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；本发明专利技术寿命长、容量高、输出功率高。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术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。
技术介绍
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:<table>table see original document page 4</column></row><table>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。锂离子电池溘度 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，ppll )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巻第2期，ppl78-183) 、 Power and Life Extension of Battery—UItracapacitor Hybrids (IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, 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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术锂离子电池-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15KQ， R2为IOKQ， R3为15KQ。迟滞比较器所形成的阈值分别为5V和IV。 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。1/4 LM339与外围电阻R4、 R5、 R6形成迟滞 比较器。R4为15Kfi， R5为IOKQ， R6为15 KQ ，迟滞比较器所形成的阈值分别为5V和 IV本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种锂离子电池－超级电容器混合储能光伏系统，其特征在于包括光伏电池（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；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。
【技术特征摘要】
1、一种锂离子电池-超级电容器混合储能光伏系统，其特征在于包括光伏电池(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；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。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 的充电管理电路主要由比较器LM339及外围电阻R1 R3、晶体管Kl 、 K2、防反充二极管 Dl 、 D2构成的比较电路来实现；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10KQ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；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 ...
【专利技术属性】
技术研发人员：于红云，李艳秋，尚永红，苏波，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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