CN109510319B - 一种由超级电容、锂电池和铅酸电池组成的储能电池系统 - Google Patents

一种由超级电容、锂电池和铅酸电池组成的储能电池系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种由超级电容、锂电池和铅酸电池组成的储能电池系统，包括相互并联的超级电容控制支路、锂电池控制支路和铅酸蓄电池控制支路以及储能电池智能控制单元，所述的超级电容控制支路包括第一开关和超级电容，所述的锂电池控制支路包括串联的锂电池、第二开关和第一充电模块，所述的铅酸蓄电池控制支路包括串联的铅酸蓄电池、第三开关和第二充电模块，所述的储能电池智能控制单元分别对超级电容电压、锂电池电压、铅酸蓄电池电压、输出电压和采集电流进行采样，并分别控制第一开关、第二开关和第三开关的通断，实现储能电池系统的智能控制。与现有技术相比，本发明具有减少冲放电次数、提高使用寿命、功率平衡、减少电池用电成本等优点。

Description

一种由超级电容、锂电池和铅酸电池组成的储能电池系统
技术领域
本发明涉及新能源储能领域，尤其是涉及一种由超级电容、锂电池和铅酸电池组成的储能电池系统。
背景技术
由于社会进步对环保越来越重视，太阳能发电和风力发电在分布式微电网发电系统中得到广泛的应用。如果市电出现异常仍能保障用电设备正常工作，微电网中一般都配有储能装置，同时也可以起平抑波动、削峰填谷和能量调度等作用。目前小容量储能电池一般由铅酸蓄电池、锂电池和超级电容组成。这三种电池各自有其优缺点，一般在传统应用中都是铅酸蓄电池和锂电池单独使用或并联超级电容使用。其中铅酸蓄电池最大的优点就是价格最便宜，但存在循环充电次数最少(500～1000次)，反复进行浅度充放电时存在记忆效应，会减少电池有效存储电量等缺点；锂电池价格居中，循环充电次数是蓄电池的5倍左右，且浅度充放电时不存在记忆效应；超级电容单位容量中价格最贵，但具有循环充电次数十万次。如果采用铅酸蓄电池的储能模式，由于太阳能发电和风力发电的不连续性和间隔性会造成铅酸蓄电池反复进行浅度充电操作，严重影响其使用寿命。如果采用锂电池的储能模式，当储能容量较大时电池的成本较高，目前储能电池大规模应用面临技术瓶颈与成本瓶颈。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种由超级电容、锂电池和铅酸电池组成的储能电池系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种由超级电容、锂电池和铅酸电池组成的储能电池系统，其特征在于，该系统包括相互并联的超级电容控制支路、锂电池控制支路和铅酸蓄电池控制支路以及储能电池智能控制单元，所述的超级电容控制支路包括第一开关和超级电容，所述的锂电池控制支路包括串联的锂电池、第二开关和第一充电模块，所述的铅酸蓄电池控制支路包括串联的铅酸蓄电池、第三开关和第二充电模块，所述的储能电池智能控制单元分别对超级电容电压、锂电池电压、铅酸蓄电池电压、输出电压和采集电流进行采样，并分别控制第一开关、第二开关和第三开关的通断，实现储能电池系统的智能控制。
所述的第一充电模块和第二充电模块均为DC/DC充电模块，且分别并联一反向二极管。
所述的第一开关为常闭触点开关，所述的第二开关和第三开关为常开触电开关。
所述的第一充电模块对锂电池的充电功率不小于外部新能源充电单元对储能电池系统的充电功率，所述的第二充电模块对铅酸蓄电池的充电功率不小于外部新能源充电单元对储能电池系统的充电功率。
当采集电流i0＞0时，该储能电池系统处于充电状态，充电控制方法包括以下步骤：
