CN110417066B - 用于磁悬浮电磁推进系统的能量管理与控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于磁悬浮电磁推进系统的能量管理与控制系统，该系统包括超级电容器储能装置、锂电池储能装置、能量转换装置以及能量管理与控制装置，锂电池储能装置通过能量转换装置与超级电容器储能装置连接，能量管理与控制装置用于根据磁悬浮电磁推进系统的运行工况和超级电容器储能装置的荷电状态SOC以通过能量转换装置分别确定超级电容器储能装置和锂电池储能装置的工作状态以及超级电容器储能装置和锂电池储能装置的功率分配。应用本发明的技术方案，以解决现有技术中能量管理与控制技术无法适用于磁悬浮电磁推进系统，以使得磁悬浮电磁推进达到功率和能量效率最佳的技术问题。

Description

用于磁悬浮电磁推进系统的能量管理与控制系统

技术领域

本发明涉及飞行器、超高速磁悬浮列车磁悬浮电磁推进控制技术领域，尤其涉及一种用于磁悬浮电磁推进系统的能量管理与控制系统。

背景技术

飞行器、超高速磁悬浮列车磁悬浮电磁推进发射所需的瞬时功率和能量高，需要多台储能装置、变流器等分系统级联。目前适合磁悬浮电磁推进发射的储能形式主要有超级电容器储能、锂电池储能、飞轮储能等。超级电容器功率密度高而能量密度低；锂电池能量密度高而功率密度低飞轮储能功率密度和能量密度均较高，但由于体积庞大且需要复杂的双向大功率变换器而较少采用。为同时满足高功率和高能量需求，储能装置采用功率密度高的超级电容器与能量密度高的锂电池相结合的复合电源形式。如何对超级电容器与锂电池相结合的复合电源进行能量管理与控制，使其满足飞行器、超高速磁悬浮列车磁悬浮电磁推进需求是亟需解决的关键技术之一。

由于磁悬浮电磁推进发射是一种新型的发射技术，其涉及的能量管理与控制技术等目前国内外均未见成熟的研究报道。目前能量管理与控制技术已在纯电动汽车复合电源系统和微电网储能系统等领域有所应用，然而，由于纯电动汽车复合电源系统和微电网储能系统等领域中的工作模式与磁悬浮电磁推进存在较大不同，因此现有技术中的能量管理与控制技术无法适用于磁悬浮电磁推进系统，以使得磁悬浮电磁推进达到功率和能量效率最佳。

发明内容

本发明提供了一种用于磁悬浮电磁推进系统的能量管理与控制系统，能够解决现有技术中能量管理与控制技术无法适用于磁悬浮电磁推进系统，以使得磁悬浮电磁推进达到功率和能量效率最佳的技术问题。

本发明提供了一种用于磁悬浮电磁推进系统的能量管理与控制系统，能量管理与控制系统包括超级电容器储能装置、锂电池储能装置、能量转换装置以及能量管理与控制装置，锂电池储能装置通过能量转换装置与超级电容器储能装置连接，能量管理与控制装置分别与超级电容器储能装置、锂电池储能装置以及能量转换装置连接，能量管理与控制装置用于根据磁悬浮电磁推进系统的运行工况和超级电容器储能装置的荷电状态SOC以通过能量转换装置分别确定超级电容器储能装置和锂电池储能装置的工作状态以及超级电容器储能装置和锂电池储能装置的功率分配。

进一步地，当磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于加速工况时，能量管理与控制装置通过能量转换装置控制超级电容器储能装置和锂电池储能装置均处于放电模式；当磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于匀速工况时，能量管理与控制装置通过能量转换装置控制超级电容器储能装置和锂电池储能装置均处于放电模式或者仅锂电池储能装置处于放电模式；当磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于正常制动工况时，能量管理与控制装置通过能量转换装置控制超级电容器储能装置和锂电池储能装置均处于充电模式或者仅超级电容器储能装置处于充电模式；当磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于紧急制动工况时，能量管理与控制装置通过能量转换装置控制超级电容器储能装置和锂电池储能装置均处于静置模式；当磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于停止工况时，能量管理与控制装置根据超级电容器储能装置和锂电池储能装置的总能量判断是否使超级电容器储能装置和锂电池储能装置处于充电模式。

进一步地，能量管理与控制系统采用超级电容器储能装置的端电压U_Cap来表征超级电容器储能装置的荷电状态SOC。

进一步地，当磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于加速工况且超级电容器储能装置的端电压U_Cap大于或等于超级电容器储能装置的工作电压阈值U_R时，能量管理与控制装置通过能量转换装置控制超级电容器储能装置和锂电池储能装置均处于放电模式且超级电容器储能装置的放电功率大于锂电池储能装置的放电功率；当磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于加速工况且超级电容器储能装置的端电压U_Cap小于超级电容器储能装置的工作电压阈值U_R时，能量管理与控制装置通过能量转换装置控制超级电容器储能装置和锂电池储能装置均处于放电模式且超级电容器储能装置的放电功率小于锂电池储能装置的放电功率。

