一种新型机车多功能电源装置的制作方法

本实用新型属于铁路机车技术领域，涉及到交流电力机车在无接触网线路短距离缓慢行驶时供电、机车无火回送时司乘人员生活供电的车载式机车电源装置。

背景技术：

机车日常整备和维修，可能需要登上车顶作业。为了保证登顶作业人员人身安全，在整备场和维修库房不允许架设高压接触网。交流电力机车，在整备场和维修库房的自身短距离行驶或移动就成为难题。

为了解决交流电力机车无接触网短距离行驶或移动问题，机车生产厂家和铁路行业技术人员提出了多种技术方案，制造了各种专用的机车牵车电源设备应用到实际生产作业中。这些牵车电源技术方案，还是存在有安全隐患、浪费人力、作业时间过长等不足。

hxn3和hxn5交流传动内燃机车，设置有车载式机车库内行驶供电装置。在不启动柴油发动机情况下，内燃机车由机车库内行驶供电装置给机车牵引电机供电，牵引机车在库房内慢速行驶。内燃机车这种清洁、安全和高效的库内移车技术方案，得到各机务段生产人员一致好评。

参照hxn3和hxn5交流传动内燃机车，研发适合交流电力机车库内短距离行驶和移动的供电装置，确保库内移车作业安全、高效和快捷完成，将具备良好发展前景。

为改善护送机车运输的司乘人员生活条件，需要研究开发机车无火回送供电装置。

铁路运营机车运行到规定的里程后要到机车厂大修，需要无火回送，按规定是要附挂在货物列车中运行到目的地，期间不允许升起受电弓获得电力。在我国北方的冬天，司机室内部温度一般在-10℃到-20℃之间，甚至达到-40℃；在我国南方的夏季，太阳的暴晒下，司机室内部温度一般在+45℃到+55℃之间。在这样的环境温度条件下，维修机车在跨局长时间运输过程中，机车上无法提供生活用电，护送机车运输的司乘人员生活条件十分艰苦，容易冻伤或中暑，甚至危害司乘人员的人身安全。

为了提高机车无火回送期间护送机车运输的司乘人员生活舒适度，保证司乘人员照明、通讯设备、烧水、做饭、取暖或空调用电，需要在机车上安装机车无火回送供电装置，提供直流110v、交流单相220v和三相380v电力。

交流电力机车执行标准化设计，安装设备的机械间空间有限，并且机车每个传动轴上的承重都有明确的技术要求。

为了改善交流电力机车无接触网短距离行驶或移动问题，为了解决机车无火回送时司乘人员的生活供电问题，可以分别开发出供电电源产品。但是，因为机车机械间安装空间有限和机车每根传动轴承重限值问题，两种供电电源产品很难同时安装在机车上。

技术实现要素：

本实用新型提供一种新型机车多功能电源装置，能够很好解决以上交流电力机车（单独车头）应用中存在的技术问题。

本实用新型的目的在于：设计一种新型机车多功能电源装置，内部电路从左至右或从右至左双向运行，既可以为交流电力机车无接触网短距离慢速行驶供电，也可以为交流电力机车无火回送供电。两种功能的供电电源共用一套系统，这样可以节省设备尺寸和重量，高效利用现有的交流电力机车机械间的安装空间。

尽可能优化双向运行直流电源模块的电路设计，选用高功率密度的电路拓扑和有利于电路空间布置的拓扑，做到直流电源模块体积小，重量轻。

采用高能量密度的钛酸锂电池组和高功率密度的超级电容模组，与双向dc电源模块（3）、双向dc电源模块（5）组合成复合蓄能电源。该复合蓄能电源是一个高能量密度和高功率密度兼顾的蓄能电源，可以双向工作，极大减少电源装置的体积和重量。

本实用新型提供一种新型机车多功能电源装置，是通过以下技术方案实现：

新型机车多功能电源装置，包括依次联接的双向dc电源模块（1）、钛酸锂电池组（2）、双向dc电源模块（3）、超级电容模组（4）、双向dc电源模块（5）和逆变电源模块（6）。所述双向dc电源模块（1）、双向dc电源模块（3）、双向dc电源模块（5）和逆变电源模块（6），各模块主电路采用可以双向运行的电路拓扑。电源装置主电路可以从左至右或从右至左两个方向运行。

