CN109552078A - 超级电容电压控制方法及系统、储能电车及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种储能电车超级电容电压控制方法，包括如下步骤：在车辆停机状态下，检测超级电容模块中各个超级电容的电压值；根据各个超级电容的电压值设定第一电压值U0；将各个超级电容的电压值分别与第一电压值U0进行比较，若UA＜U0，则对第i个超级电容进行充电，直到UA＝U0，若UA＞U0，则对第i个超级电容进行放电，直到UA＝U0，若UA＝U0，则不进行处理，直到各个超级电容的电压值均与第一电压值相等。本发明还提供一种储能电车超级电容电压控制系统、一种储能电车控制系统、一种储能电车。

Description

超级电容电压控制方法及系统、储能电车及控制系统

技术领域

本发明涉及电动车辆技术领域，更具体地说，涉及一种储能电车超级电容电压控制方法及系统、储能电车控制系统。此外，本发明还涉及一种包括上述储能电车控制系统的电车。

背景技术

目前道路上行驶的汽车大都使用从原油当中提炼的汽油或柴油燃料，相比于这种以化石能源作为动力的内燃汽车，电动汽车具有环保、节能的显著优势，电动汽车包括纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车。

采用超级电容作为储能元件的储能电源的车辆解决了使用寿命和大电流充放电的问题，但由于超级电容是功率型器件，其能量密度较低，无法满足车辆续航里程的要求。采用燃料电池和超级电容作为储能电源的电动汽车具有高效和环保的优点。

申请号为CN201611047151.8、名称为“一种储能电车控制系统及具有该系统的电车”，公开了一种储能电车控制系统，包括制氢燃料电池、超级电容和用于当超级电容超压时对超级电容进行泄压的泄放电阻；制氢燃料电池与超级电容通过直流斩波器连接，超级电容通过逆变器连接车辆的牵引电机，直流斩波器和逆变器均与控制器连接，控制器用于控制超级电容向牵引电机提供动力，及控制超级电容吸收牵引电机的制动能量。该专利申请以超级电容带动牵引电机，车辆能够获得较好的加速度性能，泄放电阻可以用于当超级电容超压时对超级电容进行泄压，控制器能够在每次车辆制动过程中将制动能量回馈吸收，提高能源利用效率，实现了能源的节约。

申请号CN201611058147.1、名称为“一种储能电车控制系统及具有该系统的电车”，公开了一种储能电车控制系统，包括用于产生电能的制氢燃料电池和用于存储电能并为车辆的牵引电机提供电能的超级电容，制氢燃料电池和超级电容连接，还包括用于控制制氢燃料电池输出功率的控制器，控制器根据车辆行驶状态和超级电容的电量控制制氢燃料电池的输出功率。该专利申请通过在制氢燃料电池上加装控制器，以便根据超级电容和车辆状态对制氢燃料电池的输出功率进行调整，减轻了储能电车控制系统的整体重量，实现了对储能电车控制系统能量的有效利用，从而节省了储能电车控制系统中制氢燃料电池的能量，节约环保，优化了结构配置。

由于单个超级电容的电压较低，为了满足驱动要求，通常将多个超级电容串联使用。上述专利均将多个超级电容组成的超级电容模块作为一个整体进行考虑，均未考虑超级电容模块本身实际是由多个串联的超级电容，或由多个先并联再串联后的超级电容组成。

上述专利仅监测超级电容模块的电压，但经过多个循环的深度充放电，构成超级电容模块的各个超级电容的电压值可能存在不相等的情况。

而且，现有的对相互串联的各个超级电容的电压调整仅限于系统工作时的充放电过程中，若车辆停机，则系统停止工作，现有技术中并未考虑再次开机后超级电容电量不等造成的影响。车辆停机后，各个超级电容的电量保持，车辆再次启动后，超级电容模块中的各个超级电容的初始电量即为上次停机时的电量。由于各个超级电容在停机时的电量很可能有很大差别，因此，车辆再次启动后，由于各个超级电容的电量的差异，会对整个超级电容模块的充放电过程造成影响：

(1)车辆再次启动后，若对超级电容模块充电，则当初始电容量较大的超级电容充满电时，与之串联的初始电容量较小的其他超级电容还未充满电，由于超级电容的电量容量限制，无法继续充电，使得未充满电的超级电容无法发挥其最大功效，从而影响了整个超级电容模块的性能；

(2)车辆再次启动后，若需要由超级电容供电，则初始电容量较小的超级电容会很快放完电，而与之并联的其他容量较大的超级电容仍有电量，若进一步放电，则可能损坏已放完电的超级电容。

因此，存在不一致性的超级电容在停机的车辆再次启动后，会进一步造成各个超级电容的电压产生差别，使得不一致性更大，从而影响超级电容的性能，甚至造成损坏，影响系统的正常运行。

发明内容

本发明要解决的问题是针对现有技术中停机后的车辆再次启动后，由于各个串联的超级电容的容量不同影响对超级电容模块的性能及能量利用率造成影响的问题，提供一种储能电车超级电容电压控制方法和系统以及储能电车超级电容电压控制系统、储能电车。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种储能电车超级电容电压控制方法，储能电车具有超级电容模块，所述超级电容模块包括相互串联的多个超级电容单元，每个超级电容单元为一个超级电容或由相互并联的至少两个超级电容构成或由经过串联及并联组合的多个超级电容构成，所述储能电车超级电容电压控制方法包括如下步骤：

