CN113682153B - 基于受电弓及动力电池的双电源供电控制方法及*** - Google Patents

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Abstract

本发明提供了基于受电弓及动力电池的双电源供电控制方法及***，包括：确定列车处于有网区向无网区的过渡区域时，控制双向DC/DC电路完成充电模式转换成放电模式之后电车进入无网区，列车供电由第一充电弓供电转换为动力电池供电；确定电车处于无网区向有网区的过渡区域时，控制第一充电弓完成升弓后列车再进入有网区，列车供电由动力电池供电转换为第一充电弓供电；上述无网区与有网区之间过渡区域的供电是在列车不断电、不停车的前提下自动切换。自动实现列车接触网供电和动力电池供电的无缝转换，转换过程列车不停车、不断电，提升了列车平均旅行速度。

Description

基于受电弓及动力电池的双电源供电控制方法及***
技术领域
本发明属于技术列车供电控制技术领域，具体涉及基于受电弓及动力电池的双电源供电控制方法及***。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
当线路存在有网区及无网区工况时，一般车辆解决方案为兼容受电弓及动力电池供电模式，即在有网区运行时由受电弓供电，无网区时由动力电池供电，但在线路之间往返运行时，动力电池电量如何保证始终满足无网区线路能耗，是必须解决的难题。
通过车载受电弓为动力电池充电时需配置大功率双向DC/DC进行充放电控制，动力电池充电越快，列车牵引性能越高，需配置的双向DC/DC功率越大，双向DC/DC尺寸及重量越大，这与车辆有限的安装空间与轴重存在矛盾。同时，为了满足无网区返程能耗，终点站充电桩通过既有受电弓和双向DC/DC为动力电池充电，受制于既有受电弓和双向DC/DC能力，充电时间较长，不利于列车运营编排。
另外，有网区运行时，受制于接触网供电能力，受电弓供电满足列车正常运营情况下，为动力电池充电，该充电电流较小，配置的双向DC/DC能力浪费，同时由于双向DC/DC重量较大，进一步导致列车日常运营能耗增加。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了基于受电弓及动力电池的双电源供电控制方法及***，本发明自动实现列车接触网供电和动力电池供电的无缝转换，转换过程列车不停车、不断电。
根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
第一方面，公开了基于受电弓及动力电池的双电源供电控制方法，包括：
确定列车处于有网区向无网区的过渡区域时，控制双向DC/DC电路完成充电模式转换成放电模式之后电车进入无网区，列车供电由第一充电弓供电转换为动力电池供电；
确定电车处于无网区向有网区的过渡区域时，控制第一充电弓完成升弓后列车再进入有网区，列车供电由动力电池供电转换为第一充电弓供电；
上述无网区与有网区之间过渡区域的供电是在列车不断电、不停车的前提下自动切换。
进一步的技术方案，还包括对动力电池充电，所述动力电池充电方式包括：在充电桩处利用第二充电弓升弓对动力电池充电；
充电桩充电工况下，双向DC/DC电路开关闭合，充电桩通过第二受电弓为动力电池充电，同时通过双向DC/DC电路提供列车牵引用电及辅助负载用电。
进一步的技术方案，经过无网区向有网区的过渡区域之后，列车处于有网区接触网供电时，控制第一充电弓连接接触网；
监控到接触网网压后，双向DC/DC电路自动调整高压母线侧输出电压，使其略低于接触网电压，列车自动控制高压电气箱内开关闭合，整车供电转由接触网供电。
优选的，所述动力电池充电方式还包括：列车处于有网区时，双向DC/DC电路自动转换成充电模式，将接触网的剩余能量通过双向DC/DC电路给动力电池充电。
进一步的技术方案，经过无网区向有网区的过渡区域之后，列车处于有网区制动工况时，列车动能通过牵引电机和牵引变流器转化为电能，双向DC/DC电路自动调控高压母线侧电压，使其略低于接触网电压。
