混合电源系统 本发明要求日本在先专利申请JP 2002-156757的优先权，本文将它的公开内容引为参考文献。技术领域
本发明涉及一种混合电源系统，包括负载(也可作为发电机(powergenerator)运行)、蓄能器、双向DC/DC变换器(即双向直流-直流变换器)。背景技术
近年来，已增强了对实现混合电源的注意，这种电源通过使蓄电池产生稳定输出功率的能力与双电荷层电容器优良的大电流充/放电特性结合，能够强烈地承载变化，并具有再生能量的恢复功能。不过，只通过使双电荷层电容器与蓄电池连接，尚不能取出双电荷层电容器中所储存的能量。为了取出能量，就须提供一个附加的电路。
参照图1，公开一种普通具有再生能量恢复功能的电源系统。图2表示图1所示电源系统的电路图。日本未审专利公开JP 2000-253503 A中公开了图1和2所示的电源系统，作为电车用的再生能量恢复设备。这种电源系统包括储能用的蓄电池80，双电荷层电容器10，以及插在蓄电池80与双电荷层电容器10之间的DC/DC变换器112。在正常运行条件下，由蓄电池80驱动电机/换流器90(可作为负载工作)。在制动条件下，电机/换流器90(在这种场合下用作发电机)所产生的能量被储存在双电荷层电容器10中。双电荷层电容器10中所储存的能量通过DC/DC变换器112和整流元件(二极管)111被提供给蓄电池80。采用上述系统，使在制动条件下的能量转换效率得到提高。
但是，作为上述重新获得的能量回到蓄电池中，再被使用。比如在使用能量的情况下，在加速过程中，蓄电池放出大电流。这就会引起蓄电池的迅速变差，并产生因内阻所致的损失。
在上面所说的包含蓄电池、双电荷层电容器以及电机作为发电机的电源系统中，最能令人满意的是，当需要稳定的电功率时，从蓄电池给作为负载的电机提供电能，而当需要大的电功率时，由双电荷层电容器提供所述电能。按照这种方式，能够充分表现蓄电池和双电荷层电容器各自地特性。主要的问题是建立能够实现这种高效率能量控制的系统。
上面还应用于采用除蓄电池以外之蓄能器的电源系统。为了建立适用于负载急剧变化并能提供稳定输出功率的电源系统，重要的问题在于实现包含蓄能器和双电荷层电容器的混合系统。
日本未审查专利公开No.2000-333445(JP 2000-333445 A)中公开了一种双向DC/DC变换器。
日本未审查专利公开No.2001-268900(JP 2001-268900 A)中公开了另一种双向DC/DC变换器，作为双向升压和降压斩波电路。发明内容
本发明的目的在于实现混合电源系统，能够实现高效率能量控制。
本发明的混合电源系统如下：
1)一种混合电源系统，包括：有一对电容器接线端(11，12)的双电荷层电容器(10)，蓄能器(70a)，以及第一和第二双向DC/DC变换器(30a，30b)，其中，所述双电荷层电容器的一对电容器接线端通过第一双向DC/DC变换器与负载(60a)相连，还通过第二双向DC/DC变换器与蓄能器相连。
2)一种如前面第1)段所述的混合电源系统，其中至少所述第一和第二双向DC/DC变换器当中之一是对称DC/DC变换器，它包括电感线圈(31)，具有一对电感线圈接线端和一对开关部分(32，33)，这对开关部分与所述一对线圈接线端相连，使之关于电感器互相对称。当所述一对开关部分中特定的一个和其余的另一个分别用作输入开关和输出开关时，所述对称DC/DC变换器可作为升压变换器和降压变换器当中的每一种工作。当所述一对开关部分中特定的一个和其余的另一个分别反过来用作输出开关和输入开关时，该对称DC/DC变换器也可作为升压变换器和降压变换器当中的每一种工作。
3)一种如前面第1)段所述的混合电源系统，其中所述负载包括发电机(90)。
4)一种如前面第1)段所述的混合电源系统，其中所述蓄能器包括蓄电池(80)。
