一种复合能源仿真系统及管理策略技术方案

本发明专利技术公开了一种多能源复合供电能源仿真系统及能源系统管理策略，实现各能量收集器仿真子模块的输出特性曲线仿真，用于评估其能量输出能力。可以在复合能源系统设计中以此为参照优化各能量收集器的性能；另外，实现对系统整体工作状态的瞬态仿真，该仿真根据指定的能量管理策略进行，能够评估系统整体在运行过程中的稳定性和带载能力。进一步地，实现对管理策略和复合能源系统中各器件性能配合的优化，能够提高复合能源系统的开发效率。

【技术实现步骤摘要】
一种复合能源仿真系统及管理策略
本专利技术涉及复合能源技术，具体而言，是由振动能量收集器、太阳能电池、燃料电池、锂电池及超级电器组成的复合电源的控制

技术介绍
无论是在工业应用中，由大规模无线传感器节点组成的无线传感网络在监控和传感领域有着非常广泛的应用。传统无线传感器节点大多采用单一化学电源的方式驱动节点的控制器和传输器进行工作。普通的化学电池属于易耗品，其电量和放电时间均有限，而且由于自身存在漏电，其在长期工作条件下的稳定性与可靠性较低。无线传感网络的实际应用环境普遍存在太阳能及振动机械能。倘若能够在白天时收集太阳能量，在夜间或弱光条件下收集振动能量，并将这两种能量积累储存，可以有效驱动传感节点的工作。现有的电子设备中通常采用太阳能电池作为单一形式的外部能源为设备提供电力供给，并使用唯一的锂电池作为储能单元。单一能源的能量供给虽然结构设计简便，但是在环境中，能量存在很多不确定性。单一能源的能量系统对环境的依赖性很大，如果工作环境发生了变化，能源的稳定性、适用性可能会大幅下降。在另一方面，使用传统的电池技术存在能量密度低、寿命有限的问题，针对大面积的无人值守传感器而言，更换电池是非常困难的。在这种大环境下，复合能源系统应运而生，复合能源系统是综合了振动能量收集器、太阳能电池、燃料电池、锂电池等能源器件的能源系统，用以为无线传感节点提供稳定、高寿命的能量供应。所述复合能源系统从能量的角度可将其划分为三个组成部分：1)环境能量源收集部分指的是通过能量采集技术，比如太阳能电池、风力发电机和压电发电机等从环境中获取能量。2)负载指的是所述复合能源系统所支持的无线传感器节点电子系统。其能量的消耗取决于无线传感器节点的具体工作模式。例如，对于一个自供电无线传感器节点，其电子系统负载大小取决于自供电无线传感网络应用层的工作量和工作级别，也同样取决于节点在分布式网络中所做的具体工作。3)能量管理策略指的是当从环境中采集到的瞬时能量和负载能耗级别不匹配时，所述复合能源系统能够根据不同情况做出改变以满足输出与负载的平衡。所述复合能源系统需要管理多种不同的能量收集/储能方式，通过发挥彼此特长实现优势互补，最终延长系统使用寿命。这对复合能源系统的整体设计及性能优化提出了较高的要求。因此，需要对复合能源系统建立相应的系统模型以进行模拟仿真，评估能量收集器的性能，并对复合能源系统的管理策略提供设计参考，而现有技术中类似系统模型多数为对某一型能源系统的验证用模型，其工作模式和结构、属性参数均已确定，缺乏对管理策略设计的指导性。
技术实现思路
针对现有技术存在的缺陷，本专利技术提供了一种多能源复合供电能源仿真系统，所述仿真系统能对每一种能量收集、存储情况进行分析与评估；并能够模拟系统整体在运行中各模块的运行状况，以对能量管理策略进行评估，最终通过对于两方面的评估实现复合能源系统的设计优化过程，增加研发效率。本专利技术具体方案如下：一种复合能源仿真系统，所述系统包括：能量收集仿真模块，用于描述复合能源系统中能量收集模块外部能量输入和电能输出之间的关系，并对其进行仿真；能量管理仿真模块，用于描述复合能源系统中能量管理算法策略的基本逻辑关系，并对其进行仿真；储能仿真模块，用于描述复合能源系统中储能模块的电能输入输出关系，并对其进行仿真；负载仿真模块，用于描述复合能源系统工作过程中外部功率负载的功率需求，从而产生复合能源系统仿真所需的外部输入。进一步地，所述能量收集仿真模块包括：太阳能电池仿真子模块，用于描述能量收集仿真模块中太阳能电池所受光照条件与其输出功率曲线之间的关系，并对其进行仿真；振动能量收集器仿真子模块，用于描述能量收集仿真模块中振动能量收集器所处外部环境振动条件与其输出功率曲线之间的关系，并对其进行仿真；燃料电池仿真子模块，用于描述能量收集仿真模块中燃料电池的燃料供给与其输出功率曲线之间的关系，并对其进行仿真；所述太阳能电池仿真子模块、振动能量收集器仿真子模块、燃料电池仿真子模块均为等效电路搭建模型，根据某一工作电压计算产生的电流。进一步地，所述太阳能电池仿真子模块、振动能量收集器仿真子模块、燃料电池仿真子模块均为等效电路搭建模型，根据某一工作电压计算产生的电流。进一步地，所述储能仿真模块根据锂离子电池PNGV模型建立，根据全部时间内端口上流入/流出的电流计算剩余电量及储能仿真模块电压值。进一步地，所述能量管理仿真模块能够为能量收集仿真模块提供工作电压参数，并根据设定的能量管理策略计算储能仿真模块端口电流，输出仿真系统运行状态。进一步地，所述负载仿真模型为能量管理仿真模块模型提供负载工作需求的电压、电流参数。另外，本专利技术还公开了一种应用于复合能源仿真系统的管理策略，包括以下步骤：步骤1)从负载仿真模块获得负载需求的电压、电流参数；步骤2)从储能仿真模块获得当前储能仿真模块电压；步骤3)为能量收集仿真模块提供工作电压参数初始值；步骤4)根据能量收集仿真模块的输出电流选择是否截断某一子模块的电流输出；步骤5)根据能量收集仿真模块的输出功率以及负载仿真模块的电流电压要求计算储能仿真模块的端口电流；步骤6)判断系统当前工作状态并输出；步骤7)为能量收集仿真模块更新工作电压参数。进一步地，所述电流参数设定为流入为正，流出为负。进一步地，所述步骤5)中的计算采用功率平衡原则。进一步地，步骤1-7)在每一时间点迭代进行，从而实现瞬态仿真。进一步地，所述步骤6)中判断系统当前工作状态包括：基于系统功率平衡准则判断能量收集仿真子模块是否具有有效输出，基于荷电状态估计算法等方法估计储能仿真模块剩余电量参数，基于各仿真子模块功率曲线判断能源系统能否满足负载需求。本专利技术公开的多能源复合供电能源仿真系统，能够对每一种能量收集、存储模块进行分析与评估；并能够模拟系统整体在运行中各模块的运行状况，以对能量管理策略进行评估，最终通过对于两方面的评估实现复合能源系统的设计优化过程，增加研发效率。附图说明附图，其被包括以提供本专利技术的进一步理解而且被并入并构成本说明书的一部分，所述附图示出本专利技术的实施例并且连同说明书用来解释本专利技术的原理，在附图中：图1示出本专利技术实施例中的多能源复合供电能源仿真系统架构图；图2示出本专利技术实施例中的系统管理策略流程图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。现在将详细参考本专利技术的实施例，这些实施例的示例在附图中示出。元件的后缀“模块”和“单元”在此用于方便描述，并且因此可以可交换地被使用，而且没有任何可区别的意义或功能。虽然构成本专利技术的实施例的所有元件或单元被描述为结合到单个元件中或被操作为单个元件或单元，但是本专利技术不一定局限于此种实施例。根据实施例，在本专利技术的目的和范围内所有的元件可以选择性地结合到一个或多个元件并且被操作为一个或多个元件。图1给出了本专利技术实施例中的复合能源仿真系统架构图；如图所示，1为能量收集仿真模块，其中2、3、4分别为振动能量收集器仿真子模块，太阳能电池仿真子模块，燃料电池仿真子模块，5为储能仿真模块，特别地，是一个锂离子电池储能仿真模块；6为负载仿真模型，7为能本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合能源仿真系统，所述系统包括：能量收集仿真模块，用于描述复合能源系统中能量收集模块外部能量输入和电能输出之间的关系，并对其进行仿真；能量管理仿真模块，用于描述复合能源系统中能量管理算法策略的基本逻辑关系，并对其进行仿真；储能仿真模块，用于描述复合能源系统中储能模块的电能输入输出关系，并对其进行仿真；负载仿真模块，用于描述复合能源系统工作过程中外部功率负载的功率需求，从而产生复合能源系统仿真所需的外部输入。

