CN112072769A - 蓄电池/超级电容器耦合电源系统及功率分配控制方法 - Google Patents

蓄电池/超级电容器耦合电源系统及功率分配控制方法 Download PDF

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CN112072769A CN202010958377.3A CN202010958377A CN112072769A CN 112072769 A CN112072769 A CN 112072769A CN 202010958377 A CN202010958377 A CN 202010958377A CN 112072769 A CN112072769 A CN 112072769A
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Abstract

本发明公开了蓄电池/超级电容器耦合电源系统及功率分配控制方法，新型蓄电池/超级电容器混合电源系统利用超级电容器串并联切换技术，提高了混合电源系统的功率输出范围，能够满足更多工况的功率需求，用于新能源汽车电储能技术和多能源功率分配控制技术领域，目的是满足混合电源系统电能量高效转化，实现多能源功率合理分配控制。本发明提出一种混合电源系统功率分配控制方法，将系统能量转化效率作为优化目标，蓄电池、超级电容器和功率变换器的工作效率、蓄电池和超级电容器电压电流范围作为约束条件，通过遗传算法全局寻优，准确高效地分配需求功率，充分发挥各储能元件的优势，减少系统能量流动中的能量损失。

Description

蓄电池/超级电容器耦合电源系统及功率分配控制方法
技术领域
本发明属于新能源汽车电储能技术和多能源功率分配控制技术领域，具体涉及了一种新型蓄电池/超级电容器耦合电源系统及功率分配控制方法。
背景技术
随着混合动力汽车和纯电动汽车的快速发展，人们对动力电池寿命和续驶里程的要求越来越高，传统的单一蓄电池储能装置已经无法满足人们的需求，两种或两种以上储能元件进行串并联组合得到一种混合电源结构，将其应用于车载储能系统之后，发现高比功率超级电容和高比能量蓄电池搭配使用的混合电源系统，在很大程度上满足了车载电源对高能量、大功率、小体积的技术要求。
传统的混合电源功率分配控制均具有其局限性，逻辑门限控制方法的灵活性较差，在情况复杂多变的工况下功率分配控制效果不明显；模糊控制策略在解决复合电源系统的功率分配问题时，由于其技术成熟、操作简单、较易实现，应用比较广泛，但是该方法只能对功率进行大致的分配，不能根据车辆当前工况进行精确地功率分配；实时优化控制策略因控制量多，计算量大，因其由芯片实现实时控制成本较高，很难在电动汽车上推广应用；全局优化控制策略能够在汽车循环工况下实现全局最优，但是由于很难预测实际车辆的当前工况，因此实际应用较困难；合理有效的混合电源功率分配控制方法能够最大限度发挥混合电源中各储能元件的优势，提高能源利用率，延长蓄电池使用寿命，提升续航里程。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型蓄电池/超级电容器耦合电源系统及其功率分配控制方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：
蓄电池/超级电容器耦合电源系统，包括耦合电源、双向直流功率变换器BDPC-1、BDPC-2、H桥直流变换器以及电机，并且，所述耦合电源包括蓄电池、可串并联切换的超级电容器组；双向直流功率变换器BDPC-1的第一输入端[b]与蓄电池的第一输出端[a]相连接，双向直流功率变换器BDPC-1的第二输入端[d]与蓄电池第二输出端[c]相连接，蓄电池为双向直流功率变换器提供电能，双向直流功率变换器BDPC-1的第一输出端[e]与H桥直流逆变器的第一输入端[f]相连接，双向直流功率变换器BDPC-1的第二输出端[g]与H桥直流逆变器的第二输入端[h]相连接；双向直流功率变换器BDPC-2的第一输入端[j]与可串并联切换的超级电容器的第一输出端[i]相连接，双向直流功率变换器BDPC-2的第二输入端[n]与可串并联切换的超级电容器第二输出端[m]相连接，可串并联切换的超级电容器为双向直流功率变换器提供电能，双向直流功率变换器BDPC-2的第一输出端[o]与H桥直流逆变器的第三输入端[p]相连接，双向直流功率变换器BDPC-2的第二输出端[q]与桥式逆变器的第四输入端[r]相连接，H桥直流逆变器的第一连接点[X]与电机[M]的第一输入端[A]相连接，H桥直流逆变器的第二连接点[Y]与电机[M]的第二输入端[B]相连接，双向直流功率变换器BDPC-1和BDPC-2通过桥式逆变器为电机[M]提供电能，或者电机[M]通过H桥直流逆变器向双向直流功率变换器BDPC-1和BDPC-2输出电能。
