一種內(nèi)燃機車電氣系統(tǒng)及其供電方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種內(nèi)燃機車電氣系統(tǒng)及其供電方法，本發(fā)明將以內(nèi)燃機為動力的機車的用電設備根據(jù)功率特性進行區(qū)分，分為功率型用電單元和非功率型用電單元，通過能量供給側(cè)和能量需求側(cè)的匹配及平衡。本發(fā)明的內(nèi)燃機車電氣系統(tǒng)包括能量單元和功率單元，能量單元和功率單元輸出端之間連接有隔離單元，能量單元輸出端供電連接機車用電裝置，功率單元輸出端供電連接啟動電機，隔離單元用于在功率單元為啟動電機供電時，斷開功率單元與能量單元的電流通路。本發(fā)明通過功率單元為啟動電機供電，解決了目前內(nèi)燃機車電氣系統(tǒng)由于采用蓄電池為啟動電機供電導致蓄電池“超量配置”，對蓄電池電流沖擊大，造成蓄電池壽命降低、其它用電單元供電不穩(wěn)等問題。
【專利說明】
_種內(nèi)燃機車電氣系統(tǒng)及其供電方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種內(nèi)燃機車電氣系統(tǒng)及其供電方法，屬于電路系統(tǒng)應用技術領域。
【背景技術】
[0002]內(nèi)燃機車是一種重要的交通運輸裝備，電氣系統(tǒng)是內(nèi)燃機車必不可少的一部分，內(nèi)燃機車傳統(tǒng)電氣系統(tǒng)如圖1所示，主要由內(nèi)燃機機車發(fā)電機、電壓調(diào)節(jié)器、蓄電池等構(gòu)成，用電設備根據(jù)功率特性主要分為需要瞬態(tài)大功率的啟動電機和持續(xù)小功率的其他內(nèi)燃機機車用電裝置，內(nèi)燃機車蓄電池是供電系統(tǒng)必不可少的電源之一，在內(nèi)燃機車的內(nèi)燃機啟動時向啟動電機供電；內(nèi)燃機不工作或內(nèi)燃機在不高的轉(zhuǎn)速下工作時，蓄電池向內(nèi)燃機車耗電裝置供電；在耗電裝置功率超過其發(fā)電裝置功率時，蓄電池同發(fā)電機聯(lián)合向耗電裝置供電。內(nèi)燃機車中的蓄電池既要負責提供內(nèi)燃機機車用電裝置(如儀表顯示、程序自檢、信號燈的閃亮、音響短時工作等小功率器件)的能量，又要負責提供內(nèi)燃機啟動瞬間大功率的能量，在運行實踐中，這種方案暴露出以下問題:
[0003]1.內(nèi)燃機車啟動系統(tǒng)和其它耗電裝置不同用電特性對蓄電池性能要求差異很大:啟動系統(tǒng)要求蓄電池放電倍率性能優(yōu)異，而其它耗電裝置則要求蓄電池具備一定容量即可、倍率性能要求不高，導致蓄電池為滿足內(nèi)燃機冷啟動所需的瞬態(tài)大功率，不得不“超量配置”，使電池又大又笨重，而且也不經(jīng)濟。
[0004]2.當內(nèi)燃機車出現(xiàn)由于內(nèi)燃機熄火狀態(tài)下長時間使用內(nèi)燃機車上的電器設備、熄火狀態(tài)下使用外接電源設備等情況時，將導致蓄電池虧電而無法完成內(nèi)燃機車的下次啟動。
[0005]3.內(nèi)燃機冷啟動電流較大，對鉛酸蓄電池的電流沖擊較大，造成正極板活性物質(zhì)脫落，使得鉛酸電池組容量下降較快，使用壽命較短(一般為2?3年)，更換較為頻繁，增加用戶設備維護工作量和使用成本;且內(nèi)燃機車蓄電池使用過程中，由于使用人員或維護人員無法準確確認蓄電池使用狀態(tài)，通常以內(nèi)燃機車隔夜后啟動是否順暢的狀況作為判定蓄電池壽命是否終結(jié)的標準，而不是以蓄電池無法蓄電或無法正常供應耗電裝置用電作為報廢標準，造成蓄電池被“過早判廢”。
[0006]4.內(nèi)燃機車啟動(特別是冷啟動)時，蓄電池瞬時電壓降較大，造成內(nèi)燃機車電壓敏感設備(計算機系統(tǒng)、可編程邏輯控制器、電子設備等)無法正常工作，容易出現(xiàn)計算機紊亂、數(shù)據(jù)丟失及設備停止運行等故障，嚴重時甚至造成內(nèi)燃機機車用電設備的意外損壞。
