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CN106787079A - 能量管理方法及能量管理系统 - Google Patents

能量管理方法及能量管理系统 Download PDF

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CN106787079A
CN106787079A CN201510812282.XA CN201510812282A CN106787079A CN 106787079 A CN106787079 A CN 106787079A CN 201510812282 A CN201510812282 A CN 201510812282A CN 106787079 A CN106787079 A CN 106787079A
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CN
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energy storing
converter
energy
inductance
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Application number
CN201510812282.XA
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李飞
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General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
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Publication date
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Abstract

一种能量管理方法包括操作用于与电气负载驱动单元耦合的包括第一能量存储装置、与所述第一能量存储装置耦合的第一直流-直流变换器、第二存储装置、与所述第二能量存储装置耦合的第一电感及耦合在所述第一电感和所述第一直流-直流变换器之间的第一开关单元的能量管理系统，使所述第二存储装置放电。所述放电的步骤包括从所述第二能量存储装置经由所述第一电感、所述第一开关单元和所述第一直流-直流变换器向所述第一能量存储装置传输能量。其中，所述第一开关单元包括金属氧化物半导体场效应管。本发明还涉及一种相应的能量管理系统。

Description

能量管理方法及能量管理系统
技术领域
本发明涉及主要应用于电动车的能量管理方法及能量管理系统。
背景技术
为了满足电动车在不同情况下的功率需求，通常通过在电动车上安装具有高功率密度的功率电池组，如：超级电容组等，来为电动车提供辅助的能量来源。在电动车正常工作之前，需要对超级电容进行预充电，以使超级电容中存储有一定的能量。然而，在车辆需要维修或超级电容需要更换时，出于安全及延长超级电容的使用寿命考虑，需要使超级电容放电。现有技术中，通常通过在电路中增加电阻来耗尽超级电容中的能量，但是，这种方法耗时长、成本高且造成了能量的浪费。
因此，有必要提供一种新的能量管理方法及相应的能量管理系统以解决如上所述的问题。
发明内容
本发明的一个方面在于提供一种能量管理方法，其包括操作用于与电气负载驱动单元耦合的包括第一能量存储装置、与所述第一能量存储装置耦合的第一直流-直流变换器、第二存储装置、与所述第二能量存储装置耦合的第一电感及耦合在所述第一电感和所述第一直流-直流变换器之间的第一开关单元的能量管理系统，使所述第二存储装置放电。所述放电的步骤包括从所述第二能量存储装置经由所述第一电感、所述第一开关单元和所述第一直流-直流变换器向所述第一能量存储装置传输能量。其中，所述第一开关单元包括金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)。
