CN109383299A - 一种蓄电池应急供电系统、供电方法及轨道车辆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蓄电池应急供电系统、供电方法及轨道车辆，多个牵引变流器、多个双向辅助变流器、多个充电机及多组蓄电池，在应急工况下由多组蓄电池为整列车直流贯通线提供应急直流电，并通过充电机、双向辅助变流器及牵引变流器为牵引电机供电和空调系统供电，同时在交流贯通线上设置有至少一个接触器TBK，在应急工况下断开接触器TBK将交流贯通线隔离成多段，每段分别控制。本发明保证在出现弓网故障时，车辆能够驶离故障区域，同时保证空调系统正常工作，为乘客提供舒适环境。

Description

一种蓄电池应急供电系统、供电方法及轨道车辆

技术领域

本发明属于车辆供电技术领域，特别涉及一种蓄电池应急供电系统、供电方法及轨道车辆。

背景技术

一般动车组等轨道车辆在运行时，因弓网故障、无电区走行、特殊天气等多种原因可能造成供电系统停电。在停电状态下，轨道车辆只能原地停留等待救援，此时由于车辆上只有蓄电池能够供电，只能满足一些应急直流负载工作，无法满足长时间控制，空调系统更是无法运行，使车厢内的环境恶化，造成运营秩序混乱，引起乘客的不满。

因此，使轨道车辆在出现弓网故障时尽快驶离故障区域或在故障区域等待救援时使得乘客在相对舒适的环境中等候，是当前亟待解决的问题。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是，提供一种在出现弓网故障时，保证车辆驶离故障区域，同时保证空调系统正常工作，为乘客提供舒适环境的蓄电池应急供电系统、供电方法及轨道车辆。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种蓄电池应急供电系统，包括：

多个牵引变流器，包括整流器和逆变器，整流器输入端接入接触网并整流成中间直流环节的电压，再通过逆变器将直流电逆变成三相交流电为牵引电机供电；

多个双向辅助变流器，一端与对应的牵引交流器的中间直流环节连接，另一端并联接入交流贯通线，在正常工况下从中间直流环节获取直流电再逆变成三相交流电后接入交流贯通线，或在应急工况下从交流贯通线获取三相交流电再整流成中间直流环节的电压，通过逆变器为牵引电机供电；

多个充电机，一端并联接入交流贯通线，另一端并联接入直流贯通线，在正常工况下从交流贯通线获取三相交流电再整流成为直流电接入直流贯通线，通过直流贯通线为蓄电池和直流负载供电；或在应急工况下从直流贯通线获取直流电并逆变为三相交流电接入交流贯通线，通过交流贯通线为双向辅助变流器、空调装置供电；