[0007]為此，有人提出在蓄電池兩端并聯(lián)超級電容的方式來共同為啟動電機供電，雖然這種方案在一定程度上延長了蓄電池的使用壽命，但是蓄電池還是要承擔啟動電機的啟動任務，并沒有從根本上解決蓄電池為啟動電機供電導致對蓄電池電流沖擊大，造成蓄電池壽命降低等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是提供一種內(nèi)燃機車電氣系統(tǒng)及其供電方法，以解決目前采用蓄電池為內(nèi)燃機車啟動電機提供啟動能量導致蓄電池“超量配置”以及易受到大電流沖擊影響壽命等冋題。
[0009]本發(fā)明為解決上述技術問題而提供一種內(nèi)燃機車電氣系統(tǒng)，包括啟動電機、機車發(fā)電機和機車用電裝置，該電氣系統(tǒng)還包括能量單元和功率單元，能量單元和功率單元輸出端之間連接有隔離單元，能量單元輸出端供電連接機車用電裝置，功率單元輸出端供電連接啟動電機，所述隔離單元用于在功率單元為啟動電機供電時，斷開功率單元與能量單元的電流通路，所述的能量單元為儲能器件，所述的功率單元為高倍率放電的儲能器件。
[0010]所述的隔離單元為開關管、接觸器或繼電器。
[0011]所述的隔離單元還包括控制電路，所述的控制電路包括控制接口和第一檢測接口，所述第一檢測接口用于檢測啟動電機是否啟動，所述控制接口用于在第一檢測接口檢測到啟動電機要啟動時，斷開功率單元與能量單元的電氣連接。
[0012]所述的控制電路還包括用于檢測功率單元電量是否充足的第二檢測接口，當?shù)谝粰z測接口檢測到啟動電機不工作且第二檢測接口檢測到功率單元電量不足時，功率單元與能量單元通過隔離單元并接，否則不并接。
[0013]所述的功率單元為超級電容器單體、通過超級電容器單體串并聯(lián)組成的模塊或者電容器陣列。
[0014]所述的能量單元為鉛酸電池、鎳氫電池、錳酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池、三元電池和鈦酸鋰電池中的任意一種。
[0015]本發(fā)明還提供了一種內(nèi)燃機車電氣系統(tǒng)的供電方法，該方法將內(nèi)燃機車的用電設備根據(jù)功率特性進行區(qū)分，分為功率型用電單元和非功率型用電單元，功率型用電單元由功率單元供電，非功率型用電單元由能量單元供電，功率單元和能量單元之間通過隔離單元進行電氣隔離，在功率單元為功率型用電單元供電時，由隔離單元斷開功率單元與能量單元的連接，由功率單元單獨為功率型用電單元供電，所述的功率單元為高倍率放電的儲能器件。
[0016]所述的隔離單元連接在能量單元和功率單元輸出端之間。
[0017]當功率型用電單元不工作時，由隔離單元判斷功率單元電量是否充足，若電量不足時，功率單元與能量單元通過隔離單元并接，由能量單元為其供電，否則不并接。
[0018]所述的功率單元為超級電容器單體、通過超級電容器單體串并聯(lián)組成的模塊或者電容器陣列。
[0019]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明內(nèi)燃機車供電系統(tǒng)采用組合式超級電池提供電能，組合式超級電池包括能量單元和功率單元，能量單元和功率單元輸出端之間連接有隔離單元，能量單元輸出端供電連接機車用電裝置，功率單元輸出端供電連接啟動電機，隔離單元用于在功率單元為啟動電機供電時，斷開功率單元與能量單元的電流通路，能量單元為儲能器件，功率單元為能夠高倍率放電的儲能器件。本發(fā)明通過僅采用組合式超級電池中的功率單元為啟動電機供電，能量單元不再承擔瞬態(tài)大功率作業(yè)任務，不受大電流沖擊損壞，壽命更長，在選型配置上可以“瘦身”，實現(xiàn)小型化、輕量化，并且能量單元不會出現(xiàn)瞬時較大電壓降的情況，保證供電系統(tǒng)能夠穩(wěn)定輸出，減少用電負載因電能質(zhì)量不穩(wěn)造成的損壞。同時僅利用功率單元承擔瞬態(tài)大功率作業(yè)任務，內(nèi)燃機啟動性更好，尤其是低溫啟動性更好。
【附圖說明】
