CN116760149A - 电源均衡装置、电源均衡方法以及电源系统 - Google Patents

电源均衡装置、电源均衡方法以及电源系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了电源均衡装置、电源均衡方法以及电源系统，电源系统包括并联的主电源和从电源；电源均衡装置包括：主电源控制电路，用于调整主电源的输出电流以调整所述主电源的输出功率；从电源容量控制电路，用于根据主电源的剩余容量和从电源的剩余容量之间的第一差值，获得参考功率值；从电源功率控制电路，用于根据从电源的实时功率与参考功率值之间的第二差值生成电压调制信号；从电源电流控制电路，用于根据电压调制信号、从电源的实时放电参数以及电源系统的输出电压，调整从电源的输出电流，以调整从电源的输出功率。

Description

电源均衡装置、电源均衡方法以及电源系统
技术领域
本发明涉及电源技术领域，具体涉及电源均衡装置、方法及相关的电源系统。
背景技术
随着社会发展，电力在日常生活工作显得必不可少，但常常会遇到户外用电、设备没电、负荷太大等一系列问题。由于没电、负荷问题，造成工作无法继续进行，人们的日常生活也受到影响。特别是在用电高峰的夏季，储能电源便成为解决难题的选择之一。
而储能电源对用户续航时间、带载能力、设备体积又极其苛刻，如果延长用户续航时间必然需要增大蓄电池容量，同理如果需要更强带载能力又必须增大电源功率器件，进一步增大电源体积与重量，而这又与储能电源的设计初衷相悖。可见，延长续航时间、提升带载能力、减小电源设备体积是困扰储能电源设计的一大难题。传统的设计方案采用离网并机方案，将多个电源设备并联在一起进而扩大功率等级，减小单个设备体积与重量。
由于传统的储能电源离网并机方案采用功率均分算法，而两台电源设备除了逆变输出还有直流输出模块与光伏充电模块，势必造成两台设备的电池容量不一致，当一台设备的电池容量为0时，触发并机电源设备低容量保护，而另外一台电源设备还有多余电量无法继续使用。
发明内容
为了使用电设备的续航时间最大化，必须保证两台电源设备的电池容量同时释放完成。基于此，本发明提出一种电源均衡装置及方法，通过控制主电源与从电源的输出功率值来控制各自剩余容量（即荷电状态，SOC）随时间的变化的曲线的斜率，当两条不同斜率的曲线相交时，即为主电源的容量和从电源的容量的差值为零的时间节点，达到主电源和从电源剩余容量相等实现容量的平衡，最终使得主电源与从电源的容量同时释放完成，从而达到续航时间最大化。
根据本发明的其中一方面，提出一种电源均衡装置，应用于电源系统，所述电源系统包括并联的主电源和从电源，所述电源均衡装置包括：主电源控制电路，用于调整所述主电源的输出电流以调整所述主电源的输出功率；从电源容量控制电路，用于根据所述主电源的剩余容量和所述从电源的剩余容量之间的第一差值，获得参考功率值；从电源功率控制电路，用于根据所述从电源的实时功率与所述参考功率值之间的第二差值，生成电压调制信号；以及从电源电流控制电路，用于根据所述电压调制信号、所述从电源的实时放电参数以及所述电源系统的输出电压，调整所述从电源的输出电流，以调整所述从电源的输出功率。
进一步地，所述主电源控制电路还用于调整所述主电源的输出电压以调整所述电源系统的输出电压。
进一步地，所述主电源控制电路用于根据所述电源系统的实时输出电压、所述主电源的实时放电参数以及所述电源系统的输出电压参考幅值生成主电源控制信号，以调整所述主电源的输出电流。
进一步地，所述从电源容量控制电路包括依次连接的容量差值计算模块、容量环调节器、第一限幅模块、从电源第一乘法器、第二限幅模块、从电源累加模块以及开关模块；所述容量差值计算模块用于根据所述主电源的剩余容量和所述从电源的剩余容量获得所述第一差值；所述容量环调节器用于调节所述第一差值；所述第一限幅模块用于根据调节后的第一差值获得第一限幅值，以限制所述第一限幅值的范围在[-1,1]之间；所述从电源第一乘法器用于将所述第一限幅值与负载平均功率相乘，以获得第一功率值；所述第二限幅模块用于根据所述第一功率值获得第二限幅值，以限制所述第二限幅值的范围在[-Pmax/2,Pmax/2]之间，其中，Pmax为主电源的额定功率和从电源的额定功率之间的最小值；所述从电源第一累加模块用于根据所述第二限幅值与所述负载平均功率获得第二功率值；所述从电源容量控制电路还包括从电源第二乘法器和第三限幅模块，其中，所述开关模块的第一输出端与所述第三限幅模块连接，所述开关模块的第二输出端通过所述从电源第二乘法器与所述第三限幅模块连接；所述开关模块用于在所述第一限幅值大于或等于零时控制所述第一输出端导通，以使所述第二功率值输出不变以获得第三功率值，所述开关模块还用于在所述第二限幅值小于零时控制所述第二输出端导通，以使所述第二功率值通过所述从电源第二乘法器输出为两倍后以获得所述第三功率值；所述第三限幅模块用于根据所述第三功率值获得第三限幅值，以限制所述第三限幅值的范围在[0,Pmax]之间，且所述第三限幅值作为所述参考功率值。
进一步地，所述从电源功率控制电路包括：功率差值计算模块，用于根据所述从电源的实时输出功率与所述参考功率值获得所述第二差值；功率环调节器，连接于所述功率差值计算模块的输出端，用于调节所述第二差值；从电源第三乘法器，连接于所述功率环调节器的输出端，用于将调节后的所述第二差值与从电源第一正弦信号相乘，以生成所述电压调制信号。
进一步地，所述从电源电流控制电路用于根据所述电压调制信号、所述从电源的实时放电参数 以及所述电源系统的输出电压，生成从电源控制信号，调整所述从电源的输出电流，以调整所述从电源的输出功率。
