CN100547851C - 锂离子电池-超级电容器混合储能光伏系统 - Google Patents

Abstract

一种锂离子电池-超级电容器混合储能光伏系统，以光伏电池(1)为能源系统的能量来源，以锂离子电池(3)和超级电容器(4)结合使用作为储能系统，通过能源管理电路(2)智能控制为负载(5)供电。初始充电时，超级电容器(4)端电压较低，光伏电池(1)首先给超级电容器(4)充电；当超级电容器(4)充满时，再为锂离子电池(3)充电；无日照时，光伏电池(1)没有功率输出，当负载(5)需要用电时，首先用超级电容器(4)为负载(5)供电；当超级电容器(4)电量不足时，锂离子电池(3)通过能源管理电路(2)为负载供电，同时为超级电容器(4)补充电量；本发明寿命长、容量高、输出功率高。

Description

锂离子电池-超级电容器混合储能光伏系统

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池和超级电容器结合使用的混合储能光伏系统。

背景技术

锂离子电池于20世纪90年代初发展起来，近10年来得到了飞速发展。锂离子电池与其它类型的蓄电池相比，具有单体电压高、能量密度大、自放电率低、没有记忆效应等突出优点。目前为止，锂离子电池是能量密度最高的储能器件类型。但是，锂离子电池的循环寿命有限，一般在500～1000次，且一般锂离子电池充放电倍率仅为0.2C～1C。

超级电容器是20世纪80年代进入商业化规模。与传统电容器相比，超级电容器能量密度大3～4个数量级，同时又保持了传统电容器释放能量速度极快的特点，可提供大脉冲功率。

北京集星联合电子科技有限公司生产的50F的超级电容器，放电电流可以13.5A，而与其容量相当的锂离子电池最大放电电流仅达到几十毫安。超级电容器可以数十秒到数分钟内快速充电，而锂离子电池在如此短的时间内充满电是几乎不可能的。超级电容器具有循环寿命极长的优点，其循环寿命达500,000次，而蓄电池的循环次数只有几百次，仅是超级电容器几十分之一。虽然超级电容器有上述锂离子电池不能比拟的优势，但是其容量不能与锂离子电池相比。

目前，两种储能器件产品的技术参数如下表所示：

储能器件	能量密度(Wh/kg)	功率密度(W/kg)	循环寿命(次)
				超级电容器	0.2～20	10<sup>3</sup>～10<sup>4</sup>	＞10<sup>5</sup>
锂离子电池	100～150	100～150	＜10<sup>3</sup>

从表中看出，锂离子电池和超级电容器各具优势，锂离子电池有超级电容器无法比拟的能量密度，却不能超越其功率密度和循环寿命。目前，锂离子电池已经应用于小型便携式设备中，但锂离子电池的循环寿命和功率密度有限，限制了锂离子电池更加广泛地应用。如果将锂离子电池应用于脉冲功率式通信装置，例如数字式蜂窝电话，双向无线电装置以及问话式传呼机等设备，都存在高功率尖峰放电的问题。高功率脉冲电流虽然持续的时间短，但是脉冲电流可以达到安培量级，锂离子电池频繁承受这种高功率脉冲放电会导致电池体发热，将造成锂离子电池放电性能的恶化以及使用寿命的严重衰减。锂离子电池温度的升高也会严重影响电子设备的正常工作。

如果把超级电容器和锂离子电池结合，扬长避短，优势互补，形成高容量、高功率、长寿命的混合储能系统，将扩展锂离子电池和超级电容器的应用空间。

一些相关文献已经报导了蓄电池与超级电容器结合使用的研究，如在城市公交车、电动车和汽车中的应用，如“超级电容器在汽车启动中的应用”(《国外电子元器件》，2006年第5期，pp57～59)、“超级电容与蓄电池并联使用对混合动力公交车的改进”(《客车技术与研究》，2005年第5期，pp11～14)等，但是这些研究都是铅酸蓄电池为储能电池，以汽车等大功率用电设备为应用背景。在国内外相关文献中，如“超级电容器蓄电池混合储能独立光伏系统研究”(太阳能学报，第28卷第2期，pp178-183)、“Power and LifeExtension of Battery-Ultracapacitor Hybrids”(IEEE Transactions on Components and PackagingTechnologies，Vol.25，No.1，2002)等，介绍了将铅酸蓄电池和超级电容器混合储能的方法用于光伏系统，但是其中的铅酸电池能量密度、低体积大，能源管理控制体积大、功耗大，不适合用于锂离子电池为蓄电池的混合储能系统和便携式设备。将锂离子电池和超级电容器混合储能的光伏系统用于便携设备的方案尚未得到妥善地解决。

