一种超级电容与蓄电池混合储能及供电充电方法与流程

本发明涉及一种超级电容与蓄电池混合储能及供电充电方法，确切地说是应用于车间物流移动搬运车中的混合储能及供电系统。属混合储能及供电充电领域。

背景技术：

移动搬运车是车间自动化物流系统的重要组成部分，是物流系统实现自动化、智能化柔性化的核心移动搬运单元之一，移动搬运车包括各种导引方式的AGV、行走于地面轨道的穿梭车、行走于货架的穿梭板、多层穿梭车等自动搬运车，或人工电动搬运车。

在特定应用场景中，需要移动搬运车辆自身携带储能装置以实现自主供电，而非通过滑触线电刷的在线取电模式。在这种自主供电模式下，经常存在瞬间频繁大的电流充电、瞬间高功率、车辆变轨等需求。其中，车辆变轨是指行驶在固定轨道上的穿梭车或多层穿梭车从当前巷道变换到其他巷道的行为，只有采用自主供电(自身携带储能装置)的模式方可实现自由换轨。

这种特殊工况下采用现有单一储能单元(单一蓄电池、或者单一超级电容)都往往无法满足需求，这是由于单一蓄电池、单一超级电容本身特性所限制。

技术实现要素：

本发明针对电动力移动搬运车辆的特殊需求，提出了一种超级电容与蓄电池混合储能及供电充电方法。

本发明的目的通过如下技术方案实现。一种超级电容与蓄电池混合储能，其特征在于混合储能主要由供电回路和充电回路构成，包括储能单元、电源变换单元、控制管理单元，还包括充电靴(11)、负载(5)以及若干常开、常闭触点、二极管、熔断器和连接导线；

供电回路包括混合供电回路(S1)、超级电容单独供电回路(S3)和蓄电池单独供电回路(S2)，三种供电回路可在控制管理单元作用下进行切换；

充电回路包括混合充电回路(C1)、超级电容单独充电回路(C2)和蓄电池单独充电回路(C3)，三种充电回路可在控制管理单元的作用下进行切换；

储能单元包括蓄电池(1)和超级电容器(3)，超级电容(3)在正极串联常闭触点K4后通过第一DC/DC(2)与蓄电池(1)并联连接。

所述蓄电池(1)与超级电容(3)组成的混合供电回路，包括第一DC/DC(2)变换器，与其输入端通过常闭触点K4相连接的超级电容(3)及与其输出端相连接的蓄电池(1)，还包括蓄电池(1)正极端依次连接的二极管D1、常闭触点K2、熔断器F、第二DC/DC(4)的正极输入端，蓄电池(1)的负极与第二DC/DC输入端负极连接；

所述负载(5)按标注极性与第二DC/DC的输出端连接。

所述控制管理单元由能量管理系统(8)以及与其通过CAN总线、485总线、232串行接口或I/O相连接的电池管理系统(7)、电容管理系统(6)、整车控制系统(10)、充电机(9)所构成；

所述电源变换单元包括第一DC/DC变换器(2)和第二DC\DC变换器(4)。

一种超级电容与蓄电池混合储能的供电充电方法，其特征在于，所述方法包括充电方法和供电方法；其中：

充电方法：

步骤1：电池管理系统7或电容管理系统6触发充电请求信号，或者直接满足步骤3；

步骤2：能量管理系统8告知整车管理系统10，整车控制系统10向使用该方法的移动设备下发移动到充电位的命令；

步骤3：使用该方法的移动设备到达充电位；

步骤4：充电机输出端与取电靴11对接成功，能量管理系统8根据电池管理系统7、电容管理系统6给出的电池和电容状态信息，做出充电模式判断，如果能量管理系统8控制触点K3、K5、K4闭合，K1、K2断开，则形成混合充电回路C1；如果能量管理系统8控制触点K3、K5闭合，K1、K2、K4断开，则形成超级电容单独充电回路C2；如果能量管理系统8控制触点K1闭合，K2、K3、K5断开，则形成蓄电池单独充电回路C3；

