CN103181056A

CN103181056A - 为电池充电的方法

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Publication number: CN103181056A
Application number: CN2011800514315A
Authority: CN
Inventors: D·布内吕布森; A·德莱尔; J-M·可雷恩
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Renault SAS; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2010-08-30
Filing date: 2011-08-29
Publication date: 2013-06-26
Also published as: BR112013004663A2; US20130169211A1; FR2964265B1; EP2612418A1; KR20130108561A; JP2013537027A; FR2964265A1; WO2012028572A1

Abstract

一种以给定的充电容量为电池（2）充电的充电方法，电池为负载（1）供电并且电池由电能源（5）充电，其特征在于，该方法包括定义比电池的充电容量低的第一充电水平基准值的步骤和为电池充电直到达到第一充电水平基准值的步骤。

Description

为电池充电的方法

本发明涉及为电池充电的方法，电池为负载供电且电池由电能源充电。本发明还涉及含有实施这种方法的装置的数据介质。本发明也涉及含有实施这种充电方法的装置的充电设备。本发明最后还涉及包含这种充电设备的系统以及实施充电方法的软件程序。

已知在电系统中使用电池来存储用于为电负载供电的电能。电池存储电能来提供负载的服务和持续运行。已知存在多种电池技术。主要地，例如铅、锂离子、镍氢型电化学蓄电池被用来作为电池。在选择电池时，应考虑多种参数。首先，必须确定最适合能量和功率需求的技术。鉴于当前化石能源日益枯竭并因而未来产生能源困难的问题，在电池寿命周期中减少能量损耗，也成为一个不可忽视的问题。在这种背景下，重要的是提高系统的能量效率。因此，必须发展用于优化能量存储性能的电子管理电路。这种电路必须提高能量转换效率，既保证使用者的安全，同样也使电池安全运行，从而避免不可逆的损坏。

在设计电气系统时，电池通过最坏情况建模方式被设计尺寸。例如，带有光伏能源的自主系统，其尺寸被设计为在冬季期间（光照时间很少）运行。在夏季，该系统就会能量过剩。这导致夏季电池的在较高充电水平上的幅度较小的充电周期。

然而，电池的较高充电水平及幅度较小的充电周期似乎具有损害电池的性质。这些现象对用于储能的材料造成损害，并因而使能量存储与恢复特性有所退化。该现象还会在温度提高后进一步放大。

在现有技术已知的系统中，电池的充电逻辑包括：具备为充电目的而设的电能源时为电池充电。例如，被连接在电源上的汽车电池被立即充电到其最大充电水平。类似地，在光伏板产生电且电池未充满时，自主光伏系统就为电池充电。这种逻辑从长期看会对电池造成损害。

这一损害问题由以下实验阐明。考虑具有相同构造的四个电池，分别充电到其充电容量的0%、50%、75%和100%。在25℃下把电池存放60天，而不经受充电或放电周期。在存储完成之后，分别确定四个电池的最大充电容量。可发现，在存储期间，不同的电池遭受以下百分比的不可逆充电容量损失：

-对于充电100%的电池，每天损失0.09%的存储量；

-对于充电75%的电池，每天损失0.06%的存储量；

-对于充电50%的电池，每天损失0.04%的存储量；及

-对于充电0%的电池，基本没有损失。

本发明的目的在于提出一种充电方法，能克服上述提到的问题并改进现有技术已知的充电方法。特别地，本发明提出的电池充电方法能限制电池的耗损。此外，本发明还提出能达到这一目的的充电设备。

按照本发明的方法使得能够以给定的充电容量为电池充电，电池为负载供电且电池由电能源充电。该方法包括定义小于电池充电容量的第一充电基准值的步骤和为电池充电直到达到第一充电基准值的步骤。

第一充电基准值可取决于第一组参数。

第一组参数可包括：用于预测在第一给定时间范围中应该由电池释放来为负载供电的能量的参数，和/或用于预测在第二给定时间范围中电池能够从电能源接收到的能量的参数，和/或电负载的自主使用水平，和/或不希望降至其下的电池充电水平。

该方法可包括定义第二充电基准值的步骤和为电池充电直到达到第一或第二充电基准值的步骤。

第二充电基准值可取决于第二组参数。

第二组参数可包括：用于预测在第三给定时间范围中必须由电池释放来为负载供电的能量的参数，和/或用于预测在第四给定时间范围中电池能够从电能源接收到的能量的参数，和/或电池保留水平，和/或电负载的自主使用水平，和/或不希望降至其下的电池充电水平。

