CN103401319A - 含至少一超级电容器模块的车辆储能链、系统及铁路车辆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种含至少一超级电容器模块的车辆储能链、系统及铁路车辆。该车辆储能链(14；55；56；60)包括：金属框架(24)；电力存储系统(26)，机械地固定于金属框架(24)中并包括至少一个超级电容器模块(32A、33A、34A)，该超级电容器模块或各个超级电容器模块(32A、33A、34A)包括金属外壳(36)和多个彼此串联连接并设置于金属外壳(36)中的超级电容器(40)；至少一个适于断开电路的电气保护设备(28)。该电气保护设备(28)把金属框架(24)或超级电容器模块(32A、33A、34A)中的一个部件连接到电气接地。

Description

含至少一超级电容器模块的车辆储能链、系统及铁路车辆

技术领域

本发明涉及用于车辆的储能链，包括： 

-金属框架， 

-机械地固定在金属框架内并包括至少一个超级电容器模块的电力存储系统，该或各模块具有金属外壳和设置在金属外壳内并彼此串联连接的多个超级电容器。 

背景技术

这样一种储能链尤其适用于回收利用和储存车辆的制动系统的能量，尤其是在网络中通行的铁路车辆。该储能链可以固定安装在网络中的一个固定地点上或是装载于某一铁路车辆上，在上述两种情况下能量存储于链的该或各模块的超级电容器中。 

这样一种储存链经常具有串联连接的超级电容器模块网络，以便为铁路车辆获取重要的能源储备。当储存链装载于车辆上时，模块网络的最弱电势被连接于车辆的机械接地。有鉴于此，在车辆电气接地与最远离机械接地的模块的内部元件之间存在较大电压，所述元件具有较高电势，例如几乎等于400伏。事实上，当模块外壳为金属时，各个模块机械地固定于机械接地上，在具有接地电势的该金属外壳与模块内部单元之间的电压为高电压。然而，由于各模块的外壳与模块的内部元件之间设置有绝缘垫，所以该高电压并不会导致可能损坏这些模块的高电流在这些模块中的流动。 

尽管如此，在超级电容器模块的内部绝缘失灵的情况下，会产生带有很高电流的接地短路，这可能导致模块完全损毁并会在模块周围环境中释放出危险的甚至有毒的气体。这种气体释放是由于超级电容器内部出现电解液造成的，当电流穿过模块外壳，例如击穿时，所述电解液变为气态挥发。 

发明内容

本发明的目的之一在于提出一种用于车辆的储能链，其可以在该储能链的超级电容器模块之一出现内部绝缘故障的情况下限制短路电流和限制储能链温度的持续升高，并由此避免危险气体向周围的任何释放。 

由此，本发明的目标是上述类型的用于车辆的储能链，其特征在于还具有至少一个电气保护设备。 

以下的其它实施方式中，用于车辆的储能链具有一个或多个以下特征，这些特征为单独地或根据所有在技术上可能结合而采用： 

-该电力存储系统具有至少两个串联连接的超级电容器模块； 

-该或各电气保护设备将超级电容器模块连接至电气接地； 

-该或各电气保护设备将金属框架连接至电气接地； 

-该或各电气保护设备具有熔断器； 

-该或各储能链还具有至少一个电路断开检测装置； 

-该或各电路断开检测装置具有阈值电压检测器，其与熔断器并联电连接； 

-该或各阈值电压检测器具有电气绝缘型开关装置； 

-该或各熔断器为撞击熔断器且该或各电路断开检测装置具有断路器，所述断路器机械连接至撞击熔断器。 

本发明的目标还在于包含了高压切断装置的用于车辆的储能系统，其特征在于还具有如前所述的连接至高压切断装置的储能链。 

本发明的目标还在于一种铁路车辆，其特征在于具有如前所述的储能系统。 

附图说明

通过阅读以下给出了仅作为示例的描述的说明书并参考附图，将有助于更好地理解本发明，在附图中： 

-图1是根据本发明的第一种实施方式，具有三个超级电容器模块的储能系统的示意图； 

-图2是图1的储能系统中的其中一个超级电容器模块的电气示意图； 

-图3是根据本发明的第二种实施方式的储能系统的示意图； 

-图4是根据本发明的第三种实施方式的储能系统的示意图，以及 

-图5是根据本发明的第四种实施方式的储能系统的示意图。 

具体实施方式

图1中，储能系统10安装于铁路车辆上，连接至电力变换器12。该电力变换器12为例如安装在铁路车辆上的电压斩波器并适于连接至架空线。该斩波器12尤其适宜用于降低架空线中流经的电流的电压，以便提供可应用于储能系统10的输入端的连续的额定工作电压Uin。电压Uin的值例如几乎等于400伏。 

