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CN107963087A - 大吨位混合动力电机车储能装置及方法 - Google Patents

大吨位混合动力电机车储能装置及方法 Download PDF

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CN107963087A CN201711285405.4A CN201711285405A CN107963087A CN 107963087 A CN107963087 A CN 107963087A CN 201711285405 A CN201711285405 A CN 201711285405A CN 107963087 A CN107963087 A CN 107963087A
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powder motor
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高宗余
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Abstract

本发明涉及一种大吨位混合动力电机车储能装置及方法，该装置包括牵引蓄电池（1）、保护电阻（2）、支持电容（3）、逆变器（4）、牵引电机（5）、滤波电感（6）、高端电容（7）、双向DC/DC变换器（8）、储能电感（9）和超级电容器（10）。牵引蓄电池（1）和超级电容器（10）组成混合动力源系统，能够同时发挥蓄电池能量密度高和超级电容功率密度高的优势，有效减少车载蓄电池使用数量，改善电动力系统对瞬间大功率负载的适应能力，提高电动力源系统的能源使用效率，有效降低大吨位电机车的维护成本。利用本发明提出的上述方案，对于提高大吨位电机车的动力与经济性能、开拓新的高附加值市场、顺应节能减排的国策都将有着重要的战略与实用意义。

Description

大吨位混合动力电机车储能装置及方法
技术领域
本发明涉及大吨位电机车储能装置设计领域，特别涉及机车储能系统性能评估技术， 具体涉及一种大吨位混合动力电机车储能装置及方法。
背景技术
大吨位动力电机车在矿山、井下等有很多应用，其供能系统传统方式主要采用蓄电池作为供能系统。但是，由于蓄电池的功率密度较低，为提供电机车在启动、爬坡、加速等工况下的瞬间大功率需求，需要额外的蓄电池组满足该功率负载需求，从而导致车载蓄电池容量超过电机车实际能量需要，增加蓄电池组重量、体积及相应的经济成本；同时，蓄电池可反复充放电次数有限，容许工作温度范围窄。特别是为满足瞬间功率需求的大电流充放电会严重缩短蓄电池使用寿命，增加维护成本与工期，导致电机车全寿命周期成本的增加。采用超级电容与蓄电池混合的方式，可望较好地解决单纯用蓄电池作为动力源的电机车供能系统，超级电容功率密度是蓄电池功率密度的10～100倍，可为电机车在启动、加速、爬坡等工况时提供瞬间大电流，避免蓄电池的大电流放电；在下坡或制动时，回馈电流可被超级电容有效吸收，从而保护蓄电池不受大电流冲击，延长蓄电池使用寿命，同时有效减小车载蓄电池组的体积和重量；超级电容储能过程中不发生化学反应，可反复充电百万次以上，且充放电速度快/效率高，基本免维护，可有效降低电机车的全寿命周期成本。
国内外一些人员搭建了各种车载及路面供能装置。文献1：R. Barrero, X.Tackoen, J. Van Mierlo Analysis and configuration of supercapacitor basedenergy storage system on-board light rail vehicles[C]. 13th Power Electronicsand Motion Control Conference, 2008. EPE-PEMC 2008. pp. 1512 - 1517.中采用超级电容进行轨道列车节能，可减少轨道列车的能耗。文献2：Hansang Lee, Hanmin Lee,Changmu Lee, Gilsoo Jang and Gildong Kim. Energy Storage Application Strategyon DC Electric Railroad System using a Novel Railroad Analysis Algorithm[J].Journal of Electrical Engineering & Technology Vol. 5, No. 2, 2010, pp. 228-238, 主要采用算法来提高超级电容充放电效率。
