CN208521794U - 干式轨道交通机车储能电容器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种干式轨道交通机车储能电容器，涉及储能电容器技术领域，包括：填充有绝缘矿物质的元件芯子和外钢盒；由金属化膜经卷绕形成的电容器芯子中引出电极引线；金属化膜由两块背靠背以聚丙烯薄膜为接触面贴合在一起的边缘加厚的蒸镀锌铝层的金属化薄膜，及两个覆于金属层上的喷金层；金属化薄膜包括：聚丙烯薄膜及蒸镀于聚丙烯薄膜上的金属层；金属层的面积小于聚丙烯薄膜的面积，在聚丙烯薄膜的一侧形成预留边；与预留边相对的金属层的一侧边缘经过加厚处理。该电容器是基于实际机车的具体情况，通过特定的材料和工艺制备而成的，单元能量密度高、体积小、重量轻、结构紧凑，能够满足现行机车设备的市场需要。

Description

干式轨道交通机车储能电容器

技术领域

本实用新型涉及储能电容器技术领域，尤其是涉及一种干式轨道交通机车储能电容器。

背景技术

近年来，我国城市轨道交通发展突飞猛进，地铁、高铁、动车等成了主要交通工具。轨道交通机车电容器是轨道交通工具中重要的设备器件。而这种电容器国内的制造技术还停留在传统的电力电容器的水平上。有为数不多的电容器厂家开始研发和试制、量产超级电容器，但技术和材料工艺等还不能与国外先进技术相比，还需大量进口，所以研发适用于轨道机车的电容器迫在眉睫。

轨道机车电容器从技术原理层面上讲，不同于静止的交流电力电容器，也不同于一般的直流滤波电力电容器，它的工作状态是在有固定频率开关条件下，如图1所示，当电动机加速时，电功率从交流电源通过整流器——逆变器——输送给电动机，使机车加速；另一方面，在机车减速或暂停状态下将电动机尚未释放的动能从电动机——逆变器——整流器返回给交流电源，使机车减速。该电容器作为储能元件，在可控硅斩波电路中，起逆变换流作用，不停的转换电能，保证车辆正常行驶，且电容器的可靠性要求必须高于其他电容器。

现有的电容器中，传统油浸式直流电力电容器，体积笨重，易污染，且对高压大电流具有不适应性，而超级电容器成本昂贵、工艺不成熟以及对进口的依赖性很强。因此，为满足现行机车设备的市场需要，迫切需要在传统的油浸式电容器和超级电容器之间对电力储能电容器进行创新。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种干式轨道交通机车储能电容器，其基于实际机车的具体情况，通过特定的材料和工艺制备而成，单元能量密度高、体积小、重量轻、结构紧凑，能够满足现行机车设备的市场需要。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种干式轨道交通机车储能电容器，包括：元件芯子和外钢盒；

元件芯子和外钢盒之间填充有绝缘矿物质；

从元件芯子中引出电极引线；

元件芯子包括：金属化膜经卷绕形成的电容器芯子；

金属化膜包括：两块背靠背以聚丙烯薄膜为接触面贴合在一起的边缘加厚的蒸镀锌铝层的金属化薄膜，及两个喷金层；

边缘加厚的蒸镀锌铝层的金属化薄膜包括：聚丙烯薄膜及蒸镀于聚丙烯薄膜上的金属层；金属层的面积小于聚丙烯薄膜的面积，在聚丙烯薄膜的一侧形成预留边；与预留边相对的金属层的一侧边缘经过加厚处理；

两个喷金层分别覆于经过加厚处理的金属层上。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，金属层呈网格结构。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，金属层的材料为锌铝合金。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，喷金层的材料为锌铝合金。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，聚丙烯薄膜膜厚为0.01-0.035μm。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，金属层厚度为0.01μm。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，经过加厚处理的加厚部分宽为2～4mm，厚度比未加厚部分增加0.5～2倍。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，喷金层的锌铝合金中的锌铝质量配比为5：5。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，绝缘矿物质包括：无机材料。

本实用新型实施例提供的技术方案带来了以下有益效果：

本实用新型实施例所提供干式轨道交通机车储能电容器中，包括：元件芯子和外钢盒；元件芯子和外钢盒之间填充有绝缘矿物质；从元件芯子中引出电极引线；元件芯子包括：金属化膜经卷绕形成的电容器芯子；金属化膜包括：两块背靠背以聚丙烯薄膜为接触面贴合在一起的边缘加厚的蒸镀锌铝层的金属化薄膜，及两个喷金层；边缘加厚的蒸镀锌铝层的金属化薄膜包括：聚丙烯薄膜及蒸镀于聚丙烯薄膜上的金属层；金属层的面积小于聚丙烯薄膜的面积，在聚丙烯薄膜的一侧形成预留边；与预留边相对的金属层的一侧边缘经过加厚处理；两个喷金层分别覆于经过加厚处理的金属层上。该电容器是基于实际机车的具体情况，通过特定的材料和工艺制备而成的，单元能量密度高、体积小、重量轻、结构紧凑，能够满足现行机车设备的市场需要。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中一种干式轨道交通机车电能转换电路的示意图；

