CN107042762B - 一种轨道车辆的车载混合储能系统及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轨道车辆的车载混合储能系统。该系统包括：锂离子电池组模块、超级电容组模块和可重构式牵引变流器模块，可重构式牵引变流器模块包括牵引变流器；该牵引变流器的主电路是在传统牵引变流器的主电路上增加接触器S1、S2、S3、S4、S5和滤波电感L。在列车运行时，超级电容组模块通过牵引变流器为列车提供动力；在列车进站停车时，牵引变流器通过闭合、断开不同的接触器重构为直流‑直流变换器，并通过该变流器将能量从锂离子电池组模块传导至超级电容组模块，为下一站车辆运行所需的能量进行充电。所述轨道车辆的车载混合储能系统不需要额外的直流‑直流变换器，降低了整体系统的造价、空间成本和复杂度等。

Description

一种轨道车辆的车载混合储能系统及其应用

技术领域

本发明涉及一种轨道车辆的车载混合储能系统及其应用。

背景技术

轨道交通主要指地铁、轻轨、空中轨道列车、有轨电车和磁悬浮列车等一系列的交通方式。随着经济的快速持续发展，城市化进程的加速，城市对于交通的需求也越来越高，城市快速轨道交通以其占地少、能源损耗低、环境污染少、运输量大、行驶速度快、安全可靠性高，准点舒适等特性赢得了人们的青睐。

目前，轻轨车辆由于采用传统的牵引供电网供电，密集布置的牵引线网影响了城市的美化，并且牵引网建设的投资较大，采用不控整流技术的牵引电网无法吸收车辆的制动能量。另外，城市轨道交通车辆本身具有运行密度高、运行周期长、站间距离短的特点，在频繁的启/制动过程中产生很多的制动能量，采用储能系统进行制动能量回收将减少能源浪费。储能元件在城市轨道交通的应用形式主要有纯电池储能、纯超级电容储能、电池和超级电容混合储能，车载储能系统在列车牵引的时候释放能量，在列车制动的时候吸收部分制动能量。

在轨道交通车辆上加装独立列车驱动电源为列车运行提供能量，维持系统运行，可达到节能减排与减少城市牵引网视觉污染等问题。由于锂离子电池具有较高的能量密度，采用锂离子电池系统作为动力源将成为轨道交通领域未来发展的趋势，但同时，由于轻轨车辆的瞬时功率需求较大，而锂离子电池对瞬时大电流充放电较为敏感，会减少其使用寿命，因此采用高功率密度的超级电容加以补偿可以取得良好的运行效果。锂离子电池与超级电容混合储能系统为轨道车辆提供动力成为主流趋势，超级电容承担车辆运行时瞬时大功率输出与车辆制动时大功率回收能量；锂离子电池承担车辆运行整体能量消耗的平均功率输出。

目前，现有的轨道车辆的车载混合储能系统拓扑主要有三种：第一种拓扑(图1)为超级电容组模块通过直流-直流变换器连接到牵引变流器的直流母线，并将锂离子电池组模块一起并联在牵引变流器的直流侧。由于锂离子电池组模块的电压变动范围相对较小，该种拓扑可以在直流母线获得相对稳定的直流电压范围。但高功率输出的超级电容组模块会使直流-直流变换器的容量设计变大。并且锂离子电池组模块在直流侧直接并联会直接承担高频的电流减少其使用寿命。

第二种拓扑(图2)与第一种拓扑相比，调换了超级电容组模块与锂离子电池组模块的位置。该种拓扑的直流-直流变换器设计容量小于第一种拓扑，并可以使锂离子电池组模块避免直接引入高频电流。但缺点是由于超级电容组模块的宽电压范围，牵引变流器的直流母线变换范围将变大。

第三种拓扑(图3)引入了两个直流-直流变换器，使锂离子电池组模块与超级电容组模块分别通过各自的直流-直流变换器并联接入牵引变流器的直流母线。该种拓扑可以更加灵活的控制锂离子电池组模块与超级电容组模块，并且可以维持一个稳定的直流母线电压。但两台直流-直流变换器使整个车载混合储能系统变得更加复杂与昂贵。

