CN109038717A - 一种互补式电源的能量管理系统及其控制方法 - Google Patents

一种互补式电源的能量管理系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种互补式电源的能量管理系统及其控制方法，且该能量管理系统包括能量管理单元、第一电池管理单元及第二电池管理单元，第一、第二电池管理单元均与能量管理单元通信连接；第一电池管理单元控制金属燃料电池组，第二电池管理单元控制锂电池组，金属燃料电池组的输出端连接第一直流直流变换模块，锂电池组的输出端连接第二直流直流变换模块；第一、第二直流直流变换模块与直流交流变换模块连接，直流交流变换模块的输出端连接负载；该控制方法包括正常工作模式和削峰填谷模式。本发明能保证互补式电源持续稳定的功率输出，优化互补式电源能量管理过程，极大地降低了能量管理过程中的人力和物力。

Description

一种互补式电源的能量管理系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及电源控制系统技术领域，更为具体来说，本发明为一种互补式电源的能量管理系统及其控制方法。
背景技术
虽然电源技术在不断发展，但是传统的电源设计方案已无法满足日益增长的需求，特别是传统的金属空气燃料电源，现有的金属空气燃料电源具有工装繁琐、可维护性较差等缺点，整个能量管理过程需要大量的人力和物力，比如电堆工装操作繁琐，人工手动串联和固定单体电堆需要耗费大量的时间；在金属空气燃料电源液路循环启动前和单体电堆替换时，分别会出现输出功率的真空期和波谷期，传统的能量管理系统的控制方法无法满足持续的功率输出。
因此，如何满足功率的持续稳定输出、优化电源能量管理过程，已经成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题和始终研究的重点。
发明内容
为解决传统的能量管理系统的控制方法无法满足持续的功率输出等问题，本发明创新提供了一种互补式电源的能量管理系统及其控制方法，提出了一种全新的互补式电源的能量管理系统架构，通过金属燃料电池组和锂电池组的交替使用，能够达到持续稳定的功率输出的目的，以实现为负载持续供电，具有电源能量管理过程合理、可靠性强等突出优点，从而较好地解决了现有技术存在的诸多问题。
为实现上述技术目的，本发明公开了一种互补式电源的能量管理系统，该能量管理系统包括能量管理单元、第一电池管理单元以及第二电池管理单元，所述第一电池管理单元、所述第二电池管理单元均与所述能量管理单元通信连接；所述第一电池管理单元分别与金属燃料电池组内的循环泵、碱液箱、组合电堆连接，循环泵、碱液箱、组合电堆两两之间通过管路连接且形成回路，金属燃料电池组的输出端连接微网系统内的第一直流直流变换模块；所述第二电池管理单元与锂电池组内的电池模组连接，锂电池组的输出端连接微网系统内的第二直流直流变换模块；所述第一直流直流变换模块、所述第二直流直流变换模块均与直流交流变换模块的输入端连接，且直流交流变换模块的输出端连接负载；其中，所述能量管理单元用于根据实时负载功率信息动态控制所述第一电池管理单元和所述第二电池管理单元。
基于上述的技术方案，通过上述金属燃料电池组、锂电池组及微网系统的模块化架构设计，本发明能根据负载功率需求合理地控制第一电池管理单元和第二电池管理单元，进而控制金属燃料电池组和锂电池组中的至少一种电池组为负载供电，以实现为负载持续稳定供电的目的，且本发明还具有易维护、工装简易、省时省力等突出优点。
进一步地，第一直流直流变换模块的输出端和第二直流直流变换模块的输出端分别通过各自的电连接器接入到直流母线上，所述直流母线连接直流交流变换模块的输入端。
基于上述改进的技术方案，本发明能够实现微网系统分别与金属燃料电池组、锂电池组的快速连接，具有连接方式稳定可靠、可操作性较强等突出优点，整个过程可在三分钟内完成。
进一步地，所述组合电堆包括多个相互并联的电堆模组，每个电堆模组包括多个相互串联的单体电堆。
