CN105914861B - 复合储能电源及利用其实现稳定直流母线电压的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种复合储能电源及利用其实现稳定直流母线电压的方法，属于储能电源技术领域。本发明将电池与超级电容均连接DC/DC，再将DC/DC并联这种复合电源结构有利于实现锂离子电池电压、超级电容电压与直流母线电压的隔离，储能单元配置灵活，而且能量管理方便，能有效避免电池受大电流冲击，提高复合电源性能。该稳压控制方法，能够有效发挥超级电容功率密度大，循环寿命长的优势，延长复合电源储能系统的寿命，同时，该稳压控制方法能够有效的稳定直流母线电压。

Description

复合储能电源及利用其实现稳定直流母线电压的方法
技术领域
本发明涉及储能电源技术领域，具体涉及一种复合储能电源及利用其实现稳定直流母线电压的方法。
背景技术
当前电池技术尤其是锂离子电池技术飞速发展，锂离子电池在储能领域得到了广泛运用，但是，锂电池难以满足瞬时大功率需求，频繁的大电流充放造成锂电池寿命大幅缩短，因此在需要大功率场景中，比如混合动力车辆，电动汽车等，复合电源模式被提出。复合电源指超级电容并联电池的形式。超级电容循环寿命长，而且功率密度大，而电池能量密度大。二者的结合能有效弥补各自的缺陷，从而提高储能系统的性能。
一般来讲，超级电容不能与电池直接并联，因为二者的电压特性差别巨大，很难匹配，而且造成超级电容与电池能量管理的不便。超级电容与电池并联一般都需要连接DC/DC，连接方式分为两种，一种形式是超级电容前连接DC/DC再与电池并联，运用广泛，但电池与直流母线直接相连，免不了受到瞬时放电的冲击；一种形式是电池前连接DC/DC，再与超级电容相连，但这样可能造成直流母线电压波动较大；这两种结构不利于控制直流母线电压的稳定，而且不能够方便的实现超级电容和电池的能量管理。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何设计一种有利于控制直流母线电压的稳定，而且能够方便的实现超级电容和电池的能量管理的复合储能电源及其稳定控制的方法。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种复合储能电源，包括直流母线1、锂电池组2、超级电容4、第一双向DC/DC 3、第二双向DC/DC 5和控制系统6；
所述锂电池组2通过第一双向DC/DC 3与直流母线1相连，超级电容4通过第二双向DC/DC 5与直流母线1相连；
直流母线1，包括总正、总负两条导线；直流母线1上布置有电压和电流传感器、由控制系统6采集直流母线1的电压、电流信号，以便实现控制系统6的监测及控制功能；
第一双向DC/DC 3通过第一正极继电器与直流母线总正导线连接，通过第一负极继电器与直流母线总负导线连接；
第二双向DC/DC 5通过第二正极继电器与直流母线总正导线连接，通过第二负极继电器与直流母线总负导线连接；
控制系统6用于实时与电池管理系统、超级电容管理系统、第一双向DC/DC 3和第二双向DC/DC 5通讯，控制第一、第二正负继电器的开闭，并且控制第一双向DC/DC 3和第二双向DC/DC 5的功率，使整个复合储能电源协调工作。
本发明还提供了一种利用复合储能电源实现稳定直流母线电压的方法，当电压传感器检测到的直流母线电压处于870V～930V之间时，锂电池组不参与工作，通过控制超级电容充放电电流实现母线电压的稳定以及复合储能电源的响应；
当母线电压高于930V或低于870V时，锂电池组开始工作；
当母线电压高于980V及低于800V时，控制系统分别发送直流母线电压过高、过低故障，并且与外部系统通讯请求降低充放电功率，如果外部系统没有响应，直流母线电压持续过高、过低，则控制系统强行断开超级电容、锂电池组分别与直流母线的连接。
优选地，首先进行步骤101，进行母线电压检测，检测的结果作为控制系统决策的依据；
