CN111030228A - 一种多模式充电方法 - Google Patents

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CN111030228A CN201911339002.2A CN201911339002A CN111030228A CN 111030228 A CN111030228 A CN 111030228A CN 201911339002 A CN201911339002 A CN 201911339002A CN 111030228 A CN111030228 A CN 111030228A
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袁奇俊
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Abstract

本发明提供一种多模式充电方法,所述方法用于通过能量源Si向外部负载充电的模式中,所述能量源Si包括电能发生模块Ti和储能模块Bi,所述方法包括:获取能量源Si被分配的输出功率PSi,基于输出功率PSi的大小确定能量源Si的初始工作模式为低功率L模式、中功率M模式、高功率H模式中的一种;充电过程中,随着输出功率PSi的变化,使能量源Si在L模式、M模式、H模式以及T模式下自动切换。本发明的多模式充电方法使得能量源可以在多个工作模式下自动切换,使得能量源能够准确地跟踪不断变化的负载功率需求。工作模式间切换条件的设置使得能量源的输出更平缓,减少燃机的启动、停机操作,保护燃机的同时减少系统损耗,提高效率。

Description

一种多模式充电方法
技术领域
本发明涉及能源领域,尤其涉及一种多模式充电方法。
背景技术
在对电动汽车进行充电的电源中,针对一个单能量源(包括电能发生模块+储能模块)而言,由于包含两个电量来源,随着充电过程的进行,负载功率需求会逐渐降低,但某些情况会导致负载功率需求增加(例如,对于负载是电动车的动力电池而言,理论上负载功率需求呈现阶梯式下降,每一功率阶梯是水平的,但实际充电时每一功率阶梯的后半段会出现升高的情况;或者由于新负载的接入导致功率需求增加)。
现有充电技术中,公开号为CN109484242A的中国发明专利一种基于增程式电动车开发的移动充电系统以及方法中,仅将充电模式划分为电能存储装置和增程器同时供电、增程器单独供电和电能存储装置单独供电模式(见CN109484242A图5)。公开号为CN109501629A的中国发明专利一种基于增程器开发的充电装置用充电系统以及方法中,仅通过被充电车辆剩余电量是否达到第一预设值和第二预设值这两个值来调整增程器的功率输出。上述方法均难以实现对能量源内部的两个电量来源进行高效的控制以有效减少系统损耗。
因此,如何高效地控制能量源内部的两个电量来源,使其跟踪负载功率的变化,且尽量减少电能发生模块的启动、关闭操作以减少系统损耗,对于基于电能发生模块、储能模块的充电设备而言是一个急需解决的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明的目的在于提供一种能够有效减少系统损耗的多模式充电方法。
本发明的技术方案如下:
一种多模式充电方法,所述方法用于通过能量源Si向外部负载充电的模式中,所述能量源Si包括电能发生模块Ti和储能模块Bi,所述方法包括:
获取能量源Si被分配的输出功率PSi,基于输出功率PSi的大小确定能量源Si的初始工作模式为低功率L模式、中功率M模式、高功率H模式中的一种;
其中,所述L模式为当能量源Si在该模式下运行时,由储能模块Bi单独对负载输出电能或由电能发生模块Ti对负载输出电能同时向储能模块Bi充电;
所述M模式为当能量源Si在该模式下运行时,由储能模块Bi单独对负载输出电能或由电能发生模块Ti、储能模块Bi同时对负载输出电能;
所述H模式为当能量源Si在该模式下运行时,电能发生模块Ti、储能模块Bi同时对负载输出电能;
充电过程中,随着输出功率PSi的变化,使能量源Si在L模式、M模式、H模式以及T模式下自动切换,其中所述T模式为当能量源Si在该模式下运行时,电能发生模块Ti独立运行,且仅向负载输出电能。
进一步的,基于输出功率PSi的大小确定能量源Si的初始工作模式为低功率L模式、中功率M模式、高功率H模式中的一种,包括:
当0≤PSi≤PTi时,确定能量源Si的初始工作模式为低功率L模式;
当PTi<PSi≤(PTi+Pb)时,确定能量源Si初始工作模式为中功率M模式;
当(PTi+Pb)<PSi时,确定能量源Si初始工作模式为高功率H模式;
其中,PTi为电能发生模块Ti的输出功率,Pb为一设定功率。
进一步的,能量源Si的初始工作模式为L模式时,能量源Si默认运行在由储能模块Bi单独对负载输出电能的L1模式;
当储能模块Bi的荷电状态SOC值低于标定的第一阈值时,进入由电能发生模块Ti对负载输出电能同时向储能模块Bi充电的L2模式;当储能模块Bi的荷电状态SOC值大于标定的第二阈值时,返回至L1运行模式。
进一步的,能量源Si的初始工作模式为M模式时,能量源Si默认运行在由储能模块Bi单独对负载输出电能的M1模式;
当储能模块Bi的荷电状态SOC值低于标定的第三阈值时,进入由电能发生模块Ti、储能模块Bi同时对负载输出电能的M2模式。
进一步的,能量源Si的初始工作模式为M模式时,首先判断储能模块Bi可提供的电量值,若储能模块Bi可提供的电量能够满足负载需求电量,则进入由储能模块Bi单独对负载输出电能的M1模式,否则进入由电能发生模块Ti、储能模块Bi同时对负载输出电能的M2模式的M2模式。
进一步的,判断能量源Si的初始工作模式进入M1模式的条件为:
C1oad-deman≤CB1
式中,Cload-deman为负载需求电量,CB1为储能模块Bi可提供的电量;
负载需求电量Cload-deman的计算公式为:
Cload-demand=Cload-total×(SOCdemand-SOCload)
式中,Cload-total为负载总容量,SOCdemand为负载所希望达到的荷电状态SOC值,SOCload是负载的荷电状态SOC值;
储能模块Bi可提供的电量CB1的计算公式为:
CB1=CB-total×(SOCB-SOClim1)
式中,CB-tot为储能模块Bi的总容量,SOCB为储能模块Bi的当前荷电状态SOC值,SOClim1为储能模块Bi第一限值;
当储能模块Bi的SOCB小于第一限值时,由M1模式变换为M2模式运行。
进一步的,所述随着输出功率PSi的变化,使能量源Si在L模式、M模式、H模式以及T模式下自动切换包括:
能量源Si工作在L模式时,当检测到PTi<PSi≤(PTi+Pb),则自动切换至M模式;
能量源Si由L模式切换至M模式时,若能量源Si的当前运行模式为由储能模块Bi单独对负载输出电能的L1模式,则切换至由储能模块Bi单独对负载输出电能的M1模式;
若能量源Si当前的运行模式为由电能发生模块Ti对负载输出电能同时向储能模块Bi充电的L2模式,则切换至由电能发生模块Ti、储能模块Bi同时对负载输出电能的M2模式。
进一步的,所述随着输出功率PSi的变化,使能量源Si在L模式、M模式、H模式以及T模式下自动切换包括:
能量源Si工作在M模式时,当检测到0≤PSi≤PTi,则自动切换至L模式;
能量源Si由M模式切换至L模式时,若能量源Si的当前运行模式为由储能模块Bi单独对负载输出电能的M1模式,则切换至由储能模块Bi单独对负载输出电能的L1模式;
若能量源Si当前的运行模式为由电能发生模块Ti、储能模块Bi同时对负载输出电能的M2模式,则切换至由电能发生模块Ti对负载输出电能同时向储能模块Bi充电的L2模式。
进一步的,所述随着输出功率PSi的变化,使能量源Si在L模式、M模式、H模式以及T模式下自动切换包括:
能量源Si工作在M模式时,当检测到(PTi+Pb)<PSi,则自动切换至H模式;
能量源Si工作在H模式下时,当检测到PTi<PSi≤(PTi+Pb),则自动切换至由电能发生模块Ti、储能模块Bi同时对负载输出电能的M2模式。
进一步的,所述随着输出功率PSi的变化,使能量源Si在L模式、M模式、H模式以及T模式下自动切换包括:
