一种轨道交通用无网自走行储能及高频辅助变流系统的制作方法

[0001]
本实用新型涉及轨道交通供电技术、变流技术以及储能技术的交叉领域，特别是一种轨道交通用无网自走行储能及高频辅助变流系统。


背景技术：

[0002]
轨道交通用无网自走行系统是将轨道交通供电以及变流技术与钛酸锂电池储能技术结合起来，形成独立的系统安装在城轨及动车的车辆底部，当车辆正常的受电失败，车辆控制投入无网自走行储能及高频辅助变流系统实现车辆的无网自走行。
[0003]
地铁、动车等轨道交通以运量大、速度快、安全、环保、节约能源等特点，被认为是最绿色的交通方式。由于运量大，开车间隔低，车辆的供电系统就显的尤为重要。目前大部分地铁车辆的运行主要依靠接触网或第三轨外部供电，而当外部供电电源故障时，车辆只能等待救援。然而每年都会有地铁线路因外部供电电源故障所引起的运营中断的案例，平时人流量较大的地铁站，会聚集不少等车的乘客，对公共交通的正常运营造成不良影响。因此各城市基于车载储能装置运营列车在外部供电瘫痪的紧急情况下能够实现车辆无网自走行的需求越来越紧迫。然而轨道交通车辆用车载储能蓄电池一般为铅酸和镉镍电池，而这些电池存在寿命短、不环保、存在记忆效应、维护困难等特点。所以发明一种安全可靠又环保的无网自走行储能及高频辅助变流系统就很有必要了。
[0004]
本实用新型经过各种试验验证，在试验验证的各种情况下都不会发生爆炸和火灾，绝对安全可靠。
[0005]
本实用新型可实现车辆的无网自走行，并且循环寿命在10000次以上。


技术实现要素：

[0006]
针对现有技术中存在的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种轨道交通用无网自走行储能及高频辅助变流系统。将无网自走行储能及高频辅助变流系统布置在轨道交通车辆底部，将电能经过处理转换后储存在钛酸锂材料的电池包中，系统包含与轨道交通车辆的对接接口，可根据需要提供电能。该实用新型旨在为轨道交通车辆提供无网自走行供电电源。
[0007]
为达到以上目的，本实用新型采取的技术方案是：
[0008]
一种轨道交通用无网自走行储能及高频辅助变流系统，包括：钛酸锂电池组一1、正极熔断器2、电压传感器3、绝缘检测模块4、电流传感器5、正极接触器6、牵引供电输出接口7、高频辅助变流器8、dc1500v电源输入接口9、负极熔断器10、负极接触器11、手动维修开关12、bms电池管理系统13、通讯及控制接口14、预充接触器15、预充电阻16、ac380v输出接口17、dc110v非永久母线输出接口18、单向dc/dc变流器19、dc110v永久母线输出接口20和钛酸锂电池组二21；
[0009]
所述钛酸锂电池组一1的正极与正极熔断器2的一端连接；正极熔断器2的另一端分别与电压传感器3的一端、绝缘检测模块4的正极监测接口和电流传感器5的一端连接；电
流传感器5的另一端分别与正极接触器6的一端和预充接触器15的一端连接；预充接触器15的另一端与预充电阻16的一端连接；正极接触器6的另一端与预充电阻16的另一端连接后分别与牵引供电输出接口7、高频辅助变流器8一端的正极和单向dc/dc变流器19一端的正极连接；高频辅助变流器8的另一端与dc1500v电源输入接口9连接，高频辅助变流器8还分别与ac380v输出接口17和dc110v非永久母线输出接口18连接，高频辅助变流器8还分别与单向dc/dc变流器19和通讯及控制接口14连接后与bms电池管理系统13连接；
[0010]
所述钛酸锂电池组二17的负极与负极熔断器10的一端连接；负极熔断器10的另一端分别与负极接触器11的一端、电压传感器3的另一端和绝缘检测模块4的负极监测接口连接；负极接触器11的另一端分别与牵引供电输出接口7、高频辅助变流器8一端的负极和单向dc/dc变流器19一端的负极连接；所述单向dc/dc变流器19的另一端与dc110v永久母线输出接口20连接，所述钛酸锂电池组一1的负极与钛酸锂电池组二21的正极之间通过手动维修开关12连接；所述bms电池管理系统13还分别与电压传感器3、绝缘检测模块4、电流传感器5、正极接触器6、负极接触器11、预充接触器15和钛酸锂电池组二21连接；
[0011]
