基于储能器件的在线式后备直流电源及其控制方法与流程

本发明涉及直流电源领域，特别涉及基于储能器件的在线式后备直流电源及其控制方法。

背景技术：

1、在一些对供电系统有超低纹波和超低电磁干扰(electromagneticinterference，emi)要求；同时要求具备一定备电时长及可以随时快充的应用场景中，例如，医疗设备、精密加工系统、精密仪器、高级音响等设备的快充应用场景中。目前的这类设备稳压系统前的前级系统一般采用r型变压器、整流、电解电容/固态电容滤波、锂电池/超级电容器组建而成。存在的问题是：1、超级电容器的能量密度太小，备电时长一般只满足秒级备电的要求；2、锂电池不允许长期浮充，为了保障锂电池的性能和寿命需要设计专门的充电系统，这类充电系统需要采用dc-dc转换，带来额外的emi；3、锂电池的充电速度达不到某些设备例如aed的及时使用要求；4、锂电池本身存在低温功率性差、安全性差的问题。

2、因此，需要提供基于储能器件的在线式后备直流电源及其控制方法，用于在不引入额外的电磁干扰的前提下，提供充足的后备能量。

技术实现思路

1、本发明提供基于储能器件的在线式后备直流电源，包括前级电路、控制器及后级电路，其中，所述前级电路用于将交流电转换为直流电；所述后级电路的输入端与所述前级电路的输出端电性连接，所述后级电路包括锂离子电容器、充电参数调整单元、端电压采样模块、电流采样模块及过放电控制单元，其中，所述端电压采样模块用于采集所述锂离子电容器的端电压，所述电流采样模块用于采集所述锂离子电容器的充电电流，所述放电控制单元用于对所述锂离子电容器进行过放电控制，负载通过母线与所述充电参数调整单元的输出端电性连接，所述锂离子电容器跨接在所述母线的正负极；所述控制器用于基于所述端电压采样模块采集的所述锂离子电容器的端电压和所述电流采样模块采集的所述锂离子电容器的充电电流，控制所述充电参数调整单元调整所述母线的电流及电压。

2、进一步地，所述充电参数调整单元包括第一电阻、第一电容、第三电阻、第六电阻及pmos管，所述第三电阻的一端与所述pmos管的栅极电性连接，所述pmos管的源极与所述前级电路的输出端的正极电性连接，所述pmos管的漏极与所述锂离子电容器的正极电性连接，所述第三电阻的另一端与所述第六电阻的一端电性连接，所述第六电阻的另一端接地，所述控制器的充电控制端与所述第三电阻和所述第六电阻的连接节点电性连接，所述第一电阻的一端与所述pmos管的源极电性连接，所述第一电阻的另一端与所述第一电容的一端电性连接，所述第一电容的另一端与所述pmos管的漏极电性连接。

3、进一步地，所述放电控制单元包括第四电阻、第八电阻、第七电阻、第九电阻、第五电阻、稳压器、pnp管、第十电阻、第二二极管及nmos管，所述第四电阻的一端与所述锂离子电容器的正极电性连接，所述第四电阻的另一端与所述第八电阻的一端电性连接，所述第八电阻的另一端接地，所述第四电阻与所述第八电阻之间的连接节点与所述第七电阻的一端电性连接，所述第七电阻的另一端与所述第九电阻的一端电性连接，所述第九电阻的另一端接地，所述第七电阻与所述第九电阻的连接节点与所述稳压器的参考极电性连接，稳压器的阳极接地，所述稳压器的阴极与所述第五电阻的一端电性连接，所述第五电阻的另一端与所述第七电阻远离所述第九电阻的一端电性连接，所述nmos管的发射极与所述第五电阻远离所述稳压器的一端电性连接，所述nmos管的基极和所述第五电阻与所述稳压器之间的连接节点电性连接，所述nmos管的集电极与所述nmos管的栅极电性连接，所述nmos管的漏极与所述前级电路的输出端的负极电性连接，所述nmos管的源极与负载电性连接，所述第十电阻的一端与所述pnp管的集电极电性连接，所述第十电阻的另一端接地，所述第二二极管的正极与所述pnp管的集电极电性连接，所述第二二极管的负极接地。

4、本发明提供基于储能器件的在线式后备直流电源的控制方法，应用于上述的基于储能器件的在线式后备直流电源，包括：获取所述前级电路的结构信息；获取所述基于储能器件的在线式后备直流电源的工作环境信息；基于所述前级电路的结构信息和所述工作环境信息，确定电流约束阈值；获取所述锂离子电容器的结构信息；基于所述锂离子电容器的结构信息和所述工作环境信息，确定最大电压约束阈值及最小电压约束阈值；采集所述锂离子电容器的当前端电压；当所述锂离子电容器的当前端电压小于所述最小电压约束阈值时，基于所述电流约束阈值、所述最大电压约束阈值及所述最小电压约束阈值，确定所述锂离子电容器的第一充电方案；所述控制器基于所述第一充电方案，控制所述充电参数调整单元调整所述母线的电流及电压，对所述锂离子电容器进行充电；当所述锂离子电容器的当前端电压大于或等于所述最小电压约束阈值时，基于所述电流约束阈值及所述最大电压约束阈值，确定所述锂离子电容器的第二充电方案；所述控制器基于所述第二充电方案，控制所述充电参数调整单元调整所述母线的电流及电压，对所述锂离子电容器和负载进行充电。

