超級(jí)電容電池智能錯(cuò)峰儲(chǔ)電供電器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)的一種超級(jí)電容電池智能錯(cuò)峰儲(chǔ)供電器，包括設(shè)置在系統(tǒng)機(jī)箱內(nèi)的快速充電模塊、超級(jí)電容電池組、雙向DC／AC逆變器和配電轉(zhuǎn)換模塊。其中，快速充電模塊、超級(jí)電容電池、雙向DC／AC逆變器和配電轉(zhuǎn)換模塊以主控制單片機(jī)ECU為中心電連接，組成圍繞主控制單片機(jī)ECU的閉環(huán)錯(cuò)峰儲(chǔ)供電控制系統(tǒng)，主控制單片機(jī)ECU通過(guò)系統(tǒng)機(jī)箱線(xiàn)路接口電連接市電切換開(kāi)關(guān)K。本實(shí)用新型體積較小、重量輕、易于安裝、維護(hù)，具有分布式智能錯(cuò)峰儲(chǔ)、供電，可以穩(wěn)定、平滑電網(wǎng)電壓波動(dòng)。本實(shí)用新型特別適用于以家庭為單位的用電用戶(hù)、各種高層樓宇寫(xiě)字間工作間的辦公用電等，尤其適用于可以預(yù)留安裝位置的新建樓宇住宅。
【專(zhuān)利說(shuō)明】超級(jí)電容電池智能錯(cuò)峰儲(chǔ)電供電器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本實(shí)用新型涉及一種使用超級(jí)電容電池組電力能量轉(zhuǎn)換的儲(chǔ)供電器。
【背景技術(shù)】
[0002]超級(jí)電容電池又叫黃金電容、法拉電容，它通過(guò)極化電解質(zhì)來(lái)儲(chǔ)能，屬于雙層電容的一種。由于其儲(chǔ)能的過(guò)程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此這種儲(chǔ)能過(guò)程是可逆的，正因?yàn)榇顺?jí)電容器可以反復(fù)充放電數(shù)十萬(wàn)次。超級(jí)電容一般使用高表面活性炭電極材料，具有吸附面積大，靜電儲(chǔ)存多的特點(diǎn)，在新能源汽車(chē)中有廣泛使用。雙電層電容器與鋁電解電容器相比內(nèi)阻較小，因此，可在無(wú)負(fù)載電阻情況下直接充電，如果出現(xiàn)過(guò)電壓充電的情況，雙電層電容器將會(huì)開(kāi)路而不致?lián)p壞器件，這一特點(diǎn)與鋁電解電容器的過(guò)電壓擊穿不同。同時(shí)，雙電層電容器與可充電電池相比，可進(jìn)行不限流充電，且充電次數(shù)可達(dá)10E6次以上，因此雙電層電容不但具有電容的特性，同時(shí)也具有電池特性，是一種介于電池和電容之間的新型特殊元器件。超級(jí)電容的容量比通常的電容器大得多。由于其容量很大，對(duì)外表現(xiàn)和電池相同，因此也稱(chēng)作“電容電池”或稱(chēng)“黃金電池”。超級(jí)電容電池是四川能寶電源制造有限公司已投入量產(chǎn)的雙電層電容器中容量最大的一種，其基本原理是利用高表面活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)獲得超大的容量。傳統(tǒng)物理電容中儲(chǔ)存的電能來(lái)源于電荷在兩塊極板上的分離，兩塊極板之間為真空(相對(duì)介電常數(shù)為I)或一層介電物質(zhì)(相對(duì)介電常數(shù)為ε )所隔離，電容值為:C = ε.Α / 3.6 π d.10_6 (μ F)其中A為極板面積，d為介質(zhì)厚度。所儲(chǔ)存的能量為:E = C (AV)2/2，其中C為電容值，AV為極板間的電壓降.可見(jiàn)，若想獲得較大的電容量，儲(chǔ)存更多的能量，必須增大面積A或減少介質(zhì)厚度d，但這個(gè)伸縮空間有限，導(dǎo)致它的儲(chǔ)電量和儲(chǔ)能量較小。