CN110014852A - 一种非公路车辆纯电动传动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非公路车辆纯电动传动系统,包括受电单元、主逆变单元、辅助逆变单元和储能单元,所述受电单元的输入端用于与接触网相连,所述受电单元的输出端经直流母线分别与主逆变单元和储能单元的输入端相连,所述储能单元的输出端与所述辅助逆变单元相连;所述储能单元用于提供非公路车辆在接触网与装载点之间、以及接触网与卸载点之间的驱动能量和辅助负载能量。本发明的非公路车辆纯电动传动系统具有节能环保等优点。

Description

一种非公路车辆纯电动传动系统
技术领域
本发明主要涉及非公路车辆技术领域,特指一种非公路车辆纯电动传动系统。
背景技术
非公路车辆的特点是:外形巨大,有些车辆的轮胎直径甚至达到5米以上;载重吨位大,普遍在100~500吨;动力强劲,非公路车辆装配大型柴油机,排量超甚至过100升,总功率超过3700马力;运行工况恶劣,所处环境恶劣,路况复杂多变。由于以上特点,这些车辆不能在标准公路上运行,只能运行于专用的道路上,因此称为非公路车辆。非公路车辆广泛应用于矿山、大型建筑工程、水电大坝工程、铁粉或煤炭堆场等需要大量运输工作的场合。
非公路车辆多数采用电驱动系统,与内燃机车类似,车上的柴油机驱动发电机,发电机发电经过牵引变流器变换成变压变频(VVVF)电源来驱动牵引电机,电驱动牵引系统是非公路车辆的核心组成部分,传统的电驱系统主要由柴油机、发电机、变流器、制动电阻、轮毂电机五个部分组成。其中发电机、轮毂电机、制动电阻都采用强迫风冷的方式,驱动变流器采用强迫风冷或水冷。目前,冷却风机有两种驱动方式:发电机同轴驱动风机;发电机配置辅助绕组,辅助绕组给辅助变流器供电,以便驱动风机电机。但是这两种方式下,柴油机必须始终运行于较高的转速,才能保持较好的冷却性能,并且柴油机要始终为风机等辅助负载提供驱动能量,运行不经济;风机的转速不能大范围调节,冷却系统的性能不能得到充分的发挥。同时,在制动工况下,大量的制动能量被消耗在制动电阻上,风机等辅助负载却不能利用这部分能量。
非公路车辆电驱动系统刹车采用电制动方式,并且矿用车有三分之一工况为制动工况,大量的制动能量被消耗在制动电阻发热上,缺少对制动能量存储和再利用,造成大量制动能量损失。而且非公路车辆配置的大型柴油机油耗惊人,并且造成极大的大气污染物排放。因此,传统电驱动系统的运行成本非常大、环境污染严重。
目前,有一部分矿山开始采用直流接触网给非公路车辆电驱动系统供电。在车辆运行的路线上架设直流接触网,电能直接输送到变流器的直流侧。电动轮矿车在满载爬坡运行时,由接触网给电驱动系统供电,提高整车的牵引功率,因此爬坡时的速度得到提高,从而提了工作效率;空载下坡时,由柴油机驱动发电机供电。在接触网和装载点之间、接触网和卸载点之间,由柴油发电机组供电。这种供电方式,柴油机的功率可以配置得比较小。但是,受制于接触网供电系统的成本,大部分接触网不允许接收制动能量,因此,制动能量的存储和利用还是没有解决。
发明专利《一种利用超级电容的自卸车动力系统CN201610935028.3》,描述了一种采用超级电容储能系统的自卸车驱动系统。外部直流电能经过充电装置给超级电容充电,牵引电机、辅助负载电机都采用超级电容供电,制动时能够由超级电容存储制动能量。对于载重数百吨的非公路车辆而言,该发明专利的方案,其需要的超级电容容量很大,超级电容成本高达数百万元,接近一辆传统动力的非公路车辆整车的成本;而且在大功率快速充电技术没有突破的情况下,充电时间远大于车辆的运行时间,因此实现起来难度极大。
发明专利《一种混合动力电动轮自卸车牵引系统CN201610627122.2》,描述了一种采用直流接触网、柴油机发电机组混合供电的自卸车驱动系统,发电机与接触网之间联锁。该发明专利的方案,不采用存储制动能量的方式,而是采用将制动能量回馈到接触网;制动能量回馈接触网,造成直流接触网电压升高,必须由配电站将制动能量回馈到高压电网侧,由于接触网供电系统成本的制约,大多数接触网不允许车辆回馈能量,因此该发明专利的方案不具备普遍的适用性。
