專利名稱：：鋰離子電池-超級電容器混合儲能光伏系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種鋰離子電池和超級電容器結合使用的混合儲能光伏系統(tǒng)。
背景技術：
：鋰離子電池于20世紀90年代初發(fā)展起來，近10年來得到了飛速發(fā)展。鋰離子電池與其它類型的蓄電池相比，具有單體電壓高、能量密度大、自放電率低、沒有記憶效應等突出優(yōu)點。目前為止，鋰離子電池是能量密度最高的儲能器件類型。但是，鋰離子電池的循環(huán)壽命有限，一般在500~1000次，且一般鋰離子電池充放電倍率僅為0.2C1C。超級電容器是20世紀80年代進入商業(yè)化規(guī)模。與傳統(tǒng)電容器相比，超級電容器能量密度大34個數量級，同時又保持了傳統(tǒng)電容器釋放能量速度極快的特點，可提供大脈沖功率。北京集星聯(lián)合電子科技有限公司生產的50F的超級電容器，放電電流可以13.5A,而與其容量相當的鋰離子電池最大放電電流僅達到幾十毫安。超級電容器可以數十秒到數分鐘內快速充電，而鋰離子電池在如此短的時間內充滿電是幾乎不可能的。超級電容器具有循環(huán)壽命極長的優(yōu)點，其循環(huán)壽命達500，000次，而蓄電池的循環(huán)次數只有幾百次，僅是超級電容器幾十分之一。雖然超級電容器有上述鋰離子電池不能比擬的優(yōu)勢，但是其容量不能與鋰離子電池相比。目前，兩種儲能器件產品的技術參數如下表所示:<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>從表中看出，鋰離子電池和超級電容器各具優(yōu)勢，鋰離子電池有超級電容器無法比擬的能量密度，卻不能超越其功率密度和循環(huán)壽命。目前，鋰離子電池已經應用于小型便攜式設備中，但鋰離子電池的循環(huán)壽命和功率密度有限，限制了鋰離子電池更加廣泛地應用。如果將鋰離子電池應用于脈沖功率式通信裝置，例如數字式蜂窩電話，雙向無線電裝置以及問話式傳呼機等設備，都存在高功率尖峰放電的問題。高功率脈沖電流雖然持續(xù)的時間短，但是脈沖電流可以達到安培量級，鋰離子電池頻繁承受這種高功率脈沖放電會導致電池體發(fā)熱，將造成鋰離子電池放電性能的惡化以及使用壽命的嚴重衰減。鋰離子電池溘度的升高也會嚴重影響電子設備的正常工作。如果把超級電容器和鋰離子電池結合，揚長避短，優(yōu)勢互補，形成高容量、高功率、長壽命的混合儲能系統(tǒng)，將擴展鋰離子電池和超級電容器的應用空間。一些相關文獻已經報導了蓄電池與超級電容器結合使用的研究，如在城市公交車、電動車和汽車中的應用，如"超級電容器在汽車啟動中的應用"(《國外電子元器件》，2006年第5期，pp5759)、"超級電容與蓄電池并聯(lián)使用對混合動力公交車的改進"(《客車技術與研究》，2005年第5期，ppll")等，但是這些研究都是鉛酸蓄電池為儲能電池，以汽車等大功率用電設備為應用背景。在國內外相關文獻中，如"超級電容器蓄電池混合儲能獨立光伏系統(tǒng)研究"(太陽能學報，第28巻第2期，ppl78-183)、"PowerandLifeExtensionofBattery—UItracapacitorHybrids"(IEEETransactionsonComponentsandPackagingTechnologies,Vol.25，No.1,2002)等，介紹了將鉛酸蓄電池和超級電容器混合儲能的方法用于光伏系統(tǒng)，但是其中的鉛酸電池能量密度、低體積大，能源管理控制體積大、功耗大，不適合用于鋰離子電池為蓄電池的混合儲能系統(tǒng)和便攜式設備。將鋰離子電池和超級電容器混合儲能的光伏系統(tǒng)用于便攜設備的方案尚未得到妥善地解決。
