CN114987228A - 一种混合动力传动方法、系统及轨道车辆 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种混合动力传动方法、系统及轨道车辆，所述方法包括：通过直流发电机和/或动力电池单元输出供电电源；对供电电源输入至变流器单元进行逆变处理，并将逆变处理后的供电电源分别输入至电机控制器、电机泵站和辅助用电设备；所述电机控制器通过所述牵引电机对车轴齿轮箱中的齿轮转动进行控制。本申请可根据轨道车辆运行环境，选择直流发电机或动力电池单元为轨道车辆的正常运行提供动力，以实现轨道车辆的高速或低速行走，冗余性高、互为连锁保障。具有环境污染小、能源消耗低等优点。牵引电机能够充分利用钢轨黏着力发挥最大的牵引能力。同时，还可以为辅助用电设备提供用电需求，保证后端设备的可拓展性。

Description

一种混合动力传动方法、系统及轨道车辆

技术领域

本申请涉及轨道交通领域，尤其涉及一种混合动力传动方法、系统及轨道车辆。

背景技术

传统的轨道工程车辆领域，基于应用场景和技术储备条件，常规的动力传动系统一直采用内燃液力机械传动模式。该模式随着轨道交通的应用和技术的发展暴露出诸多问题。例如环境污染较大、能源消耗较高、泄露风险较高，容易引发安全隐患、维护使用不够简便、高原或长大坡道应用受困于功率发挥受限、黏着力和制动能力不足等问题。

发明内容

为了解决上述技术缺陷之一，本申请实施例中提供了一种混合动力传动方法、系统及轨道车辆。

根据本申请实施例的第一个方面，提供了一种混合动力传动方法，所述方法包括：

通过直流发电机和/或动力电池单元输出供电电源；

对供电电源输入至变流器单元进行逆变处理，并将逆变处理后的供电电源分别输入至电机控制器、电机泵站和辅助用电设备；

所述电机控制器通过所述牵引电机对车轴齿轮箱中的齿轮转动进行控制。

根据本申请实施例的第二个方面，提供了一种混合动力传动系统，所述系统包括直流发电机、动力电池单元、变流器单元、电机控制器、电机泵站和牵引电机；

所述直流发电机的供电输出端和/或所述动力电池单元的供电输出端与所述变流器单元的供电输入端连接，所述变流器单元的供电输出端与电机控制器的供电输入端和辅助用电设备的供电输入端连接，所述电机控制器的控制输出端与所述牵引电机的控制输入端连接，所述牵引电机控制车轴齿轮箱中的齿轮转动；变流器单元的供电输出端还与电机泵站连接。

根据本申请实施例的第三个方面，提供了一种轨道车辆，所述轨道车辆包括本申请实施例第二个方面所述的混合动力传动系统。

采用本申请实施例中提供的混合动力传动方法及系统，可根据轨道车辆运行环境，选择直流发电机或动力电池单元为轨道车辆的正常运行提供动力，以实现轨道车辆的高速或低速行走，冗余性高、互为连锁保障。具有环境污染小、能源消耗低等优点。牵引电机能够充分利用钢轨黏着力发挥最大的牵引能力。同时，还可以为辅助用电设备提供用电需求，保证后端设备的可拓展性。

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为本申请实施例1提供的一种混合动力传动方法的流程图；

图2为本申请实施例2提供的一种混合动力传动系统的原理示意图；

图3为本申请实施例3提供的一种混合动力传动系统的原理示意图。

附图标记：

1、直流发电机，2、动力电池单元，3、变流器单元，4、牵引电机，5、车轴齿轮箱。

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1

如图1所示，本实施例提供了一种混合动力传动方法，该方法包括：

S101、通过直流发电机和/或动力电池单元输出供电电源；

S102、对供电电源输入至变流器单元进行逆变处理，并将逆变处理后的供电电源分别输入至电机控制器和辅助用电设备；

S103、所述电机控制器通过所述牵引电机对车轴齿轮箱中的齿轮转动进行控制。

具体的，本实施例中，直流发电机和动力电池单元输出的供电电源均为直流电，排放污染小、绿色环保，同时保证整个系统电源制式统一，转换过程简洁。在隧道内、地铁站或人群密集工作场景中可采用动力电池单元进行供电及实现牵引，保证零排放、低噪音的要求。在空旷区域或故障应急救援时可选用直流发电机供电。通过直流发电机和动力电池单元两种供电方式提供整体系统冗余性，互为连锁保障。在辅助用电设备存在用电需求时，能够提供常用的380VAC交流电，实现电源动力输出。牵引电机能够充分利用钢轨黏着系数和黏着力，发挥最大的牵引能力。

