本發(fā)明申請(qǐng)涉及與此同一天由本申請(qǐng)人提交的名為“多源能量存儲(chǔ)系統(tǒng)及能量管理控制方法”的中國(guó)專利申請(qǐng)，其整個(gè)內(nèi)容合并在此作為參考，相當(dāng)于在此完全闡述。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及主要用于車輛驅(qū)動(dòng)等電力系統(tǒng)的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)及能量管理控制方法，尤其涉及一種具有增程器的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)及其能量管理控制方法。

背景技術(shù)：

當(dāng)污染問題越來越嚴(yán)重，電動(dòng)車輛以及可再生能源變得越來越具有吸引力。純電動(dòng)車輛使用存儲(chǔ)的電能向電動(dòng)機(jī)供電，以驅(qū)動(dòng)車輛。純電動(dòng)車輛可以使用一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)的電能量源。例如，可以使用第一電能量存儲(chǔ)源，例如能量電池，用于提供較長(zhǎng)持續(xù)能量，而使用第二電能量存儲(chǔ)源，例如功率電池提供較高功率能量，用于例如車輛加速等?；旌想妱?dòng)車輛可以將內(nèi)燃機(jī)與由能量存儲(chǔ)裝置(如牽引用電池)供電的電動(dòng)機(jī)結(jié)合起來以驅(qū)動(dòng)車輛。此類結(jié)合可以通過使內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)能夠在各自較高的效率范圍中運(yùn)行，從而來提高總體燃料效率。例如，電動(dòng)機(jī)可在從靜止發(fā)車加速時(shí)有較高效率，而內(nèi)燃機(jī)可在恒定引擎運(yùn)行(如高速公路行駛)的持續(xù)期間有較高效率。使電動(dòng)機(jī)提升初始加速允許混合動(dòng)力車輛中的內(nèi)燃機(jī)更小且更具燃料效率。

在電池供電的純電動(dòng)車輛和插電式混合電動(dòng)車輛中，高能量密度電池如果電池大小合理配置的話，則一次充電能夠滿足里程需求。然而，對(duì)于具有 同樣大小的高能量密度電池來說，由于其具有相對(duì)低的功率密度，因此卻可能無法滿足由于瞬時(shí)加速或爬坡所導(dǎo)致的功率需求，特別是在重型應(yīng)用，例如城市公交車或卡車中尤其明顯。有鑒于此，可以采用多個(gè)能量源或混合能量源來同時(shí)滿足車輛的里程需求和功率需求，而無需過分增加單一的高能量密度電池的大小。在重型電動(dòng)車輛中可以使用高能量密度電池和功率電池組合作為混合能量源，因?yàn)檫@類功率電池具有高的功率密度和較長(zhǎng)的壽命。然而，當(dāng)在車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中引入多個(gè)能量源或混合能量源時(shí)，多個(gè)能量源或混合能量源之間的配置和控制變得復(fù)雜，如何通過合理配置并控制多個(gè)能量源或混合能量源來使車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高效運(yùn)行以應(yīng)對(duì)各種工況條件，并且確保整個(gè)能量源供電系統(tǒng)和電動(dòng)車輛的安全性，成為業(yè)界有待解決的問題。

因此，有必要提供一種系統(tǒng)和方法以解決如上所述的至少一個(gè)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個(gè)方面在于提供一種能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，其包括第一能量存儲(chǔ)系統(tǒng)和位于所述第一能量存儲(chǔ)系統(tǒng)和一電氣負(fù)載之間的增程器。所述增程器包括第一直流-直流變換器、第二能量存儲(chǔ)系統(tǒng)、第二直流-直流變換器、以及旁路。其中，所述第一直流-直流變換器可選擇地耦合在所述第一能量存儲(chǔ)系統(tǒng)和電氣負(fù)載之間，所述第二直流-直流變換器可選擇地耦合在所述第二能量存儲(chǔ)系統(tǒng)和所述第一直流-直流變換器的輸出端及所述電氣負(fù)載的輸入端中的至少一個(gè)之間，所述旁路可選擇地耦合在所述第一能量存儲(chǔ)系統(tǒng)和所述第一直流-直流變換器的輸出端、所述第二直流-直流變換器的輸入端及所述電氣負(fù)載的輸入端中的至少一個(gè)之間。所述能量存儲(chǔ)系統(tǒng)還包括控制器，設(shè)置來控制所述第一能量存儲(chǔ)系統(tǒng)和所述增程器至少在一個(gè)正常操作模式和一個(gè)故障保護(hù)模式下工作，在正常操作模式時(shí)，所述第一和第二能量存儲(chǔ)系統(tǒng)分別通過所述第一和第二直流-直流變換器并行地耦合到所述電氣負(fù)載，在故障保護(hù)模式時(shí)，所述第一能量存儲(chǔ)系統(tǒng)經(jīng)由所述旁路耦合到所述電氣負(fù)載，所述第 二能量存儲(chǔ)系統(tǒng)從所述電氣負(fù)載解耦。

