*CN102437616A*
(10)申请公布号 CN 102437616 A(43)申请公布日 2012.05.02
(12)发明专利申请
(21)申请号 201110445404.8(22)申请日 2011.12.28(66)本国优先权数据
201110412274.8 2011.12.12 CN
(71)申请人中国科学院苏州纳米技术与纳米仿
生研究所
地址215123 江苏省苏州市工业园区独墅湖
高教区若水路398号(72)发明人黄碧雄 林文魁 柯昆明 张文波
余维(51)Int.Cl.
H02J 7/00(2006.01)
权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 3 页
(54)发明名称
一种太阳能智能储能管理系统(57)摘要
本发明公开了一种太阳能智能储能管理系统，其包括：多个电池基本单元，太阳能电池板基本单元，从控模块，一主控模块；所述的从控模块定时检测其对应的电池基本单元中电池和太阳能电池板基本单元中太阳能电池板的状态，并将该检测数据传输给从控模块内的MCU，该MCU再将数据传给所述的主控模块内的MCU，所述的主控模块内的MCU根据收到的信息判断所述太阳能电池板和各个电池的状态，然后对太阳能电池板和各个电池做出相应的控制，并将控制指令发送给从控模块内的MCU，从控模块内的MCU执行该指令。该管理系统能够通过实时匹配和基于逻辑连接的自动切换工作策略，对每个电池的充放电工作状态进行管理，实现对太阳能的充分利用。CN 102437616 ACN 102437616 ACN 102437624 A
权 利 要 求 书
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1.一种太阳能智能储能管理系统，其特征在于，其包括：多个电池基本单元，太阳能电池板基本单元，从控模块，一主控模块；所述的从控模块定时检测其对应的电池基本单元中电池和太阳能电池板基本单元中太阳能电池板的状态，并将该检测数据传输给从控模块内的MCU，该MCU再将数据传给所述的主控模块内的MCU，所述的主控模块内的MCU根据收到的信息判断所述太阳能电池板和各个电池的状态，然后对太阳能电池板和各个电池做出相应的控制，并将控制指令发送给从控模块内的MCU，从控模块内的MCU执行该指令。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能智能储能管理系统，其特征在于，所述的电池基本单元包括：一电池、第一开关、第二开关、第一外接端口、第二外接端口；所述的电池、第一开关和第二开关之间顺序电气连接，并构成环路；所述的第一外接端口连接于所述的第一开关和第二开关之间、所述的第二外接端口连接于所述的第二开关与电池之间。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能智能储能管理系统，其特征在于，所述的太阳能电池板基本单元包括：一太阳能电池板、第三开关、第四开关、第三外接端口、第四外接端口；所述的太阳能电池板、第三开关和第四开关之间顺序电气连接，并构成环路；所述的第三外接端口连接于所述的第三开关和第四开关之间、所述的第四外接端口连接于所述的第四开关与电池之间。
4.根据权利要求2或3所述的一种太阳能智能储能管理系统，其特征在于，所述的第一开关、第二开关、第三开关、第四开关分别为二极管、三极管、继电器、晶闸管、可控硅、MOS管、HEMT（高电子迁移率晶体管）和IGBT中的任意一种，或为由其组合而成的双向开关模块或器件。
5.根据权利要求2或者3中所述的一种太阳能智能储能管理系统，其特征在于，所述的电池为铅酸电池、镍氢电池、钠硫电池、液流电池、超级电容器、磷酸铁锂电池、锰酸锂电池、钛酸锂电池和石墨烯锂电池中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的一种太阳能智能储能管理系统，其特征在于，所述的从控模块所检测的其对应的电池基本单元中电池和太阳能电池板基本单元中太阳能电池板的状态为该电池或太阳能电池板的电压、电流、温度、压力、PH值以及该电池泄漏物质在空气中产生的酸根含量中的一种或几种。
7.根据权利要求1所述的一种太阳能智能储能管理系统，其特征在于，所述的主控模块内的MCU与从控模块内的MCU之间的数据和指令传输是通过无线通讯完成的。
8.根据权利要求8所述的一种太阳能智能储能管理系统，其特征在于，所述的无线通讯为蓝牙、红外、Zigbee、Wi-Fi中的任意一种。
9.根据权利要求1所述的一种太阳能智能储能管理系统，其特征在于，所述的主控模块内的MCU根据收到的信息判断所述太阳能电池板和各个电池的状态，然后对太阳能电池板和各个电池做出相应的控制是指主控模块内的MCU根据收到的太阳能电池板的状态数据对其进行充电电池基本单元个数的匹配。
