CN106849306A - 一种用于列车的自供电电源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于列车的自供电电源，包括控制器、蓄电池和至少一条自发电供电支路；每一条自发电供电支路包括依次串联的发电模块、整流器和DC/DC变换单元；发电模块与车轴相连，由车轴的驱动产生交流电；DC/DC变换单元的输出端和蓄电池均与直流母线相接；直流母线为控制器供电；DC/DC变换单元受控于控制器。该用于列车的自供电电源结构紧凑，易于实施，无需外接电源即可为列车的负载供电。

Description

一种用于列车的自供电电源
技术领域
本发明属于电子技术领域，涉及一种用于列车的自供电电源。
背景技术
随着市场经济的发展，铁路、公路、水路、航空等运输日益发展，四大运输领域的竞争也越来越激烈，铁路货运受到了前所未有的挑战，为适应市场竞争和铁路总公司货运改革的要求，铁路列车车载动态安全监控设备、电子防滑器等被提出。然而，长期以来，由于铁路列车不断拆解编组，机车上的电能无法有效的传送到每节列车上，因此除机车外的其它车厢和转向架普遍没有电源，这一现状导致了列车车载动态安全监控设备、电子防滑器、通讯设备及照明等用电设备不方便被使用。近年来，由于太阳能、风能、蓄电池和其他电源的开发，列车的供电问题将得到逐步解决。
现有的列车车载电源装置有安装蓄电池、太阳能电池、压缩空气发电装置、振动发电装置、风力发电、皮带轮传动轴端发电装置、轴端盘式永磁发电装置、轴端径向发电装置、轴承发电装置等多种方案。安装蓄电池供电的方式操作简单，供电质量好，但由于蓄电池容量有限，不能长期提供安全可靠的电源；太阳能电池受气候和运行时段的影响，不能长期提供安全可靠的电源；压缩空气发电装置是利用列车的气动刹车系统的压缩空气发电，由于气动刹车系统的工作是间断的，且间断时间不确定，这将导致发电量不能满足列车用电设备的需要；振动发电技术受压电材料限制，且输出功率太低，不能满足列车用电设备的需要；恶劣的作业条件限制了风力发电装置在列车上的使用；皮带轮传动轴端发电装置、轴端盘式永磁发电装置、轴端径向发电装置和轴承发电装置均利用列车车轴旋转的机械能转换为电能，其共同特点是由车轴的旋转速度决定发电量，在列车运行过程中可以实现连续发电，能为用电设备提供足够功率的电能。
由于皮带轮传动轴端发电装置、轴端盘式永磁发电装置、轴端径向发电装置和轴承发电装置采用了同步发电机或异步发电机发电，根据发电机的原理，同步发电机或异步发电机发出的电压随着列车运行速度的变化而变化，且电压的频率也是变化的，因此，发电机发出的电能不能直接被用电设备使用，为了给列车用电负载提供安全可靠的电源，发电机发出的电能必须经过一系列的变换才能被负载使用。
综上所述，如何能够利用列车车轴的机械能发电，实现对列车(尤其对货运列车)长时间提供稳定、可靠的电源是列车电源系统领域亟待解决的技术问题。
因此，有必要设计一种用于列车的自供电电源。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于列车的自供电电源，该用于列车的自供电电源结构紧凑，易于实施，无需外接电源即可为列车的负载供电。
发明的技术解决方案如下：
一种用于列车的自供电电源，包括控制器、蓄电池和至少一条自发电供电支路；每一条自发电供电支路包括依次串联的发电模块、整流器和DC/DC变换单元；发电模块与车轴相连，由车轴的驱动产生交流电；
DC/DC变换单元的输出端和蓄电池均与直流母线相接；
直流母线为控制器供电；
DC/DC变换单元受控于控制器。
自发电供电支路为多条；多条自发电供电支路的输出端与直流母线相连；多条自发电供电支路的发电模块分别对应与多个不同的车轴相连。
直流母线为24V直流母线。
直流母线还接有DC/DCO变换单元；DC/DCO变换单元用于输出5V和12V电压；DC/DCO变换单元为直流/直流变换输出单元。输出5V电压可以采用7805芯片，或采用ME6119A5.0PG芯片，或采用如图3所述的电路。
蓄电池通过充/放电双向切换模块与直流母线相连。
所述的用于列车的自供电电源还包括控制器启动电源控制电路；控制器启动电源控制电路受控于控制器且用于为控制器供电；控制器启动电源控制电路由某一条自发电供电支路的整流器的输出端Ud1供电。
