新型机车无电区自走行电源装置及其控制方法与流程

本发明涉及一种用于交流电力机车在无电区线路上短距离行驶或移动的新型机车无电区自走行电源装置及其控制方法。

背景技术：

在电气化铁路中，采用25kv单相高压交流电，交流电力机车通过受电弓在25kv线缆上获取电力，驱动机车在轨道线路上正常行驶。

为了确保操作员工作业的人身安全，在机务段的维修库房、进行无电区改造后的机务段整备场临时检修区中不允许架设高压线缆，因此电力机车在这两个区域的短距离行驶成为技术难题。

原有的直流电力机车采用沿轨道敷设75v直流低压导电桩，通过断续通电的方式，牵引机车在无电区的轨道上移动。但是这种直流牵车装置技术方案效率低、存在安全隐患，现在正在逐步淘汰。

交流电力机车不能直接借用原直流牵车装置在无电区移动机车。新制造的交流电力机车具有600vdc或700vdc的库内移动机车的电源插座，或者是三相380vac电源插座,但是这种带电源拖线移动机车的方式也存在安全隐患。

在交流电力机车实际使用过程中，业内厂家开发了工铁两用蓄电池牵引车、直流牵车装置改良等技术方案。这些方案或多或少存在不足，没有得到大面积推广。

我国近期与国外合作生产的新型hxn3与hxn5交流传动内燃机车，在不启动柴油机时可以依靠自身的机车蓄电池组提供电力，在司机控制台上驾驶机车进出维修库房。这种安全、快捷、清洁的机车移车方案得到机务段使用用户一致好评。

受到新型交流传动内燃机车库内移动技术的引导，业内厂家进行了利用交流电力机车蓄电池组供电来移动机车的试验，也开发了一些试验性产品。但是，因为内燃机车蓄电池组容量远大于交流电力机车蓄电池组，所以内燃机车蓄电池组供电库内移动技术方案良好，而交流电力机车蓄电池组供电库内移动机车技术方案不理想。交流电力机车蓄电池组如果输出大功率电能，就会缩短电池组的使用寿命，给电池组使用可靠性带来隐患。

内燃机车大容量蓄电池组的重量大概为1.9吨，体积也很大。现有交流电力机车的整车重量需要严格控制，并且机械间安装空间有限，不可能类似于内燃机车安置大容量蓄电池组。要实现与内燃机车蓄电池供电移动机车同样的技术方案，需要研发能够输出大功率的小型化、轻量化电源产品。

技术实现要素：

本发明提供新型机车无电区自走行电源装置及其控制方法，能够很好解决以上交流电力机车（单独车头）应用中存在的无电区线路短距离行驶技术难题。本发明提供新型机车无电区自走行电源装置，体积小、重量轻，可以满足现有交流电力机车机械间安装要求。

新型机车无电区自走行电源装置，包括主电路和系统控制电路；所述主电路包括依次联接的dc-dc电源模块（1）、钛酸锂电池组（2）、dc-dc电源模块（3）以及超级电容模组（4）；所述系统控制电路包括系统控制模块（5）；所述系统控制模块（5）与所述dc-dc电源模块（1）、钛酸锂电池组（2）、dc-dc电源模块（3）以及超级电容模组（4）的控制电路分别联接。

根据权利要求所述的新型机车无电区自走行电源装置，还包括dc-dc电源模块（6）；所述dc-dc电源模块（6）的主电路输入端与所述dc-dc电源模块（1）、钛酸锂电池组（2）、dc-dc电源模块（3）、超级电容模组（4）的主电路联接；所述dc-dc电源模块（6）的主电路输出端与机车库用转换开关联接；所述dc-dc电源模块（6）的控制电路与所述系统控制模块（5）联接。

根据权利要求所述的新型机车无电区自走行电源装置，其中，所述dc-dc电源模块（6）通过机车库用转换开关与其机车主电路兼容联接，用于稳压输出600vdc或700vdc，与现有6轴大功率交流客运电力机车的库用动车电路参数匹配。