蓄电池/超级电容器耦合电源系统的功率分配控制方法，包括如下步骤：
当控制系统接收到系统需求功率Pr时，功率分配控制策略根据新型蓄电池/超级电容器混合电源系统储能元件电压、电流信号并通过遗传算法程序运算，将需求功率Pr分别分配给蓄电池和超级电容器，分别为Pb,ref和Puc,ref，控制器以分配好的功率为参考值，通过控制双向直流功率变换器控制蓄电池和超级电容器实际功率输出，满足混合电源系统功率需求。
优选，所述功率分配控制方法为基于遗传算法的控制方法，包括蓄电池/超级电容器耦合电源系统中能量转换效率表示为各个环节转化效率的函数，函数关系如公式(1)所示。
η＝f(ηbat,ηuc,ηDC-bat,ηDC-uc,ηH,ηM) (1)
ηbat为蓄电池放电过程中的能量转化效率，ηuc为超级电容器放电过程中的能量转化效率，ηDC-bat为双向直流功率变换器BDPC-1的能量转化效率，ηDC-uc为双向直流功率变换器BDPC-2的能量转化效率，ηH为H桥逆变器效率，ηM为电机工作效率；
优选，蓄电池/超级电容器耦合电源系统的能量转化效率η为目标函数，蓄电池放电过程中的能量转化效率ηbat、超级电容器放电过程中的能量转化效率ηuc、双向直流功率变换器BDPC-1的能量转化效率ηDC-bat、双向直流功率变换器BDPC-2能量转化效率ηDC-uc、蓄电池输出电压电流范围、超级电容器电压电流范围作为约束条件，通过遗传算法全局寻优能力，准确高效地分配需求功率，使系统在效率最佳状态运行，减少系统能量流动中的能量损失，充分发挥了各储能元件的优势；
进一步的优选，所述功率分配控制方法步骤如下：
Step1：初始化种群数量、交叉率、变异率、最大遗传代数，设置蓄电池输出电流上下限，超级电容器输出电流上下限为约束条件，将蓄电池输出电流作为初始种群个体，定义域范围内产生初始种群；
Step2：根据新型蓄电池/超级电容器混合电源系统模型，确定优化目标为混合电源系统的能量转化效率η，将混合电源系统能量转化效率函数作为适应度函数在种群个体内寻优；
Step3：基于轮盘赌的复制操作，定义域内不断繁衍产生新个体，即蓄电池输出电流范围内繁衍产生新的输出电流值，进行适应度计算；
Step4：基于概率的交叉操作，由交换概率挑选的每两个附带通过将相异的部分基因进行交换，更新产生新个体，得到新一代蓄电池输出电流值；
Step5：基于概率的变异操作，对于选定的个体随机地改变串结构数据中的基因值，为新个体的更新提供机会；
Step6：算法迭代到最大遗传代数时中止迭代，输出收敛结果，得到混合电源系统能量转换效率最优值和对应的流经双向直流功率变换器BDPC-1的电感电流值，即蓄电池输出电流值，从而分配蓄电池和超级电容器的输出功率；
优选，所述功率分配控制方法中的蓄电池/超级电容器耦合电源系统的能量转换效率函数亦为适应度函数，具体计算采用公式(2)所示，
Figure BDA0002676789300000031
Pb＝ib×Ub；Puc＝iuc×Uuc (3)
Pr＝Pb+Puc (4)
ηbat(i)为蓄电池放电过程中的能量转化效率实时变化值，ηuc(i)为超级电容器放电过程中的能量转化效率实时变化值，ηDC-bat(i)为双向直流功率变换器BDPC-1的能量转化效率实时变化值，ηDC-uc(i)为双向直流功率变换器BDPC-2的能量转化效率实时变化值，Pb为蓄电池输出功率，Puc为超级电容器输出功率，Pr为电机需求功率。
优选，所述功率分配控制方法中约束条件具体为公式(5)，
Figure BDA0002676789300000041
ib为蓄电池输出电流，
Figure BDA0002676789300000042
为蓄电池最大输出电流，iuc为超级电容器输出电流，
Figure BDA0002676789300000043
为超级电容器最大输出电流，Ubat为蓄电池输出电压，Uuc为超级电容器输出电压，
Figure BDA0002676789300000044
为蓄电池最大输出电压，
Figure BDA0002676789300000045
为超级电容器最大输出电压。
优选，所述功率分配控制方法中的能量转化效率实时变化值ηbat(i)采用公式(6)具体计算，
Figure BDA0002676789300000046
Eeq为蓄电池感应电动势，Eloss为蓄电池放电过程中内阻损耗。具体计算如公式(7)，
Figure BDA0002676789300000047
Ubat为蓄电池开路电压，Ibat为蓄电池放电电流，Rbat为蓄电池等效内阻；
