一种新型锂电池+超级电容混合储能拓扑及其控制设计方法技术

本发明专利技术公开了一种新型锂电池+超级电容混合储能拓扑及其控制设计方法，其包括能量型锂电池储能装置、功率型超级电容储能装置、直流电源、平波电抗器和防反二极管。通过系统稳态假设，构建锂电池储能装置关于占空比的稳态均值模型，从而得到平波电抗器参数选取依据。通过系统暂态假设，构建锂电池储能装置关于占空比的暂态均值模型，从而构建系统控制模型，获得闭环控制参数，设计电压环电流环切换控制方法。本发明专利技术极大地提高了混合储能系统的充放电灵活性和可靠性，实现了锂电池不过倍率充放电、母线电压不过压的控制目标，在轨道交通、可再生能源并网和高速驱动等领域具有广阔的应用前景。用前景。用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种新型锂电池+超级电容混合储能拓扑及其控制设计方法


[0001]本专利技术属于储能
，具体而言，涉及一种新型锂电池+超级电容混合储能拓扑及其控制设计方法。

技术介绍

[0002]混合储能技术是将具有不同特性的储能器件通过多端口的拓扑结构进行混合放电的新型储能技术，具有兼顾功率密度和能量密度的优势，在轨道交通、可再生能源并网和高速驱动等领域应用广泛。
[0003]储能器件主要分为功率型和能量型两大类，功率型器件为超级电容，能量型器件为锂电池。锂电池具有高能量密度特性，但功率密度低，无法提供瞬时大功率电能，循环寿命短，温度环境适应性差，通常用来大规模存储电量；超级电容具有高功率密度特性，循环使用寿命长，温度环境适应性强，响应速度快，但能量密度低，通常用来吸收和提供高频、大功率电能。
[0004]混合储能系统通常采用被动式、主动式和半主动式的拓扑结构。锂电池与超级电容直接并联的结构称为被动式拓扑，这种拓扑在放电过程中根据储能器件的各自内阻大小自动分配功率，缺乏灵活性，系统的能量流动只能被动进行。锂电池与超级电容都通过DC/DC变换器进行并联的结构称为主动式拓扑，这种拓扑能够主动控制储能装置以及负载之间的能量流动，提高了储能系统的灵活性和放电性能，但多个DC/DC变换器使得系统的成本增加，重量与体积增大，并且控制方法更加复杂。目前较为常用的半主动式拓扑仅采用一个DC/DC变换器对混合储能系统的输出功率进行调控，与被动式和主动式拓扑相比，综合考虑了系统成本和储能系统放电性能，但半主动式的拓扑结构存在储能输出电流纹波较大，系统稳定性差的问题。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种新型锂电池+超级电容混合储能拓扑及其控制设计方法，提高了混合储能系统的灵活性、稳定性和可靠性。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供以下技术方案：新型锂电池+超级电容混合储能拓扑，包括能量型锂电池储能装置、功率型超级电容储能装置、直流电源、平波电抗器和防反二极管，能量型锂电池储能装置、平波电抗器和开关Q1依次串联后与直流电源并联，功率型超级电容储能装置、防反二极管和开关Q2依次串联后与直流电源并联；
[0007]所述能量型锂电池储能装置由可调电池组和固定电池组串联组成，可调电池组由m组电池组串联组成，固定电池组由n组电池组串联组成；每组电池组均包括电池组单元和和双向DC/DC变换电路，电池组单元由b个电池模组并联组成，每个电池模组由a个单体电池串联组成，双向DC/DC变换电路由2个IGBT和2个二极管组成，2个IGBT串联之后与电池组单元并联，每个IGBT并联一个二极管；
[0008]所述功率型超级电容储能装置由y组电容模组并联组成，每组电容模组由x个单体
电容串联组成。
[0009]进一步地，每组电池组的额定工作电压V＝v
b
*a、内阻R＝r
b
*a/b，v
b
为单个电池的额定电压，r
b
为单个电池的内阻；每组所述电池组的额定存储能量为Q＝a*b*AH*v
b
，能量型锂电池储能装置总存储能量为Q*(m+n)≥负载最大能耗需求，AH为单个电池可用容量的安时数；
[0010]所述可调电池组中电池组的组数m＝round[(U
max
‑
U
min
)/V]，固定电池组中电池组的组数n＝ceil(U