11)当锂电池和铅酸蓄电池都没有进行充电且超级电容的电压V1＜1.1Vr时，0.9Vr为锂电池和铅酸蓄电池的额定储能电压，此时判定超级电容没有充满，则控制开关的当前状态为第一开关K1闭合，第二开关K2和第三开关K3断开，充电电流经过第一开关K1优先为超级电容充电；
12)当锂电池和铅酸蓄电池都没有进行充电且超级电容的电压V1≥1.1Vr时，此时判定超级电容已经充满，然后优先为锂电池进行充电，如果锂电池当前时刻没有充满，则第一开关K1继续保持闭合，第二开关K2闭合，第三开关K3断开，第一充电模块开始工作进行充电，此时电池1和外部新能源发电单元共同向电池2充电，超级电容的电压V1开始下降；
13)当锂电池在进行充电时，若满足V1＞0.9Vr，则第一开关K1和第二开关K2继续闭合，第三开关K3继续断开，对锂电池继续充电；
14)当锂电池在进行充电时，若满足V1≤0.9Vr，则对锂电池的充电动作结束，第一开关K1继续闭合，第二开关K2和第三开关K3断开；
15)当超级电容的电压V1≥1.1Vr、电池2已经充满且电池3没有充满时，则第一开关K1继续闭合，第三开关K3闭合，第二开关K2断开，第二充电模块开始工作，此时，电池1和外部新能源发电单元共同为电池3充电，充电电流经过第三开关K3给电池3充电，超级电容的电压V1开始下降；
16)当铅酸蓄电池在进行充电时，若满足V1＞0.9Vr，则第一开关K1和第三开关K3继续闭合，第二开关K2继续断开，对铅酸蓄电池继续充电；
17)当铅酸蓄电池在进行充电时，若满足V1≤0.9Vr，则对铅酸蓄电池的充电动作结束，第一开关K1继续闭合，第二开关K2和第三开关K3断开；
18)当锂电池和铅酸蓄电池都充满且超级电容的电压V1≥1.1V时，则判定储能电池系统已经充满，外部新能源发电单元停止工作，此时第一开关K1保持闭合状态，第二开关K2和第三开关K3处于断路状态。
如果步骤12)-14)中，在没有放电中断的前提下，充电模块1对超级电容的充电电能不小于
Figure GDA0003259703310000031
如果步骤15)-17)中，在没有放电中断的前提下，充电模块2对铅酸蓄电池的充电电能不小于
Figure GDA0003259703310000032
当采集电流i0＜0时，该储能电池系统处于放电状态，放电控制方法包括以下步骤：
21)当V1＞0.95Vr时，此时第一开关K1闭合，第二开关K2和第三开关K3断开，超级电容通过第一开关K1单独放电；
22)当V1≤0.95Vr时，若锂电池有电，则第一开关K1继续保持闭合，第二开关K2快速闭合，由于超级电容电压V1大于锂电池电压V2，此时由超级电容单独提供电能，随着V1电压继续下降到V1≤V2时，二极管D1正向导通，此时由锂电池和超级电容共同提供电能；
23)当锂电池没电而铅酸蓄电池有电时，由于此时超级电容电压V1小于等于铅酸蓄电池电压V3，为防止蓄电池对超级电容充电过流，第一开关K1和第二开关K2断开后第三开关K3快速闭合，储能电池组由铅酸蓄电池通过第三开关K3和二极管D2向外供电；
24)当锂电池和铅酸蓄电池都没电时，则判定该储能电池系统处于无电状态，放电动作结束。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、减少冲放电次数、提高使用寿命：本发明根据超级电容、锂电池和铅酸储能电池不同的充放电特性，在进行储能电池的充放电操作时优先使用超级电容，锂电池使用频率居中，最小限度的使用蓄电池，在对锂电池和铅酸蓄电池进行充电时，由于采用超级电容和外部充电设备进行联合供电方式，避免了充电电流的不连续性，有效减少锂电池和蓄电池的充放电次数，在提高电池使用寿命同时减低成本从而达到最优的使用效果。
二、功率平衡：本发明克服了充电时新能源发电功率的不均衡，锂电池组和铅酸蓄电池组充电时充电输入电能不小于
Figure GDA0003259703310000041
