CN109842191B - 一种复合电源系统及其功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合电源系统及其功率分配方法，系统包括动力电池、超级电容、DC/DC变换器、功率分配控制器、信号采集模块、滤波电容、电流传感器、第一接入端口、第二接入端口以及电池组合开关。动力电池与电池组合开关串联后并联到总线上为负载提供能量；超级电容连接到DC/DC变换器boost模式的输入端，而DC/DC变换器在该模式下的输出端则与总线相连；信号采集模块检测当前动力电池的电流和超级电容的电压，并将其传递给所述功率分配控制器；功率分配控制器根据电流传感器、信号采集模块传递的数据，结合外部功率需求信号控制第一至第三IGBT开关工作。本发明系统电路结构简单，能够实现多种能量流动方式的控制，实时分配功率需求，提高能量利用效率。

Description

一种复合电源系统及其功率分配方法

技术领域

本发明涉及新能源汽车储能系统，特别是涉及一种基于超级电容、蓄电池及其拓扑结构的双电源复合储能系统及其功率分配方法。

背景技术

随着能源危机和环境污染的加重，节能减排已成为全球汽车行业的紧要任务，许多汽车厂商加大了新能源车的研发投入，并通过示范性运营等方式将产品推向市场。但就目前来说，以电动汽车为代表的新能源车仍然饱受质疑，其中很大程度上是由于电池技术的瓶颈，发展趋势是采用锂离子电池作为新能源汽车的储能装置，但其价格较高，功率密度较低，在车辆复杂的行驶工况下，性能和寿命都受到很大的考验。超级电容作为功率密度极高的能源，可以起到“吸峰填谷”的作用，若与动力电池组成复合储能系统，能够有效延长电池寿命，发挥出高能量密度和高功率密度的性能。

目前，双电源电源复合储能系统的能量管理方法较多，基于模型预测的策略可以在一定程度上估计系统未来的状态变化，进而规划当前的功率分配，但该方法计算量大，实时性及能量回收效果不佳；而一般的基于规则的策略虽然可以考虑电量、电流等各种因素，但考虑储能系统整体效率的策略却很少。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术中所涉及到的不足，提供一种结构简单的复合电源系统及其功率分配方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种复合电源系统，包括动力电池、超级电容、DC/DC变换器、功率分配控制器、信号采集模块、滤波电容、电流传感器、第一接入端口、第二接入端口以及电池组合开关；

所述电池组合开关包含第一IGBT开关、第一二极管；所述DC/DC变换器采用双向半桥式，包含第二IGBT开关、第二二极管、电感、第三IGBT开关和第三二极管；

所述第一接入端口、第二接入端口用于接外部负载或充电电源；

所述第一接入端口分别和第一二极管的负极、第一IGBT开关的集电极、第二二极管的负极、第二IGBT开关的集电极相连；

所述第一IGBT开关的发射极分别和第一二极管的正极、滤波电容的一端、动力电池的正极相连；

所述动力电池的负极分别和滤波电容的另一端、超级电容的负极、第三IGBT开关的发射极、第三二极管的正极、第二接入端口相连；

所述第二IGBT开关的发射极分别和第二二极管的正极、电感的一端、第三IBGT的集电极、第三二极管的负极相连；

所述电感的另一端和超级电容的正极相连；

所述电流传感器设置在所述第一接入端口处，用于感应第一接入端口处的电流并将其传递给所述功率分配控制器；

所述信号采集模块用于检测当前动力电池的电流和超级电容的电压，并将其传递给所述功率分配控制器；

所述功率分配控制器分别和所述电流传感器、信号采集模块、第一至第三IGBT开关的门极、以及外部功率需求信号相连，用于根据电流传感器、信号采集模块传递的数据，结合外部功率需求信号控制第一至第三IGBT开关工作。

本发明还公开了一种该复合电源系统控制方法，包含以下步骤：

步骤1)，信号检测模块获得当前动力电池电流I_bat和超级电容的电压U_uc，并将其传递给功率分配控制器；

步骤2)，电流传感器获得第一接入端口处的电流I_bus并将其传递给功率分配控制器；

步骤3)，功率分配控制器接收外部功率需求信号，得到外部需求功率P_req；

步骤3.1)，如果P_req小于零：

步骤3.1.1)，功率分配控制器控制第一IGBT开关导通；

步骤3.1.2)，功率分配控制器根据外部需求功率P_req和超级电容电压U_uc在预设的外部需求功率、超级电容电压、动力电池充电功率分配系数的对照表中进行查询，找到匹配的动力电池充电功率分配系数

