TWI558055B - 用於電源充電或放電之系統、方法及轉換器 - Google Patents

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Description

用於電源充電或放電之系統、方法及轉換器
本發明之實施例大體上係關於用於電源充電或放電之系統及方法，且更特定言之，係關於一種用於使諸如電容器之能量儲存部件充電或放電之系統及方法。
地球表面上不到百分之一的水適於在家庭或工業應用中之直接消耗。在天然飲用水源有限的情況下，海水或淡鹽水之去離子化(通常被稱為淡化)為產生淡水之方式。存在當前用以使水源去離子化或淡化之數種淡化技術。
電容性去離子化為該等淡化技術中之一者。當鹽水傳遞通過高表面積之電極組件時，水中之離子(諸如，所溶解之鹽、金屬及一些有機物)被吸引至帶相反電荷之電極。此情形使該等離子集中於該等電極處，且減少水中之離子之濃度。當電極容量耗盡時，使鹽水饋送水流停止，且視情況使電容器放電至分離的濃度較高之溶液中。
通常，使用具備或不具備能量恢復能力之轉換器以使電極組件充電或放電。然而，該轉換器通常具有低效率。
需要提供一種用於以改良效率使能量儲存裝置充電或放電之系統及方法，以解決上文所提及之問題。
根據本文所揭示之一實施例，提供一種用於使具有帶電荷物種之一液體去離子化之系統。該系統包括複數個堆疊，該複數個堆疊能夠在一充電狀態及一放電狀態中操作。該系統進一步包括複數個轉換器。該複數個轉換器中每一者電耦接至該複數個堆疊中之一對應堆疊。該複數個轉換器中每一者係可操作以在該充電狀態中使該對應堆疊充電以用於吸附該液體中之離子，且在該放電狀態中使該對應堆疊放電以用於解除吸附藉由該對應堆疊吸附之離子。該複數個轉換器中每一者能夠取決於該對應堆疊之一充電狀態或一放電狀態而在一第一模式及一第二模式中操作。當以一第一狀態使該複數個堆疊中之一者充電或放電時，與該堆疊相關聯的該複數個轉換器中之一者在該第一模式中操作，且經組態以至少藉由一中間級將一第一電壓間接地轉換至一第二電壓。當以一第二狀態使該複數個堆疊中之一者充電或放電時，與該堆疊相關聯的該複數個轉換器中之一者在該第二模式中操作，且經組態以將該第一電壓直接地轉換至該第二電壓。
根據本文所揭示之另一實施例，提供一種用於供應電能以使一負載充電或恢復電能以使該負載放電之轉換器。該轉換器包括一第一轉換級及一第二轉換級，該第二轉換級係與該第一轉換級級聯。該第一轉換級及該第二轉換級中之一者經操作以取決於該負載之一充電狀態或一放電狀態而轉換該電能。
根據本文所揭示之又一實施例，提供一種用於操作一轉換器以使一堆疊充電或放電之方法。該方法包括至少以下步驟：偵測該堆疊之一充電狀態或一放電狀態，該堆疊經組態以在該充電狀態中吸收一液體中之離子且在該放電狀態中解除吸附離子；及組態該轉換器以取決於該堆疊之該經偵測充電狀態或該經偵測放電狀態而在一第一模式中或在一第二模式中操作。
當參看隨附圖式閱讀以下詳細描述時，將更好地理解本發明之此等及其他特徵、態樣及優點，在該等圖式中，類似字符貫穿該等圖式表示類似零件。
下文將描述關於電源充電或放電之一或多個特定實施例。在致力於提供此等實施例之簡潔描述時，在本說明書中並未描述一實際實施之所有特徵。應瞭解，在任何此實際實施之開發中，如在任何工程或設計專案中，必須做出眾多實施特定決策以達成開發者之特定目的，諸如，順應系統有關約束及商業有關約束，該等目的可隨著不同實施而變化。此外，應瞭解，此開發努力可能複雜且耗時，但對於獲益於本發明之一般熟習此項技術者將仍為設計、製作及製造之常規任務。
除非另有定義，否則本文所使用之技術及科學術語具有與由一般熟習本發明所屬技術者通常所理解之意義相同的意義。如本文所使用之術語「第一」、「第二」及其類似者不表示任何次序、數量或重要性，而是用以區分一元件與另一元件。又，術語「一」不表示數量之限制，而是表示存在所參考項目中至少一者。本文對「包括」、「包含」或「具有」及其變化之使用意謂涵蓋其後所列出之項目及其等效物，以及額外項目。術語「連接」及「耦接」不限於實體或機械連接或耦接，且可包括電連接或耦接(無論是直接的抑或間接的)。
如下文詳細地所論述，本發明之實施例大體上係關於一種用於使諸如超級電容器(supercapacitor)之能量儲存裝置充電或放電以用於使液體去離子化或淡化之系統及方法。然而，應理解，該等實施例可應用於其他應用，包括(但不限於)蓄電池充電器或放電器，及不中斷電源供應器。
超級電容器為相比於普通電容器具有相對較高能量密度之電化學電容器。如本文所使用，「超級電容器」包括其他高效能電容器，諸如，超電容器(ultracapacitor)。電容器為可儲存一對緊密間隔型導體(被稱作「板」)之間的電場中之能量的電裝置。當將電壓施加至電容器時，量值相等但極性相反之電荷積聚於每一板上。
圖1說明根據一例示性實施例的用於使一或多個堆疊充電或放電之系統100。參看圖1，在一實施中，系統100可包括饋送裝置108。饋送裝置108係用於供應待藉由一或多個堆疊(諸如，第一線路之第一堆疊122或第二堆疊124，或第二線路之第一堆疊132或第二堆疊134)純化之饋送液體。饋送液體可包括(例如)海水、淡鹽水、冷卻塔排放水、化學處理序廢水液流、鹵水、湖水、河水、水庫水及其組合。
