CN116788072A - 电力机车动力电源系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种电力机车动力电源系统，包括储能元件、双向AC/DC变流模块、辅助负载、辅助变流器、牵引变流器以及牵引电机；双向AC/DC变流模块与储能元件相连，辅助负载、辅助变流器分别与双向AC/DC变流模块相连，辅助变流器、牵引变流器、牵引电机依次相连；当电力机车处于停车待机工况时，储能元件向辅助负载提供三相交流电；当电力机车处于库内动车工况时，储能元件通过双向AC/DC变流模块向辅助变流器提供三相交流电，辅助变流器整流后向牵引变流器提供直流电，牵引变流器逆变后向牵引电机供电，以驱动电力机车；当电力机车正常运行时，双向AC/DC变流模块将辅助回路的三相交流电转换为直流，以为储能元件充电供能。

Description

电力机车动力电源系统
技术领域
本申请涉及电力机车技术领域，具体而言，涉及一种电力机车动力电源系统。
背景技术
电力机车是指从供电网(接触网)或供电轨中获取电能，再通过电动机驱动车辆行驶的车辆。其中，电力机车采用储能电源作为储能元件，但现有技术中的储能电源充电方式易引起储能电源的过充或过放，且不能进行预警提示，充放电的安全性不高。
发明内容
本申请提供一种电力机车动力电源系统，用以克服现有技术中存在的至少一个技术问题。
具体的技术方案如下：
本申请实施例提供了一种电力机车动力电源系统，所述动力电源系统包括：储能元件、双向AC/DC变流模块、辅助负载、辅助变流器、牵引变流器以及牵引电机，所述储能元件为锂电池，所述辅助负载包括空调和暖风机；
所述双向AC/DC变流模块与所述储能元件相连，所述辅助负载、辅助变流器分别与所述双向AC/DC变流模块相连，所述牵引变流器与所述辅助变流器相连，所述牵引电机与所述牵引变流器相连；
当所述电力机车处于停车待机工况时，所述储能元件通过所述双向AC/DC变流模块向所述辅助负载提供三相交流电；当所述电力机车处于库内动车工况时，所述储能元件通过所述双向AC/DC变流模块向所述辅助变流器提供三相交流电，所述辅助变流器整流后向所述牵引变流器提供直流电，所述牵引变流器逆变后向所述牵引电机供电，以驱动所述电力机车；当所述电力机车正常运行时，所述双向AC/DC变流模块将辅助回路的三相交流电转换为直流，用以为所述储能元件充电供能。
可选地，所述双向AC/DC变流模块包括双向PWM整流逆变电路和第一双向DC/DC电路，所述第一双向DC/DC电路与所述双向PWM整流逆变电路相连。
可选地，所述双向AC/DC变流模块包括双向PWM整流逆变电路和第二双向DC/DC电路，所述第二双向DC/DC电路与所述双向PWM整流逆变电路相连。
进一步可选地，所述双向PWM整流逆变电路包括接触器KM1、接触器KM2、接触器KM3、接触器KM4、EMI滤波器LB、熔断器FU1、熔断器FU2、熔断器FU3、电阻R0、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、隔离变压器G1、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、三极管Q5、三极管Q6、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8、二极管D9、二极管D10、电感器L1、电感器L2、电感器L3；
所述接触器KM1的一端与第一路三相交流电压信号相连，所述接触器KM2的一端与第二路三相交流电压信号相连，所述接触器KM1的另一端和所述接触器KM2的另一端分别与所述EMI滤波器LB的一端相连，所述熔断器FU1的一端、熔断器FU2的一端以及所述熔断器FU3的一端分别与所述EMI滤波器LB的另一端相连，所述熔断器FU1的另一端分别与所述隔离变压器G1的第一线圈的1U端和所述电阻R2的一端相连，所述熔断器FU2的另一端分别与所述隔离变压器G1的第一线圈的1V端和所述电阻R3的一端相连，所述熔断器FU3的另一端分别与所述隔离变压器G1的第一线圈的1W端和所述电阻R4的一端相连，所述电阻R5的一端与所述隔离变压器G1的第一线圈的N端相连，所述电阻R2的另一端、电阻R3的另一端、电阻R4的另一端以及所述电阻R5的另一端接地，所述接触器KM3的第一端、第三端分别与所述隔离变压器G1的第一线圈的1U端、1V端相连，所述接触器KM3的第二端、第四端分别与所述电阻R0的一端、电阻R1的一端相连，所述隔离变压器G1的第二线圈的2U端分别与所述电感器L1的一端、接触器KM4的第一端以及所述电阻R8的一端相连，所述隔离变压器G1的第二线圈的2V端分别与所述电感器L2的一端、接触器KM4的第三端以及所述电阻R7的一端相连，所述隔离变压器G1的第二线圈的2W端分别与所述电感器L3的一端、接触器KM4的第五端以及所述电阻R6的一端相连，所述接触器KM4的第二端分别与所述电阻R8的另一端、电容C1的一端以及所述电容C3的一端相连，所述接触器KM4的第四端分别与所述电阻R7的另一端、电容C1的另一端以及所述电容C2的一端相连，所述接触器KM4的第六端分别与所述电阻R6的另一端、电容C2的另一端以及所述电容C3的另一端相连，所述电感器L1的另一端分别与所述三极管Q1的发射极和所述三极管Q4的集电极相连，所述电容C5的两端分别与所述三极管Q1的集电极和所述三极管Q4的发射极相连，所述电感器L2的另一端分别与所述三极管Q2的发射极和所述三极管Q5的集电极相连，所述电容C6的两端分别与所述三极管Q2的集电极和所述三极管Q5的发射极相连，所述电感器L3的另一端分别与所述三极管Q3的发射极和所述三极管Q6的集电极相连，所述电容C7的两端分别与所述三极管Q3的集电极和所述三极管Q6的发射极相连，所述二极管D1的负极与所述三极管Q1的集电极相连，所述二极管D1的正极与所述三极管Q1的发射极相连，所述二极管D2的负极与所述三极管Q2的集电极相连，所述二极管D2的正极与所述三极管Q2的发射极相连，所述二极管D3的负极与所述三极管Q3的集电极相连，所述二极管D3的正极与所述三极管Q3的发射极相连，所述二极管D4的负极与所述三极管Q4的集电极相连，所述二极管D4的正极与所述三极管Q4的发射极相连，所述二极管D5的负极与所述三极管Q5的集电极相连，所述二极管D5的正极与所述三极管Q5的发射极相连，所述二极管D6的负极与所述三极管Q6的集电极相连，所述二极管D6的正极与所述三极管Q6的发射极相连，所述电容C4的正极分别与所述三极管Q1的集电极、三极管Q2的集电极以及所述三极管Q3的集电极相连，所述电容C4的阴极分别与所述三极管Q4的发射极、三极管Q5的发射极以及所述三极管Q6的发射极相连，所述电阻R0的另一端分别与所述二极管D7的正极和所述二极管D9的负极相连，所述电阻R1的另一端分别与所述二极管D8的正极和所述二极管D10的负极相连，所述二极管D7的负极分别与所述三极管Q1的集电极、三极管Q2的集电极以及所述三极管Q3的集电极相连，所述二极管D8的负极分别与所述三极管Q1的集电极、三极管Q2的集电极以及所述三极管Q3的集电极相连，所述二极管D9的正极分别与所述三极管Q4的发射极、三极管Q5的发射极以及所述三极管Q6的发射极相连，所述二极管D10的正极分别与所述三极管Q4的发射极、三极管Q5的发射极以及所述三极管Q6的发射极相连。
进一步可选地，所述第一双向DC/DC电路包括二极管D11、二极管D12、二极管D13、二极管D14、三极管Q7、三极管Q8、三极管Q9、三极管Q10、电感器L4、电感器L5、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、熔断器FU4、电容C8、接触器KM5、接触器KM6、接触器KM7、接触器KM8；
