CN106030958A - 负载的供电设备以及相关方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对负载(11)供电的设备(10)，其包括：至少两个储能单元(13、14)；用于确定所述负载(11)的功率需求的装置；用于监视每个储能单元(13、14)的装置(16，17)，其能够提供关于每个储能单元(13、14)的最大瞬时功率的信息；用于根据戴维南模型的电动势(Ebat(t))以及电阻(Rbat(t))、最大指定电流和最大指定电压来确定最大安全功率的计算构件(19)；以及用于控制每个储能单元(13、14)的装置(Cbat(t)，Csc(t))，所述装置是根据所述负载(11)的功率需求和每个储能单元(13、14)的最大安全功率而随时间被调整的。

Description

负载的供电设备以及相关方法

技术领域

本发明涉及一种用于对负载供电的设备。本发明还涉及相关的方法。本发明更具体地涉及也称为“混合供电”的、包括若干能量存储源的供电设备。

“混合供电”是指包括若干能量存储源的电源，例如关联于超级电容器组的电池或甚至是关联于燃料电池的电池。

本发明应用于许多领域，并且可以用于飞行器，卫星或甚至是航天器。

背景技术

存在若干已知的使用若干能量存储源来对负载供电的设备。这些设备尤其存在于电动公交车、有轨电车或者电力或混合动力机动车辆中。这些设备实现了补充的能量存储源，例如电池和超级电容器组。已知的现有技术特别是描述了此类设备的专利No.FR 2 947 006。

通常，通过简单地使能量存储技术并联或串联来实现补充源的实施。然而，这一技术解决方案无法有效地利用能量存储源。负载的功率需求随着时间而改变。本发明的目的之一是在不同的能量存储源之间分担这些功率需求。

另外，在飞行器或航天器领域内使用混合电源产生了关于防止能量存储源老化的额外问题。实际上，能量存储源的老化应该被控制以使得遵守系统的使用寿命的规范，其通常约为十年。

已知的现有技术是在“第四届工业和信息系统国际研讨会，ICIIS2009，2009年12月28-31日，斯里兰卡”中发表的标题为“An EnergyManagement System for a Battery Ultracapacitor Hybrid ElectricVehicle”的科学论文，以及在杂志“IEEE TRANSACTIONS ONVEHICLAR TECHNOLOGY，卷61，第4期，2012年5月”发表的标题为“Optimizing for Efficiency or Battery Life in aBattery/Supercapacitor Electric Vehicle”的科学论文。

发明内容

本发明的目的是通过根据第一方面提出一种用于对负载供电的设备，来解决能量存储源的使用的老化和优化的问题。

为此，本发明涉及一种设备，其包括：连接到所述负载的至少两个储能单元的，所述储能单元具有最大指定放电电流和最小指定电压，以保证所述能量存储源的使用寿命；用于确定所述负载的功率需求的装置；用于控制每个储能单元的装置，其能够限定由所述储能单元所递送的功率；以及用于监视每个储能单元的装置，其能够提供有关能够对所述储能单元请求的最大瞬时功率的信息，所述监视装置能够提供有关每个储能单元的戴维南(Thevenin)等效模型的电动势和电阻的信息，其表示每个储能单元的内部状态和健康状态，该设备包括计算构件，其能够根据电动势和电阻、最大指定电流和最小指定电压来确定每个储能单元的最大安全功率，以及所述控制装置是根据所述负载的功率需求和每个储能单元的最大安全功率而随时间被调整的。

本发明还能够通过在由创建者所指定的电压和电流参数范围内限制储能单元的使用，来随时间限制储能单元的过度使用。这些参数范围确保储能单元的使用寿命，其通常约为十年。本发明因而减少了所述储能单元随时间的损坏。

