CN105186675A - 电力机车备用电源系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电力机车备用电源系统，包括：输入/输出隔离开关、控制管理单元、锂电池组、锂电池充放电管理单元、3AC逆变电源单元、DC110V逆变电源单元、牵车单元；所述控制管理单元与其他各单元电连接；本发明可以满足在开天窗期间司机正常生活用电需求，在紧急情况下，满足开天窗期间机车制动紧急补风要求，满足驱动机车单机运行不小于1000m的距离，实现电力机车自行移车功能，极大地提高了检修人员的安全性和移车操作方便程度，节约了接触网隔离设备的投资，提供检修效率。

Description

电力机车备用电源系统

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备用电源系统。

背景技术

随着国民经济的高速发展，对铁路运输提出了越来越高的要求。铁路运输部门采取加大单列编组的牵引吨位、减少列车间隔时间加大行车密度以提高线路的通过能力等措施，而这些措施不可避免的加快了线路和接触网的损耗，使线路开天窗检修接触网的工作越来越频繁。

在线路上运行的电力机车在开天窗期间，电力机车无法从接触网获取电能。在严冬和酷暑的季节，司机往往使用机车本身自带的蓄电池给司机室加热或降温。而电力机车自带的蓄电池原本是设计用于机车控制系统，容量偏小，特别是目前使用的和谐机车对蓄电池电量的需求更大。因此，目前电力机车170AH的铅酸蓄电池一无法满足机车只有的要求，与目前铁总的以人为本，改善司机操作环境的要求相违背。司机在开天窗期间为保证基本的生活需求，往往会造成机车蓄电池亏电，使接触网有电时切无法升弓，从而造成机破事故频发。为了提升司机的作业环境和减少由于电力机车控制电源蓄电池亏电而造成的机故，急需一种能在无接触网压条件下应急提供电源的方法和装备。

在长大坡道线路上运行的电力机车在开天窗期间，一旦车辆制动风压下降，极易造成严重的安全事故。目前急需一种在紧急情况下能为电力机车紧急补风的装置和方法。

现有的交流移车作业极为不便，作业效率低等不足。移车作业需要连接线较多接线繁琐且不安全，或需要公铁两用车来移车。为提高检修和整备的作业效率，提升机车周转使用效率，急需一种安全、简便、高效的移车作业方法和装备。

发明内容

针对以上问题，根据铁路一线使用部门的需求，本发明特提出一种电力机车备用电源解决方案，以满足上述条件下为电力机车提供备份电源。

本发明的技术方案如下：一种电力机车备用电源系统，包括：输入/输出隔离开关、控制管理单元、锂电池组、锂电池充放电管理单元、3AC逆变电源单元、DC110V逆变电源单元、牵车单元；所述控制管理单元与其他各单元电连接；

其中输入/输出隔离开关用于在电力机车备用电源系统发生故障时，与机车隔离，避免由于机车备用电源系统自身的故障而给机车带来的安全隐患。

其中控制管理单元用于控制和监测整个备用电源系统的各个单元的工作。同时通过机车信息网络，将机车备用电源系统的各种信息传送至机车信息集中显示系统CTU上，供司机及时查看和了解备用电源的工作状态，同时将备用电源系统信息在CTU系统上存储。

其中锂电池充放电管理单元用于为系统提供锂电池组电能和为锂电池充电/放电进行管理控制。

其中3AC逆变电源单元在无接触网状态下，为机车的压缩机、卫生间、空调提供三相AC440V电源和司机室用三相AC230V电源。

其中DC110V逆变电源单元在无接触网状态下，为机车备用电源系统供电的设备提供DC110V控制电源。

其中牵车单元为电力机车提供短距离的自行完成移车作业功能。

进一步的，所述控制管理单元内部包括功率开关电路、多路高频变压器、整流回路、单片机、通讯总线协议RS485，并与液晶显示屏连接，用于显示各模块单元的运行参数及信息。