根据本发明的另一方面，提出一种电源系统，包括并联的主电源和从电源，还包括前述的电源均衡装置，所述主电源连接于所述电源均衡装置的所述主电源控制电路，所述从电源连接于所述电源均衡装置的所述从电源电流控制电路。
根据本发明的另一方面，还提出一种电源均衡方法，应用于电源系统，所述电源系统包括并联的主电源和从电源，所述电源均衡方法包括：调整所述主电源的输出电流以调整所述主电源的输出功率；根据所述主电源的剩余容量和所述从电源的剩余容量之间的第一差值，获得参考功率值；根据所述从电源的实时功率与所述参考功率值之间的第二差值，生成电压调制信号；根据所述电压调制信号、所述从电源的实时放电参数以及所述电源系统的输出电压，调整所述从电源的输出电流，以调整所述从电源的输出功率。
进一步地，所述电源均衡方法还包括：调整所述主电源的输出电压以调整所述电源系统的输出电压。
进一步地，所述电源均衡方法还包括：根据所述电压调制信号、所述从电源的实时放电参数以及所述电源系统的输出电压，生成从电源控制信号，调整所述从电源的输出电流，以调整所述从电源的输出功率。
本发明技术方案的有益效果体现在：通过采用本发明提出的电源均衡装置，主电源控制电路可以调整主电源的输出电流从而调整主电源的输出功率，进而控制主电源的容量随时间的变化的曲线；从电源容量控制电路可以根据主电源的剩余容量和从电源的剩余容量之间的第一差值获得参考功率值，从电源功率控制电路可以根据从电源的实时功率和参考功率值生成电压调制信号，从电源电流控制电路可以根据电压调制信号、从电源的实时放电参数以及电源系统的输出电压，调整从电源的输出电流，从而调整从电源的输出功率，进而控制从电源的容量随时间的变化的曲线，而当调整的从电源的容量随时间的变化的曲线和主电源的容量随时间的变化的曲线相交时，即为主电源的容量和从电源的容量的差值为零的时间节点，主电源和从电源的当前容量亦即剩余容量达到一致，达到主电源和从电源容量的均衡，进而使得主电源和从电源的容量同时释放完成，从而达到续航时间最大化。
附图说明
图1是本发明一实施例的电源均衡装置、电源系统和负载的结构框图。
图2是本发明实施例的主电源控制电路示意图。
图3是本发明实施例的从电源容量控制电路示意图。
图4是本发明实施例的从电源功率控制电路示意图。
图5是本发明实施例的从电源电流控制电路示意图。
图6是本发明另一实施例提供的电源系统的系统框图。
图7是电源系统未使用本发明的电源均衡装置或方法放电的一具体实施例的续航时间示意图。
图8是图7中的电源系统使用本发明的电源均衡装置或方法放电的一具体实施例的续航时间对比图。
图9是电源系统未使用本发明的电源均衡装置或方法放电的另一具体实施例的续航时间示意图。
图10是图9中的电源系统使用本发明的电源均衡装置或方法放电的另一具体实施例的续航时间对比图。
图11是两台电源设备并机的硬件连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步说明。提供实施例的目的仅在于示意，而非予以任何限制。
电源系统中，为了使用电设备的续航时间最大化，必须保证并机的两台电源设备的电池容量同时释放完成。
在电源系统中，以两台电源设备为例，两台电源设备（一台定义为主电源，另一台定义为从电源）的并机连接如图10所示，电源设备的电池（BAT）提供的直流电压需通过PWM信号（其中，主电源支路的PWM信号为PWM1，从电源支路的PWM信号为PWM2）控制晶体管再经过低通滤波器等的作用转换为交流正弦电压才能供负载使用，其中，PWM信号包含调制信号与载波信号，调制信号即为交流正弦波，载波信号为高频锯齿波。PWM信号通过晶体管后形成带锯齿波的电压与电流，带锯齿波的电流即为电感电流i L （其中，主电源支路的电感电流为i L1，从电源支路的电感电流为i L2）。带锯齿波的电压与电流通过LC低通滤波器滤除高频锯齿波信号，形成交流正弦输出电压u o 与输出电流i o （其中，主电源支路的输出电流为i o1，从电源支路的输出电流为i o2），主电源与从电源的输出电压通过并联的方式接入到负载。由图10可知，主电源的输出功率P 1的计算公式为P 1=u o i o1，从电源的输出功率P 2的计算公式为P 2=u o i o2 ，并机电源系统的总功率P sum 的计算公式为P sum =P 1+P 2。
当主电源的SOC（荷电状态）值与从电源的SOC值不一致时，即主电源与从电源的剩余容量存在偏差，为了消除偏差需要调整电感电流i L 进而调整输出电流，由于主电源与从电源的输出并联在一起，两台设备的输出电压是一致的，所以输出功率随输出电流的调整而调整。
SOC为标量值即为当前容量与额定容量比例值，取值范围0%~100%，SOC也代表剩余容量，容量对时间的微分即为电源设备的输出功率值，当前容量对时间的微分即为电源设备的当前输出功率值，即电源设备的当前输出功率值的大小代表电源设备的当前容量随时间的变化的大小，亦即电源设备的当前输出功率值代表电源设备的容量随时间的变化的曲线的斜率，因而控制主电源与从电源的输出功率值即可控制主电源和从电源的容量随时间的变化的曲线的斜率，且主电源和从电源的容量随时间的变化的曲线相交的点，代表主电源和从电源的当前容量亦即剩余容量一致的时间点。
传统的并机电源系统，主电源和从电源的输出功率值一直保持一致，也即主电源或从电源的容量随时间的变化的曲线的斜率一致且不改变，如果主电源和从电源在并机电源系统工作时的初始的剩余容量不一致，则由于主电源和从电源的容量随时间的变化的曲线一直平行，两条曲线将一直无法相交，主电源和从电源的容量在放电过程中将从始至终都无法达到一致。
