智能能量存储系统的制作方法

1.本发明涉及一种能量存储系统，尤其涉及一种智能型能量存储系统。


背景技术：

2.充电式蓄电池已被广泛应用于各式日常生活物品中，其中内燃机(以下记载为“引擎”)为动力源的载具中用来启动引擎用的电池即为一例。目前市面上的多数汽机车的启动和蓄电都是使用铅酸电池，然而铅酸电池是含铅制程并不环保且使用寿命一般仅为2～3年，该种传统铅酸电池由正极板、负极板、隔板、电池槽、电解液和接线端子等部份构成，蓄电池的原理是将化学能和直流电能相互转化，在放电后经由充电能再提供重复蓄电与使用。目前利用铅酸电池启动引擎的装置，由于必需瞬间抽载大电流，多次作业后易导致铅酸电池劣化，而使其内阻升高，可是在启动引擎的抽载大电流不变之下，铅酸电池将加速劣化，而导致铅酸电池渐渐失效，铅酸电池会因不同的抽载电流而影响其寿命。再者，铅酸电池的缺点，除了使用寿命会因内阻不断增加而缩短使用期限之外，过充时可能产生具危险性的可燃氢气，过放时电解液及铅板将因大量硫酸铅结晶而产生不可逆的严重损害，导致电池严重老化，所能存储的容量剧减甚至减成零；再者，铅酸电池重量重，体积大，且废弃后对于环境存有高污染风险，实不理想。
3.因此，近年来业界发展出以超级电容组和锂(铁)电池来延长铅酸电池寿命或取代铅酸电池，现今虽然有超级电容组和铅酸电池的合并应用，但仍无法完全在启动中以及启动后发挥出两者结合的蓄电量、大电流以及稳压优势；而现今使用锂(铁)电池仍会有因大电流放电造成寿命下降的问题，且锂(铁)电池的充电电流不可控制；因此，如何以超级电容组和锂(铁)电池来取代铅酸电池，同时避免锂(铁)电池大电流充电或放电，达到保护锂(铁)电池的目的，并增加锂(铁)电池寿命的技术亟待解决。


技术实现要素：

4.有鉴于上述缺失，并为达成上述改善目的，本发明所揭示智能能量存储系统，电性连接外部电源以及负载，智能能量存储系统包含：第一储能装置，作用在于储蓄电能；第二储能装置，与外部电源以及负载电性连接，在储电模式(energy storage mode)，以外部电源作为电力来源，经过第二储能装置对第一储能装置进行充电，在转储模式(energy transfer mode)，以第一储能装置作为电力来源，对第二储能装置进行充电；至少一转换器，电性连接于第一储能装置与第二储能装置之间，用以调节输出电压以及输出电流，允许第一储能装置单向对第二储能装置充电，或者允许外部电源经过第二储能装置单向对第一储能装置充电；以及控制器，用以检测第一储能装置或第二储能装置的至少一电性特性，以调节转换器的输出电压以及输出电流，避免第一储能装置大电流充电或放电，达到保护第一储能装置的目的。
5.又，为了达成上述目的，本发明所揭示智能能量存储系统，其中，第一储能装置为一锂电池结构，包含锂(铁)电池、三元锂电池等任一项或其组合，第二储能装置为一电容结
构，包含超级电容、超级电容组、电容组等任一项或其组合，外部电源作为电力来源，包含一发电机、一外部电池等任一项或其组合，外部电源用于提供负载所需电力，另外第二储能装置电性连接至外部电源，当外部电源为外部电源供电状态，即在储电模式，外部电源经由第二储能装置连接至转换器后再连接至第一储能装置，通过控制器对转换器控制输出电压以及输出电流，对第一储能装置充电，亦即，外部电源输出的电能得以经由转换器单向回充至第一储能装置。
6.又，为了达成上述目的，本发明所揭示智能能量存储系统，其中，控制器检测第一储能装置的至少一电性特性，检测通过电压量测器以及电流量测器分别量测第一储能装置的第一电压值以及第一电流值；控制器检测第二储能装置的至少一电性特性，检测通过电压量测器量测第二储能装置的第二电压值；其中第一储能装置的第一电压值、第一电流值以及第二储能装置的第二电压值分别提供控制器，控制器藉以调节转换器的输出电压以及输出电流。
