CN102113191B - 用于最大化电池充电时间的直流功率控制 - Google Patents

Abstract

提供了管理作为单个组合输出的电池和电源以便为负载供电的系统和方法，允许该系统使用具有减小的最大功率输出的电源，降低系统成本和复杂性。此外，开关矩阵控制器有效地和动态地管理内部功率传送，以便最小化电池的充电/放电循环，同时确保电源和电池满足改变的负载功率要求。最后，最大化电池充电时间，并且具有每个电池的独立控制增加功率效率，延长电池的运行寿命并且增加总体系统寿命。

Description

用于最大化电池充电时间的直流功率控制

技术领域

本公开通常涉及功率控制系统。更具体地，本公开涉及用于在DC(直流)功率系统中控制功率传送以便最大化系统功率输出、最大化电池充电时间和增加系统寿命的系统和方法。

背景技术

传统的DC功率系统包括电源、DC功率控制器和电池。传统的DC功率控制器是公知的。它们典型地使用快速充电方法、电压调节/转换、和/或电池保护，以便延长电池运行寿命和加速充电时间。典型的系统利用电源和电池之间的开关，其中功率控制器脉冲宽度调制(PWM)开关，以便实现从电源到电池的功率传送。在这样的系统中，电池通过电源快速充电，放电以便为负载供电，然后再次快速充电。

尽管传统的DC功率控制系统已经被证明一般适于它们想要的目的，但是它们具有降低它们的总体效率和合意性的固有缺陷。例如，传统的DC功率控制系统没有有效地使用来自电源和电池的功率，导致更高的系统复杂性和成本。此外，电池的频繁充电和放电循环劣化了功率传送效率，并且减少了电池的运行寿命，导致缩短的系统寿命。

发明内容

在此公开了用于在包括电源、开关矩阵控制器和多个电池的开关矩阵DC功率控制系统中提供改进的功率传送的系统和方法。

根据本公开的一个示例，开关矩阵DC功率控制系统在重的负载要求条件下，通过组合来自电源的功率和来自多个电池的功率管理总的输出功率。组合来自电源和电池的功率允许系统使用具有减小的最大功率输出的电源，降低系统成本。在较轻的负载要求条件下，电源可以单独为负载供电，并且来自电源的任何多余功率用于充电电池。仅当负载要求大于电源可以提供的功率时才使用电池功率减小了电池充电/放电循环，因此延长了电池运行寿命。

根据本公开的另一示例，通过独立地控制每个电池的充电和放电，开关矩阵DC功率控制系统最大化充电多个电池的时间量。每个电池默认地处于充电状态。功率控制系统监控负载处的输入电压，以便控制开关矩阵动态地放电来自仅仅需要来驱动负载的那些电池的功率。每个电池的独立充电/放电控制改进了到负载的功率传送的效率，并且还通过最大化电池的充电时间延长电池运行寿命。

当结合附图考虑时，通过参照以下详细描述，将更完整地理解本公开的实施例的这些和其它目的和优点。

附图说明

图1是根据本公开的一个或多个示例性实施例的DC功率控制系统的框图；

图2是根据本公开的一个或多个示例性实施例的、用于多个电池的充电/放电开关矩阵和来自电源的直接功率开关的图；

图3是根据本公开的一个或多个示例性实施例的、用于多个电池的放电开关矩阵以及用于控制放电开关矩阵的输出电压检测器和放电控制电路；

图4是根据本公开的一个或多个示例性实施例的、用于多个电池的充电开关矩阵以及用于控制充电开关矩阵的输入电压检测器和充电控制电路；以及

图5是根据本公开的一个或多个示例性实施例的、用于控制单个电池组的充电/放电开关矩阵的检测器/控制电路的框图。

通过参照以下的详细描述，最好地理解本公开的实施例和它们的优点。应该理解，相同的参考标号用于标识在一个或多个图中图示的相同的元件。

具体实施方式

公开了用于改进开关矩阵DC功率控制系统中的功率控制的系统和方法。在DC功率控制系统中，如太阳能电池阵列、风力涡轮机、水力发电机、气体发电机、或并网(grid ties)的电源可以用于将太阳能、风力、水力、矿物燃料、AC电力、或者其它形式的能量转换为DC电能以驱动负载。

