CN112140890B - 一种混合动力机车的多支路动力电池系统控制方法 - Google Patents

一种混合动力机车的多支路动力电池系统控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种混合动力机车的多支路动力电池系统控制方法，所述控制方法基于多支路动力电池系统，所述动力电池系统包括多条并联蓄电池支路、蓄电池管理系统、与蓄电池支路并联的牵引变流器以及为蓄电池充电的发电机组，每条蓄电池支路上设有一个IGBT元件；根据蓄电池管理系统提供的每条支路最大允许充电电流和柴油发电机组的充电电流计算出该支路蓄电池的目标充电电流，通过牵引变流器控制每条支路上的IGBT元件开通时间从而控制每条蓄电池支路的充电电流。本发明提供的控制方法能够有效提高动力电池系统的安全性、使用性能和电池的使用寿命。

Description

一种混合动力机车的多支路动力电池系统控制方法
技术领域
本发明涉及轨道交通领域，特别涉及一种一种混合动力机车的多支路动力电池系统控制方法。
背景技术
在轨道交通领域，动力电池系统能量较低时，一般采用单支路动力电池系统；当动力电池系统能量较大时，为减小动力电池系统一旦热失控带来的危害，有必要将动力电池系统进行能量分割，一般选择两个或多个动力电池支路通过接触器并联后接入主电路，如图1所示。该方案因各支路的内阻、电压存在差异，支路之间的充电电流不受控制；各支路之间没有控制电流的元件，容易在支路之间形成环流，会缩短电池使用寿命并造成安全隐患；当某个支路内出现个别电池电压偏低或偏高时，会降低整个动力电池系统的充放电深度、减少可用电量，从而直接影响机车的性能。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，提供了一种混合动力机车的多支路动力电池系统控制方法，混合动力机车安全性与动力电池系统的能量直接相关，将大容量动力电池系统按多支路并联方式的拓扑结构进行能量分割后，极大地提高了动力电池系统的安全性；混合动力机车工况运行的复杂性导致了动力蓄电池充放电状态频繁切换，而多支路系统的充放电控制策略及SOC校准策略直接影响动力电池系统的安全性、使用性能和电池的使用寿命。
本发明采用的技术方案如下：一种混合动力机车的多支路动力电池系统控制方法，所述控制方法基于多支路动力电池系统，所述动力电池系统包括多条并联蓄电池支路BAT1～BATn、蓄电池管理系统、与蓄电池支路并联的牵引变流器以及为蓄电池充电的发电机组，每条蓄电池支路上设有一个IGBT元件；发电机组通过整流电路与蓄电池支路并联；根据蓄电池管理系统提供的每条支路最大允许充电电流和柴油发电机组的充电电流计算出该支路蓄电池的目标充电电流，通过牵引变流器控制每条支路上的IGBT元件开通时间从而控制每条蓄电池支路的充电电流。
进一步的，充电具体过程为：根据蓄电池管理系统每一支路允许最大充电电流An，对所有支路最大允许充电电流求和,计算出蓄电池总的允许充电电流B1＝∑An；根据发电机组GS经整流电路Z变成直流，直流输出功率P1，扣除辅助功率P2，得到充电功率P3＝P1-P2，除以主发主发整流后的中间电压U1，得到发电机组最大可供充电电流I＝P3/U1；
当B1＞I时，每一路目标充电电流每一路目标充电电流Dn＝(C1/B1)*An；
当B1≤I时，每一路目标充电电流Dn＝An；
每条支路的充电电流根据电池管理系统给定目标值独立控制，牵引变流器按照充电电流目标值Dn控制IGBT开通时间。
进一步的，还包括，动力制动能量回收方法：通过将司控器给定的制动力目标值发送至牵引变流器，牵引变流器对机车轮周制动力进行控制，产生的制动能量优先对蓄电池支路充电和机车辅助系统消耗。
进一步的，动力制动能量回收方法还包括：在蓄电池充电电流大于电池管理系统允许值时，加大制动电阻消耗功率，直至蓄电池充电电流符合所需要求。
进一步的，放电时，机车微机通过控制牵引功率，确保每一支路动力蓄电池放电电流在蓄电池管理系统提供的允许值以内；当任一动力蓄电池支路电流超过该路蓄电池管理系统最大允许值时，降低牵引功率，直到每一条动力电池支路的放电电流都在其最大允许值以内。
进一步的，蓄电池充电校准方法：每一条蓄电池支路电流大于0.1C且蓄电池最高单体电压大于设定的目标值Y时，设置该蓄电池支路电量为C,并停止该支路蓄电池充电。
进一步的，所述蓄电池为磷酸铁锂电池时，目标值Y取值为3.51～3.55V，蓄电池支路电量C取值为90％～95％。
进一步的，蓄电池放电校准方法：每一条蓄电池支路电流大于0.1C且蓄电池最低单体电压低于设定目标值N时，设置该蓄电池支路电量为C1,并停止该支路蓄电池放电。