進一步參看圖1，在一實施中，來自饋送裝置108之饋送液體可分裂至一或多個通道或線路中。在一實施中，經由第一線路114及第二線路116而供應饋送液體。在其他實施中，可經由單一線路或兩個以上線路而供應出自饋送裝置108之饋送液體。在所說明實施例中，在第一線路114中，饋送液體傳遞通過包括第一堆疊122及第二堆疊124之兩個堆疊。在其他實施中，饋送液體可傳遞通過兩個以上堆疊。又在其他實施中，饋送液體可重複地傳遞通過一或多個堆疊。如圖1所說明，串聯地連接第一堆疊122及第二堆疊124。第一堆疊122及第二堆疊124經操作以便控制自第二堆疊124退出之液體之鹽度，使得該鹽度不同於進入第一堆疊122之饋送液體之鹽度。取決於堆疊122、124係在充電狀態抑或放電狀態中，鹽度差可較高或較低。
進一步參看圖1，在一實施中，第一堆疊122及第二堆疊124分別電耦接至第一轉換器142及第二轉換器144。第一轉換器142及第二轉換器144可包括雙向DC-DC轉換器。如本文所使用，「雙向DC-DC轉換器」可指代具有將電能供應至能量儲存部件或自能量儲存部件恢復電能之能力的轉換器。如藉由箭頭123、125所說明，在堆疊122、124與各別轉換器142、144之間的能流可在任一方向上。舉例而言，在第一堆疊122之充電狀態中，電能可自第一轉換器142流動至第一堆疊122，或在第一堆疊122之放電狀態中，電能可自第一堆疊122流動至第一轉換器142。在一實施中，可將自第一堆疊122或第二堆疊124所恢復之電能供應至其他轉換器，該等其他轉換器又供應電能以使在充電狀態中工作之對應堆疊充電。在其他實施中，可將自第一堆疊122或第二堆疊124所恢復之電能饋送至電網。
如下文將更詳細地所描述，第一轉換器142及第二轉換器144可經組態以在至少兩種模式中操作。在一實施中，第一轉換器142及第二轉換器144可基於一或多個已定義準則而手動地或自動地在第一模式與第二模式之間切換。在第一模式中，第一轉換器142或第二轉換器144可將第一DC電壓轉換至中間電壓，且接著將中間DC電壓轉換至第二電壓。在第二模式中，第一轉換器142或第二轉換器144可將第一電壓直接地轉換至第二電壓，而無任何中間轉換級。在一實施中，作為一非限制性實例，在第一轉換器142或第二轉換器144之輸入處之DC電壓與第一堆疊122或第二堆疊124處之DC電壓之間的電壓差可用於判定工作模式。舉例而言，當電壓差經判定為實質上大於臨限值時，在第一模式中組態第一轉換器142或第二轉換器144。當電壓差實質上小於臨限值時，在第二模式中組態第一轉換器142或第二轉換器144。在其他實施中，第一堆疊122或第二堆疊124之充電電流或放電電流可用以對應地判定第一轉換器142或第二轉換器144之工作模式。
進一步參看圖1，第一轉換器142可經由第一共同匯流排141而電耦接至第一整流器102，且第二轉換器144可經由第二共同匯流排143而電耦接至第二整流器104。第一整流器102經組態以接收及整流來自AC電源(圖1中未圖示)之單相或多相交流(AC)電力，且經由第一共同匯流排141而將經整流直流(DC)電力提供至第一轉換器142。第二整流器104經組態以接收及整流來自AC電源之單相或多相AC電力，且經由第二共同匯流排143而將經整流DC電力提供至第二轉換器144。如下文將更詳細地所描述，第一整流器102及第二整流器104可將經整流DC電力進一步提供至與第二線路116相關聯之其他轉換器。作為一非限制性實例，第一整流器102及第二整流器104可各自使用具有四個二極體之全波電橋以將AC電力變換至經整流DC電力。
系統100可進一步包括可電耦接至系統100之各種部件之控制器106。該控制器可以眾多方式予以實施，諸如，硬體、軟體、韌體、可組態/可程式化邏輯，或其組合。
在一實施中，如圖1所示，控制器106電耦接至第一轉換器142、第二轉換器144、第一堆疊122及第二堆疊124。控制器106可經程式化以自動地切換第一轉換器142及第二轉換器144之工作模式。在一實施中，控制器106可經組態以監控在第一轉換器142或第二轉換器144之輸入處之DC電壓與第一堆疊122或第二堆疊124處之DC電壓之間的電壓差。控制器106可經進一步組態以比較電壓差與臨限電壓值。臨限電壓值可預先儲存於控制器106中。控制器106可經進一步組態以基於比較結果而發送控制信號以切換第一轉換器142及第二轉換器144之工作模式。
如圖1進一步所說明，控制器106可進一步電耦接至第一整流器102及第二整流器104。控制器106可經組態以判定兩個整流器102、104中之一者或整流器102、104兩者應被啟用以進行操作。在一實施中，第一整流器102可被特定地啟用以提供經整流DC電壓，而第二整流器104可被停用。在另一實施中，第一整流器102及第二整流器104兩者可被啟用以將經整流DC電力分別提供至第一轉換器142及第二轉換器144。雖然圖1中未特定地圖示說明，但在其他實施中，控制器106可進一步電耦接至饋送裝置108。在此狀況下，控制器106可經組態以發送控制信號以手動地或自動地接通或切斷饋送裝置108。舉例而言，控制器106可回應於使用者輸入，且相應地接通饋送裝置108。
繼續參看圖1，在第二線路116中，來自饋送裝置108之饋送液體傳遞通過第一堆疊132及第二堆疊134。配置於第二線路116中之堆疊132、134相似於配置於第一線路114中之堆疊122、124。堆疊132、134可經充電以吸附饋送液體中所含有之離子，或經放電以解除吸附藉由對應堆疊吸附之離子。第二線路116中之第一堆疊132及第二堆疊134係分別電耦接至第三轉換器152及第四轉換器154。第三轉換器152及第四轉換器154係分別相對於第一轉換器142及第二轉換器144相似地予以組態。如圖1所示，第三轉換器152電耦接至第一共同匯流排141。在一實施中，第三轉換器152可經由第一共同匯流排141而自第一整流器102接收經整流DC電壓。第三轉換器152亦可經由第一共同匯流排141而將電能供應至第一轉換器142。此外，第二線路116中之堆疊132、134及對應轉換器152、154電耦接至控制器106。控制器106經組態成以相似於如上文所描述之改變轉換器142、144之工作模式之方式的方式來改變轉換器152、154之工作模式。下文將關於圖2來描述堆疊122、124、132、134之例示性組態。