控制器启动电源控制电路包括接触器KM、晶闸管SCR、NPN型的三极管T和稳压二极管DZ；
各器件的连接关系如下：
(1)直流母线经接触器KM的线圈接晶闸管SCR的阳极，晶闸管SCR阴极接地；晶闸管SCR的触发端接控制器的一个输出端口；
(2)某一条自发电供电支路的整流器的输出端Ud1(也可以是Ud2等)经接触器KM的常闭开关接三极管T的c极；三极管T的e极接控制器的供电端(可以是多个供电端的一端)；三极管T的c极和e极之间跨接有电阻R；R是DZ的保护电阻，限制通过DZ的电流，起保护稳压管的作用，比如可以采用100欧姆，或1k欧姆，或根据稳压二极管DZ的最大容许电流计算器阻值；三极管T的b极接稳压二极管DZ的阴极；稳压二极管DZ的阳极接地。
发电机为皮带轮传动轴端发电装置、轴端盘式永磁发电装置、轴端径向发电装置和轴承发电装置中的任一种。还可以在上述发电装置的基础上再采用微型风力发电机，列车开动时，风力发电机工作产生电能也能为系统供电。
整流器包括整流电路及滤波电路；整流电路为三相桥式不可控整流电路或单相桥式不可控整流电路。根据轴承发电机或传动机构带动的发电机或风力发电机是三相发电机还是单相发电机，每个整流器相应的采用三相桥式不可控整流电路或单相桥式不可控整流电路。
DC/DC变换单元采用全控型开关器件组成的电力电子电路。
供电电源还包括连接控制器的电压检测电路，用于检测蓄电池电压，母线电压等。
一种用于列车的自供电方法，
控制器的供电线路有3条：
(1)由直流母线供电；
(2)由蓄电池供电；
(3)由控制器启动电源控制电路供电；
通过切换电路(如继电器或接触器实现切换，为现有成熟技术)实现切换。
控制方法如下：
步骤1：在列车启动瞬间，蓄电池给控制器提供工作电源；控制器如果检测到蓄电池电压低于第一预设值(如20V)；则转到步骤2；控制器如果检测到直流母线输出电压达到第二预设值(如24V)；则转到步骤3；
步骤2：由控制器启动电源单元为控制器供电；若控制器检测到直流母线输出电压达到第二预设值(如24V)，则控制器向晶闸管SCR的触发端发送高电平信号或脉冲；使得接触器KM动作，断开Ud1的供电支路，转到步骤3；
步骤3：由直流母线给控制器提供24V直流电源。
所述的控制器为PLC或DSP等。
对于充/放电双向切换模块的控制：
(1)当直流母线电压低于第二预设值(如24V)，则接通充/放电双向切换模块的放电支路，使得蓄电池放电，为负载提供电能；
(2)当直流母线电压达到或高于第二预设值(如24V)，且蓄电池电压低于第二预设值(如24V)；则接通充/放电双向切换模块的充电支路，为蓄电池充电，直到蓄电池充满。
本发明的电源系统包括：发电单元、整流器单元、DC/DC变换单元(即直流/直流变换单元)、控制器、充/放电双向切换模块、蓄电池、DC/DCO变换单元(即直流/直流变换输出单元)、控制器启动电源单元。
所述发电单元由n个发电模块组成，每个发电模块分别与列车车轴连接，利用轴承发电机或传动机构带动的发电机发出交流电，所发出交流电的电压大小和频率均随列车速度变化而变化，实现将车轴的部分机械能转换为电能并传递给整流器单元。
所述整流器单元由n个整流器组成，根据轴承发电机或传动机构带动的发电机是三相发电机还是单相发电机，每个整流器相应的采用三相桥式不可控整流电路或单相桥式不可控整流电路，整流输出电压采用电容滤波，将发电单元发出的交流电转化为直流电，该直流电压随着列车速度变化而变化。
所述DC/DC变换单元由n个DC/DC模块组成，各个DC/DC模块采用升降压斩波电路，当列车车速比较低时，所发出的电压经不可控整流电路输出电压低于24V，采用升压控制模式，当列车车速增加，所发出的电压经过不可控整流电路输出电压高于24V，采用降压控制模式。各个DC/DC模块的升降压斩波电路采用全控型开关器件组成的电力电子电路，完成电压转换，使得输入的随着列车速度改变的直流电压转换为稳定的直流电压输出，且输出电压恒定为24V。
所述控制器实现对DC/DC变换单元、充/放电双向切换模块、DC/DCO变换单元以及控制器启动电源单元内的可控硅SCR的控制，并检测蓄电池的充/放电电流和端电压，检测24Vdc直流母线上的电流。