(A1)在车辆停机状态下，检测超级电容模块中各个超级电容的电压值；

(A2)设定第一电压值U0，其中Umin≤U0≤Umax，Umin为超级电容模块(6)中各个超级电容的最小电压限值中的最大值，Umax为超级电容模块(6)中各个超级电容的最大电压限值中的最小值；

(A3)将各个超级电容的电压值分别与第一电压值U0进行比较，

若UA(i)＜U0，则对第i个超级电容进行充电，直到UA(i)＝U0，

若UA(i)＞U0，则对第i个超级电容进行放电，直到UA(i)＝U0，

若UA(i)＝U0，则不进行处理，

其中，UA(i)为第i个超级电容的电压，i＝1,2,…N且i的初始值为1，N为超级电容模块中超级电容的个数；

(A4)执行步骤(A3)直到各个超级电容的电压值均与第一电压值相等。

本发明中，在车辆停机状态下，检测超级电容的电压值，再进行调整，使得各个超级电容的电压值均与第一电压值相等，从而在车辆再次启动后，各个超级电容的电压值相同，可以保证车辆以较优的状态开机，可以避免电容量较大的超级电容较快充满使得未充满的超级电容无法发挥最大功效，也可以避免电容量较小的超级电容在放电时更快放电完而可能造成其损坏。

上述技术方案中，步骤(A3)中，

若UA(j)＞U0且UA(k)＜U0，则利用第j个超级电容对第k个超级电容进行充电，若充电过程中UA(i)＝U0或UA(j)＝U0，则停止充电，其中j≠k。

本发明中，利用电压大于第一电压值的超级电容对电压小于第一电压值的超级电容进行充电，从而可以达到节能的作用。

上述技术方案中，步骤(A2)中，所述第一电压值U0为步骤(A1)中检测得到的各个超级电容的电压值中的最大值或最小值或均值。

本发明还提供一种储能电车超级电容电压控制系统，储能电车具有超级电容模块，所述超级电容模块包括相互串联的多个超级电容单元，每个超级电容单元为一个超级电容或由相互串并联连接的多个超级电容构成，所述储能电车超级电容电压控制系统包括：

多个第一电压检测模块，分别用于检测各个超级电容电压；

蓄电池，为第一电压检测模块供电；

控制器，用于执行如下步骤：

(A1)在车辆停机状态下，控制第一电压检测模块检测超级电容模块中各个超级电容的电压值；

(A2)设定第一电压值U0，其中Umin≤U0≤Umax，Umin为超级电容模块(6)中各个超级电容的最小电压限值中的最大值，Umax为超级电容模块(6)中各个超级电容的最大电压限值中的最小值；

(A3)将各个超级电容的电压值分别与第一电压值U0进行比较，

若UA(i)＜U0，则对第i个超级电容进行充电，直到UA(i)＝U0，

若UA(i)＞U0，则对第i个超级电容进行放电，直到UA(i)＝U0，

若UA(i)＝U0，则不进行处理，

其中，UA(i)为步骤(A1)中检测得到的第i个超级电容的电压，i＝1,2,…N且i的初始值为1，N为超级电容模块中超级电容的个数；

(A4)执行步骤(A3)直到各个超级电容的电压值均与第一电压值相等。

进一步地，还包括

第一放电回路，用于对超级电容放电；

第一直流斩波器，用于将蓄电池输出电压转换为超级电容所需充电电压。

本发明中，可以通过第一放电回路实现超级电容的放电，可以通过蓄电池经第一直流斩波器为超级电容充电。

进一步地，还包括用于利用第j个超级电容对第k个超级电容进行充电的电能转换电路，其中，UA(j)＞U0且UA(k)＜U0，j≠k，所述控制器还用于当UA(j)＝U0或UA(k)＝U0时停止充电；

优选地，所述电能转换电路包括用于将UA(j)转换为第k个超级电容所需充电电压的第二直流斩波器；

优选地，所述电能转换电路包括飞渡电容，所述飞渡电容一端、第j个超级电容一端、第k个超级电容一端相互连接，所述飞渡电容另一端可切换地与第j个超级电容另一端、第k个超级电容另一端连接；

优选地，所述电能转换电路包括第一电感，所述第一电感一端、第j个超级电容一端、第k个超级电容一端相互连接，所述第一电感另一端可切换地与第j个超级电容另一端、第k个超级电容另一端连接。

本发明中，电能转换电路的实现并不限于以上提到的飞渡电容或电感，根据本领域普通技术人员的理解，可以实现该功能的电路，即只要可实现利用第j个超级电容对第k个超级电容进行充电的电路，都属于本专利涵盖的保护范围。其中j＝1,2,…N，k＝1,2,…N。

本发明还提供一种储能电车控制系统，包括燃料电池、与燃料电池连接的燃料箱、设置在超级电容模块和燃料电池之间的第三直流斩波器，所述超级电容模块通过逆变器与储能电车的牵引电机连接；还包括上述储能电车超级电容电压控制系统；所述第三直流斩波器与控制器连接。

