CN115836459A - 一种对能量存储元件充电的方法 - Google Patents

Abstract

一种对能量存储元件充电的方法；其中能量存储元件包括被布置用于存储电能的多个能量存储单元；其中该方法包括：确定多个能量存储单元中的每一个的电压；确定多个能量存储单元中的每一个的充电状态SoC；确定太阳能电源的最大电源电压Vmp；从多个能量存储单元中选择(一个或多个)能量存储单元，以形成包括所选择的(一个或多个)能量存储单元的串联和/或并联组合的充电组；其中该选择基于所确定的最大电源电压Vmp，以及基于分别与第一太阳辐照度水平和第二太阳辐照度水平相关联的第一时间段和第二时间段；其中该选择进一步基于分别对应于第一时间段和第二时间段的预定电压和充电状态；控制能量存储元件的一个或多个开关以形成充电组；以及经由太阳能转换器从太阳能电源向充电组提供电力。

Description

一种对能量存储元件充电的方法

技术领域

本发明涉及一种对能量存储元件充电的方法。本发明还涉及一种用于对能量存储元件充电的系统和计算机程序产品。

背景技术

获取电的能力既是一个国家总体经济增长也是其居民总体生活质量的关键因素。在世界大部分地区，没有电的地区远不如有电的地区发达。在常规能源储量有限的地区，不断增长的电力需求加上发电不足已经使得在不频繁中断的情况下提供可靠的电力成为主要挑战。

为了解决提供可靠电力的问题和应对气候变化的挑战，越来越重视加强可再生能源(诸如太阳能)的利用。一些国家中的太阳日照程度高，并且由于例如发电不足的原因，无法通过传统能源满足电力需求，这已经促使地方政府推广诸如太阳能街道照明和太阳能屋顶光伏(PV)系统的计划。这已经使得PV系统越来越受欢迎。当没有太阳日照时(如夜间)，日间经由太阳能充电的充电电池可以为DC负载(诸如DC灯泡/板条和DC风扇等)提供电力。

发明内容

发明人已经认识到，太阳辐照度在整个日间是不均匀的，并且基于每目的太阳能轮廓(profile)，从太阳能电源提取峰值能量的时间段是有限的。此外，太阳能还取决于地理位置、天气、一年中的季节等而变化。

因此，本发明的一个目的是从太阳能电源中提取最大的可用能量，特别是在太阳日照的峰值时间期间。

根据第一方面，该目的通过一种对能量存储元件充电的方法来实现；其中能量存储元件包括被布置用于存储电能的多个能量存储单元；其中该方法包括：确定多个能量存储单元中的每一个的电压；确定多个能量存储单元中的每一个的充电状态SoC；确定太阳能电源的最大电源电压Vmp；从多个能量存储单元中选择(一个或多个)能量存储单元，以形成包括所选择的(一个或多个)能量存储单元的串联和/或并联组合的充电组；其中所述选择基于所确定的最大电源电压Vmp，以及基于分别与第一和第二太阳辐照度水平相关联的第一时间段和第二时间段；其中所述选择进一步基于分别对应于第一时间段和第二时间段的预定电压和充电状态；控制能量存储元件的一个或多个开关以形成充电组；以及经由太阳能转换器从太阳能电源向充电组提供电力。

该方法包括确定多个能量存储单元中的每一个的电压。能量存储元件可以是可再充电电池，例如磷酸铁锂(LFP)电池、锂离子电池或镍基电池，其中多个能量存储单元可以包括单独的电池单元。该方法还包括确定多个能量存储单元中的每一个的充电状态SoC。例如，充电状态可以基于能量存储单元的电压降和电流的测量来估计。该方法还包括确定太阳能电源的最大电源电压Vmp。当太阳能电源接近最大电源电压Vmp工作时，可以从太阳能电源提取最大功率。或者换句话说，最大电源电压Vmp是当太阳能电源正在输送最大功率时太阳能电源的电压。太阳能电源可以是光伏(PV)模块。

该方法还包括选择多个能量存储单元中的(一个或多个)能量存储单元，以形成包括所选择的(一个或多个)能量存储单元的串联和/或并联组合的充电组。在一个简单的示例中，充电组可以包括单个能量存储单元。在一个示例中，选择多于一个的能量存储单元来形成充电组。多于一个的能量存储单元可以布置成串联和/或并联组合。在串联组合中，充电组的设定电压是所选择的(一个或多个)能量存储单元的电压的总和。在并联组合中，充电组的设定电压的倒数是所选择的(一个或多个)能量存储单元的电压的倒数的总和。能量存储单元的串联和并联组合的混合也可以包括在充电组中。

