CN109334647A - 一种空电制动系统及货运列车的空-电转换与控制方法 - Google Patents

一种空电制动系统及货运列车的空-电转换与控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种空气压力制动系统，其包括：控制器，空气压缩机，供风管，压力，空气发电装置，气动马达，气动发电装置，蓄电池及其蓄电池管理系统；其中，所述控制器包括：微处理控制单元，控制电磁阀。本发明提出的空电制动系统的主要应用于货运列车的空‑电转换和控制方法，该方法能够将制动系统空气制动信号转换为电压信号，通过蓄电池管理系统进行储能，通过储能系统对控制装置供电，实现对货运列车制动的精确控制。

Description

一种空电制动系统及货运列车的空-电转换与控制方法
技术领域
本发明涉及货运列车气动发电控制领域，涉及电控空气制动领域，具体涉及一种空电制动系统及货运列车的空-电转换与控制方法，具体涉及利用供风管原有压力进行供电，应用于列车电控空气制动。
背景技术
铁路货运正向着快速货运方向不断发展，为确保铁路运输的安全高效，对车辆制动系统的要求也随之提高。
过去，铁路货运列车一直采用空气制动系统，但在如今的快捷货运列车中，空气制动系统显现出了它的不足之处：制动距离较长，空货运调整不灵敏，缺少车辆防滑等设备，以及各车辆间的制动不一致所引起的车辆间纵向冲力过大，此外还会造成车轮、闸瓦、车钩、牵引杆等的过度磨耗或过早损坏，最终导致车辆的较高维修和使用成本以及货车的运能较低。这些都表明传统的空气制动系统难以运用在快捷货运列车上。
现有机械控制难以实现快速货运列车在大功率制动时的防滑，和空重车载荷差别巨大时的制动力调整，以及混编列车和长大列车编组提高制动性能的要求，因此，迫切需要电子控制方式。但是，目前大部分货运列车上并未自带电源，也难以施行基于固定编组的电缆供电，无法为车载控制系统提供所需小功率的电能，使得制动控制技术发展受到严重限制。因此提出研究基于气动力供电的空电制动系统，就是在不改变原有货物列车空气制动系统功能和基本结构基础上，利用制动系统现有气源的压力空气发电。在原有货车制动系统基础上，加装电子控制单元、电磁阀、中继阀以及传感器等，来解决快速、货运、混编列车的空重车调整、车辆防滑等精细控制问题。同时，为保证新的系统兼容性，在气源供电不足情况下自动导向原有的货车制动系统。
发明内容
本发明的目的在于利用货运列车原有列车管中丰富的风能，进行气动发电，并将产生的电能进行管理，为锂电池充电，最终实现列车的电控空气制动。为了实现上述目的，本发明提供了一种空电制动系统，其包括：微控制器，空气压缩机，供风管，压力空气发电装置，气动马达，气动发电装置，蓄电池及其蓄电池管理系统；其中，所述控制器包括：微控制单元，电磁阀。
其中，微控制器控制空气压缩机的开和关的状态。
其中，供风管向压力空气发电装置提供空气气源，从而驱动气动马达带动气动发电装置产生电能，然后通过蓄电池管理系统向蓄电池储能。
其中，蓄电池管理系统以MSP430为核心，采用电压采集芯片LTC6804。
本发明还提供了一种应用于货运列车的空-电转换方法，所述方法包括，采用上述空电制动系统，通过操纵控制器，开启列车上的空气压缩机，通过列车供风管向各节车上的压力空气发电装置提供气源，从而驱动气动马达带动气动发电装置产生电能，然后通过蓄电池管理系统向蓄电池储能。
本发明还提供了一种货运列车的空-电控制方法，所述方法包括，采用上述空电制动系统，以MSP430为控制核心，在锂电池有足够电量的情况下，通过电信号传递制动指令，车辆识别单元将车辆信息，如车速，车重等传递给制动控制单元，经过计算，精确控制制动力的大小，完成对车辆的控制。
