CN110350665A - 储能系统、方法和发电集成动力系统 - Google Patents

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赵振全
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Abstract

本发明涉及动力系统领域，公开了一种储能系统、方法和发电集成动力系统，该储能系统包括：超级电容器组，用于切换各种展现状态以输出或存储各种形态的电能；控制单元，用于预设与永磁直线发电机的状态需求对应的超级电容器组的展现状态，获取所述永磁直线发电机的实际状态需求，控制超级电容器组切换至与所述永磁直线发电机的实际状态需求对应的展现状态。该本实施例实现了分级供电，更有利于LEG的控制和能量的回馈。

Description

储能系统、方法和发电集成动力系统
技术领域
本发明涉及动力系统领域，具体地，涉及一种储能系统、方法和发电集成动力系统。
背景技术
内燃-直线发电集成动力系统(Internal Combustion-Linear GeneratorIntegrated Power System，ICLGIPS)主要由四冲程自由活塞式内燃机、永磁直线发电机(Linear Electric Generator，LEG)、储能系统、电控单位等构成。该内燃-直线发电集成动力系统可用于电动混合动力汽车取代传统内燃机，实现清洁高效利用能源，储能系统是其重要的组成部分，需要完成在短时间、大电流、感应电动势大范围变化条件下的储能及电能的高效、双向流动。 ICLGIPS为典型的电机双向运行的系统，LEG需要在短时间内进行电动模式和发电模式的切换，对储能系统而言，需要在两个方向上实现能量模式和回馈能量模式的交替运行，对系统能量流的有效控制提出了更高的要求。
现有技术中，选择高电压供电电源通过功率变化模块降压而为电机供电是常规的方法，如图1所示，但这种方法供电电源体积大，成本高；电机本身损耗较大；当系统电压变化范围较大时，使得效率降低或不能实现能量回馈。
发明内容
本发明的目的是提供一种储能系统、方法和发电集成动力系统，该储能系统、方法和发电集成动力系统克服了现有技术中的储能系统效率降低或不能实现能量回馈的问题，实现了分级供电，更有利于LEG的控制和能量的回馈。
为了实现上述目的，本发明提供了一种储能系统，该储能系统包括：超级电容器组，用于切换各种展现状态以输出或存储各种形态的电能；控制单元，用于预设与永磁直线发电机的状态需求对应的超级电容器组的展现状态，获取所述永磁直线发电机的实际状态需求，控制超级电容器组切换至与所述永磁直线发电机的实际状态需求对应的展现状态。
优选地，所述超级电容器组包括：至少两个超级电容，用于输出或存储电能；串并联电路，连接于所述至少两个超级电容，用于切换所述至少两个超级电容的各种展现状态，以使得所述超级电容输出或存储各种形态的电能。
优选地，该储能系统还包括：功率变换器，用于传输所述超级电容器组与所述永磁直线发电机之间的电能，并切换各种展现状态；其中，所述控制单元还用于预设与所述超级电容器组的展现状态的变化状态对应的所述功率变换器的展现状态，获取所述超级电容器组的展现状态的实际变化状态，控制所述功率变换器切换至与所述实际变化状态对应的所述功率变换器的展现状态。
优选地，所述超级电容器组的展现状态的变化状态包括：升压状态和降压状态；其中，所述功率变换器的展现状态包括与所述升压状态相对应的升压模态和与所述降压状态相对应的降压模态。
优选地，该储能系统还包括：电压逆变器，用于传输所述功率变换器与所述永磁直线发电机之间的电能，并用于给所述永磁直线发电机提供连续的电能。
