用于牽引電源的電能存儲(chǔ)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種用于連接至向電動(dòng)車輛提供電力的牽引電源的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。該能量存儲(chǔ)系統(tǒng)包括電力控制器，其對(duì)DC-DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制以在列車制動(dòng)時(shí)將電能從牽引電源輸送至電能存儲(chǔ)器。該電力控制器還對(duì)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制以在列車加速時(shí)將電能從電能存儲(chǔ)器輸送至牽引電源。該控制器分別在接近電能存儲(chǔ)器的上電壓邊界限制和下電壓邊界限制時(shí)減緩能量輸送的速率。
【專利說(shuō)明】用于牽引電源的電能存儲(chǔ)系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種用于牽引電源的電能存儲(chǔ)系統(tǒng)，并且更具體地涉及一種用來(lái)捕捉在牽弓I電源上所檢測(cè)的過(guò)度電力(作為制動(dòng)恢復(fù)系統(tǒng))和/或在需要電力時(shí)將一些電力釋放至牽引電源(作為加速輔助系統(tǒng))的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]本領(lǐng)域已知提供電能存儲(chǔ)系統(tǒng)(ESS)以使用經(jīng)由雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器電源進(jìn)行連接的通常被稱作“超級(jí)電容器”的電雙電層電容器(EDLC)來(lái)幫助對(duì)輕軌網(wǎng)絡(luò)等的牽引電源(TPS)進(jìn)行調(diào)整。然而，由于所要求的高壓直流(HVDC)輸電的快速性以及對(duì)由于ESS存儲(chǔ)組接近上邊界或下邊界電壓狀況所導(dǎo)致的任何突發(fā)電力輸送的管理，從而這樣的EES利用不同EDLC的全部存儲(chǔ)容量的能力有限。當(dāng)TPS電壓降至可接受的低壓閾值以下時(shí)，EES能夠向TPS提供所要求的附加電力是至關(guān)重要的，并且相反地，考慮到(在高于上閾值的電壓水平)在TPS處出現(xiàn)的過(guò)度能量通常導(dǎo)向負(fù)載以通過(guò)TPS自身以熱量進(jìn)行消除，當(dāng)TPS電壓超過(guò)可接受的高壓閾值時(shí)，EES能夠盡可能快地恢復(fù)TPS線路上的過(guò)度電力是至關(guān)重要的。
[0003]因此，需要一種有所改進(jìn)的電能存儲(chǔ)系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]依據(jù)本發(fā)明，提供了 一種用于連接至為電動(dòng)車輛提供電力的牽弓I電源的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。該能量存儲(chǔ)系統(tǒng)包括用于連接至牽引電源的升降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器、電能存儲(chǔ)器、將電能存儲(chǔ)器連接至轉(zhuǎn)換器的存儲(chǔ)器總線，和可通信連接至轉(zhuǎn)換器的電力控制器。該電力控制器在車輛制動(dòng)時(shí)以再生模式進(jìn)行操作并且在車輛加速時(shí)以輔助模式進(jìn)行操作。當(dāng)該電力控制器處于再生模式時(shí)，該電力控制器對(duì)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制以將電能從牽弓I電源輸送至電能存儲(chǔ)器。當(dāng)該電力控制器處于輔助模式時(shí)，該電力控制器對(duì)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制以將電能從電能存儲(chǔ)器輸送至牽引電源。該控制器分別在接近電能存儲(chǔ)器的上和下電壓邊界限制時(shí)減緩牽弓I電源和電能存儲(chǔ)器之間的電能輸送速率。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0005]本發(fā)明的特征、方面和優(yōu)勢(shì)將關(guān)于以下描述、所附權(quán)利要求和附圖而被更好地理解，其中:
[0006]圖1是依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于隨輕軌網(wǎng)絡(luò)的牽引電源使用的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的示意圖；
[0007]圖2是在制動(dòng)事件期間由圖1的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定的牽引電源電壓分布的示意性圖形表示，其中該能量存儲(chǔ)系統(tǒng)處于再生模式；
[0008]圖3是圖1的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的通用電力控制器的示意圖；
[0009]圖4是圖3的通用電力控制器的第一混合控制回路的示意圖；和
[0010]圖5是圖3的通用電力控制器的第二混合控制回路的示意圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0011]應(yīng)當(dāng)注意的是，在以下的詳細(xì)描述中，無(wú)論它們是否在本發(fā)明的不同實(shí)施例中示出，相同的組件都具有相同的附圖標(biāo)記。還應(yīng)當(dāng)注意的是，為了清楚并準(zhǔn)確地公開本發(fā)明，附圖并不必依比例繪制并且本發(fā)明的某些特征可以以稍顯示意性的形式被示出。
[0012]現(xiàn)在參考圖1，示出了依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例所構(gòu)建的電能存儲(chǔ)系統(tǒng)(ESS) 10。ESSlO用于隨向列車的電動(dòng)機(jī)提供電力的牽引電源12使用。ESSlO可操作以在列車加速以及列車制動(dòng)時(shí)對(duì)牽引電源12的DC電壓進(jìn)行穩(wěn)定。當(dāng)列車進(jìn)行加速時(shí)，ESSlO處于輔助模式，其中它向牽引電源12提供電力。當(dāng)列車制動(dòng)時(shí)，ESSlO處于再生模式，其中它從牽引電源12恢復(fù)能量并且對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)以便隨后在ESSlO處于輔助模式時(shí)使用。
[0013]ESSlO系統(tǒng)包括雙向DC-DC電力轉(zhuǎn)換器單元14，其通過(guò)存儲(chǔ)器總線17電連接至至少一個(gè)能量存儲(chǔ)單元16。該電力轉(zhuǎn)換單元14電連接至牽引電源12以在牽引電源12和(多個(gè))電能存儲(chǔ)單元16之間輸送電能。當(dāng)多個(gè)能量存儲(chǔ)單元16連接至電力轉(zhuǎn)換器單元14時(shí)，它們?nèi)鐖D1所示并聯(lián)連接，其中第二能量存儲(chǔ)單元16以虛線示出。連接至電力轉(zhuǎn)換器單元14的能量存儲(chǔ)單元16的數(shù)量通常取決于電力轉(zhuǎn)換器單元14能夠在牽引電源12的電壓(Vtps)所應(yīng)對(duì)的最大能量輸送。每個(gè)能量存儲(chǔ)單元16包括電存儲(chǔ)器50，諸如通常被稱作“超級(jí)電容器”的雙電層電容器(EDLC)。
[0014]如以上所描述的，電力轉(zhuǎn)換器單元14可在不同時(shí)間進(jìn)行操作以(i)恢復(fù)來(lái)自牽引電源12的制動(dòng)能量并且將其存儲(chǔ)在(多個(gè))能量存儲(chǔ)單元16中，以及(ii)使用(多個(gè))能量存儲(chǔ)單元16中所存儲(chǔ)的能量在峰值需求期間對(duì)牽引電源12進(jìn)行輔助。電力轉(zhuǎn)換器單元14的電流流動(dòng)方向(無(wú)論是輔助還是回復(fù))由雙向升降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器22的切換模式進(jìn)行控制，該雙向升降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器22由通用電力控制器20經(jīng)由橋接驅(qū)動(dòng)器24進(jìn)行控制。轉(zhuǎn)換器22包括部署在開關(guān)橋中的多個(gè)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。