發(fā)明內容本發(fā)明的目的是克服現有鉛酸電池和超級電容器混合儲能技術中鉛酸蓄電池體積大、能量密度低不適用于便攜式設備的缺點，設計了鋰離子電池和超級電容器混合儲能方案，并將其用于光伏系統(tǒng)，為便攜式設備提供電能。本發(fā)明以光伏電池作為負載的能量來源，鋰離子電池和超級電容器結合使用作為儲能系統(tǒng)。能源管理電路針對鋰離子電池和超級電容器不同的特性進行優(yōu)化的智能管理，使得鋰離子電池和超級電容器達到優(yōu)勢互補。由于超級電容器具有很長的循環(huán)壽命，并能夠提供遠遠大于鋰離子電池的輸出功率，因此優(yōu)先給超級電容器充電、放電。這樣不僅能夠減少鋰離子電池使用次數，延長鋰離子電池的壽命，還能夠使得混合儲能系統(tǒng)能夠提供較大的功率，防止大功率輸出對鋰離子電池壽命的影響。因此，能源管理電路的充電管理方案設計如下初始充電時，超級電容器端電壓較低，光伏電池首先給超級電容器充電，將超級電容器充滿之后再給鋰離子電池充電；能源管理系統(tǒng)的放電管理方案設計如下:采用超級電容器作為優(yōu)先放電電源，只有當超級電容器的電量較低時，才用鋰離子電池為負載供電。本發(fā)明鋰離子電池-超級電容器混合儲能的光伏系統(tǒng)包括光伏電池、鋰離子電池、超級電容器、能源管理電路和負載。能源管理電路包括充電管理電路、放電管理電路、穩(wěn)壓電路以及各器件接口。光伏電池、鋰離子電池、超級電容器和負載分別通過能源管理電路上對應的器件接口與能源管理電路相連接。初始充電時，超級電容器端電壓較低，光伏電池首先給超級電容器充電；當超級電容器充滿時，再為鋰離子電池充電；無日照時，光伏電池沒有功率輸出，首先用超級電容器為負載供電；當超級電容器電量不足時，鋰離子電池為負載供電，同時為超級電容器補充電量。充電管理電路主要由比較器LM339及外圍電阻、晶體管構成的比較電路來實現。每個LM339芯片內部集成了四個電壓比較器。充電管理電路采用LM339芯片中的一個電壓比較器即可，記為"1/4LM339"比較器。比較器有兩個輸入端和一個輸出端，一個稱為同相輸入端，用"+"表示，另一個稱為反相輸入端，用"-"表示。反相端通過外圍電阻R1與超級電容器正極相連，同相輸出端通過外圍電阻R2與5V參考電壓連接，R3連接輸出端和同相輸入端，形成正反饋電路。1/4LM339與外圍電阻R1、R2、R3形成遲滯比較器。通過理論計算R1、R2、R3的阻值，調節(jié)兩個閾值大小，達到合理切換充電線路的目的。在此，選擇R1為15KQ，R2為IOKQ，R3為15KQ。遲滯比較器所形成的閾值分別為5V和IV。充電時，當超級電容器的端電壓低于5V時，光伏電池優(yōu)先給超級電容器充電。當超級電容器的電壓大于或等于5V時，即超級電容器充滿，此時不再為超級電容器充電，為鋰離子電池充電。此時不僅能夠起到保護超級電容器不被過充電的作用，還能有效利用光伏電池的多余能量，將其充到鋰離子電池中，作為超級電容器的后備能源。當超級電容器的端電壓下降到1V時，重新導通為超級電容器充電的線路，由光伏電池為超級電容器補充電量。同理，放電管理電路由比較器1/4LM339及外圍電阻、晶體管構成的比較電路來實現。放電管理電阻中的1/4LM339比較器和充電管理中的1/4LM339比較器均由LM339芯片來完成。反相端通過外圍電阻R4與超級電容器正極相連，同相輸出端通過外圍電阻R5接地，R6連接輸出端和同相輸入端，形成正反饋。1/4LM339與外圍電阻R4、R5、R6形成遲滯比較器。R4為15Kfi，R5為IOKQ，R6為15KQ，遲滯比較器所形成的閾值分別為5V和IV。