復合儲能電源及利用其實現(xiàn)穩(wěn)定直流母線電壓的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種復合儲能電源及利用其實現(xiàn)穩(wěn)定直流母線電壓的方法，屬于儲能電源技術領域。本發(fā)明將電池與超級電容均連接DC/DC，再將DC/DC并聯(lián)這種復合電源結構有利于實現(xiàn)鋰離子電池電壓、超級電容電壓與直流母線電壓的隔離，儲能單元配置靈活，而且能量管理方便，能有效避免電池受大電流沖擊，提高復合電源性能。該穩(wěn)壓控制方法，能夠有效發(fā)揮超級電容功率密度大，循環(huán)壽命長的優(yōu)勢，延長復合電源儲能系統(tǒng)的壽命，同時，該穩(wěn)壓控制方法能夠有效的穩(wěn)定直流母線電壓。
【專利說明】
復合儲能電源及利用其實現(xiàn)穩(wěn)定直流母線電壓的方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及儲能電源技術領域，具體涉及一種復合儲能電源及利用其實現(xiàn)穩(wěn)定直流母線電壓的方法。
【背景技術】
[0002]當前電池技術尤其是鋰離子電池技術飛速發(fā)展，鋰離子電池在儲能領域得到了廣泛運用，但是，鋰電池難以滿足瞬時大功率需求，頻繁的大電流充放造成鋰電池壽命大幅縮短，因此在需要大功率場景中，比如混合動力車輛，電動汽車等，復合電源模式被提出。復合電源指超級電容并聯(lián)電池的形式。超級電容循環(huán)壽命長，而且功率密度大，而電池能量密度大。二者的結合能有效彌補各自的缺陷，從而提高儲能系統(tǒng)的性能。
[0003]—般來講，超級電容不能與電池直接并聯(lián)，因為二者的電壓特性差別巨大，很難匹配，而且造成超級電容與電池能量管理的不便。超級電容與電池并聯(lián)一般都需要連接DC/DC，連接方式分為兩種，一種形式是超級電容前連接DC/DC再與電池并聯(lián)，運用廣泛，但電池與直流母線直接相連，免不了受到瞬時放電的沖擊;一種形式是電池前連接DC/DC，再與超級電容相連，但這樣可能造成直流母線電壓波動較大;這兩種結構不利于控制直流母線電壓的穩(wěn)定，而且不能夠方便的實現(xiàn)超級電容和電池的能量管理。
【發(fā)明內容】
[0004](一)要解決的技術問題
[0005]本發(fā)明要解決的技術問題是:如何設計一種有利于控制直流母線電壓的穩(wěn)定，而且能夠方便的實現(xiàn)超級電容和電池的能量管理的復合儲能電源及其穩(wěn)定控制的方法。
[0006](二)技術方案
[0007]為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供了一種復合儲能電源，包括直流母線1、鋰電池組2、超級電容4、第一雙向DC/DC 3、第二雙向DC/DC 5和控制系統(tǒng)6;
[0008]所述鋰電池組2通過第一雙向DC/DC 3與直流母線I相連，超級電容4通過第二雙向DC/DC 5與直流母線I相連；
[0009]直流母線I，包括總正、總負兩條導線；直流母線I上布置有電壓和電流傳感器、由控制系統(tǒng)6采集直流母線I的電壓、電流信號，以便實現(xiàn)控制系統(tǒng)6的監(jiān)測及控制功能；
[0010]第一雙向DC/DC 3通過第一正極繼電器與直流母線總正導線連接，通過第一負極繼電器與直流母線總負導線連接；
[0011]第二雙向DC/DC 5通過第二正極繼電器與直流母線總正導線連接，通過第二負極繼電器與直流母線總負導線連接；
