一种轨道牵引车辆的能源控制系统及轨道牵引车辆的制作方法

本实用新型涉及轨道牵引车辆电气控制技术领域，特别涉及一种轨道牵引车辆的能源控制系统及轨道牵引车辆。

背景技术：

随着经济的快速发展，国家对环保的要求也越来越重视，以汽油为能源的轨道牵引车辆也正在逐步被以电能为能源的轨道牵引车辆所代替。

现有的以电能为能源的轨道牵引车辆，采用启动电池提供驱动整车的大电流和作业电流。由于启动电池的充电时间较长而在作业间隙无法快速完成充电，同时，其放电时间又较短，所以，只有提前准备多组充满电的启动电池，并配以专门用于更换启动电池的工作人员，才能以多组充满电的启动电池进行接力供电的方式达到保证轨道牵引车辆连续作业的目的。如此，由于需要频繁更换启动电池，不仅使得轨道牵引车辆的作业更加复杂而影响作业效率，而且也因为需要配置专门的工作人员增加了较多的人力成本。另外，启动电池的使用寿命较短，使得轨道牵引车辆的维护成本也相对较高。

因此，如何降低轨道牵引车辆作业时的人力成本、提升轨道牵引车辆的作业效率和降低轨道牵引车辆的维护成本是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种轨道牵引车辆的能源控制系统及轨道牵引车辆，能够降低轨道牵引车辆作业时的人力成本、提升轨道牵引车辆的作业效率和降低轨道牵引车辆的维护成本。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供的一种轨道牵引车辆的能源控制系统，包括：

超级电容；蓄电池；分别与所述轨道牵引车辆的电机驱动电路和所述超级电容连接的第一双向功率变换器；分别与所述电机驱动电路和所述蓄电池连接的第二双向功率变换器；和分别与所述超级电容、所述蓄电池、所述第一双向功率变换器、所述第二双向功率变换器和所述电机驱动电路连接，用于控制所述超级电容和/或所述蓄电池的充放电状态和所述电机驱动电路的工作状态的控制主板。

优选地，还包括：分别与所述第一双向功率变换器、第二双向功率变换器和所述控制主板连接的充电功率变换器；

当为所述轨道牵引车辆充电时，所述充电功率变换器的充电接口与充电电源连接。

优选地，还包括：稳流器；

则对应的，所述充电功率变换器通过所述稳流器分别与所述第一双向功率变换器和所述第二双向功率变换器连接。

优选地，还包括：用于保护所述轨道牵引车辆的电机的第一保护电路；

则对应的，所述电机驱动电路通过所述第一保护电路分别与所述第一双向功率变换器和所述第二双向功率变换器连接，所述第一保护电路通过所述稳流器与所述充电功率变换器连接。

优选地，还包括：用于保护所述超级电容的第二保护电路；

则对应的，所述超级电容通过所述第二保护电路与所述第一双向功率变换器连接。

优选地，还包括：用于保护所述蓄电池的第三保护电路；

则对应的，所述蓄电池通过所述第三保护电路与所述第二双向功率变换器连接。

优选地，还包括：与所述控制主板连接的显示仪表。

优选地，还包括：与所述控制主板连接的声音报警器。

优选地，所述蓄电池具体为锂电池。

为了解决上述技术问题，本实用新型还提供的一种轨道牵引车辆，包括轨道牵引车辆本体，还包括上述任一种轨道牵引车辆的能源控制系统。

本实用新型提供的轨道牵引车辆的能源控制系统，控制主板可以通过第一双向功率变换器控制超级电容作为主电源为轨道牵引车辆提供驱动整车的大电流和作业电流，并且，由于超级电容的充电时间短，所以当主控制板监控到超级电容储电不足时，可以在作业间隙利用第一双向功率变换器快速完成充电以满足轨道牵引车辆连续作业的要求，提升作业效率，也无需配置专门的工作人员，可以降低人力成本。同时，超级电容的使用寿命较长，使用超级电容作为主电源可以减少蓄电池的放电量，延长蓄电池的使用寿命，从而可以进一步降低轨道牵引车辆的维护成本。另外，如果直到超级电容的储电耗尽也未能及时为超级电容进行充电，而控制主板又监控到蓄电池有储电，则可以通过与自身连接的第二双向功率变换器控制蓄电池暂时继续为轨道牵引车辆供电，而避免作业中断影响作业效率，直至到作业间隙，再利用第一双向功率变换器和第二双向功率变换器分别为超级电容和蓄电池进行充电。此外，本实用新型还提供了一种轨道牵引车辆，效果如上。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种轨道牵引车辆的能源控制系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的另一种轨道牵引车辆的能源控制系统的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的一种轨道牵引车辆的能源控制系统的电路示意图；

