CN114368297A - 氢燃料电池混合动机机车充电装置 - Google Patents

氢燃料电池混合动机机车充电装置 Download PDF

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CN114368297A CN202210112118.8A CN202210112118A CN114368297A CN 114368297 A CN114368297 A CN 114368297A CN 202210112118 A CN202210112118 A CN 202210112118A CN 114368297 A CN114368297 A CN 114368297A
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Abstract

本申请提供一种充电装置，用于氢燃料电池混合动力机车，包括充电单元，用于对氢燃料电池混合动力机车充电；动力单元，用于向充电单元提供动力；减速单元，设置在充电单元与动力单元之间；连接单元，用于依次连接充电单元、减速单元和动力单元；控制单元，用于控制充电单元和动力单元。采用上述结构，本申请的充电装置能够对氢燃料机车在无氢燃料并且动力蓄电池电能不足的情况下快速紧急充电，并能对各型机车进行充电。

Description

氢燃料电池混合动机机车充电装置
技术领域
本申请涉及充电装置，尤其是涉及一种动力机车的充电装置，更进一步涉及一种氢燃料电池混合动力机车充电装置。
背景技术
氢能作为绿色、高效、可持续的新能源，被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源。氢燃料电池作为氢能利用的主要载体，具有能量转换率高、环境污染小、噪音低等优点，在汽车、轨道交通、船舶、航空航天等交通领域具有广泛的应用前景。
氢燃料电池混合动力机车氢燃料电池的能量转换效率大幅高于传统的内燃机组，同时机车在制动时可以吸收回馈能量，通过制定合理的能量管理策略，完全能够实现最优的能量输出。
目前氢燃料电池混合动力机车的动力源采用氢氧反应后为动力蓄电池供电，动力蓄电池为氢燃料电池混合动力机车车上设备以及氢燃料电池混合动力机车电机供电。如果出现机车氢气储量不足、动力蓄电池缺电等情况，机车将停止运行。因此，需要一种氢燃料电池混合动力机车快速充电技术，进而需要一种可以节省氢燃料电池混合动力机车充电时间的快速充电装置。
发明内容
本申请的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种能够节省氢燃料电池混合动力机车充电时间的快速充电装置。
为实现上述目的，本申请采用如下技术方案：
根据本申请的一个方面，提供一种充电装置，用于氢燃料电池混合动力机车，充电装置包括充电单元、动力单元、减速单元、连接单元和控制单元。充电单元用于对所述氢燃料电池混合动力机车充电；动力单元用于向所述充电单元提供动力；减速单元设置在所述充电单元与所述动力单元之间；连接单元用于依次连接所述充电单元、所述减速单元和所述动力单元；控制单元用于控制所述充电单元和所述动力单元。
根据本申请的其中一个实施例，所述充电单元包括转动装置和升降平台，所述转动装置设置在所述升降平台上。
根据本申请的其中一个实施例，所述转动装置包括两个转动轮，所述两个转动轮尺寸相同，所述两个转动轮的转动方向相同并且转速相同。
根据本申请的其中一个实施例，所述两个转动轮均同时与所述氢燃料电池混合动力机车的车轮接触。
根据本申请的其中一个实施例，每个所述转动轮通过所述连接单元连接所述减速单元、所述动力单元和所述控制单元。
根据本申请的其中一个实施例，所述升降平台包括升降轨道和升降支承，所述升降轨道设置在所述升降支承的上方，所述升降支承推动所述升降轨道上下移动。
根据本申请的其中一个实施例，所述动力单元包括整流逆变器和电机，所述整流逆变器对所述电机进行调速。
根据本申请的其中一个实施例，所述控制单元包括动力控制单元和中央控制单元，所述动力控制单元控制所述动力单元，所述中央控制单元控制所述充电单元。
根据本申请的其中一个实施例，还包括能量消耗单元，所述能量消耗单元消耗所述动力单元的能量。
根据本申请的其中一个实施例，所述控制单元还能够控制所述能量消耗单元。
