基于多端并联智能管理器的多种类叠层电池系统的制作方法

本发明属于叠层电池智能管理领域，具体涉及了一种基于多端并联智能管理器的多种类叠层电池系统。

背景技术：

目前，叠层太阳电池的主流结构形式包括：一种结构形式是两种或两种以上太阳电池进行串联叠加，即所有电池的连接形式为串联，所有电池的设计需要电流匹配，即每个电池输出电流相同。这种串联叠层连接形式无论多少结太阳电池叠加，也只有一对正负极输出端，即两端，方便使用端的接入。另一种结构形式是两种或两种以上太阳电池的机械叠加，即所有电池的连接形式为并联，这样所有电池的电压和电流输出是分开独立的。这种并联叠层连接形式每结太阳电池都有一对正负极输出端，即多端，每结电池的制备依据其自身最优工艺进行，可最大程度发挥各自的工艺优势而不需考虑彼此工艺匹配的问题，因此可大幅降低工艺难度以及生产成本。但是多端叠层的每个输出端电流、电压是不同的，因此无法同时接入同一负载电路，使用不方便。因此目前多端叠层太阳电池使用少。与叠层电池相匹配的电能管理器就是在此基础上，对多端叠层电池各输出端进行电压调节，从而实现电压统一的并联输出。

然而，因为目前主流的叠层太阳电池连接关系的原因，虽然能够保证电池输出电流实现电流匹配，但整体的电流输出取决于电流最小的那一个电池(木桶效应)，这种情况下，高效叠层电池的制备工艺非常困难，成本难以降低；非主流的多端叠层太阳电池虽然制备难度更小、效率更高、成本更低，但因为各端输出的电压和电流都不匹配，无法同时接入同一个负载电路，给使用端造成不便，难以被使用者接受。

总的来说，本领域还急需一种与多种类叠层电池相连接的多端并联电能管理器，可以根据应用要求灵活调节叠层电池输出电压，还可以保证叠层电池的每个电池输出最大功率。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的上述问题，即缺少与多种类叠层电池相匹配的多端并联智能管理器，从而无法实现不同种类叠层电池输出电压灵活调节以及每个电池输出最大功率的问题，本发明提供了一种基于多端并联智能管理器的多种类叠层电池系统，该系统包括叠层电池单元、智能管理器和控制单元；

所述叠层电池单元包括层叠设置于上层玻璃与底层玻璃中间的从上到下的n个不同结构的太阳电池；所述太阳电池将吸收的太阳能转换为电能并发送至所述智能管理器；

所述智能管理器包括与所述n个不同结构的太阳电池一一对应的并联连接的直流电能变换器；所述直流电能变换器将对应的太阳电池发送的不同电压的电能转换为设定的大小和极性一致的直流电压，并进行电压并联获得并联输出电压；

所述控制单元，分别对所述n个不同结构的太阳电池的输出电能的电压和电流进行采样，基于采样结果分别计算所述n个不同结构的太阳电池的输出功率并执行：

对于每一个太阳电池，通过比较每个时刻的输出功率的大小进行寻优，获取最大输出功率对应的最优输出电压，并基于所述最优输出电压进行对应的直流电能变换器的电力电子开关的通断控制，实现太阳电池的最大功率点跟踪。

在一些优选的实施例中，所述n个不同结构的太阳能电池为薄膜电池或硅晶电池或薄膜电池与晶硅电池的组合。

在一些优选的实施例中，所述硅晶电池为单硅晶和/或多硅晶电池。

在一些优选的实施例中，所述n个不同结构的太阳电池，其排列顺序为：

按照太阳电池的带隙宽度从宽到窄的顺序，将所述n个不同结构的太阳电池从上到下摞叠，获得并联式多结结构的叠层电池单元。

在一些优选的实施例中，所述直流电能变换器包括升压变换器、降压变换器和极性反转变换器。

在一些优选的实施例中，所述极性反转变换器为升-降压变换器。

在一些优选的实施例中，所述并联输出电压通过储能设备进行存储或作为直流电网/直流负载的输入直流电压。

在一些优选的实施例中，所述并联输出电压通过逆变器进行直流-交流变换，获得的交流电压作为交流电网/交流负载的输入交流电压。

本发明的有益效果：

(1)本发明基于多端并联智能管理器的多种类叠层电池系统，采用两种或两种以上叠层电池进行并联，电池种类不局限于晶硅电池，例如，还可以是不同结构的薄膜电池、不同结构的晶硅电池或者是不同结构的薄膜电池与晶硅电池的组合。本系统可以根据应用场合的要求对多端电池结构进行灵活调整和改变，满足应用要求。