图4为本实用新型实施例提供的一种轨道牵引车辆的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护范围。

本实用新型的目的是提供一种轨道牵引车辆的能源控制系统及轨道牵引车辆，能够降低轨道牵引车辆作业时的人力成本、提升轨道牵引车辆的作业效率和降低轨道牵引车辆的维护成本。

为了使本领域的技术人员更好的理解本实用新型技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

图1为本实用新型实施例提供的一种轨道牵引车辆的能源控制系统的结构示意图。如图1所示，本实施例提供的轨道牵引车辆的能源控制系统包括：

超级电容10；蓄电池11；分别与轨道牵引车辆的电机驱动电路12和超级电容10连接的第一双向功率变换器13；分别与电机驱动电路12和蓄电池11连接的第二双向功率变换器14；和分别与超级电容10、蓄电池11、第一双向功率变换器13、第二双向功率变换器14和电机驱动电路12连接，用于控制超级电容10和/或蓄电池11的充放电状态和电机驱动电路14的工作状态的控制主板15。

超级电容10和蓄电池11均用于为轨道牵引车辆提供电能。其中，超级电容10具有足够大的充电电流和放电电流，以至于可以快速完成充电(如充电几秒到几分钟约可以持续供电30分钟左右)和为轨道牵引车辆提供驱动整车的大电流；同时，超级电容10的充放电次数可以达到数十万次(如50万次)，具有较长的使用寿命。蓄电池11虽然充放电电流较小、无法快速完成充电(如锂电池充电8-10小时约可以持续供电30分钟左右)且充放电次数最多只能达到数千次(如普通铅酸蓄电池约800次、锂电池约2000次)，但是，其可以长时间储电，所以，蓄电池11与超级电容10搭配使用时，蓄电池11可以作为轨道牵引车辆的备用电源，超级电容10可以作为轨道牵引车辆的主电源，以此实现超级电容10和蓄电池11的优势进行互补，使得轨道牵引车辆的供电模块同时具有较大的充放电电流和较长的使用寿命，既能快速完成充电、实现大电流放电，在避免增加人工成本的同时，满足轨道牵引车辆的连续作业要求，提升作业效率，又能降低轨道牵引车辆的维护成本。

第一双向功率变换器13分别与超级电容10、电机驱动电路12和控制主板15连接，当接收到控制主板15的放电控制信号时，可以将超级电容10的输出电压转化为电机驱动电路12驱动电机所需要的电压，以驱动电机使轨道牵引车辆进行作业；当接收到控制主板15的充电控制信号时，第一双向功率变换器13可以将充电电源的输入电压转化为超级电容10进行快速充电时所需要的充电电压，以对超级电容10进行充电。同理，第二双向功率变换器14分别与蓄电池11、电机驱动电路12和控制主板15连接，当接收到控制主板15的放电控制信号时，可以将蓄电池11的输出电压转为电机驱动电路12驱动电机所需要的电压，以驱动电机时轨道牵引车辆进行作业；当接收到控制主板15的充电控制信号时，第二双向功率变换器14可以将充电电源的输入电压转化为蓄电池11进行充电时所需要的充电电压，以对蓄电池11进行充电。其中，第一双向功率变换器13的具体选型可以根据具体的电机功率、超级电容10的输出功率和期望超级电容10的充电时间长短确定，本实用新型对于第一双向功率变换器13的具体选型不作限定；第二双向功率变换器14的具体选型可以根据具体的电机功率、蓄电池11的输出功率和期望蓄电池11的充电时间长短确定，本实用新型对于第二双向功率变换器14的具体选型不作限定。当然，可以理解的是，除了选用现有的双向功率变换器作为第一双向功率变换器13和第二双向功率变换器14外，还可以参照现有双向功率变换器的原理和制作方法，根据具体的电机功率、超级电容10的输出功率、蓄电池11的输出功率、期望超级电容10的充电时间长短和期望蓄电池11的充电时间长短具体制作第一双向功率变换器13和第二双向功率变换器14。由于现有双向功率变换器的原理和制作方法为本领域的技术人员所熟知，本实用新型不再赘述。