动力电池单元可以为超级电容、锂电池或铅酸蓄电池等，动力电池单元输出直流电。直流发电机输出直流电，直流电均提供给中间直流环节，中间直流环节具体为直流母线。

进一步的，本实施例中，变流器单元包括牵引变流器和辅助逆变器，用以提供两路动力传递路线。其中一路动力传递路线由直流发电机和/或动力电池单元将输出的供电电源输入至牵引变流器，然后经过逆变处理后输入至电机控制器。电机控制器通过牵引电机控制车轴齿轮箱中齿轮转动，进而实现轨道车辆的高速或低速运行。另一路动力传递路线由直流发电机和/或动力电池单元将输出的供电电源输入至辅助逆变器，然后经过逆变处理后输入至辅助用电设备，用以为后端用电设备提供用电保障，实现一车多用的目的。其中辅助用电设备可包括照明、空调等生活用电设备，也可包括清洗、焊机、打磨、铣轨等作业用电设备。

通过高效直流发电机根据不同负载条件下功率需求进行调节，以保证在最佳转速下提供对应的功率。从而实现最优的燃油性能、噪音及牵引性能。柴油发动机经过直流发电机将动能直接转换为DC直流电能，从而在系统上实现优化。控制系统将直流电在母线上进行分配实现充电、牵引、辅助作业等功能。

直流发电机可高效运行在较宽转速范围，在保证功率输出前提下达到最优油耗及噪音要求。

中间直流环节相较于常规变流器其优势在于，取消了交流转直流的过程，从而实现了系统效率的提升。其次中间直流可根据整车的母线电压进行匹配合适的直流发电机及动力电池。直流发电机、高压母线、动力电池、牵引系统、辅助作业系统。整个过程实现过程最优，效率最高，性能提升明显等特点。

更进一步的，本实施例中，还可以通过设置动力电池单元的安全电量实现直流发电机和动力电池单元之间的自动切换，以实现牵引及对外提供电源。具体的，获取动力电池单元的剩余电量，当剩余电量等于或低于预先设置的动力电池的安全电量时，切断动力电池单元，连通所述直流发电机；当剩余电量高于预先设置的动力电池的安全电量时，连通动力电池单元，切断直流发电机。直流发电机能高效为动力电池进行充电，减少了其他多余转换过程。

动力电池单元的电池管理系统与轨道车辆的车载控制系统进行数据交互，车载控制系统可定期从电池管理系统获取动力电池单元的剩余电量，主动电池管理系统可定期主动向车载控制系统发送剩余电量。

车载控制系统对动力电池单元的剩余电量进行判断，当剩余电量小于安全电量时，表明动力电池单元剩余电量不足，需要充电，则车载控制系统通过切换单元切换为通过直流发电机向动力电池单元充电，且切换单元切换至通过直流发电机向变流器单元供电。

当动力电池单元剩余电量大于安全电量时，切换单元切换至由动力电池单元对变流器单元供电。

另外，当轨道车辆在长大坡道及长距离牵引工况的情况下，可通过牵引电机能量回收，通过制动电阻来实现辅助制动。具体可在轨道车辆行驶过程中，将制动过程中产生的一部分惯性动能转换为电能并进行存储，实现能量回收。在制动过程中释放该电能实现辅助制动，以解决轨道车辆的长大坡道制动难问题。同时解决作业车辆的定速巡航控制要求，通过牵引电机牵引制动PID实时控制，实现定速巡航、超低速控制要求。

实施例2

如图2所示，本实施例提出了一种混合动力传动系统，该系统包括直流发电机1、动力电池单元2、变流器单元3、电机控制器和牵引电机4；

所述直流发电机1的供电输出端和/或所述动力电池单元2的供电输出端与所述变流器单元3的供电输入端连接，所述变流器单元3的供电输出端与电机控制器的供电输入端和辅助用电设备的供电输入端连接，所述电机控制器的控制输出端与所述牵引电机4的控制输入端连接，所述牵引电机4控制车轴齿轮箱5中的齿轮转动。