优选的，制动工况下制动能量优先通过双向DC/DC电路为动力电池充电，超出动力电池充电能力外的能量或动力电池充满电后，双向DC/DC电路自动钳制，由接触网吸收。
进一步的技术方案，经过有网区向无网区的过渡区域之后，无网区电池供电工况下，动力电池通过双向DC/DC电路提供列车牵引用电及辅助负载用电；
无网区制动工况下，列车动能通过牵引电机和牵引变流器转化为电能，制动能量通过双向DC/DC电路为动力电池充电。
进一步的技术方案，处于有网区向无网区的过渡区域，双向DC/DC电路完成充电模式转换成放电模式之后：
双向DC/DC电路同时调低高压母线侧输出电压，使其略低于接触网电压，接触网不能给动力电池充电，列车仍由接触网供电，动力电池处于不充不放状态；
当列车进入无网区后，第一受电弓侧无网压，自动控制第一受电弓降弓，高压电气箱内开关自动断开，列车自动转为由动力电池供电。
优选的，接触网边缘区域设置成上抬的斜角。
进一步的技术方案，确定列车处于有网区向无网区的过渡区域时，自动触发列车减速或列车限速，确保列车在双向DC/DC电路状态转换完成之后再进入无网区。
第二方面，公开了基于受电弓及动力电池的双电源供电控制***，包括：
电子信标及设置在列车上的信标读取器及控制器；
所述电子信标分别设置在有网区和无网区过渡区域及无网区和充电桩过渡区域；
所述控制器基于信标读取器的信息确定列车处于有网区向无网区的过渡区域时，控制双向DC/DC电路完成充电模式转换成放电模式之后电车进入无网区，列车供电由第一充电弓供电转换为动力电池供电；
所述控制器基于信标读取器的信息确定电车处于无网区向有网区的过渡区域时，控制第一充电弓完成升弓后列车再进入有网区，列车供电由动力电池供电转换为第一充电弓供电；
上述无网区与有网区之间过渡区域的供电是在列车不断电、不停车的前提下自动切换。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明自动实现列车接触网供电和动力电池供电的无缝转换，转换过程列车不停车、不断电，提升了列车平均旅行速度。
本发明充分利用再生自动能量，提高能量利用率；充分利用有网区接触网剩余能力，为动力电池补充电量，保证了无网区列车续航能力，减少充电桩处充电时间。
本发明通过第二受电弓，即专用受电弓，大功率、可靠、快速为动力电池充电，大大缩短动力电池充电时间，方便列车运营编排；
本发明配置小功率双向DC/DC，减少了列车重量，进一步减少列车日常运营能耗，同时节省的空间和重量可进一步提升动力电池配置，提升列车无网区续航能力。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明高压拓扑示意图；
图2为本发明有网区接触网供电能量流向示意图；
图3为本发明有网区制动能量流向示意图；
图4为本发明无网区电池供电能量流向示意图；
图5为本发明无网区制动能量流向示意图；
图6为本发明充电桩充电能量流向示意图；
图7为本发明有网区向无网区过渡示意图；
图8为本发明无网区向有网区过渡示意图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一：
在本实施例中，公开了基于受电弓及动力电池的双电源供电控制方法，通过配置动力电池专用充电弓，实现动力电池快速充电，大大减少终点站充电时间时长。配置双向小功率DC/DC电路，实现通过有网区既有受电弓为动力电池充电，充分利用接触网能力。通过专用受电弓实现有网区和无网区的无缝过渡，列车不断电、不停车，同时小功率双向DC/DC电路尺寸及重量较小，列车可以增加动力电池电量配置，进一步延长列车无网区续航能力。
在该实施例子中，既有受电弓即为上述第一充电弓，专用充电弓即为上述第二充电弓。
具体例子中，列车高压拓扑如图1所示。专用受电弓只在充电桩处升弓充电，其他时间均为降弓状态，既有受电弓在充电桩处处于降弓状态，有网区均为升弓状态。双向DC/DC电路内部设置开关1，充电桩充电的情况下闭合，其他时间均为断开状态。由于双向DC/DC电路只需满足无网区牵引性能和有网区小功率充电，双向DC/DC电路尺寸、重量较既有大功率双向DC/DC电路显著减小。
