CN110116638A - 基于铅酸电池与超级电容的盾构电瓶车混合动力电源 - Google Patents
基于铅酸电池与超级电容的盾构电瓶车混合动力电源 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于铅酸电池与超级电容的盾构电瓶车混合动力电源，包括1个设置有铅酸电池BMS的铅酸电池模组，k组设置有超级电容BMS的超级电容模组，以及双向DC/DC变换器、DC/AC逆变器、二极管D1、超级电容充电接口和内含CAN接口、PWM接口、信号采集模块的电瓶车运行控制器。本发明的有益效果在于：所述混合动力电源在盾构电瓶车启动、加速、爬坡和遇到行驶阻力较大时能够快速地提供大功率电流，提高盾构电瓶车的动力性与经济性；在制动时能够快速地回收牵引电机产生的瞬间大电流，实现再生制动能量吸收，提高铅酸电池模组的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及盾构电瓶车混合动力电源的技术领域，尤其涉及一种基于铅酸电池与超级电容匹配盾构电瓶车的混合动力电源。
背景技术
我国隧道工程建设历史悠久，随着各项建设事业的发展，修建了大量的隧道工程，施工技术和设备也有了很大提高。目前我国隧道工程施工中已较普遍的采用了掘进机施工，暗挖时采用的盾构法具有较高的技术水平。我国拥有的铁路隧道数量已超过4000Km，居世界第一位。随着我国公路建设的发展，特别是高等级公路在我国的兴起，我国公路隧道在数量与规模上有很大发展，修建设备、特别是在克服复杂环境条件的能力上，有很大提高。20世纪后半期隧道修建技术与现代化新设备的发展，为今后我国修建长大隧道及克服各种困难条件的隧道工程奠定了基础。
目前，国内隧道工程盾构施工配套运输车的编组一般是由1个电瓶车连挂6个按需组合的功能车辆（主要功能车辆有：渣土车、管片车、砂浆车、膨润土车等），盾构电瓶车是盾构施工配套运输车的一种牵引设备，动力是利用牵引电机驱动车轮转动，借助车轮与轨面间的摩擦力，使盾构电瓶车在轨道上运行；这种运行方式，它的牵引力不仅受牵引电机功率的限制，还受车轮与轨面间的摩擦制约；盾构电瓶车运输能行驶的坡度有限制，运输轨道坡度一般为3‰，局部坡度不能超过30‰。现有的盾构电瓶车大都采用传统铅酸电池组作为能源，铅酸电池是电极主要由铅及其氧化物制成，电解液为硫酸溶液的一种蓄电池；放电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；充电状态下，正负极的主要成分均为硫酸铅。铅酸电池的比功率200~400 w/kg、比能量35~40 wh/kg、循环寿命350~600次，其主要优点是廉价、可靠性高、功率密度大，缺点是比能量低、充电时间长、使用寿命短、日常维护频繁和废旧电池化学污染等；从而制约了盾构施工配套运输车的运载能力、工作效率。盾构电瓶车是隧道工程施工中常用的一种牵引设备，具有牵引力大、速度高、运载能力强等特点。盾构电瓶车一般在盾构机位置附近的固定线路上（一般在5公里以内）往复运行，处于频繁加速、爬坡、减速、下坡和持续大负荷运行工况下，瞬时峰值电流较大，频繁的大电流放电，利用铅酸电池供电会严重影响蓄电池的能效及寿命，不利于盾构电瓶车动力性能的实现；同时在盾构电瓶车制动、下坡及行驶阻力突然减小时，牵引电机的再生制动产生的瞬间充电电流很大，会对电池寿命产生伤害，如果此部分回收的能量不能充分存储，又将会造成了巨大的浪费。超级电容在结构上与普通电解电容非常相似，属于双电层电容器。超级电容采用活性炭多孔电极和电解质组成了双电层结构，加上极小的电极间隙，可以获得超大的容量，其充放电过程为物理过程而非化学反应过程；因此，超级电容具备超级储电能力，具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源、绿色环保等特点。超级电容兼有普通电容器的大电流快速充放电特性和电池的储能特性，较好地解决了普通电容器与电池之间的比能量、比功率差异问题，是一种新型绿色储能装置。超级电容非常适用于盾构电瓶车复杂工况下瞬间功率大、频繁充放电的场合，在盾构电瓶车上采用基于铅酸电池与超级电容的混合动力电源，符合国家产业倡导发展的新能源范畴，也是盾构电瓶车新能源供电应用技术的发展方向。
