一种电能双向流动的储能系统及其控制方法

专利名称：一种电能双向流动的储能系统及其控制方法
技术领域：
本发明属于电能储存系统，特别是一种电能双向流动的储能系统及其控制方法。
背景技术：
在混合动力汽车、电动汽车等以电机作为动力系统且需要电能双向流动的场合， 当电机工作在电动模式时由供电电源给电机提供能量，当电机工作在发电模式时由供电电 源回收电机发出的能量，在两个方向的能量传递过程中，需要实现能量的变换和存储，储能 系统起到关键的作用。以往，作为这种电能双向流动的储能系统，公知有这样的，S卩采用高电压供电电 源通过功率变换器的变压变流实现能量的双向流动，选择正向通过控制功率变换器进行降 压供电电动运行，反向通过控制功率变换器并利用电机电感储存和释放能量升压向供电电 源充电。在上述电能双向流动的储能系统中，供电电源体积大，成本高；当电机电动运行且 需要的电压增加到大于供电电源电压值时必须增大供电电源的电压值；组成功率变换器的 开关管电压/电流等级大，损耗大，导致装置效率低；利用电机自身电感升压回馈能量时， 电机电感损耗大，实际中升压有一定的变压比，发电时反电动势与电源电压值在一定比例 内才可以使用该方法，限制了电压变化范围；当电机发电运行且转速比较低时，反电动势很 小，不能回收能量，使得能量回收效率低。

发明内容
本发明的目的在于提供一种高效率的电能双向流动的储能系统及其控制方法。实现本发明目的的技术解决方案为一种电能双向流动的储能系统，包括可串并 联切换的供电电源、双向直流功率变换器、桥式逆变器、电机，双向直流功率变换器的第一 输入端与可串并联切换的供电电源的第一输出端相连接，双向直流功率变换器的第二输入 端与可串并联切换的供电电源第二输出端相连接，可串并联切换的供电电源为双向直流功 率变换器提供电能，双向直流功率变换器的第一输出端与桥式逆变器的第一输入端相连 接，双向直流功率变换器的第二输出端与桥式逆变器的第二输入端相连接，桥式逆变器与 电机相连接，即桥式逆变器的第一连接点与电机的第一输入端相连接，桥式逆变器的第二 连接点与电机的第二输入端相连接，双向直流功率变换器通过桥式逆变器为电机提供电 能，或者电机通过桥式逆变器向双向直流功率变换器输出电能。—种电能双向流动的储能系统的控制方法，包括降压放电、升压放电、降压回馈电 能和升压回馈电能四种模式；降压放电模式是指，电机工作在电动状态，当电机需要的第一 输入端和第二输入端之间的端电压Uab小于2Un时，所述Un是第一超级电容器或第二超级电 容器的额定工作电压值，由电控单元输出开关控制信号控制第二功率开关管、第三功率开 关管和第四功率开关管断开，第一超级电容器和第二超级电容器并联，使得可串并联切换 的供电电源的第一输出端和第二输出端之间的端电压输出Us等于第一超级电容器或第二
6超级电容器的额定工作电压Un，此时，当电机需要的第一输入端和第二输入端之间的端电 压Uab小于Un时，由电控单元输出开关控制信号控制双向直流功率变换器的第六功率开关 管、第七功率开关管断开，由电控单元输出开关控制信号控制桥式逆变器的第八功率开关 管、第九功率开关管、第十功率开关管和第十一功率开关管降压斩波，调节电机的第一输入 端和第二输入端之间的端电压Uab，从而调节电机电枢电流Im ；升压放电模式是指，电机工作在电动状态，当电机需要的第一输入端和第二输入 端之间的端电压Uab小于2UN时，由电控单元输出开关控制信号控制可串并联切换的供电电 源的第二功率开关管、第三功率开关管和第四功率开关管断开，第一超级电容器和第二超 级电容器并联，使得可串并联切换的供电电源的第一输出端和第二输出端之间的端电压输 出Us等于第一超级电容器或第二超级电容器的额定工作电压Un，此时，当电机的第一输入 端和第二输入端之间的端电压Uab大于Un且小于2Un时，由电控单元输出开关控制信号控 制双向直流功率变换器的第七功率开关管的导通时间，调节双向直流功率变换器的第一输 出端和第二输出端之间的端电压Ubus，由电控单元输出开关控制信号控制桥式逆变器的第 八功率开关管、第九功率开关管、第十功率开关管和第十一功率开关管，控制电机的运动方 向，调节每对功率开关管的导通时间，从而调节电机的第一输入端和第二输入端之间的端 电压Uab，调节电机电枢电流Im ；当电机需要的第一输入端和第二输入端之间的端电压Uab大 于2队时，由第一超级电容器和第二超级电容器串联，使得可串并联切换的供电电源的第一 输出端和第二输出端之间的端电压输出Us等于2UN，此时，由电控单元输出开关控制信号控 制双向直流功率变换器的第三功率开关管的导通时间，调节双向直流功率变换器的第一输 出端和第二输出端之间的端电压Ubus，由电控单元输出开关控制信号控制桥式逆变器的第 八功率开关管、第九功率开关管、第十功率开关管和第十一功率开关管，控制电机的运动方 向，调节每对功率开关管的导通时间，从而调节电机的第一输入端和第二输入端之间的端 电压Uab，调节电机电枢电流Im ；降压回馈电能模式是指，电机工作在发电状态，当电机发出的反电动势E大于2Un 时，由电控单元输出开关控制信号控制可串并联切换的供电电源的第二功率开关管、第三 功率开关管和第四功率开关管断开，第一超级电容器和第二超级电容器串联，使得可串并 