CN103595115B - 一种有混合储能的直流供电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种有混合储能的直流供电系统，应用于电源供电领域，其包括直流电源、蓄电池组、负载设备、超级电容器组、开关电路、控制装置，其中，所述超级电容器组和负载设备与直流电源输出端并联连接，同时，所述超级电容器组通过所述开关电路与所述蓄电池组并联连接；所述控制装置分别电性连接于所述直流电源、超级电容器组和蓄电池组的端电压处，并电性连接于所述开关电路；以及所述开关电路包括一继电器和一双向晶闸管，且二者并联连接，其并联节点两端分别对应电性连接于所述超级电容器组和蓄电池组；本发明很好的解决了现有技术中蓄电池长期浮充与应对脉动负载时防止蓄电池大电流放电的等影响其寿命的问题。
Description
技术领域
本发明涉及电源领域，特别是涉及一种直流供电技术。
背景技术
直流供电系统主要包括发电厂和变电站的控制、保护、信号和通信装置的操作电源以及通信用高频开关电源，前者直接关系着电力系统的安全可靠运行，后者是通信与信息系统供电不间断的保障。为保证直流供电系统的可靠性，目前通常以铅酸蓄电池作为后备电源，并联在直流供电系统电源装置的输出端，它的运行状况好坏将直接影响到整个系统能否正常、安全、可靠的运行。
然而，将铅酸蓄电池作为后备储能装置，在提高了供电系统的可靠性的同时，也带来了一定的隐患。首先，由于负载设备在工作时的功率需求大多具有脉动性质，即瞬时功率高而平均功率低。为了保障直流供电系统的正常稳定运行，在实际的设计中往往需要配置较大容量的蓄电池组，以应对脉动负载的功率需求，这样会提高系统的成本；其次，蓄电池的性能对环境温度要求很高，低温情况下可用容量降低，高温情况下易失水，影响寿命；再次，长期处于并联浮充状态的蓄电池会发生充放电小循环，导致蓄电池内阻增大容量下降将使功率输出能力变差，使得蓄电池过早失效，间接增加了系统成本；除此之外，铅酸蓄电池需要定期进行维护，工作量较大。
虽然，现有的一些相关的文献和技术对以上问题都提出了一些观点和做了各种改进，但在直流供电系统中，避免蓄电池长期浮充与应对脉动负载时防止蓄电池大电流放电这两个问题尚未得到妥善的解决。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种有混合储能的直流供电系统，用于解决现有技术中蓄电池长期浮充与应对脉动负载时防止蓄电池大电流放电的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种有混合储能的直流供电系统，包括直流电源、蓄电池组和负载设备，其特征在于，所述直流供电系统还包括超级电容器组、开关电路、控制装置，其中：所述超级电容器组和负载设备与直流电源输出端并联连接，同时，所述超级电容器组通过所述开关电路与所述蓄电池组并联连接；所述控制装置分别电性连接于所述直流电源、超级电容器组和蓄电池组的端电压处，并电性连接于所述开关电路，其中，所述控制装置包括检测单元和控制单元，所述检测单元通过分压电阻分别电性连接于所述超级电容器组、蓄电池组、及开关电路，所述控制单元电性连接于所述检测单元和开关电路；所述开关电路包括一继电器和一双向晶闸管，所述继电器和双向晶闸管并联连接，其并联节点两端分别电性连接于所述超级电容器组和蓄电池组。
优选地，所述控制单元通过一继电器驱动电路和双向晶闸管驱动电路与所述继电器和双向晶闸管对应电性连接；
具体地，所述双向晶闸管驱动电路包括光电耦合器U1、三极管Q1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、及12V的直流源，所述电阻R1一端电性连接于所述控制单元，另一端电性连接所述光电耦合器U1的第一端；所述电阻R2一端电性连接所述控制单元，另一端电性连接所述三极管Q1的基极，三极管Q1的集电极电性连接所述光电耦合器U1的第二端，发射极接地；所述电阻R3一端电性连接12V的直流源，另一端接所述光电耦合器U1的第四端；所述光电耦合器U1的第三端电性连接于所述双向晶闸管的触发极；另外，所述继电器驱动电路包括光电耦合器U2、三极管Q2、三极管Q3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、及12V的直流源；所述电阻R4一端电性连接所述控制单元，另一端电性连接所述光电耦合器U2的第一端；所述电阻R5一端电性连接所述控制单元，另一端电性连接所述三极管Q2的基极，所述三极管Q2的集电极电性连接所述光电耦合器U2的第二端，发射极接地；所述电阻R6一端电性连接12V的直流源，另一端电性连接所述三极管Q3的集电极，且电阻R6两端与所述继电器线圈并联，所述三极管Q3的发射极和基极分别电性连接于所述光电耦合器U2的第三端和第四端。
