CN117565740A - 一种换电式新能源货运牵引机车实现方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种换电式新能源货运牵引机车实现方法，其核心的高压电路拓扑可以实现动力车车载储能装置和电池车储能装置两种不同电压等级的储能装置双源供电，动力车车载储能装置和电池车储能装置的输出接触器可同时闭合，共同为动力车高压母线供电(因电池车储能装置电压高，实际动力车储能装置处于热备状态)，这种高压拓扑以及配套的电池车车载储能装置换电方式属于本案想要保护的关键创新点。

Description

一种换电式新能源货运牵引机车实现方法及系统

技术领域

本发明涉及牵引换电的技术领域，具体而言，尤其涉及一种换电式新能源货运牵引机车实现方法及系统。

背景技术

应用在货运场段内、港口等非电气化铁路的货运调车机车，主要采用传统的柴油机发电，为机车的牵引传动及辅助电源系统提供能量；近些年，出于经济性、环保性等因素考虑，越来越多的货运调车机车采用了超级电容或动力电池作为车载储能装置为机车的牵引传动及辅助电源系统提供能量。

现有技术条件下，当车载储能装置的能量耗光，需要将机车行驶至固定的充电位置，采用“枪充”(地面充电枪+车载插座)或“弓充”(地面充电轨+车载受电弓)的方式，对车载储能装置进行充电。

相较于柴油机，采用超级电容或动力电池作为机车牵引的能量来源确实具有较高的经济性和环保性，可为用户单位节约相当可观的“用车成本”，并且在车辆运行中无污染气体排放，机车操作人员的作业环境更好。

但是超级电容或动力电池受其长寿命使用功率密度限制，无法像柴油几分钟内注满油箱一样，将电能在较短时间内充满，对于新能源货运机车，其作业效率很大程度受其车载储能装置充电时长所掣肘。对于运用在“小运转”运行交路的新能源货运机车，这个问题尤为凸显，这种运用场景的机车，运载量大，运行交路长，需要车辆配置很大容量的车载储能装置，这样充电时间更长，作业效率低。

发明内容

根据上述背景技术中提到的技术问题，而提供一种换电式新能源货运牵引机车实现方法及系统。

本发明采用的技术手段如下：

一种换电式新能源货运牵引机车实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：转辙机的通行方向为调车线1端至调车线2端，动力车与电池车1的初始位置为调车线1端，动力车控制系统输出相关信号将电池车1车载储能装置输出接触器K3+、K3-断开，随后两车摘钩解编，并断开高压及低压连接器，动力车控制系统输出相关信号将动力车车载储能装置输出接触器K1+、K1-闭合，动力车由动力车车载储能装置供电，动力车单独跨越转辙机运行至调车线2端；

步骤二：转辙机动作，转辙机的通行方向改为调车线2端至充电线，动力车单独跨越转辙机运行至充电线；

步骤三：动力车与电池车2联挂，连接高压及低压连接器，动力车控制系统输出相关信号将电池车2车载储能装置输出接触器K3+、K3-闭合，由于电池车2车载储能装置电压高于动力车车载储能装置电压，遂动力车的牵引逆变装置VVVF以及辅助电源装置SIV转由电池车2车载储能装置供给，随后动力车控制系统输出相关信号将动力车车载储能装置输出接触器K1+、K1-断开，动力车与电池车2跨越转辙机运行至调车线2端；

步骤四：转辙机动作，转辙机的通行方向改为调车线1端至调车线2端，动力车与电池车2跨越转辙机运行至调车线1端，与电池车1联挂，但仅连接车钩，不连接高压及低压连接器；

步骤五：动力车与电池车2牵引电池车1跨越转辙机运行至调车线2端；

步骤六：转辙机动作，转辙机的通行方向改为调车线2端至充电线，动力车与电池车2牵引电池车1跨越转辙机运行至充电线；

步骤七：电池车2与电池车1摘钩解编，动力车与电池车2跨越转辙机运行至调车线2端；

步骤八：电池车1开始通过充电站进行充电，转辙机动作，将通行方向改为调车线1端至调车线2端，等待下一次充电作业，动力车与电池车2可与货列联挂开展相关货运任务。

本发明还包含一种换电式新能源货运牵引机车实现系统，其特征在于，包括：

动力车、电池车、设置在动力车的车载储能装置、设置在电池车的车载储能装置、动力车控制系统及充电站；所述电池车与动力车还设置有低压控制电路，动力车控制系统通过所述低压控制电路控制电池车车载储能装置输出接触器的通断；

