CN201829994U - 一种铁路机车电源系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种铁路机车电源系统，包括电池组和与所述电池组相连、可为所述电池组充电的充电模块，所述充电模块包括依次连接的滤波整流电路、功率因素校正电路、谐振网络功率变换电路、以及交流/直流高频整流电路；所述整流滤波电路、功率因素校正电路对输入的交流电进行滤波整流、功率因素校正后成为第一直流电，所述谐振网络功率变换电路将所述第一直流电转换成与输入的交流电隔离的中间级交流电，所述交流/直流高频整流电路将所述中间级交流电转换为第二直流电输出。本实用新型实现了效率高、可靠性好的铁路机车供电。

Description

一种铁路机车电源系统

技术领域

本实用新型涉及一种铁路机车电源系统。 

背景技术

目前，铁路机车电源系统，除了通过升弓方式获得电力线的交流供电之外，还使用相控电源作为直流充电供电系统，相控电源在进行直流供电时，也对备用电池进行充电，备用电池以铅酸、镍镉电池为主。相控电源是确保机车正常运行必备的高可靠电子设备，它是一种采用可控硅作为整流器件的电源系统，其原理是将交流输入电能，经过工频变压器作电气隔离降压，用可控硅进行调相整流，从而为机车的升弓、自控、照明等电气单元设备提供供电电源。 

然而，现有的铁路机车电源系统还存在许多不足，包括： 

1、相控电源控制系统复杂、效率低、成本高；

2、铅酸、镍镉电池具有诸多缺点：例如使用维护不便，安全性不高，能量效率低，使用寿命短；

3、整个电源系统缺乏智能性的充电管理。

综上，现有的铁路机车电源系统仍需改进。 

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种铁路机车电源系统，以实现效率高，可靠性好的铁路机车的供电。 

为解决上述技术问题，本实用新型采用了以下技术方案： 

一种铁路机车电源系统，包括电池组和与所述电池组相连、可为所述电池组充电的充电模块，所述充电模块包括依次连接的滤波整流电路、功率因素校正电路、谐振网络功率变换电路、以及交流/直流高频整流电路；所述整流滤波电路、功率因素校正电路对输入的交流电进行滤波整流、功率因素校正后成为第一直流电，所述谐振网络功率变换电路将所述第一直流电转换成与输入的交流电隔离的中间级交流电，所述交流/直流高频整流电路将所述中间级交流电转换为第二直流电输出。

在本实用新型的电源系统的一种实施例中，所述谐振网络功率变换电路为全桥移相LLC谐振网络功率变换电路。 

在本实用新型的电源系统的一种实施例中，所述滤波整流电路包括依次连接的EMI突波吸收电路和交流/直流工频整流电路。 

在本实用新型的电源系统的一种实施例中，还包括与所述功率因素校正电路、全桥谐振网络功率变换电路、以及交流/直流高频整流电路连接、用于控制所述功率因素校正电路、全桥谐振网络功率变换电路、以及交流/直流高频整流电路工作的充电管理电路。 

在本实用新型的电源系统的一种实施例中，还包括与所述充电管理电路连接的监控通讯电路。 

在本实用新型的电源系统的一种实施例中，还包括与所述控制电路、监控通讯电路连接、用于给所述控制电路及监控通讯电路供电的辅助电源电路。 

在本实用新型的电源系统的一种实施例中，包括并机使用的多个所述充电模块，以及与所述多个充电模块连接、用于使所述多个充电模块输出功率一致的均流电路。 

在本实用新型的电源系统的一种实施例中，所述电池组为锂电池组。 

在本实用新型的电源系统的一种实施例中，还包括与所述锂电池组相连的电池管理模块，所述电池管理模块包括中央控制电路、数据采集电路、均衡处理电路，所述数据采集电路、均衡处理电路与所述中央控制电路相连，所述数据采集电路采集所述电池组的数据并传递给所述中央控制电路，所述中央控制电路根据所述数据采集电路采集的数据，控制所述均衡处理电路对所述电池组进行均衡处理。 

在本实用新型的电源系统的一种实施例中，所述中央控制电路包括数据存储处理及电池荷电状态估算单元、总时序逻辑控制单元、实时时钟控制单元，所述总时序逻辑控制单元根据所述实时时钟控制单元提供的控制时钟，控制所述数据存储处理及SOC估算单元的数据存储处理及电池荷电状态估算的时序逻辑。 

