CN102555837B - 用于运输车辆的地面供电系统及相关方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种运输车辆(T)的地面供电系统(1)，该系统包括：运输车辆(T)；发射电磁场以通过感应为运输车辆(T)供电的多个发射部件(4)，发射部件(4)沿着运输车辆(T)的运行轨道彼此分隔地布置，承载在运输车辆(T)上以接收由多个发射部件(4)发射的能量的装置(5)，选择性地为多个发射部件(4)供电的供电装置(6)，供电装置(6)布置成使得当车辆(T)位于至少一个发射部件(4)的上方时，为所述至少一个发射部件(4)供电，其特征在于，在车辆运行方向上测量的接收装置(5)的长度(L)比两个相邻发射部件(4)沿着运行轨道的间隔距离(D)大。

Description

用于运输车辆的地面供电系统及相关方法
技术领域
本发明涉及一种特别是利用感应经由地面供应电能的系统和方法，其用于运输车辆，特别是电车型运输车辆。本发明还涉及一种维护和保养这种系统的方法。
背景技术
现有的地面供电系统允许电车类型的车辆在检测到车辆出现的时候，间歇地收集系统的电能。
例如专利申请EP0979176、FR2791930、EP1043187和EP2088025描述了这种被叫做“APS(法语首字母，意为地面供电)”系统的系统。根据APS原理，该系统包括一系列彼此绝缘的接触轨道段和一与这一系列段平行延伸的永久性供电线。进一步地，设有开关装置以独立地和选择地将接触轨道段与电线连接起来，以便特别是使得只有当在某轨道段上检测到车辆的时候，该段才与电线接通。通过位于车辆下方的导电靴形件收集由该接触轨道段传输的电能。
该系统采用接触供电导轨，其会产生材料磨损问题和与导轨经受的如风暴、雪、雨、冰、沙尘和水等恶劣天气相关的供电可靠性问题。此外，这些系统在高流量区和在转辙器及交叉口处的实施也增加了安装和维护系统的难度。
还存在基于感应原理、无接触式的地面供电系统。例如专利申请WO2010/000494和WO2010/000495描述了一种通过感应将电能传输到车辆上的系统，其中一发射线圈经由地面连续地发射电磁场，其被一安置在车辆下方的接收器收集以给车辆提供牵引能或为车上存在的电池充电。
然而，该系统具有以下缺点：沿整个轨道永久性地发射强大的电磁场，这会导致电能损失和对该系统所处环境产生显著的电磁干扰。进一步地，这些系统需要沿整个轨道安装发射电磁场的线圈，这使得该系统很难适应一已存在的安装设备。进一步地，该系统必须要求制造重型基础设施，且尤其需要沿着轨道的重型铜线圈，这在拥堵、安装和成本方面会产生主要的问题。
最后，可以从专利申请WO2008/087287中了解到一接触式或非接触式的空中或者地面供电系统，其能通过多个电力分配部件间歇性地将能量传输到车辆。该文献更特别地描述了一空中接触式供电系统，其是一个特别庞大的系统，不太美观且安装复杂。它并未描述如何实施地面感应系统。进一步地，这篇文献提出只要运输车辆一接近电力分配部件，就为这些部件供电，这使得该系统十分危险。
这一系统也有接触式供电系统的其他前述缺点，并进一步证明了难以在城市环境中以既最佳又美观的方式集成。
发明内容
在本文中，本发明的目的是为运输车辆提供一种地面供电系统，其在能源效率和可靠性上是最优的，并且对于在周围环境中实施而言不会有很大破坏且体积很小。
为此，根据第一方面，本发明的目的是一种运输车辆的地面供电系统，该系统包括：
运输车辆，尤其是电车；
多个发射电磁场以通过感应为运输车辆供电的发射部件，这些发射部件沿着运输车辆的运行轨道彼此分隔地布置，
由运输车辆承载的、接收由多个发射部件发射的能量的装置，
选择性也为多个发射部件供电的供电装置，供电装置布置成使得当车辆位于至少一个发射部件上方时，为所述至少一个发射部件供电，
该系统使得在车辆运行方向上测得的接收装置的长度比两个相邻发射部件沿着运行轨道的间隔距离更大。
该系统也可以具有一个或多个以下特征，可以单独地或者是根据所有技术可行的组合来设置：
接收装置在运输车辆下方延伸，在其底盘区域，延伸超过在车辆运行方向上测量的其长度的50％，更好的是超过其长度的70％，尤其是其长度的80％至100％，
