專利名稱：用于充電自主系統(tǒng)的電池的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于從發(fā)電機對自主系統(tǒng)的功率存儲元件進行充電的方法，該方法包括溫度測量、以及當功率存儲元件的各端子的電壓達到預設的閾值時從第一充電模式切換到第二充電模式，所述第二充電模式為溫度調節(jié)的電壓充電模式。

背景技術：
使用可再生電源的自主系統(tǒng)通常需要間歇產生的功率的存儲。最廣泛使用的功率存儲系統(tǒng)是電化學蓄電池，特別是“鉛酸”電池。然而，特別是基于鎳或者鋰的新存儲技術正在出現(xiàn)，以滿足功率存儲需求。
在這些系統(tǒng)中，電池的充電或放電在調節(jié)器的控制下進行。調節(jié)器的主要作用是管理電池的充電結束和放電結束，以分別限制過充電和放電到過度級別。市場上存在著大量的調節(jié)器，其中按照如何處理充電結束而不同。
連接/斷開類型的充電包括當電池達到預設的電壓閾值時停止充電或放電。當達到電池的這兩個充電或放電極限電壓之一時，電池則被斷開，以分別保護其不被過度過充電或放電，過度過充電或放電將趨于不可逆轉地損壞電池。
浮充(floating)或維持充電類型的充電包括施加恒定的電流直到某個電壓，然后維持該電壓(或維持電壓)一段時間，以完成對電池的充電。為了限制對電池的損壞，例如在鉛電池的情況下，根據(jù)溫度對維持電壓進行調節(jié)可以被提供來限制副反應動力(其隨溫度而增加)。
公制安培-小時類型的充電包括測量傳遞給電池的功率，并固定最大的充電功率量以對電池再充電。對于鉛電池，應用過充電系數(shù)來補償用作反饋反應的電流，特別水電解的電流，其出現(xiàn)損害了主反應。然而，傳遞給電池的能量的計算仍然是不精確的，并且充電結束標準仍然不是最優(yōu)化的。在大多數(shù)情況下，這種不精確導致電池的過度過充電，并且在鉛技術的情況下，導致大量水消耗以及槽板的腐蝕。
基于松弛(relaxation)時間之后的電壓測量的松弛電壓類型的充電需要知道電池狀態(tài)的幾個參數(shù)內部電阻、松弛電壓、施加的電壓和電流。該松弛時間可能相當長，例如在鉛電池的情況下是兩小時。雖然其對于估計涉及某些類型的蓄電池(如鎳金屬氫化物(NiMH)電池)的充電狀態(tài)具有精確性，但在實時實際使用該方法時存在缺點(專利WO 2005/101042)。
盡管使用的不同方法固有的限制，但是該技術狀態(tài)提供了關于電池的最大充電狀態(tài)的最少信息。
然而，當由自主系統(tǒng)用可變電源(風力，光電，小型水力...)執(zhí)行電池充電過程時施加的額外的約束增強了這些限制，這些限制經歷不可控的環(huán)境條件 -當以恒定電流充電時，電壓由電池的充電狀態(tài)施加。如果電源波動，則電流不能恒定。
-如果電源提供的功率在長時間段不足(對光電發(fā)電機冬天缺少陽光、對風力發(fā)電機不充足的風速)，則電池充電電流將是微弱的，并且充電時間將變長。結果，電流測量的誤差趨于變成不可忽略的，并且該誤差將在長時間段累積。所計算的傳遞的功率將因此非常不同于實際傳遞的功率，并且將使得充電結束的決定錯誤。過充電的風險將變高。
-系統(tǒng)的操作溫度隨時間而變化，電池的溫度將至少如取決于可能的充電反應的放熱結束一樣多地取決于系統(tǒng)及其環(huán)境的溫度。
盡管在某些條件下，它們使得能夠限制過度過充電或放電現(xiàn)象，但是任何現(xiàn)有系統(tǒng)都不能使充電時間最優(yōu)化。


發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于減輕上述缺點，并且特別是在優(yōu)化電池充電過程，同時保持最佳的安全性以及限制內部劣化現(xiàn)象。
