CN104868185A - 一种电力机车电池组工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电力机车电池组工作方法，包括多路高频变压器、高频整流回路及补充充电电路；充电时，充电电流分配到各单体电池的补充充电电路中，分配的充电电流取决于单体电池的电压大小；即单体电池的电压越高得到的充电电流越小，单体电池的电压越低得到的充电电流越大；放电时，补充充电电路将补充电流分配给各单体电池，单体电池的电压下降速度越快得到的补充电流越大，单体电池的电压下降速度越慢得到的补充电流越小。应用本发明的方法，在电池组充电和放电过程中均能大电流无损均衡。最大限度保证各个电池在寿命周期内的一致性，同时在少量电池失效时，整组电池仍能正常工作，并由此大大提升电池组的使用寿命。

Description

一种电力机车电池组工作方法

技术领域

本发明属轨道交通技术领域，具体涉及一种电力机车电池组工作方法。

背景技术

电力机车蓄电池是在串联工作状态下，和谐机车是单个2V共串48个电池。韶山机车是单个1.2V共串74个电池。由于其个体的不一致性，使其存在容量差异，在充放电过程中也会使其容量差异逐渐增大，最终个别电池的寿命提前到期导致整组电池报废。

为解决上述问题，人们进行了大量的工作，主要有以下几种方法：

1、均衡充电：在串联充电时，通过并接在每个电池上的放电回路控制充电电压，使其与其它电池的充电电压一致，保证高容量电池电压不过充的情况下，尽量多为低容量电池充电。

2、电容切换补偿：通过开关网络将电压过高的电池容量转移到电容上，再将电容上的电能通过开关网络转移到低电压电池上。

3、冗余电池切换补偿：每组电池备用一定比例的冗余电池，当发现电压低的电池时，用开关网络用冗余电池取代低电压电池给系统供电。

以上几个模式有多种解决方案，但都有缺陷。

方法1能延长电池寿命，但由于均衡电流有限，且单体电池寿命本身有不确定性，因此只是一种治标不治本的方案，在电池组配容差异较大时并不能解决根本问题，在电池组中少数电池损坏时，整组电池都不能工作。

方法2基本上还是均衡概念，其开关网络复杂，可操作性及成本还不如方 法1。

方法3的优点在于解决了配容差异大也能均衡，个别电池损坏也不影响整组电池工作。其缺点一是要用大量功率器件作开关元件，二是要有一定比例的冗余电池(20％左右)，从而导致整组电池的成本急剧上升，实用性大打折扣。

发明内容

针对以上问题，本发明提供一种电力机车电池组工作方法，在电池组充电和放电过程中均能大电流无损均衡。最大限度保证各个电池在寿命周期内的一致性，提高单体电池的寿命,从而保证成组电池的寿命；同时在少量电池失效时，整组电池仍能正常工作，并由此大大提升电池组的使用寿命。

本发明的技术方案如下：一种电力机车电池组工作方法，包括多路高频变压器、高频整流回路及补充充电电路；充电时，充电电流分配到各单体电池的补充充电电路中，分配的充电电流取决于单体电池的电压大小；即单体电池的电压越高得到的充电电流越小，单体电池的电压越低得到的充电电流越大；

放电时，补充充电电路将补充电流分配给各单体电池，单体电池的电压下降速度越快得到的补充电流越大，单体电池的电压下降速度越慢得到的补充电流越小。

进一步的，充电电流的大小为电池组工作电流的1％-5％。

本发明通过对串联电池组充、放电过程的有效管理，能大大减少单体电池因充、放电不均衡而产生的失效。同时能对因其它原因失效的单体电池采用能量转移的方式进行替代，从而延长整组串联电池组的寿命。

基本工作原理：充电时将部分充电电流分配到各单体补充充电电路中，而补充充电电流的大小是由单体电池电压大小决定，电压越高得到的补充电流越 小，反而电压越低的电池得到补充电流越大，从而保证单体电池能得到均衡充电。

放电时将部分放电电流分配到各单体电池补充充电电路中，放电时容量较小的电池电压会下降较多，补充电路会为其提供较大的补充电流，使其与其它电池电压保持基本一致，极限情况下，某单体电池已经耗尽，此时补充充电电路将为其补充与系统放电电流等额的电流，完全替代本单体电池工作，保证成组电池的输出端电压不受影响，保证本电池不承受反向电压，并保证电池组内其它电池的容量能充分释放。

应用本发明的技术方案，具有以下优点：

1、大大提升充电时均衡充电电流。

传统产品均衡电流约为0.2％x AH数，即50AH电池约为100mA，而生产线出来的电池容量误差为5-10％，经配容之后的误差也在1％左右，因而其均衡电流是不足以补偿其不均衡性的，只能延缓电池因不均衡引起的失效时间。

