CN102785592A - 轨道车辆及其供电方法、站内供电系统、车载储能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种供电方法，应用于包括一车载储能系统(7)的轨道车辆(1)，所述方法包括：由位于所述轨道车辆的一站台(10)的一站台静态能量转换器(11)接收电能；将所述轨道车辆停止在所述站台，由所述站台静态能量转换器(11)将所接收到的电能传输给所述车载储能系统(7)，所述站台静态能量转换器将提供给车载储能系统的电压(V3)转换为所述车载储能系统的一充电状态的一函数；以及以在站台静态能量转换器转换后的电压(V3)下所传输的能量的一函数对所述车载储能系统(7)进行充电。本发明还涉及站内供电系统、车载储能系统及轨道车辆。

Description

轨道车辆及其供电方法、站内供电系统、车载储能系统
技术领域
本发明属于能源领域，涉及轨道车辆的供电系统和方法，尤其涉及对具有车载储能系统的轨道车辆进行供电的系统和方法。
背景技术
一般而言，电动公共运输车辆是利用车辆和其接驳导轨之间的经由闸瓦的电连接，或车辆和其悬链线之间的经由受电弓的电连接供电，为车辆提供外部电力。
车辆也适合于在独立供电模式下利用车载能量存储系统行进至少一部分行程，而不需要外部供电电源，从而不需要在车辆和其接驳轨道或悬链线之间建立永久的电连接。
在独立供电模式下的操作能够实现审美保护(景观的保护，例如附近的受保护文物，等等)或克服技术限制(例如，禁止架设高空电缆，让特殊车队通过，等等)。
这样的车载供电系统包括能量存储模块(例如超级电容和/或飞轮和/或电池，等等)和直流-直流电压转换器(斩波器)，该直流-直流电压转换器能够将所提供的充、放电电能的性能适配给所述存储模块。
严格来说，车载供电系统允许电能的接收、转换和存储以便向在处于独立供电模式的轨道车辆上的多个设备供电。
经由斩波器对存储模块的充电可通过回收制动能量，通过在外部供电模式下行进所预先获取的来自受电弓或闸瓦的电接触的能量，或当车辆停止在站点时实现。
专利文献EP 1765631描述了这种包括能量存储系统的供电设备，该能量存储系统包括一个或多个飞轮、一个或多个电池以及一个或多个超级电容组件。
一般而言，预先充好的电(例如通过停站时的快速充电)只能允许车辆以独立模式通过一个“容易的”站距，即，两站之间的路径相当短且具有相对小的坡度地形。这取决于充电时间，而该时间一般不超过乘客的上下车时间。如今的车载斩波器被用于在站点和在行驶中向存储模块供电。
该车载斩波器被设计成需要的尺寸以在行驶中收回制动能量，但当市场上可买到存储能量越来越大的电容器时，人们提出新的需求：能否在停站时，在与乘客上下车时间相匹配的时间内，向能量存储电容器充更多的能量，使车辆能够在站点间行进更长的距离，或通过坡度差异更大的站距，或能够在两个站点之间的延长停留期间对附属设备供电。然而，车载斩波器不能处理非常大的传输功率，这限制了在站点规定的停留时间内所充的能量。
此外，主要限制在于车载供电系统的尺寸。事实上，车厢内必须是便于通行的，尤其需要考虑行动不便和携带有婴儿推车的人的通行，因此供电系统的元件必须位于车辆顶部、占据尽可能小的空间以及具有合理的重量。以上提及的大强度的停站充电则需要过大的斩波器以用于行驶时的能量回收功能并且不再能够安装在轨道车辆上。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于包括一车载储能系统的轨道车辆的供电方法，其中：
由位于所述轨道车辆的一站台的一站台静态能量转换器接收电能；
将所述轨道车辆停止在所述站台，由所述站台静态能量转换器将所接收到的电能传输给所述车载储能系统，所述站台静态能量转换器将提供给车载储能系统的电压转换为所述车载储能系统的一充电状态的一函数；
以在站台静态能量转换器转换后的电压下所传输的能量的一函数对所述车载储能系统进行充电。
该供电方法可以通过一斩波器实现在站台对车辆进行再充电，使得充电后的车辆可以在如下情况下独立运作：
