能量分配方法及能量分配裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種能量分配方法，用于基于動力電池和超級電容的混合能源系統(tǒng)，能量分配方法包括：分別建立至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)、至少一能量分配指標(biāo)的模糊集合；形成模糊規(guī)則，至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)作為模糊規(guī)則的輸入量，至少一能量分配指標(biāo)作為模糊規(guī)則的輸出量；檢測至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)；根據(jù)至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)、模糊規(guī)則模糊判決得出至少一能量分配指標(biāo)；以及根據(jù)至少一能量分配指標(biāo)分配動力電池和超級電容的能源比例。本發(fā)明提供的能量分配方法，通過完善控制策略，實現(xiàn)了削峰填谷，提高整個系統(tǒng)的性能，延長電池壽命的目標(biāo)。
【專利說明】
能量分配方法及能量分配裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及混合能源系統(tǒng)的【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種能量分配方法及能量分配裝置，用于基于動力電池和超級電容的混合能源系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著能源危機(jī)和環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的燃料不可持續(xù)性、高污染等問題越來越受到人們的關(guān)注。電動汽車由于其節(jié)能、環(huán)保、能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點，得到了產(chǎn)業(yè)界的高度重視和政府部門的大力支持。目前，制約電動車快速發(fā)展的一個重要原因是續(xù)駛里程短，如何提高動力系統(tǒng)放電能量效率和儲能利用率，對延長動力系統(tǒng)的使用壽命具有重要意義。
[0003]目前電動汽車所使用的動力電池的優(yōu)點在于比較便宜及具有較高的能量密度,但是它的壽命時間短，充電時間長，尤其難以實現(xiàn)頻繁地大電流充放電，在爬坡或加速等需要大電流放電情況下，會極大地影響電池壽命，導(dǎo)致頻繁更換電池，增加運行成本。超級電容是一種新型電容，具有功率密度大、污染少、壽命長、充電速度快等優(yōu)點，可輸出和吸收較高的瞬間電流，適合用于瞬時功率大、頻繁充放電的場合。但是與動力電池相比，超級電容能量密度較小，無法大量的存儲能量，并且成本昂貴。
[0004]因此，將超級電容與動力電池組成一個混合動力系統(tǒng)，就可以將動力電池的高能量密度和超級電容的高功率密度的優(yōu)點結(jié)合到一起，可以互補兩者的不足，這對提高電動其次續(xù)駛里程，改善加速性能，提高動力系統(tǒng)性能具有重要意義。
[0005]圖1是現(xiàn)有技術(shù)的混合儲能系統(tǒng)100的系統(tǒng)框圖。如圖1所示，混合儲能系統(tǒng)100包括混合儲能管理系統(tǒng)主控模組101、動力電池管理系統(tǒng)102、動力電池組103、超級電容組104、超級電容管理系統(tǒng)105、高壓開關(guān)106、高壓開關(guān)107、雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器108以及負(fù)載109。其中，動力電池管理系統(tǒng)102用于測量動力電池組103的電壓溫度，估算動力電池組103的SOC (State Of Capacity、荷電狀態(tài))，計算充放電電流限制值,均衡管理等。動力電池組103是提供動力的蓄電池組，多由鋰電池組成，能量密度高，為負(fù)載109提供主要動力來源。超級電容組104由多個單體超級電容組成，功率密度高，可為負(fù)載109提供高峰值輸出。超級電容管理系統(tǒng)105用于監(jiān)測及管理超級電容組104，測量超級電容組104電壓溫度，估算超級電容組104的S0C，計算充放電電流限制值，均衡管理等。雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器108為能量轉(zhuǎn)換器,提供動力電池組103和超級電容組104之間的雙向能量轉(zhuǎn)換,包括動力電池組103的能量通過降壓儲存至超級電容組104以及超級電容組104的能量通過升壓儲存至動力電池組103。
[0006]然而，在現(xiàn)有的的混合動力系統(tǒng)(例如，圖1中的混合儲能系統(tǒng)100)中，通常為基于兩個系統(tǒng)性能指標(biāo)精確控制能量的分配，例如以超級電容SOC和動力電池SOC為基礎(chǔ)精確調(diào)整系統(tǒng)輸出功率的分布。這種現(xiàn)有混合動力系統(tǒng)的能量分配模式過于機(jī)械，不足以應(yīng)付復(fù)雜的實際應(yīng)用環(huán)境。另外，現(xiàn)有的混合動力系統(tǒng)的負(fù)載輸出峰值和谷值差異過大，導(dǎo)致整體系統(tǒng)性能較差并且電池壽命較低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種改進(jìn)的能量分配方法及能量分配裝置，以解決上述技術(shù)問題。
[0008]本發(fā)明實施例提供一種能量分配方法，用于基于動力電池和超級電容的混合能源系統(tǒng)，其特征在于，所述能量分配方法包括:分別建立至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)、至少一能量分配指標(biāo)的模糊集合；形成模糊規(guī)則，所述至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)作為所述模糊規(guī)則的輸入量，所述至少一能量分配指標(biāo)作為所述模糊規(guī)則的輸出量；檢測所述至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)；根據(jù)所述至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)、所述模糊規(guī)則模糊判決得出所述至少一能量分配指標(biāo)；以及根據(jù)所述至少一能量分配指標(biāo)分配所述動力電池和所述超級電容的能源比例。