[0020]圖1是傳統(tǒng)內(nèi)燃機車電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；
[0021 ]圖2是本發(fā)明內(nèi)燃機車電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；
[0022]圖3是本發(fā)明內(nèi)燃機車電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；
[0023]圖4是本發(fā)明內(nèi)燃機車電氣系統(tǒng)所采用的隔離單元結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】做進一步的說明。
[0025]本發(fā)明的一種內(nèi)燃機車供電系統(tǒng)的實施例
[0026]內(nèi)燃機車已經(jīng)成為人們?nèi)粘５慕煌?、運輸及生產(chǎn)工具，內(nèi)燃機車在啟動過程中，一般需要啟動電機的帶動，啟動電機作為功率型用電單元，在啟動時需要瞬態(tài)大功率，本發(fā)明采用功率單元為其供電。在同一電氣系統(tǒng)中，功率型用電單元與非功率型用電單元是相對的概念。功率型用電單元具備持續(xù)用電時間短(小于10秒)、大功率(額定電流一般在幾十安培以上)的用電特征，在內(nèi)燃機車的電氣系統(tǒng)中，內(nèi)燃機啟動電機就是該電氣系統(tǒng)中的功率型用電單元;非功率型用電單元具備持續(xù)用電時間可長可短、小功率(額定電流一般在幾十安培以下)的用電特征，在內(nèi)燃機車的電氣系統(tǒng)中，儀表顯示、程序自檢、信號燈的閃亮、音響短時工作等小功率器件均為能量型用電單元。
[0027]本實施例中的內(nèi)燃機車電氣系統(tǒng)，如圖2和圖3所示，包括機車發(fā)電機7、啟動電機
1、機車用電裝置6和組合式超級電池，組合式超級電池包括功率單元4、隔離單元3和能量單元5，隔離單元3連接在能量單元和功率單元輸出端之間，能量單元5輸出端供電連接機車用電裝置6，功率單元4輸出端通過啟動開關2供電連接啟動電機I，機車發(fā)電機7的電壓由電壓調(diào)節(jié)器8調(diào)節(jié)，用于實現(xiàn)機車發(fā)電機7電壓的穩(wěn)定輸出。當內(nèi)燃機啟動時，閉合啟動開關2，隔離單元3斷開功率單元4與能量單元5之間的電流通路，僅由功率單元4為啟動電機供電。能量單元5不再承擔瞬態(tài)大功率作業(yè)任務，只負責小功率負載的持續(xù)供能，不受大電流沖擊損壞，壽命更長，避免能量單元被“過早”判廢，造成浪費，且在選型配置上可以“瘦身”，實現(xiàn)小型化、輕量化和機車總體布置的便捷化;僅依靠功率單元進行啟動，使內(nèi)燃機車的啟動性更好，尤其是在低溫啟動性。
[0028]功率單元4可以是超級電容器單體、由超級電容器單體通過串并聯(lián)組成的模塊，或者傳統(tǒng)電容器陣列，如圖2所示。功率單元也可采用倍率性能及低溫性能優(yōu)異的儲能器件，如圖3所示，儲能器件可為具備高倍率放電特性蓄電池，比如鋰離子電池(磷酸鐵鋰系、三元系、錳酸鋰系、鈦酸鋰系等)和卷繞式高倍率鉛酸電池，也可以是低溫高倍率鋰電池和低溫高倍率鉛酸電池。能量單元可以是鉛酸電池，也可以是鎳氫電池，還可以是錳酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池、三元電池、鈦酸鋰電池等其中的任意一種。
[0029]隔離單元具有控制功能，能夠根據(jù)功率型用電單元啟動實現(xiàn)能量單元與功率單元的隔離。本發(fā)明的隔離單元為開關管、接觸器或繼電器，包括有控制電路，控制電路上設置有控制接口和第一檢測接口，第一檢測接口用于檢測啟動電機是否啟動，控制接口用于控制隔離單元是否斷開功率單元與能量單元之間的電流通路，當?shù)谝粰z測接口檢測到啟動電機啟動時，隔離功率單元與能量單元的電氣連接。為了防止在能量單元放電時，功率單元和能量單元一起放電，對功率單元造成不利的影響，本發(fā)明的控制電路還包括用于檢測功率單元電量是否充足的第二檢測接口，當?shù)谝粰z測接口檢測到啟動電機不工作且第二檢測接口檢測到功率單元電量不足時，功率單元與能量單元通過隔離單元并接，否則不并接。本發(fā)明所采用的隔離單元還可采用手動開關的實現(xiàn)方式，通過手動開關實現(xiàn)功率單元和能量單元的隔離。