进一步地，当磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于匀速工况且超级电容器储能装置的端电压U_Cap大于或等于超级电容器储能装置的工作电压阈值U_R时，能量管理与控制装置通过能量转换装置控制超级电容器储能装置和锂电池储能装置均处于放电模式且超级电容器储能装置的放电功率小于锂电池储能装置的放电功率；当磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于匀速工况且超级电容器储能装置的端电压U_Cap小于超级电容器储能装置的工作电压阈值U_R时，能量管理与控制装置通过能量转换装置控制仅锂电池储能装置处于放电模式。

进一步地，当磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于正常制动工况且超级电容器储能装置的端电压U_Cap大于或等于超级电容器储能装置的工作电压阈值U_R时，能量管理与控制装置通过能量转换装置控制超级电容器储能装置和锂电池储能装置均处于充电模式且超级电容器储能装置的充电功率小于锂电池储能装置的充电功率；当磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于正常制动工况且超级电容器储能装置的端电压U_Cap小于超级电容器储能装置的工作电压阈值U_R时，能量管理与控制装置通过能量转换装置首先控制超级电容器储能装置处于充电状态，能量管理与控制装置实时监控超级电容器储能装置的电量是否充满，当超级电容器储能装置的电量充满时，能量管理与控制装置通过能量转换装置控制锂电池储能装置处于充电状态。

进一步地，当磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于停止工况时，能量管理与控制装置判断超级电容器储能装置和锂电池储能装置的总能量是否满足磁悬浮电磁推进系统再次推进动作所需要的能量，当超级电容器储能装置和锂电池储能装置的总能量大于或等于磁悬浮电磁推进系统再次推进动作所需要的能量时，能量管理与控制装置不对超级电容器储能装置和锂电池储能装置进行充放电控制；当超级电容器储能装置和锂电池储能装置的总能量小于磁悬浮电磁推进系统再次推进动作所需要的能量时，能量管理与控制装置通过能量转换装置控制超级电容器储能装置和锂电池储能装置均处于充电模式。

进一步地，当磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于停止工况且超级电容器储能装置和锂电池储能装置的总能量小于磁悬浮电磁推进系统再次推进动作所需要的能量时，在超级电容器储能装置的端电压U_Cap大于或等于超级电容器储能装置的工作电压阈值U_R的情况下，能量管理与控制装置通过能量转换装置首先控制锂电池储能装置处于充电状态，能量管理与控制装置实时监控超级电容器储能装置和锂电池储能装置的电压，当超级电容器储能装置和锂电池储能装置处于电压平衡时，能量管理与控制装置通过能量转换装置控制超级电容器储能装置和锂电池储能装置共同处于充电状态。

进一步地，当磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于停止工况且超级电容器储能装置和锂电池储能装置的总能量小于磁悬浮电磁推进系统再次推进动作所需要的能量时，在超级电容器储能装置的端电压U_Cap小于超级电容器储能装置的工作电压阈值U_R的情况下，能量管理与控制装置通过能量转换装置首先控制超级电容器储能装置处于充电状态，能量管理与控制装置实时监控超级电容器储能装置和锂电池储能装置的电压，当超级电容器储能装置和锂电池储能装置处于电压平衡时，能量管理与控制装置通过能量转换装置控制超级电容器储能装置和锂电池储能装置共同处于充电状态。

进一步地，超级电容器储能装置和锂电池储能装置分别与磁悬浮电磁推进系统的变流分系统连接，当磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于正常制动工况时，能量管理与控制装置通过能量转换装置控制由变流分系统反馈的电能对超级电容器储能装置和锂电池储能装置同时进行充电或者仅对超级电容器储能装置进行充电。

应用本发明的技术方案，提供了一种用于磁悬浮电磁推进系统的能量管理与控制系统，其将超级电容器储能装置和锂电池储能装置有机结合组成复合电源，采用基于逻辑门限值的能量管理与控制策略，通过能量管理与控制装置确定超级电容器储能装置和锂电池储能装置的工作状态以及超级电容器储能装置和锂电池储能装置的功率分配，能够充分发挥超级电容器高功率密度和锂电池高能量密度的优势，使得磁悬浮电磁推进达到功率和能量效率最佳，并可大幅提高超级电容器储能装置和锂电池储能装置的使用寿命。

