CN103928937A

CN103928937A - 一种家用储电柜

Info

Publication number: CN103928937A
Application number: CN201310009505.XA
Authority: CN
Inventors: 刘粤荣
Original assignee: Individual
Current assignee: Dongguan Constant Amperex Technology Ltd; Liu Yuerong
Priority date: 2013-01-10
Filing date: 2013-01-10
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2033-01-10
Also published as: CN103928937B

Abstract

本发明涉及一种家用储电柜，包括输入端、输出端、逻辑开关、控制模块、充电模块、逆变模块、蓄电池和外壳，其输出端与家用电网电固连，输入端与外供电网电固连，蓄电池设置于外壳内或分立设置，逆变模块、控制模块和充电模块设置于外壳内，并组成蓄电池运行的实时控制系统，通过控制逻辑开关的状态变换，使储电柜受控处于与电网峰谷互补的运行状态。该装置安全可靠、制造简单、成本低，节能减排意义重大。

Description

一种家用储电柜

技术领域

本发明涉及家用电器的领域，特别涉及一种在电网用电低谷期补充储电、用电高峰期离网并可有效维持正常家庭用电的储电柜系统装置。

背景技术

相对于物质生产的仓储，电源生产在当今社会还没有建立起有效的“储电系统”。电力使用的一个重大特点是日夜需求不平衡，导致社会对电网能源需求存在差异巨大的峰谷期，我国电力来源80%以上是常规热电，热机不可以在峰谷周期时间内大幅度调整工作状态，由此造成了谷期电的极大浪费，国家普遍以折价方式鼓励使用夜间谷期电。为了不浪费谷期电，很多地区甚至上马以谷电储存为目的的区域小水电，通过夜间抽水到高位水池，日间再放水到低位水池发电补充白天用电，这种“小水电”技术方案的明显缺点是电能转换效率低、占地面积大；近年各国储能专家更倾向于建造以蓄电池充、放电原理为基础的巨容量、巨功率储电站，理论优势为电能转换效率高、占地面积小，是公认的电网分布式储能优选技术方案之一。

巨容量、巨功率储电站遇到了蓄电池如何搭堆的技术难题，因为储电站所需的蓄电池堆，并非现市场常见的百瓦时、千瓦时级容量范围，而是百兆瓦时、千兆瓦时级容量范围，迄今为止还没有任何一种商品电池可用。在常规储电、不间断电源的容量、功率范围，目前主要是使用铅蓄电池，其具有安全可靠、价廉、适合浮充电等优势，但巨容量、巨功率是一全新领域，需要在结构原理方面进行重新设计；至于处于试验阶段的巨容量锂电堆、矾电堆等，不仅价高，使用安全性、温度特性都不够理想，在技术方案及经济指标方面与储电站的实用要求相距甚远。

在储电站研发遇到巨容量、巨功率的技术方案难题时，将谷电储存的思路改变为藏电于民可能是一条现实出路。所谓藏电于民，是将储电站小型化、分散化，甚至以一种新型家用电器的形式进入家庭，产品设计放回到现有技术性的成熟容量、成熟功率范围，使电网分布式储电站的方案得到现实技术支撑。

在中国专利申请201020128917.7中，提及“一种充放电及储能电路”，用于为电动汽车电池提供电能，包括：用于储存电能的储能模块：对储能模块进行充电以储存电能、或对储能模块存储的电能进行逆变以产生一高频交流的充电模块及逆变模块：通过变压器及整流电路对所述高频交流进行稠合及整形以产生一直流电压从而为电动汽车电油进行充电的高频直流充电模块:控制充电及逆变模块与三相电的每个火线端分别导通或断开、并控制充电及逆变模块与高频直流充电模块导通或断开的开关模块。这类源于常规不间断电源的产品并不能满足家用储电的基本特征和使用要求，要改善电网用电负载的巨大峰谷差，必须根据生活用电习惯设计。

近年因局部地区电力供应紧张，市场也有一些将源于电脑不间断电源设计的大功率产品，试图满足家庭储电、保障用电的需求，但在产品思想方法上，并没有根据家庭储电、用电的基本特征而改造，因而不适合搬作正式家用。例如家庭储电的低碳模式为白天使用夜间谷期电，在白天用电高峰期脱网运行，常规UPS产品不具备这一使用要求；在技术设计上，常规UPS使用蓄电池的方式是不间断浮充制，但储电柜对蓄电池的使用方式并不是浮充制，而是类似电动车电池的循环充放电制，在这种使用方式中，蓄电池会因充电限压值过低、长期充不满电而容易衰减，寿命缩短。因此，常规不间断电源并不具备储电柜运行在与外电力网错峰补谷状态的基本特征，很难上升为一种实用的家用电器产品。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术产品的种种不足，提供一种着眼于节能减排效果、针对外电力网错峰补谷需求的家用储电柜。该家用储电的一个最重要的使用特征是：运行在与外电力网错峰补谷的状态。在常规不间断电源产品的技术基础上，变换工作逻辑程序，使用户（常规状态）下班后的上半夜使用外电力网，下半夜补充储电，白天完全可以断开与外电力网的联系，依靠家用储电柜的储电量维持家用电器正常运行，从而达到与外电力网错峰补谷的产品设计目标。

