CN103025557A - 具有超级电容器（超高电容器）的动态功率系统中能量和功率管理的方法 - Google Patents

Abstract

功率管理系统包括超级电容器和包含功率变换器的电荷往复运送装置。电荷往复运送装置可与超级电容器耦合并可配置为与负载耦合。电荷往复运送装置可配置为监控负载和超级电容器的一个或多个参数，并基于或根据所监控的参数控制在负载和超级电容器之间的能量流。系统还可包括电池或其他可充电的能量存储元件。

Description

具有超级电容器(超高电容器)的动态功率系统中能量和功率管理的方法

相关申请的交叉参考

本申请要求于2010年7月20日提交的美国临时专利申请号61/365,986的优先权，该临时专利申请的全部公开通过引用合并至此。

技术领域

本申请一般涉及用于电机负载和致动系统的功率管理（powermanagement），包括使用超级电容器和用于具有再生负载和峰值功率需求的系统的其他能量存储设备的功率管理系统。

背景技术

在现代运输工具（空中、陆地或海洋）上的电力系统，以及小型“孤立（islanded）”电力系统，可被认为是发电机和负载的“微电网”。这种微电网由能量源（例如，机械驱动的发电机、太阳能模块、燃料电池、电池等）、配电网以及多个负载（再生和非再生的）组成。这种电力系统对多电飞机（More Electric Aircraft，MEA）概念是非常重要的。在民用和军用飞机中，MEA概念是基于传统飞机上的液压、气动及排气推动的系统到等价的电推动的系统的转换。除了其他方面，这种转换可降低系统的复杂性，提高可靠性，减少燃料消耗并降低操作飞机的维护负担。因而，MEA可使用用于许多飞行操纵面的机电致动器（EMA）或电动液压致动器（EHA）。这种致动器和操纵面越来越多，因为产业趋势正是朝向更为先进的飞行控制系统，其能够通过飞行操纵面（副翼、扰流板、襟翼、升降舵、方向舵等）更多的主动致动而改善飞机的稳定性。更多的主动致动可导致对狂暴天气的更少的敏感性和/或允许具有较低的阻力系数和减少的雷达截面的机身几何形状。这些越来越多的致动器具有显著的峰值功率需求和再生功率特性。因而，致动器之间，功率和能量需求可以变化，且对单个致动器来说功率和能量需求也随时间变化。

已知有用于支持具有变化的功率需求的负载的系统和方法。一种已知的典型地用在大功率系统中的方法是功率调峰。当功率需求为低（或能量消耗为低）时，可用的剩余发电机容量存储在电池（或抽水蓄能（pumpedstorage））中，并随后在高功率需求期间或在高能量消耗时释放。然而，功率调峰可具有多个缺点或挑战，包括过大的发电机尺寸，非期望的电流和瞬时电压以及与高压和高使用率相关联的降低的电池寿命。

然而由于一个或多个原因，传统的功率调峰系统和其他典型的功率系统并不适于MEA概念。首先，在典型系统中的能量源和配电网通常必须超尺寸设计以满足在远不到50%的占空比的峰值功率需求，这导致昂贵、沉重且过于庞大的解决方案。第二，典型系统并不能有效地容纳再生负载。解决再生负载的一个普遍的方案是在电阻中浪费再生的能量。这种方案降低了效率，增加了笨重的部件且不适于难于移除热量处的应用（例如，MEA、混合动力电动车（HEV）、插电式混合动力电动车（PHEV））。

一些功率系统通过使用电池、超级电容器或使用两者来容纳再生负载。附图1示出传统功率系统的典型配置，指定为系统10。系统10包括电并联至直流（DC）微电网16的能量源12和超级电容器14。双向直流至交流（DC-至-AC）功率变换器18用作在DC微电网16和交流（AC）微电网20之间的接口。系统10还包括电耦合至AC微电网20的电机/发电机22。

在系统10中，超级电容器14能降低能量源12需要的电流。但由于并联配置，超级电容器14两端的电压变化——以及因而超级电容器14的能量存储容量——被能量源12限制。这种限制可在下述方程1中看出：

$E_{\mathrm{cap},\mathrm{available}}=\frac{1}{2}{C}_{\mathrm{cap}}(V_{\max }^2-V_{\min }^2)---\left(1\right)$

其中，E_{cap,available}是实际有效（有用）超级电容器能量，C_cap是超级电容器14的理论容量，而V_mzx和V_min分别是放电前和放电后的电容器电压。如方程（1）所图示的，较高的超级电容器两端的容许电压将增加有效的电容器能量。一个潜在的解决方案是只使用超级电容器14，而不使用电源12。来自一些HEV系统的真实世界数据指示大部分负载电流脉冲都是相对较短并且为双向的。在理论上，如果正的和负的脉冲具有相同的持续时间和幅度，则可单独使用尺寸合理的超级电容器14。然而对于至少两个原因单独使用的超级电容器可能是不实际的。首先，负载电流实际上不是对称的。其次，能够单独提供需要的能量容量的超级电容器14（或超级电容器组）将极其庞大并且极其昂贵。

