CN115133599A - 一种用于在电路中连接电池的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于在电路中连接电池的系统，将不少于两个电池设置在串‑并联切换电路中，其中一组电池使用快速开关装置在两个独立的阶段中以并联和串联连接，其中基于占空比将平均电压输出到负载。诸如太阳能电池板之类的可再生能源电源可以在第一阶段与电池并联连接，并且在第二阶段相同的电池与负载串联连接，使用晶体管开关，首先使电池能够同时充电和放电，其次使太阳能电池板转移电压，所述电压作为串联的附加电池为负载提供所需电压，并且通过转换电压波形调节充电和放电的占空比。

Description

一种用于在电路中连接电池的系统

技术领域

本发明涉及一种提高电池性能的储能系统和方法。

背景技术

串联和并联是电学领域常用的连接方式。并联连接优先从电源中给电池充电，因为并联可以提高电流，使电池能够更快地充电。串联连接优先从电池向负载或装置放电，因为电池电压要求高于负载或装置，以使电流能够流动。

由于并联配置的电池直接连接在一起，所以能自然平衡。但是，串联配置的电池可能具有不同的荷电状态(State of Charge，SoC)，当电压进一步下降时，容量较小的电池可能先于容量较大的电池耗尽，从而导致电池效率低。因此，串联配置的电池可能需要电池平衡以保持每个电池的电压水平，实现最大效率。电压水平的变化会导致电池不平衡，这可能会导致各种问题。例如，电池不平衡可能导致热失控、电池退化、电池组能量使用不完全或电池组充电不完全。由于SoC、内部电阻或温度的变化，电池可能会变得不平衡。

串联电路的工作原理对太阳能光伏电池来说是一样的。如果串联电路中一个电池板的连接出现问题，整个电路就会失效。而并联电路中，一块有缺陷的电池板或松动的电路不会影响其余的太阳能电池板。充电控制器是太阳能电池板接线的决定性因素，其中太阳能电池板串联接线倾向于使用最大功率点跟踪(Maximum Power PointTracking，MPPT)充电控制器，太阳能电池板并联接线倾向于使用脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)充电控制器。

此外，充电控制器需要单独的逆变器设备，将可再生电源产生的直流能量为交流输出设备供电。而且，由于太阳能和其他可再生能源的间歇性，可以直接通过交流输入源为多个电池充电，而不用通过有热能损失的变压器降压。

典型的电池或储能系统可能不会同时充电和放电。因此，它们可能无法在充电的同时驱动负载。当储能系统与可再生能源一起使用时，这可能会出现问题。这些系统通常需要一个中央控制器来控制系统的充放电。图3显示了一个典型的现有技术太阳能充电控制器配置。太阳能光伏(solar photovoltaic，PV)电池302是连接到太阳能充电控制器304的电源。所述充电控制器控制电源(太阳能光伏电池302)、电池306和负载308之间的连接。可以连接电池306为电池充电，连接负载308来驱动负载。当电池306充满电时，关闭电池电流(I_bat)。当电池306耗尽时，关闭电池负载(I_load)，给电池306充电而不是驱动负载308。如果太阳能光伏电池302吸收的能量很低或低于最小值，则关闭电源电流(I_pv)。这种电池充电系统的缺点是，当使用充电控制器时，电池会与所需的负载竞争，导致负载和电池共享来自可再生电源的电能，使得I_pv＝I_bat+I_load。

电动汽车和其他设备制造商通常将电池用作串联或并联配置的硬件，通过软件进行重新配置不灵活。

发明内容

电池可以使用连接在其正极和负极上的逻辑开关连接，这样两个或两个以上的电池可以在交替的周期中以“串-并联”(即并联和串联)的形式连接到负载上，以根据所述周期的相对持续时间产生平均的并联电压和串联电压给所述负载。

电池也可能与可再生能源和负载采用隔离电路连接，其中所述电池在一个周期内与所述可再生能源相连，同一电池在另一个周期内与所述负载相连，使所述负载在串联占空比内接受电源，所述占空比可能在0％～100％之间变化。例如，在可再生能源和负载之间切换的电池可以称为切换电池。

因此，电池可能耦合到小型太阳能光伏可再生能源上，以便在隔离负载时与较大的负载相连。此外，当所述电源大于所述负载时，电池SoC可能会得到改善。

控制单元可以配置成执行一组指令，所述指令为程序或代码的形式。所述程序或代码可以形成安装在所述控制单元上的软件。所述控制单元可以控制针对负载的占空比，也可以通过软件代码在两相间使用电压比较器改变相对开关速度，将方波转换为正弦波。所述控制单元还可以使用电压比较器使电池平衡。所述电压比较器作为输入和输出比较器使用。此外，所述控制单元可使用同步充电方法使待使用的交流输入用于对多个电池充电。所述控制单元还可以在50％占空比的负载周期中添加第二组独立的电池，为负载提供恒定的能量供应。所述控制单元可进一步实施二次或三次可再生能源，确保对负荷的100％占空比。

附图说明

本发明实施例的优点将利用下列实施例并结合相关附图进行详细说明，附图中相同的数字表示相同的元件：

图1A是串-并联放电方法的实施例示意图。

图1B是串-并联放电方法的实施例示意图。

图2A是具有隔离负载的储能系统的实施例示意图。

图2B是具有隔离负载的储能系统的实施例示意图。

图3是现有技术中储能系统的实施例示意图。

图4是使用串-并联放电方法的电池单元平衡的实施例示意图。

图5A是电池充电波形(电源电流8A)的实施例示意图。

图5B是电池充电波形(电源电流10A)的实施例示意图。

图5C是电池充电波形(电源电流5A)的实施例示意图。

图6A是实现开关电路的方法的实施例示意图。

图6B是实现开关电路的方法的实施例示意图。

图7A是电流信号波形的实施例示意图。

图7B是电压信号波形的实施例示意图。

图7C是输出电压波形(50％占空比)的实施例示意图。

图7D是输出电压波形(25％占空比)的实施例示意图。

图8A是使用4个电池实现示例性隔离负载充电系统的储能系统的实施例示意图。

图8B是使用8个电池实现示例性隔离负载充电系统的储能系统的实施例示意图。

图9是实现示例性隔离负载充电系统的储能系统的实施例示意图，所述隔离负载供电系统供应恒定负载电压。

图9A是电池充电波形(电源电流8A)的实施例示意图。

图9B是电池充电波形(电源电流10A)的实施例示意图。

图9C是电池充电波形(电源电流5A)的实施例示意图。

图9D是输入电容波形的实施例示意图。

图9E是过渡电容波形的实施例示意图。

图9F是输出电容波形的实施例示意图。

图10A是用于计算串联连接的0至7组电池的指定时间的表格示意图。

图10B是将方波转换为正弦波的示例性电路示意图。

图10C是将直流输出转换为交流输出的示例性电路示意图。

图10D是将交流输入转换为直流输入的示例性电路示意图。

图11A是使用可再生电源的多电池隔离负载充电方法的实施例示意图。

图11B是多电池隔离负载充电方法的实施例示意图，所述方法使用来自电网的交流电。

图12A是用于切换多个电池的装置示意图。

图12B是用于切换多个电池的装置示意图。

图13是本发明实施例的示例性电路示意图。

图14是本发明实施例的示例性曲线图。

图15A是本发明实施例中电荷对时间的示例性曲线图。

图15B是本发明实施例中电荷对时间的示例性曲线图。

图15C是本发明实施例中电荷对时间的示例性曲线图。

图15D是本发明实施例中电荷对时间的示例性曲线图。

图16是本发明实施例中电荷对时间的示例性曲线图。

具体实施方式

本发明的各方面在针对本发明的特定实施例的描述和相关附图中公开。在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以设计替代实施例。此外，本发明的实施例将不会详细描述或将省略公知元件，以免混淆本发明的相关细节。此外，为了便于理解这里使用的几个术语的描述讨论如下。