[0009]較優(yōu)地，所述分別建立至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)、至少一能量分配指標(biāo)的模糊集合包括:劃分所述至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)、所述至少一能量分配指標(biāo)的模糊集合的模糊等級；以及構(gòu)建與所述至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)、所述至少一能量分配指標(biāo)的模糊集合的模糊等級相對應(yīng)的隸屬度函數(shù)。
[0010]較優(yōu)地，所述根據(jù)所述至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)、所述模糊規(guī)則模糊判決得出所述能量分配指標(biāo)包括:根據(jù)所述至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)的隸屬度函數(shù)分別查詢所述至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)的模糊等級；根據(jù)所述至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)的模糊等級以及模糊規(guī)則查詢所述至少一能量分配指標(biāo)的模糊等級；以及根據(jù)所述至少一能量分配指標(biāo)的模糊等級及其隸屬度函數(shù)計算所述能量分配指標(biāo)。
[0011 ] 較優(yōu)地，所述根據(jù)所述至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)的模糊等級以及模糊規(guī)則查詢所述至少一能量分配指標(biāo)的模糊等級中，查詢得到的其中一所述能量分配指標(biāo)的模糊等級為至少兩個；所述能量分配指標(biāo)是根據(jù)重心算法計算。
[0012]較優(yōu)地，所述至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)包括動力電池組S0C、超級電容組SOC和系統(tǒng)功率需求；所述至少一能量分配指標(biāo)包括動力電池能量分配比率。
[0013]較優(yōu)地,所述動力電池組SOC的模糊集合論域為[0，I]，所述動力電池組SOC的模糊集合的模糊等級至少為三個；所述超級電容組SOC的模糊集合論域為[0，I]，所述超級電容組SOC的模糊集合的模糊等級至少為三個；所述系統(tǒng)功率需求的模糊集合論域為[-50000W, 50000w]，所述系統(tǒng)功率需求的模糊集合的模糊等級至少為三個；所述動力電池能量分配比率的模糊集合論域為[0，I]，所述動力電池能量分配比率的模糊集合的模糊等級至少為三個。
[0014]較優(yōu)地，所述動力電池組的模糊集合的模糊等級包括低、中低、中等、高中、高；所述超級電容組SOC的模糊集合的模糊等級包括低、中低、中等、高中、高；所述系統(tǒng)功率需求的模糊集合的模糊等級包括高輸入、中輸入、低輸入、靜止、低輸出、中輸出、高輸出；所述動力電池能量分配比率的模糊集合的模糊等級包括低、中低、中等、高中、高；其中，高輸入、高輸出、低和高的模糊等級對應(yīng)的隸屬度函數(shù)為梯形隸屬度函數(shù)，中低、中等、高中、中輸入、低輸入、靜止、低輸出、中輸出的模糊等級對應(yīng)的隸屬度函數(shù)為三角形隸屬度函數(shù)。
[0015]本發(fā)明提供一種能量分配裝置，用于基于動力電池和超級電容的混合能源系統(tǒng)，其特征在于，所述能量分配裝置包括:建立模塊，用于分別建立至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)、至少一能量分配指標(biāo)的模糊集合；形成模塊，用于形成模糊規(guī)則，所述至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)作為所述模糊規(guī)則的輸入量，所述至少一能量分配指標(biāo)作為所述模糊規(guī)則的輸出量；檢測模塊，用于檢測所述至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)；模糊判決模塊，用于根據(jù)所述至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)、所述模糊規(guī)則模糊判決得出所述至少一能量分配指標(biāo)；以及分配模塊，用于根據(jù)所述至少一能量分配指標(biāo)分配所述動力電池和所述超級電容的能源比例。
[0016]較優(yōu)地，所述建立模塊包括:劃分單元，用于劃分所述至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)及所述至少一能量分配指標(biāo)的模糊集合的模糊等級；以及構(gòu)建單元，用于構(gòu)建所述至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)及所述至少一能量分配指標(biāo)的模糊集合的隸屬度函數(shù)。
[0017]較優(yōu)地，所述模糊判決模塊包括:第一查詢單元，用于根據(jù)所述至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)的隸屬度函數(shù)分別查詢所述至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)的模糊等級；第二查詢單元，用于根據(jù)所述至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)的模糊等級以及模糊規(guī)則查詢所述至少一能量分配指標(biāo)的模糊等級；以及計算單元，用于根據(jù)所述至少一能量分配指標(biāo)的模糊等級及其隸屬度函數(shù)計算所述能量分配指標(biāo)。