其中，蓄电池管理系统以MSP430为核心，利用芯片LTC6804对电压温度进行采集，并通过I2C通信协议传输信息；利用电流传感器对电流进行采集。蓄电池管理系统根据采集所得到电压、电流和温度，估算出电池的剩余电量，并能对电池进行均衡控制。
本发明的解决方案是货运列车运行过程中，货运列车司机操纵控制器，开启货运列车上的空气压缩机，通过列车供风管向各节车上的压力空气发电装置提供气源，从而驱动气动马达带动气动发电装置(发电机)产生电能，再通过蓄电池管理系统向蓄电池储能。整个发电蓄电过程需要持续一段时间，以保证空电制动系统中的用电设备在一定周期内的用电量。而在列车运行时，也可以在列车管进行充风时，少量补足压力空气，从而带动气动发电装置进行发电。使得货运列车无论在停车或运行中，车辆都蓄有一定的电能，为空电制动系统供电，从而实现对于货运列车制动力调整的精确控制。其中关于蓄电池管理系统和电控空气制动具体描述如下：
列车气动发电所产生的电能是不稳定的，通过稳压芯片将不稳定的电压转化成稳定的电压用于锂电池的充电。本发明蓄电池管理系统以MSP430为核心，利用电压芯片LTC6804和温度传感器对电压、温度进行采集，并通过I2C通信协议传输信息；利用电流传感器对电流进行采集。基于所得到电压、电流和温度参数信息，编写相关软件控制算法估算出电池的剩余电量，并能对电池进行均衡控制。在电量过低或温度过高的情况下触发报警机制，通过微控制单元切断放电过程。
在锂电池有足够电量的情况下，以MSP430为列车空电制动系统的控制核心，当货运列车需要执行制动动作时，主机车会通过传输数据的形式将列车的制动信息发送给其他车辆，其他车辆的制动系统在收到主机车的制动信息后，列车制动单元根据列车的空货运，车速计算出制动力的大小，通过控制电磁阀的开关，实现对列车制动的精确控制。
本发明电控空气制动能够使所有车辆同一时间内执行制动和缓解等动作，这样就能够提高全列车在执行制动、缓解等动作时的协调统一性。
本发明基于列车管原有的气源，设计了一种气动装置，利用列车管中气体压力就行驱动，并将产生的电能就行储存。由于气动装置所产生的电能是不稳定的，为了满足蓄电池(如锂电池)的充电要求，选择一种合适稳压芯片，将不稳定的电压转换成稳定的电压进行输出，为锂电池进行储能。在锂电池的充电过程中，为了保证最佳充电状态，利用芯片LCD6804对蓄电池的电压，温度进行采集，并可以主动采取均衡策略，保证蓄电池均衡充电。将LCD6804采集的信息传输给MSP430，并通过电流传感器采集电流，计算出蓄电池荷电量，在蓄电池温度过高或电量过低的情况下，可主动触发报警机制，并切断充电过程。
本发明系统和方法利用制动系统现有空气源的空气压力发电和管理所产生的电能。在原有货运列车制动系统的基础上，增加电子控制单元，电磁阀，继电器阀门和传感器装置，完成货运列车气动制动系统能量收集、气电转换、电能量存储与控制。同时，为了确保新系统的兼容性，在气电转换过程中，不影响货运列车制动系统气动性能。控制方面，以MSP430单片机为核心的控制系统，控制系统可以控制充电模块，将不稳定的电压和电流转换为恒压恒流，定期给锂电池充电。同时，控制系统可以实时检测锂电池温度和剩余容量，确保列车行驶性能的安全。在制动过程中，以电信号为信号源，车辆识别系统接收到信号并将其反馈给制动控制系统，制动系统计算出这些信号，从而实现电磁阀控制。
附图说明
图1是本发明设计的气动发电装置流程图。
图2是本发明设计的蓄电池管理系统结构图。
图3是本发明设计的电控空气制动结构图。
具体实施方式
结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。
实施例1
一种基于货运列车气动发电的控制方法，主要包括步骤如下：
1)气动发电装置主要组成