本发明的另一个方面在于提供一种能量管理系统，其可用于与一电气负载驱动单元耦合。所述能量管理系统包括第一能量存储装置、第一直流-直流变换器、第二能量存储装置、第二直流-直流变换器及控制器。所述第一直流-直流变换器具有与所述第一能量存储装置耦合的第一端和与所述电气负载驱动单元耦合的第二端。所述第二直流-直流变换器耦合在第二能量存储装置和所述第一直流-直流变换器的第二端之间，其包括第一电感和第一开关单元。所述第一电感具有与所述第二能量存储装置耦合的第一端，及第二端。所述第一开关单元耦合在所述第一电感的第二端和所述第一直流-直流变换器之间。其中，所述第一开关单元包括金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)。所述控制器设置来从所述第二能量存储装置经由所述第一电感、所述MOSFET和所述第一直流-直流变换器向所述第一能量存储装置传输能量，以使所述第二能量存储装置放电。
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为根据本发明的一具体实施方式的能量管理系统的示意图；
图2为根据本发明的另一具体实施方式的能量管理系统的示意图；
图3为所述能量管理系统在放电模式下的等效示意图；
图4为所述能量管理系统中的第二调制电路在放电模式下的示意图；
图5为根据本发明的一具体实施方式的能量管理方法的流程图；及
图6为所述能量管理方法在放电模式下的流程图。
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。
本发明的实施例一方面涉及一种可以应用于电动车辆的能量管理系统，该能量管理系统可经由电气负载驱动单元给电气负载供电，该能量管理系统可满足电动车在不同情况下的能量需求。
图1为根据本发明的一具体实施方式的能量管理系统10的示意图。参见图1，能量管理系统10与电气负载驱动单元20耦合，能量管理系统10可通过电气负载驱动单元20为电气负载40供电。所述电气负载40可包括直流电机、单向电机、三相电机或它们的组合。所述能量管理系统10包括第一能量存储装置11、第一直流-直流变换器12、第二能量存储装置13、第二直流-直流变换器14、控制器15和电容C。第一能量存储装置11可能包括高能量电池(铅酸电池等)、超级电容、发电机、燃料电池、光伏逆变电源或它们的组合等。第二能量存储装置13可能包括高功率能量存储装置，例如：超级电容或者超级电容组。
第一直流-直流变换器12耦合在第一能量存储装置11和电气负载驱动单元20之间，具体地，第一直流-直流变换器12具有第一端121和第二端122，所述第一端121耦合于所述第一能量存储装置11，所述第二端122耦合于电气负载驱动单元20。这样，第一能量存储装置11可经由第一直流-直流变换器12和电气负载驱动单元20给电气负载40供电。电容C跨接于第一直流-直流变换器12的第二端122，用于稳定第一直流-直流变换器第二端122的电压。
第二直流-直流变换器14耦合在第二能量存储装置13和第一直流-直流变换器12的第二端122之间，第一能量存储装置11可经由第一直流-直流变换器12和第二直流-直流变换器14给第二能量存储装置13充电。第二直流-直流变换器14同时也耦合在第二能量存储装置13和电气负载驱动单元20之间，第二能量存储装置13可经由第二直流-直流变换器14和电气负载驱动单元20给电气负载40供电。
第二直流-直流变换器14包括第一电感L1、第一开关单元Q1和第二开关单元Q2。第一电感L1的第一端与第二能量存储装置13耦合，其第二端与第一开关单元Q1耦合。第一开关单元Q1耦合在第一电感L1的第二端和第一直流-直流变换器12之间。第二开关单元Q2耦合在第一电感L1的第二端和第二能量存储装置13之间。第二能量存储装置13可经由第一电感L1、第一开关单元Q1和第一直流-直流变换器12向第一能量存储装置11传输能量。其中，第一开关单元Q1包括金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)，该MOSFET的源极与第一电感L1的第二端耦合，该MOSFET的漏极及与第一直流-直流变换器12耦合。在图1所示的实施例中，第一开关单元Q1还包括二极管，与所述MOSFET并联，所述二极管的正极耦合于所述MOSFET的源极，所述二极管的负极耦合于所述MOSFET的漏极。第二开关单元包括有源开关，例如：晶体管、场效应管等。
第一直流-直流变换器12包括第二电感L2、第三开关单元Q3和第四开关单元Q4。第二电感L2的第一端耦合于第一能量存储装置11，其第二端耦合于第三开关单元Q3。第三开关单元Q3耦合在第二电感L2的第二端和所述MOSFET的漏极之间。第四开关单元Q4耦合在所述第二电感L2的第二端和第一能量存储装置11之间。第三、第四开关单元包括有源开关，例如：晶体管、场效应管等。在图1所示的实施例中，第二、第三、第四开关单元中的每一个均包括互相并联的场效应管和二极管，所述二极管的正极耦合于所述场效应管的源极，所述二极管的负极耦合于所述场效应管的漏极。