根据本申请的另一个方面，提供一种轨道，包括上述的充电装置。
由上述技术方案可知，本申请提出的充电装置的优点和积极效果在于：
本申请提出的用于氢燃料电池混合动力机车充电装置包括充电单元、动力单元、减速单元、连接单元和控制单元。充电单元接收动力单元提供的动力对所述氢燃料电池混合动力机车充电；连接单元依次连接所述充电单元、所述减速单元和所述动力单元；控制单元用于控制所述充电单元和所述动力单元。本申请提出的充电装置能够通过可变速动力装置解决氢燃料机车在无氢燃料并且动力蓄电池电能不足情况下的紧急快速充电问题，并且可以节省氢燃料机车的充电时间。
附图说明
通过结合附图考虑以下对本申请的优选实施例的详细说明，本申请的各种目标、特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本申请的示范性图解，并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。其中：
图1是本申请的充电装置现场使用示意图。
图2是本申请的充电装置的结构示意图(左向)。
图3是本申请的充电装置的结构示意图(右向)。
图4是本申请的充电装置的充电单元工作示意图。
图5是本申请的充电装置的充电单元仰视结构示意图。
图6是本申请的充电装置的充电单元俯视结构示意图。
图7是本申请的充电装置的充电单元的升降平台的结构示意图。
图8是本申请的充电装置对不同类型机车进行充电的充电曲线图。
附图标记说明如下：
100.充电装置；
101.氢燃料电池混合动力机车；
102.机车车轮；
103.标准钢轨；
201.充电单元；
2011.转动装置；
20111.第一转动轮；
20112.第二转动轮；
2012.升降平台；
20121.升降轨道；
20122.升降支承；
202.动力单元；
2021.整流逆变器；
2021.电机；
203.减速单元；
204.连接单元；
2041.第一万向节；
2042.第二万向节；
205.控制单元；
2051.动力控制单元；
2052.中控控制单元；
206.能量消耗单元；
701.升降支承支座；
702.升降支承升降缸。
具体实施方式
体现本申请特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本申请能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本申请的范围，且其中的说明及附图在本质上是作说明之用，而非用以限制本申请。
在对本申请的不同示例性实施例的下面描述中，参照附图进行，所述附图形成本发明的一部分，并且其中以示例方式显示了可实现本申请的多个方面的不同示例性结构、系统和步骤。应理解的是，可以使用部件、结构、示例性装置、系统和步骤的其他特定方案，并且可在不偏离本申请范围的情况下进行结构和功能性修改。而且，虽然本说明书中可使用术语“上”、“下”、“之间”等来描述本申请的不同示例性特征和元件，但是这些术语用于本文中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。本说明书中的任何内容都不应理解为需要结构的特定三维方向才落入本申请的范围内。在介绍这里所描述和/或图示的要素/组成部分/等时，用语“第一”、“第二”和“第三”等用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等。术语“包含”、“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。
参阅图1，其代表性地示出了本申请的充电装置100的现场使用情况，具体示出了氢燃料电池混合动力机车101，设置有两个位置，分别是位置Ⅰ非充电位置和位置Ⅱ充电位置。当机车处于非充电位置时，机车车轮102接触标准钢轨103；当机车处于充电位置时，机车车轮102接触充电装置100，以实现充电装置为氢燃料电池混合动力机车101充电。
