CN110303943A - 纯电动轨道机车双支路动力电池高压并联系统及控制方法 - Google Patents

纯电动轨道机车双支路动力电池高压并联系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纯电动轨道机车双支路动力电池高压并联系统及控制方法，该系统包括第一动力电池、第二动力电池、正极高压箱和负极高压箱，第一动力电池和第二动力电池的正极分别电连接正极高压箱，第一动力电池和第二动力电池的负极分别电连接负极高压箱，并经过正极高压箱和负极高压箱的保护及分断后再电连接到中间直流回路。本发明能够实现两个充电支路直接并联供电，系统冗余度高，还能够有效的减小并联时产生的环流，能够实现自主均衡，提高动力电池寿命，保证动力电池两支路放电一致性，提高系统可靠性，同时，对高压系统元器件冲击小，元件寿命高。

Description

纯电动轨道机车双支路动力电池高压并联系统及控制方法
技术领域
本发明属于轨道机车技术领域，尤其涉及一种纯电动轨道机车双支路动力电池高压并联系统及控制方法。
背景技术
目前在地铁施工及铁路隧道施工用的轨道车大多是内燃机车，机车能耗高、排放高、噪音大，使得地铁施工及铁路隧道施工作业环境更加恶劣，影响作业人员的人身健康。随着电池技术的发展，由动力电池替代柴油机作为动力源的纯电动轨道机车开始逐步兴起。
纯电动轨道机车在隧道内无排放、无噪音、等待时没有能源消耗，能大大改善隧道内的作业环境。动力电池高压系统作为整车的关键，对可靠性，冗余度及安全性有很高的要求。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种纯电动轨道机车双支路动力电池高压并联系统及控制方法，解决了动力电池分支路并联的难题，提高机车可靠性和冗余度，能够保证动力电池系统安全，本发明的技术方案如下：
一种纯电动轨道机车双支路动力电池高压并联系统，包括第一动力电池、第二动力电池、正极高压箱和负极高压箱，所述第一动力电池和第二动力电池的正极分别电连接正极高压箱，所述第一动力电池和第二动力电池的负极分别电连接负极高压箱，并经过正极高压箱和负极高压箱的保护及分断后再电连接到中间直流回路。
进一步的，所述第一动力电池和第二动力电池的正极和内部电路中均设置有带熔断器的维修开关。
进一步的，所述正极高压箱包括第一保护电路和第二保护电路，其中：
所述第一保护电路包括第一维修开关、第一正极输出接触器、第一充电接触器、预充电接触器、预充电电阻、第一二极管，以及电池管理系统的第一主模块，所述第一维修开关的第一端和第一主模块电连接第一动力电池的正极，所述第一维修开关的第二端通过第一正极输出接触器电连接到中间直流回路正，所述第一维修开关的第二端还通过第一充电接触器电连接到外部的充电机正极，所述第一维修开关的第二端还依次通过正向设置的第一二极管、预充电接触器和预充电电阻电连接到中间直流回路正；
所述第二保护电路包括第二维修开关、第二正极输出接触器、第二充电接触器、预投入接触器、预投入电阻、第二二极管，以及电池管理系统的第二主模块，所述第二维修开关的第二端和第二主模块电连接第二动力电池的正极，所述第二维修开关的第二端通过第二正极输出接触器电连接到中间直流回路正，所述第二维修开关的第二端还通过第二充电接触器电连接到外部的充电机正极，所述第二维修开关的第二端还依次通过正向设置的第二二极管、预投入接触器和预投入电阻电连接到中间直流回路正；
所述第一保护电路的第一二极管的负极还电连接第二保护电路的第二二极管的负极。
进一步的，所述负极高压箱包括第三维修开关、第四维修开关、第一负极输出接触器、第二负极输出接触器、第三充电接触器和第四充电接触器，所述第一动力电池依次通过第三维修开关和第一负极输出接触器电连接到中间直流回路负，所述第一动力电池还依次通过第三维修开关和第三充电接触器电连接到外部的充电机负极；所述第二动力电池依次通过第四维修开关和第二负极输出接触器电连接到中间直流回路负，所述第二动力电池还依次通过第四维修开关和第四充电接触器电连接到外部的充电机负极。
