CN210082991U - 轴端发电机发电储能供电系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提出了一种轴端发电储能供电系统；包括轴端发电机、整流器、储能装置、逆变器和PLC控制器；轴端发电机由车轴带动产生电能供给整流器，整流器将整流后的电流发送给储能装置供电和/或直接发送至逆变器；PLC控制器根据采集的储能装置电压实时切换供电工况；当储能装置满足用电负载时，PLC控制器控制整流器和/或储能装置将电流输送至逆变器；否则控制整流器将整流后的电流发送至储能装置充电，充电电源来源于轴端发电机(车轴转动情况下)或来源于市电(车轴不转动情况下)。车辆不运行时，根据需要外接电源补充电能；车辆运行时，车轴转动带动发电机发电形成自备电源，提高了车辆编组的灵活性，系统使用轴端发电机，体积小，成本低。

Description

轴端发电机发电储能供电系统
技术领域
本实用新型涉及轨道交通、公路运输、非道路运输技术领域，特别涉及一种轴端发电机发电储能供电系统。
背景技术
铁路客车、货车需满足车辆的用电设备(照明、电热水器、冰箱等)和蓄电池充电需要外部电源，当前主要有两种供电技术，1)由车头电源集中供电，2)独立分布式发电的车辆。由于车头电源集中供电的方式不方便在编组站灵活编组，不能适应客运、货运的多样性需求，因此没有很多实用价值。现有的列车供电系统仅适用于旅客列车，不适合货运列车。铁路货车具有作业条件恶劣、编组频繁的特点，由牵引机车或发电车通过电缆向其供电的方式难以实施，在铁路货车单节车辆上安装独立分布式自发电装置是解决该问题的一个研究方向。中国的铁路运输线分布广、运量大、运输成本低、节能环保，但是由于铁路货运车辆缺乏独立分布式的发电和配电系统，导致铁路运输无法进入需要保温的生鲜食品运输市场。独立分布式发电的车辆，各车辆在运用过程中为可以自由组合编组，运输的灵活性高，满足运输企业的实际需要。独立分布式发电的车辆过去几十年来，需要配置独立的内燃机发电系统，而内燃机发电费用高、噪声大、排除大量的污染气体，不符合节能减排的发展方向。在现有的相关专利中，例如：申请号为201510653776.8的专利，其方案为，电压变换单元将储能单元输出的直流电压变换为控制单元和货车电子设备所需的直流电压，不能提供大功率用电需求的交流动力电源。申请号201620172593.4的专利，其直接用蓄电池输出低压、小功率的直流电，不能提供大功率用电需求的交流动力电源。
在进行制造时，因其它发电机(例如轮轴皮带驱动的发电机)的体积过大，需要对铁路货车的车体结构进行重新设计，高昂的成本及复杂的维修工况决定了该方案难以实施；同时存在电能储存问题。
实用新型内容
本实用新型的目的旨在至少解决所述的技术缺陷。
为此，本实用新型的一个目的在于提出一种轴端发电机发电储能供电系统，使设备能够利用市电电网充电，在货车不运行时使货车在编组站能够根据需要补充电能，货车运行时，轴转动可以带动发电机发电，此时不需要外部电源供电；同时提高了公路货车运输冷鲜食品或铁路列车编组的灵活性。
为了实现上述目的，本实用新型一方面的实施例提供一种轴端发电机发电储能供电系统，包括轴端发电机、整流器、储能装置、逆变器和PLC控制器；
所述轴端发电机与货车或列车轮轴固定连接，利用所述列车轮轴转动，带动所述轴端发电机进行发电；所述轴端发电机的输出端与整流器的输入端电连接，所述整流器与储能装置并联连接；并联后与逆变器的输入端连接；所述储能装置连接PLC控制器的输入端，所述PLC控制器的输出端通过连接切换开关与逆变器的输入端连接；所述逆变器的输出端连接用电负载。
优选的，所述储能装置连接电源管理系统BMS的输入端，所述电源管理系统BMS的输出端连接PLC控制器的输入端。
在上述任意一项实施例中优选的，所述切换开关为电磁继电器；所述整流器与储能装置并联的一端，通过连接电磁继电器连接逆变器；所述电磁继电器的驱动线圈连接PLC控制器；所述PLC控制器通过控制电磁继电器的触头动作，进行供电工况的切换。
在上述任意一项实施例中优选的，所述PLC控制器通过无线连接云平台；当PLC控制器检测到储能装置的剩余电量达到报警线时，PLC控制器发送报警信息至云平台；通过云平台的远程发报系统通知相应人员及时通过外接市电电源给储能装置补电。
在上述任意一项实施例中优选的，所述PLC控制器选用型号为S7-1200；所述PLC控制器与电源管理系统BMS通过485接口或CAN通信电路相连接。
在上述任意一项实施例中优选的，所述储能装置包括蓄电池和电容；储能装置与逆变器配合输出三相380V电源；用户可根据货车停站的时间长度来适当增加储能装置来增加储能装置的容量，每个所述蓄电池模块或电容模块分别与电源管理系统BMS的输入端相连接；所述整流器的输出端与电池的一个输入端相连接。