另一已知的用于解决变化的功率需求的系统包括在电池和负载之间的第一DC-至-DC变换器，以及在超级电容器和负载之间的第二DC-至-DC变换器。这种系统的潜在缺陷在于，如果系统需要超级电容器或电池都能够独立地支持负载（这是通常情况），则DC-至-DC变换器两者必须被设计为满足最大负载电流。随着更大的负载，变换器两者必须支持大电流，这可导致庞大、过度复杂和/或昂贵的系统。

在管理飞机的配电基础设施的尺寸和重量的同时，传输并控制负载的必要的峰值功率需求的挑战带动更优化地存储并再分配电能量的需求，这些负载例如为操纵面致动器、防结冰系统、环境控制系统以及发动机的电启动。同样地，需要一种功率管理系统以解决一个或多个上述缺陷。

发明内容

需要一种最大化再生能量获取、最小化主电源尺寸并延长系统的能量存储元件寿命的功率管理系统。这样的功率管理系统可包括超级电容器和包括功率变换器和控制器的电荷往复运送装置（shuttle）。电荷往复运送装置可与超级电容器耦合并可配置为与负载耦合。电荷往复运送装置可配置为监控负载和超级电容器的一个或多个参数。控制器可被配置为基于或根据一个或多个监控到的参数来控制在负载和超级电容器之间的能量流。系统可进一步包括耦合至电荷往复运送装置的第二能量存储元件。第二能量存储元件可以是电池或能够提供比超级电容器更长持续时间的能量的其他源。电荷往复运送装置可进一步配置为监控第二能量存储元件的一个或多个参数。控制器可进一步配置为控制至第二能量存储元件、或来自第二能量存储元件的能量流。电荷往复运送装置可配置为在超级电容器和第二能量存储单元之间执行电荷平衡。电荷往复运送装置还可配置为将来自负载的再生能量传送至超级电容器或第二能量存储元件。

附图说明

参考附图，现在通过示例的方式描述本发明，其中在多个附图中相同的附图标记标识相同的部件，在其中：

图1是现有技术功率管理系统的示意图。

图2是包括电荷往复运送装置的功率管理系统第一实施例的示意图。

图3是在第一运行模式的图2的系统的示意图。

图4是在第二运行模式的图2的系统的示意图。

图5是在第三运行模式的图2的系统的示意图。

图6是包括电荷往复运送装置的功率管理系统的第二实施例的示意图。

图7是包括电荷往复运送装置的功率管理系统的第三实施例的示意图。

图8是示出用于图7的电荷往复运送装置的示例性控制方案的流程图。

图9是示出采用图8的控制方案的图7的功率管理系统的仿真结果的图表。

图10是包括电荷往复运送装置的功率管理系统的第四实施例的示意图。

图11是包括电荷往复运送装置的功率管理系统的第五实施例的示意图。

图12是包括电荷往复运送装置的功率管理系统的第六实施例的示意图。

图13是采用用于多电飞机（MEA）的电荷往复运送装置的示例性飞行控制系统的示意图。

图14是示出具有电荷往复运送装置的功率管理系统的运行方法的流程图。

具体实施方式

图2是基本上示出根据本公开的教导的功率管理系统24的第一实施例的示意图。所示出的系统24包括电荷往复运送装置26、超级电容器28、电池30、经由DC链接连接至系统的电机驱动器32以及负载34。如通常所描述的，电荷往复运送装置26可包括功率变换器36和多个开关38、40、42。电荷往复运送装置26还可包括配置为激励开关38、40、42并控制通过变换器36的能量流方向的控制器（未示出）。

仅仅例如，负载34可包括例如可用于多电飞机（MEA）、混合动力电动车（HEV）或插电式混合动力电动车（PHEV）的电机/发电机。电机/发电机可包括多个部件，例如再生或非再生负载、能量源（例如，机械驱动的发电机、燃料电池）以及配电网。电机-发电机两者可从系统抽取功率和能量，也可将功率和能量返回至系统（例如通过再生负载）。在一个实施例中，电机-发电机可包括永磁同步电机驱动器（PMSM驱动器）。负载34可额外地或可选地包括DC电网或AC电网。在负载34包括电网的一个实施例中，电机驱动器32可以是功率变换器。