联切换的供电电源的第一输出端和第二输出端之间的端电压输出Us等于2UN，由电控单元 输出开关控制信号控制双向直流功率变换器的第五功率开关管导通，调节双向直流功率变 换器的第六功率开关管的导通时间，降压斩波向第一超级电容器和第二超级电容器充电， 由电控单元输出开关控制信号控制桥式逆变器的第八功率开关管、第九功率开关管、第十 功率开关管和第十一功率开关管，控制电机的运动方向，调节电机电枢电流Im ；当电机发出 的反电动势E大于Un且小于2UN时，由电控单元输出开关控制信号控制可串并联切换的供 电电源的第二功率开关管、第三功率开关管导通，控制可串并联切换的供电电源的第四功 率开关管断开，第一超级电容器和第二超级电容器并联，使得可串并联切换的供电电源的 第一输出端和第二输出端之间的端电压输出Us等于第一超级电容器或第二超级电容器的 额定工作电压Un，由电控单元输出开关控制信号控制双向直流功率变换器的第五功率开关 管导通，控制双向直流功率变换器的第六功率开关管的导通时间，调节双向直流功率变换 器降压斩波向第一超级电容器和第二超级电容器充电，由电控单元输出开关控制信号控制 桥式逆变器的第八功率开关管、第九功率开关管、第十功率开关管和第十一功率开关管，控
7制电机的运动方向，调节电机电枢电流Im ；升压回馈电能模式是指，电机工作在发电状态，当电机发出的反电动势E小于Un 时，由电控单元输出开关控制信号控制可串并联切换的供电电源的第二功率开关管、第三 功率开关管导通，控制可串并联切换的供电电源的第四功率开关管断开，第一超级电容器 和第二超级电容器并联，使得可串并联切换的供电电源的第一输出端和第二输出端之间的 端电压输出Us等于第一超级电容器或第二超级电容器的额定工作电压Un，由电控单元输出 开关控制信号控制双向直流功率变换器的第六功率开关管导通，控制双向直流功率变换器 的第五功率开关管导通，控制双向直流功率变换器的第七功率开关管断开，由电控单元输 出开关控制信号控制桥式逆变器的第八功率开关管、第九功率开关管、第十功率开关管和 第十一功率开关管，调节每对开关管的导通时间，从而调节电机的第一输入端和第二输入 端之间的端电压Uab，调节电机电枢电流IM，利用电机自身电感升压向第一超级电容器和第 二超级电容器充电。本发明与现有技术相比，其显著优点本发明采用低电压值等级电源供电的可变 电压系统，减小电源体积，节约成本，电源电压和系统电压可以独立变化，满足电能双向流 动的系统中高效率的能量变换和存储；适合于混合动力汽车、电动汽车、能量回馈系统、功 率缓冲系统以及升降系统等以电机作为动力系统且电能双向流动的场合，使得电机电动运 行时的调速范围更大和发电运行时可回收能量的转速范围更大；更有利于能量回收，结构 设计简单实用且易于实现，应用前景非常广泛。


图1是本发明的电能双向流动的储能系统结构图。图2是本发明的电能双向流动的储能系统原理图。图3是本发明的电能双向流动的储能系统控制流程图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步详细描述。结合图1，一种电能双向流动的储能系统，包括可串并联切换的供电电源、双向直 流功率变换器、桥式逆变器、电机，双向直流功率变换器的第一输入端a与可串并联切换的 供电电源的第一输出端b相连接，双向直流功率变换器的第二输入端c与可串并联切换 的供电电源第二输出端d相连接，可串并联切换的供电电源为双向直流功率变换器提供电 能，双向直流功率变换器的第一输出端e与桥式逆变器的第一输入端g相连接，双向直流功 率变换器的第二输出端f与桥式逆变器的第二输入端h相连接，桥式逆变器与电机相连接， 即桥式逆变器的第一连接点M与电机LEG的第一输入端A相连接，桥式逆变器的第二连接 点N与电机LEG的第二输入端B相连接，双向直流功率变换器通过桥式逆变器为电机提供 电能，或者电机通过桥式逆变器向双向直流功率变换器输出电能。可串并联切换的供电电源包括蓄电池BAT、第一超级电容器UC1、第二超级电容器 UC2、第一功率开关管K0、第二功率开关管K1、第三功率开关管K2、第四功率开关管K3、第 一二极管KD0、第二二极管KD1、第三二极管KD2、第四二极管KD3，所述第一超级电容器UC1、 第二超级电容器UC2具有相同组成和相同初始状态；第一功率开关管KO的集电极与第一二极管KDO的负极相连接，二者接头处引出线与蓄电池BAT的正极相连接，第一功率开关管 KO的发射极与第一二极管KDO的正极相连接，二者接头处引出线与第一超级电容器UCl的 正极和第二功率开关管Kl的集电极以及第二二极管KDl的负极相连接，且第二二极管KDl 的负极为可串并联切换的供电电源的第一输出端b，第一超级电容器UCl的负极与第三功 率开关管K2的集电极和第三二极管KD2的负极相连接，第三二极管KD2的负极与第四功率 开关管K3的发射极以及第四二极管KD3的正极相连接，第三功率开关管K2的发射极和第 三二极管KD2的正极相连接，二者接头处引出线与蓄电池BAT的负极相连接，蓄电池BAT的 负极同时也与第二超级电容器UC2的负极相连接，第二超级电容器UC2的负极同时也为可 串并联切换的供电电源的第二输出端d，第四功率开关管K3的集电极与第四二极管KD3的 负极相连接，二者接头处引出线与第二超级电容器UC2的正极相连接，第二超级电容器UC2 的正极同时还与第二功率开关管Kl的发射极以及第二二极管KDl的正极相连接。