CN103312001B - 包含超级电容器的储能系统中电池的充电方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种包含超级电容器的储能系统中电池的充电方法及系统，包括：总控制器开启向电池充电的通道，向电池进行充电；脉冲充电控制器将接收到的该电流信号转换成脉冲电流信号，并向该电池进行脉冲充电；当进行脉冲充电的时间达到第一预设值时，总控制器关闭该向电池充电的通道，使电池停止充电；当停止充电的时间达到第二预设值时，脉冲充电控制器开启向超级电容器充电的通道，电池向超级电容器进行充电；当超级电容器充满电或向该超级电容器充电的时间达到第三预设值时，检测与控制模块开启向电池二次回充的通道，该超级电容器向电池进行充电。本发明有效地将电池放出的电进行回收利用，减少整个充电时间，提升电池的循环使用寿命。

Description

包含超级电容器的储能系统中电池的充电方法及系统

技术领域

本发明涉及蓄电池充电技术领域，具体涉及一种包含超级电容器的储能系统中电池的充电方法及系统。

背景技术

采用脉冲充电方式对蓄电池进行充放电这种方法的益处已经得到了业界大量的理论和实验证明。

现有的脉冲充电方式主要由两种模式，一种是一个周期包括脉冲充电以及停止充电两个阶段，另一种是一个周期包括正脉冲充电、负脉冲瞬间放电以及暂停三个阶段，二者的区别在于两个脉冲充电之间是否是放电脉冲，其中第二种充电模式更有利于消除充电过程中产生的极化和盐化现象，但这种模式尚不普及。

美国科学家马斯提出，使用非线性递减的电流密度曲线向蓄电池充电，可以缩短充电时间，并且对电池的容量和使用寿命有益，因而被称为最佳充电曲线。如果充电电流超越了这条曲线即充电电流过大，就会不同程度地造成电池失水、发热、极板腐蚀脱落甚至极板变形断裂、电池整体鼓涨等后果而充坏电池，称为过充；如果充电电流不到这条曲线则必须更长的充电时间才能充足电，长期充电不足会在此极板硫酸盐化，称欠充电；由此可见，过充或欠充电都会严重影响电池的寿命。

目前，比较先进的充放电脉冲的产生和控制方法以及专用的集成电路或单片机芯片在技术层面上已有重要的进步，各种硬件性能已有较大的改善，但是针对于包含了超级电容器在内的蓄电池混合储能系统，这种特殊情况下的脉冲充电技术方案的整体充电效果仍然存在很大的改善空间。专利公开号为101677144的《包括超电容器的自治系统中电池的脉冲充电的方法》公开了一种自治系统中包含超电容器的电池脉冲充电方法，该技术方案添加了超电容器这一模块，并引用文献指出包括超电容器和微电池的能量存储混合器，能够进行高速充电，且超电容器和微电池的联合能够存储大量的能量，而且同时具有高的瞬时可用电力。但是该专利没有对混合储能技术路线上的脉冲充电技术方案进行补充说明，也就是说，该专利并未解决现有技术中充电影响电池寿命的问题。

发明内容

本发明的特征和优点在下文的描述中部分地陈述，或者可从该描述显而易见，或者可通过实践本发明而学习。

为克服现有技术的问题，本发明提供一种包含超级电容器的储能系统中电池的充电方法及系统，采用由电池对超级电容器进行放电，再停止充电一段时间，由超级电容器对电池充电的技术方案，以此更好地拟合最佳充电电流曲线，缩短充电时间，提升电池的循环使用寿命。本发明更巧妙地利用超级电容器吸收电池放电过程中释放的电量并作为自身的能量储存起来后，向电池进行二次回充，从而有效地将电池放出的电进行了合理回收利用。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

