CZ32748U1

CZ32748U1 - Vícepólový kontaktní systém pro napájení a nabíjení vozidel se systémem uchování elektrické energie

Info

Publication number: CZ32748U1
Application number: CZ2019-35891U
Authority: CZ
Inventors: Olexiy Maltsev; Pavel Ráb; Jakub Jeřábek
Original assignee: Ĺ KODA ELECTRIC a.s.
Priority date: 2019-02-08
Filing date: 2019-02-08
Publication date: 2019-04-09

Description

Oblast techniky

Navrhované technické řešení spadá do oblasti konstrukce kontaktních prvků zvedacího mechanizmu napájecího a nabíjecího zařízení (například pantografů) pro vozidla se systémem uchování elektrické energie a je využitelné zejména pro elektrické autobusy.

Dosavadní stav techniky

Napájení a nabíjení elektrických vozidel (zejména elektrických autobusů) z externích dobíječích vodičů je výhodné z hlediska využití stávající infrastruktury. Přitom vzniká řada technických omezení pro bezpečné připojení zvedacího mechanizmu (pantografů) k externím dobijecím vodičům (např. trolejovým vodičům) a tím zajištění bezpečného přenosu napájecího a nabíjecího proudu. Napájení znamená pohon právě běžících spotřebičů elektrického vozidla (např. topení) elektrickým proudem z externích dobíječích vodičů v reálném čase. Nabíjení znamená nabíjení systému uchování elektrické energie elektrického vozidla. Systém uchování elektrické energie slouží zejména k pohonu elektromotoru a k napájení palubních spotřebičů ve chvíli, kdy elektrické vozidlo není připojeno k napájecímu a nabíjecímu proudu. Systém uchování elektrické energie může být na bázi hnací baterie, kondenzátoru apod.

Přirozený boční výkyv elektrického vozidla ve formě elektrického autobusu při stání s 15 cestujícími je přibližně ±1,65°. Z toho vyplývá, že v ideálním případě musí nabíjecí stanoviště počítat s tolerancí ±2° (s rezervou). Dále se také musí počítat s nerovnostmi vozovky cca 0,75 % (1 : 133), což přidává další výkyv o cca. 0,43°. Ve výšce externích dobíječích vodičů (např. trolejového vedení) 4,5 m to znamená kumulativní výkyv cca. 180 mm od referenční (ideální) středové polohy. Problematické také v některých případech může být přesné zaparkování vozidla do ideální polohy na střed pod oba externí dobíječi vodiče (např. trolejové vodiče).

Běžně užívané dvoupólové provedení pantografů obsahuje dva vzájemně elektricky izolované kontaktní prvky. Jejich vzájemná elektrická izolace je dosažena jejich oddálením, kde je mezi nimi ponechána izolační mezera s definovanou vzdáleností zabraňující přeskočení elektrického výboje. Může se jednat buď o vzduchovou mezeru, nebo může být tato mezera vyplněna izolačním materiálem. Délka kontaktu musí přitom z bezpečnostních důvodů být menší, než vzájemná rozteč externích dobíječích vodičů (např. trolejových vodičů). Tím je zabráněno zkratování těchto vodičů jedním kontaktem pantografů, v případě velmi nepřesného zastavení a/nebo velmi velkého náklonu vozidla.

Z uvedeného vyplývá, že vzniká poměrně úzké toleranční pole v příčné poloze vozidla pro úspěšné propojení kontaktních prvků s trolejovými vodiči. Velikost tolerančního pole je přímo úměrná rozestupu externích dobíječích vodičů (např. trolejového vedení). Rozestup externích dobíječích vodičů (např. trolejového vedení) bývá 600 mm až 700 mm. Při příliš velké odchylce postavení kontaktních prvků od referenční středové polohy se tak první externí dobíječi vodič (např. trolejový vodič) dostává do izolační mezery mezi kontaktními prvky, zatímco se druhý externí dobíječi vodič (např. trolejový vodič) dostává mimo vnější okraj kontaktního prvku (popř. zcela mimo kontakty pantografů).