參看圖2，在一實施中，堆疊121包括兩個支撐板32、淡化電池16，及電流收集器30。淡化電池16及電流收集器30安置於支撐板32之間。每一淡化電池16包括電極24及26，以及絕緣間隔物28。絕緣間隔物28可包括電絕緣性聚合物。合適之電絕緣性聚合物可包括以烯烴為基礎之材料。合適之以烯烴為基礎之材料可包括聚乙烯及聚丙烯，其可被鹵化。其他合適之電絕緣性聚合物可包括(例如)聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚碸、聚伸芳基醚及耐綸。複數個孔或孔隙21界定於支撐板32、電極24、26及絕緣間隔物28中以用於允許饋送液體流動通過。舉例而言，饋送液體可通過孔隙21而被引入至堆疊121中(如藉由方向箭頭22所指示)、流動通過堆疊121之至少一部分(如藉由方向箭頭23所指示)，且退出堆疊121(如藉由方向箭頭25所指示)。
圖3說明在充電狀態期間之淡化電池16。參看圖3，包含陽離子36及陰離子38之饋送液體34被引入至電池16中。帶相反電荷之電極24及26吸引及保留來自傳遞通過淡化電池16之饋送液體34的電荷相反之離子。離開淡化電池16之液體相比於饋送液體34含有較少之陽離子36及陰離子38，且在該圖中被稱為「稀釋液體」40，其表示經純化液體。通常，電極24及26界定介於約1伏特與約2伏特(直流電壓)之間的電位差。陽離子36及陰離子38將被吸附於帶相反電荷之電極24及26處，直至表面飽和為止，此時，饋送液體34將傳遞通過淡化電池16，而陽離子36及陰離子38之濃度無任何改變。
圖4說明在放電狀態期間之淡化電池16。在放電狀態期間，電極24及26被短路，且陽離子36及陰離子38自電極24及26之表面被釋放。在此實例中，在放電狀態期間進入淡化電池16之流體為離開沈澱單元46的離子溶質42之飽和或過飽和液流。在放電狀態期間退出電池16之流體在該圖中被稱為「放電液體」44。放電液流44轉移至沈澱單元46，在沈澱單元46處，一些離子溶質自放電液流44分離以作為固體沈澱物48。在離子固體沈澱之後，沈澱單元中之流體因充滿離子溶質而保持飽和或過飽和。然而，由於沈澱單元46中之離子物種沈澱，故此液流之濃度低於放電液流44之濃度。
圖5說明根據本發明之一實施例的雙向轉換器110之例示性拓撲。雙向轉換器110可應用於圖1所示之四個轉換器142、144、152及154。
在所說明實施例中，雙向轉換器110包括兩個輸入端子212、214。兩個輸入端子212、214可電耦接至第一整流器102(圖1所示)，以用於自第一整流器102接收經整流DC電壓202且經由第一共同匯流排141而傳輸經整流DC電壓202。在一實施中，DC電壓202可藉由第一電容器216而平滑化。第一電容器216可緊接地耦接於兩個輸入端子212、214之後。在其他實施中，可省略第一電容器216。
進一步參看圖5，雙向轉換器110可進一步包括第一轉換級210及第二轉換級220。第一轉換級210電耦接至兩個輸入端子212、214。第一轉換級210經組態以將第一電壓轉換至中間電壓。在一實施中，第一轉換級210可經組態以將兩個輸入端子212、214之間的DC電壓202或藉由第一電容器216而平滑化之DC電壓轉換至中間DC電壓204。在一實施中，第二電容器232可耦接於第一轉換級210與第二轉換級220之間。第二電容器232經組態以使中間DC電壓204維持於實質上固定位準下。
第二轉換級220係與第一轉換級210級聯或串聯連接。第二轉換級220相對於第一轉換級210具有相似組態，且經組態以將中間電壓轉換至第二電壓。在一實施中，第二轉換級220經組態以將藉由第一轉換級210產生且藉由第二電容器228維持之中間DC電壓204轉換至DC電壓206。將DC電壓206施加至堆疊260以用於使堆疊260充電。在一實施中，堆疊260可為配置於第一線路114中之堆疊122、124或配置於第二線路116中之堆疊132、134中任一者(見圖1)。
進一步參看圖5，第一轉換級210可包括第一切換元件218、第二切換元件224及第一電感器228。第一切換元件218及第二切換元件224串聯地連接於兩個輸入端子212、214之間。在一實施中，第一切換元件218及第二切換元件224係分別與兩個二極體222、226並聯地耦接。二極體222、226係用於保護對應切換元件218、224。在一實施中，二極體222使其陰極連接至第一輸入端子212，且使其陽極連接至在第一切換元件218與第二切換元件224之間的接合連接。與對應切換元件218、224連接之二極體222、226及具有下文所描述之相似連接之任何其他二極體可被稱為「反並聯二極體」或「反向並聯二極體」。第一電感器228之一個端子耦接至在第一切換元件218與第二切換元件224之間的接合連接。第一電感器228之另一端子電耦接至第二電容器232之一個端子。