当检测到母线电压大于980V时，进入步骤102，进行母线电压过高报警，此时控制系统向外部通讯，请求降低总线充电功率，预设一段时间没有响应，则控制系统强行断开超级电容及锂电池组；
当检测到母线电压处于950-980V之间时，进入步骤103，锂电池组以2倍放电倍率C充电，超级电容以最大功率充电；
当检测到母线电压处于940-950V之间时，进入步骤104，步骤104进一步判断，若步骤103中锂电池组采用2C倍率充电，则进入步骤106，锂电池组采用2C倍率充电，超级电容以最大功率充电；否则进入步骤105，锂电池组以1C倍率充电，超级电容以最大功率充电；
当检测到母线电压处于930-940V之间时，进入步骤107，锂电池组以1C倍率充电，超级电容以最大功率充电；
当检测到母线电压处于920-930V之间时，进入步骤108，锂电池组不工作，超级电容以最大功率充电，第二双向DC/DC工作在恒流模式；
当检测到母线电压处于910-920V之间时，进入步骤109，锂电池组不工作，第二双向DC/DC工作在恒压模式，超级电容充电；
当检测到母线电压处于890-910V之间时，进入步骤110，锂电池组不工作，第二双向DC/DC工作在恒压模式，超级电容进入功率跟随模式，根据后端负载功率进行充电；
当检测到母线电压处于870-890V之间时，进入步骤111，锂电池组不工作，第二双向DC/DC工作在恒流模式，超级电容以最大功率放电；
当检测到母线电压处于850-870V之间时，进入步骤112，锂电池组以2C倍率放电，第二双向DC/DC工作在恒流模式，超级电容放以最大功率放电；
当检测到母线电压处于800-850V之间时，进入步骤113，锂电池组以4C倍率放电，第二双向DC/DC工作在恒流模式，超级电容放以最大功率放电；
当检测到母线电压小于800V时，进入步骤114，控制系统6发送总线电压过低故障，请求降低外部负载功率，若预设一定时间内母线电压仍然低于800V，控制系统强行断开超级电容及锂电池组与直流母线的连接。
(三)有益效果
本发明将电池与超级电容均连接DC/DC，再将DC/DC并联这种复合电源结构有利于实现锂离子电池电压、超级电容电压与直流母线电压的隔离，储能单元配置灵活，而且能量管理方便，能有效避免电池受大电流冲击，提高复合电源性能。该稳压控制方法，能够有效发挥超级电容功率密度大，循环寿命长的优势，延长复合电源储能系统的寿命，同时，该稳压控制方法能够有效的稳定直流母线电压。
附图说明
图1为本发明实施例提供的复合电源结构示意图；
图2为本发明实施例提供的复合电源稳压控制流程图；
图3为本发明实施例提供的控制电池SOC的控制流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
如图1所示，本发明提供了一种复合储能电源，包括直流母线1、锂电池组2、超级电容4、第一双向DC/DC 3、第二双向DC/DC 5和控制系统6；
所述锂电池组2通过第一双向DC/DC 3与直流母线1相连，超级电容4通过第二双向DC/DC 5与直流母线1相连；
所述锂电池组2和超级电容4均带有相应的管理系统，分别称为电池管理系统和超级电容管理系统，所述电池管理系统用于检测电池的电压、电流和温度，估计电池的荷电状态SOC、进行热管理、故障检测、绝缘保护、和短路保护；超级电容管理系统用于采集电压、电流和温度信号，并进行超级电容的SOC估计，充放电管理和故障诊断；
直流母线1，包括总正、总负两条导线；直流母线1上布置有电压和电流传感器、由控制系统6采集直流母线1的电压、电流信号，以便实现控制系统6的监测及控制功能；
第一双向DC/DC 3通过第一正极继电器与直流母线总正导线连接，通过第一负极继电器与直流母线总负导线连接；
第二双向DC/DC 5通过第二正极继电器与直流母线总正导线连接，通过第二负极继电器与直流母线总负导线连接；