控制器15用于控制第一、第二能存储系统、第一、第二直流-直流变换器，以使能量管理系统10工作在各种模式下，如:预充电模式、供电模式、放电模式等。具体地，控制器15分别向第一至第四开关单元Q1-Q4发送第一至第四开关控制信号G1-G4，以控制它们的通断。
在所述预充电模式下，第一能量存储装置11对第二能量存储装置13进行预充电。具体地，第一能量存储装置11经由第一直流-直流变换器12和第二直流-直流变换器14向第二能量存储装置13传输能量。
在所述供电模式下，第一能量存储装置11给电气负载40供电，或者第一、第二存储装置11、13同时给电气负载40供电。具体地，第一能量存储装置11经由第一直流-直流变换器12和电气负载驱动单元20向电气负载40传输能量；或者，第一能量存储装置11经由第一直流-直流变换器12和电气负载驱动单元20向电气负载40传输能量的同时，第二能量存储装置13经由第二直流-直流变换器14和电气负载驱动单元20向电气负载40传输能量。
在所述放电模式下，控制器15开通所述MOSFET(Q1)、关断第二开关单元，从所述第二能量存储装置13经由第一电感L1、所述MOSFET和第一直流-直流变换器12向第一能量存储装置11传输能量，以使所述第二能量存储装置13放电。具体的，控制器15向所述MOSFET发送高于所述MOSFET开启电压的第一开关控制信号G1，向第二开关单元Q2发送低于第二开关单元Q2开启电压的的第二开关控制信号G2。这里提到的“开启电压”，又称阈值电压，是指使开关单元导通所需的栅极电压。这样，该第一电感L1与MOSFET(Q1)一起组成一个同步整流单元，对第二能量存储装置13的输出电压进行整流。同步整流是指采用通态电阻较低的MOSFET作为整流器，且要求MOSFET的栅极电压与被整流电压的相位保持同步的整流方式。相比于二极管和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，MOSFET具有较低的导通压降，因而，采用MOSFET能够大大降低整流电路的损耗，从而提高能量转换效率；还能够减少散热，有利于实现功能模块的小型化，达到节约空间的目的。在本发明的技术方案中，由于第二能量存储装置13的输出电压为直流电压，可视为始终为正电压，因而只需要在所述放电模式下对该MOSFET的栅极施加高于其开启电压的信号，便可使所述MOSFET的栅极电压与第二能量存储装置13的输出电压同步，实现同步整流的功能。同步整流单元中的第一电感L1与所述MOSFET相配合，起到稳定输出电流的作用。
在一些实施例中，如图2所示，能量管理系统10进一步包括与第一直流-直流变换器12并行的旁路16、位于第一能量存储装置11和第一直流-直流变换器12之间的第一切换开关K1及位于第二能量存储装置13和第二直流-直流变换器14之间的第二切换开关K2。通过该旁路16，可让第一能量存储系统11不经过第一直流-直流变换器12而耦合到第二直流-直流变换器14和电气负载驱动单元20之间的节点，从而将第一能量存储系统11经由第二直流-直流变换器14耦合到第二能量存储系统13，或将第一能量存储系统11直接耦合到电气负载驱动单元20上。在图2所示的具体实施例中，旁路16的第一端连接了位于所述第一能量存储系统11与第一直流-直流变换器12之间的节点123，其第二端连接了第一直流-直流变换器12的输出端122。所述旁路16可包括切换开关(第三切换开关)K3。相对于变换器12或14来说，所述旁路16的电阻可以忽略不计。在一个具体的实施例中，所述旁路16只包括第三切换开关K3，而不包括其他电阻较大的元件。这样，在通过该旁路16用第一能量存储系统11给第二能量存储系统13预充电时，可将能量损耗降低到最小。
在图2所示的实施例中，预充电模式下，可通过断开第一切换开关K1，闭合第二切换开关K2和第三切换开关K3，使第一能量存储装置11经由第二直流-直流变换器14向第二能量存储装置13传输能量。供电模式下，可通过断开第一切换开关K1，闭合第三切换开关K3，使第一能量存储装置11经由电气负载驱动单元20给电气负载40供电。
图3为根据本发明的一具体实施方式的能量管理系统在放电模式下的等效示意图。在图3所示的实施例中，第一能量存储装置11为铅酸蓄电池，第二能量存储装置13为超级电容组。控制器15包括第一调制电路151和第二调制电路152。第二能量存储装置13经由第一电感L1、MOSFET和第一直流-直流变换器12向第一能量存储装置11放电，且经由第一直流-直流变换器12流入第一能量存储装置11的输出电流Io基本保持恒定。
