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1、(10)申请公布号 CN 102751790 A (43)申请公布日 2012.10.24 C N 1 0 2 7 5 1 7 9 0 A *CN102751790A* (21)申请号 201210238627.1 (22)申请日 2012.07.11 H02J 15/00(2006.01) H02J 7/00(2006.01) (71)申请人韦华鹏 地址 321000 浙江省金华市八一南街天龙南 国名城25幢503室 (72)发明人韦华鹏 (74)专利代理机构杭州求是专利事务所有限公 司 33200 代理人杜军 (54) 发明名称 基于太阳能光伏系统中超级电容混合储能系 统 (57) 摘要 。
2、本发明涉及一种基于太阳能光伏系统中超级 电容混合储能系统。传统的蓄电池充电控制器一 般采用的是三阶段充电方式，容易造成热失控、易 损坏蓄电池。本发明中光伏阵列依次经过电压电 流采样模块和模数转换器将数字信号反馈至单片 机，单片机输出PWM信号使开关电路工作，开关电 路控制光伏阵列与超级电容组之间的导通与关 断，超级电容组经DC/DC模块后与储能电源并联， 智能芯片控制DC/DC模块。在智能芯片控制下，储 能电源充电的过程依次为：涓流充电、恒流充电、 恒压充电和浮充充电。本发明采用储能电源与超 级电容器组混合储能，结合超级电容功率密度高 及铅酸蓄电池能量密度高的特点，提高储能系统 性能。 (51。
3、)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书3页 附图2页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 2 页 1/1页 2 1. 基于太阳能光伏系统中超级电容混合储能系统，包括光伏阵列、电压电流采样模 块、模数转换器、单片机、开关电路、超级电容组、DC/DC模块、智能芯片、储能电源和温度采 用模块，其特征在于：光伏阵列依次经过电压电流采样模块和模数转换器将数字信号反馈 至单片机，单片机根据光伏阵列的工作状况，输出PWM信号使开关电路工作，开关电路控制 光伏阵列与超级电容组之间的导通与关断，超级电容组经DC/DC模块后与储能电源并联， 在储。
4、能电源外部设置有温度采用模块，温度采用模块的输出端与智能芯片输入端信号连 接，智能芯片控制DC/DC模块。 2.根据权利要求1所述的基于太阳能光伏系统中超级电容混合储能系统，其特征在 于：所述的储能电源为铅酸蓄电池或锂离子电池。 3.根据权利要求1所述的基于太阳能光伏系统中超级电容混合储能系统，其特征在 于：在所述的智能芯片控制下，储能电源充电的过程依次为：涓流充电、恒流充电、恒压充 电和浮充充电。 4.根据权利要求3所述的基于太阳能光伏系统中超级电容混合储能系统，其特征在 于：所述的涓流充电，其过程为：当储能电源电压低于充电使能电压U T ，采用很小的涓流I T 进行充电，I T 为0.01。
5、C，C为储能电源容量。 5.根据权利要求3所述的基于太阳能光伏系统中超级电容混合储能系统，其特征在 于：所述的恒流充电，其过程为：当储能电源的电压达到充电使能电压U T 时，采用一个大电 流I BULK 对储能电源进行恒流充电，这一阶段是充电的主要阶段，储能电源端电压上升很快， 直至电压上升到过压充电电压U OC 时进入恒压充电阶段。 6.根据权利要求3所述的基于太阳能光伏系统中超级电容混合储能系统，其特征在 于：所述的恒压充电，其过程为：采用电压U OC 进行恒压充电，电路的充电电流将按指数规律 逐渐减小，直至电流大小等于充电终止电流I OCT ，储能电源已被充满。 7.根据权利要求3所述的。
6、基于太阳能光伏系统中超级电容混合储能系统，其特征在 于：所述的浮充充电，其过程为：采用浮充电压U F 对蓄电池以很小的浮充电流进行充电，以 弥补储能电源自放电造成的容量损失；同时由于储能电源的浮充电压随温度变化而变化， 选择与储能电源相同温度系数的热敏电阻进行温度补偿，确保在任何温度下都能以精确的 浮充电压进行浮充充电，温度系数选择-3.5-5mV/。 8.根据权利要求1所述的基于太阳能光伏系统中超级电容混合储能系统，其特征在 于：所述的超级电容组由多个超级电容串联而成。 9.根据权利要求8所述的基于太阳能光伏系统中超级电容混合储能系统，其特征在 于：所述的超级电容为双电层超级电容。 权 利 。
