CN105071518B - 一种总线型混合能源装置和混合能源的循环控制方法 - Google Patents

一种总线型混合能源装置和混合能源的循环控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开的一种总线型混合能源装置和混合能源的循环控制方法，涉及混合能源发电技术领域，能够解决不具备在线智能充放电功能，不具备能量管理能力，且该并联系统应用领域较狭窄，扩展性较差问题。开关电源通过单向DC/DC变换器挂载于供电总线上并向负载供电，超级电容器通过第一双向DC/DC模块挂载于供电总线上，锂电池通过第二双向DC/DC模块挂载于供电总线上，其中，双向DC/DC变换器具有关断、Buck以及Boost三种工作模式，三种模式的选择由能源管理控制器确定并配置。主要用于混合能源控制。

Description

一种总线型混合能源装置和混合能源的循环控制方法
技术领域
本发明涉及混合能源发电技术领域，尤其涉及一种总线型混合能源装置和混合能源的循环控制方法。
背景技术
随着用电系统中电机类负载的大量使用，用电系统对瞬时能量的需求越来越大，同时，用电多样化趋势明显，使用单一的能源供电体制已无法满足不同场合的要求。
现有技术中，已有一种混合动力公交超级电容与锂电池并联电路，这种电路仅将锂电池和超级电容简单的并联起来，仅可在电容能量充足时缓慢的向电池实现能量补充，不具备在线智能充放电功能，不具备能量管理能力，且该并联系统应用领域较狭窄，扩展性较差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，提供了一种总线型混合能源装置和混合能源的循环控制方法，能够解决不具备在线智能充放电功能，不具备能量管理能力，且该并联系统应用领域较狭窄，扩展性较差问题。
本发明的技术解决方案：
一方面、一种总线型混合能源装置，包括供电总线、开关电源、超级电容、锂电池、一个单向DC/DC模块、第一双向DC/DC模块、第二双向DC/DC模块以及能源管理控制器；
开关电源通过单向DC/DC变换器挂载于供电总线上并向负载供电，超级电容器通过第一双向DC/DC模块挂载于供电总线上，锂电池通过第二双向DC/DC模块挂载于供电总线上，其中，双向DC/DC变换器具有关断、Buck以及Boost三种工作模式，三种模式的选择由能源管理控制器确定并配置。
进一步的，采用以下任一种工作模式工作：
第一工作模式：该混合能源装置处在充电环节，单向DC/DC变换器处于Boost状态，第一双向DC/DC变换器和第二双向DC/DC变换器处于Buck状态，开关电源为超级电容组和锂电池组充电；
第二工作模式：该混合能源装置处于放电环节，当超级电容组和锂电池组都处于过放状态或开关电源可为负载提供足够的能量时，单向DC/DC变换器处于Boost状态，第一双向DC/DC变换器和第二双向DC/DC变换器处于关断状态，由开关电源独立为负载提供能量；
第三工作模式：该混合能源装置处于放电环节，当锂电池组处于过放或故障且开关电源处于故障或未接的状态时，单向DC/DC变换器处于关断状态，第一双向DC/DC变换器处于Boost状态，第二双向DC/DC变换器处于关断状态，由超级电容组独立为负载提供能量；
第四工作模式：该混合能源装置处于放电环节，当超级电容组处于过放或故障且开关电源处于故障或未接的状态时，单向DC/DC变换器处于关断状态，第一双向DC/DC变换器处于关断状态，第二双向DC/DC变换器处于Boost状态，由锂电池组独立为负载提供能量；
第五工作模式：该混合能源装置处于放电环节，当开关电源和超级电容组恰好可提供足够的能量时，单向DC/DC变换器处于Boost状态，第一双向DC/DC变换器处于Boost状态，第二双向DC/DC变换器处于关断状态，由开关电源和超级电容组并联为负载提供能量；
第六工作模式：该混合能源装置处于放电环节，当超级电容组处于过放或故障且开关电源处于无法提供足够的能量的状态时，单向DC/DC变换器处于Boost状态，第一双向DC/DC变换器B处于关断状态，第二双向DC/DC变换器处于Boost状态，由开关电源和锂电池组并联为负载提供能量；