进一步地，还包括用于对燃料电池进行放电的第二放电模块，所述第二放电模块与燃料电池之间还设置有通过所述控制器控制的第一控制开关；

优选地，所述控制器还用于在车辆停机时接通第一控制开关且停止对第三直流斩波器的供电。

进一步地，还包括用于在储能电车制动时将制动的动能转化为交流电能的发电机、将所述交流电能转换为直流电能并供给超级电容模块存储的整流单元；

优选地，还包括用于检测超级电容模块的电压的第二电压检测模块，

所述发电机、第二电压检测模块均与控制器连接，所述控制器还用于当所述第二电压检测模块检测到超级电容模块的电量为满电时，控制所述发电机关闭。

本发明提供一种储能电车，包括上述储能电车控制系统。

本发明的优点和积极效果是：本发明的储能电车控制系统的能源利用率高、续航能力强，能够实现能量的回收利用。本发明中，利用车辆停机时的宝贵时间，对各个超级电容进行电压均衡的控制，不仅不影响车辆的正常工作，而且可以保证车辆以较优的状态开机。本发明中，控制器根据车辆行驶状态和超级电容的电量控制制氢燃料电池的输出功率，从而节省了储能电车控制系统中制氢燃料电池的能量，节约环保，实现了对储能电车控制系统能量的有效利用。同时，车辆配置有备用蓄电池与超级电容连接，不仅能够在超级电容电能不足的情况下启动燃料电池，同时还能在车辆停车期间对超级电容进行电压均衡和监测，优化了结构配置。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的储能电车控制系统的示意图。

图2是本发明实施例的储能电车超级电容电压控制系统的结构示意图。

图3是本发明实施例的由飞渡电容实现的电能转换电路的结构示意图。

图4是本发明实施例的由第一电感实现的电能转换电路的结构示意图。

上述附图中，11、第一控制开关，12、第二控制开关，13、第三控制开关，2、燃料电池，21、燃料箱，3、控制器，41、第一直流斩波器，43、第三直流斩波器，5、蓄电池，6、超级电容模块，621、第一电压检测模块，622、第二电压检测模块，7、逆变器，8、牵引电机，81、飞渡电容，82、第一电感，91、第一放电模块，92、第二放电模块。

具体实施方式

下面将结合本申请的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

如图1—图4所示，本发明提供一种储能电车超级电容电压控制方法及系统，储能电车具有超级电容模块6，所述超级电容模块6包括相互串联的多个超级电容单元，每个超级电容单元为一个超级电容或由相互并联的至少两个超级电容构成或由经过串联及并联组合的多个超级电容构成，储能电车超级电容电压控制方法包括如下步骤：

(A1)在车辆停机状态下，检测超级电容模块6中各个超级电容的电压值；

(A2)设定第一电压值U0，其中Umin≤U0≤Umax，Umin为各个超级电容的最小电压限值中的最大值，Umax为各个超级电容的最大电压限值中的最小值；

(A3)将各个超级电容的电压值分别与第一电压值U0进行比较，

若UA(i)＜U0，则对第i个超级电容进行充电，直到UA(i)＝U0，

若UA(i)＞U0，则对第i个超级电容进行放电，直到UA(i)＝U0，

若UA(i)＝U0，则不进行处理，

其中，UA(i)为第i个超级电容的电压，i＝1,2,…N且i的初始值为1，N为超级电容模块6中超级电容的个数；

(A4)执行步骤(A3)直到各个超级电容的电压值均与第一电压值相等。

第一电压值U0是各个超级电容的目标电压值。本发明中，只要所有电容达到均衡的电压值(第一电压值)即可。U0的范围满足Umin≤U0≤Umax的条件，其中Umin为各个超级电容的最小电压限值中的最大值，Umax为步骤(A1)中各个超级电容的最大电压限值中的最小值。第一电压值U0可以根据超级电容模块中各个超级电容的特性参数进行设定。

超级电容的最大电压限值、最小电压限值即为超级电容正常工作所允许的最高电压、最低电压。

例如Umin(1)、Umin(2)、……、Umin(N)分别为超级电容模块(6)中各个超级电容的最小电压限值，Umax(1)、Umax(2)、……、Umax(N)分别为超级电容模块(6)中各个超级电容的最大电压限值，则Umin即为Umin(1)、Umin(2)、……、Umin(N)中的最大值，Umax即为Umax(1)、Umax(2)、……、Umax(N)中的最小值。这样设置可以保证各个电容达到的均衡的电压值不会对各个超级电容造成损坏。

U0也可为步骤(A1)中检测得到的各个超级电容电压的最小值或最大值或各个超级电容电压的最小值、最大值之间的任何值，本领域技术人员可根据需要进行设定。

本发明中，步骤(A1)、步骤(A2)没有顺序要求，可先执行步骤(A1)，再执行步骤(A2)，也可先执行步骤(A2)，再执行步骤(A1)。

本发明中，每个超级电容单元可为一个超级电容，也可由相互并联的至少两个超级电容构成，也可由经过串联及并联组合的多个超级电容构成。本领域普通技术人员可以理解。

优选地，步骤(A3)中，

若UA(j)＞U0且UA(k)＜U0，则利用第j个超级电容对第k个超级电容进行充电，若充电过程中UA(i)＝U0或UA(j)＝U0，则停止充电，其中j≠k。

所述步骤(A2)中，第一电压值U0为步骤(A1)中检测得到的各个超级电容的电压值中的最大值最小值或均值。

本发明还提供一种储能电车超级电容电压控制系统，储能电车具有超级电容模块6，所述超级电容模块6包括相互串联的多个超级电容单元，每个超级电容单元为一个超级电容或由相互串并联连接的多个超级电容构成，其特征在于，所述储能电车超级电容电压控制系统包括：