目前，国内外对大吨位混合储能装置设计没有太多相关研究。对混合储能的电路搭建、性能测试及蓄电池与超级电容混合装置的容量配置没有合理的设计。对于大吨位混合动力电机车储能装置设计，目前还没有完善的技术方案。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种大吨位混合动力电机车储能装置及方法，混合储能方式，简单易操作，有效减少车载蓄电池使用数量，改善电动力系统对瞬间大功率负载的适应能力，提高电动力源系统的能源使用效率，有效降低大吨位电机车的维护成本。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
本发明公开了一种大吨位混合动力电机车储能装置，它包括牵引蓄电池、保护电阻、支持电容、逆变器、牵引电机、滤波电感、高端电容、双向DC/DC变换器、储能电感和超级电容器。
所述牵引蓄电池：针对其功率密度低、储存能量多的特性，可由其作为主动力源对电机车进行供能，其输出端与保护电阻串联；
所述保护电阻：由于牵引蓄电池输出为直流电，保护电阻主要作为分压原件，与牵引蓄电池串接，用于保护牵引蓄电池；
所述支持电容：用于使逆变器获得较平稳的直流母线电压并滤除低次谐波，其输出端与逆变器的输入端相连；
所述逆变器：用于把牵引蓄电池输出的直流电转变为交流电，供大吨位混合动力机车的牵引电机使用；其输出端与牵引电机相连；
所述牵引电机：作为大吨位混合动力电机车的牵引装置，其用于驱动混合动力机车的运动；
所述滤波电感：用于滤除超级电容组输入直流母线的谐波分量，其一端与直流母线相连，其另一端与双向DC/DC变换器相连；
所述高端电容：用于给双向DC/DC变换器供电，在双向DC/DC变换器工作于不同模式时，其充放电特性会发生变化。
所述双向DC/DC变换器：主要通过改变其工作模式，用于在不同模式下向超级电容器充放电；
所述储能电感：在大功率应用场合，为了使双向DC/DC变换器连续工作，储能电感后端与超级电容器串接；
所述超级电容器：与双向DC/DC变换器进行并联；根据其高功率特性，在混合动力电机车上坡、下坡及停车过程中可对其整体供电特性进行辅助作用。
优选的是，所述牵引蓄电池为高密度大容量铅酸蓄电池，对其进行合理容量配置后可以提供稳定的能量输出，用于负载的功能单元。
在上述任一技术方案中优选的是，所述牵引蓄电池需要合理对其进行容量配置，通过多组蓄电池串并联组合以满足驱动电机车稳定运行。
在上述任一技术方案中优选的是，所述保护电阻需采用可调电阻，以适应源端与负载端的功率变化。
在上述任一技术方案中优选的是，所述支持电容并联在逆变器的两端，使逆变器获得较平稳的直流母线电压并滤除低次谐波。
在上述任一技术方案中优选的是，所述逆变器前端并接支持电容，所述逆变器后端串接牵引电机；所述逆变器采用多电平逆变拓扑结构，可以提供大功率的牵引特性。
在上述任一技术方案中优选的是，所述逆变器采用三端输出逆变器，用于对牵引电机输入端进行相位匹配。
在上述任一技术方案中优选的是，所述牵引电机与逆变器连接，其采用交流牵引电机，结构简单可靠、体积小、重量轻，调速范围宽。
在上述任一技术方案中优选的是，所述滤波电感，其一端接在直流母线上，其另一端与超级电容器串接，用于滤除超级电容组输入直流母线的谐波分量。
在上述任一技术方案中优选的是，所述滤波电感还同时与高端电容构成一个滤波电路，对其输入和输出信号进行滤波处理。
在上述任一技术方案中优选的是，所述高端电容与滤波电感串接，与双向DC/DC变换器并接，用于使双向DC/DC变换器两端电压平稳及滤去高次谐波。
在上述任一技术方案中优选的是，所述双向DC/DC变换器，主要通过改变其工作模式，用于在buck 模式下向超级电容器充电，以及在boost模式下通过其后端连接的超级电容器向外放电。
在上述任一技术方案中优选的是，所述双向DC/DC变换器，采用双向半桥的拓扑模式，以减小开关原件的承压应力，其前端并联高端电容，后端通过抽头并接超级电容器。
在上述任一技术方案中优选的是，所述双向DC/DC变换器选用合适的拓扑模式，以使其相应开关元器件承载较小的电压。
