[發明專利]電壓均衡型超級電容儲能裝置

有效

• 申請號: 201410095203.3
• 申請日: 2014-03-14
• 公開（公告）號: CN103904736A
• 公開（公告）日: 2014-07-02
• 發明（設計）人: 曾先光;武偉;劉毅;陳光湖;邢井超;李蘇隴;鞏延慶;楊潔;李涵;龔麗麗
• 申請（專利權）人: 南車南京浦鎮車輛有限公司
• 主分類號: H02J7/00
• 分類號: H02J7/00
• 代理公司: 南京蘇科專利代理有限責任公司 32102
• 代理人: 周海斌;牛莉莉

技術領域

本發明涉及一種電壓均衡型超級電容儲能裝置，適用于直流牽引供電的軌道交通車輛再生制動能量吸收利用場合。

背景技術

超級電容又稱雙電層電容器（Electric?Double?Layer?Capacitor,EDLC），具有功率密度大、充放電速度快、循環壽命長等優點，在分布式發電系統、電動汽車、制動能量回收等領域得到廣泛應用。城市軌道交通的直流供電側采用置地式或車載式超級電容儲能系統，可以回收制動能量而提高整個系統能量利用效率、并可穩定電網電壓、增強系統穩定性。

超級電容的單體額定電壓很低，受限于超級電容的基本原理以及制造工藝等其他條件，超級電容的電容量、等效串聯電阻和等效并聯電阻等參數不可能做到很好的一致性，這就使得超級電容在串聯應用于高壓場合時會出現電壓不均衡現象，這對超級電容的壽命、電容組的能量利用率等有著明顯的影響。因此需要采用適當的均壓措施提升由多個超級電容單體串聯組成的超級電容組的容量利用率以及超級電容組的使用壽命。

目前，現有用于超級電容儲能系統的均壓措施可按能量的處理方式分為兩大類：能量消耗型電壓均衡電路，以及能量轉移型電壓均衡電路。

其中，能量消耗型電壓均衡電路的結構簡單，易于實現，但是多余的能量以熱量的形式損耗掉，因此均衡功率不易提高，且均衡速度很慢，比較適合于充放電功率較小或對均衡速度要求不高的應用場合。

能量轉移型電壓均衡電路的基本原理是將端電壓高的超級電容的多余能量設法轉移至端電壓低的超級電容中，從而實現各串聯超級電容電壓的均等，該方式因能量利用率高而得到廣泛的研究，但目前提出的一些方法仍存在各自的固有缺點而無法推廣應用。

具體而言，串聯超級電容器均壓的實現方式可以分為三種：將端電壓高的超級電容的能量轉移至端電壓低的超級電容；將端電壓高的超級電容的能量傳遞給整個超級電容器組；從整個超級電容器組中汲取能量并轉移至端電壓低的超級電容器。如何能快速、高效的實現各超級電容模塊間的電壓均衡是該關鍵技術的難點。

據申請人所知，軌道交通再生制動能量利用系統的核心環節之一即為大功率雙向DC-DC變換器(Bi-direction?DC-DC?Converter，BDC)，該設備對整個系統的效率、體積及重量等方面起著關鍵作用。雙向DC-DC變換器是雙向運行的DC-DC變換器，其輸入、輸出電壓極性不變，輸入、輸出電流的方向可以改變。BDC可實現能量的雙向流動，即實現對儲能系統的充/放電控制，是典型的“一機兩用”設備。

軌道交通車輛運行速度較高且起動、制動頻繁，在車輛起動、制動期間，傳輸功率峰值較高，因此非隔離型拓撲結構是軌道交通儲能系統中能量變換環節的首選。非隔離型拓撲結構中，半橋Buck/Boost雙向拓撲結構具有功率器件少、開關器件的電流應力小、且變換器導通損耗小的特點，有助于提高系統的綜合效率（例如申請號200810040359.6授權公告號CN101350555B名稱為“一種大功率雙向DC/DC變換器拓撲結構”的中國發明專利）。城市軌道交通超級電容儲能系統中所采用的雙向DC/DC變換器拓撲結構主要以半橋Buck/Boost為基本結構。

當前，用于750V及以下電壓等級接觸網的超級電容儲能系統已比較成熟，其系統中采用半橋Buck/Boost雙向DC-DC變換器來控制能量的雙向流動。而我國城市軌道交通直流接觸網系統廣泛采用的是1500V直流網，用于750V及以下電壓等級接觸網的超級電容儲能技術難以直接用于1500V及以上電壓等級接觸網，其主要原因為：變換器低壓側超級電容組的串聯數目隨電壓等級的提高而增加，相應的超級電容均壓問題嚴重，系統可靠性大大降低；高電壓時采用單個板橋變換器需要用到高耐壓的功率，較大的du/dt對系統產生干擾。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是：克服現有技術存在的問題，提供一種電壓均衡型超級電容儲能裝置，能更好地適應軌道車輛工況，解決超級電容串聯數量過多帶來的均壓問題。

本發明解決其技術問題的技術方案如下：

電壓均衡型超級電容儲能裝置，包括母線側與外部直流母線電連接的濾波器，濾波器的電容側與至少兩個首尾串聯的模塊組電連接；各模塊組包括依次連接的半橋模塊、超級電容組以及均衡模塊，各模塊組的首端和尾端均位于半橋模塊；各模塊組的均衡模塊與預充電模塊共用同一隔離變壓器；預充電模塊與外部充電電源電連接。

本發明進一步完善的技術方案如下：