[0012]控制系統(tǒng)6用于實時與電池管理系統(tǒng)、超級電容管理系統(tǒng)、第一雙向DC/DC3和第二雙向DC/DC 5通訊，控制第一、第二正負繼電器的開閉，并且控制第一雙向DC/DC 3和第二雙向DC/DC 5的功率，使整個復合儲能電源協(xié)調工作。
[0013]本發(fā)明還提供了一種利用復合儲能電源實現(xiàn)穩(wěn)定直流母線電壓的方法，當電壓傳感器檢測到的直流母線電壓處于870V?930V之間時，鋰電池組不參與工作，通過控制超級電容充放電電流實現(xiàn)母線電壓的穩(wěn)定以及復合儲能電源的響應；
[0014]當母線電壓高于930V或低于870V時，鋰電池組開始工作；
[0015]當母線電壓高于980V及低于800V時，控制系統(tǒng)分別發(fā)送直流母線電壓過高、過低故障，并且與外部系統(tǒng)通訊請求降低充放電功率，如果外部系統(tǒng)沒有響應，直流母線電壓持續(xù)過高、過低，則控制系統(tǒng)強行斷開超級電容、鋰電池組分別與直流母線的連接。
[0016]優(yōu)選地，首先進行步驟101，進行母線電壓檢測，檢測的結果作為控制系統(tǒng)決策的依據(jù)；
[0017]當檢測到母線電壓大于980V時，進入步驟102，進行母線電壓過高報警，此時控制系統(tǒng)向外部通訊，請求降低總線充電功率，預設一段時間沒有響應，則控制系統(tǒng)強行斷開超級電容及鋰電池組；
[0018]當檢測到母線電壓處于950-980V之間時，進入步驟103，鋰電池組以2倍放電倍率C充電，超級電容以最大功率充電；
[0019]當檢測到母線電壓處于940-950V之間時，進入步驟104，步驟104進一步判斷，若步驟1 3中鋰電池組采用2C倍率充電，則進入步驟106，鋰電池組采用2C倍率充電，超級電容以最大功率充電；否則進入步驟105，鋰電池組以IC倍率充電，超級電容以最大功率充電；
[0020]當檢測到母線電壓處于930-940V之間時，進入步驟107，鋰電池組以IC倍率充電，超級電容以最大功率充電；
[0021]當檢測到母線電壓處于920-930V之間時，進入步驟108，鋰電池組不工作，超級電容以最大功率充電，第二雙向DC/DC工作在恒流模式；
[0022]當檢測到母線電壓處于910-920V之間時，進入步驟109，鋰電池組不工作，第二雙向DC/DC工作在恒壓模式，超級電容充電；
[0023]當檢測到母線電壓處于890-910V之間時，進入步驟110，鋰電池組不工作，第二雙向DC/DC工作在恒壓模式，超級電容進入功率跟隨模式，根據(jù)后端負載功率進行充電；
[0024]當檢測到母線電壓處于870-890V之間時，進入步驟111，鋰電池組不工作，第二雙向DC/DC工作在恒流模式，超級電容以最大功率放電；
[0025]當檢測到母線電壓處于850-870V之間時，進入步驟112，鋰電池組以2C倍率放電，第二雙向DC/DC工作在恒流模式，超級電容放以最大功率放電；
[0026]當檢測到母線電壓處于800-850V之間時，進入步驟113，鋰電池組以4C倍率放電，第二雙向DC/DC工作在恒流模式，超級電容放以最大功率放電；
[0027]當檢測到母線電壓小于800V時，進入步驟114，控制系統(tǒng)6發(fā)送總線電壓過低故障，請求降低外部負載功率，若預設一定時間內母線電壓仍然低于800V，控制系統(tǒng)強行斷開超級電容及鋰電池組與直流母線的連接。
[0028](三)有益效果
[0029]本發(fā)明將電池與超級電容均連接DC/DC，再將DC/DC并聯(lián)這種復合電源結構有利于實現(xiàn)鋰離子電池電壓、超級電容電壓與直流母線電壓的隔離，儲能單元配置靈活，而且能量管理方便，能有效避免電池受大電流沖擊，提高復合電源性能。該穩(wěn)壓控制方法，能夠有效發(fā)揮超級電容功率密度大，循環(huán)壽命長的優(yōu)勢，延長復合電源儲能系統(tǒng)的壽命，同時，該穩(wěn)壓控制方法能夠有效的穩(wěn)定直流母線電壓。
