CN100396509C - 磁浮列车无供电轨车载电网供电方法和车载电网的连接配置 - Google Patents

Abstract

一种磁浮列车无供电轨的车载电网供电方法，其特征在于：由车载电网的电网控制器按混沌控制策略制定的控制程序，通过车载电网的配电器在列车停站准备运行和应急制动停车时由容量大于等于45Ah、比能量大于等于60wh/kg的高能单节可充电电池组成的蓄电池组向车载电网的负载供电，在车速小于100km/h路段由蓄电池组配合车载直线发电机共同向车载电网供电、在车速大于100km/h路段由车载直线发电机单独向车载电网供电兼或车载电网的升压斩波器向蓄电池组充电，保证蓄电池组容量在额定容量的70%～90%之间。解决磁浮列车取消供电轨铺助供电后蓄电池组向车载电网供电的技术问题。

Description

磁浮列车无供电轨车载电网供电方法和车载电网的连接配置

技术领域：

本发明是属于车辆供电，特别是关于不设供电轨的磁浮列车车载电网供电方法和车载电网的配置。

背景技术：

磁浮列车作为一种新型高速轨道交通理念，从上世纪提出至今，在发达国家尚处于实验性运行阶段，还未正式投入商业运行。造成这种情况的重要原因之一在于磁浮列车的许多技术措施受当前的高科技集成生产水平所限，致使投资过大，缺乏经济性。如目前磁浮列车采用供电轨和受流器对车载电网进行辅助供电就是一个实例。与电力机车从架空接触网获取牵引和车载电网电力不同，磁浮列车没有架空接触网，它是由敷设在线路上的长定子直线同步电动机提供牵引力，由车载直线发电机供给车载电网所需电力。而作为发电设备的车载直线发电机在停车时不发电，且在列车低速(车速小于100km/h)运行时其所发电力不足以供车载电网之需。磁浮列车虽然配置了多年前属于先进储能器件的镍镉电池，但受车辆自重的限制，所配置的电池能量不够供应列车在停站、起浮和低速路段时车载电网的电力要求。为此，必须在站点和其两端的低速路段铺设刚性悬挂的供电轨，和设置在列车上可伸缩的受流器作为车载电网的一部分，由列车上伸出的受流器与供电轨相接触而对车载电网进行辅助供电，只有当列车车速超过100km/h正常运行后，由升压斩波器切换到完全由直线发电机供电。此外，为解决在牵引供电和运行控制系统(VOCS)出现问题需临时停车时的车载电网供电，在站点之间也还需要铺设若干区段的供电轨。图1所示的为两站点距离50公里时，对应不同速度段A、B、C所铺设的应急供电轨A₁A₂、B₁B₂、C₁C₂的总长度约占站点距离的1/3～1/2。供电轨采用的高导电性能耐磨合金材料本身价格就贵，加以铺设的质量要求高，因此使磁浮列车线路的基建费用高昂。同时在低速路段受流器与供电轨频繁接触，滑动摩擦损耗大，检查维护的工作量也随同增加，运行和维修费用也相应加大。众所周知，镍镉电池存在强烈的记忆效应，浅充浅放的工作状态会大大降低其大功率重复放电效率，所以，现有磁浮列车仅将车载的镍镉电池作为列车涡流紧急制动时的备用电源来使用，每节车箱配置8个440V、27Ah的镍镉电池箱(每箱由1.2V、27Ah的单节镍镉电池串接组成)，总储能量为47.52kwh。而且这些镍镉电池必须定期取出重新化成维护，也增加了费用。如果，采用记忆效应小，且比能量优于上述镍镉电池的高容量蓄电池与现有磁浮列车车载电网匹配，则需专门设计附加保护电路对蓄电池的运行状态加以防范才可。

