CN104553818A - 用于车辆的制动系统 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于车辆的制动系统。所述制动系统包括构造成在驱动模式期间提供牵引力的牵引马达。所述牵引马达还构造成在制动模式期间用作发电机。电阻栅构造成以废热的形式耗散来自牵引马达的电力。热电模块与电阻栅接口。此外，废热为热电模块提供高温热源。低温热源与热电模块接口。高温热源与低温热源之间的温差产生热电动力。

Description

用于车辆的制动系统
技术领域
本发明涉及一种制动系统，并且更具体地涉及一种用于车辆的制动系统。
背景技术
使用牵引驱动装置来进行推进的车辆在本领域中是众所周知的。牵引驱动装置通常可包括联接到轮轴的多个牵引马达。牵引马达可在驱动模式期间提供牵引力。但是，在制动模式期间，牵引马达可作为发电机运转。牵引马达产生的电力可以穿过电阻栅的热的形式耗散。该热不可能执行任何有用功。这可能降低车辆的效率。
美国公开的申请No.2005268955公开了一种用于将发动机燃烧的废热转换为有用功的机车柴油发动机废热回收系统。热电模块连接到热的发动机排气以提供高温热源，且发动机冷却剂系统也连接到热电模块以提供低温热源。热源的温度差为热电模块提供动力，以将发动机的废热转换成电力，从而给所选择的机车装置提供动力。
发明内容
在本发明的一个实施例中，提供了一种用于车辆的制动系统。所述制动系统包括构造成在驱动模式期间提供牵引力的牵引马达。所述牵引马达还构造成在制动模式期间用作发电机。电阻栅构造成以废热的形式耗散来自牵引马达的电力。热电模块与电阻栅接口。此外，废热为热电模块提供高温热源。一低温热源与热电模块接口。高温热源与低温热源之间的温差产生热电动力。
本发明的其它特征和方面将从下文的描述和附图而显而易见。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的示例性车辆的侧视图；
图2是根据本发明一个实施例的车辆的制动系统的示意图；
图3A和3B分别是根据本发明一个实施例的圆柱形壳体的俯视图和侧视图；
图4是根据本发明一个实施例的热电模块的示意图；
图5A和5B分别是根据本发明一个实施例的与热电模块接口的空气供给系统的俯视图和侧视图；以及
图6是根据本发明一个实施例的与热电模块接口的冷却系统的侧视图。
具体实施方式
只要有可能，所有附图中将使用相同的标号来表示相同或相似的零件。参照图1，示出了示例性车辆100。车辆100为机车。具体地，车辆100可以是柴油-电动机车、电动机车或电池动力的机车。替代地，车辆100可以是电动车组、无轨电车、有轨电车等。
车辆100包括构造成在轨道103上运行的多对车轮102。每对车轮102都附装在构造成由牵引马达106驱动的车轴104上。因此，可设置多个牵引马达106来驱动车辆100的车轮102。牵引马达106由车辆100的动力源(未示出)驱动。该动力源可以是通过柴油发动机、一个或多个可充电的蓄能系统(例如，电池)等运行的发电机。变速器107设置在牵引马达106与车轴104之间。在替代实施例(未示出)中，牵引马达106可直接驱动车轴104。牵引马达106包括电枢108和励磁绕组110。牵引马达106可以是直流马达、交流马达等。
牵引马达106构造成在驱动模式期间向车轮102提供牵引力。此外，在驱动模式下，励磁绕组110可由车辆100的动力源提供电力。电枢108相对于励磁绕组110旋转。但是，在制动模式期间，牵引马达106可用作发电机，且车轴104的旋转运动可旋转电枢108以在励磁绕组110中产生电力。励磁绕组110中产生的电力可以废热的形式耗散。本领域的普通技术人员可将这种制动动作理解为动态或再生制动。
