CN209581156U - 动车组充电机系统及充电电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种动车组充电机系统及充电电路,所述充电机系统包括充电机功率模块与对充电机功率模块进行冷却的冷却单元，所述冷却单元包括冷却基板和插拔接头，所述充电机功率模块各器件根据所述电路的连接特性连接并安装在所述冷却基板的前后外侧壁上。相比所有器件安装在冷却基板的同一面，本实用新型采用冷却基板两面安装功率器件的方式，可以缩小水冷基板面积，同时两面均可吸收器件热量，冷却基板利用率更高。相比其他散热方式同等功率级别的充电机系统，本实用新型充电机系统体积小，重量轻，实现了变流器的主辅一体化集成设计，且功率模块按照平台化进行设计，结构紧凑、集成度高、布局合理。

Description

动车组充电机系统及充电电路

技术领域

本实用新型属于轨道车辆充电机系统技术领域，尤其涉及一种动车组充电机系统及充电电路。

背景技术

轨道车辆的电气系统主要包括列车牵引系统和辅助电源系统，牵引系统控制车辆运行，辅助电源系统为车上中压负载和低压负载供电。充电机是辅助电源系统的重要组成部分，主要功能是将输入高压转换为稳定的DC110V，给蓄电池充电，并给车上DC110V负载供电，如车上照明、PIS系统、各个控制系统等，具有重要作用。现有轨道车辆的充电机系统大多利用散热片强迫风冷或热管自然冷却散热。对于大容量的充电机系统，散热片和热管结构尺寸较大，导致系统体积庞大，重量很大。

城际车辆和高速动车组运行速度高、牵引系统功率高，同时车下安装空间小，牵引辅助变流器一体化设计可以降低牵引系统体积和重量，具有明显优势，已在多个车型上得到应用。大容量充电机系统若要降低系统体积和重量，水冷散热方式可以有效解决该难点，同时更利于系统集成一体化。因此，如何将水冷散热方式应用于动车组牵引辅助变流器一体化设计，设计一种水冷充电机系统，使其与牵引功率模块和辅助功率模块共用一套水冷散热系统，确保牵引辅助变流器高度集成是动车组充电机系统的研究的重点和难点。

实用新型内容

本实用新型在上述不足的基础上提供了一种动车组充电机系统及充电电路，可应用于轨道车辆充电机系统设计，有效解决充电机容量大但是安装空间小的问题，实现缩小充电机体积，提高充电机容量，实现系统一体化集成。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种动车组充电机系统及充电电路。

一种充电电路，包括三相不控整流电路、预充电电路、移相全桥电路、高频变压器及输出整流滤波电路；

三相整流桥D1构成三相不控整流电路；

预充电电阻R41、接触器K5、电流传感器TA13、电压传感器TV7和电容FC41组成预充电电路，所述预充电电路串联于所述三相不控整流电路和移相全桥电路之间；

全桥IGBT Q41、Q42、电流传感器TA14、隔直电容C4、吸收电容FC42、FC43、电阻R42和高频变压器TR2组成移相全桥电路，电流传感器TA14与隔直电容C4串联于高频变压器TR2原边侧，吸收电容FC42、FC43和电阻R42并联于全桥IGBT两端；

高频变压器TR2的副边侧连接所述输出整流滤波电路；

整流二极管D2、D3及与其并联的RC吸收电路，与RLC低通滤波电路串联，组成输出整流滤波电路；

整流滤波电路输出端串联电流传感器TA15与防反二极管D4，并联电压传感器TV8，输出DC110V直流电。

本实用新型还提供了一种动车组充电机系统，包括充电机功率模块与对充电机功率模块进行冷却的冷却单元，所述充电机功率模块采用所述的充电电路，所述冷却单元包括冷却基板，所述充电机功率模块各器件根据所述电路的连接特性连接并安装在所述冷却基板的前后外侧壁上。

