一种增程式电动牵引机车的动力系统及动力控制方法与流程

本发明涉及新能源应用领域，尤其涉及一种增程式电动牵引机车的动力系统及动力控制方法。

背景技术：

图1是某型号额定功率为400kw的柴油机万有特性曲线图。如图1所示,a点为输出功率为60kw、转速为1500rpm时，比油耗是310g/kwh；而本发动机的经济油耗为转速1200rpm/输出功率300～320kw时，比油耗是191g/kwh；a点油耗比经济油耗高出38％。

目前，以柴油发电机组为动力的牵引机车能效低，主要原因如下：

1)为满足功率需求，牵引机车动力系统必须按最大功率选配，而牵引机车平均运用功率通常仅占动力系统最大功率的10％～30％、最大功率运行时间通常不到1％；非混合动力牵引机车因无能量缓冲单元，发电机组输出功率必须与机车功率需求实时匹配，发动机长期低负荷运转，燃油效率低，尤其是以常规发电机组为动力的设备，转速必须恒定在1500rpm，能效更低。

2)无制动能量回收功能：机车减速制动时产生大量能量，因无能量缓冲单元，导致回馈的能量无法存储，必须通过能耗电阻实时消耗掉，造成浪费。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种具有高能效的增程式电动牵引机车的动力系统及动力控制方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种增程式电动牵引机车的动力控制方法，该动力控制方法用于控制增程式电动牵引机车的动力系统，该动力系统包括控制器、发电机组、电池组。所述动力控制方法包括以下步骤：

a、判断所述电池组的剩余电量值是否低于第一预设电量值，如是，则执行如下步骤b；

b、控制所述发电机组以经济功率输出，向所述增程式电动牵引机车供电以及向所述电池组充电；

c、判断所述电池组的剩余电量值是否达到第二预设电量值，如是，则控制发电机组停止工作，切换至电池组向增程式电动牵引机车供电；

其中，所述第二预设电量值高于第一预设电量值。

进一步地，所述增程式电动牵引机车的动力控制方法在步骤a之前还包括电池组独立向增程式电动牵引机车供电的步骤，该电池组独立向增程式电动牵引机车供电，借以规避传统内燃机车动力系统发电机组冗余功率的浪费。

优选地，在电动牵引机车制动时，所述动力控制方法包括将电动牵引机车的机械能转化为电能并存储至电池组。

优选地，所述第二预设电量值低于所述电池组的剩余电量满值。

优选地，在步骤b与步骤c之间还包括判断述增程式电动牵引机车平均运用功率是否高于所述发电机组的经济功率的步骤，若所述增程式电动牵引机车平均运用功率高于所述发电机组的经济功率，所述增程式电动牵引机车的动力控制方法包括：

控制器判断所述电池组的剩余电量值是否低于第一预设电量值；以及

当所述电池组的剩余电量值高于第一预设电量值时，控制器控制发电机组继续以经济功率输出，同时所述电池组馈电；

当所述电池组的剩余电量值低于第一预设电量值时，控制器控制发电机组以额定功率或以备载功率输出，或者发出控制信号给到整车系统降低所述增程式电动牵引机车平均运用功率，所述发电机组继续以经济功率输出。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种增程式电动牵引机车的动力系统，用于为增程式电动牵引机车供电，该增程式电动牵引机车包括牵引电机及辅助用电设备，该动力系统包括一发电机组、一电池组、一控制器，所述发电机组通过一可控整流器与所述电池组并联后，分别与牵引电机及辅助用电设备连接，所述控制器分别与发电机组、可控整流器、电池组连接；所述控制器用于判断所述电池组的剩余电量值是否低于第一预设电量值，当所述电池组的剩余电量值低于第一预设电量值时，所述控制器控制所述发电机组以经济功率输出，向所述牵引电机、辅助用电设备供电以及向所述电池组充电；在所述发电机组以经济功率输出，向所述牵引电机、辅助用电设备供电以及向所述电池组充电时，所述控制器还用于判断所述电池组的剩余电量值是否达到第二预设电量值，当所述电池组的剩余电量值达到第二预设电量值，所述控制器控制所述发电机组停止工作，所述电池组独立向所述牵引电机、辅助用电设备供电。

本发明的增程式电动牵引机车的动力系统包括电池组和发电机组，该动力系统以电池组为牵引机车主动力源，可以规避传统内燃机车动力系统冗余功率的浪费；另外，发电机组的输出功率不需要与牵引机车功率需求实时匹配，保持在经济油耗区持续运转，燃油效率高，提高了能源效率。