根據(jù)本發(fā)明，該目的根據(jù)下述事實實現(xiàn)該過程包括第一充電模式，該第一充電模式是電流充電模式，其中電流被調節(jié)到充電電流的最大值，該充電電流是功率存儲元件的充電狀態(tài)和溫度的函數(shù)。



從下面對本發(fā)明的具體實施例進行的描述，本發(fā)明的其它優(yōu)點和特征將更加清楚明顯，本發(fā)明的具體實施例僅作為非限制性的示例給出并且在附圖中表示，附圖中 圖1以示意方式表示其中根據(jù)本發(fā)明的過程可以被實現(xiàn)的自主系統(tǒng)。
圖2以示意方式表示調節(jié)電流充電模式中、充電結束閾值電壓對溫度的進展(progression)。
圖3以示意方式表示調節(jié)電流充電模式中、最大充電電流對電池充電狀態(tài)的進展。
圖4以示意方式表示調節(jié)電流充電模式中、充電電壓對電池充電狀態(tài)的進展。
圖5以示意方式表示在電池充電期間、對于不同溫度的充電電流和充電電壓對電池充電時間的進展。

具體實施例方式 如圖1所示，自主系統(tǒng)包括至少一個用作功率存儲元件的電池1、發(fā)電機2、連接在發(fā)電機2和電池1之間的功率調節(jié)器3。分別用于測量發(fā)電機2的輸出和電池1的各端子的電壓和電流的測量電路4和5連接到控制單元6，還連接到功率調節(jié)器3。溫度測量電路7也連接到控制單元6。負載8常規(guī)地由電池1供電。
溫度測量電路7優(yōu)選地包括至少一個環(huán)境溫度測量傳感器和電池1的溫度的測量傳感器?？刂茊卧?然后可以計算電池1和其環(huán)境之間的溫度差。
發(fā)電機2是例如光電板、或者微型水力或風力發(fā)電裝置。
功率調節(jié)器3優(yōu)選地包括BUCK(降壓)型轉換器。功率調節(jié)器3也有利地包括最大功率點跟蹤(MPPT)裝置和電池充電器?？刂茊卧?因此被設計為通過功率調節(jié)器3在發(fā)電機2提供的功率和電池1的充電之間進行匹配。
控制單元6可以從測量電路5提供的電壓和電流的測量確定發(fā)電機2的輸出功率。以已知的方式，例如作為電池1的溫度和由測量電路5提供的電池1的各端子的電壓的函數(shù)，以及通過經驗或模擬的查找表，控制單元6可以確定電池1的充電狀態(tài)(SOC)。
根據(jù)本發(fā)明，電池1的充電首先以調節(jié)電流進行，然后，當電池1的各端子的電壓達到某個閾值Vthresh時，以調節(jié)電壓充電。這樣，在已經確定電池1的充電狀態(tài)和已經測量電池1的溫度的情況下，控制單元6就能夠根據(jù)電池1的技術、其充電狀態(tài)和其溫度計算電池1可接受的最大電流，用于以調節(jié)電流充電到最大電流。這樣電流實際上代表著不被超過的電流，以確保電池1的優(yōu)化充電而不造成任何損壞。
然而，使用電池1的溫度根據(jù)電池1使用的技術可以有利地被消除。
在電池1為鋰離子類型的情況下，沒有造成溫度增加的副反應(沒有有機電解質的分解)。則電池1的溫度于等于環(huán)境溫度，在裝置中有利地使用后者。
在電池1為鉛酸類型的情況下，副反應造成的溫度增加可能是大的(例如大約60℃)，但是這種溫度增加僅發(fā)生在充電的結束。因此，在以調節(jié)電流充電期間，電池1的溫度非常接近環(huán)境溫度。有利地，可以僅在電池1的充電結束區(qū)分電池1的溫度和環(huán)境溫度。
在電池1為Ni-Cd或Ni-MH類型的情況下，在執(zhí)行充電時發(fā)生電池溫度增加。電池1的充電結束通過更快的溫度增加來檢測。必須區(qū)分電池1的溫度和環(huán)境溫度。
