本發明屬于電子技術領域，涉及一種用于列車的自供電方法。

背景技術：

隨著市場經濟的發展，鐵路、公路、水路、航空等運輸日益發展，四大運輸領域的競爭也越來越激烈，鐵路貨運受到了前所未有的挑戰，為適應市場競爭和鐵路總公司貨運改革的要求，鐵路列車車載動態安全監控設備、電子防滑器等被提出。然而，長期以來，由于鐵路列車不斷拆解編組，機車上的電能無法有效的傳送到每節列車上，因此除機車外的其它車廂和轉向架普遍沒有電源，這一現狀導致了列車車載動態安全監控設備、電子防滑器、通訊設備及照明等用電設備不方便被使用。近年來，由于太陽能、風能、蓄電池和其他電源的開發，列車的供電問題將得到逐步解決。

現有的列車車載電源裝置有安裝蓄電池、太陽能電池、壓縮空氣發電裝置、振動發電裝置、風力發電、皮帶輪傳動軸端發電裝置、軸端盤式永磁發電裝置、軸端徑向發電裝置、軸承發電裝置等多種方案。安裝蓄電池供電的方式操作簡單，供電質量好，但由于蓄電池容量有限，不能長期提供安全可靠的電源；太陽能電池受氣候和運行時段的影響，不能長期提供安全可靠的電源；壓縮空氣發電裝置是利用列車的氣動剎車系統的壓縮空氣發電，由于氣動剎車系統的工作是間斷的，且間斷時間不確定，這將導致發電量不能滿足列車用電設備的需要；振動發電技術受壓電材料限制，且輸出功率太低，不能滿足列車用電設備的需要；惡劣的作業條件限制了風力發電裝置在列車上的使用；皮帶輪傳動軸端發電裝置、軸端盤式永磁發電裝置、軸端徑向發電裝置和軸承發電裝置均利用列車車軸旋轉的機械能轉換為電能，其共同特點是由車軸的旋轉速度決定發電量，在列車運行過程中可以實現連續發電，能為用電設備提供足夠功率的電能。

由于皮帶輪傳動軸端發電裝置、軸端盤式永磁發電裝置、軸端徑向發電裝置和軸承發電裝置采用了同步發電機或異步發電機發電，根據發電機的原理，同步發電機或異步發電機發出的電壓隨著列車運行速度的變化而變化，且電壓的頻率也是變化的，因此，發電機發出的電能不能直接被用電設備使用，為了給列車用電負載提供安全可靠的電源，發電機發出的電能必須經過一系列的變換才能被負載使用。

綜上所述，如何能夠利用列車車軸的機械能發電，實現對列車(尤其對貨運列車)長時間提供穩定、可靠的電源是列車電源系統領域亟待解決的技術問題。

因此，有必要設計一種用于列車的自供電方法。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是提供一種用于列車的自供電方法，該用于列車的自供電方法結構緊湊，易于實施，無需外接電源即可為列車的負載供電。

發明的技術解決方案如下：

一種用于列車的自供電方法，基于列車自供電系統進行供電控制；

所述的列車自供電系統包括控制器、蓄電池和至少一條自發電供電支路；每一條自發電供電支路包括依次串聯的發電模塊、整流器和DC/DC變換單元；發電模塊與車軸相連，由車軸的驅動產生交流電；

DC/DC變換單元的輸出端和蓄電池均與直流母線相接；

直流母線為控制器供電；

DC/DC變換單元受控于控制器；

控制器的供電線路有3條：

(1)由直流母線供電；

(2)由蓄電池供電；

(3)由控制器啟動電源控制電路供電；

通過切換電路(如繼電器或接觸器實現切換，為現有成熟技術)實現切換；

控制方法如下：

步驟1：在列車啟動瞬間，蓄電池給控制器提供工作電源；控制器如果檢測到蓄電池電壓低于第一預設值(如20V)；則轉到步驟2；控制器如果檢測到直流母線輸出電壓達到第二預設值(如24V)；則轉到步驟3；

