电池、超级电容与燃料电池混合储能装置能量管理系统的制作方法

本发明涉及新能源汽车能量管理技术领域，尤其涉及一种电池、超级电容与燃料电池混合储能装置能量管理系统。

背景技术：

近年来，新能源汽车发展迅速，燃料电池汽车作为绿色交通的典型代表，正逐渐受到人们的关注与青睐。在燃料电池汽车上单一使用燃料电池作为动力源具有响应速度慢，能量无法回收等缺点，电池、超级电容与燃料电池混合储能装置合理地利用了电池高能量密度和超级电容高功率密度的优点，克服了纯燃料电池系统在系统响应速度以及能量回馈上的不足。

然而，目前没有针对电池、超级电容与燃料电池混合储能装置较为合理的功率分配方案。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种电池、超级电容与燃料电池混合储能装置能量管理系统，能够实现电池、超级电容与燃料电池混合储能装置的功率有效分配。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种电池、超级电容与燃料电池混合储能装置能量管理系统，包括：信号采集单元、状态预测单元、功率预测单元以及能量管理单元；其中：

所述信号采集单元，用于采集电池、超级电容与燃料电池混合储能装置的电压与电流数据；

所述状态预测单元，用于通过所述信号采集单元所采集到的电压与电流数据，来预测电池与超级电容的荷电状态；

所述功率预测单元，用于结合所述信号采集单元所采集到的电压与电流数据，以及所述状态预测单元预测到的电池与超级电容的荷电状态，来预测电池与超级电容的充放电功率；

所述能量管理单元，用于根据外部电机功率需求，结合状态预测单元与功率预测单元的预测结果对电池、超级电容与燃料电池混合储能装置的功率进行分配。

所述信号采集单元通过电压与电流传感器采集电池、超级电容与燃料电池混合储能装置的电压与电流数据，其中，电池、超级电容与燃料电池的电压数据依次记为vb、vsc与vfc；电池、超级电容与燃料电池的电流数据依次记为ib、isc与ifc。

所述状态预测单元通过所述信号采集单元所采集到的电池与超级电容的电压与电流数据，来预测电池与超级电容的荷电状态；

预测电池荷电状态的公式为：

socb(k)＝socb(k-1)+ib(k)*δt/cb；

其中，socb(k)与socb(k-1)分别为k时刻与k-1时刻电池荷电状态，ib(k)为k时刻电池的电流，δt为采样时间，cb为电池的标称容量；

预测超级电容荷电状态的公式为：

socsc(k)＝socsc(k-1)+isc(k)*δt/csc；

其中，socsc(k)与socsc(k-1)分别为k时刻与k-1时刻超级电容的荷电状态，isc(k)为k时刻超级电容的电流，csc为超级电容的标称容量。

所述功率预测单元通过所述信号采集单元所采集到的电池与超级电容的电压与电流数据，以及所述状态预测单元预测到的电池与超级电容的荷电状态，来预测电池与超级电容的充放电功率；

定义电池放电为正，则电池的最大放电功率和最小充电功率的计算方法为：

放电过程：pb,max_dchg＝min(pb,max_des，vb*ib,max_dchg)；

充电过程：pb,min_chg＝max(pb,min_des，vb*ib,min_chg)；

其中，pb,max_dchg表示电池的最大放电功率，pb,min_chg表示电池的最小充电功率，pb,max_des和pb,min_des分别为电池设计理论允许的最大放电功率和最小充电功率，ib,max_dchg和ib,min_chg为电池的最大放电电流和最小充电电流；vb为信号采集单元所采集到的电池的电压数据；

超级电容的最大充放电功率的计算方法为：psc,max＝vsc2/4rsc，其中rsc为超级电容的内阻。

所述的电池的最大放电电流和最小充电电流的计算方法为：

ib,max_dchg＝(socb-socb,min)*cb/l*δt；

ib,min_chg＝(socb-socb,max)*cb/l*δt；

其中，socb,min，socb,max分别为电池荷电状态的保护下限阈值和保护上限阈值，l为预测步长；socb为状态预测单元预测的电池荷电状态。

所述能量管理单元根据外部电机功率需求pm，并结合状态预测单元预测的电池与超级电容的荷电状态，以及功率预测单元预测的电池和超级电容充放电功率，利用基于有限状态机的混合储能装置能量管理策略实现电池、超级电容与燃料电池的功率分配。

