[发明专利]混合动力轨道车辆及其直流母线电压控制方法与系统

说明书

本发明公开了一种混合动力轨道车辆及其直流母线电压控制方法与系统，通过速度调节直流斩波器输出端的目标电压，从而调节后端储能电源的实时电压/能量，由于后端储能电源与直流母线直接并联，因此调节直流母线电压相当于调节后端储能电源的实时电压/能量。当车辆处于高速牵引工况时，控制后端储能电源的电压/能量处于较低值，在整车进入再生制动工况时，后端储能电源可以吸收更多的再生制动能量，提高了再生制动能量的吸收率和利用率；当车辆处于低速牵引工况时，控制后端储能电源的电压/能量处于较高值，在整车进入再生制动工况时，由于低速下再生制动能量相对高速时较少，因此后端储能电源仍然可以吸收再生制动能量。

技术领域

本发明属于混合动力轨道车辆控制技术领域，尤其涉及一种混合动力轨道车辆及其直流母线电压控制方法与系统。

背景技术

随着轨道交通储能技术的不断发展，车载储能技术作为动力电源在轨道交通领域得到越来越多的应用。由于储能技术发展限制，单一的储能器件性能很难同时满足整车对功率发挥和续航里程的要求，通过采取电-电混合储能的方式，将能量型储能器件与功率型储能器件进行混合匹配，以满足整车对功率和能量的需求。

电-电混合是将两种储能器件进行电气混合匹配，功率型器件通常选择电池或者超级电容。电池或者超级电容作为常用的车载储能器件，通常直接与整车直流母线直接并联，可以直接向车辆提供牵引所需的能量，并快速吸收再生制动能量，提高能量效率和整车功率相应速度。

图1～3给出了三种电-电混合动力装置结构示意图，图1为柴油发电机组+电池或超级电容混合动力装置结构示意图，图2为燃料电池组+电池或超级电容混合动力装置结构示意图，图3为电池组+超级电容混合动力装置结构示意图。如图1～3所示，两种混合的储能元件之间(指的是直流斩波器左右两端的储能器件)通常是通过直流斩波器来进行功率调节和能量调节。

电池或者超级电容通常采用与直流母线(牵引逆变器和辅助逆变器的直流输入端)直接并联的方式以获得更高的使用效率(不需要额外的直流斩波器等设备)，也使得电池或者超级电容的投入更加快速、高效。在整车处于牵引工况时，电池或者超级电容可作为能量输出单元提供大功率输出，因此需要电池或者超级电容具有很高的可用能量以确保整车可以持续输出较大的功率和能量；在制动工况时，从节能角度出发又需要电池或者超级电容可作为能量回收单元吸收再生制动能量，可有效提高能量的利用率，因此需要电池或者超级电容可用能量值尽可能低以吸收更多的再生能量。

电池或者超级电容与直流母线直接并联连接，则电池或超级电容的使用电压范围与直流母线保持一致。电池或者超级电容的能量一般随电压降低而降低，超级电容的可用能量与电压更是成线性比例关系。同时，电池或者超级电容的功率特性与其能量状态实时相关，当电池或者超级电容的能量达到其下限时，则无法进行放电；当电池或者超级电容的能量达到其上限时，则无法进行充电。

当电池或者超级电容能量不足(电压降低至最低限值)，则可能引起直流母线电压过低从而导致牵引逆变器和辅助逆变器过流故障并封锁牵引的问题，进而引发整车停车故障。反之，当电池或者超级电容能量接近满值(电压达到最高限值)，则可能引起直流母线达到或者接近最高电压从而导致在再生制动工况时，无法吸收再生制动能量。这时就需要整车通过制动电阻发热来消耗剩余电制动能量，导致再生制动能量浪费，也产生了额外的热量(制动电阻产生)需要消耗，整车的再生制动功率也会受到限制。

在调节混合动力系统中，权衡电池或者超级电容实时能量显得十分重要，实时调节电池或者超级电容(与直流母线直接连接)的能量控制(即直流母线电压)在合适的范围将有效确保整车运行的能量需求，提高制动能量的回收利用效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种混合动力轨道车辆及其直流母线电压控制方法与系统，以解决因电池或超级电容能量过低引起直流母线电压过低，从而导致车辆牵引工况时牵引逆变器可能产生过流故障并封锁牵引的问题，以及因电池或者超级电容能量过高导致无法有效吸收车辆再生制动能量，从而导致再生制动能量利用率低的问题。