根据权利要求所述的新型机车无电区自走行电源装置，其中，所述dc-dc电源模块（6）用于对后续负载进行预充电。

根据权利要求所述的新型机车无电区自走行电源装置，还包括dc-ac电源模块（7）；所述dc-ac电源模块（7）的主电路输入端与所述dc-dc电源模块（1）、钛酸锂电池组（2）、dc-dc电源模块（3）、超级电容模组（4）的主电路联接；所述dc-ac电源模块（7）的主电路输出端与机车库用转换开关联接；所述dc-ac电源模块（7）的控制电路与所述系统控制模块（5）联接。

根据权利要求所述的新型机车无电区自走行电源装置，其中，所述dc-ac电源模块（7）通过机车库用转换开关与其机车主电路兼容联接，用于稳压输出三相380vac，与现有8轴大功率交流货运电力机车的库用动车电路参数匹配。

新型机车无电区自走行电源装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤一，通过dc-dc电源模块（1）从机车110vdc控制电路获取小功率电能，并采用二段式充电控制方式给钛酸锂电池组（2）充电；

步骤二，通过钛酸锂电池组（2），经由dc-dc电源模块（3），采用电压跟随性的恒流或恒功充电控制方式给超级电容模组充电，并持续给直流母线供电，输出中等功率电能；

步骤三，通过超级电容模组（4），根据负载特性在电路输出端口释放出大功率电能；

步骤四，通过系统控制模块（5），控制所述dc-dc电源模块（1）、所述dc-dc电源模块（3）和dc-dc电源模块（6）或dc-ac电源模块（7）的运行，并协调分配所述钛酸锂电池（2）和所述超级电容模组（4）的充电和放电功能转换。

根据权利要求所述的控制方法，其中，所述小功率电能的功率范围为0.5-2kw。

根据权利要求所述的控制方法，其中，所述中等功率电能的功率范围为5-15kw。

根据权利要求所述的控制方法，其中，所述大功率电能的功率范围为40-60kw。

本发明的有益效果是：

交流电力机车在平直轨道上行驶时，需要短时间提供大功率电能给机车牵引电机，机车牵引电机产生足够的启动力矩，牵引机车行驶。在机车持续慢速行驶过程中，仍然需要中等功率电能供给机车牵引电机，维持机车行驶。但是，现有交流电力机车机械间空余位置狭小，整个机车的轴重控制严格，不可能安装类似于内燃机车的大容量蓄电池组。本发明所述的一种新型机车无电区自走行电源装置，将超级电容模组和钛酸锂电池组组合起来，可以满足交流电力机车在无电区短距离行驶时的短时输出大功率、持续输出中等功率电能的要求；同时，整个电源装置可以满足小型化、轻量化的交流电力机车机械间安装要求。所述新型机车无电区自走行电源装置的重量为内燃机车蓄电池组的1/6左右，体积为内燃机车蓄电池组的1/5左右，完全可以安装在交流电力机车机械间空余位置。

一般来说，不建议采用机车蓄电池组为机车持续慢速行驶提供电能。机车蓄电池组提供中等功率的电能，将影响自身的使用寿命。在使用寿命期限内，存在部分老化或者环境温度过低的原因，机车蓄电池组完全不能输出中等功率的电能。

对比已有的超级电容模组与机车蓄电池组合，超级电容模组与钛酸锂电池组合更具优势。钛酸锂电池组具备良好的功率密度、能量密度、低温特性和长寿命特性，是新型机车无电区自走行电源装置理想的蓄能电池。

在所述用于新型机车无电区自走行电源装置的控制方法中，步骤二和步骤三可以同时执行。步骤二的充电模式采用电压跟随性的恒流或恒功充电控制策略。当步骤三中超级电容模组（4）提供的大功率电能输出工作阶段结束并转换为钛酸锂电池提供中等功率电能输出时，与dc-dc电源模块（3）、超级电容模组（4）联接的直流母线电压不会发生突变，而是自然平滑衔接。这样的充电控制策略对输出端后面的负载很友好，避免后面负载控制出现波动。

