一种复合电源能量控制系统及方法与流程

本发明属于复合电源，具体涉及一种复合电源能量控制系统及方法。

背景技术：

1、随着“双碳”目标推进以及电力电子技术快速发展，零排放、低噪声、高能效的动力系统得到广泛的关注，在电动汽车、电动船以及光伏、风能等新能源供电领域，复合电源能量控制已称为绿色、节能环保的关键技术。

2、在船舶动力技术领域，以锂电池为船舶主电源或推进动力的船舶逐步得到应用。目前电动船上储能系统大多采用蓄电池，在航行时，单一电源电动船无法同时兼顾对能量密度和功率密度的双重需求，而且频繁的负载波动，会使蓄电池受到瞬时大电流的冲击，对电池造成不可逆的损害，电池寿命缩短，电动船的动力性能和续航里程均无法得到保障。因此一般采用超级电容和蓄电池复合电源供电方式。

3、逻辑门限控制策略是传统复合电源最早出现的能量控制策略，具有控制简单、运算量少的优势。其基本思想是通过制定电机制动、驱动时需求功率的门限值以及超级电容soc(state of charge)的上下限值，并依据门限值在负载用电时对复合电源的能量进行合理的分配。但这种控制策略过于简单，对电机需求功率上下限值限制较为硬性，仍会出现电机需求功率剧烈波动，使蓄电池受到大电流的冲击，影响其使用寿命，有时还会出现安全隐患。

技术实现思路

1、针对以上问题，本发明设计了一种复合电源能量控制方法，通过引入滤波思想，将传统的逻辑硬控制改变为渐变缓冲控制，更加符合蓄电池的理想充放电曲线，有利于提高电源系统的稳定性，从而延长其使用寿命，进一步的还有利于避免大电流冲击、提高供电系统的安全性。

2、本发明设计的一种复合电源能量控制方法，对于至少包括超级电容、蓄电池、双向dc/dc(直流-直流)变换器的复合电源系统，所述超级电容与双向dc/dc变换器直接串联，经双向dc/dc变换器升压后与蓄电池并联再接入直流母线，给负载如电动机供电；其特征在于，所述能量控制方法包括基于滤波思想的逻辑门限控制方法，用于协调复合电源系统中蓄电池和超级电容的工作模式来实现两种储能元件之间功率的合理分配，当负载有大功率供电需求时，蓄电池按照滤波后的功率控制曲线向负载供电，不足部分由超级电容提供；当有高能量再生能源(已转化为电能形式)需要回收时，回馈功率经滤波后给蓄电池充电，剩余功率由超级电容吸收；其他不影响设备充放电性能的控制策略仍然是基于传统的逻辑门限硬控制策略，所述复合电源能量控制方法用于协调复合电源系统中蓄电池和超级电容的工作模式，进而实现两种储能元件之间功率的合理分配和理想的充放电过程。

3、进一步的，所述方法的控制逻辑包括：

4、当负载需求功率preq＞0，即负载处于驱动状态时：

5、当负载需求功率preq小于负载需求功率门限值pave_p时，此时负载的需求功率较小，超级电容不参与工作，蓄电池单独提供负载的需求功率，此时蓄电池提供功率pbat＝preq；

6、当电机需求功率preq大于等于电机需求功率门限值pave_p时，即负载有应急大功率需求，此时再看超级电容的荷电状态，若超级电容荷电状态(state of charge，缩写为soc)soccap小于其下限值soccap_min，超级电容无法供能，由蓄电池单独供能，此时pbat＝preq；若soccap≥soccap_min，电池输出功率经过低通滤波函数f(s)缓冲处理后缓慢向负载供能，超级电容应急放电提供剩余部分的功率，此时pbat＝preq*f(s)，pcap＝preq-pbat，避免了大功率用电对蓄电池的影响；

7、当电动船需求功率preq≤0，即负载处于制动能量回收状态时：

8、当preq大于等于负载制动需求功率门限值pave_n时(注意此时二者都是负值)，此时的能量回收功率不大，则制动能量优先由蓄电池进行吸收，即pbat＝preq；

9、当preq＜pave_n时，有应急大功率制动能量回收需求，若soccap≥soccap_max(超级电容荷电状态上限值)，此时超级电容无法回收再生制动能量，蓄电池单独回收能量，即pbat＝preq；若soccap＜soccap_max，回收制动能量经低通滤波函数f(s)处理后缓慢给蓄电池充电，一般通过限制充电电流实现，剩余能量由超级电容应急充电吸收，即pbat＝preq*f(s)，pcap＝preq-pbat，避免了大功率充电给蓄电池带来冲击影响。

10、进一步的，所述滤波函数f(s)为

11、

12、其中，τ1为放电状态下低通滤波时间常数，τ2为充电状态下低通滤波时间常数，具体时间常数值根据设备的电路参数决定。

13、进一步的，考虑到制动能量回收过程中，当超级电容已经充满电时，无法起到回收缓冲和对蓄电池的保护的作用，因此，所述超级电容设置中间荷电状态soccap_mean，soccap_min＜soccap_mean＜soccap_max，超级电容的应急充放电完成后，系统平稳运行、无需超级电容应急工作时，若soccap＞soccap_mean,超级电容自动向蓄电池放电(给蓄电池充电)，若soccap＜soccap_mean，蓄电池自动给超级电容充电。

