CN106394568A - 一种仿古游览列车的驱动电路及蓄电池组的选用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种仿古游览列车的驱动电路及蓄电池组的选用方法。驱动电路包括蓄电池组、主控制器和电机控制器；蓄电池组包括二个以上的电池箱，每个电池箱包括熔断保护器、接触器、主板A、主板B、分流器和由五个以上的电池模组组成的电池组。蓄电池的选用方法为通过计算平路、上坡和下坡消耗的能量来计算蓄电池的容量。本发明能更好的保护蓄电池，并对整个驱动电路进行整体性的控制，并且能选择合适的蓄电池。

Description

一种仿古游览列车的驱动电路及蓄电池组的选用方法
技术领域
本发明涉及仿古游览列车的驱动电路及蓄电池组的选用方法。
背景技术
随着科技的不断发展，新的产品层出不穷，传统的、古老的产品已经逐渐的消失，而有些人为了能享受到古老的产品，现有有些企业也在制造一些仿古的产品。
仿古游览列车主要被使用在旅游景区，备受游客的喜欢，因此，现在有些企业在研究此类产品，在中国专利申请号为201320470360.9的专利文献中公开了一种儿童仿古电动小火车，包括自前向后依次布置的：其内装有驱动电机的车头、供驾驶员乘坐的煤水车、以及若干节车厢，所述驱动电机为变频调速三相异步电机，且该变频调速三相异步电机的动力源为铁锂电池，这种儿童仿古电动小火车外形美观，载人量大，能够满足游乐场在客流高峰期的需求。虽然上述小火车也是采用电池进行供电，但不能更好的整体性的控制整个动力系统。另外，电池的选用也是非常的重要，如果电池选用不恰当，则会影响小火车的正常运行。
发明内容
为了更好的保护蓄电池，并对整个驱动电路进行整体性的控制，本发明提供了一种仿古游览列车的驱动电路。
为了选用合适的蓄电池组，本发明提供了一种仿古游览列车蓄电池的选用方法。
为达到上述第一目的，一种仿古游览列车的驱动电路，包括蓄电池组、主控制器和电机控制器；所述的蓄电池组包括二个以上的电池箱，每个电池箱包括熔断保护器、接触器、主板A、主板B、分流器和由五个以上的电池模组组成的电池组；在电池组的正极依次连接有接触器和熔断保护器，在电池组的负极依次连接有分流器和熔断保护器，主板A的一端连接到分流器上，主板A的另一端连接到接触器上，主板B监测电池组的电压、电流和温度；主板A上设有CAN通讯接口，CAN通讯接口的第一路与主控制器连接，CAN通讯接口的第二路与主板B连接，CAN通讯接口的第三路为调试端口；所有的电池箱并联在直流母线上；主控制器控制电机控制器，电机控制器并联在直流母线上。
上述驱动电路，每个电池箱中的主回路电流通过分流器测量并传输到主板A中，电池箱通过主板A与主控制器通讯，主控制器控制电机控制器，提高多个电机控制器的同步性，实现对整个驱动电路进行整体性的控制。主板B采集电池组的电压、电流和温度，并将数据传输到主板A中，一旦电池组中的电压、电流和温度超过了设定值，则主板A控制接触器断开，起到保护电池箱的作用。在每个电池箱中设置了两个熔点保护器，用于保护电池组。
进一步的，电池模组包括60个电池单体，通过10并6串形成电池模组，电池的单体的规格为8.5Ah、2.3V。
进一步的，电池单体为钛酸锂电池单体。
进一步的，在直流母线上连接有制动电阻组件，所述的制动电阻组件包括斩波电路和制动电阻，斩波电路连接在直流母线之间，制动电阻的一端连接在斩波电路上，另一端连接在直流母线的负极上；主控制器通过控制在制动电阻上的能量来保证蓄电池系统不过充。在制动时，主板A通过检测蓄电池电量情况，对电制动产生的能量进行分配，以蓄电池组回收为主，回收不了的能量再通过制动电阻进行耗散，更好的实现能量的回收。另外，主控制器通过控制在制动电阻上的能量来保证蓄电池系统不过充。当整车主控制器送出电制动信号，斩波模块开始工作，当检测到直流母线电压和蓄电池组电压相同时，关闭斩波模块。