所述控制器对DC/DC变换单元进行控制，即控制各个DC/DC模块的全控型开关器件，同时检测各个DC/DC模块的输出电压，用于作为恒压控制的电压反馈，确保各个DC/DC模块输出电压恒定为24V，同时确保24Vdc直流母线的电压为24V。
所述充/放电双向切换模块实现蓄电池的充/放电双向切换功能，当系统发电功率大于列车用电负载总功率时，对蓄电池进行充电，当系统发电功率低于列车用电负载总功率时，蓄电池放电。
所述控制器检测24Vdc直流母线上的电流，计算系统发电功率，用于确定对蓄电池充/放电控制，控制器相应的做出对充/放电双向切换模块的控制。
所述控制器检测蓄电池的充/放电电流和端电压，用于实现对蓄电池的恒压/恒流充/放电控制以及停止充/放电运行控制，估算蓄电池储存的电能。
所述蓄电池把多余的电能存储，以备短时间停车时为列车提供电源，在列车启动时为控制器提供启动电源。
所述DC/DCO变换单元与24Vdc直流母线相连，DC/DCO变换单元采用两个Buck降压斩波电路，控制器对DC/DCO变换单元的Buck降压斩波电路进行控制，将24V直流电压转换为12V和5V输出。
所述控制器启动电源单元为控制器提供启动电源，在列车启动时，如果蓄电池存储的电能不够，直接利用整流器单元输出的直流电压，该直流电压经稳压二极管DZ和三极管T组成的稳压电路给控制器提供电源，由于列车启动瞬间整流器单元输出的直流电压比较低，但随着车速的增加，整流器单元输出直流电压增加，一旦稳压电路输出直流电压达到启动控制器工作的电压值，控制器开始工作，DC/DC变换单元进入工作状态，车速继续增加并趋于平稳运行时，DC/DC变换单元输出稳定的24V直流电压，整个电源系统正常运行，此时控制器可以直接使用24Vdc直流母线上的电压作为工作电源，控制器发出信号使可控硅SCR导通，继电器KM的线圈得电，继电器KM的常闭触点断开，断开控制器启动电源单元的输入电源，保护稳压电路。
所述发电单元的n个发电模块分别与整流器单元的n个整流器以及DC/DC变换单元的n个DC/DC模块串联连接，DC/DC1～DC/DCn的输出电压Ud1～Udn并联连接到24Vdc直流母线上。
所述控制器的工作电源包括24Vdc直流母线提供的24V直流电源、蓄电池提供的电源、控制器启动电源单元提供的电源。在列车启动瞬间，如果蓄电池存储的电能足够启动控制器，由蓄电池给控制器提供工作电源，控制器启动工作，并给可控硅SCR发出控制信号，确保控制器启动电源单元不工作；如果蓄电池存储的电能不能启动控制器，由控制器启动电源单元给控制器提供启动电源；一旦系统工作稳定，由24Vdc直流母线给控制器提供24V直流电源，蓄电池和控制器启动电源单元不再给控制器提供工作电源。
本电源系统为列车提供了24V、12V、5V三种典型的电压等级，不失一般性，如需其他电压等级也可以依据上述原理获得。
有益效果：
本发明的用于列车的自供电电源，结构简单，输出功率大，环境适应性强，可靠性高，将列车车轴的机械能转化为电能直接供车载用电设备使用，并将多余的电能储存在蓄电池中，以备停车时使用。鉴于列车车载动态安全监控设备、电子防滑器、通讯设备及照明用电设备均为直流设备，且电压等级不同，本发明提供24V、12V、5V三种电压等级的直流电源输出。
本发明的主要特点如下：
(1)采用车轴发电装置将列车车轴的机械能转化为电能，以及利用风力发电机将风能转换为电能，易于实施。
(2)具有继电供电模块(即控制器启动电源控制电路)，并采用多种模式为控制器供电，供电方式灵活性和智能性好；并采用IGBT器件控制电流的输出，易于控制。
(3)具有多种直流电压(5V，12V和24V等)输出，方便负载使用。
本发明的铁路列车自供电电源系统采用模块化设计，方便维护，且可以根据列车负载用电需求增加或减少设计功率，为铁路列车用电负载提供长期、稳定、可靠的电源。
附图说明
图1为用于列车的自供电电源的总体结构示意图；
图2是DC/DC模块采用升降压斩波电路原理图；
图3是DC/DCO变换单元采用的Buck降压斩波电路原理图；
图4是充/放电双向切换模块原理图。
图5是5V电压输出电路的原理图；
图6是12V电压输出电路的原理图。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：
