CN104821610B - 基于双超级电容器模组的三级式高可靠性再生能量控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双超级电容器模组的三级式高可靠性再生能量控制方法及装置，通过双通道独立超级电容器模组进行再生能量的可靠吸收存储，可实现恶劣工况下最大效率地进行再生能量的吸收存储以及直流母线的高功率输出补偿，提高电机驱动系统的高动态性能。与现有技术相比，采用三级式再生能量吸收装置能保证再生能量的彻底存储，并可实现过剩再生能量的可靠处理。能够使能量快速使用、有效流动，解决了单超级电容器模组同时充放电的问题。采用双余度双向DC/DC电路解决直流母线掉电故障波动问题。双超级电容器模组并联使用，可以提高瞬时大能量的吸收能力与瞬时功率的输出能力。

Description

基于双超级电容器模组的三级式高可靠性再生能量控制方法 及装置

技术领域

本发明属于电机驱动系统再生能量控制技术领域，具体涉及一种基于双超级电容器模组的三级式高可靠性再生能量控制方法及装置。

背景技术

再生能量的吸收技术与现状：由于驱动对象的一些特殊工况下回造成电动机工作在发电状态，导致再生能量反向流动的现象，即能量反向流经驱动器的逆变单元给逆变器直流侧的支撑电容充电，使直流母线电压出现一种泵升现象，这就是再生能量的产生。目前再生制动能量的吸收主要分为耗散式、能馈式和储能式三种，其中耗散式吸收方式由于其结构简单可靠、经济性好等优点应用最为广泛，而能馈式和储能式应用相对较少。能馈式需要增加高成本的复杂回馈装置将能量回馈至电网，且对电网有一定污染，因此只适用风力发电等网测交流供电的场合。储能式吸收多采用电池，电池的的能量密度比较高，可以在没有供电的情况下给电动车提供电源备份。但是，由于化学电池具有循环寿命有限、充放电效率低、充电速度慢以及污染环境等缺点，电池储能系统的使用受到很多限制。

超级电容器的发展与显著优点：超级电容是上世纪七、八十年代发展起来的一种新型的储能装置。它不同于传统的化学电源，是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能。超级电容器的突出优点是功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽，可以有效地存储能量，具有很宽广的应用场合，尤为在再生能量的吸收存储方面具有出色的表现。

高可靠性再生能量控制装置的应用需求：随着科技文明的发展，再生能量控制装置的优化设计需求也在逐渐增加，如航空航天、新能源电动车、大功率机车牵引、节能电梯等方面在再生能量控制的高可靠性和节能环保应用等方面具有迫切要求。

在上述相关研究领域，中国专利CN102570568A公开了一种电动车刹车再生能量控制的充电与放电装置和方法，只是通过辅助充电电路进行再生能量的处理，未给出高效的能量存储装置。CN102616145A公开了一种基于超级电容器模组的电动车再生能量存储装置，采用阵列式超级电容器模组进行再生能量的存储吸收，但未能给出恶劣工况下再生能量的过剩能量处理方法以及超级电容器模组之间同时充放电使用的物理矛盾问题的解决方法。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于双超级电容器模组的三级式高可靠性再生能量控制方法及装置，解决持续性再生能量的过剩处理问题，单超级电容器模组的同时充、放电矛盾问题，极端情况持续性高功率输出问题，能量吸收效率的最大化以及有效能量再利用的低熵问题。

技术方案

一种基于双超级电容器模组的三级式高可靠性再生能量控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：电动机工作在发电状态时，将电动机产生的再生能量E_re反馈回直流母线，并将再生能量E_re存储在一个超级电容器模组SC1上，当超级电容器模组SC1存储的能量达到最大存储能量E_sc1m时完成第一级再生能量存储；