常规盾构电瓶车通过靠铅酸蓄电池供电装备来实现连续供电，这种供电形式广泛应用于目前盾构施工中牵引运输，并且每台盾构电瓶车还需要备用一组铅酸蓄电池，以便盾构电瓶车随时进行更换，保证盾构施工过程的连续性。盾构电瓶车需要在固定点（一般设计在盾构施工竖井处）补充能量，补充能量的时间不超过盾构施工流水线施工节拍点空当时间（一般在30分钟以内）；这就需要寻找一种蓄能装置能够进行大功率的充放电，利用某一点对蓄能装置充电而在其他的时间可以自由的行驶，超级电容的出现为实现这种对盾构电瓶车的技术升级提供了可能，超级电容具有比功率高的特性，可实现大电流的充放电，因此可以用有限制的时间补充足够的能量，保证盾构施工配套运输车行驶一定的距离；这种储能装置与蓄电池相比最大的特点就是它能够在很短的时间内补充能量，因而省去了蓄电池需要长时间补充能量的问题。但超级电容也有能量密度较小、无法大量的存储能量，以及存在发热和单体均衡等缺点，故单独使用受到一定限制；综合超级电容与铅酸电池的优点和缺点，采用基于超级电容和蓄电池组合的动力电源可以充分发挥盾构电瓶车各动力原件的优点，对改善盾构施工配套运输车的动力性能、节能、提升运载能力和工作效率具有重要意义。
发明内容
针对盾构电瓶车在复杂多变的行驶工况中动力匹配不佳、铅酸电池频繁瞬时峰值大电流充放电而严重影响其能效及寿命的问题，本发明公开了一种基于铅酸电池与超级电容的盾构电瓶车混合动力电源。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于铅酸电池与超级电容的盾构电瓶车混合动力电源，包括1个设置有铅酸电池BMS的铅酸电池模组，k组设置有超级电容BMS的超级电容模组，以及双向DC/DC变换器、DC/AC逆变器、二极管D1、超级电容充电接口和内含CAN接口、PWM接口、信号采集模块的电瓶车运行控制器；铅酸电池模组的正端经二极管D1后连接到直流总线DC_BUS的DC+，负端直接连接到直流总线DC_BUS的DC-，铅酸电池模组提供盾构电瓶车正常行车所需的电能，其容量按每个班组正常行车所消耗的电能选择；k组超级电容模组并联后经双向DC/DC变换器连接直流总线DC_BUS，用于盾构电瓶车的启动、加速、爬坡和持续大负荷运行工况下的能量补给，以及制动、下坡工况下的能量回收，其组数k按盾构电瓶车的启动能耗和实际运行工况选择；直流总线DC_BUS连接至用于在盾构附近经充电桩为超级电容补充电能的超级电容充电接口、并经DC/AC逆变器连接盾构电瓶车牵引电机，电瓶车运行控制器内的CAN接口经CAN总线连接至铅酸电池BMS、k个超级电容BMS、超级电容充电接口；电瓶车运行控制器根据人机接口给定的运行指标要求，通过信号采集单元采集牵引电机的电流、转速信息，结合通过CAN总线获取铅酸电池模组、超级电容模组的状态信息，经智能决策后由PWM接口输出控制信号到双向DC/DC变换器、DC/AC逆变器，以实现盾构电瓶车在不同运行工况下转换不同的动力工作模式。
在本发明中，所述的超级电容模组由M个额定容量为C法拉、储存能量为E瓦时、额定电压为X伏特的单体超级电容串联而成，超级电容模组的正端由单体超级电容1的正极引出、负端由单体超级电容M的负极引出，其额定容量为C/M法拉、储存能量为M*E瓦时、额定电压为M*X伏特；每个单体超级电容的外壳上设置一个用于监测其工作温度的温度传感器，在超级电容模组的负端与单体超级电容M的负极之间设置一个用于监测超级电容模组工作电流的电流传感器和一个用于控制超级电容模组连接/断开的N沟道MOS管MOS1，每个单体超级电容的两端均设置有与超级电容BMS的电连接线，超级电容BMS实时监测各单体超级电容的端电压和外壳温度、超级电容模组工作电流以实现模组内各单体超级电容在充放电过程中的电压动态均衡；电瓶车运行控制器可根据能量需求情况通过超级电容BMS控制超级电容模组的连接或断开。
在本发明中，所述的铅酸电池模组由N个额定电压为2.0伏特、额定容量为Y安时的牵引用铅酸电池单体串联而成，铅酸电池模组的正端由铅酸电池单体1的正极引出、负端由铅酸电池单体N的负极引出，其额定容量为N*Y安时、额定电压为N*2.0伏特；每个铅酸电池单体的外壳上设置一个用于监测其工作温度的温度传感器，在铅酸电池模组的负端与铅酸电池单体N的负极之间设置一个用于监测铅酸电池模组工作电流的电流传感器，每个铅酸电池单体的两端均设置有与铅酸电池BMS的电连接线，铅酸电池BMS实时监测各铅酸电池单体的端电压和外壳温度、铅酸电池模组工作电流以实现模组内各铅酸电池单体在充放电过程中的电压动态均衡。