根据本发明的一个方面，提供一种包含超级电容器的储能系统中电池的充电方法，包括：S1、总控制器开启向电池充电的通道，使电流信号经由脉冲充电控制器向电池进行充电；该脉冲充电控制器将接收到的该电流信号转换成脉冲电流信号，并向该电池进行脉冲充电；S2、当进行脉冲充电的时间达到第一预设值时，该总控制器关闭该向电池充电的通道，使该电池停止充电；S3、当停止充电的时间达到第二预设值时，该脉冲充电控制器开启向超级电容器充电的通道，该电池经由该向超级电容器充电的通道向超级电容器进行充电；S4、当该超级电容器充满电或向该超级电容器充电的时间达到第三预设值时，与该超级电容器相连的检测与控制模块开启向电池二次回充的通道，由该超级电容器经由该向电池二次回充的通道向该电池进行充电，使该电池完成二次回充过程。

根据本发明的一个实施例，还包括步骤：电池管理系统模块实时监测电池电量，并将该电池电量反馈给该脉冲充电控制器，且当该电池的电量小于97％时，重复该步骤S1至S4。

根据本发明的一个实施例，还包括以下步骤中的至少一项：当该电池电量小于18％时，该脉冲充电控制器将接收到的电流信号转换成直流恒流的电流信号，并向该电池进行直流恒流充电；当该电池电量即将充满时，该脉冲充电控制器将接收到的电流信号转换成直流恒流的电流信号，并控制使电压大小恒定，向该电池进行恒压充电。

根据本发明的一个实施例，进行所述二次回充过程的时间为第四预设值；则所述第一预设值不小于所述第二预设值与所述第四预设值的和。

根据本发明的一个实施例，所述第一预设值等于所述第二预设值、所述第三预设值以及所述第四预设值的和；或所述第一预设值等于所述第二预设值、所述第四预设值以及将所述超级电容器充满电所需的时间的和，其中所述第二预设值/(将所述超级电容器充满电所需的时间+所述第四预设值)＝8/1或9/1。

根据本发明的一个实施例，在该步骤S1中，进行该脉冲充电时，充电电流大小呈阶段性非线性递减方式变化。

根据本发明的一个实施例，该向超级电容器充电的通道与该向电池二次回充的通道不同时处于开启状态。

根据本发明的一个实施例，还包括以下步骤中的至少一项：将包括该电池的电量在内的该电池的相关信息实时反馈给该脉冲充电控制器，当该电池的相关信息异常时，该脉冲充电控制器将信息反馈给该总控制器，该总控制器关闭该向电池充电的通道；该超级电容器的相关信息实时反馈给该脉冲充电控制器，当该超级电容器的相关信息异常时，该脉冲充电控制器关闭该向超级电容器充电的通道。

本发明提供了一种包含超级电容器的储能系统中电池的充电方法及系统，采用对电池进行脉冲充电，然后停止充电一段时间后由电池对超级电容器进行放电的技术方案，以此更好地拟合最佳充电电流曲线，满足锂电池快速高效充电的需求，更能缩短充电时间，提升电池的循环使用寿命。同时本发明采用超级电容器吸收了锂电池组放电过程中释放的电量并作为自身的能量储存后向锂电池组进行二次回充操作，有效的将锂电池组放出的电进行了合理回收利用。

通过阅读说明书，本领域普通技术人员将更好地了解这些技术方案的特征和内容。

附图说明

下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，本发明的优点和实现方式将会更加明显，其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明，而不构成对本发明的任何意义上的限制，在附图中：

图1为本发明第一实施例的包含超级电容器的储能系统中电池的充电系统的结构示意图。

图2为本发明实施例的检测与控制模块的结构示意图。

图3为本发明实施例的脉冲充电控制器的结构示意图。

图4为本发明第二实施例的包含超级电容器的储能系统中电池的充电系统的结构示意图。

图5为本发明实施例的包含超级电容器的储能系统中电池的充电方法的流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种包含超级电容器的储能系统中电池的充电系统，包括：总控制器20，用于开启向电池充电的通道91，使电流信号经由脉冲充电控制器30向电池41进行充电；或关闭该向电池充电的通道91，使该电池41停止充电；脉冲充电控制器30，与该总控制器20相连，用于将接收到的电流信号转换成脉冲电流信号，并向该电池41进行脉冲充电；还用于开启向超级电容器充电的通道92；该电池41，还用于经由该向超级电容器充电的通道92向超级电容器52进行充电；检测与控制模块51，与该超级电容器52相连，用于开启向电池二次回充的通道93；该超级电容器52，用于经由该向电池二次回充的通道93向该电池41进行充电，使该电池完成二次回充过程。

