一种机车用超大功率电池均衡充电电路及控制管理方法技术

本发明专利技术公开了一种机车用超大功率电池均衡充电电路及控制管理方法，该充电电路将单体电池以先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的支路，每个支路通过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。该充电控制管理方法为：充电时每一支路都是通过独立的IGBT进行控制，分别实现对各支路充电电流的控制，使每个支路的电池电荷状态SOC一致，电压达到均衡。本发明专利技术能够避免各支路之间环流，使各支路SOC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。

An equalizing charging circuit and control management method of super power battery for locomotive

【技术实现步骤摘要】
一种机车用超大功率电池均衡充电电路及控制管理方法
本专利技术涉及轨道交通领域，尤其涉及一种机车用超大功率电池均衡充电电路及控制管理方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提出一种机车用超大功率电池均衡充电电路，具体的，将单体电池以先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的支路，每个支路通过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。此外，本专利技术还提出一种机车用超大功率电池均衡充电控制管理方法，充电时每一支路都是通过独立的IGBT进行均衡充电，并通过控制IGBT的占空比，控制均衡电流的大小，使每个支路的电池电荷状态SOC一致，电压达到均衡，其中，外电源充电时的充电方法如下：S11.假设各支路充电前的电池电荷状态SOC分别为SOC1、SOC2和SOC3，最终SOC满时为SOC0，充电时间为h，各支路充电电流如下：S12.再假设第一支路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，其计算公式如下：S13.微机控制系统控制各支路SOC均保持在95％，充电完成后静置10分钟，微机控制系统再对电压低的支路按0.1C充电电流补电，最终达到SOC一致。进一步的，若根据式3-4及3-5计算出的充电电流大于各支路管理系统允许的最大充电电流，假设第二支路管理系统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，其计算公式如下：再进一步的，若有两个支路的充电电流计算值都大于其支路管理系统的允许值，则取最低电流作为比例基准值，计算方式同式3-6和3-7。更进一步的，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10分钟，之后，微机控制系统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。进一步的，在小运转模式下，柴油发电机组的充电方法如下：S21.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和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其支路管理系统允许的最大充电电流，则取最低电流作为比例基准，计算同式3-6和3-7；S22.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；S23.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和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。进一步的，在调车模式下，柴油发电机组的充电方法如下：S31.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和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其支路管理系统允许的最大充电电流，则取最低电流作为比例基准，计算同式3-6和3-7；充电完成后，静置10分钟，之后，微机控制系统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10分钟，之后，微机控制系统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；S32.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和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。进一步的，在动力电池之间的均衡充电方法如下：S41.两支路充电均衡控制策略：当两支路电压差超过阀值后，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，微机控制系统根据SOC情况，控制充电电流，电压差逐渐缩小到一定阀值后，进行浮充，使电压差达到最小；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；S42.三支路充电均衡控制策略：三支路分两种情况，一种情况是一支路低，两只路高；第二种情况是两支路低，一支路高，具体如下：S421.第一种情况：机车静止时，SOC>30％，未到启动柴油机的状态，当电压差达到阀值，微机控制系统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；当电压差超过阀值后，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，微机控制系统根据SOC情况，控制充电电流，电压差逐渐缩小到一定阀值后，进行浮充，使电压差达到最小；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；S422.第二种情况：机车静止时，当电压差达到阀值，微机控制系统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；当压差超过阀值后，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；微机控制系统根据SOC情况，分别控制两个支路的充电电流，当三个支路电压差逐渐缩小到一定阀值后，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。本专利技术的有益效果在于：本专利技术能够避免各支路之间环流，使各支路SOC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是三支路蓄电池并联供电原理图；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为二本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种机车用超大功率电池均衡充电电路，其特征在于，将单体电池以先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的支路，每个支路通过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。/n

【技术特征摘要】
1.一种机车用超大功率电池均衡充电电路，其特征在于，将单体电池以先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的支路，每个支路通过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。


2.一种机车用超大功率电池均衡充电控制管理方法，其特征在于，充电时每一支路都是通过独立的IGBT进行均衡充电，并通过控制IGBT的占空比，控制均衡电流的大小，使每个支路的电池电荷状态SOC一致，电压达到均衡，其中，外电源充电时的充电方法如下：
S11.假设各支路充电前的电池电荷状态SOC分别为SOC1、SOC2和SOC3，最终SOC满时为SOC0，充电时间为h，各支路充电电流如下：









S12.再假设第一支路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，其计算公式如下：






S13.微机控制系统控制各支路SOC均保持在95％，充电完成后静置10分钟，微机控制系统再对电压低的支路按0.1C充电电流补电，最终达到SOC一致。


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控制管理方法，其特征在于，若根据式3-4及3-5计算出的充电电流大于各支路管理系统允许的最大充电电流，假设第二支路管理系统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，其计算公式如下：








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控制管理方法，其特征在于，若有两个支路的充电电流计算值都大于其支路管理系统的允许值，则取最低电流作为比例基准值，计算方式同式3-6和3-7。


5.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控制管理方法，其特征在于，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10分钟，之后，微机控制系统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。


6.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控制管理方法，其特征在于，小运转模式下，柴油发电机组的充电方法如下：
S21.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和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其支路管理系统允许的最大充电电流，则取最低电流作为比例基准，计算同式3-6和3-7；
S22.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；
S23.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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李茹华，王平华，孟远文，
申请(专利权)人：中车资阳机车有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51