步骤2：再生能量E_re继续存储在另一个超级电容器模组SC2上，当超级电容器模组SC2存储的能量达到最大存储能量E_sc2时完成第二级再生能量存储；

如果超级电容器模组SC1上存储的再生能量被使用，使得SC1上存储的实时再生能量E_sc1＜E_sc1m时，再生能量E_re继续存储在超级电容器模组SC1上；

如果超级电容器模组之间满足E_sc1＝E_sc1m、且E_sc2＜E_sc2m，再生能量E_re存储在超级电容器模组SC2上；

步骤3：当超级电容器模组SC1和超级电容器模组SC2上的实时能量均达到最大值时，采用泄放设备将再生能量E_re进行吸收消耗，完成第三级再生能量控制；

所述超级电容器模组SC1和超级电容器模组SC2上存储的再生能量能够被电机或其他设备使用。

一种实现所述基于双超级电容器模组的三级式高可靠性再生能量控制方法的装置，其特征在于包括：第一超级电容器模组SC1、第二超级电容器模组SC2、逻辑开关组合、双余度双向DC/DC电路、控制电路、驱动电路、U0电压检测电路、U1电压检测电路和U2电压检测电路，连接关系为：

第一超级电容器模组SC1和第二超级电容器模组SC2的正端分别与逻辑开关组合中K3和K4相连，超级电容器模组SC1和SC2的负端与电能输出接口的负端、泄放设备的负端、双余度双向DC/DC电路的LGND相连，通过双余度双向DC/DC电路和不同配置的逻辑开关完成直流母线DC_BUS与超级电容器模组之间能量的双向流动；超级电容器模组SC1和SC2同时与控制电路相连，发送模组中的均衡电路的故障信号和状态信号给控制电路；

双余度双向DC/DC电路高压侧与直流母线DC_BUS相连：HOA为A通道高压输出，与开关S的主控端连接；HOB为B通道高压输出，与开关S的常开触点连接；HGND为通道高压输出负端，与DC_BUS负端连接；双余度双向DC/DC电路低压侧与逻辑开关组合设备相连：LOA为A通道低压输出，与开关K1相连；LOB为B通道低压输出，与开关K2相连；LGND为通道低压输出负端，与超级电容器模组SC1和SC2的负端相连；

控制电路与驱动器通过通信总线相连进行通信交互，控制电路与超级电容器模组SC1和SC2的信号线相连以接收模组反馈的故障信号或状态信号，控制电路与驱动电路相连输出PWM波和I/O信号，控制器与U0电压检测电路、U1电压检测电路和U2电压检测电路相连进行电压采集；

驱动电路与控制电路、双余度双向DC/DC电路、逻辑开关组合相连，驱动电路接收控制电路的PWM信号提升驱动后控制双余度双向DC/DC电路，驱动电路接收控制电路的I/O信号提升驱动后进行逻辑开关组合中各开关的通断控制；

逻辑开关组合：开关K1、开关K3和开关K5串联，开关K2、开关K4和开关K6串联，其中K1和K2分别与双余度双向DC/DC电路低压侧LOA和LOB相连，K3和K4分别与超级电容器模组SC1的正端和SC2的正端相连，K5和K6分别与电能输出接口的正端和泄放设备的正端相连；

电压检测U0电路的输入端分别与DC_BUS的正负端相连，电压检测U1和U2电路的输入端分别与超级电容器模组SC1和SC2的正负端相连，电压检测U0、U1、U2输出端均与控制电路相连完成电压采样；

电能输出接口的正端与逻辑开关组合中开关K5相连，电能输出接口的负端与超级电容器模组的负端相连；

泄放设备的正端与逻辑开关组合中开关K6相连，泄放设备的负端与超级电容器模组的负端相连。

有益效果

本发明提出的一种基于双超级电容器模组的三级式高可靠性再生能量控制方法及装置，通过双通道独立超级电容器模组进行再生能量的可靠吸收存储，可实现恶劣工况下最大效率地进行再生能量的吸收存储以及直流母线的高功率输出补偿，提高电机驱动系统的高动态性能。

