RU2721227C1 - Energy accumulation system and method of control thereof - Google Patents
Energy accumulation system and method of control thereof Download PDFInfo
- Publication number
- RU2721227C1 RU2721227C1 RU2019127542A RU2019127542A RU2721227C1 RU 2721227 C1 RU2721227 C1 RU 2721227C1 RU 2019127542 A RU2019127542 A RU 2019127542A RU 2019127542 A RU2019127542 A RU 2019127542A RU 2721227 C1 RU2721227 C1 RU 2721227C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- power
- output
- converter
- bridge
- battery
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 25
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 title abstract description 5
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 73
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 claims abstract description 17
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 8
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 claims description 6
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims description 5
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 5
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 2
- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims description 2
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 abstract 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 14
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 4
- 208000024891 symptom Diseases 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 2
- 238000007726 management method Methods 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 230000001172 regenerating effect Effects 0.000 description 2
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 2
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B60—VEHICLES IN GENERAL
- B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
- B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
- B60L50/40—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by capacitors
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B60—VEHICLES IN GENERAL
- B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
- B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
- B60L50/50—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
- B60L50/60—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells using power supplied by batteries
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B60—VEHICLES IN GENERAL
- B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
- B60W10/00—Conjoint control of vehicle sub-units of different type or different function
- B60W10/24—Conjoint control of vehicle sub-units of different type or different function including control of energy storage means
- B60W10/26—Conjoint control of vehicle sub-units of different type or different function including control of energy storage means for electrical energy, e.g. batteries or capacitors
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B60—VEHICLES IN GENERAL
- B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
- B60W20/00—Control systems specially adapted for hybrid vehicles
- B60W20/10—Controlling the power contribution of each of the prime movers to meet required power demand
- B60W20/13—Controlling the power contribution of each of the prime movers to meet required power demand in order to stay within battery power input or output limits; in order to prevent overcharging or battery depletion
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
- H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other DC sources, e.g. providing buffering
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
- H02P4/00—Arrangements specially adapted for regulating or controlling the speed or torque of electric motors that can be connected to two or more different electric power supplies
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
- Y02T10/64—Electric machine technologies in electromobility
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
- Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/80—Technologies aiming to reduce greenhouse gasses emissions common to all road transportation technologies
- Y02T10/92—Energy efficient charging or discharging systems for batteries, ultracapacitors, supercapacitors or double-layer capacitors specially adapted for vehicles
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Transportation (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
- Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области электротехники, в частности - к электрическим силовым установкам транспортных машин, преимущественно беспилотных.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to electric power plants of transport vehicles, mainly unmanned vehicles.
Транспортные машины с электрическими силовыми установками, такие как гибридные автомобили с двигателями внутреннего сгорания или топливными элементами, электромобили и электробусы, находят все более широкое применение. В их состав входят аккумуляторные батареи, эффективность использования которых в значительной мере определяет стоимостные и технические характеристики транспортных машин.Transport vehicles with electric power plants, such as hybrid cars with internal combustion engines or fuel cells, electric cars and electric buses, are finding wider application. They include rechargeable batteries, the efficiency of use of which largely determines the cost and technical characteristics of transport vehicles.
Известны способы управления энергопотреблением в гибридных транспортных машинах (WO 2013/131735 A3; U.S. Pat. №8,606,513 В2; U.S. Pat. №10,131,341 В2) основанные на учете особенностей движения машин в различных дорожных условиях. Указанные способы позволяют повысить эффективность использования аккумуляторных батарей, однако в недостаточной мере. Это связано с тем, что аккумуляторные батареи обладают относительно невысокой удельной мощностью, и необходимо увеличивать их массу чтобы обеспечить достаточно интенсивный разгон или рекуперативное торможение транспортной машины.Known methods of energy management in hybrid vehicles (WO 2013/131735 A3; U.S. Pat. No. 8,606,513 B2; U.S. Pat. No. 10,131,341 B2) based on the characteristics of the movement of cars in various road conditions. These methods can improve the efficiency of use of rechargeable batteries, however, to an insufficient extent. This is due to the fact that the batteries have a relatively low specific power, and it is necessary to increase their mass in order to ensure sufficiently intense acceleration or regenerative braking of the transport vehicle.
Известны системы аккумулирования энергии для электрических силовых установок транспортных машин, включающие в себя комбинацию двух накопителей электроэнергии: первый представляет собой аккумуляторную батарею (вторичный химический источник тока), обладающую высокой удельной энергией, второй - конденсаторную батарею (батарею конденсаторов с двойным электрическим слоем, именуемых также суперконденсаторами), обладающую высокой удельной мощностью. При этом используются различные средства и способы распределения энергии между аккумуляторной и конденсаторной батареями (U.S. Pat. №5,373,195; U.S. Pat. №7,258,183 В2; U.S. Pat. №7,780,562 В2; U.S. Pat. №7,791,216 В2; U.S. Pat. №7,936,083 B2; U.S. Pat. №8,434,578 B2; U.S. Pat. №8,860,359 B2; U.S. Pat. №9,162,669 B2; U.S. Pat. №9,895,983 B2; U.S. Pat. №10,050,439 B2; U.S. Pat. №10,293,702 B2).Known energy storage systems for electric power plants of transport vehicles, which include a combination of two energy storage devices: the first is a rechargeable battery (secondary chemical current source) with high specific energy, the second is a capacitor bank (capacitor bank with a double electric layer, also referred to as supercapacitors), which has a high power density. In this case, various means and methods of energy distribution between the storage and capacitor batteries are used (US Pat. No. 5,373,195; US Pat. No. 7,258,183 B2; US Pat. No. 7,780,562 B2; US Pat. No. 7,791,216 B2; US Pat. No. 7,936,083 B2; US Pat. No. 8,434,578 B2; US Pat. No. 8,860,359 B2; US Pat. No. 9,162,669 B2; US Pat. No. 9,895,983 B2; US Pat. No. 10,050,439 B2; US Pat. No. 10,293,702 B2).
В вышеперечисленных технических решениях отдача/прием энергии конденсаторной батареей происходят как реакция на текущую потребность, возникающую при разгоне либо рекуперативном торможении транспортной машины, причем количество запасенной в конденсаторной батарее энергии отклоняется от заранее установленного исходного уровня Е0 в меньшую либо большую сторону, а затем возвращается к нему; эксплуатационная энергоемкость конденсаторной батареи составляетIn the above technical solutions, energy delivery / reception by the capacitor bank occurs as a reaction to the current need arising from acceleration or regenerative braking of the transport vehicle, and the amount of energy stored in the capacitor bank deviates from the previously set initial level E 0 to a smaller or larger side, and then returns to him; the operational energy capacity of a capacitor bank is
Ecb=Emax-Emin=Eret+Erec,E cb = E max -E min = E ret + E rec ,
где Emax, Emin - соответственно максимально и минимально допустимые уровни запасаемой конденсаторной батареей энергии, Eret=Е0-Emin - потенциальная потребность в отдаваемой конденсаторной батареей энергии, Erec=Emax-Е0 - потенциальная потребность в принимаемой конденсаторной батареей энергии. Общий недостаток этих решений заключается в неэффективном использовании конденсаторной батареи, которая должна обладать существенным (до двукратного при Eret=Erec) избытком эксплуатационной энергоемкости по отношению к потенциальной потребности в отдаваемой или принимаемой ею энергии.where E max , E min are the maximum and minimum acceptable levels of energy stored by the capacitor bank, E ret = E 0 -E min is the potential need for energy supplied by the capacitor bank, E rec = E max -E 0 is the potential need for the received capacitor bank energy. A common drawback of these solutions is the inefficient use of a capacitor bank, which should have a substantial (up to two times at E ret = E rec ) excess operational energy intensity in relation to the potential demand for energy supplied or received by it.