当动力车单机运行时，动力车车载储能装置输出的电压通过高压母线为牵引逆变装置、辅助电源装置供电；当动力车与电池车联挂运行时，电池车车载储能装置输出的电压通过高压母线为牵引逆变装置、辅助电源装置供电，同时若动力车车载储能装置SOC低，动力车DC/DC装置从高压母线取电，为动力车车载储能装置充电。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明采用动力电池/超级电容为介质的车载储能装置供电的机车，通过本案提出的技术方案，可实现在调车线及充电线实现快速“换电”，相较于传统的采用“弓充”或“枪充”的充电方式，这种“换电”的模式可以大大的提升机车的作业效率；

(2)本发明可以实现动力车车载储能装置和电池车储能装置的双源供电，动力车车载储能装置和电池车储能装置的输出接触器可同时闭合，共同为动力车高压母线供电(因电池车储能装置电压高，实际动力车储能装置处于热备状态)，若运行中电池车和动力车的联挂失效(车钩意外断开或连接器断开)，电池车储能装置无法为动力车高压母线供电，高压母线的供电可无缝切换至动力车车载储能装置提供。

(3)本发明解决了当采用较大容量的车载储能装置，占用空间大，轴重压力大等问题(动力车本身就安装了司机室、制动系统、牵引传动系统、辅助电源系统，车辆空间、轴重压力本身就大)。由于采用一节车专门用于安装车载储能装置，可以采用功率密度较低或能量密度较低的低成本电池元件作为车载储能装置的基本储能元件，例如钠离子电池等。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明电池车及动力车高压电气原理图。

图2为本发明实施例示意图1。

图3为本发明实施例示意图2。

图4为本发明实施例示意图3。

图5为本发明实施例示意图4。

图6为本发明实施例示意图5。

图7为本发明实施例示意图6。

图8为本发明实施例示意图7。

图9为本发明实施例示意图8。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图2-9所示，本发明提供了一种换电式新能源货运牵引机车实现方法，包括以下步骤：

步骤一：转辙机的通行方向为调车线1端至调车线2端，动力车与电池车1的初始位置为调车线1端，动力车控制系统输出相关信号将电池车1车载储能装置输出接触器K3+、K3-断开，随后两车摘钩解编，并断开高压及低压连接器，动力车控制系统输出相关信号将动力车车载储能装置输出接触器K1+、K1-闭合，动力车由动力车车载储能装置供电，动力车单独跨越转辙机运行至调车线2端；

步骤二：转辙机动作，转辙机的通行方向改为调车线2端至充电线，动力车单独跨越转辙机运行至充电线；

步骤三：动力车与电池车2联挂，连接高压及低压连接器，动力车控制系统输出相关信号将电池车2车载储能装置输出接触器K3+、K3-闭合，由于电池车2车载储能装置电压高于动力车车载储能装置电压，遂动力车的牵引逆变装置VVVF以及辅助电源装置SIV转由电池车2车载储能装置供给，随后动力车控制系统输出相关信号将动力车车载储能装置输出接触器K1+、K1-断开，动力车与电池车2跨越转辙机运行至调车线2端；

步骤四：转辙机动作，转辙机的通行方向改为调车线1端至调车线2端，动力车与电池车2跨越转辙机运行至调车线1端，与电池车1联挂，但仅连接车钩，不连接高压及低压连接器；

