CN113472041A - 轨道交通车辆及其储能系统、控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轨道交通车辆及其储能系统、控制方法，储能系统包括N个并联的储能单元；所述储能电源包括储能电源箱；所述储能电源箱包括n个串联的储能元件，该n个串联的储能元件构成的串联支路两端分别与接触器的两个主触点连接，所述两个主触点均接车辆负载；所述接触器的线圈与列车控制管理系统连接；N≥1。本发明通过采用双稳态接触器，在无故障切除的条件下，无需控制接触器吸合，无需考虑车辆控制蓄电池电量低和线路压降引起的接触器无法吸合的问题。

Description

轨道交通车辆及其储能系统、控制方法

技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，特别是一种轨道交通车辆及其储能系统、控制方法。

背景技术

储能式有轨电车储能系统一般由多组相同配置的储能电源并联组成，为车辆提供动力电源。在运行中通过多组储能电源同时为车辆牵引、空调、照明等供电，并回收制动能量。在站台，车辆通过主动接入地面充电系统，为储能系统补充能量。

因储能电源能存储能量，满能量状态下，总电压较高，而且其内阻较小。两组储能电源若在较大的压差进行并联时，会在储能电源间出现较大的环流，导致储能电源过流充电或放电，引起事故分发生。为保证储能电源并联的安全，一般通过在并联前先放电至0V短接后，通过连接电缆直接并联。或是通过储能电源内部接触器，通过压差判断，达到一定条件后，通过控制接触器进行多组的并联。

直接通过电缆并联的储能系统，当储能系统其中一组故障时，无法断开和隔离，影响整个储能系统，导致整个储能系统不能工作。

车辆在未并联控制接触器前，控制接触器的闭合，是通过车辆蓄电池进行供电，接触器的吸合功率一般较大，当蓄电池电量较低时，可能存在因线路压降大，即使储能电源压差小，也无法吸合接触器，无法控制储能电源的并联投入，导致车辆无法运行。

通过接触器控制并联的储能系统，在车辆每次上电时，都需要进行压差判断。当车辆长时间存放时，由于储能元件一致性差异，各组储能电源漏电不一致，导致储能电源间压差过大，不满足多组并联的条件，需要通过外部设备，进行调压，时间一般较长，操作步骤较繁琐。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种轨道交通车辆及其储能系统、控制方法，在无故障切除的条件下，无需控制接触器吸合，无需考虑蓄电池电量低和线路压降引起的接触器无法吸合的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种储能系统，包括N个并联的储能单元；所述储能电源包括储能电源箱；所述储能电源箱包括n个串联的储能元件，该n个串联的储能元件构成的串联支路两端分别与接触器的两个主触点连接，所述两个主触点均接车辆负载；所述接触器的线圈与列车控制管理系统连接；N≥1。

本发明的接触器为双稳态接触器，车辆正常并联多组储能电源，在断电后，双稳态接触器仍然处于闭合状态，储能电源仍处于并联状态，在存放中，不受漏电差异的影响，保持电压相互一致，当再次启动车辆使用时，不需要重新调整电压，也不需重新控制接触器闭合，可直接使用储能电源进行供电。

本发明所称的双稳态接触器闭合（吸合），是指双稳态接触器的主触点闭合，双稳态接触器断开，是指双稳态接触器的辅触点断开。

所述接触器的线圈第一信号端与储能电源箱内第一继电器的触点连接；所述第一继电器的线圈与储能电源箱的管理系统连接。储能电源内部的管理系统CMS诊断储能电源的状态，发现严重故障时，如“储能电源过温报警”和“储能电源单体过压报警”，向TCMS发送“请求切除信号”，在周期时间5S内未收到TCMS已切除储能电源的反馈，CMS主动闭合中间继电器KA1（第一继电器），从而断开相连接的接触器。

所述接触器的线圈第二信号端与第二继电器的辅触点连接；所述第二继电器的辅触点接列车控制管理系统。继电器KA2（第二继电器）可以给出车辆正常运行模式和检修模式的两种模式的状态信号，通过TCMS进行状态的判断和控制。在正常运行模式时，短接接触器闭合互锁电气回路，解除所有储能电源接触器闭合的互锁控制。在检修模式时，使得接触器闭合互锁电气回路工作，实现所有储能电源接触器闭合的互锁控制。