图2示出根据本发明一个实施例的车辆100的制动系统200的示意图。驱动控制器201可在检测到制动信号时启动牵引马达106的制动模式。制动信号可由与车辆100相关的用户输入装置或自动装置(例如，防碰撞装置)产生。驱动控制器201在制动模式下可调整牵引马达106以用作发电机。具体地，驱动控制器201可致动与各牵引马达106的电枢108和励磁绕组110(在图1中示出)相关的一个或多个开关(未示出)，以使得牵引马达106可用作发电机。在制动模式下，驱动控制器201也可将电阻栅202与牵引马达106的励磁绕组110电连接。
热电模块204可与电阻栅202接口，以使得在制动模式期间来自电阻栅202的废热QW提供用于热电模块204的高温热源TH。高温热源TH与热电模块204的高温侧S1接口。此外，热电模块204包括与第一低温热源TL1和/或第二低温热源TL2接口的低温侧S2。在一个实施例中，第一低温热源TL1可包括由空气供给系统404提供的环境空气402。此外，第二低温热源TL2可以是冷却系统406。在一个实施例中，第一低温热源TL1和第二低温热源TL2中的任一者都可选择性地与热电模块204接口。在替代实施例中，可存在空气供给系统404和冷却系统406中的一者，且热电模块204设置有单个低温热源。高温热源TH向热电模块204提供热QH。此外，第一低温热源TL1和第二低温热源TL2分别从热电模块204提取热QL1和QL2。高温热源TH与第一低温热源TL1之间的第一温差DeltaT1可产生第一热电动力W1。此外，高温热源TH与第二低温热源TL2之间的第二温差DeltaT2可产生第二热电动力W2，其又使热电模块204产生热电动力W，该热电动力W等于第一热电动力W1与第二热电动力W2之和。因此，热电模块204通过从高温热源TH吸收热QH而产生热电动力W，所述高温热源是电阻栅202。因而，废热QW的至少一部分(即热QH)可用于产生热电动力W。
在一个实施例中，圆柱形壳体302(在图3A和3B中示出)可至少部分地封装电阻栅202。此外，热电模块204可设置在圆柱形壳体的外表面上。现在将参考后面的图描述电阻栅202和热电模块204的细节。
图3A和3B分别示出根据本发明一个实施例的圆柱形壳体302的俯视图和侧视图。圆柱形壳体302在图3中被图示为具有圆形截面。但是，圆柱形壳体302可具有任意其它截面，例如多边形、椭圆形等。圆柱形壳体302可附装在保持部件303(在图3B中示出)上，以将圆柱形壳体302固定到位。电阻栅202包括连接到中央部件208并围绕中央部件208周向地设置的多个电阻部件206。电阻部件206进一步连接到周向部件209。中央部件208和周向部件209可固定电阻部件206，以向电阻栅202提供刚性。在制动模式期间，中央部件208和/或周向部件209可与牵引马达106的励磁绕组110(在图1中示出)电连接。在动态制动期间，各电阻部件206可以废热QW的形式耗散来自牵引马达106的电力。来自电阻部件206的废热QW可与圆柱形壳体302的内表面304相互作用。一个或多个风扇(未示出)可在电阻部件206周围产生空气流，以增强电力耗散并促进来自电阻部件206的废热QW与圆柱形壳体302的内表面304的相互作用。此外，热电模块204包括周向地设置在圆柱形壳体302的外表面308上的多个热电装置306。热电模块204的高温侧S1与圆柱形壳体302的外表面308接触。可显而易见的是，热电模块204的高温侧S1和低温侧S2可以是各热电装置306的高温侧和低温侧。在替代实施例中，热电模块204的热电装置306可以嵌设(未示出)在圆柱形壳体302内。圆柱形壳体302可以是热的良导体，使得来自电阻部件206的热QH可从圆柱形壳体302的内表面304传导到外表面308，并最终传导到热电模块204的高温侧S1。