進一步參看圖5，第二轉換級220可包括第三切換元件238、第四切換元件244及第二電感器254。第三切換元件238及第四切換元件244串聯地電耦接於第二電容器232之兩個端子之間。在一實施中，第三切換元件238及第四切換元件244係分別與反並聯二極體242、246耦接。二極體242、246係用於保護對應切換元件238、244。第二電感器254之一個端子耦接至在第三切換元件238與第四切換元件244之間的接合連接。第二電感器254之另一端子耦接至堆疊260之一個端子。
如圖5所示，雙向轉換器110可進一步包括第五切換元件234及第六切換元件248。第五切換元件234耦接於第一轉換級210與第二轉換級220之間。更具體言之，第五切換元件234耦接於第一電感器228與第三切換元件238之間。第六切換元件248耦接於第一輸入端子212與一接合連接之間，該接合連接係在第三切換元件238與第四切換元件244之間。在一實施中，第五切換元件234係與反並聯二極體234耦接，且第六切換元件248係與反並聯二極體252耦接。二極體234、252係用於保護對應切換元件234、248。
上文所描述之切換元件218、224、234、238、244及248可為經由來自控制器106(圖1所示)之電控制信號而可操作以在「接通」或傳導狀態與「切斷」或非傳導狀態之間切換的任何合適形式之開關。在一實施中，切換元件218、224、234、238、244及248可包括MOSFET。在其他實施中，可使用閘流體、IGBT、BJT，或任何其他以半導體為基礎之切換部件。在某些實施例中，切換元件218、224、234、238、244及248中每一者可包括一切換元件組合。舉例而言，切換元件218、224、234、238、244及248可個別地包括兩個或兩個以上以半導體為基礎之開關，串聯地或並聯地連接該等開關以用於操作以根據來自控制器106之對應控制信號而在接通與切斷狀態之間選擇性地轉變。
在充電處理序期間，雙向轉換器110可在第一模式與第二模式之間切換以用於使對應堆疊260充電。在一實施中，第一模式及第二模式為降壓模式(buck mode)。如本文所使用，「降壓模式」指代此時DC電壓被降轉換至較低電壓。控制器106(圖1所示)可將控制信號發送至第五切換元件236及第六切換元件248，以切斷兩個切換元件236、248，藉以，電流不能夠流動通過切換元件236、248。因為兩個切換元件236、248被切斷，所以第一轉換級210及第二轉換級220兩者被啟用以進行操作。
對於在降壓模式中操作之第一轉換級210，第二切換元件224係藉由自控制器106所發送之控制信號而被切斷，且第一切換元件218在脈寬調變(PWM)模式中操作。如本文所使用，「PWM模式」指代一控制策略，藉由該控制策略，可回應於脈衝信號而交替地接通及切斷一切換元件，藉以，可變化該等脈衝信號之作用時間循環以用於調整輸出電壓之位準。當接通第一切換元件218以傳導電流時，將經整流DC電壓202施加至第一電感器228。隨著電流流動通過第一電感器228，能量臨時儲存於第一電感器228中。當切斷第一切換元件218時，第一電感器228釋放經儲存能量，此情形造成電流流動通過二極體226。儲存於第一電感器228中之能量被釋放以使第二電容器232充電。藉由變化自控制器106發送至第一切換元件218之控制信號之作用時間循環，可調整藉由第一轉換級210轉換之中間DC電壓204之位準。在一實施中，作用時間循環為約0.5，且中間DC電壓204可被控制成處於經整流DC電壓202之約一半。因為第一切換元件218之作用時間循環為約0.5，所以第一轉換級210之變換效率高。
對於在降壓模式中操作之第二轉換級220，第四切換元件244係藉由自控制器106所發送之控制信號而被切斷，且第三切換元件238在脈寬調變(PWM)模式中操作。當接通第三切換元件238時，將中間DC電壓204施加至第二電感器254。隨著電流流動通過第二電感器254，能量臨時儲存於第二電感器254中。當切斷第三切換元件238時，第二電感器254釋放經儲存能量，此情形造成電流流動通過二極體246。儲存於第二電感器254中之能量被釋放以使堆疊260充電。堆疊260之電壓增加，且自控制器106發送至第三切換元件238之控制信號之作用時間循環連續地改變。因為在中間DC電壓204與DC電壓206之間的電壓差較低，所以第二轉換級220之變換效率高。結果，雙向轉換器110之總變換效率高。
在其他實施中，流動通過第二電感器254之電流可作為回饋而提供至控制器106，且控制器106又根據回饋電流信號來控制充電電流。因此，雙向轉換器110可在恆定電流模式中操作。
在一實施中，在雙向轉換器110之充電處理序期間，控制器106可監控在經整流DC電壓202與DC電壓206之間的電壓差。當控制器106判定電壓差實質上大於臨限值時，雙向轉換器110在第一模式中操作。第五切換元件236及第六切換元件248被持續地切斷以啟用第一轉換級210及第二轉換級220兩者以進行操作。
一旦控制器106判定電壓差實質上小於臨限值，控制器106便將雙向轉換器110自第一模式切換至第二模式。控制器106發送控制信號以切斷第三切換元件238。因為第三切換元件238被切斷，所以儲存於第二電容器232中之能量不能轉移至第二轉換級220。參看圖6，第四切換元件244、第六切換元件248及第二電感器254形成第三轉換級230。對於在降壓模式中操作之第三轉換級230，第四切換元件244被切斷，且第六切換元件248在PWM模式中操作。經整流DC電壓202被直接地轉換至DC電壓206。因為堆疊260處之DC電壓206高且在經整流DC電壓202與DC電壓206之間的電壓差低，所以雙向轉換器110之變換效率高。
