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CN110254294B - 一种油电混合动力机车动力电池成组拓扑结构 - Google Patents

一种油电混合动力机车动力电池成组拓扑结构 Download PDF

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CN110254294B CN201910605264.2A CN201910605264A CN110254294B CN 110254294 B CN110254294 B CN 110254294B CN 201910605264 A CN201910605264 A CN 201910605264A CN 110254294 B CN110254294 B CN 110254294B
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Abstract

本发明公开了一种油电混合动力机车动力电池成组拓扑结构，斩波单元与支撑电容C并联，斩波单元还连接AC/DC模块、DC/AC模块、电抗器单元和动力电池系统；动力电池系统包括若干组动力模块；动力模块包括接触器单元、电流传感器、熔断器、动力电池和电压传感器；接触器单元、电流传感器、动力电池串联，电压传感器的两端分别设置在动力电池的两端；机车微机分别连接DUC控制器和动力电池管理系统；DUC控制器连接DC/AC模块、斩波单元和接触器单元；动力电池管理系统和接触器单元连接。本发明设置斩波单元和电抗器单元，能完全解决动力电池多组进行投入时控制困难，保证了动力电池系统工作的可靠性并有效地延长动力电池寿命。

Description

一种油电混合动力机车动力电池成组拓扑结构
技术领域
本发明属于机车车辆轨道交通领域，涉及一种油电混合动力机车动力电池成组拓扑结构。
背景技术
目前国内外油电混合动力机车动力电池成组拓扑结构如图1所示，动力电池系统根据能量大小分成二组或多组进行并联，该拓扑结构的缺点是动力电池多组进行投入时控制困难，同时容易造成动力电池组之间大电流回流的冲击，严重者损坏主回路中的熔断器，并造成接触器触头拉弧、毛刺或损坏。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种油电混合动力机车动力电池成组拓扑结构。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种油电混合动力机车动力电池成组拓扑结构，包括AC/DC模块、DC/AC模块、电源、DUC控制器、机车微机、动力电池管理系统和中间处理单元；
中间处理单元包括斩波单元、电抗器单元和动力电池系统；斩波单元与支撑电容C并联，斩波单元还连接AC/DC模块、DC/AC模块、电抗器单元和动力电池系统；
动力电池系统包括若干组动力模块；动力模块包括接触器单元、电流传感器、熔断器、动力电池和电压传感器；接触器单元、电流传感器、动力电池串联，熔断器设置在接触器单元、电流传感器和动力电池组成的串联电路上，电压传感器的两端分别设置在动力电池的两端；
机车微机分别连接DUC控制器和动力电池管理系统；DUC控制器连接DC/AC模块、斩波单元和接触器单元；动力电池管理系统和接触器单元连接。
作为优选方式，电源包括柴油发电机组和地面交流电源；柴油发电机组通过开关1与AC/DC模块连接；地面交流电源通过开关2与AC/DC模块连接。
作为优选方式，它还包括司机控制器，司机控制器连接机车微机。
作为优选方式，
动力模块包括n组；
斩波单元包括n个斩波子单元；每个斩波子单元对应连接一个动力模块；
动力电池管理系统包括1BMU、2BMU、…、nBMU；接触器单元包括第一接触器单元和第二接触器单元；
第一接触器单元包括接触器11KMDC、21KMDC、…、n1KMDC；第二接触器单元包括接触器12KMDC、22KMDC、…、n2KMDC；
