CN104349929A - 具有架线辅助功能的电动卡车的简化拓扑 - Google Patents

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Abstract

一种具有架线辅助功能的电动卡车(20)包括具有第一、第二和第三接触器(41，42，43)的DC链路(40)，所述第一、第二和第三接触器(41，42，43)可在不同的构型下打开和关闭以在不同模式下操作卡车。在正常推进模式下，三个接触器是打开的，且电力从机载电源(23)路由至电推进马达(26)。在正常减速模式下，三个接触器是关闭的，以通过所述DC链路(40)中的栅极电阻器(56)来路由通过电推进马达(26)生成的电能。在架线模式下，第一和第二接触器(42)是关闭的，但第三接触器(43)是打开的，并且电力从架线(11，13)路由至马达，用于推动卡车，或在相反的方向上使卡车减速。

Description

具有架线辅助功能的电动卡车的简化拓扑
技术领域
本公开总体涉及用于具有架线辅助功能的电动卡车的DC链路，并且更具体地涉及具有三个接触器的DC链路，所述接触器具有利用机载或架线电源来推进卡车或使卡车减速的不同构型。
背景技术
大规模材料开采往往需要消耗大量能量。在许多露天矿山中，大型矿用卡车车队几乎可以连续运作以将矿石和/或覆盖层从提取区域运输至倾卸或加工现场。许多这样的矿用卡车通过使用直接驱动策略或柴油-电力驱动系统的柴油驱动的发动机来操作。与许多其他重型设备系统一样，矿用卡车的燃料成本可能是巨大的。此外，许多矿山都位于偏远地区，并且与将燃料运输到矿场相关联的成本可能会使运营成本显著增加。即使获得了足够的燃料供应，有时也是具有挑战性的，与成本无关。由于这些原因以及其他原因，采矿业的工程师和矿用设备制造商正在不断寻找方法来降低燃料消耗。考虑到商品的历史价格波动，例如，开采出来的材料和石油燃料的历史价格波动，以及矿场中地质和地形的变化，供应和消耗能量用于采矿活动的经济性往往很复杂，而且是非常多变的。
几十年来，矿商已经尝试使用现场产生或由公用电网提供的电力来为矿用设备供电。现场发电与通过石油燃料直接加油的加油设备有类似的成本和可用性。由于许多矿山地处偏远以及其他因素的影响，由电网供应电力，即使是相对较长的距离，已被证明，相比于只依赖石油燃料，对于至少一些矿山一贯有利。但是，电力成本仍然可以因市场波动而变化，以及因矿山不同而不同，这取决于矿物燃料、地热发电或水力发电的区域可用性，或用于发电的能量的其他天然或可获得的来源。因此，即使在矿用设备的供电是可行的情况下，仍有充足的动力尽可能有效地使用它，这样既可以控制成本，又可以优化面对不确定的经济状况时的预测性。
在首先提出的几十年前，矿场电力的现有使用是具有高架架线的架线系统，其用于提供电力，以协助矿用卡车，特别是在上坡道上载重行驶时。许多露天矿山包括从矿石提取现场延伸到遥远的倾卸场或加工场地的运输道。在这样的场地上使用的矿用卡车可能需要在运输道上上坡行驶几公里长，或者可能甚至是更长的距离。将理解的是，使用柴油或其他石油燃料，诸如，液化天然气，以将装入上百吨矿石的矿用卡车向上推动到这样的坡度可能成本很高，因此，近年来对架线系统重新燃起兴趣。典型的矿用卡车可能会有至少四种不同的操作模式，其中包括利用机载电气系统来推进卡车的运动或使其减速，并且基于架线的推进或甚至通过使卡车减速而产生电力的架线减速被反馈到架线电网。促进所有这些模式，或者其他模式，可能需要具有多个不同接触器的DC链路拓扑，其中每个接触器可放置在开路构型或闭路构型中。例如，美国专利号6,646,360示出了具有至少五个接触器的DC链路拓扑，用于促进不同的操作模式。
