CN108306325A - 一种高效混合储能装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效混合储能装置，其包括太阳能光伏阵列、超级电容组、第一电压电流采集模块、栅极驱动器、模数转换器、单片机、DC/DC变换器、智能管理芯片和铅酸蓄电池。本发明所提供的高效混合储能装置，其采用超级电容器组与铅酸蓄电池作为混合储能元件，利用超级电容器组及升降压电路实现充电功能，有效提高了储能效率。同时利用超级电容器组、DC/DC变换器、智能管理芯片用于实现对铅酸蓄电池进行充电控制，延长了铅酸蓄电池的使用寿命，提高了系统的稳定性及储能效率。
Description
技术领域
本发明涉及储能技术领域，具体涉及一种高效混合储能装置。
背景技术
在具有可再生能源的光伏发电系统中添加储能装置，用来承担光伏电源波动造成的功率差额，将光伏发电单元与电网之间的功率进行解耦，从而稳定间歇式光伏电源的功率输出，降低对敏感负荷及电网的冲击。更为重要的是，在系统离网运行模式时，能为系统提供电压和频率支撑，改善系统的稳定性。因此，储能装置的合理利用对光伏等可再生能源发电系统的经济、安全、可靠运行至关重要。
能量型蓄电池凭借其技术成熟、价格低廉、构造成本低、免维护、能量密度大等优点，成为光伏发电系统中最常用也是最重要的储能装置。但由于光伏电源受光照强度、温度等影响的随机性波动，使得系统的瞬时功率不平衡，造成蓄电池的多次小循环充放电，明显恶化蓄电池的充放电工作环境，大大缩短蓄电池的使用寿命，同时由于蓄电池的过早老化报废，带来了严重的环境污染，加大了系统的投资成本。
目前，光伏发电系统主要采用单一储能技术，而对于系统中的混合储能技术研究相对较少，并且只处于实验室研究阶段，在此方面存在极大的发展空间。针对这一技术缺陷，公开号为CN204886204U的中国实用新型专利，公开了一种具有混合储能装置的储能系统，其中，太阳能光伏阵列通过前级单向Boost升压DC/DC变换器连接直流母线；能量型蓄电池组通过第一双向DC/DC功率变换器连接到直流母线；超级电容器组通过第二双向DC/DC功率变换器连接到直流母线；所述中心控制器通过控制总线与前级单向Boost升压DC/DC变换器、第一双向DC/DC功率变换器、第二双向DC/DC功率变换器和后级DC/AC全桥变换器相连接；中心控制器基于不同频率分量对储能系统的负荷功率进行分离，得到第一频率分量负荷功率和第二频率分量负荷功率；能量型蓄电池组承担第一频率分量负荷功率；功率型超级电容器组承担第二频率分量负荷功率。该储能系统能够对系统中功率差额的高频、低频分量进行分解，分别由超级电容器组和能量型蓄电池组承担，以实现对两种不同类型储能装置互补优化的协调控制。大大优化了蓄电池的工作环境，减小了蓄电池因多次小循环充放电寿命降低、以及由于蓄电池的过早老化报废，带来的严重环境污染，降低了系统投资成本、增强了系统的功率输出能力和经济性，并确保系统在孤岛、并网模式下的稳定运行，及孤岛、并网之间的无缝动态切换，提高了系统的稳定性和可靠性。在光伏发电、风力发电、新型混合电动汽车等领域具有很高的实际应用价值。上述具有混合储能装置的储能系统虽然对现有技术的缺陷有所改进，但是这一储能系统在组态变化的瞬间，电路输出电压波动较大，影响系统稳定性，从而降低了储能效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种系统稳定性强、储能效率高的混合储能装置。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高效混合储能装置，其包括：
太阳能光伏阵列，其分别与超级电容组和第一电压电流采集模块电性连接；
栅极驱动器，其电性连接在所述太阳能光伏阵列和所述超级电容组之间；
模数转换器，其与所述第一电压电流采集模块电性连接；