超级电容器28和电池30可配置为用于为诸如电机驱动器32的负载存储并提供能量的能量源和存储元件。超级电容器28可包括一个、两个或多个超级电容器，例如在本领域熟知的。电池30可包括一个或多个电池或其他可充电的存储元件，例如包括太阳能电池、燃料电池以及锂离子电池。超级电容器28和电池30可单独使用或结合使用以经由电机驱动器32向负载34提供功率。如果需要，超级电容器28和电池30两者都可配置为通过电机驱动器32从负载34再充电。

在单个功率管理系统中结合超级电容器28和电池30提供与这两种存储类型相关联的优势。例如，超级电容器可快速地充放电，因而普遍用于提供高瞬时或短期功率以及用于在短时间内捕获大量的再生能量或功率。电池通常充放电较慢但通常具有更高的总能量容量，因而可用于满足较大长时期能量需求或用于提供更长持续时间的能量。

如通常所描述的，电荷往复运送装置26可耦合至超级电容器28、电池30以及电机驱动器32。电荷往复运送装置26可监控（例如，测量或估算）系统24的一个或多个参数，并基于或根据该一个或多个监控到的参数在系统中传送能量流（例如，经由电机驱动器32至超级电容器28、电池30以及负载34，或从这些器件传送）。电荷往复运送装置26可配置为激励（即打开和关闭）开关38、40、42，或控制（即，切换通过功率变换器的能量流的方向）功率变换器36（示为双向隔离的DC/DC变换器）以隔离或连接多种配置中的超级电容器28、电池30以及负载34。可采用控制器来执行该激励和控制。通过开关的动态切换（例如，开关38、40、42）及关联的变换器36，电荷往复运送装置26可配置为更好地管理超级电容器28、电池30和/或负载34中的任何能量源和再生能量，或最大化这些器件的有益特性。

电荷往复运送装置26可配置为监控系统24的多个不同参数。例如但不限于，往复运送装置26可监控电池30的充电状态、温度以及通过的电流。类似地，往复运送装置26可配置为监控超级电容器28的充电状态以及通过的电流。在负载侧，往复运送装置26可监控短期功率需求、长期能量需求和/或从负载34通过电机驱动器32提供的任何再生能量的存在。为了监控这些和其他参数，电荷往复运送装置26可配置为直接测量静态或变化的电压或电流，估算静态或变化的电压或电流，和/或从系统的其他部件接收的信息或反馈。通过监控参数，电荷往复运送装置26可传送能量流以实现各种目的，例如确保用于负载34的合适功率或能量，延长电池30的使用寿命，最小化贯穿系统的电压瞬变，和/或最大化再生能量的收回。

图3是图2的系统在第一“增强（Boost）”运行模式下的示意图。在示出的系统24中，电荷往复运送装置26通过关闭开关38并打开开关40、42来激活增强运行模式。在增强运行模式下，电池30和超级电容器28经由开关38串联。这种配置有效地增加至电机驱动器32的DC链接电压输入。在一个实施例中，例如增加的输入电压可允许驱动器32提供用于永磁电机的场削弱能力。例如，场削弱可允许电机在高速下的改善的扭矩控制，其导致驱动电机负载和返回至电池30和超级电容器28的再生能量的改进回收的更优控制。这种运行模式通常适于允许DC链接或总线电压的较大变化的应用。往复运送装置26可使用功率变换器36以在电池30和超级电容器28之间通过移动存储的能量来实施电荷平衡，并调节由每个存储元件承受的总DC链接电压的比例。

图4是图2的系统在第二“能量”运行模式下的示意图。在示出的系统24中，电荷往复运送装置26通过关闭开关40并打开开关38、42来激活能量运行模式。在能量运行模式下，电池30经由开关40链接至DC总线，而超级电容器28由功率变换器36与总线隔离。在该模式下，系统24可向负载34提供较低的功率电平（相对于增强模式），但可提供持续时间更长的功率电平。类似地，可使用来自负载34的低电平再生能量通过电机驱动器32向电池30充电。功率变换器36还可从电池30向超级电容器28传送能量以更好地最大化在系统24中存储的总能量，以及更好地最大化系统24稍后满足由负载34需求的高功率的能力。

图5是图2的系统在第三“功率”运行模式下的示意图。在示出的系统24中，电荷往复运送装置26可通过关闭开关42并打开开关38、40来激活功率运行模式。在功率运行模式下，超级电容器28经由开关42连接至DC总线，而电池30由功率变换器36与总线隔离。这种配置与能量模式类似，只是超级电容器28与电池30在电路中基本上电“交换”了位置。由于超级电容器28现在连接至DC总线，因而电机驱动器32可向负载34提供高功率电平（或快速地从负载34回收再生能量）。功率变换器36可用于以保持电池寿命的中速向电池30再充电，或将存储在电池30中的电荷转移以补充由超级电容器28提供的电力。在该情况中，DC链接电压可广泛地变化且独立于电池电压。