多个第一电压检测模块621，分别用于检测各个超级电容电压；

蓄电池5，为第一电压检测模块621供电；

控制器3，用于执行如下步骤：

(A1)在车辆停机状态下，控制第一电压检测模块621检测超级电容模块6中各个超级电容的电压值；

(A2)设定第一电压值U0，其中Umin≤U0≤Umax，Umin为各个超级电容的最小电压限值中的最大值，Umax为各个超级电容的最大电压限值中的最小值；

(A3)将各个超级电容的电压值分别与第一电压值U0进行比较，

若UA(i)＜U0，则对第i个超级电容进行充电，直到UA(i)＝U0，

若UA(i)＞U0，则对第i个超级电容进行放电，直到UA(i)＝U0，

若UA(i)＝U0，则不进行处理，

其中，UA(i)为第i个超级电容的电压，i＝1,2,…N且i的初始值为1，N为超级电容模块中超级电容的个数；

(A4)执行步骤(A3)直到各个超级电容的电压值均与第一电压值相等。

本发明中，第一电压检测模块621与超级电容对应设置。

储能电车超级电容电压控制系统还包括：

第一放电模块91，用于对超级电容放电；

第一直流斩波器41，用于将蓄电池5输出电压转换为超级电容所需充电电压。

所述第一直流斩波器41为boost电路和/或buck电路。

本发明中，也可设置多个第一放电模块91，分别用于对各个超级电容进行放电。

储能电车超级电容电压控制系统还包括用于利用第j个超级电容对第k个超级电容进行充电的电能转换电路，其中，UA(j)＞U0且UA(k)＜U0，j≠k，所述控制器3还用于当UA(j)＝U0或UA(k)＝U0时停止充电；

优选地，所述电能转换电路包括用于将UA(j)转换为第k个超级电容所需充电电压的第二直流斩波器，第二直流斩波器在车辆停机时连接在第j个超级电容、第k个超级电容之间。第二直流斩波器用于将UA(j)转换为第k个超级电容所需充电电压。

优选地，所述电能转换电路包括飞渡电容81，所述飞渡电容81一端、第j个超级电容一端、第k个超级电容一端相互连接，所述飞渡电容81另一端可切换地与第j个超级电容另一端、第k个超级电容另一端连接；

优选地，所述电能转换电路包括第一电感82，所述第一电感82一端、第j个超级电容一端、第k个超级电容一端相互连接，所述第一电感82另一端可切换地与第j个超级电容另一端、第k个超级电容另一端连接。

本发明还提供一种储能电车控制系统，包括燃料电池2、与燃料电池2连接的燃料箱1、设置在超级电容模块6和燃料电池1之间的第三直流斩波器43，所述超级电容模块6通过逆变器7与储能电车的牵引电机8连接；其特征在于，还包括上述储能电车超级电容电压控制系统；所述直流斩波器4与控制器3连接。

储能电车控制系统还包括用于对燃料电池1进行放电的放电电路9，所述放电电路9与燃料电池1之间还设置有通过所述控制器3控制的第一控制开关11；

优选地，所述控制器3还用于在车辆停机时接通第一控制开关11且停止对第三直流斩波器43的供电。

储能电车控制系统还包括用于在储能电车制动时将制动的动能转化为交流电能的发电机、将所述交流电能转换为直流电能并供给超级电容模块6存储的整流单元；

优选地，还包括用于检测超级电容模块的电压的第二电压检测模块622，

所述发电机、第二电压检测模块622均与控制器3连接，所述控制器3还用于当所述第二电压检测模块622检测到超级电容模块的电量为满电时，控制所述发电机关闭。

本发明还提供一种储能电车，包括上述储能电车控制系统。

如图2所示，在一种实施方式下，超级电容C1、C2并联构成的超级电容单元与超级电容C1、C2并联构成的超级电容单元相互串联。或控制开关S1与S21连接且控制开关S2与S22连接。

图2并不限制超级电容模块6中超级电容的数量与连接形式。例如，超级电容模块可包括8个相互串联的超级电容单元，每个超级电容单元都有两个并联的超级电容构成。

当需要对超级电容C1、C2充电时，则控制开关S1与S11连接且控制开关S2与S12连接，蓄电池5经过第一直流斩波器41为超级电容C1、C2充电。当第一电压检测模块621检测到超级电容C1两端的电压为第一电压值U0时，停止充电。

当需要对超级电容C1、C2放电时，则第二控制开关12闭合，通过第一放电模块91对超级电容C1、C2放电。当第一电压检测模块621检测到超级电容C1两端的电压为第一电压值U0时，停止放电。

当需要对超级电容C3、C4充电时，则控制开关S1与S21连接且控制开关S2与S22连接，蓄电池5经过第一直流斩波器41为超级电容C3、C4充电。当第一电压检测模块621检测到超级电容C3两端的电压为第一电压值U0时，停止充电。

当需要对超级电容C3、C4放电时，则第二控制开关12闭合，通过第一放电模块91对超级电容C3、C4放电。当第一电压检测模块621检测到超级电容C3两端的电压为第一电压值U0时，停止放电。