为实现上述的产品设计目标，本发明提供了一种家用储电柜，其特征在于，所述的家用储电柜包括输入端1、输出端2、逻辑开关3、控制模块4、充电模块5、逆变模块6、蓄电池7和外壳8，所述家用储电柜的外接输入端1与外供电网连接，输出端2和家用电网连接，蓄电池7分别与充电模块5、逆变模块6和控制模块4连接；所述的控制模块4分别与充电模块5和逆变模块6连接并通过数据程序控制其工作状态以及控制逻辑开关的逻辑状态。

所述的逻辑开关3，至少包括一个或逻辑开关3d，其固定端与输出端2电固连，选择端之一与输入端1电固连，另一选择端与逆变模块6的输出端电固连；或者至少包括设置于输入端1与输出端2之间的第一开关3a和设置于输出端2与逆变模块6、蓄电池7回路的第二开关3b，通过打开、闭合状态来组合等效实现或逻辑开关3d的功能，实现输出端2分别闭合逆变回路或者闭合输入端1，使储电柜对家用电网工作在隔离输入端1/逆变供电或者隔离逆变回路/电短路输入端1的运行状态。

所述的逻辑开关3，还包括可选的、设置于输入端1与充电模块5、蓄电池7回路的第三开关3c，使充电模块5在控制模块4程序设定的时间工作。

所述的控制模块4程序设定的时间，可选择对应当地供电网的用电高峰期T₁～T₂、平价期T₂～T₃和低谷期T₃～T₁，该设定的时间值既可在控制器4内置芯片固化，亦可在外壳8设置控制面板供用户人工选择设定，由用户根据当地电力部门对电力的定价作出选择，例如T₁、T₂和T₃分别设定为07时、17时和23时。

所述的或开关3d（也包括采用第一开关3a和第二开关3b组合）通过控制模块4的工作程序控制方法包括：

1、在T₁～T₂时间段，输出端2电连接逆变回路（和逆变回路连接）、隔离输入端1，蓄电池7处于放电状态，并通过逆变模块6为家用电网供电；

2、在T₂～T₃时间段，输出端2电连接输入端1（和输入端电路连接）、隔离逆变回路，家用电网使用外电网供电，蓄电池7处于在线充电状态。当增加第三开关3c并且输出端2闭合输入端1时，此时通过控制模块4的工作程序控制方法还包括：

3、在T₂～T₃时间段，第三开关3c打开，隔离充电模块5，蓄电池7处于休眠状态；4、在T₃～T₁时间段，第三开关3c闭合，充电模块5工作，蓄电池7处于充电状态；

所述的T₃为T₂～T₁时间段之间的时间点。

可选的，所述的逻辑开关3包括若干个电控开关或一体化多触点开关实现其工作状态逻辑组合，其打开、闭合的组合状态可由控制模块4固化的程序设定，或在外壳设置控制面板供人工选择，或两者同时设计；亦可以选用若干个设置于外壳8的机械开关或一体化多触点机械开关实现其工作状态逻辑组合，本领域技术人员可以根据对产品设计的具体需要以及配件质量的情况灵活选用。

所述蓄电池7可采用符合电气性能要求的任意种类蓄电池，形状任意，可实施并联、串联、并串联组合。

所述蓄电池7用任意嵌合形式内置于外壳8，亦可外置。

所述的储电柜包括加装散热风扇和以电隔离形式加装常规散热器，散热器与外壳内的发热部件热固连，散热器可与金属合金外壳热固连；所述的外壳8的基材由金属合金或硬塑材料制成，包括设计有散热通风槽。

所述的外壳8也可以设计为全密封，内壁设计两层或两层以上，外层由金属合金材料制成，内层或中间层为绝热材料，壁内外加装热管装置，所述热管装置的蒸发端加装吸热器或与储电柜内的发热部件热固连，所述热管装置的冷凝端与金属合金外壳8热固连。

所述的T₁、T₂和T₃时间点为人择，用户可以根据当地电力部门对不同时间段的不同定价作出不同选择，例如划分为更多的时间段，在最低价时间段对储电柜的蓄电池实施最佳的充电方式。

本发明的优点在于，基于目前阶段的技术、市场应用状态而提出，力图使家用储电柜在系统设计上立足于现有成熟技术基础，针对大部分家庭的用电习惯而设计，使之成为可体现低碳社会需求、符合节能减排大趋势的家用电器新产品。

