一种用于轨道交通车辆的混合储能充电机及控制方法技术

本发明专利技术公开一种用于轨道交通车辆的混合储能充电机及控制方法，该充电机包括充电控制模块、超级电容模块以及蓄电池模块，充电控制模块包括用于电压变换的第一控制变换器、用于控制实现超级电容模块充放电的第二控制变换器，第一控制变换器的输入端接入供电电源，输出端分别连接蓄电池模块、负载以及通过第二控制变换器连接超级电容模块；该控制方法为控制上述混合储能充电机实现混合储能充放电的方法。本发明专利技术具有能够同时满足大功率冲击负载瞬时功率以及永久负载的长时供电需求，且成本低、利用率及效率高、体积重量小等优点。

A Hybrid Energy Storage Charger for Rail Transit Vehicles and Its Control Method

The invention discloses a hybrid energy storage charger for rail transit vehicles and a control method. The charger includes a charging control module, a super capacitor module and a storage battery module. The charging control module includes a first control converter for voltage conversion, a second control converter for controlling the charging and discharging of the super capacitor module, and an input terminal access of the first control converter. The power supply, the output terminal are connected with the battery module, the load and the supercapacitor module through the second control converter respectively. The control method is to control the hybrid energy storage charger to realize the charging and discharging of the hybrid energy storage charger. The invention has the advantages of meeting the instantaneous power of high power impact load and the long-term power supply demand of permanent load at the same time, low cost, high utilization rate, high efficiency, small volume and weight, etc.