超級(jí)電容電池則采用高表面活性炭材料制作成多孔電極，同時(shí)在相對(duì)的炭多孔電極之間充填電解質(zhì)溶液，當(dāng)在兩端施加電壓時(shí)，相對(duì)的多孔電極上分別聚集正負(fù)電子，而電解質(zhì)溶液中的正負(fù)離子將由于電場(chǎng)作用分別聚集到與正負(fù)極板相對(duì)的界面上，從而形成兩個(gè)集電層，相當(dāng)于兩個(gè)電容器串聯(lián)，由于活性炭材料具有> 2000M2/g的超高比表面積(即獲得了極大的電極面積A)，而且電解液與多孔電極間的界面距離不到lnm(即獲得了極小的介質(zhì)厚度d)，根據(jù)前面的計(jì)算公式可以看出，這種雙電層電容器比傳統(tǒng)的物理電容的容值要大很多，比容量可以提高100倍以上，從而使單位重量的電容量可達(dá)100F/g，并且電容的內(nèi)阻還能保持在很低的水平。炭材料還具有成本低，技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。從而使利用電容器進(jìn)行大電量的儲(chǔ)能成為現(xiàn)實(shí)，且在實(shí)際使用時(shí)，可以通過(guò)串聯(lián)或者并聯(lián)以提高輸出電壓或電流。超級(jí)電容器多為雙電層結(jié)構(gòu)，其活性炭電極和電解質(zhì)之間是空間分布式結(jié)構(gòu)，可用多個(gè)電容器的串并聯(lián)描述超級(jí)電容器的特性。
[0003]當(dāng)今社會(huì)對(duì)能源和電力供應(yīng)的質(zhì)量以及安全可靠性的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的大電網(wǎng)供電方式由于其本身的缺陷已經(jīng)不能滿(mǎn)足這種要求。能夠集成分布式發(fā)電的新型電網(wǎng)——微電網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生，它能夠節(jié)省投資、降低能耗、提高系統(tǒng)安全性和靈活性，是未來(lái)的發(fā)展方向。電容作為微電網(wǎng)中必不可少的儲(chǔ)能系統(tǒng)，發(fā)揮著十分重要的作用。微電網(wǎng)由微電源、負(fù)荷、儲(chǔ)能以及能量管理器等組成。當(dāng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，微電網(wǎng)內(nèi)的功率波動(dòng)由大電網(wǎng)進(jìn)行平衡，此時(shí)儲(chǔ)能處于充電備用狀態(tài)。當(dāng)微電網(wǎng)由并網(wǎng)運(yùn)行切換到孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，中央儲(chǔ)能立即啟動(dòng)，彌補(bǔ)功率缺額。微電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)負(fù)荷的波動(dòng)或者微電源的波動(dòng)則可以由中央儲(chǔ)能或者分布式儲(chǔ)能平衡。其中，微電源的功率波動(dòng)有兩種平衡方式，將分布式儲(chǔ)能和需要儲(chǔ)能的微電源并聯(lián)接在某饋線(xiàn)上，或者將儲(chǔ)能直接接入該微電源的直流母線(xiàn)上。儲(chǔ)能在微電網(wǎng)中發(fā)生作用的形式有:接在微電源的直流母線(xiàn)上、包含重要負(fù)荷的饋線(xiàn)上或者微電網(wǎng)的交流母線(xiàn)上。其中，前兩種可稱(chēng)為分布式儲(chǔ)能，最后一種叫做中央儲(chǔ)能。在超級(jí)電容電池組充放電過(guò)程中，端電壓范圍變化大，通常必須采用DC / DC變換器作為接口電路來(lái)調(diào)節(jié)超級(jí)電容電池的儲(chǔ)能和釋能。