图2为本实用新型实施例一提供的一种干式轨道交通机车储能电容器的芯子示意图；

图3为本实用新型实施例一提供的一种干式轨道交通机车储能电容器制备方法的流程图；

图4为本实用新型实施例一提供的一种轨道机车电容器的电流波形图；

图5为本实用新型实施例一提供的另一种干式轨道交通机车储能电容器制备方法的流程图；

图6为本实用新型实施例一提供的一种干式轨道交通机车储能电容器中蒸镀膜排列示意图；

图7为本实用新型实施例一提供的一种干式轨道交通机车储能电容器内芯组成排列截面图；

图8为本实用新型实施例一提供的一种干式轨道交通机车储能电容器中引线与喷金层示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

现有的电容器中，传统油浸式直流电力电容器，体积笨重，易污染，且对高压大电流具有不适应性，而超级电容器成本昂贵、工艺不成熟以及对进口的依赖性很强。

基于此，本实用新型实施例提供了一种干式轨道交通机车储能电容器，其基于实际机车的具体情况，通过特定的材料和工艺制备而成，单元能量密度高、体积小、重量轻、结构紧凑，能够满足现行机车设备的市场需要。

实施例一：

本实用新型实施例提供了一种干式轨道交通机车储能电容器。具体包括：元件芯子和外钢盒；元件芯子和外钢盒之间填充有绝缘矿物质；从元件芯子中引出电极引线；元件芯子包括：金属化膜经卷绕形成的电容器芯子，如图2所示，图中1表示的白色部分为聚丙烯薄膜，2表示的黑色部分为金属层。金属化膜包括：两块背靠背以聚丙烯薄膜为接触面贴合在一起的边缘加厚的蒸镀锌铝层的金属化薄膜，及两个喷金层；边缘加厚的蒸镀锌铝层的金属化薄膜包括：聚丙烯薄膜及蒸镀于聚丙烯薄膜上的金属层；金属层的面积小于聚丙烯薄膜的面积，在聚丙烯薄膜的一侧形成预留边；与预留边相对的金属层的一侧边缘经过加厚处理；两个喷金层分别覆于经过加厚处理的金属层上。

其中，金属层呈网格结构。金属层的材料为锌铝合金。喷金层的材料为锌铝合金。聚丙烯薄膜膜厚为0.01-0.035μm。金属层厚度为0.01μm。经过加厚处理的加厚部分宽为2～4mm，厚度比未加厚部分增加0.5～2倍。喷金层的锌铝合金中的锌铝配比为5：5。绝缘矿物质包括：无机材料。

上述干式轨道交通机车储能电容器的制备过程如下，参见图3所示：

S11：确定待制备干式轨道交通机车储能电容器的电气参数。

其中，电气参数至少包括：工作电流有效值、损耗角正切值、额定电压、最大冲击电流。此外，还可以通过谐振频率、工作频率、峰值电流及电容器容量等其它电气参数进行参考，从而确定制备电容器所采用的工艺和材料。具体的，根据实际机车电容器的电流波形和机车逆变电路原理要求和现行机车电器标准确定电容器的各项电气参数如下：

参见图4所示，本实施例提供一种轨道机车电容器的电流波形图，由图可知：

电流最大值：Im＝2500A；

谐振频率：fx＝615μs；

周期：T＝8×10^-3s；

轨道机车电机输入电压为750V，逆变电路输入电压1500V；

由理论公式计算出有效电流和平均电流：

其中，T＝8×10^-3s；T_i＝1/fx＝615×10^-6s；Im＝2500A；

电容器的容量由下式计算得出：

其中：K为系数；Im为最大(有效)电流；t_of为切断时间；Um为最大电压。

通过上述计算可确定出待制备干式轨道交通机车储能电容器的电气参数如下：

(1)电容器的工作电流有效值：500A；

(2)损耗角正切值：tanδ<0.0004(GB/T25121-2010标准)；

(3)谐振频率：1625Hz；

(4)工作频率：125Hz；

(5)额定电压：1500V；

(6)峰值电流：3000A；

(7)最大冲击电流：7000A；

(8)电容器容量：240μF。

S12：基于电气参数，选取待制备干式轨道交通机车储能电容器的元件材料及制备工艺，并根据制备工艺，对元件材料进行加工，得到待制备干式轨道交通机车储能电容器的样品。

本实施例以现行轨道机车电气参数标准为目标，对电容器的制备材料和工艺进行改进，以满足轨道机车的需求。具体的电容器制备过程包括以下步骤，参见图5所示：

S121：选取进口聚丙烯薄膜材料，制备两层聚丙烯薄膜，作为待制备干式轨道交通机车储能电容器的绝缘介质。

具体的，选取进口聚丙烯薄膜材料，按所制电容器面积要求进行裁剪，得到两层聚丙烯薄膜，其膜厚为0.01-0.035μm，控制薄膜氯子的含量，避免掺入氯乙烯类的化合物，目的是满足元件耐电场强的需要。

