CN102324876B

CN102324876B - 矿用新型磷酸铁锂双电机斩波调速电机车管控系统

Info

Publication number: CN102324876B
Application number: CN201110264630.6A
Authority: CN
Inventors: 肖林京; 于志豪; 孙传余; 高峰; 李洪宇
Original assignee: Shandong University of Science and Technology
Current assignee: Shandong University of Science and Technology
Priority date: 2011-09-08
Filing date: 2011-09-08
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2031-09-08
Also published as: CN102324876A

Abstract

本发明公开一种矿用新型磷酸铁锂双电机斩波调速电机车管控系统，该系统包括与隔爆插销分别连接的电池组管理装置、双电机电机车斩波调速控制装置和充电机。双电机电机车斩波调速控制装置，包括斩波控制器、光电给定器、电源变换模块、两个霍尔电流传感器、三个绝缘栅双极型晶体管、充电电容、五个直流接触器、两个电机电枢绕组、两个电机励磁绕组及两条通路。该系统具有控制精度高，设备使用寿命长的优势。

Description

矿用新型磷酸铁锂双电机斩波调速电机车管控系统

技术领域

本发明涉及矿用电机车控制系统。

背景技术

矿用电机车在煤矿中使用的数量越来越多，现有技术中大功率的电机车一般配有双电机，这种双电机有2组动力电池，通过2台电机和2组电池的串并联组合来实现起动和调速，具体地：先将2组电池并联，2台电机串联；然后将2组电池并联，2台电机并联；再将2组电池串联，2台电机并联。这种电机车的缺点是：尽管控制系统比较简单，但是在减速齿轮变速比一定的条件下，速度不能实现无级调节，使用有时不便，而且动力电池有2组，串并联使用却很难对之进行电池管理，电池性能得不到最佳发挥，材料上仍采用铅酸电池,铅酸电池的循环寿命差，体积大重量沉，铅和硫酸都污染环境，充电周期长，且成本在逐年增加，当电动机工作在制动状态下，不能将电动机本身所具有的机械能转化为动力电池的电能，从而达到延长动力电池的使用时间的效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双电机斩波调速电机车管控系统，具有控制精度高，设备使用寿命长的优势。

本发明为了实现上述目的，采用的技术解决方案是：

双电机斩波调速电机车管控系统，包括与隔爆插销分别连接的电池组管理装置、双电机电机车斩波调速控制装置和充电机；

双电机电机车斩波调速控制装置，包括斩波控制器、光电给定器、电源变换模块、两个霍尔电流传感器、三个绝缘栅双极型晶体管、充电电容、五个直流接触器、两个电机电枢绕组、两个电机励磁绕组及两条通路；光电给定器、电压变换模块分别与斩波控制器连接，第一直流接触器的线圈、第二直流接触器的线圈、第三直流接触器的线圈、第四直流接触器的线圈分别与斩波控制器连接，第五直流接触器的线圈连接在两条通路之间，第五直流接触器的常开触点连接在第一通路上；三个绝缘栅双极型晶体管的栅极分别与斩波控制器连接；第一直流接触器的常开触点和常闭触点串联，第二直流接触器的常开触点和常闭触点串联，第一直流接触器常开触点和常闭触点的公共端连接第一电机励磁绕组的一端，第二直流接触器常开触点和常闭触点的公共端连接第一电机励磁绕组的另一端，第一直流接触器的常开触点和第二直流接触器的常开触点相接后，连接第一电机电枢绕组，之后连接第一绝缘栅双极型晶体管的发射极，第一绝缘栅双极型晶体管的集电极连接第一通路，第一直流接触器的常闭触点和第二直流接触器的常闭触点相接后，连接第二通路；第三直流接触器的常开触点和常闭触点串联，第四直流接触器的常开触点和常闭触点串联，第三直流接触器常开触点和常闭触点的公共端连接第二电机励磁绕组的一端，第四直流接触器常开触点和常闭触点的公共端连接第二电机励磁绕组的另一端，第三直流接触器的常开触点和第四直流接触器的常开触点相接后，连接第二电机电枢绕组，之后连接第二绝缘栅双极型晶体管的发射极，第二绝缘栅双极型晶体管的集电极连接第一通路，第三直流接触器的常闭触点和第四直流接触器的常闭触点相接后，连接第二通路；第三绝缘栅双极型晶体管的集电极与第一、第二绝缘栅双极型晶体管的发射极连接，第一霍尔电流传感器一端套在第一直流接触器的常闭触点、第二直流接触器的常闭触点的公共端点引出的导线上，另一端连接斩波控制器，第二霍尔电流传感器一端套在第三直流接触器的常闭触点、第四直流接触器的常闭触点的公共端点引出的导线上，另一端连接斩波控制器，充电电容一端与第一通路连接，充电电容另一端接地。

