超级电容电池智能错峰储电供电器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开的一种超级电容电池智能错峰储供电器，包括设置在系统机箱内的快速充电模块、超级电容电池组、双向DC／AC逆变器和配电转换模块。其中，快速充电模块、超级电容电池、双向DC／AC逆变器和配电转换模块以主控制单片机ECU为中心电连接，组成围绕主控制单片机ECU的闭环错峰储供电控制系统，主控制单片机ECU通过系统机箱线路接口电连接市电切换开关K。本实用新型体积较小、重量轻、易于安装、维护，具有分布式智能错峰储、供电，可以稳定、平滑电网电压波动。本实用新型特别适用于以家庭为单位的用电用户、各种高层楼宇写字间工作间的办公用电等，尤其适用于可以预留安装位置的新建楼宇住宅。
【专利说明】超级电容电池智能错峰储电供电器
【技术领域】
[0001 ] 本实用新型涉及一种使用超级电容电池组电力能量转换的储供电器。
【背景技术】
[0002]超级电容电池又叫黄金电容、法拉电容，它通过极化电解质来储能，属于双层电容的一种。由于其储能的过程并不发生化学反应，因此这种储能过程是可逆的，正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。超级电容一般使用高表面活性炭电极材料，具有吸附面积大，静电储存多的特点，在新能源汽车中有广泛使用。双电层电容器与铝电解电容器相比内阻较小，因此，可在无负载电阻情况下直接充电，如果出现过电压充电的情况，双电层电容器将会开路而不致损坏器件，这一特点与铝电解电容器的过电压击穿不同。同时，双电层电容器与可充电电池相比，可进行不限流充电，且充电次数可达10E6次以上，因此双电层电容不但具有电容的特性，同时也具有电池特性，是一种介于电池和电容之间的新型特殊元器件。超级电容的容量比通常的电容器大得多。由于其容量很大，对外表现和电池相同，因此也称作“电容电池”或称“黄金电池”。超级电容电池是四川能宝电源制造有限公司已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种，其基本原理是利用高表面活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。传统物理电容中储存的电能来源于电荷在两块极板上的分离，两块极板之间为真空(相对介电常数为I)或一层介电物质(相对介电常数为ε )所隔离，电容值为:C = ε.Α / 3.6 π d.10_6 (μ F)其中A为极板面积，d为介质厚度。所储存的能量为:E = C (AV)2/2，其中C为电容值，AV为极板间的电压降.可见，若想获得较大的电容量，储存更多的能量，必须增大面积A或减少介质厚度d，但这个伸缩空间有限，导致它的储电量和储能量较小。超级电容电池则采用高表面活性炭材料制作成多孔电极，同时在相对的炭多孔电极之间充填电解质溶液，当在两端施加电压时，相对的多孔电极上分别聚集正负电子，而电解质溶液中的正负离子将由于电场作用分别聚集到与正负极板相对的界面上，从而形成两个集电层，相当于两个电容器串联，由于活性炭材料具有> 2000M2/g的超高比表面积(即获得了极大的电极面积A)，而且电解液与多孔电极间的界面距离不到lnm(即获得了极小的介质厚度d)，根据前面的计算公式可以看出，这种双电层电容器比传统的物理电容的容值要大很多，比容量可以提高100倍以上，从而使单位重量的电容量可达100F/g，并且电容的内阻还能保持在很低的水平。炭材料还具有成本低，技术成熟等优点。从而使利用电容器进行大电量的储能成为现实，且在实际使用时，可以通过串联或者并联以提高输出电压或电流。超级电容器多为双电层结构，其活性炭电极和电解质之间是空间分布式结构，可用多个电容器的串并联描述超级电容器的特性。
[0003]当今社会对能源和电力供应的质量以及安全可靠性的要求越来越高，传统的大电网供电方式由于其本身的缺陷已经不能满足这种要求。能够集成分布式发电的新型电网——微电网应运而生，它能够节省投资、降低能耗、提高系统安全性和灵活性，是未来的发展方向。电容作为微电网中必不可少的储能系统，发挥着十分重要的作用。微电网由微电源、负荷、储能以及能量管理器等组成。当并网运行时，微电网内的功率波动由大电网进行平衡，此时储能处于充电备用状态。当微电网由并网运行切换到孤网运行时，中央储能立即启动，弥补功率缺额。微电网孤网运行时负荷的波动或者微电源的波动则可以由中央储能或者分布式储能平衡。其中，微电源的功率波动有两种平衡方式，将分布式储能和需要储能的微电源并联接在某馈线上，或者将储能直接接入该微电源的直流母线上。储能在微电网中发生作用的形式有:接在微电源的直流母线上、包含重要负荷的馈线上或者微电网的交流母线上。其中，前两种可称为分布式储能，最后一种叫做中央储能。在超级电容电池组充放电过程中，端电压范围变化大，通常必须采用DC / DC变换器作为接口电路来调节超级电容电池的储能和释能。DC / AC变换器可采用双向DC / AC逆变器，或者采用AC / DC整流器及DC / AC逆变器。超级电容器储能系统利用多组超级电容器将能量以电场能的形式储存起来，当能量紧急缺乏或需要时。再将存储的能量通过控制单元释放出来，准确快速补偿系统所需的有功和无功，从而实现电能的平衡与稳定控制。
