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CN108233819A - 矿用蓄电池电机车车载充电及驱动一体化电路结构 - Google Patents

矿用蓄电池电机车车载充电及驱动一体化电路结构 Download PDF

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CN108233819A
CN108233819A CN201810076172.5A CN201810076172A CN108233819A CN 108233819 A CN108233819 A CN 108233819A CN 201810076172 A CN201810076172 A CN 201810076172A CN 108233819 A CN108233819 A CN 108233819A
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祝龙记
杨金鑫
黄琦
王�琦
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Anhui University of Science and Technology
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Abstract

本发明公开了一种矿用蓄电池电机车车载充电及驱动一体化电路结构，主要包括蓄电池、超级电容、第一DC‑DC变换器、第二DC‑DC变换器、逆变电路、驱动电机；所述第一DC‑DC变换器的一端与蓄电池串联、另一端与逆变电路并联，所述第二DC‑DC变换器的一端与超级电容串联、另一端与逆变电路并联，所述逆变电路的输出端与驱动电机串联。当所述矿用蓄电池电机车处于牵引驱动状态时，所述蓄电池与超级电容为电机车供电；当所述矿用蓄电池电机车处于停车充电模式时，所述驱动电机与逆变电路重构成电机车的充电电路。本发明解决了矿用蓄电池电机车离线充电设备庞大、充电效率低的问题，提高了矿用电机车充电及运行效率。

Description

矿用蓄电池电机车车载充电及驱动一体化电路结构
技术领域
本发明涉及电力电子及电力传动、电储能技术领域，特别是涉及一种矿用蓄电池电机车车载充电及驱动一体化电路结构。
背景技术
传统的矿用电机车使用铅酸蓄电池储能，蓄电池的充电一般在井下电机车充电房离线进行，每台电机车必须配备2-3套蓄电池组。蓄电池充电时间长，效率低，须设充电设备，初期投资大，用电效率低，运输费用较高。为解决矿用蓄电池电机车充电设备庞大、充电质量效率低、能效转换比低、续航能力差等问题，需要一体化车载充电与驱动装置，实现充放电一体化，降低电机车的使用成本，提高工作效率。
矿用蓄电池电机车，由于蓄电池本身的特点，只适合于恒流工作模式，在电机车启动加速时，蓄电池难以瞬间大电流放电，使驱动电机的输出转矩不足，而且大电流放电严重影响蓄电池寿命。超级电容是一种充放电速度快、功率密度高的储能电源，充电10秒～10分钟可达到其额定容量的95％以上，大电流放电能力超强，能量转换效率高。如果将蓄电池的稳态恒流放电工作、超级电容的动态大电流放电及快速吸收反馈电能结合在一起，不仅可以减轻蓄电池的工作负荷，而且能够增加电机车启动和制动转矩，提高电机车的续航能力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种矿用蓄电池电机车车载充电及驱动一体化电路结构，能够在不额外增加充电硬件设备的条件下，实现电机车储能系统的大电流输出和电机车制动回馈能量的充分利用。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种矿用蓄电池电机车车载充电及驱动一体化电路结构，主要包括蓄电池、超级电容、第一DC-DC变换器、第二DC-DC变换器、逆变电路、驱动电机；
所述第一DC-DC变换器的一端与蓄电池串联、另一端与逆变电路并联，所述第二DC-DC变换器的一端与超级电容串联、另一端与逆变电路并联，所述逆变电路的输出端与驱动电机串联；
当所述矿用蓄电池电机车处于牵引驱动状态时，所述蓄电池与超级电容为电机车供电，所述驱动电机为三级定子绕组；当所述矿用蓄电池电机车处于停车充电模式时，所述驱动电机为三相隔离变压器，与逆变电路重构成电机车的充电电路。
