CN113612302B - 一种机载供电系统的能量回馈及管理系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种机载供电系统的能量回馈及管理系统，为并联式蓄电池加超级电容混合储能拓扑架构，由270V高压直流储能装置(100)、双向能量控制及变换装置组成(200)；所述270V高压直流储能装置由高压蓄电池系统(110)、高压超级电容系统(120)和监控模块(130)组成；所述双向能量控制及变换装置由双向变换通道(210)、双向短时大功率通道(220)、应急泄放模块(230)、接触器直通通道(240)、能量双向流动控制及监控模块(250)组成。通过高压直流储能装置和双向能量控制及变换装置，实现对机载270V高压直流汇流条的能量补偿、能量回馈吸收和应急供电，维持汇流条电压的稳定性，具有可靠性高、功率等级高、体积小、质量轻的优点。
Description
技术领域
本申请属于航空电气系统技术领域。具体涉及一种机载供电系统的能量回馈及管理系统。
背景技术
机载270V高压直流供电系统具有结构简单、能量转换效率和功率密度高、可靠性高、对非线性负载适应性强等优点，是现代飞机供电系统的主要发展方向。随着多电/全电技术的不断引领和推动，大功率电作动器被越来越多的应用于飞机的舵面控制、发动机控制、起落架收放与刹车系统等。大功率电作动器在制动运行过程中会产生大量的瞬时再生电能，严重影响机载供电系统的稳定性。
目前普遍采用的方法是通过能耗电阻将大功率电作动器产生的再生电能消耗掉，将电能转化成热能。而这种方法容易造成飞机的局部过热，影响大功率电作动器周围设备的正常工作。目前有研究通过储能装置将大功率电作动器产生的再生电能存储起来，构建机载供电系统的能量管理系统。但普遍采用超级电容或者蓄电池作为单一储能装置，体积重量成本高，管理功率范围小，实际可行性低。
发明内容
本申请要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种机载供电系统的能量回馈及管理系统，通过并联式蓄电池加超级电容混合储能拓扑架构的创新，使所设计的能量回馈及管理系统实现能量补偿、能量回馈吸收和应急供电功能，具有可靠性高、功率等级高、体积小、质量轻等优点。
为实现上述效果，本申请的基本构思是：
一种机载供电系统的能量回馈及管理系统，其特征在于，包括：270V高压直流储能装置、双向能量控制及变换装置；
所述270V高压直流储能装置包括：高压蓄电池系统、高压超级电容系统和监控模块；
所述双向能量控制及变换装置包括：双向变换通道、双向短时大功率通道、应急泄放模块、接触器直通通道、能量双向流动控制及监控模块；
机载供电系统由航空大功率起动发电系统、汇流条和用电设备组成，其中汇流条包括充电汇流条和机载270V高压汇流条，用电设备包括电机类负载(EMA、EHA、电动泵等)和非电机类负载(各类恒功率负载)，用电设备经机载270V机载高压汇流条连接起动发电系统；
所述能量回馈及管理系统在机载供电系统中的连接关系是：所述高压蓄电池储能系统经双向变换通道连接至充电汇流条，高压蓄电池系统分别经双向变换通道、接触器直通通道连接至机载270V高压汇流条，所述高压超级电容系统经双向短时大功率通道连接至机载270V高压汇流条，所述应急泄放模块连接机载270V高压汇流条；
所述高压储能装置的监控模块连接高压蓄电池系统、高压超级电容系统和能量双向流动控制及监控模块，监控并反馈储能装置状态；
所述能量双向流动控制及监控模块连接高压储能装置的监控模块、双向变换通道、双向短时大功率通道、接触器直通通道和应急泄放模块，进行系统状态监测和能量双向流动控制。
进一步的，所述270V高压直流储能装置的高压蓄电池系统用于小功率的能量管理；所述高压蓄电池系统在飞机发动机起动时，通过接触器直通通道和双向变换通道为起动发电机供电；在发电系统正常运行时，进行小功率的能量回馈吸收和自身容量管理(包括充电和放电)，改善机载供电系统的电源品质；在发电系统故障时，作为机载应急电源向汇流条单独供电；高压蓄电池系统的额定参数根据能量管理系统的设计指标确定，包括应急供电需求、瞬时功率需求和体积重量需求，根据应急供电需求确定储能能力，根据瞬时功率需求确定瞬时输出能力，根据储能能力和瞬时输出能力选取体积重量小的蓄电池。