优选，所述功率分配控制方法中的双向直流功率变换器BDPC-1的能量转化效率ηDC-bat(i)和双向直流功率变换器BDPC-2能量转化效率ηDC-uc(i)采用公式(8)具体计算，
ηDC(i)＝p1i8+p2i7+p3i6+p4i5+p5i4+p6i3+p7i2+p8i+p9 (8)
p1～p9为常数，由数据拟合得到，i为双向直流功率变换器电感电流值；公式(8)为通过对双向直流功率变换器能量转化效率的实验采样数据进行研究，采用Matlab中曲线拟合工具对采样数据进行拟合得到双向直流功率变换器效率和电感电流的函数关系。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
本发明采用可串并联切换的超级电容器组，大大提高了混合电源系统的功率输出范围，能够满足更多工况下的功率需求，与传统储能系统相比功率输出更具灵活性，且具有更高的功率输出能力；
蓄电池/超级电容器耦合电源系统的功率分配控制方法，以系统能量转化效率η为目标函数，蓄电池放电过程中的能量转化效率ηbat、超级电容器放电过程中的能量转化效率ηuc、双向直流功率变换器BDPC-1的能量转化效率ηDC-bat、双向直流功率变换器BDPC-2能量转化效率ηDC-uc、蓄电池输出电压电流范围、超级电容器电压电流范围作为约束条件，通过遗传算法全局寻优能力，准确高效地分配需求功率，控制更加灵活、精确且更易实现，使驱动系统在效率最佳状态运行，减少系统能量流动中的能量损失，充分发挥了各储能元件的优势，提高了能源利用率，延长蓄电池使用寿命，提升续航里程。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的具体实施方式一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1是本发明的蓄电池/超级电容器耦合电源系统储能系统结构图。
图2是本发明的蓄电池/超级电容器耦合电源系统能量流动图。
图3是本发明的蓄电池/超级电容器耦合电源系统功率分配控制中遗传算法控制策略流程图。
图4是本发明的蓄电池/超级电容器耦合电源系统功率分配控制流程图。
具体实施方式
本发明的关键在于将蓄电池和超级电容器组分别通过功率变换器并联在驱动电机两端，蓄电池和超级电容器组既可分别单独工作，又能够相互协调共同工作，并且两种电源的输出可以同时分别控制，即通过蓄电池/超级电容器组的耦合实现系统能量流动的可控，进而便于实现系统中的功率分配，有助于提高系统能量转化率。同时，可串并联切换的超级电容器组，极大的提高了耦合电源的功率输出范围，能够满足更多工况下的功率需求，与传统储能系统相比功率输出更具灵活性，且具有更宽的功率输出范围。此外，负载电机应用了H桥直流PWM变换器结构，可实现电机的正反向运行，便于负载电流和输出功率的控制，有助于实现供电模式下的功率分配和制动状态下能量回馈。
下面将参照附图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明而仍然实现本发明的有益效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须作出大量实施细节以实现开发者的特定目标。
为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、清晰地辅助说明本发明实施例的目的。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1，一种新型蓄电池/超级电容器耦合电源系统，包括耦合电源、双向直流功率变换器BDPC-1、BDPC-2、H桥直流变换器以及电机[M]，并且所述耦合电源包括蓄电池、可串并联切换的超级电容器组；双向直流功率变换器BDPC-1的第一输入端[b]与蓄电池的第一输出端[a]相连接，双向直流功率变换器BDPC-1的第二输入端[d]与蓄电池第二输出端[c]相连接，蓄电池为双向直流功率变换器提供电能，双向直流功率变换器BDPC-1的第一输出端[e]与H桥直流逆变器的第一输入端[f]相连接，双向直流功率变换器BDPC-1的第二输出端[g]与H桥直流逆变器的第二输入端[h]相连接；双向直流功率变换器BDPC-2的第一输入端[j]与可串并联切换的超级电容器的第一输出端[i]相连接，双向直流功率变换器BDPC-2的第二输入端[n]与可串并联切换的超级电容器第二输出端[m]相连接，可串并联切换的超级电容器为双向直流功率变换器提供电能，双向直流功率变换器BDPC-2的第一输出端[o]与H桥直流逆变器的第三输入端[p]相连接，双向直流功率变换器BDPC-2的第二输出端[q]与桥式逆变器的第四输入端[r]相连接，H桥直流逆变器的第一连接点[X]与电机[M]的第一输入端[A]相连接，H桥直流逆变器的第二连接点[Y]与电机[M]的第二输入端[B]相连接，双向直流功率变换器BDPC-1和BDPC-2通过桥式逆变器为电机[M]提供电能，或者电机[M]通过H桥直流逆变器向双向直流功率变换器BDPC-1和BDPC-2输出电能。
