CN102510641A

CN102510641A - 用于太阳能led路灯的复合储能电源

Info

Publication number: CN102510641A
Application number: CN2011104427977A
Authority: CN
Inventors: 闫晓金; 李国洪; 耿炎; 陈刚; 解乃方
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2012-06-20

Abstract

本发明公开了一种用于太阳能LED路灯的复合储能电源，包括电容器或电容器组、充电可升降压变换器、能量转换控制器、蓄电池、放电可升降压变换器、能量转换控制器电源电路、电池电压检测电路及电容电压检测电路。本发明的电源增加了功率密度、延长了蓄电池的使用寿命，并且适合于各种天气情况。

Description

用于太阳能LED路灯的复合储能电源

技术领域

本发明涉及一种太阳能LED路灯用深度复合储能装置及其能量转换控制，可直接作为独立光伏系统的储能单元，属于储能技术及光伏应用领域。

背景技术

通常太阳能LED路灯由光伏电池板、充放电控制器、蓄电池和LED恒流驱动器构成，蓄电池用于将电池板产生的电能储存起来，当要点亮负载LED时，蓄电池通过放电控制器给负载供电。传统太阳能LED路灯的“动力源泉”来自各种蓄电池，目前普遍使用的有铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢蓄电池等。而这些蓄电池存在寿命短、记忆效应、放电速度慢和微弱电流不能充电的问题。

电容器是近年来出现的一种新型能源器件，也可作为太阳能LED路灯的储能器件。与常规电容器不同，其容量可达法拉级甚至数千法拉。它兼有常规电容器功率密度大、充电电池比能最高的优点，可快速充放电而且寿命长，正在发展成为一种新型、高效、实用的能量储存装置，是介于充电电池和电容器之间的一种新型能源器件。

但从现有产品看，电容器的能量密度偏低，约为铅酸蓄电池的20％，实现大容量储能较为困难。电容器与蓄电池混合使用，使蓄电池能量密度大和电容器功率密度大、循环寿命长的特点相结合，同时发挥两者的优势，将会给储能系统的性能带来很大提高。电容器与蓄电池并联使用的方式有直接并联式，即通过二极管或电感并联，由于两者的充放电特性不一致，这样就不能充分发挥二者的优势，使并联使用的效果最大化，而且具有不可控性；另一种并联使用的方式是通过DC/DC变换器连接二者，这样可以控制蓄电池与电容器之间的能量变换，而且能按照一定的规律控制，充分发挥二者的优势，增大储能系统的功率，降低蓄电池内部损耗，延长放电时间，增加使用寿命，还可以缩小储能装置的体积以改善经济性能。

中国专利CN201887525U公开了一种用于光伏发电系统的混合储能系统，其技术方案是将光伏电池通过斩波电路与蓄电池相连，蓄电池再通过第一升压电路与超级电容相连，超级电容再通过第二升压电路连接至负载，此种方法优化了蓄电池放电时的性能，但不能实现短时大电流能量的高效收集，避免蓄电池受到大电流的冲击和由于难以短时接受高的充电电流而出现能量收集不完全的问题；其次，不能实现小电流的高效收集；再次，不可避免蓄电池的小循环充电，对蓄电池的使用寿命存在较大影响。

在中国专利CN101789620A公开的基于蓄电池和超级电容的有源并联式混合储能系统中，也是利用超级电容与蓄电池组成混合储能，蓄电池与超级电容之间采用双向DC/DC变换器连接，将超级电容连接在高压侧，蓄电池连接在低压侧，超级电容向蓄电池充电时，工作于降压模式，但此时超级电容的端电压会有较大下降，当其端电压小于蓄电池电压，DC/DC变换器将不工作，造成蓄电池处于间断性充电状态；另外，此种解决方案应用在太阳能LED路灯上，若想蓄电池处于不间断充电状态，只能增加太阳能电池板的容量，增加了系统的成本。

基于上述分析蓄电池和超级电容存在的优缺点，结合相关专利提出的蓄电池和超级电容混合储能装置应用到太阳能LED路灯系统中会存在的缺，本发明提出的用于太阳能LED路灯的复合储能电源及其能量转换控制方法将有广阔的应用前景。