进一步的，电机控制器采用美国TI公司的DSP作为主控芯片，使用大功率MOSFET管作为功率器件。在电制动时能够实现能力反馈。
为达到上述第二目的，一种仿古游览列车的蓄电池组选用方法，仿古游览列车从前向后依次由一节车头、一节煤水车和四节车厢组成，在煤水车内设有蓄电池组，由蓄电池组提供动力；仿古游览列车的使用条件为：海拔不超过1000m；环境温度为-10℃～+40℃，月平均最低温度不低于25℃；最大相对湿度90％；年均降雨量1318mm以下；蓄电池组选用方法包括如下步骤：
(1)计算牵引能量W牵，牵引能量W牵包括平路消耗的牵引能量W平、上坡消耗的牵引能量W上坡和下坡消耗的牵引能量W下坡，其中，式中，F为仿古游览列车的阻力，v为仿古游览列车的时速，s为仿古游览列车每段行驶的路程；
上坡消耗的牵引能量W上坡为克服上升的能量W上和水平的能量W水总和；其中，W上＝mgh，式中m为仿古游览列车的总质量，g为10m/s2，h为坡道高度；
则W上坡＝W上+W水；
下坡消耗的牵引能量W下坡＝ηW下，其中，W下＝mgh，式中η为0.2，
牵引能量W牵＝W平+W上坡+W下坡；
(2)计算需要的能量W需，W需＝W牵÷0.98÷0.85；
(3)计算总能量W总，设定辅助设备的耗能为W辅，则W总＝W需+W辅；
(4)考虑到蓄电池组放电能力和安全裕量问题，取安全系数1.3，计算蓄电池组的电容容量C，C＝1.3W总。
进一步的，仿古游览列车的线路要求为：线路全长：12km；线路轨距：762mm；最小曲线半径：100m；最小坡长：100；限制坡度：27.28‰；最小夹直线长度41.45m；每公里平均转角96°06′37″；站内最大坡度5.86％；站内最小曲线半径500m；7-8km处有一停车站点。
进一步的，仿古游览列车的运行条件为：构造速度：25km/h；最大运行速度：12km/h；额定速度：10km/h；最大紧急制动距离：15m。
上述蓄电池选用方法的有益效果是：通过上述方法，根据线路要求，得出最理想的蓄电池容量，这样，不仅不会因容量不够影响正常的运行，而且也不会造成能量的浪费。
附图说明
图1为仿古游览列车的驱动电路的示意图。
图2为电池箱的原理图。
图3为仿古游览列车行驶的线路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步详细说明。
实施例1。
如图1所示，一种仿古游览列车的驱动电路包括蓄电池组1、主控制器和四个电机控制器2。
所述的蓄电池组包括二个以上的电池箱，在本实施例中，以两个电池箱为例进行说明。如图2所示，每个电池箱包括熔断保护器11、接触器12、主板A 13、主板B 14、分流器15和由五个以上的电池模组组成的电池组16，在本实施例中，电池模组包括60个电池单体，通过10并6串形成电池模组，电池的单体的规格为8.5Ah、2.3V，则电池模组规格为13.8V，85Ah，尺寸为625*199*200.5mm，重量为27kg；电池单体为钛酸锂电池单体。在本实施例中，电池组由10组成，每个电池箱规格为69V，170Ah，电量为11.73kWh，外形尺寸为1500*450*1000mm，重量为440kg，每个电池箱自带风扇。在电池组16的正极依次连接有接触器11和熔断保护器12，在电池组16的负极依次连接有分流器15和熔断保护器12，主板A 13的一端连接到分流器15上，主板A 13的另一端连接到接触器11上，以控制接触器11。主板B 14监测电池组16的电压、电流和温度；主板A 13上设有CAN通讯接口，CAN通讯接口的第一路与主控制器连接，CAN通讯接口的第二路与主板B14连接，CAN通讯接口的第三路为调试端口；所有的电池箱并联在直流母线10上；主控制器控制电机控制器2，电机控制器2并联在直流母线10上，每一电机控制器2连接有驱动电机3。电机控制器采用美国TI公司的DSP作为主控芯片，使用大功率MOSFET管作为功率器件。在电制动时能够实现能力反馈。
