CN101854069A - 太阳能电池的充电方法和用于锂离子电池系统的装置 - Google Patents

太阳能电池的充电方法和用于锂离子电池系统的装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及太阳能电池的充电方法和用于锂离子电池系统的装置。具体地，提供了示例性实施例，其包括方法和装置，通过使用在充电期间将电池自动并联并且在放电期间将电池串联的电路，以建立自动抵抗过充电和过放电的电池串，从而保存和恢复电池中的可再生太阳(光电)能。其它实施例可包括方法，该方法用于通过改变串联的电池单元的数量来使电池电压与光电的最大功率点电压匹配，从而优化太阳能充电的效率。

Description

太阳能电池的充电方法和用于锂离子电池系统的装置
本申请要求2009年3月16日递交的美国临时申请61/160,460的权益。
技术领域
本发明大体上涉及的领域包括太阳能电池的充电方法和用于锂离子电池系统的装置。
背景技术
诸如雪佛兰伏特(Chevy Volt)和插电式混合动力车辆(PHEV)的增程型电动车辆(E-REV)允许通过电力为日常交通提供动力，而不在车上燃烧矿物燃料。如果使用可再生电源代替主要由煤和其它矿物燃料的燃烧而产生的电网电力来向它们的电池充电，那么它们能够提供更大的环境效益，包括消减温室气体。一种使用可再生能量的可能有效的方式从光电(PV)模块向电池系统提供直流电。
已知的是，当电池单元串和电池模块组合成电池组并被充电时，锂离子电池单元对过充电、热发生、电池单元损坏、缩短的寿命和安全风险敏感。为了解决该问题，具有智能电路的集中充电控制器可需要被连接到组中所有的上百个或更多的器件(电池单元或模块)，以使所有独立的电池单元中的电荷和电压具有同等的水平。
发明内容
一个实施例包括一种产品，该产品包括多个电池单元或模块，以及被连接到多个电池单元或模块的继电器，该产品被设置为使电池单元或模块以并联形式充电，并且使电池单元或模块以串联形式放电。
从下文提供的详细说明，本发明的其它示例性实施例将变得清楚。应该理解的是，详细说明和具体示例尽管公开了本发明的示例性实施例，但其仅为描述性目的，且并不意图限制本发明的范围。
附图说明
从详细说明和附图，本发明的示例性实施例将变得能被更全面地理解。
图1为简化的太阳能电池充电器，其使用了用于接触器的多刀双掷(MPDT)继电器，以允许以并联形式对电池单元和模块充电而以串联形式放电。这里，电池模块被定义为串联连接的一个或多个电池单元。为了描述目的，图1示出三个电池模块或单元，但实际的数量可以更多。继电器可控制10-16个电池单元的电池模块，以使电池单元的电荷具有同等水平。电池模块还可通过使用温度致动开关和二极管加以保护，以帮助使电池单元具有同等水平并且避免超过电池的正确工作范围。
图2为用于将电池单元从并联连接切换到串联连接的多刀双掷(MPDT)继电器的细节。
图3为太阳能电池充电电路的示意图，其具有温度致动开关，以旁路绕过由于过充电而发热的电池单元。
图4为可替换的太阳能电池充电电路的示意图，其使用齐纳二极管或雪崩二极管，以旁路绕过超过期望的设定点电压的任何电池单元。
图5为电池放电电路的示意图，其具有电压致动开关，以旁路绕过被放电到其期望的最小电压(经常为2.0-2.5伏)的电池单元。
图6为电池放电电路的示意图，其具有电荷致动开关，以旁路绕过被放电到其期望的最小电荷状态SOC(经常为50％)的电池单元。
图7为太阳能电池放电电路的示意图，其具有二极管，以旁路绕过被完全放电的任何电池单元，从而防止一些单个的电池单元中的极性反转(“翻转”)。
图8为通过改变串联导线连接的锂离子电池单元的数量，使PV系统的MPP与电池模块的充电电压匹配，从而优化太阳能电池的充电。
具体实施方式
下面对一个或多个实施例的说明实质上仅为示例性(描述性)的，而绝不旨在限制本发明、其应用或使用。
实施例包括用于维持电池模块中的所有电池单元的电压水平和电荷水平的方法和装置。
电池模块包括至少一个电池单元，例如锂离子(Li Ion)电池单元。用于电池模块的所有单个的电池单元为同样的类型，且在使用之前被单独地充电到大致相同的电压和SOC。在充电期间和充电后的保存期间，所有的电池单元被并联地电连接，使得它们的电池单元电压和电池单元SOC都相等。电池单元随后通过继电器(例如MPDT继电器，即电磁开关)被连接，使得当模块被连接到负载时，它们能够从并联配置切换到串联配置以形成电池模块(例如：具有15个并联的锂离子电池单元和3.3伏直流电势的模块被切换，以形成具有15个串联的锂离子电池单元和50伏电势的电池模块)。图中示出了三个电池单元或模块，但本发明旨在覆盖任何数量的电池单元或模块。参见图1和图2。
另一实施例包括用于维持整个电池组中的所有电池单元和模块的电压水平和电荷水平的方法和装置。
