双源无轨电车电机驱动系统主电路改进设计

刘毅，陈竹，张新林

（湖南中车时代电动汽车股份有限公司，湖南株洲412007）

双源无轨电车电机驱动系统主电路改进设计

刘毅，陈竹，张新林

（湖南中车时代电动汽车股份有限公司，湖南株洲412007）

为解决传统双源型无轨电车电机驱动系统电制动再生能量只能进行斩波消耗处理影响节能效率，同时整车必须额外配置车载高压充电设备对车载电池进行充电而增加整车制造成本的问题，通过对其主电路硬件及软件控制策略进行改进设计，实现了对电制动再生能量的回收利用及替代车载高压充电设备的功能，既有效降低了能耗，又减少了整车电气系统的规模，从而提高了系统的可靠性。

双源型无轨电车；电机驱动系统；主电路改进

无轨电车是一种通常由架空线网供电、电动机驱动、不依赖固定轨道行驶的道路公共交通工具。传统单电源无轨电车由于较差的机动性能及行驶线路必须的架空线网影响市容的问题，自身发展受到多方限制[1-2]。配置车载动力电池组的双源型无轨电车，同时具有纯电动汽车及传统单电源无轨电车的优点，不但解决了纯电动汽车续驶里程受限的问题，还具有良好的脱线行驶机动性能，解决了传统无轨电车运行需在核心城区架设线网带来的视觉冲击问题。近年来双源无轨电车作为绿色环保的公共交通工具日益受到各大城市的青睐。但受制于整车电气结构复杂，目前已经批量应用的双源无轨电车主电路还有一些缺陷，需要持续改进。本文详细分析现有双源型无轨电车电机驱动系统主电路的不足，并给出改进方案及性能试验，有效解决了影响无轨电车能耗的电制动能量回馈问题。

1 普通双源型无轨电车主电路缺陷分析

现有普通双源型无轨电车多采用交流电机驱动系统[3]，整车通过CAN总线控制技术，实现交流电机驱动系统、电池系统、仪表、辅助系统之间协同控制[4]。

普通双源型无轨电车电气系统主电路如图1所示，主要由三相桥式逆变电路及斩波回路构成[5]。双源无轨电车通常采用线网和动力电池组双电源复合供电模式[6]，国内无轨电车线网普遍采用额定直流600 V电压标准建设，且不同区段间存在±100 V电压波动；车载电力电池组通常采用额定DC384 V电压等级，电池与线网电压差大，主电路中需要通过功率二极管（VD1、VD2）对双电源间进行隔离。

在线网供电模式下，因地面变电站不支持能量回馈模式及主电路功率二极管VD2的单向导电特性作用，车辆制动时，为避免主电路中支撑电容电压超过硬件耐压值限值，电机制动再生能量只能通过硬件斩波回路由功率电阻Rx进行消耗处理。在电池供电模式下，同样由于主电路功率二极管VD1的单向导电特性作用，电机制动再生能量无法实现回馈动力电池组存储利用，不利于节能环保。虽然在主电路中可通过加装专用接触器（如图1中Kcell）的方法避免功率二极管阻塞作用，制动条件下控制该接触器闭合实现电制动再生能量回馈车载电池组，但此种电制动能量回收方法存在接触器可靠性差，控制逻辑复杂的缺点。

为实现一般要求纯电动续驶里程大于10 km，普通双源型无轨电车必须要在线网和动力电池组之间加装车载高压充电机[7]，以实现动力电池组实时充电需求。车载高压充电机的引入增加了整车电气系统的规模及采购制造成本，同时增加了整车电气系统的故障源，普通双源型无轨电车电机驱动系统只能实现单一逆变功能，整车电气系统复杂，不利于整车的集约化设计目标实现。

2 具有能量回馈功能的电机驱动系统设计及效果验证

2.1 主电路设计

改进设计的双源无轨电车交流电机驱动系统主电路如图2所示，电路中保留原能耗斩波回路（图1中V41、V42、Rx），新增加具有电流控制功能的Buck电路充电斩波回路（图2中V51、V52、VD4、Icell、L2），充电斩波回路输出端接车载动力电池组正极。通过上述主电路项改进，在整车取消能量回馈专用接触器Kcell（如图1所示）的前提下，实现了不论是在线网运行模式，还是在电池供电模式下电制动再生能量的有效回馈控制，另外能有效替代高压充电机实现对车载电池组的主动充电功能。保留的能耗斩波回路能够保证在快速动态响应条件下，电池侧电压稳定在安全电压范围内，防止电池过充电故障[8-9]。

图2 改进设计的双源无轨电车交流电机驱动系统主电路

2.2 充电斩波回路设计

改进设计的双源无轨电车交流电机驱动系统主电路中斩波充电回路如图3所示，采用经典Buck电路[10]结构，充电斩波回路负载为高压电池组Battery，L2为串接电感，斩波回路输入电压为Uin，负载电压为Uo，快速开关晶体管V51置于输入与输出之间，通过调节通断比例（占空比）来控制输出直流电压的平均值。该平均值由可调宽度的方波脉冲构成，矩型脉波的平均值就是直流输出电压。