该检测与控制模块51还用于监测该超级电容器52的相关信息，并将监测到的信息反馈给该脉冲充电控制器30。请再参照图2，图2为本发明实施例的检测与控制模块的结构示意图。在本实施例中，该检测与控制模块51包括依次相连的微处理器511、运算控制器512以及测量控制器513，其中该测量控制器513还与电压检测传感器514、电流检测传感器515、温度检测传感器516以及故障信息检测控制器517相连，并收集该些传感器检测的信息。当向超级电容器52进行充电时，微处理器511作为总控，负责电的接入和断开；电压检测传感器514实时检测超级电容器两端电压，该测量控制器513接收到该电压值后，将其传送给运算控制器512，运算控制器512根据此电压值计算该超级电容器52剩余电量SOC，并由微处理器511进行超级电容器SOC校正；电流检测传感器515和温度检测传感器516用于实时获取超级电容器52的电流、温度相关信息；故障信息检测控制器517则用于根据电流检测传感器515和温度检测传感器516得到的实时信息，进行相关故障信息和正常信息的判断和反馈。

当出现超级电容器52出现过充或者温度过高等异常情况时，检测与控制模块51还用于启动例如发出警报等截止充电保护的措施，同时反馈信息给脉冲充电控制器30，使其关闭向超级电容器充电的通道92，以免发生危险事件。

请参照图3，图3为本发明实施例的脉冲充电控制器的结构示意图。本发明中的脉冲充电控制器31可以控制向电池的充放电与结束过程，并且调节此过程中电流的大小以及生成特定的脉冲充电电流波形。该控制器主要由绝缘栅双极型晶体管303(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)、信号控制模块302以及微处理器301等组成。当向电池41进行充电时，微处理器301作为总控，负责电的接入和断开，信号控制模块302驱动绝缘栅双极型晶体管303产生特定的脉冲电流信号，在产生特定的脉冲电流信号过程中，实际上也是调节此过程中电流信号的大小。微处理器301还用于与总控制器20进行相关反馈信息的通信，总控制器20得到反馈信息后，关闭或开启向电池充电的通道91。

请再参照图4，为本发明第二实施例的包含超级电容器的储能系统中电池的充电系统的结构示意图。与本发明第一实施例的包含超级电容器的储能系统中电池的充电系统不同的是，在本实施例中，还包括电能源输入10以及电能源输出60，其中，该电能源输入10用于输出电流信号为电池41或超级电容器52充电，本发明并不对电能源输入以及电能源输出的形式做限定。

除此之外，在本实施例中，该包含超级电容器的储能系统中电池的充电系统还包括与电池41以及脉冲充电控制器30相连的电池管理系统模块42，该电池管理系统42用于实时监测电池电量，并反馈给该脉冲充电控制器，该脉冲充电控制器31还用于：当该电池电量小于18％时，将接收到的电流信号转换成直流恒流的电流信号，并向该电池进行直流恒流充电；或当该电池电量即将充满时，将接收到的电流信号转换成直流恒流的电流信号，并控制使电压大小恒定，向该电池进行恒压充电。在本实施例中，当该电池电量达到93％～97％时，即处于即将充满的状态。

除了电池电量外，该电池管理系统42还可用于监测该电池的其它相关信息，例如该电池的电量、电流、温度等，

当监测到异常信息时，该电池管理系统模块42还用于启动例如发出警报等截止充电保护的措施，同时反馈信息给脉冲充电控制器30，然后脉冲充电控制器30将该信息反馈给总控制器20，使其关闭向电池充电的通道91，以免发生危险事件。

如图5所示，本发明还提供一种包含超级电容器的储能系统中电池的充电方法，包括：S1、总控制器20开启向电池充电的通道91，使电流信号经由脉冲充电控制器30向电池进行充电；脉冲充电控制器20将接收到的该电流信号转换成脉冲电流信号，并向电池41进行脉冲充电；S2、当进行脉冲充电的时间达到第一预设值时，总控制器20关闭该向电池充电的通道，使电池41停止充电；S3、当停止充电的时间达到第二预设值时，脉冲充电控制器30开启向超级电容器充电的通道92，该电池41经由该向超级电容器充电的通道92向超级电容器52进行充电；S4、当超级电容器52充满电或向超级电容器52充电的时间达到第三预设值时，与该超级电容器相连的检测与控制模块51开启向电池二次回充的通道93，由该超级电容器52经由向电池二次回充的通道93向电池41进行充电，使该电池41完成二次回充过程。