双向直流功率变换器包括储能电感L、开关管S、第五功率开关管SW、第六功率开 关管VI、第七功率开关管V2、第五二极管D、第六二极管VD1、第七二极管VD2、第一滤波电 容Cl、第二滤波电容C2 ；第一滤波电容Cl的正极与开关管S的一端i相连接，且两者接线 引出端接储能电感L的一端，且接头处引出线为双向直流功率变换器的第一输入端a，第五 功率开关管SW的发射极和第五二极管D的正极相连接，二者接头处引出线与储能电感L的 另一端相连接，第五功率开关管SW的集电极和第五二极管D的负极相连接，二者接头处引 出线与开关管S的另一端j相连接，第七功率开关管V2的集电极与第七二极管VD2的负极 相连接，二者接头处引出线与开关管S的另一端j相连接，第七功率开关管V2的发射极与 第七二极管VD2的正极相连接，二者接头处引出线与第一滤波电容Cl的负极相连接，第一 滤波电容Cl的负极同时也为双向直流功率变换器的第二输入端c，第六功率开关管Vl的 集电极与第六二极管VDl的负极相连接，二者接头处引出线与第二滤波电容C2的正极相连 接，第二滤波电容C2的负极与第七二极管VD2的正极相连接，第二滤波电容C2的正极同时 也为双向直流功率变换器的第一输出端e，第二滤波电容C2的负极同时也为双向直流功率 变换器的第二输出端f。桥式逆变器包括第八功率开关管Si、第九功率开关管S2、第十功率开关管S3、第 十一功率开关管S4、第八二极管SD1、第九二极管SD2、第十二极管SD3、第十一二极管SD4 ； 第八功率开关管Sl的集电极和第八二极管SDl的负极相连接，二者接头处引出线为桥式逆 变器的第一输入端g，第八功率开关管Sl的发射极与第八二极管SDl的正极相连接，二者接 头处为第一连接点M,第九功率开关管S2的集电极与第九二极管SD2的负极相连接，二者接 头处弓I出线与第一连接点M相连接，第九功率开关管S2的发射极与第九二极管SD2的正极 相连接，二者接头处引出线为桥式逆变器的第二输入端h，第十功率开关管S3的集电极与 第十二极管SD3的负极相连接，二者接头处引出线与桥式逆变器的第一输入端g相连接，第 十功率开关管S3的发射极与第十二极管SD3的正极相连接，二者接头处为第二连接点N，第 十一功率开关管S4的集电极与第十一二极管SD4的负极相连接，二者接头处引出线与第二 连接点N相连接，第十一功率开关管S4的发射极与第十一二极管SD4的正极相连接，二者 接头处弓I出线与桥式逆变器的第二输入端h相连接。桥式逆变器的四个功率开关管中每两个功率开关管一对地进行配置以形成供应 侧和汲入侧，第八功率开关管Sl和第十一功率开关管S4为一对，第九功率开关管S2和第十功率开关管S3为一对，桥式逆变器与电机相连接时，桥式逆变器的第一连接点M与电机 LEG的第一输入端A相连接，桥式逆变器的第二连接点N与电机LEG的第二输入端B相连 接，通过调节成对的功率开关管的导通和断开，可以改变电机LEG的运动方向；通过调节成 对的功率开关管的导通时间的比例，可以控制电机LEG的第一输入端A和第二输入端B之 间的端电压的大小，从而可以调节电机LEG电枢电流的大小。上述可串并联切换的供电电源为超级电容器单体、超级电容器组、蓄电池单体或 蓄电池组；双向直流功率变换器为隔离式直流功率变换器或非隔离式直流功率变换器；桥 式逆变器为两桥臂桥式逆变器、三桥臂桥式逆变器或多桥臂桥式逆变器；电机为直流电机 或交流电机。一种电能双向流动的储能系统的控制方法，具体为控制可串并联切换的供电电 源，当电机的端电压或反电动势范围变化时，输出不同的端电压值；控制双向直流功率变换 器，调节可串并联切换的供电电源的第一输出端与第二输出端之间的端电压和桥式逆变器 的第一输入端与第二输入端之间的端电压的变压比；控制桥式逆变器，调节电机的第一输 入端与第二输入端之间的端电压和电枢电流，并可调节电机的运动方向。图2是本发明的电能双向流动的储能系统原理图，图3是本发明的电能双向流动 的储能系统控制流程图，本发明的电能双向流动的储能系统中，与蓄电池BAT串联连接的 第一功率开关管K0，可串并联切换的第一超级电容器UCl和第二超级电容器UC2中的第二 功率开关管K1、第三功率开关管K2、第四功率开关管K3，双向直流功率变换器中的开关管 S、第五功率开关管SW、第六功率开关管VI、第七功率开关管V2和桥式逆变器中的第八功 率开关管Si、第九功率开关管S2、第十功率开关管S3、第十一功率开关管S4,通过电控单元 ECU接受用于串并联切换的第一超级电容器UCl和第二超级电容器UC2的电压输出控制、蓄 电池BAT的电压输出控制、双向直流功率变换器的变压控制、桥式逆变器的变压变流控制 等的开关控制信号，其中电控单元ECU是以CPU为中心的微型处理器，除CPU外还包括存 储处理程序的ROM、存储处理程序的RAM、可存储处理程序和处理数据的Flash、可编程的输 入输出端口、模/数转换器端口以及可输出开关控制信号和开关管故障信号的事件管理器 