新型蓄电池/超级电容器耦合电源系统的供电电源，即所述耦合电源包括蓄电池[Bat]、第一超级电容器[UC1]、第二超级电容器[UC2]、第一功率开关管[S1]、第二功率开关管[S2]、第三功率开关管[S3]、第四功率开关管[S4]、第一二极管[SD1]、第二二极管[SD2]、第三二极管[SD3]、第四二极管[SD4]，第一功率开关管[S1]的集电极与第一二极管[SD1]的负极相连接，二者接头处引出线与蓄电池[Bat]的正极相连接，第一功率开关管[S1]的发射极与第一二极管[SD1]的正极相连接，二者接头处引出线与所述蓄电池[Bat]第一输出端[a]，蓄电池[Bat]负极为所述蓄电池第二输出端[c]；第一超级电容器[UC1]、第二超级电容器[UC2]具有相同组成和相同初始状态，第一超级电容器[UC1]的负极与第二功率开关管[S2]的发射极和第二二极管[SD2]的正极相连接，二者接头处与第四功率开关管[S4]的发射极和第四二极管[SD4]的正极相连接，第二功率开关管[S2]的集电极和第二二极管[SD2]的负极相连接，二者接头处与第二超级电容器[UC2]的负极相连接为所述可串并联切换的超级电容器组的第二输出端[m]，第二超级电容器[UC2]正极与第三功率开关管[S3]集电极和第三二极管的负极相连接，二者接头处与第四功率开关管[S4]集电极和第三二极管[SD4]的负极相连接，第三功率开关管[S3]的发射极和第三二极管[SD3]的正极相连接，二者接头处与第一超级电容器[UC1]的正极相连为所述超级电容器组的第一输出端[i]。
新型蓄电池/超级电容器耦合电源系统的双向直流功率变换器BDPC-1包括第一储能电感[L1]、第十三二极管[D1]、第五功率开管[T1]、第七功率开关管[T3]、第五二极管[TD1]、第七二极管[TD3]、第一滤波电容[C1]、第三滤波电容[C3]；双向直流功率变换器BDPC-2包括第二储能电感[L2]、第十四二极管[D2]、第六功率开关管[T2]、第八功率开关管[T4]、第十三功率开关管[K]、第六二极管[TD2]、第八二极管[TD4]、第二滤波电容[C2]；第三滤波电容[C3]的正极与第一电感[L1]相连接，为所述双向直流功率变换器BDPC-1第一输入端[b]，第三滤波电容[C3]的负极为所述双向直流功率变换器BDPC-1第二输入端[d]，第十三二极管[D1]正极与第一电感[L1]相连接，第十三二极管[D1]负极与第五功率开关管[T1]发射极和第五二极管[TD1]正极相连接，二者接线处与第七功率开关管[T3]的集电极和第七二极管[TD3]的负极相连接，第七功率开关管[T3]的发射极和第七二极管[TD3]的正极与第一滤波电容[C1]和第三滤波电容[C3]负极相连接，第五功率开关管[T1]集电极和第五二极管[TD1]负极相连接，二者接线处与第一滤波电容[C1]正极相连为所述双向直流功率变换器BDPC-1第一输出端[e]，第一滤波电容[C1]负极为双向直流功率变换器BDPC-1的第二输出端[g]；第二电感[L2]与第十三功率开关管[K]发射极相连接为所述双向直流功率变换器BDPC-2第一输入端[j]，第八功率开关管[T4]的发射极和第八二极管[TD4]的正极相连接二者引线处为双向直流功率变换器BDPC-2第二输入端[n]，第十四二极管[D2]正极与第二电感[L2]相连，第十四二极管[D2]负极与第六功率开关管[T2]发射极和第六二极管[TD2]正极相连接，二者接线处与第八功率开关管[T4]的集电极和第八二极管[TD4]的负极相连接，第八功率开关管[T4]的发射极和第八二极管[TD4]的正极与第二滤波电容[C2]负极相连接，同时第二滤波电容[C2]负极为所述双向直流功率变换器BDPC-2的第二输出端[q]，第六功率开关管[T2]集电极和第六二极管[TD2]负极相连接，二者接线处与第二滤波电容[C2]正极相连为所述双向直流功率变换器BDPC-2第一输出端[o]。