步骤3.1.3)，功率分配控制器控制第三IGBT开关断开，同时调整第二IGBT的占空比，使得

步骤3.2)，如果P_req大于零：

步骤3.2.1)，功率分配控制器控制第一IGBT开关断开；

步骤3.2.2)，功率分配控制器根据外部需求功率P_req和超级电容电压U_uc在预设的外部需求功率、超级电容电压、动力电池放电功率分配系数的对照表中进行查询，找到匹配的动力电池放电功率分配系数

步骤3.2.3)，功率分配控制器控制第二IGBT开关断开，同时调整第三IGBT的占空比，使得

作为本发明一种复合电源系统控制方法进一步的优化方案，所述外部需求功率、超级电容电压、动力电池充电功率分配系数的对照表的建立方法如下：

步骤A.1)，将外部需求功率从预设的充电最小阈值按照预设的功率步长阈值增加到0，对于每一个外部需求功率：

步骤A.1.1)，将超级电容电压U_uc从预设的最小电压阈值按照预设的电压步长阈值增加预设的最大电压阈值，对于每一个超级电容电压：

步骤A.1.1.1)，令动力电池有效充电功率超级电容的有效充电功率/>其中，U_bat0、U_uc0分别为当前动力电池、超级电容的开路电压；I_bat0、I_uc0分别为动力电池、超级电容的端电流；R_bat、R_uc分别为动力电池、超级电容内阻；

步骤A.1.1.2)，DC/DC变换器在buck模式下的效率函数η_buck：

其中，I_L为通过电感的电流、U_bat、U_uc分别为动力电池、超级电容的当前电压；R_bat、R_L、R_uc、R_D2分别为动力电池、电感、超级电容、第三二极管的内阻；U_T1、U_D2分别为第二IGBT和第三二极管的压降；

步骤A.1.1.3)，令制动工况下的有效功率存储函数为P_{conpreh_c}：

其中，

步骤A.1.1.4)，求得连续函数P_{compreh_c}最大时的分配系数即此时外部需求功率、超级电容电压对应的动力电池充电功率分配系数；

步骤A.2)，将各个外部需求功率、超级电容电压组合下的动力电池充电功率分配系数整理成表，形成外部需求功率、超级电容电压、动力电池充电功率分配系数的对照表。

作为本发明一种复合电源系统控制方法进一步的优化方案，所述外部需求功率、超级电容电压、动力电池放电功率分配系数的对照表的建立方法如下：

步骤B.1)，将外部需求功率从0按照预设的功率步长阈值增加到预设的放电最大阈值，对于每一个外部需求功率：

步骤B.1.1)，将超级电容电压U_uc从预设的最小电压阈值按照预设的电压步长阈值增加预设的最大电压阈值，对于每一个超级电容电压：

步骤B.1.1.1)，令动力电池实际放电功率超级电容的实际放电功率/>其中，U_bat0、U_uc0分别为当前动力电池、超级电容的开路电压；I_bat0、I_uc0分别为动力电池、超级电容的端电流；R_bat、R_uc分别为动力电池、超级电容内阻；

步骤B.1.1.2)，DC/DC变换器在boost模式下的效率函数η_boost：

式中，

I_L为通过电感的电流、U_bat、U_uc分别为动力电池、超级电容的当前电压；R_bat、R_L、R_uc、R_D1分别为动力电池、电感、超级电容、第二二极管的内阻；U_T2、U_D1分别为第三IGBT和第二二极管的压降；

步骤B.1.1.3)，令驱动时的功率消耗函数为P_{compreh_d}：

其中，

步骤B.1.1.4)，求得连续函数P_{compreh_d}最小时的分配系数即此时外部需求功率、超级电容电压对应的动力电池充电功率分配系数；

步骤B.2)，将各个外部需求功率、超级电容电压组合下的动力电池充电功率分配系数整理成表，形成外部需求功率、超级电容电压、动力电池充电功率分配系数的对照表。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明中动力电池和超级电容通过双向半桥式DC/DC变换器并联后，作为外界负载的功率源，具有拓扑结构简单、能量密度高和功率密度高的优点，能够进行大功率能量输出及回收，采用所述功率分配方法能够实现能量综合存储效率的最优。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