实施例1：如图1所示，本发明的铁路列车自供电电源系统包括：发电单元、整流器单元、DC/DC变换单元、控制器、充/放电双向切换模块、蓄电池、DC/DCO变换单元、控制器启动电源单元。
发电单元由发电模块1、发电模块2、……、发电模块n共计n个模块组成，根据列车车型以及列车用电负载的不同，n可以取1～8中的某一个整数，每个发电模块分别与列车车轴连接，利用轴承发电机或传动机构带动的发电机发出交流电，所发出交流电的电压大小和频率均随列车速度变化而变化，实现将车轴的部分机械能转换为电能并传递给整流器单元。
整流器单元由整流器1、整流器2、……、整流器n共计n个整流器组成，n与发电单元的发电模块数对应，根据轴承发电机或传动机构带动的发电机是三相发电机还是单相发电机，每个整流器相应的由三相桥式不可控整流电路或者单相桥式不可控整流电路及电容滤波电路组成，将发电单元的发电模块发出的交流电转化为直流电Udi(i＝1、2、……、n)，该直流电压Udi随着列车速度变化而变化。
DC/DC变换单元由DC/DC1、DC/DC2、……、DC/DCn共计n个DC/DC模块组成，n与发电单元的发电模块数对应，各个DC/DCi模块(i＝1、2、……、n)的输入电压为Udi，输出电压为Udoi，DC/DCi模块采用升降压斩波电路，如图2所示。当列车车速比较低时，所发出的电压经不可控整流电路输出电压低于24V，采用升压控制模式，当列车车速增加，所发出的电压经过不可控整流电路输出电压高于24V，采用降压控制模式。图2电路的基本工作原理：当开关器件Qi导通时，输入电源Udi经Qi向电感Li供电使其存储能量，同时，电容Ci维持输出电压Udoi恒定并向后级电路供电；当开关器件Qi关断时，电感Li中存储的能量向后级电路释放，同时给电容Ci充电，维持输出电压Udoi恒定。各个DC/DC模块的全控型开关器件Qi可以使用图2所示的IGBT，也可以使用POWER MOSFET，控制器对升降压斩波电路进行脉冲宽度调制(PWM调制)，改变开关器件Qi的导通占空α，完成电压转换，使得输入的随着列车速度改变的直流电压转换为稳定的直流电压输出，且输出电压恒定为24V。升降压斩波电路输入输出电压之间的关系为：
控制器实现对DC/DC变换单元、充/放电双向切换模块、DC/DCO变换单元以及控制器启动电源单元内的可控硅SCR的控制，并检测蓄电池的充/放电电流和端电压，检测24Vdc直流母线上的电流。
控制器对DC/DC变换单元进行控制，即控制n个DC/DC模块的全控型开关器件，同时检测n个DC/DC模块的输出电压，用于作为各个DC/DC模块恒压控制的电压反馈，确保各个DC/DC模块输出电压恒定为24V，同时确保24Vdc直流母线的电压为24V。
充/放电双向切换模块实现蓄电池的充/放电双向切换功能，当系统发电功率大于列车用电负载总功率时，对蓄电池进行充电，当系统发电功率低于列车用电负载总功率时，蓄电池放电。
充/放电双向切换模块的具体原理图如图4所示，开关器件V3和V4均受控于MCU(控制器)：
(1)开关器件V4截止，控制开关器件V3，电路运行在降压斩波状态，24V直流电压给蓄电池充电；
(2)开关器件V3截止，控制开关器件V4，电路运行在升压斩波状态，蓄电池放电。
图4中的开关器件V3和V4为IGBT，也可以使用POWER MOSFET。
控制器检测24Vdc直流母线上的电流，计算整个自供电电源的发电功率，用于确定对蓄电池充/放电控制，控制器相应的做出对充/放电双向切换模块的控制。
控制器检测蓄电池的充/放电电流和端电压，用于实现对蓄电池的恒压/恒流充/放电控制以及停止充/放电运行控制，估算蓄电池储存的电能。
蓄电池把多余的电能存储，以备短时间停车时为列车提供电源，在列车启动时为控制器提供启动电源。
DC/DCO变换单元与24Vdc直流母线相连，DC/DCO变换单元采用全控型开关器件组成的Buck型降压斩波电路，如图3所示，图3中开关器件V1和V2可以使用IGBT，也可以使用POWERMOSFET，控制器对开关器件V1和V2进行控制，将24V直流电压转换为12V和5V输出。
本电源系统为列车提供了24V、12V、5V三种典型的电压等级，不失一般性，如需其他电压等级，可以在DC/DCO变换单元增加Buck降压斩波电路或者升压斩波电路得到。