[0018]本發(fā)明公開的能量分配方法及能量分配裝置，采用至少三輸入量、至少一輸出量的模糊控制方法，能夠結(jié)合復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境靈活調(diào)整混合動力系統(tǒng)的能量分配策略，實現(xiàn)削峰填谷，提高整個系統(tǒng)的性能，延長電池壽命。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0020]圖1所示為現(xiàn)有技術(shù)的混合儲能系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。
[0021]圖2所示為根據(jù)本發(fā)明一實施例的基于動力電池和超級電容的混合儲能系統(tǒng)的能量分配裝置的結(jié)構(gòu)框圖。
[0022]圖3所示是根據(jù)本發(fā)明一實施例的基于動力電池和超級電容的混合儲能系統(tǒng)的能量分配方法的流程圖。
[0023]圖4所示是圖3中的分別建立至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)、至少一能量分配指標(biāo)的模糊集合的子步驟的流程圖。
[0024]圖5所示是圖3中的根據(jù)至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)、模糊規(guī)則模糊判決而得出至少一能量分配指標(biāo)的子步驟的流程圖。
[0025]圖6是根據(jù)本發(fā)明一實施例的動力電池組SOC的隸屬度函數(shù)分布圖。
[0026]圖7是根據(jù)本發(fā)明一實施例的超級電容組SOC的隸屬度函數(shù)分布圖。
[0027]圖8是根據(jù)本發(fā)明一實施例的系統(tǒng)功率需求的隸屬度函數(shù)分布圖。
[0028]圖9是根據(jù)本發(fā)明一實施例的動力電池能量分配比率的隸屬度函數(shù)分布圖。
[0029]圖10所示為現(xiàn)有技術(shù)的混合儲能系統(tǒng)與本發(fā)明的混合儲能系統(tǒng)的測試結(jié)果對比圖。

【具體實施方式】
[0030]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0031]圖2所示為根據(jù)本發(fā)明一實施例的基于動力電池和超級電容的混合儲能系統(tǒng)的能量分配裝置200的結(jié)構(gòu)框圖。如圖2所示，能量分配裝置200包括:建立模塊210、耦合于建立模塊210的形成模塊220、耦合于形成模塊220的檢測模塊230、耦合于檢測模塊230的模糊判決模塊240、以及耦合于模糊判決模塊240的分配模塊250。
[0032]在本發(fā)明一實施例中，建立模塊210用于分別建立至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)、至少一能量分配指標(biāo)的模糊集合。形成模塊220用于形成模糊規(guī)則。至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)作為模糊規(guī)則的輸入量，至少一能量分配指標(biāo)作為模糊規(guī)則的輸出量。檢測模塊230用于檢測至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)。模糊判決模塊240用于根據(jù)至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)、模糊規(guī)則模糊判決而得出至少一能量分配指標(biāo)。分配模塊250用于根據(jù)至少一能量分配指標(biāo)分配動力電池和超級電容的能源比例。
[0033]具體而言，建立模塊210包括劃分單元212和構(gòu)建單元214。劃分單元212用于劃分至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)及至少一能量分配指標(biāo)的模糊集合的模糊等級。構(gòu)建單元214用于構(gòu)建至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)及至少一能量分配指標(biāo)的模糊集合的隸屬度函數(shù)。
[0034]模糊判決模塊240包括第一查詢單元242、第二查詢單元244、以及計算單元246。第一查詢單元242用于根據(jù)至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)的隸屬度函數(shù)分別查詢至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)的模糊等級。第二查詢單元244用于根據(jù)至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)的模糊等級以及模糊規(guī)則查詢至少一能量分配指標(biāo)的模糊等級。計算單元246用于根據(jù)至少一能量分配指標(biāo)的模糊等級及其隸屬度函數(shù)計算能量分配指標(biāo)。
[0035]在本發(fā)明一實施例中，至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)包括動力電池組S0C、超級電容組SOC和系統(tǒng)功率需求，至少一能量分配指標(biāo)包括動力電池能量分配比率。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)可理解，雖然本文是以動力電池組S0C、超級電容組S0C、系統(tǒng)功率需求、和動力電池能量分配比率作為示例來說明，但是本發(fā)明并非僅限于此。相反，在本發(fā)明另一實施例中，系統(tǒng)性能指標(biāo)還可以包括超級電容最大功率和動力電池最大功率等，能量分配指標(biāo)還可以為超級電容能量分配比率等。
[0036]圖3所示是根據(jù)本發(fā)明一實施例的基于動力電池和超級電容的混合儲能系統(tǒng)的能量分配方法300的流程圖。如圖3所示，能量分配方法300包括:
[0037]步驟302:由建立模塊210分別建立至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)、至少一能量分配指標(biāo)的模糊集合。
[0038]步驟304:由形成模塊220形成模糊規(guī)則。至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)作為模糊規(guī)則的輸入量，至少一能量分配指標(biāo)作為模糊規(guī)則的輸出量。
[0039]步驟306:由檢測模塊230檢測至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)。
[0040]步驟308:由模糊判決模塊240根據(jù)至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)、模糊規(guī)則模糊判決而得出至少一能量分配指標(biāo)。
[0041]步驟310:由分配模塊250根據(jù)至少一能量分配指標(biāo)分配動力電池和超級電容的能源比例。
[0042]在本發(fā)明一實施例中，至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)包括動力電池組S0C、超級電容組SOC和系統(tǒng)功率需求，至少一能量分配指標(biāo)包括動力電池能量分配比率。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)可理解，雖然本文是以動力電池組SOC、超級電容組SOC、系統(tǒng)功率需求、和動力電池能量分配比率作為示例來說明，但是本發(fā)明并非僅限于此。相反，在本發(fā)明另一實施例中，系統(tǒng)性能指標(biāo)還可以包括超級電容最大功率和動力電池最大功率等，能量分配指標(biāo)還可以為超級電容能量分配比率、動力電池輸出功率、超級電容輸出功率等。
[0043]在本發(fā)明一實施例中，動力電池組SOC的模糊集合論域為[0，I]，模糊集合的模糊等級至少為三個。例如，若模糊集合的模糊等級為三個，則模糊等級包括低、中等、高，即{L、M、H};三個等級的劃分可按需求按比例劃分或平均分配，例如:‘低’指SOC處于0〈=S0C<33%, ‘中等’指 SOC 處于 33〈 = S0C< = 66%, ‘高’指 SOC 處于 66〈S0C〈 = 100%。再例如，若模糊集合的模糊等級為五個，則模糊等級包括低、中低、中等、高中、高，S卩{L、ML、Μ、ΜΗ、H}，五個等級的劃分可按需求按比例劃分或平均分配，例如:‘低’指SOC處于0〈=S0C〈20 %，‘中低’指 SOC 處于 20〈 = S0C〈40 %，‘中等’指 SOC 處于 40〈 = S0C〈60 %，‘中高’指 SOC 處于 60〈 = S0C<80%, ‘高’指 SOC 處于 80< = S0C< = 100%。
[0044]超級電容組SOC的模糊集合論域為[0，I]，模糊集合的模糊等級至少為三個，包括低、中低、中等、高中、高，即{L、ML、M、MH、H}；
[0045]系統(tǒng)功率需求的模糊集合論域為[-50000?，50000w]，系統(tǒng)功率需求的模糊集合的模糊等級至少為三個，包括高輸入、中輸入、低輸入、靜止、低輸出、中輸出、高輸出，即{NH、NM、NL、ZE、PL、PM、PH}；
[0046]動力電池能量分配比率的模糊集合論域為[0，I]，模糊集合的模糊等級至少為三個，包括低、中低、中等、高中、高，即即{L、ML、M、MH、H}；
[0047]請進(jìn)一步參照圖6-圖9，高輸入、高輸出、低和高取梯形隸屬度函數(shù)(如公式I所示)，其余取三角形隸屬度函數(shù)(如公式2所示)。因此，動力電池組S0C、超級電容組S0C、系統(tǒng)功率需求及動力電池能量分配比率的隸屬度函數(shù)分別如公式(3)-(6)所示。
[0048]梯形隸屬度函數(shù)定義為:
O，X < a


(χ-a) / (b_a)，a < X
[0049]T^cipc^zoicl=: 1.1) ^ x ^ c 11(I)

(d~x) / (d-c)，c<x<d

0，d< X
[0050]三角形隸屬度函數(shù)定義為:
O，X < a

(x-a)/(b-a), a<x<bf.剛 Tnangle(X;a,b,c) = (c遍—b)，b<x<c⑵
0，c < X
[0052]動力電池組SOC(SOCbat)隸屬度函數(shù)定義為:
[0053]Triangle (χ ;0.2，0.35，0.5)
[0054]Triangle (χ ;0.35，0.5，0.65)
[0055]Triangle (χ ;0.5，0.65，0.8)(3)
[0056]Trapezoid (χ ;0，0，0.2，0.35)
[0057]Trapezoid (χ ;0.65, 0.8, I, I)
[0058]超級電容組SOC (SOCue)隸屬度函數(shù)定義為:
[0059]Triangle (χ ；0.2, 0.35, 0.5)
[0060]Triangle (χ ;0.35, 0.5, 0.65)
[0061]Triangle (χ ；0.5, 0.65, 0.8)(4)
[0062]Trapezoid (χ ；0, O, 0.2, 0.35)
[0063]Trapezoid (χ ;0.65, 0.8, I, I)
[0064]系統(tǒng)功率需求(PowerKEQ)隸屬度函數(shù)定義為:
[0065]Triangle (χ ;_45000，-30000，-15000)
[0066]Triangle (χ ;_30000，-15000，O)
[0067]Triangle (χ ；-15000, O, 15000)
[0068]Triangle (χ ；0, 15000, 30000)(5)
[0069]Triangle (χ ； 15000, 30000, 45000)
[0070]Trapezoid (χ ;_50000, -50000，-45000，-30000)
[0071]Trapezoid(χ ；30000,45000,50000,50000)
[0072]動力電池能量分配比率(Kbat)隸屬度函數(shù)為:
[0073]Triangle (χ ；0.2, 0.35, 0.5)
