一种用于矿用电动轮车辆的蓄电池供电系统及方法与流程

1.本发明涉及非公路车辆电传动牵引技术领域，尤其是涉及一种用于矿用电动轮车辆的蓄电池供电系统及方法。


背景技术：

2.矿用电动轮车是一种采用柴油机作为动力源的大型、超大型车辆，广泛应用于矿山、大型建筑工程、水电大坝工程、铁粉或煤炭堆场等需要大量运输工作的场合。由于非公路车辆配置的大型柴油机油耗惊人，根据具体载重吨位的不同，非公路车辆的油箱容积大约为千余升到数千升，每年耗油量折算达数百万元。据统计，非公路车辆运输成本约占矿石成本的45％～55％，非公路车辆能源消耗约占矿石总能耗的40％～60％。非公路车辆的排量非常大，也造成极大的大气污染物排放。
3.矿用电动轮车是通过发电机发出三相交流电，先经过整流再逆变为变频变压电源给牵引电机供电。当发电机出现故障时，车辆因失去牵引力而无法运行。在现有技术中，当发电机故障时，电驱系统无法工作，使得车辆无法运行，需要安排牵引车辆将故障的非公路车辆牵引回库房，极不方便。另外，当发电机故障时，目前还会采用辅助发电机给蓄电池充电，当辅助发电机出现故障后，也无法为蓄电池充电，从而因蓄电池出现馈电现象而使得车辆无法运行。
4.本发明提出的蓄电池供电系统，解决了蓄电池充电问题，且在发电机无法运行工作情况下，通过蓄电池给牵引电机、辅助系统供电，使得车辆能够慢速运行回库。目前运行的矿山车均采用了发电机辅助绕组给蓄电池充电，当发电机损坏后车辆无法运行。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题之一是需要提供一种改进成本低、附加装备少、对牵引电机损害小的新的技术方案。该方案可以实现在主发电机故障时，通过车载蓄电池储备的能量，为牵引变流器提供能量，从而启动牵引电机，实现车辆的紧急牵引。
6.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于矿用电动轮车辆的蓄电池供电系统，所述系统包括：主发电机；牵引变流器，其包括主变流器和辅助变流器，其中，所述主变流器的输入端与所述主发电机连接，用于输出若干组用来驱动牵引电机的交流电源，所述辅助变流器的第一端与所述主变流器中的中间直流回路连接，用于输出直流恒压电源；牵引电机，其与所述主变流器的输出端连接；双向dc/dc转换装置，其与所述辅助变流器的第二端连接，根据所述主发电机的工作状态，通过降压/升压处理实现为蓄电池装置充电/实现所述蓄电池装置的牵引功能；所述蓄电池装置，其与所述双向dc/dc转换装置连接。
7.优选地，所述牵引变流器采用集成有所述主变流器和所述辅助变流器的主辅一体牵引变流器；所述双向dc/dc转换装置采用双向dc/dc充电机。
8.优选地，在所述主发电机工作状态正常时，所述蓄电池装置进入充电状态，进一步，所述蓄电池供电系统的电能流向为：所述主发电机、所述主变流器、所述辅助变流器、所
述双向dc/dc转换装置、所述蓄电池装置。
9.优选地，在所述主发电机工作状态正常时，所述辅助逆变器，包括：辅助逆变器，其与所述主变流器中的中间直流回路连接，将中间直流回路取得的电压逆变为相应的第一交流电压；辅助变压器，其位于所述辅助逆变器和辅助整流器之间，将所述第一交流电压进行降压处理后输出第二交流电压；所述辅助整流器，其将所述第二交流电压整流为满足所述双向dc/dc转换装置电气需求条件的所述直流恒压电源。
10.优选地，在所述主发电机工作状态异常时，所述蓄电池装置进入放电状态，进一步，所述蓄电池供电系统的电能流向为：所述蓄电池装置、所述双向dc/dc转换装置、所述辅助变流器、所述主变流器、所述牵引电机。
