电力机车的能源系统控制方法及相应的电力机车与流程

1.本公开涉及电力机车技术领域，尤其涉及一种电力机车的能源系统控制方法及相应的电力机车。


背景技术：

2.为了创建安全智慧高效绿色的一流铁路运输，减少人工成本，提高运输效率，电-电双源制(电网+动力电池)绿色智能化的新型电力机车应运而生。由于电-电双源制电力机车应用环境的特殊性,对电力机车能源系统(动力电池)的控制方式提出了更高的要求,更加注重动力电池使用的可靠性、高效性和安全性。在现有技术中，动力电池在所需电量相同的情况下，需要牵引变流器的充电机数量多，造成了动力电池匹配空间浪费的问题。
3.基于此，现有技术仍然亟待改进。


技术实现要素：

4.本公开所要解决的一个技术问题是：通过使用一个充电机为并联的两个动力电池组充放电，解决了充电机数量多造成动力电池匹配空间浪费的问题。
5.为解决上述技术问题，本公开实施例提供了一种电力机车的能源系统控制方法，能源系统包括充电机和并联的两个动力电池组，充电机为两个动力电池组进行充放电，控制方法包括：
6.设置两个动力电池组的电压差阈值；
7.充电工况：当两个动力电池组的电压差大于电压差阈值时，充电机为低电压的动力电池组充电，当两个动力电池组的电压差小于电压差阈值时，充电机同时为两个动力电池组充电；
8.放电工况：当两个动力电池组的电压差大于电压差阈值时，高电压的动力电池组进行放电，当两组动力电池组的电压差小于电压差阈值时，两个动力电池组同时放电。
9.进一步地，电压差阈值为9v。
10.进一步地，每个动力电池组的充放电回路上设置有用于控制动力电池组充放电的接触器组，接触器组包括充电接触器、第一工作接触器和第二工作接触器，第一工作接触器和第二工作接触器与动力电池组串联，充电接触器与第一工作接触器并联。
11.进一步地，充电工况下接触器的控制步骤为：
12.步骤1：闭合充电接触器和第二工作接触器，动力电池组为电力机车牵引变流器的支撑电容及中间回路充电；
13.步骤2：牵引变流器的支撑电容及中间回路充电完成后，闭合第一工作接触器；
14.步骤3：充电机降压为动力电池组充电。
15.进一步地，放电工况下接触器组的控制步骤为：
16.步骤1：闭合充电接触器和第二工作接触器，动力电池组为电力机车牵引变流器的支撑电容充电；
17.步骤2：牵引变流器的支撑电容充电完成后，闭合第一工作接触器；
18.步骤3：动力电池组放电，充电机升压。
19.进一步地，每个动力电池组的充放电回路上串联有斩波器。
20.进一步地，斩波器为双桥臂斩波器，双桥臂斩波器的两个电抗器为并联。
21.进一步地，双桥臂斩波器的相位差为180度。
22.进一步地，动力电池组的soc校准方式采用自动校准。
23.另一方面，本公开还提供了一种电力机车，包括利用上述的电力机车的能源系统控制方法对电力机车的能源系统进行控制。
24.根据上述技术方案，本公开提供的一种电力机车的能源系统控制方法及相应的电力机车，通过使用一个充电机为并联的两个动力电池组充放电，解决了充电机数量多造成动力电池匹配空间浪费的问题；通过在动力电池的充放电回路中配置双桥臂斩波器，降低充放电电流的纹波；通过动力电池soc的校准方法采用自动校准方式，避免了由于soc累计偏差过大，动力电池的实际电量无法可靠发挥而影响机车使用的问题；通过动力电池组使电力机车在过分相区时，维持了辅机和机车牵引力的正常输出，保证了电力机车运行的平稳性。
附图说明
25.为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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的附图。
26.图1是本公开实施例公开的动力电池组系统示意图；
27.图2是本公开实施例公开的接触器组闭合的时序图；
28.图3是本公开实施例公开的动力电池组soc满充校准流程图；
29.图4是本公开实施例公开的电制能量控制逻辑图；
30.图5是本公开实施例公开的电抗器相位差控制图；
31.图6是本公开实施例公开的过分相不断电控制时序图；
32.图7是本公开实施例公开的动力电池模式下电力机车自动换端流程图。
具体实施方式
33.下面结合附图和实施例对本公开的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本公开的原理，但不能用来限制本公开的范围，本公开可以以许多不同的形式实现，不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
34.本公开提供这些实施例是为了使本公开透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本公开的范围。应注意到：除非另外具体说明，这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、材料的组分、数字表达式和数值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。
35.需要说明的是，在本公开的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是大于或等于两个；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系仅是为了便于描述本
公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
36.此外，本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“垂直”并不是严格意义上的垂直，而是在误差允许范围之内。“平行”并不是严格意义上的平行，而是在误差允许范围之内。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。
37.还需要说明的是，在本公开的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。当描述到特定器件位于第一器件和第二器件之间时，在该特定器件与第一器件或第二器件之间可以存在居间器件，也可以不存在居间器件。
