CN114884191B - 一种多工作模式的复合电源***及其控制方法 - Google Patents

一种多工作模式的复合电源***及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多工作模式的复合电源***，包括：锂电池、超级电容、电感、第一MOSFET开关管、第二MOSFET开关管、第三MOSFET开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、电机控制器、母线功率检测单元和超级电容电压检测单元；本发明通过控制3个MOSFET开关管的导通/关断，并通过3个二极管的续流，能够使得所述复合电源***在锂电池直接输出模式、锂电池升压输出模式，或者锂电池和超级电容的电压叠加输出模式之间快速顺序切换，在常规条件下可由锂电池直接输出，而在爆发性功率需求时采用超级电容和锂电池串联输出，因此能够在保证***稳定工作的同时，有效满足输出端的常规功率输出需求和爆发性功率输出需求。

Description

一种多工作模式的复合电源***及其控制方法
技术领域
本发明属于电源技术领域，具体涉及一种多工作模式的复合电源***及其控制方法。
背景技术
近年来，锂电池技术得到了快速发展和大量的推广应用。应用对象包括电动汽车、无人机和水下航行器等。虽然锂电池的能量密度和功率密度均取得了一定突破。但高能量密度和高功率密度对于锂电池来说是无法兼得的。在穿越无人机、特种水下航行器、电动赛车的电源应用领域，具备高能量密度的锂电池，其功率密度依旧偏低，无法很好地满足输出端的爆发性功率需求。基于现有的储能技术，具备超高功率密度的超级电容是一种理想的功率爆发型辅助输出装置。因此，由超级电容和锂电池构成的复合电源应运而生，并在诸多领域得到了成功应用。
常规锂电池和超级电容的复合方式是将它们并联，通过电流加成方式实现更大功率输出。但是，大电流需要更粗、更笨重的直流母线，对于电机内部绕组、电机控制器的电流承载能力要求十分高。同时，大电流工作将增加母线上的直流损耗，对应的发热量更多，会引起额外的降温需求问题。在工程应用中，虽然采用锂电池升压模式和小容量高电压的超级电容可以提高母线端的工作电压，但采用这种方式会导致超级电容的能量利用率极大降低，并且会增加升压变换器的控制难度。
为了降低复合电源母线上的工作电流，超级电容和锂电池串联模式被提出，该方法可以在不增加电流的情况下实现功率爆发性输出。然而，超级电容和锂电池属于两种不同类型的电源，内部容量差距十分巨大。直接串联将会导致它们的综合能量利用率极低。此外，超级电容的电量将先于锂电池耗尽，此时如果再强行放电，整个复合电源***有可能发生损坏甚至起火、***。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种多工作模式的复合电源***及其控制方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
第一方面，本发明实施例提供了一种多工作模式的复合电源***，包括：
锂电池、超级电容、电感、第一MOSFET开关管Q1、第二MOSFET开关管Q2、第三MOSFET开关管Q3、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、电机控制器、母线功率检测单元和超级电容电压检测单元；
所述锂电池的正极连接所述第一MOSFET开关管Q1的漏极、所述第二MOSFET开关管Q2的源极，以及所述电感的输入端；所述锂电池的负极连接所述第三MOSFET开关管Q3的源极和所述电机控制器的负极；所述第一MOSFET开关管Q1的源极连接所述超级电容的负极；所述超级电容的正极连接所述第二MOSFET开关管Q2的漏极和所述电机控制器的正极；所述第一MOSFET开关管Q1的两端并联所述第一二极管D1；所述第二MOSFET开关管Q2的两端并联所述第二二极管D2；所述电感的输出端连接所述第三MOSFET开关管Q3的漏极和所述第三二极管D3的正极；所述第三二极管D3的负极连接所述电机控制器的正极；所述母线功率检测单元并联在所述电机控制器的两端；所述超级电容电压检测单元并联在所述超级电容的两端；通过控制各MOSFET开关管关断或导通，使所述复合电源***工作在不同模式下；其中，所述模式包括锂电池直接输出模式、锂电池升压输出模式、锂电池和超级电容的电压叠加输出模式三种输出模式。
在本发明的一个实施例中，所述复合电源***中，所述第一MOSFET开关管Q1、所述第二MOSFET开关管Q2、所述第三MOSFET开关管Q3的栅极加载有对应的控制信号；
