一种轨交车载超电容系统及其散热调节方法与流程

本发明涉及超级电容器技术领域，具体涉及一种轨交车载超电容系统及其散热调节方法。

背景技术：

由于石油资源日趋短缺，并且燃烧石油的内燃机尾气排放对环境的污染越来越严重（尤其是在大、中城市），人们都在研究替代内燃机的新型能源装置。已经进行的混合动力、燃料电池、化学电池产品及应用的研究与开发，取得了一定的成效。但是由于它们固有的使用寿命短、温度特性差、化学电池污染环境、系统复杂、造价高昂等致命弱点，一直没有很好的解决办法。

超级电容器以其优异的特性扬长避短，是一种新型储能装置，它具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点，可以部分或全部替代传统的化学电池用于车辆的牵引电源和启动能源，并且具有比传统的化学电池更加广泛的用途。正因为如此，世界各国（特别是西方发达国家）都不遗余力地对超级电容器进行研究与开发。其中美国、日本和俄罗斯等国家不仅在研发生产上走在前面，而且还建立了专门的国家管理机构（如：美国的USABC、日本的SUN、俄罗斯的REVA等），制定国家发展计划，由国家投入巨资和人力，积极推进。在我国推广使用超级电容器，能够减少石油消耗，减轻对石油进口的依赖，有利于国家石油安全；有效地解决城市尾气污染和铅酸电池污染问题；有利于解决部分产品的低温启动问题；有利于解决瞬间大功率的启停应用。

目前超级电容器系统比能量低，在轨交应用中发热严重，缺乏良好的散热设计和散热管理，并且在长期运行中由于热积累导致循环寿命降低，充放电能量降低，由于发热问题还会导致占用更大的空间进行散热，导致超容系统在轨交中的应用难度更大。

对于车载式的能量回收系统而言，在有限的体积范围内实现高压能量回收，将会造成更大的电流和发热量，对于超电容系统散热设计提出了更高要求，另外车载的超电容对于性能稳定性、安全可靠性、维护便捷性也有更加直观和严苛的要求，设计难度比站台式的更大。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种轨交车载超电容系统及其散热调节方法，其放置在轨交列车内和主网连接进行能量回收，具有散热效果好、比能量大、结构稳定可扩展，并且连接安全方便。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种轨交车载超电容系统，其特征是，设置在轨交列车内，该超电容系统具体包含：

组合机柜，由多个层叠式抽屉柜堆叠而成，每个层叠式抽屉柜内沿纵向设置一排超电容标准模块；

高压箱，固定在所述组合机柜顶部，所述多个层叠式抽屉柜电连接后通过高压箱与主网连接进行能量回收。

上述的轨交车载超电容系统，其中：

所述高压箱内设有电容管理单元；

每个层叠式抽屉柜的后面板上设有通讯端子；每个层叠式抽屉柜中的各个超电容标准模块顶部还分别设有超电容控制板；每个层叠式抽屉柜中的多个超电容控制板串联后再通过通讯端子使系统中所有的超电容控制板串联并最终由高压箱内的电容管理单元进行控制。

上述的轨交车载超电容系统，其中：

每个层叠式抽屉柜上设有冷却风扇，冷却风扇通过通讯线连接高压箱内的电容控制单元或相应的超电容控制板。

上述的轨交车载超电容系统，其中：

每个层叠式抽屉柜的后面板上设有功率接插件；

每个层叠式抽屉柜中的各个超电容标准模块进行串联后通过相应的功率接插件与下一个层叠式抽屉柜的功率接插件电连接。

上述的轨交车载超电容系统，其中：

每个超电容控制板内具有温度传感单元以及电压传感单元，用于采样每个超电容标准模块的温度以及电压。

上述的轨交车载超电容系统，其中：

所述层叠式抽屉柜的后面板上设有出口散热孔，层叠式抽屉柜内还设有连通出口散热孔的散热风道，散热风道由进风通道以及出风通道组成，起到风道的限定作用。

上述的轨交车载超电容系统，其中：

每个超电容标准模块分别包含多个依次排列的超容单体，相邻超容单体之间保持距离以形成散热通道，散热通道与其所在的层叠式抽屉柜内的散热风道连通，相邻超电容标准模块的散热通道也互相连通。

一种轨交车载超电容系统的散热调节方法，其特征是：

超电容控制板通过温度传感单元以及电压传感单元采集对应超电容标准模块的电压、温度，并将数据传给高压箱的电容管理单元；

高压箱根据当前电压数据控制超电容控制板对当前电压进行充放电保护；

高压箱根据当前温度数据对冷却风扇进行开关控制及功率调节。

上述的轨交车载超电容系统的散热调节方法，其中：

超电容控制板根据系统工况运行的实际数据进行经验分析，对长期循环使用的轨交工况进行发热估计，以预先进行冷却风扇的功率控制。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、由于车载式空间紧张，并且有振动冲击要求，本发明结构紧凑可以减小空间并且提高强度；

2、智能化的散热性；本发明采用多重散热设计，对超电容标准模块中超容间距进行设计，其次进行密封风道设计，保证风扇风量的充分利用，最后控制板采集超容温度状态调节风扇的开关和功率，并通过经验算法优化其功率分布，提高了整个系统的散热一致性。

