CN103879412B - 有轨电车动力系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种有轨电车动力系统及控制方法，其中系统包括：燃料电池与单向直流变换器连接；超级电容与第一双向直流变换器连接；动力电池与第二双向直流变换器连接；单向直流变换器、第一双向直流变换器、第二双向直流变换器通过直流母线与逆变器连接；逆变器与有轨电车的电机连接；燃料电池、超级电容、动力电池、第一双向直流变换器、第二双向直流变换器、逆变器与主控单元连接；主控单元与有轨电车的控制装置连接。本发明通过超级电容、燃料电池和动力电池配合供电，解决了超级电容能量不足和动力电池功率特性不足的缺点，实现了储能部件之间的互补不足，且燃料电池和动力电池互为冗余，可实现其中一种供电部件故障工况下的紧急救援。

Description

有轨电车动力系统及控制方法
技术领域
本发明涉及混合动力系统技术领域，尤其涉及一种有轨电车动力系统及控制方法。
背景技术
近年来，由于环境污染严重、石油资源匮竭及全球气候变暖，国内多个城市开始规划建设有轨电车，并在重要区段设置无电网区域，以保护城市景观。在轨道交通高速化及城轨交通大众化的同时，通过对储能技术和智能化控制策略的研究，来实现轨道交通节能、环保、安全、可靠的目标，将成为新世纪轨道交通技术现代化的标志。
目前，唐车公司研制了由接触网和车载超级电容、动力电池共同供电的混合动力100%低地板有轨电车，其供电原理为：由接触网和车载电池（包括超级电容和动力电池）共同供电的混合动力系统，其供电策略为：在接触网有电时，由接触网为牵引变流器供电（DC/AC变流器），脱离接触网或接触网无电时，由超级电容和动力电池组通过相应变流器（DC/DC变流器）分别向牵引变流器供电，以驱动有轨电车。
但是，由于动力电池在充放电过程中发热量比较大，致使动力电池的使用寿命较短，因此上述由接触网和车载超级电容、动力电池共同供电的混合动力组成的100%低地板有轨电车的运行性能，受限于动力电池充放电技术水平。
发明内容
本发明提供一种有轨电车动力系统及控制方法，用以解决现有技术中的由接触网和车载超级电容、动力电池共同供电的混合动力组成的100%低地板有轨电车的运行性能，受限于动力电池充放电技术水平的缺陷。
本发明提供一种有轨电车动力系统，包括：
燃料电池、超级电容、动力电池、单向直流变换器、第一双向直流变换器、第二双向直流变换器、直流母线、逆变器和主控单元；
所述燃料电池与所述单向直流变换器连接；所述超级电容与所述第一双向直流变换器连接；所述动力电池与所述第二双向直流变换器连接；
所述单向直流变换器、所述第一双向直流变换器、所述第二双向直流变换器通过所述直流母线与所述逆变器连接；
所述逆变器与所述有轨电车的电机连接；
所述燃料电池、所述超级电容、所述动力电池、所述第一双向直流变换器、所述第二双向直流变换器、所述逆变器与所述主控单元连接；
所述主控单元与所述有轨电车的有轨电车控制装置连接。
本发明还提供一种有轨电车动力系统的控制方法，包括：
主控单元接收有轨电车车辆控制装置发送的信号；
若主控单元接收的所述有轨电车车辆控制装置发送的信号为有轨电车启动信号或有轨电车加速信号，则控制超级电容为所述有轨电车的电机提供电能，当所述有轨电车未达到目标速度而所述超级电容电量放完时，则控制燃料电池和/或动力电池继续为所述电机提供电能，或者，控制燃料电池和/或动力电池为所述有轨电车的电机提供电能，当所述有轨电车未达到目标速度而所述燃料电池和/或动力电池提供的功率不足时，则控制超级电容提供差额功率部分所需的电能；
若主控单元接收的所述有轨电车车辆控制装置发送的信号为匀速信号，则控制燃料电池和/或动力电池继续为所述电机提供电能；
若主控单元接收的所述有轨电车车辆控制装置发送的信号为制动信号或减速信号，则控制所述燃料电池为所述电机提供电能，并控制所述超级电容吸收多余的制动反馈能量或者控制所述燃料电池为所述超级电容充电。
本发明利用超级电容的高功率密度特性，可提供较高的起动加速度和爬坡能力，利用燃料电池、动力电池的高能量密度特性，可实现较长的续驶里程，通过控制超级电容优先为有轨电车提供加速所需电能，控制燃料电池和动力电池提供匀速运行所需电能，解决了超级电容能量不足和动力电池功率特性不足的缺点，或者通过燃料电池和/或动力电池优先为有轨电车提供加速所需电能，当所述有轨电车所需功率高于燃料电池和/或动力电池可提供的功率时，由超级电容补充差额功率部分所需的电能，实现了储能部件之间的互补不足，可有效利用超级电容高功率密度的优势，延长超级电容供电时间，实现有轨电车最好的加速性能，同时，燃料电池和动力电池互为冗余，可实现其中一种供电源故障工况下的紧急救援等。
