CN110667606B - 一种交流传动混合动力调车机车的控制方法 - Google Patents

一种交流传动混合动力调车机车的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种交流传动混合动力调车机车的控制方法，机车运行时采集司机控制器手柄级位、当前机车速度和动力电池SOC值；当动力电池的SOC值在预设SOC值以下时，柴油机向所述动力电池充电；当动力电池的SOC值大于预设SOC值，根据机车功率确定是否启动柴油机。本发明根据机车功率确定是否启动柴油机，既能满足机车大功率牵引需求，又可以避免柴油机的不必要启动，节能的同时提高了柴油机的使用寿命。

Description

一种交流传动混合动力调车机车的控制方法
技术领域
本发明涉及机车运行控制技术领域，尤其涉及一种交流传动混合动力调车机车的控制方法。
背景技术
调车机车是指用于列车编组、解体、转线及车辆取送等调车作业的机车，其作业主要由调车工况和小运转工况组成，机车在调车工况下频繁启停，对机车的启动牵引力要求较高，功率要求相对较低；而小运转工况下，机车处于长时间牵引运行相对较长的一段距离，对机车的启动牵引力要求低，而对机车持续牵引能力和功率要求相对高。
调车机车处于调车工况时，机车平均速度较低，机车动力制动回馈能量少；而当调车机车处于小运转工况时，由于机车速度高，机车进行动力制动时回馈能量较多，混合动力调车机车应通过动力电池尽可能回收这部分能能量。
交流传动混合动力调车机车的柴油机驱动发电机输出三相交流电，经整流成直流后，同动力电池结合，可单独或共同通过牵引变流器给牵引电机供电。动力电池和柴油机并网控制方法将直接影响机车的效率、能耗和废气排放。
图1为交流传动内燃机车在不同司机控制器手柄级位的机车牵引力与机车速度关系曲线示例(图1中仅表示了4、6、8和10档)。从图1中可以看出在不同手柄级位时，机车牵引力和机车牵引功率都是不同的(机车牵引功率＝机车牵引力×机车速度)。
对于动力电池和柴油机并网控制方法，现有技术主要有两种方法，一种是根据司机控制器手柄级位决定是否启动柴油机，当手柄级位低的时候机车仅由动力电池提供能量，当手柄级位高的时候机车自动启动柴油机，与动力电池并网为机车提供能量。这种控制方法，由于司机控制器手柄级位高，机车输出功率并不一定高，此时虽然机车牵引力大，如果此时机车速度低，机车牵引输出功率并不大，动力电池自己输出功率完全可以满足机车牵引需要，没必要启动柴油机，这种方案增加了柴油机启动次数，降低柴油机使用寿命，增加机车排放和噪声污染。
另外一种是当运转位信号为0，且手柄级位信号≥1时，机车运行工况为蓄电池牵引，根据SOC值的大小启停柴油机，这种方案不启动柴油机仅当动力电池容量不足时才会启动柴油机。当电池SOC值充足时，机车不会启动柴油机，此时机车最大输出功率仅为动力电池输出功率，整车功率受限，无法满足机车大功率牵引的需求。
基于此，现有技术仍然有待改进。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明实施例提出一种交流传动混合动力调车机车的控制方法，根据机车功率确定是否启动柴油机，既能满足机车大功率牵引需求，又可以避免柴油机的不必要启动，节能的同时提高了柴油机的使用寿命。
本发明实施例所公开的一种交流传动混合动力调车机车的控制方法，机车运行时采集司机控制器手柄级位、当前机车速度和动力电池SOC值；
当动力电池的SOC值在预设SOC值以下时，柴油机向所述动力电池充电；
当动力电池的SOC值大于预设SOC值，根据机车功率确定是否启动柴油机。
进一步地，根据机车功率确定是否启动柴油机包括：
当动力电池的SOC值大于预设SOC值，且手柄级位在预设级位以下时，不启动柴油机；
当动力电池的SOC值大于预设SOC值，且手柄级位大于预设级位时，根据当前机车速度确定是否启动柴油机。
进一步地，所述预设级位为电池最大输出功率可满足的最高司机控制器手柄级位。
进一步地，根据当前机车速度确定是否启动柴油机包括：
当动力电池的SOC值大于预设SOC值，手柄级位大于预设级位时，当前机车速度大于预定速度时，启动柴油机；