本发明的新型机车无电区自走行电源装置，安装在机车上。通过该装置，交流电力机车在无电区也可以自由行驶，节省大量的人力和物力，提高检修工作效率。

附图说明

图1为本发明的新型机车无电区自走行电源装置的电路原理图1。1—dc-dc电源模块（1），2—钛酸锂电池组（2），3—dc-dc电源模块（3），4—超级电容模组（4），5—系统控制模块（5）。

图2为本发明的新型机车无电区自走行电源装置的电路原理图2。1—dc-dc电源模块（1），2—钛酸锂电池组（2），3—dc-dc电源模块（3），4—超级电容模组（4），5—系统控制模块（5），6—dc-dc电源模块（6）。

图3为本发明的新型机车无电区自走行电源装置的电路原理图3。1—dc-dc电源模块（1），2—钛酸锂电池组（2），3—dc-dc电源模块（3），4—超级电容模组（4），5—系统控制模块（5），7—dc-ac电源模块（7）。

图4为本发明的新型机车无电区自走行电源装置与6轴交流客运电力机车电路联接原理图4。8—机车蓄电池组开关（8），9—新型机车无电区自走行电源装置（9），10—机车库用转换开关（10），11—机车主逆变器（11），12—机车牵引电机（12）。

图5为本发明的新型机车无电区自走行电源装置与8轴交流货运电力机车电路联接原理图5。8—机车蓄电池组开关（8），9—新型机车无电区自走行电源装置（9），10—机车库用转换开关（10），11—机车主逆变器（11），12—机车牵引电机（12），13—机车辅助逆变器（13）。

图6为本发明的新型机车无电区自走行电源装置的控制方法框图。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。所述实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的新型机车无电区自走行电源装置的主电路由dc-dc电源模块（1）、钛酸锂电池组（2）、dc-dc电源模块（3）和超级电容模组（4）电路依次联接；系统控制电路包括系统控制模块（5），与各模块、电池组、电容模组的控制电路分别联接。电源装置的输入端口与机车110vdc控制电路联接，输出端口与机车库用转换开关联接。

dc-dc电源模块（1）的主电路采用隔离型的全桥逆变+全桥整流电路拓扑，由电容、mos管、隔离变压器、整流二级管、滤波电感等组成；控制电路采用单片机核心电路以及模拟采样、数字控制电路、pwm控制电路、pid控制和通讯控制电路等组成。单片机内部软件控制程序，采样输入输出端口的电压、电流值，并与设定恒流或恒压数值相比较，进行数字化pid调整计算，控制pwm波形的占空比，控制主电路上mos管的开通与关断，达到恒流或者恒压充电控制目标。dc-dc电源模块（1）内部控制电路通过数字控制电路和通讯控制电路与系统控制模块（5）联接，将dc-dc电源模块（1）的信息反馈给系统控制模块（5），并接受系统控制模块（5）的控制。

钛酸锂电池组（2）由多个钛酸锂电池单体串联组成，并且自带电压均衡控制电路。钛酸锂电池的能量密度、安全性、使用寿命和低温充放电性能良好，是新型机车无电区自走行电源装置的理想蓄能电池。因为采用小功率恒流、恒压二段式充电控制策略，所以钛酸锂电池单体充电电压均衡性很好。

dc-dc电源模块（3）的主电路采用多重化的boost电路拓扑，由电容、蓄能电感、igbt功率器件、电阻等组成；内部控制电路采用基于dsp数字控制芯片的模拟量采样、数字信号控制、pwm控制、485通讯等功能电路组成。主电路多重化技术减少了单个电路中电感、电容的设计尺寸和重量，便于实际电路空间布置和生产制造。dsp数字芯片内部软件控制程序，采样输入输出端口的电压、电流值，并与设定恒流或恒功数值进行比较，进行数字化pid调整计算，控制pwm波形的占空比，控制主电路上igbt的开通与关断，达到恒流或者恒功充电控制目标。dc-dc电源模块（3）内部控制电路通过数字信号电路和485通讯控制电路与系统控制模块（5）联接，将dc-dc电源模块（3）信息反馈给系统控制模块（5），并接受系统控制模块（5）的控制。