发明内容：

本发明在于提供一种磁浮列车无供电轨的车载电网供电方法和车载电网的连接配置，解决磁浮列车取消供电轨辅助供电后蓄电池组向车载电网供电的技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种磁浮列车无供电轨的车载电网供电方法，其特征在于：由车载电网的电网控制器按混沌控制策略制定的控制程序，通过车载电网的配电器在列车停站准备运行和应急制动停车时由容量大于等于45Ah、比能量大于等于60wh/kg的高能单节可充电电池组成的蓄电池组向车载电网的负载供电，在车速小于100km/h路段由蓄电池组配合车载直线发电机共同向车载电网供电、在车速大于100km/h路段由车载直线发电机单独向车载电网供电兼或车载电网的升压斩波器向蓄电池组充电，保证蓄电池组容量在额定容量的70％～90％之间。

该电网控制器执行的混沌控制策略的具体控制程序为：

1).列车停站准备运行时，首先检测蓄电池组容量，若该容量小于70％额定值时，启动外部供电开关对蓄电池组充电，直至该容量升至≥90％额定值后关闭外部供电开关；若蓄电池组容量大于等于70％额定值时通过配电器开通相应的蓄电池组至电网的通路，由蓄电池组向车载电网负载供电；

2).列车浮起、启动后，车速小于100km/h时，配电器接通升压斩波器通路，使直线发电机升压至电网电压接入电网，与蓄电池组共同向车载电网负载供电；

3).列车时速超过100km/h后，配电器关断蓄电池组至电网的通路，停止向电网供电，直接由直线发电机向车载电网负载供电；

4).对蓄电池组容量进行检测，若该容量低于70％额定值时，选择开通蓄电池组所在电网中的指定升压斩波器至蓄电池组的充电通路，此时该指定的升压斩波器升压至1.15～1.25倍电网电压进行充电，直至蓄电池组容量＞90％额定值为止，该升压斩波器恢复电网正常电压；

5).正常运行中，当收到应急制动信号时，配电器同时接通全部蓄电池组通路协同向涡流制动供电；且在列车停运等候救援期间向车载电网负载供电；

6).列车减速到小于100km/h至停站(车)时，配电器接通蓄电池组通路，辅助直线发电机共同向车载电网负载供电，直至停靠站点，当车速为零时关闭升压斩波器至电网的通路；

7).重复运行上述1)～6)程序，直至列车停止运行。

一种按上述供电方法运行的磁浮列车无供电轨车载电网的连接配置，包含直线发电机、升压斩波器、配电器、电网控制系统，其特征在于：将每节车箱直接连接的直线发电机和升压斩波器分成四个象限，每个象限中的升压斩波器又分成四组；各象限中对应组别的升压斩波器相连排成一列，每列与一配电器相连；配置有4个总容量至少为79kwh、由高容量电池组成的蓄电池组，每个蓄电池组与对应的配电器相连形成四套电网，各蓄电池组的负极通过公共导线相互连接，该四套电网又通过四个上述的配电器并联，且连接于电网控制系统，构成冗余供电系统。

本发明的优点如下：

1.不必铺设昂贵的供电轨，既降低了造价、又缩短了建设周期。

2.减少了线路和供电设施的维护工作量和运行费用。

3.由于使用了容量和重量能量比高于镍镉电池的高能量蓄电池，减轻了列车自身重量，例如用1.2V、45Ah的单节镍氢电池组成的440V、79.35kwh总能量的电池组要比现有用1.2V、27Ah的单节镍镉电池组成的440V、47.52kwh总能量的电池组要轻41kg，相反能量却提高了70％左右。车辆自重的减少，意味着磁浮能耗和成本的降低。

4.对现有车载电网的设备仅在接线上有改动外，基本未动也不必针对蓄电池组设置专门的保护电路，故易于推广使用。

5.镍氢电池本身无污染环境的重金属，其维护量很小。

6.蓄电池组工作在混沌控制的自适应过程，使其在一定的大电流、短时间充放电的振荡状态下工作，维持电池电压动态平衡，温升低，最高温差仅1℃～2℃，能使其使用寿命大大提高，连续工作时间愈长，储能特性愈好，适合长大干线应用。

