CN111361418A - 一种用于轨道工程车的动力电池供电系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于轨道工程车的动力电池供电系统，包括连接在高压直流母线上的电池箱组，电池箱组包括若干个电池箱，动力电池供电系统还包括电池管理系统和充电系统，电池管理系统包括电池管理单元BMU，充电系统包括充电接口、车载充电机、DC/DC模块以及蓄电池，其中充电接口包括地面充电机接口和三相市电接口，电池箱包括电芯以及与电池管理单元BMU连接的电芯监控控制器CSC，电池管理单元BMU还分别与车载充电机、地面充电机接口、DC/DC模块以及轨道工程车的数字控制核心NCU通信相连。本发明通过设置多组动力电池箱，并配套电池管理系统对电池使用状态进行监控和管理，从而实现轨道工程车辆配备和传统车辆相同重量/体积的电池系统时，车辆的运行时间更长。

Description

一种用于轨道工程车的动力电池供电系统
技术领域
本发明属于轨道工程车辆技术领域，特别涉及一种用于轨道工程车的动力电池供电系统。
背景技术
现有技术与本申请较为接近的一种技术方案是专利名称为《一种电力接触网和蓄电池组双动力钢轨铣磨车》、申请号为201710501672.4的发明专利，该申请的双动力钢轨铣磨车中采用蓄电池组作为车辆的备用总电源，该申请所描述的实例中采用的蓄电池组类型为免维护的铅酸电池组。同时，该发明中并未涉及蓄电池组的内部系统构成及电池管理方案。虽然免维护型蓄电池组使用方便，价格低廉，但其在使用寿命和能量密度方面都存在很大的劣势。
目前，绝大多数双动力源轨道工程车辆采用线网或内燃发电机组作为主供电系统，采用车载蓄电池组作为备用供电系统。由于使用方便和价格低廉等原因，这类备用供电系统中的蓄电池均采用免维护型铅酸电池。轨道工程车辆在无线网区、通风调节不好的地铁隧道等区域工作时，往往需要用到备用供电系统。但由于免维护型蓄电池组的能量密度限制，每列车辆的载电量较小，不能维持车辆较长时间的运行需要。
随着新能源汽车领域的电池技术快速发展，带有内部电池管理系统的高能动力电池系统在各种车辆上的应用已相当成熟。可以预见，高能动力电池供电系统在钢轨打磨/铣磨车辆上的应用将成为本领域的一个重要技术发展方向。针对这一现状，本发明首次提出了一种用于轨道工程车辆的动力电池供电系统技术方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于轨道工程车辆的动力电池供电系统，通过设置多组动力电池箱，并配套电池管理系统对电池使用状态进行监控和管理，从而实现轨道工程车辆配备和传统车辆相同重量/体积的电池系统时，车辆的运行时间更长。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种用于轨道工程车的动力电池供电系统，包括电性连接在高压直流母线上的电池箱组，该电池箱组在充电时获取高压直流母线上的直流电能，在放电时为连接在高压直流母线上的整车其它负载提供电能，所述电池箱组包括若干个互相串联或并联的电池箱，所述动力电池供电系统还包括电池管理系统和充电系统，其中电池管理系统包括电池管理单元BMU，充电系统包括充电接口、车载充电机、DC/DC模块以及蓄电池，其中充电接口包括地面充电机接口和三相市电接口，地面充电机接口与高压直流母线连接，三相市电接口通过车载充电机与高压直流母线连接，高压直流母线通过DC/DC模块将直流高压电转换为直流低压电为蓄电池充电，蓄电池与电池管理单元BMU连接并为其供电；
每个电池箱包括电芯以及用于监控电芯状态并与电池管理单元BMU连接的电芯监控控制器CSC；所述电池管理单元BMU还分别与车载充电机、地面充电机接口、DC/DC模块以及轨道工程车的数字控制核心NCU通信相连。
本发明的目的还采用以下技术措施来进一步实现。
前述的动力电池供电系统，其中每个电池箱内还设有加热单元和冷却单元，所述加热单元和冷却单元均与高压直流母线连接以获取工作所需电能。
前述的动力电池供电系统，其中电池管理系统还包括与电池管理单元BMU通信相连的系统检测元件。
前述的动力电池供电系统，其中所述系统检测元件包括电性连接在高压直流母线上的电流传感器和电压传感器。
前述的动力电池供电系统，其中数字控制核心NCU还分别与车载充电机、地面充电机接口、DC/DC模块通信相连。
前述的动力电池供电系统，其中蓄电池电能输出端还与车载充电机连接并为其提供正常工作所需的低压直流电。
