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CN202593308U - 一种用于双电能机车的蓄电池控制电路 - Google Patents

一种用于双电能机车的蓄电池控制电路 Download PDF

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马晓宁
李希宁
高殿柱
张彦林
刘梦汝
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Abstract

本实用新型提供的用于双电能机车的蓄电池控制电路，包括直流开关、充电机、蓄电池和隔离转换单元。在接触网供电牵引时，通过充电机、隔离转换单元为蓄电池充电；在蓄电池供电牵引时，蓄电池的电能通过隔离转换单元、直流开关牵引机车；在机车的再生制动工况，牵引电机回馈的制动能量通过充电机、隔离转换单元向蓄电池充电。本实用新型的电路可以实现双电能机车的蓄电池充放电，而且可以利用牵引电机电制动时产生的制动能量。在向蓄电池存储制动能量时，不需要断开直流开关，避免了直流开关随着电制动的实施出现频繁动作，保证直流开关可靠性和延长寿命。另外，本实用新型的用于双电能机车的蓄电池控制电路可以方便地实现电路扩展与隔离。

Description

一种用于双电能机车的蓄电池控制电路
技术领域
本实用新型涉及机车领域，特别是涉及一种用于双电能机车的蓄电池控制电路。 
背景技术
双电能机车能够在交流接触网和牵引蓄电池两种能源制式下工作，对于双电能机车的控制电路的关注主要集中在整车电路系统，对于双电能机车蓄电池的充放电电路关注较少。 
目前关于车载蓄电池的充放电电路主要是针对电动汽车再生制动充电的研究，但是，电动汽车蓄电池的容量较小，其控制电路不适应铁路双电能机车作业中对蓄电池功率要求较高的情况。而类似以蓄电池-接触网为能源的双电能轨道工程车中，蓄电池的功率很小，蓄电池充放电电路结构无法满足双电能机车对大功率蓄电池控制电路的要求。 
另外，在蓄电池牵引工况下，对于双电能轨道工程车，采用牵引电机进行再生电制动时，蓄电池可以吸收的再生制动能量很少，而双电能机车蓄电池容量大，可以吸收更多的能量，需要设计简单有效的充放电转换电路及相应电气部件和控制方式来实现。 
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种用于双电能机车的蓄电池控制电路，以解决双电能机车的蓄电池充放电和再生制动能量吸收问题。 
本实用新型提供一种用于双电能机车的蓄电池控制电路，包括：直流开关、充电机、蓄电池和隔离转换单元，其中， 
所述隔离转换单元包括三个端口，其中，第一端口与第二端口之间、第二端口与第三端口之间不能同时导通；所述直流开关断开时，第一端口与第二端口之间导通；所述直流开关闭合时，牵引时，第二端口与第三端口之间导通；电制动时，第一端口与第二端口之间导通； 
接触网通过交流开关、牵引变压器、四象限整流器与所述充电机的输入端 电连接，所述充电机的正输出端与所述隔离转换单元的第一端口电连接，所述隔离转换单元的第二端口与所述蓄电池的正极电连接，所述充电机的负输出端与所述蓄电池的负极电连接；所述隔离转换单元的第三端口与所述直流开关的输入端电连接；所述直流开关的输出端通过牵引逆变器与牵引电机电连接； 
其中，所述四象限整流器的输出端与所述牵引逆变器的输入端电连接，牵引逆变器的输出端与所述牵引电机电连接；所述直流开关与所述交流开关不能同时闭合。 
优选地，所述蓄电池控制电路包括多个所述蓄电池和多个所述隔离转换单元，其中， 