优选地，所述控制装置采用单片机。
以上所述技术方案，通过超级电容器代替蓄电池进行浮充，由于超级电容器具有循环寿命长的特点，故与现有技术中的蓄电池与直流电源并联浮充相比较，减少了蓄电池的循环次数，可以延缓蓄电池的老化，也避免了由于长期浮充使用引起的蓄电池内阻增大容量下降将使功率输出能力变差的问题；
此外，由于直流供电系统的负载设备功率需求存在随机性，而超级电容器具有功率密度大的优势，采用超级电容器与直流电源并联浮充，可以避免为保证冲击功率需求而配置远大于经常负荷容量的蓄电池，减小了储能装置的体积和系统的成本，提高了直流供电系统的经济性；
也即，通过本发明的一种有混合储能的直流供电系统很好的解决了现有技术中蓄电池长期浮充与应对脉动负载时防止蓄电池大电流放电的问题。
附图说明
图1显示为本发明一种有混合储能的直流供电系统的原理示意图。
图2显示为本发明一种有混合储能的直流供电系统的控制模块的具体结构示意图。
图3显示为本发明一种有混合储能的直流供电系统的双向晶闸管及其驱动电路的具体结构图。
图4显示为本发明一种有混合储能的直流供电系统的继电器及其驱动电路的具体结构图。
图5显示为本发明一种有混合储能的直流供电系统的具体结构示意图。
图6显示为本发明一种有混合储能的直流供电系统的工作过程控制原理示意图。
附图标号说明
100 直流电源
200 负载设备
300 超级电容器组
400 开关电路
410 双向晶闸管
411 双向晶闸管驱动电路
430 继电器
431 继电器驱动电路
500 蓄电池组
600 控制装置
610 检测单元
630 控制单元
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
请参阅图1，为了解决现有技术中蓄电池长期浮充与应对脉动负载时防止蓄电池大电流放电的问题，示出了本发明一种有混合储能的直流供电系统的原理示意图，其包括直流电源100、负载设备200、超级电容器组300、开关电路400、蓄电池组500、及控制装置600，所述超级电容器组300和负载设备200与直流电源100输出端并联连接，同时，所述超级电容器组300通过所述开关电路400与所述蓄电池组500并联连接；所述控制装置600分别电性连接于所述直流电源100、超级电容器组300和蓄电池组500的端电压处，并电性连接于所述开关电路400；以及所述开关电路400包括一继电器430和一双向晶闸管410，且二者并联连接，其并联节点两端分别对应电性连接于所述超级电容器组300和蓄电池组500。同时，所述控制装置600通过一继电器驱动电路431和双向晶闸管驱动电路411分别与所述继电器430和双向晶闸管410对应电性连接，其中，所述控制装置600包括检测单元610和控制单元630，所述检测单元610通过分压电阻分别电性连接于所述超级电容器组300、蓄电池组500、及开关电路400；所述控制单元630连接于所述检测单元610，且通过所述驱动电路与所述开关电路400电性连接。
具体地，所述超级电容器组300由多个串联支路进行并联构成，所述串联支路包括多个单体超级电容器，所述单体超级电容器串联连接，所述电容器采用双电层电容器。由于超级电容器组300具有很长的循环寿命，并能够提供远大于铅酸蓄电池组500的输出功率，所以由它代替蓄电池组500与直流电源100并联浮充，这样不仅能够减少铅酸蓄电池的使用次数与充放电小循环，还延长铅酸蓄电池组500的使用寿命，同时也避免由于长期浮充使用引起的铅酸蓄电池组500内阻增大容量下降将使功率输出能力变差的问题；另外，所述直流供电系统能够提供较大的输出功率，防止铅酸蓄电池组500因瞬时大功率输出而使其极板弯曲变形，发生不可逆转的损害，以及产生过大的电压跌落而导致蓄电池组500的不正常关断，从而避免了为保证瞬时大功率需求而配置远大于经常负荷容量的铅酸蓄电池组500所带来的系统成本增加。
此外，需要注意的是具体的超级电容器并联组合方法应视系统的实际需求而定，考虑到超级电容器组300的使用寿命，通常单体电压不得超过最高工作电压。
为了进一步说明本发明一种有混合储能的直流供电系统，下面将对系统的每个模块或者电路作具体地详细说明，以此来使本领域的技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案。