供电方法：能量管理系统8根据电池管理系统7、电容管理系统6给出的信息，做出供电模式判断；如果能量管理系统8控制触点K2、K4闭合，触点K1、K3、K5断开，则构成混合供电回路S1；如果能量管理系统8控制触点K2、K3、K5闭合，触点K1、K4断开，则构成超级电容单独供电回路S2；如果能量管理系统8控制触点K2闭合，触点K1、K3、K4、K5断开，则构成蓄电池单独供电回路S3；

所述蓄电池(1)单独供电回路，包括蓄电池(1)，以及与其正极端依次串联连接的二极管D1、常闭触点K2、熔断器F、第二DC/DC(4)的正极输入端，其中第二DC/DC(4)的输入端负极与蓄电池(1)的负极相连构成蓄电池(1)单独供电回路；所述负载(5)按极性与第二DC/DC的输出端连接。

所述超级电容(3)单独供电回路，包括其正极端依次串联连接的常闭触点K3、常闭触点K2、熔断器F、第二DC/DC(4)的正极输入端；其负极端依次串联连接常开触点K5、第二DC/DC(4)的负极输入端，共同构成超级电容(3)的单独供电回路；所述负载(5)按极性与第二DC/DC的输出端连接。

所述混合充电回路(C1)包括充电靴(11)，分别与充电靴(11)正负极串联的常闭触点K3、K5，正负极分别与常闭触点K3、K5的另一端连接的超级电容(3)，还包括与超级电容(3)通过常闭触点K4、第一DC/DC变换器(2)相并联的蓄电池(1)；所述超级电容充电回路(C2)由充电靴(11)并经正负极分别串联常闭触点K3、K5后与超级电容(3)的正负极连接构成；所述蓄电池充电回路(C3)由充电靴(11)并在正极串联常闭触点K3后与蓄电池正负极连接构成。

所述压第二DC/DC(4)为宽电压输入、输出电压和功率可调的双向DC/DC变换器，在负载(5)制动时，超级电容单独供电回路(S2)自动转换为能量回馈电路，并将制动能量回馈到超级电容(3)。

所述蓄电池(1)包括但不限于铅酸电池及锂电池。

本发明所述的电池管理系统用于完成电池状态信息的采集和输出控制功能，电容管理系统用于完成电容状态信息的采集和控制作用，车载控制系统是本发明所应用的自动化移动搬运车的控制系统，充电机用于向本发明储能单元进行充电，这些均可通过但不限于CAN总线或CANOpen、485总线、232串行通信接口或I/O接口中的一种或多种通信方式与能量管理系统建立通信，进行数据交互，以供能量管理系统进行逻辑判断和决策。

本发明采用蓄电池和超级电容组成混合储能器、供电充电单元，综合利用蓄电池的高能量密度和超级电容的超高功率密度、超高充电电流、超长循环寿命等两者的优点，使混合后的储能单元能够满足移动搬运车对储能单元能量密度、功率密度、大电流频繁充电、循环寿命、车辆变轨的需求。

本发明通过需要综合考虑多种单一储能单元的优缺点，采用多种储能单元以混合储能、供电充电模式进行工作，让每个储能单元都能够扬长避短、发挥优势，实现发明目的，满足特定工况的要求。

附图说明

下面结合说明书附图进一步阐述本发明内容。

图1是本发明的电路原理示意图。

图2是本发明的混合供电回路原理示意图。

图3是本发明的超级电容单独供电回路原理示意图。

图4是本发明的蓄电池单独供电回路原理示意图。

图5是本发明的蓄电池与超级电容同时混合充电原理示意图。

图6是本发明的超级电容充电回路原理示意图。

图7是本发明的蓄电池充电回路原理示意图。

图中：1—蓄电池；2—第一DC/DC变换器；3—超级电容；4—第二DC/DC变换器；5—负载；6—电容管理系统；7—电池管理系统；8—能量管理系统；9—充电机；10—整车控制系统；11—充电靴。