所述基于有限状态机的混合储能装置能量管理策略包含16种有限状态，依次记为s1到s16，状态间的转换通过以下逻辑实现：

a、当能量回收时，外部电机功率需求pm<0：

若电池荷电状态socb与超级电容荷电状态socsc均低于相应的上限阈值socb,max与socsc,max，即socb<socb,max，socsc<socsc,max，则进入s5，此时燃料电池功率pfc、电池功率pb及超级电容功率psc的分配原则为：pfc＝0，pb＝-|pb,min_chg|，psc＝-|pm-pb,min_chg|；

若电池荷电状态socb充电后高于上限阈值socb,max，即socb>socb,max，则电池停止充电并进入s2，此时燃料电池功率pfc、电池功率pb及超级电容功率psc的分配原则为：pfc＝0，pb＝0，psc＝-|pm|；

若超级电容荷电状态socsc充电后高于上限阈值socsc,max，即socsc>socsc,max，则超级电容停止充电并进入s3或s4，判定条件为：如果外部电机功率需求pm小于电池最小充电功率pb,min_chg，即pm<pb,min_chg，则进入s4，此时燃料电池功率pfc、电池功率pb及超级电容功率psc的分配原则为：pfc＝0，pb＝-|pb,min_chg|，psc＝0；否则进入s3，此时燃料电池功率pfc、电池功率pb及超级电容功率psc的分配原则为：pfc＝0，pb＝-|pm|，psc＝0；

若电池荷电状态socb与超级电容荷电状态socsc均高于相应的上限阈值socb,max与socsc,max，即socb>socb,max，socsc>socsc,max，则进入s1，此时燃料电池功率pfc、电池功率pb及超级电容功率psc的分配原则为：pfc＝0，pb＝0，psc＝0；

b、当外部电机功率需求pm>0，且高于燃料电池最大输出功率pfc,max的情况下，即pm>pfc,max，燃料电池输出最大功率：

若电池荷电状态socb与超级电容荷电状态socsc均低于相应的下限阈值socb,min与socsc,min，即socb<socb,min，socsc<socsc,min，则进入s6，此时燃料电池功率pfc、电池功率pb及超级电容功率psc的分配原则为：pfc＝pfc,max，pb＝0，psc＝0；

若电池荷电状态socb高于下限阈值socb,min，同时超级电容荷电状态socsc低于下限阈值socsc,min，即socb>socb,min，socsc<socsc,min，则进入s7或者s8，判定条件为：如果pm-pfc,max大于电池的最大放电功率pb,max_dchg，则进入s7，此时燃料电池功率pfc、电池功率pb及超级电容功率psc的分配原则为：pfc＝pfc,max，pb＝pb,max_dchg，psc＝0；否则进入s8，此时燃料电池功率pfc、电池功率pb及超级电容功率psc的分配原则为：pfc＝pfc,max，pb＝pm-pfc,max，psc＝0；

若电池荷电状态socb低于下限阈值socb,min，同时超级电容荷电状态socsc高于下限阈值socsc,min，即socb<socb,min，socsc>socsc,min，则进入s9，此时燃料电池功率pfc、电池功率pb及超级电容功率psc的分配原则为：pfc＝pfc,max，pb＝0，psc＝pm-pfc,max；

若电池荷电状态socb与超级电容荷电状态socsc均高于相应的下限阈值socb,min与socsc,min，即socb>socb,min，socsc>socsc,min，则进入s8或者s10，判定条件为：如果pm-pfc,max小于电池的最大放电功率pb,max_dchg，则进入s8，此时燃料电池功率pfc、电池功率pb及超级电容功率psc的分配原则为：pfc＝pfc,max，pb＝pm-pfc,max，psc＝0；否则进入s10，此时燃料电池功率pfc、电池功率pb及超级电容功率psc的分配原则为：pfc＝pfc,max，pb＝pb,max_dchg，psc＝pm-pb,max_dchg-pfc,max；

c、当pm为正并且低于燃料电池最大输出功率pfc,max时：

若电池荷电状态socb与超级电容荷电状态socsc均低于相应的下限阈值socb,min与socsc,min，即socb<socb,min，socsc<socsc,min，燃料电池不仅要对外输出pm，还需要优先给超级电容充电，这种条件下进入s11，此时燃料电池功率pfc、电池功率pb及超级电容功率psc的分配原则为：pfc＝pfc,max，pb＝0，psc＝-|pfc,max-pm|；若超级电容和电池充电完成，则由超级电容对外输出pm，进入s16，此时燃料电池功率pfc、电池功率pb及超级电容功率psc的分配原则为：pfc＝0，pb＝0，psc＝pm；