能量源Si工作在H模式或电能发生模块Ti、储能模块Bi同时对负载输出电能的M2模式时,当储能模块Bi的荷电状态SOC值小于设定的第四阈值,则自动切换至T模式;能量源Si工作在T模式时,当检测到0≤PSi≤PTi,自动切换至由电能发生模块Ti对负载输出电能同时向储能模块Bi充电的L2模式。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
本发明的多模式充电方法使得能量源可以在多个工作模式下自动切换,使得能量源能够准确地跟踪不断变化的负载功率需求;工作模式间切换条件的设置使得能量源的输出更平缓,减少电能发生模块的启动、停机操作,保护电能发生模块的同时减少系统损耗,提高效率。
附图说明
图1为本发明实施例中充电系统结构原理图。
图2为本发明实施例中采用多个充电枪的充电系统结构原理图。
图3为本发明实施例中能量源结构原理图。
图4为本发明实施例中多模式充电方法流程图。
图5为本发明实施例中充电方法总流程图。
图6为本发明实施例中燃气轮机启动流程图。
图7为本发明实施例中燃气轮机发电机组转子轴承支撑方案示意图。
图8为本发明实施例中轴承检测流程图。
图9为本发明实施例中燃气轮机关闭流程图。
图10为本发明实施例中功率分配流程图。
图11为本发明实施例中能量源的输出功率确定方法流程图。
图12为本发明实施例中贡献系数确定方法流程图。
图13为本发明实施例中储能模块补电流程图。
具体实施方式
为了更好的了解本发明的技术方案,下面结合具体实施例、说明书附图对本发明作进一步说明。
请参照图1,图1是本发明提供的充电系统的一个实施例原理图。
整个充电系统CS(Charging System)包含N个并联的能量源Si、充电控制单元CHRG(Charging Control Unit)、混合控制单元HCU(Hybrid Control Unit)、汇流母排、充电枪。充电枪通过汇流母排与能量源Si连接,HCU通过通信总线与各能量源Si连接。充电控制单元CHRG直接参与被充车辆的充电控制通讯。充电控制单元CHRG的软硬件功能需求遵循非车载充电机给电动汽车充电的国家标准(GB T27930-2015),包括物理连接完成,低压辅助上电,充电握手,充电参数配置,充电阶段和充电结束等流程。充电控制单元CHRG记录被充车辆在充电过程中各个参数,如功率需求及动力电池SOC值,并动态上传至HCU。HCU或者能量源Si内部的能量管理系统EMSi(Energy Management System)根据待充电负载的功率需求以及各个能量源Si状态信息,确定各个能量源Si的输出功率,充电电流经充电枪输出至待充电负载,充电枪直接与待充电负载连接。
请参照图2,图2是本发明提供的充电系统的另一个实施例原理图。在本实施例中,充电系统CS可以设置多个充电枪。图示以设置两个充电枪为例。两个充电枪分别经过两个充电控制单元CHRG与HCU连接,两个充电枪分别通过汇流母排与汇流分配单元连接,汇流分配单元包含数量与能量源Si数量相同的开关,开关用于选择将能量源Si的电能输出至汇流母排1和2中的一个。通过多个充电枪的设置,能够满足对多个待充电负载的同时充电作业。在本实施例中,HCU同样从各CHRG中获取各待充电负载的功率需求,HCU或者能量源Si内部的能量管理系统EMSi根据待充电负载的功率需求以及各个能量源Si状态信息,确定各个能量源Si的输出功率。
请参照图3,图3是本发明提供的能量源Si的一个实施例结构图。在本实施例中,N个并联的能量源Si中,每个能量源Si包含一电能发生模块Ti、一储能模块Bi和一能量管理系统EMSi
在本实施例中,单个能量源Si除了包括电能发生模块Ti、储能模块Bi(包括电池管理系统BMSi),还包括燃油供给系统、传感器、电子控制单元ECU(Electronic ControlUnit)、DPCi(Digital Power Controller)、DC/DC控制器、EMSi(未一一示出)。
其中,电能发生模块Ti:电能发生模块Ti用于产生电能,由原动机和发电机组成,原动机指将燃料的能量转化为机械能并通过转轴输出机械能的热能发动机,发电机则将原动机产生的机械能转换为电能输出。发电机在原动机的启动阶段也可作电动机运行,拖转原动机转动。原动机可以是柴油发电机、汽油发电机、燃气轮机等。本实施例中优先选用微型燃气轮机(简称微型燃机、微燃机或MT(Microturbine))作为原动机,此时电能发生模块Ti即为微型燃气轮机与发电机构成的微型燃气轮机发电机组。与传统的内燃机发电机组(如柴油机发电机组)相比,微型燃气轮机发电机组具有体积小、重量轻、振动小、噪声低、启动较快、运动部件少、使用寿命长、维护简单、环境友好、燃料适应性广等优点。因此,除了可在军事领域用作重要国防设施的常用电源,用作军事通信和导弹发射等装备的备用电源;在民用领域用作小型商业建筑物的常用/备用电源,用作偏远地区的分布式供电系统外,微型燃气轮机发电机组有望在电动汽车充电领域有广泛应用。
微型燃气轮机(发电机组)的单机容量一般在300kW内。但对于微型燃气轮机(发电机组)的单机容量范围在国际上并没有统一定义,有些学着认为功率小于500kW为微型燃气轮机(发电机组)。但这些并不构成对本申请的限制。需要说明的是,虽然本实施例优选额定功率较小的微型燃气轮机发电机组作为电能发生模块,但实际上,本申请提出的充电方法同样适用于包含功率较大的小型、中型、大型燃气轮机发电机组的系统。因此,本申请不对燃气轮机(发电机组)的单机容量做具体限定,本申请在提及时,通用“燃气轮机”或“燃机”指代。此外,由于对于燃气轮机发电机组而言,燃气轮机作为原动机,是提供能量的一方,从燃气轮机到发电机的能量损失可以忽略不计,因此,在本申请中,“燃气轮机的输出功率/额定功率/单机容量”与“燃气轮机发电机组的输出功率/额定功率/单机容量”是相同的。同样地,在本申请中,“原动机的输出功率/额定功率/单机容量”与“电能发生模块Ti的输出功率/额定功率/单机容量”也是相同的。
电能发生模块Ti的启动控制是充电系统CS的控制内容之一。由于电能发生模块Ti的启动控制也就是由Ti的发电机拖转Ti的原动机从静止到运行在启动转速,因此,在本申请中,术语“电能发生模块Ti的启动”、“电能发生模块Ti原动机的启动”、“原动机的启动”等表明的意思一致。在启动阶段,Ti的发电机作电动机运转,所需的电能可以由储能模块Bi提供。启动阶段,除了要消耗电能以拖动原动机运行至启动转速外,还需要对其他变量进行精准控制,如温度、燃料量、空气量等。由此可见,电能发生模块Ti的启动是一个既耗能又复杂的过程。在充电系统CS的工作过程中,合理地降低电能发生模块Ti的启停次数,可以有效提高系统效率、降低系统损耗、减轻控制系统负担。
储能模块Bi:储能模块Bi的作用包括以下多种:为电能发生模块Ti的原动机提供启动电能;向负载对外输出电能;存储电能发生模块Ti生成的电能。在本实施例中储能模块Bi可以是任何形式的可充放电的电能存储设备,例如蓄电池、超级电容等。
能量管理系统EMSi:依据分配的输出功率完成单个能量源Si内部功率管理,确定电能发生模块Ti的启停和储能模块Bi的充放电功率,实现能量的高效利用。
ECUi:通过控制油气路中泵体、阀体、点火控制器等执行器,结合各个传感器反馈的信息,配合DPCi,实现电能发生模块Ti输出功率的闭环控制。
DC/DCi1:稳定母线电压,通过控制储能模块Bi的充放电,实现电能发生模块Ti的平稳启停。
DC/DCi2:基于EMSi的指令,对外部待充电负载放电。
针对本实施例的能量源Si结构,可通过与能量源Si连接的HCU或者能量源Si内部的EMSi相互协调实现负载需求功率的分配:
当通过HCU实现负载需求功率分配时,由HCU实时获取被充电负载的功率信息(包括负载的功率需求和/或负载动力电池SOC值等)以及由EMSi提供的每一个能量源Si的状态信息(包括当前电能发生模块Ti的运行状态信息以及储能模块Bi的电量状态信息等),并根据负载功率信息及能量源Si的状态信息,确定各个能量源Si的输出功率;
当通过能量源Si内部的EMSi相互协调实现负载需求功率的分配时,由HCU实时获取被充电负载的功率信息(包括负载的功率需求和/或负载动力电池SOC值等)并发送至各能量管理系统EMSi,各能量管理系统EMSi根据负载功率需求及能量源Si的状态信息(包括当前电能发生模块Ti的运行状态信息以及储能模块Bi的电量状态信息等),确定各个能量源Si中每个能量源Si的输出功率PSi