请参考图2，其示出了本发明一种有混合储能的直流供电系统的控制装置600的具体结构示意图，这里所述控制装置600具体为单片机，其中，所述检测单元610具体为A/D转换模块，所述控制单元630为单片机芯片。其工作过程主要为：所述直流电源100、超级电容器组与蓄电池组500经过电阻分压以后，将所得电压信号传输到RA0、RA1、RA2这三个端口上面，经过单片机内部的A/D转换器转换之后，按照图2所示的控制策略流程图进行比较判断，最终由端口D输出高低电平送至开关驱动电路。整个单片机由5V直流源供电工作，A/D转换参考电压也设定为单片机工作电压，所以单片机输出的高电平为5V，低电平为0V。
需要说明的是，这里所采用的单片机芯片本身具有A/D转换电路模块，如果所采用的单片机芯片不具有A/D转换电路模块，那么也可以通过在单片机芯片外设置一A/D转换电路模块，使其与所述单片机芯片相连接，以此来达到对采样电压进行A/D转换的目的。
请参考图3，其示出了本发明一种有混合储能的直流供电系统的双向晶闸管410及其驱动电路的具体结构图，从图中可以看出，所述双向晶闸管驱动电路411包括光电耦合器、三极管Q1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、及12V的直流源，电阻R1一端电性连接于所述控制单元630，另一端电性连接光电耦合器的1脚；电阻R2一端电性连接所述控制单元630，另一端电性连接三极管Q1的基极，三极管Q1的集电极电性连接光电耦合器的2脚，发射极接地；电阻R3一端电性连接12V的直流源，另一端接光电耦合器的4脚；所述光电耦合器的3脚电性连接双向晶闸管410D1的触发极。所述双向晶闸管410及其驱动电路的工作原理为：当单片机输出高电平时，三极管Q1导通，则光电耦合器U1中的发光二极管导通发光，光线照射在受光器上，光电耦合器U1中的晶体管导通，产生光电流从输出端输出，从而实现了“电-光-电”的转换，继而光电耦合器U1中的晶体管的射极输出电信号驱动所述双向晶闸管410；当单片机输出低电平时，三极管Q1无法导通，发光二极管不能发出光信号，则双向晶闸管410D1无法导通；其中，所述双向晶闸管410A、B两端与继电器430并联。
请参考图4，示出了所述直流供电系统的继电器430及其驱动电路的具体结构图，所述继电器驱动电路431包括继电器430、光电耦合器、三极管Q2、三极管Q3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、及12V的直流源；电阻R4一端电性连接所述控制单元630，另一端电性连接光电耦合器的1脚；电阻R5一端电性连接所述控制单元630，另一端电性连接三极管Q2的基极，所述三极管Q2的集电极电性连接所述光电耦合器的2脚，其发射极接地；电阻R6一端电性连接12V的直流源，另一端电性连接所述三极管Q3的集电极，且电阻R6两端与继电器430线圈并联，所述三极管Q3的发射极和基极分别电性连接于光电耦合器的3脚和4脚；所述继电器430的A*、B*脚分别与双向晶闸管410的A、B两端对应连接。其中，所述继电器430及其驱动电路的工作原理为：当单片机输出高电平时，其与双向晶闸管驱动电路411一致，光电耦合器U2中的晶体管导通，产生光电流从输出端输出，继而光电耦合器U2中的晶体管射极输出电信号使得晶体管Q3导通，此时绕制在继电器430磁芯上的线圈通过电流，产生磁力，继电器430的COM端子与NO端连接(即A*与B*脚相连接)，从而实现与双向晶闸管410的并联。
具体地，当开关开通信号来临时(即单片机输出高电平时)，由于双向晶闸管410开通速度大于继电器430，故双向晶闸管410首先导通，则此时继电器430两端压降仅为一个晶闸管的管压降，在此条件下继电器430导通，超级电容器组300与蓄电池组500以及直流电源100的能量在继电器430上面发生交换。
请参考图5，示出了所述直流供电系统的具体结构示意图，如图，所述超级电容器组300、负载设备200与直流电源100并联连接，所述蓄电池组500通过一个开关电路400与所述超级电容器组300并联连接；其中，所述开关电路400包括一个继电器430和相应的继电器驱动电路431、一个双向晶闸管410和相应的双向晶闸管驱动电路411，所述继电器430和双向晶闸管410并联连接，所述继电器驱动电路431和双向晶闸管驱动电路411分别与所述继电器430和双向晶闸管410对应连接，同时还与所述单片机控制装置600相连接；另外，所述单片机通过分压电阻分别与所述超级电容器组300、负载设备200、及直流电源100的端电压相连接。
