CN108162989B - 一种城市轨道交通车辆用牵引辅助一体化车载储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于轨道交通车载储能技术领域，尤其涉及一种城市轨道交通车辆用牵引辅助一体化车载储能系统，包括两路输出：一路给车辆辅助系统供电，满足辅助系统用电需求，一路同牵引系统相连，满足车辆牵引和制动能量回收需求，两个回路通过一根接地的负线回流；储能系统内的电池箱配置多簇电池，每簇电池对应一个牵引系统，连接牵引系统的正负对外输出端均有常开继电器控制；多簇电池通过二极管并联后对应一台辅助充电机，通过电压竞争轮流对辅助系统供电，辅助回路通过接地的牵引系统负线回流，辅助输出正母线使用常闭接触器控制，确保对辅助系统的供电可靠性。

Description

一种城市轨道交通车辆用牵引辅助一体化车载储能系统

技术领域

本发明属于轨道交通车载储能技术领域，尤其涉及一种城市轨道交通车辆用牵引辅助一体化车载储能系统。

背景技术

城市轨道交通是城域交通体系重要的组成部分，具有运能大、安全可靠、快速便捷、低碳环保等优势。车载储能系统对地铁车辆运行可靠性、节能化有着重要作用，传统铅酸或镍氢辅助电池系统已无法满足未来地铁车辆的节能化、轻量化的需求。同时随着国家大力倡导节能降耗理念，绿色、节能、环保的轨道交通车辆将拥有广阔的市场。

锂离子电池是近年来发展起来的动力源，具有能量密度高、寿命长、充放电效率高和无环境污染等优点。锂电池行业作为国家重点发展和大力扶持的产业，未来发展前景非常广阔，从行业的发展趋势上看，随着锂电池在电动汽车以及电力和光伏储能等方面的应用数量的急速放大，电池的性能提升和价格下降都有较大的空间,且技术逐步成熟,这些为锂离子电池在轨道交通领域的应用奠定了基础。

目前，新型储能元件如超级电容和锂电池已经开始在城市轨道交通领域中应用。在已有的车载储能系统技术方案中，储能系统的功能较单一化，或者作为辅助电源为车辆辅助系统供电，或者作为应急电源在车辆无法从接触网取电时用作车辆自牵引的动力电源，或者单纯地实现制动能量回收的功能。

目前，使用动力锂电池系统作为储能元件用于车辆制动能量回收是目前技术发展的趋势，同时，使用能量密度更高且能够信息化的锂电池系统代替铅酸电池或镍氢电池也是大势所趋。两种电池系统用途本质虽均为储能，但由于电压等级的不同，通常需要分为两套系统占用更多车下空间，增加配置成本。从车辆轻量化和经济性来讲，将两套系统设计为一个系统是更优的选择，但是，两个系统用途的差异性不可避免得给电池选型，系统结构设计和控制策略制定带来挑战。

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交通车辆用牵引辅助一体化车载储能系统，包括两路输出：一路给车辆辅助系统供电，满足辅助系统用电需求，一路同牵引系统相连，满足车辆牵引和制动能量回收需求，两个回路通过一根接地的负线回流；储能系统内的电池箱配置多簇电池，每簇电池对应一个牵引系统，连接牵引系统的正负对外输出端均有常开继电器控制；多簇电池通过二极管并联后对应一台辅助充电机，通过电压竞争轮流对辅助系统供电，辅助回路通过接地的牵引系统负线回流，辅助输出正母线使用常闭接触器控制，确保对辅助系统的供电可靠性。

所述电池箱采用功率型锂电池，并配备高性能温控系统，保证电池箱长期工作在高倍率充放电条件下温度场稳定。

所述储能系统使用110V供电电源，由外部电源和内部电源通过二极管并联后同时供电；所述外部电源来自于车辆110V低优先级母线，其作用为：①在电池完全亏电，无法供给辅助工作时，通过外部电源供电，使牵引回路接触器可以闭合，牵引变流器能够给电池充电；②使储能系统的供电负电源与整车其他控制系统的负电源等电位，确保高低电平硬线信号的有效性；所述内部电源由一个隔离型DC/DC供给，其作用为：在车辆辅助下电后，电池箱能够正常工作，给高优先级110V母线供电，使整车激活模块处于常带电状态，保证下次车辆启动。

