CN105857320B - 混合动力动车组牵引传动系统能量管理策略 - Google Patents

Abstract

本发明涉及混合动力动车组牵引传动系统能量管理策略，包括如下步骤：步骤(1)，估计列车功率需求；通过列车指令系统，确定车辆的运行线路条件与运行工况，计算牵引传动系统的实时功率指令；步骤(2)，通过通信获得各子系统状态；通过硬线通讯和/或RS485通讯和/或CAN(控制器局域网络)总线通讯，获取牵引传动系统各子系统的状态，至少包括储能装置荷电状态与动力包最大可用功率；步骤(3)，依据车辆运行线路条件，控制子系统间能量流动。本发明，可以支持动车组实现在有、无接触网两种运行条件下的正常运行；在此基础上，还可以保障动车组的最优加速性能、最佳燃油经济性、最大能量循环利用。

Description

混合动力动车组牵引传动系统能量管理策略

技术领域

本发明涉及动车组牵引传动系统的能量管理，具体说是混合动力动车组牵引传动系统能量管理策略。

背景技术

混合动力动车组牵引传动系统中，通过使用储能装置、动力包(柴油发电机组)与新型牵引变流器组成的混合动力系统，可以实现电气化路段与非电气化路段的跨线运行，同时可以降低燃油消耗，提高运营经济性。

混合动力系统的应用是未来新型动车组的一种发展方向，对于铁路线网的延伸有着积极地意义。该技术使用了动力包(柴油发电机组)与储能装置，其核心与关键是混合动力系统的能量管理与控制，现有技术对此鲜有报道。混合动力动车组牵引传动系统能量管理策略的主要功能是：进行动车组牵引传动系统的功率控制和运行模式的转换，通过直接或间接地控制混合动力系统的各个子系统的协调工作，以实现效率和加速性能的优化。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供混合动力动车组牵引传动系统能量管理策略，可以支持动车组实现在有、无接触网两种运行条件下的正常运行；在此基础上，还可以保障动车组的最优加速性能、最佳燃油经济性、最大能量循环利用。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

混合动力动车组牵引传动系统能量管理策略，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)，估计列车功率需求；

通过列车指令系统，确定车辆的运行线路条件与运行工况，计算牵引传动系统的实时功率指令；

步骤(2)，通过通信获得各子系统状态；

通过硬线通讯和/或RS485通讯和/或CAN(控制器局域网络)总线通讯，获取牵引传动系统各子系统的状态，至少包括储能装置荷电状态与动力包最大可用功率；

步骤(3)，依据车辆运行线路条件，控制子系统间能量流动。

在上述技术方案的基础上，所述混合动力动车组牵引传动系统包括：

四象限整流器，通过牵引变压器与接触网连接，

动力包，与四象限整流器连接，

直流环节，与四象限整流器连接，

储能装置，通过双向DC/DC变换器与直流环节连接，储能装置为电池组、超级电容或飞轮，

牵引电机，通过牵引逆变器与直流环节连接。

在上述技术方案的基础上，接触网通过受电弓经由牵引变压器接入四象限整流器进行整流，从而对直流环节进行供电，实现能量双向流动；

动力包三相输出经由四象限整流器中三相桥臂反并联二极管进行整流，并对直流环节进行供电；

储能装置经由双向DC/DC变换器接入直流环节，实现能量双向流动。

在上述技术方案的基础上，步骤(3)中，牵引传动系统支持六种供电模式：

接触网供电模式、动力包供电模式、储能装置供电模式、混合动力供电模式、接触网+储能装置供电模式、接触网+混合动力供电模式。

在上述技术方案的基础上，接触网供电模式指：在接触网可用时，使用接触网供电模式进行供电；

在接触网供电模式下，动力包停机，储能装置在恒速运行时进行充电。

在上述技术方案的基础上，在动力包供电模式或混合动力供电模式下，根据列车指令控制动力包运行在高输出模式和/或高效率模式；

在动力包供电模式下，牵引传动系统与辅助供电系统功率均由动力包提供；

在混合动力供电模式下，如果动力包可用功率足够，牵引传动系统与辅助供电系统功率均由储能装置提供；当动力包可用功率不足时，储能装置释放能量，以满足牵引传动系统与辅助供电系统功率需求，从而保障列车最优加速性能；