11.优选地，在所述主发电机工作状态异常时，所述辅助逆变器，包括：辅助整流器，其将蓄电池放电电源进行升压处理后得到的满足辅助变流器电气需求条件的电池侧直流电源逆变为第三交流电压；辅助变压器，其将所述第三交流电压进行升压处理后输出第四交流电压；辅助逆变器，其将所述第四交流电压整流为牵引侧直流电源，并为所述中间直流回路供电。
12.优选地，所述系统，还包括：辅助发电机，其与所述蓄电池装置连接，用于为所述蓄电池装置充电提供冗余备份保障。
13.另一方面，提供了一种用于矿用电动轮车辆的蓄电池供电方法，所述矿用电动轮车辆具有如上述所述的蓄电池供电系统，该方法包括如下步骤：步骤一：在主发电机工作状态正常时，使得所述主变流器、所述辅助变流器均导通，所述牵引电机得电，同时，所述双向dc/dc转换装置将所述辅助变流器输出的直流恒压电源进行降压处理后，为蓄电池装置充电；步骤二：在所述主发电机工作状态异常时，使得所述主变流器、所述辅助变流器、所述双向dc/dc转换装置断开，所述蓄电池装置结束充电状态；步骤三：当所述主发电机工作状态异常且所述蓄电池装置结束充电状态时，所述蓄电池装置处于放电状态，所述双向dc/dc转换装置将蓄电池放电电源进行升压处理后，经由所述辅助变流器和所述主变流器使得所述牵引电机得电。
14.优选地，在所述主发电机工作状态正常时，所述蓄电池供电系统内各装置的开启顺序为：所述主发电机、所述主变流器、所述辅助变流器、所述双向dc/dc转换装置、所述蓄电池装置。
15.优选地，在所述主发电机工作状态异常时，所述蓄电池供电系统内各装置的开启顺序为：所述蓄电池装置、所述双向dc/dc转换装置、所述辅助变流器、所述主变流器、所述牵引电机。
16.与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：
17.本发明公开了一种用于矿用电动轮车辆的蓄电池供电系统及方法。该系统及方法利用适用于矿用电动轮车辆的主电路拓扑结构，在当发电机故障车辆无法运行时，可通过蓄电池升压和辅助变流器为主变流器的中间直流回路供电，从而为牵引电机提供运转所需电源，使得车辆慢速就近回库房、车站、检修基地、临修库等，无需牵引车牵引；当辅助发电机出现故障时，可跳开故障支路，通过主变流器、辅助变流器和双向dc/dc转换装置所构成的回路给蓄电池充电，提高系统运行的可靠性。本发明具有很高的可靠性，完全满足电动轮
矿车对电驱系统的要求。
18.虽然在下文中将结合一些示例性实施及使用方法来描述本发明，但本领域技术人员应当理解，为并不旨在将本发明限制于这些实施例。反之，旨在覆盖包含在所附的权利要求书所定义的本发明的精神与范围内的所有替代品、修正及等效物。
19.本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
20.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
21.图1为本技术实施例的用于矿用电动轮车辆的蓄电池供电系统的整体结构示意图。
22.图2为本技术实施例的用于矿用电动轮车辆的蓄电池供电系统的具体结构示意图。
23.图3为本技术实施例的用于矿用电动轮车辆的蓄电池供电系统在主发电机工作状态正常时的能量传输示意图。
24.图4为本技术实施例的用于矿用电动轮车辆的蓄电池供电系统在主发电机工作状态异常时的能量传输示意图。
25.图5为本技术实施例的用于矿用电动轮车辆的蓄电池供电方法的步骤示意图。
具体实施方式
26.以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