在本发明中，所述超级电容BMS包括BMS_CPU模块，提供BMS_CPU模块工作所需的时钟与复位信号的时钟与复位电路，用于直接从超级电容模组两端取电变换后给超级电容BMS供电的电源电路，用于经CAN总线与电瓶车运行控制器通信的CAN接口，用于实时监测各单体超级电容两端工作电压并实现模组内各单体超级电容在充放电过程中电压动态均衡的电压检测与均衡模块；在超级电容模组充电或放电过程中，BMS_CPU模块通过电流传感器实时监测超级电容模组的工作电流，通过M个温传感器实时监测各单体超级电容的工作温度，通过电压检测与均衡模块实时监测各单体超级电容的端电压并智能决策将稍高单体超级电容的能量转移到稍低的单体超级电容上，以实现各单体超级电容的动态均压，同时还估算各单体超级电容的剩余容量、预测其循环寿命，并通过CAN总线将超级电容模组的状态参数传输到电瓶车运行控制器；铅酸电池BMS除了没有MOS管驱动电路外其余均与超级电容BMS一致。
在本发明中，所述的电瓶车运行控制器包括运行控制CPU模块，直接从直流总线DC_BUS的DC+、DC-取电变换后给电瓶车运行控制器供电的电源电路，经CAN总线与铅酸电池BMS、超级电容BMS通信的CAN接口，提供运行控制CPU模块工作所需的时钟与复位信号的时钟与复位电路，用于系统参数设置、盾构电瓶车运行操控和实时工作状态显示的人机接口，监测盾构电瓶车运动姿态的三轴加速度传感器，监测盾构电瓶车运行位置的GPS模块，监测盾构电瓶车工作环境温度的环温传感器，用于通过传感器实时监测盾构电瓶车牵引电机电流、转速的信号采集单元，用于为DC/AC逆变器、双向DC/DC变换器提供控制信号的PWM驱动控制电路及PWM接口；运行控制CPU模块通过人机接口接收到运行操控指令后，通过信号采集单元采集牵引电机的电流、转速信息，通过CAN总线获取铅酸电池模组、超级电容模组的状态信息，再结合GPS模块采集的运行位置信息、三轴加速度传感器采集的运动姿态信息，经智能决策后由PWM驱动控制电路及PWM接口输出控制信号到双向DC/DC变换器、DC/AC逆变器，以实现盾构电瓶车在不同运行工况下转换不同的动力工作模式；盾构电瓶车启动、加速、爬坡及行驶阻力瞬间增大时，由铅酸电池模组、超级电容模组同时为牵引电机提供动力；正常运行工况时，由铅酸电池模组单独为牵引电机提供动力；在盾构电瓶车回程运行且接近盾构机时，优先由超级电容模组为牵引电机提供动力；盾构电瓶车制动时，双向DC/DC变换器反向导通，由超超级电容模组回收牵引电动机产生的电能；当环温传感器监测到工作环境温度过高或其它异常工况时，通过人机接口向用户预警。
本发明的有益效果是，电瓶车运行控制器根据人机接口给定的运行指标要求，通过信号采集单元采集牵引电机的电流、转速信息，结合通过CAN总线获取铅酸电池模组、超级电容模组的状态信息，经智能决策后由PWM接口输出控制信号到双向DC/DC变换器、DC/AC逆变器，以实现盾构电瓶车在不同运行工况下转换不同的动力工作模式；所述混合动力电源在盾构电瓶车启动、加速、爬坡、制动和遇到行驶阻力较大时能够快速的根据实际工况进行动力的切换和匹配，实现混合动力的能量最优分配，提高混合动力盾构电瓶车的动力性与经济性；在制动时能够快速地回收牵引电机产生的瞬间大电流，实现再生制动能量吸收，同时消除了瞬时大电流对铅酸电池模组的影响，提高了铅酸电池模组的使用寿命。
附图说明
图1是本发明的整体结构方框图；
图2是本发明实施例的超级电容模组结构图；
图3是本发明实施例的铅酸电池模组结构图；
图4是本发明实施例的超级电容BMS原理框图；