附图说明

图1是一种使用一个或逻辑开关的家用储电柜基础模块结构示意图。

图2是或逻辑开关的结构示意图。

图3是一种使用两个开关组合的家用储电柜基础模块结构示意图。

图4是另一种使用两个开关组合的家用储电柜基础模块结构示意图。

图5是一种使用三个开关组合的家用储电柜基础模块结构示意图。

图6是另一种使用三个开关组合的家用储电柜基础模块结构示意图。

图7是又一种使用三个开关组合的家用储电柜基础模块结构示意图。

图8是一种常规逆变器的工作原理图。

图9是一种常规充电器的工作原理图。

附图标识

1、输入端 2、输出端

3a、第一开关 3b、第二开关 3c、第三开关 3d、或逻辑开关

4、控制模块 5、充电模块 6、逆变模块

7、蓄电池 8、外壳

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步详细说明本发明的技术方案。

参见图1，本发明所述的家用储电柜的基础模块结构可以用图1详细说明，家用储电柜的基础模块结构主要分为逆变模块、蓄电池、控制模块构成的逆变回路，以及充电模块、蓄电池、控制模块构成的充电回路，与常规设计的不间断电源产品相比，一个重大的特征区别是专门设计有逻辑开关3，使储电柜对家用电网运行在连接外电网/隔离逆变回路或者隔离外电网/逆变回路供电的两种状态之一。而常规不间断电源产品的工作逻辑为：当外电网供电时不间断电源休眠，当外电网断电时不间断电源逆变供电，两者的功能设计特征有本质区别。

该逻辑开关3的功能，可以用一个或逻辑开关3d实现，如图2所示，在图1的一个基本实施例中，逻辑开关3d的固定端电连接储电柜的输出端2，两个选择端分别电连接储电柜的输入端1和逆变模块6的输出端，其两个选择端的分别闭合状态根据控制模块4设定的工作逻辑程序而定，逻辑功能为：或者闭合输出端2和输入端1，或者闭合输出端2和逆变模块6的输出端。

该逻辑开关3d的功能，也可以用设置于输入端1与输出端2之间的第一开关3a和设置于输出端2与逆变回路的第二开关3b通过开关逻辑状态组合来实现（其状态0或1分别对应于开关打开或闭合），如图3所示，在图3实施例中，第一开关3a和第二开关3b有4种组合逻辑状态：11、10、01、00，其中11、10组合对应于外接电网的状态，显然11状态同时使用外部电网和储电柜对家用供电，逆变电源易干扰电网，无实用意义；01、00组合对应于脱开外电网的状态，00对应于家用电网断电，同样无实用意义；因此只有10、01两种组合对储电柜的实用设计存在意义，其中，10组合等效于上述或逻辑开关3d闭合输出端2和输入端1，01组合等效于上述或逻辑开关3d闭合储电柜的输出端2和逆变回路。

在图3实施例中，第二开关3b状态为0（打开）时，逆变模块虽休眠但会存在静态工作电流，为彻底切断逆变模块6与蓄电池7的电路联系，也可以将图3实施例中的逆变模块6与第二开关3b换位，如图4所示。

以上基本实施例仅是在输出端2使用了逻辑开关，结构虽简单但在外电网带电情况下，蓄电池7会一直处于受充状态，而上、下半夜的电价差距较大，因此从储电经济指标考虑，更重要的是为使家用储电柜充分利用下半夜谷电储电，可以在输入端1与蓄电池7之间增加设计一个第三开关3c，如图5所示。

第三开关3c的运用，使储电柜的蓄电池受充模式与常规不间断电源产品具有本质区别，对储电柜实用设计的重要功能在于：当上、下半夜的电价差距较大时，可通过控制模块4设定的程序使第三开关3c在上半夜打开（隔离充电回路），在下半夜闭合（蓄电池在线充电），从而实现仅在下半夜对储电柜的蓄电池充电，提高了储电柜的使用性价比，对储电柜应用的峰谷互补意义重大。

图5实施例第一开关3a、第二开关3b和第三开关3c的逻辑组合，可实现储电柜的三种典型运行状态：

1）101，储电柜输入端2与输出端4短路并与外电网连接，家电使用外电网供电，蓄电池处于充电状态，该状态适宜在下半夜的谷期（低价电）采用；

2）100，完全隔离储电柜与外电网和家用电网的联系，家电“绕过”储电柜直接使用外电网供电，该状态适宜在电力较保障的上半夜采用；

3）001，储电柜在脱离外电网的情况下，实现独立向家电供电的功能，该状态适宜在白天用电高峰期采用。

与图3实施例类似，当图5实施例逻辑第二开关3b状态为0（关）时逆变模块会存在静态工作电流，为切断逆变模块6与蓄电池7的电路联系，也可以将逆变模块6与第二开关3b换位，如图6所示。图5实施例中的逻辑第三开关3c是设置在第一开关3a之前，也可以设置在第一开关3a之后，如图7所示。

以上实施例所述的，是用一个或逻辑电控开关、两个或三个独立电控开关联动组合实现所设计的功能，在其他实施例中，也可以在一个电控开关的内部设计多个触点开关，通过各触点开关的状态来实现同样逻辑功能，在实用中主要取决于该配套组件的性价比。所有开关的打开、闭合状态可由控制模块的时间程序设定，或在外壳设置控制面板供人工选择，或两者同时设计。所述的若干逻辑电控开关，也可以改用机械式开关嵌合在外壳8，通过人工对若干个机械式开关的打开、闭合来选择储电柜的工作状态。