与现有技术相比，该装置及方法的有益效果在于：

(1)双超级电容器模组增大了能量存储的能力，采用三级式再生能量吸收装置能保证再生能量的彻底存储，并可实现过剩再生能量的可靠处理。

(2)采用双超级电容器模组交替充放电使用，能够使能量快速使用、有效流动，解决了单超级电容器模组同时充放电的问题。

(3)采用双余度双向DC/DC电路解决直流母线掉电故障波动问题。双超级电容器模组并联使用，可以提高瞬时大能量的吸收能力与瞬时功率的输出能力。

(4)以能量缓冲的思路解决系统持续性高功率密度输出问题。即可以在蓄电池的配合下，两个超级电容器模组之间进行交替充放电，以确保系统持续性的高功率输出。

附图说明

图1：本发明装置及系统框图

图2：本发明装置再生能量控制流程图

图3：高功率缓冲原理示意图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明装置能够实现再生能量的高效率存储、可靠性吸收以及持续高功率的输出补偿。现结合某电动车用高效驱动器实例对本发明作进一步描述：

如附图1中所示，直流电源E为电动车用高能量密度电池、整流装置输出以及直流电源设备等的电压输出；直流母线开关S为接触器、继电器或其它可控开关器件；直流母线电容C为整流滤波、逆变支撑功能的各类电容；三相全桥逆变电路是带续流装置的逆变电路；驱动器为完成本电机驱动系统实例所需的控制电路、驱动电路及供电电路；电机为三相永磁同步电机或三相无刷直流电机。

本发明装置所包含的各模块如附图1中虚线框中所示，其主要由以下部分组成：

①超级电容器模组SC1和SC2：自带保护电路、均衡电路以及保护电路的通用超级电容器模组；

②双余度双向DC/DC电路：两通道可双向升降压斩波控制的电路(如半桥电路或其他双向DC/DC变换器)，其中HOA、HOB、HGND分别为高压连接侧的A通道接口、B通道接口及地线，LOA、LOB、LGND分别为低压连接侧的A通道接口、B通道接口及地线；

③控制电路：本装置正常运行的综合控制电路，其主要由主控芯片(如包含AD采集模块、PWM波发生模块的DSP或MCU等)及通信电路(如RS232/485/422、CAN等)；

④驱动电路：对主控电路的输出信号进行驱动能力的提升，以确保双余度双向DC/DC电路和逻辑开关K1～K6的可靠、迅速地动作，可由对应继电器或者可控开关的专用驱动集成电路组成；

⑤逻辑开关K1～K6：继电器或者可控开关器件，作用是保证超级电容器模组、双余度双向DC/DC电路、用电设备以及泄放设备之间按控制电路的逻辑进行可靠连通与关断；

⑥电压检测U0、U1、U2：电压传感器检测电路，分别进行直流母线电压、超级电容器模组SC1端电压、超级电容器模组SC2端电压的检测；

⑦电能输出接口：用于将超级电容器模组中的多余能量输出用于系统中其它需要供电的任何运行装置，完成超级电容器模组SC1和SC2所存储能量的二次利用；

⑧泄放设备：大功率耗能电阻或者其它耗能设备，完成过余能量的泄放。

附图1中，直流电源经过开关S与直流母线相连，由开关S控制供电的通断；支撑电容C与直流母线DC_BUS并联；直流母线DC_BUS和三相全桥逆变电路相连；电机和驱动器及三相全桥逆变电路相连，驱动器采集电机的位置信息和电流信息，产生PWM波驱动三相全桥逆变电路完成电机的供电。

本发明装置中各模块的连接说明如下：

①超级电容器模组SC1和SC2的正端分别与逻辑开关组合中K3和K4相连，超级电容器模组SC1和SC2的负端与电能输出接口的负端、泄放设备的负端、双余度双向DC/DC电路的LGND相连，通过双余度双向DC/DC电路和不同配置的逻辑开关完成直流母线DC_BUS与超级电容器模组之间能量的双向流动；超级电容器模组SC1和SC2同时与控制电路相连，发送模组中的均衡电路的故障信号和状态信号给控制电路。

