用于提供电能的方法和装置以及设有此装置的设备 【技术领域】
本发明涉及使用一组可充电和放电的直流源给电气负载提供电能的方法和装置。
背景技术
众所周知可充电和放电的直流源，例如在负载必须能独立于公共(交变电流)电源(例如提供给便携式仪器和工具、电车、紧急供电装置)而进行操作的情况。在某些情况下，向所述电气负载直接馈送直流，但也可在把直流转换成单相或多相交变电流后间接馈送。
在使用前，从公共电源、其它发生器装置、太阳能电池、风力涡轮或类似装置对直流源进行充电。然后，可从直流源中得到能量，直到后者被全部或部分耗尽，在此时，为了对其重新充电，必须中断使用直流源。
常规使用可充电和放电直流源(诸如NiCd电池、以Li为基础的电池或类似电池)的难题是，从直流源的全充电状态到它们不能再使用并必须重新充电的给定时间周期内，它们可提供的能量有限。因此，限制了直流源的有用寿命-直流源可提供直流能量的时间。此外，直流源的充电消耗能量和时间，而且一般需要诸如经由充电电路把直流源连到诸如公共电源等另一个能量源地处理。这是一种迂回的过程。事实上，只要通过把多个直流源并联或立即以另一个完全充电的直流源替换全部或部分放电的直流源，从而给设备提供直流有较长的有用寿命。这也是一个迂回过程，并导致在电力使用中体积、质量和成本的增加，已发现体积和质量的增加对于便携式设备和电动车尤其不利。
【发明内容】
本发明旨在明显地延长一组可充电和放电直流源的有用寿命，而不必为此目的而相应地增加体积和/或质量。结果，实际上，在使直流源独立于其它能量源(诸如公共电源、其它发电装置、太阳能电池、风力涡轮和类似装置)方面不应存在限制。
在依据本发明的方法中，通过实施以下步骤来实现本发明：
(a)对该组所有的直流源充电；
(b)把该组直流源的第一个连到负载，以给后者提供电能，在此期间第一直流源部分放电；
(c)在预定时间后，中断第一直流源与负载之间的连接；
(d)对该组直流源的每个后续直流源重复步骤(b)和(c)；
(e)重复步骤(b)、(c)和(d)，把连接到负载的直流源经由充电装置对其他直流源中至少一个充电，这样做，从而使该组直流源中的每个直流源都经过一放电-充电循环。
为了保证把能量连续地提供给电气负载，只在后续直流源和负载之间已进行连接后才中断直流源和负载之间的连接。
最好如此实施依据本发明的方法，从而对于每个直流源，放电时间和充电时间的总和小于放电-充电循环的持续时间。于是，放电-充电循环包括直流源处于静止的时间周期，即不提供能量也不接收能量。从而直流源保持在最佳状态。
为了在连到负载期间的放电后，使每个直流源尽可能重新充电，最好使每个直流源的充电时间比放电时间长。
对于一组m个直流源和n秒的放电-充电循环持续时间，每个直流源最好至少在n/m秒的时间内连到负载。一般，这适用于使用相同的直流源的情况；如果直流源相互不同，则可在比n/m秒长或短的时间周期内把它们连到负载。
一种把电能提供给电气负载的装置，包括一组m个可充电和放电的直流源，依据本发明的特征是：
放电切换装置，用于进行和中断第一个直到第m个直流源与负载之间的连接；
充电切换装置，用于进行和中断把m个直流源的相互连接，其间插入充电装置以及
控制装置，用于控制放电切换装置和充电切换装置，从而依次：
(a)把该组直流源的第一个连到负载，以给后者提供电能，在此期间第一直流源部分放电；
(b)在预定时间后，中断第一直流源与负载之间的连接；
(c)对该组直流源的每个后续直流源重复步骤(a)和(b)；
(d)重复步骤(a)、(b)和(c)，把连到负载的直流源经由充电装置对其他直流源中至少一个充电，这样做，从而使该组直流源中的每个直流源经过一放电-充电循环。
在较佳实施例中，直流源由例如NiCd蓄电池等蓄电池构成。工作的蓄电池最好要比容量范围的100％高，以对依据本发明的一组直流源实现特别长的有用寿命。
对于一组m个直流源，最多有m-1个直流源可由电容器构成。
在第一较佳实施例中，充电装置包括电动机和由电动机驱动的发电机的组合。在第二较佳实施例中，充电装置包括直流/直流转换器，该转换器可设有用于提供交变电流(局部)负载的交变电压中间级。
可设有依据本发明的装置的设备包括例如计算机、便携式电信设备、手表和时钟、可植入或不可植入的医学设备、诸如收音机和电视机、视频和音频设备、冲洗、干燥、加热和冷却设备、厨房机械等工业和家用电器，还有诸如两轮或多轮电动车等。
附图概述
以下参考附图详细描述本发明，其中：
图1a示出在两个直流源的帮助下给电气负载供电的电路；