进一步，所述第一通路上设置有主控与副控互锁切换开关。

进一步，所述电池组管理装置，包括电池管理处理器、显示器、熄弧接触器、磷酸铁锂电池组，电池管理处理器与显示器连接，熄弧接触器的线圈与电池管理处理器连接；磷酸铁锂电池组由N节磷酸铁锂电池串联后形成一条支路后，再将M条同样的支路并联而成，磷酸铁锂电池组连接熄弧接触器的常开触点后，与隔爆插销连接，每节磷酸铁锂电池配有电池控制板，电池控制板上集成电压检测电路、温度检测电路、电压均衡电路，各电池控制板通过总线串联后，与电池管理处理器连接，每条磷酸铁锂电池串联支路上连接有绝缘栅极双极型晶体管，每节磷酸铁锂电池的两端均有两条包含CMOS管的通路，所有处在同一条磷酸铁锂电池串联支路上的包含CMOS管的通路的末端相连接。

本发明的有益效果：

每台电机的电枢绕组和励磁绕组是串联的，2台电机之间是并联的，进而实现起动特性软，小电流力矩大，2台电机负荷自动均衡的特性。

在下坡运动时，直流双电机电机车可工作在制动状态，2台电机为并联发电机，第三绝缘栅双极型晶体管导通形成制动通路，第三绝缘栅双极型晶体管断开给磷酸铁锂电池组充电，延长了电池组的使用寿命。