·当相邻两个站点之间的轨道段较难行驶(长度和坡度)；
·当线路上出现延长的停靠时间使得站点间的轨道段较难通过；
·当通过相邻站点间的多个轨道段时。
所述充电总是在非常短的时间内(约20秒)完成，与乘客在站点上下车的时间相对应。
事实上，目前的车载独立系统中的斩波器只能传输大约300kW的能量而非大约750kW，使得上述相邻站点之间较难通行的轨道段根本无法通过，而本发明却可以做到。考虑到前述对轨道车辆尺寸的限制，一般不会使用超过500kW的车载斩波器。
在某些实施例中，本发明的供电方法还包括如下一个或多个特征：
所述车载储能系统包括一车载静态能量转换器和一能量存储模块，所述车载静态能量转换器适于通过将提供给能量存储模块的电压转换为所述能量存储模块的一充电状态的一函数将能量传输给能量存储模块，其中，在由站台静态能量转换器向车载储能系统传输能量的过程中，所述站台静态能量转换器和所述车载静态能量转换器配合运作；
在由站台静态能量转换器向车载储能系统传输能量的过程中，所述车载静态能量转换器监控所述能量存储模块的状态，并将所述站台静态能量转换器的运作操控为所监控到的状态的一函数；
所述站台静态能量转换器的传输功率在500kW到3000kW之间；
所述车载静态能量转换器的传输功率在300kW到500kW之间；
所述站台静态能量转换器和所述车载静态能量转换器均包括斩波器，且相应地所述能量存储模块包括超级电容。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于为包括一车载储能系统的轨道车辆供电的站内供电系统，所述站内供电系统包括一站台静态能量转换器，其位于所述轨道车辆的一站台，适于接收一电能并当所述轨道车辆停止在所述站台时向所述车载储能系统进行所述电能的传输，所述站台静态能量转换器将提供给车载储能系统的电压转换为所述车载储能系统的一充电状态的一函数。
根据本发明的第三方面，提供了一种用于轨道车辆的车载储能系统，包括一车载静态能量转换器和一能量存储模块，所述车载静态能量转换器适于通过将提供给能量存储模块的电压转换为所述能量存储模块的一充电状态的一函数将能量传输给能量存储模块，其中，所述车载静态能量转换器适于在由位于所述轨道车辆的一站台的一站台静态能量转换器向所述能量存储模块传输能量的过程中与所述站台静态能量转换器配合运作，以在站台静态能量转换器转换后的电压下所传输的能量的一函数对所述能量存储模块进行充电。
根据本发明的第四方面，还提供了一种包括如本发明第三方面所述的车载储能系统的轨道车辆。
附图说明
下面将结合实施例及附图对本发明进行更详细的描述，所述附图仅作为示意，而并非用于限制本发明，其中：
图1是根据本发明一实施例的公共交通车辆的示意图。
具体实施方式
图1示意性地示出了根据本发明一个实施例的车辆1，例如有轨电车。
该有轨电车1用于搭载乘客。本发明所述的车辆还可以是无轨车辆(巴士、电车等)或可被设计成用于运载货物，等等。
该有轨电车1包括：
-拉力元件，具体包括至少一个电动机4，当所述拉力元件被供电时，所述电动机4用于生成驱动有轨电车的车轮6的拉力扭矩；
-车载供电系统7；
-附属设备(未示出)，诸如空调、照明设备、供暖设备、车门开/关管理设备等等，这些附属设备不参与拉动车辆。
所述车载供电系统7包括电能存储装置2。在本例中，该电能存储装置2包括串联或并联连接的超级电容模块，在下文中通过标号2指代。
所述车载供电系统7还包括车载静态能量转换器3，在本例中车载静态能量转换器3包括斩波器“Hemb”，在下文中通过标号3指代。在本例中，斩波器“Hemb”3是可反转的(即，能量能够从两个方向通过)。
由于有轨电车的体积限制，静态转换器3和超级电容模块2被置于有轨电车1的车顶。
作为示例，超级电容模块2的性能，用传输能量来表示，为4kWh到20kWh，用传输功率来表示，为500kW到3000kW。
作为示例，斩波器3的性能，用传输能量来表示，为300kW到500kW，且斩波器3的体积约为1.5立方米。
