CN111277030B - 一种适用于复合储能系统的海绵电容能量管理方法 - Google Patents

一种适用于复合储能系统的海绵电容能量管理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了属于复合储能技术领域的一种适用于复合储能系统的海绵电容能量管理方法。复合储能系统包括可充电化学电池和超级电容组成能量储存模块和具有微控制器的能量管理模块组成；可充电化学电池和超级电容分别具有能量密度高和功率密度高的特点。本发明就是充分利用两者的优点，以超级电容作为功率缓冲器件，保证化学电池的充放电功率保持在较低的水平。其原理是在外界能量收集功率较大时，电容吸收多余的能量，保证电池不被过充；在外界能量收集功率较小时，电池以小功率对电容充电使得电容电量保持在一个合理的水平，保护电池不被过放。本发明可延长复合储能系统的寿命，能够应用于环境自供能无线传感节点，能量收集微电网等领域。

Description

一种适用于复合储能系统的海绵电容能量管理方法
技术领域
本发明属于复合储能技术领域，特别涉及一种适用于复合储能系统的海绵电容能量管理方法。
背景技术
随着化石能量的日益枯竭，能源问题成为当前社会需要解决的紧迫问题。在这种背景下，包括我国在内的许多国家都在大力发展各种可再生能源，如太阳能、风能、潮汐能等等。近年来，太阳能、风能等新型能源技术取得了巨大的发展和进步，在我国能源结构中所占比例逐步加大。然而，这些清洁的环境能源受天气、位置影响大，具有不稳定的特点。
为了使得收集到的环境能量得到更好的利用，在许多场合都需要储能系统将这些能量先储存起来，然后为负载平稳地供能。现有的储能技术主要可以分为以锂电池为代表的能量型器件和以超级电容为代表的功率型器件。其中，锂电池具有能量密度大、功率密度小、循环寿命短的特点，而超级电容具有能量密度小、功率密度大、循环寿命长的特点。为了弥补各自的不足，出现了由锂电池和超级电容组成的复合储能系统。在复合储能系统中，需要能量管理模块以及相应的能量管理方法对系统能量进行合理分配，才能充分发挥两种储能器件的优点。
专利CN 104163116B公开了一种车用复合储能系统的能量管理方法，但是该方法仅适用于电动汽车领域，难以应用到其他更广阔的环境能量收集领域。CN 109617210A公开了一种适用于小型负载的复合微能源系统及其能量管理方法，该方法公开了一种由环境能量收集模块、能量管理模块和能量存储模块组成的复合微能源系统，其能量管理方法可以分配能量存储模块中超级电容和锂电池的充放电功率。但是，在该方法中，锂电池可以对超级电容充电，而超级电容不能对锂电池充电。因此，该方法在环境能量充足时，不能发挥超级电容的功率缓冲作用，锂电池可能会承担较大的充电电流。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于复合储能系统的海绵电容能量管理方法；所述复合储能系统包括可充电化学电池和超级电容组成能量储存模块和具有微控制器的能量管理模块组成；该可充电化学电池和超级电容即后面简称的电池和电容；复合储能系统将收集到的包括太阳能、风能、潮汐能和机械振动能的环境能量，并储存在能量储存模块中；通过能量管理模块为负载稳定地提供能量，即所谓的海绵电容能量管理；其特征在于，所述海绵电容能量管理包括以下步骤：
(1)能量管理模块采集小型负载用电信息、外界能源收集情况以及能量存储模块储电器件的当前状态；
(2)计算整个系统的功率需求Pdemand＝Pload-Pharvest，其中Pload为负载的功率需求，Pharvest为外界收集到的能量，并判断系统充放电状态，Pdemand＜0时系统处于充电状态，Pdemand＞0时系统处于放电状态；
(3)根据步骤(2)的判断结果，能量管理模块执行管理操作步骤包括：
3.1在放电状态下，即Pdemand＞0，转到步骤(4)；
3.2在充电状态下，即Pdemand＜0，转到步骤(5)；
(4)根据当前电容的电压VSC和aVmax之间的关系，判断电容所处的状态，其中a为电压判断参数，Vmax为电容充满时电压；其结果判断执行以下步骤：
4.1在电容的状态为+1时，即VSC＞aVmax的状态，电容给电池的充电功率为Pbat＝-b，其中b为电池充电参数，且电容承担系统所需功率，即PSC＝Pdemand+b；
4.2在电容的状态为-1时，即VSC＜(a-0.1)Vmax状态，电池对外放电功率为Pbat＝c，其中c为电池放电参数，和电容共同承担系统所需功率，电容承担系统剩余所需功率，即PSC＝Pdemand-c，特别地，如果Pdemand-c＜0，表示电池对外放电功率的一部分用以给电容充电；
4.3在电容的状态为0时，电池休息，即Pbat＝0，电容工作以满足系统所需功率，即PSC＝Pdemand；
(5)判断当前从外界收集到能量的功率大小Pdemand与b之间的关系，其中b为电池充电参数；根据判断结果，执行以下步骤：
5.1当|Pdemand|＞b时，即外界收集能量功率较大，且电池电容均未充满电时，对电池实施充电功率限制，即Pbat＝-b，其余功率给电容充电，即PSC＝Pdemand-b。若某一器件充电完毕，执行步骤(6)；