步骤五：动力车与电池车2牵引电池车1跨越转辙机运行至调车线2端；

步骤六：转辙机动作，转辙机的通行方向改为调车线2端至充电线，动力车与电池车2牵引电池车1跨越转辙机运行至充电线；

步骤七：电池车2与电池车1摘钩解编，动力车与电池车2跨越转辙机运行至调车线2端；

步骤八：电池车1开始通过充电站进行充电，转辙机动作，将通行方向改为调车线1端至调车线2端，等待下一次充电作业，动力车与电池车2可与货列联挂开展相关货运任务。

优选地，在本申请中，如图1所示，所述货运牵引机车的高压电气拓扑的连接方式为：

电池车内配置大容量的多组车载储能装置，分别为B1、B2、……、Bn；多组车载储能装置的高压正极并联在一起，高压负极并联在一起；所有车载储能装置的高压正极均连接在接触器I的一侧，接触器I的另一侧通过CN2+快插式高压连接器与动力车的CN1+快插式高压连接器相连，实现电池车车载储能装置与动力车高压母线正极相通；所有车载储能装置的高压负极均连接在接触器II的一侧，接触器II的另一侧通过CN2-快插式高压连接器与动力车的CN1-快插式高压连接器相连，实现电池车车载储能装置与动力车高压母线负极相通；动力车配置小容量的车载储能装置BA；所述车载储能装置BA的正极串联有二极管D1；所述二极管D1的一端通过接触器K1+连接至高压母线正极，另一端通过接触器K2+连接至DC/DC装置的输出正极O1；所述车载储能装置BA的负极通过接触器K1-连接至高压母线负极，并通过接触器K2-连接至DC/DC装置的输出负极O2；DC/DC装置的高压正极输入接口P1与高压母线正极相连，高压正极输入接口N1与高压母线负极相连；牵引逆变装置的高压正极输入接口P2与高压母线正极相连，高压正极输入接口N2与高压母线负极相连；辅助电源装置的高压正极输入接口P3与高压母线正极相连，高压正极输入接口N3与高压母线负极相连。

优选地，在本申请中，所述车载储能装置BA的正极串联有二极管D1，所述二极管D1实现所述车载储能装置BA与高压母线之间的能量交互方向唯一。

作为一种优选的实施方式，所述电池车与动力车还设置有低压控制电路；所述低压控制电路用于传输动力车控制系统发送至电池车车载储能装置输出接触器K3+、K3-的通断信号，实现通断的控制。

作为一种优选地，本发明还包含一种换电式新能源货运牵引机车实现系统，包括：动力车、电池车、动力车车载储能装置、电池车车载储能装置、动力车控制系统、调车线路、充电线路、转辙机及充电站，以及用于实现本案的其他不属于本案权利要求保护范围内的其他必要的设备和器件，例如牵引逆变装置、辅助电源装置、车钩、高压及低压连接器等。

作为优选的实施方式，在本申请中，动力车可以是一个具有普通调车机车基本功能的机车，例如有装有牵引电机的转向架、车体、司机室、牵引逆变装置、辅助电源装置、基础制动装置、空压机、低压蓄电池、车钩等，除此之外，还安装了：用于和电池车之间实现电气交互所用的高压及低压连接器；车载储能装置及其相关高压电气电路；以及DC/DC装置及其相关高压电气电路。

作为优选的实施方式，在本申请中，电池车可以是一个具有普通的铁路平板车基本功能的车辆，例如有不安装牵引电机的转向架、车体、车钩等，除此之外，还设置了用于和动力车之间实现电气交互所用的高压及低压连接器；车载储能装置及其相关高压电气电路，车载储能装置可以以“集装箱”的形式直接落座在铁路平板车上。

车载储能装置分为两种，一种是用于单机使用的动力车车载储能装置，一种是用于执行货运任务使用的电池车车载储能装置，两种车载储能装置的正极均通过各自的输出接触器连接至动力车的高压母线正极，两种车载储能装置的负极均通过各自的输出接触器连接至动力车的高压母线负极。动力车车载储能装置的电压范围为U0至U1，U0＜U1电池车车载储能装置的电压范围为U2至U3，U2＜U3，其中动力车车载储能装置的电压上限U1小于电池车车载储能装置的电压下限U2，即U1＜U2。

在本申请中，牵引逆变装置用于从动力车的高压母线取流，将高压直流电变换为频率、电压可调的三相交流电，为牵引电机M1、……、Mn供电，驱动动力车前进或倒退。牵引逆变装置的输入电压范围为U0至U3，满功率工作时输入电压范围为U2至U3，当输入电压低于U2时降载输出；

