CN105052004A - 混合存储系统的拓扑和控制策略 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种混合蓄电池充电设备，其包括用于连接光伏面板或其他电流源的输入端子、用于连接铅酸蓄电池的第一蓄电池连接件和用于连接高循环化学蓄电池的第二蓄电池。此外，该蓄电池充电设备包括双向DC/DC转换器，所述双向DC/DC转换器具有与第二蓄电池连接件相连接的第一组端子和与第一蓄电池连接件相连接的第二组端子。第二组端子的输入得自输入端子。此外，该蓄电池充电设备包括通过相应的控制线连接到DC/DC转换器的充电和放电控制系统以及用于连接负载的输出端子，其中到所述输出端子的输入得自第一蓄电池连接件。

Description

混合存储系统的拓扑和控制策略

技术领域

本申请涉及用于远程能量系统（RES）的混合存储系统。

背景技术

铅酸蓄电池通常作为离网太阳能系统中和远程能量系统（RES）中的主要存储介质已被使用多年。铅酸蓄电池的普及主要是由它们的低廉的购买价格推动的。然而，在RES的整个使用期内，Pb蓄电池常常变成主要的成本动因，因为它必须每1到3年被更换，导致为获取和更换几个蓄电池的高成本。这种例如与备用系统中的铅（Pb）蓄电池相比相对短的使用期是由于远程能量应用的性质造成的。例如，在离网太阳能系统中，根据地理位置和天气在白天期间对蓄电池部分地充电几个小时，并且在夜间对该蓄电池主要放电，例如用于运行灯泡、用于运行电视机或其他设备和机器。由于这些条件，Pb蓄电池大部分时间保持在低荷电状态（SOC）并且它很少被完全充电。这些方面影响铅酸蓄电池的容量，因为它们易于增加铅酸蓄电池中的硫酸化过程。

US6353304公开了提供两个蓄电池串，其可以通过AC/DC转换器和开关连接到AC电源，使得一个蓄电池串被加载同时另一个蓄电池串被放电。这种布置可以为除了太阳能电池还具有发电机的太阳能混合系统提供改善的蓄电池管理。相比之下，本申请提供了一种改善的充电和放电，即使在仅存在可用的光伏能源时。

发明内容

本申请的目的是提供一种改善的混合存储系统和用于对该混合存储系统的蓄电池充电和放电的改善的方法。这些目的通过独立权利要求来解决。进一步的发展在从属权利要求中公开。

本申请提供一种混合蓄电池充电设备，其具有用于连接光伏面板的输入端子和用于连接铅酸蓄电池的第一蓄电池连接件。根据本申请的铅酸蓄电池包括多种类型，例如液体酸蓄电池、铅胶体蓄电池或吸水玻璃纤维毡（AGM）铅蓄电池。

此外，该蓄电池充电设备包括用于连接高循环化学蓄电池的第二蓄电池连接件。优选地，锂蓄电池，例如锂离子蓄电池或锂聚合物蓄电池，提供高循环化学蓄电池，然而也可以使用其他高循环化学蓄电池，例如镍铁蓄电池。

在本申请的上下文中，“化学蓄电池”指的是其中蓄电池的充电或放电涉及在蓄电池的相应阳极处的化学反应和离子的移动的蓄电池。这与电容器形成对比，例如平板电容器、电解电容器或双层电容器，它们也被称为超级电容器，其中充电或放电仅涉及电子或其他带电粒子的重新排列而不发生化学反应。此外，根据本申请的高循环化学蓄电池是可再充电的蓄电池。

根据本申请，高循环化学蓄电池的特性补充铅酸蓄电池的特性。铅酸蓄电池非常适合被完全充电或者甚至被稍微过充电，而高循环化学蓄电池非常适合较深的放电水平。铅酸蓄电池相对便宜，并且常常用于远程能量系统。这种铅酸蓄电池甚至可以由简单的汽车蓄电池提供，然而更有利的是使用容许较深放电的特别适配的蓄电池。

蓄电池充电设备包括双向DC/DC转换器，其也称为二向DC/DC转换器。双向DC/DC转换器用于沿第一电流方向给锂蓄电池充电以及沿第二电流方向给锂蓄电池放电。

双向DC/DC转换器的第一组端子与第二蓄电池连接件相连接，并且双向DC/DC转换器的第二组端子与第一蓄电池连接件相连接。到第二组端子的输入得自混合蓄电池充电设备的输入端子。在本文，B的输入“得自”A意味着B从A接收输入，其中该输入可以通过电线直接从A传送到B或者通过其他部件（例如开关、晶体管等）间接地从A传送到B。