在本实用新型的电源系统的一种实施例中，所述中央控制电路还包括与数据存储处理及电池荷电状态估算单元相连的实时通讯及报警处理单元，用于与外界进行实时通讯及报警处理。 

本实用新型的铁路机车电源系统，将现有技术中铁路机车的供电从相控电源改造成为一种高频开关电源，通过滤波整流、功率变换、高频整流，能够与交流输入完全隔离，供电可靠性好，并且效率高。 

进一步的，电池组采用锂电池，安全性和能量效率高，并且采用电池管理模块对电池组充电进行管理，使得充电过程更为高效可靠。 

附图说明

图1是本实用新型实施例的铁路机车电源系统原理图； 

图2是本实用新型实施例的铁路机车电源系统充电模块原理图；

图3是本实用新型实施例的铁路机车电源系统电池智能管理系统原理图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本实用新型作进一步详细说明。 

如图1和2所示，一种铁路机车电源系统，包括电池组和与所述电池组相连、可为所述电池组充电的充电模块，充电模块包括依次连接的滤波整流电路、功率因素校正电路、全桥谐振网络功率变换电路、以及交流/直流高频整流电路。其中，滤波整流电路包括依次连接的EMI突波吸收电路和交流/直流（AC/DC）工频整流电路。功率因素校正（Power Factor Correction，简称PFC）为无源功率因素校正电路，无源功率校正电路主要是采用无源电感、电容等器件构成功率因素校正电路，其效率高、成本低、可靠性高。整个电源装置的工作原理是： 

输入的交流电由EMI突波吸收电路进行EMI（Electro Magnetic Interference，电磁干扰）突波吸收，变成相对比较干净的交流电，经过AC/DC工频整流电路的整流，再经由无源PFC电路对其功率因素进行校正，变成所需的直流（第一直流电）。

全桥LLC谐振网络功率变换电路将第一直流电进行功率变换，变成与输入的交流电完全隔离的中间级交流电，中间级交流电输入到AC/DC高频整流电路，由AC/DC高频整流电路将其变换成第二直流电输出。 

为防止开机浪涌对输入电网的污染，在本实施例中，AC/DC高频整流电路为软启动式AC/DC高频整流电路，使用软启动技术来防止开机浪涌，并且还设置了输入启动控制电路，以在输入的交流电超出预设范围（过高或者过低，也即过压或欠压），将充电模块切换到保护状态。充电模块具有过流保护、输出过欠压保护、输入过欠压保护、过热保护等功能。例如对于过压保护，是在检测到有单节电池过压时，自动拉低充电模块输出电压至100V,以防止电池过压对电池造成的损害。 

充电模块还包括与功率因素校正电路、全桥谐振网络功率变换电路、以及AC/DC高频整流电路连接、用于控制功率因素校正电路、全桥谐振网络功率变换电路、以及交流/直流高频整流电路工作的充电管理电路。 

充电管理电路主要包括全桥移相LLC控制单元、PWM（脉宽调制）形成单元、PID（比例、积分、微分调节）自动控制单元，全桥谐振网络功率变换电路主要包括高频功率管，PWM形成单元可以形成用于控制高频功率管的驱动脉冲，全桥移相LLC控制单元通过PWM形成单元产生的驱动脉冲控制高频功率管的工作。AC/DC高频滤波电路输出的直流电经过比例、积分、微分调节输出。 

充电模块还包括与充电管理电路连接的监控通讯电路，监控通讯电路通过485通讯方式与上位机（未示出）通讯，可以对充电管理电路进行监控，设置充电模块的输出参数等，并且通过监控通讯电路可以关闭电源输出。监控通讯电路具有屏显，可以显示充电模块输出电压、电流、通讯地址、限流状态、工作模式（手动/自动）、开关机状态。 

在机车正常运行情况下，充电模块将机车的380V/50Hz交流电变换成稳定的110V直流电，通过充电管理电路，能够根据负载情况实时调整输出功率，输出电压范围为80V-114V，输出电流范围为0A-35A。充电模块输出电压和限流大小可通过手动模式或自动模式（监控通讯电路配合）来进行调节。 

为确保充电模块的正常工作，还设置了独立的宽输入范围的辅助电源电路，用于给充电管理电路和监控通讯电路供电。 

在实际工作中，常常需要多个充电模块共同并机使用，此时，可能存在每个充电模块的输出功率不均衡，为此，在本实用新型中提供的包括并机使用的多个充电模块的电源系统，还包括与多个充电模块连接、用于使所述多个充电模块输出功率一致的均流电路，以实现输出功率一致。 

