CN116001585A - 储能式有轨电车及其储能电源充电控制系统、方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种储能式有轨电车及其储能电源充电控制系统、方法，包括车辆受电器；当车辆位于有网区内时，车辆受电器输入端与接触网接触；所述接触网通过第一防反二极管与变电站连接；当车辆位于充电区内时，车辆受电器输入端与充电轨接触；所述充电轨通过第二防反二极管与地面充电系统连接；所述车辆受电器输出端与车载供电系统连接。本发明可以防止受电器与接触网、地面充电系统之间产生电弧，保证了设备的安全使用和车辆的安全运行。

Description

储能式有轨电车及其储能电源充电控制系统、方法

技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，特别是一种储能式有轨电车及其储能电源充电控制系统、方法。

背景技术

储能式现代有轨电车一般采用车载储能系统，针对全线无网的储能式有轨电车，车辆不配置车载充电机，进站后，由地面充电系统进行进站检测，根据车载储能系统的充电曲线进行充电管理。但是针对局部有网的储能式有轨电车，车辆需配置车载充电机，在接触网区间，通过车载充电机对车辆储能电源进行充电，但是到了有地面充电系统的站点，同样需要进行充电，充电方式与全线无网的储能式有轨电车不同，地面充电系统为接触网，需要车载充电机根据车载储能系统充电曲线进行充电管理，同时需要车辆进行进站检测，还需要考虑车辆进站时，受电器端的电压与地面充电系统接触网的网压匹配，防止在受电器与接触网接触时因存在压差而导致电弧的产生。

因此有必要研究一种应用于储能式现代有轨电车储能电源充电管理的方法，实现车辆自动充电的功能，并保障充电过程安全。

CN105914861A提供了一种复合储能电源及利用其实现稳定直流母线电压的方法，其将电池与超级电容均连接DC/DC，再将DC/DC并联。该方案未考虑不同线路，如有网区，无网区，充电区的充放电管理方法，在进站充电时，无法防止电弧的产生。

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，提供一种储能式有轨电车及其储能电源充电控制系统、方法，防止出现过流、拉弧现象。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种储能式有轨电车储能电源充电控制系统，包括车辆受电器；

当车辆位于有网区内时，车辆受电器输入端与接触网接触；所述接触网通过第一防反二极管与变电站连接；

当车辆位于充电区内时，车辆受电器输入端与充电轨接触；所述充电轨通过第二防反二极管与地面充电系统连接；

所述车辆受电器输出端与车载供电系统连接。

本发明在接触网与变电站之间设置第一防反二极管，在充电轨与地面充电系统之间设置第二防反二极管，利用防反二极管的反向截止功能，有效防止了电弧产生，避免了出现拉弧现象，同时可以防止因受电器与接触网或充电轨之间存在电压差而产生瞬间冲击电流，避免了出现过流现象。

本发明中，为了准确获知车辆的位置，上述控制系统还包括：

第一位置信标和第二位置信标，分别设置于有网区两端地面上；

第三位置信标，设置于充电区地面；

位置信标检测装置，设置于车辆上。

车辆上的位置信标检测装置与位置信标配合，用于确定车辆是否进入有网区或充电区。

进一步的，所述接触网与充电轨的电压均低于第一设定阈值。本发明中，第一设定阈值可以设定为车辆母线电压临界低区下限值以下，因车辆母线电压高于接触网和充电轨的电压，同时在防反二级管的反向截止的作用下，可以进一步防止电弧的产生，同时防止电压差产生的瞬间冲击电流。

进一步的，所述车载供电系统包括依次连接的车载储能系统、车载DC/DC系统、主逆变器；所述主逆变器与电机连接；所述车辆受电器输出端接入所述车载DC/DC系统和所述主逆变器之间。

