双电池组供电（共7篇）
双电池组供电 篇1
0引言
电动汽车对环境友好,能量利用率高,在如今环境污染严重、石油资源有限的情况下,成为未来汽车产业的发展趋势[1]。世界各主要国家,包括美国、日本、德国、 法国等,都投入了很大的力量进行电动汽车研发。混合动力汽车是在传统驱动系统的基础上引进了电力驱动系统,与纯电动汽车相比,它有较长的行驶里程;与传统的内燃机汽车相比,它改善了燃油的经济性[2]。
目前,混合动力汽车已经全面进入产业化阶段,许多大公司推出了多款混合动力量产车型,其中丰田第三代Prius,节油效果可以达到50%以上,百公里油耗下降到4.7升。截至2014年9月底,混合动力车的全球累计销量已经突破700万辆,达到705万辆[3]。
然而,电池技术一直是电动汽车发展的瓶颈。在现有电池技术下,锂电池较铅酸电池、镍氢电池等而言具有能量密度高、工作电压高、无记忆效应、循环寿命长、 无污染、质量轻、自放电小等优点,成为动力电池的研究重点。但是,电动汽车的电压要求在100 V以上,需要数十个电池单体串联,并且为满足汽车续航所需电池容量,需要在串联基础上并联进行扩容。由于电池的生产工艺限制,锂电池单体之间存在容量、电压、内阻等的不一致,即使在同一批电池中也存在差异,并且随着使用时间和循环次数的增加,电池容量衰退和老化过程的不同还会加剧电池的不一致性。电池单体间的不一致性, 会导致电池组整体性能下降,缩减电池组寿命。
串联电池组性能取决于电池组性能最差的那个电池单体,并且在充放电过程中,由于电池单体间的容量不一致可能造成个别单体电池的过充或过放。
在并联电池组中,电池单体不一致性会出现电流不均衡,并联支路电流同时受到本条支路参数和其他支路参数影响[4]。
由此可见,电池组的串并联方式,不仅影响宏观上的电量和电压,在微观上也会影响单体的寿命。通过研究合理的锂电池成组方式,辅以具有均衡模块的电池管理系统(Battery Management System,BMS),可以有效提高电动汽车电池组寿命,优化电池性能。
1传统电池组成组方式
1.1先串联后并联成组方式
电动汽车用动力电池组要求提供高电压,这就意味着需要大量电池单体串联,如三菱汽车“i-Mi EV”的电池组由88个电池单元串联配置。传统大型动力电池组成组方式是先串联几十或上百个单体成为一个模块以达到预期电压要求,然后并联3~4个模块,达到电池组的容量要求,其连接方式如图1所示。
这种电池组成组方式容易实现,方便管理,但存在可靠性不高的缺点,容易发生危险。一旦某节单体电池出现故障,整个电池组性能会急剧下降变得不可使用, 如果汽车在行驶过程中遇到此情况而未经恰当处理,很可能会出现爆炸等安全事故。
1.2先并联后串联成组方式
先并联后串联成组方式如图2所示。
这种成组方式可靠性大大提高,因而有比较多的应用,比如北京奥运会纯电动大巴采用104个模块串联, 每个模块由4个单体电池并联的成组方式;松下公司2009年的“CEATEC JAPAN”上公开的电池模块串联配置了7个由20个电池单元并联而成的子模块[5];在Tes-la Roadster的电池组中每69节并联为1组(brick),再将9组串联为1层(sheet),最后串联堆叠11层构成[6]。
该成组方式可以在单体电池故障的情况下继续行驶,但一旦出现故障对剩余电池的性能有较大影响,需要及时维修和更换。但现有电池组一般固化为车身一部分,与车体无法分离,难以拆卸。
2一种双锂电池组供电方式
2.1双锂电池组工作原理
提出一种双锂电池组供电方式,结构如图3所示。 电池组分A,B两组,根据混合动力汽车对电压的需求, 将一定的电池单体串联后封装成电池组A和B。电池组通过单刀双掷开关SPDT2、电压检测器与电动机相连。供电时,单片机控制SPDT2与电池组A连通,则A组供电,B组挂起。同时,电压检测器将输入电压U与最低参考电压U0相比:若高于U0,则输出电压等于输入电压;若低于U0,则反馈信号触发SPDT2切换到电池组B,此时B组供电,A组挂起,并依此方式循环自动切换供电电池组[7]。单片机通过控制单刀双掷开关SPDT1使充电机对非供电电池组进行充电,只有当两个电池组都低于U0时,充电机才对供电电池组进行充电。单片机控制SPDT3分时采集电池组A,B的电压,检测电池状态。
这种设计舍弃并联扩容的方式,采用双锂电池组供电方式达到预计电池组容量。不仅可以减少因为不一致性产生的不平衡电流,而且串联方式更方便电池管理。更重要的是,由于混合动力汽车的特殊性,在行驶过程中可以给电池组充电,使得双锂电池组同时充电和放电的设计可以进一步节省燃油,提高能量利用率。
2.2一种高可靠性的双锂电池组供电方式
在前文提出的双锂电池组供电的基础上,提出了一种改进方法,通过增加部分冗余电池来提高电池组的可靠性。如图4所示,与前文不同的是,该设计中电池组A, B内部不再是单纯的串联,而是首先以n个电池单体串联且封装成最小替换单元,再将m个最小替换单元串联成电池组,满足混合动力汽车的电压需求,同时冗余1个最小替换单元。在突发故障后可替换故障单元继续工作,并且维修时只需将故障单元卸下替换即可。
根据一定的算法在每一次供电、充电切换时,从2m+1个最小替换单元中选出m个串联成电池组A(供电组);再选出m个串联成电池组B(充电组),进行一次供电、充电,并保证所有电池单体使用频次相同,冗余的最小替换单元内的电池也参与供电,降低因老化程度不同而导致的不一致性加剧。
下面通过例子进行具体说明。设定电池组供电电压为355 V左右,电池单体电压3.7 V,单体个数在200个以上,电池组结构如图5所示。以48个电池单体串联组成一个最小替换单元,2个最小替换单元串联成一个电池组,供电电压为355.2 V。同时冗余1个最小替换单元,即共有5个最小替换单元,240个电池单体。
将最小替换单元编成1~5号,正常供电时,按照表1调度使用。不难发现,4次切换后所有电池单体的使用频次已经相同。
当出现故障单体时,立即切换两组电池组状态,并且屏蔽故障单体所在的最小替换单元,用剩余4个单元继续供电。虽然电池组总体容量下降,但不影响汽车正常行驶,也不损害剩余电池性能,这点优于先并联后串联成组方式的电池组,使得电池组寿命及可靠性大大提高。此外,通过合理管理,可以进一步提高电池组的可靠性。首先,在供电电压相同的情况下,根据电池组内最小替换单元数不同,可分为以下工作模式,其中模式1上文已具体说明,其他模式以此类推,如表2所示。
若进一步提高可靠性,可通过模式转换的方式排除故障。比如,在模式1的情况下,出现了故障单元,可立即重新编组,转换为模式2。由于模式2比模式1少了16个电池单体,可通过检测将故障范围缩小到16个单体之内,将这16个单体屏蔽,剩余224个单体以模式2继续工作。
此时仍可提供有冗余的可靠供电。理论上来说,模式1具有5重可靠性保障,也就是可以逐次从模式1转换到模式5,再加上最后模式5的冗余保障。但出于电路复杂情况的考虑,不可能实现这么多模式的转换。但如果只实现一次模式转换,则只需在特定的电池单体节点处设置特殊开关,在必要情况下进行模式转换。该方法可保证在电池出现故障后短期内不进行电池维护。
3结语
本文介绍了传统电动汽车动力电池组的成组方式, 发现先串联后并联的成组方式可靠性不高,先并联后串联的成组方式虽可保证汽车运行,但存在不一致性加剧的情况。提出一种双锂电池组供电方式,用双锂电池组供电替代并联,提高一致性,利用混合动力汽车在行驶中可充电的特性,进一步提高能量利用率。此外,提出一种高可靠性的双锂电池组供电方式,通过设置冗余的最小替换单元提高电池组可靠性以及可维护性。下一步将探讨电池组内部及最小替换单元内的均衡管理问题,从而进一步改善电池组的一致性。
