CN110356257B - 电机车的能量转换电路、装置、控制器和电机车 - Google Patents

电机车的能量转换电路、装置、控制器和电机车 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电机车的能量转换电路、装置、控制器和电机车，在设置蓄电池储能模块的同时，还加入了超级电容储能模块，并在蓄电池储能模块中设置了电压升降单元，使超级电容能够辅助蓄电池电机车的直流电机供电，同时电压升降单元提升了输出电压的电压增益，减小了输出给直流电机的电流的纹波幅值，且在回收能力过程中，电机回路产生的浪涌电流回馈到超级电容，更加迅速吸收回馈的能量，并避免了损坏蓄电池。采用本发明的技术方案，能够提高能量转换系统的功率密度、动态响应速度、电能回收效率和可靠性，进而使电机车在爬坡、加速和制动方面有明显性能提升。

Description

电机车的能量转换电路、装置、控制器和电机车
技术领域
本发明涉及电子电路技术领域，具体涉及一种电机车的能量转换电路、装置、控制器和电机车。
背景技术
随着现代科技的不断进步，新能源运输工具、矿用机车等电机车不断涌现，并逐渐普及。其中，电机车的持续运行能力是评价电机车性能的重要标准，因此，电机车的能量转换系统作为一个核心问题，近年来备受关注。
大多数矿用电机车采用的能量转换系统包括电压源型逆变器和双向DC-DC升压单元两个部分，其中，双向DC-DC升压单元通常为蓄电池储能，其优点是无电火花危险、相对安全、无需架线、比较灵活。
但是，单一的蓄电池储能，能量密度低，使得电机车的续航能力较差，且在电机车制动、停车等回收能力时，电机回路产生很大的浪涌电流，直接回馈至蓄电池不仅不能有效存储电能，而且会损坏蓄电池，缩短蓄电池的寿命。因此，现有技术中电机车的能量转换系统的能力密度较低、转换效率较差、寿命较短。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电机车的能量转换电路、装置、控制器和电机车，以解决现有技术中电机车的能量转换系统的能力密度较低、转换效率较差、寿命较短的问题。
为实现以上目的，本发明提供一种电机车的能量转换电路，包括蓄电池储能模块、超级电容储能模块、直流电机驱动模块和直流电机；
所述蓄电池储能模块包括蓄电池、第一电容、第一控制开关和电压升降单元；
所述超级电容储能模块包括超级电容、第一电感和第二电容；
所述蓄电池的正极分别与所述电压升降单元的第一端和所述直流电机驱动模块的正极端相连；
所述电压升降单元的第二端与所述第一控制开关的第一端相连；
所述第一控制开关第二端与所述蓄电池的负极相连；
所述第一控制开关第三端、所述电压升降单元的第三端和所述直流电机驱动模块的信号端分别与电机车的控制信号输出组件相连；
所述第一电容的正极与所述蓄电池的正极相连，所述第一电容的负极与所述蓄电池的负极相连；
所述超级电容的正极经第一电感后接所述蓄电池的负极，所述第二电容的正极与所述第一控制开关的第一端相连；
所述第二电容的负极、所述超级电容的负极与所述直流电机驱动模块的负极端相连相连，所述直流电机驱动模块的输出端与所述直流电机相连；
所述第一控制开关、所述电压升降单元、所述直流电机驱动模块分别接收所述控制信号输出组件的发送的与所述电机车运行状态相对应的控制信号，以使所述电机车的能量转换电路切换至与所述电机车运行状态向对应的工作状态。
进一步地，上述所述的电机车的能量转换电路中，所述电压升降单元包括第二控制开关、第三控制开关、第二电感、第三电感和第三电容；
所述第二控制开关的第一端、所述第三控制开关的第一端和所述第三电感的第一端连接在一起；
所述第二电感的第一端、所述第三控制开关的第二端和所述第三电容的负极连接在一起；
所述第二控制开关的第二端与所述第二电感的第二端连接在一起作为所述电压升降单元的第二端；
所述第三电容的正极与所述第三电感的第二端连接在一起作为所述电压升降单元的第一端；
