CN106160206A

CN106160206A - 电源系统及能量存储系统

Info

Publication number: CN106160206A
Application number: CN201510149774.5A
Authority: CN
Inventors: 李飞
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2015-03-31
Filing date: 2015-03-31
Publication date: 2016-11-23
Also published as: CA2923952C; MX2016004110A; JP6775978B2; BR102016007002B1; CA2923952A1; KR20160117239A; US20160294304A1; MX366720B; JP2016195532A; KR102614468B1; BR102016007002A2; US10483872B2; EP3078538A1

Abstract

本发明公开电源系统及具有该电源系统的能量存储系统。该电源系统具有用于提供辅助电源的辅助电源输出端，并包括第一能量存储装置、耦合到第一能量存储装置的第一转换器、第一变压器、第一二极管及第一电容。第一转换器包括串联连接的第一开关及第二开关。第一变压器将来自第一能量存储装置的高电压变换成从辅助电源输出端输出的低电压，并包括原边绕组和副边绕组，其中，原边绕组连接在第一能量存储装置与第一及第二开关的连接点之间，副边绕组的同名端通过第一二极管连接至辅助电源输出端，其异名端接地。第一电容的一端连接至第一二极管的负极，其另一端接地。本发明的电源系统具有较小的尺寸及更高的功率密度，并能大大降低成本。

Description

电源系统及能量存储系统

技术领域

本发明大体涉及能量供给技术领域，尤其涉及一种电源系统以及具有该电源系统的能量存储系统。

背景技术

随着世界原油消耗的不断增加以及环境问题的日益突出，节省能源消耗和可再生能源的开发利用正呈现出加速发展的趋势。一种新型的利用可再生能源的电动车辆，包括纯电动车辆和混合动力电动车辆随之应运而生。

在电动汽车的电力系统中，通常存在两种电压，即高电压和低电压。高电压为电池组电压，功率电池提供车辆的整个运行和操作的能量，而低电压为控制电压，其用于给电机控制单元、仪表盘以及各种灯等提供电力。在现有的电动汽车的电力系统中，通常需要配备一个独立的辅助电源装置用来将蓄电池的高电压(例如48伏)转换成低电压(例如12伏)。然而，在这种现有的独立辅助电源架构中，需要另外设计一个单独的转换器来提供辅助电源，这势必导致高的成本。而且，鉴于电动车辆的空间局限性，采用这种独立的辅助电源架构势必导致占用较大的空间，因此，在电力系统的有限空间内配置这种独立的辅助电源架构不可避免地会造成较低的功率密度。

因此，有必要提供一种改进的系统以解决如上所述的至少一个问题。

发明内容

本发明的一个方面在于提供一种电源系统，其具有用于提供辅助电源的辅助电源输出端，并且包括第一能量存储装置、耦合到所述第一能量存储装置的第一转换器、第一变压器、第一二极管及第一电容。所述第一转换器包括串联连接的第一开关及第二开关。所述第一变压器将来自所述第一能量存储装置的高电压变换成从所述辅助电源输出端输出的低电压，并且包括原边绕组和副边绕组，其中，所述第一变压器的所述原边绕组连接在所述第一能量存储装置与所述第一及所述第二开关的连接点之间，所述第一变压器的所述副边绕组的同名端通过第一二极管连接至所述辅助电源输出端，并且其异名端接地。所述第一电容的一端连接至所述第一二极管的负极，并且其另一端接地。

本发明的另一个方面在于提供一种能量存储系统，其包括如上所述的电源系统以及用于对所述电源系统进行管理控制的能量管理系统，其中，所述电源系统中的第一转换器的输出端连接至直流母线负载。

相对于现有的独立的辅助电源架构，本发明的电源系统及能量存储系统通过集成的辅助电源架构，仅仅增加几个元件即可实现辅助电源的全部功能，简化了电源设计，而且不占用空间，因此，本发明的电源系统及能量存储系统具有较小的尺寸以及更高的功率密度。此外，本发明的电源系统及能量存储系统能够大大降低成本。

附图说明

当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面及优点将变得更好理解，在附图中，相同的元件标号在全部附图中用于表示相同的部件，其中：

图1是根据本发明的一个具体实施方式的电源系统的示意性电路图；

图2揭示出图1所示的电源系统的几个电压波形图；

图3是根据本发明的另一个具体实施方式的电源系统的示意性电路图；

图4是根据本发明的又一个具体实施方式的电源系统的示意性电路图；及

图5揭示出图4所示的电源系统的几个电压波形图。

具体实施方式

为帮助本领域的技术人员能够确切地理解本发明所要求保护的主题，下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式。在以下对这些具体实施方式的详细描述中，本说明书对一些公知的功能或构造不做详细描述以避免不必要的细节而影响到本发明的披露。

