CN107628037B - 混合驱动的有轨列车 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合驱动的有轨列车，包括动力车厢、供电系统、从动车厢、动力车厢行走机构、从动车厢行走机构行走机构、有源动势能储运回路与电动机复合驱动系统、无源动势能储运回路、控制器和超级电容器组，通过回收列车制动过程的动能，实现有轨列车的混合驱动。本发明公开的混合驱动的有轨列车具有启动性能好、能效高、系统发热少、使用寿命长等优点。

Description

混合驱动的有轨列车
技术领域
本发明属于列车驱动领域，具体涉及一种混合驱动的有轨列车。
背景技术
有轨列车是指在铁路轨道上行驶的车辆，主要包括轻轨、地铁、动车、高铁、货车和普通列车等轨道车辆，通常由多节车厢所组成，车厢分为动车车厢和拖车车厢。有轨列车按载荷物，可分为运货的货车和载客的客车，亦有两者一起的客货车。
以动车组为例，我国动车组主要分为三大类，即高速动车组、一般动车组、低速动车组。动车组工作系统主要包括机械系统、电气系统和液压与气动系统，机械系统主要用于动车的行走和能量的传递，电气系统主要用于提供动力和控制列车运行状态，液压与气动系统主要用于动车的动力系统的辅助控制；动车组的动力系统通常为分散式分布，分散式分布的动力系统效率较高，电力动车组有较多的电动机，故动车的能量回收和再生制动能力较好。
动车组的运行一般需要很大的功率，这就需要电动机的体积较大，使电动机在动车系统中的合理布置变得极为困难；此外，动车组质量大、运行速度快、电动机数目较多，其运行过程中需要频繁加减速，动车组减速时一般采用制动电阻将动车的动能转化为热能消耗掉，当需要紧急制动时动车组采用刹车盘制动，刹车盘上会产生大量的热量，这不仅会造成能量的浪费，还会使刹车盘过热影响刹车效率，从而影响动车组刹车的安全性；动车启动时电动机瞬时峰值功率很高，在启动过程中电动机产生很高的启动电流，产生较大的热量进而影响电动机的使用寿命。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明旨在提供一种混合驱动的有轨列车，通过回收列车制动过程的动能，提高能量利用率。
混合驱动的有轨列车，包括动力车厢(26)、供电系统(27)、从动车厢(28)、动力车厢行走机构(16)和从动车厢行走机构(19)，所述动力车厢行走机构包括动车车厢齿轮箱(17)和动力车厢车轮(18)；所述从动车厢行走机构包括从动车厢齿轮箱(20)和从动车厢车轮(21)；还包括有源动势能储运回路与电动机复合驱动系统(24)、无源动势能储运回路(23)、控制器(14)及超级电容器组(13)。
所述的有源动势能储运回路与电动机复合驱动系统(24)包括有源动势能储运回路(22)、主驱动电动机(1)、第Ⅰ联轴器(2.1)、第Ⅰ变频器(11.1)、双向DC-DC变换器(12)；其中，有源动势能储运回路(22)包括：第Ⅰ电比例四象限液压泵/马达(3.1)、恒压变量液压泵(6)、液压泵驱动电动机(4)、第Ⅰ安全阀(7.1)、二位二通电磁阀(8)、第Ⅱ变频器(11.2)、第Ⅰ蓄能器(9.1)、油箱(15)、第Ⅰ位移传感器(5.1)、转速传感器(25)及第Ⅰ压力传感器(10.1)，第Ⅰ电比例四象限液压泵/马达的第一油口P1、恒压变量液压泵的出油口、第Ⅰ安全阀的进油口、二位二通电磁阀的A油口连通；二位二通电磁阀的B油口、压力传感器均与蓄能器连接，压力传感器的输出信号p输入控制器，第Ⅰ电比例四象限液压泵/马达的第二油口P2、恒压变量液压泵的进油口、第Ⅰ安全阀的出油口均与油箱连通；第Ⅰ位移传感器与第Ⅰ电比例四象限液压泵/马达的变量活塞连接以检测其摆角变化，第Ⅰ位移传感器的输出信号x输入控制器，第Ⅱ变频器的输入端和输出端分别与控制器和液压泵驱动电动机连接，液压泵驱动电动机的输出轴与恒压变量液压泵的驱动轴连接；第Ⅰ电比例四象限液压泵/马达的摆角控制器、二位二通电磁阀的控制端均与控制器连接。