而本申请通过控制主电源或从电源的容量随时间的变化的曲线的斜率不一致，即主电源或从电源的输出功率值不完全一致，而可使得两条曲线相交，且当两条曲线相交时，即为主电源的容量和从电源的容量的差值为零的时间节点，主电源和从电源的当前容量亦即剩余容量在此刻达到一致，进而使得主电源和从电源的容量同时释放完成，最终可实现容量的平衡，从而达到续航时间最大化。
鉴于此，本发明实施例提出一种电源均衡装置，应用于电源系统，如图1所示为该电源均衡装置、该电源系统和负载的结构框图，该电源系统包括并联的主电源和从电源。在其中一个实施例中，主电源和从电源用于给负载供电。需要说明的是，主电源和从电源的数量均为至少一个但不限于一个，多个主电源和从电源可以任意搭配形成多组包含一个主电源和一个或多个从电源的电源组，且不同电源组可共用同一个主电源，电源均衡装置作用于各个电源组中以调整各个主电源的输出电流及各个从电源的输出电流。
该电源均衡装置包括：主电源控制电路1、从电源容量控制电路4、从电源功率控制电路3以及从电源电流控制电路2。
主电源控制电路1，用于调整主电源的输出电流以调整所述主电源的输出功率。这样，通过调整主电源的输出功率，能够调整主电源的容量随时间的变化的放电速度，从而调整主电源的容量随时间的变化的曲线的斜率。
从电源容量控制电路4，用于根据主电源的剩余容量和从电源的剩余容量之间的第一差值，获得参考功率值；从电源功率控制电路3，用于根据从电源的实时功率与所述参考功率值之间的第二差值，生成电压调制信号；从电源电流控制电路2，用于根据所述电压调制信号、从电源的实时放电参数以及所述电源系统的输出电压，调整从电源的输出电流，以调整从电源的输出功率。这样，通过调整从电源的输出功率，能够调整从电源的容量随时间的变化的放电速度，从而调整从电源的容量随时间的变化的曲线的斜率。
当主电源和从电源的当前剩余容量存在差值时，控制主电源和从电源的输出功率不相等，当前剩余容量大的电源设备的输出功率大，当前剩余容量小的电源设备输出功率小，使得主电源和从电源的容量随时间变化的曲线能够相交，主电源和从电源的剩余容量在某个时刻能够达到一致，达到一致后主电源和从电源的当前剩余容量不存在差值即差值为零，之后主电源和从电源的输出功率相等，进而使得主电源和从电源的容量同时释放完成，最终可实现容量的平衡，从而达到续航时间最大化。
为了使得电源系统的输出电压稳定，提供稳定的输出电压给负载。在其中一个实施例中，所述主电源控制电路还用于调整所述主电源的输出电压以调整所述电源系统的输出电压。由于主电源和从电源并联在一起，主电源和从电源的输出电压一致且主电源的输出电压即为电源系统的输出电压，因此，通过调整主电源的输出电压即可调整电源系统的输出电压。在一实施例中，所述电源系统的输出电压为负载的需求电压。这样，一旦电源系统的输出电压不稳定将会影响负载的正常工作时，通过调整主电源的输出电压可以使得电源系统的输出电压稳定，提供稳定的输出电压给负载，保证了负载的正常工作。
如图1所示，在该电源系统中，主电源连接于电源均衡装置的主电源控制电路，从电源连接于电源均衡装置的从电源电流控制电路。即主电源控制电路生成主电源控制信号以调整主电源的输出电流，从电源电流控制电路生成从电源控制信号以调整从电源的输出电流。
在其中一个实施例中，所述主电源控制电路1用于根据所述电源系统的实时输出电压、所述主电源的实时放电参数以及所述电源系统的输出电压参考幅值生成主电源控制信号，以调整所述主电源的输出电流。在其中一个实施例中，所述主电源控制信号还用于调整所述主电源的输出电压以调整所述电源系统的输出电压。
请参考图2，主电源控制电路1包括：主电源电压环参考信号生成模块11、主电源电流环参考信号生成模块12、主电源电流环输出值计算模块13以及主电源累加模块14。主电源电压环参考信号生成模块11，用于根据所述电源系统的输出电压参考幅值Vref生成主电源电压环参考信号；主电源电流环参考信号生成模块12，连接于所述主电源电压环参考信号生成模块11，用于根据所述主电源电压环参考信号与所述电源系统的实时输出电压u o 之间的第三差值生成主电源电流环参考信号；主电源电流环输出值计算模块13，连接于所述主电源电流环参考信号生成模块12，用于根据所述主电源电流环参考信号与所述主电源的实时电感电流i L1之间的第四差值，获得主电源电流环输出值；以及主电源累加模块14，用于将所述主电源电流环输出值、所述主电源电压环参考信号以及所述主电源的实时输出电流i o1进行累加，获得所述主电源控制信号，记为PWM1。其中，所述主电源的实时电感电流i L1和所述主电源的实时输出电流i o1为所述主电源的实时放电参数。
具体地，主电源电压环参考信号生成模块11中输入输出电压参考幅值即可输出主 电源电压环参考信号。继续参考图2，在一些具体实施例中，主电源电压环参考信号生成模 块11包括主电源第一乘法器111，该乘法器111用于将所述输出电压参考幅值Vref与正弦信 号sin(2πft)相乘，以生成所述主电源电压环参考信号，表达式为Vref *sin(2πft)。以负载 所需电压的额定电压120V为例，输出电压参考幅值Vref=120V*=169.7V，输出电压参考幅 值Vref乘上正弦信号sin(2πft)得到所述主电源电压环参考信号，这里π为3.14159，f为所 述电源系统的输出电压的频率，本例中f为50Hz，t为时间。在该例中，所述主电源电压环参 考信号为额定电压120V、额定频率50Hz的正弦信号。