当动力电池的SOC值大于预设SOC值，手柄级位大于预设级位时，当前机车速度在预定速度以下时，机车由动力电池供电。
进一步地，当动力电池的SOC值大于预设SOC值，手柄级位大于预设级位，且当前机车速度大于预定速度时，柴油机满功率输出。
进一步地，柴油机向所述动力电池充电时，根据当前机车速度确定柴油机向动力电池充电的充电量。
进一步地，根据当前机车速度确定柴油机向动力电池充电的充电量包括：
当前机车速度在预设速度以下时，动力电池充电充满后关闭柴油机；
当前机车速度大于预设速度时，动力电池充电至预定SOC值时，停止向动力电池充电。
进一步地，柴油机向动力电池充电时，当前机车速度在预设速度以下时，动力电池充电充满时，延时预定时间后，关闭柴油机。
进一步地，柴油机向动力电池充电时，手柄级位在预设级位以下时，动力电池充电充满时，延时预定时间后，关闭柴油机。
进一步地，柴油机向动力电池充电时，当前机车速度大于预设速度时，动力电池充电至预定SOC值时，延时预定时间后，停止向动力电池充电。
进一步地，所述预定时间为120秒。
采用上述技术方案，本发明至少具有如下有益效果：
本发明的技术方案解决了仅靠动力电池牵引时机车功率受限问题，此外在柴油机启动控制方法上，在采用司机控制器手柄级位的同时引入了机车速度作为另一判断参数，降低了柴油机启动次数，使柴油机运行在经济特性曲线并最大限度使用动力电池能量，达到节能的效果，使机车的动力混合性能得到充分发挥，并能提高混合动力机车的动系统效率、降低能耗和减少废气排放。此外本发明的技术方案不需要单独设置工况转换开关，机车可以自动识别工况，减少了司机操作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为交流传动内燃机车在不同司机控制器手柄级位的机车牵引力与机车速度关系曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。
需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
本发明实施例公开了一种交流传动混合动力调车机车的控制方法，该控制方法在机车运行时采集司机控制器手柄级位、当前机车速度和动力电池SOC值；当动力电池的SOC值在预设SOC值以下时，柴油机向所述动力电池充电；当动力电池的SOC值大于预设SOC值，根据机车功率确定是否启动柴油机。不仅可以保证机车的功率需求，同时根据机车功率觉得是否启动柴油机，可以有效降低柴油机的启动次数，提高柴油机的使用寿命，最大程度地实现节能环保。
本发明一些优选的实施例所公开的控制方法，在上述实施例的基础上，根据机车功率确定是否启动柴油机包括：
当动力电池的SOC值大于预设SOC值，且手柄级位在预设级位以下时，不启动柴油机，此时，动力电池可以满足机车运行的功率需求，因此不需要启动柴油机，仅靠动力电池供能；其中，预设级位为电池最大输出功率可满足的最高司机控制器手柄级位。
当动力电池的SOC值大于预设SOC值，且手柄级位大于预设级位时，根据当前机车速度确定是否启动柴油机，这种情况下，当动力电池的SOC值大于预设SOC值，手柄级位大于预设级位时，当前机车速度大于预定速度时，此时，动力电池无法满足机车的功率需求，因此必须启动柴油机，优选地，在柴油机启动后，使柴油机满功率输出，剩余功率由动力电池补充；当动力电池的SOC值大于预设SOC值，手柄级位大于预设级位时，当前机车速度在预定速度以下时，此时，动力电池可以满足机车运行的功率需求，因此机车由动力电池供电即可，不需柴油机供能。
为了进一步减少由于动力电池SOC值所引起的启动柴油机的次数，在上述实施例的基础上，本发明的一些实施例中，柴油机向所述动力电池充电时，根据当前机车速度确定柴油机向动力电池充电的充电量。具体地，根据当前机车速度确定柴油机向动力电池充电的充电量包括：
当前机车速度在预设速度以下时，动力电池充电充满后关闭柴油机；
当前机车速度大于预设速度时，动力电池充电至预定SOC值时，停止向动力电池充电。
优选地，柴油机向动力电池充电时，当前机车速度在预设速度以下时，动力电池充电充满时，延时预定时间后，关闭柴油机；当前机车速度大于预设速度时，动力电池充电至预定SOC值时，延时预定时间后，停止向动力电池充电。其中，所述预定时间可以为120秒。