如图1所示，在直流母线10上连接有制动电阻组件，所述的制动电阻组件包括斩波电路4和制动电阻5，斩波电路4连接在直流母线10之间，制动电阻5的一端连接在斩波电路4上，另一端连接在直流母线10的负极上；主控制器通过控制在制动电阻上的能量来保证蓄电池系统不过充。
上述驱动电路，每个电池箱中的主回路电流通过分流器15测量并传输到主板A 13中，电池箱通过主板A 13与主控制器通讯，主控制器控制电机控制器2，提高多个电机控制器的同步性，实现对整个驱动电路进行整体性的控制。主板B 14采集电池组16的电压、电流和温度，并将数据传输到主板A 13中，一旦电池组16中的电压、电流和温度超过了设定值，则主板A 13控制接触器11断开，起到保护电池箱的作用。在每个电池箱中设置了两个熔点保护器12，用于保护电池组16。在制动时，主板A 13通过检测蓄电池组电量情况，对电制动产生的能量进行分配，以蓄电池组回收为主，回收不了的能量再通过制动电阻进行耗散，更好的实现能量的回收。另外，主控制器通过控制在制动电阻上的能量来保证蓄电池系统不过充。当整车主控制器送出电制动信号，斩波模块开始工作，当检测到直流母线电压和蓄电池组电压相同时，关闭斩波模块。
实施例2。
一种仿古游览列车的蓄电池组选用方法，仿古游览列车从前向后依次由一节车头、一节煤水车和四节车厢组成，在煤水车内设有蓄电池组，由蓄电池组提供动力；仿古游览列车的使用条件为：海拔不超过1000m；环境温度为-10℃～+40℃，月平均最低温度不低于25℃；最大相对湿度90％；年均降雨量1318mm以下；。
仿古游览列车的线路要求为：线路全长：12km；线路轨距：762mm；最小曲线半径：100m；最小坡长：100；限制坡度：27.28‰；最小夹直线长度41.45m；每公里平均转角96°06′37″；站内最大坡度5.86％；站内最小曲线半径500m；7-8km处有一停车站点。
仿古游览列车的运行条件为：构造速度：25km/h；最大运行速度：12km/h；额定速度：10km/h；最大紧急制动距离：15m。
蓄电池组选用方法包括如下步骤：
(1)计算牵引能量W牵，牵引能量W牵包括平路消耗的牵引能量W平、上坡消耗的牵引能量W上坡和下坡消耗的牵引能量W下坡，其中，式中，F为仿古游览列车的阻力，在本实施例中，选用F＝2KN，v为仿古游览列车的时速，在本实施例中选用v＝10km/h，s为仿古游览列车每段行驶的路程。
上坡消耗的牵引能量W上坡为克服上升的能量W上和水平的能量W水总和；其中，W上＝mgh，式中m为仿古游览列车的总质量，在本实施例中，m＝41700kg，g为10m/s2，h为坡道高度；
则W上坡＝W上+W水；
下坡消耗的牵引能量W下坡＝ηW下，其中，W下＝mgh，式中η为0.2，
牵引能量W牵＝W平+W上坡+W下坡；
(2)计算需要的能量W需，W需＝W牵÷0.98÷0.85。
(3)计算总能量W总，设定辅助设备的耗能为W辅，则W总＝W需+W辅。
(4)考虑到蓄电池组放电能力和安全裕量问题，取安全系数1.3，计算蓄电池组的电容容量C，C＝1.3W总。
下面以一具体的线路来说明蓄电池组的选用方法，如图3所示，线路总长为12km，线路从起点到终点依次包括0-4km平路段、4km-5lm上坡段、5km-6km下坡段、6km-8km平路段、8km-9lm上坡段、9km-10.5km下坡段和10.5km-12km平路段。其中，4km-5lm上坡段的坡道为4‰，5km-6km下坡段的坡道为6‰，8km-9lm上坡段的坡道为10‰，9km-10.5km下坡段的坡道为4‰。
在本实施例中，以仿古游览列车时速为10km/h时阻力为2kN的情况下进行计算，能量回收率按20％计算。