放電時，當超級電容器電壓等于或大于5V時，用超級電容器為負載供電，當超級電容器的端電壓低于1V時，由鋰離子電池為負載供電，同時為超級電容器充電。穩(wěn)壓電路主要由MAX866及其外圍電容和電感來實現。MAX866芯片的引腳1通過47uF電解電容Cl接地，Cl電容起到濾波的作用；引腳1與引腳8之間連接有電感L，其值為330uH;引腳3通過0.1uF電容C2后接地；引腳8和引腳6之間連接二極管D3;引腳2接地，實現系統(tǒng)能夠輸出5V穩(wěn)定電壓，即能為負載提供穩(wěn)定電壓，又能為LM339比較器提供穩(wěn)定的電壓源；引腳6輸出穩(wěn)定的5V電壓，與負載正極連接。本發(fā)明提供的鋰離子電池-超級電容器混合儲能系統(tǒng)具有以下明顯優(yōu)點-(1)超級電容器具有循環(huán)壽命長的優(yōu)勢，加入超級電容器供電，與僅采用鋰離子電池儲能的系統(tǒng)對比，減小了鋰離子電池的循環(huán)次數，可以延緩鋰離子電池的老化。(2)超級電容器具有功率密度大的優(yōu)勢，采用超級電容器作為主要供電電源，能夠提高混合儲能系統(tǒng)的功率密度。(3)鋰離子電池具有能量密度大優(yōu)勢，作為儲能系統(tǒng)的候補能源與超級電容器結合使用形成的混合儲能系統(tǒng)，與僅采用超級電容器儲能的系統(tǒng)對比，體積將會大大減小。與單一儲能器件相比，本發(fā)明的混合儲能光伏系統(tǒng)具有大容量、高功率、長壽命的優(yōu)勢，可用于科技、工業(yè)等相關行業(yè)。比如，可用于激光器、X光機、充磁機、以及無線通訊等電脈沖設備上，也可在各種電動車、電動工具中推廣應用。在微型大功率裝置上也有廣泛的應用前景。環(huán)境能量轉換技術，如光伏發(fā)電、風能發(fā)電、溫差發(fā)電，需要儲能系統(tǒng)來維持負載的持續(xù)運行，各種環(huán)境能量轉換器件與雙儲能系統(tǒng)結合，可以應用于諸如航標燈塔、高山氣象臺、沙漠地區(qū)考察等電源供應場合。以下結合附圖和具體實施方式進一步說明本發(fā)明。圖1是采用鋰離子電池-超級電容器混合儲能的光伏系統(tǒng)結構框圖，圖中1為光伏電池，2為能源管理電路，3為鋰離子電池，4為超級電容器，5為負載；圖2是采用鋰離子電池-超級電容器混合儲能的光伏系統(tǒng)能源管理電路原理圖。具體實施例方式圖1是采用鋰離子電池-超級電容器混合儲能的光伏系統(tǒng)示意圖。如圖1所示，本發(fā)明包括光伏電池l、能源管理電路2、鋰離子電池3、超級電容器4和用電負載5。光伏電池l作為能源系統(tǒng)的能量來源。鋰離子電池3和超級電容器4結合使用作為儲能系統(tǒng)。能源管理電路2針對鋰離子電池3和超級電容器4不同的特性進行優(yōu)化的智能管理，使得鋰離子電池3和超級電容器4優(yōu)勢互補。能源管理電路2包括充電管理電路、放電管理電路、穩(wěn)壓電路以及各器件接口，如圖2所示。光伏電池1、鋰離子屯池J、超級電容器4和負載5通過能源管理電路2上的對應器件接口與能源管理電路2相連接。本發(fā)明能源管理系統(tǒng)管理方案設計如下初始充電時，超級電容器4端電壓較低，光伏電池1首先給超級電容器4充電當超級電容器4充滿時，再為鋰離子電池3充電；無日照時，光伏電池1沒有功率輸出.，首先用超級電容器本為負載5供電；當超級電容器4電量不足時，鋰離子電池3為負載5供電，同時為超級電容器4補充電量。充電管理電路主要由1/4LM339比較器、外圍電阻R1R3、PNP型晶體管Kl2N5401和NPN型晶體管K22N5551、防反充二極管DlMBR1020和D2MBR1020構成的比較電路來實現。比較器同相輸出端通過外圍電阻R2與5V參考電壓源連接，反相端通過外圍電阻Rl與超級電容器4的正極相連，外圍電阻R3連接比較器輸出端和同相輸入端，形成正反饋。