为了识别列车所在区域的切换，本实施例中在有网区和无网区过渡区域、无网区和充电桩过渡区域分别设置电子信标，列车上设置信标读取器，当读取到电子信标时，列车自动触发双向DC/DC电路控制信号，双向DC/DC电路动作自动实现充放电模式转换。
例如，在无网区向有网区过渡时，在无网区接近有网区位置设置电子信标；在有网区向无网区过渡时，在有网区接近无网区位置设置电子信标；在无网区向充电桩区过渡时，在无网区接近充电桩区位置设置电子信标；在充电桩区向无网区过渡时，在充电桩区接近无网区位置设置电子信标。
有网区接触网供电工况如图2，有网区接触网提供列车牵引用电及辅助负载用电，剩余能量通过双向DC/DC电路给动力电池充电。
具体的，接触网为供电线，接触网的供电能力大于列车牵引及辅助用电需求，再满足列车牵引及辅助用电需求后接触网还有一定的供电能力，该部分可以利用给动力电池充电。
有网区制动工况如图3，列车动能通过牵引电机和牵引变流器转化为电能，双向DC/DC电路自动调控高压母线侧电压，使其略低于接触网电压，制动能量优先通过双向DC/DC电路为动力电池充电。超出动力电池充电能力外的能量或动力电池充满电后，DC/DC电路自动钳制，由接触网吸收。
上述略低于接触网电压，可以根据实际情况选择，例如：低于接触网网压可以为5V。
无网区电池供电工况如图4，动力电池通过双向DC/DC电路提供列车牵引用电及辅助负载用电。
无网区制动工况如图5，列车动能通过牵引电机和牵引变流器转化为电能，制动能量通过双向DC/DC电路为动力电池充电。
充电桩充电工况如图6，双向DC/DC电路开关1闭合，充电桩通过专用受电弓为动力电池充电，同时通过双向DC/DC电路提供列车牵引用电及辅助负载用电。
有网区向无网区过渡时，列车信标读取器读取电子信标自动触发双向DC/DC电路充放电模式转换，由充电模式转换成放电模式，双向DC/DC电路同时调低高压母线侧输出电压，使其略低于接触网电压。由于双向DC/DC电路控制，接触网不能给动力电池充电，且双向DC/DC电路高压母线侧输出电压低于接触网电压，列车仍由接触网供电，动力电池处于不充不放状态。列车进入无网区后，既有受电弓侧无网压，列车自动控制既有受电弓降弓，高压电气箱内开关自动断开，列车自动转为由动力电池供电，实现了有网区到无网区自动切换，列车不断电、不停车，参见如图7。
在一实施例子中，双向DC/DC电路完成充电模式转换成放电模式的状态转换时间约3秒，假设列车速度最高为140km/h，则电子信标放置位置距有网区接触网终点处距离超过117m即可，可以确保列车在DC/DC电路状态转换完成之后再进入无网区。
另外，在读取到电子信标时，可通过自动触发列车减速或列车限速，防止列车离开有网区瞬间由接触网供电转换为动力电池供电时，瞬间拉低双向DC/DC电路高压母线侧输出电压，导致DC/DC电路欠压保护的可能。
无网区向有网区过渡时，列车信标读取器读取电子信标自动触发既有受电弓升弓，高压电气箱内的开关处于断开状态，此时列车仍由动力电池供电。
具体的，受电弓完成升弓时间约20秒，假设列车速度最高为140km/h，则电子信标放置位置距有网区接触网起点处距离超过778m即可，可以确保列车在完成升弓后再进入有网区。当列车进入有网区，既有受电弓与网连接，列车监控到接触网网压，双向DC/DC电路自动调整高压母线侧输出电压，使其略低于接触网电压，列车自动控制高压电气箱内开关闭合，整车供电转由接触网供电，而后双向DC/DC电路自动转换成充电模式，为动力电池补充电量。实现了无网区到有网区自动切换，列车不断电、不停车，参见如图8。
无网区进入充电桩区时，同样通过列车信标读取器读取电子信标，自动触发列车专用受电弓升弓，双向DC/DC电路开关1自动闭合，列车进入充电桩区充电。
具体的，受电弓完成升弓时间约20秒，假设列车速度最高为140km/h，则电子信标放置位置距充电桩接触网起点处距离超过778m即可，可以确保列车在完成升弓后再进入充电桩区。