所述储能系统能判断整车所处的状态，如整车处于整车休眠状态，则断开牵引回路的主接触器；如整车处于正常运行状态，则闭合牵引回路的主接触器给牵引系统供电，但在正常运行状态下电池的SOC范围控制在额定工作点以上，牵引电流或制动电流由电池箱通过网络或硬线告知牵引系统；当接触网断电，车辆处于自牵引状态时，电池箱解除额定工作点的SOC限制，同时给牵引系统和辅助系统供电，直至SOC过低或单体电压较低时，储能系统向牵引系统发送最大放电功率置零，如牵引系统没有正常封脉冲，电池箱开启自保护，断开主接触器。

在网络正常状态下，所述储能系统将自身状态信息通过工业以太网传输给整车网络控制系统，再由整车网络控制系统将子系统所需信息下发给对应的子系统；当网络出现故障时，所述储能系统与整车网络控制系统通过硬线直接通讯。

所述储能系统还包括应急充电模式，在司机室增加应急充电按钮，司机操作后，供电电源从电池箱切换到接触网，使辅助系统上电，储能系统启动，电池箱屏蔽自身欠压故障信号，强行闭合主接触器，由牵引系统给电池箱充电。

本发明的有益效果在于：

应用于城市轨道交通车辆，将供车辆牵引的高压动力电池和供车辆辅助系统供电的低压辅助电池合二为一，同时具备了制动能量回收、车辆自牵引、辅助紧急供电三方面功能；突破了传统辅助电池和新型动力电池的使用限制，在接触网正常供电时进行车辆制动能量回收和再利用，在接触网断电时同时给牵引系统和直流、交流辅助系统供电，将牵引用动力电池和辅助用蓄电池的功能集成于一个电池系统，节约了车下的装备占用空间，最大化利用储能电池的高比能量和高比功率性能，开拓了锂电池在轨道交通车辆的新型应用模式。

附图说明

图1a～1e为储能系统在不同模式下的能量流动图

图2城市轨道车辆牵引制动功率曲线

图3常温60％SOC下15C充放电电池电流和电压

图4常温60％SOC下15C充放电电池温升

图5单簇电池系统电气拓扑

图6储能系统与VVVF控制逻辑图

图7储能系统对整车模式判断流程图

具体实施方式

下面结合附图，对实施例作详细说明。

图1a～1e为储能系统在不同模式下的能量流动图。在接触网供电正常情况下，电池系统持续给直流110V辅助系统供电，辅助逆变器及高压空调则从接触网取电。在牵引状态下，牵引系统同时由接触网和电池系统供电，带动三相电机工作；在制动状态下，制动能量一部分回收入电池系统，一部分由制动电阻消耗；在停车状态下，牵引系统通过电池系统SOC判断是否给电池充电。在接触网故障断电情况下，电池同时给辅助高压箱、辅助逆变器和高压空调供电。调度室可以选择利用电池系统使车辆自牵引到下一站疏散乘客；也可在原地等待救援，电池系统向辅助供电45min保证车上控制系统供电及正常通风。

为保证上述功能的实现，需储能系统进行容量核算，图2示出了某轻轨车辆实际的牵引制动功率曲线，按照曲线所示，车辆在牵引时峰值功率2.5MW，牵引时间45s；制动时峰值2.8MW，制动时间30s，制动能量约20kWh。由于制动功率较大，电池系统只能吸收部分功率，还有部分功率需要制动电阻消耗。由于制动时间小于牵引时间，电池可在制动时按照自己的最大能力回收能量，在牵引时将吸收能量回收即可。由于电池系统须同时具备接触网断电时自牵引功能和应急供电功能，在正常工作时需长期有电量备用。根据整车数据，自牵引最大耗电区间17kWh，45min应急供电电量18.75kWh。按照制动能量回收至少25％的设计指标，电池需吸收能量5kWh，最终电池系统可用容量不得小于23.75kWh。考虑大倍率下电池系统充电容量损失15％(恒压阶段过长)，电池系统容量28kWh。考虑低温下电池容量损失和长期使用寿命衰减，预留50％余量，并考虑车下空间限制，最终电池系统需配置42kWh。

本系统中选用高功率型3Ah钛酸锂电池，考虑双向DC/DC的电压范围，电池成组方式为2簇8并192串为一箱，整车配置2箱，共计42.4kWh电量，单簇容量24Ah。在制动30s内吸收5kWh电量，则制动时电池充电功率不小于600kW，电池充电倍率约14C，单簇电池持续充放电电流确定为330A，峰值充电电流不超过400A。为保证自牵引和应急供电备用，在接触网有点时保证电池SOC不小于60％。设计方案反向验证，图3示出了常温下电池在60％SOC时以15C充放电的充放电电流(已折合到单体)和电压曲线充放电过程中电池电压范围并未超出其保护界限(1.5V-2.8V)。图4示出了电池在60％SOC下以15C倍率充放电1h后电池的温升，最高温度上升17℃，在环境温度40℃时，电池最高温度能维持在60℃以内。通过电池测试验证此方案为可行性方案。

