軌道車輛及其供電方法、站內供電系統、車載儲能系統的製作方法

2023-06-24 15:47:16 2

專利名稱：軌道車輛及其供電方法、站內供電系統、車載儲能系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於能源領域，涉及軌道車輛的供電系統和方法，尤其涉及對具有車載儲能系統的軌道車輛進行供電的系統和方法。
背景技術：
一般而言，電動公共運輸車輛是利用車輛和其接駁導軌之間的經由閘瓦的電連接，或車輛和其懸鏈線之間的經由受電弓的電連接供電，為車輛提供外部電力。車輛也適合於在獨立供電模式下利用車載能量存儲系統行進至少一部分行程，而不需要外部供電電源，從而不需要在車輛和其接駁軌道或懸鏈線之間建立永久的電連接。 在獨立供電模式下的操作能夠實現審美保護(景觀的保護，例如附近的受保護文物，等等)或克服技術限制(例如，禁止架設高空電纜，讓特殊車隊通過，等等)。這樣的車載供電系統包括能量存儲模塊(例如超級電容和/或飛輪和/或電池，等等)和直流-直流電壓轉換器(斬波器)，該直流-直流電壓轉換器能夠將所提供的充、放電電能的性能適配給所述存儲模塊。嚴格來說，車載供電系統允許電能的接收、轉換和存儲以便向在處於獨立供電模式的軌道車輛上的多個設備供電。經由斬波器對存儲模塊的充電可通過回收制動能量，通過在外部供電模式下行進所預先獲取的來自受電弓或閘瓦的電接觸的能量，或當車輛停止在站點時實現。專利文獻EP 1765631描述了這種包括能量存儲系統的供電設備，該能量存儲系統包括一個或多個飛輪、一個或多個電池以及一個或多個超級電容組件。一般而言，預先充好的電(例如通過停站時的快速充電)只能允許車輛以獨立模式通過一個「容易的」站距，即，兩站之間的路徑相當短且具有相對小的坡度地形。這取決於充電時間，而該時間一般不超過乘客的上下車時間。如今的車載斬波器被用於在站點和在行駛中向存儲模塊供電。該車載斬波器被設計成需要的尺寸以在行駛中收回制動能量，但當市場上可買到存儲能量越來越大的電容器時，人們提出新的需求能否在停站時，在與乘客上下車時間相匹配的時間內，向能量存儲電容器充更多的能量，使車輛能夠在站點間行進更長的距離，或通過坡度差異更大的站距，或能夠在兩個站點之間的延長停留期間對附屬設備供電。然而，車載斬波器不能處理非常大的傳輸功率，這限制了在站點規定的停留時間內所充的能量。此外，主要限制在於車載供電系統的尺寸。事實上，車廂內必須是便於通行的，尤其需要考慮行動不便和攜帶有嬰兒推車的人的通行，因此供電系統的元件必須位於車輛頂部、佔據儘可能小的空間以及具有合理的重量。以上提及的大強度的停站充電則需要過大的斬波器以用於行駛時的能量回收功能並且不再能夠安裝在軌道車輛上。

發明內容
根據本發明的第一方面，提供了一種用於包括一車載儲能系統的軌道車輛的供電方法，其中由位於所述軌道車輛的一站臺的一站臺靜態能量轉換器接收電能；將所述軌道車輛停止在所述站臺，由所述站臺靜態能量轉換器將所接收到的電能傳輸給所述車載儲能系統，所述站臺靜態能量轉換器將提供給車載儲能系統的電壓轉換為所述車載儲能系統的一充電狀態的一函數；以在站臺靜態能量轉換器轉換後的電壓下 所傳輸的能量的一函數對所述車載儲能系統進行充電。