一種應用於城市軌道交通的車載混合儲能裝置的製作方法

2024-02-09 18:27:15 2

專利名稱：一種應用於城市軌道交通的車載混合儲能裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及混合儲能系統能量管理技術，尤其是涉及一種應用於城市軌道交通的車載混合儲能裝置。
背景技術：
城市軌道交通運營過程中，列車供電中斷會造成整條線路停運，對於部分在隧道中運營的城軌線路，因供電系統的癱瘓甚至會誘發次生災害，產生更嚴重的後果。如果採用車輛段進出車庫使用的第三軌供電，則需要鋪設第三軌，增加了相應成本，且安全性較低。 因此，一般採用在列車上增加儲能元件來解決供電中斷問題。目前，應用於城市軌道交通的儲能元件主要有蓄電池、超級電容和飛輪電池。現有車載蓄電池優點是能量密度大，儲能較多，放電電流較為平穩。但是充電時間長，壽命短，不能滿足瞬時大功率能量需求。飛輪電池和超級電容器都具有功率密度高、充放電電流大、能量轉換效率高、循環壽命長、安全係數高、適用溫度範圍寬和綠色環保等優點，但超級電容已經實現大規模商業化生產，更具有價格優勢。然而超級電容儲能少，不能滿足長時間的供電要求。

發明內容
本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種可以在車輛供電電網發生斷電故障時，利用混合儲能裝置的電力儲備實施自牽引，將車輛移動至安全地段，避免災害的發生，且體積小、重量輕，還能實現節能降耗，降低城軌交通能耗，提高經濟效益的應用於城市軌道交通的車載混合儲能裝置。本發明的目的可以通過以下技術方案來實現一種應用於城市軌道交通的車載混合儲能裝置，其特徵在於，該車載混合儲能裝置與供電電網連接，列車正常運行時儲存列車制動能量，所述的車載混合儲能裝置與列車主牽引系統和列車輔助系統連接，列車故障時提供啟動、牽引電流，所述的車載混合儲能裝置包括多組高壓半橋直流/直流變換器，所述的高壓半橋直流/直流變換器的輸入端與供電電網、列車主牽引系統、列車輔助系統相連；多組低壓半橋直流/直流變換器，所述的低壓半橋直流/直流變換器將超級電容器與蓄電池組相連接；用於大功率放電的多組超級電容器，所述的超級電容器的一端與高壓半橋直流/ 直流變換器的輸出端相連，所述的超級電容器的另一端與濾波電路連接；用於控制預充電及端電壓高低的多個開關管，該開關管的一端與濾波電路連接， 另一端與低壓半橋直流/直流變換器的輸入端連接；用於長時間放電的由多節蓄電池串並聯組成的蓄電池組，該蓄電池組與低壓半橋直流/直流變換器的輸出端相連；用於濾波的多組濾波電路。
所述的車載混合儲能裝置還設有防止電流倒灌的開關管，該開關管與高壓半橋直流/直流變換器的輸入端連接。所述的濾波電路包括濾波電感和濾波電容，其中三個濾波電感的電感值各不相同所述的高壓半橋直流/直流變換器設有一個，所述的低壓半橋直流/直流變換器設有一個，所述的用於控制預充電及端電壓高低的開關管設有四個，所述的濾波電感設有三個，所述的濾波電容設有一個，所述的防止電流倒灌的開關管設有兩個。所述的高壓半橋直流/直流變換器設有兩個，所述的低壓半橋直流/直流變換器設有一個，所述的用於控制預充電及端電壓高低的開關管設有六個，所述的濾波電感設有四個，所述的濾波電容設有一個，所述的防止電流倒灌的開關管設有三個。與現有技術相比，本發明具有以下優點1.本發明綜合了超級電容器高功率比與蓄電池高能量比，這兩種儲能元件的優點，將混合儲能裝置的重量、體積限制在了一個較小的範圍內，有利於在軌交列車中的安裝使用。2.本發明當車輛供電電網發生斷電故障將利用混合儲能裝置的電力儲備實施自牽引，將車輛移動至安全地段。可以節省調度車輛救援所需的時間，降低救援難度。最大限度減小因斷電故障可能引發的人員恐慌及相應次生災害的機率，避免造成更嚴重的後果。3.本發明在電網正常供電時，可回收相當數量的車輛制動能量，利用車載儲能裝置將這部分能量進行儲存和再利用，實現節能降耗，對降低城軌交通能耗、提高經濟效益和保護環境都具有重要意義。4.本發明避免了由第三軌供電而存在的工作人員意外觸電的安全隱患。5.本發明包含有三種拓撲結構，並對此分別予以儲能系統的配比，滿足了對可靠性、輕便性、靈活性等的不同列車應用需求。