具体地，主电源电流环参考信号生成模块12中输入主电源电压环参考信号、电源系统的实时输出电压u o 即可输出第三差值。继续参考图2，在一些具体实施例中，主电源电流环参考信号生成模块12包括依次连接的主电源第一求差模块121、主电源电压环调节器122以及主电源第二乘法器123。其中，主电源第一求差模块121用于根据所述主电源电压环参考信号Vref *sin(2πft)与所述电源系统的输出电压u o 获得所述第三差值，所述第三差值用公式表示为：。主电源电压环调节器122用于调节所述第三差值生成主电源电流环参考信号，在一示例性的实施方式中，该主电源电压环调节器122为PI调节器，主电源电流环参考信号的表示为：
其中，、/>分别为所述主电源电压环调节器的比例系数和积分系数。主电源第二乘法器123将所述主电源电流环参考信号“”与正弦信号sin(2πft)相乘，获得所述主电源电流环参考信号，记为Iref1，表达式为：
具体地，主电源电流环输出值计算模块13中输入主电源电流环参考信号Iref 1、主电源的实时电感电流i L1即可输出第四差值。继续参考图2，在一些具体实施例中，主电源电流环输出值计算模块13包括主电源第二求差模块131以及连接于主电源第二求差模块131输出端的主电源电流环调节器132；所述主电源第二求差模块131用于根据所述主电源电流环参考信号Iref 1与所述主电源的实时电感电流i L1获得所述第四差值，所述第四差值为Iref 1-i L1；所述主电源电流环调节器用于调节所述第四差值，以获得所述主电源电流环输出值，在一些示例性的实施例中，所述主电源电流环调节器也采用PI调节器，所述主电源电流环输出值的表达式为：，其中，/>、/>分别为所述主电源电流环调节器的比例系数和积分系数。
具体地，主电源累加模块14中输入主电源电流环输出值、主电源电压环参考信号、主电源的实时输出电流i o1即可输出主电源控制信号PWM1。继续参考图2，主电源累加模块14将所述主电源电流环输出值（即，主电源电流环调节器132的输出）、所述主电源电压环参考信号Vref *sin(2πft)以及所述主电源的实时输出电流i o1进行累加，获得所述主电源控制信号PWM1，表达式为：参考图10，主电源控制信号PWM1驱动硬件晶体管、经过LC低通滤波器后得到调整后的输出电流i o1以及输出电压u o 。其中，当输出电压u o 稳定时，不需要调整，当输出电压不稳定时，需要调整。
具体地，从电源容量控制电路4中输入主电源的剩余容量和从电源的剩余容量即可输出参考功率值。参考图3，所述从电源容量控制电路4包括依次连接的容量差值计算模块41、容量环调节器42、第一限幅模块43、从电源第一乘法器44、第二限幅模块45、从电源累加模块46以及开关模块47。具体地，参考功率值即为从电源的应输出功率值，通过对从电源实时输出功率的调整使得从电源的输出功率变为从电源的应输出功率值。
继续参考图3，所述容量差值计算模块41用于根据所述主电源的剩余容量（记为soc1）和所述从电源的剩余容量（记为soc2）获得所述第一差值Err cap ，具体而言，第一差值表达式为Err cap =soc2-soc1。
继续参考图3，所述容量环调节器42用于调节所述第一差值，其可以是P调节器，调节后的第一差值的表达式为：；
其中，Err cap 为所述第一差值，K cp 为所述容量环调节器42的比例系数。
继续参考图3，所述第一限幅模块43用于根据经容量环调节器42调节后的第一差值获得第一限幅值Limit1，以限制所述第一限幅值的范围在[-1,1]之间（通常取整，如取值-1、0、1）。当所述第一限幅值小于0时代表需要反向调制，即从电源需少输出功率，主电源多出功率；当所述第一限幅值为0时代表不需要调制，即主电源和从电源均不需要多出功率或少出功率；当所述第一限幅值大于0时代表需要正向调制，即从电源需多输出功率，主电源少出功率。其中，所述第一限幅值Limit1的表达式为：
其中，Err cap 为所述第一差值，K cp 为所述容量环调节器42的比例系数。
继续参考图3，所述从电源第一乘法器44用于将所述第一限幅值Limit1与负载平均功率Pave相乘，以获得第一功率值，因此所述第一功率值的表达式为Limit1*Pave。具体的，负载平均功率即为当每台电源设备提供给负载的功率平均时提供给负载的功率，例如，有两台电源设备，负载需求功率为3000W，则当每台电源设备提供给负载的功率平均时提供给负载的功率则为1500W。而在本申请中，当主电源与从电源当前容量不一致时，提供给负载的功率也将不平均。
继续参考图3，所述第二限幅模块45用于根据所述第一功率值获得第二限幅值Limit2，以限制所述第二限幅值Limit2的范围在[-Pmax/2,Pmax/2]之间，其中Pmax为主电源的额定功率和从电源的额定功率之间的最小值；所述第二限幅值的表达式为：其中，P ave 为所述负载平均功率，Pmax为主电源的额定功率和从电源的额定功率之间的最小值。当主电源的额定功率和从电源的额定功率相等时，Pmax为主电源的额定功率或从电源的额定功率。
继续参考图3，所述从电源第一累加模块46用于根据所述第二限幅值Limit2与所述负载平均功率P ave 获得第二功率值，具体而言，所述第二功率值的表达式为Limit2+P ave 。