[0074]Triangle (χ ；0.35, 0.5, 0.65)
[0075]Triangle (x ；0.5, 0.65, 0.8)(6)
[0076]Trapezoid (x ；0, 0, 0.2, 0.35)
[0077]Trapezoid (x ;0.65，0.8，1，I)
[0078]圖4所示是圖3中子步驟302的流程圖。分別建立至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)、至少一能量分配指標(biāo)的模糊集合的步驟(即，步驟302)可包括:
[0079]步驟402:由劃分單元212劃分至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)、至少一能量分配指標(biāo)的模糊集合的模糊等級。
[0080]步驟404:由構(gòu)建單元214構(gòu)建與至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)、至少一能量分配指標(biāo)的模糊集合的模糊等級相對應(yīng)的隸屬度函數(shù)(如圖6-圖9所示)。
[0081]圖5所示是圖3中的步驟308的流程圖。根據(jù)至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)、模糊規(guī)則模糊判決得出能量分配指標(biāo)的步驟(即，步驟308)可包括:
[0082]步驟502:由第一查詢單元242根據(jù)至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)的隸屬度函數(shù)(如圖6-圖8所示)分別查詢至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)的模糊等級。
[0083]步驟504:由第二查詢單元244根據(jù)至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)的模糊等級以及模糊規(guī)則(如表I所示，模糊規(guī)則有175條規(guī)則)查詢至少一能量分配指標(biāo)的模糊等級。
[0084]步驟506:由計算單元246根據(jù)至少一能量分配指標(biāo)的模糊等級及其隸屬度函數(shù)(如圖9所示)計算能量分配指標(biāo)。
[0085]在本發(fā)明一實施例中，以動力電池組S0C、超級電容組S0C、以及系統(tǒng)功率需求作為輸入信號，以動力電池能量分配比率作為模糊輸出量。在本發(fā)明一實施例中，可透過霍爾效應(yīng)電流傳感器來分別監(jiān)測系統(tǒng)電流，測量和監(jiān)控動力電池組的電壓(即，動力電池組S0C);計算并估計動力電池組S0C。在本發(fā)明另一實施例中，可采用擴(kuò)展卡爾曼濾波(Extended Kalman Filter)、安時積分法或無損卡爾曼濾波(Uncented Kalman Filter)來計算并估計動力電池組的SOC狀態(tài)。例如，通過圖3所示的步驟308，得到動力電池能量分配比率的確切值，同時計算及分配動力電池組和超級電容組的存儲/輸出電流值。
[0086]請注意，在混合儲能系統(tǒng)的操作期間，可以特定的時間間隔重復(fù)執(zhí)行能量分配方法的步驟直至收到系統(tǒng)停止運行的指令。其中，圖2中的檢測模塊230可分別采用擴(kuò)展卡爾曼濾波(Extended Kalman Filter)、安時積分法或無損卡爾曼濾波(Uncented KalmanFilter)來計算和估計動力電池組的SOC狀態(tài)時，特定的時間間隔可分別為100ms、50ms、10ms ο
[0087]應(yīng)該指出的是，上述能量分配方法的步驟順序并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。例如，可按照先計算超級電容組S0C，再計算系統(tǒng)電流，最后計算動力電池組SOC的順序來執(zhí)行；或者可先計算系統(tǒng)電流，再計算超級電容組S0C，最后計算動力電池組SOC的順序來執(zhí)行基于電池和超級電容的混合儲能系統(tǒng)的能量分配方法，也可以實現(xiàn)相同的技術(shù)效果。
[0088]在本發(fā)明一實施例中，采用重心算法(COG)的推理過程得到能量分配指標(biāo)的確切值。重心算法的數(shù)學(xué)表達(dá)方式為:

μΑ{χ)\?Ιχ
[0089]COG =?--(7)

I uA(x)dx


J a
[0090]





L L
[乙600]
_Yi=jnDOS_
[1600]
_H Rn_H HPM__n Hd
_H HM _ ?Η ?Μ Hd
HM HM 腦?Μ__M Id
_Τ__?__?__?__? HZ b3W3A\orj
_X_I__X_?__η ?Κ
_χ_η__μ__m__η MN
_χ_χ_η__η__η ημ_
H HIMJAI ?Μ? ivaI
_ivhJQS__
___In=mDOS___
__H__H__H Rn Hd
__H__H HPM ?Μ Md
__H HPM RM Id
_I__?__?__I__? HZ l53yJSMOcI
_X_I__?__? ?Μ ?Μ
_? HPM_η__M__η MN
_χ_χ_η__η__η ημ_
HI 麗丨MI?η_τ_丄別>1
_xvhDOS__

SOCbat
Kba r "L[ML[Μ[ΜΗ[H
NH "ΜMMLMLL
NM MHMMLMLL
"NLMHMLLT
PowerReq ZE LLLLL
~PL MLMLMMHMH~
LLMMHH
~"MLMMHMHH
[0093]

SOCljr=MH


SOCbat
Kbat T[ML[m[MH[H
[NHMHMHMMML^
"NMHMLMML
"NLHM"IL"L
PowerReq ZE LLLLL
IplMMMLL"m
LMLMLMHMH~
"PHMMLMMHMH~
[0094]

SOC1K=H


SOCbat
Kbat T [ML [μ[ΜΗ[H
INH "H H "ΜΗ"Μ"Μ
"NMH ML MLML
"NLH H LLT PowerReq ZE L L LLL
L L LLL
[0095]
I PM Il [ml [ml[μ[μ
LML MMH MH~
[0096]表I