如图1所示，本发明公开了一种复合电源系统，包括动力电池、超级电容、DC/DC变换器、功率分配控制器、信号采集模块、滤波电容、电流传感器、第一接入端口、第二接入端口以及电池组合开关；

所述电池组合开关包含第一IGBT开关、第一二极管；所述DC/DC变换器采用双向半桥式，包含第二IGBT开关、第二二极管、电感、第三IGBT开关和第三二极管；

所述第一接入端口、第二接入端口用于接外部负载或充电电源；

所述第一接入端口分别和第一二极管的负极、第一IGBT开关的集电极、第二二极管的负极、第二IGBT开关的集电极相连；

所述第一IGBT开关的发射极分别和第一二极管的正极、滤波电容的一端、动力电池的正极相连；

所述动力电池的负极分别和滤波电容的另一端、超级电容的负极、第三IGBT开关的发射极、第三二极管的正极、第二接入端口相连；

所述第二IGBT开关的发射极分别和第二二极管的正极、电感的一端、第三IBGT的集电极、第三二极管的负极相连；

所述电感的另一端和超级电容的正极相连；

所述电流传感器设置在所述第一接入端口处，用于感应第一接入端口处的电流并将其传递给所述功率分配控制器；

所述信号采集模块用于检测当前动力电池的电流和超级电容的电压，并将其传递给所述功率分配控制器；

所述功率分配控制器分别和所述电流传感器、信号采集模块、第一至第三IGBT开关的门极、以及外部功率需求信号相连，用于根据电流传感器、信号采集模块传递的数据，结合外部功率需求信号控制第一至第三IGBT开关工作。

本发明还公开了一种该复合电源系统控制方法，包含以下步骤：

步骤1)，信号检测模块获得当前动力电池电流I_bat和超级电容的电压U_uc，并将其传递给功率分配控制器；

步骤2)，电流传感器获得第一接入端口处的电流I_bus并将其传递给功率分配控制器；

步骤3)，功率分配控制器接收外部功率需求信号，得到外部需求功率P_req；

步骤3.1)，如果P_req小于零：

步骤3.1.1)，功率分配控制器控制第一IGBT开关导通；

步骤3.1.2)，功率分配控制器根据外部需求功率P_req和超级电容电压U_uc在预设的外部需求功率、超级电容电压、动力电池充电功率分配系数的对照表中进行查询，找到匹配的动力电池充电功率分配系数

步骤3.1.3)，功率分配控制器控制第三IGBT开关断开，同时调整第二IGBT的占空比，使得

步骤3.2)，如果P_req大于零：

步骤3.2.1)，功率分配控制器控制第一IGBT开关断开；

步骤3.2.2)，功率分配控制器根据外部需求功率P_req和超级电容电压U_uc在预设的外部需求功率、超级电容电压、动力电池放电功率分配系数的对照表中进行查询，找到匹配的动力电池放电功率分配系数

步骤3.2.3)，功率分配控制器控制第二IGBT开关断开，同时调整第三IGBT的占空比，使得

所述外部需求功率、超级电容电压、动力电池充电功率分配系数的对照表的建立方法如下：

步骤A.1)，将外部需求功率从预设的充电最小阈值按照预设的功率步长阈值增加到0，对于每一个外部需求功率：

步骤A.1.1)，将超级电容电压U_uc从预设的最小电压阈值按照预设的电压步长阈值增加预设的最大电压阈值，对于每一个超级电容电压：

步骤A.1.1.1)，令动力电池有效充电功率超级电容的有效充电功率/>其中，U_bat0、U_uc0分别为当前动力电池、超级电容的开路电压；I_bat0、I_uc0分别为动力电池、超级电容的端电流；R_bat、R_uc分别为动力电池、超级电容内阻；

步骤A.1.1.2)，DC/DC变换器在buck模式下的效率函数η_buck：

其中，I_L为通过电感的电流、U_bat、U_uc分别为动力电池、超级电容的当前电压；R_bat、R_L、R_uc、R_D2分别为动力电池、电感、超级电容、第三二极管的内阻；U_T1、U_D2分别为第二IGBT和第三二极管的压降；