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示出了根据本发明的具体实施例提供的用于磁悬浮电磁推进系统的能量管理与控制系统的结构示意图；

图2示出了根据本发明的具体实施例提供的超级电容器储能装置与锂电池储能装置共同处于放电模式下的能量流动的结构示意图；

图3示出了根据本发明的具体实施例提供的超级电容器储能装置与锂电池储能装置共同处于充电模式下的能量流动的结构示意图；

图4示出了根据本发明的具体实施例提供的锂电池储能装置单独处于放电模式下的能量流动的结构示意图；

图5示出了根据本发明的具体实施例提供的用于磁悬浮电磁推进系统的能量管理与控制系统的能量管理模糊控制器的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、超级电容器储能装置；20、锂电池储能装置；30、能量转换装置；40、能量管理与控制装置；50、变流分系统；60、直流电机分系统。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1至图5所示，根据本发明的具体实施例提供了一种用于磁悬浮电磁推进系统的能量管理与控制系统，该能量管理与控制系统包括超级电容器储能装置10、锂电池储能装置20、能量转换装置30以及能量管理与控制装置40，锂电池储能装置20通过能量转换装置30与超级电容器储能装置10连接，能量管理与控制装置40分别与超级电容器储能装置10、锂电池储能装置20以及能量转换装置30连接，能量管理与控制装置40用于根据磁悬浮电磁推进系统的运行工况和超级电容器储能装置10的荷电状态SOC以通过能量转换装置30分别确定超级电容器储能装置10和锂电池储能装置20的工作状态以及超级电容器储能装置10和锂电池储能装置20的功率分配。

应用此种配置方式，提供了一种用于磁悬浮电磁推进系统的能量管理与控制系统，该能量管理与控制系统是一个集机械、电气、电力电子、化学、热力学等系统于一体的高度非线性系统，其将超级电容器储能装置和锂电池储能装置有机结合组成复合电源，采用基于逻辑门限值的能量管理与控制策略，通过能量管理与控制装置40确定超级电容器储能装置10和锂电池储能装置20的工作状态以及超级电容器储能装置10和锂电池储能装置20的功率分配，能够充分发挥超级电容器高功率密度和锂电池高能量密度的优势，使得磁悬浮电磁推进达到功率和能量效率最佳，并可大幅提高超级电容器储能装置和锂电池储能装置的使用寿命。本发明的用于磁悬浮电磁推进系统的能量管理与控制系统与目前纯电动汽车复合电源系统、微电网储能系统等领域能量管理与控制方法相比，具有方法实现简单、可靠、可操作性强等优点。

进一步地，在本发明中，为了达到磁悬浮电磁推进所需功率和能量效率最佳，同时兼顾储能系统的安全性与可靠性，当磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于加速工况时，可将能量管理与控制装置40配置为通过能量转换装置30控制超级电容器储能装置10和锂电池储能装置20均处于放电模式；当磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于匀速工况时，能量管理与控制装置40通过能量转换装置30控制超级电容器储能装置10和锂电池储能装置20均处于放电模式或者仅锂电池储能装置20处于放电模式；当磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于正常制动工况时，能量管理与控制装置40通过能量转换装置30控制超级电容器储能装置10和锂电池储能装置20均处于充电模式或者仅超级电容器储能装置10处于充电模式；当磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于紧急制动工况时，能量管理与控制装置40通过能量转换装置30控制超级电容器储能装置10和锂电池储能装置20均处于静置模式；当磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于停止工况时，能量管理与控制装置40根据超级电容器储能装置10和锂电池储能装置20的总能量判断是否使超级电容器储能装置10和锂电池储能装置20处于充电模式。

应用此种配置方式，能量管理与控制装置通过控制能量转换装置(DC/DC)将超级电容器储能装置、锂电池储能装置进行优化组合，按照不同工况要求，确定能量管理与控制系统的纯充电模式、单放电模式、共同放电模式、能量回收模式、静置模式等工作模式，根据设定的能量管理与控制策略，控制超级电容器储能装置和锂电池储能装置按照工况要求来合理分配能量流。此种方式能够控制超级电容器储能装置和锂电池储能装置协调工作，以达到磁悬浮电磁推进所需功率和能量效率最佳，同时兼顾能量管理与控制系统的安全性与可靠性。

