专利名称：一种混合储能系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及电动汽车备用电源，尤其涉及一种蓄电池、超 级电容器混合储能系统。
背景技术：
蓄电池是一种通过可逆的电化学反应实现能量储存和转化的储能器。常用的蓄电 池包括锂离子电池、镍氢电池、镍镉电池、铅酸电池和燃料电池等。虽然各种蓄电池在工业 领域有大量的应用，但由于其具有功率密度低、使用寿命短、充电时间长、不宜进行大功率 放电、也不宜实现对能量的回收、污染环境等缺点，限制了它的更广泛的使用。超级电容器是近年来出现的一种新型储能器件，它具有很好的功率特性，可以大 电流、高效率、快速的充放电。由于其充放电过程始终是物理过程，不发生电化学反应和电 极结构的变化，因此其循环使用寿命长。此外，超级电容器还具有高低温性能良好、能量判 断简单准确、无需维护和环境友好等诸多优点，正日益发展成为一种高效、实用的能量储存 器件。尽管超级电容器具有很多优点，但其缺点也较明显，其能量密度和蓄电池相比较 低。目前双电层超级电容器的能量密度大约是阀控式铅酸蓄电池的20 %，储存能量少，维持 其功率特性的时间短，不适合单独用于电动汽车、备用电源等场合储能应用。近年来由于能源短缺和环境污染等问题日益突出，使得电动车的研制和应用成为 热点，包括纯电动汽车、插电式混合动力汽车和混合动力汽车。因此在车载动力型蓄电池迅 猛发展的同时也遇到了前所未有的挑战。由于电动汽车在运行过程中道路工况变化较大， 在电动汽车加速过程中需强劲的动力支持，在刹车、下坡等情况下有再生能量产生，而蓄电 池在这些场合下应用，将大大降低其使用寿命，并使其安全性受到影响。同样，在备用电源 应用领域，由于蓄电池长期处于小电流充电状态，而需要其放电时要瞬间提供较大的功率， 这都对蓄电池的寿命和安全性产生影响。如果将超级电容器和蓄电池混合使用，使蓄电池能量密度高与超级电容器功率密 度高、循环寿命长等优点相结合，会显著提高电力储能装置的性能。通过一定的方式使蓄电 池和超级电容器互补工作，可以优化蓄电池的充放电过程，减少充放电循环次数，增加放电 时间，延长使用寿命。超级电容器和蓄电池的混合使用，可以大大改善电源对大功率脉动负 载的适应能力，降低蓄电池内部的损耗，改善可靠性和经济性，已被认定为今后解决电动汽 车发展的有效途径之一。在中国专利CN101388560公开的一种蓄电池充电系统中，为了给铅酸蓄电池负载 充电，采用DC/DC双向变换器和超级电容器组，实现蓄电池的Reflex 充电，以提高系统的 效率，降低功率等级。该专利中采用DC/DC双向变换器向蓄电池组充电，控制结构复杂，能 耗和体积大，成本较高。在中国专利CN101510698A公开的一种蓄电池储能系统中，用超级电容器组作为 缓冲，实现蓄电池组的充电或放电过程。专利中提到用两个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)反 向并联代替双向可控硅元件，但是没有考虑到IGBT器件自身的反并联二极管。
发明内容
本发明的目的是克服在电动车和备用电源等领域单独使用蓄电池工作时，因大功 率工作以及浮充电等运行模式，使得蓄电池的寿命和安全性降低等问题，设计了一种蓄电 池和超级电容器混合储能系统。本发明充分发挥了超级电容器和蓄电池的各自优势，扬长 避短，形成高效率、高功率、长寿命的混合储能系统。该系统中，超级电容器作为储能装置， 还可以吸收负载回馈产生的电能，提高了系统的效率，并避免对电网的污染。本发明包括蓄电池组、静态开关控制回路、超级电容器组和负载。蓄电池组和静态 开关控制回路串联后，接到直流母线上。超级电容器组直接接到直流母线上，负载与超级电 容器组并联后接到直流母线上。超级电容器组还可吸收负载回馈产生的电能，实现了能量 的回收利用，并避免对电网的污染。负载的供电或者来自超级电容器组，或者来自蓄电池 组。由于超级电容器具有功率密度大、充电时间短、循环寿命长、充放电效率高等优异 特性，因此优先给超级电容器充电、放电，这样不仅能够减少蓄电池的使用次数，延长蓄电 池的使用寿命，而且能够提高对大功率脉动负载的适应能力，防止大功率输出对蓄电池寿 命的影响。