进一步的，当所述位置信标检测装置检测到第一位置信标的信号，车辆母线电压低于第一设定阈值，且车辆受电器有电流时，车载DC/DC系统进入接触网工作模式。

接触网工作模式下，车辆为牵引状态时，若车载储能系统SOC值低于目标值，则车载DC/DC系统通过接触网对车载储能系统充电，直至车载储能系统SOC值达到目标值；车辆为制动状态时，若车载储能系统SOC值低于目标值，则车载DC/DC系统控制车载储能系统进行制动能量回收，若车载储能系统SOC超过最大允许值，则投入制动电阻或机械制动(电控液压制动)。

进一步的，当所述车辆在无网区时，车载DC/DC系统默认进入自动工作模式，控制车辆母线电压，使得所述车辆母线电压位于正常区间内。

自动工作模式下，车辆进入制动状态时，若车辆母线电压进入临界高区，则所述车载DC/DC系统对所述车载储能系统充电，使所述车辆母线电压降低至正常区间内；若所述车辆母线电压超过临界高区上限值，则投入制动电阻或机械制动(电控液压制动)。

自动工作模式下，车辆进入牵引状态时，若车辆母线电压进入临界低区，车载DC/DC系统对车载储能系统放电，使所述车辆母线电压升高至正常区间内。

当所述位置信标检测装置检测到第三位置信标的信号，车辆母线电压低于第一设定阈值，且车辆受电器有电流、车辆零速信号为零时，车载DC/DC系统进入快速充电模式。

快速充电模式下，车载DC/DC系统根据车载储能系统的充电曲线充电。

本发明还提供了一种储能式有轨电车储能电源充电控制方法，储能电源包括依次连接的车载储能系统、车载DC/DC系统、主逆变器；所述主逆变器与电机连接；车辆受电器输出端接入所述车载DC/DC系统和所述主逆变器之间；该方法包括：

当所述位置信标检测装置检测到第一位置信标的信号，车辆母线电压低于第一设定阈值，且车辆受电器有电流时，车载DC/DC系统进入接触网工作模式；

当所述车辆在无网区时，车载DC/DC系统进入自动工作模式，控制车辆母线电压，使所述车辆母线电压位于正常区间内；

当所述位置信标检测装置检测到第三位置信标的信号，车辆母线电压低于第一设定阈值，且车辆受电器有电流、车辆零速信号为零时，车载DC/DC系统进入快速充电模式；

其中，

当车辆位于有网区内时，车辆受电器输入端与接触网接触；所述接触网通过第一防反二极管与变电站连接；

当车辆位于充电区内时，车辆受电器输入端与充电轨接触；所述充电轨通过第二防反二极管与地面充电系统连接。

本发明实现了储能式现代有轨电车储能电源进站自动充电的功能，确保了车辆在进站、停止、出站过程中，车辆与地面充电系统间充电安全性，不出现过流，拉弧等现象。本发明考虑了不同线路，如有网区，无网区，充电区的充放电管理方法，保证在进入及离开接触网区和地面充电站时，受电器与接触网、地面充电系统之间不产生电弧，保证了设备的安全使用，确保了车辆安全运行。本发明通过对车辆的三个模式状态控制及三个模式间的切换，使得车辆能兼容全线无网线路和局部有网的线路，适用性强。

作为一个发明构思，本发明还提供了一种储能式有轨电车，其采用上述充电控制系统。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

1)本发明可以防止受电器与接触网、地面充电系统之间产生电弧，保证了设备的安全使用和车辆的安全运行；

2)通过对车辆的三个模式状态控制及三个模式间的切换，使得车辆能兼容全线无网线路和局部有网的线路，适用性强。

附图说明

图1为本发明实施例自动工作模式下牵引状态时的工作原理图；

图2为本发明实施例自动工作模式下制动状态时的工作原理图；

图3为本发明实施例接触网工作模式下接触网混合供电状态的工作原理图；

图4为本发明实施例接触网工作模式下接触网独立供电状态的工作原理图；

图5为本发明实施例接触网工作模式下制动状态的工作原理图；

图6为本发明实施例快速充电模式的工作原理图；

图7为车辆母线电压分区示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地说明，显然，所描述的实施例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。