27.矿用电动轮车是一种采用柴油机作为动力源的大型、超大型车辆，广泛应用于矿山、大型建筑工程、水电大坝工程、铁粉或煤炭堆场等需要大量运输工作的场合。由于非公路车辆配置的大型柴油机油耗惊人，根据具体载重吨位的不同，非公路车辆的油箱容积大约为千余升到数千升，每年耗油量折算达数百万元。据统计，非公路车辆运输成本约占矿石成本的45％～55％，非公路车辆能源消耗约占矿石总能耗的40％～60％。非公路车辆的排量非常大，也造成极大的大气污染物排放。
28.矿用电动轮车是通过发电机发出三相交流电，先经过整流再逆变为变频变压电源给牵引电机供电。当发电机出现故障时，车辆因失去牵引力而无法运行。在现有技术中，当发电机故障时，电驱系统无法工作，使得车辆无法运行，需要安排牵引车辆将故障的非公路车辆牵引回库房，极不方便。另外，需要辅助发电机给蓄电池充电，当辅助发电机出现故障后，也无法为蓄电池充电，从而因蓄电池出现馈电现象而使得车辆无法运行。
29.为了解决上述技术问题，本发明提出了一种用于矿用电动轮车辆的蓄电池供电系
统。该系统在主发电机工作状态正常时，发电机输出电源经牵引变流器的变频变压处理后进一步利用双向dc/dc转换装置进行降压处理，为蓄电池充电；在主发电机故障时，利用双向dc/dc转换装置对蓄电池输出电源进行升压处理，进一步通过辅助变流器进行逆变、升压和四象限整流后输出直流电压到牵引变流器中间直流回路，供牵引变流器中的逆变器驱动电机，从而实现蓄电池牵引功能。本发明既解决了为矿山车的蓄电池供电时需要额外附加发电机设备，又可在主发电机故障情况下，通过蓄电池给牵引电机提供电源，确保车辆能够运行到最近的检修库，无需其他牵引车辆牵引。
30.图1为本技术实施例的用于矿用电动轮车辆的蓄电池供电系统的整体结构示意图。如图1所示，本方明所述的蓄电池供电系统包括但不限于：主发电机1、牵引变流器11、牵引电机4、双向dc/dc转换装置8和蓄电池装置9。具体地，在本发明实施例中的蓄电池供电系统是应用于矿用电动轮车(非公路车辆和非轨道列车)的蓄电池供电牵引系统，常采用主发电机1来为系统进行供电。牵引变流器11的输入端与主发电机1连接，包括主变流器12和辅助变流器13。其中，主变流器12与主发电机1的输出端连接，用于输出若干组用来驱动牵引电机4的(单相)交流电源，辅助变流器13的第一端与主变流器中的中间直流回路连接，辅助变流器13的第二端与上述双向dc/dc转换装置8连接，用于输出直流恒压电源。多个牵引电机4，每个牵引电机4与主变流器12的输出端对应连接，一组输出端对应一个牵引电机4。每个牵引电机4在获得相应的交流电源后，驱动该通道的牵引电机负载工作，实现主发电机工作状态正常情况下的主发电机驱动的牵引功能。
31.双向dc/dc转换装置8与辅助变流器5的第二端连接，用于根据主发电机1的工作状态，通过对从上述中间直流回路获得的直流电压的降压处理，实现在主发电机工作状态正常情况下为蓄电池装置9充电的功能，以及通过对从蓄电池放电输出电源获得的直流电压的升压处理，实现主发电机工作状态异常情况下的蓄电池装置的牵引功能。蓄电池装置9与双向dc/dc转换装置8连接，由多个蓄电池通过串并联方式形成为蓄电池组。
32.需要说明的是，在本发明实施例中，上述牵引变流器11采用集成有主变流器12和辅助变流器13的主辅一体牵引变流器。进一步，双向dc/dc转换装置8采用双向dc/dc充电机。