图1b示意地示出图1a所示开关的切换序列；
图2a示出在三个直流源的帮助下给电气负载供电的电路；
图2b示意地示出图2a所示开关的切换序列；
图2c示出与图2b不同的图2a所示开关的切换序列；
图2d示出依据图2a电路的变形；以及
图3示出直流源的充电/放电曲线。
在图中，相同的标号对应于具有相同功能的相同元件。
本发明的较佳实施方式
图1a示出一电路，其中包含第一直流源2、第二直流源4、电气负载6和放电装置8。为了简化，利用单个连续线在图1a和以下附图中示出上述元件之间电气连接。实际上，每个元件明显地具有正负端。于是，可认为图1a所示的图只包括元件正端之间的电气连接，而负端(未示出)相互连接。由交叉点处的点来表示在相互交叉的导体之间进行连接处。因此，导体交叉点处没有点表示那里不存在连接。在图1a中，利用开关1-1把第一直流源2连到负载6。可利用开关1-2把第二直流源4连到负载6。与开关1-1并联的直流源2连到开关1-3和1-5，这两个开关分别连到充电装置8的输入一侧10和输出一侧12。与开关1-2并联的第二直流源4连到开关1-4和1-6，这两个开关分别连到充电装置8的输入一侧10和输出一侧12。
所包括的开关1-1到1-6的断开和闭合状态利用控制装置13(未详细示出)来控制，并如图1b所示。圆14和15所包围的环形长条代表直流源的2的操作状态；圆15和16所包围的环形长条代表直流源4的操作状态。由任意时刻t与绕同心圆14-16的中心均匀旋转的时间虚线18相交的环形长条部分来限定操作状态。很清楚，直流源2和4的状态周期性地改变。这里长条的倾斜阴影部分表示所述直流源正在放电即提供能量，而长条的水平阴影部分表示所述直流源正在充电即接收能量。两长条中的一个长条中无阴影的部分表示所述电流源处于静止即既不放电也不充电。将在以下的图中保留此阴影或无阴影的方法。
在分段20的时间长度内，开关1-1闭合，从而由第一直流源2对负载6供电。在分段22的时间长度内，开关1-2闭合，从而由第二直流源4对负载6供电。从图1b很清楚的是，开关1-2的闭合在开关1-1断开之前，开关1-1的闭合在开关1-2的断开之前，从而保证给负载连续地提供能量。然而，不是所有类型的负载6需要如此；例如如果负载6是一加热元件，且加热时间常数比直流源的放电-充电循环时间大得多(非常)，则可使直流源的放电时间变短，从而分段20和22不再重叠。在分段24的时间长度期间，开关1-3和1-6闭合，从而第一直流源2经由充电装置8对第二直流源4充电。相反，在分段26的时间长度内，开关1-4和1-5闭合，从而第二直流源4经由充电装置8对第一直流源2充电。在分段28和30的时间长度内，第一和第二直流源2和4分别处于静止；它们不提供能量也不接收能量。
从图1b可看出，每个直流源2和4经过依次包括放电、充电、静止、放电、充电、静止、放电、…、等的循环。在第一直流源2给负载6供电的部分时间内，第一直流源2同样经由充电装置8对第二直流源4。相反，在第二直流源4给负载6供电的部分时间内，第二直流源4经由充电装置8对第一直流源2充电。然而，根据直流源的类型，不需要在直流源放电和充电后的循环期间续接一静止周期。
包括放电、充电和可供选择的静止的一个循环的持续时间可适用于任何类型的直流源和任何特性的负载。
分段24和26表示，在与其相应的时间长度内，开关1-3和1-6以及开关1-4和1-5分别闭合。这并不意味着充电装置在分段24和26的整个时间长度内，分别对连到充电装置的直流源4或2进行充电；这要依据有关直流源的充电需要。在每种情况下分段24和26的时间长度都如此长，从而产生完整的充电。以此为基础，原则上，假定分段24和30组合的时间长度内，产生对直流源4的完整充电，则在分段30的时间长度内，开关1-3和1-6也可保持闭合。从而，不必在各个开关1-1和1-2的帮助下控制对负载6的供电；在这种情况下，可省却开关1-1和1-2，负载也可并联到充电装置8，例如在图中以虚线的方式所示的负载6a。
可以用电动机驱动的发电机的形式制成充电装置，它也可具有静态设计，并设有一控制装置，从而连到充电装置8的直流源准确地接收所需的充电量。
图2a示出包括三个直流源32、34和36的直流源的电路，它们可给电气负载38供电，其中每个直流源32、34或36可经由充电装置40同时对另一个或另两个直流源充电。在控制装置39的控制下，负载38可利用并联开关2-1、2-2和2-3连到各个直流源32、34和36，而由电路所包括的开关2-4、2-5、2-6、2-7、2-8和2-9来注意直流源32、34和36的充电。