所述的控制模块4是储电柜的“大脑”，内储有计时器，除了根据设计要求在不同时段实现对开关组的逻辑控制功能外，还需要根据逻辑开关组的不同状态对充电器5和逆变器6进行实时控制，实现对蓄电池7的补充电能或放电逆变为标准家用交流电的目的。之所以称为模块，是因其逻辑控制功能较容易采用单片机通过编程实现，该类控制模块在市场上较现成，重点是编程，熟悉软件行业的普通技术人员都较容易实施，所述的编程，是通过数据接口控制将开关组3、充电器5和逆变器6根据不同时段处于不同的工作状态，结合控制模块4对若干开关的逻辑状态变换，使储电柜可实现所设计的技术目标。

所述的蓄电池7，可以采用任意嵌合形式内置于外壳8内部空间固定，当储电柜所需的蓄电池容量、体积较大时，亦可选择外置，即将蓄电池分离出外壳10的外部，使用时将蓄电池连接到储电柜外部的专用端子。蓄电池可选用符合电气性能要求的任意种类产品，例如铅酸蓄电池、锂离子电池、镍氢电池和镍镉电池等，选用不同种类的产品各有其优缺点，例如铅酸蓄电池安全可靠、性价比高，锂离子电池比能量高、重量轻但价高；鉴于对民用家用电器产品设计的不同理念，一般中低档产品宜首选铅酸蓄电池，尤其是性价比较高的管式胶体电池，而高档产品宜选用比能量高、重量轻的锂离子电池。因蓄电池的单体工作电压都较低，例如锂离子电池只有3V，铅酸蓄电池只有2V，要逆变至家用电器产品通常使用的220V高压，压差太大，同功率下会要求充电器5、逆变器6承受太大的电流，行业习惯采用单体串联组合获得高压蓄电池组，通常选用12/24/36/48V。对于锂离子电池，单体容量一般满足不了储电柜的功率要求，需要实施并联组合。无论选用什么种类的蓄电池，只要可设置固定在外壳8内部，或允许外置在外壳8外部，其外观形状任意。

蓄电池组储电量（VAh）的选择应留有设计余量。例如在白天时段电网用电高峰期间（7～17h），需要储电柜起到与外部电网脱开、利用储电柜备用电能维持家用电器运行，蓄电池需连续工作10小时，其储电量应大于家用电器该时段的平均用电量。普通家庭在该时段的平均用电量并不大，诸多家用电器除了电冰箱起动需提供较大电流外，主要处于静态运行。一般而言，180～200L电冰箱的功率约140瓦，该时段平均耗电不会超过0.5度，综合其他家用电器静态运行的用电量，普通家庭在该时段的用电量一般不会超过1度。假设该时段平均用电量1度（KVAh），考虑到逆变器6存在转换效率（一般在85%）及其老化因素，蓄电池组需大于1200VAh才能维持家用电器的正常运行，而蓄电池同样存在使用老化的因素，至于应留有20%余量，由此蓄电池组宜选择大于1440VAh；如果进一步考虑到蓄电池寿命与放电深度的关系（蓄电池寿命与放电深度成反比）以及蓄电池配组带来的诸多技术因素影响，例如设计放电深度不宜大于80%，所以实用设计应选择大于1700VAh，蓄电池组的设计余量越大，越有利于蓄电池的寿命。在本实施例中，从储电柜的综合性价比考虑，选择锂离子电池配套的推荐值为1700～2000VAh，选择铅酸蓄电池推荐值为2000～2500VAh。如果家用电器较多且较陈旧，静态运行电流较大，日间还有其他家用电器（如洗衣机）需工作，则需考虑进一步加大蓄电池组的储电容量。

所述的充电模块5，技术功能主要是将外部电网的交流电通过变压、整流、滤波、实时电流与电压控制的方式，为蓄电池7提供直流电能，用于补充蓄电池因逆变放电亏欠的储存电能。充电器的常规设计技术方案有很多，图8给出了一种常规充电器的工作原理框图，由于近年不间断电源市场的高速发展，充电器的制造技术同样十分成熟，通常是以模块组件的市场产品出现，行业惯称为充电模块。充电模块需针对蓄电池组的电压、容量结合储电柜的使用特征而选用，主要技术要点为：一是根据蓄电池的标准放电量、充电模式、特定充电时间来确定充电电流的强度，二是根据蓄电池种类和组合电压确定对蓄电池组充电的限压值。例如采用24V100Ah的铅酸蓄电池组，行业公知充电起始电流一般限制在10～20A，用于常规UPS的浮充电压值26.76～27.00V（2.23～2.25V/单体）为佳。