[0015]功率轉(zhuǎn)換器單元14具有用于分別連接至牽引電源12和(多個(gè))能量存儲(chǔ)單元16的接口，以允許高壓直流(HVDC)牽引電力在電力轉(zhuǎn)換器單元14和牽引電源12之間以及電力轉(zhuǎn)換器單元14和(多個(gè))能量存儲(chǔ)單元16之間進(jìn)行流動(dòng)。電力轉(zhuǎn)換器單元14還具有用于連接至100VDC電力和115VAC電力源的接口，或者如果在北美以外，其具有連接至200VDC電力和230VAC電力源的接口。另外，電力轉(zhuǎn)換器單元14具有用于與(多個(gè))能量存儲(chǔ)單元16進(jìn)行通信的通信接口以及位于遠(yuǎn)程的監(jiān)視和/或控制系統(tǒng)。一種這樣的通信接口可以是SCADA (監(jiān)測(cè)控制和數(shù)據(jù)采集)接口 25，其可以連接至遠(yuǎn)程監(jiān)視和/或控制系統(tǒng)。另一種通信接口可以是以太網(wǎng)接口，其可以連接至(多個(gè))能量存儲(chǔ)單元16以便經(jīng)由傳輸控制協(xié)議(TCP)進(jìn)行通信。
[0016]如圖2所示，ESSlO協(xié)助將牽引電源12中的操作電壓(Vtps)保持在可接受的預(yù)設(shè)低LT和高HT電壓閾值水平之內(nèi)，低LT和高HT電壓閾值水平低于和高于牽引電源12的基準(zhǔn)電壓水平VTPS_KEF。牽引電源12通?？删哂?00VDC、750VDC、1500VDC或3000VDC的電壓水平VTPS_KEF。僅出于說(shuō)明的目的，VTPS_KEF在圖2中被示為400VDC。
[0017]與作為整體的ESSlO相同，電力轉(zhuǎn)換器單元14的通用電力控制器20當(dāng)列車減速時(shí)以再生模式進(jìn)行操作并且在列車加速時(shí)以輔助模式進(jìn)行操作。通用電力控制器20基于牽引電源12的電壓(Vtps)自動(dòng)在再生和輔助模式之間進(jìn)行切換。更具體地，當(dāng)電壓(Vtps)上升至高于HT電壓閾值水平時(shí)，通用控制器20進(jìn)入再生模式，并且當(dāng)(Vtps)下降至低于LT電壓閾值水平時(shí)，通用控制器20進(jìn)入輔助模式。在再生模式中，通用電力控制器20對(duì)轉(zhuǎn)換器22進(jìn)行控制以在列車減速或制動(dòng)時(shí)恢復(fù)并存儲(chǔ)來(lái)自牽引電源12的過(guò)多能量(如圖2所描繪)，并且作為結(jié)果，牽引電源12的電壓水平超出高閾值HT。所恢復(fù)的能量被存儲(chǔ)在(多個(gè))能量存儲(chǔ)單元16中。在輔助模式中，通用電力控制器20對(duì)轉(zhuǎn)換器22進(jìn)行控制以在列車加速時(shí)將電能從(多個(gè))能量存儲(chǔ)單元16提供至牽引電源12，并且牽引電源12的電壓水平下降至低閾值LT以下。
[0018]如以上所描述的，通用電力控制器20通過(guò)驅(qū)動(dòng)器24對(duì)轉(zhuǎn)換器22進(jìn)行控制。此外，通用電力控制器20對(duì)連接器開關(guān)23、29進(jìn)行控制。通用電力控制器20包括主板26和計(jì)算單元組28，后者通常包括具有用于運(yùn)行應(yīng)用的處理器的PC-104印刷電路板，該應(yīng)用包括可以是Matlab?應(yīng)用的控制應(yīng)用32。該應(yīng)用存儲(chǔ)在PC-104上的存儲(chǔ)器中。
