CN101431245A - 光伏微能源系统中对锂离子电池合理充电的方法及装置 - Google Patents

光伏微能源系统中对锂离子电池合理充电的方法及装置 Download PDF

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本发明公开了一种在光伏微能源系统中对锂离子电池合理充电的方法和装置，属于光电技术领域。所述方法是通过在光伏微能源系统中将锂离子电池与超级电容器并联，并采用能量存储控制器控制能量存储开关，将超级电容器中暂存的能量经恒流源给锂离子电池间歇式充电，从而满足锂离子电池合理充电的要求。所述装置包括光伏电池、二极管、超级电容器、能量存储控制器、能量存储开关、恒流源和锂离子电池。超级电容器作为能量缓存器，暂存光伏电池的输出能量，并在能量存储控制器的控制下，经能量存储开关和恒流源，为锂离子电池充电。本发明根据光伏电池的输出特性，合理设置超级电容器的端电压，提高了光伏电池的输出效率和使用寿命。

Description

光伏微能源系统中对锂离子电池合理充电的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种在光伏微能源系统中对锂离子电池合理充电的方法和装置，属于光电技术领域。
背景技术
随着微电子技术、计算机技术和网络技术的发展，微系统(例如：无线传感器节点)在工业、农业、环境和军事领域中的应用日益扩大。对于无线传感器网络而言，由于传感器节点的数量较多，且多放置在边远、危险的地方，利用传统干电池供电的方法增加了网络维护的成本。因此，需要给传感器节点设计合理的能源供给方式。外界环境中，太阳能是最容易获取的能源，且光伏电池具有最高的转换功率密度。所以，集成光伏微能源系统的传感器节点具有广泛的应用前景。同时，由于光伏电池输出的不稳定，需要能量存储器件存储光伏电池的输出能量，用以保证传感器节点的稳定工作。在能量存储器中，聚合物锂离子电池具有最大能量密度和最小自放电率。因此，锂离子电池是最理想的能量存储器件。一般情况下，锂离子电池要求使用恒流或恒压或间歇式充电方式，而光伏电池输出的不稳定性造成聚合物锂离子电池使用寿命的缩短。在专利“锂离子电池-超级电容器混合储能光伏系统”(申请号为：200710178894)中，介绍了一种利用超级电容器和锂离子电池存储光伏能量的系统结构。该专利中，锂离子电池作为一种备用电源，在超级电容器能量用完时为负载供电。但该专利中，对锂离子电池进行充电是采用光伏电池直接充电的方式，这样不满足锂离子电池合理充电的要求，将缩短锂离子电池的使用寿命。
目前，在光电微能源系统中，尚未见到较好的为锂离子电池合理充电的方法。
发明内容
本发明的目的是为解决光伏微能源系统中的聚合物锂离子电池合理充电问题，提出一种对锂离子电池合理充电的方法和装置。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种在光伏微能源系统中对锂离子电池合理充电的方法。
为了实现在光伏微能源系统中对锂离子电池的合理充电，采用将超级电容器和锂离子电池构成混合能量存储结构，将超级电容器作为能量缓存器来暂存光伏电池的输出能量。在能量存储控制器的存储控制下，当超级电容器中的电压达到由用户预先设置好的电压阈值时，超级电容器经过能量存储开关以及恒流源，为锂离子电池进行充电。
在上述过程中，超级电容器的阈值与锂离子电池的电压差不能小于恒流源需要的电压差；超级电容器的工作电压要求大于等于光伏电池的开路电压。由此保证了锂离子电池的恒流充电，并提高系统的充电效率。
对于能量存储控制器而言，要求其能够实时监控超级电容器的输出电压，由此控制超级电容器的充电和放电过程，保证锂离子电池充电过程中电流保持恒定。
一种实现上述方法的装置，其结构组成如图1所示，包括：光伏电池、二极管、超级电容器、能量存储控制器、能量存储开关、恒流源和锂离子电池。
其中，光伏电池负责将太阳能转换为电能；
