CN108081993B - 一种城轨车辆供电系统及供电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种城轨车辆供电系统及供电方法，其中供电系统包括超级电容，超级电容接供电单元，还包括双向充电机、赝电容、第一电压传感器和第一电流传感器，第一电压传感器和第一电流传感器的检测端均与超级电容相连，第一电压传感器和第一电流传感器的输出端均与双向充电机相连，供电单元、超级电容、赝电容、第一电压传感器和第一电流传感器均与双向充电机相连；超级电容在双向充电机待机时吸收电量或对车辆供电，供电单元在双向充电机工作于降压充电模式时对赝电容充电，超级电容在双向充电机工作于升压充电模式时吸收赝电容提供的电量。本发明利用超级电容和赝电容进行混合供电，续航能力强，工作可靠性高，再生能耗利用率高，运行成本低。
Description
技术领域
本发明属于轨道交通技术领域，特别涉及一种城轨车辆供电系统及供电方法。
背景技术
目前，国内外绝大多数城轨车辆采用接触网、接触轨、锂电池、超级电容、碳酸锂电池中的一种供电，储能和供电形式比较单一。对于单独利用超级电容供电的城轨车辆而言，超级电容的电压输入端接供电单元，其中供电单元包括站台充电单元或牵引再生制动单元。在车辆进站时，站台充电单元与超级电容的电压输入端相连，利用乘客上下车的站停时间，站台充电单元利用大电流快速给超级电容进行充电；在车辆回收再生制动能量时，牵引再生制动单元与超级电容的电压输入端相连，利用超级电容吸收车辆再生制动能耗。车辆行驶时，由超级电容为牵引系统等供电，使车辆正常运行。
虽然超级电容充放电快，但其储能较少，因而这种由单一超级电容供电的城轨车辆续航能力差，车辆对复杂路况（堵车、等红灯等）的应对能力不强，工作可靠性低；车辆无法全部吸收在长大下坡道产生的再生制动能量，再生能耗利用率低，增加运行成本。
发明内容
现有单一使用超级电容供电的城轨车辆储能较少，续航能力差，对复杂路况的应对能力差，工作可靠性低，再生能耗利用率低，运行成本高。本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种城轨车辆供电系统及供电方法，利用超级电容和赝电容进行混合供电，续航能力强，工作可靠性高，再生能耗利用率高，运行成本低。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种城轨车辆供电系统，包括超级电容，超级电容的电压输入端接供电单元，其中供电单元包括站台充电单元和牵引再生制动单元，其结构特点是还包括双向充电机、赝电容、第一电压传感器和第一电流传感器，第一电压传感器的检测端和第一电流传感器的检测端均与超级电容相连，第一电压传感器的输出端和第一电流传感器的输出端均与双向充电机相连，供电单元、超级电容、赝电容、第一电压传感器和第一电流传感器均与双向充电机相连；其中，第一电流传感器用于检测超级电容的电流值I1并发送至双向充电机；第一电压传感器用于检测超级电容的电压值U1并发送至双向充电机；双向充电机用于接收第一电流传感器和第一电压传感器的检测值；在供电单元有电量输出时，若U1＜900V或I1＞1A，则双向充电机待机；在供电单元有电量输出、U1≥900V、I1≤1A三个条件均满足时，双向充电机工作于降压充电模式；在超级电容对车辆供电时，若U1≥600V，则双向充电机待机；在超级电容对车辆供电时，若U1＜600V，则双向充电机工作于升压充电模式；超级电容用于在双向充电机待机时吸收供电单元提供的电量或对车辆供电，供电单元用于在双向充电机工作于降压充电模式时通过双向充电机对赝电容充电，超级电容用于在双向充电机工作于升压充电模式时通过双向充电机吸收赝电容提供的电量。
借由上述结构，本发明利用超级电容和赝电容进行混合供电。在车辆进站充电或回收再生制动能量时，优先对超级电容进行充电；在超级电容基本充满的情况下，启动双向充电机对赝电容进行充电。在车辆耗电过程中，使用超级电容对车辆供电，在超级电容电压低的情况下，赝电容通过双向充电机对超级电容进行充电，确保车辆能够继续行驶、安全抵达下一站。由于超级电容充放电速度快、赝电容储能能力大，结合这二者的优势可以保证车辆高效可靠运行，赝电容的设置提高了车辆停站时的整体充电量，并能够吸收部分无法被超级电容吸收的再生制动能量，提高车辆再生能耗利用率和续航能力，大大提升车辆对复杂路况（堵车、等红灯等）的应对能力，工作可靠性高，运行成本低。