相应的，所述通过控制各MOSFET开关管关断或导通，包括：针对每个MOSFET开关管，通过控制该MOSFET开关管的控制信号的电平值，控制该MOSFET开关管关断或导通。
在本发明的一个实施例中，所述锂电池的最大电压高于所述超级电容的最大电压，以在所述锂电池升压的同时，保证所述超级电容充电至其最大电压。
在本发明的一个实施例中，所述三种输出模式的实现过程，包括：
步骤1，所述复合电源***启动时，控制所述第一MOSFET开关管Q1、所述第二MOSFET开关管Q2、所述第三MOSFET开关管Q3均关断，通过所述第二二极管D2续流，所述复合电源***工作在所述锂电池直接输出模式；
步骤2，利用所述超级电容电压检测单元检测所述超级电容的电压是否低于设定参考值；若是，控制所述第一MOSFET开关管Q1和所述第二MOSFET开关管Q2均关断，同时控制所述第三MOSFET开关管Q3高频导通和关断，通过所述第三二极管D3续流，所述复合电源***工作在所述锂电池升压输出模式，并向所述超级电容充电，直到所述超级电容的电压达到所述设定参考值；
步骤3，当所述超级电容的电压达到所述设定参考值时，控制所述第一MOSFET开关管Q1、所述第二MOSFET开关管Q2、所述第三MOSFET开关管Q3均关断，所述复合电源***再次进入所述锂电池直接输出模式；当利用所述母线功率检测单元判定母线上的需求功率大于所述锂电池的最大工作功率时，所述电机控制器处于爆发性功率需求状态，通过控制所述第一MOSFET开关管Q1导通，所述第二MOSFET开关管Q2和所述第三MOSFET开关管Q3关断，使所述锂电池和所述超级电容串联输出，所述复合电源***工作在所述电压叠加输出模式；
步骤4：在所述复合电源***工作在所述电压叠加输出模式下，当所述超级电容的电压低于设定下限值时，再次控制所述第一MOSFET开关管Q1、所述第二MOSFET开关管Q2关断，并控制所述第三MOSFET开关管Q3高频导通和关断，所述复合电源***再次工作在所述锂电池升压输出模式，并向所述超级电容充电，直到所述超级电容的电压达到所述设定参考值，直至返回所述步骤3，控制所述第一MOSFET开关管Q1、所述第二MOSFET开关管Q2、所述第三MOSFET开关管Q3均关断，所述复合电源***再次工作在锂电池直接输出模式，等待下一次爆发性功率需求状态来临。
在本发明的一个实施例中，所述模式还包括：锂电池和超级电容串联回收模式和锂电池单独回收模式两种馈能模式。
在本发明的一个实施例中，所述两种馈能模式的实现过程，包括：
当利用所述母线功率检测单元判定母线上的需求功率小于零时，所述复合电源***工作在馈能模式；检测所述超级电容的电压是否低于所述设定参考值。
若是，控制所述第一MOSFET开关管Q1、所述第二MOSFET开关管Q2、所述第三MOSFET开关管Q3均关断，通过第一二极管D1续流，回馈能量将由所述锂电池和所述超级电容共同回收，所述复合电源***工作在所述锂电池和超级电容串联回收模式；
若否，控制所述第二MOSFET开关管Q2导通，所述第一MOSFET开关管Q1和所述第三MOSFET开关管Q3关断，回馈能量通过所述锂电池单独回收，所述复合电源***工作在所述锂电池单独回收模式。
在本发明的一个实施例中，所述设定参考值为所述超级电容的最大电压的95％；所述设定下限值为所述超级电容的最大电压的10％。
第二方面，针对第一方面所述的多工作模式的复合电源***，本发明实施例提供了一种多工作模式的复合电源***的控制方法,包括：
通过控制所述第一MOSFET开关管Q1、所述第二MOSFET开关管Q2、所述第三MOSFET开关管Q3的栅极所加载的控制信号的电平值，实现对应MOSFET开关管的关断或导通，以控制所述复合电源***工作在不同的输出模式或者馈能模式；其中，所述输出模式包括：锂电池直接输出模式、锂电池升压输出模式、锂电池和超级电容的电压叠加输出模式；所述馈能模式包括：锂电池和超级电容串联回收模式和锂电池单独回收模式。
本发明的有益效果：
本发明实施例提供的多工作模式的复合电源***，通过控制3个MOSFET开关管的导通或者关断，并通过3个二极管的续流，能够使得所述复合电源***在锂电池直接输出模式、锂电池升压输出模式或者锂电池和超级电容的电压叠加输出模式之间快速顺序切换，在常规条件下可由锂电池直接输出，而在爆发性功率需求时采用超级电容和锂电池串联输出，因此能够在保证***稳定工作的同时，有效满足输出端的常规输出需求和爆发性功率输出需求，能够提高综合能量利用率。
进一步的，本发明实施例提供的多工作模式的复合电源***，能够根据超级电容的电压情况，通过控制3个MOSFET开关管的导通或者关断，灵活实现不同的馈能模式。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种多工作模式的复合电源***的结构图；