超级电容模组（4）由多节超级电容单体串联组成，并且自带电压均衡控制电路。超级电容的安全性、使用寿命、功率密度和低温充放电性能良好，是新型机车无电区自走行电源装置的理想电功率输出部件。

系统控制模块（5）的控制电路采用基于dsp数字控制芯片的模拟量采样、数字信号控制、pwm控制、485通讯等功能电路。系统控制模块（5）通过模拟量采样电路、数字量控制电路、485通讯电路与dc-dc电源模块（1）、dc-dc电源模块（3）、dc-dc电源模块（6）、dc-ac电源模块（7）分别联接，对各模块执行控制，协调分配各模组、电池组和电容模组的充电、放电功能转换。系统控制模块（5）通过模拟量采样电路、数字量控制电路与钛酸锂电池组（2）、超级电容模组（4）的电压均衡控制板联接，接收电压均衡控制板的信号，执行异常情况的故障保护。

如图2所示,dc-dc电源模块（6）的内部结构和控制方式与dc-dc电源模块（3）基本相似。因为输出功率相比dc-dc电源模块（3）要大很多，所以dc-dc电源模块（6）的内部电器元件的选型与dc-dc电源模块（3）相比，技术参数要大很多。另外，dc-dc电源模块（6）内部设置有预充电电阻，可以对输出端的负载执行预充电。在dsp数字控制芯片内部软件程序控制下，每次开机启动时，优先执行预充电功能。dsp数字芯片内部软件控制程序，采样输入输出端口的电压、电流值，并与设定恒流或恒功数值进行比较，进行数字化pid调整计算，控制pwm波形的占空比，控制主电路上igbt的开通与关断，达到恒压输出控制目标。dc-dc电源模块（6）内部控制电路通过数字信号电路和485通讯控制电路与系统控制模块（5）联接，将dc-dc电源模块（6）信息反馈给系统控制模块（5），并接受系统控制模块（5）的控制。

如图3所示，dc-ac电源模块（7）的内部主电路为全桥逆变电路；内部控制电路，采用基于dsp数字控制芯片的模拟量采样、数字信号控制、spwm控制、485通讯等功能电路组成。在dsp数字控制芯片内部软件程序控制下，每次开机启动时，先执行软启动功能，可以对输出端的负载执行预充电。在dsp数字控制芯片内部软件程序控制下，采样得到输入、输出端口的电压值，与实际设定的恒压控制值比较，通过数字pid调节器子程序的运算，输出调整信号给spwm控制子程序。spwm控制子程序，控制spwm波形的占空比变化，改变主电路上igbt的开通与关断时间比，达到恒压输出控制目标。dc-ac电源模块（7）内部控制电路通过数字信号电路和485通讯控制电路与系统控制模块（5）联接，将dc-ac电源模块（7）信息反馈给系统控制模块（5），并接受系统控制模块（5）的控制。

如图4、5所示，新型机车无电区自走行电源装置通过机车库用转换开关（12）接入机车主电路，与机车主逆变器的直流支撑电路联接或机车辅助逆变器（13）联接。当机车库用转换开关合闸时，机车控制显示屏将切换到机车库用动车作业控制界面。在机车显示屏观察到直流支撑电路的电容预充到600vdc、700vdc或三相380vac以后，机车缓解，拨动方向手柄，把机车提速手柄拨动到1挡，机车主电路接触器合闸，机车主逆变器（11）获得电力并给机车牵引电机（12）供电，机车牵引电机（12）产生足够的启动力矩牵引机车，机车就可以1-5km/h的速度缓慢行驶。