进一步的，所述270V高压直流储能装置的高压超级电容系统用于大功率的能量管理；在发电系统正常运行时，进行大功率的能量补偿、能量回馈吸收和自身容量管理(包括充电和放电)，改善机载供电系统的电源品质；高压超级电容系统的额定参数根据能量管理系统的设计指标确定，包括瞬时功率需求、短时能量需求和体积重量需求；根据瞬时功率需求确定瞬时输出能力，根据短时能量需求确定储能能力，根据瞬时输出能力和储能能力选取体积重量小的超级电容。
进一步的，所述270V高压直流储能装置的监控模块用于监测蓄电池和超级电容的状态，它的结构是具有储能单体元件采样传感器的数字电路，通过采样蓄电池和超级电容的端电压和输出电流，计算蓄电池和超级电容的荷电状态(SOC)，进行故障识别，并将状态信息反馈至能量双向流动控制及监控模块进行能量管理系统的综合控制；监控模块反馈的状态信息包括蓄电池端电压、蓄电池输出电流、蓄电池荷电状态、蓄电池故障信号、超级电容端电压、超级电容输出电流、超级电容荷电状态和超级电容故障信号。
进一步的，所述双向能量控制及变换装置的双向变换通道用于对高压蓄电池系统的能量双向流动控制；它的结构是双并联Buck-Boost双向DC-DC变换器和相应的控制电路，输入端连接高压蓄电池系统，输出端连接充电汇流条和270V高压汇流条；它以恒流模式控制高压蓄电池系统的双向能量流动，进行起动发电机供电、小功率能量回馈吸收和蓄电池容量管理；它以恒压限流模式在发电系统故障时控制高压蓄电池系统向270V高压汇流条单独供电；恒流模式采用电流环PI控制器计算电流指令和电流反馈的误差，给出开关管的PWM占空比；恒压限流模式采用电压电流环双环PI控制器，电压环PI控制器计算电压指令和电压反馈的误差给出电流指令，电流环PI控制器计算电流指令和电流反馈的误差给出开关管PWM占空比。
进一步的，所述双向能量控制及变换装置的双向短时大功率通道用于高压超级电容系统的能量双向流动控制，他的结构是非隔离式Buck/Boost变换器和相应的控制电路，输入端连接高压超级电容系统，输出端连接270V高压汇流条；它以恒流模式控制高压超级电容系统的双向能量流动，进行大功率能量补偿、大功率能量回馈吸收和超级电容容量管理；恒流模式采用电流环PI控制器计算电流指令和电流反馈的误差，给出开关管的PWM占空比。
进一步的，所述双向能量控制及变换装置的应急泄放模块用于应急故障状态下的回馈能量泄放；它的结构是能耗电阻、接触器和相应的控制电路，一端接地，一端连接270V高压汇流条；他根据双向能量流动控制及监控模块的控制信号，在高压储能系统故障时将汇流条上回馈的能量消耗掉，避免汇流条过压问题。
进一步的，所述双向能量控制及变换装置的接触器直通通道完成高压蓄电池系统向270V高压汇流条的直接供电；它的结构是高压直流接触器和相应的控制电路，输入端连接高压蓄电池系统，输出端连接270V高压汇流条；它根据所述能量双向流动控制及监控模块的控制信号，在发电系统和双向变换通道都故障时，作为双向变换通道的应急备份通道直接将蓄电池的能量传递到汇流条，保证能量管理系统的故障运行。
进一步的，所述能量双向流动控制及监控模块用于状态信息的采集和能量回馈及管理系统的整体控制；其结构是以系统状态信息为输入，通过数字信号处理和逻辑判定，输出各个通道的控制指令；系统状态信息包括汇流条电压、汇流条电流、蓄电池荷电状态、超级电容荷电状态、双向变换通道输出端电流和双向短时大功率通道输出端电流；数字信号处理和判定逻辑由汇流条电压管理和储能装置容量管理构成；其中汇流条电压管理包括：超级电容汇流条电压管理、蓄电池汇流条电压管理、应急泄放管理和接触器直通管理；储能装置容量管理包括：超级电容容量管理和蓄电池容量管理；各个通道的输出控制指令包括双向变换通道单独供电信号、双向变换通道电流指令信号、双向短时大功率通道电流指令信号、应急泄放模块开启信号和接触器直通通道开启信号。
进一步的，所述能量双向流动控制及监控模块的逻辑判定由输入信号决定，包括汇流条电压、汇流条电流、高压储能装置荷电状态和故障信号，其逻辑判定的内容可以概括为：在飞机发动机起动时，高压蓄电池系统通过双向变换通道和接触器直通通道为起动发电机提供电能，使起动发电机工作于电动状态并带动发动机起动；
发动机起动后，双向变换通道的双向DC-DC变换器以稳压恒流的方式向蓄电池充电，直至充电到设定值为止；
飞机发电系统正常运行时，控制系统监测汇流条电压，进行汇流条电压管理，当汇流条电压高于280V时，或汇流条电压大于275V且其微分大于1500V/s时，导通双向短时大功率通道向超级电容供电，直至汇流条电压小于275V，当汇流条电压高于275V时，导通双向能量变换通道向蓄电池供电，直至汇流条电压小于270.5V，当汇流条电压小于252V时，或汇流条电压的小于258V且其微分小于-4000V/s时，导通双向短时大功率通道以超级电容供电，直至汇流条电压大于258V，在双向短时大功率通道进行能量管理期间，禁止双向能量变换通道工作；
