复合储能系统及其控制方法以及移动设备与流程

[0001]
本发明涉及复合储能技术领域，尤其是涉及复合储能系统及其控制方法以及移动设备。


背景技术：

[0002]
储能系统普遍应用于可移动、电动化系统，如电动汽车、移动机器人和移动通讯设备等，发挥着越来越重要的作用。长续航时间要求储能系统具有较大的能量密度，而快速充电、快速能量输出等则要求储能系统具有较大的功率密度。然而，目前的储能系统，特别是电池储能系统，很难同时解决大能量密度和大功率密度的需求。
[0003]
现有方法主要通过复合储能系统实现大能量密度和大功率密度的需求，其中，复合储能系统包括能量型储能器件与功率型储能器件，通过dcdc(direct current，直流变换器)实现能量型储能器件与功率型储能器件的能量输入和输出，虽然可以满足大能量密度和大功率密度的需求，但是电效率较低，导致能量存在损耗，降低了复合储能系统的性能。


技术实现要素：

[0004]
有鉴于此，本发明的目的在于提供复合储能系统及其控制方法以及移动设备，以缓解上述问题。
[0005]
第一方面，本发明实施例提供了一种复合储能系统，包括综合控制器和储能结构，其中，储能结构包括均与综合控制器连接的第一驱动电机、第二驱动电机、能量型储能器和功率型储能器，综合控制器包括：信息测量单元，用于对储能结构的指定位置进行检测，得到指定位置的电压值和电流值；模式选择单元，用于根据电压值和电流值，计算得到储能结构的功率需求，并根据功率需求确定储能结构的工作模式；其中，工作模式包括预充电模式、驱动模式、第一供电模式、第二供电模式、第一能量回收模式和第二能量回收模式；模式输出控制单元，用于控制储能结构按照工作模式工作。
[0006]
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，上述储能结构还包括均与综合控制器连接的预充电电路、第一开关、第二开关、第三开关和二极管；其中，预充电电路和第一开关并联组成并联支路，并联支路的一端与能量型储能器连接，并联支路的另一端则分别与第一驱动电机和第二开关连接，第二开关与二极管的阳极连接，二极管的阴极则分别与第三开关和第二驱动电机连接，第三开关还与功率型储能器连接，第一驱动电机、能量型储能器、功率型储能器和第二驱动电机依次连接。
[0007]
结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，在预充电模式或者第一能量回收模式中，第二开关和第三开关均处于关闭状态，第一开关处于开启状态。
[0008]
结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，在驱动模式或者第二能量回收模式中，第一开关和所述第三开关均处于闭合状态，第二开关处于开启状态。
[0009]
结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，在第一供电模式中，第一开关和第二开关均处于闭合状态，第三开关处于开启状态。
[0010]
结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，在第二供电模式中，第一开关、第二开关和第三开关均处于闭合状态。
[0011]
结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，上述能量型储能器包括以下至少一种：储能型锂电池、镍镉电池、镍氢电池和铅酸电池。
[0012]
结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，上述功率型储能器包括以下至少一种：超级电容、飞轮储能器和功率型锂电池。
[0013]
第二方面，本发明实施例还提供一种复合储能系统的控制方法，应用于第一方面的复合储能系统，其中，复合储能系统包括综合控制器和储能结构，储能结构包括均与综合控制器连接的第一驱动电机、第二驱动电机、能量型储能器和功率型储能器，综合控制器包括信息测量单元、模式选择单元和模式输出控制单元；该方法包括：获取储能结构的指定位置的电压值和电流值；根据电压值和电流值，计算得到储能结构的功率需求，并根据功率需求确定储能结构的工作模式；其中，工作模式包括预充电模式、驱动模式、第一供电模式、第二供电模式、第一能量回收模式和第二能量回收模式；控制储能结构按照工作模式工作。
[0014]