基于上述改进的技术方案，在一个或多个单体电堆无法继续使用时，本发明提供的组合电堆能够实现电堆模组模块化更换，从而极大地缩短了电堆更换的操作时间，本发明不但进一步节省了人力和物力，而且避免了因更换电堆而导致的功率输出中断的问题，进一步保证了电池功率的持续稳定输出。
进一步地，所述能量管理单元与所述第一电池管理单元通过RS485总线通信连接，所述能量管理单元与所述第二电池管理单元通过CAN总线通信连接。
基于上述改进的技术方案，本发明能够实现能量管理单元分别与第一电池管理单元、第二电池管理单元可靠且有效地通信，以保证互补式电源为负载进行持续、稳定的供电。
进一步地，所述能量管理单元设置于微网系统内，所述第一电池管理单元设置于金属燃料电池组内，所述第二电池管理单元设置于锂电池组内；所述第一电池管理单元用于对金属燃料电池组状态进行监测和控制，所述第二电池管理单元用于对锂电池组状态进行监测和控制；所述锂电池组用于在电源启动时为循环泵供电，所述锂电池组为三元锂电池组。
基于上述改进的技术方案，本发明能够使能量管理系统模块化，从而便于能量管理系统维护、提高其可靠性；另外，利用三元锂电池的容量小、能量密度大及安全性高等特点，本发明能更好地满足金属燃料电池组循环前循环泵、冷却系统及微网系统等电源供应，较佳地实现后期能量的削峰填谷，出色地完成负载功率持续稳定输出等任务。
为实现上述的技术目的，本发明还公开了一种上述互补式电源的能量管理系统的控制方法，该控制方法包括如下步骤；
步骤1，通过能量管理单元向第二电池管理单元发送启动信号，利用第二电池管理单元控制锂电池组进行功率输出，从而通过锂电池组为负载供电、满足负载的功率需求，并通过所述锂电池组为金属燃料电池组内的循环泵供电，启动循环泵，以将碱液箱中的电解液泵入到组合电堆内部；
步骤2，利用第一电池管理单元控制金属燃料电池组开始逐步地进行功率输出；
步骤3，能量管理单元自动获取实时负载功率信息，并根据所述实时负载功率信息向第一电池管理单元发送第一实时功率控制命令以及同时向第二电池管理单元发送第二实时功率控制命令，第一电池管理单元根据第一实时功率控制命令控制金属燃料电池组进行功率输出，第二电池管理单元根据第二实时功率控制命令控制锂电池组进行功率输出，以通过金属燃料电池组和锂电池组同时为负载供电；
步骤4，通过能量管理单元判断金属燃料电池组的实时功率输出是否能独立满足负载的功率需求：如果能，则执行步骤5；如果不能，则返回步骤3；
步骤5，通过能量管理单元向第二电池管理单元发送关闭信号，利用第二电池管理单元切断锂电池组功率输出，只通过金属燃料电池组为负载供电。
基于上述的技术方案，对于现有技术中存在的金属燃料电源液路循环启动前的输出功率的真空期问题，本发明能够有效地解决，通过锂电池组先为负载供电，当金属燃料电池组的实时功率输出能独立满足负载的功率需求时，再使用金属燃料电池组独立为负载供电，从而满足负载的持续的用电需求。
进一步地，该控制方法还包括如下步骤；
步骤6，通过能量管理单元计算金属燃料电池组的输出功率与负载的需求功率的差值，如果该差值大于预设功率值，则执行步骤7；否则重新执行步骤6；
步骤7，通过第二电池管理单元检测锂电池组的剩余电量，判断剩余电量是否小于预设电量：如果是，则通过金属燃料电池组为锂电池组充电；如果否，则降低金属燃料电池组输出功率。
基于上述改进的技术方案，本发明还能达到为锂电池组充电的目的，从而克服了现有技术必须使用外接电源为锂电池充电的弊端，因此，基于本发明制成的互补式电源使用起来更为方便，用户体验更好。
进一步地，步骤7中，通过如下方式降低金属燃料电池组输出功率：减小碱液的循环流量和/或循环流速。
基于上述的技术方案，通过本发明对互补式电池能量管理系统架构及其控制方法的合理设计，本发明能够根据实际情况合理地减小碱液的循环流量或流速，从而有效地提高金属燃料电池组寿命，以提高整个电源寿命。
进一步地，该控制方法还包括如下步骤；
步骤8，如果金属燃料电池组碱液箱需更换或组合电堆需更换或无法满足负载功率输出时，则通过能量管理单元向第二电池管理单元再次发送启动信号，通过第二电池管理单元启动锂电池组，以通过锂电池组和金属燃料电池组同时为负载供电；然后返回步骤4。