发明内容

为了克服当前太阳能LED路灯中蓄电池使用寿命短、功率密度低、维护量大等缺点，避免蓄电池过早的失效或容量损失，降低系统维护成本，本发明运用超级电容几乎没有充放电次数限制、无记忆效应、免维护、温度范围宽、极高的充电效率、快速充电等优势与蓄电池组合，构成深度复合的储能装置，通过合理控制，使超级电容工作在循环充放电状态，进而减少蓄电池的放电深度，改善蓄电池的使用寿命，增大储能系统的功率密度。尤其，解决太阳能LED路灯系统中蓄电池经常处于小循环充电状态和短时大电流的冲击而造成的使用寿命的下降，以及阴雨天光伏电池在输出较低功率的情况下，不能有效收集能量的缺陷。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：用于太阳能LED路灯的复合储能电源，包括电容器组、充电可升降压变换器、能量转换控制器、蓄电池、放电可升降压变换器、能量转换控制器电源电路、电池电压检测电路及电容电压检测电路。能量转换控制器通过电压检测电路，时刻检测超级电容与蓄电池的端电压，控制充放电可升降压变换器工作与否。有光照时，光伏电池首先给电容器充电，当检测到超级电容端电压达到上限阈值时，控制充电可升降压变换器开启为蓄电池充电，同时检测蓄电池电压，当达到上限阈值，停止充电；点亮LED路灯时，首先超级电容为LED供电，当超级电容端电压达到下限阈值时，控制器动作，蓄电池通过放电可升降压变换器为负载供电，同时为电容器补充能量。

在本发明的一个优选实施方式中，所述的能量转换控制器通过能量转换控制器电源电路与蓄电池连接。

在本发明的一个优选实施方式中，所述的电容器组通过电容电压检测电路与能量转换控制器相连。

在本发明的一个优选实施方式中，所述的蓄电池通过电池电压检测电路与能量转换控制器相连。

在本发明的一个优选实施方式中，所述的充电可升降压变换器和放电可升降压变换器分别与能量转换控制器相连，能量转换控制器通过电压检测电路分别连接至蓄电池和电容器组，实时监测二者的端电压。

在本发明的一个优选实施方式中，所述的电容器组选自双电层电容器和/或电化学电容器，通过串联连接形式组成电容器组，具体串联个数视实际应用中光伏电池的容量而定。

在本发明的一个优选实施方式中，所述的电容器单体加均压电路。

在本发明的一个优选实施方式中，其特征在于充电可升降压变换器和/或放电可升降压变换器具有图2所示的电路，电容器组与蓄电池之间连接的充放电功率变换器由非隔离的DC/DC变换器组成，电容器组向蓄电池充电和蓄电池向电容器组放电时，均会出现输入电压低于输出电压的情况，因此设计成可升降压的DC/DC变换器。其主要包括四个全控型功率开关管，一个电感器，输入输出端滤波电容，以及两个二极管。两个全控型功率开关管和电感器、输入输出端滤波电容及一个二极管构成降压型变换器实现降压功能；另外两个全控型功率开关管和电感器、输入输出端滤波电容及另一个二极管构成升压型变换器实现升压功能。

本发明另一方面还涉及一种太阳能LED路灯，其特征在于上述复合储能电源，其中LED灯与电容器组相连。

本发明所述的太阳能LED路灯，其含有光伏电池，所述的光伏电池与电容器组相连。

本发明另一方面还涉及上述太阳能LED路灯的充放电控制方法，充放电由能量转换控制器控制，能量转换控制器通过电压检测电路分别连接至蓄电池和电容器组，检测蓄电池电压值V_B，电容组电压值V_C；当能量转换控制器检测到电容器组端电压达到上限阈值时，且电容器组端电压变化率为正，即ΔV_C＞0，且此时蓄电池端电压小于上限阈值15.5V时，控制充电可升降压变换器启动；将电容器组中的能量通过充电可升降压变换器转存到蓄电池中，此时电池板会继续转换太阳能，将太阳能输送到超级电容中；当电容电压从上限阀值下降到设定值时，则关闭充电可升降压变换器；当检测到电容器组端电压达到下限阈值，且电容器组端电压变化率为负，即ΔV_C＜0，蓄电池端电压大于下限阈值时，控制器启动放电可升降压变换器，蓄电池释能至电容器组中，供LED路灯发光。

