CN110203095B - 超级电容驱动型电机车配套的快速充电桩 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超级电容驱动型电机车配套的快速充电桩，由充电枪及其接口、输出保护与监测电路、三电平整流主电路、输入保护及辅助电源电路、充电控制器五个部分组成，电网交流电经输入保护及辅助电源电路后由三电平整流主电路转换为直流电，然后通过输出保护与监测电路、充电枪及其接口为电机车超级电容模组补充电能。其有益效果在于：本发明技术方案在实现电机车超级电容模组智能充电的同时，通过使电路电流电压同相位来达到功率因数校正、减少电网干扰的目的，根据直流侧输出中点电位进行补偿来解决中点电位不平衡的问题，通过监测充电回路绝缘状态来保证充电过程的安全。
Description
技术领域
本发明涉及超级电容充电装置的技术领域，尤其涉及一种超级电容驱动型电机车配套的快速充电桩。
背景技术
目前，国内隧道工程盾构施工配套运输电机车编组采用铅酸蓄电池作为动力源为电机车供电，由于铅酸蓄电池本身存在充电时间长、充电需要冷却、使用寿命短（一般小于700次充放电循环）、废旧电池化学污染等缺点，对隧道盾构施工掘进效率造成非常大的影响。根据工业和信息化部、环境保护部关于加大淘汰落后产能的力度及对新型绿色能源技术研发的支持精神，隧道工程电机车急需加快采用新型绿色能源的步伐。
超级电容在结构上与普通电解电容非常相似，属于双电层电容器。超级电容采用活性炭多孔电极和电解质组成了双电层结构，加上极小的电极间隙，可以获得超大的容量，其充放电过程为物理过程而非化学反应过程；因此，超级电容具备超级储电能力，具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源、绿色环保等特点。超级电容兼有普通电容器的大电流快速充放电特性和电池的储能特性，较好地解决了普通电容器与电池之间的比能量、比功率差异问题，是一种新型绿色储能装置。
在隧道工程电机车上采用超级电容模组作为供电动力源，符合国家产业倡导发展的新能源范畴，也是隧道工程电机车新能源供电应用技术的发展方向。充电桩是将电网电能转化为电机车车载超级电容模组的电能，用于工程电机车超级电容模组的快速充电桩区别于传统的充电桩，传统充电桩技术主要应用在电动汽车方面，是根据电动汽车采用的可充蓄电池特性而设计，总体上可分为车载充电装置和非车载充电装置；电机车需要在固定点（一般设计在盾构施工竖井处）补充能量，补充能量的时间不超过盾构施工流水线施工节拍点空当时间（一般在30分钟以内）；传统以铅酸蓄电池为动力电机车的充电装置具有充电时间长、充电模式单一、充电参数不可控等缺点，不适于超级电容驱动型电机车的充电，且影响盾构施工效率；再者，传统的充电装置存在谐波大、功率因数低、安全性差等缺点。因此，需要研制超级电容驱动型隧道工程电机车配套的快速充电桩，使电机车满足隧道工程盾构项目连续施工要求。
发明内容
针对上述技术问题，本发明公布了一种超级电容驱动型电机车配套的快速充电桩。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种超级电容驱动型电机车配套的快速充电桩，包括用于给电机车内置超级电容模组进行充电的充电枪及其接口，用于经充电枪及其接口与电机车内超级电容模组BMS通信的CAN接口，用于控制和保护充电输出DC+与DC-、监测充电连接线绝缘变化、监测充电枪连接状态的输出保护与监测电路，用于在充电控制器输出PWM信号控制下将三相交流电转换为直流的PWM驱动隔离电路和三电平整流主电路，用于保护电网和本快速充电桩后续电路、为充电控制器及其周边电路提供工作电源PWRIN的输入保护及辅助电源电路，用于调理电网经输入保护电路接入的监测电压、电流波形的交流侧信号调理电路，用于调理三电平整流主电路输出电压、电流信号的直流侧信号调理电路，用于监测和管控整个充电过程以实现电机车超级电容模组智能充电的充电控制器；电网交流电经输入保护及辅助电源电路后由三电平整流主电路转换为直流电，然后通过输出保护与监测电路、充电枪及其接口为电机车超级电容模组补充电能；当充电控制器经输出保护与监测电路、充电枪及其接口检测到充电枪已与电机车超级电容模组连接后，再通过CAN接口与电机车内超级电容模组BMS通信以获取超级电容模组的实时状态参数，接着根据超级电容模组实时状态参数智能选择充电模式、充电参数，充电控制器以选择的充电模式、充电参数为输入，结合经交流侧信号调理电路、直流侧信号调理电路采集到实时电压、电流值，智能决策后输出控制信号经PWM驱动隔离电路控制和调节三电平整流主电路的工作状态，以为电机车超级电容模组提供不同阶段所需的充电电压与电流。
