CN114944692A - 一种梯次动力电池耦合超级电容器的储供能***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种梯次动力电池耦合超级电容器的储供能***及方法,***包括:光伏输出模块、直流母线、混合储能模块和负载充电模块,所述混合储能模块包括梯次动力电池和超级电容器;所述光伏输出模块、梯次动力电池、超级电容器和负载充电模块,均通过各自对应的控制器连接到直流母线;其中,所述梯次动力电池是指从新能源汽车退役下来的动力电池。本发明可有效利用新能源汽车退役后的动力电池,实现动力电池梯次利用,提高了资源利用率。

Description

一种梯次动力电池耦合超级电容器的储供能***及方法
技术领域
本发明属于分布式光伏发电储能技术领域,具体涉及一种梯次动力电池耦合超级电容器的储供能***及方法。
背景技术
近年来,随着新能源汽车产业的发展,动力电池产业与电池回收产业也被带动着迅速发展,退役电池在储能上的应用蕴含巨大潜力。从电动汽车退役下来的动力电池,电池容量仍然有80%,在其容量衰退至30%前,电池还可以充放电4000次,拥有足够的空间进行梯次利用。对动力电池进行回收利用,既可以减轻环境压力,又可以为储能***的构建节省成本。
超级电容器是一种兼具电容器快速充放电特性和电池储能特性的新型储能装置,具有功率密度高、充放电速度快、循环寿命长、工作温限宽等特点。超级电容器在其储能过程中不发生化学反应,这种储能过程是可逆的,因此超级电容器可以反复充放电数十万次。
单一的蓄电池储能技术或超级电容器储能技术在一定程度上存在局限性,如蓄电池功率密度低而超级电容器能量密度低,同时对单一储能技术的改进还受到如经济成本等因素限制。
另外,现有的独立微网规模小,自我调节能力弱,比如光伏发电独立微网,其负载波动容易对其造成较大的影响,因此也有必要对不稳定的独立微网采取必要的稳压措施。
发明内容
本发明提供一种梯次动力电池耦合超级电容器的储供能***及方法,可有效利用新能源汽车退役后的动力电池,实现动力电池梯次利用,提高了资源利用率。
为实现上述技术目的,本发明采用如下技术方案:
一种梯次动力电池耦合超级电容器的储供能***,包括:光伏输出模块、直流母线、混合储能模块和负载充电模块,所述混合储能模块包括梯次动力电池和超级电容器;所述光伏输出模块、梯次动力电池、超级电容器和负载充电模块,均通过各自对应的控制器连接到直流母线;其中,所述梯次动力电池是指从新能源汽车退役下来的动力电池。
在更优的技术方案中,所述梯次动力电池与直流母线之间的控制器,以及超级电容器与直流母线之间的控制器,均采用双向DC/DC变换器。
在更优的技术方案中,光伏输出模块与直流母线之间的控制器,采用MPPT控制器。
在更优的技术方案中,所述负载充电模块为新能源汽车上正在服役的动力电池和/或超级电容器。
在更优的技术方案中,所述直流母线的电压为325V~375V。
在更优的技术方案中,所述光伏输出模块的光伏电池的功率为45kW~50kW。
在更优的技术方案中,梯次动力电池额定电压为150V~200V,容量为450Ah~500Ah。
在更优的技术方案中,超级电容器额定电压为150V~200V,容量为100~150F。
一种基于上述任一项所述梯次动力电池耦合超级电容器的储供能***的储供能方法,包括:
(1)采集直流母线电压信号,将其与设定的直流母线电压信号比较,然后经过PI环节和低通滤波,形成低频电流信号和高频电流信号;
(2)由得到的低频电流信号,在控制梯次动力电池对应的双向DC/DC变换器的驱动电路中,与采集的梯次动力电池工作电流进行比较,经过PI、限幅、模数转换环节后,产生PWM波,控制梯次动力电池对应的双向DC/DC变换器,实现梯次动力电池的充放电;
(3)由得到的高频电流信号,在控制梯次动力电池对应的双向DC/DC变换器的驱动电路中与采集的超级电容器工作电流进行比较,经过PI、限幅、模数转换环节后,产生PWM波,控制超级电容器对应的双向DC/DC变换器,实现超级电容器的充放电。