基于上述改进的技术方案，本发明能避免金属燃料电池组能量输出的波谷期问题，保证整个电源能量的持续、稳定输出，满足了负载的可持续供电需求。
进一步地，步骤8中，通过如下方式判断是否需要更换金属燃料电池组内的组合电堆中的电堆模组：判断该电堆模组电导率是否大于规定值。
本发明的有益效果为：本发明能有效保证互补式电源持续稳定的功率输出，优化互补式电源能量管理过程，并极大地降低了能量管理过程中的人力和物力。
基于本发明提供的技术方案，在提供的互补式电源的能量管理系统及其控制方法的基础上，能够制造出可持续输出、具有低红外辐射、静默、隐身性能好、比能量高、能量转化率优异、成本低的便携式电源。
附图说明
图1为互补式电源的能量管理系统的结构示意图。
图2为互补式电源的能量管理系统的控制方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的一种互补式电源的能量管理系统及其控制方法进行详细的解释和说明。
实施例一：
如图1、2所示，本实施例公开了一种互补式电源的能量管理系统，该能量管理系统包括能量管理单元、第一电池管理单元以及第二电池管理单元，第一电池管理单元、第二电池管理单元均与能量管理单元通信连接，为实现较好的通信效果，本实施例中，能量管理单元与第一电池管理单元通过RS485总线通信连接，能量管理单元与第二电池管理单元通过CAN总线通信连接；整个电源可包括金属燃料电池组、锂电池组及微网系统，能量管理单元设置于微网系统内，第一电池管理单元设置于金属燃料电池组(或称为金属空气燃料电池)内，第二电池管理单元设置于锂电池组内，上述设置方式使本发明的能量管理系统模块化，以便于设备管理和维护；第一电池管理单元用于对金属燃料电池组状态进行监测和控制，金属燃料电池组状态信息可包括单体电堆电压、温度、电导率、流量、电流及SOC等；第二电池管理单元用于对锂电池组状态进行监测和控制,锂电池组状态信息可包括温度、SOC、充放电均衡信息、能量管理状态信息等；锂电池组用于在电源启动时为循环泵供电、用于为微网系统等设备供电，本实施例涉及的锂电池组可为三元锂电池组。
第一电池管理单元分别与金属燃料电池组内的循环泵、碱液箱、组合电堆连接，图1中的循环泵、碱液箱、组合电堆两两之间通过管路连接，循环泵、碱液箱、组合电堆形成碱液回路(闭环回路)，金属燃料电池组的输出端连接微网系统内的第一直流直流变换模块(DC/DC1)，金属燃料电池组正极和负极同时接入到微网系统第一直流直流变换模块的输入端；本实施例中，组合电堆包括多个相互并联的电堆模组，每个电堆模组包括多个相互串联的单体电堆，在进行电堆更换时，能实现以电堆模组为单位进行模块式更换，从而极大地减少了电堆更换时间，既有效地缩短了电源供给的波谷期，又极大地降低了人力和物力。
第二电池管理单元与锂电池组内的电池模组连接，锂电池组的输出端连接微网系统内的第二直流直流变换模块(DC/DC2)，其中，电池模组可包括多个相互串联的锂电池单体；第一直流直流变换模块、第二直流直流变换模块均与直流交流变换模块(DC/AC)的输入端连接，本实施例涉及的直流交流变换模块可为双向逆变器，且直流交流变换模块的输出端连接负载；本实施例中，第二电池管理单元可为BMS(电池管理系统)，金属燃料电池组和锂电池组共同形成互补式电源，第一直流直流变换模块的输出端和第二直流直流变换模块的输出端分别通过各自的电连接器接入到直流母线上，直流母线连接直流交流变换模块的输入端，通过电连接器和直流母线，本实施例能够实现设备间快速连接；其中，能量管理单元用于根据实时负载功率信息动态控制第一电池管理单元和第二电池管理单元，从而令第一电池管理单元控制金属燃料电池组的输出功率、令第二电池管理单元控制锂电池组的输出功率，从而实现实时动态的能量管理。
实施例二：
本实施例与实施例一基于相同的发明构思，提供了一种实施例一中的互补式电源的能量管理系统的控制方法，具体来说，如图1、2所示，该控制方法包括如下步骤。