第三方面，本发明实施例还提供一种移动设备，该移动设备配置有第一方面的复合储能系统。
[0015]
本发明实施例带来了以下有益效果：
[0016]
本发明实施例提供了复合储能系统及其控制方法以及移动设备，通过综合控制器调整储能结构的工作模式，以满足大能量密度和大功率密度的需求，同时，实现了能量型储能器和功率型储能器的能量管理，与现有方法中通过dcdc实现能量管理相比，提高了复合储能系统的能量效率，具有较好的实用价值。
[0017]
本发明的其他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在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
[0018]
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
[0019]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0020]
图1为本发明实施例提供的一种复合储能系统的示意图；
[0021]
图2为本发明实施例提供的另一种复合储能系统的示意图；
[0022]
图3为本发明实施例提供的一种预充电模式的示意图；
[0023]
图4为本发明实施例提供的一种驱动模式的示意图；
[0024]
图5为本发明实施例提供的一种第一供电模式的示意图；
[0025]
图6为本发明实施例提供的一种第二供电模式的示意图；
[0026]
图7为本发明实施例提供的一种第一能量回收模式的示意图；
[0027]
图8为本发明实施例提供的一种第二能量回收模式的示意图；
[0028]
图9为本发明实施例提供的一种复合储能系统的控制方法的流程图；
[0029]
图10为本发明实施例提供的另一种复合储能系统的控制方法的流程图。
具体实施方式
[0030]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
[0031]
目前，对于电动汽车、移动机器人等动力性能的需求，越来越多系统采用双电机系统设计，如何合理调度双电机系统，获得更好功率和能量输出，具有重要的意义。针对现有的复合储能系统存在能量损耗导致性能较低的问题，本发明实施例提供了复合储能系统及其控制方法以及移动设备，通过综合控制器调整储能结构的工作模式，以满足大能量密度和大功率密度的需求，同时，实现了能量型储能器和功率型储能器的能量管理，与现有方法中通过dcdc实现能量管理相比，提高了复合储能系统的能量效率，具有较好的实用价值。
[0032]
为便于对本实施例进行理解，下面首先对本发明实施例提供的一种复合储能系统进行详细介绍。
[0033]
实施例一：
[0034]
本发明实施例提供了一种复合储能系统，如图1所示，包括综合控制器1和储能结构2，其中，储能结构2包括均与综合控制器1连接的第一驱动电机21、第二驱动电机22、能量型储能器23和功率型储能器24，综合控制器1包括依次连接的信息测量单元11、模式选择单元12和模式输出控制单元13。
[0035]
其中，综合控制器1中各个单元的功能如下：信息测量单元11用于对储能结构2的指定位置进行检测，得到指定位置的电压值和电流值；模式选择单元12用于根据电压值和电流值，计算得到储能结构2的功率需求，并根据功率需求确定储能结构2的工作模式；其中，工作模式包括预充电模式、驱动模式、第一供电模式、第二供电模式、第一能量回收模式和第二能量回收模式；模式输出控制单元13用于控制储能结构2按照工作模式工作。因此，综合控制器1通过调整储能结构2的工作模式，即通过调整能量型储能器23和功率型储能器24的工作模式实现大能量密度和大功率密度的需求，同时，缓解了使用dcdc导致能量损耗的问题，提高了复合储能系统的性能，具有较好的实用价值。
[0036]
需要说明的是，上述能量型储能器包括以下至少一种：储能型锂电池、镍镉电池、镍氢电池和铅酸电池，功率型储能器则包括以下至少一种：超级电容、飞轮储能器和功率型锂电池，具体可以根据实际情况进行设置，本发明实施例对此不作限制说明。
[0037]
本发明实施例提供的复合储能系统，通过综合控制器调整储能结构的工作模式，
以满足大能量密度和大功率密度的需求，同时，实现了能量型储能器和功率型储能器的能量管理，与现有方法中通过dcdc实现能量管理相比，提高了复合储能系统的能量效率，具有较好的实用价值。
[0038]