实施例
根据如图1所示的交流传动混合动力调车机车在不同司控器手柄级位的牵引力与机车速度关系曲线，计算每个手柄级位下的机车最大功率。然后计算动力电池的输出功率可满足几级位以下的机车最大功率需求，得到预设级位，例如本实施例中，1-8手柄级位下，动力电池输出功率可完全满足机车需要；
根据公式V＝P÷F，计算各级位下，动力电池最大输出功率能够维持机车运行的最高速度VMAX，得到设定速度；其中：
P——动力电池最大输出功率；
F——各级位最大牵引力；
V——机车速度；
设置动力电池最低SOC值，例如当动力电池SOC低于20％就进行充电；
机车运行时机车微机实时采集司机控制器手柄级位、机车速度和动力电池SOC值；
针对采集的信号，机车微机系统进行检测判断：
(1)动力电池SOC＜20％时
机车开始自动启动柴油机(如果已启动忽略此步骤)，柴油机启动后，自动升转速至最高转速，满功率输出，机车供电由柴油机提供，柴油机剩余功率为动力电池进行充电。
A.当1分钟内机车速度≤25km/h时，动力电池SOC＝90％时，停止充电并且柴油机停机；
B.当1分钟内机车速度＞25km/h时，动力电池SOC＝50％时，停止柴油为动力电池充电；
(2)动力电池SOC≥20％时
A.当司控器手柄级位≤8时，机车由动力电池供电，停止柴油机；
B.当司控器手柄级位＞8时，如果当前级位下的当前机车速度V≤VMAX时，机车由动力电池供电(机车功率P＝F×V，如图1所示，虽然高手柄级位机车牵引力F较大，但是当机车速度V较小时，机车总功率并不大，此时动力电池的功率完全可以满足机车牵引功率的需要，并不需要启动柴油机)。
调车机车工作特点是机车牵引力需求大，运行速度低，如果仅通过手柄级位来判断是否启动柴油机将导致柴油机频繁启动；
C.当司控器手柄级位＞8时，如果当前级位下的当前机车速度V＞VMAX时，机车自动启动柴油机，柴油机启动后，自动升转速至最高转速，满功率输出，剩余功率由动力电池补充(由于动力电池的能量最终来自柴油机，如果柴油机已经启动，就让柴油机输出，动力电池进行补充，这样系统效率更高)。
当此时机车司机控制器(司控器)手柄级位≤8或当前机车速度V≤VMAX，柴油机给动力电池进行充电，当动力电池充满电，且机车司控器手柄级位≤8或当前机车速度V≤VMAX时，维持120秒后停止柴油机。这样可以进一步减少由于动力电池SOC低所引起的启动柴油机的次数。
本发明实施例所公开的交流传动混合动力调车机车的控制方法，包含了柴油机启停控制和制动能量回收控制。
柴油机启停控制中，首先计算动力电池最大输出功率可满足的最高司机控制器手柄级位牵引功率输出需求(假设8级位以下动力电池自己可满足机车牵引功率需求)；
当机车运行时，主控微机实时采集司机控制器手柄级位、机车速度、动力电池SOC值(SOC：电池荷电状态，也叫剩余电量)；
对采集的信号进行检测判断：
a)当SOC值不足时，自动启动柴油机对动力电池进行充电，充到一定值后控制柴油机自动停机；
b)当SOC值充足且手柄级位≤8时，机车完全由动力电池自己提供牵引功率，柴油机始保持停机状态；
c)当SOC值充足且手柄级位＞8手柄时，机车会根据当前机车速度决定是否启动柴油机，补充机车牵引所需能量。
制动能量回收控制中，当机车主控微机采集到一定时间内机车速度小于某一值时，自动设置机车为“调车工况”，此时柴油机给动力电池进行充电时，尽可能充满，因为“调车工况”机车功率低，大部分情况下动力电池自己可以满足机车牵引功率需要，不需要启动柴油机。动力电池充的满，会减少因为动力电池容量用完而启动柴油机的次数；当机车主控微机采集到一定时间内机车速度大于某一值时，自动设置机车为“小运转工况”，此时柴油机给动力电池充电时，只充一半或者更低，因为机车速度高，动力制动能量较多，预留足够的电池容量用于动力制动能量回收。此外，“小运转工况”机车需要持续牵引，柴油机要一直保持运转为机车提供持续功率，不存在减少柴油机启动次数。
