CN110994707B - 一种含有超级电容器的多电源系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电池技术领域，具体涉及一种含有超级电容器的多电源系统及控制方法。该系统包括超级电容器、DC/DC转换器、电池及系统控制单元；所述系统控制单元包括采集模块、充放电模块、微处理器模块及均衡模块。本发明的含有超级电容器的多电源系统，通过能量、成本和体积确定超级电容器的参数，根据荷电状态选择多电源工作模式，合理分配超级电容器和电池的能量和功率的输入或输出，有效缓解大电流对电池的冲击损害，提高电池的使用寿命，提高输出响应，提高系统效率，电池均衡管理。

Description

一种含有超级电容器的多电源系统及控制方法

技术领域

本发明属于电池技术领域，具体的说是一种含有超级电容器的多电源系统及控制方法。

背景技术

随着汽车电气化的发展，作为电能存储的电池的作用越来越重要。电池在满足车辆大功率需求以及频繁启停时，承受不断变化的瞬态电流的冲击，过大的充放电电流对电池具有较大的损害。针对于此，人们开始研究具有能量和功率不同特征的多电源组成的系统，尤其是含有超级电容器的多电源系统。基于电池能量密度大和超级电容器功率密度高的特点，在多电源系统中，电池和超级电容器之间的功率合理分配是至关重要的，有必要使用有效的控制策略、较低的成本使超级电容器运行于较佳的荷电状态，合理分配功率，同时解决电池均衡管理。

发明内容

本发明提供了一种含有超级电容器的多电源系统及控制方法，针对现有的多电源系统的超级电容器成本高，系统效率低的问题，通过能量、成本和体积确定超级电容器的参数，根据荷电状态选择多电源的工作模式，合理分配超级电容器和电池的能量和功率输入或输出，电池均衡管理。

本发明技术方案结合附图说明如下：

一种含有超级电容器的多电源系统，该系统包括超级电容器、DC/DC转换器、电池及系统控制单元；所述系统控制单元包括采集模块、充放电模块、微处理器模块及均衡模块；所述均衡模块与超级电容器和电池电连接；所述电池和DC/DC转换器与充放电模块电连接；所述DC/DC转换器与超级电容器电连接；所述采集模块与超级电容器、电池通讯连接；所述微处理器模块与DC/DC转换器、采集模块及均衡模块通讯连接；

所述超级电容器是由N个单体通过串并联组合成不超过60V的模组，其中N≥2，静电容量C通过目标函数计算得到，E_uc为超级电容器充电或放电能量、C_uc为超级电容器成本、V_uc为超级电容器体积，以最大能量、最低成本和最小体积建立C的目标函数，如下：

约束条件C≤C₀，

I为超级电容器的工作电流，L_c为超级电容器储能活性物质活性炭负载，所述活性炭负载Lc为50～150mA/F；超级电容器充电或放电的能量E_uc＝f_E(C)，C为超级电容器静电容量，SOC为超级电容器荷电状态，U为超级电容器电压；所述超级电容器成本C_uc＝f_C(C)，k为超级电容器成本与全寿命周期成本对应的节省能源系数；所述超级电容器体积V_uc＝f_V(C)，a为体积系数，

V_c为超级电容器体积，V_b为电池体积；目标函数(1)、(2)和(3)归一化，附加不同的权重系数ω_E，ω_C，ω_V得到总目标函数取极值时对应的C，其中，权重ω_E+ω_C+ω_V＝1。

所述电池包括锂离子电池、铅酸电池、镍氢电池、燃料电池及太阳能电池中的一种或几种，是由N个单体组成的模组，其中N≥2。

所述系统控制单元用于检测每个电源的荷电状态，根据荷电状态选择多电源工作模式，包括电池单独工作模式、超级电容单独工作模式、电池与超级电容共同工作模式以及超级电容与电池均衡工作模式。

