CN103078389A - 综合电力***控制方法以及具有能量存储元件的相关设备 - Google Patents

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Abstract

用于控制混合型电力架构（100）来提供燃料或能量节省的***和方法。通过施加受控制的电位和通过操作（510）ESD充电状态操作窗口的在混合型***（100）的寿命上的ESD再充电时间管理，减少能量存储装置（ESD）（140）的再充电时间。通过基于ESD（140）的再充电电阻分布来控制ESD（140）的部分充电状态（PSOC）窗口（510）和通过基于ESD（140）的再充电电流和/或估计的再充电电阻分布控制施加至ESD（140）的充电电位，达到燃料或能量节省。

Description

综合电力***控制方法以及具有能量存储元件的相关设备
技术领域
本文公开的主题的实施例涉及混合型发电机-电池***和方法。另外，本文公开的主题的实施例涉及对混合型发电机-电池***提供燃料节省的控制方法。
背景技术
电池应用典型地分成备用型和混合型两个类别。备用型类别涉及其中电池被用作主电源发生故障时的备用电源的应用。混合型类别涉及其中电池经受持续的（或有时为周期性的）与主电源相呼应的充电和放电操作的应用。
在电网电力不可用或仅仅间歇地可用的区域中的电信运营商依赖于柴油发电机来对基站收发台（BTS）供电。虽然安装便宜，但是柴油燃料以及将其配送至偏远地区的逐步上升的成本，已经推动了寻找具有较低的总所有权成本的替代解决方案。通过柴油-电池混合型电力***的运用能够大幅地减少燃料使用。在此方案中，使用长寿命周期的电池来与柴油发电机交替地分担负载。柴油发电机被调整成开启和关闭，并且在它活动时，与仅仅对BTS供电相比，与整体更高的效率给BTS供电并且对电池再充电。一旦电池被再充电，发电机能够关闭并且使用电池来维持BTS负载。在一些应用中已经实现了达到50% 的燃料节省。此类混合型***可用在其它固定的电力应用中以及诸如，例如采矿作业。减少的燃料消耗直接影响了电信站点的运营开支并削减了温室气体排放。混合型***也可应用在诸如汽车之类的移动应用中，其中车载的发电机循环地开和关来维持电池的充电或能量状态。其它固定的或可移动的应用也是有可能的。
对于用在电信基站的典型的发动机和发电机组，当负载分数增加时发动机和发电机组的效率也增加。负载分数=（电池再充电功率+基本负载）/发电机源的额定值。因此，燃料节省与如下的量成比例：基本负载乘以电池放电事件时间释放的能量除以电池放电事件时间加上电池再充电事件时间之和。
即使利用混合型发电机-电池***在减少燃料成本上的成功，仍然希望进一步在此混合型发电机-电池***中的设备的潜在寿命上改善燃料节省。
发明内容
本发明的实施例着眼于用于混合型设施的电池的应用。在从电池释放的能量能够以相对高的速率在最短的时间段中再充电时，在利用混合类型的设施的电池中的价值定位（value proposition）是最大化的。随着再充电周期缩短和从电池释放至负载的能量每天增加，能量源（例如，发动机和发电机组）的后续负载分数增加。
在一个实施例中，提供了一种方法。该方法包括响应于能量存储装置的监测的再充电电阻值和/或监测的再充电电流的至少一个，控制能量存储装置（例如，电池电源）的施加的再充电电位和/或充电状态窗口的至少一个，来管理能量存储装置的再充电时间。该方法可进一步包括相对于能量存储装置的放电时间来减少再充电时间，或简单地最小化再充电时间来达到进入能量存储装置的能量的一定的恢复。
在一个实施例中，提供了一种方法。该方法包括影响在包含能量存储装置和至少一个发动机的混合型电力***的至少一个能量存储装置（例如，电池电源）的充电电阻以使其随时间而变化。该方法进一步包括确定至少一个发动机的燃料燃烧率如何受能量存储装置中的再充电电阻变化影响，并且基于该确定将至少一个发动机的燃料燃烧率映射到至少一个能量存储装置的多个部分充电状态（PSOC）窗口。该方法可进一步包括基于该映射标识至少一个能量存储装置的多个部分充电状态窗口（PSOC）的、减少至少一个发动机的燃料燃烧率的一个部分充电状态窗口，以及在已标识的PSOC窗口上操作能量存储装置。
在一个实施例中，提供了一种方法。该方法包括估计改变能量存储装置（例如，电池电源）的再充电电阻对利用***的模型的、包含能量存储装置和发动机的***的发动机的燃料燃烧率的影响。该方法进一步包括基于该估计将燃料燃烧率映射到能量存储装置的部分充电状态的窗口。该方法可进一步包括基于映射来标识能量存储装置的特定的部分充电状态（PSOC）窗口，该充电状态（PSOC）窗口提供发动机的最小的燃料燃烧率作为与发动机耦合的发电机的电功率输出的函数，以及在已标识的PSOC窗口上操作能量存储装置。
在一个实施例中，提供了一种方法。该方法包括至少部分地基于能量存储装置的充电状态对再充电电阻值的分布（profile），确定能量存储装置（例如，电池电源）的充电操作窗口，以及基于充电操作窗口控制能量存储装置的充电。
在一个实施例中，提供了一种方法。该方法包括在能量存储装置的再充电电阻值在电阻阈值之下时（或等效地，在再充电电流值在电流阈值之上时），通过施加第一再充电电位至能量存储装置对能量存储装置（例如，电池电源）再充电。该方法进一步包括在能量存储装置的再充电电阻值在电阻阈值之上时（或等效地，在再充电电流值在电流阈值之下时），通过施加低于第一再充电电位的第二再充电电位至能量存储装置继续对能量存储装置再充电。该方法可取而代之包括在能量存储装置的再充电电阻值在电阻阈值之上时（或等效地，在再充电电流值在电流阈值之下时）对能量存储装置放电。
