CN110875626B - 一种车载供电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种车载供电装置，包括依次连接的三电平双向变换器、储能控制系统以及储能系统，三电平双向变换器的一端连接列车直流母线，另一端通过储能控制系统连接储能系统，列车直流母线的电能经过三电平双向变换器进行降压斩波后提供给储能系统充电，或储能系统的电能经过所述三电平双向变换器进行升压斩波后释放到列车直流母线中，通过所述储能控制电路控制所述储能系统的充放电。本发明能够实现列车直流母线与储能系统之间的双向能量传输，且具有结构简单、体积重量小以及低噪音的优点。

Description

一种车载供电装置
技术领域
本发明涉及列车供电技术领域，尤其涉及一种车载供电装置。
背景技术
以低地板有轨电车为代表的新型城市轨道交通系统中，通常是采用分区间供电的方式，即有网供电和无网供电的并存方式，列车运行在有接触网供电区间，列车牵引时所需电能由接触网供电，同时通过车载双向DC-DC变换器降压斩波给车载储能系统充电；列车运行在无接触网供电区间，列车牵引时所需电能由车载储能系统通过双向DC-DC变换器升压斩波提供，即列车在有网供电和无网供电两种线路自由运行时，车载双向DC-DC变换器即是其中的关键设备，需要DC-DC变换器实现双向能量传输功能。
针对双向DC/DC变换器，目前主要采用以下两种类型结构：第一种类型是采用将两台单向DC/DC变换器反并联连接构成的结构，使得两台DC/DC变换器不同时工作，以此实现能量的双向传输，但采用该类方式时，一台DC/DC变换器工作时，另一台DC/DC变换器被闲置，资源利用率低，所需的储能系统的空间体积大，因而系统成本较高，且能量流动方向的切换控制非常复杂；第二种类型是使用一个变换器的结构，结合控制能量双向流动的控制方法来实现两个变换器的功能，该类型双向DC/DC变换器，可以减小系统体积和成本，提高功率密度，且可更快速方便地实现能量流动方向的切换。
传统的如双向Buck/Boost电路、双向Buck-Boost电路、双向Cuk电路、双向Sepic/Zeta电路等即是如上述使用一个变换器的结构实现双向DC/DC变换功能，但是上述双向DC/DC变换器中开关管所需承受的电压应力较大，如Buck-Boost电路中开关管需要承受2U1(U1为输入电压)的电压应力，其它三种升降压斩波电路拓扑中开关管则需要承受U1+U2(U2为输出电压)的电压应力，电路中需采用较高电压等级的开关管，同时当使用较高电压等级的开关管时，因受开关管开关损耗的制约，无法有效提升开关管的开关频率，故需要配合使用较大体积、重量的电抗器，使得电路的整体体积、重量大且有较大的噪声产生。因此如何使车载双向DC-DC变换器实现轻量化、小型化以及低噪音是当前亟待解决的问题。
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，本发明提供一种能够实现能量的双向传输，且结构简单、体积重量小以及低噪音的车载供电装置。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种车载供电装置，包括依次连接的三电平双向变换器、储能控制系统以及储能系统，所述三电平双向变换器的一端连接列车直流母线，另一端通过所述储能控制系统连接所述储能系统，列车直流母线的电能经过所述三电平双向变换器进行降压斩波后提供给所述储能系统充电，或所述储能系统的电能经过所述三电平双向变换器进行升压斩波后释放到列车直流母线中，通过所述储能控制电路控制所述储能系统的充放电。