与能量源Si连接的HCU除上述功能外,其还可用于:状态汇总上报——实时汇总所有能量源Si的状态信息及被充负载的状态信息,上报至车载终端和/或上层服务器;接收车载终端和/或上层服务器的信息(如调度指令、待充负载的位置信息等)。
本实施例中,每个能量源Si内部都包括一个储能模块Bi,该设置方式使得充电系统CS可以对输出功率进行细调,从而精确跟踪负载需求,以此节约充电时间提高充电效率,更适和应用在希望能够快速充电的应急充电场合。例如,充电系统CS可以装载在移动车辆上,作为(应急)充电车,随时接收用户的用电请求,并行使至预定的服务地点为用电负载(如电动汽车)提供用电服务。
本发明实施例还提供有另一中能量源Si结构。本实施例中,每个能量源Si包含一电能发生模块Ti和一能量管理系统EMSi,能量源Si内部不包含储能模块Bi,相应的能量源Si内部也不包含DC/DCi1,此时整个充电系统CS中的多个能量源Si共用一个外部的储能模块B及相应的DC/DC1(未在图中示出),储能模块B此时的主要功能是为多个能量源Si中电能发生模块Ti提供启动电能,因此在对负载需求功率进行分配时,无需考虑储能模块B的输出。在本实施例中,由于储能模块B无需向负载输出功率,因此与能量源Si连接的HCU可以不承担能量源Si之间功率分配的功能,而是由每个能量源Si内部的EMSi之间相互协调。
针对本实施例的能量源Si结构,可通过与能量源Si连接的HCU或者能量源Si内部的EMSi相互协调实现负载需求功率的分配:
当通过HCU实现负载需求功率分配时,由HCU实时获取被充电负载的功率信息(包括负载的功率需求和/或负载动力电池SOC值等)以及由EMSi提供的每一个能量源Si中电能发生模块Ti的运行状态信息,并根据负载功率信息及电能发生模块Ti的运行状态信息,确定各个能量源Si的输出功率;
当通过能量源Si内部的EMSi相互协调实现负载需求功率的分配时,由HCU实时获取待充电负载的功率信息(包括负载的功率需求和/或负载动力电池SOC值等)并发送至各能量管理系统EMSi,各能量管理系统EMSi根据负载功率需求及能量源Si中电能发生模块Ti的运行状态信息,确定各个能量源Si中每个能量源Si的输出功率PSi
在本实施例中,多个能量源Si共用一个储能模块B,除能够节约成本(动力电池的成本较高)外,功率分配的实现也更简单进而降低控制系统的复杂度。由于储能模块B不向负载输出电能,此时充电系统CS一般不能精确跟踪负载功率需求,而是以低于负载功率需求的功率值向负载供电,因此更适合应用在要求节约成本或对充电时间没有严格要求的场合。例如,充电系统CS可以并联十几个能量源Si,作为停车场或充电站的电源设备,为电动汽车提供充电服务。
本发明上述实施例中,由HCU统一执行负载功率的分配,能量源内部的EMS只需根据HCU下发的功率指令进行内部储能模块和电能发生模块两个电源的控制,能够降低系统的复杂度,如此使得系统易于拓展,例如可根据具体应用场合增加或减少能量源的数量而只需对HCU控制软件做少量修改;同时还可通过能量源内部的EMS根据HCU提供的负载功率需求相互协调进行负载功率的分配,在具体实施过程中,可将各能量管理系统EMSi设置一个主能量管理系统EMSi,而其它能量管理系统EMSi设置为从能量管理系统EMSi,由主能量管理系统EMSi主要负责协调作业,如此同样能够降低系统的复杂度,使得系统易于拓展,例如可根据具体应用场合增加或减少能量源的数量而只需对EMS的控制软件做少量修改因为。而如果对于各能量管理系统EMSi不区分主、从关系,在进行能量源Si的扩展时,相应的各能量管理系统EMSi的修改则会比较复杂,且扩展的能量源Si越多,系统会变得越复杂。
本发明实施例还提供一种多模式充电方法。在充电系统中,当采用单个能量源对负载进行充电时,需要基于负载的实时功率需求,确定该所述单个能量源的输出功率PSi,即所述单个能量源的输出功率PSi等于负载功率需求;当采用多个能量源对外部负载进行充电时,需要基于负载的实时功率需求,根据各个能量源输出能力的差别,将输出功率任务分配至各个能量源以满足负载的实时功率需求,即确定各个能量源的输出功率PSi,PSi的确定方法(也称为负载需求功率分配方法)具体参考流程400、流程500、流程600及相关描述。在由电能发生模块和储能模块两个电量来源组成的能量源中,在确定能量源的输出功率PSi后,还需要进一步确定能量源内部的工作模式。本实施例的多模式充电方法指基于能量源被分配的输出功率PSi,进一步确定能量源内部电能发生模块和储能模块两个电量来源的工作模式。应当理解,虽然本发明图1、图2所示的充电系统包含有多个能量源,但本多模式充电方法同样适用于单个能量源的情形。
请参照图4,图4是本发明提供的一种多模式充电方法实施例流程图。
在本实施例中,能量源Si包括电能发生模块Ti(优选为燃气轮机发电机组,即燃气轮机+发电机,可以是其他任何形式可产生电能的发电设备)和储能模块Bi(优选为蓄电池,可以是其他任何形式的可充放电的电能存储设备)。
多模式充电流程700包括:
将每个能量源Si的运行模式,分为四种模式:低功率模式(L模式)、中功率模式(M模式)、高功率模式(H模式)和电能发生模块独立运行模式(T模式)。其中,L模式和M模式又分别细分为L1、L2和M1、M2模式。(详见图4)。
EMSi接收HCU发送的输出功率PSi,基于输出功率PSi的大小,确定能量源Si的初始工作模式。能量源Si的初始工作模式可以为低功率L模式、中功率M模式、高功率H模式中的一种。当能量源Si在低功率L模式下运行时,由储能模块Bi单独对负载输出电能,或由电能发生模块Ti对负载输出电能的同时向储能模块Bi充电。当能量源Si在中功率M模式下运行时,由储能模块Bi单独对负载输出电能,或由电能发生模块Ti、储能模块Bi同时对负载输出电能。当能量源Si在高功率H模式下运行时,电能发生模块Ti、储能模块Bi同时对负载输出电能。EMSi基于输出功率PSi确定能量源Si初始工作模式,以及各模式下电能发生模块Ti和储能模块Bi的运行状态具体如下:
1.如果0≤PSi≤PTi,确定能量源Si进入L模式运行,PTi为电能发生模块Ti工作在最佳工作点时的输出功率。在本实施例中,在系统处于稳定工况时,某个特定电能发生模块Ti的输出功率可以随时间变化,也可以为一恒定值。各个电能发生模块Ti的输出功率的数值可以相同、也可以不同。例如,优选电能发生模块Ti的原动机为燃气轮机,且所有电能发生模块Ti原动机、发电机的参数相同。当系统处于稳定工况,电能发生模块Ti处于稳定发电状态时,燃机工作在最佳工作点,输出功率恒定,为燃机额定输出功率。此时电能发生模块输出功率PT为一常数,即燃机额定输出功率,例如15kW(仅为示例)。当电能发生模块Ti处于停止状态时,电能发生模块Ti的输出功率
进入L模式后,能量源Si默认运行在L1模式。在L1模式下,由储能模块Bi单独满足功率PSi。这是由于当需要能量源Si输出的功率PSi较小时,能量源Si中的储能模块Bi一般能满足需求,无需启动能量源Bi中的电能发生模块Ti
能量源Si默认运行在L1模式,当储能模块Bi的SOC值低于第一阈值(如40%,可标定;SOC值低于第一阈值表明储能模块Bi的剩余电量不足)时,进入L2模式,启动电能发生模块Ti。在L2模式下标,电能发生模块Ti输出功率PTi(如15kW,45kW,60kW,与燃机的型号相关),在满足PSi的情况下,多余的功率(PSi-PTi)给储能模块Bi充电。在电能发生模块Ti输出功率PTi给储能模块Bi充电过程中,储能模块Bi的SOC值持续上升,当检测储能模块Bi的SOC值大于等于第二阈值(如80%,可标定;SOC值大于等于第二阈值表明储能模块有充足的电量可以对外输出电能)时,关闭电能发生模块Ti,返回至L1模式运行,即由储能模块Bi单独满足功率PSi
在本实施例中,定义各个能量源Si模块的输出功率PSi:PSi=PTi+PBi。其中,PTi为电能发生模块Ti的输出功率,PTi的取值大于等于零。PBi为储能模块Bi的输出功率,PBi的取值可以大于等于零,也可以小于零。当PBi的取值大于零时,说明储能模块Bi处于放电状态,即向负载输出电能;当PBi的取值小于零时,说明储能模块Bi处于充电状态,即PTi除对负载输出电能外,还有多余电能对储能模块Bi充电。