多组蓄电池，并联接入直流贯通线，在正常工况下从直流贯通线上取直流电充电，在应急工况下为整列车直流贯通线提供应急直流电；

所述交流贯通线上设置有至少一个接触器TBK，在应急工况下断开接触器TBK将交流贯通线隔离成多段，每段中包含至少一组牵引变流器、双向辅助变流器、充电机及蓄电池。

进一步，在头车和尾车上分别安装两组蓄电池，在其它部分或全部的中间车上安装一组蓄电池。

进一步，所述充电机包括单向充电机和双向充电机，在头车和尾车上安装单向充电机，在中间车上安装双向充电机。

进一步，以相邻的两列车厢为一组将交流贯通线隔离成多段。

本发明的另一个技术方案是：

一种蓄电池应急供电方法，包括如下步骤：

A、发出应急供电模式指令后，进行应急供电准备；

应急供电准备包括断开充电机正常工况下的电路输入、断开交流贯通线上的接触器将各段交流贯通线相互断开隔离、封锁整流器和断开整流器的输入电路；

B、发出应急供电模式指令后，检测各组蓄电池的参数，如果蓄电池的参数满足第一条件进入应急牵引模式准备，如果蓄电池的参数满足第二条件进入应急空调模式准备；

C、将满足条件可以投入供电的蓄电池的输出接触器K1闭合，发出供电启动指令，执行应急牵引模式或应急空调模式。

进一步，在上述步骤B中，接收应急供电模式指令后延时第一设定时间T1后再进行蓄电池参数是否满足条件的计算判断。

进一步，在上述步骤B中，当有N1组蓄电池的电量≥50％时判断为满足第一条件，当有N2组蓄电池的电量≥50％时判断为满足第二条件，其中，N1＞N2。

进一步，对满足电量条件的蓄电池再进行电压检测满足电压投入条件，具体为，计算出所有满足条件的蓄电池的电压平均值Vg，当单个蓄电池的电压值V与电压平均值Vg的差值≤设定电压值Vs时，判断为该蓄电池符合应急供电要求，可以投入供电。

进一步，判断蓄电池满足条件，需持续当前参数第二设定时间T2后，才最终确定为满足可投入供电条件。

进一步，在上述步骤C中，在蓄电池输出接触器K1闭合之前，还包括将满足条件可以投入供电的指令通过双向充电机转发给相应的蓄电池的控制系统，由蓄电池的控制系统结合自身故障状态执行输出接触器K1闭合或保持输出接触器K1断开的步骤，并将自身的输出接触器K1闭合状态实时通过双向充电机反馈给列车监控系统。

进一步，收到指令第三设定时间T3后该蓄电池输出接触器K1仍未闭合，则后续该蓄电池不再执行闭合指令，不再投入供电。

进一步，系统实时监测所有蓄电池中输出接触器K1的闭合数量，如在第四设定时间T4内收到所有蓄电池的反馈，则立即发出供电启动指令，若第四设定时间T4内未完全收到所有蓄电池反馈，则重新根据已反馈的蓄电池的投入数量，判断是否满足第一条件或第二条件，并最终确定执行应急牵引模式或应急空调模式。

本发明的再一个技术方案是：

一种轨道车辆，安装有如上所述的蓄电池应急供电系统。

一种轨道车辆，采用如上所述的蓄电池应急供电方法进行应急供电。

综上所述，本发明提供的一种蓄电池应急供电系统、供电方法及轨道车辆，可以在线路上任何一个区间发生供电故障时，保证车辆驶离故障区域，同时保证空调系统正常工作，为乘客提供舒适环境，保证车辆在应急状态下的安全性。同时本发明通过在交通贯通线上设置多个接触器TBK，使每两节车厢为一组贯通，不但简化了应急工况的下供电系统，还使得应急工况下的控制逻辑更加简单，易于执行。

附图说明

图1是本发明蓄电池应急供电系统原理框图；

图2是本发明蓄电池应急供电系统设备结构图。

如图1和图2所示，牵引变流器1，双向辅助变流器2，蓄电池3，牵引电机4，空调系统5，整流器6，逆变器7，交流贯通线8，单向充电机9，双向充电机10，直流贯通线11，直流负载12，通风机13。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1和图2所示，本发明提供的一种蓄电池应急供电系统，包括多个牵引变流器1、多个双向辅助变流器2、多个充电机及多组蓄电池3，在弓网故障等特殊工况下，利用蓄电池3为车辆的牵引电机4、空调系统5供电，保证牵引电机4、空调系统5正常工作。

本实施例中，以8编组列车为例进行详细说明。

本实施例中，牵引变流器1设置四个，分别安装在第2、4、5、7四个动车车厢上，分别为四个牵引电机4供电。

牵引变流器1包括四象限整流器6和逆变器7，整流器6的输入端通过变压器接入接触网，在整流器6的输入端接有输入接触器K，用于控制整流器6输入电路的通断。整流器6将接入的交流电整流成中间直流环节的电压DC3000V-3600V，整流器6的输出端连接逆变器7，逆变器7将整流后的直流电逆变成三相交流电AC0-2800V/0-180Hz，为牵引电机4供电，保证车辆正常运行。

双向辅助变流器2设置四个，与牵引变流器1对应安装在第2、4、5、7四个动车车厢上。双向辅助变流器2的一端与对应的牵引交流器1的中间直流环节连接，另一端并联接入交流贯通线8。