端口等，通过模/数转换器端口输入来自检测可串并联切换的供电电源的第一输出端b和 第二输出端d之间的端电压的电压传感器的电压Us ；来自于检测可串并联切换的供电电源 的充放电电流的电流传感器的电流Is ；来自于检测第一超级电容器UCl和第二超级电容器 UC2的温度的温度传感器的温度Ts ；来自检测蓄电池BAT的端电压的电压传感器的电压Ub ； 来自于检测蓄电池BAT的充放电电流的电流传感器的电流Ib ；来自于检测双向直流功率变 换器的第一输出端e和第二输出端f之间的电压传感器的端电压Ubus ；来自于检测电机LEG 的第一输入端A和第二输入端B之间电压的电压传感器的电压Uab ；来自于检测电机LEG电 枢电流的电流传感器的电流Im等；事件管理器端口输出用于串并联切换的第一超级电容器 UCl和第二超级电容器UC2的电压输出控制、双向直流功率变换器的变压控制、桥式逆变器 的变压变流控制等的开关控制信号以及故障信号；通过可编程的输入输出端口输出用于报 警发光二极管的报警信号等。第一超级电容器UCl和第二超级电容器UC2由电控单元ECU来管理，向电控单元 ECU输入用于管理第一超级电容器UCl和第二超级电容器UC2所需的信号，例如来自安装在 可串并联切换的供电电源的第一输出端b和第二输出端d之间的电压传感器的端电压Us;
10来自于安装在与可串并联切换的供电电源的第一输出端b相连接的电流传感器的充放电 电流Is ；来自于安装在第一超级电容器UCl和第二超级电容器UC2上的温度传感器的第一 超级电容器UCl和第二超级电容器UC2的温度Ts等。如此构成的实施例的一种电能双向流动的储能系统基于电机LEG的第一输入端A 和第二输入端B之间的电压UAB、电机LEG电枢电流Im以及双向直流功率变换器的第一输出 端e和第二输出端f之间的端电压Ubus来计算用于串并联切换的第一超级电容器UCl和第 二超级电容器UC2的端电压输出控制、双向直流功率变换器的变压控制、桥式逆变器的变 压变流控制等的开关控制信号，并由E⑶输出这些开关控制信号。一种电能双向流动的储能系统的控制方法，包括降压放电、升压放电、降压回馈电 能和升压回馈电能四种模式；降压放电模式是指，电机LEG工作在电动状态，当电机LEG需要的第一输入端A和 第二输入端B之间的端电压Uab小于2Un时，所述Un是第一超级电容器UCl或第二超级电容 器UC2的额定工作电压值，由电控单元ECU输出开关控制信号控制第二功率开关管Kl、第三 功率开关管K2和第四功率开关管K3断开，第一超级电容器UCl和第二超级电容器UC2并 联，使得可串并联切换的供电电源的第一输出端和第二输出端之间的端电压输出Us等于第 一超级电容器UCl或第二超级电容器UC2的额定工作电压Un，此时，当电机LEG需要的第一 输入端A和第二输入端B之间的端电压Uab小于Un时，由电控单元ECU输出开关控制信号控 制双向直流功率变换器的第六功率开关管VI、第七功率开关管V2断开，由电控单元ECU输 出开关控制信号控制桥式逆变器的第八功率开关管Si、第九功率开关管S2、第十功率开关 管S3和第十一功率开关管S4降压斩波，调节电机LEG的第一输入端A和第二输入端B之 间的端电压Uab，从而调节电机LEG电枢电流Im ；升压放电模式是指，电机LEG工作在电动状态，当电机LEG需要的第一输入端A和 第二输入端B之间的端电压Uab小于2Un时，由电控单元ECU输出开关控制信号控制可串并 联切换的供电电源的第二功率开关管K1、第三功率开关管K2和第四功率开关管K3断开，第 一超级电容器UCl和第二超级电容器UC2并联，使得可串并联切换的供电电源的第一输出 端和第二输出端之间的端电压输出Us等于第一超级电容器UCl或第二超级电容器UC2的 额定工作电压UN，此时，当电机LEG的第一输入端A和第二输入端B之间的端电压Uab大于 Un且小于2Un时，由电控单元ECU输出开关控制信号控制双向直流功率变换器的第七功率 开关管V2的导通时间，调节双向直流功率变换器的第一输出端和第二输出端之间的端电 压Ubus，由电控单元ECU输出开关控制信号控制桥式逆变器的第八功率开关管Sl、第九功率 开关管S2、第十功率开关管S3和第十一功率开关管S4，控制电机LEG的运动方向，调节每 对功率开关管的导通时间，从而调节电机LEG的第一输入端A和第二输入端B之间的端电 压Uab，调节电机LEG电枢电流Im ；当电机LEG需要的第一输入端A和第二输入端B之间的 端电压Uab大于2队时，由第一超级电容器UCl和第二超级电容器UC2串联，使得可串并联 切换的供电电源的第一输出端和第二输出端之间的端电压输出Us等于2UN，此时，由电控单 元ECU输出开关控制信号控制双向直流功率变换器的第三功率开关管V2的导通时间，调节 双向直流功率变换器的第一输出端和第二输出端之间的端电压Ubus，由电控单元ECU输出 开关控制信号控制桥式逆变器的第八功率开关管Si、第九功率开关管S2、第十功率开关管 S3和第十一功率开关管S4，控制电机LEG的运动方向，调节每对功率开关管的导通时间，从而调节电机LEG的第一输入端A和第二输入端B之间的端电压Uab，调节电机LEG电枢电流 τ .