两个相邻发射部件的间隔距离在接收装置长度的一半至三分之二之间，
两个相邻发射部件的间隔距离在10到40米之间，接收装置的长度在20到60米之间，
为多个发射部件供电的供电装置被布置成仅为位于运输车辆下方的发射部件供电，
为多个发射部件供电的供电装置包括至少一个用来检测运输车辆出现的检测器，例如被安置在运输车辆的至少一端，以检测运输车辆在所述至少一个发射部件上方的到达和/或离开，
出现检测器包括位于运输车辆端部、用于发射指示运输车辆出现的出现信号的车载部件，和位于发射部件附近、用来接收出现信号的固定部件，
发射部件至少部分地埋入地面，并包括一凸出地面的部分，
发射部件位于运行轨道的导轨之间，
运输车辆包括通过接收装置至少间歇性供电的至少一个贮存装置，
该贮存装置包括电池和/或惯性飞轮和/或超级电容器的组件。
根据第二方面，本发明涉及一种实施前文所定义的为运输车辆供电的供电系统的方法，该方法包括以下步骤：
当车辆位于至少一个发射部件上方时，为所述至少一个发射部件供电，所述至少一个发射部件所发射的能量被接收装置接收以用于车辆的牵引和/或储存在车辆的贮存装置中和/或为设备的一个或多个附件供电，
当车辆没有位于所述至少一个发射部件上方时，防止为所述至少一个发射部件供电。
“设备附件”是指不用于为运输车辆提供牵引的任何装置。这例如为照明或加热装置，和其他装置。
根据第三方面，本发明涉及一种维护和保养前文所定义的供电系统的方法，该方法包括对系统干预的步骤，以在一时间间隔内修正或可能地更换至少一个电能发射部件，而允许维持在不对由系统供电的运行轨道进行维护和保养干预的情况下的惯常交通率。
该时间间隔例如为少于15分钟的时长，优选是少于10分钟，更优选为少于5分钟。
附图说明
从对以下参照附图给出的起说明作用而非限制作用的本发明示例性实施例的描述中，本发明的其他特征和优点会变得明显，其中
——图1是根据本发明的地面供电系统的简化示意图，
——图2是图1中的地面供电系统的另一示意性局部透视图；及
——图3是图1中运输车辆的示意性简化底视图。
具体实施方式
图1示意性地简单示出了本发明系统1的一个实例，其通过地面S为运输车辆T供电。
运输车辆T例如为电车、地铁或者任何其他类型的城市运输车辆。或者，运输车辆T为在城郊地区运行的车辆，例如高速列车。运输车辆T特别地包括至少一辆列车，每辆列车包括至少两节连在一起的车厢。
供电系统1包括发射电磁场以通过感应为运输车辆T供电的部件4。发射部件4沿着运输车辆T的运行轨道分布，在轨道的导轨9之间。
发射部件4至少部分地埋入地面S，在运输车辆T的运行轨道的导轨9之间，可以参照图2。发射部件4包括一凸出地面的部分7。
发射部件4包括保护性材料10，例如塑料，其例如至少部分地覆盖发射天线。在该实例中，只有凸出地面的部分7覆盖有保护性材料10。
覆盖有保护性材料10的凸出地面的部分7的高度H少于5cm，甚至是齐平的。
发射部件4有一在运输车辆T的运行方向上测量的长度L，在50到120cm之间，例如等于约90cm。
至少一个出现检测器例如被安置在每一个发射部件4处以检测在发射部件4上方的运输车辆T的到来和/或离开。根据一实施例，出现检测器包括一位于运输车辆T的每一端、用来发射指示运输车辆T出现的出现信号的元件，以及一位于发射部件4处、用来接收出现信号的元件。特别地，这两种功能，即参与出现检测和用于为车辆供电的发射器，可以物理地归入同一个所谓的动力和控制/监测箱中。
运输车辆T此外还包括一用来接收发射部件4发射的电能并将其以牵引能和/或贮存能的形式传输到运输车辆T的接收装置5。
接收装置5位于运输车辆T下方，特别是在其底盘区域中的中央部分，且延伸过其长度的主要部分，即其超过长度的50％，优选为其长度的70-100％，特别地是基本上从运输车辆T的一端到另一端，这可以从图3中看出。这样，接收装置5在车辆运行方向上测量的长度L基本等于运输车辆T的长度。
“接收装置”是指一位于运输车辆T下方的单独且唯一的接收装置，或优选为至少两个分离的接收部件的组件。在本案中，可以从图3中看出，接收装置5由多个分离的接收部件制成，例如每个接收部件在车辆(汽车或者车厢)的本体下方延伸，特别地延伸过车辆本体长度的主要部分，优选为本体长度的70-100％。