图2和图3示出了本申请的充电装置100的结构，充电装置100包括充电单元201、动力单元202、减速单元203、连接单元204和控制单元205。充电单元201用于对氢燃料电池混合动力机车101充电；动力单元202用于向充电单元201提供动力；减速单元203设置在充电单元201与动力单元202之间；连接单元204用于依次连接充电单元201、减速单元203和动力单元202；控制单元205用于控制充电单元201和动力单元202。需要说明的是，减速单元203可以是减速机，进一步选择齿轮箱，只要是有动力转换功能的单元即可，在此不做限制。
在上述示例性实施例中，本申请提出的充电装置是以应用于氢燃料电池混合动力机车为例进行说明的。本领域技术人员容易理解的是，为将本申请的相关设计应用于其他类型的机车，而对下述的具体实施例做出多种改型、添加、替代、删除或其他变化，这些变化仍在本申请提出的充电装置的原理的范围内。
在本实施例中，充电单元201包括转动装置2011和升降平台2012。转动装置2011设置在升降平台2012上，升降平台2012可以调整转动装置的高度。转动装置2011包括第一转动轮20111和第二转动轮20112，第一转动轮20111和第二转动轮20112尺寸相同，第一转动轮20111和第二转动轮20112的转动方向相同。升降平台调整转动装置的高度使得第一转动轮和第二转动轮同时与氢燃料电池混合动机机车的车轮接触，从而能够实现采用机械传动机构对机车进行充电。
在本实施例中，每个转动轮通过连接单元连接减速单元、动力单元和控制单元。图2和图3中仅示出了第一转动轮20111连接的减速单元、动力单元和控制单元。需要说明的是，第二转动轮20112也连接有减速单元、动力单元和控制单元。上述第一转动轮连接的设备和上述第二转动轮连接的设备完全相同，分别用于驱动相对应的转动轮转动来实现对机车的充电。
在本实施例中，升降平台2012包括升降轨道20121和升降支承20122，升降轨道20121设置在升降支承20122的上方，升降支承20122推动升降轨道20121上下移动。需要说明的是，升降支承可以是液压的，也可以是气压的，还可以是升降丝杠等其他一些具有升降功能的装置，例如丝杠螺母等。升降轨道可以是钢轨，也可以是其他一些本领域常规的轨道。在此不做限制。
在本实施例中，动力单元202包括整流逆变器2021和电机2022，整流逆变器2021将从接触网获得的电能通过整流、斩波和逆变技术对电机2022进行调速。整流逆变器2021与电机2022通过高压电缆连接，高压电缆为电机提供电能，保证电机的正常运行。电机2022可以是无刷电机，有可以是有刷电机，更进一步可以选择三相无刷电机，任何能够提供动力和扭矩的动力源即可。
在本实施例中，连接单元204包括第一万向节2041和第二万向节2042。第二万向节2042连接电机2022的输出端和减速单元203的输入端，当电机2022的输出端转动时，第二万向节2042与电机2022的输出端同轴转动。第二万向节2042的功能是传递电机2022输出的动力和扭矩，补偿减速单元203的对中偏差和动态位移，降低减速单元203和第二万向节2042的振动和噪音。减速单元203的输出端与第一万向节2041连接，动力和扭矩通过减速单元203传递到第一万向节2041，进而传递给转动装置2011，使得第一转动轮和第二转动轮转动。
在本实施例中，控制单元205包括动力控制单元2051和中央控制单元2052，动力控制单元2051控制动力单元204，中央控制单元2052控制充电单元201。
在本实施例中，充电装置还包括能量消耗单元206，能量消耗单元206消耗动力单元202的能量，能量消耗单元206受到中央控制单元2052的控制，当氢燃料电池混合动力机车的动力蓄电池充满电之后，通过动力控制单元2051控制电机2022停止向充电单元201提供能量，中央控制单元2052控制能量消耗单元206运行，从而消耗电机2022的能量。
图4示出了本申请的转动装置2011与机车车轮102之间的转动关系，为了更加清楚地表示，图中所示的转动装置2011的第一转动轮20111和第二转动轮20112均未与机车车轮102接触。但是实际中，转动装置2011的第一转动轮20111和第二转动轮20112均与机车车轮102接触。如图所示，第一转动轮20111逆时针方向转动，而此时第二转动轮20112也逆时针转动，并且第一转动轮20111和第二转动轮20112的转速相同，从而共同带动机车车轮102顺时针方向转动。