在轨道牵引车辆的工作过程中，将超级电容10作为主电源和将蓄电池11作为备用电源为轨道牵引车辆供电主要指下述两种情况：一、由超级电容10独立放电，经第一双向功率变换器13为轨道牵引车辆提供驱动整车的大电流和作业电流，只有当超级电容10耗尽时，才控制蓄电池11放电，经第二双向功率变换器14为轨道牵引车辆提供作业电流；二、由超级电容10独立放电，经第一双向功率变换器13为轨道牵引车辆提供驱动整车的大电流，在轨道牵引车辆整车启动后，由超级电容10和蓄电池11同时放电，经第一双向功率变换器13和第二双向功率变换器14为轨道牵引车辆提供作业电流。上述两种情况，均可以为轨道牵引车辆进行大电流供电以驱动征程，也均可以利用超级电容10减少蓄电池11的放电量，从而可以减少蓄电池11的充放电次数，延长蓄电池11的使用寿命，从而使得轨道牵引车辆的供电模块的整体使用寿命得以延长，可以进一步降低轨道牵引车辆的维护成本。

在轨道牵引车辆的充电过程中，将超级电容10作为主电源和将蓄电池11作为备用电源为轨道牵引车辆供电主要指下述两种情况：一、将充电机提供的电源经第一双向功率变换器13和第二双向功率变换器14分别为超级电容10和蓄电池11进行先后充电；二、将充电机提供的电源经第一双向功率变换器13和第二双向功率变换器14为超级电容10和蓄电池11进行同时充电。上述两种情况，均可以在轨道牵引车辆的作业间隙为超级电容10及时进行充电，以满足轨道牵引车辆连续作业的需求，提升作业效率。同时，充电时，只需要将轨道牵引车辆与充电机连接即可，充电过程简单，也无需配置专门的工作人员，可以节约人力成本。其中，充电机的输出功率需要与第一双向功率变换器13和第二双向功率变换器14相匹配，其具体选型应根据实际应用场景确定，也可以参照现有充电机的原理和制作方法，根据第一双向功率变换器13和第二双向功率变换器14的相关参数进行具体制作，由于现有充电机的原理和制作方法为本领域技术人员所熟知，本实用新型不作限定。

综上所述，本实施例提供的轨道牵引车辆的能源控制系统，控制主板可以通过第一双向功率变换器控制超级电容作为主电源为轨道牵引车辆提供驱动整车的大电流和作业电流，并且，由于超级电容的充电时间短，所以当主控制板监控到超级电容储电不足时，可以在作业间隙利用第一双向功率变换器快速完成充电以满足轨道牵引车辆连续作业的要求，提升作业效率，也无需配置专门的工作人员，可以降低人力成本。同时，超级电容的使用寿命较长，使用超级电容作为主电源可以减少蓄电池的放电量，延长蓄电池的使用寿命，从而可以进一步降低轨道牵引车辆的维护成本。另外，如果直到超级电容的储电耗尽也未能及时为超级电容进行充电，而控制主板又监控到蓄电池有储电，则可以通过与自身连接的第二双向功率变换器控制蓄电池暂时继续为轨道牵引车辆供电，而避免作业中断影响作业效率，直至到作业间隙，再利用第一双向功率变换器和第二双向功率变换器分别为超级电容和蓄电池进行充电。

图2为本实用新型实施例提供的另一种轨道牵引车辆的能源控制系统的结构示意图。如图2所示，为了便于为轨道牵引车辆充电，基于上述实施例，作为一种优选的实施方式，轨道牵引车辆的能源控制系统还包括：分别与第一双向功率变换器13、第二双向功率变换器14和控制主板15连接的充电功率变换器20；

当为轨道牵引车辆充电时，充电功率变换器20的充电接口与充电电源连接。

在本实施例中，增设了充电功率变换器20，相当于将充电机集成在了能源控制系统内，可以无需再单独配置配套的充电机便可以为轨道牵引车辆充电，能够进一步提升为轨道牵引车辆充电的便捷性。另外，为了进一提升为轨道牵引车辆充电的便捷性，优选采用充电接口为380V交流电的充电接口的充电功率变换器20，以将市电直接作为充电电源。