双电池组供电 篇2
随着世界范围绿色、环保呼声的高涨,电动汽车等绿色、低碳经济的用电设备的逐步增多。由于阀控式密封铅酸电池VRLA(Valve Regulated Lead Acid Battery)具有体积小、重量轻、自放电小、寿命长、使用方便、安全可靠等优良特点,目前己广泛应用于电力系统[1],目前大型电池供电设备一般多采用VRLA蓄电池作为主要的供电来源。由于目前对电池工作状态的监测管理系统在我国还是空白,使得电池供电系统的可靠性难以保证。目前国内企业所使用的管理系统,都是来自国外的产品,存在成本高,管理、升级困难,且仅适用于低电压、小电流器件,测控体系不健全,智能化程度低[2]。故此研究基于网络对大型电池供电系统电池电压、电流、温度、内阻等状态数据,监测的电池的工作状态的监测系统具有现实意义。
1 系统总体设计
系统由主监控室、分监控室和基站三部分组成,主监控室负责协调和管理的作用,管理各个分监控室和基站,具有最高权限,可是控制和访问下面的任意一个分监控室和基站。分监控室负责监控和管理基站,能够从基站得到信息并向主监控室提供信息服务。主监控室、分监控室由工业控制计算机和监控系统软件构成。基站的功能是实时采集本地监测数据并作一级存储,向分监控室提交监测信息,完成监控系统的执行功能。基站分为两种,一种是固定基站,另一类是移动基站,也就是该电池组使用在电力机车或者是电源车上。
1.1 基站检测单元的硬件设计
系统基站检测单元的硬件电路由处理器、蓄电池端电压检测、充放电电流检测、环境温度检测、充电电压输出、充电电流输出、液晶显示、RS232通信接口、失效报警电路和充电回路等部分组成。其结构如图1所示。
1.1.1 控制器的选择
处理器芯片是整个系统的核心部分。主要任务是对蓄电池状态信号采集、处理,并输出控制信号从而实现对蓄电池充放电的管理。系统选用ATmega16L,它是能够以单片方式提供Flash、EEPROM和10位ADC的高效的8位RISC微处理器,数据吞吐率高达1MIPS/MHz,可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
1.1.2 无线数据传输模块的实现
系统选用的是挪威Nordic VLSI公司推出的单片射频收发器nRF905,该芯片工作电压为1.9～3.6V,32引脚QFN封装(5×5 mm),工作于433/868/915MHz三个ISM(工业、科学和医学)频道,频道之间的转换时间小于650μs。适用于无线数据通信、无线报警及安全系统、无线开锁、无线监测、家庭自动化和玩具等诸多领域。无线数据传输系统结构如图2所示。
1.2 系统的软件设计
系统主要完成对蓄电池充电过程、放电过程实时监控,能及时判断出失效的蓄电池并输出报警信号通知用户,同时能够对蓄电池的剩余容量进行估算。实时显示当前蓄电池的状态信息,并通过串行通信接口将蓄电池的状态信息发送给上位监控机,实现信息的海量存储、查阅分析,决定对电池的维护、更换,保障供电的可靠性。
1.2.1 基站监测模块设计
电池充放电监测控制原理如图3所示。
(1)失效模块
在系统中,采取了以每节VRLA蓄电池出厂前厂家给出的在额定容量下的内阻值为基准值,进行比较、分析、评估VRLA蓄电池性能的优劣。当测得内阻高于基准值的25%,启动活化放电子程序对蓄电池进行核对性活化放电;当测得内阻高于基准值的50%时,即刻发出蓄电池己失效的报警指示。
(2)充电监控
系统采用改进的四阶充电法,动态地调整各充电阶段转换点的值。第一阶段,采用恒流充电,不断检测蓄电池的端电压,当一定时间t内检测到的两次端电压值变化足够小时,这时即刻转入第二充电阶段,第二阶段采用恒压充电方式,第二阶段不断的检测充电电流,当充电电流的变化也足够小时,转入第三阶段恒流充电方式,同理检测充电电压,如果变化很小,则转入第四阶段恒流充电,直至蓄电池充满并将充电电压保持在浮充电压补充蓄电池的自放电。
(3)放电监控
在蓄电池使用和维护的过程中,为了活化蓄电池和测量蓄电池的容量,必须定期进行放电实验,因此,一套高性能的放电装置对蓄电池显得尤为重要[3]。系统将1.80 V设置为VRLA蓄电池末期放电电压的基准值,实时检测蓄电池的放电电流,根据放电电流的大小动态调整VRLA蓄电池的末期放电电压,从而达到对VRLA蓄电池的保护。同时系统也对放电电流监控,当放电电流大于正常值较多时,可判断VRLA蓄电池发生短路放电,应立即切断开关,结束放电。
1.2.2 上位机软件的设计
上位机软件平台主要把对采集到的数据做处理,实现数据的海量存储,设计友好复杂的功能和加人性化的管理界面。考虑到通用计算机的功能要远远大于单片机,故此上位机采用通用计算机,利用LabVIEW软件开发系统的管理界面。主要有通信模块、电池充放电管理模块、在线检测模块和网络功能模块。
1.2.3 网络功能的实现
系统利用LabVIEW平台提供的Web Publishing来实现网络功能,该工具在所有平台的所有版本都支持Internet/HTTP服务。可以方便地实现FTP,Telnet,SMTP,CGI,和E-mail等功能。在对蓄电池的综合测试中,利用Internet Toolkit工具包对蓄电池电压、电流、温度等测量值进行上传、下载、网络发布、远程登陆甚至以E-mail的形式发送。利用Internet toolkit工具包所提供的Vi子模块,可以编写FTP,Telnet,SMTP,E-mail等程序,再把所有的程序以子程序的形式显示,即当点击网络按钮时自动弹出网络选择模块,从而实现相应网络功能[4]。
2 系统试验与分析
2.1 失效检测试验与分析
在线运行蓄电池组绝大部分时间处于浮充状态,也就是静态状态,少数时间处于充放电状态,也就是动态状态,由于长时间的浮充使得蓄电池极易老化,造成各个蓄电池性能不一致,蓄电池寿命会大大下降。如何及早知道蓄电池的寿命,准确把握蓄电池性能变化趋势[5]。本系统是通过测量蓄电池的内阻来判断蓄电池是否失效。实验时分别对五块12 V、7 Ah铅酸蓄电池进行了测试,测试结果如表1所示。
实验时,1号、2号、3号蓄电池能正常放电,程序运行正常,但是测不出其内阻值,分析原因是因为检测精度造成的,本系统的检测精度为l mV,而蓄电池放电在l ms内端电压的变化量远低于1 mV,因此读数全部为零。4号、5号已严重损坏,无法进行放电,未能检测。测内阻失效检测功能失败。
实验时,4号、5号蓄电池无法正常充电,未能做放电实验。1号、2号、3号分别放出电量4.24 Ah、4.5l Ah、0.07 Ah。判断结果全部失效。考虑到1号、2号是新购买的蓄电池,由于库存、运输等问题未能激发正常状态,因此对1号、2号蓄电池做了多个充放循环,后测试分别放出电量6.75 Ah和6.78 Ah。判断1号、2号蓄电池有效。3号蓄电池经多个循环后实际容量未能恢复,判断其已失效。
2.2 充电试验与分析
实验时分别对3块12 V、7 Ah铅酸蓄电池进行了测试,1号蓄电池充电曲线如图4所示。
2号蓄电池测试曲线如图5,充电前开路电压为11.08 V。
3号蓄电池在上电以后,其电压变化非常快,仅恒流充电约20 min就进去了浮充状态。
