CN115473320A - 一种利用铁路货车车轴发电的混合供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用铁路货车车轴发电的混合供电系统，该混合供电系统包括双绕组永磁发电机、电压转换及功率监测控制单元、储能单元和单向导通隔离件；该双绕组永磁发电机设置于车轴端部将机械能转化为交流电能，电压转换及功率监测控制单元包括AC/DC转换模块和功率监测控制模块，用于将交流电能转化为供货车用电负载或者动力蓄电池使用的直流电、并监测发电机的输出功率，当输出功率大于负载阈值时，可在蓄电池管理模块控制下向动力蓄电池充电，反之则放电，另外各个电源通过二极管输出隔离。本发明混合供电系统经过实际验证，能够满足铁路货车不同运行速度的工况下供电需求，且通过设置二极管，实现电机输出的冗余性和可靠性。

Description

一种利用铁路货车车轴发电的混合供电系统

技术领域

本发明属于铁路货车车载电器供电技术领域，具体涉及一种利用铁路货车车轴发电的混合供电系统，用于解决铁路货车自动化、智能化所需的电子监控与保护等车载设备的供电需求。

背景技术

我国地域辽阔，铁路覆盖面广，是国民经济的大动脉，交通运输体系的骨干，加之铁路货运相较于公路运输、航空运输等运输途径具有运量大、成本低以及节能环保等优点。近年来，随着社会经济的高速发展，铁路货运业务需求不断增长，但目前铁路部门只能增加货车数量、发车频次以及提高行车速度来提高运行，但上述效果有限，为了更大幅提高货运能力，相关科研人员不断研究探索，并在交规划发

【2020】75号)《交通运输部关于推动交通运输领域新型基础设施建设的指导意见》中明确指出货车的信息化、自动化、智能化是未来发展趋势。

众所周知，在客运方面，我国高速铁路和动车组取得巨大的突破，尤其是动车组，由于每节车厢都有供电系统作电源，电子监测与保护等车载设备在信息化、自动化、智能化方面得到很大的提升，确保了动车组运行的安全可靠，提高了乘坐的舒适度。而在货运方面，由于货车与客车在车辆结构、运用维护体制上存在较大差别，例如货车根据货量需要不时拆解各节车厢，并根据不同类型的货物重新编组，导致机车通过电缆向各节车厢供电的方式难以实现，因而制约了铁路运力及安全运行性能的提高。

目前，根据现有技术记载部分货车实现电子监测(如监控车辆状态、记录车厢运输货物信息和车辆实时定位等功能)和保护车载(如电子防滑器)等功能，通常配备大容量蓄电池，以达到为铁路货车各节车厢供电的目的，但是大容量蓄电池的电量供应有限，需要频繁拆解充电，难以满足铁路货车长距离运行以及多设备(电子监测与保护等车载设备)长时间工作的需要。因此，如何能够为铁路货车长时间提供稳定供电是亟待解决的技术问题。

有鉴于此，本发明人提出一种利用铁路货车车轴发电的混合供电系统，以解决上述供电问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种利用铁路货车车轴发电的混合供电系统，该混合供电系统利用铁路货车车轴的转动将机械能转化为电能，且发电机为双绕组永磁发电机，同时在任一绕组输出的线路上设置由动力蓄电池和蓄电池管理模块组成的储能单元，再通过电路隔离技术实现绕组线路独立供电或与动力蓄电池协同供电或者由动力蓄电池独立供电，以满足不同工况条件下用电负载的需求。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

一种利用铁路货车车轴发电的混合供电系统，所述混合供电系统包括永磁发电机、电压转换及功率监测控制单元、储能单元和单向导通隔离件；

其中，所述永磁发电机与铁路货车车轴连接，用于在所述铁路货车车轴的转动下将机械能转化为交流电能；

所述电压转换及功率监测控制单元包括AC/DC转换模块和功率监测控制模块，所述永磁发电机的输出端经电压转换控制单元与铁路货车用电负载电性连接，并通过所述AC/DC转换模块将永磁发电机产生的交流电能转换为直流电能，并输出供货车用电负载电使用的预设范围内直流电压；

所述储能单元设置于电压转换及功率监测控制单元和铁路货车用电负载之间，所述储能单元包括动力蓄电池和蓄电池管理模块，所述功率监测控制模块用于实时监测永磁发电机的输出功率，当所述输出功率大于铁路货车用电负载阈值时，所述功率监测控制模块控制蓄电池管理模块向动力蓄电池进行充电，反之则进行放电；

