CN204398897U - 一种新型环保轨道机车电源系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种新型环保轨道机车电源系统，包括两组电池组、两套电池管理系统、继电器模组、极限保护继电器模块、DC/DC模组，本实用新型使用两套电池管理系统，可在其中一组电池组出问题的情况下实现平稳切换，保障机车电源系统的正常运行；增加了电池管理系统，可以更加智能化地管理电池组的充放电及调整工作状态，延长了电池组的使用寿命；设置了极限保护继电器及多处控制电池组供电开断的继电器，保证了电池组的用电安全；增加了紧急故障时使用的电流信号通讯，当通讯出现故障时提供硬件冗余保障，基本信息可正常传送整车控制器，控制车辆正常运行，作为系统通讯安全冗余，提高系统可靠性，使电源系统符合国家安全要求。
Description
技术领域
本实用新型涉及到电源系统领域，特别是一种新型环保轨道机车电源系统。
背景技术
现有矿用轨道车电源系统多采用柴油发动机，功率大污染大，而作为矿用轨道车的动力电源，越来越多地要求矿用轨道车的动力电源具有节能环保，安全可靠，智能化控制的优点，而随着锂电池技术的成熟，其所具有的轻量化、无污染、长寿命且能量密度大的特点渐渐被各领域所肯定，所以采用锂电池电源系统来代替柴油发动机是大势所趋。
但现有采用锂电池电源系统的安全性和智能化有待提高，没有自我检测及保护功能，实行盲充盲放，没有安全保护措施和热管理系统，一致性差且容量衰减快，这样不仅使得锂电池使用寿命大大削减，而且矿用轨道车的使用环境较为特殊，对安全性和可靠性要求较高，万一锂电池出现短路、发热过大等情况，很容易造成锂电池起火甚至爆炸，直接导致财产损失及人员伤亡。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型需要解决的问题是，提供一种合乎国家轨道机车安全标准，且更加智能、安全、可靠的轨道机车电源系统。
为了解决上述问题，本实用新型所使用的技术方案如下：
一种新型环保轨道机车电源系统，包括
两组电池组，所述电池组通过多个单体电池所组成，包括相互并联的第一电池组与第二电池组，所述第一电池组、第二电池组并联后与电池管理系统、机车电机及用电设备连接；
两套电池管理系统，包括第一电池管理系统及第二电池管理系统，分别与第一电池组及第二电池组一一对应连接，第二电池管理系统与第一电池管理系统连接，并将信号输出到第一电池管理系统进而汇总统一通过第一电池管理系统控制继电器模组作出动作；
继电器模组，所述继电器模组连接在第一管理系统与机车电机及用电设备之间，用于控制机车电机及用电设备的开闭；
极限保护继电器模块，用于控制机车在极限环境下保护电池组而断开电源的极限保护继电器模块一端与并联后的电池组总正连接，另一端与第一电池管理系统连接；
DC/DC模组，所述DC/DC模组一端与并联后的电池组总正连接，另一端与用电设备连接进而通过转换电池组输出电压为用电设备提供合适的工作电压。
优选的，所述电池管理系统包括至少一个用于检测电池数据的电池检测单元及一个用于管理从电池检测单元所输出数据的电池管理单元，所述电池检测单元与单体电池一一对应连接，并将检测到的数据输出到电池管理单元。
优选的，所述电池检测单元包括用于检测电池温度的温度检测模块及单个电池电压的单体电压检测模块。
优选的，所述电池管理系统还包括用于检测电池组总电流的霍尔电流传感器及用于检测电池组总电压的霍尔电压传感器，所述霍尔电流传感器及霍尔电压传感器输入端接入到并联后的电池组总正，并输出信号到电池管理单元。
优选的，还包括用于保护电池组的电池组箱体、用于系统散热的空调系统及用于显示电池组数据的显示系统。
优选的，继电器模组包括控制电机进行预充电的预充电继电器、控制电池组总正开闭的总正继电器、对电池组进行充电的充电继电器以及控制空调系统开闭的空调继电器。
优选的，所述电池管理系统还包括用于电池管理系统和机车电机及用电设备连接通讯的通讯模组，连接在电池管理系统及用电设备之间，所述通讯模组包括RS485通讯模块及CAN通讯模块。