該供電方法可以通過一斬波器實現在站臺對車輛進行再充電，使得充電後的車輛可以在如下情況下獨立運作·當相鄰兩個站點之間的軌道段較難行駛(長度和坡度)；·當線路上出現延長的停靠時間使得站點間的軌道段較難通過；·當通過相鄰站點間的多個軌道段時。所述充電總是在非常短的時間內(約20秒)完成，與乘客在站點上下車的時間相對應。事實上，目前的車載獨立系統中的斬波器只能傳輸大約300kW的能量而非大約750kW，使得上述相鄰站點之間較難通行的軌道段根本無法通過，而本發明卻可以做到。考慮到前述對軌道車輛尺寸的限制，一般不會使用超過500kW的車載斬波器。在某些實施例中，本發明的供電方法還包括如下一個或多個特徵所述車載儲能系統包括一車載靜態能量轉換器和一能量存儲模塊，所述車載靜態能量轉換器適於通過將提供給能量存儲模塊的電壓轉換為所述能量存儲模塊的一充電狀態的一函數將能量傳輸給能量存儲模塊，其中，在由站臺靜態能量轉換器向車載儲能系統傳輸能量的過程中，所述站臺靜態能量轉換器和所述車載靜態能量轉換器配合運作；在由站臺靜態能量轉換器向車載儲能系統傳輸能量的過程中，所述車載靜態能量轉換器監控所述能量存儲模塊的狀態，並將所述站臺靜態能量轉換器的運作操控為所監控到的狀態的一函數；所述站臺靜態能量轉換器的傳輸功率在500kW到3000kW之間；所述車載靜態能量轉換器的傳輸功率在300kW到500kW之間；所述站臺靜態能量轉換器和所述車載靜態能量轉換器均包括斬波器，且相應地所述能量存儲模塊包括超級電容。根據本發明的第二方面，提供了一種用於為包括一車載儲能系統的軌道車輛供電的站內供電系統，所述站內供電系統包括一站臺靜態能量轉換器，其位於所述軌道車輛的一站臺，適於接收一電能並當所述軌道車輛停止在所述站臺時向所述車載儲能系統進行所述電能的傳輸，所述站臺靜態能量轉換器將提供給車載儲能系統的電壓轉換為所述車載儲能系統的一充電狀態的一函數。根據本發明的第三方面，提供了一種用於軌道車輛的車載儲能系統，包括一車載靜態能量轉換器和一能量存儲模塊，所述車載靜態能量轉換器適於通過將提供給能量存儲模塊的電壓轉換為所述能量存儲模塊的一充電狀態的一函數將能量傳輸給能量存儲模塊，其中，所述車載靜態能量轉換器適於在由位於所述軌道車輛的一站臺的一站臺靜態能量轉換器向所述能量存儲模塊傳輸能量的過程中與所述站臺靜態能量轉換器配合運作，以在站臺靜態能量轉換器轉換後的電壓下所傳輸的能量的一函數對所述能量存儲模塊進行充電。根據本發明的第四方面，還提供了一種包括如本發明第三方面所述的車載儲能系統的軌道車輛。


下面將結合實施例及附圖對本發明進行更詳細的描述，所述附圖僅作為示意，而並非用於限制本發明，其中圖I是根據本發明一實施例的公共運輸車輛的示意圖。
具體實施例方式圖I示意性地示出了根據本發明一個實施例的車輛1，例如有軌電車。 該有軌電車I用於搭載乘客。本發明所述的車輛還可以是無軌車輛(巴士、電車等)或可被設計成用於運載貨物，等等。該有軌電車I包括-拉力元件,具體包括至少一個電動機4,當所述拉力元件被供電時,所述電動機4用於生成驅動有軌電車的車輪6的拉力扭矩；-車載供電系統7；-附屬設備(未示出)，諸如空調、照明設備、供暖設備、車門開/關管理設備等等，這些附屬設備不參與拉動車輛。所述車載供電系統7包括電能存儲裝置2。在本例中，該電能存儲裝置2包括串聯或並聯連接的超級電容模塊，在下文中通過標號2指代。所述車載供電系統7還包括車載靜態能量轉換器3,在本例中車載靜態能量轉換器3包括斬波器「Hemb」，在下文中通過標號3指代。