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说 明 书
一种太阳能智能储能管理系统
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技术领域
本发明涉及一种适用于非稳定电能的智能储能管理系统，特别涉及一种能够通过的实时匹配和基于逻辑连接的自动切换工作策略，实现对太阳能充分利用的智能储能管理系统。
[0001]
背景技术
太阳能、风能等新能源因其资源丰富、安全无污染而越来越受到人们的关注，但由
于太阳能、风能资源的不稳定性，需要一个储能系统来为用户提供稳定的输出电能。在储能系统中，动力电池是适用性范围最广泛的储能方式，适合几乎任何环境下，为保证供电的连续和均衡，有效的动力电池储能管理系统成为规模化使用新能源的关键。
[0003] 现有市场上的太阳能光伏发电管理系统及相关专利的功能也主要集中在自动追踪太阳角度以提高其辐射照度上，但其成本一般较高，且仪器较为精细，在风沙、雨雪等天气情况下容易损坏，进一步增加了太阳能的使用成本，因此很难做到普及应用，所以现有市场上的太阳能光伏发电储能设备处于缺乏管理系统的状态。此外，由于风能，太阳能等新能源受季节日夜天气等自然条件影响较大，其产生可用能源的时间和功率大小是极不稳定的，因此造成了许多能源的浪费。如一太阳能光伏发电系统，其储能动力电池的SOC已经达到80%,而此时由于天气原因，产生的输出电压只有正常光照时候的50%，则这时候的输出电压就小于电池的两端电压，即该输出电压无法给动力电池充电，也就无法利用此时系统产生的能量。
[0002]
发明内容
本发明的目的在于克服现有非稳定电能储能管理系统的不足，提供一种能够通过
实时匹配和基于逻辑连接的自动切换工作策略，对组中的每个电池的充放电工作状态进行管理，实现对太阳能充分利用的智能储能管理系统。[0005] 以上目的是通过以下技术方案实现的:
一种太阳能智能储能管理系统，其包括：多个电池基本单元，太阳能电池板基本单元，从控模块，一主控模块；所述的从控模块定时检测其对应的电池基本单元中电池和太阳能电池板基本单元中太阳能电池板的状态，并将该检测数据传输给从控模块内的MCU，该MCU再将数据传给所述的主控模块内的MCU，所述的主控模块内的MCU根据收到的信息判断所述太阳能电池板和各个电池的状态，然后对太阳能电池板和各个电池做出相应的控制，并将控制指令发送给从控模块内的MCU，从控模块内的MCU执行该指令。[0006] 其中，所述的电池基本单元包括：一电池、第一开关、第二开关、第一外接端口、第二外接端口；所述的电池、第一开关和第二开关之间顺序电气连接，并构成环路；所述的第一外接端口连接于所述的第一开关和第二开关之间、所述的第二外接端口连接于所述的第二开关与电池之间。[0007] 其中，所述的太阳能电池板基本单元包括：一太阳能电池板、第三开关、第四开关、
[0004]
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说 明 书
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第三外接端口、第四外接端口；所述的太阳能电池板、第三开关和第四开关之间顺序电气连接，并构成环路；所述的第三外接端口连接于所述的第三开关和第四开关之间、所述的第四外接端口连接于所述的第四开关与电池之间。[0008] 进一步地，所述的第一开关、第二开关、第三开关、第四开关分别为二极管、三极管、继电器、晶闸管、可控硅、MOS管、HEMT（高电子迁移率晶体管）和IGBT中的任意一种，或为由其组合而成的双向开关模块或器件。 [0009] 其中，所述的电池为铅酸电池、镍氢电池、钠硫电池、液流电池、超级电容器、磷酸铁锂电池、锰酸锂电池、钛酸锂电池和石墨烯锂电池中的任意一种。[0010] 其中，所述的从控模块所检测的其对应的电池基本单元中电池和太阳能电池板基本单元中太阳能电池板的状态为该电池或太阳能电池板的电压、电流、温度、压力、PH值以及该电池泄漏物质在空气中产生的酸根含量中的一种或几种。[0011] 其中，所述的主控模块内的MCU与从控模块内的MCU之间的数据和指令传输是通过无线通讯完成的。[0012] 进一步地，所述的无线通讯为蓝牙、红外、Zigbee、Wi-Fi中的任意一种。[0013] 其中，所述的主控模块内的MCU根据收到的信息判断所述太阳能电池板和各个电池的状态，然后对太阳能电池板和各个电池做出相应的控制是指主控模块内的MCU根据收到的太阳能电池板的状态数据对其进行充电电池基本单元个数的匹配
本发明的积极进步效果在于：
