專利名稱：Dc電力存儲(chǔ)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及例如直流電力存儲(chǔ)設(shè)備的裝置或設(shè)備，其并聯(lián)到電氣 鐵道的外部線路，并且被配置成在電力運(yùn)行操作中向電動(dòng)車輛提供電 力而在再生操作中吸收電力，并且更具體地說，涉及一種控制電力存 儲(chǔ)介質(zhì)的充電和放電控制系統(tǒng)和/或方法，包括解決外部線路的電壓 降、吸收電動(dòng)車輛的再生能量、以及防止電動(dòng)車輛的再生故障。
背景技術(shù)：
在直流饋電系統(tǒng)中，在空閑或不繁忙的鐵道線路中以相對(duì)較長的 間隔設(shè)置牽引變電站。因此，對(duì)于遠(yuǎn)離最近的變電站的電氣鐵道車輛 來說，例如，由于在車輛啟動(dòng)時(shí)電流較大，外部線路的電壓降導(dǎo)致集 電弓點(diǎn)電壓會(huì)下降到額定電壓的下限以下。為了補(bǔ)償此電壓降，提供 牽引變電站(DCVR )或在電動(dòng)車輛中執(zhí)行槽口抑制(notch restraint) 控制。
此外，在空閑或不繁忙的鐵道線路中，再生模式中的電動(dòng)車輛僅
具有有限的機(jī)會(huì)來通過另一車輛吸收再生能量作為電力運(yùn)行的能量， 并且因此易于發(fā)生再生故障(不能電動(dòng)剎車)。甚至在繁忙或活躍的 鐵道線路中，當(dāng)另一車輛結(jié)束電力運(yùn)行操作并且負(fù)載突然降低時(shí)，再 生模式下的電動(dòng)車輛也會(huì)出現(xiàn)再生故障。
當(dāng)再生被取消或失效時(shí)，電動(dòng)車輛停止再生操作，并且將剎車模 式從電動(dòng)剎車切換到機(jī)械剎牟。這種剎車模式的切換操作導(dǎo)致剎車的 延遲，進(jìn)一步導(dǎo)致不能在預(yù)定的位置停下車輛，并且在機(jī)械剎車的急 剎車時(shí)，車輪和閘皮之間的磨損使得服務(wù)壽命縮短。有以下幾種方法
用于吸收再生電力以防止再生故障。
(1)通過逆變器將再生的電力提供到交流電源的再生方法如圖4(A)中所示，通過與作為dc電源側(cè)的外部線路連接的逆變器2和用 于逆變器的變壓器3的組合，將再生電動(dòng)車輛l所再生的dc電力轉(zhuǎn)換為 電壓受控且頻率受控的ac電力，并且該ac電力被提供到ac電源側(cè)。
此方法需要ac負(fù)載以吸收所再生的電力，并且進(jìn)一步需要用于逆 變器的變壓器、ac斷路器、逆變器和dc斷路器，造成系統(tǒng)的整體成本 較高。
(2) 通過斬波器提供再生電力給再生阻抗設(shè)備的再生方法如圖 4(B)中所示，斬波器4將再生電動(dòng)車輛l所再生的dc電力變換為電壓 受控的dc電力，并且再生阻抗設(shè)備5吸收此dc電力作為熱量。
此方法不能有效利用再生的電力，因?yàn)樗性偕娏Χ急蛔杩乖O(shè) 備熱吸收了，并且此方法需要尺寸較大的阻抗i殳備。此外，此方法進(jìn) 一步需要通風(fēng)設(shè)備和散熱設(shè)備以驅(qū)散阻抗設(shè)備產(chǎn)生的熱量，并且該設(shè) 備包括斬波器，相對(duì)昂貴。
(3) 利用dc電力存儲(chǔ)設(shè)備的再生方法如圖4 (C)中所示，在 整流器6的直流側(cè)，提供了一個(gè)直流電力存儲(chǔ)裝置，其包括升降壓斬波 器7和直流電力存儲(chǔ)單元8。當(dāng)由于電動(dòng)車輛的再生操作外部線路電壓 超過其額定電壓范圍的上限時(shí)，斬波器7的電壓降低控制將外部線路電 壓控制到較低的電壓電平，并且通過斬波器7從外部線路吸收再生電力 以作為對(duì)直流電力存儲(chǔ)單元8的充電電流(參看專利文件l和專利文件 2)。
當(dāng)外部線路電壓由于電動(dòng)車輛的電力運(yùn)行操作變得低于額定電壓
范圍的下限時(shí)，由斬波器7的電壓上升控制將外部線路電壓控制到較高 的電壓電平，并且通過斬波器7將電力從直流電力存儲(chǔ)單元8提供到外 部線路。因此，此系統(tǒng)可以用作解決電壓降的對(duì)策，并且用于平衡 (level)從交流源側(cè)看的負(fù)載。
圖5示出直流電力存儲(chǔ)裝置的主電路結(jié)構(gòu)。升降壓斬波器7包括高 壓側(cè)臂；低壓側(cè)臂；和電抗器L。高壓側(cè)臂包括半導(dǎo)體開關(guān)SW1，其 具有和外部線路連接的第一末端和一個(gè)第二末端，并且連接該半導(dǎo)體
開關(guān)SW1使得該半導(dǎo)體開關(guān)可以控制來自外部線路的充電電流；以及