选择步骤包括选择一个或多个能量存储单元以形成充电组的选择标准。该选择可以基于所确定的最大电源电压Vmp。形成充电组，使得充电组的设定电压和最大电源电压Vmp之间的差值最小化。该选择可以是动态的，例如，充电组被动态调整，以跟踪最大功率点(例如，通过跟随Vmp)。该选择可以基于分别与第一太阳辐照度水平和第二太阳辐照度水平相关联的第一时间段和第二时间段，其中该选择还基于分别对应于第一时间段和第二时间段的预定电压和充电状态。选择标准还可以包括选择具有预定电压和充电状态的(一个或多个)能量存储单元。分别为第一时间段和第二时间段定义预定电压和充电状态，使得在一个示例中，为第一时间段和第二时间段定义不同的电压和充电状态。

然后控制一个或多个开关以形成这种充电组，并且然后经由太阳能转换器从太阳能电源提供电力以对充电组充电。因为(一个或多个)能量存储单元是基于选择标准(例如Vmp、不同太阳辐照度水平(时间段)的预定电压和充电状态)来选择的，所以从太阳能电源提取了最大的可用能量，特别是在太阳日照的峰值时间期间。此外，实现了用于对能量存储元件充电的改进方法。

在一个实施例中，第一太阳辐照度水平高于第二太阳辐照度水平，并且其中该方法还可以包括：在第一时间段内，与充电状态相比，给电压分配更高的权重；以及在第二时间段内，与电压相比，给充电状态分配更高的权重。

在一个示例中，对应于第一太阳辐照度水平的第一时间段可以包括太阳日照的峰值时间，例如中午时间。对应于第二太阳辐照度水平的第二时间段可以包括太阳日照的非峰值时间，例如上午时间或下午时间。基于太阳日照、天气条件等，不同地理位置的时间段可能不同。

在该实施例中，作为选择标准，能量存储单元的电压有利地在第一时间段(具有高太阳辐照度)被分配较高权重，使得实现对最大功率点的更好跟踪。因此，在峰值时间期间，Vmp和设定电压的电压匹配是提取最大功率的优选。在非峰值时间期间，当来自太阳能电源的能量低时(例如上午或下午)，充电状态(维护)是更好的能量存储元件管理的优选选择标准。

在一个实施例中，该方法还可以包括：确定充电组的设定电压；确定所确定的充电组的设定电压和所确定的最大电源电压Vmp之间的差值；其中当该差值超过阈值时：调整充电组以便最小化差值；其中充电组的调整包括改变充电组中的能量存储单元的数量和/或调整能量存储单元的串联和/或并联组合；经由太阳能转换器从太阳能电源向调整的充电组提供电力。

在该实施例中，充电组被动态调节以跟踪最大功率点(例如，通过跟随Vmp)。动态调节可以包括基于设定电压和Vmp之间的差值从充电组添加/移除能量存储单元。所选择的(一个或多个)能量存储单元的添加/移除可以基于如前面强调的选择标准。附加地和/或替代地，调整可以包括改变能量存储单元的串联/并联组合，以改变充电组的设定电压。

在一个实施例中，能量存储元件还可以包括通信接口，该通信接口被布置用于从太阳能转换器接收通信信号；其中通信信号可以指示充电组的设定电压和最大电源电压Vmp之间的所确定的差值。在一个实施例中，通信信号可以包括用于基于所确定的差值来调整或维持充电组的命令信号。

能量存储元件可以经由通信接口接收例如来自太阳能转换器的通信信号。通信信号可以包括指示充电组中所需变化的信号，以便跟踪最大功率点。在一个实施例中，通信可以是有线通信。附加地和/或替代地，通信可以是无线通信。

在一个实施例中，太阳能转换器可以是PWM控制器。

太阳能转换器被布置用于从太阳能电源接收太阳能，并将接收到的太阳能的至少一部分提供给能量存储元件。在该实施例中，太阳能转换器是PWM控制器。替代地，太阳能转换器可以是最大功率点跟踪系统，例如MPPT转换器。与MPPT转换器不同，PWM控制器使用简单的控制电路，但具有降低的功率提取效率。在该实施例中，能量存储元件可以充当PWM控制器的仿真负载，使得太阳能提取的整体效率与此同时仍然实现PWM控制器的简单性。

在一个实施例中，能量存储元件还可以包括充电控制器；其中充电控制器可以被布置用于控制一个或多个开关以形成充电组。

能量存储元件可以包括充电控制器。例如，能量存储元件可以包括能量存储元件管理系统，例如电池管理系统(BMS)。控制器(例如BMS)可以确定多个能量存储单元中的每一个的电压，估计多个能量存储单元中的每一个的充电状态、能量存储单元的串联串的电流和能量存储元件的温度，并且基于此，它负责能量存储元件的所有类型的保护，例如过压、过流、过热、欠压切断等。充电控制器可以控制一个或多个开关以形成充电组。