在本申请中，辅助电源装置用于从动力车的高压母线取流，将高压直流电变换为：

1)频率50Hz、电压380V的三相交流电，为动力车的空压机等交流负载供电；

2)直流低压电源(DC24V或DC110V)，为动力车的低压直流负载和低压蓄电池供电；

辅助电源装置的输入电压范围为U0至U3，满功率工作时输入电压范围为U2至U3，当输入电压低于U2时降载输出；

在本申请中，DC/DC装置用于从动力车的高压母线取流，将高压直流电降压为动力车车载储能装置充电。DC/DC装置的输入电压范围为U2至U3，输出电压范围为U0到U1；当动力车单机运行时，动力车车载储能装置输出的电压通过高压母线为牵引逆变装置、辅助电源装置供电；当动力车与电池车联挂运行时，电池车车载储能装置输出的电压通过高压母线为牵引逆变装置、辅助电源装置供电，同时若动力车车载储能装置SOC较低(容量较低)，动力车DC/DC装置为动力车车载储能装置充电。

与本案的动力车与欠电电池车解编，重新联挂满电电池车方案不同，亦可以采用电池组整体换电的方式，具体实现路线有吊顶换电与侧向换电两种。不论何种方式，都需要增加较为复杂的与电池组匹配的换电系统，包括但不限于定位机构、锁止机构、换电连接器、换电框架、抓取机构等，抓取机构抓取欠电的电池组，置于指定的充电位，再抓取满电的电池组，置于电池车上，对司机的驾驶技能要求较高，对抓取结构精度、定位机构生产精度、锁止机构安全性要求较高，换电系统综合成本较高。

实施例1

作为一种实施例，在本申请中的一种实施例操作步骤如下：

(1)转辙机的通行方向为调车线1端至调车线2端，动力车与电池车1的初始位置为调车线1端，动力车控制系统输出相关信号将电池车1车载储能装置输出接触器K3+、K3-断开，随后两车摘钩解编，并断开高压及低压连接器，动力车控制系统输出相关信号将动力车车载储能装置输出接触器K1+、K1-闭合，动力车由本车车载储能装置供电，动力车单独跨越转辙机运行至调车线2端。

(2)转辙机动作，转辙机的通行方向改为调车线2端至充电线，动力车单独跨越转辙机运行至充电线。

(3)动力车与电池车2联挂，连接高压及低压连接器，动力车控制系统输出相关信号将电池车2车载储能装置输出接触器K3+、K3-闭合，由于电池车2车载储能装置电压高于动力车车载储能装置电压，遂动力车的牵引逆变装置VVVF以及辅助电源装置SIV转由电池车2车载储能装置供给，随后动力车控制系统输出相关信号将动力车车载储能装置输出接触器K1+、K1-断开，动力车与电池车2跨越转辙机运行至调车线2端。

(4)转辙机动作，转辙机的通行方向改为调车线1端至调车线2端，动力车与电池车2跨越转辙机运行至调车线1端，与电池车1联挂，但仅连接车钩，不连接高压及低压连接器。

(5)动力车与电池车2牵引电池车1跨越转辙机运行至调车线2端。

(6)转辙机动作，转辙机的通行方向改为调车线2端至充电线，动力车与电池车2牵引电池车1跨越转辙机运行至充电线。

(7)电池车2与电池车1摘钩解编，动力车与电池车2跨越转辙机运行至调车线2端。

(8)电池车1开始通过充电站进行充电，转辙机动作，将通行方向改为调车线1端至调车线2端，等待下一次充电作业，动力车与电池车2可与货列联挂开展相关货运任务。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种换电式新能源货运牵引机车实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：转辙机的通行方向为调车线1端至调车线2端，动力车与电池车1的初始位置为调车线1端，动力车控制系统输出相关信号将电池车1车载储能装置输出接触器K3+、K3-断开，随后两车摘钩解编，并断开高压及低压连接器，动力车控制系统输出相关信号将动力车车载储能装置输出接触器K1+、K1-闭合，动力车由动力车车载储能装置供电，动力车单独跨越转辙机运行至调车线2端；

步骤二：转辙机动作，转辙机的通行方向改为调车线2端至充电线，动力车单独跨越转辙机运行至充电线；

步骤三：动力车与电池车2联挂，连接高压及低压连接器，动力车控制系统输出相关信号将电池车2车载储能装置输出接触器K3+、K3-闭合，由于电池车2车载储能装置电压高于动力车车载储能装置电压，遂动力车的牵引逆变装置VVVF以及辅助电源装置SIV转由电池车2车载储能装置供给，随后动力车控制系统输出相关信号将动力车车载储能装置输出接触器K1+、K1-断开，动力车与电池车2跨越转辙机运行至调车线2端；