一個(gè)反并聯(lián)二極管D1，其反并聯(lián)到半導(dǎo)體開關(guān)SW1。低壓側(cè)臂包括一 個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)SW2，其具有與半導(dǎo)體開關(guān)SW1的第二末端連接的第一 末端和一個(gè)第二末端，并且以與開關(guān)SW1相同的方向與開關(guān)SW1串聯(lián) 以控制電流；以及一個(gè)反并聯(lián)到半導(dǎo)體開關(guān)SW2的反并聯(lián)二極管D2。 電抗器L具有與半導(dǎo)體開關(guān)SW1的第二末端連接的第一末端，以及與 雙電層電容EDLC連接的第二末端。
當(dāng)外部線路電壓由于電動(dòng)車輛l的再生操作而變得比額定電壓范 圍的上限高時(shí)，如圖6中所示，這種結(jié)構(gòu)的電力存儲(chǔ)系統(tǒng)利用斬波器的 控制降低外部線路電壓。即，該系統(tǒng)控制開關(guān)SW1執(zhí)行轉(zhuǎn)換操作，以 允許在接通期間充電電流從外部線路經(jīng)過開關(guān)SW1和電抗器L流到 EDLC;并且在關(guān)斷期間利用來自電抗器L、通過EDLC和D2的循環(huán)電 流對(duì)EDLC充電。通過這樣做，系統(tǒng)再生出電力作為對(duì)EDLC的充電能 源。
當(dāng)外部線路電壓由于電動(dòng)車輛l的電力運(yùn)行操作而變得比額定電 壓范圍的下限低時(shí)，如圖6中所示，電力存儲(chǔ)系統(tǒng)利用斬波器的控制升 高外部線路電壓。即，通過在接通期間使短路電流從EDLC經(jīng)L和SW2 流到EDLC,系統(tǒng)在斬波模式下控制開關(guān)SW2以在電抗器L中積累電磁 能；并且通過在關(guān)斷期間使得放電電流從EDLC經(jīng)電抗器L和D1流到外 部線路，抑制外部線路的電壓降。
直流電力存儲(chǔ)裝置在雙電層電容之外還可以采用電池。電池在能 量存儲(chǔ)方面較優(yōu)越，其存儲(chǔ)時(shí)間長且存儲(chǔ)量大。但是，電池在快速充 放電特性方面較差。因此，電池會(huì)導(dǎo)致快速上升的再生電力的充電延 遲，或在啟動(dòng)或加速電動(dòng)車輛時(shí)負(fù)載突然改變之后放電操作的延遲， 并且因此電池可能會(huì)導(dǎo)致外部線路電壓突然改變或者再生故障。另一 方面，雙電層電容在快速充放電特性方面是優(yōu)越的，并且雙電層電容 可以從電動(dòng)車輛適當(dāng)?shù)匚赵偕芰?，并且快速響?yīng)負(fù)栽的突然改變。
專利文件l:日本專利申請(qǐng)公開JP 2000-233669A
專利文件2:日本專利申請(qǐng)公開JP 2001-260718A

發(fā)明內(nèi)容
[第一個(gè)任務(wù)為了利用采用圖5配置的包括雙電層電容和升降壓 斬波器的dc電力存儲(chǔ)裝置抑制外部線路的電壓降，雙電層電容的終端 電壓(待機(jī)電壓)被設(shè)為低于外部線路電壓的額定電壓范圍的下限電 壓的值，并且防止通過電抗器L - 〉二極管D1的路徑從雙電層電容向外 部線路放電。此外，為了最大化可從雙電層電容提供的電力的量(所 存儲(chǔ)的電力的量)，雙電層電容的終端電壓被設(shè)為外部線路電壓的額 定電壓范圍的下限電壓附近的一個(gè)較高的值。
在例如1500V系統(tǒng)的實(shí)例中，當(dāng)外部線路電壓^f氐于或等于1200V (外部線路電壓的額定電壓范圍的下限)，并且從雙電層電容提供電 力時(shí)，雙電層電容的終端電壓(待機(jī)電壓)被設(shè)為低于或等于1200V， 并且系統(tǒng)被配置成通過以斬波器進(jìn)行電壓上升控制來抑制外部線路電 壓的電壓降。
在圖5的結(jié)構(gòu)中，雙電層電容所存儲(chǔ)的電能的量是有限的，因?yàn)殡p 電層電容的終端電壓被設(shè)為低于外部線路電壓的額定電壓范圍的下 限。可以通過增加雙電層電容的并聯(lián)單元的數(shù)量和增加升降壓斬波器 的可控電流容量來增加所存儲(chǔ)的電力的量。但是，此方法增加dc電力 存儲(chǔ)裝置的尺寸并且增加成本。
[第二個(gè)任務(wù)l當(dāng)dc電力存儲(chǔ)裝置用于抑制電壓降并且吸收再生電 力時(shí)，上述專利文件的系統(tǒng)被配置成，在外部線路電壓下降的情況下， 通過利用斬波器以電壓上升(或升壓)控制模式增加雙電層電容的終 端電壓來抑制電壓降，并且在外部線路電壓上升的情況下，通過利用 斬波器以電壓下降(降壓)控制模式降低外部線路電壓來吸收再生的 電力。在此情況下，為了既利用解決電壓降的方法又利用吸收再生電 力的方法，將雙電層電容的終端電壓(待機(jī)電壓)的相同的電壓范圍 用于放電操作以抑制電壓降和充電操作以吸收再生電力。但是，在進(jìn) 行抑制電壓降的操作時(shí)，系統(tǒng)可以在完全充電的狀態(tài)下更有效地抑制 電壓降，完全充電的狀態(tài)是指雙電層電容被完全充電并且因此其終端 電壓較高。在進(jìn)行吸收再生電力的操作時(shí)，系統(tǒng)可以在雙電層電容中