在混合动力供电模式下，动力包与储能装置输出功率的分配通过控制直流环节电压实现。

在上述技术方案的基础上，在储能装置供电模式下，牵引传动系统与辅助供电系统功率均由储能装置提供。

在上述技术方案的基础上，接触网供电模式下，车辆制动时，制动能量通过四象限整流器返回电网；

在储能装置供电和混合动力供电两种模式下，车辆制动时，制动能量全部由储能装置吸收，以实现能量循环利用。

本发明所述的混合动力动车组牵引传动系统能量管理策略，可以支持动车组实现在有、无接触网两种运行条件下的正常运行；在此基础上，还可以保障动车组的最优加速性能、最佳燃油经济性、最大能量循环利用。

附图说明

本发明有如下附图：

图1混合动力动车组牵引传动系统结构图。

图2功率分析图。

图3本发明的能量管理与控制逻辑图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明所述混合动力动车组牵引传动系统包括：

四象限整流器，通过牵引变压器与接触网连接，

动力包(柴油发电机组)，与四象限整流器连接，

直流环节，与四象限整流器连接，

储能装置，通过双向DC/DC变换器与直流环节连接，储能装置为电池组、超级电容或飞轮，

牵引电机，通过牵引逆变器与直流环节连接。

还可包括辅助变流器(辅助变流器图中未示出)。

其中：

接触网通过受电弓经由牵引变压器接入四象限整流器进行整流，从而对直流环节进行供电，可以实现能量双向流动；

动力包三相输出经由四象限整流器中三相桥臂反并联二极管进行整流，并对直流环节进行供电；即：采用三相不控整流方式接入直流环节；

储能装置经由双向DC/DC变换器接入直流环节，可以实现能量双向流动；

直流环节对牵引电机、辅助负载(辅助变流器)进行供电；

因此，所述牵引传动系统可以支持六种供电模式：

接触网供电模式、动力包供电模式、储能装置供电模式、混合动力供电模式(动力包+储能装置供电模式)、接触网+储能装置供电模式、接触网+混合动力供电模式。

图1中，实线表示能量流动，虚线表示通讯信息，箭头表示流动方向。

图1中的各子系统具有如下特征：

1)动力包提供三相交流输出，其输出电压与频率同发电机组转速成正比。

2)储能装置输出为直流，双向DC/DC变换器可以实现对于输出电压的控制，同时可以作为储能装置的充电装置使用。

3)直流环节为系统输入输出的汇合点，所有系统输入能量最终都变换为电压相同的直流电输入直流环节，再传递给牵引逆变器与辅助变流器。

4)能量管理策略用于根据列车指令确定工况和实际功率需求，并结合动力系统状态确定子系统运行规则，在保障系统运行的基础上进行，优化系统燃油效率等运营指标。

本发明所述的混合动力动车组牵引传动系统能量管理策略，用于控制和管理图1所示混合动力动车组牵引传动系统。所述能量管理策略的目的(最终目标)，是为了在复杂多变的供电条件下保障列车动力系统性能，在不同工作模式下控制牵引传动系统的能量供应和转换，如图3所示，包括如下步骤：