2.如果PTi<PSi≤(PTi+Pb),确定能量源进入M模式运行。其中,Pb为一设定功率,与储能模块Bi的参数相关。例如,Pb可以是储能模块Bi放电倍率为1C时对应的放电功率。
进入M模式后,可通过两种方法判断运行在M1模式还是M2模式:
第一种:能量源Si默认运行在M1模式,在M1模式下,由储能模块Bi单独满足功率PSi
当SOC值低于第三阈值(如35%,可标定),进入M2模式,即启动电能发生模块Ti,在M2模式下,电能发生模块Ti输出功率PTi(如15kW,45kW,60kW,与电能发生模块Ti的型号相关),同时,储能模块Bi输出功率为(PSi-PTi)。
第二种:若储能模块Bi可提供的电量能满足负载需求电量,则进入M1模式,否则进入M2模式。判断进入M1模式的条件为:
C1oad-demand≤CB1
C1oad-demand为负载需求电量,CB1为储能模块Bi可提供的电量,两个变量分别通过如下方式计算:
C1oad-demand=C1oad-total×(SOCdemand-SOCload)
C1oad-tota为负载总容量,SOCdemand为负载希望最终达到的SOC值,可以是根据经验设定的默认值(如90%),也可以是用户输入的数值;SOCload是负载的SOC值。
CB1=CB-total×(SOCB-SOClim1)
CB1为储能模块可提供的电量;CB-total为储能模块的总容量,SOCB为储能模块的当前SOC值,SOClim1是储能模块第一限值,当储能模块的SOCB小于第一限值时,会由M1模式变换为M2模式运行。
3.如果(PTi+Pb)<PSi确定能量源进入H模式运行。
在H模式下,电能发生模块Ti输出功率PTi(如15kW,45kW,60kW,与电能发生模块Ti的型号相关),同时,储能模块Bi输出功率为(PSi-PTi)。
在充电过程中,随着PSi的变化(升高或降低),能量源Si可以在四种运行模式(L模式、M模式、H模式和T模式)间自动切换,即能量源Si可以基于初始工作模式(当前工作模式)及PSi的变化更新工作模式(或称为确定新的工作模式),以更好地跟踪输出功率PSi
L模式切换至M模式:
能量源Si工作在L模式下时,当检测到PTi<PSi≤(PTi+Pb),则自动切换至M模式。具体切换至M1还是M2模式,需进一步判断:若能量源Si的当前运行模式为L1,即Modecurrent=L1,则切换至M1模式,即Modeupdated=M1;若能量源Si的当前运行模式为L2,即Modecurrent=L2,则切换至M2模式,即Modeupdated=M2。L1模式切换至M1模式,L2模式切换至M2模式的有益效果是,能量源Si的输出更平缓,减少电能发生模块Ti的启动、停机操作,保护电能发生模块Ti的同时减少系统损耗,提高效率。否则,假设L1模式切换至M2模式,需要开启电能发生模块Ti,而L2模式切换至M1模式,需要关闭电能发生模块Ti
M模式切换至L模式:
能量源工作在M模式下时,当检测到0≤PSi≤PTi,则自动切换至L模式。具体切换至L1还是L2模式,需进一步判断:若能量源Si的当前运行模式为M1,即Modecurrent=M1,则切换至L1模式,即Modeupdated=L1;若能量源Si的当前运行模式为M2,即Modecurrent=M2,则切换至L2模式,即Modeupdated=L2。
M模式切换至H模式:
能量源Si工作在M模式下时,当检测到(PTi+Pb)<PSi,则自动切换至H模式。
H模式切换至M2模式:
能量源Si工作在H模式下时,当检测到PTi<PSi≤(PTi+Pb),则自动切换至M2模式。
H/M2模式切换至T模式:
能量源Si运行在H模式或M2模式时,当储能模块Bi的SOC小于第四阈值(如25%,可标定)时,能量源Si自动切换至T模式。因为当储能模块Bi的SOC值已经很小时,继续放电会给储能模块Bi造成一定损害。
T模式切换至L2模式:
能量源在T模式下工作时,随着充电的进行,PSi降低,当PSi降低至满足条件0≤PSi≤PTi时,能量源由T模式自动切换至L2模式,即电能发生模块Ti输出的功率除满足PSi外,多余的功率(PSi-PTi)用于给储能模块Bi充电。
充电过程中,一旦系统CS判断充电完成,便停止对负载充电。停止充电的判断条件可以是用户要求停止充电服务(例如用户在手机的app界面点击“充电结束”)或系统检测到待充电负载的动力电池SOC大于某一期望值(如90%)。
在一些实施方式中,在系统判断充电服务完成并停止对外充电后,由于系统内部能量源Si的储能模块Bi处于缺电状态,需要电能发生模块Ti对其进行补电或通过外接电源(如电网)进行补电,相关描述详见流程800。
本发明实施例提供的多模式充电方法使得能量源可以在多个工作模式下自动切换,使得能量源能够准确地跟踪不断变化的负载功率需求。工作模式间切换条件的设置使得能量源的输出更平缓,减少电能发生模块的启动、停机操作,保护电能发生模块的同时减少系统损耗,提高效率。
本发明实施例还提供一种充电方法,本充电方法用于通过能量源Si向负载输出电能,通过对能量源Si中电能发生模块Ti和储能模块Bi的合理控制以提高充电效率。在本实施例中,由于能量源Si内部具有电能发生模块Ti和储能模块Bi两个电量来源,因此可使用上述实施例中的多模式充电方法确定两个电量来源的具体工作模式。应当理解,虽然本发明图1、图2所示的充电系统包含有多个能量源,但本充电方法同样适用于单个能量源的情形。
请参照图5,为本实施例的充电方法总体流程图。
在本实施例的充电方法中,每个能量源Si包括有一电能发生模块Ti(优选为燃气轮机发电机组,即燃气轮机+发电机,可以是其他任何形式可产生电能的发电设备)和一储能模块Bi(优选为蓄电池,可以是其他任何形式的可充放电的电能存储设备)。
总体充电流程100主要包括:
S110:充电枪与待充负载连接后,充电控制单元CHRG与待充负载通信,确认有外部待充电负载接入并获取待充负载发送的负载需求相关信息。
负载需求相关信息包括功率需求Pload和待充负载的动力电池的SOC值。
S120:基于负载需求相关信息确定至少一个能量源Si中每个能量源Si的输出功率PSi
具体的,当充电系统CS仅包含一个能量源Si时,即确定负载需求功率Pload为该能量源Si的输出功率PSi。当充电系统CS包含两个或两个以上能量源Si时,由HCU完成量源Si之间的功率分配任务,具体是基于负载的实时功率需求,根据各个能量源Si输出能力的差别,将输出功率任务分配至各个能量源Si以满足负载的实时功率需求,即确定各个能量源Si的输出功率PSi,负载需求功率分配方法详见流程400、流程500、流程600。能量源Si内部的能量管理单元EMSi接收HCU分配的输出功率PSi,并进一步根据输出功率PSi执行能量源Si内部的功率分配,进而控制能量源Si内部电能发生模块Ti的启停和储能模块Bi的充放电,详见流程700。
S130:基于输出功率PSi确定充电电流ISi
具体地,HCU确定每个能量源Si的输出功率PSi后,会将输出功率PSi发送至相应能量源Si的能量管理单元EMSi。随后EMSi基于输出功率PSi确定充电电流ISi。ISi=PSi/Vload,Vload与待充负载相关。例如,当待充负载为电动汽车上的动力电池时,Vload是动力电池SOC的函数,与SOC一一对应。后续DC/DC控制器会控制DC/DCi2根据充电电流ISi对外输出电能。
S140:基于输出功率PSi,确定能量源Si的工作模式,控制电能发生模块Ti的启停和/或储能模块Bi的充放电。
由于充电系统CS的每一个能量源Si内部包含两个电力来源:储能模块Bi及电能发生模块Ti。此时,能量源Si内部的能量管理单元EMSi接收HCU分配的输出功率PSi,并进一步根据输出功率PSi执行能量源内部的功率分配,从而对内部的两个电力来源进行控制,两个电力来源的不同运行状态组合成能量源PSi的多个工作模式。