第二充电基准值可以等于电池的充电容量。

按照本发明，一种计算机可读的数据记录介质，在该数据记录介质上记录有包括用于实施前面定义的方法的步骤的软件装置的计算机程序。

按照本发明，电池的充电设备包括用于实施按照上述定义的方法的硬件装置和/或软件装置。

硬件装置和/或软件装置可包括逻辑处理单元和/或电池充电的启动和禁止装置。

按照本发明，供电系统包括按照上述定义的充电设备与电池。

供电系统可以包括电能源，尤其是光伏板。

按照本发明，一个系统包括按照上述定义的供电系统和电负载。

按照本发明，一种计算机程序，包括适于当该程序在计算机上运行时实现上述定义的方法的步骤的计算机程序代码装置。

词语“充电基准”尤其是说“充电水平基准”或“充电状态基准”。

附图以举例方式，示出按照本发明的充电方法的实施方式以及按照本发明的充电设备的实施方式。

图1是按照本发明的充电设备的实施方式的示意图。

图2是按照本发明的充电方法的实施方式的流程图。

图3是示出在电系统示例中通过本发明使电池充电平均水平变化的图。

以下参考图1详细描述按照本发明的电系统10的实施方式。电系统主要包括电负载1、电池2、电池的充电设备4以及电能源5。

电池为电负载供电。此外，电能源通过充电设备为电池充电。

按照本发明的充电设备4的一个实施方式主要包括：把在电能源输出端可获得的电信号转换成适于为电池充电的电信号的电转换器，例如电压转换器6；电池充电启动和禁止装置3，例如受控开关3；以及操控电压转换器和/或电池充电启动和禁止装置的逻辑处理单元7。

优选地，逻辑处理单元7通过连接件8被连接到电能源和/或通过连接件9被连接到电负载。因此，逻辑处理单元可收集有关电负载运行的信息，尤其是有关其能耗的信息、例如能耗预测信息，和/或可收集有关电能源的信息，尤其是有关其能量产生的信息，例如能量产生预测信息。逻辑处理单元还可包括用来收集任何其它信息的其它装置。它尤其可被连接到人机界面，从而允许系统的使用者定义优选项，如在给定运行条件（尤其是在电负载能耗条件与电源中的电能可用性条件）下，电池保留水平和/或所希望的电负载的自主使用水平。优选地，逻辑处理单元7还被连接到电池。因此，逻辑处理单元可以收集有关电池充电的信息。

充电设备，特别是逻辑处理单元7包括用于按照构成本发明主题的充电方法来控制充电设备的运行的任何装置。为此，逻辑处理单元包括存储器和软件模块。软件模块可包括计算机程序。充电设备可包括可由计算机读取的数据记录介质，在数据记录介质上记录有计算机程序，该计算机程序包括用以实施构成本发明主题的充电方法的步骤（特别实施按照以下描述的本发明充电方法的实施方式的步骤）的软件装置。优选地，逻辑处理单元包括用于计算第一充电水平基准的计算装置、用于存储该第一充电水平基准的存储器、以及用于把电池的当前充电与第一充电水平基准比较的比较装置。

电负载可以为任何类型，如尤其是照明系统、汽车或便携计算机。

电能源也可以为任何类型，尤其是商用电网或光伏板或交流发电机。

参考图2在以下描述按照本发明的充电方法的一个实施方式。

在第一步骤100中，收集涉及系统的信息。优选地，通过以上描述的逻辑处理单元实施该步骤。依然优选地，收集以下信息或参数：

-在接下来的第一时间段中，例如接下来的A个小时或接下来的B天中，电负载的可预测的能耗，

-在接下来的第二时间段中，例如接下来的C个小时或接下来的D天（A可以等于C且/或B可以等于D）中，在电能源中的可预测的可用能量，

-在给定运行条件，尤其是电负载能耗条件与电源中的电能可用性条件下，使用者希望的电负载的自主使用水平（该参数例如可表示成，当缺乏电能源提供的能量时，在给定运行中的电负载使用小时数）：

-电池的不希望降至其下的电池充电水平。

在第二步骤110中，可定义第一充电水平基准值。该第一充电水平基准值严格小于电池充电容量。优选地，该步骤通过逻辑处理单元，尤其通过逻辑处理单元中所含的计算装置和建模实施。这些装置可包括计算机程序。为此，可使用上述收集的参数。