所充電能的量較低并且因此其終端電壓較低的狀態(tài)下吸收更多能量。 因此，由于在相同的電壓范圍中利用所提供的放電電能的量和所吸收 的充電能量的量，執(zhí)行電壓降抑制功能和再生電力吸收功能的能量的 量，與完全充電狀態(tài)中的能量的量和最小充電狀態(tài)中能量的量相比較 低，使得系統(tǒng)不能同時(shí)令人滿意地執(zhí)行兩個(gè)功能。
因此，為了確保充電/放電能量的量既滿足電壓降抑制功能又滿足 再生電力吸收功能，有必要增加雙電層電容的并聯(lián)單元的數(shù)量，以及 增加如上述第一問題中所提及的升降壓斬波器的可控電流容量。結(jié)果，
此技術(shù)增加了dc電力存儲(chǔ)裝置的尺寸并且增加了成本。
為了增加充電/放電能量的量，可以釆用雙重系統(tǒng)，該雙重系統(tǒng)包 括第一dC電力存儲(chǔ)單元，其具有較低的終端電壓(待機(jī)電壓)以用于
電壓降抑制功能；以及第二dc電力存儲(chǔ)單元，其具有較高的終端電壓 以用于再生電力吸收功能。但是，這種雙重系統(tǒng)增加了系統(tǒng)尺寸和成 本。
[第三個(gè)任務(wù)I當(dāng)例如雙電層電容的電力存儲(chǔ)介質(zhì)處于完全充電狀 態(tài)時(shí)，上述專利文件的系統(tǒng)不能吸收再生電力，并且當(dāng)電動(dòng)車輛執(zhí)行 再生操作時(shí)發(fā)生再生故障。因此，需要提供電阻設(shè)備以吸收再生電力。 此外，電力存儲(chǔ)介質(zhì)保持在完全充電狀態(tài)，直到某個(gè)車輛開始電力運(yùn) 行操作。因此，如果再生操作繼續(xù)，則連續(xù)發(fā)生再生故障。
本發(fā)明的目的是提供一種直流電力存儲(chǔ)裝置或系統(tǒng)，相對(duì)于常規(guī) 系統(tǒng)而言，其適于增加對(duì)外部線路供應(yīng)的電力的量和所吸收的電力的 量的總和，而不增加直流電力存儲(chǔ)裝置的尺寸和成本，并且更具體地， 其可以改進(jìn)外部線路電壓降抑制功能以及再生電力的吸收，并且防止 再生故障。
根據(jù)本發(fā)明，為了解決上述問題， 一種直流電力存儲(chǔ)裝置或系統(tǒng) 包括dc/dc轉(zhuǎn)換器，例如升降壓斬波器，其連接在外部線路和例如雙電 層電容的電力存儲(chǔ)介質(zhì)之間。當(dāng)由于無負(fù)載狀態(tài)的外部線路電壓向高 于上限的整流器的無負(fù)載電壓上升，外部線路電壓變得高于外部線路 的額定電壓范圍的上限時(shí)，該裝置產(chǎn)生充電導(dǎo)通路徑并且從而將電力
存儲(chǔ)介質(zhì)充電到整流器的無負(fù)栽電壓。作為吸收再生電力的方法，當(dāng) 外部線路電壓(在連接斬波器和外部線路的端子處的電壓)變得高于 上限時(shí)，該裝置產(chǎn)生導(dǎo)通路徑以使得電力存儲(chǔ)介質(zhì)吸收再生車輛的再 生電力以作為充電能量。當(dāng)再生車輛的集電弓點(diǎn)電壓上升時(shí)，該裝置
通過利用電動(dòng)車輛的再生電流壓縮(squeezing)功能而防止電動(dòng)車輛 的再生故障。作為解決電壓降的對(duì)策，當(dāng)外部線路電壓變得低于外部 線路的額定電壓范圍的下限時(shí)，該裝置能夠利用電壓存儲(chǔ)介質(zhì)的終端 電壓的電壓降低控制或電壓上升控制，進(jìn)行從電力存儲(chǔ)介質(zhì)到外部線 路的放電，從而將外部線路電壓保持在下限。該直流電力存儲(chǔ)裝置或 系統(tǒng)具有以下構(gòu)造。
(1 )直流電力存儲(chǔ)裝置包括連接在電力存儲(chǔ)介質(zhì)和外部線路之間 的dc/dc轉(zhuǎn)換器。該dc/dc轉(zhuǎn)換器包括再生電力控制裝置或部件，用于 在外部線路電壓變得高于外部線路的額定電壓范圍的上限時(shí)，在外部 線路和電力存儲(chǔ)介質(zhì)之間進(jìn)行導(dǎo)電連接，以對(duì)電力存儲(chǔ)介質(zhì)進(jìn)行充電 或放電，并且在外部線路電壓變得低于該上限時(shí)斷開外部線路和電力 存儲(chǔ)介質(zhì)之間的連接；以及電壓降抑制裝置或部件，用于在當(dāng)外部線 路電壓變得低于外部線路的額定電壓范圍的下限并且電力存儲(chǔ)介質(zhì)的 終端電壓高于外部線路電壓時(shí)，在降低電力存儲(chǔ)介質(zhì)的終端電壓的同 時(shí)，使電力存儲(chǔ)介質(zhì)向外部線路放電，并且當(dāng)外部線路電壓變得低于 該下限并且電力存儲(chǔ)介質(zhì)的終端電壓低于外部線路電壓時(shí)，在升高電 力存儲(chǔ)介質(zhì)的終端電壓的同時(shí)，使電力存儲(chǔ)介質(zhì)向外部線路放電。
(2)當(dāng)通過從電動(dòng)車輛吸收再生電力而使得超過上限電壓，并且 通過在電力存儲(chǔ)介質(zhì)和外部線路之間導(dǎo)通而使得外部線路電壓增加 時(shí)，該再生電力控制裝置或部件與電動(dòng)車輛的再生電流壓縮功能的再 生電流壓縮操作一起，將電力存儲(chǔ)介質(zhì)的終端電壓抑制到低于或等于 終端電壓的最大電壓的電平。