作为本发明的进一步改进：所述三电平双向变换器包括第一滤波电容、第二滤波电容、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管以及斩波电抗器，每个开关管反并联连接有二极管，所述第一滤波电容的一端通过所述第一开关管与所述第三开关管连接，所述第一滤波电容的另一端连接所述第二滤波电容的一端，所述第二滤波电容的另一端通过所述第二开关管与所述第四开关管连接，所述第三开关管与所述第四开关管连接，所述第三开关管与所述第四开关管之间的连接点与所述第一滤波电容、第二滤波电容之间的连接点连接，所述斩波电抗器分别与所述第一开关管、第三开关管连接。
作为本发明的进一步改进：所述第一开关管与所述第二开关管的极性方向相反，所述第三开关管与所述第四开关管的极性方向相同。
作为本发明的进一步改进：所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管采用IGBT管或MOS管，所述第一开关管的漏极与所述第一滤波电容连接，源级与所述第三开关管的漏极连接，所述第三开关管的源级与所述第四开关管的漏极连接，所述第四开关管的源级与所述第二开关管的漏极连接，所述第二开关管的源级与所述第二滤波电容连接。
作为本发明的进一步改进：当所述第一开关管与第二开关管交替通断时，列车直流母线的电能经过所述双向DC-DC变换器进行降压斩波后提供给所述储能系统充电，当所述第三开关管、第四开关管交替通断时，所述储能系统的电能经过所述三电平双向变换器进行升压斩波后释放到列车直流母线中。
作为本发明的进一步改进：所述三电平双向变换器还设置有检测电路，用于检测所述三电平双向变换器的电流信号以及所述第一滤波电容、第二滤波电容的电压信号以进行闭环控制。
作为本发明的进一步改进：所述三电平双向变换器的输入侧还设置有预充电及输入电路，用于接入列车电源对所述第一滤波电容、第二滤波电容进行预充电。
作为本发明的进一步改进：所述预充电及输入电路采用降压斩波DC/DC变换电路。
作为本发明的进一步改进：所述降压斩波DC/DC变换电路包括第六开关管、二极管以及线路电抗器，所述第六开关管、线路电抗器设置在列车直流正极母线的上，所述第六开关管通过所述线路电抗器与所述三电平双向变换器的输入端的正极连接，所述二极管的阴极分别与所述第六开关管、线路电抗器连接，所述二极管的阳极与列车直流母线的负极连接。
作为本发明的进一步改进：所述预充电及输入电路包括相互连接的预充电模块以及斩波电抗器，所述预充电模块通过所述斩波电抗器与所述三电平双向变换器的输入端的正极连接，所述预充电模块包括短接接触器、预充电接触器及预充电电阻，所述预充电接触器与所述预充电电阻串联后与所述短接接触器并联连接，由所述线路电抗器与所述第一滤波电容、第二滤波电容构成LC滤波器。
作为本发明的进一步改进：所述预充电及输入电路还设置有用于检测列车直流母线电压的电压检测单元和/或用于检测列车直流母线正负线的电流并进行差分接地保护的电流检测单元。
作为本发明的进一步改进：所述储能控制电路包括第五开关管以及续流二极管，所述第五开关管设置在列车直流母线的正极母线上，所述续流二极管的阳极与所述列车直流母线的负极连接，阴极与列车直流母线的正极连接。
作为本发明的进一步改进：当列车直流母线电压低于所述储能系统的电压时，控制关断所述第五开关管以防止所述储能系统对外放电；当发生故障断开所述双向DC-DC变换器时，控制由所述续流二极管对所述斩波电抗器的能量进行续流释放。
作为本发明的进一步改进：还包括与所述第五开关管连接的预充电控制模块，用于控制所述第五开关管的脉冲宽度，以由所述第五开关管、续流二极管以及斩波电抗器构成的单向降压电路对所述第一滤波电容、第二滤波电容进行预充电。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明车载供电装置，由三电平双向变换器基于三电平升降压结构实现双向DC-DC变换，可以实现轻量化、小型化及低噪音的双向DC-DC变换结构，同时结合储能控制系统控制储能系统的充放电，可以实现列车直流母线与储能系统之间的灵活、安全可靠的双向能量传输，不仅可以减少作为关键设备的双向DC-DC变换器的体积、重量，还可以降低后级储能控制系统的电压应力，使得后级储能控制系统的电路可选择体积重量轻的结构，从而可以极大的减少供电装置的整体体积、重量，减少列车的载重及噪音，实现列车在有网和无网运行时能量的高效循环利用，使整个交通系统更节能环保。
