太陽(yáng)能供電和電池操作的系統(tǒng)以及用于控制該系統(tǒng)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太陽(yáng)能供電的產(chǎn)品，并且特別地涉及合并用于電荷存儲(chǔ)的電池以及用于生成電流以便為電池再充電的太陽(yáng)能面板的產(chǎn)品。
【背景技術(shù)】
[0002]本發(fā)明對(duì)于具有來(lái)自太陽(yáng)能面板和電池的隨時(shí)間變化的需求的產(chǎn)品特別感興趣。一個(gè)示例是太陽(yáng)能供電的照明，諸如離網(wǎng)街道照明。
[0003]電池壽命被視為用于太陽(yáng)能供電的照明產(chǎn)品的主要區(qū)分因素。目前的電池供電的燈使用電池來(lái)存儲(chǔ)能量以在夜晚使用。由于成本的原因，電池技術(shù)的目前選擇是鉛(Pb)電池。目前的Pb電池具有2至3年的相對(duì)短壽命。這主要由在太陽(yáng)能應(yīng)用中的使用所造成。如果Pb電池在放電之后被立即再充電，并且具有正確的充電廓形(profile)，則它可以享有高達(dá)5年的壽命跨度。然而，太陽(yáng)能應(yīng)用不總是產(chǎn)生足夠的電流以用于完整的再充電，特別是在當(dāng)Pb電池運(yùn)行在部分充電條件中(所謂的部分“充電狀態(tài)”)時(shí)的冬季。結(jié)果是Pb電池具有典型地為2至3年的較短壽命跨度，這可能不被認(rèn)為是足夠的。
[0004]理論上，鋰電池技術(shù)確實(shí)具有長(zhǎng)得多的壽命，在最優(yōu)條件下聲稱(chēng)有10年的壽命。然而，同樣對(duì)于Li離子電池，室外太陽(yáng)能充電條件限制壽命跨度，這次是由操作下的溫度造成的。此外，電池每晚進(jìn)行循環(huán)(即充電和放電)。
[0005]在太陽(yáng)能供電的能量應(yīng)用中，季節(jié)效應(yīng)造成能量供給和需求不平衡。這意味著電池在冬季被完全使用并且在夏季僅被部分使用。
[0006]現(xiàn)在將使用離網(wǎng)太陽(yáng)能供電的(街道)照明技術(shù)作為示例來(lái)討論涉及室外太陽(yáng)能應(yīng)用的特定問(wèn)題，并且這將被稱(chēng)為“0SL”。
[0007]并網(wǎng)室外照明的當(dāng)前技術(shù)主要由于高電網(wǎng)安裝成本和桿安裝成本而具有高安裝成本。還存在高維護(hù)成本。例如當(dāng)樹(shù)根穿透線纜時(shí)可能需要線纜維修。
[0008]如以上描述的并網(wǎng)室外照明系統(tǒng)的一些問(wèn)題通過(guò)太陽(yáng)能供電的、電池驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)來(lái)解決，但是當(dāng)前技術(shù)由于若干原因而不是最優(yōu)的。
[0009]在溫暖條件中，幾乎所有電池技術(shù)遭受增加的降級(jí)。緩解辦法是將電池的尺寸設(shè)計(jì)得過(guò)大以用于預(yù)期壽命末端容量，但是這花費(fèi)附加的金錢(qián)。更好的方式是避免電池可能在利用(較)高電流進(jìn)行充電時(shí)變得太熱。由于電池具有有限壽命，因此它們需要被更換，并且舊電池需要被處理掉。大多數(shù)電池技術(shù)包含不能留在環(huán)境中的材料，諸如鉛或電解液。如果使用非基于鉛的電池，可以避免將它們埋到地下的需要以消除昂貴的地面工作。此外，具有較長(zhǎng)壽命的電池技術(shù)將降低這些成本。為了在所設(shè)計(jì)的壽命內(nèi)達(dá)到性能要求，電池必須減載運(yùn)行(在其最大輸出以下操作)，這抬高了成本、體積和重量。
