混合动力轨道车辆及其直流母线电压控制方法与系统与流程

1.本发明属于混合动力轨道车辆控制技术领域，尤其涉及一种混合动力轨道车辆及其直流母线电压控制方法与系统。


背景技术：

2.随着轨道交通储能技术的不断发展，车载储能技术作为动力电源在轨道交通领域得到越来越多的应用。由于储能技术发展限制，单一的储能器件性能很难同时满足整车对功率发挥和续航里程的要求，通过采取电
‑
电混合储能的方式，将能量型储能器件与功率型储能器件进行混合匹配，以满足整车对功率和能量的需求。
3.电
‑
电混合是将两种储能器件进行电气混合匹配，功率型器件通常选择电池或者超级电容。电池或者超级电容作为常用的车载储能器件，通常直接与整车直流母线直接并联，可以直接向车辆提供牵引所需的能量，并快速吸收再生制动能量，提高能量效率和整车功率相应速度。
4.图1～3给出了三种电
‑
电混合动力装置结构示意图，图1为柴油发电机组+电池或超级电容混合动力装置结构示意图，图2为燃料电池组+电池或超级电容混合动力装置结构示意图，图3为电池组+超级电容混合动力装置结构示意图。如图1～3所示，两种混合的储能元件之间(指的是直流斩波器左右两端的储能器件)通常是通过直流斩波器来进行功率调节和能量调节。
5.电池或者超级电容通常采用与直流母线(牵引逆变器和辅助逆变器的直流输入端)直接并联的方式以获得更高的使用效率(不需要额外的直流斩波器等设备)，也使得电池或者超级电容的投入更加快速、高效。在整车处于牵引工况时，电池或者超级电容可作为能量输出单元提供大功率输出，因此需要电池或者超级电容具有很高的可用能量以确保整车可以持续输出较大的功率和能量；在制动工况时，从节能角度出发又需要电池或者超级电容可作为能量回收单元吸收再生制动能量，可有效提高能量的利用率，因此需要电池或者超级电容可用能量值尽可能低以吸收更多的再生能量。
6.电池或者超级电容与直流母线直接并联连接，则电池或超级电容的使用电压范围与直流母线保持一致。电池或者超级电容的能量一般随电压降低而降低，超级电容的可用能量与电压更是成线性比例关系。同时，电池或者超级电容的功率特性与其能量状态实时相关，当电池或者超级电容的能量达到其下限时，则无法进行放电；当电池或者超级电容的能量达到其上限时，则无法进行充电。
7.当电池或者超级电容能量不足(电压降低至最低限值)，则可能引起直流母线电压过低从而导致牵引逆变器和辅助逆变器过流故障并封锁牵引的问题，进而引发整车停车故障。反之，当电池或者超级电容能量接近满值(电压达到最高限值)，则可能引起直流母线达到或者接近最高电压从而导致在再生制动工况时，无法吸收再生制动能量。这时就需要整车通过制动电阻发热来消耗剩余电制动能量，导致再生制动能量浪费，也产生了额外的热量(制动电阻产生)需要消耗，整车的再生制动功率也会受到限制。
8.在调节混合动力系统中，权衡电池或者超级电容实时能量显得十分重要，实时调节电池或者超级电容(与直流母线直接连接)的能量控制(即直流母线电压)在合适的范围将有效确保整车运行的能量需求，提高制动能量的回收利用效率。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于提供一种混合动力轨道车辆及其直流母线电压控制方法与系统，以解决因电池或超级电容能量过低引起直流母线电压过低，从而导致车辆牵引工况时牵引逆变器可能产生过流故障并封锁牵引的问题，以及因电池或者超级电容能量过高导致无法有效吸收车辆再生制动能量，从而导致再生制动能量利用率低的问题。
10.本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种混合动力轨道车辆直流母线电压控制方法，包括以下步骤：
11.获取车辆牵引电机的速度信号；
12.在牵引工况时，根据所述速度信号调节直流斩波器输出端的目标电压，使后端储能电源的电压跟随所述直流斩波器输出端的目标电压，同时实现对直流母线电压的调节；
13.所述后端是指直流斩波器的输出端。