2、本发明车载供电装置，通过由四个开关管构成的三电平双向变换器实现三电平DC-DC变换，可以降低开关管的电压应力，从而变换器中采用电压等级低的开关管即可满足需求，可以有效降低开关管的损耗，提高开关管的开关频率，进而可以配合采用体积重量小的斩波电抗器，有效降低工作噪声，同时通过四个开关管的通断切换可实现双向能量传输，实现轻量化、小型化及低噪音的双向DC-DC变换。
3、本发明车载供电装置，通过在三电平双向变换器与储能系统之间设置储能控制电路，可以保证供电的安全可靠性，且上述三电平双向变换器作为前级电路可以降低电压应力，使得作为后级电路的储能控制电路可以采用简单的两电平电路，同时共用前端斩波电感，可选用体积、重量较小的器件实现，从而可进一步减少装置的重量、体积。
4、本发明车载供电装置，进一步通过复用双向DC-DC变换器电路中的五开关管、续流二极管和斩波电抗器配合实现系统软启动，通过控制第五开关管的脉宽可控制电流，以提供小电流给进行预充电，可无需再额外设置预充电电路之间，节省一个预充电电路的设置。
5、本发明车载供电装置，进一步通过储能控制电路可实现两种功能，一是复用前级电路中斩波电抗器构成一个单向降压电路，可在列车直流母线未连接或列车直流母线未供电时，但需投入储能系统工作通过列车母线给车上其他设备供电时，先进行降压斩波以提供较小电流给主电路中的滤波电容充电；二是在不需要储能系统对外部供电时，通过控制第五开关管T5关断实现储能系统与外部电路的隔离。
附图说明
图1是本发明实施例1中车载供电装置的结构原理示意图。
图2是本发明实施例1中车载供电装置的具体结构示意图。
图3是本发明实施例1中三电平双向变换器第一种工作状态时等效电路结构示意图。
图4是本发明实施例1中三电平双向变换器在第一种工作状态且占空比小于50％时各器件的工作脉冲及电流波形图。
图5是本发明实施例1中三电平双向变换器在第一种工作状态且占空比大于50％时各器件的工作脉冲及电流波形图。
图6是本发明实施例1中三电平双向变换器第二种工作状态时等效电路结构示意图。
图7是本发明实施例1中三电平双向变换器在第二种工作状态且占空比小于50％时各器件的工作脉冲及电流波形图。
图8是本发明实施例1中三电平双向变换器在第二种工作状态且占空比大于50％时各器件的工作脉冲及电流波形图。
图9是本发明实施例1中车载供电装置的结构示意图。
图10是本发明实施例2中车载供电装置的第一种结构示意图。
图11是本发明实施例2中车载供电装置的第二种结构示意图。
图例说明：1、三电平双向变换器；2、储能控制系统；3、储能系统；4、预充电及输入电路。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
实施例1：
如图1、2所示，本实施例车载供电装置包括依次连接的三电平双向变换器1、储能控制系统2以及储能系统3，三电平双向变换器1的一端连接列车直流母线，另一端通过储能控制系统2连接储能系统3，三电平双向变换器1采用三电平双向DC-DC变换结构，列车直流母线的电能经过三电平双向变换器1进行降压斩波后提供给储能系统3充电，或储能系统3的电能经过三电平双向变换器1进行升压斩波后释放到列车直流母线中，通过储能控制电路2控制储能系统3的充放电。
