CN105150864B - 一种双源无轨电车动力系统及控制方法 - Google Patents

一种双源无轨电车动力系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种双源无轨电车动力系统，包括集电装置、DC/DC隔离稳压电源、充电器、电机驱动器及其连接的电机、其他用电设备和动力电池，集电装置经第一断路器连接DC/DC隔离稳压电源，充电器、电机驱动器、其他用电设备并联在DC/DC隔离稳压电源直流输出母线两端，充电器经第二断路器连接动力电池，动力电池经第三断路器连接DC/DC隔离稳压电源输入端，第二断路器经第四断路器和防反二极管连接DC/DC隔离稳压电源直流输出母线两端。本发明能够为电机控制器及其它用电设备提供稳定的直流电压，实现电机控制器及其它用电设备与城市公交电网电气隔离，同时有效回收电车制动时产生的回馈能量。

Description

一种双源无轨电车动力系统及控制方法
技术领域
本发明属于电动汽车领域，具体涉及双源无轨电车动力系统结构及控制方法。
背景技术
汽车在推动社会经济发展的同时，也导致能源危机、环境污染、全球气温上升危害加剧，节能减排是未来汽车发展的主攻方向，新能源交通工具越来越被人们所重视，发展电动汽车将是解决这两个技术难题的最好途径。电动汽车因其零排放、低噪声等优点受到了广泛关注，世界各国都将电动汽车作为汽车工业的发展方向。
双源无轨电车也是电动汽车领域里的一种。双源无轨电车，是指使用电网线轨和自身加装的电池双源供电，在有线网的路段可依靠线网供电，同时对电池进行充电，没有线网的时候则靠电池中储存的电量运行的车辆。
现有双源无轨电车动力系统方案：
电机驱动器和其它用电设备直接与城市电网连接，在有电网区域电网作为电源给整车供电，在没有电网区域，动力电池作为电源直接给整车供电。电车上装有制动电阻，电车制动时，回馈能量全部由制动电阻消耗。
发明内容
本发明的首要目的在于提供一种双源无轨电车动力系统结构，为电机控制器及其它用电设备提供稳定的直流电压，实现电机控制器及其它用电设备与城市公交电网电气隔离。
本发明具体采用如下技术方案：
双源无轨电车动力系统，其特征在于包括集电装置、DC/DC隔离稳压电源、充电器、电机驱动器及其连接的电机、其他用电设备和动力电池，集电装置经第一断路器连接DC/DC隔离稳压电源，充电器、电机驱动器、其他用电设备并联在DC/DC隔离稳压电源直流输出母线两端，充电器经第二断路器连接动力电池，动力电池经第三断路器连接DC/DC隔离稳压电源输入端，第二断路器经第四断路器和防止电车制动电流回流到动力电池的防反二极管连接DC/DC隔离稳压电源直流输出母线两端。
优选地，所述DC/DC隔离稳压电源直流输出母线两端还并联有超级电容，一方面用来回收电车制动时的回馈能量，另一方面在电车启动和加速时瞬间提供一个较大的电流。
本发明的另一目的是提供上述系统的控制方法，其特征在于：
（1）在有电网区域
第一、第二断路器闭合，第三、第四断路器断开，电网通过DC/DC隔离稳压电源后，输出稳定的直流电压给电机驱动器供电，同时，如果动力电池SOC未达到设定满载值，充电器启动，给动力电池充电，动力电池充满后第二断路器断开；
（2）在无电网区域
第三断路器闭合，第一、第二、第四断路器断开，动力电池通过DC/DC隔离稳压电源后，输出稳定的直流电压给电机驱动器供电。
当DC/DC隔离稳压电源不能正常运行，第四断路器闭合，第一、第二、第三断路器断开，动力电池直接给电机驱动器供电。
当电车制动功率超出动力电池所能吸收的最大功率，系统根据直流母线电压升高数值计算所需机械制动能量，并传递给机械制动装置实现机电联合制动。
本发明具有如下有益效果：
1.在电机驱动器、其它用电设备与城市电网之间增加一个高压DC/DC隔离稳压电源，为整车用电系统提供一个稳定的直流电压，不仅解决了整车用电设备输入电压波动的问题，而且使电网与整车用电设备之间电气隔离，解决了跨步电压等安全隐患问题。
2.在没有城市公交电网的区域，电车通过动力电池供电，此时动力电池接在高压DC/DC隔离稳压电源的输入端，通过此设备升压后为整车用电设备供电，解决了电池电压等级和电机驱动器直流电压等级不匹配的问题。
3.在一具体实施例中，在动力系统中增加超级电容，一方面用来回收电车制动时的回馈能量，避免了电能的浪费；另一方面在电车启动和加速时能瞬间提供一个较大的电流，满足电机输出高转矩的需求，解决了相应工况下电机输出功率不足的问题。
4. 在没有超级电容的情况下，依靠动力电池也能回收电车制动时大部分回馈能量，当制动功率超出动力电池所能吸收的最大功率，可以利用机电联合制动达到制动效果。
附图说明
图1是本发明系统原理图。
图2是本发明系统带超级电容的原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步的说明。
实施例一
如图1所示，一种双源无轨电车动力系统，包括集电装置、DC/DC隔离稳压电源、充电器、电机驱动器及其连接的电机、其他用电设备和动力电池。集电装置经第一断路器QF连接DC/DC隔离稳压电源，充电器、电机驱动器、其他用电设备并联在DC/DC隔离稳压电源直流输出母线两端，充电器经第二断路器QFA连接动力电池，动力电池经第三断路器QFB连接DC/DC隔离稳压电源输入端。充电器由两个受控开关管（本实施例采用IGBT）串联组成，跨接在DC/DC隔离稳压电源直流输出母线两端，两个IGBT的连接点连接一二极管，二极管的负极提供动力电池的正电压输出端，经一电感连接第二断路器QFA的正电压输入端。第二断路器QFA经第四断路器QFC和一防反二极管连接DC/DC隔离稳压电源直流输出母线两端。
电车运行时有两种工况，一种是行驶在有电网区域，另一种是行驶在无电网区域，针对这两种工况结合系统原理图分析系统工作原理。
(1)有电网区域
电车在有电网区域，供电电源为城市公交电网，该工况下第一、第二断路器QF、
QFA闭合，第三、第四断路器QFB、QFC断开，电网通过DC/DC隔离稳压电源后，输出稳定的直流电压给电机驱动器供电，同时如果动力电池SOC未达到设定满载值，电池充电器启动，给动力电池充电，动力电池充满后第二断路器QFA断开。
(2)无电网区域
电车在无电网区域，供电电源为动力电池，该工况下第三断路器QFB闭合，
第一、第二、第四断路器QF、QFA、QFC断开，动力电池通过DC/DC隔离稳压电源后，输出适当幅值的稳定直流电压给电机驱动器供电。
电车实际运行中偶尔还会存在一种工况：DC/DC隔离稳压电源不能正常运行，此种工况下第四断路器QFC闭合，第一、第二、第三断路器QF、QFA、QFB断开，动力电池直接给电机驱动器供电，动力电池能够维持电车行驶到维修厂，对整个电车系统进行监测和维护。
防反二极管用于防止电车制动时制动电流回流到动力电池，如果电车制动迅速，制动电流非常大，超出动力电池充电电流的最大值就会损坏动力电池或降低动力电池的使用寿命。
在电车制动工况下，电车制动能量靠动力电池回收。电车制动时，电机驱动器和DC/DC隔离稳压电源相连的直流母线电压会升高，当超过设定的上限值时，启动电池充电器，以充电器允许的最大电流给动力电池充电，此时制动能量流向动力电池，实现了能量回收。如果电车制动功率超出了动力电池所能吸收的最大功率，此时直流母线电压会升高。为了解决动力电池吸收制动功率不足的问题，可以采用电池能量回收和机械制动的机电联合制动方法。具体的实施方法如下：动力电池工作在最大吸收功率状态，直流母线电压升高，此时整车控制系统会根据直流母线电压升高的数值实时计算，当前需要多大的机械制动能量，来抵消致使直流母线电压升高的这部分能量。整车控制系统根据计算的数值传递给机械制动装置，实现机电联合制动。
实施例二
如图2为系统带超级电容的原理图，与实施例一基本结构相同，不同的只是在DC/DC隔离稳压电源直流输出母线两端还并联有超级电容。在有超级电容情况下，除了电车制动工况之外，其余工况和没有超级电容工作原理相同。
超级电容设计留有一定的余量，在电车制动时，超级电容吸收电机制动回馈的能量，要保证超级电容留有的余量大于电机制动回馈能量的最大值。在电车加速和启动时，电机需求的驱动转矩很大，此时如果DC/DC隔离稳压电源提供的电流不足，超级电容可以迅速补充。

