一種超級電容器與蓄電池的混合儲能裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種超級電容器與蓄電池的混合儲能裝置，包括新能源發(fā)電系統(tǒng)，新能源發(fā)電系統(tǒng)經直流母線分別連接直流負載和交流負載，直流母線還連接有用于儲能的混合儲能單元，混合儲能單元包括超級電容器組和蓄電池組，超級電容器組、蓄電池組和直流母線都分別連接至同一個用于獲取各個電壓值的控制器，控制器根據獲取的電壓值控制混合儲能單元的充放電動作。將超級電容器與蓄電池聯(lián)合作為儲能裝置，能夠根據新能源發(fā)電系統(tǒng)的不同電力輸出情況對混合儲能進行控制，不僅功率密度大又保持了傳統(tǒng)電容器快速充放電的特性，而且可以提供大脈沖功率，循環(huán)壽命長；同時平衡電能的產生與消耗，且能夠有效地延長蓄電池的使用壽命。
【專利說明】-種超級電容器與蓄電池的混合儲能裝置
【技術領域】
[0001] 本實用新型屬于電學【技術領域】，具體設及一種超級電容器與蓄電池的混合儲能裝 置。
【背景技術】
[0002] 隨著傳統(tǒng)不可再生能源的消耗，人們逐漸把目光轉移到各種可再生能源上。然 而可再生能源發(fā)電系統(tǒng)輸出功率具有隨機性、波動性，為了滿足可再生能源發(fā)電系統(tǒng)與用 電負載之間的平衡和充分利用發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能，需要在系統(tǒng)中配置一定容量的儲能設 備。針對可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的特點，需要儲能設備具備高能量密度、高功率密度、較長的 循環(huán)壽命等特性。但目前的儲能技術，沒有集該些特性于一身的單一儲能設備。 實用新型內容
[0003] 本實用新型的目的是提供一種超級電容器與蓄電池的混合儲能裝置，解決了現(xiàn)有 技術中沒有適用于可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的儲能裝置的問題。
[0004] 本實用新型所采用的技術方案是，一種超級電容器與蓄電池的混合儲能裝置，包 括新能源發(fā)電系統(tǒng)，新能源發(fā)電系統(tǒng)經直流母線分別連接直流負載和交流負載，直流母線 還連接有用于儲能的混合儲能單元，混合儲能單元包括超級電容器組和蓄電池組，超級電 容器組、蓄電池組和直流母線都分別連接至同一個用于獲取各個電壓值的控制器，控制器 根據獲取的電壓值控制混合儲能單元的充放電動作。
[0005] 本實用新型的特點還在于，
[0006] 超級電容器組和蓄電池組各自通過不同的雙向DC/DC變換器分別連接至直流母 線。
[0007] 超級電容器組還通過雙向DC/DC變換器和蓄電池組連接。
[000引各個雙向DC/DC變換器均連接至控制器的信號輸入端。
[0009] 新能源發(fā)電系統(tǒng)通過DC/DC變換器連接至直流母線。
[0010] 交流負載通過DC/AC變換器連接至直流母線。
[0011] 蓄電池組包括若干個蓄電池單元，根據進入蓄電池組的充電電流的大小，若干個 蓄電池單元之間的連接方式可在串聯(lián)或并聯(lián)兩種方式中切換。
[0012] 每個蓄電池單元均包括第一直流電源，第一直流電源的正極連接至第八增強型場 效應管的漏極，第八增強型場效應管的源極分別連接至第九增強型場效應管的源極和第四 直流電源的正極，第九增強型場效應管的漏極分別連接至第一直流電源的負極和第十增強 型場效應管的漏極，第十增強型場效應管的源極連接至第四直流電源的負極。
