TW201532365A - 用於混合式儲存系統之拓撲及控制策略 - Google Patents

Abstract

本申請案係揭示一種混合式電池充電裝置，其係包括用於連接一光伏板或其它電流源的輸入端子、用於連接一鉛酸電池的第一電池連線、以及用於連接一高循環的化學電池的第二電池連線。再者，該電池充電裝置係包括一雙向的DC/DC轉換器，其係具有一和該些第二電池連線連接的第一組端子，並且具有一和該些第一電池連線連接的第二組端子。該第二組端子的一輸入係從該些輸入端子導出。再者，該電池充電裝置係包括一經由個別的控制線來連接至該DC/DC轉換器的充放電控制系統、以及用於連接一負載的輸出端子，其中至該些輸出端子之一輸入係從該些第一電池連線導出。

Description

用於混合式儲存系統之拓撲及控制策略

本申請案係有關於一種用於一遠端能量系統(RES)之混合式儲存系統。

一般而言，鉛酸電池(lead acid battery)已經被使用許多年以作為離網型太陽能系統以及遠端能量系統(RES)中的主要儲存媒體。鉛酸電池的流行主要是受到其低的購買價格所激發的。然而，在一RES的總使用壽命上，該鉛蓄電池(lead battery)經常變成是主要的成本動因，因為其每1到3年就必須加以替換，此係導致用於取得及替換數個電池的高成本。相較於例如是在備用系統中的鉛(Pb)蓄電池，此種相對較短的使用壽命是因為遠端能量應用的本質之緣故。例如，在一離網型太陽能系統中，電池係在日間根據地理位置及天氣而被部份地充電數個小時，而在夜間則主要被放電以例如是用於運行燈泡、用於運作電視機或是其它設備及機器。由於這些狀況，該鉛蓄電池大部分的時間都維持在一低充電狀態(SOC)，並且其鮮少完全被充電。這些特點係影響到鉛酸電池的容量，因為這些特點在鉛酸電池中有增加硫酸鹽化(sulfation)過程的傾向。

US6353304係揭示提供兩個電池串，其可以經由AC/DC轉換器以及開關而連接至一AC電源，使得一電池串被充電時，另一電池串係 被放電。此配置可以提供用於具有除了太陽能電池之外的一發電機的太陽能混合系統之一改良的電池管理。相較之下，本申請案即使在只有一光伏能量來源可供利用時，亦提供一種改良的充電及放電。

本申請案之一目的是提供一種改良的混合式儲存系統以及用於充電及放電該混合式儲存系統的電池之改良的方法。這些目的係藉由獨立項申請專利範圍來加以達成。進一步的發展係被揭示在附屬項申請專利範圍中。

本申請案係提供一種混合式電池充電裝置，其係具有用於連接一光伏板的輸入端子以及用於連接一鉛酸電池的第一電池連線。根據本申請案的一鉛酸電池係包括各種的類型，例如液體酸電池、鉛凝膠式電池、或是可吸收玻璃纖維網(AGM)鉛蓄電池。

再者，該電池充電裝置係包括用於連接一高循環(high cycle)的化學電池的第二電池連線。較優的是，一例如是鋰離子電池或是鋰聚合物電池的鋰電池係提供該高循環的化學電池，但是其它例如是鎳鐵電池的高循環的化學電池亦可被使用。

在本申請案的上下文中，"化學電池"係指一種其中電池的充電或放電係牽涉到離子的移動以及在該電池的個別陽極處的化學反應之電池。此係相對於例如是平行板電容器、電解電容器或是亦以超級電容器著稱的雙層電容器之電容器而言，其中充電或放電僅牽涉到電子或是其它帶電微粒的重新配置，而無任何化學反應發生。再者，根據申請案的一種高循環的化學電池是一種可再充電的電池。

根據本申請案，一高循環的化學電池的特徵係互補該鉛酸電池的特徵。該鉛酸電池係被良好適配於被完全充電或甚至是稍微過度充電，而該高循環的化學電池係被良好適配於一更深度的放電位準。鉛酸電池是相對價格低廉的，並且經常被使用於遠端能量系統。此種鉛酸電池甚至可以是由一簡單的車用電池所提供的，但是使用特別被調適以容忍較深度的放電之電池是更有利的。

該電池充電裝置係包括一雙向的(two-way)DC/DC轉換器，其亦以雙向(bidirectional)DC/DC轉換器著稱的。該雙向的DC/DC轉換器係被用來在一第一電流方向上充電該鋰電池，並且在一第二電流方向上放電該鋰電池。

該雙向的DC/DC轉換器的一第一組端子係和該些第二電池連線連接，並且該雙向的DC/DC轉換器的一第二組端子係和該些第一電池連線連接。該第二組的端子之一輸入係從該混合式電池充電裝置的該些輸入端子導出。在此，B的一輸入是從A"導出"係表示B係從A接收一輸入，其中該輸入可以是經由一電線直接從A發送至B、或是經由其它例如是開關、電晶體等等的構件間接從A發送至B。

再者，一充放電控制系統係被設置，其係經由個別的控制線而連接至該雙向的DC/DC轉換器以及用於連接一負載的輸出端子。該些輸出端子的一輸入係經由一用於連接該些輸出端子至該些第一電池連線的連接裝置而從該些第一電池連線導出，該連接裝置例如是磁開關或是半導體開關。