如果發(fā)電機2能提供充足的功率，則控制單元6通過功率調節(jié)器3將電池1各端子的充電電流固定為最大電流值。
電池1各端子的充電電流由測量電路5測量，于是控制單元6能夠通過經驗或模擬的查找表，計算作為電池1的各端子的充電電流和其溫度的函數(shù)的閾值電壓Vthresh。該閾值電壓Vthresh可以例如為獲得電池充電的90％所需要的電壓。如圖2所示，閾值電壓優(yōu)選地隨電池溫度(θ)線性降低。該閾值電壓表示在電池1的各端子處、可以以調節(jié)電流充電直到最大電流而不損壞電池1的最大電壓。
一般地，溫度和/或充電電流越高，閾值電壓越低。圖2示意地圖示閾值電壓Vthresh與電池溫度θ的進展。類似地，圖5示意地圖示在三個不同的溫度θ1、θ2、θ3下、充電電流I、閾值電壓Vthresh和充電電壓V對時間的進展。在以調節(jié)電流充電時，充電電流等于最大電流Imax(θ)。
在以調節(jié)電流充電階段期間要被使用的最大電流被連續(xù)地重新計算。在對電池1的充電過程中，電池的充電狀態(tài)實際上增加，因此其各端子的電壓也增加。因為最大電流尤其取決于電池1的充電狀態(tài)，因此最大電流將在電池1的充電期間改變。
圖3和圖4示意地表示電池1的各端子可允許的最大充電電流Imax和充電電壓V對電池1的充電狀態(tài)SOC的進展。該最大電流在充電狀態(tài)(SOC)線性減小，并且在電壓V線性增加。重要的是注意到，當以恒定電流充電時，常規(guī)地，電池1可接受的最大電流可以高于定義的平均充電電流，這使得可用資源能夠最好地利用。此外，最大充電電流取決于電池1的溫度θ，并隨溫度線性增加(圖5)。
當充電電壓V達到閾值電壓值Vthresh時，它自身將特別根據(jù)電池1的溫度θ(圖2)和充電電流連續(xù)更新，然后控制單元6從調節(jié)電流充電模式切換到由環(huán)境溫度θ’調節(jié)的電壓充電模式。然后充電電壓V由環(huán)境溫度θ’調節(jié)。在圖5中，線A圖示從調節(jié)電流充電模式到由環(huán)境溫度調節(jié)的電壓充電模式的切換。
控制單元6然后考慮電池1的溫度θ和由溫度測量電路7測量的環(huán)境溫度θ’，以計算電池1和環(huán)境溫度之間的溫度差以及該溫度差的變化率(rate ofprogression)。如果溫度差大于預設閾值(例如對于密封鉛酸電池來說為1.5℃)或者如果溫度差變化率大于預設閾值(例如對于密封鉛酸電池來說為2℃/小時)，則控制單元6停止充電電池1。
在相反的情形下，控制單元6通過功率調節(jié)器3繼續(xù)充電電池1，并且根據(jù)環(huán)境溫度θ’不斷地固定充電電壓V的值。
如圖5所示，在用由環(huán)境溫度θ’調節(jié)的電壓以充電模式進行電池1的充電時，充電電流I隨著充電狀態(tài)SOC且因此隨著時間的增加而減小。則充電電流I用作充電結束標準。這樣，當充電電流等于充電結束閾值電流的預設值Is時，控制單元6結束充電電池1。如圖5所示，優(yōu)選地充電結束閾值電流的值獨立于溫度。
圖5表示為了示例性目的、對于不同環(huán)境溫度電池的充電。表示了充電電流I和充電電壓V對充電時間t，充電時間代表電池的充電狀態(tài)。圖5的示例中圖示了三個電池溫度θ1、θ2、θ3(θ1＜θ2＜θ3)和三個環(huán)境溫度θ’1＜θ’2＜θ’3。將僅描述環(huán)境溫度θ’3時的操作，其它溫度下的操作相同但是交錯的(staggered)。