具体实施方式

本发明一种超级电容与蓄电池混合储能及供电方法，从电源输入端起依次包括有充电靴、常闭触点K3、超级电容、常闭触点K4、第一DC/DC、蓄电池、二极管D1、常闭触点K2、熔断器F、第二DC/DC变换器、负载以及连接在超级电容负极与充电靴负极的常开触点K5，连接蓄电池正极和充电靴正极的K1，共同构成本发明的储能及供电回路；另外，控制系统部分包括能量管理系统，以及与其通过CAN或CANOpen总线、485总线、232通信接口、I/O接口等连接的电池管理系统、电容管理系统、整车控制系统、充电机等组成，构成了本发明的控制逻辑核心。

本发明的储能及供电回路在能量控制系统的作用下可在蓄电池和超级电容混合储能供电回路、蓄电池单独供电回路、超级电容单独供电回路之间进行切换，以适应储能装置的当前工况。

本发明工作在蓄电池与超级电容混合供电回路状态时，能量管理系统控制触点K4、K2闭合，触点K1、K3、K5断开，超级电容经过触点K4与第一DC/DC的输入端连接，第一DC/DC的输出端根据极性连接到电池的正负极，然后依次经过二极管D1、触点K2、熔断器F、进入第二DC/DC，最后经第二DC/DC的变换调节输出到负载。此回路中会根据电池端电压和容量实时调整超级电容和电池向负载输出的能量，如果电池电量不足，则超级电容可同时实现对电池充电和负载供电；如果负载所需功率大于第一DC/DC的输出功率时，蓄电池与超级电容共同向负载提供输出功率。

本发明也可根据需要切换到超级电容单独供电回路，能量管理系统控制触点K2、K3、K5闭合，K1、K4断开，电流Ic由超级电容正极流出经触点K3、K2和熔断器F后进入第二DC/DC的输入端，电容负极经闭合后的触点K5与第二DC/DC输入端负极连接，经第二DC/DC变换到满足负载的输出电压和输出功率，驱动负载工作。

本法明也可在能量管理系统的控制下切换到由蓄电池单独供电的回路中，此时，触点K2闭合，触点K1、K3、K4、K5断开，电流由电池正极流出，经二极管D1、触点K2、熔断器F进入第二DC/DC的输入端，经第二DC/DC变换调节后输出到负载。

本发明所述第一DC/DC为宽电压输入，输出电压和功率可调的降压/升压型单向直流变换器，电流只能由输入端流入，输出端流出。

本发明所述第二DC/DC为宽电压输入，输出电压和功率可调节的降压/升压型双向直流变换器，可实现负载制动能量的回收，将回收电能充入到超级电容中，超级电容超高的充电效率也是本发明在制动回馈阶段充分利用的优点，提高回馈电能的利用率。

本发明在能量管理系统的控制下具备混合充电回路、蓄电池单独充电回路、超级电容单独充电回路。所述混合充电回路是在能量管理系统的控制下，使触点K3、K4、K5闭合，K1、K2断开，回路由充电靴作为充电回路的输入端，充电电流经触点K3对超级电容进行充电，当超级电容端电压大于第一DC/DC的输入端电压时，第一DC/DC自动启动输出，并向电池进行充电，构成本发明所述的混合充电回路。

本发明所述蓄电池单独充电回路是在能量管理系统的控制下，使触点K1闭合，触点K2、K3、K4、K5断开，充电电流由充电靴流入，经触点K1对蓄电池进行充电，构成本法明中的蓄电池单独充电回路。

本发明所述超级电容单独充电回路是在能量管理系统的控制下，使触点K3、K5闭合，触点K1、K2、K4断开，充电电流首先经充电靴流入，经触点K3对超级电容进行充电，构成本发明所述的超级电容单独充电回路。

本法明所述充电靴的另一端与充电机的输出端相连。

本法明所述充电方法一般由以下步骤构成：

步骤1：电池管理系统7或电容管理系统6触发充电请求信号，或者直接满足步骤3；

步骤2：能量管理系统8告知整车管理系统10，整车控制系统10向使用该方法的移动设备下发移动到充电位的命令；

步骤3：使用该方法的移动设备到达充电位；

步骤4：充电机输出端与取电靴11对接成功，能量管理系统8根据电池管理系统7、电容管理系统6给出的电池和电容状态信息，做出充电模式判断，如果能量管理系统8控制触点K3、K5、K4闭合，K1、K2断开，则形成混合充电回路C1；如果能量管理系统8控制触点K3、K5闭合，K1、K2、K4断开，则形成超级电容单独充电回路C2；如果能量管理系统8控制触点K1闭合，K2、K3、K5断开，则形成蓄电池单独充电回路C3。