[0010]放電深度(即作為完全充電狀態(tài)的百分比，電荷從電池被移除的深度)直接涉及電池的預(yù)期壽命。電池壽命與放電深度的關(guān)系通常在來(lái)自IEC-896-2循環(huán)測(cè)試的圖表中示出。當(dāng)?shù)湫偷你U電池完全放電時(shí)，對(duì)應(yīng)的壽命為大約300次循環(huán)。為了實(shí)現(xiàn)600次循環(huán)，可以使用完整電荷的不超過(guò)60%。例如:為了在每晚充電/放電的情況下達(dá)到5年的操作壽命，需要1825次循環(huán)，這僅在該典型鉛電池被放電不超過(guò)20%的情況下是可實(shí)現(xiàn)的。這意味著為了達(dá)到5年的壽命跨度，要求基于如用在街道照明中的典型Pb電池技術(shù)的5倍過(guò)大尺寸設(shè)計(jì)。事實(shí)上，在典型室外、太陽(yáng)能充電條件下使用Pb電池一般達(dá)不到5年。
[0011]本發(fā)明旨在通過(guò)積極利用在不同時(shí)間處針對(duì)不同電池使用的需要來(lái)實(shí)現(xiàn)用在太陽(yáng)能應(yīng)用中的電池的壽命跨度的增加。用于室外、太陽(yáng)能充電的街道照明應(yīng)用的電池組典型地針對(duì)冬季中的最短白晝來(lái)設(shè)計(jì)尺寸。此外，可以安裝備用容量以在若干天的惡劣天氣期間提供功率。結(jié)果得到的能量存儲(chǔ)要求通常僅利用以串聯(lián)和/或并聯(lián)方式放置在一起的多個(gè)電池(模塊)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明由權(quán)利要求限定。從屬權(quán)利要求限定有利實(shí)施例。
[0013]根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于控制功率供給系統(tǒng)的控制器。
[0014]本發(fā)明因而提供了使得用在太陽(yáng)能系統(tǒng)內(nèi)的電池的電池壽命能夠延長(zhǎng)的控制器。預(yù)期能量需求和供給例如基于季節(jié)和天氣模式在特定時(shí)刻來(lái)確定?；谠撔畔?，導(dǎo)出維持特定能量需求所需要的電池模塊數(shù)目，并且實(shí)施模塊到休息或充電-再充電循環(huán)模式中的輪轉(zhuǎn)。術(shù)語(yǔ)充電-再充電循環(huán)模式限定其中電池正在執(zhí)行充電循環(huán)的模式，充電循環(huán)是為可再充電電池充電并且根據(jù)需要將其放電到負(fù)載中的過(guò)程。通過(guò)在不需要電池時(shí)減少電池充電循環(huán)，減少降級(jí)并且延長(zhǎng)電池系統(tǒng)的壽命。
[0015]因此，電池組容量由多個(gè)模塊構(gòu)成。在某些時(shí)間(例如季節(jié)和天氣模式)，并不需要所有模塊來(lái)維持能量需求。然后可以通過(guò)在該時(shí)間使用較少電池模塊來(lái)縮減再充電循環(huán)。循環(huán)交錯(cuò)將模塊輪轉(zhuǎn)到休息或再充電循環(huán)中。
[0016]以此方式，所使用的模塊可以保持在“理想”充電狀態(tài)(“SoC”)。
[0017]基于供給與需求之間的經(jīng)預(yù)測(cè)的預(yù)期能量平衡來(lái)控制電池模塊，其目的是防止不必要的充電/放電循環(huán)。系統(tǒng)可以智能地將模塊輪轉(zhuǎn)到充電、放電或空閑模式中以促進(jìn)相等老化。