每个所述隔离转换单元的第一端口与所述充电机的正输出端电连接，每个所述隔离转换单元的第二端口分别与一个所述蓄电池的正极电连接，所述充电机的负输出端与每个所述蓄电池的负极电连接；每个所述隔离转换单元的第三端口都与所述直流开关电连接。 
优选地，所述隔离转换单元包括两个开关管，所述两个开关管不能同时导通或断开。 
优选地，所述隔离转换单元包括两个串连的二极管，其中，第一二极管的正极为所述隔离转换单元的第一端口，第一二极管的负极与第二二极管的正极电连接为所述隔离转换单元的第二端口，第二二极管的负极为所述隔离转换单元的第三端口。 
优选地，所述隔离转换单元包括两个串连的MOS管，其中， 
第一MOS管的漏极为所述隔离转换单元的第一端口，第一NOS管的源极与第二MOS管的漏极电连接为所述隔离转换单元的第二端口，第二MOS管的源极为所述隔离转换单元的第三端口； 
所述交流开关闭合时，第一MOS管的源极和漏极导通，第二MOS管的源极和漏极关断；所述直流开关闭合时，第一MOS管的源极和漏极关断，第二MOS管的源极和漏极导通。 
优选地，所述隔离转换单元包括两个串连的双极晶体管。 
优选地，所述蓄电池为蓄电池组。 
优选地，还包括辅助逆变器，所述辅助逆变器与所述四象限整流器的输入 端电连接。 
优选地，所述双电能机车为调车机车。 
优选地，所述蓄电池控制电路包括多个四象限整流器、多个牵引逆变器、多个牵引电机中任意一项或多项，其中： 
所述多个四象限整流器并连在所述牵引变压器和牵引逆变器之间； 
所述多个牵引逆变器并连在四象限整流器和牵引电机之间； 
所述多个牵引电机并连在牵引逆变器运行。 
根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果： 
本实用新型提供的用于双电能机车的蓄电池控制电路，包括：直流开关、充电机、蓄电池和隔离转换单元，其中，所述隔离转换单元包括三个端口，其中，第一端口与第二端口之间、第二端口与第三端口之间不能同时导通；接触网通过交流开关、牵引变压器、四象限整流器与所述充电机的输入端电连接，所述充电机的正输出端与所述隔离转换单元的第一端口电连接，所述隔离转换单元的第二端口与所述蓄电池的正极电连接，所述充电机的负输出端与所述蓄电池的负极电连接；所述隔离转换单元的第三端口与所述直流开关的输入端电连接；所述直流开关的输出端通过牵引逆变器与牵引电机电连接；其中，所述四象限整流器的输出端与所述牵引逆变器的输入端电连接；所述直流开关与所述交流开关不能同时闭合。当接触网供电牵引时，接触网的能量同时通过充电机和隔离转换单元为蓄电池充电；在蓄电池供电牵引时，蓄电池放电牵引机车；在机车的再生制动工况，牵引电机工作在发电机状态，对机车进行制动，回馈的制动能量通过隔离转换单元向蓄电池充电，此时，不需要断开直流开关。本实用新型的蓄电池控制电路可以实现双电能机车的蓄电池充放电，而且可以较好利用牵引电机电制动时产生的制动能量。 
另外，本实用新型的用于双电能机车的蓄电池控制电路中，在机车的制动工况下，由于隔离转换单元起着隔离不同方向电流的作用，不需要断开直流开关，避免了直流开关随着电制动的实施出现频繁动作，保证直流开关可靠性和延长寿命。 
本实用新型的用于双电能机车的蓄电池控制电路中，根据机车的功率需 求，蓄电池控制电路可以包括多个蓄电池和隔离转换单元，实现蓄电池的扩展。 
附图说明
图1为本实用新型的于双电能机车的蓄电池控制电路示意图； 
图2为本实用新型中扩展的蓄电池控制电路示意图； 
图3为本实用新型中隔离转换单元实施例的结构示意图。 
具体实施方式