优选的，所述充电机功率模块的各电流传感器、各电容、全桥IGBT及驱动器、三相整流桥以及输出防反二极管安装在所述冷却基板的前外侧壁上；所述充电机功率模块的高频变压器、直流电抗器、整流二极管以及整流二极管的RC吸收电路均安装在所述冷却基板的后外侧壁上。

优选的，所述冷却基板包括冷却管道，所述冷却管道封装于所述冷却基板内部，所述冷却基板的相对左右外侧壁上还设置有进液口与出液口。

优选的，所述冷却单元进一步包括外部冷却系统，所述外部冷却系统通过连接软管与所述冷却基板的进/出液口连接。

优选的，所述连接软管与所述冷却基板通过结构匹配的插拔接头连接。

优选的，所述冷却单元还包括热交换器，所述热交换器与所述连接软管连接。

优选的，所述充电机功率模块还设置有维护面板，所述维护面板用于打开后对充电机功率模块内部电路进行维护。与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果在于：

本实用新型针对现有动车组充电机系统体积容量大、散热难、集成化程度低的问题提供了一种充电机系统，此系统可直接应用于动车组牵引辅助变流器一体化集成设计，将水冷散热方式与充电机功率器件设计结合。相比所有器件安装冷却基板的同一面，本实用新型采用冷却基板两面安装功率器件的方式，可以缩小水冷基板面积，同时两面均可吸收器件热量，冷却基板利用率更高。相比其他散热方式同等功率级别的充电机系统，本实用新型充电机系统体积小，重量轻，实现了变流器的主辅一体化集成设计。

附图说明

图1为本实用新型的充电机系统电路拓扑图；

图2为本实用新型的充电机系统的结构图；

图3为本实用新型的充电机系统的结构图；

图4a为本实用新型的水冷基板前侧器件的安装图；

图4b为本实用新型的水冷基板后侧器件的安装图；

图5为本实用新型的水冷基板的连接软管的结构图；

图6为本实用新型的水冷基板的插拔接头的结构图；

其中，1-冷却基板，2-系统框架，3-母线主接触器，4-全桥I GBT及驱动器，5-隔直电容，6-电流传感器，7-输出防反二极管，8-高压母线电容，9- 模块把手，10-熔断器，11-电压传感器，12-整流二极管，13-低压母线电容， 14-RC吸收电路，15-高频直流电抗器，16-高频变压器，17-三相整流桥，18- 整流二极管的RC吸收电路，19-连接软管，20-插拔接头。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本实用新型进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行进一步的描述。

本实施例依托时速200公里城际动车组牵引系统的技术研究与产品开发，变流器采用主辅一体化设计，牵引变流器系统把牵引变流器、水冷装置、辅助逆变器和DC110V充电机集成在一个柜子里面。变流器箱设计时需要高度集成，因此对各子功能系统结构要求严格。因此，本实施例提供了一种用于城际动车组的水冷大功率充电机系统，用于解决充电机容量大但是安装空间小的问题，实现缩小充电机体积，提高充电机容量，提高电气系统集成度。

参考图1所示，图1为本实用新型充电机系统的电路原理图，一种充电电路，包括三相不控整流电路、预充电电路、移相全桥电路、高频变压器及输出整流滤波电路。三相整流桥D1构成三相不控整流电路；预充电电阻R41、接触器K5、电流传感器TA13、电压传感器TV7和电容FC41组成预充电电路，预充电电路串联于三相不控整流电路与所述移相全桥电路之间；全桥IGBTQ41、Q42、电流传感器TA14、隔直电容C4、吸收电容FC42、 FC43、电阻R42和高频变压器组成移相全桥电路，电流传感器TA14与隔直电容C4串联于高频变压器TR2原边侧，吸收电容FC42、FC43和电阻R42并联于全桥IGBT两端；高频变压器TR2的副边侧连接输出整流滤波电路；整流二极管D2与由C44、R43组成RC吸收电路并联后连接高频变压器TR2副边侧的3接线端，整流二极管D3与由电容C45、电阻R44组成RC吸收电路并联后连接高频变压器TR2副边侧的5接线端，与RLC低通滤波电路串联，组成输出整流滤波电路；整流滤波电路输出端串联电流传感器TA15与防反二极管D4，并联电压传感器TV8，输出DC110V直流电。输入3AC380V交流电经过三相不控整流电路整流后得到直流电，经过预充电电路给电容FC41充电，然后经过移相全桥电路的控制得高频方波交流电，再经高频变压器降压和整流滤波电路整流滤波后输出DC110V。该系统电路设计合理、功耗低，额定容量25kW，可以允许1.1倍过载工作1小时。