在本发明中，所述的充电控制器包括主控CPU模块，用于在紧急情况停止所有工作、与主控CPU模块I/O口1连接的急停开关，用于在故障状态下警示用户、与主控CPU模块I/O口1连接的声光报警模块，用于快速充电桩工作参数设置和实时工作状态显示、与主控CPU模块I/O口2连接的触摸显示屏，用于实现上位机远程管控、与主控CPU模块COM1口连接的远程通信接口；其中，主控CPU模块内还含有用于扩展CAN接口的COM2口，用于连接交流侧信号调理电路的ADC1，用于连接直流侧信号调理电路的ADC2，用于连接PWM驱动隔离电路的I/O口3，以及相位区间划分模块、PI调节器1、PI调节器2、PWM控制器、电流选择模块、中点补偿模块；主控CPU综合通过触摸显示屏设置的工作参数与通过CAN接口获取超级电容模组的实时状态参数得到控制器电压外环的给定输入值UREF，与通过ADC1采集到的三电平整流主电路输出电压UDC一起作为PI调节器1的输入，PI调节器1的输出为电流内环的给定输入值IREF，与电流反馈信号IKZ一起作为PI调节器2的输入，在充电枪未连接电机车超级电容模组时由电流选择模块选择经ADC2采集到的交流侧电流IAC为反馈输入值IKZ，在充电过程中由电流选择模块选择经ADC1采集到的直流侧电流IDC为反馈输入值IKZ，PI调节器2的输出信号经PWM控制器、I/O口3后输出占空比、频率可控的PWM信号以实现三电平整流主电路的控制；在PWM控制器中，将控制部分生成的PWM 信号和通过ADC2采集到的交流侧电压信号Vab、Vbc、Vca经相位区间划分模块区间控制中输出的La、Lb、Lc相或作为最终输出控制信号以保证电路电流电压同相位、达到功率因数校正的目的，通过将ADC1采集到的三电平整流主电路输出中点电位UDC/2引入中点补偿模块生成补偿信号并修正PWM控制器输出的PWM信号以解决三电平整流电路由于中点箝位结构产生直流侧中点电位不平衡的问题。
在本发明中，所述的输入保护及辅助电源电路包括电网输入连接器JK0、断路器QF、熔断器FUSE1、AC/DC转换模块MK01，电网380V交流电以三相四线制方式接入电网输入连接器JK0，再通过用于电源线路及后续电路保护的断路器QF、用于电路发生短路或严重过载保护的熔断器FUSE1后连接到三电平整流主电路，用于为充电控制器提供工作电源PWRIN的AC/DC转换模块MK01并接在通过断路器QF、熔断器FUSE1后的C相与零线N之间，以保证充电控制器、三电平整流主电路均只在断路器QF、熔断器FUSE1未起保护作用且手动操作断路器QF闭合的情况下才投入运行。
在本发明中，所述的三电平整流主电路由3个电感L1~L3、6个快恢复整流二极管D1~D6、6个IGBT模块或大功率MOS管VT1~VT6和2个电容C1~C2组成，交流侧与输入保护及辅助电源电路输出的三相交流电连接，设置有用于三相电压、电流监测的与交流侧信号调理电路连接的电压传感器VTR1~VTR3、电流传感器CTR1~CTR3，直流侧与输出保护与监测电路的输入连接，输出电流采用分流器SHUNT结合直流侧信号调理电路的方式监测、输出电压采用直接从电容C1~C2的端接点取电压连接至直流侧信号调理电路的方式监测，三电平整流主电路在充电控制器输出经PWM驱动隔离电路后的PWM信号PWMA、PWMB、PWMC控制下实现充电电压、电流实时控制。
在本发明中，所述的充电枪及其接口是一个带有插接头JK02的充电枪CHARG，充电枪CHARG内置有用于检测其与电机车内超级电容模组连接状态的微动开关KG和电阻R1，插接头JK02与充电枪CHARG的连接为5线制：CAN总线通信信号正CANH、CAN总线通信信号负CANL、充电枪CHARG连接状态检测信号JCIN、充电输出正DC+、充电输出负DC-，其中充电输出正DC+、充电输出负DC-用于给电机车内超级电容模组提供充电电能，CAN总线通信信号正CANH、CAN总线通信信号负CANL用于充电控制器通过CAN接口与电机车内超级电容模组BMS通信以获取超级电容模组的实时状态参数。