5.2当|Pdemand|＜b时，即外界收集能量功率较小，且电池未充满电时，全部功率给电池充电，即Pbat＝Pdemand；若电池充电完毕，执行步骤(6)；
(6)当有器件充电完毕后，能量管理模块的充电保护起作用，执行以下步骤：
6.1若电池充电完毕，则电池停止充电，全部功率给电容充电，即PSC＝Pdemand。
6.2若电容充电完毕，则电容停止充电，电池充电功率保持不变。
所述步骤(4)中参数a的取值范围满足0.3≤a≤0.95。
所述步骤(5)中参数b的取值范围应该小于电池额定充电功率。
所述步骤4.2中参数c与负载有关，其稍大于一段时间内负载的平均功率Paverage，即
Figure GDA0003145008850000041
本发明的有益效果是本发明算法规则简单、比较容易实现，且该方法可以有效减小电池的容量损耗，从而延长其使用寿命，进而延长复合储能系统的寿命。
其次，本发明中的超级电容体现了“海绵电容”的作用：在收集到的环境能量功率较大时，电容吸纳多余的能量，保护电池不被过充；环境能量功率较低时，电容就和电池进行能量互补使得电容电量保持在一个合理的水平，保护电池不被过放。
附图说明
图1为复合储能系统的组成示意图。
图2为海绵电容能量管理方法的算法流程图。
图3为电压判断示意图
具体实施方式
本发明提供了一种适用于复合储能系统的海绵电容能量管理方法，下面结合附图和实施例予以说明。
图1所示为复合储能系统的组成示意图：图中所示的复合储能系统包括可充电化学电池和超级电容组成能量储存模块和具有微控制器的能量管理模块组成；复合储能系统将收集到的包括太阳能、风能、潮汐能和机械振动能的环境能量，并储存在能量储存模块中；通过能量管理模块为负载稳定地提供能量，即所谓的海绵电容能量管理。其中，可充电化学电池为锂离子电池，也可选择其它具有较大储能密度的可充电电池。
图2所示为海绵电容能量管理方法的算法流程图。该能量管理方法包括以下步骤：
(1)能量管理模块采集小型负载用电信息、外界能源收集情况以及能量存储模块储电器件的当前状态；
(2)计算整个系统的功率需求Pdemand＝Pload-Pharvest，其中Pload为负载的功率需求，Pharvest为外界收集到的能量，并判断系统充放电状态，Pdemand＜0时系统处于充电状态，Pdemand＞0时系统处于放电状态；
(3)根据步骤(2)的判断结果，能量管理模块执行管理操作步骤包括：
3.1在放电状态下，即Pdemand＞0，转到步骤(4)；
3.2在充电状态下，即Pdemand＜0，转到步骤(5)；
(4)根据当前电容的电压VSC和aVmax之间的关系，判断电容所处的状态，其中a为电压判断参数，Vmax为电容充满时电压；其结果判断执行以下步骤：
4.1在电容的状态为+1时，即VSC＞aVmax的状态，电容给电池的充电功率为Pbat＝-b，其中b为电池充电参数，且电容承担系统所需功率，即PSC＝Pdemand+D；
4.2在电容的状态为-1时，即VSC＜(a-0.1)Vmax状态，电池对外放电功率为Pbat＝c，其中c为电池放电参数，和电容共同承担系统所需功率，电容承担系统剩余所需功率，即PSC＝Pdemand-c，特别地，如果Pdemand-c＜0，表示电池对外放电功率的一部分用以给电容充电；
4.3在电容的状态为0时，电池休息，即Pbat＝0，电容工作以满足系统所需功率，即PSC＝Pdemand；
所述电压判断方法如图3所示，判断的具体方法如下：
当电容状态为-1时，若VSC/Vmax升高到a，则进入中间态0，否则保持当前状态；
当电容状态为0时，若VSC/Vmax下降到a-0.1，则返回电容状态-1；若VSC/Vmax升高到1，则进入电容状态1；其它情况下保持当前状态；
当电容状态为1时，若VSC/Vmax下降到a，则返回电容状态0，否则保持当前状态。
(5)判断当前从外界收集到能量的功率大小Pdemand与b之间的关系，其中b为电池充电参数；根据判断结果，执行以下步骤：
5.1当|Pdemand|＞b时，即外界收集能量功率较大，且电池电容均未充满电时，对电池实施充电功率限制，即Pbat＝-b，其余功率给电容充电，即PSC＝Pdemand-b。若某一器件充电完毕，执行步骤(6)；
5.2当|Pdemand|＜b时，即外界收集能量功率较小，且电池未充满电时，全部功率给电池充电，即Pbat＝Pdemand；若电池充电完毕，执行步骤(6)；
(6)当有器件充电完毕后，能量管理模块的充电保护起作用，执行以下步骤：
6.1若电池充电完毕，则电池停止充电，全部功率给电容充电，即PSC＝Pdemand。
6.2若电容充电完毕，则电容停止充电，电池充电功率保持不变。
所述步骤(4)中参数a的取值范围满足0.3≤a≤0.95。
所述步骤(5)中参数b的取值范围应该小于电池额定充电功率。
所述步骤4.2中参数c与负载有关，其稍大于一段时间内负载的平均功率Paverage，即
Figure GDA0003145008850000071