如图3B所示，热电装置306可沿圆柱形壳体302轴向地延伸。在一个实施例中，各热电装置306的长度可等于圆柱形壳体302的长度。因而，热电装置306可覆盖圆柱形壳体302的外表面308的主要部分。这可确保第一低温热源TL1和第二低温热源TL2(在图2中示出)与热电装置306的高温侧S1接口而不与圆柱形壳体302的外表面308接口。
第一温差DeltaT1和第二温差DeltaT2(在图2中示出)可使热电装置306能够产生热电动力。第一温差DeltaT1可选择性地在一些热电装置306的两侧施加，而第二温差DeltaT2可选择性地在其余热电装置306的两侧施加。在一个实施例中，在各热电装置306两侧施加的温差可与所产生的热电动力成比例。各热电装置306可由半导体材料、金属合金等制成，以使得各热电装置306可基于所施加的温差而产生热电动力。热电动力引起各热电装置306两侧之间的直流电压，由此导致从各热电装置306的正极端子(+)到负极端子(-)的电流。
如图3所示，多个热电装置306可与连接到相邻的热电装置306的负极端子的一个热电装置306的正极端子串联连接，以形成串联区段314。图3A和3B的示例性串联区段314包括4个串联连接的热电装置306。此外，热电模块204包括4个串联区段314。然而，可存在任何数量的串联连接以形成各串联区段314的热电装置306，并且可存在任何数量的串联区段314。串联区段314经由连接器318以并联构型连接到热电模块204的输出部316，如将参考图4所述。
图4示出根据本发明一个实施例的热电模块204的示意图。热电模块204包括4个经由连接器318彼此并联连接的串联区段314。连接器318与热电模块204的输出部316的正极(+)和负极(-)电连接。可在输出部316处产生热电动力W。各串联区段314包括4个串联连接的热电装置306。因而，在4个热电装置306中的每一个的两端的直流电压被叠加，以提供各串联区段314的电压输出。但是，相同的电流流经串联区段314的四个热电装置306中的每一个热电装置。来自各串联区段314的电流可在连接器318中叠加并流到输出部316。因而，热电模块204的电压输出可以是各串联区段314的电压输出。此外，热电模块204的电流输出可等于来自串联区段314的电流之和。在一个实施例中，在各串联区段314的一端可设置有阻流二极管(未示出)。阻流二极管可确保电流单向流经各串联区段314。因此，不产生任何热电动力的任一个串联区段314都不会从任何其它串联区段314吸取电流并减少热电模块204的热电动力W。如图4所示的热电模块204在性质上纯粹是示例性的，且在本发明的范围内热电装置306可以任何其它串联和并联的构型布置。
返回参照图2，热电控制器210可调节热电模块204的各个方面，并因此调节由热电模块204产生的热电动力W。在一个实施例中，热电模块204可监视第一温差DeltaT1和第二温差DeltaT2，以控制由热电模块204产生的热电动力W。热电控制器210可检测来自驱动控制器201的制动模式。替代地，热电控制器210可直接从牵引马达106或制动信号检测制动模式。此外，热电控制器210可确定热电模块204的各种参数。例如，热电控制器210也可连接到与热电装置306(在图3中示出)相关的一个或多个温度传感器。热电控制器210可基于来自温度传感器的输入而确定各热电装置306两侧的温差。热电控制器210也可连接到各种电流和电压传感器，以确定各热电装置306、串联区段314(在图4中示出)的电流和电压输出和/或热电模块204的热电动力W。基于上述参数(温差、电压和电流输出等)，热电控制器210可与热电装置306和/或串联区段314电气地分离或连接，以调节热电模块204的输出部316处的电压和电流。