图2b示出，在圆41和42之间的长条对应于直流源32的操作状态，在圆42和43之间的长条对应于直流源34的操作状态，圆43和44之间的长条对应于直流源36的操作状态。应以与图1b所示图相同的方式来解释依据图2b的图。在分段46所限定的时间长度内，开关2-1闭合，从而直流源32对负载38供电。在分段38的时间长度内，由直流源34来接管对负载38的供电，开关2-2闭合。然后，在分段50的时间长度内，由直流源36来接管对负载38的供电，开关2-3闭合。分段46、48和60相互重叠，从而帮助对负载38进行不中断的供电。在直流源32在分段46的时间长度内放电后，直流源32在分段52的时间长度内充电，在此期间开关2-7闭合。从图2b可看出，由直34流源经由闭合开关2-5提供一部分充电，由直流源36经由闭合开关2-6提供以后的部分。以相应的方式，由直流源36经由闭合开关2-6提供直流源34在依据分段54所需的部分时间长度内的充电，并由直流源32经由闭合开关2-4提供以后部分时间长度内的长度。在分段56的时间长度内产生直流源36的充电，在此期间开关2-9闭合，首先直流源32经由闭合开关2-4充电，然后直流源34经由闭合开关2-5充电。为了保护直流源32、34和36，每个放电和充电周期都续接一静止周期，该周期分别由部分58、60和62来表示。
根据切换频率和准确度以及待切换的功率，图1a所包括的开关1-1到1-6以及图2a所包括的开关2-1到2-9可以是机械开关或半导体开关(诸如可控硅或三极管)的形式。图1a中的控制装置13和图2a中的控制装置39适用于待控制的开关类型；在机械开关的情况下，例如可使用设有用来操作开关的凸轮的旋转操作滚筒构成的装置，在电子开关的情况下，可使用诸如可编程逻辑控制器(PLC)等用于控制开关的逻辑控制电路构成的装置。
为了防止误解与图2a对应的图2b的解释，以图2c所示的另一个方式来表示图2a所包括的开关2-1到2-9的切换序列和持续时间。从图2c的顶部到底部示出所包括的各个开关2-1到2-9的切换循环，高电平表示开关的闭合状态，低电平表示开关的断开状态。在水平方向上，示出每个具有持续时间T的两个完整循环，启动时刻t0以及时刻t0+T和t0+2T相应于图2b所示的时刻虚线18的位置。
依据图2d的电路与图2a所示电路的主要区别只是，对各个直流源32、34和36使用独立的充电装置40a、40b和40c，而不是依据图2a电路中的公共充电装置40。通过使用独立的充电装置40a、40b和40c，对于直流源32、34和36的充电，应提供所包括的九个开关2-10到2-18。依次，直流源32能通过开关2-11和2-13的闭合来经由充电装置40a对直流源34进行充电，并通过开关2-11和2-16的闭合来经由充电装置40a对直流源36进行充电。对于由直流源34在充电装置40b的帮助下对直流源32所进行的充电，开关2-14和2-10闭合，而对于直流源34对直流源36的充电，开关2-14和2-18闭合。为了在直流源36的帮助下经由充电装置40c对直流源32进行充电，开关2-17和1-12必须闭合，对于由直流源36对直流源34所进行的充电，开关2-17和2-15必须闭合。于是，对于图2d所示的整个电路，实际上如以上参考图2a和2b所述实现相同的动作。
图1a中直流源2和4中一个直流源的最大值以及图2a或2d所示直流源32、34和36中两个直流源的最大值可由电容器构成，而所述直流源中另一个直流源的最小值必须是蓄电池。
图3示出蓄电池形式的可充电和放电直流源的放电/充电曲线70，在竖轴上示出直流源的容量或电压，在横轴上示出放电的持续时间(时间t)。在充电情况下，时间轴应反转。由负载所吸收的功率和放电持续的时间来确定每个直流源的放电量。在依据本发明的电路操作期间，应保证在放电/充电曲线70峰值附近容量范围超过100％的有标记区域72内产生直流源的放电和充电。已发现，在商业用直流源的放电曲线中从未示出此区域，但事实上它的确存在并在本发明中起到重要的作用。
在可从图1a、1b、2a、2b和2d的中容易得出的原理基础上，也可构成具有三个以上直流源的电路。
在一个实验中，把三百个NiCd电池装配起来，以形成一24V、60Ah的蓄电池。以图2a所示的方式把三个这种蓄电池连接起来，并依据图2b所示的方式进行操作，负载形式为具有功率为143W的灯以及和放电充电循环时间为几秒，在连续操作一个多星期后，可检测到蓄电池的容量没有减小。