第i个储能单元的接触器线圈第二信号端与由其余N-1个储能单元的接触器常闭触点串联而成的串联支路一端连接，该串联支路另一端接所述列车控制管理系统。本发明在每个接触器的闭合控制回路设置电气互锁回路，便于实现电气互锁。

所述列车控制管理系统与HMI通信。

所有储能电源箱的管理系统均与列车控制管理系统通信。

一种轨道交通车辆，其采用上述储能系统。

本发明还提供了一种上述储能系统的控制方法，车辆上电后，判断所有储能单元的接触器主触点是否都闭合，若都闭合，则上电激活完成；车辆下电时，接触器继续保持保持闭合状态；若任意一个接触器主触点未闭合，则当储能电源箱无请求切除，无通讯异常，N个储能电源箱间最大压差小于预设值ΔU时，发送闭合各个接触器主触点的指令，当所有接触器主触点都闭合后，退出上电激活模式。

本发明的方法还包括：正常工作模式下，列车控制管理系统检测是否收到任意一个储能电源箱有请求切除的指令，若有，则检测接触器主触点是否已断开，若未断开，则对车辆进行降功能运行控制，再对请求切除的储能电源箱对应的接触器发送断开主触点的指令。

本发明中，列车控制管理系统检测是否接收到“进入检修工作模式”指令，若是，则发出进入检修工作模式的指令，同时检测是否接收到“退出检修工作模式”的指令，若接收到，则退出检修工作模式，重新进入上电激活工作模式；若列车控制管理系统未接收到“进入检修工作模式”的指令，则检测上电激活工作模式是否已完成，若上电激活工作模式未完成，则进入上电激活工作模式；若上电激活工作模式已完成，则检测接触器所有主触点是否已闭合，若接触器所有主触点已全部闭合，则进入正常工作模式，否则，保持现有模式。

本发明的方法还包括：列车控制管理系统在收到进入检修模式的信号后，若收到HMI发送的其中一组储能电源接触器KMx的主触点闭合信号，则先判断KMx是否已闭合，若未闭合，则继续判断其他储能电源接触器KMy主触点是否有闭合的，若所有接触器KMy的主触点都未闭合，则列车控制管理系统发送闭合KMx主触点的指令，若KMy中存在主触点闭合的接触器，则列车控制管理系统不发送闭合KMx主触点的指令；若列车控制管理系统收到HMI发送的KMx主触点断开信号，若KMx主触点未断开，则直接发送断开KMx主触点的指令；y为除x外的所有接触器，x=1,2，…，N。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

1.本发明采用双稳态接触器作为并联控制的控制器件，车辆正常并联多组储能电源，在断电后，接触器仍然处于闭合状态，储能电源仍处于并联状态，在存放中，不受漏电差异的影响，保持电压相互一致，当再次启动车辆使用时，不需要重新调整电压，也不需重新控制接触器闭合，可直接使用储能电源进行供电。

