太陽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)明涉及太陽能供電的產(chǎn)品，并且特別地涉及合并用于電荷存儲的電池以及用于生成電流以便為電池再充電的太陽能面板的產(chǎn)品。
【背景技術(shù)】
[0002]本發(fā)明對于具有來自太陽能面板和電池的隨時間變化的需求的產(chǎn)品特別感興趣。一個示例是太陽能供電的照明，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存儲能量以在夜晚使用。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年的相對短壽命。這主要由在太陽能應用中的使用所造成。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5年的壽命跨度。然而，太陽能應用不總是產(chǎn)生足夠的電流以用于完整的再充電，特別是在當Pb電池運行在部分充電條件中(所謂的部分“充電狀態(tài)”)時的冬季。結(jié)果是Pb電池具有典型地為2至3年的較短壽命跨度，這可能不被認為是足夠的。
[0004]理論上，鋰電池技術(shù)確實具有長得多的壽命，在最優(yōu)條件下聲稱有10年的壽命。然而，同樣對于Li離子電池，室外太陽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，電池每晚進行循環(huán)(即充電和放電)。
[0005]在太陽能供電的能量應用中，季節(jié)效應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)太陽能供電的(街道)照明技術(shù)作為示例來討論涉及室外太陽能應用的特定問題，并且這將被稱為“0SL”。
[0007]并網(wǎng)室外照明的當前技術(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。還存在高維護成本。例如當樹根穿透線纜時可能需要線纜維修。
[0008]如以上描述的并網(wǎng)室外照明系統(tǒng)的一些問題通過太陽能供電的、電池驅(qū)動的系統(tǒng)來解決，但是當前技術(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。緩解辦法是將電池的尺寸設(shè)計得過大以用于預期壽命末端容量，但是這花費附加的金錢。更好的方式是避免電池可能在利用(較)高電流進行充電時變得太熱。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，具有較長壽命的電池技術(shù)將降低這些成本。為了在所設(shè)計的壽命內(nèi)達到性能要求，電池必須減載運行(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)直接涉及電池的預期壽命。電池壽命與放電深度的關(guān)系通常在來自IEC-896-2循環(huán)測試的圖表中示出。當?shù)湫偷你U電池完全放電時，對應的壽命為大約300次循環(huán)。為了實現(xiàn)600次循環(huán)，可以使用完整電荷的不超過60%。例如:為了在每晚充電/放電的情況下達到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20%的情況下是可實現(xiàn)的。這意味著為了達到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倍過大尺寸設(shè)計。事實上，在典型室外、太陽能充電條件下使用Pb電池一般達不到5年。
[0011]本發(fā)明旨在通過積極利用在不同時間處針對不同電池使用的需要來實現(xiàn)用在太陽能應用中的電池的壽命跨度的增加。用于室外、太陽能充電的街道照明應用的電池組典型地針對冬季中的最短白晝來設(shè)計尺寸。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電池(模塊)來實現(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能系統(tǒng)內(nèi)的電池的電池壽命能夠延長的控制器。預期能量需求和供給例如基于季節(jié)和天氣模式在特定時刻來確定?；谠撔畔ⅲ瑢С鼍S持特定能量需求所需要的電池模塊數(shù)目，并且實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)需要將其放電到負載中的過程。通過在不需要電池時減少電池充電循環(huán)，減少降級并且延長電池系統(tǒng)的壽命。
[0015]因此，電池組容量由多個模塊構(gòu)成。在某些時間(例如季節(jié)和天氣模式)，并不需要所有模塊來維持能量需求。然后可以通過在該時間使用較少電池模塊來縮減再充電循環(huán)。循環(huán)交錯將模塊輪轉(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)預測的預期能量平衡來控制電池模塊，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相等老化。
[0018]控制器可以適于基于至少全年的時間段內(nèi)的能量供給和需求數(shù)據(jù)來操作。這意味著可以考慮到季節(jié)天氣以及每日日曬時間。
[0019]用于向負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。
[0020]用于向負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定部分。這使實現(xiàn)了使用電池模塊的電荷存儲容量的高效方式。
[0021 ] 可以使用其它方案，并且可以針對所使用的電池技術(shù)的特定類型定制電池再充電操作。
[0022]用于供給負載的模塊數(shù)目可以每次在多日的時段內(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能供電的系統(tǒng)，包括:
-太陽能電池單元；
-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]基于峰值負載需求(如已知的，例如冬季中的最短白晝)來設(shè)計電池的尺寸，但是當負載需求在峰值以下時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能電池單元和包括多個模塊的電池的系統(tǒng)來向負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)件的計算機程序，所述代碼構(gòu)件適于當在計算機上運行時執(zhí)行本發(fā)明的方法。
【附圖說明】
[0029]現(xiàn)在將參照附圖詳細描述本發(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載的常規(guī)系統(tǒng)中電池使用如何隨時間變化；
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示出基于所準許的循環(huán)數(shù)目的隨之而來的系統(tǒng)壽命的延長；
圖12示出基于電池模塊的數(shù)目的隨之而來的系統(tǒng)壽命的延長；以及圖13示出本發(fā)