发明内容

本发明的目的是克服现有铅酸电池和超级电容器混合储能技术中铅酸蓄电池体积大、能量密度低不适用于便携式设备的缺点，设计了锂离子电池和超级电容器混合储能方案，并将其用于光伏系统，为便携式设备提供电能。

本发明以光伏电池作为负载的能量来源，锂离子电池和超级电容器结合使用作为储能系统。能源管理电路针对锂离子电池和超级电容器不同的特性进行优化的智能管理，使得锂离子电池和超级电容器达到优势互补。

由于超级电容器具有很长的循环寿命，并能够提供远远大于锂离子电池的输出功率，因此优先给超级电容器充电、放电。这样不仅能够减少锂离子电池使用次数，延长锂离子电池的寿命，还能够使得混合储能系统能够提供较大的功率，防止大功率输出对锂离子电池寿命的影响。因此，能源管理电路的充电管理方案设计如下：初始充电时，超级电容器端电压较低，光伏电池首先给超级电容器充电，将超级电容器充满之后再给锂离子电池充电；能源管理系统的放电管理方案设计如下：采用超级电容器作为优先放电电源，只有当超级电容器的电量较低时，才用锂离子电池为负载供电。

本发明锂离子电池-超级电容器混合储能的光伏系统包括光伏电池、锂离子电池、超级电容器、能源管理电路和负载。能源管理电路包括充电管理电路、放电管理电路、稳压电路以及各器件接口。光伏电池、锂离子电池、超级电容器和负载分别通过能源管理电路上对应的器件接口与能源管理电路相连接。初始充电时，超级电容器端电压较低，光伏电池首先给超级电容器充电；当超级电容器充满时，再为锂离子电池充电；无日照时，光伏电池没有功率输出，首先用超级电容器为负载供电；当超级电容器电量不足时，锂离子电池为负载供电，同时为超级电容器补充电量。

充电管理电路主要由比较器LM339及外围电阻、晶体管构成的比较电路来实现。每个LM339芯片内部集成了四个电压比较器。充电管理电路采用LM339芯片中的一个电压比较器即可，记为“1/4LM339”比较器。比较器有两个输入端和一个输出端，一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。反相端通过外围电阻R1与超级电容器正极相连，同相输出端通过外围电阻R2与5V参考电压连接，R3连接输出端和同相输入端，形成正反馈电路。1/4LM339与外围电阻R1、R2、R3形成迟滞比较器。通过理论计算R1、R2、R3的阻值，调节两个阈值大小，达到合理切换充电线路的目的。在此，选择R1为15K Ω，R2为10K Ω，R3为15K Ω。迟滞比较器所形成的阈值分别为5V和1V。充电时，当超级电容器的端电压低于5V时，光伏电池优先给超级电容器充电。当超级电容器的电压大于或等于5V时，即超级电容器充满，此时不再为超级电容器充电，为锂离子电池充电。此时不仅能够起到保护超级电容器不被过充电的作用，还能有效利用光伏电池的多余能量，将其充到锂离子电池中，作为超级电容器的后备能源。当超级电容器的端电压下降到1V时，重新导通为超级电容器充电的线路，由光伏电池为超级电容器补充电量。

同理，放电管理电路由比较器1/4LM339及外围电阻、晶体管构成的比较电路来实现。放电管理电阻中的1/4LM339比较器和充电管理中的1/4LM339比较器均由LM339芯片来完成。反相端通过外围电阻R4与超级电容器正极相连，同相输出端通过外围电阻R5接地，R6连接输出端和同相输入端，形成正反馈。1/4LM339与外围电阻R4、R5、R6形成迟滞比较器。R4为15KΩ，R5为10KΩ，R6为15KΩ，迟滞比较器所形成的阈值分别为5V和1V。放电时，当超级电容器电压等于或大于5V时，用超级电容器为负载供电，当超级电容器的端电压低于1V时，由锂离子电池为负载供电，同时为超级电容器充电。

稳压电路主要由MAX866及其外围电容和电感来实现。MAX866芯片的引脚1通过47uF电解电容C1接地，C1电容起到滤波的作用；引脚1与引脚8之间连接有电感L，其值为330uH；引脚3通过0.1uF电容C2后接地；引脚8和引脚6之间连接二极管D3；引脚2接地，实现系统能够输出5V稳定电压，即能为负载提供稳定电压，又能为LM339比较器提供稳定的电压源；引脚6输出稳定的5V电压，与负载正极连接。

