CN107776416A - 一种轨道交通混合动力电路、储能动力包及其供电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轨道交通混合动力电路、储能动力包及其供电方法，混合动力电路包括锂电池、电网支路；所述锂电池通过升/降压模块与超级电容连接；所述超级电容输出端与充电支路、第一接触器连接；所述第一接触器、充电支路均与负载连接；所述电网支路通过第二接触器与所述负载连接。本发明将功率型的超级电容和能量型的锂电池进行结合，锂电池通过DC/DC变流器与超级电容组合，DC/DC变流器通过升压与降压实现能量在锂电池与超级电容之间传输，充分利用了锂电池能量密度高以及超级电容功率密度高的特点，使机车在通过无电区时仍能发挥大功率牵引力，同时在机车运行时吸收再利用再生制动能量，实现节能环保的目的。

Description

一种轨道交通混合动力电路、储能动力包及其供电方法
技术领域
本发明涉及轨道交通动力驱动领域，特别是一种轨道交通混合动力电路、储能动力包及其供电方法。
背景技术
目前采用电网受流的轨道交通车辆在通过无电区时无法发挥牵引力，内燃驱动的轨道交通车辆在驶入隧道后产生的废气排放可能会产生危险的后果，而采用车载储能动力包的混合动力驱动方式可以有效提高机车运行效率和以及降低机车在隧道内的乃至全线路区段内的废气排放。目前，主要的储能元件有蓄电池、超级电容等，电池又分为铅酸电池、碱性电池、锂电池等，作为动力蓄电池一般采用能量密度和功率密度都相对较大的锂电池。超级电容器是一种新型的电容器，其具有较大的功率密度。锂电池虽然在纯电动车辆和混合动力车辆上得到了广泛的应用，但大电流充放电对锂电池的寿命和效率存在不利的影响。而超级电容虽然可以快速的进行大功率充放电，但其较低的能量密度却无法独自完成作为车载储能元件的任务。因此，如何将超级电容和电池进行结合是轨道交通动力驱动领域待解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种轨道交通混合动力电路、储能动力包及其供电方法，充分利用锂电池能量密度高以及超级电容功率密度高的特点，使机车在通过无电区时仍能发挥大功率牵引力，同时可以在机车运行时吸收再利用再生制动能量。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种轨道交通混合动力电路，包括锂电池、电网支路；所述锂电池通过升/降压模块与超级电容连接；所述超级电容输出端与充电支路、第一接触器连接；所述第一接触器、充电支路均与负载连接；所述电网支路通过第二接触器与所述负载连接。
所述电网支路包括电网；所述电网通过主变压器接整流器；所述整流器接所述第二接触器；所述负载包括串联的牵引变流器和牵引电机；所述第二接触器通过高速断路器接所述牵引变流器；所述第一接触器输出侧接入所述第二接触器与所述高速断路器之间。
所述第二接触器通过二极管与所述整流器连接。二极管的作用是保证电网支路正向导通，使得再生制动能量可以被储能动力包吸收。
所述充电支路包括第三接触器；所述第三接触器与充电机连接；所述充电机接辅助逆变器；所述辅助逆变器输出端接入所述高速断路器输出侧与所述牵引变流器之间。充电支路可以为储能动力包充电。
本发明中，升/降压模块为DC/DC变流器。
所述超级电容通过直流母线与充电支路、第一接触器连接，可快速响应机车功率需求，例如即时吸收机车再生制动时回馈的能量，并在下一个机车牵引阶段释放，使再生制动的能量得到高效的回收利用，同时超级电容也有稳定直流母线电压的作用。
相应地，本发明还提供了一种用于上述轨道交通混合动力电路的储能动力包，其包括锂电池；所述锂电池通过DC/DC变流器与超级电容连接。
作为一个发明构思，本发明还提供了一种上述轨道交通混合动力电路的供电方法，包括电网模式和储能动力包模式：