列车自动进入充电桩充电工况，由于列车动力电池***经过整车TCMS和充电桩有无线通信交互，充电桩接触网按照可设置好的充电策略供电，动力电池***可根据自身状态请求允许充电电流及充电状态转换，例如列车共配置4组动力电池，有一组动力电池故障，改故障组动力电池自动切除，请求充电电流降为3/4。
列车TCMS和充电桩通讯故障时，按照先恒流I1充电，动力电池***电压达到U后，转恒压U充，X秒后，转换为恒压U限流I2浮充。
充电桩区进入无网区时，充电完成充电桩接触网自动断电，同样通过列车信标读取器读取电子信标，列车专用受电弓自动降弓，双向DC/DC电路开关1自动断开，列车进入无网区工况。
优选的例子中，列车和充电桩的信息交互可通过无线网络实现，当然，在实际实现时也可以采用有线的方式，或者采用有线网络作为备用，避免无线网络无法正常使用时无法完成列车和充电桩的信息交互。
在一实施例子中，可将接触网边缘区域设置成上抬的斜角，受电弓滑入后逐渐把受电弓压紧，进而过渡到有网区后实现接触网和受电弓的可靠连接。
在具体实施例子中，可通过设置电子信标不同编码，实现动作准确触发，例如，针对有网区和无网区过渡区域的电子信标，通过不同的编码可以识别出为有网区向无网区过渡，或者是无网区向有网区过渡，在列车控制器收到上述编码后实现自动识别方向，便于供电策略的控制。
通过上述控制方式，自动实现列车接触网供电和动力电池供电的无缝转换，转换过程列车不停车、不断电，提升了列车平均旅行速度；充分利用再生自动能量，提高能量利用率；充分利用有网区接触网剩余能力，为动力电池补充电量，保证了无网区列车续航能力，减少充电桩处充电时间；通过专用受电弓，大功率、可靠、快速为动力电池充电，大大缩短动力电池充电时间，方便列车运营编排；配置小功率双向DC/DC电路，减少了列车重量，进一步减少列车日常运营能耗，同时节省的空间和重量可进一步提升动力电池配置，提升列车无网区续航能力。
实施例二：
基于实施例一的方法，基于受电弓及动力电池的双电源供电控制***，包括：控制器；
所述控制器基于信标读取器的信息确定列车处于有网区向无网区的过渡区域时，控制双向DC/DC电路完成充电模式转换成放电模式之后电车进入无网区，列车供电由第一充电弓供电转换为动力电池供电；
所述控制器基于信标读取器的信息确定电车处于无网区向有网区的过渡区域时，控制第一充电弓完成升弓后列车再进入有网区，列车供电由动力电池供电转换为第一充电弓供电；
上述无网区与有网区之间过渡区域的供电是在列车不断电、不停车的前提下自动切换；
电子信标分别设置在有网区和无网区过渡区域及无网区和充电桩过渡区域。
同样的，信标读取器获得过渡信号后触发控制器动作，控制器使得列车从无网区向充电桩区、充电桩区向无网区进行过渡，自动实现列车接触网供电和动力电池供电的无缝转换，转换过程列车不停车、不断电，具体过渡的过程参见实施例子一中的具体描述。此处不再详细描述。
实施例三：
本实施例中公开了一种列车，采用实施例一中的基于受电弓及动力电池的双电源供电控制方法供电，或采用实施例二中的的基于受电弓及动力电池的双电源供电控制***供电。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.基于受电弓及动力电池的双电源供电控制方法，其特征是，包括：
确定列车处于有网区向无网区的过渡区域时，控制双向DC/DC电路完成充电模式转换成放电模式，之后电车进入无网区，列车供电由第一充电弓供电转换为动力电池供电；
具体的：处于有网区向无网区的过渡区域，双向DC/DC电路完成充电模式转换成放电模式之后：
双向DC/DC电路同时调低高压母线侧输出电压，使其略低于接触网电压，接触网不能给动力电池充电，列车由接触网供电，动力电池处于不充不放状态；
当列车进入无网区后，第一受电弓侧无网压，自动控制第一受电弓降弓，高压电气箱内开关自动断开，列车自动转为由动力电池供电；
确定电车处于无网区向有网区的过渡区域时，控制第一充电弓完成升弓，之后列车再进入有网区，列车供电由动力电池供电转换为第一充电弓供电；
经过无网区向有网区的过渡区域之后，列车处于有网区接触网供电时，控制第一充电弓连接接触网；