7.由于镍氢电池的低温特性优于镍镉电池，可根据列车运行区域的环境温度，省用或不用加热器对电池箱的加热，简化了车载蓄电池箱的结构。

附图说明：

图1为50公里站点区间供电轨铺设的示意图。

图2为本发明车载电网配置实施例的示意图。

图3为本发明车载电网中主要功能模块动态控制连接关系示意图。

图4为本发明供电方法执行程序示意图。

具体实施方式：

请参见图2所示，本发明的车载电网包含直线发电机LG、升压斩波器HS、配电器BV和电网控制系统BNS。直线发电机LG其感应电动势是随列车车速上升的，因此，必须与升压斩波器HS匹配升压后才能将电力输入定压(例如440V)的车载电网中。磁浮列车每节车箱一般设置有32个直接与直线发电机LG相连接的升压斩波器HS，将上述与直线发电机LG直接相连的升压斩波器HS按排列位置分成四个象限I-IV，每个象限I-IV中的斩波器HS又分成1、2、3、4四组，各列中的同组号的斩波器HS相连排成四列，每列分别与一对应的配电器BVI-IV相连形成四套电网I、II、III、IV。每套电网分别设置有由容量大于等于45Ah、比能量大于等于60wh/kg高容量单节电池(例如镍氢电池或锂电池)构成的蓄电池组，为满足车载电网负载用电要求，该蓄电池组的总能量最少为79kwh。由于目前车载电网普遍采用440伏电压，可用1472节1.2V45Ah的单节镍氢电池组成4个440伏45Ah的蓄电池组I、II、III、IV。各电池组I、II、III、IV的正极分别与一个对应的电网I、II、III、IV中的配电器BVI～IV连接，它们的负极则通过公共导线相互连通，通过各列的配电器BV又使电网I、II、III、IV并联，组成一个冗余的供电系统。

本发明上述设备的配置还必须配合由混沌控制策略编制的控制程序软件，才能使蓄电池组工作状态得到保护，而不必专门的保护电路，就可实现取消供电轨辅助供电的现状，该供电控制程序(参见图4)由电网控制系统BNS通过执行机构执行，现结合该车载电网在执行过程中其主要功能模块的动态控制连接关系(见图3所示)对该供电控制程序作详细叙述：

列车停站准备运行阶段。启动电网控制系统BNS，对蓄电池组容量(SOC)取值，若低于70％的额定值，则启动外部供电系统对电池充电至容量≥90％额定值止，并脱开外部供电。若蓄电池组容量≥70％额定值，则配电器BVI-IV接通相应的蓄电池组I-IV与相应电网I-IV通路，许可向车载电网负载供电。

列车浮起启动后，车速小于100km/h阶段。配电器BV同时开通蓄电池组和升压斩波器HS与对应电网通路，许可蓄电池组和车载直线发电机LG共同向车载电网负载供电；

列车正常运行阶段。当判断车速大于100km/h后，配电器BV关断蓄电池组与电网的通路，而升压斩波器HS与对应电网通路继续开通。此时由直线发电机LG单独向车载电网负载供电。

在上述阶段内不断对蓄电池组容量取值，当该容量小于70％额定值时，通过地址码选择开通相应电网中指定的升压斩波器HS至蓄电池组的充电通路，并提升该指定的升压斩波器HS的电压为电网电压的1.15～1.25倍(该电压即充电电压)，由车载直线发电机LG通过该指定的升压斩波器HS对蓄电池组充电，直到蓄电池组容量达到90％额定值以上时，关断该指定的升压斩波器HS至蓄电池组的充电通路，该升压斩波器HS恢复至电网正常电压。