在该步骤S1中，向电池充电的通道91处于开启状态，而该向超级电容器充电的通道92以及向电池二次回充的通道93则都处于关闭状态，且该脉冲充电控制器30在向电池41进行脉冲充电时，其充电电流的大小是呈阶段性非线性递减方式变化的，用来拟合最佳充电电流曲线，例如以2C作为起始充电电流，直至充电电流降至0.05C，该过程持续的时间即为第一预设值。

在该步骤S2中，总控制器20关闭了向电池充电的通道91，此时，该向超级电容器充电的通道92以及向电池二次回充的通道93也都处于关闭状态，该过程持续的时间即为第二预设值。

在该步骤S3中，脉冲充电控制器30开启了向超级电容器充电的通道92，此时，该向电池充电的通道91以及向电池二次回充的通道93都处于关闭状态。在该步骤中，由脉冲充电控制器30、电池41、检测与控制模块51、超级电容器52构成超级电容器的充电回路，电流信号由电池41流出经由脉冲充电控制器30、检测与控制模块51向超级电容器52进行充电，此时所述电池41放电时间虽然较短，但通常情况下也足以满足将超级电容器52充满电，上述过程也可称为负脉冲放电的过程。

在步骤S4中，当检测与控制模块51监测到超级电容器52充满后，由检测与控制模块51发出反馈信息给脉冲充电控制器30，脉冲充电控制器30关闭向超级电容器充电的通道92。当然也可以将向超级电容器52充电的时间设定为第三预设值，当向超级电容器52充电的时间达到第三预设值时，脉冲充电控制器30就关闭向超级电容器充电的通道92。同时，检测与控制模块51开启向电池二次回充的通道93，此时该超级电容器52经由向电池二次回充的通道93向电池41进行充电，此时充电电流可以是大小为0.05C的直流电流信号，使该电池41完成二次回充过程。

由此可见，该向超级电容器充电的通道92与向电池二次回充的通道93是不会同时处于开启状态的，而且只有当该向超级电容器充电的通道92或向电池二次回充的通道93处于开启状态时，检测与控制模块51才处于工作状态。

需要说明的是，若进行该二次回充过程的时间为第四预设值；则该第一预设值不小于该第二预设值与该第四预设值的和。在本实施例中，第一预设值＝第二预设值+第四预设值+负脉冲放电过程所需的时间，其中该负脉冲放电过程所需的时间就是第三预设值或将超级电容器52充满电所需的时间，在上述等式中，第二预设值/(第四预设值+负脉冲放电过程所需的时间)＝8/1或9/1。

在本实施例中，还包括步骤：电池管理系统模块实时监测电池电量，并将该电池电量反馈给该脉冲充电控制器，且当该电池的电量小于97％时，重复该步骤S2至S5。更确切地说，当该电池的电量大于12％且小于97％时，重复该步骤S2至S5，而当该电池的电量大于15％且小于95％时则更佳。由此可见，在本实施例中，步骤S2至S5作为一个充电周期，在该电池的电量处于一定的范围内时，需要多次重复该充电周期，本发明对该充电周期的个数并不做限定。

在本发明中，电池管理系统模块42将包括该电池的电量在内的该电池的相关信息实时反馈给脉冲充电控制器30，该脉冲充电控制器30根据该电池的电量将整个充电过程划分为3个阶段，并在该3个阶段中采用不同的电流信号。具体来说，当电池的电量是小于15％时为第一阶段；当电池的电量是15％至95％时为第二阶段；当电池的电量大于95％时为第三阶段。当然上述电池的电量的划分并不是绝对的，在上述第一阶段中的电池电量可以选自12％至18％中的任一一值；而在上述第三阶段中的电池电量可以选自93％至97％中的任一一值。