具体的，本实施例中，直流发电机1和动力电池单元2输出的供电电源均为直流电，排放污染小、绿色环保，同时保证整个系统电源制式统一，转换过程简洁。在隧道内、地铁站或人群密集工作场景中可采用动力电池单元2进行供电及实现牵引，保证零排放、低噪音的要求。在空旷区域或故障应急救援时可选用直流发电机1供电。通过直流发电机1和动力电池单元2两种供电方式提供整体系统冗余性，互为连锁保障。直流发电机1可采用柴油直流发电机1，并将其置于静音箱中，以提高其隔音降噪性能。在辅助用电设备存在用电需求时，能够提供常用的380VAC交流电，实现电源动力输出。牵引电机4能够充分利用钢轨黏着系数和黏着力，发挥最大的牵引能力。

进一步的，本实施例中，变流器单元3包括牵引变流器和辅助逆变器，用以提供两路动力传递路线。其中一路动力传递路线由直流发电机1和/或动力电池单元2将输出的供电电源输入至牵引变流器，然后经过逆变处理后输入至电机控制器。电机控制器通过牵引电机4控制车轴齿轮箱5中齿轮转动，进而实现轨道车辆的高速或低速运行。另一路动力传递路线由直流发电机1和/或动力电池单元2将输出的供电电源输入至辅助逆变器，然后经过逆变处理后输入至辅助用电设备，用以为后端用电设备提供用电保障，实现一车多用的目的。其中辅助用电设备可包括照明、空调等生活用电设备，也可包括清洗、焊机、打磨、铣轨等作业用电设备。

更进一步的，本实施例中，还可以通过设置动力电池单元2的安全电量实现直流发电机1和动力电池单元2之间的自动切换，以实现牵引及对外提供电源。具体的，获取动力电池单元2的剩余电量，当剩余电量等于或低于预先设置的动力电池的安全电量时，切断动力电池单元2，连通所述直流发电机1；当剩余电量高于预先设置的动力电池的安全电量时，连通动力电池单元2，切断直流发电机1。

混合动力传动系统还包括切换单元，动力电池单元的电量输出端与切换单元的电量输入端连接，切换单元的切换输出端分别与直流发电机的切换输入端和动力电池单元的切换输入端连接。切换单元根据动力电池单元的安全电量切换至直流发电机工作，或切换至动力电池单元工作。切换单元可以为处理器及相关电路构成，也可以为控制模块，其输入端与动力电池单元的电池管理系统电连接，用于获取动力电池单元的剩余电量，并能够对剩余电量进行判断分析。切换单元的输出信号可控制动力电池单元输出直流电或控制直流电机输出直流电。

另外，当轨道车辆在长大坡道及长距离牵引工况的情况下，可通过牵引电机4能量回收，通过制动电阻来实现辅助制动。具体可在轨道车辆行驶过程中，将一部分惯性动能转换为电能并进行存储。在制动过程中释放该电能实现辅助制动，以解决轨道车辆的长大坡道制动难问题。

采用实施例中提供的混合动力传动系统，可根据轨道车辆运行环境，选择直流发电机1或动力电池单元2为轨道车辆的正常运行提供动力，以实现轨道车辆的高速或低速行走，冗余性高、互为连锁保障。具有环境污染小、能源消耗低等优点。牵引电机4能够充分利用钢轨黏着力发挥最大的牵引能力。同时，还可以为辅助用电设备提供用电需求，保证后端设备的可拓展性。

实施例3

如图3所示，本实施例提出了一种混合动力传动系统，该系统包括直流发电机1、动力电池单元2、变流器单元、电机控制器和牵引电机、作业电机、电机泵站6；

直流发电机1的供电输出端和/或动力电池单元2（可替换为接触网或第三轨）的供电输出端与变流器单元的供电输入端连接，变流器单元的供电输出端与电机控制器的供电输入端和辅助用电设备的供电输入端连接。

具体的，本实施例中，直流发电机1和动力电池单元2输出的供电电源均为DC直流电，排放污染小、绿色环保，能量传递效率高同时保证整个系统电源制式统一，转换过程简洁。在隧道内、地铁站或人群密集工作场景中可采用动力电池单元2（可替换为接触网或第三轨）进行供电及实现牵引，保证零排放、低噪音的要求。

进一步的，本实施例中，通过控制系统PID闭环控制以实现作业车辆的定速巡航、超低速控制（0.5km/h）。其次通过作业电机、电动泵站可实现作业系统的多功能提升，同时解决机械传动带来的负载冲击波动影响大等难题。

