CN105048601B - 一种电源管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电源管理系统，应用于无触网运行的有轨电车，包括超级电容，用于通过第一双向DC/DC为牵引系统供电；蓄电池，用于通过第二双向DC/DC为辅助系统供电；控制单元，用于控制超级电容为牵引系统供电，以及控制蓄电池为辅助系统供电。本发明提供的系统使有轨电车在匀速运行的阶段可以不用限速运行，提高了有轨电车的运行速度，并且，由于该系统对各储能元件的功能的分配非常合理，避免了蓄电池同时为牵引系统和辅助系统供电的情况，减小了蓄电池的负荷。

Description

一种电源管理系统

技术领域

本发明涉及轨道交通电源管理技术领域，特别是涉及一种电源管理系统。

背景技术

当前社会，有轨电车已成为人们生活中必不可少的交通工具，人们对有轨电车的要求也越来越高。随着有轨电车数量的增多，有轨电车触网运行的弊端也日渐明显，因此如今在轨道交通领域，越来越多的有轨电车采用无触网技术。在无触网技术中，由于有轨电车并不与电网连接，而是依赖于自身携带的电源为自身进行供电，因而如何对有轨电车的电源进行管理就成为了无触网技术中的首要问题。

现今无触网运行的有轨电车已有多种电源管理技术，多储能元件混合的技术就是其中一种，其中最为常见的是采用超级电容和电池混合的技术，电池负责在有轨电车匀速运行阶段为牵引系统和辅助系统进行供电，超级电容负责在有轨电车启动加速阶段为牵引系统提供能量输出，并在有轨电车制动阶段对牵引系统进行能量回收，其中，电池和超级电容是通过各自的DC/DC(Direct-Current/Direct-Current，双向直流斩波器)来为各自负责的系统进行供电的。

在该现有技术中，由于采用电池在有轨电车匀速运行阶段进行供电，而电池的最大输出电流有限，无法提供大电流，因此通常在电池进行供电时，有轨电车要限速运行，并且，采用电池同时为牵引系统和辅助系统供电，使电池承担了很大的负荷。

因此，如何对各储能元件的功能进行合理分配，提高有轨电车的运行速度是本领域技术人员目前需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种电源管理系统，使有轨电车在匀速运行的阶段可以不用限速运行，提高了有轨电车的运行速度，并且，由于该系统对各储能元件的功能的分配非常合理，避免了蓄电池同时为牵引系统和辅助系统供电的情况，减小了蓄电池的负荷。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种电源管理系统，应用于无触网运行的有轨电车，包括：

超级电容，用于在所述有轨电车处于匀速运行和启动加速这两种状态时通过第一双向DC/DC为牵引系统供电，在所述有轨电车处于制动状态时通过所述第一双向DC/DC吸收所述牵引系统反馈的电能；

