CN109347189A - 一种无轨电车供电系统及其供电控制方法 - Google Patents

一种无轨电车供电系统及其供电控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种无轨电车供电系统及其供电控制方法，该系统中隔离DC/DC的输入端通过集电杆与直流供电线网连接，隔离DC/DC通过超级电容连接无轨电车的动力系统；动力电池通过双向DC/DC连接到隔离DC/DC的输入端；当V1＜V实际＜V2时，线网通过隔离DC/DC为电车提供电能；当V3＜V实际＜V4时，线网通过隔离DC/DC为电车提供电能，同时线网通过双向DC/DC为动力电池充电；当V实际＜V5时，线网通过隔离DC/DC为电车提供电能，同时动力电池依次通过双向DC/DC和隔离DC/DC为电车提供电能。本发明能够有效控制电车的运行，并且当线网电压波动较为严重时，通过相应的控制调节，避免无轨电车供电系统内部设备损坏的后果，不但保证了电车的安全运行，而且避免了对乘客和司机造成人身伤害。

Description

一种无轨电车供电系统及其供电控制方法
本申请为下述申请的分案申请，原申请的申请日：2015年12月04日，原申请的申请号：201510880635.X，原申请的发明名称：一种无轨电车供电系统及其供电控制方法。
技术领域
本发明涉及一种无轨电车供电系统及其供电控制方法。
背景技术
无轨电车作为一种传统车辆，曾经在城市公共交通领域发挥过一定作用，但由于其本身缺陷，伴随着技术发展，无轨电车逐渐被燃油动力的公共交通车辆所取代。
随着环境污染和能源问题不断加剧，无轨电车又重新回到人们的视野中，无轨电车以其“零排放”的优点，可满足大气污染治理的需求，且符合新能源汽车的发展方向，日益受到了人们的关注。
申请号为201410319626的中国专利申请公开了一种无轨电车以及其隔离式供电系统，该供电系统在工作时，根据整车需求功率的大小，对应控制隔离式DC/DC和动力电池来满足车辆的有效运行。但是由于无轨电车的供电线网为直流电，其是通过三相交流电升压整流得到的高压直流电，而且由于供电馈线较长以及负载的不确定性，易导致线网电压的不稳定和系统负载工作的异常，而这种异常进一步影响到线网的供电质量。在线网电压不稳定的前提下，根据整车需求功率的大小就无法控制电车的有效运行，线网电压波动较为严重时，可能会造成无轨电车供电系统内部设备损坏的后果，不但无法保证电车的安全运行，而且可能会对乘客和司机造成人身伤害。
发明内容
本发明的目的是提供一种无轨电车供电系统，用以解决在线网电压不稳定的前提下，无法控制电车的有效运行的问题。本发明同时提供该无轨电车供电系统的供电控制方法，用以解决在线网电压不稳定的前提下，无法控制电车的有效运行的问题。
为实现上述目的，本发明的方案包括一种无轨电车供电系统，包括：隔离DC/DC、超级电容、双向DC/DC和动力电池，所述隔离DC/DC的输入端通过集电杆与直流供电线网连接，所述隔离DC/DC通过所述超级电容连接无轨电车的动力系统；所述动力电池通过所述双向DC/DC连接到所述隔离DC/DC的输入端；所述无轨电车供电系统的供电控制方法包括以下步骤：(1)实时采集直流线网的实际电压值V实际；(2)当V实际满足：V1＜V实际＜V2时，线网通过隔离DC/DC为电车提供电能；当V实际满足：V3＜V实际＜V4时，线网通过隔离DC/DC为电车提供电能，同时线网通过双向DC/DC为动力电池充电；当V实际满足：V实际＜V5时，线网通过隔离DC/DC为电车提供电能，同时动力电池依次通过双向DC/DC和隔离DC/DC为电车提供电能；其中，V1、V2、V3、V4、V5均为设定电压值，且V5＜V1＜V2＜V3＜V4。