在該混合式電池充電裝置的直流電路中，該些極的任一個可 以用一已知的方式連接至一共同的接地。例如，該些第一電池連線的一負極連接以及該些輸出端子的一負極端子可以連接至一共同的接地電位。換言之，該些個別的電池連線中之一以及該些輸出端子中之一可以是藉由個別的連線至該共同的接地電位來加以設置的。該雙向的DC/DC轉換器的輸入端子亦被稱為"系統端子"，並且橫跨該些系統端子的電壓亦被稱為"系統電壓"。

再者，該混合式電池充電裝置可包括一例如是受控的通/斷之開關、脈波寬度調變(PWM)、最大功率點追蹤器等等的控制裝置，以用於更佳的控制該電池的充電電壓。該控制裝置係連接在該系統的輸入端子以及該DC/DC轉換器的輸入端子之間，其接著連接至該鉛酸電池的端子。再者，該控制裝置係經由控制線而連接至該充放電控制系統。例如，該些控制線可被配置以用於通斷在該控制裝置中的一PWM之電晶體。

該雙向的DC/DC轉換器例如可包括一升降壓轉換器、一降壓轉換器或是一升壓轉換器，以用於提供一適當的電壓比例於充電或放電該鋰電池。尤其，該雙向的DC/DC轉換器可包括一升壓轉換器以用於提供一高於該鉛酸電池的充電終止電壓之電壓至該鋰電池。

尤其，該雙向的DC/DC轉換器可包括至少兩個半導體開關，其中該些電晶體之個別的輸入連接係經由個別的控制線而連接至該充電控制系統。以此種方式，該雙向的DC/DC轉換器係易於經由電性信號來控制。尤其，該些電晶體可以用功率電晶體來加以體現。

再者，該混合式電池充電裝置可包括用於連接第一及第二電壓感測器的第一及第二電壓量測連線。該第一電壓感測器係連接至該鉛酸 電池的端子，並且該些第一電壓量測連線係連接至該充放電控制系統。該第二電壓感測器係連接至該鋰電池的端子，並且該些第二電壓量測連線係連接至該充放電控制系統，其中該連線可以是直接的、或者也可以是間接的經由一用於管理該鋰電池的充電狀態之例如是電壓監視晶片之個別的控制器。該電壓監視晶片可以連接至該鋰電池的電壓感測器並且經由一控制線而連接至該充電控制系統。

尤其，該鋰電池、該雙向的DC/DC轉換器以及用於該鋰電池的電壓監視晶片可被一起安裝在一能量儲存子系統中，其中該能量儲存子系統係提供輸入端子以用於將該能量儲存子系統插入該混合式電池充電裝置中。藉此，包括該鋰電池的結構單元可以和該混合式電池充電裝置的其餘部分分開地加以利用及提供服務。

該第一及第二電壓感測器可被設置以作為該混合式電池充電裝置的構件，例如是被設置在該充放電控制系統內、或者它們可被設置以作為該個別的電池的構件。

該混合式電池充電裝置可進一步包括一用於該鋰電池之分離的電池管理系統，該分離的電池管理系統係連接至該充放電控制系統。以此種方式，一現有的電池充電裝置，例如是一用於一鋰電池的電池充電裝置或是其之部分可被用在根據本申請案的混合式電池充電裝置中。

本申請案係進一步揭示一種具有一根據本申請案的混合式充電裝置之混合式儲存系統，其進一步包括連接至該些第二電池連線的鋰電池。

再者，該混合式儲存系統可進一步包括一例如是超級電容器 的電容器，其係與該鋰電池並聯連接，以用於一快速響應於一連接的負載之高負載峰值。

再者，本申請案係揭示一種根據本申請案的一混合式充電裝置之混合式儲存系統，其進一步包括一連接至該些第一電池連線的鉛酸電池。

該混合式儲存系統可進一步包括一連接至該第一電池的一或多個端子以及該充放電控制系統之第一電壓感測器、以及一連接至該第二電壓電池的一或多個端子以及該充放電控制系統之第二電壓感測器。

再者，本申請案係揭示一種用於藉由一例如是光伏板的電源來充電一混合式儲存系統的一鉛酸電池以及一鋰電池之方法。

根據本申請案，一鉛酸電池係在一第一電池充電階段中被充電，直到該鉛酸電池已經到達一第一預設的充電狀態為止。在該第一電池充電階段期間，其中該鉛酸電池係被充電，該充電可以例如是藉由一利用該充電電壓及電流作為輸入資料的PID控制器，而就只是藉由限制到一最大的電流或是執行未受限制的充電或大量充電來加以控制。

在一亦以到頂(topping)或升壓階段為人所知的等化階段中，該鉛酸電池以及該鋰電池都被充電，直到該鉛酸電池已經到達一第二預設的充電狀態為止。此外，該鉛酸電池以及該鋰電池亦可在該鉛酸電池的一"吸收階段"或是一升壓階段期間被充電。在該等化及吸收階段中，該系統電壓係被保持固定在對應於該些階段之不同的設定點。

在該等化階段期間，可以使得一被施加在該鉛酸電池的電壓振盪在一預設的低電壓以及一預設的高電壓之間。尤其，該電壓可藉由脈 波充電，並且尤其是藉由脈波寬度調變的充電而被施加。該充電脈波的電壓可以高於該鉛酸電池充電終止電壓。該充電脈波可以藉由等化在電池單元上的充電、混合該電解液並且降低該硫酸鹽化，而對於該鉛酸電池之一較高的充電及使用壽命做出貢獻。再者，在該等化階段期間，在該鉛酸電池的端子處之一平均電壓係接近該鉛酸電池的一充電終止電壓。在該等化階段期間，至該鉛酸電池的充電電流將會減少，因為該鉛酸電池的充電狀態係接近100%。