7.又，为了达成上述目的，本发明所揭示智能能量存储系统，其中，转换器包含关闭状态、充电控制状态以及放电控制状态，关闭状态为转换器不进行充电或放电动作，充电控制状态为外部电源经由第二储能装置以及转换器单向对第一储能装置充电，放电控制状态为第一储能装置经由转换器单向对第二储能装置充电。
8.又，为了达成上述目的，本发明所揭示智能能量存储系统，其中，控制器依据检测的第一储能装置或第二储能装置的至少一电性特性，控制转换器于关闭状态、充电控制状态以及放电控制状态间切换。
9.又，为了达成上述目的，本发明所揭示智能能量存储系统，其中，控制器检测第二储能装置的第二电压值符合外部电源供电状态后，进入储电模式，控制器控制转换器切换至充电控制状态，以外部电源作为电力来源，经过第二储能装置以及转换器单向对第一储能装置进行充电，直到第一储能装置充饱至高电位，亦即，第一储能装置的第一电流值达到第一下限电流值。
10.又，为了达成上述目的，本发明所揭示智能能量存储系统，其中，控制器检测第二储能装置的第二电压值符合外部电源停止供电状态后，负载以第一储能装置以及第二储能装置的至少其中之一作为电力供电来源，当第二储能装置的电量不足以供应负载所需电量，亦即，第二储能装置的第二电压值低于第二下限电压值时，进入转储模式，控制器控制转换器切换至放电控制状态，以第一储能装置放电作为电力来源，经过转换器单向对第二储能装置进行充电，直到第二储能装置充饱至高电位，亦即，第二储能装置的第二电压值达到第二上限电压值时，控制器控制转换器切换至关闭状态，使转换器不进行充电或放电动作。
11.又，为了达成上述目的，本发明所揭示智能能量存储系统，其中，在外部电源停止供电状态时，负载以第二储能装置作为电力供电来源，当控制器检测第二储能装置的第二电压值有突然快速的持续下降时，负载应有持续长时间的大电量需求，控制器控制开关电路导通第一储能装置以及第二储能装置，使第一储能装置以及第二储能装置共同作为电力供电来源，供电负载所需持续长时间的大电量需求。
12.又，为了达成上述目的，本发明所揭示智能能量存储系统，其中，在储电模式，当转换器切换至充电控制状态，通过控制器调节转换器单向对第一储能装置进行充电，依序执
行固定电流充电模式及固定电压充电模式，当固定电流充电模式变更为固定电压充电模式的条件为满足一预设上限充电电压值。
13.又，为了达成上述目的，本发明所揭示智能能量存储系统，其中，在转储模式，当转换器切换至放电控制状态，通过控制器调节转换器单向对第二储能装置进行充电，依序执行固定电流充电模式及固定电压充电模式，当固定电流充电模式变更为固定电压充电模式的条件为满足预设上限充电电压值。
14.有关本发明所揭示智能能量存储系统的详细构造、特点、组装或使用方式，将于后续的实施方式详细说明中予以描述。然而，在本发明领域中技术人员应能了解，该等详细说明以及实施本发明所列举的特定实施例，仅用于说明本发明，并非用以限制本发明的技术方案。
附图说明
15.包含附图以便进一步理解本发明，且附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图说明本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。
16.图1为第一实施例具有一个转换器的智能能量存储系统的示意图；
17.图2为第二实施例具有二个转换器的智能能量存储系统的示意图；
18.图3为第三实施例具有一个转换器以及一个开关电路的智能能量存储系统的示意图。
具体实施方式
19.以下，配合各附图列举对应的较佳实施例来对本发明所揭示智能能量存储系统的组成构件、步骤及达成功效来作说明，然各附图中智能能量存储系统的构件、尺寸及外观仅用来说明本发明的技术特征，而非对本发明构成限制。
20.此外，在本文中所使用的用词“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指“包含但不限于”。此外，本文中所使用的“和/或”，包含相关列举项目中一或多个项目的任意一个以及其所有组合。