前述的动力电池供电系统，其中所述电池箱组的电能输出端处串接设置有手动维修开关。
前述的动力电池供电系统，其中所述蓄电池采用24V蓄电池。
借由上述技术方案，本发明与现有技术相比至少具备以下有益效果：
1、本发明提出的动力电池供电系统中采用了能量密度较大的高能动力电池，与现有技术相比同样重量/体积的电池系统，采用本方案的轨道工程车辆运行时间更长，作业量更多；并且采用这种供电系统的轨道工程车可以长时间在无线网或通风不畅的环境下工作，大大提高了车辆的作业灵活性。
2、本发明的动力电池供电系统中自带电池管理系统，此系统可以实现动力电池全生命周期的工作状态监控、维护和充放电控制等功能，从而保证了系统的使用寿命。
3、本发明拥有两种充电模式，使轨道工程车在不同维护环境中都拥有充电能力。
4、本发明在充电过程中，车辆除数字控制核心NCU和DC/DC模块外的其它用电负载设备均不带电，充分考虑了高能电芯在快速充电过程中的安全性。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明一种用于轨道工程车的动力电池供电系统的结构示意框图。
图中：1、电池管理单元BMU，2、高压直流母线，3、电池箱，4、电芯监控控制器CSC，5、加热单元，6、冷却单元，7、数字控制核心NCU，8、电流传感器，9、电压传感器，10、手动维修开关。
具体实施方式
以下结合附图及较佳实施例，对本发明的技术方案作进一步的详细说明。
请参阅图1，本发明一种用于轨道工程车的动力电池供电系统，包括由若干个互相串联或并联的电池箱3组成的电池箱组，电池箱的相互串联用于提高供电电压，而串联后的电池箱之间再并联则可以扩大容量，从而达到轨道工程车需要的容量和电压；电池箱组与高压直流母线2电性连接，既可以充电时获取高压直流母线上的直流电能，也可以放电时为连接在高压直流母线上的整车其它负载提供电能，高压直流母线2作为轨道工程车上铺设的高压电源线，其与整车其它负载相连从而实现整车供电。此外，为了便于区分，图1中的高压直流母线用实线实心箭头表示，低压电源线用虚线实心箭头表示，信号线用虚线空心箭头表示。
所述动力电池供电系统还设置有电池管理系统和充电系统，该电池管理系统包括电池管理单元BMU 1和系统检测元件。充电系统包括充电接口、车载充电机、DC/DC模块以及蓄电池，其中充电接口包括地面充电机接口和三相市电接口，从而满足直流和交流两种类型供电电源充电方式，以实现快充时采用地面充电机充电，慢充时采用车载充电机充电，本实施例中蓄电池选用24V蓄电池；地面充电机接口与高压直流母线连接以实现电池箱组的直流快充，三相市电接口与车载充电机的输入端连接，车载充电机将交流电转化成直流电并通过其输出端送至高压直流母线以实现电池箱组慢充，DC/DC模块的输入端连接高压直流母线，将母线上的直流高压电转换为直流低压电为蓄电池充电。
每个电池箱3均包括电芯以及用于监控电芯状态的电芯监控控制器CSC4，电芯通过串并联方式根据所需容量和电压进行自由配置，电芯类型可选择磷酸铁锂、钛酸锂、锰酸锂、钴酸锂或三元锂等高能电芯。电芯监控控制器CSC用于检测电池箱内各电芯的温度、电压、电流和电量等状态参数，并将它们发送给电池管理单元BMU 1，或者接收电池管理单元BMU的信号指令，从而控制加热单元和冷却单元的工作状态。
进一步的，本发明还配置有常规电气开关以便于电池管理系统对电池箱组的电能输入或输出进行控制，具体而言，整个电池箱组的电能输出端与高压直流母线相连接的线路上设置有放电开关，放电开关的通断用于控制整个电池箱组的电能是否接入到高压直流母线上，该放电开关的控制端与电池管理单元BMU的低压接口通过信号线相连，从而实现低压信号控制高压电路的通断功能；当需要电池箱组放电以实现对整车负载供电时，电池管理单元BMU通过输出低压信号来控制放电开关接通从而实现动力电池对整车其它负载的供电。同理，在电池箱组的电能输入端与高压直流母线相连接的线路上设置有充电开关，该充电开关的控制端与电池管理单元BMU的低压接口通过信号线相连，当需要对电池箱组进行充电时，电池管理单元BMU通过输出低压控制信号使充电开关和充电系统的相关电气开关接通至高压直流母线，从而实现相关充电机对动力电池箱组的充电功能。本实施例中，放电开关和充电开关可以为电连接器、接触器、继电器、IGBT等可控电气开关类元器件。