在正常工况下双向辅助变流器2从中间直流环节获取DC3000V-3600V直流电，再逆变成三相交流电AC380V/50Hz，逆变后三相交流电接入整列车的交流贯通线8，通过交流贯通线8为空调系统5、通风机13等交流负载供电，同时为充电机供电。在应急工况下双向辅助变流器2从交流贯通线8获取AC380V/50Hz三相交流电，再整流成中间直流环节的电压DC3000V-3600V，通过逆变器7为牵引电机4供电，保证车辆在弓网故障状态下的自走行功能。

充电机包括单向充电机9和双向充电机10，在头车和尾车上分别安装两台单向充电机9，在中间车上安装双向充电机10，本实施例中，在2、3、6、7车厢上分别安装一台双向充电机10。单向充电机9和双向充电机10的一端并联接入交流贯通线8，另一端并联接入+110V/-110V两条整列车直流贯通线11。在单向充电机9和双向充电机10的输入侧电路上串接有输入接触器K2，在应急工况下，断开充电机输入接触器K2，进而断开正常工况下的电路输入，避免三相交流贯通线8在有电后，充电机的三相输入侧电路启动。

在正常工况下，单向充电机9和双向充电机10从交流贯通线8获取双向辅助变流器2逆变的三相交流电AC380V/50Hz，再整流成为DC110V直流电接入直流贯通线11，通过直流贯通线11为蓄电池3和照明灯等直流负载12供电。在应急工况下，单向充电机9断开不工作，双向充电机10从直流贯通线11获取由蓄电池3提供的DC110V直流电并逆变为三相交流电AC380V/50Hz接入交流贯通线8，通过交流贯通线8为双向辅助变流器2、空调系统5供电。

蓄电池3采用锂电池，共设置八组，并联接入直流贯通线11，为整列车DC110V直流贯通线11供电。在头车和尾车上分别安装两组蓄电池3，在中间车上安装一组蓄电池3。本实施例中，在2、3、6、7车厢上分别安装一组蓄电池3。

在正常工况下，蓄电池3从直流贯通线11上取DC110V直流电充电，在应急工况下为整列车直流贯通线11提供应急DC110V直流电。蓄电池3的输出端串接有输出接触器K1，在正常工况下，输出接触器K1为断开状态，通过控制输出接触器K1闭合，即可控制蓄电池3在应急工况下输出DC110V直流电。

本实施例中，为了简化三相并网供电的逻辑控制，在交流贯通线8上设置有至少一个接触器TBK，将AC380V交流贯通线8断开隔离成多段，每段分别控制执行。根据8编列车的设备配置方式，优选设置三个接触器TBK。正常工况下，三个接触器TBK处于接通状态，交流贯通线8全列车贯通。在应急工况下三个接触器TBK均断开，以相邻的两列车厢为一组将交流贯通线8隔离成四段，即三个接触器TBK分别设置在第2、3车厢之间、第4、5车厢之间及第6、7车厢之间，每两节车厢为一组贯通。

在第1、2车厢包含一个牵引变流器1、一个双向辅助变流器2、两个单向充电机9、一个双向充电机10及三组蓄电池3。在第3、4车厢包含一个牵引变流器1、一个双向辅助变流器2、一个双向充电机10及一组蓄电池3。在第5、6车厢包含一个牵引变流器1、一个双向辅助变流器2、一个双向充电机10及一组蓄电池3。在第7、8车厢包含一个牵引变流器1、一个双向辅助变流器2、两个单向充电机9、一个双向充电机10及三组蓄电池3。每一段交流贯通线8，都通过一个可逆变的双向充电机10为一个辅助变流器2单独提供电源，驱动牵引电机4或空调系统5工作，简化了控制逻辑，也简化了供电系统。

如图1所示，正常工况下电能流向：牵引变流器1中间直流环节的电压DC3000V～DC3600V，经双向辅助变流器2变换为3相AC380V/50Hz交流电为空调系统5、通风机13等车辆辅助负载及单向充电机9和双向充电机10供电，单向充电机9和双向充电机10输出DC110V为车辆直流负载供电，同时对蓄电池3进行充电。

