CN102088198A - 能量存储系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能量存储系统。所述能量存储系统包括：第一电池；双向转换器，连接到第一电池，其中，双向转换器被构造为将来自第一电池的功率转换为第一DC功率；集成控制器，连接到双向转换器，其中，集成控制器被构造为选择第一电池的放电模式和充电模式以控制第一电池的放电和充电；DC负载，连接到双向转换器，其中，DC负载包括第二电池，其中，当第一电池处于放电模式时，DC负载通过双向转换器从第一电池接收功率，当第一电池处于充电模式时，双向转换器将第二电池的功率转换为第二DC功率，第二DC功率被提供给第一电池。所述系统可将DC功率从电池提供到DC负载或从DC负载提供到电池而不将AC功率逆变为DC功率。

Description

能量存储系统
技术领域
本技术的领域涉及一种能量存储系统。
背景技术
能量存储系统可将功率提供给交流(AC)负载。能量存储系统连接到太阳能电池和电网并将剩余的功率存储在二次电池中。当太阳能电池和电网出故障时，能量存储系统可例如将存储在二次电池中的功率提供给AC负载。
直流(DC)负载可连接到AC负载并通过AC负载从能量存储系统接收功率。然而，由于AC功率被提供到AC负载，所以为将能量存储系统的功率供应到DC负载，AC功率应逆变为DC功率。这样的逆变使用在AC负载和DC负载之间的单独的适配器，并降低提供到DC负载的功率的效率。
发明内容
一个方面为一种能量存储系统。所述系统包括第一电池；双向转换器，连接到第一电池，其中，双向转换器被构造为将来自第一电池的功率转换为DC功率。所述系统还包括集成控制器，集成控制器连接到双向转换器，其中，集成控制器被构造为选择第一电池的放电模式和充电模式以控制第一电池的放电和充电。所述系统还包括DC负载，DC负载连接到双向转换器，其中，DC负载包括第二电池。当第一电池处于放电模式时，DC负载通过双向转换器从第一电池接收功率，当第一电池处于充电模式时，双向转换器将第二电池的功率转换为DC功率，转换的DC功率被提供给第一电池。
附图说明
通过下面参照附图对示例性实施例进行的讨论，对本领域普通技术人员来讲，上述和其他特征和优点将会变得更加清楚，其中：
图1示出了根据实施例的能量存储系统的框图；
图2示出了图1中的第一电池、双向转换器(converter)和DC负载的电路图；
图3示出了对连接到DC负载的第一电池进行放电和充电操作的流程图；
图4示出了第一电池的放电操作的电路图；
图5示出了第一电池的充电操作的电路图。
具体实施方式
现在，将在下文中参照附图来更全面地描述示例实施例；然而，各种发明方面可以以许多不同的形式来实施，且不应该解释为局限于在这里所提出的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完全的。
在本公开中，应该理解的是，当一个部件(或元件、装置等)被称作“连接”到另一部件(或元件、装置等)时，前述部件可直接连接到后述部件，或者经中间部件(或元件、装置等)“电连接”到后述部件。此外，应该理解的是，当描述一个部件包含(或包括或具有)一些元件时，它可只包含(或包括或具有)那些元件，或者它还可以包含(或包括或具有)除了那些元件之外的其它元件。
以下，将参照附图详细描述实施例。
图1示出了根据实施例的能量存储系统的框图。图2示出了图1中的第一电池、双向转换器和DC负载的电路图。
参照图1和图2，根据实施例的能量存储系统100可包括可再生能量单元10、最大功率点跟踪器15、DC链(link)20、双向逆变器(inverter)30、AC负载40、电网50、电网连接器55、第一电池60、第一电池管理系统(BMS)65、双向转换器70、集成控制器80和DC负载90。
