專利名稱：混合電源系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明要求日本在先專利申請(qǐng)JP 2002-156757的優(yōu)先權(quán)，本文將它的公開內(nèi)容引為參考文獻(xiàn)。
參照?qǐng)D1，公開一種普通具有再生能量恢復(fù)功能的電源系統(tǒng)。圖2表示圖1所示電源系統(tǒng)的電路圖。日本未審專利公開JP 2000-253503 A中公開了圖1和2所示的電源系統(tǒng)，作為電車用的再生能量恢復(fù)設(shè)備。這種電源系統(tǒng)包括儲(chǔ)能用的蓄電池80，雙電荷層電容器10，以及插在蓄電池80與雙電荷層電容器10之間的DC/DC變換器112。在正常運(yùn)行條件下，由蓄電池80驅(qū)動(dòng)電機(jī)/換流器90(可作為負(fù)載工作)。在制動(dòng)條件下，電機(jī)/換流器90(在這種場合下用作發(fā)電機(jī))所產(chǎn)生的能量被儲(chǔ)存在雙電荷層電容器10中。雙電荷層電容器10中所儲(chǔ)存的能量通過DC/DC變換器112和整流元件(二極管)111被提供給蓄電池80。采用上述系統(tǒng)，使在制動(dòng)條件下的能量轉(zhuǎn)換效率得到提高。
但是，作為上述重新獲得的能量回到蓄電池中，再被使用。比如在使用能量的情況下，在加速過程中，蓄電池放出大電流。這就會(huì)引起蓄電池的迅速變差，并產(chǎn)生因內(nèi)阻所致的損失。
在上面所說的包含蓄電池、雙電荷層電容器以及電機(jī)作為發(fā)電機(jī)的電源系統(tǒng)中，最能令人滿意的是，當(dāng)需要穩(wěn)定的電功率時(shí)，從蓄電池給作為負(fù)載的電機(jī)提供電能，而當(dāng)需要大的電功率時(shí)，由雙電荷層電容器提供所述電能。按照這種方式，能夠充分表現(xiàn)蓄電池和雙電荷層電容器各自的特性。主要的問題是建立能夠?qū)崿F(xiàn)這種高效率能量控制的系統(tǒng)。
上面還應(yīng)用于采用除蓄電池以外之蓄能器的電源系統(tǒng)。為了建立適用于負(fù)載急劇變化并能提供穩(wěn)定輸出功率的電源系統(tǒng)，重要的問題在于實(shí)現(xiàn)包含蓄能器和雙電荷層電容器的混合系統(tǒng)。
日本未審查專利公開No.2000-333445(JP 2000-333445 A)中公開了一種雙向DC/DC變換器。
日本未審查專利公開No.2001-268900(JP 2001-268900 A)中公開了另一種雙向DC/DC變換器，作為雙向升壓和降壓斬波電路。
本發(fā)明的混合電源系統(tǒng)如下1)一種混合電源系統(tǒng)，包括有一對(duì)電容器接線端(11，12)的雙電荷層電容器(10)，蓄能器(70a)，以及第一和第二雙向DC/DC變換器(30a，30b)，其中，所述雙電荷層電容器的一對(duì)電容器接線端通過第一雙向DC/DC變換器與負(fù)載(60a)相連，還通過第二雙向DC/DC變換器與蓄能器相連。
2)一種如前面第1)段所述的混合電源系統(tǒng)，其中至少所述第一和第二雙向DC/DC變換器當(dāng)中之一是對(duì)稱DC/DC變換器，它包括電感線圈(31)，具有一對(duì)電感線圈接線端和一對(duì)開關(guān)部分(32，33)，這對(duì)開關(guān)部分與所述一對(duì)線圈接線端相連，使之關(guān)于電感器互相對(duì)稱。當(dāng)所述一對(duì)開關(guān)部分中特定的一個(gè)和其余的另一個(gè)分別用作輸入開關(guān)和輸出開關(guān)時(shí)，所述對(duì)稱DC/DC變換器可作為升壓變換器和降壓變換器當(dāng)中的每一種工作。當(dāng)所述一對(duì)開關(guān)部分中特定的一個(gè)和其余的另一個(gè)分別反過來用作輸出開關(guān)和輸入開關(guān)時(shí)，該對(duì)稱DC/DC變換器也可作為升壓變換器和降壓變換器當(dāng)中的每一種工作。
3)一種如前面第1)段所述的混合電源系統(tǒng)，其中所述負(fù)載包括發(fā)電機(jī)(90)。
4)一種如前面第1)段所述的混合電源系統(tǒng)，其中所述蓄能器包括蓄電池(80)。