如图1所示，应急情况下电能流向：蓄电池3控制输出接触器K1闭合为+110V和-110V整列车贯通线11供电，双向充电机10从整列车贯通线11取电，双向充电机10将蓄电池3输出的DC110V直流电逆变为3相AC380V/50Hz交流电，通过断开三个接触器TBK，空调可以从AC380V线路得电工作，或者经双向辅助变流器2进行AC/DC变换后形成牵引变流器1的中间电压为逆变器7提供所需电能，最终驱动牵引电机4工作。

本实施例中，将应急供电模式分成应急牵引模式和应急空调模式。列车中央控制系统根据当前状态下满足的条件确定执行应急牵引模式还是应急空调模式。在应急空调模式下，车辆在原地等待救援，只供空调系统5工作，保证在等待救援的过程中车厢内的舒适度。在应急牵引模式下，车辆可以自动走行至最近的车站，同时保证空调系统5工作，保证在自走行过程中车厢内的舒适度。

在列车司机室的中央控制台上设置有应急供电转换开关，按下开关即发出应急供电模式指令。在进入应急供电模式后，中央控制器的显示屏进入应急供电显示界面，方便司机根据界面上的提示进行操作。

本发明提供的一种轨道车辆蓄电池应急供电方法，包括如下步骤：

A、发出应急供电模式指令，进行应急供电准备；

应急供电准备包括：

1、单向充电机9和双向充电机10在接收到列车网络转发的应急供电模式指令后，断开所有单向充电机9和双向充电机10的输入接触器K2，进而断开正常工况下的电路输入，避免三相交流贯通线8在有电后，充电机的三相输入侧电路启动。

2、牵引变流器1收到应急供电模式指令后，立即封锁四象限整流器6和断开整流器6的输入接触器K，等待应急牵引模式启动指令。

3、断开三个接触器TBK，将交流贯通线8的四段相互断开隔离。

同时，空调系统5的控制器收到应急供电模式指令后，进行相应的准备工作，等待网络输入应急空调模式启动指令。

在应急供电模式下，蓄电池3的欠压保护逻辑调整为电量低于15％时，切除蓄电池2内部的输出接触器K1，该蓄电池3停止输出供电。

B、接收应急供电模式指令后，检测当前各组蓄电池的参数，通过计算分析确定执行应急牵引模式或应急空调模式。

如果八组蓄电池3的参数满足第一条件则进入应急牵引模式准备，如果八组蓄电池3的参数满足第二条件则进入应急空调模式准备。

本实施例中，在网络转发应急供电模式指令后延时第一设定时间T1后再开始根据所有蓄电池3的相关参数数据进行计算，第一设定时间T1优选设定为3秒。

计算分析过程如下：

网络实时采集八组蓄电池3的电量、电压作为计算条件输入，判断以下条件满足持续第二设定时间T2，才最终最确定为满足该条件，避免误判，第二设定时间T2优选设定为10秒。

当有N1组蓄电池3的电量≥50％时判断为满足第一条件，可投入应急牵引模式。

当有N2组蓄电池的电量≥50％时判断为满足第二条件，可投入应急空调模式。

其中，N1＞N2，本实施例中，优选，对于八组蓄电池3，N1＝7，N2＝5，即网络判断当不少于7组蓄电池电量均≥50％时可投入应急牵引模式，网络判断不少于5组蓄电池电量均≥50％时可投入应急空调模式。在实际应用中，可根据需要走行的距离、爬坡能力及空调供电需求设置蓄电池的容量和需要启动的动车数量。

对满足上述条件的蓄电池3再进行电压检测，计算出所有满足条件的蓄电池3的电压平均值Vg，当单个蓄电池3的电压值V与电压平均值Vg的差值≤设定电压值Vs时，判断为该蓄电池符合应急供电要求，该蓄电池3可以投入供电，如果不满足该条件，该蓄电池3不可投入供电。该设定电压值Vs优选为1.5V。