[0097]其中，SOCuc表示超級電容組SOC的模糊等級，SOCbat表示動力電池組SOC的模糊等級，PowerEeq表示系統(tǒng)功率需求的模糊等級，Kbat表示動力電池能量分配比率的模糊等級。
[0098]如表I可知，在根據(jù)本發(fā)明提供的能量分配裝置200的控制模式切換機(jī)制中，有7個主要的操作模式。它們分別是:
[0099]電池獨立供電
[0100]當(dāng)系統(tǒng)輸出的功率需求相對比較小，而動力電池組103的SOC處于正常的水平時，系統(tǒng)會在“電池獨立供電”模式下運行。在這種模式下，動力電池組103負(fù)責(zé)所有的功率輸出，雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器108不運作。
[0101]電池獨立儲電
[0102]當(dāng)系統(tǒng)輸入的功率需求相對比較小，而動力電池組103的SOC處于正常的水平時，系統(tǒng)會在“電池獨立儲電”模式下運行。在這種模式下，動力電池組103負(fù)責(zé)吸收并儲存所有外來的能量輸入，雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器108不運作。
[0103]軺級電容獨立供電
[0104]當(dāng)系統(tǒng)輸出功率的需求是相對比較小，而動力電池組103的SOC處于非常低的SOC水平時，系統(tǒng)會在“超級電容獨立供電”模式下運行。在這種模式下，雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器108將會運作，所有的功率輸出都會由超級電容組104提供。
[0105]軺級電容獨立儲電
[0106]當(dāng)系統(tǒng)輸入的功率需求相對比較小，而動力電池組103的SOC處于非常高的SOC水平時，系統(tǒng)會在“超級電容獨立儲電”模式下運行。在這種模式下，雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器108將會運作，超級電容組104負(fù)責(zé)吸收并儲存所有外來的能量輸入。
[0107]電池超級電容混合供電
[0108]當(dāng)系統(tǒng)輸出的功率需求相對比較高，而超級電容組104的SOC處于正常的SOC水平時，系統(tǒng)會在“電池超級電容混合供電”模式下運行。在這種模式下，雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器108將會運作，功率輸出會由超級電容組104及動力電池組103共同提供。
[0109]電池軺級電容混合儲電
[0110]當(dāng)系統(tǒng)輸入的功率需求相對比較高，而超級電容組104的SOC處于正常的SOC水平時，系統(tǒng)會在“電池超級電容混合儲電”模式下運行。在這種模式下，雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器108將會運作，超級電容組104及動力電池組103會共同負(fù)責(zé)吸收并儲存所有外來的能量輸入。
[0111]軺級電容電量平衡
[0112]當(dāng)系統(tǒng)輸入或輸出的功率需求相對比較小，而超級電容組104的SOC處于較高或較低的SOC水平時，系統(tǒng)會在“超級電容電量平衡”模式下運行。在這種模式下，如果超級電容組104的SOC處于高電平，能量會從超級電容組104經(jīng)過雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器108轉(zhuǎn)移到動力電池組103 ;相反地，如果超級電容組104的SOC處于低電平，能量會從動力電池組103經(jīng)過雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器108轉(zhuǎn)移到超級電容組104。
[0113]在不同的情況下，透過切換這七種操作模式，可最大限度地提高混合儲能系統(tǒng)的性能，并實現(xiàn)削峰填谷，延長電池壽命。
[0114]通過圖3所示的能量分配方法300，以動力電池組S0C、超級電容組S0C、以及系統(tǒng)功率需求作為輸入信號，得到動力電池能量分配比率，進(jìn)而根據(jù)系統(tǒng)能量功率需求以及動力電池能量分配比率就可以判定混合儲能系統(tǒng)100工作在上述7種工作模式的何種工作模式之下。具體判定結(jié)果如表2所示。
[0115]
電電超超電電池池級級池池級
獨獨電電超超電
立立容容級級容
供儲獨獨電電電
電電立立容容量
供儲混混平
電電合合衡
供儲電電
PovverReq=0Y
(PowerReq>0)和Kbat 0%)Y
(PowerReq>0)和(100%>ΚΒΑΤ>0%)Y
(PowerReq>0 和 K.BAT= 100%)Y
(PowerReq<0 和 ΚβΑΤ=0%)Y
(PowerReq<0)和(100%>I(BAT>0%)Y
(PowerReq<0 和 KBAT=100%)Y
[0116]表2
[0117]下面舉例詳細(xì)描述對模糊輸出量執(zhí)行模糊判決的過程。
[0118]例子一:
[0119]在步驟306中，檢測得到的動力電池SOC值為57.5%，超級電容組SOC值為15%，系統(tǒng)功率需求為_30kW。通過圖6至圖8所示的動力電池SOC隸屬度函數(shù)、超級電容組SOC隸屬度函數(shù)以及系統(tǒng)功率需求隸屬度函數(shù)分別可知:動力電池SOC隸屬于0.5倍的“M(中)”和0.5倍的“MH(中高)”狀態(tài)，超級電容組SOC隸屬于I倍的“L(低)”狀態(tài)，而系統(tǒng)功率需求隸屬于I倍的“匪(中輸入)”狀態(tài)。
[0120]將動力電池SOC為0.5倍的“M(中)”狀態(tài)，超級電容組SOC為I倍的“L (低)”狀態(tài)與系統(tǒng)功率需求的輸入量隸屬于I倍的“NM(中輸入)”狀態(tài)進(jìn)行“與”邏輯運算，查詢得到動力電池能量分配比率的模糊等級為0.5倍的“M(中)”狀態(tài)。
[0121 ] 將動力電池SOC為0.5倍的“MH(中高)”狀態(tài)，超級電容組SOC為I倍的“L (低)”狀態(tài)與系統(tǒng)功率需求隸屬于I倍的“NM(中輸入)”狀態(tài)進(jìn)行“與”邏輯運算，查詢得到動力電池能量分配比率的模糊等級為0.5倍的“MH(中高)”狀態(tài)。