综上所述，本发明实施例所公开的控制方法，解决了动力电池牵引时机车功率受限问题，此外在柴油机启动控制方法上，除司机控制器手柄级位外，引入了机车速度作为另一判断参数，降低了柴油机启动次数，使柴油机运行在经济特性曲线并最大限度使用动力电池能量，达到节能的效果，使机车的动力混合性能得到充分发挥，并能提高混合动力机车的动系统效率、降低能耗和减少废气排放。不需要单独设置工况转换开关，机车可以自动识别工况，减少了司机操作。
需要特别指出的是，上述各个实施例中的各个组件或步骤均可以相互交叉、替换、增加、删减，因此，这些合理的排列组合变换形成的组合也应当属于本发明的保护范围，并且不应将本发明的保护范围局限在所述实施例之上。
以上是本发明公开的示例性实施例，上述本发明实施例公开的顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。但是应当注意，以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子，在不背离权利要求限定的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的公开实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明实施例公开的元素可以以个体形式描述或要求，但除非明确限制为单数，也可以理解为多个。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明实施例的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种交流传动混合动力调车机车的控制方法，其特征在于，机车运行时采集司机控制器手柄级位、当前机车速度和动力电池SOC值；
当动力电池的SOC值在预设SOC值以下时，柴油机向所述动力电池充电；
当动力电池的SOC值大于预设SOC值，根据机车功率确定是否启动柴油机；
根据机车功率确定是否启动柴油机包括：
当动力电池的SOC值大于预设SOC值，且手柄级位在预设级位以下时，不启动柴油机；
当动力电池的SOC值大于预设SOC值，且手柄级位大于预设级位时，根据当前机车速度确定是否启动柴油机；
根据当前机车速度确定是否启动柴油机包括：
当动力电池的SOC值大于预设SOC值，手柄级位大于预设级位时，当前机车速度大于预定速度时，启动柴油机；
当动力电池的SOC值大于预设SOC值，手柄级位大于预设级位时，当前机车速度在预定速度以下时，机车由动力电池供电。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述预设级位为电池最大输出功率可满足的最高司机控制器手柄级位。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，当动力电池的SOC值大于预设SOC值，手柄级位大于预设级位，且当前机车速度大于预定速度时，柴油机满功率输出。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，柴油机向所述动力电池充电时，根据当前机车速度确定柴油机向动力电池充电的充电量。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，根据当前机车速度确定柴油机向动力电池充电的充电量包括：
当前机车速度在预设速度以下时，动力电池充电充满后关闭柴油机；
当前机车速度大于预设速度时，动力电池充电至预定SOC值时，停止向动力电池充电。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，柴油机向动力电池充电时，当前机车速度在预设速度以下时，动力电池充电充满时，延时预定时间后，关闭柴油机。
7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，柴油机向动力电池充电时，手柄级位在预设级位以下时，动力电池充电充满时，延时预定时间后，停止向动力电池充电。
8.根据权利要求6或7所述的控制方法，其特征在于，所述预定时间为120秒。
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