综上所述，本实用新型实施例的充电模块，主要包括功率变换部分（EMI突波吸收电路和AC/DC工频整流电路、功率因素校正电路、全桥谐振网络功率变换电路、以及AC/DC高频整流电路）、充电管理部分及监控通讯部分，构成了一种高频开关稳压电源，以对交流输入直接整流、功率变换（高频变换、电气隔离）、高频整流滤波。充电管理部分以PID自动控制技术构成稳压、稳流控制单元，以实现高精度电气指标的直流功率变换，监控通讯部分配制MPU微电脑管理，以实现智能化功能，对数据处理、通信遥调、485通讯、屏显等进行中央监控。 

如图1和3所示，本实用新型实施例的电池组为锂电池组，该锂电池组由32节磷酸铁锂电池串接组成。32节电池分为4个电池包，每个包8节电池，以便于电池管理模块（参见下文）对电池实施管理。在未升弓情况下，锂电池组可以为机车提供低压电源和照明电源。

参见图1和3，电池管理模块主要包括中央控制电路、数据采集电路、均衡处理电路。中央控制电路通过RS485口与数据采集电路连接，数据采集电路可以设置多个，用来分别采集锂电池组中的各个锂电池的数据并传递给中央控制电路。

中央控制电路可由PC管理软件进行控制，获取数据采集电路的采集数据，以进行相应的显示、控制等操作。其主要包括实时时钟控制单元、总时序逻辑控制单元、数据存储处理及SOC（电池荷电状态）估算单元。实时时钟控制单元提供控制时钟，总时序逻辑控制单元提供各个处理的时序逻辑控制，数据存储处理机SOC估算单元使得系统具备先进的SOC估算以及关键数据记录功能，能够对电池荷电状态进行估算，并能将运行过程中发生的关键事件记录下来，方便维修调试。 

中央控制电路可以通过UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步接收/发送器）与显示终端连接，显示终端可以显示： 

1）充电模块状态显示：显示充电模块输出电压、输出电流、工作模式（手动/自动）、开/关机状态、通讯状态。

2）电池总电压、电池包括的电压、单体电池电压、单体电池最高/最低电压、电池充电电流、电池包内部温度、环境温度显示。 

中央控制电路还包括实时通讯及报警处理单元，实时通讯及报警处理单元可以通过CANBUS（Controller Area Network-BUS，控制器局域网总线，开放式现场总线之一）总线与扩展通讯接口连接，实时通讯单元使得电池管理模块具备实时通讯模式，能够与外部负载或充电模块联机工作。报警处理单元拥有完整的报警机制，包括电压上、下限报警，温度上限报警，过流报警等。中央控制电路可以设置人机界面，通过人机界面可以对系统参数进行设置，包括：单节电池过充/过放告警点、电池总电压欠压告警点、环境温度上限告警点、电池电压互差告警点、充电机充电电压、蜂鸣器开/关状态等等。具体的报警处理包括：

1）单节电池过充/过放告警，单节电池电压达到过充/过放电压值时，人机界面显示电池过充报警信息。

2）电池总电压欠压告警，电池总电压达到欠压告警设置值时，人机界面显示电池总电压欠压告警信息，并通过外部蜂鸣器发出警报声。 

3）电池电压互差告警，电池压差达到互差设置告警值时，人机界面显示电池电压互差告警信息，并可以通过外部蜂鸣器发出警报声。 

4）通讯异常告警，通讯异常时，人机界面显示通讯异常告警信息。 

5）温度上限告警，环境温度达到温度上限报警值时，人机界面显示温度上限告警信息。 

中央控制电路可以通过系统维护接口与系统维护诊断工具连接，由系统维护诊断工具对故障进行诊断、消除。 

为防止电池电压不平衡对电池造成损害，当电池间电压超过设置的均衡电压并且压差大于均衡压差时，由中央控制电路控制均衡处理电路，对满足条件的电池进行放电均衡。 

    电池管理模块还包括电器保护开关器件、滤波电路、内部电源转换电路，以分别进行例如电器保护的开启以及关闭、内部各个电路的所需电源转换、滤波等。 

综上，通过电池管理模块，能够检测电池组中所有单体电池电压，电池组总电流，环境温度，并且拥有完善的电池管理和保护功能，包括单体电池的过充保护、过放保护、过温保护、短路保护、过流保护等。 