在上述阶段若车辆诊断分析系统BLF接到牵引供电故障信息或者判别车辆设备控制BST出了问题需要立刻关闭升压斩波器HS，切断车载直线发电机LG对车载电网的通路并临时停车等待维修时，则四个配电器BVI-IV同时开通四个蓄电池组I、II、III、IV与四个电网I、II、III、IV的通路，许可四个蓄电池组I～IV协同向车载电网应急供电，包含涡流制动的短时间的大电流放电。在此停车待修期间，电源电池组的能量足够维持50分钟的车载电网负载用电。为延长应急供电时间，最好尽量避免涡流制动，而改为惯性自然减速停车。

降速进站阶段。当电网控制系统BNS判断车速下降至100km/h后，配电器BV接通适当的蓄电池组与其对应电网的通路，由蓄电池组与直线发电机LG共同向车载电网负载供电，进站车速为零时，关闭升压斩波器HS至电网通路。

程序判断非终点(N)，则返回停车准备运行阶段继续重复上述的程序；若是终点站(Y)，则程序结束供电停止。

Claims (3)

1.一种磁浮列车无供电轨的车载电网供电方法，其特征在于：由车载电网的电网控制器按混沌控制策略制定的控制程序，通过车载电网的配电器在列车停站准备运行和应急制动停车时由容量大于等于45Ah、比能量大于等于60wh/kg的高能单节可充电电池组成的蓄电池组向车载电网的负载供电，在车速小于100km/h路段由蓄电池组配合车载直线发电机共同向车载电网供电、在车速大于100km/h路段由车载直线发电机单独向车载电网供电兼或车载电网的升压斩波器向蓄电池组充电，保证蓄电池组容量在额定容量的70％～90％之间。

2.根据权利要求1所述的磁浮列车无供电轨车载电网的供电方法，其特征在于：该电网控制器执行的混沌控制策略的具体控制程序：

1)列车停站准备运行时，首先检测蓄电池组容量，若该容量小于70％额定值时，启动外部供电开关对蓄电池组充电，直至该容量升至≥90％额定值后关闭外部供电开关；若蓄电池组容量大于等于70％额定值时通过配电器开通相应的蓄电池组至电网的通路，由蓄电池组向车载电网的负载供电；

2)列车浮起、启动后，车速小于100km/h时，配电器接通升压斩波器通路，使直线发电机升压至电网电压接入电网，与蓄电池组共同向车载电网负载供电；

3)列车时速超过100km/h后，配电器关断蓄电池组至电网的通路，停止向电网供电，直接由直线发电机向车载电网负载供电；

4)对蓄电池组容量进行检测，若该容量低于70％额定值时，选择开通蓄电池组所在电网中的指定升压斩波器至蓄电池组的充电通路，此时该指定的升压斩波器升压至1.15～1.25倍电网电压进行充电，直至蓄电池组容量＞90％额定值为止；

5)正常运行中，当收到应紧急制动信号时，配电器同时接通全部蓄电池组通路协同向涡流制动供电；并在列车停运等候救援期间向车载电网负载供电；

6)列车减速到小于100km/h至停站(车)时，配电器接通蓄电池组通路，辅助直线发电机共同向车载电网负载供电，直至停靠站点，当车速为零时关闭升压斩波器至电网通路；

7)重复运行上述1)～6)程序，直至列车到达终点停止运行。

3.一种根据权利要求1或2所述的供电方法运行的磁浮列车无供电轨车载电网的连接配置，包含直线发电机、升压斩波器、配电器、电网控制系统，其特征在于：将每节车箱直接连接的直线发电机和升压斩波器分成四个象限，每个象限中的升压斩波器又分成四组；各象限中对应组别的升压斩波器相连排成一列，每列与一配电器相连；配置有4个总容量至少为79kwh，由高容量电池组成的蓄电池组，每个蓄电池组与对应的配电器相连形成四套电网，各蓄电池组的负极通过公共导线相互连接，该四套电网又通过四个上述的配电器并联，且连接于电网控制系统，构成冗余供电系统。

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