新型机车多功能电源装置，所述双向dc电源模块（3）和双向dc电源模块（5），主电路采用boost+buck电路拓扑并实行多组boost+buck电路重联。

新型机车多功能电源装置，所述双向dc电源模块（3）和双向dc电源模块（5），主电路的左、右端设置有km1、km2接触器和ka3、ka4继电器。

新型机车多功能电源装置，钛酸锂电池组（2）、双向dc电源模块（3）、超级电容模组（4）和双向dc电源模块（5）依次联接，组合成一种新型复合蓄能电源。

新型机车多功能电源装置，还包括系统控制模块（7）；所述系统控制模块（7）与所述双向dc电源模块（1）、钛酸锂电池组（2）、双向dc电源模块（3）、超级电容模组（4）、双向dc电源模块（5）和逆变电源模块（6）的控制电路分别联接。

新型机车多功能电源装置，还包括逆变电源模块（8），所述的逆变电源模块（8）主电路输入端联接在双向dc电源模块（5）和逆变电源模块（6）之间。

新型机车多功能电源装置，还包括第一开关（13）、第二开关（14）、第三开关（15）、第四开关（16）、第五开关（17）和制动电阻（18），所述第一开关（13）与钛酸锂电池组（2）连接，所述第二开关（14）与超级电容模组（4）连接，所述第三开关（15）与机车蓄电池组（9）连接，所述第五开关（17）与制动电阻（18）连接，所述第四开关（16）与v4交流端口连接，所述制动电阻（18）经第五开关（17）与逆变电源模块（6）的交流输出端口相连。

本实用新型能够产生的有益效果：

内部电路从左至右或从右至左双向运行，可以给交流电力机车提供交、直流多种电源，满足机车在实际使用中多方面的需要。既可以为交流电力机车无接触网短距离慢速行驶供电，也可以为交流电力机车无火回送过程中给司乘人员提供生活用电。1套电源装置，具备多功能用途，节省安装空间和重量。

boost+buck电路，电路简单、元器件少，适合双向运行高功率密度直流电源设计。双向dc电源模块（3）和双向dc电源模块（5）采用boost+buck电路，可以缩小两个直流电源模块的设计空间尺寸和减轻重量，便于整个实用新型的小型化、轻量化设计。

更进一步，双向dc电源模块（3）和双向dc电源模块（5）采用了多组boost+buck电路重联方式，储能电感和滤波电容可以更小型化设计，有利于实际电路高密度布置、整个电源体积和重量进一步降低。在此基础上，采用移相pwm波触发技术，还可以明显提高电源电压技术性能。

双向dc电源模块（3）和双向dc电源模块（5），主电路的左、右端设置有km1、km2接触器和ka3、ka4继电器。在控制电路的控制下，km1、km2接触器和ka3、ka4继电器可以形成多种开关状态组合，满足电源模块双向运行时的左端或者右端预充电功能要求，减少主电路操作过电压、过电流的出现。

钛酸锂电池组（2）、双向dc电源模块（3）、超级电容模组（4）和双向dc电源模块（5）依次联接，组合成一种新型复合蓄能电源。该复合蓄能电源是一个高能量密度和高功率密度兼顾的蓄能电源，可以双向工作，极大减少电源装置内部蓄能电池组的体积和重量。

这种新型复合蓄能电源，可以从电路右端输出高电压值的超大电功率和中小电功率，也可以从电路的左端输出低电压值的超大电功率和中小电功率。这种功率输出模式，与机车在无接触网线路短距离慢速行驶的负载特性相一致。超级电容模组提供交流电力机车启动行驶时所需要的短时间超大电功率，钛酸锂电池组提供交流电力机车启动后持续行驶所需要的持续中小电功率。

通过机车无火回送时的有序供电控制，提升了供电可靠性，延长了储能装置的寿命，有效防止过载情况的发生，保证了用电安全。

附图说明

图1为本实用新型实施的新型机车多功能电源装置电路原理图。

图2为本实用新型实施的新型机车多功能电源装置另一种电路原理图。

图3为本实用新型实施的新型机车多功能电源装置另一种电路原理图。

图4为本实用新型直接为机车牵引电机供电电路接线图。本实用新型的直流端v1与机车蓄电池组联接，本实用新型的交流端v3与机车牵引电机联接。

图5为本实用新型直接为“交-直-交”型电力机车库用电路供电电路接线图。本实用新型的直流端v1与机车蓄电池组联接，本实用新型的交流端v3与机车库用电路联接。

图6为本实用新型直接为“交-直”型电力机车库用电路供电电路接线图。本实用新型的直流端v1与机车蓄电池组（9）联接，本实用新型的直流端v2与机车库用电路联接。

图7为本实用新型执行机车无火回送供电电路接线图。本实用新型的直流端v1与机车蓄电池组（9）联接，本实用新型的交流端v3与机车牵引电机（10）联接，本实用新型的生活供电输出端v4与机车辅助电路联接。