DC / AC變換器可采用雙向DC / AC逆變器，或者采用AC / DC整流器及DC / AC逆變器。超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)利用多組超級(jí)電容器將能量以電場(chǎng)能的形式儲(chǔ)存起來(lái)，當(dāng)能量緊急缺乏或需要時(shí)。再將存儲(chǔ)的能量通過(guò)控制單元釋放出來(lái)，準(zhǔn)確快速補(bǔ)償系統(tǒng)所需的有功和無(wú)功，從而實(shí)現(xiàn)電能的平衡與穩(wěn)定控制。
[0004]常見(jiàn)的超級(jí)電容電池有三種組成方式:串聯(lián)方式、并聯(lián)方式和串并混聯(lián)方式。串聯(lián)方式的超級(jí)電容器組件:由于超級(jí)電容電池的單體工作電壓不高，不能覆蓋應(yīng)用工況的電壓需求范圍，需要將多個(gè)單體串聯(lián)來(lái)滿(mǎn)足應(yīng)用工況的電壓要求，但因單體電容器之間的固有差異，作用在串聯(lián)組件上的總電壓并不能均衡地分配給不同的電容器，它會(huì)導(dǎo)致電壓分配的不對(duì)稱(chēng)，存在單體間的電壓均衡問(wèn)題。單純的串聯(lián)會(huì)導(dǎo)致某個(gè)或幾個(gè)單體電容器過(guò)壓，從而損壞這些電容器，整體性能受到影響。以并聯(lián)方式建構(gòu)的超級(jí)電容電池組件可以輸出或接受很大的電流。在充電過(guò)程中，由串聯(lián)充電電阻保證單體之間的電壓分布，但超級(jí)電容電池本身固有的充電電阻是一個(gè)動(dòng)態(tài)的量，具有一定的分散性，使得調(diào)整電阻變化的控制電路極其復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)逐點(diǎn)控制；在放電過(guò)程中，控制放電電阻，可獲得很高的輸出功率，但為了避免放電電流過(guò)大，保證許可的輸出功率，要適當(dāng)控制組件的貯能量。串并混聯(lián)的超級(jí)電容電池組件:結(jié)合串聯(lián)和并聯(lián)方式的優(yōu)點(diǎn)，電容避免兩種方式各自不足。每個(gè)電容器均指定一電阻控制其充電過(guò)程的電壓。超級(jí)電容器放電電流比較難控制。當(dāng)電容器電壓超過(guò)標(biāo)稱(chēng)電壓時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致電解液分解，同時(shí)電容器會(huì)發(fā)熱，容量下降，而且內(nèi)阻增加，壽命縮短，在某些情況下，可導(dǎo)致電容器性能崩潰。超級(jí)電容器不可應(yīng)用于高頻率充放電的電路中，高頻率的快速充放電會(huì)導(dǎo)致電容器內(nèi)部發(fā)熱，容量衰減，內(nèi)阻增加，在某些情況下會(huì)導(dǎo)致電容器性能崩潰。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實(shí)用新型任務(wù)是提供一種體積較小、重量輕、易于安裝、維護(hù)，具有分布式智能錯(cuò)峰儲(chǔ)、供電，可以穩(wěn)定、平滑電網(wǎng)電壓波動(dòng)的超級(jí)電容電池智能儲(chǔ)電供電器。
[0006]本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是，一種超級(jí)電容電池智能錯(cuò)峰儲(chǔ)供電器，包括設(shè)置在系統(tǒng)機(jī)箱內(nèi)的快速充電模塊、超級(jí)電容電池組、雙向DC / AC逆變器和配電轉(zhuǎn)換模塊，其特征在于:快速充電模塊、超級(jí)電容電池、雙向DC / AC逆變器和配電轉(zhuǎn)換模塊以主控制單片機(jī)ECU為中心電連接，組成圍繞主控制單片機(jī)ECU的閉環(huán)錯(cuò)峰儲(chǔ)供電控制系統(tǒng)，主控制單片機(jī)E⑶通過(guò)系統(tǒng)機(jī)箱線(xiàn)路接口電連接市電切換開(kāi)關(guān)K。