[0013] 超級電容器組包括若干個并聯(lián)的超級電容器單元，超級電容器單元包括若干個串 聯(lián)的超級電容器。
[0014] 控制器的型號為TMS32CF2812。
[0015] 本實用新型的有益效果是，將超級電容器與蓄電池聯(lián)合作為儲能裝置，能夠根據 新能源發(fā)電系統(tǒng)的不同電力輸出情況對混合儲能進行控制，不僅功率密度大又保持了傳統(tǒng) 電容器快速充放電的特性，而且可W提供大脈沖功率，循環(huán)壽命長；同時平衡電能的產生與 消耗，且能夠有效地延長蓄電池的使用壽命。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016] 圖中，1.新能源發(fā)電系統(tǒng)，2.直流負載，3.交流負載，4.超級電容器組，5.蓄電池 組，6.控制器，7.直流母線。
[0017] 圖1是本實用新型一種超級電容器與蓄電池的混合儲能裝置的結構示意圖；
[001引圖2是本實用新型一種超級電容器與蓄電池的混合儲能裝置中蓄電池單元的電 路圖；
[0019] 圖3是本實用新型一種超級電容器與蓄電池的混合儲能裝置中直流母線與超級 電容器組的連接電路圖。
【具體實施方式】
[0020] 下面結合附圖和實施例對本實用新型進行詳細說明。
[0021] 本實用新型提供了一種超級電容器與蓄電池的混合儲能裝置，如圖1所示，包括 新能源發(fā)電系統(tǒng)1，新能源發(fā)電系統(tǒng)1經直流母線7分別連接直流負載2和交流負載3,直 流母線7還連接有用于儲能的混合儲能單元，混合儲能單元包括超級電容器組4和蓄電池 組5,超級電容器組4、蓄電池組5和直流母線7都分別連接至同一個用于獲取各個電壓值 的控制器6,控制器6根據獲取的電壓值控制混合儲能單元的充放電動作。
[002引其中，超級電容器組4和蓄電池組5各自通過不同的雙向DC/DC變換器分別連接 至直流母線7,超級電容器組4還通過雙向DC/DC變換器和蓄電池組5連接；各個雙向DC/ DC變換器均連接至控制器6的信號輸入端；新能源發(fā)電系統(tǒng)1通過雙向DC/DC變換器連接 至直流母線7 ;交流負載3通過DC/AC變換器連接至直流母線7。
[0023] 新能源發(fā)電系統(tǒng)1經DC/DC變換器接直流母線7,進而接各種負載，其中，交流負載 3需要經過DC/AC變換器接直流母線7，超級電容器組4與蓄電池組5經雙向的DC/DC變換 器接直流母線7。直流母線7、超級電容器組4和蓄電池組5分別接有獨立的采樣單元和控 制單元，整個系統(tǒng)的控制依據采樣單元的采樣信號經過處理器6處理之后進行控制。
[0024] 蓄電池組5包括若干個蓄電池單元，根據進入蓄電池組5的充電電流的大小，所述 的若干個蓄電池單元之間的連接方式可在串聯(lián)或并聯(lián)兩種方式中切換。參見圖2,每個蓄電 池單元均包括第一直流電源BT1，第一直流電源BT1的正極連接至第八增強型場效應管Q8 的漏極，第八增強型場效應管Q8的源極分別連接至第九增強型場效應管Q9的源極和第四 直流電源BT4的正極，第九增強型場效應管Q9的漏極分別連接至第一直流電源BT1的負極 和第十增強型場效應管Q10的漏極，第十增強型場效應管Q10的源極連接至第四直流電源 BT4的負極。
[0025] 蓄電池組5的充放電在原理上和超級電容器組4是一樣的，具體電路的設計和超 級電容器組4的充放電電路相似，下面對蓄電池組5的選擇做出簡要的計算并進行設計。新 能源發(fā)電系統(tǒng)1的輸出功率為10KW，蓄電池選用12V/24Ah的鉛酸電池。 1 OKVVh ^