圖1為本發明的結構示意圖；圖2為本發明的一個拓撲示意圖；圖3為本發明的另一個拓撲示意圖；圖4為本發明的第三個拓撲示意圖；圖5為本發明的變換器的結構示意圖；圖6為圖2的整體結構示意圖；圖7為圖3的整體結構示意圖；圖8為圖4的整體結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。實施例一種應用於城市軌道交通的車載混合儲能裝置，包括多組用於不同變換的半橋直流/直流變換器，用於大功率放電的多組超級電容器，用於控制預充電及兩端電壓高低的開關管，用於長時間放電的多節蓄電池串並聯電路及三組用於濾波的濾波電感和電容。多組用於不同變換的半橋直流/直流變換器，其中高壓變換器的輸入端與供電電網、主牽引系統與輔助系統相連，並安裝有防止電流倒灌的開關管，輸出端與配比完成的超級電容器相連；低壓半橋變換器將不同電壓等級的超級電容器與蓄電池組相連接。防止電流倒灌的開關管用於當系統電網發生斷電或短路故障時在物理上切斷應急自牽引系統與電網之間的聯繫以保證應急系統的安全性，並於地鐵高速線路斷路器動作，切斷列車與電網之間聯繫後，重新導通使應急系統能給主牽引系統與輔助系統的主要設備供電。多組超級電容器用於系統的短時大功率需求放電，一端接高壓直流直流變換器輸出，一端接濾波電路。用於控制預充電及兩端電壓高低的開關管，一端濾波電路，另一端低壓直流直流變換器的輸入， 其在預充電時關斷使電流通過充電電阻限流，當預充電結束後開關管導通切除充電電阻以減少損耗。用於長時間放電的多節蓄電池串並聯電路與低壓直流直流變換器的輸出相連。 三組濾波電路，包括濾波電感和濾波電容，其中三個濾波電感的電感值各不相同。如圖1所示，包括超級電容組10，其提供較大的功率輸出；蓄電池組11，其供給較大的能量需求；車輛主牽引系統30 ；車輛的輔助系統40，其包括了通風、照明、通訊等設備； 20表示的是能量變換裝置，能量變換器包括高壓半橋直流/直流變換器和多組低壓半橋直流/直流變換器，其包括了三種拓撲結構，分別如圖2、圖3、圖4所示。其中圖2中只有兩個變換器(21和22)，其對儲能元件的配比要求不高，且兩個儲能器件互為備份，但相同功率能量條件下所需要的儲能元件重量較大，且變比大；圖3中同樣運用兩個變換器(21和 22)，但增加了超級電容器的配比數量，增大了最大牽引功率，減少了蓄電池的配比，相對降低了維持整體能量，能夠較方便的控制儲能元件電流；圖4中通過兩級升壓，減少了儲能器件數量，在安全性方面相對較好，但新增一個變換器23，增加了另外的重量與成本。高壓變換器及低壓變換器均採用圖5表示的半橋buck-boost結構，其中Vl是防止電流倒灌的開關管，V2和V3是組成半橋結構的開關管，L為升壓電感，C表示儲能元件。圖6為本發明的一個完整的實施例，其包括一個高壓半橋直流/直流變換器，一個低壓半橋直流/直流變換器。高壓半橋直流/直流變換器的輸入端與電網連接，在高壓半橋直流/直流變換器與電網的連接處還設有濾波電感Ll和保護開關1。高壓半橋直流/直流變換器的輸出端通過濾波電感L2與超級電容連接。低壓半橋直流/直流變換器的輸入端通過濾波電感Ll與電網連接，在低壓半橋直流/直流變換器的輸入端與濾波電感Ll的連接線路上還設置有保護開關2，低壓半橋直流/直流變換器的輸出端與蓄電池連接。圖7為本發明的另一個完整的實施例，其包括一個高壓半橋直流/直流變換器，一個低壓半橋直流/直流變換器。高壓半橋直流/直流變換器的輸入端與電網連接，在高壓半橋直流/直流變換器與電網的連接處還設有濾波電感L 1和保護開關1。高壓半橋直流 /直流變換器的輸出端通過濾波電感L2與超級電容連接。低壓半橋直流/直流變換器的輸入端與超級電容連接，在低壓半橋直流/直流變換器的輸入端與超級電容的連接線路上還設置有保護開關2，低壓半橋直流/直流變換器的輸出端與蓄電池連接。圖8為本發明的第三個完整的實施例，其包括兩個高壓半橋直流/直流變換器，一個低壓半橋直流/直流變換器。一個高壓半橋直流/直流變換器的輸入端與電網連接，在該高壓半橋直流/直流變換器與電網的連接處還設有濾波電感Ll和保護開關1。