CN101340104A

CN101340104A - 用于给自激系统的存储元件充电的方法

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Publication number: CN101340104A
Application number: CNA2008101287751A
Authority: CN
Inventors: 安托万·拉布鲁尼; 皮埃尔·佩里乔恩
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA; US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 2007-05-11
Filing date: 2008-05-09
Publication date: 2009-01-07
Anticipated expiration: 2028-05-09
Also published as: US20080278118A1; FR2916098B1; JP5184202B2; FR2916098A1; ES2569526T3; EP1990891B1; CN101340104B; JP2008283854A; EP1990891A1; US7944179B2

Abstract

一种用于从发电机(2)给包括电子元件的自激系统的功率存储元件(1)充电的方法，该充电方法包括根据温度将提供给存储元件(1)的功率限定为充电调整点功率(P_L)。确定给存储元件(1)充电所需的能量(E)，并且估计能源可被利用的时期。依靠这两条信息，计算理论平均功率(P_M)。估计温度和最大可利用功率(P_MAX)的进展。从最大可利用功率(P_MAX)计算能够由发电机传递的最大能量(E_MAX)。通过比较所需功率(E)和最大能量(E_MAX)，并通过比较平均功率(P_M)和最大可利用功率(P_MAX)，定义充电调整点功率(P_L)的值。

Description

用于给自激系统的存储元件充电的方法

技术领域

本发明涉及一种从发电机给包括电子元件的自激系统的功率存储元件充电的方法，包括根据温度将提供给存储元件的功率限定为充电调整点功率。

背景技术

自激系统必须既提供高的服务质量(持久的功率供应)，又提供高可靠性。在长期缺乏资源的情况下，服务质量要求一旦功率是可获得的，就将电池充电到最大程度，以确保最大的独立性。

而对于可靠性来说，当周围环境温度高时，最好限制充电功率以使得能够限制元件的内部温度。事实上有源或无源元件确实代表主要的故障来源而且元件的寿命依赖于它们的温度。温度越高，(有源或无源)元件的寿命越短。元件的温度取决于自激系统周围环境的温度，且取决于耗散一部分充电功率而产生的温度升高。还优选限制大的温度变化。这些变化主要起源于大电流峰值或变化，但也起源于循环的热变化和热冲击。此外，限制充电和放电电流能够避免附加的热影响。

目前大多数自激系统使用降低额定值。该技术在于根据温度限制最大允许功率，从阈值温度θs，如图1中说明的。在描述的实例中，最大输入功率Pe是恒定的，直到阈值温度θs，然后当温度超过这个阈值温度时，线性降低。在一个白天内由发电机提供的功率(虚线的曲线D)、可利用功率(实线的曲线B)，以及电池中积累的能量(E，阴影线)的通常进展在图2中图示说明。以这种方式，限制高温时的功率，防止系统元件的直接毁坏，并确保最小服务。

然而，由降低额定值提供的热保护是有限的。首先，降低额定值集中在最大温度，然而低于这个阈值温度，元件的可靠性波动很大。可靠性由故障之间的平均时间(MTBF)图示表示，并且可靠性取决于温度。例如功率晶体管的结点温度升高18℃会使MTBF减半。其次，降低额定值没有限制热冲击和循环热变化。这两点对可靠性有很大影响。例如，结点温度波动每升高15℃就会将MTBF减半。

电流密度对系统可靠性也有显著的影响，在已有技术中，没有限制电流，只要它没有导致大的温度升高。

然而，作为一个整体，降低额定值没有使系统的可靠性提高。实际上，在图2中说明的技术没有抑制存储元件端子处的功率峰值，从而没有限制充电电流峰值。从而这种操作模式不能在稳定且尽可能低的温度下操作。

为了提高系统的可靠性，需要考虑的另一个重要因素是电池的操作温度。

电池，如果它们在恶劣的热条件下使用，则无论它们的技术如何，都会发现它们的寿命缩短。低温操作引起电极/电解质界面的化学和电化学反应的动力学速度减慢。当冷条件时，必须限制充电和放电电流，以使电解质中离子物质的转移及其在电极活性部分的扩散在动力学上减缓。充电和放电电流的减少使得电化学反应正好通过活性材料的中心发生。在相反的情况中，反应主要发生在孔隙的表面，后者被反应副产品阻塞，削减电解质中的离子的进展。由此引起的现象导致元件容量的不可逆损失(例如锂离子电池的活性部位阻塞)，和/或电池寿命缩短(例如镍金属混合电池的电解质消耗)。