优选地，所述控制单元还包括：过电压监测模块，用于监测到当所述超级电容器组、功率变换器和/或电压逆变器的电压超过预设电压的情况下，输出过电压报警信号；过电流监测模块，用于监测到当所述超级电容器组、功率变换器和/或电压逆变器的电流超过预设电流的情况下，输出过电流报警信号；和/或过温监测模块，用于监测到当所述超级电容器组、功率变换器和/ 或电压逆变器的温度是否超过预设温度的情况下，输出过温报警信号；其中，所述控制单元还用于响应所述过电压报警信号、过电流报警信号和/或过温报警信号,以输出中断信号至所述超级电容器组、功率变换器和电压逆变器。
优选地，该储能系统还包括：报警单元，用于响应所述中断信号，执行报警。
本发明还提供一种发电集成动力系统，该发电集成动力系统包括上述的储能系统。
本发明还提供一种储能方法，该储能方法包括：预设与永磁直线发电机的状态需求对应的超级电容器组的展现状态，获取所述永磁直线发电机的实际状态需求，控制超级电容器组切换至与所述永磁直线发电机的实际状态需求对应的展现状态，以输出或存储各种形态的电能。
优选地，该储能方法还包括：传输所述超级电容器组与所述永磁直线发电机之间的电能，并切换功率变换器的各种展现状态；预设与所述超级电容器组的展现状态的变化状态对应的所述功率变换器的展现状态，获取所述超级电容器组的展现状态的实际变化状态，控制所述功率变换器切换至与所述实际变化状态对应的所述功率变换器的展现状态，以传输所述超级电容器组与所述永磁直线发电机之间的电能。
根据上述技术方案，本发明实现了把大范围变化的电压划分成几个小范围变化的段，每个小范围变化的电压段对应一个超级电容器组输出电能的形态，且该形态和永磁直线发电机的实际状态需求相关，利用超级电容器串并联切换技术缩小了功率变化器的电压变化范围。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是现有技术中的储能系统的电路图；
图2A是本发明的一种实施方式的储能系统的拓扑框图；
图2B是本发明的一种实施方式的所述超级电容器组的电路结构图；
图3A是本发明的一种实施方式的储能系统的模块连接图；
图3B是本发明的一种优选实施方式的储能系统的电路结构图；
图4是本发明的一种实施方式的储能系统的拓扑框图；
图5是本发明的一种实施方式的储能方法的流程图；以及
图6是本发明的一种实施方式的储能方法的流程图。
附图标记说明
1 超级电容器组 2 功率变换器
3 电压逆变器 4 控制单元。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
以下结合附图1-附图6对本发明的实施例进行详细的说明。
图1为现有技术中的的储能系统的电路连接图，其主要存在：供电电源体积大，成本高；电机本身损耗较大；当系统电压变化范围较大时，使得效率降低或不能实现能量回馈的问题。
基于上述的问题，提出了本发明的改进型方案。
在下述实施例中，控制单元为型号为TMS320F2812DSP的能量控制单元根据系统的工作要求和能量流要求，工作模式通过能量流控制算法由控制单元实现，按照设定的控制策略，由DSP的数字控制计算器并处理输入信号，输出相应的控制信号。
实施例一
图2A为本实施例的一种新型的储能系统的拓扑框图。图2B为优选情况下，为了实现各种展现状态的切换，所述超级电容器组的电路结构图。以下结合附图2A和图2B进行该实施例的说明。
本发明的储能系统可以包括：超级电容器组，用于切换各种展现状态以输出或存储各种形态的电能。
其中，通过超级电容器的各种展现状态实现输出或存储各种形态的电能。超级电容组中的超级电容可以存储60V或任意电压值的电压，该电压值可以设置为任意需要的值，且超级电容可以通过展现不同的形态而实现不同的存储能力和电压供给能力。
该实施例中，储能系统还包括控制单元，用于预设与永磁直线发电机的状态需求对应的超级电容器组的展现状态，获取所述永磁直线发电机的实际状态需求，控制超级电容器组切换至与所述永磁直线发电机的实际状态需求对应的展现状态。
其中，所述控制单元，用于控制超级电容器组的展现状态，使得超级电容组能够展现出与预设的相同的状态。上述实施例实现了超级电容器组之间能量的平衡流动，且一个周期内充、放电时间短，流动的能量小，几乎不会引起超级电容器组输出端电压的波动，在实际工作中，运行安全可靠，能量转换效率高。