除非另作定义，本权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举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。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

图1示出根据本发明的一个具体实施方式的电源系统的示意性电路图。现在参照图1所示，根据本发明的一个具体实施方式的电源系统100具有用于提供辅助电源的辅助电源输出端O，其包括第一能量存储装置11、耦合到第一能量存储装置11的第一转换器21、第一变压器T1、第一二极管D1以及第一电容C1。

第一能量存储装置11可以包括蓄电池、超级电容、燃料电池和太阳能电池中的其中任意一种类型。在图1所示的具体实施方式中，第一能量存储装置11为蓄电池。

第一转换器21包括串联连接的第一开关S1及第二开关S2。第一开关S1及第二开关S2可以均包括反并联连接的半导体开关及二极管，半导体开关例如可以为绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)，当然，也可以采用其他类型的半导体开关。

第一变压器T1用于将来自第一能量存储装置11即蓄电池的高电压变换成从辅助电源输出端O输出的低电压V_O(例如为12伏)。第一变压器T1包括原边绕组T11和副边绕组T12，其中，第一变压器T1的原边绕组T11连接在第一能量存储装置11与第一转换器21的第一开关S1及第二开关S2的连接点A1之间，例如，在图1所示的一个示例中，第一变压器T1的原边绕组T11的同名端连接第一能量存储装置11的正极端，而第一变压器T1的原边绕组T11的异名端连接第一开关S1及第二开关S2的连接点A1；第一变压器T1的副边绕组T12的同名端通过第一二极管D1连接至辅助电源输出端O，而第一变压器T1的副边绕组T12的异名端接地。

第一电容C1的一端连接至第一二极管D1的负极，而第一电容C1的另一端接地。

在本发明的一个可选的具体实施方式中，本发明的图1所示的电源系统100还可以包括滤波电路4，滤波电路4耦合在第一二极管D1及第一电容C1的连接点m与辅助电源输出端O之间。滤波电路4用于对第一二极管D1及第一电容C1的连接点m处的电压V_m进行精细滤波。在一个示例中，滤波电路4可以包括低压降稳压器(Low Dropout Regulator，LDO)40及第二电容C2，其中，低压降稳压器40的输入耦合至第一二极管D1及第一电容C1的连接点m；第二电容C2的一端连接至低压降稳压器40的输出，而第二电容C2的另一端接地。

参照图1，本发明的第一变压器T1的原边绕组T11的匝数为N₁₁，第一变压器T1的副边绕组T12的匝数为N₁₂，第一变压器T1的原边绕组T11两端的电压为V_L1，第一二极管D1及第一电容C1的连接点m处的电压为V_m。

根据图1可知第一变压器T1的原边绕组T11两端的电压V_L1满足如下公式：

V₁-V_PN≤V_L1≤V₁

其中，V₁代表第一能量存储装置11的电压，V_PN为第一转换器21的两个输出端P、N之间的电压。

图2揭示了图1所示的电源系统100的几个电压波形图。结合参照图1和图2所示，当第一变压器T1的原边绕组T11两端的电压V_L1为正向电压V₁时，第一二极管D1导通，第一二极管D1及第一电容C1的连接点m处的电压V_m有输出；而当第一变压器T1的原边绕组T11两端的电压V_L1为负向电压V₁-V_PM时，第一二极管D1截止，第一二极管D1及第一电容C1的连接点m处没有电压输出，即第一二极管D1及第一电容C1的连接点m处的电压V_m为0。

因此，本发明的第一变压器T1的副边绕组T12的匝数N₁₂可以根据如下公式来选取：

N_{12} = \frac{N_{11} \times V_{m}}{V_{1}}

在本发明的图1所示的电源系统100不包括滤波电路4的情况下，辅助电源输出端O输出的电压V_O即为第一二极管D1及第一电容C1的连接点m处的电压V_m；而在本发明的图1所示的电源系统100包括滤波电路4的情况下，辅助电源输出端O输出的电压V_O为第一二极管D1及第一电容C1的连接点m处的电压V_m经过滤波之后的电压(如图2中所示的+12V)。因此，在已知第一能量存储装置11的电压V₁、辅助电源输出端O所欲输出的电压V_O以及第一变压器T1的原边绕组T11的匝数N₁₁，很容易地得出第一变压器T1的副边绕组T12所需的匝数N₁₂。