Из числа вышеперечисленных технических решений в качестве прототипа заявляемого изобретения выбраны способ и система аккумулирования энергии транспортной машины (U.S. Pat. №7,791,216 В2). Данная система входит в состав электрической силовой установки транспортной машины и состоит из силовой части и контроллера, содержащего средства оценки состояний силовой части, средства управления и информационный интерфейс, причем силовая часть содержит силовые клеммы системы (шину для подключения к электроприводу ведущих колес), аккумуляторную батарею, конденсаторную батарею и конвертер с управляющим входом конвертера, которые связаны так, чтоFrom among the above technical solutions, as a prototype of the claimed invention, a method and a system for energy storage of a transport vehicle (U.S. Pat. No. 7,791,216 B2) were selected. This system is part of the electric power plant of the transport machine and consists of a power unit and a controller containing means for assessing the status of the power unit, control means and an information interface, the power unit containing power terminals of the system (a bus for connecting drive wheels to an electric drive), a battery , a capacitor bank and a converter with a control input of the converter, which are connected so that
Pout=Pab+Pcb-Pc,P out = P ab + P cb -P c ,
где Pout - выходная электрическая мощность системы аккумулирования энергии, измеренная на ее силовых клеммах, Pab - выходная электрическая мощность аккумуляторной батареи, Pcb - выходная электрическая мощность конденсаторной батареи, Рс - мощность потерь в конвертере, а соотношение мощностей Pab, Pcb и Рс зависит от уставки на управляющем входе конвертера.where P out is the output electric power of the energy storage system measured at its power terminals, P ab is the output electric power of the battery, P cb is the output electric power of the capacitor bank, P c is the power loss in the converter, and the power ratio is P ab , P cb and P c depend on the setting on the control input of the converter.
Управление в прототипе осуществляют так, что соотношение мощностей Pab, Pcb и Рс определяется количеством энергии Е, запасенной в конденсаторной батарее, в частности, при Pout>0:The control in the prototype is carried out so that the power ratio P ab , P cb and P c is determined by the amount of energy E stored in the capacitor bank, in particular, when P out > 0:
- если Е1<Е, то Pab=0, Pcb>0, Рс=0;- if E 1 <E, then P ab = 0, P cb > 0, P c = 0;
- если Е2<Е<Е1, то Pab>0, Pcb>0, Рс>0;- if E 2 <E <E 1 , then P ab > 0, P cb > 0, P c >0;
- если Е<Е2, то Pab>0, Pcb=0, Рс>0,- if E <E 2 , then P ab > 0, P cb = 0, P c > 0,
где Е1, Е2 - пороговые уровни.where E 1 , E 2 are threshold levels.
Таким образом, в прототипе процесс отдачи/приема энергии включает в себя этапы, на которых вся выходная электрическая мощность системы аккумулирования энергии обеспечивается исключительно конденсаторной, либо аккумуляторной батареями - потери энергии на внутренних сопротивлениях батарей пропорциональны квадрату их выходных токов и могут быть минимизированы за счет равномерного распределения этих токов, что не выполняется в данном случае.Thus, in the prototype, the process of energy delivery / reception includes stages in which the entire output electric power of the energy storage system is provided exclusively by capacitor or rechargeable batteries — energy losses at the internal resistances of the batteries are proportional to the square of their output currents and can be minimized by uniform distribution of these currents, which is not satisfied in this case.
Задачами заявляемого изобретения являются уменьшение веса и стоимости системы аккумулирования энергии, увеличение ее ресурса.The objectives of the invention are to reduce the weight and cost of the energy storage system, increase its resource.
Технические результаты, позволяющие решить поставленную задачу: снижение энергоемкости конденсаторной батареи, улучшение режимов работы конвертера, аккумуляторной и конденсаторной батарей за счет минимизации потерь энергии в них.Technical results that allow us to solve the problem: reducing the energy consumption of the capacitor bank, improving the operating modes of the converter, battery and capacitor banks by minimizing energy losses in them.
Технические результаты достигаются тем, что в системе аккумулирования энергии (именуемой далее система), состоящей из силовой части, средств оценки состояний силовой части и средств управления, оснащенных информационным интерфейсом, причем силовая часть содержит силовые клеммы системы, аккумуляторную батарею, конденсаторную батарею и конвертер с управляющим входом конвертера, которые связаны так, чтоTechnical results are achieved by the fact that in the energy storage system (hereinafter referred to as the system), consisting of the power unit, means for assessing the status of the power unit and control means equipped with an information interface, the power unit comprising power system terminals, a battery, a capacitor bank and a converter with the control input of the converter, which are connected so that
Pout=Pab+Pcb-Pc,P out = P ab + P cb -P c ,
где Pout - выходная электрическая мощность системы, измеренная на ее силовых клеммах, Pab - выходная электрическая мощность аккумуляторной батареи, Pcb - выходная электрическая мощность конденсаторной батареи, Рс - мощность потерь в конвертере, а соотношение мощностей Pab, Pcb и Рс зависит от уставки Ref на управляющем входе конвертера, согласно заявляемому изобретению в состав средств управления введены массив входных данных и программа оптимального управления, причем:where P out is the electrical output of the system, measured at its power terminals, P ab is the electrical output of the battery, P cb is the electrical output of the capacitor battery, P c is the power loss in the converter, and the power ratio is P ab , P cb and P c depends on the Ref setting at the control input of the converter, according to the claimed invention, an array of input data and an optimal control program are included in the control means, moreover:
- массив входных данных имеет возможность заполнения через информационный интерфейс и содержит прогноз Pf мощности Pout;- the input data array has the ability to fill through the information interface and contains a forecast P f power P out ;
- программа оптимального управления связана с массивом входных данных, средствами оценки состояний силовой части и управляющем входом конвертера и служит для формирования уставки Ref, минимизирующей значение функции W от потерь энергии, ожидаемых в период упреждения прогноза Pf.- the optimal control program is connected with the input data array, means for assessing the state of the power unit and controlling the input of the converter and serves to form a Ref setting that minimizes the value of the function W from energy losses expected during the forecast lead P f .
Система может быть реализована так, что формирование уставки Ref заключается в выборе одного из множества прогнозных вариантов ее изменения, основанном на методах динамического программирования, причем критерием выбора является минимум значения функцииThe system can be implemented in such a way that the formation of the Ref set point consists in choosing one of the many forecast variants of its change based on dynamic programming methods, and the criterion for choosing is the minimum value of the function
W=Wab+k1⋅Wcb+k2⋅Wc,W = W ab + k 1 ⋅ W cb + k 2 ⋅ W c ,
где k1, k2 - весовые коэффициенты, Wab - величина потерь энергии на внутреннем сопротивлении аккумуляторной батареи, Wcb - величина потерь энергии на внутреннем сопротивлении конденсаторной батареи, Wc - величина потерь энергии в конвертере.where k 1 , k 2 are weight factors, W ab is the amount of energy loss at the internal resistance of the battery, W cb is the amount of energy loss at the internal resistance of the capacitor bank, W c is the amount of energy loss in the converter.