电池模块包括至少一个电池单元，例如锂离子(Li Ion)电池单元。用于电池模块的所有单个的电池单元为同样的类型，且在使用之前被单独地充电到大致相同的电压和SOC。在充电期间和充电后的保存期间，所有的电池单元被并联地电连接，使得它们的电池单元电压和电池单元SOC都保持相等。模块随后通过继电器(例如MPDT继电器，即电磁开关)被连接，使得当模块被连接到诸如电动车辆动力系等负载时，它们能够从并联配置切换到串联配置，以形成电池组(例如：由每个都具有15个串联的锂离子电池单元和50伏直流电势的7个并联的模块形成的组进行切换，以形成具有7个串联的模块和350伏电势的电池组)。图中示出三个电池单元或模块，但本发明旨在覆盖任何数量的电池单元或模块。参见图1和图2。
另一实施例包括一种方法，该方法用于防止电池模块和电池组中的电池单元过充电，即超过最大期望或允许的充电电压。防止串联串中的任何电池单元由于以电池单元的较高初始电荷状态(SOC)或电池单元的较低初始容量开始的缘故从而被过充电。
锂离子电池单元的串联串(即，模块)中的每个电池单元都配有温度致动开关，该温度致动开关被连接到电池单元的外壳上的传感器。只要电池单元的温度由于过充电形成的热而升高到设定温度以上，例如最大的允许电池单元温度(85℃)以上，则开关通过将电池单元与串联串断开并且电联接两个相邻的电池单元从而旁路绕过该电池单元。参见图3。
另一实施例包括一种方法，该方法用于防止电池模块和电池组中的电池单元过充电，即超过最大的期望或允许充电电压。可替换的方法防止串联串中的任何电池单元由于以电池单元的较高初始电荷状态(SOC)或电池单元的较低初始容量开始的缘故从而被过充电。
锂离子电池单元的串联串(即，模块)中的每个电池单元都配有齐纳(Zener)二极管或雪崩二极管，该齐纳二极管或雪崩二极管被连接到电池单元的两极，其中二极管的低电压极性与电池单元的极性相反。齐纳二极管或雪崩二极管被设计为在特定反转电压Vb处击穿，而特定反转电压Vb被设计为在期望的设定点电压和完全充电的电池单元的最大允许电压之间。该Vb可以为最大推荐的充电电压，有时为3.8伏。只要该电池单元电压升高到期望设定点电压以上，到达Vb，则二极管通过将两个相邻的电池单元电联接，并且允许电流沿反转方向流过齐纳二极管或雪崩二极管而旁路绕过该电池单元。该电流随后将继续向串联串中的还没有达到设定点电压的所有其它电池单元充电。参见图4。
另一实施例包括一种方法，该方法防止电池单元、电池模块和电池组的过放电，即，防止到达最小的期望或允许电压和最小的允许电荷以下。
锂离子电池单元的串联串(即，模块)中的将要放电的每个电池单元都配有被连接到电池单元的两极的二极管或电压激活开关。只要跨电池单元的电压降下降到设定电压(例如，推荐电池单元截止电压(2.0伏))以下，则开关通过将电池单元与串联串断开并且将两个相邻的电池单元电联接从而旁路绕过电池单元。参见图5。
另一实施例包括一种方法，该方法防止电池单元、电池模块和电池组的过放电，即，防止到达最小的期望电荷状态以下。
锂离子电池单元的串联串(即，模块)中的将要放电的每个电池单元都配有被连接到电池单元的两极的电荷致动开关。通过测量在电池单元的放电期间的电流和时间来估计电荷状态的减小。当设定放电已经发生时，即等于完全充电的预定百分比(通常设定在1.15Ah，即50％SOC)时，则开关通过将电池单元与串联串断开并且将两个相邻的电池单元电联接从而旁路绕过该电池单元。参见图6。
另一实施例包括一种方法，该方法防止极性反转，即，防止串联串中的任何电池单元由于电池单元的过放电而“翻转”。
串联串中单个的电池单元能够具有较低初始电荷状态(SOC)或较低初始容量，导致其在串联串的放电过程中被完全放电。来自其它电池单元的经过该放电电池单元的电流则能够反转其极性(“翻转”)，引发电池单元中的化学反应和损坏。为了防止上述问题，锂离子电池单元的串联串(即，模块)中的每个电池单元都配有被连接到电池单元的两极的旁路二极管(例如，肖特基(Schottky)二极管或硅二极管)。只要跨任何电池单元的正确(正)偏置电压降在该串联串的放电过程中可下降到零，则旁路二极管将自动传输来自其它电池单元的电流绕过受影响的电池单元(旁路)，从而防止电流会以错误的方向在其中流动的受影响电池单元的极性反转。开关通过将电池单元与串联串断开并且将两个相邻的电池单元电联接从而旁路绕过该电池单元。参见图7。
另一实施例包括一种方法，该方法优化太阳能电池充电器的效率，该太阳能电池充电器包括被电连接到锂离子(Li-lon)电池系统的光电(PV)系统，其通过确定PV太阳能电池单元的最大功率点(MPP)电压和锂离子电池单元的优化充电电压，并且将特定数量的串联的太阳能电池单元与串联的锂离子电池单元连接，从而使其处于工作条件下，使PV系统的总的MPP电压匹配或稍小于锂离子电池模块总的优化充电电压。我们已经测试了PV系统，该系统包括在通常工作条件(52℃)下具有接近50伏电压的特定MPP电压的Sanyo HIP190BA3光电模块，该光电模块与不同数量的A123磷酸铁类型的锂离子电池单元串联连接。串联串包括12、13、14、15和16个电池单元。太阳能-电池充电转换的最高效率发生于具有15个电池单元时，PV系统的VMPP和电池模块的充电电压的电压比等于1.0。通过使PV系统的VMPP匹配电池模块的充电电压，效率被优化为16-17％(有时称为“甜蜜点”)。参见图8。
上面对本发明实施例的说明实质上仅为示例性的，因此，其变型并不被认为是脱离本发明的精神和范围。