n为大于1的正整数；
1BMU连接11KMDC和12KMDC，2BMU连接21KMDC和22KMDC，…，nBMU连接n1KMDC和n2KMDC。作为优选方式，电抗器单元包括n个滤波电抗器，n个滤波电抗器分别与11KMDC、21KMDC、…、n1KMDC连接。
作为优选方式，动力模块设置两个电流传感器，第一个电流传感器分别连接斩波子单元和滤波电抗器，滤波电抗器连接一个接触器的一端，接触器的另一端连接第二个电流传感器；第二个电流传感器连接第一熔断器，第一熔断器连接动力电池，动力电池再连接第二熔断器，第二熔断器连接另一个接触器；
对于每个动力模块：第二个电流传感器和接触器之间引出线连接一个二极管的正极，该二极管的负极连接电阻R，电阻R连接接触器KMDC1，接触器KMDC1再连接至接触器11KMDC与滤波电抗器的公共节点上。
作为优选方式，斩波子单元为斩波模块或者斩波桥臂。
作为优选方式，斩波模块包括串联的第一IGBT管和第二IGBT管，第一IGBT管并联第一二极管，第二IGBT管并联第二二极管。
作为优选方式，设置有检修隔离开关，检修隔离开关与动力模块连接。
作为优选方式，检修隔离开关包括第一开关和第二开关，第一开关和第二开关分别设置在动力模块的两端。
本发明的有益效果是：设置斩波单元和电抗器单元，设备成本低，能完全解决动力电池多组进行投入时控制困难，同时完全避免了容易造成动力电池组之间大电流回流的冲击，严重者损坏主回路中的熔断器，并造成接触器触头拉弧、毛刺或损坏等严重问题，保证了动力电池系统工作的可靠性并有效地延长动力电池寿命。
附图说明
图1为国内外油电混合动力机车动力电池成组拓扑结构图；
图2为本发明的成组拓扑结构图；
图3为本发明的控制原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图2和图3所示，一种油电混合动力机车动力电池成组拓扑结构(或装置)，包括AC/DC模块、DC/AC模块、电源、DUC控制器、机车微机、动力电池管理系统和中间处理单元；
中间处理单元包括斩波单元、电抗器单元和动力电池系统；斩波单元与支撑电容C并联，斩波单元还连接AC/DC模块、DC/AC模块、电抗器单元和动力电池系统；
动力电池系统包括若干组动力模块(或者支路)；动力模块包括接触器单元、电流传感器、熔断器、动力电池和电压传感器；接触器单元、电流传感器、动力电池串联，熔断器设置在接触器单元、电流传感器和动力电池组成的串联电路上，电压传感器的两端分别设置在动力电池的两端；
机车微机分别连接DUC控制器和动力电池管理系统；DUC控制器连接DC/AC模块、斩波单元和接触器单元；动力电池管理系统和接触器单元连接。
在一个优选实施例中，电源包括柴油发电机组和地面交流电源；柴油发电机组通过开关1与AC/DC模块连接；地面交流电源通过开关2与AC/DC模块连接。柴油发电机组采用励磁驱动。
在一个优选实施例中，它还包括司机控制器，司机控制器连接机车微机。
在一个优选实施例中，
动力模块包括n组；
斩波单元包括n个斩波子单元；每个斩波子单元对应连接一个动力模块；
动力电池管理系统包括1BMU、2BMU、…、nBMU；接触器单元包括第一接触器单元和第二接触器单元；
第一接触器单元包括接触器11KMDC、21KMDC、…、n1KMDC；第二接触器单元包括接触器12KMDC、22KMDC、…、n2KMDC；
n为大于1的正整数；
1BMU连接11KMDC和12KMDC，2BMU连接21KMDC和22KMDC，…，nBMU连接n1KMDC和n2KMDC。
在一个优选实施例中，电抗器单元包括n个滤波电抗器(电感)，n个滤波电抗器分别与11KMDC、21KMDC、…、n1KMDC连接。
在一个优选实施例中，动力模块设置两个电流传感器，第一个电流传感器分别连接斩波子单元和滤波电抗器，滤波电抗器连接一个接触器的一端，接触器的另一端连接第二个电流传感器；第二个电流传感器连接第一熔断器，第一熔断器连接动力电池，动力电池再连接第二熔断器，第二熔断器连接另一个接触器；