[0026] 根據計算；i 2Kx 24^/7 = 34-7可知需要該電池34. 7塊，設計中選用36 塊該電池。每六塊蓄電池為一組，設計成如圖2所示的蓄電池單元電路，共六組。該電路能 夠根據蓄電池充電電流的大小完成自動重構功能。當蓄電池的充電電流穩(wěn)定，且在正常的 充電電流之內時，Q9常通，Q8、Q10常閉，六塊蓄電池串聯(lián)，當蓄電池的充電電流大于蓄電池 的最大充電電流時，通過控制器使Q9關閉，Q8、Q10導通。蓄電池S塊串聯(lián)W后在并聯(lián)，使 蓄電池的充電電流在最大電流W內。
[0027] 控制器6的型號為TMS32(F2812,該系統(tǒng)需要多處電壓采樣并且要能夠根據電壓 的實際情況進行實時的控制，因此需要選擇處理速度快、外圍設備豐富和能過實現(xiàn)實時測 量的控制巧片。TI公司的TMS32(F2812內部集成了一個自帶采樣保持器的12位AD轉換 器，16路模擬輸入通道，轉換時間小于80ns，完全能夠滿足控制系統(tǒng)的需求。
[002引超級電容器組4包括若干個并聯(lián)的超級電容器單元，4超級電容器單元包括若干 個串聯(lián)的超級電容器。
[0029] 由于超級電容器的額定電壓一般都比較小，為了使超級電容器儲存更多的電能， 因此要把超級電容器進行串聯(lián)后進行并聯(lián)W達到儲存能量的要求。W 10KW的獨立光伏發(fā) 電系統(tǒng)為例，超級電容器組4選擇大容量超級電容器，具體參數(shù)如下；電容量3000F，額定電 流1000A，最大阻值R為1毫歐，額定電壓2. 7V，放電終止電壓0. 75V。
[0030] 根據電容器儲存能量公式w= 1/2CV2,可W計算出每個超級電容器儲存的能量，進 而計算出所需超級電容器的個數(shù)為6311. 6個。超級電容器組4儲能單元的放電電壓設定 在60V--216V。當超級電容器組4的電壓達到216V時，需要80只超級電容器串聯(lián)。在具體 設計當中，超級電容器組4采用80只串聯(lián)為一組，然后將總共80組并聯(lián)的連接方式。
[0031] 當新能源發(fā)電系統(tǒng)1輸出功率大于負載消耗的能量時，為了完成直流母線7對超 級電容器組4的充電，需要設計由直流母線7到超級電容器組4的DC/DC變換電路，但當輸 出功率不足，又需要超級電容器組4放電供給負載使用，因此直流母線7與超級電容器組4 之間需要兩個DC/DC變換器來完成超級電容器組4的充放電。為了節(jié)約電路成本，采用了 一個雙向的DC/DC變換電路，見圖3。電路中功率開關管使用的是IXF05060P3 (600V/50A)， 當直流母線7向超級電容器組4充電時，Q2、VD1、L1、C2共同構成boost電路，通過控制Q1 使其關斷，同時控制驅動Q2的PWM的占空比即可得到需要的電壓值；當超級電容器組4放 電時，11、91、￥02、(：1共同構成了帖〇1^電路，通過控制是92關斷，調節(jié)驅動？11信號的占空 比使Q1導通，即可的到對應的電壓值。