储能系统10具有根据本发明的储能链14以及将电压斩波器12连接至储能链14的电连接器15。储能系统还具有高压切断装置16，例如自动断路开关，该高压切断装置连接至斩波器12并经由电连接器15连接至储能链14。 

储能链14具有适于接收输入电压Uin的输入端子20、连接至电气接地的输出端子22、金属框架24和机械固定于金属框架24中的电力存储系统26。储能链14还具有三个电气保护设备28，以及三个电路断开检测装置30，所述检测装置各自一方面连接至电气保护设备28，另一方面连接至自动断路开关16。在实施例中，各电气保护设备28为熔断器并且各个电路断开检测装置30为阈值电压检测器。 

电力存储系统26一方面连接至输入端子20，另一方面连接至输出端子22。该系统具有第一超级电容器模块32A、第二超级电容器模块32B和第三超级电容器模块32C。上述三个超级电容器模块32A、32B、32C依次串联连接。 

各超级电容器模块32A、32B和32C分别具有输入端子33A、33B、33C以及输出端子34A、34B、34C。各超级电容器模块32A、32B、32C还分别具有金属外壳36以及设置于金属外壳36内的绝缘垫38。 

如图2中所示，第一超级电容器模块32A还具有设置于金属外壳36中并且在输入端子33A与输出端子34A之间相互串联连接的二十个超级电容器40。 

第二超级电容器模块32B和第三超级电容器模块32C具有与第一超级电容器模块32A相同的结构，因此其结构在下文中将不再详细描述。 

作为变型，各超级电容器模块32A、32B、32C具有数目为N1、彼此串联连接的超级电容器40，N1为大于或等于二的整数。 

第一模块32A的输入端子33A连接至输入端子20。第一模块32A的输出端子34A连接至第二模块32B的输出端子33B。第二模块32B的输出端子34B连接至第三模块32C的输入端子33C。第三模块32C的输出端子34C连接至 输出端子22。 

各模块32A、32B、32C的金属外壳36在其内部限定了设置超级电容器40的盒体。此外，各模块32A、32B、32C的金属外壳36与所述模块的输入端子、输出端子以及邻近模块的金属壳体36电绝缘。例如，在两个相邻的金属壳体36之间放置一层电绝缘材料。这样，各模块32A、32B、32C的金属外壳36与金属框架24电绝缘。 

绝缘垫38覆盖了金属外壳36的整个内表面。正如已知的，该绝缘垫38适于将超级电容器40与金属外壳36电绝缘。 

各超级电容器40的特征在于其电容值介于1000F与10000F之间，例如等于3000F，并且其工作电压值等于例如2.7伏。 

各熔断器28一方面连接至超级电容器模块32A、32B、32C的金属外壳36，一方面连接至电气接地。 

各熔断器28的特征是其额定值与容许的电流强度的最大值相符。 

各阈值电压检测器30与熔断器28并联连接并呈电卡状，由未示出的外部电源供电。各阈值电压检测器30具有熔断器28的接线端子的电压的检测装置42。其还包括电连接至装置42的电流绝缘型开关装置44。 

检测装置42适于测量对应的熔断器28的接线端子的电压并生成电信号，例如当其测量到的电压为非零值时产生恒定的电流。 

电流绝缘型开关装置44具有断路器45和机械连接至断路器45的致动器46。在该实施例中，电流绝缘型开关装置44为机电式继电器且致动器46为电磁铁。 

电流绝缘型开关装置44为适于将检测装置42中使用的电子器件与用于控制自动断路开关16的电子操纵器件相隔离。 

断路器45在断开位置和闭合位置之间移动。该断路器45适于在电磁铁46的机械操纵下从其闭合位置切换至断路位置，反之亦然。 

电磁铁46适于控制断路器45的断开或关闭。当电流流经电磁铁46内部时产生磁场，因此使电磁铁46内部的软铁芯开始位移，并机械地断开断路器45。相反地，当没有任何电流流经电磁铁46内部时，软铁芯位移至另一位置，并机械地闭合断路器45。 

作为变型，电流绝缘型开关装置44为静态继电器。致动器46则为通过光 路连接至断路器45的光电耦合器。根据此变型，断路器45为半导体元件，其电气状态适于从截止状态过渡至导通状态，反之亦然。 

超级电容器模块32A、32B、32C分别与一个断路器45相关联，三个断路器45在恒压电源48与自动断路开关16之间彼此串联连接。 

恒压电源48具有恒定电位V_-，例如其值基本等于0V。 

有利地，各阈值电压检测器30适于连接至固定安装在铁路车辆上的恢复界面。一旦由检测装置42产生，与电压的检测相对应的电信号就通过相应的检测器30被发送至所述界面。所述界面能够将指示哪一个超级电容器模块具有电绝缘故障的信息在视觉上向用户呈现。 

