CN102800496B - 一种用于制动能量回收的车载超级电容组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制动能量回收的车载超级电容组，该超级电容组包括多个并联的超级电容单体串联组合体，所述的超级电容单体串联组合体由多个超级电容单体串连而成。与现有技术相比，本发明具有超级电容单体需求数量少，降低超级电容组成本、重量及体积等优点。

Description

一种用于制动能量回收的车载超级电容组

技术领域

本发明涉及一种超级电容组，尤其是涉及一种用于制动能量回收的车载超级电容组。

背景技术

目前城轨交通再生制动能量的回收主要分为耗散式、能馈式和储能式三种。储能式制动能量回收方式以其具有较好的技术经济性，成为城轨交通领域节能减排的重要技术方向，同时超级电容以其功率密度高、可频繁快速充放电、使用寿命长、工作温度范围宽等优点，成为储能器件的首选。

储能式制动能量回收方式根据其储能系统的安装位置不同可分为地面级系统和车载级系统。地面级储能系统由于其能量流动总要伴随着接触网(或第三轨)的传输损耗，而影响其节能效果的发挥。车载储能系统虽然克服了前者的缺陷，然而在工程应用上却对该系统的重量和体积有较高的限制，所以如何减小车载储能系统的重量和体积直接影响其在工程应用上的经济性。

因此，车载储能系统中超级电容组的配置方法是车载储能系统工程化应用的重点研究内容之一。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种超级电容单体需求数量少，可降低超级电容组成本、重量及体积的用于制动能量回收的车载超级电容组。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种用于制动能量回收的车载超级电容组，其特征在于，该超级电容组包括多个并联的超级电容单体串联组合体，所述的超级电容单体串联组合体由多个超级电容单体串连而成。

所述的多个超级电容单体的数量根据以下步骤确定：21)根据交通供电系统直流电压及功率变换器电压变比，确定超级电容的工作电压范围U_min～U_max；22)用超级电容工作最高电压U_max除以超级电容单体工作最高电压U_cell，即得到超级电容单体的数量。

所述的U_min为U_max的1/2。

所述的多个并联的超级电容单体串联组合体的数量根据以下步骤确定：41)将超级电容充电初始电压U₀作为变量，代入功率及容量要求关系式，当车辆制动工况及外界相连车辆吸收情况一定时，通过求解不等式，得出U₀的解阈：U_min≤U₀≤U′；42)将U₀的最优充电初始电压U′代入超级电容充电初始电压与超级电容并联支数的关系式，即可求出超级电容单体串联组合体的数量。

所述的功率及容量要求关系式为：功率要求应满足：超级电容充电初始时刻的最大吸收功率＝车辆最大制动功率-外界车辆的吸收功率-车辆辅助系统功率；容量要求应满足：超级电容可吸收的能量+超级电容损耗≥车辆有效再生制动能量-外界相邻车辆吸收的能量-功率变换器损耗。

所述的超级电容充电初始电压与超级电容并联支数的关系式为：并联支数×单体额定电流×超级电容电流过载倍率×充电初始电压＝车辆最大制动功率-外界车辆的吸收功率-车辆辅助系统功率。

与现有技术相比，本发明克服了现有超级电容一般配置中超级电容功率利用率低、配置所需的超级电容单体冗余量大的缺点，提出基于最优充电初始电压的超级电容配置方法，实现该配置方法下所采用的超级电容单体数目最少，从而降低成本和减小超级电容的重量及体积。

附图说明

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

一种用于制动能量回收的车载超级电容组，该超级电容组包括多个并联的超级电容单体串联组合体，超级电容单体串联组合体由多个超级电容单体串连而成。多个超级电容单体的具体数量和多个并联的超级电容单体串联组合体的具体数量可由以下方法确定：在超级电容组满足制动能量回收所需的功率及能量要求基础上，分析超级电容组的充电初始电压对超级电容配置的影响，找出最优充电初始电压使配置所需的超级电容单体数目最少，其配置步骤如图1所示：

步骤1)根据交通供电系统直流电压等级及功率变换器电压变比，确定超级电容组的工作电压范围U_min～U_max，结合所选择的超级电容单体最高电压参数U_cell，则U_max与U_cell的比值即为串连形成超级电容单体串联组合体的超级电容单体的数量。

步骤2)计算车辆在既定制动工况下的有效再生制动反馈能量E_B及最大制动功率P_max。其中，E_B、P_max为扣除车辆辅助系统后的能耗及功率。

$E_B=(\mathrm{\Δ}{E}_k-{\∫}_0^{T_B}{f}_{\mathrm{rs}}\·\mathrm{ds})\×{\mathrm{\η}}_{\mathrm{Gear}}\×{\mathrm{\η}}_{\mathrm{Motor}}\×{\mathrm{\η}}_{\mathrm{Inverter}}-{\∫}_0^{T_B}{P}_{\mathrm{Aux}}\·\mathrm{dt}$

其中，ΔE_k：车辆再生制动阶段内的动能变化量；

f_rs：车辆再生制动阶段内除电制动力外的其他受力的合力；

T_B：再生制动有效时间；

η_Gear、η_Motor、η_Inverter：齿轮箱效率、电机效率、逆变器效率；

P_Aux：车辆辅助系统功率

P_max＝Minimum(P_N，F_Bmax×V₀，(M·a-f_rs)×V₀)-P_Aux

其中：P_N：车辆全部电机所允许的最大制动电功率；

F_Bmax：车辆全部电机所能输出的最大电制动力；

M、a：车辆与负载重量之和、制动减速度；

V₀：车辆制动初始速度；

步骤3)以吸收系数k_in表征外界相邻车辆的作用效果，超级电容吸收剩余再生制动能量时应满足的功率及容量要求关系式：

功率要求：超级电容充电初始时刻的最大吸收功率＝车辆最大制动功率-外界车辆的吸收功率-车辆辅助系统功率；

容量要求：超级电容可吸收的能量+超级电容损耗≥车辆有效再生制动能量-外界相邻车辆吸收的能量-功率变换器损耗；

以充电初始电压U₀作为变量带入上述关系式，得到U₀的解阈：U_min≤U₀≤U′，则U′即为最优充电初始电压。具体方法如下：

功率要求：

U₀×I_max＝P_max×(1-k_in)