所述电压升降单元的第三端包括所述第二控制开关的第三端和所述第三控制开关的第三端。
进一步地，上述所述的电机车的能量转换电路中，所述第一控制开关、所述第二控制开关和所述第三控制开关均为金属氧化物半导体MOS管，或者，所述第一控制开关、所述第二控制开关和所述第三控制开关均为绝缘栅双极型晶体管IGBT管。
进一步地，上述所述的电机车的能量转换电路中，所述直流电机驱动模块包括第一桥臂和第二桥臂，第一桥臂包括第四控制开关、第五控制开关，第二桥臂包括第六控制开关、第七控制开关；
所述第四控制开关的第二端与所述第五控制开关的第一端相连；
所述第六控制开关的第二端与所述第七控制开关的第一端相连；
所述第四控制开关的第一端与所述第六控制开关的第一端连接在一起作为所述直流电机驱动模块的正极端；
所述第五控制开的第二端与所述第七控制开关的第二端连接在一起作为所述直流电机驱动模块的负极端；
所述直流电机驱动模块的信号端包括所述第四控制开关的第三端、所述第五控制开关的第三端、所述第六控制开关的第三端和所述第七控制开关的第三端。
进一步地，上述所述的电机车的能量转换电路中，所述第四控制开关、所述第五控制开关、所述第六控制开关和所述第七控制开关均为MOS管，或者，所述第四控制开关、所述第五控制开关、所述第六控制开关和所述第七控制开关均为IGBT管。
本发明还提供一种电机车的能量转换装置，设置有如上所述的电机车的能量转换电路。
本发明还提供一种电机车的控制器，包括控制信号输出组件和如上所述的电机车的能量转换装置；
所述电机车的能量转换装置中的第一控制开关第三端、电压升降单元的第三端和直流电机驱动模块的信号端分别与电机车的控制信号输出组件相连。
进一步地，上述所述的电机车的控制器中，所述控制信号输出组件为单片机。
本发明还提供一种电机车，设置有如上所述的电机车的能量转换装置。
进一步地，上述所述的电机车中，所述电机车包括电动汽车和/或矿用机车。
本发明的电机车的能量转换电路、装置、控制器和电机车，在设置蓄电池储能模块的同时，还加入了超级电容储能模块，并在蓄电池储能模块中设置了电压升降单元，使超级电容能够辅助蓄电池电机车的直流电机供电，同时电压升降单元提升了输出电压的电压增益，减小了输出给直流电机的电流的纹波幅值，且在回收能力过程中，电机回路产生的浪涌电流回馈到超级电容，更加迅速吸收回馈的能量，并避免了损坏蓄电池。采用本发明的技术方案，能够提高能量转换系统的功率密度、动态响应速度、电能回收效率和可靠性，进而使电机车在爬坡、加速和制动方面有明显性能提升。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的电机车的能量转换电路实施例的结构示意图；
图2为直流电机在牵引模式下电机车的能量转换电路的第一工作状态的等效电路图；
图3为直流电机在牵引模式下电机车的能量转换电路的第二工作状态的等效电路图；
图4为直流电机在再生模式下电机车的能量转换电路的第一工作状态的等效电路图；
图5为直流电机在再生模式下电机车的能量转换电路的第二工作状态的等效电路图；
图6为直流电机在超级电容恢复模式下电机车的能量转换电路的第一工作状态的等效电路图；
图7为直流电机在超级电容恢复模式下电机车的能量转换电路的第二工作状态的等效电路图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
图1为本发明的电机车的能量转换电路实施例的结构示意图，如图1所示，本实施例的电机车的能量转换电路包括蓄电池UB储能模块10、超级电容UC储能模块11、直流电机驱动模块12和直流电机M；其中，蓄电池UB储能模块10包括蓄电池UB、第一电容C1、第一控制开关Q1和电压升降单元111；超级电容UC储能模块11包括超级电容UC、第一电感L1和第二电容C2。