如本文所用，“示例性”一词的意思是“作为示例、实例或说明”。这里描述的实施例不是限制性的，而仅仅是示例性的。应当理解，不应将所描述的实施例解释为优于其他实施例。此外，术语“本发明的实施例”、“实施例”或“发明”并不要求本发明的所有实施例都包括所讨论的特征、优点或操作模式。

仅与负载以串-并联连接的电池

实施例可以实施如图1所示的“串-并联”放电方法。第一周期可以将电池与图1A所示的负载并联。第二周期可以将电池与图1B中所示的相同负载串联。所述控制单元可以在任意需要频率的独立周期之间切换，根据每个周期的相对持续时间产生期望的平均输出电压和平均输出电流。通过在并联和串联配置之间快速切换，电路可以输出串联输出和并联输出的平均值。可以通过调整阶段频率或切换之间的时间来调整开关电路的输出。通过增加电路处于串联配置的时间可以获得更高的电压。

串-并联放电实施例的优点在于它可以使存储在不可充电电池中的所有电子能够有效放电。在图1A和1B所示的实施例中，当两个4V 2Ah的不可充电电池(第一电池102和第二电池104)用于为2.5V 0.5A的输出负载120供电时，电池可以与负载并联(图1A)，4V电池足够为压降电压为0.5V的2.5V输出负载120供电。然而，当电池电压下降到低于3V的压降电压时，由于电流不会流动，所述第一电池102和所述第二电池104不会放电到所述输出负载120。因此，具有电压比较器电路的控制装置能激活切换到合适的串-并联比，基于所需的压降电压(3V)使电压成为最小电压。所述控制单元可以激活第一开关106(作为第一逻辑开关)、第二开关108(作为第二逻辑开关)、第三开关110(作为第三逻辑开关)和第四开关112(作为第四逻辑开关)以便在串联配置和并联配置之间切换。

参考图1A中的并联阶段，附加开关(第二开关108)可以连接到所述第二电池104的负极。在所述并联阶段，所述第二开关108可以配置为连接到所述第一电池102的负极。因此，所述第二开关108有一个节点连接所述第一电池102的负极和所述第二电池104的负极。此外，所述输出可以连接到所述第三开关110和所述第四开关112。在所述并联阶段，所述第三开关110可配置为将所述输出负载120连接到由所述第一电池102的正极和所述第二电池104的正极创建的节点。同时，所述第四开关112可配置为将所述输出负载120的负极连接到由所述第一电池102的负极和所述第二电池104的负极创建的节点。这样，上述电池的正极和所述输出负载的正极全部接通，上述电池的负极和所述输出负载的负极也接通，形成并联电路。

现在参考图1B，所述电路可以显示为串联配置。所述串联配置可以发生在与所述并联配置不同的阶段。在所述串联配置中，所述第一开关106、所述第二开关108、所述第三开关110和所述第四开关112都可以切换为前一阶段的相反方向。可以连接上述开关以使得它们可以同时切换。为了形成串联配置，所述第一开关106和所述第三开关110可以将所述第二电池104的正极直接连接到所述输出负载120。所述第二电池104的负极可以通过所述第二开关108连接到所述第一电池102的正极。所述第一电池102可以通过所述第四开关112连接到所述输出负载120。上述开关可以是多种类型的开关或断路器中的任何一种。开关可以同时翻转或换向。输出信号(电流和电压)取决于两个阶段之间的换向或切换时间。

表1 显示了7种可能的情况：

表1

如果表1中的方案4中每个电池的电池电压下降到2.5V，通过逐渐调整串-并联比例为67％(67％并联和33％串联)可将所述负载的可用电压提高到3.5V。提供给所述负载的电压增加将减少电池中存储的剩余电流，直到电池中没有剩余的电子电荷为止。在设计电路时可能需要考虑带有比较器电路的控制设备所需的功率，所述功率通常会很低，并且可以包含在压降中。

并联配置的电池可以自然地平衡，因为它们相互直接连接。当两节电池串联并具有不同的SoC时，容量较小的电池可能先于容量较大的电池耗尽，从而导致所述容量较小的电池两端的电压较低。在主动平衡中，将来自一个电池的多余电荷转移到另一个低电荷的电池使电荷平衡。在现有技术的实施例中，通过诸如电容和电感器之类的电荷存储元件来实现主动平衡。

在图4所示的实施例中，与第二负载406相连的4V2Ah的第一可充电电池402和第二可充电电池404断开，以便4V 2Ah的所述第一可充电电池402可连接到已耗尽至3.0V 1Ah的所述第二可充电电池404。由具有电压比较电路的控制装置400设置所述开关配置，控制装置400控制电池与所述第二负载406断开，而不是将4V 2Ah的所述第一可充电电池402与消耗了的3.0V 1Ah所述第二可充电电池404并联。这样可以使电池平衡。然后，触发所述控制装置400，使两个电池并联或串联，以便向负载放电。在这样的实施例中需要考虑具有比较器电路和开关的控制装置所需的能量并相应地确定所述能量的大小。

串-并联隔离负载电池充电

隔离负载电池充电方法的实施例在图2A中示出。控制装置可以在两个周期之间交替，其中在第一周期中，16V 8A太阳能光伏电源122与12V 5Ah的第一电池102和第二电池104并联并充电。在第二周期中，控制装置可以通过对串联的所述第一电池102和所述第二电池104放电来为24V8A的第三负载124供电。在本实施例中，负载与电源隔离，并且50～60赫兹的快速切换速度使得在驱动负载的同时对电池充电成为可能。在所述第一周期期间，以电流I_pv对所述第一电池102和所述第二电池104充电，而在所述第二周期期间，以电流I_load从从所述第一电池102和所述第二电池104放电。一个12V可再生能源(如光伏板)和两个12V电池并联的初始第一周期，可以在第二周期将两个12V电池串联放电时，电路为24V的负载供电，产生一个伪正弦波(方波)。