所述微处理器模块根据采集模块采集的数据信息估算超级电容器荷电状态SOC_c和电池荷电状态SOC_b，与电机和/或负载的需求功率P_req、多电源系统超级电容与电池的功率分配阈值P_x、电池工作门限值SOC_bs、超级电容辅助工作门限值SOC_ca、超级电容单独工作门限值SOC_cs进行逻辑运算与判断，控制多电源工作模式，包括电池单独工作模式、超级电容器单独工作模式、电池与超级电容器共同工作模式以及超级电容器与电池均衡工作模式。

一种含有超级电容器的多电源系统的控制方法，该控制方法包括以下步骤：

S1：当电机和/或负载的需求功率P_req≥0，P_req＞P_x时，SOC_c≥SOC_cs，超级电容器单独放电满足电机和/或负载的需求功率P_req；SOC_ca≤SOC_c＜SOC_cs，SOC_b≥SOC_bs时，超级电容器与电池共同放电满足电机和/或负载的需求功率P_req；SOC_c＜SOC_ca，SOC_b＜SOC_bs，多电源系统警告超级电容器或/和电池需要充电；

S2：当电机和/或负载的需求功率P_req≥0，P_req≤P_x时，SOC_b≥SOC_bs，SOC_c＜SOC_cs，电池单独放电满足电机和/或负载的需求功率P_req，电池剩余容量为超级电容器充电，超级电容器通过均衡模块与电池进行容量均衡；SOC_b≥SOC_bs，SOC_c≥SOC_cs，超级电容器单独放电满足电机和/或负载的需求功率P_req；SOC_b＜SOC_bs，SOC_c≥SOC_cs时，超级电容器单独放电满足电机和/或负载的需求功率P_req；SOC_b＜SOC_bs，SOC_c＜SOC_ca，多电源系统警告超级电容器或/和电池需要充电；

S3：当电机的需求功率P_req＜0，P_req＞P_x时，SOC_c＜SOC_cs，SOC_b＜SOC_bs，超级电容器充电，电池充电，超级电容器通过均衡模块与电池进行容量均衡；SOC_c＜SOC_cs，SOC_b≥SOC_bs时，超级电容器充电；SOC_c≥SOC_cs，SOC_b≥SOC_bs时，超级电容器通过均衡模块与电池进行容量均衡；SOC_c≥SOC_cs，SOC_b＜SOC_bs时，超级电容器为电池充电，SOC_c＝SOC_ca，超级电容器充电；

S4：当电机和/或负载的需求功率P_req＜0，P_req≤P_x时，SOC_b＜SOC_bs，电池充电；SOC_b≥SOC_bs，SOC_c＜SOC_cs，超级电容器充电；SOC_b≥SOC_bs，SOC_c≥SOC_cs，超级电容器通过均衡模块与电池进行容量均衡。

本发明的有益效果为：

本发明的含有超级电容器的多电源系统，兼具电池能量和超级电容器功率的系统架构，通过能量、成本和体积确定超级电容器的参数，根据荷电状态选择多电源工作模式，合理分配超级电容器和电池的能量和功率的输入或输出，有效缓解大电流对电池的冲击损害，提高电池的使用寿命，提高输出响应，提高系统效率，电池均衡管理。

附图说明

图1是本发明实施例的多电源系统架构示意图；

图2是本发明实施例的用于确定能量最大值的曲线图；

图3是本发明实施例的控制方法流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种含有超级电容器的多电源系统，包括超级电容器、DC/DC转换器、电池及系统控制单元，系统控制单元包括充放电模块、均衡模块、采集模块及微处理器模块。

本发明实施例中，所述的均衡模块5与超级电容器1和电池3电连接，电池3和DC/DC转换器3与充放电模块4电连接；所述的DC/DC转换器2与超级电容器1连接；所述的采集模块6与超级电容器1和电池3通讯连接；所述的微处理器模块7与DC/DC转换器2、采集模块6及均衡模块5通讯连接。多电源系统与电机和负载架构图如图1所示，充放电模块4与逆变器8连接，逆变器8与电机9连接，与采集模块6通讯连接。充放电模块4与负载10连接，负载10与采集模块6通讯连接。