图5是本发明实施例的电瓶车运行控制器原理框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见附图，图1是本发明的整体结构方框图。传统盾构电瓶车的高污染、高能耗已经不能适应行业的发展。混合动力技术由于其能耗低、能量转化效率高和环保等显著的优点，受到了行业的高度关注及政府的大力支持。目前，盾构电瓶车的动力主要是铅酸电池提供，在盾构电瓶车频繁加速、爬坡、行驶阻力突然增大和持续大负荷运行工况下，瞬时峰值电流较大，频繁的大电流放电，利用铅酸电池供电会严重影响其能效及寿命，不利于盾构电瓶车动力性能的实现。同时在盾构电瓶车制动、下坡及行驶阻力突然减小时，牵引电机的再生制动产生的瞬间充电电流很大，会对铅酸电池寿命产生伤害，如果此部分回收的能量不能充分存储，又将会造成了巨大的浪费。基于铅酸电池与超级电容的盾构电瓶车混合动力电源包括1个设置有铅酸电池BMS的铅酸电池模组，k组设置有超级电容BMS的超级电容模组，以及双向DC/DC变换器、DC/AC逆变器、二极管D1、超级电容充电接口和内含CAN接口、PWM接口、信号采集模块的电瓶车运行控制器；铅酸电池模组的正端经二极管D1后连接到直流总线DC_BUS的DC+，负端直接连接到直流总线DC_BUS的DC-，铅酸电池模组提供盾构电瓶车正常行车所需的电能，其容量按每个班组正常行车所消耗的电能选择；k组超级电容模组并联后经双向DC/DC变换器连接直流总线DC_BUS，用于盾构电瓶车的启动、加速、爬坡和持续大负荷运行工况下的能量补给，以及制动、下坡工况下的能量回收，其组数k按盾构电瓶车的启动能耗和实际运行工况选择；直流总线DC_BUS连接至用于在盾构附近经充电桩为超级电容补充电能的超级电容充电接口、并经DC/AC逆变器连接盾构电瓶车牵引电机，电瓶车运行控制器内的CAN接口经CAN总线连接至铅酸电池BMS、k个超级电容BMS、超级电容充电接口；电瓶车运行控制器根据人机接口给定的运行指标要求，通过信号采集单元采集牵引电机的电流、转速信息，结合通过CAN总线获取铅酸电池模组、超级电容模组的状态信息，经智能决策后由PWM接口输出控制信号到双向DC/DC变换器、DC/AC逆变器，以实现盾构电瓶车在不同运行工况下转换不同的动力工作模式。超级电容是一种新型电容，与铅酸电池相比具有较大的功率密度，污染小、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽等优点，非常适用于盾构电瓶车复杂工况下瞬间功率大、频繁充放电的场合。但超级电容也有能量密度较小，无法大量的存储能量，以及存在发热和单体均衡等缺点，故单独使用受到一定限制。本发明综合了超级电容与铅酸电池的优点和缺点，公布了基于铅酸电池与超级电容的盾构电瓶车混合动力电源，并针对不同的行驶工况提出相应的系统工作模式，制定了基于功率分配的能量管理策略，可以充分发挥各动力原件的优点。
附图2是本发明实施例的超级电容模组结构图。本发明的超级电容模组由M个额定容量为C法拉、储存能量为E瓦时、额定电压为X伏特的单体超级电容串联而成，超级电容模组的正端由单体超级电容1的正极引出、负端由单体超级电容M的负极引出，其额定容量为C/M法拉、储存能量为M*E瓦时、额定电压为M*X伏特；每个单体超级电容的外壳上设置一个用于监测其工作温度的温度传感器，在超级电容模组的负端与单体超级电容M的负极之间设置一个用于监测超级电容模组工作电流的电流传感器和一个用于控制超级电容模组连接/断开的N沟道MOS管MOS1，每个单体超级电容的两端均设置有与超级电容BMS的电连接线，超级电容BMS实时监测各单体超级电容的端电压和外壳温度、超级电容模组工作电流以实现模组内各单体超级电容在充放电过程中的电压动态均衡；电瓶车运行控制器可根据能量需求情况通过超级电容BMS控制超级电容模组的连接或断开。超级电容设计时搭配一个很低的等效串联电阻(ESR)，因此超级电容能够发送以及吸收很高的电流。超级电容具有普通电容的特性，其工作电压并未被限制在狭窄的电压范围内；设计人员只需考虑系统的电压范围，这个电压范围要比电池需要的狭窄电压范围宽得多。