В схеме конвертера могут использоваться полумосты, каждый из которых имеет управляющий вход полумоста, первый ключ, второй ключ, плюсовой вывод, минусовой вывод и переключаемый вывод, плюсовой вывод связан с переключаемым выводом через первый ключ, минусовой вывод связан с переключаемым выводом через второй ключ, переключаемый вывод имеет возможность подключения к плюсовому либо минусовому выводу по сигналу на управляющем входе полумоста.In the converter circuit, half-bridges can be used, each of which has a half-bridge control input, a first key, a second key, a positive output, a negative output and a switched output, a positive output connected to a switched output through the first key, a negative output connected to a switched output through a second key, the switched output has the ability to connect to the positive or negative output by a signal at the control input of the half-bridge.
Первый вариант конвертера содержит два полумоста, дроссель с датчиком тока дросселя и регулятор, причем:The first version of the converter contains two half-bridge, a choke with a current sensor of the choke and a regulator, moreover:
- плюсовой и минусовой выводы первого полумоста подключены параллельно к аккумуляторной батарее, минусовой вывод первого полумоста соединен с минусовым выводом второго полумоста, переключаемый вывод первого полумоста через дроссель соединен с переключаемым выводом второго полумоста, плюсовой и минусовой выводы которого подключены параллельно к конденсаторной батарее;- the positive and negative terminals of the first half-bridge are connected in parallel to the battery, the negative terminal of the first half-bridge is connected to the negative terminal of the second half-bridge, the switched output of the first half-bridge is connected via a choke to the switched output of the second half-bridge, the positive and negative terminals of which are connected in parallel to the capacitor bank;
- регулятор имеет три входа и два выхода, на первый вход регулятора от средств оценки состояний силовой части подан сигнал общей обратной связи по напряжению разомкнутой цепи конденсаторной батареи, второй вход регулятора является управляющим входом конвертера, на третий вход регулятора подан сигнал местной обратной связи от датчика тока дросселя, выходы регулятора подключены к управляющим входам полумостов.- the regulator has three inputs and two outputs, the first feedback from the means for assessing the state of the power unit receives a signal of general feedback on the open circuit voltage of the capacitor bank, the second input of the regulator is the control input of the converter, and the local feedback from the sensor is fed to the third input of the regulator throttle current, the controller outputs are connected to the control inputs of the half-bridge.
В первом варианте конвертера силовыми клеммами системы могут являться плюсовой и минусовой выводы любого из двух полумостов.In the first version of the converter, the power terminals of the system can be the plus and minus terminals of any of the two half-bridges.
Второй вариант конвертера содержит полумост, дроссель с датчиком тока дросселя и регулятор, причем:The second version of the converter contains a half-bridge, a choke with a choke current sensor and a regulator, moreover:
- плюсовой и минусовой выводы полумоста являются силовыми клеммами системы аккумулирования энергии, минусовой вывод полумоста соединен с минусовым выводом аккумуляторной батареи, переключаемый вывод полумоста через дроссель соединен с плюсовым выводом аккумуляторной батареи и минусовым выводом конденсаторной батареи, плюсовой вывод которой соединен с плюсовым выводом полумоста;- the positive and negative terminals of the half-bridge are power terminals of the energy storage system, the negative terminal of the half-bridge is connected to the negative terminal of the battery, the switched half-bridge output through the inductor is connected to the positive terminal of the battery and the negative terminal of the capacitor battery, the positive terminal of which is connected to the positive terminal of the half-bridge;
- регулятор имеет три входа и выход, на первый вход регулятора от средств оценки состояний силовой части подан сигнал общей обратной связи по напряжению разомкнутой цепи конденсаторной батареи, второй вход регулятора является управляющим входом конвертера, на третий вход регулятора подан сигнал местной обратной связи от датчика тока дросселя, выход регулятора подключен к управляющему входу полумоста.- the regulator has three inputs and an output, a general feedback signal for the open circuit voltage of the capacitor bank is fed to the first input of the regulator from the power unit state assessment means, the second input of the regulator is the control input of the converter, the local feedback signal from the current sensor is fed to the third input of the regulator throttle, the regulator output is connected to the control input of the half-bridge.
Регулятор в обоих вариантах конвертера выполнен так, чтобы сигнал общей обратной связи на первом входе регулятора стремился к уставке Ref на втором входе регулятора.The regulator in both versions of the converter is designed so that the general feedback signal at the first input of the regulator strives for the Ref setting at the second input of the regulator.
Система может быть размещена на электромобиле, имеющем средства навигации и оценки дорожной обстановки, причем в состав средств управления введена программа циклического формирования прогноза Pf, построенная на основе анализа данных средств навигации и оценки дорожной обстановки.The system can be placed on an electric vehicle with navigation and traffic assessment tools, and the program of cyclic forecast formation P f based on the analysis of data from navigation tools and traffic assessment is included in the control tools.
Указанный электромобиль, может содержать теплоизоляционный отсек, при этом:The specified electric vehicle may contain a heat-insulating compartment, while:
- аккумуляторная батарея имеет емкость, обеспечивающую не более 100 километров пробега электромобиля без подзарядки, и размещена в теплоизоляционном отсеке так, чтобы обеспечивалась возможность ее оперативной замены;- the battery has a capacity that provides no more than 100 kilometers of electric vehicle without recharging, and is placed in the insulating compartment so that it can be quickly replaced;
- на территории предполагаемой эксплуатации электромобиля размещена сеть станций для оперативной замены аккумуляторных батарей и их зарядки, совмещенной с подогревом либо охлаждением аккумуляторных батарей до оптимальных рабочих температур.- on the territory of the alleged operation of the electric vehicle, a network of stations is located for the rapid replacement of batteries and their charging, combined with heating or cooling the batteries to optimal operating temperatures.
При управлении системой, содержащей аккумуляторную батарею, конденсаторную батарею и конвертер с управляющим входом конвертера, которые связаны так, чтоWhen controlling a system comprising a battery, a capacitor bank, and a converter with a control input of the converter, which are connected so that
Pout=Pab+Pcb-Pc,P out = P ab + P cb -P c ,
где Pout - выходная электрическая мощность системы, Pab - выходная электрическая мощность аккумуляторной батареи, Pcb - выходная электрическая мощность конденсаторной батареи, Рс - мощность потерь в конвертере, а соотношение мощностей Pab, Pcb и Рс зависит от уставки Ref на управляющем входе конвертера, согласно заявляемому способу задают конечное множество U значений напряжения и затем циклически выполняют следующие действия:where P out is the electrical output of the system, P ab is the electrical output of the battery, P cb is the electrical output of the capacitor battery, P c is the power loss in the converter, and the power ratio P ab , P cb and P c depends on the Ref setting at the control input of the converter, according to the claimed method, a finite set U of voltage values is set and then the following actions are cyclically performed:
- формируют прогноз Pf мощности Pout и разбивают период упреждения прогноза Pf на множество интервалов времени;- form a forecast P f power P out and break the forecast lead time P f into many time intervals;
- на каждом интервале времени формируют множество прогнозных вариантов изменения напряжения разомкнутой цепи конденсаторной батареи так, чтобы на границах интервала времени величина этого напряжения принадлежала заданному конечному множеству U, причем для каждого варианта вычисляют потерю w, соответствующую выполнению прогноза Pf, по формуле- at each time interval, a set of predictive options for changing the voltage of the open circuit of the capacitor bank is formed so that at the borders of the time interval the magnitude of this voltage belongs to a given finite set U, and for each option, the loss w corresponding to the forecast P f is calculated by the formula
w=wab+k1⋅wcb+k2⋅wc,w = w ab + k 1 ⋅w cb + k 2 ⋅w c ,
где k1, k2 - весовые коэффициенты, wab - величина потерь энергии на внутреннем сопротивлении аккумуляторной батареи, wcb - величина потерь энергии на внутреннем сопротивлении конденсаторной батареи, wc - величина потерь энергии в конвертере;where k 1 , k 2 are weighting factors, w ab is the amount of energy loss at the internal resistance of the battery, w cb is the amount of energy loss at the internal resistance of the capacitor battery, w c is the amount of energy loss in the converter;
- из множества сформированных прогнозных вариантов выбирают последовательность, которая образует непрерывную функцию uf(t) при минимальной сумме потерь w, затем подают на управляющий вход конвертера такую уставку Ref, что величина напряжения разомкнутой цепи конденсаторной батареи стремится к uf(t).- from the set of generated forecast options, a sequence is selected that forms a continuous function u f (t) with a minimum loss amount w, then the setting Ref is applied to the converter control input such that the open circuit voltage of the capacitor bank tends to u f (t).