參看圖7，在一實施中，說明跨堆疊260之電壓及轉換器110之變換效率。如圖7所示，V為表示跨堆疊260之電壓的在水平軸線上之變數，且η為表示轉換器110之變換效率的在垂直軸線上之變數。圖7所示之第一曲線272說明具有第一轉換級210及第二轉換級220兩者之轉換器110，第一轉換級210及第二轉換級220操作以使堆疊260充電。圖7所示之第二曲線274說明具有第三轉換級230之轉換器110，第三轉換級230操作以使堆疊260充電。在操作中，當跨堆疊260之電壓經判定為小於臨限值V0時，切換轉換器110以在第一區域276中操作，在第一區域276處，轉換器110具有相對較高變換效率，其中兩個轉換級210、220操作。當跨堆疊260之電壓經判定為大於臨限值V0時，切換轉換器110以在第二區域278中操作，在第二區域278處，轉換器110具有相對較高變換效率，其中一個轉換級230操作。因此，可藉由根據堆疊260之充電狀態來切換轉換器110之工作模式而達成轉換器110之高變換效率。
進一步參看圖5及圖6，在放電處理序期間，雙向轉換器110亦可在第一模式與第二模式之間切換以用於使堆疊260放電。在一實施中，第一模式及第二模式為升壓模式(boost mode)。如本文所使用，「升壓模式」指代此時DC電壓被升轉換至較高電壓。在放電處理序中，最初，堆疊260處之DC電壓高。當控制器106判定在經整流DC電壓202與DC電壓206之間的電壓差小於臨限值時，控制器106控制雙向轉換器110以在第一模式中操作。在第一模式中，控制器106發送控制信號以切斷第三切換元件238。對於在升壓模式中操作之第三轉換級230，第六切換元件248被切斷，且第四切換元件244在PWM模式中操作。DC電壓206被直接地轉換至經整流DC電壓202。因為堆疊260處之DC電壓206高且在經整流DC電壓202與DC電壓206之間的電壓差低，所以雙向轉換器110之變換效率高。
當控制器106判定在經整流DC電壓202與DC電壓206之間的電壓差實質上大於臨限值時，控制器106將雙向轉換器110自第一模式切換至第二模式。在第二模式中，控制器106可將控制信號發送至第五切換元件236及第六切換元件248以切斷兩個切換元件236、248，且啟用第一轉換級210及第二轉換級220兩者以進行操作。第二轉換級220將DC電壓206轉換至中間DC電壓204，且第一轉換級210將中間DC電壓204轉換至經整流DC電壓202。
對於在升壓模式中操作之第二轉換級220，第三切換元件238被切斷，且第四切換元件244在PWM模式中操作。對於在升壓模式中操作之第一轉換級210，第一切換元件218被切斷，且第二切換元件224在PWM模式中操作。儲存於堆疊260中之能量轉移至第二電容器232，且接著，儲存於第二電容器232中之能量轉移至第一電容器216。
在一實施中，在第一線路114中之第一堆疊122之放電處理序期間，第二線路116中之一或多個堆疊可在充電處理序中操作。舉例而言，第二線路116中之第一堆疊132可在充電處理序中操作。在此狀況下，自第一線路114中之第一堆疊122所恢復之能量可用以經由第三轉換器152(見圖1)而使第二線路116中之第一堆疊132充電。
圖8說明根據本發明之另一實施例的雙向轉換器120之例示性拓撲。參看圖8，雙向轉換器120可包括用於自第一整流器102(圖1所示)接收經整流DC電壓302之兩個輸入端子312、314。在充電處理序期間，雙向轉換器120可在第一模式與第二模式之間切換以用於將經整流DC電壓302直接地或間接地轉換至DC電壓306。如本文所使用，「間接地」指代雙向轉換器具有將輸入DC電壓轉換至一或多個中間電壓且將一或多個中間電壓轉換至輸出DC電壓之能力。在放電處理序期間，雙向轉換器120亦可在第一模式與第二模式之間切換以用於自對應堆疊390恢復能量。
如圖8所說明，在一實施中，雙向轉換器120包括第一轉換級310、第二轉換級320、第三轉換級330及第四轉換級340。第一轉換級310及第二轉換級320係以交錯方式而耦接，且第三轉換級330及第四轉換級340亦係以交錯方式而耦接。如本文所使用，「交錯」指代此時兩個轉換級係實質上並聯地耦接。第一轉換級310及第二轉換級320經組態成相似於如上文結合圖5所描述之第一轉換級210。第一轉換級310之電感器342及第二轉換級320之電感器338係共同地連接至電容器344。第三轉換級330及第四轉換級340經組態成相似於如上文結合圖5所描述之第二轉換級220。第三轉換級330之電感器384及第四轉換級340之電感器382係共同地連接至堆疊390。
雙向轉換器120可進一步包括第一切換元件346、第二切換元件356及第三切換元件372。第一切換元件346耦接於第二轉換級320與第三轉換級330之間。第二切換元件356耦接於第一輸入端子312與一接合連接之間，該接合連接係在第三轉換級330之兩個切換元件352、354之間。第三切換元件372耦接於第一輸入端子312與一接合連接之間，該接合連接係在第四轉換級340之兩個切換元件362、364之間。
在操作中，雙向轉換器120可操作以使堆疊390充電。當控制器106判定在經整流DC電壓302與DC電壓306之間的電壓差實質上大於臨限值時，控制器106控制雙向轉換器120以在第一模式中操作。在第一模式中，控制器106發送控制信號以接通第一切換元件346，且切斷第二切換元件356及第三切換元件372。第一轉換級310及第二轉換級320中每一者以相似於如上文關於圖5所描述之第一轉換級210之操作方式的方式而操作。第三轉換級330及第四轉換級340中每一者以相似於如上文關於圖5所描述之第二轉換級220之操作方式的方式而操作。