【技术实现步骤摘要】
一种用于轨道交通车辆的混合储能充电机及控制方法
本专利技术涉及轨道交通车辆
，尤其涉及一种用于轨道交通车辆的混合储能充电机及控制方法。
技术介绍
在轨道交通车辆中，为满足不同的功能需要，通常装备有各种直流用电设备，这些用电设备也即为负载；根据电流特性和重要程度，列车中负载可分为三种类型：第一种为冲击负载，该类负载启动时需要很大的冲击电流和冲击功率，启动后电流和功率较小；第二种为永久负载，该类负载的电流和功率较小，但重要性很高，需要最大程度的保证供电连续性；第三种为一般性负载。为保障负载的稳定运行，目前轨道交通车辆中通常是按照如图1所示配置充电机和储能装置进行储能充电控制，正常工况时由充电机将交流或直流输入转变为直流输出给给负载供电，同时给储能装置充电，当充电机故障时，由储能装置给负载供电；但是由于储能装置一般为蓄电池，且一般蓄电池内阻较大，当存在冲击负载启动需冲击启动功率时，冲击启动功率较大，采用上述储能充电控制方式时，很难满足瞬时大电流放电需求。为解决上述冲击负载所需瞬时大电流问题，目前通常是采用以下2种方式：(1)采用高倍率大容量蓄电池，但是大容量的蓄电池体积大、重量大且寿命低；(2)采用大功率充电机，但是大功率充电机的利用率低、效率低，且储能电感设计困难。因此亟需提供一种储能充电系统、方法，使得能够同时满足高压侧有较大冲击功率以及较小持续功率的需求，且能够降低系统实现成本、减小系统的体积重量，提高系统的利用率及效率。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本专利技术提供一种能够同时满足大功率冲击负载瞬时功率以及永久负载的长时供电需求，且成本低、利用率及效率高、体积重量小的用于轨道交通车辆的混合储能充电机，及实现方法简单、控制效率及稳定性高的控制方法。为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：一种用于轨道交通车辆的混合储能充电机，包括充电控制模块、超级电容模块以及蓄电池模块，所述充电控制模块包括用于电压变换的第一控制变换器、用于控制实现所述超级电容模块充放电的第二控制变换器，所述第一控制变换的输入端接入供电电源，输出端分别连接所述蓄电池模块、负载以及通过所述第二控制变换器连接所述超级电容模块。作为本专利技术充电机的进一步改进：所述第一控制变换器为具有将交流电压转换为所需直流电压功能、以及将直流电压转换为所需直流电压功能的变换电路，所述变换电路的输入端设置有交流电源接口、直接电源接口，输出端输出所需直流电压。作为本专利技术充电机的进一步改进：所述第一控制变换器具体包括依次连接的输入整流单元、逆变单元、变压器以及输出整流单元，所述整流单元的输入端接入交流电源或直流电源进行整流，整流后电压依次经过所述逆变单元进行逆变、所述变压器进行电压变换后，由各所述输出整流单元变换为直流电输出。作为本专利技术充电机的进一步改进：所述输入整流单元具体为三相整流桥，所述三相整流桥的三相输入端口连接所述交流电源接口，所述三相整流桥的两相输入端口连接所述直流电源接口。作为本专利技术充电机的进一步改进：所述逆变单元包括相同结构的两个以上的逆变模块，每个所述逆变模块与所述变压器的一个初级绕组连接，各所述逆变模块的中点接地，各所述逆变模块的原边相互串联连接、次边相互并联连接。作为本专利技术充电机的进一步改进：所述输出整流单元包括两个以上的整流二极管电路，每个所述整流二极管电路设置在所述变压器中一个次级绕组的输出端，各个所述整流二极管电路的输出端相互连接，以输出整流后直流电压。作为本专利技术充电机的进一步改进：所述第一控制变换器还包括与所述变压器的次级绕组连接的储能电感。作为本专利技术充电机的进一步改进：所述第二控制变换器包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3以及第四开关管Q4，所述第一开关管Q1的集电极连接所述第一控制变换器输出端的正极直流母线，发射极连接所述第二开关管Q2的集电极、所述第四开关管Q4的集电极以及所述第三开关管Q3的发射极，所述第三开关管Q3的集电极连接所述超级电容模块的正极端口，所述第二开关管Q2、第四开关管Q4的发射极均连接所述超级电容模块的负极端口。作为本专利技术充电机的进一步改进：所述第一开关管Q1与所述第二开关管Q2的连接点、与所述第三开关管Q3与所述第四开关管Q4的连接点之间设置有电感L1。作为本专利技术充电机的进一步改进：所述充电机控制模块还设置有用于隔离所述蓄电池模块与所述第二控制变换器、直流母线的隔离二极管D1，所述隔离二极管D1设置在所述第一控制变换器输出端的正极直流母线上。本专利技术进一步提供利用上述混合储能充电机的控制方法，具体步骤包括：S1.启动所述混合储能充电机，所述第一控制变换器接入供电电源进行变换后，提供给所述蓄电池模块充电，以及经过所述第二控制变换器控制向所述超级电容模块充电，以及提供给直流负载供电；当存在冲击负载启动时，转入执行步骤S2；当所述充电控制模块发生故障时，转入执行步骤S3；S2.所述超级电容模块通过所述第二控制变换器进行放电，提供给冲击负载瞬时大功率；S3.控制所述蓄电池模块放电，提供给直流负载持续供电功率。作为本专利技术控制方法的进一步改进：所述步骤S1中还包括第一控制变换器闭环调节步骤，具体步骤为：采集所述第一控制变换器的输入电压Uin、输出电压Uo以及所述蓄电池模块的充电电流Ib，根据采集到的信号生成第一控制脉冲发送给所述第一控制变换器中开关管，以对所述第一控制变换器进行闭环调节。作为本专利技术充电机的进一步改进：所述步骤S1中还包括第二控制变换器调节步骤，具体步骤为：采集所述第一控制变换器的输出电压Uo、所述超级电容模块的电压Uc、所述超级电容模块的电流Ic，根据采集到的信号生成第二控制脉冲发送给所述第二控制变换器中开关管，以控制对所述第二控制变换器进行闭环调节。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：1)本专利技术结合超级电容和蓄电池构成混合储能充电机，由充电控制模块分别实现蓄电池、超级电容的混合充电管理，充分利用蓄电池和超级电容的优势，使用超级电容为冲击负载供电，使用蓄电池为永久负载提供可靠的持续供电，能够同时满足冲击负载、永久负载的不同用电特性，从而兼顾大功率冲击负载瞬时功率和重要永久负载的长时供电需求；同时由于冲击负载的启动冲击功率由超级电容提供，相比于传统的需要使用高倍率大容量的蓄电池、大功率充电机，系统的实现简单、成本低、利用率及效率高且体积重量小，且由超级电容提供冲击启动功率，还可以减轻对应的第一控制变换器的功率需求，便于实现整个充电机的轻量化。2)本专利技术进一步第一控制变换器通过实现AC/DC变换或DC/DC变换为蓄电池模块充电，能够满足三相交流输入和直流输入的不同供电电源需求，从而可适用于不同制式混合供电网络中。3)本专利技术进一步第一控制变换器中各逆变模块的中点接地，可降低逆变模块中开关管的耐压要求，同时降低开关损耗，从而可进一步便于实现第一控制变换器的高频化、轻量化；通过第一控制变换器中各逆变模块的原边串联、次边并联，使得可灵活扩展第一控制变换器的功率输出能力。4)本专利技术通过由四个开关管(Q1～Q4)构成第二控制变换器，可同时实现升压充电和升降压放电，从而可最大限度的利用超级电容模块储能，相比于传统的需要使用高倍率大容量的蓄电池、大功率充电机，能本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于轨道交通车辆的混合储能充电机，其特征在于：包括充电控制模块(1)、超级电容模块(2)以及蓄电池模块(3)，所述充电控制模块(1)包括用于电压变换的第一控制变换器(11)、用于控制实现所述超级电容模块(2)充放电的第二控制变换器(12)，所述第一控制变换器(11)的输入端接入供电电源，输出端分别连接所述蓄电池模块(3)、负载以及通过所述第二控制变换器(12)连接所述超级电容模块(2)。

