CN112440762A - 一种轨道车辆 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种轨道车辆，包括：直流母线；辅助变流器，与所述直流母线连接；充电机，与所述辅助变流器连接；超导磁体储能装置，与所述充电机连接；其中，在所述直流母线提供直流电时，所述辅助变流器将直流电转换成交流电为所述充电机供电，所述充电机将所述充电机提供的交流电转化成直流电对给所述超导磁体储能装置进行充电，所述超导磁体储能装置进行储能；在直流母线无直流电时，所述超导磁体储能装置为与所述充电机连接的直流负载供电。本申请实施例解决了轨道车辆的传统储能装置笨重，体积大的技术问题。

Description

一种轨道车辆

技术领域

本申请涉及轨道车辆技术领域，具体地，涉及一种轨道车辆。

背景技术

随着铁路部门大运量、高密度、公交化运输组织模式的逐渐成熟和各项便民利民举措的完善配套，乘坐低碳、环保、绿色的高速铁路轨道车辆出行成为越来越多人的选择。在铁路部门投入大量轨道车辆运营的情况下，有效控制或减少轨道车辆能耗并加以利用具有重要的现实意义。

图1为传统的轨道列车的原理示意图。如图1所示，轨道车辆设置了蓄电池10和制动电阻20。蓄电池10主要负责给车上的直流负载和辅助应急设备进行供电，另外在轨道车辆启动时给轨道车辆的控制系统供电。蓄电池作为储能装置，其质量比较重而且体积大，由环境温度、充放电条件的敏感等因素所引起的电池容量衰减，使用寿命缩短、充电时间长、安全性低以及环境污染等问题。

因此，轨道车辆的传统储能装置笨重，体积大，是本领域技术人员急需要解决的技术问题。

在背景技术中公开的上述信息仅用于加强对本申请的背景的理解，因此其可能包含没有形成为本领域普通技术人员所知晓的现有技术的信息。

发明内容

本申请实施例中提供了一种轨道车辆，以解决轨道车辆的传统储能装置笨重，体积大的技术问题。

本申请实施例提供了一种轨道车辆，包括：

直流母线；

辅助变流器，与所述直流母线连接；

充电机，与所述辅助变流器连接；

超导磁体储能装置，与所述充电机连接；

其中，在所述直流母线提供直流电时，所述辅助变流器将直流电转换成交流电为所述充电机供电，所述充电机将所述充电机提供的交流电转化成直流电对给所述超导磁体储能装置进行充电，所述超导磁体储能装置进行储能；在直流母线无直流电时，所述超导磁体储能装置为与所述充电机连接的直流负载供电。

本申请实施例由于采用以上技术方案，具有以下技术效果：

采用超导磁体储能装置作为储能装置，在所述直流母线提供直流电时，超导磁体储能装置储存电能；在直流母线无直流电时，所述超导磁体储能装置释放电能，为与所述充电机连接的直流负载和所述轨道列车的控制系统供电。超导磁体储能装置是利用超导磁体将电磁能直接存储起来，需要时再将电磁能返回电网或其他负载。超导磁体储能装置的超导磁体在通过直流电流时，首先，其电流密度比一般常规导体要高1-2个数量级，因此，超导磁体储能装置能达到很高的能量密度。由于其能量密度高，在储能同样量的电能时，其体积和重量远小于背景技术中的蓄电池。其次，超导磁体储能装置的超导磁体在通过直流电流时没有热损耗，使得能长时间无损耗地存储能量，即超导磁体储能装置的超导磁体直接以电的方式在超导磁体中存储电磁能，与化学电池盒飞轮储能等方式相比，无需能量转换的环节，具有响应速度快，效率高的优点，即超导磁体储能装置具有能量转换效率高，如可达95％、响应速度快、大功率和大能量系统、寿命长及维护简单、污染小等众多优点。与背景技术中的蓄电池作为储能装置的轨道车辆相比，本申请实施例的轨道车辆不仅储能装置的重量和体积小，而且储能的损失小，能量密度高，能量转换效率高，响应速度快。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为传统的轨道列车的原理示意图；