继续参考图3，所述从电源容量控制电路4还包括从电源第二乘法器48和第三限幅模块49；其中，所述开关模块47的第一输出端与所述第三限幅模块49连接，所述开关模块47的第二输出端通过所述从电源第二乘法器48与所述第三限幅模块49连接。所述开关模块47用于在所述第一限幅值Limit1大于或等于零时控制所述第一输出端导通，以使所述第二功率值输出不变以获得第三功率值，即Limit1≥0时的所述第三功率值为Limit2+P ave ；所述开关模块47还用于在所述第一限幅值Limit1小于零时控制所述第二输出端导通，以使所述第二功率值通过所述从电源第二乘法器48输出为两倍后以获得所述第三功率值，即Limit1＜0时的所述第三功率值为2*(Limit2+P ave )。所述第三限幅模块49用于根据所述第三功率值获得第三限幅值Limit3，以限制所述第三限幅值的范围在[0,Pmax]之间，且所述第三限幅值Limit3作为所述参考功率值，记为P ref 。所述第三限幅值Limit3的表达式为：所述参考功率值的表达式为：/>。
具体地，从电源功率控制电路3中输入从电源的实时功率与参考功率值即可生成从电源电压调制信号。参考图4，在一些实施例中，所述从电源功率控制电路3包括：功率差值计算模块31、功率环调节器32以及从电源第三乘法器33。所述功率差值计算模块31用于根据所述从电源的实时输出功率P 2与所述参考功率值P ref 获得所述第二差值Err power ，其表达式为：Err power =P ref -P 2；所述功率环调节器32连接于所述功率差值计算模块31的输出端，用于调节所述第二差值Err power ，所述功率环调节器32可以是PI调节器；所述从电源第三乘法器33连接于所述功率环调节器32的输出端，用于将调节后的所述第二差值Err power 与正弦信号sin(2πft)相乘，以生成所述电压调制信号，记为Vadj，表达式为：其中，/>、/>分别为所述功率环调节器的比例系数和积分系数。
所述从电源电流控制电路2用于根据所述电压调制信号Vadj、所述从电源的实时放电参数以及所述电源系统的输出电压u o ，生成从电源控制信号PWM2，以调整所述从电源的输出功率。具体地，所述从电源的实时放电参数包括从电源的实时电感电流i L2和输出电流i o2。
具体地，从电源电流控制电路2中输入电压调制信号Vadj、从电源的实时电感电流i L2、输出电流i o2以及电源系统的输出电压u o 即可生成从电源控制信号PWM2。参考图5，在一些实施例中，所述从电源电流控制电路2包括：从电源电压环参考信号生成模块21、从电源电流环参考信号生成模块22、从电源电流环输出值计算模块23以及，从电源第二累加模块24。所述从电源电压环参考信号生成模块21，用于根据所述电源系统的输出电压参考幅值Vref生成从电源电压环参考信号；所述从电源电流环参考信号生成模块22，连接于所述从电源电压环参考信号生成模块21，用于根据所述从电源电压环参考信号、所述电压调制信号Vadj以及所述电源系统的输出电压u o 生成从电源电流环参考信号Iref 2；所述从电源电流环输出值计算模块23，连接于所述从电源电流环参考信号生成模块22，用于根据所述从电源电流环参考信号Iref 2与所述从电源的实时电感电流i L2之间的第五差值Iref 2-i L2，获得从电源电流环输出值；所述从电源第二累加模块24，用于将所述从电源电流环输出值、所述从电源电压环参考信号以及所述从电源的实时输出电流进行累加，以生成所述从电源控制信号PWM2。
具体地，从电源电压环参考信号生成模块21中输入输出电压参考幅值Vref即可生成从电源电压环参考信号。继续参考图5，从电源电压环参考信号生成模块21包括从电源第四乘法器211，该乘法器211用于将所述输出电压参考幅值Vref与正弦信号sin(2πft)相乘，获得所述从电源电压环参考信号，表达式为Vref *sin(2πft)。
具体地，从电源电流环参考信号生成模块22中输入从电源电流环参考信号Iref 2与所述从电源的实时电感电流i L2即可输出从电源电流环输出值。继续参考图5，从电源电流环参考信号生成模块22包括依次串联的从电源计算模块221、从电源电压环调节器222以及从电源第四乘法器223。其中，所述从电源计算模块221用于根据所述从电源电压环参考信号、所述电压调制信号Vadj、所述电源系统的实时输出电压u o 获得从电源电流环初始信号，具体地，所述从电源电流环初始信号的表达式为。所述从电源电压环调节器222用于调节所述从电源电流环初始信号，其可以是PI调节器，调节后的所述从电源电流环初始信号的表达式为：，其中，、/>分别为所述第二电压环调节器的比例系数和积分系数。所述从电源第四乘法器223用于将所述调节后的从电源电流环初始信号与正弦信号sin(2πft)相乘，获得所述从电源电流环参考信号，记为Iref 2，表达式为：具体地，从电源电流环输出值计算模块23中输入从电源电流环参考信号Iref 2与从电源的实时电感电流i L2即可输出从电源电流环输出值。继续参考图5，从电源电流环输出值计算模块23，连接于所述从电源电流环参考信号生成模块22，用于根据所述从电源电流环参考信号Iref 2与从电源的实时电感电流i L2之间的第五差值，获得从电源电流环输出值。具体而言，所述从电源电流环输出值计算模块23包括从电源求差模块231以及从电源电流环调节器232，其中所述从电源求差模块231用于计算所述从电源电流环参考信号Iref 2与从电源实时电感电流i L2之间的第五差值（Iref 2-i L2）；所述从电源电流环调节器232可为PI调节器，用于调节所述第五差值，以获得所述从电源电流环输出值，所述从电源电流环输出值的表达式为：具体地，从电源第二累加模块24中输入从电源电流环输出值、从电源电压环参考信号以及从电源的实时输出电流i o2即可输出从电源电流环输出值。继续参考图5，从电源第二累加模块24，用于将所述从电源电流环输出值、所述从电源电压环参考信号以及所述从电源的实时输出电流i o2进行累加，获得所述从电源控制信号，表达式为：其中，、/>分别为所述从电源电流环调节器的比例系数和积分系数。
