CN109080464B - 轨道车辆主电路拓扑结构及供电方法 - Google Patents

轨道车辆主电路拓扑结构及供电方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了轨道车辆主电路拓扑结构及供电方法。主电路拓扑结构包括设置于动车内的牵引单元、设置在拖车内的辅助单元，以及，动力电池单元；牵引单元与辅助单元连接，动力电池单元分别与牵引单元与辅助单元连接。轨道车辆供电方法，牵引工况下：牵引单元经直流母线和动力电池单元获取电能，辅助单元经动力电池单元获取电能；制动工况下：牵引单元的再生能量回收至动力电池单元，及，回收至直流母线。主电路拓扑结构将高压拓扑结构将储能元件和牵引传动系统相结合，采用动力电池作为储能元件，无低压蓄电池，减小车辆重量。

Description

轨道车辆主电路拓扑结构及供电方法
技术领域
本发明涉及电路结构技术领域，具体涉及一种用于为轨道车辆供电的主电路拓扑结构及供电方法。
背景技术
当前城市轨道交通车辆主流采用直流供电，异步电机驱动的型式，车辆牵引时，从供电网吸收能量，车辆制动停车时，能量再通过电网反馈到其他牵引的车辆，剩余的能量主要被车载制动电阻或地面吸收电阻消耗掉；辅助电源把直流电逆变为AC380V交流电为车辆空调、电热等设备供电。以上应用存在以下弊端：
(1)车载制动电阻一方面占据车上安装空间，二是设备工作温度较高，对周边设备影响较高，地面吸收装置需要额外增设制动电阻的通风散热环控设备及用房，对周边环境影响较大；
(2)制动能量如果被制动电阻吸收，造成能量浪费；辅助电源系统为整个车辆低压供电，电源功率大，设备重量大；
(3)牵引网断电后，车辆即失去牵引能力，只能等待救援。
发明内容
本发明针对现有技术中轨道车辆主供电系统存在的以上不足，提供一种节能、环保、高效率的城市轨道车辆牵引传动系统高压拓扑结构及供电方法。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
轨道车辆主电路拓扑结构，包括设置于动车内的牵引单元、设置在拖车内的辅助单元，以及，动力电池单元；牵引单元与辅助单元连接，动力电池单元分别与牵引单元与辅助单元连接。
作为优选，牵引单元包括高压电器箱、牵引逆变单元及与牵引逆变单元连接的永磁同步电机；高压电器箱输入端与直流母线连接，输出端与牵引逆变单元连接。
作为优选，主电路拓扑结构包括两组牵引逆变单元，每组牵引逆变单元的输出端连接两个永磁同步电机；主电路拓扑结构包括两组动力电池单元，分别与两组牵引逆变单元连接。
作为优选，辅助单元包括模式转换模块、辅助模块和充电机；所述模式转换模块包括多路选择开关，包括与直流母线接通的第一选择开关，第一选择开关支路与辅助模块连接，并进一步连接至辅助母线，与牵引单元连接。
作为优选，辅助单元进一步包括充电机，所述模式转换模块进一步包括与动力电池单元接通的第二选择开关，第二选择开关支路分别与辅助模块和充电机连接。
作为优选，所述辅助母线上连接设置有直流负载。
作为优选，牵引单元进一步连接有制动保障单元，以消耗制动再生能量。
轨道车辆供电方法，采用上述的轨道车辆主电路拓扑结构，包括以下步骤：
牵引工况下：牵引单元经直流母线和动力电池单元获取电能，辅助单元经动力电池单元获取电能；
制动工况下：牵引单元的再生能量回收至动力电池单元，及，回收至直流母线。
作为优选，供电方法进一步包括以下步骤：
若直流母线无高压，则进入应急牵引工况；
应急牵引工况下：切断牵引单元与直流母线的连接，牵引单元及辅助单元均通过动力电池单元供电。
作为优选，制动工况下，若动力电池单元和直流母线无法完全回收再生能量，则接通牵引单元与制动保障单元之间的连接。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
