CN104242421A - 轨道车辆充电机系统及轨道车辆 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种轨道车辆充电机系统及轨道车辆，其中轨道车辆充电机系统包括：至少两组变换器组件，各所述变换器组件并联；各所述变换器组件之间采用通信总线连接，至少一个所述变换器组件根据其它各所述变换器组件的输出电流调节自身的输出电流，以使各所述变换器组件的输出电流保持一致。本发明提供的轨道车辆充电机系统及轨道车辆能够解决现有的充电机体积较大，且智能化程度较低的问题，实现缩小充电机的体积，并提高智能化程度。

Description

轨道车辆充电机系统及轨道车辆

技术领域

本发明涉及电气控制技术，尤其涉及一种轨道车辆充电机系统及轨道车辆。

背景技术

轨道车辆的运行系统主要包括牵引系统和辅助系统，其中辅助系统用于为轨道车辆中的辅助设备供电，例如空调、照明、插座以及通风机等设备。充电机作为轨道车辆辅助系统中的重要组成部分，主要功能是将电网电压转换成直流电，为辅助设备供电和车辆蓄电池充电。充电机通常采用高频软开关DC/DC变换器，其开关频率越高，输出的纹波因数越小、充电机的体积可以越小。但随着充电机输出功率的增大，开关频率则会受到限制而降低，进而导致了输出的纹波因数增大、体积增大。因此，充电机的设计需要兼顾开关频率与纹波因数、体积以及输出功率的关系。

现有的充电机采用至少两个DC/DC变换器并联，其中每个变换器可输出较低的功率，因此能采用较高的开关频率来满足降低纹波因数和体积的需求。但为了使各变换器之间能实现均流运行，需要在每个变换器中都设置硬件检测控制电路用于检测各变换器的运行信号，各变换器之间以及变换器与轨道车辆的车辆控制系统之间的数据传输是通过硬件电路实现的，使得现有的充电机中包含了较多的硬件电路，导致充电机的体积较大，且各变换器之间连接的硬件电路较复杂，对外进行信息交换的功能较差，智能化程度较低。

发明内容

本发明提供一种轨道车辆充电机系统及轨道车辆，用于解决现有的充电机体积较大，且智能化程度较低的问题，实现缩小充电机的体积，并提高智能化程度。

本发明实施例提供一种轨道车辆充电机系统，包括：

至少两组变换器组件，各所述变换器组件并联；

各所述变换器组件之间采用通信总线连接，至少一个所述变换器组件根据其它各所述变换器组件的输出电流调节自身的输出电流，以使各所述变换器组件的输出电流保持一致。

本发明实施例提供一种轨道车辆，包括车辆控制系统，还包括如上所述的轨道车辆充电机系统；

所述轨道车辆充电机系统通过车辆通信网络与所述车辆控制系统连接，用于将所述轨道车辆充电机系统的运行信息和故障信息发送给所述车辆控制系统，并接收所述车辆控制系统发出的控制指令。

本发明实施例提供的轨道车辆充电机系统通过采用至少两组变换器组件，各变换器组件并联，以及各变换器组件之间采用通信总线连接，至少一个变换器组件根据其它各变换器组件的输出电流快速调节自身的输出电流，能够解决现有的充电机由于采用硬件电路通信而导致体积较大，且智能化程度较低的问题。采用本发明实施例提供的轨道车辆充电机系统能够缩小轨道车辆中的充电机的体积，并使得充电机的输出纹波因数降低，且实现了良好的瞬态及稳态均流效果，还拥有高可靠性的冗余设计，使得充电机整体的信息交换功能强大，提高了智能化程度。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的轨道车辆充电机系统的结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的轨道车辆充电机系统中的变换器组件的结构示意图；