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。在详述本实用新型实施例时，为便于说明，所述示意图只是示例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。 
有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种用于双电能机车的蓄电池控制电路，用于存储或释放接触网牵引时提供的电能，或用于存储机车牵引电机回馈的制动电能，以解决双电能机车的蓄电池充放电和再生制动能量吸收问题。本实用新型用于双电能机车的蓄电池控制电路包括：直流开关、充电机、蓄电池和隔离转换单元，其中： 
所述隔离转换单元包括三个端口，其中，第一端口与第二端口之间、第二端口与第三端口之间不能同时导通；所述直流开关断开时，第一端口与第二端口之间导通；所述直流开关闭合时，牵引时，第二端口与第三端口之间导通；电制动时，第一端口与第二端口之间导通； 
接触网通过交流开关、牵引变压器、四象限整流器与所述充电机的输入端电连接，所述充电机的正输出端与所述隔离转换单元的第一端口电连接，所述隔离转换单元的第二端口与所述蓄电池的正极电连接，所述充电机的负输出端与所述蓄电池的负极电连接；所述隔离转换单元的第三端口与所述直流开关的输入端电连接；所述直流开关的输出端通过牵引逆变器与牵引电机电连接； 
其中，所述四象限整流器的输出端与所述牵引逆变器的输入端电连接，牵引逆变器的输出端与所述牵引电机电连接；所述直流开关与所述交流开关不能同时闭合。 
参见图1，为本实用新型的蓄电池控制电路的示意图，接触网1为牵引电机6和蓄电池11提供电能，四象限整流器4的输人端通过牵引变压器3和交流开关2与接触网1电连接，输出端通过牵引逆变器5与牵引电机6电连接。接触网1通过交流开关2、牵引变压器3、四象限整流器4、充电机8和隔离转换单元10与蓄电池11电连接。 
隔离转换单元10包括三个端口，其中，第一端口与第二端口之间、第二端口与第三端口之间不能同时导通；交流开关2与直流开关9不能同时闭合；直流开关9断开时，第一端口与第二端口之间导通；直流开关9闭合时，牵引时，第二端口与第三端口之间导通；电制动时，第一端口与第二端口之间导通。 
充电机8的输入端与四象限整流器4的输出端电连接，充电机8的正输出端与隔离转换单元10的第一端口电连接，隔离转换单元10的第二端口与蓄电池11的正极电连接，充电机8的负输出端与蓄电池11的负极电连接；隔离转换单元10的第三端口与直流开关9的输入端电连接；直流开关9的输出端通过牵引逆变器5与牵引电机6电连接；其中，四象限整流器4的输出端与所述牵引逆变器5的输入端电连接；所述直流开关9与所述交流开关2不能同时闭合。本实用新型的蓄电池控制电路还可以包括辅助逆变器7，辅助逆变器7与四象限整流器4的输出端电连接。 
优选地，隔离转换单元10中可以包括两个开关管，所述两个开关管不能同时导通或断开。优选地，所述开关管可以为二极管，参见图1，隔离转换单元10中包括两个串联的二极管，其中，第一二极管的正极为隔离转换单元的第一端口A，第一二极管的负极与第二二极管的正极电连接为所述隔离转换单元的第二端口B，第二二极管的负极为所述隔离转换单元的第三端口C。 
采用所述蓄电池控制电路的双电能机车由25kV接触网1和车载蓄电池11供电，两种制式电源不同时工作，即交流开关2和直流开关9不能同时闭合。在25kV接触网1供电牵引时，交流开关2闭合，接触网能量从牵引变压器3、四象限整流器4、牵引逆变器5流向牵引电机6，牵引机车。同时，通过隔离转换单元为蓄电池11充电，具体为：四象限整流器4输出的电能经充电机8、隔离转换单元10(经过端口A、B)给蓄电池11充电。在蓄电池11供电牵引时，交流开关2断开，直流开关9闭合，蓄电池11放电，蓄电池11的电能从 隔离转换单元10(经过端口B、C)、直流开关9、牵引逆变器5至牵引电机6，牵引机车；在机车的再生制动工况，牵引电机工作在发电状态对机车进行制动，回馈的制动能量由牵引电机6、牵引逆变器5、充电机8、隔离转换单元10(经过端口A、B)向蓄电池11充电。 