②双余度双向DC/DC电路高压侧与直流母线DC_BUS相连，即HOA为A通道高压输出，接在S前；HOB为B通道高压输出，接在S后；HGND为通道高压输出负端，接在DC_BUS负端；双余度双向DC/DC电路低压侧与逻辑开关组合设备相连，即LOA为A通道低压输出，与K1相连；LOB为B通道低压输出，与K2相连；LGND为通道低压输出负端，与超级电容器模组SC1和SC2的负端相连。

③控制电路与驱动器通过通信总线相连进行通信交互，控制电路与超级电容器模组SC1和SC2的信号线相连以接收模组反馈的故障信号或状态信号，控制电路与驱动电路相连输出PWM波和I/O信号，控制器与电压检测U0、U1和U2相连进行电压采集。

④驱动电路与控制电路、双余度双向DC/DC电路、逻辑开关组合相连，驱动电路接收控制电路的PWM信号提升驱动后控制双余度双向DC/DC电路，驱动电路接收控制电路的I/O信号提升驱动后进行逻辑开关组合中各开关的通断控制。

⑤逻辑开关组合内部K1、K3、K5串联，K2、K4、K6串联，其中K1和K2分别与双余度双向DC/DC电路低压侧LOA和LOB相连，K3和K4分别与超级电容器模组SC1的正端和SC2的正端相连，K5和K6分别与电能输出接口的正端和泄放设备的正端相连。

⑥电压检测U0电路的输入端分别与DC_BUS的正负端相连，电压检测U1和U2电路的输入端分别与超级电容器模组SC1和SC2的正负端相连，电压检测U0、U1、U2输出端均与控制电路相连完成电压采样。

⑦电能输出接口的正端与逻辑开关组合中K5相连，电能输出接口的负端与超级电容器模组的负端相连。

⑧泄放设备的正端与逻辑开关组合中K6相连，泄放设备的负端与超级电容器模组的负端相连。

结合附图2：再生能量控制流程图，本装置的具体工作步骤如下：

步骤1：本装置首先检测是否有故障产生再生能量产生，电动机工作在发电状态，产生再生能量经逆变器的续流二极管整流反馈回直流母线。设E_re为再生能量，C₁、E_sc1分别为超级电容器模组1的额定容值和最大存储能量，C₂、E_sc2为超级电容器模组2的额定容值和最大存储能量，直流母线的正常工作电压范围是U_dw≤U0≤U_up，超级电容器模组充放电的上下限分别为U_max、U_min。

检测直流母线电压U0，当U0高于母线阈值上限U_up，S断开，开关K1(或者K2)闭合，其余开关断开，双向DC/DC电路工作，同时检测超级电容器模组SC1和SC2的端电压U1和U2，如果满足U_min＜U1＜U_max且U_min＜U2＜U_max，则超级电容器模组SC1(或SC2)充电，能量流动方向为由直流母线至超级电容器模组SC1(或SC2)，SC1(或SC2)存储的再生能量为

式(1)中U_t为任一时刻超级电容器模组的端电压。循环检测电压U1和U2，若最终U1＜U_max(或U2＜U_max)，则表明再生能量吸收完毕，此时，E_re＜E_sc1，超级电容器模组SC1(或SC2)吸收存储的再生能量可以通过本装置的电能输出接口输出用于其它用电设备。