根据上述的充电拓扑电路，本实用新型设计了一种动车组充电机系统，充电机系统作为牵引辅助变流系统的一个子系统，充电机水冷散热系统也是整个牵引辅助变流水冷系统的一个子系统。参考图2、图3所示，充电机系统包括充电机功率模块与对充电机功率模块进行冷却的冷却单元，其中，充电机功率模块采用上述电路设计，冷却单元包括冷却基板1和插拔接头20，充电机功率模块各器件根据电路的连接特性连接并安装在冷却基板的前后外侧壁上。本实施例中冷却基板1采用水冷基板，相比所有器件安装在同一面，两面安装方式增加了设计难度，但可以缩小水冷基板面积，同时两面均可吸收器件热量，水冷基板利用率更高。相比其他散热方式同等功率级别的充电机系统，该方案体积小，重量轻。

具体的，进一步参考图2、图3、图4a、4b所示，本实施例中，充电机功率模块的电流传感器6、电容5、全桥IGBT及驱动器4、三相整流桥17以及输出防反二极管7设置于冷却基板1的前外侧壁上；高频变压器16、直流电抗器15、整流二极管12以及整流二极管的RC吸收电路18、低压母线电容13以及RC吸收电路14均设置与冷却基板1的后外侧壁上，充电机功率模块与冷却基板1安装于系统框架2内。

具体的，冷却基板1包括冷却管道，冷却管道封装于冷却基板内部，冷却基板的相对左右外侧壁上还设置有进液口与出液口，充电机与牵引功率模块和辅助功率模块共用一套水冷系统，水冷系统通过连接软管19与冷却基板1的进/出液口连接；连接软管与所述冷却基板连接通过结构匹配的插拔接头20，连接软管19的具体结构参考图5所示。图6为本实用新型的水冷基板的插拔接头的结构图；充电机水冷基板的进液口与出液口通过快速插拔接头20和连接软管19接到水冷系统主管道。系统工作时，水泵将冷却液输送到冷却基板1，冷却液通过冷却基板1带走功率器件工作时产生的热量，加热后的冷却液从冷却基板1输出，进入外部热交换器，热交换器与冷却基板1的出液口连接，在此将热量传递给空气，最终将热量散到设备外部，然后冷却液回到水泵入口。通过这样的循环，冷却液作为中间介质最终将充电机系统和其他变流器子系统产生的热量传递给空气并带到设备外部，保证了系统的正常工作温度。

本实施例中冷却介质是由工业纯水和乙二醇及其他添加剂按一定配比混合而成的冷却液，可以保证在-25℃的低温下正常工作不冻结。冷却基板1使用铝合金材质利用真空钎焊工艺加工而成，具有一体结构、完美的水密性、高压耐、没有腐蚀风险、寿命长等优点。冷却基板1两面安装方案设计，利用仿真软件，对冷却基板的流阻、热性能和机械性能进行耦合仿真；冷却基板样机加工完成再进行热阻和耐压测试，充分确保冷却基板的性能优良，满足要求。快速插拔接头20将共用的水冷系统与充电机系统的冷却基板 1连接，具有插拔方便、密封性好、耐腐蚀等优点，连接时可以避免空气逸入回路，拔下时无任何液体溢出，可避免给整个回路排气，同时优异的内部设计确保产品流量最佳，压降最小。金属连接软管19允许折弯，配合快速插拔接头20，充电机更易安装和拆卸，方便维护。本实施例在充电机功率模块系统框架2上还设置有维护面板，维护面板用于打开后对充电机功率模块内部电路进行维护，系统框架2的四个连接拐角处设置有把手，方便设备的移动与维修。