为了增强充电电流的稳定性，基于上述实施例。作为一种优选的实施方式，轨道牵引车辆的能源控制系统还包括：稳流器；

则对应的，充电功率变换器20通过稳流器分别与第一双向功率变换器13和第二双向功率变换器14连接。

在具体实施中，可能会由于充电电源的电压波动或轨道牵引车辆在充电过程中同时作业而导致充电功率变换器20的输出电流不稳，进而影响超级电容10和/或蓄电池11的充电过程，甚至缩短超级电容10和/或蓄电池11的使用寿命，因此，在本实施例中，增设了稳流器，使充电功率变换器20通过稳流器分别与第一双向功率变换器13和第二双向功率变换器14连接，以维持输入第一双向功率变换器13和第二双向功率变换器14的电流的稳定性。

为了防止轨道牵引车辆的电机被损坏，基于上述实施例，作为一种优选的实施方式，轨道牵引车辆的能源控制系统还包括：用于保护轨道牵引车辆的电机的第一保护电路；

则对应的，电机驱动电路12通过第一保护电路分别与第一双向功率变换器13和第二双向功率变换器14连接，第一保护电路通过稳流器与充电功率变换器20连接。

在本实施例中，增设了用于保护电机的第一保护电路，且电机驱动电路12通过第一保护电路分别与第一双向功率变换器13和第二双向功率变换器14连接，第一保护电路通过稳流器与充电功率变换器20连接。如此，不论是电机堵转、需要同时工作的多个电机中的部分电机故障、还是驱动电机的电流过大，均可以通过控制第一保护电路22的工作状态以及时切断电机驱动电路12与超级电容10、蓄电池11和充电电源之间的连接，以保护电机不被损坏。

为了防止超级电容10过度充电或过度放电，基于上述实施例，作为一种优选的实施方式，轨道牵引车辆的能源控制系统还包括：用于保护超级电容10的第二保护电路；

则对应的，超级电容10通过第二保护电路与第一双向功率变换器13连接。

如果超级电容10过度充电或过度放电，会缩短超级电容10的使用寿命，因此，在本实施例中，增设了用于保护超级电容10的第二保护电路，以在超级电容10过度充电或过度放电时，切断超级电容10与第一双向功率变换器13的连接，达到保护超级电容10的目的。

为了防止蓄电池11过度充电或过度放电，基于上述实施例，作为一种优选的实施方式，轨道牵引车辆的能源控制系统还包括：用于保护蓄电池11的第三保护电路；

则对应的，蓄电池11通过第三保护电路与第二双向功率变换器14连接。

如果蓄电池11过度充电或过度放电，会缩短蓄电池11的使用寿命，因此，在本实施例中，增设了用于保护蓄电池11的第三保护电路，以在蓄电池11过度充电或过度放电时，切断蓄电池11与第二双向功率变换器14连接，达到保护蓄电池11的目的。

需要说明的是，在实际应用中，超级电容10是否过度充电或过渡放电、蓄电池11是否过度充电或过度放电及电流是否堵转，均可以通过对应的线路电流大小确定，因此，可以通过保险丝或断路器等元器件组成第一保护电路、第二保护电路和第三保护电路，其具体实现可以参照现有技术中用于保护电机的保护电路和用于防止电池过度充电和过度放电的保护电路，为本领域技术人员所熟知，且考虑到第一保护电路、第二保护电路和第三保护电路的电路本身并不是本实用新型的主要发明点，所以，本实用新型不再赘述。

为了进一步提升作业效率，基于上述实施例，作为一种优选的实施方式，轨道牵引车辆的能源控制系统还包括：与控制主板15连接的显示仪表。

在本实施例中，增设了与控制主板15连接的显示仪表，可以显示能源控制系统的工作状态以便用户实时查看，从而使得用户可以根据能源控制系统的工作状态进行作业，以进一步提升作业效率。

为了进一步提升用户体验，基于上述实施例，作为一种优选的实施方式，轨道牵引车辆的能源控制系统还包括：与控制主板15连接的声音报警器。

当控制主板15监控到超级电容10和/或蓄电池11的储电不足时，可以通过声音报警器提示用户为轨道牵引车辆及时充电，以避免影响正常作业，可以提升用户体验。

为了使轨道牵引车辆的能源控制系统能够具有更长的使用寿命和更稳定的性能，基于上述实施例，作为一种优选的实施方式蓄电池11具体为锂电池。

相较于其它蓄电池而言，锂电池的充放电次数更多，其使用寿命更长，且性能也更加稳定，因此，选用锂电池作为蓄电池11不仅可以优化轨道牵引车辆的能源控制系统的性能，还可以进一步延长轨道牵引车辆的能源控制系统的使用寿命。