在高温下充电到较高状态的操作加速二次或不可逆反应的动力学形成速度，其中二次或不可逆反应主要发生在充电的中间或结束(例如Ni-MH电池的水电解，锂离子电池阳极活性材料的结构改变)。出于这些原因，根据温度频繁地调节充电结束的电压。除此之外，在周围环境温度下不可避免但微弱的化学降解现象在高温下也被放大。

某些目前的充电调节器仅当测量参数落在规范之外时，才将电池从它的电源和/或它的负载断开。而且大量调节器根据温度升高或降低电压调节阈值。从而这些系统能够通过限制操作温度和电压剧变来避免电池的直接损坏。然而，由调节器提供的保护是有限的，因为它只不过是在最高温度时执行断开，可是即使在这个极限以下，电池寿命变化也很大。

发明内容

本发明的目的在于缓和上述缺陷，尤其在于提高存储系统的可靠性，且不降低服务质量。

根据本发明，通过以下事实来获得该目的，该方法包括：

-估计一个时间期间，在该期间内发电机可获得的能源大于预设的阈值，直到一个预设的时刻，

-估计直到所述时刻的温度进展，

-根据温度进展以及取决于温度的系统可靠性的数据表示估计直到所述时刻的最大可利用功率(P_MAX)，

-确定给存储元件(1)充电所需的能量(E)，

-根据所需能量(E)和所述时间期间，计算分布在即将到来的所述时间期间内的理论平均功率(P_M)，从而传递到存储元件(1)，以给后者完全充电，

-从最大可利用功率(P_MAX)估计在即将到来的时间期间能够由发电机传递的最大能量(E_MAX)，

-根据所需能量(E)和最大能量(E_MAX)之间的比较，以及平均功率(P_M)和最大充电功率(P_MAX)之间的比较，确定充电调整点功率。

附图说明

从下面本发明的特定实施例的描述，其它优势和特征将变得更明显，其中本发明的特定实施例是仅作为非限制性实例给出的，并被表示在附图中，其中：

图1和2图示了根据已有技术的降低额定值方法，在一个正常的白天内，最大输入功率相对于温度的变化(图1)，以及在一个白天内由发电机提供的功率(虚线的曲线D)、最大可利用功率(实线的曲线B)，以及积累在电池中的能量(E，阴影线)的相应进展；

图3图示地表示出一个自激系统，其中实现根据本发明的方法；

图4表示出对于可靠性规范的不同值，温度(θ)和充电功率(P)之间的关系，其中可靠性规范由故障之间的平均时间构成；

图5图示地表示出自激系统的不同功率表示的进展，其中在一个白天内利用本发明的充电方法为功率存储元件充电。

具体实施方式

如图3中举例说明的，自激系统包括至少一个作为功率存储元件的电池1，功率发电机2和连接在发电机2和电池1之间的功率调节器3。分别测量发电机2的输出端和电池1的端子的电压和电流的测量电路4和5被连接到控制单元6，也被连接到功率调节器3。温度测量电路7和模块8也被连接到控制单元6，其中模块8用于估计发电机2可利用的能源。负载单元9通常由电池1供电。

温度测量电路7包括至少一个周围温度测量传感器，和优选测量电子元件温度的传感器以及测量电池1温度的传感器。然而，在另一实施例中，可以根据周围温度和/或另一温度传感器用表格来估计电子元件和/或电池1的温度，这更有代表性并更易于实施。

功率发电机2例如是光电板或微型液压设备。

功率调节器3优选包括一个BUCK变换器。有利地，调节器3还包括最大功率点跟踪(MPPT)设备和电池充电器。这样，控制单元6被设计成依靠功率调节器3调节电池1的充电，并管理由发电机2供应的功率和电池1的充电之间的匹配。