[0122]由于查詢得到的動力電池能量分配比率的模糊等級為兩個，最后使用重心算法，計算最終清晰化的動力電池能量分配比率及輸出功率:
[0123]COG = (0.4*0.33+0.5*0.5+0.6*0.83+0.7*0.5)/(0.33+0.5+0.83+0.5) = 0.57
[0124]PowerEeqBAT = _30k*0.57 = -17.1kW
[0125]在上式中，使用重心算法，求出模糊函數(shù)覆蓋的重心點。其中0.33.0.5、0.83及0.5分別代表對模糊值0.4,0.5,0.6,0.7的重要權(quán)數(shù)，而分母(0.33+0.5+0.83+0.5)則為整個面積的計算。將重要權(quán)數(shù)乘以模糊值再除以面積便可得出最終清晰化的動力電池能量分配比率，由此得到最終清晰化的動力電池能量分配比率及輸出功率分別為57%及-17.lKw。
[0126]例子二:
[0127]在步驟306中，檢測得到的動力電池SOC值為27.5%，超級電容組SOC值為50 %，系統(tǒng)功率需求的輸入量為45kW。通過圖6至圖8所示的動力電池SOC隸屬度函數(shù)、超級電容組SOC隸屬度函數(shù)以及系統(tǒng)功率需求隸屬度函數(shù)分別可知:動力電池SOC隸屬于0.5倍的“L(低)”和0.5倍的“ML(中低)”狀態(tài)，超級電容組SOC隸屬于I倍的“M(中)”狀態(tài)，而系統(tǒng)功率需求隸屬于I倍的“PH(高輸出)”狀態(tài)。
[0128]將動力電池SOC為0.5倍的“L (低)”狀態(tài)，超級電容組SOC為I倍的“M(中)”狀態(tài)與PowerReq隸屬于I倍的“PH(高輸出)”狀態(tài)進(jìn)行“與”邏輯運算，得到動力電池能量分配比率的模糊等級為0.5倍的“ML(中低)”狀態(tài)。
[0129]動力電池SOC為0.5倍的“ML(中低)”狀態(tài)，超級電容組SOCl倍的“M(中)”狀態(tài)與系統(tǒng)功率需求隸屬于I倍的“PH(高輸出)”狀態(tài)進(jìn)行“與”邏輯運算，得到動力電池能量分配比率的模糊等級為0.5倍的“M(中)”狀態(tài)。
[0130]由于查詢得到的動力電池能量分配比率的模糊等級為兩個，最后使用重心算法，計算最終清晰化的動力電池能量分配比率及輸出功率:
[0131]COG = (0.3*0.5+0.4*0.83+0.5*0.5+0.6*0.33)/(0.33+0.5+0.83+0.5) = 0.43
[0132]PowerReqBAT = 45k*0.43 = 19375W
[0133]類似于例子一，得到最終清晰化的動力電池能量分配比率及輸出功率分別為43%及 19375W。
[0134]例子二:
[0135]在步驟306中，檢測得到的動力電池SOC值為80 %，超級電容組SOC值為O %，系統(tǒng)功率需求為25kW。通過圖6至圖8所示的動力電池SOC隸屬度函數(shù)、超級電容組SOC隸屬度函數(shù)以及系統(tǒng)功率需求隸屬度函數(shù)分別可知:動力電池SOC隸屬于I倍的“H(高)”狀態(tài)，超級電容組SOC隸屬于I倍的“L (低)”狀態(tài)，而系統(tǒng)功率需求隸屬于I倍的“PM(中輸出)”狀態(tài)。
[0136]將動力電池SOC為I倍的“H(高)”狀態(tài)，超級電容組SOC為I倍的“L (低)”狀態(tài)與系統(tǒng)功率需求的輸入量隸屬于I倍的“PM(中輸出)”狀態(tài)進(jìn)行“與”邏輯運算，得到清晰化的動力電池能量分配比率及輸出功率為I及25kW，即所有功率取于動力電池。
[0137]圖10所示為現(xiàn)有技術(shù)的混合儲能系統(tǒng)與本發(fā)明的混合儲能系統(tǒng)的測試結(jié)果對比圖。如圖10所示，實線代表混合儲能系統(tǒng)的電流隨時間的變化，虛線代表純動力電池儲能系統(tǒng)的電流隨時間的變化。從圖10可知，通過使用本發(fā)明提供的混合儲能系統(tǒng)的能量分配方法，動力電池組的峰值電流減少到系統(tǒng)峰值電流的50%，剩余部分的能量由超級電容組吸收/提供。換句話說，實現(xiàn)了削峰填谷的概念，提高了電池壽命。
[0138]本發(fā)明公開一種基于電池和超級電容的混合儲能系統(tǒng)的能量分配方法及裝置，針混合儲能系統(tǒng)現(xiàn)存的一些缺點，完善控制策略，實現(xiàn)削峰填谷，提高整個系統(tǒng)的性能，延長電池壽命。此外，還可以根據(jù)實際的運行情況微調(diào)工作模式及計算能量分配比率，避免一些機(jī)械化的操作，更貼合實際使用的復(fù)雜環(huán)境。
[0139]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種能量分配方法，用于基于動力電池和超級電容的混合能源系統(tǒng)，其特征在于，所述能量分配方法包括: 分別建立至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)、至少一能量分配指標(biāo)的模糊集合； 形成模糊規(guī)則，所述至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)作為所述模糊規(guī)則的輸入量，所述至少一能量分配指標(biāo)作為所述模糊規(guī)則的輸出量； 檢測所述至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)； 根據(jù)所述至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)、所述模糊規(guī)則模糊判決得出所述至少一能量分配指標(biāo)；以及 根據(jù)所述至少一能量分配指標(biāo)分配所述動力電池和所述超級電容的能源比例。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量分配方法，其特征在于，所述分別建立至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)、至少一能量分配指標(biāo)的模糊集合包括: 劃分所述至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)、所述至少一能量分配指標(biāo)的模糊集合的模糊等級；以及 構(gòu)建與所述至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)、所述至少一能量分配指標(biāo)的模糊集合的模糊等級相對應(yīng)的隸屬度函數(shù)。