[0032] 本實用新型的工作過程如下；首先，控制器6根據對直流母線7的電壓采樣結果， 判斷系統(tǒng)工作于何種狀態(tài)下，根據判斷結果，蓄電池組5控制單元和超級電容器組4控制單 元能夠分別控制蓄電池組5和超級電容器組4的充電、放電或斷開與直流母線7之間的連 接，并且蓄電池組5控制單元能夠對蓄電池組5的充電電流進行結構上的自動重構。具體 情況如下；（1)當直流母線7電壓穩(wěn)定，且蓄電池組5的充電電流不大于蓄電池的最大充電 電流時，可再生能源發(fā)電系統(tǒng)通過雙向的DC/DC變換器對超級電容器組4和蓄電池組5充 電，當電容器的電壓充到額定值時，斷開超級電容器組4與直流母線7間的連接，直流母線7 經DC/DC變換器對蓄電池組5進行充電直至蓄電池組5電量充滿，斷開直流母線7與蓄電 池組5的連接；（2)當直流母線7的電壓穩(wěn)定，且蓄電池組5的充電電流大于蓄電池組5的 最大充電電流時，可再生能源發(fā)電系統(tǒng)通過雙向的DC/DC變換器對超級電容器組4和蓄電 池組5充電，當電容器的電壓充到額定值時，斷開超級電容器組4與直流母線7間的連接。 通過控制器6重構蓄電池組5的連接，由串聯(lián)轉變成并聯(lián)對蓄電池組5進行充電，當電容 器的電壓充到額定值時，斷開超級電容器組4與直流母線7的連接；（3)當新能源發(fā)電系統(tǒng) 1輸出功率不足且不能滿足負載正常工作時，超級電容器4組先放電供給負載，若兩者一起 輸出的功率能夠滿足負載需求則蓄電池組5不放電，若兩者輸出的功率不能夠滿足負載的 需求，則新能源發(fā)電系統(tǒng)1、超級電容器組4和蓄電池組5-起放電供給負載使用；(4)當新 能源發(fā)電系統(tǒng)1輸出功率長時間不足，且超級電容器組4和蓄電池組5均處于放空狀態(tài)時， 首先，切斷負載，蓄電池組5控制單元斷開蓄電池組5與直流母線7之間的連接，先對超級 電容器組4充電，待超級電容器組4的電壓達到超級電容器組4的額定電壓后，再由直流母 線7對蓄電池組5進行充電。最后，為了對蓄電池進行保護，蓄電池的充電過程采用了渭流 充電、恒流充電、恒壓充電和浮充充電四階段充電控制策略。
[0033] 本實用新型是一種超級電容器與蓄電池的混合儲能裝置。超級電容器又稱雙層電 容器，不僅功率密度大又保持了傳統(tǒng)電容器快速充放電的特性，而且可W提供大脈沖功率， 循環(huán)壽命長。
[0034] 首先，該控制系統(tǒng)雖然是為新能源發(fā)電系統(tǒng)1設計的混合儲能系統(tǒng)，但是該系統(tǒng) 通過控制策略的改變同樣可W應用到一些需要瞬間大功率的設備當中，例如電動汽車，當 需要加速或者上坡時蓄電池的釋放電流會瞬間增大，利用超級電容器快速放電的特性，能 夠對蓄電池起到很好的保護作用，延長蓄電池的使用壽命。
[0035] 其次，本設計超級電容器組4和蓄電池組5均具控制單元，且蓄電池組5具有結構 自動重構功能。結合超級電容器組4和蓄電池組控制單元5對超級電容器4和蓄電池組5 的充放電控制，可W很靈活的適應多變的外界自然資源環(huán)境對可再生能源發(fā)電系統(tǒng)電力輸 出的影響。當光照等自然資源豐富、穩(wěn)定的時段，利用超級電容器組4、蓄電池組5同時充 電，用W吸收新能源發(fā)電系統(tǒng)1發(fā)出的多余的能量；當光照、風速等自然資源狀況不好，新 能源發(fā)電系統(tǒng)1產生的電能不能夠滿足負載要求時，利用超級電容器組4和蓄電池組5控 制器控制超級電容器組4和蓄電池組5放電，W滿足負載的需求。同時超級電容器組4和 蓄電池組5控制單元對超級電容器4和蓄電池組5的充放電控制，也可W靈活的適應多變 的負載對電網的影響，當負載突增時，可W通過超級電容器4快速放電W滿足負載的要求； 當負載突然減小時，可W通過控制單元的控制快速的對超級電容器組進行充電。通過蓄電 池組5管理單元和超級電容器組4管理單元能夠對新能源發(fā)電系統(tǒng)產生的能量進行充分的 利用和有效的管理。