蓄电池，用于在所述有轨电车处于匀速运行、启动加速和制动这三种状态时通过第二双向DC/DC为辅助系统供电；

控制单元，用于控制所述超级电容为所述牵引系统供电，以及控制所述蓄电池为所述辅助系统供电。

优选地，还包括：

开关，用于当所述控制单元判断得到所述超级电容的电压小于第一电压阈值时，所述控制单元控制所述开关闭合，所述蓄电池为所述超级电容充电以及为所述牵引系统供电；

或者，用于当所述控制单元判断得到所述超级电容的电压大于第二电压阈值时，所述控制单元控制所述开关闭合，所述牵引系统为所述蓄电池充电以及为所述辅助系统供电；

其中，所述牵引系统包括牵引逆变器和牵引电机；

所述电源管理系统还包括：

与所述牵引逆变器连接的制动电阻，用于当所述超级电容及所述蓄电池均充满时，消耗制动产生的多余能量。

优选地，所述第一电压阈值为直流500V。

优选地，所述第二电压阈值为直流850V。

优选地，所述超级电容的充电截止电压为直流900V。

优选地，所述蓄电池的充电截止电压为直流900V。

本发明提供了一种多储能元件的电源管理系统，包括超级电容、蓄电池，和控制单元。该系统采用超级电容为有轨电车的牵引系统供电，采用蓄电池为有轨电车的辅助系统供电，由于超级电容可以提供大电流，因此有轨电车在匀速运行的阶段可以不用限速运行，提高了有轨电车的运行速度，并且，由于该系统对各储能元件的功能的分配非常合理，避免了蓄电池同时为牵引系统和辅助系统供电的情况，减小了蓄电池的负荷。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种电源管理系统的结构示意图；

图2为本发明提供的另一种电源管理系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种电源管理系统，使有轨电车在匀速运行的阶段可以不用限速运行，提高了有轨电车的运行速度，并且，由于该系统对各储能元件的功能的分配非常合理，避免了蓄电池同时为牵引系统和辅助系统供电的情况，减小了蓄电池的负荷。

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做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

参见图1所示，图1为本发明提供的一种电源管理系统的结构示意图；

该电源管理系统，用于无触网的有轨电车，该系统包括超级电容11、蓄电池12和控制单元13。

超级电容11，用于通过第一双向DC/DC为牵引系统供电；

可以理解的是，有轨电车运行时分为匀速运行、启动加速和制动三种状态，当有轨电车在匀速运行和启动加速时，控制单元13控制超级电容11为牵引系统提供大放电电流；当有轨电车处于制动运行状态时，控制单元13控制超级电容11通过第一双向DC/DC吸收并储存牵引系统反馈回来的反馈电量。

这里的超级电容11泛指能量密度低，充放电电流大的储电元件，可以为石墨烯超级电容，当然，对于具体为哪种超级电容11本发明在此不作特别的限定，工作人员可根据实际需要选择合适类型的超级电容11，能够实现上述功能的超级电容11均在本发明的保护范围之内。

蓄电池12，用于通过第二双向DC/DC为辅助系统供电；

这里的蓄电池12泛指能量密度大，充放电电流偏小(相对超级电容)的储电元件，可以为磷酸铁锂电池，当然，对于具体为哪种蓄电池12本发明在此不作特别的限定，工作人员可根据实际需要选择合适类型的蓄电池12，能够实现上述功能的蓄电池12均在本发明的保护范围之内。

根据超级电容11和蓄电池12的特性可知，第一双向DC/DC为充放电流大的直流斩波器，而第二双向DC/DC为充放电流小的直流斩波器，具体采用哪种类型的直流斩波器本发明并不做特别限定，可由工作人员根据实际情况自行选择，只要所选取的直流斩波器能够实现本发明的目的即可。

控制单元13，用于控制超级电容11为牵引系统供电，以及控制蓄电池12为辅助系统供电。

其中，图1所示结构图中的超级电容11及其对应的第一双向DC/DC、牵引逆变器及其下部负载(例如制动电阻)；蓄电池12及其对应的第二双向DC/DC、辅助逆变器及其下部负载不代表实际的数量，仅泛指该类型部件，实际系统中可根据具体情况确定各部件的数量，本发明并不对以上部件的具体数量进行限定。

本发明提供了一种多储能元件的电源管理系统，包括超级电容、蓄电池，和控制单元。该系统采用超级电容为有轨电车的牵引系统供电，采用蓄电池为有轨电车的辅助系统供电，由于超级电容可以提供大电流，因此有轨电车在匀速运行的阶段可以不用限速运行，提高了有轨电车的运行速度，并且，由于该系统对各储能元件的功能的分配非常合理，避免了蓄电池同时为牵引系统和辅助系统供电的情况，减小了蓄电池的负荷。

