CN104358650B - 柴油机启动与蓄电池充电一体化装置及内燃机车 - Google Patents

柴油机启动与蓄电池充电一体化装置及内燃机车 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种柴油机启动与蓄电池充电一体化装置及内燃机车，属于机车技术领域，解决了现有的内燃机车内部部件体积大、成本高的技术问题。该一体化装置包括斩波电路、变流器和控制器；在柴油机启动时，所述控制器驱动所述斩波电路，将所述蓄电池的输出电压升压为第一中间电压，所述控制器还驱动所述变流器，将所述第一中间电压逆变为交流电并输出至发电机，使所述发电机工作在电动机状态，以启动所述柴油机；在蓄电池充电时，所述柴油机带动所述发电机发电，所述控制器驱动所述变流器将所述发电机发出的交流电整流为第二中间电压，所述控制器还驱动斩波电路对所述第二中间电压进行降压，并充入所述蓄电池。本发明可用于内燃机车中。

Description

柴油机启动与蓄电池充电一体化装置及内燃机车
技术领域
本发明涉及机车技术领域，具体地说，涉及一种柴油机启动与蓄电池充电一体化装置内燃机车。
背景技术
传统的直流传动内燃机车采用直流启动发电机进行柴油机启动、蓄电池充电的方式，由于直流发电机效率低、充电电压控制精度低、系统体积大等原因也已逐步被淘汰。随着科技的不断发展，采用交流辅助系统、交流主传动系统的内燃机车，由于其良好的节油性能和牵引性能，已被越来越多的应用。
各种蓄电池充电控制方法、柴油机启动控制方法不断被研究和装车应用。目前，内燃机车中普遍使用柴油机启动和蓄电池充电分开设计的方案，利用启动电动机启动柴油机，再利用辅助交流发电机为蓄电池充电。此外，还需要配备切换电路、变压器、整流器等装置，导致内燃机车内部部件体积大、成本高的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种柴油机启动与蓄电池充电一体化装置及内燃机车，以解决现有的内燃机车内部部件体积大、成本高的技术问题。
本发明提供一种柴油机启动与蓄电池充电一体化装置，包括斩波电路、变流器和控制器；
在所述柴油机启动时，所述控制器驱动所述斩波电路，将所述蓄电池的输出电压升压为第一中间电压，所述控制器还驱动所述变流器，将所述第一中间电压逆变为交流电并输出至发电机，使所述发电机工作在电动机状态，以启动所述柴油机；
在所述蓄电池充电时，所述柴油机带动所述发电机发电，所述控制器驱动所述变流器将所述发电机发出的交流电整流为第二中间电压，所述控制器还驱动斩波电路对所述第二中间电压进行降压，并充入所述蓄电池。
优选的，所述斩波电路包括储能电感、隔离变压器、储能电容，以及第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管；
所述储能电感、所述第二开关管和所述隔离变压器的原边绕组依次串联在所述蓄电池的正极与负极之间，所述第一开关管的集电极连接于所述储能电感与所述第二开关管之间，所述第一开关管的发射极连接所述蓄电池的负极；
所述隔离变压器的副边绕组与所述储能电容并联，所述第三开关管和所述第四开关管分别串联在所述副边绕组两端。
优选的，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管和所述第四开关管中，均设置有反并联二极管。
优选的，所述变流器包括三个整流桥臂，每个所述桥臂包括两个串联的IGBT。
优选的，每个所述IGBT中均设置有反并联二极管。
优选的，所述控制器中包括数字信号处理器、斩波驱动电路和变流驱动电路；
所述数字信号处理器分别通过所述斩波驱动电路和所述变流驱动电路，对所述斩波电路和所述变流器进行驱动。
进一步，所述控制器中还包括采集电路，用于将所述柴油机和所述蓄电池的运行参数传输至所述数字信号处理器。
本发明还提供一种内燃机车，包括柴油机、发电机、蓄电池，以及上述的一体化装置。
优选的，所述发电机为交流辅助发电机或主发电机。
本发明带来了以下有益效果：本发明提供的柴油机启动与蓄电池充电一体化装置中，利用斩波电路和变流器对蓄电池的输出电压进行升压和逆变，并使发电机工作在电动机状态，以启动所述柴油机。在柴油机启动后，发电机即可发电，再利用变流器和斩波电路对发电机发出的交流电进行整流和降压，从而为蓄电池充电。因此，本发明提供的技术方案中，不需要为柴油机启动和蓄电池充电分别配备启动电机和发电机，实现了柴油机启动和蓄电池充电的功能一体化，从而减小了内燃机车内部部件的体积，并降低了内燃机车的成本。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要的附图做简单的介绍：
图1是本发明实施例提供的柴油机启动与蓄电池充电一体化装置中斩波电路的示意图；