图3为本发明实施例一提供的轨道车辆充电机系统中的另一变换器组件的结构示意图；

图4为本发明实施例二提供的充电机系统与轨道车辆中的车辆控制系统的连接结构示意图。

具体实施方式

实施例一

图1为本发明实施例一提供的轨道车辆充电机系统的结构示意图，图2为本发明实施例一提供的轨道车辆充电机系统中的变换器组件的结构示意图，图3为本发明实施例一提供的轨道车辆充电机系统中的另一变换器组件的结构示意图。如图1至图3所示，轨道车辆充电机系统可以包括：至少两组变换器组件，各变换器组件并联；各变换器组件之间采用通信总线连接，至少一个变换器组件根据其它各变换器组件的输出电流调节自身的输出电流，以使各变换器组件的输出电流保持一致。各变换器组件的输入端经主电路通断控制组件接入电网电压，输出端输出直流电提供给轨道车辆中的储能单元进行充电。

本实施例以两组变换器组件为例来对充电机系统的具体结构进行说明，分别称之为第一变换器组件1和第二变换器组件2，该两组变换器组件并联，且二者可采用相同的电路结构。第一变换器组件1和第二变换器组件2之间采用通信总线连接，实现输出电流信号的传输。在充电机系统运行过程中，可以设置其中的一组变换器组件为主机，其余的为从机，对于本实施例而言，可以将第一变换器组件1设置为主机，将第二变换器组件2设置为从机，启动第一变换器组件1并按照设定的模式运行，第二变换器组件2通过通信总线实时获取第一变换器组件1的输出电流，并根据该输出电流调整自身的输出电压以使自身的输出电流与第一变换器组件1保持一致。也可以将第二变换器组件2设置为主机，将第一变换器组件1设置为从机，或者在充电机运行过程中二者轮换作为主机均可。本实施例仅以第一变换器组件1设置为主机，第二变换器组件2设置为从机的方案来进行说明。

具体的，每个变换器组件可以包括：变换器主电路31、检测设备32、控制设备33和通信接口电路34，其中，检测设备32的检测端与变换器主电路31连接，信号输出端与控制设备33连接，用于检测变换器主电路31的输出电流，并作为变换器组件的输出电流提供给控制设备33；通信接口电路34的一端与控制设备33连接，另一端与其它各变换器组件中的通信接口电路34连接，用于将自身的变换器主电路31的输出电流发送给其它各变换器组件中的控制设备33，以及接收其它各变换器主电路31的输出电流，并提供给自身的控制设备33；控制设备33与变换器主电路31连接，用于根据通信接口电路34接收到的其它各变换器主电路31的输出电流调整输出的脉冲信号，以调节自身变换器主电路31的输出电流。

其中的变换器主电路31可以为现有技术常用的DC/DC变换器结构，具体包括依次连接的逆变电路、中间变压器以及整流电路，其中，逆变电路采用四个开关器件组成全桥电路，例如可采用四个绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）组成全桥电路。逆变电路的输入端设置有LC滤波电路，用于滤除电网电压中的尖峰信号，使得逆变电路接收到稳定的直流输入信号，还能够抑制逆变电路中的IGBT在通断瞬间产生的尖峰电压。逆变电路的输出端与中间变压器的原边连接，中间变压器的副边与整流电路的输入端连接，该整流电路由四个二极管组成全桥整流电路，具体可采用零电压开关的全桥整流电路，该整流电路的输出端与输出LC滤波电路连接，可滤除整流电路输出直流电压中的畸变电压，保持输出电压稳定。

各变换器组件中的通信接口电路34通过通信总线实现数据传输，具体的，第一变换器组件1中的通信接口电路34的一端与第一变换器组件1中的控制设备33连接，另一端与第二变换器组件2中的通信接口电路34连接，能够将第一变换器组件1中变换器主电路31的输出电流发送给第二变换器组件2中的通信接口电路34，以及接收第二变换器组件2发来的变换器主电路31的输出电流，并提供给第一变换器组件1中的控制设备33。