附图3是本发明实施例的铅酸电池模组结构图。本发明的铅酸电池模组由N个额定电压为2.0伏特、额定容量为Y安时的牵引用铅酸电池单体串联而成，铅酸电池模组的正端由铅酸电池单体1的正极引出、负端由铅酸电池单体N的负极引出，其额定容量为N*Y安时、额定电压为N*2.0伏特；每个铅酸电池单体的外壳上设置一个用于监测其工作温度的温度传感器，在铅酸电池模组的负端与铅酸电池单体N的负极之间设置一个用于监测铅酸电池模组工作电流的电流传感器，每个铅酸电池单体的两端均设置有与铅酸电池BMS的电连接线，铅酸电池BMS实时监测各铅酸电池单体的端电压和外壳温度、铅酸电池模组工作电流以实现模组内各铅酸电池单体在充放电过程中的电压动态均衡。铅酸蓄电池是电极主要由铅及其氧化物制成，电解液为硫酸溶液的一种蓄电池；放电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；充电状态下，正负极的主要成分均为硫酸铅。铅酸蓄电池的主要优点是电压稳定、价格便宜，缺点是比能低(即每公斤蓄电池存储的电能)、使用寿命短和日常维护频繁；从而制约了盾构电瓶车的运载能力、工作效率。
附图4是本发明实施例的超级电容BMS原理框图。研究针对超级电容模组、铅酸电池模组的电源管理系统（Battery Management System, BMS），使其保持最佳的荷电状态(State Of Charge,SOC) 以延长其循环使用寿命，具有非常重要的现实意义和很好的应用价值。本发明的超级电容BMS包括BMS_CPU模块，提供BMS_CPU模块工作所需的时钟与复位信号的时钟与复位电路，用于直接从超级电容模组两端取电变换后给超级电容BMS供电的电源电路，用于经CAN总线与电瓶车运行控制器通信的CAN接口，用于实时监测各单体超级电容两端工作电压并实现模组内各单体超级电容在充放电过程中电压动态均衡的电压检测与均衡模块；在超级电容模组充电或放电过程中，BMS_CPU模块通过电流传感器实时监测超级电容模组的工作电流，通过M个温传感器实时监测各单体超级电容的工作温度，通过电压检测与均衡模块实时监测各单体超级电容的端电压并智能决策将稍高单体超级电容的能量转移到稍低的单体超级电容上，以实现各单体超级电容的动态均压，同时还估算各单体超级电容的剩余容量、预测其循环寿命，并通过CAN总线将超级电容模组的状态参数传输到电瓶车运行控制器；铅酸电池BMS除了没有MOS管驱动电路外其余均与超级电容BMS一致。在设计能量需求较大的系统中，确定储能元件的荷电状态(SOC)和健康状态(SOH)是 一个非常重要的因素，需要复杂的信号提取、复杂的运算法则和长时间的资料整合；比较来说，确定超级电容的荷电状态和健康状态则很简单。由于在电容内储存能量只是电容和电压的功能，而且电容相对较为恒定，因此只要测量各单体超级电容的端电压就可以确定荷电状态。超级电容可以串联或是并联工作，当采用并联工作时，不需要额外的管理；而采用串联工作时，通常需要电压监测以维持每个单体超级电容的电压都在操作范围之内。
附图5是本发明实施例的电瓶车运行控制器原理框图。本发明的电瓶车运行控制器包括运行控制CPU模块，直接从直流总线DC_BUS的DC+、DC-取电变换后给电瓶车运行控制器供电的电源电路，经CAN总线与铅酸电池BMS、超级电容BMS通信的CAN接口，提供运行控制CPU模块工作所需的时钟与复位信号的时钟与复位电路，用于系统参数设置、盾构电瓶车运行操控和实时工作状态显示的人机接口，监测盾构电瓶车运动姿态的三轴加速度传感器，监测盾构电瓶车运行位置的GPS模块，监测盾构电瓶车工作环境温度的环温传感器，用于通过传感器实时监测盾构电瓶车牵引电机电流、转速的信号采集单元，用于为DC/AC逆变器、双向DC/DC变换器提供控制信号的PWM驱动控制电路及PWM接口；运行控制CPU模块通过人机接口接收到运行操控指令后，通过信号采集单元采集牵引电机的电流、转速信息，通过CAN总线获取铅酸电池模组、超级电容模组的状态信息，再结合GPS模块采集的运行位置信息、三轴加速度传感器采集的运动姿态信息，经智能决策后由PWM驱动控制电路及PWM接口输出控制信号到双向DC/DC变换器、DC/AC逆变器，以实现盾构电瓶车在不同运行工况下转换不同的动力工作模式；盾构电瓶车启动、加速、爬坡及行驶阻力瞬间增大时，由铅酸电池模组、超级电容模组同时为牵引电机提供动力；正常运行工况时，由铅酸电池模组单独为牵引电机提供动力；在盾构电瓶车回程运行且接近盾构机时，优先由超级电容模组为牵引电机提供动力；盾构电瓶车制动时，双向DC/DC变换器反向导通，由超超级电容模组回收牵引电动机产生的电能；当环温传感器监测到工作环境温度过高或其它异常工况时，通过人机接口向用户预警。