观察1号,2号蓄电池的充电曲线,可以看出:1号、2号蓄电池充电过程基本正常,共用时大约12个小时,充电经过了四个阶段,经过恒流、恒压、恒流充电,最后进入浮充状态。与最佳充电曲线比较,各阶段曲线比较接近,但是在各阶段充电时间上要比最佳充电曲线短,分析认为造成时间缩短的原因是因为1号、2号蓄电池都是新购买的蓄电池,对于新的蓄电池在最初的几个充电循环中出现这种情况应属正常。3号蓄电池在上电以后,其电压变化非常快,仅恒流充电约20 min就进去了浮充状态。
分析充电过程,由于在恒流充电阶段,通过判断端电压的变化值决定是否转入第二阶段,实际中蓄电池的端电压变化仍很大,未能达到进入第二阶段的条件,而电压直接超过了浮充电压值而转入了第四阶段浮充充电。
2.3 放电试验及分析
实验时对1、2、3号铅酸蓄电池进行了测试,测试结果1号蓄电池放电曲线如图6所示。
通过观察1号、2号、3号蓄电池的放电曲线,可以看出:1号、2号蓄电池放电过程正常,1号蓄电池放电约7 h结束,2号蓄电池放电约7个半小时结束,都未能达到理论放电时间,分析认为原因仍然是因为新的蓄电池初始几个循环未能达到最佳状态。3号蓄电池己经老化,放电不到7 min就结束了。
2.4 剩余容量显示实验与分析
剩余容量显示实验目的是要检测系统能否及时准确地显示蓄电池当前状态下的剩余容量。测试结果如表2。
从实验结果可以看出:1号蓄电池放电持续431min结束,实际放出电量4.26 Ah,用安时法计算剩余容量应为2.74Ah,改进后计算剩余容量理论值应为-0.02 Ah,而程序中设定当放出电量大于基准电量值时剩余容量显示为0。安时法与改进安时法显示结果差距非常大,造成这样结果的原因是两种方法的基准值不同,如果蓄电池的实际容量值与额定值相同时,两种方法的显示结果应该是相同的,实验中使用的1号蓄电池,是新的蓄电池,其容量未能达到额定容量,实验结果恰好能够证明当蓄电池使用很长时间以后,由于老化蓄电池的实际寿命减小,这时安时法显示就会出现偏差,而改进后的安时法则能够准确显示蓄电池的剩余容量。
3 结论
系统采用分级管理结构,以单片机为监控单元的基站实现电池状态数据的采集和电池的投入和切除,上位机采用LABVIEW编程实现与底层单片机的通信,系统结构简单,成本低廉,通过LABVIEW自带的Web Publishing工具实现采集的信息发布和数据的远程传送,实现了大型供电电池监测和控制。系统的应用变原有的故障维修机制为状态维修机制,减少了故障几率,提高了电池供电系统的供电可靠性。
参考文献
[1]沈梦甜.电力用阀控密封式铅酸蓄电池维护方法的探讨[J].继电器,2001,29(5):20-22,26.SHEN Meng-tian.Discussion of valve-regulated sealed lead-acid battery used in power[J].Relay,2001,29(5):20-22,26.
[2]朱松然,邱训高.阀控式密封铅酸蓄电池现状及待解决的技术[J].电池工业,1999,12(5):185-187.ZHU Song-ran,QIU Xun-gao.VRLA current situation and need technology solving[J].China Battery Industry,1999,12(5):185-187.
[3]蔡子亮,马俊朋.一种新型电力系统蓄电池放电装置的设计[J].继电器,2007,35(14):38-41.CAI Zi-liang,MA Jun-peng.A new power system battery discharge device design[J].Relay,2007,35(14):38-41.
[4]秦学华,刘亚斌,等.基于LabVIEW的虚拟仪器网络化实现[J].测控技术,2004,23(2):71-73.QIN Xue-hua,LIU Ya-bin,et al.Implementation of network virtual instrument based on LABVIEW[J].Measurement and Control Techniques,2004,23(2):71-73.
双电池组供电 篇3
全球每天都有许多的患者受消化道的疾病所困扰, 胶囊内窥镜以其体积小、无创等优势越来越广泛地应用于消化道疾病的临床诊断。为了便于吞咽, 胶囊内窥镜体内功能装置的体积受到严格限制, 因此多采用纽扣电池供电。胶囊内窥镜进入人体后, 需要进行消化道内图像的采集、处理和无线发送, 在消化道内工作时间较长, 因此选择放电时间长、输出电压稳定的高性能供电电池很有必要。
2 纽扣电池放电特性检测电路的设计
设计了如下电路用以测试不同类型纽扣电池的放电特性, 如图1所示。纽扣电池接外部负载和保护电路, 组成模拟放电回路。由单片机实时采集负载两端的电压值, 经过数字滤波处理后, 将数据发送至串口。通过串口通信模块, 上位机实时读取电压数据, 并将其趋势曲线在界面中实时显示, 同时将数据在后台保存至相关文件, 供历史数据查询和调用。其中, 电池性能显示界面由LABVIEW2014制作。
3 电池性能显示界面的设计
利用LABVIEW2014制作相关的数据采集及显示界面, 可以直观清晰地观察到不同电池的放电性能。前面板和程序框图分别如图2和图3所示。
前面板中除了串行通信服务器中预设好的控件外还加入了其他控件来描述纽扣电池的放电性能。波形图表可用于实时显示放电路线, 横坐标为时间, 纵坐标为输出电压;数值栏可实时显示并储存放电电压数据;开始和停止按钮用于控制图形和数值显示。
4 实验测试结果
4.1 不同类型的纽扣电池特性测试
分别选用Eunicell-LR44、MaxwellLR44、GP-LR44、MP-LR44四种型号的纽扣电池采用测试电路进行连接和测试, 其放电曲线如图4~图7所示。放电曲线中, 纵坐标为放电电压 (单位V) 横坐标为放电时间 (单位s) 。
实验采用2节纽扣电池供电, 以实验开始后纽扣电池放电电压剧烈下降为标准, 四种电池放电时常分别为51.5min、60min、55.5min、35.5min。各电池初始放电电压均为3V, 其中Eunicell-LR44纽扣电池在和MP-LR44纽扣电池的最终放电电压接近2V, 综合测评后的放电性能次序由高到低依次为Maxwell-LR44、GP-LR44、Eunicell-LR44、MP-LR44。
4.2 不同负载电流下纽扣电池特性测试
分别在大电流和小电流工作条件下对Maxwell LR44纽扣电池放电特性以及相关参数的研究。其放电曲线和放电参数如图8和图9所示。
由图8和图9可知:纽扣电池在负载为6.2K时, 工作电流为1.5/6.2k=0.242m A, 大约工作了350h, 耗能为84m A▪h, 而当负载为18Ω时, 工作电流为1.5/18Ω=83.3m A, 大约工作了1小时, 耗能为83.3m A▪h。所以, 纽扣电池在大电流条件下无法长时间工作, 这是由纽扣电池的特性所决定的。由电池的特性可知其内部电阻可以分为欧姆电阻和由电化学反应时极化引起的电化学内阻, 大电流放电时, 内阻对放电特性的影响尤为明显。低温大电流放电时, 电机的极化大, 活性物质不能得到充分利用, 电池的电压下降快;小电流放电时, 电极的极化小, 活性物质得到较为充分的利用。
参考文献
[1]胡超, 宋霜, 阳万安, 等.胶囊内窥镜位置方向磁场定位技术的研究[J].集成技术, 2012, 1 (01) :105-113.