作为清楚起见，超级电容是通过产生双电化学层形成的用于存储电荷的静电元件。超级电容包括两个含有活性炭的导电电极，所述导电电极通过离子溶液分隔开，电荷在离子溶液和电极之间的界面上积累。超级电容的充电/放电与具有不同极性的介质层之间的离子运动有关，电荷之间的界面作为电介质，所存储的能量是电容效应的结果，不发生氧化-还原反应。
超级电容模块两端的充电或放电电压是直流电压，根据超级电容的充电状态可发生很大变化，例如在400V和800V之间(包含在超级电容系统中的能量是超级电容模块两端的电压的平方的函数)。
有轨电车1包括开关设备“Semb”5，当有轨电车在独立供电模式时，开关设备“Semb”5用于将包含在车载供电系统7中的能量提供给拉力元件4和附属设备。
开关设备“Semb”5也用于当有轨电车在开动中通过外部电源经由受电弓或地面上的触点供电时，向拉力元件4和附属设备，以及可以向车载供电系统7提供来自外部电源的能量。
开关设备“Semb”5还使得当有轨电车制动时，将所有或部分回收到的制动能量提供给车载存储系统7和/或将所有或部分回收到的制动能量经由受电弓或地面上的触点提供给外部电网。
下面将首先描述有轨电车在站与站之间的运动过程中，处于外部供电模式时的操作，然后描述处于独立供电模式时的操作。
随后将描述当有轨电车到站时的操作。
第一部分：
有轨电车1沿着导轨运动。在有轨电车运行在各段行程中时，其连接至一外部电源，所述外部电源提供大体上为固定值(例如750V)的直流电压。有轨电车例如利用受电弓和悬链线或通过位于地面的接驳导轨(未示出)来捕获该能量。
该能量由开关设备“Semb”5接收，并将其全部或部分提供给发动机4以及提供给有轨电车的其他一些耗能设备。
在一个实施例中，部分能量以例如750V的直流电压V1的形式提供给车载存储系统7。
车载斩波器“Hemb”3接收所述电压V1，并将其转换为超级电容模块2的充电状态的函数，然后将转换得到的直流电压V2提供给超级电容模块2，从而为超级电容模块充电。该转换贯穿整个充电过程。
电动机4是可反转的并且用于在制动过程中产生供电的制动扭矩。在本例中的有轨电车1，在有轨电车1的制动操作过程中，用于回收由电动机4所提供的制动能量并经由开关设备5通过悬链线将其部分或全部传送给外部网络(用于向另一有轨电车或外部存储元件供电)和/或车载供电系统7以与上述相同的方式对超级电容模块2进行再充电。
此外，在行程的一段或多段中，有轨电车1也可能不与任何外部供电电源连接。此时仅通过车载存储系统7为有轨电车供电，处于所谓的独立供电模式。
在该独立供电模式，超级电容模块2放电并将直流电压V2提供给斩波器“Hemb”3。电压V2作为超级电容模块2的充电状态的函数是可变的，斩波器“Hemb”3转换所接收的作为输入的电压，并将适用于有轨电车上需要电源的设备的直流电压V1提供给开关设备5。
当有轨电车在独立供电模式的行程中制动时，制动能量可被提供给车载存储系统，用于上述再充电。
第二部分：
有轨电车1也用于在被称为站点的预定地理位置停留，以允许旅客进入和/离开车厢。这些停站的持续时间一般在20秒到40秒之间，例如在本例中为20秒。
图1示出了根据本发明实施例的站点10。
在该站点10中具有一站台供电系统13，所述站台供电系统13包括连接至Sstat能源12(例如提供750V直流电压的站台电网)的斩波器11。
斩波器11用于当有轨电车进站时，传输足够的电能以部分或全部充满电能存储装置2。
在本例中，静态转换器11包括斩波器“Hstat”，在下文中通过标号11指代。
作为示例，斩波器“Hstat”11的性能例如：用传输功率来表示为500kW到3000kW，并且其所占据的体积为2到5立方米。
在本例中，斩波器“Hstat”11被置于地面上，位于有轨电车停站时的停车区下方。用于在斩波器“Hstat”11和有轨电车1之间提供电连接的装置位于地面并且一旦被启用，例如当检测到有轨电车出现时，能够电连接斩波器“Hstat”11和车载超级电容模块2。
