專利名稱：一種混合儲能系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電動汽車備用電源，尤其涉及一種蓄電池、超 級電容器混合儲能系統(tǒng)。
背景技術：
蓄電池是一種通過可逆的電化學反應實現(xiàn)能量儲存和轉化的儲能器。常用的蓄電 池包括鋰離子電池、鎳氫電池、鎳鎘電池、鉛酸電池和燃料電池等。雖然各種蓄電池在工業(yè) 領域有大量的應用，但由于其具有功率密度低、使用壽命短、充電時間長、不宜進行大功率 放電、也不宜實現(xiàn)對能量的回收、污染環(huán)境等缺點，限制了它的更廣泛的使用。超級電容器是近年來出現(xiàn)的一種新型儲能器件，它具有很好的功率特性，可以大 電流、高效率、快速的充放電。由于其充放電過程始終是物理過程，不發(fā)生電化學反應和電 極結構的變化，因此其循環(huán)使用壽命長。此外，超級電容器還具有高低溫性能良好、能量判 斷簡單準確、無需維護和環(huán)境友好等諸多優(yōu)點，正日益發(fā)展成為一種高效、實用的能量儲存 器件。盡管超級電容器具有很多優(yōu)點，但其缺點也較明顯，其能量密度和蓄電池相比較 低。目前雙電層超級電容器的能量密度大約是閥控式鉛酸蓄電池的20 %，儲存能量少，維持 其功率特性的時間短，不適合單獨用于電動汽車、備用電源等場合儲能應用。近年來由于能源短缺和環(huán)境污染等問題日益突出，使得電動車的研制和應用成為 熱點，包括純電動汽車、插電式混合動力汽車和混合動力汽車。因此在車載動力型蓄電池迅 猛發(fā)展的同時也遇到了前所未有的挑戰(zhàn)。由于電動汽車在運行過程中道路工況變化較大， 在電動汽車加速過程中需強勁的動力支持，在剎車、下坡等情況下有再生能量產生，而蓄電 池在這些場合下應用，將大大降低其使用壽命，并使其安全性受到影響。同樣，在備用電源 應用領域，由于蓄電池長期處于小電流充電狀態(tài)，而需要其放電時要瞬間提供較大的功率， 這都對蓄電池的壽命和安全性產生影響。如果將超級電容器和蓄電池混合使用，使蓄電池能量密度高與超級電容器功率密 度高、循環(huán)壽命長等優(yōu)點相結合，會顯著提高電力儲能裝置的性能。通過一定的方式使蓄電 池和超級電容器互補工作，可以優(yōu)化蓄電池的充放電過程，減少充放電循環(huán)次數(shù)，增加放電 時間，延長使用壽命。超級電容器和蓄電池的混合使用，可以大大改善電源對大功率脈動負 載的適應能力，降低蓄電池內部的損耗，改善可靠性和經濟性，已被認定為今后解決電動汽 車發(fā)展的有效途徑之一。在中國專利CN101388560公開的一種蓄電池充電系統(tǒng)中，為了給鉛酸蓄電池負載 充電，采用DC/DC雙向變換器和超級電容器組，實現(xiàn)蓄電池的Reflex 充電，以提高系統(tǒng)的 效率，降低功率等級。該專利中采用DC/DC雙向變換器向蓄電池組充電，控制結構復雜，能 耗和體積大，成本較高。在中國專利CN101510698A公開的一種蓄電池儲能系統(tǒng)中，用超級電容器組作為 緩沖，實現(xiàn)蓄電池組的充電或放電過程。專利中提到用兩個絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)反 向并聯(lián)代替雙向可控硅元件，但是沒有考慮到IGBT器件自身的反并聯(lián)二極管。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是克服在電動車和備用電源等領域單獨使用蓄電池工作時，因大功 率工作以及浮充電等運行模式，使得蓄電池的壽命和安全性降低等問題，設計了一種蓄電 池和超級電容器混合儲能系統(tǒng)。