从步骤上来说，上述第一阶段处于在该步骤S1之前，在该阶段时，向电池充电的通道91处于开启状态，而该向超级电容器充电的通道92以及向电池二次回充的通道93则都处于关闭状态，此时，该脉冲充电控制器30将接收到的电流信号转换成直流恒流的电流信号，并向该电池进行直流恒流充电；该直流电流信号大小在0.02C至0.08C之间，本实施例中，选取0.05C的直流恒流的电流信号。在整个充电过程，电池管理系统模块42实时监测电池41诸如电压、电量、电流、温度等相关的参数信息,直至电池41电量信息达到15％时，电池管理系统42反馈信号给脉充电控制器30，脉冲充电控制器30再反馈信号给总控制器20，完成此阶段充电过程，进入第二阶段。虽然在本实施例中，选取的是电池41电量达到15％，但是该阶段的可选取的电池电量可以是12％至18％中的任一一值。在充电初始阶段采用此恒流方法能一次性快速向电池41充电，并且整个过程的参数配置均满足电池可以接收的电流电压范围，具有较好的效果。

在第二阶段时，该充电过程就是重复该步骤S1至S4直至电池电量达到95％，虽然在本实施例中，选取的是电池41电量信息达到95％，但是该阶段的可选取的电池电量可以是93％至97％中的任一一值。该阶段通过不断循环重复脉冲充电、停止充电、负脉冲放电以及二次回充的过程，满足电池正常快速高效充电的需求，尤其是锂离子电池，还可以拟合最佳充电电流曲线。同时超级电容器52吸收了电池41放电过程中释放的电量并作为自身的能量储存起来，最后向电池41进行二次回充操作，有效地将电池41放出的电进行了合理回收利用，减少了整个充电时间，减缓了电池电容量的衰减进程，提升了电池的循环使用寿命。

从步骤上来说，上述第三阶段处于步骤S4之后，在该阶段时，向电池充电的通道91处于开启状态，而该向超级电容器充电的通道92以及向电池二次回充的通道93则都处于关闭状态，此时，该脉冲充电控制器30将接收到的电流信号转换成直流恒流的电流信号，并控制使电压大小恒定，向该电池进行恒压充电，其中，该电流信号的大小范围是在0.01C至0.03C之间，例如是0.02C，而该电压大小则控制在4.25V。在整个阶段的充电过程中，电池管理系统模块42实时监测电池41的电量信息，直至电池4中的单体电池电压达到4.2V，电池管理系统模块42反馈信号给脉充电控制器30，脉冲充电控制器30再反馈信号给总控制器20，完成此阶段充电过程，如此就完成整个电池41的充电过程，总控制器20可自行控制断电，即断开与电能源输入10的连接。上述电池41中的单体电池电压电量达到4.2V为优选值，可选范围是4.15V至4.25V之间。恒压充电是为了让每个单体电池电压均达到所述电压值，称作均压浮充。因为此阶段电池电量即将充满，传统的方法很难再向电池进行充电，通过这种方法能逐渐的如涓涓细流般给电池充电，让电量尽量趋近100％，单体电池电压尽量达到4.2V及以上。

本发明中的电池41包括锂电池组以及与锂电池具有相似性质的其他类型的电池。

为了提高充电的安全性，本发明还包括以下步骤中的至少一项：

将包括该电池的电量在内的该电池的相关信息实时反馈给该脉冲充电控制器30，当该电池的相关信息异常时，例如过充、温度过高、电流过大等，该脉冲充电控制器30将信息反馈给总控制器20，总控制器20就关闭该向电池充电的通道91，停止向电池41进行充电，以免发生危险事件。

将超级电容器52的相关信息实时反馈给脉冲充电控制器30，当该超级电容器52的相关信息异常时，例如过充或者温度过高等，该脉冲充电控制器30关闭向超级电容器充电的通道92，停止向超级电器52进行充电，以免发生危险事件。