进一步地，还包括第二电流传感器和第二电压传感器，第二电流传感器的检测端和第二电压传感器的检测端均与赝电容相连，第二电流传感器的输出端和第二电压传感器的输出端均与双向充电机相连；其中，第二电流传感器用于检测赝电容的电流值I2并发送至双向充电机；第二电压传感器用于检测赝电容的电压值U2并发送至双向充电机；双向充电机用于接收第二电流传感器和第二电压传感器的检测值；在供电单元有电量输出、U1≥900V、I1≤1A、U2＜390V、I2＞1A五个条件均满足时，双向充电机工作于降压充电模式；在超级电容对车辆供电时，若U1＜600V且U2≥300V，则双向充电机工作于升压充电模式。
由于对赝电容的充放电条件进行限制，可以更好地保护赝电容和避免能量浪费。
基于同一个发明构思，本发明还提供了一种利用所述城轨车辆供电系统进行供电的方法，包括利用供电单元对超级电容充电，利用超级电容对车辆供电，其特点是还包括如下过程：
在供电单元有电量输出时，若第一电压传感器检测到超级电容的电压值U1＜900V或第一电流传感器检测到超级电容的电流值I1＞1A，则双向充电机待机，超级电容吸收供电单元提供的电量；在供电单元有电量输出时，若第一电压传感器检测到超级电容的电压值U1≥900V且第一电流传感器检测到超级电容的电流值I1≤1A，则双向充电机工作于降压充电模式，供电单元通过双向充电机对赝电容充电；在超级电容对车辆供电时，若第一电压传感器检测到超级电容的电压值U1≥600V，则双向充电机待机；在超级电容对车辆供电时，若第一电压传感器检测到超级电容的电压值U1＜600V，则双向充电机工作于升压充电模式，超级电容通过双向充电机吸收赝电容提供的电量。
进一步地，还包括第二电流传感器和第二电压传感器，其中，第二电流传感器用于检测赝电容的电流值I2并发送至双向充电机；第二电压传感器用于检测赝电容的电压值U2并发送至双向充电机；还包括如下过程：
在供电单元有电量输出、U1≥900V、I1≤1A、U2＜390V、I2＞1A五个条件均满足时，双向充电机工作于降压充电模式，供电单元通过双向充电机对赝电容充电；在超级电容对车辆供电时，若U1＜600V且U2≥300V，则双向充电机工作于升压充电模式，超级电容通过双向充电机吸收赝电容提供的电量。
作为一种优选方式，在车辆进站时，所述供电单元仅通过站台充电单元输出电量。
作为另一种优选方式，在车辆回收再生制动能量时，所述供电单元仅通过牵引再生制动单元输出电量。
作为一种优选方式，在坡长为500m~1500m、坡度为5％~6％的下坡制动过程中，车辆回收再生制动能量。
与现有技术相比，本发明利用超级电容和赝电容进行混合供电，利用超级电容作为主动力，利用赝电容作为辅助动力，续航能力强，工作可靠性高，再生能耗利用率高，运行成本低。
附图说明
图1为供电系统一实施例的结构示意图。
其中，1为超级电容，2为双向充电机，3为赝电容，4为第一电压传感器，5为第一电流传感器，6为第二电流传感器，7为第二电压传感器，8为供电单元，9为牵引再生制动单元。
具体实施方式
如图1所示，城轨车辆供电系统包括超级电容1，超级电容1的电压输入端接供电单元，其中供电单元包括站台充电单元8和牵引再生制动单元9，还包括DC/DC双向充电机2、赝电容3、第一电压传感器4和第一电流传感器5，第一电压传感器4的检测端和第一电流传感器5的检测端均与超级电容1相连，第一电压传感器4的输出端和第一电流传感器5的输出端均与双向充电机2相连，供电单元、超级电容1、赝电容3、第一电压传感器4和第一电流传感器5均与双向充电机2相连；其中，第一电流传感器5用于检测超级电容1的电流值I1并发送至双向充电机2；第一电压传感器4用于检测超级电容1的电压值U1并发送至双向充电机2；双向充电机2用于接收第一电流传感器5和第一电压传感器4的检测值；在供电单元有电量输出时，若U1＜900V或I1＞1A，则双向充电机2待机；在供电单元有电量输出、U1≥900V、I1≤1A三个条件均满足时，双向充电机2工作于降压充电模式；在超级电容1对车辆供电时，若U1≥600V，则双向充电机2待机；在超级电容1对车辆供电时，若U1＜600V，则双向充电机2工作于升压充电模式；超级电容1用于在双向充电机2待机时吸收供电单元提供的电量或对车辆供电，供电单元用于在双向充电机2工作于降压充电模式时通过双向充电机2对赝电容3充电，超级电容1用于在双向充电机2工作于升压充电模式时通过双向充电机2吸收赝电容3提供的电量。
城轨车辆供电系统还包括第二电流传感器6和第二电压传感器7，第二电流传感器6的检测端和第二电压传感器7的检测端均与赝电容3相连，第二电流传感器6的输出端和第二电压传感器7的输出端均与双向充电机2相连。超级电容1、赝电容3、双向充电机2、第一电流传感器5、第一电压传感器4、第二电流传感器6、第二电压传感器7均设置于车顶。