C、将满足条件的可以投入运行的蓄电池的输出接触器K1闭合，发出供电启动指令，执行应急牵引模式或应急空调模式。

步骤B中所有条件满足后，网络通过MVB将所有满足条件可以投入供电的蓄电池3的输出接触器K1闭合信号发送给所有双向充电机10。

所有双向充电机10再将接收的蓄电池3投入的指令转发给相应蓄电池3的控制系统(BMS)。

蓄电池控制系统BMS接收到输出接触器K1可以闭合的指令后，还要进行自身故障状态检测的步骤，若无故障立即闭合输出接触器K1。同时将自身的输出接触器K1闭合状态实时通过双向充电机10反馈给列车监控系统(TCMS)。若蓄电池BMS收到指令在第三设定时间T3后蓄电池输出接触器K1仍未闭合，则后续该蓄电池3不再执行闭合指令，即表面该蓄电池3存在故障，不再投入供电。第三设定时间T3一般优选为10秒。

网络实时监测由双向充电机10反馈的所有蓄电池3中输出接触器K1的闭合数量，在第四设定时间T4内若收到所有蓄电池3的反馈，则立即进入模式执行阶段。若第四设定时间T4内未完全收到所有蓄电池反馈，则重新根据已反馈的蓄电池3的投入数量，判断是否满足第一条件或第二条件，并最终确定执行应急牵引模式或应急空调模式，最终在网络显示屏确认投入应急牵引模式还是应急空调模式。

应急牵引模式的执行步骤包括：

1)双向充电机10收到应急牵引模式启动指令后，将满足条件的蓄电池3的输出接触器K1闭合，为+110V和-110V二条整列车直流贯通线11提供电源，双向充电机10启动逆变功能，闭合充电机接触器K2，给双向辅助变流器2提供三相电，同时反馈逆变启动完成信号给网络。

2)牵引变流器1收到应急牵引模式启动指令后，判断三相输入是否建立(即双向充电机已正常输出)，在预充电、水泵启动完成后，将牵引变流器1就绪状态反馈给网络。

3)网络在应急牵引模式下根据牵引变流器1准备就绪信号，待至少1个牵引变流器准备完成后，延时10s在显示屏提示司机可操作司控器手柄，进入应急牵引模式工作。

应急空调模式的执行步骤包括：

1)双向充电机10收到应急空调模式启动指令后，启动逆变功能给空调系统5供电，同时反馈逆变启动完成给网络。

2)全列车空调系统5收到应急空调模式就绪指令后，启动客室空调。延时10s在显示屏提示司机可操作按钮，进入应急空调模式工作。

D、模式退出条件

将司机室蓄电池牵引开关复位，网络自动退出应急牵引模式或者应急空调模式，模式完全退出后将当前蓄电池应急供电界面自动退出。

本发明动车组在弓网无电的情况下，动车组蓄电池应急牵引和应急空调制冷功能的方案，使具备在线路上任何一个区间发生供电故障时，动车组均可通过应急自走行功能、应急走行至就近车站的能力；除具备应急自走行功能，还可兼顾具备应急空调供电功能。

如上所述，结合附图所给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方案。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (14)

1.一种蓄电池应急供电系统，其特征在于，包括：

多个牵引变流器，包括整流器和逆变器，整流器输入端接入接触网并整流成中间直流环节的电压，再通过逆变器将直流电逆变成三相交流电为牵引电机供电；

多个双向辅助变流器，一端与对应的牵引交流器的中间直流环节连接，另一端并联接入交流贯通线，在正常工况下从中间直流环节获取直流电再逆变成三相交流电后接入交流贯通线，或在应急工况下从交流贯通线获取三相交流电再整流成中间直流环节的电压，通过逆变器为牵引电机供电；

多个充电机，一端并联接入交流贯通线，另一端并联接入直流贯通线，在正常工况下从交流贯通线获取三相交流电再整流成为直流电接入直流贯通线，通过直流贯通线为蓄电池和直流负载供电；或在应急工况下从直流贯通线获取直流电并逆变为三相交流电接入交流贯通线，通过交流贯通线为双向辅助变流器、空调装置供电；

