CN101982921A - 通用高压电容储能模块 - Google Patents

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Abstract

通用高压电容储能模块，其由储能电容、充电电路、放电电路、控制电路、高压过压检测电路、输入过压检测电路和输出欠压检测电路构成。本发明动态特性好，制造成本低，对环境污染小,其储能密度仅取决于高压电容的工作电压，可靠性高；其储能密度有极大增长空间，各类型高压电容均可用本装置实现电能储能；可用于非恒定发电系统的功率缓存，有利于改善瞬态功率吸收特性和释放特性，适用于风力和光伏发电系统，用于电动汽车和油电混合车中可取代超级电容，有利于改善汽车加速特性和效率。

Description

通用高压电容储能模块
技术领域
本发明涉及一种电容储能模块，尤其是涉及一种通用高压电容储能模块。
背景技术
现有储能方法包括各类蓄电池和超级电容、其它储能方法等三大类。
蓄电池具有高储能密度、长放电时间、低漏电等特点，但存在动态特性差、寿命短、制造成本高、笨重、污染严重等问题。
超级电容具有高储能密度、较高动态特性，但也存在以下缺陷：高成本、低电压(<2V)，需多个电容串联以达到工作电压；N个电容串联导致可靠性差(≤1/N)，需额外均压电路以保安全；且储能密度已无增长空间。
蓄电池和超级电容两类储能装置均需采用额外的充、放电电路,将工作电压与储能电压隔离开来。
以上两类储能装置均为直接电能储能装置。
其它储能方法及装置如动能储能方法及装置、热能储能方法及装置等，均非直接电能储能装置，存在成本更高、储能密度低及效率低等问题。
发明内容
为了克服现有技术存在的上述缺陷，本发明提供一种动态特性好，可靠性高，制造成本低，对环境污染小的通用高压电容储能模块。
本发明的技术方案是：其由储能电容、充电电路、放电电路、控制电路、高压过压检测电路、输入过压检测电路和输出欠压检测电路构成；
所述高压过压检测电路两端分别与储能电容两端电连接，充电电路两端亦分别与储能电容两端电连接，放电电路两端亦分别与储能电容两端电连接，储能电容一端接地，高压过压检测电路与控制电路电连接，控制电路与充电电路电连接，输入过压检测电路一端为电压输入端且与充电电路电连接，输入电压由电压输入端输入，输入过压检测电路另一端与控制电路电连接，输出欠压检测电路一端为电压输出端且与控制电路电连接，输出电压由电压输出端输出，放电电路与输出欠压检测电路电连接，控制电路一端接地，控制电路上设有充电控制端用于输入充电控制电压，控制电路上还设有放电控制端用于输入放电控制电压。
当充电控制端输入的充电控制电压为高电平且电压输入端输入电压高于标称输入电压时对储能电容充电储能。当放电控制端输入的放电控制电压为高电平且输出电压低于标称输出电压时对储能电容放电以保持输出电压稳定在标称值。
所述充电电路将电压输入端输入的输入电压升压来完成给储能电容充电的工作，充电电路的输入脉冲由控制电路根据输入电压与标称输入电压差产生，改变脉冲宽度或频率可控制充电速率，输入电压高于标称输入电压越多，脉冲频率越高，对应的充电速率越高，当输入电压低于标称值时充电电路停止工作。
所述放电电路将储能电容上的高压降压为输出电压，完成给储能电容放电的工作，放电电路的输入脉冲由控制电路根据输出电压与标称输出电压差产生，改变脉冲宽度和频率可控制放电速率，输出电压低于标称输出电压越多，脉冲频率越高，对应的放电速率越高，当输出电压高于标称值时放电电路停止工作。
所述高压过压检测电路用于检测储能电容的过压状态，以防储能电容因过压而损坏；当过压发生后, 高压过压检测电路将触发控制电路关闭充电电路，直到过压状态消失。
所述输入过压检测电路用于检测输入电压与标称电压压差，此压差作为控制电路输入以决定充电电路输入脉冲宽度或频率。
所述输出欠压检测电路用于检测输出电压与标称电压压差，此压差作为控制电路输入以决定放电电路输入脉冲宽度或频率。
所述控制电路用于控制充电电路和放电电路的脉冲宽度或频率，以利于控制充电和放电速率。
用户可通过控制电路设定通用高压电容储能模块的工作模式及状态:
工作模式：停止工作，充电，放电，充放电
充电速率控制：V1，频率1，V2，频率2，V3，频率3，… 
放电速率控制：V1，频率1，V2，频率2，V3，频率3，…
