GR1010317B - Υβριδικο συστημα αποθηκευσης ενεργειας μπαταριων και υπερπυκνωτων - Google Patents
Υβριδικο συστημα αποθηκευσης ενεργειας μπαταριων και υπερπυκνωτων Download PDFInfo
- Publication number
- GR1010317B GR1010317B GR20210100608A GR20210100608A GR1010317B GR 1010317 B GR1010317 B GR 1010317B GR 20210100608 A GR20210100608 A GR 20210100608A GR 20210100608 A GR20210100608 A GR 20210100608A GR 1010317 B GR1010317 B GR 1010317B
- Authority
- GR
- Greece
- Prior art keywords
- lib
- suc
- controller
- balancing
- control
- Prior art date
Links
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 56
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims abstract description 18
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- 230000004044 response Effects 0.000 claims abstract description 11
- 238000003491 array Methods 0.000 claims description 16
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 claims description 4
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims description 4
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000013528 artificial neural network Methods 0.000 claims description 3
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 claims description 2
- 101001055531 Homo sapiens Matrix extracellular phosphoglycoprotein Proteins 0.000 claims 1
- 102100026142 Matrix extracellular phosphoglycoprotein Human genes 0.000 claims 1
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 14
- 230000003319 supportive effect Effects 0.000 abstract 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 4
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 4
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000011960 computer-aided design Methods 0.000 description 1
- 238000010616 electrical installation Methods 0.000 description 1
- 230000005686 electrostatic field Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
- G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
- G01R31/382—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
- G05B13/00—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
- G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
- G05B13/0265—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric the criterion being a learning criterion
- G05B13/027—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric the criterion being a learning criterion using neural networks only
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/08—Structural combinations, e.g. assembly or connection, of hybrid or EDL capacitors with other electric components, at least one hybrid or EDL capacitor being the main component
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/052—Li-accumulators
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J15/00—Systems for storing electric energy
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J3/00—Circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks
- H02J3/28—Arrangements for balancing of the load in a network by storage of energy
- H02J3/32—Arrangements for balancing of the load in a network by storage of energy using batteries with converting means
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
- H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
- H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
- H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other DC sources, e.g. providing buffering
- H02J7/345—Parallel operation in networks using both storage and other DC sources, e.g. providing buffering using capacitors as storage or buffering devices
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Artificial Intelligence (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Software Systems (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
- Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
Abstract
Υβριδικό σύστημα αποθήκευσης ενέργειας (ΣΑΕ) με μπαταρίες ιόντων λιθίου LiB και υπερπυκνωτές SuC, το οποίο συνδυάζει τοπολογία υλοποίησης και online (σε πραγματικό χρόνο) τεχνική ελέγχου, παρακολούθησης και εξισορρόπησης της φόρτισης/εκφόρτισης, και επιτυγχάνει βελτιωμένη δυναμική απόκριση, μεγαλύτερη αξιοπιστία, καλύτερη προστασία της διάρκειας ζωής των αποθηκευτικών μέσων και μεγαλύτερη εκμετάλλευση της ικανότητας αποθήκευσης ενέργειας. Τα παραπάνω επιτυγχάνονται μέσω της εκμετάλλευσης των LiB και SuC στην ισόρροπη διαδικασία φόρτισης/εκφόρτισης, ως μια συνολική διεργασία και από τα δύο μέρη, λαμβάνοντας υπόψη τις λειτουργικές απαιτήσεις σε προστασία της διάρκειας ζωής των LiB και SuC αλληλο-υποστηρικτικά μεταξύ τους ώστε να αυξάνεται η συνολική αξιοπιστία του συστήματος και μέσω του συνδυαστικού ελέγχου των LiB και SuC, ώστε να ενισχύεται η δυναμική συμπεριφορά και η αξιοποίηση των δυνατοτήτων του ΣΑΕ σε αποθήκευση ενέργειας.
Description
Υβριδικό σύστημα αποθήκευσης ενέργειας μπαταριών και υπερπυκνωτών
ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ
Αυτή η εφεύρεση αναφέρεται σε σύστημα αποθήκευσης ενέργειας (ΣΑΕ) όπου ως μέσο αποθήκευσης χρησιμοποιούνται κελιά μπαταριών ιόντων λιθίου και υπερπυκνωτών. Ειδικότερα, η εφεύρεση παρουσιάζει ένα νέο υβριδικό ΣΑΕ που παρέχει βελτιωμένες δυνατότητες ελέγχου, παρακολούθησης και εξισορρόπησης κατά τη διάρκεια της διαδικασίας φόρτισης και εκφόρτισης, και έτσι επιτυγχάνει βελτιωμένη δυναμική απόκριση, μεγαλύτερη αξιοπιστία, καλύτερη προστασία της διάρκειας ζωής του αποθηκευτικού μέσου και μεγαλύτερη εκμετάλλευση της ικανότητας αποθήκευσης ενέργειας.
Τα πεδίο εφαρμογής των ΣΑΕ είναι πολύ ευρύ και αφορούν ανάγκες που σχετίζονται άμεσα με τη διαδικασία παραγωγής της ηλεκτρικής ενέργειας (μείωση των διακυμάνσεων της παραγωγής, κάλυψη αυξημένων απαιτήσεων κατανάλωσης σε ώρες αιχμής, κλπ.), ενεργειακή αυτονομία ηλεκτρικών εγκαταστάσεων (μη-διασυνδεδεμένες στο ηλεκτρικό δίκτυο παραγωγικές μονάδες, ηλεκτρικό αυτοκίνητο, κλπ.), συστήματα εξοικονόμησης ενέργειας (προσωρινή αποθήκευση και στη συνέχεια ανάκτηση της ενέργειας πέδησης σε συστήματα ηλεκτρικής κίνησης) και γενικά διάφορες οικιακές και βιομηχανικές εφαρμογές αυτόνομης λειτουργίας (οικιακές συσκευές, όργανα μέτρησης, εργαλεία, κλπ.). Γι’ αυτό το λόγο έχουν προταθεί διάφορα συστήματα και τεχνικές αποθήκευσης της ηλεκτρικής ενέργειας, είτε με άμεση μετατροπή της σε μια άλλη μορφή ενέργειας (μπαταρίες, υπέρ πυκνωτές, υπεραγώγιμα πηνία, κλπ.), είτε μέσω εναλλαγής της σε μία ή περισσότερες ενδιάμεσες μορφές ενέργειας (σφόνδυλοι, συμπιεστές αέρος, αποταμιευτές νερού, κλπ.).
Η πιο εύχρηστη τεχνική αποθήκευσης και ανάκτησης της ηλεκτρικής ενέργειας είναι μέσω της ηλεκτροχημικής ενέργειας (μπαταρίες) και των ηλεκτροστατικών πεδίων (υπερπυκνωτές). Συγκρίνοντας τα δύο παραπάνω μέσα αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας, το βασικό πλεονέκτημα των μπαταριών είναι η υψηλή πυκνότητα ενέργειας ενώ των υπερπυκνωτών η υψηλή πυκνότητα ισχύος, και αντίστοιχα το μειονέκτημα των μπαταριών είναι ο μικρός αριθμός επαναφορτίσεων και των υπερπυκνωτών το υψηλό κόστος. Συνεπώς, ένα υβριδικό σύστημα με μπαταρίες ιόντων λιθίου (Lithium-ion batteries, LiB) και υπερπυκνωτές (Supercapacitors-SuC) είναι μία ικανοποιητική λύση, όπου οι υπερπυκνωτές θα αντλούν ενέργεια μεγαλύτερης ισχύος ενώ η υπόλοιπη ποσότητα της ηλεκτρικής ενέργειας με μικρότερη ισχύ θα αποθηκεύεται στις μπαταρίες.