发明专利《一种纯电动自卸车CN201610442251.4》,描述了采用动力电池组的纯电动自卸车驱动系统,牵引电机和举升油泵电机等辅助电机都采用动力电池组供电。对于载重数百吨的非公路车辆而言,该发明专利的方案,其需要的动力电池容量很大,成本可能高达数百万元,接近一辆传统动力的非公路车辆整车的成本;而且在大功率快速充电技术没有突破的情况下,充电时间远大于车辆的运行时间,因此实现起来难度极大。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于:针对现有技术存在的技术问题,本发明提供一种采用接触网与储能单元进行供电,节能环保的非公路车辆纯电动传动系统。
为解决上述技术问题,本发明提出的技术方案为:
一种非公路车辆纯电动传动系统,包括受电单元、主逆变单元、辅助逆变单元和储能单元,所述受电单元的输入端用于与接触网相连,所述受电单元的输出端经直流母线分别与主逆变单元和储能单元的输入端相连,所述储能单元的输出端与所述辅助逆变单元相连;所述储能单元用于提供非公路车辆在接触网与装载点之间、以及接触网与卸载点之间的驱动能量和辅助负载能量。
作为上述技术方案的进一步改进:
所述受电单元输出端的直流母线连接有制动单元;所述制动单元包括斩波器和制动电阻,所述斩波器包括依次串联的IGBT和二极管,所述制动电阻与所述二极管并联。
所述受电单元的输出端通过DC-DC变换器与所述储能单元相连,所述DC-DC变换器用于实现受电单元输出端与储能单元之间的电压变换。
所述储能单元还包括充电接口,用于接收外部充电电源,并与受电单元进行互锁。
所述受电单元的输出端以及所述储能单元的直流母线上均设置有接地检测单元。
所述储能单元为动力电池组,通过多个动力电池单体串并联而成。
所述主逆变单元包括一个以上的主逆变器,所述一个以上的逆变器采用共直流母线工作方式,所述主逆变器采用电压源型的三相逆变器,用于驱动牵引电机。
所述辅助逆变单元包括多个辅助逆变器,所述一个以上的逆变器采用共直流母线工作方式,各个辅助逆变器与各辅助负载电机一一对应。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
本发明的非公路车辆纯电动传动系统,采用接触网与储能单元相互配合进行供电,不消耗任何燃油,解决了非公路自卸车零污染、零排放的行业技术难题;辅助负载全部由储能单元进行供电,且制动能量由储能单元进行吸收储存,实现制动能量再利用;而且主逆变单元与辅助逆变单元一体化设计,集成度高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明中制动单元电路原理图。
图3为本发明中接地检测单元的电路原理图。
图4为本发明中斩波器的另一种实施例的结构示意图。
图中标号表示:1、受电弓;2、受电单元;3、DC-DC变换器;4、储能单元;5、电源管理系统;6、主逆变器接地检测单元;7、第一辅助逆变器;8、主风机;9、第二辅助逆变器;10、制动电阻风机;11、第三辅助逆变器;12、液压泵电机;13、斩波器;14、制动电阻;15、第一主逆变器;16、第一牵引电机;17、第二主逆变器;18、第二牵引电机;19、充电接口;20、主逆变器直流侧;21、储能单元接地检测单元;22、辅助逆变器接地检测单元。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图1至图4所示,本实施例的非公路车辆纯电动传动系统,包括受电单元2、主逆变单元、辅助逆变单元和储能单元4,受电单元2的输入端用于与接触网相连,受电单元2的输出端经直流母线分别与主逆变单元和储能单元4的输入端相连,储能单元4的输出端与辅助逆变单元相连;储能单元4用于提供非公路车辆在接触网与装载点之间、以及接触网与卸载点之间的驱动能量和辅助负载能量。本发明的非公路车辆纯电动传动系统,采用接触网与储能单元4相互配合进行供电,不消耗任何燃油,实现了非公路自卸车零污染、零排放的目的;辅助负载全部由储能单元4进行供电,且制动能量由储能单元4进行吸收储存,实现制动能量再利用;而且主逆变单元与辅助逆变单元一体化设计,集成度高。