二极管起反向偏压保护作用，防止光伏电池被反向输入。
超级电容器作为能量缓存器，暂存光伏电池的输出能量，并在能量存储控制器的控制下，经能量存储开关和恒流源，为锂离子电池充电。超级电容器由多个超级电容串联组成，超级电容的数量由用户设定。这是利用了超级电容器具备长寿命、内阻小、输出功率密度大的特性，为锂离子电池间歇式充电。
能量存储控制器检测超级电容器的输出电压，并产生能量存储控制信号来控制能量存储开关的状态，从而实现对锂离子电池的间歇式充电。
能量存储开关受能量存储控制器控制。
恒流源保证在充电过程中对锂离子电池进行恒流充电。
锂离子电池用于存储光伏电池的输出能量。
其中，光伏电池经二极管与超级电容器的正极相连。超级电容器的正极(输出端)同时与能量存储控制器的输入端和能量存储开关的输入端相接。能量存储开关的输出端与恒流源的输入端相接。恒流源的输出端与锂离子电池的正极相接。光伏电池的负极同时与超级电容器、能量存储控制器的接地端、锂离子电池的负极相接。
本装置的工作过程如下：
首先，光伏电池经二极管将输出的能量暂存在超级电容器中。能量存储控制器中的采样电路读取超级电容器的输出电压，并将其转换为数字控制信号进行运算。当超级电容器的端电压达到锂离子电池中的由用户预先设置好的电压阈值时，能量存储控制器产生控制信号，使能量存储开关导通，将超级电容器中存储的能量经恒流源存储到锂离子电池中；当超级电容器的端电压未达到由用户预先设置好的电压阈值时，能量存储开关断开，此时，超级电容器暂存光伏电池的输出能量。当超级电容器的端电压再次达到由用户预先设置好的电压阈值时，重复上述充电过程，最终实现锂离子电池的合理充电。
有益效果
本发明提出的一种在光伏微能源系统中对锂离子电池合理充电的方法及装置，通过在光伏微能源系统中锂离子电池与超级电容器并联，并采用能量存储控制器控制能量存储开关，将超级电容器中暂存的能量经恒流源给锂离子电池间歇式充电，从而满足锂离子电池合理充电的要求。本发明根据光伏电池的输出特性，合理设置超级电容器的端电压，提高了光伏电池的输出效率和使用寿命。
附图说明
图1为光伏微能源系统中对锂离子电池合理充电装置的原理框图；
图2为本发明优选实施方式中的装置电路原理图；
图3为能量缓存器和锂离子电池端电压的变化图；
图4为锂离子电池端电压和充电电流的变化图。
其中，1-光伏电池、2-二极管、3-超级电容器、4-能量存储控制器、5-能量存储开关、6-恒流源和  7-锂离子电池。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明方法的优选实施方式做一进步详细说明。
本发明优选实施方式的装置如图2所示，包括：
光伏电池1、二极管2、超级电容器3、能量存储控制器4、能量存储开关5、恒流源6和锂离子电池7。
其中，光伏电池1可等效为一个理想电流源Iph和一个二极管D1的并联，Rs为其等效内阻。其输出电压经二极管2给超级电容器3充电。
超级电容器3由超级电容C1和C2串联组成。超级电容器3与光伏电池1并联，暂存光伏电池1的输出能量。
能量存储控制器4由DC-DC变换器，电阻R1、R2、R3、R4、R5，电容C3、C4、C5，复位开关rest，以及单片机组成。这里的单片机，可以是内置了AD转换器的单片机，也可以是由普通单片机和外置AD转换器来替代
能量存储开关5为一个开关三极管T1；
恒流源6由三极管T2、T3，电阻R6、R7组成。