单片机，其与所述模数转换器电性连接；该单片机还与所述栅极驱动器电性连接，用于根据所述太阳能光伏阵列的工作状况输出信号去驱动所述栅极驱动器中的PMOS管；
DC/DC变换器，其与所述超级电容组电性连接；
智能管理芯片，其与所述DC/DC变换器电性连接；
铅酸蓄电池，其与所述DC/DC变换器电性连接；
所述超级电容器组、DC/DC变换器、智能管理芯片用于实现对所述铅酸蓄电池进行充电控制。
作为优选，所述第一电压电流采集模块为MHBI1138D电压电流采集模块。
作为优选，所述栅极驱动器为UCC27533栅极驱动器。
作为优选，所述模数转换器为ADC32J22模数转换器。
作为优选，所述单片机为MSP430F169单片机。
作为优选，所述智能管理芯片为UC3909智能管理芯片。
作为优选，所述UC3909智能管理芯片内部集成了具有蓄电池温度补偿功能的电路。
作为优选，所述具有蓄电池温度补偿功能的电路包括第一电流/电压转换元件和第二电流/电压转换元件，所述第一电流/电压转换元件的输入端分别接10kΩ普通电阻和10kΩ热敏电阻，该10kΩ热敏电阻贴附在所述铅酸蓄电池的表面壳体上用于检测该铅酸蓄电池的温度；所述第二电流/电压转换元件与外接四个20kΩ普通电阻组成差动运算放大电路；所述第一电流/电压转换元件的输出端与两个20kΩ普通电阻电性连接。
作为优选，所述铅酸蓄电池为阀控式铅酸蓄电池。
本发明所提供的高效混合储能装置，其采用超级电容器组与铅酸蓄电池作为混合储能元件，利用超级电容器组及升降压电路实现充电功能，有效提高了储能效率。同时利用超级电容器组、DC/DC变换器、智能管理芯片用于实现对铅酸蓄电池进行充电控制，延长了铅酸蓄电池的使用寿命，提高了系统的稳定性及储能效率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的高效混合储能装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的高效混合储能装置中UC3909智能管理芯片内部具有蓄电池温度补偿功能电路的电路图。
附图标记说明：
1、太阳能光伏阵列；2、超级电容组；3、第一电压电流采集模块；4、栅极驱动器；5、模数转换器；6、单片机；7、DC/DC变换器；8、智能管理芯片；9、铅酸蓄电池。
A1、第一电流/电压转换元件；A2、第二电流/电压转换元件；R1、10kΩ普通电阻；RTHM、10kΩ热敏电阻；R2、20kΩ普通电阻。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。
如图1所示，一种高效混合储能装置，其包括太阳能光伏阵列1、超级电容组2、第一电压电流采集模块3、栅极驱动器4、模数转换器5、单片机6、DC/DC变换器7、智能管理芯片8和铅酸蓄电池9。其中，太阳能光伏阵列1分别与超级电容组2和第一电压电流采集模块3电性连接。超级电容器是指介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置，其容量可达几百至上千法。与传统电容器相比，它具有较大的容量、比能量或能力密度，较宽的工作温度范围和极长的使用寿命。第一电压电流采集模块3用于采集太阳能光伏阵列1的电压和电流的信号，该第一电压电流采集模块3优选为MHBI1138D电压电流采集模块。MHBI1138D电压电流采集模块是一种通用型数据采集模块，内嵌高性能ARM处理器，具有性能稳定、抗干扰性强等特点。MHBI1138D电压电流采集模块含有16路隔离型开关量输入、4路模拟电压输入、2路模拟电流输入，开关量输入分为2组，每组8路，可输入9～24VDC的开关量信号，电压采集范围为0～5V，电流采集范围为4～20mA，可通过RS485通信接口与上位机连接，将各通道数据传送给上位机，方便监测和控制之用。MHBI1138D采用工业中广泛应用的标准化MODBUS RTU/ASCII协议，可以与各种PLC、人机界面、组态软件、工控机等MODBUS接口产品连接通信，并且具有通信超时检测功能，方便通信控制，也可以按客户要求定制通信协议。
