專利名稱：太陽能電池的充電方法和用于鋰離子電池系統(tǒng)的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及的領(lǐng)域包括太陽能電池的充電方法和用于鋰離子電池系統(tǒng)的裝置 。
背景技術(shù)：
諸如雪佛蘭伏特(Chevy Volt)和插電式混合動力車輛(PHEV)的增程型電動車輛 (E-REV)允許通過電力為日常交通提供動力，而不在車上燃燒礦物燃料。如果使用可再生電 源代替主要由煤和其它礦物燃料的燃燒而產(chǎn)生的電網(wǎng)電力來向它們的電池充電，那么它們 能夠提供更大的環(huán)境效益，包括消減溫室氣體。一種使用可再生能量的可能有效的方式從 光電(PV)模塊向電池系統(tǒng)提供直流電。已知的是，當(dāng)電池單元串和電池模塊組合成電池組并被充電時，鋰離子電池單元 對過充電、熱發(fā)生、電池單元損壞、縮短的壽命和安全風(fēng)險敏感。為了解決該問題，具有智能 電路的集中充電控制器可需要被連接到組中所有的上百個或更多的器件(電池單元或模 塊)，以使所有獨(dú)立的電池單元中的電荷和電壓具有同等的水平。

發(fā)明內(nèi)容
一個實(shí)施例包括一種產(chǎn)品，該產(chǎn)品包括多個電池單元或模塊，以及被連接到多個 電池單元或模塊的繼電器，該產(chǎn)品被設(shè)置為使電池單元或模塊以并聯(lián)形式充電，并且使電 池單元或模塊以串聯(lián)形式放電。從下文提供的詳細(xì)說明，本發(fā)明的其它示例性實(shí)施例將變得清楚。應(yīng)該理解的是， 詳細(xì)說明和具體示例盡管公開了本發(fā)明的示例性實(shí)施例，但其僅為描述性目的，且并不意 圖限制本發(fā)明的范圍。


從詳細(xì)說明和附圖，本發(fā)明的示例性實(shí)施例將變得能被更全面地理解。圖1為簡化的太陽能電池充電器，其使用了用于接觸器的多刀雙擲(MPDT)繼電 器，以允許以并聯(lián)形式對電池單元和模塊充電而以串聯(lián)形式放電。這里，電池模塊被定義為 串聯(lián)連接的一個或多個電池單元。為了描述目的，圖1示出三個電池模塊或單元，但實(shí)際的 數(shù)量可以更多。繼電器可控制10-16個電池單元的電池模塊，以使電池單元的電荷具有同 等水平。電池模塊還可通過使用溫度致動開關(guān)和二極管加以保護(hù)，以幫助使電池單元具有 同等水平并且避免超過電池的正確工作范圍。圖2為用于將電池單元從并聯(lián)連接切換到串聯(lián)連接的多刀雙擲(MPDT)繼電器的 細(xì)節(jié)。圖3為太陽能電池充電電路的示意圖，其具有溫度致動開關(guān)，以旁路繞過由于過充電而發(fā)熱的電池單元。圖4為可替換的太陽能電池充電電路的示意圖，其使用齊納二極管或雪崩二極 管，以旁路繞過超過期望的設(shè)定點(diǎn)電壓的任何電池單元。圖5為電池放電電路的示意圖，其具有電壓致動開關(guān)，以旁路繞過被放電到其期 望的最小電壓(經(jīng)常為2. 0-2. 5伏)的電池單元。圖6為電池放電電路的示意圖，其具有電荷致動開關(guān)，以旁路繞過被放電到其期 望的最小電荷狀態(tài)S0C(經(jīng)常為50% )的電池單元。圖7為太陽能電池放電電路的示意圖，其具有二極管，以旁路繞過被完全放電的 任何電池單元，從而防止一些單個的電池單元中的極性反轉(zhuǎn)(“翻轉(zhuǎn)”)。圖8為通過改變串聯(lián)導(dǎo)線連接的鋰離子電池單元的數(shù)量，使PV系統(tǒng)的MPP與電池 模塊的充電電壓匹配，從而優(yōu)化太陽能電池的充電。