[2]张思杰, 郑小林, 曾孝平, 等.基于电池的无线内窥镜中微型能量管理单元的研制[J].仪器仪表学报, 2006 (12) .
[3]Toennies J, Tortora G, Simi M, et al.Swallowable medical devices for diagnosis and surgery:The state of the art[J].Mechanical Engineering Science, 2009, 224:1397-1414.
双电池组供电 篇4
清洁无污染的可再生能源的供电能源,已经引起世界各国的关注。目前燃料电池应用的领域主要有:交通、通信、计算机网络、航空航天、国防等。但是随着煤、石油、天然气等常规能源消耗,燃料电池作为一种清洁无污染的可再生能源,必然发展为与整个电力网并网,实现远距离供电。
但是燃料电池的输出特性较软,其输出电压随着输出电流的增加而降低,同时燃料电池响应速度较慢,燃料电池的端电压在工作过程中随时都可能改变。这就意味着,在直流供电系统中,燃料电池不可能象蓄电池那样直接通过串、并联的方式对电气设备供电;在交流供电系统中,其逆变控制系统也要比蓄电池供电系统复杂得多。
目前对燃料电池并网发电采用的模式主要有两种:一种是单级式,是通过逆变器把燃料电池与电网直接连接起来,因此这种并网发电方式的最大优点就是结构简单。但是这种并网发电模式缺点也很多,如控制系统较为复杂,同时对电力电子器件承受电压变动带来的冲击能力要求较高。另一种模式是两级模式,首先把燃料电池端不稳定的电压变成稳定的直流电源,再经过逆变器把直流电能转换成所要求电压、频率恒定的交流电能[1,2,3]。
1 电路工作原理以及模型的建立
经过分析比较决定采用两级模式作为燃料电池并网发电系统的供电模式,其电路如图1所示[4,5]。其中DC/DC变换器把不稳定的燃料电池端电压变成电容器C3、C4上稳定的直流电压。逆变器把电容器C3、C4上稳定的直流电压转换成所需要的交流电压。在一个工作周期内,开关管VS7和VS8的占空比除去死区时间是完全互补的,开关管的驱动电压波形、开关管VS7所承受的电压波形、电流波形以及电感L1中的电流波形如图2所示。通过改变开关管VS7的占空比就可以改变输电容器C3、C4上的电压幅值,同时还可以改变从燃料电池到输出端的传递能量的大小。交流电压采用的是三相四线制的供电模式,可以做到每一相之间的电压相互独立,之间没有耦合。因而逆变器的输出可以看作是三个输出电压相位互差120°的单相逆变器组合在一起。因此应用于单相逆变系统的控制方法和措施可以直接使用。
DC/DC变换器在一个完整的开关周期内有5个过程。利用状态平均法可以得出输入电压、输出电压以及开关占空比之间的小信号状态空间平均数学模型为
其中:C'=0.5C3=0.5C4;Ra为升压电感L1中的直流电阻;n为变压器的变比;D1为开关管VS7和VS8的占空比。令得出输出电压和电感中电流在输入电压单独扰动下的小信号传递函数为
逆变环节采用的是三相四线制的半桥供电模式,因此每一相之间的电压相互独立,之间没有耦合。其控制方式可以采用单项半桥电路的控制模式。在双极性SPWM调制时,利用状态平均法可以得出逆变器的输入电压与输出电压之间的传递函数
其中:L为逆变器输出滤波电感;C为逆变器输出的滤波电容;R'为负载电阻;D2为逆变器开关管的导通占空比。
2 系统的控制策略与补偿环节的设计
DC/DC变换器主要实现把不稳定燃料电池端电压变成稳定的直流电压,因此需要对DC/DC变换器输出电压进行检测反馈即可。而逆变器的输出一方面可以实现并网,把由燃料电池转换的电能提供给电网实现远距离输电,同时也可实现对交流负荷进行直接供电。因此需要对变换器的输出电压进行检测与控制,实现并网的条件,对于逆变器的输出电流,可以通过控制系统的输入电流,来实现稳定控制。系统控制模式的结构框图如图3所示[6,7,8]。
其中,G3(s)为电流补偿函数,在系统没有增加补偿环节时,G3(s)=1;G4(s)为DC/DC变换器的输出电压的补偿函数,在系统没有增加补偿环节时,G4(s)=1;G5(s)=Gu2(s)为从变换器到逆变器的传递函数;G6(s)为逆变器的输出电压的补偿函数,在系统没有增加补偿环节时,G6(s)=1;Hi(s)为变换器的电流反馈函数,Hu1(s)为变换器的电压反馈函数,H2(s)为逆变器的电压反馈函数。由于在设计时,芯片提供的基准电压为2.5 V,DC/DC变换器的输出电压为300 V,逆变器输出电压的有效值为220 V,电流采样使用的是100 A/5 V的霍尔元件。因此,可以求出供电系统反馈函数的数值为
通过计算可以得出,变压器的变比n=1/16,DC/DC变换器开关管稳态占空比D1=0.6,输入电感的电感值L1=800μH,输入电感L1直流电阻Ra为0.06Ω,滤波电容C3=2C'=1 000μF。因此变换器的输出电压和电感中电流在输入电压单独扰动下的小信号传递函数为
L逆变器输出滤波电感L=860μH,滤波电容C=220μH,负载电阻R'=24.5Ω。逆变器开关管的稳态导通占空比D2=0.62。因此逆变器输出电压与输入电压之间的传递函数可以化简为
2.1 DC/DC变换器电流内环及其补偿网络设计
从图3可以看出电流控制反馈包括的环节包括1G、3G和Hi(s)。因此在没有增加补偿环节时,电流控制系统的开环传递函数为
其开环传递函数只有一个极点s=-106.25,因此其根轨迹位于复平面的左半部,因此DC/DC变换器的电流控制环节不需要增加补偿环节,就可实现稳定。
2.2 DC/DC变换器电压环及其补偿网络设计
由于电流环是嵌套在电压环里面的,因此电压环的传递函数是包括电流环的,其传递函数为
其特征方程为
对应的系数为
满足劳-茨稳定性判据判定系统稳定性的第一个条件。
由其系数构成的行列式为
满足劳-茨稳定性判据判定系统稳定性的第二个条件。
因此DC/DC变换器的电压控制环节在不需要增加补偿环电路时,可以实现系统的稳定性。
2.3 逆变器电压环及其补偿网络设计[9,10,11]
同样先不考虑逆变环节的补偿函数,即认为逆变补偿函数G6(s)=1。通过前面的分析,在DC/DC变换电路中,由于参数设计比较合理,系统在不需要补偿环节的情况下,即DC/DC变换器的电压补偿函数G3(s)、电流补偿函数G4(s)均为1。可以得出整个供电系统在没有补偿环节下的传递函数为
系统考虑的是输入电压在小信号情况下对系统的影响,因此小信号4次方以上的变化对系统的稳定性几乎不起作用,因此,在系统的传递函数中可以忽略4次方以上变量,因此系统的传递函数经过化简后为
同样可以利用劳-茨稳定性判据判定系统的稳定性,由其系数构成的行列式为
由其系数行列式可得
可见系统满足劳-茨稳定性判据判定系统稳定性的两个条件,因此整个控制系统在没有增加补偿函数下达到稳定状态。可见,系统采取的控制方法以及系统参数的计算和器件选择上都是正确的。