进一步地，在本发明中，超级电容器储能装置10和锂电池储能装置20分别与磁悬浮电磁推进系统的变流分系统50连接。在磁悬浮电磁推进过程中，磁悬浮电磁推进系统的工况分为：加速工况、匀速工况、正常制动工况、紧急制动工况、停止工况。其中，加速工况对应共同放电模式，匀速工况对应单独放电模式或共同放电模式，正常制动工况对应能量回收模式，紧急制动工况对应静置模式，停止工况对应纯充电模式。磁悬浮电磁推进能量管理与控制系统采用超级电容器储能装置和锂电池储能装置复合的电源结构，该结构为超级电容器储能装置通过双向DC/DC(能量转换装置)与锂电池储能装置相联，共同为变流分系统直流母线供电，可改善超级电容装置放电过程中产生的较大电压变化问题，拓扑结构如图1所示。当磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于正常制动工况时，能量管理与控制装置40通过能量转换装置30控制由变流分系统50反馈的电能对超级电容器储能装置10和锂电池储能装置20共同进行充电或者仅对超级电容器储能装置10进行充电。

在本发明中，磁悬浮电磁推进系统的能量管理与控制方法是一种基于逻辑门限值的能量管理与控制策略，其基本思想是：功率分配依据超级电容器储能装置的荷电状态SOC，即在加速工况，因功率需求高，由超级电容器储能装置和锂电池储能装置共同提供所需的高功率，根据当前超级电容器储能装置的SOC来决定两者的功率分配；在匀速工况，因功率需求不高，根据当前超级电容器储能装置的荷电状态SOC，来决定由锂电池储能装置单独还是由两者共同提供所需的功率；在正常制动工况，同样根据当前超级电容器储能装置的荷电状态SOC，来决定由超级电容器储能装置单独或者锂电池储能装置单独或者由两者共同吸收制动回馈的功率；在紧急制动工况，为保护储能分系统，此时超级电容器储能装置和锂电池储能装置均不参与回馈充电，处于静置模式；在停止工况，首先判断剩余电荷能否满足下次磁悬浮电磁推进需求，若不满足，则同时对超级电容器储能装置和锂电池储能装置进行充电。根据当前超级电容器储能装置的荷电状态SOC，来决定是先给超级电容器储能装置或者锂电池储能装置充电，使两者达到荷电平衡状态。

具体地，在本发明中，能量管理与控制系统采用超级电容器储能装置10的端电压U_Cap来表征超级电容器储能装置10的荷电状态SOC。为了对本发明有进一步地了解，下面根据超级电容器储能装置10的端电压U_Cap与超级电容器储能装置的工作电压阈值U_R的比较来说明各种工况下的能量管理与控制系统的工作流程。

作为本发明的一个具体实施例，磁悬浮电磁推进系统主要由能量管理与控制系统、变流分系统50、直线电机分系统60、磁悬浮分系统、橇车分系统、综合控制分系统等组成。其中，能量管理与控制系统由超级电容器储能装置和锂电池储能装置、能量转换装置(DC/DC)和能量管理与控制装置等组成。

第一种情况，当磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于加速工况且超级电容器储能装置10的端电压U_Cap大于或等于超级电容器储能装置10的工作电压阈值U_R时，能量管理与控制装置40通过能量转换装置30控制超级电容器储能装置10和锂电池储能装置20均处于放电模式且超级电容器储能装置10的放电功率大于锂电池储能装置20的放电功率；当磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于加速工况且超级电容器储能装置10的端电压U_Cap小于超级电容器储能装置10的工作电压阈值U_R时，能量管理与控制装置40通过能量转换装置30控制超级电容器储能装置10和锂电池储能装置20均处于放电模式且超级电容器储能装置10的放电功率小于锂电池储能装置20的放电功率。

具体地，当磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于加速工况时，磁悬浮电磁推进所需的功率最大，当超级电容器储能装置10的端电压U_Cap大于或等于超级电容器储能装置10的工作电压阈值U_R时，此时由超级电容器储能装置和锂电池储能装置共同提供加速工况所需的高功率，其中，由超级电容器储能装置提供主要功率。该共同放电模式下的能量流动结构示意图如图2所示。此时，由超级电容器储能装置和锂电池储能装置所组成的复合电源提供的功率P_E为：P_E＝P_Capη_Capα_Cap+P_Liη_Liα_Li，α_Cap+α_Li＝1,且α_Cap>0.5，其中，P_Cap为超级电容器储能装置的功率，P_Li为锂电池储能装置的功率；η_Cap为超级电容器储能装置的功率效率，η_Li为锂电池储能装置的功率效率；α_Cap为超级电容器储能装置的功率分配因子，α_Li为锂电池储能装置的功率分配因子。当超级电容器储能装置10的端电压U_Cap小于超级电容器储能装置10的工作电压阈值U_R时，此时由锂电池储能装置提供主要功率。该共同放电模式下的能量流动结构如图2所示。此时，由超级电容器储能装置和锂电池储能装置所组成的复合电源提供的功率P_E为：P_E＝P_Capη_Capα_Cap+P_Liη_Liα_Li，α_Cap+α_Li＝1,且α_Cap<0.5。