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。

进一步的，所述锂电池组由32节电池串接组成；所述锂电池为磷酸铁锂电池，额定节电压为3.2V，终止放电电压为2.5V；

进一步的，所述3AC逆变电源单元包括3AC440V逆变器，3AC440V逆变器输出通过隔离转换开关直接与风机压缩机连接，为机车压缩机补风提供应急电源；3AC440V逆变器另一路输出通过3AC230V变压器及输出切换模块与司机室用电设备连接，为司机室内供电；

进一步的，所述DC110V逆变电源单元包括DC110V电源控制单元、EMI滤波模块、输出滤波环节。

进一步的，所述牵车单元包括直流斩波模块和隔离转换开关，由于本系统配备大容量动力锂电池组，在增加低频斩波装置后，可利用新增的蓄电池组实现无网牵车功能。在单机状态下，只需不到50KW的功率即可驱动一台交流牵引电机，实现无网压短距离移车功能。由于磷酸铁锂电池具有较大的放电倍率，可在5C的放电倍率下放电45S以上，即TSHP-1型备用电源系统的锂电池组可提供2000A的瞬时放电电流。当机车起动后，牵引电机的驱动电流和功率降至不足20KW。因此，在增加一套低频斩波装置后，可利用本系统新增的蓄电池组实现无网牵车功能。极大地提高了检修人员的安全性和移车操作方便程度，提供检修效率。

进一步的，所述锂电池充放电管理单元内部包括BMS(BATTERYMANAGEMENTSYSTEM)模块，通过BMS获取单体电池的工作状态，

进一步的，所述BMS模块用于对电池柜的单体电池进行单体电压、温度的监控并将本节电池的参数上传给电池管理模块。当单体电压超过3.6V时，BMS模块将告警信息通知电池管理模块并启动过压单节电池放电程序。

应用本发明的效果如下：

1)满足在开天窗期间(最长4个小时)司机正常生活用电需求。

在线路开天窗期间，司机可通过本备用电源装置为司机室提供4个小时的加热或空调降温的电源，同时为司机的生活提供单相AC230V电源。在严冬期间，还能为司机的卫生间提供辅助加热功能。

2)在紧急情况下，满足开天窗期间机车制动紧急补风要求(只运行一台压缩机，单台压缩机30KW最长工作时间30min，其它用电设备必须关闭)。

通过本装置的三相逆变器，将蓄电池的电能转换成三相交流电源，从而驱动机车的一台压缩机工作，为机车的总风缸补风。

3)在备用电源系统蓄电池额定容量下，满足驱动机车单机运行不小于1000m的距离。

本装置配备低频斩波装置，可利用本系统的蓄电池组能量实现电力机车自行移车功能。采用大功率IGBT器件，高效地SPWM直流斩波技术，将锂电池组的低压直流电能斩波成三相脉动的交流电源，以驱动牵引电机实现动车作业。极大地提高了检修人员的安全性和移车操作方便程度，节约了接触网隔离设备的投资，提供检修效率。

4)备用电源系统能实时监测机车控制电源蓄电池组状态和系统自身的蓄电池组状态，并将监测的结果数据传送到CTU系统，供机车信息集中显示要求。

本装置的蓄电池监视功能使司机、机车检修、管理人员更有效地及时了解机车蓄电池状态，减少由于机车蓄电池的亏电而造成的机故的概率。

5)司机生活用电源系统，与机车控制系统电源系统相互独立，司机用生活电源系统不对机车原有的控制电源系统产生影响。

在机车正常运行中，机车备用电源系统只是给本系统的蓄电池组充电，同时监视机车控制蓄电池组和备用电源蓄电池组的状态。装置补参与机车控制，一旦本装置的发生故障，可通过输入隔离开关将备用电源装置和机车的辅助回路隔离。

6)考虑到机车的空间限制，系统采用磷酸铁锂电池。电池组容量留出部分冗余，确保4小时的生活用电量。

附图说明

图1是本发明的3AC逆变电源单元示意图

图2是本发明的DC110V逆变电源单元示意图

图3是本发明的牵车单元示意图

图4是本发明的控制管理单元示意图

图5是本发明的锂电池充放电管理单元示意图

图6是本发明的锂电池BMS原理框图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的电力机车备用电源系统做进一步说明。以TSHP-1型电力机车为例设计备用电源系统，

