CN104340146B - 一种轨道交通后备电源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轨道交通后备电源系统，包括锂电池组、分别与所述锂电池组连接的电池管理系统BMS和极限保护继电器、以及与所述电池管理系统和所述极限保护继电器连接的车载充电机，所述电池管理系统还与所述极限保护继电器连接，所述电池管理系统用于对所述锂电池组进行统一管理和维护，所述车载充电机用于通过所述极限保护继电器对所述锂电池组进行充电，所述极限保护继电器用于在极限条件下对所述锂电池组进行保护，所述极限条件为所述锂电池组的过充或过放状态。本发明使用锂电池组替换原有镍镉蓄电池组，实现蓄电池组的轻量化和无污染，同时采用特定结构的电池管理系统，提高了电源系统的可靠性和安全性。

Description

一种轨道交通后备电源系统
技术领域
本发明涉及轨道交通领域，具体涉及一种轨道交通后备电源系统。
背景技术
现有动车组后备电源采用镍镉蓄电池组，作为列车的应急备用电源，对电池系统的可靠性要求很高，后备电源影响到列车正常运行和安全。
但现采用的镍镉蓄电池组系统，没有自我检测及保护功能，实行盲充盲放，且相同容量下质量重，容量衰减快，电池报废后污染大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一套锂离子电池系统为轨道交通提供后备电源，替换原有镍镉蓄电池组，实现蓄电池组的轻量化、无污染、长寿命，为将来的轨道交通大规模的推广以及锂电池系统标准制定提供基础。
本发明的技术方案为：一种轨道交通后备电源系统，包括锂电池组、分别与所述锂电池组连接的电池管理系统BMS和极限保护继电器、以及与所述电池管理系统和所述极限保护继电器连接的车载充电机，所述电池管理系统还与所述极限保护继电器连接，所述电池管理系统用于对所述锂电池组进行统一管理和维护，所述车载充电机用于通过所述极限保护继电器对所述锂电池组进行充电，所述极限保护继电器用于在极限条件下对所述锂电池组进行保护，所述极限条件为所述锂电池组为过充或过放状态。
优选地，所述电池管理模块包括主控制器模块、分别与所述主控制器模块连接的电流采集模块、单体电压采集模块、温度采集模块、均衡模块以及检测估算模块，所述车载充电机及所述极限保护继电器均与所述主控器模块连接，所述电流采集模块、单体电压采集模块以及温度采集模块均与所述锂电池组连接，并分别用于对所述锂电池组的电流、单体电压以及温度参数进行采集，所述均衡模块也与所述锂电池组进行连接，用于对所述锂电池组内的各单体电池电量及电压进行均衡，所述检测估算模块用于根据采集到的电流、单体电压以及温度参数对所述锂电池组的各状态信息进行诊断和估算。
优选地，所述检测估算模块包括功率估算模块、诊断接口模块以及SOC估算模块，所述功率估算模块用于根据所述锂电池组的电流、单体电压以及温度参数估算出最优充电功率，并传送给所述车载充电机，所述车载充电机根据所述最优充电功率对所述锂电池组进行充电；所述诊断接口模块用于读取所述锂电池组的所述电流、单体电压以及温度参数信息，并根据所述参数信息分析所述锂电池组的故障信息，所述SOC模块用于估算所述锂电池组的剩余电量。
优选地，所述车载充电机与所述主控器模块通过RS485串口进行连接。
优选地，所述锂电池组中单体锂电池的节数是根据锂电池类型、列车需求的最小能量Q和列车最大负载功率P计算得出的；所述列车需求的最小能量Q=（P1*t + Q1）/(1-&)，其中P1为列车的平均负载功率，t为列车在应急时负载需要的最大工作时间，Q1为列车从启动到车载充电机正常工作期间负载最大需求能量，&为动力锂电池组在可维护运行期间能量衰减百分比。
优选地，所述轨道交通后备电源系统还包括应急充电接口，所述应急充电接口通过所述极限保护继电器与所述锂电池组连接，用于当电源系统严重过放电时，通过地面应急充电电源给电池组短时间补电。
优选地，所述车载充电机包括断路检测模块，所述断路检测模块用于检测所述车载充电机与所述BMS间的通讯是否中断，若中断，则断路检测模块控制所述车载充电机以安全电压值对所述锂电池组进行充电。
优选地，所述轨道交通后备电源系统还包括一与所述主控制器模块连接的整车控制器，所述整车控制器用于获取所述锂电池组状态信息，并根据所述锂电池组状态信息估算所述后备电源系统可供电时间，根据所述可供电时间合理控制负载耗电。