如图2所示，热电模块204的热电动力W经由电连接部315传送以向车辆100的负载317提供动力。在一个实施例中，负载317可包括车辆100的各种辅助电负载。热电动力W可为辅助负载提供一部分或全部的动力。辅助电负载可包括灯、电子设备、泵、空调设备等。辅助电负载还可包括蓄能系统，例如一个或多个电池。电池可用来在驱动模式期间向车辆100的各种电气设备如牵引马达106提供电力。热电控制器210可确定热电动力W在各种辅助负载之间的分配。例如，热电控制器210可确定输出316中用于对蓄能系统进行充电的比率。热电控制器210还可确定何时使热电模块204与车辆100的负载317分离。例如，牵引马达106在制动模式结束之后可在驱动模式下操作。因此，在电阻栅202中可能不会有电力耗散，且电阻栅202开始冷却。因此，热电装置306两侧的温差可降低，且热电动力W也成比例地降低。热电控制器210可监视热电动力W且在输出316低于预定阈值时使热电模块204与车辆100的负载317分离。在另一制动模式期间，热电动力W上升到预定阈值之上，热电控制器210可再次将热电模块204连接到负载317。
热电控制器210也可控制与热电装置306接口的第一低温热源TL1和第二低温热源TL2。如上所述，第一低温热源TL1可以是来自空气供给系统404的环境空气402。此外，第二低温热源TL2可以是具有冷却剂408的冷却系统406。热电控制器210可控制空气供给系统404和冷却系统406，以改变环境空气402和/或冷却剂408的温度或供给。下文将参考图5A、5B和6详细描述空气供给系统404和冷却系统406的细节。
图5A和5B示出根据本发明一个实施例的与热电模块204接口的空气供给系统404的示意性俯视图和侧视图。为清楚起见，未示出电阻栅202和热电模块204的各种细节。空气供给系统404包括入口502、出口504、入口导向叶片506和出口导向叶片508。入口502可与空气源510流体连通。在图5A和5B的实施例中，入口502和出口504可以是位于车辆100的框架512(例如，车辆100的顶蓬)上的开口，而空气源510可以是车辆100的外部环境。入口导向叶片506和出口导向叶片508可分别调节通过入口502和出口504的环境空气402的流量。在一个实施例中，可在入口502与圆柱形壳体302之间设置有入口管道(未示出)，以将环境空气402从空气源510传送到圆柱形壳体302。此外，可在圆柱形壳体302与出口504之间设置有出口管道(未示出)，以将环境空气402从圆柱形壳体302引导到出口504。此外，空气供给系统404可包括风扇(未示出)，以增加从入口502到出口504的环境空气402的流量。环境空气402流经入口502，于设置在圆柱形壳体302上的热电模块204周围流动，且随后流经出口504。环境空气402因此与热电模块204的低温侧S2相互作用。在图5A和5B的实施例中，环境空气402用作热电模块204的唯一低温热源TL。因此，环境空气402从热电模块204汲取热QH。此外，热电模块204产生的热电动力W可归因于环境空气402与高温热源TH之间的温差DeltaT，所述高温热源为电阻栅202。如图5A和5B所示的空气供给系统404在性质上纯粹是示例性的，且环境空气402可以以任何其它方式提供给热电模块204。例如，环境空气402可从车辆100的可与车辆100外部环境流体连通的腔室提供。管道可将该气流从所述腔室传送到圆柱形壳体302。
参照图2、5A和5B，热电控制器210可控制入口导向叶片506和出口导向叶片508的开度，以调节与热电模块204接口的低温热源TL的温度。热电模块204还可调节与空气供给系统404相关的风扇。例如，当与热电模块204相关的温差DeltaT由于从电阻栅202的较小散热而降低时，热电控制器210可增加入口导向叶片506的开度并减少出口导向叶片508的开度。这可增加热电模块204周围的环境空气402的流量。此外，也可增加与空气供给系统404相关的风扇的速度。针对高温热源TH的给定温度，热电控制器210能够使来自热电模块204的热电动力W最大化。