【技术特征摘要】
1.一种用于轨道交通车辆的混合储能充电机，其特征在于：包括充电控制模块(1)、超级电容模块(2)以及蓄电池模块(3)，所述充电控制模块(1)包括用于电压变换的第一控制变换器(11)、用于控制实现所述超级电容模块(2)充放电的第二控制变换器(12)，所述第一控制变换器(11)的输入端接入供电电源，输出端分别连接所述蓄电池模块(3)、负载以及通过所述第二控制变换器(12)连接所述超级电容模块(2)。2.根据权利要求1所述的用于轨道交通车辆的混合储能充电机，其特征在于：所述第一控制变换器(11)为具有将交流电压转换为所需直流电压功能、以及将直流电压转换为所需直流电压功能的变换电路，所述变换电路的输入端设置有交流电源接口、直接电源接口，输出端输出所需直流电压。3.根据权利要求2所述的用于轨道交通车辆的混合储能充电机，其特征在于，所述第一控制变换器(11)具体包括依次连接的输入整流单元(111)、逆变单元(112)、变压器(113)以及输出整流单元(114)，所述输入整流单元(111)的输入端接入交流电源或直流电源进行整流，整流后电压依次经过所述逆变单元(112)进行逆变、所述变压器(113)进行电压变换后，由各所述输出整流单元(114)变换为直流电输出。4.根据权利要求3所述的用于轨道交通车辆的混合储能充电机，其特征在于：所述输入整流单元(111)具体为三相整流桥，所述三相整流桥的三相输入端口连接所述交流电源接口，所述三相整流桥的两相输入端口连接所述直流电源接口。5.根据权利要求3所述的用于轨道交通车辆的混合储能充电机，其特征在于：所述逆变单元(112)包括相同结构的两个以上的逆变模块，每个所述逆变模块与所述变压器(113)的一个初级绕组连接，各所述逆变模块的中点接地，各所述逆变模块的原边相互串联连接、次边相互并联连接。6.根据权利要求3所述的用于轨道交通车辆的混合储能充电机，其特征在于：所述输出整流单元(114)包括两个以上的整流二极管电路，每个所述整流二极管电路设置在所述变压器(113)中一个次级绕组的输出端，各个所述整流二极管电路的输出端相互连接，以输出整流后直流电压。7.根据权利要求3～6中任意一项所述的用于轨道交通车辆的混合储能充电机，其特征在于：所述第一控制变换器(11)还包括与所述变压器(113)的次级绕组连接的储能电感。8.根据权利要求1～6中任意一项所述的用于轨道交通车辆的混合储能充电机，其特征在于，所述第二控制变换器(12)...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹金洲，饶沛南，张小勇，张庆，周帅，赵明锐，刘湘林，任凯，
申请(专利权)人：株洲中车时代电气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43