(3 )該dc/dc轉(zhuǎn)換器在外部線路無負(fù)載的狀態(tài)下連接外部線路和 電力存儲(chǔ)介質(zhì)，并且由此對(duì)電力存儲(chǔ)介質(zhì)充電，直到電力存儲(chǔ)介質(zhì)的 終端電壓達(dá)到整流器的無負(fù)載電壓。
(4) 該dc/de轉(zhuǎn)換器包括當(dāng)外部線路電壓高于或等于額定電壓范 圍的下限并且電力存儲(chǔ)介質(zhì)的終端電壓低于或等于額定電壓范圍的上 限時(shí)，從外部線路對(duì)電力存儲(chǔ)介質(zhì)進(jìn)行充電，同時(shí)如果該終端電壓低 于外部線路電壓則降低外部線路電壓，并且如果該終端電壓高于外部 線路電壓則升高外部線路電壓的裝置或設(shè)備。
(5) 該dc/dc轉(zhuǎn)換器包括一個(gè)放電控制開關(guān)，以在電力存儲(chǔ)介質(zhì) 的終端電壓高于外部線路電壓時(shí)，控制或截?cái)鄰碾娏Υ鎯?chǔ)介質(zhì)到外部 線路的放電電流。
(6) 該dc/dc轉(zhuǎn)換器包括一個(gè)主電路，該主電路包括 升降壓斬波器，其包括高壓側(cè)臂、低壓側(cè)臂和電抗器，高壓側(cè)臂
包括半導(dǎo)體開關(guān)SW1和反并聯(lián)二極管D1，半導(dǎo)體開關(guān)SW1在一個(gè)方向 中設(shè)置以控制來自外部線路的充電電流，并且包括與外部線路連接的 第一末端和一個(gè)第二末端，反并聯(lián)二極管D1反并聯(lián)到高壓側(cè)臂的半導(dǎo) 體開關(guān)SWl,低壓側(cè)臂包括半導(dǎo)體開關(guān)SW2和反并聯(lián)二極管D2，半導(dǎo) 體開關(guān)SW2在半導(dǎo)體開關(guān)SW1的方向中設(shè)置并且與半導(dǎo)體開關(guān)SW1的 第二末端串聯(lián)，反并聯(lián)二極管D2反并聯(lián)到半導(dǎo)體開關(guān)SW2,電抗器包 括與半導(dǎo)體開關(guān)SW1的第二末端連接的第一末端和一個(gè)第二末端；以 及
放電控制開關(guān)，其包括半導(dǎo)體開關(guān)SW3和反并聯(lián)二極管D3，半導(dǎo) 體開關(guān)SW3連接在電抗器L的第二末端和電力存儲(chǔ)介質(zhì)之間并且設(shè)置 在一個(gè)方向上以控制來自電力存儲(chǔ)介質(zhì)的放電電流，反并聯(lián)二極管D3 反并聯(lián)到半導(dǎo)體開關(guān)SW3。


圖l是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的直流電力存儲(chǔ)裝置的電路圖。
圖2是示出可以在圖1的電力存儲(chǔ)裝置中所采用的電動(dòng)車輛的再生 電流壓縮特性。
圖3是示出圖l的用于防止再生故障和抑制電壓降的電力存儲(chǔ)裝置
的操作的電壓波形的圖。
圖4是示出現(xiàn)有技術(shù)中三種不同電力再生系統(tǒng)的示意圖。 圖5是示出現(xiàn)有技術(shù)的直流電力存儲(chǔ)裝置的電路圖。 圖6示出圖5的電力存儲(chǔ)裝置的操作的波形圖。
具體實(shí)施例方式
圖l示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的直流電力存儲(chǔ)裝置或系統(tǒng)的 電路圖。圖1的主電路部分幾乎與圖5的電路相同。與圖5的電路不同的 是，圖1的電路額外包括一個(gè)放電控制開關(guān)9，其連接在電抗器L的第 二電抗器末端和前述電力存儲(chǔ)介質(zhì)之間。該放電控制開關(guān)9包括半導(dǎo)體 開關(guān)SW3，其被定向成控制來自電力存儲(chǔ)介質(zhì)的放電電流；以及反并 聯(lián)二極管D3，其反并聯(lián)到半導(dǎo)體開關(guān)SW3。
控制單元或控制設(shè)備10用于控制斬波器7的升壓和降壓。此外，控 制單元10用于控制放電控制開關(guān)9的轉(zhuǎn)換操作和導(dǎo)通/切斷(開/關(guān))。 控制單元10根據(jù)各種電壓設(shè)置條件和電壓檢測信號(hào)執(zhí)行如下所述的各 種控制操作。因此，為控制單元10提供以下控制裝置。
在本申請(qǐng)的說明書和附圖中，"外部線路"是通用術(shù)語，表示饋 電站的整流器6的直流側(cè)、電力存儲(chǔ)裝置的饋電線路輸出側(cè)、饋電線路、 高架導(dǎo)線和滑接線。
(a) 所采用的雙電層電容的充電電壓范圍的上限高于或等于由電 動(dòng)車輛的再生電力而導(dǎo)致可出現(xiàn)在外部線路中的最大電壓。在外部線
路無負(fù)載狀態(tài)下，該雙電層電容被充電到整流器的無負(fù)載電壓，其高 于外部線路的額定電壓范圍的上限。
