CN113954678A - 用于汽车电池混合储能的高温超导模块电池的充电系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于汽车电池混合储能的高温超导模块电池的充电系统，包括：变压器，电流源型交换器，电源IC，控制电路；检测电路；模块化超导储能电池S‑SMES，其第一端与第二端分别与电流源型交换器与检测电路相连，失超保护，与一端模块化超导储能电池S‑SMES的第三端相连；DCDC模块，与失超保护的另一端相连；DCAC模块，与DCDC模块相连。本申请能以较大功率释能存储的能量，并通过阵列式组合，可以形成更高的电池电压和更大的储能功率，通过DC/DC转换模型，与电动汽车的主储能电池形成能量合并，最终通过DC/AC转换，驱动电动汽车的交流电机。在需要充电时，与电网进行能量交换，高温超导模块电池的充电系统是一种快速、智能、高效的系统。

Description

用于汽车电池混合储能的高温超导模块电池的充电系统及 方法
技术领域
本发明涉及汽车充电技术领域，尤其涉及一种用于汽车电池混合储能的高温超导模块电池的充电系统及方法。
背景技术
随着电动汽车等电动交通运输工具的快速发展，电化学电池如锂离子电池成为目前发展最快也是使用最广泛的储能方式。交通运输系统通常需要高能量型储能设备，长时间的放电以获得长时间的续航能力，从而最大化系统效率并最小化系统费用和质量。不过，在启动和加速阶段，电池的放电速度较慢。且电池系统的频繁充电会严重影响电池生命周期。如果配合一个高功率型的SMES，作为主储能电池的缓冲，组成混合储能系统，电池不必经受频繁的充放电，电机启动等脉冲大电流也不必由电池供给。
以用于汽车电池混合储能的陈列式模块化小型高温超导电池S-SMES的应用为背景，提出高温超导模块电池的智能宽范围多模块快速充电系统。S-SMES应用需要解决的一个重要问题就是设计快速充电系统，将电能以磁场能的方式存储到超导电池。针对需要快速充电，充电时间尽量短的问题，提出了电流源型变换器实现20-50A的大电流快速充电方法，实现超导储能电池的快速充电；针对模块化高温超导电池S-SMES，可能单模块，也可能多模块S-SMES同时充电的应用情况，提出了支持最多12个模块化S-SMES同时快速充电的宽电压、宽电流范围的多模块充电方法；结合高温超导电池S-SMES的充电过程的失超监测与失超保护的问题，提出了电压、电流及温度同时监测及智能失超保护的设计。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于汽车电池混合储能的高温超导模块电池的充电系统及方法，旨在能以较大功率释能存储的能量，并通过阵列式组合，可以形成更高的电池电压和更大的储能功率，通过DC/DC转换模型，与电动汽车的主储能电池形成能量合并，最终通过DC/AC转换，驱动电动汽车的交流电机。在需要充电时，与电网进行能量交换，高温超导模块电池的充电系统是一种快速、智能、高效的系统。
为了实现上述目的，本发明提供一种用于汽车电池混合储能的高温超导模块电池的充电系统，包括：
变压器，其一端与电网相连；
电流源型交换器，其第一端与所述变压器的另一端相连，
电源IC，其一端与所述电流源型交换器的第二端相连；
控制电路，其一端与所述电源IC的另一端相连；
检测电路，包括电流检测模块、电压检测模块以及温度检测模块中的一个或者多个，所述检测电路的一端与所述控制电路的另一端相连；
模块化超导储能电池S-SMES，其第一端与第二端分别与所述电流源型交换器与所述检测电路相连，
失超保护，与一端所述模块化超导储能电池S-SMES的第三端相连；
DCDC模块，与所述失超保护的另一端相连；
DCAC模块，与所述DCDC模块相连。
以及，本发明还公开了一种用于汽车电池混合储能的高温超导模块电池的充电方法，包括:
设置充电电流；
电流检测步骤：通过检测电路进行温度检测，并在所检测到的温度大于温度阈值时，设置启动保护动作触发和释能电路，负责持续执行温度检测；
在充电电流不在上升时，进入失超检测，包括：模块化超导储能电池S-SMES充电电压采集，获得检测电压，当检测电压大于电压阈值时保护动作触发并且释能电路启动，如果否，则持续检测电压；
在充电电流上升时，判断当前充电电流是否与大于工作电流，如果是，则判断储能电池是否稳定运行；
如果是，则表示储能电池充电完成，如果否，则转入所述电流检测步骤和所述失超检测步骤。