光伏电池1的输出端与二极管2，即D2的正极相接，D2的负极与超级电容器3中C1的正极相接。超级电容器3中C1的正极与能量存储控制器4中的DC-DC变换器的输入端相接，DC-DC变换器的输出端与能量存储控制器4中的单片机的电源端Vcc相接，为单片机供电。能量存储控制器4的采样电路中的电阻R4的一端与超级电容器3中C1的正极、能量存储控制器4的DC-DC变换器的输出端相接；采样电路中电阻R4的另外一端与电阻R5相连。电阻R4、R5的一端同时与单片机内部的AD转换器的AD0端相连，电阻R5的另一端接地。电容C5的正极与单片机的AD0端相连，电容C5的负极接地。电阻R3、复位开关rest与电容C3构成复位电路，其中，电阻R3的一端与单片机的电源端Vcc相接，电阻R3的另一端与复位开关rest的一端、单片机的复位端REST以及电容C3的正极相接。复位开关rest的另一端与电容C3的负极相接，同时与单片机的地端GND相接。电阻R1、R2、电容C4组成ADC转换的参考电路，其中，电阻R1的一端与单片机的电源端Vcc相接，电阻R1的另一端与电阻R2的一端和单片机的AVcc端相接，电阻R2的另一端与电容C4的正极和单片机的AREF端相接，电容器C4的负极接地。单片机的AGND端接地。单片机的PB7端与电阻R6的一端相接，R6的另一端与能量存储开关5，即T1的基极相接。能量存储开关T1的发射极与电阻R4、DC-DC变换器的输入端、超级电容器的正极和二极管D2的负极相接。能量存储开关T1的集电极与恒流源6的输入端相接。恒流源6中电阻R6一端、三极管T2的集电极与能量存储开关T1的集电极相接。电阻R6的另一端与三极管T2的基极和三极管T3的集电极相接。三极管T3的基极与三极管T2的发射极和电阻R7的一端相接。电阻R7的另一端与三极管T3的发射极相接。同时，三极管T3的发射极锂离子电池7的正极相接。锂离子电池7的负极接地。
首先，光伏电池1经二极管2将输出的能量暂存在超级电容器3中。能量存储控制器4中的采样电路读取超级电容器3的输出电压，并将其转换为数字控制信号进行运算。当超级电容器3的端电压达到锂离子电池7中的由用户预先设置好的电压阈值时，能量存储控制器4产生控制信号，使能量存储开关5导通，将超级电容器3中存储的能量经恒流源6存储到锂离子电池7中；当超级电容器3的端电压未达到由用户预先设置好的电压阈值时，能量存储开关5断开，此时，超级电容器3暂存光伏电池1的输出能量。当超级电容器3的端电压再次达到由用户预先设置好的电压阈值时，重复上述充电过程，最终实现锂离子电池7的合理充电。
本优选实施方式的装置在工作过程中，超级电容器3的电压变化如图3(a)所示，其电压变化范围被限制在4.8V到5.8V之间；锂离子电池的电压随着间歇式充电过程的进行，其值呈阶梯状升高，如图3(b)所示。在充电过程中，充电电流近似恒定，如图4(b)所示；锂离子电池的电压随着间歇式充电过程的进行，其值呈阶梯状升高，如图4(a)所示。

Claims (5)

1、在光伏微能源系统中对锂离子电池合理充电的方法，其特征在于：
为了实现在光伏微能源系统中对锂离子电池的合理充电，采用将超级电容器和锂离子电池构成混合能量存储结构，将超级电容器作为能量缓存器来暂存光伏电池的输出能量；在能量存储控制器的存储控制下，当超级电容器中的电压达到由用户预先设置好的电压阈值时，超级电容器经过能量存储开关以及恒流源，为锂离子电池进行充电；
在上述过程中，超级电容器的阈值与锂离子电池的电压差不能小于恒流源需要的电压差；超级电容器的工作电压要求大于等于光伏电池的开路电压；
对于能量存储控制器而言，要求其能够实时监控超级电容器的输出电压，由此控制超级电容器的充电和放电过程，保证锂离子电池充电过程中电流保持恒定。
2、一种实现权利要求1的方法的在光伏微能源系统中对锂离子电池合理充电的装置，其特征在于包括：光伏电池(1)、二极管(2)、超级电容器(3)、能量存储控制器(4)、能量存储开关(5)、恒流源(6)和锂离子电池(7)；
光伏电池(1)负责将太阳能转换为电能；
二极管(2)起反向偏压保护作用，防止光伏电池被反向输入；
超级电容器(3)作为能量缓存器，暂存光伏电池(1)的输出能量，并在能量存储控制器(4)的控制下，经能量存储开关和恒流源，为锂离子电池(7)充电；
能量存储控制器(4)检测超级电容器(3)的输出电压，并产生能量存储控制信号来控制能量存储开关(5)的状态；
能量存储开关(5)受能量存储控制器(4)控制；