(b) 該直流電力存儲(chǔ)裝置或系統(tǒng)以如下方式實(shí)現(xiàn)了吸收再生電力 的方法和防止再生故障的方法。當(dāng)外部線路電壓變得高于額定電壓范 圍的上限電壓時(shí)，開關(guān)SW1和SW3接通(到導(dǎo)通狀態(tài))以連接外部線 路和雙電層電容，并且由此使得雙電層電容吸收再生電力作為充電電 力。利用此電力吸收，系統(tǒng)防止由于外部線路電壓的突然增加而導(dǎo)致 的電動(dòng)車輛的再生故障，并且通過從雙電層電容到電力運(yùn)行電動(dòng)車輛
排放所吸收的再生能量而有效利用再生電力。
當(dāng)外部線路電壓由于此電力吸收而持續(xù)上升時(shí)，系統(tǒng)與電動(dòng)車輛
的再生電流壓縮功能所進(jìn)行的再生電流壓縮操作一起，控制雙電層電 容的終端電壓和外部線路電壓，以便防止上升超過最大電壓。同時(shí)， 即使在該狀態(tài)下，系統(tǒng)防止電動(dòng)車輛的再生電流壓縮控制消除再生。
(C)該直流電力存儲(chǔ)裝置或系統(tǒng)以如下方式實(shí)現(xiàn)了解決電壓降的 對(duì)策。當(dāng)外部線路電壓變得低于額定電壓范圍的下限時(shí)，如果雙電層 電容的終端電壓高于外部線路電壓，則系統(tǒng)在轉(zhuǎn)換控制模式中控制放
電控制開關(guān)9的半導(dǎo)體開關(guān)SW3。通過半導(dǎo)體開關(guān)SW3的此轉(zhuǎn)換控制， 系統(tǒng)執(zhí)行電壓降低控制以降低雙電層電容的終端電壓，并且使得雙電 層電容向外部線路放電。通過從雙電層電容放電，系統(tǒng)保持外部線路 電壓高于或等于外部線路電壓的額定電壓范圍的下限電壓。此外，當(dāng)
雙電層電容的終端電壓由于此放電而變得低于外部線路電壓時(shí)，系統(tǒng) 將半導(dǎo)體開關(guān)SW3置于接通(on)控制狀態(tài)(導(dǎo)通狀態(tài))并且在轉(zhuǎn)換 控制模式下控制斬波器7的半導(dǎo)體開關(guān)SW2。通過這樣切換SW3和SW2 的控制狀態(tài)，系統(tǒng)持續(xù)從雙電層電容放電，同時(shí)執(zhí)行電壓上升控制以 增加雙電層電容的終端電壓，并且由此保持外部線路電壓高于或等于 外部線路的額定電壓范圍的下限電壓。
再生電流的壓縮是在現(xiàn)有電動(dòng)車輛中提供的功能。在此壓縮控制 中，系統(tǒng)監(jiān)控電動(dòng)車輛的集電弓點(diǎn)電壓。當(dāng)集電弓點(diǎn)電壓高于預(yù)設(shè)電 壓時(shí)，系統(tǒng)將再生電流從IOO %壓縮到0 %并且從而防止集電弓點(diǎn)電壓 的過分上升。通常，在DC 1500V系統(tǒng)的電動(dòng)車輛的情況下，如圖2中 所示，當(dāng)集電弓點(diǎn)電壓低于或等于DC 1600V時(shí)壓縮率等于1.0 (壓縮 量是0%)，并且當(dāng)集電弓點(diǎn)電壓高于或等于DC 1800V時(shí)壓縮率等于0 (壓縮量是100%)。在1600V和1800V之間，壓縮率與電壓成比例地 線性下降到零。該系統(tǒng)以此方式抑制再生電流。機(jī)械剎車吸收由對(duì)再 生電流的這種壓縮控制所產(chǎn)生的過剩的剎車能量。
以下是當(dāng)控制操作應(yīng)用于1500V系統(tǒng)以便解決電壓降的限制、吸 收再生電力的方法和防止再生故障時(shí)的具體實(shí)例的詳細(xì)解釋，
(1 )饋送系統(tǒng)的操作條件外部線路的額定電壓范圍是DC 1600V (上限)~ 1200V (下限)，并且饋電站的整流器6的無負(fù)載電壓是DC 1620V。雙電層電容EDLC的最大充電電壓是DC 1800V。
(2)無負(fù)載操作當(dāng)外部線路電壓高于或等于1600V時(shí)，控制單 元10控制斬波器7的半導(dǎo)體開關(guān)SW1到接通(導(dǎo)通)控制狀態(tài)。當(dāng)雙電 層電容EDLC低于1600V時(shí)，從饋電站的整流器6對(duì)雙電層電容進(jìn)行充 電，直到充電電壓達(dá)到整流器6的無負(fù)載電壓(1620V)。
正常負(fù)載操作當(dāng)在電力運(yùn)轉(zhuǎn)模式下操作電動(dòng)車輛，并且外部線 路電壓變得低于整流器無負(fù)載電壓(1620V)時(shí)，控制單元10通過放 電控制開關(guān)9的接通(on)控制，與從整流器6饋電并行地執(zhí)行從雙電 層電容供電，因?yàn)橥獠烤€路電壓和雙電層電容的終端電壓是平衡的。 但是，當(dāng)外部線路電壓變得低于1600V (但是高于或等于1200V)時(shí)， 控制單元10關(guān)斷放電控制開關(guān)9。因此，在此情況下，僅在外部線路的 額定電壓范圍內(nèi)從整流器6提供電能。