[0019]主板26對(duì)從計(jì)算單元組28所接收以及向其提供的信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)。例如，主板26接收模擬信號(hào)，對(duì)它們進(jìn)行調(diào)節(jié)并且將它們提供至計(jì)算單元組28中的模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器27，后者對(duì)該信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化并且將它們提供至在PC-104的處理器上運(yùn)行的應(yīng)用。此外，主板26的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA) 30將控制應(yīng)用32所生成的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)。這些PWM信號(hào)進(jìn)而被光纖數(shù)據(jù)模塊31轉(zhuǎn)換為光脈沖以便通過(guò)光纖線路傳輸至橋驅(qū)動(dòng)器24。FPGA32利用超高速集成電路(VHSIC)硬件描述語(yǔ)言(VHDL)進(jìn)行編程。
[0020]計(jì)算單元組28對(duì)(多個(gè))能量存儲(chǔ)單元16和轉(zhuǎn)換器22進(jìn)行控制。計(jì)算單元組28還監(jiān)視(多個(gè))能量存儲(chǔ)單元16和轉(zhuǎn)換器22的操作并且執(zhí)行數(shù)據(jù)記錄。這些控制、監(jiān)視和數(shù)據(jù)記錄功能由在PC-104的處理器上的Linux?操作系統(tǒng)中運(yùn)行的應(yīng)用(諸如應(yīng)用32)所執(zhí)行。該應(yīng)用可以有利地使用實(shí)時(shí)應(yīng)用接口(RTAI)內(nèi)核36。
[0021]轉(zhuǎn)換器22可操作以將牽引電源12的電壓(Vtps)(其通常處于大約從350VDC到大約450VDC的范圍內(nèi))轉(zhuǎn)換為存儲(chǔ)器總線17的電壓(Vcap)(其通常處于大約從500VDC到大約1000VDC的范圍內(nèi))。存儲(chǔ)器總線17的電壓Vcap由每個(gè)能量存儲(chǔ)單元16中串聯(lián)連接的電容器的數(shù)量所確定。
[0022]如以上所描述的，轉(zhuǎn)換器22包括部署在橋中的四個(gè)IGBT開關(guān)。轉(zhuǎn)換器22通常以IkHz的開關(guān)頻率進(jìn)行操作。IGBT開關(guān)的選通順序確定了轉(zhuǎn)換器電流的方向(輔助或再生模式)以及轉(zhuǎn)換器22是處于降壓還是增壓模式(如隨后所描述的)。該選通順序由通用電力控制器20響應(yīng)于牽引電源12的總線電壓(Vtps)和存儲(chǔ)器總線17的電壓(Vcap)而生成。
[0023]電力轉(zhuǎn)換器單元14還包括可編程邏輯控制器(PLC) 40，其通過(guò)通信模塊46連接至通用電力控制器20，該通信模塊46可以是基于以太網(wǎng)的。PLC40對(duì)ESSlO內(nèi)的TCP通信(其可以是以太網(wǎng)協(xié)議上的M0DBUS?)進(jìn)行控制。PLC40從位于電力控制器單元14之內(nèi)和之外的其它設(shè)備接收狀態(tài)和控制信號(hào)。另外，PLC40生成狀態(tài)輸出，該狀態(tài)輸出被發(fā)送至顯示器34以便向用戶提供視覺(jué)指示。顯示器34可以由LED組成或者可以是圖形用戶界面。
[0024]電力轉(zhuǎn)換器單元14進(jìn)一步包括連接至存儲(chǔ)器總線17的高壓電源42。電源42連接至115VAC電力的供電并且可操作以生成被提供至電存儲(chǔ)器50的調(diào)節(jié)電荷。該調(diào)節(jié)電荷處于低能量率(通常大約為500焦耳/秒)并且被用來(lái)在初始充電序列期間對(duì)電存儲(chǔ)器50中的個(gè)體電容器的任何電壓不均衡進(jìn)行校正。
[0025]ESSlO包括緊急停機(jī)電路，其包括串連接連接的多個(gè)開關(guān)45。電力轉(zhuǎn)換器單元14和(多個(gè))能量存儲(chǔ)單元16中的每一個(gè)都包括一個(gè)開關(guān)45。