如上所述，以上现有拓扑除了储能元件锂离子电池组与超级电容组之外，都需要额外的直流-直流变换器模块来对相应的储能元件进行充放电，即抽取能量或释放能量，增加了车载混合储能系统整体的造价、体积成本与复杂度。

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一种轨道车辆的车载混合储能系统及其应用，所述轨道车辆的车载混合储能系统不需要额外的直流-直流变换器，降低了整体系统的造价、空间成本和复杂度等。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种轨道车辆的车载混合储能系统，其特征在于，包括：

锂离子电池组模块、超级电容组模块和可重构式牵引变流器模块，

锂离子电池组模块包括锂离子电池单体组成的锂离子电池组，用于在轨道车辆处于进站停车工况时为超级电容组模块提供能量；

超级电容组模块包括超级电容单体组成的超级电容组，用于在轨道车辆处于牵引运行工况时为轨道车辆的牵引运行提供能量，并在轨道车辆进行制动刹车时回收部分能量；

可重构式牵引变流器模块与锂离子电池组模块和超级电容组模块连接，在轨道车辆处于牵引运行工况时用于从超级电容组模块吸收能量，为轨道车辆牵引运行提供能量；在轨道车辆处于进站停车工况时用于将能量从锂离子电池模块传导至超级电容组模块。

在上述技术方案的基础上，可重构式牵引变流器模块包括：牵引变流器；

该牵引变流器的主电路是在传统牵引变流器的主电路上增加接触器S1、S2、S3、S4、S5和滤波电感L；

传统牵引变流器的主电路包括：三相共六个电力电子开关器件T1、T2、T3、T4、T5和T6、直流母线和直流母线电容C；

接触器S1的一端与直流母线连接，另一端用于连接超级电容组模块，当接触器S1闭合时，超级电容组模块可连接至直流母线；

接触器S2的一端与电力电子开关器件T1连接，另一端用于连接锂离子电池组模块，当接触器S2闭合时，锂离子电池组模块可连接至直流母线；

接触器S3连接在电力电子开关器件T1和T3之间，

接触器S4将滤波电感L连接在传统牵引变流器的输出两相之间，

接触器S5用于连接轨道车辆的牵引电机。

在上述技术方案的基础上，可重构式牵引变流器模块还包括锂离子电池组模块接口和超级电容组模块接口，

当接触器S2闭合时，锂离子电池组模块可通过锂离子电池组模块接口连接至直流母线；

当接触器S1闭合时，超级电容组模块可通过超级电容组模块接口连接至直流母线。

在上述技术方案的基础上，当轨道车辆处于牵引运行工况时：所述可重构式牵引变流器模块中的牵引变流器工作于逆变状态；接触器S3和接触器S5闭合；接触器S4断开；(由于此时工况设计为超级电容组模块为轻轨车辆提供动力，因此)接触器S1闭合；(锂离子电池组模块断开与直流母线之间的连接)接触器S2断开；电力电子开关器件T1、T2、T3、T4、T5和T6工作；

当轨道车辆处于进站停车工况时：所述可重构式牵引变流器模块中的牵引变流器工作于直流-直流状态；接触器S3和接触器S5断开；接触器S4闭合；(由于此时工况设计为锂离子电池组模块给超级电容组模块充电)接触器S1和S2闭合；电力电子开关器件T1、T2、T3和T4工作，电力电子开关器件T5和T6不工作。

在上述技术方案的基础上，所述轨道车辆的车载储能系统还包括：电池管理系统、超级电容管理系统、和控制单元，

电池管理系统分别与锂离子电池组模块和控制单元连接，用于实时监控锂离子电池单体状态和采集锂离子电池组模块信息，并将锂离子电池单体状态和锂离子电池组模块信息发送给控制单元；

超级电容管理系统分别与超级电容组模块和控制单元连接，用于实时监控超级电容单体状态和采集超级电容组模块信息，并将超级电容单体状态和超级电容组模块信息发送给控制单元；

控制单元分别与电池管理系统、超级电容管理系统、可重构式牵引变流器模块和整车控制系统连接，用于监控轨道车辆的运行工况(包括进站停车工况和牵引运行工况)、监控轨道车辆的车载储能系统运行状态(包括锂离子电池组模块的电压和超级电容组模块的电压)以及发送控制命令。