(4)吸收再生電力的方法和防止再生故障的方法如圖3中所示， 當(dāng)通過電動(dòng)車輛的再生電力增加外部線路電壓，并且外部線路電壓變 得高于外部線路電壓的額定電壓范圍的上限(1600V)時(shí)(在時(shí)刻tl)， 控制單元10接通升降壓斬波器7的半導(dǎo)體開關(guān)SW1并且接通半導(dǎo)體開 關(guān)SW3。在此情礦下，因?yàn)殡p電層電容EDLC的終端電壓也是1600V，
向雙電層電容EDLC，并且由此通過此充電操作吸收再生電力。
通過使用電動(dòng)車輛的再生電力進(jìn)行此充電操作，雙電層電容 EDLC的終端電壓增加，并且電動(dòng)車輛的集電弓點(diǎn)電壓一起增加。由 于集電弓點(diǎn)電壓增加，電動(dòng)車輛激活壓縮功能，并且降低再生電流。 如果電動(dòng)車輛的再生操作結(jié)束(外部線路電壓的上升結(jié)束并且外部線
路電壓向整流器的無負(fù)載電壓(1620V)降低，如圖3中曲線A所示)，
和周圍部分中外部線路電壓之間的均衡的動(dòng)作而通過半導(dǎo)體開關(guān)SW3 的接通控制自發(fā)地降低。然后，如果無負(fù)載狀態(tài)得到保持，則雙電層
電容EDLC的終端電壓穩(wěn)定在整流器的無負(fù)載電壓(1620V)。當(dāng)外部 線路電壓高于上限電壓時(shí)，從雙電層電容EDLC提供電力到供電電動(dòng) 車輛(如果有的話)，直到整流器無負(fù)載電壓。在無負(fù)載電壓以下， 從整流器和雙電層電容EDLC并行地提供電力到電動(dòng)車輛，并且外部 線路電壓通過供電車輛的動(dòng)作而穩(wěn)定在上限電壓以下(如圖3中曲線B 中所示)。
當(dāng)雙電層電容EDLC的終端電壓變得低于外部線路的額定電壓范 圍的上限(1600V)時(shí)，控制單元10通過半導(dǎo)體開關(guān)SW3的關(guān)斷控制 而停止雙電層電容EDLC的放電操作。電動(dòng)車輛僅從整流器6接收電 源。
當(dāng)電動(dòng)車輛的再生操作繼續(xù)，并且雙電層電容EDLC的終端電壓
達(dá)到最大電壓(1800V)時(shí)(在時(shí)刻t2)，通過電流壓縮操作將來自電 動(dòng)車輛的再生電流減到零。因此，盡管經(jīng)外部線路電壓可以暫時(shí)達(dá)到
1800V而超過額定電壓范圍的上限(1600V),但是系統(tǒng)通過將再生電 流降至零而防止外部線路電壓進(jìn)一步上升，并且因此防止發(fā)生再生故障。
因此，在用于吸收再生電力的方法和用于防止再生故障的方法中， 外部線路電壓可以臨時(shí)上升到超過額定電壓范圍的上限(1600V)，
但是外部線路電壓最終降到低于或等于整流器無負(fù)載電壓或額定電壓 上限的電平。因此，雙電層電容EDLC的終端電壓被控制在1600V
1800V的范圍內(nèi)。
(5)解決電壓降的對(duì)策如圖3中所示，在電力運(yùn)行模式下操作 電動(dòng)車輛，并且外部線路電壓變得低于下限(1200V )時(shí)(在時(shí)刻t3 )， 控制單元10通過半導(dǎo)體開關(guān)SW3的轉(zhuǎn)換控制來降低雙電層電容EDLC 的終端電壓，開始從雙電層電容EDLC通過電抗器L和二極管D1進(jìn)行放 電操作，并且因此與從整流器6供應(yīng)的電力一起抑制電壓降。當(dāng)通過抑 制電壓降的操作，外部線路電壓返回到高于或等于下限(1200V)的 電平時(shí)(在時(shí)刻t4，如圖3中曲線C所示)，控制單元10通過關(guān)斷半導(dǎo) 體開關(guān)SW3停止雙電層電容EDLC的放電，通過將升降壓斬波器的操作切換為電壓上升控制而對(duì)雙電層電容EDLC充電(如圖3中曲線C'所 示)，并且在充電到1600V的狀態(tài)時(shí)停止該控制。
當(dāng)外部線路電壓保持在下限電壓(1200V)以下，并且雙電層電 容EDLC的終端電壓變得低于外部線路電壓時(shí)(在時(shí)刻t5)，控制單元 10將半導(dǎo)體開關(guān)SW2調(diào)到接通控制狀態(tài)，并且將升降壓斬波器7的半導(dǎo) 體開關(guān)SW2調(diào)到轉(zhuǎn)換控制模式。通過這樣做，控制單元10增加終端電 壓，繼續(xù)進(jìn)行放電，并且由此與來自整流器6的電力供應(yīng)一起抑制外部 線路電壓的電壓降。利用這種放電，雙電層電容EDLC的終端電壓降 低到下限電壓(1200V)以下。當(dāng)通過進(jìn)行這種電壓降抑制將外部線 路電壓返回到高于或等于下限(1200V)的電平時(shí)(在時(shí)刻t6,如圖3 中曲線D所示)，控制單元10通過升/降斬波器7的電壓降低控制對(duì)雙電 層電容EDLC進(jìn)行充電(如圖3中曲線D'所示)，并且在充電到1600V 的狀態(tài)下停止電壓降低控制。
當(dāng)外部線路的電壓降繼續(xù)，并且雙電層電容EDLC的終端電壓通 過這種放電降低到最小電壓(500V)時(shí)(時(shí)刻t7)，控制單元10停止 對(duì)升降斬波器7的控制。當(dāng)電動(dòng)車輛的電力運(yùn)行操作結(jié)束(時(shí)刻t8)并 且外部線路電壓返回到等于或高于1200V的電平時(shí)(在時(shí)刻t9，如曲線 E所示)，系統(tǒng)對(duì)雙電層電容EDLC充電(如圖3中的曲線E'所示)。