所述双向DC/DC包括一个开关管支路，所述开关管支路由两个串联的开关管模块组成；所述开关管支路连接在所述双向DC/DC的输入端之间，其中一个开关管模块与一条动力线路并联，该动力线路上串设有一个电感和所述动力电池。
所述集电杆与隔离DC/DC的输入端之间的线路上串接有一个二极管和第一预充电模块，所述第一预充电模块由第一预充电支路和第一主接线支路并联组成，所述第一预充电支路上串设有第一预充电开关和第一分压电阻，所述第一主接线支路上串设有第一主开关。
所述动力线路上还串设有第二预充电模块，所述第二预充电模块由第二预充电支路和第二主接线支路并联组成，所述第二预充电支路上串设有第二预充电开关和第二分压电阻，所述第二主接线支路上串设有第二主开关。
所述双向DC/DC还包括第一电容支路和第二电容支路，所述第一电容支路上串接有第一电容，第二电容支路上串接有第二电容，所述动力电池与所述第二预充电模块的串联线路与所述第一电容支路并联，所述第二电容支路连接在所述双向DC/DC的输入端之间。
一种无轨电车供电系统的供电控制方法，无轨电车供电系统包括：隔离DC/DC、超级电容、双向DC/DC和动力电池，所述隔离DC/DC的输入端通过集电杆与直流供电线网连接，所述隔离DC/DC通过所述超级电容连接无轨电车的动力系统；所述动力电池通过所述双向DC/DC连接到所述隔离DC/DC的输入端；所述供电控制方法包括以下步骤：
(1)实时采集直流线网的实际电压值V实际；
(2)当V实际满足：V1＜V实际＜V2时，线网通过隔离DC/DC为电车提供电能；
当V实际满足：V3＜V实际＜V4时，线网通过隔离DC/DC为电车提供电能，同时线网通过双向DC/DC为动力电池充电；
当V实际满足：V实际＜V5时，线网通过隔离DC/DC为电车提供电能，同时动力电池依次通过双向DC/DC和隔离DC/DC为电车提供电能；
其中，V1、V2、V3、V4、V5均为设定电压值，且V5＜V1＜V2＜V3＜V4。
所述当V实际满足：V1＜V实际＜V2时：当动力电池的SOC≥90％时，动力电池不工作；当动力电池的SOC满足：75％≤SOC<90％时，线网通过双向DC/DC为动力电池进行涓流充电，这里的涓流为：充电电流的范围是0-0.2C。
本发明提供的无轨电车供电系统中，包括一个双向DC/DC和动力电池，双向DC/DC的输入端连接隔离DC/DC的输入端，双向DC/DC的输出端连接动力电池。该供电系统在工作时，首先实时采集直流线网的实际电压值；然后根据采集到的实际线网电压值进行供电的控制，该方式从最基本的控制元素出发，由于线网波动与电车的运行之间存在着密切的关系，那么，根据线网的实际电压值与若干个设定值之间的关系得出线网波动的强弱，然后根据波动强弱进行相应地控制。通过直接采集线网的电压，根据波动来进行供电控制，当然能够有效控制电车的运行，并且当线网电压波动较为严重时，通过相应地控制调节，避免无轨电车供电系统内部设备损坏的后果，不但保证了电车的安全运行，而且避免了对乘客和司机造成人身伤害。
附图说明
图1是无轨电车供电系统的整体框图；
图2是双向DC/DC的主拓扑图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示的无轨电车供电系统，包括：隔离DC/DC、超级电容、双向DC/DC和动力电池，隔离DC/DC的输入端通过集电杆与直流供电线网连接，隔离DC/DC的输出端通过超级电容连接无轨电车的动力系统，即高压电器系统。双向DC/DC的输入端连接隔离DC/DC的输入端，双向DC/DC的输出端连接动力电池。该供电系统还可以单独设置一个控制器，或者使用电车的整车控制器，控制器内部设置有软件程序，通过设定的软件程序控制相应的设备进行相应的工作。