在上述技术方案的基础上，所述控制单元包括工况状态控制模块和电力电子控制模块，

工况状态控制模块分别与接触器S1、S2、S3、S4和S5连接，分别控制接触器S1、S2、S3、S4和S5的开关；

工况状态控制模块与整车控制系统连接，获得轨道车辆的运行工况信息；

工况状态控制模块与电力电子控制模块连接，向电力电子控制单元发送工作命令；

电力电子控制模块分别与电池管理系统和超级电容管理系统连接，分别获得锂离子电池组模块电压和超级电容组模块电压；

电力电子控制模块分别与电力电子开关器件T1、T2、T3、T4、T5和T6连接，分别控制电力电子开关器件T1、T2、T3、T4、T5和T6的开关；

电力电子控制模块通过PI控制器与锂离子电池组模块相连，控制锂离子电池组模块输出电流达到输出电流给定值；

电力电子控制模块分别与整车控制系统和工况状态控制模块连接，向整车控制系统和工况状态控制模块分别发送超级电容组模块充电结束信息。

在上述技术方案的基础上，当所述可重构式牵引变流器模块中牵引变流器工作于直流-直流状态时：

当超级电容组模块电压低于锂离子电池组模块电压时，电力电子开关器件T2、T3和T4处于关断状态，T1处于PWM开关状态(此时该拓扑等效为直流-直流降压BUCK电路)，此时所述可重构式牵引变流器模块中牵引变流器工作于直流-直流降压模式，通过电力电子控制模块控制电力电子开关器件T1，可以控制滤波电感L的电流(即锂离子电池组模块的放电电流)，达到给超级电容组模块充电的目的；

当超级电容组模块电压高于锂离子电池组模块电压时，电力电子开关器件T2和T3处于关断状态，T1处于导通状态，T4处于PWM开关状态(此时该拓扑等效为直流-直流升压BOOST电路)，此时所述可重构式牵引变流器模块中牵引变流器工作于直流-直流升压模式，通过电力电子控制模块控制电力电子开关器件T4，可以控制滤波电感L的电流(即锂离子电池组模块的放电电流)，达到给超级电容组模块充电的目的；

(当超级电容组模块电压等于锂离子电池组模块电压时，所述可重构式牵引变流器模块中牵引变流器可以工作于直流-直流降压模式，也可以工作于直流-直流升压模式，并且由于工作时两种储能元件超级电容组模块和锂离子电池组模块互相充放电，因此，超级电容组模块电压等于锂离子电池组模块电压的状态只能出现在一瞬间，紧接着两种储能元件的电压就不相等了。)

在上述技术方案的基础上，工况状态控制模块从整车控制系统中得到轨道车辆的工况信息：

当轨道车辆处于牵引运行工况时，工况状态控制模块不进行动作；

当轨道车辆处于进站停车工况时，工况状态控制模块通过控制接触器S1、S2、S3、S4和S5的开关，将可重构式牵引变流器模块中牵引变流器由逆变状态切换为直流-直流状态，并通过电力电子控制模块控制可重构式牵引变流器模块中牵引变流器将能量从锂离子电池组模块传导至超级电容组模块；

电力电子控制模块判断锂离子电池组模块的电压是否高于超级电容组模块：

若判断结果为是，则电力电子控制模块通过控制电力电子开关器件T1、T2、T3、T4、T5和T6的开关，使可重构式牵引变流器模块中牵引变流器工作于直流-直流降压模式；

若判断结果为否，则电力电子控制模块通过控制电力电子开关器件T1、T2、T3、T4、T5和T6的开关，使可重构式牵引变流器模块中牵引变流器工作于直流-直流升压模式；电力电子控制模块通过PI控制器控制锂离子电池组模块输出电流达到输出电流给定值；