本發(fā)明的另一個(gè)方面在于提供一種方法，其包括：

操作包括第一能量存儲(chǔ)系統(tǒng)、第一直流-直流變換器、與該第一直流-直流變換器并行的旁路、第二能量存儲(chǔ)系統(tǒng)、以及第二直流-直流變換器的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，使其處于正常操作模式，包括用所述第一和第二能量存儲(chǔ)系統(tǒng)分別通過所述第一和第二直流-直流變換器并行地給一電氣負(fù)載提供電力；以及

當(dāng)在所述第二能量存儲(chǔ)系統(tǒng)以及所述第一和第二直流-直流變換器中的任何一個(gè)發(fā)現(xiàn)故障時(shí)，操作所述能量存儲(chǔ)系統(tǒng)使其處于故障保護(hù)模式，包括用所述第一能量存儲(chǔ)系統(tǒng)經(jīng)由所述旁路給所述電氣負(fù)載提供電力，以及從所述電氣負(fù)載解耦所述第二能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。

通過本發(fā)明的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)和能量管理控制方法，在主能量存儲(chǔ)系統(tǒng)和電氣負(fù)載之間設(shè)置增程器，可以增加一個(gè)或多個(gè)輔助的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)為車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等電力負(fù)載提供能量，以滿足電力負(fù)載的多種功率需求，使其能在不同的工況下運(yùn)行。而且這樣的方式不需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行很大的改動(dòng)。此外，所述能量存儲(chǔ)系統(tǒng)解決了一旦增程器發(fā)生故障，電氣負(fù)載可能就會(huì)失去動(dòng)力并立即停止工作的問題，確保即使在增程器發(fā)生故障的時(shí)候仍然能使電力負(fù)載正常運(yùn)作，提高了安全性。

附圖說明

當(dāng)參照附圖閱讀以下詳細(xì)描述時(shí)，本發(fā)明的這些和其它特征、方面及優(yōu)點(diǎn)將變得更好理解，在附圖中，相同的元件標(biāo)號(hào)在全部附圖中用于表示相同的部件，其中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的示意性框圖。

圖2和圖3是圖1所示的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的一個(gè)具體實(shí)施例的電路示意圖，其中，圖2顯示了該能量存儲(chǔ)系統(tǒng)在正常操作模式時(shí)的狀態(tài)，圖3顯示了該能量存儲(chǔ)系統(tǒng)在故障保護(hù)模式時(shí)的狀態(tài)。

圖4顯示了使用所述能量存儲(chǔ)系統(tǒng)為電氣負(fù)載提供電力的方法的流程圖。

圖5顯示了圖2和圖3所示的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)在不同工作模式下的關(guān)鍵波形圖。

具體實(shí)施方式

為幫助本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠確切地理解本發(fā)明所要求保護(hù)的主題，下面結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的具體實(shí)施方式。在以下對(duì)這些具體實(shí)施方式的詳細(xì)描述中，本說明書對(duì)一些公知的功能或構(gòu)造不做詳細(xì)描述以避免不必要的細(xì)節(jié)而影響到本發(fā)明的披露。

除非另作定義，本權(quán)利要求書和說明書中所使用的技術(shù)術(shù)語或者科學(xué)術(shù)語應(yīng)當(dāng)為本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)具有一般技能的人士所理解的通常意義。本說明書以及權(quán)利要求書中所使用的“第一”、“第二”以及類似的詞語并不表示任何順序、數(shù)量或者重要性，而只是用來區(qū)分不同的組成部分?！耙粋€(gè)”或者“一”等類似詞語并不表示數(shù)量限制，而是表示存在至少一個(gè)。“包括”或者“具有”等類似的詞語意指出現(xiàn)在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵蓋出現(xiàn)在“包括”或者“具有”后面列舉的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件?！斑B接”或者“相連”等類似的詞語并非限定于物理的或者機(jī)械的連接，而是可以包括電性的連接，不管是直接的還是間接的。