第二电流传感器6用于检测赝电容3的电流值I2并发送至双向充电机2；第二电压传感器7用于检测赝电容3的电压值U2并发送至双向充电机2；双向充电机2用于接收第二电流传感器6和第二电压传感器7的检测值；在供电单元有电量输出、U1≥900V、I1≤1A、U2＜390V、I2＞1A五个条件均满足时，双向充电机2工作于降压充电模式；在超级电容1对车辆供电时，若U1＜600V且U2≥300V，则双向充电机2工作于升压充电模式。
本发明城轨车辆供电方法利用所述的供电系统，包括利用供电单元对超级电容1充电，利用超级电容1对车辆供电，还包括如下过程：
在供电单元有电量输出时，若第一电压传感器4检测到超级电容1的电压值U1＜900V或第一电流传感器5检测到超级电容1的电流值I1＞1A，则双向充电机2待机，超级电容1吸收供电单元提供的电量；在供电单元有电量输出时，若第一电压传感器4检测到超级电容1的电压值U1≥900V且第一电流传感器5检测到超级电容1的电流值I1≤1A，则双向充电机2工作于降压充电模式，供电单元通过双向充电机2对赝电容3充电；在超级电容1对车辆供电时，若第一电压传感器4检测到超级电容1的电压值U1≥600V，则双向充电机2待机；在超级电容1对车辆供电时，若第一电压传感器4检测到超级电容1的电压值U1＜600V，则双向充电机2工作于升压充电模式，超级电容1通过双向充电机2吸收赝电容3提供的电量。
进一步地，在供电单元有电量输出、U1≥900V、I1≤1A、U2＜390V、I2＞1A五个条件均满足时，双向充电机2工作于降压充电模式，供电单元通过双向充电机2对赝电容3充电；在超级电容1对车辆供电时，若U1＜600V且U2≥300V，则双向充电机2工作于升压充电模式，超级电容1通过双向充电机2吸收赝电容3提供的电量。
在车辆进站时，所述供电单元仅通过站台充电单元8输出电量，供电单元有电量输出。在车辆回收再生制动能量时（如在坡长为500m~1500m、坡度为5％~6％的长大坡道下坡制动过程中），所述供电单元仅通过牵引再生制动单元9输出电量，供电单元有电量输出。
具体地，本发明包括如下两个过程：
1、进站充电控制过程
当车辆进站时，利用乘客上下车的站停时间，优先利用大电流快速给超级电容1进行充电，在规定站停时间内采集超级电容1的电压和电流信号，当超级电容1的电压大于等于DC900V、电流不大于1A时，DC/DC双向充电机2开启降压充电模式，站台充电单元8通过双向充电机2给赝电容3进行充电，直到车辆离开站台、停止充电。在对赝电容3充电过程中，如果第二电压传感器7检测到赝电容3电压大于等于DC390V、充电电流小于1A时，DC/DC双向充电机2输出停止充电信号，停止给赝电容3进行充电。
2、再生制动过程中能量吸收和赝电容3充电释放控制过程
当车辆区间运行在下坡或长时间处于再生制动过程中时，优先利用超级电容1吸收车辆再生制动能耗。当超级电容1的电压大于等于DC900V、电流不大于1A时，超级电容1向DC/DC发送启动信号，DC/DC双向充电机2开启降压充电模式，牵引再生制动单元提供的再生制动能量通过双向充电机2给赝电容3进行充电，直到牵引再生制动单元无输出。在赝电容3吸收再生制动能量的过程中，如果第二电压传感器7检测到赝电容3电压大于等于DC390V、充电电流小于1A时，DC/DC双向充电机2输出停止充电信号，停止给赝电容3进行充电。
当车辆在区间（两站之间）运行过程中，利用超级电容1直接给车辆进行供电。当超级电容1的电压低于DC600V，DC/DC双向充电机2开启升压充电模式、赝电容3释放电能并通过DC/DC双向充电机2升压给超级电容1进行充电，确保车辆能够继续行驶抵达下一站。在赝电容3放电的过程中，如果第二电压传感器7检测到赝电容3的电压低于DC300V，或者第一电压传感器4检测到超级电容1的电压达到DC900V时，DC/DC双向充电机2输出停止充电信号，赝电容3停止对超级电容1进行充电。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是局限性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种城轨车辆供电系统，包括超级电容（1），超级电容（1）的电压输入端接供电单元，其中供电单元包括站台充电单元（8）和牵引再生制动单元（9），其特征在于，还包括双向充电机（2）、赝电容（3）、第一电压传感器（4）和第一电流传感器（5），第一电压传感器（4）的检测端和第一电流传感器（5）的检测端均与超级电容（1）相连，第一电压传感器（4）的输出端和第一电流传感器（5）的输出端均与双向充电机（2）相连，供电单元、超级电容（1）、赝电容（3）、第一电压传感器（4）和第一电流传感器（5）均与双向充电机（2）相连；其中，