5)一種如前面第1)段所述的混合電源系統(tǒng)，其中所述雙電荷層電容器包括多個(gè)串聯(lián)連接的雙電荷層電容器(10′)；所述混合電源系統(tǒng)還包括電壓平衡單元(20)，用于平衡所述多個(gè)串聯(lián)連接雙電荷層電容器每一個(gè)的電壓。
6)一種如前面第1)段所述的混合電源系統(tǒng)，還包括附加蓄能器(70b)和附加雙向DC/DC變換器(30b′)，所述雙電荷層電容器的一對(duì)電容器接線端還通過該附加雙向DC/DC變換器而與附加蓄能器相連。
7)一種如前面第1)段所述的混合電源系統(tǒng)，還包括附加雙向DC/DC變換器(30a′)，所述雙電荷層電容器的一對(duì)電容器接線端還通過該附加雙向DC/DC變換器與附加負(fù)載(60b)相連。
具體實(shí)施例方式
按照現(xiàn)在將要描述的本發(fā)明，提供一種混合電源系統(tǒng)，包括雙電荷層電容器、蓄能器以及第一和第二雙向DC/DC變換器，所述第一雙向DC/DC變換器與負(fù)載及雙電荷層電容器相連，第二雙向DC/DC變換器與蓄能器及雙電荷層電容器相連。所述混合電源系統(tǒng)的工作方式可以使得，在因負(fù)載變化而需要大電流時(shí)，雙電荷層電容器通過第一雙向DC/DC變換器協(xié)助蓄能器向負(fù)載供能；而在正常情況下，通過第二雙向DC/DC變換器將雙電荷層電容器所儲(chǔ)存的能量提供給蓄能器，以儲(chǔ)存在蓄能器中。采用這種結(jié)構(gòu)，這種混合電源系統(tǒng)在能量利用方面是極好的。
所述第一和第二雙向DC/DC變換器中的至少一個(gè)最好為對(duì)稱DC/DC變換器，這種變換器包括一個(gè)電感線圈，該電感線圈具有一對(duì)電感線圈接線端和一對(duì)開關(guān)部分，所述開關(guān)部分與所述一對(duì)電感線圈接線端相連，使關(guān)于所述電感器互相對(duì)稱。當(dāng)所述一對(duì)開關(guān)部分中特定的一個(gè)和其余的另一個(gè)分別用作輸入開關(guān)和輸出開關(guān)時(shí)，所述對(duì)稱DC/DC變換器可作為升壓變換器和降壓變換器當(dāng)中的每一種工作。當(dāng)所述一對(duì)開關(guān)部分中特定的一個(gè)和其余的另一個(gè)分別反過來用作輸出開關(guān)和輸入開關(guān)時(shí)，該對(duì)稱DC/DC變換器也可作為升壓變換器和降壓變換器當(dāng)中的每一種工作。采用這種結(jié)構(gòu)，所述混合電源系統(tǒng)提高了設(shè)計(jì)的自由度，并提高其多功能性。
在利用負(fù)載作為發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)再生能量恢復(fù)的情況下，最好通過第一雙向DC/DC變換器使負(fù)載產(chǎn)生的電能作為再生能量提供給雙電荷層電容器。采用這種結(jié)構(gòu)，所述混合電源系統(tǒng)提高了能量恢復(fù)的比率和能量的可用性。
最好將蓄電池用作蓄能器。采用這種結(jié)構(gòu)，雙電荷層電容器中儲(chǔ)存的再生能量通過第二雙向DC/DC變換器被有效地提供給蓄電池。從而使所述混合電源系統(tǒng)具有較高的多功能性。
所述混合電源系統(tǒng)可以包括多個(gè)串聯(lián)連接的雙電荷層電容器。在這種情況下，述混合電源系統(tǒng)還包括低通電壓平衡(或補(bǔ)償)裝置，用以平衡(或補(bǔ)償)各雙電荷層電容器的電壓。采用這種結(jié)構(gòu)，所述混合電源系統(tǒng)可將雙電荷層電容器的性能用于充分的延伸。
按照本發(fā)明，還提供一種混合電源系統(tǒng)，它包括雙電荷層電容器、多個(gè)蓄能器和多個(gè)雙向DC/DC變換器。所述雙電荷層電容器通過各雙向DC/DC變換器分別與各不相同的蓄能器相連，并通過各雙向DC/DC變換器分別與各個(gè)不相同的多個(gè)負(fù)載相連。采用這種結(jié)構(gòu)，能夠自由地分配要儲(chǔ)存在各蓄能器中的能量，并自由地分配要使用的能量。
以下參照