第七工作模式：该混合能源装置处于放电环节，当开关电源故障或未启动时，单向DC/DC变换器处于关断状态，第一双向DC/DC变换器和第二双向DC/DC变换器处于Boost状态，由超级电容组和锂电池组并联为负载提供能量；
第八工作模式：该混合能源装置处于放电环节，当系统需要足够大的能量时，单向DC/DC变换器、第一双向DC/DC变换器和第二双向DC/DC变换器均处于Boost状态，由开关电源、超级电容组以及锂电池组并联为负载提供能量。
另一方面、一种混合能源的循环控制方法，给定开关电源实时电压Ua，额定电压UA-E，超级电容组实时电压Ub，额定电压UB-E，锂电池组实时电压Uc，额定电压UC-E，供电总线实时电压Ubus，额定电压UBUS-E，超级电容组过放电压UB-MIN，锂电池组过放电压UC-MIN，该方法包括；
读取数据，判断IF是否大于0；
如果IF不大于0，则判断开关电源输出电压Ua是否大于90％UA-E；
若开关电源输出电压Ua不大于90％UA-E，则返回循环流程；若开关电源输出电压Ua大于90％UA-E，则判断超级电容组电压Ub是否大于90％UB-E；
若超级电容组电压Ub大于90％UB-E，则恒压充电；
判断电压是否达到UB-E；
若电压达到UB-E，停止超级电容组充电，若电压没有达到UB-E，则恒流充电；
判断锂电池组Uc是否大于90％UC-E；
若锂电池组Uc大于90％UC-E，则恒压充电；
判断电压是否达到UC-E，若电压达到UC-E，停止锂电池组充电，返回循环流程，若电压达到UC-E，则进行恒流充电；
如果IF大于0成立，则判断开关电源输出电压Ua是否大于90％UA-E；
若开关电源输出电压Ua不大于90％UA-E，则按照先超级电容组后锂电池组的优先级顺序启动对应DC/DC变换器的BOOST方式；若开关电源输出电压Ua大于90％UA-E，则判断总线电压Ubus是否稳定在UBUS-E；
若总线电压Ubus稳定在UBUS-E，则返回，若总线电压Ubus没有稳定在UBUS-E，则加入超级电容组和锂电池组辅助提供能量，优先级按照先超级电容组后锂电池组的顺序。
本发明实施例提供的一种总线型混合能源装置和混合能源的循环控制方法，基于开关电源、超级电容器以及锂电池的可智能充放电的总线型混合能源装置结构简单，通过双向DC/DC变换器来控制蓄电池充放电，实现稳压和限流工作，保护蓄电池免受大电流的影响，从而使蓄电池寿命更长；其次，当开关电源未启动或不满足负载要求时，这部分能量可由超级电容和蓄电池提供，因此开关电源的配置可按照较低的额定负载确定，可降低整个系统的成本；最后，通过对两个双向DC/DC变换器工作模式的控制，有效实现系统的能源管理。具备能源自动控制能力，可实现能源的智能组合以及在线智能充放电管理功能；同时，该装置采用总线型结构，单体能源可作为节点挂载于总线上，具备可扩展的优点。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种总线型混合能源装置的结构示意图；
图2、图3、图4、图5为图1所示装置的八种工作模式示意图；
图6为本发明实施例中一种混合能源的循环控制方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。
在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
因此，本发明提出了一种基于开关电源、超级电容器以及锂电池的可智能充放电的总线型混合能源装置，该装置发挥了开关电源在线智能充放电功能，利用了蓄电池比能量密度大和超级电容比功率密度大的特点，将给储能系统的性能带来很大的提高。