飞机发电系统正常运行、当汇流条电压处于265V～273V时，对蓄电池和超级电容进行容量(荷电状态SOC)管理，蓄电池容量中位值区间是70％～90％，当容量高于90％时，进入蓄电池放电管理，直至容量小于80％，当容量低于70％时，进入蓄电池充电管理，直至容量大于80％；超级电容容量中位值区间是65％～85％，当容量高于85％时进入超级电容放电管理，直至容量小于75％，当容量低于65％时进入超级电容充电管理，直至容量大于75％，超级电容容量管理的优先级高于蓄电池容量管理，汇流条电压管理期间禁止进行储能装置容量管理，当超级电容和蓄电池容量高于98％时，禁止储能装置汇流条电压管理功能，认为高压储能系统工作异常，此时若汇流条电压大于280V，控制导通应急泄放模块，通过大功率电阻泄放回馈能量，直至汇流条电压小于275V；
在飞机发电系统故障时，高压蓄电池系统作为机载应急电源，通过双向变换通道向汇流条单独供电，此时若双向变换通道出现故障，打开接触器直通通道直接将蓄电池的能量传递到汇流条，满足机载设备的应急用电需求；
能量双向流动控制及监控模块经逻辑判定确定工作通道后，根据状态信息计算对应通道的电流指令，并通过电流指令值控制双向变换通道和双向短时大功率通道的工作状态：若电流指令值为零，对应通道关闭，减小导通损耗，若电流指令值非零，对应通道开启，并根据电流指令值进行能量双向流动控制；
蓄电池汇流条电压管理和容量管理期间，双向变换通道电流指令值为恒值，超级电容汇流条电压管理期间，双向短时大功率通道电流指令值为可变值，数值由带有电流前馈的电压PID控制器计算得出，超级电容容量管理期间，双向短时大功率通道电流指令值为可变值，数值由安排的过渡过程计算；所述带有电流前馈的电压PID控制器中的微分信号由具有高频噪音抑制能力的跟踪微分器提取；所述安排的过渡过程以阶跃指令为输入，根据自抗扰控制理论设计过渡微分方程，输出平滑的过渡信号。
本申请技术方案具有如下有益的技术效果：
首次采用并联式蓄电池加超级电容混合储能拓扑架构的机载供电系统能量回馈及管理系统。并联式拓扑的混合储能装置能够充分发挥蓄电池和超级电容的优势，由蓄电池进行长时小功率能量管理，由超级电容进行短时大功率能量补偿与吸收，管理功率范围广，充分适应了可再生回馈的航空大功率电作动负载平均功率低、峰值功率高的特点。设计了基于并联式拓扑架构的双向能量控制及变换装置，构建了整体控制逻辑，保证了并联式拓扑能量回馈及管理系统的可靠运行，
本申请通过创新性的设计并联式混合储能拓扑架构的机载供电系统能量回馈及管理系统，实现了大功率电作动器再生电能的吸收与利用，改善了机载电源系统的供电品质，提高了飞机电气系统的可靠性，本申请与传统能耗电阻型能量管理方法相比，具有汇流条电压稳定、体积小、质量轻、能量再生利用等优点。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是能量双向流动控制及监控模块结构示意图；
图3是能量双向流动控制及监控模块的控制逻辑示意图；
图4是能量双向流动控制及监控模块的汇流条电压环PID控制器示意图；
图5是双向变换通道结构和控制方式示意图；
图6是双向短时大功率通道结构和控制方式示意图；
附图标记：100、270V高压直流储能装置；200、双向能量控制及变换装置；300、大功率起动发电系统；400、用电设备；110、高压蓄电池系统；120、高压超级电容系统；130、270V高压直流储能装置监控模块；210、双向变换通道；220、双向短时大功率通道；230、应急泄放模块；240、接触器直通通道；250、能量双向流动控制及监控模块；410、大功率电机类负载；420、非电机类负载；500、充电汇流条；600、270V高压汇流条；710、Buck-Boost双向DC-DC变换器；720、非隔离式Buck/Boost双向DC-DC变换器；800、电压环PID控制器。
具体实施方式
在附图中示出了根据本申请实施例的层结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。在本申请的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，下面所描述的本申请不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本申请进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本申请的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本申请的概念。