所述储能元件的电池端正极DC1分别与所述接触器KM6的第一端和所述接触器KM5的第一端相连，所述储能元件的电池端正极DC2分别与所述接触器KM7的第一端和所述接触器KM8的第一端相连，所述熔断器FU4的一端分别与所述接触器KM6的第二端、接触器KM7的第二端和所述电阻R12的一端相连，所述电阻R12的另一端分别与所述接触器KM5的第二端和所述接触器KM8的第二端相连，所述储能元件的电池端负极DC1与所述接触器KM6的第三端相连，所述储能元件的电池端负极DC2与所述接触器KM7的第三端相连，所述电阻R9的一端与所述熔断器FU4的另一端相连，所述电阻R9的另一端分别与所述电阻R10的一端和所述电阻R11的一端相连，所述电阻R11的另一端接地，所述电阻R10的另一端分别与所述接触器KM6的第四端和所述接触器KM7的第四端相连，所述电容C8的正极与所述熔断器FU4的另一端相连，所述电容C8的阴极分别与所述接触器KM6的第四端和所述接触器KM7的第四端相连，所述电感器L4的一端分别与所述熔断器FU4的另一端和所述电感器L5的一端相连，所述电感器L4的另一端分别与所述二极管D11的正极和所述二极管D12的负极相连，所述电感器L5的另一端分别与所述二极管D13的正极和所述二极管D14的负极相连，所述二极管D11的负极与所述二极管D13的负极相连，所述二极管D12的正极分别与所述接触器KM6的第四端和所述接触器KM7的第四端相连，所述二极管D14的正极分别与所述接触器KM6的第四端和所述接触器KM7的第四端相连，所述二极管D11的正极与所述三极管Q7的发射极相连，所述二极管D11的负极与所述三极管Q7的集电极相连，所述二极管D12的正极与所述三极管Q8的发射极相连，所述二极管D12的负极与所述三极管Q8的集电极相连，所述二极管D13的正极与所述三极管Q9的发射极相连，所述二极管D13的负极与所述三极管Q9的集电极相连，所述二极管D14的正极与所述三极管Q10的发射极相连，所述二极管D14的负极与所述三极管Q10的集电极相连。
进一步可选地，所述第二双向DC/DC电路包括二极管D15、二极管D16、二极管D17、二极管D18、二极管D19、二极管D20、二极管D21、二极管D22、三极管Q11、三极管Q12、三极管Q13、三极管Q14、三极管Q15、三极管Q16、三极管Q17、三极管Q18、电感器L6、电感器L7、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、熔断器FU5、电容C9、接触器KM9、接触器KM10、接触器KM11、接触器KM12；
所述储能元件的电池端正极DC1分别与所述接触器KM10的第一端和所述接触器KM9的第一端相连，所述储能元件的电池端正极DC2分别与所述接触器KM11的第一端和所述接触器KM12的第一端相连，所述熔断器FU5的一端分别与所述接触器KM10的第二端、接触器KM11的第二端和所述电阻R16的一端相连，所述电阻R16的另一端分别与所述接触器KM9的第二端和所述接触器KM12的第二端相连，所述储能元件的电池端负极DC1与所述接触器KM10的第三端相连，所述储能元件的电池端负极DC2与所述接触器KM11的第三端相连，所述电阻R13的一端与所述熔断器FU5的另一端相连，所述电阻R13的另一端分别与所述电阻R14的一端和所述电阻R15的一端相连，所述电阻R14的另一端分别与所述接触器KM10的第四端和所述接触器KM11的第四端相连，所述电阻R15的另一端接地，所述电容C8的正极与所述熔断器FU5的另一端相连，所述电容C8的阴极分别与所述接触器KM10的第四端和所述接触器KM11的第四端相连，所述熔断器FU5的另一端分别与所述三极管Q12的集电极和所述三极管Q16的集电极相连，所述三极管Q12的发射极与所述三极管Q11的集电极相连，所述三极管Q11的发射极分别与所述电感器L6的一端和所述三极管Q13的集电极相连，所述三极管Q13的发射极与所述三极管Q14的集电极相连，所述三极管Q14的发射极分别与所述接触器KM10的第四端和所述接触器KM11的第四端相连，所述电感器L6的另一端与所述电感器L7的一端相连，所述电感器L7的另一端分别与所述三极管Q15的发射极和所述三极管Q17的集电极相连，所述三极管Q15的集电极与所述三极管Q16的发射极相连，所述三极管Q17的发射极与所述三极管Q18的集电极相连，所述三极管Q18的发射极分别与所述接触器KM10的第四端和所述接触器KM11的第四端相连，所述三极管Q11的基极和所述三极管Q12的基极相连，所述三极管Q13的基极和所述三极管Q14的基极相连，所述三极管Q15的基极和所述三极管Q16的基极相连，所述三极管Q17的基极和所述三极管Q18的基极相连，所述二极管D15的正极与所述三极管Q11的发射极相连，所述二极管D15的负极与所述三极管Q11的集电极相连，所述二极管D16的正极与所述三极管Q12的发射极相连，所述二极管D16的负极与所述三极管Q12的集电极相连，所述二极管D17的正极与所述三极管Q13的发射极相连，所述二极管D17的负极与所述三极管Q13的集电极相连，所述二极管D18的正极与所述三极管Q14的发射极相连，所述二极管D18的负极与所述三极管Q14的集电极相连，所述二极管D19的正极与所述三极管Q15的发射极相连，所述二极管D19的负极与所述三极管Q15的集电极相连，所述二极管D20的正极与所述三极管Q16的发射极相连，所述二极管D20的负极与所述三极管Q16的集电极相连，所述二极管D21的正极与所述三极管Q17的发射极相连，所述二极管D21的负极与所述三极管Q17的集电极相连，所述二极管D22的正极与所述三极管Q18的发射极相连，所述二极管D22的负极与所述三极管Q18的集电极相连。
可选地，所述动力电源系统还包括电池管理系统(Battery Manage-ment System，BMS)，所述BMS包括BMS主板和BMS从板，所述BMS从板用于采集所述储能元件中各个单体电池的电压信息和温度信息，并通过CAN总线通讯传输至所述BMS主板，所述BMS主板用于对所述电压信息和所述温度信息进行诊断和处理，并通过所述双向AC/DC变流模块控制所述储能元件的充放电。
进一步可选地，所述BMS还包括系统故障预警模块，所述系统故障预警模块包括一级预警模块、二级预警模块、三级预警模块、BMS硬件故障预警模块、BMS内部通讯故障预警模块以及正极接触器故障预警模块；
所述一级预警模块用于当所述储能元件出现一级故障时，预警并上报所述电力机车；其中，所述一级故障包括最高单体电池电压大于一级故障第一阈值、最低单体电池电压小于一级故障第二阈值、电池组压差大于一级故障第三阈值、单体电池温差大于一级故障第四阈值、电池组最高温度大于一级故障第五阈值、电池组充电电流大于一级故障第六阈值以及电池组放电电流大于一级故障第七阈值；
所述二级预警模块用于当所述储能元件出现二级故障时，上报所述电力机车并降功率50％运行；其中，所述二级故障包括最高单体电池电压大于二级故障第一阈值、最低单体电池电压小于二级故障第二阈值、电池组压差大于二级故障第三阈值、单体电池温差大于二级故障第四阈值、电池组最高温度大于二级故障第五阈值、电池组充电电流大于二级故障第六阈值以及电池组放电电流大于二级故障第七阈值；
所述三级预警模块用于当所述储能元件出现三级故障时，请求断开所述双向AC/DC变流模块的高压回路，停止使用；其中，所述三级故障包括最高单体电池电压大于三级故障第一阈值、最低单体电池电压小于三级故障第二阈值、电池组压差大于三级故障第三阈值、单体电池温差大于三级故障第四阈值、电池组最高温度大于三级故障第五阈值、电池组充电电流大于三级故障第六阈值以及电池组放电电流大于三级故障第七阈值；
所述BMS硬件故障预警模块用于检测所述BMS是否发生硬件故障，当发生硬件故障时，预警并上报所述电力机车；