本公开针对上述一个或多个问题，并且为某些矿用卡车中的DC链路提供更简单的拓扑。
发明内容
在一个方面中，具有架线辅助功能的电动卡车包括耦合到框架的多个地面接合元件。机载电源被附接到所述框架，并且包括机械地耦合到电力发生器的内燃发动机。至少一个电推进马达被耦合到地面接合元件。电路将所述电力发生器电气连接到所述电推进马达。受电弓支撑在框架上并且可在架线接合构型与收起构型之间移动。DC链路电气连接在电路和受电弓之间，并且包括使正直流导体与正受电弓导体电气隔离的第一接触器和使负直流导体与负受电弓导体电气隔离的第二接触器。正直流导体通过第一接触器、第三接触器、栅极电阻器和第二接触器与负直流导体电气隔离。第一、第二和第三接触器中的每一者可在开路构型和闭路构型之间变化。
在另一个方面中，架线DC链路包括使正直流导体与正受电弓导体电气隔离的第一接触器。第二接触器使负直流导体与负受电弓导体电气隔离。正直流导体通过第一接触器、第三接触器、栅极电阻器和第二接触器与负直流导体电气隔离。第一、第二和第三接触器中的每一者可在开路构型和闭路构型之间变化。
在又一个方面中，一种操作具有架线辅助功能的电动卡车的方法，其包括通过打开DC链路中的第一、第二和第三接触器，以及将来自机载电源的电能路由至耦合到地面接合元件的电推进马达在正常推进模式下推动卡车。卡车是通过关闭第一和第二接触器，打开第三接触器以及将来自受电弓的电能通过DC链路路由至电推进马达在架线推进模式下推进的。卡车是通过关闭所有的第一、第二和第三接触器，以及通过DC链路中的栅极电阻器来路由来自电推进马达的电能在正常减速模式下减速的。卡车是通过关闭第一和第二接触器，打开第三接触器，以及通过DC链路来路由来自电推进马达的电能，以及通过受电弓来使卡车脱落在架线减速模式下减速的。
附图说明
图1是根据本公开的一个方面的矿场的俯视图；
图2是根据本公开的具有架线辅助功能的电动卡车的侧视图；以及
图3是图2中具有架线辅助功能的电动卡车中的DC链路的示意图。
具体实施方式
首先参考图1和图2，矿场10可包括下坡段12和上坡段14。在典型的情况下，多个具有架线辅助功能的电动卡车20在下坡段12上无负载行驶。在低矿场位置，卡车可填充有矿石或覆盖层。在负载了倾卸台27中的材料后，卡车20从上坡段14行驶到卡车卸载的加工场地，然后重复循环。在所示的矿场10中，下坡段12和上坡段14均各包括连接到本地电网(未示出)和/或公共电网线路的各自的架线11和13。在上坡段14期间，每个卡车20可利用受电弓35来电气连接卡车20以从架线13汲取电力。因此，在上坡段期间，从架线车13汲取的电力由每个单独的卡车20利用以将上坡的卡车朝倾卸或加工场地推进。虽然不是必要的，但是卡车也可以在下坡段期间连接到架线11，且响应于卡车的下坡行驶，在势能转化为电能时，卡车20的电推进马达26可充当发电机来将电力反馈回架线。
各具有架线辅助功能的电动卡车20是围绕框架21建造的，且支撑在多个耦合到框架的地面接合元件22上。在所示实施例中，地面接合元件22是轮胎，但其它地面接合元件，诸如，轨道，也将落入本公开的范围之内。每个卡车20包括机载电源23，机载电源23被附接到框架21，并且包括机械地耦合到电力发生器25的内燃发动机24。内燃发动机24可以是压缩点火发动机，可以是单燃料发动机，也可能是双燃料发动机，主要是利用用液体柴油燃料的导引充量点燃的天然气。机载电源23可通过电路33电气连接到耦合到地面接合元件22的至少一个电推进马达26。受电弓35支撑在框架21上且可在架线接合构型和收起构型之间移动。当处于架线接合构型时，卡车20的DC链路40电气连接到架线11或13。当处于收起构型时，卡车20与架线11或13电气断开。电力控制器60可与DC链路40进行控制通信，并且还可与卡车20的一个或多个其他电子控制器通信，所述电子控制器包括用于内燃发动机24的电子发动机控制器。电动卡车20的典型之处还在于它们每个都包括倾卸台27，倾卸台27可在牵引构型之间移动，如图所示，或升高到倾卸构型。最后，卡车20包括操作员站28。