图2是本发明实施例的锂电池直接输出模式的MOSFET开关管状态和功率流路径图；
图3是本发明实施例的锂电池升压输出模式的MOSFET开关管状态和功率流路径图；
图4是本发明实施例的电压叠加输出模式的MOSFET开关管状态和功率流路径图；
图5是本发明实施例的锂电池和超级电容串联回收模式的MOSFET开关管状态和功率流路径图；
图6是本发明实施例的锂电池单独回收模式的MOSFET开关管状态和功率流路径图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
第一方面，本发明实施例提出了一种多工作模式的复合电源***，如图1所示，所述复合电源***包括：
锂电池、超级电容、电感、第一MOSFET开关管Q1、第二MOSFET开关管Q2、第三MOSFET开关管Q3、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、电机控制器、母线功率检测单元和超级电容电压检测单元；
所述锂电池的正极连接所述第一MOSFET开关管Q1的漏极、所述第二MOSFET开关管Q2的源极，以及所述电感的输入端；所述锂电池的负极连接所述第三MOSFET开关管Q3的源极和所述电机控制器的负极；所述第一MOSFET开关管Q1的源极连接所述超级电容的负极；所述超级电容的正极连接所述第二MOSFET开关管Q2的漏极和所述电机控制器的正极；所述第一MOSFET开关管Q1的两端并联所述第一二极管D1；所述第二MOSFET开关管Q2的两端并联所述第二二极管D2；所述电感的输出端连接所述第三MOSFET开关管Q3的漏极和所述第三二极管D3的正极；所述第三二极管D3的负极连接所述电机控制器的正极；所述母线功率检测单元并联在所述电机控制器的两端；所述超级电容电压检测单元并联在所述超级电容的两端；通过控制各MOSFET开关管关断或导通，使所述复合电源***工作在不同模式下；其中，所述模式包括锂电池直接输出模式、锂电池升压输出模式、锂电池和超级电容的电压叠加输出模式三种输出模式。
其中，所述第一二极管D1为所述第一MOSFET开关管Q1反向续流；所述第二二极管D2为所述第二MOSFET开关管Q2反向续流；所述第三二极管D3为所述锂电池的升压续流。
其中，所述电机控制器的作用是，获得电机的需求功率，然后根据所述需求功率，从所述复合电源***获得满足需要的电压、电流，以提供给与所述电机控制器连接的电机。
其中，所述复合电源***中，所述第一MOSFET开关管Q1、所述第二MOSFET开关管Q2、所述第三MOSFET开关管Q3的栅极加载有对应的控制信号。
相应的，所述通过控制各MOSFET开关管关断或导通，包括：针对每个MOSFET开关管，通过控制该MOSFET开关管的控制信号的电平值，控制该MOSFET开关管关断或导通。具体的，上述三个MOSFET开关管的栅极可以各自通过一个电源控制模块来输送相应的控制信号。
本发明实施例中的MOSFET开关管即MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor，金属氧化物半导体型场效应管)，“开关管”指其作为开关使用。本领域技术人员可以理解的是，MOSFET包括NMOS和PMOS两种类型。针对NMOS类型，栅极加载的控制信号为高电平时MOSFET导通，栅极加载的控制信号为低电平时MOSFET关断；而PMOS类型和NMOS类型刚好相反。比如图1所示的所述第一MOSFET开关管Q1、所述第二MOSFET开关管Q2和所述第三MOSFET开关管Q3均为NMOS类型，为了简化，图1中并未画出所述第一MOSFET开关管Q1、所述第二MOSFET开关管Q2、所述第三MOSFET开关管Q3的栅极所加载的控制信号，以及提供控制信号的电源控制模块。当然，本发明实施例的三个MOSFET开关管也可以利用PMOS类型实现，具体不做图示以及详细说明。
总之，本发明实施例通过控制各MOSFET开关管的栅极所加载的控制信号为高电平或者低电平，可以实现对应的MOSFET开关管的导通或者关断，关于具体电平值，在此不做详细说明。
在本发明实施例中，所述锂电池的最大电压高于所述超级电容的最大电压，以在所述锂电池升压的同时，保证所述超级电容充电至其最大电压。具体的，设定所述锂电池的额定电压等于所述超级电容的最大电压，由于所述锂电池的最大电压比其额定电压高，因此可以完全保证所述锂电池升压工作时能够将所述超级电容充电至其最大电压。
本发明实施例中，所述三种输出模式的实现过程，包括：