新型蓄电池/超级电容器耦合电源系统的H桥直流逆变器包括第九功率开关管[V1]、第十功率开关管[V2]、第十一功率开关管[V3]、第十二功率开关管[V4]、第九二极管[VD1]、第十极管[VD2]、第十一极管[VD3]、第十二二极管[VD4]；第九功率开关管[V1]的集电极和第九二极管[VD1]的负极相连接，二者接头处引出线为H桥直流逆变器的第一输入端[f]，第九功率开关管[V1]的发射极与第九二极管[VD1]的正极相连接，二者接头处为第一连接点[X]，第十功率开关管[V2]的集电极与第十二极管[VD2]的负极相连接，二者接头处引出线与第一连接点[X]相连接，第十功率开关管[V2]的发射极与第十二极管[VD2]的正极相连接，二者接头处引出线为H桥直流逆变器的第二输入端[h]，第十一功率开关管[V3]的集电极与第十一二极管[VD3]的负极相连接，二者接头处引出线为H桥直流逆变器的第三输入端[p]，第十一功率开关管[V3]的发射极与第十一二极管[VD3]的正极相连接，二者接头处为第二连接点[Y]，第十二功率开关管[V4]的集电极与第十二二极管[VD4]的负极相连接，二者接头处引出线与第二连接点[Y]相连接，第十二功率开关管[V4]的发射极与第十二二极管[VD4]的正极相连接，二者接头处引出线为H桥直流逆变器的第四输入端[r]。
结合图2所示，新型蓄电池/超级电容器耦合电源系统的能量流动图，新型蓄电池/超级电容器混合电源系统中能量转换效率表示为各个环节转化效率的函数，函数关系如公式(1)所示。
η＝f(ηbat,ηuc,ηDC-bat,ηDC-uc,ηH,ηM) (1)
ηbat为蓄电池放电过程中的能量转化效率，ηuc为超级电容器放电过程中的能量转化效率，ηDC-bat为双向直流功率变换器BDPC-1的能量转化效率，ηDC-uc为双向直流功率变换器BDPC-2的能量转化效率，ηH为H桥逆变器效率，ηM为电机工作效率。
结合图3所示，一种新型蓄电池/超级电容器耦合电源系统的功率分配控制方法，步骤如下：
Step1：初始化种群数量为NP、交叉率为Pc、变异率为Pm、二进制位串长度L，最大遗传代数为G，设置约束条件为公式(5)所示，将蓄电池输出电流x作为初始种群个体，约束条件内产生初始种群x(i)；
Figure BDA0002676789300000091
ib为蓄电池输出电流，
Figure BDA0002676789300000092
为蓄电池最大输出电流，iuc为超级电容器输出电流，
Figure BDA0002676789300000093
为超级电容器最大输出电流，Ubat为蓄电池输出电压，Uuc为超级电容器输出电压，
Figure BDA0002676789300000094
为蓄电池最大输出电压，
Figure BDA0002676789300000095
为超级电容器最大输出电压。
本实施例中选取NP＝50，Pc＝0.8，Pm＝0.1，L＝20，G＝100；
Step2：根据新型蓄电池/超级电容器混合电源系统模型，确定优化目标为混合电源系统的能量转化效率η，将混合电源系统能量转化效率函数η(i)作为适应度函数在种群个体内寻优，适应度函数如公式(2)所示；
Figure BDA0002676789300000101
1)混合电源系统能量转化效率函数η(i)中，Pb为蓄电池输出功率，Puc为超级电容器输出功率，Pr为电机需求功率，具体计算如公式(3)、(4)所示，
Pb＝ib×Ub；Puc＝iuc×Uuc (3)
Pr＝Pb+Puc (4)
2)混合电源系统能量转化效率函数η(i)中，ηbat(i)为蓄电池放电过程中的能量转化效率，具体计算如公式(6)所示，
Figure BDA0002676789300000102
Eeq为蓄电池感应电动势，Eloss为蓄电池放电过程中内阻损耗。具体计算如公式(7)所示，
Figure BDA0002676789300000103
Ubat为蓄电池开路电压，Ibat为蓄电池放电电流，Rbat为蓄电池等效内阻；
3)混合电源系统能量转化效率函数η(i)中，ηuc(i)为蓄电池放电过程中的能量转化效率，根据实际放电数据可取经验值ηuc(i)＝[0.98,1]；
4)混合电源系统能量转化效率函数η(i)中，ηDC-bat(i)为双向直流功率变换器BDPC-1的能量转化效率，ηDC-uc(i)为双向直流功率变换器BDPC-2的能量转化效率，具体计算如公式(8)所示，
ηDC(i)＝p1i8+p2i7+p3i6+p4i5+p5i4+p6i3+p7i2+p8i+p9 (8)
p1～p9为常数，由数据拟合得到，i为双向直流功率变换器电感电流值；公式(8)为通过对双向直流功率变换器能量转化效率的实验采样数据进行研究，采用Matlab中曲线拟合工具对采样数据进行拟合得到的双向直流功率变换器效率和电感电流的函数关系；
Step3：基于轮盘赌的复制操作，定义域内不断繁衍产生新个体x(newi)，即蓄电池输出电流范围内繁衍产生新的输出电流值；
Step4：基于概率的交叉操作，由交换概率挑选的每两个附带通过将相异的部分基因进行交换，更新产生新个体x(pci)，即得到新一代蓄电池输出电流值；
Step5：基于概率的变异操作，对于选定的个体以一定的概率随机地改变串结构数据中的某个基因值，为新个体x(pmi)的更新提供机会；