可再生能量单元10可包括例如太阳能电池、风电厂、潮汐电厂或地热电厂。可再生能量单元10产生能量，所述能量从自然产生，例如从太阳热、太阳光、风、潮汐能或地热，并被转换成电能以提供可再生能量。下面将以太阳能电池构造的可再生能量单元10作为示例来描述。
最大功率点跟踪器15连接到可再生能量单元10，并跟踪可再生能量单元10的最大功率点以提取最大功率。最大功率点跟踪器15将提取的最大功率转换为DC功率。为此，最大功率点跟踪器15可包括最大功率点跟踪控制器和升压(boost)DC/DC转换器。随着可再生能量单元10的功率根据太阳辐射和温度的改变而变化，最大功率点跟踪控制器执行跟踪可再生能量单元10的最大功率点的过程。升压DC/AC转换器将可再生能量单元10的最大功率转换成DC功率。
DC链20连接到最大功率点跟踪器15，并存储从最大功率点跟踪器15提供的功率。为此，可用电容器来实施DC链20。
双向逆变器30连接到DC链20，并将存储在DC链20中的DC功率逆变为AC功率。
AC负载40连接到双向逆变器30，并可从双向逆变器30接收功率。AC负载40可以是例如使用AC功率的家用或工业设备。
电网50提供网电并且为是可以跨越广阔区域的电连接系统，并可以包括电厂、变电站和电传输线。这里，电网可以是AC电源。电网50连接到双向逆变器30和AC负载40。电网50可通过双向逆变器30从可再生能量单元10接收功率或将功率从电网提供给AC负载40。
电网连接器55连接到双向逆变器30、AC负载40和电网50，并控制电网50的连接和断开。例如，当发生诸如电故障的问题时，电网连接器55将电网50从双向逆变器30和AC负载40断开，从而使管理者在没有AC负载的情况下解决电网50的故障。当解决了电网50的故障时，电网连接器55再将电网50连接到双向逆变器30和AC负载40。
第一电池60连接到可再生能量单元10和电网50，并提供第一电池功率。这里，第一电池功率可以是DC功率。第一电池60可以是能够充电/放电的二次电池，并可由多个小容量电池单元或一个大容量电池单元构造以存储和提供大规模功率。
第一电池管理系统(BMS)65连接到第一电池60的两个端子“+”和“-”，并保持和管理第一电池60的状态。具体地讲，第一BMS可监视第一电池60的电压、电流和温度以保证第一电池60的稳定，并可以为第一电池60的最佳状态而检查充电状态(SOC)、健康状态(SOH)、电池单元平衡和冷却状态，从而控制第一电池60的充电/放电。
双向转换器70连接在可再生能量单元10、电网50和第一电池60之间。具体地讲，在本实施例中，双向转换器70连接在最大功率点跟踪器15、DC链20和第一BMS 65之间。双向转换器70可将来自DC链20或来自电网的已经被双向逆变器30逆变为DC功率的功率进行转换，以向第一电池60供电。此外，双向转换器70可为DC链20将第一电池60的功率转换为DC功率。为此，如图2所示，双向转换器70可包括线圈71、第一开关72和第二开关73。以下，将参照图2描述双向转换器70的构造。这里，DC链20和双向转换器70之间的连接与第一电池60和双向转换器70之间的连接类似。
线圈71连接在第一电池60的第一端子“+”和双向转换器70的第一外部端子70a之间。
第一开关72包括连接到线圈71的第一端子、连接到双向转换器70的第一外部端子70a的第二端子。第一开关72可包括寄生二极管72a，寄生二极管72a具有连接到第一开关72的第一端子的阳极的和连接到第一开关72的第二端子的阴极。在图2中，第一开关72示出为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，但可以用其它开关器件来实施。第一开关72的第一端子可以是源极端子，第一开关72的第二端子可以是漏极端子。
第二开关73包括连接到第一电池60的第二端子“-”和双向转换器70的第二端子70b的第一端子及连接到第一开关72的线圈71的第二端子。第二开关73可包括寄生二极管73a，寄生二极管73a具有连接到第二开关73的第一端子的阳极的和连接到第二开关73的第二端子的阴极。在图2中，第二开关73示出为MOSFET，但可以用其它开关器件来实施。第二开关73的第一端子可以是源极端子，第二开关73的第二端子可以是漏极端子。