变流器单元包括：中间直流单元、三组牵引逆变模块和辅助逆变模块。其中，三组牵引逆变模块，分别将直流电转换为交流电，输出给三组动力转向架中的牵引电机工作。三组动力转向架包括：两组动力走行转向架和一组卫星小车转向架。其中，两组动力走行转向架用于工程车辆正常走行。卫星小车转向架设置于作业机构下方，可独立于走行转向架行走，便于作业机构相对于工程车辆的车架运动实现工程作业。例如：在动力走行转向架正常行走的过程中，卫星小车转向架可相对于地面静止便于作业机构进行工程作业。或者卫星小车转向架的行驶速度可与动力走行转向架不同。

辅助逆变模块一方面输出给照明、空调等生活用电设备（辅助用电设备）；另一方面输出给电机泵站6，电机泵站6用于向工程车辆的作业机构提供作业动力。

另外，变流器单元还包括：DC/DC电源模块，用于供给直流控制柜，以控制DC24V蓄电池和充电机工作。

通过牵引电机回收的能量，通过充电整流模块处理后提供给动力电池单元回收利用。

本实施例提出一种轨道车辆，所述轨道车辆包括上述实施例所述的混合动力传动系统，本实施例不再进行赘述。该轨道车辆具体为一种铁路工程作业车。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“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，也可以是电连接或可以互相通讯；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。

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 (10)

1.一种混合动力传动方法，其特征在于，所述方法包括：

通过直流发电机和/或动力电池单元输出供电电源；

对供电电源输入至变流器单元进行逆变处理，并将逆变处理后的供电电源分别输入至电机控制器、电机泵站和辅助用电设备；

所述电机控制器通过所述牵引电机对车轴齿轮箱中的齿轮转动进行控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述变流器单元包括牵引变流器和辅助逆变器，

所述将供电电源输入至变流器单元进行逆变处理，并将逆变处理后的供电电源分别输入至电机控制器和辅助用电设备的过程包括：

将直流发电机和/或动力电池单元输出的供电电源分别输入至牵引变流器和辅助逆变器进行逆变处理；

通过牵引变流器逆变处理的供电电源输入至电机控制器；

通过辅助逆变器逆变处理的供电电源输入至辅助用电设备和电机泵站。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

获取动力电池单元的剩余电量；

当所述剩余电量等于或低于预先设置的动力电池的安全电量时，切断所述动力电池单元，连通所述直流发电机；

当所述剩余电量高于预先设置的动力电池的安全电量时，连通所述动力电池单元，切断所述直流发电机。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在轨道车辆行驶过程中，将牵引电机的制动回收动能转换为电能；

通过转换的电能进行辅助制动或向动力电池单元充电。

5.一种混合动力传动系统，其特征在于，所述系统包括直流发电机、动力电池单元、变流器单元、电机控制器、电机泵站和牵引电机；

所述直流发电机的供电输出端和/或所述动力电池单元的供电输出端与所述变流器单元的供电输入端连接，所述变流器单元的供电输出端与电机控制器的供电输入端和辅助用电设备的供电输入端连接，所述电机控制器的控制输出端与所述牵引电机的控制输入端连接，所述牵引电机控制车轴齿轮箱中的齿轮转动；变流器单元的供电输出端还与电机泵站连接。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述变流器单元包括牵引变流器和辅助逆变器，所述直流发电机的供电输出端和/或所述动力电池单元的供电输出端均与所述牵引变流器的供电输入端和辅助逆变器的供电输入端连接，所述牵引变流器的供电输出端与电机控制器的供电输入端连接，所述辅助逆变器的供电输出端与辅助用电设备和电机泵站的供电输入端连接。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统还包括切换单元，所述动力电池单元的电量输出端与所述切换单元的电量输入端连接，所述切换单元的切换输出端分别与所述直流发电机的切换输入端和动力电池单元的切换输入端连接。

8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述直流发电机置于静音箱中。

9.一种轨道车辆，其特征在于，所述轨道车辆包括权利要求5至8任一项所述的混合动力传动系统。

10.根据权利要求9所述的轨道车辆，其特征在于，所述轨道车辆为铁路工程作业车辆；所述铁路工程作业车辆包括车架及作业机构，作业机构可相对于车架沿车长方向相对运动；车架下方设有走行转向架，作业机构下方设有卫星小车转向架，卫星小车转向架与走行转向架相互独立行走。

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