Επειδή κάθε κελί των μπαταριών ιόντων λιθίου και υπερπυκνωτών είναι χαμηλής τάσης, για να επιτυγχάνεται η επιθυμητή τάση λειτουργίας συνήθως συγκροτούνται συστοιχίες από πολλά κελιά στη σειρά. Στις περιπτώσεις αυτές, για να επιτυγχάνεται προστασία της διάρκειας ζωής και μεγαλύτερη εκμετάλλευση της αποθηκευτικής ικανότητάς των, πρέπει σε κάθε συστοιχία να υπάρχει ισόρροπη φόρτιση/εκφόρτιση των κελιών καθώς επίσης, πρέπει να αναγνωρίζονται και να απομονώνονται τα προβληματικά κελιά.
Διάφορες τεχνικές έχουν προταθεί στο παρελθόν για την διαχείριση των υβριδικών ΣΑΕ. Στην US 2020287395Α1 της 10 Σεπτεμβρίου 2020, πραγματοποιείται διαχείριση της ενέργειας εισόδου και εξόδου υβριδικού ΣΑΕ με μπαταρίες και υπερπυκνωτές, μέσω ελέγχου του επιπέδου ισχύος. Πιο συγκεκριμένα, κατά την φόρτιση του ΣΑΕ με υψηλό επίπεδο ισχύος δίνεται προτεραιότητα στους υπερπυκνωτές έναντι των μπαταριών, ενώ κατά τη φόρτιση με χαμηλό επίπεδο ισχύος δίνεται προτεραιότητα στις μπαταρίες. Ομοίως, στην περίπτωση της εκφόρτισης, οι υπερπυκνωτές είναι αυτοί που πρώτα παρέχουν την ενέργεια τους, ενώ οι μπαταρίες ακολουθούν. Η παραπάνω τεχνική προσφέρει ένα βασικό σύστημα διαχείρισης της ενέργειας που εισέρχεται/εξέρχεται προς/από το ΣΑΕ, ωστόσο δεν γίνεται ενεργή εξισορρόπηση των μπαταριών και των υπερπυκνωτών.
Στην WO2021000643 A 1 της 7 Ιανουάριου 2021, παρουσιάζεται ένα σύστημα διαχείριση της ενέργειας ΣΑΕ βασισμένο στις μετρήσεις των τάσεων της συστοιχίας μπαταριών και της συστοιχίας υπερπυκνωτών. Ωστόσο, η μέτρηση της τάσης των μπαταριών δεν είναι αξιόπιστη παράμετρος εκτίμησης του επιπέδου φόρτισης τους, και επίσης δεν προτείνεται μέθοδος εξισορρόπησης για καμία από τις δύο συστοιχίες.
Η KR102111412B1, της 15 Μαιου 2020, στοχεύει στον έλεγχο της λειτουργίας ΣΑΕ με τρία μέσα αποθήκευσης (μπαταρίες lead-acid, μπαταρίες lithium-ion και υπερπυκνωτές) ορίζοντας ως κύριο κριτήριο ελέγχου το μέγεθος της διακύμανσης του ρεύματος που εισέρχεται/εξέρχεται προς/από αυτό.
Στην CN110808627A της 18 Φεβρουάριου 2020, παρουσιάζεται μία μεθοδολογία ελέγχου υβριδικού ΣΑΕ όπου οι υπερπυκνωτές διαχειρίζονται την ισχύ με την υψηλότερη διακύμανση, ενώ οι μπαταρίες ενεργοποιούνται στις χαμηλές διακυμάνσεις της ισχύος. Επίσης, προτείνεται μεθοδολογία προστασίας του συνόλου των κελιών μέσω ελέγχου της μέγιστης ισχύος φόρτισης/εκφόρτισης, εντούτοις δεν υλοποιούνται ανεξάρτητα κυκλώματα προστασίας και ελέγχου κάθε κελιού.
Στην CN110797959A της 14 Φεβρουάριου 2020, προτείνεται μία μέθοδος ελέγχου ΣΑΕ με μπαταρίες και υπερπυκνωτές για τη διατήρηση της dc τάσης του κοινού κόμβου σε επιθυμητά επίπεδα, χωρίς ωστόσο να υπάρχει υποσύστημα για την εξισορρόπηση των κελίων.
Επίσης, εκτός από τη διαχείριση της ενέργειας έχουν παρουσιαστεί πολλές τεχνικές εξισορρόπησης κελιών υβριδικών ΣΑΕ. Στη CN109428361A της 5 Μαρτίου 2019, πραγματοποιείται εξισορρόπηση των γειτονικών κελιών μέσω κυκλωμάτων ισχύος που ελέγχονται από ένα σύστημα ασαφούς λογικής βασισμένο στις μετρήσεις των τάσεων των κελιών. Ωστόσο, η εξισορρόπηση γίνεται μόνο ως προς τα γειτονικά κελιά με αποτέλεσμα να μειώνεται η αποτελεσματικότητα της εξισσορόπησης. Η CN206422545U της 30 Νοεμβρίου 2017, παρουσιάζει μία μεθοδολογία εξισορρόπησης προσαρμοσμένη στις μπαταρίες ηλεκτρικών οχημάτων όπου κάθε κελί μπαταρίας είναι συνδεδεμένο με έναν υπερπυκνωτή και η ανταλλαγή ενέργειας γίνεται μέσω κυκλωμάτων ισχύος.
Στην CN 105656142Α της 8 Ιουνίου 2016, παρουσιάζεται ένα σύστημα εξισορρόπησης υβριδικού ΣΑΕ με μπαταρίες και υπερπυκνωτές που επιτρέπει την ανταλλαγή ενέργειας μεταξύ απομακρυσμένων κελιών. Ωστόσο, δεν υπάρχει τεχνική ανίχνευσης προβληματικών κελιών. Επίσης, επειδή στο κύκλωμα ισχύος χρησιμοποιούνται μετασχηματιστές, αυξάνεται ο όγκος του τελικού συστήματος με αποτέλεσμα να δυσκολεύεται η χρήση του σε εφαρμογές με περιορισμένο χώρο (π.χ. ηλεκτρικά οχήματα). Στην CN105322560A της 10 Φεβρουάριου 2016, προτείνεται ένα κύκλωμα εξισορρόπησης κελιών υβριδικού ΣΑΕ με μπαταρίες και υπερπυκνωτές ωστόσο, η ενεργειακή υποστήριξη για την διαδικασία της εξισορρόπησης γίνεται στο σύνολο των κελιών και όχι ανά μεμονωμένο κελί.