在所述第一周期中，所述第一电池102和所述第二电池104并联在电源上，其中两个所述电池各自从8A太阳能电源500接收4A电流。由于每个电池的存储容量为5Ah，因此所述电池可以接收4Ah。在所述第二周期中，电池串联连接以向负载提供24V的电压，可用于驱动8A的负载。每个12V的电池在充满时通常可以充电到12.9V左右，在完全放电时可以充电到11.4V左右，当12V的所述第一电池102和所述第二电池104串联配置时，它会产生所述第三负载124所需的24V。

图5A显示了SoC(单位为库仑)，其中所述太阳能光伏电源122为8A，所述第三负载124也为8A。在另一个实施例中，图2A中的所述太阳能光伏电源122为10A，所述第三负载124电流为8A。如图5B所示，电池SoC可能增加。在进一步的实施例中，图2A中的所述太阳能光伏电源122为5A，所述第三负载124为8A，如图5C所示电池SoC可能会减少。

在图2A所示的实施例中，所述太阳能光伏电源122是20A，所述第三负载124是5A，其中所述第一电池102和所述第二电池104可以各自接收5Ah，控制单元在此之后切断电源。所述电路可增加第五开关114(作为第五逻辑开关)和第六开关116(作为第六逻辑开关)，以连接所述太阳能光伏电源122或所述第三负载124。在图2B所示的另一个实施例中，所述太阳能光伏电源122为20A，所述第三负载124为5A，其中可以增加12V5Ah的第三电池101来通过额外的5Ah来平衡电路，而不是切断电源，其中在第二周期中，当电池与负载相连时，负载电压可以保持在24V，具有串-并联的50％占空((12V+36V)/2)。也可以在加入所述第三电池101时加入附加的第七开关103(作为第七逻辑开关)和第八开关105(作为第八逻辑开关)。电压偏移使较低电压的太阳能电池板能够与电池耦合。在串联阶段增加连接到负载的电池可能会更快地耗尽电池，如表7所示。当太阳能电池板电压降低时，可能会增加更多电池并用于其电压，从而会导致更快的耗尽电池的负载。任何增加的电池都可以用来储存电源产生的过剩能量。

参考图6A中的示意性流程图，一实施例可以启动第一阶段并联充电，第二阶段串联充电，将电池放电到负载。第一阶段开始600，然后将电路切换为串联610，以便储能单元(Energy Storage Units，ESUs)给负载充电615。然后，第二阶段开始620。在第二阶段开始620期间，可以将电路切换为并联630，以便为能源给储能单元(ESUs)充电635。图6B显示了另一个实施例，其中电池可以完全充电，第一阶段串联将电池放电到负载，第二阶段并联从电源给电池充电。因此，在图6B中，电路可以在第一阶段开始600期间电路切换为并联630，然后在第二阶段开始620之后电路切换为串联610，然后储能单元给负载充电615。

因此，当电池未连接到电源时，两个周期是独立的，其中负载可以在周期期间被隔离和放电。隔离负载电池充电方法的一个优点是它允许电池为整个电压负载供电。因此，只有电池电压可能需要高于负载电压，这可以通过多个电池的串联来实现。隔离负载还允许电池同时充电和放电，例如以60Hz的速度充放电。

在另一个实施例中电源也可能有最小的电压，具有更高的容量来为更高的电压负载供电，因为所需的电池电压将向负载提供额外的电压。为了使来自太阳能电源实施器的更高的电流能够对电池充电，可能需要在厚度上按比例增加连接导线，使增加的电流能够高效通过。通过在独立的独立周期中快速切换电源与负载之间的电池连接，电池串联在第二周期时，可能产生最大的负载电压。

在隔离负载电池充电方法的另一个实施例中，第一周期可以将电池与电源并联连接，并且第二周期可以将电池与负载并联连接。在该示例情况下，由于第一阶段与第二阶段隔离，因此第一阶段和第二阶段都可以处于并联-并联布置中。第一阶段独立地从电源为电池充电，第二阶段将负载连接到电池。通过在独立的单独周期中快速切换电源和负载之间的电池连接，电池在第二周期期间并联连接时可产生最小负载电压。在另一个实施例中，第一阶段可以是并联的，第二阶段可以是串-并联的，以使负载能够根据并联和串联之间的相对持续时间获得适当的平均电压。

控制单元可以独立于第二阶段的持续时间来配置第一阶段的相对持续时间。这可以通过在每个阶段调整第一和第二周期相对位置的占空比来实现。调整第一和第二周期的占空比，将导致充电阶段和放电阶段分别进行调整。

在实施例中，t₁可以是在第一并联周期中花费的时间，t₂可以是在第二个串联周期中花费的时间。进一步地，时间T可以代表基频对应的周期，所以T＝1/基频＝t₁+t₂。如果f(t)可以表示输入信号，则可以使用以下公式计算信号的平均值：

公式(1)可以参考示例图7A-D中所示的开关信号。如图7A所示，该信号可以是方波信号。图7A是示例开关信号的输出。示例信号的电压(V)的积分可以产生以下等式。

图7B是示例电压信号的输出。第二水平线304的宽度对应时间t₁，第一水平线302的宽度对应时间t₂。

假设当信号“打开”时，电池在第一周期并联充电，示例信号的电压积分可以产生以下等式：

假设当信号“关闭”时，电池在第二周期串联放电，示例信号的电压积分可以产生以下等式：

其中V_In对应V_signal,On是并联的第一周期充电电压。图7A显示了示例信号电压V_signal。对应于V_signal,Off的输出电压和串联的第二周期放电电压定义为V_Out。

在t₁＝t₂的示例情况下，输出电流的平均值是I₂/2，平均输出电压是V₂/2，可以降低输出电压。

当负载与电池串联时，输出负载由第二周期t₂决定。占空比为100％的电池系统，其中t₁＝0且t₂＝T，V_out＝V₂，电路仅串联放电。在50％的占空比下，其中t₁＝0.5T，t₂＝0.5T，V_out＝0.5V₂，电路按交替周期充电和放电。图7B为示例50％占空比的电压信号。

实施例的占空比为25％，其中t₁＝0.75T，t₂＝0.25T，V_out＝0.25V₂，电路75％的时间充电，25％的时间放电。图7C的曲线图是该实施例的输出电压。在实施例中，在并联充电阶段期间来自能量源的电荷量可以超过在串联阶段期间负载放电的量，因此电池随着时间获得电荷。当占空比低于50％或来自电源的电流超过负载电流时，电池中的电量增加。可以设想，当电池达到一定水平时，防止过量电荷到达电池，以降低过度充电的风险。在替代实施例中，可以选择能量源，其充入的能量等于串联阶段期间放电的量。在该替代实施例中，储能单元可以恒定地保持相同量的电荷。

实施例的占空比为75％，其中t₁＝0.75T和t₂＝0.25T，V_out＝0.25V₂，电路25％的时间充电，75％的时间放电。图7D的曲线图是该实施例的输出电压。当占空比高于50％，或来自电源的电流小于负载电流时，电池中的电量可能会减少。由于输入的电池电量少于输出的电量，电池将很快耗尽。高于50％的占空比时，由于连续的充电和放电周期，电池可以与电源结合，为负载提供单一能源。