为防止蓄电池损坏，蓄电池控制电路设计要求回馈的制动能量必须经充电机8后向蓄电池11充电。本实用新型的蓄电池控制电路中，如果没有隔离转换单元10，则机车在蓄电池11放电为机车供电工况下，牵引电机实施电制动时，必须断开直流开关9，否则蓄电池充放电支路会直接向蓄电池充电，不满足设计要求；而如果断开直流开关9，则势必造成直流开关随着电制动的实施出现频繁动作，严重影响直流开关的可靠性和开关寿命。设置隔离转换单元10后，机车的牵引电机实施电制动时，不必断开直流开关9，因为此时第三端口C电位高于第二端口B，抑制能量从第三端口C流向第二端口B，使回馈的制动能量经过充电机8、隔离转换单元10(经过端口A、B)流入蓄电池11。 
对于专门用于编组站或调车场进行列车编组、解体作业的调车机车，需要频繁制动，因此，本实用新型的蓄电池控制电路适用在双电能调车机车上，既可以满足调车机车的接触网牵引和车载蓄电池充电，还可以方便的实现蓄电池供电时牵引电机电制动时回馈的制动能量的再利用。 
根据机车的功率需求，在本实用新型的蓄电池控制电路可以包括多个蓄电池和隔离转换单元，实现蓄电池控制电路的扩展。扩展的蓄电池控制电路，参见图2，包括N个蓄电池和N个隔离转换单元。这里以每个隔离转换单元相同，都包括两个串连的二极管为例，在其他实施例中，也可以采用其他结构的隔离转换单元。本实施例中每个隔离转换单元的第一端口A与充电机8的正输出端电连接，每个隔离转换单元的第二端口B分别与一个蓄电池的正极电连接，并且，一个隔离转换单元只与一个蓄电池电连接，充电机8的负输出端与每个所述蓄电池的负极电连接；每个隔离转换单元的第三端口C都与所述直流开关9电连接。根据机车实际功率需要，可以包括5个蓄电池和5个隔离转换单元。采用图2所示结构的蓄电池控制电路，只要扩大直流开关9和充电机8的容量，即可以满足大容量蓄电池系统充放电的要求。 
本实用新型中的隔离转换单元中的开关管可以为MOS管，参见图3，其中， 第一MOS管M1的漏极为所述隔离转换单元的第一端口A1，第一MOS管M1的源极与第二MOS管M2的漏极电连接为所述隔离转换单元的第二端口B1，第二MOS管M2的源极为所述隔离转换单元的第三端口C1；所述交流开关2闭合时，第一MOS管M1的栅极接高电平信号，使第一MOS管M1的源极和漏极导通，第二MOS管M2的栅极接低电平信号，使第二MOS管M2的源极和漏极关断；所述直流开关9闭合时，第一MOS管M1的栅极接低电平信号，使第一MOS管M1的源极和漏极关断，第二MOS管M2的栅极接高电平信号，使第二MOS管M2的源极和漏极导通。 
上述隔离转换单元中采用两个MOS管都为NMOS管，也可以采用两个PMOS管，或者一个NMOS管一个PMOS管，只要控制两个MOS管的栅极电平信号，使两个MOS管中一个源极和漏极导通，另一个源极和漏极关断。 
本实用新型的其他实施例中，隔离转换单元中也可以采用两个串连的双极晶体管，其连接方式与MOS管的连接方式类似，两个双极晶体管不会同时导通或关断。 
本实用新型中，每个蓄电池都可以采用蓄电池组，达到增大存储电能的目的；充电机可以为降压斩波DC/DC变换器；四象限整流器、牵引逆变器、牵引电机可以根据机车功率需求扩展，包括多个四象限整流器、多个牵引逆变器、多个牵引电机中任意一项或多项，以适应电路功率需求，其中，所述多个四象限整流器并连在所述牵引变压器和牵引逆变器之间；所述多个牵引逆变器并连在四象限整流器和牵引电机之间；所述多个牵引电机并连在牵引逆变器运行。 