步骤1，所述复合电源***启动时，控制所述第一MOSFET开关管Q1、所述第二MOSFET开关管Q2、所述第三MOSFET开关管Q3均关断，通过所述第二二极管D2续流，所述复合电源***工作在所述锂电池直接输出模式。
具体的，此时由于电感上没有电压，电流不流经电感和D3构成的支路，而是经由D2支路，所述锂电池直接输出模式具体请参见图2，图2是本发明实施例的锂电池直接输出模式的MOSFET开关管状态和功率流路径图。需要说明的是，相比于图1，图2～图6中，以带有箭头的黑色直线表示功率流路径和方向，对应图中其余与功率流路径和方向无关的部分用灰色线条示意。
步骤2，利用所述超级电容电压检测单元检测所述超级电容的电压是否低于设定参考值；若是，控制所述第一MOSFET开关管Q1和所述第二MOSFET开关管Q2均关断，同时控制所述第三MOSFET开关管Q3高频导通和关断，通过所述第三二极管D3续流，所述复合电源***工作在所述锂电池升压输出模式，并向所述超级电容充电，直到所述超级电容的电压达到所述设定参考值。
其中，所述设定参考值可以为所述超级电容的最大电压的95％。或者，所述设定参考值也可以为所述超级电容的最大电压的90％等。
具体的，当所述超级电容的电压低于所述设定参考值时，控制所述第一MOSFET开关管Q1和所述第二MOSFET开关管Q2均关断，采用一定频率的高低变化电平控制所述第三MOSFET开关管Q3，在所述第三MOSFET开关管Q3关断期间由所述第三二极管D3续流，调节所述第三MOSFET开关管Q3的导通占空比为1/D，实现D倍于锂电池电压的升压输出，并通过第一二极管D1向所述超级电容充电，直到所述超级电容的电压达到所述设定参考值，该模式为锂电池升压输出模式，此时电感具有电压，电流不流经D2支路，具体请参见图3，图3是本发明实施例的锂电池升压输出模式的MOSFET开关管状态和功率流路径图。
此时，图3中虚线框所示的下半部分电路相当于一个升压变换器的电路，其余的上半部分电路用于给所述超级电容充电。此时，通过所述第三MOSFET开关管Q3关断导通，为电感充电放电来实现升压输出。占空比的选择根据给所述超级电容充电的电压大小来选择，使所述锂电池的电压升压后可以满足为超级电容充电的目的。具体的，升压变换器的输入电压和输出电压的关系如下：
其中，Vout表示输出电压，Vin表示输入电压，D表示占空比。
具体可以根据输出电压的大小需要来调节占空比的大小。并且，确定所述第三MOSFET开关管Q3的导通或关断的频率。比如本发明实施例中占空比D可以为0.5，所述第三MOSFET开关管Q3的导通或关断的频率可以为20～50kHZ等。
步骤3，当所述超级电容的电压达到所述设定参考值时，控制所述第一MOSFET开关管Q1、所述第二MOSFET开关管Q2、所述第三MOSFET开关管Q3均关断，所述复合电源***再次进入所述锂电池直接输出模式；当利用所述母线功率检测单元判定母线上的需求功率大于所述锂电池的最大工作功率时，所述电机控制器处于爆发性功率需求状态，通过控制所述第一MOSFET开关管Q1导通，所述第二MOSFET开关管Q2和所述第三MOSFET开关管Q3关断，使所述锂电池和所述超级电容串联输出，所述复合电源***工作在所述电压叠加输出模式。
该步骤3中，当所述复合电源***再次进入所述锂电池直接输出模式，此时，所述复合电源***已经满足所述锂电池和所述超级电容的电压叠加输出条件。如果检测到母线上的需求功率小于或等于所述锂电池的最大工作功率，保持所述第一MOSFET开关管Q1导通，所述第二MOSFET开关管Q2和所述第三MOSFET开关管Q3工作在原有状态，等待爆发性功率需求；如果检测到母线上的需求功率大于所述锂电池的最大工作功率，表明负载处于爆发性功率需求状态，则控制所述第一MOSFET开关管Q1导通，所述第二MOSFET开关管Q2和所述第三MOSFET开关管Q3关断，实现锂电池和超级电容的电压叠加输出模式，如图4所示，图4是本发明实施例的电压叠加输出模式的MOSFET开关管状态和功率流路径图。
其中，所述锂电池的最大工作功率为5C倍率放电对应的功率。
步骤4：在所述复合电源***工作在所述电压叠加输出模式下，当所述超级电容的电压低于设定下限值时，再次控制所述第一MOSFET开关管Q1、所述第二MOSFET开关管Q2关断，并控制所述第三MOSFET开关管Q3高频导通和关断，所述复合电源***再次工作在所述锂电池升压输出模式，并向所述超级电容充电，直到所述超级电容的电压达到所述设定参考值，直至返回所述步骤3，控制所述第一MOSFET开关管Q1、所述第二MOSFET开关管Q2、所述第三MOSFET开关管Q3均关断，所述复合电源***再次工作在锂电池直接输出模式，等待下一次爆发性功率需求状态来临。
