平，并进而更改从转换器14到电池的传递。以这种方式，可以通过控制热量生成以及进而控制来自转换器的热量传递来控制电池的温度。例如，转换器具有有着不同效率并因此有着不同的过量热量生成的不同操作模式。效率的变化不改变转换器在转换源功率或驱动负载方面的主要转换目的或目标。换句话说，转换器到电池的源功率输出（当电池充电时）不改变，或者从转换器到负载的功率输出（当电池放电时）不改变。因此，太阳能电池板仍然可以输出其最大功率，因此太阳能功率得到最佳利用；或者负载仍然以期望的功率驱动，并且对用户体验没有影响。通过控制模式，电池可以保持在合适的温度或特定的温度范围内，这在充电期间特别重要。以这种方式，可以提高电池的寿命时间（就充电循环的数目而言）。电池温度可以例如保持高于10摄氏度，例如在10摄氏度和35摄氏度之间，或者在15摄氏度和35摄氏度之间。电池充电的最合适的温度是例如23至25摄氏度。图1示出了电池控制系统10和电池12设置在壳体20中，使得优化了转换器14和电池之间的热量传递。在一个示例中，电池12及其电池控制系统10用于向光源22提供能量，并用于从太阳能蓄电池阵列24接收能量。电池控制系统10、电池12和光源22一起限定了具有集成电池的灯具。在街道照明应用中，控制系统10和电池12可以是单个系统，而光源22和太阳能蓄电池阵列24可以是单独的系统。太阳能用于在控制电路18的控制下经由转换器14对电池进行充电，并且优选地，同样在控制电路18的控制下经由相同转换器14使电池向光源22放电。在这种情况下，转换器14可以是对电池进行充电和放电的双向转换器。可替代地，可以使用两个转换器分别用于对电池进行充电和放电，并且两个转换器中的至少一个可以由控制电路18控制来改变转换器的效率。可选地，当电池充满电并且接收到过量的太阳能时，能量也可以以已知的方式被提供回到能量网。电池存储能量，使得可以在没有接收到太阳能时提供照明。图2示出了以降压转换器电池充电器的形式的转换器14的一个可能的示例。降压转换器是dc到dc的功率转换器，它降低电压，同时升高从其输入（电源）到其输出（电池）的电流。该电路是切换模式电源，其具有二极管和晶体管以及在该示例中以电感器l的形式的能量存储元件。应当注意，其他类型的转换器也是适用的。转换器例如被设计成从24v电源30对12v电池进行充电。该电路包括主功率开关sw，其控制电源30到电感器l的连接。电流il流过电感器并对负载进行充电，该负载以与电池12并联的平滑电容器c的形式。续流二极管d使得电流能够在功率开关关断时继续流动。充电电流ib被传送到电池。功率开关以切换频率操作，例如在khz范围内。在循环的一部分中，能量存储在电感器中，并且在循环的另一部分中，能量耗散到电池。例如，功率开关将以接近50%的pwm占空比操作，以调节电池充电的电压和电流。由于硬切换机制，切换电压和电流之间将存在一些重叠，这导致转换器中的切换损耗。存在多种方法以改变转换器被控制的方式，以更改转换效率并且因此更改热能的生成。第一种方案是基于频率控制。为此目的，控制电路18向转换器14提供控制信号19a。如果频率增加，则切换模式电源的切换损耗增加，因为更多的切换电压和电流波形重叠（每单位时间）。开关的占空比将基本恒定。这在图3中示出，该图将切换功率损耗绘制为切换频率的函数。示出了不同降压转换器技术的三个曲线图；基于mos功率开关（曲线32）、igbt功率开关（曲线34）和gan功率开关（曲线36）。在寒冷季节期间，当电池温度例如可能下降到低于15摄氏度时，转换器可以以更高的频率操作以生成热量来加热电池。热量生成源于功率开关sw，并且功率开关通常连接到散热器，散热器然后将热量从转换器14耗散出去（如果转换器14具有外壳的话，从转换器14的外壳耗散出去）并且耗散到壳体20中，使得热量能够到达紧密放置的电池12并被其直接利用。