CN107891760A - 一种城市轨道车辆用车载太阳能供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于新能源发电和储能技术领域，尤其涉及一种城市轨道车辆用车载太阳能供电系统，包括依次相连的：铺设于城市轨道车辆顶部或侧面的柔性光伏组件、升压变换器、储能电池箱；其中储能电池箱作为车辆辅助供电系统通过接触器同时与车辆外部供电母线相连。所述柔性光伏组件为光伏薄膜电池，每个车厢外铺设5块串联的光伏薄膜电池，每块光伏薄膜电池的最大功率100W，额定电压17.8V，串联后形成额定电压为89V，最大功率500W的串联单元；两个车厢的串联单元并联后接入一台额定功率1kW的升压变换器，将电压变换为110V，并入额定电压110V的储能电池箱，储能电池箱通过二极管向110V母线提供电能。

Description

一种城市轨道车辆用车载太阳能供电系统

技术领域

本发明属于新能源发电和储能技术领域，尤其涉及一种城市轨道车辆用车载太阳能供电系统。

背景技术

随着国家对节能减排的大力提倡，光伏作为一种清洁能源，逐步获得认可及推广，政府也出台一系列措施支持光伏产业发展。与其他能源相比，光伏技术具备很多优势：没有任何机械运转部件；除了日照外，不需其它任何燃料；取之不尽用之不竭等。国家要求大力发展新能源、高效能、高安全的系统技术与装备，发展轨道交通的安全保障、智能化、绿色化技术。将光伏技术应用于城市轨道交通领域，符合轨道交通行业发展的趋势。

目前，国内针对光伏技术更多得还是应用在光伏并网发电领域。除光伏并网外，光伏技术已经开始了在汽车领域的初期探索，但受电动汽车车体面积和运行时间所限，加之储能蓄电池容量和天气的限制，使得太阳能电池在电动汽车上的实用性受到极大的限制。

目前在全球范围内还没有将光伏应用于轨道交通车辆的先例，一方面，需解决确保车辆在行驶过程中，太阳能电池仍可稳固在车体上高效发电的难题；另一方面，如何更加有效得利用太阳能，提高太阳能发电的使用效率，也是需重点关注的问题；再者，作为一种新型的供电装备，如何在不改变原车电气拓扑的前提下，将太阳能供电系统融入现有的低压供电系统中，是第三个需解决的问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种城市轨道车辆用车载太阳能供电系统，包括依次相连的：铺设于城市轨道车辆顶部或侧面的柔性光伏组件、升压变换器、储能电池箱；其中储能电池箱作为车辆辅助供电系统通过接触器同时与车辆外部供电母线相连。

所述柔性光伏组件为光伏薄膜电池，每个车厢外铺设5块串联的光伏薄膜电池，每块光伏薄膜电池的最大功率100W，额定电压17.8V，串联后形成额定电压为89V，最大功率500W的串联单元；两个车厢的串联单元并联后接入一台额定功率1kW的升压变换器，将电压变换为110V，并入额定电压110V的储能电池箱，储能电池箱通过二极管向110V母线提供电能。

所述柔性光伏组件采用整体胶粘和框条固定结合的方式铺设在车辆顶部，完全贴合不同弧度的车顶，可适应车顶走行风；所述各柔性光伏组件间通过光伏板连接器连接，并使用紧固件在车顶将连接器固定。

所述升压变换器采用Boost升压变换器电路，并采用MPPT算法，在实现最大功率点追踪的同时具备电池低电压自动充电和保护功能。

所述储能电池箱为钛酸锂电池，通过串联与整车外部供电母线电压110V匹配；储能电池箱通过二极管为外部供电母线提供电能，防止母线电压过高时向电池箱反灌电流；电池箱具有短路自保护，防止出现外部短路时电池发生安全故障；储能电池箱的输入端通过常闭接触器确保在电池过充又未能自动停止充电时快速切断充电回路；储能电池箱的输出端通过常开接触器，保证在整车外部供电时断开与外部供电母线的电气连接，在储能电池箱欠压亏电时断开放电回路防止电池过放。

所述升压变换器和储能电池箱之间通过RS485实现双方信息交互；储能电池箱与整车通过硬线信号获知整车处于外部上电或下电状态。

所述升压变换器通过检测电池电压对防止电池过充进行保护，并通过电压比较器实现防止过充的二层保护，储能电池箱通过输入端接常闭接触器实现第三重保护。

本发明的有益效果在于：

将太阳能电池成功应用于城市轨道交通领域，拓展了光伏发电技术应用的领域。通过薄膜电池的灵活安装，解决了带弧度车顶太阳能板铺设的难题；通过加装储能装置，实现太阳能的最大化利用；通过抬高输出电压并入110V辅助系统，实现了不改变原有电气结构前提下，优先使用光伏系统供电节能的目的。按整车四个车厢计算，实现整车最大发电功率2kW；正常状态时，太阳能发电直接流向外部供电系统，储能电池箱电压控制在111.2V左右，实现节能目的；当外部供电功率低时，太阳能剩余电量可给电池充电，整车储能电量4kWh，可储存满功率发电状态下2小时电量；当车辆第三轨无电或充电机故障时，储能电池箱可为整车提供电能15min，确保列车关键系统的控制用电可靠性。该方案为今后光伏技术在轨道交通领域大规模应用提供了技术支持，推动新能源技术在新的领域的发展，符合国家构建“绿色交通”的政策引导。