如图2至5所示，所公开的系统的实施例的转换至多种配置的能力，允许在功率和能量管理方案及控制逻辑的灵活性。在并不需要或并不适用一个或多个上述运行模式的应用中，相关配置的一个或数个开关可被停止或省略。在一个实施例中，例如当用于与电网或配电总线的能量存储接口时，电机驱动器32可被合适的双向功率变换器替换。

附图6是功率管理系统44的第二实施例的示意图。示出的系统44包括发电机46、主电力总线48、三个AC/DC功率变换器50a、50b、50c，三个电荷往复运送装置26a、26b、26c，三个超级电容器28a、28b、28c以及电池30。如所示出的，每个电荷往复运送装置26可包括各自的功率变换器51和各自的控制器53。所示出的系统44可进一步包括三个负载52、54、56。

在示出的系统44中，发电机46和电池30是系统44的“主”电源。仅是示例地，在混合动力电动车（HEV）实施例中，发电机46可被汽油发动机驱动，并且电池30可以是主车用电池或电池组。发电机46可配置为向主电力总线48提供电力，而系统44从主电力总线48抽取电力，更大的系统和/或其他子系统也可如此。

负载52、54、56可具有不同的特性。例如，负载52可具有一般高的功率需求（即，短期），负载54可具有相对高的能量需求（即，长期），以及负载56可将再生能量返回提供至系统。

电荷往复运送装置26a、26b和26c可分别与负载52、54、56电耦合，并且将能量流传送至负载52、54、56或从其传送能量流。每个电荷往复运送装置可监控（例如，测量或估算）主电力总线48、电池30、其各自的负载以及其各自的超级电容器28的多个参数。至少部分地基于监控到的参数，每个控制器53a、53b、53c可确定需要的运行模式（例如，增强、能量、功率）并将各个电荷往复运送装置切换至需要的模式以向各个负载提供功率或能量、或从各个负载接收功率或能量并将其传送至合适的源（即，超级电容器28或电池30）。因而，每个控制器53可控制功率或能量流通过其各自的功率变换器51的方向，以及在其各自的超级电容器28、电池30以及其各个负载之间的连接。可选地，一个或多个电荷往复运送装置26a、26b和26c可简单地从主电力总线48向相应的负载提供电力。每个控制器53可独立地（即，独立于其他的电荷往复运送装置）确定合适的运行模式并切换至需要的模式。绘出的系统仅是示例性的，并且如图6所示的系统44可具有或扩展有更多或更少的配置为向更多或更少的负载或负载组提供电力的电荷往复运送装置。另外，在一个实施例中，控制器53a、53b、53c可共同实施为单个控制器。

通过使用与多个超级电容器耦合的多个电荷往复运送装置，系统44可单独管理在分区电力总线上的各个负载52、54、56或负载组的功率和能量消耗。这种配置可用于减少或最小化必须由发电机46和电池30满足的要求中的极端波动。减少这种波动能导致更好的主配电总线的电压变动，并降低中央电源（即，发电机46和电池30）上的压力。

图7是功率管理系统58的第三实施例的示意图。示出的系统58示出包括两个超级电容器28a、28b，两个电池30a、30b，电荷往复运送装置26（包括功率变换器26和控制器53）、驱动控制器60以及电机/发电机62。

驱动控制器60可配置为控制施加在一个或多个电机/发电机62的负载上的力矩。驱动控制器60还可促进用于电机/发电机60的场削弱电流。在一个实施例中（例如，当电机/发电机62包括PMSM时），需要场削弱电流来以高于预定阈值的速度产生转矩。这种场削弱电流可以是无功的，并且除了在半导体、电机及能量源中的损耗，其可不产生任何有效功率。

在实施例中，电池30和超级电容器28可用作存储元件以存储从电机/发电机62回收的能量用于随后由电机/发电机62使用。电池30可包括一个或多个电池或其他可重复使用的存储元件。超级电容器28可包括一个、两个或多个超级电容器，如本领域所熟知的。在示出的配置中，超级电容器28应足够大以承受最大的负载电流，包括任何场削弱电流。通过承担负载电流，超级电容器28可以降低通过和加载在电池30上的电流，延长电池30的使用寿命。

在实施例中，电荷往复运送装置26可配置为监控一个或多个系统参数，并促成通过在电池30和超级电容器28之间的转换器36的能量流，例如经由控制器53。控制器53可配置为使得电流从超级电容器28通过功率变换器36至电池30传送，反之亦然（即，功率变换器36是双向的）。控制器53还可完全地限制通过转换器36的电流，以将电池30与超级电容器28和驱动控制器60电隔离。