(1)正常工作模式(如步骤1-6)
步骤1，能量管理系统正常启动，通过能量管理单元向第二电池管理单元发送启动信号，利用第二电池管理单元控制锂电池组进行功率输出，从而通过锂电池组、双向逆变器(DC/AC)为负载供电、满足负载的功率需求，并通过锂电池组为金属燃料电池组内的循环泵供电，启动循环泵，以将碱液箱中的电解液泵入到组合电堆内部；本实施例中，锂电池组进行功率输出时同时为循环泵供电。
步骤2，如前所示，金属燃料电池组的输出端连接微网系统内的第一直流直流变换模块(DC/DC1)，在能量管理单元的整体控制下，利用第一电池管理单元控制金属燃料电池组开始逐步地进行功率输出。
步骤3，能量管理单元自动获取实时负载功率信息，并根据实时负载功率信息向第一电池管理单元发送第一实时功率控制命令以及同时向第二电池管理单元发送第二实时功率控制命令，第一电池管理单元根据第一实时功率控制命令控制金属燃料电池组进行功率输出，第二电池管理单元根据第二实时功率控制命令控制锂电池组进行功率输出，以通过金属燃料电池组和锂电池组同时为负载供电，从而较好地满足了负载的稳定、持续功率需求。
步骤4，通过能量管理单元判断金属燃料电池组的实时功率输出是否能独立满足负载的功率需求：如果能，则执行步骤5；如果不能，则返回步骤3；在具体实施时，可以将金属燃料电池组的最大功率输出与负载的功率需求进行比较，如果在预设时长内金属燃料电池组的最大功率持续地大于负载的需求功率，则认为金属燃料电池组的实时功率输出能独立满足负载的功率需求，预设时长可根据具体情况进行设置，比如一分钟等；而执行上述判断过程的设备可以是能量管理单元或第一电池管理单元。
步骤5，通过能量管理单元向第二电池管理单元发送关闭信号，利用第二电池管理单元切断锂电池组功率输出，只通过金属燃料电池组为负载供电，此时通过金属燃料电池组独立满足负载的功率需求。
步骤6，通过能量管理单元计算金属燃料电池组的输出功率与负载的需求功率的差值，如果该差值大于预设功率值(可理解为金属燃料电池组的输出功率远大于负载的需求功率)，预设功率值可以根据实际情况进行合理设置，则执行步骤7；否则重新执行步骤6。
(2)削峰填谷模式(如步骤7-8)
步骤7，通过第二电池管理单元检测锂电池组的剩余电量，判断剩余电量是否小于预设电量：如果是，则向能量管理单元发出反馈信号、能量管理单元控制第一电池管理单元、通过金属燃料电池组为锂电池组充电，本实施例中，可通过双向逆变器(DC/AC)将负载使用的剩余功率为三元锂电池组充电，当达到三元锂电池组SOC上限时，停止充电，重新执行步骤7；如果否，则降低金属燃料电池组输出功率。本实施例步骤7中，通过如下方式降低金属燃料电池组输出功率：通过第一电池管理单元进行控制，减小碱液的循环流量和/或循环流速，以减少金属燃料电池组的能量输出。
步骤8，如果金属燃料电池组碱液箱需更换或组合电堆需更换或无法满足负载功率输出时，则通过能量管理单元向第二电池管理单元再次发送启动信号，通过第二电池管理单元启动锂电池组，以通过锂电池组和金属燃料电池组同时为负载供电；然后返回步骤4。本实施例步骤8中，通过如下方式判断是否需要更换金属燃料电池组内的组合电堆中的电堆模组：判断该电堆模组电导率是否大于规定值。值得一提的是，步骤8中提到的方式可在整个控制方法中的多处应用，并不限于在步骤7之后。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“本实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种互补式电源的能量管理系统，其特征在于：该能量管理系统包括能量管理单元、第一电池管理单元以及第二电池管理单元，所述第一电池管理单元、所述第二电池管理单元均与所述能量管理单元通信连接；所述第一电池管理单元分别与金属燃料电池组内的循环泵、碱液箱、组合电堆连接，循环泵、碱液箱、组合电堆两两之间通过管路连接且形成回路，金属燃料电池组的输出端连接微网系统内的第一直流直流变换模块；所述第二电池管理单元与锂电池组内的电池模组连接，锂电池组的输出端连接微网系统内的第二直流直流变换模块；所述第一直流直流变换模块、所述第二直流直流变换模块均与直流交流变换模块的输入端连接，且直流交流变换模块的输出端连接负载；其中，所述能量管理单元用于根据实时负载功率信息动态控制所述第一电池管理单元和所述第二电池管理单元。