图3 改进设计主电路斩波充电回路

设置在一个周期TS（2π）中，输出矩型脉波的脉宽为θ角，则输出电压平均值：U0=DUin，其中占空比D= θ/2π。

在改进设计斩波充电回路中，当V51导通时，输入端线网电源通过开关管V51及电感器L2对负载动力电池组Battery供电，并同时对电感器L2充电，电感相当于一个恒流源，起传递能量作用；当V51关断时，电感器L2中储存的能量通过续流二级管D52形成的回路，对负载动力电池组Battery继续供电，从而保证了负载端获得连续的电流。

2.3 控制策略

1）制动能量回收功能控制策略。当电机驱动系统控制器逆变回路控制电机工作在制动工况时，将泵升后的直流电压作为充电斩波回路的控制量，由控制器根据实时电机制动工况回馈能量计算出目标充电电流，控制充电斩波回路进行输出指令电流响应，将电机制动能量回馈到车载电池组中实现回馈制动。控制流程见图4。

图4 制动能量回收功能控制流程图

2）在线持续充电功能控制策略。当车载电池组出现电池电量不足时（由车载电池管理系统进行检测判断），电池管理系统向电机驱动系统控制器发送在线充电启动指令，并同时发送目标充电电流值，电机控制器在接收到上述控制指令后，判断是否处于线网供电状态及线网电压是否符合在线充电要求后进行输出指令电流响应。控制流程如图5所示。

图5 在线持续充电功能控制流程图

2.4 效果验证试验

针对上述改进设计，进行了样机生产，并在北京103路无轨电车中进行了装车效果试验。

1）持续充电工况动态响应测试。设置系统持续充电模式下的输出电流为87.5 A，使电机驱动系统工作在持续充电工作状态，直至电池管理系统禁止持续充电，通过上位机观察并记录持续充电状态下的输入输出电压、电流状态。如图6所示，系统输出充电电流动态连续稳定，未出现明显波动，输出电流精度≤±3%。

图6 持续充电电流87.5 A响应波形

2）工况状态切换动态响应测试。设置系统持续充电模式下的输出电流为50 A，使电机驱动系统工作在持续充电工作状态，同时响应制动充电工况。当电池管理系统禁止持续充电条件发送禁止持续充电控制指令信号“132”后系统响应禁止持续充电，通过上位机观察并记录持续充电状态下的输入输出电压、电流状态。如图7所示，当电池管理系统发送控制指令信号状态为“134持续充电”时，输出充电电流动态连续稳定，图中充电电流出现尖峰时为系统同时响应制动工作状态，响应快速连续。系统响应禁止持续充电，充电电流为0。持续充电工况与制动能量回馈工况切换时，动态响应有效，制动充电完成后能自动切换回持续充电功能，符合设计要求。

图7 工况状态切换动态响应波形

3 结束语

采用改进设计的主电路及控制策略的双源无轨电车电机驱动系统，能够有效解决传统双源无轨电车运行能耗较高，必须依赖专用设备进行电池充电的缺点，工作稳定可靠，符合双源无轨电车发展的要求，目前已经在北京、上海、杭州等多地新制双源无轨电车中批量应用。

[1]朱鲤.绿色公交无轨电车的发展之路[J].城市公用事业，2009（3）：12-15.

[2]潘筱，张奎福.现代无轨电车的发展[J].城市车辆，2004（4）: 34-36.

[3]王令，苏剑，王砚生.无轨电车交流驱动系统技术及发展[J].城市车辆，2009（9）：30-32.

[4]谢铭刚，张奕黄.现场总线网络在纯电动汽车控制系统的应用研究[J].自动化博览，2004（5）：78-80.

[5]刘可安，尚敬，刘良杰.北京双源无轨电车交流传动控制系统[J].机车电传动，2009（5）：16-19.

[6]蒋时军.双源式无轨电车储能系统设计[J].大功率变流技术，2011（3）：34-37.

[7]任金山.新技术在双源无轨电车上的应用[J].城市公共交通，2003（6）：38-39.

[8]黄济荣.电力牵引交流传动与控制［M］.北京：机械工业出版社，1998.

[9]冯江华，陈高华.大功率交流传动系统[J].机车电传动，2003（5）：46-50.

[10]武小梅，宋可毅，彭富强.一种Buck变换器的电压控制策略研究[J].东北电力大学学报，2007，27（4）:66-69.

修改稿日期：2016-09-19

Improvement Design on Main Circuit of Motor Drive System for Dual-source Trolley Buses

Liu Yi,Chen Zhu,ZhangXinling
（Hunan CRRCTimes Electric Vehicle Co.,Ltd,Zhuzhou 412007,China）

To solve the problems that energy-saving efficiency is influenced because the electrical braking renewable energy of the motor driving system for the traditional dual-source trolley buses can only be processed by way of the chopped consumption,and the vehicle manufacturing cost is increased since the on-board high-voltage battery charger has to be allocated additionally to charge the on-board batteries in the vehicle,the authors improve the design ofthe main circuit hardware and software control strategy,and implement the recyclingutilization ofthe electrical braking regenerative energy and the function of replacing the on-board high voltage charging equipment in the vehicle,which effectively reduce the energy consumption and the scale of the vehicle electrical system,so as to enhance the systemreliability.

dual-source trolleybus;motor drive system;main circuit improvement

U469.72；U482.2

B

1006-3331（2016）06-0026-03

刘毅（1984-），男，工程师；主要从事电动汽车交流传动系统相关产品的研究开发工作。