[0026]如以上所描述的，每個(gè)能量存儲(chǔ)單元16包括可以由雙電層電容器所構(gòu)成的電存儲(chǔ)器50。電容器被設(shè)置為包括一串或多串的串聯(lián)連接電容器的組。串和電容器的數(shù)量和部署形式被選擇以提供所要求的電壓。電存儲(chǔ)器50中的每個(gè)電容器串由通用電力控制器20通過(guò)與電存儲(chǔ)器50相關(guān)聯(lián)的監(jiān)視系統(tǒng)52進(jìn)行控制。監(jiān)視系統(tǒng)52從電存儲(chǔ)器50收集狀態(tài)信號(hào)，對(duì)它們進(jìn)行光學(xué)隔離和緩存，并且隨后將它們傳送至通用電力控制器20。監(jiān)視系統(tǒng)52還從通用電力控制器20接收控制信號(hào)并且對(duì)它們進(jìn)行操作以控制電容器串的連接。狀態(tài)和控制信號(hào)經(jīng)由與監(jiān)視系統(tǒng)52相關(guān)聯(lián)的遠(yuǎn)程輸入/輸出模塊54以及與通用電力控制器20 (和PLC40)相關(guān)聯(lián)的通信模塊46在監(jiān)視系統(tǒng)52和通用電力控制器20之間進(jìn)行傳送。
[0027]通用電力控制器20的控制應(yīng)用32預(yù)測(cè)接近(多個(gè))能量存儲(chǔ)單元16的下邊界(LB)和上邊界(UB)電壓狀況的能量狀況，并且在接近這些極限時(shí)對(duì)ESSlO和牽引電源12之間的能量輸送速率加以約束(減緩)。這樣在接近邊界狀況時(shí)降低能量輸送速率通過(guò)避免進(jìn)入牽引電源12的降低其操作效率的突發(fā)電流轉(zhuǎn)變而改進(jìn)了牽引電源12的調(diào)節(jié)。此外，如此減緩能量輸送通過(guò)對(duì)電存儲(chǔ)器50的內(nèi)部阻抗進(jìn)行補(bǔ)償而使得(多個(gè))能量存儲(chǔ)單元16的總體能量容量最大化。
[0028]如果電存儲(chǔ)器50 (在再生模式期間)容量被充滿或者(在輔助模式期間)被耗盡，則通用電力控制器20停止( 多個(gè))能量存儲(chǔ)單元16和牽引電源12之間的能量輸送。
[0029]控制應(yīng)用32包括混合控制回路60，80 (分別在圖4和圖5中示出)，它們預(yù)測(cè)能量邊界狀況并且在接近UB和LB極限時(shí)對(duì)能量輸送的速率加以約束。
[0030]現(xiàn)在參考圖4，用于轉(zhuǎn)換器22的混合控制回路60包括比例積分控制器66和比例積分控制器64，前者進(jìn)行工作以減小牽引電源12的基準(zhǔn)電壓水平(VTPS_KEF)和電壓水平(Vtps)之間的差異(誤差)，后者則進(jìn)行工作以減小存儲(chǔ)器總線17的最大電壓(Vcamm)和電壓(Vcap)之間的差異(誤差)。控制器64的增益是電存儲(chǔ)器50的容量的函數(shù)?？刂破?4的輸出(I_CAP)對(duì)控制器66的輸出(I_CQNTKQl)的使用加以約束。更具體地，控制器66的輸出(1_control)被提供為針對(duì)動(dòng)態(tài)飽和器62的輸入,而控制器64的輸出(Ι_αΡ)則被送至動(dòng)態(tài)飽和器62的“上端口(up port)”。動(dòng)態(tài)飽和器62可操作以將其輸入的范圍界定為上飽和值和下飽和值。當(dāng)輸入處于上飽和值和下飽和值之間時(shí)，動(dòng)態(tài)飽和器62的輸出等于輸入。當(dāng)輸入低于下飽和值時(shí)，動(dòng)態(tài)飽和器62的輸出被設(shè)置為下飽和值。當(dāng)輸入高于上飽和值時(shí)，輸出被設(shè)置為上飽和值。該上飽和值是由提供至動(dòng)態(tài)飽和器62的“上端口”的數(shù)值所設(shè)置的數(shù)值，即控制器64的輸出(I_CAP)0該下飽和值由“下端口 (1 port)”所設(shè)置，該“下端口 ”被設(shè)置為零。動(dòng)態(tài)飽和器62的以上配置有效地使得動(dòng)態(tài)飽和器62的輸出為控制器66的輸出(I_cxm?l)和控制器64的輸出(Ι_αΡ)中的較低值。動(dòng)態(tài)飽和器62的輸出通過(guò)限制器而產(chǎn)生基準(zhǔn)電流(I_ref)。比例積分控制器68進(jìn)行工作以減小該基準(zhǔn)電流(I_ref)和轉(zhuǎn)換器22的電感器37的電流(I_C0ndUCt0r)之間的差異。控制器68的輸出通過(guò)限制器并且隨后被提供至FPGA30的PWM模塊47，后者生成PWM信號(hào)。