在本发明一个较佳实施例中，所述第一DC-DC变换器采用DC-DC变换开关器件VT11，第二DC-DC变换器采用DC-DC变换开关器件VT12，VT11与VT12均包括IGBT管、二极管，二极管正向并联在IGBT管的发射极与集电极之间。
在本发明一个较佳实施例中，所述逆变电路包括开关器件VT1—VT6，VT1—VT6均包括IGBT管、二极管，二极管正向并联在IGBT管的发射极与集电极之间；VT1与VT4串联，VT2与VT6串联，VT5与VT2串联，VT1、VT3、VT5并联，VT4、VT6、VT2并联，组成三相电压型逆变桥。
在本发明一个较佳实施例中，所述驱动电机采用三相双绕组永磁同步电动机，A相的a1-a1’、a2-a2’绕组通过一开关SA同向串联，B相的b1-b1’、b2-b2’绕组通过一开关SB同向串联，C相的c1-c1’、c2-c2’绕组通过一开关SC同向串联；
当所述矿用蓄电池电机车处于牵引驱动状态时，开关SA、SB、SC闭合，a1、b1、c1分别连接到逆变电路的交流输出侧组成三级定子绕组；
当所述矿用蓄电池电机车处于停车充电模式时，开关SA、SB、SC打开，a1、b1、c1分别连接到逆变电路的交流输出侧，a1’、b1’、c1’并联作为变压器副边的中点；a2、b2、c2分别连接到三相交流电网，a2’、b2’、c2’并联作为变压器原边的中点，组成三相隔离变压器。
进一步的，所述矿用蓄电池电机车车载充电及驱动一体化电路结构主要包括蓄电池BT、超级电容SC、电阻Rb、R、电感L、DC-DC变换开关器件VT11、VT12、逆变器开关器件VT1—VT6、三相双绕组永磁同步电动机PMSM；
电阻Rb与蓄电池BT串联，VT11的集电极与Rb的一端并联、发射极与VT12的集电极串联，VT12的发射极与BT的负极并联，电阻R、电感L与超级电容SC依次串联，R的另一端与VT12的集电极并联，超级电容SC的另一端与VT12的发射极并联，VT1—VT6组成三相电压逆变桥，三相电压逆变桥的直流输入侧并联在蓄电池BT的两端、交流输出侧连接三相双绕组永磁同步电动机PMSM。
进一步的，所述矿用蓄电池电机车车载充电及驱动一体化电路结构还包括能量分配控制器，分别与第一DC-DC变换器、第二DC-DC变换器连接，用于控制蓄电池BT和超级电容SC的充放电。
本发明的有益效果是：
(1)本发明为一种车载充电及驱动一体化电路结构，在不额外增加充电硬件设备的条件下，将驱动电机和逆变电路进行重构，变换成蓄电池充电电路，解决了矿用蓄电池电机车离线充电设备庞大、充电效率低的问题，提高了电机车充电及运行效率；
(2)本发明可实现整流、逆变、电机驱动、高功率因数充电、纹波抑制等功能；
(3)本发明组成超级电容器与蓄电池混合储能系统，实现电机车储能系统的大电流输出和电机车制动回馈能量的充分利用，提高能源利用率；蓄电池和超级电容的混合储能，能提高输出动态功率的能力，使电机车有更好的启动和加速性能，解决了蓄电池电机车满载启动困难的问题；由于超级电容吸能快，能即时吸收电机车减速和下坡时的能量回馈，提高了蓄电池的续航能力。
附图说明
图1是本发明矿用蓄电池电机车车载充电及驱动一体化电路结构一较佳实施例的拓扑结构示意图；
图2是当电机车工作于运行牵引模式时，所述一体化电路结构的电源原理图；
图3是当电机车工作于运行牵引模式时的电能流向示意图；
图4是当电机车工作于停车充电模式时，所述一体化电路结构的电源原理图；
图5是当电机车工作于停车充电模式时的电能流向示意图；
图6是所述蓄电池BT、超级电容SC并联储能装置的输出功率波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
请参阅图1，本发明实施例包括：
一种矿用蓄电池电机车车载充电及驱动一体化电路结构，主要包括蓄电池、超级电容、第一DC-DC变换器、第二DC-DC变换器、逆变电路、驱动电机、能量分配控制器。所述第一DC-DC变换器的一端与蓄电池串联、另一端与逆变电路并联，所述第二DC-DC变换器的一端与超级电容串联、另一端与逆变电路并联，所述逆变电路的输出端与驱动电机串联，所述能量分配控制器分别与第一DC-DC变换器、第二DC-DC变换器连接。所述蓄电池BT连接到第一DC-DC变换器，超级电容SC连接到第二DC-DC变换器，两种储能装置并联储能，第一DC-DC变换器和第二DC-DC变换器的输出连接到相同的直流母线电压，并联输出的直流电压经过DC/AC逆变电路转换成脉冲频率可调的交流电，驱动永磁同步电动机(PMSM)，其中蓄电池BT和超级电容SC的充放电由能量分配控制器来控制。