[0030]此外，根據(jù)需要，瞬態(tài)動力功率補償器還包括外圍電路，該外圍電路包括與功率單元連接的檢測電路、保護及均衡電路和管理及顯示模塊，如圖4所示，通過檢測電路實時檢測功率單元的電量，通過保護及均衡電路實現(xiàn)功率單元的均衡保護、充電保護、放電保護、過壓保護、欠壓保護、過流保護、過溫保護和短路保護功能等，通過管理及顯示模塊實現(xiàn)對功率單元的管理和參數(shù)顯示。檢測電路、保護及均衡電路和管理及顯示模塊可根據(jù)需要實現(xiàn)的功能進行設計，各功能電路的實現(xiàn)對本領域的技術人員而言屬于常規(guī)技術手段，這里不再給出具體的電路說明。
[0031]本發(fā)明的一種內(nèi)燃機車電氣系統(tǒng)的供電方法的實施例
[0032]本實施例供電方法針對的是內(nèi)燃機車電氣系統(tǒng)，該方法將內(nèi)燃機車的用電設備根據(jù)功率特性進行區(qū)分，分為功率型用電單元和非功率型用電單元，本實施例中功率型用電單元指的是啟動電機，非功率型用電單元指的是除啟動電機之外的其它機車用電裝置。功率型用電單元僅由瞬態(tài)動力功率補償器中的功率單元供電，當內(nèi)燃機啟動時，功率單元與能量單元的電氣連接已經(jīng)通過隔離單元斷開，只采用功率單元為啟動電機供電；非功率型用電單元由與瞬態(tài)動力功率補償器并聯(lián)的能量單元或發(fā)電機供電，當功率型用電單元不工作時，由能量單元為其它耗電器件提供電能，同時隔離單元判斷功率單元電量是否充足，若電量不足時，功率單元與能量單元通過隔離單元并接，否則不并接。
[0033]該方法針對系統(tǒng)實施例中電氣系統(tǒng)的供電過程如下:內(nèi)燃機啟動時，閉合啟動開關2，控制隔離單元斷開功率單元4與能量單元5之間的電氣連接，使功率單元4向啟動電機I放電；內(nèi)燃機啟動完成后，啟動開關2斷開，隔離單元3導通，功率單元4與能量單元5連通，機車發(fā)電機7開始向機車用電裝置6供電，并且給能量單元5和功率單元4充電，并在機車發(fā)電機無法滿足機車用電裝置時，由能量單元與機車發(fā)電機一起為機車用電裝置供電；當機車發(fā)電機7停止工作時，若機車用電裝置6繼續(xù)工作，則此時所需電能完全由能量單元5提供，控制隔離單元斷開功率單元4與能量單元5之間的電氣連接，隔離單元3阻止功率單元4放電，從而保證功率單元4能夠進行后續(xù)的啟動。
[0034]本發(fā)明內(nèi)燃機車供電系統(tǒng)采用組合式超級電池為其提供能量，利用組合式超級電池的功率單元為功率型用電單元提供啟動電能，使能量單元不再承擔瞬態(tài)大功率作業(yè)任務，能量單元只負責小功率負載的持續(xù)供能，避免了能量單元受大電流沖擊，可有效提高其使用壽命。同時，在能量單元選型配置上可以“瘦身”，實現(xiàn)小型化、輕量化。此外，功率單元僅用于為啟動電機供電，當能量單元為耗電裝置供電時，隔離單元斷開功率單元與能量單元之間的電流的通路，避免功率單元向能量單元放電，對功率單元有一定的保護作用。同時依靠本發(fā)明的瞬態(tài)動力功率補償器進行啟動，內(nèi)燃機啟動性更好，尤其是低溫啟動性更好，能量單元不會出現(xiàn)瞬時較大電壓降的情況，保證內(nèi)燃機車供電系統(tǒng)能夠穩(wěn)定輸出，減少非功率型用電單元因電能質(zhì)量不穩(wěn)造成的損壞。本發(fā)明將內(nèi)燃機車用電設備分為功率型用電單元和非功率型用電單元，功率型用電單元僅由瞬態(tài)動力功率補償器中的功率單元供電，非功率型用電單元由與瞬態(tài)動力功率補償器并聯(lián)的能量單元或發(fā)電機供電，達到能量供給側(cè)和能量需求側(cè)的匹配和平衡，使內(nèi)燃機車電氣系統(tǒng)得到優(yōu)化，延長壽命，提高性能，減少資源浪費和系統(tǒng)維護工作量，并通過輕量化和更高效率的功率單元的采用，實現(xiàn)節(jié)能減排。