其中：I_max：多个并联的超级电容单体串联组合体的最大充电电流；

k_in：表示外界相邻车辆对有效再生制动功率或能量的吸收比例系数。容量要求：

$\frac{1}{2}\×\frac{C_{\mathrm{cell}}\·U_{\mathrm{cell}}}{U_{\max }}\×\frac{P_{\max }\·(1-k_{\mathrm{in}})}{U_0\·I_{\mathrm{cell}}\·k_{\mathrm{sc}}}\×({U_{\max }}^2-{U_0}^2)+{\∫}_0^{T_B}{i_{\mathrm{sc}}}^2\left(t\right)\·R_{\mathrm{sc}}\·\mathrm{dt}$

$\≥E_B\×(1-k_{\mathrm{in}})\×{\mathrm{\η}}_{\mathrm{DC}/\mathrm{DC}}$

其中：C_cell、U_cell：超级电容单体电容、单体额定电流、单体额定电压；

I_cell、k_sc：超级电容单体额定电流、充电电流过流倍率：

i_sc(t)、R_sc：充电电流、多个并联的超级电容单体串联组合体的等效电阻

η_DC/DC：功率变换器效率，即双向DC/DC变换器效率；

忽略超级电容损耗，即忽略这一项。求解容量要求不等式，得U₀的解阈：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\min }\≤U_0\≤U^{\′}\\ U^{\′}=\frac{\sqrt{{(E_B\·{\mathrm{\η}}_{\mathrm{DC}/\mathrm{DC}})}^2+k^2\·{U_{\max }}^2}-E_B\·{\mathrm{\η}}_{\mathrm{DC}/\mathrm{DC}}}{k}\\ k=\frac{C_{\mathrm{cell}}\·U_{\mathrm{cell}}\·P_{\max }}{U_{\max }\·I_{\mathrm{cell}}\·k_{\mathrm{sc}}}\end{array}\right.$

步骤4)根据超级电容充电初始电压与并联支数的关系：

并联支数×单体额定电流×超级电容电流过载倍率×充电初始电压＝车辆最大制动功率-外界车辆的吸收功率-车辆辅助系统功率；

将U′带入功率要求关系式：

U′×I_max＝P_max×(1-k_in)

又因为I_max＝N_par×I_cell×k_sc，所以可得并联支数N_par：

$N_{\mathrm{par}}=\frac{P_{\max }\×(1-k_{\mathrm{in}})}{U^{\′}\×I_{\mathrm{cell}}\×k_{\mathrm{sc}}}$

得到最少的并联形成超级电容的超级电容单体串联组合体的数量，配置完成。

Claims (5)

1.一种用于制动能量回收的车载超级电容组，其特征在于，该超级电容组包括多个并联的超级电容单体串联组合体，所述的超级电容单体串联组合体由多个超级电容单体串连而成；

所述的多个并联的超级电容单体串联组合体的数量根据以下步骤确定：

41)将超级电容充电初始电压U₀作为变量，代入功率及容量要求关系式，当车辆制动工况及外界相邻车辆吸收情况一定时，通过求解不等式，得出U₀的解阈：U_min≤U₀≤U＇；

42)将U₀的最优充电初始电压U＇代入超级电容充电初始电压与超级电容并联支数的关系式，即可求出超级电容单体串联组合体的数量；

其中

其中C_cell为超级电容单体电容，U_cell为超级电容单体额定电压；

I_cell为超级电容单体额定电流，k_sc为超级电容充电电流过流倍率；

E_B和P_max分别为车辆在既定制动工况下的有效再生制动反馈能量及最大制动功率；

η_DC/DC：功率变换器效率；U_max为超级电容组的最大工作电压。

2.根据权利要求1所述的一种用于制动能量回收的车载超级电容组，其特征在于，所述的多个超级电容单体的数量根据以下步骤确定：

21)根据城市轨道交通供电系统直流电压及功率变换器电压变比，确定超级电容组的工作电压范围U_min～U_max；

22)用超级电容工作最高电压U_max除以超级电容单体工作额定电压U_cell，即得到超级电容单体的数量。

3.根据权利要求2所述的一种用于制动能量回收的车载超级电容组，其特征在于，所述的U_min为U_max的1/2。

4.根据权利要求1所述的一种用于制动能量回收的车载超级电容组，其特征在于，所述的功率及容量要求关系式为：

功率要求应满足：

超级电容充电初始时刻的最大吸收功率

＝车辆最大制动功率－外界车辆的吸收功率－车辆辅助系统功率；

容量要求应满足：

超级电容可吸收的能量+超级电容损耗≥

车辆有效再生制动能量－外界相邻车辆吸收的能量－功率变换器损耗。

5.根据权利要求1所述的一种用于制动能量回收的车载超级电容组，其特征在于，所述的超级电容充电初始电压与超级电容并联支数的关系式为：

并联支数×单体额定电流×超级电容电流过载倍率×充电初始电压＝

车辆最大制动功率－外界车辆的吸收功率－车辆辅助系统功率。