因此，50％占空比的实施例可以由第二组电源和电池来补充，以确保不间断地向负载提供能量。

采用两个12V电池隔离负载电池充电方法，在串联放电周期期间可以产生0V和24V的方波电压输出，因此在没有向负载提供能量的周期期间与另一个系统互补，可以确保使用两组电池向负载提供24V的恒定电压。因此，输出电压升高。

实施例可以实现第二两相隔离负载电池充电方法，如图8A所示，使用50％占空比，第二组电池也处于50％占空比，即在第一隔离负载电路连接到电源(太阳能电源702)的阶段期间，当没有电流供给负载时，向负载提供电流。当第一组电池(BATT1和BATT2)正在充电时，第二组(BATT3和BATT4)可以向第四负载704放电，反之亦然。

图8B所示的另一个实施例使用8个电池，其中4个电池在A组中，另外4个电池在B组中，每组在互补的充电和放电。另一个实施例可以实现图8B中所示的四相输入，其中电池A1、B1、C1和D1可以从太阳能电源702充电，并且其中电池A2、B2、C2和D2可向所述第四负载704放电，例如，以25％的串联占空比下，每个电池都为负载提供稳定的100％充电。

如图9所示，第二组电池可以是不同类型的储能单元，例如电容，并且可以提供不同的电压或电流。每个储能单元，如果最初没有充电，必须在第一阶段接收电荷，在第二阶段放电。每个电池在每个相应的能量存储组下可以是相似的类型。

图9图示包括两个隔离电路的实施例，包括第一隔离电路1和第二隔离电路2，连接到相同的太阳能电源702和第四负载704。每个单独的电路包括12V 8Ah的单电池，该电池与输入电容902并联连接，使输入电容902接收12V电压。其相应电路中的每个输入电容902并联到过渡电容904，使得每个过渡电容904(D)从相应输入电容902(B)接收12V电压。输出电容906并联连接到过渡电容904(其现在与输入电容902断开连接)，使得电荷流向单独的输出电容906。每个输出电容906(E)也串联到另一个输出电容906(F)，使负载接收24V电压。第一隔离电路1和第二隔离电路2中的每一个都有两个阶段，使得当电池在阶段1充电时，电容(例如，在较早的阶段2中充电)在相同的阶段1向所述第四负载704放电。在相应电路的阶段1或阶段2中，只有输入电容902或输出电容906在交替周期中连接到第四负载704，而不是同时连接到第四负载704。因此，输出与输入隔离。当从可再生电源(太阳能电源702)充电时，输入也与输出隔离。所述第四负载704和所述太阳能电源702在两个电路之间共享，使得当所述第四负载704连接到所述第一隔离电路1时，所述太阳能电源702连接到所述第二隔离电路2，反之亦然。因此，每个电路都有3个阶段：

第一阶段：充电——使用太阳能或风能为电池充电；

第二阶段：电池放电——从电池放电到一对输入电容；

第三阶段：放电到负载——从输出电容放电到负载。

当电池充电时，它按照以下等式以电荷的形式存储由可再生能源(太阳能电源702)提供的功率：

其中：

q_i(t)为时刻t时电池i的电荷(i∈(1,2))

q_j(t)为时刻t时电容j的电荷(j∈(A,B,C,D,E,F,G,H,I,J,K,L)

V_k为元件电压(k∈(1,2,A,B,C,D,E,F,G,H,I,J,K,L)

i_k为元件电流(k∈(可再生能源,1,2,A,B,C,D,E,F,G,H,I,J,K,L,负载)

C为电容的电容值

当电池连接到输入电容902和过渡电容904时，每个电容都与电池并联，并充电到电池提供的电压乘以电容值的容量：

当输入电容902断开连接时，其电荷在该周期中不会改变：

q_j(t)＝q_j(t-1)

当输入电容902连接到电池时，其电荷等于它们两端的电压乘以电容值：

q_j(t)＝V_iC

当过渡电容904连接到输出电容906时，所述过渡电容904和所述输出电容906形成具有等效电容C的系统，根据电荷守恒定律，电荷在它们之间得到均匀分布，负载吸收的电荷从所有电容平均吸收：

当过渡电容904连接到电池时，其电荷等于它们两端的电压乘以电容值，如下所示：

q_j(t)＝V_iC

当输出电容906断开连接时，其电荷在该周期中不会改变：

q_j(t)＝q_j(t-1)

当输出电容906连接到过渡电容904和第四负载704时，过渡电容904和输出电容906形成具有等效电容C的系统，根据电荷守恒定律，电荷在它们之间得到均匀分布，负载吸收的电荷从所有电容平均吸收：

图9A显示了SoC，其中来自可再生电源的电流(8A)等于负载要求(8A)，两个电池上的电荷在稳定状态下变得恒定，并在平均值附近振荡。

图9B显示了SoC，其中来自电源的电流(5A)小于负载要求(8A)，两个电池上的电量都随着时间的推移而减少，并在降低的平均值附近振荡。

图9C显示了SoC，其中来自电源的电流(10A)高于负载要求(8A)，两个电池上的电荷在稳定状态下增加，并在增加的平均值附近振荡。

输入电容、过渡电容和输出电容的电荷变化也分别显示在图9D、9E和9F中，当电源和负载在8A时处于稳态，说明电容达到稳定充电迅速。

下表2说明了1/60秒后电池的能量损失和增益：

表2

控制单元可以基于每秒旋转数或任何其他时间测量来选择切换时间。每秒可能有任意数量的开关或旋转。控制单元可以将电路配置为处于比另一阶段长得多的一个阶段中。阶段的长度可能不同。通过改变在阶段中所花时间的相对比例，能改变输出电压。此外，控制单元可以被设置为初始电路保持在特定状态。例如，控制单元可以被配置为在并联阶段启动直到储能单元充满电，控制单元再开始切换周期。

当将负载隔离时，负载设备不需要的一部分输出可以被重定向到另一个系统或电池供电。示例的隔离负载电池充电方法因此可以通过相对于第二周期(当电池放电时)调整第一周期(当电池被充电时)的持续时间来提供重新引导电流的灵活性。

由于示例的隔离负载电池充电方法可以实现对电池稳态充电的同时对负载放电，因此电池不会完全耗尽。这就允许使用常见的电池类型，例如铅酸电池和锂电池，这些电池在使用100％容量时经常会损坏。

在不考虑电源的情况下，可根据需要设计提供负载的能量。例如，在设计12V负载时，只有电池的设计取决于串联连接的电池的组合电压，必须匹配12V的负载电压。可再生电源的电流需要与负载电流相匹配。在电池SoC较低的情况下，理想情况下应将占空比设置为0％，以便在并联模式下对电池进行充分充电。但是，当电池的电流(或容量)较低且可再生电源的电流较高时，可能无法全电流通过负载。

多电池隔离负载充电方法

电池和储能系统通常受其物理拓扑结构的限制。除了在示例交换结构方法中发现的物理拓扑(节点)之外，本文描述的示例多电池隔离负载充电方法还可以使用逻辑拓扑(链路)，通过将硬件和软件结合起来，使电池数字化具有灵活性。