在本发明中，所述的输出保护与监测电路包括用于充电输出发生短路或严重过载保护的熔断器FUSE2、用于接通或断开充电回路的继电器KM、用于监测充电回路绝缘状态的绝缘检测传感器INSU、用于与充电枪CHARG内置微动开关KG和电阻R1一起检测充电枪连接状态的电阻R2、用于连接充电枪的充电插接座JK01，当充电控制器检测到充电枪CHARG与电机车内超级电容模组连接后通过CAN总线通信获取超级电容模组的实时状态参数，根据超级电容模组实时状态参数智能决策并控制三电平整流主电路、控制继电器KM接通充电回路以电机车超级电容模组的智能充电，如充电过程中出现绝缘状态超限，则控制继电器KM断开充电回路以保证充电过程的安全性。
本发明的有益效果是，所述快速充电桩由充电枪及其接口、输出保护与监测电路、三电平整流主电路、输入保护及辅助电源电路、充电控制器五个部分组成，电网交流电经输入保护及辅助电源电路后由三电平整流主电路转换为直流电，然后通过输出保护与监测电路、充电枪及其接口为电机车超级电容模组补充电能；该技术方案在实现电机车超级电容模组智能充电的同时，通过使电路电流电压同相位来达到功率因数校正、减少电网干扰的目的，根据直流侧输出中点电位进行补偿来解决中点电位不平衡的问题，通过监测充电回路绝缘状态来保证充电过程的安全；具有控制简单、输入功率因数高、无谐波污染等优点，适合于隧道工程电机车上超级电容模组的快速充电。
附图说明
图1是本发明的总体结构框图；
图2本发明实施例的充电控制器原理框图；
图3是本发明实施例的输入保护及辅助电源原理图；
图4是本发明实施例的三电平整流主电路图；
图5是本发明实施例的输出保护监测与充电枪电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见附图，图1是本发明的总体结构框图。盾构掘进施工中后配套运输分为水平运输和垂直运输，垂直运输设备一般为在井口设置的大型龙门吊，盾构施工隧道水平运输主要有两个方面：一是将隧道施工所需的原材料运进隧道内，主要包括：管片、砂浆、轨道延伸铺设材料及其它辅助材料由洞外向盾构作业面的运输；二是将隧道施工所产生的渣土及废弃物由洞内运出洞外。隧道施工运输以机车提供牵引力，其余渣土平板等运输车辆组成编组，在满足隧道掘进运输的同时减少每掘进一环机车出渣次数，提高隧道掘进效率，降低运输时工序衔接时间和组织管理难度。水平运输设备一般为轨道式运输工矿蓄能式电机车，目前这种工矿蓄能式电机车的主要存储能源的方式为铅酸蓄电池组和超级电容模块组。本发明以目前正在积极迅速发展、逐渐取代铅酸蓄电池式电瓶车的超级电容电机车为研究对象，公开一种超级电容驱动型电机车配套快速充电桩的技术方案，该快速充电桩包括用于给电机车内置超级电容模组进行充电的充电枪及其接口，用于经充电枪及其接口与电机车内超级电容模组BMS通信的CAN接口，用于控制和保护充电输出DC+与DC-、监测充电连接线绝缘变化、监测充电枪连接状态的输出保护与监测电路，用于在充电控制器输出PWM信号控制下将三相交流电转换为直流的PWM驱动隔离电路和三电平整流主电路，用于保护电网和本快速充电桩后续电路、为充电控制器及其周边电路提供工作电源PWRIN的输入保护及辅助电源电路，用于调理电网经输入保护电路接入的监测电压、电流波形的交流侧信号调理电路，用于调理三电平整流主电路输出电压、电流信号的直流侧信号调理电路，用于监测和管控整个充电过程以实现电机车超级电容模组智能充电的充电控制器；电网交流电经输入保护及辅助电源电路后由三电平整流主电路转换为直流电，然后通过输出保护与监测电路、充电枪及其接口为电机车超级电容模组补充电能；当充电控制器经输出保护与监测电路、充电枪及其接口检测到充电枪已与电机车超级电容模组连接后，再通过CAN接口与电机车内超级电容模组BMS通信以获取超级电容模组的实时状态参数，接着根据超级电容模组实时状态参数智能选择充电模式、充电参数，充电控制器以选择的充电模式、充电参数为输入，结合经交流侧信号调理电路、直流侧信号调理电路采集到实时电压、电流值，智能决策后输出控制信号经PWM驱动隔离电路控制和调节三电平整流主电路的工作状态，以为电机车超级电容模组提供不同阶段所需的充电电压与电流。CAN是控制器局域网络(ControllerArea Network, CAN)的简称，是国际上应用最广泛的现场总线之一，降低技术人员的维护难度和提高外设资源使用的通用性。超级电容电机车由超级电容模块供应直流电源，直流电通过变频器转换成电压与频率可调的三相交流电，为二台交流变频牵引电动机提供动力电源，通过万向联轴节传递扭矩给齿轮传动减速箱，经减速后驱动车轴上轮对组实现电机车运行与牵引。和铅酸蓄电池不同的是，超级电容电机车不需要更换电瓶，只需要一组超级电容电池模块组，接上充电枪在十几分钟内即可充满电。