Заявляемый способ управления может применяться так, что циклическое выполнение указанных действий осуществляют с периодом повторения, многократно меньшим, чем период упреждения прогноза Pf.The inventive control method can be applied so that the cyclic execution of these actions is carried out with a repetition period many times smaller than the forecast lead time P f .
Заявляемый способ управления может применяться на электромобиле со средствами навигации, данные которых используют для составления маршрута, и средствами оценки дорожной обстановки, данные которых используют для прогнозирования графика движения электромобиля по маршруту, а формирование прогноза Pf осуществляют по формулеThe inventive control method can be applied on an electric vehicle with navigation aids, the data of which are used to compose a route, and means of assessing the traffic situation, the data of which are used to predict the electric vehicle’s traffic route along a route, and the forecast P f is formed by the formula
Pf=(m⋅v⋅dv/dt+m⋅g⋅dh/dt+Pw)/η,P f = (m⋅v⋅dv / dt + m⋅g⋅dh / dt + P w ) / η,
где m - масса электромобиля, v, h - прогнозируемые скорость и высота положения электромобиля, g -- ускорение свободного падения, Pw - прогнозируемая мощность потерь, обусловленных трением качения и аэродинамическим сопротивлением электромобиля, η - коэффициент полезного действия электропривода ведущих колес электромобиля, причем период упреждения прогноза Pf задают так, чтобы он превышал величинуwhere m is the mass of the electric vehicle, v, h are the predicted speed and height of the position of the electric vehicle, g is the acceleration of gravity, P w is the predicted power loss due to rolling friction and aerodynamic resistance of the electric vehicle, η is the efficiency of the electric drive wheels of the electric vehicle, and the forecast lead time P f is set so that it exceeds the value
(Emax-Emin)/Pav,(E max -E min ) / P av ,
где Emax, Emin - максимально и минимально возможный запасы энергии конденсаторной батареи, Pav - средняя мощность Pout при движении электромобиля по магистральной дороге с качественным покрытием.where E max , E min is the maximum and minimum possible energy reserves of the capacitor bank, P av is the average power P out when the electric vehicle moves along the main road with high-quality coating.
Существенные признаки заявляемого решения влияют на достижение технического результата следующим образом:The essential features of the proposed solutions affect the achievement of the technical result as follows:
Аккумуляторная батарея имеет высокую удельную энергию, а конденсаторная батарея - высокую удельную мощность. Система, обладающая высокими удельными показателями энергии и мощности, состоит из силовой части, средств оценки состояний силовой части и средств управления, причем силовая часть содержит силовые клеммы системы, аккумуляторную батарею, конденсаторную батарею и конвертер с управляющим входом конвертера, которые связаны определенным образом. Перечисленные признаки известны из существующего уровня техники и открывают потенциальную возможность для оптимизации процесса распределения выходной электрической мощности системы между аккумуляторной и конденсаторной батареями.The battery has a high specific energy, and a capacitor bank has a high specific power. A system having high specific indicators of energy and power consists of a power unit, means for assessing the status of the power unit and control means, and the power unit contains power terminals of the system, a storage battery, a capacitor bank and a converter with a control input of the converter, which are connected in a certain way. The listed features are known from the prior art and offer the potential for optimizing the distribution process of the electrical output of the system between the battery and capacitor banks.
Новый признак: «массив входных данных… содержит прогноз Pf мощности Pout» позволяет планировать отдачу или прием энергии конденсаторной батареей не только как реакцию на текущую потребность, возникающую при всплесках выходной электрической мощности системы, но и подготавливать конденсаторную батарею к таким всплескам, а именно - разряжать ее перед приемом энергии, либо заряжать перед отдачей энергии. При этом конденсаторная батарея будет использоваться максимально эффективно, так как ее эксплуатационная энергоемкость не будет избыточной по отношению к потенциальной потребности в отдаваемой или принимаемой энергии.A new sign: “the input data array ... contains a forecast P f of power P out ” allows you to plan the return or reception of energy by a capacitor bank not only as a reaction to the current need that occurs during surges in the electrical output of the system, but also prepare the capacitor bank for such surges, and namely, to discharge it before the reception of energy, or to charge before the release of energy. At the same time, the capacitor bank will be used as efficiently as possible, since its operational energy intensity will not be excessive in relation to the potential need for energy to be supplied or received.
Реализация вышеуказанной возможности обеспечивается новым признаком: «программа оптимального управления… для формирования уставки Ref, минимизирующей значение функции W от потерь энергии, ожидаемых в период упреждения прогноза Pf».The realization of the above possibility is provided by a new feature: “an optimal control program ... for setting the Ref setting minimizing the value of the function W from energy losses expected during the forecast lead time P f ”.
Алгоритм формирования раскрыт в признаке: «формирование уставки Ref заключается в выборе одного из множества прогнозных вариантов ее изменения, основанном на методах динамического программирования». Последние широко известны (Беллман Р. // Динамическое программирование. - М.: Издательство иностранной литературы, 1960.; Кормен Т., Лейзерсон Ч., Ривест Р., Штайн К. // Алгоритмы: построение и анализ. - М.: Вильяме, 2005.).The formation algorithm is disclosed in the sign: “the formation of the Ref setting is to select one of the many predictive options for changing it, based on dynamic programming methods”. The latter are widely known (Bellman R. // Dynamic programming. - M .: Publishing house of foreign literature, 1960 .; Kormen T., Leiserson Ch., Rivest R., Stein K. // Algorithms: construction and analysis. - M .: William, 2005.).
Признак: «минимум значения функцииSymptom: “minimum function value
W=Wab+k1⋅Wcb+k2⋅Wc,W = W ab + k 1 ⋅ W cb + k 2 ⋅ W c ,
где k1, k2 - весовые коэффициенты,, Wab - величина потерь энергии на внутреннем сопротивлении аккумуляторной батареи, Wcb - величина потерь энергии на внутреннем сопротивлении конденсаторной батареи, Wc - величина потерь энергии в конвертере» раскрывает один из возможных критериев выбора. Для специалиста в данной области техники должно быть понятно, что весовые коэффициенты задаются в зависимости от конкретных параметров системы, в частности, указанные коэффициенты могут быть приравнены к нулю если рабочие температуры конденсаторной батареи и конвертера не превышают безопасного уровня. В этом случае будет максимально улучшен режим работы аккумуляторной батареи за счет минимизации потерь энергии на ее внутреннем сопротивлении. Так как аккумуляторная батарея является наиболее тяжелым, дорогостоящим и недолговечным элементом системы, будут решены поставленные задачи уменьшения веса, стоимости, и увеличения ресурса системы.where k 1 , k 2 are weight coefficients, W ab is the amount of energy loss at the internal resistance of the battery, W cb is the amount of energy loss at the internal resistance of the capacitor bank, W c is the amount of energy loss in the converter ”reveals one of the possible selection criteria . For a person skilled in the art it should be clear that the weights are set depending on the specific parameters of the system, in particular, these factors can be set to zero if the operating temperatures of the capacitor bank and converter do not exceed a safe level. In this case, the operating mode of the battery will be maximally improved by minimizing energy losses at its internal resistance. Since the rechargeable battery is the most heavy, expensive and short-lived element of the system, the tasks set for reducing weight, cost, and increasing the life of the system will be solved.