节点是每个电池的正负端，节点也可以是电源和电子设备的正负端，其中所有正极可以连接到单个主机或板或印刷电路板上。可能有一个主机(主机1)将所有正极板固定在一起，另一主机(主机2)将所有负极板固定在一起。主机1可以包括板或印刷电路板，可以连接到主机2，包括另一个板或印刷电路板。可以有多种方式使正极板的节点连接到负极板的节点。一个实施例可以具有用于正极板连接(初级栅极)的连接通/断开关，其可以基于矢量连接到次级栅极。因此，使用图论的方法可以确定在穿越多个附加节点时将主门连接到次门的最短方法。

主机1和主机2中的每一个的节点可以通过电路连接。太阳能光伏系统中的每个单独的光伏电池可以代表要连接到主机1和主机2的节点。诸如电阻器、电容、比较器、晶体管、二极管和电感器等电子元件也可以是节点。

这些链路是印刷电路板上的电路，这些电路最初连接到电源、负载、电池和其他电子元件。链路中的电路被最初关闭的开关中断，直到需要连接为止。

软件控制单元可以在每个储能装置或阶段下，选择相似类型的电池，只通过热力学定律等适当规则连接，允许能量流动。例如，可以考虑连接大量电池，其中每个电池可以在第一阶段接收电荷，在第二阶段放电。软件控制单元可以使储能间中所有或部分电池能够串联或并联连，并进一步连接到任意数量的电源和任意数量的输出设备。

软件控制单元可以连接大量电池，其中较小部分的电池可根据需要，通过同步充电接受120V或240V正弦波电源的充电。软件控制单元还可以将一相电池连接到电源，另一相连接到负载，同时使用另一组电池镜像或补充第一组，确保向负载输出能量恒定。软件控制单元还可以将方波输出负载转换为所需电池数量的120V或240VRMS正弦波，直接以期望的频率产生交流输出，如50Hz或60Hz。件控制单元可以选择将电池与负载断开以实现电池均衡，也可以选择另一组电池向负载放电，同时使另一组电池同时进行电池均衡。软件控制单元可根据需要连接多个电池或通过改变充放电相的相对持续时间，使电源电压升压或降压。

为了说明，提供一个使用3个电池，电池A、电池B和电池C的多电池隔离负载电池充电电路系统的实施例。应该注意的是，所指示的电池数量不是限制，同一原则可以应用于任何数量的电池。在本例中，在第一周期，电池并联到可再生电源上，在第二周期中，相同的电池(或任意数量的电池)可以串联排列，为所需的负载供电。

该实施例可以实现两个主机，主机1和主机2。主机1是连接电池正极的极板，主机2是连接每个电池负极的极板。此外，每个正极(A+、B+和C+)是个单个逻辑开关，每个负极(A-、B-和C-)是单个逻辑开关。

该实施例中，A+逻辑开关可导通、断开或连接任何其他正极开关或负极开关、可再生能源的正极端或负极端、或连接到负载。

表3 显示了该实施例中正极A+的6种可能的开关连接。

表3

表4 示出了该实施例中负极A-的6种可能的切换连接。

表4

表5说明了9种可能的编程算法，它们可以通过组合3电池储能系统/设备的主机1和主机2来执行，其中各个逻辑开关由用户或软件代码控制。

表5

执行相应软件代码或机器指令的软件控制单元，可以确定最有效的传送负载的方法。例如，软件控制单元可以确定最有效的方法是补充第二或第三系统等，使负载能够接收取决于占空比的稳定充电，例如，软件控制单元使用比较器电路，确定每个电池单元的任何输入电压，确定在单独隔间中是否存在电池。一旦软件控制单元确认存在电池，软件控制单元可以通过匹配具有相同电压和电流的单个电池，确定每个电池是否准备好放电和充电模式，为放电阶段作好准备，以驱动负载或平衡电池存储中的不平衡电池。同样，软件控制单元可以判断组合时的电池电压是否足够为整个负载供电。如果电压不够大，软件控制单元可以选择额外的电池来改变电压以提供足够大的电压。通过交换网络，可以将硬件和软件结合起来，保证有足够的功率来驱动负载。

在实施例中，开关可以是晶体管，例如金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFETs)，并且可以具有I²C能力，使得每个开关可以变成控制器。软件控制器可以同时改变所有其他控制器的模式。实施例可以实现多控制器系统，该系统允许多个控制器通过例如智能电话应用、IoT设备、云等与主机通信。

在实施例中，可以平衡多个连接的电池。在串联配置中，一旦串联电路的输出电压与负载电压匹配，电流就不会流动。该实施例提供了一种用于平衡电池的方法和配置，通过在尽可能大的范围内保持每个电池的等效荷电状态，使电池的容量和使用寿命最大化。

直流转交流输出

从产生方波的隔离负载电池充电方法中，可以产生正弦波形。在使用多个电池的实施例中，每个单独的电池在连接到负载时，可串联或并联其他电池，使得负载电压在指定时间形成正弦波形。这是通过在正确的时间切换不同数量的电池，产生正弦波。剩余电池与负载连接时在第二周期内对交流波形没有贡献，是并联连接或未连接。

表6 显示了多电池实施例，包括12V电池，其中有10个电池可用于按定时步骤串联配置：

步骤	时间	串联电池数	电压
				0	0.000000	0	0
1	0.000319	1	12
				2	0.000641	2	24
3	0.000970	3	36
				4	0.001310	4	48
5	0.001667	5	60
				6	0.002048	6	72
7	0.002468	7	84
				8	0.002952	8	96
9	0.003564	9	108
				10	0.005000	10	120

表6

利用带时间开关的H桥可以形成正确的负电压波形产生时间，从而产生负范围内的组合电压。

在美国，来自电网的交流电是60Hz的正弦波形，产生120V交流电，即均方根值(root mean square value,RMS)对应168V的峰值。在实施例中，用10个24V电池组成的多电池组中，7个电池通过定时电路连接在第二周期内产生168V的正弦波，如图10A所示，其中A相为正电压，B相为负电压，采用H桥连接。

图10B显示了使用逻辑开关产生的正弦波形。

图10C显示使用7个24V电池的示例电路图，其中标记为“串联电池”的块每个可以包含多个电池，例如20个串联的电池，每个电池1.2V。

交流输入给电池充电

太阳能和风能等可再生能源仅在特定时期内可用，导致可再生能源产生电力是间歇性的。在间歇期间，利用电网电能中的交流电，对电池进行有效的充电是有益的。

图10D中的电路图显示了一种从电网中实现的正弦交流电源，该电源可用于使用120V RMS正弦波形，分几步为7个24V电池充电。因此，输入的交流电压按照正弦波形的同步波形，为单个电池或一组电池充电。使用电压比较器，当输入的交流电压为24V时，将给1个24V电池充电。同样，当输入的交流电压分别为72V、120V和168V时，对3、5和7个电池进行充电。