此外，提供通过相应的控制线连接到双向DC/DC转换器和用于连接负载的输出端子的充电和放电控制系统。输出端子的输入通过连接装置得自第一蓄电池连接件，该连接装置用于将输出端子连接到第一蓄电池连接件，例如磁性开关或半导体开关。

在混合蓄电池充电设备的直流电路中，任一极可以以已知的方式连接到公共地。例如，第一蓄电池连接件的负极连接件以及输出端子的负极端子可以连接到公共地电势。换句话说，相应的蓄电池连接件之一以及输出端子之一可以通过相应的连接件被提供到公共地电势。双向DC/DC转换器的输入端子也称为“系统端子”并且系统端子两端的电压也称为“系统电压”。

此外，混合蓄电池充电设备可以包括控制设备，例如受控的通/断开关、脉宽调制（PWM）、最大功率点跟踪器等，用于更好地控制蓄电池的充电电压。控制设备连接在系统的输入端子和DC/DC转换器的输入端子之间，所述DC/DC转换器的输入端子又连接到铅酸蓄电池的端子。此外，控制设备通过控制线连接到充电和放电控制系统。例如，控制线可以被配置用于切换控制设备中的PWM的晶体管。

双向DC/DC转换器可以包括例如降压-升压转换器、降压转换器或升压转换器，用于提供合适的电压比率来对锂蓄电池充电或放电。特别地，双向DC/DC转换器可以包括用于将比铅酸蓄电池的充电结束电压更高的电压提供给锂蓄电池的增压转换器。

特别地，双向DC/DC转换器可以包括至少两个半导体开关，其中晶体管的相应输入连接件通过相应的控制线连接到充电控制系统。这样，双向DC/DC转换器易于通过电信号控制。特别地，晶体管可以实现为功率晶体管。

此外，混合蓄电池充电设备可以包括第一和第二电压测量连接件，用于连接第一和第二电压传感器。第一电压传感器连接到铅酸蓄电池的端子，并且第一电压测量连接件连接到充电和放电控制系统。第二电压传感器连接到锂蓄电池的端子，并且第二电压测量连接件连接到充电和放电控制系统，其中所述连接可以是直接的或者也可以是通过单独的控制器的间接的，所述单独的控制器用于管理锂蓄电池的荷电状态，所述单独的控制器例如电压监控芯片。电压监控芯片可以连接到锂蓄电池的电压传感器以及通过控制线连接到充电控制系统。

特别地，锂蓄电池、双向DC/DC转换器和用于锂蓄电池的电压监控芯片可以一起被安装在能量存储子系统中，其中该能量存储子系统提供用于将能量存储子系统插入混合蓄电池充电设备中的输入端子。由此，可以使用并且与混合蓄电池充电设备的其余部分分开地检修包括锂蓄电池的构建块。

第一和第二电压传感器可以例如在充电和放电控制系统内被提供作为混合蓄电池充电设备的部件，或者它们可以被提供作为相应蓄电池的部件。

混合蓄电池充电设备还可以包括用于锂蓄电池的单独的蓄电池管理系统，该单独的蓄电池管理系统连接到充电和放电控制系统。这样，现有的蓄电池充电设备，例如用于锂蓄电池的蓄电池充电设备，或者其部分，可以用在根据本申请的混合蓄电池充电设备中。

本申请还公开了一种具有根据本申请的混合充电设备的混合存储系统，该混合充电设备还包括连接到第二蓄电池连接件的锂蓄电池。

此外，混合存储系统还可以包括电容器，例如超级电容器，其与锂蓄电池并联连接，用于快速响应所连接的负载的高负载峰值。

此外，本申请公开了一种具有根据本申请的混合充电设备的混合存储系统，该混合充电设备还包括连接到第一蓄电池连接件的铅酸蓄电池。

混合存储系统还可以包括第一电压传感器和第二电压传感器，该第一电压传感器连接到第一蓄电池的一个或多个端子以及连接到充电和放电控制系统，该第二电压传感器连接到第二电压蓄电池的一个或多个端子以及连接到充电和放电控制系统。

此外，本申请公开了一种用于通过电源（例如光伏面板）给混合存储系统的铅酸蓄电池和锂蓄电池充电的方法。

根据本申请，在第一蓄电池充电阶段中给铅酸蓄电池充电直到铅酸蓄电池已经达到第一预先确定的荷电状态为止。在其中铅酸蓄电池被充电的第一蓄电池充电阶段期间，可以仅通过例如通过使用充电电压和电流作为输入数据的PID控制器限制到最大电流或限制于执行无限制充电或大量充电（bulkcharging）来控制充电。

在均衡阶段（其也称为升顶（topping）或升压阶段）中，铅酸蓄电池和锂蓄电池都被充电直到铅酸蓄电池已经达到第二预先确定的荷电状态为止。另外，铅酸蓄电池和锂蓄电池还可以在铅酸蓄电池的“吸收阶段”或升压阶段期间被充电。在均衡和吸收阶段中，系统电压在对应于各阶段的不同设定点处保持恒定。