在本例中，斬波器「Hemb」 3是可反轉的(即，能量能夠從兩個方向通過)。由於有軌電車的體積限制，靜態轉換器3和超級電容模塊2被置於有軌電車I的車頂。作為示例，超級電容模塊2的性能，用傳輸能量來表示，為4kWh到20kWh，用傳輸功率來表示，為500kW到3000kW。作為示例，斬波器3的性能，用傳輸能量來表示，為300kW到500kW，且斬波器3的體積約為I. 5立方米。作為清楚起見，超級電容是通過產生雙電化學層形成的用於存儲電荷的靜電元件。超級電容包括兩個含有活性炭的導電電極，所述導電電極通過離子溶液分隔開，電荷在離子溶液和電極之間的界面上積累。超級電容的充電/放電與具有不同極性的介質層之間的離子運動有關，電荷之間的界面作為電介質，所存儲的能量是電容效應的結果，不發生氧化-還原反應。超級電容模塊兩端的充電或放電電壓是直流電壓，根據超級電容的充電狀態可發生很大變化，例如在400V和800V之間(包含在超級電容系統中的能量是超級電容模塊兩端的電壓的平方的函數)。有軌電車I包括開關設備「Semb」5，當有軌電車在獨立供電模式時，開關設備「Semb」 5用於將包含在車載供電系統7中的能量提供給拉力元件4和附屬設備。開關設備「Semb」 5也用於當有軌電車在開動中通過外部電源經由受電弓或地面上的觸點供電時，向拉力元件4和附屬設備，以及可以向車載供電系統7提供來自外部電源的能量。開關設備「Semb」 5還使得當有軌電車制動時，將所有或部分回收到的制動能量提供給車載存儲系統7和/或將所有或部分回收到的制動能量經由受電弓或地面上的觸點提供給外部電網。下面將首先描述有軌電車在站與站之間的運動過程中，處於外部供電模式時的操作，然後描述處於獨立供電模式時的操作。
隨後將描述當有軌電車到站時的操作。第一部分有軌電車I沿著導軌運動。在有軌電車運行在各段行程中時，其連接至一外部電源，所述外部電源提供大體上為固定值(例如750V)的直流電壓。有軌電車例如利用受電弓和懸鏈線或通過位於地面的接駁導軌(未示出)來捕獲該能量。該能量由開關設備「Semb」 5接收，並將其全部或部分提供給發動機4以及提供給有軌電車的其他一些耗能設備。在一個實施例中，部分能量以例如750V的直流電壓Vl的形式提供給車載存儲系統7。車載斬波器「Hemb」3接收所述電壓VI，並將其轉換為超級電容模塊2的充電狀態的函數，然後將轉換得到的直流電壓V2提供給超級電容模塊2，從而為超級電容模塊充電。該轉換貫穿整個充電過程。電動機4是可反轉的並且用於在制動過程中產生供電的制動扭矩。在本例中的有軌電車1，在有軌電車I的制動操作過程中，用於回收由電動機4所提供的制動能量並經由開關設備5通過懸鏈線將其部分或全部傳送給外部網絡(用於向另一有軌電車或外部存儲元件供電)和/或車載供電系統7以與上述相同的方式對超級電容模塊2進行再充電。此外，在行程的一段或多段中，有軌電車I也可能不與任何外部供電電源連接。此時僅通過車載存儲系統7為有軌電車供電，處於所謂的獨立供電模式。在該獨立供電模式，超級電容模塊2放電並將直流電壓V2提供給斬波器「Hemb 」3。電壓V2作為超級電容模塊2的充電狀態的函數是可變的，斬波器「Hemb」3轉換所接收的作為輸入的電壓，並將適用於有軌電車上需要電源的設備的直流電壓Vl提供給開關設備5。