一种纯电动轨道机车双支路动力电池高压并联系统的控制方法，包括以下步骤：
S1.先接通第一负极输出接触器和第二负极输出接触器，再接通预充电接触器，第一动力电池通过第一二极管和预充电电阻向中间直流回路进行预充电，第二动力电池通过第二二极管和预充电电阻向中间直流回路进行预充电；
S2.预充电中间直流电压达到0.8倍额定电压时，若第一动力电池和第二动力电池的电压差小于预设值时，执行步骤S3；否则，执行步骤S4；
S3.分别接通第一正极输出接触器和第二正极输出接触器，断开预充电接触器，第一动力电池和第二动力电池开始并联向中间直流回路供电；
S4.假设第一动力电池电压大于第二动力电池电压，先接通预投入接触器，再接通第二正极输出接触器，此时，第一动力电池通过第一二极管、预投入接触器和预投入电阻向电压低的第二动力电池充电，第一动力电池和第二动力电池进行内部均衡；当检测到充电电流低于预设值时，结束内部均衡，接通第一正极输出接触器，断开预充电接触器和预投入接触器，第一动力电池和第二动力电池开始并联向中间直流回路供电。
进一步的，第一动力电池或第二动力电池出现故障时，不允许接通对应的输出接触器，机车单支路降功率运行。
进一步的，机车卸载后，关闭辅助回路供电，然后断开第一正极输出接触器和第二正极输出接触器，再断开第一负极输出接触器和第二负极输出接触器，第一动力电池和第二动力电池下电。
进一步的，第一动力电池和第二动力电池充电时，电池管理系统断开所有输出接触器，分别接通预充电接触器，第一动力电池和第二动力电池独立充电，直到同时充满时，断开预充电接触器，停止充电。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明能够实现两个充电支路直接并联供电，系统冗余度高；
(2)本发明能够有效的减小并联时产生的环流，能够实现自主均衡，提高动力电池寿命，保证动力电池两支路放电一致性，提高系统可靠性，同时，对高压系统元器件冲击小，元件寿命高。
附图说明
图1是本发明的纯电动轨道机车双支路动力电池高压并联系统的原理示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种纯电动轨道机车双支路动力电池高压并联系统，包括第一动力电池、第二动力电池、正极高压箱和负极高压箱，第一动力电池和第二动力电池的正极分别电连接正极高压箱，第一动力电池和第二动力电池的负极分别电连接负极高压箱，并经过正极高压箱和负极高压箱的保护及分断后再电连接到中间直流回路。其中，第一动力电池和第二动力电池的正极和内部电路中均设置有带熔断器的维修开关K0。
具体的，正极高压箱包括第一保护电路和第二保护电路，其中：
第一保护电路包括第一维修开关K1、第一正极输出接触器Kf1、第一充电接触器Kc1、预充电接触器Ky1、预充电电阻R1、第一二极管D1，以及电池管理系统(Battery ManagementSystem，BMS)的第一主模块BMS1，第一维修开关K1的第一端和第一主模块BMS1电连接第一动力电池的正极，第一维修开关K1的第二端通过第一正极输出接触器Kf1电连接到中间直流回路正，第一维修开关K1的第二端还通过第一充电接触器Kc1电连接到外部的充电机正极，第一维修开关K1的第二端还依次通过正向设置的第一二极管D1、预充电接触器Ky1和预充电电阻R1电连接到中间直流回路正。
第二保护电路包括第二维修开关K2、第二正极输出接触器Kf2、第二充电接触器Kc2、预投入接触器Ky2、预投入电阻R2、第二二极管D2，以及电池管理系统的第二主模块BMS2，第二维修开关K2的第二端和第二主模块BMS2电连接第二动力电池的正极，第二维修开关K2的第二端通过第二正极输出接触器Kf2电连接到中间直流回路正，第二维修开关K2的第二端还通过第二充电接触器Kc2电连接到外部的充电机正极，第二维修开关K2的第二端还依次通过正向设置的第二二极管D2、预投入接触器Ky2和预投入电阻R2电连接到中间直流回路正。其中，第一保护电路的第一二极管D1的负极还电连接第二保护电路的第二二极管D2的负极。