在如图3所示接收装置包括多个分离的接收部件5的实施例中，应当注意的是，所述的分离部件通过未示出的连接元件彼此电连接。这些接收部件5可被串联和/或并联连接。
在图3中，应理解，部件5沿着整个运输车辆T的纵轴线接续地布置，每个本体上一个接收部件5。但是，在本发明的范围内，也可以将几个分离的接收部件5布置在同一本体下方，将它们沿着它的纵轴线接续地布置，或者将它们沿所述轴线彼此并排布置，或者进一步地将它们以不同的方式布置。
因此，多个接收部件5以电方式形成电路，但是彼此区别开。
以分离的接收部件的形式实现接收装置是有利的。事实上，当运输车辆T在运行轨道的非直线部分中运行，尤其是在弯道中运行时，它允许接收装置适应不同车厢之间的相对运动。事实上，各个车厢是连接在一起的，且每一个车厢都载有至少一个接收部件。
发射部件4通过一距离D彼此分隔，其与分隔两个相邻发射部件4的中央轴线的距离相对应。分隔两个相邻发射部件4的距离D为接收装置5长度L的一半到三分之二，即L/2≤D≤2L/3，例如，接收装置5的长度L为30m时，距离D为15到20m之间。一般地，接收装置5的长度在20到60m之间，分隔两个发射部件4的距离D在10到40m之间。
距离D在接收装置5长度L的一半到三分之二之间尤为有利。事实上，若距离D少于长度L一半，则会不得不需要大量发射部件，这会提高供电系统的成本以及使得为发射部件供电的顺序复杂化。进一步地，若距离D大于长度L的三分之二，将不再能保证在任何时刻接收装置下方都存在发射装置，并且供电系统操作的连续性也会被损害。因此，在接收装置5长度L的一半到三分之二之间的距离D在供电系统的成本和系统的可靠性，尤其是保证连续操作性能之间，提供了理想的折中。
进一步地，这一系统允许为不同长度的运输车辆供电而不需要增加发射部件。事实上，以上所述的范围通过保证在接收装置的下方总能有至少一个发射部件而提供了一些容限，接收装置的接收区域在发射部件的发射区域之内。
发射部件4和/或接收装置5用例如铜或者通过感应传输能量的其他任何类型的导电材料制成。发射部件4和/或接收装置5以很高的频率工作，尤其是在20kHz到10MHz之间，因此能满足运输车辆T几百千瓦的功率需求。本领域技术人员可以根据其想要获得的性能和能效，恰当地选择发射部件4和接收装置5。特别地，本领域技术人员可以适当地确定发射部件4的电磁场的强度。
供电系统1进一步包括用于选择地为发射部件4供电的装置6。
该装置6包括一埋入地面S中且如图2所示优选位于运行轨道的铁轨9侧面的主供电线2。有利地，主供电线2在铁轨9侧面的布置(铁轨9的左面或者右面)使其在地面S中的植入更容易，且方便了在线上的维护操作。或者，主供电线2位于运行轨道的导轨9之间。
主供电线2包括与发射部件4电连接的供电箱3。供电箱3相当于包含与发射部件4连接的开关控制输入11的开关模块。
由供电箱3和主供电线2形成的供电装置6借助与APS系统相兼容的开关系统，容许选择地为发射部件4中的一个或多个供电，例如在专利申请EP0979176、FR2791930、EP1043187和EP2088025中描述的开关系统。因此，这些装置6的布置使得仅给位于运输车辆T下方的发射部件4供电。同时，其它发射部件4不被供电且不发射电磁场。
仅给位于运输车辆下方的发射部件供电这一事实使本发明的供电系统尤其安全。事实上，发射部件仅仅在它们位于运输车辆正下方时被供电，这使得供电系统外部的部件，尤其是运行轨道的使用者，不可能接触到或者不经意地直接经过正在工作的发射部件。相反，并未位于运输车辆下方且因此可能与供电系统外部的部件，尤其是运行轨道的使用者，相接触的发射部件并未被供电。运行轨道的使用者可因此经过这些非工作状态的发射部件而没有任何危险。
运输车辆T还包括一至少间歇地或甚至连续地由接收装置5供电的贮存装置8。在接收装置5和贮存装置8之间的能量传输以本身已知的方式实现。例如，贮存装置8如图1所示位于运输车辆T的中央本体的顶部上。或者，贮存装置8可被运输车辆T的任何本体所承载，或由几个贮存部件的组合形成，贮存部件可在运输车辆T的本体之间均匀或不均匀分布。例如，本体可包括一个或多个贮存部件或一个贮存部件都没有。
贮存装置8例如包括电池和/或惯性飞轮和/或超级电容器的组件。