該鋰電池係在一第三電池充電階段中被充電，在該階段期間，一實質固定的系統電壓係被施加至該鉛酸電池的系統端子，並且該第一電壓係被轉換成為一在該鋰電池的端子處之充電電壓。

有利的是，在該第三電池充電階段中是使得在該鋰電池的充電期間被施加至該些系統端子之實質固定的系統電壓等於該鉛酸電池之一最大的開路電壓。藉此，該鉛酸電池將不會顯著地放電，即使是其維持連接至該鋰電池。在另一方面，該鉛酸電池的過度充電係藉由保持該鉛酸電池的該些端子在其最大的開路電壓來加以避免。此外，在該施加的電壓可能高於該鉛酸電池的該最大的開路電壓之期間，一細流(trickle)或是待機(standby)充電可被施加至該鉛酸電池。

再者，本申請案係揭示一種用於放電一混合式儲存系統的一鉛酸電池以及一鋰電池之方法。根據本申請案，一負載係藉著經由該鉛酸電池的系統端子來放電該鋰電池而被供應電力，並且維持在該些系統端子處之電壓實質等於該鉛酸電池的一最大的開路電壓，直到在該鋰電池的端子處之一電壓已經到達該鋰電池的一放電終止電壓為止。

藉此，並不需要在該鋰電池與該負載之間提供一直接的連線。此係確保該鉛酸電池並非已經放電的，即使其並非是斷連的。例如，一受控的DC/DC轉換器可以提供該所需的電壓。

若該鋰電池的輸出電壓已經到達該鋰電池的一放電終止電壓，則該鉛酸電池係被放電直到該鉛酸電池的電壓已經到達該鉛酸電池的一放電終止電壓為止。該鉛酸電池的放電終止電壓是該鉛酸電池可被安全地放電的一電壓。該鉛酸電池的放電終止電壓係對應於該鉛酸電池的一約30-40%的SOC。

類似地，若一負載從該鋰電池汲取電流而使得在該鉛酸電池的端子處之一電壓下降到低於該鉛酸電池的一最大的開路電壓，則該鉛酸電池係和該鋰電池並聯放電直到該鋰電池已經到達一放電終止電壓為止。

此外，該鉛酸電池可以在放電該鉛酸電池之後予以斷連，且/或該混合式儲存系統可以進入一待機模式直到判斷出一電源可以供應足夠的電力以載入該第一電池為止。該鉛酸電池的斷連可藉由一用於中斷連接該負載的通/斷開關且/或藉由一設置在該鉛酸電池處之個別的通/斷開關而被達成。尤其，該待機模式可以藉由暫停一在該第一電池的端子處之系統電壓以及一在該第二電池的端子處之電壓的量測來提供一降低的功率消耗。

再者，本申請案係揭示根據本申請案的一種混合式電池充電裝置，其中該充放電控制系統係操作以用於執行根據本申請案的一種充電或是放電之方法。此例如可藉由設置一可程式化的微控制器之一電腦可讀取的程式或是一設置在該混合式電池充電裝置的充放電控制裝置中之特殊 用途的電路來加以實現。

一般而言，根據本申請案的一種混合式儲存系統可被利用在任何有需要一有效率的中間儲存來自一能量來源的能量之處。此尤其適用於其中來自一能量來源的供給及/或一能量消耗者的能量需求會隨著時間而變化的能量系統。更明確地說，這些狀況適用於藉由一例如是太陽能或風能之變化的能量來源所供應的離網型應用。例如，一具有根據本申請案的一種混合式儲存系統之離網型太陽能發電廠可被利用於例如是非洲或巴西內陸之遙遠的地理位置處。再者，其亦可被利用於供電通常是位在人口密集區以外的設施，例如是通訊天線、氣象站、防火瞭望塔、緊急避難屋、外太空的裝置、等等。

5‧‧‧混合式儲存系統

6‧‧‧鋰電池

7‧‧‧電流方向

8‧‧‧第一能量儲存子系統

9‧‧‧第二能量儲存子系統(鋰子系統)

10‧‧‧混合式電池充電裝置

11‧‧‧光伏板

12‧‧‧鉛蓄電池

13‧‧‧單向的DC/DC轉換器

13'‧‧‧輸入電流調整裝置

14‧‧‧充電控制系統

15‧‧‧微控制器

16‧‧‧感測器

17‧‧‧雙向的DC/DC轉換器

18‧‧‧電壓監視晶片

19‧‧‧負載

20‧‧‧負載開關

21‧‧‧逆電流保護MOSFET

22‧‧‧第一MOSFET

23‧‧‧電感器

24‧‧‧第二MOSFET

25‧‧‧電容器

26‧‧‧第二電容器

27‧‧‧寄生二極體

28‧‧‧寄生二極體

29‧‧‧第一MOSFET

30‧‧‧第二MOSFET

31‧‧‧電感器

32‧‧‧電容器

34‧‧‧寄生二極體

35‧‧‧寄生二極體

36‧‧‧寄生二極體

37‧‧‧寄生二極體

38‧‧‧熔線(接地電位)