步骤(1)，估计列车功率需求；

通过列车指令系统，确定车辆的运行线路条件与运行工况，计算牵引传动系统的实时功率指令；

通过车辆网络获得车辆指令信号，确定车辆运行线路情况(有、无接触网)与运行工况(牵引、制动、惰行)，通过车辆指令计算去牵引力指令以及对应的牵引功率；

本发明的功率分析图参见图2；

步骤(2)，通过通信获得各子系统状态；

通过硬线通讯和/或RS485通讯和/或CAN(控制器局域网络)总线通讯，获取牵引传动系统各子系统的状态，至少包括储能装置荷电状态与动力包最大可用功率；

通过子系统间硬线通讯、CAN通讯、RS485通讯获得各子系统状态与动力系统状态，尤其是储能装置与动力包最大可用功率与故障信息。并采集辅助变流器输入功率；

步骤(3)，依据车辆运行线路条件，控制子系统间能量流动：

若储能装置与双向DC/DC变换器均没有故障，则判定为储能装置可以投入；

若动力包及其连接没有故障，则判定为动力包可用；

若四象限变流器供电正常则判定为接触网可用。

更进一步，根据车辆运行线路情况与运行工况，将系统划分为接触网供电模式和非接触网模式：

在接触网可用，且牵引变压器与四象限整流器均没有故障时，系统进入接触网模式，否则系统经由列车指令进入非接触网模式；

在接触网模式下，接触网与四象限整流器为系统主能量源，支持牵引逆变器与辅助变流器的全部功率需求，双向DC/DC变换器在车辆运行在恒速模式且储能装置荷电状态不足(SOC<80％)时对储能装置进行充电；

在非接触网模式下，优先使用动力包作为系统主能量源，加速过程中若动力包最大可用功率可以支持牵引逆变器与辅助变流器的全部功率需求，则储能装置与双向DC/DC变换器待机，若动力包最大可用功率不足以支持牵引逆变器与辅助变流器的全部功率需求，双向DC/DC变换器启动并释放储能装置储存的能量以满足车辆功率需求；当列车进入恒速运行时，双向DC/DC变换器控制储能装置进行充电，此时能量管理策略根据柴油机实时油耗进行动态寻优，在保障动车组运行的条件下，保证动力包工作在高效率区间；

在接触网模式下，车辆制动能量由四象限整流器回馈接触网，供线路上其他车辆使用；

在非接触网模式下，车辆制动能量由储能装置进行吸收，实现能量的循环利用；

当动力系统发生故障而导致最大可用功率降低时，由能量管理策略算法进行实时计算，对于牵引逆变器与辅助变流器的输出进行限制与切除，其具体实现方法是通过计算系统最大可用功率确定牵引变流器与辅助变流器的最大输出功率限制，并通过内部通讯发送给牵引逆变器与辅助变流器，同时对动力损失情况进行上报。

所述能量管理策略可以支持列车在电气化与非电气化铁路的跨线运行，同时实现多能量源的合理分配提高效率，并具有在部分动力缺失时保障列车正常运行的功能。

在上述技术方案的基础上，接触网供电模式指：在接触网可用时，使用接触网供电模式进行供电；

在接触网供电模式下，动力包停机，储能装置在恒速运行时进行充电，即：在接触网供电模式下，优先使用四象限整流器对牵引传动系统进行供电，此时，如果储能装置储存的能量较低，则在车辆恒速运行时同时对储能装置进行充电，直到储能装置储存的能量达到理想状态。

在接触网供电模式下，接触网经由受电弓、牵引变压器接入四象限整流器输入端，从而实现对牵引传动系统供电。

在上述技术方案的基础上，在动力包供电模式或混合动力供电模式下，根据列车指令控制动力包运行在高输出模式和/或高效率模式；

在动力包供电模式下，牵引传动系统与辅助供电系统功率均由动力包提供；

在混合动力供电模式下，如果动力包可用功率足够，牵引传动系统与辅助供电系统功率均由储能装置提供；当动力包可用功率不足时，储能装置释放能量，以满足牵引传动系统与辅助供电系统功率需求，从而保障列车最优加速性能；

在混合动力供电模式下，动力包与储能装置输出功率的分配通过控制直流环节电压实现。

在动力包供电、混合动力供电两种模式下，动力包转速根据功率需求的变化而变化，从而减少燃油消耗，提高燃油经济性，降低了车辆噪音。

在上述技术方案的基础上，在储能装置供电模式下，牵引传动系统与辅助供电系统功率均由储能装置提供。

在上述技术方案的基础上，接触网供电模式下，车辆制动时，制动能量通过四象限整流器返回电网；

在储能装置供电和混合动力供电两种模式下，车辆制动时，制动能量全部由储能装置吸收，以实现能量循环利用。

在上述技术方案的基础上，步骤(1)所述估计列车功率需求具体可包括以下步骤：

通过列车牵引级位信号、列车实时速度和列车牵引力曲线实时计算列车牵引功率，并通过辅助变流器输入侧电流传感器计算辅助变流器输入功率，二者相加后得到列车功率需求。

在上述技术方案的基础上，步骤(2)所述通过通信获得各子系统状态具体可包括以下步骤：

通过硬线通信总线获得各子系统参与能量管理的必要数据。

在上述技术方案的基础上，步骤(3)所述依据车辆运行线路条件控制子系统间能量流动具体可包括以下步骤：

通过给出各子系统运行规则，控制系统运行状态；

当部分动力缺失时，能量管理策略通过动态计算实时可用最大功率，并对牵引传动系统与辅助供电系统的负载进行管理，从而保护能量源与牵引变流器内部元件。

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范围。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.混合动力动车组牵引传动系统能量管理策略，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)，估计列车功率需求；