[0007]本實(shí)用新型具有如下有益效果。
[0008]本實(shí)用新型通過(guò)采用高表面活性炭電極材料生產(chǎn)的超級(jí)電容儲(chǔ)電(能)器，這種復(fù)合致密能源器件，能同時(shí)具有高比能量和高比功率、非常短的充電時(shí)間、放電時(shí)間可控、極長(zhǎng)的循環(huán)使用壽命、溫度特性好、節(jié)約能源和綠色環(huán)保以及極高的可靠性、安全性等特點(diǎn)，將電容器和二次電池二者的優(yōu)點(diǎn)很好地結(jié)合起來(lái)，由系統(tǒng)內(nèi)主控制單片機(jī)E⑶控制，構(gòu)成模塊化閉環(huán)控制系統(tǒng)，按分布式智能錯(cuò)峰儲(chǔ)供電程序指令工作，解決了電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)負(fù)荷波動(dòng)或電源波動(dòng)分布式儲(chǔ)能平衡的問(wèn)題。
[0009]本實(shí)用新型利用多組超級(jí)電容電池將能量以電場(chǎng)能的形式儲(chǔ)存起來(lái)，在能量緊急缺乏或需要時(shí)，將存儲(chǔ)的能量通過(guò)主控制單片機(jī)電能控制平衡與穩(wěn)定控制釋放出來(lái)，準(zhǔn)確快速補(bǔ)償儲(chǔ)供電，再通過(guò)逆變器控制單元，可以調(diào)節(jié)超級(jí)電容電池儲(chǔ)能系統(tǒng)向用戶(hù)及網(wǎng)絡(luò)提供的無(wú)功及有功，解決系統(tǒng)中的一些暫態(tài)問(wèn)題，提高電能質(zhì)量。主控制單片機(jī)ECU針對(duì)系統(tǒng)故障引發(fā)的瞬時(shí)停電、電壓驟升、電壓驟降等問(wèn)題，利用超級(jí)電容器提供快速功率緩沖，吸收或補(bǔ)充電能，提供有功功率支撐進(jìn)行有功或無(wú)功補(bǔ)償，可以穩(wěn)定、平滑電網(wǎng)電壓的波動(dòng)。
[0010]本實(shí)用新型分布式智能錯(cuò)峰儲(chǔ)供電器自成閉環(huán)控制系統(tǒng)，由于超級(jí)電容電池可快速吸收、釋放大功率電能，非常適宜將其應(yīng)用到微電網(wǎng)的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置中，通過(guò)系統(tǒng)機(jī)箱嵌入于供電部門(mén)安裝于用戶(hù)戶(hù)外的智能電表和用戶(hù)進(jìn)戶(hù)線(xiàn)之間，以及各種高層樓宇寫(xiě)字間辦公室用電器前端，24小時(shí)工作，可靠性高，經(jīng)久耐用，各部分均按模塊化方式構(gòu)成儲(chǔ)電器維護(hù)方便，器件更換快速，維護(hù)中僅需更換有故障模塊即可。在儲(chǔ)供電器戶(hù)線(xiàn)間另設(shè)有手動(dòng)切換開(kāi)關(guān)，可靈活轉(zhuǎn)換供電方式。
[0011]本實(shí)用新型經(jīng)主控制單片機(jī)智能化的儲(chǔ)供電器是利用電網(wǎng)低谷時(shí)間自動(dòng)充電，在供電高峰時(shí)段、平段區(qū)間，家庭用儲(chǔ)、供電器能夠自動(dòng)的停止市電交流220V/50HZ供電。而家庭的家用電器多數(shù)是在早、晚用電高峰時(shí)使用(除電冰箱外，一般電視機(jī)、空調(diào)機(jī)、洗衣機(jī)等均在高峰時(shí)段、平段區(qū)間使用)。以此計(jì)算，一般情況下每個(gè)家庭每天可以節(jié)電達(dá)4—10KWh，那么我國(guó)有兩億個(gè)用電戶(hù)計(jì)算，每天可以至少節(jié)電8—20億KWh或以上。