根据一个实施方式，所述储能单元件具有最大指定充电电流和最大指定充电电压以确保所述储能单元的使用寿命，计算构件能够根据表示每个储能单元的内部状态和健康状态的电动势和电阻、最大指定充电电流和最大指定充电电压来确定每个储能单元的最大安全充电功率，所述控制装置是根据所述负载的功率需求、最大安全功率和每个储能单元的最大安全充电功率而随时间被调整的。该实施方式例如使得能够在负载功率需求小于第一储能单元的最大安全功率的情况下，使用第一储能单元来对第二储能单元充电。

根据一个实施方式，至少一个储能单元是电池、超级电容器组或燃料电池。该实施方式使得能够装配能够快速充电和放电的第一储能单元，例如超级电容器组，以及其充电和放电速度稍慢的第二储能单元，例如电池。

根据一个实施方式，每个储能单元的戴维南等效模型的电动势是通过根据储能单元的使用来表示的性能规律而被确定的。该实施方式使得能够根据每个储能单元的时间来获悉内部状态和健康状态。

根据一个实施方式，监视装置能够提供有关每个储能单元的内部状态的信息，计算构件能够根据每个储能单元的内部状态来确定每个储能单元的戴维南等效模型的电动势和电阻，所述控制装置是根据电动势和电阻随时间被调整的。该实施方式使得能够整合每个储能单元的内部波动。例如，该实施方式使得能够整合储能单元的温度波动并且在确保其使用寿命的温度值范围内限制储能单元的使用。

根据一个实施方式，电动势和电阻随着时间而变化。该实施方式使得能够准确估算戴维南等效模型的电动势和电阻。

根据一个实施方式，所述最大安全功率由以下等式来确定：

$\begin{array}{c}Pbat.\max .spec\left(t\right)\\ =\min \[\frac{E^{2}bat\left(t\right)}{4Rbat\left(t\right)},\frac{\left(Ebat\right(t)-Vbat.\min )Vbat.\min }{Rbat\left(t\right)},Ebat\left(t\right)Ibat.\max \\ -Rbat\left(t\right)I^{2}bat.\max \].\end{array}$

根据一个实施方式，所述最大安全充电功率由以下等式来确定：

$\begin{array}{c}Pbat.\max .rech.spec\left(t\right)\\ =\max \[-\frac{(Vbat.\max -Ebat(t\left)\right)Vbat.\max }{Rbat\left(t\right)},Ebat\left(t\right)Ibat.rech.\max \\ -Rbat\left(t\right)I^{2}bat.rech.\max \].\end{array}$

根据第二方面，本发明涉及一种用于检查和控制供电设备的方法，该方法包括以下步骤：随时间确定第一储能单元的所述最大安全功率，将负载的功率需求与第一储能单元的最大安全功率相比较，以及调整控制装置以在负载功率需求大于第一储能单元的最大安全功率的情况下使用第二储能单元。该实施方式使得能够保护第一储能单元以及减少对第二储能单元的使用。

根据一个实施方式，该方法包括以下步骤：在负载功率需求小于第一储能单元的最大安全功率的情况下确定随时间可用的功率，将第一储能单元的可用功率与第二储能单元的最大安全充电功率相比较，以及调整控制装置以利用第一储能单元的可用功率对第二储能单元充电。该实施方式使得能够在负载需求大的情况下将第二储能单元作为补充源来使用。此后，在负载需求比主源的确保其使用寿命的产能更小的情况下，该补充源由主源充电。

附图说明

参考附图，通过阅读以下仅作为说明而给出的对本发明的实施方式的描述，将更好地理解本发明，其中：

图1示出了根据本发明的实施方式的负载的供电设备的功率的示意图；

图2示出了图1的第一储能单元的戴维南等效模型的示意图；

图3示出了图1的设备的监视和控制装置的示意图；和

图4是说明图1所示的设备的检查和控制算法的流程图。

具体实施方式

图1示出了负载11的供电设备10。负载11的功率需求Pchg(t)是由两个储能单元13、14随时间而满足的。在该实施方式中，第一储能单元13对应于递送功率Pbat(t)的电池组，而第二储能单元14对应于递送功率Psc(t)的超级电容器组。作为变型，这些储能单元可以变化而不会改变本发明。负载11对应于任意致动器，例如伺服作动筒。