5、进一步地，基于所述前级电路的结构信息和所述工作环境信息，确定电流约束阈值，包括：建立第一样本数据库，其中，所述第一样本数据库用于存储多个样本前级电路的电路拓扑结构及在不同样本工作环境下的电流约束阈值；对于任意两个所述样本前级电路，计算两个所述样本前级电路的电路拓扑结构之间的第一结构相似度；基于任意两个所述样本前级电路之间的第一结构相似度，对所述多个样本前级电路进行聚类，确定多个样本前级电路聚类簇；基于所述前级电路的结构信息，确定所述前级电路对应的电路拓扑结构；对每个所述样本前级电路聚类簇，计算所述前级电路的结构信息和所述样本前级电路聚类簇的聚类中心的电路拓扑结构之间的第二结构相似度；基于每个所述样本前级电路聚类簇对应的第二结构相似度，从所述多个样本前级电路聚类簇中确定至少一个目标样本前级电路聚类簇；对于所述目标样本前级电路聚类簇包括的每个样本前级电路，计算所述前级电路的结构信息和所述样本前级电路的电路拓扑结构之间的第三结构相似度；基于所述目标样本前级电路聚类簇包括的每个样本前级电路对应的第三结构相似度，确定至少一个目标样本前级电路；基于每个所述目标样本前级电路在不同样本工作环境下的电流约束阈值，确定所述前级电路对应的电流约束阈值。

6、进一步地，获取样本前级电路在样本工作环境下的电流约束阈值，包括：获取所述样本前级电路在样本工作环境下的多个测试时间段的输出电流；对于每个所述测试时间段，基于所述样本前级电路在所述测试时间段包括的多个测试时间点的输出电流，确定所述测试时间段的电流波动参数，当所述测试时间段对应的电流波动参数小于电流波动参数阈值时，将所述测试时间段作为目标时间段；基于所述样本前级电路在所述目标时间段的输出电流，确定所述样本前级电路在样本工作环境下的电流约束阈值。

7、进一步地，基于所述锂离子电容器的结构信息和所述工作环境信息，确定最大电压约束阈值及最小电压约束阈值，包括：建立电压约束预测模型；通过所述电压约束预测模型，基于所述锂离子电容器的结构信息和所述工作环境信息，确定所述最大电压约束阈值及所述最小电压约束阈值。

8、进一步地，基于所述电流约束阈值、所述最大电压约束阈值及所述最小电压约束阈值，确定所述锂离子电容器的第一充电方案，包括；通过第一方案生成模型基于所述电流约束阈值、所述最大电压约束阈值及所述最小电压约束阈值，确定多种候选第一充电方案；建立方案筛选体系；基于所述方案筛选体系，对所述多种候选第一充电方案进行筛选，确定所述锂离子电容器的第一充电方案，其中，所述第一充电方案包括在多个第一充电时间点的mos管的栅极电压。

9、进一步地，该方法还包括：基于所述锂离子电容器的第一充电方案及所述工作环境信息，预测所述锂离子电容器的温度变化曲线；所述控制器基于所述第一充电方案，控制所述充电参数调整单元调整所述母线的电流及电压，对所述锂离子电容器进行充电的过程中，获取所述锂离子电容器的实时温度信息；基于所述锂离子电容器的实时温度信息和预测的所述锂离子电容器的温度变化曲线，判断是否对所述第一充电方案进行调整。

10、进一步地，基于所述电流约束阈值及所述最大电压约束阈值，确定所述锂离子电容器的第二充电方案，包括：获取所述负载的最优充电参数；通过第二方案生成模型基于所述负载的最优充电参数、所述电流约束阈值及所述最大电压约束阈值，确定所述锂离子电容器的第二充电方案。

11、相比于现有技术，本发明提供的基于储能器件的在线式后备直流电源及其控制方法，至少具备以下有益效果：

12、1、基于储能器件的在线式后备直流电源上电时，首先检测锂离子电容器的端电压是否低于最小电压约束阈值，如果低于最小电压约束阈值，则系统关闭对外输出，只进行锂离子电容器充电，以防止锂离子电容器过放电损坏及确保有一定的备电。如果锂离子电容器的电压超过最小电压约束阈值，则系统对外输出电力，即对负载进行充电，此时锂离子电容器被模拟成一个超大容量的电解电容，跨接在供电母线的正负端，起到滤波及在线备电作用。并且由于锂离子电容器可以用非常大的电流充电并且能量密度远远高于电解电容及超级电容器，如果不进行限流，则可能会损坏前级的电路，系统设置输出电流不大于电流约束阈值，确保前级电路不被损坏，从而使得系统能在输出电力的同时将锂离子电容器充满电。同时，对锂离子电容器的端电压进行检测控制，防止锂离子电容器过压损坏，当锂离子电容器的端电压达到最大电压约束阈值时，则母线的输出电压会限制在最大电压约束阈值。当前级电路供电断电，则由锂离子电容器直接提供备电，因为锂离子电容器直接跨接在母线正负极和前级电路一起向负载供电，因此消除了备电切换的延时，同时系统监控锂离子电容器的电压，当锂离子电容器的电压低于最小电压约束阈值时，nmos管m2会自动断开，停止对负载的供电，全部电路均无开关电路，因此不引入任何额外的电磁干扰。

13、2、结合前级电路的结构信息和工作环境信息，确定准确的电流约束阈值，并且，基于锂离子电容器的结构信息和工作环境信息，确定最大电压约束阈值及最小电压约束阈值，在此基础之上确定第一充电方案和第二充电方案，实现对基于储能器件的在线式后备直流电源充放电的自动化控制，提高了基于储能器件的在线式后备直流电源的充电效率及安全性。