一种有轨电车混合供电系统的制作方法

本发明属于轨道交通领域，特别涉及一种有轨电车混合供电系统。

背景技术：

现有的储能式有轨电车供电系统有两种，第一种是单独利用超级电容作为储能元件的供电系统，第二种是单独利用蓄电池作为储能元件的供电系统。

如图1所示，单独利用超级电容作为储能元件的有轨电车供电系统包括至少一套超级电容4，其中超级电容4与高压直流母线1电连接，有轨电车上的用电设备2（牵引系统201、辅助系统202、直流变频空调203）与高压直流母线1电连接，高压直流母线1还可在电车停站时与地面充电机3电连接。并联的超级电容4给有轨电车的dc500v-dc900v高压直流母线1供电，有轨电车的所有用电设备2从高压直流母线1获取dc500v-dc900v的高压直流电。图2为单独利用超级电容供电的有轨电车供电系统具体电路图。

由于超级电容充电快，因而单独超级电容供电的供电系统能够满足停站充电时间不大于30s的要求。但是，由于单体超级电容储能少，同时车顶安装空间有限，对超级电容的数目有限制，导致整列车的超级电容可用能量约为9~14kwh，超级电容续航里程短，车辆在平直道的续航里程约为2~3km，在等待红绿灯、爬长坡道等复杂路况，车辆续航里程将大大减少，工作可靠性低。

由于纯超级电容供电的有轨电车续航里程短，为了保证车辆的正常运行，基本每站都需要设置地面充电机3，确保车辆停站后，能够通过地面充电机3为车辆超级电容充电。

如图3所示，单独利用蓄电池作为储能元件的有轨电车供电系统包括至少一组蓄电池6，其中蓄电池6通过双向充电机5与高压直流母线1电连接，有轨电车上的用电设备2（牵引系统201、辅助系统202、直流变频空调203）与高压直流母线1电连接，高压直流母线1还可在电车停站时与地面充电机3电连接。并联的蓄电池6给有轨电车的dc500v-dc900v高压直流母线1供电，有轨电车的所有用电设备2从高压直流母线1获取dc500v-dc900v的高压直流电。

由于蓄电池储能能力强，因而续航里程较长。但是，由于蓄电池的功率密度低，因而需要配置多套蓄电池才能保证车辆的启动功率，受安装空间限制。同时，由于大电流充放电会影响蓄电池的使用寿命，为不影响蓄电池的寿命，蓄电池单次充电时间一般要求不低于6~10min，无法满足停站充电时间不大于30s的要求，影响电车的运输效率。此外，由于蓄电池循环充放电次数较少，将其作为主要能源使用会影响有轨电车的全寿命使用周期。

技术实现要素：

现有单一使用超级电容供电的有轨电车储能较少，续航能力差，对复杂路况的应对能力差，工作可靠性低；单一使用蓄电池供电的有轨电车需要配备多套蓄电池，受安装空间限制，同时蓄电池充电时间长，循环充放电次数较少，影响电车的运输效率和全寿命使用周期。本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种有轨电车混合供电系统，利用超级电容和蓄电池进行混合供电，续航能力强，工作可靠性高，不受安装空间限制，停站充电时间短，电车运输效率高，电车全寿命使用周期长。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种有轨电车混合供电系统，包括直流母线，有轨电车上的用电设备与直流母线电连接，直流母线还可在电车停站时与地面充电机电连接，其结构特点是直流母线与超级电容电连接，且直流母线通过双向充电机与蓄电池电连接；其中超级电容：用于在有轨电车处于牵引工况且超级电容的电压值不小于第一设定值时单独向直流母线供电；用于在有轨电车处于牵引工况且超级电容的电压值小于第一设定值时与蓄电池同时向直流母线供电。

借由上述结构，本发明利用超级电容和蓄电池进行混合供电。将超级电容作为主电源，蓄电池作为备用电源，充分利用超级电容功率密度大且蓄电池能量密度大的优势，同时满足列车动力性能大和储能能力强的要求，不受安装空间限制。在牵引工况优先使用超级电容供电，能够保证车辆的启动功率，在超级电容电压不够的情况下使用使用超级电容和蓄电池同时供电，提高了续航里程，能根据线路减少地面充电机的设置。同时，蓄电池作为备用电源，降低了蓄电池的充放电次数，延长了蓄电池的使用寿命。