图8是示出用于功率管理系统的控制策略64的流程图。然而将参考系统58（一般如图7所示）来描述控制策略64，但可以理解控制策略64（及其变型）可发现使用其他功率管理系统，包括在此描述或示出的其他系统。策略64包括由通过功率变换器36和电池30的电流I_b定义的5个状态66、68、70、72、74。正的I_b表示进入电池30的电流（即，增加存储在电池30中的能量）。系统58的状态可相应于通过相对于标称电压V_n以及相对于负载最小和最大工作电压V_nmin,V_nmax电耦合的超级电容器28和驱动控制器60的DC总线两端的电压值V_dc而改变。

从图8的中间部分开始，状态70一般表示具有通过电池30和功率变换器36的零电流的状态。只要V_dc保持与V_n接近（V_dc≈V_n），电池30就保持与超级电容器28和电机/发电机62中的任何负载隔离。如果V_dc升高超过V_n，则系统58转移至状态68。例如当电机/发电机62中的再生负载产生功率时，可产生这种电压升高。在状态68中，通过功率变换器36驱动电流I_bn，对电池30充电。合理设计的超级电容器28通常能防止V_dc超过V_nmax。如果V_dc再次降低至V_dc≈V_n，则系统58返回状态70。但是如果DC-总线电压V_dc继续升高并超过V_nmax，则系统58进入状态66。在状态66中，功率变换器36将控制最大电流I_bmax，因而仅在最后手段下迫使再生能量返回至电机/发电机62。这一般限制DC-总线电压低于专用于特定负载的绝对最大输入电压。一旦V_dc降低至低于V_nmax，则系统58返回状态68，当V_dc≈V_n时可由状态68返回至状态70。

从状态70，如果V_dc降低至低于V_n，则系统58进入状态72。例如在高负载功率需求期间，可产生这种降低。在状态72中，通过功率变换器36驱动电流-I_bn，对电池30放电以承受V_dc。如果V_dc再次升高以至再次V_dc≈V_n，则系统58返回至状态70。但是如果DC-总线电压V_dc继续下降并降低到低于V_nmin，则系统58进入状态74。在状态74中，功率变换器36将控制最大负电流I_bmax，直至电池30被放电或V_dc升高超过V_nmin。

图8中示出的控制策略完成多种功能，包括功率管理、能量管理以及电压/转速管理。参考图7中示出的P_bat,P’_uc,P”_uc,P_drive,Q_uc以及Q_drive，如在下述方程(2)-(6)中所示可表达这些功能。

功率管理

超级电容器28承担负载的电源侧以及向负载供电，如方程2所示：

P_bat－P’_uc＋P”_uc＝P_load     (2)

电池30和超级电容器28向负载提供功率或从负载接收功率，如下述方程(3)所示：

P_bat＋P”_uc＝P_load     (3)

当电荷往复运送装置26隔离电池30和超级电容器28时，超级电容器28独自向负载供电或者负载仅向超级电容器28充电，如下述方程(4)所示：

P”_uc＝P_load;

P_bat＝0     (4)

能量管理

当不对负载供电时，电荷往复运送装置26促成电池30和超级电容器28的能量平衡，如下述方程(5)所示：

P_bat－P’_uc＝0     (5)

电压/转速管理

在场削弱模式中，系统58具有DC电压或电机-发电机转速控制，如下述方程(6)所示：

Q_uc－Q_load＝0     (6)

图9是大体上示出使用控制策略64的系统58的仿真结果的图。该仿真在可从MathWorks Inc购买的

软件上运行。图示出标称DC-总线电压（V_dc）、负载电流（I_drive）、电池电流（I_b）以及超级电容器电流（I_uc）。为了该仿真，标称DC-总线电压V_n为340V，负载电压的上限和下限V_nmax,V_nmin分别为400V和270V，最大/最小电池电流I_bmax,I_bmin,为±30A（充电或放电）。该负载电流曲线来自真实的混合动力电动车。

一般如图所示，超级电容器28能够处理大部分负载电流。电池电流被控制为小于或等于标称连续值。DC-总线电压V_n保持在特定区域（即，低于V_nmax并高于V_nmin）。当存在有更多可用的关于负载周期曲线的静态数据的情况下，可更多地减少在周期期间的电池管理并可优化能量的使用。也就是说，增加的预测负载变化的能力将导致采用控制策略64的更好的性能。

图10至12是功率管理系统的其他可选实施例的示意图。这些实施例一般示出用于不同电机系统的不同的功率管理设置。每个电机系统具有不同的（1）电流分布需求和（2）负载总线类型的不同结合。