7、要 求 书CN 102751790 A 1/3页 3 基于太阳能光伏系统中超级电容混合储能系统 技术领域 0001 本发明属于新能源技术领域，涉及一种基于太阳能光伏系统中超级电容混合储能 系统。 背景技术 0002 随着能源短缺问题日益突出，太阳能、风能等新型无污染的替代能源应用日益受 到重视。独立的太阳能照明系统因其结构简单、无需铺设电缆， 且搭建、携带较为方便等特 点在照明领域有着广泛应用前景。 0003 但目前急需解决的有铅酸蓄电池使用寿命较短及系统在弱光条件下充电能力不 足这两大问题。系统储能元件铅酸蓄电池设计寿命约三年，但由于充电方式、存储方式以及 人为等诸多因素的影响导致其使用寿命。
8、过短，需要经常更换， 不仅加大了使用成本也影响 了系统的稳定性。另外大部分已使用的系统在弱光条件下充电能力不足，导致系统太阳能 板利用率不高； 传统提高弱光充电能力的方法是采用组态优化控制来实现， 即根据外界 光照强弱采用继电器控制太阳能板组件按照串联或并联等不同的组合方式给蓄电池充电， 确保太阳能板组件输出电压始终达到设定充电电压。专利CN201010125915.7提出了这样 的充电方式，这种方法虽然可以实现弱光充电，但在组态变化的瞬间，电路输出电压波动较 大，影响系统稳定性。此外，专利200620013904.9采用继电器控制，继电器的机械开关触点 在工作较长时间后容易磨损失灵甚至引起误。
9、操作。 发明内容 0004 本发明针对现有技术的不足，提出了一种考虑到蓄电池的充电特性，采用超级电 容器和电池组合成混合储能系统。同时混合储能采用智能控制芯片实现蓄电池分段充放电 控制管理。 0005 本发明解决技术问题所采取的技术方案为： 本发明包括光伏阵列、电压电流采样模块、模数转换器、单片机、开关电路、超级电容 组、DC/DC模块、智能芯片、储能电源和温度采用模块。光伏阵列依次经过电压电流采样模块 和模数转换器将数字信号反馈至单片机，单片机根据光伏阵列的工作状况，输出PWM信号 使开关电路工作，开关电路控制光伏阵列与超级电容组之间的导通与关断，超级电容组经 DC/DC模块后与储能电源并联。
10、，在储能电源外部设置有温度采用模块，温度采用模块的输出 端与智能芯片输入端信号连接，智能芯片控制DC/DC模块。 0006 本发明采用储能电源与超级电容器组混合储能， 结合超级电容功率密度高及铅 酸蓄电池能量密度高的特点，提高储能系统性能。采用超级电容器组及升降压电路（DC/DC 模块）来实现弱光条件下有效充电，并采用智能电池管理系统，实现对蓄电池智能化充电管 理， 延长蓄电池使用寿命。同时超级电容器和储能电源并联，可以有效提高系统弱光充电 能力。该发明经过实际测量，精度很高，且电路简单、成本低、容易实现。 说 明 书CN 102751790 A 2/3页 4 附图说明 0007 图1是本发明。
11、的电路结构示意图； 图2是本发明的充电原理图； 图3是温度补偿电路图； 图4是智能芯片输出脉冲与DC/DC模块输出波形图。 具体实施方式 0008 下面结合实施例对发明作进一步说明。 0009 如图1所示，本实施例包括光伏阵列、电压电流采样模块、模数转换器ADC、单片 机、开关电路(由PMOS 管实现)、超级电容组、DC/DC、智能芯片、储能电源和温度采用模块。 光伏阵列依次经过电压电流采样模块和模数转换器ADC将数字信号反馈至单片机，单片机 根据光伏阵列的工作状况，输出PWM信号使PMOS 管工作，实现对光伏阵列的最大功率跟 踪。超级电容组经DC/DC后与储能电源并联，在储能电源外部设置有温。
12、度采用模块，温度采 用模块的输出端与智能芯片输入端信号连接，智能芯片控制DC/DC。本实施例中的储能电源 选用12V，100Ah胶体密封铅酸蓄电池，也可以是锂离子电池，但是不局限于二者，其他储能 电源也可以使用。 0010 如图2所示，本实施例中的智能芯片选定UC3909芯片，此时可以根据混合储能系 统中蓄电池的状态实现涓流充电、恒流充电、恒压充电和浮充充电四个阶段合理充电。就四 种状态说明如下： 状态1：涓流充电。 0011 当蓄电池电压低于充电使能电压U T ，充电器提供很小的涓流I T 进行充电， I T 一般 约为0. 01C（C为蓄电池容量）。 0012 状态2：恒流充电。 0013。