优选地，当所述锂电池组出现过充或过放现象时，所述电池管理模块还用于切断极限保护继电器的连接。
本发明具体如下优点和有益效果：
1、根据列车能量需求选用合理锂电池类型串并联成组，节能环保。
2、通过电池管理系统对电池组信息进行检测、状态估算、管理控制、通讯协定，保护
电池、延长使用时间和延时容量衰减，增强系统智能化控制，提高电源系统可靠性和安全性。
3、配备应急充电接口和诊断接口提高系统可维护性和维护成本，延长使用寿命。
4、本发明可为将来的轨道交通大规模的推广锂电池电源系统以及电源系统标准制定
提供基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明轨道交通后备电源系统组成结构框图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明实施例的具体实施方式作详细说明。
如图1所示，本发明的轨道交通后备电源系统采用锂电池组作为电源系统的核心供电模块，其中具体所采用的锂电池组的节数可根据锂电池的类型、列车需求的最小能量Q和列车最大负载功率P计算得出，具体运算锂电池组的节数的算法可参见现有技术中的相关运算方法；其中列车需求的最小能量的具体的运算公式为Q=（P1*t + Q1）/(1-&)，其中P1为列车的平均负载功率，t为列车在应急时负载需要的最大工作时间，Q1为列车从启动到车载充电机正常工作期间负载最大需求能量，&为动力锂电池组在可维护运行期间能量衰减百分比。根据列车需求的最小能量Q和列车最大负载功率P计算出锂电池的节数，既可满足不同列车对后备电源能量和功率的需求，也不浪费能量，实现了环保节能。
本发明的轨道交通后备电源系统增加有新型的电池管理系统BMS，以实现自我检测及保护功能，和充放电的智能化管理，提高系统的可靠性和安全性。具体的BMS组成结构如图1所述，所述BMS系统包括主控制器模块及分别与所述主控制器模块连接的采集模块和均衡模块，所述的采集模块包括电流采集模块，单体电压采集模块以及温度采集模块，用于采集所述锂电池组的电流、单体电压以及温度参数，根据所采集到的参数，电池管理系统可对锂电池组的各单体电池进行热管理和均衡管理，热管理是当温度过高进行散热，温度过低时进行加热，让锂电池在最佳环境下工作，保护了电池系统安全也可延长电池寿命。均衡管理用于对所述锂电池组内的各单体电池电量及电压进行均衡，可提高各单体电池容量和电压一致性，保证电池系统可放出或充入最大能量，延迟电池组容量衰减。
所述电池管理系统BMS还包括与所述主控制模块连接的检测估算模块，所述检测估算模块包括功率估算模块、诊断接口模块以及电池组剩余电量SOC估算模块，所述功率估算模块用于根据锂电池组当前状态和锂电池特性估算出最优充电功率传送给车载充电机，车载充电机可通过RS485方式与BMS模块中的主控制器模块通信，车载充电机按接收的所述最优充电功率进行充电功率控制，电池管理系统将电池组各种状态和充电指令发送至充电机，同时充电机也将自身状态发送给电池管理系统，车载充电机根据电池组状态和指令调节其输出电压和充电电流，当充电机与BMS通讯发生中断时，为防止电池组发生过充，车载充电机内的断路检测模块检测到这一中断时，将电压逐步降低至一安全电压，最终以这安全电压作为电池组的恒压点，通讯恢复正常后以正常模式充电至最大充电电压；并且电池管理系统也把电源系统状态发送到列车整车控制器，列车整车控制器根据接收到电池组状态进行后备电源系统可供电时间进行估算，合理控制负载耗电，保证列车用电安全，提前预防。所述诊断接口模块可为CAN总线接口模块，地面维护人员可以通过诊断接口读取电池信息，分析电池组内单体的各种状态参数以及故障记录。所述SOC估算模块用于估算电池组剩余容量SOC，以便合理安全使用系统电源，定时存储实时电池状态数据方便系统检修维护和故障跟踪。
本发明的轨道交通后备电源系统还包括与所述主控制器模块和所述锂电池组连接的极限保护继电器，若由于充电机失控引或其它原因引起电池组发生严重过充电或过放电现象，BMS通过其主控制器模块主动切断极限接触器实现电池保护，避免有严重事故发生。所述的轨道交通后备电源系统还配备了应急充电接口，所述应急充电接口通过所述极限保护继电器连接于所述锂电池组，当电源系统严重过放电时，可使用地面应急充电电源通过所述应急充电接口给电池组短时间补电。