所述电压转换及功率监测控制单元和储能单元之间以及储能单元和铁路货车用电负载之间均设置有单向导通隔离件。

进一步地，所述永磁发电机为双绕组永磁发电机。

进一步地，所述双绕组永磁发电机包括第一组单相绕组交流输出和第二组单相绕组交流输出，且第一组单相绕组交流输出的线路与第二组单相绕组交流输出的线路互为冗余电路。

进一步地，所述单向导通隔离件为二极管。

进一步地，所述第一组单相绕组交流输出的线路上设置有第一电压转换及功率监测控制单元，第二组单相绕组交流输出的线路上设置有第二电压转换及功率监测控制单元；

其中，所述第一组单相绕组交流输出的线路上在第一电压转换及功率监测控制单元与铁路货车用电负载之间设置有第一二极管；

所述第二组单相绕组交流输出的线路上在第二电压转换及功率监测控制单元与铁路货车用电负载之间设置有储能单元，且所述储能单元与第二电压转换及功率监测控制单元之间设置有第二二极管，所述储能单元与铁路货车用电负载之间设置有第三二极管，所述第二组单相绕组交流输出的线路经过第二二极管和第三二极管单向输出后与第一组单相绕组交流输出的线路经过第一二极管单向输出后交汇。

进一步地，所述储能单元中的动力蓄电池为铅酸蓄电池。

进一步地，所述永磁发电机经电压转换及功率监测控制单元中的AC/DC转换模块转换后输出直流电压范围为DC21V～DC26V。

进一步地，所述储能单元中动力蓄电池的标称电压为DC24V。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供一种利用铁路货车车轴发电的混合供电系统，该混合供电系统主要由双绕组永磁发电机、电压转换及功率监测控制单元、储能单元和单向导通隔离件组成，将双绕组永磁发电机与铁路货车车轴连接，利用铁路货车车轴的转动将机械能转化为交流电能，在每组绕组线路上均设置有电压转换及功率监测控制单元，将交流电能转换为直流电能，并输出供铁路货车用电负载供电的直流稳压电源，同时在第二绕组线路上设置有储能单元。这样当车轴转速高于10km/h，且两个绕组线路输出功率合计大于用电负载时，通过AC/DC转换模块和蓄电池管理模块控制下实现动力蓄电池的恒流充电和恒压充电过程；当车轴转速低于5km/h停车时，此时由动力蓄电池供电；当车轴转速介于5km/h～10km/h时，电压转换及功率监测控制单元监测到两个绕组输出功率不足时，蓄电池管理模块控制动力蓄电池放电输出以满足负载功率要求，其中两个绕组输出与储能单元输出均通过二极管隔离，保证铁路货车从最低运行速度(不高于5km/h)到最高运行速度(不低于120km/h或者160km/h)之间电源系统既能正常供电保证负载工作，又可以同步对动力蓄电池正常充电，准停车工况下(小于5km/h)可以由动力蓄电池为负载供电，即通过永磁发电机、电压转换及功率监测控制单元、储能单元和单向导通隔离件之间的相互配合，实现电源的智能分配，提升了系统的冗余性和可靠性。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，与说明书一起用于解释本发明的原理。

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，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种利用铁路货车车轴发电的混合供电系统原理图。

图中：1为磁发电机；2为电压转换及功率监测控制单元；3为储能单元；4为单向导通隔离件；11为第一组单相绕组交流输出；12为第二组单相绕组交流输出；21为第一电压转换及功率监测控制单元；22为第二电压转换及功率监测控制单元；41为第一二极管；42为第二二极管；43为第三二极管。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置的例子。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述。

请参见图1所示，本发明提供一种利用铁路货车车轴发电的混合供电系统，该混合供电系统包括永磁发电机1、电压转换及功率监测控制单元2、储能单元3和单向导通隔离件4；所述永磁发电机1设置于铁路货车车轴的端部，这样当铁路货车运行时，永磁发电机1在铁路货车车轴的带动下发电，将机械能转化为交流电能，由于本发明实施例采用轴端永磁发电机发电，可以有效提高铁路货车供电系统的发电效率，减小轴端发电机的体积，提高轴端发电机的输出功率，减少铁路货车供电系统安装轴端发电机的台数，有利于节约铁路货车供电系统的成本。

其中，本发明电压转换及功率监测控制单元2包括AC/DC转换模块和功率监测控制模块，永磁发电机1的输出端经电压转换控制单元2与铁路货车用电负载电性连接，通过AC/DC转换模块将永磁发电机1产生的交流电能转换为直流电能，并输出供货车用电负载电使用的预设范围内直流电压，该电压变化范围为DC21V～DC26V。

本发明混合供电系统的储能单元3设置于电压转换及功率监测控制单元2和铁路货车用电负载之间，储能单元3包括动力蓄电池和蓄电池管理模块，动力蓄电池的标称电压为DC24V，通过电压转换及功率监测控制单元2中的功率监测控制模块实时监测永磁发电机1的输出功率，当该输出功率大于铁路货车用电负载阈值时，功率监测控制模块控制蓄电池管理模块向动力蓄电池进行充电，反之则进行放电；