步骤2：如步骤1中，循环检测电压U1和U2，若最终U1≥U_max(或U2≥U_max)，且U2＜U_max(或U1＜U_max)，则表明一个超级电容器模组吸收再生能量充电完毕，已不能吸收剩余的再生能量，此时需要第二个超级电容器模组进行吸收。此时，开关K2(或者K1)闭合，其余开关断开，双向DC/DC电路继续工作，能量流动方向为由直流母线至超级电容器模组SC2(或SC1)，满足E_sc1(或E_sc2)＜E_re＜E_sc1+E_sc2。循环检测电压U1和U2，若最终U2≥U_max(或U1≥U_max)，且U1＜U_max(或U2＜U_max)，则表明超级电容器模组SC2吸收再生能量充电完毕，已不能吸收剩余的再生能量，此时需要返回第一个超级电容器模组进行吸收。重复步骤1和步骤2，在超级电容器模组SC1和SC2之间循环充放电，边使用边吸收，以实现能量的有效交替使用。如电动车在下坡时，持续产生再生能量，超级电容器模组SC2进行再生能量的吸收，同时超级电容器模组SC1用于高功率放电给电刹车装置。

步骤3：如步骤2中，系统处于恶劣工况，电动机仍处于发电状态，再生能量仍有剩余，循环检测电压U1和U2，若最终U2≥U_max(或U1≥U_max)，且U1≥U_max(或U2≥U_max)，能量持续回馈至直流母线，U0仍然高于母线阈值上限U_up，此时S断开，开关K1、K3、K6(或者K2、K4、K6)闭合，其余开关断开，双向DC/DC电路继续工作，能量流动方向不变。泄放设备工作，再生能量消耗在泄放设备中。再生能量满足E_re≥E_sc1+E_sc2。

步骤4：如附图2中所示，车辆启动、加速、爬坡等过程或者检测直流母线U0低于母线阈值下限U_dw，需要将S断开，开关K1闭合(或者K2闭合、或者K1和K2同时闭合)，其余开关断开，双向DC/DC电路工作，能量流动方向为由超级电容器模组SC1(或SC2、或和SC2)至直流母线。检测直流母线U0，直至母线电压回到正常范围U_dw≤U0≤U_up后再将S闭合。同时循环检测电压U1和U2，若最终U_min＜U1＜U_max且U_min＜U2＜U_max，则表明存储能量仍有剩余。

步骤5：当系统继续要求持续高功率输出，若最终U1＜U_min且U_min＜U2＜U_max(或U2＜U_min且U_min＜U1＜U_max)，则表明存储的再生能量释放完毕超级电容器模组SC1(或SC2)电量下降至低阈值，此时需要断开开关S，由超级电容器模组SC2(或SC1)支撑直流母线输出，备用冗余的双向DC/DC电路给超级电容器模组SC1(或SC2)快速充电，以保证持续高功率输出的能量缓冲。如附图3所示此能量缓冲原理为：t1～t2时间段给超级电容器模组SC1(或SC2)进行恒功率充电，以保证在t2～t3时间段SC1(或SC2)能够配合SC2(或SC1)进行以高功率形式的缓冲放电。

步骤6：当系统继续要求持续高功率输出，若最终U2＜U_min且U_min＜U1＜U_max(或U1＜U_min且U_min＜U2＜U_max)，此时此时需要断开开关S，由超级电容器模组SC1(或S2)支撑直流母线输出，备用冗余的双向DC/DC电路给超级电容器模组SC2(或SC1)快速充电，重复步骤5和6，在超级电容器模组SC1和SC2之间循环进行持续性高功率输出需求。此种模式适用于电车在坡脚准备爬坡时遇到超级电容器模组电力不足的情况。

Claims (1)

1.一种实现基于双超级电容器模组的三级式高可靠性再生能量控制方法的装置，所述基于双超级电容器模组的三级式高可靠性再生能量控制方法步骤如下：

步骤1：电动机工作在发电状态时，将电动机产生的再生能量E_re反馈回直流母线，并将再生能量E_re存储在第一超级电容器模组SC1上，当第一超级电容器模组SC1存储的能量达到最大存储能量E_sc1m时完成第一级再生能量存储；

步骤2：再生能量E_re继续存储在第二超级电容器模组SC2上，当第二超级电容器模组SC2存储的能量达到最大存储能量E_sc2m时完成第二级再生能量存储；

如果第一超级电容器模组SC1上存储的再生能量被使用，使得SC1上存储的实时再生能量E_sc1＜E_sc1m时，再生能量E_re继续存储在第一超级电容器模组SC1上；