因此，一旦有轨电车2停在站点10并且该电连接在斩波器“Hstat”11和超级电容模块2之间被启用时，就开始能量传输：能源12将与电压“Vstat”相应的能量提供给斩波器“Hstat”11，斩波器“Hstat”11将该电压转换为超级电容模块2的充电状态的函数并将直流电压V3传输给超级电容模块2以对其充电。该转换贯穿整个充电过程。
此外，在一个实施例中，车载斩波器“Hemb”3用于监测超级电容模块2在站点充电期间的状态并且与斩波器“Hstat”11交换信息。在一个实施例中，斩波器“Hemb”3检测故障，例如过热和/或异常充电现象。斩波器“Hemb”3可检测车载存储系统7的超级电容模块2的充电状态。在一个实施例中，斩波器“Hstat”11所进行的电压转换可看作是斩波器“Hemb”3所提供的数据的函数并能反映出斩波器“Hemb”3所检测到的状态。
在一个实施例中，斩波器“Hemb”3用于命令站点的斩波器“Hstat”11停止充电，例如当检测到故障和/或当超级电容模块2被充满时。
在另一实施例中，斩波器“Hstat”11和超级电容模块2的电连接例如可以通过使用受电弓或任何其他装置实现。
在另一实施例中，斩波器不是设置在地下，而是位于地面的设备间内或采用任何其他配置。
站点中的斩波器“Hstat”11适合于进行功率范围为500kW到3000kW的充电，例如在本例中为750kW，从而使得超级电容模块2能够在有限的停站时间(例如20秒)内充满。
本发明的车载斩波器“Hemb”3，在适合于有轨电车所允许的体积下，能够将在站点10或类似站点所充的电转换为超级电容模块2的电压，为在两相邻站点之间的轨道区段以独立供电模式运行做好准备。斩波器“Hemb”3适合在200kW到500kW的功率范围内充电，例如在本例中为300kW，该功率已足够在制动或开动过程中对超级电容模块进行充电。在一个实施例中，当由斩波器“Hemb”3所传输并转换的电压对超级电容模块2充电时，或者当由站点的斩波器“Hstat”11所传输并转换的电压对超级电容模块2充电时，斩波器“Hemb”3都会监测超级电容模块2的状态并操控充电过程。这样的设计可以实现控制装置的合并利用并简化站点斩波器的配置。
本发明的以上描述中的转换器3和11均包括斩波器，可用于超级电容模块2的充电。
在另一实施例中，能量存储系统可采用电化学电池替代超级电容模块，或在超级电容模块以外再设置一电化学电池，而所述静态转换器3和11则包括被设计成使“Semb”和“Sstat”电源适用于电池的电压转换器。在一个实施例中，静态转换器3也用于在独立供电模式下使电池提供的能量适用于电动机。
在另一实施例中，能量存储系统可采用飞轮替代超级电容模块，或在超级电容模块以外再设置一飞轮，而所述静态转换器3和11则包括被设计成使“Semb”和“Sstat”电源适用于飞轮(将直流电流转换成交流电流)的电压转换器。在一个实施例中，静态转换器3也用于在独立供电模式下使飞轮所提供的能量适用于电动机(将交流电流转换成直流电流)。
在一个实施例中，站台静态转换器，例如斩波器，是可反转的并且可适用于接收车辆中的车载储能系统所提供的能量。
这样的设计在车载储能系统累积过多能量并且能够再次从相邻站点间的轨道区段回收能量(例如下陡坡)时尤其有用。由斩波器所传输的来自车载储能系统的该能量，而后例如经由可反转的分站被提供给直接外部网络或存储在地面上的合适系统中。

Claims (16)

1.一种用于包括一车载储能系统(7)的轨道车辆(1)的供电方法，其特征在于，包括：
由位于所述轨道车辆的一站台(10)的一站台静态能量转换器(11)接收电能；
将所述轨道车辆停止在所述站台，由所述站台静态能量转换器(11)将所接收到的电能传输给所述车载储能系统(7)，所述站台静态能量转换器(11)将提供给车载储能系统的电压(V3)转换为所述车载储能系统的一充电状态的一函数；
以在站台静态能量转换器(11)转换后的电压(V3)下所传输的能量的一函数对所述车载储能系统(7)进行充电。
2.如权利要求1所述的供电方法，其特征在于：
所述车载储能系统(7)包括一车载静态能量转换器(3)和一能量存储模块(2)；