21.本发明所揭示智能能量系统提供第一储能装置10和第二储能装置20的组合架构，其中第一实施例、第二实施例以及第三实施例智能能量存储系统提供能量电池和功率电池的组合架构，其中能量电池为锂电池结构，功率电池为电容结构，亦即，第一储能装置为一锂电池结构，第二储能装置为一电容结构，此架构取代传统的铅酸电池和负载/发电机电性连接架构，达到无铅永久电池的目的，将外部负载和发电机需求的铅酸电池以电容结构取代，发电机偶发的瞬间电压跳动将由电容结构吸收，稳定发电机的直流供电，因此不论提供负载电量或是发电机稳压都是透过电容结构去作动，当发电机供电状态时，锂电池结构仅是用来存储电量，当发电机停止供电状态后，锂电池结构提供电容结构因自耗电或车载用设备耗电造成的电量损失；以上说明本发明的智能能量存储系统的组成，随后，详述本发明的智能能量存储系统的运作及功效。
22.参考图1所示第一实施例，本发明提供一种智能能量存储系统100，电性连接外部电源400以及负载500，智能能量存储系统100包含：第一储能装置10，作用在于储蓄电能；第二储能装置20，与外部电源400以及负载500电性连接；转换器30电性连接于第一储能装置
10与第二储能装置20之间；以及控制器40，用以检测第一储能装置10或第二储能装置20的至少一电性特性，以调节转换器30的输出电压以及输出电流；在储电模式，以外部电源400作为电力来源，经过第二储能装置20以及转换器30单向对第一储能装置10进行充电，亦即，控制器40控制转换器30用以调节一输出电压v
1crg
以及一输出电流i
1crg
，允许外部电源400经过第二储能装置20单向对第一储能装置10充电，避免第一储能装置10大电流充电的影响；在转储模式，以第一储能装置10作为电力来源，经过转换器30单向对第二储能装置20进行充电，亦即，控制器40控制转换器30用以调节一输出电压v
2crg
以及一输出电流i
2crg
，允许第一储能装置10单向对第二储能装置20充电，以避免第一储能装置10大电流放电或过放电的影响；通过以上所述技术手段，达到保护第一储能装置10并且延长第一储能装置10的使用寿命。
23.在本发明第一实施例中，以汽车为例，第一储能装置10为锂(铁)电池，第二储能装置20为超级电容组，外部电源400为发电机，用于提供负载500所需电量，负载500包含启动马达、车载用设备等任一项或其组合，超级电容组直接电性连接至发电机、启动马达及车载用设备，转换器30位于锂(铁)电池与超级电容组之间，并且分别电性连接锂(铁)电池与超级电容组，用以调节输出电压以及输出电流，当汽车行进时，符合一外部电源供电状态后，允许发电机发电出电力经过超级电容组及转换器30单向对锂(铁)电池充电；另外当汽车熄火时，符合一外部电源停止供电状态后，由超级电容组提供负载500所需电量，当超级电容组电量不足以提供负载500所需电量，允许锂(铁)电池放电经由转换器30单向对超级电容组充电，但本发明第一储能装置10不以锂(铁)电池为限，第二储能装置20不以超级电容组为限，外部电源不以发电机为限，负载不以启动马达与车载用设备为限。
24.第一实施例中的转换器30具有双向充电功能，分别具有单向对锂(铁)电池充电功能以及单向对超级电容组充电功能，转换器30包含关闭状态、充电控制状态以及放电控制状态，其中关闭状态为转换器30不进行对锂(铁)电池充电动作或不进行锂(铁)电池放电动作，充电控制状态为以发电机为电力来源，经由超级电容组及转换器30单向对锂(铁)电池充电，放电控制状态为以锂(铁)电池为电力来源，经由转换器30单向对超级电容组充电。
25.进一步说明第一实施例具体运作方式，启始时，转换器30为关闭状态，转换器30不进行充电或放电动作，当控制器40检测超级电容组的第二电压值v2符合一外部电源供电状态后，例如转换器30为关闭状态或放电控制状态同时第二储能装置20的第二电压值v2上升至符合一预设启动电压值，或是第二电压值v2的变化量符合一预设启动电压差值，又或者是汽车提供的一启动信号，即进入储电模式，控制器40提供转换器30对应于充电控制状态的控制信号cs