步驟2：由控制器啟動電源單元為控制器供電；若控制器檢測到直流母線輸出電壓達到第二預設值(如24V)，則控制器向晶閘管SCR的觸發端發送高電平信號或脈沖；使得接觸器KM動作，斷開Ud1的供電支路，轉到步驟3；

步驟3：由直流母線給控制器提供直流電源。

自發電供電支路為多條；多條自發電供電支路的輸出端與直流母線相連；多條自發電供電支路的發電模塊分別對應與多個不同的車軸相連。

直流母線為24V直流母線。

直流母線還接有DC/DCO變換單元；DC/DCO變換單元用于輸出5V和12V電壓；DC/DCO變換單元為直流/直流變換輸出單元。輸出5V電壓可以采用7805芯片，或采用ME6119A5.0PG芯片，或采用如圖3所述的電路。

蓄電池通過充/放電雙向切換模塊與直流母線相連；

對于充/放電雙向切換模塊的控制方法如下：

(1)當直流母線電壓低于第二預設值(如24V)，則接通充/放電雙向切換模塊的放電支路，使得蓄電池放電，為負載提供電能；

(2)當直流母線電壓達到或高于第二預設值(如24V)，且蓄電池電壓低于第二預設值(如24V)；則接通充/放電雙向切換模塊的充電支路，為蓄電池充電，直到蓄電池充滿。

所述的基于列車自供電系統還包括控制器啟動電源控制電路；控制器啟動電源控制電路受控于控制器且用于為控制器供電；控制器啟動電源控制電路由某一條自發電供電支路的整流器的輸出端Ud1供電。

控制器啟動電源控制電路包括接觸器KM、晶閘管SCR、NPN型的三極管T和穩壓二極管DZ；

各器件的連接關系如下：

(1)直流母線經接觸器KM的線圈接晶閘管SCR的陽極，晶閘管SCR陰極接地；晶閘管SCR的觸發端接控制器的一個輸出端口；

(2)某一條自發電供電支路的整流器的輸出端Ud1(也可以是Ud2等)經接觸器KM的常閉開關接三極管T的c極；三極管T的e極接控制器的供電端(可以是多個供電端的一端)；三極管T的c極和e極之間跨接有電阻R；R是DZ的保護電阻，限制通過DZ的電流，起保護穩壓管的作用，比如可以采用100歐姆，或1k歐姆，或根據穩壓二極管DZ的最大容許電流計算器阻值；三極管T的b極接穩壓二極管DZ的陰極；穩壓二極管DZ的陽極接地。

發電機為皮帶輪傳動軸端發電裝置、軸端盤式永磁發電裝置、軸端徑向發電裝置和軸承發電裝置中的任一種。還可以在上述發電裝置的基礎上再采用微型風力發電機，列車開動時，風力發電機工作產生電能也能為系統供電。

整流器包括整流電路及濾波電路；整流電路為三相橋式不可控整流電路或單相橋式不可控整流電路。根據軸承發電機或傳動機構帶動的發電機或風力發電機是三相發電機還是單相發電機，每個整流器相應的采用三相橋式不可控整流電路或單相橋式不可控整流電路。

DC/DC變換單元采用全控型開關器件組成的電力電子電路。

供電電源還包括連接控制器的電壓檢測電路，用于檢測蓄電池電壓，母線電壓等。

所述的控制器為PLC或DSP等。

本發明方法對應的的電源系統包括發電單元、整流器單元、DC/DC變換單元(即直流/直流變換單元)、控制器、充/放電雙向切換模塊、蓄電池、DC/DCO變換單元(即直流/直流變換輸出單元)、控制器啟動電源單元。

所述發電單元由n個發電模塊組成，每個發電模塊分別與列車車軸連接，利用軸承發電機或傳動機構帶動的發電機發出交流電，所發出交流電的電壓大小和頻率均隨列車速度變化而變化，實現將車軸的部分機械能轉換為電能并傳遞給整流器單元。

所述整流器單元由n個整流器組成，根據軸承發電機或傳動機構帶動的發電機是三相發電機還是單相發電機，每個整流器相應的采用三相橋式不可控整流電路或單相橋式不可控整流電路，整流輸出電壓采用電容濾波，將發電單元發出的交流電轉化為直流電，該直流電壓隨著列車速度變化而變化。