38.本公开使用的所有术语与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。
39.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
40.本发明公开了一种电力机车的能源系统控制方法，如图1所示，能源系统包括充电机和并联的两个动力电池组，充电机为两个动力电池组进行充放电，控制方法包括：
41.设置两个动力电池组的电压差阈值；
42.充电工况：当两个动力电池组的电压差大于电压差阈值时，充电机为低电压的动力电池组充电，当两个动力电池组的电压差小于电压差阈值时，充电机同时为两个动力电池组充电；
43.放电工况：当两个动力电池组的电压差大于电压差阈值时，高电压的动力电池组进行放电，当两组动力电池组的电压差小于电压差阈值时，两个动力电池组同时放电。
44.本技术方案根据动力电池组的性能与特点，通过对两台并联的动力电池组进行电压差控制，并根据工况与电压差依次投入相应的动力电池组，并将两台并联的动力电池间的环流控制在动力电池允许的环流范围内，充分发挥了动力电池组的充放电性能，即实现了节约空间的目的，也保证了动力电池组的充放电性能。
45.本技术方案可在电力机车过分相区进行不断电控制，具体地，牵引控制单元收到过分相信号后，首先进行供电方式的转换控制，转换完成后牵引控制单元会向tcms发送允许断主断信号，tcms收到该信号以后断开主断路器，当网压变低，牵引变流器向tcms发送允许合主断信号，tcms检测到网压恢复后再次闭合主断，牵引变流器检测到主断路器闭合后，再次进行供电方式的转换控制，恢复由架线进行供电的方式。转换的时序图如图6所示。另外，整个转换过程种可以实现辅助系统不断电过分相，减少辅助设备的启停次数，有利于降低辅助设备的动作次数损耗，提高系统运行的稳定性。
46.具体地，在动力电池组模式下，可对两个动力电池组进行换端控制，按动自动换端按钮500ms以上，自动换端指示灯点亮，信息提示显示换端开始。拔掉本端电钥匙，在3分钟内把电钥匙插到另一端或者再插入本端。显示器上显示换端结束。如果3分钟内未插入电钥匙，则显示换端失败。该自动换端功能可以不用停止电力机车的辅助变流器情况下换端。简化司机操作步骤。保证机车在动力电池组模式下，换端时负载持续正常工作。电力机车自动换端流程如图7所示。
47.具体地，为了保证动力电池组能够完全吸收机车产生的电制能量，由牵引逆变器根据回路电压对电力机车的再生制动进行控制，控制逻辑图如图4所示。逆变器控制部分程序根据回路电压指令与反馈的回路的实际电压值进行运算，计算出逆变器控制中需要补偿的量，对逆变器门极控制进行补偿。补偿采取多种补偿同时进行方式，通过优化来避免出现因为补偿而造成牵引力波动和回路电压的波动的情况，保障牵引系统稳定运行。
48.进一步地，电压差阈值设置为9v。在充电工况下，当两个动力电池组电压差9v以上时，低电压的动力电池组充电许可；电压差9v以内时，两个动力电池组同时充电许可。在放电工况下，电压差9v以上时，高电压的动力电池组放电许可；电压差9v以内时，两个动力电池组同时放电许可。另外当任意一个动力电池组发生故障故障时，另一个动力电池组的许可将无视电压差，可自行启动。
49.进一步地，每个动力电池组的充放电回路上设置有用于控制动力电池组充放电的接触器组，接触器组包括充电接触器、第一工作接触器和第二工作接触器，第一工作接触器和第二工作接触器与动力电池组串联，充电接触器与第一工作接触器并联。如图1所示，chk1和chk 2为充电接触器，blb11和blb 21为第一工作接触器，blb12和blb 22为第二工作接触器。
50.进一步地，充电工况下接触器的控制步骤为：
51.步骤1：动力电池组启动时，首先由tcu发出启动指令，闭合充电接触器chk1、chk 2和第二工作接触器blb12和blb 22，动力电池组为电力机车牵引变流器的支撑电容及中间回路充电；充电机充放电回路与电力机车牵引变流器中间直流回路电压逐渐上升。
52.步骤2：根据电力机车牵引中间直流回路电压与动力电池电压，tcu判断电力机车牵引变流器的支撑电容充电完成后，tcu会发出启动指令，闭合第一工作接触器blb11、blb 21。
53.步骤3：随着中间回路电压上升，充电机进行降压动作向动力电池组充电。
54.进一步地，放电工况下接触器组的控制步骤为：
55.执行上述步骤1和步骤2后，充电机进行升压动作，由动力电池组向牵引变流器的中间直流回路放电。
56.具体地，接触器组闭合的时序图见图2。
57.另外，当动力电池组出现故障时，充电接触器chk1、chk 2、第一工作接触器blb11、blb 21和第二工作接触器blb12和blb 22根据tcu指令断开。
58.进一步地，如图1所示，每个动力电池组的充放电回路上串联有斩波器。为了减小电抗器的体积与重量，并且降低充放电电流的纹波，优选地，充电机采用了双桥臂斩波，电抗器采用两并联方式，双桥臂的斩波器设置180
°
的相位差，两支路并联后，两支路的纹波波峰和波谷降相互抵消，总纹波近似于0。样对于电抗器的电感量要求可以降低，电抗的尺寸
可以减小。总纹波近似于0的情况下，对于动力电池的温升控制也非常有利。
59.具体地，电抗器相位差控制如图5所示。
60.进一步地，动力电池组的soc校准方式采用自动校准，据动力电池组使用的频繁程序，间隔一定时间周期后进行一次校准。动力电池组系统可以把校准完成的时间点存储下来，系统上电时读取上一次的校准时间点并和当前时间进行比较，如果时间间隔超过校准周期就启动自动校准，减低设备的维护成本。具体地，动力电池组soc满充校准流程如图3所示。
61.另外，本公开还提供了一种电力机车，包括利用上述的电力机车的能源系统控制方法对电力机车的能源系统进行控制。
62.至此，已经详细描述了本公开的各实施例。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。
63.虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本公开的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改或者对部分技术特征进行等同替换。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。