本发明实施例还提出另一种电源系统，图6示出了该电源系统的系统框图（负载不包括在内），包括并联的主电源和从电源，以及前述实施例所述的电源均衡装置，所述主电源连接于所述电源均衡装置的所述主电源控制电路1，所述从电源连接于所述电源均衡装置的所述从电源电流控制电路2。
本发明另一实施例提出一种电源均衡方法，应用于前述电源系统，该电源均衡方法包括：S1、调整所述主电源的输出电流以调整所述主电源的输出功率；这样，通过调整主电源的输出功率，能够调整主电源的容量随时间的变化的放电速度，从而调整主电源的容量随时间的变化的曲线的斜率；S2、根据所述主电源的剩余容量和所述从电源的剩余容量之间的第一差值，获得参考功率值；S3、根据所述从电源的实时功率与所述参考功率值之间的第二差值，生成电压调制信号；S4、根据所述电压调制信号、所述从电源的实时放电参数以及所述电源系统的输出电压，调整所述从电源的输出电流，以调整所述从电源的输出功率。这样，通过调整从电源的输出功率，能够调整从电源的容量随时间的变化的放电速度，从而调整从电源的容量随时间的变化的曲线的斜率。
当主电源和从电源的当前剩余容量存在差值时，控制主电源和从电源的输出功率不相等，当前剩余容量大的电源设备的输出功率大，当前剩余容量小的电源设备输出功率小，使得主电源和从电源的容量随时间的变化的曲线能够相交，主电源和从电源的剩余容量在某个时刻能够达到一致，达到一致后主电源和从电源的当前剩余容量不存在差值即差值为零，之后主电源和从电源的输出功率相等，进而使得主电源和从电源的容量同时释放完成，最终可实现容量的平衡，从而达到续航时间最大化。
为了使得电源系统的输出电压稳定，提供稳定的输出电压给负载。在其中一个实施例中，所述电源均衡方法还包括：通过调整所述主电源的输出电压来调整所述电源系统的输出电压。由于主电源和从电源并联在一起，主电源和从电源的输出电压一致且主电源的输出电压即为电源系统的输出电压，因此，通过调整主电源的输出电压即可调整电源系统的输出电压。在一实施例中，所述电源系统的输出电压为负载的需求电压。这样，一旦电源系统的输出电压不稳定将会影响负载的正常工作时，通过调整主电源的输出电压可以使得电源系统的输出电压稳定，提供稳定的输出电压给负载，保证了负载的正常工作。
所述电源均衡方法还进一步包括：据所述电压调制信号、所述从电源的实时放电参数以及所述电源系统的输出电压，生成从电源控制信号，调整所述从电源的输出电流，以调整所述从电源的输出功率。
步骤S1中调整所述主电源的输出电流具体包括：根据所述电源系统的实时输出电压、所述主电源的实时放电参数以及所述电源系统的输出电压参考幅值生成主电源控制信号，以调整所述主电源的输出电流。其中，生成所述主电源控制信号的步骤包括：S11、根据所述电源系统的输出电压参考幅值获得主电源电压环参考信号；S12、根据所述主电源电压环参考信号与电压环反馈信号之间的第三差值生成主电源电流环参考信号；S13、根据所述主电源电流环参考信号与主电源的第一实时放电参数之间的第四差值，计算主电源电流环输出值；S14、将所述主电源电流环输出值、所述主电源电压环参考信号以及主电源的第二实时放电参数进行累加，获得所述第一控制信号。
其中，所述主电源电压环参考信号为：；/>为所述输出电压参考幅值，f为所述电源系统的输出电压的频率，t为时间。生成所述主电源电流环参考信号的步骤包括：利用PI调节器作为主电源电压环调节器，对所述第三差值进行比例调节和积分调节，调节后的输出再乘上正弦信号/>，得到所述主电源电流环参考信号Iref1，其表达式已在前面的实施例列出，在此不再赘述。
计算所述主电源电流环输出值的步骤包括：先用所述主电源电流环参考信号减去所述主电源的第一实时放电参数（主电源的电感电流i L1），获得所述第四差值；然后利用主电源电流环调节器（同样可采用PI调节器）调节所述第四差值，调节后的输出即为所述主电源电流环输出值。同样地，所述主电源电流环输出值的表达式已在前述的实施例中给出，在此不再赘述。
最后，将上述得到的主电源电流环输出值、所述主电源电压环参考信号以及主电源的第二实时放电参数（主电源的输出电流i o1）进行累加，获得所述第一控制信号PWM1，其表达式见于前述实施例，在此不再赘述。
步骤S2中根据所述第一差值，获得所述参考功率值，具体包括：
S21、用soc2减去soc1获得所述第一差值；
S22、将所述第一差值输入容量环调节器，所述容量环调节器为P调节器；对所述容量环调节器的输出进行限幅，得到表征功率调节方向的第一限幅值，以限制所述第一限幅值的范围在[-1,1]之间（通常取整，如-1,0,1）。当所述第一限幅值小于0时代表需要反向调制，即从电源需少输出功率；当所述第一限幅值为0时代表不需要调制，即平衡负载功率；当所述第一限幅值大于0时代表需要正向调制，即从电源需多输出功率。其中，所述第一限幅值的表达式为：Err cap 为所述第一差值，K cp 为所述容量环调节器的比例系数；
S23、将所述第一限幅值与负载平均功率P ave 相乘，获得第一功率值Limit1*P ave ；
S24、对所述第一功率值进行限幅，得到表征单台电源可均衡功率的第二限幅值，以限制所述第二限幅值的范围在[-Pmax/2,Pmax/2]之间；所述第二限幅值的表达式为：其中，P max为从电源的额定功率；
S25、将所述第二限幅值与所述负载平均功率相加，获得第二功率值Limit2+P ave ；