在一个实施例中，提供了一种***。该***包括配置成存储DC电功率并提供DC电功率至DC负载的能量存储装置（例如，电池电源）。该***进一步包括调节器，该调节器操作地连接至能量存储装置并且配置成将来自AC电功率源的AC电功率转换至DC电功率并且提供DC电功率至能量存储装置和/或至DC负载。AC电功率源可包括由旋转机构驱动的电气发电机。例如，AC电功率源可包括配置成生成AC电功率的发动机和发电机组。依照多种其它实施例，其它类型的AC电功率源也是可能的。***还包括与能量存储装置和调节器通信的控制器。控制器可以可操作成存储能量存储装置的充电状态对再充电电阻值的确定的分布和/或绘图，并且基于分布和/或绘图确定保存被AC电功率源使用的燃料的能量存储装置的充电操作窗口。控制器可进一步可操作成基于充电操作窗口来循环地开启和关闭AC电功率源。通过在***的操作期间监测能量存储装置的电位和再充电电流，控制器还可进一步可操作成确定分布和/或绘图。在能量存储装置的确定的再充电电阻值在电阻阈值之下时（或，等效地，在再充电电流值在电流阈值之上时），控制器可进一步可操作成指引调节器来施加第一再充电电位至能量存储装置，并且在能量存储装置确定的再充电电阻值在电阻阈值之上时（或，等效地，在再充电电流值在电流阈值之下时）指引调节器施加低于第一再充电电位的第二再充电电位至能量存储装置。通过在***的操作期间监测能量存储装置的电位和再充电电流，控制器可进一步可操作成确定能量存储装置的再充电电阻值。
在一个实施例中，提供了一种***。该***包括配置成存储DC电功率并且提供DC电功率至DC负载的能量存储装置（例如，电池电源）。该***进一步包括调节器，该调节器操作地连接至能量存储装置并且配置成调节来自DC电功率源的DC电功率，并且提供DC电功率至能量存储装置和/或至DC负载。例如，DC电功率源可为太阳电池板***或燃料电池能量***。依照多种其它实施例，其它类型的DC电功率源也是可能的。该***还包括与能量存储装置和调节器通信的控制器。控制器可操作成存储能量存储装置的充电状态对再充电电阻值的确定的分布和/或绘图，以及基于分布和/或绘图来确定保存由DC电功率源产生和/或存储的能量的能量存储装置的充电操作窗口。控制器可进一步可操作成基于充电操作窗口来循环地开启和关闭DC电功率源。通过在***的操作期间监测能量存储装置的电位和再充电电流，控制器可进一步可操作成确定该分布和/或绘图。在能量存储装置的确定的再充电电阻值在电阻阈值之下时（或等效地，在再充电电流值在电流阈值之上时），控制器可进一步可操作成指引调节器来施加第一再充电电位至能量存储装置，以及在能量存储装置的确定的再充电电阻值在电阻阈值之上时（或等效地，在再充电电流值在电流阈值之下时），指引调节器来施加低于第一再充电电位的第二再充电电位至能量存储装置。通过在***的操作期间监测能量存储装置的电位和再充电电流，控制器可进一步可操作成确定能量存储装置的再充电电阻值。
附图说明
参照示出如在下面的描述中更详细描述的那样的、本发明的具体实施例的附图，在附图中：
图1为用于电信应用（例如，基站收发台）的混合型发电机-电池电力***的第一实施例的图示；
图2为图1的混合型发电机-电池***的一部分的简化框图的图示，该混合型发电机-电池***配置成保存用于发动机-发电机的燃料；
图3提供诸如在图2中示出的***的混合型发电机-电池电力***的基本操作的图形图示；
图4提供示出电池电源的再充电电阻作为返回至电池电源的电荷和电池电源的寿命的函数如何变化的图表；
图5基于图4的再充电电阻特性提供示出用于图2的混合型发电机-电池电力***的循环充电/放电方法的示例性实施例的图表；
图6示出将在混合型发电机电池电力***中的部分充电状态（PSOC）窗口适于达到发电机燃料节省的方法的两个示例性实施例的两个流程图；
图7提供示出混合型发电机-电池电力***的发电机的负载分数对服务年数的对比的图表；
图8提供示出如何相对于电池的再充电电流和寿命来控制施加至混合型发电机-电池电力***的电池电源的再充电电位（电压）的示例性实施例的图表；
图9为用于电信应用的混合型发电机-电池电力***的第二实施例的图示，示出能够实现本文描述的燃料节省方法的第一控制架构；
图10为用于电信应用的混合型发电机-电池电力***的第三实施例的图示，示出能够实现本文描述的燃料节省方法的第二控制架构；以及
图11为用于电信应用的混合型发电机-电池电力***的第四实施例的图示，示出能够实现本文描述的燃料节省方法的第三控制架构。
部件列表
100 混合型发电机-电池电力***，110 AC电网，115 转换开关，120 发动机-发电机组（EGS），125 燃料源，130 替代能量源，135 可用性开关，140 电池电源，145 DC总线，150 电力接口单元（PIU），155 AC总线，160 AC负载，170 整流器或电压调节器，180 DC负载，190 控制器，310 功率图，315 最大水平，317 再充电点，320 SOC图，330 操作电压图，510 PSOC窗口，511 较低的设定点，512 较高的设定点，513 较低的SOC水平，514 较高的SOC水平，600 方法，601 方法，610 方法步骤，620 方法步骤，630 方法步骤， 640 方法步骤，650 方法步骤，660 方法步骤，710 图，720 图，900 混合型发电机电池电力***，910 电力接口单元，920 AC电网，930 发动机-发电机组，940 整流器/开关式电源，950 电池，960 DC负载，970 AC负载，1000 混合型发电机电池电力***，1010 电池模块，1020 整流器控制器，1030 发动机-发电机，1040 电力接口单元，1050 整流器/开关式电源，1060 基站收发台，1100 混合型发电机电池电力***，1110 主控器，1120 发动机-发电机，1130 整流器/开关式电源，1140 电池模块，1150 基站收发台。