本发明实施例提供一种总线型混合能源装置，如图1所示：主要由供电总线101、开关电源102、超级电容组103、锂电池组104、单向DC/DC模块A105、双向DC/DC变换器B106、双向DC/DC变换器C107以及能源管理控制器108等组成。该装置中开关电源通过单向DC/DC变换器A105挂载于供电总线101上并向负载供电，保证了开关电源102作为第一优先级能量源使用，超级电容组103和锂电池组104通过双向DC/DC变换器B106和双向DC/DC变换器C107挂载于供电总线101上，实现能量的双向流动。其中，通过双向DC/DC变换器B106和双向DC/DC变换器C107具有关断、Buck以及Boost三种工作模式，三种状态的选择由能源管理控制器7确定并配置。
该混合能源装置可工作在图2至图5所示的八种模式下，包括：
工作模式201：混合能源装置处在充电环节，DC/DC变换器A处于Boost状态，DC/DC变换器B和DC/DC变换器C处于Buck状态，开关电源为超级电容组和锂电池组充电。
工作模式202：混合能源装置处于放电环节，当超级电容组和锂电池组都处于过放状态或开关电源可为负载提供足够的能量时，DC/DC变换器A处于Boost状态，DC/DC变换器B和DC/DC变换器C处于关断状态，由开关电源独立为负载提供能量。
工作模式203：混合能源装置处于放电环节，当锂电池组处于过放或故障且开关电源处于故障或未接的状态时，DC/DC变换器A处于关断状态，DC/DC变换器B处于Boost状态，DC/DC变换器C处于关断状态，由超级电容组独立为负载提供能量。
工作模式204：混合能源装置处于放电环节，当超级电容组处于过放或故障且开关电源处于故障或未接的状态时，DC/DC变换器A处于关断状态，DC/DC变换器B处于关断状态，DC/DC变换器C处于Boost状态，由锂电池组独立为负载提供能量。
工作模式205：混合能源装置处于放电环节，当开关电源和超级电容组恰好可提供足够的能量时，DC/DC变换器A处于Boost状态，DC/DC变换器B处于Boost状态，DC/DC变换器C处于关断状态，由开关电源和超级电容组并联为负载提供能量。
工作模式206：混合能源装置处于放电环节，当超级电容组处于过放或故障且开关电源处于无法提供足够的能量的状态时，DC/DC变换器A处于Boost状态，DC/DC变换器B处于关断状态，DC/DC变换器C处于Boost状态，由开关电源和锂电池组并联为负载提供能量。
工作模式207：混合能源装置处于放电环节，当开关电源故障或未启动时，DC/DC变换器A处于关断状态，DC/DC变换器B和DC/DC变换器C处于Boost状态，由超级电容组和锂电池组并联为负载提供能量。
工作模式208：混合能源装置处于放电环节，当系统需要足够大的能量时，DC/DC变换器A、DC/DC变换器B和DC/DC变换器C均处于Boost状态，由开关电源、超级电容组以及锂电池组并联为负载提供能量。
该混合能源的循环控制流程如图3所示，给定开关电源实时电压Ua，额定电压UA-E，超级电容组实时电压Ub，额定电压UB-E，锂电池组实时电压Uc，额定电压UC-E，供电总线实时电压Ubus，额定电压UBUS-E，超级电容组过放电压UB-MIN，锂电池组过放电压UC-MIN。
本发明实施例提供的一种总线型混合能源装置，该混合能源装置采用总线型布局增强了系统的可扩展性和可维护性，基于开关电源、超级电容器以及锂电池的可智能充放电的总线型混合能源装置结构简单，通过双向DC/DC变换器来控制蓄电池充放电，实现稳压和限流工作，保护蓄电池免受大电流的影响，从而使蓄电池寿命更长；其次，当开关电源未启动或不满足负载要求时，这部分能量可由超级电容和蓄电池提供，因此开关电源的配置可按照较低的额定负载确定，可降低整个系统的成本；最后，通过对两个双向DC/DC变换器工作模式的控制，有效实现系统的能源管理。具备能源自动控制能力，可实现能源的智能组合以及在线智能充放电管理功能；同时，该装置采用总线型结构，单体能源可作为节点挂载于总线上，具备可扩展的优点。
基于上述总线型混合能源装置，本发明实施例提供一种混合能源的循环控制方法，参照图6包括以下步骤：
301、读取数据。
302、判断IF是否大于0；如果IF不大于0，则认为无用电负载工作，执行步骤303.如果IF大于0成立，则进入放电环节，首先执行步骤312.