具体地,EMSi基于输出功率PSi的大小及储能模块Bi的SOC值判断是否开启或关闭电能发生模块Ti。例如,当基于输出功率PSi及储能模块Bi的SOC确定能量源Si的工作模式由L1模式切换至L2模式,或由M1模式切换至M2模式,或由M1模式切换至H模式时,确定启动电能发生模块Ti,当电能发生模块Ti的原动机为燃气轮机时,进入燃气轮机启动流程201;当基于输出功率PSi及储能模块Bi的SOC确定能量源Si的工作模式由L2模式切换至L1模式时,关闭电能发生模块Ti,当电能发生模块Ti的原动机为燃气轮机时,进入燃气轮机关闭流程300;当基于输出功率PSi及储能模块Bi的SOC确定能量源Si的工作模式由L2模式切换至M2模式或M2模式切换至L2模式时,维持电能发生模块Ti的运行状态。关于能量源Si工作模式的定义及各模式间的切换条件详见流程700及相关描述。
在本发明的上述步骤中,S130和S140的顺序不做限定。
S150:基于充电电流ISi对外输出电能。
具体地,DC/DCi2为确保其输出电流为ISi且能够对负载充电,会将直流母线DC bus直流电变换为大小略大于Vload的直流电压,即DC/DCi2的输出电压VSi略大于Vload。例如,Vload为400V,VSi为415V。VSi与Vload的差值过大,如前者为600V后者为400V,VSi会被拉低至与Vload相同的大小,从而无法对负载充电。VSi的大小可以通过测试实验进行标定以选取合适的值。
S160:系统判断充电完成,停止对外输出电能。
具体地,判断条件可以是用户要求停止充电服务(例如用户在手机的app界面点击“充电结束”)或检测到待充电负载的动力电池SOC大于某一期望值(如90%)。
在一些实施方式中,在系统判断充电服务完成并停止对外充电后,由于系统内部能量源Si的储能模块Bi处于缺电状态,需要电能发生模块Ti对其进行补电或通过外接电源(如电网)进行补电,相关描述详见流程800。
本实施例的充电方法,能够实现对电能发生模块的启动-发电-停机过程以及储能模块进行合理控制以对接入充电系统的待充负载进行高效充电。当电能发生模块的原动机为微型燃气轮机时,基于微型燃气轮机轻小型充电车较大型卡车而言,行驶灵活且受交通道路限制少,更便于随时随地为缺电车辆提供充电服务。相较于电力来源于电网的传统充电桩,基于微型燃气轮机的充电桩,由于不依赖于电网,节省了建设成本,敷设更灵活,大量电动车同时充电时也不会对电网造成负担,缓解电网压力的同时也缓解了交通压力。
本发明的实施例还提供有另一种充电方法,在本实施例的充电方法中,每个能量源Si包括有一电能发生模块Ti,多个能量源Si共用一储能模块B。本实施例中总体充电流程、电能发生模块Ti启停流程与上述实施例的充电方法相同。其不同之处在于,当充电系统CS的多个能量源Si共用一个储能模块B时,该储能模块B不参与对负载输出电能,仅负责为充电系统CS的能量源Si中的电能发生模块Ti提供启动电能,因此在充电过程中无需考虑储能模块B的功率。此时,在充电过程中,基于输出功率PSi,只需控制电能发生模块Ti的启停,具体的是:若PSi大于0且能量源Si中的电能发生模块Ti处于停机状态,则启动电能发生模块Ti;若PSi大于0且能量源Si中的电能发生模块Ti处于运行状态,则保持电能发生模块Ti处于运行状态;若PSi为0且能量源Si中的电能发生模块Ti处于运行状态,则关闭电能发生模块Ti
实施例的充电方法,能够实现对电能发生模块的启动-发电-停机过程进行合理控制以对接入充电系统的待充负载进行高效充电,同时避免电能发生模块的频繁启动,以节约能源,提高电能发生模块的使用寿命。
本发明实施例针还提供一种燃气轮机启动方法,当本发明的电能发生模块Ti的原动机为燃气轮机时,优选采用本实施例的燃气轮机启动方法以控制燃气轮机进行平稳的启动。
请参照图6,燃气轮机启动流程201,
S211:将直流母线DC bus升压至直流母线参考电压UDC
在一些实施例中,在决定开启燃机时,DC bus的电压还未建立,即DC bus的电压未达到设定值UDC,此时需建立DC bus电压。
在一些实施例中,能量源Si内部包含储能模块Bi。此时,储能模块Bi启动并对外输出电能,DC/DC控制器控制DC/DCi1对储能模块Bi输出的直流电进行升压变换,将DC bus的电压值稳定在直流母线参考电压UDC。UDC的大小可设定,其值较大时有利于减小输出损耗,但相应地,整个充电系统CS各个元件的耐压等级也要设计得相应较高。
在一些实施例中,在决定开启燃机时,系统已经处于待机状态,例如,负责提供启动电能的储能模块Bi及DC/DCi1已经工作,将DC bus的电压升至设定值UDC(如780V,800V,可标定)。此时无需再启动DC/DCi1建立电压。因此步骤S211并不是必须的。
S221:获取“启动”命令,将燃机拖转到点火速度。
具体地,DPCi获取ECUi的“启动”指令,DPCi工作在逆变模式,将DC bus的直流电逆变为交流电。交流电向与燃机同轴设置的电机提供交流电源,电机工作在电动模式,电机转动时带动燃机运行,速度逐渐上升至点火速度。
S231:控制点火器点火。
具体地,当燃机达到点火速度后,ECUi控制气泵增加气压,燃料泵和相应的阀体开启,输送燃料,准备工作完成后,ECUi控制点火控制器点火,燃料开始在燃机的燃烧室中燃烧。
S241:拖转燃气轮机加速至第一设定转速,并将燃气轮机加热至第一指定温度。
具体地,DPCi拖转燃机加速至第一设定转速(不同的燃机该数值不同,是燃机设计阶段即确定的一个转速范围,例如50000~55000转/s)。此后维持燃机在第一指定转速不变,对燃机温度(例如燃气轮机透平后端的温度)进行闭环控制,使燃机温度上升至第一指定温度(不同的燃机该数值不同)。这是由于燃机属于热机的一种,只有在达到一定温度的情况下,才能将燃料的化学能高效地转化为动能。
S251:根据目标转速信号拖转燃气轮机至目标转速。
具体地,ECUi向DPCi发送目标转速信号(目标转速通过燃机目标输出功率计算,例如,燃机的目标输出功率为其额定功率,根据额定功率计算的转速及为目标转速),DPCi收到信号后将燃机拖转至目标转速。在该阶段,DPCi可以基于新的转速信号将燃机拖转至新的转速(对应新的输出功率)。
本发明实施例还提供有一种用于在燃气轮机启动过程中轴承检测的方法。在一些实施例中,燃机使用的是空气轴承。空气轴承是利用空气弹性垫来起支撑作用的一种轴承。与其他类型的轴承相比,空气轴承有如下优势:空气的粘度很小,导致摩擦损耗小,发热变形小;操作简单、成本低、可靠性高、维护简单,并且避免了润滑又供应和过滤系统的耗能。因此空气轴承很适合应用在超精密和超高速旋转轴的应用场合,例如应用在微型燃气轮机中。空气轴承能正常运行形成压力空气膜以将燃机转子支撑起来,是燃机能成功启动的前提条件。在燃机启动阶段,若空气轴承损坏或转子轴弯曲变形,无法形成压力空气膜将燃机转子支撑起,则可能导致转子与控制轴承间的摩擦力过大而转子无法加速的情形,若强行拖转转子加速,甚至造成转子损坏或燃机其他部件损坏的严重后果。因此,对于采用空气轴承的燃气轮机,在燃机启动阶段对空气轴承进行检测,确保轴承能够成功将燃机转子支撑起来,并且在空气轴承发生故障的情况下能将故障及时上报是必须重视的技术问题。
请参照图7,为本实施例燃气轮机发电机组转子的轴承支撑方案示意图。图示中,附图标记分别为:1、1号空气轴承;2、2号空气轴承;3、转子;4、涡轮机;5、压缩机;6、电机。图示中的支撑方式仅为示意,实际上可以有多种支撑方案。例如,压缩机和涡轮机之间可设置3号轴承。需明确的是,转子的轴承支撑方案不对燃机启动阶段的轴承检测构成限制。轴承为非接触式轴承,可以是空气轴承,也可以是空气轴承和磁悬浮轴承二者组成的混合轴承。
请参照图8,为本实施例燃气轮机启动时轴承检测流程202,包括:
S212:开启气泵和气阀。
具体地,ECUi控制气泵和气阀开启,为空气轴承提供气源,气源会从空气轴承的进气孔进入。
S222:拖转转子沿第一方向以第一转速转动。
具体地,DPCi工作,拖转与燃机同轴相连的同步电机转子沿第一方向以第一转速转动。第一方向可定义为燃机透平的叶轮正常运行时旋转的方向。对第一转速的取值范围不做具体限定,以标定实验时的标定值为准。例如,对于额定转速为十几至几十万转的燃机而言,第一转速的转速可以为几百-1万r/m。
S232:确定对应于第一方向的第一扭矩。