2.本发明通过采用双稳态接触器，在无故障切除的条件下，无需控制接触器吸合，无需考虑蓄电池电量低和线路压降引起的接触器无法吸合的问题。

3.在检修模式下，本发明通过电气互锁，软件互锁控制，只允许在当前状态下一组储能电源的接触器的闭合控制，解除压差的限制，避免人为因素误操作，导致事故的发生；

4.本发明通过检修模式的权限管理，面对客户时，只有上电激活模式和正常模式，可实现并联控制的全自动控制管理。

5.在正常运行中，若储能电源发生故障请求切除，可以通过分断接触器，切除故障储能电源，避免故障的扩大，并能保持车辆继续运行。

附图说明

图1为本发明实施例电气原理图；

图2 为本发明实施例HMI界面操作示意图；

图3 为本发明实施例模式转换控制逻辑图；

图4 为本发明实施例上电激活工作模式控制逻辑图；

图5 为本发明实施例正常工作模式控制逻辑；

图6 为本发明实施例检修工作模式控制逻辑图。

具体实施方式

本发明储能电源箱可由n个储能元件、储能电源内部的管理系统（简称CMS）及其控制的继电器KA1等组成。储能元件C1~Cn通过串联，通过正负极熔断器F1和F2对外进行输出。每个储能电源箱内的CMS通过网络总线，相互连网并与列车控制管理系统（简称TCMS）进行连网通讯，CMS诊断储能电源箱的状态等，并发送给TCMS。当CMS发现严重故障时，向TCMS发送“请求切除信号”，在周期时间T内未收到TCMS已切除储能电源的反馈，CMS主动闭合中间继电器KA1，给接触器断开信号端（即第一信号端，对应KMn的4号端口）输出高电平，断开相连接的接触器。

图1对应的本发明实施例中，储能式有轨电车储能系统包括3组储能电源，在每组储能电源输出端设置一个双稳态接触器，再进行多组储能电源的并联。接触器的闭合和断开通过列车控制管理系统（简称TCMS）进行逻辑控制，高电平脉冲信号有效。储能电源内部的管理系统（简称CMS）诊断储能电源的状态，发现严重故障时，如“储能电源过温报警”和“储能电源单体过压报警”，向TCMS发送“请求切除信号”，在周期时间5S内未收到TCMS已切除储能电源的反馈，CMS主动闭合中间继电器KA1，从而断开相连接的接触器。

每个储能电源的主电路输出回路设置一个双稳态接触器KM1~KMn，接触器的闭合和断开都需要一个高电平脉冲信号，当无控制信号和无供电电源时，接触器保持前一状态。双稳态接触器由车辆辅助电源DC24V供电，可通过TCMS系统控制信号“KMn接触器断开”输出高电平至接触器闭合信号端（第二信号端，对应KMn的3号端口），实现接触器的断开控制，通过TCMS系统控制信号“KMn接触器闭合”输出高电平至接触器断开信号端，实现接触器的闭合控制。通过双稳态接触器将n个储能电源并联到车辆母线，为车辆负载供电，也可通过受电器接收外部充电系统的对储能电源进行充电。

KMn的1号端口、2号端口分别接DC24V电源正端和负端。

在每个接触器的闭合控制回路，设置电气互锁回路，将除本身外的其他接触器的常闭信号“KM2,KM3,…,KMn”、“KM1,KM3,…,KMn”…“KM1,KM2,…,KMn-1”进行串联接入闭合控制回路。

继电器KA2为车辆正常运行模式和检修模式的两种模式的状态信号，通过TCMS进行状态的判断和控制。当车辆为正常运行模式时，TCMS输出高电平，将KA2继电器吸合（KA2继电器只有一个常开触点，因此本发明提到的KA2闭合或断开，是指KA2常开触点闭合或断开），使得KA2的常开触点闭合，将接触器闭合回路的电气互锁回路短接，解除n组接触器的电气互锁控制。

当车辆为检修模式时，TCMS输出低电平，将KA2继电器断开，使得KA2的常开触点断开，将接触器闭合回路的电气互锁回路工作，实现检修模式时n组接触器的电气互锁控制。

列车人机交互界面（简称HMI）通过网络总线与TCMS通讯，将HMI上的操作信号发送给TCMS。HMI设置界面按钮，包含车辆“进入检修模式”、“接触器KMn闭合”、“接触器KMn断开”等界面操作按钮。HMI默认显示界面为界面1，主要包含“进入检修模式”按钮，当按下此按钮后，退出显示界面1并进入显示界面2，同时发送信号给TCMS，车辆进入检修模式，通过TCMS发送低电平信号断开继电器KA2，使得接触器的进入闭合互锁控制。进入界面2后，可通过“接触器KMn闭合”、“接触器KMn断开”按钮，信号发送给TCMS，将按下的按钮，通过TCMS对应的把高电平信号发送给接触器KMn的信号端3或信号端4，实现对接触器的断开和闭合控制。当按下“进入检修模式”按钮，当按下此按钮后，退出显示界面2并进入显示界面1，同时发送信号给TCMS，车辆进入正常工作模式，通过TCMS发送高电平信号断开继电器KA2，解除接触器的互锁控制。