正如已知的，自动断路开关装置16适于自动切断流经电连接器15的电流，例如各超级电容器模块32A、32B、32C的输入端子和输出端子之间的短路电流。 

正如已知的，自动断路开关16具有断路器50和机械地连接至断路器50用于对其致动的致动器52。 

断路器50在电连接器15的断开位置和闭合位置之间移动。该断路器50适于在致动器52的机械操纵下从其闭合位置切换到断开位置，反之亦然。 

致动器52电连接至与第一超级电容器模块32A相对应的断路器45与恒压电源54之间。 

恒压电源54具有恒定的电势V₊，例如值基本等于24V。恒压电源48和54的电势V_-和V₊各不相同，因此允许电流流经致动器52和断路器45内部。 

根据与上述针对电磁铁46与断路器45类似的原理，致动器52适于控制断路器50的断开或闭合。当电流流经致动器52内部时，断路器50闭合。当没有任何电流流经致动器52内部时，断流器50断开。 

作为变型，电力存储系统26具有数目为N2、相互串联和/或并联连接的超级电容器模块，N2为大于或等于2的整数。 

储能系统10的运行将在下文进行解释。 

假设储能系统10初始处于工作状态，换句话说其被电压斩波器12供电并且断路器50处于闭合状态。没有任何电流流经熔断器28，所述熔断器28的端子处的电压每个都为零。因此，断路器45闭合且恒定电压Uc被施加于自动断路开关16的致动器52上，因此保持断路器50闭合。 

电压Uc通过以下公式得出：Uc＝V₊-V_-

在超级电容器模块32A、32B、32C的内部绝缘故障的情况下，例如由于绝缘垫38的磨损故障造成的，短路出现在金属壳体36与电气接地之间。由于该接地短路的出现，短路电流流经与有缺陷的模块相对应的熔断器28的内部。该短路电流增强直至其强度达到熔断器28的额定值。一旦超过该值，熔断器28熔断，导致所述短路电流强度消失。熔断器28的接线端子的电压通过相应的检测装置42测定，当时其值非零。检测装置42产生流经电磁铁46内部的电流，且相应的断路器45断开。恒定电压Uc的信号则不再作用于致动器52，这驱使断路器50断开。降压斩波器12不再向储能系统10供电，这样允许操作员得以进行维修工作。 

在特定实施例中，各阈值电压检测器30连接至固定安装于铁路车辆上的恢复界面，负责维修的操作员还可以辨识出有缺陷的超级电容器模块的标识号。 

已知这样一种储能链14允许在该储能链14的超级电容器模块出现内部绝缘故障的情况下限制短路电流并由此限制升高储能链的温度。这样一种储能链14还可以避免任何危险气体在铁路车辆的乘客的周围环境中的释放。 

另外，与以下借助附图3进行描述的第二实施方式相比，根据第一实施方式的储能链14更易于在机械上进行制造。 

根据本发明的第二储能链55示于图3中。在该附图中，与上述第一实施方式中相似的部件采用相同的附图标记。 

根据该第二实施方式，储能链55具有熔断器28及阈值电压检测器30，后者与熔断器28相并联并且连接至自动断路开关16。 

此外，熔断器28连接在一方面是金属框架24和另一方面是电气接地之间。各模块32A、32B、32C的金属外壳36还电连接至金属框架24。 

根据第二实施方式的储能链55对应于所有模块32A、32B、32C都与一个熔断器28以及与一个阈值电压检测器30的关联性。 

作为变型，本领域技术人员能够理解以同样的方式可以构造模块子组N3，各子组都与一个熔断器28以及一个阈值电压检测器30相关联，N3为大于或等于二的整数并且小于模块的总数。 

根据该实施方式，未采用阈值电压检测器30与固定安装于铁路车辆上的恢复界面的的这种有利连接方式，这种连接所带来的益处在这里并不存在。 

现在将对储能链55的运行进行描述。 

在超级电容器模块32A、32B、32C内部绝缘故障的情况下，短路出现在金属外壳36与金属框架24之间。由于该短路的出现，短路电流流经熔断器28的内部。储能链55接下来的运行与储能链14的运行相同，因此不再做详细描述。 