集电杆与隔离DC/DC的输入端之间的线路上串接有一个二极管和第一预充电模块，第一预充电模块由第一预充电支路和第一主接线支路并联组成，第一预充电支路上串设有第一预充电开关K1和第一分压电阻，第一主接线支路上串设有第一主开关K2。利用二极管的单向导电性，使电能在输入时有了防反接保护；另外，在挂网行驶时，集电杆接触线网，电车动力系统从线网取电，上电过程中，预充电支路中的第一预充电开关K1吸合，进行预充电；预充电完成后，闭合第一主开关K2，上电完成。
如图2所示，双向DC/DC包括一个开关管支路，该开关管支路由两个串联的开关管模块组成，每个开关管模块由一个开关管和一个反向并联的二极管组成；开关管支路连接在双向DC/DC的两个输入端之间，其中一个开关管模块与一条动力线路并联，该动力线路上串设有电感L、第二预充电模块和动力电池，该第二预充电模块由第二预充电支路和第二主接线支路并联组成，第二预充电支路上串设有第二预充电开关KM1和第二分压电阻R，第二主接线支路上串设有第二主开关KM。当闭合第一主开关K2后，上电完成，当双向DC/DC需要投入工作时，第二预充电模块中的开关过程与上述第一预充电模块的相同，即先闭合第二预充电开关KM1，再闭合第二主开关KM，来完成给动力电池充电或者动力电池提供电能。
该双向DC/DC的其中一个输入端通过线路连接到该双向DC/DC的另一个输出端。如图2所示，该双向DC/DC还包括第一电容支路和第二电容支路，第一电容支路上串接有电容C1，第二电容支路上串接有电容C2，第二预充电模块与动力电池的串联线路与第一电容支路并联，第二电容支路连接在该双向DC/DC的输入端之间。
该双向DC/DC的工作原理为：双向DC/DC在挂网时，电容C1通过第二预充电开关KM1预充，电容C2通过第一预充电开关K1预充，当动力电池需要放电时，Q2做开关管，L做储能电感，Q1对应的二极管做续流二极管，该双向DC/DC构成升压电路；同理，当动力电池需要充电时，Q1做开关管，L做储能电感，Q2对应的二极管做续流二极管，该双向DC/DC构成降压电路。
该供电系统将直流线网作为主供电能源，动力电池作为辅助供电能源。超级电容作为隔离DC/DC输出支撑，承受瞬态功率以及制动能量的回收。
该供电系统根据线网电压进行相应地供电控制，首先，实时采集直流线网的实际电压值V实际。该实际电压值V实际输送给控制器，控制器根据内部的程序对隔离DC/DC、双向DC/DC，以及开关K1、K2、KM1和KM进行控制。内部设定的程序整体为根据实际电压值V实际与设定的标称电压值V标称之间的大小关系来进行控制，具体为：
当线网电压稳定时，即实际采集到的线网电压V实际稳定在标称值15％波动范围以内，即85％V标称＜V实际＜115％V标称时，线网作为持续能量源，超级电容用来稳定供电电压，整车的持续能源为直流线网通过隔离式DC/DC转换获得，当车辆制动时，超级电容吸收制动能量，并在车辆运行时为驱动电机供电；另外，控制器根据动力电池的SOC情况，控制直流线网通过双向DC/DC向动力电池进行降压补电或者不补电，具体策略为：当动力电池的SOC大于或者等于90％时，动力电池不工作，即线网不给动力电池充电；当动力电池的SOC大于或者等于75％、且小于90％时，控制器控制双向DC/DC对动力电池进行涓流补电，即小电流补电，电流范围为0-0.2C。
在线网电压波动较大时：