(1)高压拓扑结构将储能元件和牵引传动系统相结合，采用动力电池作为储能元件，无低压蓄电池，减小车辆重量。在列车制动时回收再生制动的能量，在列车牵引时向牵引系统提供能量；在供电网无高压的情况下利用储能元件的能量进行列车的应急牵引或者为辅助系统持续供电。
(2)改变了空调等负载的供电模式，采用直流供电空调和效率更高的永磁牵引电机，空调由直流高压供电简化了整车的拓扑结构，减小了辅助系统的负载，可以减小辅助系统的体积和重量，提高辅助供电的效率。
(3)采用永磁同步电机代替异步电机。永磁电机相比异步电机重量更轻，体积更小，运行时没有转子铜耗，功率因数和效率更高，在25％～120％额定负载范围内均可以保持较高的功率因数和效率，对提高系统的整机效率以及节能环保有着较大的意义，更加节能、环保、减少成本，可提高列车整体的抗风险能力。
附图说明
图1为本发明主电路拓扑结构图；
图2为列车牵引工况图；
图3为列车制动工况图；
图4为应急牵引工况图；
图5为直流母线无高压等待救援工况图；
图6为动力电池能量管理示意图。
其中，1-高压电器箱，2-牵引逆变单元，3-永磁同步电机，4-直流母线，5-动力电池单元，6-模式转换模块，601-第一选择开关，602-第二选择开关，7-辅助母线，SS1-动力电池保护区间，SS2-动力电池牵引制动能量循环区间，SS3-动力电池应急牵引能量区间，SS4-动力电池不可用能量区间。
具体实施方式
下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明首先提供了一种轨道车辆主电路拓扑结构，将储能元件和牵引传动系统结合，为一种节能、环保、高效率的轨道车辆牵引传动系统的高压拓扑结构。
参考图1，轨道车辆主电路拓扑结构，包括设置于动车(M车)内的牵引单元、设置在拖车(Tc车)内的辅助单元，以及，动力电池单元；牵引单元与辅助单元连接，动力电池单元5分别与牵引单元与辅助单元连接。本实施例中动力电池电源设置在拖车内。
具体的说，牵引单元包括高压电器箱1、牵引逆变单元2及与牵引逆变单元2连接的永磁同步电机3；高压电器箱1输入端与直流母线4连接，输出端与牵引逆变单元2连接。直流母线4用于为整个主电路系统引入电能。其中，高压电器箱1包括开关单元MQS1和HB，可控制牵引单元与直流母线4之间的接通。
本实施例中，主电路拓扑结构包括两组牵引逆变单元2，每组牵引逆变单元2的输出端连接两个永磁同步电机3；相应的，主电路拓扑结构包括两组动力电池单元5，分别与两组牵引逆变单元2连接，分别为每组牵引逆变单元2供电。其中，每组牵引逆变单元2均集成在牵引逆变器箱内，包括与高压电器箱1相连的开关单元KM1、KM2，与永磁同步电机3相连的开关单元KM3、KM4，以及，连接在两组开关单元之间的PU模块。动力电池单元5连接至PU模块的输入端，以为牵引单元2供电。
辅助单元包括模式转换模块、辅助模块、以及充电机。整个辅助单元集成在辅助电源箱内。
其中，辅助模块包括DCDC单元、辅助供电系统(SIV)；模式转换模块6包括多路选择开关，包括与直流母线接通的第一选择开关601，第一选择开关601支路与辅助模块连接，并进一步连接至辅助母线7，与牵引单元2连接。其中，DCDC单元与辅助供电系统(SIV)连接，第一选择开关接通时，将直流母线5的电能接入辅助单元，为辅助模块供电。辅助母线7是经模式转换模块6的输出端接出的母线，具体是经第一选择开关601支路的输出端接出的，辅助母线7将连接至牵引单元的高压电器箱2，进而可实现与牵引单元之间的电连接。辅助母线7与牵引单元之间的连接通路上设置有二极管。
基于以上结构，可以实现辅助单元和牵引单元之间的双电路连接，一路为直流母线1的连接，一路为辅助母线7的连接。
模式转换模块进一步包括与动力电池单元5接通的第二选择开关602，第二选择开关支路602分别与辅助模块和充电机连接。