附图说明

图1为额定功率为400kw的柴油机的万有特性曲线图；

图2为本发明一个实施例中的增程式电动牵引机车的动力控制方法的流程示意图；

图3为本发明一个实施例中电池组的剩余电量soc-电压曲线示意图；

图4为本发明另一个实施例中增程式电动牵引机车的动力控制方法的流程示意图；

图5为本发明增程式电动牵引机车的结构示意图。

具体实施方式

为使本领域的普通技术人员更加清楚地理解本发明的目的、技术方案和优点，以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。

如图2所示，其示出了本发明的一种实施例中的增程式电动牵引机车的动力控制方法的流程示意图。该增程式电动牵引机车包括牵引电机、辅助用电设备以及动力系统，该动力系统包括控制器、发电机组、电池组，该动力控制方法用于控制所述动力系统。所述动力控制方法包括以下步骤：

步骤s1，所述电池组独立向所述牵引电机、辅助用电设备供电。

电池组作为牵引机车的主动力电源，可以满足牵引机车在一段时间内的全电作业，即电池组在独立向所述牵引电机、辅助用电设备供电时，其放电功率大于或等于所述增程式电动牵引机车的最大需求功率；其次，电池组内部设置有电源管理系统，在电源管理系统的控制下，所述电池组独立供电时，其输出功率与所述增程式电动牵引机车的功率需求全程实时匹配。

步骤s2，判断所述电池组的剩余电量值是否低于第一预设电量值；若是，执行步骤s3，若否，返回步骤s1。

所述第一预设电量值的设置不高于所述电池组的剩余电量满值。需要说明的是，电池组的剩余电量满值的状态为电池组充满电的状态。电池组作为牵引机车的主动力电源，优先向牵引机车供电，当电池组的剩余电量值大于或等于时第一预设电量值时，所述电池组可以独立向所述牵引电机、辅助用电设备供电。所述第一预设电量值的设定需满足牵引机车的工作电压及功率：

牵引电机最低工作电压≤第一预设电压≤牵引电机最高工作电压；

电池组第一预设电压时的最大瞬时放电功率≥牵引机车的最大需求功率。

需要说明的是，上述第一预设电压为电池组剩余电量等于第一预设电量值时电池组的工作电压。

步骤s3，控制所述发电机组以经济功率输出，向所述牵引电机、辅助用电设备供电以及向所述电池组充电。

假设所述增程式电动牵引机车正常运行作业需求的功率为所述增程式电动牵引机车的平均运用功率。所述发电机组在电池组低剩余电量值时启动运行，用于向牵引机车供电以及向所述电池组充电，因此，发电机组的选配需遵循以下原则：发电机组的经济功率≥所述增程式电动牵引机车的平均运用功率。当某段作业时间内，牵引机车平均运用功率恰好等于发电机组的输出功率，则保持发电机组的持续运行，电池组在作业过程中既不放电也不充电，电池组所储存的电量基本保持平衡；当某段作业时间内，牵引机车平均运用功率低于发电机组的发动机在经济油耗区运行时的输出功率，仍控制发电机组以经济油耗输出功率，期间发电机组富余能量给电池组充电。

需要说明的是，上述的发电机组的经济功率，为发电机组的发动机在经济油耗区运行时输出的功率。

步骤s4，判断所述电池组的剩余电量值是否达到第二预设电量值，若是，返回步骤s1，若否，返回步骤s3。

所述第二预设电量值的设定需遵循以下原则：第一预设电量值≤第二预设电量值≤电池组剩余电量满值；第一预设电压≤第二预设电压≤牵引电机最高工作电压。由于发电机组启动运行时，其输出的能量优先提供给牵引机车使用，剩余的能量向电池组充电，因此，第二预设电压≤发电机组输出的电压≤牵引电机最高工作电压。

需要说明的是，上述第二预设电压为电池组剩余电量等于第二预设电量值时电池组的工作电压。

本发明的增程式电动牵引机车的动力系统以电池组为牵引机车主动力源，可以规避传统内燃机车动力系统冗余功率的浪费；另外，发电机组的输出功率不需要与牵引机车功率需求实时匹配，保持在经济油耗区持续运转，燃油效率高，提高了能源效率。

优选的，在电动牵引机车制动时，所述动力控制方法包括将电动牵引机车的机械能转化为电能并存储至电池组的步骤。牵引机车减速制动时会产生大量能量，电池组作为能量缓冲单元，可以回收牵引机车制动时产生的能量，实现能量的循环利用。