附图说明
图1为本发明提供的有轨电车动力系统实施例结构示意图；
图2为本发明提供的有轨电车动力系统的控制方法实施例流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1所示，为本发明提供的有轨电车动力系统实施例结构示意图，具体包括：燃料电池11、超级电容12、动力电池13、单向直流变换器14、第一双向直流变换器15、第二双向直流变换器16、直流母线17、逆变器18和主控单元19；所述燃料电池11与所述单向直流变换器14连接；所述超级电容12与所述第一双向直流变换器15连接；所述动力电池13与所述第二双向直流变换器16连接；所述单向直流变换器14、所述第一双向直流变换器15、所述第二双向直流变换器16通过所述直流母线17与所述逆变器18连接；所述逆变器18与所述有轨电车的电机连接；所述燃料电池11、所述超级电容12、所述动力电池13、所述第一双向直流变换器15、所述第二双向直流变换器16、所述逆变器18与所述主控单元19连接；所述主控单元19与所述有轨电车的有轨电车控制装置连接。
需要说明的是，所述燃料电池11与所述单向直流变换器14之间的连接、所述超级电容12与所述第一双向直流变换器15之间的连接、所述动力电池13与所述第二双向直流变换器16之间的连接、所述单向直流变换器14、所述第一双向直流变换器15、所述第二双向直流变换器16与所述直流母线17之间的连接、所述直流母线17与所述逆变器18之间的连接以及所述逆变器18与所述有轨电车的电机之间的连接均可以采用电力主线进行连接，所述燃料电池11、所述超级电容12、所述动力电池13、所述第一双向直流变换器15、所述第二双向直流变换器16、所述逆变器18与所述主控单元19之间的连接可以采用电气线进行连接，所述主控单元19与所述有轨电车的有轨电车控制装置之间的连接可以采用CAN网络总线或MVB网络总线进行连接。
可选地，所述系统，还可以包括：辅助系统；所述辅助系统与所述燃料电池11和/或所述动力电池13连接，用于为所述有轨电车动力系统提供照明和/或控制所述有轨电车动力系统的温度。
可选地，所述有轨电车动力系统可以放置在所述有轨电车的车顶，这样可不占车内空间或车底空间，增加乘客量，并实现100%低地板，可提升有轨电车在城区运行时乘客上下车方便性和观景效果。
可选地，当所述有轨电车配置有受电弓时，所述超级电容12可与所述有轨电车的受电弓连接，在各站点处，可通过设置充电站，在电车进站时，即可通过受电弓对超级电容12进行充电。当所述有轨电车不配置受电弓时，在各站点处，电车停站时，则利用燃料电池11为超级电容12进行充电，并利用超级电容12的能量进行电车的起动加速。
本实施例所述的有轨电车动力系统基于燃料电池、动力电池和超级电容的混合供电方式，并可根据有轨电车不同的运行阶段采用不同的供电方式，可实现有轨电车的加速、匀速、减速和制动能量回收。并且采用目前最为绿色的清洁能源燃料电池作为动力来源，可实现最佳的节能减排效果，基于燃料电池、超级电容和动力电池多方案供电方式的有轨电车，可运用于不便建设牵引供变电系统和接触网系统的城郊及隧道等场所，实现城区完全无网运行，节省了线路造价并维护了城市景观。
本实施例所述的有轨电车动力系统可以利用超级电容的高功率密度特性，可提供较高的起动加速度和爬坡能力，利用燃料电池、动力电池的高能量密度特性，可实现较长的续驶里程，通过控制超级电容优为有轨电车提供加速所需电能，控制燃料电池和动力电池提供匀速运行所需电能，解决了超级电容能量不足和动力电池功率特性不足的缺点，或者通过燃料电池和/或动力电池优先为有轨电车提供加速所需电能，当所述有轨电车所需功率高于燃料电池和/或动力电池可提供的功率时，由超级电容补充差额功率部分所需的电能，实现了储能部件之间的互补不足，可有效利用超级电容高功率密度的优势，延长超级电容供电时间，实现有轨电车最好的加速性能，同时，燃料电池和动力电池互为冗余，可实现其中一种供电源故障工况下的紧急救援等。
在上述实施例一所述有轨电车动力系统的基础上，本发明提供一种对所述系统的控制方法。
实施例二
如图2所示，为本发明提供的有轨电车动力系统的控制方法实施例流程示意图，具体包括如下步骤：