所述的采集模块6包括总电压采集、单体电压采集、电流采集和温度采集；所述的微处理器模块7包括对采集模块6输入的电池状态参数进行逻辑运算处理，与整车控制器通讯连接。所述的充放电模块6通过电机为多电源充电及能量回收充电，多电源放电为电机供电及负载供电。

本发明实施例中，所述的不同电压的电源组成的多电源系统与电机和负载构型，包括BSG电机，逆变器，48V电池，DC/DC转换器，12V超级电容器，负载，主减速器，变速器，离合器，启动机，发动机。所述的48V电池和12V超级电容器并不是对电池种类的限制，而是表示至少存在一种提及到的可实现本发明的方法。所述的48V电池可变换为48V超级电容器，所述的12V超级电容器可变换为12V电池。

本发明实施例中，所述的相同电压的电源组成的多电源系统与电机和负载构型，包括BSG电机，逆变器，48V电池，48V超级电容器，DC/DC转换器，DC/DC转换器，负载，主减速器，变速器，离合器，启动机，发动机。所述的48V电池和48V超级电容器并不是对电池电压的限制，而是表示至少存在一种提及到的可实现本发明的方法。所述的48V电池和48V超级电容器可分别变换为12V超级电容器和12V电池。

所述的电池包括锂离子电池、铅酸电池、镍氢电池、燃料电池及太阳能电池中的一种或几种，是由N个单体(池)组成的模组(堆)，其中N≥2。

所述的超级电容器是由N个单体通过串并联组合成不超过60V的模组，其中N≥2，超级电容器静电容量C通过目标函数计算得到，E_uc为超级电容器充电或放电能量、C_uc为超级电容器成本、V为超级电容器体积，以最大能量、最低成本和最小体积建立静电容量C的目标函数(1)、(2)和(3)，附加不同的权重系数ω_E，ω_C，ω_V，

其中，权重ω_E+ω_C+ω_V＝1，约束条件C≤C₀，

I为超级电容器的工作电流，由系统控制单元的采集模块采集；L_c为超级电容器储能活性物质活性炭负载，所述的活性炭负载L_c为50～150mA/F。本发明实施例中，所述的活性炭负载L_c为75mA/F，多电源系统中的超级电容器承载的最大电流为350A，单体最大静电容量C₀为2333F。

所述的超级电容器成本C_uc＝f_C(C)，k为超级电容器成本与全寿命周期成本对应的节省能源系数，k值越大，全寿命周期节能的能源越多，全寿命周期成本越低，对应的成本权重为ω_C越小，本发明实施例中，根据单体最大静电容量C₀为2333F初步确定成本权重ω_C为0.3。

所述的超级电容器体积V_uc＝f_V(C)，a为体积系数，

V_c为超级电容器体积，V_b为电池体积。本发明实施例中，12V铅酸电池装配在已有车载电池位置，12V超级电容器装配在车辆后部位置，体积分配权重为ω_V＝0.2。

所述的超级电容器充电或放电的能量E_uc＝f_E(C)，C为超级电容器静电容量，SOC为超级电容器荷电状态，U为超级电容器电压，超级电容器荷电状态SOC为端电压与标称电压的比值。

本发明实施例中，所述的车辆运行中48V多电源系统的E_uc最大值由C、SOC及U确定。所述的成本权重为ω_C＝0.3，体积分配权重ω_V＝0.2，能量分配权重ω_E＝0.5，可采用20个3.0V、2200F单体串联组成的48V超级电容器模组。如图2所示，在标准循环工况中，多电源系统单次最大能量输出值为34.8Wh，最大输出需求功率为12kW，多电源系统单次最大能量回收值为82.37Wh，制动能量回收的最大发电功率10.3kW，平均助力需求功率为1.14kW，平均制动功率为1.2kW，其中由20个3.0V、2200F单体串联组成的48V超级电容器输入和输出的能量E_uc最大值为24.75Wh。