与根据第一实施方式的储能链14相比，根据该实施方式的储能链在储能系统10内部占更小空间，这允许制造成本得以明显缩减。 

第二实施方式中与储能链相关的其它优点与第一实施方式中的优点相同，因此不再次进行描述。 

根据本发明的第三储能链56在图4中示出。在该附图中，与上述第一实施方式中相似的部件将采用同样的附图标记。 

根据该第三实施方式，各熔断器28为撞击熔断器。 

此外，各阈值电压检测器30被机械地连接至撞击熔断器28的断路器58替代。 

各超级电容器模块32A、32B、32C与断路器58相关联，三个断路器58在恒压电源48与致动器52之间彼此串联连接。 

致动器52电连接在与第一超级电容器模块32相对应的断路器58和恒压电源54之间。 

当穿过的电流达到熔断器的额定值时，各撞击熔断器28能够熔断并在发生该熔断时机械地触发与其相连的断路器58。 

各断路器58在其闭合位置与断开位置之间移动，并且在机械触发的作用下，适于从其闭合位置切换到断开位置。 

储能链56的运行将在下文进行解释。 

起始时，储能系统10处于工作状态，断路器50和断路器58被闭合。 

当超级电容器模块32A、32B、32C内部出现接地短路时，短路电流流经与有缺陷的模块相对应的撞击熔断器28的内部。该短路电流增强至其强度达到撞击熔断器28的额定值。一旦超过该值，撞击熔断器28熔断，导致该短路电流强度消失。撞击熔断器28机械触发与其相连的断路器58，导致所述断路器的断开。恒定电压Uc的信号则不再作用于致动器52，这驱动断路器50断开。 

在本发明的该第三实施方式中，超级电容器模块内部的内部绝缘故障的检测完全通过机械方式进行，该实施方式的好处在于与前述的第一实施方式相比，改善了检测的可靠性，在第一实施方式中，检测是通过机械与电子相结合的方 式进行的。 

根据本发明的第四储能链60示于图5中。在该附图中，与前述这第三实施方式中相似的部件采用相同的附图标记。 

根据该第四实施方式，储能链60具有撞击熔断器28与机械地连接至撞击熔断器的短路器58，并且断路器58电连接至恒压电源48与致动器52之间。 

此外，撞击熔断器28被连接在一方面是金属框架24和另一方面是电源接地之间。此外，各超级电容器模块32A、32B、32C的金属外壳36电连接至金属框架24。 

现在将对储能链60的运行进行描述。 

在超级电容器模块32A、32B、32C的内部绝缘故障的情况下，矩路出现在金属外壳36与金属框架24之间。由于该短路的出现，短路电流流经撞击熔断器28的内部。储能链60的后续运行与储能链56的运行相同，因此不再对其进行详细描述。 

该第四实施方式中与储能链相关的优点与第二实施方式和第三实施方式的优点相同，因此不再次进行描述。 

这样，可以理解根据本发明的储能链在该链的超级电容器模块中出现内部绝缘故障的情况下允许限制短路电流并限制该储能链的温度的持续升高。 

Claims (9)

1.一种用于车辆的储能链(14；55；56；60)，其包括：

-金属框架(24)，

-电力存储系统(26)，机械地固定于金属框架(24)中并包括至少一个超级电容器模块(32A、33A、34A)，该超级电容器模块或各个超级电容器模块(32A、33A、34A)包括金属外壳(36)和多个彼此串联连接并设置于金属外壳(36)中的超级电容器(40)，

-至少一个适于断开电路的电气保护设备(28)，

其特征在于，该电气保护设备(28)把金属框架(24)或超级电容器模块(32A、33A、34A)中的一个部件连接到电气接地。

2.根据权利要求1的储能链(14；55；56；60)，其特征在于，电力存储系统(26)包括至少两个串联连接的超级电容器模块(32A、33A、34A)。

3.根据权利要求1或2所述的储能链(14；55；56；60)，其特征在于，该电气保护设备或各电气保护设备(28)包括熔断器。

4.根据权利要求3所述的储能链(14；55；56；60)，其特征在于，所述储能链还包括至少一个电路断开检测装置(30；58)。

5.根据权利要求4所述的储能链(14；55)，其特征在于，该电路断开检测装置或各电路断开检测装置包括与熔断器(28)并联电连接的阈值电压检测器(30)。

6.根据权利要求5所述的储能链(14；55)，其特征在于，该阈值电压检测器或各阈值电压检测器(30)包括电流绝缘型开关装置(44)。

7.根据权利要求4的储能链(56；60)，其特征在于，该熔断器或各熔断器(28)为撞击熔断器，并且该电路断开检测装置或各电路断开检测装置包括断路器(58)，所述断路器(58)机械地连接至撞击熔断器(28)。

8.一种用于车辆的储能系统(10)，包括储能链(14；55；56；60)和连接至储能链(14；55；56；60)的高压切断装置(16)，其特征在于，储能链(14；55；56；60)符合权利要求1至7中的任意一项。

9.一种铁路车辆，其特征在于包括根据权利要求8所述的储能系统(10)。

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