此外，所述电压采集模块与所述锂电池组的接口可增加过压与反接保护模块，以提高稳定性；所述RS485和CAN通讯模块可增加静电防护层或屏蔽层，提高通讯稳定性；同时所述RS485可采用双通道冗余提高可靠性。
本发明的轨道交通后备电源系统方案采用环保能量密度高的锂电池，且根据列车能量需求选用合理锂电池类型串并联成组，实现了节能环保；且通过电池管理系统对电池组信息进行检测、状态估算、管理控制、通讯协定，保护电池、延长使用时间和延时容量衰减，增强系统智能化控制，提高电源系统可靠性安全性；同时该系统还配备应急充电接口和预留监控接口提高系统可维护性和维护成本，延长使用寿命；本发明可为将来的轨道交通大规模的推广锂电池电源系统以及电源系统标准制定提供基础。
以上所述实施例仅表达了本发明的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种轨道交通后备电源系统，其特征在于，包括锂电池组、分别与所述锂电池组连接的电池管理系统BMS和极限保护继电器、以及与所述电池管理系统和所述极限保护继电器连接的车载充电机，所述电池管理系统还与所述极限保护继电器连接，所述电池管理系统用于对所述锂电池组进行统一管理和维护，所述车载充电机用于通过所述极限保护继电器对所述锂电池组进行充电，所述极限保护继电器用于在极限条件下对所述锂电池组进行保护，所述极限条件为所述锂电池组的过充或过放状态；所述电池管理系统BMS包括主控制器模块，还包括与所述主控制器模块连接的检测估算模块，所述检测估算模块包括功率估算模块、诊断接口模块以及SOC估算模块，所述功率估算模块用于根据所述锂电池组的电流、单体电压以及温度参数估算出最优充电功率，并传送给所述车载充电机，所述车载充电机根据所述最优充电功率对所述锂电池组进行充电；所述诊断接口模块用于读取所述锂电池组的所述电流、单体电压以及温度参数信息，并根据所述参数信息分析所述锂电池组的故障信息，所述SOC估算模块用于估算所述锂电池组的剩余电量。
2.根据权利要求1所述的轨道交通后备电源系统，其特征在于，所述电池管理系统还包括分别与所述主控制器模块连接的电流采集模块、单体电压采集模块、温度采集模块和均衡模块，所述车载充电机及所述极限保护继电器均与所述主控制器模块连接，所述电流采集模块、单体电压采集模块以及温度采集模块均与所述锂电池组连接，并分别用于对所述锂电池组的电流、单体电压以及温度参数进行采集，所述均衡模块也与所述锂电池组进行连接，用于对所述锂电池组内的各单体电池电量及电压进行均衡，所述检测估算模块用于根据采集到的电流、单体电压以及温度参数对所述锂电池组的各状态信息进行诊断和估算。
3.根据权利要求2所述的轨道交通后备电源系统，其特征在于，所述车载充电机与所述主控制器模块通过RS485串口进行连接。
4.根据权利要求2所述的轨道交通后备电源系统，其特征在于，所述锂电池组中单体锂电池的节数是根据锂电池类型、列车需求的最小能量Q和列车最大负载功率P计算得出的；所述列车需求的最小能量Q=（P1*t + Q1）/(1-&)，其中P1为列车的平均负载功率，t为列车在应急时负载需要的最大工作时间，Q1为列车从启动到车载充电机正常工作期间负载最大需求能量，&为动力锂电池组在可维护运行期间能量衰减百分比。
5.根据权利要求3所述的轨道交通后备电源系统，其特征在于，所述轨道交通后备电源系统还包括应急充电接口，所述应急充电接口通过所述极限保护继电器与所述锂电池组连接，用于当电源系统严重过放电时，通过地面应急充电电源给电池组短时间补电。
6.根据权利要求3所述的轨道交通后备电源系统，其特征在于，所述车载充电机包括断路检测模块，所述断路检测模块用于检测所述车载充电机与所述BMS间的通讯是否中断，若中断，则断路检测模块控制所述车载充电机以安全电压值对所述锂电池组进行充电。
7.根据权利要求3所述的轨道交通后备电源系统，其特征在于，所述轨道交通后备电源系统还包括一与所述主控制器模块连接的整车控制器，所述整车控制器用于获取所述锂电池组状态信息，并根据所述锂电池组状态信息估算所述后备电源系统可供电时间，根据所述可供电时间合理控制负载耗电。
8.根据权利要求3所述的轨道交通后备电源系统，其特征在于，当所述锂电池组出现过充或过放现象时，所述电池管理模块还用于切断极限保护继电器的连接。
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