本实施例上述结构，由三电平双向变换器1基于三电平升降压结构实现双向DC-DC变换，基于三电平升降压方式可以降低变换器中开关管的电压应力、提高开关频率，从而可以降低双向DC-DC变换器所需的体积、重量，可以实现轻量化、小型化及低噪音的双向DC-DC变换结构，同时结合储能控制系统2控制储能系统3的充放电，可以实现列车直流母线与储能系统3之间的灵活、安全可靠的双向能量传输，不仅可以减少作为关键设备的双向DC-DC变换器的体积、重量，由于前级三电平双向变换器1降低了电压应力，还可以降低后级储能控制系统2的电压应力，使得后级储能控制系统2的电路可选择体积重量轻的结构，从而可以极大的减少供电装置的整体体积、重量，减少列车的载重及噪音，实现列车在有网和无网运行时能量的高效循环利用，使整个交通系统更节能环保。
本实施例中，三电平双向变换器1具体包括第一滤波电容C1、第二滤波电容C2、第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3、第四开关管T4以及斩波电抗器FL2，每个开关管反并联连接有二极管，第一滤波电容C1的一端通过第一开关管T1与第三开关管T3连接，第一滤波电容C1的另一端连接第二滤波电容C2的一端，第二滤波电容C2的另一端通过第二开关管T2与第四开关管T4连接，第三开关管T3与第四开关管T4连接，第三开关管T3与第四开关管T4之间的连接点与第一滤波电容C1、第二滤波电容C2之间的连接点连接，斩波电抗器FL2分别与第一开关管T1、第三开关管T3连接。
本实施例通过上述三电平双向变换器1电路结构，可以实现三电平双向DC-DC变换，基于三电平升降压方式，可以降低开关管的电压应力，从而电路中采用电压等级低的开关管即可满足需求，可以有效降低开关管的损耗，提高开关管的开关频率，进而可以配合采用体积重量小的斩波电抗器FL2，有效降低工作噪声，同时通过四个开关管的通断切换可实现双向能量传输，实现轻量化、小型化及低噪音的双向DC-DC变换。
本实施例中，第一开关管T1与第二开关管T2的极性方向相反，第三开关管T3与第四开关管T4的极性方向相同。当第一开关管T1与第二开关管T2交替开通关断时，将第一电源端接入的电源进行降压斩波后从第二电源端输出，通过控制第一开关管T1与第二开关管T2的脉冲宽度，可调节输出波形实现三电平输出；当第三开关管T3、第四开关管T4交替开通关断时，从第二电源端接入电源进行升压斩波后从第一电源端输出，通过控制第三开关管T3、第四开关管T4的脉冲宽度，可调节输出波形实现三电平输出。
如图2所示，本实施例中第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3、第四开关管T4具体采用IGBT管，当然也可以采用如MOS管等的智能可控开关管，第一开关管T1的漏极与第一滤波电容C1连接，源级与第三开关管T3的漏极连接，第三开关管T3的源级与第四开关管T4的漏极连接，第四开关管T4的源级与第二开关管T2的漏极连接，第二开关管T2的源级与第二滤波电容C2连接。
上述结构三电平双向变换器1包括两种工作模式：当第一开关管T1与第二开关管T2交替通断时，上述变换器对应为正向DC/DC变换模式，从第一电源端接入输入电能进行降压斩波后从第二电源端输出，当第三开关管T3与第四开关管T4交替通断时，对应为反向DC-DC变换模式，从第二电源端接入电能进行升压斩波后从第一电源端输出。
本实施例中，还设置有与第一滤波电容C1连接的线路电抗器FL1，线路电抗器FL1设置在第一电源端的正极母线上，由线路电抗器FL1与第一滤波电容C1、第二滤波电容C2构成LC滤波器，从第一电源端接入的电源经过上述结构构成的LC滤波器进行滤波。
本实施例上述三电平双向变换器1的工作状态具体为：
1、正向降压模式(BUCK电路工作状态)
当处于正向降压模式(BUCK电路工作状态)时，交替开通、关断第一开关管T1与第二开关管T2，第三开关管T3、第四开关管T4截止，该模式下等效电路如图3所示，从第一电源端接入电源经过正向降压后从第二电源端输出。