作为一种优选实施方式，为了对元件的外形尺寸进行优化，首先制备聚丙烯薄膜时，尽量在保持其面积的情况下，压缩其宽度同时增加长度，通常制备的聚丙烯薄膜的宽度为25-30cm。这样可以使后续工艺中，所卷绕的芯子的有效宽度变短而使直径变大，从而增加极板的载流面积，增加通流能力。

这样设计有以下优越性：根据电容器的构成式：C＝ε₀ε_rS/d，本结构的金属化膜尽量压缩宽度，也就是定义式中相对金属膜面积(长X宽)S的宽度部分，在特定电容量的条件下，卷子的长度加长，这样通过卷绕芯子的圆柱半径加大，可增加极板的载流面积，增加通流能力和降低极板的金属功率损耗。可增加喷金层与金属电极的接触面积，减少接触电阻和接触损耗。

S122：在每层聚丙烯薄膜上蒸镀金属层；金属层的材料为锌铝合金；金属层的面积小于聚丙烯薄膜的面积，在聚丙烯薄膜的一侧形成预留边。

具体的，电极以锌铝合金真空蒸镀而成，采用金属化聚丙烯薄膜作介质，金属层的厚度为0.01μm，使电容器具有良好的自愈性和电容稳定性；介质击穿后，在击穿点附近远小于1cm²的范围内电极烧熔蒸发，绝缘性能自愈恢复，仅有微小的电容损失。传统做法是喷金材料只能是Al、Zn单质，因为不同种类的金属在电场的作用下，接触面的电化学腐蚀的存在，加上镀层与喷金面接触不良，容易造成耐电流冲击能力不够。同时单质膜电容器在运行中由于热电效应，镀层极易腐蚀脱落，导致容量下降，损耗增大、发热等。所以本实施例中将蒸镀金属改用锌铝合金，因锌铝合金自愈性导电性好。

上述金属层具有网格式结构，即所谓“安全膜”。电极被分割成许多切块(尺寸大约1cm²)，通过电流门互相连接，就相当于熔丝连接，省去传统的内熔断丝。如图6所示，蒸镀的金属层2的面积小于聚丙烯薄膜1的面积，在聚丙烯薄膜1的一侧形成预留边。

S123：采用梯形镀膜技术，对与预留边相对的金属层的一侧边缘进行加厚处理，得到两块边缘加厚的蒸镀锌铝层的金属化薄膜。

为提高金属化聚丙烯薄膜电容器抗大电流冲击的能力，本实施例中，采用蒸镀边缘加厚技术，使极板部分方阻比较大，而下面所述的喷金层接触部分方阻小，这就解决了自愈性和抗大电流冲击的矛盾。而喷金材料采用和极板相同的锌铝合金，不存在电化学腐蚀现象，真空镀膜的损伤程度也小。

采用边缘加厚的梯形镀膜技术。将金属化极板边缘加厚。加厚部分21(参见图6)宽2～4mm，厚度比其余部分增加0.5～2倍。因极板边缘与喷金颗粒接触处电流密度最大，最易受损。加厚后不仅可使电流密度减小，还可使它与喷金颗粒接触更良好。

S124：将两块边缘加厚的蒸镀锌铝层的金属化薄膜，以聚丙烯薄膜为接触面背靠背贴合在一起。

参见图6所示，两块对称的边缘加厚的蒸镀锌铝层的金属化薄膜以反向层叠的排列方式贴合在一起，这样介质的厚度即为单层聚丙烯薄膜的两倍，增强了机车储能电容器抗谐波高压脉冲的能力。

S125：采用喷金工艺，在两块边缘加厚的蒸镀锌铝层的金属化薄膜的金属层一侧分别形成一层喷金层，形成金属化膜。

因为喷金端接触电阻较大，该部分发热与I²R成正比。发热使与喷金颗粒相接触的金属镀层脱落，进一步使介质变形，电容量会急剧下降，甚至发生爆炸。本实施例中改进喷金工艺，使喷金层与金属镀层接触更良好。喷金工艺的改进包括喷金料成分的改进(本实施例中，锌铝合金中锌铝质量的配比为5：5)，喷金时的温度、距离、喷金气体的压力，压缩空气洁净度的控制等都有严格的要求。独特的喷金工艺，使电容器具有良好的抗涌流能力。