在一个实施例中，能量存储元件可以被布置成向一个或多个负载设备提供电力。在一个实施例中，一个或多个负载设备可以包括照明设备以照亮环境；并且其中能量存储元件可以被布置用于向照明设备提供电力以照亮环境。

在该实施例中，一个或多个负载设备可以被布置用于从能量存储元件接收电力。例如，能量存储元件在日间期间充电，并且在夜间放电以向一个或多个负载设备提供电力。一个或多个负载设备可以是照亮环境的照明设备，例如室内灯、室外街灯等。一个或多个负载设备的其他示例可以是DC风扇和其他低功率的DC设备。

在一个实施例中，所选择的一个或多个能量存储单元可以被布置用于对多个能量存储单元中不包括在充电组中的剩余的一个或多个能量存储单元进行充电。

对于诸如可再充电电池的能量存储元件，电池平衡和电池再分配指的是提高具有多个能量存储单元(例如电池单元(通常串联))的电池组的可用容量并增加每个电池单元的寿命的技术。在该实施例中，通过经由作为充电组的一部分的能量存储单元对多个能量存储单元中未包括在充电组中的剩余的一个或多个能量存储单元进行充电来实现电池平衡。剩余的能量存储单元可以在太阳日照非常低的下午时间之后、并且在能量存储元件还没有开始向一个或多个负载设备输送电力(放电)的晚上时间之前被充电。

根据第二方面，该目的通过一种能量存储元件来实现，该能量存储元件包括：被布置用于存储电能的多个能量存储单元；通信接口，被布置用于接收通信信号；一个或多个开关，被布置用于配置串联和/或并联组合的多个能量存储单元；以及充电控制器，被布置用于控制一个或多个开关以形成充电组，该充电组包括多个能量存储单元中的一个或多个能量存储单元的串联和/或并联组合。

根据第三方面，该目的通过一种用于对能量存储元件充电的太阳能转换器来实现，该太阳能转换器包括：处理单元，用于控制从太阳能电源到能量存储元件的功率传输；功率输入接口，被布置用于从太阳能电源接收太阳能；功率输出接口，被布置用于将所接收的太阳能的至少一部分提供给能量存储元件；第一感测装置，被布置用于确定太阳能电源的最大电源电压Vmp；以及通信输出接口，被布置用于向能量存储元件提供通信信号。太阳能转换器还可以包括第二感测装置，该第二感测装置被布置用于确定每个能量存储单元的电压。替代地，能量存储元件的充电控制器可以确定能量存储单元的电压，并且太阳能转换器可以从充电控制器接收指示所确定的电压的信息。

根据第四方面，该目的通过一种用于对能量存储元件充电的系统来实现，该系统包括：太阳能转换器，其被布置用于从太阳能电源接收太阳能，并将接收的太阳能的至少一部分提供给根据第三方面的能量存储元件；和根据第二方面的能量存储元件。在一个实施例中，该系统还包括：太阳能电源；和一个或多个负载设备。

根据第五方面，一种包括指令的计算机程序产品，当该程序由计算机执行时，该指令使得计算机执行根据第一方面的方法的步骤。

应当理解，计算机程序产品和系统可以具有与上述方法相似和/或相同的实施例和优点。

附图说明

参考所附附图，通过以下对系统、设备和方法的实施例的说明性和非限制性的详细描述，将更好地理解所公开的系统、设备和方法的上述以及附加目的、特征和优点，在附图中：

图1示意性和示例性地示出了用于对能量存储元件充电的系统的实施例；

图2示意性和示例性地示出了说明用于对能量存储元件充电的方法的一个实施例的流程图；

图3示意性和示例性地示出了说明用于对能量存储元件充电的方法的另一个实施例的流程图；

图4示例性地示出了每日太阳日照轮廓；

图5示例性地示出了利用用于太阳能能量的PWM控制器在功率传输效率方面的改进。

所有的图都是示意性的、不一定是按比例的，并且通常仅示出了为了阐明本发明所必需的部分，其中可以省略其他部分或仅建议其他部分。

具体实施方式

图1示意性和示例性地示出了用于对能量存储元件130充电的系统100的实施例。系统100可以包括太阳能电源110。在一个示例中，当太阳能电源110可以包括光伏(PV)系统时。例如，PV系统包括20-150W的额定值，在合适的太阳日照条件下，PV可以提供大约100Wh-750Wh。系统100还可以包括太阳能转换器120。太阳能转换器120可以被布置用于接收太阳能电源110的太阳能，并将接收的太阳能的至少一部分传递到能量存储元件130。在一个示例中，太阳能转换器120是最大功率点跟踪(MPPT)系统。在替代示例中，太阳能转换器120是PWM控制器。