优选的，本发明电压转换及功率监测控制单元2和储能单元3之间以及储能单元3和铁路货车用电负载之间均设置有单向导通隔离件4，所述单向导通隔离件4采用二极管，用于将各电源(如动力蓄电池与永磁发电机1)部分的输出隔离，防止相互干扰，提高混合供电系统的可靠性；通过电压转换及功率检测控制单元2能保证铁路货车从最低运行速度(5km/h)到最高运行速度(不低于120km/h或者160km/h)较宽的速度范围内，电源系统既能正常供电保证负载工作，又可以同步对动力蓄电池正常充电，实现电源的智能分配。

为了进一步提高供电系统的可靠性，本发明实施例采用的永磁发电机1为双绕组永磁发电机，其包括第一组单相绕组交流输出11和第二组单相绕组交流输出12，且第一组单相绕组交流输出11的线路与第二组单相绕组交流输出12的线路互为冗余电路。

其中，第一组单相绕组交流输出11的线路上设置有第一电压转换及功率监测控制单元21，第二组单相绕组交流输出12的线路上设置有第二电压转换及功率监测控制单元22。

具体的，第一组单相绕组交流输出11的线路上在第一电压转换及功率监测控制单元21与铁路货车用电负载之间设置有第一二极管41，这样第一组单相绕组交流输出11后由第一电压转换及功率监测控制单元21中的AC/DC转换模块进行电压转换，AC/DC转换模块输出后经过第一二极管41后单向输出，且保证输出电压满足系统要求。

第二组单相绕组交流输出12的线路上在第二电压转换及功率监测控制单元22与铁路货车用电负载之间设置有储能单元3，且储能单元3与第二电压转换及功率监测控制单元22之间设置有第二二极管42，储能单元3与铁路货车用电负载之间设置有第三二极管43，第二组单相绕组交流输出12的线路经过第二二极管42和第三二极管43单向输出后与第一组单相绕组交流输出11的线路经过第一二极管41单向输出后交汇。这样设置后，一方面第二组单相绕组交流输出12后由第二电压转换及功率监测控制单元22中的AC/DC转换模块进行电压转换，AC/DC转换模块输出后经过第二二极管42和第三二极管43单向输出，即实现与第一组单相绕组交流输出11的线路互为冗余，从而保证供电系统可靠性；另一方面当两组单相绕组交流输出功率合计大于用电负载时，第二组单相绕组交流输出12后由AC/DC转换模块进行电压转换，AC/DC转换模块输出经过第二二极管42单向输出后，在蓄电池管理模块控制下实现对动力蓄电池的恒流充电和恒压充电过程，此时经过第三二极管43实现第一绕组工作电源和第二绕组充电电源的隔离。

通过以上设置，当货车速度较低永磁发电机1输出功率不足时，第一绕组正常供电工作+第二绕组正常供电工作+动力蓄电池输出补充以满足用电负载功率要求，此时借助第一二极管41、第二二极管42和第三二极管43，实现各电源部分的输出隔离；当货车停车时，供电系统通过动力蓄电池为用电负载供电，此时蓄电池输出经过第一二极管41和第二二极管42与永磁发电机1和电压转换及功率监测控制单元2相隔离，保证系统安全。另外当永磁发电机1两套绕组及其配套的电压转换及功率监测控制单元均故障时，可短时间利用动力蓄电池为负载供电。

本发明永磁发电机1以车轴为动力输出电能，且输出电能的电压和功率与车轴转速成正比，因此，为了进一步说明本发明混合供电系统的功效，发明人以不同车速进行相应的工况说明，具体如下：

第一种工况：当货车运行速度低于5km/h或者停车工况，此时混合供电系统由动力蓄电池向用电负载供电。

第二种工况：永磁发电机1的转速与输出电压成线性正比关系，当货车运行速度高于5km/h低于10km/h，电压转换及功率监测控制单元2中通过输入端有电压检测装置检测电压，判断永磁发电机侧的输出功率，且电压转换及功率监测控制单元2中的功率监测控制模块监测到永磁发电机1输出功率不足时，第一组单相绕组交流输出11的线路正常供电工作+第一组单相绕组交流输出12的线路正常供电工作+动力蓄电池输出补充以满足用电负载功率要求；第一组单相绕组交流输出11经相应的AC/DC转换模块进行电压转换后输出电压定义为V1；第二组单相绕组交流输出12经相应的AC/DC转换模块进行电压转换后输出电压定义为V2，V2经过第三二极管43后输出满足系统要求；低转速下永磁发电机1输出电压及功率较低，此时电源能量主要向负载流动，因此在此工况下，通过电压转换及功率检测控制单元将V1和V2的输出电压设定在DC21V～DC24V。