所述DC/DC變換單元由n個DC/DC模塊組成，各個DC/DC模塊采用升降壓斬波電路，當列車車速比較低時，所發出的電壓經不可控整流電路輸出電壓低于24V，采用升壓控制模式，當列車車速增加，所發出的電壓經過不可控整流電路輸出電壓高于24V，采用降壓控制模式。各個DC/DC模塊的升降壓斬波電路采用全控型開關器件組成的電力電子電路，完成電壓轉換，使得輸入的隨著列車速度改變的直流電壓轉換為穩定的直流電壓輸出，且輸出電壓恒定為24V。

所述控制器實現對DC/DC變換單元、充/放電雙向切換模塊、DC/DCO變換單元以及控制器啟動電源單元內的可控硅SCR的控制，并檢測蓄電池的充/放電電流和端電壓，檢測24V_dc直流母線上的電流。

所述控制器對DC/DC變換單元進行控制，即控制各個DC/DC模塊的全控型開關器件，同時檢測各個DC/DC模塊的輸出電壓，用于作為恒壓控制的電壓反饋，確保各個DC/DC模塊輸出電壓恒定為24V，同時確保24V_dc直流母線的電壓為24V。

所述充/放電雙向切換模塊實現蓄電池的充/放電雙向切換功能，當系統發電功率大于列車用電負載總功率時，對蓄電池進行充電，當系統發電功率低于列車用電負載總功率時，蓄電池放電。

所述控制器檢測24V_dc直流母線上的電流，計算系統發電功率，用于確定對蓄電池充/放電控制，控制器相應的做出對充/放電雙向切換模塊的控制。

所述控制器檢測蓄電池的充/放電電流和端電壓，用于實現對蓄電池的恒壓/恒流充/放電控制以及停止充/放電運行控制，估算蓄電池儲存的電能。

所述蓄電池把多余的電能存儲，以備短時間停車時為列車提供電源，在列車啟動時為控制器提供啟動電源。

所述DC/DCO變換單元與24V_dc直流母線相連，DC/DCO變換單元采用兩個Buck降壓斬波電路，控制器對DC/DCO變換單元的Buck降壓斬波電路進行控制，將24V直流電壓轉換為12V和5V輸出。

所述控制器啟動電源單元為控制器提供啟動電源，在列車啟動時，如果蓄電池存儲的電能不夠，直接利用整流器單元輸出的直流電壓，該直流電壓經穩壓二極管DZ和三極管T組成的穩壓電路給控制器提供電源，由于列車啟動瞬間整流器單元輸出的直流電壓比較低，但隨著車速的增加，整流器單元輸出直流電壓增加，一旦穩壓電路輸出直流電壓達到啟動控制器工作的電壓值，控制器開始工作，DC/DC變換單元進入工作狀態，車速繼續增加并趨于平穩運行時，DC/DC變換單元輸出穩定的24V直流電壓，整個電源系統正常運行，此時控制器可以直接使用24V_dc直流母線上的電壓作為工作電源，控制器發出信號使可控硅SCR導通，繼電器KM的線圈得電，繼電器KM的常閉觸點斷開，斷開控制器啟動電源單元的輸入電源，保護穩壓電路。

所述發電單元的n個發電模塊分別與整流器單元的n個整流器以及DC/DC變換單元的n個DC/DC模塊串聯連接，DC/DC1～DC/DCn的輸出電壓U_d1～U_dn并聯連接到24V_dc直流母線上。

所述控制器的工作電源包括24V_dc直流母線提供的24V直流電源、蓄電池提供的電源、控制器啟動電源單元提供的電源。在列車啟動瞬間，如果蓄電池存儲的電能足夠啟動控制器，由蓄電池給控制器提供工作電源，控制器啟動工作，并給可控硅SCR發出控制信號，確保控制器啟動電源單元不工作；如果蓄電池存儲的電能不能啟動控制器，由控制器啟動電源單元給控制器提供啟動電源；一旦系統工作穩定，由24V_dc直流母線給控制器提供24V直流電源，蓄電池和控制器啟動電源單元不再給控制器提供工作電源。