图8为本实用新型中双向dc电源模块（3）和双向dc电源模块（5）的内部主电路图。

图例说明：1—双向dc电源模块（1），2—钛酸锂电池组（2），3—双向dc电源模块（3），4—超级电容模组（4），5—双向dc电源模块（5），6—逆变电源模块（6），7—系统控制模块（7），8—逆变电源模块（8），9—机车蓄电池组（9），10—机车牵引电机（10），11—“交-直-交”型电力机车主辅逆变电路（11），12—“交-直”型电力机车主逆变电路（12），13—第一开关（13），14—第二开关（14），15—第三开关（15），16—第四开关（16），17—第五开关（17），18—制动电阻（18）。

具体实施方式

为了使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

双向dc电源模块（1）、双向dc电源模块（3）、双向dc电源模块（5）和逆变电源模块（6）采用可以双向运行的电路拓扑。其中双向dc电源模块（1），可以采用左右端电气隔离型或非隔离型的双向运行电路拓扑。

如说明书附图8所示，双向dc电源模块（3）和双向dc电源模块（5），主电路采用boost+buck电路拓扑并实行多组boost+buck电路重联，主电路的左、右端设置有km1、km2接触器和ka3、ka4继电器。控制电路采用基于dsp数字控制芯片的全数字式控制电路。

boost电路为升压电路拓扑。双向dc电源模块从左向右运行时，作为boost电路运行，左端低压直流电传送到右端时电压升高。闭合ka3继电器，经由r2充电电阻，给内部电路上的电容甚至后面的负载电路电容完成预充电。由控制电路发出的移相触发pwm信号，经过igbt驱动电路，驱动下桥臂igbt开通运行。蓄能电感l在下桥臂的igbt开通时蓄能，在下桥臂的igbt关断后经过上桥臂igbt的并联二极管向后面电路高压放电。

buck电路为降压电路拓扑。双向dc电源模块从右向左运行时，作为buck电路运行，右端高压直流电传送到左端时电压降低。闭合ka4继电器，经由r3充电电阻，给内部电路上的电容完成预充电。由控制电路发出的移相触发pwm信号，经过igbt驱动电路，驱动上桥臂igbt开通运行。

多组boost+buck电路重联时，采用移相pwm信号触发，分别驱动第1路igbt、第2路igbt和第n路igbt。n组pwm信号相差360°/n的电角度。移相pwm信号触发，相当于在一个igbt开通周期时间内igbt实际开通了n次，也就是类似igbt开关频率提高到n倍，便于储能电感和输入、输出电容尺寸减小、重量减少，有利于高密度、小型化和轻量化设计。

逆变电源模块（6），主电路采用三相全桥逆变电路，控制电路采用基于dsp数字控制芯片的全数字式控制电路。逆变电源模块（6）从左至右运行，可以把直流电逆变成三相变频率交流电，给右侧联接的机车牵引电机提供激磁。当机车牵引电机处于制动发电工况时，机车牵引电机发出的交流电能电压高于激磁电源电压，机车牵引电机向左侧联接的逆变电源模块（6）供电。逆变电源模块（6）的三相全桥逆变电路转换为三相全桥整流电路，由右向左输出高压的直流电力。

钛酸锂电池组由单体式钛酸锂电池串联组成，电池组安装有简易的充电管理系统，监测每个单体电池的端电压和整个电池组的温度。当某个单体电池充电时端电压高出预先设定值或电池组温度超出设定值，充电管理系统向系统控制模块（7）发送报警信号。

超级电容模组由单体式超级电容串联组成，电容模组安装有简易的充电管理系统，监测每个单体电容的端电压和整个电容模组的温度。当某个单体超级电容充电时端电压高出预先设定值或电容模组温度超出设定值，充电管理系统向系统控制模块（7）发送报警信号。