电网模式下：电网电流通过主变压器、整流器进入机车中间直流回路，第二接触器闭合，高速断路器闭合，第一接触器断开，电流由牵引变流器逆变成三相交流电，向牵引电机供电；同时第三接触器闭合，由辅助逆变器通过充电机向储能动力包充电，此外辅助逆变器向各辅助负载供电，充电机向超级电容充电，超级电容通过DC/DC变流器向锂电池充电；当机车处于再生制动时，牵引电机产生的回馈能量通过牵引变流器、辅助逆变器、充电机向储能动力包充电，同时通过辅助逆变器向辅助负载供电；
储能动力包模式下：第一接触器闭合、第二接触器断开、第三接触器断开、高速断路器闭合，储能动力包通过高速断路器向牵引变流器供电，同时向辅助逆变器供电；当机车小功率（低于100kw)牵引时，仅依靠锂电池输出能量，此时超级电容用于稳定直流母线电压，当机车功率增大时，超级电容和锂电池共同放电；当机车处于再生制动时，牵引电机产生的回馈能量通过牵引变流器、辅助逆变器、充电机向储能动力包充电，同时通过辅助逆变器向辅助负载供电。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明将功率型的超级电容和能量型的锂电池进行结合，锂电池通过DC/DC变流器与超级电容组合，DC/DC变流器通过升压与降压实现能量在锂电池与超级电容之间传输，充分利用了锂电池能量密度高以及超级电容功率密度高的特点，同时超级电容直接与直流母线连接，可快速响应机车功率需求以及稳定直流母线电压。本发明的电路可实现机车在电网和储能动力包两种供电模式下工作，使机车在通过无电区时仍能发挥大功率牵引力，同时在机车运行时吸收再利用再生制动能量，实现节能环保的目的。
附图说明
图1为本发明混合动力电路结构图。
具体实施方式
本发明的混合动力电路如图1所示，电路主要由锂电池、DC/DC变流器、超级电容、主变压器、整流器、高速断路器、牵引变流器、牵引电机、辅助逆变器、充电机以及接触器=11-K01（第二接触器）、=11-K02（第一接触器）、=11-K03（第三接触器）和防反二极管组成。
由于锂电池与超级电容的输出电压差别较大，锂电池通过DC/DC变流器与超级电容组合，DC/DC变流器从原理上来说就是Buck-Boost电路，通过控制DC/DC变流器处于升压或降压模式，实现能量在锂电池与超级电容之间传输。超级电容直接与直流母线连接，可快速响应机车功率需求，例如即时吸收机车再生制动时回馈的能量，并在下一个机车牵引阶段释放，使再生制动的能量得到高效的回收利用，同时其也有稳定直流母线电压的作用。而当机车大功率牵引运行或超级电容能量耗尽/充满时，锂电池通过DC/DC变流器向超级电容补充或吸收能量，利用其能量密度大的特点，保证机车拥有足够的续航里程，同时避免锂电池直接向直流母线大电流充放电进而影响其使用寿命。DC/DC变流器负责储能动力包的能量、功率管理，调节超级电容与锂电池之间的能量传输，是储能动力包充放电控制的核心部件。超级电容、锂电池与机车网络控制系统分别通过CAN总线与DC/DC变流器进行通讯，DC/DC变流器根据设定的工作模式执行条件，决定是将超级电容电压转换成锂电池电压给其充电，还是将锂电池电压转换成的超级电容电压作为供电电源给车上的其他负载设备供电。
该混合动力系统拥有两种供电模式，分别为电网模式与储能动力包模式，当电网向机车牵引系统供电时，接触器=11-K01闭合，高速断路器闭合，接触器=11-K02断开。当储能动力包向机车牵引系统供电时，接触器=11-K02闭合、=11-K01断开、=11-K03断开、高速断路器闭合。防反二极管=11-V01的作用是保证电网支路正向导通，再生制动能量由储能动力包吸收。电网支路可通过充电机向储能动力包充电。
1）电网模式