本發(fā)明的實(shí)施例一方面涉及一種可以應(yīng)用于電動(dòng)車輛、智能電網(wǎng)、微網(wǎng)、太陽能、風(fēng)電等領(lǐng)域中，用來為電氣負(fù)載提供電力的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，該能量存儲(chǔ)系統(tǒng)包括用來為電氣負(fù)載提供電力的第一能源存儲(chǔ)系統(tǒng)和用來為電氣負(fù)載提供補(bǔ)充動(dòng)力的增程器系統(tǒng)。該增程器系統(tǒng)包括至少一個(gè)第二能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，還包括直流-直流變換器以及與直流-直流變換器并行的旁路，可在發(fā)生故障的情況下確保電氣負(fù)載正常運(yùn)作。

圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的示意性框圖。 參照?qǐng)D1所示，能量存儲(chǔ)系統(tǒng)100包括用來給一電氣負(fù)載160提供電力的第一能量存儲(chǔ)系統(tǒng)110和位于所述第一能量存儲(chǔ)系統(tǒng)110和電氣負(fù)載160之間的增程器120。其中，所述增程器120包括第二能量存儲(chǔ)系統(tǒng)220、第一直流-直流變換器212、第二直流-直流變換器222和與所述第一直流-直流變換器212并行的旁路230。

所述第一能量存儲(chǔ)系統(tǒng)110和第二能量存儲(chǔ)系統(tǒng)220分別通過第一直流-直流變換器212和第二直流-直流變換器222可選擇地耦合到電氣負(fù)載160。其中，所述第一和第二直流-直流變換器212和222之間也相互耦合。具體而言，所述第一直流-直流變換器212一端耦合于所述第一能量存儲(chǔ)系統(tǒng)110，另一端通過第二直流-直流變換器222和電氣負(fù)載160之間的節(jié)點(diǎn)耦合于所述第二直流-直流變換器222和電氣負(fù)載160上，所述第二直流-直流變換器222一端耦合于所述第二能量存儲(chǔ)系統(tǒng)220，另一端通過第一直流-直流變換器212和電氣負(fù)載160之間的節(jié)點(diǎn)耦合于所述第一直流-直流變換器212和電氣負(fù)載160上。在所述第一能量存儲(chǔ)系統(tǒng)110和第一直流-直流變換器212之間連接有第一開關(guān)裝置214，在所述第二能量存儲(chǔ)系統(tǒng)220和第二直流-直流變換器222之間連接有第二開關(guān)裝置224。

通過所述與直流-直流變換器212并行的旁路230，可讓所述第一能量存儲(chǔ)系統(tǒng)110不經(jīng)過第一直流-直流變換器212而耦合到第二直流-直流變換器222和電氣負(fù)載160之間的節(jié)點(diǎn)，從而將第一能量存儲(chǔ)系統(tǒng)110經(jīng)由第二直流-直流變換器222耦合到第二能量存儲(chǔ)系統(tǒng)220，或?qū)⒌谝荒芰看鎯?chǔ)系統(tǒng)110直接耦合到電氣負(fù)載160上。在圖1所示的具體實(shí)施例中，所述旁路230連接了一個(gè)位于所述第一能量存儲(chǔ)系統(tǒng)110與所述第一直流-直流變換器212之間的第一節(jié)點(diǎn)236、和一個(gè)位于所述第一和第二直流-直流變換器212和222與所述電氣負(fù)載160之間的第二節(jié)點(diǎn)238。所述旁路230可包括開關(guān)裝置(第三開關(guān)裝置)234。相對(duì)于變換器212或222來說，所述旁路230的電阻可以忽略不計(jì)。在一個(gè)具體的實(shí)施例中，所述旁路230只包括所述開關(guān)裝置234， 而不包括其他電阻較大的元件。這樣，若通過該旁路230用第一能量存儲(chǔ)系統(tǒng)210給第二能量存儲(chǔ)系統(tǒng)220充電，可將能量損耗降低到最小。