图10一般示出功率管理系统76的实施例，其具有AC配电系统和可变DC负载总线。示出的系统76包括电连接AC电源80、AC再生负载82及非再生AC负载84的AC微电网78。系统76进一步包括电荷往复运送装置26和超级电容器28。电荷往复运送装置26自身可包括控制器53和双向AC-至-DC变换器86。一般还示出未经调节的DC源/负载（即，电机/发电机）88。

图11一般示出功率管理系统90的实施例，其具有DC微电网和DC负载总线。示出的系统90包括电连接DC电源94、再生DC负载96及非再生DC负载98的DC微电网92。系统90进一步包括电荷往复运送装置26和超级电容器28。电荷往复运送装置26自身可包括控制器53和双向DC-至-DC变换器100。一般还示出未经调节的DC源或变化负载（即，电机/发电机）102。

图12一般示出功率管理系统103的实施例，其具有AC配电系统、DC配电系统和可变DC电压总线。示出的系统103包括电连接AC电源80、AC再生负载82及非再生AC负载84的AC微电网78。系统104还包括电连接DC电源94、再生DC负载96及非再生DC负载98的DC微电网92。系统103进一步包括电荷往复运送装置26和超级电容器28。电荷往复运送装置26自身可包括控制器53、双向AC-至-DC转换器86以及双向DC-至-DC转换器100。

在示出的系统76、90和103中，电荷往复运送装置26（在其各个所示出的配置下）可配置为监控（例如，测量或估算）一个或多个系统参数（例如，电压、电流、功率、电机负载扭矩等）。这些参数可分别属于系统负载、系统电源以及能量存储元件（即，超级电容器28）。基于监控到的参数的状态，控制器53可控制功率变换器86、100向超级电容器28传送能量流，或自其向外传送能量流。控制器53还可配置为从超级电容器28控制能量的注入和移除，以更好地最大化超级电容器28和系统中的各能量源及再生负载的有益特性。

图13一般示出可配置用于多电飞机（MEA）的功率管理系统104的示意图。如前所述，多电飞机（MEA）的概念至少部分地基于在传统飞机上使用的机械驱动的系统到等价的电驱动的系统的转换。一个例子就是飞行控制系统，包括用于控制飞机周围气流的外部可移动表面、移动这些表面的机电或电动液压致动器，以及向这些致动器传输和控制功率的航空电子设备和功率分配部件。传输并控制到必要的峰值功率以控制表面致动器，同时限制功率产生和分配部件的尺寸和重量，在不采用能量存储和功率管理技术的情况下，即使不是不可能的，也是困难的。

在一个实施例中，功率管理系统104包括飞行控制系统航空电子设备控制器106、致动器驱动108、表面致动器110，以及一个或多个操纵面112。示出的系统104还包括电荷往复运送装置26、超级电容器28以及主电力总线114。

例如，飞行控制系统航空电子设备控制器106可配置为处理来自飞行员控制装置（轭板和踏板）或自动驾驶仪的命令，并生成用于控制特定表面112的致动器驱动108的位置命令输入。仅是示例地，操纵面112可以是方向舵、配平片（trim tab）、垂直稳定翼、水平稳定翼或升降舵。

电荷往复运送装置26可配置为监控系统104的一个或多个参数，并基于或根据一个或多个所监控的参数来传送功率或能量流。例如且并不限于此，所监控的参数可包括超级电容器28中存储的能量、从主电力总线114上的可用功率量、来自表面致动器110（或来自致动器驱动108）的再生能量的可用性、由致动器驱动108需要的功率或能量，以及操纵面112的位置。为了监控这些以及其他的参数，例如电荷往复运送装置26可直接测量静态或变化的电压或电流、估算静态或变化的电压或电流和/或接收来自系统中其他部件的反馈。

基于一个或多个所监控的参数，电荷往复运送装置26可配置为从飞机的主电力系统总线114或从超级电容器28或两者的组合输送电力，以激励致动器110来将操纵面112移动至所命令的位置。如果命令是缩回表面、或是以气流实际上辅助或迫使其移动这样的方式移动表面，则致动器110可至少部分用作发电机，因而可通过驱动108将再生能量返回源。在这种情况下，电荷往复运送装置26可配置为将再生能量传送至超级电容器28用于存储。而所存储的电力随后可被致动器110使用或被缓慢地传送回主电力总线114。

图14是一般示出用于管理电机系统中功率流的方法116的实施例的流程图。可由电荷往复运送装置执行方法116。将参考系统104（通常如图13所示）来描述方法116，但可以理解方法116可与其他系统结合使用。此外，可以理解用于与特定的系统配置（例如，负载的个数、再生负载的个数、可充电能量存储元件的个数和类型）结合使用可对方法116进行修正。