具体实施方式
本发明的实施例涉及在混合型能量存储电力***中的改善的燃料或能量节省，以及使在循环操作中的能量存储装置（例如，电池）能够在置换主电源（例如，发动机-发电机组）的运行时间以及减少燃料或能量成本方面更加高效。实施例通过以下的方式实现这一点：通过施加受控制的电位，和/或主电源负载，和/或通过操作ESD的充电状态操作窗口的、在***的寿命之上的电池再充电时间管理，以减少能量存储装置（ESD）的再充电时间来。一般而言，基于ESD的再充电电阻分布，通过控制ESD（例如，钠金属卤化物类型的电池）的部分充电状态（PSOC）窗口，能够增加主电源的燃料或能量节省。而且，通过基于观察的ESD的再充电电流来控制施加至ESD的充电电位（电压）能够增加燃料或能量节省。利用自适应控制策略，在ESD单元和主电源（PPS）控制器之间传送关键ESD行为信息，或从ESD单元向PPS控制器传送建议的开启和断开事件，提供ESD的操作规程的最优化来最大化燃料或能量节省，而不管ESD单元的健康状态如何。
本发明的实施例提供操作ESD的方式以在再充电时间（提供最大化的燃料或能量节省）和寿命之间进行优化。在ESD处于低电阻状态并且ESD足够健康时，在这种情况下的操作设想例如为对再充电电流没有限制的高电位再充电。一旦ESD达到了预定的电阻值或已经老化至不同健康状态，如果***未准备好进行ESD放电，则发布来自ESD单元（例如，电池管理***）的信号来开始放电或降低再充电电位。本发明的其它实施例涉及如下的方法：与主控制器（例如，整流器或电力接口单元，PIU）通信或综合以基于ESD的健康状态来开始、终止或改变PPS操作或再充电。这个通信和/或综合覆盖了加载到主控制器的预定义的算法或在ESD管理***和主控制器之间传送的数字信号，或经由通信总线（例如，CAN或Modbus）的直接积分通信。
参照附图，贯穿几个视图同样的参考标号标出相同的或相应的部件。然而，在不同的视图中包含同样的元件并不意味着给出的实施例必需包括这些元件或本发明的所有实施例包括这些元件。依照多种实施例，术语“电池”，“电池电源”以及“能量存储元件”在本文是可互换使用的，全为能量存储装置，并且可能或可能不包括一些形式的电池管理***（BMS）。
图1为用于电信应用（例如，基站收发台）的混合型发电机-电池电力***100的第一实施例的图示。这个实施例示出四个可能的电源，包括AC电网110、发动机-发电机电源或发动机-发电机组（EGS）120、替代能量源（例如，太阳、风）130以及作为能量存储装置（ESD）的电池电源140。转换开关115允许在AC电网电源110和EGS 120以及可用的AC电功率的其它替代能量源之间的操作的转换。EGS 120依靠由燃料源125（例如，储油罐）提供的燃料（例如，柴油燃料）运转。EGS为AC电功率源。依照诸如，例如风能***的多种其它实施例，其它类型的AC电功率源也是可能的。本发明的实施例配置成操作混合型发电机-电池***100来最小化燃料消耗（或至少相对于其它可能的操作模式减少燃料消耗），以给***100的操作员提供燃料节省。可利用的开关135允许替代能量源130（如果可用）与***100的DC总线145或AC总线155接通。
***100进一步包括从AC电网110或EGS 120分配AC功率至AC总线155的电力接口单元（PIU）150。AC总线155能够提供AC功率来驱动诸如例如电信基站收发台（BTS）的照明和空调之类的***的AC负载160。而且，AC总线155能够提供AC功率至整流器和/或电压调节器170，该整流器和/或电压调节器170将AC功率转换成DC功率并且提供DC功率至DC总线145来驱动诸如无线电、开关和电信基站收发台（BTS）的放大器之类的***的DC负载180。
DC总线145还从整流器170提供DC功率来对电池电源140充电，以及当电池电源140放电时从电池电源140提供DC功率至DC负载180。控制器190监测***100的多种条件并且依照控制器190的控制逻辑与EGS 120通信来开启和关闭EGS 120的发动机。依照多种实施例，控制器190可为单独的单元、可为PIU150的一部分，或可为电池电源140的电池管理***（BMS）的一部分。
依照其它实施例，整流器或调节器170可从DC电功率源（例如，太阳能***或燃料电池能量***）调节DC功率来代替AC电功率源。本文广泛地使用术语“整流器”和“调节器”来表示调节来自主电源的能量来提供DC电功率至DC负载（例如，DC负载180）和至ESD（例如，电池140）的装置。在主电源使用燃料时（诸如在柴油发动机的情况下），可通过采用本文描述的方法和技术达到燃料节省。在主电源产生和/或存储诸如例如太阳电池板***的能量时，可通过采用本文描述的方法和技术达到能量节省。一般而言，主电源可提供被***的ESD（例如，被DC电池电源）使用的AC或DC电功率。