进一步地，所述蓄电池用于在有轨电车等红灯时或有轨电车停站不充电时单独向直流母线供电。

蓄电池作为辅助电源，在有轨电车等红灯时或有轨电车停站不充电时单独向直流母线供电，避免因使用超级电容供电而引起启动功率不足的现象，对复杂路况（长时间等待红绿灯或大长上坡路况）的应对能力强。

进一步地，超级电容用于在有轨电车处于制动工况且超级电容的电压值不大于第二设定值时单独吸收直流母线上的再生能量；超级电容用于在有轨电车处于制动工况且超级电容的电压值大于第二设定值时与蓄电池同时吸收直流母线上的再生能量。

在回收再生制动能量时，优先对超级电容进行充电，以保证电车的启动功率。在超级电容基本充满的情况下，启动双向充电机对蓄电池进行充电，蓄电池的设置提高了整体充电量，能够吸收无法被超级电容吸收的再生制动能量，提高车辆再生能耗利用率和续航能力，大大提升电车对复杂路况（堵车、等红灯等）的应对能力，工作可靠性高，运行成本低。

进一步地，所述地面充电机用于在有轨电车停站充电时同时向超级电容和蓄电池充电。

作为一种优选方式，所述超级电容和蓄电池在中间站点停站充电的时间不大于30s。

超级电容充电快，蓄电池储能多，由于利用超级电容和蓄电池混合供电模式，在中间站点停站时仅进行短时间充电即可满足运行要求，能够满足停站充电时间不大于30s的要求，电车运输效率高。

作为一种优选方式，所述蓄电池在终点站充满电。

在终点站利用折返时间给蓄电池充满电，能够确保续航里程和工作可靠性，不影响电车运输效率。

进一步地，还包括与蓄电池电连接的电池管理系统，该电池管理系统通过can总线与双向充电机相连，所述双向充电机按照电池管理系统发送的充电电流值向蓄电池充电。

电池管理系统能够监测蓄电池的电流、电压、温度等参数，并根据蓄电池的状态向双向充电机发送最大允许充电电流值，双向充电机按照蓄电池发送的充电电流值，控制输出电流，可以延长蓄电池的使用寿命。

作为一种优选方式，所述双向充电机用于在蓄电池充电且蓄电池的电压值小于第三设定值时控制蓄电池恒流充电，双向充电机用于在蓄电池的电压值不小于第三设定值时控制蓄电池停止充电。

进一步地，在can通讯故障时，所述双向充电机用于在蓄电池充电且蓄电池的电压值小于第三设定值时控制蓄电池恒流充电，双向充电机用于在蓄电池的电压值不小于第三设定值时控制蓄电池停止充电。

在无电池管理系统或can通讯故障时，由双向充电机按照设定的方法对蓄电池进行充电以保护蓄电池。

作为一种优选方式，所述用电设备包括牵引系统、辅助系统和直流变频空调。

与现有技术相比，本发明利用超级电容和蓄电池进行混合供电，利用超级电容作为主动力，利用蓄电池作为辅助动力，续航能力强，工作可靠性高，不受安装空间限制，停站充电时间短，电车运输效率高，电车全寿命使用周期长，再生能耗利用率高，运行成本低。

附图说明

图1为现有技术中单独利用超级电容作为储能元件的有轨电车供电系统结构图。

图2为单独利用超级电容供电的有轨电车供电系统具体电路图。

图3为现有技术中单独利用蓄电池作为储能元件的有轨电车供电系统结构图。

图4为本发明有轨电车混合供电系统结构图。

图5为本发明一实施例的具体电路结构图。

图6为有轨电车在处于牵引工况时本发明的供电示意图。

图7为有轨电车等红灯或停站不充电时本发明的供电示意图。

图8为有轨电车处于制动工况时本发明的供电示意图。

图9为有轨电车停站充电时本发明的供电示意图。

图10为can通讯正常时蓄电池的充电曲线。

图11为can通讯故障时蓄电池的充电流程。

其中，1为直流母线，2为用电设备，201为牵引系统，202为辅助系统，203为直流变频空调，3为地面充电机，4为超级电容，5为双向充电机，6为蓄电池，7为电池管理系统。