【附圖說明】
[0030]圖1為本發(fā)明實施例提供的復合電源結構示意圖；
[0031 ]圖2為本發(fā)明實施例提供的復合電源穩(wěn)壓控制流程圖；
[0032]圖3為本發(fā)明實施例提供的控制電池SOC的控制流程圖。
【具體實施方式】
[0033]為使本發(fā)明的目的、內容、和優(yōu)點更加清楚，下面結合附圖和實施例，對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細描述。
[0034]如圖1所示，本發(fā)明提供了一種復合儲能電源，包括直流母線1、鋰電池組2、超級電容4、第一雙向DC/DC 3、第二雙向DC/DC 5和控制系統(tǒng)6;
[0035]所述鋰電池組2通過第一雙向DC/DC 3與直流母線I相連，超級電容4通過第二雙向DC/DC 5與直流母線I相連；
[0036]所述鋰電池組2和超級電容4均帶有相應的管理系統(tǒng)，分別稱為電池管理系統(tǒng)和超級電容管理系統(tǒng)，所述電池管理系統(tǒng)用于檢測電池的電壓、電流和溫度，估計電池的荷電狀態(tài)S0C、進行熱管理、故障檢測、絕緣保護、和短路保護;超級電容管理系統(tǒng)用于采集電壓、電流和溫度信號，并進行超級電容的SOC估計，充放電管理和故障診斷；
[0037]直流母線I，包括總正、總負兩條導線；直流母線I上布置有電壓和電流傳感器、由控制系統(tǒng)6采集直流母線I的電壓、電流信號，以便實現(xiàn)控制系統(tǒng)6的監(jiān)測及控制功能；
[0038]第一雙向DC/DC 3通過第一正極繼電器與直流母線總正導線連接，通過第一負極繼電器與直流母線總負導線連接；
[0039]第二雙向DC/DC 5通過第二正極繼電器與直流母線總正導線連接，通過第二負極繼電器與直流母線總負導線連接；
[0040]控制系統(tǒng)6用于實時與電池管理系統(tǒng)、超級電容管理系統(tǒng)、第一雙向DC/DC3和第二雙向DC/DC 5通訊，控制第一、第二正負繼電器的開閉，并且控制第一雙向DC/DC 3和第二雙向DC/DC 5的功率，使整個復合儲能電源協(xié)調工作。
[0041]本發(fā)明還提供了一種利用復合儲能電源實現(xiàn)穩(wěn)定直流母線電壓的方法，當電壓傳感器檢測到的直流母線電壓處于870V?930V之間時，鋰電池組不參與工作，通過控制超級電容充放電電流實現(xiàn)母線電壓的穩(wěn)定以及復合儲能電源的響應；
[0042]當母線電壓高于930V或低于870V時，鋰電池組開始工作；
[0043]當母線電壓高于980V及低于800V時，控制系統(tǒng)分別發(fā)送直流母線電壓過高、過低故障，并且與外部系統(tǒng)通訊請求降低充放電功率，如果外部系統(tǒng)沒有響應，直流母線電壓持續(xù)過高、過低，則控制系統(tǒng)強行斷開超級電容、鋰電池組分別與直流母線的連接。
[0044]本復合電源設定直流母線電壓為900V左右，控制系統(tǒng)6穩(wěn)定電壓的控制流程如圖2所示。
[0045]首先進行步驟101(如圖2中虛框所示)，進行母線電壓檢測，檢測的結果作為控制系統(tǒng)6決策的依據(jù)。
[0046]1.當檢測到母線電壓大于980V時，進入步驟102，進行母線電壓過高報警，此時控制系統(tǒng)6向外部通訊，請求降低總線充電功率，一段時間沒有響應，控制系統(tǒng)6強行斷開超級電容及鋰電池組，以免損壞器件。
[0047]2.當檢測到母線電壓處于950-980V之間時，進入步驟103，鋰電池組以2倍放電倍率C充電，超級電容以最大功率充電。