3.如權(quán)利要求2所述的能量分配方法，其特征在于，所述根據(jù)所述至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)、所述模糊規(guī)則模糊判決得出所述能量分配指標(biāo)包括: 根據(jù)所述至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)的隸屬度函數(shù)分別查詢所述至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)的豐吳糊等級； 根據(jù)所述至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)的模糊等級以及所述模糊規(guī)則查詢所述至少一能量分配指標(biāo)的模糊等級；以及 根據(jù)所述至少一能量分配指標(biāo)的模糊等級及其隸屬度函數(shù)計算所述能量分配指標(biāo)。
4.如權(quán)利要求3所述的能量分配方法，其特征在于，所述根據(jù)所述至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)的模糊等級以及模糊規(guī)則查詢所述至少一能量分配指標(biāo)的模糊等級中，查詢得到的其中一所述能量分配指標(biāo)的模糊等級為至少兩個，所述能量分配指標(biāo)是根據(jù)重心算法計算。
5.如權(quán)利要求2-4任一項所述的能量分配方法，其特征在于，所述至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)包括動力電池組SOC、超級電容組SOC和系統(tǒng)功率需求； 所述至少一能量分配指標(biāo)包括動力電池能量分配比率。
6.如權(quán)利要求5所述的能量分配方法，其特征在于，所述動力電池組SOC的模糊集合論域為[0，I]，所述動力電池組SOC的模糊集合的模糊等級至少為三個； 所述超級電容組SOC的模糊集合論域為[0，I]，所述超級電容組SOC的模糊集合的模糊等級至少為三個； 所述系統(tǒng)功率需求的模糊集合論域為[-50000W，50000w]，所述系統(tǒng)功率需求的模糊集合的模糊等級至少為三個； 所述動力電池能量分配比率的模糊集合論域為[0，I]，所述動力電池能量分配比率的模糊集合的模糊等級至少為三個。
7.如權(quán)利要求6所述的能量分配方法，其特征在于，所述動力電池組的模糊集合的模糊等級包括低、中低、中等、高中、高； 所述超級電容組SOC的模糊集合的模糊等級包括低、中低、中等、高中、高； 所述系統(tǒng)功率需求的模糊集合的模糊等級包括高輸入、中輸入、低輸入、靜止、低輸出、中輸出、高輸出； 所述動力電池能量分配比率的模糊集合的模糊等級包括低、中低、中等、高中、高； 其中，高輸入、高輸出、低和高的模糊等級對應(yīng)的隸屬度函數(shù)為梯形隸屬度函數(shù)，中低、中等、高中、中輸入、低輸入、靜止、低輸出、中輸出的模糊等級對應(yīng)的隸屬度函數(shù)為三角形隸屬度函數(shù)。
8.一種能量分配裝置，用于基于動力電池和超級電容的混合能源系統(tǒng)，其特征在于，所述能量分配裝置包括: 建立模塊，用于分別建立至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)、至少一能量分配指標(biāo)的模糊集合； 形成模塊，用于形成模糊規(guī)則，所述至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)作為所述模糊規(guī)則的輸入量，所述至少一能量分配指標(biāo)作為所述模糊規(guī)則的輸出量； 檢測模塊，用于檢測所述至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)； 模糊判決模塊，用于根據(jù)所述至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)、所述模糊規(guī)則模糊判決得出所述至少一能量分配指標(biāo)；以及 分配模塊，用于根據(jù)所述至少一能量分配指標(biāo)分配所述動力電池和所述超級電容的能源比例。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的能量分配裝置，其特征在于，所述建立模塊包括: 劃分單元，用于劃分所述至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)及所述至少一能量分配指標(biāo)的模糊集合的模糊等級；以及 構(gòu)建單元，用于構(gòu)建所述至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)及所述至少一能量分配指標(biāo)的模糊集合的隸屬度函數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的能量分配裝置，其特征在于，所述模糊判決模塊包括: 第一查詢單元，用于根據(jù)所述至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)的隸屬度函數(shù)分別查詢所述至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)的模糊等級； 第二查詢單元，用于根據(jù)所述至少三個系統(tǒng)性能指標(biāo)的模糊等級以及模糊規(guī)則查詢所述至少一能量分配指標(biāo)的模糊等級；以及 計算單元，用于根據(jù)所述至少一能量分配指標(biāo)的模糊等級及其隸屬度函數(shù)計算所述能量分配指標(biāo)。
【文檔編號】H02J7/00GK104184189SQ201410404004
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月15日
【發(fā)明者】林勇豪, 黃卜夫, 龔灼 申請人:智慧城市系統(tǒng)服務(wù)（中國）有限公司