步骤A.1.1.3)，令制动工况下的有效功率存储函数为P_{conpreh_c}：

其中，

步骤A.1.1.4)，求得连续函数P_{compreh_c}最大时的分配系数即此时外部需求功率、超级电容电压对应的动力电池充电功率分配系数；

步骤A.2)，将各个外部需求功率、超级电容电压组合下的动力电池充电功率分配系数整理成表，形成外部需求功率、超级电容电压、动力电池充电功率分配系数的对照表。

所述外部需求功率、超级电容电压、动力电池放电功率分配系数的对照表的建立方法如下：

步骤B.1)，将外部需求功率从0按照预设的功率步长阈值增加到预设的放电最大阈值，对于每一个外部需求功率：

步骤B.1.1)，将超级电容电压U_uc从预设的最小电压阈值按照预设的电压步长阈值增加预设的最大电压阈值，对于每一个超级电容电压：

步骤B.1.1.1)，令动力电池实际放电功率超级电容的实际放电功率/>其中，U_bat0、U_uc0分别为当前动力电池、超级电容的开路电压；I_bat0、I_uc0分别为动力电池、超级电容的端电流；R_bat、R_uc分别为动力电池、超级电容内阻；

步骤B.1.1.2)，DC/DC变换器在boost模式下的效率函数η_boost：

式中，

I_L为通过电感的电流、U_bat、U_uc分别为动力电池、超级电容的当前电压；R_bat、R_L、R_uc、R_D1分别为动力电池、电感、超级电容、第二二极管的内阻；U_T2、U_D1分别为第三IGBT和第二二极管的压降；

步骤B.1.1.3)，令驱动时的功率消耗函数为P_{compreh_d}：

其中，

步骤B.1.1.4)，求得连续函数P_{compreh_d}最小时的分配系数即此时外部需求功率、超级电容电压对应的动力电池充电功率分配系数；

步骤B.2)，将各个外部需求功率、超级电容电压组合下的动力电池充电功率分配系数整理成表，形成外部需求功率、超级电容电压、动力电池充电功率分配系数的对照表。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种复合电源系统的控制方法，所述复合电源系统包括动力电池、超级电容、DC/DC变换器、功率分配控制器、信号采集模块、滤波电容、电流传感器、第一接入端口、第二接入端口以及电池组合开关；

所述电池组合开关包含第一IGBT开关、第一二极管；所述DC/DC变换器采用双向半桥式，包含第二IGBT开关、第二二极管、电感、第三IGBT开关和第三二极管；

所述第一接入端口、第二接入端口用于接外部负载或充电电源；

所述第一接入端口分别和第一二极管的负极、第一IGBT开关的集电极、第二二极管的负极、第二IGBT开关的集电极相连；

所述第一IGBT开关的发射极分别和第一二极管的正极、滤波电容的一端、动力电池的正极相连；

所述动力电池的负极分别和滤波电容的另一端、超级电容的负极、第三IGBT开关的发射极、第三二极管的正极、第二接入端口相连；

所述第二IGBT开关的发射极分别和第二二极管的正极、电感的一端、第三IBGT的集电极、第三二极管的负极相连；

所述电感的另一端和超级电容的正极相连；

所述电流传感器设置在所述第一接入端口处，用于感应第一接入端口处的电流并将其传递给所述功率分配控制器；

所述信号采集模块用于检测当前动力电池的电流和超级电容的电压，并将其传递给所述功率分配控制器；

所述功率分配控制器分别和所述电流传感器、信号采集模块、第一至第三IGBT开关的门极、以及外部功率需求信号相连，用于根据电流传感器、信号采集模块传递的数据，结合外部功率需求信号控制第一至第三IGBT开关工作；

其特征在于，所述复合电源系统的控制方法包含以下步骤：

步骤1)，信号检测模块获得当前动力电池电流I_bat和超级电容的电压U_uc，并将其传递给功率分配控制器；

步骤2)，电流传感器获得第一接入端口处的电流I_bus并将其传递给功率分配控制器；

步骤3)，功率分配控制器接收外部功率需求信号，得到外部需求功率P_req；

步骤3.1)，如果P_req小于零：

步骤3.1.1)，功率分配控制器控制第一IGBT开关导通；

步骤3.1.2)，功率分配控制器根据外部需求功率P_req和超级电容电压U_uc在预设的外部需求功率、超级电容电压、动力电池充电功率分配系数的对照表中进行查询，找到匹配的动力电池充电功率分配系数