图5示出了单簇电池的电气拓扑，每簇电池单独对应一个动力单元，总负通过回流母排接地，总正接入牵引系统DC/DC。辅助回路串入二极管后和另一簇电池的辅助输出正并联，直接对外输出到辅助高压箱，通过总负回流。电池输出侧串入隔离开关，用于日常维护时，电池系统与外界断开电气连接保证维护人员人身安全。在总正及总负输出均有熔断器防止电池短路或单点接地，总正输出配有接触器用于控制电池对动力系统的充放电，并在电池系统总回路上进行电流检测，用于电池的SOC计算。辅助回路配有常闭接触器，在保障辅助供电可靠性的同时，具备电池系统出现严重故障时断开对外一切电气连接的功能。辅助回路串入电流传感器，用于检测辅助回路电流，来进行电池系统对外输出SOP的计算。设计有内外总压检测和预充回路，保障电池箱对外具有预充功能。内置470V/110V隔离型单向DC/DC，用于电池管理系统自供电。

电池系统对外通信以工业以太网为主，同时设置有如下硬线通讯作为备份：

1、模拟信号：3路与VVVF通讯，1路与整车通讯

①SOC信号：储能系统将电池SOC状态反馈给VVVF，载荷信号为电流信号，有限范围4～20mA，对应SOC 0～100％。

②最大放电电流允许信号：储能系统将电池允许的最大输出电流反馈给VVVF，载荷信号为电流信号，有限范围4～20mA，对应0～400A。

③最大充电电流允许信号：储能系统将电池允许的最大输出电流反馈给VVVF，载荷信号为电流信号，有限范围4～20mA，对应0～400A。

④总电压信号：储能系统将电池的总电压反馈给整车，载荷信号为电流信号，有限范围4～20mA，对应0～600V。

2、数字信号：3路与VVVF通讯，3路与整车通讯

与VVVF通讯信号：

①电池故障信号输出B1：当电池处于正常工作电压时，输出高电平；出现过压欠压过流过温等电池本体的故障时，输出低电平。

②电池系统硬件故障信号输出B2：当电池系统中储能系统及高压器件正常工作时，输出高电平；出现储能系统故障或接触器故障等影响电池系统不能正常工作故障时，输出低电平。

③VVVF故障信号输入V：当VVVF工作正常时，输入高电平；当VVVF故障时，输入低电平。

储能系统与VVVF控制逻辑如图6所示：

1)当电池箱状态正常时，通过电池状态信号输出高电平信号，告知VVVF，电池系统主接触器闭合；当电池出现故障或电池系统硬件出现故障时，储能系统将相应的状态信号置为低电平，VVVF接收到任何储能系统的低电平信号，采取封脉冲措施，同时给储能系统输出10s低电平信号(10s后根据VVVF状态可置高)。储能系统接收到VVVF的低电平信号后断开主接触器。

2)当VVVF故障时，VVVF向储能系统输出低电平信号，储能系统接收到VVVF的低电平信号后断开接触器，同时把两路电池系统状态信号置为低10s(10s后电池根据电池状态和电池系统硬件状态可置高)。

与整车通讯信号：

①自牵引信号输入：网压正常时，应急启动信号置低，保证应急启动整车供电；接触网断电时，整车发给储能系统应急牵引启动高电平信号。

②辅助接触器断开信号输出：正常情况下，辅助接触器闭合，储能系统向整车发送低电平信号；当因为应急充电，辅助接触器断开，储能系统向整车发送辅助接触器断开高电平信号。

③应急充电信号输入：正常情况下，整车给储能系统发送应急充电低电平信号；电池严重欠压，整车向储能系统发送应急充电高电平信号，储能系统自判断电池系统故障，在系统无硬件故障的情况下闭合总正总负接触器，由牵引系统给电池充电。

电池管理系统模式判断逻辑如图7所示，电池系统根据车辆模式进行如下动作：

1休眠(整车下电)：

电池系统断开主接触器，保持辅助接触器闭合。

2列车正常运行模式(惰行，制动，停车，牵引)、自牵引模式：

保持辅助接触器闭合；闭合预充接触器，待预充完成后闭合总正接触器，断开预充接触器。

当电池SOC低于15％或最低单体电压低于2.1V时，储能系统向DC-DC发送的最大放电功率为0。

当电池SOC低于5％或最低单体电压低于2V时，断开主接触器。

列车在正常模式下牵引时，若SOC低于62％，牵引系统以储能系统给定最大充电电流给电池充电；若SOC高于62％，可正常牵引。列车在惰行模式下，若SOC低于62％，牵引系统以储能系统给定充电电流(最大充电电流*0.2)给电池充电。列车在制动模式下，以储能系统给定最大充电电流充电。列车在站间停车模式下，若SOC高于80％，不充电；若SOC低于80％，按照储能系统给定充电电流(最大充电电流*0.2)充电。