上有所述，储电柜对蓄电池组使用的实用充电方式并不是类似常规UPS的浮充制，而是循环充放电制，如果把充电限压值设计在常规UPS的浮充电压值，蓄电池必然在长期循环充放电中欠充电，使蓄电池寿命提前终止。根据电动自行车的国家技术标准，这一循环充电限压值为2.45V/单体，平移作本实施例的充电限压值为29.40V；但是，储电柜使用蓄电池的放电特征又不同于电动自行车电池，申请人认为宜两者结合为佳，一种对上述例优选的技术推荐方案为：用限流15A恒压值为29.40V对24V蓄电池组充电，待充电电流因蓄电池限压而自然下降至1～1.5A时，将限压值变换为26.76～27.00V。本述例对铅酸蓄电池的充电控制，其方法原理同样适用于锂离子电池、镍氢电池和镍镉电池等，只是限压值不同。

可选的，控制模块4通过充电模块5对蓄电池7的荷电状态设置一阈值，当蓄电池7的残存电量小于阈值（电量或电压值判定）时变换工作状态，例如在蓄电池残存电量大于阈值时，加大起始充电电流，而当蓄电池残存电量小于阈值时，减小起始充电电流，从而达到根据阈值为蓄电池智能充电的目的。

储电柜对蓄电池组特定的使用方式既不同于常规UPS，也不同于电动车电池，其符合节能减排、经济实用的充放电方式为：上半夜休眠，下半夜充电，白天放电，周而复始循环，以设定23h～次日7h充电为例，充电时间为8h；换言之，储电柜用的蓄电池当采用最佳时间充电时，特征是充电时间短于放电时间，而电动车电池的充电、放电时间比一般为2～5，因此优化充电程序设计很重要。

所述的逆变器6，又称DC/AC转换器，技术功能主要是将蓄电池7储存的直流电能逆变为标准家用的交流电，图9给出了一种常规设计的逆变器工作原理框图，由于近年不间断电源市场的高速发展，逆变器的制造技术同样十分成熟，通常是以模块产品在市场出现，行业惯称为逆变模块。逆变模块选购的一般技术参数及规格要求有额定输入电压（DC）、额定输出电压（AC）、高压关断电压、低压关断电压、持续输出功率、静态电流、输出频率、输出波形等，对储电柜设计配套尤其值得注意的是输出波形、峰值输出功率和峰值维持时间。

一般180～200L电冰箱标称功率约140瓦，但其耗电形式存在较大的启动电流，该启动电流一般约为标称功率对应电流的4～5倍，申请人根据对一个运行数年的QD85压缩机的测试结果，标称功率是184W，运行电流1.3A，启动电流是3.5A左右，折算运行功率286W，启动功率770W；因此在家用电冰箱功率较大时，为保障储电柜的安全运行，设计配套的逆变器持续输出功率应大于400W，峰值输出功率不宜小于1000W。此外对逆变器最基本的技术要求，还有额定输出电压/输出频率，必须符合与外部电网匹配工作的220V/50Hz；逆变器的输出波形也是必须重视的一项技术要求，目前市场上的商品逆变模块的输出波形大多是方波，用于配套储电柜会对使用电机类家用电器的寿命有一定影响，应选用输出波形是正弦波的逆变器，失真度宜小于5%；额定输入电压是一选择项，市场上技术上较成熟、性价比较高的逆变器大多配用12～48V的蓄电池组，不同的产品各有其优缺点。

所述的外壳8，其基材由金属合金或硬塑材料制成，壳体设计有散热通风槽，内部可加装散热风扇，壳内的所有发热部件，均可以电隔离形式加装散热器，散热器可与金属合金外壳热固连。当储电柜的功率较大，或储电柜的体积设计受限制，内部发热部件的热量在上述方案得不到有效散发时，所述的外壳亦可设计为全密封，内壁加1层或1层以上的绝热材料，壁间加装热管装置，合金外壁兼作热管装置冷凝端的散热器，热管装置的蒸发端加装吸热器，甚至吸热器与外壳内的所有发热部件热固连。关于这种用于密闭系统散热装置的技术方案，本申请人已在中国发明专利（ZL200910088950.3）中进行了详细的公开。

在新能源研发领域，对不间断电源设计技术较深入了解的专业人士，都可以在本发明所述的家用储电柜内容基础上，举一反三地变形实施本发明。本发明所述的储电柜结构方法及其衍生的技术变形实施，均应被列入本发明的保护范围。

实施例1

设计一种如图1所示的家用储电柜，该储电柜的主要组件包括一个电控式或逻辑开关3d、控制模块4、充电模块5、逆变模块6、蓄电池7和外壳8，以及散热风扇和若干常规散热器，若干散热器与控制模块4、充电模块5、逆变模块6以电隔离形式热固连；外壳8采用硬塑材料制造，设计有散热通风槽。

所述家用储电柜的外接输入端1与外供电网连接，输出端2和家用电网连接，电控式或逻辑开关3d如图2所示，其固定端与输出端2电固连，选择端之一与输入端1电固连，另一选择端与逆变模块6的输出端电固连；充电模块5的输入/输出端分别与输入端1/蓄电池7电连接，逆变模块6的输入/输出端分别与蓄电池7/或逻辑开关3d的选择端之一电连接，控制模块4与蓄电池7电连接，其数据控制线分别与充电模块5、逆变模块6和逻辑开关3d连接，并通过数据程序控制充电模块5、逆变模块6工作状态以及控制逻辑开关3d的选择端闭合状态。