比較器1/4LM339與外圍電阻R1、R2、R3形成遲滯比較器。外圍電阻R1為15KQ，R2為IOKQ，R3為15KQ。遲滯比較器所形成的閾值分別為5V和IV。比較器的輸入電壓即為超級電容器4的端電壓，記為Vc,比較器的輸出電壓記為Vo，比較器的傳輸特性如圖3所示。充電時，當超級電容器的端電壓低于5V時，晶體管K1導通，晶體管K2關斷，光伏電池1優(yōu)先給超級電容器4充電。當超級電容器4的電壓大于或等于5V時，超級電容器4充滿，晶體管K1關斷，晶體管K2導通，此時不再為超級電容器4充電，而為鋰離子電池3充電。當超級電容器4的端電壓下降到1V時，晶體管K1導通，重新導通為超級電容器4充電的線路為超級電容器4補充電量，晶體管K2關斷，不再為鋰離子電池3充電。放電管理電路由1/4LM339比較器及外圍電阻R4R6、PNP型晶體管K32N5401構成的比較電路來實現。放電管理電路中的1/4LM339比較器和充電管理電路中的1/4LM339比較器由LM339芯片來完成。比較器的反相端通過外圍電阻R4與超級電容器4正極相連，比較器的同相輸出端通過外圍電阻R5與5V電源連接，外圍電阻R6連接輸出端和同相輸入端，形成正反饋。1/4LM339與外圍電阻R4R6形成遲滯比較器。外圍電阻R4為15KQ，R5為10KQ，R6為15KQ。遲滯比較器所形成的閾值分別為IV和5V，傳輸曲線仍如圖3所示。放電時，當超級電容器電壓大于或等于5V時，晶體管K3關斷，用超級電容器4為負載5供電。當超級電容器4的端電壓低于1V時，晶體管K3導通，由鋰離子電池3為負載5供電，同時能夠為超級電容器4補充電量。穩(wěn)壓電路主要由MAX866芯片及其外圍電容和電感來實現。MAX866芯片的引腳1通過47uF電解電容C1接地，電容C1起到濾波的作用；引腳1與引腳8之間連接有電感L，其值為330uH;引腳3通過0.1uF外圍電容C2后接地；引腳8和引腳6之間連接二極管D3;引腳2接地，實現系統(tǒng)能夠輸出5V穩(wěn)定電壓，即能為負載5提供穩(wěn)定電壓，又能為LM339比較器提供穩(wěn)定的電壓源；引腳6輸出穩(wěn)定的5V電壓，與負載5的芷極連接。本發(fā)明實施例采用單晶硅光伏電池為充電電源，面積為150mmX80ram，最佳工作電壓為5.56V,最佳工作電流為247.6mA。混合儲能系統(tǒng)采用一節(jié)鋰離子電池作為儲能器件，工作電壓為3.7V，充電上限電壓為4.2V，放電下限電壓為3V，容量為1400mAh。鋰離子電池是將鋰離子電芯和保護電路封裝在一起的具有自我保護功能的儲能器件。保護電路包括過充電保護、過放電保護和過電流保護功能?；旌蟽δ芟到y(tǒng)采用2節(jié)超級電容器串聯(lián)的超級電容器組為儲能器件，串聯(lián)后最高電壓為5.4V，容量為70F。采用無線傳感器網絡節(jié)點作為工作負載，脈沖瞬間的最大功率為99mW，休眠模式的功率為16.5mW，平均功率為22.9mW。在能源管理電路的智能控制下，超級電容器4為主能源，鋰離子電池3為輔助能源。本發(fā)明混合儲能光伏系統(tǒng)減少了鋰離子電池3的用電量，因此減少鋰離子電池3的循環(huán)次數，延長了其使用壽命；將超級電容器4具有功率密度大的優(yōu)勢與鋰離子電池3能量密度大的優(yōu)勢結合，使本發(fā)明混合儲能光伏系統(tǒng)具有功率密度大、能量密度高、循環(huán)壽命長的特點。