[0012]本實(shí)用新型儲(chǔ)供電器適用于以家庭為單位的用電用戶(hù)、各種高層樓宇寫(xiě)字間工作間的辦公用電等。本儲(chǔ)供電器自成系統(tǒng)一體化。體積較小、重量輕、易于安裝、維護(hù)、搬遷。尤其適用于可以預(yù)留安裝位置的新建樓宇住宅。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1是本實(shí)用新型超級(jí)電容電池錯(cuò)峰儲(chǔ)供電器電路原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]參閱圖1。在以下描述的實(shí)施例中，超級(jí)電容電池錯(cuò)峰儲(chǔ)供電器主要由控制主單片機(jī)(ECU)、超級(jí)電容電池組、快速充電模塊、電池保護(hù)模塊、配電轉(zhuǎn)換模塊、雙向DC / AC逆變器、市電切換開(kāi)關(guān)K和墻掛式或嵌入式系統(tǒng)機(jī)箱組成?？焖俪潆娔K、超級(jí)電容電池組、雙向DC / AC逆變器和配電轉(zhuǎn)換模塊設(shè)置在系統(tǒng)機(jī)箱內(nèi)。本儲(chǔ)供電器嵌入于供電部門(mén)已經(jīng)安裝于用戶(hù)戶(hù)外的智能電表和用戶(hù)進(jìn)戶(hù)線(xiàn)之間，以及各種高層樓宇寫(xiě)字間辦公室用電器前端?？焖俪潆娔K、超級(jí)電容電池組、雙向DC / AC逆變器和配電轉(zhuǎn)換模塊以主控制單片機(jī)E⑶為中心電連接，組成圍繞主控制單片機(jī)E⑶的閉環(huán)錯(cuò)峰儲(chǔ)供電控制系統(tǒng)，主控制單片機(jī)E⑶通過(guò)系統(tǒng)機(jī)箱線(xiàn)路接口電連接市電切換開(kāi)關(guān)K。主控制單片機(jī)E⑶電連接有液晶顯示屏和操作鍵盤(pán)。超級(jí)電容電池組與雙向DC / AC逆變器之間連接有電池保護(hù)模塊。超級(jí)電容電池組通過(guò)快速充電模塊電路接口電連接市電交流電網(wǎng)輸入母線(xiàn)上，進(jìn)行充電，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。雙向DC / AC逆變器通過(guò)配電轉(zhuǎn)換模塊電路接口電連接用戶(hù)線(xiàn)路，輸出交流電。市電切換開(kāi)關(guān)K電連接在市電交流電網(wǎng)線(xiàn)路與用戶(hù)線(xiàn)路之間。超級(jí)電容電池組、電池保護(hù)模塊、雙向DC / AC逆變器、市電切換開(kāi)關(guān)K全部由系統(tǒng)內(nèi)主控制單片機(jī)E⑶控制，按程序指令工作:
[0015]I)當(dāng)處于在線(xiàn)工作的E⑶在低谷時(shí)段時(shí)(及夜間11時(shí)到次日凌晨7時(shí)之間)，檢測(cè)到超級(jí)電容電池組低于額定電壓值時(shí)，打開(kāi)快速充電模塊，快速向超級(jí)電容電池組充電，當(dāng)充電電壓達(dá)到額定電壓值時(shí)關(guān)閉充電模塊，按程序在低谷時(shí)段之外任何時(shí)間充電模塊均處于關(guān)閉狀態(tài)，而不會(huì)向超級(jí)電容電池組充電。
[0016]2)當(dāng)用電時(shí)間進(jìn)入高峰時(shí)段、平段區(qū)間時(shí)，ECU指令自動(dòng)切斷市電切換開(kāi)關(guān)K固態(tài)無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)關(guān)斷市電，打開(kāi)逆變器、配電轉(zhuǎn)換模塊，以交流220V/50HZ (等同市電)的形式向用戶(hù)戶(hù)內(nèi)電器設(shè)備供電。