Η CN103795123A της 14 Μαΐου 2014, παρουσιάζει ένα αμφίδρομο σύστημα εξισορρόπησης για ΣΑΕ με μπαταρίες και υπερπυκνωτές που πραγματοποιεί επιπλέον προστασία και παρακολούθηση της λειτουργίας του συστήματος. Ωστόσο, η σύνδεση των μπαταριών με τους υπερπυκνωτές γίνεται άμεσα χωρίς κύκλωμα ανύψωσης/υποβιβασμού της τάσης με αποτέλεσμα να απαιτείται οι τάσεις των κελιών μπαταριών να είναι πολύ κοντά στις τάσεις των υπερπυκνωτών ή να χρησιμοποιούνται παραπάνω από ένας υπερπυκνωτής για κάθε κελί μπαταρίας. Επιπλέον, δεν υπάρχει κάποια συσχέτιση της λειτουργίας των υπερπυκνωτών με το φορτίο της εκάστοτε εφαρμογής.
Στην CN103532193A της 22 Ιανουάριου 2014, παρουσιάζεται ένα αμφίδρομο σύστημα εξισορρόπησης για ΣΑΕ με δύο συστοιχίες μπαταριών και μία συστοιχία υπερπυκνωτών. Αυτό το σύστημα συνδέει κάθε κελί της μίας συστοιχίας μπαταριών με ένα ή περισσότερα κελιά υπερπυκνωτών, ενώ η δεύτερη συστοιχία μπαταριών χρησιμοποιείται αποκλειστικά για την διαδικασία εξισορρόπησης. Για να επιτευχθεί η εξισορρόπηση ενός συνδυασμένου κελιού μπαταρίας/υπερπυκνωτών χρησιμοποιείται ένας αμφίδρομος dc/dc μετατροπέας ισχύος που επιτρέπει τη σύνδεση του με τη δεύτερη συστοιχία μπαταριών. Η παραπάνω υλοποίηση απαιτεί ηλεκτρικούς διακόπτες με υψηλή ονομαστική τάση λόγω της άμεσης σύνδεσης του αμφίδρομου μετατροπέα με το σύνολο των μπαταριών της δεύτερης συστοιχίας. Επίσης, δεν παρουσιάστηκε μέθοδος εξισορρόπησης για τη δεύτερη συστοιχία μπαταριών. Η CN103023107A της 3 Απριλίου 2013, παρουσιάζει σύστημα εξισορρόπησης ΣΑΕ με μπαταρίες όπου ως μέσω προσωρινής αποθήκευσης της ενέργειας κατά τη διαδικασία εξισορρόπησης χρησιμοποιείται μόνο ένας υπερπυκνωτής, με αποτέλεσμα να μην είναι αποδοτική η εξισορρόπηση των κελιών των μπαταριών.
Στην US2017214252A1 της 27 Ιουλίου 2017, παρουσιάζεται ένα σύστημα εξισορρόπησης συστοιχίας μπαταριών που υποστηρίζεται από ένα ενδιάμεσο μέσο αποθήκευσης ενέργειας, το οποίο συνδέεται με κάθε μπαταρία της συστοιχίας μέσω απομονωμένου dc/dc μετατροπέα ισχύος. Σε αυτή την τοπολογία, κάθε μπαταρία της συστοιχίας έχει το δικό της μετατροπέα ισχύος με αποτέλεσμα να αυξάνεται το κόστος και η πολυπλοκότητα της υλοποίησης. Η KR101827961B1 της 13 Φεβρουάριου 2018, πραγματοποιεί ένα κύκλωμα εξισορρόπησης των κελιών ενός ΣΑΕ με μπαταρίες και υπερπυκνωτές μέσω flyback μετατροπέα ισχύος με μετασχηματιστή, αυξάνοντας τον όγκο της τελικής εφαρμογής.
Στην CN108110877 της 12 Δεκεμβρίου 2017 παρουσιάζεται το σύστημα μετατροπέων ισχύος για την οδήγηση ενός υβριδικού συστήματος με LiB και SuC για συρμούς που χρησιμοποιούνται σε μετρό, χωρίς ωστόσο η εφεύρεση να αναφέρεται σε εξισορρόπηση των κελιών των μπαταριών. Στην CN 110034611 της 19 Ιουλίου 2019 και στην CN110460075 της 15 Νοεμβρίου 2019 παρουσιάζονται υβριδικά συστήματα αποθήκευσης ενέργειας με LiB και SuC που στοχεύουν στην ομαλοποίηση της υψηλής ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας. Αν και οι παραπάνω εφευρέσεις ενσωματώνουν συστήματα παρακολούθησης της λειτουργίας, δεν αναφέρονται σε τεχνικές εξισορρόπησης των κελιών των μπαταριών. Ακόμη, στην CN 112486020 της 12 Μαρτίου 2021 παρουσιάζεται μια τεχνική προβλεπτικού ελέγχου για υβριδικό σύστημα αποθήκευσης ενέργειας με LiB και SuC που επιτυγχάνει μείωση του μέγιστου ρεύματος λειτουργίας και προστασία της διάρκειας ζωής των μπαταριών. Ωστόσο, η προαναφερθείσα τεχνική δεν επιτυγχάνει εξισορρόπηση των κελιών των μπαταριών.
Στην CN 112721906 της 1 Φεβ. 2021 παρουσιάζεται ένα σύστημα ενεργειακής διαχείρισης για υβριδικό σύστημα αποθήκευσης ενέργειας με LiB και SuC που προστατεύει από υψηλά ρεύματα φόρτισης καθώς και τη διάρκεια ζωής των μπαταριών, χωρίς ωστόσο να επιτυγχάνει εξισορρόπηση των κελιών των μπαταριών. Στην CN113036791 της 25 Ιουνίου 2021, στην CN1 12814834 της 18 Μαίου 2021, και στην ΕΡ1391961 της 25 Φεβ. 2004 παρουσιάζονται υβριδικά συστήματα αποθήκευσης ενέργειας με LiB και SuC προσαρμοσμένα για χρήση σε φωτοβολταϊκά συστήματα, ανεμογεννήτριες και ανελκυστήρες, αντίστοιχα, χωρίς ωστόσο τα παραπάνω συστήματα να ενσωματώνουν τεχνικές εξισορρόπησης των κελιών των LiB.
Επιπροσθέτως, προς την κατεύθυνση αυτή έχουν γίνει πολλές ερευνητικές προσπάθειες και έχουν προταθεί διάφορες τεχνικές ελέγχου οι οποίες επιτυγχάνουν εξισορρόπηση των κελιών. Ειδικότερα, για την εξισορρόπηση των κελιών μπαταρίας έχει παρουσιαστεί μέθοδος που βασίζεται στη σύνδεση παθητικών στοιχείων (αντιστάσεων) παράλληλα σε κάθε κελί (Υ. Zheng, Μ. Ouyang, L. Lu, J. Li, X. Han, and L. Xu, “Online equalization for Lithium-Ion battery packs based on charging cell voltages: Part 2. fuzzy logic equalization”, J. Power Sources, vol. 247, pp.
460-466, Feb. 2014). Επιπλέον, έχει προταθεί παθητική μέθοδος εξισορρόπησης μέσω αντιστάσεων και διακοπτικού στοιχείου για τον έλεγχο της εξισορρόπησης του κάθε κελιού χωριστά (Τ. Stuart and W. Zhu, “Fast equalization for large lithium ion batteries”, IEEE Trans. Aerosp. Electron. System, vol. 24, no. 7, pp. 27-31, July 2009).
