[发明专利]大吨位混合动力电机车储能装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及大吨位电机车储能装置设计领域，特别涉及机车储能系统性能评估技术， 具体涉及一种大吨位混合动力电机车储能装置及方法。

背景技术

大吨位动力电机车在矿山、井下等有很多应用，其供能系统传统方式主要采用蓄电池作为供能系统。但是，由于蓄电池的功率密度较低，为提供电机车在启动、爬坡、加速等工况下的瞬间大功率需求，需要额外的蓄电池组满足该功率负载需求，从而导致车载蓄电池容量超过电机车实际能量需要，增加蓄电池组重量、体积及相应的经济成本；同时，蓄电池可反复充放电次数有限，容许工作温度范围窄。特别是为满足瞬间功率需求的大电流充放电会严重缩短蓄电池使用寿命，增加维护成本与工期，导致电机车全寿命周期成本的增加。采用超级电容与蓄电池混合的方式，可望较好地解决单纯用蓄电池作为动力源的电机车供能系统，超级电容功率密度是蓄电池功率密度的10～100倍，可为电机车在启动、加速、爬坡等工况时提供瞬间大电流，避免蓄电池的大电流放电；在下坡或制动时，回馈电流可被超级电容有效吸收，从而保护蓄电池不受大电流冲击，延长蓄电池使用寿命，同时有效减小车载蓄电池组的体积和重量；超级电容储能过程中不发生化学反应，可反复充电百万次以上，且充放电速度快/效率高，基本免维护，可有效降低电机车的全寿命周期成本。

国内外一些人员搭建了各种车载及路面供能装置。文献1：R. Barrero, X. Tackoen, J. Van Mierlo Analysis and configuration of supercapacitor based energy storage system on-board light rail vehicles[C]. 13th Power Electronics and Motion Control Conference, 2008. EPE-PEMC 2008. pp. 1512 - 1517.中采用超级电容进行轨道列车节能，可减少轨道列车的能耗。文献2：Hansang Lee, Hanmin Lee, Changmu Lee, Gilsoo Jang and Gildong Kim. Energy Storage Application Strategy on DC Electric Railroad System using a Novel Railroad Analysis Algorithm[J].Journal of Electrical Engineering & Technology Vol. 5, No. 2, 2010, pp. 228-238, 主要采用算法来提高超级电容充放电效率。

目前，国内外对大吨位混合储能装置设计没有太多相关研究。对混合储能的电路搭建、性能测试及蓄电池与超级电容混合装置的容量配置没有合理的设计。对于大吨位混合动力电机车储能装置设计，目前还没有完善的技术方案。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种大吨位混合动力电机车储能装置及方法，混合储能方式，简单易操作，有效减少车载蓄电池使用数量，改善电动力系统对瞬间大功率负载的适应能力，提高电动力源系统的能源使用效率，有效降低大吨位电机车的维护成本。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

本发明公开了一种大吨位混合动力电机车储能装置，它包括牵引蓄电池、保护电阻、支持电容、逆变器、牵引电机、滤波电感、高端电容、双向DC/DC变换器、储能电感和超级电容器。

所述牵引蓄电池：针对其功率密度低、储存能量多的特性，可由其作为主动力源对电机车进行供能，其输出端与保护电阻串联；

所述保护电阻：由于牵引蓄电池输出为直流电，保护电阻主要作为分压原件，与牵引蓄电池串接，用于保护牵引蓄电池；

所述支持电容：用于使逆变器获得较平稳的直流母线电压并滤除低次谐波，其输出端与逆变器的输入端相连；

所述逆变器：用于把牵引蓄电池输出的直流电转变为交流电，供大吨位混合动力机车的牵引电机使用；其输出端与牵引电机相连；

所述牵引电机：作为大吨位混合动力电机车的牵引装置，其用于驱动混合动力机车的运动；

所述滤波电感：用于滤除超级电容组输入直流母线的谐波分量，其一端与直流母线相连，其另一端与双向DC/DC变换器相连；

所述高端电容：用于给双向DC/DC变换器供电，在双向DC/DC变换器工作于不同模式时，其充放电特性会发生变化。

所述双向DC/DC变换器：主要通过改变其工作模式，用于在不同模式下向超级电容器充放电；