在充電處理序之第一模式中，第一轉換級310中之切換元件322被切斷，且第一轉換級320中之切換元件318在PWM模式中操作。此外，第二轉換級320中之切換元件332被切斷，且第二轉換級320中之切換元件328在PWM模式中操作。在一實施中，發送至切換元件318及切換元件328之PWM模式控制信號同相。在其他實施中，發送至切換元件318及切換元件328之PWM模式控制信號非同相。舉例而言，針對切換元件318之控制信號可比針對切換元件328之控制信號領先或滯後達π/2，藉此減少跨電容器344之DC電壓漣波。
相似地，在充電處理序之第一模式中，第三轉換級330中之切換元件354被切斷，且第三轉換級330中之切換元件352在PWM模式中操作。此外，第四轉換級340中之切換元件364被切斷，且第四轉換級340中之切換元件362在PWM模式中操作。在一實施中，發送至切換元件352及切換元件362之控制信號同相。在其他實施中，發送至切換元件352及切換元件362之控制信號非同相。舉例而言，針對切換元件352之控制信號可比針對切換元件362之控制信號領先或滯後達π/2，藉此減少跨堆疊390之DC電壓漣波。
當控制器106判定在經整流DC電壓302與DC電壓306之間的電壓差實質上小於臨限值時，控制器106控制雙向轉換器120以在第二模式中操作。控制器106發送控制信號以接通第二切換元件356及第三切換元件372。
在充電處理序之第二模式中，切換元件352及切換元件362係回應於自控制器106所發送之控制信號而被切斷。如圖9所示，兩個切換元件354、356及電感器384形成第五轉換級350，且兩個切換元件364、372及電感器382形成第六轉換級360。對於在降壓模式中操作之第五轉換級350，切換元件354被切斷，且切換元件356在PWM模式中操作。經整流DC電壓302被直接地轉換至DC電壓306。因為堆疊390處之DC電壓306高且在經整流DC電壓302與DC電壓306之間的電壓差低，所以雙向轉換器120之變換效率高。
繼續參看圖8及圖9，雙向轉換器120可操作以使堆疊390放電。在放電處理序期間，圖8及圖9所示之雙向轉換器120可以相似於如上文結合圖5及圖6所描述之雙向轉換器110之操作方式的方式而操作。
圖10說明根據本發明之一實施例的用於操作圖1所示之系統100以使一或多個堆疊充電之方法200之流程圖。
在所說明實施例中，方法200始於區塊2002處。在區塊2002處，在第一模式中組態一或多個轉換器以使一或多個堆疊充電。在一實施中，可操作圖5所示之雙向轉換器110或圖8所示之雙向轉換器120以使一或多個堆疊充電。舉例而言，操作圖5所示之雙向轉換器110以將經整流DC電壓202轉換至DC電壓206，以便使堆疊260充電。更具體言之，在第一模式中，第一轉換級210操作以將經整流DC電壓202轉換至中間DC電壓204，且第二轉換級220操作以將中間DC電壓204轉換至DC電壓206。
在區塊2004處，方法200繼續偵測跨一或多個堆疊之電壓，及至一或多個轉換器之輸入電壓。在一實施中，控制器106(圖1所示)可偵測跨堆疊260之DC電壓206。控制器106可進一步偵測施加至雙向轉換器110之經整流DC電壓202。
在區塊2006處，方法200繼續判定在跨一或多個堆疊之經偵測電壓與至一或多個轉換器之輸入電壓之間的電壓差是否小於臨限值。在一實施中，圖1所示之控制器106可執行區塊2006之動作。若電壓差經判定為小於臨限值，則方法2000進行至區塊2008。若電壓差經判定為大於臨限值，則方法2000返回至區塊2002，在區塊2002處，組態轉換器以保持於第一模式中。
在區塊2008處，方法200繼續在第二模式中組態一或多個轉換器，以便使一或多個堆疊充電。在一實施中，控制器106將雙向轉換器110自第一模式切換至第二模式。在第二模式中，轉換級230(圖6所示)操作以將經整流DC電壓202直接地轉換至DC電壓206。
在區塊2010處，方法200繼續自在放電狀態中操作之至少一堆疊接收電力。在一實施中，可自在放電狀態中工作的第二線路116中之第一堆疊132恢復藉由雙向轉換器142接收之電力。在一實施中，可自第一整流器102(圖1所示)提供藉由雙向轉換器142接收之電力。
圖11說明根據本發明之一實施例的用於操作圖1所示之系統100以使一或多個堆疊放電之方法300之流程圖。
在所說明實施例中，方法300始於區塊3002處，在區塊3002處，在第一模式中組態一或多個轉換器以用於恢復自一或多個堆疊所放出之電能。在一實施中，可操作圖1所示之雙向轉換器142以自第一堆疊122恢復電能。在第一模式中，因為跨堆疊260之電壓高，所以雙向轉換器110具有轉換級230(圖6所示)，轉換級230操作以將第一堆疊122之DC電壓206升壓直至兩個第一輸入端子212、214處之DC電壓202。
在區塊3004處，方法300繼續偵測跨一或多個堆疊之電壓，及一或多個轉換器之輸入端子處之電壓。在一實施中，控制器106(圖1所示)偵測跨堆疊260之DC電壓206及兩個輸入端子212、214處之DC電壓202。