Οι ενεργές διατάξεις εξισορρόπησης έχουν απασχολήσει ιδιαίτερα την επιστημονική κοινότητα. Συγκεκριμένα, έχει παρουσιαστεί μέθοδος ελέγχου της εξισορρόπησης κελιών μέσω MOSFET και πυκνωτών που δρουν ως ενδιάμεσο μέσο μεταφοράς της ηλεκτρικής ενέργειας από κελί σε κελί (Υ. Shang, Β. Xia, Fei Lu, C. Zhang, N. Cui, and C. Mi, “A Switched-Coupling-Capacitor Equalizer for Series-Connected Battery Strings”, IEEE Trans. Power Electron ., vol. 32, no. 10 pp. 7694-7706, Dec. 2016). Ακόμα, έχει παρουσιαστεί σύστημα άμεσης εξισορρόπησης γειτονικών κελιών μέσω μετατροπέων ισχύος (Μ. Kauer, S. Narayanaswamy, S. Steinhorst and S. Chakraborty “Rapid Analysis of Active Cell Balancing Circuits”, IEEE Trans. Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems, vol. 36 no. 4, pp. 694-698, Apr. 2017) και τοπολογία ενεργούς εξισορρόπησης όπου ένας μετασχηματιστής λειτουργεί ως ενδιάμεσο μέσο μεταφοράς της ηλεκτρικής ενέργειας μεταξύ των κελιών (Κ.-Μ. Lee, S.-W. Lee, Y.-G. Choi, and B. Kang, “Active Balancing of Li-Ion Batery Cells Using Transformer as Energy Carrier”, IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 64, no. 2, pp. 1251 - 1257, Feb. 2017).
Μία μέθοδος για αύξηση της απόδοσης του συστήματος εξισορρόπησης κελιών μπαταριών ή υπερπυκνωτών έχει παρουσιαστεί στην εργασία Υ. Yuanmao, Κ. W. Ε. Cheng, and Υ. Ρ. Β. Yeung, “Zero-current switching switched-capacitor zero-voltage-gap automatic equalization system for series batery string,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 27, no. 7, pp. 3234-3242, Jul.
2012, ωστόσο η εξισορρόπηση γίνεται μόνο μεταξύ γειτονικών κελιών, με αποτέλεσμα να είναι αργή η διαδικασία. Στην εργασία Τ. Hartley, I. Husain, “A Batery Management System Using an Active Charge Equalization Technique Based on a DC/DC Converter Topology”, IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 49, no. 6, pp. 2720 - 2729, Dec. 2013, παρουσιάζεται ένα σύστημα ενεργής εξισορρόπησης μέσω dc/dc μετατροπέα ισχύος που λειτουργεί μόνο κατά τη διάρκεια της φόρτισης των μπαταριών.
Μια τεχνική για την εξισορρόπηση κελιών μπαταρίας σε εφαρμογές ηλεκτρικής κίνησης που χρησιμοποιεί ένα dc/dc μετατροπέα ισχύος σε συνδυασμό με πίνακα διακοπτών και μία συστοιχία υπερπυκνωτών έχει προταθεί στο άρθρο Ν. Jabbour, Ε. Tsioumas, Ν. Karakasis, and C. Mademlis, “Improved Monitoring and Battery Equalizer Control Scheme for Electric Vehicle Applications”, IEEE. Intern. Conference SDEMPED’2017, Tinos, Greece. Ωστόσο, δεν υπάρχει κύκλωμα εξισορρόπησης για τους υπερπυκνωτές, οι οποίοι δρουν μόνο ως υποβοηθητικό μέσο αποθήκευσης ενέργειας με αποκλειστικό σκοπό την εξισορρόπηση των κελιών μπαταρίας και την υποστήριξη των προβληματικών κελιών. Επίσης, μια τεχνική για την παρακολούθηση και εξισορρόπηση των κελιών ενός υβριδικού ΣΑΕ με μπαταρίες και υπερπυκνωτές για ηλεκτροκινητήρια συστήματα σε κτίρια έχει παρουσιαστεί στο άρθρο Ν. Jabbour, Ε. Tsioumas, Μ. Koseoglou, and C. Mademlis, “Highly Reliable Monitoring and Equalization in a Hybrid Energy Storage System with Bateries and Supercapacitors for Electric Motor”, IEEE Int. Conf. SPEC’2018, Singapore. Ωστόσο, η υποστήριξη στη διαδικασία της εξισορρόπησης γίνεται μέσω μιας backup συστοιχίας υπερπυκνωτών για τους οποίους δεν γίνεται εξισορρόπηση, με αποτέλεσμα να αυξάνεται το κόστος και ο όγκος υλοποίησης του συστήματος.
Αν και οι μέχρι τώρα διατάξεις ελέγχου των ΣΑΕ επιτυγχάνουν να δώσουν ικανοποιητική λύση στο θέμα της ισόρροπης φόρτισης/εκφόρτισης και ανάκτησης της αποθηκευμένης ενέργειας, το πρόβλημα της βέλτιστης εκμετάλλευσης της αποθηκευτικής ικανότητας και προστασίας της ζωής του αποθηκευτικού μέσου αντιμετωπίζεται μονομερώς, είτε για τις μπαταρίες, είτε για τους υπερπυκνωτές. Με άλλα λόγια, δεν υπάρχει ένα υβριδικό σύστημα που θα εκμεταλλεύεται τις δυνατότητες των μπαταριών στην ισόρροπη διαδικασία φόρτισης/εκφόρτισης, ως μια συνολική διεργασία και από τα δύο μέρη, και το οποίο θα λαμβάνει υπόψη τις λειτουργικές απαιτήσεις σε προστασία της διάρκειας ζωής των μπαταριών και υπερπυκνωτών αλληλο-υποστηρικτικά μεταξύ τους, ώστε να αυξάνεται η συνολική αξιοπιστία του συστήματος και μέσω του συνδυαστικού ελέγχου των μπαταριών και των υπερπυκνωτών, να ενισχύεται η δυναμική συμπεριφορά και η αξιοποίηση των δυνατοτήτων του ΣΑΕ σε αποθήκευση ενέργειας.
Η παρούσα εφεύρεση παρουσιάζει ένα νέο υβριδικό ΣΑΕ με μπαταρίες ιόντων λιθίου και υπερπυκνωτές, το οποίο συνδυάζει νέα τοπολογία και online τεχνική ελέγχου για την παρακολούθηση και εξισορρόπηση της φόρτισης/εκφόρτισης, ώστε να επιτυγχάνει βελτιωμένη δυναμική απόκριση, μεγαλύτερη αξιοπιστία, καλύτερη προστασία της διάρκειας ζωής του αποθηκευτικού μέσου και μεγαλύτερη εκμετάλλευση της ικανότητας αποθήκευσης ενέργειας.
Στο Σχήμα 1 παρουσιάζεται το γενικό σχηματικό διάγραμμα του συστήματος της παρούσας εφεύρεσης. Αυτό αποτελείται από τις συστοιχίες των υπερπυκνωτών SuC (3), τις συστοιχίες των μπαταριών ιόντων λιθίου LiB (4), τον dc/dc μετατροπέα ισχύος για τη σύνδεση των υπερπυκνωτών με τον κοινό dc-link κόμβο της εφαρμογής (1), τον dc/dc μετατροπέα ισχύος για τη σύνδεση των μπαταριών ιόντων λιθίου (LiB) με τον κοινό dc-link κόμβο της εφαρμογής (2), τον μετατροπέα ισχύος-πίνακα διακοπτών (ΜΙΠΔ) (5) που αποτελεί το ηλεκτρικό κύκλωμα άμεσης σύνδεσης των SuC και LiB για την επίτευξη της εξισορρόπησης, του ελέγχου και της παρακολούθησης της λειτουργίας των δύο αποθηκευτικών μέσων και το σύστημα ελέγχουπαρακολούθησης- εξισορρόπησης (ΣΕΠΕ) (6) για την επίτευξη της βελτιωμένης λειτουργικής συμπεριφοράς του υβριδικού ΣΑΕ ελέγχοντας την λειτουργία των δύο dc/dc μετατροπέων ισχύος και τη λειτουργία του ΜΙΠΔ.