(2)本发明基于多端并联智能管理器的多种类叠层电池系统，与多种类叠层电池相匹配的多端并联智能管理器可以解决传统叠层电池存在的木桶效应问题。因为是并联结构，与叠层电池相连接的并联智能管理器为并联的直流-直流变换器结构，因而可以根据应用要求灵活调节输出电压，例如，直流变换器结构可以为不同结构的升压变换器、降压变换器、升-降压变换器，以满足后续结构的不同直流电压等级和/或不同电压极性要求。

(3)本发明基于多端并联智能管理器的多种类叠层电池系统，通过控制单元进行每一路直流变换器对应的太阳电池的最大功率点跟踪，确保每一路电池的输出都能够实现功率最大化，从而保证整个并联叠层电池输出最大功率。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明基于多端并联智能管理器的多种类叠层电池系统一种实施例的系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本发明提供一种基于多端并联智能管理器的多种类叠层电池系统，以实现对多结叠层太阳电池的电能的智能管理，大幅度提高太阳电池使用效率以及系统效率，在相同转换效率的情况下降低多结叠层太阳电池的工艺难度和生产成本，并联型电能管理器可灵活方便地实现电能储存和管理。

本发明的一种基于多端并联智能管理器的多种类叠层电池系统，该系统包括叠层电池单元、智能管理器和控制单元；

所述叠层电池单元包括层叠设置于上层玻璃与底层玻璃中间的从上到下的n个不同结构的太阳电池；所述太阳电池将吸收的太阳能转换为电能并发送至所述智能管理器；

所述智能管理器包括与所述n个不同结构的太阳电池一一对应的并联连接的直流电能变换器；所述直流电能变换器将对应的太阳电池发送的不同电压的电能转换为设定的大小和极性一致的直流电压，并进行电压并联获得并联输出电压；

所述控制单元，分别对所述n个不同结构的太阳电池的输出电能的电压和电流进行采样，基于采样结果分别计算所述n个不同结构的太阳电池的输出功率并执行：

对于每一个太阳电池，通过比较每个时刻的输出功率的大小进行寻优，获取最大输出功率对应的最优输出电压，并基于所述最优输出电压进行对应的直流电能变换器的电力电子开关的通断控制，实现太阳电池的最大功率点跟踪。

为了更清晰地对本发明基于多端并联智能管理器的多种类叠层电池系统进行说明，下面结合图1对本发明实施例中各模块展开详述。

本发明第一实施例的基于多端并联智能管理器的多种类叠层电池系统，包括叠层电池单元、智能管理器和控制单元，各模块详细描述如下：

叠层电池单元包括层叠设置于上层玻璃与底层玻璃中间的从上到下的n个不同结构的太阳电池；所述太阳电池将吸收的太阳能转换为电能并发送至所述智能管理器。

叠层电池单元可以包括2个、3个甚至是n个太阳能池，这样的叠层电池单元为四端结构、六端结构或2n端结构。叠层电池单元中的太阳电池可以是相同/不同结构的晶硅电池或相同/不同结构的薄膜电池，还可以是相同/不同结构的晶硅电池和相同/不同结构的薄膜电池的自由组合，其连接端子分别通过阴极射线、阳极射线、银栅线、背电极等向外引出。

硅晶电池可以选用单硅晶和/或多硅晶电池。

n个不同结构的太阳电池，其排列顺序为：

按照太阳电池的带隙宽度从宽到窄的顺序，将所述n个不同结构的太阳电池从上到下摞叠，获得并联式多结结构的叠层电池单元。

如图1所示，为本发明基于多端并联智能管理器的多种类叠层电池系统一种实施例的系统结构示意图，由2个太阳电池构成四端结构叠层电池单元，用不同带隙的材料做成两个太阳电池：太阳电池1和太阳电池2，然后在上层玻璃与底层玻璃中间，把他们按照带隙宽度从宽到窄顺序进行从上到下的摞叠、并接，组成一个并联式多结太阳电池，即叠层电池单元。

图1所示的叠层电池单元，每一个子电池只吸收和转换太阳光谱中不同波段的光，而叠层电池单元对太阳光谱的吸收和转换等于各个太阳电池的吸收和转换的总和。因此，叠层电池单元比单结电池更能充分地吸收和转换太阳光，从而提高太阳电池的转换效率。

图1中，太阳电池1在上面，可以看作顶电池，太阳电池2可以看作底电池……，理想情况下，顶电池吸收和转换太阳光谱中光子能量大于太阳电池1中的带隙的部分的光子，底电池吸收和转换太阳光谱中小于电池1中的带隙的部分而大于电池2中带隙的部分的光子，也就是说，这种并联叠层电池单元对太阳光的吸收和转换比任何单一带隙材料的单结电池有效得多，并且结合并联结构上的优势，它可以大幅度地提高太阳电池的转换效率。理论上，构成叠层电池的子电池的数目越多，叠层电池可望达到的效率就越高。