每个储能单元13、14由戴维南等效模型建模。图2展示了第一存储单元13的这个模型。等效模型包括与电阻Rbat(t)串联的电压源Ebat(t)。电压源Ebat(t)表示基于源的内部状态和源的退化规律所估算的源在时刻t的电动势。电阻Rbat(t)还根据源的内部状态来被估算。该等效模型使得能够对源在时刻t的放电电流Ibat(t)以及端子电压Vbat(t)建模。

戴维南等效模型的这些组成部分Ebat(t)和Rbat(t)使得能够根据以下等式计算能够对源请求的最大瞬时功率Pbat.max(t)：

$Pbat.max\left(t\right)=\frac{E^{2}bat\left(t\right)}{4Rbat\left(t\right)}.$

另外，每个储能单元13、14被实现为在特定条件下工作以确保其使用寿命。放电使用条件是由最大指定放电电流Ibat.max、最小指定允许电压Vbat.min或指定工作温度范围来限定的。同样，充电使用条件是由最大指定充电电流Ibat.rech.max、最大指定充电电压Vbat.rech.max或特定工作温度范围来限定的。

在遵守适用于源的全部规范这一约束下，这些信息使得能够计算能够对源请求的最大瞬时放电功率Pbat.max.spec(t)。该最大安全功率Pbat.max.spec(t)可以根据以下等式来确定：

$\begin{array}{c}Pbat.\max .spec\left(t\right)\\ =\min \[\frac{E^{2}bat\left(t\right)}{4Rbat\left(t\right)},\frac{\left(Ebat\right(t)-Vbat.rech.\max )Vbat.rech.\max }{Rbat\left(t\right)},Ebat\left(t\right)Ibat.\max \\ -Rbat\left(t\right)I^{2}bat.\max \].\end{array}$

在遵守适用于源的全部规范这一约束下，这些信息还使得能够计算能够对源请求的最大瞬时充电功率Pbat.max.rech.spec(t)。该最大安全充电功率Pbat.max.rech.spec(t)可以根据以下等式来确定：

$\begin{array}{c}Pbat.\max .rech.spec\left(t\right)\\ =\max \[-\frac{(Vbat.\max -Ebat(t\left)\right)Vbat.\max }{Rbat\left(t\right)},Ebat\left(t\right)Ibat.rech.\max \\ -Rbat\left(t\right)I^{2}bat.rech.\max \].\end{array}$

优选地，这些功率Pbat.max.spec(t)和Pbat.max.rech.spec(t)是针对每个储能单元13、14而被确定的。这些功率Pbat.max.spec(t)和Pbat.max.rech.spec(t)是由图3中所示的计算构件19来估算的。计算构件19还控制两个变流器30，31，这两个变流器能够限定由储能单元13、14借助于两个控制装置Cbat(t)和Csc(t)所递送的功率Pbat(t)和Psc(t)。控制装置Cbat(t)和Csc(t)是根据负载11的功率需求Pchg(t)和每个储能单元13、14的最大安全功率Pbat.max.spec(t)而随时间t调整的。

图4是展示了计算构件19的运转的流程图。在第一步骤21中，计算构件19确定第一储能单元13的最大安全功率Pbat.max.spec(t)。该最大安全功率Pbat.max.spec(t)随后在第二步骤22中与负载11的功率需求Pchg(t)相比较。

当负载11的功率需求Pchg(t)大于最大安全功率Pbat.max.spec(t)时，第一储能单元13无法在遵守约束的情况下独自提供负载11所要求的功率，因此计算构件19在步骤23中调整控制装置Cbat(t)和Csc(t)。第一储能单元13递送最大安全功率Pbat.max.spec(t)，而第二储能单元14递送所要求的功率的剩余部分，即负载11的功率需求Pchg(t)减去第一储能单元13的最大安全功率Pbat.max.spec(t)。