对于设置为主机的第一变换器组件1，其中的检测设备32的检测端与变换器主电路31连接，具体可包括第一电流传感器，该第一电流传感器的检测端设置在变换器主电路31的输出端，也即输出LC滤波电路的输出端，用于检测变换器主电路31的输出电流，提供给控制设备33。并且，控制设备33将变换器主电路31的输出电流发送至通信接口电路34，并通过通信总线发送给设置为从机的第二变换器组件2。

对于设置为从机的第二变换器组件2，其中的通信接口电路34通过通信总线实时获取第一变换器组件1的输出电流，并提供给自身的控制设备33。控制设备33在一个运行周期内对获取到的电流值计算平均值，并计算平均值与自身输出电流之间的差值，然后根据该差值调整输出脉冲信号的占空比，以调节IGBT的通断频率，通过调整变换器主电路31输出的电压实现调节输出电流。

上述第二变换器组件2中的控制设备33根据差值调整输出脉冲信号的占空比，可根据该差值的正负号以及绝对值来确定调整的具体算法，可由技术人员设计实现，本实施例对此不作限定。

本领域技术人员可以理解的是，当上述第二变换器组件2为主机，第一变换器组件1为从机时，仍可参照上述实施例所提供的方案来实现。

上述控制设备33可以为本领域技术人员常用的控制器，例如AVR单片机、ARM单片机或数字信号处理器（Digital Signal Processor，简称DSP）等，本实施例采用DSP作为控制设备33，DSP的输出特性好，运算处理速度较快，能够快速调节脉冲信号的占空比，提高充电机中各变换器组件之间的均流效果。

上述通信总线可以为串行通信线，相应的，通信接口电路34为与串行通信线相匹配的接口电路。当然，通信总线也可以为其它类型的数据总线，例如控制器局域网络（Controller Area Network，简称CAN）总线等，相应的通信接口电路34为与CAN总线相匹配的接口电路。

上述轨道车辆充电机系统的工作过程为：首先，充电机系统将其中一组变换器组件设置为主机，另一组为从机，在系统启动时，主机和从机按照设定的输出电压启动，其中主机按照设定的恒压限流状态运行，从机则周期性地通过通信总线读取主机的输出电流值，并计算平均值，然后与从机自身的输出电流值计算偏差值，根据该偏差值调节输出电压，直至自身的输出电流值小于调整的阈值，使得两组变换器组件处于均流运行状态。当某一时刻，充电机的负载迅速减小，两组变换器组件调节自身的输出电流，以使输出电压保持恒定；当负载迅速增大时，由于变换器主电路有一定的个体差异，某一变换器主电路的负载电流会先达到设定阈值而进行电流内环调节，使得输出电压降低，则另一个变换器组件会迅速调节输出电流，以分担负载电流，使得前者退出电流内环调节，保持额定电压输出。当其中一组变换器组件发生故障时，另一组变换器单元可以独立运行，并保持一半容量输出。

上述实施例通过采用至少两组变换器组件，各变换器组件并联，以及各变换器组件之间采用通信总线连接，至少一个变换器组件根据其它各变换器组件的输出电流快速调节自身的输出电流，能够解决现有的充电机由于采用硬件电路通信而导致体积较大，且智能化程度较低的问题。采用本实施例提供的技术方案能够缩小充电机的体积，并使得充电机的输出纹波因数降低，且实现了良好的瞬态及稳态均流效果，还拥有高可靠性的冗余设计。充电机整体的信息交换功能强大，提高了智能化程度。并且，上述技术方案能够使得开关器件在宽负载范围内实现零电压开关，且能达到无占空比丢失，无次级尖峰电压等效果。

在上述技术方案的基础上，可以增加并联的变换器组件的数量，各变换器组件之间采用通信总线连接，一个变换器组件接收其它变换器组件的输出电流，并调节自身的输出电流至各变换器组件的输出电流保持一致，使得充电机系统实现均流运行。且采用多个变换器组件并联，能够降低每个变换器组件的输出功率，因此能提高开关频率，进而降低纹波因素和充电机的体积。