图2是本发明实施例提供的柴油机启动与蓄电池充电一体化装置中变流器的示意图；
图3是本发明实施例提供的柴油机启动与蓄电池充电一体化装置中控制器的示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
本发明实施例提供一种柴油机启动与蓄电池充电一体化装置，包括斩波电路、变流器和控制器。
在柴油机启动时，控制器驱动斩波电路，将蓄电池的输出电压升压为第一中间电压，控制器还驱动变流器，将第一中间电压逆变为交流电并输出至发电机，使发电机工作在电动机状态，以启动柴油机。在蓄电池充电时，柴油机带动发电机发电，控制器驱动变流器将发电机发出的交流电整流为第二中间电压，控制器还驱动斩波电路对第二中间电压进行降压，并充入蓄电池。
本发明实施例提供的柴油机启动与蓄电池充电一体化装置中，利用斩波电路和变流器对蓄电池的输出电压进行升压和逆变，并使发电机工作在电动机状态，以启动所述柴油机。在柴油机启动后，发电机即可发电，再利用变流器和斩波电路对发电机发出的交流电进行整流和降压，从而为蓄电池充电。因此，本发明提供的技术方案中，不需要为柴油机启动和蓄电池充电分别配备启动电机和发电机，实现了柴油机启动和蓄电池充电的功能一体化，从而减小了内燃机车内部部件的体积，并降低了内燃机车的成本。
如图1所示，本实施例中，斩波电路具体包括储能电感L、隔离变压器T、储能电容C，以及第一开关管D1、第二开关管D2、第三开关管D3和第四开关管D4。
储能电感L、第二开关管D2和隔离变压器T的原边绕组依次串联在蓄电池的正极与负极之间，且第二开关管D2的集电极连接于储能电感L一端，发射极连接于原边绕组一端。第一开关管D1的集电极连接于储能电感L与第二开关管D2之间，发射极连接蓄电池的负极。
隔离变压器T的副边绕组与储能电容并联C，第三开关管D3和第四开关管D4分别串联在副边绕组两端。第三开关管D3的集电极连接于储能电容C一端，发射极连接于副边绕组一端。第四开关管D4的集电极连接于副边绕组一端，发射极连接于储能电容C一端。
作为一个优选方案，上述的第一开关管D1、第二开关管D2、第三开关管D3和第四开关管D4可以采用金属氧化物半导体场效应管(Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor，简称MOSFET)，或者绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT)等功率开关管，且其中均设置有反并联二极管。
如图2所示，本实施例中，变流器包括三个整流桥臂，每个桥臂包括两个串联的IGBT S1～S6，优选的，每个IGBT中均设置有反并联二极管。变流器的直流端与斩波电路相连，图2中的储能电容C即是图1中斩波电路中的储能电容C，变流器的交流端连接发电机。
如图3所示，本实施例中，控制器中包括数字信号处理器(Digital SignalProcessing，简称DSP)1、斩波驱动电路2和变流驱动电路3。其中，斩波驱动电路2与斩波电路中的第一开关管D1、第二开关管D2、第三开关管D3和第四开关管D4的基极相连(如图1所示)，变流驱动电路3与变流器中的各个IGBT的基极相连(如图2所示)，使得数字信号处理器1能够分别通过斩波驱动电路2和变流驱动电路3，对斩波电路和变流器进行驱动。
如图3所示，本实施例中，控制器中还进一步包括采集电路4，用于将柴油机和蓄电池的运行参数传输至数字信号处理器1，其中可以包括柴油机启动状况、柴油机运转状况、蓄电池充电状况、柴油机转速等。
本发明实施例提供的柴油机启动与蓄电池充电一体化装置的工作过程如下。
在柴油机启动时，如图1所示，蓄电池电压的输出电压为Ui，斩波驱动电路控制第二开关管D2和第四开关管D4全开放导通工作，第三开关管D3处于关断状态，通过斩波驱动电路2控制第一开关管D1的通断实现升压斩波。当第一开关管D1导通时，蓄电池电压Ui向储能电感L充电使其存储能量；当第一开关管D1关断时，蓄电池电压Ui、储能电感L上产生的电压叠加后通过第二开关管D2施加到隔离变压器T的原边绕组。隔离变压器T进行进一步升压后，通过第三开关管D3中的二极管向储能电容C充电，使储能电容C上具有一定大小的第一中间电压U0。第一中间电压U0的目标值可以通过设计隔离变压器T的匝数比n，以及动态控制用于驱动第一开关管D1的PWM波的占空比进行精确控制。并且，通过控制PWM波占空比的上升率来调节蓄电池电流的上升率和最大值，能够防止蓄电池电压的拉低和电流冲击，从而提高蓄电池的使用寿命。
如图2所示，ea、eb、ec分别为发电机的三相绕组，RS、LS为该三相绕组的内阻及感抗。在变流驱动电路3的控制下，斩波电路输出的第一中间电压U0，经过由IGBT构成的三相桥式电路逆变成三相交流电供给发电机。此时该发电机工作在电动机状态，可以通过控制变流驱动电路3的SPWM波调节IGBT变流器输出的三相交流电的频率，以使发电机的转速上升，从而拖动柴油机启动到点火转速，实现柴油机的平稳启动。