Zjevně nepřesnou polohu (příliš velkou odchylku) kontaktních prvků lze u některých vozidel eliminovat řízeným náklonem vozidla na stavitelném vzduchovém podvozku (tzv. „kneeling“). Na druhou stranu pak není možné funkci „kneeling“ využít pro jeho primární funkci - úpravu výšky a/nebo náklonu vozidla pro pohodlné vystoupení a nastoupení cestujících. Navíc funkce

- 1 CZ 32748 U1 „kneeling“ zpravidla musí být při nabíjení elektrických autobusů deaktivována a karoserie musí spočívat na dolních nebo horních dorazech podvozku (vypuštění nebo maximální nafouknutí měchů podvozku). Jinak hrozí, že při nástupu nebo výstupu cestujících dojde vlivem vzduchového pérování ke zhoupnutí karoserie a tím k vysunutí kontaktního prvku z tolerančního pásma zajišťujícího spolehlivý kontakt s externími dobíjecími vodiči (např. trolejovými vodiči).

Úkolem předkládaného technického řešení je poskytnout konstrukci kontaktních prvků, která zajistí spolehlivý kontakt s externími dobíjecími vodiči (např. trolejovými vodiči) a rozšíří toleranční pole pro spolehlivé připojení.

Podstata technického řešení

Podstatou technického řešení je konstrukce vícepólového kontaktního systému pro nabíjení vozidel se systémem uchování elektrické energie. Kontaktní systém obsahuje dva vzájemně elektricky izolované základní kontaktní prvky. Tyto základní kontaktní prvky jsou od sebe vzdáleny o definovanou vzdálenost a jsou propojeny s obvody pro nabíjení systému uchování elektrické energie vozidla. Každý zřečených základních kontaktních prvků je uzpůsoben kdočasnému propojení správě jedním ze dvou externích dobíječích elektrických vodičů. To znamená, že jeden základní kontaktní prvek nemůže být v kontaktu s oběma externími dobíjecími elektrickými vodiči zároveň. Toho jev praxi dosaženo délkou základního kontaktního prvku, která je menší, než je vzájemná rozteč externích dobíječích vodičů. Tím je zabráněno zkratování těchto vodičů základním kontaktním prvkem. Externí dobíječi vodiče mohou být ve formě standardního trakčního trolejbusového vedení.

V závislosti na konkrétním provedení je před a/nebo mezi a/nebo za základními kontaktními prvky ve stejné rovině situován alespoň jeden přídavný kontaktní prvek. V typickém provedení jsou základní kontaktní prvky situované vedle sebe a přídavný kontaktní prvek je před nimi. Stejně tak může být situován za základními kontaktními prvky. Lze uvažovat i variantu, kde je vpředu první základní kontaktní prvek (např. levý), uprostřed je přídavný kontaktní prvek a vzadu je druhý základní kontaktní prvek (pravý).

Ve výhodném provedení může být nejméně jeden z kontaktních prvků (zpravidla však všechny) tvořen nejméně dvěma elektricky propojenými kontaktními členy. Toto provedení s větším počtem kontaktních členů (a tedy stykových míst) umožní přenos většího nabíjecího proudu na větší styčné ploše. Tím je zabráněno lokálnímu poškození (přehřátí) kontaktních prvků a třeba i poměrně slabých externích dobíječích vodičů (např. trolejových vodičů). V tomto provedení lze uvažovat střídavé prolnutí jednotlivých kontaktních členů jednotlivých kontaktních prvků, takže přídavný kontaktní prvek je v podstatě situován mezi základními kontaktními prvky. Na předozadní vzájemné pozici kontaktních prvků nezáleží.

Podstatné je, že délka přídavného kontaktního prvku je větší, než je vzájemná vzdálenost základních kontaktních prvků. Při předo-zadním pohledu na kontaktní prvky v jejich rovině tak koncové části přídavného kontaktního prvku přesahují přes vzájemně přilehlé koncové části základních kontaktních prvků.

Přídavný kontaktní prvek je elektricky izolovaný vůči základním kontaktním prvkům. Podstatné je, že přídavný kontaktní prvek je uzpůsoben ke kontaktu s maximálně jedním externím dobíjecím elektrickým vodičem. Toho je v praxi dosaženo jeho délkou, která musí být menší, než je vzájemná rozteč externích dobíječích vodičů (např. trolejových vodičů). V závislosti na postavení a/nebo náklonu vozidla pod těmito vodiči tak přídavný kontaktní prvek není v kontaktu s žádným externím dobíjecím vodičem (např. trolejovým vodičem), tj. je mezi nimi, nebo je v kontaktu právě s jedním externím dobíjecím vodičem (např. trolejovým vodičem). Tím je zabráněno zkratování těchto vodičů přídavným kontaktním prvkem.