第二种情况，当磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于匀速工况且超级电容器储能装置10的端电压U_Cap大于或等于超级电容器储能装置10的工作电压阈值U_R时，能量管理与控制装置40通过能量转换装置30控制超级电容器储能装置10和锂电池储能装置20均处于放电模式且超级电容器储能装置10的放电功率小于锂电池储能装置20的放电功率；当磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于匀速工况且超级电容器储能装置10的端电压U_Cap小于超级电容器储能装置10的工作电压阈值U_R时，能量管理与控制装置40通过能量转换装置30控制仅锂电池储能装置20处于放电模式。

具体地，当磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于匀速工况时，磁悬浮电磁推进所需的功率适中，当超级电容器储能装置10的端电压U_Cap大于或等于超级电容器储能装置10的工作电压阈值U_R时，此时由超级电容器储能装置和锂电池储能装置共同提供匀速工况所需的功率，考虑超级电容器储能装置10的功率密度高而能量密度低，由锂电池储能装置提供主要功率。该共同放电模式下的能量流动结构如图2所示。此时，由超级电容器储能装置和锂电池储能装置所组成的复合电源提供的功率P_E为：P_E＝P_Capη_Capα_Cap+P_Liη_Liα_Li，α_Cap+α_Li＝1,且α_Cap<0.5。当超级电容器储能装置10的端电压U_Cap小于超级电容器储能装置10的工作电压阈值U_R时，此时由锂电池储能装置单独提供匀速工况所需的功率，该单独放电模式下的能量流动结构如图4所示。此时，由复合电源提供的功率P_E为：P_E＝P_Liη_Li。

第三种情况，当磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于正常制动工况且超级电容器储能装置10的端电压U_Cap大于或等于超级电容器储能装置10的工作电压阈值U_R时，能量管理与控制装置40通过能量转换装置30控制超级电容器储能装置10和锂电池储能装置20均处于充电模式且超级电容器储能装置10的充电功率小于锂电池储能装置20的充电功率；当磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于正常制动工况且超级电容器储能装置10的端电压U_Cap小于超级电容器储能装置10的工作电压阈值U_R时，能量管理与控制装置40通过能量转换装置30首先控制超级电容器储能装置10处于充电状态，能量管理与控制装置40实时监控超级电容器储能装置10的电量是否充满，当超级电容器储能装置10的电量充满时，能量管理与控制装置40通过能量转换装置30控制锂电池储能装置20处于充电状态。

具体地，当磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于正常制动工况时，磁悬浮电磁制动过程中产生的能量需要及时回馈到能量管理与控制系统中，因此，所有制动产生的能量由锂电池储能装置和超级电容器储能装置共同吸收。当超级电容器储能装置10的端电压U_Cap大于或等于超级电容器储能装置10的工作电压阈值U_R时，此时由锂电池储能装置吸收主要制动功率。该能量回收模式下的能量流动结构示意图如图3所示。此时正常制动回收的功率分配为：P_Bβ_Cap＝P_{Cap_charge/}η_{Cap_charge，}P_Bβ_Li＝P_{Li_charge/}η_{Li_charge，，}β_Cap+β_Li＝1,且β_Cap<0.5，其中，P_B为由正常制动回收的总功率；β_Cap为超级电容器储能装置充电的功率分配因子，β_Li为锂电池储能装置充电的功率分配因子；P_{Cap_charge}为超级电容器储能装置的充电功率，P_{Li_charge}为锂电池储能装置的充电功率；η_{Cap_charge}为超级电容器储能装置的充电效率，η_{Li_charge}为锂电池储能装置的充电效率。当超级电容器储能装置10的端电压U_Cap小于超级电容器储能装置10的工作电压阈值U_R时，所有制动产生的能量首先由超级电容器储能装置吸收，能量管理与控制装置40实时监控超级电容器储能装置10的电量是否充满，如果能量没有富余，则所有制动产生的能量均由超级电容器储能装置10吸收。当超级电容器储能装置10的电量充满时，此时能量有富余，能量管理与控制装置40则再通过能量转换装置30控制锂电池储能装置20处于充电状态。该能量回收模式下的能量流动结构如图3所示，此时正常制动回收的功率分配为：P_Bβ_Cap＝P_{Cap_charge/}η_{Cap_charge，}P_Bβ_Li＝P_{Li_charge/}η_{Li_charge，}β_Cap+β_Li＝1,且β_Cap>0.5。

