一种铁路货车自供电装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及铁路机车车辆电气设备领域，尤其是涉及一种应用于铁路货车车辆的自供电装置及方法，用于解决货车自动化、智能化所需的电子监控与保护等车载设备的供电需求。
【背景技术】
[0002]铁路是国家重要的基础性设施，国民经济的大动脉，交通运输体系的骨干，具有运量大、成本低、节能环保等优势。近年来，随着我国经济的快速发展，铁路运输业取得了令人瞩目的成效。在客运方面，高速铁路和动车组取得巨大的发展飞跃，尤其是动车组，由于每节车厢都有供电系统作电源，电子监测与保护等车载设备在自动化、智能化方面得到很大的提升，确保了动车组运行的安全可靠，提高了乘坐的舒适度。而在货运方面，“和谐型”交流传动电力机车正逐步取代“韶山”系列直流传动电力机车，货物列车的速度和运量正在逐步提升。由于货物列车与旅客列车在车辆结构、运用维护体制上存在较大差别，目前在铁路货车上尚未设计常规的供电系统，因此无法安装电子监测与保护等车载设备，严重制约了铁路重载及提速货车安全运行性能的提高。
[0003]长期的运营经验表明，采用电子监控与保护等车载设备，如电子防滑器，是提高铁路货车运行安全的有效手段。因此，亟待发明一种应用可靠且便于安装的铁路货车自供电装置，用于满足货车自动化、智能化所需的电子监控与保护等车载设备的供电需求。
[0004]目前，针对上述技术问题，有的学者提出采用振动发电装置方案解决车载设备供电问题。该方案原理为，当货车运行时车辆上会产生多种振动，通过将振动产生的能量转化为电能来为车载电子装置供电。该振动发电装置主要包括滚珠丝杆、行星齿轮、离合器轴承和发电机等。然而，此类装置结构十分复杂、安装不便，能量转化存在较大的困难，因此在工程上较难实现。也有学者提出采用气动马达发电方案，该方案主要包括气动马达和发电机，气动马达由车辆制动缸排放的气体驱动，发电机与马达之间依靠轴承传递能量。但该装置只有在列车制动或缓解时才能发出电来，且其输出的电能十分有限，因此实用性也不强。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，本发明的目的在于提供一种铁路货车自供电装置及方法，结构简单、环境适应性强、电气性能好、可靠性高、维护检修方便，能够将车轴能量部分转化为电能并储存，以满足货车自动化、智能化所需的电子监控与保护等车载设备的供电需求。
[0006]为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种铁路货车自供电装置的技术实现方案，铁路货车自供电装置，包括：传动单元、直流发电单元、储能单元、控制单元和电压变换单元。
[0007]所述传动单元将来自于车轴的机械能传递至所述直流发电单元；
[0008]所述直流发电单元将所述传动单元传递的机械能转化为交流电能，并将交流电能转换为直流电能后输出至所述储能单元；
[0009]所述储能单元在所述控制单元的控制下进行充电和停止充电，并向所述电压变换单元输出直流电压；
[0010]所述控制单元根据所述储能单元输出的直流电压，对所述储能单元进行充电控制;
[0011]所述电压变换单元将所述储能单元输出的直流电压变换为所述控制单元和货车电子设备所需的直流电压。
[0012]优选的，所述直流发电单元进一步包括发电机、整流器和调节器，所述发电机采用他励异步发电机。所述发电机产生的交流电通过所述整流器整流成直流电并输出至所述储能单元。所述调节器分别与所述整流器，以及所述发电机的励磁线圈相连，所述调节器根据所述整流器输出的直流电压调整所述励磁线圈的励磁电流，从而使所述整流器输出的直流电压保持恒定。