另一個高壓半橋直流/直流變換器的輸入端與該高壓半橋直流/直流變換器得輸出端連接，另一個高壓半橋直流/直流變換器的輸出端與超級電容連接。低壓半橋直流/直流變換器的輸入端與另一個高壓半橋直流/直流變換器的輸入端連接，在低壓半橋直流/直流變換器的輸入端與超級電容的連接線路上還設置有保護開關3，低壓半橋直流/直流變換器的輸出端與蓄電池連接。 在軌道車輛的應急救援中，目前應用的蓄電池儲能往往只能夠維持四十五分鐘的應急照明與應急通風及必要通訊而不能主動地開展自救，其原因在於蓄電池不足以提供足夠的功率輸出滿足列車啟動需求，而在引入超級電容器這一儲能設備後，通過能量與功率的變換管理，可以由超級電容提供列車啟動階段的大功率輸出，由蓄電池能量維持列車低速運行階段所需的較多能量。對1500V的地鐵系統，利用超級電容器組和蓄電池組構成車載混合儲能系統滿足車輛電氣傳動系統的用電需求，在接觸網電力中斷情況下實施城軌車輛的自牽引移車，大大降低了因供電癱瘓而誘發的次生災害機率，避免更嚴重的後果，對提高城軌交通運營的可靠性及靈活性非常有必要。
權利要求
1.一種應用於城市軌道交通的車載混合儲能裝置，其特徵在於，該車載混合儲能裝置與供電電網連接，列車正常運行時儲存列車制動能量，所述的車載混合儲能裝置與列車主牽引系統和列車輔助系統連接，列車故障時提供啟動、牽引電流，所述的車載混合儲能裝置包括多組高壓半橋直流/直流變換器，所述的高壓半橋直流/直流變換器的輸入端與供電電網、列車主牽引系統、列車輔助系統相連；多組低壓半橋直流/直流變換器，所述的低壓半橋直流/直流變換器將超級電容器與蓄電池組相連接；用於大功率放電的多組超級電容器，所述的超級電容器的一端與高壓半橋直流/直流變換器的輸出端相連，所述的超級電容器的另一端與濾波電路連接；用於控制預充電及端電壓高低的多個開關管，該開關管的一端與濾波電路連接，另一端與低壓半橋直流/直流變換器的輸入端連接；用於長時間放電的由多節蓄電池串並聯組成的蓄電池組，該蓄電池組與低壓半橋直流 /直流變換器的輸出端相連；用於濾波的多組濾波電路。
2.根據權利要求1所述的一種應用於城市軌道交通的車載混合儲能裝置，其特徵在於，所述的車載混合儲能裝置還設有防止電流倒灌的開關管，該開關管與高壓半橋直流/ 直流變換器的輸入端連接。
3.根據權利要求1所述的一種應用於城市軌道交通的車載混合儲能裝置，其特徵在於，所述的濾波電路包括濾波電感和濾波電容，其中三個濾波電感的電感值各不相同。
4.根據權利要求1或2所述的一種應用於城市軌道交通的車載混合儲能裝置，其特徵在於，所述的高壓半橋直流/直流變換器設有一個，所述的低壓半橋直流/直流變換器設有一個，所述的用於控制預充電及端電壓高低的開關管設有四個，所述的濾波電感設有三個， 所述的濾波電容設有一個，所述的防止電流倒灌的開關管設有兩個。
5.根據權利要求1或2所述的一種應用於城市軌道交通的車載混合儲能裝置，其特徵在於，所述的高壓半橋直流/直流變換器設有兩個，所述的低壓半橋直流/直流變換器設有一個，所述的用於控制預充電及端電壓高低的開關管設有六個，所述的濾波電感設有四個， 所述的濾波電容設有一個，所述的防止電流倒灌的開關管設有三個。
全文摘要
本發明涉及一種應用於城市軌道交通的車載混合儲能裝置，該車載混合儲能裝置與供電電網連接，所述的車載混合儲能裝置與列車主牽引系統和列車輔助系統連接，所述的車載混合儲能裝置包括多組高壓半橋直流/直流變換器；多組低壓半橋直流/直流變換器，用於大功率放電的多組超級電容器，用於控制預充電及端電壓高低的多個開關管，用於長時間放電的由多節蓄電池串並聯組成的蓄電池組，用於濾波的多組濾波電路。與現有技術相比，本發明具有可以在車輛供電電網發生斷電故障時，利用混合儲能裝置的電力儲備實施自牽引，將車輛移動至安全地段，避免災害的發生，且體積小、重量輕，還能實現節能降耗、降低城軌交通能耗、提高經濟效益等優點。
文檔編號H02J7/02GK102487220SQ201010571879
公開日2012年6月6日 申請日期2010年12月3日 優先權日2010年12月3日
發明者儲劍靈, 劉君君, 周雲鋒, 姚勇濤, 張逸成, 梁海泉, 沈小軍, 沈玉琢, 湛凌威, 袁登科, 陳 勝, 韋莉, 顧帥 申請人:上海同滬電氣科技股份有限公司