S26、根据所述第一限幅值，选择将所述第二功率值乘2倍后输出或直接输出作为第三功率值；具体而言，当第一限幅值Limit1≥0时，选择将所述第二功率值直接输出获得第三功率值，即Limit1≥0时的所述第三功率值为Limit2+P ave ；当第一限幅值Limit1<0时，选择将所述第二功率值乘以2后输出作为所述第三功率值，即Limit1<0时的所述第三功率值为2*(Limit2+P ave )；
S27、对所述第三功率值进行限幅，得到第三限幅值，以限制所述第三限幅值的范围在[0, P max ]之间，且所述第三限幅值作为所述参考功率值，记为P ref 。
步骤S3中根据所述第二差值，生成所述电压调制信号，具体包括：
S31、用所述参考功率值P ref 减去所述从电源的实时功率P 2，得到所述第二差值Err power =P ref -P 2；
S32、将所述第二差值输入功率环调节器，所述功率环调节器为PI调节器；
S33、将所述功率环调节器的输出与正弦信号sin(2πft)相乘，获得所述电压调制信号，记为Vadj，其表达式已在前述实施例给出，在此不再赘述。
步骤S4中，根据所述电压调制信号、所述从电源的实时放电参数以及所述电源系统的输出电压，生成从电源控制信号，调整所述从电源的输出电流以及输出功率。生成所述从电源控制信号的具体步骤包括：
S41、根据所述电源系统的输出电压参考幅值获得从电源电压环参考信号；具体地，从电源电压环参考信号与主电源电压环参考信号相同，均为Vref *sin(2πft)；
S42、根据所述从电源电压环参考信号Vref *sin(2πft)、所述电压调制信号Vadj以及电压环反馈信号（u o ）生成从电源电流环参考信号；具体地，用所述从电源电压环参考信号Vref *sin(2πft)与所述电压调制信号Vadj相加，再减去所述电源系统的实时输出电压u o 获得从电源电流环初始信号，即；
S43、用电压环调节器对所述从电源电流环初始信号进行PI调节，调节后的输出再与正弦信号sin(2πft)相乘，获得所述从电源电流环参考信号Iref 2；
S44、根据所述从电源电流环参考信号Iref 2与从电源的第三实时放电参数（从电源的电感电流i L2）之间的第五差值，计算从电源电流环输出值；具体而言，首先计算所述从电源电流环参考信号Iref 2与从电源实时电感电流i L2之间的第五差值（Iref 2-i L2），然后利用从电源电流环调节器（PI调节器）对所述第五差值进行PI调节，以获得所述从电源电流环输出值，其表达式在前述实施例已经给出，不再赘述；
S45、将所述从电源电流环输出值、所述从电源电压环参考信号以及从电源的第四实时放电参数（从电源的输出电流i o2）进行累加，获得所述从电源控制信号PWM2，其表达式在前述实施例已给出，在此不再赘述。
下面通过并机系统电源容量和负载的常见工况来对本发明的电源均衡装置及方法的应用进行说明。当主电源和从电源为相同规格的电压设备时，主电源和从电源的额定容量相等，则SOC代表剩余容量也能代表主电源和从电源的当前容量，因此以主电源SOC和从电源SOC进行对比。并机系统电源容量的三种主要工况：主电源SOC大于从电源SOC、从电源SOC大于主电源SOC、主电源SOC等于从电源SOC；并机系统连接的负载主要包含两种工况：总功率低于单台电源额定功率，总功率高于单台电源额定功率。组合共计6种工况，下面以表格方式将对应工况进行分解，具体数据如下表所示：工况1：主电源SOC=100%，从电源SOC=50%，负载需求功率1500W，负载平均功率750W，单台设备额定功率2400W。
表1
工况2：主电源SOC=50%，从电源SOC=100%，并机总功率1500W，平均功率750W，单机额定功率2400W。
表2
工况3：主电源SOC=50%，从电源SOC=50%，并机总功率1500W，平均功率750W，单机额定功率2400W。
表3
工况4：主电源SOC=100%，从电源SOC=50%，并机总功率3000W，平均功率1500W，单机额定功率2400W。
表4
工况5：主电源SOC=50%，从电源SOC=100%，并机总功率3000W，平均功率1500W，单机额定功率2400W。
表5
工况6：主电源SOC=50%，从电源SOC=50%，并机总功率3000W，平均功率1500W，单机额定功率2400W。
表6
设定电源额定容量为3000Wh，主电源SOC=100%时，对应容量为3000Wh；从电源SOC=50%时，对应容量为1500Wh；当负载需求功率为1500W，且主电源和从电源的控制无本发明的均衡方案时，电源系统续航时间为图6所示；当主电源和从电源的控制加入本发明的均衡方案后，电源系统续航时间为图7所示。由图6可知电源系统将负载需求功率平均分配给单台电源设备，主电源与从电源的放电曲线的斜率是一致，均为-750，当从电源电池容量放空时，主电源依旧剩余50%的容量，电源系统的续航时间为2小时。由图7可知电源系统在1小时内采用变曲线斜率控制方式，从电源的放电曲线斜率为零，而主电源的放电曲线的斜率为-1500，在1小时节点，两条直线形成交叉点，在该交叉点主电源与从电源容量偏差为零；1小时后主电源与从电源继续以-750的放电曲线斜率进行放电，电源系统的续航时间延长为3小时。通过对比可知，采用本发明的均衡方法的电源系统在1500W负载时，续航时间延长了1小时。
