CN107150694B - 混合动力电力机车 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够实现转换器的小型化的混合动力电力机车。实施方式的混合动力电力机车具备内燃机、发电机、转换器、逆变器、直流链路、电池、第1映射以及控制器。发电机构成为与内燃机连接，能够将内燃机的动力变换为交流电力。转换器构成为与发电机连接，能够将发电机的交流电力变换为直流电力。逆变器构成为能够将直流电力变换为交流电力。直流链路将转换器和逆变器连接起来。电池与直流链路电连接。第1映射存储电池的输出电力的上限值和电池的温度及SOC的对应关系。控制器根据电池的温度及SOC控制内燃机以及发电机，以使得电池的输出电力为第1映射中的上限值以下。

Description

混合动力电力机车

技术领域

本发明的实施方式涉及混合动力电力机车(hybrid electric locomotive)。

背景技术

以往，已知具备内燃机(internal combustion engine)以及电池(battery)这样的多个动力源的混合动力汽车。

作为这样的例子，例如有日本的公开专利公报、日本特开2002-337573号公报(以下称为专利文献1)。

发明内容

在上述那样的现有技术中，例如，从内燃机经由转换器(conveter)输出的电力与从电池输出的电力之和为对马达(motor)等进行驱动的逆变器(inverter)的电力。因此，以往为了防备电池为低温的情况等从电池输出的电力小的情况，需要使转换器大型化以能够耐得住大电流。

因此，以往期望实现转换器的小型(compact)化。

实施方式的混合动力电力机车具备内燃机、发电机、转换器、逆变器、直流链路(link)、电池、第1映射(map)以及控制器(controller)。发电机构成为与内燃机连接，能够将内燃机的动力变换为交流电力。转换器构成为与发电机连接，能够将发电机的交流电力变换为直流电力。逆变器构成为能够将直流电力变换为交流电力。直流链路将转换器和逆变器连接起来。电池与直流链路电连接。第1映射存储电池的输出电力的上限值与电池的温度及SOC(State Of Charge，充电状态)的对应关系。控制器根据电池的温度及SOC控制内燃机以及发电机，以使得电池的输出电力为第1映射中的上限值以下。

附图说明

图1是示出实施方式的混合动力电力机车的概略性的结构的例示框图。

图2是示出实施方式中的常温的电池的电流特性的例示图。

图3是将图2的一部分放大而示出的放大图。

图4是示出实施方式中的电池的开路电压和SOC的关系的例示图。

图5是示出实施方式中的低温的电池的电流特性的例示图。

图6是表示实施方式的控制器执行的控制的例示框图。

附图标记说明

1：内燃机；2：发电机；3：转换器；4：直流链路；5：逆变器；8：电池；9：控制器；100：混合动力电力机车。

具体实施方式

以下，根据附图说明实施方式。

图1是示出实施方式的混合动力电力机车100的概略性的结构的例示框图。如图1所示，混合动力电力机车100具备内燃机1、发电机2、转换器3、直流链路(link)4、逆变器5、马达6、车轮7、电池8以及控制器(controller)9。

内燃机1是将热能(energy)变换为机械能的发动机(engine：引擎)，是在内部燃烧燃料而获取动力的发动机。发电机2将利用内燃机1获取到的动力变换为电能。以下，对从发电机2输出的电能是交流电力的例子进行说明。

转换器3将从发电机2输出的交流电力变换为直流电力，将变换后的直流电力输出到直流链路4。直流链路4具备p侧链路4a以及n侧链路4b，被设置成将转换器3的输出侧与逆变器5的输入侧连接起来。逆变器5将经由直流链路4输入的直流电力变换为交流电力(三相，three phases)，将变换后的交流电力输出到马达6。马达6根据从逆变器5供给的交流电力，使车轮7动作。

电池8由能够进行充放电的蓄电池等构成。电池8连接于直流链路4，进行从直流链路4接受直流电力的供给的充电动作，或者进行对直流链路4供给直流电力的放电动作。控制器9监视电池8的状态(温度、SOC等)，根据监视结果控制内燃机1以及发电机2。

但是，在上述混合动力电力机车100的电力系统(system)中，用下述的式(1)表示能够输入到逆变器5的最大电力P_{inv_max}、转换器3能够输出的最大电力P_{cnv_max}以及电池8能够输出的最大电力P_{bat_max}的关系。