在均衡阶段期间，可以使得在铅酸蓄电池处施加的电压在预先确定的较低电压和预先确定的较高电压之间振荡。特别地，可以通过脉冲充电并且尤其是通过脉宽调制充电施加该电压。充电脉冲的电压可以比铅酸蓄电池的充电结束电压高。充电脉冲可以通过均衡蓄电池单元上的荷电、将电解质混合并降低硫酸化来贡献较高的荷电和寿命预期。此外，在铅酸蓄电池的各端子处的平均电压接近在均衡阶段期间铅酸蓄电池的充电结束电压。在均衡阶段期间，到铅酸蓄电池的充电电流将降低，因为铅酸蓄电池的荷电状态接近100%。

在第三蓄电池充电阶段中给锂蓄电池充电，在该阶段期间基本恒定的系统电压被施加到铅酸蓄电池的系统端子并且第一电压被转换成在锂蓄电池的端子处的充电电压。

有利地，使在第三蓄电池充电阶段中给锂蓄电池充电期间施加到系统端子的基本恒定的系统电压等于铅酸蓄电池的最大开路电压。由此，铅酸蓄电池将不明显放电，即使它保持连接到锂蓄电池。另一方面，通过将铅酸蓄电池的端子保持在其最大开路电压来避免铅酸蓄电池的过充电。另外，涓流或待机充电可以应用于铅酸蓄电池，在此期间所施加的电压可以高于铅酸蓄电池的最大开路电压。

此外，本申请公开了一种用于对混合存储系统的铅酸蓄电池和锂蓄电池放电的方法。根据本申请，通过经由铅酸蓄电池的系统端子对锂蓄电池放电并且将在系统端子处的电压维持为基本等于铅酸蓄电池的最大开路电压来给负载供给功率，直到在锂蓄电池的端子处的电压达到锂蓄电池的放电结束电压为止。

由此，不需要在锂蓄电池和负载之间提供直接连接。这确保铅酸蓄电池已经不被放电，即使它没有被断开。例如，受控的DC/DC转换器可以提供所需的电压。

如果锂蓄电池的输出电压已经达到锂蓄电池的放电结束电压，则铅酸蓄电池被放电直到铅酸蓄电池的电压达到铅酸蓄电池的放电结束电压为止。铅酸蓄电池的放电结束电压是铅酸蓄电池可以被安全放电所至的电压。铅酸蓄电池的放电结束电压对应于铅酸蓄电池的大约30-40%的SOC。

类似地，如果负载从锂蓄电池汲取电流使得铅酸蓄电池的端子处的电压降低到低于铅酸蓄电池的最大开路电压，则铅酸蓄电池与锂蓄电池并行地被放电直到锂蓄电池达到放电结束电压为止。

另外，铅酸蓄电池可以在对铅酸蓄电池放电之后被断开和/或混合存储系统可以进入待机模式直到确定电源可以供给足够的功率来加载第一蓄电池为止。可以通过用于断开负载的通/断开关和/或通过在铅酸蓄电池处提供的单独的通/断开关来实现铅酸蓄电池的断开。特别地，待机模式可以通过暂停在第一蓄电池的端子处的系统电压和在第二蓄电池的端子处的电压的测量来提供降低的功耗。

此外，本申请公开了一种根据本申请的混合蓄电池充电设备，其中充电和放电控制系统操作用于执行根据本申请的充电或放电方法。这可以例如通过提供可编程微控制器的计算机可读程序或专用电路来实现，所述可编程微控制器的计算机可读程序或专用电路被提供在混合蓄电池充电设备的充电和放电控制设备中。

通常，根据本申请的混合存储系统可以用在需要来自能源的能量的有效中间存储的任何地方。这特别适用于其中来自能源的供给和/或能量消费者的能量要求随时间改变的能量系统。更特别地，这些条件适用于由变化的能源（例如太阳能或风能）供给的离网应用。

具有根据本申请的混合存储系统的离网太阳能电站可以用在例如远程地理位置中，例如非洲或巴西的内陆。此外，它还可以用于给典型地位于城市群外面的设施供电，所述设施例如是通信天线、气象站、防火了望塔、应急避难场所、在外太空的设备等。