第四种情况，当磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于紧急制动工况时，为保护磁悬浮电磁推进各分系统，采用封锁控制脉冲的形式，此时能量管理与控制系统被静置，超级电容器储能装置和锂电池储能装置不存在任何能量交换，待恢复正常工况时根据超级电容器储能装置的荷电状态SOC进行能量管理。

第五种情况，当磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于停止工况时，能量管理与控制装置40判断超级电容器储能装置10和锂电池储能装置20的总能量是否满足磁悬浮电磁推进系统再次推进动作所需要的能量，当超级电容器储能装置10和锂电池储能装置20的总能量大于或等于磁悬浮电磁推进系统再次推进动作所需要的能量时，能量管理与控制装置不对超级电容器储能装置10和锂电池储能装置20进行充放电控制；当超级电容器储能装置10和锂电池储能装置20的总能量小于磁悬浮电磁推进系统再次推进动作所需要的能量时，能量管理与控制装置40通过能量转换装置30控制超级电容器储能装置10和锂电池储能装置20均处于充电模式。

具体地，当磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于停止工况且超级电容器储能装置10和锂电池储能装置20的总能量小于磁悬浮电磁推进系统再次推进动作所需要的能量时，需要通过外部电源为能量管理与控制系统进行充电。在超级电容器储能装置10的端电压U_Cap大于或等于超级电容器储能装置10的工作电压阈值U_R的情况下，能量管理与控制装置40通过能量转换装置30首先控制锂电池储能装置20处于充电状态，能量管理与控制装置40实时监控超级电容器储能装置10和锂电池储能装置20的电压，当超级电容器储能装置10和锂电池储能装置20处于电压平衡时，能量管理与控制装置40通过能量转换装置30控制超级电容器储能装置10和锂电池储能装置20共同处于充电状态。该纯充电模式下的能量流动结构与图3类似，只是将变流分系统P_B换为外部电源P_O。外部电源充电功率P_O分配具体为：初始状态下，锂电池储能装置20处于充电状态，P_Oη_{Li_charge}＝P_{Li_charge；}当超级电容器储能装置10和锂电池储能装置20处于电压平衡时，超级电容器储能装置10和锂电池储能装置20共同处于充电状态，此时P_Oβ_Cap＝P_{Cap_charge/}η_{Cap_charge，}P_Oβ_Li＝P_{Li_charge/}η_{Li_charge，}β_Cap+β_Li＝1。

当磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于停止工况且超级电容器储能装置10和锂电池储能装置20的总能量小于磁悬浮电磁推进系统再次推进动作所需要的能量时，在超级电容器储能装置10的端电压U_Cap小于超级电容器储能装置10的工作电压阈值U_R的情况下，能量管理与控制装置40通过能量转换装置30首先控制超级电容器储能装置10处于充电状态，能量管理与控制装置40实时监控超级电容器储能装置10和锂电池储能装置20的电压，当超级电容器储能装置10和锂电池储能装置20处于电压平衡时，能量管理与控制装置40通过能量转换装置30控制超级电容器储能装置10和锂电池储能装置20共同处于充电状态。该纯充电模式下的能量流动结构与图3类似，只是将变流分系统P_B换为外部电源P_O。外部电源充电功率P_O分配具体为：初始状态下，超级电容器储能装置10处于充电状态，P_Oη_{Cap_charge}＝P_{Cap_charge；}当超级电容器储能装置10和锂电池储能装置20处于电压平衡时，超级电容器储能装置10和锂电池储能装置20共同处于充电状态，此时P_Oβ_Cap＝P_{Cap_charge/}η_{Cap_charge，}P_Oβ_Li＝P_{Li_charge/}η_{Li_charge，}β_Cap+β_Li＝1。

进一步地，在本发明中，如图5所示，根据上述不同工况下的功率分配与管理方法，复合电源能量管理与控制装置可采用三输入、两输出的模糊控制结构进行功率分配与管理。具体地，磁悬浮电磁推进的功率需求P_req(对应不同工况)、超级电容器储能装置端电压U_Cap(对应其SOC)、锂电池储能装置端电压U_Li为模糊控制器的输入；超级电容器储能装置输出功率P_Cap、锂电池储能装置输出功率P_Li为模糊控制器的输出。复合电源能量管理模糊控制器结构示意图如图5所示。通过设置输入量P_req、U_Cap、U_Li的模糊论域，输出量P_Cap、P_Li模糊语言变量的模糊论域，以及输入输出量对应的语言值，选取模糊控制器的梯形隶属度函数，并设定了模糊控制规则表，采用最大隶属度法进行解模糊化，得到了较优的磁悬浮电磁推进能量管理与控制结果。