3 供电系统仿真和实验结果
针对系统的控制要求,采用已设计的控制方案和计算的元器件参数,在仿真软件下建立起包括DC/DC变换器的主电路在内的电流反馈环、电压反馈环和逆变器电压反馈环的闭环仿真系统。图4为燃料电池的端电压与DC/DC变换器输出电压之间的关系图。从图中可以看出当燃料电池由于输出功率的减少,其端电压会升高,但是变换器输出端电压经过短暂的调整后,仍然稳定在300 V,因此变换器的输出端可以得到稳定的输出电压。
图5为逆变器的输出电压,其输出电压频率可以根据所并网络的需要,来设置开关管的开关频率。从图中可以看出三相电压的波形在幅值上相等,相位上是对称的,满足供电系统的要求。
基于所采取的控制方法以及设计、仿真参数,制作一台实验样机,图6为整台样机逆变器输出的A、B两相输出的电压波形。
4 结论
针对燃料电池并网供电系统,从分析系统的基本原理着手,建立系统的控制模型,并分析了系统模型的稳定性。最后通过仿真波形和实验波形验证了原理分析、控制方法的选择以及参数选取的正确性。
参考文献
[1]徐德鸿.电力电子系统建模及控制[M].北京:机械工业出版社,2006.XU De-hong.Modeling and control of electronic&electricity system[M].Beijing:China Machine Press,2006.
[2]金科,阮新波,杨孟雄.复合式燃料电池供电系统[J].电工技术学报,2008,23(3):92-98.JIN Ke,RUAN Xin-bo,YANG Meng-xiong.Hybrid fuelcell power system[J].Transactions of China Electro-technical Society,2008,23(3):92-98.
[3]郭天勇,赵庚申,赵耀,等.基于风光互补的微网系统建模与仿真[J].电力系统保护与控制,2010,38(21):104-108.GUO Tian-yong,ZHAO Geng-shen,ZHAO Yao,et al.Modeling and simulation of microgrid system based onwind-solar hybrid[J].Power System Protection andControl,2010,38(21):104-108.
[4]孙娇俊,孙涛,龚春英.一种用于燃料电池发电系统的前级DC/DC变换器[J].电力电子技术,2009,43(2):17-18.SUN Jiao-jun,SUN Tao,GONG Chun-ying.A front endDC/DC converter for fuel cell power system[J].PowerElectronics,2009,43(2):17-18.
[5]吴屏,朱选才,徐德鸿.高效燃料电池发电系统前级DC/DC变换器[J].电力电子技术,2007,41(9):169-171.WU Ping,ZHU Xuan-cai,XU De-hong.Research onhigh efficiency DC/DC converter in grid-connected fuelcell distributed power system[J].Power Electronics,2007,41(9):169-171.
[5]卢继平,白树华.风光氢联合式独立发电系统的建模及仿真[J].电网技术,2007,31(22):75-79,84.LU Ji-ping,BAI Shu-hua.Modeling and simulation ofconjoint independent power generation system consistingof power generation by wind energy,solar energy andhydrogen energy[J].Power System Technology,2007,31(22):75-79,84.
[6]置铁生,张润和,田立欣.小型风力发电系统最大功率控制扰动法及状态平均建模与分析[J].太阳能学报,2006,27(8):828-834.ZHI Tie-sheng,ZHANG Run-he,TIAN Li-xin.Maximum power control perturbation law and conditionaverage modelling analysis of small wind-powersystem[J].Acta Energiae Solaris Sinica,2006,27(8):828-834.
[7]李练兵,赵治国,赵昭,等.基于复合控制算法的三相光伏并网逆变系统的研究[J].电力系统保护与控制,2010,38(21):44-47.LI Lian-bing,ZHAO Zhi-guo,ZHAO Zhao,et al.Studyon three-phase photovoltaic grid-connected invertersystem based on compound control[J].Power SystemProtection and Control,2010,38(21):44-47.
[8]李明,易灵芝,彭寒梅,等.光伏并网逆变器的三环控制策略研究[J].电力系统保护与控制,2010,38(19):46-50.LI Ming,YI Ling-zhi,PENG Han-mei,et al.Research ofthree-loop control method of photovoltaic grid-connectedinverter[J].Power System Protection and Control,2010,38(19):46-50.
[9]牟龙华,张大伟,周伟.基于并联谐振的新型混合有源滤波器研究[J].电力系统保护与控制,2010,38(18):162-166,173.MU Long-hua,ZHANG Da-wei,ZHOU Wei.Researchon a novel hybrid active power filter based on shuntresonance[J].Power System Protection and Control,2010,38(18):162-166,173.
[10]De Brabandere K,Bolsens B,Vanden Keyb J.A voltageand frequency droop control method for parallelinverters[C]//35th Annual IEEE Power ElectronicsSpecialists Conference,2004,Aachen,Germany,2501-2507.