当电压V实际高于标称电压V标称16％-30％时，即116％V标称＜V实际＜130％V标称时，整车的持续能源仍旧通过隔离式DC/DC转换获得，超级电容起到稳定两端电压和吸收制动能量的作用；另外，为保证系统的高效，此时控制器控制双向DC/DC进入降压模式，即通过双向DC/DC对动力电池进行充电，通过双向DC/DC降压达到在一定程度上降低线网电压的目的。由于在线网电压稳定时，动力电池在SOC大于或者等于90％时，动力电池不工作，即动力电池中预留出10％的余量以对电池进行充电，进而起到降低线网电压的作用。
当线网电压V实际低于标称电压16％时，即V实际＜84％V标称时，线网通过隔离DC/DC为电车提供电能，同时动力电池依次通过双向DC/DC和隔离DC/DC为电车提供电能。具体分为以下两部分：当线网电压V实际低于标称电压16％-30％时，即70％V标称＜V实际＜84％V标称时，整车的持续能源通过隔离式DC/DC转换获得，超级电容起到稳定电压和吸收制动能量的作用，为保证系统的高效，此时整车控制器控制双向DC/DC进入升压模式，即控制动力电池依次通过双向DC/DC和隔离DC/DC为电车提供电能，通过双向DC/DC升压达到控制线网电压的目的；当线网电压V实际低于标称V标称的30％，即V实际≤70％V标称时、且持续时间超过30s时，此时保持第一主开关K2闭合，控制动力电池依次通过双向DC/DC和隔离DC/DC为电车提供电能，双向DC/DC进入升压模式为隔离式DC/DC供电，隔离式DC/DC从双向DC/DC获得能源为整车供电，且整车进入降功率运行。由于线网中的电压过低，而且动力电池中的电量有限，这时如果控制无轨电车全功率运行，不但线网电压无法满足条件，而且也会降低电池供电时间和伤害电池的性能，所以，此时控制电车的驱动电机降功率运行，比如说：当V实际等于60％V标称时，驱动电机在以全功率的80％驱动电车行驶，线网电压不但能够起到一定的支撑，而且也能增加电池的供电时间，降低对电池的伤害。此时实时检测线网端电压，当线网端电压恢复到正常范围内，整车从线网取电。
当线网电压V实际超过标称V标称的30％，即V实际≥130％V标称时、且持续时间超过30s时，此时线网不通过隔离DC/DC为电车提供电能，即控制器控制切断K2，且控制器控制双向DC/DC进入升压模式，动力电池依次通过双向DC/DC和隔离DC/DC放电，为电车提供电能，且此时电车降功率运行。由于动力电池中的电量有限，在只有动力电池供电的情况下，这时如果控制无轨电车全功率运行的话，更加会降低电池供电时间，也进一步会伤害电池的性能，所以，此时更加需要控制电车的驱动电机降功率运行，比如说：驱动电机在以全功率的70％进行驱动电车行驶，这样做能够增加电池的供电时间，而且降低对电池的伤害。另外，此时控制器实时检测线网电压，当线网端电压恢复到正常范围内，重新闭合第一主开关K2，整车从线网取电。
当电车制动时：隔离DC/DC不判断输出电压，直接进入待机，待系统进入驱动状态后，重新进入驱动工作状态。
当电车在脱网状态下时，控制并确保第一预充电开关K1和第一主开关K2断开，并且动力电池依次通过双向DC/DC和隔离DC/DC为电车供电，即电车仅从动力电池获取能源，其他工作状态与挂网相同。
上述实施例中，V1＝85％×V标称，V2＝115％×V标称，V3＝116％×V标称，V4＝130％×V标称，V5＝84％×V标称，V6＝70％×V标称，V标称为设定的线网电压标称值，以及时间参数的具体取值为30s，但是本发明并不局限于上述具体取值，比例参数和时间参数可以根据具体的情况，比如说：电车安全运行的具体要求来进行相应地选取；而且，V1、V2、V3、V4、V5、V6的选取也并非与V标称有一定的比例关系，这六个设定值可以根据具体情况进行设置。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种无轨电车供电系统，其特征在于，包括：隔离DC/DC、超级电容、双向DC/DC和动力电池，所述隔离DC/DC的输入端通过集电杆与直流供电线网连接，所述隔离DC/DC通过所述超级电容连接无轨电车的动力系统；所述动力电池通过所述双向DC/DC连接到所述隔离DC/DC的输入端；