在本文中，术语“第一”、“第二”和其它类似词语并不意在暗示任何顺序、数量和重要性，而是仅仅用于对不同的元件进行区分。在本文中，术语“一”、“一个”和其它类似词语并不意在表示只存在一个所述事物，而是表示有关描述仅仅针对所述事物中2的一个，所述事物可能具有一个或多个。在本文中，术语“包含”、“包括”和其它类似词语意在表示逻辑上的相互关系，而不能视作表示空间结构上的关系。例如，“A包括B”意在表示在逻辑上B属于A，而不表示在空间上B位于A的内部。另外，术语“包含”、“包括”和其它类似词语的含义应视为开放性的，而非封闭性的。例如，“A包括B”意在表示B属于A，但是B不一定构成A的全部，A还可能包括C、D、E等其它元素。

实施例1

如图1～图7所示，本实施例提供了一种储能式有轨电车储能电源充电控制系统，其包括车辆受电器15。本实施例中，车载供电系统包括依次连接的车载储能系统11、车载DC/DC系统12、主逆变器13；主逆变器与电机14连接；车辆受电器输出端接入车载DC/DC系统和主逆变器之间。车辆DC/DC系统与主逆变器之间并联有储能电容和电阻R。

当车辆位于有网区内时，车辆受电器输入端与接触网22接触；接触网22通过第一防反二极管21与变电站连接。如图4所示，接触网22与第一防反二极管阴极连接，第一防反二极管阳极与变电站连接。

当车辆位于充电区内时，车辆受电器输入端与充电轨42接触；所述充电轨通过第二防反二极管41与地面充电系统4连接。如图6所示，充电轨与第二防反二极管阴极连接，第二防反二极管阳极与地面充电系统连接。

本实施例中，根据局部有网及地面充电的需要，储能式有轨电车需要配置车载DC/DC系统，对车载储能电源进行双向变流控制及充放电管理。为识别在不同区间段有网区，无网区，充电区，在有网区开始端地面配置一个位置信标31(第一位置信标)，结束端地面配置一个位置信标32(第二位置信标)，充电区地面配置一个位置信标5(第三位置信标)，同时在车辆上配置一个位置信标检测装置16，通过识别位置信标信号，可以判断车辆所处的区间段。

为保证车辆在任何时候及工况下，进入有网区或地面充电区，不因车辆母线电压与接触网22或充电轨42存在电压差，而导致在预接触时电弧的产生及接触后的瞬间的冲击电流的产生，在变电所(即变电站2)至接触网22间设置第一防反二级管，地面充电系统至充电轨间设置第二防反二级管，同时将接触网和充电轨的电压设置在母线电压临界低区以下(例：550V)。因车辆母线电压高于接触网和充电轨的电压，同时在防反二级管的反向截止的作用下，可以有效防止电弧的产生，同时防止电压差产生的瞬间冲击电流。

本实施例中，接触网或地面充电系统在输出端设置一个防反二极管，车辆设置一个的位置检测系统，同时在地面相应的停车位置及网接触网始末位置设置配套的信标信号。车辆母线电压被分类管理为五个区域：临界高区、高区、正常区、低区和临界低区。车辆车载DC/DC系统分为2种工作模式：1)自动工作模式；2)快速充电模式；3)接触网工作模式。

自动工作模式下，当车辆前一时刻为牵引状态，当前状态进入制动状态时，在车辆母线电压进入临界高区时，车载DC/DC系统控制车载储能系统，进行制动能量回收，并逐步使得母线电压降低至正常区目标电压。若母线电压超过临界高区，则投入制动电阻(制动电阻并联在车辆母线上)或机械制动(电控液压制动)，限制最大电制动功率，消耗富余的制动能量。

自动工作模式下，当车辆前一时刻为制动状态，当前状态进入牵引状态时，在车辆母线电压进入临界低区时，车载DC/DC系统控制车载储能系统，进行能量释放，驱动车辆，并逐步使得母线电压升高至正常区目标电压。若母线电压低于临界地区，可能原因为车辆储能系统能量供应不足，则应降低牵引功率或停车处理。

