CN105762925A - 基于超级电容的车载自发电系统用的短时储能装置及方法 - Google Patents

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王晓瑜
常亚辉
曹清
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Abstract

本发明公开了基于超级电容的车载自发电系统用的短时储能装置，包括储能单元、能量传输单元和发电单元，发电单元可以为车辆上负载提供正常电能支撑时，发电单元通过能量传输单元为储能单元供电；发电单元无法为车辆上负载提供正常电能支撑时，储能单元通过能量传输单元为发电单元供电，为负载提供冗余供电，确保负载得到持续供电。本发明采用超级电容替代传统蓄电池作为储能单元，使充放电的时间一致或充电时间短于放电时间，确保在不稳定供电情况下，能够尽可能快地完成储能单元的充电，以便可为发电单元提供足够的冗余供电，同时提高了储能装置的使用寿命。

Description

基于超级电容的车载自发电系统用的短时储能装置及方法
技术领域
本发明涉及基于超级电容的车载自发电系统的短时储能装置及方法，可用于多种车载自发电控制系统，适用于各种短时储能领域。
背景技术
传统的不间断供电系统，由蓄电池和UPS组成，UPS作为一种通用型不间断供电电源，一般用在楼宇、医院等能长时间稳定提供220V交流供电的场合，其结构相对固定，包括一个独立的充电电路和一个放电电路，但在系统功率较大的时候，充放电电路的体积同时增大，造成重量及所占用空间的增大，导致UPS重量、体积很难满足车载发电系统要求；同时受蓄电池充电特性影响，蓄电池充电电流需小于其容量的20％，造成充电速度远小于放电速度，在系统功率较大，同时需要快速充放电的场合，既无法提升充电速度，同时大电流充放电也会对蓄电池性能造成影响。
现有的车载发电系统储能单元，由蓄电池或超级电容与12V直流车载发电电源直连构成，通常应用于纯电动汽车上，但无法提供标准负载所需的220V交流电源，为此，需要设计一种为车载自发电系统不间断供电的新的解决方案。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术不足，提供适用于车载自发电系统的短时储能装置及方法，在车载自发电系统短时不能供电的瞬间为其提供能量补充，使其成为不间断电源，为车辆上的负载提供220V交流电。
本发明的技术解决方案是：
基于超级电容的车载自发电系统用的短时储能装置，包括储能单元、能量传输单元和发电单元，发电单元可以为车辆上负载提供正常电能支撑时，发电单元通过能量传输单元为储能单元供电；发电单元无法为车辆上负载提供正常电能支撑时，储能单元通过能量传输单元为发电单元供电，为负载提供冗余供电，确保负载得到持续供电。
能量传输单元包括功率电路、检测电路、驱动电路、保护电路、控制电路和显示电路，功率电路连接于能量传输单元的高压端和低压端，功率电路高压端与发电单元连接，功率电路低压端与储能单元连接；检测电路检测功率电路的电压、电流信号，并将电压、电流反馈信号传递给控制电路；保护电路检测功率电路的电压、电流信号，在超出功率电路电压、电流安全值时，为控制电路提供报警信号；在未超出功率电路电压、电流安全值时，为控制电路提供使能信号；控制电路采集检测电路的电压、电流反馈信号、保护电路的报警信号或使能信号，将信号处理为开关信号和显示信号，并将开关信号传输给驱动电路，将显示信号传输给显示电路；驱动电路接收控制电路输出的开关信号，对开关信号进行驱动能力的增强，并将增强后的开关信号输出给功率电路，控制功率电路的电压、电流，进而实现能量的传输；显示电路接收控制电路输出的显示信号，进而显示功率电路的电压、电流值。
一种基于超级电容的车载自发电系统用的短时储能方法，包括储能单元、能量传输单元和发电单元，发电单元可以为车辆上负载提供正常电能支撑时，发电单元通过能量传输单元为储能单元供电，能量传输单元包括功率电路、检测电路、驱动电路、保护电路、控制电路和显示电路，具体实现过程为：检测电路检测功率电路上电压、电流信号，并将电压、电流反馈信号传递给控制电路，保护电路检测功率电路的电压、电流信号，判断为使能信号，并将使能信号传递给控制电路，控制电路采集检测电路的电压、电流反馈信号、保护电路的使能信号，经过处理生成显示信号和开关信号，并分别输出给显示电路和驱动电路，驱动电路增强开关信号驱动能力，控制功率电路的电压、电流，进而实现发电单元对储能单元的充电。