因此，雙電層電容EDLC的終端電壓,皮控制在500V ~ 1600V的范 圍中。
即，在采用抑制電壓降的方法時(shí)，此系統(tǒng)可以在與現(xiàn)有技術(shù)的系 統(tǒng)相比更寬的電壓范圍(500V 1600V)中對(duì)雙電層電容EDLC進(jìn)行 充電或放電，并且顯著增加為了抑制電壓降而可以提供的電力的量， 即使雙電層電容的容量與現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)相比保持不變(不需要增加 并聯(lián)元件的數(shù)量)。
在所示實(shí)例中，dc/dc轉(zhuǎn)換器包括升降壓斬波器和放電控制開關(guān)。 但是，可以通過釆用具有不同于所示實(shí)例的結(jié)構(gòu)的充電和放電電路， 實(shí)現(xiàn)等價(jià)效果和操作，以允許在例如EDLC的電力存儲(chǔ)介質(zhì)和外部線 路之間進(jìn)行充電和放電。
配置所示實(shí)例的系統(tǒng)執(zhí)行充電/放電控制以將雙電層電容EDLC的
電壓范圍的上限電壓附近。但是，可以配置該系統(tǒng)以將雙電層電容的 終端電壓控制在外部線路的額定電壓范圍的下限電壓和上限電壓之 間。
例如，雙電層電容的終端電壓被設(shè)置在下限電壓和上限電壓之間 的一個(gè)中間值。從該狀態(tài)，系統(tǒng)滿足抑制電壓降方法的功能和吸收再 生電力的方法的功能這兩者。此外，當(dāng)雙電層電容的終端電壓變得高 于或等于整流器的無負(fù)栽電壓時(shí)，系統(tǒng)允許雙電層電容的終端電壓自 發(fā)地降低，同時(shí)保持外部線路整體的電壓平衡，即使不存在電力運(yùn)行 車輛。當(dāng)雙電層電容的終端電壓由于一個(gè)或多個(gè)車輛中電力再生操作 的持續(xù)而繼續(xù)上升時(shí)，該系統(tǒng)通過利用電動(dòng)車輛的電流壓縮控制來防 止再生故障。
在所示的實(shí)例中，電力存儲(chǔ)介質(zhì)包括一個(gè)雙電層電容?？梢酝ㄟ^ 采用混合電容、大容量電容和/或電池作為電力存儲(chǔ)介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)類似的 效果和操作。此外，可選地對(duì)用于控制半導(dǎo)體開關(guān)的預(yù)定電壓提供靜 區(qū)，以防止半導(dǎo)體開關(guān)顫動(dòng)。
如上所述，當(dāng)外部線路電壓超過額定電壓范圍的上限電壓時(shí)，根 據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)可以吸收再生電力，并且當(dāng)外部線路電壓降低到額定 電壓范圍的下限電壓以下時(shí)抑制電壓降。
此外，電力存儲(chǔ)裝置使得可以在與現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)相比更寬的電 壓范圍中對(duì)雙電層電容充電和放電，并且可以吸收再生電力，盡管雙 電層電容的能量存儲(chǔ)量等于或大于現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)備的完全充電狀態(tài)中 的量。因此，系統(tǒng)可以滿足抑制電壓降的功能和吸收再生電力的功能 這兩者。當(dāng)雙電層電容的終端電壓變得高于或等于整流器的無負(fù)載電 壓時(shí)，系統(tǒng)使得雙電層電容的終端電壓自發(fā)降低，外部線路系統(tǒng)整體 電壓平衡，即使沒有供電車輛。即使雙電層電容的終端電壓由于連續(xù) 的電力再生操作而繼續(xù)上升，該系統(tǒng)也可以通過利用電動(dòng)車輛的電流 壓縮控制來防止再生的故障。
此外，可以顯著增加為抑制電壓降而可以提供的電力的量，而不 引起系統(tǒng)尺寸增加和成本上升。
權(quán)利要求
1.一種直流電力存儲(chǔ)裝置，包括要連接在電力存儲(chǔ)介質(zhì)和dc電氣鐵道的外部線路之間的dc/dc轉(zhuǎn)換器，并且該dc/dc轉(zhuǎn)換器包括再生電力控制裝置，用于在外部線路電壓變得高于外部線路的額定電壓范圍的上限時(shí)，在外部線路和電力存儲(chǔ)介質(zhì)之間進(jìn)行導(dǎo)電連接，以對(duì)電力存儲(chǔ)介質(zhì)進(jìn)行充電或放電，并且在外部線路電壓變得低于該上限時(shí)斷開外部線路和電力存儲(chǔ)介質(zhì)之間的連接；以及電壓降抑制部件，用于在當(dāng)外部線路電壓變得低于外部線路的額定電壓范圍的下限并且電力存儲(chǔ)介質(zhì)的終端電壓高于外部線路電壓時(shí)，在降低電力存儲(chǔ)介質(zhì)的終端電壓的同時(shí)，使電力存儲(chǔ)介質(zhì)向外部線路放電，并且當(dāng)外部線路電壓變得低于該下限并且電力存儲(chǔ)介質(zhì)的終端電壓低于外部線路電壓時(shí)，在升高電力存儲(chǔ)介質(zhì)的終端電壓的同時(shí)，使電力存儲(chǔ)介質(zhì)向外部線路放電。