图5和图6示出了本申请的充电单元201的仰视结构和俯视结构，其中转动装置2011的第一转动轮20111和第二转动轮20112分别是由一根轮轴两端穿设有圆盘状的轮构成的。转动轮由钢材制成，也可以由其他高强度的材质制成。升降平台2012的升降轨道20121承大致长方形结构，并且中间设置有加强筋，也可以是多个小长方形拼接而成。在长方形长边的两边和中间适当位置设置有升降支承20122，升降支承的数量可以是四个、六个或者八个等等。升降轨道由钢材制成，也可以由其他高强度的材质制成。转动装置2011与升降支承20122固定，升降支承20122带动升降轨道20121升降以实现放置在升降轨道20121上的机车车轮102的上下升降，从而使机车车轮102与转动轮2011接触，对氢燃料电池混合动力机车进行充电。
图7示出了本申请的升降平台，在本实施例中，升降轨道20121由多个长方形结构拼接而成，拼接后形成一个大长方形，在大长方形的长边的下方设置有升降支承20122，在本实施例中，设置有六个升降支承20122，升降支承20122是液压升降支承，包括升降支承支座701和升降缸702。在其他一些实施例中，也可以是气压升降支承。
在本实施中，升降支承支座701的截面形状是矩形，相对应的升降缸的形状也是矩形。在其他一些实施例中，升降支承支座701的截面形状是圆形，相对应的升降缸的形状也是圆形。还可以是其他一些本领域常规的形状。
图8示出了本申请的充电装置对不同类型机车进行充电的充电曲线图。当A类型机车从位置Ⅰ的非充电位置进入到位置Ⅱ的充电位置上进行充电时，针对A类型机车特性曲线中不同速度类型对应轮轴角速度(图中下方的曲线)，中央控制单元2052调节转动装置2011的转动轮(20111和20112)的转动角速度达到A类型机车特性曲线的要求，从而完成对A类型机车的充电。
当需要充电的是B类型机车时，针对B类型机车特性曲线中不同速度类型对应轮轴角速度(图中上方的曲线)，中央控制单元2052调节转动装置2011的转动轮(20111和20112)的转动角速度达到B类型机车特性曲线的要求，从而完成对B类型机车的充电。
在此应注意，附图中示出而且在本说明书中描述的充电装置仅仅是能够采用本申请原理的许多种充电装置中的几个示例。应当清楚地理解，本申请的原理绝非仅限于附图中示出或本说明书中描述的充电装置的任何细节或充电装置的任何部件。
上述是对本申请提出的氢燃料电池混合动力机车充电装置的几个示例性实施例的详细说明，以下将对本申请提出的氢燃料电池混合动力机车充电装置的使用过程进行示例性说明。
结合附图1至图8，本申请提出的氢燃料电池混合动力机车充电装置的使用过程是：当需要对氢燃料电池混合动力机车充电时，可以将机车移动到位置Ⅱ的充电位置上，当机车车轮的中心在充电装置的两个转动轮中心线的之间位置时，需要将机车降下，升降缸通过液压油作业可以整体下降，带动升降轨道下降，进而带动机车车轮下降，保证机车车轮稳定与充电装置的转动轮接触，保证氢燃料电池混合动力机车动力蓄电池能持续充电，之后动力控制单元控制电机投入运行，电机输出动力和扭矩带动转动轮转动。需要说明的是，一个电机，也就是一套驱动仅带动一个转动轮转动，图中仅示出了一套驱动，图中示出的驱动是驱动第一转动轮。实际中还存在一套驱动来驱动第二转动轮。保持第一转动轮和第二转动轮转动方向相同，转动角速度相同，由于机车车轮和两个转动轮之间存在静摩擦力，当第一转动轮和第二转动轮转动时，可以通过静摩擦力带动机车车轮转动，从而对氢燃料电池混合动力机车充电。
需要说明的是，当第一转动轮和第二转动轮逆时针转动时，机车车轮顺时针方向转动；当第一转动轮和第二转动轮顺时针转动时，机车车轮逆时针方向转动；此时机车车轮随着转动轮转动速度平稳。
当氢燃料电池混合动力机车处于再生制动状态时，此时氢燃料电池混合动力机车电机处于发电状态，此时机车车轮转动，带动氢燃料电池混合动力机车电动机运动，产生电能传输给氢燃料电池混合动力机车动力蓄电池，此时为氢燃料电池混合动力机车动力蓄电池充电。
当氢燃料电池混合动力机车动力蓄电池充满电后，通过动力控制单元控制电机，并同时通过中央控制单元将能量消耗单元投入使用，将电机的电能消耗掉，从而完成整个充电过程。
氢燃料电池混合动力机车充电完成后，需要将机车从位置Ⅱ的充电位置移走，这时需要将机车上升，升降缸通过液压油作业可以整体上升，带动升降轨道上升，进而带动机车车轮上升，从而实现机车车轮与充电装置的转动轮分离。