检修模式的切换。进入检修模式时，储能电源接触器实现闭合控制的电气互锁，退出检修模式时，解除储能电源接触器闭合控制的电气互锁。实现正常模式下，多组能同时并联，检修模式下，只允许一组投入的电气互锁控制。

如图2，本发明实施例在车辆显示屏HMI设置界面按钮，进行正常模式和检修模式的切换。按下界面“进入检修模式”按钮，进入检修模式时，继电器KA2断开，储能电源接触器实现闭合控制的电气互锁，按下界面“退出检修模式”按钮，退出检修模式时，KA2闭合，解除储能电源接触器闭合控制的电气互锁。实现正常模式下，多组能同时并联，检修模式下，只允许一组投入的电气互锁控制。

控制逻辑可以分为模式转换、上电激活工作模式、检修工作模式、正常工作模式4个部分。接触器按照控制逻辑进行动作。通过模式转换、上电激活工作模式、检修工作模式、正常工作模式四个部分控制逻辑，对双稳态接触器按照控制逻辑进行动作控制，实现多组储能电源的并联控制，故障时的安全隔离及压差过大时的维护处理。

模式转换主要对四种工作模式的衔接管理，实现用户对并联控制的全自动管理和故障的自动切除。如图3，TCMS检测HMI是否发送“进入检修工作模式”，若有，则进入检修工作模式，同时检测HMI是否发送“退出检修工作模式”，若有，则退出检修工作模式，重新进入上电激活工作模式；若未收到HMI发送“进入检修工作模式”信号，则检测上电激活工作模式是否已完成，若上电激活工作模式未完成，则进入上电激活工作模式；若上电激活工作模式已完成，则检测所有接触是否已闭合。若接触器已全部闭合，则进入正常工作模式，若非全部闭合，则保持现状。

上电激活工作模式，在车辆上电时执行一次操作，主要实现接触器的多组并联控制，若不满足并联条件，直接退出上电激活模式。如图4，车辆上电后，先判断接触器是否都闭合，若都闭合，则直接认为上电激活完成。因采用的双稳态接触器，在上一次运行中，车辆下电时，可以不断开接触器，继续保持保持闭合状态，在此次上电时，就不需要重新判断其他条件，直接完成多组并联的控制。若判断接触器为未闭合，则判断储能电源是否有严重故障，是否请求切除，通讯是否正常、多组储能电源箱间最大压差小于预设值ΔU,若都满足，则发送闭合个接触器的指令，动作完成后，改变上电激活模式为完成状态，退出本模式。若上述任一条件未满足，则不发送接触器动作指令，直接改变上电激活模式为完成状态，退出本模式。

正常工作模式，是车辆多组储能电源并联后，实时监测储能电源的状态，发生严重故障时，先控制车辆降功能运行，再断开故障储能电源接触器，避免因储能电源工作组数的较少，而导致正常的储能电源过负荷运行。同时此阶段只允许断开接触器控制，不允许接触器的闭合控制，即使储能电源的故障已恢复。因为发生严重故障时，储能电源必须检修，不断进入故障状态，会加快器件的损伤，严重时，会导致故障不可控。如图5，进入正常工作模式后，TCMS检测是否有任何一组储能电源的请求切除的指令，若有，则再检测接触器是否已断开，若已断开，则不重复发送断开指令，若未断开，先对车辆进行降功能运行控制，如降低牵引功率等后，再对请求切除的储能电源的接触器发送断开指令。