所述钛酸锂电池组一1和钛酸锂电池组二21用于储存电能，并将电能通过牵引供电输出接口7对轨道交通车辆的牵引系统供电；将储存的电能经高频辅助变流器8的dc/ac逆变为ac380v电源为轨道交通车辆牵引风机及应急通风等负载供电；
[0012]
所述钛酸锂电池组一1和钛酸锂电池组二21还用于将储存的电能经高频辅助变流器8的dc/dc变换为dc110v电源为轨道交通车辆辅助负载供电；
[0013]
所述钛酸锂电池组一1和钛酸锂电池组二21还用于将储存的电能经单向dc/dc变流器19和dc110v永久母线输出接口20为轨道交通车辆dc110v永久负载供电；
[0014]
所述正极熔断器2用于对无网自走行储能及高频辅助变流系统的回路进行过载和短路保护；
[0015]
所述电压传感器3用于对钛酸锂电池组一1的正极电压、钛酸锂电池组二21的负极电压进行采样、处理，然后将电压信号传给bms电池管理系统13，bms电池管理系统13用于将接收到的电压信号进行分析监控，然后进行故障判断和预警；
[0016]
所述绝缘监测模块4用于对钛酸锂电池组一1的正极、钛酸锂电池组二21的负极对地间的绝缘状态进行监控，如果绝缘监测值不符合上电要求，bms电池管理系统13则断开正极接触器6和负极接触器11；
[0017]
所述电流传感器5用于对钛酸锂电池组一1和钛酸锂电池组二21的充放电电流进行采样、处理，然后将电流信号传给bms电池管理系统13，bms电池管理系统13用于对接收到的电流信号进行监控记录，然后进行故障判断及预警；
[0018]
所述正极接触器6和负极接触器11用于对无网自走行储能及高频辅助变流系统进行上下电控制，bms电池管理系统13用于控制正极接触器6和负极接触器11的闭合和断开，从而实现无网自走行储能及高频辅助变流系统的上下电控制；
[0019]
所述牵引供电输出接口7用于与轨道交通车辆的牵引系统相连，从而使无网自走行储能及高频辅助变流系统储存的电能通过牵引供电输出接口7向轨道交通车辆的牵引系统供电；
[0020]
所述高频辅助变流器8采用高频变换形式，包括直流模块和逆变模块，直流模块和逆变模块之间为中间直流模块，直流模块输入侧与dc1500v电源输入接口9连接，用于将输
入电压经谐振逆变器和高频整流为dc700v电压，给逆变模块供电；逆变模块经pwm调制、滤波后输出稳定的三相ac380v电源通过ac380v输出接口17为轨道交通车辆ac380v牵引风机及应急通风设备供电；
[0021]
正极接触器6直接接入高频辅助变流器8的中间直流模块，当轨道交通车辆网压正常时，钛酸锂电池组一1和钛酸锂电池组二21馈电或需要充电时，所述bms电池管理系统13通过通讯及控制接口14请求充电，高频辅助变流器8将dc1500v电源作为输入，输出直流电源为钛酸锂电池组一1和钛酸锂电池组二21充电；当轨道交通车辆网压正常时，所述高频辅助变流器8还用于将dc1500v输入电源经逆变整流后输出ac380v电源和dc110v电源，向轨道交通车辆的ac380v负载和dc110v负载供电；当轨道交通车辆网压不正常时，所述高频辅助变流器8还用于将储存在钛酸锂电池组一1和钛酸锂电池组二21中的电能通过逆变模块为车辆ac380v负载供电；
[0022]
所述dc1500v电源输入接口9作为无网自走行储能及高频辅助变流系统与轨道交通车辆dc1500v直流母线的接口，当轨道交通车辆需要为钛酸锂电池组一1和钛酸锂电池组二21充电时，轨道交通车辆通过dc1500v电源输入接口9向钛酸锂电池组一1和钛酸锂电池组二21充电；
[0023]
所述负极熔断器10用于对无网自走行储能及高频辅助变流系统的回路进行过载和短路保护；
[0024]
所述手动维修开关12用于对无网自走行储能及高频辅助变流系统进行检修时，有效断开钛酸锂电池组一1与钛酸锂电池组二21之间的电路，保证检修人员的安全；
[0025]