控制器启动电源单元为控制器提供启动电源，在列车启动时，如果蓄电池存储的电能不够，直接利用整流器单元的整流器1输出的直流电压Ud1，直流电压Ud1经稳压二极管DZ和三极管T组成的稳压电路给控制器提供电源，由于列车启动瞬间整流器单元输出的直流电压Ud1比较低，但随着车速的增加，直流电压Ud1增加，一旦稳压电路输出直流电压达到启动控制器工作的电压值，控制器开始工作，DC/DC变换单元进入工作状态，车速继续增加并趋于平稳运行时，DC/DC变换单元输出稳定的24V直流电压，整个电源系统正常运行，此时控制器可以直接使用24Vdc直流母线上的电压作为工作电源，控制器发出信号使可控硅SCR导通，继电器KM的线圈得电，继电器KM的常闭触点断开，断开控制器启动电源单元的输入电源Ud1，保护稳压电路。
控制器启动电源单元的电阻R是DZ的保护电阻，限制通过DZ的电流，起保护稳压管的作用，通常根据负载电流的变化范围和稳压管最大允许电流确定电阻R的大小。发电单元的n个发电模块分别与整流器单元的n个整流器以及DC/DC变换单元的n个DC/DC模块串联连接，DC/DC1～DC/DCn的输出电压Ud1～Udn并联连接到24Vdc直流母线上。
控制器的工作电源包括24Vdc直流母线提供的24V直流电源、蓄电池提供的电源、控制器启动电源单元提供的电源。在列车启动瞬间，如果蓄电池存储的电能足够启动控制器，由蓄电池给控制器提供工作电源，控制器启动工作，并给可控硅SCR发出控制信号，确保控制器启动电源单元不工作；如果蓄电池存储电能不够启动控制器，由控制器启动电源单元给控制器提供启动电源；一旦系统工作稳定，由24Vdc直流母线给控制器提供24V直流电源，蓄电池和控制器启动电源单元不再给控制器提供工作电源。

Claims (10)

1.一种用于列车的自供电电源，其特征在于，包括控制器、蓄电池和至少一条自发电供电支路；每一条自发电供电支路包括依次串联的发电模块、整流器和DC/DC变换单元；发电模块与车轴相连，由车轴的驱动产生交流电；
DC/DC变换单元的输出端和蓄电池均与直流母线相接；
直流母线为控制器供电；
DC/DC变换单元受控于控制器。
2.根据权利要求1所述的用于列车的自供电电源，其特征在于，自发电供电支路为多条；多条自发电供电支路的输出端与直流母线相连；多条自发电供电支路的发电模块分别对应与多个不同的车轴相连。
3.根据权利要求1所述的用于列车的自供电电源，其特征在于，直流母线为24V直流母线。
4.根据权利要求3所述的用于列车的自供电电源，其特征在于，直流母线还接有DC/DCO变换单元；DC/DCO变换单元用于输出5V和12V电压；DC/DCO变换单元为直流/直流变换输出单元。
5.根据权利要求1所述的用于列车的自供电电源，其特征在于，蓄电池通过充/放电双向切换模块与直流母线相连。
6.根据权利要求1所述的用于列车的自供电电源，其特征在于，还包括控制器启动电源控制电路；控制器启动电源控制电路受控于控制器且用于为控制器供电；控制器启动电源控制电路由某一条自发电供电支路的整流器的输出端Ud1供电。
7.根据权利要求6所述的用于列车的自供电电源，其特征在于，控制器启动电源控制电路包括接触器KM、晶闸管SCR、NPN型的三极管T和稳压二极管DZ；
各器件的连接关系如下：
(1)直流母线经接触器KM的线圈接晶闸管SCR的阳极，晶闸管SCR阴极接地；晶闸管SCR的触发端接控制器的一个输出端口；
(2)某一条自发电供电支路的整流器的输出端Ud1经接触器KM的常闭开关接三极管T的c极；三极管T的e极接控制器的供电端；三极管T的c极和e极之间跨接有电阻R；三极管T的b极接稳压二极管DZ的阴极；稳压二极管DZ的阳极接地。
8.根据权利要求1所述的用于列车的自供电电源，其特征在于，发电机为皮带轮传动轴端发电装置、轴端盘式永磁发电装置、轴端径向发电装置和轴承发电装置中的任一种。
9.根据权利要求1所述的用于列车的自供电电源，其特征在于，整流器包括整流电路及滤波电路；整流电路为三相桥式不可控整流电路或单相桥式不可控整流电路。
10.根据权利要求1-9任一项所述的用于列车的自供电电源，其特征在于，DC/DC变换单元采用全控型开关器件组成的电力电子电路。
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