蓄电池7选用12V100Ah阀控密封式铅蓄电池，两只串联，计24V100Ah，额定储电量为2400VAh；充电模块5选用10A充电电流，充电限压值27.00V（2.25V/蓄电池单体），过载设计功率大于400W；逆变模块6的额定输入电压24V，额定输出电压220V（交流电），持续输出功率大于700W，静态电流小于0.1A，输出频率50Hz，输出波形为失真度小于5%的正弦波。控制模块4采用市场购买的常规单片机，通过编程并通过数据接口控制实现对或逻辑开关3d在不同时段将选择端闭合输入端1，或闭合逆变模块6的输出端。

控制模块4设定的程序时间T₁和T₂分别设定为07时和17时，该设定的时间值在控制器4内置芯片固化，在07时～17时，控制或逻辑开关3d闭合逆变模块6的输出端，在17时～次日07时，控制或逻辑开关3d闭合输入端1，同时通过数据接口控制使充电器5和逆变器6在不同时间段处于不同的工作状态，使储电柜对家用电网运行在以下两种状态之一：

1）在07时～17时的时间段，或逻辑开关3d闭合逆变模块6的输出端、隔离输入端1，蓄电池7处于放电状态，并通过逆变模块6为家用电网供电；

2）在17时～次日07时的时间段，或逻辑开关3d闭合输入端1、隔离逆变模块6的输出端，家电使用外电网供电，蓄电池7处于在线充电状态。

本实施例可通过家用储电柜有效地实现白天完全断开与外电力网的联系，依靠储电柜的储电量维持家用电器正常运行，夜间使用外电力网，从而达到与外电网错峰使用电力的产品设计基本目标。

实施例2

将实施例1的或逻辑开关3d取消，其逻辑功能改变为由两个独立的电控式开关，包括第一开关3a和第二开关3b，通过开关状态组合来实现。

本实施例的输入端1与输出端2之间设置有第一开关3a，输出端2与逆变模块6的输出端之间设置有第二开关3b，如图3所示，控制模块4的数据控制线分别第一开关3a和第二开关3b连接，其他部件的电连接和数据线连接与实施例1类同。

本实施例通过在控制模块4设定与实施例1类同的程序，将时间T₁和T₂分别设定为07时和17时，该设定的时间值在控制器4内置芯片固化，07时～17时的第一开关3a和第二开关3b的逻辑组合状态为01，17时～次日07时的第一开关3a和第二开关3b的逻辑组合状态为10，结合第一开关3a和第二开关3b的逻辑状态变换，通过数据接口控制使充电器5和逆变器6在不同时间段处于不同工作状态，使储电柜对家用电网运行在实施例1类同的两种基本状态。

实施例3

在实施例1和实施例2中，只要外供电网带电，充电模块5一直在线工作，蓄电池7一直处于在线充电状态，未能充分利用下半夜的折价低谷电，为使产品得到有效的设计改良，在实施例2基础上，增加一个设置于输入端1与充电器5之间的第三开关3c，如图5所示。

充电模块5选用18A充电电流，充电限压值27.00V，过载设计功率大于600W；其余设计方案与实施例2类同。

第三开关3c同样是电控开关，主要是配合第一开关3a和第二开关3b在工作逻辑处10时的状态区分，其闭合时状态与实施例1同，打开时隔离充电模块5，从而使实施例1和实施例2中蓄电池一直处于在线充电的状态得到改变；通过控制模块4将时间段进一步细分为07时～17时、17时～23时和23时～次日07时，使储电柜在07时～次日07时运行在以下两种状态：

1）在07时～23时，第三开关3c状态为打开，充电模块5被隔离，使蓄电池7处于充电休眠状态；

2）在23时～次日07时，第三开关3c状态为闭合，充电模块5工作，使蓄电池7受控处于充电状态；

本实施例通过增加一个第三开关3c，家用储电柜除了白天可有效实现完全断开与外电力网的联系、依靠内置蓄电池逆变维持家用电器正常运行外，夜间补充储电是利用23时～次日07时的低谷用电时间段，从而达到与外电力网充分错峰补谷的技术设计目标，产品更经济实用，具有更明显的节能减排优势。

实施例4

实施例1和实施例中，充电模块5的充电限压值均采用27.00V，该充电限压值是常规不间断电源习惯采用的浮充电压值（2.25V/蓄电池单体），充电制式均为全天浮充，除了未能利用电网低谷用电时段对蓄电池7充电外，技术上未尝不可；但对于实施例3来说，因仅在23时～次日07时充电，充电时间只有8小时，限压值27.00V明显偏低，尤其是当蓄电池组中的各单体组合一致性欠佳时，容易出现某单体因欠充电而容量滞后，长期使用易拖垮蓄电池组。