作为优选，电池箱3内设有加热单元5和冷却单元6，加热单元用于在低温环境下给电池箱充电时，充电前首先将各电芯的温度加热到合适的充电温度范围内，然后再开始给电芯充电，从而保护电芯；加热单元在充电前与高压直流母线连接并由相应的地面充电机接口或三相市电接口所接入的电能为高压直流母线供电，从而实现加热单元的高压取电，即由谁为加热单元供电是取决于当前使用的是哪种充电状态：慢充时，由车载充电机供电；快充时，由地面充电机供电。本实施例中，加热单元5可以为含有发热电阻丝的各种电加热器。冷却单元6用于保证电芯在正常工作过程中的温度保持在合适的温度范围内，保护电芯；冷却单元在电池箱组为整车供电时接通至高压直流母线从而实现高压取电，本实施例中冷却单元6可以为电空调等各种制冷设备。作为一种可行的实施例，每个加热/冷却单元的工作状态均通过受控于电芯监控控制器CSC的启停开关控制。
电池管理单元BMU 1为电池管理系统的控制核心，用于接收、处理或发送各种系统数据，并控制各相关功能设备/系统检测元件正常工作。所述电池管理单元BMU分别与各个电池箱内的电芯监控控制器CSC、车载充电机、地面充电机接口、DC/DC模块以及轨道工程车的数字控制核心NCU 7之间通信相连，该数字控制核心NCU 7还分别与车载充电机、地面充电机接口、DC/DC模块通信相连。
蓄电池的输出端分别与电池管理单元BMU以及车载充电机连接，从而提供其正常工作所需的低压直流电。电池管理单元BMU或数字控制核心NCU均可以根据蓄电池的电量实时控制DC/DC模块的工作状态，维持蓄电池的电压在正常工作范围内。具体而言，DC/DC模块和电池管理单元BMU内部都有对自身低压直流控制电的电压检测功能，DC/DC模块与蓄电池之间通过信号线相连，在蓄电池电压不足时DC/DC模块和电池管理单元BMU均能检测到该信息，一方面电池管理单元BMU可以直接命令DC/DC模块工作为蓄电池充电，另一方面BMU也可以将该信息传递给数字控制核心NCU并由数字控制核心NCU控制DC/DC模块工作为蓄电池充电。
电池管理单元BMU分别与各个电池箱内的电芯监控控制器CSC通信相连，用于获取电芯监控控制器CSC所监测到的电池箱内各电芯状态参数，以及向电芯监控控制器CSC发出信号指令，从而控制加热单元和冷却单元的工作状态。
电池管理单元BMU与车载充电机通过信号线相连，可以控制车载充电机的启停，实现可控的交流充电过程；电池管理单元BMU与地面充电机接口通过信号线相连实现二者信息交互，控制地面充电机接口充电时的启停，实现可控的直流充电方式。电池管理单元BMU与数字控制核心NCU通信相连，电池管理单元BMU将整车需要的各类充放电信息发送给数字控制核心NCU，由数字控制核心NCU转发给相应的显示设备或其它车载设备。
电池管理单元BMU和DC/DC模块通信相连可以控制该DC/DC模块的启停，从而控制是否给蓄电池充电。数字控制核心NCU与车载充电机以及地面充电机接口均通信相连，数字控制核心NCU作为整个车辆的数控核心元件，相当于普通公路车辆的整车控制器，它需要与车载的所有可通讯设备进行直接或间接通讯，从而实现整车的自动控制、信息显示、人工操纵、安全运行等各项功能。
系统检测元件包括分别与电池管理单元BMU通信相连的电流传感器8和电压传感器9，电流传感器8串设在高压直流母线上用于检测母线电流并将该信号反馈至电池管理单元BMU，电压传感器9并联在高压直流母线上用于检测电压并将该电压信号反馈至电池管理单元BMU。其它实施例中，系统检测元件还可以涵盖与电池管理单元BMU通信相连的温度传感器、电能检测设备、漏电检测设备、绝缘检测设备和开关元件的辅助触点等，从而实现较为全面的检测功能，不作赘述。
作为优选，本发明还设有手动维修开关10，该手动维修开关10串联设置在电池箱组的电能输出端，其功能为：当供电系统或车辆上的其它高压设备需要检修时，需拔掉手动维修开关，人为切断供电系统与车辆高压直流母线的连接，避免因控制系统故障或人为操作失误而出现的高压误接通，从而使车辆上的电气设备免于烧毁，保证维修/操作人员免于高压触电危险。
本发明正常工作模式可分为放电、直流充电和交流充电，三种工作模式的工作过程具体如下所述。
一、放电工作过程：
24V蓄电池给电池管理系统提供低压直流控制电，各电芯监控控制器CSC监测对应各电池箱的状态，电池管理单元BMU监测整个电池箱组状态，电池管理单元BMU判断整个电池箱组状态正常后则控制放电开关接通至高压直流母线，从而实现高压上电，由数字控制核心NCU控制各整车负载工作。放电过程中，由数字控制核心NCU根据蓄电池的电量实时控制DC/DC模块的工作状态，维持24V蓄电池的电压在正常工作范围内。