为实现牵引机车制动能量的完全回收，电池组不能设定在剩余电量满值状态下工作，需有冗余。因此，所述第二预设电量值小于电池组的剩余电量满值。如图3所示，所述第一预设电量值设为电池组40％soc(stateofcharge，即荷电状态，用来反应电池的剩余电量，其数值上定义为剩余容量占电池容量的比值)，所述第二预设电量值设为电池组60％soc，距离电池组剩余电量满值100％soc仍有40％的容量，可满足牵引机车制动能量的全回收。

如图4所示，其为本发明另一种实施例的增程式电动牵引机车的动力控制方法流程示意图。该增程式电动牵引机车包括牵引电机、辅助用电设备以及动力系统，该动力系统包括控制器、发电机组、电池组，该动力控制方法用于控制所述动力系统。所述动力控制方法包括以下步骤：

步骤s11，所述电池组独立向所述牵引电机、辅助用电设备供电。

电池组作为牵引机车的主动力电源，可以满足牵引机车在一段时间内的全电作业，即电池组在独立向所述牵引电机、辅助用电设备供电时，其放电功率大于或等于所述增程式电动牵引机车的最大需求功率；其次，电池组内部设置有电源管理系统，在电源管理系统的控制下，所述电池组独立供电时，其输出功率与所述增程式电动牵引机车的功率需求全程实时匹配。

步骤s12，判断所述电池组的剩余电量值是否低于第一预设电量值；若是，执行步骤s3，若否，返回步骤s1。

所述第一预设电量值的设置不高于所述电池组的剩余电量满值。需要说明的是，电池组的剩余电量满值的状态为电池组充满电的状态。电池组作为牵引机车的主动力电源，优先向牵引机车供电，当电池组的剩余电量值大于或等于第一预设电量值时，所述电池组可以独立向所述牵引电机、辅助用电设备供电。所述第一预设电量值的设定需满足牵引机车的工作电压及功率：

牵引电机最低工作电压≤第一预设电压≤牵引电机最高工作电压；

电池组第一预设电压时的最大瞬时放电功率≥牵引机车的最大需求功率。

需要说明的是，上述第一预设电压为电池组剩余电量等于第一预设电量值时电池组的工作电压。

步骤s13，控制所述发电机组以经济功率输出，向所述牵引电机、辅助用电设备供电以及向所述电池组充电。

假设所述增程式电动牵引机车正常运行作业需求的功率为所述增程式电动牵引机车的平均运用功率。所述发电机组在电池组低剩余电量值时启动运行，用于向牵引机车供电以及向所述电池组充电，因此，发电机组的选配需遵循以下原则：发电机组的经济功率≥所述增程式电动牵引机车的平均运用功率。当某段作业时间内，牵引机车平均运用功率恰好等于发电机组的输出功率，则保持发电机组持续运行，电池组在作业过程中既不放电也不充电，电池组所储存的电量基本保持平衡；当某段作业时间内，牵引机车平均运用功率低于发电机组的发动机在经济油耗区运行时的输出功率，仍控制发电机组以经济油耗输出功率，期间发电机组富余能量给电池组充电。

需要说明的是，上述的发电机组的经济功率，为发电机组的发动机在经济油耗区运行时输出的功率。

步骤s14，判断牵引机车平均运用功率是否高于发电机组的经济功率，若是，执行步骤s15，若否，执行步骤s18。

步骤s15，判断所述电池组的剩余电量值是否低于第一预设电量值；若是，执行步骤s16，若否，执行步骤s17。

步骤s16，发电机组以额定功率或以备载功率输出，或者发出控制信号给到整车系统降低所述增程式电动牵引机车平均运用功率，所述发电机组继续以经济功率输出。

偶发的，当某段作业时间内，牵引机车平均运用功率高于发电机组的经济功率，且电池组的剩余电量值降至第一预设电量值时，可控制发电机组以额定功率或以备载功率输出，短时牺牲最佳油耗保生产效率；如若生产允许，也可放缓作业速度，降低牵引机车的平均运用功率，控制能量平衡，所述发电机组继续以经济功率输出，保持发电机组的经济油耗。

步骤s17，发电机组以经济油耗功率输出，同时所述电池组馈电。

偶发的，当某段作业时间内，牵引机车平均运用功率高于发电机组的发动机在经济油耗区运行时的输出功率，在电池组的剩余电量值不低于第一预设电量值的情况下，发电机组的输出功率无法满足牵引机车的功率需求，可通过电池组馈电的方式进行补偿，以满足牵引机车作业的功率需求，此时，所述电池组、发电机组的输出功率之和与所述增程式电动牵引机车的功率需求实时匹配。