在上述任一技术方案中优选的是，所述储能电感，双向DC/DC变换器在大功率应用场合，为了避免双向DC/DC变换器工作在断续模式而造成电感电流过大及开关管峰值电压过高，其电感应工作在连续模式，并且设计值应满足升压和降压模式，由此在储能端设计一个储能电感。
在上述任一技术方案中优选的是，所述超级电容器，采用能量密度低、功率密度高的双电层电容器，对其进行合理的串并联，达到最优的容量配置，其与双向DC/DC变换器进行并联，通过其电气特性，在电机车爬坡、下坡及停车时投入使用，以补偿牵引蓄电池电特性不足的特点。
在上述任一技术方案中优选的是，所述超级电容器采用多组串并联组合模式，以满足其容量配置要求。
本发明还公开了一种大吨位混合动力电机车储能方法，该方法使用如上任一项所述的大吨位混合动力电机车储能装置，该方法包括如下步骤：
步骤1，首先根据电机车负载功率合理配置牵引蓄电池的容量；
步骤2，根据需要设置保护电阻的阻值大小，使其满足保护需求；
步骤3，根据大吨位混合动力电机车储能装置特性，选用合适的双向DC/DC变换器的拓扑模式；
步骤4，根据电机车源端-负载端的特性合理配置超级电容器的容量；
步骤5，重复步骤2、步骤3和步骤4，以获得最优的大吨位混合动力电机车储能装置配置方案。
本发明提供了一种如上所述的大吨位混合动力电机车储能装置及大吨位混合动力电机车储能方法。由于混合储能装置的灵活性及节能性能，提出的设计方法简单易操作；该大吨位混合动力电机车储能方法采用蓄电池和超级电容相结合的方式，对采用单一蓄能装置提升其优点，同时通过相互补偿规避单一蓄能系统的缺点，对大吨位电机车混合动力提供了设计方法，对混合节能装置在其他领域应用提供了借鉴。
与现有技术相比，本发明的上述技术方案具有如下有益效果：
本发明的有益成果是，提供了一种大吨位混合动力电机车储能装置设计及方法。该技术方案因采用混合储能方式，提出的储能装置简单易操作；装置有利于提高电机车在寒冷季节作业的适应性。蓄电池-超级电容混合动力源系统装置的设计对于提高电机车的动力与经济性能、开拓新的高附加值市场、顺应节能减排的国策都将有着重要的战略与实用意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为按照本发明的大吨位混合动力电机车储能装置及方法的一优选实施例的储能装置结构示意图；
图2为按照本发明的大吨位混合动力电机车储能装置及方法的一优选实施例的储能方法流程示意图。
附图标记：
1、牵引蓄电池，2、保护电阻，3、支持电容，4、逆变器，5、牵引电机，6、滤波电感，7、高端电容，8、双向DC/DC变换器，9、储能电感，10、超级电容器。
具体实施方式
目前，大吨位混合动力电机车储能装置设计还没有完善的技术方案，鉴于此，本发明实施例提出一种大吨位混合动力电机车储能装置及方法。
本发明实施例的大吨位混合动力电机车储能装置主要包括：牵引蓄电池、保护电阻、支撑电容、逆变器、牵引电机、滤波电感、高端电容、双向DC/DC变换器、储能电感、和超级电容器；牵引蓄电池和超级电容器组成了混合动力源系统，能够同时发挥蓄电池能量密度高和超级电容功率密度高的优势，有效减少车载蓄电池使用数量，改善电动力系统对瞬间大功率负载的适应能力，提高电动力源系统的能源使用效率，有效降低大吨位电机车的维护成本。附图1至2是本发明实施例的系统结构框架与步骤说明。一旦搭建起其连接方式，可以简单的实现电机车动力系统适应性强、减小电机车整体重量、提高其安全性。
利用本发明实施例提出的上述方案，对于提高大吨位电机车的动力与经济性能、开拓新的高附加值市场、顺应节能减排的国策都将有着重要的战略与实用意义。
下面将结合本发明实施例中的附图1至2，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。以下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。
如图1所示，大吨位混合动力电机车储能装置包括牵引蓄电池1、保护电阻2、支持电容3、逆变器4、牵引电机5、滤波电感6、高端电容7、双向DC/DC变换器8、储能电感9和超级电容器10，其中：
牵引蓄电池1，针对其功率密度低、储存能量多的特性，可由其作为主动力源对电机车进行供能，其输出端与保护电阻2串联；
保护电阻2，由于牵引蓄电池1输出为直流电，保护电阻2主要作为分压原件，其用于保护牵引蓄电池1；
支持电容3，用于使逆变器4获得较平稳的直流母线电压并滤除低次谐波，其输出端与逆变器4的输入端相连；