5)一种如前面第1)段所述的混合电源系统，其中所述双电荷层电容器包括多个串联连接的双电荷层电容器(10′)；所述混合电源系统还包括电压平衡单元(20)，用于平衡所述多个串联连接双电荷层电容器每一个的电压。
6)一种如前面第1)段所述的混合电源系统，还包括附加蓄能器(70b)和附加双向DC/DC变换器(30b′)，所述双电荷层电容器的一对电容器接线端还通过该附加双向DC/DC变换器而与附加蓄能器相连。
7)一种如前面第1)段所述的混合电源系统，还包括附加双向DC/DC变换器(30a′)，所述双电荷层电容器的一对电容器接线端还通过该附加双向DC/DC变换器与附加负载(60b)相连。附图说明
图1是具有再生能量恢复功能的普通电源系统的方框图；
图2是图1所示电源系统的电路图；
图3是本发明第一实施例混合电源系统的方框图；
图4是图3所示混合电源系统的电路图；
图5是本发明第二实施例混合电源系统的方框图；
图6是图5所示混合电源系统的电路图；
图7是图5所示混合电源系统中所用双电荷层电容器和电压平衡单元的方框图；
图8是本发明第三实施例混合电源系统的方框图；
图9是图8所示混合电源系统的电路图；
图10是本发明第四实施例混合电源系统的方框图；
图11是图10所示混合电源系统的电路图；
图12是对称DC/DC变换器的方框图，可被用作图3，4，5，6，8，9，10和11所示混合电源系统中每一个的双向DC/DC变换器。具体实施方式
按照现在将要描述的本发明，提供一种混合电源系统，包括双电荷层电容器、蓄能器以及第一和第二双向DC/DC变换器，所述第一双向DC/DC变换器与负载及双电荷层电容器相连，第二双向DC/DC变换器与蓄能器及双电荷层电容器相连。所述混合电源系统的工作方式可以使得，在因负载变化而需要大电流时，双电荷层电容器通过第一双向DC/DC变换器协助蓄能器向负载供能；而在正常情况下，通过第二双向DC/DC变换器将双电荷层电容器所储存的能量提供给蓄能器，以储存在蓄能器中。采用这种结构，这种混合电源系统在能量利用方面是极好的。
所述第一和第二双向DC/DC变换器中的至少一个最好为对称DC/DC变换器，这种变换器包括一个电感线圈，该电感线圈具有一对电感线圈接线端和一对开关部分，所述开关部分与所述一对电感线圈接线端相连，使关于所述电感器互相对称。当所述一对开关部分中特定的一个和其余的另一个分别用作输入开关和输出开关时，所述对称DC/DC变换器可作为升压变换器和降压变换器当中的每一种工作。当所述一对开关部分中特定的一个和其余的另一个分别反过来用作输出开关和输入开关时，该对称DC/DC变换器也可作为升压变换器和降压变换器当中的每一种工作。采用这种结构，所述混合电源系统提高了设计的自由度，并提高其多功能性。
在利用负载作为发电机实现再生能量恢复的情况下，最好通过第一双向DC/DC变换器使负载产生的电能作为再生能量提供给双电荷层电容器。采用这种结构，所述混合电源系统提高了能量恢复的比率和能量的可用性。
最好将蓄电池用作蓄能器。采用这种结构，双电荷层电容器中储存的再生能量通过第二双向DC/DC变换器被有效地提供给蓄电池。从而使所述混合电源系统具有较高的多功能性。
所述混合电源系统可以包括多个串联连接的双电荷层电容器。在这种情况下，述混合电源系统还包括低通电压平衡(或补偿)装置，用以平衡(或补偿)各双电荷层电容器的电压。采用这种结构，所述混合电源系统可将双电荷层电容器的性能用于充分的延伸。
按照本发明，还提供一种混合电源系统，它包括双电荷层电容器、多个蓄能器和多个双向DC/DC变换器。所述双电荷层电容器通过各双向DC/DC变换器分别与各不相同的蓄能器相连，并通过各双向DC/DC变换器分别与各个不相同的多个负载相连。采用这种结构，能够自由地分配要储存在各蓄能器中的能量，并自由地分配要使用的能量。
以下参照附图说明本发明几种具体实施例的混合电源系统。第一实施例