在接触网工作模式下，车载DC/DC系统检测车载储能系统SOC状态，在牵引状态时，当车载储能系统SOC值低于目标值时，车载DC/DC系统根据车辆控制系统指定的目标电流或功率，通过接触网对车载储能系统进行充电，同时接触网还根据车辆的功率需求，进行功率输出。当车载储能系统SOC达到目标值后，车载DC/DC系统停止对储能系统进行充电，接触网单独为根据车辆的功率需求，进行功率输出。当车辆为制动状态，当车载储能系统SOC值低于目标值时，车载DC/DC系统控制车载储能系统，进行制动能量回收，若车载储能系统SOC超过最大允许值，则投入制动电阻或机械制动(电控液压制动)，限制最大电制动功率，消耗富余的制动能量。

在快速充电模式下，车载DC/DC系统根据车载储能系统充电曲线，进行能量补充，同时使得母线电压降低至与地面充电系统的电压一致，从地面接触网获得能量。

接触网及地面充电系统的输出电压设置为低于车辆母线电压的临界地区，保证在车辆进入接触网或地面充电系统充电轨时，通过防反二极管，避免车辆母线电压与接触网或地面充电系统充电轨存在压差，防止产生电弧。

车辆在无网区，默认工作在自动模式下，当车辆检测到接触网接触开始信标信号时，车载DC/DC系统降低母线电压至接触网电压，检测到受电器有电流时，由自动模式进入到接触网模式。当车辆检测到接触网结束信标信号时，车载DC/DC系统提高母线电压至正常区目标电压，检测到受电器无电流时，有接触网模式进入到自动模式。

车辆在无网区，默认工作在自动模式下，当车辆检测到地面充电站停车位置时信标信号机车辆零速信号为零状态时，车载DC/DC系统降低母线电压至充电系统输出电压，检测到受电器有电流时，由自动模式进入到接快速充电模式。当车辆检测到车辆零速信号为非零状态时，车载DC/DC系统提高母线电压至正常区目标电压，检测到受电器无电流时，由快速充电模式进入到自动工作模式。

实施例2

为了对车载储能系统进行有效的充放电管理，保证车辆母线电压基本稳定在目标电压，同时在制动时，母线电压不超过系统最高允许电压和最低允许电压，将车辆母线电压分为5个区(见图7)：临界高区110、高区111、正常区112、低区113和临界低区114。各分区主要作用如下表1。

表1车辆母线电压各分区主要作用

当车辆信标检测装置16检测到有网区开始端地面位置信标信号31时，车辆受电器15已与接触网22接触，车辆发送相应状态给车载DC/DC系统12，车载DC/DC系统12开始降低母线电压至临界低区114以下(例：550V)，当车辆检测到受电器15有电流时，使能车载DC/DC系统12进入接触网模式。

当车辆信标检测装置16检测到有网区结束端地面位置信标信号32时，车辆受电器15仍已与接触网22接触，车辆发送相应状态给车载DC/DC系统12，车载DC/DC系统12开始升高母线电压正常区112目标电压(例：780V)，当车辆检测到受电器15无电流时，使能车载DC/DC系统12进入自动模式。需根据车速及电压调节时间，距离结束端地面位置信标信号32预留一定的接触区间长度(例：10m)，保证在与接触网接触下进入自动工作模式。

当车辆信标检测装置16检测到充电区地面位置信标信号5时，车辆受电器15已与充电轨42接触，车辆发送相应状态给车载DC/DC系统12，车载DC/DC系统12开始降低母线电压至临界低区114以下(例：550V)，当车辆检测到受电器15有电流且车辆零速信号为零时，使能车载DC/DC系统12进入快速充电模式。当车辆检测到车辆零速信号为非零状态时，车辆发送相应状态给车载DC/DC系统12，车载DC/DC系统12开始升高母线电压正常区112目标电压(例：780V)，当车辆检测到受电器15无电流时，使能车载DC/DC系统12进入自动模式。需根据车速及电压调节时间，距离充电位置信标信号5预留一定的充电轨长度(例：6m)，保证在与充电轨接触下进入自动工作模式。