多组蓄电池，并联接入直流贯通线，在正常工况下从直流贯通线上取直流电充电，在应急工况下为整列车直流贯通线提供应急直流电；

所述交流贯通线上设置有至少一个接触器TBK，在应急工况下断开接触器TBK将交流贯通线隔离成多段，每段中包含至少一组牵引变流器、双向辅助变流器、充电机及蓄电池。

2.根据权利要求1所述的蓄电池应急供电系统，其特征在于：在头车和尾车上分别安装两组蓄电池，在其它部分或全部的中间车上安装一组蓄电池。

3.根据权利要求1所述的蓄电池应急供电系统，其特征在于：所述充电机包括单向充电机和双向充电机，在头车和尾车上安装单向充电机，在中间车上安装双向充电机。

4.根据权利要求1所述的蓄电池应急供电系统，其特征在于：以相邻的两列车厢为一组将交流贯通线隔离成多段。

5.一种蓄电池应急供电方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、发出应急供电模式指令后，进行应急供电准备；

应急供电准备包括断开充电机正常工况下的电路输入、断开交流贯通线上的接触器将各段交流贯通线相互断开隔离、封锁整流器和断开整流器的输入电路；

B、发出应急供电模式指令后，检测各组蓄电池的参数，如果蓄电池的参数满足第一条件进入应急牵引模式准备，如果蓄电池的参数满足第二条件进入应急空调模式准备；

C、将满足条件可以投入供电的蓄电池的输出接触器K1闭合，发出供电启动指令，执行应急牵引模式或应急空调模式。

6.根据权利要求5所述的蓄电池应急供电方法，其特征在于：在上述步骤B中，接收应急供电模式指令后延时第一设定时间T1后再进行蓄电池参数是否满足条件的计算判断。

7.根据权利要求5或6所述的蓄电池应急供电方法，其特征在于：在上述步骤B中，当有N1组蓄电池的电量≥50％时判断为满足第一条件，当有N2组蓄电池的电量≥50％时判断为满足第二条件，其中，N1＞N2。

8.根据权利要求7所述的蓄电池应急供电方法，其特征在于：对满足电量条件的蓄电池再进行电压检测满足电压投入条件，具体为，计算出所有满足条件的蓄电池的电压平均值Vg，当单个蓄电池的电压值V与电压平均值Vg的差值≤设定电压值Vs时，判断为该蓄电池符合应急供电要求，可以投入供电。

9.根据权利要求8所述的蓄电池应急供电方法，其特征在于：判断蓄电池满足条件，需持续当前参数第二设定时间T2后，才最终确定为满足可投入供电条件。

10.根据权利要求5所述的蓄电池应急供电方法，其特征在于：在上述步骤C中，在蓄电池输出接触器K1闭合之前，还包括将满足条件可以投入供电的指令通过双向充电机转发给相应的蓄电池的控制系统，由蓄电池的控制系统结合自身故障状态执行输出接触器K1闭合或保持输出接触器K1断开的步骤，并将自身的输出接触器K1闭合状态实时通过双向充电机反馈给列车监控系统。

11.根据权利要求10所述的蓄电池应急供电方法，其特征在于：收到指令第三设定时间T3后该蓄电池输出接触器K1仍未闭合，则后续该蓄电池不再执行闭合指令，不再投入供电。

12.根据权利要求10所述的蓄电池应急供电方法，其特征在于：系统实时监测所有蓄电池中输出接触器K1的闭合数量，如在第四设定时间T4内收到所有蓄电池的反馈，则立即发出供电启动指令，若第四设定时间T4内未完全收到所有蓄电池反馈，则重新根据已反馈的蓄电池的投入数量，判断是否满足第一条件或第二条件，并最终确定执行应急牵引模式或应急空调模式。

13.一种轨道车辆，其特征在于：安装有如权利要求1-4任一项所述的蓄电池应急供电系统。

14.一种轨道车辆，其特征在于：采用如权利要求5-12任一项所述的蓄电池应急供电方法进行应急供电。