本发明提供的太阳能智能储能管理系统与现有国内储能管理系统相比，以单体智能电池为基础，立足于客观承认太阳能实时能量的不稳定性及电池组系统中每个电池的差异性，通过的实时匹配和基于逻辑连接的自动切换工作策略，对组中的每个电池的充放电工作状态进行管理，实现对太阳能的充分利用。该管理系统一方面可提高储能系统的有效容量，同时可提高储能电池组的安全性、可靠性和稳定性，提高新能源的利用效率，有效地减轻了系统维护的工作量。附图说明
[0014]
图1为电池基本单元的示意图；
图2为太阳能电池板基本单元的示意图；图3为本发明实施例一的系统结构示意图；图4为本发明实施例一的系统工作流程图；
图5为本发明实施例一的一个电池基本单元及从控模块电路原理图；图6为本发明实施例二的一个电池基本单元及从控模块电路原理图。
具体实施方式
[0015] 下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。[0016] 图1为电池基本单元的示意图；图2为太阳能电池板基本单元的示意图。图中，K1为第一开关、K2为第二开关、K3为第三开关、K4为第四开关；1为第一外接端口、2为第二外接端口、3为第三外接端口、4为第四外接端口；B为电池；P为太阳能电池板。系统中具有多个电池基本单元时，每个电池基本单元的第一外接端口1与相邻电池基本单元的第二外
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说 明 书
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接端口2电气连接。系统中具有多个太阳能电池板基本单元时，其接入方式可以是多个如图3所示的系统结构图直接串联而成，也可以是每个太阳能电池板基本单元的第三外接端口3与相邻的太阳能电池板基本单元的第四外接端口4电气连接；系统中只有一个太阳能电池板基本单元时，将其作为充电电源与多个电池基本单元并联。[0017] 第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3和第四开关K4可以是二极管、三极管、继电器、晶闸管、可控硅、MOS管、HEMT（高电子迁移率晶体管）和IGBT中的任意一种，还可以是由其组合而成的双向开关模块或器件；所述的双向开关模块和器件可以是由两个通断特性可控的PN结对接而成或多个PN结组合而成的等效于两个PN结对接的模块或器件，还可以是异质结或由多个异质结组合而成的双向可控模块或器件。[0018] 电池B可以为铅酸电池、镍氢电池、钠硫电池、液流电池、超级电容器、磷酸铁锂电池、锰酸锂电池、钛酸锂电池和石墨烯锂电池中的任意一种。[0019] 工作时，每个电池基本单元的第一外接端口1与相邻电池基本单元的第二外接端口2电气连接。K1 闭合，K2断开时，该电池基本单元中的电池B与系统中其它采用同样设置的电池基本单元中的电池B串联；K2 闭合，K1断开时，该电池基本单元中的电池B与整个系统的连接断开。[0020] 实施例一
图3为本实施例的系统结构示意图。如图3所示，100为电池基本单元，200为从控模块，300为主控模块、400是太阳能电池板基本单元。太阳能智能储能管理系统包括了多个电池基本单元100、太阳能电池板基本单元、及其从控模块200，一主控模块300；从控模块200通过电流传感器，电压传感器，温度传感器定时检测其对应的电池基本单元100和太阳能电池板基本单元400中电池和太阳能电池板的电压、电流、温度这些状态，并将该检测数据传输给从控模块200内的MCU，该MCU通过无线通讯Zigbee再将数据传给所述的主控模块300内的MCU，主控模块300内的MCU存储收到的信息，在液晶显示器上显示电池的SOC，太阳能电池板是否有故障等信息，且该MCU根据收到的信息判断各个电池和太阳能电池板的状态，然后对各个电池和太阳能电池板做出相应的控制，并将控制指令通过无线通讯Zigbee发送给从控模块内的MCU，从控模块200内的MCU执行该指令。从控模块200中的MCU接收到的主控模块300内的MCU发送的控制指令为控制电池基本单元100和太阳能电池板基本单元内各个开关的断开或闭合，从而使得该电池基本单元内的电池与整个电池系统中的其它电池基本单元中的电池之间的关系在断开，串联之间切换，也使得太阳能电池板与系统的关系在连接，断开之间切换，以适应不同的充放电过程及故障情况。值得一提的是，虽然本实施例图3所示的系统结构示意图中只有1个太阳能电池板基本单元，但在整个储能管理系统中可以有多个太阳能电池板，其接入方式可以是多个如图3所示的系统结构图直接串联而成，也可以是多个太阳能电池板基本单元串联而成，即在图3中太阳能电池板基本单元的位置放置多个串联状态的太阳能电池板基本单元。[0022] 图4为本实施例的系统工作流程图。如图所示，系统开机后进行初始化，读取存储的数据，然后液晶显示器上显示信息。然后系统进工作模式的判断，是处于充电还是放电状态。如果是充电状态，就检测各个电池和太阳能电池板的电压、电流、温度状态。如果电池和太阳能电池板存在异常状态如温度过高、电流过大等，就将其与系统的连接断开。并根据各个电池的电压判断其是否充满，将满充的电池移出，同时，判断待充电池个数是否为零，