优选地，如图2B所示，为了实现各种展现状态的切换，所述超级电容器组可以包括：两个超级电容，用于输出或存储电能；串并联电路，连接于所述至少两个超级电容，用于切换所述至少两个超级电容的各种展现状态，以使得所述超级电容输出或存储各种形态的电能。
其中，利用上述的串并联电路实现至少两个超级电容的串并联，得到所需的端电压，端电压可以是60V或120V。具体的，在两个超级电容的情况下，通过如下所述的方式来控制超级电容的端电压。其中，在该实施例中， LEG的实际状态需求为电动运行或发电运行，需要的端电压变化范围为 120-240V或60-120V。
在需要的端电压变化范围在120V的情况下，具体操作如下：当LEG电动运行时，且需要的端电压变化范围为120-240V时，VT11、VT12断开、VT13导通，UC1、UC2串联向LEG供电，超级电容器组的输出端的电压为120V。当LEG发电运行，且产生的反电动势大于120V时VT11、VT12、VT13断开， UC1、UC2、串联回收LEG产生的能量，超级电容器组的输出端(实际功能应为接收端)的电压为120V。
在需要的端电压变化范围在60V的情况下，具体操作如下：当LEG电动运行时，且需要的端电压变化范围为60-120V时，VT11、VT12、VT13断开， UC1、UC2并联向LEG供电，如图3B所示，超级电容器组输出电压为60V。当LEG发电运行，且产生的反电动势范围为60-120V时，VT11、VT12导通、 VT13断开，UC1、UC2并联回收LEG产生的能量，超级电容器组的输出端(实际功能应为接收端)电压为60V。
优选地，该储能系统还可以包括：电压逆变器，用于传输所述功率变换器与所述永磁直线发电机之间的电能，并用于给所述永磁直线发电机提供连续的电能。
其中，所述电压逆变器为H桥电压逆变器，通过H桥电压逆变器的转向和续流功能，使得LEG在两个方向上运动并保持电流连续。
实施例二
图3A为本实施例的一种新型的储能系统的拓扑框图。图3B为优选情况下，所述功率变换器与超级电容共同作用的电路结构图。以下结合附图3A 和图3B进行该实施例的说明。本实施例为在上述实施例一的基础上做出的进一步的改进。
其中，图3B中，VT11、VT12、VT13、VT20、VT21、VT22、VT30、VT31、 VT32、VT33为ICBT开关管；VD11、VD12、VD13、VD20、VD21、VD22、VD30、 VD31、VD32、VD33为对应IGBT开关管的反并联二极管；S为开关管；i1位超级电容器的输出电流；i2为BDPC输出电流与电容C2入电流之和；i0为 BDPC输出电流；iM为LEG电枢电流；U1为超级电容器组端电压；Ubus 为母线电压；UAB为LEG平均端电压。
如图3A所示，本发明提供了一种储能系统，该储能系统包括：超级电容器组，用于切换各种展现状态以输出或存储各种形态的电能；控制单元，用于预设与永磁直线发电机的状态需求对应的超级电容器组的展现状态，获取所述永磁直线发电机的实际状态需求，控制超级电容器组切换至与所述永磁直线发电机的实际状态需求对应的展现状态。所述超级电容器组包括：至少两个超级电容，用于输出或存储电能；串并联电路，连接于所述至少两个超级电容，用于切换所述至少两个超级电容的各种展现状态，以使得所述超级电容输出或存储各种形态的电能。
该储能系统还包括：功率变换器，用于传输所述超级电容器组与所述永磁直线发电机之间的电能，并切换各种展现状态。
功率变换器为即为双向DC-DC功率变换器(Bi-directional DC-DC PowerConverter，BDPC)，以下功率变换器采用BDPC来指代。其设计的目的主要在于实现电能的传递，并且可以根据需要展现相应的形态。
在该实施例中，所述控制单元还用于预设与所述超级电容器组的展现状态的变化状态对应的所述BDPC的展现状态，获取所述超级电容器组的展现状态的实际变化状态，控制所述BDPC切换至与所述实际变化状态对应的所述功率变换器的展现状态。