Признаки, раскрывающие варианты построения конвертера известны из существующего уровня техники и являются поясняющими.Signs that reveal the options for constructing the Converter are known from the existing level of technology and are explanatory.
Признаки: «Система… размещена на электромобиле, имеющем средства навигации и оценки дорожной обстановки, причем в состав средств управления введена программа циклического формирования прогноза Pf, построенная на основе анализа данных средств навигации и оценки дорожной обстановки» очевидны для специалиста в данной области техники и являются поясняющими.Signs: “The system ... is located on an electric vehicle with navigation and traffic assessment tools, and the control program includes a cyclic forecasting program P f based on the analysis of data from navigation tools and traffic assessment” are obvious to a person skilled in the art and are explanatory.
Введение признака: «аккумуляторная батарея… размещена в теплоизоляционном отсеке» стало возможным благодаря минимизации потерь энергии на внутреннем сопротивлении аккумуляторной батареи. При минимальных потерях энергии теплоемкость аккумуляторной батареи достаточна для предотвращения ее перегрева, что исключает потребность в принудительном охлаждении. За счет размещения аккумуляторной батареи в теплоизоляционном отсеке уменьшается воздействие таких вредных факторов, как пониженная или повышенная температура окружающего воздуха.The introduction of the sign: "the battery ... is located in the insulating compartment" was made possible by minimizing the energy loss on the internal resistance of the battery. With minimal energy loss, the heat capacity of the battery is sufficient to prevent overheating, which eliminates the need for forced cooling. By placing the battery in the insulating compartment, the effects of such harmful factors as reduced or elevated ambient temperatures are reduced.
Введение признака: «аккумуляторная батарея имеет емкость, обеспечивающую не более 100 километров пробега электромобиля без подзарядки» стало возможным за счет снижения требований к мощности аккумуляторной батареи (благодаря наличию конденсаторной батареи). Низкая емкость аккумуляторной батареи позволяет сделать ее легкой и небольшой, то есть реализовать признак: «аккумуляторная батарея... размещена… так, чтобы обеспечивалась возможность ее оперативной замены».The introduction of the sign: “the battery has a capacity that provides no more than 100 kilometers of electric vehicle without recharging” was made possible by reducing the battery power requirements (due to the presence of a capacitor bank). The low capacity of the battery allows you to make it light and small, that is, to implement the sign: "the battery ... is placed ... so that it is possible to quickly replace it."
Признак: «на территории предполагаемой эксплуатации электромобиля размещена сеть станций для оперативной замены аккумуляторных батарей и их зарядки…» очевиден для специалиста в данной области техники и является поясняющим.The symptom: “in the territory of the alleged operation of the electric vehicle there is a network of stations for the rapid replacement of batteries and their charging ...” is obvious to a person skilled in the art and is explanatory.
Новый признак: «…зарядки, совмещенной с подогревом либо охлаждением аккумуляторных батарей до оптимальных рабочих температур» позволяет (в совокупности с размещением аккумуляторной батареи в теплоизоляционном отсеке) улучшить режим работы аккумуляторной батареи.A new sign: “... charging combined with heating or cooling the batteries to optimal operating temperatures” allows (in combination with the placement of the battery in the heat-insulating compartment) to improve the battery mode.
Новая совокупность признаков способа управления: «задают конечное множество U значений напряжения… разбивают период упреждения прогноза Pf на множество интервалов времени;A new set of features of the control method: "set a finite set U of voltage values ... divide the forecast lead time P f into many time intervals;
- на каждом интервале времени формируют множество прогнозных вариантов изменения напряжения разомкнутой цепи конденсаторной батареи так, чтобы на границах интервала времени величина этого напряжения принадлежала заданному конечному множеству U, причем для каждого варианта вычисляют потерю w…;- at each time interval, a set of predictive options for changing the voltage of the open circuit of the capacitor bank is formed so that at the boundaries of the time interval the magnitude of this voltage belongs to a given finite set U, and for each option, the loss w ... is calculated;
- из множества сформированных прогнозных вариантов выбирают последовательность, которая образует непрерывную функцию uf(t) при минимальной сумме потерь w» позволяет свести задачу поиска оптимального управления к известной задаче поиска кратчайшего пути в ориентированном ациклическом графе (см. стр. 197 в кн. Кристофидес Н. // Теория графов. Алгоритмический подход.- М.: Мир, 1978.).- from a set of generated forecast options, choose a sequence that forms a continuous function u f (t) with a minimum loss amount w ”allows us to reduce the problem of finding optimal control to the well-known problem of finding the shortest path in an oriented acyclic graph (see page 197 in the book by Christofides N. // Graph theory. Algorithmic approach. - M.: Mir, 1978.).
Признак: «циклическое выполнение указанных действий осуществляют с периодом повторения, многократно меньшим, чем период упреждения прогноза Pf» позволяет вносить своевременные корректировки в процесс распределения мощности при изменении прогноза Pf.The symptom: "the cyclical implementation of these actions is carried out with a repetition period many times shorter than the forecast lead time P f " allows you to make timely adjustments to the power distribution process when changing the forecast P f .
Способ формирования прогноза Pf раскрыт в признаках, характеризующих заявляемое решение применительно к электромобилю, преимущественно беспилотному - в данном случае способ наиболее прост и приведен в качестве поясняющего примера. Область применения заявляемого решения не исчерпывается приведенным примером. В частности, формирование прогнозов выходной электрической мощности систем, предназначенных для гибридных транспортных машин, промышленных приводов, устройств автономной электроэнергетики и др. относится к отдельным задачам, которые не являются предметом данной заявки. Достижение технического результата в заявляемом решении обеспечивается независимо от способа формирования прогноза выходной электрической мощности системы.A method for generating a forecast P f is disclosed in the features characterizing the claimed solution in relation to an electric vehicle, mainly unmanned - in this case, the method is the simplest and is given as an illustrative example. The scope of the proposed solution is not limited to the above example. In particular, the formation of forecasts of the output electric power of systems designed for hybrid transport vehicles, industrial drives, autonomous electric power devices, etc. relates to individual tasks that are not the subject of this application. The achievement of the technical result in the claimed solution is provided regardless of the method for generating a forecast of the electrical output of the system.
Таким образом, заявляемое техническое решение содержит признаки, неизвестные из уровня техники и влияющие на достижение технического результата, то есть, соответствует критериям «новизна» и «изобретательский уровень».Thus, the claimed technical solution contains features unknown from the prior art and affecting the achievement of the technical result, that is, meets the criteria of "novelty" and "inventive step".
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами.The claimed technical solution is illustrated by drawings.
Фиг. 1 содержит структурную схему системы.FIG. 1 contains a block diagram of a system.
Фиг. 2, 3, 4 содержат варианты схем силовой части системы.FIG. 2, 3, 4 contain variants of the power section of the system.
Фиг. 5 иллюстрирует процесс оптимального управления.FIG. 5 illustrates an optimal control process.
Фиг. 6 иллюстрирует путь в ориентированном ациклическом графе.FIG. 6 illustrates a path in a directed acyclic graph.