P_{inv_max}＝P_{bat_max}+P_{cnv_max}…(1)

在此，电池8的输出特性(内部电阻特性)根据温度而大幅变化。例如，在电池8的温度为低温的情况下，电池8的内部电阻变大，P_{bat_max}变小。因此，为了即使在混合动力电力机车100起动时等的电池8的温度为低温的情况下也确保恒定的P_{inv_max}，需要使P_{cnv_max}增大P_{bat_max}变小的量。然而，为了增大P_{cnv_max}，需要做成使转换器3能够耐得住大电流的设计，所以转换器3的尺寸(size)大型化。

另一方面，电池8的输出特性也根据SOC而大幅变化。即，SOC与电池8的剩余量对应，所以P_{bat_max}不仅根据电池8的温度还根据SOC的大小而变化。

因此，在实施方式中，根据转换器3能够输出的电流的最大值和电池8的输出特性，计算与电池8的温度及SOC对应的P_{bat_max}，在该P_{bat_max}以下的范围最大限度地使用电池8的电力，从而抑制转换器3的电流，实现转换器3的尺寸的小型化。也就是说，实施方式的控制器9根据电池8的温度及SOC控制转换器3的输出，以使得电池8的输出为根据转换器3能够输出的电流的最大值和电池8的输出特性而计算出的预定的上限值P_{bat_max}以下。

以下，使用式子具体说明P_{bat_max}的计算方法。

如果将转换器3的最大电流设为I_{cnv_max}，将电池8的电压设为V_bat，将转换器3的效率设为η，将功率因数设为cosθ，则转换器3的最大电力P_{cnv_max}由下述的式(2)表示。

【数1】

另外，如果将在转换器3的电流为上述I_{cnv_max}的情况下的电池8的开路电压、内部电阻、电流分别设为V_{bat_ocv}、R_bat、I_{bat_cnvmax}，则上述V_bat由下述的式(3)表示。

V_bat＝V_{bat_ocv}-(R_bat×I_{bat_cnvmax})…(3)

在此，如果将上述式(3)代入到上述式(2)，使用由下述的式

(4)表示的α来简化，则导出下述的式(5)。

【数2】

P_{cnv_max}＝α(V_{bat_ocv}-(R_bat×I_{bat_cnvmax}))…(5)

另一方面，使用上述的(3)式，由下述的式(6)表示上述P_{bat_max}。

P_{bat_max}＝(V_{bat_ocv}-(R_bat×I_{bat_cnvmax}))I_{bat_cnvmax}…(6)

在此，如果将上述式(5)以及(6)代入到上述式(1)而整理，则导出下述的式(7)。

R_bat×I_{bat_cnvmax} ²+(α×R_bat-V_{bat_ocv})×I_{bat_cnvmax}+P_{inv_max}-α×V_{bat_ocv}＝0…(7)

如果将上述式(7)作为I_{bat_cnvmax}的二次方程式(second degree equation)来求解，则得到考虑了转换器3的最大电流I_{cnv_max}的表示电池8的电流I_{bat_cnvmax}的下述的式(8)。

【数3】

接下来，如果将电池8的放电终止电压设为V_{bat_min}，则请求以电池8的电压V_bat大于V_{bat_min}为条件，所以电池8的最大电流I_{bat_max1}需要满足下述的式(9)。

V_{bat_min}<V_{bat_ocv}-(R_bat×I_{bat_max1})…(9)

如果将上述式(9)变形，则导出表示电池8的最大电流I_{bat_max1}应当满足的条件的下述的式(10)。

【数4】

接下来，如果在系统上所定义的电池8的最大输出设为P_{bat_max_sys}，则在电池8的输出成为该P_{bat_max_sys}的情况下的电池8的最大电流I_{bat_max2}由下述的(11)式表示。

(V_{bat_ocv}-R_bat×I_{bat_max2})×I_{bat_max2}＝P_{bat_max_sys}…(11)

如果整理上述式(11)，作为I_{bat_max2}的二次方程式来求解，则导出考虑了电池8的系统上的最大输出P_{bat_max_sys}的表示电池8的最大电流I_{bat_max2}的下述的式(12)。