Στην παρούσα εφεύρεση, ο ρόλος των SuC σε συνδυασμό με το ΜΙΠΔ είναι η αποδοτικότερη υλοποίηση της εξισορρόπησης των κελιών LiB, η βελτίωση της δυναμικής απόκρισης, η αύξηση της αξιοπιστίας και η αξιοποίηση της αποθηκευτικής ικανότητας LiB μέσω του ΣΕΠΕ. Συνεπώς, η δράση των SuC και ΜΙΠΔ είναι κομβική για την καλή λειτουργία του υβριδικού ΣΑΕ, γιατί αναλαμβάνουν μέσω του λειτουργικού ελέγχου των, να βελτιώσουν και να στηρίξουν τη λειτουργία του LiB, που έχει το κύριο βάρος της αποθήκευσης ενέργειας και ουσιαστικά να προσδώσουν στο συνολικό ΣΑΕ τα επιθυμητά βέλτιστα λειτουργικά χαρακτηριστικά. Έτσι, ο βασικός ρόλος του SuC δεν είναι απλά να αποθηκεύει ενέργεια, αλλά κυρίως, να απορροφά τις αιχμές ισχύος σε απότομα μεταβατικά φόρτισης (π.χ. απότομη δυναμική πέδηση ηλεκτροκινητήριου συστήματος). Με αυτό τον τρόπο προστατεύονται οι συστοιχίες LiB, ενισχύεται η δυναμική απόκριση του ΣΑΕ σε απότομη ζήτηση ενέργειας από το φορτίο γιατί μπορεί να παρέχεται μέσω δύο παράλληλων δρόμων (του dc/dc μετατροπέα ισχύος και του ΜΙΠΔ) καθώς επίσης, βελτιώνεται η λειτουργία της εξισορρόπησης των κελιών του LiB. Πιο συγκεκριμένα, το SuC παίζει το ρόλο ενός αποθηκευτικού μέσου δυναμικής χωρητικότητας, είτε για υποβοήθηση της λειτουργίας του LiB είτε για αποθήκευση ενέργειας προς βελτίωση της αποθηκευτικής ικανότητας του ΣΑΕ.
Στο Σχήμα 2 απεικονίζεται το σχηματικό διάγραμμα του ΜΙΠΔ και των κύριων υποσυστημάτων της μεθόδου ελέγχου που λειτουργεί εντός του ΣΕΠΕ. Ο μετατροπέας ισχύος πίνακα διακοπτών (ΜΙΠΔ) (5) υλοποιείται από δύο πίνακες διακοπτών (matrix switches) σε συνδεσμολογία backto-back (9) και (7), οι οποίοι αναλαμβάνουν την εξισορρόπηση των κελιών των LiB (4) και SuC (3), αντίστοιχα, ενώ μεταξύ τους παρεμβάλλεται ένας dc/dc μετατροπέας ισχύος (8), ο οποίος φροντίζει για την κατάλληλη σύνδεση των δύο επιπέδων τάσεων των LiB (4) και SuC (3), καθώς και για τον έλεγχο της ροής ενέργειας για τη βελτίωση της δυναμικής απόκρισης του ΣΑΕ. Ο (9) είναι ο πίνακας διακοπτών (matrix switches) για την εξισορρόπηση των κελιών των LiB (4) και ο (7) είναι ο πίνακας διακοπτών (matrix switches) για την εξισορρόπηση των κελιών των SuC (3).
O dc/dc μετατροπέας ισχύος (8) είναι ένας αμφίδρομος dc/dc μετατροπέας ανύψωσης και υποβιβασμού μισής γέφυρας. Το ΜΙΠΔ (5) συνδέεται με m σε σειρά συνδεδεμένες συστοιχίες παράλληλων SuC (3) και η σε σειρά συνδεδεμένες συστοιχίες παράλληλων LiB (4), όπου πι και η είναι συμβολισμοί που δηλώνουν τον αριθμό των εν σειρά συστοιχιών SuC και LiB κελιών, αντίστοιχα, και κάθε συστοιχία θα μπορεί να αποτελείται από πολλά παράλληλα συνδεδεμένα κελιά. Ο πίνακας διακοπτών SuC (7) αποτελείται από 2 πι ηλεκτρικούς διακόπτες και ο πίνακας διακοπτών LiB (9) αποτελείται από 2 η ηλεκτρικούς διακόπτες. Η μέθοδος ελέγχου, παρακολούθησης και εξισορρόπησης (ΜΕΠΕ) πάνω στην οποία βασίζεται η λειτουργία του ΣΕΠΕ (6) υλοποιείται από τρεις ελεγκτές: τον ελεγκτή πινάκων διακοπτών (ΕΠΔ), τον ελεγκτή εσωτερικού dc/dc μετατροπέα ισχύος (ΕεσΜ) και τον ελεγκτή των δύο εξωτερικών dc/dc μετατροπέων ισχύος (ΕεξΜ). Ο ελεγκτής ΕΠΔ και ο ελεγκτής ΕεσΜ έχουν άμεση συσχέτιση με τον έλεγχο των υποσυστημάτων του ΜΙΠΔ, ενώ ο ΕεξΜ με τον έλεγχο των μετατροπέων ισχύος των SuC (1) και LiB (2).