图1是根据本公开的一个或多个示例性实施例的DC功率控制系统10的框图，该DC功率控制系统10具有电源100、开关矩阵控制器200、多个电池300和负载400。电源100可以是但不限于太阳能电池阵列、风力涡轮机、水力发电机、汽油发电机、或并网，其生成电能以在电源输出101建立电压电平。开关矩阵控制器200管理来自电源100的电能的传送以便为负载400供电，管理来自电源100的电能的传送以便充电多个电池300，并且管理来自多个电池300的电能的传送以便为负载400供电。多个电池300存储来自电源100的多余电能，使得可以放电存储的能量以便单独或结合电源100为负载400供电。多个电池可以包括四个电池A、B、C、D，其中每个电池由开关矩阵控制器200独立地控制，尽管取决于系统需要其它数目的电池也可以是合适的。

在电源输出101处的电压电平可以通过开关矩阵控制器200中的输入电压检测器210来监控。如果电源输出101变得太高，则来自输入电压检测器210的输出可以由充电控制电路230使用来避免损坏电池。默认地，多个充电开关261、262、263、264可以处于闭合位置，以便允许来自电源输出101的电能流分别充电电池A、B、C、D。充电开关261-264可以被控制并且控制为具有与相应的放电开关271-274相反的状态。因此，如果放电开关闭合，则相应的充电开关将断开，且如果放电开关断开，则相应的充电开关将闭合。

在负载400处，可以通过开关矩阵控制器200中的输出电压检测器220监控在负载输入401处的电压电平，以便确定是否存在来自电源的足够电压可用于为负载供电。来自输出电压检测器220的输出可以由放电控制电路240用于确定可以放电多个电池的哪个(如果有的话)来补充来自电源的功率。默认地，放电开关271、272、273、274处于断开位置，并且可以由放电控制电路240闭合以允许分别从电池A、B、C、D到负载的电能的传送。如果放电控制电路240确定电池已经充分放电使得它们不再能支持负载，则放电开关可以断开。

从电源输出101到负载输入401的电能流可以通过由电源输出控制电路250控制的直接输出开关290。默认地，直接输出开关290处于闭合位置，以便将来自电源的功率直接传送到负载。电源输出控制电路250可以监控在电源输出101处的电压。如果存在过度的电源输出，则电源输出控制电路250可以脉冲调制(pulse)直接输出开关290，以便保护负载并且维持到负载的稳定电压。

一旦闭合，放电开关271-274就停留在闭合位置，直到通过来自重置电路280的重置脉冲从该状态释放。重置电路280可以生成周期性的重置脉冲，以便将放电开关271-274重置回到它们默认的断开位置，这依次可以导致充电开关261-264被重置回到它们的默认闭合位置。立即，输出电压检测器220可以感测在负载输入401处的电压，并且放电控制电路240可以确定是否任何电池必须被放电以驱动负载。因此，重置电路280允许开关矩阵控制器200响应于变化的负载要求周期性地重新分配功率传送。

参照图2，示出了根据本公开的一个或多个实施例的、从电源输出101到负载400、从电源输出101到电池和从电池到负载400的使用开关矩阵的电功率的分配。

可以通过组合通过直接输出开关290的电源输出101处的功率和通过放电开关271、272、273、274的来自电池A、B、C、D的存储的能量为负载400供电。将电源和电池视为单个电源减少了来自电源的最大功率输出要求，并且与仅使用电源或电池单独为负载供电相比降低了电源的成本。这还最大化了电池的充电时间并且最小化电池放电/充电循环。