参照图1，气动发电装置主要包括：列车管、储风缸、气动马达、发电机和蓄电池及其蓄电池管理系统。其中，储风缸通过单向气路接受列车管路的压力空气；气动马达连接压力空气气压储风缸，接收气压并将其转化为机械动力输出；通过联轴器将动力输入发电机进行发电；最后经过蓄电池管理系统后输入蓄电池，将气压转换为电能，为车辆控制装备供电。本发明中，所述发电机可以为小型发电机。
2)蓄电池管理系统工作原理
如图2所示，蓄电池管理系统需要实时监测蓄电池运行的状态，测量蓄电池工作时的电压、
电流、温度是否在正常范围内，同时根据这些测量值估算蓄电池的荷电量。根据货运列车用电设备的负载功率参数计算蓄电池的参数阈值，当电压、温度或者电流超过设定的阈值时，进行相应的保护动作，防止电池过充、过放、温度过高等情况的发生，保证电池的安全可靠运行。
本发明中，根据蓄电池管理系统的功能，将蓄电池管理系统的硬件设计划分成四大部分，分别为：主控部分、采集部分、均衡部分及通讯部分。
3)电控空气制动工作原理
如图3所示，在制动时，驾驶员根据本车的实际运行状况制定出制动指令，该指令由列车网络通讯系统发送给每节车厢的车辆识别模块(Car Identification,CID)，之后CID将车辆的运行参数和制动指令，其中包括：车辆型号、空重车重量以及与CCD(车辆制动单元)相关联的车轴序号等信息传送给CCD，CCD根据列车的车身和运载货物的重量、制动参数的要求以及驾驶员所发出的制动指令来精确地计算出列车在保证其安全行驶的情况下所需要的制动力的大小，然后经过一系列的计算得出实际需要的压力值，进而操纵制动电磁阀(Application Valve,AV)的通断，AV的状态为常开，耦合器得电闭合，耦合器失电断开，使得存储在副风缸中的空气可以进入到制动缸中，若制动缸因泄漏而导致压力下降时，副风缸可以及时地向制动缸补风，从而控制制动缸的压力值。
本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims (5)

1.一种空电制动系统，其特征在于，其包括：微控制器，空气压缩机，供风管，压力空气发电装置，气动马达，气动发电装置，蓄电池及蓄电池管理系统；其中，
所述控制器包括：微控制单元，控制电磁阀；所述微控制单元控制所述空气压缩机的开和关的状态；所述供风管向所述压力空气发电装置提供空气气源，从而驱动所述气动马达带动所述气动发电装置产生电能，然后通过所述蓄电池管理系统向蓄电池储能。
2.如权利要求1所述的空电制动系统，其特征在于，所述蓄电池管理系统以微处理单元MSP430为核心，采用电压采集芯片LTC6804作为蓄电池采集单元。
3.一种货运列车的空-电转换方法，其特征在于，通过微控制单元，开启货运列车上的空气压缩机，通过列车供风管向各节车上的压力空气发电装置提供空气动力源，从而驱动气动马达带动气动发电装置产生电能，然后通过蓄电池管理系统向蓄电池储能。
4.一种货运列车的空-电控制方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的空电制动系统，蓄电池管理系统在蓄电池有电量的情况下，通过电信号传递制动指令，车辆识别单元将车辆信息，如车速，车重等传递给制动控制单元，经过微控制单元的计算，精确控制制动力的大小，完成对车辆的控制。
5.如权利要求4所述的货运列车的空-电控制方法，其特征在于，所述蓄电池管理系统以微处理单元MSP430为核心，利用芯片LTC6804对电压进行采集，并通过I2C通信协议传输信息；利用电流传感器对电流进行采集；所述蓄电池管理系统根据采集所得到电压、电流，估算出电池的剩余电量，并能对电池进行均衡控制。
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