控制单元6能够从由测量电路4提供的电压和电流的测量值确定发电机2输出端的功率。以已知的方式，控制电路6能够根据电池1的温度、电池1的端子处的电压(由测量电路5提供)和由该电池传递的电流确定电池1的充电状态，例如依靠表格。充电状态的这种估计优先被控制电路6利用，以依靠已知类型的充电算法确定电池1的功率需求。根据使用的方法，可以在电池1充电前或者周期地进行充电状态的估计。在仅在充电前进行充电状态估计的情况中，当存在备用模式时，控制电路6将连续地计算提供给电池1的功率和由后者传递的功率。

用于估计发电机2可利用的能源的模块8有利地被集成在控制电路6中，其中发电机2可利用的能源是时间的函数，并且模块8包括与能源对发电机2的供电条件相关的存储数据，其中能源对发电机2的供电状态是时间的函数。当发电机2由光电板形成时，它仅在白天提供能量，该数据例如是日光的理论数值、日落时间、到日落的剩余时间，以及纳入考虑之下的白天温度的理论进展。对于这种应用，对即将来临的白天计划操作。

在发电机2是微型液压类型的情况中，该数据例如是液压流速大于预定阈值的时期。

用于估计可利用的能源的模块8还有利地使紧接之前的预定时期内记录的实际条件被存储，例如光电装置过去三天内记录的实际条件。那么该记录的条件实际上包括前些天传递的功率、测量的温度的实际进展，以及日光的有效时期。然后前些天的这些实际条件可以被控制单元6使用，以加权与涉及的早先存储的日期有关的理论数据。

因此依据预定的日照条件，并依据即将来临的白天的温度进展，控制单元6能够在白天的开始，继而在一整天估计，能够由发电机2提供的功率。

以更普通的方式，发电机2以间歇的和半周期的方式供电，在预定数量的紧接之前的周期内的操作条件优选被存储在模块8的存储器中。

控制单元6调节电池1的充电，还考虑了可靠性的数据样本，例如电子元件的可靠性和电池1的可靠性，作为功率和温度的函数。针对电子元件可靠性规范的不同值，尤其是故障之间的平均时间，图4表示了一组说明温度θ对功率P的函数的曲线。控制单元6使用该数据确定最大可利用功率P_MAX，特别依据即将来临的白天的温度进展，并依据遵循的可靠性规范，该功率是保证既不超过用户选择的可靠性规范，又不超过它在即将来临的白天的进展的功率。控制单元6能够有利地考虑不被超过的电流密度。同样地，控制单元能够根据实际温度进展更新最大可利用功率P_MAX和它在即将来临的白天的进展。

下面描述一个独立系统的操作的特定实例，该独立系统由光电板2供电，光电板2的独立性由蓄电池1提供。

当光电板2提供的功率超过最小功率阈值时，控制单元6触发备用退出程序。

依据之前由用户定义的可靠性规范，例如故障之间的平均时间，以及即将来临的白天的温度进展预报，控制单元6为即将来临的白天确定最大可利用功率P_MAX的进展。

控制单元6然后例如从电池1的端子处的电压测量值，从它的温度，并且借助表格，确定电池1的充电电流状态SOC，从而确定电池1实施完全充电所需要的能量E。

然后早先估计的最大可利用功率P_MAX使得控制单元6能够计算最大能量E_MAX，它也是估计的，能够在预测的气候条件下，在日照的整个期间被传递到电池1。

然后控制单元6根据所需的能量E和预定的日光量确定理论平均充电功率P_M。理论平均充电功率P_M对应于应当在预定的理论日照期间由可利用能源估计模块8提供并输入电池1的恒定平均功率。通过计算所需的能量E和理论日照期间的比值获得该理论平均充电功率P_M。从而控制单元6能够在电池1充电过程中，将提供给电池1的功率分布在日照期间内，从而在操作条件使得可利用资源能够安排在足够的时间期间时避免功率峰值。

然后控制单元6比较给电池1充电所需的能量E和最大能量E_MAX，然后定义充电调整点功率P_L的值，其表示在给定时刻能够传递到电池1的端子的最大功率。充电调整点功率PL必须永不大于最大可利用功率P_MAX，以避免超过为了保证所遵循的可靠性规范而施加的极限。