在实际产品中，电池可以附接到转换器14的外壳。任何将热量传递给电池的被动或主动方式都是适用的。如果由传感器感测的电池的温度低于第一阈值，则转换器的切换频率可以增加，并且如果由传感器感测的电池的温度高于第二阈值，则转换器的切换频率可以降低。以这种方式，当感测的温度达到上或下阈值限度时，切换频率被更改。这限制了切换频率所需的调整量，同时将温度保持在期望的范围内。在上述条件下，当输入电压（以及因此所需的转换比率）可能变化时，可能优选尝试保持恒定的温度。例如，当云在天空中移动时，太阳能电池板可能不时地被遮蔽或不被遮蔽，因此太阳能电池板电压变化。需要保持转换器的热量生成来保持电池的温度。转换器的切换频率可以根据输入电压的幅度的变化来调整，以便保持电池的温度。以这种方式，输入电压的变化被用来控制转换器行为，使得热量生成和电池的温度保持稳定。这些输入电压变化可以是诸如太阳能的输入能源的特性。第二种方案是基于转换率控制。同样，这可以由控制信号19b管控。例如，控制器可以根据由传感器感测的电池的温度来调整转换器的输入电压的幅度和转换器的输出电压的幅度之间的差。电压的这种变化导致不同的转换比和不同的脉宽调制信号。这进而影响转换效率。图4示出了转换器的输入电压的变化的影响。针对五个不同的输入电压，针对输出电流绘制转换效率（%）。当输入和输出之间存在较高的电压差时，由于电压和电流之间增加的重叠，转换器中出现较高的切换损耗。其中由菱形标注的曲线针对18v输入电压；由方形标注的曲线针对22v输入电压；由三角形标注的曲线针对26v输入电压；由x标注的曲线针对30v输入电压；并且由星号标注的曲线针对36v输入电压。在多级级联连接的功率转换器的情况下，前转换器输出可以变化，其输入到后转换器。在另一示例中，在对电池进行放电时，转换器14的输入电压是电池的输出电压，并且输出电压是led的正向电压。通过切换电池的串联/并联连接，可以调节转换器的输入电压。当输入电压得自太阳能蓄电池系统时，太阳能电压将根据太阳能日射量（insolation）而波动。通常，从早上到下午，太阳能电压上升，然后开始下降。这意味着当温度通常较低时（当具有较低的日射量时），功率损耗较大，使得在白天期间发生部分自调节。太阳能电流也将波动。因此，基于太阳能的电池充电的电流调节也能够调节热量生成。第三种方案是基于控制功率开关的导电性。同样，这可以由控制信号19a管控。较低的导电性将导致跨开关的增加的损耗。在双极结晶体管功率开关中，通过施加不同的偏置电流（ib），导电性可以改变。对于mosfet功率开关，导通电阻也随着不同的栅极电压而改变。第四种方案是基于对负载的控制。为此目的，提供控制信号19b。电池将具有设置的操作电压。然而，如果电池包括多个蓄电池（如图1中示意性示出的），则控制电路14可以在蓄电池的串联连接或并联连接之间进行选择，以便调节转换器的输出电压。因此，可以基于蓄电池的串并联组合来改变设置的电池电压。可能存在组合串联和并联分支的多种设置或两种设置（全部并联或全部串联）。蓄电池的串联或并联连接提供了一种简单的方法，以通过产生高输入和输出电压差来对转换器输出电压进行大的改变，并因此更改转换器效率。第五种方案基于根据由传感器感测的电池的温度来控制进入转换器的功率开关中的开关电流的幅度。同样，这可以由控制信号19a管控。功率损耗基于跨功率开关的电流和电压的乘积来确定。因此，增加开关电流也可以增加功率损耗。开关电流控制例如适合于太阳能最大功率点操作，或者输入电源几乎具有恒定电压但电流随时间变化的任何其他操作。基于该实施例，控制通过开关的电流可以有助于对热量生成的控制。