技术特征：
1.一种电力机车的能源系统控制方法，其特征在于，所述能源系统包括充电机和并联的两个动力电池组，所述充电机为两个所述动力电池组进行充放电，所述控制方法包括：设置两个所述动力电池组的电压差阈值；充电工况：当两个所述动力电池组的电压差大于所述电压差阈值时，所述充电机为低电压的所述动力电池组充电，当两个所述动力电池组的电压差小于所述电压差阈值时，所述充电机同时为两个所述动力电池组充电；放电工况：当两个所述动力电池组的电压差大于所述电压差阈值时，高电压的所述动力电池组进行放电，当两组所述动力电池组的电压差小于所述电压差阈值时，两个所述动力电池组同时放电。2.根据权利要求1所述的电力机车的能源系统控制方法，其特征在于，所述电压差阈值为9v。3.根据权利要求1所述的电力机车的能源系统控制方法，其特征在于，每个所述动力电池组的充放电回路上设置有用于控制所述动力电池组充放电的接触器组，所述接触器组包括充电接触器、第一工作接触器和第二工作接触器，所述第一工作接触器和所述第二工作接触器与所述动力电池组串联，所述充电接触器与所述第一工作接触器并联。4.根据权利要求3所述的电力机车的能源系统控制方法，其特征在于，所述充电工况下所述接触器的控制步骤为：步骤1：闭合所述充电接触器和所述第二工作接触器，所述动力电池组为电力机车牵引变流器的支撑电容及中间回路充电；步骤2：牵引变流器的支撑电容及中间回路充电完成后，闭合所述第一工作接触器；步骤3：所述充电机降压为所述动力电池组充电。5.根据权利要求3所述的电力机车的能源系统控制方法，其特征在于，所述放电工况下接触器组的控制步骤为：步骤1：闭合所述充电接触器和所述第二工作接触器，所述动力电池组为电力机车牵引变流器的支撑电容充电；步骤2：牵引变流器的支撑电容充电完成后，闭合所述第一工作接触器；步骤3：所述动力电池组放电，所述充电机升压。6.根据权利要求3所述的电力机车的能源系统控制方法，其特征在于，每个所述动力电池组的充放电回路上串联有斩波器。7.根据权利要求6所述的电力机车的能源系统控制方法，其特征在于，所述斩波器为双桥臂斩波器，所述双桥臂斩波器的两个电抗器为并联。8.根据权利要求7所述的电力机车的能源系统控制方法，其特征在于，所述双桥臂斩波器的相位差为180度。9.根据权利要求1所述的电力机车的能源系统控制方法，其特征在于，所述动力电池组的soc校准方式采用自动校准。10.一种电力机车，其特征在于，包括利用权利1-9任意一项所述的电力机车的能源系统控制方法对所述电力机车的能源系统进行控制。

技术总结
本公开提供了一种电力机车的能源系统控制方法及相应的电力机车，能源系统包括充电机和并联的两个动力电池组，充电机为两个动力电池组进行充放电，控制方法包括：设置两个动力电池组的电压差阈值；充电工况：当两个动力电池组的电压差大于电压差阈值时，充电机为低电压的动力电池组充电，当两个动力电池组的电压差小于电压差阈值时，充电机同时为两个动力电池组充电；放电工况：当两个动力电池组的电压差大于电压差阈值时，高电压的动力电池组进行放电，当两组动力电池组的电压差小于电压差阈值时，两个动力电池组同时放电。通过使用一个充电机为并联的两个动力电池组充电，解决了充电机数量多造成动力电池匹配空间浪费的问题。电机数量多造成动力电池匹配空间浪费的问题。电机数量多造成动力电池匹配空间浪费的问题。


技术研发人员：侯强 隋锡征 余丹 田光兴 张阳 徐天立 张亮亮 刘卓洋 陶红杰 王莹
受保护的技术使用者：中车大连机车车辆有限公司
技术研发日：2022.10.12
技术公布日：2023/1/2