监控到接触网网压后，双向DC/DC电路自动调整高压母线侧输出电压，使其略低于接触网电压，列车自动控制高压电气箱内开关闭合，整车供电转由接触网供电；
所述动力电池充电方式还包括：列车处于有网区时，双向DC/DC电路自动转换成充电模式，将接触网的剩余能量通过双向DC/DC电路给动力电池充电；
上述无网区与有网区之间过渡区域的供电是通过第二受电弓实现有网区和无网区的无缝过渡，在列车不断电、不停车的前提下自动切换的。
2.如权利要求1所述的基于受电弓及动力电池的双电源供电控制方法，其特征是，还包括对动力电池充电，所述动力电池充电方式包括：在充电桩处利用第二充电弓升弓对动力电池充电；
充电桩充电工况下，双向DC/DC电路开关闭合，充电桩通过第二受电弓为动力电池充电，同时通过双向DC/DC电路提供列车牵引用电及辅助负载用电。
3.如权利要求1所述的基于受电弓及动力电池的双电源供电控制方法，其特征是，经过无网区向有网区的过渡区域之后，列车处于有网区制动工况时，列车动能通过牵引电机和牵引变流器转化为电能，双向DC/DC电路自动调控高压母线侧电压，使其略低于接触网电压。
4.如权利要求3所述的基于受电弓及动力电池的双电源供电控制方法，其特征是，制动工况下制动能量优先通过双向DC/DC电路为动力电池充电，超出动力电池充电能力外的能量或动力电池充满电后，双向DC/DC电路自动钳制，由接触网吸收。
5.如权利要求1所述的基于受电弓及动力电池的双电源供电控制方法，其特征是，经过有网区向无网区的过渡区域之后，无网区电池供电工况下，动力电池通过双向DC/DC电路提供列车牵引用电及辅助负载用电；
无网区制动工况下，列车动能通过牵引电机和牵引变流器转化为电能，制动能量通过双向DC/DC电路为动力电池充电。
6.如权利要求1、3、4任一所述的基于受电弓及动力电池的双电源供电控制方法，其特征是，接触网边缘区域设置成上抬的斜角。
7.如权利要求1所述的基于受电弓及动力电池的双电源供电控制方法，其特征是，确定列车处于有网区向无网区的过渡区域时，自动触发列车减速或列车限速，确保列车在双向DC/DC电路状态转换完成之后再进入无网区。
8.基于受电弓及动力电池的双电源供电控制***，其特征是，包括：
电子信标及设置在列车上的信标读取器及控制器；
所述电子信标分别设置在有网区和无网区过渡区域及无网区和充电桩过渡区域；
所述控制器基于信标读取器的信息确定列车处于有网区向无网区的过渡区域时，控制双向DC/DC电路完成充电模式转换成放电模式之后电车进入无网区，列车供电由第一充电弓供电转换为动力电池供电；具体的：处于有网区向无网区的过渡区域，双向DC/DC电路完成充电模式转换成放电模式之后：
双向DC/DC电路同时调低高压母线侧输出电压，使其略低于接触网电压，接触网不能给动力电池充电，列车由接触网供电，动力电池处于不充不放状态；
当列车进入无网区后，第一受电弓侧无网压，自动控制第一受电弓降弓，高压电气箱内开关自动断开，列车自动转为由动力电池供电；
所述控制器基于信标读取器的信息确定电车处于无网区向有网区的过渡区域时，控制第一充电弓完成升弓后列车再进入有网区，列车供电由动力电池供电转换为第一充电弓供电；
经过无网区向有网区的过渡区域之后，列车处于有网区接触网供电时，控制第一充电弓连接接触网；
监控到接触网网压后，双向DC/DC电路自动调整高压母线侧输出电压，使其略低于接触网电压，列车自动控制高压电气箱内开关闭合，整车供电转由接触网供电；
所述动力电池充电方式还包括：列车处于有网区时，双向DC/DC电路自动转换成充电模式，将接触网的剩余能量通过双向DC/DC电路给动力电池充电；
上述无网区与有网区之间过渡区域的供电，通过第二受电弓实现有网区和无网区的无缝过渡，是在列车不断电、不停车的前提下自动切换。
9.一种列车，其特征是，采用权利要求1-7任一所述的基于受电弓及动力电池的双电源供电控制方法供电，或采用权利要求8所述的基于受电弓及动力电池的双电源供电控制***供电。
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