39‧‧‧TVS二極體

40‧‧‧正輸入端子

41‧‧‧負輸入端子

42‧‧‧正輸出端子

43‧‧‧負輸出端子

44‧‧‧正輸入端子

45‧‧‧負輸入端子

46‧‧‧正輸出端子

47‧‧‧負輸出端子

50‧‧‧步驟

51‧‧‧決策步驟

52‧‧‧決策步驟

53‧‧‧步驟

54‧‧‧決策步驟

55‧‧‧決策步驟

56‧‧‧步驟

57‧‧‧步驟

58‧‧‧步驟

62‧‧‧鉛蓄電池電壓感測器

63‧‧‧鋰電池電壓感測器

64‧‧‧輸入電壓感測器

65‧‧‧供應電流感測器

A‧‧‧第一充電階段

B‧‧‧第二充電階段

C‧‧‧第三充電階段

D‧‧‧第一放電階段

D'‧‧‧放電階段

E‧‧‧第二放電階段

本申請案現在將會參考以下的圖式更詳細地加以解說，其中圖1係展示根據本申請案的一種混合式儲存系統之大致的佈局，圖2係展示圖1的佈局之更詳細的視圖，圖3係展示根據圖1及2的混合式儲存系統之電路圖，圖4係展示一個12V鉛酸電池在不同的狀況下之充電狀態曲線，圖5係展示該混合式儲存系統在典型的充電及放電過程期間的一系統電壓、一鉛酸電池的一充電狀態以及一鋰電池的一充電狀態，圖6係展示用於一高負載的一放電過程之圖5的量，圖7係展示根據本申請案的一充電及放電過程之流程圖，圖8係展示根據本申請案的一種具有一第一混合式電池充電裝置之混合式儲存系統，以及 圖9係展示根據本申請案的一種具有一第二混合式電池充電裝置之混合式儲存系統。

圖1係展示根據本申請案的一種具有一混合式電池充電裝置10之混合式儲存系統5之大致的佈局。根據本申請案，一種混合式儲存系統係包括至少一電池，而一混合式充電裝置並不一定包含該些電池。

該混合式儲存系統5係包括一光伏板11、一第一能量儲存子系統8以及一第二能量儲存子系統9。該第一能量儲存子系統8係包括一鉛蓄電池12、一單向的DC/DC轉換器13以及一充電控制系統14。該充電控制系統14係包括一微控制器15以及多個感測器16。該些感測器16係包括一在該鉛酸電池的該些端子處之電壓感測器。該DC/DC轉換器13係連接至一最大功率點追蹤器(MPPT)。該最大功率點追蹤器係提供一用於該光伏板11的阻抗匹配，並且其可藉由該充電控制系統14的一部分以及進一步的硬體構件來加以實現。

通常，該MPPT係使用橫跨該光伏板11的電壓的一量測、來自該光伏板11的電流的一量測、以及選配的另外的量測以產生一對應於一參考電壓及/或一參考電流之控制信號。MPPT演算法包括固定電壓、擾動及觀測、以及增量電導的演算法。

尤其是對於具有較高的輸出功率(例如，超過300瓦)之遠端能量系統而言，在一種根據本申請案的系統中使用一最大功率點追蹤器(MPPT)是有利的。藉此達成高效率是可能的。然而，根據本申請案的一種系統亦可以在無MPPT或輸入DC/DC轉換器13之下被操作為一離網型太陽 能系統。

該第二能量儲存子系統9係包括一鋰電池6、一雙向的DC/DC轉換器17以及一電壓監視晶片18。該DC/DC轉換器13及17可以用各種方式加以實施，以例如成為降壓轉換器、升壓轉換器或是升降壓轉換器。

圖2係展示圖1的佈局之更詳細的視圖。根據圖2的佈局，該鋰電池6係經由該雙向的DC/DC轉換器17以和該鉛酸電池12以及一負載19並聯連接。再者，該DC/DC轉換器的輸出線係和該鉛酸電池12並聯連接。一負載開關20係串聯連接至該負載19。該負載開關20係被設置以避免一深度的放電，並且其可被實施為一半導體開關，例如是一雙載子電晶體、一FET、一IGBT、或是其它。一箭頭7係指出一電流方向。

在圖2中的虛線箭頭係指出感測器信號至該充電控制系統14以及該電壓監視晶片18的流向，而雙點虛線箭頭係指出在該充電控制系統14與該電壓監視晶片之間的信號的流向、以及來自該充電控制系統14的控制信號的流向。

該混合式儲存系統係提供連接至該光伏板11(或是其它能量來源)的對應的輸出端子之一正輸入端子40以及一負輸入端子41、以及連接至該負載19的對應的輸入端子之一正輸出端子42以及一負輸出端子43。該鋰子系統9係包括連接至該鉛蓄電池12的個別的端子之一正輸入端子44以及一負輸入端子45。再者，該鋰子系統9係包括連接至該鋰電池6的個別的端子之一正輸出端子46以及一負輸出端子47。

對於一包括一AC消耗者的負載19而言，一DC/AC轉換器 可以連接在該輸出端子42及43與該負載19之間。一DC/AC轉換器可以例如是藉由一開關式H橋或是一開關式三相反相器來加以設置。

圖3係展示根據圖2的混合式儲存系統5之電路圖。在圖3的例子中，該鉛酸電池12可以傳送一約12V的電壓，並且該鋰電池6可以傳送一約24V的電壓。該光伏板11係經由一逆電流保護MOSFET 21(亦可以是一個二極體)而連接至該混合式儲存系統5。一用於暫態電壓抑制(TVS)及過電壓抑制的TVS二極體39係與該光伏板11並聯連接。

連接至該光伏板11的輸出以及該鉛酸電池12的電池端子之DC/DC轉換器13係包括以星形連接來連接的一第一MOSFET 22、一第二MOSFET 24以及電感器23。一電容器25的一第一端子係連接至該鉛酸電池12的一正極電池端子，並且該電容器25的一第二端子係連接至該鉛酸電池12的一負極電池端子。