Фиг. 7 иллюстрирует пример реализации способа управления.FIG. 7 illustrates an example implementation of a control method.
Фиг. 8 иллюстрирует вариант беспилотного электромобиля.FIG. 8 illustrates an embodiment of an unmanned electric vehicle.
На структурной схеме (фиг. 1) представлены:The structural diagram (Fig. 1) presents:
- силовая часть 1;-
- средства 2 оценки состояний силовой части;- means 2 assessment of the state of the power unit;
- средства 3 управления с информационным интерфейсом 4;-
- плюсовая 5 и минусовая 6 силовые клеммы системы;-
- аккумуляторная батарея 7;-
- конденсаторная батарея 8;-
- конвертер 9 с управляющим входом 10 конвертера;-
- массив 11 входных данных;- an array of 11 input data;
- программа 12 оптимального управления;-
- программа 13 циклического формирования прогноза выходной электрической мощности системы;-
- средства 14 навигации и оценки дорожной обстановки.-
Аккумуляторная батарея 7 связана с конденсаторной батареей 8 через конвертер 9, указанные элементы в совокупности с клеммами 5, 6 образуют силовую часть 1, для управления которой служит управляющий вход 10 конвертера; силовая часть 1 связана со средствами 2 оценки состояний силовой части.The
Средства 2 оценки состояний силовой части содержат, по меньше мере:
- средства оценки напряжения разомкнутой цепи и внутреннего сопротивления аккумуляторной батареи 7;- means for evaluating the open circuit voltage and the internal resistance of the
- средства оценки напряжения разомкнутой цепи и внутреннего сопротивления конденсаторной батареи 8.- means for evaluating the voltage of the open circuit and the internal resistance of the
Для оценки состояний могут использоваться известные алгоритмы, такие как фильтр Калмана или наблюдатель Люенбергера (Андреев Ю. Н. // Управление конечномерными линейными объектами.- М.: Главная редакция физико-математической литературы издательства «Наука», 1976.).Well-known algorithms can be used to evaluate states, such as the Kalman filter or the Luenberger observer (Andreev Yu. N. // Control of finite-dimensional linear objects.- M.: Main edition of the physics and mathematics literature of the Nauka publishing house, 1976.).
В состав средств 3 управления входят массив 11 входных данных, программа 12 оптимального управления, программа 13 циклического формирования прогноза выходной электрической мощности системы; программа 13 имеет возможность получения данных от средств 14 навигации и оценки дорожной обстановки, а также записи данных в массив 11 через информационный интерфейс 4; программа 12 имеет возможность получения данных из массива 11 и от средств 2 оценки состояний силовой части, а также передачи данных на управляющий вход 10 конвертера.The composition of the control means 3 includes an
На схемах (фиг. 2, 3) представлена силовая часть 1 с первым вариантом конвертера 9, в состав которого входят:The diagrams (Fig. 2, 3) show the
- первый и второй полумосты 20,21, каждый их которых имеет вход управления, плюсовой вывод, минусовой вывод и переключаемый вывод;- the first and second half-bridge 20.21, each of which has a control input, positive output, negative output and switch output;
- дроссель 22 с датчиком 23 тока дросселя;-
- регулятор 24 с тремя входами 25, 10, 26 и выходами 27, 28.-
На первый вход 25 регулятора подан сигнал общей обратной связи по напряжению и разомкнутой цепи конденсаторной батареи, второй вход регулятора является задающим входом 10 конвертера, на третий вход 26 регулятора подан сигнал местной обратной связи от датчика 23 тока дросселя, выходы 27, 28 регулятора подключены ко входам управления полумостов; плюсовой и минусовой выводы первого полумоста 20 подключены параллельно к аккумуляторной батарее 7, минусовой вывод первого полумоста 20 соединен с минусовым выводом второго полумоста 21, переключаемый вывод первого полумоста 20 через дроссель 22 соединен с переключаемым выводом второго полумоста 21, плюсовой и минусовой выводы которого подключены параллельно к конденсаторной батарее 8.The
В силовой части 1, содержащей первый вариант конвертера, силовыми клеммами 5, 6 системы могут являться: плюсовой и минусовой выводы второго полумоста 21 (как показано на фиг. 2), либо плюсовой и минусовой выводы первого полумоста 20 (как показано на фиг. 3).In the
На схеме (фиг. 4) представлена силовая часть 1 со вторым вариантом конвертера 9, в состав которого входят:The diagram (Fig. 4) shows the
- полумост 30, который имеет вход управления, плюсовой вывод, минусовой вывод и переключаемый вывод;- half-
- дроссель 31 с датчиком 32 тока дросселя;- a
- регулятор 33 с тремя входами 34, 10, 35 и выходом 36.-
На первый вход 34 регулятора подан сигнал общей обратной связи по напряжению и разомкнутой цепи конденсаторной батареи, второй вход регулятора является управляющим входом 10 конвертера, на третий вход 36 регулятора подан сигнал местной обратной связи от датчика 32 тока дросселя, выход 36 регулятора подключен ко входу управления полумоста 30; плюсовой и минусовой выводы полумоста 30 являются силовыми клеммами 5, 6 системы, минусовой вывод полумоста 30 соединен с минусовым выводом аккумуляторной батареи 7, переключаемый вывод полумоста 30 через дроссель 31 соединен с плюсовым выводом аккумуляторной батареи 7 и минусовым выводом конденсаторной батареи 8, плюсовой вывод которой соединен с плюсовым выводом полумоста 30.The
Выбор варианта силовой части 1 определяется конкретными параметрами системы:The choice of
- в тех случаях, когда выходная мощность конденсаторной батареи 8 существенно (более чем в 3 раза) превышает мощность аккумуляторной батареи 7 (например в гибридном автомобиле) предпочтительнее схема, представленная на фиг. 2;- in cases where the output power of the
- в тех случаях, когда выходная мощность конденсаторной батареи 8 приблизительно равна мощности аккумуляторной батареи 7 (например в электробусе) предпочтительнее схема, представленная на фиг. 3;- in cases where the output power of the
- в остальных случаях (например в электромобиле) предпочтительнее схема, представленная на фиг. 4.- in other cases (for example, in an electric vehicle), the circuit shown in FIG. 4.
Во всех указанных вариантах принцип работы конвертера 9 одинаков, и поясняется на примере схемы фиг. 4:In all these variants, the principle of operation of
При подаче с выхода 36 регулятора на вход управления полумоста 30 периодических прямоугольных импульсов, переключаемый вывод полумоста 30 периодически подключается к его плюсовому либо минусовому выводам. При этом среднее напряжение на переключаемом выводе полумоста 30 зависит от скважности импульсов на выходе 36 регулятора. Изменение тока дросселя 31 определяется разностью напряжений на его выводах и, следовательно, также зависит от скважности импульсов на выходе 36 регулятора. Ток дросселя влияет на распределение выходной электрической мощности системы между аккумуляторной 7 и конденсаторной 8 батареями. Напряжение и разомкнутой цепи конденсаторной батареи 8 изменяется в зависимости от ее выходной электрической мощности. Регулятор 33, выполнен так, что напряжение и на входе 34 стремится к уставке Ref на входе 10. Принцип работы регулятора известен и не требует дополнительных пояснений.When applying from the output of the 36 controller to the control input of the half-
Пример осуществления заявляемого способа управления проиллюстрирован на фиг. 5, 6 и описан ниже.An example implementation of the inventive control method is illustrated in FIG. 5, 6 and is described below.