实施例二

参见图2所示，图2为本发明提供的另一种电源管理系统的结构示意图；基于实施例一所给的系统，作为优选地，本发明公开的系统还包括：

开关14，用于当控制单元13判断得到超级电容11的电压小于第一电压阈值时，控制单元13控制开关14闭合，蓄电池12为超级电容11充电以及为牵引系统供电；

或者，用于当控制单元13判断得到超级电容11的电压大于第二电压阈值时，控制单元13控制开关14闭合，牵引系统为蓄电池12充电以及为辅助系统供电。

由此可知，开关14与控制单元13相连，开关14的断开和闭合均受到控制单元13的控制。

作为优选地，第一电压阈值为直流500V。第二电压阈值为直流850V。超级电容11的充电截止电压为直流900V。蓄电池12的充电截止电压为直流900V。

当然，这里的第一电压阈值、第二电压阈值、超级电容11的充电截止电压以及蓄电池12的充电截止电压均分别可以为其他数值，根据实际情况来设定，本发明在此不作特别的限定。

为方便对本发明方案的理解，下面就本发明提供的电源管理系统在工作状态时可能遇到的四种具体情况做简单介绍：

当有轨电车处于停车充电的状态时，超级电容11通过牵引供电母线充电，蓄电池12通过辅助供电母线充电，此时开关14为断开状态。

有轨电车在停车过程中会通过受流装置进行充电，例如，可以在站台区域轨道上设置一段充电用的连续载体，受流装置与载体接触获得电流，并通过高压箱分别与牵引、辅助供电母线连接，此时控制单元13控制超级电容11通过牵引供电母线获得电流，进行充电；控制单元13控制蓄电池12通过辅助供电母线获得电流，进行充电。此时牵引逆变器和辅助逆变器均获得电流，可给所连接的负载供电。

其中超级电容11采用大电流充电，并可在有轨电车停站的短时间内充电完成，蓄电池12采用小电流充电，并可随时中断，且该系统采用的蓄电池12即使不充电也能满足长距离运行要求。

当有轨电车在运行过程中时，超级电容11为牵引系统供电，此时超级电容11电量通常在第一电压阈值和第二电压阈值之间，蓄电池12为辅助系统供电，此时开关14为断开状态；

当有轨电车频繁启动时，可能会导致超级电容11电量过度使用，电量过低不能继续为牵引系统供电，控制单元13判断超级电容11的电压是否小于第一电压阈值，如果是，控制单元13控制开关14闭合，蓄电池12通过通过第二双向DC/DC为牵引系统供电、通过第二双向DC/DC和第一双向DC/DC为超级电容11供电；如果否，控制单元13控制开关14断开；

当有轨电车处于电制动状态时，控制单元13控制牵引系统将制动反馈的反馈电能通过第一双向DC/DC向超级电容11充电，当控制单元13判断超级电容11的电压大于第二电压阈值时，控制单元13控制开关14闭合，牵引系统通过第二双向DC/DC向蓄电池12充电，同时还为辅助系统供电；当超级电容11的电压达到超级电容11的充电截止电压且蓄电池12的电压达到蓄电池12的充电截止电压时，牵引逆变器连通，牵引系统将多余的反馈电能通过制动电阻消耗。

下面结合一个具体例子对本发明的实施例二进行详细描述：

有轨电车运行路线全长20km，设有17个车站，最大站间距离为1.8km，有轨电车平均运行速度为25km/h；

有轨电车采用3M1T编组型式，采用无触网运行，每个车站在站台区域轨道均上设置一段充电用的连续载体作为充电点，充电点以直流750V的电压供电，有轨电车牵引系统的最大功率为900KW，辅助系统的平均功率为55KW；

超级电容11采用石墨烯超级电容，第一电压阈值为直流500V，第二电压阈值为直流850V，超级电容11的充电截止电压为直流900V，可用电量为9KWh，超级电容11的充电电流为1200A，充电时间小于30s；

蓄电池12采用磷酸铁锂电池，蓄电池12的充电截止电压为直流900V，可用电量为35KWh，蓄电池12对应的的第二双向DC/DC的最大充电电流为400A，最大输出电流为120A。