目前，本发明提供的能量管理与控制系统已成功应用于无人机电磁弹射系统能量管理试验，试验达到控制目标要求。同时，随着飞行器/超高速磁悬浮列车磁悬浮电磁推进系统的研制，后续该方法将应用于飞行器/超高速磁悬浮列车磁悬浮电磁推进系统能量管理与控制。

综上所述，本发明提供的用于磁悬浮电磁推进系统的能量管理与控制系统与现有技术相比，其在发射前进行储能系统的充电管理、发射过程中进行功率控制与工作模式切换控制，通过优化充放电等能量管理与控制策略，控制多台超级电容器储能装置和锂电池储能装置协调工作，使得磁悬浮电磁推进所需功率和能量效率最佳，同时兼顾能量管理与控制系统的安全性与可靠性。再者，本发明的能量管理与控制系统通过复合电源能量管理模糊控制器，得到了较优的磁悬浮电磁推进能量管理与控制结果。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于磁悬浮电磁推进系统的能量管理与控制系统，其特征在于，所述能量管理与控制系统包括超级电容器储能装置(10)、锂电池储能装置(20)、能量转换装置(30)以及能量管理与控制装置(40)，所述超级电容器储能装置(10)通过所述能量转换装置(30)与所述锂电池储能装置(20)连接，所述能量管理与控制装置(40)分别与所述超级电容器储能装置(10)、所述锂电池储能装置(20)以及所述能量转换装置(30)连接，所述能量管理与控制装置(40)用于根据磁悬浮电磁推进系统的运行工况和所述超级电容器储能装置(10)的荷电状态SOC以通过所述能量转换装置(30)分别确定所述超级电容器储能装置(10)和所述锂电池储能装置(20)的工作状态以及所述超级电容器储能装置(10)和所述锂电池储能装置(20)的功率分配；当所述磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于加速工况时，所述能量管理与控制装置(40)通过所述能量转换装置(30)控制所述超级电容器储能装置(10)和所述锂电池储能装置(20)均处于放电模式；当所述磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于匀速工况时，所述能量管理与控制装置(40)通过所述能量转换装置(30)控制所述超级电容器储能装置(10)和所述锂电池储能装置(20)均处于放电模式或者仅所述锂电池储能装置(20)处于放电模式；当所述磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于正常制动工况时，所述能量管理与控制装置(40)通过所述能量转换装置(30)控制所述超级电容器储能装置(10)和所述锂电池储能装置(20)均处于充电模式或者仅所述超级电容器储能装置(10)处于充电模式；当所述磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于紧急制动工况时，所述能量管理与控制装置(40)通过所述能量转换装置(30)控制所述超级电容器储能装置(10)和所述锂电池储能装置(20)均处于静置模式；当所述磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于停止工况时，所述能量管理与控制装置(40)根据所述超级电容器储能装置(10)和所述锂电池储能装置(20)的总能量判断是否使所述超级电容器储能装置(10)和所述锂电池储能装置(20)处于充电模式；所述能量管理与控制系统采用所述超级电容器储能装置(10)的端电压U_Cap来表征所述超级电容器储能装置(10)的荷电状态SOC；当所述磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于加速工况且所述超级电容器储能装置(10)的端电压U_Cap大于或等于所述超级电容器储能装置(10)的工作电压阈值U_R时，所述能量管理与控制装置(40)通过所述能量转换装置(30)控制所述超级电容器储能装置(10)和所述锂电池储能装置(20)均处于放电模式且所述超级电容器储能装置(10)的放电功率大于所述锂电池储能装置(20)的放电功率；当所述磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于加速工况且所述超级电容器储能装置(10)的端电压U_Cap小于所述超级电容器储能装置(10)的工作电压阈值U_R时，所述能量管理与控制装置(40)通过所述能量转换装置(30)控制所述超级电容器储能装置(10)和所述锂电池储能装置(20)均处于放电模式且所述超级电容器储能装置(10)的放电功率小于所述锂电池储能装置(20)的放电功率。

2.根据权利要求1所述的用于磁悬浮电磁推进系统的能量管理与控制系统，其特征在于，当所述磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于匀速工况且所述超级电容器储能装置(10)的端电压U_Cap大于或等于所述超级电容器储能装置(10)的工作电压阈值U_R时，所述能量管理与控制装置(40)通过所述能量转换装置(30)控制所述超级电容器储能装置(10)和所述锂电池储能装置(20)均处于放电模式且所述超级电容器储能装置(10)的放电功率小于所述锂电池储能装置(20)的放电功率；当所述磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于匀速工况且所述超级电容器储能装置(10)的端电压U_Cap小于所述超级电容器储能装置(10)的工作电压阈值U_R时，所述能量管理与控制装置(40)通过所述能量转换装置(30)控制仅所述锂电池储能装置(20)处于放电模式。