所述bms电池管理系统13用于监控钛酸锂电池组一1和钛酸锂电池组二21的状态，保证钛酸锂电池组一1和钛酸锂电池组二21处于健康工作状态，并根据钛酸锂电池组一1和钛酸锂电池组二21的状态控制预充接触器15、正极接触器6和负极接触器11的闭合和断开，并对预充接触器15、正极接触器6、负极接触器11、高频辅助变流器8以及单向dc/dc变流器19的状态进行监控；用于通过通讯及控制接口14与轨道交通车辆tcms进行通讯，实时上报无网自走行储能及高频辅助变流系统状态，并按照充电策略给钛酸锂电池组一1和钛酸锂电池组二21充电；用于通过通讯及控制接口14对无网自走行储能及高频辅助变流系统进行监控和诊断；用于接收电流传感器5发送的电流信号和电压传感器3发送的电压信号，对电流、电压信号进行分析处理，判断是否按照bms电池管理系统13请求的电流和电压进行充放电，如果电流和电压数据超过了bms电池管理系统13请求的保护限值，bms电池管理系统13会进行保护，要求降流或降压，甚至切断正极接触器6和负极接触器11；
[0026]
所述通讯及控制接口14用于与轨道交通车辆tcms的通讯接口相连，进行数据传输和控制；
[0027]
所述预充接触器15和预充电阻16用于为高频辅助变流器8直流侧的滤波电容进行预充电；
[0028]
所述ac380v输出接口17用于为轨道交通车辆ac380v负载供电；
[0029]
所述dc110v非永久母线输出接口18用于为轨道交通车辆dc110v负载供电；
[0030]
所述单向dc/dc变流器19用于将储存在钛酸锂电池组一1和钛酸锂电池组二21中的电能变换为dc110v电源，为轨道交通车辆永久负载供电；
[0031]
所述dc110v永久母线输出接口20为无网自走行储能及高频辅助变流系统与轨道
交通车辆dc110v永久母线的接口。
[0032]
在上述方案的基础上，所述钛酸锂电池组一1和钛酸锂电池组二21兼具功率特性和能量特性，更适用于车辆安装空间有限，又要求增加无网自走行功能的场合。
[0033]
在上述方案的基础上，所述高频辅助变流器8为钛酸锂电池组一1和钛酸锂电池组二21充电的方式为恒流阶梯降流充电，所述bms电池管理系统13发送充电方式、充电电流及电压值，高频辅助变流器8按照bms电池管理系统13请求指令进行充电。
[0034]
在上述方案的基础上，所述预充接触器15和预充电阻16能够为高频辅助变流器8进行预充电，避免钛酸锂电池组一1和钛酸锂电池组二21上电时引起冲击电流。
[0035]
在上述方案的基础上，所述手动维修开关12起到隔离电源，并分割电压的作用。
[0036]
在上述方案的基础上，所述的钛酸锂电池组一1和钛酸锂电池组二21直接给轨道交通车辆的牵引系统供电，不需要通过dc/dc升压变换，节约硬件成本。
[0037]
在上述方案的基础上，所述无网自走行储能及高频辅助变流系统所需dc110v控制电源来自于钛酸锂电池组一1和钛酸锂电池组二21，通过单向dc/dc变流器19变换为dc110v电源供无网自走行储能及高频辅助变流系统控制用电，而不需要从轨道交通车辆取电。
[0038]
本实用新型所述技术方案可以实现轨道交通车辆的无网自走行，电池采用钛酸锂电池，并配置了电池管理系统(bms)，bms能实时监控蓄电池储能系统状态。不仅增加了供电的可靠性，还增强了车辆的安全性。系统还集成了高频辅助变流器，集成度较高。本实用新型适用于多种轨道交通车辆，安全又可靠。
附图说明
[0039]
本实用新型有如下附图：
[0040]
图1本实用新型的结构图。
具体实施方式
[0041]
以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。
[0042]
如图1所示，本实用新型提供的一种轨道交通用无网自走行储能及高频辅助变流系统，包括：钛酸锂电池组一1、正极熔断器2、电压传感器3、绝缘检测模块4、电流传感器5、正极接触器6、牵引供电输出接口7、高频辅助变流器8、dc1500v电源输入接口9、负极熔断器10、负极接触器11、手动维修开关12、bms电池管理系统13、通讯及控制接口14、预充接触器15、预充电阻16、ac380v输出接口17、dc110v非永久母线输出接口18、单向dc/dc变流器19、dc110v永久母线输出接口20和钛酸锂电池组二21；
[0043]
所述钛酸锂电池组一1的正极与正极熔断器2的一端连接；正极熔断器2的另一端分别与电压传感器3的一端、绝缘检测模块4的正极监测接口和电流传感器5的一端连接；电流传感器5的另一端分别与正极接触器6的一端和预充接触器15的一端连接；预充接触器15的另一端与预充电阻16的一端连接；正极接触器6的另一端与预充电阻16的另一端连接后分别与牵引供电输出接口7、高频辅助变流器8一端的正极和单向dc/dc变流器19一端的正极连接；高频辅助变流器8的另一端与dc1500v电源输入接口9连接，高频辅助变流器8还分别与ac380v输出接口17和dc110v非永久母线输出接口18连接，高频辅助变流器8还分别与单向dc/dc变流器19和通讯及控制接口14连接后与bms电池管理系统13连接；