S126：从喷金层引出待制备干式轨道交通机车储能电容器的两个电极引线。

图7为干式轨道交通机车储能电容器内芯组成排列截面图，其中，11为聚丙烯薄膜，12为金属层，13为喷金层，14为电极引线。如图8所示，引线2从喷金层1引出，与喷金层1零欧姆接触，可增加喷金层1与金属电极的接触面积，减少接触电阻和接触损耗，可降低极板的金属功率损耗。

S127：将金属化膜在卷绕机上进行卷绕，形成待制备干式轨道交通机车储能电容器的元件芯子。

参见图1所示，图中1表示的白色部分为聚丙烯薄膜，2表示的黑色部分为金属层。芯子卷绕时适当加大两金属层的错边量，以增加与喷金层的接触面积。对电容量300μF左右的芯子一般错边量在1.0～3.0mm之间，这样可以阻止因喷金时气流将错出部分吹倒反而使喷金颗粒进入端面的缝隙中，造成使接触不良。

S128：采用绝缘矿物质填充于元件芯子和外钢盒之间，得到待制备干式轨道交通机车储能电容器的样品。

采用绝缘无毒的矿物颗粒填充物，如：无机材料，可以使电容器避免了爆炸、燃烧和污染环境。

本实用新型实施例能够根据实际机车的具体情况，确定出需要制备的电容器的各项电气参数，基于该电气参数，对制备材料及制备工艺进行选择及制备，得到满足需求的干式轨道交通机车储能电容器。

本实用新型实施例所提供的干式轨道交通机车储能电容器制备方法中，元件卷制方式为无感式卷绕，引线无感引出；元件经过了热定型，更好的排除元件内部气泡，使元件的几何尺寸及电气性能稳定；与油浸电容器不同，采用绝缘矿物质填充与原件芯子和外钢盒之间灌封，一改环氧树脂的传统灌封，加强了绝缘，充分体现出干式电容器的特点；采用不锈钢材料做原件壳体，保证了与外环境的隔离性，其安全性和保温性增强。通过上述方法制备的电容器单元能量密度高、体积小、重量轻，电容器装置结构紧凑。其噪声水平与ABB带噪声阻尼器的油浸电容器相当。干式无油，防火灾，电容器没有渗漏问题，当发生火灾时，没有可燃液体造成火灾蔓延的可能。

该电容器是基于实际机车的具体情况，通过特定的材料和工艺制备而成的，单元能量密度高、体积小、重量轻、结构紧凑，能够满足现行机车设备的市场需要。

在本实用新型实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种干式轨道交通机车储能电容器，其特征在于，包括：元件芯子和外钢盒；

所述元件芯子和外钢盒之间填充有绝缘矿物质；

从所述元件芯子中引出电极引线；

所述元件芯子包括：金属化膜经卷绕形成的电容器芯子；

所述金属化膜包括：两块背靠背以聚丙烯薄膜为接触面贴合在一起的边缘加厚的蒸镀锌铝层的金属化薄膜，及两个喷金层；

所述边缘加厚的蒸镀锌铝层的金属化薄膜包括：聚丙烯薄膜及蒸镀于所述聚丙烯薄膜上的金属层；所述金属层的面积小于所述聚丙烯薄膜的面积，在所述聚丙烯薄膜的一侧形成预留边；与所述预留边相对的金属层的一侧边缘经过加厚处理；

所述两个喷金层分别覆于所述经过加厚处理的金属层上。

2.根据权利要求1所述的干式轨道交通机车储能电容器，其特征在于，所述金属层呈网格结构。

3.根据权利要求1所述的干式轨道交通机车储能电容器，其特征在于，所述金属层的材料为锌铝合金。

4.根据权利要求1所述的干式轨道交通机车储能电容器，其特征在于，所述喷金层的材料为锌铝合金。

5.根据权利要求1所述的干式轨道交通机车储能电容器，其特征在于，所述聚丙烯薄膜膜厚为0.01-0.035μm。

6.根据权利要求1所述的干式轨道交通机车储能电容器，其特征在于，所述金属层厚度为0.01μm。

7.根据权利要求1所述的干式轨道交通机车储能电容器，其特征在于，所述经过加厚处理的加厚部分宽为2～4mm，厚度比未加厚部分增加0.5～2 倍。

8.根据权利要求3所述的干式轨道交通机车储能电容器，其特征在于，所述喷金层的锌铝合金中的锌铝质量配比为5：5。