采用模块化结构设计，隔爆插销可以和动力电源直接相连，霍尔电流传感器和光电给定器线性度高，稳定性好。

附图说明

图1是双电机电机车斩波调速控制装置的电路图。

图2是电池组管理装置的电路图。

图3是一条磷酸铁锂电池串联支路的电路图。

具体实施方式

下面结合图1至图3对本发明进行详细说明：

双电机斩波调速电机车管控系统，包括与隔爆插销分别连接的电池组管理装置、双电机电机车斩波调速控制装置和充电机。

双电机电机车斩波调速控制装置，包括斩波控制器、光电给定器、电源变换模块、两个霍尔电流传感器11、12、三个绝缘栅双极型晶体管IGBT1、IGBT2、IGBT3、充电电容、五个直流接触器KM1、KM2、KM3、KM4、KMP、两个电机电枢绕组S1、S2、两个电机励磁绕组C1、C2及两条通路2、3。光电给定器、电压变换模块分别与斩波控制器连接，第一直流接触器KM1的线圈、第二直流接触器KM2的线圈、第三直流接触器KM3的线圈、第四直流接触器KM4的线圈分别与斩波控制器连接，第五直流接触器KMP的线圈连接在两条通路2、3之间，第五直流接触器KMP的常开触点连接在第一通路上2。三个绝缘栅双极型晶体管IGBT1、IGBT2、IGBT3的栅极分别与斩波控制器连接；第一直流接触器KM1的常开触点和常闭触点串联，第二直流接触器KM2的常开触点和常闭触点串联，常开触点和常闭触点的公共端连接第一电机励磁绕组C1，第一直流接触器KM1的常开触点和第二直流接触器KM2的常开触点相接后，连接第一电机电枢绕组S1，之后连接第一绝缘栅双极型晶体管IGBT1的发射极，第一绝缘栅双极型晶体管IGBT1的集电极连接第一通路2，第一直流接触器KM1的常闭触点和第二直流接触器KM2的常闭触点相接后，连接第二通路3。第三直流接触器KM3的常开触点和常闭触点串联，第四直流接触器KM4的常开触点和常闭触点串联，常开触点和常闭触点的公共端连接第二电机励磁绕组C2，第三直流接触器KM3的常开触点和第四直流接触器KM4的常开触点相接后，连接第二电机电枢绕组S2，之后连接第二绝缘栅双极型晶体管IGBT2的发射极，第二绝缘栅双极型晶体管IGBT2的集电极连接第一通路2，第三直流接触器KM3的常闭触点和第四直流接触器KM4的常闭触点相接后，连接第二通路3。第三绝缘栅双极型晶体管IGBT3的集电极与第一、第二绝缘栅双极型晶体管IGBT1、IGBT2的发射极连接，第一霍尔电流传感器11一端与第一直流接触器KM1的常闭触点、第二直流接触器KM2的常闭触点的公共端点连接，另一端连接斩波控制器，第二霍尔电流传感器12一端与第三直流接触器KM3的常闭触点、第四直流接触器KM4的常闭触点的公共端点连接，另一端连接斩波控制器，充电电容4与第一通路2连接。

所述第一通路上设置有主控与副控互锁切换开关5。

电池组管理装置，包括电池管理处理器、显示器、熄弧接触器KM、磷酸铁锂电池组，电池管理处理器与显示器连接，熄弧接触器KM的线圈与电池管理处理器连接。磷酸铁锂电池组由N节磷酸铁锂电池串联后形成一条支路后，再将M条同样的支路并联而成，磷酸铁锂电池组连接熄弧接触器KM的常开触点后，与隔爆插销连接，每节磷酸铁锂电池配有电池控制板，电池控制板上集成电压检测电路、温度检测电路、电压均衡电路，各电池控制板通过总线6串联后，与电池管理处理器连接，每条磷酸铁锂电池串联支路上连接有绝缘栅极双极型晶体管7，每节磷酸铁锂电池的两端均有两条包含CMOS管的通路，处在同一条磷酸铁锂电池串联支路上的包含CMOS管的通路的末端相连接。

双电机电机车斩波调速控制装置的主要特点：

1）每台电机的电枢绕组和励磁绕组是串联的，2台电机之间是并联的，进而实现起动特性软，小电流力矩大，2台电机负荷自动均衡的特性。接触器KM1KM2和KM3KM4分别用于改变励磁绕组中的电流方向，从而改变电机的正反转，2台电机只能同向转动，不允许反向转动。不同阶段下，各器件的状态为：

向前行驶阶段：KMP KM1KM3吸合，KM2KM4断开，IGBT1IGBT2斩波控制，IGBT3停止工作。向后行驶阶段：KMP KM2KM4吸合，KM1KM3断开，IGBT1IGBT2斩波控制，IGBT3停止工作。电机车加速和全速行驶时工作的IGBT功率管是一样，不过全速行驶时的导通角为100%，而且功率管IGBT1IGBT2并联同频驱动使用。

2）在下坡运动时，直流双电机电机车可工作在制动状态，2台电机为并联发电机，功率管IGBT3导通形成制动通路，功率管IGBT3断开给磷酸铁锂电池组充电，进一步延长了电池组的使用寿命，不同阶段下，各器件的状态为：

向前制动阶段：KMP KM2KM4吸合，KM1KM3断开，IGBT1IGBT2停止工作，IGBT3斩波控制。向后制动阶段：KMP KM1KM3吸合，KM2KM4断开，IGBT1IGBT2停止工作，IGBT3斩波控制。