图2为本申请实施例的轨道车辆的原理示意图；

图3为图2所示的轨道车辆的示意图。

附图标记说明：

背景技术中：

10蓄电池，20制动电阻；

本申请实施例中：

100直流母线，111牵引电机，112牵引变流器，

210辅助变流器，211车下逆变电源箱，212交流负载，

310充电机，320直流负载，

410超导磁体储能装置，420储能变换器，431磁体检测装置，

432冷却装置，433温度控制系统，

510启动电源，

610受电弓，620变压器，630整流器。

具体实施方式

为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

图2为本申请实施例的一种轨道列车的原理示意图。

如图2所示，本申请实施例的轨道车辆，包括：

直流母线100；

辅助变流器210，与所述直流母线100连接；

充电机310，与所述辅助变流器210连接；

超导磁体储能装置410，与所述充电机310连接；

其中，在所述直流母线提供直流电时，所述辅助变流器将直流电转换成交流电为所述充电机供电，所述充电机将所述充电机提供的交流电转化成直流电对给所述超导磁体储能装置进行充电，所述超导磁体储能装置进行储能；在直流母线无直流电时，所述超导磁体储能装置为与所述充电机连接的直流负载和所述轨道列车的控制系统供电。

本申请实施例的轨道车辆，采用超导磁体储能装置作为储能装置，在所述直流母线提供直流电时，超导磁体储能装置储存电能；在直流母线无直流电时，所述超导磁体储能装置释放电能，为与所述充电机连接的直流负载和所述轨道列车的控制系统供电。超导磁体储能装置是利用超导磁体将电磁能直接存储起来，需要时再将电磁能返回电网或其他负载。超导磁体储能装置的超导磁体在通过直流电流时，首先，其电流密度比一般常规导体要高1-2个数量级，如超导磁体储能装置的超导磁体的电流密度是普通铜导线的100倍以上，因此，超导磁体储能装置能达到很高的能量密度。由于其能量密度高，在储能同样量的电能时，其体积和重量远小于背景技术中的蓄电池。其次，超导磁体储能装置的超导磁体在通过直流电流时没有热损耗，使得能长时间无损耗地存储能量，即超导磁体储能装置的超导磁体直接以电的方式在超导磁体中存储电磁能，与化学电池盒飞轮储能等方式相比，无需能量转换的环节，具有响应速度快，效率高的优点，即超导磁体储能装置具有能量转换效率高，如可达95％、响应速度快、大功率和大能量系统、寿命长及维护简单、污染小等众多优点。与背景技术中的蓄电池作为储能装置的轨道车辆相比，本申请实施例的轨道车辆不仅储能装置的重量和体积小，而且储能的损失小，能量密度高，能量转换效率高，响应速度快。

实施中，如图2所示，轨道车辆还包括：

启动电源510，与所述充电机310连接；

控制系统，所述控制系统与所述充电机连接；

其中，在直流母线无直流电时，所述启动电源用于通过所述充电机为所述控制系统供电以启动所述轨道车辆。

具体的，启动电源采用小型蓄电池。启动电源仅仅作为轨道车辆启动时用的电源，因此所需的电能较少，启动电源的重量和体积也都较小。本申请实施例的轨道车辆超导磁体储能装置和启动电源，所起的作用于背景技术中的蓄电池相同，大大减少了蓄电池，用超导磁体储能装置代替，仅保留1个小型的小型蓄电池在轨道车辆启动时给一些控制系统供电即可，提高了系统的效率，降低了环境污染，更换成本和频率低。

实施中，如图2所示，轨道车辆还包括：

牵引电机111；

牵引变流器112，与所述直流母线100连接；

储能变换器420，分别与所述超导磁体储能装置410和所述直流母线100连接；

其中，所述牵引变流器112用于将直流电转换成交流电为所述牵引电机111供电，所述储能变换器420用于在轨道列车制动时，将所述直流母线中富余的制动电能进行变换对所述超导磁体储能装置410充电。

在列车制动时，将制动电能存储到超导磁体储能装置内，因为超导磁体储能装置在一定温度下呈现零电阻特性，所以超导磁体储能装置可以无损的将电能储存起来，等列车在起动、加速爬坡或辅助供电等需要能量时，控制超导磁体储能装置进行能量释放。本申请实施例的轨道列车既可以将制动电能进行利用和循环利用，以降低能耗。本申请实施例的轨道车辆省去庞大笨重的制动电阻，减少设备重量并减少热量散发。