附图2本发明实施例的充电控制器原理框图。盾构施工用超级电容电机车一般行驶里程短，需要在固定地点按时补充能量；由于超级电容本身具有大电流充放电的特性，而且在大电流充放电的情况下对其寿命影响较小，因此为了节约时间，需要给超级电容在短时间内补充能量；为此，需要研究其充电的形式、充电系统结构，采用合适的充电控制器来实现智能快速充电桩。本发明的充电控制器包括主控CPU模块，用于在紧急情况停止所有工作、与主控CPU模块I/O口1连接的急停开关，用于在故障状态下警示用户、与主控CPU模块I/O口1连接的声光报警模块，用于快速充电桩工作参数设置和实时工作状态显示、与主控CPU模块I/O口2连接的触摸显示屏，用于实现上位机远程管控、与主控CPU模块COM1口连接的远程通信接口；其中，主控CPU模块内还含有用于扩展CAN接口的COM2口，用于连接交流侧信号调理电路的ADC1，用于连接直流侧信号调理电路的ADC2，用于连接PWM驱动隔离电路的I/O口3，以及相位区间划分模块、PI调节器1、PI调节器2、PWM控制器、电流选择模块、中点补偿模块；主控CPU综合通过触摸显示屏设置的工作参数与通过CAN接口获取超级电容模组的实时状态参数得到控制器电压外环的给定输入值UREF，与通过ADC1采集到的三电平整流主电路输出电压UDC一起作为PI调节器1的输入，PI调节器1的输出为电流内环的给定输入值IREF，与电流反馈信号IKZ一起作为PI调节器2的输入，在充电枪未连接电机车超级电容模组时由电流选择模块选择经ADC2采集到的交流侧电流IAC为反馈输入值IKZ，在充电过程中由电流选择模块选择经ADC1采集到的直流侧电流IDC为反馈输入值IKZ，PI调节器2的输出信号经PWM控制器、I/O口3后输出占空比、频率可控的PWM信号以实现三电平整流主电路的控制；在PWM控制器中，将控制部分生成的PWM 信号和通过ADC2采集到的交流侧电压信号Vab、Vbc、Vca经相位区间划分模块区间控制中输出的La、Lb、Lc相或作为最终输出控制信号以保证电路电流电压同相位、达到功率因数校正的目的，通过将ADC1采集到的三电平整流主电路输出中点电位UDC/2引入中点补偿模块生成补偿信号并修正PWM控制器输出的PWM信号以解决三电平整流电路由于中点箝位结构产生直流侧中点电位不平衡的问题。本发明充电控制器的采用电压外环、电流内环的控制方式，目的是实现恒流充电的同时限制最终的充电电压，实现方式是设定两个基准参数，分别用来控制电流与电压；在充电初期，因为输出电压低，没有达到电压的限制值，所以只有一个控制环路（电流环）在发挥作用，输出电流被控制，工作方式为恒流输出；到了充电末期，输出电压达到了电压的限制值，这时候电压环开始发挥作用，输出电压被限制，电流环失去作用，工作方式为恒压输出。外环调节电压，内环矫正功率因数；其中电压外环的目的是使输出直流电压稳定，电压环的输出通过乘法器乘以参考正弦信号后作为内环电流环的电流参考信号，检测主电路上的电流与参考电流信号进行比较，误差量经过调节器后输出PWM 脉冲占空比；但在控制器闭环带宽、增益等参数的配合调试上要注意协调，否则系统不易稳定。虽然每一相都配备独立的电压环有利于提高控制精度和响应速度实现三相独立调节，但是不利于斩波时段的控制，严重时导致系统不稳定，因此，本发明采用三相公用一个公共电压控制环的结构。本发明的主控CPU可选TMS320F28335、TMS320F2812等芯片，以TMS320F28335为例，它采用176引脚LQFP四边形封装，其主要性能如下：高性能的静态CMOS技术，指令周期为6．67 ns，主频达150 MHz；高性能的32位CPU，单精度浮点运算单元(FPU)，采用哈佛流水线结构，能够快速执行中断响应，并具有统一的内存管理模式，可用C／C++语言实现复杂的数学算法；6通道的DMA控制器；片上256 Kxl6的Flash存储器，34 Kxl6的SARAM存储器．