本发明中的混合储能系统对外供电时，首先是超级电容器组对外供电，超级电容 器组两端电压降低，蓄电池组两端电压不变。当超级电容器组两端电压降到设定值时，控制 静态开关导通，使蓄电池组对外供电，同时对超级电容器组充电，使超级电容器组两端电压 升高。当超级电容器组两端电压升至设定值时，控制静态开关关断。当超级电容器组两端 电压再次下降至设定值时，重新导通静态开关，蓄电池组进入下一个放电周期，见附图1。本 发明中的脉冲放电电路可以防止短时大功率需求(如电动汽车起动、加速或备用电源瞬间 浪涌脉冲)对蓄电池的冲击。本发明中的混合储能系统充电时，首先是对超级电容器组充电，超级电容器组两 端电压升高，蓄电池组两端电压不变。当超级电容器组两端电压升至设定值时，控制静态开 关导通，使超级电容器组对蓄电池组充电，外充电电路对超级电容器组充电的同时，对蓄电 池组充电。此时，超级电容器组两端电压逐渐降低，当超级电容器组两端电压下降至设定 值时，控制静态开关关断。当超级电容器组两端电压再次上升至设定值时，重新导通静态 开关，蓄电池组进入下一个充电周期。本发明中的脉冲充电电路可以防止短时大功率能量 (如电动汽车刹车制动能量或备用电源瞬间浪涌脉冲)对蓄电池的冲击。本发明采用的蓄电池组包括锂离子电池、镍氢电池、镍镉电池、铅酸电池或燃料电 池组成的蓄电池组。本发明采用的静态开关可以是但不限于GTR、IGBT, IGCT、GT0等可控功率器件。本发明采用的超级电容器组可以是双电层超级电容器或电化学超级电容器组成 的超级电容器组。单体超级电容器先串联组成串联支路，再将两个或者两个以上的串联支 路并联，组合成超级电容器组，具体的串并联组合方案视系统的实际情况而定。为了提高超 级电容器组的容量利用率，并将超级电容器单体电压限定在最高工作电压以下，超级电容 器组可以采用串联均压器进行均压处理。本发明的一种混合储能系统，具有以下优点
(1)采用了超级电容器组和蓄电池组作为储能装置，与单一蓄电池组储能系统相比，减少了蓄电池组的充放电循环次数，延长了蓄电池的使用寿命。(2)充分发挥超级电容器功率密度大和蓄电池能量密度高的优势，结构简单，成本 低廉。(3)采用超级电容器组作为储能装置，能够充分发挥超级电容器循环寿命长、充放 电速度快等优点，超级电容器组不仅起到了功率缓冲器的作用，而且还能吸收负载回馈的 电能。与单一储能系统相比，本发明的混合储能系统结合了蓄电池与超级电容器各自的 优势，具有大容量、高功率和长寿命等优点，并且结构简单，成本低廉，可用于备用电源等大 电流瞬时脉冲放电场合，也可在各种电动车、电动工具中推广使用。
图1是本发明工作原理方框图；图2是本发明的一种具体实施方式
。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
进一步说明本发明。如图2所示，本发明一种混合储能系统包括蓄电池组10、静态开关控制回路20、超 级电容器组30和负载40。其中蓄电池组10正极IOa与静态开关控制回路20的第一端口 201a连接；静态开关控制回路20的第二端口 203b与超级电容器组30的正极30a连接；蓄 电池组10的负极IOb与超级电容器组30的负极30b连接；超级电容器组30的正极30a与 负载40的40a连接，超级电容器组30的负极30b与负载40的40b连接。如图2所示，静态开关控制回路20由限流电阻R与接触器常闭触点J的并联支路 201、第一绝缘栅双极型晶体管IGBT 202和第二绝缘栅双极型晶体管IGBT 203组成。限流 电阻R与接触器常闭触点J并联，所组成的并联支路201的第一端口 201a与蓄电池组10 的正极IOa端连接，限流电阻R与接触器常闭触点J的并联支路201的第二端口 201b与第 一绝缘栅双极型晶体管IGBT 202的源极202a连接，第一绝缘栅双极型晶体IGBT 202的漏 极202b与第二绝缘栅双极型晶体管IGBT 203的漏极203a连接，第二绝缘栅双极型晶体管 IGBT 203的源极203b与超级电容器组的正极30a连接。本发明中的混合储能系统对负载40供电时，首先是超级电容器组30对负载40供 电，超级电容器组30两端电压降低，蓄电池组10两端电压不变。当超级电容器组30两端 电压降到设定值时，控制绝缘栅双极型晶体管IGBT 202导通，使蓄电池组10通过限流电阻 R与接触器常闭触点J的并联支路201、绝缘栅双极型晶体管IGBT 202、绝缘栅双极型晶体 管IGBT 203的反并联二极管D2对负载40供电，同时对超级电容器组30充电，使超级电容 器组30两端电压升高。当超级电容器组30两端电压升至设定值时，控制绝缘栅双极型晶 体管IGBT 202关断。当超级电容器组30两端电压再次下降至设定值时，重新导通绝缘栅 双极型晶体管IGBT 202，蓄电池组进入下一个放电周期。