对于每个动力模块：第二个电流传感器和接触器之间引出线连接一个二极管(比如图2中的1VD或2VD或nVD)的正极，该二极管的负极连接电阻R，电阻R连接接触器KMDC1，接触器KMDC1再连接至接触器11KMDC与滤波电抗器的公共节点上。
在一个优选实施例中，斩波子单元为斩波模块或者斩波桥臂。
在一个优选实施例中，斩波模块包括串联的第一IGBT管和第二IGBT管，第一IGBT管并联第一二极管，第二IGBT管并联第二二极管。优选地，如图2所示，第一IGBT管连接GDU，第二IGBT管连接GDU。
在一个优选实施例中，设置有检修隔离开关，检修隔离开关与动力模块连接。
在一个优选实施例中，检修隔离开关包括第一开关和第二开关，第一开关和第二开关分别设置在动力模块的两端。
技术方案由动力电池成组拓扑结构如图2和控制原理如图3组成：一是柴油发电机组、开关1、地面交流电源和开关2；二是变流模块AC/DC、支撑电容C、斩斩波模块1、斩波模块2至斩波模块n、变流模块DC/AC和牵引电机；三是每组电池与预充电回路电阻R和接触器KMDC1并联的二极管1VD、2VD至nVD；四是动力电池组1回路电流传感器12SC、滤波电抗器1L、检修隔离开关1QKA、电池组正极回路接触器11KMDC、电流传感器11SC、动力电池组总正极端熔断器11FU、动力电池组1GB、动力电池组总负极端熔断器12FU、电池组负极回路接触器12KMDC和电压传感器1SV；五是动力电池组2回路电流传感器22SC、滤波电抗器2L、检修隔离开关2QKA、电池组正极回路接触器21KMDC、电流传感器21SC、动力电池组总正极端熔断器21FU、动力电池组2GB、动力电池组总负极端熔断器22FU、电池组负极回路接触器22KMDC和电压传感器2SV；六是动力电池组n回路电流传感器n2SC、滤波电抗器nL、检修隔离开关nQKA、电池组正极回路接触器n1KMDC、电流传感器n1SC、动力电池组总正极端熔断器n1FU、动力电池组nGB、动力电池组总负极端熔断器n2FU、电池组负极回路接触器n2KMDC和电压传感器nSV；七是主发电机励磁模块、机车微机、动力电池管理系统1BMU、2BMU至nBMU、DUC控制器司机控制器。
工作原理：
动力电池组投入的控制：当需要动力电池组投入时，动力电池管理系统1BMU、2BMU至nBMU把动力电池组电压传感器1SV、2SV至nSV参数和最高电压的电池组位置1GB或2GB或nGB通过通信网络系统传送到DUC控制器或机车微机，DUC控制器或机车微机先控制预充电接触器KMDC1接通，此时电压最高的动力电池组1GB或2GB或nGB放电给变流器中间直流环节的支撑电容C充电，当中间直流环节的电压上升到电压最高的电池组电池电压的设定阀值时，DUC控制器或机车微机控制电压最高的电池组1GB或2GB或nGB回路接触器11KMDC和12KMDC或21KMDC和22KMDC或n1KMDC和n2KMDC接通，使电压最高的电池组1GB或2GB或nGB投入，与变流器中间直流环节接通，这时DUC控制器或机车微机再分别控制其它动力电池组1GB或2GB或nGB回路接触器11KMDC和12KMDC或21KMDC和22KMDC或n1KMDC和n2KMDC接通，使所有的动力电池组全部投入，与变流器中间直流环节接通。由于有斩波模块1、斩波模块2至斩波模块n的存在，每组动力电池间不会形成回流冲击电流。
动力电池系统输出能量控制：当机车处于纯电池提供能量工况时，机车微机根据司机控制器要求机车输出的功率，通过通信网络把该指令传输给DUC控制器，DUC控制器控制变流模块DC/AC给牵引电机输出功率，此时如果动力电池组与组电压不相同，则电压高的动力电池组1GB或2GB或nGB多输出电能，如果变流器中间直流回路电压高于相应的动力电池组1GB或2GB或nGB电压，则相应的动力电池组1GB或2GB或nGB不输出能量，只有当变流器中间直流回路电压低于相应的动力电池组1GB或2GB或nGB电压，则该组动力电池才输出能量。随着机车工作时间的增长，电池输出能量的增加，最高电压的动力电池组1GB或2GB或nGB的电压不断降低，使原来相对较低电压的动力电池组输出功率不断增大，最后使所有动力电池组1GB、2GB和nGB电压相同。