以此类推，当并联叠层电池单元为六端结构甚至更多的2n端结构时，即在前述的两个并联太阳电池的基础上继续增加并联太阳电池数目，相当于在顶电池和底电池之间加入不同的中间电池。多端器件在光学上是并联的，而在电学意义上是独立的。

无论端子数目是多少，多端器件对每个子电池的极性不要求一致，可以不同。此外，多端器件对两个子电池的电流和电压没有限制。计算叠层电池单元的效率时，可单独计算各部分子电池效率，然后进行相加得到叠层电池单元的总效率。

智能管理器包括与n个不同结构的太阳电池一一对应的并联连接的直流电能变换器；直流电能变换器将对应的太阳电池发送的不同电压的电能转换为设定的大小和极性一致的直流电压，并进行电压并联获得并联输出电压。

直流电能变换器包括升压变换器、降压变换器和极性反转变换器。其中，极性反转变换器为升-降压变换器。

并联的智能管理器由若干个直流变换器并联而成，并联智能管理器内部的直流电能变换器的数目等于并联叠层电池单元中太阳电池的数目，即每一个太阳电池对应一个直流电能变换器，如图1中所示，通过控制单元可以对每一个直流电能变换器进行最大功率点跟踪，每一个直流电能变换器电能变换等功能。

其中，最大功率点跟踪是指在一定的光照强度和环境温度下，不同负载时，太阳电池可以有不同的输出电压。但是只有在某一输出电压时太阳电池的输出功率才能达到最大值，此时的工作状态和工作点就叫做最大功率点。为实现本专利的并联叠层电池的最大功率点的跟踪，本发明通过控制单元进行并联智能管理器内部的各个直流电能变换器的控制来实现。在图1中，对于每一个太阳电池来说，通过对每个太阳电池输出的电压、电流进行采样，计算他们二者的乘积，即输出功率，通过比较每个时刻的功率的大小进行寻优，当太阳电池达到最大功率点时，稳定最大功率点所对应的电压，通过控制算法对直流电能变换器的电力电子开关的通断进行控制，满足最大功率点跟踪的要求。

此外，直流电能变换器具有变换电压的功能。在图1中，为保证并联叠层电池的各部分子电池的输出电压的相同，需要通过统一调节叠层电池单元各个太阳电池的电压输出，达到统一并联电压的目的，为实现后续结构的电能变换满足应用要求。

对于多端并联电池来说，每一个子电池的输出电压不尽相同，如需将其统一到一个直流电压等级上，需要对每一个子电池的输出电压进行调整，这就意味着从并联叠层的输出到智能电能管理器的输出进行直流电压的变换，有的是升压变换，有的是降压变换，有的是极性反转变换。

根据统一的直流电压等级的要求，在满足前述最大功率点跟踪的要求下，对于需要提高输出电压的太阳电池来说，与其相连的直流电能变换器为直流升压变换器，对于需要降低输出电压的太阳子电池来说，与其相连的直流电能变换器为直流降压变换器，对于需要进行极性反转的太阳子电池来说，与其相连的直流电能变换器为极性反转变换器。极性反转变换器即一个升压-降压变换器组合。

如图1所示，当对多个子电池进行这样的电能变换，把各个子电池的输出统一成一个直流电压后，多端并联智能电能管理器的输出可以接入逆变器，作为交流电网/交流负载的输入交流电压。不仅如此，智能电能管理器的输出不只可以接入逆变器，还可以接入其他各种各样的储能设备进行能量的存储，也可以作为直流电网/直流负载的输入直流电压，在使用上非常方便灵活。

控制单元，分别对n个不同结构的太阳电池的输出电能的电压和电流进行采样，基于采样结果分别计算n个不同结构的太阳电池的输出功率并执行：

对于每一个太阳电池，通过比较每个时刻的输出功率的大小进行寻优，获取最大输出功率对应的最优输出电压，并基于最优输出电压进行对应的直流电能变换器的电力电子开关的通断控制，实现太阳电池的最大功率点跟踪。

本发明在结构上实现各个太阳电池的并联连接，与之相匹配的电能管理器能够实现电压变换、直流电能匹配，并可以通过控制单元实现太阳电池的最大功率点跟踪。

其中，多端太阳电池器件的并联，可以是四端、六端、八端甚至n端等各种结构的太阳电池的并行连接。其对应的多端并联智能电能管理器也采用各种结构的直流变换器的并行连接进行电能变换。

需要说明的是，上述实施例提供的基于多端并联智能管理器的多种类叠层电池系统，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块的名称，仅仅是为了区分各个模块，不视为对本发明的不当限定。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。