具有上述构造的双向转换器70可根据第一开关72和第二开关73的导通/截止操作来转换第一电池60的功率。具体地讲，双向转换器70可控制第一开关72和第二开关73的占空比以升高或降低第一电池60的功率。因而，双向转换器70可将第一电池60的功率转换为期望的DC功率。因此，双向转换器70可提供适于DC负载90的DC功率。在第一电池60的放电模式中当第一开关72和第二开关73的占空比等于或大于特定值(如0.5)时，双向转换器70可升高来自第一电池60的功率。此外，在第一电池60的放电模式中，当第一开关72和第二开关73的占空比小于特定值时，双向转换器70可降低来自第一电池60的功率。在一些实施例中，双向转换器70可包括用于连接和断开DC负载90的插头74。
集成控制器80监视并控制最大功率点跟踪器15、双向逆变器30、电网连接器55、第一BMS65和双向转换器70。集成控制器80通过最大功率点跟踪器15和电网连接器55监视可再生能量单元10和电网50的状态，设置第一电池60的放电模式和充电模式，并使第一BMS 65控制第一电池60的放电和充电。
DC负载90可通过双向转换器70的插头74连接到双向转换器70/从双向转换器70断开。即，DC负载90的第一外部端子90a和第二外部端子90b可通过插头74连接到双向转换器70的第一外部端子70a和第二外部端子70b/从双向转换器70的第一外部端子70a和第二外部端子70b断开。DC负载90可包括第二电池92和第二BMS 94。
第二电池92具有连接到DC负载90的第一外部端子90a的第一端子“+”和连接到DC负载90的第二外部端子90b的第二端子“-”。这里，第二电池功率可以是DC功率，并可来自第二电池92。可通过驱动安装在DC负载90内部的单独的电源装置(例如发电机)来产生第二电源功率。第二电池92可以是类似于第一电池60的能够充电/放电的二次电池，并可由多个小容量电池单元或一个大容量电池单元构造以存储和提供大规模功率。
第二BMS 94连接到第二电池92的两个端子“+”和“-”，并保持和管理第二电池92的状态。具体地讲，第二BMS 94可监视第二电池92的电压、电流和温度以保证第二电池92的稳定，并可以为第二电池92的最佳状态而检查充电状态(SOC)、健康状态(SOH)、电池单元平衡和冷却状态，从而控制第二电池92的充电/放电。
当具有上述构造的DC负载90连接到双向转换器70时，在第一电池60的放电模式中，DC负载90可从第一电池60接收作为没有逆变的DC功率的功率。此外，在第一电池的充电模式中，DC负载90可将作为DC功率的功率提供给第二电池92。在第一电池60的充电模式中，第二电池92的功率可通过双向转换器70控制第一开关72和第二开关73的占空比而升高或降低。即，当在第一电池60的放电模式中第一开关72和第二开关73的占空比等于或大于特定值(如0.5)时，双向转换器70可升高来自第二电池的功率，当在第一电池60的充电模式中第一开关72和第二开关73的占空比小于特定值时，双向转换器70可降低来自第二电池的功率。这里，DC负载90可以是移动电子设备、笔记本电脑、飞机或混合动力汽车。以下，将详细描述当DC负载90连接到双向转换器70时第一电池60的放电和充电操作。
图3示出了对连接到DC负载的第一电池进行放电和充电操作的流程图。图4示出了第一电池的放电操作的电路图。图5示出了第一电池的充电操作的电路图。
参照图3至图5，在连接DC负载的操作S1中，DC负载90通过双向转换器70的插头74(见图1)连接到双向转换器70。
在检查第一电池的放电模式的操作S2中，集成控制器80检查DC负载90中的第二电池92。当第二电池92没有完全充电时，集成控制器80设置第一电池60的放电模式。集成控制器80与第二BMS 94通信以检查第二电池92。为此，集成控制器80与第二BMS 94彼此通信。