所述能量存儲(chǔ)系統(tǒng)100還包括控制器150，用來控制所述能量存儲(chǔ)系統(tǒng)110和220、變換器212和222以及所述旁路230至少可在一正常操作模式和一故障保護(hù)模式下工作。在正常操作模式時(shí)，所述第一和第二能量存儲(chǔ)系統(tǒng)110和220分別通過所述第一和第二直流-直流變換器212和222并行地耦合到所述電氣負(fù)載160。當(dāng)在所述第二能量存儲(chǔ)系統(tǒng)220、第一直流-直流變換器212和第二直流-直流變換器222中的任意一個(gè)中發(fā)現(xiàn)故障時(shí)，可啟動(dòng)所述故障保護(hù)模式，停用所述第二能量存儲(chǔ)系統(tǒng)220、第一直流-直流變換器212和第二直流-直流變換器222，而僅用所述第一能量存儲(chǔ)系統(tǒng)110直接給所述電氣負(fù)載160提供電力。在故障保護(hù)模式時(shí)，所述第一能量存儲(chǔ)系統(tǒng)110經(jīng)由所述旁路230耦合到所述電氣負(fù)載160上，所述第二能量存儲(chǔ)系統(tǒng)220從所述電氣負(fù)載160解耦。

圖2和圖3顯示了圖1所示的實(shí)施方式中的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)100的一個(gè)具體實(shí)施例的電路示意圖，其中，圖2顯示了正常操作模式時(shí)的狀態(tài)，圖3顯示了故障保護(hù)模式時(shí)的狀態(tài)。

在正常操作模式時(shí)，如圖2所示，所述第一和第二開關(guān)裝置214和224閉合，所述第三開關(guān)裝置234斷開，所述第一和第二能量存儲(chǔ)系統(tǒng)110和220分別經(jīng)由第一和第二直流-直流變換器212和222耦合至所述電氣負(fù)載160為其提供電力。在故障保護(hù)模式時(shí)，如圖3所示，所述第一和第二開關(guān)裝置214和224斷開，所述第三開關(guān)裝置234閉合，所述第一能量存儲(chǔ)系統(tǒng)110不再經(jīng)由所述第一直流-直流變換器212，而是經(jīng)由所述旁路230耦合到所述電氣負(fù)載160上給所述電氣負(fù)載160提供電力，而所述第二能量存儲(chǔ)系統(tǒng)220則從所述電氣負(fù)載160解耦，不為所述電氣負(fù)載160提供電力。

此外，在圖2和圖3所示的具體實(shí)施例中，能量存儲(chǔ)系統(tǒng)100還包括一個(gè)與所述第一能量存儲(chǔ)系統(tǒng)110和第二能量存儲(chǔ)系統(tǒng)220并聯(lián)的電容240， 用來穩(wěn)定該能量存儲(chǔ)系統(tǒng)100的輸出電壓。

本文所述的第一能量存儲(chǔ)系統(tǒng)可以是高能量密度存儲(chǔ)系統(tǒng)，比如，高能量電池(鉛酸電池等)、發(fā)電機(jī)、燃料電池和光伏逆變電源等。第二能量存儲(chǔ)系統(tǒng)可以是高功率存儲(chǔ)系統(tǒng)，比如，超級(jí)電容器等。開關(guān)裝置可以是任何形式的開關(guān)或開關(guān)元件的組合。直流-直流變換器是指用來將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓的電壓轉(zhuǎn)換器，其一般包括脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation,PWM)模塊，誤差放大器模塊，比較器模塊等幾大功能模塊。

對(duì)于所述各實(shí)施例的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)中的增程器，除了第二能量存儲(chǔ)系統(tǒng)之外，還可以進(jìn)一步包括一個(gè)或多個(gè)并行的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。比如，在一些實(shí)施例中，所述增程器還可進(jìn)一步包括一個(gè)通過第三直流-直流變換器可選擇地耦合到所述電氣負(fù)載的第三能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。該第三能量存儲(chǔ)系統(tǒng)可選自燃料電池、光伏逆變電源、發(fā)電機(jī)或它們的組合。