当第一开关管T1与第二开关管T2的门极脉冲信号占空比小于50％时，变换器中各器件的工作脉冲及电流波形如图4所示，当第一开关管T1与第二开关管T2的门极脉冲信号占空比大于50％时，变换器中各器件的工作脉冲及电流波形如图5所示，其中纵坐标对应为流过器件的电流，横坐标为时间，第一、第二坐标分别对应为第一开关管T1和第二开关管T2的门极脉冲信号，iFL2为流过斩波电抗器FL2的电流波形，iT1为流过第一开关管T1的电流波形，iT2为流过第二开关管T2的电流波形，iT4D为流过与第四开关管T4反并联的二极管的电流波形，iT3D为流过与第三开关管T3反并联的二极管的电流波形。
2、反向升压模式(BOOST电路工作状态)
当处于反向升压模式(BOOST电路工作状态)时，交替开通、关断第三开关管T3与第四开关管T4，第一开关管T1、第二开关管T2截止，该模式下等效电路如图6所示，从第二电源端接入电源经过正向降压后从第一电源端输出。
当第三开关管T3与第四开关管T4的门极脉冲信号占空比小于50％时，变换器中各器件的工作脉冲及电流波形如图7所示，当第三开关管T3与第四开关管T4的门极脉冲信号占空比大于50％时，变换器中各器件的工作脉冲及电流波形如图8所示，其中纵坐标对应为流过器件的电流，横坐标为时间，第一、第二坐标对应为第三开关管T3和第四开关管T4IGBT元件的门极脉冲信号，iFL2为流过斩波电抗器FL2的电流波形，iT3为流过第三开关管T3的电流波形，iT4为流过第四开关管T4的电流波形，iT2D为流过与第二开关管T2反并连接二极管的电流波形，iT1D为流过与第一开关管T1反并连接二极管的电流波形。
由图3～图8可知，本实施例三电平双向变换器1通过采用上述结构的三电平变换电路，可以选择电压等级较低的开关管，降低开关管的开关损耗，可以有效提高开关管的开关频率，若在后端采用相同电感值的斩波电抗器FL2时，通过开关频率的提高，可以显著降低输出电流的纹波，提升变换器的电源输出品质，同时能显著减小工作噪音。
本实施例上述车载供电装置工作时，当第一开关管T1、第二开关管T2交替通断时，列车直流母线的电能经过三电平双向变换器1进行降压斩波后提供给储能系统充电，当第三开关管T3、第四开关管T4交替通断时，储能系统的电能经过三电平双向变换器1进行升压斩波后释放到列车直流母线中。储能系统3具体包括蓄电池以及控制开关等。
本实施例中，三电平双向变换器1还包括检测电路，用于检测电流信号以及第一滤波电容C1、第二滤波电容C2的电压信号以进行闭环控制，即根据电路中电流信号以及三电平电路各一半的电压信号控制变换器的输出以实现闭环控制。如图2所示，本实施例具体可分别在第一滤波电容C1、第二滤波电容C2两端并联连接电压传感器以检测电压信号，在斩波电抗器FL2的输入端或输出端设置电流传感器以检测电流信号。
本实施例中，三电平双向变换器1的输入侧还设置有预充电及输入电路4，用于接入列车电源对第一滤波电容C1、第二滤波电容C2进行预充电。预充电及输入电路4包括相互连接的预充电模块以及线路电抗器FL1，预充电模块通过线路电抗器FL1与三电平双向变换器1的输入端的正极连接，预充电模块包括短接接触器KM1、预充电接触器KM2及预充电电阻R1，预充电接触器KM2与预充电电阻R1串联连接后与短接接触器KM1并联连接，在接入列车直流电源时由预充电模块完成对第一滤波电容C1、第二滤波电容C2的预充电，由线路电抗器FL1与第一滤波电容、第二滤波电容构成LC滤波器，对接入信号进行LC滤波。
本实施例中，预充电及输入电路4还设置有用于检测列车直流母线电压的电压检测单元、用于检测列车直流母线正负线的电流并进行差分接地保护的电流检测单元。具体在接入列车直流母线端设置电压传感器VH1以检测列车直流母线电压，在接入的列车直流母线的正、负极母线上设置电流传感器LH1、LH2检测正负线的电流并进行差分接地保护，还设置有接地电容Cg对电路进行共模滤波。
可以理解的，上述三电平双向变换器1还可以根据实际需求在电路中设置保护电路、滤波电路等以进一步提供变换器的性能。