如图1所视，栅极驱动器4电性连接在所述太阳能光伏阵列1和所述超级电容组2之间。所述栅极驱动器4优选为德州仪器的UCC27533栅极驱动器，UCC27533单通道高速栅极驱动器可有效地驱动MOSFET和IGBT电源开关。UCC27533器件采用一种通过不对称驱动(分离输出)提供高达2.5A和5A灌电流的设计，同时结合了支持负关断偏置电压、轨至轨驱动功能、极小传播延迟(通常为17ns)的功能，是MOSFET和IGBT电源开关的理想解决方案。UCC27533也可支持使能、双输入以及反相和同相输入功能。隔离输出与强大的不对称驱动提高了器件对寄生米勒效应的抗扰性，并有助于减少地的抖动。模数转换器5与所述第一电压电流采集模块3电性连接。模数转换器5，即ADC，Analog-to-Digital Converter的缩写，指模/数转换器或者模数转换器，是指将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号的器件。在本实施例中，模数转换器5优选德州仪器的ADC32J22模数转换器。ADC32J22属于高线性度、超低功耗、双通道、12位、50MSPS至160MSPS模数转换器(ADC)。此器件专门设计用于支持具有宽动态范围需求且要求苛刻的高输入频率信号。时钟输入分频器可给予系统时钟架构设计更高的灵活性，SYSREF输入可实现整个系统同步。该器件支持JESD204B接口，从而减少接口线路的数量，实现高系统集成度。JESD204B接口是串行接口，仅通过一个差分对即可串行输出每个ADC的数据。内部锁相环(PLL)会将传入的ADC采样时钟乘以20，以获得串行输出各通道的12位数据时所使用的位时钟。
单片机6分别与所述模数转换器5和所述栅极驱动器4电性连接。模数转换器5将第一电压电流采集模块3采集的太阳能光伏阵列1电压和电流模拟信号转换为数字信号后发送给单片机6，所述单片机6优选为德州仪器的MSP430F169单片机，该单片机6用于根据所述太阳能光伏阵列1的工作状况输出PWM信号去驱动所述栅极驱动器4中的PMOS管，实现对太阳能光伏阵列1的最大功率跟踪。PWM，Pulse Width Modulation控制—脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)。PWM控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是PWM型，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。
如图1所示，DC/DC(直流/直流)变换器7与所述超级电容组2电性连接。智能管理芯片8与所述DC/DC变换器7电性连接，铅酸蓄电池9与所述DC/DC变换器7电性连接。所述超级电容器组2、DC/DC变换器7、智能管理芯片8用于实现对所述铅酸蓄电池9进行充电控制，并利用超级电容的特性优化充放电过程。所述智能管理芯片8优选为UC3909智能管理芯片。所述铅酸蓄电池9优选为阀控式铅酸蓄电池，使用期间不用加酸加水维护。在本实施例中，该铅酸蓄电池9为12V，65Ah胶体密封铅酸蓄电池，浮充电压UF取13.8V，充电使能电压UT取10.8V；过压充电电压UOC14.7V；涓流充电电流ITC取0.26A；恒流充电电流IBULK取系统最大充电电流6.5A；过充终止电流IOCT取1A。由于铅酸蓄电池9的浮充电流对温度极为敏感，温度每变化10℃，浮充电流成倍增长，本实施例中用到的铅酸蓄电池9，同一浮充电流下，其温度系数为-3.9mV/℃，也就是说如果要防止浮充电流增加，当温度升高1℃时，其浮充电压应该降低3.9mV；同理，当温度降低1℃时，其浮充电压应该升高3.9mV才能保持浮充电流不变。