为了使本领域的技术人员能够更好地理解本实用新型提供的技术方案，下面结合轨道牵引车辆的能源控制系统的电路示意图对轨道牵引车辆的能源控制系统进行详细说明。

图3为本实用新型实施例提供的一种轨道牵引车辆的能源控制系统的电路示意图。如图3所示，控制主板15的电容组状态接口与超级电容10连接以监控超级电容10的储电状态；控制主板15的电池组状态接口与蓄电池11连接以监控蓄电池11的储电状态；控制主板15的48V电源接口通过第四保护电路30与蓄电池11的输出端连接以获取电能供应维持自身工作；控制主板15的变换器控制接口分别与第一双向功率变换器13、第二双向功率变换器14和充电器功率变换器20连接以控制第一双向功率变换器13、第二双向功率变换器14和充电功率变换器20的工作状态；控制主板15的电机控制端口与电机驱动芯片31(代表电机驱动电路12)连接以控制电机驱动芯片31的工作状态；控制主板15的显示屏端口与显示仪表32连接以控制显示仪表32的工作状态及显示内容。超级电容10的正极通过第二保护电路33与第一双向功率变换器13的IN+端连接，超级电容10的负极与第一双向功率变换器13的IN-端连接。蓄电池11的正极通过第三保护电路34与第二双向功率变换器14的IN+端连接，蓄电池11的负极与第二双向功率变换器14的IN-端连接。充电功率变换器20的充电接口(A相电输入端A、B相电输入端B、C相电输入端C及零线接入端N)接入380V交流电AC380。第一双向功率变换器13的OUT+端和第二双向功率变换器14的OUT+端均通过第一保护电路35与电机驱动芯片31的+AT端连接，第一双向功率变换器13的OUT-端和第二双向功率变换器14的OUT-端均与电机驱动芯片31的-AT端连接。电机驱动芯片31的三相接线端(U、V、W)分别与电机36的三相接线端(U、V、W)连接。充电功率变换器20的OUT+端通过第五保护电路37(相当于上文提到的稳流器)分别与第一双向功率变换器13的OUT+端和第二双向功率变换器14的OUT+端连接，充电功率变换器20的OUT-端分别与第一双向功率变换器13的OUT-端和第二双向功率变换器14的OUT-端连接。

控制主板15的变换器控制接口与第一双向功率变换器13连接具体为：控制主板15的变换器控制接口分别与第一双向功率变换器13的RS485A端、RS485B端、RGND端、+12V端、ENB端和GND端连接。控制主板15的变换器控制接口与第二双向功率变换器14连接具体为：控制主板15的变换器控制接口分别于第二双向功率变换器14的RS485A端、RS485B端、RGND端、+12V端、ENB端和GND端连接。控制主板15的变换器控制接口与充电器功率变换器20连接具体为：控制主板15的变换器控制接口分别与RS485A端、RS485B端、RGND端、+12V端、ENB端和GND端连接。控制主板15的变换器控制接口与电机驱动芯片31连接具体为：控制主板15的变换器控制接口分别与电机驱动芯片31的CW端、CCW端、BRAKE端、DA端、ER端和GND端连接。

在本实施例中，第四保护电路30用于保护控制主板15，防止蓄电池11为控制主板15提供的电压或电流过大而损坏控制主板15的情况发生。

上文对本实用新型提供的轨道牵引车辆的能源控制系统进行了详细描述，本实用新型还提供了一种轨道牵引车辆，包括上述任一实施例所提供的轨道牵引车辆的能源控制系统，且轨道牵引车辆部分的实施例与轨道牵引车辆的能源控制系统部分的实施例相互照应，因此，轨道牵引车辆部分的实施例可以参考轨道牵引车辆的能源控制系统部分的实施例的描述，对于相同的部分，下文不再赘述。

图4为本实用新型实施例提供的一种轨道牵引车辆的结构示意图。如图4所示，本实施例提供的轨道牵引车辆40包括轨道牵引车辆本体400，还包括上述任一种轨道牵引车辆的能源控制系统401。

由于本实施例提供的轨道牵引车辆包括上述任一种轨道牵引车辆的能源控制系统，所以，本实施例提供的轨道牵引车辆具有同上述任一种轨道牵引车辆的能源控制系统相同的有益效果，本实用新型不再赘述。

以上对本实用新型所提供的一种轨道牵引车辆的能源控制系统及轨道牵引车辆进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或者操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列的要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。