电容式能量存储单元、电容式能量存储模块、以及电容式能量存储系统技术方案

本发明专利技术提供一种储能单元，包括至少一个电容式储能器件、直流电压变换装置。该电容式储能器件包括至少一个meta‑电容器。电容式储能器件的输出电压为直流电压变换装置的输入电压。本发明专利技术还提供一种电容式储能模块和电容式储能系统。

Capacitive Energy Storage Unit, Capacitive Energy Storage Module and Capacitive Energy Storage System

The invention provides an energy storage unit, which comprises at least one capacitive energy storage device and a DC voltage conversion device. The capacitive energy storage device includes at least one meta capacitor. The output voltage of capacitive energy storage device is the input voltage of DC voltage converter. The invention also provides a capacitive energy storage module and a capacitive energy storage system.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电容式能量存储单元、电容式能量存储模块、以及电容式能量存储系统优先权声明本申请要求于2016年2月12日提交的美国专利申请号15/043315、15/043186、15/043209和15/043247的优先权，所有这些申请的全部内容通过引用并入本文。
本专利技术涉及一种能够同时进行多种应用的模块化能量存储系统，更具体地涉及包括至少一个电容式储能器件和直流电压转换装置的储能单元。
技术介绍
许多技术应用受益于可充电的电能存储装置。大多数可充电的电能存储系统是基于可充电电池的。可充电电池通过电化学反应存储和释放电能。可充电电池用于汽车起动器、便携式消费设备、轻型车辆(如机动轮椅、高尔夫球车、电动自行车、电动叉车)、工具、和不间断电源。混合内燃电池和电动汽车的新兴应用正在推动技术而降低成本、重量和尺寸，并增加寿命。电网储能应用使用充电电池作为负载均衡(Load-leveling)，为了高峰时期的使用而在低需求时存储电能，而为了使用再生能源，例如存储光伏在白天所产生的发电并在夜间使用。负载均衡降低了发电厂必须能够产生的最大功率，降低了资本成本和发电厂的峰值需要。小型充电电池被用于对便携式电子设备、电动工具、电器等进行供能。重型电池被用于对从摩托车到机车和船舶的电动车辆供能。充电电池也用于分布式发电和独立电力系统。这些应用通常与电池管理系统(BMS)协作地使用充电电池，以监测电池的参数如电压、电流、温度、充电状态、以及放电状态，而防止在其安全工作区外操作电池。充电电池由于每单位能量存储的重量较大，而具有以下的缺点，即存在自放电的倾向，如果放电过深则可能受到损伤，如果充电过深也有可能发生灾难性的失败，每单位重量的电力利用率有限，每单位能量的电力利用率有限，充电时间比较长，以及随着充放电周期数增加，存储容量退化。用于可充电能量存储装置的电池的替代方案包括基于电容器的系统。电容器以被电介质层隔开的一对电极之间的静电场的形式存储能量。当两个电极之间被施加电压时，在电介质层中出现电场。与电池不同的是，电容器的充电速度相对较快，可以深放电而不受损害，并能够承受大量的充放电循环而不受损坏。电容器的重量也比同类电池低。除了电容器技术的改进以外，还有双电层电容器和超级电容器的发展，充电电池每单位体积能够存储更多能量。与电池相比，电容器的一个缺点是终端电压在放电过程中迅速下降。相比之下，电池系统往往有一个终端电压不迅速下降，直到几乎耗尽。此外，由于存储在电容器上的能量随着线性电介质的电压的平方而增加，电力大于或等于2的为meta-电介质，用于储能应用的电容器通常工作在比电池高得多的电压下。