min
/V)，round()为向上取整函数，ceil()为向下取整函数，U
max
为混合储能系统输出电压U
out
的波动范围最大值，U
min
为混合储能系统输出电压U
out
的波动范围最小值。
[0011]进一步地，所述功率型超级电容储能装置的额定工作电压U
sc
为x*v
sc
、内阻R
sc
为r
sc
*x/y、容值C
sc
为c
sc
*y/x，v
sc
为单个电容的额定电压，r
sc
为单个电容的内阻，c
sc
为单个电容的容值；所述功率型超级电容储能装置的最大放电功率P＝U
sc
*y*i
sc_max
≥负载最大瞬时功率需求，混合储能系统输出电压U
out
满足[U
min
，U
max
]的约束条件，U
max
为混合储能系统输出电压U
out
的波动范围最大值，U
min
为混合储能系统输出电压U
out
的波动范围最小值，i
sc_max
为单个电容的最大放电电流。
[0012]还提供一种如上述所述混合储能系统的控制设计方法，所述控制设计方法为：构建混合储能装置关于占空比D的稳态均值模型，根据稳态均值模型求出能量型锂电池储能装置输出电流的波动值Δi
b
；根据能量型锂电池储能装置输出电流的波动值Δi
b
计算出平波电抗器的电感L；基于混合储能系统的暂态变化和平波电抗器的电感L构建混合储能系统的暂态均值模型；根据暂态均值模型获得混合储能系统的小信号模型；根据小信号模型获得混合储能系统的闭环控制参数和切换控制方法。
[0013]进一步地，所述构建混合储能装置关于占空比D的稳态均值模型，根据稳态均值模型求出能量型锂电池储能装置输出电流的波动值Δi
b
具体过程为：
[0014]当混合储能系统处于放电模式时，根据可调电池组对应双向DC/DC变换电路的上管S
i_1
不同开关状态简化得到相应的拓扑等效电路，两种开关状态下，混合储能系统的电压方程如式(1)所示：
[0015][0016]式中，L表示平波电抗器的电感；i
b
表示能量型锂电池储能装置输出电流；U
out
表示混合储能系统输出电压；t表示系统运行时间；
[0017]对式(1)中两种开关状态下的电压方程进行积分，可得：
[0018][0019]式中，T为开关周期，D为占空比；
[0020]首先进行稳态假设：能量型锂电池储能装置输出电流i
b
以及混合储能系统输出电压U
out
在相邻开关周期内的均值变化量为0，即对于i
b
以及U
out
而言，其在可调电池组对应双向DC/DC变换电路的上管S
i_1
开通时的上升量Δi
b1
与S
i_1
关断时的下降量Δi
b2
相同；单个开关周期内，其在S
i_1
开通时的均值与S
i_1
关断时的均值也相同，且均等于整个开关周期内的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型锂电池+超级电容混合储能拓扑，其特征在于：包括能量型锂电池储能装置、功率型超级电容储能装置、直流电源、平波电抗器和防反二极管，能量型锂电池储能装置、平波电抗器和开关Q1依次串联后与直流电源并联，功率型超级电容储能装置、防反二极管和开关Q2依次串联后与直流电源并联；所述能量型锂电池储能装置由可调电池组和固定电池组串联组成，可调电池组由m组电池组串联组成，固定电池组由n组电池组串联组成；每组电池组均包括电池组单元和双向DC/DC变换电路，电池组单元由b个电池模组并联组成，每个电池模组由a个单体电池串联组成，双向DC/DC变换电路由2个IGBT和2个二极管组成，2个IGBT串联之后与电池组单元并联，每个IGBT并联一个二极管；所述功率型超级电容储能装置由y组电容模组并联组成，每组电容模组由a个单体电容串联组成。2.根据权利要求1所述新型锂电池+超级电容混合储能拓扑，其特征在于：每组电池组的额定工作电压V＝v
b
*a、内阻R＝r
b
*a/b，v
b
为单个电池的额定电压，r
b
为单个电池的内阻；每组所述电池组的额定存储能量为Q＝a*b*AH*v
b
，能量型锂电池储能装置总存储能量为Q*(m+n)≥负载最大能耗需求，AH为单个电池可用容量的安时数；所述可调电池组中电池组的组数m＝round[(U
max
‑
U
min
)/V]，固定电池组中电池组的组数n＝ceil(U