图6示出根据本发明一个实施例的与热电模块204接口的冷却系统406。还将参考图2。冷却系统406包括冷却单元602和导管604。导管604与热电模块204的低温侧S2接口。在一个实施例中，导管604可分岔成热电模块204周围的多个盘管(未示出)。冷却剂408从冷却单元602流经与热电模块204接触的导管604。因此，冷却系统406用作用于热电模块204的第二低温热源TL2。此外，在热电模块204附近设置有分离叶片606。分离叶片606可使环境空气402气流与冷却系统406导管604的冷却效果分离。
在一个实施例中，冷却系统406可以是蒸气压缩式致冷系统。冷却单元602可包括用于压缩冷却剂408的压缩机(未示出)、用于使冷却剂408冷凝的冷凝器(未示出)和用于使冷却剂408膨胀的膨胀装置(未示出)。导管604可用作冷却系统406的蒸发器。冷却剂408因此可从热电模块204汲取热QL2。在另一实施例中，冷却系统406可以是散热器型冷却系统，其中冷却剂408由散热器(未示出)利用空气流冷却、并然后通过泵(未示出)循环。在各种其它实施例中，冷却系统406可以是车辆100的已有冷却模块(例如，发动机散热器)的一部分，且冷却剂408可从该已有的冷却模块传送。
参照图2和6，热电控制器210可调节冷却系统406以控制与热电模块204接口的第二低温热源TL2的温度。热电控制器210可控制各种参数，例如通过导管604的冷却剂408的流量、流经导管604的冷却剂408的温度等。此外，热电控制器210可控制分离叶片606，以控制环境被空气402冷却和被冷却剂408冷却的范围/程度。例如，热电控制器210可决定环境空气402可以是用于热电模块204的低温热源而不需要冷却系统406。然后可以停用冷却系统406。热电控制器210然后可致动分离叶片606，使得环境空气402与热电模块204的整个低温侧S2接触。替代地，热电控制器210可决定可使用环境空气402和冷却系统406的组合作为用于热电模块204的第一低温热源TL1和第二低温热源TL2。热电控制器210然后可致动分离叶片606，使得热电模块204的低温侧S2的第一部分与环境空气402接触，且热电模块204的低温侧S2的第二部分通过冷却剂408冷却。第一部分中的热电装置306(在图3和4中示出)可产生第一热电动力W1，而第二部分中的热电装置306可产生第二热电动力W2。此外，在热电模块204未用于产生任何热电动力的情况下，热电控制器210可停用冷却系统406和/或停止冷却剂408流到导管604。
工业适用性
当前使用牵引马达来进行推进的车辆可使牵引马达在制动模式期间作为发电机操作。牵引马达产生的电力可通过电阻栅以热的形式耗散。通常，该热不可用于在车辆内执行任何有用功且因而被浪费。这可能降低车辆的效率。
本发明涉及用于车辆100的制动系统200。车辆100可以是机车。具体地，车辆100可以是柴油-电动机车、电动机车或电池动力的机车。替代地，车辆100可以是电动车组、无轨电车、有轨电车等。
车辆100包括用于在驱动模式期间执行推进的牵引马达106。此外，牵引马达106在制动模式下作为发电机运转。电阻栅202构造成以废热QW的形式耗散来自牵引马达106的电力。热电模块204与电阻栅202接口，使得废热QW提供用于热电模块204的高温热源TH。高温热源TH可向热电模块204的高温侧S1提供热QH。此外，第一低温热源TL1和第二低温热源TL2选择性地与热电模块204接口。第一温差DeltaT1和第二温差DeltaT2分别产生第一热电动力W1和第二热电动力W2。因此，来自电阻栅202的废热QW可以热QH的形式被至少部分地回收以产生热电动力W。热电动力W可被选择性地用于为车辆100的负载317提供动力。这可提高车辆100的效率。