第一转矩为同步电机转子沿第一方向以第一转速转动时的输出扭矩(也称为转矩)。具体地,DPCi基于反馈的电压和电流值,确定第一扭矩t1。具体地,对于电机,转子输出扭矩t1=P/ω。P为转子输出的机械功率,ω为角速度。转子输出机械功率可以由电机电功率近似求解P≈P=3U×I其中相电流I和线电流I线相等。在一些实施例中,也可以通过电机电功率乘以电机电能转化为机械能的效率η求解机械功率P,如P=ηP,η为估算值。
S242:若第一扭矩小于扭矩阈值,确定轴承性能良好,进入燃机升速阶段,即从流程201的S221开始执行(因为此时DC bus的电压已建立)。
当空气轴承性能良好,不存在损坏或故障时,空气轴承可以和燃机转子间形成压力空气膜,将转子支撑起来,机转子处于“浮起”状态,与空气轴承见不存在机械接触。此时的第一扭矩是小于扭矩阈值的。
对扭矩阈值的大小也不做具体限定,以标定实验时的标定值为准。不同型号的燃机,或者相同型号的燃机运行在不同的第一转速下时,标定的扭矩阈值可能不同。
S252:否则确定换向时间和第二扭矩。
若第一扭矩大于或等于扭矩阈值,此时也不能立刻判定空气轴承存在故障,还需近一步确定换向时间或第二扭矩,通过换向时间或第二扭矩进一步判断空气轴承是否存在故障。
换向时间定义为控制转子换向的时刻至转子沿第二方向达到以第二转速转动的时刻的时长。第二扭矩定义为同步电机转子沿第二方向以第二转速转动时的输出扭矩。第二方向定义为与第一方向相反的方向。第二转速的大小可以与第一转速的大小相同或不同。
S262:若换向时间小于换向时间阈值,且第二扭矩小于扭矩阈值,确定轴承性能良好,进入燃机升速阶段,即从流程201的S221开始执行(因为此时DC bus的电压已建立)。
具体地,DPCi先将转子拖转至速度降为零再控制转子反向旋转升速至第二转速。DPCi可以通过控制同步电机三相通电的相序来改变转子转向。第二扭矩的确定方法与第一扭矩的确定方法相同。
S272:若换向时间大于或等于换向时间阈值,或第二扭矩大于或等于扭矩阈值,确定空气轴承存在故障。
具体地,DPCi判断轴承存在故障后,向ECUi报错,ECUi进一步向HCU报错,HCU确定是否立即关闭燃机,若确定关闭燃机,可执行燃机关闭流程300。
本实施例提供的上述轴承检测方法,在燃机启动阶段确保空气轴承的良好运行,防止在未知空气轴承存在故障的情况下贸然加速燃机,可能导致的转子与控制轴承间的摩擦力过大而转子无法加速的情形,甚至造成转子损坏或燃机其他部件损坏的严重后果,检测方法简单可靠,基于现有的硬件即可检测,无需增加额外的检测机构。
本发明实施例针还提供一种燃气轮机关闭方法,当本发明的电能发生模块Ti的原动机为燃气轮机时,优选采用本实施例的燃气轮机关闭方法以控制燃气轮机进行平稳的停机。
请参照图9,燃气轮机关闭流程300包括,
S310:接收“停机”指令后停止供油。
具体地,ECUi接收HCU发送的停机指令后,控制油气路停止供油,同时向DPCi发送第二指定转速信号。第二指定转速可以与第一指定转速相同,也可以不同。
S320:将燃气轮机拖转至第二指定转速,并将燃气轮机冷却至第二指定温度。
具体地,DPCi将燃机拖转至第二指定转速,维持燃机运行在第二指定转速,充电系统CS的冷却系统启动,将燃机冷却至第二指定温度。第二指定温度可以与第一指定温度相同,也可以不同。
S330:DPCi将燃气轮机拖转至目标转速0,燃气轮机停机。
本发明实施例还提供一种功率分配方法,该功率分配为能量源Si间的功率分配。该功率分配方法指在充电过程中,基于负载的实时功率需求,根据各个能量源Si输出能力的差别,将输出功率任务分配至各个能量源Si以满足负载的实时功率需求,即确定各个能量源Si的输出功率PSi
请参照图10,为本实施例的功率分配方法流程图。
在本实施例的功率分配方法基于具有两个以上的能量源Si并联,每个能量源Si包括有一电能发生模块Ti和一储能模块Bi的充电系统使用。多个能量源Si功率分配流程400包括如下步骤:
S410:确定负载功率需求Pload。即由HCU从CHRG获取外部待充电负载的功率需求Pload
S420:获取N(N≥2)个能量源中每一个能量源Si的状态信息。状态信息由HCU从能量源Si内部的EMSi获取。
在本实施例的功率分配方法中,每个能量源Si包含一电能发生模块Ti(优选为燃气轮机发电机组,即燃气轮机+发电机,可以是其他任何形式可产生电能的发电设备)和一储能模块Bi(优选为蓄电池,可以是其他任何形式的可充放电的电能存储设备)。i=1,2,...,N。状态信息包括电能发生模块Ti的运行状态信息和储能模块Bi的电量状态信息。电能发生模块Ti的运行状态信息表明电能发生模块Ti的当前运行情况,可以是关机(或停机、停止)状态、待机状态、发电状态、故障状态等,还可以是一些表明电能发生模块Ti性能状态的信息如电能发生模块Ti的出厂日期、剩余燃油量等。储能模块Bi的电量状态信息表明储能模块Bi的当前电量情况,作为示例,当储能模块Bi优选为蓄电池时电量状态信息可以是电池荷电状态SOC或电池健康度S0H;当储能模块Bi优选为超级电容时,电量状态信息可以是超级电容荷电状态SOC。其中,电池荷电状态SOC(state ofcharge)用来反映电池的剩余容量状况的物理量,其数值定义为电池剩余容量占电池容量的比值;电容荷电状态SOC(supercapacitor state ofcharge)为基于实际测量的电容能量,表示成对电容最大标称电压平方的百分比。
电池荷电状态SOC(state of charge),电池健康度SOH(state ofhealth)。由电池管理系统BMS监测,最终上报至HCU。其中,对于储能模块Bi,其Ci(current-max)为储能模块Bi当前可输出的最大容量,该数据由储能模块Bi的BMSi提供;Ci(original)为储能模块Bi的出厂容量。可设定SOHi的正常取值范围为SOHi∈[80%,100%],即当SOHi小于80%(该数值可标定)时,该储能模块Bi随即报废,需要更换。
S430:基于负载功率需求Pload及能量源Si状态信息,确定N个能量源Si中每个能量源Si的输出功率PSi
在本实施例中,定义各个能量源Si模块的输出功率PSi:PSi=PTi+PBi。其中,PTi为电能发生模块Ti的输出功率,PTi的取值大于等于零。PBi为储能模块Bi的输出功率,PBi的取值可以大于等于零,也可以小于零。当PBi的取值大于零时,说明储能模块Bi处于放电状态,即向负载输出电能;当PBi的取值小于零时,说明储能模块Bi处于充电状态,即PTi除对负载输出电能外,还有多余电能对储能模块Bi充电。
在本实施例的充电方法中,如上式所示,每个能量源Si包含两个电能来源:电能发生模块Ti和储能模块Bi,能量源Si间的功率分配方案详见流程500-600。
S440:HCU确定PSi后,将PSi发送至相应的EMSi。EMSi基于PSi对能量源Si内部的两个电源,即电能发生模块Ti和储能模块Bi进行控制,以满足能量源Si的输出功率为PSi。更详细的关于EMSi基于PSi对能量源Si内部电能发生模块Ti和储能模块Bi进行控制的描述见流程700及相关描述。
参照图11,上述S430的子步骤流程500包括:
S510:基于能量源Si的状态信息,对N个能量源Si进行分类。
S511:首先在N个能量源Si模块中确定不对当前负载输出电能的能量源。满足以下三种情况中任意一种则被判定为不对当前负载输出电能的能量源,其数量记为p个。
第一种情况:当储能模块Bi的SOHi<80%(该值可标定),确定能量源Si为待更换储能模块Bi的能量源。待更换储能模块Bi不对外输出功率,也即输出功率为0;
第二种情况:对能量源Si模块中所有电池组对应的SOH进行排序并选取最大的SOH记为SOHmax,对能量源Si模块中所有电池组对应的SOHi进行计算△SOHi=SOHmax-SOHi,若ΔSOHi大于等于0.04(该值可标定),则该能量源Si不对外输出功率,即输出功率为0;
第三种情况:当充电系统CS包含一个以上的充电枪(如图2所示),即充电系统CS可以同时对多个负载充电时,若某个能量源Si正在运行对另一待充负载充电,则该能量源Si也被确认为不对当前负载输出电能的能量源模块。
S512:在剩下的N-p个能量源Si模块中确定第一目标能量源和第二目标能量源。
基于能量源Si的状态信息,在剩下的N-p个能量源Si模块中确定n个第一目标能量源。