【数5】

此外，根据上述式(12)，I_{bat_max2}能够取与符号±对应的2个值。然而，在系统中，并非必须流过大电流。因此，以下仅考虑上述式(12)的符号±为-的1个值作为I_{bat_max2}。

图2是示出实施方式中的常温的电池8的电流特性的例示图。具体而言，在图2中，图示了在电池8为常温的情况下的由上述式(8)表示的I_{bat_cnvmax}、由上述式(10)表示的I_{bat_max1}以及由上述式(12)表示的I_{bat_max2}的、相对电池8的开路电压V_{bat_ocv}的电流特性。此外，根据上述式(8)，I_{bat_cnvmax}能够取与符号±对应的2个值。因此，在图2中，将符号±为+的I_{bat_cnvmax}图示为I_{bat_cnvmax1}，将符号±为-的I_{bat_cnvmax}图示为I_{bat_cnvmax2}。

图2的单点划线l1表示电池8为常温的情况下的I_{bat_cnvmax1}的电流特性。如该单点划线l1所示，V_{bat_ocv}越大，I_{bat_cnvmax1}越大。另外，图2的双点划线l2表示电池8为常温的情况下的I_{bat_cnvmax2}的电流特性。如该双点划线l2所示，V_{bat_ocv}越大，I_{bat_cnvmax2}越小。另外，图2的间距(pitch)窄的虚线l3表示电池8为常温的情况下的I_{bat_max1}的电流特性。如该虚线l3所示，V_{bat_ocv}越大，I_{bat_max1}越大。另外，图2的间距宽的虚线l4表示电池8为常温的情况下的I_{bat_max2}的电流特性。如该虚线l4所示，V_{bat_ocv}越大，I_{bat_max2}越小。

图3是将图2的一部分放大而示出的放大图。具体而言，图3是将图2的纵轴的标度放大而详细示出-500～1500[A]的范围的放大图。

图3的粗线l5表示常温的电池8的最大电流的电流特性。如该粗线l5所示，在开路电压V_{bat_ocv}取由双点划线l2和虚线l3的交叉点(cross point)所示的电压(625[V])与由虚线l3和虚线l4的交叉点所示的电压(比650[V]稍小的电压)之间的值的情况下，常温的电池8的最大电流成为沿着虚线l3的值。另外，如粗线l5所示，在开路电压V_{bat_ocv}取由虚线l3和虚线l4的交叉点所示的电压(比650[V]稍小的电压)以上、与电池8的最大输出对应的预定的上限值(900[V])以下的值的情况下，常温的电池8的最大电流成为沿着虚线l4的值。

即，根据图3的例子，考虑了转换器3的最大电流和电池8的输出特性的常温的电池8可使用的电压范围能够规定为625～900[V]。此外，在小于625[V]的电压范围，考虑到转换器3的最大输出，电池8最低限度必须输出的电流I_{bat_cnvmax1}会超过放电终止电压的电池8能够输出的最大电流I_{bat_max1}，所以系统(system)不成立。这样，根据图3的例子，常温的电池8可使用的电压的上限值以及下限值分别是900[V]以及625[V]。

另外，图4是示出实施方式中的电池8的开路电压和SOC的关系的例示图。如图4所示，电池8的开路电压和SOC为比例关系。也就是说，电池8的SOC能够表现为电池8的开路电压的函数。由此，在实施方式中，只要通过上述那样的方法决定在各温度下电池8可使用的电压的范围，也就能够决定在各温度下电池8应保持的SOC的范围。

接下来，图5是示出实施方式中的低温的电池8的电流特性的例示图。在该图5中也与上述图2以及图3同样地，图示了由上述式(8)表示的I_{bat_cnvmax}、由上述式(10)表示的I_{bat_max1}以及由上述式(12)表示的I_{bat_max2}的、相对电池8的开路电压V_{bat_ocv}的电流特性。