优选的，所述能量分配控制器采用DSP，主要用于控制蓄电池BT和超级电容SC的充放电协调控制，即控制DC-DC变换器的工作状态转换。在充电模式下，控制蓄电池BT和超级电容SC的充电电流；在驱动模式下，电机车稳态运行时控制蓄电池的放电功率，电机车加速和减速制动时，控制超级电容SC的放电功率和回馈电能的吸收。所述矿用蓄电池电机车车载充电及驱动一体化电路结构可实现整流、逆变、电机驱动、高功率因数充电、纹波抑制等功能。
在一较佳实施例中，请参阅图2，所述矿用蓄电池电机车车载充电及驱动一体化电路结构主要包括蓄电池BT、超级电容SC、电阻Rb、R、电感L、DC-DC变换开关器件VT11、VT12、逆变器开关器件VT1—VT6、三相双绕组永磁同步电动机PMSM。
所述第一DC-DC变换器采用DC-DC变换开关器件VT11，第二DC-DC变换器采用DC-DC变换开关器件VT12，VT11与VT12均包括IGBT管、二极管，二极管正向并联在IGBT管的发射极与集电极之间。所述逆变电路包括开关器件VT1—VT6，VT1—VT6均包括IGBT管、二极管，二极管正向并联在IGBT管的发射极与集电极之间；VT1与VT4串联，VT2与VT6串联，VT5与VT2串联，VT1、VT3、VT5并联，VT4、VT6、VT2并联，组成三相电压逆变桥。在DC-DC变换开关器件VT11、VT12及逆变电路开关器件VT1—VT6中，所述二极管作为IGBT管的反馈二极管，同时在IGBT管截止时利用所述二极管续流和反馈电能。
所述电阻Rb为蓄电池BT的内电阻，与蓄电池BT串联。VT11的集电极与Rb的一端并联、发射极与VT12的集电极串联，VT12的发射极与BT的负极并联，电阻R、电感L与超级电容SC依次串联，R的另一端与VT12的集电极并联，超级电容SC的另一端与VT12的发射极并联，电阻R、电感L起限流作用。VT1—VT6组成三相电压型逆变桥，三相电压逆变桥的直流输入侧并联在蓄电池BT的两端、交流输出侧连接三相双绕组永磁同步电动机PMSM。
所述蓄电池BT、超级电容SC、DC-DC变换开关器件VT11、VT12，电阻R、蓄电池内阻Rb、电感L构成蓄电池和超级电容的并联充放电电路。开关器件VT11、电阻R、电感L、超级电容SC组成降压斩波电路，为超级电容SC充电。开关器件VT11、VT12、电阻R、电感L、超级电容SC组成升压斩波电路，控制超级电容SC的电能输出。逆变器开关器件VT1-VT6组成电压型逆变桥，双绕组永磁同步电动机PMSM构成电机车的驱动电路。
所述驱动电机采用三相双绕组永磁同步电动机，A相的a1-a1’、a2-a2’绕组通过一开关SA同向串联，B相的b1-b1’、b2-b2’绕组通过一开关SB同向串联，C相的c1-c1’、c2-c2’绕组通过一开关SC同向串联。进一步的，所述开关SA、SB、SC可采用手动开关或自动开关。
当所述矿用蓄电池电机车处于牵引驱动状态时，结合图2，开关SA、SB、SC闭合，a1、b1、c1分别连接到逆变电路的交流输出侧组成三级定子绕组。结合图3，此时所述储能装置蓄电池BT和超级电容SC放电，三相电压逆变桥工作于DC/AC逆变工作状态，永磁同步电动机工作于电动模式。
当所述矿用蓄电池电机车处于停车充电模式时，结合图4，开关SA、SB、SC打开，A相的a1-a1’、a2-a2’绕组、B相的b1-b1’、b2-b2’绕组、C相的c1-c1’、c2-c2’绕组均从中间断开，a1、b1、c1分别连接到逆变电路的交流输出侧，a1’、b1’、c1’并联作为变压器副边的中点；a2、b2、c2分别连接到三相交流电网，a2’、b2’、c2’并联作为变压器原边的中点，将永磁同步电动机的三机定子绕组重构成三相隔离变压器。结合图5，此时永磁同步电动机、逆变电路重构成了蓄电池储能装置的充电电路，逆变电路工作于PWM整流状态，给储能装置充电。