混合动力盾构电瓶车在正常行驶，即负载平稳、行驶阻力较小时，信号采集单元采集到的牵引电机工作需求转速、电流信号为铅酸电池模组可提供动力范围内，运行控制CPU模块输出信号通过PWM驱动控制电路及PWM接口发出PWM信号控制DC/AC逆变器工作、双向DC/DC变换器停止，由铅酸电池模组对牵引电机提供动力。同时信号采集单元及铅酸电池BMS实时的监控牵引电机及铅酸电池的电压、电流信号并发送给运行控制CPU模块，由运行控制CPU模块随时控制动力的匹配，实现精准的控制。混合动力盾构电瓶车启动、加速、爬较大坡度及行驶阻力瞬间增大时，牵引电机所需的电压、电流瞬间增大，单一动力源输出无法满足驱动输出，此时运行控制CPU模块输出信号通过PWM驱动控制电路及PWM接口发出PWM信号控制DC/AC逆变器工作、双向DC/DC变换器正向导通，由铅酸电池模组、超级电容模组同时为牵引电机提供动力。由于超级电容的高比功率性，可以快速在补充突变负荷时铅酸电池模组的功率不足，迅速为盾构电瓶车提供动力。同时，信号采集单元及铅酸电池BMS、超级电容BMS实时采集整车信息并发送给运行控制CPU模块，由运行控制CPU模块实时精准的控制整车的动力匹配。混合动力盾构电瓶车在制动时，动力系统不再提供动力，牵引电机相当于一个发电机能产生较大的瞬间电流及电压，此时运行控制CPU模块发出PWM信号控制双向DC/DC变换器反向导通，由超级电容模组回收电动机产生的电能。同时运行控制CPU模块通过信号采集单元监测牵引电机的转速、电流信号，通过CAN总线、超级电容BMS实时监测超级电容模组荷电状态(State Of Charge,SOC) ，精确控制蓄电池、超级电容的充电过程。混合动力盾构电瓶车的整机启动时启动阻力较大，需求瞬时能量较大，因此设计通过铅酸电池模组、超级电容模组一起为整机提供启动电能。在整机启动之前，运行控制CPU模块通过CAN总线、超级电容BMS获取超级电容模组的SOC，如若此时超级电容模组的容量值低于设定的整机启动标准值，则由铅酸电池模组对超级电容模组充电；由运行控制CPU模块、双向DC/DC变换器及超级电容BMS一起控制此充电过程，保证超级电容模组能够为整机启动提供足够能量。运行控制CPU模块根据三轴加速度传感器采集的运动姿态信息判断混合动力盾构电瓶车的运行工况：爬坡、下坡等，根据GPS模块采集的运行位置信息判断混合动力盾构电瓶车的行驶是远离、接近盾构机并计算实时距离。在盾构电瓶车回程运行且接近盾构机时，优先由超级电容模组为牵引电机提供动力，直到超级电容模组的SOC值小于设定值为止；以保证超级电容模组在盾构机处能补充足够多的能量，同时尽可能减少铅酸电池模组的能量消耗，延长其使用寿命。
以45t盾构电瓶车为例，其额定电压：550V，调速方式：变频调速（逆变器允许电压范围是：360V~680V），牵引电机：2*55KW，最高速度v max=16 km/h，持续速度v=8.8km/h，轨距:900mm，制动距离：18m，最小转弯半径：25m。假设盾构施工配套运输车以速度v匀速运行在盾构机位置附近长度为L=3km的固定线路上，盾构施工流水线施工节拍点空当时间T=20分钟，忽略装、卸料时间，则在每个班组工作的8小时内最多可往返次数s为：
s=(480 v)/(T.v+120L)≈8
每个班组工作时间内盾构电瓶车运行的总耗电量E约为：
E≈110*(2 s L/16)=330 kWh
铅酸电池模组用于满足每个班组的正常行车需求，采用N个2.0V单体牵引用铅酸电池串联而成，为满足45t盾构电瓶车的额定电压要求，则N=550/2=275个。单体牵引用铅酸电池充满电时为2.4V，允许最低放电电压为1.8V，故铅酸电池模组的电压变化范围为：495V~660V，满足盾构电瓶车逆变器允许的电压范围要求。若每个班组换班时更换一次铅酸电池模组，则单体牵引用铅酸电池的额定容量为E*1000/2N=600Ah，可选择型号为10PzB600、6PzB600等的牵引用铅酸电池单体。
超级电容模组用于盾构电瓶车的启动、加速、爬坡和持续大负荷运行工况下的能量补给，以及制动、下坡工况下的能量回收，采用由M个Maxwell公司的BCAP3400P285K04单体超级电容串联而成；根据盾构电瓶车的启动电流、运行线路工况来设置其并联工作的组数k。该单体超级电容额定容量C=3400F，内阻Res=0.28Ω，储存能量为3.84Wh，额定电压为2.85V（最大绝对电压3.0V），温升在15-40℃之间的最大持续电流为131-211A，最大绝对电流2000A，能量密度（比能量）为7.4Wh/kg，功率密度（比功率）为14000W/kg。根据基尔霍夫电压定律得到超级电容的输出电压Uo与等效电容电压U、充放电电流I的关系为：