[0031]現(xiàn)在將對(duì)混合控制回路60在ESSlO的再生模式期間的操作進(jìn)行描述。當(dāng)列車初次開始制動(dòng)時(shí)，由于電存儲(chǔ)器50并未被完全充電，所以VCAP_m)^P Vcap之間的正誤差高(并且因此來(lái)自控制器64的Ι_αΡ高)。作為列車制動(dòng)的結(jié)果，牽引電源12的電壓(Vtps)增大并且VTPS-KEF和Vtps之間的正誤差增大。因此，來(lái)自控制器66的I_roNTm增大并且從動(dòng)態(tài)飽和器62輸出，這導(dǎo)致控制器68的輸出增加去往(多個(gè))能量存儲(chǔ)單元16的電流流動(dòng)。然而，當(dāng)存儲(chǔ)器總線17的電壓(Vcap)接近最大電壓(Vcamm)時(shí)，Vcamiax和Vou^間的誤差減小，并且因此來(lái)自控制器64的Ι_αΡ減小。結(jié)果，動(dòng)態(tài)飽和器62的上限變?yōu)楸幌拗茷閬?lái)自控制器64的較低Ι_αΡ而不是來(lái)自控制器66的I_raTm，這降低了去往(多個(gè))能量存儲(chǔ)單元16的電流輸送速率。
[0032]現(xiàn)在參考圖5，用于轉(zhuǎn)換器22的混合控制回路80包括比例積分控制器70和比例積分控制器69，前者進(jìn)行工作以減小牽引電源12的基準(zhǔn)電壓水平(VTPS_KEF)和電壓水平(Vtps)之間的差異(誤差)，后者則進(jìn)行工作以減小存儲(chǔ)器總線17的最大電壓(Vcamdn)和電壓(Vcap)之間的差異(誤差)。控制器69的增益是電存儲(chǔ)器50的容量的函數(shù)。控制器69的輸出(I_CAP)對(duì)控制器70的輸出(I_raTm)的使用加以約束。更具體地，控制器70的輸出(1_control)被提供為針對(duì)動(dòng)態(tài)飽和器72的輸入，而控制器69的輸出(I_eAP)則被送至動(dòng)態(tài)飽和器72的“下端口”。動(dòng)態(tài)飽和器72可操作以將其輸入的范圍界定為上飽和值和下飽和值。當(dāng)輸入處于上飽和值和下飽和值之間時(shí)，動(dòng)態(tài)飽和器72的輸出等于輸入。當(dāng)輸入低于下飽和值時(shí)，動(dòng)態(tài)飽和器72的輸出被設(shè)置為下飽和值。當(dāng)輸入高于上飽和值時(shí)，輸出被設(shè)置為上飽和值。該上飽和值是由提供至動(dòng)態(tài)飽和器72的“上端口”的為零的數(shù)值所設(shè)置的數(shù)值。該下飽和值由“下端口”所設(shè)置，其被設(shè)置為控制器69的輸出(I_CAP)。動(dòng)態(tài)飽和器72的輸出通過(guò)限制器而產(chǎn)生基準(zhǔn)電流(I_ref)。比例積分控制器78進(jìn)行工作以減小該基準(zhǔn)電流(I_ref)和轉(zhuǎn)換器22的電感器37的電流(I_c0nduct0r)之間的差異。控制器78的輸出通過(guò)限制器并且隨后被提供至FPGA30的PWM模塊87，后者生成PWM信號(hào)。
[0033]現(xiàn)在將對(duì)混合控制回路80在ESSlO的輔助模式期間的操作進(jìn)行描述。當(dāng)列車開始加速時(shí)，由于電存儲(chǔ)器50被完全充電，所以Vcamiii^P Vcap之間的正誤差高(并且因此來(lái)自控制器64的Ι_αρ的絕對(duì)值高)。作為列車啟動(dòng)的結(jié)果，牽引電源12的電壓(Vtps)下降并且VTPS_KEjPVTPS之間的誤差增大。因此，來(lái)自控制器70的Ι_ωΝ的絕對(duì)值增大并且從動(dòng)態(tài)飽和器72輸出，這導(dǎo)致控制器78的輸出增加從(多個(gè))能量存儲(chǔ)單元16到牽引電源12 (ΒΡ,列車)的電流流動(dòng)。然而，當(dāng)存儲(chǔ)器總線17的電壓(Vcap)接近最小電壓(Vcamdn)時(shí)，Vcamdn和Vcap之間的正誤差減小，并且因此來(lái)自控制器69的I_CAP的絕對(duì)值減小。結(jié)果，動(dòng)態(tài)飽和器72的下限在VeAP接近來(lái)自控制器69的VeAP_MIN時(shí)變?yōu)楸幌拗茷檩^低I_eAP (絕對(duì)值)而不是來(lái)自控制器70的I_raTm，這降低了來(lái)自(多個(gè))能量存儲(chǔ)單元16的電流輸送速率。