Claims (7)

1.一种产品，其包括多个电池单元或模块以及被连接到所述多个电池单元或模块的多个继电器，所述继电器被构造和设置为使所述电池单元或模块以并联形式充电，并且使所述电池单元或模块以串联形式放电。
2.如权利要求1所述的产品，其特征在于，进一步包括温度致动开关，所述温度致动开关被连接到所述电池模块或单元的至少一个的外表面上的传感器，并且所述开关被构造和设置为在所述电池单元的温度超过预定值时，通过将所述电池单元与相邻的电池单元断开从而旁路绕过所述电池单元。
3.如权利要求1所述的产品，其特征在于，进一步包括齐纳二极管或雪崩二极管，所述齐纳二极管或雪崩二极管被连接到所述电池模块或单元中的一个的两极，其中所述二极管的低电压极性与所述电池单元的极性相反。
4.如权利要求1所述的产品，其特征在于，进一步包括二极管或电压激活开关，所述二极管或电压激活开关被连接到所述电池单元中的一个的两极，且被构造和设置为只要跨所述电池单元的电压降下降到设定电压以下，则所述二极管或开关通过将所述电池单元与相邻的电池单元断开从而旁路绕过所述电池单元。
5.如权利要求1所述的产品，其特征在于，进一步包括电荷致动开关，所述电荷致动开关被连接到所述电池模块或单元中的至少一个的电极，且被构造和设置为当设定放电已经发生为等于所述电池模块或单元的完全充电的预定百分比时，通过将所述电池模块或单元与相邻的电池模块或单元断开从而旁路绕过所述电池模块或单元。
6.如权利要求1所述的产品，其特征在于，进一步包括旁路二极管，所述旁路二极管被连接到所述电池模块或单元中的至少一个的电极，且被构造和设置为使得只要跨任何电池单元的偏置电压降在所述多个电池模块或单元的放电过程中可下降到零，则所述旁路二极管将自动传输来自其它电池单元的电流绕过受影响的电池单元，从而防止电流在其中会以错误的方向流动的所述受影响的电池单元的极性反转。
7.如权利要求1所述的产品，其特征在于，光电系统被电连接到锂离子电池系统，用于确定光电太阳能电池单元的最大功率点电压和锂离子电池单元的优化充电电压，并且用于将特定数量的串联太阳能电池单元与串联的锂离子电池单元连接，使得在工作条件下，所述光电系统的最大功率点电压匹配或稍小于锂离子电池模块的总的优化充电电压。
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