[0004]常见的超级电容电池有三种组成方式:串联方式、并联方式和串并混联方式。串联方式的超级电容器组件:由于超级电容电池的单体工作电压不高，不能覆盖应用工况的电压需求范围，需要将多个单体串联来满足应用工况的电压要求，但因单体电容器之间的固有差异，作用在串联组件上的总电压并不能均衡地分配给不同的电容器，它会导致电压分配的不对称，存在单体间的电压均衡问题。单纯的串联会导致某个或几个单体电容器过压，从而损坏这些电容器，整体性能受到影响。以并联方式建构的超级电容电池组件可以输出或接受很大的电流。在充电过程中，由串联充电电阻保证单体之间的电压分布，但超级电容电池本身固有的充电电阻是一个动态的量，具有一定的分散性，使得调整电阻变化的控制电路极其复杂，难以实现逐点控制；在放电过程中，控制放电电阻，可获得很高的输出功率，但为了避免放电电流过大，保证许可的输出功率，要适当控制组件的贮能量。串并混联的超级电容电池组件:结合串联和并联方式的优点，电容避免两种方式各自不足。每个电容器均指定一电阻控制其充电过程的电压。超级电容器放电电流比较难控制。当电容器电压超过标称电压时，将会导致电解液分解，同时电容器会发热，容量下降，而且内阻增加，寿命缩短，在某些情况下，可导致电容器性能崩溃。超级电容器不可应用于高频率充放电的电路中，高频率的快速充放电会导致电容器内部发热，容量衰减，内阻增加，在某些情况下会导致电容器性能崩溃。
【发明内容】
[0005]本实用新型任务是提供一种体积较小、重量轻、易于安装、维护，具有分布式智能错峰储、供电，可以稳定、平滑电网电压波动的超级电容电池智能储电供电器。
[0006]本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是，一种超级电容电池智能错峰储供电器，包括设置在系统机箱内的快速充电模块、超级电容电池组、双向DC / AC逆变器和配电转换模块，其特征在于:快速充电模块、超级电容电池、双向DC / AC逆变器和配电转换模块以主控制单片机ECU为中心电连接，组成围绕主控制单片机ECU的闭环错峰储供电控制系统，主控制单片机E⑶通过系统机箱线路接口电连接市电切换开关K。
[0007]本实用新型具有如下有益效果。
[0008]本实用新型通过采用高表面活性炭电极材料生产的超级电容储电(能)器，这种复合致密能源器件，能同时具有高比能量和高比功率、非常短的充电时间、放电时间可控、极长的循环使用寿命、温度特性好、节约能源和绿色环保以及极高的可靠性、安全性等特点，将电容器和二次电池二者的优点很好地结合起来，由系统内主控制单片机E⑶控制，构成模块化闭环控制系统，按分布式智能错峰储供电程序指令工作，解决了电网运行时负荷波动或电源波动分布式储能平衡的问题。
[0009]本实用新型利用多组超级电容电池将能量以电场能的形式储存起来，在能量紧急缺乏或需要时，将存储的能量通过主控制单片机电能控制平衡与稳定控制释放出来，准确快速补偿储供电，再通过逆变器控制单元，可以调节超级电容电池储能系统向用户及网络提供的无功及有功，解决系统中的一些暂态问题，提高电能质量。主控制单片机ECU针对系统故障引发的瞬时停电、电压骤升、电压骤降等问题，利用超级电容器提供快速功率缓冲，吸收或补充电能，提供有功功率支撑进行有功或无功补偿，可以稳定、平滑电网电压的波动。
[0010]本实用新型分布式智能错峰储供电器自成闭环控制系统，由于超级电容电池可快速吸收、释放大功率电能，非常适宜将其应用到微电网的电能质量调节装置中，通过系统机箱嵌入于供电部门安装于用户户外的智能电表和用户进户线之间，以及各种高层楼宇写字间办公室用电器前端，24小时工作，可靠性高，经久耐用，各部分均按模块化方式构成储电器维护方便，器件更换快速，维护中仅需更换有故障模块即可。在储供电器户线间另设有手动切换开关，可灵活转换供电方式。
[0011]本实用新型经主控制单片机智能化的储供电器是利用电网低谷时间自动充电，在供电高峰时段、平段区间，家庭用储、供电器能够自动的停止市电交流220V/50HZ供电。而家庭的家用电器多数是在早、晚用电高峰时使用(除电冰箱外，一般电视机、空调机、洗衣机等均在高峰时段、平段区间使用)。以此计算，一般情况下每个家庭每天可以节电达4—10KWh，那么我国有两亿个用电户计算，每天可以至少节电8—20亿KWh或以上。