如果所需的能量E低于最大能量E_MAX，那么能够传递到电池1的最大能量应该是足够的。控制单元6然后控制调节器3，以使充电调整点功率P_L由平均功率P_M和最大可利用功率P_MAX之间的较低功率构成。因此调整点功率P_L等于平均功率P_M，只要后者低于最大可利用功率P_MAX。在相反的情况下，调整点功率P_L等于最大可利用功率P_MAX。

如果在即将来临的白天所需的能量E大于最大能量E_MAX，能够传递到电池1的最大能量将小于它的需求量。那么控制单元6以这种方式控制功率调节器3，即无论平均功率P_M的值如何，充电调整点功率P_L都等于最大可利用功率P_MAX，以积累最大量的能量，同时遵循由用户定义的可靠性规范。

当E＜E_MAX且P_M＜P_MAX时，通常等于最大可利用功率P_MAX的调整点功率P_L因此转为平均功率P_M。

由于这种操作原则，在白天的开始，控制单元6将存储元件1的充电功率分布在发电机2的估计操作时间内。以这种方式，自激系统尽可能避免大的电流变化和因此导致的温度变化，同时保证系统电子元件的可靠性。

电池1的充电SOC的状态和留待输入的功率由控制单元6周期地确定，或者直接根据测量值，或者根据白天开始时的测量值和输入到电池1或从电池1输出的功率调节值进行确定。也周期地记录与操作条件相关的数据，例如外部温度。因此，所需的能量E，理论平均功率P_M，还有最大可利用功率P_MAX和最大能量E_MAX在整个白天周期地重新计算和比较。平均功率P_M和最大可利用功率P_MAX的值在整个白天都变化，根据这些数据在白天期间的进展，充电调整点功率P_L可以在平均功率P_M和最大可利用功率P_MAX之间变化。

出于示例的目的，下面将参考图5描述自激系统在白天的操作，其中自激系统包括设计成给蓄电池1充电的光电板2。图5表示相对于时间的不同测量和估计功率。

在白天的开始，在时刻t₀从备用模式退出，控制单元6记住为即将来临的白天预测的日照小时数(例如10小时)。控制单元6还根据为即将来临的白天预测的温度进展和用户选择的可靠性规范，确定最大可利用功率P_MAX的理论进展(曲线A，P_MAX在时刻t₀在20W和14W之间变化)。然后控制单元6根据最大可利用功率的进展计算理论最大能量E_MAX(在考虑的实例中为170Wh)。该能量E_MAX以前些白天记录的温度进展进行加权。然后控制单元6确定输入到电池1给其充电所需的能量E(例如100Wh)。然后它从这两个数据计算理论平均功率P_M(10W)，用于整个预测日照期间内的恒定充电分布。

然后比较所需的能量E和最大能量E_MAX，以定义需要使用的充电调整点功率值P_L。在考虑的实例中，所需的能量E(100Wh)小于最大能量E_MAX(170Wh)，并且在时刻t₀，理论平均功率P_M＝10W小于最大可利用功率P_MAX(20W)。因此充电调整点功率P_L等于平均功率P_M。

在图5中，不同的曲线分别代表：

-曲线A：在白天开始时，理论最大可利用功率的估计值(理论P_MAX)。

-曲线B：最大可利用功率P_MAX的实际进展。

-曲线C：在白天内的平均功率P_M的进展。

-曲线D：能够由发电机传递的最大功率的进展。

-曲线F：在电池端子处的实际充电功率的进展。

在白天开始时，在t₀和t₁之间，辐照度低，由发电机2传递的功率(曲线D)小于由控制单元6计算的在接下来的10个小时内所分布的充电平均功率P_M。那么提供给电池1的实际充电功率(曲线F)就是由发电机2提供的功率(曲线D)。然后控制单元6周期地重新计算平均功率P_M的值，以考虑实际执行的充电。然后平均功率P_M的值增加，以补偿在白天剩余时间内目前的功率缺乏(曲线C)。同样，控制单元6根据实际温度进展永久更新最大可利用功率P_MAX(曲线B)的实际值。