2.根据权利要求1所述的互补式电源的能量管理系统，其特征在于：第一直流直流变换模块的输出端和第二直流直流变换模块的输出端分别通过各自的电连接器接入到直流母线上，所述直流母线连接直流交流变换模块的输入端。
3.根据权利要求2所述的互补式电源的能量管理系统，其特征在于：所述组合电堆包括多个相互并联的电堆模组，每个电堆模组包括多个相互串联的单体电堆。
4.根据权利要求3所述的互补式电源的能量管理系统，其特征在于：所述能量管理单元与所述第一电池管理单元通过RS485总线通信连接，所述能量管理单元与所述第二电池管理单元通过CAN总线通信连接。
5.根据权利要求4所述的互补式电源的能量管理系统，其特征在于：所述能量管理单元设置于微网系统内，所述第一电池管理单元设置于金属燃料电池组内，所述第二电池管理单元设置于锂电池组内；所述第一电池管理单元用于对金属燃料电池组状态进行监测和控制，所述第二电池管理单元用于对锂电池组状态进行监测和控制；所述锂电池组用于在电源启动时为循环泵供电，所述锂电池组为三元锂电池组。
6.一种权利要求1-5中任一权利要求所述的互补式电源的能量管理系统的控制方法，其特征在于：该控制方法包括如下步骤；
步骤1，通过能量管理单元向第二电池管理单元发送启动信号，利用第二电池管理单元控制锂电池组进行功率输出，从而通过锂电池组为负载供电、满足负载的功率需求，并通过所述锂电池组为金属燃料电池组内的循环泵供电，启动循环泵，以将碱液箱中的电解液泵入到组合电堆内部；
步骤2，利用第一电池管理单元控制金属燃料电池组开始逐步地进行功率输出；
步骤3，能量管理单元自动获取实时负载功率信息，并根据所述实时负载功率信息向第一电池管理单元发送第一实时功率控制命令以及同时向第二电池管理单元发送第二实时功率控制命令，第一电池管理单元根据第一实时功率控制命令控制金属燃料电池组进行功率输出，第二电池管理单元根据第二实时功率控制命令控制锂电池组进行功率输出，以通过金属燃料电池组和锂电池组同时为负载供电；
步骤4，通过能量管理单元判断金属燃料电池组的实时功率输出是否能独立满足负载的功率需求：如果能，则执行步骤5；如果不能，则返回步骤3；
步骤5，通过能量管理单元向第二电池管理单元发送关闭信号，利用第二电池管理单元切断锂电池组功率输出，只通过金属燃料电池组为负载供电。
7.根据权利要求6所述的互补式电源的能量管理系统的控制方法，其特征在于：该控制方法还包括如下步骤；
步骤6，通过能量管理单元计算金属燃料电池组的输出功率与负载的需求功率的差值，如果该差值大于预设功率值，则执行步骤7；否则重新执行步骤6；
步骤7，通过第二电池管理单元检测锂电池组的剩余电量，判断剩余电量是否小于预设电量：如果是，则通过金属燃料电池组为锂电池组充电；如果否，则降低金属燃料电池组输出功率。
8.根据权利要求7所述的互补式电源的能量管理系统的控制方法，其特征在于：
步骤7中，通过如下方式降低金属燃料电池组输出功率：减小碱液的循环流量和/或循环流速。
9.根据权利要求8所述的互补式电源的能量管理系统的控制方法，其特征在于：该控制方法还包括如下步骤；
步骤8，如果金属燃料电池组碱液箱需更换或组合电堆需更换或无法满足负载功率输出时，则通过能量管理单元向第二电池管理单元再次发送启动信号，通过第二电池管理单元启动锂电池组，以通过锂电池组和金属燃料电池组同时为负载供电；然后返回步骤4。
10.根据权利要求9所述的互补式电源的能量管理系统的控制方法，其特征在于：
步骤8中，通过如下方式判断是否需要更换金属燃料电池组内的组合电堆中的电堆模组：判断该电堆模组电导率是否大于规定值。
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