另参考图3，每个电动卡车包括具有DC链路40的简化拓扑31，DC链路40具有正好三个电气接触器，所述电气接触器可被打开和关闭，以进行必要的电气连接，以便促进卡车20的正常模式和架线模式的推进和减速。具体而言，DC链路40电气连接在电路33和受电弓35之间。DC链路40包括使正直流导体50与正受电弓导体52电气隔离的第一接触器41。第二接触器42使负直流导体51与负受电弓导体53电气隔离。正直流导体50也通过第一接触器41、第三接触器43、栅极电阻器56和第二接触器42与负直流导体51电气隔离。响应于来自电力控制器60的控制信号，第一、第二和第三接触器41-43中的每一者可在开路构型和闭路构型之间变化。受电弓35可通过架线连杆29与正受电弓导体52和负受电弓导体53电气隔离，受电弓35可包括电压和电流传感器，其可将信息经由通信线路(图中未示出)传输至电力控制器60。所示的正直流导体50和负直流导体51通过反相器37以常规的方式电气连接到两个电推进马达26，(例如，左侧马达和右侧马达)。同样地，机载电源23也通过整流器38以常规的方式电气连接到正直流导体50和负直流导体51。电力控制器60可与所述第一、第二和第三接触器41-43进行控制通信。电力控制器60还可被配置为执行电力路由算法，电力路由算法被配置为生成用于打开和关闭所述第一、第二和第三接触器41-43的控制信号。根据需要可利用栅极电阻器56来将电力转换成热量，耗散到环境中。
卡车20可在正常推进模式下、正常减速模式下和架线推进模式下进行操作。虽然不是必要的，但是卡车也可以装备成在架线减速模式下操作。在正常推进模式下，电力在机载电源23中产生并通过电路33提供给电推进马达26。在正常减速模式下，电力马达26操作为发电机以减缓卡车20的运动，诸如，在下坡道上行驶时。当在此正常减速模式下时，由马达26产生的电力通过栅极电阻器56被引入，且作为产生的热量耗散到环境中。在架线推进模式下，提供给电推进马达26的电力由架线11或13通过DC链路40提供给电推进马达来推动卡车20。如果架线减速模式是可用的，则电推进马达26再次操作为发电机且它们所产生的电力通过受电弓35路由至架线11或13。以下表格示出了用于作业卡车20的不同的可用模式下的第一、第二和第三接触器41-43的电力路由算法控制命令。
如表中所示，电力路由算法被配置为生成正常推进模式控制信号，以打开所有的第一、第二和第三接触器41-43，用于用机载电源23推动卡车20。在极少情况下，电力路由算法可关闭第一、第二和第三接触器，以调节来自机载电源23的电压。例如，当卡车在内燃发动机24和电力发生器25可减慢以满足卡车20的电力减少需求之前在正常推进模式简短停留时，来自机载电源23的多余电力可作为热量通过栅极电阻器56耗散。电力路由算法可被配置为通过生成架线推进模式控制信号以关闭第一和第二接触器，并打开第三接触器，来通过将来自受电弓35的电能通过DC链路40路由至电推进马达26中来推动卡车20。同样在罕见的情况下，电力路由算法可关闭第三接触器43以根据需要来调节架线DC链路电压。电力路由算法被配置为通过生成正常减速模式控制信号以关闭第一、第二和第三接触器41-43，来通过DC链路40中的栅极电阻器56来路由来自电推进马达26的电能来使卡车20减速。在卡车如此配备时，电力路由算法也可被配置为生成架线减速模式控制信号，以关闭第一接触器41和第二接触器42，并打开第三接触器43，用于通过将来自电推进马达26的电能通过DC链路40路由至架线11或13并通过受电弓35使卡车20脱落来使卡车20减速。最后，电力路由算法可被配置为使受电弓35在架线接合构型与收起构型之间移动，以分别使卡车20与架线11或13电气连接和断开。