[0017]3)當(dāng)ECU檢測(cè)到儲(chǔ)供電器供電電壓低于設(shè)定電壓值時(shí)，關(guān)閉逆變器、配電轉(zhuǎn)換模塊，指令打開(kāi)市電切換開(kāi)關(guān)K，恢復(fù)到由市電交流220V/50HZ供電工作狀態(tài)。由于選用的固態(tài)無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，使之切換過(guò)程中用電器無(wú)閃爍狀況。
[0018]4)液晶顯示器中文輪換顯示實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，便于用戶(hù)以直讀方式了解儲(chǔ)供電器工作和產(chǎn)生故障情況。
[0019]5)當(dāng)ECU檢測(cè)到市電處于停電狀態(tài)，會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換到儲(chǔ)供電器供電狀態(tài)，而用戶(hù)又需要照明，可以按照儲(chǔ)電器提供的轉(zhuǎn)換按鈕為室內(nèi)短時(shí)供電。
[0020]相關(guān)的控制主單片機(jī)(E⑶)、快速充電模塊、逆變器、配電轉(zhuǎn)換模塊等配套裝置，已經(jīng)是廣為應(yīng)用的成熟電子產(chǎn)品，不存在技術(shù)難題。
【權(quán)利要求】
1.一種超級(jí)電容電池智能錯(cuò)峰儲(chǔ)供電器，包括設(shè)置在系統(tǒng)機(jī)箱內(nèi)的快速充電模塊、超級(jí)電容電池組、雙向DC / AC逆變器和配電轉(zhuǎn)換模塊，其特征在于:快速充電模塊、超級(jí)電容電池、雙向DC / AC逆變器和配電轉(zhuǎn)換模塊以主控制單片機(jī)E⑶為中心電連接，組成圍繞主控制單片機(jī)ECU的閉環(huán)錯(cuò)峰儲(chǔ)供電控制系統(tǒng)，主控制單片機(jī)ECU通過(guò)系統(tǒng)機(jī)箱線(xiàn)路接口電連接市電切換開(kāi)關(guān)K。
2.如權(quán)利要求1所述的超級(jí)電容電池智能錯(cuò)峰儲(chǔ)供電器，其特征在于:主控制單片機(jī)E⑶通過(guò)系統(tǒng)機(jī)箱線(xiàn)路接口電連接市電切換開(kāi)關(guān)K。
3.如權(quán)利要求1所述的超級(jí)電容電池智能錯(cuò)峰儲(chǔ)供電器，其特征在于:主控制單片機(jī)ECU電連接有液晶顯示屏和操作鍵盤(pán)。
4.如權(quán)利要求1所述的超級(jí)電容電池智能錯(cuò)峰儲(chǔ)供電器，其特征在于:超級(jí)電容電池組與雙向DC / AC逆變器之間連接有電池保護(hù)模塊。
5.如權(quán)利要求1所述的超級(jí)電容電池智能錯(cuò)峰儲(chǔ)供電器，其特征在于:超級(jí)電容電池組通過(guò)快速充電模塊電路接口電連接市電交流電網(wǎng)輸入母線(xiàn)上，進(jìn)行充電，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。
6.如權(quán)利要求1所述的超級(jí)電容電池智能錯(cuò)峰儲(chǔ)供電器，其特征在于:雙向DC/ AC逆變器通過(guò)配電轉(zhuǎn)換模塊電路接口電連接用戶(hù)線(xiàn)路，輸出交流電。
【文檔編號(hào)】H02J3/32GK203734323SQ201420127404
【公開(kāi)日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年3月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月20日
【發(fā)明者】漆長(zhǎng)席 申請(qǐng)人:大英聚能科技發(fā)展有限公司