系统100还包括能量存储元件130。能量存储元件130可以被布置用于存储电能。能量存储元件130例如可以是电容器，例如电解电容器或超级电容器，或者电容器阵列、飞轮和/或电池。能量存储元件可以是可再充电电池，例如磷酸铁锂(LFP)电池、锂离子电池或镍基电池。能量存储元件130可以包括可再充电的12.8V/10Ah-30Ah电池。能量存储元件130可以包括多个能量存储单元C1-C4。在该示例性图中，仅示出了四个能量存储单元C1-C4。能量存储元件130可以具有任何数量的能量存储单元C1-C4。对于(可再充电)电池，多个能量存储单元C1-C4可以包括单独的电池单元。能量存储元件130还可以包括一个或多个开关S1-S16，所述一个或多个开关S1-S16被布置用于形成充电组，其中充电组包括多个电存储单元C1-C4的串联和/或并联组合。这些一个或多个开关S1-S16可以例如包括诸如MOSFET的晶体管开关。能量存储元件130还可以包括一组电阻器R1-R12，可以被布置用于相应的能量存储单元C1-C4的电压感测。在电池平衡期间，电阻器R1、R6和R9可以被布置为每个相应的能量存储单元之间的限流电阻器。电阻器R12可以被布置为电流感测电阻器，用于在SOC的充电期间测量能量存储单元C1-C4的电流。

能量存储元件130还可以包括充电控制器135。充电控制器135可以包括电池管理系统(BMS)或保护电路模块或板(PCM)。充电控制器135可以被布置用于控制一个或多个开关S1-S16以形成充电组。在简单的实施方式实施例中，充电控制器135可以是微控制器。充电控制器135可以被布置用于监控和/或控制能量存储元件135的操作(例如，形成充电组，确定多个能量存储单元C1-C4的电压和/或SoC等)。能量存储元件130还可以包括通信接口136，其被布置用于从太阳能转换器120接收通信信号，其中通信信号指示充电组的设定电压和最大电源电压Vmp之间的确定的差值。在一个示例中，通信信号包括用于基于所确定的差值来调整或维持充电组的命令信号。充电控制器135可以被布置用于控制经由通信接口与太阳能转换器120的通信。

系统100可以包括一个或多个负载设备(未示出)。系统100可以包括任何数量的负载设备。在一个示例中，负载设备可以是照明设备，并且其中充电控制器135和/或PWM控制器120可以被布置用于控制能量存储元件130以向照明设备提供电力以照亮环境。充电控制器135和/或PWM控制器120也可以被布置用于控制照明设备来照亮环境。充电控制器135和/或PWM控制器120可以被布置用于控制照明设备的一个或多个光源的颜色、色温、强度、光束宽度、光束方向、照明强度和/或其他参数。在一个示例中，负载设备可以是感测设备或致动设备。感测设备可以包括用于检测人的存在的存在传感器、温度传感器、光传感器、湿度传感器、气体传感器等。

充电控制器135和PWM控制器120可以分别在与能量存储元件130和太阳能转换器120分离的单元(例如分离的专用电路)中实现。替代地，充电控制器135和/或PWM控制器120可以分别与能量存储元件130和太阳能转换器120合并到同一单元中。充电控制器135和/或PWM控制器120可以在单个单元中实现，或者以分布在多个独立单元中的分布式功能的形式实现。此外，充电控制器135和/或PWM控制器120可以以存储在存储器(包括一个或多个存储器设备)上并被布置成在处理器(包括一个或多个处理单元)上执行的软件的形式来实现，或者充电控制器135和/或PWM控制器120可以以专用硬件电路、或者诸如PGA或FPGA的可配置或可重新配置电路、或者这些的任何组合的形式来实现。

关于实现该功能所涉及的各种通信，为了使太阳能转换器120能够接收来自太阳能电源110的电力，并且此外传送和/或控制能量存储元件130和照明设备的光输出，这些可以通过任何合适的有线手段(例如借助于有线网络(诸如以太网、DMX网络等))来实现。