主驱动电动机的第一、第二输出轴分别与动力车厢齿轮箱的输入轴和第Ⅰ联轴器连接，第Ⅰ联轴器与有源动势能储运回路的第Ⅰ电比例四象限液压泵/马达的驱动轴连接，第Ⅰ变频器的输入端和输出端分别与控制器和主驱动电动机连接，第Ⅰ变频器的直流母线与双向DC-DC变换器的一端连接，双向DC-DC变换器的另一端与超级电容器组连接，双向DC-DC变换器的控制端与控制器连接，转速传感器与主驱动电动机的第一输出轴连接，其输出信号n输入控制器；控制器向第Ⅰ电比例四象限液压泵/马达、二位二通电磁阀、双向DC-DC变换器、第Ⅰ和第Ⅱ变频器发送控制指令。
所述的无源动势能储运回路(23)包括：第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达(3.2)、第Ⅱ安全阀(7.2)、第Ⅱ蓄能器(9.2)、第Ⅱ压力传感器(10.2)、第Ⅱ位移传感器(5.2)及油箱；第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达的驱动轴通过联轴器(2.2)与从动车厢齿轮箱的输入轴连接，第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达的第一油口P3、第Ⅱ安全阀的进油口、第Ⅱ压力传感器均与第Ⅱ蓄能器连通，第Ⅱ压力传感器的输出信号p输入控制器，第Ⅱ位移传感器与第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达的变量活塞连接以检测其摆角变化，第Ⅱ位移传感器的输出信号x输入控制器，第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达的摆角控制器与控制器连接。
所述的恒压变量液压泵是机械信号控制的恒压泵或电信号控制的比例恒压泵。
所述的第Ⅰ、Ⅱ蓄能器是单一的液压蓄能器或两个以上的液压蓄能器组。
所述的有源动势能储运回路与电动机复合驱动系统用于分布驱动式的动车和高速列车或电气集中牵引的动力机车，包括地下轨道车辆和地面轻轨车辆。
所述的有源动势能储运回路是电比例四象限液压泵/马达和恒压变量液压泵组成的二次调节回路，或电比例四象限液压泵/马达和定量液压泵/马达组成的闭式回路。
与现有技术相比，本发明提供的混合驱动的有轨列车，具有以下优点和积极效果：
1、本发明采用有源动势能储运回路和无源动势能储运回路辅助主电动机驱动有轨列车启动加速，缩短了列车启动时间，改善了列车启动性能。
2、本发明通过采用液压混合驱动方式，结合电气驱动大功率和液压驱动高功率密度的优点，可显著降低该系统的重量和体积。
3、本发明通过电比例四象限液压泵/马达将有轨列车制动过程的动能存储到液压蓄能器中，可以取消原有的制动电阻，因而可以提高能效并降低系统的发热。
4、本发明采用液压蓄能器、电比例四象限液压泵/马达以及超级电容器组辅助主驱动电动机启制动，减小对电网的冲击，延长了电动机的使用寿命，并且回收再利用了有轨列车制动过程的动能。
附图说明
图1为动车组成简图；
图2为本发明的混合驱动控制原理图；