方法116通过评价用于期望致动的负载的功率需求和能量需求在步骤118开始。例如，如果飞行控制器106指示致动器驱动108将操纵面移动至新的位置，则电荷往复运送装置26可确定出执行致动所需要的功率和能量的量。在一个实施例中，这种确定可能涉及由电荷往复运送装置26的静态或变化的电压或电流的直接测量，来自系统其他部件中的一个的反馈（例如，来自操纵面的位置反馈），和/或静态或变化的电压或电流的估算。

接下来，在步骤120中，确定超级电容器中存储的能量的量（即，电容电荷状态）。然后，在步骤122中，电荷往复运送装置26询问是否由负载要求用于期望致动相对高的功率。步骤122可涉及将致动所需要的功率（如在步骤118中确定的）和主电源提供的标称功率相比较。如果负载并不需要相对高的功率，则方法可进行至步骤124，在此电荷往复运送装置26询问负载中再生能量是否可用。如果再生能量可用，则方法可进行至步骤126，在此电荷往复运送装置26使用来自负载的再生能量向超级电容器28充电。如果再生能量不可用，则电荷往复运送装置26可继续监控负载以评估再生能量是否可用（步骤124）、或是否要求功率（步骤122）。

如果在步骤122中，负载要求相对高的功率，则方法可进行至步骤128。在步骤128中，电荷往复运送装置26对超级电容器28放电（即，从其抽取功率）并将其传送至负载。例如，该功率可提供至致动器驱动108。方法可进行至步骤130，在此电荷往复运送装置26询问超级电容器28是否能够满足期望的移动所需的能量（即，在步骤118所确定的能量需求）。为做出该确定，电荷往复运送装置26可参考步骤120中确定的电荷状态并将电荷状态与步骤118中确定的能量需求相比较。如果超级电容器28包含充足的电荷，则方法可进行至步骤132，在其中超级电容器28继续作为期望移动的电源。如果超级电容器28未包含用于期望移动的充足的电荷，则方法进行至步骤134，在其中电荷往复运送装置26从主电源（即，主电力总线114）抽取其他电力并将其传送至负载。

虽然以线性方式呈现，但可以理解方法116中的步骤通常是动态的。电荷往复运送装置26可不断监控负载（或多个负载）的功率和能量需求、超级电容器中的电荷状态、来自主电力总线上的可用功率的量和/或来自负载的再生能量的可用性。基于这种监控，电荷往复运送装置26可动态将电力传输至超级电容器、主电力总线、负载（或多个负载）以及可能存在的其他能量存储元件（例如，电池）以及从上述部件输出电力。

根据本发明的功率管理系统可提供许多优点。下述的优点仅是少数可能的示例。首先，由于主发电机无需独自供应峰值功率需求，因而通常可在尺寸（重量和体积）上减少主电源。其次，通过减轻对满足峰值功率需求的主电源的要求，系统可有助于增加诸如MEA和HEV的具有有限容量的电机系统中的动态稳定性和电压调节。第三，由于超级电容器提供局部分配的能量存储并消除来自主电源的浪涌电流，因而普遍地减少分配线及保护装置的数量。第四，通过存储和来自负载的再生能量并通过优化电气系统部件（例如，主电源、电池及超级电容器）的尺寸，提高系统的效率。第五，由于系统缓和电流和电压瞬态，因而保护装置更加可靠。第六，由于超级电容器减轻能量存储电池上的压力，因而提高了能量存储系统的使用寿命。

附图旨在说明与本公开相关联的各种概念，而并非狭窄地限制本发明。对所属领域技术人员而言，对上述各实施例的广泛的改变和修正是明显且可预期的。因而，上述详细的说明旨在解释性的而不是限制，并且可以理解，下述权利要求书包括其等同体旨在限定本发明的精神和范围。

Claims (25)

1.一种功率管理系统，用于将不同的源连接至具有可变能量需求和可变功率需求的负载，该系统包括：

第一源；

第二源，

其中所述第一源配置为提供比所述第二源更高的瞬时功率，并且所述第二源配置为提供比所述第一源更长的持续时间的能量；以及

电荷往复运送装置，其包括功率变换器和控制器，所述电荷往复运送装置与所述第一源和所述第二源耦合并配置为与所述负载耦合。

2.如权利要求1所述的功率管理系统，其中所述电荷往复运送装置配置为测量所述系统的参数，并且所述控制器配置为根据测量到的参数向所述负载提供功率。

3.如权利要求1所述的功率管理系统，其中所述电荷往复运送装置配置为测量所述系统的参数，并且所述控制器配置为根据测量到的参数向所述负载提供能量。

4.如权利要求1所述的功率管理系统，其中所述电荷往复运送装置配置为测量所述系统的参数，并且所述控制器配置为根据测量到的参数将从所述负载接收到的功率提供至所述第一源和所述第二源中的至少一个。