本实施例通过在三电平双向变换器1与储能系统3之间设置储能控制电路2，可以保证供电的安全可靠性，且上述三电平双向变换器1作为前级电路可以降低电压应力，使得作为后级电路的储能控制电路2可以采用，如采用简单的两电平电路，同时共用前端斩波电感FL2，且可选用体积、重量较小的器件实现，从而可进一步减少装置的重量、体积。
本实施例中，储能控制电路2具体包括第五开关管T5以及续流二极管D1，第五开关管T5设置在列车直流母线的正极母线上，续流二极管D1的阳极与列车直流母线的负极连接，阴极与列车直流母线的正极连接。由第五开关管T5对储能系统端进行了隔离，通过关断第五开关管T5可切断双向DC-DC变换器与储能系统之间的连接，，由续流二极管D1可实现能量续流。第五开关管T5可采用IGBT或MOS管等智能可控开关管。由上述结构储能控制电路可以进一步提高控制的安全可靠性。
本实施例中，具体当列车直流母线电压低于储能系统的电压时，控制关断第五开关管T5以防止储能系统对外放电；当发生故障断开双向DC-DC变换器时，控制由续流二极管D1对斩波电抗器FL2的能量进行续流释放，可实现因系统突然故障断开时储能器件FL2能量的续流释放，防止储能器件FL2因系统突然故障断开无法释放能量导致的系统内部过压，从而避免的双向DC-DC变换器内部元件过压损坏。
本实施例在储能控制电路2中还设置有电压传感器VH4以检测电压信号，电压传感器VH4可设置在储能控制电路与储能系统之间，也可以设置在双向DC-DC变换器与储能控制电路连接的正极母线或负极母线上。
如图1、2所示，本实施例中具体将预充电及输入电路4、三电平双向变换器1以及储能控制系统2集成在一个模块中，用于实现双向DC-DC变换，模块的输入端设置接入列车直流母线的输入端口、输出侧设置有连接储能系统3的输出端口，可以方便的接入列车中使用。
如图1、2所示，本实施例车载供电装置各部分的具体结构及原理为：
预充电及输入电路4具体由电压传感器VH1、电流传感器LH1/LH2、短接接触器KM1、预充电接触器KM2、预充电电阻R1、接地电容Cg、线路电抗器FL1构成，其中电压传感器VH1检测列车直流母线电压，电流传感器LH1/LH2检测正负线的电流并进行差分接地保护，短接接触器KM1、预充电接触器KM2及预充电电阻R1在双向DC-DC变换器投入直流母线时可完成对双向DC-DC变换器电路中电容C1/C2的预充电，接地电容Cg对电路进行共模滤波，线路电抗器FL1和双向DC-DC变换器电路中电容C1/C2构成LC滤波；
三电平双向变换器1由电压传感器VH2/VH3/VH4、电流传感器LH3、电容C1/C2、4个IGBT元件T1/T2/T3/T4、斩波电抗器FL2构成一个三电平的双向升降压斩波电路，当T1与T2交替开通关断时，双向DC-DC变换器可将列车直流母线的电能降压斩波给储能系统充电，当T3与T4交替开通关断时，双向DC-DC变换器可将列车储能系统的电能升压斩波释放到直流母线供列车其他用电设备使用。电压传感器VH2/VH3检测双向DC-DC的输入电压及三电平电路各一半的电压并用于控制闭环，电压传感器VH4检测储能系统电压并用于控制闭环，电流传感器LH3检测双向DC-DC对储能系统的充放电电流并用于控制闭环；
储能控制系统2由IGBT元件T5和二极管D1构成，当T5关断时可防止列车直流母线电压低于储能系统电压时，储能系统对外放电；二极管D1可实现因系统突然故障断开时储能器件FL2能量的续流释放，防止储能器件FL2因系统突然故障断开无法释放能量导致的系统内部过压，从而避免的双向DC-DC变换器内部元件过压损坏。
通过上述车载供电系统，可以实现轻量化、小型化以及低噪音的双向能量传输，能够充分利用电能，同时保证供电的稳定可靠性。
实施例2：
如图9所示，本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于还包括与第五开关管T5连接的预充电控制模块，用于控制第五开关管T5的脉冲宽度，以由第五开关管T5、续流二极管D1以及斩波电抗器FL2构成的单向降压电路对第一滤波电容C1、第二滤波电容C2进行预充电。