图2为图1的混合型发电机-电池***100的一部分的简化框图的图示，该混合型发电机-电池***100被配置成保存被发动机-发电机120使用的燃料。图2示出仅仅利用EGS 120和电池电源140、通过以保存燃料的方式使发动机EGS 120循环地开启和关闭来提供DC功率至DC负载180的多种***元件。“保存燃料”例如可表示减少或最小化燃料燃烧率（例如，在限定的时间段之上利用更少的燃料或能量）和/或每单位生成的AC电功率利用较少的燃料或能量。依照本发明的多种实施例，也可应用其它意义的“保存燃料”。
控制器190提供用于***的操作的控制逻辑。控制器190可以为例如纯粹地硬件实现的逻辑控制器、固件-可编程数字信号处理器或基于可编程处理器的软件控制的计算机。再次，控制器190可为独立的单元、电力接口单元（PIU）的一部分、电池管理***（BMS）的一部分或***的实施例的一些其它部分的一部分。
在循环操作期间，在EGS 120是开启时，EGS在循环的充电部分期间提供电力至DC负载180和至电池电源140。在EGS 120断开时，电池电源140在循环的放电部分期间提供电力至DC负载180。通过观察电池电源140的电位和电流来估计电池电源140的状态。具体地，串联或再充电电阻分布被得知或另外确定为充电状态的函数。然后监测这个特性并且当电池电源140老化时更新。控制方法能够驻留于任何控制器190中，该控制器190可访问电池电源140的电流和电压信息以及可访问发动机启动/停止控制信号。
图3提供诸如在图2中示出的***的混合型发电机-电池电力***的基本操作的图形图示。图表310随着时间的过去示出来自电池电源140的功率输出或到电池电源140的功率输入，其中正功率表示电池放电而负功率表示电池再充电。图表320随着时间的过去示出用于电池电源140的具体实现的充电状态（SOC）。图表330随着时间的过去示出电池电源140的相对稳定的操作电压（例如，-48VDC）。
在图表310最大并且平坦时（例如，在水平315处），电池电源140通过DC总线145将其存储的能量释放至DC负载180，并且发动机EGS 120是关闭的。在这段时间期间，如图表320所示，当电池放电进入DC负载180时，电池电源140的充电状态（SOC）降低。在确定的点316，在电池电源140已经放电一定的量之后，EGS 120的发动机被控制器190开启。
当EGS 120开启时，EGS 120经由调节器（整流器）170通过DC总线145对电池电源140再充电并且提供电力至DC负载180。在这个时间期间，如图表320所示，电池电源140的SOC增加，并且电池电力是在图表310的负区域，表明电力流入至电池电源140。一旦电池电源140再充电至在点317处的某一状态，EGS 120被再次关闭并且重复该过程，从而形成循环的过程。通过最优化该循环过程，燃料节省能够增加（即，EGS 120的燃料燃烧率能够减少）。
图4提供示出电池电源140的再充电电阻如何作为返回至电池电源140的电荷和电池电源140的寿命的函数变化的图表。一般而言，在电池处于低充电状态时，再充电电阻是低的，对于给定的已施加的充电电压（电位）允许电池相对快地增加电荷。然而，当在电池中返回的电荷增加时，对于给定的已施加的充电电压，电池的再充电电阻增加而使充电速率慢下来。此外，随着电池老化，再充电电阻对返回的电荷的整个曲线趋向于向上偏移。其结果是，再充电电阻结束影响EGS 120的发动机为对电池电源140再充电而需要开启的时间量，并且EGS 120开启越长，燃烧的燃料越多。
具体地，对于钠金属卤化物类型电池，由于钠金属卤化物类型电池的性质，表示再充电电阻对返回的电荷的曲线可为非常动态的。依照多种实施例，钠金属卤化物类型的电池中的金属可为铁、镍、锌和铜的一种或者多种。例如，卤化物可为氯化物。一般而言，钠金属卤化物类型电池提供先入/先出类型的操作。例如，作为传递至阴极混合物的钠离子，钠离子找到它能够有可能结合到并且前进而结合的第一地点。其结果是，当充电状态增加时，钠金属卤化物类型的电池的再充电电阻趋向于增加。
再充电电阻对返回至电池电源140的电荷对***来说是非常关注的，因为这个高度地影响再充电时间。观察再充电电阻分布会通知发动机启动/停止最好或最期望的电池充电窗口的控制器190。在这个应用中，常常是这种情况，即在整个充电窗口的小区域之上操作电池电源140。这个称为部分充电状态（PSOC）操作。通过可接受的电池电源操作范围的某些阈值来控制EGS 120开启和关闭。如果再充电电阻特性建议更小的充电状态窗口被保证，则EGS 120将被控制来保持电池电源140在适当的PSOC带之内操作。利用钠金属卤化物类型电池，再充电对电阻分布或函数能够被用来维持快速再充电，以及提供维持燃料节省的再充电时间对放电时间比。
基于图4的再充电电阻特性，图5提供示出用于图2的混合型发电机-电池电力***的循环地充电/放电方法的示例性实施例的图表。在如图5所示的PSOC窗口510之上操作电池电源140。例如，在供应功率至DC负载180之后，在设定点511，电池电源140已经放电至较低的充电状态（SOC）级别513。基于从电池电源140至控制器190的电流反馈，电池电源的充电状态（SOC）通过控制器190确定。一般而言，通过确定进入电池电源140和从电池电源140出去的电流，控制器190能够估计SOC。这个可以通过在控制器190中实现电荷计数器功能性来完成，该电荷计数器功能性例如以安培小时为单位有效地对电荷计数。