在序列中的单个步骤的持续时间内，由于跟随电源输出的交流波形，到达电池的电压有一定的变化量，例如，在第一步或阶段开始时，电压为24V，但最后为48V，因此平均电压为36V。一般来说，最好以略高于电池电源的电压充电。如果该电压电平过高，则可以调整开关时序将电池设置为波形中的较低点。

在一个实施例中，可以在使用主机1和主机2的系统或电池盒中配置100个电池。在该实施例中，电池可以是4V和4Ah，电源可以是6V60A太阳能板，输出负载可以是400V 60A，提供2.4万瓦。并联充电时，电池可以以0.6Ah(60A除以100个电池)充电，从而在6.7h(4.0Ah除以0.6Ah)内对每4Ah的电池进行完全充电。在串联放电时，负载可能高达400V(每个电池4V乘以100个电池)。在该实施例中，每个电池有0.6Ah。因此，系统可以在第二阶段连续为负载供电大约30秒。

表7 说明了使用100节4V4Ah电池的电池盒的12种情况：

表7

在隔离负载电池充电实施例中，在情况4、情况8和情况12中串联电池数量的增加，增加了对负载的放电，从而更快地耗尽电池。在情况1、情况5和情况8中，与负载串联的电池较少，电池放电相应地较低。

电池的安-时额定值取决于电池的预期用途。当使用电池进行重负载时，较高的安时额定值通常更好。电池制造商通常建议以大约安-时额定值的十分之一的电流为电池充电，这样40安-时的电池用4A充电。在实施例中，电池可根据制造商的要求配置电池，控制单元可通过软件代码编程实现。

图11A展示了使用可再生电源的多电池隔离负载充电方法的实施例。太阳能光伏电池1102可以向系统提供直流输入(DC输入1108)，该系统包括具有单个逻辑开关的可充电电池1110和具有电压比较器的控制单元1112，电压比较器比较电池的电压并控制相应的开关，平衡系统。所述电压比较器可以用在输入和输出上作为输入和输出比较器。图11B展示了采用电网交流供电的多电池隔离负荷充电方法的另一个实施例，使用电网1104作为交流输入(AC输入1106)。如图11A和11B中的实施例所示，示范实施例中可包括AC输入1106和DC输入1108以及交流输出(AC输出1116)和直流输出(DC输出1118)，视用例而定。

太阳能光伏

太阳能电池板效率的提高通常取决于用于制造太阳能电池板的材料的多样性。不同的材料需要不同数量的光子能量来产生电流。混合面板可以覆盖多个不同的电子伏特值，以最大化捕获的能量。这种方法的一个问题是制造成本。标准太阳能电池板由硅制成，这种材料众所周知且广泛使用。随着太阳能电池板中使用的材料变得越来越稀有和专业化，制造成本也在上升。

当太阳能电池的原子中的电子被阳光中的能量激发时，太阳能电池就会产生电能。原子中最外层的电子存在于称为价带的能级上。当它们从阳光中获得足够的能量时，电子会跳到一个称为导带的能级。当电池被加热时，价带和导带之间的差异减小。因此，虽然电子在高温下更容易被释放，但它们在释放时携带的能量并不多。

太阳能电池板中的电池可以串联或并联，以获得多种电压和电流组合，从而产生多种额定输出功率。与电池并联时避免电池平衡问题类似，太阳能电池板在并联连接时可避免遮蔽问题。如果被遮蔽的电池与其他电池串联，太阳能电池板可能会不平衡。在极端情况下，功率不平衡可能会损坏太阳能电池板。为此，面板通常装有旁路二极管，重新引导阴影或受损电池周围的电流流动。

在实施例中，太阳能电池板可以容纳所有电池的主机(主机1和主机2组合)，其中太阳能电池板中的电池可以通过逻辑开关连接到控制单元，使得太阳能电池可以在一个周期中串联连接到另一个太阳能电池，并在下一个周期中并联连接。在进一步的实施例中，当太阳能电池板中的一个电池被遮光时，控制单元可被编程切换到并行，以使太阳能电池板更有效率。

例如，太阳能电池板制造商可以使用平均每平方米1000瓦的可用太阳能。太阳能电池板的功率输出取决于其单个电池产生的电压和电流。典型的硅太阳能电池产生0.5～0.6V的电压。输出电流根据电池的大小而变化。市售硅电池通常产生每平方厘米28到35毫安之间的电流。

参考图3展示了现有技术的实施例，16V 8A(128瓦)的太阳能电池板，负载为12V8A(96瓦)，电池为12V 8Ah(96瓦/小时)。因此，太阳能电池板的设计高于负载，额外功率为32瓦。

在一个实施例中，太阳能电池板的尺寸可以为12V 8A(96瓦)，由控制单元连接并切换到的2个6V4Ah的电池，在第一周期期间，电池并联到12V太阳能电池板为每个6V电池充电；在第二周期中，电池串联向负载提供12V电压。在进一步的太阳能电池板实施例中，电池并联配置，并通过逻辑开关连接到控制单元，使得太阳能电池板能够使用软件代码和算法提供所需的环境电压和电流。

太阳能电池会以热量的形式释放一些能量，根据面板的安装方式和周围的空气条件，这种热量可能会影响面板的工作温度。例如，安装在屋顶的面板不会像独立式面板那样散热。这将增加面板的发热，因此降低效率。另一方面，风有助于将热量从细胞中带走。因此，寒冷多风的日子是太阳能发电的理想选择。这将增加面板的功率输出并散发面板自身的热量。

100个电池的电池盒

一个实施例可以实现连接到开关的电池的布置。例如，100个锂离子18650(Lithium Ion 18650)电池的布置，可以由一个6V和300A的电源充电。来自电池的能量可能被负载消耗，例如在美国使用的交流电为120V，在印度使用的300A 220V。在实施例中，电池可以在周期的一半期间与能量源并联，在周期的另一半期间与负载串联。该周期可以以任何期望的频率在串联和并联之间切换，例如在美国使用的60Hz，或在印度使用的50Hz。为了实现交流输出，可以将电池一个接一个地、逐渐地、串联地连接到负载，以实现近似正弦波。当电池未接负载时，可并联至电源进行充电。在实施例中，H桥配置可以连接到负载并且用于在操作的负半周期期间反转电压的极性。

图13示出了示例电路图，其包含三个负载正极开关LPS1/LPS2/LPS3和三个负载负极开关LNS1/LNS2/LNS3，以及三个电池BT1/BT2/BT3和三个电池开关BS1、BS2和BS3。图13中的示例电路图可以在负载处生成修正的正弦波。伪正弦波周期的每个四分之一部分可以根据电池的数量分成任意数量的子部分。每个子部分可能会逐步增加施加到负载的电压。例如，在具有三个电池的实施例中，周期的每四分之一可以被分成三个相等的部分，并且每个电池可以随后连接到负载。如果周期时间为1个单位，则每个子部分(周期四分之一的三分之一)将为1/4×1/3＝1/12个单位。每个子部分还可以分为两半，其中每一半为1/24时间单位，或周期的1/24。