其中，所述控制单元还用于切换BDPC的展现状态，该展现状态主要可以根据超级电容器组的实际展现状态的变化状态来调整BDPC的展现状态，用于适应实际的使用。
通过上述的实施方式，可以实现BDPC的调整，从而达到适应超级电容器的实际展现状态的变化状态的电路结构。
优选地，在该实施例中，所述超级电容器组的展现状态的变化状态包括：升压状态和降压状态；其中，所述BDPC的展现状态包括与所述升压状态相对应的升压模态和与所述降压状态相对应的降压模态。
其中，上述的升压展现状态和降压展现状态都为了迎合超级电容的状态，利用上述的方式，实现更加适应的方式，实现了超级电容器组之间能量的平衡流动。配合超级电容组的结构，调节BDPC在升压(Boost)模态和降压(Buck)模态下，BDPC两端的电压比不大于2，满足BDPC的要求。
具体的，结合图2，分析所述BDPC的展现状态处于升压模态和降压模态时的具体电路图。
BDPC运行于升压模态时，开关VT21、VT22工作，S断开，与传统BDPC 工作方式相同；当BDPC运行于降压模态时，开关VT21、VT22工作，S闭合， L和VD0被短路，从而屏蔽掉了降压滤波电感。其中，VT20一直工作。
优选地，该储能系统还可以包括：电压逆变器，用于传输所述功率变换器与所述永磁直线发电机之间的电能，并用于给所述永磁直线发电机提供连续的电能。
其中，所述电压逆变器为H桥电压逆变器，通过H桥电压逆变器的转向和续流功能，使得LEG在两个方向上运动并保持电流连续。
实施例三
图4为本实施例三的一种新型的储能系统的拓扑框图。实施例三为在实施例一和实施例二的基础上做出的进一步的改进方案。
如图4所示，在实施例三中，所述控制单元还可以包括：过电压监测模块，用于监测到当所述超级电容器组、功率变换器和/或电压逆变器的电压超过预设电压的情况下，输出过电压报警信号；过电流监测模块，用于监测到当所述超级电容器组、功率变换器和/或电压逆变器的电流超过预设电流的情况下，输出过电流报警信号；和/或过温监测模块，用于监测到当所述超级电容器组、功率变换器和/或电压逆变器的温度是否超过预设温度的情况下，输出过温报警信号；其中，所述控制单元还用于响应所述过电压报警信号、过电流报警信号和/或过温报警信号,以输出中断信号至所述超级电容器组、功率变换器和电压逆变器。
其中，过电压监测模块、过电流监测模块和过温监测模块任意一个都用于监测电路中各个模块的工作情况，并获取具体的参数值，当其中任意一个模块出现故障，即将整个系统关闭，从而避免了系统的故障发生。
在该种实施方式中，该储能系统还可以包括：报警单元，用于响应所述中断信号，执行报警。
其中，报警单元可以是声音报警也可使是灯光报警，只要能够提醒操作者或使用者进行使用即可。
通过上述的实施方式，可以实时监测过电压，过电流和过温信号，一旦发生危险，立即中断系统的运行并发出警报。
实施例四
实时例四为实施例一-实施例三的应用的实施例。该实施例为一种发电集成动力系统，该发电集成动力系统包括上述的储能系统。
其中，该实施例的有益效果与上述的实施例一-实施例三的效果相同，在此不再赘述。
实施例五
图5为实施例五的一种储能方法的流程图。
如图五所示本发明还提供一种储能方法，该储能方法包括：
步骤S501，预设与永磁直线发电机的状态需求对应的超级电容器组的展现状态；
步骤S502，获取所述永磁直线发电机的实际状态需求，控制超级电容器组切换至与所述永磁直线发电机的实际状态需求对应的展现状态，以输出或存储各种形态的电能。
其中，该实施例的有益效果与上述的实施例一-实施例三的效果相同，在此不再赘述。
实施例六
图6为实施例六的一种储能方法的流程图，该实施例在实施例5的基础上做出的进一步的改进。
如图六所示本发明还提供一种储能方法，该储能方法可以包括：
步骤S601，预设与永磁直线发电机的状态需求对应的超级电容器组的展现状态。