3、成组连接安全方便；本发明在抽屉柜内部采用标准化模块，模块之间可通过铜跨接片进行电连接，通讯口采用端子对接，连接件很少且分散，成组连接十分安全及方便。

4、结构紧凑、可扩展：本发明适用于多种型号超级电容器，除通风风道外整个系统没有多余空间，抽屉柜之间也保持紧装配，体积比能量很高；另外每个抽屉柜都是相同的，可根据实际工况需求任意扩展，串并联也可以自由制定，具有非常强的可扩展性。

附图说明

图1为本发明的安装结构示意图；

图2为本发明的层叠式抽屉柜的正面等轴测图；

图3为本发明的层叠式抽屉柜的背面等轴测图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，一种轨交车载超电容系统，其设置在轨交列车内，该超电容系统具体包含：组合机柜，由多个层叠式抽屉柜12堆叠而成，每个层叠式抽屉柜12内沿纵向设置一排超电容标准模块1；高压箱，固定在所述组合机柜顶部，所述多个层叠式抽屉柜12电连接后通过高压箱与主网连接进行能量回收，具体的，可以由高压箱连接变流器后接入主网。由于车载式空间紧张，并且有振动冲击要求，上述内结构和布置，具有结构紧凑可以达到减小空间并且提高强度的目的，具体的，本实施例中，如图2~3所示，每个层叠式抽屉柜内紧密排列设置3组超电容标准模块1，每个层叠式抽屉柜12内部各超电容标准模块1之间可通过铜跨接片进行电连接，组合机柜内一共设有6个层叠式抽屉柜12，6个层叠式抽屉柜12进行了18串1并的组合，满足线网端的电压要求和每次能量回收所需的能量要求。值得注意的是，各层叠式抽屉柜12之间可根据实际需要进行串并，以电缆进行连接，高压箱根据工况需要进行相应数量的配置，通常并电容需要相应配置一个高压箱，层叠式抽屉柜12之间也可进行扩展。

所述高压箱内设有高压箱里面有通讯用的高压电控盒，将高压转成通讯用的24/48V电压，还有将各个通讯数据汇总管理的电容管理单元CMU；每个层叠式抽屉柜12的后面板10上设有通讯端子7，用于采集数据和传输信息；每个层叠式抽屉柜12中的各个超电容标准模块1顶部还分别设有超电容控制板2；每个层叠式抽屉柜12中的多个超电容控制板2通过内部接线端子串联后再通过通讯端子7与下一个层叠式抽屉柜12内的超电容控制板2连接，使得系统中所有的超电容控制板2串联并最终由高压箱内的电容管理单元进行控制，通讯方式可以是485、CAN、LAN等。

每个层叠式抽屉柜12上分别设有冷却风扇5，冷却风扇5由高压箱的电容控制单元控制；本实施例中，每个层叠式抽屉柜12上设置2个冷却风扇5，冷却风扇5上设有通讯线，可以直接和高压箱连接也可以和超电容控制板2连接，最终接受高压箱内电容管理单元的总控。

每个层叠式抽屉柜12的后面板10上设有功率接插件6，用于过电流；每个层叠式抽屉柜12中的各个超电容标准模块1进行串联后通过相应的功率接插件6与下一个层叠式抽屉柜12的功率接插件6电连接。

每个超电容控制板2内具有温度传感单元以及电压传感单元，用于采样每个超电容标准模块12的温度以及电压。

所述层叠式抽屉柜12的后面板10上设有出口散热孔11，一对冷却风扇5设置在层叠式抽屉柜12的前面板上，前面板上设置一对操作把手9，后面板的上侧两端分别设置固定脚4用于抽屉柜和能量回收总系统的固定，层叠式抽屉柜12内还设有连通出口散热孔11的散热风道，散热风道由进风通道以及出风通道组成，起到风道的限定作用，通过结构限位方式进行固定，本实施例中，进风通道由进风通道钣金件8搭建形成，进风通道的入风口设置所述的冷却风扇5，出风通道由出风通道钣金件3搭建形成其出风口连接出口散热孔11，通过上述结构使冷却风扇5产生的气流得全部从密闭的散热风道内通过。

每个超电容标准模块1分别包含多个依次排列的超容单体，相邻超容单体之间保持距离以形成散热通道，散热通道与其所在的层叠式抽屉柜12内的散热风道连通，相邻超电容标准模块1的散热通道也互相连通，本发明中，散热风道的分布以均匀设置为最佳，使得所有电容都均匀受风，可以通过仿真和试验的方法对比出最佳的散热方案、冷却风扇5数量以及风量等。本实施例中，进风通道设置在入风口处的超电容标准模块1与入风口中间，进风通道设置在出风口处的超电容标准模块1与出风口中间，固定方式为通过螺钉和柜体以及模块连接，使得冷却风扇5产生的气流得全部从密闭的散热风道的进风通道、散热通道以及出风通道内依次经过，提升冷却效率。

本发明还公开了一种轨交车载超电容系统的散热调节方法，其包含：超电容控制板2通过温度传感单元以及电压传感单元采集对应超电容标准模块1的电压、温度，并将数据传给高压箱的电容管理单元；高压箱根据当前电压数据控制超电容控制板2对当前电压进行充放电保护；高压箱根据当前温度数据对冷却风扇5进行开关控制及功率调节。

超电容控制板2根据系统工况运行的实际数据进行经验分析，对长期循环使用的轨交工况进行发热估计，以预先进行冷却风扇的功率控制。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。