CN106515463B - 一种车辆、车载储能装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车载储能装置，与供电电网相连，包括逻辑控制单元，逻辑控制单元连接变流与储能单元；第一绝缘栅双极型晶体管IGBT与第一并联二极管相连；反向二极管串联于第一绝缘栅双极型晶体管IGBT与第一并联二极管的整体；电容与所述电感串联；第二IGBT与第二并联二极管相连，且第二IGBT的发射极并联于电容与所述电感串联后的整体；第三IGBT与第三并联二极管相连，且第三IGBT的发射极连接于电容与所述电感串联后的整体的一端。本发明还公开了一种车载储能方法。本发明还公开了一种包括上述车载储能装置的车辆。上述车载储能装置，避免吸收供电电网的电压，其存储的电能完全来自于车辆制动时所产生的电能。

Description

一种车辆、车载储能装置与方法

技术领域

本发明涉及车辆工程技术领域，特别涉及一种车载储能装置。本发明还涉及一种车载储能方法。除此之外，本发明还涉及一种包括上述车载储能装置的车辆。

背景技术

目前，城市轨道交通车辆普遍采用以再生制动为主、空气制动为辅的制动方式。一般城市地铁由于站间距比较短，制动能量可达到牵引能量的40％以上，部分再生制动能量可以被线路上同一供电区段相邻车辆和本车辅助系统吸收，如不能被吸收则为车载电阻消耗、地面集中制动电阻消耗、线路能量回收装置存储等。

车载电阻消耗方式和地面制动电阻消耗方式，是不考虑能量回收的方式，直接将电制动能量转换为热能消耗在空气中，是对能量的一种极大浪费。

线路能量回收装置是在车辆运行线路或牵引变电所设置的能量回收装置此设备直接连接在牵引电网，对制动能量进行存储或释放。首先，线路能量回收装置是通过对供电线路网压波动的检测控制装置充电或放电，它无法判断供电网压波动是车辆运营造成的，还是供电网络自身造成的，从而无法确保储能装置吸收的能量一定是制动能量，也有可能是电网供电能量，甚至两者皆有。其次，由于线路能量回收装置是直接与供电网络连接，制动能量通过一系列车载设备后才能被线路能量回收装置回收，造成能量回收效率较低。最后，线路能量回收装置安装在地面，车辆对能量存储装置不能进行有效控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种车载储能装置，该车载储能装置可以解决在车辆制动时吸收供电电网电能的问题。本发明的另一目的是提供一种车载储能方法。本发明的再一目的是提供一种包括上述车载储能装置的车辆。

为实现上述目的，本发明提供一种车载储能装置，与供电电网相连，包括：

与牵引逆变器并联的逻辑控制单元，所述逻辑控制单元连接变流与储能单元；

所述逻辑控制单元包括：反向二极管、第一绝缘栅双极型晶体管IGBT和第一并联二极管；

所述第一绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极与所述第一并联二极管的阳极相连，所述第一绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极与所述第一并联二极管的阴极相连；所述反向二极管串联于所述第一绝缘栅双极型晶体管IGBT与所述第一并联二极管的整体；

所述变流与储能单元包括：电容、电感、第二IGBT、第二并联二极管、第三IGBT和第三并联二极管；

所述电容与所述电感串联；所述第二IGBT的发射极与所述第二并联二极管的阳极相连，所述第二IGBT的集电极与所述第二并联二极管的阴极相连，且所述第二IGBT的发射极并联于所述电容与所述电感串联后的整体；所述第三IGBT的发射极与所述第三并联二极管的阳极相连，所述第三IGBT的集电极与所述第三并联二极管的阴极相连，且所述第三IGBT的发射极连接于所述电容与所述电感串联后的整体的一端。

相对于上述背景技术，本发明提供的车载储能装置，核心在于将原先车载制动电阻替换为逻辑控制单元以及变流与储能单元，利用逻辑控制单元以及变流与储能单元的共同作用，实现对车辆的制动能量进行回收；本发明所采用的逻辑控制单元能够避免吸收供电电网的电压，其存储的电能完全来自于车辆制动时所产生的电能，且能量回收效率较高。

优选地，还包括电流传感器，所述电流传感器的一端连接于所述反向二极管与由所述第一绝缘栅双极型晶体管IGBT与所述第一并联二极管构成的整体之间，所述电流传感器的另一端连接所述变流与储能单元。

优选地，所述牵引逆变器与逻辑控制单元的个数均为两个。

优选地，还包括与所述供电电网连接的高压配电柜，所述高压配电柜的两端分别连接第一逻辑控制单元的两端，且所述高压配电柜的一端串联所述变流与储能单元，所述变流与储能单元的两端分别连接两个所述逻辑控制单元所分别对应的电流传感器。