Στο Σχήμα 3 παρουσιάζεται το βασικό λειτουργικό διάγραμμα του ΣΕΠΕ. Ο έλεγχος του ΜΙΠΔ γίνεται από δύο υποσυστήματα ελέγχου, τον Ελεγκτή Πινάκων Διακοπτών (ΕΠΔ) (10) και τον Ελεγκτή εσωτερικού dc/dc Μετατροπέα (ΕεσΜ) (11), ενώ ο έλεγχος των δύο dc/dc μετατροπέων ισχύος των συνολικών συστοιχιών LiB και SuC γίνεται από τον Ελεγκτή εξωτερικών dc/dc Μετατροπέων ισχύος (ΕεξΜ) (12). Η δομή και οι ειδικότερες λειτουργίες των παραπάνω ελεγκτών δίνονται στη συνέχεια:
α) Ελεγκτής των Πινάκων Διακοπτών (ΕΠΔ) (10): Αφορά τον έλεγχο της λειτουργίας των διακοπτών MOSFETs για την ισόρροπη φόρτιση/εκφόρτιση των κελιών των LiB και SuC. Το σύστημα ελέγχου έχει τις εξής λειτουργίες: παρακολούθηση της λειτουργίας των κελιών, έλεγχος των διακοπτών για την εξισορρόπηση των κελιών, αναγνώριση τυχόν προβληματικών κελιών και επιλογή αν το προβληματικό κελί θα απομονωθεί ή θα συνεχίσει να εντάσσεται στη διαδικασία εξισορρόπησης. Οι δύο πρώτες διαδικασίες (παρακολούθηση και έλεγχος των διακοπτών) πραγματοποιούνται με αλγόριθμο ελέγχου ασαφούς λογικής (15) χρησιμοποιώντας μετρήσεις από αισθητήρια τάσης, ρεύματος και θερμοκρασίας, ώστε αφενός να επιτυγχάνεται η ισόρροπη φόρτιση/εκφόρτιση και αφετέρου να είναι εντός των επιτρεπτών ορίων τάσης, ρεύματος, θερμοκρασίας και κατάσταση φόρτισης (state-of-charge, SOC). Επιπλέον, υπάρχει συνεχής επιτήρηση των μετρήσεων μέσω ενός ελεγκτή νευρωνικού δικτύου (13), ώστε να εξακριβώνεται η περίπτωση λανθασμένων μετρήσεων, είτε λόγω καταστροφής αισθητηρίων είτε λόγω προβλημάτων στο στοιχείο επικοινωνίας. Η αναγνώριση του προβληματικού κελιού γίνεται μέσω μιας διαδικασίας διαγνωστικών ελέγχων που βασίζονται στη σύγκριση της τάσης/ρεύματος/SOC κάθε κελιού με το μοντέλο και τις τάσεις/ρεύματα/SOC των υπολοίπων κελιών της συστοιχίας. Στη συνέχεια, μέσω αλγορίθμων βασισμένων σε συνδυασμό τεχνικών προβλεπτικού και ασαφούς λογικής ελέγχων (14), εξακριβώνεται η επικινδυνότητα του αρχικά διαγνωσμένου προβληματικού κελιού και επιλέγεται, αν πρέπει να συνεχίσει να εντάσσεται στη λειτουργία της συστοιχίας και να εξισορροπηθεί η τάση του ή να παρακαμφθεί ώστε να προστατευτούν τα υπόλοιπα κελιά. Στην περίπτωση που ένα κελί επιλεγεί να παρακαμφθεί, πραγματοποιούνται συνεχείς επανέλεγχοι και επιβάλλεται μια διαδικασία θεραπείας μέσω ενός βοηθητικού ελεγκτή νευρωνικού δικτύου (16) όπου εφαρμόζονται δοκιμαστικές φορτίσεις/εκφορτίσεις με μικρές τάσεις και ρεύματα, επιδιώκοντας ενδεχόμενη βελτίωση της συμπεριφοράς του, ώστε να μπορεί να επανενταχθεί στη συστοιχία.
β) Ελεγκτής εσωτερικού dc/dc Μετατροπέα ισχύος (ΕεσΜ) (11): Αφορά τον έλεγχο του dc/dc μετατροπέα ισχύος του ΜΙΠΔ για την κατάλληλη ρύθμιση των τάσεων από τις δύο πλευρές του. Επίσης, σε συνδυασμό με τον έλεγχο των δύο εξωτερικών dc/dc μετατροπέων ισχύος (ΕεξΜ) και ανάλογα με τις συνθήκες λειτουργίας του ΣΑΕ και τις απαιτήσεις της εφαρμογής, ο ΕεσΜ ρυθμίζει τη ροή ενέργειας από την μια πλευρά του dc/dc μετατροπέα του ΜΙΠΔ προς τη άλλη (δηλ. ροή ενέργειας από την πλευρά του SuC προς το LiB ή αντίστροφα). Με αυτόν τον τρόπο, επιτυγχάνεται υποβοήθηση στην εξισορρόπηση των κελιών του LiB, βελτίωση της δυναμικής απόκρισης του ΣΑΕ σε απότομη ζήτηση ενέργειας από το φορτίο, αποδοτικότερος έλεγχος του ΣΑΕ και συνεπώς αύξηση της αξιοπιστίας του και καλύτερη αξιοποίηση της αποθηκευτικής του ικανότητας. Η τεχνική ελέγχου που εφαρμόζεται είναι συνδυασμός προβλεπτικού και ασαφούς λογικής ελέγχου (17), ενώ η ρύθμιση των κερδών των ελεγκτών γίνεται συνεχώς και αυτόματα μέσω ενός συστήματος ANFIS (Adaptive neuro fuzzy inference system).
γ) Ελεγκτής των δύο εξωτερικών dc/dc Μετατροπέων ισχύος (ΕεξΜ) (12): Αφορά το συνδυαστικό έλεγχο της λειτουργίας των δύο dc/dc μετατροπέων ισχύος των συνολικών συστοιχιών των LiB και SuC (Σχήμα 1). Ειδικότερα, ελέγχεται η λειτουργία του dc/dc μετατροπέα ισχύος του SuC (20), ώστε να απορροφά τις αιχμές ισχύος φόρτισης και να προσφέρει ενέργεια (υποβοηθητικά στο LiB) σε περίπτωση απότομη ζήτησης από το φορτίο. Με αυτόν τον τρόπο και συνδυαστικά με τον ΕεσΜ (11) συμβάλλει στη βελτίωση της δυναμικής συμπεριφοράς, αξιοπιστίας και αξιοποίησης της αποθηκευτικής ικανότητας του ΣΑΕ. Η λειτουργία του dc/dc μετατροπέα ισχύος του LiB έχει ως στόχο τη διατήρηση των επιθυμητών επιπέδων τάσης στις δύο πλευρές του, δηλ. της τάσης εξόδου Vdc του ΣΑΕ (Σχήμα 1) και της τάσης εισόδου του LiB (19). Συνεπώς, το ΕεξΜ αποτελείται από δύο επίπεδα ελέγχου, το βασικό που φροντίζει τον έλεγχο των δύο dc/dc μετατροπέων ισχύος το οποίο αποτελείται από τα (19) και (20) και ενός εποπτικού ελεγκτή (18) που ρυθμίζει το συνδυαστικό έλεγχο των δύο μετατροπέων ισχύος του βασικού επιπέδου. Το βασικό επίπεδο ελέγχου που αποτελείται από τα (19) και (20) υλοποιείται με αλγορίθμους ασαφούς λογικής και ο εποπτικός έλεγχος γίνεται με αλγόριθμο προβλεπτικού ελέγχου μέσω του ελεγκτή (18). Τα κέρδη των ελεγκτών (18), (19) και (20) ρυθμίζονται συνεχώς και αυτόματα μέσω ενός συστήματος ANFIS.
Στα Σχήματα 4(α) και (β) παρουσιάζεται η απόκριση του υβριδικού ΣΑΕ της παρούσας εφεύρεσης για ένα σενάριο λειτουργίας όπου μία συστοιχία των εν σειρά συνδεδεμένων LiB παρουσιάζει μικρότερο SOC σε σχέση με τις υπόλοιπες συστοιχίες LiB (πολύ κοντά στο ελάχιστο επιτρεπτό όριο) και το φορτίο της εφαρμογής αντλεί ενέργεια από το ΣΑΕ. Η μέθοδος ελέγχου, παρακολούθησης και εξισορρόπησης του ΚΕΠΕ επιτυγχάνει την ενίσχυση της συστοιχίας με το μικρότερο SOC μέσω του ΜΙΠΔ και των συστοιχιών υπερπυκνωτών, και έτσι το φορτίο αντλεί ενέργεια από το ΣΑΕ για το σύνολο του χρονικού διαστήματος. Σε αντίθετη περίπτωση, δηλαδή χωρίς το σύστημα της παρούσας εφεύρεσης, θα έπρεπε το κύκλωμα ελέγχου του ΣΑΕ να αποσυνδέσει τις συστοιχίες για να προστατέψει τη ζωή των μπαταριών.