33.图2为本技术实施例的用于矿用电动轮车辆的蓄电池供电系统的具体结构示意图。如图2所示，在本发明实施例中，主变流器12包括若干个变流单元，每个变流单元与一个牵引电机连接，并输出一组(单相)交流电源。由于主变流器12中，每个变流单元的结构、功能都相同，故本发明实施例仅以一个变流单元为例进行说明。其中，变流单元包括：主整流器2、与整流器连接的中间直流回路、以及通过中间直流回路与主整流器2连接的主逆变器3。更进一步地说，主整流器2的一端与主发电机1的其中一组输出端连接，主整流器2的另一端与主逆变器3的第一端连接，主整流器2具有三相不可控整流结构。主整流器2用于利用三相不可控整流技术，将从主发电机1输出的交流电转换为直流电，向中间直流回路供电；主逆变器3从中间直流回路取电，将中间直流回路取得的直流电逆变成频率、幅值可调的交流电，从而输出一组单相交流电源。另外，中间直流回路与每个变流单元内的主整流器2、主逆变器3以及上述辅助变流器13连接。
34.如图2所示，在本技术实施例中，主变流器12包括两组变流单元，主变流器12输出两路驱动电机运转的单相交流电源。需要说明的是，本发明对变流单元的数量不作具体限
定，本领域技术人员可根据实际情况进行调整，并根据变流单元数量的不同，将牵引变流器的输出组数和牵引电机的数量进行适应性调整。
35.在电传动牵引轨道交通车辆领域下的蓄电池供电牵引系统中，常采用先逆变处理后降压处理的辅助变流器来直接向蓄电池装置供电。但针对矿用电动轮车来说，采用柴油机带动主发电机发电时，中间直流回路的电压波动较大，这种仅具备逆变和降压处理的辅变方式，无法满足非公路车辆的稳压要求。因此，在本发明实施例中，上述辅助逆变器13包括依次连接的辅助逆变器5、辅助变压器6和辅助整流器7。优选地，上述双向dc/dc转换装置8集成于辅助变流器13内，故本发明实施例中的辅助逆变器13，一方面通过逆变、降压/升压、整流、降压/升压处理功能为一体，向蓄电池装置9/中间直流回路提供稳定的恒定电压；另外，通过升压、逆变、升压、整流处理功能为一体，向中间直流回路提供稳定的恒定电压。
36.在本发明所述的蓄电池供电系统中，需要满足在主发电机供电正常状态和故障状态使得供电异常状态下，驱动车辆牵引电机的正常运转，下面对该系统在这两种状态下的工作情况进行详细说明。
37.图3为本技术实施例的用于矿用电动轮车辆的蓄电池供电系统在主发电机工作状态正常时的能量传输示意图。如图3所示，在主发电机1供电状态正常时，主变流器12、辅助变流器13和双向dc/dc转换装置8均处于均正常导通状态，蓄电池装置9进入充电状态。此时，蓄电池供电系统的电能流向依次为：主发电机1、主变流器12、辅助变流器13、双向dc/dc转换装置8、蓄电池装置9。
38.具体地，主发电机1输出的交流电，主辅一体牵引变流器11通过从主发电机1取电，通过牵引变流器11(主变流器12)中的四象限整流器2建立起中间直流电压，一方面，牵引逆变器3从中间直流回路取电，并且驱动牵引电机4完成牵引；同时，辅助变流器13也从中间直流回路取电，通过逆变、辅助变压器6的交流电降压、整流、双向dc/dc转换装置8的直流电降压，输出稳定的恒定电压提供给蓄电池进行充电。
39.下面对辅助变流器13在当前主发电机工作状态正常工况下的实施过程进行说明。具体地，辅助逆变器5与主变流器12中的中间直流回路连接，用于将从中间直流回路取得的电压逆变为相应的第一交流电压；辅助变压器6位于辅助逆变器5和辅助整流器7之间，用于将获取到的第一交流电压进行交流电降压处理后输出第二交流电压；辅助整流器7与双向dc/dc转换装置8连接，用于利用内部的四象限整流结构，采用三相不可控整流技术将第二交流电压整流为满足双向dc/dc转换装置8电气需求条件的直流恒压电源。这样，当前直流恒压电源在经过双向dc/dc转换装置8的直流电降压处理后，输入至蓄电池装置9内，为其充电。