充电蓄能：

如说明书附图2所示，双向dc电源模块（1）、钛酸锂电池组（2）、双向dc电源模块（3）、超级电容模组（4）、双向dc电源模块（5）和逆变电源模块（6）主电路依次联接，控制电路与系统控制模块（7）联结。v1端口可以与机车蓄电池组（9）或机车110v控制电路联接。在系统控制模块（7）的控制下，双向dc电源模块（1）和双向dc电源模块（3）从左向右运行，双向dc电源模块（5）和逆变电源模块（6）停机。机车蓄电池组（9）或机车110v控制电路给钛酸锂电池组（2）和超级电容模组（4）充电。

机车蓄电池组（9）或机车110v控制电路的电压范围为直流77v-143v，钛酸锂电池组（2）的电压可能是50v、100v或150v，超级电容模组（4）的电压范围是180v-360v。复合蓄能电源充电过程中，双向dc电源模块（1）可能工作在直流降压或升压变换模式，双向dc电源模块（3）工作在直流升压变换模式。

当钛酸锂电池组（2）和超级电容模组（4）的电压值升高到预先设定的充电电压阀值时，充电自动停止。为了不影响机车110v控制电路正常使用，由机车蓄电池组（9）或机车110v控制电路提供的充电电流控制在3-5a之间，输出功率为300w-500w。

直接为机车牵引电机供电，牵引交流电力机车行驶：

如说明书附图4所示，机车多功能电源装置的v1直流端与机车蓄电池组（9）联接、v3交流端与机车牵引电机联接。在系统控制模块（7）的控制下，双向dc电源模块（1）、双向dc电源模块（3）、双向dc电源模块（5）和逆变电源模块（6）从左向右运行。超级电容模组（4）和钛酸锂电池组（2）释放的直流电能，被双向dc电源模块（5）升高到540-750v，经由逆变电源模块（6）逆变成三相交流380v电能，供给机车牵引电机。

超级电容模组（4）提供交流电力机车启动时机车牵引电机所需要的30kw-50kw超大电功率。机车牵引电机短时间输出15-25kn的启动转矩，启动交流电力机车在轨道上行驶。钛酸锂电池组继续提供3kw-7kw中小电功率给机车牵引电机。机车牵引电机牵引交流电力机车在轨道上慢速持续行驶。

为“交-直-交”型交流电力机车主辅逆变器供电，间接为机车牵引电机供电，牵引交流电力机车行驶：

如说明书附图5所示，经由逆变电源模块（6）逆变成三相交流380v电能，还可以供给“交-直-交”型交流电力机车主辅逆变器。经过机车主辅逆变器变流后，再供给机车牵引电机，牵引交流电力机车行驶。

采用这种电路联接方式，不需要对现有“交-直-交”型交流电力机车的主电路进行修改，可以在司机室操控司控器手柄直接驾驶机车行驶。

为“交-直”型交流电力机车主逆变器供电，间接为机车牵引电机供电，牵引交流电力机车行驶：

如说明书附图6所示，本实用新型实施例的v2端口与“交-直”型交流电力机车的库用电路联接。经由双向dc电源模块（5）输出540-750v电能，供给“交-直”型交流电力机车主逆变器。经过机车主逆变器变流后，再供给机车牵引电机，牵引交流电力机车行驶。

采用这种电路联接方式，不需要对现有“交-直”型交流电力机车的主电路进行修改，可以在司机室操控司控器手柄直接驾驶机车行驶。

机车无火回送供电：

如说明书附图7所示，本实用新型实施例的v1直流端与机车蓄电池组（9）联接、v3交流端与机车牵引电机联接，逆变电源模块（8）主电路输入端联接在双向dc电源模块（5）和逆变电源模块（6）之间。第一开关（13）与钛酸锂电池（2）连接，用于控制钛酸锂电池组（2）回路通断，第二开关（14）与超级电容模组（4）连接，用于控制超级电容模组（4）回路通断，第三开关（15）与机车蓄电池组（9）连接，用于控制机车蓄电池组（9）回路通断，第五开关（17）与制动电阻（18）连接，用于控制制动电阻（18）回路通断，第四开关（16）与v4交流端口连接，用于控制v4交流端口回路通断。

在系统控制模块（7）的控制下，双向dc电源模块（1）、双向dc电源模块（3）、双向dc电源模块（5）和逆变电源模块（6）从左向右运行。经由双向dc电源模块（5）输出540-750v电能，再由逆变电源模块（6）逆变成交流电供给机车牵引电机激磁。