若电池荷电状态socb低于下限阈值socb,min，同时超级电容荷电状态socsc高于下限阈值socsc,min，即socb<socb,min，socsc>socsc,min，此时由超级电容对外输出pm，由燃料电池给电池充电，则进入s12或者s13，判定条件为：若pfc,max大于电池最大充电功率pb,max_dchg，则进入s12，此时燃料电池功率pfc、电池功率pb及超级电容功率psc的分配原则为：pfc＝-pb,max_dchg，pb＝-|pb,max_dchg|，psc＝pm；否则进入s13，此时燃料电池功率pfc、电池功率pb及超级电容功率psc的分配原则为：pfc＝pfc,max，pb＝-|pfc,max|，psc＝pm；

若电池荷电状态socb高于下限阈值socb,min，同时超级电容荷电状态socsc低于下限阈值socsc,min，即socb>socb,min，socsc<socsc,min，此时由电池对外输出pm，由燃料电池给超级电容充电，则进入s14或者s15，判定条件为：若电池最大放电功率pb,max_dchg大于pm，则进入s14，此时燃料电池功率pfc、电池功率pb及超级电容功率psc的分配原则为：pfc＝pfc,max，pb＝pm，psc＝-|pfc,max|；否则进入s15，此时燃料电池功率pfc、电池功率pb及超级电容功率psc的分配原则为：pfc＝pfc,max，pb＝pb,max_dchg，psc＝-|pfc,max-pm-pb,max_dchg|。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，通过将电池和超级电容与燃料电池结合，充分发挥电池与超级电容两种储能元件的优点，通过有限状态机，实现了电池、超级电容与燃料电池的有效功率分配，在车辆启动、加速和爬坡时有效地改善系统运动特性，在保持高能量密度的同时提升功率输出的能力，是实现能量回收利用、降低污染的有效途径。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。

图1为本发明实施例提供的一种电池、超级电容与燃料电池混合储能装置能量管理系统的示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种电池、超级电容与燃料电池混合储能装置能量管理系统，如图1所示，其主要包括：信号采集单元、状态预测单元、功率预测单元以及能量管理单元；其中：

所述信号采集单元，用于采集电池、超级电容与燃料电池混合储能装置的电压与电流数据；

所述状态预测单元，用于通过所述信号采集单元所采集到的电压与电流数据，来预测电池与超级电容的荷电状态；

所述功率预测单元，用于结合所述信号采集单元所采集到的电压与电流数据，以及所述状态预测单元预测到的电池与超级电容的荷电状态，来预测电池与超级电容的充放电功率；

所述能量管理单元，用于根据外部电机功率需求，结合状态预测单元与功率预测单元的预测结果对电池、超级电容与燃料电池混合储能装置的功率进行分配。

为了便于理解，下面针对系统各单元做详细的介绍。

一、信号采集单元。

本发明实施例中，所述信号采集单元通过电压与电流传感器采集电池、超级电容与燃料电池混合储能装置的电压与电流数据，其中，电池、超级电容与燃料电池的电压数据依次记为vb、vsc与vfc；电池、超级电容与燃料电池的电流数据依次记为ib、isc与ifc。

二、状态预测单元。

本发明实施例中，所述状态预测单元通过所述信号采集单元所采集到的电池与超级电容的电压与电流数据，来预测电池与超级电容的荷电状态；

预测电池荷电状态的公式为：

socb(k)＝socb(k-1)+ib(k)*δt/cb；

其中，socb(k)与socb(k-1)分别为k时刻与k-1时刻电池的荷电状态，ib(k)为k时刻电池的电流，δt为采样时间，cb为电池的标称容量；

预测超级电容荷电状态的公式为：

socsc(k)＝socsc(k-1)+isc(k)*δt/csc；

其中，socsc(k)与socsc(k-1)分别为k时刻与k-1时刻超级电容的荷电状态，isc(k)为k时刻超级电容的电流，csc为超级电容的标称容量。

三、功率预测单元

本发明实施例中，所述功率预测单元通过所述信号采集单元所采集到的电池与超级电容的电压与电流数据，以及所述状态预测单元预测到的电池与超级电容的荷电状态，预测电池与超级电容的充放电功率。