工业实用性
本公开普遍适用于任何具有架线辅助功能的电动卡车。本公开特别适用于配备有现场架线的矿场利用的电动卡车，现场架线可通过机载受电弓与各自的卡车电气连接和断开。最后，本公开普遍适用于具有架线辅助功能的电动卡车，其可受益于具有较少数量的电气接触器的简化拓扑。在本公开中，电动卡车仅具有三个电气接触器，以促进各种不同的模式，这明显少于与现有技术中的拓扑相关联的四个或五个或更多个电气接触器。
再次参考图1-图3，一种操作具有架线辅助功能的电动卡车20的方法可包括通过打开DC链路40中的第一、第二和第三接触器41-43，以及将来自机载电源23的电能路由至耦合到地面接合元件22的电推进马达26在正常推进模式下推动卡车20。例如，卡车20可在正常推进模式下在矿山10的加载和卸载地点处及其周围运作，在此，架线电源不可用，原因是本领域中公知的。当架线电源可用时，诸如，当行驶在上坡道14时，通过关闭第一接触器41和第二接触器42，以及打开第三接触器43来将来自受电弓35的电能通过DC链路40路由至电推进马达26，卡车20在架线推进模式下被推动。当卡车20正在下坡道，诸如，下坡段12上被操纵时，通过关闭所有的第一接触器41、第二接触器42和第三接触器43，并通过DC链路40中的栅极电阻器56路由来自电推进马达26的电能以使电能以热量的形式耗散到环境中，卡车可在正常减速模式下操作。可替换地，且如果是可用的，则通过将受电弓35电气连接到可用的架线11，诸如，在下坡段12上，以及关闭第一接触器41和第二接触器42同时打开第三接触器43，卡车可在架线减速模式下运作。当在架线减速模式下操作时，电能由电推进马达26通过DC链路40来路由并通过受电弓35来使卡车20脱落。通过使受电弓35从收起构型移动到架线接合构型，卡车20可从正常推进模式转变为架线推进模式。这可能在卡车机动到架线11或13附近时发生。当离开配备有可用的架线电源的矿区时，通过使受电弓35从架线接合构型移回到收起构型，卡车可从架线推进模式转变为正常推进模式。如果可用的话，则通过使受电弓从收起构型移动到架线接合构型，卡车可从正常减速模式转变为架线减速模式。同样地，通过使受电弓从架线接合构型移动到收起构型，卡车20可从架线减速模式转变为正常减速模式。
但是，应当理解的是，上面的描述仅用于说明的目的，而并非意在以任何方式限制本公开的范围。因此，本领域技术人员将理解，本公开的其它方面可以通过研究附图、公开的内容和所附权利要求中获得。

Claims (9)

1.一种具有架线辅助功能的电动卡车(20)，包括：
框架(21)；
多个地面接合元件(22)，其耦合到所述框架(21)；
机载电源(23)，其附接到所述框架(21)且包括机械地耦合到电力发生器(25)的内燃发动机(24)；
至少一个电推进马达(26)，其耦合到所述地面接合元件(22)；
电路(33)，其将所述电力发生器(25)电气连接到所述电推进马达(26)；
受电弓(35)，其支撑在所述框架(21)上，且能够在架线(11，13)接合构型和收起构型之间运动；
直流链路(40)，其电气连接在所述电路(33)和所述受电弓(35)之间，并且包括使正直流导体(50)与正受电弓导体(50)电气隔离的第一接触器(41)；使负直流导体(51)与负受电弓导体(53)电气隔离的第二接触器(42)；所述正直流导体(50)通过第一接触器(41)、第三接触器(43)、栅极电阻器(56)和第二接触器(42)与负直流导体(51)电气隔离；且第一、第二和第三接触器(41，42，43)中的每一者能够在开路(33)构型和闭路(33)构型之间变化。
