CN103904736A

CN103904736A - 电压均衡型超级电容储能装置

Info

Publication number: CN103904736A
Application number: CN201410095203.3A
Authority: CN
Inventors: 曾先光; 武伟; 刘毅; 陈光湖; 邢井超; 李苏陇; 巩延庆; 杨洁; 李涵; 龚丽丽
Original assignee: CSR Nanjing Puzhen Co Ltd
Current assignee: CRRC Nanjing Puzhen Co Ltd
Priority date: 2014-03-14
Filing date: 2014-03-14
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2034-03-14
Also published as: CN103904736B

Abstract

本发明涉及的电压均衡型超级电容储能装置，包括母线侧与外部直流母线电连接的滤波器，滤波器的电容侧与至少两个首尾串联的模块组电连接；各模块组包括依次连接的半桥模块、超级电容组以及均衡模块，各模块组的首端和尾端均位于半桥模块；各模块组的均衡模块与预充电模块共用同一隔离变压器；预充电模块与外部充电电源电连接。本发明能更好地适应轨道车辆工况，解决超级电容串联数量过多带来的均压问题。

Description

电压均衡型超级电容储能装置

技术领域

本发明涉及一种电压均衡型超级电容储能装置，适用于直流牵引供电的轨道交通车辆再生制动能量吸收利用场合。

背景技术

超级电容又称双电层电容器（Electric Double Layer Capacitor,EDLC），具有功率密度大、充放电速度快、循环寿命长等优点，在分布式发电系统、电动汽车、制动能量回收等领域得到广泛应用。城市轨道交通的直流供电侧采用置地式或车载式超级电容储能系统，可以回收制动能量而提高整个系统能量利用效率、并可稳定电网电压、增强系统稳定性。

超级电容的单体额定电压很低，受限于超级电容的基本原理以及制造工艺等其他条件，超级电容的电容量、等效串联电阻和等效并联电阻等参数不可能做到很好的一致性，这就使得超级电容在串联应用于高压场合时会出现电压不均衡现象，这对超级电容的寿命、电容组的能量利用率等有着明显的影响。因此需要采用适当的均压措施提升由多个超级电容单体串联组成的超级电容组的容量利用率以及超级电容组的使用寿命。

目前，现有用于超级电容储能系统的均压措施可按能量的处理方式分为两大类：能量消耗型电压均衡电路，以及能量转移型电压均衡电路。

其中，能量消耗型电压均衡电路的结构简单，易于实现，但是多余的能量以热量的形式损耗掉，因此均衡功率不易提高，且均衡速度很慢，比较适合于充放电功率较小或对均衡速度要求不高的应用场合。

能量转移型电压均衡电路的基本原理是将端电压高的超级电容的多余能量设法转移至端电压低的超级电容中，从而实现各串联超级电容电压的均等，该方式因能量利用率高而得到广泛的研究，但目前提出的一些方法仍存在各自的固有缺点而无法推广应用。

具体而言，串联超级电容器均压的实现方式可以分为三种：将端电压高的超级电容的能量转移至端电压低的超级电容；将端电压高的超级电容的能量传递给整个超级电容器组；从整个超级电容器组中汲取能量并转移至端电压低的超级电容器。如何能快速、高效的实现各超级电容模块间的电压均衡是该关键技术的难点。

据申请人所知，轨道交通再生制动能量利用系统的核心环节之一即为大功率双向DC-DC变换器(Bi-direction DC-DC Converter，BDC)，该设备对整个系统的效率、体积及重量等方面起着关键作用。双向DC-DC变换器是双向运行的DC-DC变换器，其输入、输出电压极性不变，输入、输出电流的方向可以改变。BDC可实现能量的双向流动，即实现对储能系统的充/放电控制，是典型的“一机两用”设备。