当负载11的功率需求Pchg(t)小于最大安全功率Pbat.max.spec(t)时，第一储能单元13可以独自提供负载11所要求的功率。计算构件19在步骤25中确定可用功率Pbat.disp(t)，其对应于最大安全功率Pbat.max.spec(t)与负载11的功率需求Pchg(t)之差。该可用功率Pbat.disp(t)随后在步骤26中与第二储能单元14的最大安全充电功率Pbat.max.rech.spec(t)相比较。

当可用功率Pbat.disp(t)小于第二储能单元14的最大安全充电功率Pbat.max.rech.spec(t)时，计算构件在步骤28中调整控制装置Cbat(t)和Csc(t)以使第一储能单元13提供最大安全功率Pbat.max.spec(t)，从而满足负载11的功率需求Pchg(t)并且对第二储能单元14充电。

当可用功率Pbat.disp(t)大于第二储能单元14的最大安全充电功率Pbat.max.rech.spec(t)时，计算构件在步骤27中调整控制装置Cbat(t)和Csc(t)以使第一储能单元13根据其最大安全充电功率Pbat.max.rech.spec(t)而提供能够满足负载11的功率需求Pchg(t)并且对第二储能单元14充电的功率。

本发明因而允许有效的分配两个储能单元13、14的可用功率。作为变型，本发明的设备可以包括不止两个储能单元。在多个储能单元之间的供电分配使得能够减小或优化飞行器或航天器上的机载储能单元的质量。另外，本发明使得能够通过在指定的使用条件下限制其使用来防止储能单元的老化。

本发明针对航天领域提供了一种使混合供电的使用寿命合格的具体而关键的解决方案。这由于混合供电设计越来越多地应用于航天领域而变得更加重要。特别列举出：

–用于对飞行器的机电伺服发动机提供电能的混合供电，尤其是对于空间运载火箭的喷管定向；

–用于管理卫星上的能量需求的混合供电，尤其是对于激光远程检测系统；

–风力涡轮机的混合供电驱动飞行器的备用发电机；以及

–用于向直升机涡轮机启动器提供电力的混合供电。

Claims (10)

1.一种用于对负载(11)供电的设备(10)，其包括：

-连接到所述负载(11)的至少两个储能单元(13、14)，所述储能单元(13、14)具有最大指定放电电流(Ibat.max)和最小指定电压(Vbat.min)以确保所述储能单元(13、14)的使用寿命，

-用于确定所述负载(11)的功率需求(Pchg(t))的确定装置，

-用于控制每个储能单元(13、14)的控制装置(Cbat(t)，Csc(t))，其能够限定由所述储能单元(13、14)递送的功率(Pbat(t)，Psc(t))，以及

-用于监视每个储能单元(13、14)的监视装置(16，17)，其能够提供有关能够对所述储能单元(13、14)请求的最大瞬时功率(Pbat.max(t))的信息，

其特征在于：

-所述监视装置(16，17)能够提供有关每个储能单元的戴维南等效模型的电动势(Ebat(t))和电阻(Rbat(t))的信息，其表示每个储能单元(13、14)的内部状态和健康状态，其特征在于：

-所述设备包括计算构件(19)，其能够根据所述电动势(Ebat(t))和所述电阻(Rbat(t))、所述最大指定电流(Ibat.max)和所述最小指定电压(Vbat.min)来确定每个储能单元(13、14)的最大安全功率(Pbat.max.spec(t))，其特征在于：