如图1所示，蓄电池UB的正极分别与电压升降单元111的第一端和直流电机驱动模块12的正极端相连；电压升降单元111的第二端与第一控制开关Q1的第一端相连；第一控制开关Q1第二端与蓄电池UB的负极相连；第一控制开关Q1第三端、电压升降单元111的第三端和直流电机驱动模块12的信号端分别与电机车的控制信号输出组件相连；第一电容C1的正极与蓄电池UB的正极相连，第一电容C1的负极与蓄电池UB的负极相连；超级电容UC的正极经第一电感L1后接蓄电池UB的负极，第二电容C2的正极与第一控制开关Q1的第一端相连；第二电容C2的负极、超级电容UC的负极与直流电机驱动模块12的负极端相连相连，直流电机驱动模块12的输出端与直流电机M相连。
在一个具体实现过程中，第一控制开关Q1、电压升降单元111、直流电机驱动模块12分别接收控制信号输出组件的发送的与电机车运行状态相对应的控制信号，以使电机车的能量转换电路切换至与电机车运行状态向对应的工作模式。该过程中，由于电压升降单元111的存在，在对直流电机供电时，其输出电压的电压增益相对较高，且减小了输出给直流电机M的电流的纹波幅值。
具体地，如图1所示，本实施例中的电压升降单元111包括第二控制开关Q2、第三控制开关Q3、第二电感L2、第三电感L3和第三电容C3。例如，第一控制开关Q1、第二控制开关Q2和第三控制开关Q3均为金属氧化物半导体(Metal Oxide Semiconductor，MOS)管，或者，第一控制开关Q1、第二控制开关Q2和第三控制开关Q3均为绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGate Bipolar Transistor，IGBT)。下面以采用MOS管为例对本发明的技术方案进行说明。
如图1所示，本实施例中，第二控制开关Q2的第一端(MOS管的漏极)、第三控制开关Q3的第一端(MOS管的源极)和第三电感L3的第一端连接在一起；第二电感L2的第一端、第三控制开关Q3的第二端(MOS管的漏极)和第三电容C3的负极连接在一起；第二控制开关Q2的第二端(MOS管的源极)与第二电感L2的第二端连接在一起作为电压升降单元111的第二端；第三电容C3的正极与第三电感L3的第二端连接在一起作为电压升降单元111的第一端；电压升降单元111的第三端包括第二控制开关Q2的第三端(MOS管的栅极)和第三控制开关Q3的第三端(IGBT管的栅极)。
在一个具体实现过程中，根据电机车运行状态可以确定直流电机M的实际运行情况，主要可以分为3种工作模式：牵引模式、再生模式、超级电容UC恢复模式；在每个工作模式下，又可以根据每个控制开关的通断情况，又分为2种不同的工作状态。本实施例中，可以将直流电机驱动模块12与直流电机M等效成一个电压源，这样，本实施例的电机车的能量转换电路在每个工作状态下的等效电路图可以参考图2-图7。
具体地，图2为直流电机在牵引模式下电机车的能量转换电路的第一工作状态的等效电路图，如图2所示，本实施例的电机车的能量转换电路的第一工作状态的等效电路图为第一控制开关Q1关断，第二控制开关Q2导通，第三控制开关Q3关断时得到的。第一工作状态下参照图2中的箭头可以获知，直流电机M消耗能量，直流电机M正转，超级电容UC、第二电容C2、蓄电池UB给第一电感L1储能，第二电容C2和第三电容C3给第二电感L2和第三电感L3储能。
图3为直流电机在牵引模式下电机车的能量转换电路的第二工作状态的等效电路图，如图3所示，本实施例的电机车的能量转换电路的第二工作状态的等效电路图为第一控制开关Q1导通，第二控制开关Q2关断，第三控制开关Q3导通时得到的。照图3中的箭头可以获知，此时直流电机M消耗能量，直流电机M正转。超级电容UC、第二电容C2、第三电容C3给第一电感L1、第二电感L2和第三电感L3储能，蓄电池UB给第一电容C1C2储能。
图4为直流电机在再生模式下电机车的能量转换电路的第一工作状态的等效电路图，如图4所示，本实施例的电机车的能量转换电路的第一工作状态的等效电路图为第一控制开关Q1关断，第二控制开关Q2导通，第三控制开关Q3关断时得到的。参照图4中的箭头可以获知，此时直流电机M发出能量，直流电机M反转，直流电机M发出的能量回馈给蓄电池UB、第一电容C1、第一电感L1、超级电容UC，第二电容C2C1、第三电容C3C3给第二电感L2、第三电感L3储能。