在上述任意一项实施例中优选的，逆变器为能满足货车负载的大功率逆变器，一般大于25KW，可以输出三相380V，支持50Hz输出或60Hz等电源频率选择设定，以支持绝大多数国家的电源制式。
根据本实用新型实施例提供的一种轴端发电机发电储能供电系统；相比于现有技术，至少具有以下优点：
采用轴端发电机进行发电，设备体积小，成本低，节省安装空间，降低液压漏油等传动风险，并使设备能够利用市电电网充电，在货车不运行时，使货车在编组站能够根据需要补充电能，货车运行时，车轴转动可以带动发电机发电，不需要外部电源供电，节约能源。电路结构简单，器件少，降低了系统的电路成本；同时能够实现快速反应，提高了公路货车运输冷鲜食品或铁路列车编组的灵活性。
本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本实用新型实施例提供的一种轴端发电机发电储能供电系统的电路连接框图；
图2为本实用新型一种轴端发电机发电储能供电系统中PLC控制器的电路图；
图中：
1、车辆轮轴；2、轴端发电机；3、整流器；4、储能装置；5、电源管理系统BMS；6、 PLC控制器；7、逆变器；8、云平台；
具体实施方式
下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
如图1所示，本实用新型实施例的一种轴端发电机发电储能供电系统，包括轴端发电机2、整流器3、逆变器7、储能装置4和PLC控制器6；
轴端发电机2与列车轮轴1固定连接，利用列车轮轴1转动，带动轴端发电机2进行发电；轴端发电机2与整流器3电连接，整流器3与储能装置4并联连接；并联后与逆变器7连接；逆变器7连接用电负载；轴端发电机2用于将产生的电流发送至整流器3，通过整流器3进行整流，整流器3将整流后的电流发送给储能装置4供电和/或直接发送至逆变器7；
PLC控制器6采集储能装置4当前的电压，并根据采集的电压，切换供电工况；整流器 3与储能装置4并联的一端，通过连接电磁继电器KM4连接逆变器7；电磁继电器KM4的驱动线圈连接PLC控制器6；PLC控制器6通过控制电磁继电器KM4的触头动作，进行供电工况的切换。
工况一：当储能装置4当前的电压，满足用电负载的需要时，PLC控制器6控制储能装置4产生的电流和或整流器整流后的电流直接发送至逆变器7，具体为储能装置4连接电池管理系统BMS5，电池管理系统BMS5采集储能装置4当前的电压；并将采集到的电池的电压发送至PLC控制器6。
在本工况中，储能装置4供电，PLC控制器6控制电磁继电器KM4的驱动线圈接电，触头K1吸合储能装置4与逆变器的输入端的连接电路导通；此时PLC控制器6控制储能装置 4将电量输送至逆变器7，进行储能装置4供电。也可以整流器3直接供电，由于整流器3 和储能装置并联；PLC控制器6控制电磁继电器KM4的驱动线圈断电，触头K2吸合整流器 3与逆变器的输入端的连接电路导通；此时PLC控制器6控制整流器3将电量输送至逆变器7，进行供电。
需要说明的是，如果电源管理系统BMS检测的储能装置的电量能够支持部分用电负载的供电；此时通过在PLC控制器的输出端设置多个电磁继电器；每个电磁继电器与储能装置和整流器分别单独连接，当储能装置和整流器与逆变器同时连接时，实现储能装置和整流器同时对逆变器进行供电。
如图2所示，PLC控制器选用型号为S7-1200；所述PLC控制器与电源管理系统BMS通过CAN通信电路相连接。电源管理系统BMS对应采集储能装置的每个输出电压；并采集整流器的实时的电流值；其每个所述储能装置分别与电源管理系统BMS的输入端相连接；所述整流器的输出端与电源管理系统BMS的一个输入端相连接。通过CAN通信接口，电源管理系统BMS将采集的电量信号发送至PLC控制器。
工况二：当储能装置4当前的电压无法满足用电负载的需要时，PLC控制器6控制整流器3将整流后的电流直接发送至储能装置4充电，充电到设定值时，恢复储能装置向逆变器供电；
在本工况中，电源管理系统BMS对应采集储能装置中每个储能单元电压；当储能装置 4当前的电量过低时；PLC控制器6输出低电平，控制电磁继电器KM4的驱动线圈断电，触头K1无法吸合；此时储能装置4与逆变器7的输入端的电路无法连通；因此整流器3产生的电流流向储能装置4；为储能装置充电。
工况三：如用电负载不需要用电或者整流器的输出功率大于负载消耗的功率时，整流器向储能装置充电至BMS设定的充满上限。