轨道交通车辆运行速度较高且起动、制动频繁，在车辆起动、制动期间，传输功率峰值较高，因此非隔离型拓扑结构是轨道交通储能系统中能量变换环节的首选。非隔离型拓扑结构中，半桥Buck/Boost双向拓扑结构具有功率器件少、开关器件的电流应力小、且变换器导通损耗小的特点，有助于提高系统的综合效率（例如申请号200810040359.6授权公告号CN101350555B名称为“一种大功率双向DC/DC变换器拓扑结构”的中国发明专利）。城市轨道交通超级电容储能系统中所采用的双向DC/DC变换器拓扑结构主要以半桥Buck/Boost为基本结构。

当前，用于750V及以下电压等级接触网的超级电容储能系统已比较成熟，其系统中采用半桥Buck/Boost双向DC-DC变换器来控制能量的双向流动。而我国城市轨道交通直流接触网系统广泛采用的是1500V直流网，用于750V及以下电压等级接触网的超级电容储能技术难以直接用于1500V及以上电压等级接触网，其主要原因为：变换器低压侧超级电容组的串联数目随电压等级的提高而增加，相应的超级电容均压问题严重，系统可靠性大大降低；高电压时采用单个板桥变换器需要用到高耐压的功率，较大的du/dt对系统产生干扰。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术存在的问题，提供一种电压均衡型超级电容储能装置，能更好地适应轨道车辆工况，解决超级电容串联数量过多带来的均压问题。

本发明解决其技术问题的技术方案如下：

电压均衡型超级电容储能装置，包括母线侧与外部直流母线电连接的滤波器，滤波器的电容侧与至少两个首尾串联的模块组电连接；各模块组包括依次连接的半桥模块、超级电容组以及均衡模块，各模块组的首端和尾端均位于半桥模块；各模块组的均衡模块与预充电模块共用同一隔离变压器；预充电模块与外部充电电源电连接。

本发明进一步完善的技术方案如下：

优选地，滤波器母线侧的一端与外部直流正母线连接、另一端与外部直流负母线连接；滤波器电容侧的一端与第一个模块组首端连接、另一端与最后一个模块组尾端连接。

更优选地，滤波器包括滤波器电容，滤波器电容的一端与滤波器母线侧一端连接、同时还经滤波器电感与滤波器电容侧一端连接；滤波器电容的另一端分别与滤波器母线侧另一端、滤波器电容侧另一端连接。

优选地，半桥模块包括第一开关管和第二开关管；第一开关管的一端与模块组首端电连接、另一端经第一电感与超级电容组电连接；第二开关管的一端与模块组尾端和超级电容组分别电连接、另一端与模块组首端电连接；第一开关管另一端与第二开关管一端之间还连接有第一电容。

优选地，超级电容组包括一组串联在一起的超级电容单体；各超级电容单体的正端和负端分别与均衡模块电连接；超级电容组的第一个超级电容单体正端与半桥模块的第一电感电连接，超级电容组的最后一个超级电容单体负端与半桥模块的第二开关管另一端电连接。

优选地，均衡模块包括位于隔离变压器两侧的第一均衡电路和第二均衡电路；第一均衡电路包括一组与超级电容组各超级电容单体一一对应连接的均衡回路；隔离变压器包括铁芯，铁芯靠近第一均衡电路的一侧设有一组与各均衡回路一一对应的第一线圈，铁芯靠近第二均衡电路的另一侧设有与第二均衡电路对应的第二线圈；各均衡回路包括与第一、第二、第三、第四二极管，第三、第四二极管的输入端分别与相应超级电容单体的负端连接、输出端分别与相应第一线圈的两端连接，第一、第二二极管的输入端分别与相应第一线圈的两端连接、输出端分别与相应超级电容单体的正端连接；第二均衡电路包括一端与超级电容组第一个超级电容单体正端连接、另一端与超级电容组最后一个超级电容单体负端连接的第二电容，第二电容一端与第三、第四开关管的一端分别连接，第三、第四开关管的另一端分别与第二线圈的两端连接，第二线圈的两端还分别与第五、第六开关管的一端连接，第五、第六开关管的另一端分别与第二电容另一端连接。