有(V1<V2<V3, 频率1<频率2<频率3)，频率I≤储能模块最大充放电频率；频率I是指频率1、频率2、频率3之中的任一个。
工作模式及状态预设于控制电路中，或者通过控制电路增设总线接口外接控制总线（Control Bus）实现，由用户实时控制工作模式及充放电速率。
若单个充电电路或放电电路因器件限制达不到用户所需充放电速率时，所述充电电路可由两个以上的充电电路构成，放电电路可由两个以上的放电电路构成。
按照目前的功率器件和MPU控制电路水平，完全可以将本发明高压电容储能模块的充、放电电路及控制电路小型化和模块化，并将电路成本控制在适当范围。
本发明外接输入电压的电压输入端与外接输出电压的电压输出端可独自工作；电压输入端与电压输出端也可短接，短接时，任一时刻充电与放电不能同时工作。
所述储能电容由N个高压电容并联而成，所储电能由电容量C和电压V而定: E = 1/2 × C×V2。 N等于电容量C除以单个电容值。当其中某一电容损坏时，损坏的电容自动从并联支路断开，储能量只减少1/N，不会影响储能模块正常工作。
所述高压电容优选高压电解电容，以利于降低制造成本，提高储能密度。
高压电解电容的储能密度远高于其他类型高压电容。高压电解电容的储能与其工作电压的平方成正比，储能密度与其工作电压成正比。目前，600V电解电容的(体积)储能密度约为超级电容的1/10。按重量计算，则储能密度差距更小些。当耐压≥6000V时, 单个电解电容的储能密度将优于超级电容。用于电能储能装置中时,高压电解电容的应用有利于使系统简化, 提高可靠性,具有更好的动态特性。目前，商用高压电解电容的工作电压低于1000V，只要有市场需求，电解电容的工作电压有极大的增长空间。
本发明动态特性好，制造成本低，对环境污染小, 其储能密度仅取决于高压电容的工作电压，本发明将N个电容并联用于提高容量,其可靠性大为改善；其储能密度有极大增长空间(与耐压成正比)，各类型高压电容均可用本装置实现电能储能。可用于非恒定发电系统的功率缓存，有利于改善瞬态功率吸收特性和释放特性，适用于风力和光伏发电系统，用于电动汽车和油电混合车中可取代超级电容, 有利于改善汽车加速特性和效率。
附图说明
图1为本发明一实施例结构框图；
图2为电压输入端与电压输出端独立工作示意图 ；
图3为电压输入端与电压输出端短接工作示意图；
图4为本发明的一种具体实施电路图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
参照图1，通用高压电容储能模块由储能电容1、充电电路2、放电电路3、控制电路4、高压过压检测电路5、输入过压检测电路6和输出欠压检测电路7构成。
所述高压过压检测电路5两端分别与储能电容1两端电连接，充电电路2两端亦分别与储能电容1两端电连接，放电电路3两端亦分别与储能电容1两端电连接，储能电容1一端接地，高压过压检测电路5与控制电路4电连接，控制电路4与充电电路2电连接，输入过压检测电路6一端为电压输入端且与充电电路2电连接，输入电压Vin由电压输入端输入，输入过压检测电路6另一端与控制电路4电连接，输出欠压检测电路7一端为电压输出端且与控制电路4电连接，输出电压Vout由电压输出端输出，放电电路3与输出欠压检测电路7电连接，控制电路4一端接地，控制电路4上设有充电控制端用于输入充电控制电压Vpc，控制电路4上还设有放电控制端用于输入放电控制电压Vpd。
当充电控制端输入的充电控制电压Vpc为高电平且输入电压Vin高于标称输入电压时对储能电容1充电储能。当放电控制端输入的放电控制电压Vpd为高电平且输出电压Vout低于标称输出电压时对储能电容1放电以保持输出电压稳定在标称值。
所述充电电路2将电压输入端输入的输入电压Vin升压来完成给储能电容1充电的工作，充电电路2的输入脉冲由控制电路4根据输入电压Vin与标称输入电压差产生，改变脉冲宽度或频率可控制充电速率，输入电压Vin高于标称输入电压越多，脉冲频率越高，对应的充电速率越高，当输入电压Vin低于标称值时充电电路2停止工作。
所述放电电路3将储能电容1的上高压Vh降压为输出电压Vout，完成给储能电容1放电的工作，放电电路3的输入脉冲由控制电路4根据输出电压Vout与标称输出电压差产生，改变脉冲宽度和频率可控制放电速率，输出电压Vout低于标称输出电压越多，脉冲频率越高，对应的放电速率越高，当输出电压Vout高于标称值时放电电路3停止工作。