附图说明

图1太阳能供电系统与外部系统接线图；

图2太阳能供电系统能量流动图；

图3薄膜电池铺设示意图

图4为薄膜电池连接器紧固图；

图5升压变换器主电路拓扑图；

图6电池系统拓扑图；

具体实施方式

下面结合附图，对实施例作详细说明。

图1展示了太阳能供电系统内部结构及整车低压电气外部接线图。正常工况下，DC750V直流母线通过充电机提供DC110V母线电压，给直流负载供电。此外，太阳能电池板PV通过升压变换器变换后提供DC110V，接入小型储能电池箱，两者共同挂在DC110V直流母线上。在充电机故障情况下，由小型储能电池箱给110V直流负载供电，保障负载设备正常工作。当小型储能电池箱亏电时，太阳能电池板PV通过升压变换器变换后提供DC110V，接入小型储能电池箱为其充电。电池箱并在充电机二极管后，防止因电池箱电压抬高向充电机反灌电流，电池箱串联二极管输出，防止充电机故障后，电池电量放空，一旦充电机恢复工作，因输出压差差异造成充电机向电池大电流充电情况。

图2展示了太阳能电池板的配置及能量流动情况。正常工况下，当电池箱外电压低于母线电压时，太阳能电量主要为电池箱充电，直至电池电压高于母线电压，此时太阳能发电电流不会经过电池，直接流向110V母线，电池系统保证了太阳能供电系统输出电压不会由于110V负载变化造成较大波动，并优先使用太阳能供电。当充电机出现故障时，电池中储存的电量会大量流向110V母线，此时太阳能主要作用为给电池箱充电。

图3展示了太阳能电池的铺设方案。图4展示了连接器固定方案。本系统太阳能电池选型为薄膜电池，薄膜电池作为一种柔性组件，可弯曲、可卷曲的结构特点能够更好贴合带有轻微弧度的车顶，通过自带背胶，可实现在大部分物体表面的粘贴安装。目前，薄膜电池最高转化效率为13％，但弱光性较好，适用于非集中型移动光伏发电。每节车厢由5块太阳能薄膜电池串联，使用光伏专用连接器，为保证连接器在高速行驶的城轨车辆车顶的固定强度，在每节车厢车顶焊接6个滑槽，其中4个用于太阳能板间的连接，2个用于总正总负输出。如图所示，设计专用的紧固件进行连接器的固定，同时可在维护时实现快速拆卸。

图5展示了升压变换器主电路。地铁系统采用直流供电制式，地铁太阳能供电系统需要采用升压变换器将太阳能输出的不稳定电压升压后并网高压侧的储能电池充电，传统DCDC变换器拓扑采用单路变换结构，本系统中升压变换器采用两电平两重化双路并联结构，采用两重化结构的升压变换器对外输出等效开关频率提高了一倍，输出电流和电压等电能质量更优。并且根据光伏发电功率的变化，本系统中升压变换器可以选择单路运行和两路运行两种形式，在不同工况下实现升压变换器的更高效率运行。

当电池电压很低并低于光伏单元电压时，升压变换器控制MOS管直接闭合，由光伏池板直接给电池充电；当光照条件满足一定要求，光伏单元电压大于一定值V1后，升压变换器控制系统供电启动，控制系统开始工作；当光照强度继续增加，光伏单元电压逐渐上升至V2后，升压变换器开始运行，实现最大功率点跟踪；当车辆进库或光照逐步降低至V3后，升压变换器停止运行，当光照进一步降低至V4时，升压变换器控制电断电，控制系统停止运行。在此过程中当电池电压较高并达到阈值117V时，升压变换器停止运行，自动停止对电池的充电。

传统地面固定式光伏电站所采用光伏逆变器均有MPPT功能，基本上均采用定步长爬山法，然而光照变化比较大的工况下，定步长爬山法速度较慢。本系统采用变步长MPPT控制算法，地铁太阳能供电系统光照条件变化较大较快时，通过大步长算法快速向最大功率点逼近，待逼近最大功率点后再进行小步长微调，在保证最大功率跟踪精度的前提下提高跟踪速度。

图6展示了电池系统主电路图。

小型储能电池系统采用了高安全性的钛酸锂电池作为储能元件，在保证系统后备供电功能的基础上，解决蓄电池组的轻量化、无污染、长寿命等多方面问题。按照目前4节编组的动车组计算，辅助系统容量需求为40Ah，配置2组蓄电池，分别分布在动车组第一节和第四节车厢，则每组蓄电池容量需求为20Ah。电池组额定电压：105.8V。即整车辅助电池能量为：4.2kWh。负载最大电流：400A(两组，时间2s)，持续最大电流：160A(两组)。