仍然参考图13中的实施例，可以在周期的前半部分使用开关S1和S4连接负载。在周期的前1/24期间，没有电池连接到负载。在下一个周期的1/24期间，负载可以通过连接LPS1和LNS1并切换BS1连接到BT1。在接下来的1/24单位时间内，BT1保持连接到负载。通过切换BS2和LNS2并关闭LNS1，将BT2串联连接到负载，LPS1保持不变。该状态保持1/12单位时间。

接下来，通过切换BS3和LNS3并关断LNS2，BT3串联连接到负载。LPS1保持不变，该状态保持1/12单位时间。此时，三节电池全部接负载，达到峰值电压。现在，BT1通过切换BS1和LPS1与负载断开，LPS2已开启，LNS3保持不变，该状态保持1/12单位时间。BT2通过切换BS2和LPS2与负载断开，LPS3已开启，LNS3保持不变，该状态保持1/12单位时间。BT3通过切换BS3和LPS3与负载断开，LNS3也被关闭，该状态保持1/24单位时间。现在要反转负载极性，可以将负载连接到开关S2和S3。重复上述周期可以生成负镜像阶跃波，如图14所示。

电荷平衡方程求电路两相电池中的电荷。在实施例中，可以实现多个相同的电池，通过其终端输出恒定电压。可以假设电池和太阳能电池板没有效率，电源供给和负载消耗的电压和电流是恒定的，所有连接导线的电阻可以忽略不计。在此示例实施例中，电路可由下列方程控制：

其中，q_i(t)为时刻t时电池i的电荷(i∈(1,2,3…n))

i_R为由可再生能源提供的电流

i_L为负载消耗的电流

n为任意给定时刻与可再生能源/负载相连的电池数量

当电池正在充电时，由可再生能源提供的电力可以按照上述等式以电荷的形式存储。供应的电荷在所有n个电池之间平均分配。

当电池串联连接到负载时，每个电池可以释放等量的电荷来为负载供电，并且可以通过基于以下方程的所需电流：

实施上述方程，在MATLAB中进行的模拟可以说明实施例的一些效果。例如，在46节电池、频率60Hz、电池初始满电的模拟中，电池在没有连接电源的情况下在1104秒后耗尽，RMS负载电压为120.349574V。图15A图示了该示例模拟的电池的电荷随时间的变化的图形输出。

在另一个示例模拟中，模拟美国用例，使用46节电池、频率60Hz、电池初始50％电量进行模拟。本示例模拟中的电池在552秒后耗尽，RMS负载电压为219.349574。图15B图示了该示例仿真的电池的电荷随时间的变化的图形输出。

在第三个示例模拟中，模拟印度用例，使用84节电池、频率50Hz、电池初始满电的模拟中，此示例模拟中的电池在2016秒后耗尽，RMS负载电压为219.768788。图15C图示了该示例模拟的电池电荷随时间的变化的图形输出。

在第四个示例模拟中，模拟印度用例，使用84节电池、频率50Hz、电池初始50％电量的模拟中，此示例模拟中的电池在1008秒后耗尽，RMS负载电压为120.768788。图15D图示了该示例模拟的电池电荷随时间的变化的图形输出。

如图15A-D所示，电池的电荷可以在整个周期中连续变化，当电池与负载相连时可能减少，当电池与电源相连时可能增加。充电的变化率也可能根据与负载和电源相连的电池数量而连续变化。

在另一个实施例中，在示例实际测试场景中向电池组供电负载。在该实施例中，负载可以是70W吊扇和18W的LED灯泡。基于这些值，电池组在电池耗尽前可能以220V和1512000秒的速度向负载供电。图16展示了电池充电随时间变化的图形输出。

前面的描述和附图说明了本发明的原理、优选实施例和操作模式。然而，本发明不应被解释为限于以上讨论的特定实施例。本领域技术人员将理解上述实施例的附加变化。

因此，上述实施例应被视为说明性的而非限制性的。因此，应当理解，在不脱离由以下权利要求限定的本发明范围的情况下，本领域技术人员可以对这些实施例进行修改。

Claims (22)

1.一种用于在电路中连接电池的系统，包括：

第一逻辑开关，所述第一逻辑开关连接第一储能单元的正极；

第二逻辑开关，所述第二逻辑开关连接到所述第一储能单元的负极；

第三逻辑开关，所述第三逻辑开关连接到第二储能单元的正极；

第四逻辑开关，所述第四逻辑开关连接到所述第二储能单元的负极；

第五逻辑开关，所述第五逻辑开关连接到输出装置的正极；

第六逻辑开关，所述第六逻辑开关连接到所述输出装置的负极；

具有控制单元的印刷电路板，所述控制单元调节包括第一阶段和第二阶段的周期，

其中，在所述第一阶段，所述第一逻辑开关、所述第三逻辑开关、所述第五逻辑开关与第一电路相连，所述第二逻辑开关、所述第四逻辑开关、所述第六逻辑开关与第二电路相连，所述第一电路、所述第二电路在所述第一储能单元、所述第二储能单元与所述输出装置之间形成并联连接；

在所述第二阶段，所述第一逻辑开关、所述第四逻辑开关与所述第一电路相连，所述第二逻辑开关、所述第六逻辑开关与所述第二电路相连，所述第一电路与所述第二电路在所述第一储能单元、所述第二储能单元与所述输出装置之间形成串联连接；所述第三逻辑开关、所述第五逻辑开关与第三电路相连；

其中所述第一阶段和所述第二阶段之间的频率在0.1赫兹以上；

其中，所述控制单元改变所述第一阶段的相对持续时间，所述第一阶段的所述相对持续时间独立于所述第二阶段的持续时间，使得所述第一阶段包括所述周期的0％至100％，所述第二阶段包括所述周期的剩余部分；

其中，所述输出装置的输出是基于所述第一阶段的所述相对持续时间和所述第二阶段的所述持续时间确定的。

2.一种用于在电路中连接电池的系统，包括：

第一逻辑开关，所述第一逻辑开关连接第一储能单元的正极；

第二逻辑开关，所述第二逻辑开关连接到所述第一储能单元的负极；

第三逻辑开关，所述第三逻辑开关连接到第二储能单元的正极；

第四逻辑开关，所述第四逻辑开关连接到所述第二储能单元的负极；

第五逻辑开关，所述第五逻辑开关连接到输出装置的正极；

第六逻辑开关，所述第六逻辑开关连接到所述输出装置的负极；

第七逻辑开关，所述第七逻辑开关连接到电源的正极；

第八逻辑开关，所述第八逻辑开关连接到所述电源的负极；

具有控制单元的印刷电路板，所述控制单元调节包括第一阶段和第二阶段的周期，

其中，在所述第一阶段，所述第一逻辑开关、所述第三逻辑开关和所述第七逻辑开关连接到第一电路，所述第二逻辑开关、所述第四逻辑开关和所述第八逻辑开关连接到第二电路，以形成所述第一储能单元，所述第二储能单元和所述电源之间的并联；