优选地，还包括并联于所述高压配电柜的电压传感器，且所述高压配电柜的一端还串联主路电感与主路电流传感器。

本发明还提供一种车载储能方法，应用上述的车载储能装置，包括如下步骤：

获取由牵引逆变器产生的反馈电压；

判断反馈电压值是否大于供电电压，若是，则进入下一步：

将所述反馈电压向电容充电，进行能量存储。

优选地，还包括如下步骤：

获取由供电电网产生的供电电压；

判断供电电压是否小于馈电标准电压，若是，则进入下一步：

将所述电容内存储的能量供给牵引电机。

本发明还提供一种车辆，包括上述任一项所述的车载储能装置。

优选地，所述车辆具体为城市轨道车辆。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的车载储能装置的电气原理示意图；

图2为本发明实施例所提供的车载储能方法的流程图。

其中：

1-高压配电柜、2-主路电感、3-第一逻辑控制单元、4-第一牵引逆变器、5-变流与储能单元、6-第二逻辑控制单元、7-第二牵引逆变器。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1和图2，图1为本发明实施例所提供的车载储能装置的电气原理示意图；图2为本发明实施例所提供的车载储能方法的流程图。

本发明提供的一种车载储能装置，与供电电网相连，主要包括牵引逆变器、逻辑控制单元以及变流与储能单元5；牵引逆变器与逻辑控制单元并联，而逻辑控制单元连接变流与储能单元，如说明书附图1所示。

其中，第一逻辑控制单元3包括：第一反向二极管D1、第一绝缘栅双极型晶体管IGBT（insulated gate bipolar transistor，IGBT）T1和第一并联二极管Q1。

第一绝缘栅双极型晶体管IGBT（即T1）的发射极与所述第一并联二极管Q1的阳极相连，第一绝缘栅双极型晶体管IGBT（即T1）的集电极与第一并联二极管Q1的阴极相连；第一反向二极管D1串联于由第一绝缘栅双极型晶体管IGBT（即T1）与第一并联二极管Q1构成的整体。

与第一逻辑控制单元3相类似地，第二逻辑控制单元6包括第二反向二极管D2、第二IGBT（即T2）和第二并联二极管Q2；且T2的发射极与Q2的阳极相连，T2的集电极与Q2的阴极相连；第二反向二极管D2串联于T2与Q2的整体；所述变流与储能单元5包括：电容C、电感L、第二IGBT（即T20）、第二并联二极管Q20、第三IGBT（即T30）和第三并联二极管Q30。

电容C与电感L串联；T20的发射极与第二并联二极管Q20的阳极相连，T20的集电极与第二并联二极管Q20的阴极相连，且T20的发射极并联于电容C与电感L串联后的整体；T30的发射极与第三并联二极管Q30的阳极相连，T30的集电极与第三并联二极管Q30的阴极相连，且T30的发射极连接于电容C与电感L串联后的整体的一端，具体如说明书附图1所示。

针对电容C，最好为超级电容，其容量应足够大，即电容C最好满足存储车辆制动时产生的制动能量的25%左右。

除此之外，第一电流传感器I1的一端连接于D1与T1和Q1的整体之间，第一电流传感器I1的另一端连接变流与储能单元5；与之类似地，第二电流传感器I2的一端连接于D2与由T2和Q2构成的整体之间，第二电流传感器I2的另一端连接变流与储能单元5；当然，根据实际需要，倘若牵引电机的个数为3个或以上，则牵引逆变器的个数应与牵引电机的个数相对应，而逻辑控制单元的个数应与牵引逆变器的个数相对应，本文将不再赘述。可以看出，变流与储能单元5为双向变换装置，主要将制动能量存储进储能装置，将储能装置能量回馈到牵引；储能装置主要由电容C组成，使能量暂时存储的装置；逻辑控制单元主要是实现车辆对车载能量装置逻辑控制。

车载储能装置的核心在于第一逻辑控制单元3、变流与储能单元5和第二逻辑控制单元6，第一逻辑控制单元3、变流与储能单元5和第二逻辑控制单元6替代车载制动电阻安装在车辆上，电气接口在主路电感2与第一牵引逆变器4和第二牵引逆变器7之间（如图1所示），当车辆制动时，制动再生能量直接被变流与储能单元5存储。

上述连接方式减少了制动能量通过主路电感2和高压配电柜1等设备产生的消耗；车载储能装置设置有D1和D2，即：只有车辆制动时，制动电压高于供电网压时，D1和D2才会导通，有效保证了制动能量被电容C存储，而不会存储供电网络的电能；车载储能装置还设置有T1、 T2以及电流传感器I1和I2，保证了车载储能装置与车辆间有效的逻辑控制关系。

车辆在线路上投入运行后，车载储能装置立即启动，进入准备就绪状态，等待工作指令，此时I1、I2没有电流；在车辆进行制动时，牵引逆变将电压反馈会供电系统：当反馈电压不大于供电电压式，反馈能量直接提供给供电网络，此时I1、I2没有电流；即，第一牵引逆变器4与第二牵引逆变器7直接输出至供电电网，并不经过变流与储能单元5。