Claims (10)
1. Σύστημα αποθήκευσης ενέργειας (ΣΑΕ) με μπαταρίες ιόντων λιθίου (LiB) και υπερπυκνωτές (SuC), όπως παρουσιάζεται στην κυκλωματική τοπολογία των Σχημάτων 1 και 2, το οποίο παρέχει βελτιωμένη δυναμική απόκριση, μέγιστη αξιοπιστία, προστασία της διάρκειας ζωής του αποθηκευτικού μέσου, μέγιστη εκμετάλλευση της ικανότητας αποθήκευσης ενέργειας και το οποίο περιλαμβάνει τα εξής,:
i. συστοιχίες υπερπυκνωτών (SuC) (3) και συστοιχίες μπαταριών ιόντων λιθίου (LiB) (4),
ii. ένα dc/dc μετατροπέα ισχύος για τη σύνδεση των συστοιχιών SuC με το dc-link (dc-δίαυλο) της εκάστοτε εφαρμογής (1),
iii. ένα dc/dc μετατροπέα ισχύος για τη σύνδεση των συστοιχιών LiB με το dc-link (dc-δίαυλο) της εκάστοτε εφαρμογής (2),
ϊν. ένα μετατροπέα ισχύος/πίνακα διακοπτών (ΜΙΠΔ) (5) που αποτελείται από ένα πίνακα διακοπτών των SuC (7), ένα πίνακα διακοπτών των LiB (9) και ένα dc/dc μετατροπέα ισχύος (8) που συνδέεται στο dc-link (dc-δίαυλο) του πίνακα διακοπτών των SuC (7) και στο dc-link (dc-δίαυλο) του πίνακα διακοπτών των LiB (9), για την επίτευξη της εξισορρόπησης, ελέγχου και παρακολούθησης των δύο αποθηκευτικών μέσων,
ν. σύστημα ελέγχου, παρακολούθησης και εξισορρόπησης (ΣΕΠΕ) (6) το οποίο αποτελείται από τρεις ελεγκτές που σύμφωνα με τη μέθοδο ελέγχου παρακολούθησης και εξισορρόπησης (ΜΕΠΕ) (Σχήμα 3) ανταλλάσσει δεδομένα με τα μετρητικά στοιχεία και δίνει της εντολές ελέγχου στους δύο dc/dc μετατροπείς ισχύος (1), (2) και στο ΜΙΠΔ (5).
2. Μέθοδος ελέγχου, παρακολούθησης και εξισορρόπησης (ΜΕΠΕ) συστήματος αποθήκευσης ενέργειας (ΣΑΕ) με μπαταρίες ιόντων λιθίου (LiB) και υπερπυκνωτές (SuC), όπως παρουσιάζεται στο λειτουργικό διάγραμμα του Σχήματος 3 το οποίο υλοποιείται με την κυκλωματική τοπολογία των Σχημάτων 1 και 2 σύμφωνα με την αξίωση 1, ώστε να παρέχει βελτιωμένη δυναμική απόκριση, μέγιστη αξιοπιστία, προστασία της διάρκειας ζωής του αποθηκευτικού μέσου, μέγιστη εκμετάλλευση της ικανότητας αποθήκευσης ενέργειας και η οποία περιλαμβάνει τα εξής:
I. ελεγκτή πινάκων διακοπτών (ΕΠΔ) (10) που ελέγχει την λειτουργία των διακοπτών MOSFETs για την ισόρροπη φόρτιση/εκφόρτιση των κελιών των LiB και SuC,
II. ελεγκτή εσωτερικού dc/dc μετατροπέα ισχύος (ΕεσΜ) (11) που ελέγχει το dc/dc μετατροπέα ισχύος του ΜΙΠΔ (8) για την κατάλληλη ρύθμιση των τάσεων από τις δύο πλευρές του, και
III. ελεγκτή των δύο εξωτερικών dc/dc μετατροπέων ισχύος (ΕεξΜ) (12) που ελέγχει συνδυαστικά τους δύο dc/dc μετατροπείς ισχύος των συνολικών συστοιχιών των LiB και SuC (1) και (2), αντίστοιχα.
3. Σύμφωνα με την αξίωση 1, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι ο πίνακας διακοπτών SuC (7) αποτελείται από 2m ηλεκτρικούς διακόπτες, όπου m είναι ο αριθμός των εν σειρά συνδεδεμένων παράλληλων συστοιχιών SuC που συνδέονται με αυτόν.
4. Σύμφωνα με την αξίωση 1, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι ο πίνακας διακοπτών LiB (9) αποτελείται από 2η ηλεκτρικούς διακόπτες, όπου η είναι ο αριθμός των εν σειρά συνδεδεμένων παράλληλων συστοιχιών LiB που συνδέονται με αυτόν.
5. Σύμφωνα με την αξίωση 1, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι ο dc/dc μετατροπέας ισχύος του ΜΙΠΔ (8) είναι ένας αμφίδρομος dc/dc μετατροπέας ανύψωσης και υποβιβασμού τάσης μισής γέφυρας που συνδέεται στο dc-link (dc-δίαυλο) του πίνακα διακοπτών των SuC (7) και στο dc-link (dc-δίαυλο) του πίνακα διακοπτών των LiB (9).
6. Σύμφωνα με την αξίωση 2, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι ο ελεγκτής πινάκων διακοπτών (ΕΠΔ) (10) της μεθόδου ελέγχου, παρακολούθησης και εξισορρόπησης (ΜΕΠΕ) αποτελείται από έναν ελεγκτή (15) που υλοποιείται με τεχνική ασαφούς λογικής και ο οποίος παρακολουθεί την κατάσταση λειτουργίας των κελιών (τάση, ρεύμα, θερμοκρασία και SOC) και ελέγχει τους διακόπτες του ΜΙΠΔ (5), έναν ελεγκτή (13) που υλοποιείται με τεχνική νευρωνικών δικτύων ο οποίος εξακριβώνει την περίπτωση λανθασμένων μετρήσεων, είτε λόγω καταστροφής αισθητηρίων είτε λόγω προβλημάτων στο στοιχείο επικοινωνίας, έναν ελεγκτή (14) που υλοποιείται με συνδυασμό τεχνικών προβλεπτικής και ασαφούς λογικής για την εξακρίβωση της επικινδυνότητας του αρχικά διαγνωσμένου προβληματικού κελιού και έναν ελεγκτή που υλοποιείται με τεχνική ασαφούς λογικής (16) και επιλέγει αν πρέπει το κάθε προβληματικό κελί να συνεχίσει να εντάσσεται στη λειτουργία της συστοιχίας ή να παρακαμφθεί ώστε να προστατευτούν τα υπόλοιπα κελιά .