检修工作模式，主要针对储能电源维护人员，具有相关权限，才能通过HMI界面操作进入检修模式。此模式下，主要用于分断各储能电源进行维护检修，选择需要调整电压的储能电源，进行充放电管理。如图6，TCMS收到HMI发送的进入检修模式信号后，等待HMI的操作信号，若收到HMI发送的KMx闭合信号（x=1,2，…，n），判断KMx是否已闭合，若已闭合，则不重复发送闭合KMx指令，若未闭合，则继续判断KMy（y为除x外的所有接触器）是否有闭合的，若所有的都未闭合，则发送闭合KMx的指令，若存在有闭合的接触器，则不发送闭合KMx接触器指令；若收到HMI发送的KMx断开信号（x=1,2，…，n），若KMx已断开，则不重复发送断开KMx指令，若未断开，则直接发送断开断开KMx指令。

Claims (10)

1.一种储能系统，其特征在于，包括N个并联的储能单元；所述储能电源包括储能电源箱；所述储能电源箱包括n个串联的储能元件，该n个串联的储能元件构成的串联支路两端分别与接触器的两个主触点连接，所述两个主触点均接车辆负载；所述接触器的线圈与列车控制管理系统连接；N≥1。

2.根据权利要求1所述的储能系统，其特征在于，所述接触器的线圈第一信号端与储能电源箱内第一继电器的触点连接；所述第一继电器的线圈与储能电源箱的管理系统连接。

3.根据权利要求1所述的储能系统，其特征在于，所述接触器的线圈第二信号端与第二继电器的常开触点连接；所述第二继电器的常开触点接列车控制管理系统。

4.根据权利要求1所述的储能系统，其特征在于，第i个储能单元的接触器线圈第二信号端与由其余N-1个储能单元的接触器辅触点串联而成的串联支路一端连接，该串联支路另一端接所述列车控制管理系统。

5.根据权利要求1～4之一所述的储能系统，其特征在于，所述列车控制管理系统与HMI通信。

6.根据权利要求1～4之一所述的储能系统，其特征在于，所有储能电源箱的管理系统均与列车控制管理系统通信。

7.一种轨道交通车辆，其特征在于，其采用权利要求1～6之一所述的储能系统。

8.一种权利要求1～6之一所述储能系统的控制方法，其特征在于，车辆上电后，判断所有储能单元的接触器主触点是否都闭合，若都闭合，则上电激活完成；车辆下电时，接触器继续保持保持闭合状态；若任意一个接触器主触点未闭合，则当储能电源箱无请求切除，无通讯异常，N个储能电源箱间最大压差小于预设值ΔU时，发送闭合各个接触器主触点的指令，当所有接触器主触点都闭合后，退出上电激活模式。

9.根据权利要求8所述的储能系统的控制方法，其特征在于，还包括：正常工作模式下，列车控制管理系统检测是否收到任意一个储能电源箱有请求切除的指令，若有，则检测接触器主触点是否已断开，若未断开，则对车辆进行降功能运行控制，再对请求切除的储能电源箱对应的接触器发送断开主触点的指令；

优选地，列车控制管理系统检测是否接收到“进入检修工作模式”指令，若是，则发出进入检修工作模式的指令，同时检测是否接收到“退出检修工作模式”的指令，若接收到，则退出检修工作模式，重新进入上电激活工作模式；若列车控制管理系统未接收到“进入检修工作模式”的指令，则检测上电激活工作模式是否已完成，若上电激活工作模式未完成，则进入上电激活工作模式；若上电激活工作模式已完成，则检测接触器所有主触点是否已闭合，若接触器所有主触点已全部闭合，则进入正常工作模式，否则，保持现有模式。

10.根据权利要求8所述的储能系统的控制方法，其特征在于，还包括：列车控制管理系统在收到进入检修模式的信号后，若收到HMI发送的其中一组储能电源接触器KMx的主触点闭合信号，则先判断KMx是否已闭合，若未闭合，则继续判断其他储能电源接触器KMy主触点是否有闭合的，若所有接触器KMy的主触点都未闭合，则列车控制管理系统发送闭合KMx主触点的指令，若KMy中存在主触点闭合的接触器，则列车控制管理系统不发送闭合KMx主触点的指令；若列车控制管理系统收到HMI发送的KMx主触点断开信号，若KMx主触点未断开，则直接发送断开KMx主触点的指令；y为除x外的所有接触器，x=1,2，…，N。

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