其中C1为超级电容容值，如果选取较大的容值可以有效减少对锂电池和铅酸蓄电池的充电次数，有效提高使用寿命。
三、减少电池用电成本：放电时由于超级电容可允许放电次数最多，放电成本最低，锂电池居中，铅酸电池放电成本高，允许使用寿命最短，采用该控制算法在保持电池容量前提下可以有效减少电池用电成本。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图。
图2为本发明的充电控制流程图。
图3为本发明的放电控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，本发明提供一种由超级电容、锂电池和铅酸电池组成的储能电池系统，图1中C为容量很小的交流电容；D1、D2为二极管；K1为常闭触点开关，K2和K3为常开触电开关；充电模块1和充电模块2为分别给锂电池和铅酸电池充电的DC/DC模块；储能电池组智能控制单元为储能电池组的控制核心部件，根据采样流进储能电池电流i0的方向，自动获取电池充电状态和放电状态信息，并采样铅酸电池电压V3、锂电池电压V2和超级电容电压V1，并依据最大限度提高电池寿命，减少锂电池和蓄电池充放电次数进行智能判断并通过控制K1、K2和K3的开通或闭合及控制充电模块1和充电模块2的充电操作，分别控制超级电容、锂电池和铅酸电池的充放电。
为了简便起见，超级电容组称为电池1，容量为C1，锂电池组称为电池2，铅酸蓄电池称为电池3。
设定本发明中充电模块1对电池2的充电功率P12和充电模块2对电池3的充电功率P23不小于外部新能源充电单元对储能电池的充电功率，即P12≥V1i0，P23≥V1i0。设定储能电池组电池2和电池3的额定储能电压都为Vr，电池1的最高耐压等级大于1.2Vr，充电模块1的效率为η1,充电模块2的效率为η2。
储能电池组智能控制单元根据采集电流i0的正负值来确定储能电池组的工作状态：如果i0＞0，则认为当前外部新能源发电单元输出功率大于负载使用功率，多余的电能会流入储能电池，可以认为储能电池组处于充电状态；如果i0＜0，则认为当前外部新能源发电单元输出功率小于负载使用功率，差额电能需要储能电池提供输出，可以认为储能电池处于放电状态。由于K1为常闭开关，K2和K3为常开开关。
如图2所示，储能电池组智能控制单元的充电流程包括以下步骤：
1、当电池2和电池3都没有进行充电且电池1的电压V1＜1.1Vr时，则认为电池1还没有充满，则当前状态为K1闭合，K2和K3断开，充电电流经过K1优先给电池1充电；
2、当电池2和电池3都没有进行充电且电池1的电压V1≥1.1Vr时，则认为电池1已经充满，再优先给电池2进行充电，如果电池2当前时刻没有充满，则K1继续保持闭合，K2闭合，K3断开，充电模块1开始工作进行充电，此时相当于电池1和外部新能源发电单元共同给电池2充电，充电电流经过K2给电池2充电。由于设定的充电模块1对电池2的充电功率P12大于外部新能源发电单元对储能电池组的充电功率V1i0，所以V1电压会继续下降；
3、当电池2在进行充电时，如果满足V1＞0.9Vr，则K1和K2继续闭合，K3继续断开，对电池2继续充电；
4、当电池2在进行充电时，如果满足V1≤0.9Vr，则对电池2的充电动作结束，则K1继续闭合，K2和K3断开。如果从步骤2到步骤4的充电过程中没有放电中断打扰的前提下，充电模块1对电池1的充电电能不小于
Figure GDA0003259703310000051
(此数值不考虑外部新能源充电设备对储能电池的输入电能，只考虑电池1电压从1.1Vr降到0.9Vr释放的电能)；