图中：1-主驱动电动机；2.1-第Ⅰ联轴器；2.2-第Ⅱ联轴器；3.1-第Ⅰ电比例四象限液压泵/马达；3.2-第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达；4-液压泵驱动电动机；5.1-第Ⅰ位移传感器；5.2-第Ⅱ位移传感器；6-恒压变量液压泵；7.1-第Ⅰ安全阀；7.2-第Ⅱ安全阀；8-二位二通电磁阀；9.1-第Ⅰ蓄能器；9.2-第Ⅱ蓄能器；10.1-第Ⅰ压力传感器；10.2-第Ⅱ压力传感器；11.1-第Ⅰ变频器；11.2-第Ⅱ变频器；12-双向DC-DC变换器；13-超级电容器组；14-控制器；15-油箱；16-动力车厢行走机构；17-动力车厢齿轮箱；18-动力车厢车轮；19-从动车厢行走机构；20-从动车厢齿轮箱；21-从动车厢车轮；22-有源动势能储运回路；23-无源动势能储运回路；24-有源动势能储运回路与电动机复合驱动系统；25-转速传感器；26-动力车厢；27-供电系统；28-从动车厢；
具体实施方式
以下结合附图介绍本发明详细技术方案：
如图1-2所示，混合驱动的有轨列车，包括动力车厢26、供电系统27、从动车厢28、动力车厢行走机构16、从动车厢行走机构19，所述动力车厢行走机构包括动车车厢齿轮箱17、动力车厢车轮18；所述从动车厢行走机构包括从动车厢齿轮箱20、从动车厢车轮21；还包括有源动势能储运回路与电动机复合驱动系统24、无源动势能储运回路23、控制器14及超级电容器组13。
所述的有源动势能储运回路与电动机复合驱动系统24包括有源动势能储运回路22、主驱动电动机1、第Ⅰ联轴器2.1、第Ⅰ变频器11.1、双向DC-DC变换器12，有源动势能储运回路22包括第Ⅰ电比例四象限液压泵/马达3.1、恒压变量液压泵6、液压泵驱动电动机4、第Ⅰ安全阀7.1、二位二通电磁阀8、第Ⅱ变频器11.2、第Ⅰ蓄能器9.1、油箱15、第Ⅰ位移传感器5.1及第Ⅰ压力传感器10.1，第Ⅰ电比例四象限液压泵/马达的第一油口P1、恒压变量液压泵的出油口、第Ⅰ安全阀的进油口、二位二通电磁阀的A油口连通；二位二通电磁阀的B油口、压力传感器均与蓄能器连接，压力传感器的输出信号p输入控制器，第Ⅰ电比例四象限液压泵/马达的第二油口P2、恒压变量液压泵的进油口、第Ⅰ安全阀的出油口均与油箱连通；第Ⅰ位移传感器与第Ⅰ电比例四象限液压泵/马达的变量活塞连接以检测其摆角变化，第Ⅰ位移传感器的输出信号x输入控制器，第Ⅱ变频器的输入端和输出端分别与控制器和液压泵驱动电动机连接，液压泵驱动电动机的输出轴与恒压变量液压泵的驱动轴连接；第Ⅰ电比例四象限液压泵/马达的摆角控制器、二位二通电磁阀的控制端均与控制器连接；
主驱动电动机的第一、第二输出轴分别与动力车厢齿轮箱的输入轴和第Ⅰ联轴器连接，第Ⅰ联轴器与有源动势能储运回路的第Ⅰ电比例四象限液压泵/马达的驱动轴连接，第Ⅰ变频器的输入端和输出端分别与控制器和主驱动电动机连接，第Ⅰ变频器的直流母线与双向DC-DC变换器的一端连接，双向DC-DC变换器的另一端与超级电容器组连接，双向DC-DC变换器的控制端与控制器连接，转速传感器与主驱动电动机的第一输出轴连接，其输出信号n输入控制器；控制器向第Ⅰ电比例四象限液压泵/马达、二位二通电磁阀、双向DC-DC变换器、第Ⅰ和第Ⅱ变频器发送控制指令；
所述无源动势能储运回路23包括：第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达3.2、第Ⅱ安全阀7.2、第Ⅱ蓄能器9.2、第Ⅱ压力传感器10.2、第Ⅱ位移传感器5.2及油箱；第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达的驱动轴通过联轴器2.2与从动车厢齿轮箱的输入轴连接，第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达的第一油口P3、第Ⅱ安全阀的进油口、第Ⅱ压力传感器均与第Ⅱ蓄能器连通，第Ⅱ压力传感器的输出信号p输入控制器，第Ⅱ位移传感器与第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达的变量活塞连接以检测其摆角变化，第Ⅱ位移传感器的输出信号x输入控制器，第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达的摆角控制器与控制器连接。
