CN210706987U - 一种机车用超大功率电池均衡充电电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种机车用超大功率电池均衡充电电路，包括IGBT模块和电池模组，电池模组通过IGBT模块的反向并联的二极管并联到中间直流回路，IGBT模块包括第一门极驱动单元、第二门极驱动单元、第一二极管、第二二极管和第一电容，第一门极驱动单元的第一端、第一二极管的负极和第一电容的第一端电连接到中间直流回路，第一门极驱动单元的第二端和第一二极管的正极电连接第二门极驱动单元的第一端、第二二极管的负极和电池模块，第二门极驱动单元的第二端、第二二极管的正极和第二电容的第二端电连接到中间支路回路。本实用新型能够避免各支路之间环流，使各支路电池荷电状态保持一致，减小各支路之间的压差，能更好的发挥电池的性能，提高电池寿命。

Description

一种机车用超大功率电池均衡充电电路

技术领域

本实用新型属于轨道交通领域，尤其涉及一种机车用超大功率电池均衡充电电路。

背景技术

目前，机车用大功率动力电池主要有两种方式构成，一种是多个单体电池并联后再串联，另外一种时多个电池串联后再多支路并联。机车用动力电池采用多个单体电芯并联后再串联，形成大功率机车动力电池组，此方式不具有冗余功能，某一串电池出问题，整个动力电池组就不能正常使用。机车用动力电池采用多个电池串联后再多支路并联的方式虽然起到了冗余作用，但多组电池之间容易形成环流，放电不均衡，不利于动力电池组性能的发挥。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型提出一种机车用超大功率电池均衡充电电路，包括IGBT 模块和电池模组，所述电池模组通过IGBT模块的反向并联的二极管并联到中间直流回路，所述IGBT模块包括第一门极驱动单元、第二门极驱动单元、第一二极管、第二二极管和第一电容，所述第一门极驱动单元的第一端、第一二极管的负极和第一电容的第一端电连接到中间直流回路，所述第一门极驱动单元的第二端和第一二极管的正极电连接第二门极驱动单元的第一端、第二二极管的负极和电池模块，所述第二门极驱动单元的第二端、第二二极管的正极和第一电容的第二端电连接到中间支路回路。

进一步的，所述电池模组包括第一动力电池、第一平波电抗器、第一接触器和第二接触器，所述第一动力电池的正极依次通过第一接触器和第一平波电抗器电连接到IGBT模块，所述第一动力电池的负极通过第二接触器电连接到中间支路回路。

进一步的，所述电池模组还包括第二动力电池、第三动力电池、第二平波电抗器、第三平波电抗器、第三接触器、第四接触器、第五接触器和第六接触器，所述第二动力电池的正极依次通过第三接触器和第二平波电抗器电连接到IGBT模块，所述第二动力电池的负极通过第四接触器电连接到中间支路回路；所述第三动力电池的正极依次通过第五接触器和第三平波电抗器电连接到IGBT模块，所述第三动力电池的负极通过第六接触器电连接到中间支路回路。

进一步的，所述电池模组还包括第三二极管、第四二极管、第五二极管、第七接触器和电阻，所述第三二极管、第四二极管和第五二极管的正极分别依次电连接第一动力电池、第二动力电池和第三动力电池的正极，所述第三二极管、第四二极管和第五二极管的负极依次通过电阻、第七接触器和第一平波电抗器电连接到IGBT模块。

进一步的，所述IGBT模块还包括第三门极驱动单元、第四门极驱动单元、第五门极驱动单元、第六门极驱动单元、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第九二极管、第二电容和第三电容，其中，所述第三门极驱动单元的第一端、第六二极管的负极和第二电容的第一端电连接到中间直流回路，所述第三门极驱动单元的第二端和第六二极管的正极电连接第四门极驱动单元的第一端、第七二极管的负极和电池模块的第二平波电抗器的第一端，所述第四门极驱动单元的第二端、第七二极管的正极和第二电容的第二端电连接到中间支路回路。此外，所述第五门极驱动单元的第一端、第八二极管的负极和第三电容的第一端电连接到中间直流回路，所述第五门极驱动单元的第二端和第八二极管的正极电连接第六门极驱动单元的第一端、第九二极管的负极和电池模块的第三平波电抗器的第一端，所述第六门极驱动单元的第二端、第九二极管的正极和第三电容的第二端电连接到中间支路回路。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型能够避免各支路之间环流，使各支路电池荷电状态保持一致，减小各支路之间的压差，能更好的发挥电池的性能，提高电池寿命。