图2示意性和示例性地示出了流程图，该流程图示出了用于对能量存储元件130充电的方法200的实施例。能量存储元件130包括被布置用于存储电能的多个能量存储单元C1-C4。方法200可以包括确定210多个能量存储单元中的每一个的电压。例如，对于LFP(Lifepo4)电池，能量存储单元的电压范围在2.6V至3.7V之间(其中典型电压约为3.2V)，并且在2.8V至3.5V范围内存储最大能量(Ah)。充电控制器135可以被用于测量跨多个能量存储单元中的每一个的电压降，以确定电压。例如，可以使用电阻器R2、R3、R4、R5、R7、R8、R10和R11来确定电压。附加地和/或替代地，可以使用运算放大器和/或使用电阻分压器，基于基于ADC的测量直接确定210电压。不排除本领域已知的确定能量存储单元C1-C4的电压的任何其他方法。方法200还可以包括确定220多个能量存储单元C1-C4中的每一个的充电状态SoC。充电状态SoC可以被定义为可用容量Q(t)与可存储在电池中的最大可能电荷(即标称容量Qn)的比值。充电状态SoC可以通过测量/感测能量存储单元C1-C4处的电压和电流来确定。充电状态可以基于测量/感测的电压和电流来估计。附加地和/或替代地，SoC可以基于电压测量、库仑计数或电流积分和/或电池瓦特小时/电压来确定220。不排除本领域已知的任何其他确定SoC的方法。充电控制器135可以被布置用于确定能量存储单元的电压和SoC。附加地和/或替代地，太阳能转换器120可以被布置用于确定能量存储单元的电压和SoC。

方法200还可以包括确定230太阳能电源110的最大电源电压Vmp。当太阳能电源110接近最大电源电压Vmp运行时，可以从太阳能电源110提取最大功率。在一个示例中，太阳能转换器120被布置用于确定最大电源电压Vmp。

方法200还可以包括选择240多个能量存储单元C1-C4中的(一个或多个)能量存储单元，以形成包括所选择的一个或多个能量存储单元C1-C4的串联和/或并联组合的充电组。选择240可以基于一些预定义的选择标准。这些选择标准可以被定义为从太阳能电源110提取最大功率(能量存储元件130电压维持)并保持多个能量存储单元C1-C4充电平衡(充电状态维持)。SoC维持可以基于例如能量存储元件130的化学性质。第一选择标准是选择240可以基于确定的最大电源电压Vmp。为了提取最大功率，能量存储元件130的电压必须尽可能接近最大电源电压Vmp。选择(一个或多个)能量存储单元C1-C4以最小化充电组/能量存储元件130的设定电压和最大电源电压Vmp之间的差值。选择240可以由能量存储元件的充电控制器或太阳能转换器来执行。

第二个相关的选择标准是基于太阳辐照度水平。选择240可以基于分别与第一太阳辐照度水平和第二太阳辐照度水平相关联的第一时间段和第二时间段。此外，该选择可以基于分别对应于第一时间段和第二时间段的预定电压和充电状态。在一个实施例中，第一太阳辐照度水平高于第二太阳辐照度水平。由于太阳辐照度随时间变化，因此太阳辐照度水平可以被定义为太阳辐照度值的范围(例如以每单位面积的功率W/m^2来测量)。第一和第二太阳辐照度水平可以不重叠，使得第一太阳辐照度范围的最小值高于第二太阳辐照度水平的最大值。第一和第二太阳辐照度水平可以部分重叠。在替代示例中，第一和第二太阳辐照度水平可以是高于或低于阈值的值。在一个示例中，第一时间段和第二时间段可以基于太阳辐照度水平来确定。

现在参考图4，其示出了示例性的每日太阳日照轮廓450。太阳日照可能还取决于地理位置、天气条件、一年中的季节等。太阳日照轮廓曲线450的点452和454分别示例性地代表日出和日落。日出后太阳日照随时间逐渐增加。太阳轮廓可以至少分成第一时间段456和第二时间段458。第一时间段456和第二时间段458分别与第一太阳辐照度水平和第二太阳辐照度水平相关联。例如，第一时间段456可以被定义为低阳光强度时段，例如上午/下午时间，并且第二时间段458可以被定义为高阳光强度时段，例如中午时间。作为一个示例，峰值阳光时段可以包括5.5个太阳峰值小时。在第一时间段(例如中午峰值太阳日照时间)期间，太阳辐照度高于第二时间段(例如上午/下午非峰值太阳日照时间)。

现在返回参考图2，选择标准还可以包括将权重分配给预定电压和充电状态。例如，在第一时间段期间，由于太阳辐照度高，与充电状态相比，可以将更高的权重(用于选择)分配给电压，以跟踪最大功率点。在第二时间段期间，与最大功率跟踪相比，可以将更高的权重(用于选择)分配给充电状态维持。使得与SoC相比，第一时间段中的电压具有更高的优先级，并且与电压相比，第二时间段中的SoC具有更高的优先级。可以为能量存储元件130的充电执行选择240。表1总结了基于第一时间段和第二时间段的选择标准。

表1：用于选择(一个或多个)能量存储单元C1-C4以形成充电组的的选择标准。

方法200还可以包括控制250能量存储元件130的一个或多个开关S 1-S16以形成充电组。充电控制器135可以被布置用于控制一个或多个开关S1-S16以形成充电组。方法200还可以包括经由太阳能转换器120从太阳能电源110向充电组提供260电力。步骤210-260的顺序是示例性示出的，并且可以考虑不同的顺序、尤其是对于步骤210-230。