14、进一步的，所述负载包括电动船、新能源汽车、电动机等各种用电负载中的任意一种或其任意组合，所述再生能源包括制动能、风能、太阳能等中的任意一种或其任意组合。

15、进一步的，所述蓄电池包括铅酸蓄电池、镍氢蓄电池、镍氢蓄电池、锂离子电池、镍镉电池、钠硫蓄电池、镍锌蓄电池、锌空气蓄电池等中的任意一种或其任意组合。

16、进一步的，所述超级电容包括双电层电容器和/或法拉第赝电容器。

17、进一步的，所述dc/dc变换器为双向半桥变换器。

18、另一方面，一种复合电源能量控制系统，所述系统执行上述任意一种复合电源能量控制方法，至少包括超级电容、蓄电池、双向dc/dc(直流-直流)变换器，所述超级电容与双向dc/dc变换器直接串联，经双向dc/dc变换器升压后与蓄电池并联再接入直流母线，然后经双向dc/ac(直流-交流)逆变器与负载连接，给负载如电动机供电，或从负载回收能量。

19、进一步的，所述系统结构为超级电容主动受控的半主动式拓扑结构。

20、本发明的优点和有益效果在于：本发明所设计的一种复合电源能量控制系统及方法，引入高功率密度的超级电容作为辅助电源与高能量密度的蓄电池组成复合电源系统，充分利用超级电容“削峰填谷”和快速充放电的特点，避免电池受到大电流的冲击，并制定了基于滤波思想的逻辑门限控制方法来协调复合电源系统中两种储能元件之间功率合理分配，从而提高复合电源系统的稳定性好、能量利用率和使用寿命，达到延长供电时间，具体的如延长电动船航行里程的目的；此外还可以有利于避免大电流冲击、提高供电系统的安全性。

技术特征：

1.一种复合电源能量控制方法，对于至少包括超级电容、蓄电池、双向dc/dc变换器的复合电源系统，所述超级电容与双向dc/dc变换器直接串联，经双向dc/dc变换器升压后与蓄电池并联再接入直流母线，其特征在于，所述能量控制方法包括基于滤波的逻辑门限控制方法，当负载有大功率供电需求时，蓄电池按照滤波后的功率控制曲线向负载供电，不足部分由超级电容提供；当有高能量再生能源需要回收时，回馈功率经滤波后给蓄电池充电，剩余功率由超级电容吸收。

2.根据权利要求1所述的一种复合电源能量控制方法，其特征在于，所述方法的控制逻辑包括：

3.根据权利要求2所述的一种复合电源能量控制方法，其特征在于，所述滤波函数f(s)为

4.根据权利要求3所述的一种复合电源能量控制方法，其特征在于，所述超级电容设置中间荷电状态soccap_mean，soccap_min＜soccap_mean＜soccap_max，若soccap＞soccap_mean,超级电容自动向蓄电池放电，若soccap＜soccap_mean，蓄电池自动给超级电容充电。

5.根据权利要求1所述的一种复合电源能量控制方法，其特征在于，所述负载包括电动船、新能源汽车、电动机中的任意一种或其任意组合，所述再生能源包括制动能、风能、太阳能中的任意一种或其任意组合。

6.根据权利要求1所述的一种复合电源能量控制方法，其特征在于，所述蓄电池包括铅酸蓄电池、镍氢蓄电池、镍氢蓄电池、锂离子电池、镍镉电池、钠硫蓄电池、镍锌蓄电池、锌空气蓄电池中的任意一种或其任意组合。

7.根据权利要求1所述的一种复合电源能量控制方法，其特征在于，所述超级电容包括双电层电容器和/或法拉第赝电容器。

8.根据权利要求1所述的一种复合电源能量控制方法，其特征在于，所述dc/dc变换器为双向半桥变换器。

9.一种复合电源能量控制系统，其特征在于，所述系统执行权利要求1至8中任意一种复合电源能量控制方法，至少包括超级电容、蓄电池、双向dc/dc变换器，所述超级电容与双向dc/dc变换器直接串联，经双向dc/dc变换器升压后与蓄电池并联再接入直流母线，然后经双向dc/ac逆变器与负载连接。

10.根据权利要求9所述的一种复合电源能量控制系统，其特征在于，所述系统结构为超级电容主动受控的半主动式拓扑结构。

技术总结本发明公开了一种复合电源能量控制系统及方法，超级电容与双向DC/DC变换器直接串联，经双向DC/DC变换器升压后与蓄电池并联再接入直流母线。所述能量控制方法包括基于滤波思想的逻辑门限控制方法，用于协调复合电源系统中蓄电池和超级电容的工作模式以实现二者之间功率的合理分配。当负载有大功率供电需求时，蓄电池按照滤波后的功率控制曲线向负载供电，不足部分由超级电容提供；当有高能量再生能源需要回收时，回馈功率经滤波后给蓄电池充电，剩余功率由超级电容吸收。本发明充分利用了超级电容“削峰填谷”和快速充放电的特点，避免蓄电池受到大电流的冲击，从而提高复合电源系统能量利用率和使用寿命。技术研发人员：刘梁挺,夏群,吴艳,张路瑶,杨润泽,曲纪鸿受保护的技术使用者：南京中船绿洲机器有限公司技术研发日：技术公布日：2024/9/29