除以上第一选择开关601和第二选择开关602外，模式转换模块还包括维护开关和车间连接开关，分别用于辅助单元的维护和车间内测试运行。
更进一步的，辅助母线7上连接设置有直流负载，例如，连接设置有空调。空调被配置在动车和拖车，本发明采用的是直流高压供电空调，采用直流高压供电，简化了整车的拓扑结构。
牵引单元进一步连接有制动保障单元，制动保障单元的作用是在列车制动能量不能被完全吸收时，消耗制动再生能量。
基于以上的主电路拓扑结构，本发明进一步提供一种轨道车辆供电方法，包括以下步骤：
正常状态下(高压正常)高压电器箱内的开关MQS1和HB1均闭合，直流母线通过MQS1、HB1、预充电电路、滤波电路向牵引逆变器箱的PU模块供电，PU模块通过牵引逆变器箱内的电机接触器KM3、KM4驱动两个永磁牵引电机M1和M2；辅助电源箱中的模式转换开关置于运行位，KME断开，动力电池箱中电池接触器闭合，此时DC-DC模块和SIV模块由直流母线通过AQS、反向二极管和熔断器供电，充电机模块由动力电池供电。
(1)牵引工况下：牵引单元经直流母线和动力电池单元获取电能，辅助单元经动力电池单元获取电能。
具体的说，轨道车辆牵引时牵引逆变单元所需的能量一部分由动力电池单元通过双向DC-DC回路(集成在牵引逆变器箱内)提供，另外一部分由直流母线通过高压电器箱提供；系统工作机制如图2所示。此时动力电池单元输出能量至牵引系统和辅助系统的充电机模块。
(2)制动工况下：牵引单元的再生能量一部分回收至动力电池单元，同时，还有一部分回收至直流母线。
具体的说，轨道车辆制动时的再生制动能量一部分经双向DC-DC回路(集成在牵引逆变器箱内)回收至动力电池单元，另外一部分由通过高压电器箱回馈至直流母线；当动力电池和直流母线无法完全吸收再生能量时，开启制动电阻以保障系统安全。系统工作机制如图3所示。此时动力电池单元回收再生制动能量，用于牵引和充电机供电。
(3)若直流母线无高压，则进入应急牵引工况。应急牵引工况下：切断牵引单元与直流母线的连接，牵引单元及辅助单元均通过动力电池单元供电。
具体的说，应急牵引工况下：此时高压电器箱中HB1断开，牵引系统和直流母线隔离；辅助电源箱中模式转换开关依然置于运行位，与直流母线接通，供电单元与充电机之间的接触器KME闭合，动力电池箱中电池接触器闭合。此时牵引系统、辅助系统均由动力电池单元供电，系统工作机制如图4所示。因此在直流母线无高压时，列车可以利用动力电池的能量维持牵引功能和辅助系统基本功能，以保障列车运行至下一站点。当直流母线无高压，且牵引系统出现故障无法完成应急牵引时，列车需原地等待救援。工况如图5所示。此时牵引逆变器箱中电机隔离开关KM3、KM4断开，即断开牵引单元对永磁电机的供电，隔离永磁牵引电机，动力电池仅向辅助系统提供能量，低压负载、中压负载可正常运行40分钟以上。
(4)制动工况下，若动力电池单元和直流母线无法完全回收再生能量，则接通牵引单元与制动保障单元之间的连接。能好保障单元采用的为制动电阻，制动电阻损耗吸收再生能量。
本发明采用动力电池作为供能单元，需要对动力电池进行有效的能源管理，以保证供电效果。
1、动力电池不同工况下的能量管理。在该高压拓扑结构中，动力电池有多种工况：列车牵引制动时和牵引系统配合充放电；列车运行过程中为充电机供电；直流母线无高压时为列车的应急牵引以及辅助系统提供能量。图6为动力电池的能量管理示意图。动力电池的能量划分为不同的区域，对应着不同的工况。系统运行时，根据列车工况和动力电池的实时状态协调控制，在尽可能回收利用能量的同时，保证列车的应急能力。其中，SS1表示动力电池保护区间，SS2表示动力电池牵引制动能量循环区间，SS3表示动力电池应急牵引能量区间，SS4表示动力电池不可用能量区间。