发电单元无法为车辆上负载提供正常电能支撑时，具体过程为：检测电路检测功率电路上电压、电流信号，并将电压、电流反馈信号传递给控制电路，保护电路检测功率电路的电压、电流信号，若判断为使能信号，并将使能信号传递给控制电路，控制电路采集检测电路的电压、电流反馈信号、保护电路的使能信号，经过处理生成显示信号和开关信号，并分别输出给显示电路和驱动电路，驱动电路增强开关信号驱动能力，控制功率电路的电压、电流，进而实现储能单元对发电单元的供电，为负载提供冗余供电，确保负载得到持续供电。
发电单元无法为车辆上负载提供正常电能支撑时，具体过程为：检测电路检测功率电路上电压、电流信号，并将电压、电流反馈信号传递给控制电路，保护电路检测功率电路的电压、电流信号，若判断为报警信号，并将报警信号传递给控制电路，控制电路采集检测电路的电压、电流反馈信号、保护电路的报警信号，经过处理生成显示信号和开关信号，并分别输出给显示电路和驱动电路，驱动电路增强开关信号驱动能力，控制功率电路进入保护状态，切断储能单元与发电单元连接。
上述储能单元包括数个超级电容单体及与超级电容单体相匹配的均压电路，确保超级电容单体充电均衡。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)现有3.5KW的UPS产品，从无电到充满电需要充电4小时，以3.5KW放电，只能提供3分钟的电能，本发明采用超级电容替代传统蓄电池作为储能单元，使充放电的时间一致或充电时间短于放电时间，确保在不稳定供电情况下，能够尽可能快地完成储能单元的充电，以便可为发电单元提供足够的冗余供电，同时提高了储能装置的使用寿命，克服了目前蓄电池储能充电速度慢、功率密度小的问题，避免了由于频繁充放电对蓄电池储能元件寿命的影响。
(2)本发明将充放电一体化，较传统UPS系统中需要的两个独立的充、放电系统，减小了能量传输单元的体积和重量，满足了车载发电系统对高功率密度的要求，使在尽可能小的体积和重量范围内，确保功率最大化。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明储能单元结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明应用于车载发电系统中，在车载自发电系统受路况影响，如车辆刹车或换挡瞬间发动机转速异常导致短时掉电，而无法正常提供电能，发电单元可以为车辆上负载提供正常电能支撑时，发电单元通过能量传输单元为储能单元供电；发电单元无法为车辆上负载提供正常电能支撑时，储能单元通过能量传输单元为发电单元供电，为负载提供冗余供电，确保负载得到持续供电。
在车载自发电系统受路况起伏影响，会反复出现如车辆刹车或换挡瞬间发动机转速异常导致短时掉电而无法正常提供电能的情况下，进行往复的充放电，为车辆上的负载提供220V交流电。
基于超级电容的车载自发电系统用的短时储能装置，如图1所示，包括储能单元、能量传输单元和发电单元，能量传输单元包括功率电路、检测电路、驱动电路、保护电路、控制电路和显示电路，功率电路连接于能量传输单元的高压端和低压端，功率电路高压端，将其作为能量传输单元的高压端，与发电单元连接，功率电路低压端与储能单元连接；检测电路检测功率电路的电压、电流信号，并将电压、电流反馈信号传递给控制电路；保护电路检测功率电路的电压、电流信号，在超出功率电路电压、电流安全值时，为控制电路提供报警信号；在未超出功率电路电压、电流安全值时，为控制电路提供使能信号；控制电路采用数字控制系统实现，控制电路采集检测电路的电压、电流反馈信号、保护电路的报警信号或使能信号，将信号处理为开关信号和显示信号，并将开关信号传输给驱动电路，将显示信号传输给显示电路；驱动电路接收控制电路输出的开关信号，对开关信号进行驱动能力的增强，并将增强后的开关信号输出给功率电路，控制功率电路的电压、电流，进而实现能量的传输；显示电路接收控制电路输出的显示信号，进而显示功率电路的电压、电流值。