[0034]現(xiàn)在將參考圖2對(duì)ESSlO在列車制動(dòng)時(shí)的操作進(jìn)行描述。當(dāng)制動(dòng)事件開始時(shí)(在t=零)，牽引電源12的電壓Vtps開始增大。當(dāng)Vtps高于高閾值HT時(shí)，通用電力控制器20進(jìn)入再生模式并且對(duì)轉(zhuǎn)換器22進(jìn)行控制以對(duì)(多個(gè))能量存儲(chǔ)單元16提供電流。結(jié)果，Vtps降低，即得以穩(wěn)定。存儲(chǔ)器總線17的電壓(Vcap)增大直至混合控制60通知Vcap接近其上邊界電壓狀況UB并且通過(guò)在圖2的圖形表示中的大約36秒處降低電感器37的電流I_INDUCTQK而自動(dòng)降低能量輸送速率。作為響應(yīng)，Vtps小幅增大。在列車加速事件中(未示出)，通用電力控制器20進(jìn)入輔助模式以將所累積的能量輸送至牽引電源12，其中該圖形表示通常將看起來(lái)像圖2中的圖形表示的鏡像圖，其具有負(fù)電感器電流I_INDUCTM以及有所降低的存儲(chǔ)器總線17的Vcap。
[0035]當(dāng)多個(gè)ESSlO連接至單個(gè)牽引電源12時(shí)，通過(guò)下降電壓控制來(lái)實(shí)現(xiàn)電力轉(zhuǎn)換器單元14之間的電流共享。[0036]應(yīng)當(dāng)從上文所意識(shí)到的是，本發(fā)明提供了多種優(yōu)勢(shì)。ESSlO包括混合控制，其通過(guò)分別在接近電存儲(chǔ)器50的最大容量(上邊界電壓狀況)和最小預(yù)定存儲(chǔ)水平(下邊界電壓狀況)時(shí)減緩能量輸送速率而確保了最優(yōu)的來(lái)自牽引電源12的能量存儲(chǔ)以及到牽引電源12的能量供應(yīng)，以便利用電存儲(chǔ)器50的整個(gè)實(shí)際容量并且因此接近其理論容量，這在應(yīng)對(duì)EDLC時(shí)是特別令人感興趣的。
[0037]本發(fā)明的又一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于，通過(guò)在接近上邊界和下邊界電壓狀況之一時(shí)限制能量輸送速率，ESSlO防止了任何突發(fā)電流轉(zhuǎn)變進(jìn)入牽引電源12，而這樣的轉(zhuǎn)變會(huì)降低其操作效率。
[0038]本發(fā)明的再一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于，ESSlO在大小(電力容量)方面是模塊化的并且能夠使用不同類型的能量存儲(chǔ)組，諸如一般被稱作“超級(jí)電容器”的雙電層電容器(EDLC)，以及更常規(guī)的化學(xué)電池，諸如大容量鋰離子電池、鎳金屬混合物(NiMH)電池等。
[0039]所要理解的是，以上(多個(gè))示例性實(shí)施例的描述僅意在是說(shuō)明性的而并非是本發(fā)明的窮舉。本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠?qū)λ_主題的(多個(gè))實(shí)施例進(jìn)行某些添加、刪減和/或修改而并不背離如所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神及其范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種用于連接至為電動(dòng)車輛提供電力的牽引電源的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，所述能量存儲(chǔ)系統(tǒng)包括: Ca)用于連接至所述牽引電源的升降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器； (b)電能存儲(chǔ)器； (c)將所述電能存儲(chǔ)器連接至所述轉(zhuǎn)換器的存儲(chǔ)器總線；和 Cd)電力控制器，其可通信連接至所述轉(zhuǎn)換器并且能夠在所述車輛制動(dòng)時(shí)以再生模式進(jìn)行操作而在所述車輛加速時(shí)以輔助模式進(jìn)行操作； 