所述的控制单元的微处理器模块根据采集模块采集的数据信息估算超级电容器荷电状态SOC_c和电池荷电状态SOC_b，与电机和/或负载的需求功率P_req、多电源系统超级电容与电池的功率分配阈值P_x、电池工作门限值SOC_bs、超级电容辅助工作门限值SOC_ca、超级电容单独工作门限值SOC_cs进行逻辑运算与判断，控制多电源工作模式，包括电池单独工作模式、超级电容单独工作模式、电池与超级电容器共同工作模式以及超级电容器与电池均衡工作模式，多电源系统的控制方法：

S1：当电机和/或负载的需求功率P_req≥0，P_req＞P_x时，SOC_c≥SOC_cs，超级电容器单独放电满足电机和/或负载的需求功率P_req；SOC_ca≤SOC_c＜SOC_cs，SOC_b≥SOC_bs时，超级电容器与电池共同放电满足电机和/或负载的需求功率P_req；SOC_c＜SOC_ca，SOC_b＜SOC_bs，多电源系统报警超级电容器或/和电池需要充电；

S2：当电机和/或负载的需求功率P_req≥0，P_req≤P_x时，SOC_b≥SOC_bs，SOC_c＜SOC_cs，电池单独放电满足电机和/或负载的需求功率P_req，电池剩余容量为超级电容器充电，超级电容器通过均衡模块与电池进行容量均衡；SOC_b≥SOC_bs，SOC_c≥SOC_cs，超级电容器单独放电满足电机和/或负载的需求功率P_req；SOC_b＜SOC_bs，SOC_c≥SOC_cs时，超级电容器单独放电满足电机和/或负载的需求功率P_req；SOC_b＜SOC_bs，SOC_c＜SOC_ca，多电源系统报警超级电容器或/和电池需要充电；

S3：当电机的需求功率P_req＜0，P_req＞P_x时，SOC_c＜SOC_cs，SOC_b＜SOC_bs，超级电容器充电，电池充电，超级电容器通过均衡模块与电池进行容量均衡；SOC_c＜SOC_cs，SOC_b≥SOC_bs时，超级电容器充电；SOC_c≥SOC_cs，SOC_b≥SOC_bs时，超级电容器通过均衡模块与电池进行容量均衡；SOC_c≥SOC_cs，SOC_b＜SOC_bs时，超级电容器为电池充电，SOC_c＝SOC_ca，超级电容器充电；

S4：当电机和/或负载的需求功率P_req＜0，P_req≤P_x时，SOC_b＜SOC_bs，电池充电；SOC_b≥SOC_bs，SOC_c＜SOC_cs，超级电容器充电；SOC_b≥SOC_bs，SOC_c≥SOC_cs，超级电容器通过均衡模块与电池进行容量均衡。

本发明实施例中，不同电压的电源组成的多电源系统的控制方法如图3所示。所述的不同电压的电源组成的多电源系统并不是对多电源系统组成的限制，而是表示至少存在一种提及到的可实现本发明的方法。所述的不同电压的电源组成的多电源系统可变换为相同电压的电源组成的多电源系统。

Claims (5)

1.一种含有超级电容器的多电源系统，其特征在于，该系统包括超级电容器、DC/DC转换器、电池及系统控制单元；所述系统控制单元包括采集模块、充放电模块、微处理器模块及均衡模块；所述均衡模块与超级电容器和电池电连接；所述电池和DC/DC转换器与充放电模块电连接；所述DC/DC转换器与超级电容器电连接；所述采集模块与超级电容器、电池通讯连接；所述微处理器模块与DC/DC转换器、采集模块及均衡模块通讯连接；

所述超级电容器是由N个单体通过串并联组合成不超过60V的模组，其中N≥2，静电容量C通过目标函数计算得到，E_uc为超级电容器充电或放电能量、C_uc为超级电容器成本、V_uc为超级电容器体积，以最大能量、最低成本和最小体积建立C的目标函数，如下：

约束条件C≤C₀，

I为超级电容器的工作电流，L_c为超级电容器储能活性物质活性炭负载，所述活性炭负载Lc为50～150mA/F；超级电容器充电或放电的能量E_uc＝f_E(C)，C为超级电容器静电容量，SOC为超级电容器荷电状态，U为超级电容器电压；所述超级电容器成本C_uc＝f_C(C)，k为超级电容器成本与全寿命周期成本对应的节省能源系数；所述超级电容器体积V_uc＝f_V(C)，a为体积系数，