机车牵引电机（10）为三相笼型异步电动机。在交流电力机车处于无火回送工况下，获得激磁的机车牵引电机将作为发电机运行，发出的电能回送到逆变电源模块（6）。逆变电源模块（6）将运行在整流模式，把机车牵引电机发出的交流电能整流成直流电能，并把直流电能向右回送到v2端口。v2端口两侧，双向dc电源模块（5）主电路右端可设置大容量滤波电容，逆变电源模块（6）主电路左端可设置大容量滤波电容，该两组电容可作为v2端口的直流回路支撑电容，承担功率解耦作用。此直流电能，可以经过双向dc电源模块（5）降压、双向dc电源模块（3）降压和双向dc电源模块（1）升压（或降压）给机车蓄电池组（9）充电。此直流电能，也可以经过逆变电源模块（8）逆变成三相380v或单相220v电能，为司乘人员提供生活用电。

在交流电力机车处于无火回送工况下，检测牵引电机发电功率p，蓄电池组（9）的最大充电功率为p1，钛酸锂电池组（2）的最大充电功率为p2，超级电容模组（4）的最大充电功率为p3，v4交流端输出功率为p4，当p>p1+p2+p3+p4时，同时闭合第一开关（13）、第二开关（14）、第三开关（15）、第四开关（16）和第五开关（17），由制动电阻（18）消耗多余电能，防止电源装置烧毁；当p2+p3+p4<p<p1+p2+p3+p4时，同时闭合第一开关（13）、第二开关（14）和第四开关（16），断开第三开关（15）和第五开关（17），优先为钛酸锂电池组（2）、超级电容模组（4）和v4交流端供电，提升电源装置的续航能力；当p4<p<p2+p3+p4时，检测钛酸锂电池组（2）的已放电量q1和超级电容模组（4）的已放电量q2，当q1>q2时，闭合第一开关（13）和第四开关（16），断开第二开关（14）、第三开关（15）和第五开关（17），先为钛酸锂电池组（2）充电，并实时检测检测钛酸锂电池（2）的已放电量q1和超级电容模组（4）的已放电量q2，直至q1等于q2时，闭合第二开关（14），同时为钛酸锂电池组（2）和超级电容模组（4）充电；当q1<q2时，闭合第二开关（14）和第四开关（16），断开第一开关（13）、第三开关（15）和第五开关（17），先为超级电容模组（4）充电，并实时检测检测钛酸锂电池（2）的已放电量q1和超级电容模组（4）的已放电量q2，直至q1等于q2时，闭合第二开关（13），同时为钛酸锂电池组（2）和超级电容模组（4）充电；当p<p4时，闭合第一开关（16），断开第一开关（13）、第二开关（14）、第三开关（15）和第五开关（17），优先供应生活用电。

例如：当交流电力机车处于无火回送工况下，牵引电机发电功率p=25kw，蓄电池组（9）的最大充电功率为p1=2kw，钛酸锂电池组（2）的最大充电功率为p2=4kw，超级电容模组（4）的最大充电功率为p3=4kw，v4交流端输出功率为p4=10kw，此时p1+p2+p3+p4=20kw，仍有5kw无法消纳，将其反馈至电源装置必定导致电源装置内部元件的超载运行，导致事故的发生，而通过闭合第五开关（17）而投入制动电阻（18），可以有效消纳多余电能，保证用电安全；如果牵引电机发电功率p=15kw，优先为v4交流端供电10kw，保证司乘人员舒适用电，剩余5kw，则结合钛酸锂电池组（2）和超级电容模组（4）的已放电量，安排充电。例如：当钛酸锂电池（2）的容量为1.8度电，已放电量为0.8度电，剩余电量为1度电，超级电容模组（4）的容量为0.8度电，已放电量为0.3度电，剩余电量为0.5度电时，先闭合第一开关（13）为钛酸锂电池组（2）充电，直至钛酸锂电池组（2）的剩余电量为1.5度电，即已放电量为0.3度电时，闭合第二开关（14），同时为钛酸锂电池组（2）和超级电容模组（4）充电。这样可以保证储能装置同时完成充电，防止某些储能装置没有充满，而另一些储能装置发生过充情况的发生，导致电池寿命和充电效率降低。

本实用新型不限于所公开的实施例和附图，旨在覆盖落入本实用新型精神和保护范围的各种变化和变形。