附图说明

现在将关于下面各图来进一步详细地解释本申请，在图中

图1示出根据本申请的混合存储系统的总体布局，

图2示出图1的布局的更详细视图，

图3示出根据图1和2的混合存储系统的电路图，

图4示出在不同条件下针对12V铅酸蓄电池的荷电状态曲线，

图5示出在典型的充电和放电过程期间混合存储系统的系统电压、铅酸蓄电池的荷电状态和锂蓄电池的荷电状态，以及

图6示出针对高负载的放电过程的图5的各量，

图7示出根据本申请的充电和放电过程的流程图，

图8示出根据本申请的具有第一混合蓄电池充电设备的混合存储系统，以及

图9示出根据本申请的具有第二混合蓄电池充电设备的混合存储系统。

具体实施方式

图1示出根据本申请的具有混合蓄电池充电设备10的混合存储系统5的总体布局。根据本申请，混合存储系统包括至少一个蓄电池，而混合充电设备不一定包括蓄电池。

混合存储系统5包括光伏面板11、第一能量存储子系统8和第二能量存储子系统9。第一能量存储子系统8包括铅蓄电池12、单向DC/DC转换器13和充电控制系统14。充电控制系统14包括微控制器15和传感器16。传感器16包括在铅酸蓄电池的端子处的电压传感器。DC/DC转换器13连接到最大功率点跟踪器（MPPT）。最大功率点跟踪器为光伏面板11提供阻抗匹配，并且它可以由充电控制系统14的一部分和另外的硬件部件来实现。

典型地，MPPT使用光伏面板11两端的电压的测量、来自光伏面板11的电流的测量以及可选的另外的测量来产生对应于参考电压和/或参考电流的控制信号。MPPT算法包括恒定电压算法、扰动观察算法以及电导增量算法。

特别对于具有较高输出功率（例如高于300瓦）的远程能量系统，有利的是在根据本申请的系统中使用最大功率点跟踪器（MPPT）。由此，可能获得高效率。然而，根据本申请的系统还可以操作为不具有MPPT或输入DC/DC转换器13的离网太阳能系统。

第二能量存储子系统9包括锂蓄电池6、双向DC/DC转换器17和电压监控芯片18。DC/DC转换器13和17可以以多种方式被实施为例如降压转换器、升压转换器或降压-升压转换器。

图2示出图1的布局的更详细视图。根据图2的布局，锂蓄电池6与铅酸蓄电池12并联连接并通过双向DC/DC转换器17连接到负载19。此外，DC/DC转换器的输出线与铅酸蓄电池12并联连接。负载开关20与负载19串联连接。负载开关20被提供用于防止深放电并且它可以被实施为半导体开关，例如双极晶体管、FET、IGBT等等。箭头7指示电流方向。

图2中的短划线箭头指示传感器信号到充电控制系统14和电压监控芯片18的流动，而双点划箭头指示信号在充电控制系统14和电压监控芯片之间的流动和来自充电控制系统14的控制信号的流动。

混合存储系统提供正输入端子40和负输入端子41以及正输出端子42和负输出端子43，所述正输入端子40和负输入端子41连接到光伏面板（或其他能源）11的对应输出端子，所述正输出端子42和负输出端子43连接到负载19的对应输入端子。锂子系统9包括正输入端子44和负输入端子45，其连接到铅蓄电池12的相应端子。此外，锂子系统9包括正输出端子46和负输出端子47，其连接到锂蓄电池6的相应端子。

对于包括AC消耗件的负载19来说，DC/AC转换器可以连接在输出端子42和43与负载19之间。DC/AC转换器可以例如由开关H桥或开关三相逆变器来提供。

图3示出根据图2的混合存储系统5的电路图。在图3的实例中，铅酸蓄电池12可以输送大约12V的电压，并且锂蓄电池6可以输送大约24V的电压。光伏面板11通过反向电流保护MOSFET21（也可以是二极管）连接到混合存储系统5。用于瞬态电压抑制（TVS）和过电压抑制的TVS二极管39与光伏面板11并联连接。

连接到光伏面板11的输出和铅酸蓄电池12的蓄电池端子的DC/DC转换器13包括第一MOSFET22、第二MOSFET24和电感器23，它们以星形连接相连接。电容器25的第一端子连接到铅酸蓄电池12的正极蓄电池端子并且电容器25的第二端子连接到铅酸蓄电池12的负极蓄电池端子。

此外，第二电容器26与输入端子40和41并联连接并且作为输入滤波器工作。第一MOSFET22包括寄生二极管27并且第二MOSFET包括寄生二极管28。

在操作期间，光伏面板11的输出功率或DC/DC转换器13的输出功率由充电控制系统14测量。充电控制系统14的控制信号根据光伏面板11的最大功率点通过MOSFET22和24的开路和闭合来调节DC/DC转换器13的比率。

连接到锂蓄电池6的蓄电池端子和铅酸蓄电池12的蓄电池端子的DC/DC转换器17包括第一MOSFET29、第二MOSFET30和电感器31，它们以星形连接相连接。锂蓄电池6的正极蓄电池端子连接到电容器32的第一端子并且锂蓄电池6的负极蓄电池端子连接到电容器32的第二端子。