本發(fā)明幾種具體實(shí)施例的混合電源系統(tǒng)。第一實(shí)施例首先參照?qǐng)D3敘述本發(fā)明第一實(shí)施例的混合電源系統(tǒng)。圖4表示圖3所示混合電源系統(tǒng)的電路圖。圖3和4中的混合電源系統(tǒng)被用于電車的再生能量恢復(fù)系統(tǒng)。這種混合電源系統(tǒng)包括具有一對(duì)電容器接線端11和12的雙電荷層電容器10、第一和第二雙向DC/DC變換器30a和30b、作為蓄能器的蓄電池80，以及作為負(fù)載的電機(jī)/換流器90。具體地說，使雙電荷層電容器10的一對(duì)電容器接線端11和12通過第一雙向DC/DC變換器30a與電機(jī)/換流器(負(fù)載)90相連，并通過第二雙向DC/DC變換器30b與蓄電池(蓄能器)80相連。
第一雙向DC/DC變換器30a控制電機(jī)/換流器90。在開始和加速過程中需要大電流的時(shí)候，第二雙向DC/DC變換器30b控制雙電荷層電容器10的輸出功率，并從雙電荷層電容器10和蓄電池80將電功率提供給電機(jī)/換流器90。
這之后，將第一雙向DC/DC變換器30a定義為驅(qū)動(dòng)/再生雙向DC/DC變換器，而將第二雙向DC/DC變換器30b定義為充電/放電雙向DC/DC變換器。
減速期間，把電機(jī)/換流器90用作發(fā)電機(jī)。由第一雙向DC/DC變換器30a將電機(jī)/換流器90所產(chǎn)生的電能變換成具有與雙電荷層電容器10規(guī)格相應(yīng)之電壓的電能。然后，把電能充電給雙電荷層電容器10。另一方面，在正常運(yùn)行情況下，由蓄電池80把能量提供給電機(jī)/換流器90。在蓄電池80中的能量減少到一定程度的情況下，雙電荷層電容器10通過第二雙向DC/DC變換器30b給蓄電池80充電。在雙電荷層電容器10中的能量減少的情況下，蓄電池80通過第二雙向DC/DC變換器30b把所補(bǔ)充的能量提供給雙電荷層電容器10。
采用這種結(jié)構(gòu)能夠在蓄電池、電容器和電機(jī)之間自由地從所需的一個(gè)將任何所需的能量值傳送給另一個(gè)，而與這些器件中每一個(gè)的電壓值無關(guān)。第二實(shí)施例參照?qǐng)D5，本發(fā)明第二實(shí)施例的混合電源系統(tǒng)包括蓄能器70a和負(fù)載60a。該混合電源系統(tǒng)還包括電壓平衡單元20。圖6表示圖5所示混合電源系統(tǒng)的電路圖。
參照?qǐng)D7，表示制成圖5和6中所示混合電源系統(tǒng)中所用的雙電荷層電容器10與電壓平衡單元20的組合。圖5、6和7中的雙電荷層電容器10包括多個(gè)雙電荷層電容器10′，它們先串聯(lián)再并聯(lián)。電壓平衡單元20用以平衡所述多個(gè)先串聯(lián)再并聯(lián)的雙電荷層電容器中每一個(gè)的電壓。
在盡可能多的雙電荷層電容器10′中，它們按圖7所示方式串聯(lián)連接，在自放電特性方面互不相同。在重復(fù)充電/放電操作時(shí)，電壓逐漸變得不一致，而且雙電荷層電容器10的能量密度下降。于是，為了維持雙電荷層電容器10的能量密度，使電壓平衡單元20在適宜的時(shí)刻工作，以便拉平各雙電荷層電容器10′的電壓。可按各種方式實(shí)現(xiàn)所述的電壓平衡，比如，使用諸如齊納二極管類的恒定電壓元件，變換串并聯(lián)連接，以及在各雙電荷層電容器之間傳送能量等。(見日本未審專利公開No.2001-136660(JP 2001-136660)和EP 1198050A1)第三實(shí)施例參照?qǐng)D8，本發(fā)明第三實(shí)施例的混合電源系統(tǒng)包括第一和第二蓄能器70a和70b，它們分別通過主第二雙向DC/DC變換器30b和副第二雙向DC/DC變換器30b′與雙電荷層電容器10相連。圖9表示圖8所示混合電源系統(tǒng)的電路圖。圖8和9中的主、副第二雙向DC/DC變換器30b和30b′可為相同類型的或互不相同類型的。蓄能器的數(shù)目可為任何所需的數(shù)目。第四實(shí)施例參照?qǐng)D10，本發(fā)明第四實(shí)施例的混合電源系統(tǒng)包括多個(gè)負(fù)載60a和60b，它們分別通過主第一雙向DC/DC變換器30a和副第一雙向DC/DC變換器30a′與雙電荷層電容器10相連。圖11表示圖10所示混合電源系統(tǒng)的電路圖。圖11和12中與雙電荷層電容器10相連的負(fù)載60a和60b可為相同類型的或互不相同類型的。負(fù)載的數(shù)目可為任何所需的數(shù)目。一般地說，蓄能器并不限于蓄電池，而可為任何裝置，比如能夠被充電和放電的儲(chǔ)能輪。同樣，負(fù)載也并限于電機(jī)，而可為任何類型的負(fù)載。