有益效果
本发明提出的梯次动力电池耦合超级电容器的储供能***,与现有技术相比具有以下有益效果:
1)对从新能源汽车退役后的动力电池进行回收利用,提高了资源利用率,减少了污染,节省了***成本。
2)将梯次动力电池和超级电容器运用在独立直流微网中,能使直流母线电压稳定,为负载提供稳定电源,提高微网运行稳定性,同时减少对梯次动力电池的损耗,增加其寿命;
3)利用梯次动力电池和超级电容器这两种储能技术的优势结合起来对直流母线进行稳压,响应的时间更短,响应速度更快,超调量更小,而且减少高频功率波动梯次对动力电池的损耗;
4)***的高中低频功率分别由母线电容、超级电容器和梯次动力电池进行补偿,因此从频率特性的角度结合了超级电容功率密度大、动力电池能量密度大的优点,有效提高了***的动静态性能;
5)对可再生太阳能实现了就地转化、储存和使用,避免了并网需要的电缆铺设,电力传输损耗,电力能耗等成本,产生了更多的经济效益。
附图说明
图1***模块结构图;
图2***总体结构框图;
图3双向DC/DC变换器电路原理图;
图4***控制部分结构框图;
图5双向DC/DC控制原理图;
图6母线电压比较图;
图7母线电压局部放大比较图;
图8梯次动力电池充电电流比较图;
图9梯次动力电池充电电流局部放大比较图;
图10梯次动力电池充电电流局部放大比较图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明,本实施例以本发明的技术方案为依据开展,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,对本发明的技术方案作进一步解释说明。
本实施例提供一种梯次动力电池耦合超级电容器的储供能***,如图1、2所示,包括:光伏输出模块、直流母线、混合储能模块和负载充电模块,所述混合储能模块包括梯次动力电池和超级电容器;所述光伏输出模块、梯次动力电池、超级电容器和负载充电模块,均通过各自对应的控制器连接到直流母线。其中,梯次动力电池与直流母线之间的控制器,以及超级电容器与直流母线之间的控制器,均采用双向DC/DC变换器,如图3所示;以及光伏输出模块与直流母线之间的控制器,采用MPPT控制器。
光伏输出模块由光伏电池发电,由MPPT控制器控制将电能输出至独立微电网的直流母线;混合储能模块的梯次动力电池和超级电容器,根据直流母线的电压从直流母线获取电能或者向直流母线提供电能,使直流母线电压稳定在阈值范围内;负载充电模块则从直流母线获取电能。由于本实施例的梯次动力电池是指从新能源汽车退役下来的动力电池,负载充电模块为新能源汽车上正在服役的动力电池和/或超级电容器,因此可充分有效利用新能源汽车退役后的动力电池,为独立的微电网直流母线提供电能或获取电能,从而保证直流母线持续为新能源汽车正在服役的动力电池和超级电容器提供稳定电源,实现动力电池梯次利用,提高了资源利用率。
其中,梯次动力电池与直流母线之间,以及超级电容器与直流母线之间,均采用双向DC/DC变换器,其受控端连接的控制模块包括至少3个电压采集器、至少2个电流采集器、单片机和2路基于所述单片机的驱动电路。参考图4所示,3个电压采集器分别采集直流母线、梯次动力电池和超级电容器的电压,并将采集电压发送给单片机;2个电流采集器分别采集梯次动力电池和超级电容器的电流,并将采集电流发送给单片机;所述单片机根据采集电压和采集电流输出PWM波,控制两个双向DC/DC变换器,实现对梯次动力电池和超级电容器的充放电。