2、牵引系统和动力电池的协调控制。列车牵引和制动时需要或者回收的能量时刻变化，牵引逆变器和动力电池之间的能量循环控制要求较强的实时性。在该高压拓扑中，动力电池的电压、SOC状态、温度、充放电曲线、故障状态，以及牵引逆变器箱的能量需求、故障状态都会实时的交互，以保证牵引系统和动力电池的稳定工作。
3、正常运行时辅助系统中DC-DC模块、S IV模块由直流母线供电，充电机由动力电池供电；当直流母线无高压时，整个辅助系统均由动力电池供电。因此辅助系统设计时，器件选型综合考虑了两种工况，保证了器件可以在不同的工况下良好的工作；此外控制算法也针对这种高压拓扑进行了优化，是系统在较宽的输入电压范围内均能稳定可靠的输出。
基于本发明的轨道车辆主电路拓扑结构及供电方法，采用动力电池供电，可以回收利用再生制动能量，并用于列车牵引和辅助系统，提高了能量的利用率，节约电能，更加环保，改变了空调等负载的供电模式，是一种节能、环保、高效率的城市轨道车辆牵引传动系统高压拓扑结构及供电方法。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.轨道车辆主电路拓扑结构，其特征在于：包括设置于动车内的牵引单元、设置在拖车内的辅助单元，以及，动力电池单元；牵引单元与辅助单元连接，动力电池单元分别与牵引单元与辅助单元连接；所述辅助单元连接动车及拖车的空调；
所述动力电池单元被配置为：
在牵引工况下，为牵引单元和辅助单元供电；
在制动工况下，再生能量一部分回收至动力电池单元，一部分回收至直流母线；
在应急牵引工况下，为辅助单元和牵引单元供电；
所述牵引单元包括高压电器箱，电器箱内设置有开关，经开关与直流母线连接；
所述动力电池单元包括电池接触器；
所述辅助单元包括模式转换模块、辅助模块以及充电机，所述模式转换模块包括多路选择开关，包括与直流母线接通的第一选择开关，第一选择开关支路与辅助模块连接，并进一步连接至辅助母线，与牵引单元连接；所述模式转换模块进一步包括与动力电池单元接通的第二选择开关，第二选择开关支路分别与辅助模块和充电机连接。
2.如权利要求1所述的轨道车辆主电路拓扑结构，其特征在于：所述牵引单元包括高压电器箱、牵引逆变单元及与牵引逆变单元连接的永磁同步电机；高压电器箱输入端与直流母线连接，输出端与牵引逆变单元连接。
3.如权利要求2所述的轨道车辆主电路拓扑结构，其特征在于：包括两组牵引逆变单元，每组牵引逆变单元的输出端连接两个永磁同步电机；主电路拓扑结构包括两组动力电池单元，分别与两组牵引逆变单元连接。
4.如权利要求1所述的轨道车辆主电路拓扑结构，其特征在于：所述辅助母线上连接设置有直流负载。
5.如权利要求1所述的轨道车辆主电路拓扑结构，其特征在于：牵引单元进一步连接有制动保障单元，以消耗制动再生能量。
6.轨道车辆供电方法，采用权利要求1至5中任意一项所述的轨道车辆主电路拓扑结构，其特征在于：包括以下步骤：
牵引工况下：牵引单元高压电器箱中的开关断开，牵引单元和直流母线隔离，辅助单元的多路开关位于运行位，与直流母线接通，动力电池单元的电池接触器闭合，牵引单元经直流母线和动力电池单元获取电能，辅助单元经动力电池单元获取电能；
制动工况下：牵引单元的再生能量回收至动力电池单元，及，回收至直流母线。
7.如权利要求6所述的轨道车辆供电方法，其特征在于：所述供电方法进一步包括以下步骤：
若直流母线无高压，则进入应急牵引工况；
应急牵引工况下：切断牵引单元与直流母线的连接，牵引单元及辅助单元均通过动力电池单元供电。
8.如权利要求6或7所 述的轨道车辆供电方法，其特征在于：制动工况下，若动力电池单元和直流母线无法完全回收再生能量，则接通牵引单元与制动保障单元之间的连接。
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