CN110228372B - 一种第三轨与锂电池混合供电电路 - Google Patents

Abstract

一种第三轨与锂电池混合供电电路，在第三轨无网压的紧急情况下，车辆应急牵引所需电能由应急牵引锂电池供电；并且，第三轨与锂电池供电转换通过转换开关箱控制。本发明的技术方案实现了城轨车辆锂电池应急牵引供电，基于锂电池的诸多优点，可满足长时间大电流放电的应急牵引能耗需求，解决了特殊无电区(如段内、刀叉路口等)牵引、应急工况牵引、复杂坡道工况的牵引难题。该混合供电电路安全性更高，在供电网络故障时，车辆可自行牵引至附近车站卸下乘客并回库，无需牵引车辆救援，可实现车辆自救功能。

Description

一种第三轨与锂电池混合供电电路

技术领域

本发明涉及城轨车辆供电技术领域，尤其涉及一种第三轨与锂电池混合供电电路。

背景技术

目前，城轨车辆主要通过接触网或者第三轨单一方式供电，该供电方式具有成熟可靠、安装布局方便等特点，但是无法解决目前车辆运营中出现的电网故障、特殊无电区(段内移库、交叉路口等)的车辆牵引问题。目前现有的应急牵引方案仅适用短距离平直线路，无法满足坡道及复杂工况的应急牵引需求，且对车辆有诸多限制要求。

现有技术的一种应急牵引方案中，采用了第三轨与碱性蓄电池混合供电的方案，该方案是通过增加车辆蓄电池容量的方式，辅助车辆通过无电区，通常该方案适用无电区距离较短的平直线路。而由于该方案选用了碱性蓄电池作为动力源，碱性蓄电池的缺点主要包括能量密度低、功率密度低、循环寿命短、重量体积较大，所以无法适用地铁车辆应急牵引的长距离运行、频繁使用的要求。

现有技术的另一种应急牵引方案中，采用地面供电与超级电容混合供电的方案，该方案有三种充电方式：(1)车辆利用终点站与中间站停车充电储能，(2)终点站充电，(3)全线采用地面供电，并对超级电容充电；供电方式为过交叉路口仅采用超级电容供电(脱线运行)，其他工况采用地面供电方式运行。采用这种应急牵引方案，需要具备较多充电站，基建成本高；且需频繁充电，超级电容寿命短，频繁更换，成本高；另外由于需配置较大容量，导致体积重量大；且由于超级电容本身的技术限制，目前的超级电容不适宜地铁车辆进行长时间的大电流放电，无法长距离牵引，目前只装载在有轨电车上。

基于此，现有技术仍然有待改进。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明实施例提出一种第三轨与锂电池混合供电电路，其既能采用第三轨供电方式为正常运营的车辆供电，又可以在第三轨供电中断的情况下，通过锂电池所储存的能量驱动车辆低速移动，使车辆自牵引至所需车站或进行移库操作。

本发明实施例所公开的一种第三轨与锂电池混合供电电路，其包括：

在第三轨无网压的紧急情况下，车辆应急牵引所需电能由应急牵引锂电池供电；并且，

第三轨与锂电池供电转换通过转换开关箱控制。

进一步地，在第三轨无网压的紧急情况下，车辆辅助***紧急负载由碱性蓄电池供电。

进一步地，所述转换开关箱中，供电模式开关中的K1用于连接三轨位；供电模式开关中的K2用于连接锂电池位。

进一步地，所述转换开关箱设置在动车上。

进一步地，供电模式开关中的K2连接锂电池位后，锂电池箱通过变流器升压后，通过辅助隔离开关箱连接至整车母线上，为牵引设备供电。

进一步地，所述锂电池设置在拖车上，所述变流器和所述辅助隔离开关箱设置在拖车上。

进一步地，为牵引设备供电包括：电流流入高压电器箱和滤波电抗器，然后输入至牵引逆变器，经过整流后输出牵引电机所需电流，为牵引电机提供动能。

进一步地，供电模式开关中的K2连接锂电池位后，制动电阻风机接触器断开，制动电阻箱退出工作。

进一步地，在车辆停站或惰行阶段为锂电池充电。

进一步地，第三轨电流经辅助隔离开关箱接入变流器，经整流变压后为锂电池充电。

采用上述技术方案，本发明至少具有如下有益效果：

本发明的技术方案实现了城轨车辆锂电池应急牵引供电，基于锂电池的诸多优点，可满足长时间大电流放电的应急牵引能耗需求，解决了特殊无电区(如段内、刀叉路口等)牵引、应急工况牵引、复杂坡道工况的牵引难题。该混合供电电路安全性更高，在供电网络故障时，车辆可自行牵引至附近车站卸下乘客并回库，无需牵引车辆救援，可实现车辆自救功能。