crg
，用以调节转换器30产生输出电压v
1crg
以及输出电流i
1crg
，使转换器30切换至充电控制状态，以发电机作为电力来源，经过超级电容组以及转换器30单向对锂(铁)电池进行充电，直到锂(铁)电池的第一电压值已达依需求设定至较预设第一下限电压值v
1min
高的任一电压值，即预设为第一上限电压值v
1max
，较佳为设定至满电位或额定电压，或，控制器40检测锂(铁)电池的第一电流值i1达到一第一下限电流值i
1min
，本实施例第一下限电流值i
1min
可以设定为0.2c，由控制器40提供对应于关闭状态的控制信号cs
off
给转换器30，使转换器30切换至关闭状态，不进行充电动作，如此可以避免锂(铁)电池过度充电。
26.当控制器40检测超级电容组的第二电压值v2符合一外部电源停止供电状态后，例如转换器30为关闭状态同时第二储能装置20的第二电压值v2下降至符合一预设熄火电压
值，或是第二电压值v2的变化量符合一预设熄火电压差值，又或者是汽车提供的一熄火信号，当超级电容组的第二电压值v2过低，这个现象也被称为欠电压，表示超级电容组不能正常提供启动马达的冷启动电流(cca,cold cranking ampere)，也就是超级电容组无法供应足够的电流给启动马达启动，因此当控制器40检测到超级电容组的第二电压值v2低于第二下限电压值v
2min
时，同时控制器40检测锂(铁)电池的第一电压值v1大于第一下限电压值v
1min
，其中第一下限电压值v
1min
设定以锂(铁)电池已达过放电压值，以避免锂(铁)电池过度放电，即进入转储模式，控制器40提供转换器30对应于放电控制状态的控制信号cs
discrg
，用以调节转换器30产生的输出电压v
2crg
以及输出电流i
2crg
，使转换器30切换至放电控制状态，以锂(铁)电池作为电力来源，单向对超级电容组进行充电，直到控制器40检测超级电容组的第二电压值v2达到预设的第二上限电压值v
2max
，较佳为设定至满电位或额定电压，又或者当控制器40检测锂(铁)电池的第一电压值v1低于第一下限电压值v
1min
，由控制器40提供对应于关闭状态的控制信号cs
off
给转换器30，使转换器30切换至关闭状态，不进行锂(铁)电池放电动作，必要时可以发出警告，包含蜂呜、显示或亮灯警告等任一项或其组合。
27.本发明第一实施例中转储模式中，超级电容组的第二下限电压值v
2min
以及第二上限电压值v
2max
的设定方式如下，以汽车为例，现有汽车启动马达的负载电流与汽车排气量cc有关，排气量是指内燃式发动机在一次完整发动机循环中吸入的空气和燃气混和气的总体积，通常用立方厘米(cc)表示，而排气量的大小则与车辆的动力强弱、加速性能、油耗值以及co2排放量有关；冷启动电流(cca)的最低电流值为启动电池出厂规格书所订，例如定义12伏特启动电池可以在0
°
f的温度下传递30秒，同时保持至少为7.2伏特的电压的安培数，若启动电池对应于7.2伏特电压值的电流低于冷启动电流的最低电流值，启动电池瞬间放电的电力将不足，也就是启动电池无法供应足够的电流给启动马达，通常启动电池分级介于1600cc与2000cc之间需要使用500a冷启动电流安培数(cca)的启动电池，本发明智能能量存储系统因为完全由超级电容组的总cca提供启动马达电流，例如超级电容组由串联6颗超级电容组成，每颗超级电容电压2.8v，超级电容组最大电压2.8v x 6＝16.8v，因此超级电容组升压到能抽出500a，超级电容组的内阻加上线阻为0.013ω，则超级电容组能抽出500a的第二下限电压值v
2min
为13.7v，计算方式如下：7.2v/500a＝0.0144ω，v
2min
/(0.013ω 0.0144ω)＝500a，因此，较佳设计为第二下限电压值v
2min
低于与超级电容组并联連接的外部电源的电压值，使超级电容组的电压值保持在高于第二下限电压值v
2min