[0036] 最后，本發(fā)明超級電容器組4和蓄電池組5通過開關電路與直流母線7連接。在 新能源發(fā)電系統(tǒng)1的功率非常微弱或者光伏、風機的發(fā)電功率非常微弱且持續(xù)的時間很長 的情況下，直流母線7輸出的電壓很低，該種開關電路是十分有效的，能夠通過占空比的調 節(jié)完成超級電容器組和蓄電池組的充電。另外，本發(fā)明蓄電池組5控制單元控制蓄電池組 5采用四階段模式進行充電和采用恒壓放電模式進行放電，可更好地保護蓄電池組，延長蓄 電池組5的使用壽命。
【權利要求】
1. 一種超級電容器與蓄電池的混合儲能裝置，其特征在于，包括新能源發(fā)電系統(tǒng)（1)， 所述的新能源發(fā)電系統(tǒng)（1)經直流母線（7)分別連接直流負載（2)和交流負載（3)，所述 的直流母線（7)還連接有用于儲能的混合儲能單元，所述的混合儲能單元包括超級電容器 組⑷和蓄電池組（5)，所述的超級電容器組（4)、蓄電池組（5)和直流母線（7)都分別連 接至同一個用于獲取各個電壓值的控制器￠)，所述的控制器（6)根據獲取的電壓值控制 混合儲能單元的充放電動作。
2. 如權利要求1所述的一種超級電容器與蓄電池的混合儲能裝置，其特征在于，所述 的超級電容器組（4)和蓄電池組（5)各自通過不同的雙向DC/DC變換器分別連接至直流母 線⑵。
3. 如權利要求1所述的一種超級電容器與蓄電池的混合儲能裝置，其特征在于，所述 的超級電容器組（4)通過雙向DC/DC變換器和蓄電池組（5)連接。
4. 如權利要求2或3所述的一種超級電容器與蓄電池的混合儲能裝置，其特征在于，所 述的各個雙向DC/DC變換器均連接至控制器（6)的信號輸入端。
5. 如權利要求1或2所述的一種超級電容器與蓄電池的混合儲能裝置，其特征在于，所 述的新能源發(fā)電系統(tǒng)（1)通過DC/DC變換器連接至直流母線（7)。
6. 如權利要求1或2所述的一種超級電容器與蓄電池的混合儲能裝置，其特征在于，所 述的交流負載（3)通過DC/AC變換器連接至直流母線（7)。
7. 如權利要求1或2所述的一種超級電容器與蓄電池的混合儲能裝置，其特征在于，所 述的蓄電池組（5)包括若干個蓄電池單元，根據進入蓄電池組（5)的充電電流的大小，所述 的若干個蓄電池單元之間的連接方式可在串聯(lián)或并聯(lián)兩種方式中切換。
8. 如權利要求7所述的一種超級電容器與蓄電池的混合儲能裝置，其特征在于，所述 的每個蓄電池單元均包括第一直流電源（BT1)，所述的第一直流電源（BT1)的正極連接至 第八增強型場效應管（Q8)的漏極，所述的第八增強型場效應管（Q8)的源極分別連接至第 九增強型場效應管（Q9)的源極和第四直流電源（BT4)的正極，所述的第九增強型場效應管 (Q9)的漏極分別連接至第一直流電源（BT1)的負極和第十增強型場效應管（Q10)的漏極， 所述的第十增強型場效應管（Q10)的源極連接至第四直流電源（BT4)的負極。
9. 如權利要求1或2所述的一種超級電容器與蓄電池的混合儲能裝置，其特征在于，所 述的超級電容器組（4)包括若干個并聯(lián)的超級電容器單元，所述的超級電容器單元包括若 干個串聯(lián)的超級電容器。
10. 如權利要求1或2所述的一種超級電容器與蓄電池的混合儲能裝置，其特征在于， 所述的控制器（6)的型號為TMS320F2812。
【文檔編號】H02J7/34GK204243873SQ201420777904
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月10日 優(yōu)先權日:2014年12月10日
【發(fā)明者】張鵬超 申請人:陜西理工學院