能量存储系统和提高电池性能的方法与流程

能量存储系统和提高电池性能的方法
相关申请的交叉引用
1.本专利申请要求于2019年9月18日提交的标题为“用于改善电池性能的能量存储系统和方法”的美国专利申请(专利号为：16/574,218)的权利和优先权；以及于2018年10月3日提交的标题为“电池连接系统和提高性能方法”的美国临时专利申请(专利号为：62/740,546)，通过引用将其合并到本公开中。
技术领域
2.本发明公开和描述了一种能量存储系统和一种提高电池性能的方法。


背景技术：

3.串联连接方式和并联连接方式在电子领域是众所周知的。每种类型的连接方式都有其自身的优缺点，并且不同连接方式用于达到不同目的。如果串联多个电源，可能会具有较大的电压，而如果并联多个电源，可能会增加电流，但不会增加电压。
4.例如，两个串联的电池(12v，100ah)可能具有24v和100ah的输出。比较而言，并联连接的两个相同的电池可能具有12v和200ah的输出。因此，如果这些电池为设备供电，则当串联时可以用两倍的电压为设备供电(24v相比12v)，或者当并联时可以用相同的12v电压为设备供电，但电流为两倍电流(200ah，而不是100ah)。
5.此外，典型的电池或储能系统可能不会同时充电和放电。因此，他们可能无法在一边充电一边驱动负载。当能量存储系统与可再生资源一起使用时，这可能是有问题的。这些系统通常需要中央控制器来控制系统的充电和放电。