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如果待充电池个数为零则结束充电，并存储数据发送报告。如果待充电池个数不为零，则根据太阳能电池板的状态即其两端电压进行充电电池个数的匹配，以使其提高太阳能的利用效率。然后继续充电，并存储数据发送报告。匹配出的充电电池总电压应该小于太阳能电池板此时的端电压，且每个电池应该都是未充满的，同时优先使用SOC较低的电池。如果是放电状态，就检测各个电池的电压、电流、温度状态。如果电池存在异常状态如温度过高、电流过大、电压过低等，就将其与系统的连接断开。并根据电池和太阳能电池板的状态选择是直接使用太阳能电池板供电还是使用储能电池供电，如果选择太阳能电池板供电，则根据供电的电压要求匹配太阳能电池板，如果选择储能电池供电，则根据供电的电压要求匹配电池的个数，然后存储数据发送报告。匹配出的太阳能电池板可以是多个进行组合，也可以是单个进行PWM调制；匹配出的电池优先选用SOC高的电池。
[0023] 上述的充电方式使得每个电池基本单元中的电池都能充满，且由于是实时匹配的，太阳能的利用率大大提高了。且由于电池和太阳能电池板基本单元的结构特殊，当其中一个电池基本单元中的电池或者太阳能电池板基本单元中的电池板发生故障被移出系统时，并不影响整个系统的运行，大大提高了系统的稳定性和安全性。并且因为系统优先使用SOC高的电池，可以使得整个系统中的电池均匀放电，消除了短板现象。
[0024] 图5为本实施例的一个电池基本单元及从控模块电路原理图。如图所示，图中的后缀n表示该原理图为第n个电池基本单元及从控模块的电路原理图，K1为第一开关、K2为第二开关，本实施例选用IGBT；B为电池，本实施例选用锂电池；TT为数字温度传感器，型号为：DS18B20，输出的数字信号可以为从控模块中的MCU直接读取。MCU采用的型号为：CC2430，该芯片内置2.4G赫兹的Zigbee无线射频通讯（RF），同时内置有子ADC，其中两路管脚用于传感器模拟信号的输入，1路用于数字温度传感器的输入，2路用于K1、K2开关的控制。电压调整电路用于调制出TT和MCU所需的电压。两个模拟传感器的信号V1n和Vn经过运算放大器放大得到V1和V，将V1和V输入CC2430芯片内置的ADC中转化为数字信号后进入MCU，其中V即是其电压信号，且由于R3的阻值是固定，其两头的电压也已知，可以计算出电路中的电流。实现了从控模块对电池基本单元中的电池的电压、电流和温度的检测，从控模块内的MCU通过RF将检测到的数据传输给主控模块内的MCU，并执行主控模块反馈回来的指令。而太阳能电池板基本单元的从控模块电路原理图与图5相似，只需将其中的电池B替换成太阳能电池板P即可。[0025] 实施例二
本实施例与实施例一相似，不同之处在于，采用了电流传感器和热敏电阻来检测电池基本单元中的电池，且MCU采用了STC89C52。该芯片无内置ADC和射频通讯，需外置添加。ADC采用的型号为ADC0809CCN，该ADC为8位ADC，在5V的基准电压下测量精度在20mv，具有8路可选信号输入；射频通讯采用的是ZigBee。电流传感器可以是霍尔传感器、MR传感器、AMR、GMR、TMR传感器，本实施例中采用的是霍尔ACS755LCB-050，输出的信号为电压信号。图8为本实施例的一个电池基本单元及从控模块电路原理图。如图所示，R2为一个固定电阻，RT为热敏电阻，当温度改变时，热敏电阻的阻值发生变化，进而分压得到的Vt也发生变化。三个模拟传感器的信号VIn、Vn和VT经过运算放大器放大得到VI、V和V'T,将VI、V和V'T输入ADC中转化为数字信号后输入从控模块中的MCU 芯片STC89C52中，其中V即是其电压信号，VI是电流信号，V'T是温度信号。实现了从控模块对电池基本单元中的电池
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的电压、电流和温度的检测，从控模块内的MCU芯片STC89C52通过射频（RF）将检测到的数据传输给主控模块内的MCU，并执行主控模块反馈回来的指令。而太阳能电池板基本单元的从控模块电路原理图与图6相似，只需将其中的电池B替换成太阳能电池板P即可。[0026] 虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，如增加电池状态的检测，比如PH值，以及在一个电池基本单元中的开关采用不同的种类,MCU采用蓝牙射频通讯等，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。
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