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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例的第三轨与锂电池混合供电中的第三轨供电能量流图；

图2为本发明一实施例的第三轨与锂电池混合供电中的锂电池供电能量流图；

图3为本发明一实施例的第三轨与锂电池混合供电中的锂电池充电能量流图；

图4为本发明一实施例的第三轨与锂电池混合供电电路图；

图5为本发明一实施例的第三轨与锂电池混合供电电路图；

图6为本发明一实施例的第三轨与锂电池混合供电电路图；

图7为本发明一实施例的第三轨与锂电池混合供电电路图。

其中：

IVS：辅助隔离开关箱、IVHB：辅助高速断路器、SIV：辅助逆变器、BCG：蓄电池充电器箱、BATB：蓄电池箱、MS：主隔离开关箱、CS：转换开关箱、MF：主熔断器箱、HB：高速断路器箱、VVVF：牵引逆变器、BT：牵引锂电池箱、DC/DC：DC/DC变流器、BHB：母线断路器箱、BF：母线熔断器箱、CCD:受流器、ARR：避雷器、HV：高压电器箱、FL：滤波电抗器、IM：牵引电机、BR：制动电阻箱、BFANC：制动电阻风机接触器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

如图1至图6所示，本发明实施例公开了一种第三轨与锂电池混合供电电路，在第三轨无网压的紧急情况下，车辆应急牵引所需电能由应急牵引锂电池供电；并且，第三轨与锂电池供电转换通过转换开关箱控制。

本发明的技术方案采用了锂电池(优选为钛酸锂电池)作为动力电池，通过双向DC/DC变流器实现锂电池的能量存储与输出转换，来应急牵引车辆运行。钛酸锂电池具有能量密度高、功率密度大的优势，在循环寿命、低温性能、安全性等方面都表现优越，可以满足长时间大电流放电的应急牵引能耗需求。

锂电池供电的应急牵引工作过程可以为：车辆在平直轨道上静止，司机通过激活操纵台上的供电模式开关，使牵引***由第三轨供电模式转换为锂电池供电模式，让车辆在无高压输入的情况下自行牵引，以实现车辆移库转运功能。锂电池通过升压装置DC/DC变流器来提供牵引电源所需电压，锂电池应急牵引时仅保证车辆基本的牵引***负载工作，锂电池供电模式主要用于段内和坡道无电区。

本发明实施例所公开的混合供电电路主要实现车辆的应急牵引功能，完成两种供电模式的安全转换，合理控制电能传输。当电网无故障，车辆运行于正线时，采用第三轨供电模式，电能通过第三轨传输到牵引逆变器上，通过牵引逆变器整流为牵引电机供电，另一部分电能通过DC/DC变流器变压后存储于锂电池内，电能流向如图1所示。

本发明实施例所公开的混合供电电路中，当车辆发生故障无高压或者通过特殊区域时，通过激活锂电池供电模式，锂电池变为动力电源，通过DC/DC变流器升压并反向传输电能至牵引逆变器，牵引逆变器整流后为牵引电机供电，驱动车辆低速运行，电流流向如图2所示。

本发明实施例所公开的混合供电电路中，当应急牵引完成后，锂电池荷电状态SOC较低，即剩余电量较少，供电网恢复供电后需对电池补充能量(比如停站或者惰行阶段)，此时能量流图如图3所示。

如图4-图6所示，本发明一实施例所公开的混合供电电路，在启动第三轨供电时，首先需将供电模式开关旋转至三轨位，电流通过受流器(CCD)进入M/M1车母线断路器箱(BHB)，进而连接至转换开关箱(CS)的三轨电路，如图5所示。此时，图4中的转换开关箱(CS)的K1触点闭合，电流流入高压电器箱(HV)和滤波电抗器(FL)，输入至牵引逆变器(VVVF)，经过整流后输出牵引电机所需电流，为牵引电机提供动能，牵引电机(IM)启动，驱动车辆运行。制动电阻箱(BR)连接至牵引逆变器(VVVF)用于反馈再生制动能量。

在启动锂电池应急供电时，首先需将供电模式开关旋转至电池位，位于T车的锂电池箱(BT)通过DC/DC变流器(DC/DC)升压至750V电压，并通过辅助隔离开关箱(IVS)传输到整车母线上，为牵引设备供电。然后，如图4所示，锂电池牵引母线从T车传输到M/M1车的牵引主回路，并接入M/M1车的转换开关箱(CS)的电池电路，K2触点闭合，电流流入高压电器箱(HV)和滤波电抗器(FL)，输入至牵引逆变器(VVVF)，经过整流后输出牵引电机所需电流，为牵引电机提供动能，牵引电机(IM)启动，驱动车辆运行。锂电池应急供电工况下，制动电阻箱(BR)退出工作，制动电阻风机接触器(BFANC)断开。