应用本发明实施例提供的一种用于汽车电池混合储能的高温超导模块电池的充电系统，通过每个模块化的超导储能电池S-SMES储能一定的能量，并且能以较大功率释能存储的能量，并通过阵列式组合，可以形成更高的电池电压和更大的储能功率，通过DC/DC转换模型，与电动汽车的主储能电池形成能量合并，最终通过DC/AC转换，驱动电动汽车的交流电机。在需要充电时，与电网进行能量交换，高温超导模块电池的充电系统是一种快速、智能、高效的系统。
附图说明
图1用于电动汽车的模块化超导储能电池S-SMES充电系统的系统框图
图2用于电动汽车的模块化超导储能电池S-SMES的智能充电系统框图。
图3用于电动汽车的模块化超导储能电池S-SMES的充电系统流程图。
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。
目前的电动汽车的混合储能包括储能系统由多个混合储能模块组成，每个模块内部可包含1或2组储能单元(不同介质)。与当前多组单元并联控制结构不同，该种架构具有以下特点。蓄电池作为电动汽车的储能装置,其固有特性的缺陷制约了电动汽车的发展。超级电容与蓄电池的混合式储能装置可以改善单一蓄电池储能装置的不足。超导技术主要研究领域中的超导磁储能系统,具有高储能、快供电的特性,应用于电动汽车会提高电动汽车的续航时间,甚至实现电动汽车的自主产能。现有的超导储能方案是基于整个超导大磁体，非模块快的超导磁体，具体体积大，如果损害，整个超导储能系统损害的风险。随着新型超导材料研发和超导技术的发展，超导储能将会在汽车领域及其他相关领域得到规模化应用。超导储能自身不会消耗能量，但必须增加额外的低温制冷机或低温制冷剂使超导磁体冷却到临界温度以下，会导致能量的损耗和成本增加，使其在电动汽车储能电池领域的应用受到了很大的限制。
超导磁体充电系统以直流恒流或恒压的充电方式，将电能以磁场能的方式存储到超导电池。目前的充电系统主要研究是超导磁体的充放电系统，对高温超导模块电池的专利研究很少。并且主要利用已有的专用超导电源，或者简易电路，本专利提出的高温超导模块电池的智能宽范围多模块充电系统设计，采用专用电源IC，实现智能宽范围的充电性能控制；常规的超导磁体的充电电源，体积大，本专利提出的超导储能电池专用的充电电路，体积小，充电速度快，稳定性高。
国内目前研究目前主要是将超导储能应用于电网等领域，没有将超导储能与电动车锂电池直接结合应用。同时也没有提出应用于电动汽车的模块化电池方案。
目前已有的充电系统主要研究是超导磁体的充放电系统，对高温超导模块电池的专利研究很少。并且主要利用已有的专用超导电源，或者简易电路，本专利提出的高温超导模块电池的智能宽范围多模块充电系统设计，采用专用电源IC，实现智能宽范围的充电性能控制；常规的超导磁体的充电电源，体积大。目前已有的超导磁体的充电电源，仅包含了部分失超电压检测功能，并且主要是降流失超保护，更加可靠主动的失超保护需要磁体外接保护电路，失超保护的功能受限。
如图1-2本发明提供一种用于汽车电池混合储能的高温超导模块电池的充电系统，包括：
图1中是用于电动汽车的模块化超导储能电池S-SMES的系统框图。每个模块化的超导储能电池S-SMES储能一定的能量，并且能以较大功率释能存储的能量，并通过阵列式组合，可以形成更高的电池电压和更大的储能功率，通过DC/DC转换模型，与电动汽车的主储能电池形成能量合并，最终通过DC/AC转换，驱动电动汽车的交流电机。在需要充电时，与电网进行能量交换，高温超导模块电池的充电系统是一种快速、智能、高效的系统。具体的包括：
变压器，其一端与电网相连；
电流源型交换器，其第一端与所述变压器的另一端相连，
电源IC，其一端与所述电流源型交换器的第二端相连；
控制电路，其一端与所述电源IC的另一端相连；
检测电路，包括电流检测模块、电压检测模块以及温度检测模块中的一个或者多个，所述检测电路的一端与所述控制电路的另一端相连；
模块化超导储能电池S-SMES，其第一端与第二端分别与所述电流源型交换器与所述检测电路相连，
失超保护，与一端所述模块化超导储能电池S-SMES的第三端相连；
DCDC模块，与所述失超保护的另一端相连；
DCAC模块，与所述DCDC模块相连。
图2中是用于电动汽车的模块化超导储能电池S-SMES的智能充电系统框图。超导储能电池S-SMES以直流形式储存的能量，需要通过变压器、电流型变换器实现交流/直流的转换才能与电网进行功率的交换，存储为磁能。