当直接输出开关290处于它默认的闭合位置时，电源输出101提供功率到负载400。可以控制直接输出开关290以避免在直接输出开关290处的过高电压损坏负载。图1的电源输出控制电路250可以调制处于闭合位置的直接输出开关290的占空比，以便维持在负载处的稳定状态电压。最初，当在负载输出401处的电压停留在最小阈值之上时，指示电源输出可以单独支持负载，电池处于默认的充电状态，其中开关261-264闭合并且开关271-274断开。如果负载要求增加并且电源输出功率维持相同，则流入负载400的电流可能增加，导致在负载输出401处的较低电压。图1的放电控制电路240感测负载输入电压降到最小阈值之下，并且可以闭合一个或多个放电开关271-274，并且断开相应的充电开关261-264，以便放电电池以满足增加的负载要求。如果负载要求随后减少，则流入负载的电流可能减少，导致在负载输入401处的较高电压。当负载输入电压上升回到最小阈值之上时，放电控制电路240可以将放电开关271-274恢复回到默认的断开位置，以便禁止放电。然后将充电开关261-264恢复回到它们默认的闭合位置，以便启动从电源输出101充电以补充电池功率。仅当负载输入电压降到阈值之下时放电电池最大化电池的充电时间。这还最小化放电/充电循环，以便延长电池寿命。因此，在变化的负载输入条件和波动的电源输出下，开关矩阵用于有效地将来自电源和电池的功率传送到负载。

参照图3，示出了根据一个实施例的放电开关网络，其包括图1的输出电压检测器220、放电控制电路240、用于多个电池A-D的放电开关271-274和负载400。

输出电压检测器220可以在每个周期性的重置之后感测负载输入401处的电压电平。该电压电平可以与多个电压基准比较，每个电池一个电压基准。每个基准电压比较器的输出可以由放电控制电路240用于确定是否要通过放电开关271-274放电一个或多个电池以满足负载要求。对于每个电池，电压基准可以设置在不同的电平，使得电池可以递增地放电以满足增加的负载要求，或者随着负载要求降低而递增地恢复到充电状态。例如，对于电池A、B、C、D的电源基准可以分别设为12.5V、12V、11.5V和11V。在负载输入401处的电压与每个电源基准进行比较，并且如果负载输入低于任何电压基准，则比较器可以生成信号以闭合放电开关来放电电池。因此，如果最初在负载输入401处的电压是12.5V之上，则其高于所有电压基准；基准电压比较器不触发；放电开关271-274都处于它们默认的断开位置，并且所有电池处于充电状态。如果负载要求增加，则流入负载400的电流可能增加，导致在负载输入401处的较低电压。如果在负载输入401处的电压降到12.5V之下，则第一基准电压比较器可以触发，导致放电开关271闭合以便放电电池A到负载。如果负载要求进一步增加，则流入负载的电流可能进一步增加，导致在负载输出处更低的电压。如果在负载输入401处的电压降低到12V之下，则第二基准电压比较器可以触发，导致放电开关272闭合以便放电电池B到负载。随着负载要求进一步增加并且在负载输入401处的电压降低到11V之下，则所有基准电压比较器可以触发，导致所有放电开关271-274闭合以便放电所有四个电池A-D来支持增加的负载要求。相反地，如果负载要求减少，并且在负载输入401处的电压从11V之下上升到12.5V之上，逐渐更多电源基准比较器可能停止触发，直到最终所有放电开关271-274断开，导致电池A-D恢复到它们的充电状态以通过电源补充。放电控制电路240还可以具有安全性机制，以便如果在负载输入401处的电压降低到最小电池电压阈值之下，则终止从所有电池放电。随着电池放电，在它们的输出处和在负载输入401处的电压电平可能下降。如果高负载要求继续不减弱，则可以放电电池直到功率接近耗尽，导致在负载输入401处的电压降低到最小电池电压阈值之下。当这发生时，所有的放电开关可能断开，并且电池可能从负载断开，直到它们的功率恢复。

参照图4，示出了根据一个实施例的充电开关网络，其包括图1的输入电压检测器210、充电控制电路230、放电开关271-274的状态和用于多个电池A-D的充电开关261-264。

输入电压检测器210可以感测在电源输出101处的电压，以便检测任何来自电源100的过高电压。在电源输出101处的电压可以与电压基准比较。如果电源输出电压变得太高，则它可能超过电压基准，导致比较器触发。为了避免高电压充电和损坏电池，触发的比较器的输出可以由充电控制电路230用来脉冲调制到电池的电压。对于每个电池独立地控制电池的充电和放电。充电开关261-264可以配置为具有与放电开关271-274相反的状态，如由反相器422所示。因为放电开关271-274默认地断开，除非增加的负载要求使得需要放电电池以补充电源，充电开关261-264默认地处于闭合位置以充电电池。最大化电池处于充电状态的时间减少了电池的充电/放电循环的频率，帮助延长电池寿命。如果增加的负载要求要求放电开关闭合，则充电开关261-264可以相应地断开以终止电池的充电。相反，由于减轻的负载要求或当电池接近耗尽时一断开放电开关，充电开关261-264就可以闭合以在此启动充电。当超过一个充电开关闭合时，可以分配充电，使得按比例地将更多功率分配到具有较低充电电平的电池。因此，充电遵循最小电阻的路径，以便最大化功率效率并且避免最低充电的电池完全放电。