所述BMS内部通讯故障预警模块用于检测所述BMS主板和所述BMS从板之间是否通讯故障，当通讯故障时，预警并上报所述电力机车；
所述正极接触器故障预警模块用于检测所述双向AC/DC变流模块内的正极接触器是否粘连或无法闭合，当所述正极接触器粘连或无法闭合时，预警并上报所述电力机车。
再进一步可选地，所述一级故障第一阈值为2.75V，所述一级故障第二阈值为2V，所述一级故障第三阈值为0.35V，所述一级故障第四阈值为15℃，所述一级故障第五阈值为50℃，所述一级故障第六阈值为150A，所述一级故障第七阈值为220A；所述二级故障第一阈值为2.8V，所述二级故障第二阈值为1.8V，所述二级故障第三阈值为0.5V，所述二级故障第四阈值为25℃，所述二级故障第五阈值为55℃，所述二级故障第六阈值为170A，所述二级故障第七阈值为230A；所述三级故障第一阈值为2.85V，所述三级故障第二阈值为1.5V，所述三级故障第三阈值为1V，所述三级故障第四阈值为30℃，所述三级故障第五阈值为60℃，所述三级故障第六阈值为190A，所述三级故障第七阈值为240A。
可选地，所述储能元件的电芯包括电芯本体和填充于所述电芯本体内的电解液，所述电芯本体包括包覆于铝塑膜内的多片正极极片、多片负极极片和多个隔膜，所述正极极片通过正极极耳引出，所述负极极片通过负极极耳引出，且所述正极极耳和所述负极极耳的两侧分别设置有电芯泄压口。
本申请实施例的有益效果如下：
采用主从设计的电池管理系统BMS，可通过BMS从板采集各单体电池电压和温度信息，并通过BMS主板对BMS从板采集的数据进行分析判断，对电池的温度和电压进行保护，并通过CAN总线或RS485总线与双向AC/DC变流模块交互信息，对数据进行诊断和处理，控制储能元件的充放电，可有效避免电池组过充、过放和过温，延长电池使用寿命、防止故障发生和蔓延。同时，BMS中的系统故障预警模块还能起到预警提示的作用，提高并保证系统整体的安全性。此外，该电力机车动力电源系统采用钛酸锂离子电池储能系统，针对车辆应急牵引系统供电，在保证系统供电功能的基础上，可实现动力电源系统的轻量化、无污染、长寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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做简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为本申请实施例提供的电力机车动力电源系统的组成框图；
图2为本申请第一实施例提供的电力机车动力电源系统中电路原理图；
图3为本申请第二实施例提供的电力机车动力电源系统中双向AC/DC变流模块的升压方案电路原理图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。本申请实施例及附图中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如，包含的一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
本申请实施例公开了一种电力机车动力电源系统。以下分别进行详细说明。
图1示出了根据本申请实施例提供的一种电力机车动力电源系统。如图1所示，该电力机车动力电源系统主要包括：储能元件1、双向AC/DC变流模块2、辅助负载3、辅助变流器4、牵引变流器5以及牵引电机6，其配置库内动车功能，辅助负载3包括空调和暖风机，在电力机车处于停车待机工况时，可为司机室空调以及暖风机独立供电，储能元件1优选锂电池，相较于能量/功率密度较低、体积和重量较大的铅酸蓄电池以及能量密度低且自放电率较高的超级电容，锂电池的电压平台高，方便组成电池组，使用寿命较长，自放电率很低，且具备高功率承受力。
在一实施例中，如图1所示，双向AC/DC变流模块2与储能元件1相连，辅助负载3与双向AC/DC变流模块2相连，储能元件1作为辅助负载3的动力包，双向AC/DC变流模块2还与辅助变流器4相连，牵引变流器5与辅助变流器4相连，牵引电机6与牵引变流器5相连。当电力机车处于停车待机工况时，储能元件1通过双向AC/DC变流模块2向辅助负载3提供三相交流电；当电力机车处于库内动车工况时，储能元件1通过双向AC/DC变流模块2向辅助变流器4提供三相交流电，辅助变流器4整流后向牵引变流器5提供直流电，牵引变流器5逆变后向牵引电机6供电，以驱动电力机车；当电力机车正常运行时，双向AC/DC变流模块2将辅助回路的三相交流电转换为直流，用以为储能元件1充电供能。
其中，将动力包(即储能元件1)接入辅助负载3，进入动力包模式时：
1)冬天模式：动力包供电模式下，闭合用于控制所有暖风机的总单相辅助负载自动开关，其它三相负载自动开关断开。
2)夏天模式：动力包供电模式下，闭合用于控制空调的自动开关，通过打开司机室空调转换开关进行制冷，其它三相负载自动开关断开。
需注意的是，牵引电机6由接触器控制，在动力包供电冬天或夏天模式中，其它三相负载自动开关断开时，牵引电机6的自动开关可闭合。此外，该电力机车动力电源系统还可通过闭合双向AC/DC变流模块2实现智能预警控制，例如，在动力包供电模式下，当储能元件1报欠压低于77V报警时，可通过闭合双向AC/DC变流模块2中的自动开关，控制储能元件1充电。
在本申请实施例中，该电力机车动力电源系统采用钛酸锂离子电池储能系统，针对车辆应急牵引系统供电，在保证系统供电功能的基础上，可实现动力电源系统的轻量化、无污染、长寿命。
在具体的实施过程中，该电力机车动力电源系统的储能元件1由电池模组构成，成组方式为3P12S，模组一共包含36个40Ah电芯，其中，3个电芯先并联形成一串，然后正极和负极首尾连接12串，形成3并12串的一个模组，具体的电池模组参数如下表1所示：
序号 项目 参数
1 单体电芯 钛酸锂40Ah/2.35V
2 成组方式 3P12S
3 额定电压 28.2V
4 额定容量 120Ah
5 额定电量 3.384kWh
6 温度采集点 12个
表1电池模组参数表
在一些实施例中，储能元件1的电芯包括电芯本体和填充于电芯本体内的电解液，电芯本体包括包覆于铝塑膜内的多片正极极片、多片负极极片和多个隔膜，且正极极片通过正极极耳引出，负极极片通过负极极耳引出，同时，正极极耳和负极极耳的两侧分别设置有电芯泄压口，本申请中的极耳(即正极极耳和负极极耳)具有熔断能力，在外短路情况下可以熔断，阻止短路电流持续增大，阻止外界能量持续注入电芯，引发爆炸等安全事故，安全性更高。此外，电芯四周设有封边，封边用于在成组时加紧固定。
在本申请实施例中，动力电源系统还包括电池管理系统(Battery Man age-mentSystem，BMS)，BMS采用主从设计，其包括BMS主板和BMS从板，BMS从板用于采集储能元件中各个单体电池的电压信息和温度信息，并通过CAN总线通讯传输至BMS主板，BMS主板用于对电压信息和温度信息进行诊断和处理，并通过双向AC/DC变流模块控制储能元件的充放电，即BMS从板通过对各单体电池电压和温度信息进行采集，然后通过CAN通讯传输给BMS主板，BMS主板再进行分析判断，从而对电池的温度和电压进行保护。BMS通过CAN总线或RS485总线与双向AC/DC变流模块交互信息，对数据进行诊断和处理，控制储能元件的充放电。具体的，BMS主板通过控制主回路的接触器，避免电池组过充、过放和过温，延长电池使用寿命、防止故障发生和蔓延。
在一实施例中，BMS还包括系统故障预警模块，以实现系统故障的提前预警提示，提高系统整体的安全性能。详细的，系统故障预警模块包括一级预警模块、二级预警模块、三级预警模块、BMS硬件故障预警模块、BMS内部通讯故障预警模块以及正极接触器故障预警模块。