第一调制电路151用于产生第一开关控制信号G1和第二开关控制信号G2。在所述放电模式下，第一开关控制信号G1高于MOSFET的开启电压，可视为数字信号“1”，第二开关控制信号G2低于第二开关单元的开启电压，可视为数字信号“0”。在一些实施例中，所述第一调制电路151基于第一载波信号Vramp1和第一调制信号Vcom1产生第二开关控制信号G2，其中，第一载波信号Vramp1可能包括等腰三角波或锯齿波，第一调制信号Vcom1的电压小于第一载波信号Vramp1的最低电压。然后，第一调制电路151根据第二开关控制信号G2产生与第二开关控制信号G2互补的第一开关控制信号G1。在一些实施例中，第一调制信号Vcom1为数字信号“0”。
第二调制电路152用于产生第三开关控制信号G3和第四开关控制信号G4。在所述放电模式下，通过控制第一直流-直流变换器12使经由第一直流-直流变换器12流入第一能量存储装置11的输出电流Io基本保持恒定。这样，能够提高能量转换效率，延长第一能量存储装置11的使用寿命。在一些实施例中，通过闭环控制的方法使输出电流Io基本保持在一参考电流值Iref左右。具体地，第二调制电路152基于参考电流值Iref、第二载波信号Vramp2和输出电流Io的反馈信号Ifb来产生脉宽调制信号G3、G4。脉宽调制信号G3、G4继而被分别发送至第三、第四开关单元Q3、Q4，以使输出电流Io基本保持在所述参考电流值Iref左右。
参见图4，第二调制电路152包括减法器153、比例-积分器154和比较器155。减法器153用于基于参考电流值Iref和反馈信号Ifb产生电流误差信号ΔI。比例-积分器154用于基于电流误差信号ΔI产生第二调制信号Vcom2。比较器155用于基于第二调制信号Vcom2和第二载波信号Vramp2产生第三、第四开关控制信号G3、G4。其中，第二载波信号Vramp2可能包括等腰三角波或锯齿波。
本发明的实施例还涉及通过操作上述能量管理系统10来实现能量管理的方法60。在一个具体的实施例中，如图5所示，该方法60包括如下步骤：
在步骤61中，操作所述能量管理系统，使其处于预充电模式。步骤61包括从第一能量存储装置经由第一直流-直流变换器和第二直流-直流变换器向第二能量存储装置传输能量，以给所述第二能量存储装置预充电。
在步骤62中，操作所述能量管理系统，使其处于供电模式。步骤62包括从所述第一能量存储装置经由所述第一直流-直流变换器和电气负载驱动单元向电气负载传输能量，以给所述电气负载供电。在一些实施例中，步骤62进一步包括从所述第二能量存储装置经由所述第二直流-直流变换器和所述电气负载驱动单元向所述电气负载传输能量，这样，所述第一、第二能量存储装置同时给所述电气负载供电。
在步骤63中，操作所述能量管理系统，使其处于放电模式。步骤63包括包括从所述第二能量存储装置经由第一电感、MOSFET和所述第一直流-直流变换器向所述第一能量存储装置传输能量，以给所述第二能量存储装置放电。本发明的技术方案中，通过将能量传输给第一能量存储装置的方式，使第二能量存储装置放电，传输给第一能量存储装置的能量可再一次被利用，这样，既解决了安全问题，又能够大大减少能量的损耗。另外，本发明所揭露的放电方法是通过对原有能量转换电路中部分元器件的合理复用来实现放电功能的，不需要额外增加任何元器件，也不需要对原有电路进行任何改造，也大大节约了生产成本。
在一些实施例中，如图6所示，步骤63包括如下步骤：
在步骤631中，基于第一载波信号和第一调制信号产生用于关断第二开关单元的第二开关控制信号，其中，所述第一调制信号的电压小于所述第一载波信号的最低电压。
在步骤632中，基于所述第二开关控制信号，产生与所述第二开关控制信号互补的用于开通第一开关单元的第一开关控制信号。
在步骤633中，基于参考电流值、第二载波信号和流入所述第一能量存储装置的输出电流的反馈信号来产生作为第三、第四开关控制信号的脉宽调制信号。
在步骤634中，分别向第一至第四开关单元发送所述第一至第四开关控制信号，以使所述第二能量存储装置向所述第一能量存储装置放电，且所述输出电流基本等于所述参考电流值。
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 (16)

1.一种能量管理方法，包括：