在區塊3006處，方法300繼續判定在跨一或多個堆疊之經偵測電壓與一或多個轉換器之輸入端子處之電壓之間的電壓差是否小於臨限值。在一實施中，控制器106執行區塊3006之動作。若電壓差經判定為小於臨限值，則方法進行至區塊3008。若電壓差經判定為大於臨限值，則程序返回至區塊3002。
在區塊3008處，方法300繼續在第二模式中組態一或多個轉換器以用於恢復自一或多個堆疊所放出之電能。在一實施中，控制器106將雙向轉換器110自第一模式切換至第二模式。
在區塊3010處，方法300繼續將電力供應至在充電狀態中操作之至少一堆疊。在一實施中，可將用在第一模式及第二模式中操作之雙向轉換器142所恢復之電能供應至在充電狀態中工作的第二線路116中之第一堆疊132。
可用儲存於電腦可讀媒體中之指令來程式化上文所描述之方法200及300，該等指令在藉由處理器實行時執行方法200及300之各種步驟。電腦可讀媒體可包括以任何方法或技術而實施之揮發性及非揮發性、可移除及非可移除媒體。電腦可讀媒體包括(但不限於)RAM、ROM、EEPROM、快閃記憶體或其他記憶體技術、CD-ROM、數位多功能光碟(DVD)或其他光學儲存裝置、磁性錄音帶、磁帶、磁碟儲存裝置或其他磁性儲存裝置，或可用以儲存所要資訊且可藉由指令實行系統存取之任何其他媒體。
方法200及300中所描述之操作未必必須以圖10及圖11所闡述之次序執行，而是可以任何合適次序執行。另外，在本發明之某些實施例中，可執行多於或少於圖9及圖10所闡述之所有元件或操作的元件或操作。
應理解，根據任何特定實施例，可未必達成上文所描述之所有此等目標或優點。因此，舉例而言，熟習此項技術者將認識到，本文所描述之系統及技術可以達成或最佳化本文所教示之一個優點或優點群組的方式予以體現或執行，而未必達成本文可教示或建議之其他目標或優點。
此外，熟習此項技術者將辨識來自不同實施例之各種特徵之互換性。一般熟習此項技術者可根據本發明之原理來混合及匹配所描述之各種特徵以及每一特徵之其他已知等效物以建構額外系統及技術。
16．．．淡化電池
21．．．孔或孔隙
24．．．電極
26．．．電極
28．．．絕緣間隔物
30．．．電流收集器
32．．．支撐板
34．．．饋送液體
36．．．陽離子
38．．．陰離子
40．．．稀釋液體
42．．．離子溶質
44．．．放電液體/放電液流
46．．．沈澱單元
48．．．固體沈澱物
100．．．用於使一或多個堆疊充電或放電之系統
102．．．第一整流器
104．．．第二整流器
106．．．控制器
108．．．饋送裝置
110．．．雙向轉換器
114．．．第一線路
116．．．第二線路
120．．．雙向轉換器
121．．．堆疊
122．．．第一線路之第一堆疊
124．．．第一線路之第二堆疊
132．．．第二線路之第一堆疊
134．．．第二線路之第二堆疊
141．．．第一共同匯流排
142．．．第一轉換器/雙向轉換器
143．．．第二共同匯流排
144．．．第二轉換器
152．．．第三轉換器
154．．．第四轉換器
202．．．經整流DC電壓
204．．．中間DC電壓
206．．．DC電壓
210．．．第一轉換級
212．．．第一輸入端子
214．．．第一輸入端子
216．．．第一電容器
218．．．第一切換元件
220．．．第二轉換級
222．．．二極體
224．．．第二切換元件
226．．．二極體
228．．．第一電感器
230．．．第三轉換級
232．．．第二電容器
234．．．反並聯二極體
236．．．第五切換元件
238．．．第三切換元件
242．．．反並聯二極體
244．．．第四切換元件
246．．．反並聯二極體
248．．．第六切換元件
252．．．反並聯二極體
254．．．第二電感器
260．．．堆疊
272．．．第一曲線
274．．．第二曲線
276．．．第一區域
302．．．經整流DC電壓
306．．．DC電壓
310．．．第一轉換級
312．．．輸入端子
314．．．輸入端子
318．．．切換元件
320．．．第二轉換級
322．．．切換元件
328．．．切換元件
330．．．第三轉換級
332．．．切換元件
338．．．電感器
340．．．第四轉換級
342．．．電感器
346．．．第一切換元件
350．．．第五轉換級
352．．．切換元件
354．．．切換元件
356．．．第二切換元件
360．．．第六轉換級
362．．．切換元件
364．．．切換元件
372．．．第三切換元件
382．．．電感器
384．．．電感器
390．．．堆疊
圖1為根據本發明之一實施例的用於電源充電或放電之例示性系統之示意性方塊圖。
圖2為根據本發明之一實施例的堆疊之分解透視圖。
圖3為根據本發明之一實施例的在充電操作狀態期間淡化電池之透視圖。
圖4為根據本發明之一實施例的在放電操作狀態期間淡化電池之透視圖。
圖5為根據本發明之一實施例的雙向轉換器之例示性拓撲，且雙向轉換器在第一模式中操作。
圖6為圖5所示之雙向轉換器之例示性拓撲，且雙向轉換器在第二模式中操作。
圖7說明藉由在第一模式及第二模式中操作雙向轉換器而引起的變換效率相對於跨堆疊之電壓。
圖8為根據本發明之另一實施例的雙向轉換器之例示性拓撲，且雙向轉換器在第一模式中操作。
圖9為圖7所示之雙向轉換器之例示性拓撲，且雙向轉換器在第二模式中操作。
圖10為根據本發明之一例示性實施例的說明用於使堆疊充電之方法之各種步驟之流程圖。
圖11為根據本發明之一例示性實施例的說明用於使堆疊放電之方法之各種步驟之流程圖。
102．．．第一整流器
104．．．第二整流器
106．．．控制器
108．．．饋送裝置
114．．．第一線路
116．．．第二線路