附图说明

图1是一种机车用超大功率电池均衡充电电路；

图2是外电源充电时的充电电路图；

图3是外电源充电时的故障支路停止充电电路图；

图4是回馈制动工况电路图；

图5是两支路电池之间的充电等效电路图；

图6是电池之间进行充电均衡电路图；

图7是三支路充电均衡电路图一；

图8是三支路充电均衡电路图二；

附图标记：VT1～VT6为门极驱动单元，GB1～GB3为动力电池，L1～L3为平波电抗器， KM1～KM7为接触器，VD1～VD9为二极管，C1～C3为电容，R0～R3为电阻，K1～K3为开关。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本实用新型的具体实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型，即所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

1硬件电路

本实施例的油电混合动力机车电池***采用单体电池并联再串联的形式构成一个电池包，多个电池包串联构成一个供电支路，多个支路通过IGBT的反向并联二极管并联到中间直流回路，供负载用电。多个支路共用预充电电阻向中间直流回路电容进行充电。IGBT的反向并联二极管能够防止动力电池并联供电时的环流，但由于串并联电池数量大，单体电池的不一致性将导致每个支路特性不同，电压及电池荷电状态(State of Charge，SOC)会有差异。每个支路并联应用时，必须考虑合理的充电、放电控制策略，使每个支路放电电流尽量均衡， SOC尽量保持一致。

如图1所示，本实施例提供了一种机车用超大功率电池均衡充电电路，包括IGBT模块和电池模组，电池模组通过IGBT模块的反向并联的二极管并联到中间直流回路，具体的：

IGBT模块包括第一门极驱动单元VT1、第二门极驱动单元VT2、第三门极驱动单元VT3、第四门极驱动单元VT4、第五门极驱动单元VT5、第六门极驱动单元VT6、第一二极管VD1、第二二极管VD2、第六二极管VD6、第七二极管VD7、第八二极管VD8、第九二极管VD9、第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3，其中，第一门极驱动单元VT1的第一端、第一二极管VD1的负极和第一电容C1的第一端电连接到中间直流回路，第一门极驱动单元VT1的第二端和第一二极管VD1的正极电连接第二门极驱动单元VT2的第一端、第二二极管VD2的负极和电池模块的第一平波电抗器L1的第一端，第二门极驱动单元VT2的第二端、第二二极管VD2的正极和第一电容C1的第二端电连接到中间支路回路。第三门极驱动单元VT3的第一端、第六二极管VD6的负极和第二电容C2的第一端电连接到中间直流回路，第三门极驱动单元VT3的第二端和第六二极管VD6的正极电连接第四门极驱动单元VT4的第一端、第七二极管VD7的负极和电池模块的第二平波电抗器L2的第一端，第四门极驱动单元VT4的第二端、第七二极管VD7的正极和第二电容C2的第二端电连接到中间支路回路。第五门极驱动单元VT5的第一端、第八二极管VD8的负极和第三电容C3的第一端电连接到中间直流回路，第五门极驱动单元VT5的第二端和第八二极管VD8的正极电连接第六门极驱动单元VT6的第一端、第九二极管VD9的负极和电池模块的第三平波电抗器L3的第一端，第六门极驱动单元VT6的第二端、第九二极管VD9的正极和第三电容C3的第二端电连接到中间支路回路。