所述车载静态能量转换器(3)适于通过将提供给能量存储模块(2)的电压(V2)转换为所述能量存储模块的一充电状态的一函数将能量传输给能量存储模块；
其中，在由站台静态能量转换器(11)向车载储能系统传输能量的过程中，所述站台静态能量转换器和所述车载静态能量转换器(3)配合运作。
3.如权利要求1或2所述的供电方法，其特征在于，在由站台静态能量转换器(11)向车载储能系统(7)传输能量的过程中，所述车载静态能量转换器监控所述能量存储模块的状态，并将所述站台静态能量转换器的运作操控为所监控到的状态的一函数。
4.如前述任一项权利要求所述的供电方法，其特征在于：
所述站台静态能量转换器(11)的传输功率在500kW到3000kW之间；
所述车载静态能量转换器(3)的传输功率在300kW到500kW之间。
5.如前述任一项权利要求所述的供电方法，其特征在于，所述站台静态能量转换器(11)和所述车载静态能量转换器(3)均包括斩波器，且相应地所述能量存储模块包括超级电容。
6.一种用于为包括一车载储能系统(7)的轨道车辆(1)供电的站内供电系统(13)，其特征在于，所述站内供电系统包括一站台静态能量转换器(11)，其位于所述轨道车辆的一站台，适于接收一电能并当所述轨道车辆停止在所述站台时向所述车载储能系统(7)进行所述电能的传输，所述站台静态能量转换器(11)将提供给车载储能系统(7)的电压(V3)转换为所述车载储能系统的一充电状态的一函数。
7.如权利要求6所述的站内供电系统(13)，其特征在于，所述站台静态能量转换器(11)适于在所述传输中与轨道车辆内的车载储能系统的一车载静态能量转换器(3)配合运作，所述车载静态能量转换器用于通过将提供给所述车载储能系统(7)的一能量存储模块(2)的电压(V2)转换为所述能量存储模块的一充电状态的一函数，将能量传输给所述能量存储模块。
8.如权利要求6或7所述的站内供电系统(13)，其特征在于，在所述传输中，所述站台静态能量转换器(11)的运作被转换为由车载静态能量转换器(3)提供的操控数据的一函数。
9.如权利要求6至8中任一项所述的站内供电系统(13)，其特征在于，所述站台静态能量转换器(11)的传输功率在500kW到3000kW之间。
10.如权利要求6至9中任一项所述的站内供电系统(13)，其特征在于，所述站台静态能量转换器(11)包括一斩波器。
11.如权利要求6至10中任一项所述的站内供电系统(13)，其特征在于，所述站台静态能量转换器是可反转的，并适于接收由轨道车辆内的车载储能系统提供的能量。
12.一种用于轨道车辆(1)的车载储能系统(7)，其特征在于，包括一车载静态能量转换器(3)和一能量存储模块(2)；
所述车载静态能量转换器(3)适于通过将提供给能量存储模块(2)的电压(V2)转换为所述能量存储模块的一充电状态的一函数将能量传输给能量存储模块；
其中，所述车载静态能量转换器(3)适于在由位于所述轨道车辆的一站台的一站台静态能量转换器(11)向所述能量存储模块(2)传输能量的过程中与所述站台静态能量转换器(11)配合运作，以在站台静态能量转换器转换后的电压(V3)下所传输的能量的一函数对所述能量存储模块(2)进行充电。
13.如权利要求12所述的车载储能系统(7)，其特征在于，在由所述站台静态能量转换器(11)向所述能量存储模块(2)进行能量传输的过程中，所述车载静态能量转换器(3)适于监控所述能量存储模块的状态，并将所述站台静态能量转换器的运作操控为所监控到的状态的一函数。
14.如权利要求12或13所述的车载储能系统(7)，其特征在于：所述车载静态能量转换器(3)的传输功率在300kW到500kW之间。
15.如权利要求12至14中任一项所述的车载储能系统(7)，其特征在于，所述车载静态能量转换器(3)包括一斩波器，所述能量存储模块(2)包括超级电容。
16.一种包括如权利要求12至15中任一项所述的车载储能系统(7)的轨道车辆(1)。
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