设定点511限定PSOC窗口510的下限并且作为控制器190用以启动EGS 120的指示器。当EGS 120在设定点511启动时，功率供应至DC负载180和至电池电源140来对电池电源140充电。电池电源140在时间Tc上充电直到达到在较高的SOC水平514处的较高的设定点512，在该SOC水平514处EGS被控制器190停止。在设定点512处，当电池电源在时间Td之上放电回到较低的设定点511时，DC负载180由电池电源140驱动。然后重复该过程，使得当EGS 120的发动机被控制器120开启和关闭时，电池电源140在PSOC窗口510之上充电和放电。
依照本发明的实施例，为了减少EGS 120的发动机的燃料消耗，电池电源140的再充电电阻分布（例如，参见图4）能够通过控制器190表征并且用来确定PSOC窗口510的设定点511和512。例如，通过基于再充电电阻分布建立设定点511和512，电池电源140的充电时间Tc能够减少和/或最小化，因此在延长的时间段（例如，许多天）上减少了被EGS 120使用的燃料的量。例如，可相对于电池电源140的放电时间Td来实现充电时间TC的减少和/或最小化。一般而言，如果再充电电阻开始变得太高而不能维持燃料节省，那么PSOC窗口设定点能够适于较狭窄的带（即，在较狭窄的范围之上再充电和放电以免花费许多时间进行再充电）。
作为一个示例，基于电池电源140的寄生电阻和电流化学过程（chemistry），较低的设定点511可以被确定为30% SOC，而较高的设定点512可以被确定为80% SOC（即，50% PSOC窗口）。随着电池电源140老化和再充电电阻分布向上偏移（例如，参见图4），设定点511和512可逐渐地变化至35% SOC和75% SOC（即，40% PSOC窗口），例如，为了维持燃料节省，减少充电利用510。
在循环的过程期间，电池电源140可周期性地再充电至100% SOC（在完全充电时间Tf之上）并且在整个重置时间Tr（重置事件）上放电至较低的充电状态（SOC）水平513（或一些其它较低的水平）来重置电池电源140的化学过程和/或电池管理***（BMS）。依照实施例，控制器190使用时间Tr来重新表征或更新电池电源140的再充电电阻曲线。
如本文所讨论的，一些实施例可具有多个能量源（例如，太阳、风、电网、柴油发电机）来运行电力设备以及给电池电源充电。在重置事件期间使用的能量源可在多种选项之间优先化。有时，EGS（例如，柴油发电机）可以是唯一可控制的能量源，而其它能量源可以是不定时发生的和不受控的。因此，为了健康管理的目的，可控制的能量源可用来重置电池电源至100%充电状态。然而，依照本发明的实施例，能量源可以优先化的方式选择来减少和/或最小化操作成本。这样的优先化计划的示例是首先利用本地的和可再生的能源（诸如太阳能或风能）来充电。随后，如果可再生的能量源是不可用的，则使用电网供应。最后，如果其它源不可用的话，则使用EGS（例如，柴油发电机）。这些机会性的重置事件（由于替代的能量源的可用性）可帮助减少延长的柴油发电机使用。
图6示出在混合型发电机-电池电力***100中采取部分充电状态（PSOC）窗口510来达到发动机燃料节省的方法600和601的两个示例性实施例的两个流程图。第一方法600能够表征为先验方法，而第二方法601能够表征为在线方法。
第一方法600包括（如步骤610所示）影响包括ESD和至少一个发动机的混合型电力***的至少一个能量存储装置（例如，电池电源140）的充电电阻以使其随时间而变化。例如，影响充电电阻以使其变化可包含随着时间的过去改变ESD的充电状态。在步骤620中，方法进一步包括确定至少一个发动机的燃料燃烧率如何受充电电阻变化的影响。确定燃料燃烧率可包含基于充电电阻和结果充电电流来确定花费多少时间来对ESD再充电，以及因此，EGS的发电机花费多少时间来燃烧燃料。在步骤630中，方法进一步包括基于该确定将至少一个发动机的燃料燃烧率映射到至少一个ESD的多个部分充电状态（PSOC）的窗口。绘图可存储在***100中并且被***100的控制器190使用，例如，以基于电池电源140的实时充电电阻特性来选择提供最多的燃料节省的PSOC窗口。
在第二方法601的步骤640中，生成具有至少一个ESD的混合型电力***的***模型。在步骤650中，方法包括利用***模型来估计改变ESD的充电电阻对包括ESD和发动机的***的发动机的燃料燃烧率的影响。在步骤660中，方法包括基于该估计将燃料燃烧率映射到ESD的PSOC的窗口。最优化的PSOC窗口能够存储在***100中并且被控制器190基于ESD（例如，电池电源140）的实时充电电阻特性选择以选择提供最多燃料节省的PSOC窗口（例如，基于映射标识能量存储装置的特定的部分充电状态（PSOC）窗口，其具有最小发动机燃料燃烧率作为与发动机耦合的发电机的电功率输出的函数）。
图7提供示出混合型发电机-电池电力***100的发电机的负载分数对服务年数的比较的图表。负载分数=（再充电功率+基本负载）/（发电机的最大额定值）。因此，当再充电周期缩短以及每天放电能量增加时，供应再充电负载的发电机的后续负载分数增加。对于典型的发电机，随着负载分数增加，发电机效率也增加。因此，燃料节省与释放的能量/（放电的时间+再充电时间）成比例。一般而言，本发明的实施例尝试通过调整PSOC设定点以相对高的平均水平维持再充电功率和基本负载的总和。