Step6：算法迭代到最大遗传代数G＝100时中止迭代，输出收敛结果，得到混合电源系统能量转换效率最优值η(Best)和对应的流经双向直流功率变换器BDPC-1的电感电流值x(Best)，即蓄电池分配输出电流值ib，从而分配蓄电池输出功率为Pb,ref，超级电容器的输出功率为Puc,ref；
结合图4所示，一种新型蓄电池/超级电容器耦合电源系统的功率分配控制方法，当控制系统接收到系统需求功率Pr时，功率分配控制策略根据新型蓄电池/超级电容器混合电源系统储能元件电压、电流信号并通过上述图3遗传算法程序运算步骤，将需求功率Pr分别分配给蓄电池和超级电容器，分别为Pb,ref和Puc,ref，控制器以分配好的功率为参考值，通过控制双向直流功率变换器第七功率开关管[T3]和第八功率开管[T4]控制蓄电池和超级电容器按照功率分配控制策略分配的功率输出，以满足混合电源系统功率需求，实现系统在能量转化效率最佳时的功率分配。
本发明采用可串并联切换的超级电容器组，极大的提高了混合电源系统的功率输出范围，能够满足更多工况下的功率需求，与传统储能系统相比功率输出更具灵活性，且具有更高的功率输出能力；
而且，基于遗传算法的新型蓄电池/超级电容器耦合电源系统的功率分配控制方法，控制过程以系统能量转化效率η为目标函数，目标函数中蓄电池放电过程中的能量转化效率不仅限于本实施例的纯电阻等效电阻模型(Rint Model)，戴维南等效电路模型(Model)、双极化等效电路模型(Dual Polarization Model，简称DP模型)、分数阶等效电路模型(Fractional Order Model)等均可在此控制方法中实施，超级电容器放电过程中的能量转化效率ηuc也不仅限于本实施例中经验值，通过数学建模建立的等效模型均可在此控制方法中实施，双向直流功率变换器的能量转化效率ηDC也不仅限于本文中的仿真拟合采样数据，具体的双向直流功率变换器的能量转化效率均以实际放电过程中的采样数据拟合为准，控制过程以蓄电池输出电压电流范围、超级电容器电压电流范围作为约束条件，通过遗传算法全局寻优能力，准确高效地分配需求功率，控制更加灵活、精确且更易实现，使驱动系统在效率最佳状态运行，减少系统能量流动中的能量损失，充分发挥了各储能元件的优势，提高了能源利用率，延长蓄电池使用寿命，提升续航里程。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.蓄电池/超级电容器耦合电源系统，其特征在于，包括耦合电源、双向直流功率变换器BDPC-1、BDPC-2、H桥直流变换器以及电机[M]，并且，所述耦合电源包括蓄电池、串并联切换的超级电容器组；双向直流功率变换器BDPC-1的第一输入端[b]与蓄电池的第一输出端[a]相连接，双向直流功率变换器BDPC-1的第二输入端[d]与蓄电池第二输出端[c]相连接，蓄电池为双向直流功率变换器BDPC-1提供电能，双向直流功率变换器BDPC-1的第一输出端[e]与H桥直流逆变器的第一输入端[f]相连接，双向直流功率变换器BDPC-1的第二输出端[g]与H桥直流逆变器的第二输入端[h]相连接；双向直流功率变换器BDPC-2的第一输入端[j]与串并联切换的超级电容器的第一输出端[i]相连接，双向直流功率变换器BDPC-2的第二输入端[n]与串并联切换的超级电容器第二输出端[m]相连接，串并联切换的超级电容器为双向直流功率变换器BDPC-2提供电能，双向直流功率变换器BDPC-2的第一输出端[o]与H桥直流逆变器的第三输入端[p]相连接，双向直流功率变换器BDPC-2的第二输出端[q]与桥式逆变器的第四输入端[r]相连接，H桥直流逆变器的第一连接点[X]与电机[M]的第一输入端[A]相连接，H桥直流逆变器的第二连接点[Y]与电机[M]的第二输入端[B]相连接，双向直流功率变换器BDPC-1和BDPC-2通过H桥直流变换器为电机[M]提供电能，或者电机[M]通过H桥直流逆变器向双向直流功率变换器BDPC-1和BDPC-2输出电能。
2.根据权利要求1所述的蓄电池/超级电容器耦合电源系统，其特征在于，所述耦合电源包括蓄电池[Bat]、第一超级电容器[UC1]、第二超级电容器[UC2]、第一功率开关管[S1]、第二功率开关管[S2]、第三功率开关管[S3]、第四功率开关管[S4]、第一二极管[SD1]、第二二极管[SD2]、第三二极管[SD3]、第四二极管[SD4]；
第一功率开关管[S1]的集电极与第一二极管[SD1]的负极相连接，二者接头处引出线与蓄电池[Bat]的正极相连接，第一功率开关管[S1]的发射极与第一二极管[SD1]的正极相连接，二者接头处引出线与所述蓄电池[Bat]第一输出端[a]，蓄电池[Bat]负极为所述蓄电池第二输出端[c]；