以上供电系统1的操作现在将被描述。
当运输车辆T到达一发射部件4上方时，其出现会由至少一个出现检测器检测到，该出现检测器例如位于运输车辆T的一端，且优选在运输车辆T的每一端，并且连接到该发射部件4的供电箱3通过供电箱3的开关控制输入11提供发射电磁场所需要的电力。
同样，连接到之前位于运输车辆T下方但现在不再被运输车辆T覆盖的发射部件4的供电箱3使得该发射部件4的供电能够停止以不再发射电磁场，这是由于检测到运输车辆T在该发射部件4上方的出现的状态已结束。
因此，根据跟随运输车辆T移动的供电顺序为发射部件4供电。
例如，通过如专利申请EP0979176、FR2791930、EP1043187和EP2088025所述的出现传感器或检测器来检测运输车辆T在发射部件4上方的到达和/或离开。
由供电装置6供电的发射部件4发射的电磁场被位于运输车辆T下方的接收装置5所收集。由此收集的电能然后容许牵引运输车辆T和/或如果需要的话，对贮存装置8供电。
当运输车辆位于没有任何发射部件4的区域内时以及在一个或几个发射部件4发生故障的情况下，贮存装置8特别地容许为运输车辆供电来提供牵引。
通过在两辆运输车辆T经过之间的空间方便、快速地修正以及可能地更换出故障的发射部件4而无需阻断交通且无需干扰紧邻环境，为供电系统1的维护和保养提供了保证。
上述的供电系统1有很多优点。
由于能量传输不需要任何接触而完成，因此材料的磨损问题被避免了，这使得保养和维护费用大幅度减少。进一步地，由于没有接触，就可以获得一个能提供可靠运行而与天气条件无关的系统。
进一步，通过感应并仅当车辆经过发射部件上方时才间歇性进行能量传输，这就形成了一完全绝缘并完全安全的系统，尤其是对于运行轨道的使用者来说，例如行人、骑自行车的人和骑摩托车的人。
利用感应供电，还可以通过使用高频电流来抑制在使用750伏直流电的系统中常见的漏电情况，并且更好地控制电磁场对环境的影响。进一步地，通过抑制通常引起严重的硬件损坏的瞬态现象，例如超电压或电弧，系统的可靠性提高了。
通过使用沿着运轨道局部分布的发射部件并朝着接收装置发射电磁场，与现有技术中的系统相比可以减少能量损失。
进一步地，该系统不需要使用重型基础设施，且可以应用到一现存的为车辆供电的系统。
特别地，系统只在地面占据很小的空间，这使得它可以适应用于现存的设备而不会造成显著且持久的中断操作，且可以提高系统的能效。对该系统的维护十分方便，因为在其中一个发射部件出故障的情况下，仅更换出故障的设备就足够了，而无需阻断交通，并且需要的时间也很短。
此外，该系统显示出强大的协同工作的能力，因为其可与现存的例如采用悬链线的空中式供电系统连接。悬链线供电可被运用在交通流量低且建筑物不多的区域，对环境没有显著干扰，根据本发明系统的地面供电可更优选地用在交通流量高的城区，例如在十字路口，或在名胜古迹，而不会干扰交通，也不会破坏环境美观。
利用发射部件的凸出地面的部分，可以便于通过形成自然的排水装置而排干雨水。进一步地，由于这些部分覆盖有保护性材料，因此它们可以承受来自路面机械的可能的竖直载荷。
根据一实施例，运输车辆并不包括能够提供牵引能的电池类型的任何能量贮存装置。通过在任一时刻在运输车辆的接收装置下方存在至少一个发射部件而保证了对运输车辆供电的连续性，正是由于这种连续性，根据本发明的供电系统可用来直接提供没有任何能量贮存装置的运输车辆操作所需要的牵引能。
通过采用感应，即使在给定时刻，发射部件没有精确地竖直地位于接收装置正下面，也可以保证运输车辆的供电的连续性，这进一步提高了系统的可靠性。尤其是，发射部件的发射区域和/或1接收装置的接收区域保证了接收装置会一直从发射部件接收电能，即使当这些部件没有精确地彼此相对时，例如当车厢之间的连接区域通过发射部件上方时。相反，接触式供电系统需要面向电能接收装置的电流分配部件的精确定位。
尽管以上说明是参考铁路车辆进行的，但可以理解的是本发明也可以应用到公路运输车辆，例如卡车。

Claims (16)

1.一种运输车辆(T)的地面供电系统(1)，该系统包括：
运输车辆(T)；
发射电磁场以通过感应为运输车辆(T)供电的多个发射部件(4)，发射部件(4)沿着运输车辆(T)的运行轨道彼此分隔地布置，