具體實(shí)施例方式下面對一個或多個實(shí)施例的說明實(shí)質(zhì)上僅為示例性(描述性)的，而絕不旨在限 制本發(fā)明、其應(yīng)用或使用。實(shí)施例包括用于維持電池模塊中的所有電池單元的電壓水平和電荷水平的方法 和裝置。電池模塊包括至少一個電池單元，例如鋰離子(Li Ion)電池單元。用于電池模 塊的所有單個的電池單元為同樣的類型，且在使用之前被單獨(dú)地充電到大致相同的電壓和 S0C。在充電期間和充電后的保存期間，所有的電池單元被并聯(lián)地電連接，使得它們的電池 單元電壓和電池單元S0C都相等。電池單元隨后通過繼電器(例如MPDT繼電器，即電磁開 關(guān))被連接，使得當(dāng)模塊被連接到負(fù)載時，它們能夠從并聯(lián)配置切換到串聯(lián)配置以形成電 池模塊(例如具有15個并聯(lián)的鋰離子電池單元和3. 3伏直流電勢的模塊被切換，以形成 具有15個串聯(lián)的鋰離子電池單元和50伏電勢的電池模塊)。圖中示出了三個電池單元或 模塊，但本發(fā)明旨在覆蓋任何數(shù)量的電池單元或模塊。參見圖1和圖2。另一實(shí)施例包括用于維持整個電池組中的所有電池單元和模塊的電壓水平和電 荷水平的方法和裝置。電池模塊包括至少一個電池單元，例如鋰離子(Li Ion)電池單元。用于電池模 塊的所有單個的電池單元為同樣的類型，且在使用之前被單獨(dú)地充電到大致相同的電壓和 S0C。在充電期間和充電后的保存期間，所有的電池單元被并聯(lián)地電連接，使得它們的電池 單元電壓和電池單元S0C都保持相等。模塊隨后通過繼電器(例如MPDT繼電器，即電磁開 關(guān))被連接，使得當(dāng)模塊被連接到諸如電動車輛動力系等負(fù)載時，它們能夠從并聯(lián)配置切 換到串聯(lián)配置，以形成電池組(例如由每個都具有15個串聯(lián)的鋰離子電池單元和50伏直 流電勢的7個并聯(lián)的模塊形成的組進(jìn)行切換，以形成具有7個串聯(lián)的模塊和350伏電勢的 電池組)。圖中示出三個電池單元或模塊，但本發(fā)明旨在覆蓋任何數(shù)量的電池單元或模塊。 參見圖1和圖2。另一實(shí)施例包括一種方法，該方法用于防止電池模塊和電池組中的電池單元過充 電，即超過最大期望或允許的充電電壓。防止串聯(lián)串中的任何電池單元由于以電池單元的 較高初始電荷狀態(tài)(S0C)或電池單元的較低初始容量開始的緣故從而被過充電。
鋰離子電池單元的串聯(lián)串(即，模塊)中的每個電池單元都配有溫度致動開關(guān)，該 溫度致動開關(guān)被連接到電池單元的外殼上的傳感器。只要電池單元的溫度由于過充電形成 的熱而升高到設(shè)定溫度以上，例如最大的允許電池單元溫度(85°C)以上，則開關(guān)通過將電 池單元與串聯(lián)串?dāng)嚅_并且電聯(lián)接兩個相鄰的電池單元從而旁路繞過該電池單元。參見圖3。另一實(shí)施例包括一種方法，該方法用于防止電池模塊和電池組中的電池單元過充 電，即超過最大的期望或允許充電電壓?？商鎿Q的方法防止串聯(lián)串中的任何電池單元由于 以電池單元的較高初始電荷狀態(tài)(S0C)或電池單元的較低初始容量開始的緣故從而被過 充電。鋰離子電池單元的串聯(lián)串(即，模塊)中的每個電池單元都配有齊納(Zener) 二 極管或雪崩二極管，該齊納二極管或雪崩二極管被連接到電池單元的兩極，其中二極管的 低電壓極性與電池單元的極性相反。齊納二極管或雪崩二極管被設(shè)計(jì)為在特定反轉(zhuǎn)電壓Vb 處擊穿，而特定反轉(zhuǎn)電壓vb被設(shè)計(jì)為在期望的設(shè)定點(diǎn)電壓和完全充電的電池單元的最大允 許電壓之間。該vb可以為最大推薦的充電電壓，有時為3. 8伏。只要該電池單元電壓升高 到期望設(shè)定點(diǎn)電壓以上，到達(dá)\，則二極管通過將兩個相鄰的電池單元電聯(lián)接，并且允許電 流沿反轉(zhuǎn)方向流過齊納二極管或雪崩二極管而旁路繞過該電池單元。該電流隨后將繼續(xù)向 串聯(lián)串中的還沒有達(dá)到設(shè)定點(diǎn)電壓的所有其它電池單元充電。參見圖4。另一實(shí)施例包括一種方法，該方法防止電池單元、電池模塊和電池組的過放電， 即，防止到達(dá)最小的期望或允許電壓和最小的允許電荷以下。鋰離子電池單元的串聯(lián)串(即，模塊)中的將要放電的每個電池單元都配有被連 接到電池單元的兩極的二極管或電壓激活開關(guān)。