图5示出了电流与电压（“i-v”）和功率与电压（“p-v”）的关系曲线图，以解释最大功率点跟踪功能。vmp和imp表示最大功率点pmax处的太阳能系统电压和太阳能蓄电池电流。voc是开路电压，并且isc是短路电流。在最大功率点跟踪中，太阳能系统输出电压增加，并因此增加太阳能蓄电池的输出功率，直到达到点pmax。一旦太阳能系统的电压超过对应于最大功率pmax的vmp，控制器就检测到输出功率下降，并且控制器指令每个转换单元降低其电压。最后，系统将在vmp和pmax附近稳定。随着太阳能入射强度在一整天中随时间改变或由于云覆盖而改变，最大功率点pmax将改变，并且系统动态移动到新的vmp和pmax点。为了最好地利用太阳能，优选的是首先使转换器达到太阳能电池板的最大功率点，并且然后，如果转换器的热量仍然不在期望的水平，则继续增加切换频率。更具体地，当使用最大功率点跟踪转换器来生成热量时，在开始调节切换频率之前，控制电路例如被适配为，在控制转换器的切换频率之前，控制转换器调节其输入电流和输入电压，以达到太阳能电池板的峰值功率。如果峰值功率处的转换器已经足以使转换器生成（并传递）所需的热量，则无需将切换频率调节到最佳范围之外。当源（即太阳能蓄电池阵列）的峰值功率点操作已经存在，但是电池的温度仍然不够高时，控制电路随后被适配为控制转换器的切换频率，以增加热量生成的水平，并进而增加从转换器到电池的传递。第六种方案基于选择切换模式。同样，这可以由控制信号19a管控。切换模式电源可以以硬切换模式或软切换模式操作。当在切换晶体管或导通和关断时电压和电流之间存在重叠时，发生硬切换。如上所解释的，这种重叠导致能量损耗。软切换开始于在开关被接通或关断之前一个电气参数（电流或电压）被设置为零。这在低损耗方面具有益处。平滑谐振切换波形也最小化emi。因此，这两种切换模式具有不同的功率损耗。控制电路因此可以根据由传感器感测的电池的温度来控制切换模式电源以软切换模式或硬切换模式操作。例如，控制电路可被适配为，如果由传感器感测的电池的温度低于第一阈值，则控制切换模式电源以硬切换模式操作，并且如果由传感器感测的电池的温度高于第二阈值，则控制切换模式电源以软切换模式操作。谐振软切换模式可以仅用于电池充电的最高功率效率，而硬切换模式可以仅用于热量生成（用于快速加热）或同时用于热量生成和电池充电。因此，系统可以根据加热需求和电池充电需求而在这些不同模式之间切换。当感测到的温度达到上或下阈值限度时，可以更改切换模式。这限制了切换模式所需的调整量，同时将温度保持在期望的范围内。如果即使在硬切换模式时也需要进一步的热量，则可以另外采用上面概述的其他措施，比如具有高频下的大电流的硬切换，甚至输入电压和输出电压具有大的差异。本发明对集成电池的室内和室外照明系统或太阳能街道照明应用而言是特别感兴趣的。然而，它更一般地应用于具有集成电池与电池充电和放电电路的系统，其中电池可以暴露于极端温度。上面给出了降压转换器的示例。然而，转换器可以是升压转换器、降压-升压转换器、推挽转换器、正向转换器或者半桥或全桥逆变器。封闭腔室内的电池和转换器可以进一步配备有风扇，用于电池和转换器周围的更好的热量分布。因此，所生成的热量没有损耗到环境，因为它将在封闭的腔室内。通过对附图、公开内容和所附权利要求的研究，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现对所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中引用某些措施的纯粹事实并不指示这些措施的组合不能用于获益。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。当前第1页1 2 3