步骤四：转辙机动作，转辙机的通行方向改为调车线1端至调车线2端，动力车与电池车2跨越转辙机运行至调车线1端，与电池车1联挂，但仅连接车钩，不连接高压及低压连接器；

步骤五：动力车与电池车2牵引电池车1跨越转辙机运行至调车线2端；

步骤六：转辙机动作，转辙机的通行方向改为调车线2端至充电线，动力车与电池车2牵引电池车1跨越转辙机运行至充电线；

步骤七：电池车2与电池车1摘钩解编，动力车与电池车2跨越转辙机运行至调车线2端；

步骤八：电池车1开始通过充电站进行充电，转辙机动作，将通行方向改为调车线1端至调车线2端，等待下一次充电作业，动力车与电池车2可与货列联挂开展相关货运任务。

2.根据权利要求1所述的一种换电式新能源货运牵引机车实现方法，其特征在于，

所述货运牵引机车的高压电气拓扑的连接方式为：

电池车内配置大容量的多组车载储能装置；多组车载储能装置的高压正极并联在一起，高压负极并联在一起；所有车载储能装置的高压正极均连接在接触器I的一侧，接触器I的另一侧通过CN2+快插式高压连接器与动力车的CN1+快插式高压连接器相连，实现电池车车载储能装置与动力车高压母线正极相通；所有车载储能装置的高压负极均连接在接触器II的一侧，接触器II的另一侧通过CN2-快插式高压连接器与动力车的CN1-快插式高压连接器相连，实现电池车车载储能装置与动力车高压母线负极相通；动力车配置小容量的车载储能装置BA；所述车载储能装置BA的正极串联有二极管D1；所述二极管D1的一端通过接触器K1+连接至高压母线正极，另一端通过接触器K2+连接至DC/DC装置的输出正极O1；所述车载储能装置BA的负极通过接触器K1-连接至高压母线负极，并通过接触器K2-连接至DC/DC装置的输出负极O2；DC/DC装置的高压正极输入接口P1与高压母线正极相连，高压正极输入接口N1与高压母线负极相连；牵引逆变装置的高压正极输入接口P2与高压母线正极相连，高压正极输入接口N2与高压母线负极相连；辅助电源装置的高压正极输入接口P3与高压母线正极相连，高压正极输入接口N3与高压母线负极相连。

3.根据权利要求1所述的一种换电式新能源货运牵引机车实现方法，其特征在于，所述车载储能装置BA的正极串联有二极管D1，所述二极管D1实现所述车载储能装置BA与高压母线之间的能量交互方向唯一。

4.根据权利要求1所述的一种换电式新能源货运牵引机车实现方法，其特征在于，所述牵引逆变装置的输出接口U1、……、Un，V1、……、Vn，W1、……、Wn分别对应与牵引电机M1、……、牵引电机Mn的U相、V相、W相相连。

5.根据权利要求1所述的一种换电式新能源货运牵引机车实现方法，其特征在于，所述步骤八中，所述辅助电源装置的输出接口A、B、C，与交流负载的U相、V相、W相相连；所述辅助电源装置的输出接口D、E、F，与低压蓄电池正极、低压直流负载正极、低压直流负载负极相连。

6.根据权利要求1所述的一种换电式新能源货运牵引机车实现方法，其特征在于，所述电池车与动力车还设置有低压控制电路；所述低压控制电路用于传输动力车控制系统发送至电池车车载储能装置输出接触器K3+、K3-的通断信号，实现通断的控制。

7.一种换电式新能源货运牵引机车实现系统，其特征在于，包括：

动力车、电池车、设置在动力车的车载储能装置、设置在电池车的车载储能装置、动力车控制系统及充电站；所述电池车与动力车还设置有低压控制电路，动力车控制系统通过所述低压控制电路控制电池车车载储能装置输出接触器的通断；

当动力车单机运行时，动力车车载储能装置输出的电压通过高压母线为牵引逆变装置、辅助电源装置供电；当动力车与电池车联挂运行时，电池车车载储能装置输出的电压通过高压母线为牵引逆变装置、辅助电源装置供电，同时若动力车车载储能装置SOC低，动力车DC/DC装置从高压母线取电，为动力车车载储能装置充电。