Claims (2)

1.一种双源无轨电车动力系统，其特征在于包括集电装置、DC/DC隔离稳压电源、充电器、电机驱动器及其连接的电机、其他用电设备和动力电池，集电装置经第一断路器连接DC/DC隔离稳压电源，充电器、电机驱动器、其他用电设备并联在DC/DC隔离稳压电源直流输出母线两端，充电器经第二断路器连接动力电池，动力电池经第三断路器连接DC/DC隔离稳压电源输入端，第二断路器经第四断路器和防止电车制动电流回流到动力电池的防反二极管连接DC/DC隔离稳压电源直流输出母线两端；所述DC/DC隔离稳压电源直流输出母线两端还并联有超级电容，一方面用来回收电车制动时的回馈能量，另一方面在电车启动和加速时瞬间提供一个较大的电流；超级电容留有大于电机制动回馈能量最大值的余量。
2.如权利要求1所述双源无轨电车动力系统的控制方法，其特征在于：
（1）在有电网区域
第一、第二断路器闭合，第三、第四断路器断开，电网通过DC/DC隔离稳压电源后，输出稳定的直流电压给电机驱动器供电，同时，如果动力电池SOC未达到设定满载值，充电器启动，给动力电池充电，动力电池充满后第二断路器断开；
（2）在无电网区域
第三断路器闭合，第一、第二、第四断路器断开，动力电池通过DC/DC隔离稳压电源后，输出稳定的直流电压给电机驱动器供电；
（3）当DC/DC隔离稳压电源不能正常运行，第四断路器闭合，第一、第二、第三断路器断开，动力电池直接给电机驱动器供电；
电车制动时，当电机驱动器和DC/DC隔离稳压电源相连的直流母线电压升高超过设定的上限值，启动电池充电器，以充电器允许的最大电流给动力电池充电，制动能量流向动力电池，实现能量回收；电车制动功率超出动力电池所能吸收的最大功率，系统根据直流母线电压升高数值计算所需机械制动能量，并传递给机械制动装置实现机电联合制动。
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