303、判断开关电源输出电压Ua是否大于90％UA-E；若开关电源输出电压Ua不大于90％UA-E，则返回循环流程；若开关电源输出电压Ua大于90％UA-E，则执行步骤304。
304、判断超级电容组电压Ub是否大于90％UB-E；若超级电容组电压Ub大于90％UB-E，则执行步骤305；
305、恒压充电；
306、判断电压是否达到UB-E；若电压达到UB-E，停止超级电容组充电，若电压没有达到UB-E，则执行步骤307.
307、恒流充电；
308、判断锂电池组Uc是否大于90％UC-E；若锂电池组Uc大于90％UC-E，则执行步骤309.
309、恒压充电；
310、判断电压是否达到UC-E，若电压达到UC-E，停止锂电池组充电，返回循环流程，若电压达到UC-E，则执行步骤311.
311、进行恒流充电；
312、判断开关电源输出电压Ua是否大于90％UA-E；若开关电源输出电压Ua不大于90％UA-E，则按照先超级电容组后锂电池组的优先级顺序启动对应DC/DC变换器的BOOST方式；若开关电源输出电压Ua大于90％UA-E，则执行步骤313.
313、判断总线电压Ubus是否稳定在UBUS-E；
若总线电压Ubus稳定在UBUS-E，则说明开关电源可提供足够的能量供负载消耗，返回，若总线电压Ubus没有稳定在UBUS-E，则说明开关电源提供的能量不足，需加入超级电容组和锂电池组辅助提供能量，优先级按照先超级电容组后锂电池组的顺序。
本发明实施例提供的一种总线型混合能源装置和混合能源的循环控制方法，基于开关电源、超级电容器以及锂电池的可智能充放电的总线型混合能源装置结构简单，通过双向DC/DC变换器来控制蓄电池充放电，实现稳压和限流工作，保护蓄电池免受大电流的影响，从而使蓄电池寿命更长；其次，当开关电源未启动或不满足负载要求时，这部分能量可由超级电容和蓄电池提供，因此开关电源的配置可按照较低的额定负载确定，可降低整个系统的成本；最后，通过对两个双向DC/DC变换器工作模式的控制，有效实现系统的能源管理。具备能源自动控制能力，可实现能源的智能组合以及在线智能充放电管理功能；同时，该装置采用总线型结构，单体能源可作为节点挂载于总线上，具备可扩展的优点。
如上针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，和/或与其它实施例中的特征相结合或替代其它实施例中的特征使用。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤、组件或其组合的存在或附加。
本发明以上的装置和方法可以由硬件实现，也可以由硬件结合软件实现。本发明涉及这样的计算机可读程序，当该程序被逻辑部件所执行时，能够使该逻辑部件实现上文所述的装置或构成部件，或使该逻辑部件实现上文所述的各种方法或步骤。本发明还涉及用于存储以上程序的存储介质，如硬盘、磁盘、光盘、DVD、flash存储器等。
这些实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (2)

1.一种总线型混合能源装置，其特征在于，包括供电总线、开关电源、超级电容、锂电池、一个单向DC/DC变换器、第一双向DC/DC变换器、第二双向DC/DC变换器以及能源管理控制器；
开关电源通过单向DC/DC变换器挂载于供电总线上并向负载供电，超级电容器通过第一双向DC/DC变换器挂载于供电总线上，锂电池通过第二双向DC/DC变换器挂载于供电总线上，其中，双向DC/DC变换器具有关断、Buck以及Boost三种工作模式，三种模式的选择由能源管理控制器确定并配置；
该装置采用以下任一种工作模式工作：
第一工作模式：该混合能源装置处在充电环节，单向DC/DC变换器处于Boost状态，第一双向DC/DC变换器和第二双向DC/DC变换器处于Buck状态，开关电源为超级电容组和锂电池组充电；