本技术采用后，均衡电流大幅提升后带来二大优势。一是可全面补偿均衡电流，二是因为均衡电流大，对电池本身生产的容量一致性要求大大降低，从而节省生产成本。

2、大大降低电池在充放电过程中因不均衡充放电引起的失效。

本发明的采用，保障电池的充电和放电过程均有均衡，不但防止了因不均衡充电过程引起电池失效，也防止了因不均衡放电过程引起的电池失效。

3、极大提升成组电池的寿命

本发明的最大优势在于当电池组中有个别电池已经失效时(电池开路情况例外，这种情况很少发生)，本装置能从其它电池中抽取部份能量来代替失效电池工作，从而保证整组电池在端电压正常的状态下继续供电，保证未失效部份 的电池的能量能充分释放。

附图说明

图1是本发明的电路结构示意图

图2是本发明的电路图

具体实施方式

下面结合附图对本发明所述一种电力机车电池组工作方法进行详细说明，

本发明的核心要点是用电力电子技术将部份能量从整组电池抽出补充到容量偏低的电池上，实现成本低，补偿能力强，将成组电池寿命提升到接近单体电池寿命水平。

本发明的电路原理为：整个电路类似于一个开关电源，开关电源的实际输出功率取决于RC2上充电或放电电流的大小。电路按RC2上电流的正负判断电池处于充电、放电和断开三种状态，高频变压器B的N个次级及整流电路要求参数一致性较高，它们的输出电压在相同负载情况下是基本一致的。

充电：充电时，取较小能量(工作电流1-5％)为各单体电池补充能量，当某个单体电池电压较低时，其次级变压器绕组会从初级获取更多能量(补充充电电流增大)。而电压较高的单体电池会取得较平均电流更小的能量。这种结构保证了充电过程各电池的均衡充电，不会导致过充和充电不足的情况出现，从而消除充电不均衡导致电池特性变坏的情况发生。同时这种方法比传统并接放电电路的方法更节省能量，并能为电池提供更大的均衡电流(例于50AH48V电池组1C充电时，传统方法最大均衡电流约为100mA，而本方法最小可提供到4A以上)。

工作原理与工作过程：

主回路：主回路由功率开关电路、多路高频变压器、整流回路及电流检测电路组成。

电路按系统充电或放电电流的大小，按一定比例(一般低于20％)控制开关电源的总体输出功率，经高频变压器后分为N个隔离的补充电源，经整流后分别给各单体电池提供补充电流，这些电源的输出阻抗在设计时要基本保持一致,充电情况下在各单体电池电压相等时，它们从各供电电源所获取的电流是基本一致的。而当电池电压本身差异产生时，电压高的电池将会获得较少甚至得不到补充的充电电流，而电压较低的电池会从变压器获取更大的电流，从而使各电池充电电压得到均衡。放电时，各补充电源在电池电压一致时是均匀为每个单体电池补充的，在某些容量偏低的电池电压下降较快时，其补充电源同理会自动提供更大的补充电流，相反容量偏高的电池将减少得到的补充电流。极限情况下，某单体电池完全损坏时，其补充电源会将足够能量补充到这一节电池，取代本节电池本身，保证整组电池在正常端电压情况下释放出所有的容量。本系统可针对电池批量质量的好坏决定总体输出功率大小，从而达到补偿多个全废单体电池的目的。

调节与驱动电路：

上述电路在均衡充电时提供最大4A均衡电流，在放电时在12.5％的单体电池完全失效时，仍可保障未失效电池的容量正常输出供电。

调节与驱动电路是控制开关电路的开关时间，从而控制整个补充供电系统输出功率的电路，其技术方案有多种成熟方案，不再赘述。

本发明的发明点主要体现在：1、采用高频多路隔离输出变压器作为串联电池组均衡充放电及电池组内单体电池能量转移补偿的BMS电池管理系统方法。

2、采用高频开关电路作为串联电池组均衡充放电及电池组内单体电池能量转移补偿的BMS电池管理系统方法。

以上是对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种电力机车电池组工作方法，其特征在于，包括多路高频变压器、高频整流回路及补充充电电路；充电时，充电电流分配到各单体电池的补充充电电路中，分配的充电电流取决于单体电池的电压大小；即单体电池的电压越高得到的充电电流越小，单体电池的电压越低得到的充电电流越大；

放电时，补充充电电路将补充电流分配给各单体电池，单体电池的电压下降速度越快得到的补充电流越大，单体电池的电压下降速度越慢得到的补充电流越小。

2.根据权利要求1所述的一种电力机车电池组工作方法，其特征在于，充电电流的大小为电池组工作电流的1％-5％。