本实施例中，将实施例3充电模块5的充电限压值从27.00V调高至29.40V（2.45V/蓄电池单体），其余设计方案与实施例3类同。通过充电模块5的充电限压值的调整，更适合仅有8小时的充电制度，避免蓄电池因长期欠充满电导致极板出现硫酸铅结晶盐化而提前终止寿命，有效地延长储电柜的使用寿命。

实施例5

在实施例4中，如果家用电器的功率较小，甚至不使用冰箱，储电柜的蓄电池7将长期处于浅放电的反复充电状态，该情况下如果充电模块5的充电限压值调高至29.40V，也是引致蓄电池寿命提前终止的设计隐患。

本实施例的技术设计方案分为两阶段恒压充电：第一阶段用恒压29.40V限流15A对蓄电池充电，待充电电流因蓄电池限压29.40V而自然下降至1A时，将限压值变换为26.76V（2.23V/蓄电池单体）。本实施例的两阶段恒压充电技术设计方案，可兼顾家用电器功率差异较大的情况，产品更实用。

实施例6

在实施例5中，虽然充电模块5的技术设计方案分为两阶段恒压充电，但在充分利用23时～次日07时谷期电的要求下，充电时间毕竟只有8小时，当家电负载较大、蓄电池放电量平均每天大于1500VAh时，8小时充电可能未被完全充满，固定恒压值和限流值的充电模式，很难使蓄电池在各种情况均处于最佳受充状态。

蓄电池10小时率放电的工作电压区间较窄，铅蓄电池为1.8～2.2V/单体，本实施例蓄电池的正常放电电压区间为21.6～26.4V，蓄电池智能充电的方式是：控制模块4通过充电模块5对蓄电池7的荷电状态设置一阈值，该荷电状态阈值的精度要求不高，设定24.0V电压值作为阈值，控制模块4在蓄电池7放电终了（17时）前1分钟，提取蓄电池7实时放电的电压值V₁与24.0V作比较，通过阈值判定变换对蓄电池起始充电的电流强度：当V₁＞24.0V时，以恒压29.40V限流15A对蓄电池充电；当V₁≤24.0V时，以恒压29.40V限流20A对蓄电池充电。

本实施例通过对蓄电池放电终了前1分钟的荷电状态进行阈值判定，将蓄电池起始充电区分为两级电流强度，可有效适应家用储电柜负载功率差异较大的情况，使设计的产品更具实用性。

实施例7

实施例6中所述的通过变换对蓄电池起始充电电流强度的恒压限流充电方式，可以用充电电流强度分阶梯递减的技术方案进一步优化，一般而言，以限流20A对100Ah阀控密封式铅蓄电池充电时，当蓄电池两端电压高于2.35V/单体的受电效率会骤降，本实施例的优化技术方案为：当V₁≤24.0V时，以限流20A对蓄电池起始充电至两端电压28.20V，然后变换恒压29.40V限流15A充电，该方案更有利于延长蓄电池的使用寿命。

实施例8

以上实施例所述的家用储电柜，其工作状态变换的时间均在内置充电模块5中固化，通过单片机编程实现固有的程序，这种固化储电柜工作程序状态的计时方式，对于时区不同、电网峰谷期不同的不同用户，固化计时不一定适合实际应用。

为更好地适应不同用户，可在固化分段计时的基础上增加一块控制面板，所述的控制面板，是在控制模块4固化计时程序的基础上，增加一种由外接控制面板计时编程的方式，若干编程数据线的一端在外壳内部与控制模块4的数据编程接口电固连，另一端与设置在外壳表面的控制面板电固连，通过在控制面板对分段计时的数据输入，使储电柜内部开关组分段计时的逻辑组合状态以及充电模块5、逆变模块6的相应工作状态得到人工控制。该控制面板设置于外壳8，面板设置有自动和人工选择两档，其中，自动档由控制模块4编程固化计时控制，当选择人工输入计时档时，屏蔽控制模块4中固化的计时程序。

实施例9

在对家用储电柜设计要求不高的情况下，亦可将控制模块4的固化计时程序取消，将以上实施例各个逻辑开关的打开、闭合状态完全改变为人工控制。设置一控制各开关逻辑状态变换的面板，该控制面板设置于外壳8，通过人工选择各开关的状态选择，使储电柜工作在所需要的状态。

对实施例1，将电控式或逻辑开关3d改变为一个机械式或开关，面板相应设置为“逆变”和“屏闭”两档，在白天电网用电高峰期使用“逆变”档维持家庭电器用电，下班回家时再使用“屏闭”档。如果需要进一步提升产品档次，可以在输入端1与充电器5之间增设一个控制充电时间的第三开关3c，通过人工选择第三开关3c的闭合、打开，自主掌握补充储电的时间和充电程度；还可以在控制面板进一步设置反映蓄电池储存量的若干装置，如电量计、电压表等。