进一步的，上述储能结构还包括均与综合控制器连接的预充电电路、第一开关、第二开关、第三开关和二极管；其中，预充电电路和第一开关并联组成并联支路，并联支路的一端与能量型储能器连接，并联支路的另一端则分别与第一驱动电机和第二开关连接，第二开关与二极管的阳极连接，二极管的阴极则分别与第三开关和第二驱动电机连接，第三开关还与功率型储能器连接，第一驱动电机、能量型储能器、功率型储能器和第二驱动电机依次连接。
[0039]
为了便于理解，这里举例说明。如图2所示，储能结构包括第一驱动电机为m
1
、第二驱动电机为m
2
、能量型储能器es(energy storage)、功率型储能器ps(power storage)、预充电电路pc(pre-charge)、第一开关sw
1
、第二开关sw
2
、第三开关sw
3
和二极管d
1
，其中，预充电电路pc和第一开关sw
1
、并联连接，组成并联支路，并与能量型储能器es和第一驱动电机为m
1
组成环路1，并联支路的一端与能量型储能器es连接，另一端则分别与第一驱动电机为m
1
和第二开关sw
2
连接，并将第一开关sw
1
、预充电电路pc和第一驱动电机为m
1
和的公共端定义为环路1的正端，第一驱动电机为m
1
和能量型储能器es的公共端定义为环路1的负端。
[0040]
第二驱动电机为m
2
、功率型储能器ps和第三开关sw
3
则串联形成环路2，其中，第二驱动电机为m
2
和第三开关sw
3
的公共端则定义为环路2的正端，第二驱动电机为m
2
和功率型储能器ps的公共端则定义为环路2的负端，且，环路1的负端和环路2的负端直接连接，即第一驱动电机为m
1
、能量型储能器es、功率型储能器ps和第二驱动电机为m
2
依次连接，以及，环路1的正端依次与第二开关sw
2
、二极管d
1
和环路2的正端串联连接。需要说明的是，为了便于理解环路1和环路2，上述储能结构中各个器件或电路与综合控制器的连接关系并未画出。
[0041]
在实际应用中，信息测量单元对储能结构的指定位置进行检测，这里指定位置包括但不仅限于第一驱动电机为m
1
、第二驱动电机为m
2
、能量型储能器es和功率型储能器ps，从而分别得到第一驱动电机为m
1
、第二驱动电机为m
2
、能量型储能器es和功率型储能器ps的电流值和电压值，以使模式选择单元根据电压值和电流值，计算得到储能结构的功率需求，并根据功率需求确定储能结构的工作模式。可选的，信息测量单元可以通过传感器检测得到第一驱动电机为m
1
、第二驱动电机为m
2
、能量型储能器es和功率型储能器ps的电压值和电流值，或者，可以通过温敏电阻等检测第一驱动电机为m
1
、第二驱动电机为m
2
、能量型储能器es和功率型储能器ps的温度等，信息测量单元具体的检测元件以及得到的测量信息可以根据实际情况进行设置，本发明实施例对此不作限制说明。
[0042]
现有方法中复合储能系统主要分为被动式复合储能系统，半主动式复合储能系统和主动式复合储能系统。其中，被动式复合储能系统简单地将能量型储能器与功率型储能器并联，具有结构简单、成本低廉等优势；但是，由于其采用简单的并联形式，功率型储能器很难发挥其大功率优势，导致被动式复合储能系统的整体特性较差；主动式复合储能系统中，能量型储能器与功率型储能器则需分别利用dcdc连接到输出部件，能量的输入和输出均需要经过dcdc，导致电效率低；同时，由于至少需要两个dcdc，器件成本和控制复杂度均较高，很难在工程实践中得到应用；半主动式复合储能系统兼具以上两类系统的优势，减少了dcdc的使用，同时可有效发挥两类储能器件的优势，但是，半主动式复合储能系统仍然需
要dcdc的使用，仍然存在流经dcdc的能量存在损耗的问题，从而导致复合储能系统的性能较低，不能满足实际应用需求。
[0043]
而上述复合储能系统中，储能结构的工作模式则包括预充电模式、驱动模式、第一供电模式、第二供电模式、第一能量回收模式和第二能量回收模式，为了便于理解，这里以图2中的复合储能系统为例说明。具体地，在预充电模式下，如图3所示，第一开关sw
1
处于开启状态，第二开关sw
2
和第三开关sw
3
均处于关闭状态，预充电电路pc为储能结构进行充电，以保证复合储能系统进入正常工作模式；此时，模式选择单元根据第一驱动电机为m
1
、第二驱动电机为m
2
、能量型储能器es和功率型储能器ps的电压值和电流值，计算得到储能结构的功率需求p
dem
，并根据功率需求p
dem