[0013]优选的，所述直流发电单元进一步包括发电机和可控整流器，所述发电机采用永磁同步发电机。所述发电机与所述可控整流器相连，所述可控整流器采用基于可关断器件的PWM脉冲整流电路，通过调节所述可关断器件门极脉冲的占空比使所述可控整流器输出稳定的直流电压。
[0014]优选的，所述储能单元进一步包括第一开关和蓄电池，所述第一开关与所述蓄电池相连，所述蓄电池并联在所述电压变换单元的输入端。所述第一开关的开/合状态由所述控制单元通过检测所述蓄电池的输出电压进行控制，当所述蓄电池的输出电压低于第一电压设定值时，所述控制单元控制所述第一开关闭合，所述直流发电单元向所述蓄电池充电。当所述蓄电池的输出电压达到第二电压设定值时，所述控制单元控制所述第一开关断开，从而使所述蓄电池停止充电。
[0015]优选的，所述储能单元还包括与所述蓄电池并联的电容。
[0016]优选的，所述装置还包括温控单元，温控单元分别与所述直流发电单元、控制单元相连。所述直流发电单元为所述温控单元提供工作电源，所述温控单元将温度信号传送至所述控制单元，所述控制单元对温度信号进行处理后对所述温控单元进行散热或加热控制。
[0017]优选的，所述温控单元包括散热器、加热器、温度传感器、第二开关和第三开关。所述第二开关与所述散热器相连，所述第三开关与所述加热器相连。所述铁路货车自供电装置设置在密封箱中，所述温度传感器检测所述密封箱内的温度并将温度信号传送至所述控制单元，所述控制单元根据温度信号进行判别。当所述密封箱内的温度低于第一温度设定值时，所述控制单元控制所述第三开关闭合，启动所述加热器。当所述密封箱内的温度高于第二温度设定值时，所述控制单元控制所述第二开关闭合，启动所述散热器。当所述密封箱内的温度高于第一温度设定值而低于第二温度设定值时，所述散热器和所述加热器均不工作。
[0018]优选的，所述铁路货车自供电装置包括两个以上由所述传动单元、直流发电单元、储能单元、控制单元和电压变换单元组成的模块，每节铁路货车上均独立设置有所述模块，每个模块的传动单元均与本节铁路货车的车轴相连。
[0019]本发明还另外具体提供了一种基于上述铁路货车自供电装置实现的铁路货车自供电方法的技术实现方案，铁路货车自供电方法，包括以下步骤:
[0020]S101:传动单元将来自于车轴的机械能传递至直流发电单元；
[0021]S102:直流发电单元将所述传动单元传递的机械能转化为交流电能，并将交流电能转换为直流电能后输出至储能单元；
[0022]S103:控制单元根据储能单元输出的直流电压对所述储能单元进行充电控制，储能单元在所述控制单元的控制下进行充电和停止充电，并向所述电压变换单元输出直流电压；
[0023]S104:电压变换单元将所述储能单元输出的直流电压变换为所述控制单元和货车电子设备所需的直流电压。
[0024]优选的，当所述直流发电单元的发电机采用他励异步发电机时，所述直流发电单元进一步包括整流器和调节器，所述步骤S102进一步包括以下过程:
[0025]所述发电机产生的交流电通过所述整流器整流成直流电并输出至所述储能单元。所述调节器根据所述整流器输出的直流电压调整所述发电机的励磁线圈的励磁电流，从而使所述整流器输出的直流电压保持恒定。
[0026]当所述直流发电单元的发电机采用永磁同步发电机时，所述直流发电单元进一步包括可控整流器，所述步骤S102进一步包括以下过程:
[0027]所述可控整流器采用基于可关断器件的PWM脉冲整流电路，根据所述可控整流器输出的直流电压调节所述可关断器件门极脉冲的占空比，使得所述可控整流器输出稳定的直流电压。
[0028]优选的，所述储能单元进一步包括第一开关和蓄电池，所述步骤S103进一步包括以下过程:
[0029]当所述蓄电池的输出电压低于第一电压设定值时，所述控制单元控制所述第一开关闭合，所述直流发电单元向所述蓄电池充电。当所述蓄电池的输出电压达到第二电压设定值时，所述控制单元控制所述第一开关断开，从而使所述蓄电池停止充电。
[0030]优选