另一方面，电容器25、26、32和33用作用于使输出电压平滑的滤波器。

第一MOSFET29包括寄生二极管34并且第二MOSFET30包括寄生二极管35。保护MOSFET21包括寄生二极管36并且负载开关20包括寄生二极管37。相对于对应的MOSFET22、24、29、30、21和20，寄生二极管27、28、34、35、36和37还用作续流二极管。代替MOSFET，也可以使用其他场效应晶体管，像诸如IGBT、JFET等等。

熔断器38被设置得靠近混合存储系统5的正输出端子以保护混合存储系统5的电路免于过负荷。地电势38连接到铅酸蓄电池12的负极端子、锂蓄电池6的负极端子以及DC/DC转换器13的电容器25、第二MOSFET24和第二电容器26的相应端子。

根据本申请，不需要在蓄电池6、12处的单独开关。然而，铅酸蓄电池12和锂蓄电池6可以分别装备有开关，用于连接和断开铅酸蓄电池12和锂蓄电池6。

通过在MOSFET24和22的相应栅电极处的控制信号控制DC/DC转换器13，并且通过在MOSFET29和30的相应栅电极处的控制信号控制DC/DC转换器17。DC/DC转换器13和17可以通过在相应晶体管的相应基极或栅极处施加脉宽调制脉冲而操作为充电脉冲发生器。

在充电模式中，充电脉冲可以用于给蓄电池铅酸蓄电池12和锂蓄电池6充电，并且在恢复模式中，它们可以用于铅酸蓄电池12的脱硫。相对于充电，术语“脉宽调制”（PWM）涉及在半导体开关处施加的信号。产生的充电或电压脉冲将通常不采用矩形脉冲的形状。这不同于用于通过例如PWM驱动发动机的开关H桥的输出。

在操作期间，锂蓄电池6的电压由电压监控芯片18测量，并且铅酸蓄电池12的电压由充电控制系统14测量。充电控制系统14通过到MOSFET22和24的控制信号来调节DC/DC转换器13的电流。类似地，充电控制系统14通过到MOSFET29和30的控制信号来调节经过DC/DC转换器17的电流或功率。通过增大经过DC/DC转换器13和17的输入电压，光伏面板可以用于给蓄电池12和6充电，即使在较弱的日照周期中。

此外，充电控制系统14通过相应的控制信号控制保护MOSFET21和负载开关20的开路和闭合。

现在关于下面的图4和5更详细地解释根据本申请的充电控制系统12的控制信号的产生。

图4示出在不同条件下针对12V铅酸蓄电池的荷电状态曲线。最高的曲线示出以0.1C的充电率给铅酸蓄电池充电所需的外部电压。该充电率表示十小时内电池的容量。以0.1C的充电率，铅酸蓄电池在约90%的荷电状态（SOC）（其由圆圈符号表示）达到约13.5V的充电结束电压V_EOC。自顶部起的第二曲线示出以0.025C的充电率给铅酸蓄电池充电所需的外部电压。在这种情况下，铅酸蓄电池在约90%的荷电状态（其由圆圈符号表示）达到约13V的充电结束电压V_EOC。

自下面起的第二曲线示出针对铅酸蓄电池的不同荷电状态的开路电压。约12.5伏的最大开路电压V_maxOC由菱形符号标记。最低的曲线示出当选择负载使得以约0.2C的放电率对铅酸蓄电池放电时由铅酸蓄电池输送的电压。在约35%的电池充电的荷电状态，达到放电电压的结束。在放电结束时铅酸蓄电池的蓄电池端子之间的电压V_EOD由三角形符号标记，其处于大约11.2伏。

通常，下面的电压用在根据本申请的控制算法中。

-V_Sys，其对应于Pb蓄电池12的电压和DC/DC转换器17的第二组端子处的电压。根据本申请，关于对哪个蓄电池充电或放电的决定取决于V_sys并且作为一个选项取决于电流。

-V_EOC，其表示充电结束电压。在锂蓄电池中，该电压（V_Li_EOC）可以对应于约100%的SOC。相比之下，铅（Pb）蓄电池中的充电结束电压（V_Pb_EOC）对应于85-90%的SOC。为了达到100%的SOC，铅蓄电池必须在已经达到充电结束电压之后进一步被充电。如图4中所示，电压V_Pb_EOC可以取决于充电率。此外，它还取决于铅蓄电池的特性，例如使用期限和工作温度。

-V_EOD，其表示放电结束电压。在锂蓄电池中，该电压（V_Li_EOD）对应于某一低水平的SOC，而在铅蓄电池中，为了避免对电池的损坏，该电压（V_Pb_EOD）将对应于例如30-35%的SOC，如图4中所示。电压V_Pb_EOD还取决于放电电流、电池的使用期限和电池温度。它不对应于控制存储算法中的预先确定的固定值。