，例如外部電源為12v系统的汽车发电机，发电机充电电压一般为大于或等于14.2v，第二下限电压值v
2min
設定為13.7v，使超级电容组能随时供应足够的电流给启动马达进行启动；另超级电容组的第二上限电压值v
2max
可依需求设定至较第二下限电压值v
2min
高的任一电压值，较佳为设定至满电位或额定电压，例如超级电容组的第二上限电压值v
2max
可以设定为15.8v。
28.本发明第一实施例中智能能量存储系统利用超级电容组可以出大电流和稳压的特性，以汽车为例，将超级电容组直接与发电机及启动马达、车载用设备电性并联连接，可以有效启动启动马达和对发电机进行稳压作用，同时提升车载用设备的稳定度及使用寿命，由于锂(铁)电池可不直接参与整体启动启动马达和发电机稳压的动作，启动马达启动瞬间(《5ms)大电流无需从锂(铁)电池提供，发电机的交流电稳压时，汽车行进间偶发的瞬间电压跳动将由超级电容组吸收，亦即，仅有超级电容组协助稳压，使锂(铁)电池不会承受链波和大的充电电流，而可延长锂(铁)电池的寿命。
29.例如锂(铁)电池的电量为30ahrs，在储电模式，当发电机发动后，以发电机作为电力来源，经过超级电容组以及转换器30单向对锂(铁)电池进行充电，转换器30以0.5c最大15a的充电ic可控输出电流和可控输出电压对锂(铁)电池充电，可以杜绝锂(铁)电池大电流充电的可能；在转储模式，超级电容组需要补电时，以锂(铁)电池放电作为电力来源，转换器30以1c最大30a的充电ic可控输出电流和可控输出电压单向对超级电容组充电，可以杜绝锂(铁)电池的大电流放电的可能；透过上述机制，可以满足蓄电、稳压以及瞬间大电流的需求且不会造成锂(铁)电池因大电流的损伤，本实施例转换器30包含一个或多个升/降压模块(boost/buck module)，但本发明不以此为限，升/降压模块具方向性，可单向接收一电压源，并将之转换成一个或多个输出电压，升/降压模块的设计取决于锂(铁)电池与超级电容组的电位，操作于升压模式或降压模式，顾名思义，“升压模式”代表的是将某一电压升压而得到另一电压；“降压模式”代表的是将某一电压降压而得到另一电压。
30.不论在储电模式或转储模式，当转换器30为充电控制状态或放电控制状态，通过控制器40调节转换器30单向对锂(铁)电池或超级电容组进行充电，较佳的充电模式为依序执行一固定电流充电模式(cc模式)及一固定电压充电模式(cv模式)，于刚开始充电时(假设锂(铁)电池或超级电容组处于低电量状态，但不局限于此状态)，此时锂(铁)电池或超级电容组的充电模式为固定电流充电模式，此时充电电流固定且为较高充电电流，因此充入锂(铁)电池或超级电容组的蓄电容量较多且速度也较快，以让锂(铁)电池或超级电容组蓄电容量能被快速充满，当锂(铁)电池或超级电容组的蓄电容量快充满至接近一上限充电电压值时，此时锂(铁)电池或超级电容组的充电模式会变更为固定电压充电模式充电，此时电压固定且充电电流下降，充电速度变慢，使锂(铁)电池或超级电容组接近被完全充饱的最佳状况。
31.又例如汽车具有一怠速熄火系统时，由于发动次数为一般车辆的n倍，为了降低污染与油耗，一些汽车制造商在其新一代车型中加装启动/停止(start/stop)系统，当汽车停下来时关闭引擎，而当驾驶人的脚从剎车踏板移向油门踏板时，就自动重新启动引擎，这就帮助降低市区驾车及停停走走式的交通繁忙时期的油耗同时减少空气污染，本发明智能能量存储系统100可以供电于汽车有加装具有一怠速熄火系统(启动/停止系统)时，相较于一般启动马达的一启动次数为n倍，n为算术平均数或进位的正整数，因此，当汽车停下来时关闭引擎，亦即，发电机没有供电符合一外部电源停止供电状态后，以超级电容组来供电汽车上车载用设备的电子耗电例如冷气、音响或大灯等，造成超级电容组的持续电量损失，因此当控制器40检测超级电容组的第二电压v2低于第二下限电压v
2min