本实施例结合储能控制电路中第五开关管T5、续流二极管D1以及斩波电抗器FL2可以构成一个单向降压电路，由该单向降压电路可以实现预充电功能，即在列车直流母线未连接时，通过复用双向DC-DC变换器电路中的五开关管T5、续流二极管D1和斩波电抗器FL2配合实现系统软启动，通过控制第五开关管T5的脉宽，可控制电流，以提供小电流给C1/C2进行预充电，双向DC-DC变换器与储能系统之间可无需再额外设置预充电电路，可以节省一个预充电电路的设置。
本实施例上述储能控制电路2可实现两种功能，一是复用前级电路中斩波电抗器FL2构成一个单向降压电路，可在列车直流母线未连接或列车直流母线未供电时，但需投入储能系统工作通过列车母线给车上其他设备供电时，先进行降压斩波以提供较小电流给主电路中的滤波电容C1/C2充电；二是在不需要储能系统对外部供电时，通过控制第五开关管T5关断实现储能系统与外部电路的隔离。
可以理解的是，双向DC-DC变换器的输入侧也可以采用上述结构代替预充电电路实现预充电，即在双向DC-DC变换器的输入侧设置单向降压电路，通过单向降压电路实现第一滤波电容、第二滤波电容的预充电。
实施例3：
如图10所示，本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于预充电及输入电路4采用降压斩波DC/DC变换电路，相比于实施例1中预充电方式具有更好的预启动性能。
本实施例中，降压斩波DC/DC变换电路具体包括第六开关管T6、二极管D2以及线路电抗器FL1，第六开关管T6、斩波电抗器FL1设置在列车直流正极母线的上，第六开关管T6通过线路电抗器FL1与三电平双向变换器1的输入端的正极连接，二极管D2的阴极分别与第六开关管T6、斩波电抗器FL1连接，二极管D2的阳极与列车直流母线的负极连接，通过第六开关管T6控制接入列车直流电源实现第一滤波电容C1、第二滤波电容C2的预充电。第六开关管T6、二极管D2具体可以使用IGBT模块，且可与后级电路中IGBT进行集成设置，可以实现散热系统的公用，同时进一步减小装置的体积、重量及成本。
如图11所示，本实施例进一步在预充电及输入电路4的输入端设置控制开关KM1，通过控制开关KM1控制列车直流电源的接入，使得在三电平双向变换器1存在器件损坏的情况下可以实现与列车直流目前的完全隔离，保证列车供电的安全可靠性。
可以理解的是，双向DC-DC变换器的输出侧也可以设置上述结构的预充电电路，即在双向DC-DC变换器的输出侧设置上述降压斩波DC/DC变换电路，以用于实现第一滤波电容C1、第二滤波电容C2的预充电，也可以采用如实施例1中由短接接触器KM1、预充电接触器KM2、预充电电阻R1构成的预充电电路。
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (11)

1.一种车载供电装置，其特征在于，包括依次连接的三电平双向变换器(1)、储能控制系统(2)以及储能系统(3)，所述三电平双向变换器(1)的一端连接列车直流母线，另一端通过所述储能控制系统(2)连接所述储能系统(3)，列车直流母线的电能经过所述三电平双向变换器(1)进行降压斩波后提供给所述储能系统(3)充电，或所述储能系统(3)的电能经过所述三电平双向变换器(1)进行升压斩波后释放到列车直流母线中，通过所述储能控制系统(2)控制所述储能系统(3)的充放电；所述三电平双向变换器(1)包括第一滤波电容、第二滤波电容包括第一滤波电容、第二滤波电容以及斩波电抗器；
所述储能控制系统(2)包括第五开关管以及续流二极管，所述第五开关管设置在列车直流母线的正极母线上，所述续流二极管的阳极与所述列车直流母线的负极连接，阴极与列车直流母线的正极连接；