二、直流充电过程：
24V蓄电池给电池管理系统提供低压控制电，地面上的充电机通过车辆上的地面充电机接口与电池管理单元BMU通讯，申请开始直流充电；电池管理单元BMU和各电芯监控控制器CSC分别检测整个电池箱组和各电池箱的状态；判断电池箱组状态正常后，则电池管理单元BMU通过控制所述充电开关接通到高压直流母线；电池管理单元BMU同意地面充电机的充电请求后，电池管理单元BMU控制地面充电机接口的直流高压电接入到车辆上的高压直流母线；充电开始，电池管理单元BMU与地面充电机之间保持实时通信，保证充电过程安全可控。直流充电过程中，仅使数字控制核心NCU和DC/DC模块接入高压，整车其它负载不得上电工作。直流充电过程中，由电池管理单元BMU根据24V蓄电池的电量实时控制DC/DC模块的工作状态，维持24V蓄电池的电压在正常范围之内。
值得说明的是，数字控制核心NCU为控制单元，其控制电一般为220V交流电，所以不能直接连接到直流高压母线上，它需要通过一个逆变电源把直流高压电转换为220V交流高压电后才能工作，本实施例的图1中未示出数字控制核心NCU的供电连接方式，其为现有技术，不作赘述。
三、交流充电过程：
由24V蓄电池给电池管理系统和车载充电机提供低压控制电，车载充电机自检正常后，三相市电接口高压接入车载充电机，车载充电机与电池管理单元BMU通讯，申请开始交流充电；电池管理单元BMU和各CSC分别检测整个电池箱组和各电池箱的状态，整个电池箱组状态正常后电池管理单元BMU则控制充电开关接通至高压直流母线上，电池管理单元BMU同意车载充电机的充电请求后控制车载充电机输出端的直流高压电接入到高压直流母线；充电开始，电池管理单元BMU与车载充电机之间保持实时通信，保证充电过程安全可控。交流充电过程中，仅使数字控制核心NCU和DC/DC模块接入高压直流母线，整车其它负载不得上电工作。
交流充电过程中，由电池管理单元BMU根据24V蓄电池的电量实时控制DC/DC模块的工作状态，维持24V蓄电池的电压在正常范围之内。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种用于轨道工程车的动力电池供电系统，包括电性连接在高压直流母线上的电池箱组，该电池箱组在充电时获取高压直流母线上的直流电能，在放电时为连接在高压直流母线上的整车其它负载提供电能，所述电池箱组包括若干个互相串联或并联的电池箱，其特征在于：
所述动力电池供电系统还包括电池管理系统和充电系统，其中电池管理系统包括电池管理单元BMU，充电系统包括充电接口、车载充电机、DC/DC模块以及蓄电池，其中充电接口包括地面充电机接口和三相市电接口，地面充电机接口与高压直流母线连接，三相市电接口通过车载充电机与高压直流母线连接，高压直流母线通过DC/DC模块将直流高压电转换为直流低压电为蓄电池充电，蓄电池与电池管理单元BMU连接并为其供电；
每个电池箱包括电芯以及用于监控电芯状态并与电池管理单元BMU连接的电芯监控控制器CSC；所述电池管理单元BMU还分别与车载充电机、地面充电机接口、DC/DC模块以及轨道工程车的数字控制核心NCU通信相连。
2.根据权利要求1所述的动力电池供电系统，其特征在于：每个电池箱内还设有加热单元和冷却单元，所述加热单元和冷却单元均与高压直流母线连接以获取工作所需电能。
3.根据权利要求2所述的动力电池供电系统，其特征在于：电池管理系统还包括与电池管理单元BMU通信相连的系统检测元件。
4.根据权利要求3所述的动力电池供电系统，其特征在于：所述系统检测元件包括电性连接在高压直流母线上的电流传感器和电压传感器。
5.根据权利要求1所述的动力电池供电系统，其特征在于：数字控制核心NCU还分别与车载充电机、地面充电机接口、DC/DC模块通信相连。
6.根据权利要求1所述的动力电池供电系统，其特征在于：蓄电池电能输出端还与车载充电机连接并为其提供正常工作所需的低压直流电。
7.根据权利要求1所述的动力电池供电系统，其特征在于：所述电池箱组的电能输出端处串接设置有手动维修开关。
8.根据权利要求1所述的动力电池供电系统，其特征在于：所述蓄电池采用24V蓄电池。
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