发电单元可以为车辆上负载提供正常电能支撑时，发电单元通过能量传输单元为储能单元供电，具体实现过程为：检测电路检测功率电路上电压、电流信号，并将电压、电流反馈信号传递给控制电路，保护电路检测功率电路的电压、电流信号，判断为使能信号，并将使能信号传递给控制电路，控制电路采集检测电路的电压、电流反馈信号、保护电路的使能信号，经过处理生成显示信号和开关信号，并分别输出给显示电路和驱动电路，驱动电路增强开关信号驱动能力，控制功率电路的电压、电流，进而实现发电单元对储能单元的充电。
发电单元无法为车辆上负载提供正常电能支撑时，具体过程为：检测电路检测功率电路上电压、电流信号，并将电压、电流反馈信号传递给控制电路，保护电路检测功率电路的电压、电流信号。
若判断为使能信号，并将使能信号传递给控制电路，控制电路采集检测电路的电压、电流反馈信号、保护电路的使能信号，经过处理生成显示信号和开关信号，并分别输出给显示电路和驱动电路，驱动电路增强开关信号驱动能力，控制功率电路的电压、电流，进而实现储能单元对发电单元的供电，为负载提供冗余供电，确保负载得到持续供电；
若判断为报警信号，并将报警信号传递给控制电路，控制电路采集检测电路的电压、电流反馈信号、保护电路的报警信号，经过处理生成显示信号和开关信号，并分别输出给显示电路和驱动电路，驱动电路增强开关信号驱动能力，控制功率电路进入保护状态，切断储能单元与发电单元连接。
如图2所示，储能单元包括数个超级电容单体及与超级电容单体相匹配的均压电路，用于避免大电流、高功率充放电，导致的超级电容单体之间充电不均衡，而损坏超级电容模组、缩短储能单元使用寿命。可根据车载自发电系统要求的短时储能装置容量、电压等级进行匹配。
基于超级电容的车载自发电系统用的短时储能方法，包括储能单元、能量传输单元和发电单元，发电单元可以为车辆上负载提供正常电能支撑时，发电单元通过能量传输单元为储能单元供电，能量传输单元包括功率电路、检测电路、驱动电路、保护电路、控制电路和显示电路，具体实现过程为：检测电路检测功率电路上电压、电流信号，并将电压、电流反馈信号传递给控制电路，保护电路检测功率电路的电压、电流信号，判断为使能信号，并将使能信号传递给控制电路，控制电路采集检测电路的电压、电流反馈信号、保护电路的使能信号，经过处理生成显示信号和开关信号，并分别输出给显示电路和驱动电路，驱动电路增强开关信号驱动能力，控制功率电路的电压、电流，进而实现发电单元对储能单元的充电。
本发明未公开内容为本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.基于超级电容的车载自发电系统用的短时储能装置，其特征在于，包括储能单元、能量传输单元和发电单元，发电单元可以为车辆上负载提供正常电能支撑时，发电单元通过能量传输单元为储能单元供电；发电单元无法为车辆上负载提供正常电能支撑时，储能单元通过能量传输单元为发电单元供电，为负载提供冗余供电，确保负载得到持续供电。
2.如权利要求1所述的基于超级电容的车载自发电系统用的短时储能装置，其特征在于，能量传输单元包括功率电路、检测电路、驱动电路、保护电路、控制电路和显示电路，功率电路连接于能量传输单元的高压端和低压端，功率电路高压端与发电单元连接，功率电路低压端与储能单元连接；检测电路检测功率电路的电压、电流信号，并将电压、电流反馈信号传递给控制电路；保护电路检测功率电路的电压、电流信号，在超出功率电路电压、电流安全值时，为控制电路提供报警信号；在未超出功率电路电压、电流安全值时，为控制电路提供使能信号；控制电路采集检测电路的电压、电流反馈信号、保护电路的报警信号或使能信号，将信号处理为开关信号和显示信号，并将开关信号传输给驱动电路，将显示信号传输给显示电路；驱动电路接收控制电路输出的开关信号，对开关信号进行驱动能力的增强，并将增强后的开关信号输出给功率电路，控制功率电路的电压、电流，进而实现能量的传输；显示电路接收控制电路输出的显示信号，进而显示功率电路的电压、电流值。