电池模组包括第一动力电池GB1、第二动力电池GB2、第三动力电池GB3、第一平波电抗器L1、第二平波电抗器L2、第三平波电抗器L3、第一接触器KM1、第二接触器KM2、第三接触器KM3、第四接触器KM4、第五接触器KM5、第六接触器KM6、第七接触器KM7、第三二极管VD3、第四二极管VD4、第五二极管VD5和电阻R0，其中，第一动力电池GB1的正极依次通过第一接触器KM1和第一平波电抗器L1电连接到IGBT模块，第一动力电池GB1的负极通过第二接触器KM2电连接到中间支路回路。第二动力电池GB2的正极依次通过第三接触器 KM3和第二平波电抗器L2电连接到IGBT模块，第二动力电池GB2的负极通过第四接触器KM4 电连接到中间支路回路。第三动力电池GB3的正极依次通过第五接触器KM5和第三平波电抗器L3电连接到IGBT模块，第三动力电池GB3的负极通过第六接触器KM6电连接到中间支路回路。此外，第三二极管VD3、第四二极管VD4和第五二极管VD5的正极分别依次电连接第一动力电池GB1、第二动力电池GB2和第三动力电池GB3的正极，第三二极管VD3、第四二极管 VD4和第五二极管VD5的负极依次通过电阻R0、第七接触器KM7和第一平波电抗器L1电连接到IGBT模块。

基于上述内容的基础上，本实施例还提供了充电控制方法和放电控制方法，具体如下。

2充电控制方法

为了使放电时电压及SOC基本一致，尽可能的发挥电池性能，保证电池的使用寿命，在充电时就需要考虑各支路的均衡。每一支路都是通过独立的IGBT进行控制，能够分别实现各支路充电电流的精确控制，使每个支路SOC一致，电压达到均衡。不需要考虑充电初期的各支路的电压差异，控制***可以根据每组电池的状态，自动控制该支路充电电流。

2.1外电源充电

如图2所示为外电源充电时的充电电路图，外电源充电时，各支路严格控制单体电压不超过3.7V，总电压不超过3.65×440节，蓄电池SOC不超过95％，最大充电电流控制在1C以内。若某一支路出现报警，单独停止本支路充电，故障支路停止充电电路图如图3所示。

各支路充电电流的选择：假设各支路充电前SOC分别为SOC1、SOC2、SOC3，最终SOC满时为SOC0，充电时间为h，各支路充电电流如下。

假设第一支路SOC最低，要在充电结束时追上其余支路的SOC值，则需要其他支路充电电流以第一支路充电电流为基准成比例降低，计算公式如下。

微机控制***控制各支路SOC均保持在95％。充电完成后静置10min，微机控制***再对电压低的支路按0.1C充电电流补电，最终达到SOC一致。

若根据式3-4及3-5计算出的充电电流大于各支路管理***允许的最大充电电流，假设第二支路管理***允许的最大充电电流Im2<I2，则其余支路按比例降低充电电流。

假设有两个支路计算值都大于管理***允许值，则取最低电流作为比例基准值，计算方式同式3-6、3-7。

若某支路出现相关保护则自动停止该支路充电，其余支路继续充电，直至充满。提前停止的支路静置后对故障复位，若故障消除继续充电至充满，并再静置10min，之后，微机控制***再对电压低的支路按0.1C充电电流补电，最终达到SOC一致。若故障未消除，则需检查后才能使用该支路。

2.2柴油发电机组充电

2.2.1小运转模式

1)惰转工况

先比较各支路SOC大小，以最小SOC支路的允许充电电流为基准根据式3-4、3-5计算其余支路的充电电流。若有支路计算的充电电流大于管理***允许的充电电流，则取最低电流作为比例基准，计算同式3-6、3-7。

2)牵引工况

充电策略与惰转工况相同，充电电流根据每一档位扣除牵引功率后计算的充电电流确定。

3)动力制动工况

若所有支路SOC基本一致，则按制动特性曲线规定的充电电流进行回馈制动，回馈性能不减弱。若SOC不一致，动力制动充电策略依然是以SOC最小的充电电流为基准，根据式3-4、3-5计算其余支路充电电流，能量回收能力减弱，不足部分由制动电阻分担。如图4 所示为回馈制动工况电路图。

2.2.2调车模式

1)牵引工况

动力电池转入充电工况后，先比较各支路SOC大小，以最小SOC支路的允许充电电流为基准根据式3-4、3-5计算其余支路的充电电流。若有支路计算的充电电流大于管理***允许的充电电流，则取最低电流作为比例基准，计算同式3-6、3-7。