电力电子控制模块判断超级电容组电压是否达到充电电压给定值：

若判断结果为是，则分别向整车控制系统与工况状态控制模块发送充电结束信息；

若判断结果为否，则不发送充电结束信息。

本发明保护上述任一所述的可重构式牵引变流器模块或牵引变流器。

本发明保护上述任一所述轨道车辆的车载混合储能系统或可重构式牵引变流器模块或牵引变流器在轨道车辆中的应用。

本发明的有益效果如下：

本发明所提供的轨道车辆的车载混合储能系统，在不增添额外直流-直流变换器的情况下，充分利用超级电容高比功率的特性，在车辆运行工况下为车辆提供动力来源；充分利用锂离子电池高比能量的特性以及对瞬时大电流敏感的特性，在车辆进站停车工况下将牵引变流器转化为直流-直流变换器，通过该变换器对锂离子电池进行恒流放电，将电能传送给超级电容作为车辆下一站运行的动力来源。从整体来看，锂离子电池组用来承担车辆整体运行的能量来源，充分发挥其高比能量的特性；超级电容组相当于一个“容器”，在列车运行工况与进站停车工况之间反复进行充放电，充分发挥其高比功率的特性。本发明所提供的可重构式牵引变流器模块避免了额外的直流-直流变换器模块，在能够完成新能源轻轨列车运行的能量与功率需求的情况下降低了系统的价格，体积成本与复杂度。

本发明所提供的轨道车辆的车载储能系统是在现有列车牵引变流器基础上进行适当改造后，使其可以工作在直流-直流工况下。在列车运行时，超级电容组模块通过牵引变流器为列车提供动力；在列车进站停车时，牵引变流器通过闭合、断开不同的接触器重构为直流-直流变换器，并通过该变流器将能量从锂离子电池组模块传导至超级电容组模块，为下一站车辆运行所需的能量进行充电。

本发明能良好地实现所述车载混合储能系统在不增加额外直流-直流变换器基础上完成车辆运行工况的要求。与图1—3的三种拓扑相比，本发明节省了额外的直流-直流变换器模块，并且充分发挥了两种储能元件的特性：列车运行时通过超级电容高比功率特性作为动力电源；列车进站停车时通过锂离子电池高比容量特性给超级电容充电。整体设计将锂离子电池作为动力来源，超级电容相当于一个“容器”，在进站停车工况中该“容器”被锂离子电池充满，并在站与站之间车辆运行时使用“容器”中的能量作为列车动力电源。

附图说明

本发明有如下附图：

图1为现有车载混合储能系统的第一种拓扑；

图2为现有车载混合储能系统的第二种拓扑；

图3为现有车载混合储能系统的第三种拓扑；

图4为可重构式车载混合储能系统整体框图；

图5为改进后的可重构式牵引变流器模块拓扑；

图6为运行工况时改进后的可重构式牵引变流器模块工况示意图；带箭头的虚线表示能量流动的方向；

图7为进站停车工况时改进后的可重构式牵引变流器模块工况示意图；带箭头的虚线表示能量流动的方向；

图8为当超级电容组模块电压低于锂离子电池组模块电压时，可重构式牵引变流器模块直流-直流工况示意图；带箭头的直线表示能量流动的方向；

图9为当超级电容组模块电压高于锂离子电池组模块电压时，可重构式牵引变流器模块直流-直流工况示意图；带箭头的直线表示能量流动的方向；

图10为控制单元工作流程图。

图1—7中的M代表牵引电机，图1—4和图10中的锂电池组模块均指锂离子电池组模块。

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4所示，一种轨道车辆的车载混合储能系统，包括：

锂离子电池组模块、超级电容组模块和可重构式牵引变流器模块，

锂离子电池组模块包括锂离子电池单体组成的锂离子电池组，用于在轨道车辆处于进站停车工况时为超级电容组模块提供能量；

超级电容组模块包括超级电容单体组成的超级电容组，用于在轨道车辆处于牵引运行工况时为轨道车辆的牵引运行提供能量，并在轨道车辆进行制动刹车时回收部分能量；

可重构式牵引变流器模块与锂离子电池组模块和超级电容组模块连接，在轨道车辆处于牵引运行工况时用于从超级电容组模块吸收能量，为轨道车辆牵引运行提供能量；在轨道车辆处于进站停车工况时用于将能量从锂离子电池模块传导至超级电容组模块。

如图4所示，所述轨道车辆的车载储能系统还包括：电池管理系统、超级电容管理系统、和控制单元，

电池管理系统分别与锂离子电池组模块和控制单元连接，用于实时监控锂离子电池单体状态和采集锂离子电池组模块信息，并将锂离子电池单体状态和锂离子电池组模块信息发送给控制单元；

超级电容管理系统分别与超级电容组模块和控制单元连接，用于实时监控超级电容单体状态和采集超级电容组模块信息，并将超级电容单体状态和超级电容组模块信息发送给控制单元；