1 Kx16 OTPROM和8 Kxl6的Boot ROM。其中Flash，OTPROM，16 Kxl6的SARAM均受密码保护；控制时钟系统具有片上振荡器，看门狗模块，支持动态PLL调节，内部可编程锁相环，通过软件设置相应寄存器的值改变CPU的输入时钟频率；8个外部中断，GPI00~GPI063连接到该中断，相对TMS320F281X系列的DSP，无专门的中断引脚；GPI00~GPI031连接到XINTl、XINT2及XNMI外部中断，GPl032~GPI063连接到XINT3~XINT7外部中断，支持58个外设中断的外设中断扩展控制器(PIE)，管理片上外设和外部引脚引起的中断请求；18个PWM输出，包含6个高分辨率脉宽调制模块(HRPWM)、6个事件捕获输入，2通道的正交调制模块(QEP)；3个32位的定时器，定时器0和定时器1用作一般的定时器，定时器0接到PIE模块，定时器1接到中断INTl3；定时器2用于DSP/BIOS的片上实时系统，连接到中断INTl4，如果系统不使用DSP/BIOS，定时器2可用于一般定时器；串行外设为2通道CAN模块、3通道SCI模块、2个McBSP(多通道缓冲串行接口)模块、1个SPI模块、1个I2C主从兼容的串行总线接口模块；12位的A/D转换器具有16个转换通道、2个采样保持器、内外部参考电压，转换速度为80 ns，同时支持多通道转换；88个可编程的复用GPIO引脚；低功耗模式，1.9V内核，3.3 V的I/O供电。
附图3是本发明实施例的输入保护及辅助电源原理图。输入保护及辅助电源电路包括电网输入连接器JK0、断路器QF、熔断器FUSE1、AC/DC转换模块MK01，电网380V交流电以三相四线制方式接入电网输入连接器JK0，再通过用于电源线路及后续电路保护的断路器QF、用于电路发生短路或严重过载保护的熔断器FUSE1后连接到三电平整流主电路，用于为充电控制器提供工作电源PWRIN的AC/DC转换模块MK01并接在通过断路器QF、熔断器FUSE1后的C相与零线N之间，以保证充电控制器、三电平整流主电路均只在断路器QF、熔断器FUSE1未起保护作用且手动操作断路器QF闭合的情况下才投入运行。断路器QF能够接通、承载和分断正常电路条件下电流，也能在规定的非正常条件下，接通、承载一定时间和分断电流的一种机械开关电器；可实现过载、短路保护主要用于负载和短路的保护，是一种保护用开关，也是本发明充电桩的总电源开关。熔断器FUSE1是一种利用熔体的熔化作用而切断电路的、最初级的保护电器，适用于交流低压配电系统或直流系统，作为线路的过负载及系统的短路保护用。熔断器其实就是一种短路保护器，广泛用于配电系统和控制系统，主要进行短路保护或严重过载保护；工作时，熔断器串连在被保护的电路中，当电路发生短路或严重过载时，熔断器中的熔断体将自动熔断，起到保护作用，最常见的就是保险丝；断路器俗称“空气开关”，也是一种短路保护器，当过流时，它会自动跳闸，起到保护作用；空气开关、断路器都是保护电器，但它们是不一样的；断路器是总称，它分为框架式断路器和塑料外壳式断路器两种，框架式断路器俗称万能断路器，塑料外壳式断路器俗称空气开关；它们具有短路和过载保护，可重复使用，寿命一般在几千次到几万次。熔断器是靠熔体熔化保护线路的一种电器，不可重复使用，保护以后需要更换熔体。
附图4是本发明实施例的三电平整流主电路图。三电平整流主电路由3个电感L1~L3、6个快恢复整流二极管D1~D6、6个IGBT模块或大功率MOS管VT1~VT6和2个电容C1~C2组成，交流侧与输入保护及辅助电源电路输出的三相交流电连接，设置有用于三相电压、电流监测的与交流侧信号调理电路连接的电压传感器VTR1~VTR3、电流传感器CTR1~CTR3，直流侧与输出保护与监测电路的输入连接，输出电流采用分流器SHUNT结合直流侧信号调理电路的方式监测、输出电压采用直接从电容C1~C2的端接点取电压连接至直流侧信号调理电路的方式监测，三电平整流主电路在充电控制器输出经PWM驱动隔离电路后的PWM信号PWMA、PWMB、PWMC控制下实现充电电压、电流实时控制。本发明采用的三相三电平整流器，由于直流侧采用上下两个电容C1~C2串联的形式，并且取两个电容C1~C2之间作为中点通过开关器件与交流侧相连，而此中点不断有电流流入流出，使得直流侧两个电容C1~C2的充放电情况不一致，导致中点电位产生偏移；由于这种结构，直流侧中点的电位可以有3 种，分别是-UDC/2、0、UDC/2（UDC为直流输出电压），故称三电平。