在一些具体的实施过程中，一级预警为提醒司机，一级预警模块用于当储能元件出现一级故障时，预警并上报电力机车。其中，一级故障包括最高单体电池电压大于一级故障第一阈值、最低单体电池电压小于一级故障第二阈值、电池组压差大于一级故障第三阈值、单体电池温差大于一级故障第四阈值、电池组最高温度大于一级故障第五阈值、电池组充电电流大于一级故障第六阈值以及电池组放电电流大于一级故障第七阈值。进一步具体的，一级故障第一阈值为2.75V，一级故障第二阈值为2V，一级故障第三阈值为0.35V，一级故障第四阈值为15℃，一级故障第五阈值为50℃，一级故障第六阈值为150A，一级故障第七阈值为220A。
在另一些具体的实施过程中，二级预警为轻微故障，二级预警模块用于当储能元件出现二级故障时，上报电力机车并降功率50％运行。其中，二级故障包括最高单体电池电压大于二级故障第一阈值、最低单体电池电压小于二级故障第二阈值、电池组压差大于二级故障第三阈值、单体电池温差大于二级故障第四阈值、电池组最高温度大于二级故障第五阈值、电池组充电电流大于二级故障第六阈值以及电池组放电电流大于二级故障第七阈值。进一步具体的，二级故障第一阈值为2.8V，二级故障第二阈值为1.8V，二级故障第三阈值为0.5V，二级故障第四阈值为25℃，二级故障第五阈值为55℃，二级故障第六阈值为170A，二级故障第七阈值为230A。
在另一些具体的实施过程中，三级预警为严重故障，三级预警模块用于当储能元件出现三级故障时，请求断开双向AC/DC变流模块的高压回路，停止使用。其中，三级故障包括最高单体电池电压大于三级故障第一阈值、最低单体电池电压小于三级故障第二阈值、电池组压差大于三级故障第三阈值、单体电池温差大于三级故障第四阈值、电池组最高温度大于三级故障第五阈值、电池组充电电流大于三级故障第六阈值以及电池组放电电流大于三级故障第七阈值。进一步具体的，三级故障第一阈值为2.85V，三级故障第二阈值为1.5V，三级故障第三阈值为1V，三级故障第四阈值为30℃，三级故障第五阈值为60℃，三级故障第六阈值为190A，三级故障第七阈值为240A。
在另一些具体的实施过程中，BMS硬件故障预警模块用于检测BMS是否发生硬件故障，当发生硬件故障时，预警并上报电力机车；BMS内部通讯故障预警模块用于检测BMS主板和BMS从板之间是否通讯故障，当通讯故障时，预警并上报电力机车；正极接触器故障预警模块用于检测双向AC/DC变流模块内的正极接触器是否粘连或无法闭合，当正极接触器粘连或无法闭合时，预警并上报电力机车。
需要注意的是，上述中的温度指的是电池系统内部模组的检测温度，非外界环境温度。
在双向AC/DC变流模块降压方案的实施例中，双向AC/DC变流模块包括双向PWM整流逆变电路和第一双向DC/DC电路，第一双向DC/DC电路与双向PWM整流逆变电路相连。该双向AC/DC变流模块主要由隔离变压器、输入熔断器、主接触器、预充电电路、输出接触器等组成，应急工况下，应急供电系统通过双向AC/DC变流模块将锂电池的电能提供给车辆3AC440V，供于车辆空调负载或紧急牵引，正常工况下，应急供电系统将3AC440V通过双向AC/DC变流模块为锂电池充电，双向AC/DC变流模块满足锂电池的充放电特性要求。
具体的，如图2所示，双向PWM整流逆变电路包括接触器KM1、接触器KM2、接触器KM3、接触器KM4、EMI滤波器LB、熔断器FU1、熔断器FU2、熔断器FU3、电阻R0、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、隔离变压器G1、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、三极管Q5、三极管Q6、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8、二极管D9、二极管D10、电感器L1、电感器L2、电感器L3。其中，接触器KM1的一端与第一路三相交流电压信号相连，接触器KM2的一端与第二路三相交流电压信号相连，接触器KM1的另一端和接触器KM2的另一端分别与EMI滤波器LB的一端相连，熔断器FU1的一端、熔断器FU2的一端以及熔断器FU3的一端分别与EMI滤波器LB的另一端相连，熔断器FU1的另一端分别与隔离变压器G1的第一线圈的1U端和电阻R2的一端相连，熔断器FU2的另一端分别与隔离变压器G1的第一线圈的1V端和电阻R3的一端相连，熔断器FU3的另一端分别与隔离变压器G1的第一线圈的1W端和电阻R4的一端相连，电阻R5的一端与隔离变压器G1的第一线圈的N端相连，电阻R2的另一端、电阻R3的另一端、电阻R4的另一端以及电阻R5的另一端接地，接触器KM3的第一端、第三端分别与隔离变压器G1的第一线圈的1U端、1V端相连，接触器KM3的第二端、第四端分别与电阻R0的一端、电阻R1的一端相连，隔离变压器G1的第二线圈的2U端分别与电感器L1的一端、接触器KM4的第一端以及电阻R8的一端相连，隔离变压器G1的第二线圈的2V端分别与电感器L2的一端、接触器KM4的第三端以及电阻R7的一端相连，隔离变压器G1的第二线圈的2W端分别与电感器L3的一端、接触器KM4的第五端以及电阻R6的一端相连，接触器KM4的第二端分别与电阻R8的另一端、电容C1的一端以及电容C3的一端相连，接触器KM4的第四端分别与电阻R7的另一端、电容C1的另一端以及电容C2的一端相连，接触器KM4的第六端分别与电阻R6的另一端、电容C2的另一端以及电容C3的另一端相连，电感器L1的另一端分别与三极管Q1的发射极和三极管Q4的集电极相连，电容C5的两端分别与三极管Q1的集电极和三极管Q4的发射极相连，电感器L2的另一端分别与三极管Q2的发射极和三极管Q5的集电极相连，电容C6的两端分别与三极管Q2的集电极和三极管Q5的发射极相连，电感器L3的另一端分别与三极管Q3的发射极和三极管Q6的集电极相连，电容C7的两端分别与三极管Q3的集电极和三极管Q6的发射极相连，二极管D1的负极与三极管Q1的集电极相连，二极管D1的正极与三极管Q1的发射极相连，二极管D2的负极与三极管Q2的集电极相连，二极管D2的正极与三极管Q2的发射极相连，二极管D3的负极与三极管Q3的集电极相连，二极管D3的正极与三极管Q3的发射极相连，二极管D4的负极与三极管Q4的集电极相连，二极管D4的正极与三极管Q4的发射极相连，二极管D5的负极与三极管Q5的集电极相连，二极管D5的正极与三极管Q5的发射极相连，二极管D6的负极与三极管Q6的集电极相连，二极管D6的正极与三极管Q6的发射极相连，电容C4的正极分别与三极管Q1的集电极、三极管Q2的集电极以及三极管Q3的集电极相连，电容C4的阴极分别与三极管Q4的发射极、三极管Q5的发射极以及三极管Q6的发射极相连，电阻R0的另一端分别与二极管D7的正极和二极管D9的负极相连，电阻R1的另一端分别与二极管D8的正极和二极管D10的负极相连，二极管D7的负极分别与三极管Q1的集电极、三极管Q2的集电极以及三极管Q3的集电极相连，二极管D8的负极分别与三极管Q1的集电极、三极管Q2的集电极以及三极管Q3的集电极相连，二极管D9的正极分别与三极管Q4的发射极、三极管Q5的发射极以及三极管Q6的发射极相连，二极管D10的正极分别与三极管Q4的发射极、三极管Q5的发射极以及三极管Q6的发射极相连。
双向PWM整流逆变电路为三相全桥拓扑结构。模块工作在PWM整流模式时，交流侧电感起升压和PFC作用，三相桥为全波可控整流桥；模块工作在逆变工作模式时，三相桥为逆变桥，交流侧的电感和电容组成LC正弦波滤波器，输出三相交流电回馈至3AC440V电网。在本实施例中，通过双向PWM整流逆变电路，可提高系统的功率因数，保证系统给锂电池充电时，减小谐波电流对3AC440V电网造成污染，还可给第一双向DC/DC电路的输入端提供一个相对比较稳定的电压，保证双向DC/DC在同一方向工作状态(升压/降压)处于确定态。