轨道车辆运行能耗是指维持轨道车辆正常运营所需能耗，主要分为牵引能耗和制动能耗两部分，其中制动能耗占机车总能耗的10-20％。传统的轨道车辆的制动能量有制动电阻消耗和再生制动回馈电网两种，第一种制动电阻消耗不但能量浪费而且制动电阻产生的热效应会导致环境温度变高，在一些特殊地方需要增加通风动力装置，背景技术的图1中采用的是制动电阻20消耗的方式。第二种再生制动对列车的速度有要求，一般低速时能量不能全部回馈电网，而且有谐波电流与电压闪变等电网质量问题。本申请实施例采用超导磁体储能装置进行出储能，储能效率高，对列车的速度没有要求。

具体的，超导磁体储能装置的超导磁体主要进行有功能量的存储，超导磁体结构有螺管形、环形磁体和多极磁体。

实施中，所述储能变换器还用于在所述直流母线无直流电或供电不足时，将所述超导磁体储能装置的直流电进行变换为所述牵引变流器提供直流电。

列车在起动、加速爬坡或辅助供电等需要能量，以及在所述直流母线无直流电或供电不足时，控制系统控制超导磁体储能装置进行能量释放。超导磁体储能装置对功率的吸收和释放速度快，小的储能量就可以发出大的功率。在牵引主电路故障或列车加速、爬坡等情况时超导磁体储能装置能迅速释放能量，提高可靠性，不会对电网的频率和电压有影响。

超导磁体储能装置的温度将会影响超导磁体储能装置的性能，因此需要对超导磁体储能装置的温度进行控制。

如图2所示，轨道车辆还包括：

磁体检测装置431，用于检测所述超导磁体储能装置的实际温度；

冷却装置432，用于为所述超导磁体储能装置降温；

温度控制系统433，用于根据所述超导磁体储能装置的实际温度，控制所述冷却装置对所述超导磁体储能装置进行降温，以达到温度的控制目标。

磁体检测装置实时检测超导磁体储能装置的实际温度，温度控制系统根据超导磁体储能装置的实际温度，控制所述冷却装置对所述超导磁体储能装置进行降温，以达到温度的控制目标。这样，就实现了超导磁体储能装置的温度控制，保持了超导磁体储能装置的性能。

实施中，所述温度控制系统进行的温度控制是闭环反馈控制。

闭环反馈控制是自动控制的主要形式，能够自动控制超导磁体储能装置的温度。

实施中，所述温度控制系统包括：

外环控制器，用于提供启动温度和温度的控制目标；

内环控制器，用于根据所述启动温度，所述温度的控制目标和所述超导磁体储能装置的实际温度，控制所述冷却装置的开关。

在超导磁体储能装置的实际温度到达启动温度的范围内时，所述内环控制器控制所述冷却装置开始工作；在超导磁体储能装置的实际温度到达温度的控制目标的范围内后，所述内环控制器控制所述冷却装置停止工作。

实施中，所述冷却装置的冷却方式是将所述超导磁体储能装置的超导磁体线圈浸泡在低温液体中进行冷却；

或者所述冷却装置的冷却方式是通入超临界低温液体的强制冷却方式。

超导磁体储能装置可以采用上述任一所述的冷却方式。

实施中，如图2所示，在所述直流母线提供直流电时，所述充电机310为与所述充电机连接的直流负载320供电。

与所述充电机连接的直流负载，在直流母线提供直流电时，充电机为之供电；在直流母线无直流电时，由超导磁体储能装置供电。

实施中，如图2所示轨道车辆还包括：

车下逆变电源箱211，与所述辅助变流器210连接；

交流负载212，与所述车下逆变电源箱211连接；

其中，所述车下逆变电源箱211用于调整所述辅助变流器210提供的交流电电压，为所述交流负载212供电。

交流负载212由车下逆变电源箱211供电。

图3为图2所示的轨道车辆的示意图。

实施中，如图3所示，所述轨道车辆包括动力单元，每个所述动力单元包括四节车，顺次为第一节车，第二节车，第三节车和第四节车；

所述充电机，所述启动电源，所述超导磁体储能装置，所述储能变换器，所述磁体检测装置，所述冷却装置和所述温度控制系统设置于所述第四节车。

实施中，如图3所示，所述第一节车和所述第三节车均设置有所述牵引变流器112和所述牵引电机111；

所述第一节车和所述第三节车均设置有所述辅助变流器210。

实施中，如图3所示，轨道车辆还包括：

受电弓610，用于从外部的接触网为所述轨道车辆取电，所述受电弓610设置于所述第二节车；

变压器620，与所述受电弓连接，所述变压器620设置于所述第二节车，用于调整电压；

整流器630，连接在所述变压器和所述牵引变流器之间连接，所述整流器设置于所述一节车和所述第三节车为所述直流母线提供直流电。

在本申请及其实施例的描述中，需要理解的是，术语“顶”、“底”、“高度”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请及其实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请及其实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