对于不采用本文描述的燃料节省方法的***，发电机的负载分数趋于如在图7的图形710中示出的那样随着时间的过去而降低。对于采用本文描述的燃料节省方法的***，如在图7的图形720中示出的那样，发电机的负载分数以相对高的水平随着时间的过去而保持恒定。因此，通过调节如本文描述的PSOC窗口，EGS 120的发电机的负载分数能够根据图形720维持。
图8提供示出如何相对于再充电电流和电池寿命来控制施加至混合型发电机-电池电力***100的电池电源140的再充电电位（电压）的示例性实施例的图表。在再充电电流大时，施加更高的再充电电位（电压）至电池电源140导致在电池的反应前锋（化学过程）处的更加一致的电位。这个电位增加的理由是基于如下事实：提高的电流在布线之内的寄生串联电阻、集电器以及在电池电源140内的其它寄生元件中引起电位下降，从而导致更小的电位被施加以对电池电源140再充电。
当再充电电流高时（例如，在能量存储装置的再充电电阻值在电阻阈值之下时），本发明的实施例通过提高施加的电压来补偿这些寄生电阻损耗，因此贯穿电池电源140的化学过程施加一致的电位来帮助维持更快的再充电（即减少再充电时间）。在再充电电流随后变成较低时（例如，在能量存储装置的再充电电阻值在电阻阈值之上时），能量存储装置可通过降低施加的电压来继续充电。备选地，能量存储装置可取而代之在再充电电阻值在电阻阈值之上时放电。这个串联电阻补偿方法由控制器190基于来自电池电源140的电压和电流反馈信息提供。
再充电电位的这个串联电阻补偿不同于施加恒定的高压来加速再充电的传统方法。施加恒定的高压能够在高的再充电电流处的电池化学过程上导致过电位压，这危害到电池的健康。再次，如图8中所示，施加的再充电电位对再充电电流的曲线趋向于随着时间的过去向上偏移来补偿可随着电池老化而增加的寄生电阻项，因此维持电池电源的负极电位在一致的电平（即，在整个电池电源的化学过程维持电位）。
依照本发明的实施例，将调节电池电源140的PSOC窗口和调节施加至电池电源140的再充电电位的方法进行组合来提供更进一步的燃料节省。例如，参照图5，当电池电源140在时间Tc之上在设定点511和512之间被再充电时，控制器190在设定点511处以较高的电平（例如，58伏特）启动施加的再充电电位，因为在设定点511再充电电流是较高的，并且当再充电电流降低时，逐渐地减少施加的再充电电位至在设定点512处的较低的电平（例如，56伏特）。
图9是用于电信或其它应用的混合型发电机-电池电力***900的第二实施例的图示，示出能够实现本文描述的燃料节省方法的第一控制架构。在图9的实施例中，电力接口单元（PIU）910充当实现燃料节省方法和本文所述的控制逻辑的控制器。同样，在图9的实施例中，AC功率（来自AC电网920或发动机-发电机组930）被整流器/开关式电源（SMPS）940转换成DC功率。SMPS 940为包含提供电功率的高效转换的开关调节器的电子电源。整流器/SMPS 940的DC功率输出用来对电池950充电和驱动DC负载960（例如，BTS）。在发动机-发电机组930关闭时，电池950提供DC功率至DC负载960。AC功率经由PIU 910从AC电网920或发动机-发电机930提供至AC负载970。
图10是用于电信或其它应用的混合型发电机-电池电力***1000的第三实施例的图示，示出能够实现本文描述的燃料节省方法的第二控制架构。图10的实施例比图9的实施例更加以电池为中心。就是说，实施例图10提供配置成互相通信（例如，经由RS485/Modbus）和与整流器控制器1020通信的多个电池模块1010。与图9的***900相似，图10的***1000进一步包括发动机-发电机1030、PIU 1040、整流器/SMPS 1050和BTS 1060。一般而言，图10的实施例提供比图9的实施例更加复杂的通信架构，允许健康状态、电力执行能力特性以及SOC操作范围的电池模块间通信。这样的电池间通信可允许电池模块的更好的操作、控制和平衡。整流器控制器1020提供在电池模块1010和PIU 1040之间的通信，并且也与整流器/SMPS通信来提供对AC/DC功率转换的控制。同样，PIU 1040配置成接收多个传感器输入。例如，在***1000的多种元件之间的接口和通信可经由以太网、R232、RS485、Modbus以及CAN协议来提供。
图11是用于电信或其它应用的混合型发电机-电池电力***1100的第四实施例的图示，示出能够实现本文描述的燃料节省方法的第三控制架构。图11的实施例比图10的实施例更进一步，去除PIU和整流控制器并提供与发动机-发电机1120，整流器/SMPS 1130，以及多个电池模块1140通信地接口连接的主控制器1110。主控制器1110配置成接收多个传感器输入。再次，在***1100的多种元件之间的接口和通信可经由例如以太网、R232、RS485、Modbus以及CAN协议来提供。DC负载（例如，BTS 1150）仍然由整流器/SMPS 1130驱动。
一般而言，从图9的实施例至图10的实施例至图11的实施例的进步推进至更综合的、更复杂的架构，该架构更容易维持、更划算以及更加集中地被控制。
与***有关的另一个实施例包括配置成存储DC电功率并且提供DC电功率至DC负载的能量存储装置。***进一步包括调节器，该调节器操作地连接至能量存储装置并且配置成进行如下的至少一个：将来自AC电功率源的AC电功率转换成DC电功率和调节来自DC电源的DC电功率，并且提供DC电功率至能量存储装置和/或DC负载。***进一步包括与能量存储装置和调节器通信的控制器，并且在能量存储装置的确定的再充电电阻值在确定的电阻阈值之下时，可操作成指引调节器来施加第一再充电电位至能量存储装置。在能量存储装置的确定的再充电电阻值在确定的电阻阈值之上时，控制器进一步可操作成指引调节器来施加低于第一再充电电位的第二再充电电位至能量存储装置。