再者，一第二電容器26係並聯連接該些輸入端子40及41，並且作用為一輸入濾波器。該第一MOSFET 22係包括一寄生二極體27以及該第二MOSFET係包括一寄生二極體28。

在操作期間，該光伏板11或是該DC/DC轉換器13的輸出功率係藉由該充電控制系統14來加以量測。該充電控制系統14的一控制信號係根據該光伏板11的一最大功率點，經由該些MOSFET 22及24的開路及閉路來調整該DC/DC轉換器13的比例。

連接至該鋰電池6的電池端子以及該鉛酸電池12的電池端子之DC/DC轉換器17係包括以星形連接來連接的一第一MOSFET 29、一第二MOSFET 30以及電感器31。該鋰電池6的一正極電池端子係連接至一 電容器32的一第一端子，並且該鋰電池6的一負極電池端子係連接至該電容器32的一第二端子。

在另一方面，該些電容器25、26、32及33係作用為用於平滑化該輸出電壓的濾波器。

該第一MOSFET 29係包括一寄生二極體34，並且該第二MOSFET 30係包括一寄生二極體35。該保護MOSFET 21係包括一寄生二極體36，並且該負載開關20係包括一寄生二極體37。該些寄生二極體27、28、34、35、36及37亦作用為有關對應的MOSFET 22、24、29、30、21及20的飛輪(freewheel)二極體。其它的場效電晶體也可以被使用以替代MOSFET，例如像是IGBT、JFET或是其它的場效電晶體。

一熔線38係被設置成靠近該混合式儲存系統5的一正輸出端子以保護該混合式儲存系統5的電路免於過載。一接地電位38係連接至該鉛酸電池12的負極端子、該鋰電池6的負極端子以及該DC/DC轉換器13的電容器25、第二MOSFET 24及第二電容器26之個別的端子。

根據本申請案，在該電池6、12處之個別的開關並非必須的。然而，該鉛酸電池12以及該鋰電池6可以分別配備有開關，以用於連接及斷連該鉛酸電池12以及該鋰電池6。

該DC/DC轉換器13係透過在該MOSFET 24及22的個別的閘極電極處之控制信號來加以控制，並且該DC/DC轉換器17係透過在該MOSFET 29及30的個別的閘極電極處之控制信號來加以控制。該DC/DC轉換器13及17可藉由在該些個別的電晶體的個別的基極或閘極處施加脈波寬度調變的脈波而被操作為充電脈波產生器。

在一充電模式中，該些充電脈波可被利用於充電鉛酸電池12以及鋰電池6的該些電池，而在一恢復模式中，它們可被利用於該鉛酸電池12的去硫作用(desulfurization)。有關於充電，該術語"脈波寬度調變"(PWM)係指在半導體開關處之施加的信號。該產生的充電或電壓脈波一般將不會具有矩形脈波的形狀。此係不同於例如用於經由PWM來驅動一馬達的一開關式H橋的輸出。

在操作期間，該鋰電池6的一電壓係藉由該電壓監視晶片18來加以量測，並且該鉛酸電池12的一電壓係藉由該充電控制系統14來加以量測。該充電控制系統14係經由至該MOSFET 22及24的控制信號來調整該DC/DC轉換器13的電流。類似地，該充電控制系統14係經由至該MOSFET 29及30的控制信號來調整通過該DC/DC轉換器17的電流或功率。藉由增加通過該DC/DC轉換器13及17的輸入電壓，即使是在較弱的日照期間，該光伏板仍可被利用於充電該些電池12及6。

再者，該充電控制系統14係藉由個別的控制信號來控制該保護MOSFET 21以及該負載開關20的開路及閉路。

根據本申請案的充電控制系統12的控制信號之產生現在係參考以下的圖4及5更詳細地加以解說。

圖4係展示對於一個12V鉛酸電池而言在不同的狀況下的充電狀態曲線。最高的曲線係展示在一0.1C的充電速率下充電該鉛酸電池所需之一外部的電壓。此充電速率係象徵一電池在十小時內的容量。在一0.1C的充電速率下，該鉛酸電池係在一約90%的充電狀態(SOC)到達一約13.5V的充電終止電壓V_EOC，此係藉由一圓圈的符號來加以指出。第二高 的曲線係展示在一0.025C的充電速率下充電該鉛酸電池所需之一外部的電壓。在此例中，該鉛酸電池係在一約90%的充電狀態到達一約13V的充電終止電壓V_EOC，此係藉由一圓圈的符號來加以指出。

第二低的曲線係展示用於該鉛酸電池的不同的充電狀態之開路電壓。一約12.5伏特的最大的開路電壓V_maxOC係藉由一菱形符號來加以標記。最低的曲線係展示當一負載被選擇成使得該鉛酸電池係以一約0.2C的放電速率加以放電時，一藉由該鉛酸電池所傳送的電壓。在一約35%電池充電的充電狀態下，一放電終止電壓係被達到。在放電終止時，在該鉛酸電池的電池端子之間的電壓V_EOD是在約11.2伏特，其係藉由一個三角形符號加以標記。

大致而言，以下的電壓係被使用在根據本申請案的控制演算法中。

V_Sys，其係對應於該鉛蓄電池12的電壓以及在該DC/DC轉換器17的第二組端子處之電壓。根據本申請案，對於電池被充電或是放電的決策係依據V_sys而定，且選配地依據該電流而定。

