轨道交通混合动力系统控制电路、轨道交通车辆及其供电方法与流程

本发明涉及轨道交通领域，特别是一种轨道交通混合动力系统控制电路、轨道交通车辆及其供电方法。

背景技术：

目前采用电网受流的轨道交通车辆在通过无电区时无法发挥牵引力，内燃驱动的轨道交通车辆在驶入隧道后产生的废气排放可能会产生危险的后果，而采用车载储能动力包的混合动力驱动方式可以有效提高机车运行效率和以及降低机车在隧道内的乃至全线路区段内的废气排放。目前，主要的储能元件有蓄电池、超级电容等，电池又分为铅酸电池、碱性电池、锂电池等，作为动力蓄电池一般采用能量密度和功率密度都相对较大的锂电池。超级电容器是一种新型的电容器，其具有较大的功率密度。锂电池虽然在纯电动车辆和混合动力车辆上得到了广泛的应用，但大电流充放电对锂电池的寿命和效率存在不利的影响。而超级电容虽然可以快速的进行大功率充放电，但其较低的能量密度却无法独自完成作为车载储能元件的任务。因此，将超级电容和电池进行结合是解决轨道交通动力驱动的有效方案。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种轨道交通混合动力系统控制电路、轨道交通车辆及其供电方法，

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种轨道交通混合动力系统控制电路，包括锂电池；所述锂电池通过dc/dc变流器接超级电容；所述超级电容接牵引变流器、充电机；所述牵引变流器接牵引电机、电网；所述电网与充电机连接；所述dc/dc变流器接控制单元；所述控制单元与超级电容容量管理单元、锂电池容量管理、机车中央控制单元连接；所述超级电容容量管理单元、锂电池容量管理单元分别与所述超级电容、锂电池连接。

所述机车中央控制单元与机车供电模式选择开关、司机控制手柄连接。

相应地，本发明还提供了一种轨道交通车辆，其采用上述混合动力系统控制电路。

作为一个发明构思，本发明还提供了一种轨道交通车辆的供电方法，包括电网供电模式与储能动力包供电模式；其中：

当处于电网供电模式时，储能动力包不对外供电，在机车启机时，锂电池通过dc/dc变流器向超级电容充电，为机车车辆运行做准备，此时dc/dc变流器处于工作模式1；在需要电网通过充电机向储能动力包充电时，dc/dc变流器进入工作模式2；而当机车处于再生制动时，dc/dc变流器进入工作模式5；牵引电机产生的回馈能量通过牵引变流器、充电机向储能动力包充电；

当处于储能动力包供电模式时，由储能动力包向机车牵引回路供电，通过切换dc/dc变流器工作模式3与工作模式4，调节储能动力包的输出功率，进而调节机车牵引功率；当机车处于再生制动时，dc/dc变流器进入工作模式5，牵引电机产生的回馈能量通过牵引变流器、充电机向储能动力包充电。

工作模式1为锂电池向超级电容充电；工作模式2为电网通过充电机向储能动力包充电；工作模式3为机车小功率牵引；工作模式4为机车大功率牵引；工作模式5为机车再生制动。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明可以实现机车在电网供电模式和储能动力包供电模式下工作，通过dc/dc变流器在不同工作模式下的切换，满足了机车启动预充电、储能动力包充电、机车小功率/大功率牵引以及再生制动能量吸收的功能需求，实现能量在锂电池与超级电容之间传输，充分利用了锂电池能量密度高以及超级电容功率密度高的特点，同时在机车运行时吸收再利用再生制动能量，实现节能环保的目的；本发明匹配了不同特性的两种储能元件，使其发挥各自的性能优势，满足机车在电网供电模式以及储能动力包供电模式下的储能动力包充放电需求。