1、TSHP-1型电力机车备用电源系统锂电池组设计

与传统的铅酸电池相比，锂离子电池具有能量密度高、体积小、质量轻、寿命长(使用寿命是铅酸电池的3倍以上)、使用温度范围宽等优势，尤其是以磷酸铁锂为正极材料的磷酸铁锂电池综合优势更加突出。但过充对锂电池的危害极大，因此本系统增加对锂电池组的充放电管理装置，以提高锂电池组的状态容量和使用寿命。

本系统采用动力用磷酸铁锂电池，动力用磷酸铁锂电池(以中航锂电为例，选400AH的磷酸铁锂电池)额定节电压为3.2V，终止放电电压为2.5V。为达到高于DC96V的额定电池使用电压，电池组由32节电池串接组成。容量计算如下：功率需求：10KW/h；总电池须提供的电量：＝10KWx4＝40KW.h

电池组平均电压：100V(电池在3.10V后其容量只剩余15％左右。选取400AH的电池，按0.25C倍率放电,即4小时放电完全,单节放电电流为100A)

装置要求提供的放电电流：10KW/100V＝100A

蓄电池组需求容量：(10KW/100V)X4＝400A.h

因此蓄电池组应采用32节串接的400AH锂电池1组。

2、TSHP-1型电力机车备用电源系统三相逆变单元设计

2.13AC逆变单元介绍

3AC逆变模块：主要用于卫生间的冬季加热、空调用电以及司机室用电提供3AC440V电源,和司机使用3AC230V生活用电源，在紧急情况下为机车压缩机补风提供应急3AC440V电源。3AC逆变模块的结构如下：

2.23AC逆变单元技术参数

输入电压：DC96V-DC120V(依据系统磷酸铁锂电池组的电压)

输出电压：3相AC440V±5％(高频SPWM脉宽调制)

最大输出功率：30KW

输出电源频率：50Hz

工作温度：-20℃～+65℃

装置保护功能：输入欠压、输出过流/过压保护、过热保护、输出缺相保护。

相对湿度：0-95％不结露。

3、TSHP-1型电力机车备用电源系统DC110V单元设计

DC110V电源模块：用于为司机室照明、卫生间控制单元、冷藏箱提供电源和在紧急情况下为压缩机控制系统提供电源。

4、TSHP-1型电力机车备用电源系统牵车单元设计

4.1牵车单元可行性

由于本系统配备大容量动力锂电池组，在增加低频斩波装置后，可利用新增的蓄电池组实现无网牵车功能。在单机状态下，只需不到50KW的功率即可驱动一台交流牵引电机，实现无网压短距离移车功能。由于磷酸铁锂电池具有较大的放电倍率，可在5C的放电倍率下放电45S以上，即TSHP-1型备用电源系统的锂电池组可提供2000A的瞬时放电电流。当机车起动后，牵引电机的驱动电流和功率降至不足20KW。

因此，在增加一套低频斩波装置后，完全可利用本系统新增的蓄电池组实现无网牵车功能。极大地提高了检修人员的安全性和移车操作方便程度，提供检修效率。

4.2牵车单元原理

充分利用了本系统配备的新增锂电池组的能量，实现单机自主、不需依赖地面设备的移车功能。移车作业的工作环境大为改善，原移车作业需要连接线较多且接线繁琐，或需要公铁两用车来移车，提高了检修和整备的作业效率，极大地节约生产成本；减轻了人员劳动强度，由原来的多人配合作业，转变成了一人可独立轻松地完成移车作业。移车作业的安全性能大为提高，本装置固定安装在机车内部，无需任何拖动的设备和电缆联接作业，避免其它移车作业方式可能产生的危险。

4.3技术参数

输入电压：DC96V-DC120V(依据系统磷酸铁锂电池组的电压)

输出电压：3相AC75V±5％(直流高频斩波方式)

最大输出功率：50KW

工作频率：1.0Hz-2.5Hz(调节步长0.5Hz)