当锂电池充电时，第三轨电流经辅助隔离开关箱(IVS)接入至DC/DC变流器(DC/DC)，经过整流变压后为锂电池充电。

本发明一些实施例中，紧急牵引用锂电池组布置于T车车下，电池组为额定电压DC607V的钛酸锂电池。在第三轨无网压的紧急情况下，车辆辅助***紧急负载由安装于Tc车的两组碱性蓄电池组供电，而车辆应急牵引所需电能由安装于T车的应急牵引锂电池供电。两种工况的转换通过各动车车下的转换开关箱控制，电压的转换通过T车的DC/DC变流器实现。

锂电池供电电路通过转换开关与应急牵引模式开关CS激活，位于T车的DC/DC变流器将锂电池电压升压为牵引逆变器VVVF牵引所需电压，并通过列车母线送至各牵引逆变器VVVF。

本发明实施例所公开的混合供电电路中，除常规第三轨牵引***设备外，第三轨与锂电池混合电路还需配置转换开关箱、辅助隔离开关箱、DC/DC变流器、牵引锂电池箱、高压分线箱(一)、供电模式开关、控制断路器、车间高压连接器、高压分线箱(二)。

各组成部件功能如下：

(1)转换开关箱

转换开关箱功能是将主回路母线从第三轨供电切换为锂电池供电。当第三轨供电正常时，转换开关箱内开关置于“三轨”位，750V母线经母线熔断器、母线断路器连接到转换开关箱，后接其他高压电器箱，最终给牵引电机供电。

当第三轨无高压时，转换开关箱内开关打到“电池”位，锂电池通过母线给牵引***供电。

(2)辅助隔离开关箱

辅助隔离开关箱功能为分断750V高压母线与DC/DC变流器箱之间线路连接的作用。当车辆正常运行时，辅助隔离开关箱为DC/DC变流器箱提供750V回路的正负线，DC/DC变流器将该电压降至锂电池充电用直流电压。

当设备需要检修时，将辅助隔离开关置于“隔离”位，对设备进行检查及耐压等维护测试。完成检修及测试工作后，将开关恢复到正常“运行”位。

(3)DC/DC变流器箱

DC/DC变流器箱作用分两种工况：

正常工况时，DC/DC变流器箱将从750V母线上取得的电压变压至锂电池充电用电压，为锂电池充电提供电能。

第三轨故障工况或通过特殊无电区时，DC/DC变流器箱将锂电池电压升压到750V后，传递给各动车的牵引逆变器，提供车辆应急牵引所需能量。

(4)牵引锂电池箱

牵引锂电池箱的作用为当第三轨无电状态下，由牵引锂电池提供直流电压，经由DC/DC变流器箱变压为750V，进而为动车牵引逆变器提供应急牵引用电能。

(5)高压分线箱(一)

高压分线箱(一)的作用是在750V母线上提供分线点，并为辅助隔离开关箱输入端提供接线点。

(6)车间高压连接器

车间高压连接器功能是将两节车厢的高压母线连接起来，形成完整辅助供电母线线路。采用双端都是连接器的安装方式，正常运行时两端都接在插座上；当车辆解编时将连接插头和线收藏，方便快速解编。

(7)高压分线箱(二)

高压分线箱(二)功能是为锂电池供电母线提供分线点，将转换开关箱连接到辅助供电主回路上。

实施例

现以三动三拖编组城轨车辆为例进行方案介绍，编组型式为-Tc+M+M-T+M+Tc-。当车辆处于锂电池应急牵引时，整列车由三节动车提供列车牵引所需动力，将转换开关设置于M\M1\M三节动车上，锂电池箱BT、DC/DC变流器及辅助隔离开关箱IVS布置于拖车T上，相互之间通过高压母线连接，混合供电电路拓扑结构如图7所示。