如图1所示，本申请一种机载供电系统的能量回馈及管理系统，它以并联式蓄电池加超级电容混合储能装置和相应的能量流动控制装置为核心，实现机载供电系统大功率电作动负载的能量回馈及管理。它由270V高压直流储能装置100、双向能量控制及变换装置200组成；其中，所述270V高压直流储能装置100由高压蓄电池系统110、高压超级电容系统120和监控模块130组成；所述双向能量控制及变换装置200由双向变换通道210、双向短时大功率通道220、应急泄放模块230、接触器直通通道240、能量双向流动控制及监控模块250组成。机载供电系统由航空大功率起动发电系统300、汇流条和用电设备400组成，其中汇流条包括充电汇流条500和机载270V高压汇流条600，用电设备400包括电机类负载410(EMA、EHA、电动泵等)和非电机类负载420(各类恒功率负载)，用电设备400经机载270V机载高压汇流条600连接起动发电系统300。所述能量回馈及管理系统在机载供电系统中的连接关系是：高压蓄电池系统110经双向变换通道210连接至充电汇流条500；高压蓄电池系统110分别经双向变换通道210、接触器直通通道240连接至机载270V高压汇流条600；高压超级电容系统120经双向短时大功率通道220连接至机载270V高压汇流条600；应急泄放模块230连接机载270V高压汇流条600；高压储能装置的监控模块130连接高压蓄电池系统110、高压超级电容系统120和能量双向流动控制及监控模块250，监控并反馈储能装置状态；能量双向流动控制及监控模块250连接高压储能装置100的监控模块130、双向变换通道210、双向短时大功率通道220、应急泄放模块230和接触器直通通道，进行系统状态监测和能量双向流动控制。
见图1，所述270V高压直流储能装置100的高压蓄电池系统110完成小功率的能量管理。它的主要功能有三个：第一是在飞机发动机起动时，通过接触器直通通道240和双向变换通道210为起动发电机供电；第二是在发电系统300正常运行时，进行小功率的能量回馈吸收和自身容量管理(包括充电和放电)，改善机载供电系统的电源品质；第三是在发电系统故障时，作为机载应急电源向270V汇流条单独供电。高压蓄电池系统110的额定参数根据能量管理系统的设计指标确定，包括应急供电需求、瞬时功率需求和体积重量需求：首先，根据应急供电需求确定储能能力；其次，根据瞬时功率需求确定瞬时输出能力；最后，综合上述两个需求和体积重量需求，根据储能能力和瞬时输出能力选取体积重量小的蓄电池。
见图1，所述270V高压直流储能装置100的高压超级电容系统120完成大功率的能量管理。它的主要功能是在发电系统正常运行时，进行大功率的能量补偿、能量回馈吸收和自身容量管理(包括充电和放电)，改善机载供电系统的电源品质。高压超级电容系统120的额定参数根据能量管理系统的设计指标确定，包括瞬时功率需求、短时能量需求和体积重量需求：首先，根据瞬时功率需求确定瞬时输出能力；其次，根据短时能量需求确定储能能力；最后，根据瞬时输出能力和储能能力选取体积重量小的超级电容。
见图1，所述270V高压直流储能装置100的监控模块130完成对蓄电池和超级电容的状态监测。它的结构是具有储能单体元件采样传感器的数字电路。它的主要功能是通过采样蓄电池和超级电容的端电压和输出电流，计算蓄电池和超级电容的荷电状态(SOC)，进行故障识别，并将状态信息反馈至能量双向流动控制及监控模块250进行能量管理系统的综合控制。监控模块反馈的状态信息包括蓄电池端电压、蓄电池输出电流、蓄电池荷电状态、蓄电池故障信号、超级电容端电压、超级电容输出电流、超级电容荷电状态和超级电容故障信号。
见图2，所述双向能量控制及变换装置200的能量双向流动控制及监控模块250是能量回馈及管理系统的控制核心，完成状态信息的采集和能量回馈及管理系统的整体控制。它的主要功能包括两类基础管理功能，分别是汇流条电压管理和储能装置容量管理。它的结构是以系统状态信息为输入，经过通过数字信号处理和逻辑判定，输出各个通道的控制指令：系统状态信息包括汇流条电压、汇流条电流、蓄电池荷电状态、超级电容荷电状态、双向变换通道210输出端电流和双向短时大功率通道220输出端电流；数字信号处理和判定逻辑由两类六个模块构成，第一类是汇流条电压管理，包括超级电容汇流条电压管理、蓄电池汇流条电压管理、应急泄放管理和接触器直通管理，第二类是储能装置容量管理，包括超级电容容量管理和蓄电池容量管理；各个通道的输出控制指令包括双向变换通道210单独供电信号、双向变换通道210电流指令信号、双向短时大功率通道220电流指令信号、应急泄放模块230开启信号和接触器直通通道240开启信号。