来自太阳能电源110的功率传输效率通常取决于落在太阳能电源110上的阳光量(太阳日照)以及一个或多个负载设备(未示出)的电气特性。随着阳光量的变化，给出最高功率传输效率的一个或多个负载设备特性变化，使得当一个或多个负载设备特性变化以保持最高效率的功率传输时，系统的效率被优化。这种负载特性被称为最大功率点(MPP)，并且MPPT就是找到这个点并将负载特性保持在这个点的过程。诸如MPPT太阳能转换器的电路可以设计为向太阳能电源提供任意负载，并且然后转换电压、电流或频率以适应其他设备或系统，并且MPPT解决了选择最佳负载提供给太阳能电池以便获得最大可用功率输出的问题。MPPT太阳能转换器系统可以包括用于感测电压和电流输入的微控制器(未示出)、PWM电路(未示出)和DC/DC降压转换器(未示出)。MPPT系统提供了高的太阳能提取效率，但是需要复杂的电路(例如DC-DC转换器)，这也增加了成本和形状因素。MPPT系统中的磁性部件也引入EMI/EMC。

另一方面，PWM太阳能转换器从太阳能电源110(例如PV电池)接收电力，并且例如通过将PV电压降低到能量存储元件电压(因为PV与能量存储元件130直接短路)来将接收到的电压的一部分提供给能量存储元件130。因为能量存储元件电压与PV的Vmp电平相比相当低，所以PWM控制器不能够提取PV的Vmp电平，因此PWM控制器的功率提取效率低。因此，PWM控制器不从PV系统提取最大功率。PWM控制器是一种具有成本效益的控制器，因为它不需要DC-DC转换器，并且与MPPT系统相比需要更少的部件，并且它具有小的形状因素，并且也没有EMI/EMC的问题。因为可以形成能量存储单元C1-C4的充电组，使得该组或能量存储元件电压和Vmp之间的差值可以最小化，所以能量存储元件130可以充当太阳能转换器120的仿真负载。例如，利用PWM控制器，并且利用充当仿真负载的能量存储元件130，可以提高功率传输的整体效率。这种具有PWM控制器和能量存储元件130的系统保持了PWM控制器的优点，并提高了功率传输效率。

对于诸如可再充电电池的能量存储元件，电池平衡和电池再分配指的是提高具有多个能量存储单元(例如电池单元(通常串联))的电池组的可用容量并增加每个电池单元的寿命的技术。对于充电组的这种动态配置/形成，电池平衡可以通过经由作为充电组一部分的能量存储单元对多个能量存储单元中未包括在充电组中的剩余一个进行充电来实现。日间可以被分成充电时间段(在具有可用太阳日照的日间)和放电时间段(在具有充电能量存储元件130的夜间)，充电时间段具有峰值充电时间段(例如峰值太阳时间(中午时间))，放电时间段具有峰值放电时间段(例如夜间时间)。剩余的能量存储单元可以在充电时间段之后被充电，或者至少在充电组被充分充电时的峰值充电时段之后并且在放电时间段之前，或者至少在峰值放电时段之前被充电。这种时序将有利地提供再生电池平衡。

现在参考图5，该图示例性示出了利用PWM控制器对太阳能能量的功率传输效率的改进。利用PWM控制器和能量存储元件130提高了功率传输效率。使用PWM控制器从太阳能电源110提取的最大功率通常为70％，相比之下，MPPT系统的功率提取效率约为95％。图5示例性地示出了利用PWM控制器和能量存储元件130的功率提取效率的改进，最大97％和最小90％。平均而言，实现了92％的提取效率的改进。实现的效率取决于(一个或多个)能量存储单元C1-C4的选择240。功率提取效率可以被定义为太阳能转换器120(PWM控制器)基于该时间段的太阳能从太阳能电源110提取最大可用功率的能力。因此，如果太阳更亮，则太阳能转换器120(PWM控制器)应当能够从太阳能电源110提取更多的功率，并且当太阳亮度低时，类似地从太阳能电源110提取更少的功率。例如，上午和晚上太阳亮度低时的情况。另一方面，功率转换效率可以被定义为在进行从太阳能电源110到能量存储元件130的充电时太阳能转换器120(PWM控制器)中使用的电子部件的损耗。PWM控制器120具有更好的功率转换效率，因为部件数量更少(没有DC/DC降压)。因此，整体效率(提取和功率转换)将优于MPPT系统。