122．．．第一線路之第一堆疊
124．．．第一線路之第二堆疊
132．．．第二線路之第一堆疊
134．．．第二線路之第二堆疊
141．．．第一共同匯流排
142．．．第一轉換器/雙向轉換器
143．．．第二共同匯流排
144．．．第二轉換器
152．．．第三轉換器
154．．．第四轉換器

Claims (13)

  1. 一種用於使具有帶電荷物種之一液體去離子化之系統，該系統包含：複數個堆疊，其能夠在一充電狀態及一放電狀態中操作；及複數個轉換器，該複數個轉換器中每一者電耦接至該複數個堆疊中之一對應堆疊，該複數個轉換器中每一者係可操作以在該充電狀態中使該對應堆疊充電以用於吸附該液體中之離子，且在該放電狀態中使該對應堆疊放電以用於解除吸附藉由該對應堆疊吸附之離子；其中該複數個轉換器中每一者能夠取決於該對應堆疊之一充電狀態或一放電狀態而在一第一模式及一第二模式中操作；其中當以一第一狀態使該複數個堆疊中之一者充電或放電時，與該堆疊相關聯的該複數個轉換器中之一者在該第一模式中操作，且經組態以至少藉由一中間級將一第一電壓間接地轉換至一第二電壓；且其中當以一第二狀態使該複數個堆疊中之一者充電或放電時，與該堆疊相關聯的該複數個轉換器中之一者在該第二模式中操作，且經組態以將該第一電壓直接地轉換至該第二電壓；其中該複數個轉換器中每一者包含：一第一轉換級；一第二轉換級，其係與該第一轉換級串聯地耦接； 一能量儲存元件，其耦接於該第一轉換級與該第二轉換級之間；一第三轉換級，其經組態成相似於該第一轉換級，該第三轉換級係與該第一轉換級交錯；及一第四轉換級，其經組態成相似於該第二轉換級，該第四轉換級係與該第二轉換級交錯。
  2. 如請求項1之系統，其中該複數個堆疊包含沿著一第一路徑而配置之一第一堆疊集合，及沿著一第二路徑而配置之一第二堆疊集合，該第一堆疊集合經組態以使饋送通過該第一路徑之液體去離子化，且該第二堆疊經組態以使饋送通過該第二路徑之液體去離子化。
  3. 如請求項1之系統，其中該複數個轉換器中之一者包含一雙向轉換器，該雙向轉換器係用於在該充電狀態中將電能轉換至該對應堆疊，且在該放電狀態中自該對應堆疊恢復電能。
  4. 如請求項3之系統，其中自該對應堆疊所恢復之該電能轉移至在該充電階段中操作之另一堆疊。
  5. 如請求項1之系統，其進一步包含電耦接至該複數個轉換器之一控制器，該控制器經組態以判定在供應至該轉換器之一電壓與施加至該對應堆疊之一電壓之間的一電壓差；其中當該電壓差實質上大於一臨限值時，該控制器控制該轉換器以在該第一模式中操作；且其中當該電壓差實質上小於該臨限值時，該控制器控制該轉換器以在該第二模式中操作。
  6. 如請求項1之系統，其中該第一轉換級及該第三轉換級能夠經供應有非同相之控制信號，且其中該第二轉換級及該第四轉換級能夠經供應有非同相之控制信號。
  7. 如請求項1之系統，其中當該複數個轉換器中之一者操作以在該第一模式中使該複數個堆疊中之一對應堆疊充電時，該第一轉換級操作以將該第一電壓降轉換至一中間電壓，該能量儲存元件經充電以維持該中間電壓之一位準，且該第二轉換級操作以將該中間電壓降轉換至該第二電壓。
  8. 如請求項1之系統，其中當該複數個轉換器中之一者操作以在該第二模式中使該複數個堆疊中之一對應堆疊充電時，該第一轉換級被停用，且該第二轉換級操作以將該第一電壓直接地降轉換至該第二電壓。
  9. 如請求項1之系統，其中當該複數個轉換器中之一者操作以在該第一模式中使該複數個堆疊中之一對應堆疊放電時，該第二轉換級操作以將該第一電壓升轉換至一中間電壓，該能量儲存元件經充電以維持該中間電壓之一位準，且該第一轉換級操作以將該中間電壓升轉換至該第二電壓。
  10. 如請求項1之系統，其中當該複數個轉換器中之一者操作以在該第二模式中使該複數個堆疊中之一對應堆疊放電時，該第一轉換級被停用，且該第二轉換級操作以將該第一電壓直接地升轉換至該第二電壓。
  11. 如請求項1之系統，其中該第一轉換級包含與一反並聯 二極體耦接之一第一切換元件、與一反並聯二極體耦接之一第二切換元件，及一第一電感器，該第一切換元件及該第二切換元件串聯地耦接於該轉換器之一第一輸入端子與一第二輸入端子之間，該第一電感器之一個端子耦接至在該第一切換元件與該第二切換元件之間的一接點，該第一電感器之另一端子耦接至該能量儲存元件之一個端子。
  12. 一種用於供應電能以使一負載充電或恢復電能以使該負載放電之轉換器，該轉換器包含：一第一轉換級；及一第二轉換級，其係與該第一轉換級級聯；一能量儲存元件，其耦接於該第一轉換級與該第二轉換級之間；一第三轉換級，其經組態成相似於該第一轉換級，該第三轉換級係與該第一轉換級交錯；及一第四轉換級，其經組態成相似於該第二轉換級，該第四轉換級係與該第二轉換級交錯。
  13. 一種操作一轉換器以使一堆疊充電或放電之方法，該轉換器包含：一第一轉換級；一第二轉換級，其係與該第一轉換級串聯地耦接；一能量儲存元件，其耦接於該第一轉換級與該第二轉換級之間；一第三轉換級，其經組態成相似於該第一轉換級，該 第三轉換級係與該第一轉換級交錯；及一第四轉換級，其經組態成相似於該第二轉換級，該第四轉換級係與該第二轉換級交錯，該方法包含：偵測該堆疊之一充電狀態或一放電狀態，該堆疊經組態以在該充電狀態中吸收一液體中之離子且在該放電狀態中解除吸附離子；及組態該轉換器以取決於該堆疊之該經偵測充電狀態或該經偵測放電狀態而在一第一模式中或在一第二模式中操作。
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