参见图3，能量双向流动控制及监控模块250的逻辑判定根据输入信号决定，包括汇流条电压、汇流条电流、高压储能装置荷电状态和故障信号，其逻辑判定的内容可以概括为：①在飞机发动机起动时，高压蓄电池系统110通过双向变换通道210和接触器直通通道240为起动发电机提供电能，使起动发电机工作于电动状态带动发动机起动。②发动机起动后，双向变换通道210的一组双向DC-DC变换器以稳压恒流的充电方式向蓄电池充电，直至充电到设定值为止。③在飞机发电系统正常运行时，控制系统监测汇流条电压，进行汇流条电压管理。当汇流条电压高于280V时，或汇流条电压大于275V且其微分大于1500V/s时，导通双向短时大功率通道220向超级电容供电，直至汇流条电压小于275V。当汇流条电压高于275V时，导通双向能量变换通道向蓄电池供电，直至汇流条电压小于270.5V。当汇流条电压小于252V时，或汇流条电压的小于258V且其微分小于-4000V/s时，导通双向短时大功率通道220以超级电容供电，直至汇流条电压大于258V。在双向短时大功率通道220进行能量管理期间，禁止双向能量变换通道工作。④飞机发电系统正常运行、当汇流条电压处于265V～273V时，对蓄电池和超级电容进行容量(荷电状态SOC)管理。蓄电池容量中位值区间是70％～90％，当容量高于90％时，进入蓄电池放电管理，直至容量小于80％；当容量低于70％时，进入蓄电池充电管理，直至容量大于80％。超级电容容量中位值区间是65％～85％，当容量高于85％时，进入超级电容放电管理，直至容量小于75％；当容量低于65％时，进入超级电容充电管理，直至容量大于75％。超级电容容量管理的优先级高于蓄电池容量管理，汇流条电压管理期间禁止进行储能装置容量管理。⑤当超级电容和蓄电池容量高于98％时，禁止储能装置汇流条电压管理功能，认为高压储能系统工作异常。此时若汇流条电压大于280V，控制导通应急泄放模块230，通过大功率电阻泄放回馈能量，直至汇流条电压小于275V。⑥在飞机发电系统故障时，高压蓄电池系统110作为机载应急电源，通过双向变换通道210向汇流条单独供电。此时若双向变换通道210出现故障，接触器直通通道240直接将蓄电池的能量传递到汇流条，满足机载设备的应急用电需求。双向能量控制及变换装置200逻辑判定的创新之处在于，通过引入汇流条电压微分信号，提高了控制逻辑的响应速度。
参见图2和图4，能量双向流动控制及监控模块250经逻辑判定确定工作通道后，根据状态信息计算对应通道的电流指令，并通过电流指令值控制双向变换通道210和双向短时大功率通道220的工作状态：若电流指令值为零，对应通道关闭，减小导通损耗；若电流指令值非零，对应通道开启，并根据电流指令值进行能量双向流动控制。蓄电池汇流条电压管理和容量管理期间，双向变换通道210电流指令值为恒值；超级电容汇流条电压管理期间，双向短时大功率通道220电流指令值为可变值，数值由带有电流前馈的电压环PID控制器800计算得出；超级电容容量管理期间，双向短时大功率通道220电流指令值为可变值，数值由安排的过渡过程给出。所述带有电流前馈的电压环PID控制器800中的微分信号由具有高频噪音抑制能力的跟踪微分器提取。所述安排的过渡过程以阶跃指令为输入，根据自抗扰控制理论设计过渡微分方程，输出平滑的过渡信号。双向能量控制及变换装置200计算通道指令电流的创新之处在于：采用具有高频噪音抑制能力的跟踪微分器提取汇流条电压微分信号，提高控制性能。
如图5，所述双向能量控制及变换装置200的双向变换通道210完成对高压蓄电池系统110的能量双向流动控制。它由双并联Buck-Boost双向DC-DC变换器710和相应的控制电路组成，输入端连接高压蓄电池系统110，输出端连接充电汇流条500和270V高压汇流条600。它的主要功能有两个：第一是以恒流模式控制高压蓄电池系统110的双向能量流动，进行起动发电机供电、小功率能量回馈吸收和蓄电池容量管理(包括充电和放电)；第二是在发电系统故障时，以恒压限流模式控制高压蓄电池系统110向270V高压汇流条600单独供电。