A是电流传感器，用于检测主电路 电流。当A检测到主电路电流大于限定值时，常闭触点J断开，系统进入R限流工作状态。本发明中的混合储能系统充电时，首先是对超级电容器组30充电，超级电容器组30两端电压升高，蓄电池组10两端电压不变。当超级电容器组30两端电压升至设定值时， 控制绝缘栅双极型晶体管IGBT 203导通，使超级电容器组30对蓄电池组10充电，外充电 电路对超级电容器组30充电的同时，通过绝缘栅双极型晶体管IGBT 203、绝缘栅双极型晶 体管IGBT 202反并联二极管Dl、限流电阻R与接触器常 闭触点J的并联支路201对蓄电池 组10充电。此时，超级电容器组30两端电压逐渐降低，当超级电容器组30两端电压下降 至设定值时，控制绝缘栅双极型晶体管IGBT 203关断。当超级电容器组30两端电压再次 上升至设定值时，重新导通绝缘栅双极型晶体管IGBT 203，蓄电池组进入下一个充电周期， 如图1所示。
权利要求
一种混合储能系统，其特征在于所述混合储能系统包括蓄电池组(10)、静态开关控制回路(20)、超级电容器组(30)和负载(40)；蓄电池组(10)的正极(10a)与静态开关控制回路(20)的端口(201a)连接；静态开关控制回路(20)的另一端口(203b)与超级电容器组(30)的正极(30a)连接；蓄电池组(10)的负极(10b)与超级电容器组(30)的负极(30b)连接；超级电容器组(30)与负载(40)连接；蓄电池组(10)和静态开关控制回路(20)串联后，接到直流母线上；超级电容器组(30)直接接到直流母线上。
2.根据权利要求1所述的混合储能系统，其特征在于所述的静态开关控制回路(20) 由限流电阻R与接触器常闭触点J的并联支路(201)、第一绝缘栅双极型晶体管IGBT(202) 和第二绝缘栅双极型晶体管IGBT(203)组成；限流电阻R与接触器常闭触点J并联组成 的并联支路(201)的第一端口(201a)与蓄电池组(10)的正极端(IOa)连接，限流电阻 R与接触器常闭触点J的并联支路(201)的第二端口(201b)与第一绝缘栅双极型晶体管 IGBT (202)的源极(202a)连接，第一绝缘栅双极型晶体管IGBT (202)的漏极(202b)与第二 绝缘栅双极型晶体管IGBT (203)的漏极(203a)连接，第二绝缘栅双极型晶体管IGBT (203) 的源极(203b)与超级电容器组(30)的正极(30a)连接。
3.根据权利要求2所述的混合储能系统，其特征在于所述的静态开关控制回路(20) 中的绝缘栅双极型晶体管IGBT或由GTR、IGCT或GTO替代。
4.根据权利要求1所述的混合储能系统，其特征在于充电时，先对超级电容器组(30) 充电，当超级电容器组(30)两端电压升至设定值时，控制静态开关控制回路(20)，使静态 开关导通；放电时，超级电容器组(30)先放电，当超级电容器组(30)两端电压降至设定值 时，控制静态开关控制回路(20)，使静态开关导通，蓄电池组(10)对超级电容器组(30)充 电，同时向负载(40)供电。
5.根据权利要求1所述的混合储能系统，其特征在于所述的蓄电池组(10)为由锂离 子电池、镍氢电池、镍镉电池、铅酸电池或燃料电池组成的蓄电池组。
6.根据权利要求1所述的混合储能系统，其特征在于所述的超级电容器组(30)由单 体超级电容器串联或并联组成，所述的超级电容器组(30)包括采用双电层超级电容器或 电化学超级电容器组成的超级电容器组。
全文摘要
一种混合储能系统，包括蓄电池组(10)、静态开关控制回路(20)、超级电容器组(30)、负载(40)。充电时，先对超级电容器组(30)充电，当超级电容器组(30)两端电压升至设定值时，控制静态开关控制回路(20)，使静态开关导通；放电时，超级电容器组(30)先放电，当超级电容器组(30)两端电压降至设定值时，控制静态开关控制回路(20)，使静态开关导通，蓄电池组(10)对超级电容器组(30)充电同时向负载(40)供电。本发明通过控制静态开关实现负载端电压稳定，在满足负载功率要求的同时减少蓄电池的充放电次数，达到减小蓄电池配置容量和延长使用寿命的目的。
文档编号H02J15/00GK101882813SQ20101019703
公开日2010年11月10日 申请日期2010年6月2日 优先权日2010年6月2日
发明者周龙, 唐西胜, 张国伟, 李宁宁, 齐智平 申请人:中国科学院电工研究所