【技术特征摘要】
1.一种复合能源仿真系统，所述系统包括：能量收集仿真模块，用于描述复合能源系统中能量收集模块外部能量输入和电能输出之间的关系，并对其进行仿真；能量管理仿真模块，用于描述复合能源系统中能量管理算法策略的基本逻辑关系，并对其进行仿真；储能仿真模块，用于描述复合能源系统中储能模块的电能输入输出关系，并对其进行仿真；负载仿真模块，用于描述复合能源系统工作过程中外部功率负载的功率需求，从而产生复合能源系统仿真所需的外部输入。2.根据权利要求1所述的复合能源仿真系统，其特征在于，所述能量收集仿真模块包括：太阳能电池仿真子模块，用于描述能量收集仿真模块中太阳能电池所受光照条件与其输出功率曲线之间的关系，并对其进行仿真；振动能量收集器仿真子模块，用于描述能量收集仿真模块中振动能量收集器所处外部环境振动条件与其输出功率曲线之间的关系，并对其进行仿真；燃料电池仿真子模块，用于描述能量收集仿真模块中燃料电池的燃料供给与其输出功率曲线之间的关系，并对其进行仿真；所述太阳能电池仿真子模块、振动能量收集器仿真子模块、燃料电池仿真子模块均为等效电路搭建模型，根据某一工作电压计算产生的电流。3.根据权利要求2所述的复合能源仿真系统，其特征在于，所述储能仿真模块根据锂离子电池PNGV模型建立，根据全部时间内端口上流入/流出的电流计算剩余电量及储能仿真模块电压值。4.根据权利要求3所述的复合能源仿真系统，其特征在于，所述能量管理仿真模块能够...

【专利技术属性】
技术研发人员：张斌，何志超，汪浩鹏，尹亚江，汪志强，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司信息科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11