-2CZ 32748 U1

Díky délce a vzájemnému postavení základních kontaktních prvků vůči přídavnému kontaktnímu prvku může při připojení k externím dobíjecím vodičům (např. trolejovým vodičům) dojít k následujícím situacím:

- první vodič jev kontaktu s prvním základním kontaktním prvkem a druhý vodič jev mezeře mezi prvním a druhým základním kontaktním prvkem v kontaktu s přídavným kontaktním prvkem. První základní kontaktní prvek má v daný okamžik odlišnou polaritu než přídavný kontaktní prvek (vozidlo stojí a/nebo je vykloněno velmi vpravo);

- první vodič jev kontaktu s prvním základním kontaktním prvkem a (díky překryvu koncových částí) zároveň s přídavným kontaktním prvkem. Tyto mají v daný okamžik stejnou polaritu. Druhý vodič je v kontaktu s druhým základním kontaktním prvkem (vozidlo stojí a/nebo je vykloněno částečně vlevo);

- první vodič jev kontaktu s prvním základním kontaktním prvkem a druhý vodič jev kontaktu s druhým základním kontaktním prvkem. Přídavný kontaktní prvek jev mezeře mezi vodiči a není tak zapojen do elektrického obvodu (vozidlo stojí na středu, není vykloněno).

Z uvedeného je patrné, že přídavný kontaktní prvek (pokud je zapojen v elektrickém obvodu) má dle postavení vozidla polaritu shodnou s prvním nebo s druhým základním kontaktním prvkem. Z toho důvodu musí být s obvody pro nabíjení systému uchování elektrické energie vozidla propojen přes přepínač polarity (volič polarity). Přídavný kontaktní prvek tak plní funkci prodloužení nebo náhrady daného základního kontaktního prvku, čímž rozšiřuje toleranční pole pro připojení k externím dobíjecím vodičům (např. trolejovým vodičům).

Pro větší variabilitu připojení je vhodné, pokud jsou i základní kontaktní prvky propojeny se systémem uchování elektrické energie vozidla přes přepínač polarity. Vzhledem k tomu, že externí dobíječi vodiče (např. trolejové vodiče) mají definovanou vzájemnou pozici (např. první (kladný) vodič vlevo, druhý (záporný) vodič vpravo), je tento technický znak klíčový pro možnost přijet k nabíjecímu místu v protisměru.

Přepínač polarity může obsahovat kombinací polovodičových prvků. Alternativně, v kombinaci nebo samostatně, může přepínač polarity obsahovat kombinaci elektrických stykačů. Konstrukce přepínače polarity je v daném oboru dlouhodobě používána a je odborníkům dobře známa.

Objasnění výkresů

Příkladné provedení navrhovaného řešení je popsáno s odkazem na výkresy, na kterých je na

- obr. 1 - předo-zadní schematický pohled na známé řešení s dvěma základními kontaktními prvky;

- obr. 2 - předo-zadní schematický pohled na navrhované řešení se třemi kontaktními prvky;

- obr. 3 - půdorysný schematický pohled na navrhované řešení se třemi kontaktními prvky s externími dobíjecími vodiči ve v podstatě referenční středové poloze - externí dobíječi vodiče jsou v kontaktu pouze se základními kontaktními prvky;

- obr. 4 - půdorysný schematický pohled na navrhované řešení se třemi kontaktními prvky s externími dobíjecími vodiči velmi vychýlenými z referenční středové polohy - první externí dobíječi vodič jev kontaktu s prvním základním kontaktním prvkem, zatímco druhý dobíječi vodič je v kontaktu s přídavným kontaktním prvkem;

-3 CZ 32748 U1

- obr. 5 - půdorysný schematický pohled na navrhované řešení se třemi kontaktními prvky s externími dobij ecími vodiči středně vychýlenými z referenční středové polohy - první externí dobíječi vodič jev kontaktu s prvním základním kontaktním prvkem, zatímco druhý dobíječi vodič je v kontaktu zároveň s přídavným kontaktním prvkem a druhým základním kontaktním prvkem. Polarita přídavného kontaktního prvku a druhého základního kontaktního prvku je totožná;

- obr. 6 - schéma možného zapojení třech kontaktních prvků pomocí přepínače polarity s kombinací elektrických stykačů;

- obr. 7 - schéma možného zapojení třech kontaktních prvků pomocí přepínače polarity s kombinací polovodičových prvků.