40.更进一步地说，在本发明实施例中，牵引变流器11内每个变流单元的主逆变器3的输入端设置有多个并联的滤波电容器组，从而构成了相应的滤波回路和储能支路，使得主逆变器3获取到的中间直流回路电压是经过电容器组的滤波处理后的平稳的直流电源，进一步逆变成稳定的单相交流电输出给相应的牵引电机4。
41.因此，如图3所示，当牵引工况给蓄电池充电时：主发电机1输出的交流电，经主整流器2后变成直流电。由于两个主逆变器3内都封装了电容器组，四个电容并联构成滤波回路和储能支路，经电容滤波后获取到平稳的直流电，经过主逆变器3后，逆变成单相交流电，输出给牵引电机，用来驱动牵引电机4。此时，直流侧电压(中间直流回路电压)经过辅助逆
变器5逆变为交流电后，经过辅助变压器6进行交流电降压，通过辅助整流器7整流为低压电，再经过dc-dc充电机8直流电降压给蓄电池9充电。
42.图4为本技术实施例的用于矿用电动轮车辆的蓄电池供电系统在主发电机工作状态异常时的能量传输示意图。如图4所示，在主发电机1供电状态异常时，主变流器12、辅助变流器13、和双向dc/dc转换装置8均处于断开状态，蓄电池装置9进入放电状态。此时，蓄电池供电系统的电能流向依次为：蓄电池装置9、双向dc/dc转换装置8、辅助变流器13、主变流器12、牵引电机4。
43.具体地，在主发电机1供电状态异常(主发电机1故障)时，蓄电池装置9处于放电状态，双向dc/dc转换装置8将从蓄电池装置9获取到的放电电源进行直流电升压处理后，经辅助变流器13的逆变、交流电升压和整流处理后，为牵引变流器11的中间直流回路供电，进一步，使得主变流器12中的主逆变器3驱动牵引电机4，从而实现蓄电池牵引功能。
44.下面对辅助变流器13在当前主发电机工作状态异常工况下的实施过程进行说明。具体地，在蓄电池装置9处于放电状态时，双向dc/dc转换装置8将获取到的放电电源进行直流电升压处理，并输入至辅助整流器7内。辅助整流器7与双向dc/dc转换装置8连接，用于将经过直流升压处理后的蓄电池放电电源(满足辅助变流器7电气需求条件的电池侧直流电源)逆变为第三交流电压。辅助变压器6用于将获取到的第三交流电压进行交流电升压处理后，输出第四交流电压。辅助逆变器5用于将获取到的第四交流电压整流为牵引侧直流电源，并为中间直流回路供电。这样，当前牵引侧直流电源在经过主逆变器3的逆变处理后，输入至牵引电机4内，用来驱动牵引电机4的正常工作。
45.如图4所示，当发电机故障时，进入到蓄电池给牵引电机供电工况：蓄电池9输出的放电电源由dc-dc充电机8升压为低电压，通过辅助整流器7逆变为单相交流电，经过辅助变压器6交流升压后再经过辅助逆变器5整流为高压直流电，经过主逆变器3给牵引电机4供电，从而驱动电动轮车缓慢进库。
46.在实际应用过程中，为了提高矿用电动轮车辆在正常行驶过程中为蓄电池充电的保障性，本发明实施例针对蓄电池充电过程有两种模式，互为冗余备份。由此，如图2所示，本发明所述的蓄电池供电系统还包括：辅助发电机10。辅助发电机10与蓄电池装置9连接，用于为蓄电池装置9充电过程提供冗余备份保障。具体地，当辅助发电机10故障时可通过双向dc/dc转换装置8为蓄电池装置9充电，当双向dc/dc转换装置8故障时可通过辅助发电机10为蓄电池装置9充电，两种方式互为保障，从而提高了矿用电动轮车辆蓄电池供电系统的运行的可靠性。
47.更进一步地说，如图2所示，本发明实施例所述的蓄电池供电系统还包括：第一开关单元14和第二开关单元15。其中，第一开关单元(km1)14的两端分别与双向dc/dc转换装置8和蓄电池装置9连接。第二开关单元(km2)15的两端分别与辅助发电机10和蓄电池装置9连接。第一开关单元(km1)14用于在辅助发电机10故障时闭合。同时，第二开关单元(km2)15在辅助发电机10故障时处于断开状态。