在時間t0，控制單元6分別通過溫度測量電路7和測量電路5測量電池1的溫度θ(θ＝θ1)和電池1的各端子的電壓。然后，使用這些測量結果和合適的表格，控制單元6確定電池1的充電狀態(tài)，然后確定電池1可接受的最大電流Imax?？刂茊卧?然后調節(jié)充電電流I到值Imax。這種以調節(jié)電流的充電繼續(xù)直到時間t1，此時電池的各端子的電壓V達到閾值電壓值Vthresh(θ，I)。該閾值電壓根據(jù)由電路5測量的充電電流和電池1的充電狀態(tài)不斷更新。
因此，在時間t0和t1之間，自主系統(tǒng)使用可用的功率資源以將電池1充到最大。
在時間t0和t1之間，在電池1被充電時，控制單元6根據(jù)其溫度和其充電狀態(tài)不斷地重新計算電池1可接受的最大電流值。然后功率調節(jié)器3改變傳遞給電池1的電流使得后者不超過最大電流值。
在時間t1和t2之間，以由環(huán)境溫度θ’調節(jié)的電壓進行電池1的充電，然后充電電流降低直到其達到充電結束閾值電流值Is。然后控制單元6停止對被認為充好電的電池1的充電。
權利要求
1、一種用于從發(fā)電機(2)充電自主系統(tǒng)的功率存儲元件(1)的方法，該方法包括
-測量溫度，以及
-當功率存儲元件(1)的各端子的電壓(V)達到預設閾值時，從第一充電模式切換到第二充電模式，所述第二充電模式為溫度調節(jié)的電壓充電模式，
該方法的特征在于，第一充電模式為電流充電模式，其中電流被調節(jié)到充電電流的最大值(Imax)，該最大值為功率存儲元件(1)的充電狀態(tài)SOC和溫度的函數(shù)。
2、如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述電壓閾值是功率存儲元件(1)的溫度(θ)和測量的充電電流(I)的函數(shù)。
3、如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述電壓閾值隨著功率存儲元件(1)的增加的溫度(θ)而線性減小。
4、如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述最大充電電流值隨著溫度(θ)線性增大，并且隨著功率存儲元件(1)的充電狀態(tài)SOC線性減小。
5、如權利要求1所述的方法，其特征在于，在第二充電模式中，電壓由環(huán)境溫度(θ’)調節(jié)。
6、如權利要求1所述的方法，其特征在于，當充電電流(I)低于預設電流閾值(Is)時，由溫度調節(jié)的電壓的充電被中斷。
7、如權利要求1所述的方法，其特征在于，如果功率存儲元件(1)的溫度(θ)與環(huán)境溫度(θ’)之間的溫度差大于預設值，則由溫度調節(jié)的電壓的充電被中斷。
8、如權利要求1所述的方法，其特征在于，如果功率存儲元件(1)的溫度(θ)與環(huán)境溫度(θ’)之間的溫度差的變化率大于預設閾值，則由溫度調節(jié)的電壓的充電被中斷。
9、如權利要求1所述的方法，其特征在于，發(fā)電機(2)為光電板。
10、如權利要求1所述的方法，其特征在于，發(fā)電機(2)為風力發(fā)電機。
全文摘要
在自主系統(tǒng)中，一種用于從發(fā)電機充電功率存儲元件的方法包括測量溫度、從第一充電模式切換到由溫度調節(jié)電壓的第二充電模式。第一充電模式以調節(jié)的電流充電直到最大電流值，該最大電流值是功率存儲元件的充電狀態(tài)和功率存儲元件的溫度的函數(shù)。當功率存儲元件的各端子的電壓達到預設閾值時執(zhí)行切換，該預設閾值本身為功率存儲元件的電流和溫度值的函數(shù)。
文檔編號H01M10/44GK101340107SQ20081021479
公開日2009年1月7日 申請日期2008年5月12日 優(yōu)先權日2007年5月11日
發(fā)明者西爾維·吉尼斯, 安托萬·拉布魯尼, 弗洛倫斯·馬特拉 申請人:原子能委員會