首先参照图3叙述本发明第一实施例的混合电源系统。图4表示图3所示混合电源系统的电路图。图3和4中的混合电源系统被用于电车的再生能量恢复系统。这种混合电源系统包括具有一对电容器接线端11和12的双电荷层电容器10、第一和第二双向DC/DC变换器30a和30b、作为蓄能器的蓄电池80，以及作为负载的电机/换流器90。具体地说，使双电荷层电容器10的一对电容器接线端11和12通过第一双向DC/DC变换器30a与电机/换流器(负载)90相连，并通过第二双向DC/DC变换器30b与蓄电池(蓄能器)80相连。
第一双向DC/DC变换器30a控制电机/换流器90。在开始和加速过程中需要大电流的时候，第二双向DC/DC变换器30b控制双电荷层电容器10的输出功率，并从双电荷层电容器10和蓄电池80将电功率提供给电机/换流器90。
这之后，将第一双向DC/DC变换器30a定义为驱动/再生双向DC/DC变换器，而将第二双向DC/DC变换器30b定义为充电/放电双向DC/DC变换器。
减速期间，把电机/换流器90用作发电机。由第一双向DC/DC变换器30a将电机/换流器90所产生的电能变换成具有与双电荷层电容器10规格相应之电压的电能。然后，把电能充电给双电荷层电容器10。另一方面，在正常运行情况下，由蓄电池80把能量提供给电机/换流器90。在蓄电池80中的能量减少到一定程度的情况下，双电荷层电容器10通过第二双向DC/DC变换器30b给蓄电池80充电。在双电荷层电容器10中的能量减少的情况下，蓄电池80通过第二双向DC/DC变换器30b把所补充的能量提供给双电荷层电容器10。
采用这种结构能够在蓄电池、电容器和电机之间自由地从所需的一个将任何所需的能量值传送给另一个，而与这些器件中每一个的电压值无关。第二实施例
参照图5，本发明第二实施例的混合电源系统包括蓄能器70a和负载60a。该混合电源系统还包括电压平衡单元20。图6表示图5所示混合电源系统的电路图。
参照图7，表示制成图5和6中所示混合电源系统中所用的双电荷层电容器10与电压平衡单元20的组合。图5、6和7中的双电荷层电容器10包括多个双电荷层电容器10′，它们先串联再并联。电压平衡单元20用以平衡所述多个先串联再并联的双电荷层电容器中每一个的电压。
在尽可能多的双电荷层电容器10′中，它们按图7所示方式串联连接，在自放电特性方面互不相同。在重复充电/放电操作时，电压逐渐变得不一致，而且双电荷层电容器10的能量密度下降。于是，为了维持双电荷层电容器10的能量密度，使电压平衡单元20在适宜的时刻工作，以便拉平各双电荷层电容器10′的电压。可按各种方式实现所述的电压平衡，比如，使用诸如齐纳二极管类的恒定电压元件，变换串并联连接，以及在各双电荷层电容器之间传送能量等。(见日本未审专利公开No.2001-136660(JP 2001-136660)和EP 1198050A1)第三实施例
参照图8，本发明第三实施例的混合电源系统包括第一和第二蓄能器70a和70b，它们分别通过主第二双向DC/DC变换器30b和副第二双向DC/DC变换器30b′与双电荷层电容器10相连。图9表示图8所示混合电源系统的电路图。图8和9中的主、副第二双向DC/DC变换器30b和30b′可为相同类型的或互不相同类型的。蓄能器的数目可为任何所需的数目。第四实施例
参照图10，本发明第四实施例的混合电源系统包括多个负载60a和60b，它们分别通过主第一双向DC/DC变换器30a和副第一双向DC/DC变换器30a′与双电荷层电容器10相连。图11表示图10所示混合电源系统的电路图。图11和12中与双电荷层电容器10相连的负载60a和60b可为相同类型的或互不相同类型的。负载的数目可为任何所需的数目。一般地说，蓄能器并不限于蓄电池，而可为任何装置，比如能够被充电和放电的储能轮。同样，负载也并限于电机，而可为任何类型的负载。