另外，每个变换器组件还可以包括：信号调理器件35、模数转换器36以及信号隔离器37。在上述技术方案的基础上，信号调理器件35和模数转换器36设置在检测设备32与控制设备33之间，具体的，信号调理器件35的输入端与检测设备32的信号输出端连接，信号调理器件35的输出端与模数转换器36的输入端连接，用于对变换器主电路31的输出电流进行信号调理，并将调理后的信号提供给模数转换器36。模数转换器36的输出端与控制设备33的输入端连接，用于将调理后的信号由模拟量信号转换成数字量信号，并将该数字量信号提供给控制设备33，实现了将检测设备32检测到的模拟量信号进行信号调理，并转换成数字量信号以供控制设备33进行数据处理。其中，信号调理器件35可采用现有技术中常用的信号放大器、滤波器等器件，各器件的选型可根据控制设备33的数据处理速度来具体设定。

信号隔离器37设置在控制设备33与变换器主电路31中的开关器件之间，具体的，信号隔离器37的输入端与控制设备33的输出端连接，信号隔离器37的输出端与变换器主电路中开关器件的驱动板连接，用于将控制设备33输出的脉冲信号进行光电隔离后提供给驱动板，以控制开关器件的开关频率。

在变换器组件的内部，还可以具有内部反馈调节的功能，本实施例提供一种可行的方案：上述检测设备32还包括第二电流传感器和电压传感器，其中，第二电流传感器设置在变换器主电路31的中间变压器的原边，用于检测变换器主电路31的中间电流。电压传感器设置在变换器主电路的输出端，用于检测变换器主电路31的输出电压。控制设备33与第二电流传感器和电压传感器连接，用于根据该中间电流、输出电压以及其它变换器组件的输出电流对脉冲信号的占空比进行电流内环比例积分调节和电压外环比例积分调节，以移相控制方式作为控制方案，来实现对输出的脉冲信号进行调节。具体的比例积分调节算法可由技术人员根据变换器主电路31的特性来具体设定，可以通过设定控制设备33的运行程序来实现。上述技术方案采用电流环作为内环调节，电压环作为外环调节，形成串级控制，提高了系统的快速响应特性，同时实现了对变压器原边电流的电流保护功能。

在上述技术方案的基础上，本领域技术人员可根据经验补充增加温度传感器，使得充电机具有温度补偿功能，以提高均流效果。在变换器主电路中对输出端增加过载、输出短路保护、过压保护、低压报警、最大电流限制等功能，对输入端增加瞬态过电压保护、输入过压保护以及欠压保护等功能。变换器组件中还可以设置有故障诊断接口，采用RS485通信方式将数据实时传送给控制设备，并配置软件界面进行调试，可设置各运行参数，并实现在线调试与诊断功能。上述方案可以由技术人员在变换器组件中设置相应的检测设备，并设计控制设备的运行程序来实现。

实施例二

图4为本发明实施例二提供的充电机系统与轨道车辆中的车辆控制系统的连接结构示意图。如图4所示，轨道车辆可以包括车辆控制系统，还包括上述实施例所提供的轨道车辆充电机系统。

轨道车辆充电机系统通过车辆通信网络与车辆控制系统连接，具体可通过专用网关板与车辆的CANOPEN网络连接，用于将轨道车辆充电机系统的运行信息和故障信息发送给车辆控制系统，可实时显示在驾驶台显示操作设备上，并且接收车辆控制系统发出的控制指令，或接收由驾驶员通过驾驶台显示操作设备发出的控制指令，执行相应的操作。