当电能发生模块Ti的运行状态信息显示电能发生模块Ti处于发电状态(由EMSi反馈给HCU),则确定能量源Si为第一目标能量源,记为n个。第一目标能量源中的电能发生模块记为电能发生模块Th,储能模块记为储能模块Bh;其中,h表示n个第一目标能量源中第h个,h=1,2,...,n。
当能发生模块Ti的运行状态信息显示电能发生模块Ti处于停机状态,则确定能量源Si为第二目标能量源,记为m个,第一目标能量源中的电能发生模块记为电能发生模块Tj,储能模块记为储能模块Bj;其中,l表示m个第二目标能量源中第m个,j=1,2,...,m。
能量源模块的总数满足:N=p+m+n,
其中N为能量源模块总数,p为判定为不对当前负载输出电能的能量源个数,n为第一目标能量源个数,m为第二目标能量源个数。
需要说明的是,S512基于电能发生模块Ti是处于发电状态还是停机/待机状态对能量源Si进行分类。在另一些实施例中,还可以基于电能发生模块Ti的其他运行状态信息对能量源Si进行分类。例如,可以结合电能发生模块Ti是否处于发电/停机/待机状态及剩余燃油量对能量源Si进行分类,将电能发生模块Ti处于发电状态且剩余燃油量大于等于某一设定阈值的能量源Si确定为第一目标能量源;将电能发生模块Ti处于发电状态但剩余燃油量小于某一设定阈值,或处于停机/待机状态的能量源Si确定为第二目标能量源。
进一步,可基于状态信息对所有能量源Si进行排序并编号。
定义第一目标能量源的编号范围是1到n,该n个第一目标能量源可按任意顺序排列,下文以按其储能模块Bh的SOC值从大到小排序编号作为说明。定义第二目标能量源的编号范围是n+1到n+m,该m个第二目标能量源按其储能模块Bj的SOC值从大到小排序编号。定义剩余N-(n+m)个,即p个,不对当前负载输出电能的能量源的编号范围是n+m+1到N,可按任意顺序编号。
即重新编号后的N个能量源为:S1,S2,...,Sn,S(n+1),...,S(n+m),S(n+m+1),...,SN,与之对应的电能发生模块和储能模块也进行相同编号。必须说明的是,对能量源重新排序并编号的操作并不是必须的,此处只是为了方便区分。
S520:基于S510的分类结果,确定储能模块Bi的总输出功率PB(total)
首先计算除去第一目标能量源中电能发生模块Th可输出的功率后,被充车辆仍需要的充电功率为:
为第一目标能量源中电能发生模块Th输出的功率总和。
在本实施例中,在系统处于稳定工况时,某个特定电能发生模块Ti的输出功率可以随时间变化,也可以为一恒定值。各个电能发生模块Ti的输出功率的数值可以相同、也可以不同。例如,优选电能发生模块Ti的原动机为燃气轮机,且所有电能发生模块Ti原动机、发电机的参数相同。当系统处于稳定工况,电能发生模块Ti处于稳定发电状态时,燃机工作在最佳工作点,输出功率恒定,为燃机额定输出功率。此时电能发生模块输出功率PT为一常数,即燃机额定输出功率,例如15kW(仅为示例)。当电能发生模块Ti处于停止状态时,电能发生模块Ti的输出功率
S530:基于储能模块Bi的总输出功率PB(total)确定每个能量源Si的具体输出功率PSi。根据PB(total)的大小,分三种情况。
第一种情况:
若PB(total)<0,说明外界功率需求小于第一目标能量源中电能发生模块Th的输出功率,在此情形下电能发生模块Th的输出功率在满足外界功率需求功率的同时,剩余输出功率为充电系统的储能模块Bh进行充电。各第一目标能量源的输出功率PSh计算公式为:
PSh=kh×Pload/n,或
PSh=k′h×Pload/n,或
PSh=k″h×Pload/n
kh,k′h,k″h的确定方法按流程600中(见下文)的逻辑算法进行计算。根据前文所述的公式PSi=PTi+PBi,可以计算出第一目标能量源中储能模块Bh的充电功率PBh。在此状态下,第二目标能量源中,电能发生模块Tj(停机状态)和储能模块Bj的输出功率均为零。
第二种情况:
若0≤PB(total)≤∑PBh(max),说明:n个第一目标能量源能够满足负载的功率需求,且需由第一目标能量源的电能发生模块Th和储能模块Bh同时向负载输出功率。此时第二目标能量源中,电能发生模块Tj(停机状态)和储能模块Bi的输出功率均为零。
∑PBh(max)为在第一目标能量源中储能模块Bh可输出的最大允许功率值,当储能模块Bh优选为蓄电池时,该最大允许功率值受当前电池SOC,电池和环境温度,湿度等影响;另外为了使整个系统可以持续满足外接的充电需求,会对第一目标能量源中储能模块Bh的可输出的最大允许功率PBh(max)值做出相应的限制,可通过标定查表实现。按如下步骤确定第一目标能量源的输出功率PSh
A、每个第一目标能量源中储能模块Bh的放电系数bh(discharge)为kh,k′h,k″h(kh
k′h,k″h的确定方法按600中的逻辑算法进行计算),即:
bh(discharge)=kh
bh(discharge)=k′h
bh(discharge)=k″h
B、储能模块Bh的放电功率PBh计算公式为:
PBh=bh(discharge)×PB(total)/n
C、确定第一目标能量源的输出功率PSh
PSh=PBh+PTh
第三种状况:
若PB(total)>∑PBh(max)说明n个第一目标能量源不能够满足负载功率需求,需要m个第二目标能量源进行补充。按以下步骤进行:
A、计算n个第一目标能量源的输出功率PSh。此时第一目标能量源的电能发生模块Th按最佳功率点输出,第一目标能量源的储能模块Bh按照可输出的最大允许功率值PBh(max)进行输出,即
PSh=PTh+PBh(max)
B、计算m个第二目标能量源的输出功率PSj。此时第二目标能量源中的电能发生模块Tj(停机状态)的输出功率为零,第二目标能量源中的储能模块Bj的输出功率按照如下分配。
B1:计算n个第一目标能量源的总输出功率∑PSh
B2:对剩余的功率进行Pload-∑PSh进行分配,每个第二目标能量源的输出功率为:
请参照图12,贡献系数确定流程600:确定贡献系数kh,k′h,k″h以及kj,k′j,k″j的方法包括:
S610:对于贡献系数kh,确定参考值SOChref,参考值SOChref的计算公式为:
SOChref=∑SOCh/n
对于贡献系数kj,确定参考值SOCjref,参考值SOCjref的计算公式为:
SOCjref=∑SOCj/m;
S620:计算贡献系数kh
计算贡献系数kj
S630:基于SOH值对kh、kj进行修正。
S631第一轮修正:k′h=kh×SOHh,k′j=kj×SOHj;该修正考虑SOH值对储能模块可充放电容量的影响,以保证储能模块的使用寿命。
S632第二轮修正:k″h=k′h×n/∑k′h,k″j=k′j×m/∑k′j;该修正是为了保证∑k″h=n,∑k″j=m;以尽量满足负载的功率需求,同时避免出现系统输出功率大于负载功率需求。
上述修正操作不是必须的,上述修正操作只在∑k′h>n,∑k′j>m下作用。
本实施例综合考虑了电能发生模块运行状态、储能模块电量状态对分配策略的影响,本实施例的功率分配方法可以在尽量满足负载功率需求的情况下,减少电能发生模块的频繁启停以延长电能发生模块的使用寿命并降低电能发生模块频繁启停的能量损耗,同时确保储能模块的均衡使用以延长电池的使用寿命。
本发明实施例还提供另一种功率分配方法。与上述功率分配方法实施例不同之处在于,本实施例基于具有两个以上的能量源Si并联,且每个能量源Si包括有一电能发生模块Ti,多个能量源Si共用一储能模块B的充电系统使用。在本实施例中,负载功率分配采用如下方法:充电系统CS的多个能量源Si共用一个储能模块B时,该储能模块B不参与对负载输出电能,仅负责为充电系统CS的能量源Si中的电能发生模块Ti提供启动电能,因此对负载功率分配时无需考虑储能模块B的功率。此时,能量源Si的状态信息即为电能发生模块Ti的运行状态信息。电能发生模块Ti的运行状态信息表明电能发生模块Ti的当前运行情况,可以是关机(或停机、停止)状态、待机状态、发电状态、故障状态等,还可以是一些表明电能发生模块Ti性能状态的信息如电能发生模块Ti的出厂日期、剩余燃油量等。此时,仅需要根据电能发生模块Ti的运行状态信息确定选择哪个能量源Si对负载输出功率PSi,且能量源Si的输出功率即电能发生模块Ti稳定运行时的输出功率PTi。例如,以剩余燃油量作为筛选标准,可以选取剩余燃油量较多的能量源Si对负载输出功率PSi,再例如,优先选取处于待机状态的能量源Si对负载输出功率PSi