第二工作模式：该混合能源装置处于放电环节，当超级电容组和锂电池组都处于过放状态或开关电源可为负载提供足够的能量时，单向DC/DC变换器处于Boost状态，第一双向DC/DC变换器和第二双向DC/DC变换器处于关断状态，由开关电源独立为负载提供能量；
第三工作模式：该混合能源装置处于放电环节，当锂电池组处于过放或故障且开关电源处于故障或未接的状态时，单向DC/DC变换器处于关断状态，第一双向DC/DC变换器处于Boost状态，第二双向DC/DC变换器处于关断状态，由超级电容组独立为负载提供能量；
第四工作模式：该混合能源装置处于放电环节，当超级电容组处于过放或故障且开关电源处于故障或未接的状态时，单向DC/DC变换器处于关断状态，第一双向DC/DC变换器处于关断状态，第二双向DC/DC变换器处于Boost状态，由锂电池组独立为负载提供能量；
第五工作模式：该混合能源装置处于放电环节，当开关电源和超级电容组恰好可提供足够的能量时，单向DC/DC变换器处于Boost状态，第一双向DC/DC变换器处于Boost状态，第二双向DC/DC变换器处于关断状态，由开关电源和超级电容组并联为负载提供能量；
第六工作模式：该混合能源装置处于放电环节，当超级电容组处于过放或故障且开关电源处于无法提供足够的能量的状态时，单向DC/DC变换器处于Boost状态，第一双向DC/DC变换器处于关断状态，第二双向DC/DC变换器处于Boost状态，由开关电源和锂电池组并联为负载提供能量；
第七工作模式：该混合能源装置处于放电环节，当开关电源故障或未启动时，单向DC/DC变换器处于关断状态，第一双向DC/DC变换器和第二双向DC/DC变换器处于Boost状态，由超级电容组和锂电池组并联为负载提供能量；
第八工作模式：该混合能源装置处于放电环节，当系统需要足够大的能量时，单向DC/DC变换器、第一双向DC/DC变换器和第二双向DC/DC变换器均处于Boost状态，由开关电源、超级电容组以及锂电池组并联为负载提供能量。
2.一种混合能源的循环控制方法，其特征在于，给定开关电源实时电压Ua，额定电压UA-E，超级电容组实时电压Ub，额定电压UB-E，锂电池组实时电压Uc，额定电压UC-E，供电总线实时电压Ubus，额定电压UBUS-E，超级电容组过放电压UB-MIN，锂电池组过放电压UC-MIN，该方法包括；
读取数据，判断If是否大于0；
如果If不大于0，则判断开关电源输出电压Ua是否大于90％UA-E；
若开关电源输出电压Ua不大于90％UA-E,则返回循环流程；若开关电源输出电压Ua大于90％UA-E,则判断超级电容组电压Ub是否大于90％UB-E；
若超级电容组电压Ub大于90％UB-E,则恒压充电；
若超级电容组电压Ub不大于90％UB-E,则恒流充电；
在超级电容组电压Ub大于90％UB-E,的情况下，判断电压是否达到UB-E；
若电压达到UB-E，停止超级电容组充电，若电压没有达到UB-E，则返回执行前述步骤：判断超级电容组电压Ub是否大于90％UB-E；
判断锂电池组Uc是否大于90％UC-E；
若锂电池组Uc大于90％UC-E,则恒压充电；
若锂电池组Uc不大于90％UC-E,则恒流充电；
在锂电池组Uc大于90％UC-E的情况下，判断电压是否达到UC-E，若电压达到UC-E，停止锂电池组充电,返回循环流程,若电压没有达到UC-E，则返回执行前述步骤：判断锂电池组Uc是否大于90％UC-E；
如果If大于0成立,则判断开关电源输出电压Ua是否大于90％UA-E；
若开关电源输出电压Ua不大于90％UA-E，则按照先超级电容组后锂电池组的优先级顺序启动对应DC/DC变换器的BOOST方式；若开关电源输出电压Ua大于90％UA-E,则判断总线电压Ubus是否稳定在UBUS-E；
若总线电压Ubus稳定在UBUS-E，则返回，若总线电压Ubus没有稳定在UBUS-E,则加入超级电容组和锂电池组辅助提供能量，优先级按照先超级电容组后锂电池组的顺序。
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