图5的单点划线l11表示在电池8为低温的情况下的I_{bat_cnvmax1}的电流特性。如该单点划线l11所示，V_{bat_ocv}越大，I_{bat_cnvmax1}越大。另外，图5的双点划线l12表示在电池8为低温的情况下的I_{bat_cnvmax2}的电流特性。如该双点划线l12所示，V_{bat_ocv}越大，I_{bat_cnvmax2}越小。另外，图5的间距窄的虚线l13表示在电池8为低温的情况下的I_{bat_max1}的电流特性。如该虚线l13所示，V_{bat_ocv}越大，I_{bat_max1}越大。另外，图5的间距宽的虚线l14表示在电池8为低温的情况下的I_{bat_max2}的电流特性。如该虚线l14所示，V_{bat_ocv}越大，I_{bat_max2}越小。

图5的粗线l15表示低温的电池8的最大电流的电流特性。如该粗线l15所示，在开路电压V_{bat_ocv}取由单点划线l11和双点划线l12的交叉点所示的电压(730[V])与由单点划线l11和虚线l13的交叉点所示的电压(比750[V]稍大的电压)之间的值的情况下，低温的电池8的最大电流成为沿着单点划线l11的电流。另外，如粗线l15所示，在开路电压V_{bat_ocv}取由单点划线l11和虚线l13的交叉点所示的电压(比750[V]稍大的电压)以上、与电池8的最大输出对应的预定的上限值(900[V])以下的值的情况下，低温的电池8的最大电流成为沿着虚线l13的电流。

即，根据图5的例子，考虑了转换器3的最大电流和电池8的输出特性的低温的电池8可使用的电压范围能够规定为730～900[V]。因此，根据图5的例子，常温的电池8可使用的电压的上限值以及下限值分别是900[V]以及730[V]。

在实施方式中，通过上述那样的方法计算在各温度下电池8可使用的电压范围，根据该计算出的电压范围，控制混合动力电力机车100的电力系统。

具体而言，在实施方式中，预先对电池8的温度及SOC与通过上述那样的方法计算出的电压范围的上限值的对应关系进行映射(mapping)，将该映射而得到的结果作为第1映射(map)T1，并按照下述的表1所示那样的表格形式预先存储。

【表1】

在上述表1中，作为一个例子，电池8的状态被分成90种情况，定义有各状态下的电池8的最大输出P_{bat_max_XX}(XX：11～19、21～29、31～39、41～49、51～59、61～69、71～79、81～89、91～99、A1～A9)。具体而言，在表1的例子中，通过将电池8的温度在-30℃～50℃的范围每10℃为1级而分成9级，并且将SOC在10％～100％的范围每10％为1级而分成10级，从而将电池8的状态分成9×10＝90种情况。其中，表1仅为一个例子，情况划分的数量不限于90种。

此外，在表1的例子中，对所有的90种状态定义有P_{bat_max_XX}。也就是说，在实施方式中，对与通过如图3以及图5所例示的方法求出的电压范围对应的SOC范围以外的其它SOC范围，也设定有一些P_{bat_max_XX}。例如，在图3以及图5的例子中，电池8可使用的电压范围的下限值分别是625[V]以及730[V]，但在表1中对与这些下限值对应的SOC以下的区域也设定有P_{bat_max_XX}。这样对所有区域设定有P_{bat_max_XX}的原因在于，即使在由于一些原因电池8的SOC变为与该下限值对应的值以下的情况下，也需要通过使车辆性能功率下降(power down)并限制电池8的输出，来继续行驶而确保作为产品的可靠性。

另外，在实施方式中，对电池8的温度和与通过上述那样的方法计算出的电压范围的下限值对应的SOC的下限值的对应关系预先进行映射，将该映射而得到的结果作为第2映射T2并按照下述的表2所示那样的表格形式预先存储。

【表2】

在上述表2中，作为一个例子，将电池8的温度在-35℃～50℃的范围每5℃为1种情况而分成18种情况，定义有在各温度下电池8应保持的SOC的下限值。如上所述，能够根据图4所示的电池8的开路电压和SOC的比例关系，依据由图3以及图5所例示的方法计算出的电压范围的下限值，计算表2中的SOC的下限值。此外，表2仅为一个例子，情况划分的数量不限于18种。

实施方式的控制器9通过执行基于上述那样的第1映射T1及第2映射T2的控制，能够在考虑到转换器3的特性(转换器3能够输出的最大电流)的同时，执行最大限度地利用了电池8的电力控制。