本实用新型与现有技术相比有以下优点和改进： 

1）高频开关电源与相控电源比较具有以下优势：

A、高频变压器取代了大而笨重的工频变压器，使得电源小型化、轻量化；

B、扩容方便，模块采用了峰值自主均流技术，支持N+1并机，如系统中出现个别模块故障，则故障模块会自动退出系统，且具有理想的N+1均流运行性能。

C、电路架构为全桥移相LLC谐振软开关功率变换电路，具有效率高、无噪音、动态响应快、纹波小等相控电源无可比拟的优势。 

D、内置监控通讯电路，提供本地操作和远程操作接口。 

2）锂电池与铅酸、镍镉电池比较具有以下优势： 

A、不含任何汞、镉等有毒元素，是真正的环保电池；

B、使用寿命长，针对铁路工况设计，80%DOD可达到2000次循环以上，满足铁路工况10年以上；

C、充放电原理不同于铅酸蓄电池，无电解液外泄，无需补液，免维护；

D、比能量大，目前能达到的实际质量比能量为100-125Wh/kg和体积比能量为240-300Wh/L（2倍于Ni-Cd，1.5倍于Ni-MH）；

E、具备高功率的承受力，表现出优异的恒压源特性；

F、可快速完成充电过程，完全无记忆效应；自放电小，电荷保持能力强，月自放电率小于3%。

3）具有电池管理模块，锂电池由于带有电池管理模块，而不会出现过充电现象，同时均衡处理也可以将电芯间的差异平衡，不需要人工参与维护，而电池的运行状态可以直接通过显示终端查看，不需要看箱检查。电池管理模块还具有实时通讯与报警处理功能。 

以上内容是结合具体的实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。 

Claims (11)

1.一种铁路机车电源系统，其特征在于，包括电池组和与所述电池组相连、可为所述电池组充电的充电模块，所述充电模块包括依次连接的滤波整流电路、功率因素校正电路、谐振网络功率变换电路、以及交流/直流高频整流电路；所述整流滤波电路、功率因素校正电路对输入的交流电进行滤波整流、功率因素校正后成为第一直流电，所述谐振网络功率变换电路将所述第一直流电转换成与输入的交流电隔离的中间级交流电，所述交流/直流高频整流电路将所述中间级交流电转换为第二直流电输出。

2.如权利要求1所述的电源系统，其特征在于，所述谐振网络功率变换电路为全桥移相LLC谐振网络功率变换电路。

3.如权利要求1所述的电源系统，其特征在于，所述滤波整流电路包括依次连接的EMI突波吸收电路和交流/直流工频整流电路。

4.如权利要求1-3任一所述的电源系统，其特征在于，还包括与所述功率因素校正电路、全桥谐振网络功率变换电路、以及交流/直流高频整流电路连接、用于控制所述功率因素校正电路、全桥谐振网络功率变换电路、以及交流/直流高频整流电路工作的充电管理电路。

5.如权利要求4所述的电源系统，其特征在于，还包括与所述充电管理电路连接的监控通讯电路。

6.如权利要求5所述的电源系统，其特征在于，还包括与所述控制电路、监控通讯电路连接、用于给所述控制电路及监控通讯电路供电的辅助电源电路。

7.如权利要求4所述的电源系统，其特征在于，包括并机使用的多个所述充电模块，以及与所述多个充电模块连接、用于使所述多个充电模块输出功率一致的均流电路。

8.如权利要求4所述的电源系统，其特征在于，所述电池组为锂电池组。

9.如权利要求8所述的电源系统，其特征在于，还包括与所述锂电池组相连的电池管理模块，所述电池管理模块包括中央控制电路、数据采集电路、均衡处理电路，所述数据采集电路、均衡处理电路与所述中央控制电路相连，所述数据采集电路采集所述电池组的数据并传递给所述中央控制电路，所述中央控制电路根据所述数据采集电路采集的数据，控制所述均衡处理电路对所述电池组进行均衡处理。

10.如权利要求9所述的电源系统，其特征在于，所述中央控制电路包括数据存储处理及电池荷电状态估算单元、总时序逻辑控制单元、实时时钟控制单元，所述总时序逻辑控制单元根据所述实时时钟控制单元提供的控制时钟，控制所述数据存储处理及SOC估算单元的数据存储处理及电池荷电状态估算的时序逻辑。

11.如权利要求10所述的电源系统，其特征在于，所述中央控制电路还包括与数据存储处理及电池荷电状态估算单元相连的实时通讯及报警处理单元，用于与外界进行实时通讯及报警处理。

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