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围。 

Claims (10)

1.一种用于双电能机车的蓄电池控制电路，其特征在于，包括：直流开关、充电机、蓄电池和隔离转换单元，其中，
所述隔离转换单元包括三个端口，其中，第一端口与第二端口之间、第二端口与第三端口之间不能同时导通；所述直流开关断开时，第一端口与第二端口之间导通；所述直流开关闭合时，牵引时，第二端口与第三端口之间导通；电制动时，第一端口与第二端口之间导通；
接触网通过交流开关、牵引变压器、四象限整流器与所述充电机的输入端电连接，所述充电机的正输出端与所述隔离转换单元的第一端口电连接，所述隔离转换单元的第二端口与所述蓄电池的正极电连接，所述充电机的负输出端与所述蓄电池的负极电连接；所述隔离转换单元的第三端口与所述直流开关的输入端电连接；所述直流开关的输出端通过牵引逆变器与牵引电机电连接；
其中，所述四象限整流器的输出端与所述牵引逆变器的输入端电连接，牵引逆变器的输出端与所述牵引电机电连接；所述直流开关与所述交流开关不能同时闭合。
2.根据权利要求1所述的蓄电池控制电路，其特征在于，所述蓄电池控制电路包括多个所述蓄电池和多个所述隔离转换单元，其中，
每个所述隔离转换单元的第一端口与所述充电机的正输出端电连接，每个所述隔离转换单元的第二端口分别与一个所述蓄电池的正极电连接，所述充电机的负输出端与每个所述蓄电池的负极电连接；每个所述隔离转换单元的第三端口都与所述直流开关电连接。
3.根据权利要求1或2所述的蓄电池控制电路，其特征在于，所述隔离转换单元包括两个开关管，所述两个开关管不能同时导通或断开。
4.根据权利要求3所述的蓄电池控制电路，其特征在于，所述隔离转换单元包括两个串连的二极管，其中，第一二极管的正极为所述隔离转换单元的第一端口，第一二极管的负极与第二二极管的正极电连接为所述隔离转换单元的第二端口，第二二极管的负极为所述隔离转换单元的第三端口。
5.根据权利要求3所述的蓄电池控制电路，其特征在于，所述隔离转换单元包括两个串连的MOS管，其中，
第一MOS管的漏极为所述隔离转换单元的第一端口，第一MOS管的源极与第二MOS管的漏极电连接为所述隔离转换单元的第二端口，第二MOS管的源极为所述隔离转换单元的第三端口；
所述交流开关闭合时，第一MOS管的源极和漏极导通，第二MOS管的源极和漏极关断；所述直流开关闭合时，第一MOS管的源极和漏极关断，第二MOS管的源极和漏极导通。
6.根据权利要求3所述的蓄电池控制电路，其特征在于，所述隔离转换单元包括两个串连的双极晶体管。
7.根据权利要求1或2所述的蓄电池控制电路，其特征在于，所述蓄电池为蓄电池组。
8.根据权利要求1或2所述的蓄电池控制电路，其特征在于，还包括辅助逆变器，所述辅助逆变器与所述四象限整流器的输入端电连接。
9.根据权利要求1或2所述的蓄电池控制电路，其特征在于，所述双电能机车为调车机车。
10.根据权利要求1或2所述的蓄电池控制电路，其特征在于，所述蓄电池控制电路包括多个四象限整流器、多个牵引逆变器、多个牵引电机中任意一项或多项，其中：
所述多个四象限整流器并连在所述牵引变压器和牵引逆变器之间；
所述多个牵引逆变器并连在四象限整流器和牵引电机之间；
所述多个牵引电机并连在牵引逆变器运行。
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