即，实施方式的控制器9使用上述第1映射T1，根据电池8的温度及SOC控制内燃机1以及发电机2，以使得电池8的输出为根据转换器3以及电池8的性能计算出的上限值以下。另外，控制器9使用上述第2映射T2，根据电池8的温度及SOC控制内燃机1以及发电机2，以使得电池8的SOC为根据转换器3以及电池8的性能计算出的下限值以上。

图6是表示实施方式的控制器9执行的控制的例示框图。控制器9具备比较器9a以及比较器9b、触发(flip flop)电路9c、切换电路9d、加法器9e、减法器9f、限制电路9g、切换电路9h、减法器9i、加法器9j、乘法器9k、乘法器9l以及除法器9m。

如图6所示，向比较器9a输入根据当前的电池8的温度的检测值和第2映射T2所决定的SOC下限值以及当前的电池8的SOC的推测值。另外，向比较器9b输入SOC推测值和电池8可取的SOC的最大值。在此，被输入到比较器9b的SOC最大值是作为系统预先设定的值(例如80％、90％等这样的值)，与电池8的充电量的限制值对应。在实施方式中，通过设置这样的限制值，能够抑制由于电池8被充电到必要限度以上而导致的劣化。

比较器9a以及比较器9b各自的比较结果被输入到触发电路9c。例如，在SOC推测值为SOC下限值以下的情况下，从比较器9a向触发电路9c的输入S输入“1”，在SOC推测值大于SOC下限值的情况下，向输入S输入“0”。另外，在SOC推测值为SOC最大值以上的情况下，从比较器9b向输入R输入“1”，在SOC推测值小于SOC最大值的情况下，向输入R输入“0”。

触发电路9c根据来自比较器9a以及比较器9b的输入，输出指示是否对电池8进行充电的电池充电信号。例如，在SOC推测值为SOC下限值以下的情况下(在该情况下SOC推测值小于SOC最大值)，需要对电池8充电。因此，在该情况下，触发电路9c根据输入S的“1”和输入R的“0”，从输出Q输出与对电池8进行充电的意思的指示对应的“1”这样的电池充电信号。在电池8充电进展时，SOC推测值变得大于SOC下限值。在SOC推测值大于SOC下限值且小于SOC最大值的范围，触发电路9c根据输入S的“0”和输入R的“0”，维持紧跟前的输出，从输出Q输出“1”这样的电池充电信号。然后，在SOC推测值变为SOC最大值以上的情况下，触发电路9c根据输入S的“0”和输入R的“1”，从输出Q输出与对电池8不进行充电的意思的指示对应的“0”这样的电池充电信号。此外，在对电池8不进行充电的状态持续时，电池8放电进展，SOC推测值变得小于SOC最大值。在SOC推测值小于SOC最大值且大于SOC下限值的范围，触发电路9c根据输入S的“0”和输入R的“0”，维持紧跟前的输出，从输出Q输出“0”这样的电池充电信号。然后，在SOC推测值变为SOC下限值以下的情况下，触发电路9c根据输入S的“1”和输入R的“0”，从输出Q输出“1”这样的电池充电信号。通过反复进行以上的动作，电池8进行充放电，以使得SOC推测值在SOC下限值与SOC最大值之间推移。

切换电路9d根据从触发电路9c输入的电池充电信号，将输出到加法器9e的值切换为示出电池8的目标充电电力的值或者“0”。具体而言，切换电路9d在从触发电路9c输入的电池充电信号对应于开始对电池8进行充电的意思的指示的情况下，向加法器9e输出目标充电电力值。另一方面，在无需对电池8进行充电的情况下，切换电路9d向加法器9e输出“0”。

加法器9e对从逆变器5所请求的输出请求(混合动力电力机车100的行驶所需的功率)和来自切换电路9d的输入进行加法运算。然后，加法器9e将加法结果输出到减法器9f。

减法器9f从利用加法器9e得到的加法运算结果减去转换器3的输出目标值。此外，除非电池8的输出受到与其状态(温度、SOC等)对应的限制，否则转换器3的输出目标值是恒定的。减法器9f将减法运算结果作为电池8的输出而输出到限制电路9g。此外，减法器9f将减法结果还输出到减法器9i。