进一步的，所述蓄电池为磷酸铁锂电池时，目标值N为3.15V，蓄电池支路电量C1取值为20～30％。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：
(1)对大容量动力电池系统进行了能量分割，将大容量动力电池系统分割为多个独立可控的较小容量的支路并联，极大地提高了动力电池系统的安全性。
(2)每个动力电池支路单独控制充电电流，减小各动力电池支路的电量差异，提高了整个动力电池系统的充电深度，增加了动力电池系统每次充电后的可用电量；既保证了各支路动力电池系统的安全，也最大程度避免过充对电池的伤害，延长电池使用寿命。
(3)在保证动力蓄电池安全的前提下，可有效回收、利用机车车制动能量，保证机车运用最大经济性。
(4)通过控制牵引功率，实现各支路放电电流控制；既保证了各支路动力电池系统的安全，也最大程度避免过放对电池的伤害，延长电池使用寿命。
(5)通过动力电池组在放电末端和满电状态下的电压校准，避免SOC出现累计误差，提高了SOC的计算精度，能真实地反映出动力电池系统的实时电量水平，使动力电池系统充电深度和放电深度能得到合理的控制和运用，充分发挥出动力电池系统及整车的性能。
附图说明
图1是现有技术中多支路动力电池系统示意图。
图2是本发明一实施例的多支路动力电池系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
如图2所示，本发明提供了一种多支路动力电池系统控制方法，对大容量动力电池系统进行了能量分割，将大容量动力电池系统分割为多个独立可控的较小容量的支路并联，极大地提高了动力电池系统的安全性；具体方案如下：
一种混合动力机车的多支路动力电池系统控制方法，所述控制方法基于多支路动力电池系统，所述动力电池系统包括多条并联蓄电池支路BAT1～BATn、蓄电池管理系统、与蓄电池支路并联的牵引变流器以及为蓄电池充电的发电机组，每条蓄电池支路上设有一个IGBT元件；发电机组通过整流电路与蓄电池支路并联；根据蓄电池管理系统提供的每条支路最大允许充电电流和柴油发电机组的充电电流计算出该支路蓄电池的目标充电电流，通过牵引变流器控制每条支路上的IGBT元件开通时间从而控制每条蓄电池支路的充电电流。
其中，充电具体过程为：根据蓄电池管理系统每一支路允许最大充电电流An，对所有支路最大允许充电电流求和,计算出蓄电池总的允许充电电流B1＝∑An；根据发电机组GS经整流电路Z变成直流，直流输出功率P1，扣除辅助功率P2，得到充电功率P3＝P1-P2，除以主发主发整流后的中间电压U1，得到发电机组最大可供充电电流I＝P3/U1；
当B1＞I时，每一路目标充电电流每一路目标充电电流Dn＝(C1/B1)*An；
当B1≤I时，每一路目标充电电流Dn＝An；
每条支路的充电电流根据电池管理系统给定目标值独立控制，牵引变流器按照充电电流目标值Dn控制IGBT开通时间，可实时控制每路蓄电池充电电流，既保证了各支路动力电池系统的安全，也最大程度避免过充对电池的伤害，延长电池使用寿命。。
优选的，所述控制方法还包括动力制动能量回收方法：通过将司控器给定的制动力目标值发送至牵引变流器，牵引变流器对机车轮周制动力进行控制，为了提高经济性，产生的制动能量优先对蓄电池支路充电和机车辅助系统消耗。在蓄电池充电电流大于电池管理系统允许值时，加大制动电阻消耗功率，直至蓄电池充电电流符合所需要求；所述允许值为电池已知参数。
放电时，多支路动力电池系统通过二极管对外输出功率,其输出功率除少部分用于直流或交流辅助负载外,大部分用于提供牵引功率,通过控制牵引输出功率达到控制动力蓄电池输出电流在允许值内，既保证了各支路动力电池系统的安全，也最大程度避免过放对电池的伤害，延长电池使用寿命。
机车微机通过控制牵引功率，确保每一支路动力蓄电池放电电流在蓄电池管理系统提供的允许值以内；当任一动力蓄电池支路电流超过该路蓄电池管理系统最大允许值时，降低牵引功率，直到每一条动力电池支路的放电电流都在其最大允许值以内。
蓄电池过充会使蓄电池负极析出锂金属，造成电池性能下降；蓄电池过放也会使部分蓄电池容量衰减，整个系统一致性恶化。蓄电池既要防止过充，也要防止过放。
蓄电池充放电电流允许值与电池的电量SOC值强相关,蓄电池电量SOC采用蓄电池电流积分，即SOC＝∫Idt。由于电流传感器本身存在误差，蓄电池管理系统在积分计算电量SOC值时就会出现误差，尤其是经过多次充放电循环后，蓄电池电量计算的SOC累计偏差会更大，由此给出的允许充放电电流必然出现偏差。如果不对SOC进行校准，蓄电池就可能出现过充、过放的问题。