此外，如果在充电和放电过程中不使用恒流模式，能量就会丢失。用于meta-电容器的这些特性复杂的电力电子设计使得meta-电容器与当前正在使用的电池管理系统非常不同。正是在这种情况下，提出了本专利技术。本专利技术的一个方面着眼于现有的可充电电能存储技术的问题，提出了一种电容式能量存储设备，其具有一个或多个meta-电容器，该meta-电容器具备具有与电容式能量存储设备的终端连接的一个或多个开关电压变换器的直流电压变换装置。meta-电容器与现有的双电层电容器或超级电容器相比，具有更大的能量存储能力。直流电压变换装置在充电和放电过程中调节电容式储能装置的电压。一个电压变换装置通常包括一个电压源(输入)、一个或多个有源或无源控制开关、一个或多个电感元件(对于一些先进的变换器，例如电荷泵电路，虽然在电路板和/或布线上存在寄生电感，但并不特别使用电感本身)、一个或多个储能元件(如电容器和/或电感)、某种感测输出电压和/或电流的器件、以及某种用于控制控制开关而产生特定的输出电压或电流的器件、以及将本设备连接到各种负载那样的外部输入和输出的终端。用于产生低于输入电压Vin的输出电压Vout(Vout/Vin＜1)的标准电路被称为降压(buck)变换器，而产生高于输入电压的输出电压(Vout/Vin>1)的标准电路被称为升压(boost)转换器。通常用来描述降压变换的基本电路是开关LC滤波器(图1)。负载可以被认为是一个电阻，改变其电阻从而实现流过它的设定的电流。实际上，这是具备并联的电容和电阻的LCR低通滤波器。当开关接通时，LC电路开始吸收能量，而电流开始流过电感。另外，当开关断开时，电流流过，电感试图维持电流I(t)，并产生以下等式(1)的反向电压v(t)。如果在足够短的时间增量dt内产生电流的增量di，则所产生的反向电压会非常高，这可能损害或破坏开关元件SW1。因此，需要提供一个接地的路径，使电流可以继续流动。可以用二极管来实现该路径，其作为一个单向阀地动作，在电感试图从开关元件SW1导出电流时自动断开(参见图2)。因为二极管自动地与功率晶体管的开关同步，所以被称为非同步降压变换器，如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。这样的转换器不需要主动进行同步。这种类型的电路存在一个可能的问题，在开关元件SW1断开和二极管激活时，需要达到并保持二极管的导通电压。这意味着，由于电流流过它，因此在二极管的两端总会存在一个例如～0.6v的电压降，由此会产生功率损耗。这可以通过同步变换器的设计来改进，即在设置二极管的位置设置第二开关SW2(参见图3)，控制器主动地使两个开关的动作同步，使得它们不会在同一时刻接通。必须确保同步设计下的MOSFET的接通和断开之间的延迟不会造成击穿。虽然可以对两个单独的脉冲设置一个延迟，但更好的解决方案是只需要设置一个单一的PWM信道而自动地获得第二信号。一种简单的方法可以是如图3所示那样，通过数字缓冲器(或逆变器)向用于开关SW1和SW2的开关信号引入时间延迟。典型的门具有2～10ns传播延迟，但可编程逻辑器件如复杂可编程逻辑器件(CPLD)或现场可编程门阵列(FPGA)能够被编程为各种传播延迟。图4演示了产生一对信号“S’”和“！S&&！S””所需的信号处理，只输入脉冲宽度调制信号S、以及时间延迟tdelay，就使得根据所要求的时间延迟间距使开关SW1、SW2对应地进行开关。其中，S’(t)＝S(t+tdelay)，并且S”(t)＝S(t+2×tdelay)。在图4中，假设在开关信号为高，开关“闭合(closed)”即导通，在开关信号为低时，开关“断开(open)”即非导通。在图4中，S是输入PWM输入信号。S’是延迟了tdelay后的输入信号S。S”是延迟了2×tdelay后的S’，！S是输入信号S的反，！S”是信号S”的反，！S&&！S”是！S和！S”的逻辑或(AND)。在决定同步或非同步时，重要的是考虑由于开关动作(例如，能量需要移动而进出MOSFET的栅极)产生的效率损失和由于二极管的传导产生的效率损失。同步转换器往往具有高变换比的优点。因为需要额外的开关来提供两用的降压器或升压器，所以它们也是产生分段PI双向转换器(split-pi-bidirectionalconverter)的模块的基础。