控制单元分别与电池管理系统、超级电容管理系统、可重构式牵引变流器模块和整车控制系统连接，用于监控轨道车辆的运行工况(包括进站停车工况和牵引运行工况)、监控轨道车辆的车载储能系统运行状态(包括锂离子电池组模块的电压和超级电容组模块的电压)以及发送控制命令。

可重构式牵引变流器模块包括：牵引变流器(即图4中改进牵引变流器)；

如图5所示，该牵引变流器的主电路是在传统牵引变流器的主电路上增加接触器S1、S2、S3、S4、S5和滤波电感L；

传统牵引变流器的主电路包括：三相共六个电力电子开关器件T1、T2、T3、T4、T5和T6、直流母线和直流母线电容C接触器S1的一端与直流母线连接，另一端用于连接超级电容组模块，当接触器S1闭合时，超级电容组模块可连接至直流母线；接触器S2的一端与电力电子开关器件T1连接，另一端用于连接锂离子电池组模块，当接触器S2闭合时，锂离子电池组模块可连接至直流母线；

接触器S3连接在电力电子开关器件T1和T3之间，

接触器S4将滤波电感L连接在传统牵引变流器的输出两相之间，

接触器S5用于连接轨道车辆的牵引电机。

可重构式牵引变流器模块还包括锂离子电池组模块接口和超级电容组模块接口，

当接触器S2闭合时，锂离子电池组模块可通过锂离子电池组模块接口连接至直流母线；

当接触器S1闭合时，超级电容组模块可通过超级电容组模块接口连接至直流母线。

如图6所示，当轨道车辆处于牵引运行工况时：所述可重构式牵引变流器模块中的牵引变流器工作于逆变状态；接触器S3和接触器S5闭合；接触器S4断开；由于此时工况设计为超级电容组模块为轻轨车辆提供动力，因此，接触器S1闭合；锂离子电池组模块断开与直流母线之间的连接，接触器S2断开；电力电子开关器件T1、T2、T3、T4、T5和T6工作；

如图7所示，当轨道车辆处于进站停车工况时：所述可重构式牵引变流器模块中的牵引变流器工作于直流-直流状态；接触器S3和接触器S5断开；接触器S4闭合；由于此时工况设计为锂离子电池组模块给超级电容组模块充电，接触器S1和S2闭合；电力电子开关器件T1、T2、T3和T4工作，电力电子开关器件T5和T6不工作。

当所述可重构式牵引变流器模块中牵引变流器工作于直流-直流状态时：

如图8所示，当超级电容组模块电压低于锂离子电池组模块电压时，电力电子开关器件T2、T3和T4处于关断状态，T1处于PWM开关状态(此时该拓扑等效为直流-直流降压BUCK电路)，此时所述可重构式牵引变流器模块中牵引变流器工作于直流-直流降压模式，通过电力电子控制模块控制电力电子开关器件T1，可以控制滤波电感L的电流(即锂离子电池组模块的放电电流)，达到给超级电容组模块充电的目的；

如图9所示，当超级电容组模块电压高于锂离子电池组模块电压时，电力电子开关器件T2和T3处于关断状态，T1处于导通状态，T4处于PWM开关状态(此时该拓扑等效为直流-直流升压BOOST电路)，此时所述可重构式牵引变流器模块中牵引变流器工作于直流-直流升压模式，通过电力电子控制模块控制电力电子开关器件T4，可以控制滤波电感L的电流(即锂离子电池组模块的放电电流)，达到给超级电容组模块充电的目的；

当超级电容组模块电压等于锂离子电池组模块电压时，所述可重构式牵引变流器模块中牵引变流器可以工作于直流-直流降压模式，也可以工作于直流-直流升压模式，并且由于工作时两种储能元件超级电容组模块和锂离子电池组模块互相充放电，因此，超级电容组模块电压等于锂离子电池组模块电压的状态只能出现在一瞬间，紧接着两种储能元件的电压就不相等了。