V_EOC，其係表示一充電終止電壓。在鋰電池中，此電壓(V_Li_EOC)可以對應於一約100%的SOC。相較之下，在鉛(Pb)蓄電池中的充電終止電壓(V_Pb_EOC)係對應於一85-90%的SOC。為了到達一100%的SOC，該鉛蓄電池在已經到達該充電終止電壓之後必須被進一步充電。如同在圖4中所示，該電壓V_Pb_EOC可以依據該充電速率而定。再者，其亦依據該鉛蓄電池的例如是年齡及操作溫度的特徵而定。

V_EOD，其係表示一放電終止電壓。在鋰電池中，此電壓 (V_Li_EOD)係對應於某一低位準的SOC，而在鉛蓄電池中，為了避免損壞該電池，此電壓(V_Pb_EOD)將會對應於一例如是30-35%的SOC，即如同在圖4中所示者。該電壓V_Pb_EOD亦依據該放電電流、該電池的年齡以及電池溫度而定。其並不對應於該控制儲存演算法中之一預設的固定值。

在根據本申請案的一種充電方法中，一脈波寬度調變(PWM)充電模式係被用來充電該鉛酸電池12。該PWM充電模式係提供一用於鉛酸電池之有效率的充電模式。一對於該鉛酸電池12的PWM充電而言並非所需的多餘的能量係自動地轉移至該鋰子系統9的鋰電池6。藉此，來自該光伏電池11之一多餘的電能係被用來充電該鋰電池6。

在根據本申請案的一種放電方法中，該鋰子系統係被控制以將一系統電壓V_sys維持在一臨界電壓，該臨界電壓係對應於一被完全充電的鉛酸電池12的電壓。該系統電壓V_sys在圖2中係藉由一箭頭所指出，並且其係在連到該鉛酸電池12的連接線之間加以量測，該些連接線係連接至該鋰子系統9的端子。

圖5係展示在根據本申請案的一充電過程期間，用於該鉛酸電池以及用於該鋰電池的電壓及充電狀態圖。在圖5及6中，藉由該兩個電池的充電狀態所判斷出的系統狀態係被標示字母A到E。該些字母係對應於圖7的流程圖中之標籤。該些字母A-E進一步表示充電及放電階段。如同在圖6中所示，當該負載汲取比該鋰電池6所能夠傳送的更大的電力時，有一額外的放電階段D-D'。在此情形中，當該系統電壓下降到低於該鉛酸電池12的終止充電電壓時，同樣連接至該負載的鉛酸電池將會同時放電。

在該充電以及該放電過程期間，該充電控制系統14係根據該系統電壓的時間相依性且/或根據被供應至該電池6、12的電流來推估該電池6、12的充電狀態SOC_Pb以及SOC_Li。

在一第一充電階段A中，只有該鉛酸電池12被充電。在圖5的例子中，在該鉛酸電池12之一電壓是在一放電終止電壓V_Pb_EOD，並且在該鋰電池6之一電壓是在一放電終止電壓V_Li_EOD。

在該第一充電階段期間，該鉛酸電池12的充電狀態係增高。在該鉛酸電池12的端子處之系統電壓V_sys係以規律的時間間隔來加以量測。一旦該系統電壓V_sys到達該鉛酸電池12的充電終止電壓V_Pb_EOC時，一第二充電階段係開始。在該第二充電階段B中，該鉛酸電池以及該鋰電池都被充電。一旦該鉛酸電池12的充電狀態SOC_Pb到達約100%時，一第三充電階段C係開始，其中該鋰電池6係以一電流加以充電，而該鉛酸電池12係以一細流充電而被保持在相同的SOC。此可見於充電狀態圖中，其係展示該鋰電池的充電狀態的增高以及該鉛酸電池之一固定的充電狀態。

圖5亦展示根據本申請案的一放電過程，其係針對一種其中兩個電池6、12在該放電過程的開始時是被完全充電的情況。在一第一放電階段D中，只有該鋰電池6被放電。在圖5的例子中，來自該鋰電池6的放電電流是大約固定的。一旦該鋰電池的充電狀態6到達一下限時，只有該鉛酸電池在一第二放電階段E中被放電。

在圖5的例子中，到達SOC_Li的下限的時點係藉由其中在該鋰電池之電壓下降到一充電終止電壓V_Li_EOC的時點而被判斷出。當該 系統電壓V_sys到達一放電終止電壓V_Pb_EOD時，該充電控制系統14係藉由開路該負載開關12而從該負載斷連該鉛酸電池12。

圖6係展示一第二放電過程，其中在一放電階段D'中，該負載係汲取比該鋰電池所能夠傳送的更大的電流。在此例中，如同在圖6的最上方的圖中所示，在該鉛蓄電池12的端子處之系統電壓V_sys係下降到低於該鉛酸電池的最大的開路電壓V_PB_max_OC，並且該鉛酸電池12係和該鋰電池6一起被放電。該些放電階段D'及E係類似於那些參考圖5所述的階段。

圖7係展示指出該充電控制系統14的操作原理之放電及充電過程的流程圖。

在一步驟50中，一充電/放電控制例如是藉由將該鉛酸電池12以及該鋰電池6插入來加以起動。此可能牽涉到額外的步驟，例如檢查該些電池是否健全以及該些電池是否正確的連接。在一決策步驟51中，其係判斷是否有足夠的電力可供利用以充電該些電池。在一決策步驟52中，其係例如藉由量測該系統電壓V_sys來判斷該鉛酸電池12是否被完全充電。若該鉛酸電池12被判斷出為完全充電的，則該鋰電池6係在一步驟53中被充電並且該鉛酸電池12係被提供一細流充電。若在步驟52中其係判斷出該鉛酸電池12尚未被完全充電，則其係在一決策步驟54中判斷該鉛酸電池12是否已經到達一充電終止電壓。