如图3所示，在一种实施方式下，利用由飞渡电容81实现电能转换电路。例如，若UA(j)＞U0且UA(k)＜U0，当飞渡电容81先与超级电容C(j)两端连接，再切换为与超级电容C(k)两端连接，从而实现超级电容C(j)为超级电容C(k)充电。当UA(j)＝U0或UA(k)＝U0时，停止充电过程。

如图4所示，在一种实施方式下，利用第一电感82实现电能转换电路。第一电感82一端、超级电容C(j)的一端、超级电容C(k)的一端连接于一点；第一电感82另一端与第二控制开关12一端、第三控制开关13一端连接于一点；第二控制开关12另一端与超级电容C(j)另一端连接；第三控制开关13另一端与超级电容C(k)另一端连接。例如，若UA(j)＞U0且UA(k)＜U0，先闭合第二控制开关12且断开第三控制开关13，超级电容C(j)放电给第一电感82；再断开第二控制开关12且闭合第三控制开关13，利用第一电感82为超级电容C(k)充电，从而实现超级电容C(j)为超级电容C(k)充电。当UA(j)＝U0或UA(k)＝U0时，停止充电过程。

蓄电池可为第二控制开关12、第三控制开关13供电。

本专利中，蓄电池停机时进行超级电容的均衡，结合第二放电模块92，以及主动调节燃料电池2输出功率。

1、采用泄放电阻对超级电容进行过压保护；泄放电阻可用于车辆启动、运行和制动环节

2、车辆停车期间超级电容电压管理的方案。

第一放电模块91、第二放电模块92均可采用泄放电阻或其他释放电能的电路实现。

储能电车控制系统中主要以燃料电池2作为能量源向超级电容模块6提供能量，超级电容模块6中的电量可以用于为牵引电机8供电，由于超级电容属于功率型储能器件，具有大功率充放电的能力，因此，以超级电容模块6带动牵引电机8，车辆能够获得较好的加速度性能。另一方面，燃料电池2具备较好的恒功率输出特性，燃料电池2可以以恒功率向超级电容模块6充电，确保超级电容模块6的电量稳定。而且，泄放电阻可以用于当超级电容模块6超压时对超级电容模块6进行泄压，控制器3能够在每次车辆制动过程中将制动能量回馈吸收，提高能源利用效率，实现了能源的节约。最后，与超级电容模块6连接的备用蓄电池5，不仅能够在车辆启动阶段作为备用电源，而且能够在车辆停机期间，对超级电容模块6进行电压均衡和监测，提升了车辆整体效率和安全性。

本发明的一种储能电车控制系统，包括燃料电池2、超级电容模块6和用于当超级电容模块6超压时对超级电容模块6进行泄压的第二放电模块92；燃料电池2与超级电容模块6通过直流斩波器4连接，超级电容模块6通过逆变器7连接车辆的牵引电机8，直流斩波器4和逆变器7均与控制器3连接，控制器3用于控制超级电容模块6向牵引电机8提供动力，及控制超级电容模块6吸收牵引电机8的制动能量。

燃料电池2连接用于提供燃料的燃料箱1。燃料电池2优选为制氢燃料电池，更优选为甲醇重整制氢燃料电池。燃料箱1优选为甲醇燃料箱。

储能电车控制系统还包括：

用于检测超级电容模块6的电量的第二电压检测模块622，第二电压检测模块622与超级电容模块6连接；

用于当超级电容模块6电压不足时作为车辆启动电源的蓄电池5，蓄电池5与直流斩波器4和第二电压检测模块622连接。

在车辆启动阶段，当超级电容模块6的能量不足以启动燃料电池2时，蓄电池5作为备用电源启动燃料电池2，并且能够在车辆停机期间，蓄电池5作为对超级电容电压进行均衡时各个模块的供电电压，实现电压均衡和监测。

控制器3和燃料电池2均连接第二电压检测模块622，当超级电容模块6的电压超过预设值时，控制器3控制燃料电池2降低输出，并接通第二放电模块92的回路。

控制器3与用于将牵引电机8的动能转化为电能的发电机连接，发电机与牵引电机8、逆变器7连接。

第二电压检测模块622与发电机连接，第二电压检测模块622用于当超级电容模块6充满后控制发电机关停。

第二放电模块92与直流斩波器4并联连接，且第二放电模块92的支路上设置有通过控制器3控制的开关。

车辆停机状态下，超级电容的电压均衡单元10通过蓄电池5给其供电，实现超级电容的电压均衡管理和监测。

在车辆停机期间，蓄电池作为电压均衡单元的供电电源，为超级电容提供电压监测和均衡管理。对超级电容进行电压均衡和监测，提升了车辆整体效率和安全性。

蓄电池5作为电压均衡单元10的供电电源。

本发明提供一种储能电车控制系统，该储能电车控制系统的续航能力强，能够实现能量的回收利用。本发明还提供一种包括上述储能电车控制系统的电车。

一种储能电车控制系统，主要用于电车的电能控制，包括上述储能电池控制系统。

一种储能电车控制系统，包括燃料电池2、超级电容模块6和用于当超级电容模块6超压时对超级电容模块6进行泄压的第二放电模块92；燃料电池2与超级电容模块6通过直流斩波器4连接，蓄电池5亦与直流斩波器4连接，超级电容模块6通过逆变器7连接车辆的牵引电机8，直流斩波器4和逆变器7均与控制器3连接，控制器3用于控制超级电容模块6向牵引电机8提供动力，及控制超级电容模块6吸收牵引电机8的制动能量。