辐照度从时刻t₀增加，并且由发电机2传递的功率(曲线D)也在时刻t₁变得等于充电调整点功率P_L。然后控制单元6通过功率调节器3将提供给电池1的实际充电功率限制到P_L＝P_M(在考虑的实例中是11W)值。然后曲线C和F精确地互相跟随，直到时刻t₂，只要由发电机2传递的功率(曲线D)大于或等于构成充电调制点功率P_L的平均功率P_M。从而，在时刻t₁和t₂之间，控制单元6在第一充电稳定水平期间将充电功率限制为恒定功率。

在t₁和t₂之间在达到峰值之后，辐照度在时刻t₂之后继续下降，直到时刻t₃，由发电机2提供的功率(曲线D)仍然低于调整点功率P_L。光电板2不再能够提供所需的功率。那么实际充电功率等于由发电机2提供的功率，即曲线D和F一样。和时刻t₀和t₁之间一样，实际充电功率(曲线F)低于平均功率P_M(曲线C)，其中平均功率P_M是初始计算用于预定日照时期内的统一充电分布，在时刻t₂和t₃之间平均功率P_M(曲线C)增加，以补偿提供给电池1的功率缺乏。在t₂和t₃之间，不同的功率和能量被重新计算和比较。在考虑的实例中，在实际气候条件下，重新计算的最大能量E_MAX(110Wh)仍然大于所需的能量E(80Wh)，并且在t₂和t₃之间平均功率P_M(曲线C)仍然低于最大充电功率(曲线B)的相应值。那么调整点功率P_L仍然精确地与平均功率P_M相等。

从时刻t₃开始辐照度和温度增加，并且能由发电机2传递的功率(曲线D)变得与调整点功率P_L相等。与t₁和t₂之间一样，所需的能量E小于最大能量E_MAX，并且平均功率(曲线C)小于最大可利用功率(曲线B)，那么在t3和t4之间，实际充电功率精确地与用于使预定日照期间内均匀分布充电的平均功率(曲线C和F是同样的)相同。

从时刻t₄开始，随着温度持续增加，最大可利用功率P_MAX(曲线B)变得小于平均功率P_M(曲线C)。在这些条件下，调整点功率P_L被设定为最大可利用功率P_MAX的值。那么曲线B和F是相同的。控制单元6，计算提供给电池1的功率的不足额，然后增加平均功率P_M的值，以补偿剩余日照期间缺乏的功率(曲线C)。

在涉及的实例中，在t₄和t₅之间，控制单元6重新计算所需的能量E和最大能量E_MAX，比较它们，然后在时刻t_4b判断最大能量已经变得小于所需的能量(E_MAX＜E)。然后控制单元6将调整点功率P_L设置为与最大可利用功率P_MAX相等的值。从而实际充电功率(曲线F)仍然保持在与最大可利用功率P_MAX(曲线B)相等的值。

在时刻t₅，因为温度已经降低，平均功率P_M降低回最大可利用功率P_MAX以下。然后控制单元6将调整点功率P_L设置为与平均功率P_M相等的值。

在白天的结束，在时刻t₆，辐照度降低，光电板2不再能够提供平均功率P_M。从而充电功率(曲线F)等于由发电机2提供的功率(曲线D)。然后控制单元6增加平均功率P_M的值，以补偿在剩余日照期间缺乏的功率(曲线C)。

然而，在上面所述的实施例中，当且仅当所需能量E小于最大能量，并且当平均功率P_M小于最大可利用功率P_MAX时，充电调整点功率P_L等于平均功率P_M，在其它的情况下，充电调整点功率P_L等于最大功率，可以使用该实施例的替代形式增加提供给电池1的功率量。然后使用关于调整点功率P_L的其它标准。当且仅当所需能量E小于最大能量E_MAX，并且当平均功率P_M仍然小于为即将来临的白天估计的最大功率P_MAX的最小值时，充电调整点功率P_L等于平均功率P_M。如果不是这样，所需能量E大于最大能量E_MAX，或者为即将来临的白天估计的最大功率P_MAX的最小值低于平均功率P_M，那么控制单元6控制调节器3，使充电调整点功率P_L等于最大功率P_MAX。