具体实施方式

如图4和图5所示，有轨电车混合供电系统包括直流母线1，有轨电车上的用电设备2与直流母线1电连接，直流母线1还可在电车停站时与地面充电机3电连接，直流母线1与2套超级电容4电连接，且直流母线1通过1套双向充电机5（双向dc/dc充电机）与1台蓄电池6（钛酸锂电池）电连接；其中超级电容4：用于在有轨电车处于牵引工况且超级电容4的电压值不小于第一设定值时单独向直流母线1供电；用于在有轨电车处于牵引工况且超级电容4的电压值小于第一设定值时与蓄电池6同时向直流母线1供电。本实施例中，第一设定值为dc650v。直流母线1为dc500v~900v高压供电母线。

所述蓄电池6用于在有轨电车等红灯时或有轨电车停站不充电时单独向直流母线1供电。

超级电容4用于在有轨电车处于制动工况且超级电容4的电压值不大于第二设定值时单独吸收直流母线1上的再生能量；超级电容4用于在有轨电车处于制动工况且超级电容4的电压值大于第二设定值（第二设定值根据用户线路条件确定）时与蓄电池6同时吸收直流母线1上的再生能量。

所述地面充电机3用于在有轨电车停站充电时同时向超级电容4和蓄电池6充电。

所述超级电容4和蓄电池6在中间站点停站充电的时间不大于30s。

所述蓄电池6在终点站充满电。

有轨电车混合供电系统还包括与蓄电池6电连接的电池管理系统7，该电池管理系统7通过can总线与双向充电机5相连，所述双向充电机5按照电池管理系统7发送的充电电流值向蓄电池6充电。

在can通讯故障时，所述双向充电机5用于在蓄电池6充电且蓄电池6的电压值小于第三设定值时控制蓄电池6恒流充电，双向充电机5用于在蓄电池6的电压值不小于第三设定值时控制蓄电池6停止充电。本实施例中，第三设定值为dc560v。

所述用电设备2包括牵引系统201、辅助系统202和直流变频空调203。

具体地，利用本发明供电系统供电具体包括如下过程：

1、牵引工况

如图6所示，在牵引工况，混合供电系统通过超级电容4优先供电，当超级电容4的电压值低于第一设定值（如dc560v，具体可根据用户线路条件确定）时，双向充电机5开通，蓄电池6开始投入，为车辆补充能量。

2、等红灯或停站不充电工况

如图7所示，当车辆在十字路口等待红绿灯时，或车辆停站不充电时，双向充电机5开通，控制蓄电池6为车辆辅助系统202供电。

3、制动工况

如图8所示，车辆处于制动工况时，再生能量优先反馈至超级电容4，超级电容4电压高于第二设定值（根据用户线路条件确定）时，双向充电机5开通，将再生能量同时反馈给动力蓄电池6。

4、停站充电工况

如图9所示，停站充电时，双向充电机5开通，地面充电机3同时给超级电容4和蓄电池6充电。在线路中间站点，蓄电池6按不大于30s充电，仅在终点站利用折返时间给蓄电池6充满电。

图6~图9中箭头所示方向为电流流向。

本发明中，双向充电机5与蓄电池6之间通过can通讯和硬线连接的冗余控制方式：

（1）can通讯正常

当can通讯正常时，电池管理系统7按照图10中的充电曲线，向双向充电机5实时发送最大允许充电电流值，双向充电机5按照接收到的充电电流值控制输出电流，同时应满足充电时间要求。

蓄电池6充满后（soc为100%或充电电流为0），双向充电机5停止蓄电池6的充电，电池管理系统7在整车24v控制电正常的情况下保持运行，监测电池状态。

（2）can通讯故障

当can通讯故障情况时，双向充电机5按下图11所示充电流程要求对蓄电池6进行充电。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是局限性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。