在根据本申请的充电方法中，脉宽调制（PWM）充电模式用于给铅酸蓄电池12充电。PWM充电模式为铅酸蓄电池提供有效的充电模式。铅酸蓄电池12的PWM充电不需要的剩余能量被自动传递到锂子系统9的锂蓄电池6。由此，来自光伏面板11的电能的剩余量用于给锂蓄电池6充电。

在根据本申请的放电方法中，锂子系统被控制用于将系统电压V_sys维持在对应于完全充电的铅酸蓄电池12的电压的阈值电压。系统电压V_sys在图2中由箭头指示，并且它是在到铅酸蓄电池12的连接线之间测量的，所述连接线连接到锂子系统9的端子。

图5示出根据本申请在充电过程期间铅酸蓄电池和锂蓄电池的电压和荷电状态图。在图5和6中，由两个蓄电池的荷电状态确定的系统状态由字母A到E标记。所述字母对应于图7的流程图中的标记。此外字母A-E表示充电和放电阶段。如图6中所示，当负载汲取比锂蓄电池6能输送的更多的功率时存在附加放电阶段D-D'。在这种情况下，还连接到负载的铅酸蓄电池将在系统电压下降到铅酸蓄电池12的充电结束电压以下的同时放电。

在充电和放电过程期间，充电控制系统14基于系统电压的时间相关性和/或基于被供给给蓄电池6、12的电流来估计蓄电池6、12的荷电状态SOC_Pb和SOC_Li。

在第一充电阶段A中，仅铅酸蓄电池12被充电。在图5的实例中，在铅酸蓄电池12处的电压处于放电结束电压V_Pb_EOD，并且在锂蓄电池6处的电压处于放电结束电压V_Li_EOD。

在第一充电阶段期间，铅酸蓄电池12的荷电状态增加。以规则的时间间隔来测量在铅酸蓄电池12的端子处的系统电压V_sys。系统电压V_sys一达到铅酸蓄电池12的充电结束电压V_Pb_EOC，第二充电阶段就开始。在第二充电阶段B期间，铅酸蓄电池和锂蓄电池都被充电。铅酸蓄电池12的荷电状态SOC_Pb一达到大致100%，就开始第三充电阶段C，其中利用电流给锂蓄电池6充电并且铅酸蓄电池12被保持在与涓流充电相同的SOC。这可以在荷电状态图中看到，该荷电状态图示出锂蓄电池的荷电状态的增加和铅酸蓄电池的恒定的荷电状态。

图5还示出针对其中两个蓄电池6、12在放电过程开始时都被完全充电的情形的根据本申请的放电过程。在第一放电阶段D中，仅锂蓄电池6被放电。在图5的实例中，来自锂蓄电池6的放电电流大致恒定。锂蓄电池6的荷电状态一达到下限，就只有铅酸蓄电池在第二放电阶段E中被放电。

在图5的实例中，达到SOC_Li的下限的时间由其中在锂蓄电池处的电压降低到充电结束电压V_Li_EOC的时刻确定。充电控制系统14通过在系统电压V_sys达到放电结束电压V_Pb_EOD时使负载开关12开路来从负载断开铅酸蓄电池12。

图6示出了第二放电过程，其中在放电阶段D'中，负载汲取比锂蓄电池能输送的更多的电流。在这种情况下，在铅蓄电池12的端子处的系统电压V_sys降低到铅酸蓄电池的最大开路电压V_PB_max_OC以下，如图6的最高图中所示的，并且铅酸蓄电池12与锂蓄电池6一起被放电。放电阶段D'和E类似于参照图5描述的那些。

图7示出指示充电控制系统14的工作原理的放电和充电过程的流程图。

在步骤50中，例如通过插入铅酸蓄电池12和锂蓄电池6来激活充电/放电控制。这可以包括附加步骤，例如检查蓄电池的健康状态和蓄电池的正确连接。在决定步骤51中，决定是否足够的功率可用于给蓄电池充电。在决定步骤52中，例如通过测量系统电压V_sys来决定铅酸蓄电池12是否被完全充电。如果铅酸蓄电池12被确定为完全充电，则在步骤53中锂蓄电池6被充电并且铅酸蓄电池12被提供有涓流充电。如果在步骤52中确定铅酸蓄电池12还没有被完全充电，则在决定步骤54中决定铅酸蓄电池12是否已经达到充电结束电压。

如果铅酸蓄电池12还没有达到充电结束电压，则它在步骤58中被充电。另一方面，如果确定铅酸蓄电池已经达到充电结束电压，则铅蓄电池12以恒定的电压被充电，而同时给锂蓄电池6充电。