限制电路9g根据来自切换电路9h的输入，对从减法器9f输入的电池输出施加限制。在此，切换电路9h在需要对电池8进行充电的情况下，输出“0”，在无需对电池8进行充电的情况下，输出示出根据电池温度检测值及SOC推测值和第1映射T1所决定的电池8的最大输出(考虑了转换器3的特性和电池8的输出特性的电池8的输出的上限值)的值。在从切换电路9h输入了电池8的最大输出的情况下，限制电路9g将从减法器9f输入的电池输出限制为该最大输出以下，将该限制后的值作为电池8的放电输出而输出到减法器9i。

减法器9i从来自减法器9f的输入减去来自限制电路9g的输入，作为用于校正转换器3的输出目标值的校正值而输出到加法器9j。然后，加法器9j对来自减法器9i的输入和还被输入到上述减法器9f的转换器3的输出目标值进行加法运算，将校正后的转换器3的输出目标值输出到乘法器9k以及乘法器9l的每个。

乘法器9k通过对来自加法器9j的输入乘以考虑了发电机2的效率、功率因数等的预定的系数K1，计算发电机2的输出目标值，将计算结果输出到除法器9m。然后，除法器9m通过将来自乘法器9k的输入除以发电机2的角速度，计算对发电机2的力矩指令，将计算结果输出到发电机2。此外，乘法器9l通过对来自加法器9j的输入乘以发电机2与内燃机1之间的损耗系数K2，计算针对内燃机1的输出请求，将计算结果输出到内燃机1。

如以上说明那样，实施方式的混合动力电力机车100具备控制器9，所述控制器9根据电池8的温度及SOC控制内燃机1以及发电机2，以使得电池8的输出为根据转换器3能够输出的电流的最大值和电池8的输出特性而计算出的上限值以下。更具体而言，控制器9根据存储电池8的输出电力的上限值与电池8的温度及SOC的对应关系的第1映射T1，所述电池8的输出电力的上限值是考虑从转换器3输出转换器3能够输出的最大的电流的情况而决定的，依照电池8的温度及SOC控制内燃机1以及发电机2，以使得电池8的输出为第1映射T1中的上限值以下。由此，通过在该上限值以下的范围最大限度地使用电池8，能够抑制转换器3的电流。其结果是能够实现转换器3的小型化。

上述效果对电池8为低温的情况仅限于混合动力电力机车100起动时等的混合动力电力机车100特别有效。也就是说，只要从混合动力电力机车100的起动开始经过一定程度的时间，电池8就一定程度地升温，便能够确保电池8的输出，所以仅仅为了电池8的输出受低温所限的混合动力电力机车100的起动时使转换器3的尺寸大型化，并不高效。因此，在实施方式中，通过考虑转换器3能够输出的电流的最大值和电池8的输出特性，设定电池8的输出的上限值，在该上限值以下的范围最大限度地使用电池8，从而无需仅仅为了混合动力电力机车100的起动时设置能够耐得住大电流的大型的转换器。

以上，说明了本发明的实施方式，但上述实施方式仅为一个例子，并不意图限定发明的范围。上述实施方式能够通过各种方式实施，能够在不脱离发明的主旨的范围进行各种省略、置换、变更。上述实施方式、其变形包含于发明的范围、主旨内，并且包含于权利要求记载的发明和其均等范围。

Claims (2)

1.一种混合动力电力机车，具备：

内燃机；

发电机，与所述内燃机连接，能够将所述内燃机的动力变换为交流电力；

转换器，与所述发电机连接，能够将所述发电机的交流电力变换为直流电力；

逆变器，能够将直流电力变换为交流电力；

直流链路，将所述转换器和所述逆变器连接起来；

电池，与所述直流链路电连接；

第1映射，存储所述电池的输出电力的上限值与所述电池的温度及SOC即充电状态的对应关系；以及

控制器，根据所述电池的温度及SOC控制所述内燃机及所述发电机，以使得所述电池的输出电力为根据所述转换器能够输出的电流的最大值和所述电池的输出特性计算出的所述第1映射中的预定的上限值以下。

2.根据权利要求1所述的混合动力电力机车，其特征在于，

还具备第2映射，所述第2映射存储所述电池的SOC的下限值与所述电池的温度的对应关系，

所述控制器根据所述电池的SOC控制所述内燃机及所述发电机，以使得所述电池的SOC为所述第2映射中的所述下限值以上。