在第三步骤120，执行测试来确定电能源是否产生或含有足够的电能用来为电池充电。如果否，在步骤100或步骤120上循环。相反，如果是，方法进入第四步骤130。

在第四步骤130中，经由充电设备、尤其是电转换器，借助电能源为电池充电。为此，优选地，电转换器的运行参数是定义好的，且优选地，使用这些参数运行电转换器。在该步骤中，借助装置3启动充电，该装置3优选地受逻辑处理单元操控。在一个优选的实施方式中，可闭合受控开关3。

在第五步骤140，执行测试以确定是否达到第一充电水平基准值。如果否，在步骤100或步骤120上循环。相反，如果是，方法进入第六步骤150。该测试优选地在逻辑处理单元中实现。

在第六步骤150，停止为电池充电。为此，优选地，借助装置3禁止充电。在优选的实施方式中，断开受控开关3。方法随后循环到步骤100。

该充电方法可具有各种变型。尤其，在上述描述的变型中，第一充电水平基准根据收集到的不同当前参数随时间变化。例如它可随时被重新计算。或者，该第一基准值可在系统设计或生产时一劳永逸地计算出来。又或者，第一基准值可在系统配置阶段中被计算出来。在最后两种情况中，第一基准值按照日期或按照系统运行被激活或禁止。

除了第一充电水平基准值外，也可以定义第二充电水平基准值。因此，可能的是，按照电负载的能耗和/或按照电源的能量产生和/或按照使用者所要求的电池保留水平和/或按照使用者所要求的电负载的自主使用水平，在第六步骤150的测试中，由第二充电水平基准值取代第一充电水平基准值。当然，与步骤100和110类似的步骤因此有必要来定义第二充电水平基准值。或者，第二充电基准值可等于电池的最大充电容量。

按照本发明的电系统的不同实施方式在以下被详细描述。

第一示例涉及照明系统，例如城市公共照明系统。

发光装置由运行时能耗30W的电致发光二极管构成。首先要在冬季条件下设定该系统的尺寸。鉴于每天12小时的运行时段以及系统80%的能量效率，系统每天耗能450Wh。为了计算待安装的光伏板功率，我们假设辐照量为1.5kWh/m²/天，由此可确定光伏板功率等于300Wc（即约3m²的板）。对于电池的尺寸确定是基于以下事实：确保运行5天的自主使用，对应于连续5天无日照的临界情况。因此安装容量为2.25kWh（5d×450Wh）的电池，或在12V下约188Ah。由此我们以通常的方式设定了系统的尺寸，从而确保最坏情况下（冬季）运行。

然而，在夏季的情况下，系统处于能量过剩，因为光辐照量从1.5变为10kWh/m²/天。此外，由于夜晚的时长减少，比起耗能量，电池储能量变得过大。由于放电不够多而充电太多，便会导致电池充电状态（充电水平）提高。对于8小时夜晚时段，所需要的储能量变为1.5kWh（30W/80%×8h×5d）。

按照本发明的方法，为了保护电池，逻辑处理单元重新计算以下充电状态（充电水平）：其足以避免电池无休止处在高充电水平而这并不是必须的。该充电水平必须仅够用来保证所要求的自主水平。在该情况下，当夏季五天的能耗为1.5kWh时，在所存储的能量大于或等于1.5kWh的充电基准值（或约70%的电池充电容量）时，逻辑处理单元停止电池的充电。如图3所示，这降低电池的平均充电水平，且因此防护电池以免遭受以上提到的损害现象的影响。类似地，可留下10%的放电深度余量来避免进行电池的深度放电，此时电池在非常低的水平被充电。因此，确定放电结束基准值，从而避免电池充电水平低于电池最大充电容量的10%所对应的水平。

第二示例涉及帆船。

以下表格概括性地示出装备为完成跨越大西洋的航程的帆船的每日耗能量。电池由每日运行约2小时的交流发电机充电，且在该段时间期间为船只的主要安全组件供电。

消耗者	能耗（wh）	能耗份额
			其它照明	30	2.47%
导航灯	20	1.65%
			PC	84	6.91%
电流表/电压计	0.2	0.02%
			驾驶员	900	74.03%
GPS	2.88	0.24%
			VHF	115.2	9.48%
中继器	34.56	2.84%
			风向风速仪	17.28	1.42%
探测器	11.52	0.95%
			总和	1216

因此存储电池的尺寸应被设计为在下一天交流发电机开启之前允许22小时的自主使用。由于每日能耗约为1220Wh且鉴于装置的80%的平均能效，电池应能提供1525Wh，即在12V下约128Ah。因此以通常的方式设定了系统的尺寸，用来确保在行程的最不利情况下24小时的运行。