现在参考图3，其示意性和示例性地示出了说明用于对能量存储元件130充电的方法300的另一个实施例的流程图。方法300的方法步骤210-260与先前定义的图2的方法200相同。因此，方法步骤210-260保持相同的数字。方法300还包括确定370充电组的设定电压。能量存储元件130的设定电压或电压可以包括串联和/或并联连接的(一个或多个)能量存储单元C1-C4的电压。充电控制器135可以被布置用于确定设定电压。附加地和/或替代地，太阳能转换器120可以被布置用于确定设定电压。在另一个示例中，可以基于充电组中包括的所选择的各个能量存储单元C1-C4的电压来确定设定电压。例如，当选择电压均为3V的C1-C3形成充电组并串联连接时，设定电压为9V。

方法300还可以包括确定375充电组的确定的设定电压和确定的最大电源电压Vmp之间的差值。这种差值对于最大功率跟踪是重要的。该差值可以由太阳能转换器120和/或能量存储元件130的充电控制器135确定375。方法300还可以包括检查差值是否超过阈值的条件380。当差值超过阈值时(是，384)，这例如意味着没有从太阳能电源110提取最大功率，方法300还可以包括调整395充电组以最小化差值(例如跟踪最大功率点)。充电组的调整395可以包括改变充电组中能量存储单元C1-C4的数量。添加新的能量存储单元C1-C4可以基于前面讨论的选择标准。附加地和/或替代地，调整395可以包括调整能量存储单元C1-C4的串联和/或并联组合以改变设定电压。方法300还可以包括经由太阳能转换器120从太阳能电源110向调整的充电组提供397电力。当差值没有超过阈值时(否，382)，因为最大功率已经被提取，所以该方法可以包括维持390充电组。

在一个示例中，能量存储元件130包括通信接口136，其被布置用于从太阳能转换器120接收通信信号；其中通信信号指示充电组的设定电压和最大电源电压Vmp之间的所确定的差值。在该示例中，该差值由太阳能转换器120确定375。通信信号可以包括用于基于所确定的差值来调整395或维持390充电组的命令信号。下面的表2中示出了通信信号的示例，在该示例中，该通信信号基于物理层通信。

表2：从太阳能转换器120(例如PWM控制器)到能量存储元件130的通信信号。

当计算机程序产品在计算设备的处理单元上运行时，方法200-300可以由计算机程序产品的计算机程序代码执行。

应当注意，上述实施例说明而不是限制本发明，并且本领域技术人员将能够设计许多替代实施例而不脱离所附权利要求的范围。

在权利要求中，置于括号之间的任何附图标记不应被解释为限制权利要求。动词“包括”及其变形的使用不排除权利要求中所陈述的元件或步骤之外的元件或步骤的存在。元件前面的冠词“一”或“一个”不排除多个这样的元件的存在。本发明可以借助于包括若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机或处理单元来实施。在列举了若干装置的设备权利要求中，这些装置中的若干可以由同一个硬件项目来体现。在相互不同的从属权利要求中引用特定措施的纯粹事实不表示这些措施的组合不能被有利地使用。

本发明的诸方面可以在计算机程序产品中实施，该计算机程序产品可以是存储在计算机可读存储设备上的计算机程序指令的集合，该计算机程序指令可以由计算机执行。本发明的指令可以是任何可解释或可执行的代码机制，包括但不限于脚本、可解释程序、动态链接库(DLL)、或Java类。指令可以作为完整的可执行程序、部分可执行程序、作为现有程序的修改(例如更新)或作为现有程序的扩展(例如插件)来提供。此外，本发明的部分处理可以分布在多个计算机或处理器或甚至“云”之上。

适于存储计算机程序指令的存储介质包括所有形式的非易失性存储器，包括但不限于EPROM、EEPROM和闪存设备、诸如内部和外部硬盘驱动器的磁盘、可移动盘和CD-ROM盘。计算机程序产品可以分布在这样的存储介质上，或者可以通过HTTP、FTP、电子邮件或通过连接到网络(诸如互联网)的服务器提供下载。

Claims (14)

1.一种对能量存储元件充电的方法；其中所述能量存储元件包括被布置用于存储电能的多个能量存储单元；其中所述方法包括：

-确定所述多个能量存储单元中的每一个的电压；

-确定所述多个能量存储单元中的每一个的充电状态SoC；

-确定太阳能电源的最大电源电压Vmp；

-从所述多个能量存储单元中选择一个或多个能量存储单元，以形成包括所选择的一个或多个能量存储单元的串联和/或并联组合的充电组；其中所述选择基于所确定的最大电源电压，以及基于分别与第一太阳辐照度水平和第二太阳辐照度水平相关联的第一时间段和第二时间段；