在断开(off)状态下，升压变换器通过图5中的第二开关元件SW2，将电源电压直接施加到负载。通过断开开关元件SW2并接通开关元件SW1，而开始对负载进行增压的过程(图6)。由于在电感L本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种储能单元，其特征在于，包括：至少一个电容式储能器件；直流电压变换装置，其中，上述电容式储能器件包括一个或多个meta‑电容器，在上述电容式储能器件放电的期间，上述电容式储能器件的输出电压为直流电压变换装置的输入电压，在上述电容式储能器件充电的期间，上述电容式储能器件的输入电压为直流电压变换装置的输出电压。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.02.12 US 15/043,186;2016.02.12 US 15/043,209;1.一种储能单元，其特征在于，包括：至少一个电容式储能器件；直流电压变换装置，其中，上述电容式储能器件包括一个或多个meta-电容器，在上述电容式储能器件放电的期间，上述电容式储能器件的输出电压为直流电压变换装置的输入电压，在上述电容式储能器件充电的期间，上述电容式储能器件的输入电压为直流电压变换装置的输出电压。2.根据权利要求1所述的储能单元，其特征在于，一个或多个meta-电容器的每个包括第一电极、第二电极、配置在上述第一电极和第二电极之间的meta-电介材料层，其中，meta-电介材料层由特征为具有极化性和电阻性的一个或多个复合有机化合物构成。3.根据权利要求2所述的储能单元，其特征在于，meta-电介材料层的电阻等于或大于1013欧姆/厘米。4.根据权利要求2所述的储能单元，其特征在于，meta-电介材料层的相对介电常数等于或大于100。5.根据权利要求2所述的储能单元，其特征在于，meta-电介材料层包括一个或多个类型的sharp聚合物、和/或一个或多个类型的Furuta聚合物。6.根据权利要求5所述的储能单元，其特征在于，meta-电介材料层包括包括两个或多个Furuta聚合物，并包括具有阳离子类型的固定(immobilized)的离子液体官能团的Furuta聚合物。7.根据权利要求5所述的储能单元，其特征在于，meta-电介材料层包括包括两个或多个Furuta聚合物，并包括具有阴离子类型的固定(immobilized)的离子液体官能团的Furuta聚合物。8.根据权利要求1～7的任意一项所述的储能单元，其特征在于，一个或多个meta-电容器具有大于或等于约0.01V/nm的击穿电场。9.根据权利要求1所述的储能单元，其特征在于，还包括冷却机构，其与电容式储能器件和/或直流电压变换器热接触。10.根据权利要求9所述的储能单元，其特征在于，上述冷却机构是无源冷却机构，能够使用空气、水、或乙二醇作为冷却剂。11.根据权利要求9所述的储能单元，其特征在于，冷却机构被配置得通过相变材料消除来自电容式储能器件和/或直流电压变换器的热。12.根据权利要求9所述的储能单元，其特征在于，冷却机构包括包含固体-液体相变材料的容器。13.根据权利要求12所述的储能单元，其特征在于，固体-液体相变材料是石蜡。14.根据权利要求1所述的储能单元，其特征在于，直流电压变换装置包括基于降压变换器、升压变换器、降压/升压转换器、双向降压/升压(分段PI：split-pi)变换器、Cuk变换器、单端初级电感变换器(SEPIC)、逆变降压/升压变换器、或四开关降压/升压变换器的控制板。15.根据权利要求14所述的储能单元，其特征在于，上述控制板被配置得在一个或多个meta-电容器从初始充电状态到最小充电状态的放电过程中维持上述储能单元的恒定的输出电压，其中，最小充电状态被定义为与等于存储在meta-电容器中的初始预留能量的0％～20％的剩余能量对应的meta-电容器的电压。16.根据权利要求15所述的储能单元，其特征在于，能够通过控制板对上述储能单元的恒定输出电压进行编程。17.根据权利要求15所述的储能单元，其特征在于，直流电压变换装置包括一个或多个开关型电压变换器，该开关型...

【专利技术属性】
技术研发人员：I·S·G·凯利摩根，M·R·鲁滨逊，P·T·富路达，D·曼布里诺，P·I·拉扎列夫，
申请(专利权)人：电容器科学股份公司，
类型：发明
国别省市：美国,US