如图5，双向变换通道210具有恒流模式和恒压限流模式两种控制方式：恒流模式采用电流环PI控制器计算电流指令和电流反馈的误差，给出开关管的PWM占空比；恒压限流模式采用电压电流环双环PI控制器，电压环PI控制器计算电压指令和电压反馈的误差给出电流指令，电流环PI控制器计算电流指令和电流反馈的误差给出开关管PWM占空比。
如图6，所述双向能量控制及变换装置200的双向短时大功率通道220完成高压超级电容系统120的能量双向流动控制。它由非隔离式Buck/Boost变换器和相应的控制电路组成，输入端连接至高压超级电容系统120，输出端连接至270V高压汇流条600。它的主要功能是以恒流模式控制高压超级电容系统120的双向能量流动，进行大功率能量补偿、大功率能量回馈吸收和超级电容容量管理(包括充电和放电)。恒流模式采用电流环PI控制器计算电流指令和电流反馈的误差，给出开关管的PWM占空比，实现能量双向流动控制。
所述双向能量控制及变换装置200的应急泄放模块230完成应急故障状态下的回馈能量泄放。它的结构是能耗电阻、接触器和相应的控制电路，控制信号由所述能量双向流动控制及监控模块250给出。它的主要功能是在高压储能系统故障时，通过应急泄放模块230将汇流条上回馈的能量消耗掉，避免能量回馈造成的汇流条过压问题。
所述双向能量控制及变换装置的接触器直通通道240完成高压蓄电池系统向270V高压汇流条的直接供电。它的结构是接触器和相应的控制电路，输入端连接高压蓄电池系统110，输出端连接270V高压汇流条600；控制信号由所述能量双向流动控制及监控模块给出。它的主要功能是在发电系统300和双向变换通道210都故障时，作为双向变换通道210的应急备份通道直接将蓄电池的能量传递到汇流条，满足机载设备的应急用电需求。
本申请技术方案具有以下有益效果：
(1)首次采用并联式蓄电池加超级电容混合储能拓扑架构的机载供电系统能量回馈及管理系统。并联式拓扑的混合储能装置能够充分发挥蓄电池和超级电容的优势，由蓄电池进行长时小功率能量管理，由超级电容进行短时大功率能量补偿与吸收，管理功率范围广，充分适应了可再生回馈的航空大功率电作动负载平均功率低、峰值功率高的特点。
(2)设计了基于并联式拓扑架构的双向能量控制及变换装置，构建了整体控制逻辑，保证了并联式拓扑能量回馈及管理系统的可靠运行，该能量回馈及管理系统与传统能耗电阻型能量管理方法相比，具有汇流条电压稳定、体积小、质量轻、能量再生利用等优点。
(3)在双向能量控制及变换装置的能量双向流动控制及监控模块中，采用具有高频噪音抑制能力的跟踪微分器提取汇流条电压微分信号，通过引入汇流条电压微分，提高了控制逻辑的响应速度；在汇流条电压管理期间，采用具有电流前馈的电压PID控制器进行稳压控制，提高了大功率回馈汇流条电压管理期间汇流条电压的稳定性。
(4)所述机载供电系统的能量回馈及管理系统不但能实现大功率电作动负载再生电能的吸收与利用，还能在发电系统故障时以高压蓄电池系统作为机载用电设备的应急电源，提高了飞机电气系统的可靠性。
本发明通过创新性的设计并联式混合储能拓扑架构的机载供电系统能量回馈及管理系统，实现了大功率电作动器再生电能的吸收与利用，改善了机载电源系统的供电品质，提高了飞机电气系统的可靠性，具有功率范围广、体积小、质量轻的优点。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (8)
1.一种机载供电系统的能量回馈及管理系统，其特征在于，包括：270V高压直流储能装置(100)、双向能量控制及变换装置(200)；
所述270V高压直流储能装置(100)包括：高压蓄电池系统(110)、高压超级电容系统(120)和监控模块(130)；
所述双向能量控制及变换装置(200)包括：双向变换通道(210)、双向短时大功率通道(220)、应急泄放模块(230)、接触器直通通道(240)、能量双向流动控制及监控模块(250)组成；
所述高压蓄电池储能系统(110)经双向变换通道(210)连接至充电汇流条(500)，高压蓄电池系统(110)分别经双向变换通道(210)、接触器直通通道(240)连接至机载270V高压汇流条(600)，所述高压超级电容系统(120)经双向短时大功率通道(220)连接至机载270V高压汇流条(600)，所述应急泄放模块(230)连接机载270V高压汇流条(600)；
所述270V高压储能装置的监控模块(130)连接高压蓄电池系统（110）、高压超级电容系统(120)和能量双向流动控制及监控模块(250)，监控并反馈储能装置状态；