充电完成后，静置10min，之后，微机控制***再对电压低的支路按0.1C充电电流补电，最终达到SOC一致。

若某支路出现相关保护则自动停止该支路充电，其余支路继续充电，至值充满。提前停止的支路静置后对故障复位，若故障消除继续充电至充满，并再静置10min，之后，微机控制***再对电压低的支路按0.1C充电电流补电，最终达到SOC一致。若故障未消除，则需检查后才能使用该支路。

2)制动工况

若所有支路SOC基本一致，则按制动特性曲线规定的充电电流进行回馈制动，回馈性能不减弱。若SOC不一致，动力制动充电策略依然是以SOC最小的充电电流为基准，根据式3-4、3-5计算其余支路充电电流，能量回收能力减弱，不足部分由电阻制动分担。

2.3动力电池之间均衡充电

由于多支路电池并联的固有特性，为了更好的发挥电池性能，提高电池寿命，在充电时就必须使各支路放电尽量达到均衡。

但在使用过程中，各支路放电由于其内部特性的不同，在放电后会造成各支路电压不一致，因此，需要在蓄电池之间进行自动均衡。

2.3.1两支路电池之间充电等效电路

为了使各支路保持平衡，就需要将电压高、SOC高的支路向电压低、SOC低的支路充电，最终使两支路电压基本一致，再将两个支路同时投入运用，充电等效电路如图5所示。

2.3.2两支路充电均衡控制策略

两支路电池均衡最好在机车静止时，司机根据情况进行均衡，当压差超过一定值后，微机控制***对两支路进行均衡，如图6所示是电池之间进行充电均衡。

当压差超过阈值后，先投入电压高的支路对中间直流电容进行预充电。充电完成后，微机控制***根据SOC情况，控制VT1的占空比控制充电电流，压差逐渐缩小到一定阈值后，完全开通VT1，进行浮充，使两支路电压差压达到最小，当充电电流小于一定值后，停止均衡充电，提示司机均衡完成，在均衡过程中禁止机车加载操作。

2.3.3三支路充电均衡控制策略

三支路分两种情况，一种是一支路低，两只路高；另一种是两支路低，一支路高。

1)第一种情况，一支路低，两支路高。

机车静止情况下，SOC>30％，未到启动柴油机的状态，当压差达到阈值，微机显示屏提示司机进行手动均衡，司机向微机发送均衡指令后，微机自动进行均衡操作。

当压差超过阈值后，先投入电压高的支路对中间直流电容进行预充电。充电完成后，投入另外一个高电压的电池支路。两个电池支路投入后，微机根据SOC情况，控制VT1的占空比控制充电电流，压差逐渐缩小到一定阈值后，完全开通VT1，进行浮充，使两支路电压差达到最小，当充电电流小于一定值后，停止均衡充电，提示司机均衡完成，在均衡过程中禁止机车加载操作。充电均衡电路如图7所示。

2)第二种情况，两支路低，一支路高。

机车静止情况下，当压差达到阈值，微机显示屏提示司机进行手动均衡，司机向微机发送均衡指令后，微机自动进行均衡操作。

当压差超过阈值后，先投入电压高的支路对中间直流电容进行预充电。充电完成后，正常投入高压支路。微机根据SOC情况，控制VT1、VT2的占空比分别控制两个支路的充电电流，当三个支路压差逐渐缩小到一定阈值后，完全开通VT1、VT2，进行浮充，使三个支路电压差达到最小，当充电电流小于一定值后，停止均衡充电，提示司机均衡完成，在均衡过程中禁止机车加载操作。充电均衡电路如图8所示。

3放电控制方法

3.1调车模式

若各支路电压相同，则以第一支路作为预充电支路，先投入预充电接触器，待中间直流电压达到1250V后，预充电完成，闭合供电接触器，该支路接触器闭合后再闭合其余支路供电接触器。

若每个支路SOC>20％，各支路SOC相差在10％以内，放电控制策略按机车正常牵引特性进行牵引。若任何一个支路SOC<20％，或任何两支路SOC相差>10％，则启动柴油机，对各支路进行充电，充电控制策略按2.2.2节要求进行。无论SOC高低，柴油机启动后需持续工作10min，持续工作10分钟后，当司控器手柄在6位以下时，柴油机发电机要一直工作到 SOC>90％，柴油机才能自动停机。当司控器手柄在6手柄位以上时，且处于均衡工况下，若任何两支路SOC相差>5％，机车还是按6手柄位的牵引特性进行牵引，并对电池进行均衡充电，直到SOC相差<5％，机车方可按当前手把位进行牵引。