當有軌電車在獨立供電模式的行程中制動時，制動能量可被提供給車載存儲系統，用於上述再充電。第二部分有軌電車I也用於在被稱為站點的預定地理位置停留，以允許旅客進入和/離開車廂。這些停站的持續時間一般在20秒到40秒之間，例如在本例中為20秒。圖I示出了根據本發明實施例的站點10。在該站點10中具有一站臺供電系統13，所述站臺供電系統13包括連接至Sstat能源12 (例如提供750V直流電壓的站臺電網)的斬波器11。斬波器11用於當有軌電車進站時，傳輸足夠的電能以部分或全部充滿電能存儲裝置2。在本例中，靜態轉換器11包括斬波器「 Hstat 」，在下文中通過標號11指代。作為示例，斬波器「Hstat」ll的性能例如用傳輸功率來表示為500kW到3000kW，並且其所佔據的體積為2到5立方米。 在本例中，斬波器「Hstat」 11被置於地面上，位於有軌電車停站時的停車區下方。用於在斬波器「Hstat」 11和有軌電車I之間提供電連接的裝置位於地面並且一旦被啟用，例如當檢測到有軌電車出現時，能夠電連接斬波器「Hstat」 11和車載超級電容模塊2。因此，一旦有軌電車2停在站點10並且該電連接在斬波器「Hstat 」11和超級電容模塊2之間被啟用時，就開始能量傳輸能源12將與電壓「Vstat」相應的能量提供給斬波器「Hstat」 11，斬波器「Hstat」 11將該電壓轉換為超級電容模塊2的充電狀態的函數並將直流電壓V3傳輸給超級電容模塊2以對其充電。該轉換貫穿整個充電過程。此外,在一個實施例中，車載斬波器「Hemb」3用於監測超級電容模塊2在站點充電期間的狀態並且與斬波器「Hstat」 11交換信息。在一個實施例中，斬波器「Hemb」3檢測故障，例如過熱和/或異常充電現象。斬波器「Hemb」 3可檢測車載存儲系統7的超級電容模塊2的充電狀態。在一個實施例中，斬波器「Hstat」 11所進行的電壓轉換可看作是斬波器「Hemb」 3所提供的數據的函數並能反映出斬波器「Hemb」 3所檢測到的狀態。在一個實施例中，斬波器「Hemb」3用於命令站點的斬波器「Hstat」 11停止充電，例如當檢測到故障和/或當超級電容模塊2被充滿時。在另一實施例中，斬波器「Hstat」 11和超級電容模塊2的電連接例如可以通過使用受電弓或任何其他裝置實現。在另一實施例中，斬波器不是設置在地下，而是位於地面的設備間內或採用任何其他配置。站點中的斬波器「Hstat」 11適合於進行功率範圍為500kW到3000kW的充電，例如在本例中為750kW，從而使得超級電容模塊2能夠在有限的停站時間(例如20秒)內充滿。本發明的車載斬波器「Hemb」3，在適合於有軌電車所允許的體積下，能夠將在站點10或類似站點所充的電轉換為超級電容模塊2的電壓，為在兩相鄰站點之間的軌道區段以獨立供電模式運行做好準備。斬波器「Hemb」 3適合在200kW到500kW的功率範圍內充電，例如在本例中為300kW，該功率已足夠在制動或開動過程中對超級電容模塊進行充電。在一個實施例中，當由斬波器「Hemb」3所傳輸並轉換的電壓對超級電容模塊2充電時，或者當由站點的斬波器「Hstat」 11所傳輸並轉換的電壓對超級電容模塊2充電時，斬波器「Hemb」3都會監測超級電容模塊2的狀態並操控充電過程。這樣的設計可以實現控制裝置的合併利用並簡化站點斬波器的配置。本發明的以上描述中的轉換器3和11均包括斬波器，可用於超級電容模塊2的充電。在另一實施例中，能量存儲系統可採用電化學電池替代超級電容模塊，或在超級電容模塊以外再設置一電化學電池，而所述靜態轉換器3和11則包括被設計成使「Semb」和「 Sstat 」電源適用於電池的電壓轉換器。在一個實施例中，靜態轉換器3也用於在獨立供電模式下使電池提供的能量適用於電動機。