有轨电车停车充电时，超级电容11采用1200A的电流充电，并在30s内完成充电，当超级电容11电压达到直流900V时，有轨电车停止受流；有轨电车正常运行时，超级电容11通过第一双向DC/DC为牵引系统供电，蓄电池12通过第二双向DC/DC为辅助系统供电，当超级电容11的电压小于直流500V时，控制单元13控制开关14闭合，蓄电池12通过第二双向DC/DC向超级电容11和牵引系统供电，当然蓄电池12优先保证向辅助系统供电；有轨电车制动时，优先利用超级电容11吸收牵引系统反馈的反馈电能，当超级电容11的电压大于直流850V时，控制单元13控制开关14闭合，此时牵引系统不仅向超级电容11和辅助系统供电，还向通过第二双向DC/DC向蓄电池12供电，当超级电容11的电压达到直流900V同时蓄电池12的电压达到直流900V时，牵引逆变器连通，通过制动电阻消耗多余的反馈电能；有轨电车到终点站后，停车充电至超级电容11和蓄电池12均充满。

本实施例在实施例一的基础上，还增加了一个开关，使得超级电容和蓄电池之间可选择性的导通，并能实现电能的转移。当有轨电车频繁启停造成超级电容的电压过低时，控制单元控制开关闭合，并控制蓄电池为超级电容和牵引系统供电，实现了超级电容电能的在线补充，避免了由于超级电容容量有限而造成的有轨电车无法启动的问题，提高了超级电容的续航里程；当有轨电车长时间制动造成牵引系统反馈电量过多从而导致超级电容无法完全吸收时，控制单元控制开关闭合，并控制牵引系统为蓄电池和辅助系统供电，避免了由于超级电容有限而造成的多余反馈电量无法吸收的问题，提高了有轨电车的能量利用效率。同时，本发明提供的系统利用超级电容可大电流充电的特性，在有轨电车停站的时间内大电流充电，并在短时间内完成充电，实现了有轨电车运行过程中在线补充电能的目的，解决了有轨电车充电和运行时间冲突的问题。

在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种电源管理系统，应用于无触网运行的有轨电车，其特征在于，包括：

超级电容，用于在所述有轨电车处于匀速运行和启动加速这两种状态时通过第一双向DC/DC为牵引系统供电，在所述有轨电车处于制动状态时通过所述第一双向DC/DC吸收所述牵引系统反馈的电能；

蓄电池，用于在所述有轨电车处于匀速运行、启动加速和制动这三种状态时通过第二双向DC/DC为辅助系统供电；

控制单元，用于控制所述超级电容为所述牵引系统供电，以及控制所述蓄电池为所述辅助系统供电；

还包括：

开关，用于当所述控制单元判断得到所述超级电容的电压小于第一电压阈值时，所述控制单元控制所述开关闭合，所述蓄电池为所述超级电容充电以及为所述牵引系统供电；

或者，用于当所述控制单元判断得到所述超级电容的电压大于第二电压阈值时，所述控制单元控制所述开关闭合，所述牵引系统为所述蓄电池充电以及为所述辅助系统供电；

其中，所述牵引系统包括牵引逆变器和牵引电机；

所述电源管理系统还包括：

与所述牵引逆变器连接的制动电阻，用于当所述超级电容及所述蓄电池均充满时，消耗制动产生的多余能量。

2.根据权利要求1所述的电源管理系统，其特征在于，所述第一电压阈值为直流500V。

3.根据权利要求1所述的电源管理系统，其特征在于，所述第二电压阈值为直流850V。

4.根据权利要求1所述的电源管理系统，其特征在于，所述超级电容的充电截止电压为直流900V。

5.根据权利要求1所述的电源管理系统，其特征在于，所述蓄电池的充电截止电压为直流900V。