3.根据权利要求1所述的用于磁悬浮电磁推进系统的能量管理与控制系统，其特征在于，当所述磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于正常制动工况且所述超级电容器储能装置(10)的端电压U_Cap大于或等于所述超级电容器储能装置(10)的工作电压阈值U_R时，所述能量管理与控制装置(40)通过所述能量转换装置(30)控制所述超级电容器储能装置(10)和所述锂电池储能装置(20)均处于充电模式且所述超级电容器储能装置(10)的充电功率小于所述锂电池储能装置(20)的充电功率；当所述磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于正常制动工况且所述超级电容器储能装置(10)的端电压U_Cap小于所述超级电容器储能装置(10)的工作电压阈值U_R时，所述能量管理与控制装置(40)通过所述能量转换装置(30)首先控制所述超级电容器储能装置(10)处于充电状态，所述能量管理与控制装置(40)实时监控所述超级电容器储能装置(10)的电量是否充满，当所述超级电容器储能装置(10)的电量充满时，所述能量管理与控制装置(40)通过所述能量转换装置(30)控制所述锂电池储能装置(20)处于充电状态。

4.根据权利要求1所述的用于磁悬浮电磁推进系统的能量管理与控制系统，其特征在于，当所述磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于停止工况时，所述能量管理与控制装置(40)判断所述超级电容器储能装置(10)和所述锂电池储能装置(20)的总能量是否满足磁悬浮电磁推进系统再次推进动作所需要的能量，当所述超级电容器储能装置(10)和所述锂电池储能装置(20)的总能量大于或等于磁悬浮电磁推进系统再次推进动作所需要的能量时，能量管理与控制装置(40)不对所述超级电容器储能装置(10)和所述锂电池储能装置(20)进行充放电控制；当所述超级电容器储能装置(10)和所述锂电池储能装置(20)的总能量小于磁悬浮电磁推进系统再次推进动作所需要的能量时，所述能量管理与控制装置(40)通过所述能量转换装置(30)控制所述超级电容器储能装置(10)和所述锂电池储能装置(20)均处于充电模式。

5.根据权利要求4所述的用于磁悬浮电磁推进系统的能量管理与控制系统，其特征在于，当所述磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于停止工况且所述超级电容器储能装置(10)和所述锂电池储能装置(20)的总能量小于磁悬浮电磁推进系统再次推进动作所需要的能量时，在所述超级电容器储能装置(10)的端电压U_Cap大于或等于所述超级电容器储能装置(10)的工作电压阈值U_R的情况下，所述能量管理与控制装置(40)通过所述能量转换装置(30)首先控制所述锂电池储能装置(20)处于充电状态，所述能量管理与控制装置(40)实时监控所述超级电容器储能装置(10)和所述锂电池储能装置(20)的电压，当所述超级电容器储能装置(10)和所述锂电池储能装置(20)处于电压平衡时，所述能量管理与控制装置(40)通过所述能量转换装置(30)控制所述超级电容器储能装置(10)和所述锂电池储能装置(20)共同处于充电状态。

6.根据权利要求5所述的用于磁悬浮电磁推进系统的能量管理与控制系统，其特征在于，当所述磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于停止工况且所述超级电容器储能装置(10)和所述锂电池储能装置(20)的总能量小于磁悬浮电磁推进系统再次推进动作所需要的能量时，在所述超级电容器储能装置(10)的端电压U_Cap小于所述超级电容器储能装置(10)的工作电压阈值U_R的情况下，所述能量管理与控制装置(40)通过所述能量转换装置(30)首先控制所述超级电容器储能装置(10)处于充电状态，所述能量管理与控制装置(40)实时监控所述超级电容器储能装置(10)和所述锂电池储能装置(20)的电压，当所述超级电容器储能装置(10)和所述锂电池储能装置(20)处于电压平衡时，所述能量管理与控制装置(40)通过所述能量转换装置(30)控制所述超级电容器储能装置(10)和所述锂电池储能装置(20)共同处于充电状态。

7.根据权利要求1所述的用于磁悬浮电磁推进系统的能量管理与控制系统，其特征在于，所述超级电容器储能装置(10)和所述锂电池储能装置(20)分别与所述磁悬浮电磁推进系统的变流分系统(50)连接，当所述磁悬浮电磁推进系统的运行工况处于正常制动工况时，所述能量管理与控制装置(40)通过所述能量转换装置(30)控制由所述变流分系统(50)反馈的电能对所述超级电容器储能装置(10)和所述锂电池储能装置(20)同时进行充电或者仅对所述超级电容器储能装置(10)进行充电。

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