专利名称：一种用于电车的超级电容蓄能变频驱动电气控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及车辆，尤其涉及电动车辆的电气控制技术，特别涉及变频驱动电气控制系统，具体的是一种用于电车的超级电容蓄能变频驱动电气控制系统。
背景技术：
现有技术中，电动车辆以其零污染、低噪音、高经济性等优点，广泛得到应用。在城市公交电车方面，城市无轨或有轨电车的电气驱动绝大多数采用直流斩波驱动方式，采用机械抱闸停车，无法实现再生回馈式电制动，能耗与维修量大，同时城市无轨或有轨电车受架空线网供电的限制，灵活性、机动性差，架空供电线网又增加了城市空间的视觉污染。
发明内容
本发明所要解决的现有技术中的技术问题是由于现有技术中，城市无轨或有轨电车的电气驱动绝大多数采用直流斩波驱动方式，采用机械抱闸停车，无法实现再生回馈式电制动，能耗与维修量大，同时城市无轨或有轨电车受架空线网供电的限制，灵活性、机动性差，架空供电线网又增加了城市空间的视觉污染。
本发明为解决已有技术中的上述技术问题所采用的技术方案是提供一种用于电车的超级电容蓄能变频驱动电气控制系统，所述的这种用于电车的超级电容蓄能变频驱动电气控制系统由低压车头控制部分和高压系统控制部分构成，其中，所述的低压车头控制部分由车头控制器等构成，所述的车头控制器通过光纤耦合部件与CAN总线连接，所述的高压系统控制部分由系统控制器和变频驱动控制器等构成，所述的系统控制器与所述的CAN总线连接，所述的CAN总线上同时连接有变频驱动控制器，所述的变频驱动控制器与交流变频调速电机连接，所述的变频驱动控制器通过第一接触器与超级电容器连接，所述的超级电容器与车载充电器连接，所述的车载充电器与外部工作电源连接，所述的变频驱动控制器也可通过第二接触器与外部工作电源连接。
进一步的，电车的脚踏牵引主令信号、脚踏制动主令信号及运行状态主令信号送入所述的车头控制器，并通过所述的光纤耦合部件和所述的CAN总线把设定值与控制命令传送给所述的系统控制器，所述的系统控制器根据输入的信号进行逻辑状态判别并通过所述的CAN总线与所述的变频驱动控制器通讯，所述的变频驱动控制器控制所述的交流变频调速电机的工作状态和车辆的运行，所述的变频驱动控制器和所述的交流变频调速电机工作的运行状态及实际值数据通过所述的CAN总线由所述的系统控制器发送至所述的车头控制器。
进一步的，所述的超级电容器储存直流电能，所述的超级电容器中储存的直流电能通过所述的变频驱动控制器以交流电形式提供给交流变频调速电机，所述的变频驱动控制器以转矩控制方式驱动电车运行。
进一步的，用再生回馈式电气制动时，车辆的动能通过所述的变频驱动控制器转化为直流电能对所述的超级电容器充电。
进一步的，所述的车头控制器连接有监测显示屏。显示屏显示运行状态及数据。
进一步的，所述的变频驱动控制器可以采用外部架空线网工作电源和超级电容器双电源自动选择切换的供电方式。具体的，切换过程通过所述的第一接触器和所述的第二接触器的切换动作实现。也可以采用区间快速充电站的直流电源通过车载充电器向超级电容器快速充电贮存电能，然后在无架空线网条件下，用超级电容器单独供电方式驱动。
进一步的，所述的低压车头控制部分的工作电压为24伏直流电压。
进一步的，所述的车头控制器和系统控制器分别由DSP微处理器构成。
本发明的工作过程如下所述电车的脚踏牵引主令信号、脚踏制动主令信号及运行状态主令信号送入所述的车头控制器，并通过所述的光纤耦合部件和所述的CAN总线把设定值与控制命令传送给所述的系统控制器，所述的系统控制器根据输入的信号进行逻辑状态判别并通过所述的CAN总线与所述的变频驱动控制器通讯，控制所述的交流变频调速电机的工作状态和车辆的运行，所述的变频驱动控制器和所述的交流变频调速电机工作的运行状态及实际值数据通过所述的CAN总线由所述的系统控制器发送至所述的车头控制器，并经数据处理后在中文界面的运行状态及数据监测显示屏上显示，显示屏主画面有多种功能画面，可显示超级电容器实时的电压及电流、变频电机实时的电压及电流、车速、累计里程、能耗、故障、车辆运行状态、超级电容器充、放电能量以及制动回馈能量等。