-所述控制装置(Cbat(t)，Csc(t))是根据所述负载(11)的功率需求(Pchg(t))和每个储能单元(13、14)的所述最大安全功率(Pbat.max.spec(t))而随时间(t)被调整的。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述储能单元(13、14)具有最大指定充电电流(Ibat.max.rech)和最大指定充电电压(Vbat.max.rech)以确保所述储能单元(13、14)的使用寿命，所述计算构件(19)能够根据表示每个储能单元(13、14)的内部状态和健康状态的所述电动势(Ebat(t))和所述电阻(Rbat(t))、所述最大指定充电电流(Ibat.rech.max)和所述最大指定充电电压(Vbat.rech.max)来确定每个储能元件(13、14)的最大安全充电功率(Pbat.max.rech.spec(t))，所述控制装置(Cbat(t)，Csc(t))是根据所述负载(11)的功率需求(Pchg(t))、每个储能单元(13、14)的最大安全功率(Pbat.max.spec(t))和最大安全充电功率(Pbat.max.rech.spec(t))而随时间(t)被调整的。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述至少一个储能单元(13、14)是电池，超级电容器组或者燃料电池。

4.根据权利要求1至3之一所述的设备，其特征在于，每个储能单元(13、14)的戴维南等效模型的电动势(Ebat(t))是通过根据所述储能单元(13、14)的使用而表示的性能规律来确定的。

5.根据权利要求1至4之一所述的设备，其特征在于，所述监视装置(16，17)能够提供有关每个储能单元(13、14)的内部状态的信息，所述计算构件(19)能够根据每个储能单元(13、14)的内部状态来确定每个储能单元(13、14)的戴维南等效模型的电动势(Ebat(t))和电阻(Rbat(t))，所述控制装置(Cbat(t)，Csc(t))是根据所述电动势(Ebat(t))和所述电阻(Rbat(t))而随时间(t)被调整的。

6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述电动势(Ebat(t))和所述电阻(Rbat(t))是随时间(t)而变化的。

7.根据权利要求2和5所述的设备，其特征在于，所述最大安全功率(Pbat.max.spec(t))是通过以下等式来确定的：

$\begin{array}{c}Pbat.\max .spec\left(t\right)\\ =\min \[\frac{E^{2}bat\left(t\right)}{4Rbat\left(t\right)},\frac{\left(Ebat\right(t)-Vbat.\min )Vbat.\min }{Rbat\left(t\right)},Ebat\left(t\right)Ibat.\max \\ -Rbat\left(t\right)I^{2}bat.\max \].\end{array}$

8.根据权利要求2和5所述的设备，其特征在于，所述最大安全充电功率(Pbat.max.rech.spec(t))是通过以下等式来确定的：

$\begin{array}{c}Pbat.\max .rech.spec\left(t\right)\\ =\max \[-\frac{(Vbat.\max -Ebat(t\left)\right)Vbat.\max }{Rbat\left(t\right)},Ebat\left(t\right)Ibat.rech.\max \\ -Rbat\left(t\right)I^{2}bat.rech.\max \].\end{array}$

9.一种用于检查和控制根据权利要求1至8所述的供电设备的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

-随时间(t)而确定(21)所述第一储能单元(13)的所述最大安全功率(Pbat.max.spec(t))，

-比较(22)所述负载(11)的功率需求(Pchg(t))和所述第一储能单元(13)的所述最大安全功率(Pbat.max.spec(t))，和

-调整(23)所述控制装置(Cbat(t)，Csc(t))以在所述负载(11)的功率需求(Pchg(t))大于所述第一储能单元(13)的所述最大安全功率(Pbat.max.spec(t))的情况下使用所述第二储能单元(14)。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

-在所述负载(11)的功率需求(Pchg(t))小于所述第一储能单元(13)的所述最大安全功率(Pbat.max.spec(t))的情况下，根据时间(t)而确定(25)可用功率(Pbat.disp(t))，

-比较(26)所述第一储能单元(13)的所述可用功率(Pbat.disp(t))与所述第二储能单元(14)的最大安全充电功率(Pbat.max.rech.spec(t))，以及

-调整(27)所述控制装置(Cbat(t)，Csc(t))以利用所述第一储能单元(13)，以所述第一储能单元(13)的所述可用功率(Pbat.disp(t))对所述第二储能单元(14)充电。