Uo=U-IRes
超级电容容量大小通过其SOC评价
SOC=( U-Umin)/( Umax-Umin)
为满足45t盾构电瓶车的额定电压要求，则取M=550/2.85≈193个，超级电容模组的额定电压为550.05V（最大绝对电压579.0V），储存能量为741.12Wh。45t盾构电瓶车牵引电机的启动电流是额定电流的4-7倍（即800A~1400A），启动时间一般为2-5秒，则每次启动所消耗的电量在0.428 kWh~1.069 kWh之间；因此，需要7组超级电容模组才能满足整车启动电流要求，考虑到运行工况下的能量补给需求，取组数k≥8，超级电容模组的整体储存能量大于5.93kWh。若在盾构施工竖井处采用160A的充电桩对8组超级电容模组补充能量，仅需4分钟即可完成。
综上所述，本发明的盾构电瓶车混合动力电源，包括1个设置有铅酸电池BMS的铅酸电池模组，k组设置有超级电容BMS的超级电容模组，以及双向DC/DC变换器、DC/AC逆变器、二极管D1、超级电容充电接口和内含CAN接口、PWM接口、信号采集模块的电瓶车运行控制器；电瓶车运行控制器根据人机接口给定的运行指标要求，通过信号采集单元采集牵引电机的电流、转速信息，结合通过CAN总线获取铅酸电池模组、超级电容模组的状态信息，经智能决策后由PWM接口输出控制信号到双向DC/DC变换器、DC/AC逆变器，以实现盾构电瓶车在不同运行工况下转换不同的动力工作模式。本发明的有益效果是：所述混合动力电源在盾构电瓶车启动、加速、爬坡、制动和遇到行驶阻力较大时能够快速的根据实际工况进行动力的切换和匹配，实现混合动力的能量最优分配，提高混合动力盾构电瓶车的动力性与经济性；在制动时能够快速地回收牵引电机产生的瞬间大电流，实现再生制动能量吸收，同时消除了瞬时大电流对铅酸电池模组的影响，提高了铅酸电池模组的使用寿命。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而己，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于铅酸电池与超级电容的盾构电瓶车混合动力电源，包括1个设置有铅酸电池BMS的铅酸电池模组，k组设置有超级电容BMS的超级电容模组，以及双向DC/DC变换器、DC/AC逆变器、二极管D1、超级电容充电接口和内含CAN接口、PWM接口、信号采集模块的电瓶车运行控制器；其特征是：铅酸电池模组的正端经二极管D1后连接到直流总线DC_BUS的DC+，负端直接连接到直流总线DC_BUS的DC-，铅酸电池模组提供盾构电瓶车正常行车所需的电能，其容量按每个班组正常行车所消耗的电能选择；k组超级电容模组并联后经双向DC/DC变换器连接直流总线DC_BUS，用于盾构电瓶车的启动、加速、爬坡和持续大负荷运行工况下的能量补给，以及制动、下坡工况下的能量回收，其组数k按盾构电瓶车的启动能耗和实际运行工况选择；直流总线DC_BUS连接至用于在盾构附近经充电桩为超级电容补充电能的超级电容充电接口、并经DC/AC逆变器连接盾构电瓶车牵引电机，电瓶车运行控制器内的CAN接口经CAN总线连接至铅酸电池BMS、k个超级电容BMS、超级电容充电接口；电瓶车运行控制器根据人机接口给定的运行指标要求，通过信号采集单元采集牵引电机的电流、转速信息，结合通过CAN总线获取铅酸电池模组、超级电容模组的状态信息，经智能决策后由PWM接口输出控制信号到双向DC/DC变换器、DC/AC逆变器，以实现盾构电瓶车在不同运行工况下转换不同的动力工作模式。