由于图3，4，5，6，8，9，10和11中所用的每种双向DC/DC变换器30a，30a′，30b和30b′均可被做成对称的DC/DC变换器，这是一种有如图12所示那样能够随意控制升压及降压操作的DC/DC变换器。
日本专利申请No.2001-369532(申请日：2001.12.4)和日本未审专利公开No.2002-238250(JP2002-238250，公开日：2002.8.23)都提出了对称DC/DC变换器。EP 1211791A1(公开日：2002.6.5；申请日：2001.12.4)也公开了对称DC/DC变换器。
图12中的对称DC/DC变换器包括电感线圈31，它有一对电感线圈接线端和一对与所述电感线圈接线端连接的开关部分32和33，使之关于电感线圈31互相对称。当所述一对开关部分32和33中特定的一个和其余的另一个分别用作输入开关和输出开关时，所述对称DC/DC变换器可作为升压变换器和降压变换器当中的每一种工作。当所述一对开关部分32和33中特定的一个和其余的另一个分别反过来用作输出开关和输入开关时，该对称DC/DC变换器也可作为升压变换器和降压变换器当中的每一种工作。
具体地说，DC/DC变换器包括电感线圈31，第一和第二开关部件35和36，它们的一端与电感线圈的一端相连；第三和第四开关部件37和38，它们的一端与电感线圈的另一端相连；第一至第四接线端T1，T2，T3和T4分别与第一至第四开关部件35，36，37和38相连；一对电容器34分别接在第一和第二接线端T1，T2之间及第三和第四接线端T3，T4之间。第二和第四接线端T2和T4互相相连。
表1示出在把第一和第二接线端T1和T2用作输入接线端而第三和第四接线端T3和T4用作输出接线端的情况下，以及把第一和第二接线端T1和T2用作输出接线端而第三和第四接线端T3和T4用作输入接线端的情况下，所述第一至第四开关部件35，36，37和38的状态。对于每一种情况而言，示出升压操作和降压操作。
表1第一和第二接线端第三和第四接线端 35 36 37 38输入输出 升压 ON OFF D SW 降压 SW D ON OFF输出输入 升压 D SW ON OFF 降压 ON OFF SW D
表1中的“ON”和“OFF”分别表示短路或闭合状态以及开启状态。“SW”是受到控制的状态，其中ON/OFF是在PWM等控制下立刻切换，以便得到适宜的升压或降压的比率。“D”表示实行调整操作的调整状态。
于是，当所述一对开关部分32和33中特定的一个和其余的另一个分别用作输入开关和输出开关时，所述对称DC/DC变换器可作为升压变换器和降压变换器当中的每一种工作。当所述一对开关部分32和33中特定的一个和其余的另一个分别反过来用作输出开关和输入开关时，该对称DC/DC变换器也可作为升压变换器和降压变换器当中的每一种工作。
采用对称DC/DC变换器，它是双向DC/DC变换器，能够随意控制升压和降压操作，而且如图12所示，双电荷层电容器10更加有效地吸收能量，在放电过程中能在所需的电压下供出能量。因而，能够提高混合电源系统设计的自由度及多功能性。
例如，假设把本发明的混合电源系统用于复合交通工具。在过去，根据电机的最大输出功率确定蓄电池的等级或容量。按照本发明，双电荷层电容器能够提供为电机最大输出功率所需的增补能量。因而，对于蓄电池提供电气元件所需的能量和正常运行是足够的。因此，能够实现性能等价或者高于目前所能达到的程度，并可减小尺寸。因此，不仅使能量的可用性，而且也使产生效率都得到提高。由于通过双电荷层电容器而实现大电流充/放电操作，使蓄电池作为蓄能器的寿命得到延长。
按照本发明，能够得到尺寸小、重量轻、寿命长而且能量适用性强的混合电源系统，并且它的性能实际上等价于现有混合电源系统的性能。若将本发明的混合电源系统应用于诸如电车类的运输工具，可使运输效率得到明显的提高。