14.本发明中，通过速度调节直流斩波器输出端的目标电压，从而调节后端储能电源(如电池和/或超级电容)的实时电压/能量，由于后端储能电源与直流母线直接并联，因此调节直流母线电压相当于调节后端储能电源的实时电压/能量。当车辆处于高速牵引工况时，减小直流斩波器输出端的目标电压，从而控制后端储能电源的电压减小(即可用电量减小)，使后端储能电源的电压/能量处于较低值，由于高速牵引工况下整车再生制动能量大(需要吸收更多的再生制动能量)，因此，后续进入制动工况时，后端储能电源可以吸收更多的再生制动能量，提高了再生制动能量的吸收率和利用率；当车辆处于低速牵引工况时，增大直流斩波器输出端的目标电压，从而控制后端储能电源的电压增大(即可用电量增大)，使后端储能电源的电压/能量处于较高值，由于低速牵引工况下整车再生制动能量相对高速时小(无需吸收更多的再生制动能量)，因此，后续进入制动工况时，后端储能电源仍然可以吸收较少的再生制动能量。同时后端储能电源保持较高的可用电量，以满足整车在牵引工况后的持续功率需求，避免了电压过低造成电流过大而引起牵引变流器过流故障，导致封锁牵引的问题。
15.进一步地，所述直流斩波器输出端的目标电压的具体调节过程为：
16.当v≤v
a
时，直流斩波器输出端的目标电压u0为第一电压阈值u
a
；
17.当v
a
＜v＜v
b
时，直流斩波器输出端的目标电压u0为：
[0018][0019]
当v≥v
b
时，直流斩波器输出端的目标电压u0为第二电压阈值u
b
；
[0020]
其中，v为牵引电机的速度，v
a
为施加电制动时的最低速度，v
b
为过流临界速度，u0为直流斩波器输出端的目标电压，u
a
为第一电压阈值，u
b
为第二电压阈值，u
a
＞u
b
。
[0021]
进一步地，所述第一电压阈值和第二电压阈值根据后端储能电源的电压来设定的，所述第一电压阈值为850v，所述第二电压阈值为650v。
[0022]
进一步地，所述后端储能电源的电压跟随所述直流斩波器输出端的目标电压的具
体跟随方式为：
[0023]
当所述后端储能电源的电压大于所述直流斩波器输出端的目标电压时，所述后端储能电源向直流母线放电，以满足直流母线的功率需求，使所述后端储能电源的电压减小，直到等于所述直流斩波器输出端的目标电压；
[0024]
当所述后端储能电源的电压小于所述直流斩波器输出端的目标电压时，前端电源向所述后端储能电源充电，使所述后端储能电源的电压增大，直到等于所述直流斩波器输出端的目标电压；
[0025]
所述前端是指直流斩波器的输入端。
[0026]
进一步地，所述后端储能电源为蓄电池组或超级电容组。
[0027]
本发明还提供一种混合动力轨道车辆直流母线电压控制系统，包括：
[0028]
速度获取单元，用于获取车辆牵引电机的速度信号；
[0029]
调节单元，用于在牵引工况时，根据所述速度信号调节直流斩波器输出端的目标电压，使后端储能电源的电压跟随所述直流斩波器输出端的目标电压。
[0030]
进一步地，所述调节单元包括：
[0031]
第一调节单元，用于当v≤v
a
时，调节直流斩波器输出端的目标电压u0为第一电压阈值u
a
；
[0032]
第二调节单元，用于当v
a
＜v＜v
b
时，调节直流斩波器输出端的目标电压u0为：
[0033][0034]
第三调节单元，用于当v≥v
b
时，调节直流斩波器输出端的目标电压u0为第二电压阈值u
b
；
[0035]
其中，v为牵引电机的速度，v
a
为施加电制动时的最低速度，v
b
为过流临界速度，u0为直流斩波器输出端的目标电压，u
a
为第一电压阈值，u
b
为第二电压阈值，u
a
＞u
b
。
[0036]
本发明还提供一种混合动力轨道车辆，包括如上所述的混合动力轨道车辆直流母线电压控制系统。
[0037]
有益效果
[0038]
与现有技术相比，本发明所提供的一种混合动力轨道车辆及其直流母线电压控制方法与系统，根据车辆速度调节后端储能电源的电压，一方面，可最大限度地吸收利用再生制动能量，提高了再生制动能量的吸收率和利用率，提高了再生制动能量的利用效率；另一方面，在吸收少量再生制动能量的同时能够保持较高的可用电量，能够满足整车在进入牵引工况后的持续功率需求，避免了电压过低造成电流过大而引起牵引变流器过流故障，导致封锁牵引的问题。
附图说明
[0039]