然而，在另一运行方式中，或甚至船只停留在码头时，能耗会大大减少，因为无论如何，与驾驶员舒适度相关的能耗将大大减少，甚至可忽略不计。为了保护电池，处理单元重新计算充电状态，即为提供所要求的自主运行所需的电池充电水平。由此，电池充电被限制在该值。这会避免电池在强充电状态下无用地运行。在该情况下，当取消了有关驾驶员的能耗（即900Wh），不再需要存储为该部分所估计的1125Wh（即900/0.8）。待存储的能量值因此从1525Wh变为400Wh。当电池中存储的能量超过或等于400Wh（即约SOC的26%，当天最大储能容量的26%）时，逻辑处理单元因此可停止为电池充电。这允许减少平均充电水平且因而防护电池免于遭受以上提到的损害现象。按照与上述相同的方式，可留下10%放电深度余量，以避免电池放电到其非常低的充电水平。通过仅为电池充电到其最大充电容量的36%（约550Wh），电池因此能长期地保护，同时确保服务的持久性。

第三示例涉及便携式计算机。一旦充好电，便携式计算机的电池通常确保在5小时的续航运行。某些使用者仅需要极其偶尔地使用这样的续航时长，然而却经常需要使用少到2小时的续航时长。

按照本发明的充电方法可应用于这种情况。实际上，按照本发明的方法，可以把电池的正常充电水平减少到足以确保计算机使用2小时续航时长的水平。相反，当使用者期待更长续航时长的例外要求时，例如5小时的续航时长，其可以按照本发明把要求指示给充电设备，该充电设备将允许电池完全充电。

在该文献中，“充电水平”是指存储在电池中且可由电池释放的电能。这一概念也被称为“充电状态”（“state of charge”或“SOC”），且被表示成电池的最大充电容量的百分比或“%SOC”。

Claims

1.一种以给定的充电容量为电池（2）充电的充电方法，电池为负载（1）供电并且电池由电能源（5）充电，其特征在于，该方法包括定义比电池的充电容量低的第一充电水平基准值的步骤和为电池充电直到达到第一充电水平基准值的步骤。

2.按照权利要求1所述的充电方法，其特征在于，第一充电水平基准值取决于第一组参数。

3.按照权利要求2所述的充电方法，其特征在于，第一组参数包括：用于预测在第一给定时间范围中应该由电池释放来为电负载供电的能量的参数，和/或用于预测在第二给定时间范围中电池能够从电能源接收到的能量的参数，和/或电负载自主使用水平，和/或不希望降至其下的电池充电水平。

4.按照上述权利要求之一所述的充电方法，其特征在于，该方法包括定义第二充电水平基准值的步骤和为电池充电直到达到第一充电水平基准值或第二充电水平基准值的步骤。

5.按照权利要求4所述的充电方法，其特征在于，第二充电水平基准值取决于第二组参数。

6.按照权利要求5所述的充电方法，其特征在于，第二组参数包括：用于预测在第三给定时间范围中必须由电池释放来为负载供电的能量的参数，和/或用于预测在第四给定时间范围中电池能够从电能源接收到的能量的参数，和/或电池保留水平，和/或电负载的自主使用水平，和/或不希望降至其下的电池充电水平。

7.按照权利要求4所述的充电方法，其特征在于，第二充电水平基准值等于电池的充电容量。

8.一种计算机可读的数据记录介质，在该数据记录介质上记录有包括用于实施按照上述权利要求之一所述的方法的步骤的软件装置的计算机程序。

9.一种为电池充电的充电设备（4），其特征在于，包括用于实施按照权利要求1至7之一所述的充电方法的硬件装置（3、6、7）和/或软件装置。

10.按照权利要求9所述的充电设备，其特征在于，硬件装置和/或软件装置包括逻辑处理单元（7）和/或电池充电的启动和禁止装置。

11.一种供电系统，包括按照权利要求9至10之一所述的充电设备（4）与电池（2）。

12.按照权利要求11所述的供电系统，其特征在于，包括电能源（5），尤其是光伏板。

13.一种包括按照权利要求11至12之一所述的供电系统（2、4；2、4、5）和电负载（1）的系统（10）。

14.一种计算机程序，包括适于当该程序在计算机上运行时实现按照权利要求1至7之一所述的方法的步骤的计算机程序代码装置。