第一超级电容器[UC1]、第二超级电容器[UC2]具有相同组成和相同初始状态，第一超级电容器[UC1]的负极与第二功率开关管[S2]的发射极和第二二极管[SD2]的正极相连接，二者接头处与第四功率开关管[S4]的发射极和第四二极管[SD4]的正极相连接，第二功率开关管[S2]的集电极和第二二极管[SD2]的负极相连接，二者接头处与第二超级电容器[UC2]的负极相连接为所述串并联切换的超级电容器组的第二输出端[m]，第二超级电容器[UC2]正极与第三功率开关管[S3]集电极和第三二极管[SD3]的负极相连接，二者接头处与第四功率开关管[S4]集电极和第三二极管[SD4]的负极相连接，第三功率开关管[S3]的发射极和第三二极管[SD3]的正极相连接，二者接头处与第一超级电容器[UC1]的正极相连为所述超级电容器组的第一输出端[i]。
3.根据权利要求1所述的蓄电池/超级电容器耦合电源系统，其特征在于，双向直流功率变换器BDPC-1包括第一储能电感[L1]、第十三二极管[D1]、第五功率开管[T1]、第七功率开关管[T3]、第五二极管[TD1]、第七二极管[TD3]、第一滤波电容[C1]、第三滤波电容[C3]；双向直流功率变换器BDPC-2包括第二储能电感[L2]、第十四二极管[D2]、第六功率开关管[T2]、第八功率开关管[T4]、第十三功率开关管[K]、第六二极管[TD2]、第八二极管[TD4]、第二滤波电容[C2]；
第三滤波电容[C3]的正极与第一电感[L1]相连接，为所述双向直流功率变换器BDPC-1第一输入端[b]，第三滤波电容[C3]的负极为所述双向直流功率变换器BDPC-1第二输入端[d]，第十三二极管[D1]正极与第一电感[L1]相连接，第十三二极管[D1]负极与第五功率开关管[T1]发射极和第五二极管[TD1]正极相连接，二者接线处与第七功率开关管[T3]的集电极和第七二极管[TD3]的负极相连接，第七功率开关管[T3]的发射极和第七二极管[TD3]的正极与第一滤波电容[C1]和第三滤波电容[C3]负极相连接，第五功率开关管[T1]集电极和第五二极管[TD1]负极相连接，二者接线处与第一滤波电容[C1]正极相连为所述双向直流功率变换器BDPC-1第一输出端[e]，第一滤波电容[C1]负极为双向直流功率变换器BDPC-1的第二输出端[g]；
第二电感[L2]与第十三功率开关管[K]发射极相连接为所述双向直流功率变换器BDPC-2第一输入端[j]，第八功率开关管[T4]的发射极和第八二极管[TD4]的正极相连接二者引线处为双向直流功率变换器BDPC-2第二输入端[n]，第十四二极管[D2]正极与第二电感[L2]相连，第十四二极管[D2]负极与第六功率开关管[T2]发射极和第六二极管[TD2]正极相连接，二者接线处与第八功率开关管[T4]的集电极和第八二极管[TD4]的负极相连接，第八功率开关管[T4]的发射极和第八二极管[TD4]的正极与第二滤波电容[C2]负极相连接，同时第二滤波电容[C2]负极为所述双向直流功率变换器BDPC-2的第二输出端[q]，第六功率开关管[T2]集电极和第六二极管[TD2]负极相连接，二者接线处与第二滤波电容[C2]正极相连为所述双向直流功率变换器BDPC-2第一输出端[o]。
4.根据权利要求1所述的蓄电池/超级电容器耦合电源系统，其特征在于，H桥直流逆变器包括第九功率开关管[V1]、第十功率开关管[V2]、第十一功率开关管[V3]、第十二功率开关管[V4]、第九二极管[VD1]、第十极管[VD2]、第十一极管[VD3]、第十二二极管[VD4]；
第九功率开关管[V1]的集电极和第九二极管[VD1]的负极相连接，二者接头处引出线为H桥直流逆变器的第一输入端[f]，第九功率开关管[V1]的发射极与第九二极管[VD1]的正极相连接，二者接头处为第一连接点[X]，第十功率开关管[V2]的集电极与第十二极管[VD2]的负极相连接，二者接头处引出线与第一连接点[X]相连接，第十功率开关管[V2]的发射极与第十二极管[VD2]的正极相连接，二者接头处引出线为H桥直流逆变器的第二输入端[h]，第十一功率开关管[V3]的集电极与第十一二极管[VD3]的负极相连接，二者接头处引出线为H桥直流逆变器的第三输入端[p]，第十一功率开关管[V3]的发射极与第十一二极管[VD3]的正极相连接，二者接头处为第二连接点[Y]，第十二功率开关管[V4]的集电极与第十二二极管[VD4]的负极相连接，二者接头处引出线与第二连接点[Y]相连接，第十二功率开关管[V4]的发射极与第十二二极管[VD4]的正极相连接，二者接头处引出线为H桥直流逆变器的第四输入端[r]。