本發(fā)明充分發(fā)揮了超級電容器和蓄電池的各自優(yōu)勢，揚長 避短，形成高效率、高功率、長壽命的混合儲能系統(tǒng)。該系統(tǒng)中，超級電容器作為儲能裝置， 還可以吸收負載回饋產生的電能，提高了系統(tǒng)的效率，并避免對電網(wǎng)的污染。本發(fā)明包括蓄電池組、靜態(tài)開關控制回路、超級電容器組和負載。蓄電池組和靜態(tài) 開關控制回路串聯(lián)后，接到直流母線上。超級電容器組直接接到直流母線上，負載與超級電 容器組并聯(lián)后接到直流母線上。超級電容器組還可吸收負載回饋產生的電能，實現(xiàn)了能量 的回收利用，并避免對電網(wǎng)的污染。負載的供電或者來自超級電容器組，或者來自蓄電池 組。由于超級電容器具有功率密度大、充電時間短、循環(huán)壽命長、充放電效率高等優(yōu)異 特性，因此優(yōu)先給超級電容器充電、放電，這樣不僅能夠減少蓄電池的使用次數(shù)，延長蓄電 池的使用壽命，而且能夠提高對大功率脈動負載的適應能力，防止大功率輸出對蓄電池壽 命的影響。
本發(fā)明中的混合儲能系統(tǒng)對外供電時，首先是超級電容器組對外供電，超級電容 器組兩端電壓降低，蓄電池組兩端電壓不變。當超級電容器組兩端電壓降到設定值時，控制 靜態(tài)開關導通，使蓄電池組對外供電，同時對超級電容器組充電，使超級電容器組兩端電壓 升高。當超級電容器組兩端電壓升至設定值時，控制靜態(tài)開關關斷。當超級電容器組兩端 電壓再次下降至設定值時，重新導通靜態(tài)開關，蓄電池組進入下一個放電周期，見附圖1。本 發(fā)明中的脈沖放電電路可以防止短時大功率需求(如電動汽車起動、加速或備用電源瞬間 浪涌脈沖)對蓄電池的沖擊。本發(fā)明中的混合儲能系統(tǒng)充電時，首先是對超級電容器組充電，超級電容器組兩 端電壓升高，蓄電池組兩端電壓不變。當超級電容器組兩端電壓升至設定值時，控制靜態(tài)開 關導通，使超級電容器組對蓄電池組充電，外充電電路對超級電容器組充電的同時，對蓄電 池組充電。此時，超級電容器組兩端電壓逐漸降低，當超級電容器組兩端電壓下降至設定 值時，控制靜態(tài)開關關斷。當超級電容器組兩端電壓再次上升至設定值時，重新導通靜態(tài) 開關，蓄電池組進入下一個充電周期。本發(fā)明中的脈沖充電電路可以防止短時大功率能量 (如電動汽車剎車制動能量或備用電源瞬間浪涌脈沖)對蓄電池的沖擊。本發(fā)明采用的蓄電池組包括鋰離子電池、鎳氫電池、鎳鎘電池、鉛酸電池或燃料電 池組成的蓄電池組。本發(fā)明采用的靜態(tài)開關可以是但不限于GTR、IGBT, IGCT、GT0等可控功率器件。本發(fā)明采用的超級電容器組可以是雙電層超級電容器或電化學超級電容器組成 的超級電容器組。單體超級電容器先串聯(lián)組成串聯(lián)支路，再將兩個或者兩個以上的串聯(lián)支 路并聯(lián)，組合成超級電容器組，具體的串并聯(lián)組合方案視系統(tǒng)的實際情況而定。為了提高超 級電容器組的容量利用率，并將超級電容器單體電壓限定在最高工作電壓以下，超級電容 器組可以采用串聯(lián)均壓器進行均壓處理。本發(fā)明的一種混合儲能系統(tǒng)，具有以下優(yōu)點
(1)采用了超級電容器組和蓄電池組作為儲能裝置，與單一蓄電池組儲能系統(tǒng)相比，減少了蓄電池組的充放電循環(huán)次數(shù)，延長了蓄電池的使用壽命。(2)充分發(fā)揮超級電容器功率密度大和蓄電池能量密度高的優(yōu)勢，結構簡單，成本 低廉。(3)采用超級電容器組作為儲能裝置，能夠充分發(fā)揮超級電容器循環(huán)壽命長、充放 電速度快等優(yōu)點，超級電容器組不僅起到了功率緩沖器的作用，而且還能吸收負載回饋的 電能。與單一儲能系統(tǒng)相比，本發(fā)明的混合儲能系統(tǒng)結合了蓄電池與超級電容器各自的 優(yōu)勢，具有大容量、高功率和長壽命等優(yōu)點，并且結構簡單，成本低廉，可用于備用電源等大 電流瞬時脈沖放電場合，也可在各種電動車、電動工具中推廣使用。