若該鉛酸電池12尚未到達該充電終止電壓，其係在一步驟58中被充電。在另一方面，若判斷出的是該鉛酸電池已經到達該充電終止電壓，則該鉛蓄電池12係在一固定的電壓下被充電，而該鋰電池6係同時 被充電。

若在該決策步驟51中判斷出的是發電並未超過消耗而且該消耗是大於零的，則其係在一決策步驟55中判斷該鋰電池6是否為空的，其中"空的"係對應於一低的SOC。若判斷出的是該鋰電池6是空的，則該鉛酸電池12係在一步驟56中被放電，而該鉛酸電池12的充電狀態SOC_Pb例如是超出一30-40%的下限。在另一方面，若在步驟55中判斷出的是該鋰電池6不是空的，則該鋰電池6係在一步驟57中被放電。若在步驟56的執行期間，一負載汲取比該鋰電池6所能夠供應的更多的電流，則在該鉛酸電池12的端子處之一電壓係下降到低於該充電終止電壓V_EOC_Pb，因而該鉛酸電池12亦將會被放電。

圖8及9係展示一種混合式儲存系統5之另外的實施例，其係類似於圖1至3的實施例。根據圖8及9的實施例，該些電池6及12並非構成該混合式儲存系統5的部分，而是被插入該混合式儲存系統5中。

根據一例子，該些電池6、12係被設置有電壓感測器以及用於連接該電壓感測器至該混合式儲存系統10的連線。根據另一例子，該混合式儲存系統係被設置有一鉛蓄電池電壓感測器62以及一鋰電池電壓感測器63。再者，一輸入電壓感測器64以及一供應電流感測器65可加以設置。該些藉由空心圓所代表的感測器可以用各種方式加以體現。例如，該些感測器可以連接至兩個對應的電線或是只有一電線。該電流感測器亦可被設置成磁場感測器。

圖10的實施例係類似於圖9的實施例，但是相對於前述的實施例，該混合式儲存系統10只包括一DC/DC轉換器17，其係被設置用 於調整在該鋰電池6的端子處之一電壓。輸入電流調整裝置13'係被設置以取代該第二DC/DC轉換器13，其例如是一可控制的通/斷開關、一可控制的脈波寬度調變(PWM)、一過電壓保護或是其它。如同在圖9中所示，該電流調整裝置可以藉由一控制線來連接至該充電控制系統14。

在上述的說明中已經提供細節來描述本申請案的實施例。然而，對於熟習此項技術者而言將會明顯的是，該些實施例可以在無此種細節下加以實施。例如，有各種的電路配置以用於實現該混合式儲存系統的構件。這些電路配置可具有額外的構件或是其它具有類似於那些在該詳述的實施例中所展示者的功能之構件。例如，該些電晶體在該些實施例中係被展示為n型單載子電晶體。然而，熟習技術者將會體認到該配置亦可以利用p型電晶體來加以實現。例如，其它的修改可出現於反轉該些電池的極性、在不同的位置處設置電壓感測器、等等。

5‧‧‧混合式儲存系統

6‧‧‧鋰電池

7‧‧‧電流方向

10‧‧‧混合式電池充電裝置

11‧‧‧光伏板

12‧‧‧鉛蓄電池

13‧‧‧單向的DC/DC轉換器

14‧‧‧充電控制系統

17‧‧‧雙向的DC/DC轉換器

18‧‧‧電壓監視晶片

19‧‧‧負載

20‧‧‧負載開關

40‧‧‧正輸入端子

41‧‧‧負輸入端子

42‧‧‧正輸出端子

43‧‧‧負輸出端子

44‧‧‧正輸入端子

45‧‧‧負輸入端子

Claims (24)