權利要求1、一種鋰離子電池-超級電容器混合儲能光伏系統(tǒng)，其特征在于包括光伏電池(1)、能源管理電路(2)、鋰離子電池(3)、超級電容器(4)和負載(5)；光伏電池(1)為能源系統(tǒng)的能量來源，鋰離子電池(3)和超級電容器(4)結合使用作為儲能系統(tǒng)；能源管理電路(2)包括充電管理電路、放電管理電路、穩(wěn)壓電路以及各器件接口；光伏電池(1)、鋰離子電池(3)、超級電容器(4)和負載(5)通過能源管理電路(2)上對應的器件接口與能源管理電路(2)相連；初始充電時，超級電容器(4)端電壓較低，光伏電池(1)首先給超級電容器(4)充電；當超級電容器(4)充滿時，再為鋰離子電池(3)充電；無日照時，光伏電池(1)沒有功率輸出，首先用超級電容器(4)為負載(5)供電；當超級電容器(4)電量不足時，鋰離子電池(3)為負載(5)供電，同時為超級電容器(4)補充電量。2、根據權利要求1所述的鋰離子電池-超級電容器混合儲能光伏系統(tǒng)，其特征在于所述的充電管理電路主要由比較器LM339及外圍電阻R1R3、晶體管Kl、K2、防反充二極管Dl、D2構成的比較電路來實現；比較器反相端通過外圍電阻R1與超級電容器(4)的正極相連，同相輸出端通過10KQ外圍電阻R2與5V參考電壓連接，外圍電阻R3連接比較器輸出端和同相輸入端，形成正反饋電路；充電時，當超級電容器(4)的端電壓低于5V時，晶體管K1導通，晶體管K2關斷，光伏電池(1)優(yōu)先給超級電容器(4)充電當超級電容器(4)的電壓大于或等于5V時，超級電容器(4)充滿，晶體管K1關斷，晶體管K2導通，此時不再為超級電容器(4)充電，而為鋰離子電池(3)充電；當超級電容器(4)的端電壓下降到1V時，晶體管K1導通，晶體管K2關斷，重新導通為超級電容器(4)充電的線路，由光伏電池U)為超級電容器(4)補充電量，不再為鋰離子電池(3)充電。3、根據權利要求1所述的鋰離子電池-超級電容器混合儲能光伏系統(tǒng)，其特征在于所述的放電管理電路由1/4LM339比較器及外圍電阻R4R6、晶體管K3構成的比較電路來實現；比較器的反相端通過外圍電阻R4與超級電容器(4)正極相連，比較器的同相輸出端通過外圍電阻R5與5V電源連接，外圍電阻R6連接比較器的輸出端和同相輸入端，形成正反饋放電時，當超級電容器電壓等于或大于5V時，晶體管K3關斷，用超級電容器(4)為負載(5)供電，當超級電容器(4)的端電壓低于1V時，晶體管K3導通，由鋰離子電池(3)為負載(5)供電，同時為超級電容器(4)充電。4、根據權利要求1所述的鋰離子電池-超級電容器混合儲能光伏系統(tǒng)，其特征在于穩(wěn)壓電路主要由MAX866芯片及其電容C1、C2和電感L來實現MAX866芯片的引腳1通過電容C1接地，電容C1起到濾波的作用；引腳1與引腳8之間連接有電感L;引腳3通過電容C2后接地引腳8和引腳6之間連接二極管D3;引腳2接地；引腳6輸出穩(wěn)定的5V電壓，與負載(5)的正極連接。全文摘要一種鋰離子電池-超級電容器混合儲能光伏系統(tǒng)，以光伏電池(1)為能源系統(tǒng)的能量來源，以鋰離子電池(3)和超級電容器(4)結合使用作為儲能系統(tǒng)，通過能源管理電路(2)智能控制為負載(5)供電。初始充電時，超級電容器(4)端電壓較低，光伏電池(1)首先給超級電容器(4)充電；當超級電容器(4)充滿時，再為鋰離子電池(3)充電；無日照時，光伏電池(1)沒有功率輸出，當負載(5)需要用電時，首先用超級電容器(4)為負載(5)供電；當超級電容器(4)電量不足時，鋰離子電池(3)通過能源管理電路(2)為負載供電，同時為超級電容器(4)補充電量；本發(fā)明壽命長、容量高、輸出功率高。文檔編號H01M16/00GK101170205SQ20071017889公開日2008年4月30日申請日期2007年12月6日優(yōu)先權日2007年12月6日發(fā)明者于紅云,尚永紅,李艷秋,波蘇申請人:中國科學院電工研究所