1)定义电池放电为正，则电池的最大放电功率和最小充电功率的计算方法为：

放电过程：pb,max_dchg＝min(pb,max_des，vb*ib,max_dchg)；

充电过程：pb,min_chg＝max(pb,min_des，vb*ib,min_chg)；

其中，pb,max_dchg表示电池的最大放电功率，pb,min_chg表示电池的最小充电功率，pb,max_des和pb,min_des分别为电池设计理论允许的最大放电功率和最小充电功率(一般由电池厂提供)，ib,max_dchg和ib,min_chg为电池的最大放电电流和最小充电电流；vb为信号采集单元所采集到的电池的电压数据。

所述的电池的最大放电电流和最小充电电流的计算方法为：

ib,max_dchg＝(socb-socb,min)*cb/l*δt；

ib,min_chg＝(socb-socb,max)*cb/l*δt；

其中，socb,min，socb,max分别为电池荷电状态的保护下限阈值和保护上限阈值，l为预测步长；socb为状态预测单元预测的电池荷电状态。

2)超级电容的最大充放电功率的计算方法为：psc,max＝vsc2/4rsc，其中rsc为超级电容的内阻，一般可通过超级电容生产商提供的使用手册查表获得。

四、能量管理单元

本发明实施例中，所述能量管理单元根据外部电机功率需求pm，并结合状态预测单元预测的电池与超级电容的荷电状态，以及功率预测单元预测的电池和超级电容充放电功率，利用基于有限状态机的混合储能装置能量管理策略实现电池、超级电容与燃料电池的功率分配。

本发明实施例中，所述基于有限状态机的混合储能装置能量管理策略包含16种有限状态，依次记为s1到s16，状态间的转换通过以下逻辑实现：

a、当能量回收时，外部电机功率需求pm<0：

若电池荷电状态socb与超级电容荷电状态socsc均低于相应的上限阈值socb,max与socsc,max，即socb<socb,max，socsc<socsc,max，则进入s5，此时燃料电池功率pfc、电池功率pb及超级电容功率psc的分配原则为：pfc＝0，pb＝-|pb,min_chg|，psc＝-|pm-pb,min_chg|；

若电池荷电状态socb充电后高于上限阈值socb,max，即socb>socb,max，则电池停止充电并进入s2，此时燃料电池功率pfc、电池功率pb及超级电容功率psc的分配原则为：pfc＝0，pb＝0，psc＝-|pm|；

若超级电容荷电状态socsc充电后高于上限阈值socsc,max，即socsc>socsc,max，则超级电容停止充电并进入s3或s4，判定条件为：如果外部电机功率需求pm小于电池最小充电功率pb,min_chg，即pm<pb,min_chg，则进入s4，此时燃料电池功率pfc、电池功率pb及超级电容功率psc的分配原则为：pfc＝0，pb＝-|pb,min_chg|，psc＝0；否则进入s3，此时燃料电池功率pfc、电池功率pb及超级电容功率psc的分配原则为：pfc＝0，pb＝-|pm|，psc＝0；

若电池荷电状态socb与超级电容荷电状态socsc均高于相应的上限阈值socb,max与socsc,max，即socb>socb,max，socsc>socsc,max，则进入s1，此时燃料电池功率pfc、电池功率pb及超级电容功率psc的分配原则为：pfc＝0，pb＝0，psc＝0。

b、当外部电机功率需求pm>0，且高于燃料电池最大输出功率pfc,max的情况下，即pm>pfc,max，燃料电池输出最大功率：

若电池荷电状态socb与超级电容荷电状态socsc均低于相应的下限阈值socb,min与socsc,min，即socb<socb,min，socsc<socsc,min，则进入s6，此时燃料电池功率pfc、电池功率pb及超级电容功率psc的分配原则为：pfc＝pfc,max，pb＝0，psc＝0；