结合附图，本发明具体工作过程如下：

如图1所示，一种超级电容与蓄电池混合储能及供电充电方法，按照电流输入输出的流向包括顺序连接的充电靴11，超级电容3，第一DC/DC变换器2，蓄电池1，二极管D1，常闭触点K2，熔断器F，第二DC/DC变换器4，负载5以及其他若干导线、常开、常闭触点等；另外，控制部分还包括能量管理系统8，以及与能量管理系统8相连接的电池管理系统7、电容管理系统6、整车控制系统10和充电机9。其中，充电靴11一端与充电机的输出端对接，另一端根据极性通过导线连接到本发明K1和K3、K5以及蓄电池的负极，再经过导线将K1、K3、K5分别与蓄电池1正极、超级电容3正极和负极相连，是本发明储能单元的电源输入端；第一DC/DC变换器2是宽电压输入、输出电压和功率可调节的降压/升压型直流变换器，其输入端通过触点K4与超级电容3正负极相连,可实现超级电容向电池和负载供电；蓄电池1依次通过二极管D1、常闭触点K2、熔断器F与第二DC/DC相连接；第二DC/DC变换器4是宽电压输入、输出电压和功率可调节的降压/升压型双向直流变换器，负责将储能单元输出的电压和功率调节到适合负载所需电压和功率。

本发明中的能量管理系统8具备CAN总线或CANOpen、485总线、232串行通信接口、I/O通信接口等多种信息交互接口，满足与电池管理系统7、电容管理系统6、充电机9、整车控制器10之间的通信连接，其通信连接方式包括但不限于以上所述接口，也可以是一种通信或多种通信接口的组合，CAN或CANOpen为本发明优选通信接口。

本发明中的常开和常闭触点是与能量管理系统8的I/O接口直接或间接连接，用于实现能量管理系统对充电回路和放电回路的切换和控制，实现混合储能和供电以及单独储能和供电回路。

本发明第二DC/DC变换器为双向直流变换器，可对负载制动时所产生的制动电流进行回馈，并将回馈电流反充至超级电容。

本发明所述蓄电池可包括但不限于铅酸电池、锂电池。

本发明所中的整车控制器可与能量管理系统集成在同一个控制系统中，在简用或采用不具备电容管理系统的超级电容时，对超级电容状态采集的功能同样可集成在能量管理系统中。

如图2所示，本法明工作在混合供电回路S1时，电流由超级电容3经触点K4流入第一DC/DC变换器2的输入端，第一DC/DC的输出端与蓄电池1正负极并联，然后从电池正极经二极管D1、触点K2、熔断器F输入到第二DC/DC变换器4的输入端，再由第二DC/DC变换器4变换调节后输出到负载5。

如图3所示，本发明工作在超级电容单独供电回路S2时，电流从超级电容3流出，依次经触点K3、K2、熔断器F进入第二DC/DC变换器的输入端，经变换调节后输出到负载。

如图4所示，本发明工作在蓄电池单独供电回路S3时，电流从蓄电池流出，依次经二极管D1，触点K2，熔断器F进入第二DC/DC变换器的输入端，经变换调节后输出到负载。

如图5所示，本法明工作在混合充电回路C1时，触点K3、K4、K5闭合，电流由充电靴11经触点K3向超级电容充电，当超级电容端电压位于第一DC/DC变换器2的输入窗口时，第一DC/DC变换器自动启动工作，经变换调节后向蓄电池进行充电。

如图6、图7所示，分别为本发明超级电容单独充电回路C2和蓄电池单独充电回路C3。

上述实施实例仅仅是对具体的实施方式的示意性描述，本发明的范围亦不限于上述特定实施实例。