单片机可以采用PIC、ARM、MIPS、AVR、PPC等类型单片机,本实施例中,单片机采用STM32系列,对梯次动力电池和超级电容器的工作模式的控制策略,参考图5所示,包括:(1)将采集到的直流母线电压信号与设定的直流母线电压信号比较后,经过PI环节和低通滤波,形成低频电流信号和高频电流信号;(2)由(1)得到的低频电流信号,在控制梯次动力电池对应的双向DC/DC变换器的驱动电路中与采集的梯次动力电池工作电流进行比较,经过PI、限幅、模数转换环节后,产生PWM波,控制梯次动力电池对应的双向DC/DC变换器,实现梯次动力电池的充放电;(3)由(1)得到的高频电流信号,在控制梯次动力电池对应的双向DC/DC变换器的驱动电路中与采集的超级电容器工作电流进行比较,经过PI、限幅、模数转换环节后,产生PWM波,控制超级电容器对应的双向DC/DC变换器,实现超级电容器的充放电。
在单片机的上述控制策略下,本实施例储供能***存在以下几种工作模式:
工作模式1:当光照充足,光伏电池的输出功率高于负载充电模块所需功率时,单向变换器2工作在MPPT模式,梯次动力电池5和超级电容器6的双向DC/DC变换器7工作在Buck模式,直流母线4为梯次动力电池5和超级电容器6充电,维持直流母线电压稳定;若发生负载充电模块突变,负载功率波动大于阈值,超级电容器6的双向DC/DC变换器切换为Boost模式,提供突变功率。
工作模式2:当光照不足,光伏电池1的输出功率低于负载充电模块所需功率时,单向变换器2工作在MPPT模式,梯次动力电池5的双向DC/DC变换器7处于Boost模式,梯次动力电池5放电维持母线电压稳定;若负载突变,超级电容器6的双向DC/DC变换器由关断状态切换为Boost模式,提供突变功率。
工作模式3:当没有光照,光伏电池1无功率输出时,单向变换器2不工作,梯次动力电池5的双向DC/DC变换器7为Boost模式,梯次动力电池5为负载供电,维持母线电压稳定;若负载突变,超级电容器6的双向DC/DC变换器7由关断状态切换为Boost模式,提供突变功率。
工作模式4:***工作在工作模式3时,若梯次动力电池5放电时间过长,端电压低于过放电压时,停止工作,超级电容器6单独放电;当梯次动力电池5和超级电容器6都放电致使各自端电压低于各自的过放电压时,所有变换器停止工作。
实施例1:
本实施例储供能***采用的光伏电池功率为45kW,母线电压为325V,梯次动力电池额定电压为150V,容量为450Ah,超级电容器额定电压为150V,容量为100F。***以工作模式1工作,所述***工作过程如下:当光照充足,光伏电池1的输出功率高于负载所需功率时,单向变换器2工作在MPPT模式,梯次动力电池5和超级电容器6的双向DC/DC变换器7工作在Buck模式,母线4为梯次动力电池5和超级电容器6充电,维持母线电压稳定;若发生负载突变,负载功率波动大于阈值,超级电容器6的双向DC/DC变换器切换为Boost模式,提供突变功率。
实施例2:
本实施例储供能***采用的光伏电池功率为48kW,母线电压为360V,梯次动力电池额定电压为130V,容量为460Ah,超级电容器额定电压为160V,容量为115F。***以工作模式2工作,所述的工作模式如下:当光照不足,光伏电池1的输出功率低于工作在负载所需功率时,单向变换器2工作在MPPT模式,梯次动力电池5的双向DC/DC变换器7处于Boost模式,梯次动力电池5放电维持母线电压稳定;若负载突变,超级电容器6的双向DC/DC变换器由关断状态切换为Boost模式,提供突变功率。
实施例3:
本实施例储供能***采用的光伏电池功率为49kW,母线电压为350V,梯次动力电池额定电压为175V,容量为470Ah,超级电容器额定电压为175V,容量为125F。***以工作模式3工作,所述的工作模式如下:当没有光照,光伏电池1无功率输出时,单项变换器2不工作,梯次动力电池5的双向DC/DC变换器7为Boost模式,梯次动力电池5为负载供电,维持母线电压稳定;若负载突变,超级电容器6的双向DC/DC变换器7由关断状态切换为Boost模式,提供突变功率。
实施例4:
***采用的光伏电池功率为50kW,母线电压为375V,梯次动力电池额定电压为200V,容量为500Ah,超级电容器额定电压为200V,容量为150F。***以工作模式4工作,所述的工作模式如下:当没有光照,光伏电池1无功率输出,梯次动力电池5放电时间过长时,端电压低于过放电压时,停止工作,超级电容器6单独放电;当梯次动力电池5和超级电容器6都放电致使各自端电压低于各自的过放电压时,所有变换器停止工作。
在仿真环境中设置相同的功率突增和突减,将本发明包含混合储能(hess)的直流微网***与现有技术中只有梯次电池储能的直流微网***(without hess)运行效果进行比较,仿真结果如图6和图7所示。可以看到,尽管两种方法都可以起到稳定母线电压的作用,但本发明混合储能***响应的时间更短,响应速度更快,超调量更小。
本发明在仿真环境中设置相同的功率突增和突减,比较了有无混合储能***时梯次电池的充电电流(ihess and iwithouthess)。从图8、图9和图10中可以清楚的看出,在有混合储能***作用时,梯次电池的充电电流更加平缓,且波动显著减少。这对延长梯次电池寿命至关重要,有效的减少了高频波动对锂电池的损害。
以上实施例为本申请的优选实施例,本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进,在不脱离本申请总的构思的前提下,这些变换或改进都应当属于本申请要求保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种梯次动力电池耦合超级电容器的储供能***,其特征在于,包括:光伏输出模块、直流母线、混合储能模块和负载充电模块,所述混合储能模块包括梯次动力电池和超级电容器;所述光伏输出模块、梯次动力电池、超级电容器和负载充电模块,均通过各自对应的控制器连接到直流母线;其中,所述梯次动力电池是指从新能源汽车退役下来的动力电池。
2.根据权利要求1所述的一种梯次动力电池耦合超级电容器的储供能***,其特征在于,所述梯次动力电池与直流母线之间的控制器,以及超级电容器与直流母线之间的控制器,均采用双向DC/DC变换器。
3.根据权利要求1所述的一种梯次动力电池耦合超级电容器的储供能***,其特征在于,光伏输出模块与直流母线之间的控制器,采用MPPT控制器。
4.根据权利要求1所述的一种梯次动力电池耦合超级电容器的储供能***,其特征在于,所述负载充电模块为新能源汽车上正在服役的动力电池和/或超级电容器。
5.根据权利要求1所述的一种梯次动力电池耦合超级电容器的储供能***,其特征在于,所述直流母线的电压为325V~375V。
6.根据权利要求1所述的一种梯次动力电池耦合超级电容器的储供能***,其特征在于,所述光伏输出模块的光伏电池的功率为45kW~50kW。
7.根据权利要求1所述的一种梯次动力电池耦合超级电容器的储供能***,其特征在于,梯次动力电池额定电压为150V~200V,容量为450Ah~500Ah。
8.根据权利要求1所述的一种梯次动力电池耦合超级电容器的储供能***,其特征在于,超级电容器额定电压为150V~200V,容量为100~150F。
9.一种基于权利要求1-8任一项所述梯次动力电池耦合超级电容器的储供能***的储供能方法,其特征在于,包括:
(1)采集直流母线电压信号,将其与设定的直流母线电压信号比较,然后经过PI环节和低通滤波,形成低频电流信号和高频电流信号;
(2)由得到的低频电流信号,在控制梯次动力电池对应的双向DC/DC变换器的驱动电路中,与采集的梯次动力电池工作电流进行比较,经过PI、限幅、模数转换环节后,产生PWM波,控制梯次动力电池对应的双向DC/DC变换器,实现梯次动力电池的充放电;
(3)由得到的高频电流信号,在控制梯次动力电池对应的双向DC/DC变换器的驱动电路中与采集的超级电容器工作电流进行比较,经过PI、限幅、模数转换环节后,产生PWM波,控制超级电容器对应的双向DC/DC变换器,实现超级电容器的充放电。
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