当反馈电压高于供电电压时，D1、D2同时导通，变流与储能单元5启动，将能量存储到电容C，此时I1、I2检测到正向电流；当车辆停站，重新牵引时：供电电压被大幅拉低，低于馈电标准电压时，T1、T2同时反向导通，车载储能装置将电容C中存储的能量供给牵引，此时I1、I2检测到反向电流；当车辆停运，进入车辆段后，能量节约装置自动停机。

如上述以及说明书附图1可知，车载储能装置还包括可以包括与供电电网连接的高压配电柜1，且高压配电柜1的两端分别连接第一逻辑控制单元3的两端，且高压配电柜1的一端串联变流与储能单元5，所述变流与储能单元5的两端分别连接I1和I2。电压传感器U并联于高压配电柜1，且高压配电柜1的一端还串联主路电感2与主路电流传感器I3。针对第一逻辑控制单元3、变流与储能单元5与第二逻辑控制单元6之外的其他部分，可以参考现有技术，本文将不再赘述。

本发明还提供一种车载储能方法，如说明书附图2所示，应用上述的车载储能装置，主要包括如下步骤：

S1、获取由牵引逆变器产生的反馈电压；

S2、判断反馈电压值是否大于供电电压，若是，则进入下一步：

S3、将所述反馈电压向电容充电，进行能量存储。

除此之外，还包括如下步骤：

获取由供电电网产生的供电电压；

判断供电电压是否小于馈电标准电压，若是，则进入下一步：

将所述电容内存储的能量供给牵引电机。

其中，馈电标准电压可以根据不同车辆而定，避免过高与过低；对于本领域技术人员来说，馈电标准电压值的确定属于公知内容，本发明将不再赘述。

上述车载储能方法，能够避免吸收供电电网的电压，其存储的电能完全来自于车辆制动时所产生的电能，且能量回收效率较高。

本发明还公开一种车辆，包括上述车载储能装置。车辆的其他部分可以参照现有技术，本文不再展开。车辆可以具体为城市轨道车辆。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述较为简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件的方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对本发明所提供的一种车辆、车载储能装置与方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种车载储能装置，与供电电网相连，其特征在于，包括：

与牵引逆变器并联的逻辑控制单元，所述逻辑控制单元连接变流与储能单元；

所述逻辑控制单元包括：反向二极管、第一绝缘栅双极型晶体管IGBT和第一并联二极管；

所述第一绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极与所述第一并联二极管的阳极相连，所述第一绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极与所述第一并联二极管的阴极相连；所述反向二极管串联于所述第一绝缘栅双极型晶体管IGBT与所述第一并联二极管的整体；

所述变流与储能单元包括：电容、电感、第二IGBT、第二并联二极管、第三IGBT和第三并联二极管；

所述电容与所述电感串联；所述第二IGBT的发射极与所述第二并联二极管的阳极相连，所述第二IGBT的集电极与所述第二并联二极管的阴极相连，且所述第二IGBT的发射极并联于所述电容与所述电感串联后的整体；所述第三IGBT的发射极与所述第三并联二极管的阳极相连，所述第三IGBT的集电极与所述第三并联二极管的阴极相连，且所述第三IGBT的发射极连接于所述电容与所述电感串联后的整体的一端。

2.根据权利要求1所述的车载储能装置，其特征在于，还包括电流传感器，所述电流传感器的一端连接于所述反向二极管与由所述第一绝缘栅双极型晶体管IGBT与所述第一并联二极管构成的整体之间，所述电流传感器的另一端连接所述变流与储能单元。

3.根据权利要求1所述的车载储能装置，其特征在于，所述牵引逆变器与逻辑控制单元的个数均为两个。

4.根据权利要求3所述的车载储能装置，其特征在于，还包括与所述供电电网连接的高压配电柜，所述高压配电柜的两端分别连接第一逻辑控制单元的两端，且所述高压配电柜的一端串联所述变流与储能单元，所述变流与储能单元的两端分别连接两个所述逻辑控制单元所分别对应的电流传感器。

5.根据权利要求4所述的车载储能装置，其特征在于，还包括并联于所述高压配电柜的电压传感器，且所述高压配电柜的一端还串联主路电感与主路电流传感器。

6.一种车载储能方法，其特征在于，应用如上述权利要求1-5任意一项所述的车载储能装置，包括如下步骤：

获取由牵引逆变器产生的反馈电压；

判断反馈电压值是否大于供电电压，若是，则进入下一步：

将所述反馈电压向电容充电，进行能量存储。

7.根据权利要求6所述的车载储能方法，其特征在于，还包括如下步骤：

获取由供电电网产生的供电电压；

判断供电电压是否小于馈电标准电压，若是，则进入下一步：

将所述电容内存储的能量供给牵引电机。

8.一种车辆，其特征在于，包括如权利要求1至5任一项所述的车载储能装置。

9.根据权利要求8所述的车辆，其特征在于，所述车辆具体为城市轨道车辆。