在本工况中，与上述工况二相似，区别在于，此时负载用电量少或者不用电；对于整流器的输出功率与负载消耗的功率的判断，只需要根据用电负载连接在车载的配电箱中每个插座的输出电流即可；配电箱的与插座接口连接处设置电流互感器，通过电流互感器检测当前接口的电流值，计算用电负载的用电功率；或者通过设置电压互感器，直接检测该接口的电压；一般设置货车上的用电负载都进行了限流设置；满载时达到整流器的输出功率的最大值；避免由于负载过大，造成发电机损坏。
在本工况中，PLC控制器6的输出端输出高电平，控制电磁继电器KM4的驱动线圈得电，触头K1吸合；此时储能装置4与逆变器7的输入端的电路连通；因此，当负载用电量少时由于整流器的输出功率大；整流器3产生的电流可以同时流向逆变器和储能装置；直至储能装置的电量充至BMS设定值；如果负载不用电，而储能装置亏电时；则与工况二中的控制原理相同。
需要说明的是，PLC控制器根据用电负载的额定工作电压，在PLC芯片的缓存器中按顺序写入设定值，采集的电压值与缓存器中写入的电压值依次比较，PLC控制器根据比较结果，控制对应的电磁继电器进行触发，由此实现各种工况的切换。
PLC控制器6通过无线连接云平台；PLC控制器6通过连接GPRS电路连接到互联网；GPRS电路可以选用SIM800C系列芯片构成；当PLC控制器6检测到储能装置4的剩余电量达到报警线时，PLC控制器6发送报警信息至云平台；通过云平台的远程发报系统通知相应人员及时通过外接市电电源给储能装置4补电。
在本实用新型的一个实施例中，在列车正常运行工况下，车轴带动轴端发电机发电，在车速30km/h-120km/h(该范围可以根据具体车型，通过整流器进行调整)，范围内将发出的电通过整流器整流，整流器将发电机发出的电流转换为三相电；给储能装置供电。
需要说明的是，PLC控制器对电源管理系统BMS进行电压范围的设定，储能装置的电源管理系统BMS，根据电源的实时电压高低自动决定是否给电池充电。当用电负载需要工作时，如果列车临时停车时，此时轴端发电机无法产生电流，此时由储能装置进行供电。
列车运行时，PLC通过采集储能装置的电压切换储能装置单独供电、整流器单独供电或者储能装置和整流器一起给逆变器供电。
列车在车站重新编组时，可以利用储能装置(在储能装置额定容量以内)给逆变器供电。如果储能装置的剩余电量达到报警线，报警信息通过云平台8的远程发报系统通知相应人员及时通过外接市电电源给储能装置补电。发电机、整流器、储能装置的电压值通过PLC控制器采集，并通过PLC控制器控制继电器的通断，使各系统能够在无人工干预的条件下自动运行。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本实用新型的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (6)

1.一种轴端发电机发电储能供电系统，其特征在于，包括轴端发电机、整流器、储能装置、逆变器和PLC控制器；
所述轴端发电机与车辆轮轴固定连接，利用所述车辆轮轴转动，带动所述轴端发电机进行发电；所述轴端发电机的输出端与整流器的输入端电连接，所述整流器与储能装置连接；整流器与储能装置并联后与逆变器输入端连接；所述储能装置连接PLC控制器的输入端，所述PLC控制器的输出端通过连接切换开关与逆变器的输入端连接；所述逆变器的输出端连接用电负载。
2.根据权利要求1所述的轴端发电机发电储能供电系统，其特征在于，所述储能装置连接电源管理系统BMS的输入端，所述电源管理系统BMS的输出端连接PLC控制器的输入端。
3.根据权利要求1所述的轴端发电机发电储能供电系统，其特征在于，所述切换开关为电磁继电器；所述整流器与储能装置并联的一端，通过连接电磁继电器连接逆变器；所述电磁继电器的驱动线圈连接PLC控制器；所述PLC控制器通过控制电磁继电器的触头动作，进行供电工况的切换。
4.根据权利要求1所述的轴端发电机发电储能供电系统，其特征在于，所述PLC控制器通过无线连接云平台；当PLC控制器检测到储能装置的剩余电量达到报警线时，PLC控制器发送报警信息至云平台；通过云平台的远程发报系统通知相应人员及时通过外接市电电源给储能装置补电。
5.根据权利要求1所述的轴端发电机发电储能供电系统，其特征在于，所述PLC控制器选用型号为S7-1200系列；所述PLC控制器与电源管理系统BMS通过485接口或CAN通信电路相连接。
6.根据权利要求1所述的轴端发电机发电储能供电系统，其特征在于，所述储能装置包括电池和电容；所述储能装置与逆变器配合输出三相380V电源。
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