在图1所示的具体实施方式中，本发明的电源系统100还可以为一种多电源系统，故，本发明的电源系统100还可以包括第二能量存储装置12及耦合到第二能量存储装置12的第二转换器22，并且，第二转换器22的输出端与第一转换器21的输出端P、N连接在一起。在第二能量存储装置12与第二转换器22之间还设置有第二电感L2。

第二能量存储装置12可以包括蓄电池、超级电容、燃料电池和太阳能电池中的不同于第一能量存储装置11的另一种类型。在图1所示的电源系统100中，第二能量存储装置12为超级电容。

第二转换器22包括串联连接的第三开关S3及第四开关S4。类似地，第三开关S3及第四开关S4可以均包括反并联连接的半导体开关及二极管，半导体开关例如可以为绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)，当然，也可以采用其他类型的半导体开关。

本发明的图1所示的电源系统100只需要将在现有的电力系统中的第一转换器21处的电感通过中间抽头来增加一个副边绕组，从而将原有的电感改变成一个变压器(即第一变压器T1)，并且，增加一个二极管(即第一二极管D1)和一个电容(即第一电容C1)即可实现辅助电源的功能，从而，将辅助电源架构集成在电源系统100中。

相对于现有的独立的辅助电源架构，本发明通过这种集成的辅助电源架构，本发明的电源系统100仅仅增加几个元件即可实现辅助电源的全部功能，因此，简化了电源设计，而且不占用空间，进而本发明的电源系统100能够使得电力系统具有较小的尺寸以及更高的功率密度。此外，本发明的电源系统100能够大大降低成本。

图3示出根据本发明的另一个具体实施方式的电源系统200的示意性电路图。参照图3所示，与图1所示的电源系统100所不同的是，在图3所示的电源系统200中，第一能量存储装置11为超级电容。第一变压器T1是用于将来自超级电容的高电压变换成从辅助电源输出端O输出的低电压V_O。

在图3所示的具体实施方式中，类似地，电源系统200也可以为一种多电源系统，故，电源系统200还可以包括第二能量存储装置12及耦合到第二能量存储装置12的第二转换器22，并且，第二转换器22的输出端与第一转换器21的输出端P、N连接在一起。在第二能量存储装置12与第二转换器22之间还设置有第二电感L2。

但是，与图1所示的电源系统100所不同的是，在图3所示的电源系统200中，第二能量存储装置12为蓄电池。

图3所示的电源系统200能够取得与图1所示的电源系统100相类似的有益技术效果，故在此不再赘述。

图4示出根据本发明的又一个具体实施方式的电源系统300的示意性电路图。在图4所示的具体实施方式中，电源系统300为一种多电源系统。与图1所示的多电源系统100相同的是，图4所示的电源系统300具有用于提供辅助电源的辅助电源输出端O，并且包括第一能量存储装置11、耦合到第一能量存储装置11的第一转换器21、第一变压器T1、第一二极管D1、第一电容C1、第二能量存储装置12以及耦合到第二能量存储装置12的第二转换器22。

与图1所示的多电源系统100所不同的是，图4所示的电源系统300还包括第二变压器T2。第二变压器T2将来自第二能量存储装置12的高电压变换成从辅助电源输出端O输出的低电压V_O，第二变压器T2包括原边绕组T21和副边绕组T22，其中，第二变压器T2的原边绕组T21连接在第二能量存储装置12与第二转换器22的第三开关S3及第四开关S4的连接点A2之间，例如，在图4所示的一个示例中，第二变压器T2的原边绕组T21的同名端连接第二能量存储装置12的正极端，而第二变压器T2的原边绕组T21的异名端连接第三开关S3及第四开关S4的连接点A2；第二变压器T2的副边绕组T22的同名端通过第二二极管D2连接至第一二极管D1及第一电容C1的连接点m，并且其异名端接地。

在本发明的一个可选的具体实施方式中，本发明的图4所示的电源系统300还可以包括滤波电路4，滤波电路4耦合在第一二极管D1及第一电容C1的连接点m与辅助电源输出端O之间。滤波电路4用于对第一二极管D1及第一电容C1的连接点m处的电压V_m进行精细滤波。在一个示例中，滤波电路4可以包括低压降稳压器(LDO)40及第二电容C2，其中，低压降稳压器40的输入耦合至第一二极管D1及第一电容C1的连接点m；第二电容C2的一端连接至低压降稳压器40的输出，而第二电容C2的另一端接地。