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例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个实施例，对于本领域普通技术人员来说，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。
[0040]
图1是本发明背景技术中柴油发电机组+电池或超级电容混合动力装置示意图；
[0041]
图2是本发明背景技术中燃料电池组+电池或超级电容混合动力装置结构示意图；
[0042]
图3是本发明背景技术中电池组+超级电容混合动力装置结构示意图；
[0043]
图4是本发明实施例中混合动力轨道车辆直流母线电压控制流程图；
[0044]
图5是本发明实施例中以蓄电池+超级电容混合动力为例的主牵引原理图；
[0045]
其中，1
‑
电池或超级电容，2
‑
牵引电机，3
‑
超级电容，4
‑
牵引电机速度反馈信号。
具体实施方式
[0046]
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动的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。
[0047]
如图4所示，本实施例所提供的一种混合动力轨道车辆直流母线电压控制方法，包括以下步骤：
[0048]
1、获取车辆牵引电机的速度信号。
[0049]
通常情况下，由于蓄电池组或超级电容组的能量值未与速度关联，一般为固定值，导致不论车辆速度高低，蓄电池组或超级电容组能量平均值基本维持不变。当车辆高速运行时施加电制动，超级电容对制动能量的吸收能力较低，将导致制动电阻过早投入消耗电能产生热能，造成车辆动能浪费，降低了再生制动能量的吸收率和利用率。本实施例将速度与蓄电池组或超级电容组的能量关联起来，以提高再生制动能量的吸收率和利用率，同时避免牵引逆变器可能产生过流故障并封锁牵引的问题。
[0050]
牵引电机的速度反映了混合动力轨道车辆的速度，根据能量公式可知，整车速度越高，整车的动能越大，即意味着制动时可以转换更多的再生制动能量；反之，整车速度越低，整车动能越小，即意味着制动时有较少能量可以转换为再生制动能量，因此，根据牵引电机的速度信号来调节直流斩波器输出端储能电源的电压或电量(相当于调节直流母线电压)，为后续可能的制动做好准备，以充分吸收再生制动能量，提高再生制动能量的吸收率和利用率。
[0051]
采集的牵引电机的速度信号可以通过网络控制系统tcms反馈给直流斩波器，以便直流斩波器根据该速度信号进行直流斩波器输出端的目标电压的调节。
[0052]
2、在牵引工况时，根据速度信号对后端储能电源的电压进行调节。
[0053]
在牵引工况时，直流斩波器根据速度信号调节直流斩波器输出端的目标电压，使后端储能电源的电压跟随直流斩波器输出端的目标电压，实现对直流母线电压的调节。后端储能电源是指直流斩波器输出端的储能电源，例如，如图5所示，以蓄电池+超级电容混合动力为例，前端电源为蓄电池，后端储能电源为超级电容。
[0054]
蓄电池或超级电容在正常使用过程中并不是频繁投入，基本上在一个正常运行周期内就投入一次，同时直流斩波器功率调节速度快，基本上在3～5秒内可以完成满功率调节，因此，直流斩波器对蓄电池或超级电容的投入速度没有太大影响。混合动力轨道车辆，由于两种不同的储能器件存在特性差异，直接并联使用会导致过充、发热等故障，因此直流斩波器是无法取消的一个器件。
[0055]
车辆电制动能量e
b
采用式(1)来表示：
[0056][0057]
其中，k为动能转换系数，m为整车质量，v为制动起始速度。根据式(1)近似可知，当质量m一定时，整车再生制动能量与速度的平方成正比，速度越大，则再生制动能量越多。
[0058]
轨道车辆在起动加速、重载爬坡阶段运行时的功率发挥较高，而在平直道、轻载、低速运行工况下具有较低的牵引功率，同时车辆在再生制动工况会反馈能量。
[0059]
如图1～3，混合动力与整车牵引/辅助系统连接的环节为直流母线，由于直流母线最接近混合动力环节，直接体现混合动力系统总的功率和能量变化情况，如式(2～5)：
[0060]