为此，所述UC3909智能管理芯片内部集成了具有蓄电池温度补偿功能的电路。如图2所示，具有蓄电池温度补偿功能的电路包括第一电流/电压转换元件A1和第二电流/电压转换元件A2，所述第一电流/电压转换元件A1的输入端分别接10kΩ普通电阻R1和10kΩ热敏电阻RTHM，该10kΩ热敏电阻RTHM贴附在所述铅酸蓄电池9的表面壳体上用于检测该铅酸蓄电池9的温度；所述第二电流/电压转换元件A2与外接四个20kΩ普通电阻R2组成差动运算放大电路；所述第一电流/电压转换元件A1的输出端与两个20kΩ普通电阻R2电性连接。当铅酸蓄电池9内部温度变化时，通过10kΩ热敏电阻RTHM的反馈使UC3909智能管理芯片的基准电压2.3V也随温度按-3.9mV/℃的温度系数变化。从而确保铅酸蓄电池9在浮充状态下准确工作于安全的浮充电压，保护了铅酸蓄电池9。
本实施例所提供的高效混合储能装置，其采用超级电容器组2与铅酸蓄电池9作为混合储能元件，利用超级电容器组2及升降压电路实现充电功能，有效提高了储能效率。同时利用超级电容器组2、DC/DC变换器7、智能管理芯片8用于实现对铅酸蓄电池9进行充电控制，延长了铅酸蓄电池9的使用寿命，提高了系统的稳定性及储能效率。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。
Claims (9)
1.一种高效混合储能装置，其特征在于，包括：
太阳能光伏阵列，其分别与超级电容组和第一电压电流采集模块电性连接；
栅极驱动器，其电性连接在所述太阳能光伏阵列和所述超级电容组之间；
模数转换器，其与所述第一电压电流采集模块电性连接；
单片机，其与所述模数转换器电性连接；该单片机还与所述栅极驱动器电性连接，用于根据所述太阳能光伏阵列的工作状况输出信号去驱动所述栅极驱动器中的PMOS管；
DC/DC变换器，其与所述超级电容组电性连接；
智能管理芯片，其与所述DC/DC变换器电性连接；
铅酸蓄电池，其与所述DC/DC变换器电性连接；
所述超级电容器组、DC/DC变换器、智能管理芯片用于实现对所述铅酸蓄电池进行充电控制。
2.根据权利要求1所述的高效混合储能装置，其特征在于，所述第一电压电流采集模块为MHBI1138D电压电流采集模块。
3.根据权利要求1所述的高效混合储能装置，其特征在于，所述栅极驱动器为UCC27533栅极驱动器。
4.根据权利要求1所述的高效混合储能装置，其特征在于，所述模数转换器为ADC32J22模数转换器。
5.根据权利要求1所述的高效混合储能装置，其特征在于，所述单片机为MSP430F169单片机。
6.根据权利要求1所述的高效混合储能装置，其特征在于，所述智能管理芯片为UC3909智能管理芯片。
7.根据权利要求6所述的高效混合储能装置，其特征在于，所述UC3909智能管理芯片内部集成了具有蓄电池温度补偿功能的电路。
8.根据权利要求7所述的高效混合储能装置，其特征在于，所述具有蓄电池温度补偿功能的电路包括第一电流/电压转换元件和第二电流/电压转换元件，所述第一电流/电压转换元件的输入端分别接10kΩ普通电阻和10kΩ热敏电阻，该10kΩ热敏电阻贴附在所述铅酸蓄电池的表面壳体上用于检测该铅酸蓄电池的温度；所述第二电流/电压转换元件与外接四个20kΩ普通电阻组成差动运算放大电路；所述第一电流/电压转换元件的输出端与两个20kΩ普通电阻电性连接。
9.根据权利要求1所述的高效混合储能装置，其特征在于，所述铅酸蓄电池为阀控式铅酸蓄电池。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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