其中，所述设定下限值可以为所述超级电容的最大电压的10％，或者20％等。
该步骤具体的，在所述电压叠加输出模式下，当所述超级电容的电压低于所述设定下限值时，再次控制所述第一MOSFET开关管Q1、所述第二MOSFET开关管Q2关断，采用步骤2的方式控制所述第三MOSFET开关管Q3的导通和关断，所述复合电源***切换回所述锂电池升压输出模式，并向所述超级电容充电，直到所述超级电容的电压达到所述设定参考值，返回步骤3，控制所述第一MOSFET开关管Q1、所述第二MOSFET开关管Q2、所述第三MOSFET开关管Q3均关断，所述复合电源***切换回所述锂电池直接输出模式，以等待下一次爆发性功率需求。
本发明实施例中，所述复合电源***仅需通过所述第一MOSFET开关管Q1的导通就可以实现锂电池和超级电容串联后电压叠加输出，而当所述超级电容放电低于所述下限值时，所述第一MOSFET开关管Q1会被强制关闭，从而保证所述超级电容不会被过放电，能够保证电路和电源安全。此外，采用锂电池升压输出模式时，部分能量将经过所述电感、所述第三二极管D3、所述超级电容和所述第一二极管D1为所述超级电容充电，以为下一次复合电源***的爆发性功率输出做准备。
可见，本发明实施例提供的多工作模式的复合电源***(简称为复合电源***)，能够根据母线上的功率需求和超级电容的电压情况，通过控制3个MOSFET开关管的状态并通过3个二极管的续流，能够使得所述复合电源***在锂电池直接输出模式、锂电池升压输出模式或者锂电池和超级电容的电压叠加输出模式之间快速顺序切换，在常规条件下可由锂电池直接输出。而在爆发性功率需求时采用超级电容和锂电池串联输出，以解决非常规条件的复合电源爆发性功率输出问题，因此能够在保证***稳定工作的同时，有效满足输出端的常规输出需求和爆发性功率输出需求。
本领域技术人员可以理解的是，锂电池和超级电容的并联方式是通过提高电流大小来提高功率，这样会导致电路的电流增大，由于在电路上损耗的功率随着电流增大呈指数增长，当功率需求很高的时候，电流就会很大，因而会导致损耗很大。
而锂电池和超级电容的串联方式是通过增大电压大小来提高功率，相比并联方式，串联方式在高功率的情况下效率会更高。
但如果将所述锂电池和所述超级电容直接串联，不论负载需求的功率大小如何，均是采用串联输出，因此无法很好地适应负载的功率需求变化。而本发明实施例通过多模式转换，可以在低功率需求的时候采用锂电池单独输出，在高功率输出的时候采用串联输出，因而可以更加灵活地应对负载变换。另外，因为锂电池和超级电容的容量不同，两者直接串联的情形下，可能存在锂电池已经没电，而超级电容仍有电的情况，这样会无法满足输出需求，造成电量浪费。而本发明实施例的多模式工作方式能够提高综合能量利用率。
除了上述三种输出模式，本发明实施例中，所述模式还包括：锂电池和超级电容串联回收模式和锂电池单独回收模式两种馈能模式。可以理解的是，输出模式是所述复合电源***向外输出能量，而馈能模式是所述复合电源***接收外界的输入能量。
具体的，所述两种馈能模式的实现过程，包括：
当利用所述母线功率检测单元判定母线上的需求功率小于零时，所述复合电源***工作在馈能模式；检测所述超级电容的电压是否低于所述设定参考值。
1)若是，控制所述第一MOSFET开关管Q1、所述第二MOSFET开关管Q2、所述第三MOSFET开关管Q3均关断，通过第一二极管D1续流，回馈能量将由所述锂电池和所述超级电容共同回收，所述复合电源***工作在所述锂电池和超级电容串联回收模式。
具体的，如果在所述馈能模式下，所述超级电容的电压低于所述设定参考值，控制所述第一MOSFET开关管Q1、所述第二MOSFET开关管Q2、所述第三MOSFET开关管Q3均关断，回馈能量通过所述第一二极管D1续流，进入所述锂电池和超级电容串联回收模式。所述锂电池和超级电容均会获得回馈能量。如图5所示，图5是本发明实施例的锂电池和超级电容串联回收模式的MOSFET开关管状态和功率流路径图。
2)若否，控制所述第二MOSFET开关管Q2导通，所述第一MOSFET开关管Q1和所述第三MOSFET开关管Q3关断，回馈能量通过所述锂电池单独回收，所述复合电源***工作在所述锂电池单独回收模式。
具体的，如果在所述馈能模式下，所述超级电容的电压达到所述设定参考值，则控制所述第二MOSFET开关管Q2导通，所述第一MOSFET开关管Q1和所述第三MOSFET开关管Q3关断，此时，回馈能量通过所述第二MOSFET开关管Q2直接到达所述锂电池进行回收，仅所述锂电池获得回馈能量，即进入所述锂电池单独回收模式。如图6所示，图6是本发明实施例的锂电池单独回收模式的MOSFET开关管状态和功率流路径图。