[0048]3.當檢測到母線電壓處于940-950V之間時，進入步驟104，步驟104進一步判斷，若上一步鋰電池組采用2C倍率充電，則進入步驟106，電池組采用2C倍率充電，超級電容以最大功率充電；否則進入步驟105，鋰電池組以IC倍率充電，超級電容以最大功率充電。
[0049]4.當檢測到母線電壓處于930-940V之間時，進入步驟107，鋰電池組以IC倍率充電，超級電容以最大功率充電。
[0050]5.當檢測到母線電壓處于920-930V之間時，進入步驟108，鋰電池組不工作，超級電容以最大功率充電，第二雙向DC/DC工作在恒流模式。
[0051 ] 6.當檢測到母線電壓處于910-920V之間時，進入步驟109，鋰電池組不工作，第二雙向DC/DC工作在恒壓模式，超級電容充電。
[0052]7.當檢測到母線電壓處于890-910V之間時，進入步驟110，鋰電池組不工作，第二雙向DC/DC工作在恒壓模式，超級電容進入功率跟隨模式，根據(jù)負載(接在直流母線的兩根導線之間)的功率進行充電。
[0053]8.當檢測到母線電壓處于870-890V之間時，進入步驟111，鋰電池組不工作，第二雙向DC/DC工作在恒流模式，超級電容以最大功率放電。
[0054]9.當檢測到母線電壓處于850-870V之間時，進入步驟112，鋰電池組以2C倍率放電，第二雙向DC/DC工作在恒流模式，超級電容放以最大功率放電。
[0055]10.當檢測到母線電壓處于800-850V之間時，進入步驟113，鋰電池組以4(:倍率放電，第二雙向DC/DC工作在恒流模式，超級電容放以最大功率放電。
[0056]11.當檢測到母線電壓小于800V時，進入步驟114，控制系統(tǒng)6發(fā)送總線電壓過低故障，請求降低外部負載功率，若一定時間內總線電壓仍然低于800V，控制系統(tǒng)強行斷開超級電容及電池組與直流母線的連接。
[0057]此外，為了防止鋰電池組及超級電容的出現(xiàn)充放電安全問題及過充過放引起的電池組、超級電容壽命快速衰減的問題，控制系統(tǒng)在充放電時還需要控制鋰電池組及超級電容的SOC處于一定的范圍內，這里以控制鋰電池組的SOC為例，將鋰電池SOC控制在0.4-0.8之間，超級電容SOC的控制方法與之類似。如圖3所示，首先控制系統(tǒng)進行步驟201(圖3中虛框)，檢測鋰電池組的S0C，當SOC大于0.8時，控制系統(tǒng)禁止鋰電池組充電(步驟202); iSOC位于0.4-0.8之間時，進一步判斷直流母線電壓(步驟203)，a，當直流母線電壓高于930V時，給鋰電池組充電(步驟204)，b，當直流母線電壓位于870V-930V之間時，鋰電池組既不放電也不充電(步驟205)，c，當直流母線電壓低于870V時，鋰電池組放電(步驟206);當SOC低于
0.4時，禁止鋰電池組放電。
[0058]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權項】
1.一種復合儲能電源，其特征在于，包括直流母線(I)、鋰電池組(2)、超級電容(4)、第一雙向DC/DC(3)、第二雙向DC/DC(5)和控制系統(tǒng)(6); 所述鋰電池組(2)通過第一雙向DC/DC(3)與直流母線(I)相連，超級電容(4)通過第二雙向DC/DC(5)與直流母線(I)相連； 直流母線(I)，包括總正、總負兩條導線；直流母線(I)上布置有電壓和電流傳感器、由控制系統(tǒng)(6)采集直流母線(I)的電壓、電流信號，以便實現(xiàn)控制系統(tǒng)(6)的監(jiān)測及控制功會K; 第一雙向DC/DC(3)通過第一正極繼電器與直流母線總正導線連接，通過第一負極繼電器與直流母線總負導線連接； 第二雙向DC/DC(5)通過第二正極繼電器與直流母線總正導線連接，通過第二負極繼電器與直流母線總負導線連接； 控制系統(tǒng)(6)用于實時與電池管理系統(tǒng)、超級電容管理系統(tǒng)、第一雙向DC/DC(3)和第二雙向DC/DC(5)通訊，控制第一、第二正負繼電器的開閉，并且控制第一雙向DC/DC(3)和第二雙向DC/DC (5)的功率，使整個復合儲能電源協(xié)調工作。