1M ’在降压放电模式和升压放电模式中，由电控单元ECU输出开关控制信号控制可串 并联切换的供电电源的第二功率开关管K1、第三功率开关管K2和第四功率开关管K3，从而 控制第一超级电容器UCl和第二超级电容器UC2的组间的放电平衡；当第一超级电容器UCl和第二超级电容器UC2工作于降压放电模式和升压放电 模式，且可串并联切换的供电电源的第一输出端b和第二输出端d之间的端电压输出Us大 于蓄电池BAT的端电压Ub时，可通过可串并联切换的供电电源的第一二极管KDO向蓄电池 BAT充电，当第一超级电容器UCl和第二超级电容器UC2的电能量不能满足电机LEG需要 时，控制可串并联切换的供电电源的第一功率开关管KO导通，同时控制可串并联切换的供 电电源的第二功率开关管K1、第三功率开关管K2和第四功率开关管K3断开第一超级电容 器UCl和第二超级电容器UC2与蓄电池BAT的连接，由蓄电池BAT向电机LEG提供电能量；降压回馈电能模式是指，电机LEG工作在发电状态，当电机LEG发出的反电动势E 大于2队时，由电控单元ECU输出开关控制信号控制可串并联切换的供电电源的第二功率 开关管Kl、第三功率开关管K2和第四功率开关管K3断开，第一超级电容器UCl和第二超级 电容器UC2串联，使得可串并联切换的供电电源的第一输出端和第二输出端之间的端电压 输出Us等于2UN，由电控单元ECU输出开关控制信号控制双向直流功率变换器的第五功率 开关管SW导通，调节双向直流功率变换器的第六功率开关管Vl的导通时间，降压斩波向第 一超级电容器UCl和第二超级电容器UC2充电，由电控单元ECU输出开关控制信号控制桥 式逆变器的第八功率开关管Si、第九功率开关管S2、第十功率开关管S3和第十一功率开关 管S4,控制电机LEG的运动方向，调节电机LEG电枢电流Im ；当电机LEG发出的反电动势E 大于Un且小于2Un时，由电控单元ECU输出开关控制信号控制可串并联切换的供电电源的 第二功率开关管K1、第三功率开关管K2导通，控制可串并联切换的供电电源的第四功率开 关管K3断开，第一超级电容器UCl和第二超级电容器UC2并联，使得可串并联切换的供电 电源的第一输出端和第二输出端之间的端电压输出Us等于第一超级电容器UCl或第二超 级电容器UC2的额定工作电压Un,由电控单元ECU输出开关控制信号控制双向直流功率变 换器的第五功率开关管SW导通，控制双向直流功率变换器的第六功率开关管Vl的导通时 间，调节双向直流功率变换器降压斩波向第一超级电容器UCl和第二超级电容器UC2充电， 由电控单元ECU输出开关控制信号控制桥式逆变器的第八功率开关管Si、第九功率开关管 S2、第十功率开关管S3和第十一功率开关管S4,控制电机LEG的运动方向，调节电机LEG电 枢电流IM;升压回馈电能模式是指，电机LEG工作在发电状态，当电机LEG发出的反电动势E 小于Un时，由电控单元ECU输出开关控制信号控制可串并联切换的供电电源的第二功率开 关管K1、第三功率开关管K2导通，控制可串并联切换的供电电源的第四功率开关管K3断 开，第一超级电容器UCl和第二超级电容器UC2并联，使得可串并联切换的供电电源的第一 输出端和第二输出端之间的端电压输出Us等于第一超级电容器UCl或第二超级电容器UC2 的额定工作电压Un,由电控单元ECU输出开关控制信号控制双向直流功率变换器的第六功 率开关管Vl导通，控制双向直流功率变换器的第五功率开关管SW导通，控制双向直流功率 变换器的第七功率开关管V2断开，由电控 元ECU输出开关控制信号控制桥式逆变器的第八功率开关管Si、第九功率开关管S2、第十功率开关管S3和第十一功率开关管S4，调节每 对开关管的导通时间，从而调节电机LEG的第一输入端A和第二输入端B之间的端电压Uab， 调节电机LEG电枢电流IM，利用电机LEG自身电感升压向第一超级电容器UCl和第二超级 电容器UC2充电；在降压回馈电能模式和升压回馈电能模式中，由电控单元ECU输出开关控制信号 控制可串并联切换的供电电源的第二功率开关管K1、第三功率开关管K2和第四功率开关 管K3，从而控制第一超级电容器UCl和第二超级电容器UC2的组间的充电平衡；当第一超级电容器UCl和第二超级电容器UC2工作于降压回馈电能模式和升压回 馈电能模式，且当可串并联切换的供电电源的第一输出端b和第二输出端d之间的端电压 输出Us大于蓄电池BAT的端电压时，电机LEG发出的电能量可通过可串并联切换的供电电 源的第一二极管KDO向蓄电池BAT充电；在本实施例的电能双向流动的储能系统中，没有控制双向直流功率变换器中的开 关管S，但并不仅限于此，所应用的电能双向流动的储能系统在两个方向的功率流不平衡， 所控制的双向直流功率变换器大功率流向第一超级电容器UCl和第二超级电容器UC2降压 回馈能量时，可由电控单元ECU控制双向直流功率变换器中的开关管S闭合，从而屏蔽掉储 能电感L，由于被充电的第一超级电容器UCl和第二超级电容器UC2的电容量较大，对高频 充电电压波进行了滤波，从而变为平滑电压波，因而可以进一步减少电能消耗；以上，利用实施例对用于实施本发明的最佳实施方式进行了说明，但本发明并不 仅限于所述实施例，而是可以在不脱离本发明思想的范围内，以各种方式进行实施。