如果在决定步骤51中确定产生不超过消耗并且消耗大于零，则在决定步骤55中确定锂蓄电池6是否是空的，其中“空的”对应于低SOC。如果确定锂蓄电池6是空的，则铅酸蓄电池12在步骤56中被放电，而铅酸蓄电池12的荷电状态SOC_Pb超过例如30-40%的下限。另一方面，如果在步骤55中确定锂蓄电池6不是空的，则锂蓄电池6在步骤57中被放电。如果在步骤56的执行期间负载汲取比锂蓄电池6能供给的更多的电流，则在铅酸蓄电池12的端子处的电压降低到充电结束电压V_EOC_Pb以下并且铅酸蓄电池12也将被放电。

图8和9示出类似于图1-3的实施例的混合存储系统5的另外的实施例。根据图8和9的实施例，蓄电池6和12不形成混合存储系统5的部分，而是被插入混合存储系统5中。

根据一个实例，蓄电池6、12被提供有电压传感器和用于将电压传感器连接到混合存储系统10的连接件。根据另一实例，混合存储系统被提供有铅蓄电池电压传感器62和锂蓄电池电压传感器63。此外，可以提供输入电压传感器64和供给电流传感器65。由开口圆符号化的传感器可以以多种方式实现。例如，传感器可以连接到两个对应的电线或两个仅一个电线。电流传感器还可以被提供作为磁场传感器。

图10的实施例类似于图9的实施例，但是与前述实施例相比，混合存储系统10包括仅一个DC/DC转换器17，其被提供用于锂蓄电池6的端子处的电压的调节。代替第二DC/DC转换器13，提供输入电流调节装置13'，例如可控通/断开关、可控脉宽调制（PWM）、过电压保护等等。电流调节装置可以通过控制线连接到充电控制系统14，如图10中所示。

在上面提到的描述中，已经提供了细节来描述本申请的实施例。然而对于本领域技术人员来说应当清楚的是，所述实施例可以在没有这类细节的情况下被实施。例如，存在用于实现混合存储系统的各部件的多种电路布置。这些电路布置可以包括具有与详述的实施例中所示的那些类似的功能的附加部件或其他部件。例如，晶体管在实施例中被示为n型单极晶体管。然而，技术人员将认识到该布置也可以用p型晶体管来实现。其他修改可以例如由使电池的极性反转、将电压传感器放置在不同位置处等产生。

Claims (24)

1.一种混合蓄电池充电设备（10），包括

-输入端子（40，41），用于连接光伏面板，

-第一蓄电池连接件（44，45），用于连接铅酸蓄电池（12），

-第二蓄电池连接件（46，47），用于连接高循环化学蓄电池（6），

-双向DC/DC转换器（17），其中所述双向DC/DC转换器（17）的第一组端子与所述第二蓄电池连接件（46，47）相连接，并且其中所述双向DC/DC转换器（17）的第二组端子与所述第一蓄电池连接件（44，45）相连接，

-充电和放电控制系统（14），其通过相应的控制线连接到所述DC/DC转换器（17），

-输出端子（42，43），用于连接负载（19），其中到所述输出端子的输入得自所述第一蓄电池连接件（44，45）。

2.混合蓄电池充电设备（10），还包括

-控制设备（13），其连接到所述充电和放电控制系统（14），其中所述控制设备（13）的输入端子连接到所述输入端子（40，41），以及其中所述控制设备（13）的输出端子连接到所述DC/DC转换器（17）的输入端子。

3.根据权利要求2所述的混合蓄电池充电设备（10），其中所述控制设备（13）包括脉宽调制。

4.根据权利要求2或权利要求3所述的混合蓄电池充电设备（10），其中所述控制设备（13）包括最大功率点跟踪器。

5.根据权利要求2或权利要求3所述的混合蓄电池充电设备（10），其中所述控制设备（13）包括可控开关（13'）。

6.根据权利要求2或权利要求3所述的混合蓄电池充电设备（10），其中所述控制设备（13）包括DC/DC转换器（13'）。

7.根据前述权利要求中的一项所述的混合蓄电池充电设备（10），其中所述双向DC/DC转换器（17）包括降压-升压转换器、降压转换器、升压转换器或另一转换器拓补。

8.根据前述权利要求中的一项所述的混合蓄电池充电设备（10），其中所述双向DC/DC转换器（17）包括至少两个半导体开关（29，30），其中晶体管（29，30）的相应输入连接件通过相应的控制线连接到所述充电控制系统（14）。

9.根据前述权利要求中的一项所述的混合蓄电池充电设备（10），包括

-用于连接第一电压传感器的第一电压测量连接件，所述第一电压传感器连接到所述铅酸蓄电池（12）的端子，并且所述第一电压测量连接件连接到所述充电和放电控制系统（14），