蓄电池在同样的充放电电流下，实际的SOC值越高，其电压会迅速上升；相反，蓄电池实际容量较低时放电，电压会迅速下降。
因此，本发明的控制方法还提供了蓄电池充电校准方法：每一条蓄电池支路电流大于0.1C且蓄电池最高单体电压大于设定的目标值Y时，设置该蓄电池支路电量为C,并停止该支路蓄电池充电。其中，所述蓄电池为磷酸铁锂电池时，目标值Y取值为3.51～3.55V，蓄电池支路电量C取值为90％～95％。
以及蓄电池放电校准方法：每一条蓄电池支路电流大于0.1C且蓄电池最低单体电压低于设定目标值N时，设置该蓄电池支路电量为C1,并停止该支路蓄电池放电。其中，所述蓄电池为磷酸铁锂电池时，目标值N为3.15V，蓄电池支路电量C1取值为20～30％。
在蓄电池类型发生改变时，相应的目标值Y、N也根据实际情况做出调整。
混合动力机车安全性与动力电池系统的能量直接相关，将大容量动力电池系统按多支路并联方式的拓扑结构进行能量分割后，极大地提高了动力电池系统的安全性；混合动力机车工况运行的复杂性导致了动力蓄电池充放电状态频繁切换，而多支路系统的充放电控制方法及SOC校准方法直接影响动力电池系统的安全性、使用性能和电池的使用寿命。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims (9)

1.一种混合动力机车的多支路动力电池系统控制方法，其特征在于，所述控制方法基于多支路动力电池系统，所述动力电池系统包括多条并联蓄电池支路BAT1～BATn、蓄电池管理系统、与蓄电池支路并联的牵引变流器以及为蓄电池充电的柴油发电机组，每条蓄电池支路上设有一个IGBT元件；柴油发电机组通过整流电路与蓄电池支路并联；根据蓄电池管理系统提供的每条支路最大允许充电电流和柴油发电机组的充电电流计算出该支路蓄电池的目标充电电流，通过牵引变流器控制每条支路上的IGBT元件开通时间从而控制每条蓄电池支路的充电电流。
2.根据权利要求1所述的混合动力机车的多支路动力电池系统控制方法，其特征在于，充电具体过程为：根据蓄电池管理系统每一支路允许最大充电电流An，对所有支路最大允许充电电流求和,计算出蓄电池总的允许充电电流B1＝∑An；根据柴油发电机组GS经整流电路Z变成直流，直流输出功率P1，扣除辅助功率P2，得到充电功率P3＝P1-P2，除以主发整流后的中间电压U1，得到柴油发电机组最大可供充电电流I＝P3/U1；
当B1＞I时，每一路目标充电电流Dn＝(I/B1)*An；
当B1≤I时，每一路目标充电电流Dn＝An；
每条支路的充电电流根据电池管理系统给定目标值独立控制，牵引变流器按照充电电流目标值Dn控制IGBT开通时间。
3.根据权利要求1或2所述的混合动力机车的多支路动力电池系统控制方法，其特征在于，还包括，动力制动能量回收方法：通过将司控器给定的制动力目标值发送至牵引变流器，牵引变流器对机车轮周制动力进行控制，产生的制动能量优先对蓄电池支路充电和机车辅助系统消耗。
4.根据权利要求3所述的混合动力机车的多支路动力电池系统控制方法，其特征在于，动力制动能量回收方法还包括：在蓄电池充电电流大于电池管理系统允许值时，加大制动电阻消耗功率，直至蓄电池充电电流符合所需要求。
5.根据权利要求1所述的混合动力机车的多支路动力电池系统控制方法，其特征在于，放电时，机车微机通过控制牵引功率，确保每一支路动力蓄电池放电电流在蓄电池管理系统提供的允许值以内；当任一动力蓄电池支路电流超过该路蓄电池管理系统最大允许值时，降低牵引功率，直到每一条动力电池支路的放电电流都在其最大允许值以内。
6.根据权利要求1或2所述的混合动力机车的多支路动力电池系统控制方法，其特征在于，蓄电池充电校准方法：每一条蓄电池支路电流大于0.1C且蓄电池最高单体电压大于设定的目标值Y时，设置该蓄电池支路电量为C,并停止该支路蓄电池充电。
7.根据权利要求6所述的混合动力机车的多支路动力电池系统控制方法，其特征在于，所述蓄电池为磷酸铁锂电池时，目标值Y取值为3.51～3.55V，蓄电池支路电量C取值为90％～95％。
8.根据权利要求6所述的混合动力机车的多支路动力电池系统控制方法，其特征在于，蓄电池放电校准方法：每一条蓄电池支路电流大于0.1C且蓄电池最低单体电压低于设定目标值N时，设置该蓄电池支路电量为C1,并停止该支路蓄电池放电。
9.根据权利要求8所述的混合动力机车的多支路动力电池系统控制方法，其特征在于，所述蓄电池为磷酸铁锂电池时，目标值N为3.15V，蓄电池支路电量C1取值为20～30％。
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