步骤s18，判断所述电池组的剩余电量值是否达到第二预设电量值；若是，返回步骤s11，若否，返回步骤s13。

所述第二预设电量值的设定需遵循以下原则：第一预设电量值≤第二预设电量值≤电池组的剩余电量满值。第一预设电压≤第二预设电压≤牵引电机最高工作电压。由于发电机组启动运行时，其输出的能量优先提供给牵引机车使用，剩余的能量向电池组充电，因此，第二预设电压≤发电机组输出的电压≤牵引电机最高工作电压。

需要说明的是，上述第二预设电压为电池组剩余电量等于第二预设电量值时电池组的工作电压。

本发明的增程式电动牵引机车的动力系统以电池组为牵引机车主动力源，可以规避传统内燃机车动力系统冗余功率的浪费；另外，发电机组的输出功率不需要与牵引机车功率需求实时匹配，保持在经济油耗区持续运转，燃油效率高，提高了能源效率。

优选的，在电动牵引机车制动时，所述动力控制方法包括将电动牵引机车的机械能转化为电能并存储至电池组的步骤。牵引机车减速制动时会产生大量能量，电池组作为能量缓冲单元，可以回收牵引机车制动时产生的能量，实现能量的循环利用。

为实现牵引机车制动能量的完成回收，电池组不能设定在剩余电量满值状态下工作，需有冗余。因此，所述第二预设电量值小于电池组的满电量工作电压。如图3所示，所述第一预设电量值设为电池组40％soc(stateofcharge，即荷电状态。用来反应电池的剩余电量，其数值上定义为剩余容量占电池容量的比值)，所述第二预设电量值设为电池组60％so，距离电池组剩余电量满值100％soc仍有40％的容量，可满足牵引机车制动能量的全回收。

如图5所示，其为本发明增程式电动牵引机车的结构示意图。该增程式电动牵引机车包括牵引电机6、辅助用电设备8以及动力系统10，所述动力系统10与辅助用电设备8以及牵引电机6连接，用于向所述牵引电机6、辅助用电设备8供电。

所述动力系统10包括发电机组2、可控整流器3、电池组4、电机控制器5以及控制器1，其中，电池组4内部设置有电源管理系统，在电源管理系统的控制下，所述电池组的输出功率与所述增程式电动牵引机车的功率需求实时匹配。所述发电机组2通过可控整流器3与所述电池组4并联连接至直流母线，通过直流母线分别与电机控制器5、逆变器7连接。所述电机控制器5与所述牵引电机6连接，用于控制牵引电机6的运行。所述逆变器7与所述辅助用电设备8，用于将直流电流转变为标准三相电流为机车辅助用设备8供电。所述控制器1分别与所述发电机组2、可控整流器3、电池组4、逆变器7连接，用于控制所述发电机组2、可控整流器3、电池组4、逆变器7的运行。

所述电池组4作为增程式电动牵引机车的主动力电源，其放电功率满足增程式电动牵引机车总装机容量，即电池组4独立供电可支持增程式电动牵引机车在最大功率需求下运行，并可满足增程式电动牵引机车在一段时间内的全电作业，电池组4输出功率与增程式电动牵引机车功率需求实时匹配。该电池组4独立向增程式电动牵引机车供电，借以规避传统内燃机车动力系统发电机组2冗余功率的浪费。假设剩余电量值等于第一预设电量值时电池组的工作电压为第一预设电压，剩余电量值等于第二预设电量值时电池组的工作电压为第二预设电压，则所述电池组4选配以及第一、二预设电量值需遵循以下原则：

1)电池组第一预设电压时的最大瞬时放电功率≥牵引机车的最大需求功率；

2)电池组的工作电压范围与所述牵引电机的工作电压范围交叉重叠。优选地，电池组的工作电压范围可以全覆盖所述牵引电机的工作电压范围，以确保牵引机车动力系统的安全和稳定。

