[實用新型]電壓均衡型超級電容儲能裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201420117524.4
• 申請日: 2014-03-14
• 公開（公告）號: CN203774829U
• 公開（公告）日: 2014-08-13
• 發(fā)明（設(shè)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(quán)）人: 南車南京浦鎮(zhèn)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(shù)領(lǐng)域

本實用新型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(shù)

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(huán)壽命長等優(yōu)點，在分布式發(fā)電系統(tǒng)、電動汽車、制動能量回收等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。城市軌道交通的直流供電側(cè)采用置地式或車載式超級電容儲能系統(tǒng)，可以回收制動能量而提高整個系統(tǒng)能量利用效率、并可穩(wěn)定電網(wǎng)電壓、增強系統(tǒng)穩(wěn)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(lián)電阻和等效并聯(lián)電阻等參數(shù)不可能做到很好的一致性，這就使得超級電容在串聯(lián)應(yīng)用于高壓場合時會出現(xiàn)電壓不均衡現(xiàn)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?shù)木鶋捍胧┨嵘啥鄠€超級電容單體串聯(lián)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(xiàn)有用于超級電容儲能系統(tǒng)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(zhuǎn)移型電壓均衡電路。

其中，能量消耗型電壓均衡電路的結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，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?qū)馑俣纫蟛桓叩膽?yīng)用場合。

能量轉(zhuǎn)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(shè)法轉(zhuǎn)移至端電壓低的超級電容中，從而實現(xiàn)各串聯(lián)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(yīng)用。

具體而言，串聯(lián)超級電容器均壓的實現(xiàn)方式可以分為三種：將端電壓高的超級電容的能量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移至端電壓低的超級電容器。如何能快速、高效的實現(xiàn)各超級電容模塊間的電壓均衡是該關(guān)鍵技術(shù)的難點。

據(jù)申請人所知，軌道交通再生制動能量利用系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)之一即為大功率雙向DC-DC變換器(Bi-direction?DC-DC?Converter，BDC)，該設(shè)備對整個系統(tǒng)的效率、體積及重量等方面起著關(guān)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(xiàn)能量的雙向流動，即實現(xiàn)對儲能系統(tǒng)的充/放電控制，是典型的“一機兩用”設(shè)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(jié)構(gòu)是軌道交通儲能系統(tǒng)中能量變換環(huán)節(jié)的首選。非隔離型拓撲結(jié)構(gòu)中，半橋Buck/Boost雙向拓撲結(jié)構(gòu)具有功率器件少、開關(guān)器件的電流應(yīng)力小、且變換器導通損耗小的特點，有助于提高系統(tǒng)的綜合效率（例如申請?zhí)?00810040359.6授權(quán)公告號CN101350555B名稱為“一種大功率雙向DC/DC變換器拓撲結(jié)構(gòu)”的中國實用新型專利）。城市軌道交通超級電容儲能系統(tǒng)中所采用的雙向DC/DC變換器拓撲結(jié)構(gòu)主要以半橋Buck/Boost為基本結(jié)構(gòu)。

當前，用于750V及以下電壓等級接觸網(wǎng)的超級電容儲能系統(tǒng)已比較成熟，其系統(tǒng)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(wǎng)系統(tǒng)廣泛采用的是1500V直流網(wǎng)，用于750V及以下電壓等級接觸網(wǎng)的超級電容儲能技術(shù)難以直接用于1500V及以上電壓等級接觸網(wǎng)，其主要原因為：變換器低壓側(cè)超級電容組的串聯(lián)數(shù)目隨電壓等級的提高而增加，相應(yīng)的超級電容均壓問題嚴重，系統(tǒng)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(tǒng)產(chǎn)生干擾。

實用新型內(nèi)容

本實用新型所要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)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(yīng)軌道車輛工況，解決超級電容串聯(lián)數(shù)量過多帶來的均壓問題。

本實用新型解決其技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：

電壓均衡型超級電容儲能裝置，包括母線側(cè)與外部直流母線電連接的濾波器，濾波器的電容側(cè)與至少兩個首尾串聯(lián)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(yù)充電模塊共用同一隔離變壓器；預(yù)充電模塊與外部充電電源電連接。

本實用新型進一步完善的技術(shù)方案如下：