本发明中所述的变频驱动控制器、超级电容器、车载充电器、交流变频调速电机、监测显示屏和接触器以及CAN总线为电气行业公知技术，在此不再赘述。
本发明与已有技术相对照，其效果是积极和明显的。本发明的具体优点如下所述本发明采用全数字转矩控制的矢量控制变频调速系统，用DSP微处理器作车头控制器和系统控制器，高、低压设备间采用光纤总线通讯模式，系统线路结构简洁，减少了大量控制线与接线端子，极大提高电车运行的可靠性，并实现安全可靠的电隔离。
本发明把贮存在超级电容器中的直流电能通过变频驱动装置转换成一定频率的交流电，供电给交流电动机并以转矩控制方式驱动电车运行。在用再生回馈式电气制动时，车辆的动能又通过变频驱动装置转化为直流电能对超级电容器充电蓄能，具有良好的节能节电效果，电能回收率约为10％-30％。
微处理器实现的车头控制器与系统控制器具有操作运行的自动选择和协调控制等逻辑功能，并具有运行数据的处理和分类提取功能。
车辆控制系统操作简便、直观，牵引踏板主令信号相当于汽车的油门，便于车辆起动及加速的操作运行。提高了起动加速力矩和车辆运行的稳定度，有效的电气制动无论在平地或斜坡都可以在无机械刹车条件下使电车制动减速到速度为零。
控制系统具有专用功能控制、可保证在零位保护条件下电车无牵引主令输入，确保设备和人身的安全，包括牵引主令零位，主接触器零位及经过架空线电门时的零位保护。并具有平地/斜坡的自动判别功能、零速时制动力控制功能，保证平地制动到零时减小制动力矩使电车平稳停车、而在斜坡制动时保证电车保持最大制动力矩，使电车在斜坡上无须机械刹车而电制动停车。另外在平地零速时即使踏下电制动踏板，也保证无电制动力矩，防止平地零速时再加入电气制动而造成车辆倒流后再停车的现象。
具有超级电容器和架空线网两套自动切换控制的供电系统，提高了车辆运行的机动性，也可以完全脱离架空线网，采用区间快速充电站的直流电源通过车载充电器向超级电容器快速充电贮存电能，然后用超级电容器单独供电驱动电车，消除架空线网的空中视觉污染，能满足新一轮市政建设中景观区域环保建设要求。
本控制系统还可以选择配置提供以下选件内容非接触式刷卡装置及管理数据软件包，用于加强智能化集中管理功能。
全球定位系统(GPS)及无线电通讯技术应用(GPRS)，用于提高系统运营的集中管理调度功能。
Internet网络管理系统软件，可使所有投用的车辆，通过Internet网以Web方式对其运行参数进行实时传输监测。同时，可以将历史运行参数以曲线、图表的形式加以显示。
本发明的目的、特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
图1是本发明一种用于电车的超级电容蓄能变频驱动电气控制系统的一个优选实施例的系统功能结构示意图。
图2是本发明一种用于电车的超级电容蓄能变频驱动电气控制系统的一个优选实施例中的转矩控制系统的原理图。
具体实施例方式