双电池组供电 篇5
不间断电源是一种在主供电电源失电或异常时能够提供持续电能供应的电源,在实时性很强、对电能质量要求较高的用电场合具有重要的实用价值。但早期的技术方案存在耗能高、对电网谐波污染大、断电后持续工作时间有限等问题[1,2,3]。随着可再生能源发电技术的发展,将其与传统电能变换技术相结合,在获得系统优良控制性能的同时,还可以起到显著的节能作用[4,5]。太阳能发电在各种可再生能源发电技术中因其优良的清洁特性而具有广泛的发展前景[4,5,6,7]。而将太阳能发电与不间断逆变电源相结合的混合式发电技术,不仅能够起到节能作用,还能够延长电网失电后的运行时间,成为当前的研究热点。现有混合式供电技术主要有3种方案。
a.方案1:太阳能电池和蓄电池联合供电[8]。
b.方案2:太阳能电池为蓄电池充电,再由电网和蓄电池共同为负载供电[9]。
c.方案3:太阳能电池、电网和蓄电池通过交流母线连接后共同为负载供电[10]。
方案1由于受光照、环境等因素的影响,电能的持续输出难以保证,只适合于负载恒定、功率较小的场合。方案2能够长期输出稳定电能,但是没有考虑太阳能的最大化利用问题,在蓄电池充满电后,太阳能电池处于开路或弱发电状态,系统总体效率没有达到最优。方案3能够保证系统的长期运行,但是由于各个发电源基于交流母线并联,需要增加直流-交流逆变器以及相应的同步均流算法,系统复杂,成本较高,同时由于输出电压相角、幅值等误差产生的环流使系统效率降低,可靠性下降。
本文将PWM整流技术以及太阳能发电技术用于不间断电源,采用共用直流母线实现能量耦合,无需复杂的同步均流并联技术;通过对网侧电能、光伏电能以及蓄电池的电能进行协调控制,在实现不间断电源的长期持续运行的同时还可以将多余电能回馈到电网,以达到充分利用太阳能、提高系统运行效率的目的。网侧输入端采用PWM控制技术还可以实现网侧输入电流正弦化运行[11],最大限度地降低对电网的谐波污染。
1 逆变电源系统结构及电能协调控制策略
所提出的电网功率可控型太阳能电池-电网-蓄电池混合供电不间断逆变电源的系统结构如图1所示,各个模块通过直流母线连接进行电能的传递。输入侧的PWM整流器用于控制电网功率、输入电流波形以及网侧功率因数;升压电路用于控制太阳能电池的输出功率并具有最大功率跟踪功能;储能电容用于缓冲直流母线的电能;充放电控制模块用于蓄电池的充放电控制;能量管理模块用于整个系统的电能协调管理与控制。
电能协调控制策略的流程图如图2所示。下面对电网正常和电网异常2种情况进行分析。
1.1 电网正常
电网正常时的稳态功率模型为
其中,Ppv为太阳能电池输出功率;Pgrid为电网输出功率,当电网提供电能时大于零,回馈电能时小于零;Pbt为蓄电池输出电能,处于充电模式时大于零,处于放电模式时小于零;Pload为负载消耗的功率。
电网正常时的控制原则是,太阳能电池处于最大功率输出模式,PWM整流器工作于直流电压恒定控制模式,若蓄电池电压低于充电允许值,则充放电控制电路工作于充电模式,充电完成后,停止工作,不输出电能。
下面分析电能流动过程。
光线不足时,即Ppv
光线充足或轻载运行时,即Ppv>Pbt+Pload,则有Pgrid<0,此时系统向电网回馈电能,同时保持直流电压恒定。在整个过程中,太阳能电池始终处于最大功率输出模式,进而充分利用了太阳能。
1.2 电网异常
电网异常时PWM整流器停止工作,由蓄电池和太阳能电池共同为负载供电,其稳态功率模型为
光线不足时,即Ppv
光线充足或轻载运行时,即Ppv>Pload,同样由式(2)可知,Pbt>0,即允许对蓄电池进行充电,若蓄电池未充满,则太阳能电池仍然工作于最大功率输出模式,充放电控制电路在对蓄电池进行充电的同时,保持直流母线电压恒定。若蓄电池已充满,则充放电控制电路停止工作,Pbt=0,多余电能将存储在储能电容中,此时的动态功率模型为
其中,CSE为储能电容值;UDC为直流电压正常工作值;uDC(t)为直流电压瞬时值。
由式(3)可知,直流电压uDC(t)将上升,设定略高于直流电压正常工作值的直流电压限定值,若直流电压达到直流电压限定值,升压电路工作于直流电压限压控制模式,此时太阳能电池的实际输出功率Ppv1为
Ppv1将小于最大输出功率。通过这种方式,可以解决在蓄电池和太阳能电池共同为负载供电时的电能耦合以及蓄电池的投入与退出的控制问题。
2 各模块的控制策略
根据上述电能协调控制策略对各个模块的功能要求,各个模块采用了下述相应的控制策略。PWM整流器的结构原理图如图3所示。采用直流电压外环、输入电流内环的双闭环控制结构[12]。
输入电流内环采用电流前馈解耦电压定向矢量控制VOC(Voltage Oriented Control)策略,控制器的表达式为
其中,Kd P、Kd I、Kq P、Kq I分别为d、q轴电流调节器比例、积分系数;Ud*、Uq*为逆变电压d、q轴分量给定值;id*、id、iq*、iq为网侧电流d、q轴分量的给定值与实际值;ω为电网角频率。这样d、q轴电流可以实现解耦独立控制。
直流电压外环用于直流母线电压恒定控制,采用PI调节方式,调节器输出作为q轴电流给定,d轴电流给定为零,以实现单位功率因数运行。在电网输出电能时,q轴电流为正值,而向电网馈入电能时,q轴电流为负值,这样在保持直流电压恒定的同时,能够实现电能的自动双向流动。
升压电路原理图如图4所示,包括采用电导增量法的最大功率点跟踪MPPT(Maximum Power Point Tracking)控制[13]和采用PI调节器的直流电压限压控制2种模式,直流电压限定值略大于直流电压正常工作值,用于在电网异常且太阳能电池发电功率大于负载功率时保持直流电压稳定,以保证系统可靠运行。本文采用2路控制器的占空比加和的方式来获得最终的占空比,在直流电压低于限定值时,直流电压环输出值为零,功率器件的占空比等于最大功率点跟踪控制环的输出,在直流电压达到限定值时,占空比的值为2个控制环的和dsum,由于直流电压控制环的输出占空比值为负值,因此直流电压瞬时变化越高,则dsum越小,进而可以实现太阳能电池输出功率的控制。该方案与传统设置滞环控制器的方法[6]相比,可以实现2种模式的柔性切换,并减小直流电压的波动。
充放电控制电路原理图如图5所示,采用双向变换器结构,有升压和降压2种工作模式,降压模式用于实现蓄电池的充电控制,采用先恒流后恒压的控制方式[14]。升压模式用于对蓄电池输出功率进行控制,通过采用直流电压恒定控制来实现。根据当前直流电压值、电网是否正常和蓄电池的电压来决定充放电控制电路的工作模式。
直流-交流逆变电路采用三相结构,采用输出电压外环、电感电流内环的双闭环电压定向矢量控制策略,以产生对称的三相输出交流电压[15]。
能量管理模块接收PWM整流器传送的电网状态信号,以及升压电路、充放电控制电路和输出侧的直流-交流逆变电路的状态,并采用图2的协调控制策略,向各个模块发出相应的控制命令。
3 系统性能仿真