上文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，上文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (13)

1.一种轨道车辆，其特征在于，包括：

直流母线；

辅助变流器，与所述直流母线连接；

充电机，与所述辅助变流器连接；

超导磁体储能装置，与所述充电机连接；

其中，在所述直流母线提供直流电时，所述辅助变流器将直流电转换成交流电为所述充电机供电，所述充电机将所述充电机提供的交流电转化成直流电对给所述超导磁体储能装置进行充电，所述超导磁体储能装置进行储能；在直流母线无直流电时，所述超导磁体储能装置为与所述充电机连接的直流负载供电。

2.根据权利要求1所述的轨道车辆，其特征在于，还包括：

启动电源，与所述充电机连接；

控制系统，所述控制系统与所述充电机连接；

其中，在直流母线无直流电时，所述启动电源用于通过所述充电机为所述控制系统供电以启动所述轨道车辆。

3.根据权利要求2所述的轨道车辆，其特征在于，还包括：

牵引电机；

牵引变流器，与所述直流母线连接；

储能变换器，分别与所述超导磁体储能装置和所述直流母线连接；

其中，所述牵引变流器用于将直流电转换成交流电为所述牵引电机供电，所述储能变换器用于在轨道列车制动时，将所述直流母线中富余的制动电能进行变换对所述超导磁体储能装置充电。

4.根据权利要求3所述的轨道车辆，其特征在于，所述储能变换器还用于在所述直流母线无直流电或供电不足时，将所述超导磁体储能装置的直流电进行变换为所述牵引变流器提供直流电。

5.根据权利要求4所述的轨道车辆，其特征在于，还包括：

磁体检测装置，用于检测所述超导磁体储能装置的实际温度；

冷却装置，用于为所述超导磁体储能装置降温；

温度控制系统，用于根据所述超导磁体储能装置的实际温度，控制所述冷却装置对所述超导磁体储能装置进行降温，以达到温度的控制目标。

6.根据权利要求5所述的轨道车辆，其特征在于，所述温度控制系统进行的温度控制是闭环反馈控制。

7.根据权利要求6所述的轨道车辆，其特征在于，所述温度控制系统包括：

外环控制器，用于提供启动温度和温度的控制目标；

内环控制器，用于根据所述启动温度，所述温度的控制目标和所述超导磁体储能装置的实际温度，控制所述冷却装置的开关。

8.根据权利要求5所述的轨道车辆，其特征在于，所述冷却装置的冷却方式是将所述超导磁体储能装置的超导磁体线圈浸泡在低温液体中进行冷却；

或者所述冷却装置的冷却方式是通入超临界低温液体的强制冷却方式。

9.根据权利要求8所述的轨道车辆，其特征在于，在所述直流母线提供直流电时，所述充电机为与所述充电机连接的直流负载供电。

10.根据权利要求9所述的轨道车辆，其特征在于，还包括：

车下逆变电源箱，与所述辅助变流器连接；

交流负载，与所述车下逆变电源箱连接；

其中，所述车下逆变电源箱用于调整所述辅助变流器提供的交流电电压，为所述交流负载供电。

11.根据权利要求9所述的轨道车辆，其特征在于，所述轨道车辆包括动力单元，每个所述动力单元包括四节车，顺次为第一节车，第二节车，第三节车和第四节车；

所述充电机，所述启动电源，所述超导磁体储能装置，所述储能变换器，所述磁体检测装置，所述冷却装置和所述温度控制系统设置于所述第四节车。

12.根据权利要求11所述的轨道车辆，其特征在于，所述第一节车和所述第三节车均设置有所述牵引变流器和所述牵引电机；

所述第一节车和所述第三节车均设置有所述辅助变流器。

13.根据权利要求12所述的轨道车辆，其特征在于，还包括：

受电弓，用于从外部的接触网为所述轨道车辆取电，所述受电弓设置于所述第二节车；

变压器，与所述受电弓连接，所述变压器设置于所述第二节车，用于调整电压；

整流器，连接在所述变压器和所述牵引变流器之间连接，所述整流器设置于所述一节车和所述第三节车为所述直流母线提供直流电。

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