48.继续参考图2，第二开关单元(km2)15用于在双向dc/dc转换装置8故障时闭合。同时，第一开关单元(km1)14用于在双向dc/dc转换装置8故障时处于断开状态。这样，本发明利用辅助发电机10为蓄电池供电系统提供蓄电池充电过程的有力后备保障。
49.另外，第一开关单元(km1)14用于在双向dc/dc转换装置8处于正常工作状态时处
于闭合状态。同时，第二开关单元(km2)15用于在双向dc/dc转换装置8处于正常工作状态时处于断开状态。这样，在矿用电动轮车辆正常行驶时，无需利用辅助发电机10为蓄电池装置9进行充电，降低了车辆的能源消耗。
50.进一步，参考图2、图3和图4，辅助发电机10和dc-dc充电机8互为冗余备份模式，当辅助发电机10故障后，跳开km2、吸合km1，通过dc-dc给蓄电池充电；当辅变dc-dc充电机8故障后，跳开km1、吸合km2，通过辅助发电机给蓄电池充电。
51.另一方面，基于上述用于矿用电动轮车辆的蓄电池供电系统，本发明还提出了一种用于矿用电动轮车辆的蓄电池供电方法。其中，本发明所述的矿用电动轮车辆具有上述所述的蓄电池供电系统。
52.图5为本技术实施例的用于矿用电动轮车辆的蓄电池供电方法的步骤示意图。如图5所示，本发明所述的蓄电池供电方法包括如下步骤：步骤s510在主发电机1工作状态正常时，使得主变流器12、辅助变流器13和双向dc/dc转换装置8均导通，牵引电机4得电，同时，双向dc/dc转换装置8将辅助变流器13输出的直流恒压电源进行降压处理后，为蓄电池装置9充电；步骤s520在主发电机1工作状态异常时，使得主变流器12、辅助变流器13、双向dc/dc转换装置8断开，蓄电池装置9结束充电状态；步骤s530当主发电机1工作状态异常且蓄电池装置9结束充电状态时，蓄电池装置9处于放电状态，双向dc/dc转换装置8将蓄电池放电电源进行升压处理后，经由辅助变流器13和主变流器12使得牵引电机4得电。
53.进一步，在主发电机1工作状态正常时，蓄电池供电系统内各装置的开启顺序为：主发电机1、主变流器12、辅助变流器13、双向dc/dc转换装置8和蓄电池装置9。
54.进一步，在主发电机1工作状态异常时，蓄电池供电系统内各装置的开启顺序为：蓄电池装置9、双向dc/dc转换装置8、辅助变流器13、主变流器12和牵引电机4。
55.本发明提出了一种用于矿用电动轮车辆的蓄电池供电系统及方法。该系统及方法利用适用于矿用电动轮车辆的主电路拓扑结构，在当发电机故障车辆无法运行时，可通过蓄电池升压和辅助变流器为主变流器的中间直流回路供电，从而为牵引电机提供运转所需电源，使得车辆慢速就近回库房、车站、检修基地、临修库等，无需牵引车牵引；当辅助发电机出现故障时，可跳开故障支路，通过主变流器、辅助变流器和双向dc/dc转换装置所构成的回路给蓄电池充电，提高系统运行的可靠性。本发明具有很高的可靠性，完全满足电动轮矿车对电驱系统的要求。
56.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
57.应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
58.说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
59.虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本
发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。