如果超级电容器模组之间满足E_sc1＝E_sc1m、且E_sc2＜E_sc2m，再生能量E_re存储在第二超级电容器模组SC2上；

步骤3：当第一超级电容器模组SC1和第二超级电容器模组SC2上的实时能量均达到最大值时，采用泄放设备将再生能量E_re进行吸收消耗，完成第三级再生能量控制；

所述第一超级电容器模组SC1和第二超级电容器模组SC2上存储的再生能量能够被电动机使用；

其特征在于包括：第一超级电容器模组SC1、第二超级电容器模组SC2、逻辑开关组合、双余度双向DC/DC电路、控制电路、驱动电路、U0电压检测电路、U1电压检测电路和U2电压检测电路，连接关系为：

第一超级电容器模组SC1的正端与逻辑开关组合中K3相连，第二超级电容器模组SC2的正端与逻辑开关组合中K4相连，第一超级电容器模组SC1和第二超级电容器模组SC2的负端均与电能输出接口的负端、泄放设备的负端、双余度双向DC/DC电路的LGND相连，通过双余度双向DC/DC电路和不同配置的逻辑开关完成直流母线DC_BUS与第一超级电容器模组SC1和第二超级电容器模组SC2之间能量的双向流动；第一超级电容器模组SC1和第二超级电容器模组SC2同时与控制电路相连，发送第一超级电容器模组SC1和第二超级电容器模组SC2中的均衡电路的故障信号和状态信号给控制电路；

双余度双向DC/DC电路高压侧与直流母线DC_BUS相连：HOA为A通道高压输出，与开关S的主控端连接；HOB为B通道高压输出，与开关S的常开触点连接；HGND为通道高压输出负端，与DC_BUS负端连接；双余度双向DC/DC电路低压侧与逻辑开关组合设备相连：LOA为A通道低压输出，与开关K1相连；LOB为B通道低压输出，与开关K2相连；LGND为通道低压输出负端，与第一超级电容器模组SC1和第二超级电容器模组SC2的负端相连；

控制电路与驱动电路通过通信总线相连进行通信交互，控制电路与第一超级电容器模组SC1和第二超级电容器模组SC2的信号线相连以接收模组反馈的故障信号或状态信号，控制电路与驱动电路相连输出PWM信号和I/O信号，控制电路与U0电压检测电路、U1电压检测电路和U2电压检测电路相连进行电压采集；

驱动电路与控制电路、双余度双向DC/DC电路、逻辑开关组合相连，驱动电路接收控制电路的PWM信号提升驱动后控制双余度双向DC/DC电路，驱动电路接收控制电路的I/O信号提升驱动后进行逻辑开关组合中各开关的通断控制；

逻辑开关组合：开关K1、开关K3和开关K5串联，开关K2、开关K4和开关K6串联，其中K1和K2分别与双余度双向DC/DC电路低压侧LOA和LOB相连，K3与第一超级电容器模组SC1的正端相连，K4与第二超级电容器模组SC2的正端相连，K5和K6分别与电能输出接口的正端和泄放设备的正端相连；

U0电压检测电路的输入端分别与DC_BUS的正负端相连，U1电压检测电路的输入端与第一超级电容器模组SC1的正负端相连，U2电压检测电路的输入端与第二超级电容器模组SC2的正负端相连，U0电压检测电路、U1电压检测电路、U2电压检测电路输出端均与控制电路相连完成电压采样；

电能输出接口的正端与逻辑开关组合中开关K5相连，电能输出接口的负端与第一超级电容器模组SC1和第二超级电容器模组SC2的负端相连；

泄放设备的正端与逻辑开关组合中开关K6相连，泄放设备的负端与第一超级电容器模组SC1和第二超级电容器模组SC2的负端相连。