本發(fā)明的實(shí)施例另一方面涉及一種使用所述能量存儲(chǔ)系統(tǒng)為電氣負(fù)載提供電力的能量管理控制方法。在一個(gè)具體實(shí)施例中，如圖4所示，該方法包括如下步驟：

在步驟S1中，操作包括第一能量存儲(chǔ)系統(tǒng)、第一直流-直流變換器、與該第一直流-直流變換器并行的旁路、第二能量存儲(chǔ)系統(tǒng)、以及第二直流-直流變換器的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，使其處于正常操作模式，包括用所述第一和第二能量存儲(chǔ)系統(tǒng)分別通過所述第一和第二直流-直流變換器并行地給一電氣負(fù)載提供電力。

在步驟S2中，當(dāng)在所述第二能量存儲(chǔ)系統(tǒng)以及所述第一和第二直流-直流變換器中的任何一個(gè)發(fā)現(xiàn)故障時(shí)，操作所述能量存儲(chǔ)系統(tǒng)使其處于故障保護(hù)模式，包括用所述第一能量存儲(chǔ)系統(tǒng)經(jīng)由所述旁路給所述電氣負(fù)載提供電力，以及從所述電氣負(fù)載解耦所述第二能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。

在一些實(shí)施例中，在所述步驟S1中，所述第一和第二能量存儲(chǔ)系統(tǒng)分別給所述電氣負(fù)載提供平均功率和動(dòng)態(tài)功率。

在一些實(shí)施例中，在步驟S2中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)故障時(shí)，用所述第一能量存儲(chǔ)系統(tǒng)經(jīng)由所述旁路給所述電氣負(fù)載提供電力，一定時(shí)間后再將第二能量存儲(chǔ)系統(tǒng)從所述電氣負(fù)載解耦。

在一些實(shí)施例中，所述能量存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)一步包括位于所述第一能量存儲(chǔ)系統(tǒng)和第一直流-直流變換器之間的第一開關(guān)裝置、位于所述第二能量存儲(chǔ)系統(tǒng)和第二直流-直流變換器之間的第二開關(guān)裝置、以及位于所述旁路中的第三開關(guān)裝置，且在所述步驟S1中，所述第一和第二開關(guān)裝置閉合，所述第三開關(guān)裝置斷開，而在所述步驟S2中，所述第一和第二開關(guān)裝置斷開，所述第三開關(guān)裝置閉合。在一些具體的實(shí)施例中，在步驟S2中，如圖5所示，當(dāng)發(fā)現(xiàn)故障時(shí)，將所述第三開關(guān)裝置閉合，一定時(shí)間(T1)后再將所述第一和第二開關(guān)裝置斷開。在一些具體的實(shí)施例中，所述方法還可以進(jìn)一步包括：排除所述故障，將所述第一和第二開關(guān)裝置閉合，以及在所述第一和第二開關(guān)裝置閉合一定時(shí)間(T2)后再斷開所述第三開關(guān)裝置。通過這樣的操作，可以提高各控制步驟之間的冗余度，確保即使在增程器發(fā)生故障的情況下仍讓電氣負(fù)載運(yùn)作，提高安全性。

所述能量管理控制方法中所用的可以是前述實(shí)施方式或?qū)嵤├械娜我庖环N能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，其具體特征在此不再贅述。

本發(fā)明實(shí)施例提供的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)及能量管理控制方法中，通過在主能量存儲(chǔ)系統(tǒng)和電氣負(fù)載之間設(shè)置增程器，以增加一個(gè)或多個(gè)輔助的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)為車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等電力負(fù)載提供能量，以滿足電力負(fù)載的多種功率需求，使其能在不同的工況下運(yùn)行。這樣的方式不需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行很大的改動(dòng)。而且，所述能量存儲(chǔ)系統(tǒng)解決了一旦增程器發(fā)生故障，電氣負(fù)載可能就會(huì)失去動(dòng)力并立即停止工作的問題，確保即使在增程器發(fā)生故障的時(shí)候仍然能使電力負(fù)載正常運(yùn)作，提高了安全性。

雖然結(jié)合特定的具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，對(duì)本發(fā)明可以作出許多修改和變型。因此，要認(rèn)識(shí)到，權(quán) 利要求書的意圖在于覆蓋在本發(fā)明真正構(gòu)思和范圍內(nèi)的所有這些修改和變型。