min
/V)，round()为向上取整函数，ceil()为向下取整函数，U
max
为混合储能系统输出电压U
out
的波动范围最大值，U
min
为混合储能系统输出电压U
out
的波动范围最小值。3.根据权利要求1所述新型锂电池+超级电容混合储能拓扑，其特征在于：所述功率型超级电容储能装置的额定工作电压U
sc
为x*v
sc
、内阻R
sc
为r
sc
*x/y、容值C
sc
为c
sc
*y/x，v
sc
为单个电容的额定电压，r
sc
为单个电容的内阻，c
sc
为单个电容的容值；所述功率型超级电容储能装置的最大放电功率P＝U
sc
*y*i
sc_max
≥负载最大瞬时功率需求，混合储能系统输出电压U
out
满足[U
min
，U
max
]的约束条件，U
max
为混合储能系统输出电压U
out
的波动范围最大值，U
min
为混合储能系统输出电压U
out
的波动范围最小值，i
sc_max
为单个电容的最大放电电流。4.一种如权利要求1所述新型锂电池+超级电容混合储能拓扑的控制设计方法，其特征在于：所述控制设计方法为：构建混合储能装置关于占空比D的稳态均值模型，根据稳态均值模型求出能量型锂电池储能装置输出电流的波动值Δi
b
；根据能量型锂电池储能装置输出电流的波动值Δi
b
计算出平波电抗器的电感L；基于混合储能系统的暂态变化和平波电抗器的电感L构建混合储能系统的暂态均值模型；根据暂态均值模型获得混合储能系统的小信号模型；根据小信号模型获得混合储能系统的闭环控制参数和切换控制方法。5.根据权利要求1所述新型锂电池+超级电容混合储能拓扑的控制设计方法，其特征在于：所述构建混合储能装置关于占空比D的稳态均值模型，根据稳态均值模型求出能量型锂电池储能装置输出电流的波动值Δi
b
具体过程为：当混合储能系统处于放电模式时，根据可调电池组对应双向DC/DC变换电路的上管S
i_1
不同开关状态简化得到相应的拓扑等效电路，两种开关状态下，混合储能系统的电压方程如式(1)所示：
式中，L表示平波电抗器的电感；i
b
表示能量型锂电池储能装置输出电流；U
out
表示混合储能系统输出电压；t表示系统运行时间；对式(1)中两种开关状态下的电压方程进行积分，可得：式中，T为开关周期，D为占空比；首先进行稳态假设：能量型锂电池储能装置输出电流i
b
以及混合储能系统输出电压U
out
在相邻开关周期内的均值变化量为0，即对于i
b
以及U
out
而言，其在可调电池组对应双向DC/DC变换电路的上管S
i_1
开通时的上升量Δi
b1
与S
i_1
关断时的下降量Δi
b2
相同；单个开关周期内，其在S
i_1
开通时的均值与S
i_1
关断时的均值也相同，且均等于整个开关周期内的均值，稳态假设可得：得：式中，Δi
b
表示能量型锂电池储能装置输出电流的波动值；i
b_ave
表示能量型锂电池储能装置输出电流均值；U
out_ave
表示混合储能系统的输出电压均值。联立式(2)～(4)求解，构建混合储能系统关于占空比D的稳态均值模型如公式(5)，并将公式(5)代入公式(2)中得到能量型锂电池储能装置输出电流的波动值Δi
b
如公式(6)；如公式(6)；式中，f
s
表示开关频率。6.根据权利要求5所述新型锂电池+超级电容混合储能拓扑的控制设计方法，其特征在
于：所述根据能量型锂电池储能装置输出电流的波动值Δi
b
计算出平波电抗器的电感L的具体过程为：由式(6)可知，随着平波电抗器的电感L的增大，电流的波动逐渐减小，随着占空比D的增大，电流的波动先增大后减小，化简可得，当D的取为式(6)的极值点D0时，电流的波动达到最大值，D0如式(7)所示：因此，根据电流波动约束最大值Δi
b_max
、式(6)和式(7)，计算平波电抗器的电感L的最小值...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱俊杰，吴志程，孙靖雯，孙兴法，周细文，吴振兴，许金，张立辉，韩一，韩正清，文灿辉，王路，原景鑫，厉孟，熊又星，
申请(专利权)人：合肥召洋电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：