可见，本发明实施例所提供的复合电源***，能够根据超级电容的电压情况，通过控制3个MOSFET开关管的导通或者关断，灵活实现不同的馈能模式。
针对以上方案，可选的一种实施方式中，所述超级电容可以用高倍率型锂电池或其它倍率型储能元件替代。
第二方面，针对第一方面所述的多工作模式的复合电源***，本发明实施例提出了一种多工作模式的复合电源***的控制方法。
所述控制方法包括：
通过控制所述第一MOSFET开关管Q1、所述第二MOSFET开关管Q2、所述第三MOSFET开关管Q3的栅极所加载的控制信号的电平值，实现对应MOSFET开关管的关断或导通，以控制所述复合电源***工作在不同的输出模式或者馈能模式。
其中，所述输出模式包括：锂电池直接输出模式、锂电池升压输出模式、锂电池和超级电容的电压叠加输出模式；所述馈能模式包括：锂电池和超级电容串联回收模式和锂电池单独回收模式。
其中，所述复合电源***包括：
锂电池、超级电容、电感、第一MOSFET开关管Q1、第二MOSFET开关管Q2、第三MOSFET开关管Q3、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、电机控制器、母线功率检测单元和超级电容电压检测单元。
所述锂电池的正极连接所述第一MOSFET开关管Q1的漏极、所述第二MOSFET开关管Q2的源极，以及所述电感的输入端；所述锂电池的负极连接所述第三MOSFET开关管Q3的源极和所述电机控制器的负极；所述第一MOSFET开关管Q1的源极连接所述超级电容的负极；所述超级电容的正极连接所述第二MOSFET开关管Q2的漏极和所述电机控制器的正极；所述第一MOSFET开关管Q1的两端并联所述第一二极管D1；所述第二MOSFET开关管Q2的两端并联所述第二二极管D2；所述电感的输出端连接所述第三MOSFET开关管Q3的漏极和所述第三二极管D3的正极；所述第三二极管D3的负极连接所述电机控制器的正极；所述母线功率检测单元并联在所述电机控制器的两端；所述超级电容电压检测单元并联在所述超级电容的两端。
其中，所述复合电源***中，所述第一MOSFET开关管Q1、所述第二MOSFET开关管Q2、所述第三MOSFET开关管Q3的栅极加载有对应的控制信号。
相应的，所述通过控制各MOSFET开关管关断或导通，包括：针对每个MOSFET开关管，通过控制该MOSFET开关管的控制信号的电平值，控制该MOSFET开关管关断或导通。
所述锂电池的最大电压高于所述超级电容的最大电压，以在所述锂电池升压的同时，保证所述超级电容充电至其最大电压。
本发明实施例中，不同输出模式的控制过程，包括：
步骤1，所述复合电源***启动时，控制所述第一MOSFET开关管Q1、所述第二MOSFET开关管Q2、所述第三MOSFET开关管Q3均关断，通过所述第二二极管D2续流，所述复合电源***工作在所述锂电池直接输出模式。
步骤2，利用所述超级电容电压检测单元检测所述超级电容的电压是否低于设定参考值；若是，控制所述第一MOSFET开关管Q1和所述第二MOSFET开关管Q2均关断，同时控制所述第三MOSFET开关管Q3高频导通和关断，通过所述第三二极管D3续流，所述复合电源***工作在所述锂电池升压输出模式，并向所述超级电容充电，直到所述超级电容的电压达到所述设定参考值。
步骤3，当所述超级电容的电压达到所述设定参考值时，控制所述第一MOSFET开关管Q1、所述第二MOSFET开关管Q2、所述第三MOSFET开关管Q3均关断，所述复合电源***再次进入所述锂电池直接输出模式；当利用所述母线功率检测单元判定母线上的需求功率大于所述锂电池的最大工作功率时，所述电机控制器处于爆发性功率需求状态，通过控制所述第一MOSFET开关管Q1导通，所述第二MOSFET开关管Q2和所述第三MOSFET开关管Q3关断，使所述锂电池和所述超级电容串联输出，所述复合电源***工作在所述电压叠加输出模式。
步骤4：在所述复合电源***工作在所述电压叠加输出模式下，当所述超级电容的电压低于设定下限值时，再次控制所述第一MOSFET开关管Q1、所述第二MOSFET开关管Q2关断，并控制所述第三MOSFET开关管Q3高频导通和关断，所述复合电源***再次工作在所述锂电池升压输出模式，并向所述超级电容充电，直到所述超级电容的电压达到所述设定参考值，直至返回所述步骤3，控制所述第一MOSFET开关管Q1、所述第二MOSFET开关管Q2、所述第三MOSFET开关管Q3均关断，所述复合电源***再次工作在锂电池直接输出模式，等待下一次爆发性功率需求状态来临。
本发明实施例中，不同馈能模式的控制过程，包括：
当利用所述母线功率检测单元判定母线上的需求功率小于零时，所述复合电源***工作在馈能模式；检测所述超级电容的电压是否低于所述设定参考值。