整车发挥功率和整车直流母线的功率关系如式(2)和(3)：
[0061]
整车处于牵引工况时：p
vehicle
＝p
dclink
×
η
牵引系统
×
η
牵引电机
×
η
牵引传动
ꢀꢀꢀ
(2)
[0062]
整车处于再生制动工况时：p
vehicle
＝p
dclink
/η
牵引系统
/η
牵引电机
/η
牵引传动
ꢀꢀꢀ
(3)
[0063]
整车直流母线功率和混合储能系统的功率关系如式(4)和(5)：
[0064]
整车处于牵引工况时：p
dclink
＝p1×
η
dcdc
+p2ꢀꢀꢀ
(4)
[0065]
整车处于再生制动工况时：p
dclink
＝p1/η
dcdc
+p2ꢀꢀꢀ
(5)
[0066]
其中，p
vehicle
为整车的实际功率；p
dclink
为直流母线功率；η
牵引系统
为牵引系统的效率；η
牵引电机
为牵引电机的效率；η
牵引传动
为齿轮传动系统效率；p1为前端电源的实时功率；p2为后端储能电源的实时功率；η
dcdc
为直流斩波器的效率。
[0067]
以图5所示蓄电池+超级电容混合动力为例来说明在牵引工况时对直流斩波器输出端的目标电压的调节。设前端电源(即图5中的蓄电池)最大放电功率为220kw，后端储能电源(即图5中的超级电容)的电压范围为dc600v～dc900v，总能量为11kwh，整车速度范围为0km/h～25km/h。本实施例中，设施加电制动时的最低速度v
a
为5km/h，过流临界速度v
b
为25km/h，第一电压阈值u
a
为850v，第二电压阈值u
b
为650v。
[0068]
根据现代轨道交流传动技术，整车直流母线电压存在一个正常范围，因此第一电压阈值和第二电压阈值是在正常范围内的一个相对值，即第一电压阈值和第二电压阈值是根据后端储能电源的电压范围(或者直流母线电压的正常范围)设置的一个高电压值和一个低电压值。不同的车辆，高速和低速的定义范围都不同，无法通过一个值定下来，如高速列车高速范围可能是200km/h～300km/h，低速范围可能是100km/h～160km/h，而对于有轨电车高速范围可能是50km/h～70km/h，低速范围可能是20km/h～30km/h，因此施加电制动时的最低速度v
a
和过流临界速度v
b
也是根据整车速度范围来设置的一个低速阈值和一个高速阈值。
[0069]
根据式(2)～(5)，如果超级电容(即后端储能电源)的能量未饱和，则再生制动工况下的功率由超级电容来吸收，即p
dclink
＝p2＝u
×
i，u为超级电容电压，i为超级电容电流。
[0070]
根据电压计算公式随着速度越高，则直流斩波器输出端的目标电压(即目标直流母线电压)越低，设超级电容的电流限值为i
max
，再生制动功率也是有限值的，对应到直流母线上的功率限值为p
dclink_max
，功率一定的情况下，超级电容电压下降将会导致其电流上升，但是电流不能超过对应的电流限值i
max
，因此有：
[0071]
p
dclink_max
＝p2＝u
×
i
max
ꢀꢀꢀ
(6)
[0072][0073]
当超级电容电压u下降到电压限值时，该电压限值所对应的速度即为过流临界速度。
[0074]
本实施例中，直流斩波器输出端的目标电压u0的具体调节过程为：
[0075]
2.1当v≤v
a
时，直流斩波器输出端的目标电压u0为第一电压阈值u
a
。
[0076]
当车辆处于低速牵引工况时，调节直流斩波器输出端的目标电压为直流母线电压正常范围内的一个高电压值u
a
，超级电容的电压跟随该u
a
变化，并逐步趋近于u
a
，由于超级电容与直流母线直接并联，因此，相当于调节直流母线电压趋近于u
a
，直流斩波器控制直流母线电压处于较高值，当整车进入制动工况时，由于低速下正常再生反馈的能量较少，因此对应需要超级电容吸收的再生制动能量较少，此时，超级电容保持较高的可用电量(具有较高电压)以满足整车在进入牵引工况后的持续功率需求，避免了电压过低造成电流过大而引起牵引变流器过流故障，导致封锁牵引的问题。
[0077]
2.2当v
a
＜v＜v
b
时，直流斩波器输出端的目标电压u0为：
[0078][0079]