在能够与前述实施例结合的另一可替代实施例中，为了更好确保电池1的充电，当充电调整点功率P_L通常等于平均功率P_M时，控制单元6能够考虑校正因数。在这些条件下，校正因数例如可以是恒定的，或者是留待提供给电池1的功率的函数。该校正因数应该优选确定为使得充电调整点功率P_L包含在平均功率P_M和最大功率P_MAX之间，如果平均功率P_M低于最大功率P_MAX。

如果需要，校正因数也可以被引入最大功率P_MAX(该校正因数最好低于1，以避免直接以该最大功率充电)。

为了更好地保护电池，能够设想另一可替代实施例。控制单元6根据温度确定电池1可接受的最大充电状态SOCM，以使得在会造成损害的温度范围内不再执行电池1的完全充电，如以前那样处理。例如，对即将来临的白天，可接受的最大充电状态SOCM依赖于即将来临的白天的最高环境温度。然后控制单元6确定电池1的目前充电状态SOC，并从而确定将电池1充电为可接受的最大充电状态SOCM所需的能量E。也可以根据实际温度进展连续计算最大充电状态SOCM。

Claims

1.一种用于从发电机(2)给包括电子元件的自激系统的功率存储元件(1)充电的方法，其根据温度将提供给存储元件(1)的功率限制为充电调整点功率(P_L)，该方法的特征在于它包括：

-估计一个时间期间，在该期间内发电机可获得的能源大于预设的阈值，直到预设的时刻，

-估计直到所述时刻的温度进展，

-根据温度级数以及取决于温度的系统可靠性的数据表示，估计直到所述时刻的最大可利用功率(P_MAX)的进展，

-确定给存储元件(1)充电所需的能量(E)，

-根据所需能量(E)和所述时间期间，计算分布在即将到来的所述时间期间内的理论平均功率(P_M)，以传递到存储元件(1)，给后者完全充电，

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，如果所需能量(E)小于或等于最大能量(E_MAX)而且如果平均功率(P_M)小于最大可利用功率(P_MAX)，充电调整点功率(P_L)的值等于平均功率(P_M)，在其它情况中，充电调整点功率(P_L)的值等于最大可利用功率(P_MAX)。

3.根据权利要求1的方法，其特征在于，如果所需能量(E)小于或等于最大能量(E_MAX)而且如果平均功率(P_M)小于为即将到来的期间估计的最大可利用功率(P_MAX)的最小值，则充电调整点功率(P_L)的值等于平均功率(P_M)，在其它情况中，充电调整点功率(P_L)的值等于最大可利用功率(P_MAX)。

4.根据权利要求1的方法，其特征在于，它包括根据温度确定存储元件(1)可接受的最大充电状态(SOCM)，所需能量(E)是将存储元件(1)充电到最大充电状态(SOCM)所需的功率。

5.根据权利要求1的方法，其特征在于，所需能量(E)是将存储元件(1)完全充电所需的功率。

6.根据权利要求1的方法，其特征在于，温度测量包括测量周围环境温度。

7.根据权利要求1的方法，其特征在于，温度测量包括电子元件的温度的测量样本。

8.根据权利要求1的方法，其特征在于，发电机(2)是光电发生器，其中能源可利用的期间代表日照期间。

9.根据权利要求1的方法，其特征在于，发电机(2)是微型液压发生器，所述期间表示其中液压体流速大于预设阈值的时间。

10.根据权利要求1的方法，其特征在于，依靠发电机产生功率是断续的和类似周期的，该自激系统包括在预定数量的周期内记录它的操作条件。

11.根据权利要求10的方法，其特征在于，考虑在预定数量的紧接之前周期内的操作条件来确定最大能量(E_MAX)。

12.根据权利要求10的方法，其特征在于，记录的操作条件包括温度，发电机(2)的有效操作时间和/或所需功率的进展。

13.根据权利要求1的方法，其特征在于，可靠性的数据样本至少包括与电子元件和存储元件(1)的可靠性相关的数据。

14.根据权利要求13的方法，其特征在于，系统可靠性的数据样本由故障之间的平均时间表示。

15.根据权利要求13的方法，其特征在于，对于给定的可靠性规范，系统可靠性的数据样本由多条定义最大可利用功率相对于温度的曲线表示。

16.根据权利要求1的方法，其特征在于，充电调整点功率(P_L)等于平均功率和纠正因数，该调整点功率低于最大功率(P_MAX)。