主回路由总正接触器、熔断器、分流器、快恢复二极管模块等组成。正常工作下，由BMS控制主接触器KM1线圈得电，KM1主触点闭合。其控制逻辑为：

①电池管理系统(BMS)通过硬线接收到整车上电信号(激活信号置高)，闭合主接触器，接收到下电信号(激活信号置低)，断开主接触器。此逻辑控制主要保证在整车辅助下电后不会因为电池供电使某些控制系统无法停止工作。

②当电池总电压低于欠压保护值(70V)或最低单体电压低于单体欠压保护值(1.5V)时，报欠压故障，断开主接触器保护电池。待电池组电压恢复至92V，闭合接触器，消除欠压故障。此步为保证电池不会因为充电机故障造成过放的问题，同时当太阳能给电池充电后，系统可自恢复。

③电池最高温度高于60℃，最低温度低于-40℃，报温度过低或温度过高故障，断开主接触器。温度变为-30℃～50℃时，故障消除，主接触器闭合。此步为保证电池的工作安全。

④当电池总电压高于123V或最高单体电压高于2.7V时，断开KM2常闭接触器，同时BMS报升压变换器故障，当电池总电压低于115V，重新闭合KM2接触器。升压变换器故障信号需BMS重新上电可消除。此步为保证电池系统不会因为升压变换器发生故障后持续对电池充电造成系统过充安全问题，当整车辅助上电后，电池电压会因带载降低，此时闭合KM2使系统恢复工作。

⑤当主回路电流大于250A超过5s时，断开主接触器。确保不会因外短路等故障引起过流问题。

主电路通过升压变换器与太阳能电池板相连，BMS通过RS485与升压变换器通过RS485进行通讯，控制升压变换器用太阳能电池所发电量为电池组充电。其通讯模式为由BMS询问，升压变换器应答，通讯内容为：(1)BMS询问：①BMS状态位；②充电允许位。BMS状态正常且允许充电时启动升压变换器控制逻辑，否则待机。(2)升压变换器应答,由于升压变换器无外部监控通讯，需要通过电池系统转发自己的状态，故设置如下通讯内容：①升压变换器状态(待机，运行，故障)；②光伏侧电压；③光伏侧电流；④电池电压；⑤电池充电电流。

电池系统预留有外部通讯用于车上监控。输出动力电池全部状态信息，用于调试及故障时监控电池系统状态；输出DC-DC通过RS485报给BMS的所有状态信息(光伏侧电流电压及电池侧电流电压)，用于掌握DC-DC工作状态。

综上所述，本发明描述了一种用于城市轨道车辆的车载太阳能完整设计方案，针对上述的一种城市轨道交通车辆，本方案具有其独特性，但设计方法具有普适性。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种城市轨道车辆用车载太阳能供电系统，其特征在于，包括依次相连的：铺设于城市轨道车辆顶部或侧面的柔性光伏组件、升压变换器、储能电池箱；其中储能电池箱作为车辆辅助供电系统通过接触器同时与车辆外部供电母线相连。

2.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述柔性光伏组件为光伏薄膜电池，每个车厢外铺设5块串联的光伏薄膜电池，每块光伏薄膜电池的最大功率100W，额定电压17.8V，串联后形成额定电压为89V，最大功率500W的串联单元；两个车厢的串联单元并联后接入一台额定功率1kW的升压变换器，将电压变换为110V，并入额定电压110V的储能电池箱，储能电池箱通过二极管向110V母线提供电能。

3.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述柔性光伏组件采用整体胶粘和框条固定结合的方式铺设在车辆顶部，完全贴合不同弧度的车顶，可适应车顶走行风；所述各柔性光伏组件间通过光伏板连接器连接，并使用紧固件在车顶将连接器固定。

4.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述升压变换器采用Boost升压变换器电路，并采用MPPT算法，在实现最大功率点追踪的同时具备电池低电压自动充电和保护功能。

5.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述储能电池箱为钛酸锂电池，通过串联与整车外部供电母线电压110V匹配；储能电池箱通过二极管为外部供电母线提供电能，防止母线电压过高时向电池箱反灌电流；电池箱具有短路自保护，防止出现外部短路时电池发生安全故障；储能电池箱的输入端通过常闭接触器确保在电池过充又未能自动停止充电时快速切断充电回路；储能电池箱的输出端通过常开接触器，保证在整车外部供电时断开与外部供电母线的电气连接，在储能电池箱欠压亏电时断开放电回路防止电池过放。

6.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述升压变换器和储能电池箱之间通过RS485实现双方信息交互；储能电池箱与整车通过硬线信号获知整车处于外部上电或下电状态。

7.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述升压变换器通过检测电池电压对防止电池过充进行保护，并通过电压比较器实现防止过充的二层保护，储能电池箱通过输入端接常闭接触器实现第三重保护。