当负载需求功率为3000W，超过单台电源设备额定功率2400W，主电源和从电源的控制无均衡方法时，电源系统续航时间如图8所示；主电源和从电源的控制加入本发明的均衡方法时，电源系统续航时间为图9所示。由图8可知电源系统将负载需求功率平均分配给单台电源设备，主电源与从电源的放电曲线斜率是一致，均为-1500，当从电源电池容量放空时，主电源依旧剩余50%的容量，电源系统的续航时间为1小时。由图9可知电源系统在0.85小时内采用变斜率控制方式，从电源的放电曲线斜率为-600，而主电源的放电曲线斜率为-2400，在0.85小时节点，两条直线形成交叉点，在该交叉点主电源与从电源容量偏差为零；0.85小时后主电源与从电源继续以-1500斜率的放电曲线进行放电，电源系统的续航时间为1.5小时。通过对比可知，采用本发明的均衡方法的并机系统在3000W负载时，续航时间延长了0.5小时。
可见，本发明前述实施例提供的电源均衡装置及方法，在主电源与从电源存在容量偏差时，能通过调节主电源与从电源的输出电流来调节输出功率，使得主电源与从电源的电量同时释放完，使电源系统的续航时间得以最大化。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电源均衡装置，应用于电源系统，所述电源系统包括并联的主电源和从电源，其特征在于，所述电源均衡装置包括：
主电源控制电路，用于调整所述主电源的输出电流以调整所述主电源的输出功率；
从电源容量控制电路，用于根据所述主电源的剩余容量和所述从电源的剩余容量之间的第一差值，获得参考功率值；
从电源功率控制电路，用于根据所述从电源的实时功率与所述参考功率值之间的第二差值，生成电压调制信号；以及
从电源电流控制电路，用于根据所述电压调制信号、所述从电源的实时放电参数以及所述电源系统的输出电压，调整所述从电源的输出电流，以调整所述从电源的输出功率。
2.如权利要求1所述的电源均衡装置，其特征在于，所述主电源控制电路还用于调整所述主电源的输出电压以调整所述电源系统的输出电压。
3.如权利要求1所述的电源均衡装置，其特征在于，所述主电源控制电路用于根据所述电源系统的实时输出电压、所述主电源的实时放电参数以及所述电源系统的输出电压参考幅值生成主电源控制信号，以调整所述主电源的输出电流。
4.如权利要求1所述的电源均衡装置，其特征在于，所述从电源容量控制电路包括依次连接的容量差值计算模块、容量环调节器、第一限幅模块、从电源第一乘法器、第二限幅模块、从电源累加模块以及开关模块；
所述容量差值计算模块用于根据所述主电源的剩余容量和所述从电源的剩余容量获得所述第一差值；
所述容量环调节器用于调节所述第一差值；
所述第一限幅模块用于根据调节后的第一差值获得第一限幅值，以限制所述第一限幅值的范围在[-1,1]之间；
所述从电源第一乘法器用于将所述第一限幅值与负载平均功率相乘，以获得第一功率值；
所述第二限幅模块用于根据所述第一功率值获得第二限幅值，以限制所述第二限幅值的范围在[-Pmax/2,Pmax/2]之间，其中，Pmax为主电源的额定功率和从电源的额定功率之间的最小值；
所述从电源第一累加模块用于根据所述第二限幅值与所述负载平均功率获得第二功率值；
所述从电源容量控制电路还包括从电源第二乘法器和第三限幅模块，其中，所述开关模块的第一输出端与所述第三限幅模块连接，所述开关模块的第二输出端通过所述从电源第二乘法器与所述第三限幅模块连接；所述开关模块用于在所述第一限幅值大于或等于零时控制所述第一输出端导通，以使所述第二功率值输出不变以获得第三功率值，所述开关模块还用于在所述第二限幅值小于零时控制所述第二输出端导通，以使所述第二功率值通过所述从电源第二乘法器输出为两倍后以获得所述第三功率值；
所述第三限幅模块用于根据所述第三功率值获得第三限幅值，以限制所述第三限幅值的范围在[0,Pmax]之间，且所述第三限幅值作为所述参考功率值。
5.如权利要求1所述的电源均衡装置，其特征在于，所述从电源功率控制电路包括：
功率差值计算模块，用于根据所述从电源的实时输出功率与所述参考功率值获得所述第二差值；
功率环调节器，连接于所述功率差值计算模块的输出端，用于调节所述第二差值；
从电源第三乘法器，连接于所述功率环调节器的输出端，用于将调节后的所述第二差值与从电源第一正弦信号相乘，以生成所述电压调制信号。
6.如权利要求1所述的电源均衡装置，其特征在于，所述从电源电流控制电路用于根据所述电压调制信号、所述从电源的实时放电参数以及所述电源系统的输出电压，生成从电源控制信号，调整所述从电源的输出电流，以调整所述从电源的输出功率。
7.一种电源系统，包括并联的主电源和从电源，其特征在于：还包括如权利要求1-6任一项所述的电源均衡装置，所述主电源连接于所述电源均衡装置的所述主电源控制电路，所述从电源连接于所述电源均衡装置的所述从电源电流控制电路。
8.一种电源均衡方法，应用于电源系统，所述电源系统包括并联的主电源和从电源，其特征在于，所述电源均衡方法包括：
调整所述主电源的输出电流以调整所述主电源的输出功率；
根据所述主电源的剩余容量和所述从电源的剩余容量之间的第一差值，获得参考功率值；
根据所述从电源的实时功率与所述参考功率值之间的第二差值，生成电压调制信号；
根据所述电压调制信号、所述从电源的实时放电参数以及所述电源系统的输出电压，调整所述从电源的输出电流，以调整所述从电源的输出功率。
9.如权利要求8所述的电源均衡方法，其特征在于，还包括：调整所述主电源的输出电压以调整所述电源系统的输出电压。
10.如权利要求8所述的电源均衡方法，其特征在于，还包括：根据所述电压调制信号、所述从电源的实时放电参数以及所述电源系统的输出电压，生成从电源控制信号，调整所述从电源的输出电流，以调整所述从电源的输出功率。
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