[0018]控制器可以適于基于至少全年的時(shí)間段內(nèi)的能量供給和需求數(shù)據(jù)來(lái)操作。這意味著可以考慮到季節(jié)天氣以及每日日曬時(shí)間。
[0019]用于向負(fù)載和要再充電的模塊供給電功率的模塊可以選擇成使得隨時(shí)間所有模塊經(jīng)受相同數(shù)目的充電和放電循環(huán)。這意味著使不同模塊的壽命相同，使得總體電池壽命可以盡可能多地拉長(zhǎng)。
[0020]用于向負(fù)載供給電功率的模塊(及其數(shù)目)可以使得在它們被再充電之前使用所選模塊的容量的預(yù)定部分。這使實(shí)現(xiàn)了使用電池模塊的電荷存儲(chǔ)容量的高效方式。
[0021 ] 可以使用其它方案，并且可以針對(duì)所使用的電池技術(shù)的特定類(lèi)型定制電池再充電操作。
[0022]用于供給負(fù)載的模塊數(shù)目可以每次在多日的時(shí)段內(nèi)固定，例如至少兩周或甚至按月。
[0023]本發(fā)明還提供了一種太陽(yáng)能供電的系統(tǒng)，包括:
-太陽(yáng)能電池單元；
-模塊化電池，其包括可配置成使得模塊的期望的組合可以用于向負(fù)載提供電功率的電池模塊集合的；以及
-本發(fā)明的控制器，其用于控制電池模塊配置和電池模塊的再充電。該再充電可以使用太陽(yáng)能電池單元輸出。
[0024]模塊化電池可以例如包括鋰離子電池。
[0025]基于峰值負(fù)載需求(如已知的，例如冬季中的最短白晝)來(lái)設(shè)計(jì)電池的尺寸，但是當(dāng)負(fù)載需求在峰值以下時(shí)可以使用模塊的子集。所使用的模塊優(yōu)選地連接成使得提供相同電壓而不管所使用的模塊數(shù)目如何。它們可以全部并聯(lián)，或者一個(gè)分支可以包括串聯(lián)模塊集合，并且然后分支數(shù)目受控制(再次使得模塊的配置不改變電壓)。
[0026]負(fù)載可以包括照明單元，并且系統(tǒng)于是可以是離網(wǎng)照明系統(tǒng)。
[0027]本發(fā)明還提供了一種使用具有太陽(yáng)能電池單元和包括多個(gè)模塊的電池的系統(tǒng)來(lái)向負(fù)載提供功率供給的方法。
[0028]本發(fā)明還提供了一種包括代碼構(gòu)件的計(jì)算機(jī)程序，所述代碼構(gòu)件適于當(dāng)在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時(shí)執(zhí)行本發(fā)明的方法。
【附圖說(shuō)明】
[0029]現(xiàn)在將參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的示例，其中:
圖1示出依照本發(fā)明的系統(tǒng)的示例；
圖2示出用在系統(tǒng)內(nèi)的功率供給圖；
圖3示出所要求的功率供給在一年過(guò)程期間如何變化；
圖4示出在系統(tǒng)內(nèi)使用的功率需求圖；
圖5示出如何基于能量平衡圖控制系統(tǒng)中的電池模塊；
圖6以流程圖的形式示出本發(fā)明的總體系統(tǒng)；
圖7示出在用于一些不同電氣負(fù)載的常規(guī)系統(tǒng)中電池使用如何隨時(shí)間變化；
圖8示出依照本發(fā)明控制的系統(tǒng)中的電池使用如何隨時(shí)間變化；
圖9示出可能的電池模塊控制信息的示例；
圖10示出本發(fā)明的控制如何使得放電-再充電循環(huán)的數(shù)目能夠減少；
圖11示出基于所準(zhǔn)許的循環(huán)數(shù)目的隨之而來(lái)的系統(tǒng)壽命的延長(zhǎng)；
圖12示出基于電池模塊的數(shù)目的隨之而來(lái)的系統(tǒng)壽命的延長(zhǎng)；以及圖13示出本發(fā)