需要说明的是，燃料电池2，作为车辆功能的动力电池，通过直流斩波器4连接超级电容模块6，能够将产生出的电能通过直流斩波器4输送给超级电容模块6，超级电容模块6接收上述电能，并将电能通过逆变器7输送给牵引电机8，以供牵引电机8进行能量的输出。需要说明的是，本发明中所提供的直流斩波器4和逆变器7分别对应图1中的DC/DC模块和DC/AC模块。

上述控制系统使用时，控制器3与牵引电机连接，燃料电池2所发电能通过直流斩波器4的电路输送至超级电容模块6，用于给超级电容模块6充电，在超级电容模块6电压过高时，控制器3可以控制直流斩波器4关断，并同时接通第二放电模块92所在电路，启动第二放电模块92，使超级电容模块6的多余能量将通过第二放电模块92消耗。在控制器3的控制下，超级电容模块6通过逆变器7连接牵引电机8，牵引电机8就是与车辆的车轮差速器连接的电机，用于带动车轮转动的电机，超级电容模块6与牵引电机8之间的能量传递包括两个方面，一方面，超级电容模块6向牵引电机8提供车辆牵引动力；另一方面，在车辆制动工况下，控制装置可以控制超级电容模块6将吸收牵引电机的制动能量，并用于自身的存储，一定程度上节约了电能，达到了节约资源、环保高效的目的。

上述控制器3在接通第二放电模块92时，同时还可以调节燃料电池2的输出功率降低，避免在超级电容模块6不需要供电时，造成不必要的能源浪费。

上述制氢燃料电池可以为多种类型的燃料电池，例如为天然气重整制氢燃料电池或甲醇重整制氢燃料电池等。

其中还设置有燃料箱1，燃料箱1用于给燃料电池2的发电提供燃料。

储能电车控制系统中主要以燃料电池2作为能量源向超级电容模块6提供能量，超级电容模块6中的电量可以用于为牵引电机8供电，由于超级电容模块6属于功率型储能器件，具有大功率充放电的能力，因此，以超级电容模块6带动牵引电机8，车辆能够获得较好的加速度性能。另一方面，燃料电池2具备较好的恒功率输出特性，燃料电池2可以以恒功率向超级电容模块6充电，确保超级电容模块6电量稳定。而且，第二放电模块92可以用于当超级电容模块6超压时对超级电容模块6进行泄压，控制器3能够在每次车辆制动过程中将制动能量回馈吸收，提高能源利用效率，实现了能源的节约。

单个燃料电池2的额定输出功率为5KW，超级电容单体容量为30000F，额定电流400A，系统最大可以提供240KW功率，满足车辆爬坡加速等性能要求。

燃料电池2可以具体为甲醇重整制氢燃料电池，针对能源的存储和提供，可以使甲醇重整制氢燃料电池连接用于提供燃料的甲醇燃料箱1。

以甲醇作为燃料电池的燃料源，可以避免燃料废气破坏环境，另外，甲醇燃料电池的能源利用率较高，能够避免能源的浪费。具体地，甲醇重整制氢燃料电池采用的燃料是甲醇，不属于化石能源，可以由生物秸秆制取，因此，不会增加大气环境的碳排放，同时，相比于汽油柴油等化石能源，甲醇燃料电池不存在PM2.5尾气排放的问题。另外，一般的内燃汽车受卡诺循环的限制，效率通常在30％以下，但燃料电池是基于电化学反应，其效率可达45％以上，目前甲醇重整制氢燃料电池发电价格在0.8元/度，按家用电动汽车每百公里20度电能耗计算，其电能耗费低于0.2元/公里，而百公里8升油耗的内燃家用汽车每公里油费高于0.4元/公里，以出租车一天运行400KM为例，此举每月可节省燃料费用2400元。上述燃料箱1可以设置在车辆内部的多个位置。

在不考虑环境等因素时，上述燃料电池2还可以为天然气制氢燃料电池等，燃料的选择可以根据具体使用地区和成本进行调整。

为了应对超级电容模块6电量较小等情况时车辆的正常控制，如启动状态，还可以设置其他能源装置，并设置用于检测超级电容模块6的电压或电量的检测器。具体地，包括第二电压检测模块622和蓄电池5，第二电压检测模块622用于判断或检测超级电容模块6的电量，第二电压检测模块622与超级电容模块6连接。蓄电池5可以在超级电容模块6电压不足时作为车辆的启动电源，蓄电池5与直流斩波器4和超级电容电压均衡单元连接。

上述储能电车控制系统在使用时，在启动状态下，由超级电容模块6通过直流斩波器4对燃料电池2充电，用于启动电池工作。也就是说，在车辆启动时，超级电容模块6中的电量可以作为燃料电池2的电源。

储能电源系统中设置了第二电压检测模块622，用以判断超级电容模块6容量是否能够满足启动燃料电池2，在超级电容模块6容量不够的情况下采用车辆蓄电池5作为启动电源。

考虑到燃料电池2停机后可能需要20～30分钟才能完全停止功率输出，且燃料电池2功率调节响应速度较慢，因此，在系统中加入了第二放电模块92用于消耗多余能量。在连通第二放电模块92的同时，还可以控制燃料电池2的输出，以减少能源的浪费。