本实施例中,受电弓1,包括正受电弓P、负受电弓N。在由直流接触网供电时,正受电弓P、负受电弓N同时升起,与接触网相连,由直流接触网供电,接触网电源直接输入到主逆变器直流侧20;系统脱离接触网时,正受电弓P、负受电弓N同时下降,驱动系统由储能单元4供电。受电单元2包括直流断路器、充电装置、滤波装置;充电装置,能够使得主逆变器直流侧20的电压缓慢上升,避免接触网电源过快地输入到主逆变器直流侧20;滤波装置的作用是对接触网电源起到一定的滤波作用,并避免接触网和主逆变器直流侧20之间相互影响。
本实施例中,主逆变单元包括第一主逆变器15和第二主逆变器17,其中第一主逆变器15和第二主逆变器17分别驱动第一牵引电机16和第二牵引电机18;各主逆变器采用电压源型的三相逆变器结构,包括散热器、IGBT、支撑电容等部件;各主逆变器采用共直流母线工作方式;当然,根据非公路车辆整车设计的牵引电机数量情况,可以方便地扩展主逆变器和牵引电机的数量。
如图1和图2所示,本实施例中,受电单元2输出端的直流母线连接有制动单元;制动单元包括斩波器13和制动电阻14,斩波器13包括依次串联的IGBT和二极管,制动电阻14与二极管并联。斩波器13和制动电阻14,在制动能量过大时,可以消耗部分制动能量。斩波器13能控制制动能量到制动电阻14的通路,并能控制流向制动电阻14的能量的多少。在其它实施例中,如图4所示,斩波器13采用IGBT作为控制开关,制动电阻14与二极管并联。
本实施例中,受电单元2的输出端通过DC-DC变换器3与储能单元4相连,DC-DC变换器3用于实现受电单元2输出端与储能单元4之间的电压变换。DC-DC变换器3的进一步作用:储能单元4充电时,控制主逆变器直流侧20稳定地向储能单元4充电;储能单元4放电时,控制储能单元4稳定地向主逆变器直流侧20放电;同时起到电压变换作用,当储能单元4电压与主逆变器直流侧20电压不匹配时,自动地变换电压。
本实施例中,储能单元4为动力电池组,通过多个动力电池单体串并联而成。在非公路车辆制动的时候,吸收制动能量;在非公路车辆脱离接触网时,同时向主逆变器和辅助逆变器供电。制动能量,是指非公路车辆减速或刹车时,牵引电机处于发电机状态,将电能反馈到主逆变器直流侧20;动力电池组,只需提供非公路车辆在接触网与装载点之间、接触网与卸载点之间的驱动能量和辅助负载能量,因此动力电池的数量、成本可控;动力电池组,采用模块式设计,可以根据接触网与装载点之间、接触网与卸载点之间的距离远近,换算成需要增加的电池数量,方便地进行扩展。动力电池组的充电方案为:非公路车辆与接触网相连时,由接触网向动力电池组充电;非公路车辆下坡时,由动力电池组存储制动能量来充电;非公路车辆在装载、卸载点等候的时间内,可以采用外部电源给动力电池供电,此充电方案解决了动力电池组充电时间过长,从而影响到运行时间的缺点。
本实施例中,储能单元4还包括电源管理系统5和充电接口19,电源管理系统5用来在线管理动力电池组,自动检测动力电池组电压均匀情况、温升、故障、用电多少、电池的电源流动方向等。充电接口19,用于接收外部充电电源且包含断路器,断路器与受电单元2的断路器互锁。
本实施例中,受电单元2的输出端的主逆变器直流母线上设有主逆变器接地检测单元6,DC-DC变换器3的输出端设置有储能单元接地检测单元21,储能单元4的输出端设置有辅助逆变器接地检测单元22。各接地检测单元分别检测各段直流母线接地情况。如图3所示,接地检测单元包括固定放电电阻,用于车辆停机时的放电,在规定的时间范围内将直流电压降到安全范围以内;固定放点电阻两端的全电压由电压传感器来采集;两个半压电压两端的半电压由电压传感器来采集;由半电压、全电压的对比得出接地情况。