参照图5，示出用于控制电池A的充电和放电和用于控制从电源到负载的功率的传送的开关矩阵控制器200的功能块之间的相互作用。

在负载输入401处的电压可以通过负载输入电压比较器421与负载输入电压基准423进行比较，用于控制电池A的放电开关271。负载输入电压基准423可以对于给定电池固定，但是可以对于不同电池设置在不同电压电平，使得不同电池可以在不同时间开始放电。当在负载输入401处的电压超过负载输入电压基准423时，负载输入电压比较器421不触发，并且放电开关271处于默认的断开位置。如果负载输入电压401由于增加的负载要求而减小，并且电压下降到负载输入电压基准423之下，则负载输入电压比较器421可能触发以闭合放电开关271来放电电池A。一旦负载输入电压比较器421触发，它就停留在触发的位置，直到重置电路280释放触发。重置电路280可以生成周期性的重置脉冲，以便将负载输入电压比较器421和放电开关271重置回到它们的默认状态。紧接在重置之后，负载输入电压比较器421可以再次比较负载输入401处的电压与负载输入电压基准423。如果负载输入电压401仍在负载输入电压基准423之下，则负载输入电压比较器421可以再次触发以闭合放电开关271。重置脉冲保持为短，使得即使放电开关271从闭合到断开回到闭合位置来回切换，电容性负载可以使在负载输入401处的高频电压切换平滑。可以改变重置脉冲的周期，以便允许负载输入电压比较器421更好地适应在负载输入401处的波动电压。如果随着电池接近耗尽在负载输入401处的电压降到太低，则重置电路280还可以终止负载输入电压比较器421的任何进一步触发。

负载输入电压比较器421的输出可以通过反相器422反相，使得充电开关261总是处于与放电开关271相反的状态。因此，电池A在每个重置脉冲之后默认地处于充电状态，除非负载输入电压比较器421触发放电电池A。电源输出101还可以通过电源电压比较器424与电源电压基准425比较。如果电源输出101超过电源电压基准425，则电源电压比较器424可以触发以使得充电控制电路230脉冲调制到充电开关261的电压。因为充电开关261在负载输入电压比较器421的控制下，并且不能独立地控制来响应于在电源输出101处的电压波动，所以脉冲调制到充电开关261的电压避免在电源输出101处的过高电压损坏电池A。重置电路280可以控制电源电压基准425，以便周期性地重置电源电压比较器424。对于电源电压比较器424的重置可以与对于负载输入电压比较器421的重置同步。可以改变重置的周期，以便允许电源电压比较器424更好地适应在电源输出101处的波动电压。

直接输出开关290控制从电源100到负载400的功率的传送。默认地，直接输出开关290处于闭合位置。然而，类似于用于电池的安全性机制，可以控制直接输出开关290以保护负载400。可以通过输出控制电路250监控电源输出101。如果在电源输出101处存在过高电压，则输出控制电路250可以以脉冲方式调制直接输出开关290断开和闭合，以便保护负载和维持到其的稳定电压。

图1的开关矩阵控制器200管理作为单个组合输出的电池和电源以便为负载供电，允许该系统使用具有减小的最大功率输出的电源，降低系统成本和复杂性。此外，开关矩阵控制器有效地和动态地管理内部功率传送，以便最小化电池的充电/放电循环，同时确保电源和电池满足改变的负载功率要求。最后，开关矩阵控制器最大化电池充电时间，并且独立地控制每个电池以便增加功率效率，延长电池的运行寿命并且增加总体系统寿命。