其中當(dāng)所述電力控制器處于所述再生模式時(shí)，所述電力控制器對(duì)所述轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制以將電能從所述牽引電源輸送至所述電能存儲(chǔ)器； 其中當(dāng)所述電力控制器處于所述輔助模式時(shí)，所述電力控制器對(duì)所述轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制以將電能從所述電能存儲(chǔ)器輸送至所述牽引電源；并且 其中所述控制器分別在接近所述電能存儲(chǔ)器的上電壓邊界限制和下電壓邊界限制時(shí)減緩所述牽引電源和所述電能存儲(chǔ)器之間的電能輸送速率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，其中所述電力控制器在所述存儲(chǔ)器總線的電壓接近所述上邊界限制時(shí)減緩從所述牽引電源到所述電能存儲(chǔ)器的電能輸送；并且 其中所述電力控制器在所述存儲(chǔ)器總線的電壓接近所述下邊界限制時(shí)減緩從所述電能存儲(chǔ)器到所述牽引電源的 電能輸送。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，其中所述電能存儲(chǔ)器包括雙電層電容器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，其中所述電容器以一個(gè)或多個(gè)串進(jìn)行部署，其中每個(gè)串包括多個(gè)串聯(lián)連接的電容器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，其中所述能量存儲(chǔ)器包括多個(gè)電池。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，其中所述轉(zhuǎn)換器包括多個(gè)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，其中所述轉(zhuǎn)換器包括具有一對(duì)串聯(lián)連接的IGBT的第一分叉，具有一對(duì)串聯(lián)連接的IGBT的第二分叉，以及連接在所述第一和第二分叉的節(jié)點(diǎn)之間的電感器，所述第一分叉和所述第二分叉中的每一個(gè)中的所述節(jié)點(diǎn)位于所述IGBT之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，其中所述電力控制器的所述模式由所述牽引電源的電壓所確定。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，其中所述電力控制器在所述牽引電源的電壓移動(dòng)到高于上電壓閾值極限時(shí)進(jìn)入所述再生模式，并且當(dāng)所述牽引電源的電壓移動(dòng)到低于下閾值極限時(shí)進(jìn)入所述輔助模式。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，其中所述電力控制器包括: 第一控制器，其進(jìn)行工作以減小所述牽引電源的電壓和基準(zhǔn)電壓之間的差值； 第二控制器，其進(jìn)行工作以基于所述存儲(chǔ)器總線電壓和最大總線電壓之間的差值而產(chǎn)生約束邊界；和 動(dòng)態(tài)飽和器，其可操作以接收來(lái)自所述第一控制器的輸出并且將輸出界定為上飽和水平和下飽和水平，所述上飽和水平是所述第二控制器的輸出。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，其中所述電力控制器進(jìn)一步包括第三控制器，其進(jìn)行工作以減小所述轉(zhuǎn)換器的電感器的電流與源自所述動(dòng)態(tài)飽和器的輸出的基準(zhǔn)電流之間 的差值。
【文檔編號(hào)】B60M3/06GK103998285SQ201280049057
【公開日】2014年8月20日 申請(qǐng)日期:2012年8月3日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月5日
【發(fā)明者】B·因尼斯, O·梅薩斯 申請(qǐng)人:Abb公司