其中，在所述第二阶段，所述第一逻辑开关和所述第四逻辑开关连接到所述第一电路，所述第二逻辑开关和所述第六逻辑开关连接到所述第二电路，以形成所述第一储能单元，所述第二储能单元和所述输出装置之间的串联连接，使得输出与所述电源隔离，所述第三逻辑开关和所述第五逻辑开关连接到第三电路；

其中所述第一阶段和所述第二阶段之间的频率在0.1赫兹以上；

其中，所述控制单元改变所述第一阶段的相对持续时间，所述第一阶段的所述相对持续时间独立于所述第二阶段的持续时间，使得所述第一阶段包括所述周期的0％至100％，所述第二阶段包括所述周期的剩余部分；

其中，所述输出装置产生占空比，所述占空比基于所述第一阶段相对于所述第二阶段的所述相对持续时间来确定。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制单元还包括输入和输出比较器，用于比较各储能单元的输入和输出，将所述控制单元操作各所述逻辑开关，根据各储能单元的输入和输出串联或并联配置所述储能单元；各所述储能单元包括一个或多个电池。

4.一种用于在电路中连接太阳能光伏电池的系统，包括：

电源，包括多个太阳能光伏单元，每个太阳能光伏单元包括多个光伏电池，每个光伏电池包括正极和负极；

多个极板，其中各太阳能光伏单元中所述光伏电池的所述正极连接到多个所述极板中的一个，各太阳能光伏单元中所述光伏电池的所述负极连接到多个所述极板中的一个；

多个开关，其中各正极和各负极至少连接一个开关；

其中，所述开关设置为使所述光伏电池在第一阶段从外部太阳辐射接收电流，在第二阶段连接到负载；

控制单元，所述控制单元调节包括所述第一阶段和所述第二阶段的周期，其中，在所述第一阶段，第一组光伏极板单元接收太阳辐射，第二组光伏极板单元接入负载；在所述第二阶段，所述第一组光伏极板单元接入负载，所述第二组光伏极板单元接收太阳辐射，使负载隔离；

其中，所述控制单元改变所述第一阶段的相对持续时间，所述第一阶段的相对持续时间独立于所述第二阶段的持续时间，使得所述第一阶段包括所述周期的0％到100％，所述第二阶段包括所述周期的剩余部分。

5.根据权利要求2中所述的系统，其特征在于，所述控制单元可以：

检测来自所述电源的电压或所述输出需要的电压，以及

根据检测到的所述电压改变所述第一阶段和所述第二阶段的相对持续时间。

6.根据权利要求2中所述的系统，其特征在于，所述输出包括相关联的负载电压，所述负载电压从所述电源偏移，且经由多个额外的存储单元将所述负载电压降低，所述额外的存储单元与所述输出串联耦合。

7.根据权利要求1中所述的系统，其特征在于，还包括连接到所述印刷电路板的多个储能单元，其中多个所述储能单元中的各正极和各负极可切换连接到所述印刷电路板。

8.根据权利要求1中所述的系统，其特征在于，所述控制单元将输入电压转换为更低的输出电压。

9.根据权利要求1中所述的系统，其特征在于，在所述第一阶段，所述第一储能单元和所述第二储能单元并联连接到所述输出装置，并且在所述第二阶段，所述第一储能单元和所述第二储能单元串联连接到所述输出装置，其中所述第一阶段和所述第二阶段的相对持续时间确定所述输出的电压和平衡所述第一储能单元和所述第二储能单元中的电池所需的电流。

10.根据权利要求1中所述的系统，其特征在于，所述控制单元是计算机可编程软件代码。

11.根据权利要求2中所述的系统，其特征在于，所述电源是可再生直流电源。

12.根据权利要求1中所述的系统，其特征在于，所述第一储能单元和所述第二储能单元是不可充电电池内的多个单独电池。

13.根据权利要求1中所述的系统，其特征在于，所述控制单元是可编程机械芯片、电子芯片、印刷电路板芯片或集成电路芯片中的一种。

14.根据权利要求9中所述的系统，其特征在于，在匹配输入的交流正弦波形的情况下，所述控制单元将正弦波形交流输入转换为直流输入，以同步充电方法为多个电池充电，以识别和匹配多个所述电池的数量，以在使用所述控制单元确定的时间给多个所述电池充电。

15.根据权利要求1中所述的系统，其特征在于，还包括连接到所述输出的可充电电源，

其中，在所述第二阶段，所述控制单元还将所述第一储能单元的正极和所述第二储能单元的正极连接到所述可充电电源的正极，将所述第一储能单元的负极和所述第二储能单元的负极连接到所述可充电电源的负极，使得所述可充电电源使用并联连接连接到所述电路并从所述电路接收电荷。

16.根据权利要求1中所述的系统，其特征在于，还包括连接到所述第一储能单元的正极和负极和所述第二储能单元的正极和负极的多个开关，使得所述开关能够在所述第一阶段以串联配置配置所述电路，然后在所述第二阶段以并联配置配置所述电路。

17.一种包含程序代码的非暂时性计算机可读介质，其特征在于，所述程序代码在执行时使处理器执行以下步骤：

在第一阶段将多个第一电池连接到输入源并且将多个第二电池连接到输出负载；

在第二阶段将多个所述第一电池切换连接到所述输出负载，将多个所述第二电池切换连接到所述输入源；

相对于所述第二阶段改变所述第一阶段的持续时间，使得所述第一阶段和所述第二阶段形成周期，其中所述第一阶段包括所述周期的0％到100％，而所述第二阶段包括所述周期的剩余部分；其中，所述输出负载的输出为方波直流电，所述输入源的输入为正弦波交流电；

将方波直流电的所述输出转换为交流电输出，并将正弦波交流电的所述输入转换为直流电输入，其中所述直流电输入用于对所述第一电池和所述第二电池充电。

18.根据权利要求17所述的非暂时性计算机可读介质，其特征在于，还包括

比较每个电池的所述输出，

将电池切换为串联配置以增加组合电压，

将电池切换为并联配置以增加组合电流，

将电池切换为串-并联配置，

将不使用的电池断电。

19.根据权利要求17所述的非暂时性计算机可读介质，其特征在于，还包括：

比较所述输入源内多个太阳能光伏电池的输出，

将所述太阳能光伏电池转换为串联配置以增加组合电流，

将所述太阳能光伏电池切换为并联配置以增加组合电压，

将所述太阳能光伏电池切换为串-并联配置，

将所述输出不需要的所述太阳能光伏断电。

20.根据权利要求17所述的非暂时性计算机可读介质，其特征在于，还包括：

通过将所述输入源与多个附加电池耦合来转换电压以补充传送到所述负载的能量。

21.根据权利要求17所述的非暂时性计算机可读介质，其特征在于，还包括：

将不使用的所述电池、所述输入源和所述输出负载断电。

22.根据权利要求17所述的非暂时性计算机可读介质，其特征在于，还包括：

比较与各电池相关的电量，以及

将一个或多个电池切换为串联配置以增加组合电流，

将一个或多个电池切换为并联配置以增加组合电压，

将一个或多个电池切换为串-并联配置。

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