本電源系統為列車提供了24V、12V、5V三種典型的電壓等級，不失一般性，如需其他電壓等級也可以依據上述原理獲得。

有益效果：

本發明的用于列車的自供電方法，易于實施，輸出功率大，環境適應性強，可靠性高，將列車車軸的機械能轉化為電能直接供車載用電設備使用，并將多余的電能儲存在蓄電池中，以備停車時使用。鑒于列車車載動態安全監控設備、電子防滑器、通訊設備及照明用電設備均為直流設備，且電壓等級不同，本發明提供24V、12V、5V三種電壓等級的直流電源輸出。

本發明的主要特點如下：

(1)采用車軸發電裝置將列車車軸的機械能轉化為電能，以及利用風力發電機將風能轉換為電能，易于實施。

(2)具有繼電供電模塊(即控制器啟動電源控制電路)，并采用多種模式為控制器供電，供電方式靈活性和智能性好；并采用IGBT器件控制電流的輸出，易于控制。

(3)具有多種直流電壓(5V，12V和24V等)輸出，方便負載使用。

本發明方法對應的供電系統采用模塊化設計，方便維護，且可以根據列車負載用電需求增加或減少設計功率，為鐵路列車用電負載提供長期、穩定、可靠的電源。

本發明的方法易于實施，實施時能節約能耗，適合推廣實施。

附圖說明

圖1為用于列車的自供電系統的總體結構示意圖；

圖2是DC/DC模塊采用升降壓斬波電路原理圖；

圖3是DC/DCO變換單元采用的Buck降壓斬波電路原理圖；

圖4是充/放電雙向切換模塊原理圖。

圖5是5V電壓輸出電路的原理圖；

圖6是12V電壓輸出電路的原理圖。

具體實施方式

以下將結合附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細說明：

實施例1：一種用于列車的自供電方法，基于列車自供電系統進行供電控制；

所述的列車自供電系統包括控制器、蓄電池和至少一條自發電供電支路；每一條自發電供電支路包括依次串聯的發電模塊、整流器和DC/DC變換單元；發電模塊與車軸相連，由車軸的驅動產生交流電；

DC/DC變換單元的輸出端和蓄電池均與直流母線相接；

直流母線為控制器供電；

DC/DC變換單元受控于控制器；

控制器的供電線路有3條：

(1)由直流母線供電；

(2)由蓄電池供電；

(3)由控制器啟動電源控制電路供電；

通過切換電路(如繼電器或接觸器實現切換，為現有成熟技術)實現切換；

控制方法如下：

步驟1：在列車啟動瞬間，蓄電池給控制器提供工作電源；控制器如果檢測到蓄電池電壓低于第一預設值(如20V)；則轉到步驟2；控制器如果檢測到直流母線輸出電壓達到第二預設值(如24V)；則轉到步驟3；

步驟2：由控制器啟動電源單元為控制器供電；若控制器檢測到直流母線輸出電壓達到第二預設值(如24V)，則控制器向晶閘管SCR的觸發端發送高電平信號或脈沖；使得接觸器KM動作，斷開Ud1的供電支路，轉到步驟3；

步驟3：由直流母線給控制器提供直流電源。

自發電供電支路為多條；多條自發電供電支路的輸出端與直流母線相連；多條自發電供電支路的發電模塊分別對應與多個不同的車軸相連。

直流母線為24V直流母線。

直流母線還接有DC/DCO變換單元；DC/DCO變換單元用于輸出5V和12V電壓；DC/DCO變換單元為直流/直流變換輸出單元。

蓄電池通過充/放電雙向切換模塊與直流母線相連；對于充/放電雙向切換模塊的控制方法如下：

(1)當直流母線電壓低于第二預設值(如24V)，則接通充/放電雙向切換模塊的放電支路，使得蓄電池放電，為負載提供電能；

(2)當直流母線電壓達到或高于第二預設值(如24V)，且蓄電池電壓低于第二預設值(如24V)；則接通充/放電雙向切換模塊的充電支路，為蓄電池充電，直到蓄電池充滿。