(1)计算当仿古游览列车从起到向终点方向运行时的总能量W总。
仿古游览列车在起点站开始启动，启动所需要的能量为：
因此，仿古游览列车在加、减速时消耗的能量比较小，可以忽略不计。
1)从0km处到4km处消耗的能量W平1
2)从4km处到5km处消耗的能量W上坡1
仿古游览列车在上坡时需要的能量分为克服上升和水平的能量总和
W上1＝mgh1＝41.7×1000×9.8×4＝1634640J/3600000＝0.45kWh
W上坡1＝W上1+W水1＝0.45+0.56＝1.01kWh
3)从5km处到6km处产生的能量W下坡1
W下1＝mgh1＝41.7×1000×9.8×6＝2451960J/3600000＝0.68kWh
W下坡1＝ηW下1＝0.2×0.68＝0.136kWh
4)从6km处到8km处消耗的能量W平2
5)从8km处到9km处消耗的能量W上坡2
W上2＝mgh2＝41.7×1000×9.8×10＝4086600J/3600000＝1.14kWh
W上坡2＝W上2+W水2＝1.14+0.56＝1.70kWh
6)从9km处到10.5km处产生的能量W下坡2
W下2＝mgh2＝41.7×1000×9.8×6＝2451960J/3600000＝0.68kWh
W下坡2＝ηW下2＝0.2×0.68＝0.136kWh
7)从10.5km处到12km处消耗的能量W平3
(2)计算当仿古游览列车从终点往起点方向运行的总能量W总。
1)从12km处到10.5km处消耗的能量W平4
2)从10.5km处到9km处消耗的能量W上坡3
仿古游览列车在上坡时需要的能量分为克服上升和水平的能量总和
W上3＝mgh3＝41.7×1000×9.8×6＝2451960J/3600000＝0.68kWh
W上坡3＝W上3+W水3＝0.68+0.83＝1.51kWh
3)从9km处到8km处产生的能量W下坡3
W下3＝mgh3＝43.08×1000×9.8×10＝4221840J/3600000＝1.17kWh
W下坡3＝ηW下3＝0.2×1.17＝0.234kWh
4)从8km处到6km处消耗的能量W平5
5)从6km处到5km处消耗的能量W上坡4
W上4＝mgh4＝41.7×1000×9.8×6＝2451960J/3600000＝0.68kWh
W上坡4＝W上4+W水4＝0.68+0.56＝1.24kWh
6)从5km处到4km处产生的能量W下坡4
W下4＝mgh4＝43.08×1000×9.8×4＝1688736J/3600000＝0.47kWh
W下坡4＝ηW下4＝0.2×0.47＝0.09kWh
7)从4km处到0km处消耗的能量W平6
辅助设备照明灯、广播系统和控制系统按照0.63kW计算，全程耗时1.2小时，耗电为0.756kWh，空压机功率为5.5kW，烟雾发生器功率为1.5kW，全程按照工作5分钟计算，则耗电量为0.58Wh，则辅助设备一趟总的耗电量为1.336kWh。
在能量回收时，按照20％的回收比例计算，则起点到终点单趟牵引所需要总的能量W总＝W平1+W上坡1+W下坡1+W平2+W上坡2+W下坡2+W平3＝7.112kWh，考虑到驱动电机和蓄电池组的转化效率，则需要的能量为7.112÷0.98÷0.85＝8.54kWh。加上辅助设备耗电，则单趟需要消耗的能量为9.876kWh。
同理可有，终点到起点单趟需要消耗的总能量W总＝W平4+W上坡3+W下坡3+W平5+W上坡4+W下坡4+W平6＝7.204kWh，考虑到驱动电机和蓄电池组的转化效率，则需要的能量为7.204÷0.98÷0.85＝8.65kWh。加上辅助设备耗电，则单趟需要消耗的能量为9.986kWh。
综上计算可知，从终点到起点方向运行耗电量大，因此蓄电池组的能量至少为9.876kWh。则单程总的用电量为9.876kWh，考虑到蓄电池组放电能力和安全裕量问题，取安全系数1.3，通过计算，电容容量选12.85kWh。