Программа 12 получает от средств 2 данные о состоянии силовой части (напряжение разомкнутой цепи и внутреннее сопротивление аккумуляторной 7 и конденсаторной 8 батарей), а из массива 11 прогноз Pf выходной электрической мощности системы. Отметим, что внутреннее сопротивление конденсаторной батареи 8, а также напряжение разомкнутой цепи и внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи 7 изменяются достаточно медленно, и в период упреждения прогноза Pf их можно считать постоянными. Программа 12 решает задачу поиска оптимального управления, используя следующий алгоритм:
1) Внутри рабочего диапазона (umin, umax) задают конечное множество U значений напряжения разомкнутой цепи конденсаторной батареи.1) Inside the operating range (u min , u max ), a finite set U of the open circuit voltage of the capacitor bank is set.
2) Разбивают период упреждения прогноза Pf на интервалы времени (ti-1, ti), где i - номер интервала от 1 до N.2) The forecast forecast period P f is divided into time intervals (t i-1 , t i ), where i is the number of the interval from 1 to N.
3) На каждом интервале времени формируют множество прогнозных вариантов Refijk изменения уставки Ref. В соответствии с принципом работы конвертера, напряжение разомкнутой цепи конденсаторной батареи должно стремиться к уставке Ref - формирование прогнозных вариантов осуществляют так, чтобы каждому моменту времени ti соответствовали значения uij напряжения разомкнутой цепи конденсаторной батареи из заданного конечного множества U.3) At each time interval, a set of forecast options Ref ijk changes the settings Ref. In accordance with the principle of operation of the converter, the open circuit voltage of the capacitor bank should tend to the Ref setting - the formation of forecast variants is carried out in such a way that each time moment t i corresponds to the value u ij of the open circuit voltage of the capacitor bank from a given finite set U.
4) Для каждого прогнозного варианта Refijk вычисляют потерю wijk (например - величину потерь энергии на внутреннем сопротивлении аккумуляторной батареи) соответствующую выполнению прогноза Pf, используя данные о состоянии силовой части и ее математическую модель.4) For each forecast option Ref ijk, the loss w ijk is calculated (for example, the energy loss on the internal resistance of the battery) corresponding to the forecast Pf using data on the state of the power unit and its mathematical model.
5) Представляют прогнозные варианты в виде ориентированного ациклического графа (фиг. 6) с множеством вершин (i, j) и множеством дуг (i,j, k). Дуги (i,j,k) направлены к вершине (i,j) из вершин (i-1, j'), индекс k принимает значения от 1 до K, где K - количество дуг, направленных к вершине (i, j). Вершинам соответствуют значения uij, дугам - Refijk и wijk.5) Present forecast variants in the form of an oriented acyclic graph (Fig. 6) with many vertices (i, j) and many arcs (i, j, k). Arcs (i, j, k) are directed to the vertex (i, j) from the vertices (i-1, j '), the index k takes values from 1 to K, where K is the number of arcs directed to the vertex (i, j) . The vertices correspond to the values of u ij , arcs - Ref ijk and w ijk .
6) Последовательно увеличивая i от 1 до N, присваивают вершинам (i, j) пометки W (i, j), равные минимальной сумме потерь на пути к ним:6) Successively increasing i from 1 to N, assign the vertices (i, j) the marks W (i, j) equal to the minimum amount of losses on the way to them:
где (i, j, k) пробегает множество всех дуг, направленных к вершине (i, j), W(i-1, j') - пометки, ранее присвоенные вершинам, из которых направлены дуги (i, j, k), W (0, 0)=0 - пометка, присвоенная началу графа. Из всех вершин (N, j) выбирают одну (N, М) с наименьшей пометкой. Из всех дуг (N, М, k), выбирают одну (N, М, L), удовлетворяющую формуле (1). Дуга (N, М, L) лежит на пути с наименьшей суммой потерь.where (i, j, k) runs over the set of all arcs directed to the vertex (i, j), W (i-1, j ') are the marks previously assigned to the vertices from which the arcs (i, j, k) are directed, W (0, 0) = 0 - the mark assigned to the beginning of the graph. Of all the vertices (N, j), one (N, M) with the least mark is selected. From all arcs (N, M, k), one (N, M, L) is selected that satisfies formula (1). The arc (N, M, L) lies in the path with the least amount of loss.
7) Последовательно продвигаясь от вершины (N, М) к вершине (0, 0) по дугам, удовлетворяющим формуле (1) получают путь с наименьшей суммой потерь (отмечен на фиг. 6 стрелками). Данному пути соответствует последовательность уставок Refijk, которая обеспечивает оптимальное управление, и передается программой 12 на управляющий вход 10 конвертера.7) Moving sequentially from the peak (N, M) to the peak (0, 0) along arcs satisfying formula (1), one obtains the path with the smallest sum of losses (indicated by arrows in Fig. 6). This path corresponds to the sequence of settings Ref ijk , which provides optimal control, and is transmitted by
В связи с возможными непрогнозируемыми изменениями дорожной обстановки цикл, представленный на фиг. 5, должен осуществляться как можно чаще - во избежание существенных расхождений между выходной электрической мощностью Pout и ее прогнозом Pf.In connection with possible unpredictable changes in road conditions, the cycle shown in FIG. 5 should be carried out as often as possible - in order to avoid significant discrepancies between the output electric power P out and its forecast P f .
На фиг. 7 представлен пример работы системы при движении электромобиля. Маршрут движения разделен на участки пунктами 40, 41, 42, 43, 44, 45. В каждом пункте производится обновление прогноза. Периоды упреждения прогнозов пересекаются (каждому из них соответствует по два участка маршрута). График энергии (Е=С⋅u2/2), запасенной в конденсаторной батарее (сплошная утолщенная линия) образован множеством пересекающихся фрагментов, соответствующих различным участкам маршрута:In FIG. 7 shows an example of the system when the electric vehicle is moving. The route of movement is divided into sections by
- фрагмент 50 соответствует участку до пункта 41;-
- фрагмент 51 соответствует участку 40÷42;-
- фрагмент 52 соответствует участку 41÷43;-
- фрагмент 53 соответствует участку 42÷44;-
- фрагмент 54 соответствует участку 43÷45.-
Уставка Ref на управляющем входе конвертера формируется на основании самого последнего прогноза, при этом происходит обновление графика Е, который может отличаться от предыдущего (пунктирная линия):The Ref setting at the control input of the converter is formed on the basis of the latest forecast, while the E chart is updated, which may differ from the previous one (dashed line):
- прогноз, сформированный в пункте 40 учитывает спуск электромобиля на участке 41÷42, поэтому на участке 40+41 обновленный фрагмент 51 ниже предыдущего фрагмента 50, что обеспечивает подготовку конденсаторной батареи к приему энергии на спуске;- the forecast formed in
- участок 42÷43 не содержит существенных изменений рельефа, а также не предполагает разгона/торможения электромобиля, поэтому на участке 41÷42 обновленный фрагмент 52 мало отличается от предыдущего фрагмента 51;-
- прогноз, сформированный в пункте 42 учитывает подъем электромобиля на участке 43÷44, поэтому на участке 42÷43 обновленный фрагмент 53 выше предыдущего фрагмента 52, что обеспечивает подготовку конденсаторной батареи к отдаче энергии на подъеме;- the forecast formed in
- прогноз, сформированный в пункте 43 учитывает торможение электромобиля перед перекрестком 45, поэтому на участке 43÷44 обновленный фрагмент 54 выше предыдущего фрагмента 53.- the forecast formed in
Таким образом, программа оптимального управления учитывает не только текущие потребности в выходной электрической мощности системы, но и те потребности, которые могут возникнуть в ближайшей перспективе.Thus, the optimal control program takes into account not only the current needs for the electrical output of the system, but also those needs that may arise in the short term.