圖1是本發(fā)明工作原理方框圖；圖2是本發(fā)明的一種具體實施方式
。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
進一步說明本發(fā)明。如圖2所示，本發(fā)明一種混合儲能系統(tǒng)包括蓄電池組10、靜態(tài)開關控制回路20、超 級電容器組30和負載40。其中蓄電池組10正極IOa與靜態(tài)開關控制回路20的第一端口 201a連接；靜態(tài)開關控制回路20的第二端口 203b與超級電容器組30的正極30a連接；蓄 電池組10的負極IOb與超級電容器組30的負極30b連接；超級電容器組30的正極30a與 負載40的40a連接，超級電容器組30的負極30b與負載40的40b連接。如圖2所示，靜態(tài)開關控制回路20由限流電阻R與接觸器常閉觸點J的并聯(lián)支路 201、第一絕緣柵雙極型晶體管IGBT 202和第二絕緣柵雙極型晶體管IGBT 203組成。限流 電阻R與接觸器常閉觸點J并聯(lián)，所組成的并聯(lián)支路201的第一端口 201a與蓄電池組10 的正極IOa端連接，限流電阻R與接觸器常閉觸點J的并聯(lián)支路201的第二端口 201b與第 一絕緣柵雙極型晶體管IGBT 202的源極202a連接，第一絕緣柵雙極型晶體IGBT 202的漏 極202b與第二絕緣柵雙極型晶體管IGBT 203的漏極203a連接，第二絕緣柵雙極型晶體管 IGBT 203的源極203b與超級電容器組的正極30a連接。本發(fā)明中的混合儲能系統(tǒng)對負載40供電時，首先是超級電容器組30對負載40供 電，超級電容器組30兩端電壓降低，蓄電池組10兩端電壓不變。當超級電容器組30兩端 電壓降到設定值時，控制絕緣柵雙極型晶體管IGBT 202導通，使蓄電池組10通過限流電阻 R與接觸器常閉觸點J的并聯(lián)支路201、絕緣柵雙極型晶體管IGBT 202、絕緣柵雙極型晶體 管IGBT 203的反并聯(lián)二極管D2對負載40供電，同時對超級電容器組30充電，使超級電容 器組30兩端電壓升高。當超級電容器組30兩端電壓升至設定值時，控制絕緣柵雙極型晶 體管IGBT 202關斷。當超級電容器組30兩端電壓再次下降至設定值時，重新導通絕緣柵 雙極型晶體管IGBT 202，蓄電池組進入下一個放電周期。A是電流傳感器，用于檢測主電路 電流。當A檢測到主電路電流大于限定值時，常閉觸點J斷開，系統(tǒng)進入R限流工作狀態(tài)。本發(fā)明中的混合儲能系統(tǒng)充電時，首先是對超級電容器組30充電，超級電容器組30兩端電壓升高，蓄電池組10兩端電壓不變。當超級電容器組30兩端電壓升至設定值時， 控制絕緣柵雙極型晶體管IGBT 203導通，使超級電容器組30對蓄電池組10充電，外充電 電路對超級電容器組30充電的同時，通過絕緣柵雙極型晶體管IGBT 203、絕緣柵雙極型晶 體管IGBT 202反并聯(lián)二極管Dl、限流電阻R與接觸器常 閉觸點J的并聯(lián)支路201對蓄電池 組10充電。此時，超級電容器組30兩端電壓逐漸降低，當超級電容器組30兩端電壓下降 至設定值時，控制絕緣柵雙極型晶體管IGBT 203關斷。當超級電容器組30兩端電壓再次 上升至設定值時，重新導通絕緣柵雙極型晶體管IGBT 203，蓄電池組進入下一個充電周期， 如圖1所示。
權利要求