V_c为超级电容器体积，V_b为电池体积；目标函数(1)、(2)和(3)归一化，附加不同的权重系数ω_E，ω_C，ω_V得到总目标函数取极值时对应的C，其中，权重ω_E+ω_C+ω_V＝1。

2.根据权利要求1所述的一种含有超级电容器的多电源系统，其特征在于，所述电池包括锂离子电池、铅酸电池、镍氢电池、燃料电池及太阳能电池中的一种或几种，是由N个单体组成的模组，其中N≥2。

3.根据权利要求1所述的一种含有超级电容器的多电源系统，其特征在于，所述系统控制单元用于检测每个电源的荷电状态，根据荷电状态选择多电源工作模式，包括电池单独工作模式、超级电容单独工作模式、电池与超级电容共同工作模式以及超级电容与电池均衡工作模式。

4.根据权利要求1所述的一种含有超级电容器的多电源系统，其特征在于，所述微处理器模块根据采集模块采集的数据信息估算超级电容器荷电状态SOC_c和电池荷电状态SOC_b，与电机和/或负载的需求功率P_req、多电源系统超级电容与电池的功率分配阈值P_x、电池工作门限值SOC_bs、超级电容辅助工作门限值SOC_ca、超级电容单独工作门限值SOC_cs进行逻辑运算与判断，控制多电源工作模式，包括电池单独工作模式、超级电容器单独工作模式、电池与超级电容器共同工作模式以及超级电容器与电池均衡工作模式。

5.根据权利要求4所述的一种含有超级电容器的多电源系统的控制方法，其特征在于，该控制方法包括以下步骤：

S1：当电机和/或负载的需求功率P_req≥0，P_req＞P_x时，SOC_c≥SOC_cs，超级电容器单独放电满足电机和/或负载的需求功率P_req；SOC_ca≤SOC_c＜SOC_cs，SOC_b≥SOC_bs时，超级电容器与电池共同放电满足电机和/或负载的需求功率P_req；SOC_c＜SOC_ca，SOC_b＜SOC_bs，多电源系统警告超级电容器或/和电池需要充电；

S2：当电机和/或负载的需求功率P_req≥0，P_req≤P_x时，SOC_b≥SOC_bs，SOC_c＜SOC_cs，电池单独放电满足电机和/或负载的需求功率P_req，电池剩余容量为超级电容器充电，超级电容器通过均衡模块与电池进行容量均衡；SOC_b≥SOC_bs，SOC_c≥SOC_cs，超级电容器单独放电满足电机和/或负载的需求功率P_req；SOC_b＜SOC_bs，SOC_c≥SOC_cs时，超级电容器单独放电满足电机和/或负载的需求功率P_req；SOC_b＜SOC_bs，SOC_c＜SOC_ca，多电源系统警告超级电容器或/和电池需要充电；

S3：当电机的需求功率P_req＜0，P_req＞P_x时，SOC_c＜SOC_cs，SOC_b＜SOC_bs，超级电容器充电，电池充电，超级电容器通过均衡模块与电池进行容量均衡；SOC_c＜SOC_cs，SOC_b≥SOC_bs时，超级电容器充电；SOC_c≥SOC_cs，SOC_b≥SOC_bs时，超级电容器通过均衡模块与电池进行容量均衡；SOC_c≥SOC_cs，SOC_b＜SOC_bs时，超级电容器为电池充电，SOC_c＝SOC_ca，超级电容器充电；

S4：当电机和/或负载的需求功率P_req＜0，P_req≤P_x时，SOC_b＜SOC_bs，电池充电；SOC_b≥SOC_bs，SOC_c＜SOC_cs，超级电容器充电；SOC_b≥SOC_bs，SOC_c≥SOC_cs，超级电容器通过均衡模块与电池进行容量均衡。

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