在另一實施例中，能量存儲系統可採用飛輪替代超級電容模塊，或在超級電容模塊以外再設置一飛輪，而所述靜態轉換器3和11則包括被設計成使「Semb」和「Sstat」電源適用於飛輪(將直流電流轉換成交流電流)的電壓轉換器。在一個實施例中，靜態轉換器3也用於在獨立供電模式下使飛輪所提供的能量適用於電動機(將交流電流轉換成直流電流)。在一個實施例中，站臺靜態轉換器，例如斬波器，是可反轉的並且可適用於接收車輛中的車載儲能系統所提供的能量。 這樣的設計在車載儲能系統累積過多能量並且能夠再次從相鄰站點間的軌道區段回收能量(例如下陡坡)時尤其有用。由斬波器所傳輸的來自車載儲能系統的該能量，而後例如經由可反轉的分站被提供給直接外部網絡或存儲在地面上的合適系統中。
權利要求
1.一種用於包括一車載儲能系統(7)的軌道車輛(I)的供電方法，其特徵在於，包括 由位於所述軌道車輛的一站臺(10)的一站臺靜態能量轉換器(11)接收電能； 將所述軌道車輛停止在所述站臺，由所述站臺靜態能量轉換器(11)將所接收到的電能傳輸給所述車載儲能系統(7)，所述站臺靜態能量轉換器(11)將提供給車載儲能系統的電壓(V3)轉換為所述車載儲能系統的一充電狀態的一函數； 以在站臺靜態能量轉換器(11)轉換後的電壓(V3)下所傳輸的能量的一函數對所述車載儲能系統(7)進行充電。
2.如權利要求I所述的供電方法，其特徵在於 所述車載儲能系統(7)包括一車載靜態能量轉換器(3)和一能量存儲模塊(2); 所述車載靜態能量轉換器(3)適於通過將提供給能量存儲模塊(2)的電壓(V2)轉換為所述能量存儲模塊的一充電狀態的一函數將能量傳輸給能量存儲模塊； 其中，在由站臺靜態能量轉換器(11)向車載儲能系統傳輸能量的過程中，所述站臺靜態能量轉換器和所述車載靜態能量轉換器(3)配合運作。
3.如權利要求I或2所述的供電方法，其特徵在於，在由站臺靜態能量轉換器(11)向車載儲能系統(7)傳輸能量的過程中，所述車載靜態能量轉換器監控所述能量存儲模塊的狀態，並將所述站臺靜態能量轉換器的運作操控為所監控到的狀態的一函數。
4.如前述任一項權利要求所述的供電方法，其特徵在於 所述站臺靜態能量轉換器(11)的傳輸功率在500kW到3000kW之間； 所述車載靜態能量轉換器(3)的傳輸功率在300kW到500kW之間。
5.如前述任一項權利要求所述的供電方法，其特徵在於，所述站臺靜態能量轉換器(11)和所述車載靜態能量轉換器(3)均包括斬波器，且相應地所述能量存儲模塊包括超級電容。
6.一種用於為包括一車載儲能系統(7)的軌道車輛⑴供電的站內供電系統(13),其特徵在於，所述站內供電系統包括一站臺靜態能量轉換器(11)，其位於所述軌道車輛的一站臺，適於接收一電能並當所述軌道車輛停止在所述站臺時向所述車載儲能系統(7)進行所述電能的傳輸，所述站臺靜態能量轉換器(11)將提供給車載儲能系統(7)的電壓(V3)轉換為所述車載儲能系統的一充電狀態的一函數。