通过列车指令系统，确定车辆的运行线路条件与运行工况，计算牵引传动系统的实时功率指令；

步骤2)，通过通信获得各子系统状态；

通过硬线通讯和/或RS485通讯和/或CAN总线通讯，获取牵引传动系统各子系统的状态，至少包括储能装置荷电状态与动力包最大可用功率；

步骤3)，依据车辆运行线路条件，控制子系统间能量流动；

所述混合动力动车组牵引传动系统包括：

四象限整流器，通过牵引变压器与接触网连接，

动力包，与四象限整流器连接，

直流环节，与四象限整流器连接，

储能装置，通过双向DC/DC变换器与直流环节连接，储能装置为电池组、超级电容或飞轮，

牵引电机，通过牵引逆变器与直流环节连接；

步骤1)所述估计列车功率需求具体包括以下步骤：

通过列车牵引级位信号、列车实时速度和列车牵引力曲线实时计算列车牵引功率，并通过辅助变流器输入侧电流传感器计算辅助变流器输入功率，二者相加后得到列车功率需求；

在所述步骤3)中，若储能装置与双向DC/DC变换器均没有故障，则判定为储能装置可以投入；若动力包及其连接没有故障，则判定为动力包可用；若四象限变流器供电正常则判定为接触网可用；

在所述步骤3)中，牵引传动系统支持六种供电模式：

接触网供电模式、动力包供电模式、储能装置供电模式、混合动力供电模式、接触网+储能装置供电模式、接触网+混合动力供电模式；

所述接触网供电模式指：在接触网可用时，使用接触网供电模式进行供电；

在接触网供电模式下，动力包停机，储能装置在恒速运行时进行充电；

在所述接触网供电模式下，接触网与四象限整流器为系统主能量源，支持牵引逆变器与辅助变流器的全部功率需求，双向DC/DC变换器在车辆运行在恒速模式且储能装置荷电状态不足，即SOC<80％时对储能装置进行充电。

2.如权利要求1所述的混合动力动车组牵引传动系统能量管理策略，其特征在于：

接触网通过受电弓经由牵引变压器接入四象限整流器进行整流，从而对直流环节进行供电，实现能量双向流动；

动力包三相输出经由四象限整流器中三相桥臂反并联二极管进行整流，并对直流环节进行供电；

储能装置经由双向DC/DC变换器接入直流环节，实现能量双向流动。

3.如权利要求1所述的混合动力动车组牵引传动系统能量管理策略，其特征在于：在动力包供电模式或混合动力供电模式下，根据列车指令控制动力包运行在高输出模式和/或高效率模式；

在动力包供电模式下，牵引传动系统与辅助供电系统功率均由动力包提供；

在混合动力供电模式下，如果动力包可用功率足够，牵引传动系统与辅助供电系统功率均由储能装置提供；当动力包可用功率不足时，储能装置释放能量，以满足牵引传动系统与辅助供电系统功率需求，从而保障列车最优加速性能；

在混合动力供电模式下，动力包与储能装置输出功率的分配通过控制直流环节电压实现。

4.如权利要求1所述的混合动力动车组牵引传动系统能量管理策略，其特征在于：在储能装置供电模式下，牵引传动系统与辅助供电系统功率均由储能装置提供。

5.如权利要求1所述的混合动力动车组牵引传动系统能量管理策略，其特征在于：接触网供电模式下，车辆制动时，制动能量通过四象限整流器返回电网；

在储能装置供电和混合动力供电两种模式下，车辆制动时，制动能量全部由储能装置吸收，以实现能量循环利用。