3.如权利要求2所述基于超级电容的车载自发电系统用的短时储能装置，其特征在于，发电单元可以为车辆上负载提供正常电能支撑时，发电单元通过能量传输单元为储能单元供电，具体实现过程为：检测电路检测功率电路上电压、电流信号，并将电压、电流反馈信号传递给控制电路，保护电路检测功率电路的电压、电流信号，判断为使能信号，并将使能信号传递给控制电路，控制电路采集检测电路的电压、电流反馈信号、保护电路的使能信号，经过处理生成显示信号和开关信号，并分别输出给显示电路和驱动电路，驱动电路增强开关信号驱动能力，控制功率电路的电压、电流，进而实现发电单元对储能单元的充电。
4.如权利要求2所述基于超级电容的车载自发电系统用的短时储能装置，其特征在于，发电单元无法为车辆上负载提供正常电能支撑时，具体过程为：检测电路检测功率电路上电压、电流信号，并将电压、电流反馈信号传递给控制电路，保护电路检测功率电路的电压、电流信号，若判断为使能信号，并将使能信号传递给控制电路，控制电路采集检测电路的电压、电流反馈信号、保护电路的使能信号，经过处理生成显示信号和开关信号，并分别输出给显示电路和驱动电路，驱动电路增强开关信号驱动能力，控制功率电路的电压、电流，进而实现储能单元对发电单元的供电，为负载提供冗余供电，确保负载得到持续供电。
5.如权利要求2所述基于超级电容的车载自发电系统用的短时储能装置，其特征在于，发电单元无法为车辆上负载提供正常电能支撑时，具体过程为：检测电路检测功率电路上电压、电流信号，并将电压、电流反馈信号传递给控制电路，保护电路检测功率电路的电压、电流信号，若判断为报警信号，并将报警信号传递给控制电路，控制电路采集检测电路的电压、电流反馈信号、保护电路的报警信号，经过处理生成显示信号和开关信号，并分别输出给显示电路和驱动电路，驱动电路增强开关信号驱动能力，控制功率电路进入保护状态，切断储能单元与发电单元连接。
6.如权利要求2所述基于超级电容的车载自发电系统用的短时储能装置，其特征在于，储能单元包括数个超级电容单体及与超级电容单体相匹配的均压电路，确保超级电容单体充电均衡。
7.基于超级电容的车载自发电系统用的短时储能方法，其特征在于，包括储能单元、能量传输单元和发电单元，发电单元可以为车辆上负载提供正常电能支撑时，发电单元通过能量传输单元为储能单元供电，能量传输单元包括功率电路、检测电路、驱动电路、保护电路、控制电路和显示电路，具体实现过程为：检测电路检测功率电路上电压、电流信号，并将电压、电流反馈信号传递给控制电路，保护电路检测功率电路的电压、电流信号，判断为使能信号，并将使能信号传递给控制电路，控制电路采集检测电路的电压、电流反馈信号、保护电路的使能信号，经过处理生成显示信号和开关信号，并分别输出给显示电路和驱动电路，驱动电路增强开关信号驱动能力，控制功率电路的电压、电流，进而实现发电单元对储能单元的充电。
8.如权利要求7所述的基于超级电容的车载自发电系统用的短时储能方法，其特征在于，发电单元无法为车辆上负载提供正常电能支撑时，具体过程为：检测电路检测功率电路上电压、电流信号，并将电压、电流反馈信号传递给控制电路，保护电路检测功率电路的电压、电流信号，若判断为使能信号，并将使能信号传递给控制电路，控制电路采集检测电路的电压、电流反馈信号、保护电路的使能信号，经过处理生成显示信号和开关信号，并分别输出给显示电路和驱动电路，驱动电路增强开关信号驱动能力，控制功率电路的电压、电流，进而实现储能单元对发电单元的供电，为负载提供冗余供电，确保负载得到持续供电。
9.如权利要求7所述的基于超级电容的车载自发电系统用的短时储能方法，其特征在于，发电单元无法为车辆上负载提供正常电能支撑时，具体过程为：检测电路检测功率电路上电压、电流信号，并将电压、电流反馈信号传递给控制电路，保护电路检测功率电路的电压、电流信号，若判断为报警信号，并将报警信号传递给控制电路，控制电路采集检测电路的电压、电流反馈信号、保护电路的报警信号，经过处理生成显示信号和开关信号，并分别输出给显示电路和驱动电路，驱动电路增强开关信号驱动能力，控制功率电路进入保护状态，切断储能单元与发电单元连接。
10.如权利要求7所述基于超级电容的车载自发电系统用的短时储能方法，其特征在于，储能单元包括数个超级电容单体及与超级电容单体相匹配的均压电路，确保超级电容单体充电均衡。
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