3应急充电模式(应急启动模式)：

该模式为电池放空情况下，由手动开关将辅助高压系统供电电源由电池位切换至车间电源位，充电机启动，储能系统供电恢复。司机室发送应急充电指令，储能系统闭合主接触器，由牵引系统给电池充电。

电池系统屏蔽电池欠压故障，预充后闭合主接触器。电池充电至80％时，报给VVVF的最大充电电流为0。应急充电模式取消后，进入唤醒模式。

以上从电池系统功能、电池选型及容量计算、工况验证、通讯及控制等方面详细描述了电池系统的实施方案，多方面确保了电池系统在多样化功能设计中的可用性和可靠性。

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 (6)

1.一种城市轨道交通车辆用牵引辅助一体化车载储能系统，其特征在于，包括两路输出：一路给车辆辅助系统供电，满足辅助系统用电需求，一路同牵引系统相连，满足车辆牵引和制动能量回收需求，两个回路通过一根接地的负线回流；储能系统内的电池箱配置多簇电池，每簇电池对应一个牵引系统，连接牵引系统的正负对外输出端均有常开继电器控制；多簇电池通过二极管并联后对应一台辅助充电机，通过电压竞争轮流对辅助系统供电，辅助回路通过接地的牵引系统负线回流，辅助输出正母线使用常闭接触器控制，确保对辅助系统的供电可靠性；

在接触网供电正常情况下，电池系统持续给直流110V辅助系统供电，辅助逆变器及高压空调则从接触网取电；在牵引状态下，牵引系统同时由接触网和电池系统供电，带动三相电机工作；在制动状态下，制动能量一部分回收入电池系统，一部分由制动电阻消耗；在停车状态下，牵引系统通过电池系统SOC判断是否给电池充电；在接触网故障断电情况下，电池同时给辅助高压箱、辅助逆变器和高压空调供电；调度室选择利用电池系统使车辆自牵引到下一站疏散乘客；或在原地等待救援，电池系统向辅助供电45min保证车上控制系统供电及正常通风。

2.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述电池箱采用功率型锂电池，并配备高性能温控系统，保证电池箱长期工作在高倍率充放电条件下温度场稳定。

3.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述储能系统使用110V供电电源，由外部电源和内部电源通过二极管并联后同时供电；所述外部电源来自于车辆110V低优先级母线，其作用为：①在电池完全亏电，无法供给辅助工作时，通过外部电源供电，使牵引回路接触器可以闭合，牵引变流器能够给电池充电；②使储能系统的供电负电源与整车其他控制系统的负电源等电位，确保高低电平硬线信号的有效性；所述内部电源由一个隔离型DC/DC供给，其作用为：在车辆辅助下电后，电池箱能够正常工作，给高优先级110V母线供电，使整车激活模块处于常带电状态，保证下次车辆启动。

4.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述储能系统能判断整车所处的状态，如整车处于整车休眠状态，则断开牵引回路的主接触器；如整车处于正常运行状态，则闭合牵引回路的主接触器给牵引系统供电，但在正常运行状态下电池的SOC范围控制在额定工作点以上，牵引电流或制动电流由电池箱通过网络或硬线告知牵引系统；当接触网断电，车辆处于自牵引状态时，电池箱解除额定工作点的SOC限制，同时给牵引系统和辅助系统供电，直至SOC过低或单体电压较低时，储能系统向牵引系统发送最大放电功率置零，如牵引系统没有正常封脉冲，电池箱开启自保护，断开主接触器。

5.根据权利要求1所述系统，其特征在于，在网络正常状态下，所述储能系统将自身状态信息通过工业以太网传输给整车网络控制系统，再由整车网络控制系统将子系统所需信息下发给对应的子系统；当网络出现故障时，所述储能系统与整车网络控制系统通过硬线直接通讯。

6.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述储能系统还包括应急充电模式，在司机室增加应急充电按钮，司机操作后，供电电源从电池箱切换到接触网，使辅助系统上电，储能系统启动，电池箱屏蔽自身欠压故障信号，强行闭合主接触器，由牵引系统给电池箱充电。

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