自动工作模式下，当车辆前一时刻为牵引状态，当前状态进入制动状态时，电机14通过主逆变器13往车辆母线输入能量，同时车载DC/DC系统12也将车辆储能系统11的能量输入母线，使得母线电压不断提高，当母线电压进入临界高区110时(例900V)，车载DC/DC系统12对车载储能系统11，进行充电，吸收制动能量，并逐步使得母线电压降低至正常区112目标电压(例780V)，见图2。若母线电压超过临界高区110(例970V)，则投入制动电阻或机械制动(电控液压制动)，限制最大电制动功率，消耗富余的制动能量。

如图1所示，自动工作模式下，当车辆前一时刻为制动状态，当前状态进入牵引状态时，主逆变器13将车辆母线的能量转送给电机14，同时车载DC/DC系统12也将车辆母线的能量转送给车载储能系统11，使得母线电压不断降低，当母线电压进入临界低区时(例660V)，车载DC/DC系统11对车载储能系统进行放电，为电机14提供能量，并逐步使得母线电压升高至正常区112目标电压(例：780V)。

在接触网工作模式下，车载DC/DC系统12检测车载储能系统11SOC状态，在牵引状态时，当车载储能系统SOC值低于目标值时，车载DC/DC系统12根据车辆控制系统指定的目标电流或功率，通过接触网对车载储能系统11进行充电，同时接触网还根据车辆的功率需求，进行功率输出，见图3。当车载储能系统SOC达到目标值后，车载DC/DC系统12停止对储能系统11进行充电，接触网单独为根据车辆的功率需求，进行功率输出，见图4。当车辆为制动状态，当车载储能系统SOC值低于目标值时，车载DC/DC系统控制车载储能系统11，进行制动能量回收，若车载储能系统SOC超过最大允许值，则投入制动电阻或机械制动(电控液压制动)，限制最大电制动功率，消耗富余的制动能量，见图5。

在快速充电模式下，车载DC/DC系统12根据车载储能系统11设定的充电电流及最高充电电压，进行充电，见图6。

实施例3

本发明实施例2提供了一种对应上述实施例1的储能式有轨电车，该储能式有轨电车采用实施例1的充电控制系统。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (18)

1.一种储能式有轨电车储能电源充电控制系统，其特征在于，包括车辆受电器；当车辆位于有网区内时，车辆受电器输入端与接触网接触；所述接触网通过第一防反二极管与变电站连接；

当车辆位于充电区内时，车辆受电器输入端与充电轨接触；所述充电轨通过第二防反二极管与地面充电系统连接；

所述车辆受电器输出端与车载供电系统连接。

2.根据权利要求1所述的储能式有轨电车储能电源充电控制系统，其特征在于，还包括：

第一位置信标和第二位置信标，分别设置于有网区两端地面上；

第三位置信标，设置于充电区地面；

位置信标检测装置，设置于车辆上。

3.根据权利要求1所述的储能式有轨电车储能电源充电控制系统，其特征在于，所述接触网与充电轨的电压均低于第一设定阈值。

4.根据权利要求1所述的储能式有轨电车储能电源充电控制系统，其特征在于，所述车载供电系统包括依次连接的车载储能系统、车载DC/DC系统、主逆变器；所述主逆变器与电机连接；所述车辆受电器输出端接入所述车载DC/DC系统和所述主逆变器之间。

5.根据权利要求4所述的储能式有轨电车储能电源充电控制系统，其特征在于，当所述位置信标检测装置检测到第一位置信标的信号，车辆母线电压低于第一设定阈值，且车辆受电器有电流时，车载DC/DC系统进入接触网工作模式。