若是，控制所述第一MOSFET开关管Q1、所述第二MOSFET开关管Q2、所述第三MOSFET开关管Q3均关断，通过第一二极管D1续流，回馈能量将由所述锂电池和所述超级电容共同回收，所述复合电源***工作在所述锂电池和超级电容串联回收模式。
若否，控制所述第二MOSFET开关管Q2导通，所述第一MOSFET开关管Q1和所述第三MOSFET开关管Q3关断，回馈能量通过所述锂电池单独回收，所述复合电源***工作在所述锂电池单独回收模式。
可选的，所述设定参考值为所述超级电容的最大电压的95％；所述设定下限值为所述超级电容的最大电压的10％。
以上具体内容请参见第一方面相关内容。
本发明实施例所提出的多工作模式的复合电源***的控制方法，能够针对提出的多工作模式的复合电源***，通过3个MOSFET开关管导通/关断的状态控制和3个二极管的续流，实现锂电池直接输出、锂电池升压输出、锂电池和超级电容电压叠加输出等多种输出模式，能有效满足输出端的常规功率输出需求和爆发性功率输出需求。同时也能够实现不同馈能模式的切换，能够灵活满足不同情况的馈能需求。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种多工作模式的复合电源***，其特征在于，包括：
锂电池、超级电容、电感、第一MOSFET开关管(Q1)、第二MOSFET开关管(Q2)、第三MOSFET开关管(Q3)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、电机控制器、母线功率检测单元和超级电容电压检测单元；
所述锂电池的正极连接所述第一MOSFET开关管(Q1)的漏极、所述第二MOSFET开关管(Q2)的源极，以及所述电感的输入端；所述锂电池的负极连接所述第三MOSFET开关管(Q3)的源极和所述电机控制器的负极；所述第一MOSFET开关管(Q1)的源极连接所述超级电容的负极；所述超级电容的正极连接所述第二MOSFET开关管(Q2)的漏极和所述电机控制器的正极；所述第一MOSFET开关管(Q1)的两端并联所述第一二极管(D1)；所述第二MOSFET开关管(Q2)的两端并联所述第二二极管(D2)；所述电感的输出端连接所述第三MOSFET开关管(Q3)的漏极和所述第三二极管(D3)的正极；所述第三二极管(D3)的负极连接所述电机控制器的正极；所述母线功率检测单元并联在所述电机控制器的两端；所述超级电容电压检测单元并联在所述超级电容的两端；通过控制各MOSFET开关管关断或导通，使所述复合电源***工作在不同模式下；其中，所述模式包括锂电池直接输出模式、锂电池升压输出模式、锂电池和超级电容的电压叠加输出模式三种输出模式。
2.根据权利要求1所述的多工作模式的复合电源***，其特征在于，所述复合电源***中，所述第一MOSFET开关管(Q1)、所述第二MOSFET开关管(Q2)、所述第三MOSFET开关管(Q3)的栅极加载有对应的控制信号；
相应的，所述通过控制各MOSFET开关管关断或导通，包括：针对每个MOSFET开关管，通过控制该MOSFET开关管的控制信号的电平值，控制该MOSFET开关管关断或导通。
3.根据权利要求1所述的多工作模式的复合电源***，其特征在于，所述锂电池的最大电压高于所述超级电容的最大电压，以在所述锂电池升压的同时，保证所述超级电容充电至其最大电压。
4.根据权利要求1所述的多工作模式的复合电源***，其特征在于，所述三种输出模式的实现过程，包括：
步骤1，所述复合电源***启动时，控制所述第一MOSFET开关管(Q1)、所述第二MOSFET开关管(Q2)、所述第三MOSFET开关管(Q3)均关断，通过所述第二二极管(D2)续流，所述复合电源***工作在所述锂电池直接输出模式；
步骤2，利用所述超级电容电压检测单元检测所述超级电容的电压是否低于设定参考值；若是，控制所述第一MOSFET开关管(Q1)和所述第二MOSFET开关管(Q2)均关断，同时控制所述第三MOSFET开关管(Q3)高频导通和关断，通过所述第三二极管(D3)续流，所述复合电源***工作在所述锂电池升压输出模式，并向所述超级电容充电，直到所述超级电容的电压达到所述设定参考值；
步骤3，当所述超级电容的电压达到所述设定参考值时，控制所述第一MOSFET开关管(Q1)、所述第二MOSFET开关管(Q2)、所述第三MOSFET开关管(Q3)均关断，所述复合电源***再次进入所述锂电池直接输出模式；当利用所述母线功率检测单元判定母线上的需求功率大于所述锂电池的最大工作功率时，所述电机控制器处于爆发性功率需求状态，通过控制所述第一MOSFET开关管(Q1)导通，所述第二MOSFET开关管(Q2)和所述第三MOSFET开关管(Q3)关断，使所述锂电池和所述超级电容串联输出，所述复合电源***工作在所述电压叠加输出模式；