此外，负极高压箱包括第三维修开关K3、第四维修开关K4、第一负极输出接触器Kf3、第二负极输出接触器Kf4、第三充电接触器Kc3和第四充电接触器Kc4，第一动力电池依次通过第三维修开关K3和第一负极输出接触器Kf3电连接到中间直流回路负，第一动力电池还依次通过第三维修开关K3和第三充电接触器Kc3电连接到外部的充电机负极；第二动力电池依次通过第四维修开关K4和第二负极输出接触器Kf4电连接到中间直流回路负，第二动力电池还依次通过第四维修开关K4和第四充电接触器Kc4电连接到外部的充电机负极。
作为优化的，第一维修开关K1、第二维修开关K2第三维修开关K3和第四维修开关K4可采用手动维护开关(Manual Service Disconnect，MSD)。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上：
本实施例提供了一种纯电动轨道机车双支路动力电池高压并联系统的控制方法，包括以下步骤：
S1.先接通第一负极输出接触器Kf3和第二负极输出接触器Kf4，再接通预充电接触器Ky1，第一动力电池通过第一二极管D1和预充电电阻R1向中间直流回路进行预充电，第二动力电池通过第二二极管D1和预充电电阻R1向中间直流回路进行预充电；
S2.预充电中间直流电压达到0.8倍额定电压时，若第一动力电池和第二动力电池的电压差小于预设值时，执行步骤S3；否则，执行步骤S4；
S3.分别接通第一正极输出接触器Kf1和第二正极输出接触器Kf2，断开预充电接触器Ky1，第一动力电池和第二动力电池开始并联向中间直流回路供电；
S4.假设第一动力电池电压大于第二动力电池电压，先接通预投入接触器Ky2，再接通第二正极输出接触器Kf2，此时，第一动力电池通过第一二极管D1、预投入接触器Ky2和预投入电阻R2向电压低的第二动力电池充电，第一动力电池和第二动力电池进行内部均衡；当检测到充电电流低于预设值时，结束内部均衡，接通第一正极输出接触器Kf1，断开预充电接触器Ky1和预投入接触器Ky2，第一动力电池和第二动力电池开始并联向中间直流回路供电。
第一动力电池和第二动力电池充电时，电池管理系统断开所有输出接触器，分别接通预充电接触器Ky1，第一动力电池和第二动力电池独立充电，直到同时充满时，断开预充电接触器Ky1，停止充电。
此外，第一动力电池或第二动力电池出现故障时，不允许接通对应的输出接触器，机车单支路降功率运行。机车卸载后，关闭辅助回路供电，然后断开第一正极输出接触器Kf1和第二正极输出接触器Kf2，再断开第一负极输出接触器Kf3和第二负极输出接触器Kf4，第一动力电池和第二动力电池下电。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是有线连接，也可以是无线连接。

Claims (7)

1.一种纯电动轨道机车双支路动力电池高压并联系统，其特征在于，包括第一动力电池、第二动力电池、正极高压箱和负极高压箱，所述第一动力电池和第二动力电池的正极分别电连接正极高压箱，所述第一动力电池和第二动力电池的负极分别电连接负极高压箱，并经过正极高压箱和负极高压箱的保护及分断后再电连接到中间直流回路；
所述第一动力电池和第二动力电池的正极和内部电路中均设置有带熔断器的维修开关(K0)。
2.根据权利要求1所述的一种纯电动轨道机车双支路动力电池高压并联系统，其特征在于，所述正极高压箱包括第一保护电路和第二保护电路，其中：
所述第一保护电路包括第一维修开关(K1)、第一正极输出接触器(Kf1)、第一充电接触器(Kc1)、预充电接触器(Ky1)、预充电电阻(R1)、第一二极管(D1)，以及电池管理系统的第一主模块(BMS1)，所述第一维修开关(K1)的第一端和第一主模块(BMS1)电连接第一动力电池的正极，所述第一维修开关(K1)的第二端通过第一正极输出接触器(Kf1)电连接到中间直流回路正，所述第一维修开关(K1)的第二端还通过第一充电接触器(Kc1)电连接到外部的充电机正极，所述第一维修开关(K1)的第二端还依次通过正向设置的第一二极管(D1)、预充电接触器(Ky1)和预充电电阻(R1)电连接到中间直流回路正；