如图10所示，所述控制单元分工况状态控制模块和电力电子控制模块，

工况状态控制模块分别与接触器S1、S2、S3、S4和S5连接，分别控制接触器S1、S2、S3、S4和S5的开关；

工况状态控制模块与整车控制系统连接，获得轨道车辆的运行工况信息；

工况状态控制模块与电力电子控制模块连接，向电力电子控制单元发送工作命令；

电力电子控制模块分别与电池管理系统和超级电容管理系统连接，分别获得锂离子电池组模块电压和超级电容组模块电压；

电力电子控制模块分别与电力电子开关器件T1、T2、T3、T4、T5和T6连接，分别控制电力电子开关器件T1、T2、T3、T4、T5和T6的开关；

电力电子控制模块通过PI控制器与锂离子电池组模块相连，控制锂离子电池组模块输出电流达到输出电流给定值；

电力电子控制模块分别与整车控制系统和工况状态控制模块连接，向整车控制系统和工况状态控制模块分别发送超级电容组模块充电结束信息。

如图10所示，控制单元的控制方法如下：

工况状态控制模块通过接收轨道车辆运行工况信息，判断是否运行充电工况，

若列车处于进站停车工况，则控制接触器使牵引变流器工作于直流-直流变换器工况(即直流-直流状态)，并向电力电子控制模块(即电力电子控制单元)发送启动命令，

电力电子控制模块首先判断锂离子电池组模块电压是否高于超级电容组模块电压，若超级电容组模块电压高，则让牵引变流器工作于直流-直流升压模式；反之则让牵引变流器工作于直流-直流降压模式。之后通过PI控制器控制锂离子电池输出电流达到输出电流给定值，即滤波电感L电流，使电能从锂离子电池模块流向超级电容组模块。最后通过超级电容组模块电压是否达到电压给定值来决定充电过程是否结束，若结束，则向整车控制系统与工况状态控制模块发送充电结束信息。

具体如下：

工况状态控制模块从整车控制系统中得到轨道车辆的工况信息：

当轨道车辆处于牵引运行工况时，工况状态控制模块不进行动作；

当轨道车辆处于进站停车工况时，工况状态控制模块通过控制接触器S1、S2、S3、S4和S5的开关，将可重构式牵引变流器模块中牵引变流器由逆变状态切换为直流-直流状态，并向电力电子控制模块(即电力电子控制单元)发送工作命令，并通过电力电子控制模块控制可重构式牵引变流器模块中牵引变流器将能量从锂离子电池组模块传导至超级电容组模块；

电力电子控制模块收到工作命令(即启动命令)后，判断锂离子电池组模块的电压是否高于超级电容组模块：

若判断结果为是，则电力电子控制模块通过控制电力电子开关器件T1、T2、T3、T4、T5和T6的开关，使可重构式牵引变流器模块中牵引变流器工作于直流-直流降压模式；

若判断结果为否，则电力电子控制模块通过控制电力电子开关器件T1、T2、T3、T4、T5和T6的开关，使可重构式牵引变流器模块中牵引变流器工作于直流-直流升压模式；电力电子控制模块通过PI控制器控制锂离子电池组模块输出电流达到输出电流给定值；

电力电子控制模块判断超级电容组电压是否达到充电电压给定值：

若判断结果为是，则分别向整车控制系统与工况状态控制模块发送充电结束信息；

若判断结果为否，则不发送充电结束信息。

通过这种工作模式，可以实现轨道车辆在站与站之间运行时充分使用超级电容瞬间大功率的特性，通过超级电容作为供电电源驱动车辆运行；当轻轨车辆进站停车时，控制牵引变流器切换为直流-直流状态，通过该牵引变流器将电能从锂离子电池组模块输送至超级电容组模块，给列车下一站运行提供足够的能量。

该工作模式与图1—3的三种拓扑相比，节省了额外的直流-直流变换器模块，并且充分发挥了两种储能元件的特性：列车运行时通过超级电容高比功率特性作为动力电源；列车进站停车时通过锂离子电池高比容量特性给超级电容充电。整体设计将锂离子电池作为动力来源，超级电容相当于一个“容器”，在进站停车工况中该“容器”被锂离子电池充满，并在站与站之间车辆运行时使用“容器”中的能量作为列车动力电源。