控制器3和燃料电池2均连接第二电压检测模块622，当超级电容模块6的电压超过预设最高值时，控制器3控制燃料电池2降低输出，并接通第二放电模块92的回路。

需要说明的是，第二电压检测模块622与超级电容模块6连接，用于检测超级电容模块6的电量，当超级电容模块6的电压超过预设最高值时，控制器3控制第二放电模块92工作，也就是在超级电容端进行泄压，同时还控制电量的源头减少输出或停止输出，即控制制氢燃料电池降低输出或停止输出。

本实施例中，不仅在超级电容模块6端实现了电量的释放，同时还抑制了电源一端的电量的输出，更进一步地实现了能源的节约。

控制器3能够控制超级电容模块6吸收牵引电机8的制动电能，可以通过发电机实现制动电能的回收工作。具体地，控制器3与用于将牵引电机8的动能转化为电能的发电机连接，发电机与牵引电机8、逆变器7连接。

当车辆由正常行驶状态进入制动状态时，牵引电机8的剩余动能由发电机接收，并由发电机将动能转化为电能，发电机将转化得来的电能输送给逆变器7，通过逆变器7将电能传送给超级电容模块6，以供超级电容模块6将电能存储。

考虑到超级电容模块6的容量，处于制动状态的发电机不能持续向超级电容模块6传送电能，需要当超级电容模块6满电时停止发电机的输电操作。

第二电压检测模块622与发电机连接，第二电压检测模块622用于当超级电容模块6充满后控制发电机关停。

需要说明的是，当第二电压检测模块622检测到超级电容模块6充满电后，第二电压检测模块622可以直接控制发电机停止操作，或者第二电压检测模块622发送信号给控制器3，控制器3向发电机发送停止工作的信号。本实施例中所提供的通过第二电压检测模块622对发动机的关停，可以是直接控制，也可以是间接控制，能够满足上述当超级电容模块6满电后控制发电机关停输电操作的任何控制方式均属于本发明的保护范围内。

当第二电压检测模块622检测到超级电容模块6满电后，也可以通过控制逆变器停止输送的方式，实现停止吸收制动能量的操作。

第二放电模块92与直流斩波器4并联连接，且第二放电模块92的支路上设置有通过控制器3控制的开关。请参考图1，图1所示的第二放电模块92就是并联在直流斩波器4上，当第二放电模块92支路上的开关关闭后，泄放电阻与直流斩波器4、超级电容模块6形成并联连接，从而实现对超级电容模块6的泄放操作。

一个具体实施例中，储能车辆控制系统的具体操作分为以下几个状态：

(1)在车辆启动状态下，由超级电容模块6通过直流斩波器4对燃料电池2充电，用于启动燃料电池2。

(2)在车辆正常行驶状态下，超级电容模块6需要为车辆提供牵引动力，燃料电池2开始发电，通过直流斩波器4向超级电容模块6充电，过程中第二放电模块92的通路为断开状态，直至超级电容模块6的电量充满，超级电容模块6充满后，控制器3降低燃料电池2的输出功率，并接通第二放电模块92所在回路，第二放电模块92对超级电容进行泄压，将多余能量消耗。

(3)在车辆制动工况下，若超级电容模块6容量未满，则控制器3控制发电机吸收车辆制动能量，并传递给超级电容，若超级电容模块6容量已满，则控制器3关闭发动机，停止车辆再生制动功能。在一种实施方式下，判断超级电容模块6容量是否已满可通过构成超级电容模块6的各个超级电容的最大电压限值进行判断，即每个超级电容单元的最大电压限值为相互并联的各个超级电容的最大电压限值的最小值，整个超级电容模块6的最大电压限值即为各个相互串联的超级电容单元的最大电压限值之和，若判断超级电容模块6容量达到该超级电容模块6的最大电压限值，则判断容量已满。

(4)当超级电容模块6电压过高状态下，一方面，控制器3降低燃料电池2的输出功率，另一方面，控制器3接通第二放电模块92所在回路，即接通第一控制开关11，通过第二放电模块92进行放电。

(5)在车辆停机状态下，控制器3控制超级电容模块6停止向牵引电机8放电，控制器3关闭直流斩波器4，控制器3控制燃料电池2停机，燃料电池2内部多余能量通过第二放电模块92消耗；检测超级电容模块6中各个超级电容的电压值，通过对各个超级电容充电或放电将各个超级电容的电压调整为相同的电压值(第一电压值)。

需要说明的是，图1中所示的两个控制器3可以理解为同一个控制器3，或者理解为同一个控制器的两个控制单元，或者可以为两个控制器，分别对直流斩波器和逆变器进行控制。

本发明还提供一种包括上述实施例公开的包括了储能电车控制系统的电车，该电车的其他各部分的结构请参考现有技术，本文不再赘述。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (10)

1.一种储能电车超级电容电压控制方法，储能电车具有超级电容模块(6)，所述超级电容模块(6)包括相互串联的多个超级电容单元，每个超级电容单元为一个超级电容或由相互并联的至少两个超级电容构成或由经过串联及并联组合的多个超级电容构成，其特征在于，所述储能电车超级电容电压控制方法包括如下步骤：

(A1)在车辆停机状态下，检测超级电容模块(6)中各个超级电容的电压值；

(A2)设定第一电压值U0，其中Umin≤U0≤Umax，Umin为超级电容模块(6)中各个超级电容的最小电压限值中的最大值，Umax为超级电容模块(6)中各个超级电容的最大电压限值中的最小值；