[0044]
所述钛酸锂电池组二17的负极与负极熔断器10的一端连接；负极熔断器10的另一端分别与负极接触器11的一端、电压传感器3的另一端和绝缘检测模块4的负极监测接口连接；负极接触器11的另一端分别与牵引供电输出接口7、高频辅助变流器8一端的负极和单向dc/dc变流器19一端的负极连接；所述单向dc/dc变流器19的另一端与dc110v永久母线输出接口20连接，所述钛酸锂电池组一1的负极与钛酸锂电池组二21的正极之间通过手动维修开关12连接；所述bms电池管理系统13还分别与电压传感器3、绝缘检测模块4、电流传感器5、正极接触器6、负极接触器11、预充接触器15和钛酸锂电池组二21连接；
[0045]
所述钛酸锂电池组一1和钛酸锂电池组二21用于储存电能，并将电能通过牵引供电输出接口7对轨道交通车辆的牵引系统供电；将储存的电能经高频辅助变流器8的dc/ac逆变为ac380v电源为轨道交通车辆牵引风机及应急通风等负载供电；
[0046]
所述钛酸锂电池组一1和钛酸锂电池组二21还用于将储存的电能经高频辅助变流器8的dc/dc变换为dc110v电源为轨道交通车辆辅助负载供电；
[0047]
所述钛酸锂电池组一1和钛酸锂电池组二21还用于将储存的电能经单向dc/dc变流器19和dc110v永久母线输出接口20为轨道交通车辆dc110v永久负载供电；
[0048]
所述正极熔断器2用于对无网自走行储能及高频辅助变流系统的回路进行过载和短路保护；
[0049]
所述电压传感器3用于对钛酸锂电池组一1的正极电压、钛酸锂电池组二21的负极电压进行采样、处理，然后将电压信号传给bms电池管理系统13，bms电池管理系统13用于将接收到的电压信号进行分析监控，然后进行故障判断和预警；
[0050]
所述绝缘监测模块4用于对钛酸锂电池组一1的正极、钛酸锂电池组二21的负极对地间的绝缘状态进行监控，如果绝缘监测值不符合上电要求，bms电池管理系统13则断开正极接触器6和负极接触器11；
[0051]
所述电流传感器5用于对钛酸锂电池组一1和钛酸锂电池组二21的充放电电流进行采样、处理，然后将电流信号传给bms电池管理系统13，bms电池管理系统13用于对接收到的电流信号进行监控记录，然后进行故障判断及预警；
[0052]
所述正极接触器6和负极接触器11用于对无网自走行储能及高频辅助变流系统进行上下电控制，bms电池管理系统13用于控制正极接触器6和负极接触器11的闭合和断开，从而实现无网自走行储能及高频辅助变流系统的上下电控制；
[0053]
所述牵引供电输出接口7用于与轨道交通车辆的牵引系统相连，从而使无网自走行储能及高频辅助变流系统储存的电能通过牵引供电输出接口7向轨道交通车辆的牵引系统供电；
[0054]
所述高频辅助变流器8采用高频变换形式，包括直流模块和逆变模块，直流模块和逆变模块之间为中间直流模块，直流模块输入侧与dc1500v电源输入接口9连接，用于将输入电压经谐振逆变器和高频整流为dc700v电压，给逆变模块供电；逆变模块经pwm调制、滤波后输出稳定的三相ac380v电源通过ac380v输出接口17为轨道交通车辆ac380v牵引风机及应急通风设备供电；
[0055]
正极接触器6直接接入高频辅助变流器8的中间直流模块，当轨道交通车辆网压正常时，钛酸锂电池组一1和钛酸锂电池组二21馈电或需要充电时，所述bms电池管理系统13通过通讯及控制接口14请求充电，高频辅助变流器8将dc1500v电源作为输入，输出直流电
源为钛酸锂电池组一1和钛酸锂电池组二21充电；当轨道交通车辆网压正常时，所述高频辅助变流器8还用于将dc1500v输入电源经逆变整流后输出ac380v电源和dc110v电源，向轨道交通车辆的ac380v负载和dc110v负载供电；当轨道交通车辆网压不正常时，所述高频辅助变流器8还用于将储存在钛酸锂电池组一1和钛酸锂电池组二21中的电能通过逆变模块为车辆ac380v负载供电；
[0056]