根据所提出的逆变电源系统及电能协调控制策略,采用PSIM仿真软件根据图1搭建了仿真模型,对其性能进行仿真。仿真参数为:系统额定功率10 k W,电网输入电压为三相380 V,直流电压正常工作值600 V,限定值620 V,输出电压为三相380 V,频率50Hz。为分析方便,系统带动三相额定对称电阻负载。
下面首先分析电网正常时的系统工作情况。在初始时刻,太阳能电池输出功率为零,此时完全由电网提供电能;在0.25 s将太阳能电池最大可输出功率变为5 k W,此时由电网和太阳能电池共同为负载供电;在0.3 s将太阳能电池最大可输出功率变为10 k W,此时由太阳能电池单独为负载供电;在0.35 s将太阳能电池最大可输出功率变为15 k W,此时太阳能电池的发电电能一部分向负载供电,另一部分回馈到电网。仿真结果如图6所示,由图可见,网侧输入电流为正弦波形,谐波含量较低,其幅值随着供电功率的变化而变化,各个模块的输出功率随着太阳能电池的变化而变化,在0.35 s之后,网侧电流相位与电网电压相位相反,电能回馈到电网。在整个变化过程中,直流电压处于给定值,其误差小于0.25%。在整个过程中,输出电压、电流为正弦波形,幅值保持恒定。
下面分析蓄电池和太阳能电池共同为负载供电时的控制性能,以模拟电网异常的情况。直流电压正常工作给定值为600 V,限定值给定为620 V。在初始时刻太阳能电池不输出电能,负载由蓄电池单独供电;在0.25 s将太阳能电池最大可输出功率变为5 k W,此时由蓄电池和太阳能电池共同为负载供电;在0.3 s将太阳能电池最大可输出功率变为10 k W,此时由太阳能电池单独为负载供电;在0.35 s将太阳能电池最大可输出功率变为15 k W,此时升压电路工作于限压控制模式,太阳能电池发出一部分电能。仿真结果如图7所示,由图可见,各个模块很好地跟随功率的变化,直流电压保持平稳,在0.35 s之后,升压电路工作于限压模式,直流电压维持在限定值。
4 实验验证
搭建了小功率实验平台,参数如下:三相交流输入相电压50 V,直流母线电压150 V,三相输出相电压48 V,频率50 Hz。带动三相对称阻性负载,阻值为15Ω,太阳能电池采用可调直流电压源串联电阻的方式模拟。图8为电网和太阳能电池共同供电时的稳态实验波形,由图可知,输入电流为正弦波形,输出电压幅值恒定,具有较好的正弦性。
图9给出了突变太阳能电池输出功率时的直流电压和网侧输入电流波形,由图可知,在太阳能电池功率突增时,直流电压上升,网侧电流下降,电网输出功率下降;太阳能电池功率突减时,直流电压下降,网侧电流上升,电网输出功率上升。2种情况下均最终使直流电压保持平稳。
5 结论
电池墙在未来供电中的应用分析 篇6
国外一家生产电动汽车公司的技术人员特斯拉于2015年4月30日发布了被称之为电池能量墙(Powrewall Battery)也称电池墙的新技术。其基本思想是,当家庭、企业电力需求较低、电费比较便宜时,可通过市电对电池墙进行充电,而当电力需求较旺、电费价格较贵时,则由电池墙输出电能为电器供电。此外,还可利用光伏电池为电池墙充电,进一步减少对市电的需求。电池墙的提出,为家庭、企业和公共事业提供了新的可持续和可再生的电能的利用方式,它不仅可作为一种电力备份,减少对电网的依赖,提高电力使用的灵活度,还可加快降低对化石燃料的使用,因此是一种值得重视的理念和技术。
2 电池墙的基本原理分析
电池墙可以被看作是一个大型“充电宝”,但可以存储和释放更多的能量。而从本质上讲,电池墙是通过对多个锂离子电池进行充放电,从而实现电力备份,达到对市电的错峰使用。结合太阳能、风能、水能的开发,可实现个人、企业的发电自给,减轻电网负荷。
电池墙包括多个锂离子电池包、液态热量控制系统、光伏电池逆变器等。用户相当于建立了一个小型电站,电池墙可通过太阳能电池板为电池墙充电,从而减少用户对市电网服务的依赖[1]。
作为一种二次充电电池的锂离子电池,由于其正负电极嵌入了两种不同的锂离子化合物,导致了电解质浓度的不同,形成锂离子浓差电池。当Li+从正极经电解质进入负极,因负极为富锂态,而正极为贫锂态,形成充电过程;当Li+从负极经电解质进入正极,因正极为富锂态,负极为贫锂态,形成放电过程[2]。其工作原理如图1所示。
当采用光伏电池给电池充电时,由于阳光在不同的时间光照强度不一样,因此应保证光伏发电板能够始终发出足够的电量,以保证稳定的供电要求[4]。
电池墙在采用光储一体化结构时,包括由多块光伏电池板组成的光伏阵列、蓄电池、逆变器、控制电路等[3]。其中光伏阵列用于吸收太阳光发出直流电;蓄电池既可吸收电能也可释放电能。其工作原理如图2所示:光伏发电板将太阳能产生的直流电流,一方面直接通过电池墙将其存储,另一方面通过逆变器将存储的直流电流转化为交流电流,以便为电器提供电能,从而实现不需要依赖公共电网供电的自给自足的供电网络。
3 电池墙供电技术优势
按照目前的交流供电方式,用户主要通过向电网买电获取电能,而电力公司所提供的市电大部分来自于水电站和火电站。这种电力来源的特点是:发电比较集中,电站不仅数量少而且单机功率大;其次,火电站和水电站发的电需很长的输电线才能到达用户端,传输中存在辐射、感应触电、衰减大等诸多问题,高压输送使人和设备容易受到电击,在用电高峰时期供电紧张,用电低谷时造成浪费。
电池墙供电技术克服了目前的交流供电系统存在的一系列缺陷。只需要买好所需设备,就能自己发电和卖电。而且它属于分布式发电,虽然单机功率小,但数量多,使用方便,也不需铺设长传输线路,环保节能。其次还有以下优势:
(1)实现错峰用电。电力需求较低或电费较便宜时段,可以对电池墙进行充电,在电力需求较高或电费较贵时,电池墙可以输出电能为电器供电。
(2)增强太阳能自给能力。电池墙能够储存多余的太阳能,在没有太阳、供电不足或市电中断时输出电能。
(3)有利于向直流用电转变。目前的交流供电导致用电设备多为交流,但随着节能环保意识的增强,许多设备开始转向直流。如LED照明灯、电视、电脑、充电宝、手机等,为用能用上市电,都需要先将交流变为直流。如果直接通过电池墙供电,就可省掉交直流转换带来的不便和附加成本。
4 电池墙的应用与前景分析
4.1 电池墙的应用
随着越来越多的家庭、企业和基础设施使用太阳能和风力发电,稳定的供电需求也日渐提高,电池墙在家庭、商业、公共商业应用中也越来越有价值。具体体现为:
1)通过储能解决错峰用电问题。据可再生能源研究公司GTM Research对电能存储市场的研究,90%用于公共事业,仅10%用于居民或商业[5]。因此,若能推广电池墙在公共事业规模的应用,对于整个电网有很大的益处。而且可再生能源白天能提供很多能量,但晚上提供较少,如果能利用储能设备将白天能量储存起来供晚上使用,就能汇集更多可再生资源至电网。