在操作S3中，第一电池60根据由集成控制器80设置的放电模式执行放电。
如图4所示，在第一电池60的放电模式中，首先第一开关72截止且第二开关73导通。在这点上，来自第一电池60的功率存储在线圈71中。当第一开关72导通而第二开关73截止时，存储在线圈71中的功率被提供给DC负载90。具体地讲，根据第一开关72和第二开关73的占空比来升高或降低第一电池60的功率并将第一电池60的功率提供给DC负载90。因而，第一电池60被放电。
在图4中，尽管示出了将第一电池60放电且将功率提供给第二电池92，但可选择地，可将DC链20放电，从而可通过双向转换器70将可再生能量功率或电网功率提供给第二电池92。因此，当由于可再生能量单元10或电网50中发生故障而没有将足够的功率充电在DC链20中时，将第一电池60放电，从而来自第一电池的功率被提供给第二电池92。另一方面，当没有足够的功率存储在第一电池60中时，DC链20被放电，从而将可再生能量功率或电网功率提供给第二电池92。
在操作S4中，当第一电池60放电完成时，DC负载90通过双向转换器70的插头74从双向转换器70断开。
当在操作S2中没有使用第一电池60的放电模式时(即，当仅使用第二电池92的功率时)，集成控制器80在操作S5中检查第一电池60的功率。当第一电池的功率没有完全充电时，集成控制器80开始第一电池60的充电模式。集成控制器80与第一BMS 65通信以检查第一电池60。为此，集成控制器80和第一BMS 65被构造为彼此通信。
在操作S6中，根据由集成控制器80开始的充电模式将第一电池60充电。
如图5所示，在第一电池60的充电模式中，第一开关72导通，第二开关73截止，第二电池92的功率存储在线圈71中。随后，第一开关72截止而第二开关73导通，存储在线圈71中的功率被提供给第一电池60。因而，通过控制第一开关72和第二开关73的占空比来升高或降低第二电池92输出到第一电池60的功率。当在操作S6中完成第一电池60的充电时或当在操作S5中没有设置第一电池60的充电模式时，执行操作S4。
在图5中，尽管示出了将第二电池92的功率提供给第一电池60，从而第一电池60被充电，但第二电池92可被提供到DC链20，从而DC链20被充电。在这种情况下，提供给DC链20的第二电池的功率可被双向逆变器30逆变为AC功率，从而可将AC功率提供给AC负载40或电网50。
如上所述，通过将DC负载连接到与第一电池60相连接的双向转换器70，能量存储系统100可在不进行逆变的情况下将第一电池的功率转换为适于DC负载90的DC功率以将转换的DC功率提供给DC负载90，或可将第二电池的功率转换为DC功率以将转换的DC功率提供给第一电池60。
因而，根据实施例的能量存储系统100不需要为将AC功率逆变为DC功率的逆变操作而连接单独的适配器。一个结果是提高了所述系统100的效率。
尽管已经描述了特定的示例性实施例，但应该理解的是，本发明不限于公开的实施例，而是相反，意图覆盖各种修改和等同布置。

Claims (20)

1.一种能量存储系统，包括：
第一电池；
双向转换器，连接到第一电池，其中，双向转换器被构造为将来自第一电池的功率转换为第一DC功率；
集成控制器，连接到双向转换器，其中，集成控制器被构造为选择第一电池的放电模式和充电模式以控制第一电池的放电和充电；
DC负载，连接到双向转换器，其中，DC负载包括第二电池，其中，
当第一电池处于放电模式时，DC负载通过双向转换器从第一电池接收功率，
当第一电池处于充电模式时，双向转换器将第二电池的功率转换为第二DC功率，第二DC功率被提供给第一电池。
2.如权利要求1所述的能量存储系统，其中，双向转换器包括用于连接和断开DC负载的插头。
3.如权利要求1所述的能量存储系统，其中，当DC负载从第一电池接收功率时，双向转换器升高或降低第一电池的功率。