所述能量双向流动控制及监控模块(250)连接高压储能装置的监控模块(130)、双向变换通道(210)、双向短时大功率通道(220)、应急泄放模块(230)和接触器直通通道(240)，进行系统状态监测和能量双向流动控制；
所述能量双向流动控制及监控模块(250)用于状态信息的采集和能量回馈及管理系统的整体控制；其结构是以系统状态信息为输入，通过数字信号处理和逻辑判定，输出各个通道的控制指令；系统状态信息包括汇流条电压、汇流条电流、蓄电池荷电状态、超级电容荷电状态、双向变换通道(210)输出端电流和双向短时大功率通道(220)输出端电流；数字信号处理和判定逻辑由汇流条电压管理和储能装置容量管理构成；其中汇流条电压管理包括：超级电容汇流条电压管理、蓄电池汇流条电压管理、应急泄放管理和接触器直通管理；储能装置容量管理包括：超级电容容量管理和蓄电池容量管理；各个通道的输出控制指令包括双向变换通道单独供电信号、双向变换通道电流指令信号、双向短时大功率通道电流指令信号、应急泄放模块开启信号和接触器直通通道开启信号；
所述能量双向流动控制及监控模块(250)的逻辑判定由输入信号决定，包括汇流条电压、汇流条电流、高压储能装置荷电状态和故障信号，其逻辑判定的内容概括为：在飞机发动机起动时，高压蓄电池系统(110)通过双向变换通道(210)和接触器直通通道(240)为起动发电机提供电能，使起动发电机工作于电动状态并带动发动机起动；
发动机起动后，双向变换通道(210)的双向DC-DC变换器（710）以稳压恒流的方式向蓄电池充电，直至充电到设定值为止；
飞机发电系统正常运行时，控制系统监测汇流条电压，进行汇流条电压管理，当汇流条电压高于280V时，或汇流条电压大于275V且其微分大于1500V/s时，导通双向短时大功率通道(220)向超级电容供电，直至汇流条电压小于275V，当汇流条电压高于275V时，导通双向能量变换通道向蓄电池供电，直至汇流条电压小于270.5V，当汇流条电压小于252V时，或汇流条电压的小于258V且其微分小于-4000V/s时，导通双向短时大功率通道(220)以超级电容供电，直至汇流条电压大于258V，在双向短时大功率通道(220)进行能量管理期间，禁止双向能量变换通道(210)工作；
飞机发电系统正常运行、当汇流条电压处于265V~273V时，对蓄电池和超级电容进行容量管理，蓄电池容量中位值区间是70%~90%，当容量高于90%时，进入蓄电池放电管理，直至容量小于80%，当容量低于70%时，进入蓄电池充电管理，直至容量大于80%；超级电容容量中位值区间是65%~85%，当容量高于85%时进入超级电容放电管理，直至容量小于75%，当容量低于65%时进入超级电容充电管理，直至容量大于75%，超级电容容量管理的优先级高于蓄电池容量管理，汇流条电压管理期间禁止进行储能装置容量管理，当超级电容和蓄电池容量高于98%时，禁止储能装置汇流条电压管理功能，认为高压储能系统工作异常，此时若汇流条电压大于280V，控制导通应急泄放模块(230)，通过大功率电阻泄放回馈能量，直至汇流条电压小于275V；
在飞机发电系统故障时，高压蓄电池系统(110)作为机载应急电源，通过双向变换通道(210)向汇流条单独供电，此时若双向变换通道(210)出现故障，打开接触器直通通道(240)直接将蓄电池的能量传递到汇流条，满足机载设备的应急用电需求；
能量双向流动控制及监控模块(250)经逻辑判定确定工作通道后，根据状态信息计算对应通道的电流指令，并通过电流指令值控制双向变换通道(210)和双向短时大功率通道(220)的工作状态：若电流指令值为零，对应通道关闭，减小导通损耗，若电流指令值非零，对应通道开启，并根据电流指令值进行能量双向流动控制；
蓄电池汇流条电压管理和容量管理期间，双向变换通道(210)电流指令值为恒值，超级电容汇流条电压管理期间，双向短时大功率通道(220)电流指令值为可变值，数值由带有电流前馈的电压环PID控制器(800)计算得出，超级电容容量管理期间，双向短时大功率通道(220)电流指令值为可变值，数值由安排的过渡过程计算；所述带有电流前馈的电压环PID控制器(800)中的微分信号由具有高频噪音抑制能力的跟踪微分器提取；所述安排的过渡过程以阶跃指令为输入，根据自抗扰控制理论设计过渡微分方程，输出平滑的过渡信号。