该城轨车辆入库的蓄电池应急牵引条件如下：

条件一：(1)20‰坡度325m(AW3)+平直道500m(AW3)；

条件二：(2)24.2‰坡度200m(AW3)+3.5‰坡度150m(AW3)+平直道150m

考虑到条件一状态比条件二困难，因此整个锂电池应急牵引方案按条件一设计，条件一可满足全线应急牵引需要。

该车辆除配置常规第三轨牵引***设备外，锂电池牵引电路还需配置以下设备，详见表1。

表1锂电池供电设备配置

主电路的设计关键是高压电路转换的控制方式，两种供电模式通过转换开关箱CS进行转换控制。

当第三轨供电时，通过母线断路器箱BHB输出750V高压母线，通过主隔离开关箱MS、转换开关箱CS、高压电器箱HV、滤波电抗器FL、牵引逆变器VVVF输出整流后的牵引电流，为牵引电机提供动能，驱动车辆运行，电路如图5所示，锂电池牵引母线与第三轨750V母线并联接入至转换开关箱CS。

当锂电池应急供电时，车辆通过转换开关箱CS获取锂电池能量，如图6所示，锂电池牵引母线将位于M\M1\M三节动车的转换开关箱CS与T车的DC/DC变流器共同连接至750V电路上，通过T车的锂电池箱BT与DC/DC变流器输出驱动电能，通过母线传到至M\M1\M三节动车上。

锂电池供电的主电路设计如图4所示，当应急牵引时，锂电池箱通过DC/DC变流器逆变升压至750V电压，并通过辅助隔离开关箱IVS传输到母线上，为牵引设备供电。当锂电池充电时，电流经过母线辅助隔离开关箱IVS接入至DC/DC变流器，经过整流变压后为锂电池充电。

综上所述，本发明实施例所公开的混合供电电路，解决了城铁车辆在第三轨断电或通过特殊无电区的情况下，应急牵引车辆通过长距离坡道，安全移库，以及供电方式的合理控制的技术问题。同时解决储能元件循环寿命短、能量密度低、体积重量大、功率密度低等问题，合理控制储能元件能量存储与输出。

需要特别指出的是，上述各个实施例中的各个组件或步骤均可以相互交叉、替换、增加、删减，因此，这些合理的排列组合变换也应当属于本发明的保护范围，并且不应将本发明的保护范围局限在所述实施例之上。

以上是本发明公开的示例性实施例，上述本发明实施例公开的顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。但是应当注意，以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子，在不背离权利要求限定的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的公开实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明实施例公开的元素可以以个体形式描述或要求，但除非明确限制为单数，也可以理解为多个。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明实施例的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种第三轨与锂电池混合供电电路，其特征在于，包括：

在第三轨无网压的紧急情况下，车辆应急牵引所需电能由应急牵引锂电池供电；并且，

第三轨与锂电池供电转换通过转换开关箱控制；

锂电池牵引母线与第三轨母线并联接入所述转换开关箱中，所述转换开关箱中，供电模式开关中的K1用于连接三轨位；电流通过受流器进入动车母线断路器箱，进而连接至转换开关箱的三轨电路，转换开关箱的K1触点闭合，电流流入高压电器箱和滤波电抗器，输入至牵引逆变器，经过整流后输出牵引电机所需电流，为牵引电机提供动能；

正常工况时，变流器将从第三轨母线上取得的电压变压至锂电池充电用电压，为锂电池充电提供电能；

供电模式开关中的K2用于连接锂电池位；在第三轨无网压的紧急情况下，供电模式开关中的K2连接锂电池位后，锂电池箱通过变流器升压后，通过辅助隔离开关箱连接至整车母线上，为牵引设备供电；在第三轨无网压的紧急情况下，车辆辅助***紧急负载由碱性蓄电池供电；将供电模式开关旋转至电池位，位于拖车的锂电池箱通过变流器升压至750V电压，并通过辅助隔离开关箱传输到整车母线上，为牵引设备供电；锂电池牵引母线从拖车传输到动车的牵引主回路，并接入动车的转换开关箱的电池电路，K2触点闭合，电流流入高压电器箱和滤波电抗器，输入至牵引逆变器。

2.根据权利要求1所述的第三轨与锂电池混合供电电路，其特征在于，所述转换开关箱设置在动车上。

3.根据权利要求1所述的第三轨与锂电池混合供电电路，其特征在于，所述锂电池设置在拖车上，所述变流器和所述辅助隔离开关箱设置在拖车上。

4.根据权利要求2所述的第三轨与锂电池混合供电电路，其特征在于，供电模式开关中的K2连接锂电池位后，制动电阻风机接触器断开，制动电阻箱退出工作。

5.根据权利要求1所述的第三轨与锂电池混合供电电路，其特征在于，在车辆停站或惰行阶段为锂电池充电。

6.根据权利要求1所述的第三轨与锂电池混合供电电路，其特征在于，第三轨电流经辅助隔离开关箱接入变流器，经整流变压后为锂电池充电。

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