所述高压过压检测电路5用于检测储能电容1的过压状态，以防储能电容1因过压而损坏；当过压发生后, 高压过压检测电路5将触发控制电路4关闭充电电路2，直到过压状态消失。
所述输入过压检测电路6用于检测输入电压与标称电压压差，此压差作为控制电路4输入以决定充电电路2输入脉冲宽度或频率。
所述输出欠压检测电路7用于检测输出电压与标称电压压差，此压差作为控制电路4输入以决定放电电路3输入脉冲宽度或频率。
所述控制电路4用于控制充电电路2和放电电路3的脉冲宽度或频率，以利于控制充电和放电速率。
用户可通过控制电路4设定通用高压电容储能模块的工作模式及状态:
工作模式：停止工作，充电，放电，充放电
充电速率控制：V1，频率1，V2，频率2，V3，频率3,… 
放电速率控制：V1，频率1，V2，频率2，V3，频率3,…
有(V1<V2<V3, 频率1<频率2<频率3)，频率I≤储能模块最大充放电频率；频率I是指频率1、频率2、频率3之中的任一个。
工作模式及状态通过控制电路4增设总线接口外接控制总线（Control Bus）8实现，由用户实时控制工作模式及充放电速率。
按照目前的功率器件和MPU控制电路水平，完全可以将本发明高压电容储能模块的充、放电电路及控制电路小型化和模块化（参见图2、3），并将电路成本控制在适当范围。
本发明外接输入电压Vin的电压输入端与外接输出电压Vout的电压输出端可独自工作,如图2所示；电压输入端与电压输出端也可短接，如图3所示，在图3所示连接时，任一时刻充电与放电不能同时工作。
所述储能电容1由N个高压电容并联而成，所储电能由电容量C和电压V而定: E = 1/2 × C×V2。 N等于电容量C除以单个电容值。当其中某一电容损坏时，损坏的电容自动从并联支路断开，储能量只减少1/N，不会影响储能模块正常工作。
所述高压电容为高压电解电容，以利于降低制造成本，提高储能密度。
本发明应用实施例：
图4为本发明的一种具体实施电路图。IGBT驱动器U20和IGBT驱动器U30由外接15V电源供电，C1为储能电容，由1000个1F/1000V高压电解电容并联而成，最大可提供5亿焦耳电能的缓存。输入电压Vin和输出电压Vout均为400V。用户可并联更多电容增加储能。当成本适合时,采用更高耐压的电解电容以提高Vh也是增加储能的有效方法。
充电电路2由电感L20、续流二极管D20、IGBT功率开关管Q20、采样电阻R20和IGBT驱动器U20构成。充电电路为常用开关脉冲升压电路，功率转换量由电感L20电感量、L20电流峰值(10A)及开关脉冲频率决定。采样电阻R20 与IGBT驱动器U20提供(10A)限流保护，以防IGBT功率开关管Q20因过流损坏。保险丝F20用于续流二极管D20击穿时保护输入电压Vin电路。
放电电路3由变压器T30、整流二极管D30、滤波电容C30、IGBT功率开关管Q30、采样电阻R30和IGBT驱动器U30构成，放电电路为开关脉冲降压电路。功率转换量由变压器T30变比，采样电阻R30电流峰值及开关脉冲频率决定，采样电阻R30 与IGBT驱动器U30提供(1A)限流保护，以防IGBT功率开关管Q30因过流损坏。
图4中，若单个充电电路2或放电电路3因器件限制达不到用户所需充放电速率时，可由多个充电电路2或放电电路3并联工作以达到所需充放电速率。
过压检测电路5由稳压二极管Z50、电阻R50构成，控制电路4由稳压二极管Z40、电阻R40、稳压二极管Z41、稳压二极管Z42、电阻R42、稳压二极管Z43、稳压二极管Z51、MCU U40、与门U41和与门U42组成。其中，稳压二极管Z40和电阻R40用于Vin过压值检测, 稳压二极管Z42和电阻R42用于Vout欠压值检测, 稳压二极管Z41、稳压二极管Z43和稳压二极管Z51用于保护MCU U40输入端。与门U41一端用于充电控制端，与门U42一端用于放电控制端。稳压二极管Z40、稳压二极管Z42和稳压二极管Z50均可由多个稳压管串联得到所需稳压值。
MCU U40有三个内置模数变换器, 对应输入为5、6、7引脚, 分别用于将电阻R50、电阻R40和电阻R42抽头模拟电压转换为数字信号。引脚4 为充电开关脉冲输出，引脚5为放电开关脉冲输出。