本实用新型提供了一种优良的大功率充电机系统，相比其他散热器，冷却基板更薄，体积更小，更加节约空间，降低充电机系统的体积和重量，同时水冷散热方式散热效果更优，器件温升更低，可以允许充电机设计容量更大；相比功率器件单面安装，双面吸热方案，冷却基板利用率更高；相比其他水冷散热系统固定管道连接，本方案冷却基板通过快速插拔接头和金属连接软管连接到主管道，充电机系统模块化设计，更易安装和拆卸，便于维护。本实用新型充电机系统与牵引功率模块和辅助功率模块共用一套水冷系统，水冷系统利用率高，变流器箱体集成度高，牵引和辅助系统体积和重量更小，更具优势；利用水冷系统给充电机散热，散热效果比风冷散热更优，可以允许充电机设计功率更大，体积和重量更小。

Claims (8)

1.一种充电电路，其特征在于，包括三相不控整流电路、预充电电路、移相全桥电路、高频变压器及输出整流滤波电路；

三相整流桥D1构成三相不控整流电路；

预充电电阻R41、接触器K5、电流传感器TA13、电压传感器TV7和电容FC41组成预充电电路，所述预充电电路串联于所述三相不控整流电路和移相全桥电路之间；

全桥IGBTQ41、Q42、电流传感器TA14、隔直电容C4、吸收电容FC42、FC43、电阻R42和高频变压器TR2组成移相全桥电路，电流传感器TA14与隔直电容C4串联于高频变压器TR2原边侧，吸收电容FC42、FC43和电阻R42并联于全桥IGBT两端；

高频变压器TR2的副边侧连接所述输出整流滤波电路；

整流二极管D2、D3及与其并联的RC吸收电路，与RLC低通滤波电路串联，组成输出整流滤波电路；

整流滤波电路输出端串联电流传感器TA15与防反二极管D4，并联电压传感器TV8，输出DC110V直流电。

2.一种动车组充电机系统，其特征在于，包括充电机功率模块与对充电机功率模块进行冷却的冷却单元，所述充电机功率模块采用权利要求1所述的充电电路，所述冷却单元包括冷却基板，所述充电机功率模块各器件根据所述电路的连接特性连接并安装在所述冷却基板的前后外侧壁上。

3.根据权利要求2所述的动车组充电机系统，其特征在于，所述充电机功率模块的各电流传感器、各电容、全桥IGBT及驱动器、三相整流桥以及输出防反二极管安装在所述冷却基板的前外侧壁上；所述充电机功率模块的高频变压器、直流电抗器、整流二极管以及整流二极管的RC吸收电路均安装在所述冷却基板的后外侧壁上。

4.根据权利要求2所述的动车组充电机系统，其特征在于，所述冷却基板包括冷却管道，所述冷却管道封装于所述冷却基板内部，所述冷却基板的相对左右外侧壁上还设置有进液口与出液口。

5.根据权利要求4所述的动车组充电机系统，其特征在于，所述冷却单元进一步包括外部冷却系统，所述外部冷却系统通过连接软管与所述冷却基板的进/出液口连接。

6.根据权利要求5所述的动车组充电机系统，其特征在于，所述连接软管与所述冷却基板通过结构匹配的插拔接头连接。

7.根据权利要求5所述的动车组充电机系统，其特征在于，所述冷却单元还包括热交换器，所述热交换器与所述连接软管连接。

8.根据权利要求2所述的动车组充电机系统，其特征在于，所述充电机功率模块还设置有维护面板，所述维护面板用于打开后对充电机功率模块内部电路进行维护。