优选地，预充电模块包括与第二均衡电路位于隔离变压器同一侧的预充电电路，隔离变压器的铁芯设有与预充电电路对应的第三线圈；预充电电路包括第七、第八、第九、第十开关管，第七和第八开关管的一端与第四电容的一端连接、另一端与第三线圈的两端分别连接，第八和第九开关管的一端与第三线圈的两端分别连接、另一端分别与第四电容的另一端连接；第四电容的一端经第二电感与第五二极管的输出端连接、另一端与第五二极管的输入端连接；第五二极管的输入端与第三电容的一端连接、输出端经第十一开关管与第三电容的另一端连接；第三电容的两端还与外部充电电源连接。

本发明采用多模块多电平双向DC-DC变换器，实现电网与储能系统能量的双向流动，后级采用耦合变压器的两级式DC-DC变换器可实现储能系统的预充电和电压均衡功能。

本发明的优点如下：

(1)双向DC-DC变换器采用模块多电平的拓扑结构，通过模块数目的增加，一方面降低了开关器件的电压应力进而降低dv/dt的干扰，另一方面可以降低超级电容组内部的超级电容单体串联个数，提高系统的可靠性；

(2)双向DC-DC变换器采用模块多电平的拓扑结构，通过采用载波移相的调制策略减小了输入滤波器体积和电路中的EMI；

(3)模块多电平双向DC-DC变换器采用三闭环的控制策略一方面实现能量的双向控制，另一方面可实现超级电容组间的电压均衡控制；

(4)后级采用耦合变压器的电压均衡电路能量控制灵活，可实现储能系统中组与组之间、组到单体的能量流动，提升了均衡速度，提高了储能系统容量利用率，且均衡电路采用开环控制方式易于实现。

附图说明

图1是本发明实施例的主体结构示意图

图2是图1实施例的电路结构示意图。

图3是图1实施例滤波器结构示意图。

图4、图5是图1实施例基于母线电压和超级电容SOC能量管理策略的三闭环控制电路的控制框图。

图6是图1实施例开环控制电路的控制框图。

图7是图1实施例预充电电路的电流闭环控制框图。

具体实施方式

下面参照附图并结合实施例对本发明作进一步详细描述。但是本发明不限于所给出的例子。

实施例

如图1所示，本实施例的电压均衡型超级电容储能装置包括，母线侧与外部直流母线V_BUS电连接的滤波器，滤波器的电容侧与至少两个首尾串联的模块组（1、2、...n）电连接；各模块组包括依次连接的半桥模块、超级电容组以及均衡模块，各模块组的首端和尾端均位于半桥模块；各模块组的均衡模块与预充电模块共用同一隔离变压器；预充电模块与外部充电电源电连接。

如图1所示，滤波器母线侧的一端与外部直流正母线连接、另一端与外部直流负母线连接；滤波器电容侧的一端与第一个模块组首端连接、另一端与最后一个模块组尾端连接。

如图3所示，滤波器包括滤波器电容Cr，滤波器电容Cr的一端与滤波器母线侧一端连接、同时还经滤波器电感Lr与滤波器电容侧一端连接；滤波器电容Cr的另一端分别与滤波器母线侧另一端、滤波器电容侧另一端连接。

如图2所示，以模块组1为例，半桥模块包括第一开关管S1和第二开关管S2；第一开关管S1的一端与模块组首端Uin+电连接、另一端经第一电感L1与超级电容组电连接；第二开关管S2的一端与模块组尾端Uin-和超级电容组分别电连接、另一端与模块组首端Uin+电连接；第一开关管S1另一端与第二开关管S2一端之间还连接有第一电容Ci1。

超级电容组包括一组串联在一起的超级电容单体（C_cell1、C_cell2、......C_cell _n）；各超级电容单体的正端和负端分别与均衡模块电连接；超级电容组的第一个超级电容单体C_cell1正端与半桥模块的第一电感L1电连接，超级电容组的最后一个超级电容单体C_cell _n负端与半桥模块的第二开关管S2另一端电连接。