3.2小运转模式

1)惰转工况

惰转工况不涉及放电。

2)牵引工况

2手柄位以下控制策略按控制策略见2.2.1的第2)条进行均衡充电，此时动力电池不允许放电；

2手柄位以上，当各支路SOC差值小于10％时，动力电池允许放电，机车牵引按当前手把位牵引特性进行牵引；

2手柄位以上，当各支路SOC差值大于10％以上时，动力电池不允许放电，机车还是按2 手柄位的牵引特性由柴油发电机提供电能进行牵引，对电池进行均衡充电，控制策略见2.2.1 的第1)条，直到SOC相差<5％，动力电池允许放电，机车方可按当前手把位进行牵引。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当理解本实用新型并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本实用新型的精神和范围，则都应在本实用新型所附权利要求的保护范围内。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是本实用新型使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“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；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是有线连接，也可以是无线连接。

Claims (5)

1.一种机车用超大功率电池均衡充电电路，其特征在于，包括IGBT模块和电池模组，所述电池模组通过IGBT模块的反向并联的二极管并联到中间直流回路；

所述IGBT模块包括第一门极驱动单元、第二门极驱动单元、第一二极管、第二二极管和第一电容，所述第一门极驱动单元的第一端、第一二极管的负极和第一电容的第一端电连接到中间直流回路，所述第一门极驱动单元的第二端和第一二极管的正极电连接第二门极驱动单元的第一端、第二二极管的负极和电池模块，所述第二门极驱动单元的第二端、第二二极管的正极和第一电容的第二端电连接到中间支路回路。

2.根据权利要求1所述的一种机车用超大功率电池均衡充电电路，其特征在于，所述电池模组包括第一动力电池、第一平波电抗器、第一接触器和第二接触器，所述第一动力电池的正极依次通过第一接触器和第一平波电抗器电连接到IGBT模块，所述第一动力电池的负极通过第二接触器电连接到中间支路回路。

3.根据权利要求2所述的一种机车用超大功率电池均衡充电电路，其特征在于，所述电池模组还包括第二动力电池、第三动力电池、第二平波电抗器、第三平波电抗器、第三接触器、第四接触器、第五接触器和第六接触器，所述第二动力电池的正极依次通过第三接触器和第二平波电抗器电连接到IGBT模块，所述第二动力电池的负极通过第四接触器电连接到中间支路回路；所述第三动力电池的正极依次通过第五接触器和第三平波电抗器电连接到IGBT模块，所述第三动力电池的负极通过第六接触器电连接到中间支路回路。

4.根据权利要求3所述的一种机车用超大功率电池均衡充电电路，其特征在于，所述电池模组还包括第三二极管、第四二极管、第五二极管、第七接触器和电阻，所述第三二极管、第四二极管和第五二极管的正极分别依次电连接第一动力电池、第二动力电池和第三动力电池的正极，所述第三二极管、第四二极管和第五二极管的负极依次通过电阻、第七接触器和第一平波电抗器电连接到IGBT模块。

5.根据权利要求3或4所述的一种机车用超大功率电池均衡充电电路，其特征在于，所述IGBT模块还包括第三门极驱动单元、第四门极驱动单元、第五门极驱动单元、第六门极驱动单元、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第九二极管、第二电容和第三电容；

所述第三门极驱动单元的第一端、第六二极管的负极和第二电容的第一端电连接到中间直流回路，所述第三门极驱动单元的第二端和第六二极管的正极电连接第四门极驱动单元的第一端、第七二极管的负极和电池模块的第二平波电抗器的第一端，所述第四门极驱动单元的第二端、第七二极管的正极和第二电容的第二端电连接到中间支路回路；

所述第五门极驱动单元的第一端、第八二极管的负极和第三电容的第一端电连接到中间直流回路，所述第五门极驱动单元的第二端和第八二极管的正极电连接第六门极驱动单元的第一端、第九二极管的负极和电池模块的第三平波电抗器的第一端，所述第六门极驱动单元的第二端、第九二极管的正极和第三电容的第二端电连接到中间支路回路。

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