只要跨電池單元的電壓降下降到設(shè)定電壓 (例如，推薦電池單元截止電壓(2.0伏))以下，則開關(guān)通過將電池單元與串聯(lián)串?dāng)嚅_并且 將兩個相鄰的電池單元電聯(lián)接從而旁路繞過電池單元。參見圖5。另一實(shí)施例包括一種方法，該方法防止電池單元、電池模塊和電池組的過放電， 即，防止到達(dá)最小的期望電荷狀態(tài)以下。鋰離子電池單元的串聯(lián)串(即，模塊)中的將要放電的每個電池單元都配有被連 接到電池單元的兩極的電荷致動開關(guān)。通過測量在電池單元的放電期間的電流和時間來估 計(jì)電荷狀態(tài)的減小。當(dāng)設(shè)定放電已經(jīng)發(fā)生時，即等于完全充電的預(yù)定百分比(通常設(shè)定在 1. 15Ah，即50% S0C)時，則開關(guān)通過將電池單元與串聯(lián)串?dāng)嚅_并且將兩個相鄰的電池單元 電聯(lián)接從而旁路繞過該電池單元。參見圖6。另一實(shí)施例包括一種方法，該方法防止極性反轉(zhuǎn)，S卩，防止串聯(lián)串中的任何電池單 元由于電池單元的過放電而“翻轉(zhuǎn)”。串聯(lián)串中單個的電池單元能夠具有較低初始電荷狀態(tài)(S0C)或較低初始容量，導(dǎo) 致其在串聯(lián)串的放電過程中被完全放電。來自其它電池單元的經(jīng)過該放電電池單元的電流 則能夠反轉(zhuǎn)其極性(“翻轉(zhuǎn)”)，引發(fā)電池單元中的化學(xué)反應(yīng)和損壞。為了防止上述問題，鋰 離子電池單元的串聯(lián)串(即，模塊)中的每個電池單元都配有被連接到電池單元的兩極的 旁路二極管(例如，肖特基(Schottky) 二極管或硅二極管)。只要跨任何電池單元的正確 (正)偏置電壓降在該串聯(lián)串的放電過程中可下降到零，則旁路二極管將自動傳輸來自其 它電池單元的電流繞過受影響的電池單元(旁路)，從而防止電流會以錯誤的方向在其中 流動的受影響電池單元的極性反轉(zhuǎn)。開關(guān)通過將電池單元與串聯(lián)串?dāng)嚅_并且將兩個相鄰的電池單元電聯(lián)接從而旁路繞過該電池單元。參見圖7。另一實(shí)施例包括一種方法，該方法優(yōu)化太陽能電池充電器的效率，該太陽能電池 充電器包括被電連接到鋰離子(Li-lon)電池系統(tǒng)的光電(PV)系統(tǒng)，其通過確定PV太陽能 電池單元的最大功率點(diǎn)(MPP)電壓和鋰離子電池單元的優(yōu)化充電電壓，并且將特定數(shù)量的 串聯(lián)的太陽能電池單元與串聯(lián)的鋰離子電池單元連接，從而使其處于工作條件下，使PV系 統(tǒng)的總的MPP電壓匹配或稍小于鋰離子電池模塊總的優(yōu)化充電電壓。我們已經(jīng)測試了 PV 系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括在通常工作條件(52°C )下具有接近50伏電壓的特定MPP電壓的Sanyo HIP190BA3光電模塊，該光電模塊與不同數(shù)量的A123磷酸鐵類型的鋰離子電池單元串聯(lián)連 接。串聯(lián)串包括12、13、14、15和16個電池單元。太陽能-電池充電轉(zhuǎn)換的最高效率發(fā)生 于具有15個電池單元時，PV系統(tǒng)的VMPP和電池模塊的充電電壓的電壓比等于1.0。通過使 PV系統(tǒng)的VMPP匹配電池模塊的充電電壓，效率被優(yōu)化為16-17% (有時稱為“甜蜜點(diǎn)”)。參 見圖8。上面對本發(fā)明實(shí)施例的說明實(shí)質(zhì)上僅為示例性的，因此，其變型并不被認(rèn)為是脫 離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
一種產(chǎn)品，其包括多個電池單元或模塊以及被連接到所述多個電池單元或模塊的多個繼電器，所述繼電器被構(gòu)造和設(shè)置為使所述電池單元或模塊以并聯(lián)形式充電，并且使所述電池單元或模塊以串聯(lián)形式放電。