列车启动前，控制器发出指令E到第Ⅱ变频器，控制液压泵驱动电动机启动，恒压变量液压泵开始工作，同时控制器发出指令H使二位二通电磁阀打开，恒压变量液压泵为第Ⅰ蓄能器补充油液，当第Ⅰ压力传感器检测到第Ⅰ蓄能器压力达到预设值时，控制器控制二位二通电磁阀关闭。
列车启动加速时，控制器发出指令到第Ⅰ变频器，控制主驱动电动机启动，并通过控制第Ⅰ电比例四象限液压泵/马达的摆角使其处于液压马达工况，二位二通电磁阀开启，第Ⅰ蓄能器释放液压能，与恒压变量液压泵同时驱动第Ⅰ电比例四象限液压泵/马达，进而辅助主驱动电动机启动，同时控制器发出指令控制第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达的摆角使其处于液压马达工况，第Ⅱ蓄能器释放液压能，驱动第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达。同时控制器发出指令到双向DC-DC变换器，控制超级电容器组释放电能，补充主驱动电动机启动过程所需的峰值电流，主驱动电动机、第Ⅰ电比例四象限液压泵/马达和第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达共同驱动列车开始加速，当速度传感器检测到电动机转速达到设定速度时，控制器发出指令控制二位二通电磁阀关闭，改变第Ⅰ电比例四象限液压泵/马达和第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达的摆角为零；同时控制器发出指令到双向DC-DC变换器，控制超级电容器组不再释放电能；
列车减速制动时，控制器发出指令使电网停止向第Ⅰ变频器供电，列车的动能带动主驱动电动机处于发电状态，控制器发出指令到双向DC-DC变换器，将主驱动电动机发出的电能存储到超级电容器组内，同时控制器控制第Ⅰ电比例四象限液压泵/马达和第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达的摆角使其处于液压泵工况，第Ⅰ电比例四象限液压泵/马达和第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达分别将液压油箱中的液压油泵入第Ⅰ蓄能器和第Ⅱ蓄能器中，进而将列车的部分动能储存在第Ⅰ蓄能器中；当第Ⅰ压力传感器检测第Ⅰ蓄能器的油液压力达到设定极限值时，控制器发出指令使二位二通电磁阀关闭，油液通过第Ⅰ安全阀流回油箱。制动过程结束后，控制器发出控制二位二通电磁阀关闭，改变第Ⅰ电比例四象限液压泵/马达和第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达的摆角为零，同时控制器控制双向DC-DC变换器使超级电容器组停止储存电能。
所述的恒压变量液压泵是机械信号控制的恒压泵或电信号控制的比例恒压泵。
所述的第Ⅰ、Ⅱ蓄能器是单一的液压蓄能器或两个以上的液压蓄能器组。
所述的有源动势能储运回路与电动机复合驱动系统用于分布驱动式的动车和高速列车或电气集中牵引的动力机车，包括地下轨道车辆和地面轻轨车辆。
所述的有源动势能储运回路是电比例四象限液压泵/马达和恒压变量液压泵组成的二次调节回路，或电比例四象限液压泵/马达和定量液压泵/马达组成的闭式回路。

Claims (4)

1.混合驱动的有轨列车，包括动力车厢(26)、供电系统(27)、从动车厢(28)、动力车厢行走机构(16)和从动车厢行走机构(19)，所述动力车厢行走机构包括动车车厢齿轮箱(17)和动力车厢车轮(18)；所述从动车厢行走机构包括从动车厢齿轮箱(20)和从动车厢车轮(21)；其特征在于：还包括有源动势能储运回路与电动机复合驱动系统(24)、无源动势能储运回路(23)、控制器(14)及超级电容器组(13)；