2.根据权利要求1所述的基于铅酸电池与超级电容的盾构电瓶车混合动力电源，其特征是：所述的超级电容模组由M个额定容量为C法拉、储存能量为E瓦时、额定电压为X伏特的单体超级电容串联而成，超级电容模组的正端由单体超级电容1的正极引出、负端由单体超级电容M的负极引出，其额定容量为C/M法拉、储存能量为M*E瓦时、额定电压为M*X伏特；每个单体超级电容的外壳上设置一个用于监测其工作温度的温度传感器，在超级电容模组的负端与单体超级电容M的负极之间设置一个用于监测超级电容模组工作电流的电流传感器和一个用于控制超级电容模组连接/断开的N沟道MOS管MOS1，每个单体超级电容的两端均设置有与超级电容BMS的电连接线，超级电容BMS实时监测各单体超级电容的端电压和外壳温度、超级电容模组工作电流以实现模组内各单体超级电容在充放电过程中的电压动态均衡；电瓶车运行控制器可根据能量需求情况通过超级电容BMS控制超级电容模组的连接或断开。
3.根据权利要求1所述的基于铅酸电池与超级电容的盾构电瓶车混合动力电源，其特征是：所述的铅酸电池模组由N个额定电压为2.0伏特、额定容量为Y安时的牵引用铅酸电池单体串联而成，铅酸电池模组的正端由铅酸电池单体1的正极引出、负端由铅酸电池单体N的负极引出，其额定容量为N*Y安时、额定电压为N*2.0伏特；每个铅酸电池单体的外壳上设置一个用于监测其工作温度的温度传感器，在铅酸电池模组的负端与铅酸电池单体N的负极之间设置一个用于监测铅酸电池模组工作电流的电流传感器，每个铅酸电池单体的两端均设置有与铅酸电池BMS的电连接线，铅酸电池BMS实时监测各铅酸电池单体的端电压和外壳温度、铅酸电池模组工作电流以实现模组内各铅酸电池单体在充放电过程中的电压动态均衡。
4.根据权利要求1所述的基于铅酸电池与超级电容的盾构电瓶车混合动力电源，其特征是：所述超级电容BMS包括BMS_CPU模块，提供BMS_CPU模块工作所需的时钟与复位信号的时钟与复位电路，用于直接从超级电容模组两端取电变换后给超级电容BMS供电的电源电路，用于经CAN总线与电瓶车运行控制器通信的CAN接口，用于实时监测各单体超级电容两端工作电压并实现模组内各单体超级电容在充放电过程中电压动态均衡的电压检测与均衡模块；在超级电容模组充电或放电过程中，BMS_CPU模块通过电流传感器实时监测超级电容模组的工作电流，通过M个温传感器实时监测各单体超级电容的工作温度，通过电压检测与均衡模块实时监测各单体超级电容的端电压并智能决策将稍高单体超级电容的能量转移到稍低的单体超级电容上，以实现各单体超级电容的动态均压，同时还估算各单体超级电容的剩余容量、预测其循环寿命，并通过CAN总线将超级电容模组的状态参数传输到电瓶车运行控制器；铅酸电池BMS除了没有MOS管驱动电路外其余均与超级电容BMS一致。
5.根据权利要求1所述的基于铅酸电池与超级电容的盾构电瓶车混合动力电源，其特征是：所述的电瓶车运行控制器包括运行控制CPU模块，直接从直流总线DC_BUS的DC+、DC-取电变换后给电瓶车运行控制器供电的电源电路，经CAN总线与铅酸电池BMS、超级电容BMS通信的CAN接口，提供运行控制CPU模块工作所需的时钟与复位信号的时钟与复位电路，用于系统参数设置、盾构电瓶车运行操控和实时工作状态显示的人机接口，监测盾构电瓶车运动姿态的三轴加速度传感器，监测盾构电瓶车运行位置的GPS模块，监测盾构电瓶车工作环境温度的环温传感器，用于通过传感器实时监测盾构电瓶车牵引电机电流、转速的信号采集单元，用于为DC/AC逆变器、双向DC/DC变换器提供控制信号的PWM驱动控制电路及PWM接口；运行控制CPU模块通过人机接口接收到运行操控指令后，通过信号采集单元采集牵引电机的电流、转速信息，通过CAN总线获取铅酸电池模组、超级电容模组的状态信息，再结合GPS模块采集的运行位置信息、三轴加速度传感器采集的运动姿态信息，经智能决策后由PWM驱动控制电路及PWM接口输出控制信号到双向DC/DC变换器、DC/AC逆变器，以实现盾构电瓶车在不同运行工况下转换不同的动力工作模式；盾构电瓶车启动、加速、爬坡及行驶阻力瞬间增大时，由铅酸电池模组、超级电容模组同时为牵引电机提供动力；正常运行工况时，由铅酸电池模组单独为牵引电机提供动力；在盾构电瓶车回程运行且接近盾构机时，优先由超级电容模组为牵引电机提供动力；盾构电瓶车制动时，双向DC/DC变换器反向导通，由超超级电容模组回收牵引电动机产生的电能；当环温传感器监测到工作环境温度过高或其它异常工况时，通过人机接口向用户预警。
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