2)使房子和汽车更加环保。电池墙结合小太阳能电站、小风能电站、小水电站所发电能,在吸收这些可再生清洁能源之后,可通过电池墙以化学能方式存储的大量电能向用户供电。另外,还可以将它放在车库,让电动汽车的充电桩相对地脱离于主电网而存在,利用电池墙对其充电。虽然目前的电动汽车是通过蓄电池充电,没有尾气排放,似乎对环境没有造成什么影响,但由于其充电时的电能来自煤炭燃烧获取的电能,因而并非真正环保。
3)帮助适应灵活的能源定价。为鼓励错峰用电,在用户用电需求低的凌晨到上午,应该降低电费价格,而在用电需求高的下午到晚上,则提高电价。如果将这种灵活的收费方式与电池墙的使用相结合,用户将获得更实在的好处。
4.2 电池墙的前景分析
据有关数据统计,全球每年耗能20万亿千瓦时,相当于一个家庭18亿年的能耗。在所有美国消耗的化石燃料中,1/3用于交通,为此美国电力部门年产超过20亿公吨的二氧化碳,相当于燃烧2250亿加仑汽油,需16亿亩森林才能消化掉这些二氧化碳对环境的污染[7]。因此人类需要一个更加清洁、便利、灵活的能源网。
我国在《“十三五”电力科技重大技术方向研究报告》的38项关键技术中,对发展可再生能源发电技术和储能新技术进行了强调,可以预测,随着储能系统价格的下降,储能产品的使用寿命不断提高,通过太阳能、水能、风能、发电设备发出的电能入网和用户的新型分布式电网储能技术将会有很好的发展和应用前景[8]。
此外,由于过去国家电网采用交流输电,个人自发电产生的直流需要转换为交流,且在交流电的振幅、相位、频率、功率因素、纹波等指标上有严格并网要求,因而自发电产生的电能销售困难,成本高,影响了发展。尤其是光伏发电设备因价格高而大多产品只能销往国外,目前欧美对我国相关设备的反倾销制裁影响了企业的发展。如果有条件的个人或集体,利用家居窗户、房顶、庭院、荒地、水源、风源等,通过太阳能、水能、风能等发电设备发出的电能直接以直流的方式将多余的电能卖给小区、企业、国家区域性电网,则会鼓励千家万户的自发电热情,不仅带动生产发电设备企业的发展,也让使(下转第71页)(上接第73页)用这些设备的用户通过售电收回设备购置成本,这将为个人、企业发展开启新的商机。
5 结束语
电池墙所具有的可存储大量电能的特点,不仅可调节用电、提供电能备份、增强电网中电能的利用率,并结合自发电和利用,还可使电能提供和使用更加多元化。鉴于目前电池墙价格昂贵,还需通过不断完善和优化技术来降低成本,并通过适当的政策护持,使该技术真正发挥作用。
参考文献
[1]罗伟林.张立强,吕超.等锂离子电池寿命预测国外研究现状综述[J].电源学报,2013,45(1):140-144.
[2]张建琴.空间锂离子蓄电池充放电一体化供电技术研究[J].上海交通大学,2012(5).
[3]郝斌,李仙辉.太阳能光伏建筑一体化探讨[J].建设科技,2009,20(10):32-34.
[4]杨思俊.光伏发电系统最大功率跟踪技术[J].电子设计工程,2012(9).
[5]唐开富.戴华明.开创能源革命新时代[N].国际商报.2015-11-06(B02).
[6]王佑.家用电池,特斯拉的又一颠覆产品[N].第一财经日报.2015-05-04(A12).
[7]李雨蒙.特斯拉电池开启能源储备新模式[J].民商学院.战略思维.2015(6).
双电池组供电 篇7
目前航空供电保障担负三个类别十几个型号的航空蓄电池的维护保障任务, 工作量大, 质量要求高, 技术性较强, 维护方法较繁琐, 电源管理登记众多, 加之技术骨干缺乏, 人员编制不足, 从而导致航空蓄电池提前报废, 电源管理混乱很难切实达到维护管理要求。
2 航空蓄电池在线信息管理系统的设计
航空蓄电池在线信息管理系统是一种对蓄电池各种信息参数实时检测控制并对这些信息进行分析、比对、存储、传输以及根据信息处理结果进行输出控制的可以在线支持的自动化控制系统。如图1所示该系统可以实时检测电池电压、电流、工作温度以及电池充、放电状态, 估算剩余电量, 避免电池因过充电、过放电而受损。系统采用高性能微处理器、液晶显示、标准R5232异步通信接口, 硬件采用模块化结构, 软件采用自动监测与显示, 手动监测与显示, 可循环监测, 也可选择监测, 并有专家诊断系统和剩余电量估算等, 还可以实现电池故障隐患早期预报并显示故障原因及位置。
2.1 组成
⑴信息采集系统:信息采集系统主要担负蓄电池的电压、电流、工作温度等数据信息的采集以及蓄电池身份录入的任务。数据信息的采集主要通过数据采集电路、采样检测控制电路完成。蓄电池身份录入通过编码技术把电池的种类型号启封日期等相关信息存入编码中, 在进入系统时, 系统可通过编码自动识别电池身份选择相应的维护及检测程序, 并把所得数据存入相应的数据库。
⑵信息处理及存储系统:信息处理及存储系统主要包括信息处理软件、数据存储单元、在线专家系统等其任务是接受采集系统输出的数据信息进行分析、比对、筛选并对有用信息加以存储。
⑶控制系统:控制系统包括时序控制、键盘操作控制、复位控制及充放电设备控制和显示控制等几部分。控制系统在接收到控制信号后控制自动充放电机给蓄电池进行充放电操作或其它相关操作。
⑷通讯显示系统:通讯显示系统主要包括通讯接口电路和显示控制电路, 其主要是对在线信息管理系统的运行状态各系统的处理结果等进行显示和向上传输, 它还可以根据需要显示调用数据库中的信息。
2.2 功能特点
通过实时监测电压、电流、温度可以了解电池充、放电状态。给每一块电池建立自己的数据档案, 采集的各种数据可自动的存入对应电池的数据库, 从而减少了填写各种登记的工作量, 为维护人员或上级业务部门调用查询提供重要的信息。通过数学模型的计算较为精确的估算剩余电量, 并实时显示。以电池电压比较分析, 找到较差或最差的电池, 给出报警维护信息, 增加电池的可靠性。根据维护使用要求设定自动维护。在分析蓄电池充、放电参数和估计剩余电量的基础上, 通过一个故障诊断专家系统, 能及时预报蓄电池的隐患和故障, 有效的增加电池的无故障工作时间。采用电池运行监控及诊断系统将有效提高电池的使用寿命, 并降低成本。采用特殊的电池单元电压的动态监测电路, 具有精巧、简单、实用和全隔离的特点及较高的灵敏度。
2.3 基本工作原理
如图2所示该系统由中央微处理器铺CPU, 数据采集模块, 数据显示模块, 控制模块, 通信接口, 软件管理模块, 数据分析模块及专家诊断模块组成。
3 应用前景
本系统大大减少了维护人员;可以通过程序控制完成对电池的自动维护, 减少了维护工作量, 提高了维护质量;为每块电池建立对应的电子档案, 进行自动化管理。可以相信本系统将大大提高电池的性能质量和管理效益, 还可以为航空供电保障的信息化进行一些有益的探索。
摘要：航空蓄电池是飞机不可缺少的重要组成部分, 性能可靠的高质量航空蓄电池能够有效的提高飞机的性能。随着航空业的发展, 飞机的保障对航空蓄电池维护质量提出了更高的要求。为了充分保证飞机各项性能的可靠性, 我们提出了航空蓄电池在线信息管理系统的应用研究, 旨在加强航空蓄电池的维护管理, 延长蓄电池的寿命。