控制系统6用于实时与电池管理系统、超级电容管理系统、第一双向DC/DC 3和第二双向DC/DC 5通讯，控制第一、第二正负继电器的开闭，并且控制第一双向DC/DC 3和第二双向DC/DC 5的功率，使整个复合储能电源协调工作。
本发明还提供了一种利用复合储能电源实现稳定直流母线电压的方法，当电压传感器检测到的直流母线电压处于870V～930V之间时，锂电池组不参与工作，通过控制超级电容充放电电流实现母线电压的稳定以及复合储能电源的响应；
当母线电压高于930V或低于870V时，锂电池组开始工作；
当母线电压高于980V及低于800V时，控制系统分别发送直流母线电压过高、过低故障，并且与外部系统通讯请求降低充放电功率，如果外部系统没有响应，直流母线电压持续过高、过低，则控制系统强行断开超级电容、锂电池组分别与直流母线的连接。
本复合电源设定直流母线电压为900V左右，控制系统6稳定电压的控制流程如图2所示。
首先进行步骤101(如图2中虚框所示)，进行母线电压检测，检测的结果作为控制系统6决策的依据。
1.当检测到母线电压大于980V时，进入步骤102，进行母线电压过高报警，此时控制系统6向外部通讯，请求降低总线充电功率，一段时间没有响应，控制系统6强行断开超级电容及锂电池组，以免损坏器件。
2.当检测到母线电压处于950-980V之间时，进入步骤103，锂电池组以2倍放电倍率C充电，超级电容以最大功率充电。
3.当检测到母线电压处于940-950V之间时，进入步骤104，步骤104进一步判断，若上一步锂电池组采用2C倍率充电，则进入步骤106，电池组采用2C倍率充电，超级电容以最大功率充电；否则进入步骤105，锂电池组以1C倍率充电，超级电容以最大功率充电。
4.当检测到母线电压处于930-940V之间时，进入步骤107，锂电池组以1C倍率充电，超级电容以最大功率充电。
5.当检测到母线电压处于920-930V之间时，进入步骤108，锂电池组不工作，超级电容以最大功率充电，第二双向DC/DC工作在恒流模式。
6.当检测到母线电压处于910-920V之间时，进入步骤109，锂电池组不工作，第二双向DC/DC工作在恒压模式，超级电容充电。
7.当检测到母线电压处于890-910V之间时，进入步骤110，锂电池组不工作，第二双向DC/DC工作在恒压模式，超级电容进入功率跟随模式，根据负载(接在直流母线的两根导线之间)的功率进行充电。
8.当检测到母线电压处于870-890V之间时，进入步骤111，锂电池组不工作，第二双向DC/DC工作在恒流模式，超级电容以最大功率放电。
9.当检测到母线电压处于850-870V之间时，进入步骤112，锂电池组以2C倍率放电，第二双向DC/DC工作在恒流模式，超级电容放以最大功率放电。
10.当检测到母线电压处于800-850V之间时，进入步骤113，锂电池组以4C倍率放电，第二双向DC/DC工作在恒流模式，超级电容放以最大功率放电。
11.当检测到母线电压小于800V时，进入步骤114，控制系统6发送总线电压过低故障，请求降低外部负载功率，若一定时间内总线电压仍然低于800V，控制系统强行断开超级电容及电池组与直流母线的连接。
此外，为了防止锂电池组及超级电容的出现充放电安全问题及过充过放引起的电池组、超级电容寿命快速衰减的问题，控制系统在充放电时还需要控制锂电池组及超级电容的SOC处于一定的范围内，这里以控制锂电池组的SOC为例，将锂电池SOC控制在0.4-0.8之间，超级电容SOC的控制方法与之类似。如图3所示，首先控制系统进行步骤201(图3中虚框)，检测锂电池组的SOC，当SOC大于0.8时，控制系统禁止锂电池组充电(步骤202)；当SOC位于0.4-0.8之间时，进一步判断直流母线电压(步骤203)，a,当直流母线电压高于930V时，给锂电池组充电(步骤204)，b,当直流母线电压位于870V-930V之间时，锂电池组既不放电也不充电(步骤205)，c,当直流母线电压低于870V时，锂电池组放电(步骤206)；当SOC低于0.4时，禁止锂电池组放电。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种利用复合储能电源实现稳定直流母线电压的方法，其特征在于，