[0012]本实用新型储供电器适用于以家庭为单位的用电用户、各种高层楼宇写字间工作间的办公用电等。本储供电器自成系统一体化。体积较小、重量轻、易于安装、维护、搬迁。尤其适用于可以预留安装位置的新建楼宇住宅。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是本实用新型超级电容电池错峰储供电器电路原理示意图。
【具体实施方式】
[0014]参阅图1。在以下描述的实施例中，超级电容电池错峰储供电器主要由控制主单片机(ECU)、超级电容电池组、快速充电模块、电池保护模块、配电转换模块、双向DC / AC逆变器、市电切换开关K和墙挂式或嵌入式系统机箱组成。快速充电模块、超级电容电池组、双向DC / AC逆变器和配电转换模块设置在系统机箱内。本储供电器嵌入于供电部门已经安装于用户户外的智能电表和用户进户线之间，以及各种高层楼宇写字间办公室用电器前端。快速充电模块、超级电容电池组、双向DC / AC逆变器和配电转换模块以主控制单片机E⑶为中心电连接，组成围绕主控制单片机E⑶的闭环错峰储供电控制系统，主控制单片机E⑶通过系统机箱线路接口电连接市电切换开关K。主控制单片机E⑶电连接有液晶显示屏和操作键盘。超级电容电池组与双向DC / AC逆变器之间连接有电池保护模块。超级电容电池组通过快速充电模块电路接口电连接市电交流电网输入母线上，进行充电，将交流电转换为直流电。双向DC / AC逆变器通过配电转换模块电路接口电连接用户线路，输出交流电。市电切换开关K电连接在市电交流电网线路与用户线路之间。超级电容电池组、电池保护模块、双向DC / AC逆变器、市电切换开关K全部由系统内主控制单片机E⑶控制，按程序指令工作:
[0015]I)当处于在线工作的E⑶在低谷时段时(及夜间11时到次日凌晨7时之间)，检测到超级电容电池组低于额定电压值时，打开快速充电模块，快速向超级电容电池组充电，当充电电压达到额定电压值时关闭充电模块，按程序在低谷时段之外任何时间充电模块均处于关闭状态，而不会向超级电容电池组充电。
[0016]2)当用电时间进入高峰时段、平段区间时，ECU指令自动切断市电切换开关K固态无触点开关关断市电，打开逆变器、配电转换模块，以交流220V/50HZ (等同市电)的形式向用户户内电器设备供电。
[0017]3)当ECU检测到储供电器供电电压低于设定电压值时，关闭逆变器、配电转换模块，指令打开市电切换开关K，恢复到由市电交流220V/50HZ供电工作状态。由于选用的固态无触点开关，使之切换过程中用电器无闪烁状况。
[0018]4)液晶显示器中文轮换显示实时工作状态，便于用户以直读方式了解储供电器工作和产生故障情况。
[0019]5)当ECU检测到市电处于停电状态，会自动转换到储供电器供电状态，而用户又需要照明，可以按照储电器提供的转换按钮为室内短时供电。
[0020]相关的控制主单片机(E⑶)、快速充电模块、逆变器、配电转换模块等配套装置，已经是广为应用的成熟电子产品，不存在技术难题。
【权利要求】
1.一种超级电容电池智能错峰储供电器，包括设置在系统机箱内的快速充电模块、超级电容电池组、双向DC / AC逆变器和配电转换模块，其特征在于:快速充电模块、超级电容电池、双向DC / AC逆变器和配电转换模块以主控制单片机E⑶为中心电连接，组成围绕主控制单片机ECU的闭环错峰储供电控制系统，主控制单片机ECU通过系统机箱线路接口电连接市电切换开关K。
2.如权利要求1所述的超级电容电池智能错峰储供电器，其特征在于:主控制单片机E⑶通过系统机箱线路接口电连接市电切换开关K。
3.如权利要求1所述的超级电容电池智能错峰储供电器，其特征在于:主控制单片机ECU电连接有液晶显示屏和操作键盘。
4.如权利要求1所述的超级电容电池智能错峰储供电器，其特征在于:超级电容电池组与双向DC / AC逆变器之间连接有电池保护模块。
5.如权利要求1所述的超级电容电池智能错峰储供电器，其特征在于:超级电容电池组通过快速充电模块电路接口电连接市电交流电网输入母线上，进行充电，将交流电转换为直流电。
6.如权利要求1所述的超级电容电池智能错峰储供电器，其特征在于:双向DC/ AC逆变器通过配电转换模块电路接口电连接用户线路，输出交流电。
【文档编号】H02J3/32GK203734323SQ201420127404
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年3月20日 优先权日:2014年3月20日
【发明者】漆长席 申请人:大英聚能科技发展有限公司