判断功率是否为输出，如果是，则确定储能结构的工作模式为驱动模式，否则，确定储能结构的工作模式为能量回收模式。
[0044]
在驱动模式下，如图4所示，第一开关sw
1
和第三开关sw
3
均处于闭合状态，第二开关sw
2
处于开启状态，此时，能量型储能器es和功率型储能器ps均处于驱动模式下，其中，能量型储能器es用于驱动环路1中的第一驱动电机为m
1
工作，功率型储能器ps则用于驱动环路2中的第二驱动电机为m
2
工作。
[0045]
在第一供电模式下，如图5所示，第一开关sw
1
和第二开关sw
2
均处于闭合状态，第三开关sw
3
处于开启状态。此时，仅能量型储能器es处于工作状态，且处于供电模式，分别给第一驱动电机为m
1
和第二驱动电机为m
2
供电。
[0046]
在第二供电模式下，如图6所示，第一开关sw
1
、第二开关sw
2
和第三开关sw
3
均处于闭合状态。此时，能量型储能器es处于供电模式，且，分别给第一驱动电机为m
1
、第二驱动电机为m
2
和功率型储能器ps供电。
[0047]
对于能量回收模式，包括第一能量回收模式和第二能量回收模式。其中，在第一能量回收模式下，如图7所示，第二开关sw
2
和第三开关sw
3
均处于关闭状态，第一开关sw
1
处于开启状态。此时，仅功率型储能器ps处于能量回收模式，用于吸收第一驱动电机为m
1
和第二驱动电机为m
2
产生的能量。在第二能量回收模式下，如图8所示，第一开关sw
1
和第三开关sw
3
均处于闭合状态，第二开关sw
2
处于开启状态。此时，能量型储能器es用于吸收环路1中第一驱动电机为m
1
产生的能量，功率型储能器ps则用于环路2中第二驱动电机为m
2
产生的能量。
[0048]
综上，本申请提供的复合储能系统，综合控制器根据储能结构的功率需求灵活的调整储能结构的工作模式，以实现复合储能系统大能量密度和大功率密度的需求，同时，无需通过dcdc即可实现能量的输入和输出，从而提高了能量的效率，具有较好的实用价值。需要说明的是，上述储能结构的其余工作模式还可以根据实际情况进行设置，本发明实施例对此不作限制说明。
[0049]
在上述实施例的基础上，本发明实施例还提供了一种复合储能系统的控制方法，该方法应用于上述复合储能系统，其中，复合储能系统包括综合控制器和储能结构，储能结构包括均与综合控制器连接的第一驱动电机、第二驱动电机、能量型储能器和功率型储能器，综合控制器包括信息测量单元、模式选择单元和模式输出控制单元。如图9所示，该方法包括以下步骤：
[0050]
步骤s902，获取储能结构的指定位置的电压值和电流值。
[0051]
可选到的，上述信息测量单元im(information measurement)通过连接储能结构中指定位置的传感器进行检测，以得到指定位置的电压值和电流值，并将检测到的电压值
和电流值发送至模式选择单元mc(mode chosen)。此外，还可以通过连接在储能结构中指定位置的温敏电阻进行检测，得到指定位置的温度信息等。
[0052]
步骤s904，根据电压值和电流值，计算得到储能结构的功率需求，并根据功率需求确定储能结构的工作模式；其中，工作模式包括预充电模式、驱动模式、第一供电模式、第二供电模式、第一能量回收模式和第二能量回收模式。
[0053]
此时，模式选择单元mc接收到上述电压值和电流值之后，计算得到储能结构的功率需求，并根据功率需求确定储能结构的工作模式；其中，每个工作模式可以详见前述实施例，本发明实施例在此不再详细赘述。
[0054]
步骤s906，控制储能结构按照工作模式工作。
[0055]
模式输出控制单元moc(mode output control)接收到上述工作模式后，根据工作模式对应的具体控制策略，以控制储能结构中的相关结构按照控制策略工作，具体可以详见前述实施例中每个工作模式中各个器件的状态，从而实现控制储能结构按照每个工作模式进行工作。
[0056]
本发明实施例提供的复合储能系统的控制方法，通过综合控制器调整储能结构的工作模式，以满足大能量密度和大功率密度的需求，同时，实现了能量型储能器和功率型储能器的能量管理，与现有方法中通过dcdc实现能量管理相比，提高了复合储能系统的能量效率，具有较好的实用价值。
[0057]
为了便于理解，这里以图2中的储能复合系统为例说明。如图10所示，具体包括以下流程：
[0058]
(1)首先复合储能系统完成系统初始化；
[0059]