本申请的充电装置可以为所有在标准轨距(1435mm)上运行的机车进行蓄电池充电。
通过上述本申请的氢燃料电池混合动力机车充电装置的使用过程，可以得出本申请的充电装置，采用可变速动力装置能够按照不同类型机车的特定曲线的要求对机车进行快速充电，适应能力强并且充电效果好，有效避免氢燃料电池混合动力机车因氢气储存不足、蓄电池缺电等情况下导致的机车停运。
综上所述，本申请提出的氢燃料电池混合动力机车充电装置包括充电单元、动力单元、减速单元、连接单元和控制单元。动力单元通过减速单元和连接单元驱动充电单元中的转动装置转动，从而带动与转动装置中的转动轮接触的机车车轮转动，带动氢燃料电池混合动力机车电动机运动，产生电能传输给氢燃料电池混合动力机车动力蓄电池。本申请的氢燃料电池混合动力机车充电装置能够实现快速充电，并且结构简单，可与现有的标准轨道相匹配，并且可以对不同类型机车充电，适应能力强并且应用广泛，节省充电时间并提高效率。
以上详细地描述和/或图示了本申请提出的氢燃料电池混合动力机车充电装置的示例性实施例。但本申请的实施例不限于这里所描述的特定实施例，相反，每个实施例的组成部分和/或步骤可与这里所描述的其它组成部分和/或步骤独立和分开使用。一个实施例的每个组成部分和/或每个步骤也可与其它实施例的其它组成部分和/或步骤结合使用。在介绍这里所描述和/或图示的要素/组成部分/等时，用语“一个”、“一”和“上述”等用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等。
本申请的实施例不限于这里所描述的特定实施例，相反，每个实施例的组成部分可与这里所描述的其它组成部分独立和分开使用。一个实施例的每个组成部分也可与其它实施例的其它组成部分结合使用。在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“其他实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于申请实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
虽然已根据不同的特定实施例对本申请提出的氢燃料电池混合动力机车充电装置进行了描述，但本领域技术人员将会认识到可在权利要求的精神和范围内对本申请的实施进行改动。

Claims (11)

1.一种充电装置，用于氢燃料电池混合动力机车，其特征在于：包括：
充电单元，用于对所述氢燃料电池混合动力机车充电；
动力单元，用于向所述充电单元提供动力；
减速单元，设置在所述充电单元与所述动力单元之间；
连接单元，用于依次连接所述充电单元、所述减速单元和所述动力单元；
控制单元，用于控制所述充电单元和所述动力单元。
2.如权利要求1所述的充电装置，其特征在于：所述充电单元包括转动装置和升降平台，所述转动装置设置在所述升降平台上。
3.如权利要求2所述的充电装置，其特征在于：所述转动装置包括两个转动轮，所述两个转动轮尺寸相同，所述两个转动轮的转动方向相同并且转速相同。
4.如权利要求3所述的充电装置，其特征在于：所述两个转动轮均同时与所述氢燃料电池混合动力机车的车轮接触。
5.如权利要求3所述的充电装置，其特征在于：每个所述转动轮通过所述连接单元连接所述减速单元、所述动力单元和所述控制单元。
6.如权利要求2所述的充电装置，其特征在于：所述升降平台包括升降轨道和升降支承，所述升降轨道设置在所述升降支承的上方，所述升降支承推动所述升降轨道上下移动。
7.如权利要求1所述的充电装置，其特征在于：所述动力单元包括整流逆变器和电机，所述整流逆变器对所述电机进行调速。
8.如权利要求1所述的充电装置，其特征在于：所述控制单元包括动力控制单元和中央控制单元，所述动力控制单元控制所述动力单元，所述中央控制单元控制所述充电单元。
9.如权利要求1所述的充电装置，其特征在于：还包括能量消耗单元，所述能量消耗单元消耗所述动力单元的能量。
10.如权利要求9所述的充电装置，其特征在于：所述控制单元还能够控制所述能量消耗单元。
11.一种轨道，其特征在于：包括如权利要求1-10任一项所述的充电装置。
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