系統還包括控制器啟動電源控制電路；控制器啟動電源控制電路受控于控制器且用于為控制器供電；控制器啟動電源控制電路由某一條自發電供電支路的整流器的輸出端Ud1供電。

控制器啟動電源控制電路包括接觸器KM、晶閘管SCR、NPN型的三極管T和穩壓二極管DZ；

各器件的連接關系如下：

(1)直流母線經接觸器KM的線圈接晶閘管SCR的陽極，晶閘管SCR陰極接地；晶閘管SCR的觸發端接控制器的一個輸出端口；

(2)某一條自發電供電支路的整流器的輸出端Ud1經接觸器KM的常閉開關接三極管T的c極；三極管T的e極接控制器的供電端；三極管T的c極和e極之間跨接有電阻R；三極管T的b極接穩壓二極管DZ的陰極；穩壓二極管DZ的陽極接地。

發電機為皮帶輪傳動軸端發電裝置、軸端盤式永磁發電裝置、軸端徑向發電裝置和軸承發電裝置中的任一種。

整流器包括整流電路及濾波電路；整流電路為三相橋式不可控整流電路或單相橋式不可控整流電路。

DC/DC變換單元采用全控型開關器件組成的電力電子電路。

如圖1所示，鐵路列車自供電電源系統包括：發電單元、整流器單元、DC/DC變換單元、控制器、充/放電雙向切換模塊、蓄電池、DC/DCO變換單元、控制器啟動電源單元。

發電單元由發電模塊1、發電模塊2、……、發電模塊n共計n個模塊組成，根據列車車型以及列車用電負載的不同，n可以取1～8中的某一個整數，每個發電模塊分別與列車車軸連接，利用軸承發電機或傳動機構帶動的發電機發出交流電，所發出交流電的電壓大小和頻率均隨列車速度變化而變化，實現將車軸的部分機械能轉換為電能并傳遞給整流器單元。

整流器單元由整流器1、整流器2、……、整流器n共計n個整流器組成，n與發電單元的發電模塊數對應，根據軸承發電機或傳動機構帶動的發電機是三相發電機還是單相發電機，每個整流器相應的由三相橋式不可控整流電路或者單相橋式不可控整流電路及電容濾波電路組成，將發電單元的發電模塊發出的交流電轉化為直流電U_di(i＝1、2、……、n)，該直流電壓U_di隨著列車速度變化而變化。

DC/DC變換單元由DC/DC1、DC/DC2、……、DC/DCn共計n個DC/DC模塊組成，n與發電單元的發電模塊數對應，各個DC/DCi模塊(i＝1、2、……、n)的輸入電壓為U_di，輸出電壓為U_doi，DC/DCi模塊采用升降壓斬波電路，如圖2所示。當列車車速比較低時，所發出的電壓經不可控整流電路輸出電壓低于24V，采用升壓控制模式，當列車車速增加，所發出的電壓經過不可控整流電路輸出電壓高于24V，采用降壓控制模式。圖2電路的基本工作原理：當開關器件Q_i導通時，輸入電源U_di經Q_i向電感L_i供電使其存儲能量，同時，電容C_i維持輸出電壓U_doi恒定并向后級電路供電；當開關器件Q_i關斷時，電感L_i中存儲的能量向后級電路釋放，同時給電容C_i充電，維持輸出電壓U_doi恒定。各個DC/DC模塊的全控型開關器件Q_i可以使用圖2所示的IGBT，也可以使用POWER MOSFET，控制器對升降壓斬波電路進行脈沖寬度調制(PWM調制)，改變開關器件Q_i的導通占空α，完成電壓轉換，使得輸入的隨著列車速度改變的直流電壓轉換為穩定的直流電壓輸出，且輸出電壓恒定為24V。升降壓斬波電路輸入輸出電壓之間的關系為：

控制器實現對DC/DC變換單元、充/放電雙向切換模塊、DC/DCO變換單元以及控制器啟動電源單元內的可控硅SCR的控制，并檢測蓄電池的充/放電電流和端電壓，檢測24V_dc直流母線上的電流。