承载在运输车辆(T)上以接收由多个发射部件(4)发射的能量的接收装置(5)，
选择性地为多个发射部件(4)供电的供电装置(6)，供电装置(6)布置成使得当运输车辆位于至少一个发射部件(4)的上方时，为所述至少一个发射部件(4)供电，其特征在于，在运输车辆的运行方向上测量的接收装置(5)的长度(L)比两个相邻发射部件(4)沿着运行轨道的间隔距离(D)大。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，接收装置(5)在运输车辆(T)下方延伸，在运输车辆的底盘区域，延伸超过在运输车辆的运行方向上测量的运输车辆长度的50％。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，接收装置(5)在运输车辆(T)下方延伸，在运输车辆的底盘区域，延伸超过在运输车辆的运行方向上测量的运输车辆长度的70％。
4.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，接收装置(5)包括多个不同的接收部件。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其特征在于，两个相邻发射部件(4)的间隔距离(D)在接收装置(5)长度(L)的一半至三分之二之间。
6.根据权利要求4的系统，其特征在于，两个相邻发射部件(4)的间隔距离(D)在10到40米之间，并且其中接收装置(5)的长度(L)在20到60米之间。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其特征在于，为多个发射部件(4)供电的供电装置(6)被布置成仅为位于运输车辆(T)下方的发射部件(4)供电。
8.根据权利要求7的系统，其特征在于，为多个发射部件(4)供电的供电装置(6)包括至少一个用来检测运输车辆(T)出现的出现检测器以检测运输车辆(T)在所述至少一个发射部件(4)上方的到达和/或离开。
9.根据权利要求8的系统，其特征在于，出现检测器包括位于运输车辆(T)端部、用于发射指示运输车辆(T)出现的出现信号的车载部件，以及位于发射部件(4)附近、用来接收出现信号的固定部件。
10.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其特征在于，发射部件(4)至少部分地埋入地面(S)，并包括一凸出地面(S)的部分(7)。
11.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其特征在于，发射部件(4)位于运行轨道的导轨(9)之间。
12.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其特征在于，运输车辆(T)包括通过接收装置(5)至少间歇性地供电的至少一个贮存装置(8)。
13.根据权利要求12的系统，其特征在于，贮存装置(8)包括电池和/或惯性飞轮和/或超级电容器的组件。
14.根据权利要求3的系统，其特征在于，接收装置(5)在运输车辆(T)下方延伸，在运输车辆的底盘区域，延伸在运输车辆的运行方向上测量的运输车辆长度的80％至100％。
15.一种实施根据权利要求1-14中任一项的供电系统(1)的方法，其特征在于，其包括以下步骤：
当运输车辆(T)位于至少一个发射部件(4)上方时，为所述至少一个发射部件(4)供电，所述至少一个发射部件(4)所发射的能量被接收装置(5)接收以用于运输车辆(T)的牵引和/或储存在运输车辆(T)的贮存装置(8)中和/或为设备的一个或多个附件供电，
当运输车辆(T)没有位于所述至少一个发射部件(4)上方时，阻止为所述至少一个发射部件(4)供电。
16.一种维护和保养根据权利要求1-14中任一项所述的供电系统(1)的方法，其特征在于，其包括对系统(1)干预的步骤，以在一时间间隔内修正和任选地更换至少一个电能发射部件(4)，而允许维持在不对由系统(1)供电的运行轨道进行维护和保养干预的情况下的惯常交通率。
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