由于圖3，4，5，6，8，9，10和11中所用的每種雙向DC/DC變換器30a，30a′，30b和30b′均可被做成對(duì)稱的DC/DC變換器，這是一種有如圖12所示那樣能夠隨意控制升壓及降壓操作的DC/DC變換器。
日本專利申請(qǐng)No.2001-369532(申請(qǐng)日2001.12.4)和日本未審專利公開No.2002-238250(JP2002-238250，
公開日2002.8.23)都提出了對(duì)稱DC/DC變換器。EP 1211791A1(
公開日2002.6.5；申請(qǐng)日2001.12.4)也公開了對(duì)稱DC/DC變換器。
圖12中的對(duì)稱DC/DC變換器包括電感線圈31，它有一對(duì)電感線圈接線端和一對(duì)與所述電感線圈接線端連接的開關(guān)部分32和33，使之關(guān)于電感線圈31互相對(duì)稱。當(dāng)所述一對(duì)開關(guān)部分32和33中特定的一個(gè)和其余的另一個(gè)分別用作輸入開關(guān)和輸出開關(guān)時(shí)，所述對(duì)稱DC/DC變換器可作為升壓變換器和降壓變換器當(dāng)中的每一種工作。當(dāng)所述一對(duì)開關(guān)部分32和33中特定的一個(gè)和其余的另一個(gè)分別反過來用作輸出開關(guān)和輸入開關(guān)時(shí)，該對(duì)稱DC/DC變換器也可作為升壓變換器和降壓變換器當(dāng)中的每一種工作。
具體地說，DC/DC變換器包括電感線圈31，第一和第二開關(guān)部件35和36，它們的一端與電感線圈的一端相連；第三和第四開關(guān)部件37和38，它們的一端與電感線圈的另一端相連；第一至第四接線端T1，T2，T3和T4分別與第一至第四開關(guān)部件35，36，37和38相連；一對(duì)電容器34分別接在第一和第二接線端T1，T2之間及第三和第四接線端T3，T4之間。第二和第四接線端T2和T4互相相連。
表1示出在把第一和第二接線端T1和T2用作輸入接線端而第三和第四接線端T3和T4用作輸出接線端的情況下，以及把第一和第二接線端T1和T2用作輸出接線端而第三和第四接線端T3和T4用作輸入接線端的情況下，所述第一至第四開關(guān)部件35，36，37和38的狀態(tài)。對(duì)于每一種情況而言，示出升壓操作和降壓操作。
表1

表1中的“ON”和“OFF”分別表示短路或閉合狀態(tài)以及開啟狀態(tài)。“SW”是受到控制的狀態(tài)，其中ON/OFF是在PWM等控制下立刻切換，以便得到適宜的升壓或降壓的比率?！癉”表示實(shí)行調(diào)整操作的調(diào)整狀態(tài)。
于是，當(dāng)所述一對(duì)開關(guān)部分32和33中特定的一個(gè)和其余的另一個(gè)分別用作輸入開關(guān)和輸出開關(guān)時(shí)，所述對(duì)稱DC/DC變換器可作為升壓變換器和降壓變換器當(dāng)中的每一種工作。當(dāng)所述一對(duì)開關(guān)部分32和33中特定的一個(gè)和其余的另一個(gè)分別反過來用作輸出開關(guān)和輸入開關(guān)時(shí)，該對(duì)稱DC/DC變換器也可作為升壓變換器和降壓變換器當(dāng)中的每一種工作。
采用對(duì)稱DC/DC變換器，它是雙向DC/DC變換器，能夠隨意控制升壓和降壓操作，而且如圖12所示，雙電荷層電容器10更加有效地吸收能量，在放電過程中能在所需的電壓下供出能量。因而，能夠提高混合電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的自由度及多功能性。