经功率管IGBT3斩波控制后，电机两端电压升高，充电电压经二极管、主控与副控互锁切换开关、缓冲电容阵列、KMP接触器触点、隔爆插销后，给磷酸铁锂电池组充电。

3）斩波控制箱内接触器KMP KM1或KM2KM3或KM4互锁切换开关SK1或SK2均吸合后，再由IGBT1和IGBT2逐渐增大电机绕组中的电流，接触器为无弧通断，无触头损耗，使用寿命长。接触器KMP可防止外部电池组反接，反接时斩波控制箱内无电压，同时也为回馈电路提供通路。互锁切换开关SK1SK2用于主驾驶室和副驾驶室控制时的自动切换。

4）采用模块化结构设计，隔爆插销可以和动力电源直接相连，霍尔电流传感器和光电给定器线性度高，稳定性好，采用闭环控制系统，当2个霍尔电流传感器检测到电机过流动作后，斩波控制器都将封锁IGBT斩波输出，从而保护了电机和IGBT功率管，减少了电器设备的故障率。在煤矿瓦斯浓度高的环境中，系统能自动断电保护，防止爆炸发生，符合煤矿安全规程要求。

5）光电给定器输出0至4V模拟电压信号，在电机车司机向右转动操作把柄时，带动行驶开关闭合，根据操作把柄的摆角，光电给定器输出对应的模拟电压，在电机车司机向左转动操作把柄时，带动制动开关闭合，根据操作把柄的摆角，光电给定器输出对应的模拟电压。斩波控制处理器再根据光电给定器给定的电压，来调节IGBT功率管驱动PWM信号的占空比，司机操作把柄摆角越大，给定的模拟电压越高，PWM信号的占空比越高，电机车速度越快。

6）在起动、调速、加速和制动情形下，光电给定器给定的电压输入斩波控制器，通过内部电流闭环PID调节算法，输出占空比与之成比例的PWM信号控制IGBT1 IGBT2或IGBT3的通断，进而调节电机中的电流，该电流经霍尔电流传感器后，产生0-4V模拟反馈信号输入斩波处理控制器，以调整IGBT1 IGBT2或IGBT3的通断频率，通过这种闭环电流控制方式，实现了司机操作把柄摆角与电机车速度的一一对应关系。

7）具备完整的时序逻辑保护，非正常操作，如电机车行驶过程中改变电机转向，都由斩波控制处理器予以禁止响应。

电池组管理装置的主要特点：

1）磷酸铁锂电池在串并联组合过程中，若先m节并联，再将并联后的n组串联，尽管可以简化电池管理系统的结构，降低其成本，但是很难实现对单体电池电流的检测调节，1节电池故障，则该组剩余m-1节单体电池充放电电流与其余n-1组中的单体电池充放电电流不再相等，长时积累会造成整个电池组性能的恶化，因此采用了先串联n节电池，然后并联m个支路的组合方式，按照磷酸铁锂单体电池的电压为3.2V，煤矿限定单体最大容量为100Ah，则串并联后电池组的电压为3.2*n，最大容量为100*m Ah。

2）每节磷酸铁锂电池配备1个电池控制板，每个电池控制板上集成电压检测电路、温度检测电路以及性能均衡电路，所有的嵌入式电池控制板通过4芯CAN总线，连接至电池管理系统处理器，在每条串联的支路上还有1个霍尔电流传感器，也连接至电池管理系统处理器，当检测到电池的电压过高、电压过低、温度过高、电流超载时，电池管理系统处理器都将自动断开熄弧接触器KM。

3）嵌入式电池控制板具有电压均衡与电流均衡功能，任一节电池两端均有2个包含CMOS管的通路，且电压均衡是一直不间断的进行调节，因单体电池压降为3.2V，均衡电流小于1A，故采用低成本、压控型的CMOS管充当电子开关，分别由嵌入式电池控制板产生的控制信号Q_v1Q_v2Q_v3Q_v4……Q_v(2n-1)Q_v(2n)来控制这些电子开关，进行电压均衡调节。为防止不同支路上电池放电电流不同，且放电电流可达上百安培，所以在每条支路上串接了1个绝缘栅双极型晶体管，尽管绝缘栅双极型晶体管的价格稍高，但是在一个串并联电池组中并联支路的数量一般不会超过6个，相比较磷酸铁锂的价格，电池管理系统的成本很低。