步骤3.1.3)，功率分配控制器控制第三IGBT开关断开，同时调整第二IGBT的占空比，使得

步骤3.2)，如果P_req大于零：

步骤3.2.1)，功率分配控制器控制第一IGBT开关断开；

步骤3.2.2)，功率分配控制器根据外部需求功率P_req和超级电容电压U_uc在预设的外部需求功率、超级电容电压、动力电池放电功率分配系数的对照表中进行查询，找到匹配的动力电池放电功率分配系数

步骤3.2.3)，功率分配控制器控制第二IGBT开关断开，同时调整第三IGBT的占空比，使得

2.基于权利要求1所述的复合电源系统的控制方法，其特征在于，所述外部需求功率、超级电容电压、动力电池充电功率分配系数的对照表的建立方法如下：

步骤A.1)，将外部需求功率从预设的充电最小阈值按照预设的功率步长阈值增加到0，对于每一个外部需求功率：

步骤A.1.1)，将超级电容电压U_uc从预设的最小电压阈值按照预设的电压步长阈值增加预设的最大电压阈值，对于每一个超级电容电压：

步骤A.1.1.1)，令动力电池有效充电功率超级电容的有效充电功率/>其中，U_bat0、U_uc0分别为当前动力电池、超级电容的开路电压；I_bat0、I_uc0分别为动力电池、超级电容的端电流；R_bat、R_uc分别为动力电池、超级电容内阻；

步骤A.1.1.2)，DC/DC变换器在buck模式下的效率函数η_buck：

其中，I_L为通过电感的电流、U_bat、U_uc分别为动力电池、超级电容的当前电压；R_bat、R_L、R_uc、R_D2分别为动力电池、电感、超级电容、第三二极管的内阻；U_T1、U_D2分别为第二IGBT和第三二极管的压降；

步骤A.1.1.3)，令制动工况下的有效功率存储函数为P_{conpreh_c}：

其中，

步骤A.1.1.4)，求得连续函数P_{compreh_c}最大时的分配系数即此时外部需求功率、超级电容电压对应的动力电池充电功率分配系数；

步骤A.2)，将各个外部需求功率、超级电容电压组合下的动力电池充电功率分配系数整理成表，形成外部需求功率、超级电容电压、动力电池充电功率分配系数的对照表。

3.基于权利要求1所述的复合电源系统的控制方法，其特征在于，所述外部需求功率、超级电容电压、动力电池放电功率分配系数的对照表的建立方法如下：

步骤B.1)，将外部需求功率从0按照预设的功率步长阈值增加到预设的放电最大阈值，对于每一个外部需求功率：

步骤B.1.1)，将超级电容电压U_uc从预设的最小电压阈值按照预设的电压步长阈值增加预设的最大电压阈值，对于每一个超级电容电压：

步骤B.1.1.1)，令动力电池实际放电功率超级电容的实际放电功率/>其中，U_bat0、U_uc0分别为当前动力电池、超级电容的开路电压；I_bat0、I_uc0分别为动力电池、超级电容的端电流；R_bat、R_uc分别为动力电池、超级电容内阻；

步骤B.1.1.2)，DC/DC变换器在boost模式下的效率函数η_boost：

式中，

I_L为通过电感的电流、U_bat、U_uc分别为动力电池、超级电容的当前电压；R_bat、R_L、R_uc、R_D1分别为动力电池、电感、超级电容、第二二极管的内阻；U_T2、U_D1分别为第三IGBT和第二二极管的压降；

步骤B.1.1.3)，令驱动时的功率消耗函数为P_{compreh_d}：

其中，

步骤B.1.1.4)，求得连续函数P_{compreh_d}最小时的分配系数即此时外部需求功率、超级电容电压对应的动力电池充电功率分配系数；

步骤B.2)，将各个外部需求功率、超级电容电压组合下的动力电池充电功率分配系数整理成表，形成外部需求功率、超级电容电压、动力电池充电功率分配系数的对照表。