图5为直流电机在再生模式下电机车的能量转换电路的第二工作状态的等效电路图，如图5所示，本实施例的电机车的能量转换电路的第二工作状态的等效电路图为第一控制开关Q1导通，第二控制开关Q2关断，第三控制开关Q3导通时得到的。参照图5中的箭头可以获知，此时直流电机M发出能量，直流电机M反转。能量回馈给第三电感L3、第二电感L2、第一电感L1，同时给第三电容C3、第一电容C1和超级电容UCUC充电；第一电容C1给蓄电池UB充电。
图6为直流电机在超级电容UC恢复模式下电机车的能量转换电路的第一工作状态的等效电路图，如图6所示，本实施例的电机车的能量转换电路的第一工作状态的等效电路图为第一控制开关Q1关断，第二控制开关Q2导通，第三控制开关Q3关断时得到的。参照图6中的箭头可以获知，此时直流电机M发出能量，直流电机M反转。直流电机M发出的能量回馈给蓄电池UB、第三电感L3、第二电容C2、第二电感L2、第三电容C3、第一电容C1C2、第一电感L1、超级电容UC。
图7为直流电机在超级电容UC恢复模式下电机车的能量转换电路的第二工作状态的等效电路图，如图7所示，本实施例的电机车的能量转换电路的第一工作状态的等效电路图为第一控制开关Q1导通，第二控制开关Q2关断，第三控制开关Q3导通时得到的。参照图7中的箭头可以获知，此时直流电机M消耗能量，直流电机M正转。第二电容C2给第一电感L1和超级电容UC充电，蓄电池UB、第二电容C2、第一电容C1、第三电容C3给发电机供电，同时将能量储存在第二电感L2和第三电感L3中。
本实施例的电机车的能量转换电路，在设置蓄电池UB储能模块10的同时，还加入了超级电容UC储能模块11，并在蓄电池UB储能模块10中设置了电压升降单元111，使超级电容UC能够辅助蓄电池UB电机车的直流电机M供电，同时电压升降单元111提升了输出电压的电压增益，减小了输出给直流电机M的电流的纹波幅值，且在回收能力过程中，电机回路产生的浪涌电流回馈到超级电容UC，更加迅速吸收回馈的能量，并避免了损坏蓄电池UB。采用本发明的技术方案，能够提高能量转换系统的功率密度、动态响应速度、电能回收效率和可靠性，进而使电机车在爬坡、加速和制动方面有明显性能提升。
在一个具体实现过程中，如图1所示，本实施例的电机车的能量转换电路中，直流电机驱动模块12包括第一桥臂和第二桥臂，第一桥臂包括第四控制开关Q4、第五控制开关Q5，第二桥臂包括第六控制开关Q6、第七控制开关Q7；第四控制开关Q4的第二端与第五控制开关Q5的第一端相连；第六控制开关Q6的第二端与第七控制开关Q7的第一端相连；第四控制开关Q4的第一端与第六控制开关Q6的第一端连接在一起作为直流电机驱动模块12的正极端；第五控制开的第二端与第七控制开关Q7的第二端连接在一起作为直流电机驱动模块12的负极端；直流电机驱动模块12的信号端包括第四控制开关Q4的第三端、第五控制开关Q5的第三端、第六控制开关Q6的第三端和第七控制开关Q7的第三端。
其中，第四控制开关Q4、第五控制开关Q5、第六控制开关Q6和第七控制开关Q7均为MOS管，或者，第四控制开关Q4、第五控制开关Q5、第六控制开关Q6和第七控制开关Q7均为IGBT管。
本发明还提供一种电机车的能量转换装置，设置有上述实施例的电机车的能量转换电路。
本发明还提供一种电机车的控制器，该电机车的控制器包括控制信号输出组件和上述实施例的电机车的能量转换装置；
所述电机车的能量转换装置中的第一控制开关Q1第三端、电压升降单元111的第三端和直流电机驱动模块12的信号端分别与电机车的控制信号输出组件相连。
其中，该控制信号输出组件为单片机。
本发明还提供一种电机车，该电机车上设置有如上实施例的电机车的能量转换装置。其中，该电机车包括电动汽车和/或矿用机车。