一種混合儲能系統(tǒng)，其特征在于所述混合儲能系統(tǒng)包括蓄電池組(10)、靜態(tài)開關控制回路(20)、超級電容器組(30)和負載(40)；蓄電池組(10)的正極(10a)與靜態(tài)開關控制回路(20)的端口(201a)連接；靜態(tài)開關控制回路(20)的另一端口(203b)與超級電容器組(30)的正極(30a)連接；蓄電池組(10)的負極(10b)與超級電容器組(30)的負極(30b)連接；超級電容器組(30)與負載(40)連接；蓄電池組(10)和靜態(tài)開關控制回路(20)串聯(lián)后，接到直流母線上；超級電容器組(30)直接接到直流母線上。
2.根據(jù)權利要求1所述的混合儲能系統(tǒng)，其特征在于所述的靜態(tài)開關控制回路(20) 由限流電阻R與接觸器常閉觸點J的并聯(lián)支路(201)、第一絕緣柵雙極型晶體管IGBT(202) 和第二絕緣柵雙極型晶體管IGBT(203)組成；限流電阻R與接觸器常閉觸點J并聯(lián)組成 的并聯(lián)支路(201)的第一端口(201a)與蓄電池組(10)的正極端(IOa)連接，限流電阻 R與接觸器常閉觸點J的并聯(lián)支路(201)的第二端口(201b)與第一絕緣柵雙極型晶體管 IGBT (202)的源極(202a)連接，第一絕緣柵雙極型晶體管IGBT (202)的漏極(202b)與第二 絕緣柵雙極型晶體管IGBT (203)的漏極(203a)連接，第二絕緣柵雙極型晶體管IGBT (203) 的源極(203b)與超級電容器組(30)的正極(30a)連接。
3.根據(jù)權利要求2所述的混合儲能系統(tǒng)，其特征在于所述的靜態(tài)開關控制回路(20) 中的絕緣柵雙極型晶體管IGBT或由GTR、IGCT或GTO替代。
4.根據(jù)權利要求1所述的混合儲能系統(tǒng)，其特征在于充電時，先對超級電容器組(30) 充電，當超級電容器組(30)兩端電壓升至設定值時，控制靜態(tài)開關控制回路(20)，使靜態(tài) 開關導通；放電時，超級電容器組(30)先放電，當超級電容器組(30)兩端電壓降至設定值 時，控制靜態(tài)開關控制回路(20)，使靜態(tài)開關導通，蓄電池組(10)對超級電容器組(30)充 電，同時向負載(40)供電。
5.根據(jù)權利要求1所述的混合儲能系統(tǒng)，其特征在于所述的蓄電池組(10)為由鋰離 子電池、鎳氫電池、鎳鎘電池、鉛酸電池或燃料電池組成的蓄電池組。
6.根據(jù)權利要求1所述的混合儲能系統(tǒng)，其特征在于所述的超級電容器組(30)由單 體超級電容器串聯(lián)或并聯(lián)組成，所述的超級電容器組(30)包括采用雙電層超級電容器或 電化學超級電容器組成的超級電容器組。
全文摘要
一種混合儲能系統(tǒng)，包括蓄電池組(10)、靜態(tài)開關控制回路(20)、超級電容器組(30)、負載(40)。充電時，先對超級電容器組(30)充電，當超級電容器組(30)兩端電壓升至設定值時，控制靜態(tài)開關控制回路(20)，使靜態(tài)開關導通；放電時，超級電容器組(30)先放電，當超級電容器組(30)兩端電壓降至設定值時，控制靜態(tài)開關控制回路(20)，使靜態(tài)開關導通，蓄電池組(10)對超級電容器組(30)充電同時向負載(40)供電。本發(fā)明通過控制靜態(tài)開關實現(xiàn)負載端電壓穩(wěn)定，在滿足負載功率要求的同時減少蓄電池的充放電次數(shù)，達到減小蓄電池配置容量和延長使用壽命的目的。
文檔編號H02J15/00GK101882813SQ20101019703
公開日2010年11月10日 申請日期2010年6月2日 優(yōu)先權日2010年6月2日
發(fā)明者周龍, 唐西勝, 張國偉, 李寧寧, 齊智平 申請人:中國科學院電工研究所