当机车处于电网模式时，电网电流通过主变压器、整流器进入机车中间直流回路，此时接触器=11-K01闭合，高速断路器闭合，接触器=11-K02断开，电流由牵引变流器逆变成三相交流电，向牵引电机供电。同时接触器=11-K03闭合，由辅助逆变器通过充电机向储能动力包充电，此外辅助逆变器向各辅助负载供电。此时充电机向超级电容充电，超级电容通过DC/DC变流器向锂电池充电。
当机车处于再生制动时，牵引电机产生的回馈能量通过牵引变流器、辅助逆变器、充电机向储能动力包充电，同时通过辅助逆变器向辅助负载供电。
2）储能动力包模式
当机车处于储能动力包模式时，接触器=11-K02闭合、=11-K01断开、=11-K03断开、高速断路器闭合，储能动力包通过高速断路器向牵引变流器供电。同时向辅助逆变器供电。当机车小功率牵引时，仅依靠锂电池输出能量。这时超级电容用于稳定直流母线电压。当机车功率增大时，超级电容和锂电池共同放电。
当机车处于再生制动时，牵引电机产生的回馈能量通过牵引变流器、辅助逆变器、充电机向储能动力包充电，同时通过辅助逆变器向辅助负载供电。。

Claims (10)

1.一种轨道交通混合动力电路，其特征在于，包括锂电池、电网支路；所述锂电池通过升/降压模块与超级电容连接；所述超级电容输出端与充电支路、第一接触器连接；所述第一接触器、充电支路均与负载连接；所述电网支路通过第二接触器与所述负载连接。
2.根据权利要求1所述的轨道交通混合动力电路，其特征在于，所述电网支路包括电网；所述电网通过主变压器接整流器；所述整流器接所述第二接触器。
3.根据权利要求2所述的轨道交通混合动力电路，其特征在于，所述负载包括串联的牵引变流器和牵引电机；所述第二接触器通过高速断路器接所述牵引变流器；所述第一接触器输出侧接入所述第二接触器与所述高速断路器之间。
4.根据权利要求2所述的轨道交通混合动力电路，其特征在于，所述第二接触器通过二极管与所述整流器连接。
5.根据权利要求3所述的轨道交通混合动力电路，其特征在于，所述充电支路包括第三接触器；所述第三接触器与充电机连接；所述充电机接辅助逆变器；所述辅助逆变器输出端接入所述高速断路器输出侧与所述牵引变流器之间。
6.根据权利要求1～5之一所述的轨道交通混合动力电路，其特征在于，所述升/降压模块为DC/DC变流器。
7.根据权利要求1～5所述的轨道交通混合动力电路，其特征在于，所述超级电容通过直流母线与充电支路、第一接触器连接。
8.一种用于权利要求1～7之一轨道交通混合动力电路的储能动力包，其特征在于，包括锂电池；所述锂电池通过DC/DC变流器与超级电容连接。
9.一种权利要求6或7所述轨道交通混合动力电路的供电方法，其特征在于，包括电网模式和储能动力包模式：
电网模式下：电网电流通过主变压器、整流器进入机车中间直流回路，第二接触器闭合，高速断路器闭合，第一接触器断开，电流由牵引变流器逆变成三相交流电，向牵引电机供电；同时第三接触器闭合，由辅助逆变器通过充电机向储能动力包充电，此外辅助逆变器向各辅助负载供电，充电机向超级电容充电，超级电容通过DC/DC变流器向锂电池充电；当机车处于再生制动时，牵引电机产生的回馈能量通过牵引变流器、辅助逆变器、充电机向储能动力包充电，同时通过辅助逆变器向辅助负载供电；
储能动力包模式下：第一接触器闭合、第二接触器断开、第三接触器断开、高速断路器闭合，储能动力包通过高速断路器向牵引变流器供电，同时向辅助逆变器供电；当机车小功率牵引时，仅依靠锂电池输出能量，此时超级电容用于稳定直流母线电压，当机车功率增大时，超级电容和锂电池共同放电；当机车处于再生制动时，牵引电机产生的回馈能量通过牵引变流器、辅助逆变器、充电机向储能动力包充电，同时通过辅助逆变器向辅助负载供电。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述机车小功率是指机车功率低于100kw。
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