在另一个实施例中，控制器进一步可操作成存储再充电电阻值对能量存储装置的充电状态的确定的分布或绘图的至少一个，以及基于分布或绘图的至少一个来确定能量存储装置的充电操作窗口，该能量存储装置进行如下的至少一个：保存被AC电功率源使用的燃料或能量，和保存被DC电功率源产生和/或存储的能量。
在另一个实施例中，控制器进一步可操作成基于充电操作窗口循环地开启和关闭AC电功率源或DC电功率源的至少一个。
与***有关的另一个实施例包括配置成存储DC电功率并且提供DC电功率至DC负载的能量存储装置。***进一步包括调节器，该调节器操作地连接至能量存储装置并且配置成进行如下的至少一个：将来自AC电功率源的AC电功率转换成DC电功率和调节来自DC电源的DC电功率，并且提供DC电功率至能量存储装置和/或DC负载。***进一步包括与能量存储装置和调节器通信的控制器，并且可操作成存储再充电电阻值对能量存储装置的充电状态的确定的分布或绘图的至少一个。控制器还可操作成基于分布或绘图的至少一个确定能量存储装置的充电操作窗口，该能量存储装置进行如下的至少一个：保存被AC电功率源使用的燃料或其它能量，和保存被DC电功率源产生和/或存储的能量。
在另一个实施例中，控制器进一步可操作成基于充电操作窗口循环地开启和关闭AC电功率源或DC电功率源的至少一个。
在所附权利要求中，术语“包含”和“具有”用作术语“包括”的易懂语言对等词，术语“在其中”与“其中”对等。此外，在所附权利要求中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“较高的”、“较低的”、“底部”、“顶部”等只用作标记，而不是意在对它们的对象施加数字或位置要求。此外，所附权利要求的限制并不是按照部件加功能格式编写的，并且不意于根据美国专利法第112条第六款来解释，除非并直到这类权利要求限制明确使用词语“用于…的部件”并跟随没有进一步结构的功能陈述。如本文使用的，以单数叙述并且以单词“一”或“一个”开头的元件或步骤应该理解为不排除多个所述元件或步骤，除非明确地声明这些排除。而且，对“一个实施例”的引用不是意在解释为排除同样包括所述特征的附加实施例的存在。此外，除非明确相反地陈述，实施例“包含”“包括”或“具有”具有特定的性质的一个或多个元件可包括没有具有那些性质的附加元件。此外，某些实施例可示出为具有同样的或相似的元件，然而，这仅仅用于图示目的，并且这些实施例不一定需要具有相同的元件除非在权利要求中规定。
如本文所使用的，术语“可”和“可以”表示在一组情形之内的事件发生的可能性，具有特定的性质、特性或功能，和/或通过表达与限定的动词相关的一个或者多个能力、性能或可能性来限定另一个动词。因此，使用“可”和“可以”表示修饰的术语对于指示的能力、功能或用途是明显适当的、能够的或适合的，同时考虑到在一些情况下可能有时修饰的术语不适当、不能够或不适合。例如，在一些情况下，能够期望事件或能力，而在其它情况下事件或能力不能发生-这个区别通过术语“可”和“可以”获得。
本书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明的多种实施例，以及还使本领域技术人员能实践本发明，包括制作和使用任何装置或***及执行任何结合的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有与权利要求字面语言没有不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求字面语言无实质不同的等效结构要素，则它们意于在权利要求的范围之内。

Claims (28)

1. 一种方法，包括：
响应于能量存储装置的监测的再充电电阻值或监测的再充电电流的至少一个，控制所述能量存储装置的施加的再充电电位或充电状态操作窗口的至少一个，以管理所述能量存储装置的再充电时间。
2. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括相对于所述能量存储装置的放电时间减少所述再充电时间。
3. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括减少所述能量存储装置的所述再充电时间。
4. 一种方法，包括在所述能量存储装置的再充电电阻值在电阻阈值之下时，通过施加第一再充电电位至所述能量存储装置来对能量存储装置再充电。
5. 根据权利要求4的所述方法，进一步包括在所述能量存储装置的所述再充电电阻值在所述电阻阈值之上时，通过施加低于所述第一再充电电位的第二再充电电位至所述能量存储装置来继续对所述能量存储装置再充电。
6. 根据权利要求4所述的方法，进一步包括在所述能量存储装置的所述再充电电阻值在所述电阻阈值之上时，使所述能量存储装置放电。
7. 一种***，包括：
能量存储装置，配置成存储DC电功率并提供DC电功率至DC负载；
调节器，操作地连接至所述能量存储装置并配置成进行如下的至少一个：将来自AC电源的AC电功率转换成DC电功率和调节来自DC电功率源的DC电功率，并且提供所述DC电功率至所述能量存储装置和/或至所述DC负载；以及
控制器，与所述能量存储装置和所述调节器通信，并且可操作成：
在所述能量存储装置的确定的再充电电阻值在确定的电阻阈值之下时，指引所述调节器施加第一再充电电位至所述能量存储装置；以及