优选的，所述通讯模组还包括用于保障系统通讯安全稳定的电流信号通讯模块。
优选的，用电设备包括整车控制器，所述第一电池管理系统及第二电池管理系统分别通过RS485通讯模块、CAN通讯模块及电流信号通讯模块与整车控制器进行通讯。
优选的，所述电池组的总负接有用于过流保护的熔断器。
与现有技术相比，本实用新型包含以下有益效果：使用两套电池管理系统，可在其中一组电池组出问题的情况下实现平稳切换，保障机车电源系统的正常运行；增加了电池管理系统，可以更加智能化地管理电池组的充放电及调整工作状态，延长了电池组的使用寿命；设置了极限保护继电器及多处控制电池组供电开断的继电器，保证了电池组的用电安全，在紧急时刻起到了保护作用，且方便控制管理用电器；增加了紧急故障时使用的电流信号，当通讯出现故障时提供硬件保障，基本信息可正常传送整车控制器，控制车辆正常运行，作为系统通讯安全冗余，提高系统可靠性，使电源系统符合国家安全要求。
附图说明
图1为本实用新型所述电源系统实施例的整体方案示意框图；
图2为本实用新型所述电源系统实施例的电源管理系统原理框图；
图3为本实用新型所述电源系统实施例的霍尔传感器原理图；
图4为本实用新型所述电源系统实施例的电池组各继电器控制连接关系示意图。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本实用新型内容作进一步详细说明。
图1为本实用新型所述电源系统实施例的整体方案示意图；图2为本实用新型所述电源系统实施例的电源管理系统原理框图；图3为本实用新型所述电源系统实施例的霍尔传感器原理图，图4为本实用新型所述电源系统实施例的电源管理系统原理框图。
如图1所示，本实用新型提供一种应用于轨道矿车的新型电源系统解决方案，该新型环保轨道矿车电源系统包括电池组箱体5、两组电池组、两个电池管理系统、继电器模组3、DC/DC模组4、空调系统6以及与之配套的电机8、显示单元及整车控制器。
电源系统安装在电池组箱体5内部，该电池组箱体5还包括空调系统6以及吹风口和抽风口，空调系统6通过电池管理系统控制继电器模组3的空调开关来控制温度高低，并在电池组、电池管理系统与电池组箱体5之间设置一条通风通道，电池组箱体5通过空调系统6控制吹风口及抽风口一边进风一边抽风，使得电池组箱体5内的通风通道保持流通实现温度均衡，进行电池组热管理，保证电池组工作在最佳环境温度下，保障电池组安全工作，同时提高电池寿命；
本实用新型使用锂电池作为供电电池，电池组由多个单体锂电池所组成，第一电池组1-1及第二电池组1-2通过并联组成矿车的总电源，第一电池管理系统2-1及第二电池管理系统2-2分别与第一电池组1-1及第二电池组1-2一一对应连接，采集对应电池组的单体电池电压、温度以及电池组总电压、总电流等数据。具体的，电池管理系统包括用于采集相关数据的多个电池检测单元（BMU）及用于管理从电池检测单元输出数据的电池管理单元（BCU），每个电池检测单元与电池组的每个单体电池一一对应，用于采集单体电池电压及温度数据，并输出汇总到电池管理单元进行处理。电池管理系统可对电池组各单体电池进行电压和温度检测，进行均衡管理，提高电池组各串电池容量的一致性，延迟电池容量衰减。第二电池管理系统2-2与第一电池管理系统2-1连接，并通过信号线将信息传输到第一电池管理系统2-1进行汇总，通过第一电池管理系统2-1统一对设备进行管理控制。当单个电池组有故障时可通过维护开关切断进行维护，另一电池组可继续正常运行，保障矿车正常运行而不影响其它车辆，提高系统可靠性。
在电池组与电池管理系统之间还设置有极限保护继电器，当充电机8失控引或其它原因引起电池组发生严重过充电或过放电现象，电池管理系统可以通过控制极限保护继电器断开从而主动保护电池组，避免有严重事故的发生。