综上所述，本发明在不安装额外直流-直流变换器的情况下，使车载混合储能系统中的超级电容组模块与锂离子电池组模块共同承担轨道车辆运行所需的能量：其中超级电容组模块承担列车运行站与站之间的大功率输出作为列车运行的动力电源；锂离子电池组模块在列车停车时以恒定的充电电流向超级电容充电。整体来看，锂离子电池承担了列车整个运行路线所需要的能量，超级电容相当于一个“容器”，在列车行进中与进站停车中不停的释放能量和补充能量。

Claims (9)

1.一种轨道车辆的车载混合储能系统，其特征在于，包括：

锂离子电池组模块、超级电容组模块和可重构式牵引变流器模块，

锂离子电池组模块包括锂离子电池单体组成的锂离子电池组，用于在轨道车辆处于进站停车工况时为超级电容组模块提供能量；

超级电容组模块包括超级电容单体组成的超级电容组，用于在轨道车辆处于牵引运行工况时为轨道车辆的牵引运行提供能量，并在轨道车辆进行制动刹车时回收部分能量；

可重构式牵引变流器模块与锂离子电池组模块和超级电容组模块连接，在轨道车辆处于牵引运行工况时用于从超级电容组模块吸收能量，为轨道车辆牵引运行提供能量；在轨道车辆处于进站停车工况时用于将能量从锂离子电池模块传导至超级电容组模块；

可重构式牵引变流器模块包括：牵引变流器；

该牵引变流器的主电路上增加接触器S1、S2、S3、S4、S5、滤波电感L、三相共六个电力电子开关器件T1、T2、T3、T4、T5和T6、直流母线和直流母线电容C；

所述牵引变流器的电路连接关系如下：

接触器S1的一端与直流母线连接，另一端用于连接超级电容组模块，当接触器S1闭合时，超级电容组模块可连接至直流母线；

接触器S2的一端与电力电子开关器件T1连接，另一端用于连接锂离子电池组模块，当接触器S2闭合时，锂离子电池组模块可连接至直流母线；

接触器S5用于连接轨道车辆的牵引电机；

牵引电机三相输出的第一相通过接触器S5与电力电子开关器件T1的一端、电力电子开关器件T2的一端、滤波电感L的一端连接；牵引电机三相输出的第二相通过接触器S5与电力电子开关器件T3的一端、电力电子开关器件T4的一端、接触器S4的一端连接；牵引电机三相输出的第三相通过接触器S5与电力电子开关器件T5的一端、电力电子开关器件T6的一端连接；

所述接触器S4的另一端与滤波电感L的另一端连接；

所述电力电子开关器件T1的另一端与接触器S2的一端、接触器S3的一端连接；

所述接触器S3的另一端与电力电子开关器件T3的另一端、电力电子开关器件T5的另一端、直流母线电容C的一端、接触器S1的一端连接；

所述电力电子开关器件T2的另一端与电力电子开关器件T4的另一端、电力电子开关器件T6的另一端、直流母线电容C的另一端、锂离子电池组模块的另一端、超级电容组模块的另一端连接。

2.如权利要求1所述的轨道车辆的车载混合储能系统，其特征在于，可重构式牵引变流器模块还包括锂离子电池组模块接口和超级电容组模块接口，

当接触器S2闭合时，锂离子电池组模块可通过锂离子电池组模块接口连接至直流母线；

当接触器S1闭合时，超级电容组模块可通过超级电容组模块接口连接至直流母线。

3.如权利要求1所述的轨道车辆的车载混合储能系统，其特征在于，

当轨道车辆处于牵引运行工况时：所述可重构式牵引变流器模块中的牵引变流器工作于逆变状态；接触器S3和接触器S5闭合；接触器S4断开；接触器S1闭合；接触器S2断开；电力电子开关器件T1、T2、T3、T4、T5和T6工作；

当轨道车辆处于进站停车工况时：所述可重构式牵引变流器模块中的牵引变流器工作于直流-直流状态；接触器S3和接触器S5断开；接触器S4闭合；接触器S1和S2闭合；电力电子开关器件T1、T2、T3和T4工作，电力电子开关器件T5和T6不工作。

4.如权利要求1-3中任一所述的轨道车辆的车载混合储能系统，其特征在于，所述轨道车辆的车载储能系统还包括：电池管理系统、超级电容管理系统和控制单元，

电池管理系统分别与锂离子电池组模块和控制单元连接，用于实时监控锂离子电池单体状态和采集锂离子电池组模块信息，并将锂离子电池单体状态和锂离子电池组模块信息发送给控制单元；