恒流源(6)保证在充电过程中对锂离子电池(7)进行恒流充电；
锂离子电池(7)用于存储光伏电池(1)的输出能量；
其中，光伏电池(1)经二极管(2)与超级电容器(3)的正极相连；超级电容器(3)的正极同时与能量存储控制器(4)的输入端和能量存储开关(5)的输入端相接；能量存储开关(5)的输出端与恒流源(6)的输入端相接；恒流源(6)的输出端与锂离子电池(7)的正极相接；光伏电池(1)的负极同时与超级电容器(3)的负极、能量存储控制器(5)的接地端、锂离子电池(7)的负极相接；
本装置的工作过程如下：
首先，光伏电池(1)经二极管(2)将输出的能量暂存在超级电容器(3)中；能量存储控制器(4)中的采样电路读取超级电容器(3)的输出电压，并将其转换为数字控制信号进行运算；当超级电容器(3)的端电压达到锂离子电池(7)中的由用户预先设置好的电压阈值时，能量存储控制器(4)产生控制信号，使能量存储开关(5)导通，将超级电容器(3)中存储的能量经恒流源(6)存储到锂离子电池(7)中；当超级电容器(3)的端电压未达到由用户预先设置好的电压阈值时，能量存储开关(5)断开，此时，超级电容器(3)暂存光伏电池(2)的输出能量；当超级电容器(3)的端电压再次达到由用户预先设置好的电压阈值时，重复上述充电过程，最终实现锂离子电池(7)的合理充电。
3、如权利要求2所述的在光伏微能源系统中对锂离子电池合理充电的装置，其特征在于：
超级电容器(3)由多个超级电容串联组成，超级电容的数量由用户设定。
4、如权利要求2所述的在光伏微能源系统中对锂离子电池合理充电的装置，其特征在于：
能量存储控制器(4)由DC-DC变换器，电阻R1、R2、R3、R4、R5，电容C3、C4、C5，复位开关rest，以及单片机组成；
恒流源(6)由三极管T2、T3，电阻R6、R7组成；
超级电容器(3)中C1的正极与能量存储控制器(4)中的DC-DC变换器的输入端相接，DC-DC变换器的输出端与单片机的电源端Vcc相接，电阻R4的一端与超级电容器(3)中C1的正极、能量存储控制器(4)的DC-DC变换器的输出端相接；电阻R4的另外一端与电阻R5相连；电阻R4、R5的一端同时与单片机内部的AD转换器的AD0端相连，电阻R5的另一端接地；电容C5的正极与单片机的AD0端相连，电容C5的负极接地；电阻R3、复位开关rest与电容C3构成复位电路，其中，电阻R3的一端与单片机的电源端Vcc相接，电阻R3的另一端与复位开关rest的一端、单片机的复位端REST以及电容C3的正极相接；复位开关rest的另一端与电容C3的负极相接，同时与单片机的地端GND相接；电阻R1、R2、电容C4组成ADC转换的参考电路，其中，电阻R1的一端与单片机的电源端Vcc相接，电阻R1的另一端与电阻R2的一端和单片机的AVcc端相接，电阻R2的另一端与电容C4的正极和单片机的AREF端相接，电容器C4的负极接地；单片机的AGND端接地；单片机的PB7端与恒流源(6)中电阻R6的一端相接，R6的另一端与能量存储开关T1的基极相接；能量存储开关T1的发射极与电阻R4、DC-DC变换器的输入端、超级电容器(3)的正极和二极管(2)的负极相接；能量存储开关T1的集电极与恒流源(6)的输入端相接；恒流源(6)中电阻R6一端、三极管T2的集电极与能量存储开关T1的集电极相接；电阻R6的另一端与三极管T2的基极和三极管T3的集电极相接；三极管T3的基极与三极管T2的发射极和电阻R7的一端相接；电阻R7的另一端与三极管T3的发射极相接；同时，三极管T3的发射极锂离子电池(7)的正极相接；锂离子电池(7)的负极接地。
5、如权利要求4所述的在光伏微能源系统中对锂离子电池合理充电的装置，其特征在于：
实现能量存储控制器(4)的单片机，可以是内置了AD转换器的单片机，也可以是由普通单片机和外置AD转换器来替代。
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