通过上述方法，根据线路要求，得出最理想的蓄电池容量，这样，不仅不会因容量不够影响正常的运行，而且也不会造成能量的浪费。

Claims (8)

1.一种仿古游览列车的驱动电路，包括蓄电池组、主控制器和电机控制器；其特征在于：所述的蓄电池组包括二个以上的电池箱，每个电池箱包括熔断保护器、接触器、主板A、主板B、分流器和由五个以上的电池模组组成的电池组；在电池组的正极依次连接有接触器和熔断保护器，在电池组的负极依次连接有分流器和熔断保护器，主板A的一端连接到分流器上，主板A的另一端连接到接触器上，主板B监测电池组的电压、电流和温度；主板A上设有CAN通讯接口，CAN通讯接口的第一路与主控制器连接，CAN通讯接口的第二路与主板B连接，CAN通讯接口的第三路为调试端口；所有的电池箱并联在直流母线上；主控制器控制电机控制器，电机控制器并联在直流母线上。
2.根据权利要求1所述的仿古游览列车的驱动电路，其特征在于：电池模组包括60个电池单体，通过10并6串形成电池模组，电池的单体的规格为8.5Ah、2.3V。
3.根据权利要求2所述的仿古游览列车的驱动电路，其特征在于：电池单体为钛酸锂电池单体。
4.根据权利要求1所述的仿古游览列车的驱动电路，其特征在于：在直流母线上连接有制动电阻组件，所述的制动电阻组件包括斩波电路和制动电阻，斩波电路连接在直流母线之间，制动电阻的一端连接在斩波电路上，另一端连接在直流母线的负极上；主控制器通过控制在制动电阻上的能量来保证蓄电池系统不过充。
5.根据权利要求1所述的仿古游览列车的驱动电路，其特征在于：电机控制器采用美国TI公司的DSP作为主控芯片，使用大功率MOSFET管作为功率器件。
6.一种仿古游览列车的蓄电池组选用方法，其特征在于：仿古游览列车从前向后依次由一节车头、一节煤水车和四节车厢组成，在煤水车内设有蓄电池组，由蓄电池组提供动力；仿古游览列车的使用条件为：海拔不超过1000m；环境温度为-10℃～+40℃，月平均最低温度不低于25℃；最大相对湿度90％；年均降雨量1318mm以下；蓄电池组选用方法包括如下步骤：
(1)计算牵引能量W牵，牵引能量W牵包括平路消耗的牵引能量W平、上坡消耗的牵引能量W上坡和下坡消耗的牵引能量W下坡，其中，式中，F为仿古游览列车的阻力，v为仿古游览列车的时速，s为仿古游览列车每段行驶的路程；
上坡消耗的牵引能量W上坡为克服上升的能量W上和水平的能量W水总和；其中，W上＝mgh，式中m为仿古游览列车的总质量，g为10m/s2，h为坡道高度；
则W上坡＝W上+W水；
下坡消耗的牵引能量W下坡＝ηW下，其中，W下＝mgh，式中η为0.2，
牵引能量W牵＝W平+W上坡+W下坡；
(2)计算需要的能量W需，W需＝W牵÷0.98÷0.85；
(3)计算总能量W总，设定辅助设备的耗能为W辅，则W总＝W需+W辅；
(4)考虑到蓄电池组放电能力和安全裕量问题，取安全系数1.3，计算蓄电池组的电容容量C，C＝1.3W总。
7.根据权利要求6所述的仿古游览列车的蓄电池组选用方法，其特征在于：仿古游览列车的线路要求为：线路全长：12km；线路轨距：762mm；最小曲线半径：100m；最小坡长：100；限制坡度：27.28‰；最小夹直线长度41.45m；每公里平均转角96°06′37″；站内最大坡度5.86％；站内最小曲线半径500m；7-8km处有一停车站点。
8.根据权利要求6所述的仿古游览列车的蓄电池组选用方法，其特征在于：仿古游览列车的运行条件为：构造速度：25km/h；最大运行速度：12km/h；额定速度：10km/h；最大紧急制动距离：15m。
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