电池、超级电容与燃料电池混合储能装置能量管理系统制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种电池、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，用于采集电池、超级电容与燃料电池混合储能装置电压与电流数据；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预测电池与超级电容的荷电状态；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，预测电池与超级电容的充放电功率；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。通过该系统能够实现电池、超级电容与燃料电池混合储能装置的功率有效分配。

Energy Management System of Battery, Super Capacitor and Fuel Cell Hybrid Energy Storage Device

The invention discloses an energy management system for battery, supercapacitor and fuel cell hybrid energy storage device, which includes: a signal acquisition unit for collecting voltage and current data of battery, supercapacitor and fuel cell hybrid energy storage device; and a state prediction unit for predicting the charge of battery and supercapacitor through the voltage and current data collected by the signal acquisition unit. A power prediction unit is used to predict the charging and discharging power of batteries and supercapacitors in combination with the voltage and current data collected by the signal acquisition unit and the charging state of batteries and supercapacitors predicted by the state prediction unit; and an energy management unit is used to predict the charging and discharging power of batteries and supercapacitors in combination with the state prediction unit and the power prediction unit according to the power demand of external motors. Results The power of battery, supercapacitor and fuel cell hybrid energy storage device was allocated. The system can effectively distribute the power of battery, supercapacitor and fuel cell hybrid energy storage device.

【技术实现步骤摘要】
电池、超级电容与燃料电池混合储能装置能量管理系统
本专利技术涉及新能源汽车能量管理
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电池、超级电容与燃料电池混合储能装置能量管理系统，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种电池、超级电容与燃料电池混合储能装置能量管理系统，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的一种电池、超级电容与燃料电池混合储能装置能量管理系统，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的一种电池、超级电容与燃料电池混合储能装置能量管理系统，其特征在于，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。4.根据权利要求1所述的一种电池、超级电容与燃料电池混合储能装置能量管理系统，其特征在于，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。5.根据权利要求4所述的一种电池、超级电容与燃料电池混合储能装置能量管理系统，其特征在于，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。6.根据权利要求4所述的一种电池、超级电容与燃料电池混合储能装置能量管理系统，其特征在于，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。7.根据权利要求6所述的一种电池、超级电容与燃料电池混合储能装置能量管理系统，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈宗海，汪玉洁，孙震东，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34