在电池管理系统对电池组的总电压及总电流的采集上，本实用新型实施例使用霍尔传感器方式，如图2所示，电池管理系统硬件电路设计提供正负15V电源提供给霍尔传感器，采用BCU自带的12位ADC测量霍尔传感器的输出信号，电压采集范围可达0-1000V，电池采样范围可达正负0-1000A，电压和电流采样周期小于10mS误差在0.5%以内，这样比分流器方式的采样有更高采样范围、更小采样周期、误差更低。优选的，电压检测口可以增加过压与反接保护模块提高稳定性。
DC/DC模组4通过将电池组110V的电池组输出电压，转化成为适合用电设备使用的24V工作电压，并为包括电池管理系统及外围用电器等用电设备供电。
电池管理系统还包括通讯模组，及整车控制器，该通讯模组包括RS485通讯模块、CAN通讯模块以及电流信号通讯模块，电池管理系统通过RS485总线或CAN总线与充电机8和整车控制器进行通讯，且提供电流信号接口作为系统通信安全冗余，作为总线的通讯数据交换的冗余机制，4-20mA驱动电流硬线接口表征电池组的SOC、最大可充放电功率等信息，当通讯出现硬件故障时，电源管理系统会通过切换CAN总线到电流信号，通过电流信号将基本信息传送整车控制器，控制车辆正常运行，提高系统在数据交换过程中的可靠性。同时电池管理系统收到矿车状态或命令进行电池组管理控制，电池管理系统提供1路CAN总线与地面充电机8进行通讯和数据交换，按充电状态和电池状态进行充电管理，矿车运行和充电时按电池组当前状态和锂电池特性估算出最优充电功率传送给充电机8，矿车电机8和充电机8按收到功率进行放电充电功率控制，即能保护整个电源系统又能延长电池组使用寿命。
第一电池管理系统2-1的电池管理单元BCU和第二电池管理系统2-2的电池管理单元BCU各用一路CAN总线与显示系统7中的液晶显示屏7进行数据交换，将电池组数据发送给显示屏7进行显示出来，出现故障时显示屏7接收到电池管理系统通过CAN总线所传送的报警信号进行报警，提示工作人员进行保护操作。同时也可以用显示屏7进行相关参数和命令设置，按需求控制电池管理系统改变电池组的控制方式。优选的，在需要MVB总线的应用时，可采用RS485转MVB总线网关设备来实现，从而实现控制后台对矿场上全部车辆实现整体调度。优选的，RS485和CAN通讯模块可增加静电防护模块、屏蔽层设计、隔离电源模块，用以提高通讯稳定性。
如图4所示，继电器模组3包括预充电继电器K3、总正继电器K1/K2、充电继电器K3和空调继电器K4，通过连接到第一电池管理系统2-1到矿车电机8和用电设备之间，进而可受第一电池管理系统2-1控制矿车电机8和用电设备的状态。预充电继电器K3用于矿车电机8的预充电操作，电池管理系统会根据所收集的电池组状态控制预充电继电器K3的开闭，从而控制矿车电机8的预充电操作。总正继电器K1/K2连接在电池组以及电机8之间的总正线路上，电池管理系统会根据所收集的电池组状态对总正继电器K1/K2进行开闭操作从而控制电机8的启动与关闭。充电继电器K3用于控制电池组与外部充电机8的开闭，电池管理系统会根据所收集的电池组状态对充电继电器K3进行开闭控制从而控制电池组的充电行为。空调继电器K4用于控制空调的开闭，电池管理系统会根据所收集的电池组状态通过控制空调继电器K4对空调系统6运行进行控制。在电源系统的总负部分，还设有熔断器进行过流保护，在电池组上还设有维修开关，用以人工切断电池组供电连接，方便设备全部下电维护。
在实际应用中，该电源系统需要按照《轨道交通-机车车辆装置》、《轨道交通-机车车辆设备-冲击和振动试验》《中国轨道车蓄电池标准》、《轨道交通-可靠性、可维护性和安全性技术条件和验证RAMS》等技术要求，保证电源系统符合国家安全标准。
相对于现有技术，本实用新型使用两套电池管理系统，可在其中一组电池组出问题的情况下实现平稳切换，保障机车电源系统的正常运行；增加了电池管理系统，可以更加智能化地管理电池组的充放电及调整工作状态，延长了电池组的使用寿命；设置了极限保护继电器及多处控制电池组供电开断的继电器，保证了电池组的用电安全，在紧急时刻起到了保护作用，且方便控制管理用电器；增加了紧急故障时使用的电流信号，当通讯出现故障时提供硬件保障，基本信息可正常传送整车控制器，控制车辆正常运行，作为系统通讯安全冗余，提高系统可靠性，使电源系统符合国家安全要求。