逆变器4，用于把牵引蓄电池1输出的直流电转变为交流电，供大吨位混合动力机车的牵引电机5使用，其输出端与牵引电机5相连；
牵引电机5，作为大吨位混合动力电机车的牵引装置，其用于驱动混合动力机车的运动；
滤波电感6，用于滤除超级电容组输入直流母线的谐波分量，其一端与直流母线相连，其另一端与双向DC/DC变换器8相连；
高端电容7，用于给双向DC/DC变换器8供电，在双向DC/DC变换器8工作于不同模式时，其充放电特性会发生变化；
双向DC/DC变换器8，主要通过改变其工作模式，用于在不同模式下向超级电容器10充放电；
储能电感9，在大功率应用场合，为了使双向DC/DC变换器8连续工作，其后端与超级电容器10串接；
超级电容器10，与双向DC/DC变换器8进行并联，根据其高功率特性，在混合动力电机车上坡、下坡及停车过程中可对其整体供电特性进行辅助作用。
本实施例所述的大吨位混合动力电机车储能装置，其牵引蓄电池1为高密度大容量铅酸蓄电池，对其进行合理容量配置后可以提供稳定的能量输出，用于负载的功能单元。
如图1所示，对本实施例所述的大吨位混合动力电机车储能装置的牵引蓄电池 按照需要进行合理容量配置，通过多组蓄电池串并联组合以满足驱动电机车稳定运行。
本实施例所述的大吨位混合动力电机车储能装置的保护电阻2需采用可调电阻，以适应源端与负载端的功率变化。
如图1所示，本实施例所述的大吨位混合动力电机车储能装置，其保护电阻 与牵引蓄电池1串接，使牵引蓄电池1输出电能稳定。
如图1所示，本实施例所述的大吨位混合动力电机车储能装置，其支持电容3并联在逆变器4的两端，使逆变器4获得较平稳的直流母线电压并滤除低次谐波。
如图1所示，本实施例所述的大吨位混合动力电机车储能装置，其逆变器4前端并接支持电容3，其逆变器4后端串接牵引电机5；逆变器采用多电平逆变拓扑结构，可以提供大功率的牵引特性。
如图1所示，本实施例所述的大吨位混合动力电机车储能装置的逆变器4采用三端输出逆变器，用于对牵引电机5输入端进行相位匹配。
如图1所示，本实施例所述的大吨位混合动力电机车储能装置，其牵引电机5与逆变器4连接，其采用交流牵引电机，结构简单可靠、体积小、重量轻，调速范围宽。
如图1所示，本实施例所述的大吨位混合动力电机车储能装置的滤波电感 ，其一端接在直流母线上，其另一端与超级电容器10串接，用于滤除超级电容组输入直流母线的谐波分量；滤波电感 还同时与高端电容7构成一个滤波电路，对其输入和输出信号进行滤波处理。
如图1所示，本实施例所述的大吨位混合动力电机车储能装置，其高端电容 与滤波电感6串接、与双向DC/DC变换器8并接，用于使双向DC/DC变换器8两端电压平稳及滤去高次谐波。
如图1所示，本实施例所述的大吨位混合动力电机车储能装置，其双向DC/DC变换器8，主要通过改变其工作模式，用于在buck 模式下向超级电容器（10）充电，在boost模式下通过其后端连接的超级电容器10向外放电。
双向DC/DC变换器8选用合适的拓扑模式，以使其相应开关元器件承载较小的电压。本实施例所述的大吨位混合动力电机车储能装置的双向DC/DC变换器，采用双向半桥的拓扑模式，减小开关原件的承压应力，其前端并联高端电容7，后端通过抽头并接超级电容器10。
本实施例所述的大吨位混合动力电机车储能装置的储能电感9：双向DC/DC变换器在大功率应用场合，为了避免双向DC/DC变换器工作在断续模式而造成电感电流过大及开关管峰值电压过高，其电感应工作在连续模式，并且设计值应满足升压和降压模式，由此在储能端设计一个储能电感 ，如图1所示。
超级电容器10采用多组串并联组合模式，以满足其配置要求。如图1所示，本实施例所述的大吨位混合动力电机车储能装置的超级电容器 ，采用能量密度低、功率密度高的双电层电容器，对其进行合理的串并联，达到最优的容量配置，其与双向DC/DC变换器8进行并联，通过其电气特性，在电机车爬坡、下坡及停车时投入使用，以补偿牵引蓄电池1电特性不足的特点。
本实施例所述的大吨位混合动力电机车储能装置，其超级电容器10选用大功率、大容量、大储能的EDLC225-450V电容器。
本实施例所述的大吨位混合动力电机车储能装置，结构简单，容易实现。
大吨位混合动力电机车储能方法，使用了如上所述的大吨位混合动力电机车储能装置。如图2所示，该方法包括如下步骤：
步骤1，首先根据电机车负载功率合理配置牵引蓄电池1的容量；
步骤2，根据需要设置保护电阻2的阻值大小，使其满足保护需求；
步骤3，根据大吨位混合动力电机车储能装置特性，选用合适的双向DC/DC变换器8的拓扑模式；
