近年来,我国经济技术不断发展,在汽车、城市轨道交通以及工业和商业领域取得一系列显著成就,新能源汽车、城市地铁、电车、电梯以及重型机械挖掘机、起重机等的生产和使用规模不断扩大,甚至居于世界领先水平。这些机械设备在运行过程中都会产生大量的制动能量,比如汽车在市区行驶产生的制动能量约为总驱动能量的30%~50%,牵引轨道列车产生的制动能量约为牵引网供电能量的30%,在工业领域,例如液压挖掘机运行中仅有发电机输出能量的20%用于执行机构,能源利用率极低。目前这些能量均以热能的形式消耗,不仅严重损坏机械的使用寿命,还造成极大的能源浪费。倘若将这部分能量加以合理地回收利用,将会大大提高能源利用率,产生极为可观的经济效益和社会效益。本论文以制动能量的回收与再利用为研究背景,结合制动能量的特点,通过对多种储能方法进行比较研究,确定了以超级电容为储能单元的储能控制系统设计的研究目标。本文首先对超级电容储能元件的工作原理、特性进行了介绍,分析了超级电容的几种数学模型,并基于简单模型对超级电容的串并联特性和充放电特性进行了分析,为超级电容模组的方案设计以及储能系统的控制策略设计提供了理论基础。根据储能系统的总体方案设计完成主电路设计。详细分析了双向DC/DC变换器的工作原理以及工作波形,确定变换器拓扑结构并根据设计要求完成了主电路器件参数的设计。根据系统的相关数据及要求,计算超级电容模组参数并设计均压电路,完成储能单元的设计。在主电路设计基础上,给出控制系统总体方案设计原理图。根据交流电机能量回收与再利用系统的运行要求,确定了基本的控制思想。通过建立小信号模型完成双向DC/DC变换器的控制器设计,通过建立逻辑控制表完成自动协调控制系统设计,以实现储能系统的自动控制。在完成主电路和控制电路的基础上,进行了超级电容储能系统建模分析。基于Matlab/Simulink搭建模型,分别完成了控制策略仿真分析、储能系统升降压稳态实验仿真、储能系统自动控制实验仿真,通过仿真验证所设计主电路参数和控制电路的合理性。完成2kW双向DC/DC变换器的制作,搭建整机储能系统实验平台。分别进行了开路实验和带载实验验证所设计储能系统的稳定性,进行冲击实验验证储能系统对主运行系统的影响。最后通过制动能量回收与再利用对比实验,验证所设计超级电容储能控制系统的节能效果。