本实施例中,DC-DC变换器3和斩波器13协调配合,检测主逆变器直流侧20电压上升的快慢、高低,分配动力电池组4存储能量的多少、制动电阻14消耗能量的多少,并将大部分能量存储在动力电池组上。
本实施例中,动力电池组4向辅助逆变单元供电,其中辅助逆变单元包括三个辅助逆变器,分别为第一辅助逆变器7、第二辅助逆变器9和第三辅助逆变器11,其中第一辅助逆变器7驱动主风机8,主风机8给所有主逆变器、所有辅助逆变器、所有牵引电机提供冷却;第二辅助逆变器9驱动制动电阻风机10,制动电阻风机10给制动电阻14提供冷却。第三辅助逆变器11驱动液压泵电机12,其中液压泵电机12驱动液压泵,液压泵驱动液压举升系统,控制货箱的举升、降落。所有辅助逆变器均为共直流母线工作方式。辅助逆变器与辅助负载电机一一对应,也可以采用一个辅助逆变器驱动多个性质相同的辅助负载电机。根据非公路车辆整车设计的辅助负载电机数量情况,以方便地扩展辅助逆变器和辅助负载电机的数量。
本实施例中,主逆变器以及辅助逆变器,本质上是共直流母线工作方式;主逆变器以及辅助逆变器采用一体化设计,具有共同的直流输入电源、风道、冷却风,并布置在一个柜体里面。
本发明的非公路车辆纯电动传动系统,是非公路车辆的纯电动驱动系统方案,特点是采用接触网和动力电池组联合供电,能够回收、存储和再利用制动能量,运行成本低、可靠性高;不需要配置柴油机,不消耗任何燃油;动力电池组只需提供非公路车辆在接触网与装载点之间、接触网与卸载点之间的驱动能量和辅助负载能量,因此动力电池的数量、成本可控。
以上仅是本发明的优选实施方式,本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例,凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰,应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种非公路车辆纯电动传动系统,其特征在于,包括受电单元(2)、主逆变单元、辅助逆变单元和储能单元(4),所述受电单元(2)的输入端用于与接触网相连,所述受电单元(2)的输出端经直流母线分别与主逆变单元和储能单元(4)的输入端相连,所述储能单元(4)的输出端与所述辅助逆变单元相连;所述储能单元(4)用于提供非公路车辆在接触网与装载点之间、以及接触网与卸载点之间的驱动能量和辅助负载能量。
2.根据权利要求1所述的非公路车辆纯电动传动系统,其特征在于,所述受电单元(2)输出端的直流母线连接有制动单元;所述制动单元包括斩波器(13)和制动电阻(14),所述斩波器(13)包括依次串联的IGBT和二极管,所述制动电阻(14)与所述二极管并联。
3.根据权利要求1或2所述的非公路车辆纯电动传动系统,其特征在于,所述受电单元(2)的输出端通过DC-DC变换器(3)与所述储能单元(4)相连,所述DC-DC变换器(3)用于实现受电单元(2)输出端与储能单元(4)之间的电压变换。
4.根据权利要求1或2所述的非公路车辆纯电动传动系统,其特征在于,所述储能单元(4)还包括充电接口(19),用于接收外部充电电源,并与受电单元(2)进行互锁。
5.根据权利要求1或2所述的非公路车辆纯电动传动系统,其特征在于,所述受电单元(2)的输出端以及所述储能单元(4)的直流母线上均设置有接地检测单元。
6.根据权利要求1或2所述的非公路车辆纯电动传动系统,其特征在于,所述储能单元(4)为动力电池组,通过多个动力电池单体串并联而成。
7.根据权利要求1或2所述的非公路车辆纯电动传动系统,其特征在于,所述主逆变单元包括一个以上的主逆变器,所述一个以上的逆变器采用共直流母线工作方式,所述主逆变器采用电压源型的三相逆变器,用于驱动牵引电机。
8.根据权利要求1或2所述的非公路车辆纯电动传动系统,其特征在于,所述辅助逆变单元包括多个辅助逆变器,所述一个以上的逆变器采用共直流母线工作方式,各个辅助逆变器与各辅助负载电机一一对应。
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