所述复合储能电源包括直流母线(1)、锂电池组(2)、超级电容(4)、第一双向DC/DC(3)、第二双向DC/DC(5)和控制系统(6)；
所述锂电池组(2)通过第一双向DC/DC(3)与直流母线(1)相连，超级电容(4)通过第二双向DC/DC(5)与直流母线(1)相连；
直流母线(1)，包括总正、总负两条导线；直流母线(1)上布置有电压和电流传感器、由控制系统(6)采集直流母线(1)的电压、电流信号，以便实现控制系统(6)的监测及控制功能；
第一双向DC/DC(3)通过第一正极继电器与直流母线总正导线连接，通过第一负极继电器与直流母线总负导线连接；
第二双向DC/DC(5)通过第二正极继电器与直流母线总正导线连接，通过第二负极继电器与直流母线总负导线连接；
控制系统(6)用于实时与电池管理系统、超级电容管理系统、第一双向DC/DC(3)和第二双向DC/DC(5)通讯，控制第一、第二正负继电器的开闭，并且控制第一双向DC/DC(3)和第二双向DC/DC(5)的功率，使整个复合储能电源协调工作；
当电压传感器检测到的直流母线电压处于870V～930V之间时，锂电池组不参与工作，通过控制超级电容充放电电流实现母线电压的稳定以及复合储能电源的响应；
当母线电压高于930V或低于870V时，锂电池组开始工作；
当母线电压高于980V或低于800V时，控制系统分别发送直流母线电压过高、过低故障，并且与外部系统通讯请求降低充放电功率，如果外部系统没有响应，直流母线电压持续过高、过低，则控制系统强行断开超级电容、锂电池组分别与直流母线的连接；
首先进行步骤101，进行母线电压检测，检测的结果作为控制系统决策的依据；
当检测到母线电压大于980V时，进入步骤102，进行母线电压过高报警，此时控制系统向外部通讯，请求降低总线充电功率，预设一段时间没有响应，则控制系统强行断开超级电容及锂电池组；
当检测到母线电压处于950-980V之间时，进入步骤103，锂电池组以2倍充电倍率C充电，超级电容以最大功率充电；
当检测到母线电压处于940-950V之间时，进入步骤104，步骤104进一步判断，若步骤103中锂电池组采用2C充电，则进入步骤106，锂电池组采用2C充电，超级电容以最大功率充电；否则进入步骤105，锂电池组以1C充电，超级电容以最大功率充电；
当检测到母线电压处于930-940V之间时，进入步骤107，锂电池组以1C充电，超级电容以最大功率充电；
当检测到母线电压处于920-930V之间时，进入步骤108，锂电池组不工作，超级电容以最大功率充电，第二双向DC/DC工作在恒流模式；
当检测到母线电压处于910-920V之间时，进入步骤109，锂电池组不工作，第二双向DC/DC工作在恒压模式，超级电容充电；
当检测到母线电压处于890-910V之间时，进入步骤110，锂电池组不工作，第二双向DC/DC工作在恒压模式，超级电容进入功率跟随模式，根据后端负载功率进行充电；
当检测到母线电压处于870-890V之间时，进入步骤111，锂电池组不工作，第二双向DC/DC工作在恒流模式，超级电容以最大功率放电；
当检测到母线电压处于850-870V之间时，进入步骤112，锂电池组以2C放电，第二双向DC/DC工作在恒流模式，超级电容以最大功率放电；
当检测到母线电压处于800-850V之间时，进入步骤113，锂电池组以4C放电，第二双向DC/DC工作在恒流模式，超级电容以最大功率放电；
当检测到母线电压小于800V时，进入步骤114，控制系统6发送总线电压过低故障，请求降低外部负载功率，若预设一定时间内母线电压仍然低于800V，控制系统强行断开超级电容及锂电池组与直流母线的连接。
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