如图1所示，本发明一种用于电车的超级电容蓄能变频驱动电气控制系统，由低压车头控制部分和高压系统控制部分构成，其中，所述的低压车头控制部分以车头控制器1为主控单元，所述的高压系统控制部分以系统控制器2为主控单元，所述的车头控制器1通过光纤耦合部件10与所述的系统控制器2相连的CAN总线20相互通讯，电车的脚踏牵引主令信号、脚踏制动主令信号及运行状态主令信号送入所述的车头控制器1，并通过所述的光纤耦合部件10和所述的CAN总线20把设定值与控制命令传送给所述的系统控制器2，所述的系统控制器2根据输入的信号进行逻辑状态判别并通过所述的CAN总线20与变频驱动控制器3通讯，控制交流变频调速电机4的工作状态和车辆的运行，所述的变频驱动控制器3和所述的交流变频调速电机4工作的运行状态及实际值数据通过所述的CAN总线20由所述的系统控制器2发送至所述的车头控制器1，并经数据处理后在中文界面的运行状态及数据监测显示屏5上显示，显示屏主画面有多种功能画面，可显示超级电容器6实时的电压及电流、变频调速电机4实时的电压及电流、车速、累计里程、能耗、故障、车辆运行状态、超级电容器6充、放电能量以及制动回馈能量等。
本发明的运行特征是采用区间快速充电站的直流电源通过所述的车载充电器7向所述的超级电容器6快速充电贮存电能，然后在无架空线网条件下，用所述的超级电容器6贮存的直流电能通过所述的变频驱动控制器3转换成一定频率的交流电，给交流变频调速电机4供电并以转矩控制方式驱动电车运行，在用再生回馈式电气制动时，车辆的动能又通过所述的变频驱动控制器3转化为直流电能对超级容器6充电蓄能。所述的变频驱动控制器3也可以采用外部架空线网工作电源和超级电容器6双电源自动选择切换的供电方式，具体的，切换过程是通过所述的第一接触器30和所述的第二接触器40的切换来实现的。
变频驱动控制器采用标准的矢量控制逆变器，构成转矩控制的PWM矢量控制方式运行，转矩控制系统的原理框图如图2所示，牵引主令信号通过倒车/顺车选择器后作为转矩给定限幅值TLim*送入变频驱动控制器，由此使交流变频电机AM产生相应的电磁转矩TEM，电磁转矩TEM与车辆的负载转矩TL之差即为动态加速转矩TDA(TEM-TL＝TDA)，同时TLim*也决定了系统的速度设定值n*，TLim*小于0时，n*为正向速度给定的最大值，当TLim*大于零时则n*为反向速度给定最大值，当牵引主令为零时(即TLim*＝0)则n*＝0。动态加速转矩TDA使电机加速，直到速度等于最大给定速度。只有当电机的电磁转矩TEM等于车辆的负载转矩TL时，电机才稳速运行，因此牵引主令信号的大小相当于汽车的油门，可方便控制电机的转矩以及车辆的起动及加速的操作运行。转矩控制系统中n*和由与交流电机AM同轴的脉冲发生器PG得到的实际转速nact的差值送入n调节器构成速度闲环。由转矩限幅环节输出的转矩设定值T*，经变换后作为电流转矩分量的设定值IT*，IM*为电流磁通分量的设定值，IT*和IM*与由矢量变换的电机模型得到的电流实际值ITact和IMact，通过IT调节器与IM调节器构成电流闭环。IT调节器与IM调节器的输出经坐标变换后得到电压设定值U*和相位角α，U*经Ud校正环节后得到电机定子电压的控制值UST。另外由脉冲发生器PG输出的转子频率f2与矢量变换的电机模型输出的滑差频率fs构成转差闭环，得到定子频率f(f＝f2+fs)。UST、α、f经PWM驱动触发装置后使逆变器的6个IGBT主元件轮流导电工作，输出一定频率的交流电，使交流电机按转矩控制要求变频调速运行。
同样制动主令信号通过倒车/顺车选择器后使电机产生反向制动转矩，可有效地将车辆减速到速度为零，在电制动过程中，可把车辆的动能转变为电能，向超级电容器回馈充电，有明显的节能效果。
超级电容蓄能变频驱动电车电气控制系统可以采用架空线网和超级电容器双电源自动选择切换供电，也可以不用架空线网采用超级电容器单独供电运行。
该系统中电机的最大电磁转矩与最大制动转矩可达到200％额定转矩。
本发明的控制系统具有参数自动辩识、故障自动诊断、参数自动寻优等良好的调试、运行手段，并具有完善的故障保护措施(过压、欠压、超速、过流、过载、通讯故障等)，确保电车可靠运行。