7. Σύμφωνα με τις αξιώσεις 2 και 6, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι ο ελεγκτής εσωτερικού dc/dc μετατροπέα ισχύος (ΕεσΜ) (11) αποτελείται από έναν ελεγκτή (17) που υλοποιείται με συνδυασμό τεχνικών προβλεπτικής και ασαφούς λογικής, ο οποίος ρυθμίζει τη ροή της ενέργειας από την πλευρά του SuC προς το LiB ή αντίστροφα επιτυγχάνοντας υποβοήθηση στην εξισορρόπηση των κελιών του LiB, βελτίωση της δυναμικής απόκριση του ΣΑΕ σε απότομη ζήτηση ενέργειας από το φορτίο, αποδοτικότερος έλεγχος του ΣΑΕ και συνεπώς αύξηση της αξιοπιστίας του και καλύτερη αξιοποίηση της αποθηκευτικής του ικανότητας
8. Σύμφωνα με τις αξιώσεις 2 και 7, οι οποίες χαρακτηρίζονται από το ότι η ρύθμιση των κερδών του ελεγκτή (17) γίνεται συνεχώς και αυτόματα μέσω ενός συστήματος ANFIS (Adaptive neuro fuzzy inference system).
9. Σύμφωνα με την αξίωση 2, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι ο ελεγκτής των δύο εξωτερικών dc/dc μετατροπέων ισχύος (ΕεξΜ) (12) αποτελείται από έναν ελεγκτή (20) που υλοποιείται με τεχνική ασαφούς λογικής και ελέγχει τη λειτουργία του dc/dc μετατροπέα ισχύος του SuC ώστε να απορροφά τις αιχμές ισχύος φόρτισης και να προσφέρει ενέργεια (υποβοηθητικά στο LiB) σε περίπτωση απότομης ζήτησης από το φορτίο, έναν ελεγκτή (19) που υλοποιείται με τεχνική ασαφούς λογικής και ελέ του LiB ώστε να διατηρούνται τα επιθυμητά επ τάσης εξόδου Vdcτου ΣΑΕ και της τάσης εισόδο υλοποιείται με τεχνική προβλεπτικού ελέγχου ελεγκτών (20) και (19) των δύο dc/dc μετατροπέω
10. Σύμφωνα με τις αξιώσεις 2 και 9, οι οπο κερδών των ελεγκτών (18), (19) και (20) γίνεται ANFIS (Adaptive neuro fuzzy inference system).
γχει τη λειτουργία του dc/dc μετατροπέα ισχύος ίπεδα τάσης στις δύο πλευρές του, δηλαδή της υ του LiB, και έναν εποπτικό ελεγκτή (18) που ο οποίος ρυθμίζει το συνδυαστικό έλεγχο των ν ισχύος.
ίες χαρακτηρίζονται από το ότι η ρύθμιση των ι συνεχώς και αυτόματα μέσω ενός συστήματος
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GR20210100608A GR1010317B (el) | 2021-09-15 | 2021-09-15 | Υβριδικο συστημα αποθηκευσης ενεργειας μπαταριων και υπερπυκνωτων |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GR20210100608A GR1010317B (el) | 2021-09-15 | 2021-09-15 | Υβριδικο συστημα αποθηκευσης ενεργειας μπαταριων και υπερπυκνωτων |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| GR1010317B true GR1010317B (el) | 2022-10-05 |
Family
ID=84442529
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| GR20210100608A GR1010317B (el) | 2021-09-15 | 2021-09-15 | Υβριδικο συστημα αποθηκευσης ενεργειας μπαταριων και υπερπυκνωτων |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| GR (1) | GR1010317B (el) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GR1010495B (el) * | 2022-11-04 | 2023-06-21 | Βασιλειος Ιωαννη Στενος | Η επινοηση της αρχης για την αποθηκευση της πλεοναζουσας ενεργειας απο τις ανεμογεννητριες ή καθε ειδους κατασκευης που χρειαζεται αποθηκευση στηριζεται στα accumulators, σε διαφορες ποσοτητες και τεμαχια σε οτιδηποτε υγρο που μπορει να διογκωθει ή και αερα |
| EP4459831A1 (en) | 2023-04-12 | 2024-11-06 | Aristotle University of Thessaloniki - Elke | Method for equalization current regulation and energy support of battery cells |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2016209378A2 (en) * | 2015-05-06 | 2016-12-29 | The Regents Of The University Of Michigan | Hybrid energy storage |
| CN111976538A (zh) * | 2019-12-27 | 2020-11-24 | 中北大学 | 一种车载复合电源系统的均衡结构及其均衡方法 |
-
2021
- 2021-09-15 GR GR20210100608A patent/GR1010317B/el active IP Right Grant
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2016209378A2 (en) * | 2015-05-06 | 2016-12-29 | The Regents Of The University Of Michigan | Hybrid energy storage |
| CN111976538A (zh) * | 2019-12-27 | 2020-11-24 | 中北大学 | 一种车载复合电源系统的均衡结构及其均衡方法 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GR1010495B (el) * | 2022-11-04 | 2023-06-21 | Βασιλειος Ιωαννη Στενος | Η επινοηση της αρχης για την αποθηκευση της πλεοναζουσας ενεργειας απο τις ανεμογεννητριες ή καθε ειδους κατασκευης που χρειαζεται αποθηκευση στηριζεται στα accumulators, σε διαφορες ποσοτητες και τεμαχια σε οτιδηποτε υγρο που μπορει να διογκωθει ή και αερα |
| EP4459831A1 (en) | 2023-04-12 | 2024-11-06 | Aristotle University of Thessaloniki - Elke | Method for equalization current regulation and energy support of battery cells |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6797948B2 (ja) | 動的に再構成可能なエネルギー貯蔵装置を作り出す方法および装置 | |
| US7282814B2 (en) | Battery controller and method for controlling a battery | |
| CN103094631B (zh) | 蓄电系统 | |
| US8482155B2 (en) | Power converting device for renewable energy storage system | |
| US8907522B2 (en) | Grid-connected power storage system and method for controlling grid-connected power storage system | |
| KR100879762B1 (ko) | 전원장치와 분산형 전원시스템 및 이것을 탑재한 전기자동차 | |
| JP5051264B2 (ja) | 電池電圧監視装置 | |
| Duraisamy et al. | Active cell balancing for electric vehicle battery management system | |
| US20130328397A1 (en) | Energy storage system | |
| Guerrero et al. | Supercapacitors: Alternative energy storage systems | |
| Guerrero et al. | Overview of medium scale energy storage systems | |
| Yildirim et al. | Evaluation and comparison of battery cell balancing methods | |
| Li et al. | Power electronics integration on battery cells | |
| GR1010317B (el) | Υβριδικο συστημα αποθηκευσης ενεργειας μπαταριων και υπερπυκνωτων | |
| CN112910026A (zh) | 一种考虑分布式储能系统电池组均衡性的储能电池充放电方法 | |
| Ganesha et al. | Analysis and implementation of inductor based active battery cell balancing topology | |
| JP5503957B2 (ja) | 車両用電源装置 | |
| JP7406933B2 (ja) | 蓄電システム | |
| Ketzer et al. | Evaluating circuit topologies for battery charge equalization | |
| Zare et al. | Smart Battery Cells for Maximum Utilization in Power Electronics Dominated Grids | |
| CN109274149B (zh) | 电能量交换设备、电池装置及电池维护系统 | |
| Amanor-Boadu et al. | A universal fast battery charging and management solution for stand-alone solar photovoltaic home systems in sub-saharan africa | |
| Abareshi et al. | Fast active balancing circuit for Li-ion battery modules using a DC-DC bipolar converter | |
| KR101599962B1 (ko) | 에너지 저장 시스템 | |
| Tashakor et al. | An improved modular charge equalization structure for series cascaded battery |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PG | Patent granted |
Effective date: 20221109 |