技术实现要素：

6.可以公开和描述电池系统和方法。两个或更多电池可以用相同配置连接到输出设备。电池可以由控制单元或逻辑芯片控制，所述控制单元或所述逻辑芯片可以设置为操作两个阶段。
7.在第一阶段，两个或更多电池可以串联连接。第一能量存储单元的负极可以连接至第二能量存储单元的正极，并且第二能量存储单元的负极和所述输出设备可以连接第一能量存储单元的正极。
8.在第二阶段中，两个或更多电池可以并联连接。所有电池的正极可以彼此连接，负极可以彼此连接。然后，并联连接中的正极和负极可以以相同的并联方式连接到所述输出设备。
9.然后，所述控制单元可以以任何期望的频率在两个阶段之间切换以产生期望的输出电压和电流。两个阶段之间的切换速度可以是每秒任何数量的旋转。
附图说明
10.从下面对本发明示例性实施例的详细描述中，本发明实施例的优点将显而易见，
该描述应结合附图考虑，在附图中，相同的数字表示相同的元件，其中：
11.图1a是能量存储系统的实施例。
12.图1b是能量存储系统的实施例。
13.图2是能量存储系统的实施例。
14.图3a是输出电流信号波形的实施例。
15.图3b是输出电压信号波形的实施例。
16.图4是实现开关电路的方法的实施例。
具体实施方式
17.在以下针对本发明的特定实施例的描述和相关附图中公开了本发明的方面。在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以设计出替代实施例。另外，将不详细描述或将省略本发明的实施例的众所周知的元件，以免模糊本发明的相关细节。此外，为了促进对描述的理解，下面对这里使用的几个术语进行讨论。
18.如本文所用，词语“示例性”是指“用作示例，实例或说明”。本文描述的实施例不是限制性的，而是仅是示例性的。应当理解，所描述的实施例不必被解释为比其他实施例优选或有利。此外，术语“本发明的实施例”，“实施例”或“发明”不要求本发明的所有实施例都包括所讨论的特征，优点或操作模式。
19.可以在本文所述的示例性实施例中示出和描述具有串联电路和并联电路两者的优点的电路。通过在串联和并联配置之间快速切换，电路可以输出串联和并联输出的平均值。开关电路的输出可通过调节阶段切换频率或切换开关时间来调节。当电路处于串联配置时，可以通过增加电路处于第一阶段的时间来获得更高的电压。可替代地，当所述电路处于并联配置时，可以通过增加电路处于第二阶段的时间来获得更高的电流。对于为较大负载供电的电路，可能需要较高的电压，或者可能需要较高的电流，如此以便增加从所述电池为负载供电的时间。由于所述电路可能正在向负载供电，因此可能需要根据负载来改变电压或电流，其中所述负载是指多种类型的负载中的任何一种负载。
20.现在参考图1a，可以以并联配置示出开关电路。两个能量存储单元，在该示例性实施例中的第一电池102和第二电池104可以通过一组开关连接。在该实施例中，这些电池可以是每小时12伏特和100安培的湿式铅酸蓄电池。每个电池的正负极可以连接到开关。开关106可以永久地连接到电池104的正极，并且可以在并联阶段连接到所述电池102的正极。因此，在所述开关106处可能存在一个节点，该节点连接所述电池102的正极，电池104的正极和输出设备的正极。
21.仍然参考示例性图1a中的并联阶段，附加开关108可以连接至电池104的负极。在并联阶段期间，所述开关108可以配置为连接至电池102的负极。因此，在开关108处存在节点，所述节点可以连接电池102和电池104的负极。此外，所述输出设备可以连接到开关110和开关112。在并联阶段，所述开关110可以配置为将输出设备120和所述节点连接，所述节点由电池102的正极和电池104的正极创建。同时，开关112可以配置为将输出设备120的负极连接到节点，上述节点由电池102的负极和电池104的负极创建。因此，电池的正极和输出设备的正极都可以连接，并且电池的负极和输出设备的负极也可以连接，并且可以形成并联电路。
22.现在参考图1b，该电路可以以串联配置示出。串联配置可以在与并联配置不同的阶段中进行。在串联配置中，所述开关106、108、110和112都可以在与前一阶段相反的方向上切换。可以连接所述开关使得它们可以同时开关。为了形成串联配置，所述开关106和所述开关110可以将电池104的正极直接连接至所述输出设备120。所述电池104的负极可以经由开关108连接至电池102的正极。所述电池102可以通过所述开关112连接到所述输出设备120。所述开关可以是多种类型的开关或中断器中的任何一种。所述开关可以同时翻转或换向。输出信号(电流和电压)可能取决于两阶段之间的换向或切换时间。
23.现在参考图2。可以示出电气组件，所述电气组件具有输出设备122和另一输出设备124，所述输出设备122可以配置为仅在串联阶段连接到所述电路，所述输出设备124可以配置为仅在并联阶段连接到电路。这可以使用开关114和116来实现，所述开关114和116可以配置为与其他开关同时进行开关。
24.仍然参考图2中的示例性实施例，在并联阶段期间，所述次级输出124可以与电路断开。如果例如所述输出124是从开关电路100充电的能量存储系统，则其可以在并联阶段期间继续正常运行，并且可以仅在串联阶段中充电。
25.出于分析目的的示例性实施例，例如图2中的实施例，可以包括具有标称电压值v
n
和标称电流值i
n
的一个或多个电池。在并联阶段，所述输出设备122的负载可以是z
parallel
＝(2*v
n
)/i
n
。
26.在示例性实施例中，t1可以是在第一并联阶段中花费的时间，而t2可以是在第二串联阶段中花费的时间。此外，时间t可以表示对应于基本频率的周期，所以t＝1/基本频率＝t1+t2。如果f(t)可以代表输入信号，则可以使用以下公式计算信号的平均值：
27.该公式可以产生如图3所示的示例性输出信号。如图3所示，所述输出信号可以是平方信号。图3a可以是示例性电流信号的输出。图3b可以是示例性电压信号的输出。水平线302的宽度可以对应于时间t1。水平线304的宽度可以对应于时间t2。此外，所示示例性信号的电流(i)的积分可以产生以下等式：
28.电压信号的积分可以是：
29.此外，可能存在t1＝t2的情况。在该示例性情况下，可以通过以下等式找到电流的平均值：(i1+i2)/2，并且可以通过：(v1+v2)/2找到电压的平均值。