本发明可适用于各种电动车辆如城市无轨电车、有轨电车、电动轿车、电动卡车及电动叉车等。
权利要求
1.一种用于电车的超级电容蓄能变频驱动电气控制系统，由低压车头控制部分和高压系统控制部分构成，其特征在于所述的低压车头控制部分由车头控制器等构成，所述的车头控制器通过光纤耦合部件与CAN总线连接，所述的高压系统控制部分由系统控制器和变频驱动控制器等构成，所述的系统控制器与所述的CAN总线连接，所述的CAN总线上同时连接有变频驱动控制器，所述的变频驱动控制器与交流变频调速电机连接，所述的变频驱动控制器通过第一接触器与超级电容器连接，所述的超级电容器与车载充电器连接，所述的车载充电器与外部工作电源连接，所述的变频驱动控制器也可通过第二接触器与外部工作电源连接。
2.如权利要求1所述的用于电车的超级电容蓄能变频驱动电气控制系统，其特征在于电车的脚踏牵引主令信号、脚踏制动主令信号及运行状态主令信号送入所述的车头控制器，并通过所述的光纤耦合部件和所述的CAN总线把设定值与控制命令传送给所述的系统控制器，所述的系统控制器根据输入的信号进行逻辑状态判别并通过所述的CAN总线与所述的变频驱动控制器通讯，所述的变频驱动控制器控制所述的交流变频调速电机的工作状态和车辆的运行，所述的变频驱动控制器和所述的交流变频调速电机工作的运行状态及实际值数据通过所述的CAN总线由所述的系统控制器发送至所述的车头控制器。
3.如权利要求1所述的用于电车的超级电容蓄能变频驱动电气控制系统，其特征在于所述的超级电容器储存直流电能，所述的超级电容器中储存的直流电能通过所述的变频驱动控制器以交流电形式提供给交流变频调速电机，所述的变频驱动控制器以转矩控制方式驱动电车运行。
4.如权利要求1所述的用于电车的超级电容蓄能变频驱动电气控制系统，其特征在于用再生回馈式电气制动时，车辆的动能通过所述的变频驱动控制器转化为直流电能对所述的超级电容器充电。
5.如权利要求1所述的用于电车的超级电容蓄能变频驱动电气控制系统，其特征在于所述的车头控制器连接有监测显示屏。
6.如权利要求1所述的用于电车的超级电容蓄能变频驱动电气控制系统，其特征在于所述的变频驱动控制器采用外部架空线网工作电源和超级电容器双电源自动选择切换的供电方式。
7.如权利要求1所述的用于电车的超级电容蓄能变频驱动电气控制系统，其特征在于所述的变频驱动控制器由区间快速充电站的直流电源通过车载充电器向超级电容器快速充电贮存电能，然后在无架空线网条件下，用超级电容器单独供电方式驱动。
8.如权利要求1所述的用于电车的超级电容蓄能变频驱动电气控制系统，其特征在于所述的低压车头控制部分的工作电压为24伏直流电压。
9.如权利要求1所述的用于电车的超级电容蓄能变频驱动电气控制系统，其特征在于所述的车头控制器和系统控制器分别由DSP微处理器构成。
全文摘要
一种用于电车的超级电容蓄能变频驱动电气控制系统，由低压车头控制部分和高压系统控制部分构成，低压车头控制部分通过光纤耦合部件与总线连接，高压系统控制部分由系统控制器和变频驱动控制器等构成，总线上连接有系统控制器与变频驱动控制器，变频驱动控制器与交流变频调速电机连接，变频驱动控制器通过接触器与超级电容器连接，牵引、制动及运行状态主令送入车头控制器，通过总线与系统控制器及变频驱动控制器通讯，交流变频调速电机驱动电车的正、反向运行，电车制动时动能回馈给超级电容器蓄能。结构简单、维护容易、调试方便，使电车在可靠性、安全性、灵活性、节能性、视觉污染及技术性能指标等方面都优于目前使用的直流斩波驱动电车。
文档编号B60L15/02GK1739998SQ20041005398
公开日2006年3月1日 申请日期2004年8月25日 优先权日2004年8月25日
发明者夏新顺, 陆政德, 樊华, 冒勇 申请人:上海瑞华(集团)有限公司