2.—種利用復合儲能電源實現(xiàn)穩(wěn)定直流母線電壓的方法，其特征在于，當電壓傳感器檢測到的直流母線電壓處于870V?930V之間時，鋰電池組不參與工作，通過控制超級電容充放電電流實現(xiàn)母線電壓的穩(wěn)定以及復合儲能電源的響應； 當母線電壓高于930V或低于870V時，鋰電池組開始工作； 當母線電壓高于980V及低于800V時，控制系統(tǒng)分別發(fā)送直流母線電壓過高、過低故障，并且與外部系統(tǒng)通訊請求降低充放電功率，如果外部系統(tǒng)沒有響應，直流母線電壓持續(xù)過高、過低，則控制系統(tǒng)強行斷開超級電容、鋰電池組分別與直流母線的連接。3.如權利要求2所述的方法，其特征在于， 首先進行步驟101，進行母線電壓檢測，檢測的結果作為控制系統(tǒng)決策的依據(jù)； 當檢測到母線電壓大于980V時，進入步驟102，進行母線電壓過高報警，此時控制系統(tǒng)向外部通訊，請求降低總線充電功率，預設一段時間沒有響應，則控制系統(tǒng)強行斷開超級電容及鋰電池組； 當檢測到母線電壓處于950-980V之間時，進入步驟103，鋰電池組以2倍放電倍率C充電，超級電容以最大功率充電； 當檢測到母線電壓處于940-950V之間時，進入步驟104，步驟104進一步判斷，若步驟103中鋰電池組采用2C倍率充電，則進入步驟106，鋰電池組采用2C倍率充電，超級電容以最大功率充電；否則進入步驟105，鋰電池組以IC倍率充電，超級電容以最大功率充電； 當檢測到母線電壓處于930-940V之間時，進入步驟107，鋰電池組以IC倍率充電，超級電容以最大功率充電； 當檢測到母線電壓處于920-930V之間時，進入步驟108，鋰電池組不工作，超級電容以最大功率充電，第二雙向DC/DC工作在恒流模式； 當檢測到母線電壓處于910-920V之間時，進入步驟109，鋰電池組不工作，第二雙向DC/DC工作在恒壓模式，超級電容充電； 當檢測到母線電壓處于890-910V之間時，進入步驟110，鋰電池組不工作，第二雙向DC/DC工作在恒壓模式，超級電容進入功率跟隨模式，根據(jù)后端負載功率進行充電； 當檢測到母線電壓處于870-890V之間時，進入步驟111，鋰電池組不工作，第二雙向DC/DC工作在恒流模式，超級電容以最大功率放電； 當檢測到母線電壓處于850-870V之間時，進入步驟112，鋰電池組以2(:倍率放電，第二雙向DC/DC工作在恒流模式，超級電容放以最大功率放電； 當檢測到母線電壓處于800-850V之間時，進入步驟113，鋰電池組以4C倍率放電，第二雙向DC/DC工作在恒流模式，超級電容放以最大功率放電； 當檢測到母線電壓小于800V時，進入步驟114，控制系統(tǒng)6發(fā)送總線電壓過低故障，請求降低外部負載功率，若預設一定時間內母線電壓仍然低于800V，控制系統(tǒng)強行斷開超級電容及鋰電池組與直流母線的連接。
【文檔編號】H02J7/34GK105914861SQ201610250997
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月21日
【發(fā)明人】劉勝利, 張思寧, 李申, 戚于飛, 王美靖, 李艷明, 黨尋詣
【申請人】中國北方車輛研究所