中点电位不平衡会导致出现电网侧输入电流混入大量高次谐波，桥臂上的功率器件电压承受不均等问题。分流器SHUNT实质就是一个阻值很小的电阻，根据直流电流通过电阻时在电阻两端产生电压的原理制成；当有直流电流通过时，产生压降，供直流侧信号调理电路检测并送主控CPU的ADC1。控制部分由电流内环和电压外环组成，外环调节电压，内环矫正功率因数。以VT1、VT2的导通信号PWMa 的生成为例，输出电压UDC和给定电压UREF相比较，二者的差值经过PID调节之后通过乘法器乘以参考正弦信号Vab半波后作为内环电流环的电流参考信号IREF，反馈输入值IKZ 半波与参考电流信号IREF进行比较，误差量经过调节器后输出PWMa，同理生成PWMb 和PWMc。控制部分生成的PWMa、PWMb、PWMc 分别与相位区间划分模块的输出La、Lb、Lc 分别相或所得的信号即为PWMA、PWMB 、PWMC 作为最终的开关控制信号，把它们分别送给VT1~VT6，使得电路电流电压同相位，达到功率因数校正的目的。由于电流参考信号由电压反馈环决定，所以为了保持系统稳定且获得高的功率因数，反馈环的带宽不宜太宽。
附图5是本发明实施例的输出保护监测与充电枪电路图。充电枪及其接口是一个带有插接头JK02的充电枪CHARG，充电枪CHARG内置有用于检测其与电机车内超级电容模组连接状态的微动开关KG和电阻R1，插接头JK02与充电枪CHARG的连接为5线制：CAN总线通信信号正CANH、CAN总线通信信号负CANL、充电枪CHARG连接状态检测信号JCIN、充电输出正DC+、充电输出负DC-，其中充电输出正DC+、充电输出负DC-用于给电机车内超级电容模组提供充电电能，CAN总线通信信号正CANH、CAN总线通信信号负CANL用于充电控制器通过CAN接口与电机车内超级电容模组BMS通信以获取超级电容模组的实时状态参数。输出保护与监测电路包括用于充电输出发生短路或严重过载保护的熔断器FUSE2、用于接通或断开充电回路的继电器KM、用于监测充电回路绝缘状态的绝缘检测传感器INSU、用于与充电枪CHARG内置微动开关KG和电阻R1一起检测充电枪连接状态的电阻R2、用于连接充电枪的充电插接座JK01，当充电控制器检测到充电枪CHARG与电机车内超级电容模组连接后通过CAN总线通信获取超级电容模组的实时状态参数，根据超级电容模组实时状态参数智能决策并控制三电平整流主电路、控制继电器KM接通充电回路以电机车超级电容模组的智能充电，如充电过程中出现绝缘状态超限，则控制继电器KM断开充电回路以保证充电过程的安全性。现有绝缘状态监测方法主要有电桥平衡原理和低频探测原理，根据电桥平衡原理实现的绝缘监测装置被广泛使用，但它不能检测直流系统正、负极绝缘同等下降时的情况；绝缘监测装置即使报警，也不能直接得到系统对地的绝缘电阻大小。用低频探测原理检测接地故障是这些年来采用的一种新方法，但它所能检测的接地电阻受直流系统对地分布电容的制约，而且低频交流信号容易受外界的干扰，另外注入的低频交流信号增大直流系统的电压纹波系数。可见，电桥平衡原理和低频探测原理均存在若干难以克服的缺陷。本发明在主回路采用不平衡电桥检测总的绝缘电阻，而支路用直流互感器（绝缘检测传感器INSU）来检测到底是哪一路出现了绝缘降低，同时结合主控CPU来实现绝缘状态监测。充电控制器作为超级电容驱动型电机车配套的快速充电桩的控制中心，负责整个系统的运行过程监控、数据处理、控制策略实现和外界通讯控制。从充电控制器可直接获取超级电容电池状态，可实行检测单体模块的电池电压、电池温度、充放电的均衡控制，对散热风机控制等。同时将内容传递给上位机让远程系统对每一个超级电容模组进行控制和执行超级电容模组的安全有效运转。超级电容充电电压与初始电压关系很大。如果电机车每次到达固定充电位置时，电机车还能够维持较高的初始电压，则在限定时间（15分钟以内）和限定最大电流的情况下，超级电容能够被补充更多的能量。这就需要每次补充能量刚好能够维持到下一个运输循环周期所消耗的能量。一般按照盾构施工的特点，配置66kwh容量的超级电容电机车可以在正常施工工况最大行驶距离6km，在充电地点，要尽可能多的补充能量。超级电容电机车充电桩采用直流充电系统，利用充电桩为电机车提供直流电能，提供友好的人机操作界面，具有相应的控制、通信功能和保护功能。系统集功率变换、充电控制、管理、查询、显示以及通讯于一体，通过与电池管理系统(BMS)通讯，实现对整个充电过程的智能化控制。充电桩拟采用模块化设计，拥有多重保护功能，人性化的画面提示功能，自动化的充电控制；提供CAN、以太网、GPRS等多种通信接口与监控中心或运营管理中心实时通信，并接受监控中心的指令限制车载充电机的输出功率等，实时监测充电架的连接状态，连接异常将立即终止充电，确保充电过程中的人身和设备安全。