(A3)将各个超级电容的电压值分别与第一电压值U0进行比较，

若UA(i)＜U0，则对第i个超级电容进行充电，直到UA(i)＝U0，

若UA(i)＞U0，则对第i个超级电容进行放电，直到UA(i)＝U0，

若UA(i)＝U0，则不进行处理，

其中，UA(i)为第i个超级电容的电压，i＝1,2,…N且i的初始值为1，N为超级电容模块(6)中超级电容的个数；

(A4)执行步骤(A3)直到各个超级电容的电压值均与第一电压值相等。

2.根据权利要求1所述的储能电车超级电容电压控制方法，其特征在于，步骤(A3)中，若UA(j)＞U0且UA(k)＜U0，则利用第j个超级电容对第k个超级电容进行充电，若充电过程中UA(i)＝U0或UA(j)＝U0，则停止充电，其中j≠k。

3.根据权利要求1或2所述的储能电车超级电容电压控制方法，其特征在于，所述步骤(A2)中，所述第一电压值U0为各个超级电容的电压值中的最大值或最小值或均值。

4.一种储能电车超级电容电压控制系统，储能电车具有超级电容模块(6)，所述超级电容模块(6)包括相互串联的多个超级电容单元，每个超级电容单元为一个超级电容或由相互串并联连接的多个超级电容构成，其特征在于，所述储能电车超级电容电压控制系统包括：

多个第一电压检测模块(621)，分别用于检测各个超级电容电压；

蓄电池(5)，为第一电压检测模块(621)供电；

控制器(3)，用于执行如下步骤：

(A1)在车辆停机状态下，控制第一电压检测模块(621)检测超级电容模块(6)中各个超级电容的电压值；

(A2)设定第一电压值U0，其中Umin≤U0≤Umax，Umin为超级电容模块(6)中各个超级电容的最小电压限值中的最大值，Umax为超级电容模块(6)中各个超级电容的最大电压限值中的最小值；

(A3)将各个超级电容的电压值分别与第一电压值U0进行比较，

若UA(i)＜U0，则对第i个超级电容进行充电，直到UA(i)＝U0，

若UA(i)＞U0，则对第i个超级电容进行放电，直到UA(i)＝U0，

若UA(i)＝U0，则不进行处理，

其中，UA(i)为第i个超级电容的电压，i＝1,2,…N且i的初始值为1，N为超级电容模块(6)中超级电容的个数；

(A4)执行步骤(A3)直到各个超级电容的电压值均与第一电压值相等。

5.根据权利要求4所述的储能电车超级电容电压控制系统，其特征在于，还包括

第一放电模块(91)，用于对超级电容放电；

第一直流斩波器(41)，用于将蓄电池(5)输出电压转换为超级电容所需充电电压。

6.根据权利要求4所述的储能电车超级电容电压控制系统，其特征在于，还包括用于利用第j个超级电容对第k个超级电容进行充电的电能转换电路，其中，UA(j)＞U0且UA(k)＜U0，j≠k，所述控制器(3)还用于当UA(j)＝U0或UA(k)＝U0时停止充电；

优选地，所述电能转换电路包括用于将UA(j)转换为第k个超级电容所需充电电压的第二直流斩波器；

优选地，所述电能转换电路包括飞渡电容(81)，所述飞渡电容(81)一端、第j个超级电容一端、第k个超级电容一端相互连接，所述飞渡电容(81)另一端可切换地与第j个超级电容另一端、第k个超级电容另一端连接；

优选地，所述电能转换电路包括第一电感(82)，所述第一电感(82)一端、第j个超级电容一端、第k个超级电容一端相互连接，所述第一电感(82)另一端可切换地与第j个超级电容另一端、第k个超级电容另一端连接。

7.一种储能电车控制系统，包括燃料电池(2)、与燃料电池(2)连接的燃料箱(1)、设置在超级电容模块(6)和燃料电池(1)之间的第三直流斩波器(43)，所述超级电容模块(6)通过逆变器(7)与储能电车的牵引电机(8)连接；其特征在于，还包括权利要求4-6中任一项所述的储能电车超级电容电压控制系统；所述第三直流斩波器(43)与控制器(3)连接。

8.根据权利要求7所述的储能电车控制系统，其特征在于，还包括用于对燃料电池(1)进行放电的第二放电模块(92)，所述第二放电模块(92)与燃料电池(1)之间还设置有通过所述控制器(3)控制的第一控制开关(11)；

优选地，所述控制器(3)还用于在车辆停机时接通第一控制开关(11)且停止对第三直流斩波器(43)的供电。

9.根据权利要求7所述的储能电车控制系统，其特征在于，还包括用于在储能电车制动时将制动的动能转化为交流电能的发电机、将所述交流电能转换为直流电能并供给超级电容模块(6)存储的整流单元；

优选地，还包括用于检测超级电容模块(6)的电压的第二电压检测模块(622)，

所述发电机、第二电压检测模块(622)均与控制器(3)连接，所述控制器(3)还用于当所述第二电压检测模块(622)检测到超级电容模块的电量为满电时，控制所述发电机关闭。

10.一种储能电车，其特征在于，包括权利要求7-9中任一项所述的储能电车控制系统。