动力电池组间能量均衡控制：如果由于某组动力电池1GB或2GB或nGB故障，切除该组动力电池，其它动力电池组继续工作，保证机车正常运行。当故障动力电池组1GB或2GB或nGB进行维护后投入时，如果动力电池组之间电压相关较大，此时动力电池管理系统1BMU、2BMU、nBMU把动力电池组电压传感器1SV、2SV和nSV参数和最高电压的电池组1GB或2GB或nGB的位置通过通信网络系统传送到DUC控制器，DUC控制器控制电压最低的动力电池组1GB或2GB或nGB回路相应的斩波模块1中的电池开关11T的通断或斩波模块2中的电池开关21T的通断或斩波模块n中的电池开关n1T的通断，使电压最高的动力电池组1GB或2GB或nGB的电量输送给电压最低的动力电池组1GB或2GB或nGB，通过这样控制方法，最终使动力电池组1GB、2GB和nGB之间的电压达到一致，实现动力电池组之间能量均衡。
柴油发电机组与动力电池系统能量混合控制：当机车处于混合工况时，机车微机根据司机控制器档位控制主发电机励磁模块，控制柴油发电机组输出交流电经变流模块AC/DC整流，给变流器中间直流环节输出直流电，动力电池组1GB、2GB和nGB均通过斩波模块与变流器中间直流环节接通，当柴油发电机组输出的电压高于动力电池组1GB、2GB和nGB的电压时，则向机车变流模块DC/AC提供能量的只有柴油发电机组，如果机车需要输出的功率大于柴油发电机组输出的功率，则柴油发电机组输出的电压降低，当与动力电池组1GB、2GB和nGB中最高电压相同时，该组动力电池与柴油发电机组共同向机车变流模块DC/AC提供能量，如果最高电压的动力电池组1GB或2GB或nGB与柴油发电机组共同提供的功率还是小于机车牵引所需要的功率，此时变流器中间直流环节直流电压进一步降低，这样就会有更多的动力电池组投入，与柴油发电机组共同输出功率，随着机车牵引功率的增大或牵引时间延长，变流器中间直流环节直流电压进一步降低，最终所有的动力电池组全部投入，这样工作一段时间后，动力电池组之间的电压基本相同。
动力电池充电控制：动力电池充电有三种方式：车载柴油发电机组充电、地面交流电源充电和机车制动时的制动能量回收充电。车载柴油发电机组发出的交流电经开关1或地面交流电源经开关2给变流模块AC/DC供电，由AC/DC变成直流电，输出到变流器中间直流环节，动力电池管理系统1BMU、2BMU至nBMU把动力电池组电压传感器参数1SV、2SV、nSV、电池容量参数SOC1、SOC2、SOCn、动力电池每组中的最高单体电压、最高温度等参数通过通信网络传输给DUC控制器，DUC控制器根据动力电池组的容量、电压和温度等参数判断每组动力电池最大允许充电电流来控制相应的斩波模块的通断，来控制每组动力电池的充电电流，从而达到动力电池组之间的电压相同。当机车进行制动力时，机车微机接收司机控制器要求的制动力指令，并通过通信网络传输给DUC控制器，DUC控制器控制DC/AC变流模块，使牵引电机发电，牵引电机发出的交流电经DC/AC变流模块输出直流电到变流器中间直流环节，DUC控制器再根据每组动力电池的容量和电压及温度进行控制其充电电流大小，以保证总的机车制动功率。
动力电池组的安全保护控制：当动力电池管理系统1BMU、或2BMU、或nBMU检测到某组动力电池的单体电池电压、或电池模块温度异常、或电池仓内有烟雾等异常状态时，动力电池管理系统1BMU、或2BMU、或nBMU输出控制指令，使接触器11KMDC和12KMDC或21KMDC和22KMDC或n1KMDC和n2KMDC断开，切除相应的动力电池组。如果机车微机或DUC控制器检测到机车负载回路有异常时，则机车微机或DUC控制器控制接触器11KMDC和12KMDC、21KMDC和22KMDC、n1KMDC和n2KMDC断开，切除所有的动力电池组。