5.蓄电池/超级电容器耦合电源系统的功率分配控制方法，其特征在于，当控制系统接收到系统需求功率Pr时，功率分配控制策略根据任一权利要求1-4所述蓄电池/超级电容器耦合电源系统的储能元件电压、电流信号并通过遗传算法程序运算，将需求功率Pr分别分配给蓄电池和超级电容器，分别为Pb,ref和Puc,ref，控制器以分配好的功率为参考值，通过控制双向直流功率变换器控制蓄电池和超级电容器实际功率输出，满足混合电源系统功率需求。
6.根据权利要求5所述的功率分配控制方法，其特征在于，蓄电池/超级电容器耦合电源系统中能量转换效率表示为各个环节转化效率的函数，函数关系如公式(1)所示：
η＝f(ηbat,ηuc,ηDC-bat,ηDC-uc,ηH,ηM) (1)
其中，ηbat为蓄电池放电过程中的能量转化效率，ηuc为超级电容器放电过程中的能量转化效率，ηDC-bat为双向直流功率变换器BDPC-1的能量转化效率，ηDC-uc为双向直流功率变换器BDPC-2的能量转化效率，ηH为H桥逆变器效率，ηM为电机[M]的工作效率；
具体的功率分配控制方法步骤如下：
Step1：初始化种群数量、交叉率、变异率、最大遗传代数，设置蓄电池输出电流上下限，超级电容器输出电流上下限为约束条件，将蓄电池输出电流作为初始种群个体，定义域范围内产生初始种群；
Step2：根据新型蓄电池/超级电容器混合电源系统模型，确定优化目标为混合电源系统的能量转化效率η，将混合电源系统能量转化效率函数作为适应度函数在种群个体内寻优；
Step3：基于轮盘赌的复制操作，定义域内不断繁衍产生新个体，即蓄电池输出电流范围内繁衍产生新的输出电流值，进行适应度计算；
Step4：基于概率的交叉操作，由交换概率挑选的每两个附带通过将相异的部分基因进行交换，更新产生新个体，得到新一代蓄电池输出电流值；
Step5：基于概率的变异操作，对于选定的个体随机的改变串结构数据中的基因值，为新个体的更新提供机会；
Step6：算法迭代到最大遗传代数时中止迭代，输出收敛结果，得到混合电源系统能量转换效率最优值和对应的流经双向直流功率变换器BDPC-1的电感电流值，即蓄电池输出电流值，从而分配蓄电池和超级电容器的输出功率。
7.根据权利要求6所述的功率分配控制方法，其特征在于，所述步骤Step2中的适应度函数，具体计算采用公式(2)所示，
Figure FDA0002676789290000041
Pb＝ib×Ub；Puc＝iuc×Uuc (3)
Pr＝Pb+Puc (4)
ηbat(i)为蓄电池放电过程中的能量转化效率实时变化值，ηuc(i)为超级电容器放电过程中的能量转化效率实时变化值，ηDC-bat(i)为双向直流功率变换器BDPC-1的能量转化效率实时变化值，ηDC-uc(i)为双向直流功率变换器BDPC-2的能量转化效率实时变化值，Pb为蓄电池输出功率，Puc为超级电容器输出功率，Pr为电机需求功率。
8.根据权利要求6所述的功率分配控制方法，其特征在于，所述约束条件具体为公式(5)，
Figure FDA0002676789290000051
ib为蓄电池输出电流，
Figure FDA0002676789290000052
为蓄电池最大输出电流，iuc为超级电容器输出电流，
Figure FDA0002676789290000053
为超级电容器最大输出电流，Ubat为蓄电池输出电压，Uuc为超级电容器输出电压，
Figure FDA0002676789290000054
为蓄电池最大输出电压，
Figure FDA0002676789290000055
为超级电容器最大输出电压。
9.根据权利要求7所述的功率分配控制方法，其特征在于，所述蓄电池放电过程中的能量转化效率实时变化值ηbat(i)采用公式(6)具体计算，
Figure FDA0002676789290000056
Eeq为蓄电池感应电动势，Eloss为蓄电池放电过程中内阻损耗，具体计算采用公式(7)，
Figure FDA0002676789290000057
Ubat为蓄电池开路电压，Ibat为蓄电池放电电流，Rbat为蓄电池等效内阻。
10.根据权利要求7所述的功率分配控制方法，其特征在于，所述双向直流功率变换器BDPC-1的能量转化效率ηDC-bat(i)和双向直流功率变换器BDPC-2能量转化效率ηDC-uc(i)采用公式(8)具体计算，
ηDC(i)＝p1i8+p2i7+p3i6+p4i5+p5i4+p6i3+p7i2+p8i+p9 (8)
p1～p9为常数，i为双向直流功率变换器电感电流值；
公式(8)为Matlab中曲线拟合工具对采样数据进行拟合得到双向直流功率变换器效率和电感电流的函数关系。
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