本发明的用于新型机车无电区自走行电源装置的控制方法如下：

如图6所示，步骤一：新型机车无电区自走行电源装置启动运行时，系统控制模块（5）内系统程序运行，先预置k=10,并通过485通讯传递给dc-dc电源模块（1）。dc-dc电源模块（1）根据内部单片机控制程序运行。首先对接收到的k值进行判断；如果k=10，就继续往下运行；接着对模块主电路端口进行采样（vo、vi、io、ii）；如果dc-dc电源模块（1）主电路输出端口电压vo大于保护阀值v1，说明钛酸锂电池组（2）电量很足，不需要再充电，就设置k=20并执行过电压报警，返回k=10判断位置，充电停止；如果vo小于v1，就继续往下执行；如果vo小于v2，执行恒流充电pid控制程序，返回k=10判断位置，循环充电；如果vo等于或大于额定值v2，执行恒压充电pid控制程序；当充电电流io仍然大于i1时，返回k=10判断位置，继续循环充电；当充电电流io逐渐减少到小于i1时，预置k=20，返回k=10判断位置，充电停止。控制程序中预置k=20，通过通讯电路，经由系统控制模块（5）传递给dc-dc电源模块（3）。

步骤二：步骤一预置k=20，经由系统控制模块（5）通过485通讯传递给dc-dc电源模块（3）。dc-dc电源模块（3）内部dsp芯片控制程序，一直循环运行。首先对接收到的k值进行判断，如果k=20，就继续往下运行；控制程序，对模拟采样电路端口进行采样（vo、vi、io、ii）。如果dc-dc电源模块（3）主电路输入端口电压vi小于v3，说明钛酸锂电池组（2）电量不足，设置k=10，返回k=10判断位置，充电停止；如果vi大于v3，程序继续往下执行；如果dc-dc电源模块（3）主电路输出端口电压vo大于额定值v4，说明超级电容模组（4）已经充满，设置k=30，返回k=10判断位置，充电停止；如果vo小于v4，执行恒流充电pid控制程序，返回k=10判断位置，循环充电。控制程序中预置k=30，通过通讯电路，经由系统控制模块（5）传递给dc-dc电源模块（6）。

步骤三：步骤二预置k=30，经由系统控制模块（5）通过485通讯传递给后一级负载，后一级负载就可以控制超级电容模组（4）短时间输出大功率。后一级负载可以是机车主逆变器（11）、dc-dc电源模块（6）或dc-ac电源模块（7）。例如：后一级负载是dc-dc电源模块（6）。dc-dc电源模块（6）内部dsp芯片控制程序，一直循环运行。首先对接收到的k值进行判断，如果k=30，就继续往下运行；接着对模拟采样电路端口进行采样（vo、vi、io、ii）；如果电源模块主电路输入端口电压vi小于v5，说明超级电容模组（4）电量不足，设置k=20，返回k=10判断位置，放电停止；如果vi大于v5，执行恒压放电pid控制程序，返回k=10判断位置，循环运行。放电输出的电压，恒定vo=600或700vdc。控制程序中预置k=20，通过通讯电路，经由系统控制模块（5）传递给dc-dc电源模块（3）。如果后一级负载是dc-ac电源模块（7），逻辑控制与上面相同，但是放电输出的电压为三相380vac。

步骤二和步骤三可以同时执行。dc-dc电源模块（3）、（6）或者dc-ac电源模块（7）各自可以独立工作。当系统控制模块（5）根据485通讯地址分别发出k=20、k=30给予dc-dc电源模块（3）、dc-dc模块电源（6）或者dc-dc电源模块（3）、dc-ac电源模块（7）时，dc-dc电源模块（3）、dc-dc电源模块（6）或者dc-dc电源模块（3）、dc-ac电源模块（7）可以同时工作，相互独立。

步骤四：在新型机车无电区自走行电源装置中，系统控制模块（5）通过模拟量采样电路、数字信号控制电路和485通讯电路，与各模块的电气控制电路、通讯电路联接。系统控制模块（5），由485通讯电路，传递k=10、k=20、k=30或k=40给相应各模块，控制各模块的自动运行；也可以在系统控制模块（5）的人机界面上手动输入k值并通过485通讯电路传递给相应各模块，控制各模块的运行。