本发明的成组拓扑结构如图2所示，它的关键技术是：一是斩波模块1、斩波模块2至斩波模块n(说明：如果是轴控交流传动机车，则斩波模块1、斩波模块2至斩波模块n是轴控变流模块中的斩波桥臂)；二是滤波电抗器1L、2L至nL；三是检修隔离开关1QKA、2QKA至3QKA；四是每组电池与预充电回路电阻R和接触器KMDC1并联的二极管1VD、2VD至nVD；五是动力电池组总正极端熔断器11FU、12FU至1nFU与总负极端熔断器21FU、22FU至2nFU。该成组拓扑结构使动力电池组投入简单可靠。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种油电混合动力机车动力电池成组拓扑结构，其特征在于：包括AC/DC模块、DC/AC模块、电源、DUC控制器、机车微机、动力电池管理系统和中间处理单元；
中间处理单元包括斩波单元、电抗器单元和动力电池系统；斩波单元与支撑电容C并联，斩波单元还连接AC/DC模块、DC/AC模块、电抗器单元和动力电池系统；
动力电池系统包括若干组动力模块；动力模块包括接触器单元、电流传感器、熔断器、动力电池和电压传感器；接触器单元、电流传感器、动力电池串联，熔断器设置在接触器单元、电流传感器和动力电池组成的串联电路上，电压传感器的两端分别设置在动力电池的两端；
机车微机分别连接DUC控制器和动力电池管理系统；DUC控制器连接DC/AC模块、斩波单元和接触器单元；动力电池管理系统和接触器单元连接；
动力模块包括n组；
斩波单元包括n个斩波子单元；每个斩波子单元对应连接一个动力模块；
动力电池管理系统包括1BMU、2BMU、…、nBMU；接触器单元包括第一接触器单元和第二接触器单元；
第一接触器单元包括接触器11KMDC、21KMDC、…、n1KMDC；第二接触器单元包括接触器12KMDC、22KMDC、…、n2KMDC；
n为大于1的正整数；
1BMU连接11KMDC和12KMDC，2BMU连接21KMDC和22KMDC，…，nBMU连接n1KMDC和n2KMDC；
电抗器单元包括n个滤波电抗器，n个滤波电抗器分别与11KMDC、21KMDC、…、n1KMDC连接；
动力模块设置两个电流传感器，第一个电流传感器分别连接斩波子单元和滤波电抗器，滤波电抗器连接一个接触器的一端，接触器的另一端连接第二个电流传感器；第二个电流传感器连接第一熔断器，第一熔断器连接动力电池，动力电池再连接第二熔断器，第二熔断器连接另一个接触器；
对于每个动力模块：第二个电流传感器和接触器之间引出线连接一个二极管的正极，该二极管的负极连接电阻R，电阻R连接接触器KMDC1，接触器KMDC1再连接至接触器11KMDC与滤波电抗器的公共节点上。
2.根据权利要求1所述的一种油电混合动力机车动力电池成组拓扑结构，其特征在于：电源包括柴油发电机组和地面交流电源；柴油发电机组通过开关1与AC/DC模块连接；地面交流电源通过开关2与AC/DC模块连接。
3.根据权利要求1所述的一种油电混合动力机车动力电池成组拓扑结构，其特征在于：它还包括司机控制器，司机控制器连接机车微机。
4.根据权利要求1所述的一种油电混合动力机车动力电池成组拓扑结构，其特征在于：斩波子单元为斩波模块或者斩波桥臂。
5.根据权利要求4所述的一种油电混合动力机车动力电池成组拓扑结构，其特征在于：斩波模块包括串联的第一IGBT管和第二IGBT管，第一IGBT管并联第一二极管，第二IGBT管并联第二二极管。
6.根据权利要求1所述的一种油电混合动力机车动力电池成组拓扑结构，其特征在于：设置有检修隔离开关，检修隔离开关与动力模块连接。
7.根据权利要求6所述的一种油电混合动力机车动力电池成组拓扑结构，其特征在于：检修隔离开关包括第一开关和第二开关，第一开关和第二开关分别设置在动力模块的两端。
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