1. 一種混合式電池充電裝置(10)，其係包括用於連接一光伏板的輸入端子(40、41)，用於連接一鉛酸電池(12)的第一電池連線(44、45)，用於連接一高循環的化學電池(6)的第二電池連線(46、47)，一雙向的DC/DC轉換器(17)，其中該雙向的DC/DC轉換器(17)的一第一組端子係和該些第二電池連線(46、47)連接，並且其中該雙向的DC/DC轉換器(17)的一第二組端子係和該些第一電池連線(44、45)連接，一充放電控制系統(14)，其係經由個別的控制線來連接至該DC/DC轉換器(17)，用於連接一負載(19)的輸出端子(42、43)，其中連到該些輸出端子的一輸入係從該些第一電池連線(44、45)導出。
2. 根據申請專利範圍第1項之混合式電池充電裝置(10)，其進一步包括一連接至該充放電控制系統(14)的控制裝置(13)，其中該控制裝置(13)的輸入端子係連接至該些輸入端子(40、41)，並且其中該控制裝置(13)的輸出端子係連接至該DC/DC轉換器(17)的輸入端子。
3. 根據申請專利範圍第2項之混合式電池充電裝置(10)，其中該控制裝置(13)係包括一脈波寬度調變。
4. 根據申請專利範圍第2或3項之混合式電池充電裝置(10)，其中該控制裝置(13)係包括一最大功率點追蹤器。
5. 根據申請專利範圍第2或3項之混合式電池充電裝置(10)，其中該控制裝置(13)係包括一可控制的開關(13')。
6. 根據申請專利範圍第2或3項之混合式電池充電裝置(10)，其中該控制裝置(13)係包括一DC/DC轉換器(13')。
7. 根據申請專利範圍第1至3項之任一項之混合式電池充電裝置(10)，其中該雙向的DC/DC轉換器(17)係包括一升降壓轉換器、一降壓轉換器、一升壓轉換器、或是另一種轉換器拓撲。
8. 根據申請專利範圍第1至3項之任一項之混合式電池充電裝置(10)，其中該雙向的DC/DC轉換器(17)係包括至少兩個半導體開關(29、30)，其中該些電晶體(29、30)之個別的輸入連線係經由個別的控制線來連接至該充電控制系統(14)。
9. 根據申請專利範圍第1至3項之任一項之混合式電池充電裝置(10)，其係包括用於連接一第一電壓感測器的第一電壓量測連線，該第一電壓感測器係連接至該鉛酸電池(12)的端子，並且該些第一電壓量測連線係連接至該充放電控制系統(14)，用於連接一第二電壓感測器的第二電壓量測連線，該第二電壓感測器係連接至該高循環的化學電池的端子，並且該些第二電壓量測連線係連接至該充放電控制系統(14)。
10. 根據申請專利範圍第1或2項之混合式電池充電裝置(10)，其係包括一用於該高循環的化學電池之分離的電池管理系統，該分離的電池管理系統(18)係連接至該充放電控制系統(14)。
11. 一種具有一根據前述申請專利範圍中之任一項的混合式充電裝置(10)之混合式儲存系統(5)，其進一步包括一連接至該些第二電池連線(46、47) 之高循環的化學電池(6)。
12. 根據申請專利範圍第11項之混合式儲存系統(5)，其中該高循環的化學電池(6)係包括一鋰電池(6)。
13. 根據申請專利範圍第11項之混合式儲存系統(5)，其進一步包括一和該高循環的化學電池(6)並聯連接的電容器。
14. 根據申請專利範圍第11至13項之任一項之混合式儲存系統(5)，其進一步包括一鉛酸電池(12)，該鉛酸電池(12)係連接至該些第一電池連線(44、45)。
15. 根據申請專利範圍第11至13項之任一項之混合式儲存系統(5)，其進一步包括一連接至該第一電池(12)的一端子以及該充放電控制系統(14)的第一電壓感測器，一連接至該第二電壓電池(6)的一端子以及該充放電控制系統(14)的第二電壓感測器。
16. 一種用於藉由一電源(11)以充電一混合式儲存系統(5)的一鉛酸電池(12)以及一高循環的化學電池(6)之方法，在一第一電池充電階段中充電該鉛酸電池(12)，直到該鉛酸電池(12)已經到達一第一預設的充電狀態為止，在一到頂/升壓/等化(topping/boost/equalization)的階段中充電該鉛酸電池(12)以及該高循環的化學電池(6)，直到該鉛酸電池(12)已經到達一第二預設的充電狀態為止，在一第三電池充電階段中充電該高循環的化學電池(6)，在該期間一實 質固定的系統電壓係被施加至該鉛酸電池(12)的系統端子，並且該系統電壓係被轉換，尤其是升壓轉換成為一在該高循環的化學電池(6)的端子處之充電電壓。
17. 根據申請專利範圍第16項之方法，該等化階段進一步包括在該鉛酸電池施加一振盪在一預設的低電壓以及一預設的高電壓之間的電壓。
18. 根據申請專利範圍第16或17項之方法，其進一步包括在該等化階段期間，將在該鉛酸電池(12)的端子處之一平均電壓維持在該鉛酸電池(12)的一充電終止電壓。
19. 根據申請專利範圍第16或17項之方法，其中在該等化階段期間，一在該鉛酸電池的端子處之系統電壓係被控制為固定的，使得一流向該鉛酸電池的充電電流係減小，並且一剩餘的充電電力係轉移至該高循環的化學電池(6)。
20. 根據申請專利範圍第16或17項之方法，其中在該第三電池充電階段中，在該高循環的化學電池(6)的該充電期間被施加至該些系統端子的該實質固定的系統電壓係等於該鉛酸電池(12)之一最大的開路電壓V_Pb_maxOC。
21. 根據申請專利範圍第16或17項之方法，其中一用於開始該等化階段的決策以及一用於開始該第三電池充電階段的決策是根據一在該鉛酸電池的端子處之系統電壓所做的。
22. 一種用於放電一混合式儲存系統(5)的一鉛酸電池(12)以及一高循環的化學電池(6)之方法，該方法係包括藉著經由一鉛酸電池(12)的系統端子來放電一高循環的化學電池(6)並 且將在該些系統端子處之該電壓維持實質等於該鉛酸電池(12)之一最大的開路電壓來供應電力給一負載(19)，直到該高循環的化學電池(6)的該輸出電壓已經到達該高循環的化學電池(6)之一放電終止電壓為止，放電該鉛酸電池(12)，直到該鉛酸電池(12)的該電壓已經到達該鉛酸電池(12)之一放電終止電壓為止。
23. 根據申請專利範圍第22項之方法，其中放電該高循環的化學電池(6)以及放電該鉛酸電池(12)的步驟係並行地加以執行。
24. 根據申請專利範圍第1至8項之任一項之混合式電池充電裝置(10)，其中該充放電控制系統(14)係包括用於執行根據申請專利範圍第16至23項之任一項之一種方法的步驟之裝置。