第三种工况：当货车运行速度高于10km/h，且两个绕组线路输出功率合计大于用电负载时，第二组单相绕组交流输出12后由相应的AC/DC转换模块进行电压转换，AC/DC转换模块输出经过第二二极管42单向输出后，通过蓄电池管理模块可实现动力蓄电池的恒流充电和恒压充电过程，输出电压在第二二极管42输出端为V2，V2的电压定义为小于DC25V，同时小于V1，此时第二电压转换及功率检测控制单元22主要向蓄电池充电。

第四种工况：当货车运行速度高于第二转速10km/h，且每个绕组线路输出功率均大于用电负载时，此时V1和V2的电压值定义为DC25V～DC26V，在此工况下，当动力蓄电池能量不足时，第二电压转换及功率检测控制单元22主要向动力蓄电池充电，第一电压转换及功率检测控制单元21主要向负载传送能量，当动力蓄电池能量充足时，可只选择其中一个电压转换及功率检测控制单元22工作。

第五种工况：当永磁发电机1的两套绕组及配套的电压转换及功率监测控制单元均故障时，此时利用动力蓄电池为负载供电。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。

应当理解的是，本发明并不局限于上述已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (8)

1.一种利用铁路货车车轴发电的混合供电系统，其特征在于，所述混合供电系统包括永磁发电机(1)、电压转换及功率监测控制单元(2)、储能单元(3)和单向导通隔离件(4)；

其中，所述永磁发电机(1)与铁路货车车轴连接，用于在所述铁路货车车轴的转动下将机械能转化为交流电能；

所述电压转换及功率监测控制单元(2)包括AC/DC转换模块和功率监测控制模块，所述永磁发电机(1)的输出端经电压转换控制单元(2)与铁路货车用电负载电性连接，并通过所述AC/DC转换模块将永磁发电机(1)产生的交流电能转换为直流电，并输出供货车用电负载电使用的预设范围内直流电压；

所述储能单元(3)设置于电压转换及功率监测控制单元(2)和铁路货车用电负载之间，所述储能单元(3)包括动力蓄电池和蓄电池管理模块，所述功率监测控制模块用于实时监测永磁发电机(1)的输出功率，当所述输出功率大于铁路货车用电负载阈值时，所述功率监测控制模块控制蓄电池管理模块向动力蓄电池进行充电，反之则进行放电；

所述电压转换及功率监测控制单元(2)和储能单元(3)之间以及储能单元(3)和铁路货车用电负载之间均设置有单向导通隔离件(4)。

2.根据权利要求1所述的一种利用铁路货车车轴发电的混合供电系统，其特征在于，所述永磁发电机(1)为双绕组永磁发电机。

3.根据权利要求2所述的一种利用铁路货车车轴发电的混合供电系统，其特征在于，所述双绕组永磁发电机包括第一组单相绕组交流输出(11)和第二组单相绕组交流输出(12)，且第一组单相绕组交流输出(11)的线路与第二组单相绕组交流输出(12)的线路互为冗余电路。

4.根据权利要求3所述的一种利用铁路货车车轴发电的混合供电系统，其特征在于，所述单向导通隔离件(4)为二极管。

5.根据权利要求4所述的一种利用铁路货车车轴发电的混合供电系统，其特征在于，所述第一组单相绕组交流输出(11)的线路上设置有第一电压转换及功率监测控制单元(21)，第二组单相绕组交流输出(12)的线路上设置有第二电压转换及功率监测控制单元(22)；

其中，所述第一组单相绕组交流输出(11)的线路上在第一电压转换及功率监测控制单元(21)与铁路货车用电负载之间设置有第一二极管(41)；

所述第二组单相绕组交流输出(12)的线路上在第二电压转换及功率监测控制单元(22)与铁路货车用电负载之间设置有储能单元(3)，且所述储能单元(3)与第二电压转换及功率监测控制单元(22)之间设置有第二二极管(42)，所述储能单元(3)与铁路货车用电负载之间设置有第三二极管(43)，所述第二组单相绕组交流输出(12)的线路经过第二二极管(42)和第三二极管(43)单向输出后与第一组单相绕组交流输出(11)的线路经过第一二极管(41)单向输出后交汇。

6.根据权利要求1所述的一种利用铁路货车车轴发电的混合供电系统，其特征在于，所述储能单元(3)中的动力蓄电池为铅酸蓄电池。

7.根据权利要求1所述的一种利用铁路货车车轴发电的混合供电系统，其特征在于，所述永磁发电机(1)经电压转换及功率监测控制单元(2)中的AC/DC转换模块转换后输出直流电压范围为DC21V～DC26V。

8.根据权利要求1所述的一种利用铁路货车车轴发电的混合供电系统，其特征在于，所述储能单元(3)中动力蓄电池的标称电压为DC24V。

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