若电池荷电状态socb高于下限阈值socb,min，同时超级电容荷电状态socsc低于下限阈值socsc,min，即socb>socb,min，socsc<socsc,min，则进入s7或者s8，判定条件为：如果pm-pfc,max大于电池的最大放电功率pb,max_dchg，则进入s7，此时燃料电池功率pfc、电池功率pb及超级电容功率psc的分配原则为：pfc＝pfc,max，pb＝pb,max_dchg，psc＝0；否则进入s8，此时燃料电池功率pfc、电池功率pb及超级电容功率psc的分配原则为：pfc＝pfc,max，pb＝pm-pfc,max，psc＝0；

若电池荷电状态socb低于下限阈值socb,min，同时超级电容荷电状态socsc高于下限阈值socsc,min，即socb<socb,min，socsc>socsc,min，则进入s9，此时燃料电池功率pfc、电池功率pb及超级电容功率psc的分配原则为：pfc＝pfc,max，pb＝0，psc＝pm-pfc,max；

若电池荷电状态socb与超级电容荷电状态socsc均高于相应的下限阈值socb,min与socsc,min，即socb>socb,min，socsc>socsc,min，则进入s8或者s10，判定条件为：如果pm-pfc,max小于电池的最大放电功率pb,max_dchg，则进入s8，此时燃料电池功率pfc、电池功率pb及超级电容功率psc的分配原则为：pfc＝pfc,max，pb＝pm-pfc,max，psc＝0；否则进入s10，此时燃料电池功率pfc、电池功率pb及超级电容功率psc的分配原则为：pfc＝pfc,max，pb＝pb,max_dchg，psc＝pm-pb,max_dchg-pfc,max。

c、当pm为正并且低于燃料电池最大输出功率pfc,max时：

若电池荷电状态socb与超级电容荷电状态socsc均低于相应的下限阈值socb,min与socsc,min，即socb<socb,min，socsc<socsc,min，燃料电池不仅要对外输出pm，还需要优先给超级电容充电，这种条件下进入s11，此时燃料电池功率pfc、电池功率pb及超级电容功率psc的分配原则为：pfc＝pfc,max，pb＝0，psc＝-|pfc,max-pm|；若超级电容和电池充电完成，则由超级电容对外输出pm，进入s16，此时燃料电池功率pfc、电池功率pb及超级电容功率psc的分配原则为：pfc＝0，pb＝0，psc＝pm；

若电池荷电状态socb低于下限阈值socb,min，同时超级电容荷电状态socsc高于下限阈值socsc,min，即socb<socb,min，socsc>socsc,min，此时由超级电容对外输出pm，由燃料电池给电池充电，则进入s12或者s13，判定条件为：若pfc,max大于电池最大充电功率pb,max_dchg，则进入s12，此时燃料电池功率pfc、电池功率pb及超级电容功率psc的分配原则为：pfc＝-pb,max_dchg，pb＝-|pb,max_dchg|，psc＝pm；否则进入s13，此时燃料电池功率pfc、电池功率pb及超级电容功率psc的分配原则为：pfc＝pfc,max，pb＝-|pfc,max|，psc＝pm；

若电池荷电状态socb高于下限阈值socb,min，同时超级电容荷电状态socsc低于下限阈值socsc,min，即socb>socb,min，socsc<socsc,min，此时由电池对外输出pm，由燃料电池给超级电容充电，则进入s14或者s15，判定条件为：若电池最大放电功率pb,max_dchg大于pm，则进入s14，此时燃料电池功率pfc、电池功率pb及超级电容功率psc的分配原则为：pfc＝pfc,max，pb＝pm，psc＝-|pfc,max|；否则进入s15，此时燃料电池功率pfc、电池功率pb及超级电容功率psc的分配原则为：pfc＝pfc,max，pb＝pb,max_dchg，psc＝-|pfc,max-pm-pb,max_dchg|。

本发明实施例上述方案，通过将电池和超级电容与燃料电池结合，充分发挥电池与超级电容两种储能元件的优点，通过有限状态机，实现了电池、超级电容与燃料电池的有效功率分配，在车辆启动、加速和爬坡时有效地改善系统运动特性，在保持高能量密度的同时提升功率输出的能力，是实现能量回收利用、降低污染的有效途径。

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，仅以上述各模块的功能划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将系统的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，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该以权利要求书的保护范围为准。