尽管已经描述了本公开的示例性实施例，但是示例性实施例仅仅说明而不是限制本发明。应该理解的是，本公开的实施例不应限制为这些示例性实施例，而是本领域的普通技术人员可以进行多种修改和变化，并且包括在如由权利要求要求保护的本发明的精神和范围内。例如，起作用为开关的任何类型的元件可以用于开关261-264、271-274和290。控制电路230、240和250可以独立地与其相应的开关或多个开关组合。

Claims (15)

1.一种开关矩阵功率控制系统，包括：

电源和多个电池之间的多个充电开关；

耦合到多个充电开关的充电控制电路，用于选择性地将功率从电源传送到多个电池；

多个电池和负载之间的多个放电开关；

耦合到多个放电开关的放电控制电路，用于选择性地将功率从一个或多个电池传送到负载；

电源和负载之间的直接输出开关；

耦合到直接输出开关的输出控制电路，用于选择性地将功率从电源传送到负载；以及

耦合到放电控制电路的多个电压比较器和多个电压基准，用于将在负载处的电压与多个电压基准进行比较，以便开始从一个或多个电池到负载的功率传送。

2.如权利要求1所述的开关矩阵功率控制系统，其中从一个或多个电池到负载的功率传送可与从电源到负载的功率传送组合。

3.如权利要求1所述的开关矩阵功率控制系统，其中充电开关处于与用于相应电池的放电开关相反的状态。

4.如权利要求1所述的开关矩阵功率控制系统，还包括：

耦合到放电控制电路的多个第一电压比较器和多个第一电压基准，用于将在负载处的电压与多个第一电压基准进行比较，以便终止从一个或多个电池到负载的功率传送；

耦合到充电控制电路的第二电压比较器和第二电压基准，用于将在电源处的电压与第二电压基准进行比较，以便针对过高的电源电压保护多个电池；以及

耦合到输出控制电路的第三电压比较器和第三电压基准，用于将在电源处的电压与第三电压基准进行比较，以便针对过高的电源电压保护负载。

5.如权利要求1所述的开关矩阵功率控制系统，还包括耦合到放电控制电路的重置电路，用于生成周期性的信号以终止从一个或多个电池到负载的功率传送。

6.一种功率控制系统，包括：

耦合在电源和负载之间的第一开关；

耦合在电源和多个电池之间的多个充电开关；

耦合在负载和多个电池之间的多个放电开关；以及

耦合到负载的第一检测器，用于确定提供到负载的功率来自电源、一个或多个电池还是电源和一个或多个电池的组合；

耦合在多个放电开关和负载之间的放电控制电路，用于独立地控制每个放电开关；

耦合到放电控制电路的多个电压比较器和多个电压基准，用于将在负载处的电压与多个电压基准进行比较，以便开始从一个或多个电池到负载的功率传送。

7.如权利要求6所述的系统，还包括耦合到电源的第二检测器，用于确定来自电源的功率通过多个充电开关提供到一个或多个电池、负载还是负载和一个或多个电池的组合。

8.如权利要求6所述的系统，还包括：

耦合在多个充电开关和电源之间的充电控制电路，用于独立地控制每个充电开关；以及

耦合在第一开关和电源之间的输出控制电路，用于控制第一开关。

9.如权利要求8所述的系统，还包括耦合在充电和放电控制电路之间的重置电路。

10.如权利要求8所述的系统，其中用于相应电池的充电开关和放电开关是互补的。

11.一种管理到负载的功率的方法，包括：

确定负载需要的电压；

如果电源足以提供电压，则从电源提供电压；

如果电源不足以提供电压，则从电源和电池源提供电压；

其中，将在负载处的电压与多个电压基准进行比较，以便开始从一个或多个电池到负载的功率传送。

12.如权利要求11所述的方法，还包括：

确定来自电源的电压；并且

如果来自电源的电压高于多个电池的基准电压，则从电源脉冲充电多个电池。

13.如权利要求11所述的方法，还包括：

确定来自负载的电压；并且

如果来自负载的电压低于多个电池的基准电压，则终止从一个或多个电池的电压的提供。

14.如权利要求11所述的方法，还包括：

确定来自电源的电压，并且

如果来自电源的电压高于基准电压，则脉冲调制从电源到负载的电压。

15.如权利要求11所述的方法，还包括当来自一个或多个电池的电压不需要用于负载时，从电源充电一个或多个电池。

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