上述技术方案提供的轨道车辆，应用本发明实施例所提供的充电机控制系统，通过采用至少两组变换器组件，各变换器组件并联，以及各变换器组件之间采用通信总线连接，至少一个变换器组件根据其它各变换器组件的输出电流快速调节自身的输出电流，能够解决现有的充电机由于采用硬件电路通信而导致体积较大，且智能化程度较低的问题。采用本实施例提供的技术方案能够缩小充电机的体积，并使得充电机的输出纹波因数降低，且实现了良好的瞬态及稳态均流效果，还拥有高可靠性的冗余设计。充电机整体的信息交换功能强大，提高了智能化程度。并且，能够使得开关器件在宽负载范围内实现零电压开关，且能达到无占空比丢失，无次级尖峰电压等效果。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种轨道车辆充电机系统，其特征在于，包括：

至少两组变换器组件，各所述变换器组件并联；

各所述变换器组件之间采用通信总线连接，至少一个所述变换器组件根据其它各所述变换器组件的输出电流调节自身的输出电流，以使各所述变换器组件的输出电流保持一致。

2.根据权利要求1所述的轨道车辆充电机系统，其特征在于，每个所述变换器组件包括：变换器主电路、检测设备、控制设备和通信接口电路；

所述检测设备的检测端与所述变换器主电路连接，信号输出端与所述控制设备连接，用于检测所述变换器主电路的输出电流，并作为所述变换器组件的输出电流提供给所述控制设备；

所述通信接口电路的一端与所述控制设备连接，另一端与其它各所述变换器组件中的通信接口电路连接，用于将自身的所述变换器主电路的输出电流发送给其它各所述变换器组件中的控制设备，以及接收其它各所述变换器主电路的输出电流，并提供给自身的所述控制设备；

所述控制设备与所述变换器主电路连接，用于根据所述通信接口电路接收到的其它各所述变换器主电路的输出电流调整输出的脉冲信号，以调节自身所述变换器主电路的输出电流。

3.根据权利要求2所述的轨道车辆充电机系统，其特征在于，每个所述变换器组件还包括：信号调理器件、模数转换器以及信号隔离器；

所述信号调理器件的输入端与所述检测设备的信号输出端连接，所述信号调理器件的输出端与所述模数转换器的输入端连接，用于对所述变换器主电路的输出电流进行信号调理，并将调理后的信号提供给所述模数转换器；

所述模数转换器的输出端与所述控制设备的输入端连接，用于将所述调理后的信号由模拟量信号转换成数字量信号，并将所述数字量信号提供给所述控制设备；

所述信号隔离器的输入端与所述控制设备的输出端连接，所述信号隔离器的输出端与所述变换器主电路中开关器件的驱动板连接，用于将所述控制设备输出的脉冲信号进行光电隔离后提供给所述驱动板，以控制所述开关器件的开关频率。

4.根据权利要求3所述的轨道车辆充电机系统，其特征在于，所述检测设备包括第一电流传感器，所述第一电流传感器设置在所述变换器主电路的输出端，用于检测所述变换器主电路的输出电流，并提供给所述控制设备。

5.根据权利要求4所述的轨道车辆充电机系统，其特征在于，所述检测设备还包括第二电流传感器和电压传感器；

所述第二电流传感器设置在所述变换器主电路的中间变压器的原边，用于检测所述变换器主电路的中间电流；

所述电压传感器设置在所述变换器主电路的输出端，用于检测所述变换器主电路的输出电压；

所述控制设备还与所述第二电流传感器和电压传感器连接，用于根据所述中间电流、输出电流和输出电压对所述脉冲信号的占空比进行电流内环比例积分调节和电压外环比例积分调节。

6.根据权利要求5所述的轨道车辆充电机系统，其特征在于，所述通信总线为串行通信线。

7.根据权利要求6所述的轨道车辆充电机系统，其特征在于，所述控制设备为数字信号处理器。

8.一种轨道车辆，包括车辆控制系统，其特征在于，还包括如权利要求1-7任一项所述的轨道车辆充电机系统；

所述轨道车辆充电机系统通过车辆通信网络与所述车辆控制系统连接，用于将所述轨道车辆充电机系统的运行信息和故障信息发送给所述车辆控制系统，并接收所述车辆控制系统发出的控制指令。