Claims (5)

1.一种适用于复合储能系统的海绵电容能量管理方法；所述复合储能系统包括可充电化学电池和超级电容组成能量储存模块和具有微控制器的能量管理模块组成；该可充电化学电池和超级电容即后面简称的电池和电容；复合储能系统将收集到的包括太阳能、风能、潮汐能和机械振动能的环境能量，并储存在能量储存模块中；通过能量管理模块为负载稳定地提供能量，即所谓的海绵电容能量管理；其特征在于，所述海绵电容能量管理包括以下步骤：
(1)能量管理模块采集小型负载用电信息、外界能源收集情况以及能量存储模块储电器件的当前状态；
(2)计算整个系统的功率需求Pdemand＝Pload-Pharvest，其中Pload为负载的功率需求，Pharvest为外界收集到的能量，并判断系统充放电状态，Pdemand＜0时系统处于充电状态，Pdemand＞0时系统处于放电状态；
(3)根据步骤(2)的判断结果，能量管理模块执行管理操作步骤包括：
3.1在放电状态下，即Pdemand＞0，转到步骤(4)；
3.2在充电状态下，即Pdemand＜0，转到步骤(5)；
(4)根据当前电容的电压VSC和aVmax之间的关系，判断电容所处的状态，其中a为电压判断参数，Vmax为电容充满时电压；其结果判断执行以下步骤：
4.1在电容的状态为+1时，即VSC＞aVmax的状态，电容给电池的充电功率为Pbat＝-b，其中b为电池充电参数，且电容承担系统所需功率，即PSC＝Pdemand+b；
4.2在电容的状态为-1时，即VSC＜(a-0.1)Vmax状态，电池对外放电功率为Pbat＝c，其中c为电池对外放电参数，和电容共同承担系统所需功率，电容承担系统剩余所需功率即PSC＝Pdemand-c；特别地，如果Pdemand-c＜0，表示电池对外放电功率的一部分用以给电容充电；
4.3在电容的状态为0时，电池休息，即Pbat＝0，电容工作以满足系统所需功率，即PSC＝Pdemand；
(5)判断当前从外界收集到能量的功率大小Pdemand与b之间的关系，其中b为电池充电参数；根据判断结果，执行以下步骤：
5.1当|Pdemand|＞b时，即外界收集能量功率较大，且电池电容均未充满电时，对电池实施充电功率限制，即Pbat＝-b，其余功率给电容充电，即PSC＝Pdemand-b；若某一器件充电完毕，执行步骤(6)；
5.2当|Pdemand|＜b时，即外界收集能量功率较小，且电池未充满电时，全部功率给电池充电，即Pbat＝Pdemand；若电池充电完毕，执行步骤(6)；
(6)当有器件充电完毕后，能量管理模块的充电保护起作用，执行以下步骤：
6.1若电池充电完毕，则电池停止充电，全部功率给电容充电，即PSC＝Pdemand；
6.2若电容充电完毕，则电容停止充电，电池充电功率保持不变。
2.根据权利要求1所述的能量管理方法，其特征在于，所述步骤(4)中参数a的取值范围满足0.3≤a≤0.95。
3.根据权利要求1所述的能量管理方法，其特征在于所述步骤(5)中参数b的取值范围应该小于电池额定充电功率。
4.根据权利要求1所述的能量管理方法，其特征在于所述步骤4.2中参数c与负载有关，且大于一段时间内负载的平均功率Paverage，即：
Figure FDA0003157754820000021
5.根据权利要求1所述的能量管理方法，其特征在于，所述步骤(4)中通过电容的电压VSC和参考电压aVmax之间的关系，判断电容所处状态的方法如下：
当电容状态为-1时，若VSC/Vmax升高到a，则进入中间态0，否则保持当前状态；
当电容状态为0时，若VSC/Vmax下降到a-0.1，则返回状态-1；若VSC/Vmax升高到1，则进入状态1；其它情况下保持当前状态；
当电容状态为1时，若VSC/Vmax下降到a，则返回状态0，否则保持当前状态。
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