Вариант беспилотного электромобиля 60 (фиг. 8) имеет ведущие колеса 61, механически связанные с электрическими машинами 62. Электрические машины 62 подключены к AC/DC преобразователям 63, для питания которых используется система аккумулирования энергии с вариантом силовой части, представленным на фиг. 4. Электромобиль 60 содержит теплоизоляционный отсек 64 в котором размещена аккумуляторная батарея 7.A variant of unmanned electric vehicle 60 (Fig. 8) has
Данный вариант позволяет решить две основные проблемы, присущие электромобилям, - это длительное время зарядки и ненадежная работа при отрицательных температурах окружающего воздуха. Благодаря существенному снижению потерь энергии на внутреннем сопротивлении аккумуляторной батареи предлагаемый вариант позволяет, по сравнению с традиционными, сократить вес и размеры аккумуляторной батареи по меньшей мере втрое. При этом уменьшается пробег электромобиля без подзарядки, однако не происходит ухудшения его динамики. После разряда небольшая аккумуляторная батарея может быть легко и оперативно заменена насвежую.This option allows you to solve two main problems inherent in electric vehicles - a long charging time and unreliable operation at low ambient temperatures. Due to a significant reduction in energy losses on the internal resistance of the battery, the proposed option allows, in comparison with traditional ones, to reduce the weight and size of the battery by at least three times. At the same time, the electric vehicle’s mileage without recharging decreases, but its dynamics do not deteriorate. After discharge, a small battery can be easily and quickly replaced with a fresh one.
Сеть станций 65 используется для оперативной роботизированной замены разряженных аккумуляторных батарей на свежие. Свежая (заряженная) аккумуляторная батарея имеет температуру электролита, близкую к оптимальной. За время небольшого пробега (не более 100 км) температура электролита аккумуляторной батареи 5, помещенной в теплоизоляционный отсек 61, не успевает существенно измениться, что повышает надежность работы аккумуляторной батареи зимой, а летом исключает необходимость ее принудительного охлаждения. Таким образом, предлагаемый вариант электромобиля 60 обеспечивает аккумулирование не только электрической, но и тепловой энергии.The network of
Беспилотный электромобиль 60 предпочтительнее использовать в качестве городского такси, маршрут движения которого составляется автоматически и предусматривает посещение роботизированных пунктов для оперативной замены аккумуляторных батарей.An unmanned
Claims (35)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019127542A RU2721227C1 (en) | 2019-09-02 | 2019-09-02 | Energy accumulation system and method of control thereof |
PCT/RU2020/000438 WO2021045643A1 (en) | 2019-09-02 | 2020-08-18 | Energy storage system and method for controlling same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019127542A RU2721227C1 (en) | 2019-09-02 | 2019-09-02 | Energy accumulation system and method of control thereof |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2721227C1 true RU2721227C1 (en) | 2020-05-18 |
Family
ID=70735243
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019127542A RU2721227C1 (en) | 2019-09-02 | 2019-09-02 | Energy accumulation system and method of control thereof |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2721227C1 (en) |
WO (1) | WO2021045643A1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009132176A (en) * | 2007-11-28 | 2009-06-18 | Toyota Motor Corp | Power control device |
KR20100074211A (en) * | 2007-09-21 | 2010-07-01 | 렌찡 악티엔게젤샤프트 | Cellulose powder and method for the production thereof |
US7791216B2 (en) * | 2004-11-01 | 2010-09-07 | Ford Global Technologies, Llc | Method and system for use with a vehicle electric storage system |
CN103647274A (en) * | 2013-11-26 | 2014-03-19 | 中国西电电气股份有限公司 | Micro-grid system being capable of grid-connected and off-grid operation, and energy control method |
CN204674395U (en) * | 2015-04-23 | 2015-09-30 | 重庆工商职业学院 | Based on the dual energy source electric car energy management system of predictive control |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3896258B2 (en) * | 2001-04-25 | 2007-03-22 | 株式会社日立製作所 | Automotive power supply |
-
2019
- 2019-09-02 RU RU2019127542A patent/RU2721227C1/en active
-
2020
- 2020-08-18 WO PCT/RU2020/000438 patent/WO2021045643A1/en active Application Filing
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7791216B2 (en) * | 2004-11-01 | 2010-09-07 | Ford Global Technologies, Llc | Method and system for use with a vehicle electric storage system |
KR20100074211A (en) * | 2007-09-21 | 2010-07-01 | 렌찡 악티엔게젤샤프트 | Cellulose powder and method for the production thereof |
JP2009132176A (en) * | 2007-11-28 | 2009-06-18 | Toyota Motor Corp | Power control device |
CN103647274A (en) * | 2013-11-26 | 2014-03-19 | 中国西电电气股份有限公司 | Micro-grid system being capable of grid-connected and off-grid operation, and energy control method |
CN204674395U (en) * | 2015-04-23 | 2015-09-30 | 重庆工商职业学院 | Based on the dual energy source electric car energy management system of predictive control |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2021045643A1 (en) | 2021-03-11 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Sidharthan Panaparambil et al. | A review on hybrid source energy management strategies for electric vehicle | |
Talla et al. | Position-based TS fuzzy power management for tram with energy storage system | |
RU2607469C2 (en) | Method and system for determining required charge degree for accumulator battery | |
JP6700006B2 (en) | Vehicle propulsion system with energy storage system and optimized method of controlling its operation | |
JP5837129B2 (en) | Smart grid system | |
US8401779B2 (en) | SEG (smart energy gateway) for optimized energy flow control | |
CN109263640A (en) | Route energy predicting, amendment and the vehicle of optimization based on model | |
US20140253037A1 (en) | Charge control device, battery management device, charge control method, and record medium | |
CN109489676B (en) | An electric vehicle charging navigation method considering grid information and charging station information | |
CN109552110B (en) | Electric vehicle composite energy management method based on rule and nonlinear predictive control | |
CN105437992A (en) | Vehicle propulsion system having an energy storage system and optimized method of controlling operation thereof | |
JP2004260908A (en) | Method for managing electric system for vehicle | |
CN105073483A (en) | Vehicle power management system | |
CN107657374A (en) | A kind of charging dispatching method on demand based on energy consumption and apart from dynamic change | |
JP2022118575A (en) | Charging plan creating device, charging system, charging plan creating method and charging plan creating program | |
Lee et al. | Dual battery management for renewable energy integration in EV charging stations | |
Upadhyaya et al. | An overview of battery based electric vehicle technologies with emphasis on energy sources, their configuration topologies and management strategies | |
Venkataramanan et al. | Optimal sizing method with sensitivity analysis for hybrid energy storage system in electric vehicle using hybrid technique | |
KR102656116B1 (en) | Energy management system for hybrid electric tram driven by multi-set hybrid power source | |
RU2721227C1 (en) | Energy accumulation system and method of control thereof | |
Ruiz et al. | An optimal battery charging and schedule control strategy for electric bus rapid transit | |
Kranthikumar et al. | A novel hybrid approach for efficient energy management in battery and supercapacitor based hybrid energy storage systems for electric vehicles | |
Mossadak et al. | Multi-level architecture modeling of an intelligent energy management strategy for battery/supercapacitor electric vehicle | |
Lee et al. | Shared autonomous electric vehicle system design and optimization under dynamic battery degradation considering varying load conditions | |
JP2020174489A (en) | Battery system, rail vehicle, and battery management method |