参照图4，本发明的第一变压器T1的原边绕组T11的匝数为N₁₁，第一变压器T1的副边绕组T12的匝数为N₁₂，第一变压器T1的原边绕组T11两端的电压为V_L1，第一二极管D1及第一电容C1的连接点m处的电压为V_m，本发明的第二变压器T2的原边绕组T21的匝数为N₂₁，第二变压器T2的副边绕组T22的匝数为N₂₂，第二变压器T2的原边绕组T21两端的电压为V_L2。

根据图4可知第一变压器T1的原边绕组T11两端的电压V_L1满足如下公式：

V₁-V_PN≤V_L1≤V₁

根据图4可知第二变压器T2的原边绕组T21两端的电压V_L2满足如下公式：

V₂-V_PN≤V_L2≤V₂

其中，V₂代表第二能量存储装置12的电压。

图5揭示了图4所示的电源系统300的几个电压波形图。结合参照图4和图5所示，当第一变压器T1的原边绕组T11两端的电压V_L1为高电压，而第二变压器T2的原边绕组T21两端的电压V_L2为低电压时，则第一二极管D1导通，而第二二极管D2截止，此时，第一二极管D1及第一电容C1的连接点m处的电压V_m等于第一变压器T1的副边绕组T12两端的电压；当第一变压器T1的原边绕组T11两端的电压V_L1为低电压，而第二变压器T2的原边绕组T21两端的电压V_L2为高电压时，则第一二极管D1截止，而第二二极管D2导通，此时，第一二极管D1及第一电容C1的连接点m处的电压V_m等于第二变压器T2的副边绕组T22两端的电压；当第一变压器T1的原边绕组T11两端的电压V_L1和第二变压器T2的原边绕组T21两端的电压V_L2均为低电压时，则第一二极管D1和第二二极管D2均截止，此时，第一二极管D1及第一电容C1的连接点m处没有电压输出，即第一二极管D1及第一电容C1的连接点m处的电压V_m为0。

因此，本发明的第一变压器T1的副边绕组T12的匝数N₁₂同样可以根据如下公式来选取：

N_{12} = \frac{N_{11} \times V_{m}}{V_{1}}

本发明的第二变压器T2的副边绕组T22的匝数N₂₂可以根据如下公式来选取：

N_{22} = \frac{N_{22} \times V_{m}}{V_{2}}

在本发明的图4所示的电源系统300不包括滤波电路4的情况下，辅助电源输出端O输出的电压V_O即为第一二极管D1及第一电容C1的连接点m处的电压V_m；而在本发明的图4所示的电源系统300包括滤波电路4的情况下，辅助电源输出端O输出的电压V_O为第一二极管D1及第一电容C1的连接点m处的电压V_m经过滤波之后的电压(如图5中所示的+12V)。因此，在已知第一能量存储装置11的电压V₁、第二能量存储装置12的电压V₂、辅助电源输出端O所欲输出的电压V_O、第一变压器T1的原边绕组T11的匝数N₁₁以及第二变压器T2的原边绕组T21的匝数为N₂₁，很容易地得出第一变压器T1的副边绕组T12所需的匝数N₁₂以及第二变压器T2的副边绕组T22所需的匝数N₂₂。

本发明的图5所示的电源系统300只需要将在现有的电力系统中的第一转换器21和第二转换器22中的每一个转换器处的电感分别通过中间抽头来增加一个副边绕组，从而将原有的第一转换器21和第二转换器22处的电感分别改变成两个变压器(即第一变压器T1和第二变压器T2)，并且，分别增加两个二极管(即第一二极管D1和第二二极管D2)和一个电容(即第一电容C1)即可实现辅助电源的功能，从而，将辅助电源架构集成在电源系统300中。

相对于现有的独立的辅助电源架构，本发明通过这种集成的辅助电源架构，本发明的图4所示的电源系统300仅仅增加几个元件即可实现辅助电源的全部功能，因此，简化了电源设计，而且不占用空间，进而本发明的电源系统300能够使得电力系统具有较小的尺寸以及更高的功率密度。此外，本发明的电源系统300能够大大降低成本。

另外，本发明还提供了一种能量存储系统，该能量存储系统可以包括本发明的图1、图3和图4所示的任意一种电源系统100、200、300，在电源系统100、200、300中，第一转换器21的输出端P、N连接至直流母线负载(未示出)。