附图说明

图1为本发明控制电路示意图；

图2为本发明控制方法原理图。

具体实施方式

本发明的控制方法说明如下：锂电池通过dc/dc变流器与超级电容组合，dc/dc变流器从原理上来说就是buck-boost(升降压)电路，通过控制dc/dc变流器处于升压或降压模式，实现能量在锂电池与超级电容之间传输。超级电容直接与直流母线连接，可快速响应机车功率需求，例如即时吸收机车再生制动时回馈的能量，并在下一个机车牵引阶段释放，使再生制动的能量得到高效的回收利用，同时其也有稳定直流母线电压的作用。而当机车大功率牵引运行或超级电容能量耗尽/充满时，锂电池通过dc/dc变流器向超级电容补充或吸收能量，利用其能量密度大的特点，保证机车拥有足够的续航里程，同时避免锂电池直接向直流母线大电流充放电进而影响其使用寿命。

dc/dc变流器负责储能动力包的能量管理，调节超级电容与锂电池之间的能量传输，是储能动力包充放电控制的核心部件。dc/dc变流器具有五种工作模式，分别为工作模式1：锂电池向超级电容充电、工作模式2：电网通过充电机向储能动力包充电、工作模式3：机车小功率牵引、工作模式4：机车大功率牵引、工作模式5：机车再生制动。

超级电容、锂电池与机车中央控制单元分别通过can总线与dc/dc变流器进行通讯，机车运行时，超级电容容量管理单元（3）与锂电池容量管理单元（1）将超级电容输出电压信号与锂电池容量信号发送给dc/dc变流器控制单元（2），同时机车中央控制单元（4）将机车状态信号包括机车供电模式选择开关（6）发送的机车电网/储能动力包供电模式信号、司机控制手柄（5）发送的机车牵引/再生制动信号以及机车速度信号传递给dc/dc变流器控制控制单元（2）。随后dc/dc变流器控制单元（2）根据输入的信号的判断是否符合dc/dc变流器自身五种工作模式的执行条件，输出升压/降压信号给其升降压电路，当输出降压信号时将超级电容电压向锂电池充电，当输出升压信号时锂电池向超级电容供电，完成储能动力包的充放电控制，控制方法如图2所示。

该混合动力系统拥有两种供电模式，分别为电网供电模式与储能动力包供电模式，当处于电网供电模式时，储能动力包不对外供电，在机车启机时，锂电池可以通过dc/dc变流器向超级电容充电，为机车车辆运行做准备，此时dc/dc变流器处于工作模式1。在需要电网通过充电机向储能动力包充电时，dc/dc变流器进入工作模式2。而当机车处于再生制动时，dc/dc变流器进入工作模式5，牵引电机产生的回馈能量通过牵引变流器、充电机向储能动力包充电。

当处于储能动力包供电模式时，由储能动力包向机车牵引回路供电，通过切换dc/dc变流器工作模式3与工作模式4可调节储能动力包的输出功率，进而调节机车牵引功率。而当机车处于再生制动时，dc/dc变流器进入工作模式5，牵引电机产生的回馈能量通过牵引变流器、充电机向储能动力包充电。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种轨道交通混合动力系统控制电路、轨道交通车辆及其供电方法，混合动力系统控制电路，包括锂电池；所述锂电池通过DC/DC变流器接超级电容；所述超级电容接牵引变流器、充电机；所述牵引变流器接牵引电机、电网；所述电网与充电机连接；所述DC/DC变流器接控制单元；所述控制单元与超级电容容量管理单元、锂电池容量管理、机车中央控制单元连接；所述超级电容容量管理单元、锂电池容量管理单元分别与所述超级电容、锂电池连接。本发明匹配了不同特性的两种储能元件，使其发挥各自的性能优势，满足机车在电网供电模式以及储能动力包供电模式下的储能动力包充放电需求。

技术研发人员：王位;黄海;邹焕青;龙源;郭婉露;陈盛才
受保护的技术使用者：中车株洲电力机车有限公司
技术研发日：2017.11.03
技术公布日：2018.03.02