在本发明所述的控制方法中的部分优选实施方式中，为保护蓄电池避免过充或过放电，检测蓄电池端电压大于上限阈值时，关闭充电可升降压变换器；在另一个优选实施方式中，当蓄电池端电压小于下限阈值时，关闭放电可升降压变换器。

在本发明的所述的控制方法的一些实施方式中，为保护蓄电池，控制器避免充电可升降压变换器和放电可升降压变换器同时打开。

因为此MCU能量转换控制器电源来自蓄电池，一旦工作，则不会停止，所以为使其不发生误判或死机，因此在本发明的所述的控制方法的一些实施方式中，一段时间启动看门狗复位控制器。

在本发明的一个优选实施方式中，

本发明具有至少一个或两个或三个或全部的以下所述的益处：

(1)相对于太阳能LED路灯使用单一储能或浅度复合储能模式，本复合储能电源，可充分发挥超级电容的功率密度大、可循环充放电、充电速度快、寿命长等优势，优化了蓄电池充放电过程、增加了功率密度。

(2)此复合储能电源在太阳能LED路灯中既可实现短时大电流能量的高效收集，又能在阴雨天收集光伏电池产生的小能量，更能适合各种天气情况。

(3)能量转换控制方法符合蓄电池的充放电要求，有效防止蓄电池的过充与过放，减少甚至避免蓄电池的长时小循环充放电，延长了蓄电池的使用寿命，降低系统成本。

(4)复合储能电源，可避免蓄电池高倍率充放电，延长其使用寿命。

附图说明

图1是用于太阳能LED路灯的复合储能电源的结构框图。

图2是充放电可升降压变换器的原理框图。

图3是复合储能电源中能量转换控制流程图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图具体说明本发明的实施方式。

如图1所示，用于太阳能LED路灯的复合储能电源包括电容器组2、充电可升降压变换器3、能量转换控制器4、蓄电池5、放电可升降压变换器6、MCU电源电路10、电池电压检测电路8及电容电压检测电路9。

光伏电池1连接至电容器组2；电容器组2通过充电可升降压变换器3连接蓄电池5；同时，蓄电池5通过放电可升降压变换器6连接至电容器组2；能量转换控制器4通过电池电压检测电路8连接至蓄电池5，通过电容电压检测电路9连接电容器组2，实时监测二者的端电压；能量转换控制器4的电源部分通过MCU电源电路10连接至蓄电池5。复合储能电源有两个电极，一个正电极和一个负电极。有光照时，光伏电池1给复合储能电源充电，光伏电池1输出电压降低到一定程度(如何判断，有检测电路吗)，开启LED路灯7，此时复合储能电源向负载LED路灯7供电。

复合储能电源中能量转换控制器4通过电池电压检测电路8和电容电压检测电路9时刻检测采集蓄电池5与电容器组2的端电压，经过内部程序计算处理，分别控制充电可升降压变换器3和放电可升降压变换器6，能量转换控制器4的工作电源取自蓄电池5。复合储能电源中电容器组2与蓄电池5之间的能量转换关系主要有以下几种模式：

(1)晴朗天气，光照较强时，光伏电池1输出功率较强，LED路灯7处于关闭状态，此时能量首先储存在电容器组2中，当电容器组2的电压上升到上限阈值，能量转换控制器4控制充电可升降压变换器3工作，将额外的能量储存到蓄电池5中，放电可升降压变换器6处于关断状态，不给负载LED路灯7供电。

(2)多云或者阴雨天气时，光伏电池1输出功率较弱或者断续，此时能量主要储存在电容器组2中，当电容器组2充满，能量转换控制器4控制充电可升降压变换器3工作，将额外的能量储存到蓄电池5中，放电可升降压变换器6处于关断。此时较弱的能量也可以由复合储能电源中电容器组2收集，有效提高了能量的利用率，另外，也可减少蓄电池5的充电小循环，提高使用寿命。