第一电流传感器（5）用于检测超级电容（1）的电流值I1并发送至双向充电机（2）；
第一电压传感器（4）用于检测超级电容（1）的电压值U1并发送至双向充电机（2）；
双向充电机（2）用于接收第一电流传感器（5）和第一电压传感器（4）的检测值；在供电单元有电量输出时，若U1＜900V或I1＞1A，则双向充电机（2）待机；在供电单元有电量输出、U1≥900V、I1≤1A三个条件均满足时，双向充电机（2）工作于降压充电模式；在超级电容（1）对车辆供电时，若U1≥600V，则双向充电机（2）待机；在超级电容（1）对车辆供电时，若U1＜600V，则双向充电机（2）工作于升压充电模式；
超级电容（1）用于在双向充电机（2）待机时吸收供电单元提供的电量或对车辆供电，供电单元用于在双向充电机（2）工作于降压充电模式时通过双向充电机（2）对赝电容（3）充电，超级电容（1）用于在双向充电机（2）工作于升压充电模式时通过双向充电机（2）吸收赝电容（3）提供的电量。
2.如权利要求1所述的城轨车辆供电系统，其特征在于，还包括第二电流传感器（6）和第二电压传感器（7），第二电流传感器（6）的检测端和第二电压传感器（7）的检测端均与赝电容（3）相连，第二电流传感器（6）的输出端和第二电压传感器（7）的输出端均与双向充电机（2）相连；其中，
第二电流传感器（6）用于检测赝电容（3）的电流值I2并发送至双向充电机（2）；
第二电压传感器（7）用于检测赝电容（3）的电压值U2并发送至双向充电机（2）；
双向充电机（2）用于接收第二电流传感器（6）和第二电压传感器（7）的检测值；在供电单元有电量输出、U1≥900V、I1≤1A、U2＜390V、I2＞1A五个条件均满足时，双向充电机（2）工作于降压充电模式；在超级电容（1）对车辆供电时，若U1＜600V且U2≥300V，则双向充电机（2）工作于升压充电模式。
3.一种利用如权利要求1或2所述城轨车辆供电系统进行供电的方法，包括利用供电单元对超级电容（1）充电，利用超级电容（1）对车辆供电，其特征在于，还包括如下过程：
在供电单元有电量输出时，若第一电压传感器（4）检测到超级电容（1）的电压值U1＜900V或第一电流传感器（5）检测到超级电容（1）的电流值I1＞1A，则双向充电机（2）待机，超级电容（1）吸收供电单元提供的电量；
在供电单元有电量输出时，若第一电压传感器（4）检测到超级电容（1）的电压值U1≥900V且第一电流传感器（5）检测到超级电容（1）的电流值I1≤1A，则双向充电机（2）工作于降压充电模式，供电单元通过双向充电机（2）对赝电容（3）充电；
在超级电容（1）对车辆供电时，若第一电压传感器（4）检测到超级电容（1）的电压值U1≥600V，则双向充电机（2）待机；
在超级电容（1）对车辆供电时，若第一电压传感器（4）检测到超级电容（1）的电压值U1＜600V，则双向充电机（2）工作于升压充电模式，超级电容（1）通过双向充电机（2）吸收赝电容（3）提供的电量。
4.如权利要求3所述的进行供电的方法，其特征在于，还包括第二电流传感器（6）和第二电压传感器（7），其中，第二电流传感器（6）用于检测赝电容（3）的电流值I2并发送至双向充电机（2）；第二电压传感器（7）用于检测赝电容（3）的电压值U2并发送至双向充电机（2）；还包括如下过程：
在供电单元有电量输出、U1≥900V、I1≤1A、U2＜390V、I2＞1A五个条件均满足时，双向充电机（2）工作于降压充电模式，供电单元通过双向充电机（2）对赝电容（3）充电；
在超级电容（1）对车辆供电时，若U1＜600V且U2≥300V，则双向充电机（2）工作于升压充电模式，超级电容（1）通过双向充电机（2）吸收赝电容（3）提供的电量。
5.如权利要求3或4所述的进行供电的方法，其特征在于，在车辆进站时，所述供电单元仅通过站台充电单元（8）输出电量。
6.如权利要求3或4所述的进行供电的方法，其特征在于，在车辆回收再生制动能量时，所述供电单元仅通过牵引再生制动单元（9）输出电量。
7.如权利要求6所述的进行供电的方法，其特征在于，在坡长为500m~1500m、坡度为5％~6％的下坡制动过程中，车辆回收再生制动能量。
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