本发明提供的锂离子电池-超级电容器混合储能系统具有以下明显优点：

(1)超级电容器具有循环寿命长的优势，加入超级电容器供电，与仅采用锂离子电池储能的系统对比，减小了锂离子电池的循环次数，可以延缓锂离子电池的老化。

(2)超级电容器具有功率密度大的优势，采用超级电容器作为主要供电电源，能够提高混合储能系统的功率密度。

(3)锂离子电池具有能量密度大优势，作为储能系统的候补能源与超级电容器结合使用形成的混合储能系统，与仅采用超级电容器储能的系统对比，体积将会大大减小。

与单一储能器件相比，本发明的混合储能光伏系统具有大容量、高功率、长寿命的优势，可用于科技、工业等相关行业。比如，可用于激光器、X光机、充磁机、以及无线通讯等电脉冲设备上，也可在各种电动车、电动工具中推广应用。在微型大功率装置上也有广泛的应用前景。环境能量转换技术，如光伏发电、风能发电、温差发电，需要储能系统来维持负载的持续运行各种环境能量转换器件与双储能系统结合，可以应用于诸如航标灯塔、高山气象台、沙漠地区考察等电源供应场合。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1是采用锂离子电池-超级电容器混合储能的光伏系统结构框图，图中：1为光伏电池，2为能源管理电路，3为锂离子电池，4为超级电容器，5为负载；

图2是采用锂离子电池-超级电容器混合储能的光伏系统能源管理电路原理图。

具体实施方式

图1是采用锂离子电池-超级电容器混合储能的光伏系统示意图。如图1所示，本发明包括光伏电池1、能源管理电路2、锂离子电池3、超级电容器4和用电负载5。光伏电池1作为能源系统的能量来源。锂离子电池3和超级电容器4结合使用作为储能系统。能源管理电路2针对锂离子电池3和超级电容器4不同的特性进行优化的智能管理，使得锂离子电池3和超级电容器4优势互补。能源管理电路2包括充电管理电路、放电管理电路、稳压电路以及各器件接口，如图2所示。光伏电池1、锂离子电池3、超级电容器4和负载5通过能源管理电路2上的对应器件接口与能源管理电路2相连接。

本发明能源管理系统管理方案设计如下：初始充电时，超级电容器4端电压较低，光伏电池1首先给超级电容器4充电；当超级电容器4充满时，再为锂离子电池3充电；无日照时，光伏电池1没有功率输出，首先用超级电容器4为负载5供电；当超级电容器4电量不足时，锂离子电池3为负载5供电，同时为超级电容器4补充电量。

充电管理电路主要由1/4LM339比较器、外围电阻R1～R3、PNP型晶体管K12N5401和NPN型晶体管K22N5551、防反充二极管D1MBR1020和D2MBR1020构成的比较电路来实现。比较器同相输出端通过外围电阻R2与5V参考电压源连接，反相端通过外围电阻R1与超级电容器4的正极相连，外围电阻R3连接比较器输出端和同相输入端，形成正反馈。比较器1/4LM339与外围电阻R1、R2、R3形成迟滞比较器。外围电阻R1为15KΩ，R2为10KΩ，R3为15KΩ。迟滞比较器所形成的阈值分别为5V和1V。比较器的输入电压即为超级电容器4的端电压，记为Vc，比较器的输出电压记为Vo，比较器的传输特性如图3所示。充电时，当超级电容器的端电压低于5V时，晶体管K1导通，晶体管K2关断，光伏电池1优先给超级电容器4充电。当超级电容器4的电压大于或等于5V时，超级电容器4充满，晶体管K1关断，晶体管K2导通，此时不再为超级电容器4充电，而为锂离子电池3充电。当超级电容器4的端电压下降到1V时，晶体管K1导通，重新导通为超级电容器4充电的线路为超级电容器4补充电量，晶体管K2关断，不再为锂离子电池3充电。

放电管理电路由1/4LM339比较器及外围电阻R4～R6、PNP型晶体管K32N5401构成的比较电路来实现。放电管理电路中的1/4LM339比较器和充电管理电路中的1/4LM339比较器由LM339芯片来完成。比较器的反相端通过外围电阻R4与超级电容器4正极相连，比较器的同相输出端通过外围电阻R5与5V电源连接，外围电阻R6连接输出端和同相输入端，形成正反馈。1/4LM339与外围电阻R4～R6形成迟滞比较器。外围电阻R4为15KΩ，R5为10KΩ，R6为15KΩ。迟滞比较器所形成的阈值分别为1V和5V，传输曲线仍如图3所示。放电时，当超级电容器电压大于或等于5V时，晶体管K3关断，用超级电容器4为负载5供电。当超级电容器4的端电压低于1V时，晶体管K3导通，由锂离子电池3为负载5供电，同时能够为超级电容器4补充电量。