在所述能量存储装置的确定的再充电电阻值在所述确定的电阻阈值之上时，指引所述调节器来施加低于所述第一再充电电位的第二再充电电位至所述能量存储装置。
8. 根据权利要求7所述的***，其中，所述能量存储装置包括电池电源。
9. 根据权利要求7所述的***，其中，通过在所述***的操作期间监测所述能量存储装置的电位和再充电电流，所述控制器进一步可操作成确定所述能量存储装置的所述再充电电阻值。
10. 根据权利要求7所述的***，其中，所述控制器还可操作成：
存储所述能量存储装置的充电状态对再充电电阻值的确定的分布或绘图的至少一个，以及
基于所述分布或所述绘图的所述至少一个来确定所述能量存储装置的充电操作窗口，所述充电操作窗口进行如下的至少一个：保存由所述AC电功率源使用的燃料或能量，和保存由所述DC电功率源产生和/或存储的能量。
11. 根据权利要求10所述的***，其中，所述控制器进一步可操作成基于所述充电操作窗口循环地开启和关闭所述AC电功率源或所述DC电功率源的至少一个。
12. 根据权利要求10所述的***，其中，通过在所述***的操作期间监测所述能量存储装置的电位和再充电电流，所述控制器进一步可操作成确定所述分布或绘图的所述至少一个。
13. 根据权利要求7所述的***，其中，所述AC电功率源包括：配置成通过消耗燃料生成AC电功率的发动机和发电机组；或风能***。
14. 根据权利要求7所述的***，其中，所述DC电功率源包括：太阳能***或燃料电池能量***。
15. 一种方法，包括：
影响包括所述能量存储装置和至少一个发动机的混合型电力***的至少一个能量存储装置的再充电电阻以使其随时间变化；
确定所述至少一个发动机-发电机组的燃料燃烧率如何受所述再充电电阻变化影响；以及
基于所述确定将所述至少一个发动机的燃料燃烧率映射到所述至少一个能量存储装置的多个部分充电状态（PSOC）窗口。
16. 根据权利要求15所述的***，进一步包括基于所述映射标识所述至少一个能量存储装置的所述多个部分充电状态窗口（PSOC）的、减少所述至少一个发动机的所述燃料燃烧率的一个部分充电状态窗口。
17. 根据权利要求16所述的***，进一步包括在所述标识的PSOC窗口之上操作能量存储装置。
18. 一种方法，包括：
利用所述***的模型估计能量存储装置的再充电电阻的改变对包括所述能量存储装置和所述发动机的***的发动机的燃料燃烧率的影响；以及
基于所述估计将所述燃料燃烧率映射到所述能量存储装置的部分充电状态（PSOC）的窗口。
19. 根据权利要求18所述的方法，进一步包括基于所述映射来标识所述能量存储装置的特定的部分充电状态（PSOC）窗口，所述部分充电状态窗口提供所述发动机的最小燃料燃烧率作为与所述发动机耦合的发电机的电功率输出的函数。
20. 根据权利要求19所述的方法，进一步包括在所述标识的PSOC窗口之上操作能量存储装置。
21. 一种方法，包括：
至少部分地基于所述能量存储装置的充电状态对再充电电阻值的分布，确定能量存储装置的充电操作窗口；以及
基于所述充电操作窗口控制所述能量存储装置的充电。
22. 一种***，包括：
能量存储装置，配置成存储DC电功率并且提供DC电功率至DC负载；
调节器，操作地连接至所述能量存储装置并且配置为进行如下的至少一个：将来自AC电功率源的AC电功率转换成DC电功率，和调节来自DC电功率源的DC电功率，并且将所述DC电功率提供至所述能量存储装置和/或至所述DC负载；以及
控制器，与所述能量存储装置和所述调节器通信，并且可操作成：
存储所述能量存储装置的充电状态对再充电电阻值的确定的分布或绘图的至少一个，以及
基于所述分布或所述绘图的至少一个来确定所述能量存储装置的充电操作窗口，该充电操作窗口进行如下的至少一个：保存由所述AC电功率源使用的燃料或其它能量，和保存由所述DC电功率源产生和/或存储的能量。
23. 根据权利要求22所述的***，其中，所述能量存储装置包含电池电源。
24. 根据权利要求22所述的***，其中，所述控制器进一步可操作成基于充电操作窗口循环地开启和关闭所述AC电功率源或所述DC电功率源的至少一个。
25. 根据权利要求22所述的***，其中，通过在所述***的操作期间监测所述能量存储装置的电位和再充电电流，所述控制器进一步可操作成确定所述分布或所述绘图的所述至少一个。
26. 根据权利要求22所述的***，其中，所述控制器进一步可操作成：
在所述能量存储装置的确定的再充电电阻值在电阻阈值之下时，指引所述调节器来施加第一再充电电位至所述能量存储装置；以及
在所述能量存储装置的所述确定的再充电电阻值在所述电阻阈值之上时，指引所述调节器施加低于所述第一再充电电位的第二再充电电位至所述能量存储装置。
27. 根据权利要求26所述的***，其中，通过在所述***的操作期间监测所述能量存储装置的电位和再充电电流，所述控制器进一步可操作成确定所述能量存储装置的所述再充电电阻值。
28. 一种在重置事件期间对能量存储装置再充电的方法，包括：
利用至少一个本地的和可再生的能量源来对能量存储装置再充电；
如果所述至少一个本地的和可再生的能量源不可用，则利用电网供应来对所述能量存储装置再充电；以及
如果所述至少一个本地的和可再生的能量源以及所述电网供应不可用，则利用发动机-发电机组（EGS）来对所述能量存储装置再充电。
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