4.如权利要求1所述的能量存储系统，其中，当第一电池从双向转换器接收功率时，双向转换器升高或降低第二电池的功率。
5.如权利要求1所述的能量存储系统，其中，双向转换器包括：
线圈，连接在第一电池的第一端子和双向转换器的第一外部端子之间；
第一开关，包括连接到线圈的第一端子和连接到双向转换器的第一外部端子的第二端子；
第二开关，包括连接到第一电池的第二端子和双向转换器的第二外部端子的第一端子及连接到线圈和第一开关的第二端子。
6.如权利要求5所述的能量存储系统，其中，当第一开关和第二开关的占空比等于或大于特定的值且第一电池在放电模式中时，双向转换器升高第一电池的功率；
当第一开关和第二开关的占空比小于该值且第一电池在放电模式中时，双向转换器降低第一电池的功率。
7.如权利要求5所述的能量存储系统，其中，当第一开关和第二开关的占空比等于或大于特定的值且第一电池在充电模式中时，双向转换器升高第二电池的功率；
当第一开关和第二开关的占空比小于该值且在第一电池的充电模式中时，双向转换器降低第一电池的功率。
8.如权利要求5所述的能量存储系统，其中，第一开关还包括寄生二极管，寄生二极管包括连接到第一开关的第一端子的阳极和连接到第一开关的第二端子的阴极。
9.如权利要求8所述的能量存储系统，其中，第二开关还包括寄生二极管，寄生二极管包括连接到第二开关的第一端子的阳极和连接到第二开关的第二端子的阴极。
10.如权利要求9所述的能量存储系统，其中，截止第一开关且导通第二开关以将来自第一电池的功率存储在线圈中，导通第一开关且截止第二开关以将存储在线圈中的功率提供给DC负载。
11.如权利要求9所述的能量存储系统，其中，导通第一开关且截止第二开关以将来自第二电池的功率存储在线圈中，截止第一开关且导通第二开关以将存储在线圈中的功率提供给DC负载。
12.如权利要求1所述的能量存储系统，其中，DC负载为移动电子设备、笔记本电脑、飞机或混合动力汽车。
13.如权利要求1所述的能量存储系统，所述能量存储系统还包括：
可再生能量单元，连接到双向转换器；
双向逆变器，连接到可再生能量单元和双向转换器，其中，双向逆变器被构造为逆变从可再生能量单元接收的功率；
AC负载，连接到双向逆变器，并被构造为接收从可再生能量单元接收的功率；
电网，连接到双向逆变器和AC负载，其中，电网被构造为向AC负载提供功率。
14.如权利要求13所述的能量存储系统，其中，双向逆变器被构造为将来自可再生能量单元、第一电池或第二电池的功率逆变为AC功率以将逆变的AC功率提供给AC负载或电网。
15.如权利要求13所述的能量存储系统，其中，双向逆变器被构造为将来自可再生能量单元或电网的功率逆变为DC功率以将逆变的DC功率提供给双向转换器。
16.如权利要求15所述的能量存储系统，其中，双向转换器被构造为将来自可再生能量单元或电网的功率转换为DC功率以将转换的DC功率提供给第一电池或第二电池。
17.如权利要求13所述的能量存储系统，所述能量存储系统还包括：电网连接器，连接到AC负载、双向逆变器和电网，其中，电网连接器被构造为将电网与AC负载和双向逆变器及将电网从AC负载和双向逆变器断开。
18.如权利要求13所述的能量存储系统，所述能量存储系统还包括：最大功率点跟踪器，连接在可再生能量单元和双向逆变器之间，并被构造为从可再生能量单元提取功率并将提取的功率转换为DC功率。
19.如权利要求13所述的能量存储系统，所述能量存储系统还包括：DC链，连接到最大功率点跟踪器、双向逆变器和双向转换器，其中，DC链被构造为存储来自可再生能量单元的经最大功率点跟踪器提供的功率并存储来自电网的从双向逆变器提供的功率。
20.如权利要求1所述的能量存储系统，所述能量存储系统还包括被构造为管理第一电池的第一电池管理系统。
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