-用于连接第二电压传感器的第二电压测量连接件，所述第二电压传感器连接到所述高循环化学蓄电池的端子，并且所述第二电压测量连接件连接到所述充电和放电控制系统（14）。

10.根据权利要求1或权利要求2所述的混合蓄电池充电设备（10），包括用于所述高循环化学蓄电池的单独的蓄电池管理系统，所述单独的蓄电池管理系统（18）连接到所述充电和放电控制系统（14）。

11.具有根据前述权利要求中的一项所述的混合充电设备（10）的混合存储系统（5），还包括连接到所述第二蓄电池连接件（46，47）的高循环化学蓄电池（6）。

12.根据权利要求11所述的混合存储系统（5），其中所述高循环化学蓄电池（6）包括锂蓄电池（6）。

13.根据权利要求11所述的混合存储系统（5），还包括与所述高循环化学蓄电池（6）并联连接的电容器。

14.根据权利要求11-13中的一项所述的混合存储系统（5），还包括铅酸蓄电池（12），所述铅酸蓄电池（12）连接到所述第一蓄电池连接件（44，45）。

15.根据权利要求11-14中的一项所述的混合存储系统（5），还包括

-第一电压传感器，其连接到第一电池（12）的端子和所述充电和放电控制系统（14），

-第二电压传感器，其连接到第二电压电池（6）的端子和所述充电和放电控制系统（14）。

16.一种用于通过电源（11）给混合存储系统（5）的铅酸蓄电池（12）和高循环化学蓄电池（6）充电的方法，

-在第一电池充电阶段中给所述铅酸蓄电池（12）充电直到所述铅酸蓄电池（12）已经达到第一预先确定的荷电状态为止，

-在升顶/升压/均衡阶段中给所述铅酸蓄电池（12）和所述高循环化学蓄电池（6）充电直到所述铅酸蓄电池（12）已经达到第二预先确定的荷电状态为止，

-在第三蓄电池充电阶段中给所述高循环化学蓄电池（6）充电，在所述第三蓄电池充电阶段期间基本恒定的系统电压被施加到所述铅酸蓄电池（12）的系统端子并且系统电压被转换、尤其是被上转换成在所述高循环化学蓄电池（6）的端子处的充电电压。

17.根据权利要求16所述的方法，所述均衡阶段还包括在所述铅酸蓄电池处施加电压，所述电压在预先确定的较低电压和预先确定的较高电压之间振荡。

18.根据权利要求16或权利要求17所述的用于给混合存储系统（5）充电的方法，还包括在所述均衡阶段期间将所述铅酸蓄电池（12）的端子处的平均电压维持在所述铅酸蓄电池（12）的充电结束电压。

19.根据权利要求16-18中的一项所述的用于给混合存储系统（5）充电的方法，其中，在所述均衡阶段期间，在所述铅酸蓄电池的端子处的系统电压被控制为恒定的，使得到所述铅酸蓄电池的充电电流降低并且剩余的充电功率被传递到所述高循环化学蓄电池（6）。

20.根据权利要求16-19中的一项所述的用于给混合存储系统（5）充电的方法，其中在所述第三蓄电池充电阶段中给所述高循环化学蓄电池（6）充电期间施加到系统端子的基本恒定的系统电压等于所述铅酸蓄电池（12）的最大开路电压V_Pb_maxOC。

21.根据权利要求16-20中的一项所述的用于给混合存储系统（5）充电的方法，其中根据在所述铅酸蓄电池的端子处的系统电压来作出开始所述均衡阶段的决定和开始所述第三蓄电池充电阶段的决定。

22.一种用于对混合存储系统（5）的铅酸蓄电池（12）和高循环化学蓄电池（6）放电的方法，所述方法包括

-通过经由铅酸蓄电池（12）的系统端子对高循环化学蓄电池（6）放电并且将在所述系统端子处的电压维持为基本等于所述铅酸蓄电池（12）的最大开路电压来给负载（19）供给功率，直到所述高循环化学蓄电池（6）的输出电压达到所述高循环化学蓄电池（6）的放电结束电压为止，

-对所述铅酸蓄电池（12）放电直到所述铅酸蓄电池（12）的电压达到所述铅酸蓄电池（12）的放电结束电压为止。

23.根据权利要求22所述的方法，其中

对所述高循环化学蓄电池（6）放电和对所述铅酸蓄电池（12）放电的步骤被并行执行。

24.根据权利要求1-8中的一项所述的混合蓄电池充电设备（10），其中所述充电和放电控制系统（14）包括用于执行根据权利要求16-23中的一项所述的方法的各步骤的装置。