3)牵引电机最高工作电压≥第二预设电压≥第一预设电压≥牵引电机最低工作电压。

4)电池组剩余电量满值≥第二预设电量值≥第一预设电量值。

所述发电机组2，用于在所述电池组4的剩余电量值低于第一预设电量值时，向所述牵引电机6、辅助用电设备8供电以及向所述电池组4充电，其在所述控制器1控制下，保持其发动机在经济油耗区持续恒转速、恒功率运行。假设发电机组2的发动机在经济油耗区运行时输出的功率为发电机组的经济功率，则发电机组2的经济功率大于或等于所述增程式电动牵引机车的平均运用功率，以满足所述增程式电动牵引机车正常工作的功率需求。

可控整流器3，用于将发电机组2输出的ac交流电进行整流、升压，转换成dc直流电后输出，向牵引机车供电。优选的，为保证发电机组2启动运行时，输出能量优先被使用，避免能量经过电池组4再利用，提高能效，减少电池组4充放，延长电池组4寿命，所述发电机组通过可控整流器整流、升压后输出的直流电压大于或等于第二预设电压。

控制器1，用于判断所述电池组的剩余电量值是否低于第一预设电量值；当所述电池组的剩余电量值低于第一预设电量值时，所述控制器控制所述发电机组以经济功率输出，向所述牵引电机、辅助用电设备供电以及向所述电池组充电。

在所述发电机组在经济油耗区持续运行，以经济功率输出向所述牵引电机、辅助用电设备供电以及向所述电池组充电时，所述控制器1还用于判断所述电池组的剩余电量值是否达到第二预设电量值；当所述电池组的剩余电量值达到第二预设电量值，所述控制器控制所述发电机组停止工作，所述电池组独立向所述牵引电机、辅助用电设备供电。

所述增程式电动牵引机车的动力系统的工作流程：在电池组4独立供电情况下作业，控制器1判断电池组4的剩余电量值是否低于第一预设电量值，当所述电池组4的剩余电量值低于第一预设电量值时，所述控制器1控制所述发电机组2的发动机在经济油耗区持续恒转速、恒功率运行，向所述牵引电机6、辅助用电设备8供电以及向所述电池组4充电；当所述电池组4充电至剩余电量值达到第二预设电量值时，其中所述第二预设电量值高于第一预设电量值，所述控制器1控制所述发电机组2停止工作，所述电池组4独立向所述牵引电机6、辅助用电设备8供电。电动牵引机车在减速制动时会产生大量能量，电机控制器5对牵引电机6运行方式进行调整，使牵引电机6作为发电机运行，将牵引机车的机械能转化为电能，并将电能存储至电池组4或供牵引机车的辅助用电设备8使用。

本发明的增程式电动牵引机车的动力系统以电池组为牵引机车主动力源，可以规避传统内燃机车动力系统冗余功率的浪费；电池组还作为能量缓冲单元，可以回收牵引机车制动时产生的能量，实现能量的循环利用；另外，发电机组的输出功率不需要与牵引机车功率需求实时匹配，保持在经济油耗区持续运转，燃油效率高，提高了能源效率。

优选的，在一些实施例中，为实现牵引机车制动能量的完成回收，电池组不能设定在剩余电量满值状态下工作，需有冗余。因此，所述第二预设电量值小于电池组的剩余电量满值。如图3所示，所述第一预设电量值设为电池组40％soc(stateofcharge，即荷电状态。用来反应电池的剩余电量，其数值上定义为剩余容量占电池容量的比值)，所述第二预设电量值设为电池组60％soc，距离电池组剩余电量满值100％soc仍有40％的容量，可满足牵引机车制动能量的全回收。

优选的，在一些实施例中，在所述发电机组2以经济功率输出，向所述牵引电机6、辅助用电设备8供电以及向所述电池组4充电时，所述控制器1还用于判断述增程式电动牵引机车平均运用功率是否高于所述发电机组2的经济功率，若所述增程式电动牵引机车平均运用功率高于所述发电机组2的经济功率，所述控制器1用于判断所述电池组4的剩余电量值是否低于第一预设电量值；当所述电池组4的剩余电量值高于第一预设电量值时，控制器1控制发电机组2继续以经济功率输出，同时所述电池组4馈电，此时，所述电池组4、发电机组2的输出功率之和与所述增程式电动牵引机车的功率需求实时匹配；当所述电池组4的剩余电量值低于第一预设电量值时，控制器1控制发电机组2以额定功率或以备载功率输出，或者发出控制信号给到整车系统降低所述增程式电动牵引机车平均运用功率，所述发电机组2继续以经济功率输出。

以上所述仅为本发明的优选实施例，而非对本发明做任何形式上的限制。本领域的技术人员可在上述实施例的基础上施以各种等同的更改和改进，凡在权利要求范围内所做的等同变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。