该能量存储系统还包括用于对电源系统100、200、300进行管理控制的能量管理系统(未示出)。在电源系统100、200、300包括第一能量存储装置11的情况下，能量管理系统用于对第一能量存储装置11进行控制；当在电源系统100、200、300包括第一能量存储装置11和第二能量存储装置12的情况下，能量管理系统用于分别对第一能量存储装置11和第二能量存储装置12进行控制。

本发明的能量存储系统可以作为动态应用，例如应用于电动车辆中，或者也可以作为静态应用，例如应用于电网中。

当本发明的能量存储系统应用于电动车辆中时，在本发明的能量存储系统中的直流母线负载可以包括电动车辆的电驱动系统。

当本发明的能量存储系统作为静态应用时，在本发明的能量存储系统中的直流母线负载可以包括逆变器及与逆变器连接的电网。

本发明的能量存储系统通过采用如上所述的电源系统100、200、300，其同样能够具有较小的尺寸以及更高的功率密度。此外，本发明的能量存储系统还能够大大降低成本。

虽然结合特定的具体实施方式对本发明进行了详细说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims

1.一种电源系统，其包括：

辅助电源输出端，其用于提供辅助电源；

第一能量存储装置；

第一转换器，其包括串联连接的第一开关及第二开关，其中，所述第一转换器耦合到所述第一能量存储装置；

第一变压器，其将来自所述第一能量存储装置的高电压变换成从所述辅助电源输出端输出的低电压，并且包括原边绕组和副边绕组，其中，所述第一变压器的所述原边绕组连接在所述第一能量存储装置与所述第一及所述第二开关的连接点之间，所述第一变压器的所述副边绕组的同名端通过第一二极管连接至所述辅助电源输出端，并且其异名端接地；及

第一电容，其中所述第一电容的一端连接至所述第一二极管的负极，并且其另一端接地。

2.如权利要求1所述的电源系统，其中，所述第一变压器的所述副边绕组的匝数N₁₂根据如下公式来选取：

N_{12} = \frac{N_{11} \times V_{m}}{V_{1}}

其中，N₁₁代表所述第一变压器的所述原边绕组的匝数、V₁代表所述第一能量存储装置的电压、及V_m代表所述第一二极管及所述第一电容的连接点处的电压。

3.如权利要求1所述的电源系统，其还包括：

第二能量存储装置；及

第二转换器，其包括串联连接的第三开关及第四开关，其中，所述第二转换器耦合到所述第二能量存储装置，并且，所述第二转换器的输出端与所述第一转换器的输出端连接在一起。

4.如权利要求3所述的电源系统，其中，所述第一能量存储装置包括电池，所述第二能量存储装置包括超级电容；或者，所述第一能量存储装置包括超级电容，所述第二能量存储装置包括电池。

5.如权利要求3所述的电源系统，其还包括：

第二变压器，其将来自所述第二能量存储装置的高电压变换成所述低电压，并且包括原边绕组和副边绕组，其中，所述第二变压器的所述原边绕组连接在所述第二能量存储装置与所述第三及所述第四开关的连接点之间，所述第二变压器的所述副边绕组的同名端通过第二二极管连接至所述第一二极管及所述第一电容的连接点，并且其异名端接地。

6.如权利要求5所述的电源系统，其中，所述第二变压器的所述副边绕组的匝数N₂₂根据如下公式来选取：

N_{22} = \frac{N_{21} \times V_{m}}{V_{2}}

其中，N₂₁代表所述第二变压器的所述原边绕组的匝数、V₂代表所述第二能量存储装置的电压、及V_m代表所述第一二极管及所述第一电容的所述连接点处的电压。

7.如权利要求1至6中任一项所述的电源系统，其还包括：

滤波电路，其耦合在所述第一二极管及所述电容的连接点与所述辅助电源输出端之间。

8.如权利要求7所述的电源系统，其中，所述滤波电路包括：

低压降稳压器，其中所述低压降稳压器的输入耦合至所述第一二极管及所述第一电容的所述连接点；及

第二电容，其中所述第二电容的一端连接至所述低压降稳压器的输出，并且其另一端接地。

9.一种能量存储系统，其包括如权利要求1至8中任一项所述的电源系统以及用于对所述电源系统进行管理控制的能量管理系统，其中，所述电源系统中的第一转换器的输出端连接至直流母线负载。

10.如权利要求9所述的能量存储系统，其中，所述直流母线负载包括电动车辆的电驱动系统；或者，所述直流母线负载包括逆变器及与所述逆变器连接的电网。