控制器對DC/DC變換單元進行控制，即控制n個DC/DC模塊的全控型開關器件，同時檢測n個DC/DC模塊的輸出電壓，用于作為各個DC/DC模塊恒壓控制的電壓反饋，確保各個DC/DC模塊輸出電壓恒定為24V，同時確保24V_dc直流母線的電壓為24V。

充/放電雙向切換模塊實現蓄電池的充/放電雙向切換功能，當系統發電功率大于列車用電負載總功率時，對蓄電池進行充電，當系統發電功率低于列車用電負載總功率時，蓄電池放電。

充/放電雙向切換模塊的具體原理圖如圖4所示，開關器件V3和V4均受控于MCU(控制器)：

(1)開關器件V₄截止，控制開關器件V₃，電路運行在降壓斬波狀態，24V直流電壓給蓄電池充電；

(2)開關器件V₃截止，控制開關器件V₄，電路運行在升壓斬波狀態，蓄電池放電。

圖4中的開關器件V₃和V₄為IGBT，也可以使用POWERMOSFET。

控制器檢測24V_dc直流母線上的電流，計算整個自供電電源的發電功率，用于確定對蓄電池充/放電控制，控制器相應的做出對充/放電雙向切換模塊的控制。

控制器檢測蓄電池的充/放電電流和端電壓，用于實現對蓄電池的恒壓/恒流充/放電控制以及停止充/放電運行控制，估算蓄電池儲存的電能。

蓄電池把多余的電能存儲，以備短時間停車時為列車提供電源，在列車啟動時為控制器提供啟動電源。

DC/DCO變換單元與24V_dc直流母線相連，DC/DCO變換單元采用全控型開關器件組成的Buck型降壓斬波電路，如圖3所示，圖3中開關器件V₁和V₂可以使用IGBT，也可以使用POWER MOSFET，控制器對開關器件V₁和V₂進行控制，將24V直流電壓轉換為12V和5V輸出。

本電源系統為列車提供了24V、12V、5V三種典型的電壓等級，不失一般性，如需其他電壓等級，可以在DC/DCO變換單元增加Buck降壓斬波電路或者升壓斬波電路得到。

控制器啟動電源單元為控制器提供啟動電源，在列車啟動時，如果蓄電池存儲的電能不夠，直接利用整流器單元的整流器1輸出的直流電壓U_d1，直流電壓U_d1經穩壓二極管DZ和三極管T組成的穩壓電路給控制器提供電源，由于列車啟動瞬間整流器單元輸出的直流電壓U_d1比較低，但隨著車速的增加，直流電壓U_d1增加，一旦穩壓電路輸出直流電壓達到啟動控制器工作的電壓值，控制器開始工作，DC/DC變換單元進入工作狀態，車速繼續增加并趨于平穩運行時，DC/DC變換單元輸出穩定的24V直流電壓，整個電源系統正常運行，此時控制器可以直接使用24V_dc直流母線上的電壓作為工作電源，控制器發出信號使可控硅SCR導通，繼電器KM的線圈得電，繼電器KM的常閉觸點斷開，斷開控制器啟動電源單元的輸入電源U_d1，保護穩壓電路。

控制器啟動電源單元的電阻R是DZ的保護電阻，限制通過DZ的電流，起保護穩壓管的作用，通常根據負載電流的變化范圍和穩壓管最大允許電流確定電阻R的大小。發電單元的n個發電模塊分別與整流器單元的n個整流器以及DC/DC變換單元的n個DC/DC模塊串聯連接，DC/DC1～DC/DCn的輸出電壓U_d1～U_dn并聯連接到24V_dc直流母線上。

控制器的工作電源包括24Vdc直流母線提供的24V直流電源、蓄電池提供的電源、控制器啟動電源單元提供的電源。在列車啟動瞬間，如果蓄電池存儲的電能足夠啟動控制器，由蓄電池給控制器提供工作電源，控制器啟動工作，并給可控硅SCR發出控制信號，確保控制器啟動電源單元不工作；如果蓄電池存儲電能不夠啟動控制器，由控制器啟動電源單元給控制器提供啟動電源；一旦系統工作穩定，由24Vdc直流母線給控制器提供24V直流電源，蓄電池和控制器啟動電源單元不再給控制器提供工作電源。