本实用新型中未具体介绍的功能模块均可采用现有技术中成熟的功能模块，在此不赘述。
以上所述实施例仅表达了本实用新型的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本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，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种新型环保轨道机车电源系统，其特征在于：包括
两组电池组，所述电池组通过多个单体电池所组成，包括相互并联的第一电池组（1-1）与第二电池组（1-2），所述第一电池组（1-1）、第二电池组（1-2）并联后与电池管理系统、机车电机（8）及用电设备连接；
两套电池管理系统，包括第一电池管理系统（2-1）及第二电池管理系统（2-2），分别与第一电池组（1-1）及第二电池组（1-2）一一对应连接，第二电池管理系统（2-2）与第一电池管理系统（2-1）连接，并将信号输出到第一电池管理系统（2-1）进而汇总统一通过第一电池管理系统（2-1）控制继电器模组（3）作出动作；
继电器模组（3），所述继电器模组（3）连接在第一管理系统与机车电机（8）及用电设备之间，用于控制机车电机（8）及用电设备的开闭；
极限保护继电器模块，用于控制机车在极限环境下保护电池组而断开电源的极限保护继电器模块一端与并联后的电池组总正连接，另一端与第一电池管理系统（2-1）连接；
DC/DC模组（4），所述DC/DC模组（4）一端与并联后的电池组总正连接，另一端与用电设备连接进而通过转换电池组输出电压为用电设备提供合适的工作电压。
2.根据权利要求1所述的新型环保轨道机车电源系统，其特征在于：所述电池管理系统（2-1、2-2）包括至少一个用于检测电池数据的电池检测单元及一个用于管理从电池检测单元所输出数据的电池管理单元，所述电池检测单元与单体电池一一对应连接，并将检测到的数据输出到电池管理单元。
3.根据权利要求2所述的新型环保轨道机车电源系统，其特征在于：所述电池检测单元包括用于检测电池温度的温度检测模块及单个电池电压的单体电压检测模块。
4.根据权利要求2所述的新型环保轨道机车电源系统，其特征在于：所述电池管理系统还包括用于检测电池组总电流的霍尔电流传感器及用于检测电池组总电压的霍尔电压传感器，所述霍尔电流传感器及霍尔电压传感器输入端接入到并联后的电池组总正，并输出信号到电池管理单元。
5.根据权利要求1所述的新型环保轨道机车电源系统，其特征在于：还包括用于保护电池组的电池组箱体（5）、用于系统散热的空调系统（6）及用于显示电池组数据的显示系统（7）。
6.根据权利要求5所述的新型环保轨道机车电源系统，其特征在于：继电器模组（3）包括控制电机（8）进行预充电的预充电继电器、控制电池组总正开闭的总正继电器、对电池组进行充电的充电继电器以及控制空调系统（6）开闭的空调继电器。
7.根据权利要求1所述的新型环保轨道机车电源系统，其特征在于，所述电池管理系统还包括用于电池管理系统和机车电机（8）及用电设备连接通讯的通讯模组，连接在电池管理系统及用电设备之间，所述通讯模组包括RS485通讯模块及CAN通讯模块。
8.根据权利要求7所述的新型环保轨道机车电源系统，其特征在于，所述通讯模组还包括用于保障系统通讯安全稳定的电流信号通讯模块。
9.根据权利要求8所述的新型环保轨道机车电源系统，其特征在于：用电设备包括整车控制器（9），所述第一电池管理系统（2-1）及第二电池管理系统（2-2）分别通过RS485通讯模块、CAN通讯模块及电流信号通讯模块与整车控制器（9）进行通讯。
10.根据权利要求1所述的新型环保轨道机车电源系统，其特征在于：所述电池组的总负接有用于过流保护的熔断器。
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