7.如權利要求6所述的站內供電系統(13)，其特徵在於，所述站臺靜態能量轉換器(11)適於在所述傳輸中與軌道車輛內的車載儲能系統的一車載靜態能量轉換器(3)配合運作，所述車載靜態能量轉換器用於通過將提供給所述車載儲能系統(7)的一能量存儲模塊(2)的電壓(V2)轉換為所述能量存儲模塊的一充電狀態的一函數，將能量傳輸給所述能量存儲模塊。
8.如權利要求6或7所述的站內供電系統(13)，其特徵在於，在所述傳輸中，所述站臺靜態能量轉換器(11)的運作被轉換為由車載靜態能量轉換器(3)提供的操控數據的一函數。
9.如權利要求6至8中任一項所述的站內供電系統(13)，其特徵在於，所述站臺靜態能量轉換器(11)的傳輸功率在500kW到3000kW之間。
10.如權利要求6至9中任一項所述的站內供電系統(13)，其特徵在於，所述站臺靜態能量轉換器(11)包括一斬波器。
11.如權利要求6至10中任一項所述的站內供電系統(13)，其特徵在於，所述站臺靜態能量轉換器是可反轉的，並適於接收由軌道車輛內的車載儲能系統提供的能量。
12.一種用於軌道車輛(I)的車載儲能系統(7)，其特徵在於，包括一車載靜態能量轉換器(3)和一能量存儲模塊(2); 所述車載靜態能量轉換器(3)適於通過將提供給能量存儲模塊(2)的電壓(V2)轉換為所述能量存儲模塊的一充電狀態的一函數將能量傳輸給能量存儲模塊； 其中，所述車載靜態能量轉換器(3)適於在由位於所述軌道車輛的一站臺的一站臺靜態能量轉換器(11)向所述能量存儲模塊(2)傳輸能量的過程中與所述站臺靜態能量轉換器(11)配合運作，以在站臺靜態能量轉換器轉換後的電壓(V3)下所傳輸的能量的一函數對所述能量存儲模塊(2)進行充電。
13.如權利要求12所述的車載儲能系統(7)，其特徵在於，在由所述站臺靜態能量轉換器(11)向所述能量存儲模塊(2)進行能量傳輸的過程中，所述車載靜態能量轉換器(3)適於監控所述能量存儲模塊的狀態，並將所述站臺靜態能量轉換器的運作操控為所監控到的狀態的一函數。
14.如權利要求12或13所述的車載儲能系統(7)，其特徵在於所述車載靜態能量轉換器(3)的傳輸功率在300kW到500kW之間。
15.如權利要求12至14中任一項所述的車載儲能系統(7)，其特徵在於，所述車載靜態能量轉換器(3)包括一斬波器，所述能量存儲模塊(2)包括超級電容。
16.一種包括如權利要求12至15中任一項所述的車載儲能系統(7)的軌道車輛(I)。
全文摘要
本發明涉及一種供電方法，應用於包括一車載儲能系統(7)的軌道車輛(1)，所述方法包括由位於所述軌道車輛的一站臺(10)的一站臺靜態能量轉換器(11)接收電能；將所述軌道車輛停止在所述站臺，由所述站臺靜態能量轉換器(11)將所接收到的電能傳輸給所述車載儲能系統(7)，所述站臺靜態能量轉換器將提供給車載儲能系統的電壓(V3)轉換為所述車載儲能系統的一充電狀態的一函數；以及以在站臺靜態能量轉換器轉換後的電壓(V3)下所傳輸的能量的一函數對所述車載儲能系統(7)進行充電。本發明還涉及站內供電系統、車載儲能系統及軌道車輛。
文檔編號B60M7/00GK102785592SQ201210154619
公開日2012年11月21日 申請日期2012年5月17日 優先權日2011年5月19日
發明者O·尚塔爾 申請人:阿爾斯通運輸股份有限公司