5.如权利要求1所述的功率管理系统，其中所述电荷往复运送装置配置为测量所述系统的参数，并且所述控制器配置为根据测量到的参数将从所述负载接收到的能量提供至所述第一源和所述第二源中的至少一个。

6.一种功率管理系统，用于至负载的连接，该系统包括：

超级电容器；

电荷往复运送装置，其包括功率变换器，所述电荷往复运送装置与所述超级电容器耦合并配置为与所述负载耦合，

其中所述电荷往复运送装置配置为监控所述负载和所述超级电容器的一个或多个参数，并根据监控到的参数控制在所述负载和所述超级电容器之间的能量流。

7.如权利要求6所述的功率管理系统，其中所述功率变换器为双向功率变换器。

8.如权利要求6所述的功率管理系统，其中所述超级电容器是第一能量存储元件，该系统进一步包括：

第二能量存储元件，与所述电荷往复运送装置耦合，

其中所述电荷往复运送装置进一步配置为监控所述第二能量存储元件的一个或多个参数，并根据监控到的参数控制在所述负载、所述超级电容器以及所述第二能量存储元件之间的能量流。

9.如权利要求6所述的功率管理系统，其中所述功率变换器是第一功率变换器，所述系统进一步包括耦合至所述电荷往复运送装置并配置为与主电力总线耦合的第二功率变换器。

10.如权利要求6所述的功率管理系统，其中所述超级电容器配置为维持用于所述负载的场削弱电流。

11.如权利要求10所述的功率管理系统，其中所述负载包括同步电机或永磁电机。

12.如权利要求6所述的功率管理系统，其中所述电荷往复运送装置通过激励一个或多个开关来控制能量流，以将所述超级电容器与所述负载电连接或将所述超级电容器与所述负载电隔离。

13.如权利要求6所述的功率管理系统，其中所述电荷往复运送装置配置为将再生能量从所述负载传送至所述超级电容器。

14.一种功率管理系统，用于至负载的连接，包括：

超级电容器；

电池；以及

电荷往复运送装置，其耦合至所述超级电容器和所述电池并配置为耦合至所述负载，所述电荷往复运送装置包括：

功率变换器；和

一个或多个开关，

其中所述电荷往复运送装置配置为控制所述功率变换器并切换所述开关以在所述超级电容器、所述电池和所述负载之间传送能量流。

15.如权利要求14所述的功率管理系统，其中仅关闭所述开关中的第一个将所述超级电容器和所述电池串联至所述负载。

16.如权利要求15所述的功率管理系统，其中仅关闭所述开关中的第二个将所述超级电容器连接至所述负载并将所述电池与所述负载隔离。

17.如权利要求16所述的功率管理系统，其中仅闭合所述开关中的第三个将所述电池连接至所述负载并将所述超级电容器与所述负载隔离。

18.如权利要求14所述的功率管理系统，其中所述电荷往复运送装置配置为将再生能量从所述负载传送至所述超级电容器和所述电池中的一个。

19.如权利要求14所述的功率管理系统，其中所述电荷往复运送装置配置为在所述超级电容器和所述电池之间执行电荷平衡。

20.一种功率管理系统，用于具有主电力总线的飞机，所述系统包括：

超级电容器；

电致动器驱动，其配置为从所述超级电容器和所述主电力总线中的至少一个抽取功率并控制飞机表面元件的移动；以及

电荷往复运送装置，其耦合至所述超级电容器和所述电致动器驱动，并配置为耦合至所述主电力总线，所述电荷往复运送装置配置为监控所述主电力总线、所述超级电容器和所述致动器驱动中的一个或多个参数，并控制在所述主电力总线、所述超级电容器和所述电致动器驱动之间的能量流。

21.如权利要求20所述的功率管理系统，其中所述电致动器驱动配置为当越过所述表面元件的气流辅助所述表面元件的移动时，将再生能量从所述表面元件传送至所述电荷往复运送装置。

22.如权利要求20所述的功率管理系统，其中所述表面元件选自下述器件组成的组：

方向舵；

配平片；

垂直稳定翼；

水平稳定翼；以及

升降舵。

23.如权利要求20所述的功率管理系统，其中所述一个或多个参数选自下述参数组成的组：

在所述超级电容器中存储的能量；

所述主电力总线上的可用功率；

来自所述致动器驱动的可用再生能量；

由所述致动器驱动需要的功率；及

所述表面元件的位置。

24.如权利要求20所述的功率管理系统，其中由所述电荷往复运送装置直接测量所述一个或多个参数。

25.如权利要求20所述的功率管理系统，其中由所述电荷往复运送装置估算所述一个或多个参数。

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