本发明提供了一种包含超级电容器的储能系统中电池的充电方法及系统，根据电池的电量将整个充电过程划分为3个阶段，并在该3个阶段中采用不同的电流信号。在第一阶段时，本发明采取直流恒流一次性快速向电池进行充电；在第二阶段时，本发明以脉冲充电、停止充电、负脉冲放电作为一个周期进行循序充电，而在第三阶段时，采取直流恒压充电的方法，让电量尽量趋近100％。采用本发明的充电过程，尤其是第二阶段的充电方法能更好地拟合最佳充电曲线，满足锂电池快速高效充电的需求,提升电池的循环使用寿命；同时本发明有效的将锂电池组放出的电进行了合理回收利用。本发明更进一步利用电池管理系统模块以及检测与控制模块提升整个系统的安全性能。

以上参照附图说明了本发明的优选实施例，本领域技术人员不脱离本发明的范围和实质，可以有多种变型方案实现本发明。举例而言，作为一个实施例的部分示出或描述的特征可用于另一实施例以得到又一实施例。以上仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效变化，均包含于本发明的权利范围之内。

Claims (8)

1.一种包含超级电容器的储能系统中电池的充电方法，其特征在于，包括：

S1、总控制器开启向电池充电的通道，使电流信号经由脉冲充电控制器向电池进行充电；所述脉冲充电控制器将接收到的所述电流信号转换成脉冲电流信号，并向所述电池进行脉冲充电；

S2、当进行脉冲充电的时间达到第一预设值时，所述总控制器关闭所述向电池充电的通道，使所述电池停止充电；

S3、当停止充电的时间达到第二预设值时，所述脉冲充电控制器开启向超级电容器充电的通道，所述电池经由所述向超级电容器充电的通道向超级电容器进行充电；

S4、当所述超级电容器充满电或向所述超级电容器充电的时间达到第三预设值时，与所述超级电容器相连的检测与控制模块开启向电池二次回充的通道，由所述超级电容器经由所述向电池二次回充的通道向所述电池进行充电，使所述电池完成二次回充过程。

2.根据权利要求1所述的包含超级电容器的储能系统中电池的充电方法，其特征在于，还包括步骤：电池管理系统模块实时监测电池电量，并将所述电池电量反馈给所述脉冲充电控制器，且当所述电池电量小于97％时，重复所述步骤S1至S4。

3.根据权利要求2所述的包含超级电容器的储能系统中电池的充电方法，其特征在于，还包括以下步骤中的至少一项：

当所述电池电量小于18％时，所述脉冲充电控制器将接收到的电流信号转换成直流恒流的电流信号，并向所述电池进行直流恒流充电；

当所述电池电量即将充满时，所述脉冲充电控制器将接收到的电流信号转换成直流恒流的电流信号，并控制使电压大小恒定，向所述电池进行恒压充电。

4.根据权利要求1所述的包含超级电容器的储能系统中电池的充电方法，其特征在于，进行所述二次回充过程的时间为第四预设值；则所述第一预设值不小于所述第二预设值与所述第四预设值的和。

5.根据权利要求4所述的包含超级电容器的储能系统中电池的充电方法，其特征在于，所述第一预设值等于所述第二预设值、所述第三预设值以及所述第四预设值的和；或

所述第一预设值等于所述第二预设值、所述第四预设值以及将所述超级电容器充满电所需的时间的和，其中所述第二预设值/(将所述超级电容器充满电所需的时间+所述第四预设值)＝8/1或9/1。

6.根据权利要求1所述的包含超级电容器的储能系统中电池的充电方法，其特征在于，在所述步骤S1中，进行所述脉冲充电时，充电电流大小呈阶段性非线性递减方式变化。

7.根据权利要求1所述的包含超级电容器的储能系统中电池的充电方法，其特征在于，所述向超级电容器充电的通道与所述向电池二次回充的通道不同时处于开启状态。

8.根据权利要求1所述的包含超级电容器的储能系统中电池的充电方法，其特征在于，还包括以下步骤中的至少一项：

将包括所述电池的电量在内的所述电池的相关信息实时反馈给所述脉冲充电控制器，当所述电池的相关信息异常时，所述脉冲充电控制器将信息反馈给所述总控制器，所述总控制器关闭所述向电池充电的通道；

所述超级电容器的相关信息实时反馈给所述脉冲充电控制器，当所述超级电容器的相关信息异常时，所述脉冲充电控制器关闭所述向超级电容器充电的通道。