【主權(quán)項】
1.一種內(nèi)燃機車電氣系統(tǒng)，包括啟動電機、機車發(fā)電機和機車用電裝置，其特征在于，該電氣系統(tǒng)還包括能量單元和功率單元，能量單元和功率單元輸出端之間連接有隔離單元，能量單元輸出端供電連接機車用電裝置，功率單元輸出端供電連接啟動電機，所述隔離單元用于在功率單元為啟動電機供電時，斷開功率單元與能量單元的電流通路，所述的能量單元為儲能器件，所述的功率單元為高倍率放電的儲能器件。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機車電氣系統(tǒng)，其特征在于，所述的隔離單元為開關管、接觸器或繼電器。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機車電氣系統(tǒng)，其特征在于，所述的隔離單元還包括控制電路，所述的控制電路包括控制接口和第一檢測接口，所述第一檢測接口用于檢測啟動電機是否啟動，所述控制接口用于在第一檢測接口檢測到啟動電機要啟動時，斷開功率單元與能量單元的電氣連接。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的內(nèi)燃機車電氣系統(tǒng)，其特征在于，所述的控制電路還包括用于檢測功率單元電量是否充足的第二檢測接口，當?shù)谝粰z測接口檢測到啟動電機不工作且第二檢測接口檢測到功率單元電量不足時，功率單元與能量單元通過隔離單元并接，否則不并接。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機車電氣系統(tǒng)，其特征在于，所述的功率單元為超級電容器單體、通過超級電容器單體串并聯(lián)組成的模塊或者電容器陣列。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機車電氣系統(tǒng)，其特征在于，所述的能量單元為鉛酸電池、鎳氫電池、錳酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池、三元電池和鈦酸鋰電池中的任意一種。7.—種內(nèi)燃機車電氣系統(tǒng)的供電方法，其特征在于，該方法將內(nèi)燃機車的用電設備根據(jù)功率特性進行區(qū)分，分為功率型用電單元和非功率型用電單元，功率型用電單元由功率單元供電，非功率型用電單元由能量單元供電，功率單元和能量單元之間通過隔離單元進行電氣隔離，在功率單元為功率型用電單元供電時，由隔離單元斷開功率單元與能量單元的連接，由功率單元單獨為功率型用電單元供電，所述的功率單元為高倍率放電的儲能器件。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的內(nèi)燃機車電氣系統(tǒng)的供電方法，其特征在于，所述的隔離單元連接在能量單元和功率單元輸出端之間。9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的內(nèi)燃機車電氣系統(tǒng)的供電方法，其特征在于，當功率型用電單元不工作時，由隔離單元判斷功率單元電量是否充足，若電量不足時，功率單元與能量單元通過隔離單元并接，由能量單元為其充電，否則不并接。10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的內(nèi)燃機車電氣系統(tǒng)的供電方法，其特征在于，所述的功率單元為超級電容器單體、通過超級電容器單體串并聯(lián)組成的模塊或者電容器陣列。
【文檔編號】B61C5/00GK106058998SQ201610544335
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月12日
【發(fā)明人】莊淑君, 梁亞麗, 孫藝嘉, 路永廣, 李遠鋒
【申請人】洛陽尹太科智能科技有限公司