2.根据权利要求1所述能量回馈及管理系统，其特征在于，所述270V高压直流储能装置(100)的高压蓄电池系统(110)用于小功率的能量管理；所述高压蓄电池系统(110)在飞机发动机起动时，通过接触器直通通道(240)和双向变换通道(210)为起动发电机供电；在发电系统正常运行时，进行小功率的能量回馈吸收和自身容量管理，改善机载供电系统的电源品质；在发电系统故障时，作为机载应急电源向汇流条单独供电；高压蓄电池系统(110)的额定参数根据能量管理系统的设计指标确定，包括应急供电需求、瞬时功率需求和体积重量需求，根据应急供电需求确定储能能力，根据瞬时功率需求确定瞬时输出能力，根据储能能力和瞬时输出能力选取体积重量小的蓄电池。
3.根据权利要求1所述能量回馈及管理系统，其特征在于，所述270V高压直流储能装置(100)的高压超级电容系统(120)用于大功率的能量管理；在发电系统正常运行时，进行大功率的能量补偿、能量回馈吸收和自身容量管理，改善机载供电系统的电源品质；高压超级电容系统(120)的额定参数根据能量管理系统的设计指标确定，包括瞬时功率需求、短时能量需求和体积重量需求；根据瞬时功率需求确定瞬时输出能力，根据短时能量需求确定储能能力，根据瞬时输出能力和储能能力选取体积重量小的超级电容。
4.根据权利要求1所述能量回馈及管理系统，其特征在于，所述270V高压直流储能装置(100)的监控模块(130)用于监测蓄电池和超级电容的状态，它的结构是具有储能单体元件采样传感器的数字电路，通过采样蓄电池和超级电容的端电压和输出电流，计算蓄电池和超级电容的荷电状态(SOC)，进行故障识别，并将状态信息反馈至能量双向流动控制及监控模块(250)进行能量管理系统的综合控制；监控模块反馈的状态信息包括蓄电池端电压、蓄电池输出电流、蓄电池荷电状态、蓄电池故障信号、超级电容端电压、超级电容输出电流、超级电容荷电状态和超级电容故障信号。
5.根据权利要求1所述能量回馈及管理系统，其特征在于，所述双向能量控制及变换装置(200)的双向变换通道(210)用于对高压蓄电池系统(110)的能量双向流动控制；它的结构是双并联Buck-Boost双向DC-DC变换器(710)和相应的控制电路，输入端连接高压蓄电池系统(110)，输出端连接充电汇流条(500)和270V高压汇流条(600)；它以恒流模式控制高压蓄电池系统(110)的双向能量流动，进行起动发电机供电、小功率能量回馈吸收和蓄电池容量管理；它以恒压限流模式在发电系统故障时控制高压蓄电池系统(110)向270V高压汇流条(600)单独供电；恒流模式采用电流环PI控制器计算电流指令和电流反馈的误差，给出开关管的PWM占空比；恒压限流模式采用电压电流环双环PI控制器，电压环PI控制器计算电压指令和电压反馈的误差给出电流指令，电流环PI控制器计算电流指令和电流反馈的误差给出开关管PWM占空比。
6.根据权利要求1所述能量回馈及管理系统，其特征在于，所述双向能量控制及变换装置(200)的双向短时大功率通道(220)用于高压超级电容系统(120)的能量双向流动控制，它的结构是非隔离式Buck/Boost双向DC-DC变换器(720)和相应的控制电路，输入端连接高压超级电容系统(120)，输出端连接270V高压汇流条(600)；它以恒流模式控制高压超级电容系统(120)的双向能量流动，进行大功率能量补偿、大功率能量回馈吸收和超级电容容量管理；恒流模式采用电流环PI控制器计算电流指令和电流反馈的误差，给出开关管的PWM占空比。
7.根据权利要求1所述能量回馈及管理系统，其特征在于，所述双向能量控制及变换装置(200)的应急泄放模块(230)用于应急故障状态下的回馈能量泄放；它的结构是能耗电阻、接触器和相应的控制电路，一端接地，一端连接270V高压汇流条(600)；它根据所述能量双向流动控制及监控模块(250)的控制信号，在高压储能系统故障时将汇流条上回馈的能量消耗掉，避免汇流条过压问题。
8.根据权利要求1所述能量回馈及管理系统，其特征在于，所述双向能量控制及变换装置(200)的接触器直通通道(240)完成高压蓄电池系统(110)向270V高压汇流条(600)的直接供电；它的结构是高压直流接触器和相应的控制电路，输入端连接高压蓄电池系统(110)，输出端连接270V高压汇流条(600)；它根据所述能量双向流动控制及监控模块(250)的控制信号，在发电系统(300)和双向变换通道(210)都故障时，作为双向变换通道(210)的应急备份通道直接将蓄电池的能量传递到汇流条，保证能量管理系统的故障运行。
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