综上所述，本发明公开了一种超级电容驱动型电机车配套的快速充电桩，由充电枪及其接口、输出保护与监测电路、三电平整流主电路、输入保护及辅助电源电路、充电控制器五个部分组成，电网交流电经输入保护及辅助电源电路后由三电平整流主电路转换为直流电，然后通过输出保护与监测电路、充电枪及其接口为电机车超级电容模组补充电能。其有益效果在于：本发明技术方案在实现电机车超级电容模组智能充电的同时，通过使电路电流电压同相位来达到功率因数校正、减少电网干扰的目的，根据直流侧输出中点电位进行补偿来解决中点电位不平衡的问题，通过监测充电回路绝缘状态来保证充电过程的安全；具有控制简单、输入功率因数高、无谐波污染等优点，适合于隧道工程电机车上超级电容模组的快速充电。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而己，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种超级电容驱动型电机车配套的快速充电桩，包括用于给电机车内置超级电容模组进行充电的充电枪及其接口，用于经充电枪及其接口与电机车内超级电容模组BMS通信的CAN接口，用于控制和保护充电输出DC+与DC-、监测充电连接线绝缘变化、监测充电枪连接状态的输出保护与监测电路，用于在充电控制器输出PWM信号控制下将三相交流电转换为直流的PWM驱动隔离电路和三电平整流主电路，用于保护电网和本快速充电桩后续电路、为充电控制器及其周边电路提供工作电源PWRIN的输入保护及辅助电源电路，用于调理电网经输入保护电路接入的监测电压、电流波形的交流侧信号调理电路，用于调理三电平整流主电路输出电压、电流信号的直流侧信号调理电路，用于监测和管控整个充电过程以实现电机车超级电容模组智能充电的充电控制器；其特征是：
电网交流电经输入保护及辅助电源电路后由三电平整流主电路转换为直流电，然后通过输出保护与监测电路、充电枪及其接口为电机车超级电容模组补充电能，当充电控制器经输出保护与监测电路、充电枪及其接口检测到充电枪已与电机车超级电容模组连接后，再通过CAN接口与电机车内超级电容模组BMS通信以获取超级电容模组的实时状态参数，接着根据超级电容模组实时状态参数智能选择充电模式、充电参数，充电控制器以选择的充电模式、充电参数为输入，结合经交流侧信号调理电路、直流侧信号调理电路采集到实时电压、电流值，智能决策后输出控制信号经PWM驱动隔离电路控制和调节三电平整流主电路的工作状态，以为电机车超级电容模组提供不同阶段所需的充电电压与电流；
所述的充电控制器包括主控CPU模块，用于在紧急情况停止所有工作、与主控CPU模块I/O口1连接的急停开关，用于在故障状态下警示用户、与主控CPU模块I/O口1连接的声光报警模块，用于快速充电桩工作参数设置和实时工作状态显示、与主控CPU模块I/O口2连接的触摸显示屏，用于实现上位机远程管控、与主控CPU模块COM1口连接的远程通信接口，主控CPU模块内还含有用于扩展CAN接口的COM2口、用于连接交流侧信号调理电路的ADC1、用于连接直流侧信号调理电路的ADC2、用于连接PWM驱动隔离电路的I/O口3以及相位区间划分模块、PI调节器1、PI调节器2、PWM控制器、电流选择模块、中点补偿模块，主控CPU综合通过触摸显示屏设置的工作参数与通过CAN接口获取超级电容模组的实时状态参数得到控制器电压外环的给定输入值UREF，与通过ADC1采集到的三电平整流主电路输出电压UDC一起作为PI调节器1的输入，PI调节器1的输出为电流内环的给定输入值IREF，与电流反馈信号IKZ一起作为PI调节器2的输入，在充电枪未连接电机车超级电容模组时由电流选择模块选择经ADC2采集到的交流侧电流IAC为反馈输入值IKZ，在充电过程中由电流选择模块选择经ADC1采集到的直流侧电流IDC为反馈输入值IKZ，PI调节器2的输出信号经PWM控制器、I/O口3后输出占空比、频率可控的PWM信号以实现三电平整流主电路的控制，PWM控制器将控制部分生成的PWM 