权利要求
一种电能双向流动的储能系统，其特征在于，包括可串并联切换的供电电源、双向直流功率变换器、桥式逆变器、电机，双向直流功率变换器的第一输入端[a]与可串并联切换的供电电源的第一输出端[b]相连接，双向直流功率变换器的第二输入端[c]与可串并联切换的供电电源第二输出端[d]相连接，可串并联切换的供电电源为双向直流功率变换器提供电能，双向直流功率变换器的第一输出端[e]与桥式逆变器的第一输入端[g]相连接，双向直流功率变换器的第二输出端[f]与桥式逆变器的第二输入端[h]相连接，桥式逆变器的第一连接点[M]与电机[LEG]的第一输入端[A]相连接，桥式逆变器的第二连接点[N]与电机[LEG]的第二输入端[B]相连接，双向直流功率变换器通过桥式逆变器为电机[LEG]提供电能，或者电机[LEG]通过桥式逆变器向双向直流功率变换器输出电能。
2.根据权利要求1所述的电能双向流动的储能系统，其特征在于，可串并联切换的 供电电源包括蓄电池[BAT]、第一超级电容器[UC1]、第二超级电容器[UC2]、第一功率开 关管[K0]、第二功率开关管[K1]、第三功率开关管[K2]、第四功率开关管[K3]、第一二极 管[KD0]、第二二极管[KD1]、第三二极管[KD2]、第四二极管[KD3]，所述第一超级电容器 [UC1]、第二超级电容器[UC2]具有相同组成和相同初始状态；第一功率开关管[K0]的集电 极与第一二极管[KD0]的负极相连接，二者接头处引出线与蓄电池[BAT]的正极相连接，第 一功率开关管[K0]的发射极与第一二极管[KD0]的正极相连接，二者接头处引出线与第一 超级电容器[UC1]的正极和第二功率开关管[K1]的集电极以及第二二极管[KD1]的负极 相连接，且第二二极管[KD1]的负极为所述可串并联切换的供电电源的第一输出端[b]，第 一超级电容器[UC1]的负极与第三功率开关管[K2]的集电极和第三二极管[KD2]的负极 相连接，第三二极管[KD2]的负极与第四功率开关管[K3]的发射极以及第四二极管[KD3] 的正极相连接，第三功率开关管[K2]的发射极和第三二极管[KD2]的正极相连接，二者接 头处引出线与蓄电池[BAT]的负极相连接，蓄电池[BAT]的负极同时也与第二超级电容器 [UC2]的负极相连接，第二超级电容器[UC2]的负极同时也为可串并联切换的供电电源的 第二输出端[d]，第四功率开关管[K3]的集电极与第四二极管[KD3]的负极相连接，二者接 头处引出线与第二超级电容器[UC2]的正极相连接，第二超级电容器[UC2]的正极同时还 与第二功率开关管[K1]的发射极以及第二二极管[KD1]的正极相连接。
3.根据权利要求1所述的电能双向流动的储能系统，其特征在于，双向直流功率变换 器包括储能电感[L]、开关管[S]、第五功率开关管[SW]、第六功率开关管[VI]、第七功率开 关管[V2]、第五二极管[D]、第六二极管[VD1]、第七二极管[VD2]、第一滤波电容[Cl]、第二 滤波电容[C2]；第一滤波电容[Cl]的正极与开关管[S]的一端[i]相连接，两者接头处引出线接储能 电感[L]的一端，且接头处引出线为所述双向直流功率变换器的第一输入端[a]，第五功率 开关管[SW]的发射极和第五二极管[D]的正极相连接，二者接头处引出线与储能电感[L] 的另一端相连接，第五功率开关管[SW]的集电极和第五二极管[D]的负极相连接，二者接 头处引出线与开关管[S]的另一端[j]相连接，第七功率开关管[V2]的集电极与第七二极 管[VD2]的负极相连接，二者接头处引出线与开关管[S]的另一端[j]相连接，第七功率开 关管[V2]的发射极与第七二极管[VD2]的正极相连接，二者接头处引出线与第一滤波电容 [Cl]的负极相连接，第一滤波电容[Cl]的负极同时也为双向直流功率变换器的第二输入 端[c]，第六功率开关管[VI]的集电极与第六二极管[VD1]的负极相连接，二者接头处引出线与第二滤波电容[C2]的正极相连接，第二滤波电容[C2]的负极与第七二极管[VD2]的 正极相连接，第二滤波电容[C2]的正极同时也为双向直流功率变换器的第一输出端[e]， 第二滤波电容[C2]的负极同时也为双向直流功率变换器的第二输出端[f]。