S201、主控单元接收有轨电车车辆控制装置发送的信号；
主控单元与有轨电车车辆控制装置通过网络总线连接，例如CAN总线、MVB总线等，用于接收所述有轨电车车辆控制装置发送的信号。
S202、若主控单元接收的所述有轨电车车辆控制装置发送的信号为有轨电车启动信号或有轨电车加速信号，则控制超级电容为所述有轨电车的电机提供电能，当所述有轨电车未达到目标速度而所述超级电容电量放完时，则控制燃料电池和/或动力电池继续为所述电机提供电能，或者，控制燃料电池和/或动力电池为所述有轨电车的电机提供电能，当所述有轨电车未达到目标速度而所述燃料电池和/或动力电池提供的功率不足时，则控制超级电容提供差额功率部分所需的电能；
具体来说，若主控单元接收的所述有轨电车车辆控制装置发送的信号为有轨电车启动信号或有轨电车加速信号，所述主控单元控制超级电容放出电能，所述电能流向第一双向直流变换器，经过第一双向直流变换器变换后，流向逆变器，经所述逆变器变换后，流向所述有轨电车的电机，为所述有轨电车的电机提供电能，从而为所述有轨电车提供所需的加速度。这样在有轨电车起动加速阶段或坡道加速运行阶段，利用超级电容的高功率密度特性，可实现较高的起动加速度和爬坡能力，还可在有轨电车起动加速阶段采用燃料电池+超级电容、超级电容+动力电池、燃料电池+超级电容+动力电池等混合供电方式，提高加速功率，从而提高有轨电车平衡速度。或者控制燃料电池和/或动力电池为所述有轨电车的电机提供电能，当所述有轨电车未达到目标速度而所述燃料电池和/或动力电池提供的功率不足时，则控制超级电容提供差额功率部分所需的电能，这样实现了储能部件之间的互补不足，可有效利用超级电容高功率密度的优势，延长超级电容供电时间，实现有轨电车最好的加速性能。
S203、若主控单元接收的所述有轨电车车辆控制装置发送的信号为匀速信号，则控制燃料电池和/或动力电池继续为所述电机提供电能；
具体来说，若主控单元接收的所述有轨电车车辆控制装置发送的信号为匀速信号，所述主控单元控制燃料电池输出电能，所述电能流向单向直流变换器，经过单向直流变换器变换后，流向逆变器，经所述逆变器变换后，流向所述有轨电车的电机；和/或，所述主控单元控制动力电池输出电能，所述电能流向第二双向直流变换器，经过第二双向直流变换器变换后，流向逆变器，经所述逆变器变换后，流向所述有轨电车的电机，为所述有轨电车的电机提供电能，从而使所述有轨电车保持匀速运行。在有轨电车的平直道持续匀速运行阶段或小坡道持续匀速运行阶段，采用燃料电池、动力电池的高能量密度特性，可实现较长的续驶里程，如果有轨电车运行线路较为平直，也可采用切换式供电策略，即有轨电车先采用超级电容供电，再切换到燃料电池和动力电池供电。这样通过优化设置燃料电池、超级电容和动力电池的充放电优先顺序，可降低动力系统的运用周期成本、维护成本等。
S204、若主控单元接收的所述有轨电车车辆控制装置发送的信号为制动信号或减速信号，则控制所述燃料电池为所述电机提供电能，并控制所述超级电容吸收多余的制动反馈能量或者控制所述燃料电池为所述超级电容充电。
具体来说，若主控单元接收的所述有轨电车车辆控制装置发送的信号为制动信号，优先采用超级电容大电流吸收制动能量（一般可吸收额定容量的50%-70%），如制动能量较高，可投入动力电池小电流吸收制动能量，亦可投入制动电阻消耗峰值功率。若主控单元接收的所述有轨电车车辆控制装置发送的信号为减速信号，如果超级电容能量处于很低的状态（如低于30%），可利用燃料电池的富余电能为超级电容充电，补充其电能，同时保证燃料电池处于稳定输出的工作状态，延长其工作寿命。
另外，所述主控单元控制燃料电池和/或动力电池为所述辅助系统提供电能。
本实施例所述的有轨电车动力系统控制方法利用超级电容的高功率密度特性，可提供较高的起动加速度和爬坡能力，利用燃料电池、动力电池的高能量密度特性，可实现较长的续驶里程，通过控制超级电容优为有轨电车提供加速所需电能，控制燃料电池和动力电池提供匀速运行所需电能，解决了超级电容能量不足和动力电池功率特性不足的缺点，或者通过燃料电池和/或动力电池优先为有轨电车提供加速所需电能，当所述有轨电车所需功率高于燃料电池和/或动力电池可提供的功率时，由超级电容补充差额功率部分所需的电能，实现了储能部件之间的互补不足，可有效利用超级电容高功率密度的优势，延长超级电容供电时间，实现有轨电车最好的加速性能，同时，燃料电池和动力电池互为冗余，可实现其中一种供电源故障工况下的紧急救援等。