工作温度：-20℃～+65℃

装置保护功能：输出过流保护、缺相保护、隔离转换开关报警。

相对湿度：0-95％不结露。

5、TSHP-1型电力机车备用电源系统管理单元设计

5.1管理单元设计要求：

①能监控整个备用电源系统的工作状况。

②能实现对机车原有的铅酸蓄电池的监测和系统自身的锂电池组的充电、放电、浮充及休眠的全面状态控制。具备功能全面的监控系统，对电池的电压、电流、温度、容量、工作状态等进行监控，并将机车原有的铅酸蓄电池组和系统自身的锂电池组的状态信息在装置的显示屏上显示和保存。

③能实现对系统的输入/输出隔离开关的监测、机车网压信号采集，司机室环境温度的信号采集等功能。

④能实现对系统的3AC逆变单元的运行参数进行监测，并能根据环境变化调整逆变器的输出，以达到节约减少能耗的目的。

⑤能实现对系统的DC110V逆变单元的运行参数进行监测。

⑥能将系统的实时运行参数在装置的显示屏上显示和保存。

⑦监测管理系统必须能满足机车的使用环境要求，系统应具有良好的电磁兼容性。

5.2系统管理单元设计

管理模块在线监测和显示充电输入模块运行参数及状态,放电输出模块的运行参数及状态,蓄电池组的工作状态，3AC逆变单元和DC110V单元的运行参数及状态，以及系统所关心的其它外部参数及数据。

单元模块主要技术参数：

①输入电源电压：DC77V～DC144V(取自机车控制系统电源)

②5寸液晶显示屏，用于显示各模块单元的运行参数及信息。

③通讯总线协议:RS485，

④电气绝缘强度：电源输入端对机壳施加AC5000V无击穿闪络现象，其它输入输出对机壳施加AC1500V无击穿闪络现象，

⑤工作温度：-20℃～+70℃

⑥相对湿度：0-95％不结露。

5.3蓄电池组管理模块

电池管理单元对电池柜的电池进行充(放)电监控，电池组充(放)电电流、电压监控，监控电池组的电压和单体电压、温度等参数。

模块主要技术参数：

1、输入电压：DC77-DC144V

2、充电限压：DC115V(单体电池电压3.6V)

3、充电限流：最大充电电流35A

4、与BMS通讯，管理BMS和获取单体电池的工作状态。

5、与电源管理单元通讯，将电池的状态上传给电源管理单元，通讯总线协议:RS485

6、电气绝缘强度：电源输入端对机壳施加AC1500V无击穿闪络现象，其它输入输出对机壳施加AC750V无击穿闪络现象，

7、当蓄电池处于过放状态时，模块可切除蓄电池的输出，需要强制用电时，可闭合强制送电开关，给机车短时供电。此项操作能被电池管理模块所记录。

5.4BMS模块

BMS模块用于对电池柜的单体电池进行单体电压、温度的监控并将本节电池的参数上传给电池管理模块。当单体电压超过3.6V时，BMS模块将告警信息通知电池管理模块并启动过压单节电池放电程序，模块主要技术参数：

1、输入电压：DC24V。

2、均衡放电阀值：DC3.6V+0.05V(根据电池组各个单节电压调整放电阀值)

3、最大均衡电流：3A，均衡终止阀值：DC3.5-0.1V。

4、与管理模块通讯，将电池的电压、温度和工作状态上传给管理模块。

5、放电欠压保护电压：DC88V

6、当某个模块发生故障时，不得影响其它模块的正常工作。

7、BMS模块与被监测的锂电池的电气连接须采用高阻抗联接，且不得对锂电池产生影响和从锂电池取电。

8、安装位置：在每节锂电池顶部

9、电气绝缘强度：输入/输出端对机壳施加AC1500V无击穿闪络现象。

TSHP-1型电力机车备用电源系统节能优化：

优化调整司机室的加热功能，提高司机室加热效率；

在司机室增加室内环境温度传感器，根据实际需要调整司机室加热量，保证司机室环境的前提下尽量降低系统的输出功率，以延长电池工作时间。

夏天空调制冷状态所消耗的功率小于司机室电加热功率的在功率需求，因此在设计中只考虑严冬时期的司机室所消耗的电加热功率。

将AC440V的三相电降压至AC330V，将加热装置的功率降低至额定功率的75％。

卫生间的加热采用分时断续加热方式，增加卫生间阀体和水箱的温度传感器，在保证卫生间阀体和水箱不产生结冰的前提下，根据实际需求对卫生间进行加热，可进一步减低系统能耗。