4.根据权利要求1所述的电能双向流动的储能系统，其特征在于，桥式逆变器包括第 八功率开关管[Si]、第九功率开关管[S2]、第十功率开关管[S3]、第十一功率开关管[S4]、 第八二极管[SD1]、第九二极管[SD2]、第十二极管[SD3]、第十一二极管[SD4]；第八功率开关管[Si]的集电极和第八二极管[SD1]的负极相连接，二者接头处引出 线为桥式逆变器的第一输入端[g]，第八功率开关管[Si]的发射极与第八二极管[SD1]的 正极相连接，二者接头处为第一连接点[M]，第九功率开关管[S2]的集电极与第九二极管 [SD2]的负极相连接，二者接头处引出线与第一连接点[M]相连接，第九功率开关管[S2] 的发射极与第九二极管[SD2]的正极相连接，二者接头处引出线为桥式逆变器的第二输入 端[h]，第十功率开关管[S3]的集电极与第十二极管[SD3]的负极相连接，二者接头处引 出线与桥式逆变器的第一输入端[g]相连接，第十功率开关管[S3]的发射极与第十二极管 [SD3]的正极相连接，二者接头处为第二连接点[N]，第十一功率开关管[S4]的集电极与第 十一二极管[SD4]的负极相连接，二者接头处引出线与第二连接点[N]相连接，第十一功率 开关管[S4]的发射极与第十一二极管[SD4]的正极相连接，二者接头处引出线与桥式逆变 器的第二输入端[h]相连接。
5.根据权利要求1所述的电能双向流动的储能系统，其特征在于，可串并联切换的供 电电源为超级电容器单体、超级电容器组、蓄电池单体或蓄电池组；双向直流功率变换器为 隔离式直流功率变换器或非隔离式直流功率变换器；桥式逆变器为两桥臂桥式逆变器、三 桥臂桥式逆变器或多桥臂桥式逆变器；电机为直流电机或交流电机。
6.一种电能双向流动的储能系统的控制方法，其特征在于，包括降压放电、升压放电、 降压回馈电能和升压回馈电能四种模式；降压放电模式是指，电机[LEG]工作在电动状态，当电机[LEG]需要的第一输入端[A] 和第二输入端[B]之间的端电压Uab小于2UN时，所述Un是第一超级电容器[UC1]或第二超 级电容器[UC2]的额定工作电压值，由电控单元[ECU]输出开关控制信号控制第二功率开 关管[K1]、第三功率开关管[K2]和第四功率开关管[K3]断开，第一超级电容器[UC1]和 第二超级电容器[UC2]并联，使得所述可串并联切换的供电电源的第一输出端和第二输出 端之间的端电压输出Us等于第一超级电容器[UC1]或第二超级电容器[UC2]的额定工作 电压UN，此时，当电机[LEG]需要的第一输入端[A]和第二输入端[B]之间的端电压Uab小 于Un时，由电控单元[ECU]输出开关控制信号控制双向直流功率变换器的第六功率开关管 [VI]、第七功率开关管[V2]断开，由电控单元[ECU]输出开关控制信号控制桥式逆变器的 第八功率开关管[Si]、第九功率开关管[S2]、第十功率开关管[S3]和第十一功率开关管 [S4]降压斩波，调节电机[LEG]的第一输入端[A]和第二输入端[B]之间的端电压Uab，从 而调节电机[LEG]电枢电流Im ；升压放电模式是指，电机[LEG]工作在电动状态，当电机[LEG]需要的第一输入端[A] 和第二输入端[B]之间的端电压Uab小于2队时，由电控单元[ECU]输出开关控制信号控制 可串并联切换的供电电源的第二功率开关管[K1]、第三功率开关管[K2]和第四功率开关 管[K3]断开，第一超级电容器[UC1]和第二超级电容器[UC2]并联，使得可串并联切换的供电电源的第一输出端[b]和第二输出端[d]之间的端电压输出Us等于第一超级电容器 [UC1]或第二超级电容器[UC2]的额定工作电压UN，此时，当电机[LEG]的第一输入端[A] 和第二输入端[B]之间的端电压Uab大于Un且小于2队时，由电控单元[ECU]输出开关控 制信号控制双向直流功率变换器的第七功率开关管[V2]的导通时间，调节双向直流功率 变换器的第一输出端[e]和第二输出端[f]之间的端电压Ubus，由电控单元[ECU]输出开关 控制信号控制桥式逆变器的第八功率开关管[Si]、第九功率开关管[S2]、第十功率开关管 [S3]和第十一功率开关管[S4]，控制电机[LEG]的运动方向，调节每对功率开关管的导通 时间，从而调节电机[LEG]的第一输入端[A]和第二输入端[B]之间的端电压Uab，调节电 机[LEG]电枢电流Im ；当电机[LEG]需要的第一输入端[A]和第二输入端[B]之间的端电 压Uab大于2UN时，由第一超级电容器[UC1]和第二超级电容器[UC2]串联，使得可串并联切 换的供电电源的第一输出端[b]和第二输出端M之间的端电压输出Us等于2UN，此时，由 电控单元[ECU]输出开关控制信号控制双向直流功率变换器的第三功率开关管[V2]的导 