所述dc1500v电源输入接口9作为无网自走行储能及高频辅助变流系统与轨道交通车辆dc1500v直流母线的接口，当轨道交通车辆需要为钛酸锂电池组一1和钛酸锂电池组二21充电时，轨道交通车辆通过dc1500v电源输入接口9向钛酸锂电池组一1和钛酸锂电池组二21充电；
[0057]
所述负极熔断器10用于对无网自走行储能及高频辅助变流系统的回路进行过载和短路保护；
[0058]
所述手动维修开关12用于对无网自走行储能及高频辅助变流系统进行检修时，有效断开钛酸锂电池组一1与钛酸锂电池组二21之间的电路，保证检修人员的安全；
[0059]
所述bms电池管理系统13用于监控钛酸锂电池组一1和钛酸锂电池组二21的状态，保证钛酸锂电池组一1和钛酸锂电池组二21处于健康工作状态，并根据钛酸锂电池组一1和钛酸锂电池组二21的状态控制预充接触器15、正极接触器6和负极接触器11的闭合和断开，并对预充接触器15、正极接触器6、负极接触器11、高频辅助变流器8以及单向dc/dc变流器19的状态进行监控；用于通过通讯及控制接口14与轨道交通车辆tcms进行通讯，实时上报无网自走行储能及高频辅助变流系统状态，并按照充电策略给钛酸锂电池组一1和钛酸锂电池组二21充电；用于通过通讯及控制接口14对无网自走行储能及高频辅助变流系统进行监控和诊断；用于接收电流传感器5发送的电流信号和电压传感器3发送的电压信号，对电流、电压信号进行分析处理，判断是否按照bms电池管理系统13请求的电流和电压进行充放电，如果电流和电压数据超过了bms电池管理系统13请求的保护限值，bms电池管理系统13会进行保护，要求降流或降压，甚至切断正极接触器6和负极接触器11；
[0060]
所述通讯及控制接口14用于与轨道交通车辆tcms的通讯接口相连，进行数据传输和控制；
[0061]
所述预充接触器15和预充电阻16用于为高频辅助变流器8直流侧的滤波电容进行预充电；
[0062]
所述ac380v输出接口17用于为轨道交通车辆ac380v负载供电；
[0063]
所述dc110v非永久母线输出接口18用于为轨道交通车辆dc110v负载供电；
[0064]
所述单向dc/dc变流器19用于将储存在钛酸锂电池组一1和钛酸锂电池组二21中的电能变换为dc110v电源，为轨道交通车辆永久负载供电；
[0065]
所述dc110v永久母线输出接口20为无网自走行储能及高频辅助变流系统与轨道交通车辆dc110v永久母线的接口。
[0066]
在上述方案的基础上，所述钛酸锂电池组一1和钛酸锂电池组二21兼具功率特性和能量特性，更适用于车辆安装空间有限，又要求增加无网自走行功能的场合。
[0067]
在上述方案的基础上，所述高频辅助变流器8为钛酸锂电池组一1和钛酸锂电池组二21充电的方式为恒流阶梯降流充电，所述bms电池管理系统13发送充电方式、充电电流及电压值，高频辅助变流器8按照bms电池管理系统13请求指令进行充电。
[0068]
在上述方案的基础上，所述预充接触器15和预充电阻16能够为高频辅助变流器8进行预充电，避免钛酸锂电池组一1和钛酸锂电池组二21上电时引起冲击电流。
[0069]
在上述方案的基础上，所述手动维修开关12起到隔离电源，并分割电压的作用。
[0070]
在上述方案的基础上，所述的钛酸锂电池组一1和钛酸锂电池组二21直接给轨道交通车辆的牵引系统供电，不需要通过dc/dc升压变换，节约硬件成本。
[0071]
在上述方案的基础上，所述无网自走行储能及高频辅助变流系统所需dc110v控制电源来自于钛酸锂电池组一1和钛酸锂电池组二21，通过单向dc/dc变流器19变换为dc110v电源供无网自走行储能及高频辅助变流系统控制用电，而不需要从轨道交通车辆取电。
[0072]
本实用新型所述技术方案可以实现轨道交通车辆的无网自走行，电池采用钛酸锂电池，并配置了电池管理系统(bms)，bms能实时监控蓄电池储能系统状态。不仅增加了供电的可靠性，还增强了车辆的安全性。系统还集成了高频辅助变流器，集成度较高。本实用新型适用于多种轨道交通车辆，安全又可靠。
[0073]
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

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