13、 当蓄电池的电压达到充电使能电压U T 时， 充电器提供一个大电流I BULK 对蓄电池 进行恒流充电， 这一阶段是充电的主要阶段， 蓄电池端电压上升很快， 直至电压上升到 过压充电电压U OC 时进入恒压充电阶段。 0014 状态3：恒压充电。 0015 在此阶段，充电器提供一个略高于蓄电池额定值的电压U OC 进行恒压充电， 电路 的充电电流将按指数规律逐渐减小，直至电流大小等于充电终止电流I OCT （约为10%I BULK ）， 蓄电池已被充满，充电器进入浮充充电状态。 0016 状态4：浮充充电。 0017 浮充充电阶段，充电器提供浮充电压U F 对蓄电池以很小的浮充电流进行充电，以。
14、 弥补蓄电池自放电造成的容量损失。同时由于蓄电池的浮充电压随温度变化而变化，因此 需要选择与蓄电池相同温度系数的热敏电阻进行温度补偿， 确保在任何温度下都能以精 确的浮充电压进行浮充充电。温度系数一般选择-3.5-5mV/。 0018 本实施例中浮充电压U F 取13.8 V，充电使能电压U T 取10.8V，过压充电电压U OC 取 14.7V，涓流充电电流I T 取0.26 A，恒流充电电流I BULK 取系统最大充电电流6.5A，过充终止 电流I OCT 取1A。 0019 光伏系统中的铅酸蓄电池一般与太阳能板一起安装在户外， 而周围温度的变化 说 明 书CN 102751790 A 3。
15、/3页 5 对铅酸蓄电池的性能有重大影响，有研究表明，铅酸蓄电池的浮充电流对温度极为敏感，温 度每变化10，浮充电流成倍增长，对于本发明中用到的蓄电池，根据厂家提供的参数，同 一浮充电流下，其温度系数为- 3.9 mV/，也就是说如果要防止浮充电流增加，当温度升 高1时，其浮充电压应该降低3.9mV，同理，当温度降低1时，其浮充电压应该升高3.9mV 才能保持浮充电流不变。 0020 在本发明所选用的智能芯片内部集成了具有铅酸蓄电池温度补偿功能的电路，如 图3 所示，A1为电流/电压转换元件，其输入端分别接10k普通电阻及10k热敏电阻 R THM 。A2与外接四个20 k电阻组成差动运算放大。
16、电路。热敏电阻R THM 一般贴附在铅酸蓄 电池的表面壳体用于检测其温度，形成所述的温度采集模块。当铅酸蓄电池内部温度变化 时，通过热敏电阻R THM 的反馈使智能芯片的基准电压2.3V也随温度按3.9mV/的温度系数 变化。从而确保铅酸蓄电池在浮充状态下准确工作于安全的浮充电压，保护了铅酸蓄电池。 0021 本实施例中同时采用12个1.5V 4000F的双电层超级电容串联成额定电压18V，容 量为330 F的超级电容器组，由于本实施例中，我们把12V太阳能板在强光照射时其输出电 压设计约为18 V，采用18V超级电容器组既可确保储能器件的安全同时可以充分吸收太阳 能板输出能量，超级电容可选用。
17、无机、有机对称和非对称的超级电容。 0022 本实施例中采用DCDC技术来实现最大功率输出，PMOS管的高速导通与关断都 会在输出端产生相应干扰谐波， 在太阳能板输出端及铅酸蓄电池间加上超级电容器组可 以有效抑制干扰谐波，保证铅酸蓄电池平稳充放电，延长铅酸蓄电池使用寿命。 0023 由于铅酸蓄电池只能工作在U T 至U OC 电压范围内（以12V铅酸蓄电池为例， 只能 工作在10.814.7V之间）。相比之下， 由于超级电容器组可深度放电， 其工作电压可以 设定在较低范围， 如该系统中设定超级电容器组的最低输出电压为6V。因此在弱光状态 下，太阳能板的输出电压会高于超级电容器组端电压，确保输出。
18、电能被超级电容器组吸收 储存，再由升降压电路DCDC转换输出给铅酸蓄电池，即实现了弱光充电功能。 0024 铅酸蓄电池的充电条件极为严格，在蓄电池的不同四个充电阶段下，其允许输入 的电量不同，而太阳能板的输出受外界环境影响变化很大。当太阳能板输出的电量大于铅 酸蓄电池当前工作状态下可接受的输入电量时， 多余的部分能量将保存在超级电容器组 中；反之，当太阳能板输出的电量小于铅酸蓄电池可接受的输入电量时，超级电容器组内储 存的电量可补偿不足输出给铅酸蓄电池。这样既可以确保铅酸蓄电池的平稳充电，延长使 用寿命，也可以提高系统利用率。 0025 如图4为仿真器中，当超级电容器组端电压为6V时，智能芯片脚输出脉冲及此时 DC/DC 的输出波形。仿真显示，DC/ DC转换电路的输出较为平滑，且电压幅值为13.6V，属 于设定输出电压范围，与实测效果基本相符，说明系统可以实现弱光充电功能。 说 明 书CN 102751790 A 1/2页 6 图1 图2 说 明 书 附 图CN 102751790 A 2/2页 7 图3 图4 说 明 书 附 图CN 102751790 A 。