通时间，调节双向直流功率变换器的第一输出端[e]和第二输出端[f]之间的端电压Ubus， 由电控单元[ECU]输出开关控制信号控制桥式逆变器的第八功率开关管[Si]、第九功率开 关管[S2]、第十功率开关管[S3]和第十一功率开关管[S4]，控制电机[LEG]的运动方向， 调节每对功率开关管的导通时间，从而调节电机[LEG]的第一输入端[A]和第二输入端[B] 之间的端电压Uab，调节电机[LEG]电枢电流Im ；降压回馈电能模式是指，电机[LEG]工作在发电状态，当电机[LEG]发出的反电动势E 大于2队时，由电控单元[ECU]输出开关控制信号控制所述可串并联切换的供电电源的第 二功率开关管[K1]、第三功率开关管[K2]和第四功率开关管[K3]断开，第一超级电容器 [UC1]和第二超级电容器[UC2]串联，使得可串并联切换的供电电源的第一输出端[b]和第 二输出端[d]之间的端电压输出Us等于2UN，由电控单元[ECU]输出开关控制信号控制双 向直流功率变换器的第五功率开关管[SW]导通，调节双向直流功率变换器的第六功率开 关管[VI]的导通时间，降压斩波向第一超级电容器[UC1]和第二超级电容器[UC2]充电， 由电控单元[ECU]输出开关控制信号控制所述桥式逆变器的第八功率开关管[Si]、第九功 率开关管[S2]、第十功率开关管[S3]和第十一功率开关管[S4]，控制电机[LEG]的运动方 向，调节电机[LEG]电枢电流Im ；当电机[LEG]发出的反电动势E大于Un且小于2UN时，由 电控单元[ECU]输出开关控制信号控制可串并联切换的供电电源的第二功率开关管[K1]、 第三功率开关管[K2]导通，控制可串并联切换的供电电源的第四功率开关管[K3]断开，第 一超级电容器[UC1]和第二超级电容器[UC2]并联，使得可串并联切换的供电电源的第一 输出端[b]和第二输出端[d]之间的端电压输出Us等于第一超级电容器[UC1]或第二超级 电容器[UC2]的额定工作电压Un，由电控单元[ECU]输出开关控制信号控制双向直流功率 变换器的第五功率开关管[SW]导通，控制双向直流功率变换器的第六功率开关管[VI]的 导通时间，调节双向直流功率变换器降压斩波向第一超级电容器[UC1]和第二超级电容器 [UC2]充电，由电控单元[ECU]输出开关控制信号控制桥式逆变器的第八功率开关管[Si]、 第九功率开关管[S2]、第十功率开关管[S3]和第十一功率开关管[S4]，控制电机[LEG]的 运动方向，调节电机[LEG]电枢电流Im ；升压回馈电能模式是指，电机[LEG]工作在发电状态，当电机[LEG]发出的反电动势 E小于Un时，由电控单元[ECU]输出开关控制信号控制可串并联切换的供电电源的第二功率开关管[K1]、第三功率开关管[K2]导通，控制可串并联切换的供电电源的第四功率开关 管[K3]断开，第一超级电容器[UC1]和第二超级电容器[UC2]并联，使得可串并联切换的 供电电源的第一输出端[b]和第二输出端[d]之间的端电压输出Us等于第一超级电容器 [UC1]或第二超级电容器[UC2]的额定工作电压Un，由电控单元[ECU]输出开关控制信号 控制双向直流功率变换器的第六功率开关管[VI]导通，控制双向直流功率变换器的第五 功率开关管[SW]导通，控制双向直流功率变换器的第七功率开关管[V2]断开，由电控单元 [ECU]输出开关控制信号控制桥式逆变器的第八功率开关管[Si]、第九功率开关管[S2]、 第十功率开关管[S3]和第十一功率开关管[S4]，调节每对开关管的导通时间，从而调节电 机[LEG]的第一输入端[A]和第二输入端[B]之间的端电压Uab，调节电机[LEG]电枢电流 IM，利用电机[LEG]自身电感升压向第一超级电容器[UC1]和第二超级电容器[UC2]充电。
全文摘要
本发明公开了一种电能双向流动的储能系统及其控制方法，所属技术领域为电能量变换与存储系统及其控制方法。目的是满足电能量双向流动的储能系统中高效率的能量变换和存储，利用超级电容器串并联切换技术和优化设计的双向直流功率变换器相结合，实现了低电压值等级电源供电的可变电压系统的设计，减小了供电电源体积，节约了成本，且供电电源电压和系统电压可以独立变化，拓扑结构优化设计的双向直流功率变换器解决了功率变换器中电感体积大，成本高，损耗大的问题，特别适合瞬时功率回馈能量的场合，利用新颖的超级电容器串并联切换技术把功率变换器的电压变比控制在2以内，更有利于变换器的控制和效率的提高。
文档编号H02J15/00GK101976894SQ201010508339
公开日2011年2月16日 申请日期2010年10月15日 优先权日2010年10月15日
发明者任桂周, 常思勤 申请人:南京理工大学