操作用于与电气负载驱动单元耦合的包括第一能量存储装置、与所述第一能量存储装置耦合的第一直流-直流变换器、第二存储装置、与所述第二能量存储装置耦合的第一电感及耦合在所述第一电感和所述第一直流-直流变换器之间的第一开关单元的能量管理系统，使所述第二存储装置放电，包括从所述第二能量存储装置经由所述第一电感、所述第一开关单元和所述第一直流-直流变换器向所述第一能量存储装置传输能量，其中，所述第一开关单元包括金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述MOSFET包括与所述第一电感耦合的源极，及与所述第一直流-直流变换器耦合的漏极。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述能量管理系统进一步包括耦合在所述第一电感和所述第二能量存储装置之间的第二开关单元，所述第一电感、所述MOSFET和所述第二开关单元被用作为第二直流-直流变换器。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，当所述第二能量存储装置放电时，所述MOSFET被开通，且所述第二开关单元被关断。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，通过向所述MOSFET发送高于所述MOSFET的开启电压的第一开关控制信号来开通所述MOSFET,通过向所述第二开关单元发送低于所述第二开关单元的开启电压的第二开关控制信号来关断所述第二开关单元。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第二开关控制信号基于第一载波信号和第一调制信号被产生，所述第一调制信号的电压小于所述第一载波信号的最低电压。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，当所述第二能量存储装置放电时，使经由所述第一直流-直流变换器流入所述第一能量存储装置的输出电流基本等于参考电流值。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述第一直流-直流变换器包括具有与所述第一能量存储装置耦合的第一端及第二端的第二电感，耦合在所述第二电感的第二端和所述MOSFET之间第三开关单元，及耦合在所述第二电感的第二端和所述第一能量存储装置之间第四开关单元，其中，通过向所述第三、第四开关单元分别发送脉宽调制信号来使所述输出电流基本等于所述参考电流值。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述脉宽调制信号基于所述参考电流值、所述输出电流的反馈信号及第二载波信号被产生。
10.根据权利要求3所述的方法，进一步包括操作所述能量管理系统给所述第二能量存储装置预充电，包括从所述第一能量存储装置经由和所述第二直流-直流变换器向所述第二能量存储装置传输能量。
11.一种能量管理系统，可用于与一电气负载驱动单元耦合，包括：
第一能量存储装置；
第一直流-直流变换器，其具有与所述第一能量存储装置耦合的第一端和与所述电气负载驱动单元耦合的第二端；
第二能量存储装置；
第二直流-直流变换器，其耦合在第二能量存储装置和所述第一直流-直流变换器的第二端之间，其包括：
第一电感，其具有与所述第二能量存储装置耦合的第一端，及第二端，及
第一开关单元，其耦合在所述第一电感的第二端和所述第一直流-直流变换器之间，其中，所述第一开关单元包括金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)；及
控制器，设置来从所述第二能量存储装置经由所述第一电感、所述MOSFET和所述第一直流-直流变换器向所述第一能量存储装置传输能量，以使所述第二能量存储装置放电。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述MOSFET包括与所述第一电感耦合的源极，及与所述第一直流-直流变换器耦合的漏极。
13.根据权利要求11所述的系统，其中，所述第二直流-直流变换器进一步包括耦合在所述第一电感的第二端和所述第二能量存储装置之间的第二开关单元。
14.根据权利要求13所述的系统，进一步包括第一调制电路用于在所述第二能量存储装置放电时，产生用以开通所述MOSFET的第一开关控制信号和用以关断所述第二开关单元的第二开关控制信号。
15.根据权利要求11所述的系统，其中，所述第一直流-直流变换器包括：
第二电感，其具有与所述第一能量存储装置耦合的第一端及第二端；
第三开关单元，其耦合在所述第二电感的第二端和所述MOSFET之间；及
第四开关单元，其耦合在所述第二电感的第二端和所述第一能量存储装置之间。
16.根据权利要求15所述的系统，进一步包括第二调制电路，其用于在所述第二能量存储装置放电时，基于参考电流值、第二载波信号和流入所述第一能量存储装置的输出电流的反馈信号来产生脉宽调制信号，其中，所述脉宽调制信号被分别发送至所述第三、第四开关单元，以使所述输出电流基本等于所述参考电流值。
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