在此实施例中，U1/V1/W1和U2/V2/W2分别来自于A节与B节，通过接触器KM1和接触器KM2对其进行选择，作充电模式时，只有一路输入进入，作为放电模式时，两路可以同时输出。EMI滤波器LB主要用于抑制工模干扰，由于AC/DC为双向工作状态，故EMI滤波器LB既可以抑制来自隔离变压器G1左边的干扰，也可以抑制隔离变压器G1右边的干扰。此外，与桥臂并联的电容C5、电容C6和电容C7用于吸收开关器件开关过程中产生的高频信号。电阻R2、电阻R3、电阻R4以及电阻R5构成交流接地检测T1，通过采集N线和机壳之间的电压来判断三相是否接地。
进一步的，如图2所示，第一双向DC/DC电路与双向PWM整流逆变电路相连，第一双向DC/DC电路包括二极管D11、二极管D12、二极管D13、二极管D14、三极管Q7、三极管Q8、三极管Q9、三极管Q10、电感器L4、电感器L5、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、熔断器FU4、电容C8、接触器KM5、接触器KM6、接触器KM7、接触器KM8。其中，储能元件1的电池端正极DC1分别与接触器KM6的第一端和接触器KM5的第一端相连，储能元件1的电池端正极DC2分别与接触器KM7的第一端和接触器KM8的第一端相连，熔断器FU4的一端分别与接触器KM6的第二端、接触器KM7的第二端和电阻R12的一端相连，电阻R12的另一端分别与接触器KM5的第二端和接触器KM8的第二端相连，储能元件1的电池端负极DC1与接触器KM6的第三端相连，储能元件1的电池端负极DC2与接触器KM7的第三端相连，电阻R9的一端与熔断器FU4的另一端相连，电阻R9的另一端分别与电阻R10的一端和电阻R11的一端相连，电阻R11的另一端接地，电阻R10的另一端分别与接触器KM6的第四端和接触器KM7的第四端相连，电容C8的正极与熔断器FU4的另一端相连，电容C8的阴极分别与接触器KM6的第四端和接触器KM7的第四端相连，电感器L4的一端分别与熔断器FU4的另一端和电感器L5的一端相连，电感器L4的另一端分别与二极管D11的正极和二极管D12的负极相连，电感器L5的另一端分别与二极管D13的正极和二极管D14的负极相连，二极管D11的负极与二极管D13的负极相连，二极管D12的正极分别与接触器KM6的第四端和接触器KM7的第四端相连，二极管D14的正极分别与接触器KM6的第四端和接触器KM7的第四端相连，二极管D11的正极与三极管Q7的发射极相连，二极管D11的负极与三极管Q7的集电极相连，二极管D12的正极与三极管Q8的发射极相连，二极管D12的负极与三极管Q8的集电极相连，二极管D13的正极与三极管Q9的发射极相连，二极管D13的负极与三极管Q9的集电极相连，二极管D14的正极与三极管Q10的发射极相连，二极管D14的负极与三极管Q10的集电极相连。
在本实施例中，双向DC/DC采用两电平Buck–Boost拓扑，两路采用交错并联控制方式，可以减小电感和输出电容值。模块工作在Buck模式时，三极管Q7和三极管Q9为开关管，三极管Q8和三极管Q10为续流二极管，高压侧电能通过两路并联Buck电路给低压侧恒流或者恒压充电；模块工作在Boost模式时，三极管Q8和三极管Q10为开关管，三极管Q7和三极管Q9为续流二极管，低压侧电能通过两路并联Boost电路把能量输出到高压侧。该双向DC/DC既可以工作于恒压状态，也可以工作于恒流状态，不论哪种模式下，动态响应均比较快。此外，电阻R9、电阻R10和电阻R11构成直流接地检测T3，通过采集正线和机壳之间的电压来判断正线或者负线是否接地。锂电池侧配置两路输出接触器，可以分别连接第一锂电池柜和第二锂电池柜，两路接触器单独控制。
在双向AC/DC变流模块升压方案的实施例中，双向AC/DC变流模块2包括双向PWM整流逆变电路和第二双向DC/DC电路，第二双向DC/DC电路与双向PWM整流逆变电路相连。该双向AC/DC变流模块主要由隔离变压器、输入熔断器、主接触器、预充电电路、输出接触器等组成，应急工况下，应急供电系统通过双向AC/DC变流模块将锂电池的电能提供给车辆3AC440V，供于车辆空调负载或紧急牵引，正常工况下，应急供电系统将3AC440V通过双向AC/DC变流模块为锂电池充电，双向AC/DC变流模块满足锂电池的充放电特性要求。
具体的，如图3所示，双向PWM整流逆变电路包括接触器KM1、接触器KM2、接触器KM3、接触器KM4、EMI滤波器LB、熔断器FU1、熔断器FU2、熔断器FU3、电阻R0、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、隔离变压器G1、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、三极管Q5、三极管Q6、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8、二极管D9、二极管D10、电感器L1、电感器L2、电感器L3。其中，接触器KM1的一端与第一路三相交流电压信号相连，接触器KM2的一端与第二路三相交流电压信号相连，接触器KM1的另一端和接触器KM2的另一端分别与EMI滤波器LB的一端相连，熔断器FU1的一端、熔断器FU2的一端以及熔断器FU3的一端分别与EMI滤波器LB的另一端相连，熔断器FU1的另一端分别与隔离变压器G1的第一线圈的1U端和电阻R2的一端相连，熔断器FU2的另一端分别与隔离变压器G1的第一线圈的1V端和电阻R3的一端相连，熔断器FU3的另一端分别与隔离变压器G1的第一线圈的1W端和电阻R4的一端相连，电阻R5的一端与隔离变压器G1的第一线圈的N端相连，电阻R2的另一端、电阻R3的另一端、电阻R4的另一端以及电阻R5的另一端接地，接触器KM3的第一端、第三端分别与隔离变压器G1的第一线圈的1U端、1V端相连，接触器KM3的第二端、第四端分别与电阻R0的一端、电阻R1的一端相连，隔离变压器G1的第二线圈的2U端分别与电感器L1的一端、接触器KM4的第一端以及电阻R8的一端相连，隔离变压器G1的第二线圈的2V端分别与电感器L2的一端、接触器KM4的第三端以及电阻R7的一端相连，隔离变压器G1的第二线圈的2W端分别与电感器L3的一端、接触器KM4的第五端以及电阻R6的一端相连，接触器KM4的第二端分别与电阻R8的另一端、电容C1的一端以及电容C3的一端相连，接触器KM4的第四端分别与电阻R7的另一端、电容C1的另一端以及电容C2的一端相连，接触器KM4的第六端分别与电阻R6的另一端、电容C2的另一端以及电容C3的另一端相连，电感器L1的另一端分别与三极管Q1的发射极和三极管Q4的集电极相连，电容C5的两端分别与三极管Q1的集电极和三极管Q4的发射极相连，电感器L2的另一端分别与三极管Q2的发射极和三极管Q5的集电极相连，电容C6的两端分别与三极管Q2的集电极和三极管Q5的发射极相连，电感器L3的另一端分别与三极管Q3的发射极和三极管Q6的集电极相连，电容C7的两端分别与三极管Q3的集电极和三极管Q6的发射极相连，二极管D1的负极与三极管Q1的集电极相连，二极管D1的正极与三极管Q1的发射极相连，二极管D2的负极与三极管Q2的集电极相连，二极管D2的正极与三极管Q2的发射极相连，二极管D3的负极与三极管Q3的集电极相连，二极管D3的正极与三极管Q3的发射极相连，二极管D4的负极与三极管Q4的集电极相连，二极管D4的正极与三极管Q4的发射极相连，二极管D5的负极与三极管Q5的集电极相连，二极管D5的正极与三极管Q5的发射极相连，二极管D6的负极与三极管Q6的集电极相连，二极管D6的正极与三极管Q6的发射极相连，电容C4的正极分别与三极管Q1的集电极、三极管Q2的集电极以及三极管Q3的集电极相连，电容C4的阴极分别与三极管Q4的发射极、三极管Q5的发射极以及三极管Q6的发射极相连，电阻R0的另一端分别与二极管D7的正极和二极管D9的负极相连，电阻R1的另一端分别与二极管D8的正极和二极管D10的负极相连，二极管D7的负极分别与三极管Q1的集电极、三极管Q2的集电极以及三极管Q3的集电极相连，二极管D8的负极分别与三极管Q1的集电极、三极管Q2的集电极以及三极管Q3的集电极相连，二极管D9的正极分别与三极管Q4的发射极、三极管Q5的发射极以及三极管Q6的发射极相连，二极管D10的正极分别与三极管Q4的发射极、三极管Q5的发射极以及三极管Q6的发射极相连。