2.根据权利要求1所述的卡车，包括与所述第一、第二和第三接触器(41，42，43)进行控制通信的电力控制器，且包括被配置为生成用于打开和关闭所述第一、第二和第三接触器(41，42，43)的控制信号的电力路由算法；
所述电力路由算法被配置为生成正常推进模式控制信号，以打开所有的第一、第二和第三接触器(41，42，43)，用于用所述机载电源(23)来推动卡车；
所述电力路由算法被配置为生成架线推进模式控制信号以关闭所述第一接触器和第二接触器(42)并且打开第三接触器(43)，用于通过直流链路(40)将来自受电弓(35)的电能路由至电推进马达(26)来推动卡车；以及
所述电力路由算法被配置为生成正常减速模式控制信号以关闭所述第一、第二和第三接触器(41，42，43)，用于通过直流链路(40)中的栅极电阻器(56)来路由来自电推进马达(26)的电能以使卡车减速。
3.根据权利要求2所述的卡车，其中，所述电力路由算法被配置为生成架线减速模式控制信号，以关闭所述第一和第二接触器(42)并且打开第三接触器(43)，用于通过直流链路(40)来路由来自电推进马达(26)的电能并且通过受电弓(35)来使卡车脱离来使卡车减速。
4.一种架线直流链路(40)，包括：
第一接触器(41)，其使正直流导体(50)与正受电弓导体(52)电气隔离，
第二接触器(42)，其使负直流导体(51)与负受电弓导体(53)电气隔离，
正直流导体(50)通过所述第一接触器(41)、第三接触器(43)、栅极电阻器(56)和所述第二接触器(42)与负直流导体(51)电气隔离；且
第一、第二和第三接触器(41，42，43)中的每一者能够在开路(33)构型和闭路(33)构型之间变化。
5.一种操作具有架线辅助功能的电动卡车(20)的方法，包括以下步骤：
通过打开直流链路(40)中的第一、第二和第三接触器(41，42，43)，以及将来自机载电源(23)的电能路由至耦合到地面接合元件(22)的电推进马达(26)而在正常推进模式下推动卡车；
通过关闭所述第一和第二接触器(42)并且打开第三接触器(43)以及将来自受电弓(35)的电能通过所述直流链路(40)路由至电推进马达(26)而在架线推进模式下推动卡车；以及
通过关闭所有的第一、第二和第三接触器(41，42，43)，以及通过直流链路(40)中的栅极电阻器(56)来路由来自电推进马达(26)的电能而在正常减速模式下使卡车减速。
6.根据权利要求5所述的方法，包括以下步骤：
通过使受电弓(35)从收起位置运动到架线(11，13)接合位置而从正常推进模式转变为架线推进模式；以及
通过使受电弓(35)从架线(11，13)接合位置运动到收起位置而从架线推进模式转变为正常推进模式。
7.根据权利要求6所述的方法，包括以下步骤：通过关闭所述第一和第二接触器(42)并且打开第三接触器(43)以及通过直流链路(40)来路由来自电推进马达(26)的电能以及通过受电弓(35)使卡车脱离来使卡车在架线减速模式下减速。
8.根据权利要求7所述的方法，包括以下步骤：
通过使受电弓(35)从收起位置运动到架线(11，13)接合位置而从正常减速模式转变为架线减速模式；以及
通过使受电弓(35)从架线(11，13)接合位置运动到收起位置而从架线减速模式转变为正常减速模式。
9.根据权利要求5所述的方法，包括以下步骤：通过在架线推进模式下关闭所述第三接触器来调节架线(11，13)的直流电压链路。
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