MCU U40根据电阻R50抽头电压判别是否出现过压状态。当过压时，MCU U40将无条件的停止充电开关脉冲输出，调节电阻R50抽头可微调过压值。
MCU U40根据电阻R40抽头电压判别输入电压Vin。充电速率控制采用编程固定表格。当输入电压Vin底于400V时, U40将停止充电开关脉冲输出。当输入电压Vin为400V时, MCU U40将在引脚4 输出脉宽5US、20KHZ充电开关脉冲。从400V开始，输入电压Vin每增加0.5V, 引脚4 输出脉冲频率增加10KHZ,直到输出脉冲频率达到100KHZ。调节电阻R40抽头可微调充电起始电压。
MCU U40根据电阻R42抽头电压判别输出电压Vout。放电速率控制也采用编程固定表格。当输出电压Vout高于400V时, MCU U40将停止放电开关脉冲输出。当输出电压Vout电压为400V时, MCU U40将在引脚5 输出脉宽5US、20KHZ放电开关脉冲。从400V开始, 输出电压Vout每减少0.5V, 引脚5 输出脉冲频率增加10KHZ,直到输出脉冲频率达到100KHZ。调节电阻R42抽头可微调放电起始电压。
稳压二极管Z40、稳压二极管Z42和稳压二极管Z50上的固定压降可大幅提高相应串联电阻对电压波动的敏感度。同时,当电压低于稳压值时,相应支路的电流降为0,以利于减小功率损耗。

Claims (5)

1.一种通用高压电容储能模块，其特征在于，由储能电容、充电电路、放电电路、控制电路、高压过压检测电路、输入过压检测电路和输出欠压检测电路构成；
所述高压过压检测电路两端分别与储能电容两端电连接，充电电路两端亦分别与储能电容两端电连接，放电电路两端亦分别与储能电容两端电连接，储能电容一端接地，高压过压检测电路与控制电路电连接，控制电路与充电电路电连接，输入过压检测电路一端为电压输入端且与充电电路电连接，输入电压由电压输入端输入，输入过压检测电路另一端与控制电路电连接，输出欠压检测电路一端为电压输出端且与控制电路电连接，输出电压由电压输出端输出，放电电路与输出欠压检测电路电连接，控制电路一端接地，控制电路上设有充电控制端用于输入充电控制电压，控制电路上还设有放电控制端用于输入放电控制电压；
所述充电电路将由电压输入端输入的输入电压升压来完成给储能电容充电的工作，充电电路的输入脉冲由控制电路根据输入电压与标称输入电压差产生，改变脉冲宽度或频率可控制充电速率，输入电压高于标称输入电压越多，脉冲频率越高，对应的充电速率越高，当输入电压低于标称值时充电电路停止工作；
所述放电电路将储能电容上的高压降压为输出电压，完成给储能电容放电的工作，放电电路的输入脉冲由控制电路根据输出电压与标称输出电压差产生，改变脉冲宽度和频率可控制放电速率，输出电压低于标称输出电压越多，脉冲频率越高，对应的放电速率越高，当输出电压高于标称值时放电电路停止工作；
所述高压过压检测电路用于检测储能电容的过压状态，以防储能电容因过压而损坏；当过压发生后, 高压过压检测电路将触发控制电路关闭充电电路，直到过压状态消失；
所述输入过压检测电路用于检测输入电压与标称电压压差，此压差作为控制电路输入以决定充电电路输入脉冲宽度或频率；
所述输出欠压检测电路用于检测输出电压与标称电压压差，此压差作为控制电路输入以决定放电电路输入脉冲宽度或频率；
所述控制电路用于控制充电电路和放电电路的脉冲宽度或频率；
工作模式及状态预设于控制电路中，或者通过控制电路增设总线接口外接控制总线实现。
2.根据权利要求1所述的通用高压电容储能模块，其特征在于，所述储能电容由N个高压电容并联而成，所储电能由电容量C和电压V而定: E = 1/2 × C×V2， N等于电容量C除以单个电容值。
3.根据权利要求1或2所述的通用高压电容储能模块，其特征在于，所述充电电路由至少两个充电电路并联构成，放电电路由至少两个放电电路并联构成。
4.根据权利要求3所述的通用高压电容储能模块，其特征在于，所述充电电路由至少两个充电电路并联构成，放电电路由至少两个放电电路并联构成。
5.根据权利要求2所述的通用高压电容储能模块，其特征在于，所述高压电容为高压电解电容。
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