所述第二保护电路包括第二维修开关(K2)、第二正极输出接触器(Kf2)、第二充电接触器(Kc2)、预投入接触器(Ky2)、预投入电阻(R2)、第二二极管(D2)，以及电池管理系统的第二主模块(BMS2)，所述第二维修开关(K2)的第二端和第二主模块(BMS2)电连接第二动力电池的正极，所述第二维修开关(K2)的第二端通过第二正极输出接触器(Kf2)电连接到中间直流回路正，所述第二维修开关(K2)的第二端还通过第二充电接触器(Kc2)电连接到外部的充电机正极，所述第二维修开关(K2)的第二端还依次通过正向设置的第二二极管(D2)、预投入接触器(Ky2)和预投入电阻(R2)电连接到中间直流回路正；
所述第一保护电路的第一二极管(D1)的负极还电连接第二保护电路的第二二极管(D2)的负极。
3.根据权利要求2所述的一种纯电动轨道机车双支路动力电池高压并联系统，其特征在于，所述负极高压箱包括第三维修开关(K3)、第四维修开关(K4)、第一负极输出接触器(Kf3)、第二负极输出接触器(Kf4)、第三充电接触器(Kc3)和第四充电接触器(Kc4)，所述第一动力电池依次通过第三维修开关(K3)和第一负极输出接触器(Kf3)电连接到中间直流回路负，所述第一动力电池还依次通过第三维修开关(K3)和第三充电接触器(Kc3)电连接到外部的充电机负极；所述第二动力电池依次通过第四维修开关(K4)和第二负极输出接触器(Kf4)电连接到中间直流回路负，所述第二动力电池还依次通过第四维修开关(K4)和第四充电接触器(Kc4)电连接到外部的充电机负极。
4.一种如权利要求3所述的纯电动轨道机车双支路动力电池高压并联系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.先接通第一负极输出接触器(Kf3)和第二负极输出接触器(Kf4)，再接通预充电接触器(Ky1)，第一动力电池通过第一二极管(D1)和预充电电阻(R1)向中间直流回路进行预充电，第二动力电池通过第二二极管(D1)和预充电电阻(R1)向中间直流回路进行预充电；
S2.预充电中间直流电压达到0.8倍额定电压时，若第一动力电池和第二动力电池的电压差小于预设值时，执行步骤S3；否则，执行步骤S4；
S3.分别接通第一正极输出接触器(Kf1)和第二正极输出接触器(Kf2)，断开预充电接触器(Ky1)，第一动力电池和第二动力电池开始并联向中间直流回路供电；
S4.假设第一动力电池电压大于第二动力电池电压，先接通预投入接触器(Ky2)，再接通第二正极输出接触器(Kf2)，此时，第一动力电池通过第一二极管(D1)、预投入接触器(Ky2)和预投入电阻(R2)向电压低的第二动力电池充电，第一动力电池和第二动力电池进行内部均衡；当检测到充电电流低于预设值时，结束内部均衡，接通第一正极输出接触器(Kf1)，断开预充电接触器(Ky1)和预投入接触器(Ky2)，第一动力电池和第二动力电池开始并联向中间直流回路供电。
5.根据权利要求4所述的一种纯电动轨道机车双支路动力电池高压并联系统的控制方法，其特征在于，第一动力电池或第二动力电池出现故障时，不允许接通对应的输出接触器，机车单支路降功率运行。
6.根据权利要求4所述的一种纯电动轨道机车双支路动力电池高压并联系统的控制方法，其特征在于，机车卸载后，关闭辅助回路供电，然后断开第一正极输出接触器(Kf1)和第二正极输出接触器(Kf2)，再断开第一负极输出接触器(Kf3)和第二负极输出接触器(Kf4)，第一动力电池和第二动力电池下电。
7.根据权利要求4所述的一种纯电动轨道机车双支路动力电池高压并联系统的控制方法，其特征在于，第一动力电池和第二动力电池充电时，电池管理系统断开所有输出接触器，分别接通预充电接触器(Ky1)，第一动力电池和第二动力电池独立充电，直到同时充满时，断开预充电接触器(Ky1)，停止充电。
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