双向PWM整流逆变电路为三相全桥拓扑结构。模块工作在PWM整流模式时，交流侧电感起升压和PFC作用，三相桥为全波可控整流桥；模块工作在逆变工作模式时，三相桥为逆变桥，交流侧的电感和电容组成LC正弦波滤波器，输出三相交流电回馈至3AC440V电网。在本实施例中，通过双向PWM整流逆变电路，可提高系统的功率因数，保证系统给锂电池充电时，减小谐波电流对3AC440V电网造成污染，还可给第一双向DC/DC电路的输入端提供一个相对比较稳定的电压，保证双向DC/DC在同一方向工作状态(升压/降压)处于确定态。
在此实施例中，U1/V1/W1和U2/V2/W2分别来自于A节与B节，通过接触器KM1和接触器KM2对其进行选择，作充电模式时，只有一路输入进入，作为放电模式时，两路可以同时输出。EMI滤波器LB主要用于抑制工模干扰，由于AC/DC为双向工作状态，故EMI滤波器LB既可以抑制来自隔离变压器G1左边的干扰，也可以抑制隔离变压器G1右边的干扰。此外，与桥臂并联的电容C5、电容C6和电容C7用于吸收开关器件开关过程中产生的高频信号。电阻R2、电阻R3、电阻R4以及电阻R5构成交流接地检测T1，通过采集N线和机壳之间的电压来判断三相是否接地。
进一步的，如图3所示，第二双向DC/DC电路包括二极管D15、二极管D16、二极管D17、二极管D18、二极管D19、二极管D20、二极管D21、二极管D22、三极管Q11、三极管Q12、三极管Q13、三极管Q14、三极管Q15、三极管Q16、三极管Q17、三极管Q18、电感器L6、电感器L7、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、熔断器FU5、电容C9、接触器KM9、接触器KM10、接触器KM11、接触器KM12。其中，储能元件1的电池端正极DC1分别与接触器KM10的第一端和接触器KM9的第一端相连，储能元件1的电池端正极DC2分别与接触器KM11的第一端和接触器KM12的第一端相连，熔断器FU5的一端分别与接触器KM10的第二端、接触器KM11的第二端和电阻R16的一端相连，电阻R16的另一端分别与接触器KM9的第二端和接触器KM12的第二端相连，储能元件1的电池端负极DC1与接触器KM10的第三端相连，储能元件1的电池端负极DC2与接触器KM11的第三端相连，电阻R13的一端与熔断器FU5的另一端相连，电阻R13的另一端分别与电阻R14的一端和电阻R15的一端相连，电阻R14的另一端分别与接触器KM10的第四端和接触器KM11的第四端相连，电阻R15的另一端接地，电容C8的正极与熔断器FU5的另一端相连，电容C8的阴极分别与接触器KM10的第四端和接触器KM11的第四端相连，熔断器FU5的另一端分别与三极管Q12的集电极和三极管Q16的集电极相连，三极管Q12的发射极与三极管Q11的集电极相连，三极管Q11的发射极分别与电感器L6的一端和三极管Q13的集电极相连，三极管Q13的发射极与三极管Q14的集电极相连，三极管Q14的发射极分别与接触器KM10的第四端和接触器KM11的第四端相连，电感器L6的另一端与电感器L7的一端相连，电感器L7的另一端分别与三极管Q15的发射极和三极管Q17的集电极相连，三极管Q15的集电极与三极管Q16的发射极相连，三极管Q17的发射极与三极管Q18的集电极相连，三极管Q18的发射极分别与接触器KM10的第四端和接触器KM11的第四端相连，三极管Q11的基极和三极管Q12的基极相连，三极管Q13的基极和三极管Q14的基极相连，三极管Q15的基极和三极管Q16的基极相连，三极管Q17的基极和三极管Q18的基极相连，二极管D15的正极与三极管Q11的发射极相连，二极管D15的负极与三极管Q11的集电极相连，二极管D16的正极与三极管Q12的发射极相连，二极管D16的负极与三极管Q12的集电极相连，二极管D17的正极与三极管Q13的发射极相连，二极管D17的负极与三极管Q13的集电极相连，二极管D18的正极与三极管Q14的发射极相连，二极管D18的负极与三极管Q14的集电极相连，二极管D19的正极与三极管Q15的发射极相连，二极管D19的负极与三极管Q15的集电极相连，二极管D20的正极与三极管Q16的发射极相连，二极管D20的负极与三极管Q16的集电极相连，二极管D21的正极与三极管Q17的发射极相连，二极管D21的负极与三极管Q17的集电极相连，二极管D22的正极与三极管Q18的发射极相连，二极管D22的负极与三极管Q18的集电极相连。
在本实施例中，双向DC/DC采用两电平Buck–Boost拓扑，两路采用交错并联控制方式，可以减小电感和输出电容值。模块工作在Boost模式时，三极管Q13/三极管Q14(三极管Q17/三极管Q18)为开关管，三极管Q11/三极管Q12(三极管Q15/三极管Q16)利用与其并联的二极管作为续流二极管，低压侧电能通过两路并联Boost电路给高压侧恒流或者恒压充电；模式工作在Buck模式时，三极管Q11/三极管Q12(三极管Q15/三极管Q16)为开关管，三极管Q13/三极管Q14(三极管Q17/三极管Q18)利用与其并联的二极管作为续流二极管，高压侧电能通过两路并联Buck电路把能量输出到低压侧。该双向DC/DC既可以工作于恒压状态，也可以工作于恒流状态，不论哪种模式下，动态响应均比较快。此外，电阻R13、电阻R14和电阻R15构成直流接地检测T2，通过采集正线和机壳之间的电压来判断正线或者负线是否接地。锂电池侧配置两路输出接触器，可以分别连接第一锂电池柜和第二锂电池柜，两路接触器单独控制。
综上所述，本申请公开一种电力机车动力电源系统，采用主从设计的电池管理系统BMS，可通过BMS从板采集各单体电池电压和温度信息，并通过BMS主板对BMS从板采集的数据进行分析判断，对电池的温度和电压进行保护，并通过CAN总线或RS485总线与双向AC/DC变流模块交互信息，对数据进行诊断和处理，控制储能元件的充放电，可有效避免电池组过充、过放和过温，延长电池使用寿命、防止故障发生和蔓延。同时，BMS中的系统故障预警模块还能起到预警提示的作用，提高并保证系统整体的安全性。此外，该电力机车动力电源系统采用钛酸锂离子电池储能系统，针对车辆应急牵引系统供电，在保证系统供电功能的基础上，可实现动力电源系统的轻量化、无污染、长寿命。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本申请所必须的。此外，实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对上述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种电力机车动力电源系统，其特征在于，所述动力电源系统包括：储能元件、双向AC/DC变流模块、辅助负载、辅助变流器、牵引变流器以及牵引电机，所述储能元件为锂电池，所述辅助负载包括空调和暖风机；
所述双向AC/DC变流模块与所述储能元件相连，所述辅助负载、辅助变流器分别与所述双向AC/DC变流模块相连，所述牵引变流器与所述辅助变流器相连，所述牵引电机与所述牵引变流器相连；