其中所述选择进一步基于分别对应于所述第一时间段和所述第二时间段的预定电压和充电状态；

-控制所述能量存储元件的一个或多个开关以形成所述充电组；和

-经由太阳能转换器从所述太阳能电源向所述充电组提供电力；

其中所述第一太阳辐照度水平高于所述第二太阳辐照度水平，并且其中所述方法还包括：

-在所述第一时间段内，与充电状态相比，给电压分配更高的权重；和

-在所述第二时间段内，与电压相比，给充电状态分配更高的权重。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括：

-确定所述充电组的设定电压；

-确定所确定的充电组的设定电压和所确定的最大电源电压Vmp之间的差值；

其中当所述差值超过阈值时：

-调整所述充电组以便最小化所述差值；其中所述充电组的调整包括改变所述充电组中的能量存储单元的数量和/或调整能量存储单元的串联和/或并联组合；

-经由所述太阳能转换器从所述太阳能电源向调整的充电组提供电力。

3.根据权利要求2所述的方法；其中，所述能量存储元件还包括通信接口，所述通信接口被布置用于从所述太阳能转换器接收通信信号；其中所述通信信号指示所述充电组的设定电压和所述最大电源电压Vmp之间的所确定的差值。

4.根据权利要求3所述的方法；其中，所述通信信号包括用于基于所确定的差值来调整或维持所述充电组的命令信号。

5.根据权利要求1所述的方法；其中，所述太阳能转换器是PWM控制器。

6.根据权利要求1所述的方法；其中，所述能量存储元件还包括充电控制器；其中所述充电控制器被布置用于控制所述一个或多个开关以形成所述充电组。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述能量存储元件被布置用于向一个或多个负载设备供电。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述一个或多个负载设备包括用于照亮环境的照明设备；并且其中所述能量存储元件被布置用于向所述照明设备提供电力以照亮所述环境。

9.根据权利要求1所述的方法；其中，所选择的一个或多个能量存储单元被布置用于对所述多个能量存储单元中不包括在所述充电组中的剩余的一个或多个能量存储单元进行充电。

10.一种能量存储元件，包括：

-多个能量存储单元，其被布置用于存储电能；

-通信接口，其被布置用于接收通信信号；

-一个或多个开关，其被布置用于配置串联和/或并联组合的所述多个能量存储单元；和

-充电控制器，其被布置用于控制所述一个或多个开关以形成充电组，所述充电组包括所述多个能量存储单元中的一个或多个能量存储单元的串联和/或并联组合；其中所述多个能量存储单元中的一个或多个能量存储单元被选择以形成包括所选择的一个或多个能量存储单元的串联和/或并联组合的充电组；其中所述选择基于确定的最大电源电压，以及基于分别与第一太阳辐照度水平和第二太阳辐照度水平相关联的第一时间段和第二时间段；

其中所述选择进一步基于分别对应于所述第一时间段和所述第二时间段的预定电压和充电状态；以及

其中所述第一太阳辐照度水平高于所述第二太阳辐照度水平，并且其中所述方法还包括：

-在所述第一时间段内，与充电状态相比，给电压分配更高的权重；和

-在所述第二时间段内，与电压相比，给充电状态分配更高的权重。

11.一种用于对能量存储元件充电的太阳能转换器，包括：

-处理单元，用于控制从太阳能电源到所述能量存储元件的功率传输；

-功率输入接口，其被布置用于从太阳能电源接收太阳能；

-功率输出接口，其被布置用于将所接收的太阳能的至少一部分提供给所述能量存储元件；

-第一感测装置，其被布置用于确定所述太阳能电源的最大电源电压Vmp；和

-通信输出接口，其被布置用于向所述能量存储元件提供通信信号；

其中所述多个能量存储单元中的一个或多个能量存储单元被选择以形成包括所选择的一个或多个能量存储单元的串联和/或并联组合的充电组；其中所述选择基于所确定的最大电源电压，以及基于分别与第一太阳辐照度水平和第二太阳辐照度水平相关联的第一时间段和第二时间段；

其中所述选择进一步基于分别对应于所述第一时间段和所述第二时间段的预定电压和充电状态；以及

其中所述第一太阳辐照度水平高于所述第二太阳辐照度水平，并且其中所述方法还包括：

-在所述第一时间段内，与充电状态相比，给电压分配更高的权重；和

-在所述第二时间段内，与电压相比，给充电状态分配更高的权重。

12.一种用于对能量存储元件充电的系统，包括：

-太阳能转换器，其被布置用于从太阳能电源接收太阳能，并将接收的太阳能的至少一部分提供给根据权利要求11所述的能量存储元件；和

-根据权利要求10所述的能量存储元件。

13.根据权利要求12的系统，其中，所述系统还包括：

-太阳能电源；和

-一个或多个负载设备。

14.一种包括指令的计算机程序产品，当计算机执行该程序时，所述指令使所述计算机执行权利要求1-9中任一项所述的方法的步骤。

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