当车辆处于高速牵引工况与低速牵引工况之间时，根据式(8)来调节直流斩波器输出端的目标电压，从而调节超级电容的电压和直流母线电压，既能够保证吸收更多的再生制动能量，又能够满足整车在进入牵引工况后的持续功率需求，避免电压过低造成电流过大而引起牵引变流器过流故障。
[0080]
2.3当v≥v
b
时，直流斩波器输出端的目标电压u0为第二电压阈值u
b
。
[0081]
当车辆处于高速牵引工况时，调节直流斩波器输出端的目标电压为直流母线电压正常范围内的一个低电压值u
b
，超级电容的电压跟随该u
b
变化，并逐步趋近于u
b
，由于超级电容与直流母线直接并联，因此，相当于调节直流母线电压趋近于u
b
，直流斩波器控制直流母线电压处于较低值，当整车进入制动工况时，由于高速下正常再生反馈的能量较多，因此对应需要超级电容吸收的再生制动能量较多，具有低电压值u
b
的超级电容能够吸收更多的再生制动能量，提高了再生制动能量的吸收率和利用率。
[0082]
其中，v为牵引电机的速度，v
a
为施加电制动时的最低速度，v
b
为过流临界速度，u0为直流斩波器输出端的目标电压，u
a
为第一电压阈值，u
b
为第二电压阈值，u
a
＞u
b
。
[0083]
在牵引工况下，如果直流斩波器输出端的目标电压为u0，则后端储能电源的电压跟随直流斩波器输出端的目标电压u0分为三种情况：
[0084]
第一种情况：超级电容的电压高于u0[0085]
由于超级电容的电压比dcdc(即直流斩波器)的电压要高，因此dcdc无法放电输出功率，牵引工况下的整车直流母线功率和混合储能系统的功率关系式(4)更新为：p
dclink
＝p2，同时，由于直流电容的电压随着其放电过程(输出功率)而逐渐下降，逐渐趋近与u0。
[0086]
第二种情况：超级电容的电压低于u0[0087]
由于超级电容的电压比dcdc的电压要低，因此超级电容无法输出功率，牵引工况下的整车直流母线功率和混合储能系统的功率关系式(4)为：
[0088]
p
dclink
＝p1×
η
dcdc
……
(p
dclink
＝p
1max
×
η
dcdc
)
[0089]
p
dclink
＝p1×
η
dcdc
+p2……
(p
dclink
＜p
1max
×
η
dcdc
)
[0090]
其中，p
1max
为p1的最大放电功率，蓄电池满足直流母线功率需求，如果蓄电池的功率有余，还可以同时向超级电容充电，此时p2为负数(表示蓄电池向超级电容充电)。超级电容随着蓄电池对其充电，电压慢慢升高，逐渐趋近u0。
[0091]
第三种情况：超级电容的电压等于u0[0092]
整车直流母线功率和混合储能系统的功率关系式(4)更新为：
[0093]
p
dclink
＝p1×
η
dcdc
……
(p
dclink
＝p
1max
×
η
dcdc
)
[0094]
p
dclink
＝p1×
η
dcdc
+p2……
(p
dclink
＜p
1max
×
η
dcdc
)
……
p2为负
[0095]
p
dclink
＝p1×
η
dcdc
+p2……
(p
dclink
＞p
1max
×
η
dcdc
)
……
p2为正
[0096]
其中，p2为负表示蓄电池向超级电容充电，p2为正表示超级电容放电，超级电容的功率随着整车直流母线功率而变换(对应电压也变化)，在整车高功率牵引工况时，超级电容与蓄电池同时放电，输出功率；在整车低功率牵引工况时，蓄电池可以在满足整车功率的同时向超级电容充电，超级电容的电压总体是朝着趋近u0电压的方向发展。
[0097]
总之，根据速度选定电压u0后，超级电容的电压会逐渐跟随u0的趋近，无论何时超级电容和锂电池的电压和容量都存在一定关系。总体趋势是电压越高，则容量越高，反之则反。根据电池的放电曲线，随着放电容量增加，电压在降低，可用容量减少。而超级电容的容量计算公式为更可以看出，能量随着电压进行比例变化。因此，当超级电容的电压处于较低水平，可以使超级电容在再生制动工况能够吸收更多的再生能量。反之，控制超级电容的电压处于较高水平，则可以确保超级电容在牵引工况能够输出更多的能量。
[0098]
以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。