当所述电力机车处于停车待机工况时，所述储能元件通过所述双向AC/DC变流模块向所述辅助负载提供三相交流电；当所述电力机车处于库内动车工况时，所述储能元件通过所述双向AC/DC变流模块向所述辅助变流器提供三相交流电，所述辅助变流器整流后向所述牵引变流器提供直流电，所述牵引变流器逆变后向所述牵引电机供电，以驱动所述电力机车；当所述电力机车正常运行时，所述双向AC/DC变流模块将辅助回路的三相交流电转换为直流，用以为所述储能元件充电供能。
2.根据权利要求1所述的电力机车动力电源系统，其特征在于，所述双向AC/DC变流模块包括双向PWM整流逆变电路和第一双向DC/DC电路，所述第一双向DC/DC电路与所述双向PWM整流逆变电路相连。
3.根据权利要求1所述的电力机车动力电源系统，其特征在于，所述双向AC/DC变流模块包括双向PWM整流逆变电路和第二双向DC/DC电路，所述第二双向DC/DC电路与所述双向PWM整流逆变电路相连。
4.根据权利要求2或3所述的电力机车动力电源系统，其特征在于，所述双向PWM整流逆变电路包括接触器KM1、接触器KM2、接触器KM3、接触器KM4、EMI滤波器LB、熔断器FU1、熔断器FU2、熔断器FU3、电阻R0、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、隔离变压器G1、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、三极管Q5、三极管Q6、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8、二极管D9、二极管D10、电感器L1、电感器L2、电感器L3；
所述接触器KM1的一端与第一路三相交流电压信号相连，所述接触器KM2的一端与第二路三相交流电压信号相连，所述接触器KM1的另一端和所述接触器KM2的另一端分别与所述EMI滤波器LB的一端相连，所述熔断器FU1的一端、熔断器FU2的一端以及所述熔断器FU3的一端分别与所述EMI滤波器LB的另一端相连，所述熔断器FU1的另一端分别与所述隔离变压器G1的第一线圈的1U端和所述电阻R2的一端相连，所述熔断器FU2的另一端分别与所述隔离变压器G1的第一线圈的1V端和所述电阻R3的一端相连，所述熔断器FU3的另一端分别与所述隔离变压器G1的第一线圈的1W端和所述电阻R4的一端相连，所述电阻R5的一端与所述隔离变压器G1的第一线圈的N端相连，所述电阻R2的另一端、电阻R3的另一端、电阻R4的另一端以及所述电阻R5的另一端接地，所述接触器KM3的第一端、第三端分别与所述隔离变压器G1的第一线圈的1U端、1V端相连，所述接触器KM3的第二端、第四端分别与所述电阻R0的一端、电阻R1的一端相连，所述隔离变压器G1的第二线圈的2U端分别与所述电感器L1的一端、接触器KM4的第一端以及所述电阻R8的一端相连，所述隔离变压器G1的第二线圈的2V端分别与所述电感器L2的一端、接触器KM4的第三端以及所述电阻R7的一端相连，所述隔离变压器G1的第二线圈的2W端分别与所述电感器L3的一端、接触器KM4的第五端以及所述电阻R6的一端相连，所述接触器KM4的第二端分别与所述电阻R8的另一端、电容C1的一端以及所述电容C3的一端相连，所述接触器KM4的第四端分别与所述电阻R7的另一端、电容C1的另一端以及所述电容C2的一端相连，所述接触器KM4的第六端分别与所述电阻R6的另一端、电容C2的另一端以及所述电容C3的另一端相连，所述电感器L1的另一端分别与所述三极管Q1的发射极和所述三极管Q4的集电极相连，所述电容C5的两端分别与所述三极管Q1的集电极和所述三极管Q4的发射极相连，所述电感器L2的另一端分别与所述三极管Q2的发射极和所述三极管Q5的集电极相连，所述电容C6的两端分别与所述三极管Q2的集电极和所述三极管Q5的发射极相连，所述电感器L3的另一端分别与所述三极管Q3的发射极和所述三极管Q6的集电极相连，所述电容C7的两端分别与所述三极管Q3的集电极和所述三极管Q6的发射极相连，所述二极管D1的负极与所述三极管Q1的集电极相连，所述二极管D1的正极与所述三极管Q1的发射极相连，所述二极管D2的负极与所述三极管Q2的集电极相连，所述二极管D2的正极与所述三极管Q2的发射极相连，所述二极管D3的负极与所述三极管Q3的集电极相连，所述二极管D3的正极与所述三极管Q3的发射极相连，所述二极管D4的负极与所述三极管Q4的集电极相连，所述二极管D4的正极与所述三极管Q4的发射极相连，所述二极管D5的负极与所述三极管Q5的集电极相连，所述二极管D5的正极与所述三极管Q5的发射极相连，所述二极管D6的负极与所述三极管Q6的集电极相连，所述二极管D6的正极与所述三极管Q6的发射极相连，所述电容C4的正极分别与所述三极管Q1的集电极、三极管Q2的集电极以及所述三极管Q3的集电极相连，所述电容C4的阴极分别与所述三极管Q4的发射极、三极管Q5的发射极以及所述三极管Q6的发射极相连，所述电阻R0的另一端分别与所述二极管D7的正极和所述二极管D9的负极相连，所述电阻R1的另一端分别与所述二极管D8的正极和所述二极管D10的负极相连，所述二极管D7的负极分别与所述三极管Q1的集电极、三极管Q2的集电极以及所述三极管Q3的集电极相连，所述二极管D8的负极分别与所述三极管Q1的集电极、三极管Q2的集电极以及所述三极管Q3的集电极相连，所述二极管D9的正极分别与所述三极管Q4的发射极、三极管Q5的发射极以及所述三极管Q6的发射极相连，所述二极管D10的正极分别与所述三极管Q4的发射极、三极管Q5的发射极以及所述三极管Q6的发射极相连。
5.根据权利要求2所述的电力机车动力电源系统，其特征在于，所述第一双向DC/DC电路包括二极管D11、二极管D12、二极管D13、二极管D14、三极管Q7、三极管Q8、三极管Q9、三极管Q10、电感器L4、电感器L5、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、熔断器FU4、电容C8、接触器KM5、接触器KM6、接触器KM7、接触器KM8；
所述储能元件的电池端正极DC1分别与所述接触器KM6的第一端和所述接触器KM5的第一端相连，所述储能元件的电池端正极DC2分别与所述接触器KM7的第一端和所述接触器KM8的第一端相连，所述熔断器FU4的一端分别与所述接触器KM6的第二端、接触器KM7的第二端和所述电阻R12的一端相连，所述电阻R12的另一端分别与所述接触器KM5的第二端和所述接触器KM8的第二端相连，所述储能元件的电池端负极DC1与所述接触器KM6的第三端相连，所述储能元件的电池端负极DC2与所述接触器KM7的第三端相连，所述电阻R9的一端与所述熔断器FU4的另一端相连，所述电阻R9的另一端分别与所述电阻R10的一端和所述电阻R11的一端相连，所述电阻R11的另一端接地，所述电阻R10的另一端分别与所述接触器KM6的第四端和所述接触器KM7的第四端相连，所述电容C8的正极与所述熔断器FU4的另一端相连，所述电容C8的阴极分别与所述接触器KM6的第四端和所述接触器KM7的第四端相连，所述电感器L4的一端分别与所述熔断器FU4的另一端和所述电感器L5的一端相连，所述电感器L4的另一端分别与所述二极管D11的正极和所述二极管D12的负极相连，所述电感器L5的另一端分别与所述二极管D13的正极和所述二极管D14的负极相连，所述二极管D11的负极与所述二极管D13的负极相连，所述二极管D12的正极分别与所述接触器KM6的第四端和所述接触器KM7的第四端相连，所述二极管D14的正极分别与所述接触器KM6的第四端和所述接触器KM7的第四端相连，所述二极管D11的正极与所述三极管Q7的发射极相连，所述二极管D11的负极与所述三极管Q7的集电极相连，所述二极管D12的正极与所述三极管Q8的发射极相连，所述二极管D12的负极与所述三极管Q8的集电极相连，所述二极管D13的正极与所述三极管Q9的发射极相连，所述二极管D13的负极与所述三极管Q9的集电极相连，所述二极管D14的正极与所述三极管Q10的发射极相连，所述二极管D14的负极与所述三极管Q10的集电极相连。