对实施例3至实施例7，同样可把第一开关3a、第二开关3b和第三开关3c改变为机械式开关，通过对三个开关状态的逻辑选择，使储电柜分别工作在逆变供电（白天，三个开关的逻辑状态为010）、屏闭隔离（上半夜，三个开关的逻辑状态为100）、补充储电（下半夜，三个开关的逻辑状态为101）三种不同状态，使产品可适应除家用外更广泛的需求。

本实施例所述的机械式开关，既可以采用触点电控式机械开关，也可以采用传统的手动机械式开关来实现。

实施例10

优化设计实施例1所述的外壳8和散热系统，其中，外壳基材由硬塑材料改为铁合金或制成，外壳内以电隔离形式与控制模块4、充电模块5、逆变模块6热固连的若干散热器，均采用铝片将散热器与金属合金外壳8热固连。

本实施例通过外壳基材由硬塑材料改为铁合金，以及采用铝片的导热形式，直接将控制模块4、充电模块5、逆变模块6工作时发出的热量传导致铁合金外壳，等效于利用铁合金外壳作为扩展散热器，使储电柜内部的热量得到充分发散。

实施例11

本实施例适用于储电柜的功率较大，或储电柜的体积设计受到限制，外壳内部控制模块4、充电模块5、逆变模块6工作时发出的热量较大，仅依靠实施例1所述的散热风扇和若干常规散热器、以及实施例10所述的采用铝片热传导至铁合金外壳技术方案仍得不到有效散热的情况。

所述的外壳设计为全密封结构，壳壁由3层材料制成，其中内层采用铝合金薄膜、外层采用铁合金，中间层为绝热材料，例如石棉纤维毡；壳壁的内外层之间，加装若干个热管装置，铁合金外壁与热管装置的冷凝端热固连，兼作冷凝端的散热器；铝合金薄膜与热管装置的蒸发端热固连，兼作蒸发端的吸热器。当所述的技术方案仍不足以使控制模块4、充电模块5、逆变模块6工作时发出的热量散发，可进一步采用热管的蒸发端直接与外壳内的主要发热部件热固连，热管的冷凝端热与铁合金外壁热固连，运用热管装置的高导热特性使储电柜的散热效果更好

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，例如实施例中的储能电池是以性价比较高的铅蓄电池为例，本领域的技术人员也可以置换为锂离子电池、镍氢电池和镍镉电池等。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种家用储电柜，包括输入端、输出端、逻辑开关、控制模块、充电模块、逆变模块、蓄电池和外壳，其特征在于,所述家用储电柜的输入端与外供电网连接，输出端和家用电网连接，蓄电池分别与充电模块、逆变模块和控制模块连接，控制模块分别与充电模块、逆变模块、逻辑开关连接，并分别控制其逻辑工作状态；所述的逻辑开关，至少包括一个固定端与输出端电固连、两个选择端分别与输入端或逆变模块输出端电固连的或逻辑开关，或至少包括设置于输入端与输出端之间的第一开关和设置于输出端与逆变模块、蓄电池回路上的第二开关。

2.根据权利要求1所述的储电柜，其特征在于，所述的控制模块的控制方法包括：

1）在T₁～T₂时间段，控制储电柜的输出端电连接逆变回路、隔离输入端，蓄电池处于放电状态，并通过逆变回路为家用电网供电；

2）在T₂～T₁时间段，控制储电柜的输出端电连接输入端、隔离逆变回路，家用电网使用外电网供电，蓄电池处于在线充电状态。

3.根据权利要求1所述的储电柜，其特征在于，所述的逻辑开关还包括设置于输入端与充电模块、蓄电池回路的第三开关。

4.根据权利要求3所述的储电柜，其特征在于，当输出端电连接输入端即T₂～T₁时间段，所述的控制模块的控制方法包括：

3）在T₂～T₃时间段，第三开关打开，隔离充电模块，蓄电池处于休眠状态；

4）在T₃～T₁时间段，第三开关闭合，充电模块工作，蓄电池处于受控充电状态；

所述的T₃为T₂～T₁时间段之间的时间点。

5.根据权利要求1～4任一所述的储电柜，其特征在于，所述的逻辑开关由若干个电控开关或一体化多触点开关组成。

6.根据权利要求1所述的储电柜，其特征在于，所述蓄电池通过并联、串联或并串联组合嵌合于储电柜的外壳内或外置于外壳。

7.根据权利要求1所述的储电柜，其特征在于，所述的外壳由金属合金或硬塑材料制成。

8.根据权利要求1或7所述的储电柜，其特征在于，所述的储电柜还包括散热风扇和在外壳内部加装的散热器，所述外壳设计有散热通风槽，散热器与内部的发热部件热固连，散热器可与金属合金外壳热固连。

9.根据权利要求1或7所述的储电柜，其特征在于，所述的外壳为全密封设计，壁内外加装热管装置，所述热管装置的蒸发端加装吸热器或与外壳内部的发热部件连接，冷凝端与金属合金外壳连接；所述的外壳的内壁设计为两层以上，其内层或中间层为绝热材料。