在本实施例中,在系统处于稳定工况时,某个特定电能发生模块Ti的输出功率可以随时间变化,也可以为一恒定值。各个电能发生模块Ti的输出功率的数值可以相同、也可以不同。例如,优选电能发生模块Ti的原动机为燃气轮机,且所有电能发生模块Ti原动机、发电机的参数相同。当系统处于稳定工况,电能发生模块Ti处于稳定发电状态时,燃机工作在最佳工作点,输出功率恒定,为燃机额定输出功率。此时电能发生模块输出功率PT为一常数,即燃机额定输出功率,例如15kW(仅为示例)。当电能发生模块Ti处于停止状态时,电能发生模块Ti的输出功率
本实施例综合考虑了电能发生模块运行状态对分配策略的影响,本实施例的功率分配方法可以在尽量满足负载功率需求的情况下,减少电能发生模块的频繁启停以延长电能发生模块的使用寿命并降低电能发生模块频繁启停的能量损耗。
本发明的实施例还提供一种用于储能模块的补电方法,以保证充电完成后储能模块具有所期望的电量。
请参考图13,储能模块的补电流程800包括:
在充电过程中,当用户要求停止充电服务(例如用户在手机的app界面点击“充电结束”)或检测到待充负载的动力电池SOC大于某一期望值(如90%)时,按图13所示的流程执行。具体是在充电结束后,首先判断储能模块的SOC值,当其SOC值大于等于85%(可根据实际情况设定该值)时,确定储能模块无需充电;否则确定是否要向储能模块充电,当需要向储能模块充电时,确定是否执行外部补电,当执行外部补电时,由外部电源给储能模块补电,当无需外部补电时,通过燃机运行向储能模块进行补电。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解,本申请中所涉及的发明范围,并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案,同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下,由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能。

Claims (10)

1.一种多模式充电方法,所述方法用于通过能量源Si向外部负载充电的模式中,所述能量源Si包括电能发生模块Ti和储能模块Bi,其特征在于,所述方法包括:
获取能量源Si被分配的输出功率PSi,基于输出功率PSi的大小确定能量源Si的初始工作模式为低功率L模式、中功率M模式、高功率H模式中的一种;
其中,所述L模式为当能量源Si在该模式下运行时,由储能模块Bi单独对负载输出电能或由电能发生模块Ti对负载输出电能同时向储能模块Bi充电;
所述M模式为当能量源Si在该模式下运行时,由储能模块Bi单独对负载输出电能或由电能发生模块Ti、储能模块Bi同时对负载输出电能;
所述H模式为当能量源Si在该模式下运行时,电能发生模块Ti、储能模块Bi同时对负载输出电能;
充电过程中,随着输出功率PSi的变化,使能量源Si在L模式、M模式、H模式以及T模式下自动切换,其中所述T模式为当能量源Si在该模式下运行时,电能发生模块Ti独立运行,且仅向负载输出电能。
2.根据权利要求1所述的一种多模式充电方法,其特征在于,基于输出功率PSi的大小确定能量源Si的初始工作模式为低功率L模式、中功率M模式、高功率H模式中的一种,包括:
当0≤PSi≤PTi时,确定能量源Si的初始工作模式为低功率L模式;
当PTi<PSi≤(PTi+Pb)时,确定能量源Si初始工作模式为中功率M模式;
当(PTi+Pb)<PSi时,确定能量源Si初始工作模式为高功率H模式;
其中,PTi为电能发生模块Ti的输出功率,Pb为一设定功率。
3.根据权利要求1所述的一种多模式充电方法,其特征在于,能量源Si的初始工作模式为L模式时,能量源Si默认运行在由储能模块Bi单独对负载输出电能的L1模式;
当储能模块Bi的荷电状态SOC值低于标定的第一阈值时,进入由电能发生模块Ti对负载输出电能同时向储能模块Bi充电的L2模式;当储能模块Bi的荷电状态SOC值大于标定的第二阈值时,返回至L1运行模式。
4.根据权利要求1所述的一种多模式充电方法,其特征在于,能量源Si的初始工作模式为M模式时,能量源Si默认运行在由储能模块Bi单独对负载输出电能的M1模式;
当储能模块Bi的荷电状态SOC值低于标定的第三阈值时,进入由电能发生模块Ti、储能模块Bi同时对负载输出电能的M2模式。
5.根据权利要求1所述的一种多模式充电方法,其特征在于,能量源Si的初始工作模式为M模式时,首先判断储能模块Bi可提供的电量值,若储能模块Bi可提供的电量能够满足负载需求电量,则进入由储能模块Bi单独对负载输出电能的M1模式,否则进入由电能发生模块Ti、储能模块Bi同时对负载输出电能的M2模式的M2模式。
6.根据权利要求5所述的一种多模式充电方法,其特征在于,判断能量源Si的初始工作模式进入M1模式的条件为:
Cload-demand≤CB1
式中,Cload-demand为负载需求电量,CB1为储能模块Bi可提供的电量;
负载需求电量Cload-demand的计算公式为:
Cload-deman=Cload-tota×(SOCdemand-SOCload)
式中,Cload-total为负载总容量,SOCdemand为负载所希望达到的荷电状态SOC值,SOCload是负载的荷电状态SOC值;
储能模块Bi可提供的电量CB1的计算公式为:
CB1=CB-total×(SOCB-SOClim1)
式中,CB-total为储能模块Bi的总容量,SOCB为储能模块Bi的当前荷电状态SOC值,SOClim1为储能模块Bi第一限值;
当储能模块Bi的SOCB小于第一限值时,由M1模式变换为M2模式运行。
7.根据权利要求2所述的一种多模式充电方法,其特征在于,所述随着输出功率PSi的变化,使能量源Si在L模式、M模式、H模式以及T模式下自动切换包括:
能量源Si工作在L模式时,当检测到PTi<PSi≤(PTi+Pb),则自动切换至M模式;
能量源Si由L模式切换至M模式时,若能量源Si的当前运行模式为由储能模块Bi单独对负载输出电能的L1模式,则切换至由储能模块Bi单独对负载输出电能的M1模式;
若能量源Si当前的运行模式为由电能发生模块Ti对负载输出电能同时向储能模块Bi充电的L2模式,则切换至由电能发生模块Ti、储能模块Bi同时对负载输出电能的M2模式。
8.根据权利要求2所述的一种多模式充电方法,其特征在于,所述随着输出功率PSi的变化,使能量源Si在L模式、M模式、H模式以及T模式下自动切换包括:
能量源Si工作在M模式时,当检测到0≤PSi≤PTi,则自动切换至L模式;
能量源Si由M模式切换至L模式时,若能量源Si的当前运行模式为由储能模块Bi单独对负载输出电能的M1模式,则切换至由储能模块Bi单独对负载输出电能的L1模式;
若能量源Si当前的运行模式为由电能发生模块Ti、储能模块Bi同时对负载输出电能的M2模式,则切换至由电能发生模块Ti对负载输出电能同时向储能模块Bi充电的L2模式。
9.根据权利要求2所述的一种多模式充电方法,其特征在于,所述随着输出功率PSi的变化,使能量源Si在L模式、M模式、H模式以及T模式下自动切换包括:
能量源Si工作在M模式时,当检测到(PTi+Pb)<PSi,则自动切换至H模式;
能量源Si工作在H模式下时,当检测到PTi<PSi≤(PTi+Pb),则自动切换至由电能发生模块Ti、储能模块Bi同时对负载输出电能的M2模式。
10.根据权利要求2所述的一种多模式充电方法,其特征在于,所述随着输出功率PSi的变化,使能量源Si在L模式、M模式、H模式以及T模式下自动切换包括:
能量源Si工作在H模式或电能发生模块Ti、储能模块Bi同时对负载输出电能的M2模式时,当储能模块Bi的荷电状态SOC值小于设定的第四阈值,则自动切换至T模式;能量源Si工作在T模式时,当检测到0≤PSi≤PTi,自动切换至由电能发生模块Ti对负载输出电能同时向储能模块Bi充电的L2模式。
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