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种电机车的能量转换电路，其特征在于，包括蓄电池储能模块、超级电容储能模块、直流电机驱动模块和直流电机；
所述蓄电池储能模块包括蓄电池、第一电容、第一控制开关和电压升降单元；
所述超级电容储能模块包括超级电容、第一电感和第二电容；
所述蓄电池的正极分别与所述电压升降单元的第一端和所述直流电机驱动模块的正极端相连；
所述电压升降单元的第二端与所述第一控制开关的第一端相连；
所述第一控制开关第二端与所述蓄电池的负极相连；
所述第一控制开关第三端、所述电压升降单元的第三端和所述直流电机驱动模块的信号端分别与电机车的控制信号输出组件相连；
所述第一电容的正极与所述蓄电池的正极相连，所述第一电容的负极与所述蓄电池的负极相连；
所述超级电容的正极经第一电感后接所述蓄电池的负极，所述第二电容的正极与所述第一控制开关的第一端相连；
所述第二电容的负极、所述超级电容的负极与所述直流电机驱动模块的负极端相连相连，所述直流电机驱动模块的输出端与所述直流电机相连；
所述电压升降单元包括第二控制开关、第三控制开关、第二电感、第三电感和第三电容；
所述第二控制开关的第一端、所述第三控制开关的第一端和所述第三电感的第一端连接在一起；
所述第二电感的第一端、所述第三控制开关的第二端和所述第三电容的负极连接在一起；
所述第二控制开关的第二端与所述第二电感的第二端连接在一起作为所述电压升降单元的第二端；
所述第三电容的正极与所述第三电感的第二端连接在一起作为所述电压升降单元的第一端；
所述电压升降单元的第三端包括所述第二控制开关的第三端和所述第三控制开关的第三端；
所述第一控制开关、所述电压升降单元、所述直流电机驱动模块分别接收所述控制信号输出组件发送的与所述电机车运行状态相对应的控制信号，以使所述电机车的能量转换电路切换至与所述电机车运行状态相对应的工作状态。
2.根据权利要求1所述的电机车的能量转换电路，其特征在于，所述第一控制开关、所述第二控制开关和所述第三控制开关均为金属氧化物半导体MOS管，或者，所述第一控制开关、所述第二控制开关和所述第三控制开关均为绝缘栅双极型晶体管IGBT管。
3.根据权利要求1所述的电机车的能量转换电路，其特征在于，所述直流电机驱动模块包括第一桥臂和第二桥臂，第一桥臂包括第四控制开关、第五控制开关，第二桥臂包括第六控制开关、第七控制开关；
所述第四控制开关的第二端与所述第五控制开关的第一端相连；
所述第六控制开关的第二端与所述第七控制开关的第一端相连；
所述第四控制开关的第一端与所述第六控制开关的第一端连接在一起作为所述直流电机驱动模块的正极端；
所述第五控制开关的第二端与所述第七控制开关的第二端连接在一起作为所述直流电机驱动模块的负极端；
所述直流电机驱动模块的信号端包括所述第四控制开关的第三端、所述第五控制开关的第三端、所述第六控制开关的第三端和所述第七控制开关的第三端。
4.根据权利要求3所述的电机车的能量转换电路，其特征在于，所述第四控制开关、所述第五控制开关、所述第六控制开关和所述第七控制开关均为MOS管，或者，所述第四控制开关、所述第五控制开关、所述第六控制开关和所述第七控制开关均为IGBT管。
5.一种电机车的能量转换装置，其特征在于，设置有如权利要求1-4任一项所述的电机车的能量转换电路。
6.一种电机车的控制器，其特征在于，包括控制信号输出组件和如权利要求5所述的电机车的能量转换装置；
所述电机车的能量转换装置中的第一控制开关第三端、电压升降单元的第三端和直流电机驱动模块的信号端分别与电机车的控制信号输出组件相连。
7.根据权利要求6所述的电机车的控制器，其特征在于，所述控制信号输出组件为单片机。
8.一种电机车，其特征在于，设置有如权利要求6所述的电机车的控制器。
9.根据权利要求8所述的电机车，其特征在于，所述电机车包括电动汽车和/或矿用机车。
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