5、当电池1的电压V1≥1.1Vr时，则认为电池1已经充满，如果电池2也已经充满而电池3还没有充满情况下，则K1继续闭合，K3闭合，K2断开，充电模块2开始工作，充电电流经过K3给电池3充电。此时相当于电池1和外部新能源发电单元共同给电池3充电，充电电流经过K3给电池3充电。由于设定的充电模块1对电池3的充电功率P23大于外部新能源发电单元对储能电池组的充电功率V1i0，所以V1电压会继续下降；
6、当电池3在进行充电时，如果满足V1＞0.9Vr，则K1和K3继续闭合，K2继续断开，对电池3继续充电；
7、当电池3在进行充电时，如果满足V1≤0.9Vr，则对电池3的充电动作结束，则K1继续闭合，K2和K3断开。如果从步骤5到步骤7的在充电过程中没有放电中断打扰的前提下，充电模块2对电池3的充电电能不小于
Figure GDA0003259703310000061
(此数值不考虑外部新能源充电设备对储能电池的输入电能，只考虑电池1电压从1.1Vr降到0.9Vr释放的电能)；
8、当电池2和电池3都充满且电池1的电压V1≥1.1V时，则认为储能电池组已经充满，外部充电设备停止工作，此时储能电池组内部K1保持闭合状态，K2和K3处于断路状态。
如图3所示，储能电池组智能控制单元的放电流程包括以下步骤：
1、当V1＞0.95Vr时，此时第一开关K1闭合，第二开关K2和第三开关K3断开，超级电容通过第一开关K1单独放电；
2、当V1≤0.95Vr时，若此时锂电池有电，则第一开关K1继续保持闭合，第二开关K2快速闭合，由于此时V1大于锂电池电压V2，此时还是由超级电容提供电能，但随着V1电压继续下降到V1≤V2时，二极管D1会正向导通，此时由锂电池和超级电容共同提供电能；
3、当锂电池没电而铅酸蓄电池有电时，由于此时超级电容电压V1＜V3，为了防止蓄电池对超级电容的充电发生过流情况，则第一开关K1和K2断开后第三开关K3快速闭合则储能电池组由铅酸蓄电池通过第三开关K3和D2向外供电；
4、当锂电池和铅酸蓄电池都没电，则判定该储能电池系统处于无电状态，放电动作结束。
本发明储能电池组超级电容、锂电池和铅酸储能电池根据其不同的充放电特性，通过发明一种由超级电容、锂电池和铅酸电池组成的太阳能电池系统及智能控制方法，使得储能电池组优先对超级电容进行充放电操作，减少了锂电池和铅酸电池的充放电次数，提高了储能电池总体使用寿命。

Claims (6)

1.一种由超级电容、锂电池和铅酸电池组成的储能电池系统，其特征在于，该系统包括相互并联的超级电容控制支路、锂电池控制支路和铅酸电池控制支路以及储能电池智能控制单元，所述的超级电容控制支路包括第一开关(K1)和超级电容，所述的锂电池控制支路包括串联的锂电池、第二开关(K2)和第一充电模块，所述的铅酸电池控制支路包括串联的铅酸电池、第三开关(K3)和第二充电模块，所述的储能电池智能控制单元分别对超级电容电压、锂电池电压、铅酸电池电压、储能电池系统的输出电压和储能电池系统的采集电流进行采样，并分别控制第一开关(K1)、第二开关(K2)和第三开关(K3)的通断，实现储能电池系统的智能控制；
当储能电池系统的采集电流i0＞0时，该储能电池系统处于充电状态，充电控制方法包括以下步骤：
11)当锂电池和铅酸电池都没有进行充电且超级电容的电压V1＜1.1Vr时，0.9Vr为锂电池和铅酸电池的额定储能电压，此时判定超级电容没有充满，则控制开关的当前状态为第一开关(K1)闭合，第二开关(K2)和第三开关(K3)断开，充电电流经过第一开关(K1)优先为超级电容充电；
12)当锂电池和铅酸电池都没有进行充电且超级电容的电压V1≥1.1Vr时，此时判定超级电容已经充满，然后优先为锂电池进行充电，如果锂电池当前时刻没有充满，则第一开关(K1)继续保持闭合，第二开关(K2)闭合，第三开关(K3)断开，第一充电模块开始工作进行充电，此时超级电容和外部新能源发电单元共同向串联的锂电池充电，超级电容的电压V1开始下降；