稳压电路主要由MAX866芯片及其外围电容和电感来实现。MAX866芯片的引脚1通过47uF电解电容C1接地，电容C1起到滤波的作用；引脚1与引脚8之间连接有电感L，其值为330uH；引脚3通过0.1uF外围电容C2后接地；引脚8和引脚6之间连接二极管D3；引脚2接地，实现系统能够输出5V稳定电压，即能为负载5提供稳定电压，又能为LM339比较器提供稳定的电压源；引脚6输出稳定的5V电压，与负载5的正极连接。

本发明实施例采用单晶硅光伏电池为充电电源，面积为150mm×80mm，最佳工作电压为5.56V，最佳工作电流为247.6mA。混合储能系统采用一节锂离子电池作为储能器件，工作电压为3.7V，充电上限电压为4.2V，放电下限电压为3V，容量为1400mAh。锂离子电池是将锂离子电芯和保护电路封装在一起的具有自我保护功能的储能器件。保护电路包括过充电保护、过放电保护和过电流保护功能。混合储能系统采用2节超级电容器串联的超级电容器组为储能器件，串联后最高电压为5.4V，容量为70F。采用无线传感器网络节点作为工作负载，脉冲瞬间的最大功率为99mW，休眠模式的功率为16.5mW，平均功率为22.9mW。

在能源管理电路的智能控制下，超级电容器4为主能源，锂离子电池3为辅助能源。本发明混合储能光伏系统减少了锂离子电池3的用电量，因此减少锂离子电池3的循环次数，延长了其使用寿命；将超级电容器4具有功率密度大的优势与锂离子电池3能量密度大的优势结合，使本发明混合储能光伏系统具有功率密度大、能量密度高、循环寿命长的特点。

Claims (4)

1、一种锂离子电池-超级电容器混合储能光伏系统，包括光伏电池(1)、能源管理电路(2)、锂离子电池(3)、超级电容器(4)和负载(5)；光伏电池(1)为能源系统的能量来源，锂离子电池(3)和超级电容器(4)结合使用作为储能系统；能源管理电路(2)包括充电管理电路、放电管理电路、稳压电路以及各器件接口；光伏电池(1)、锂离子电池(3)、超级电容器(4)和负载(5)通过能源管理电路(2)上对应的器件接口与能源管理电路(2)相连，其特征在于所述的能源管理电路(2)中的充电管理电路由比较器1/4LM339及外围电阻R1～R3、晶体管K1～K2、防反充二极管D1～D2构成的比较电路来实现；充电时，当超级电容器(4)的端电压低于5V时，晶体管K1导通，晶体管K2关断，光伏电池(1)优先给超级电容器(4)充电；当超级电容器(4)的电压大于或等于5V时，超级电容器(4)充满，晶体管K1关断，晶体管K2导通，此时不再为超级电容器(4)充电，而为锂离子电池(3)充电；当超级电容器(4)的端电压下降到1V时，晶体管K1导通，晶体管K2关断，重新导通为超级电容器(4)充电的线路，由光伏电池(1)为超级电容器(4)补充电量，不再为锂离子电池(3)充电；所述的能源管理电路(2)中的放电管理电路由1/4LM339比较器及外围电阻R4～R6、晶体管K3构成的比较电路来实现，放电时，当超级电容器电压等于或大于5V时，晶体管K3关断，用超级电容器(4)为负载(5)供电，当超级电容器(4)的端电压低于1V时，晶体管K3导通，由锂离子电池(3)为负载(5)供电，同时为超级电容器(4)充电。

2、根据权利要求1所述的锂离子电池-超级电容器混合储能光伏系统，其特征在于所述的充电管理电路中：比较器反相端通过外围电阻R1与超级电容器(4)的正极相连，同相输出端通过10KΩ外围电阻R2与5V参考电压连接，外围电阻R3连接比较器输出端和同相输入端，形成正反馈电路。

3、根据权利要求1所述的锂离子电池-超级电容器混合储能光伏系统，其特征在于所述的放电管理电路中：比较器的反相端通过外围电阻R4与超级电容器(4)正极相连，比较器的同相输出端通过外围电阻R5与5V电源连接，外围电阻R6连接比较器的输出端和同相输入端，形成正反馈。

4、根据权利要求1所述的锂离子电池-超级电容器混合储能光伏系统，其特征在于能源管理电路(2)中的稳压电路由MAX866芯片及其电容C1、C2和电感L来实现：MAX866芯片的引脚1通过电容C1接地，电容C1起到滤波的作用；引脚1与引脚8之间连接有电感L；引脚3通过电容C2后接地；引脚8和引脚6之间连接二极管D3；引脚2接地；引脚6输出稳定的5V电压，与负载(5)的正极连接。

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