柴油机启动之后，即可为蓄电池充电。在蓄电池充电时，如图2所示，发电机在柴油机的带动下，工作在发电状态，发出稳定的三相交流电供给变流器。在变流驱动电路3的控制下，变流器将发电机发出的交流电整流成直流电，存储在储能电容C，使储能电容C上具有一定大小的第二中间电压。
如图1所示，在蓄电池充电时，斩波驱动电路2控制第三开关管D3全开放导通工作，第一开关管D1和第二开关管D2处于关断状态，通过控制第四开关管D4的通断进行斩波工作。当第四开关管D4斩波工作时，第二中间电压向隔离变压器T的存储能量，经隔离变压器T降压后通过第二开关管D2中的二极管和储能电感L向蓄电池充电。这样调节控制器送给斩波驱动电路的PWM波占空比从而控制D4不断斩波工作，就实现了第二中间电压斩波降压向蓄电池充电的控制。蓄电池电压Ui的目标值可以通过动态控制驱动第四开关管D4的PWM的占空比进行精确控制，蓄电池电压Ui的控制精度可达到±0.5V以内。并且，通过控制PWM波占空比的上升率来调节蓄电池充电电流的上升率和最大值，从而提高蓄电池的使用寿命。
在柴油机启动及蓄电池充电的过程中，数字信号处理器1可通过采集电路4实时监控柴油机启动状况、柴油机运转状况、蓄电池充电状况、柴油机转速等运行参数，还可以通过斩波驱动电路2实时监控蓄电池电压、斩波电压，并通过变流驱动电路3实时监控发电机的各相电流和电压。利用高性能的数字信号处理器1，并采用比例-积分-微分(PID)控制、智能控制算法，对柴油机启动及蓄电池充电的过程进行精确控制，实现了柴油机启动平稳、蓄电池电压稳定、放电电流平稳和蓄电池电流的精确控制、启动电流冲击保护、减缓机械冲击等功能。
此外，本实施例中，在斩波电路中采用隔离变压器，使三相交流电与蓄电池电压相互作用又相互电气隔离，使系统设计简单可靠，而不需要使用额外的隔离技术实现电气隔离，从而降低了设计成本。
本发明实施例还提供一种内燃机车，包括柴油机、发电机、蓄电池，以及上述实施例提供的柴油机启动与蓄电池充电一体化装置。该发电机可以采用交流辅助发电机，也就可以采用内燃机车中的主发电机。
本发明实施例提供的内燃机车与上述实施例提供的一体化装置具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种柴油机启动与蓄电池充电一体化装置，其特征在于，包括斩波电路、变流器和控制器；
在所述柴油机启动时，所述控制器驱动所述斩波电路，将所述蓄电池的输出电压升压为第一中间电压，所述控制器还驱动所述变流器，将所述第一中间电压逆变为交流电并输出至发电机，使所述发电机工作在电动机状态，以启动所述柴油机；
在所述蓄电池充电时，所述柴油机带动所述发电机发电，所述控制器驱动所述变流器将所述发电机发出的交流电整流为第二中间电压，所述控制器还驱动斩波电路对所述第二中间电压进行降压，并充入所述蓄电池；
所述斩波电路包括储能电感、隔离变压器、储能电容，以及第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管；
所述储能电感、所述第二开关管和所述隔离变压器的原边绕组依次串联在所述蓄电池的正极与负极之间，所述第一开关管的集电极连接于所述储能电感与所述第二开关管之间，所述第一开关管的发射极连接所述蓄电池的负极；
所述隔离变压器的副边绕组与所述储能电容并联，所述第三开关管和所述第四开关管分别串联在所述副边绕组两端。
2.如权利要求1所述的一体化装置，其特征在于，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管和所述第四开关管中，均设置有反并联二极管。
3.如权利要求1或2所述的一体化装置，其特征在于，所述变流器包括三个整流桥臂，每个所述桥臂包括两个串联的IGBT。
4.如权利要求3所述的一体化装置，其特征在于，每个所述IGBT中均设置有反并联二极管。
5.如权利要求1所述的一体化装置，其特征在于，所述控制器中包括数字信号处理器、斩波驱动电路和变流驱动电路；
所述数字信号处理器分别通过所述斩波驱动电路和所述变流驱动电路，对所述斩波电路和所述变流器进行驱动。
6.如权利要求5所述的一体化装置，其特征在于，所述控制器中还包括采集电路，用于将所述柴油机和所述蓄电池的运行参数传输至所述数字信号处理器。
7.一种内燃机车，其特征在于，包括柴油机、发电机、蓄电池，以及如权利要求1至6任一项所述的一体化装置。
8.如权利要求7所述的内燃机车，其特征在于，所述发电机为交流辅助发电机或主发电机。
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