集成的小型变压器实现整个智能充电系统接入配电网；电流源型变换器的直流侧直接与模块化超导储能电池相连，结构简单、控制相对容易、系统可靠性更高；电源IC是专用集成控制芯片，实现功率电流源型变换器的PWM等控制功能；单个模块化超导储能电信S-SMES的充电电流可调范围20-50A，智能充电系统支持多个S-SMES的并联充电，最多可支持12个S-SMES同时充电；电流检测模块主要是对充电电流实时监测，正常充电电流范围：20-50A，实现模块化超导储能电池S-SMES的充电电流的可调控制；电压检测模块主要是对充电过程的模块化超导储能电池S-SMES的端电压的监测，充电时电压范围：小于10V，充电完成，稳定工作时S-SMES端电压小于10mV；温度检测主要是模块化超导储能电池S-SMES的内部温度实时监测，温度一般告警温度85K，严重告警温度92K，当出现严重告警是，停止充电，并启动放电，同时触发S-SMES的失超保护。
因此，应用本发明实施例，专用于模块化高温超导储能电池的集成快速充电系统；支持单个或多个高温超导储能电池的智能宽范围多模块充电系统，最多可支持12个S-SMES模块同时充电；本充电系统集成温度检测、电压检测、电流检测等实时监测功能，并可触发集成的失超保护功能，提高了高温超导储能电池及充电系统的可靠性。
以及，本发明还公开了一种用于汽车电池混合储能的高温超导模块电池的充电方法，包括:
设置充电电流；
电流检测步骤：通过检测电路进行温度检测，并在所检测到的温度大于温度阈值时，设置启动保护动作触发和释能电路，负责持续执行温度检测；
在充电电流不在上升时，进入失超检测，包括：模块化超导储能电池S-SMES充电电压采集，获得检测电压，当检测电压大于电压阈值时保护动作触发并且释能电路启动，如果否，则持续检测电压；
在充电电流上升时，判断当前充电电流是否与大于工作电流，如果是，则判断储能电池是否稳定运行；
如果是，则表示储能电池充电完成，如果否，则转入所述电流检测步骤和所述失超检测步骤。
需要说明的是，释能电路是释放能量的电路，就是将电路中超导线圈的能量释放掉，就类似于电感储能中的能量释放掉。在上述系统中对应的部分，具体实现可以在失超保护的电路中，具体实现过程为现有技术，本发明不再赘述。
图3是用于电动汽车的模块化超导储能电池S-SMES的充电系统流程图。刚开始阶段启动充电，充电电流上升直至设定的额定充电电流，充电电流可调范围：20-50A。电流检测模块主要是对充电电流实时监测，正常充电电流范围：20-50A，实现模块化超导储能电池S-SMES的充电电流的可调控制；电压检测模块主要是对充电过程的模块化超导储能电池S-SMES的端电压的监测，充电时电压范围：小于10V，充电完成，稳定工作时S-SMES端电压小于10mV；温度检测主要是模块化超导储能电池S-SMES的内部温度实时监测，温度一般告警温度85K，严重告警温度92K，当出现严重告警是，停止充电，并启动放电，同时触发S-SMES的失超保护。
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 (2)

1.一种用于汽车电池混合储能的高温超导模块电池的充电系统，其特征在于，包括：
变压器，其一端与电网相连；
电流源型交换器，其第一端与所述变压器的另一端相连，
电源IC，其一端与所述电流源型交换器的第二端相连；
控制电路，其一端与所述电源IC的另一端相连；
检测电路，包括电流检测模块、电压检测模块以及温度检测模块中的一个或者多个，所述检测电路的一端与所述控制电路的另一端相连；
模块化超导储能电池S-SMES，其第一端与第二端分别与所述电流源型交换器与所述检测电路相连，
失超保护，与一端所述模块化超导储能电池S-SMES的第三端相连；
DCDC模块，与所述失超保护的另一端相连；
DCAC模块，与所述DCDC模块相连。
2.一种用于汽车电池混合储能的高温超导模块电池的充电方法，其特征在于，包括：
设置充电电流；
电流检测步骤：通过检测电路进行温度检测，并在所检测到的温度大于温度阈值时，设置启动保护动作触发和释能电路，负责持续执行温度检测；
在充电电流不在上升时，进入失超检测，包括：模块化超导储能电池S-SMES充电电压采集，获得检测电压，当检测电压大于电压阈值时保护动作触发并且释能电路启动，如果否，则持续检测电压；
在充电电流上升时，判断当前充电电流是否与大于工作电流，如果是，则判断储能电池是否稳定运行；
如果是，则表示储能电池充电完成，如果否，则转入所述电流检测步骤和所述失超检测步骤。
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