步骤S602，获取所述永磁直线发电机的实际状态需求，控制超级电容器组切换至与所述永磁直线发电机的实际状态需求对应的展现状态，以输出或存储各种形态的电能。
步骤S603，预设与所述超级电容器组的展现状态的变化状态对应的所述功率变换器的展现状态。
步骤S604，获取所述超级电容器组的展现状态的实际变化状态，控制所述功率变换器切换至与所述实际变化状态对应的所述功率变换器的展现状态，以传输所述超级电容器组与所述永磁直线发电机之间的电能。
其中，该实施例的有益效果与上述的实施例一-实施例三的效果相同，在此不再赘述。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种储能系统，其特征在于，该储能系统包括：
超级电容器组，用于切换各种展现状态以输出或存储各种形态的电能；
控制单元，用于预设与永磁直线发电机的状态需求对应的超级电容器组的展现状态，获取所述永磁直线发电机的实际状态需求，控制超级电容器组切换至与所述永磁直线发电机的实际状态需求对应的展现状态。
2.根据权利要求1所述的储能系统，其特征在于，所述超级电容器组包括：
至少两个超级电容，用于输出或存储电能；
串并联电路，连接于所述至少两个超级电容，用于切换所述至少两个超级电容的各种展现状态，以使得所述超级电容输出或存储各种形态的电能。
3.根据权利要求1所述的储能系统，其特征在于，该储能系统还包括：功率变换器，用于传输所述超级电容器组与所述永磁直线发电机之间的电能，并切换各种展现状态；
其中，所述控制单元还用于预设与所述超级电容器组的展现状态的变化状态对应的所述功率变换器的展现状态，获取所述超级电容器组的展现状态的实际变化状态，控制所述功率变换器切换至与所述实际变化状态对应的所述功率变换器的展现状态。
4.根据权利要求1所述的储能系统，其特征在于，所述超级电容器组的展现状态的变化状态包括：升压状态和降压状态；
其中，所述功率变换器的展现状态包括与所述升压状态相对应的升压模态和与所述降压状态相对应的降压模态。
5.根据权利要求3所述的储能系统，其特征在于，该储能系统还包括：电压逆变器，用于传输所述功率变换器与所述永磁直线发电机之间的电能，并用于给所述永磁直线发电机提供连续的电能。
6.根据权利要求5所述的储能系统，其特征在于，所述控制单元还包括：过电压监测模块，用于监测到当所述超级电容器组、功率变换器和/或电压逆变器的电压超过预设电压的情况下，输出过电压报警信号；
过电流监测模块，用于监测到当所述超级电容器组、功率变换器和/或电压逆变器的电流超过预设电流的情况下，输出过电流报警信号；和/或
过温监测模块，用于监测到当所述超级电容器组、功率变换器和/或电压逆变器的温度是否超过预设温度的情况下，输出过温报警信号；
其中，所述控制单元还用于响应所述过电压报警信号、过电流报警信号和/或过温报警信号,以输出中断信号至所述超级电容器组、功率变换器和电压逆变器。
7.根据权利要求6所述的储能系统，其特征在于，该储能系统还包括：报警单元，用于响应所述中断信号，执行报警。
8.一种发电集成动力系统，其特征在于，该发电集成动力系统包括权利要求1-7中任意一项所述的储能系统。
9.一种储能方法，其特征在于，该储能方法包括：
预设与永磁直线发电机的状态需求对应的超级电容器组的展现状态，获取所述永磁直线发电机的实际状态需求，控制超级电容器组切换至与所述永磁直线发电机的实际状态需求对应的展现状态，以输出或存储各种形态的电能。
10.根据权利要求9所述的储能方法，其特征在于，该储能方法还包括：
预设与所述超级电容器组的展现状态的变化状态对应的所述功率变换器的展现状态，获取所述超级电容器组的展现状态的实际变化状态，控制所述功率变换器切换至与所述实际变化状态对应的所述功率变换器的展现状态，以传输所述超级电容器组与所述永磁直线发电机之间的电能。
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