所述无轨电车供电系统的供电控制方法包括以下步骤：(1)实时采集直流线网的实际电压值V实际；(2)当V实际满足：V1＜V实际＜V2时，线网通过隔离DC/DC为电车提供电能；当V实际满足：V3＜V实际＜V4时，线网通过隔离DC/DC为电车提供电能，同时线网通过双向DC/DC为动力电池充电；当V实际满足：V实际＜V5时，线网通过隔离DC/DC为电车提供电能，同时动力电池依次通过双向DC/DC和隔离DC/DC为电车提供电能；其中，V1、V2、V3、V4、V5均为设定电压值，且V5＜V1＜V2＜V3＜V4。
2.根据权利要求1所述的无轨电车供电系统，其特征在于，所述双向DC/DC包括一个开关管支路，所述开关管支路由两个串联的开关管模块组成；所述开关管支路连接在所述双向DC/DC的输入端之间，其中一个开关管模块与一条动力线路并联，该动力线路上串设有一个电感和所述动力电池。
3.根据权利要求1所述的无轨电车供电系统，其特征在于，所述集电杆与隔离DC/DC的输入端之间的线路上串接有一个二极管和第一预充电模块，所述第一预充电模块由第一预充电支路和第一主接线支路并联组成，所述第一预充电支路上串设有第一预充电开关和第一分压电阻，所述第一主接线支路上串设有第一主开关。
4.根据权利要求2所述的无轨电车供电系统，其特征在于，所述动力线路上还串设有第二预充电模块，所述第二预充电模块由第二预充电支路和第二主接线支路并联组成，所述第二预充电支路上串设有第二预充电开关和第二分压电阻，所述第二主接线支路上串设有第二主开关。
5.根据权利要求4所述的无轨电车供电系统，其特征在于，所述双向DC/DC还包括第一电容支路和第二电容支路，所述第一电容支路上串接有第一电容，第二电容支路上串接有第二电容，所述动力电池与所述第二预充电模块的串联线路与所述第一电容支路并联，所述第二电容支路连接在所述双向DC/DC的输入端之间。
6.一种无轨电车供电系统的供电控制方法，其特征在于，无轨电车供电系统包括：隔离DC/DC、超级电容、双向DC/DC和动力电池，所述隔离DC/DC的输入端通过集电杆与直流供电线网连接，所述隔离DC/DC通过所述超级电容连接无轨电车的动力系统；所述动力电池通过所述双向DC/DC连接到所述隔离DC/DC的输入端；所述供电控制方法包括以下步骤：
(1)实时采集直流线网的实际电压值V实际；
(2)当V实际满足：V1＜V实际＜V2时，线网通过隔离DC/DC为电车提供电能；
当V实际满足：V3＜V实际＜V4时，线网通过隔离DC/DC为电车提供电能，同时线网通过双向DC/DC为动力电池充电；
当V实际满足：V实际＜V5时，线网通过隔离DC/DC为电车提供电能，同时动力电池依次通过双向DC/DC和隔离DC/DC为电车提供电能；
其中，V1、V2、V3、V4、V5均为设定电压值，且V5＜V1＜V2＜V3＜V4。
7.根据权利要求6所述的无轨电车供电系统的供电控制方法，其特征在于，所述当V实际满足：V1＜V实际＜V2时：当动力电池的SOC≥90％时，动力电池不工作；当动力电池的SOC满足：75％≤SOC<90％时，线网通过双向DC/DC为动力电池进行涓流充电，这里的涓流为：充电电流的范围是0-0.2C。
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