6.根据权利要求3所述的电力机车动力电源系统，其特征在于，所述第二双向DC/DC电路包括二极管D15、二极管D16、二极管D17、二极管D18、二极管D19、二极管D20、二极管D21、二极管D22、三极管Q11、三极管Q12、三极管Q13、三极管Q14、三极管Q15、三极管Q16、三极管Q17、三极管Q18、电感器L6、电感器L7、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、熔断器FU5、电容C9、接触器KM9、接触器KM10、接触器KM11、接触器KM12；
所述储能元件的电池端正极DC1分别与所述接触器KM10的第一端和所述接触器KM9的第一端相连，所述储能元件的电池端正极DC2分别与所述接触器KM11的第一端和所述接触器KM12的第一端相连，所述熔断器FU5的一端分别与所述接触器KM10的第二端、接触器KM11的第二端和所述电阻R16的一端相连，所述电阻R16的另一端分别与所述接触器KM9的第二端和所述接触器KM12的第二端相连，所述储能元件的电池端负极DC1与所述接触器KM10的第三端相连，所述储能元件的电池端负极DC2与所述接触器KM11的第三端相连，所述电阻R13的一端与所述熔断器FU5的另一端相连，所述电阻R13的另一端分别与所述电阻R14的一端和所述电阻R15的一端相连，所述电阻R14的另一端分别与所述接触器KM10的第四端和所述接触器KM11的第四端相连，所述电阻R15的另一端接地，所述电容C8的正极与所述熔断器FU5的另一端相连，所述电容C8的阴极分别与所述接触器KM10的第四端和所述接触器KM11的第四端相连，所述熔断器FU5的另一端分别与所述三极管Q12的集电极和所述三极管Q16的集电极相连，所述三极管Q12的发射极与所述三极管Q11的集电极相连，所述三极管Q11的发射极分别与所述电感器L6的一端和所述三极管Q13的集电极相连，所述三极管Q13的发射极与所述三极管Q14的集电极相连，所述三极管Q14的发射极分别与所述接触器KM10的第四端和所述接触器KM11的第四端相连，所述电感器L6的另一端与所述电感器L7的一端相连，所述电感器L7的另一端分别与所述三极管Q15的发射极和所述三极管Q17的集电极相连，所述三极管Q15的集电极与所述三极管Q16的发射极相连，所述三极管Q17的发射极与所述三极管Q18的集电极相连，所述三极管Q18的发射极分别与所述接触器KM10的第四端和所述接触器KM11的第四端相连，所述三极管Q11的基极和所述三极管Q12的基极相连，所述三极管Q13的基极和所述三极管Q14的基极相连，所述三极管Q15的基极和所述三极管Q16的基极相连，所述三极管Q17的基极和所述三极管Q18的基极相连，所述二极管D15的正极与所述三极管Q11的发射极相连，所述二极管D15的负极与所述三极管Q11的集电极相连，所述二极管D16的正极与所述三极管Q12的发射极相连，所述二极管D16的负极与所述三极管Q12的集电极相连，所述二极管D17的正极与所述三极管Q13的发射极相连，所述二极管D17的负极与所述三极管Q13的集电极相连，所述二极管D18的正极与所述三极管Q14的发射极相连，所述二极管D18的负极与所述三极管Q14的集电极相连，所述二极管D19的正极与所述三极管Q15的发射极相连，所述二极管D19的负极与所述三极管Q15的集电极相连，所述二极管D20的正极与所述三极管Q16的发射极相连，所述二极管D20的负极与所述三极管Q16的集电极相连，所述二极管D21的正极与所述三极管Q17的发射极相连，所述二极管D21的负极与所述三极管Q17的集电极相连，所述二极管D22的正极与所述三极管Q18的发射极相连，所述二极管D22的负极与所述三极管Q18的集电极相连。
7.根据权利要求1所述的电力机车动力电源系统，其特征在于，所述动力电源系统还包括电池管理系统BMS，所述BMS包括BMS主板和BMS从板，所述BMS从板用于采集所述储能元件中各个单体电池的电压信息和温度信息，并通过CAN总线通讯传输至所述BMS主板，所述BMS主板用于对所述电压信息和所述温度信息进行诊断和处理，并通过所述双向AC/DC变流模块控制所述储能元件的充放电。
8.根据权利要求7所述的电力机车动力电源系统，其特征在于，所述BMS还包括系统故障预警模块，所述系统故障预警模块包括一级预警模块、二级预警模块、三级预警模块、BMS硬件故障预警模块、BMS内部通讯故障预警模块以及正极接触器故障预警模块；
所述一级预警模块用于当所述储能元件出现一级故障时，预警并上报所述电力机车；其中，所述一级故障包括最高单体电池电压大于一级故障第一阈值、最低单体电池电压小于一级故障第二阈值、电池组压差大于一级故障第三阈值、单体电池温差大于一级故障第四阈值、电池组最高温度大于一级故障第五阈值、电池组充电电流大于一级故障第六阈值以及电池组放电电流大于一级故障第七阈值；
所述二级预警模块用于当所述储能元件出现二级故障时，上报所述电力机车并降功率50％运行；其中，所述二级故障包括最高单体电池电压大于二级故障第一阈值、最低单体电池电压小于二级故障第二阈值、电池组压差大于二级故障第三阈值、单体电池温差大于二级故障第四阈值、电池组最高温度大于二级故障第五阈值、电池组充电电流大于二级故障第六阈值以及电池组放电电流大于二级故障第七阈值；
所述三级预警模块用于当所述储能元件出现三级故障时，请求断开所述双向AC/DC变流模块的高压回路，停止使用；其中，所述三级故障包括最高单体电池电压大于三级故障第一阈值、最低单体电池电压小于三级故障第二阈值、电池组压差大于三级故障第三阈值、单体电池温差大于三级故障第四阈值、电池组最高温度大于三级故障第五阈值、电池组充电电流大于三级故障第六阈值以及电池组放电电流大于三级故障第七阈值；
所述BMS硬件故障预警模块用于检测所述BMS是否发生硬件故障，当发生硬件故障时，预警并上报所述电力机车；
所述BMS内部通讯故障预警模块用于检测所述BMS主板和所述BMS从板之间是否通讯故障，当通讯故障时，预警并上报所述电力机车；
所述正极接触器故障预警模块用于检测所述双向AC/DC变流模块内的正极接触器是否粘连或无法闭合，当所述正极接触器粘连或无法闭合时，预警并上报所述电力机车。
9.根据权利要求8所述的电力机车动力电源系统，其特征在于，所述一级故障第一阈值为2.75V，所述一级故障第二阈值为2V，所述一级故障第三阈值为0.35V，所述一级故障第四阈值为15℃，所述一级故障第五阈值为50℃，所述一级故障第六阈值为150A，所述一级故障第七阈值为220A；所述二级故障第一阈值为2.8V，所述二级故障第二阈值为1.8V，所述二级故障第三阈值为0.5V，所述二级故障第四阈值为25℃，所述二级故障第五阈值为55℃，所述二级故障第六阈值为170A，所述二级故障第七阈值为230A；所述三级故障第一阈值为2.85V，所述三级故障第二阈值为1.5V，所述三级故障第三阈值为1V，所述三级故障第四阈值为30℃，所述三级故障第五阈值为60℃，所述三级故障第六阈值为190A，所述三级故障第七阈值为240A。
10.根据权利要求1所述的电力机车动力电源系统，其特征在于，所述储能元件的电芯包括电芯本体和填充于所述电芯本体内的电解液，所述电芯本体包括包覆于铝塑膜内的多片正极极片、多片负极极片和多个隔膜，所述正极极片通过正极极耳引出，所述负极极片通过负极极耳引出，且所述正极极耳和所述负极极耳的两侧分别设置有电芯泄压口。
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