步骤4：在所述复合电源***工作在所述电压叠加输出模式下，当所述超级电容的电压低于设定下限值时，再次控制所述第一MOSFET开关管(Q1)、所述第二MOSFET开关管(Q2)关断，并控制所述第三MOSFET开关管(Q3)高频导通和关断，所述复合电源***再次工作在所述锂电池升压输出模式，并向所述超级电容充电，直到所述超级电容的电压达到所述设定参考值，直至返回所述步骤3，控制所述第一MOSFET开关管(Q1)、所述第二MOSFET开关管(Q2)、所述第三MOSFET开关管(Q3)均关断，所述复合电源***再次工作在锂电池直接输出模式，等待下一次爆发性功率需求状态来临。
5.根据权利要求4所述的多工作模式的复合电源***，其特征在于，所述模式还包括：锂电池和超级电容串联回收模式和锂电池单独回收模式两种馈能模式。
6.根据权利要求5所述的多工作模式的复合电源***，其特征在于，所述两种馈能模式的实现过程，包括：
当利用所述母线功率检测单元判定母线上的需求功率小于零时，所述复合电源***工作在馈能模式；检测所述超级电容的电压是否低于所述设定参考值；
若是，控制所述第一MOSFET开关管(Q1)、所述第二MOSFET开关管(Q2)、所述第三MOSFET开关管(Q3)均关断，通过第一二极管(D1)续流，回馈能量将由所述锂电池和所述超级电容共同回收，所述复合电源***工作在所述锂电池和超级电容串联回收模式；
若否，控制所述第二MOSFET开关管(Q2)导通，所述第一MOSFET开关管(Q1)和所述第三MOSFET开关管(Q3)关断，回馈能量通过所述锂电池单独回收，所述复合电源***工作在所述锂电池单独回收模式。
7.根据权利要求4所述的多工作模式的复合电源***，其特征在于，所述设定参考值为所述超级电容的最大电压的95％；所述设定下限值为所述超级电容的最大电压的10％。
8.一种多工作模式的复合电源***的控制方法，其特征在于，针对权利要求1～7任一项所述的多工作模式的复合电源***，所述控制方法包括：
通过控制所述第一MOSFET开关管(Q1)、所述第二MOSFET开关管(Q2)、所述第三MOSFET开关管(Q3)的栅极所加载的控制信号的电平值，实现对应MOSFET开关管的关断或导通，以控制所述复合电源***工作在不同的输出模式或者馈能模式；其中，所述输出模式包括：锂电池直接输出模式、锂电池升压输出模式、锂电池和超级电容的电压叠加输出模式；所述馈能模式包括：锂电池和超级电容串联回收模式和锂电池单独回收模式。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115792695B (zh) * 2023-02-14 2023-05-16 南方电网产业投资集团有限责任公司 电源模块输出串并联的识别方法、装置和计算机设备
CN117277521B (zh) * 2023-11-23 2024-02-06 江苏欧力特能源科技有限公司 一种家用储能电池的低温冷启动***及控制方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104002692A (zh) * 2014-05-13 2014-08-27 西安交通大学 一种电动汽车dc-dc变换器的复合电源***及控制方法
CN109130891A (zh) * 2018-10-18 2019-01-04 西安交通大学 电动汽车多模式混合储能***复合式拓扑结构及控制方法
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Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104002692A (zh) * 2014-05-13 2014-08-27 西安交通大学 一种电动汽车dc-dc变换器的复合电源***及控制方法
CN109130891A (zh) * 2018-10-18 2019-01-04 西安交通大学 电动汽车多模式混合储能***复合式拓扑结构及控制方法
WO2021000643A1 (zh) * 2019-07-01 2021-01-07 山东省科学院自动化研究所 多能互补混合储能***电压分层控制***及能量管理方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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