当列车直流母线电压低于所述储能系统(3)的电压时，控制关断所述第五开关管以防止所述储能系统(3)对外放电；当发生故障断开所述三电平双向变换器(1)时，控制由所述续流二极管对所述斩波电抗器的能量进行续流释放；
还包括与所述第五开关管连接的预充电控制模块，用于控制所述第五开关管的脉冲宽度，以由所述第五开关管、续流二极管以及斩波电抗器构成的单向降压电路对所述第一滤波电容、第二滤波电容进行预充电。
2.根据权利要求1所述的车载供电装置，其特征在于，所述三电平双向变换器(1)还包括第一开关管、第二开关管、第三开关管以及第四开关管，每个开关管反并联连接有二极管，所述第一滤波电容的一端通过所述第一开关管与所述第三开关管连接，所述第一滤波电容的另一端连接所述第二滤波电容的一端，所述第二滤波电容的另一端通过所述第二开关管与所述第四开关管连接，所述第三开关管与所述第四开关管连接，所述第三开关管与所述第四开关管之间的连接点与所述第一滤波电容、第二滤波电容之间的连接点连接，所述斩波电抗器分别与所述第一开关管、第三开关管连接。
3.根据权利要求2所述的车载供电装置，其特征在于，所述第一开关管与所述第二开关管的极性方向相反，所述第三开关管与所述第四开关管的极性方向相同。
4.根据权利要求2所述的车载供电装置，其特征在于：所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管采用IGBT管或MOS管，所述第一开关管的漏极与所述第一滤波电容连接，源级与所述第三开关管的漏极连接，所述第三开关管的源级与所述第四开关管的漏极连接，所述第四开关管的源级与所述第二开关管的漏极连接，所述第二开关管的源级与所述第二滤波电容连接。
5.根据权利要求2或3或4所述的车载供电装置，其特征在于：当所述第一开关管与第二开关管交替通断时，列车直流母线的电能经过所述双向DC-DC变换器进行降压斩波后提供给所述储能系统充电，当所述第三开关管、第四开关管交替通断时，所述储能系统(3)的电能经过所述三电平双向变换器(1)进行升压斩波后释放到列车直流母线中。
6.根据权利要求2或3或4所述的车载供电装置，其特征在于：所述三电平双向变换器(1)还设置有检测电路，用于检测所述三电平双向变换器(1)的电流信号以及所述第一滤波电容、第二滤波电容的电压信号以进行闭环控制。
7.根据权利要求1～4中任意一项所述的车载供电装置，其特征在于：所述三电平双向变换器(1)的输入侧还设置有预充电及输入电路(4)，用于接入列车电源对所述第一滤波电容、第二滤波电容进行预充电。
8.根据权利要求7所述的车载供电装置，其特征在于：所述预充电及输入电路(4)采用降压斩波DC/DC变换电路。
9.根据权利要求8所述的车载供电装置，其特征在于：所述降压斩波DC/DC变换电路包括第六开关管、二极管以及线路电抗器，所述第六开关管、线路电抗器设置在列车直流正极母线的上，所述第六开关管通过所述线路电抗器与所述三电平双向变换器(1)的输入端的正极连接，所述二极管的阴极分别与所述第六开关管、线路电抗器连接，所述二极管的阳极与列车直流母线的负极连接。
10.根据权利要求7所述的车载供电装置，其特征在于：所述预充电及输入电路(4)包括相互连接的预充电模块以及线路电抗器，所述预充电模块通过所述线路电抗器与所述三电平双向变换器(1)的输入端的正极连接，所述预充电模块包括短接接触器、预充电接触器及预充电电阻，所述预充电接触器与所述预充电电阻串联后与所述短接接触器并联连接，由所述线路电抗器与所述第一滤波电容、第二滤波电容构成LC滤波器。
11.根据权利要求8或9或10所述的车载供电装置，其特征在于：所述预充电及输入电路(4)还设置有用于检测列车直流母线电压的电压检测单元和/或用于检测列车直流母线正负线的电流并进行差分接地保护的电流检测单元。
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