时，控制器40控制转换器30切换至放电控制状态，将锂(铁)电池放电经由转换器30单向对超级电容组充电及补充供电，直到超级电容组的第二电压值v2达到第二上限电压v
2max
，供下一次引擎起动；若于汽车行进间，亦即，发电机供电符合一外部电源供电状态后，控制器40控制转换器30切换至充电控制状态，发电机电力经过超级电容组以及转换器30单向对锂(铁)电池充电至预设的第一上限电压值v
1max
，较佳为设定至满电位或额定电压，超级电容组的第二电压值v2将只会与发电机电压等电位或略高。
32.参阅图2所示第二实施例，本发明的智能能量存储系统200与第一实施例智能能量存储系统100大致相同，两者的差异处仅在于：第二实施例具有二个不同方向的转换器30a及转换器30b，其中转换器30a电性连接于第一储能装置10与第二储能装置20之间，当符合
一外部电源停止供电状态后，例如控制器40检测超级电容组的第二电压值v2过低，亦即，超级电容组不能正常提供负载500所需电力，因此进入转储模式，控制器40控制转换器30a切换至放电控制状态，以锂(铁)电池作为电力来源，通过转换器30a单向对超级电容组进行充电，但另一转换器30b为关闭状态，因此锂(铁)电池不直接参与整体负载500电力提供和对发电机进行稳压的动作；当符合一外部电源供电状态后，进入储电模式，控制器40控制转换器30b切换至充电控制状态，以发电机作为电力来源，发电机经过超级电容组通过转换器30b单向对锂(铁)电池进行充电，但另一转换器30a为关闭状态。
33.参阅图3所示第三实施例，本发明的智能能量存储系统300与第一实施例智能能量存储系统100大致相同，两者的差异处仅在于：增加一开关电路50，用于第一储能装置10与第二储能装置20的导通及不导通的切换，当发电机停止供电时，符合一外部电源停止供电状态后，由第二储能装置20提供负载500所需电量，若由控制器40检测第二储能装置20的第二电压值v2持续下降太快，亦即，负载500仍有持续性大电量耗损，由控制器40提供对应于关闭状态的控制信号cs
off
给转换器30，使转换器30切换至关闭状态，不进行充电或放电动作，同时控制器40提供对应的控制信号cs
fast
，使开关电路50导通第一储能装置10与第二储能装置20，相较于第一实施例转换器30的充电电流30a，第三实施例可提供较高的充电电流，例如70a，达到第一储能装置10对第二储能装置20快速充电，而能迅速满足负载500的大电量需求；其中开关电路50例如是金属氧化物半导体场效晶体管(mosfet：metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)、绝缘栅双极晶体管(igbt：insulated gate bipolar transistor)、继电器(relay)及电磁开关的至少其一所构成的开关，但本发明不以此为限。
34.本发明智能能量存储系统的变化实施例中(图未示)，控制器40检测第二储能装置20的第二电压值v2符合一外部电源停止供电状态后，负载500可以第一储能装置作为电力供电来源，或者负载500可以第二储能装置20作为电力供电来源，亦或者负载500可以第一储能装置10以及第二储能装置20作为电力供电来源。
35.本发明智能能量存储系统所应用不以汽机车、渔船为限，智能能量存储系统本身就是一个独立电瓶，可以达到保护并且延长智能能量存储系统的使用寿命，使车辆及内燃机等终其一生只需要用一个智能能量存储系统即可，同时满足蓄电、稳压以及大电流的需求，其中稳压让载具及内燃机、燃油或电控更有效率及稳定，减少空气污染，本发明可以被应用在任何内燃机为动力源的载具或需要电瓶的电力设备等，无需变更设计而可直接导入原厂，同时亦可满足后装市场的需求。
36.最后，强调，本发明于前揭示实施例中所揭示的构成组件，仅为举例说明，并非用来限制本发明的范围，其他等效组件的替代或变化，亦应为本发明的技术方案的范围所涵盖。
37.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。