信号和通过ADC2采集到的交流侧电压信号Vab、Vbc、Vca经相位区间划分模块区间控制中输出的La、Lb、Lc相或作为最终输出控制信号以保证电路电流电压同相位、达到功率因数校正的目的，通过将ADC1采集到的三电平整流主电路输出中点电位UDC/2引入中点补偿模块生成补偿信号并修正PWM控制器输出的PWM信号以解决三电平整流电路由于中点箝位结构产生直流侧中点电位不平衡的问题；
所述的输入保护及辅助电源电路包括电网输入连接器JK0、断路器QF、熔断器FUSE1、AC/DC转换模块MK01，电网380V交流电以三相四线制方式接入电网输入连接器JK0，再通过用于电源线路及后续电路保护的断路器QF、用于电路发生短路或严重过载保护的熔断器FUSE1后连接到三电平整流主电路，用于为充电控制器提供工作电源PWRIN的AC/DC转换模块MK01并接在通过断路器QF、熔断器FUSE1后的C相与零线N之间，以保证充电控制器、三电平整流主电路均只在断路器QF、熔断器FUSE1未起保护作用且手动操作断路器QF闭合的情况下才投入运行；
所述的三电平整流主电路由3个电感L1~L3、6个快恢复整流二极管D1~D6、6个IGBT模块或大功率MOS管VT1~VT6和2个电容C1~C2组成，交流侧与输入保护及辅助电源电路输出的三相交流电连接，设置有用于三相电压、电流监测的与交流侧信号调理电路连接的电压传感器VTR1~VTR3、电流传感器CTR1~CTR3，直流侧与输出保护与监测电路的输入连接，输出电流采用分流器SHUNT结合直流侧信号调理电路的方式监测、输出电压采用直接从电容C1~C2的端接点取电压连接至直流侧信号调理电路的方式监测，三电平整流主电路在充电控制器输出经PWM驱动隔离电路后的PWM信号PWMA、PWMB、PWMC控制下实现充电电压、电流实时控制；
所述的充电枪及其接口是一个带有插接头JK02的充电枪CHARG，充电枪CHARG内置有用于检测其与电机车内超级电容模组连接状态的微动开关KG和电阻R1，插接头JK02与充电枪CHARG的连接为5线制：CAN总线通信信号正CANH、CAN总线通信信号负CANL、充电枪CHARG连接状态检测信号JCIN、充电输出正DC+、充电输出负DC-，其中充电输出正DC+、充电输出负DC-用于给电机车内超级电容模组提供充电电能，CAN总线通信信号正CANH、CAN总线通信信号负CANL用于充电控制器通过CAN接口与电机车内超级电容模组BMS通信以获取超级电容模组的实时状态参数；
所述的输出保护与监测电路包括用于充电输出发生短路或严重过载保护的熔断器FUSE2、用于接通或断开充电回路的继电器KM、用于监测充电回路绝缘状态的绝缘检测传感器INSU、用于与充电枪CHARG内置微动开关KG和电阻R1一起检测充电枪连接状态的电阻R2、用于连接充电枪的充电插接座JK01，当充电控制器检测到充电枪CHARG与电机车内超级电容模组连接后通过CAN总线通信获取超级电容模组的实时状态参数，根据超级电容模组实时状态参数智能决策并控制三电平整流主电路、控制继电器KM接通充电回路以电机车超级电容模组的智能充电，如充电过程中出现绝缘状态超限，则控制继电器KM断开充电回路以保证充电过程的安全性。
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- 2019-05-10 CN CN201910389287.4A patent/CN110203095B/zh active Active
Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN206968652U (zh) * | 2017-07-20 | 2018-02-06 | 中铁工程装备集团隧道设备制造有限公司 | 一种智能超级电容牵引机车 |
| CN107650690A (zh) * | 2017-09-20 | 2018-02-02 | 株洲时代电子技术有限公司 | 一种铁路工程机械混合动力源控制方法 |
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