2. 如權(quán)利要求l的直流電力存儲(chǔ)裝置，其中，當(dāng)通過從電動(dòng)車輛 吸收再生電力而使得超過上限電壓，并且通過在電力存儲(chǔ)介質(zhì)和外部 線路之間導(dǎo)通而使得外部線路電壓上升時(shí)，該再生電力控制裝置與電 動(dòng)車輛的再生電流壓縮功能的再生電流壓縮操作一起，將電力存儲(chǔ)介質(zhì)的終端電壓抑制到低于或等于終端電壓的最大電壓的電平。
3. 如權(quán)利要求1或2的直流電力存儲(chǔ)裝置，其中，所述dc/dc轉(zhuǎn)換 器在外部線路無負(fù)載的狀態(tài)下連接外部線路和電力存儲(chǔ)介質(zhì)，并且由 此對(duì)電力存儲(chǔ)介質(zhì)充電，直到電力存儲(chǔ)介質(zhì)的終端電壓達(dá)到整流器的 無負(fù)載電壓。
4. 如權(quán)利要求l、 2或3的直流電力存儲(chǔ)裝置，其中，所述dc/dc轉(zhuǎn) 換器包括當(dāng)外部線路電壓高于或等于額定電壓范圍的下限并且電力存 儲(chǔ)介質(zhì)的終端電壓低于或等于額定電壓范圍的上限時(shí)，從外部線路對(duì) 電力存儲(chǔ)介質(zhì)進(jìn)行充電，同時(shí)如果該終端電壓低于外部線路電壓則降 低外部線路電壓，并且如果該終端電壓高于外部線路電壓則升高外部 線路電壓的設(shè)備。
5. 如權(quán)利要求l、 2、 3或4的直流電力存儲(chǔ)裝置，其中，所述dc/dc 轉(zhuǎn)換器包括一個(gè)放電控制開關(guān)，用于在電力存儲(chǔ)介質(zhì)的終端電壓高于 外部線路電壓時(shí)，控制或截?cái)鄰碾娏Υ鎯?chǔ)介質(zhì)到外部線路的放電電流。
6. 如權(quán)利要求l、 2、 3、 4或5的直流電力存儲(chǔ)裝置，其中，所述 dc/dc轉(zhuǎn)換器包括一個(gè)主電路，該主電路包括升降壓斬波器，其包括高壓側(cè)臂，其包括半導(dǎo)體開關(guān)SW1和反并聯(lián)二極管D1，半導(dǎo) 體開關(guān)SW1設(shè)置在一個(gè)方向中以控制來自外部線路的充電電流 并且包括與外部線路連接的第一末端和一個(gè)第二末端，而反并聯(lián) 二極管Dl反并聯(lián)到半導(dǎo)體開關(guān)SWl,低壓側(cè)臂，其包括半導(dǎo)體開關(guān)SW2和反并聯(lián)二極管D2，半導(dǎo) 體開關(guān)SW2設(shè)置在半導(dǎo)體開關(guān)SW1的方向中并且與半導(dǎo)體開關(guān) SW1的第二末端串聯(lián)，而反并聯(lián)二極管D2反并聯(lián)到半導(dǎo)體開關(guān) SW2，以及電抗器，其包括與半導(dǎo)體開關(guān)SW1的第二末端連接的第一末 端和一個(gè)第二末端；以及放電控制開關(guān)，其包括半導(dǎo)體開關(guān)SW3和反并聯(lián)二極管D3，半導(dǎo) 體開關(guān)SW3連接在電抗器L的第二末端和電力存儲(chǔ)介質(zhì)之間并且設(shè)置 在一個(gè)方向上以控制來自電力存儲(chǔ)介質(zhì)的放電電流，而反并聯(lián)二極管 D3反并聯(lián)到半導(dǎo)體開關(guān)SW3 。
全文摘要
本申請(qǐng)涉及抑制線路導(dǎo)線的電壓降以吸收電動(dòng)車輛的再生電力并且防止電動(dòng)車輛的再生故障，而不引起DC電力存儲(chǔ)設(shè)備尺寸上升和成本升高。雙電層電容EDLC的終端電壓(或待機(jī)電壓)被設(shè)置得接近線路導(dǎo)線在饋電線路系統(tǒng)無負(fù)載時(shí)和普通負(fù)載時(shí)的額定電壓范圍的上限電壓。當(dāng)線路導(dǎo)線電壓超過額定電壓范圍的上限電壓時(shí)，由雙電層電容吸收再生電力，并且與此并行地，通過電動(dòng)車輛的再生電流壓縮動(dòng)作防止雙電層電容的終端電壓超過其最大值(即，防止再生故障)。當(dāng)線路導(dǎo)線電壓低于額定電壓范圍的下限電壓時(shí)，通過由升降壓斬波器的降壓和升壓動(dòng)作從雙電層電容放電，而保持線路導(dǎo)線電壓(即電壓降抑制)使其不變成低于額定電壓范圍的下限。
文檔編號(hào)B60M3/06GK101365606SQ200680051698
公開日2009年2月11日 申請(qǐng)日期2006年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月10日
發(fā)明者上村正 申請(qǐng)人:株式會(huì)社明電舍