2.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)品，其特征在于，進(jìn)一步包括溫度致動開關(guān)，所述溫度致動開 關(guān)被連接到所述電池模塊或單元的至少一個的外表面上的傳感器，并且所述開關(guān)被構(gòu)造和 設(shè)置為在所述電池單元的溫度超過預(yù)定值時，通過將所述電池單元與相鄰的電池單元斷開 從而旁路繞過所述電池單元。
3.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)品，其特征在于，進(jìn)一步包括齊納二極管或雪崩二極管，所述 齊納二極管或雪崩二極管被連接到所述電池模塊或單元中的一個的兩極，其中所述二極管 的低電壓極性與所述電池單元的極性相反。
4.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)品，其特征在于，進(jìn)一步包括二極管或電壓激活開關(guān)，所述二 極管或電壓激活開關(guān)被連接到所述電池單元中的一個的兩極，且被構(gòu)造和設(shè)置為只要跨所 述電池單元的電壓降下降到設(shè)定電壓以下，則所述二極管或開關(guān)通過將所述電池單元與相 鄰的電池單元斷開從而旁路繞過所述電池單元。
5.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)品，其特征在于，進(jìn)一步包括電荷致動開關(guān)，所述電荷致動開 關(guān)被連接到所述電池模塊或單元中的至少一個的電極，且被構(gòu)造和設(shè)置為當(dāng)設(shè)定放電已經(jīng) 發(fā)生為等于所述電池模塊或單元的完全充電的預(yù)定百分比時，通過將所述電池模塊或單元 與相鄰的電池模塊或單元斷開從而旁路繞過所述電池模塊或單元。
6.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)品，其特征在于，進(jìn)一步包括旁路二極管，所述旁路二極管被 連接到所述電池模塊或單元中的至少一個的電極，且被構(gòu)造和設(shè)置為使得只要跨任何電池 單元的偏置電壓降在所述多個電池模塊或單元的放電過程中可下降到零，則所述旁路二極 管將自動傳輸來自其它電池單元的電流繞過受影響的電池單元，從而防止電流在其中會以 錯誤的方向流動的所述受影響的電池單元的極性反轉(zhuǎn)。
7.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)品，其特征在于，光電系統(tǒng)被電連接到鋰離子電池系統(tǒng)，用于 確定光電太陽能電池單元的最大功率點(diǎn)電壓和鋰離子電池單元的優(yōu)化充電電壓，并且用于 將特定數(shù)量的串聯(lián)太陽能電池單元與串聯(lián)的鋰離子電池單元連接，使得在工作條件下，所 述光電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)電壓匹配或稍小于鋰離子電池模塊的總的優(yōu)化充電電壓。
全文摘要
本發(fā)明涉及太陽能電池的充電方法和用于鋰離子電池系統(tǒng)的裝置。具體地，提供了示例性實(shí)施例，其包括方法和裝置，通過使用在充電期間將電池自動并聯(lián)并且在放電期間將電池串聯(lián)的電路，以建立自動抵抗過充電和過放電的電池串，從而保存和恢復(fù)電池中的可再生太陽(光電)能。其它實(shí)施例可包括方法，該方法用于通過改變串聯(lián)的電池單元的數(shù)量來使電池電壓與光電的最大功率點(diǎn)電壓匹配，從而優(yōu)化太陽能充電的效率。
文檔編號H02H7/18GK101854069SQ20101013571
公開日2010年10月6日 申請日期2010年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月16日
發(fā)明者D·B·歐維克爾克, N·A·凱莉, T·L·吉布森 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司