例如，假設(shè)把本發(fā)明的混合電源系統(tǒng)用于復(fù)合交通工具。在過去，根據(jù)電機(jī)的最大輸出功率確定蓄電池的等級(jí)或容量。按照本發(fā)明，雙電荷層電容器能夠提供為電機(jī)最大輸出功率所需的增補(bǔ)能量。因而，對(duì)于蓄電池提供電氣元件所需的能量和正常運(yùn)行是足夠的。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)性能等價(jià)或者高于目前所能達(dá)到的程度，并可減小尺寸。因此，不僅使能量的可用性，而且也使產(chǎn)生效率都得到提高。由于通過雙電荷層電容器而實(shí)現(xiàn)大電流充/放電操作，使蓄電池作為蓄能器的壽命得到延長。
按照本發(fā)明，能夠得到尺寸小、重量輕、壽命長而且能量適用性強(qiáng)的混合電源系統(tǒng)，并且它的性能實(shí)際上等價(jià)于現(xiàn)有混合電源系統(tǒng)的性能。若將本發(fā)明的混合電源系統(tǒng)應(yīng)用于諸如電車類的運(yùn)輸工具，可使運(yùn)輸效率得到明顯的提高。
權(quán)利要求
1.一種混合電源系統(tǒng)，包括有一對(duì)電容器接線端(11，12)的雙電荷層電容器(10)，蓄能器(70a)，以及第一和第二雙向DC/DC變換器(30a，30b)，其中，所述雙電荷層電容器的一對(duì)電容器接線端通過所述第一雙向DC/DC變換器與負(fù)載(60a)相連，還通過所述第二雙向DC/DC變換器與蓄能器相連。
2.一種如權(quán)利要求1所述的混合電源系統(tǒng)，其中，至少所述第一和第二雙向DC/DC變換器當(dāng)中之一是對(duì)稱DC/DC變換器，它包括電感線圈(31)，具有一對(duì)電感線圈接線端和一對(duì)開關(guān)部分(32，33)，這對(duì)開關(guān)部分與所述一對(duì)線圈接線端相連，使之關(guān)于電感器互相對(duì)稱；在所述一對(duì)開關(guān)部分中特定的一個(gè)和其余的另一個(gè)分別用作輸入開關(guān)和輸出開關(guān)時(shí)，所述對(duì)稱DC/DC變換器可作為升壓變換器和降壓變換器當(dāng)中的每一種工作；在所述一對(duì)開關(guān)部分中特定的一個(gè)和其余的另一個(gè)分別反過來用作輸出開關(guān)和輸入開關(guān)時(shí)，該對(duì)稱DC/DC變換器也可作為升壓變換器和降壓變換器當(dāng)中的每一種工作。
3.一種如權(quán)利要求1所述的混合電源系統(tǒng)，其中，所述負(fù)載包括發(fā)電機(jī)(90)。
4.一種如權(quán)利要求1所述的混合電源系統(tǒng)，其中，所述蓄能器包括蓄電池(80)。
5.一種如權(quán)利要求1所述的混合電源系統(tǒng)，其中，所述雙電荷層電容器包括多個(gè)串聯(lián)連接的雙電荷層電容器(10′)；所述混合電源系統(tǒng)還包括電壓平衡單元(20)，用于平衡所述多個(gè)串聯(lián)連接雙電荷層電容器中每一個(gè)的電壓。
6.一種如權(quán)利要求1所述的混合電源系統(tǒng)，其中，還包括附加蓄能器(70b)和附加雙向DC/DC變換器(30b′)，所述雙電荷層電容器的一對(duì)電容器接線端還通過該附加雙向DC/DC變換器而與附加蓄能器相連。
7.一種如權(quán)利要求1所述的混合電源系統(tǒng)，其中，還包括附加雙向DC/DC變換器(30a′)，所述雙電荷層電容器的一對(duì)電容器接線端還通過該附加雙向DC/DC變換器與附加負(fù)載(60b)相連。
全文摘要
一種混合電源系統(tǒng)，包括有一對(duì)電容器接線端(11，12)的雙電荷層電容器(10)，蓄能器(70a)，以及第一和第二雙向DC/DC變換器(30a，30b)，所述雙電荷層電容器的一對(duì)電容器接線端通過所述第一雙向DC/DC變換器與負(fù)載(60a)相連，還通過所述第二雙向DC/DC變換器與蓄能器相連。
文檔編號(hào)H02M3/158GK1462107SQ0313851
公開日2003年12月17日 申請(qǐng)日期2003年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月30日
發(fā)明者高橋真吾, 森和也, 長谷部章雄 申請(qǐng)人:Nec東金株式會(huì)社