(2)初始化完成后，进入预充电模式；即此时储能结构处于非工作状态，综合控制器确定此时储能结构的工作模式为预充电模式；
[0060]
(3)测量相关信息；此时，在预充电过程中，储能结构中的第一驱动电机、第二驱动电机、能量型储能器和功率型储能器开始工作，从而信息测量单元对储能结构的指定位置进行测量，以得到指定位置的电流值和电压值；
[0061]
(4)计算功率需求p
dem
；即模式选择单元根据电压值和电流值，计算得到储能结构的功率需求p
dem
，并根据功率需求p
dem
确定储能结构的工作模式；
[0062]
(5)判断功率需求p
dem
是否为输出；如果是，则确定储能结构进入驱动模式，如果否，则确定储能结构进入能量回收模式；
[0063]
(6)在驱动模式中，判断功率型储能器ps的能量即ps能量是否大于第一设定能量阈值s
set1
；如果ps能量＞s
set1
，则确定储能结构的工作模式为模式ii(即驱动模式)，即能量型储能器es用于驱动环路1中的第一驱动电机为m
1
工作，功率型储能器ps则用于驱动环路2中的第二驱动电机为m
2
工作；
[0064]
(7)如果ps能量不大于s
set1
，则判断功率型储能器ps的电压u
ps
是否小于能量型储能器es的电压u
es
，如果u
ps
＜u
es
，则确定储能结构的工作模式为模式iv(即第二供电模式)，否则，则确定储能结构的工作模式为模式iii(即第一供电模式)；
[0065]
(8)在能量回收模式中，则判断功率型储能器ps的能量即ps能量是否大于第二设定能量阈值s
set2
；如果ps能量不大于s
set2
，则确定储能结构的工作模式为模式v(即第一能量回收模式)；
[0066]
(9)如果ps＞s
set2
，则判断能量型储能器es的能量即es能量是否大于等于第三设定能量阈值s
set3
；如果es能量≥s
set3
，则确定储能结构的工作模式为非能量回收模式，即不回收能量；如果es能量＜s
set3
，则确定储能结构的工作模式为模式vi(即第二能量回收模式)，从而实现根据功率需求确定储能结构的工作模式；需要说明的是，上述s
set1
、s
set2
和s
set3
的大小可以根据实际情况进行设置，以及，也可根据实际运行需要，在运行过程中实时更新，本发明实施例对此不作限制说明。
[0067]
(10)模式输出控制单元控制储能结构按照工作模式工作；
[0068]
(11)计算周期t延时；即储能结构按照工作模式工作后，计算该模式的持续时长即周期t，以便模式按照对应的周期t运行相应的时长。
[0069]
重复上述步骤(3)-(11)，通过上述复合控制系统的控制方法即可实现复合储能系统的大能量密度和大功率密度的需求，同时，实现了能量型储能器和功率型储能器的能量管理，与现有方法中通过dcdc实现能量管理相比，提高了复合储能系统的能量效率，具有较好的实用价值。
[0070]
因此，本发明实施例提供的复合储能系统的控制方法，与上述实施例提供的复合储能系统具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。
[0071]
在上述实施例的基础上，本发明实施例还提供了一种移动设备，该移动设备配置有上述复合储能系统。其中，移动设备包括但不仅限于电动汽车、移动机器人和移动通讯设备等，通过配置的上述复合储能系统，在满足大能量密度和大功率密度的需求的同时，还可以提高能量效率，便于移动设备在实际应用中推广使用，具有较好的实用价值。
[0072]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的移动设备的具体工作过程，可以参考前述实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0073]
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0074]
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0075]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，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。
[0076]
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。