均衡模块包括位于隔离变压器两侧的第一均衡电路和第二均衡电路；第一均衡电路包括一组与超级电容组各超级电容单体一一对应连接的均衡回路；隔离变压器包括铁芯，铁芯靠近第一均衡电路的一侧设有一组与各均衡回路一一对应的第一线圈，铁芯靠近第二均衡电路的另一侧设有与第二均衡电路对应的第二线圈；各均衡回路包括与第一、第二、第三、第四二极管D1、D2、D3、D4，第三、第四二极管D3、D4的输入端分别与相应超级电容单体的负端连接、输出端分别与相应第一线圈的两端连接，第一、第二二极管D1、D2的输入端分别与相应第一线圈的两端连接、输出端分别与相应超级电容单体的正端连接；第二均衡电路包括一端与超级电容组第一个超级电容单体C_cell ₁正端连接、另一端与超级电容组最后一个超级电容单体C_cell _n负端连接的第二电容Ci2，第二电容Ci2一端与第三、第四开关管S3、S4的一端分别连接，第三、第四开关管S3、S4的另一端分别与第二线圈的两端连接，第二线圈的两端还分别与第五、第六开关管S5、S6的一端连接，第五、第六开关管S5、S6的另一端分别与第二电容Ci2另一端连接。

预充电模块包括与第二均衡电路位于隔离变压器同一侧的预充电电路，隔离变压器的铁芯设有与预充电电路对应的第三线圈；预充电电路包括第七、第八、第九、第十开关管S7、S8、S9、S10，第七和第八开关管S7、S8的一端与第四电容Ci4的一端连接、另一端与第三线圈的两端分别连接，第八和第九开关管S8、S9的一端与第三线圈的两端分别连接、另一端分别与第四电容Ci4的另一端连接；第四电容Ci4的一端经第二电感L2与第五二极管D5的输出端连接、另一端与第五二极管D5的输入端连接；第五二极管D5的输入端与第三电容Ci3的一端连接、输出端经第十一开关管S11与第三电容Ci3的另一端连接；第三电容Ci3的两端还与外部充电电源Uin2连接。

图4为整个装置的能量管理策略控制框图，采用四个电压调节环，各调压环后有相应的限幅环节，通过叠加运算后确定在不同条件下能量的流向，并给定电流参考信号Iref。

图5为半桥模块串联拓扑的闭环控制方案。以半桥模块1的控制为例，n个超级电容组端电压的平均值作为基准与超级电容组1的端电压作差，差值通过均压环调节器（Gsh）再取与电感电流的符号一致，所得的参考值与给定电流参考值Iref相加，所得值作为电流内环的给定，电流内环输出调节器的输出与三角波载波交截后产生PWM波，该波控制半桥模块1的开关管S1，该波经反相后控制半桥模块1的开关管S2。半桥模块2的控制方案至半桥模块n的控制方案均与半桥模块1的控制方案相同，不再赘述。

均衡模块及预充电模块中的全桥电路采用占空比为0.5且固定的开环控制方式，以均衡模块1为例，每个模块中全桥各桥臂开关管驱动信号的产生如图6所示，固定的电压给定信号与三角波载波交截产生PWM波，该PWM波通过驱动逻辑生成电路的一系列逻辑运算后控制全桥变换开关S3——S6，使得均衡电路正常工作。均衡模块2的开环控制方案至均衡模块n的开环控制方案以及预充电模块中的全桥电路开环控制方案均与均衡模块1的开环控制方案相同，不再赘述。

预充电模块中的Buck电路采用单电流环控制，Buck电路的开关管驱动信号产生电路如图7所示，给定电流基准经电流环调节器后，所得值与三角波载波进行交截产生PWM波，该PWM可直接驱动Buck电路的开关管S11。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims

1.电压均衡型超级电容储能装置，其特征是，包括母线侧与外部直流母线电连接的滤波器，所述滤波器的电容侧与至少两个首尾串联的模块组电连接；所述各模块组包括依次连接的半桥模块、超级电容组以及均衡模块，所述各模块组的首端和尾端均位于半桥模块；所述各模块组的均衡模块与预充电模块共用同一隔离变压器；所述预充电模块与外部充电电源电连接。

2.根据权利要求1所述的电压均衡型超级电容储能装置，其特征是，所述滤波器母线侧的一端与外部直流正母线连接、另一端与外部直流负母线连接；所述滤波器电容侧的一端与第一个模块组首端连接、另一端与最后一个模块组尾端连接。

3.根据权利要求2所述的电压均衡型超级电容储能装置，其特征是，所述滤波器包括滤波器电容，所述滤波器电容的一端与滤波器母线侧一端连接、同时还经滤波器电感与滤波器电容侧一端连接；所述滤波器电容的另一端分别与滤波器母线侧另一端、滤波器电容侧另一端连接。

4.根据权利要求2所述的电压均衡型超级电容储能装置，其特征是，所述半桥模块包括第一开关管和第二开关管；所述第一开关管的一端与模块组首端电连接、另一端经第一电感与超级电容组电连接；所述第二开关管的一端与模块组尾端和超级电容组分别电连接、另一端与模块组首端电连接；所述第一开关管另一端与第二开关管一端之间还连接有第一电容。

5.根据权利要求4所述的电压均衡型超级电容储能装置，其特征是，所述超级电容组包括一组串联在一起的超级电容单体；所述各超级电容单体的正端和负端分别与均衡模块电连接；所述超级电容组的第一个超级电容单体正端与半桥模块的第一电感电连接，所述超级电容组的最后一个超级电容单体负端与半桥模块的第二开关管另一端电连接。

6.根据权利要求5所述的电压均衡型超级电容储能装置，其特征是，所述均衡模块包括位于隔离变压器两侧的第一均衡电路和第二均衡电路；所述第一均衡电路包括一组与超级电容组各超级电容单体一一对应连接的均衡回路；所述隔离变压器包括铁芯，所述铁芯靠近第一均衡电路的一侧设有一组与各均衡回路一一对应的第一线圈，所述铁芯靠近第二均衡电路的另一侧设有与第二均衡电路对应的第二线圈；所述各均衡回路包括与第一、第二、第三、第四二极管，所述第三、第四二极管的输入端分别与相应超级电容单体的负端连接、输出端分别与相应第一线圈的两端连接，所述第一、第二二极管的输入端分别与相应第一线圈的两端连接、输出端分别与相应超级电容单体的正端连接；所述第二均衡电路包括一端与超级电容组第一个超级电容单体正端连接、另一端与超级电容组最后一个超级电容单体负端连接的第二电容，所述第二电容一端与第三、第四开关管的一端分别连接，所述第三、第四开关管的另一端分别与第二线圈的两端连接，所述第二线圈的两端还分别与第五、第六开关管的一端连接，所述第五、第六开关管的另一端分别与第二电容另一端连接。

7.根据权利要求6所述的电压均衡型超级电容储能装置，其特征是，所述预充电模块包括与第二均衡电路位于隔离变压器同一侧的预充电电路，所述隔离变压器的铁芯设有与预充电电路对应的第三线圈；所述预充电电路包括第七、第八、第九、第十开关管，所述第七和第八开关管的一端与第四电容的一端连接、另一端与第三线圈的两端分别连接，所述第八和第九开关管的一端与第三线圈的两端分别连接、另一端分别与第四电容的另一端连接；所述第四电容的一端经第二电感与第五二极管的输出端连接、另一端与第五二极管的输入端连接；所述第五二极管的输入端与第三电容的一端连接、输出端经第十一开关管与第三电容的另一端连接；所述第三电容的两端还与外部充电电源连接。