虽然已参考以上实施例特别示出和描述了本发明的各方面，但本领域的技术人员将理解的是，通过对所公开的机器、系统和方法的修改，可设想各种其它实施例而不脱离所公开的精神和范围。此类实施例应该理解为落在通过权利要求及其任何等效方案确定的本发明的范围内。

Claims (20)

1.一种用于车辆的制动系统，包括：
构造成在驱动模式期间提供牵引力的牵引马达，其中所述牵引马达还构造成在制动模式期间用作发电机；
构造成以废热的形式耗散来自所述牵引马达的电力的电阻栅；
与所述电阻栅接口的热电模块，其中所述废热提供用于所述热电模块的高温热源；和
与所述热电模块接口的低温热源，其中所述高温热源与所述低温热源之间的温差产生热电动力。
2.根据权利要求1所述的制动系统，还包括构造成监视所述高温热源与所述低温热源之间的温差以控制热电动力的控制器。
3.根据权利要求1所述的制动系统，还包括至少部分地封装所述电阻栅的圆柱形壳体，其中所述圆柱形壳体的内表面与所述电阻栅接口。
4.根据权利要求3所述的制动系统，其中，所述热电模块设置在所述圆柱形壳体的外表面上。
5.根据权利要求3所述的制动系统，其中，所述热电模块嵌设在所述圆柱形壳体内。
6.根据权利要求1所述的制动系统，其中，所述热电模块包括串联地电连接以形成串联区段的多个热电装置。
7.根据权利要求6所述的制动系统，其中，所述热电模块还包括多个串联区段，并且其中所述串联区段中的每一个都互相并联地电连接。
8.根据权利要求1所述的制动系统，其中，所述低温热源包括环境空气。
9.根据权利要求1所述的制动系统，其中，所述低温热源包括冷却系统。
10.一种机车，包括：
动力源；
构造成在驱动模式期间由所述动力源驱动以提供牵引力的牵引马达，其中所述牵引马达还构造成在制动模式期间用作发电机；
构造成以废热的形式耗散来自所述牵引马达的电力的电阻栅；
与所述电阻栅接口的热电模块，其中所述废热提供用于所述热电模块的高温热源；和
与所述热电模块接口的低温热源，其中所述高温热源与所述低温热源之间的温差产生热电动力。
11.根据权利要求10所述的机车，还包括构造成监视所述高温热源与所述低温热源之间的温差以控制热电动力的控制器。
12.根据权利要求10所述的机车，还包括至少部分地封装所述电阻栅的圆柱形壳体，其中所述圆柱形壳体的内表面与所述电阻栅接口。
13.根据权利要求12所述的机车，其中，所述热电模块设置在所述圆柱形壳体的外表面上。
14.根据权利要求12所述的机车，其中，所述热电模块嵌设在所述圆柱形壳体内。
15.根据权利要求10所述的机车，其中，所述热电模块包括串联地电连接以形成串联区段的多个热电装置。
16.根据权利要求15所述的机车，其中，所述热电模块还包括多个串联区段，并且其中所述串联区段中的每一个都互相并联地电连接。
17.根据权利要求10所述的机车，其中，所述低温热源包括环境空气。
18.根据权利要求10所述的机车，其中，所述低温热源包括冷却系统。
19.一种用于车辆的制动系统，包括：
构造成在驱动模式期间提供牵引力的牵引马达，其中所述牵引马达还构造成在制动模式期间用作发电机；
构造成以废热的形式耗散来自所述牵引马达的电力的电阻栅；
至少部分地封装所述电阻栅的圆柱形壳体，其中所述圆柱形壳体的内表面与所述电阻栅接口；
设置在所述圆柱形壳体的外表面上的热电模块，其中废热提供用于所述热电模块的高温热源；和
与所述热电模块接口的低温热源，其中所述高温热源与所述低温热源之间的温差产生热电动力。
20.根据权利要求19所述的制动系统，其中，所述低温热源包括环境空气和冷却系统中的至少一者。
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