13)当锂电池在进行充电时，若满足V1＞0.9Vr，则第一开关(K1)和第二开关(K2)继续闭合，第三开关(K3)继续断开，对锂电池继续充电；
14)当锂电池在进行充电时，若满足V1≤0.9Vr，则对锂电池的充电动作结束，第一开关(K1)继续闭合，第二开关(K2)和第三开关(K3)断开；
15)当超级电容的电压V1≥1.1Vr、串联的锂电池已经充满且串联的铅酸电池没有充满时，则第一开关(K1)继续闭合，第三开关(K3)闭合，第二开关(K2)断开，第二充电模块开始工作，此时，超级电容和外部新能源发电单元共同为串联的铅酸电池充电，充电电流经过第三开关(K3)给串联的铅酸电池充电，超级电容的电压V1开始下降；
16)当铅酸电池在进行充电时，若满足V1＞0.9Vr，则第一开关(K1)和第三开关(K3)继续闭合，第二开关(K2)继续断开，对铅酸电池继续充电；
17)当铅酸电池在进行充电时，若满足V1≤0.9Vr，则对铅酸电池的充电动作结束，第一开关(K1)继续闭合，第二开关(K2)和第三开关(K3)断开；
18)当锂电池和铅酸电池都充满且超级电容的电压V1≥1.1Vr时，则判定储能电池系统已经充满，外部新能源发电单元停止工作，此时第一开关(K1)保持闭合状态，第二开关(K2)和第三开关(K3)处于断开状态。
2.根据权利要求1所述的一种由超级电容、锂电池和铅酸电池组成的储能电池系统，其特征在于，所述的第一充电模块和第二充电模块均为DC/DC充电模块，且分别并联一反向二极管。
3.根据权利要求1所述的一种由超级电容、锂电池和铅酸电池组成的储能电池系统，其特征在于，所述的第一开关(K1)为常闭触点开关，所述的第二开关(K2)和第三开关(K3)为常开触点开关。
4.根据权利要求1所述的一种由超级电容、锂电池和铅酸电池组成的储能电池系统，其特征在于，所述的第一充电模块对锂电池的充电功率不小于外部新能源充电单元对储能电池系统的充电功率，所述的第二充电模块对铅酸电池的充电功率不小于外部新能源充电单元对储能电池系统的充电功率。
5.根据权利要求1所述的一种由超级电容、锂电池和铅酸电池组成的储能电池系统，其特征在于，如果步骤12)-14)中，在没有放电中断的前提下，第一充电模块对超级电容的充电电能不小于
Figure FDA0003354357480000021
如果步骤15)-17)中，在没有放电中断的前提下，第二充电模块对铅酸电池的充电电能不小于
Figure FDA0003354357480000022
其中，C1为超级电容容值，η1为第一充电模块的效率，η2为第二充电模块的效率。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种由超级电容、锂电池和铅酸电池组成的储能电池系统，其特征在于，当储能电池系统的采集电流i0＜0时，该储能电池系统处于放电状态，放电控制方法包括以下步骤：
21)当V1＞0.95Vr时，此时第一开关(K1)闭合，第二开关(K2)和第三开关(K3)断开，超级电容通过第一开关(K1)单独放电；
22)当V1≤0.95Vr时，若锂电池有电，则第一开关(K1)继续保持闭合，第二开关(K2)快速闭合，由于超级电容电压V1大于锂电池电压V2，此时由超级电容单独提供电能，随着V1电压继续下降到V1≤V2时，二极管D1正向导通，此时由锂电池和超级电容共同提供电能；
23)当锂电池没电而铅酸电池有电时，为防止铅酸电池对超级电容充电过流，第一开关(K1)和第二开关(K2)断开后第三开关(K3)快速闭合，储能电池组由铅酸电池通过第三开关(K3)和二极管D2向外供电；
24)当锂电池和铅酸电池都没电时，则判定该储能电池系统处于无电状态，放电动作结束。
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