卫生间的用电，在卫生间门处安装感应开关，只有当需要使用时，系统才会为卫生间提供工作电源，也可进一步降低系统的功率输出需求。

在机车需要紧急补风时，备用电源的其它用电设备将关闭以保证制动补风能正常操作。

司机室其它用电设备保证分别开启，在减少系统的瞬时功率输出。司机室内的电压插座和微波炉插座的电源采用互锁的输出逻辑，每次只允许一个插座使用。

电力机车备用电源结构与安装

本系统采用模块化结构设计，安装在统一的柜体中，由柜体与车体可靠固定。模块在安装在柜体的相应槽位，所有的模块联接控制电缆和动力电缆通过模块后部的进口大电流快速连接器与柜体和机车相同联接。所有的模块可快速更换，利于快速维修。

柜体可安装在神八机车合适的位置，控制柜体的具体结构和尺寸可根据机车实际剩余空间来调整。

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 (3)

1.一种电力机车备用电源系统，其特征在于，包括：输入/输出隔离开关、控制管理单元、锂电池组、锂电池充放电管理单元、3AC逆变电源单元、DC110V逆变电源单元、牵车单元；所述控制管理单元与其他各单元电连接；

其中输入/输出隔离开关用于在电力机车备用电源系统发生故障时，与机车隔离，避免由于机车备用电源系统自身的故障而给机车带来的安全隐患；

其中控制管理单元用于控制和监测整个备用电源系统的各个单元的工作，同时通过机车信息网络，将机车备用电源系统的各种信息传送至机车信息集中显示系统CTU上，供司机及时查看和了解备用电源的工作状态，同时将备用电源系统信息在CTU系统上存储；

其中锂电池充放电管理单元用于为系统提供锂电池组电能和为锂电池充电/放电进行管理控制；

其中3AC逆变电源单元在无接触网状态下，为机车的压缩机、卫生间、空调提供三相AC440V电源和司机室用三相AC230V电源；

其中DC110V逆变电源单元在无接触网状态下，为机车备用电源系统供电的设备提供DC110V控制电源；

其中牵车单元为电力机车提供短距离的自行完成移车作业功能。

2.根据权利要求1所述的一种电力机车备用电源系统，其特征在于，

所述控制管理单元内部包括功率开关电路、多路高频变压器、整流回路、单片机、通讯总线协议RS485，并与液晶显示屏连接，用于显示各模块单元的运行参数信息；

所述锂电池组由32节电池串接组成；所述锂电池为磷酸铁锂电池，额定节电压为3.2V，终止放电电压为2.5V；所述管理单元内部包括单片机、单节电池的采样及充放电管理、RS485通讯总线协议，并与液晶显示屏连接，用于显示各单节电池的电压、剩余电量等参数；

所述3AC逆变电源单元包括3AC440V逆变器，3AC440V逆变器输出通过隔离转换开关直接与风机压缩机连接，为机车压缩机补风提供应急电源；3AC440V逆变器另一路输出通过3AC230V变压器及输出切换模块与司机室用电设备连接，为司机室内供电；

所述DC110V逆变电源单元包括DC110V电源控制单元、EMI滤波模块、升压模块、输出滤波环节；

所述牵车单元包括直流斩波模块和隔离转换开关；

所述锂电池充放电管理单元内部包括BMS模块，通过BMS获取单体电池的工作状态。

3.根据权利要求2所述的一种电力机车备用电源系统，其特征在于，所述BMS模块用于对电池柜的单体电池进行单体电压、电量、温度的监控并将本节电池的参数上传给电池管理模块。当单体电压超过3.6V时，BMS模块将告警信息通知电池管理模块并启动过压单节电池放电程序。