6.根据权利要求5所述的储能式有轨电车储能电源充电控制系统，其特征在于，接触网工作模式下，车辆为牵引状态时，若车载储能系统SOC值低于目标值，则车载DC/DC系统通过接触网对车载储能系统充电，直至车载储能系统SOC值达到目标值；车辆为制动状态时，若车载储能系统SOC值低于目标值，则车载DC/DC系统控制车载储能系统进行制动能量回收，若车载储能系统SOC超过最大允许值，则投入制动电阻或机械制动。

7.根据权利要求4所述的储能式有轨电车储能电源充电控制系统，其特征在于，当所述车辆在无网区时，车载DC/DC系统进入自动工作模式，控制车辆母线电压，使所述车辆母线电压位于正常区间内。

8.根据权利要求7所述的储能式有轨电车储能电源充电控制系统，其特征在于，自动工作模式下，车辆进入制动状态时，若车辆母线电压进入临界高区，则所述车载DC/DC系统对所述车载储能系统充电，使所述车辆母线电压降低至正常区间内；若所述车辆母线电压超过临界高区上限值，则投入制动电阻或机械制动。

9.根据权利要求7所述的储能式有轨电车储能电源充电控制系统，其特征在于，自动工作模式下，车辆进入牵引状态时，若车辆母线电压进入临界低区，车载DC/DC系统对车载储能系统放电，使所述车辆母线电压升高至正常区间内。

10.根据权利要求4所述的储能式有轨电车储能电源充电控制系统，其特征在于，当所述位置信标检测装置检测到第三位置信标的信号，车辆母线电压低于第一设定阈值，且车辆受电器有电流、车辆零速信号为零时，车载DC/DC系统进入快速充电模式。

11.根据权利要求10所述的储能式有轨电车储能电源充电控制系统，其特征在于，快速充电模式下，车载DC/DC系统根据车载储能系统的充电曲线充电。

12.一种储能式有轨电车储能电源充电控制方法，储能电源包括依次连接的车载储能系统、车载DC/DC系统、主逆变器；所述主逆变器与电机连接；车辆受电器输出端接入所述车载DC/DC系统和所述主逆变器之间；其特征在于，该方法包括：

当所述位置信标检测装置检测到第一位置信标的信号，车辆母线电压低于第一设定阈值，且车辆受电器有电流时，车载DC/DC系统进入接触网工作模式；

当所述车辆在无网区时，车载DC/DC系统进入自动工作模式，控制车辆母线电压，使所述车辆母线电压位于正常区间内；

当所述位置信标检测装置检测到第三位置信标的信号，车辆母线电压低于第一设定阈值，且车辆受电器有电流、车辆零速信号为零时，车载DC/DC系统进入快速充电模式；

其中，

当车辆位于有网区内时，车辆受电器输入端与接触网接触；所述接触网通过第一防反二极管与变电站连接；

当车辆位于充电区内时，车辆受电器输入端与充电轨接触；所述充电轨通过第二防反二极管与地面充电系统连接。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述接触网工作模式下，车辆为牵引状态时，若车载储能系统SOC值低于目标值，则车载DC/DC系统通过接触网对车载储能系统充电，直至车载储能系统SOC值达到目标值；车辆为制动状态时，若车载储能系统SOC值低于目标值，则车载DC/DC系统控制车载储能系统进行制动能量回收，若车载储能系统SOC超过最大允许值，则投入制动电阻或机械制动。

14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述自动工作模式下，车辆进入制动状态时，若车辆母线电压进入临界高区，则所述车载DC/DC系统对所述车载储能系统充电，使所述车辆母线电压降低至正常区间内；若所述车辆母线电压超过临界高区上限值，则投入制动电阻或机械制动。

15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述自动工作模式下，车辆进入牵引状态时，若车辆母线电压进入临界低区，车载DC/DC系统对车载储能系统放电，使所述车辆母线电压升高至正常区间内。

16.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述快速充电模式下，车载DC/DC系统根据车载储能系统的充电曲线充电。

17.根据权利要求12～16之一所述的方法，其特征在于，所述接触网与充电轨的电压均低于第一设定阈值。

18.一种储能式有轨电车，其特征在于，其采用权利要求1～11之一所述的充电控制系统。

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