结合图6，所述电机车的总输出功率等于蓄电池BT、超级电容SC的输出功率总和。当电机车工作于运行牵引模式时，由蓄电池BT和超级电容SC输出电能，匀速运行时主要由蓄电池提供电能，启动和加速运行时主要由超级电容输出电能。蓄电池和超级电容的混合储能，能提高输出动态功率的能力，使电机车有更好的启动和加速性能，解决了蓄电池电机车满载启动困难的问题；当电机车工作于减速制动时，永磁同步电动机发出电能，通过功率变换器(DC/AC)即逆变电路整流成直流，主要由超级电容来吸收储能，由于超级电容吸能快，能即时吸收电机车减速和下坡时的能量回馈，提高了蓄电池的续航能力，即当功率发生改变时，主要由超级电容来释放或吸收能量。进而所述一体化电路结构实现了电机车储能系统的大电流输出和电机车制动回馈能量的充分利用，提高了能源利用率。
本发明为一种车载充电及驱动一体化电路结构，在不额外增加充电硬件设备的条件下，将驱动电机和逆变电路进行重构，变换成蓄电池充电电路，解决了矿用蓄电池电机车离线充电设备庞大、充电效率低的问题，提高了电机车充电及运行效率。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种矿用蓄电池电机车车载充电及驱动一体化电路结构，其特征在于，主要包括蓄电池、超级电容、第一DC-DC变换器、第二DC-DC变换器、逆变电路、驱动电机；
所述第一DC-DC变换器的一端与蓄电池串联、另一端与逆变电路并联，所述第二DC-DC变换器的一端与超级电容串联、另一端与逆变电路并联，所述逆变电路的输出端与驱动电机串联；
当所述矿用蓄电池电机车处于牵引驱动状态时，所述蓄电池与超级电容为电机车供电，所述驱动电机为三级定子绕组；当所述矿用蓄电池电机车处于停车充电模式时，所述驱动电机为三相隔离变压器，与逆变电路重构成电机车的充电电路。
2.根据权利要求1所述的矿用蓄电池电机车车载充电及驱动一体化电路结构，其特征在于，所述第一DC-DC变换器采用DC-DC变换开关器件VT11，第二DC-DC变换器采用DC-DC变换开关器件VT12，VT11与VT12均包括IGBT管、二极管，二极管正向并联在IGBT管的发射极与集电极之间。
3.根据权利要求1所述的矿用蓄电池电机车车载充电及驱动一体化电路结构，其特征在于，所述逆变电路包括开关器件VT1—VT6，VT1—VT6均包括IGBT管、二极管，二极管正向并联在IGBT管的发射极与集电极之间；VT1与VT4串联，VT2与VT6串联，VT5与VT2串联，VT1、VT3、VT5并联，VT4、VT6、VT2并联，组成三相电压型逆变桥。
4.根据权利要求1所述的矿用蓄电池电机车车载充电及驱动一体化电路结构，其特征在于，所述驱动电机采用三相双绕组永磁同步电动机，A相的a1-a1’、a2-a2’绕组通过一开关SA同向串联，B相的b1-b1’、b2-b2’绕组通过一开关SB同向串联，C相的c1-c1’、c2-c2’绕组通过一开关SC同向串联；
当所述矿用蓄电池电机车处于牵引驱动状态时，开关SA、SB、SC闭合，a1、b1、c1分别连接到逆变电路的交流输出侧组成三级定子绕组；
当所述矿用蓄电池电机车处于停车充电模式时，开关SA、SB、SC打开，a1、b1、c1分别连接到逆变电路的交流输出侧，a1’、b1’、c1’并联作为变压器副边的中点；a2、b2、c2分别连接到三相交流电网，a2’、b2’、c2’并联作为变压器原边的中点，组成三相隔离变压器。
5.根据权利要求1至4任一项所述的矿用蓄电池电机车车载充电及驱动一体化电路结构，其特征在于，主要包括蓄电池BT、超级电容SC、电阻Rb、R、电感L、DC-DC变换开关器件VT11、VT12、逆变器开关器件VT1—VT6、三相双绕组永磁同步电动机PMSM；
电阻Rb与蓄电池BT串联，VT11的集电极与Rb的一端并联、发射极与VT12的集电极串联，VT12的发射极与BT的负极并联，电阻R、电感L与超级电容SC依次串联，R的另一端与VT12的集电极并联，超级电容SC的另一端与VT12的发射极并联，VT1—VT6组成三相电压逆变桥，三相电压逆变桥的直流输入侧并联在蓄电池BT的两端、交流输出侧连接三相双绕组永磁同步电动机PMSM。
6.根据权利要求1至4任一项所述的矿用蓄电池电机车车载充电及驱动一体化电路结构，其特征在于，还包括能量分配控制器，分别与第一DC-DC变换器、第二DC-DC变换器连接，用于控制蓄电池BT和超级电容SC的充放电。
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