在电机车工作期间，控制Q_v1Q_v2Q_v3Q_v4……Q_v(2n-1)Q_v(2n)信号，使所有电压均衡CMOS开关断开，保证了电池放电的持续无干扰，而在电机车闲置时间段，电压能量转移受嵌入式电池控制板控制，各个嵌入式电池控制板之间，通过4芯CAN总线，受电池管理系统处理器控制。电压能量的转移只能在相邻的两节电池间进行，即第r节电池若向第t节电池转移能量需要转移r-t次，只要相邻两节电池电压均衡，则整个电池组中任意两节电池电压也是均衡的。

在图3中，以n#电池向1#电池为例，说明能量转移的过程：

①Q_v4Q_v(2n)有效，n#电池放电，将能量储存在电感电容器件中。

②Q_v(2n)无效，Q_v3有效，电感产生感应电动势对2#电池充电，储存的能量转移至电池。

③Q_v2Q_v(2n-1)有效，2#电池放电，将能量储存在电感电容器件中。

④Q_v(2n-1)无效，Q_v1有效，电感产生感应电动势对1#电池充电，储存的能量转移至电池。

支路电流调节受电池管理系统处理器控制，带载的情况下，支路电流的大小是通过闭环控制系统自动进行调节的，通过霍尔电流传感器检测支路上的电流进行信号反馈，当电流偏大时，由电池管理系统处理器产生低占空比的Q_Im电流均衡信号，降低该支路上的电流；反之，当电流偏小时，产生高占空比的电流均衡信号。在电池过热或者故障时，则断开响应支路，并在显示器上显示报警信息，提醒及时更换或维修电池。

4）为了减小电机车在闲置时外部电路持续的电路消耗，进一步提高电池的使用时间，系统中增加了1个电源开关，只有当电源开关闭合后，才能通过隔爆插销输出/输入电压。

5）若隔爆插销连接至斩波控制箱，则磷酸铁锂电池组处于供电状态，储存的电能转变为电机车的动能；若隔爆插销连接至充电机，则磷酸铁锂电池组处于充电状态，充电开始采用恒流充电，防止低压时的大电流，在充电的后期采用恒压充电，防止充电电池电压过高，这样外部的电能就转变为电池中的电能。

6）显示器采用TFT液晶显示器，循环显示每节电池的电压和温度，电池组的总电压和平均温度，每条支路的充放电电流，以及电池组的总充放电电流，若有故障电池，则显示故障电池编号，提醒更换，若有电压过高、温度过高、电流超载报警，则显示相应的报警信息，方便处理，若有电压过低，则显示相应的报警信息，提醒及时充电。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims

1.双电机斩波调速电机车管控系统，其特征在于：包括与隔爆插销分别连接的电池组管理装置、双电机电机车斩波调速控制装置和充电机；

2.根据权利要求1所述的双电机斩波调速电机车管控系统，其特征在于：所述第一通路上设置有主控与副控互锁切换开关。

3.根据权利要求1或2所述的双电机斩波调速电机车管控系统，其特征在于：所述电池组管理装置，包括电池管理处理器、显示器、熄弧接触器、磷酸铁锂电池组，电池管理处理器与显示器连接，熄弧接触器的线圈与电池管理处理器连接；磷酸铁锂电池组由N节磷酸铁锂电池串联后形成一条支路后，再将M条同样的支路并联而成，磷酸铁锂电池组连接熄弧接触器的常开触点后，与隔爆插销连接，每节磷酸铁锂电池配有电池控制板，电池控制板上集成电压检测电路、温度检测电路、电压均衡电路，各电池控制板通过总线串联后，与电池管理处理器连接，每条磷酸铁锂电池串联支路上连接有绝缘栅极双极型晶体管，每节磷酸铁锂电池的两端均有两条包含CMOS管的通路，所有处在同一条磷酸铁锂电池串联支路上的包含CMOS管的通路的末端相连接。