进一步地，如图6所示，示出了所述直流供电系统的工作过程控制方法示意图，其具体工作过程为：首先，系统启动后检测直流电源100、超级电容器组300与蓄电池组500的端电压，由单片机实现三者端电压的A/D转化并进行检测比较；首先检测直流电源100电压U1，看其输出是否正常，若输出正常再检测蓄电池组500电压UB是否大于其工作电压(也即直流电源100的电压U1)以决定是否对其进行补充充电；若直流电源100输出异常，则系统由超级电容300和蓄电池组500组成的混合储能系统供电：具体地，双向开关的状态采用滞环控制，若超级电容器组300电压UC大于滞环上限UH，双向开关断开(即RD0输出低电平)，系统保持由超级电容器组300单独供电的状态；若超级电容器组300电压UC小于滞环上限UH且大于滞环下限UL，则双向开关闭合(即RD0输出低电平)，超级电容器组300与蓄电池组500一起对负载设备200供电；若超级电容器组300电压UC小于滞环下限UL，则双向开关断开；另外，若超级电容器组300与蓄电池组500一起对负载设备200进行供电至蓄电池组500的截止电压，双向开关断开(图中未予标示)。
通过以上技术方案，采用超级电容器组300代替蓄电池进组500行浮充，减少了蓄电池组500的循环次数，可以延缓蓄电池组500的老化，也避免了由于长期浮充使用引起的蓄电池组500内阻增大容量下降将使功率输出能力变差的问题；同时，采用超级电容器组300与直流电源100并联浮充，可以避免为保证冲击功率需求而配置远大于经常负荷容量的蓄电池组500，减小了储能装置的体积和系统的成本，提高了直流供电系统的经济性；从而通过本发明的一种有混合储能的直流供电系统很好的解决了现有技术中蓄电池组500长期浮充与应对脉动负载时防止蓄电池组500大电流放电的问题，因此本发明具有广泛地市场应用前景。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (5)
1.一种有混合储能的直流供电系统，包括直流电源、蓄电池组和负载设备，其特征在于，所述直流供电系统还包括超级电容器组、开关电路、控制装置，其中：
所述超级电容器组和负载设备与直流电源输出端并联连接，同时，所述超级电容器组通过所述开关电路与所述蓄电池组并联连接；
所述控制装置分别电性连接于所述直流电源、超级电容器组和蓄电池组的端电压处，并电性连接于所述开关电路，其中，所述控制装置包括检测单元和控制单元，所述检测单元通过分压电阻分别电性连接于所述超级电容器组、蓄电池组、及开关电路，所述控制单元电性连接于所述检测单元和开关电路；
所述开关电路包括一继电器和一双向晶闸管，所述继电器和双向晶闸管并联连接，其并联节点两端分别电性连接于所述超级电容器组和蓄电池组。
2.根据权利要求1所述的直流供电系统，其特征在于：所述控制单元通过一继电器驱动电路和双向晶闸管驱动电路与所述继电器和双向晶闸管对应电性连接。
3.根据权利要求2所述的直流供电系统，其特征在于：所述双向晶闸管驱动电路包括光电耦合器U1、三极管Q1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、及12V的直流源，所述电阻R1一端电性连接于所述控制单元，另一端电性连接所述光电耦合器U1的第一端；所述电阻R2一端电性连接所述控制单元，另一端电性连接所述三极管Q1的基极，三极管Q1的集电极电性连接所述光电耦合器U1的第二端，发射极接地；所述电阻R3一端电性连接12V的直流源，另一端接所述光电耦合器U1的第四端；所述光电耦合器U1的第三端电性连接于所述双向晶闸管的触发极。
4.根据权利要求2所述的直流供电系统，其特征在于：所述继电器驱动电路包括光电耦合器U2、三极管Q2、三极管Q3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、及12V的直流源；所述电阻R4一端电性连接所述控制单元，另一端电性连接所述光电耦合器U2的第一端；所述电阻R5一端电性连接所述控制单元，另一端电性连接所述三极管Q2的基极，所述三极管Q2的集电极电性连接所述光电耦合器U2的第二端，发射极接地；所述电阻R6一端电性连接12V的直流源，另一端电性连接所述三极管Q3的集电极，且电阻R6两端与所述继电器线圈并联，所述三极管Q3的发射极和基极分别电性连接于所述光电耦合器U2的第三端和第四端。
5.根据权利要求1至4任一项所述的直流供电系统，其特征在于：所述控制装置为单片机。
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2013
- 2013-11-15 CN CN201310572007.6A patent/CN103595115B/zh active Active
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