需要说明的是：对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种有轨电车动力系统，其特征在于，包括：燃料电池、超级电容、动力电池、单向直流变换器、第一双向直流变换器、第二双向直流变换器、直流母线、逆变器和主控单元；
所述燃料电池与所述单向直流变换器连接；所述超级电容与所述第一双向直流变换器连接；所述动力电池与所述第二双向直流变换器连接；
所述单向直流变换器、所述第一双向直流变换器、所述第二双向直流变换器通过所述直流母线与所述逆变器连接；
所述逆变器与所述有轨电车的电机连接；
所述燃料电池、所述超级电容、所述动力电池、所述第一双向直流变换器、所述第二双向直流变换器、所述逆变器与所述主控单元连接；
所述主控单元与所述有轨电车的有轨电车控制装置连接；
主控单元接收有轨电车车辆控制装置发送的信号；
若主控单元接收的所述有轨电车的车辆控制装置发送的信号为有轨电车启动信号或有轨电车加速信号，则控制超级电容为所述有轨电车的电机提供电能，当所述有轨电车未达到目标速度而所述超级电容电量放完时，则控制燃料电池和/或动力电池继续为所述电机提供电能，或者，控制燃料电池和/或动力电池为所述有轨电车的电机提供电能，当所述有轨电车未达到目标速度而所述燃料电池和/或动力电池提供的功率不足时，则控制超级电容提供差额功率部分所需的电能；
若主控单元接收的所述有轨电车车辆控制装置发送的信号为匀速信号，则控制燃料电池和/或动力电池继续为所述电机提供电能；
若主控单元接收的所述有轨电车车辆控制装置发送的信号为制动信号或减速信号，则控制所述燃料电池为所述电机提供电能，并控制所述超级电容和/或动力电池吸收多余的制动反馈能量或者控制所述燃料电池为所述超级电容和/或动力电池充电；
还包括：辅助系统；
所述辅助系统与所述燃料电池和/或所述动力电池连接，用于为所述有轨电车提供照明和/或控制所述有轨电车车内的温度；
所述有轨电车动力系统放置在所述有轨电车的车顶；
所述超级电容通过所述第一双向直流变换器与所述有轨电车的受电弓连接。
2.一种有轨电车动力系统的控制方法，其特征在于，包括：
主控单元接收有轨电车车辆控制装置发送的信号；
若主控单元接收的所述有轨电车的车辆控制装置发送的信号为有轨电车启动信号或有轨电车加速信号，则控制超级电容为所述有轨电车的电机提供电能，当所述有轨电车未达到目标速度而所述超级电容电量放完时，则控制燃料电池和/或动力电池继续为所述电机提供电能，或者，控制燃料电池和/或动力电池为所述有轨电车的电机提供电能，当所述有轨电车未达到目标速度而所述燃料电池和/或动力电池提供的功率不足时，则控制超级电容提供差额功率部分所需的电能；
若主控单元接收的所述有轨电车车辆控制装置发送的信号为匀速信号，则控制燃料电池和/或动力电池继续为所述电机提供电能；
若主控单元接收的所述有轨电车车辆控制装置发送的信号为制动信号或减速信号，则控制所述燃料电池为所述电机提供电能，并控制所述超级电容和/或动力电池吸收多余的制动反馈能量或者控制所述燃料电池为所述超级电容和/或动力电池充电。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：所述主控单元控制燃料电池和/或动力电池为辅助系统提供电能。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述主控单元控制超级电容为所述有轨电车的电机提供电能，包括：
所述主控单元控制超级电容放出电能，所述电能流向第一双向直流变换器，经过第一双向直流变换器变换后，流向逆变器，经所述逆变器变换后，流向所述有轨电车的电机。
5.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，包括：所述主控单元控制燃料电池和/或动力电池继续为所述电机提供电能，包括：
所述主控单元控制燃料电池输出电能，所述电能流向单向直流变换器，经过单向直流变换器变换后，流向逆变器，经所述逆变器变换后，流向所述有轨电车的电机；
和/或，
所述主控单元控制动力电池输出电能，所述电能流向第二双向直流变换器，经过第二双向直流变换器变换后，流向逆变器，经所述逆变器变换后，流向所述有轨电车的电机。
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