步骤4，根据电机车源端-负载端的特性合理配置超级电容器10的容量；
步骤5，重复步骤2、步骤3和步骤4，以获得最优的大吨位混合动力电机车储能装置配置方案。
本实施例所述的大吨位混合动力电机车储能装置及方法，因采用混合储能方式，提出的储能装置简单易操作；装置有利于提高电机车在寒冷季节作业的适应性。蓄电池-超级电容混合动力源系统装置的设计对于提高电机车的动力与经济性能、开拓新的高附加值市场、顺应节能减排的国策都将有着重要的战略与实用意义。
以上所述仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非是对本发明的范围进行限定；以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围；在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的任何修改、等同替换、改进等，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种大吨位混合动力电机车储能装置，包括牵引蓄电池（1），其特征在于：该装置还包括保护电阻（2）、支持电容（3）、逆变器（4）、牵引电机（5）、滤波电感（6）、高端电容（7）、双向DC/DC变换器（8）、储能电感（9）和超级电容器（10）；
所述牵引蓄电池（1），作为主动力源对电机车进行供能，其输出端与保护电阻（2）串联；
所述保护电阻（2），作为分压原件，与牵引蓄电池（1）串接，用于保护牵引蓄电池（1）；
所述支持电容（3），用于使逆变器（4）获得平稳的直流母线电压并滤除低次谐波，其输出端与逆变器（4）的输入端相连；
所述逆变器（4），用于把牵引蓄电池（1）输出的直流电转变为交流电，供大吨位混合动力机车的牵引电机（5）使用，其输出端与牵引电机（5）相连；
所述牵引电机（5），作为大吨位混合动力电机车的牵引装置，其用于驱动混合动力机车的运动；
所述滤波电感（6），用于滤除超级电容组输入直流母线的谐波分量，其一端与直流母线相连，其另一端与双向DC/DC变换器（8）相连；
所述高端电容（7），用于给双向DC/DC变换器（8）供电，在双向DC/DC变换器（8）工作于不同模式时，其充放电特性发生变化；
所述双向DC/DC变换器（8），通过改变其工作模式，用于在不同模式下向超级电容器（10）充放电；
所述储能电感（9），使双向DC/DC变换器（8）连续工作，其后端与超级电容器（10）串接；
所述超级电容器（10），与双向DC/DC变换器（8）并联，在混合动力电机车上坡、下坡及停车过程中对其整体供电特性进行辅助作用。
2.如权利要求1所述的大吨位混合动力电机车储能装置，其特征在于：所述牵引蓄电池（1）为高密度大容量铅酸蓄电池。
3.如权利要求1所述的大吨位混合动力电机车储能装置，其特征在于：所述牵引蓄电池（1）容量配置为多组蓄电池串并联组合。
4.如权利要求1所述的大吨位混合动力电机车储能装置，其特征在于：所述保护电阻（2）与牵引蓄电池（1）串接。
5.如权利要求1所述的大吨位混合动力电机车储能装置，其特征在于：所述保护电阻（2）采用可调电阻。
6.如权利要求1所述的大吨位混合动力电机车储能装置，其特征在于：所述支持电容（3）并联在逆变器（4）的两端。
7.如权利要求1所述的大吨位混合动力电机车储能装置，其特征在于：所述逆变器（4）前端并接支持电容（3），所述逆变器（4）后端串接牵引电机（5）。
8.如权利要求1所述的大吨位混合动力电机车储能装置，其特征在于：所述逆变器（4）采用多电平逆变拓扑结构。
9.如权利要求1所述的大吨位混合动力电机车储能装置，其特征在于：所述逆变器（4）采用三端输出逆变器。
10.一种大吨位混合动力电机车储能方法，使用如权利要求1至9中任一项所述的大吨位混合动力电机车储能装置，其特征在于：该方法包括如下步骤：
步骤1，首先根据电机车负载功率合理配置牵引蓄电池（1）的容量；
步骤2，根据需要设置保护电阻（2）的阻值大小，使其满足保护需求；
步骤3，根据大吨位混合动力电机车储能装置特性，选用合适的双向DC/DC变换器（8）的拓扑模式；
步骤4，根据电机车源端-负载端的特性合理配置超级电容器（10）的容量；
步骤5，重复步骤2、步骤3和步骤4，以获得最优的大吨位混合动力电机车储能装置配置方案。
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