30.在先前描述的示例性实施例中，每个电池可具有100a的标称电流和12v的标称电压。电路串联时的组合电压可以是24v，电路并联时的组合电流可以是200a。结果，当电路以相等的速率在第一阶段和第二阶段之间切换时(例如在第一阶段和第二阶段具有相等的时间长度时)，电流平均值可以为150a，电压平均值可以为18v。在另一个示例性实施例中，可以改变在并行阶段(t1)中花费的时间和在串联阶段(t2)中花费的时间，使得它们是不相等的。例如，如果t1为循环的三分之二(2/3)，并且使用相同的标称电压和电流，则电流平均值可以为166.666a，电压平均值可以为16v。可替代地，如果t1是循环的三分之一(1/3)，则电流平均值可以是133.3333a并且电流平均电压可以是20v。可以使用t1与t2的任何比率来获得期望的结果。
31.在另一示例性实施例中，可以通过能够改变所述阶段频率的控制单元来调节电路。所述控制单元可能能够设置两个阶段之间的切换速度或切换时间。切换时间可以是每个阶段花费的时间量。所述控制单元可以基于每秒的旋转或任何其他时间测量来选择切换时间。所述控制单元可以基于每秒的旋转或任何其他时间量度来选择切换时间。可能有任意数量的开关或每秒旋转，从1到无穷大。所述控制单元可以将所述电路配置为在一个阶段中比另一阶段长得多。所述阶段的长度可能不相等。通过改变阶段中所花费时间的相对比例，可以改变输出信号。另外，可以将控制单元设置为初始保持电路在特定状态。例如，所述控制单元可以配置为以并联阶段开始，直到能量存储单元变得充满电为止。然后，所述控制单元可以开始切换循环。
32.所述电池可能已连接到能源。所述电路可以配置为所述电池在第一阶段期间串联连接，在第一阶段期间，电池可以连接到负载并且可以放电。然后，在第二阶段中，所述电池可以并联连接，并且可以连接到能源，所述能源可以在该阶段中对电池充电。因此，所述电池可以在第一串联阶段放电并且在第二并联阶段充电。在第一个循环中，所述电池可能会释放少量能量。此外，在第二循环期间，所述电池可以充类似的少量能量的电以补偿在第一循环期间损失的能量。这样可以提高电池性能。
33.可以选择能源以具有较大的电流输出，从而在并联阶段期间将较大量的能量充电至电池。在示例性实施例中，在所述并联阶段期间来自能源的电荷量可以超过在串联阶段期间由负载放电的电荷量，因此所述电池可以随时间获得电荷。可以想到的是，当电池达到一定水平时，可以防止多余的电荷到达电池，以降低过度充电的风险。在替代实施例中，可以选择一种能源，所述能源充电的能量等于在串联阶段期间放电的能量。在该替代示例性实施例中，能量存储单元可以恒定地保持相同量的电荷。
34.此外，通过在这些短循环内对电池进行充电和放电，所述电路可具有同时对所述电池或所述能量存储系统进行充电和放电的效果。典型的所述电池或电路无法同时充电和放电，而是可以使用中央控制器来管理充电和放电循环。典型的能源可以直接连接到负载，也可以连接到所述能量存储系统，但不能同时连接到两者。结果，所述能源可以配置为对电池充电或驱动负载，但是不能两者兼有。如这里描述的同时串联和并联电路的示例性实施例可以配置成使能源连接到能量存储系统，该能量存储系统然后可以同时驱动负载。在第一阶段期间，所述负载可以从电池吸取电力，并且在第二阶段期间，所述能量存储系统可以充电。
35.所述能源可以是任何类型的能源或能源的组合。在一个示例性实施例中，可以使
用可再生能源，但是可以预想的是，根据需要可以使用其他能源。
36.现在参考示例性图4，可以示出用于实现诸如图2中的电路之类的开关电路的方法。在第一步中，所述第一阶段开始400。所述控制单元可以通过向所述开关发送信号来开始第一阶段。在下一步中，可以翻转开关402，以使电路切换到串联配置。所述控制单元可以同时翻转开关。所述开关可以彼此连接，使得它们同时被翻转。在第三步骤中，能量存储单元(esus)可以给所述负载404充电。所述负载可以是可再充电电源。
37.在第四步骤中，所述第二阶段可以开始406。所述控制单元可以配置为在一定时间量之后开始第二阶段，这取决于第一阶段有多长时间。第一阶段和第二阶段可以具有不同的持续时间。在下一步骤中，可以将开关翻转408。在此步骤中，可以将开关翻转到在步骤402中翻转到的相反位置。可以翻转所述开关，以使esus和负载以并联的方式连接。在最后的步骤中，所述能源可以给所述esus 410充电。在替代实施例中，所述esus可以在第二循环中以并联阶段继续放电。在该示例性实施例中，所述控制单元可以将所述esus配置为继续放电，以使它们在两个阶段都连接到负载。所述能源可以连接到开关，该开关在第二阶段期间将能源连接到电路，并且在第一阶段期间将负载连接到电路。该开关也可以由控制单元控制，并且可以与其他开关同时被拨动。在预定时间段之后，所述第一阶段可以再次开始400，并且新的循环可以开始。
38.尽管前述示例可以实现包括两个电池的切换电路，但是可以想到，这些电池可以替代地是用户期望在串联和并联之间切换的任何组件。此外，为了清楚起见，在先前的示例中使用了两个电池，但是可以以相似的方式互连任意数量的电池。可以将附加电池配置为以附加(两个以上)阶段运行。所述输出可以是任何期望的输出，例如另一个电池，能量存储系统或能够接收输入的任何其他电连接的组件。
39.在示例性实施例中，开关电路可以在电动载具中实现。所述开关电路可以配置为使得电动载具在一个阶段期间供电，而在另一阶段期间被断开并充电。在示例性实施例中，可以在第二阶段期间对在第一阶段期间释放的相同量的能量进行充电。在充电阶段，所述电池可能会消耗额外的能量，以补偿无电阶段损失的能量。然而，由于所述电池可以被激活一半的时间(与恒定输出相反，处于两阶段中的一阶段)，所以可以提高效率。
40.此外，所述开关电路可以允许同时使用多个能源。例如，由光伏电池供电的电动载具可以在没有阳光期间使用替代能源(例如风，气等)来充电。
41.以上描述和附图示出了本发明的原理，优选实施例和操作模式。然而，本发明不应被解释为限于以上讨论的特定实施例。本领域技术人员将认识到以上讨论的实施例的其他变型。
42.因此，上述实施例应被认为是说明性的而不是限制性的。因此，应当理解，本领域技术人员可以对那些实施例进行变型而不脱离由所附权利要求所限定的本发明的范围。