超级电容管理系统分别与超级电容组模块和控制单元连接，用于实时监控超级电容单体状态和采集超级电容组模块信息，并将超级电容单体状态和超级电容组模块信息发送给控制单元；

控制单元分别与电池管理系统、超级电容管理系统、可重构式牵引变流器模块和整车控制系统连接，用于监控轨道车辆的运行工况、监控轨道车辆的车载储能系统运行状态以及发送控制命令。

5.如权利要求4所述的轨道车辆的车载混合储能系统，其特征在于，所述控制单元包括工况状态控制模块和电力电子控制模块，

工况状态控制模块分别与接触器S1、S2、S3、S4和S5连接，分别控制接触器S1、S2、S3、S4和S5的开关；

工况状态控制模块与整车控制系统连接，获得轨道车辆的运行工况信息；

工况状态控制模块与电力电子控制模块连接，向电力电子控制单元发送工作命令；

电力电子控制模块分别与电池管理系统和超级电容管理系统连接，分别获得锂离子电池组模块电压和超级电容组模块电压；

电力电子控制模块分别与电力电子开关器件T1、T2、T3、T4、T5和T6连接，分别控制电力电子开关器件T1、T2、T3、T4、T5和T6的开关；电力电子控制模块通过PI控制器与锂离子电池组模块相连，控制锂离子电池组模块输出电流达到输出电流给定值；

电力电子控制模块分别与整车控制系统和工况状态控制模块连接，向整车控制系统和工况状态控制模块分别发送超级电容组模块充电结束信息。

6.如权利要求5所述的轨道车辆的车载混合储能系统，其特征在于，当所述可重构式牵引变流器模块中牵引变流器工作于直流-直流状态时：

当超级电容组模块电压低于锂离子电池组模块电压时，电力电子开关器件T2、T3和T4处于关断状态，T1处于PWM开关状态，此时所述可重构式牵引变流器模块中牵引变流器工作于直流-直流降压模式，通过电力电子控制模块控制电力电子开关器件T1，可以控制滤波电感L的电流，达到给超级电容组模块充电的目的；

当超级电容组模块电压高于锂离子电池组模块电压时，电力电子开关器件T2和T3处于关断状态，T1处于导通状态，T4处于PWM开关状态,此时所述可重构式牵引变流器模块中牵引变流器工作于直流-直流升压模式，通过电力电子控制模块控制电力电子开关器件T4，可以控制滤波电感L的电流，达到给超级电容组模块充电的目的。

7.如权利要求6所述的轨道车辆的车载混合储能系统，其特征在于，工况状态控制模块从整车控制系统中得到轨道车辆的工况信息：

当轨道车辆处于牵引运行工况时，工况状态控制模块不进行动作；

当轨道车辆处于进站停车工况时，工况状态控制模块通过控制接触器S1、S2、S3、S4和S5的开关，将可重构式牵引变流器模块中牵引变流器由逆变状态切换为直流-直流状态，并通过电力电子控制模块控制可重构式牵引变流器模块中牵引变流器将能量从锂离子电池组模块传导至超级电容组模块；

电力电子控制模块判断锂离子电池组模块的电压是否高于超级电容组模块：

若判断结果为是，则电力电子控制模块通过控制电力电子开关器件T1、T2、T3、T4、T5和T6的开关，使可重构式牵引变流器模块中牵引变流器工作于直流-直流降压模式；

若判断结果为否，则电力电子控制模块通过控制电力电子开关器件T1、T2、T3、T4、T5和T6的开关，使可重构式牵引变流器模块中牵引变流器工作于直流-直流升压模式；电力电子控制模块通过PI控制器控制锂离子电池组模块输出电流达到输出电流给定值；

电力电子控制模块判断超级电容组电压是否达到充电电压给定值：

若判断结果为是，则分别向整车控制系统与工况状态控制模块发送充电结束信息；

若判断结果为否，则不发送充电结束信息。

8.一种如权利要求1-7中任一所述轨道车辆的车载混合储能系统中的可重构式牵引变流器模块。

9.一种如权利要求1-7中任一所述轨道车辆的车载混合储能系统中的可重构式牵引变流器模块中的牵引变流器。