(3)暴雨等恶劣天气时，室外光照很暗，光伏电池1基本无输出，能量转换控制器4控制充电可升降压变换器3和放电可升降压变换器6关断，电容器组2向负载短时供电，满足短时的照明需求。

(4)夜间需要照明时，此时光伏电池1没有输出，电容器组2向负载供电，当电容器组2端电压下降到下限阈值，能量转换控制器4控制放电可升降压变换器6开启，蓄电池5通过放电可升降压变换器6向负载供电，同时给电容器组2补充能量，充电可升降压变换器3关断。此阶段蓄电池5以基本恒流放电，放电可升降压变换器6工作于恒压输出状态，优化了蓄电池5的放电特性。

如图2所示，充电可升降压变换器3由四个全控型功率开关管(11-14)，一个电感器21，输入端滤波电容31，输出端滤波电容32以及两个肖特基二极管16、17组成。全控型功率开关管11和12、电感器21、输入输出端滤波电容31、32，及肖特基二极管17构成降压型变换器，通过控制开关管11、12导通和关断实现降压功能；全控型功率开关管13、14，和电感器21、输入输出端滤波电容31、32，及另一个肖特基二极管16构成升压型变换器，通过控制开关管13、14导通和关断，实现升压功能。端子100接电容器组2正电极，端子200接蓄电池5正极。

放电可升降压变换器6的构成与充电可升降压变换器3完全一致，只是工作模式不一样。另外，不同的是端子100改成接蓄电池5正极，端子200接电容器组2正电极。

如图3所示，在复合储能电源中能量转换的几种模式下，能量转换控制的具体方法为：能量转换控制器通过电压检测电路分别连接至蓄电池和电容器组，检测到电容器组端电压达到上限阈值14V，且电容器组端电压变化率为正，即ΔV_C＞0，蓄电池端电压小于上限阈值15.5V，控制器发出指令，控制充电可升降压变换器工作，将电容器组中的能量转存到蓄电池中；当检测到电容器组端电压达到下限阈值11.6V，且电容器组端电压变化率为负，即ΔV_C＜0，蓄电池端电压大于下限阈值11V，控制器发出指令，控制放电可升降压变换器工作，蓄电池释能至电容器组中；蓄电池端电压大于上限阈值15.5V时，停止充电可升降压变换器工作；蓄电池端电压小于下限阈值11V，停止放电可升降压变换器工作。

复合储能电源中电容器组2与蓄电池5之间的能量转换关系主要有以下几种模式：

表1某晴天各时间段工作状况

表2某夜晚各时间段工作状况

当理解的是，上述具体实施方式仅仅是举例性说明，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.用于太阳能LED路灯的复合储能电源，包括电容器或电容器组、充电可升降压变换器、能量转换控制器、蓄电池、放电可升降压变换器、能量转换控制器电源电路、电池电压检测电路以及电容电压检测电路。

2.根据权利要求1所述的用于太阳能LED路灯的复合储能电源，所述的能量转换控制器通过能量转换控制器电源电路与蓄电池连接。

3.根据权利要求1所述的用于太阳能LED路灯的复合储能电源，所述的电容器组通过电容电压检测电路与能量转换控制器相连。

4.根据权利要求1所述的用于太阳能LED路灯的复合储能电源，所述的蓄电池通过电池电压检测电路与能量转换控制器相连。

5.根据权利要求1所述的用于太阳能LED路灯的复合储能电源，所述的充电可升降压变换器和放电可升降压变换器分别与能量转换控制器相连。

6.根据权利要求1所述的用于太阳能LED路灯的复合储能电源，所述的电容器或电容器组选自双电层电容器和/或电化学电容器，通过串联连接形式组成电容器组。

7.根据权利要求6所述的用于太阳能LED路灯的复合储能电源，所述的电容器单体加均压电路。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的用于太阳能LED路灯的复合储能电源，其特征在于充电可升降压变换器和/或放电可升降压变换器具有图2所示的电路。

9.一种太阳能LED路灯，其特征在于含有权利要求1至7任意一项所述的复合储能电源，其中LED灯与电容器组相连。

10.根据权利要求9所述的太阳能LED路灯，其含有光伏电池，所述的光伏电池与电容器组相连。