所述的有源动势能储运回路与电动机复合驱动系统(24)包括有源动势能储运回路(22)、主驱动电动机(1)、第Ⅰ联轴器(2.1)、第Ⅰ变频器(11.1)、双向DC-DC变换器(12)；其中，有源动势能储运回路(22)包括：第Ⅰ电比例四象限液压泵/马达(3.1)、恒压变量液压泵(6)、液压泵驱动电动机(4)、第Ⅰ安全阀(7.1)、二位二通电磁阀(8)、第Ⅱ变频器(11.2)、第Ⅰ蓄能器(9.1)、油箱(15)、第Ⅰ位移传感器(5.1)、转速传感器(25)及第Ⅰ压力传感器(10.1)，第Ⅰ电比例四象限液压泵/马达的第一油口P1、恒压变量液压泵的出油口、第Ⅰ安全阀的进油口、二位二通电磁阀的A油口连通；二位二通电磁阀的B油口、压力传感器均与蓄能器连接，压力传感器的输出信号p输入控制器，第Ⅰ电比例四象限液压泵/马达的第二油口P2、恒压变量液压泵的进油口、第Ⅰ安全阀的出油口均与油箱连通；第Ⅰ位移传感器与第Ⅰ电比例四象限液压泵/马达的变量活塞连接以检测其摆角变化，第Ⅰ位移传感器的输出信号x输入控制器，第Ⅱ变频器的输入端和输出端分别与控制器和液压泵驱动电动机连接，液压泵驱动电动机的输出轴与恒压变量液压泵的驱动轴连接；第Ⅰ电比例四象限液压泵/马达的摆角控制器、二位二通电磁阀的控制端均与控制器连接；
主驱动电动机的第一、第二输出轴分别与动力车厢齿轮箱的输入轴和第Ⅰ联轴器连接，第Ⅰ联轴器与有源动势能储运回路的第Ⅰ电比例四象限液压泵/马达的驱动轴连接，第Ⅰ变频器的输入端和输出端分别与控制器和主驱动电动机连接，第Ⅰ变频器的直流母线与双向DC-DC变换器的一端连接，双向DC-DC变换器的另一端与超级电容器组连接，双向DC-DC变换器的控制端与控制器连接，转速传感器与主驱动电动机的第一输出轴连接，其输出信号n输入控制器；控制器向第Ⅰ电比例四象限液压泵/马达、二位二通电磁阀、双向DC-DC变换器、第Ⅰ和第Ⅱ变频器发送控制指令；
所述的无源动势能储运回路(23)包括：第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达(3.2)、第Ⅱ安全阀(7.2)、第Ⅱ蓄能器(9.2)、第Ⅱ压力传感器(10.2)、第Ⅱ位移传感器(5.2)及油箱；第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达的驱动轴通过联轴器(2.2)与从动车厢齿轮箱的输入轴连接，第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达的第一油口P3、第Ⅱ安全阀的进油口、第Ⅱ压力传感器均与第Ⅱ蓄能器连通，第Ⅱ压力传感器的输出信号p输入控制器，第Ⅱ位移传感器与第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达的变量活塞连接以检测其摆角变化，第Ⅱ位移传感器的输出信号x输入控制器，第Ⅱ电比例四象限液压泵/马达的摆角控制器与控制器连接。
2.根据权利要求1所述的混合驱动的有轨列车，其特征在于：所述的恒压变量液压泵是机械信号控制的恒压泵或电信号控制的比例恒压泵。
3.根据权利要求1所述的混合驱动的有轨列车，其特征在于：所述的第Ⅰ、Ⅱ蓄能器是单一的液压蓄能器或两个以上的液压蓄能器组。
4.根据权利要求1所述的混合驱动的有轨列车，其特征在于：所述的有源动势能储运回路与电动机复合驱动系统用于分布驱动式的动车和高速列车或电气集中牵引的动力机车，包括地下轨道车辆和地面轻轨车辆。
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