Příklad uskutečnění technického řešení

Příkladné uskutečnění vícepólového kontaktního systému pro nabíjení vozidel se systémem uchování elektrické energie obsahuje dva vzájemně elektricky izolované základní kontaktní prvky LI, L2. Základní kontaktní prvky LI, L2 jsou propojeny s obvody pro nabíjení systému uchování elektrické energie vozidla přes přepínač polarity. Přepínač polarity v tomto případě obsahuje kombinací polovodičových prvků.

Každý z těchto základních kontaktních prvků LI, L2 je uzpůsoben k dočasnému propojení s jediným ze dvou externích dobíječích elektrických vodičů VI, V2. To je zajištěno délkou každého ze základních kontaktních prvků LI. L2, která je menší než rozteč externích dobíječích elektrických vodičů VI. V2. Základní kontaktní prvky LI. L2 od sebe vzdáleny o vzdálenost X a jsou propojeny s obvody pro nabíjení systému uchování elektrické energie vozidla.

Za základními kontaktními prvky LI, L2 (vztaženo vůči orientaci na vozidle) je ve stejné rovině situován přídavný kontaktní prvek L3 o délce Y. Délka Y je větší, než je vzájemná vzdálenost X základních kontaktních prvků LI. L2. Tím je v předo-zadním pohledu zajištěn přesah koncových částí přídavného kontaktního prvku L3 přes vzájemně přilehlé koncové části základních kontaktních prvků LI, L2.

Přídavný kontaktní prvek L3 je elektricky izolovaný vůči základním kontaktním prvkům LI, L2 a je uzpůsoben ke kontaktu s maximálně jedním externím dobijecím elektrickým vodičem VI, V2. To je zajištěno délkou přídavného kontaktního prvku L3, která je menší než rozteč externích dobíječích elektrických vodičů VI. V2.

Přídavný kontaktní prvek L3 je se systémem uchování elektrické energie vozidla propojen přes přepínač polarity k zajištění stejné polarity s jedním ze základních kontaktních prvků LI. L2. Každý z kontaktních prvků LI, L2, L3 je tvořen dvěma elektricky propojenými kontaktními členy.

Příkladné uskutečnění je patrné na obr. 2, obr. 4, obr. 5 a obr. 7.

Claims

1. Vícepólový kontaktní systém pro nabíjení vozidel se systémem uchování elektrické energie, obsahující dva vzájemně elektricky izolované základní kontaktní prvky (LI, L2), přičemž každý ze základních kontaktních prvků (LI, L2) je uzpůsoben k dočasnému propojení s jedním ze dvou externích dobíječích elektrických vodičů (VI, V2), přičemž základní kontaktní prvky (LI, L2) od sebe vzdáleny o vzdálenost (X) a jsou propojeny s obvody pro nabíjení systému uchování elektrické energie vozidla, vyznačující se tím, že před a/nebo mezi a/nebo za základními kontaktními prvky (LI, L2) je ve stejné rovině situován alespoň jeden přídavný kontaktní prvek (L3) o délce (Y), která je větší, než je vzájemná vzdálenost (X) základních kontaktních prvků (LI, L2) k přesahu koncových částí přídavného kontaktního prvku (L3) přes vzájemně přilehlé koncové části základních kontaktních prvků (LI, L2), přičemž přídavný kontaktní prvek (L3) je elektricky izolovaný vůči základním kontaktním prvkům (LI, L2) a je uzpůsoben ke kontaktu s maximálně jedním externím dobijecím elektrickým vodičem (VI, V2), a přičemž přídavný kontaktní prvek (L3) je s obvody pro nabíjení systému uchování elektrické energie vozidla propojen přes přepínač polarity k zajištění stejné polarity s jedním ze základních kontaktních prvků (LI, L2).

2. Vícepólový kontaktní systém pro nabíjení vozidel se systémem uchování elektrické energie podle nároku 1, vyznačující se tím, že základní kontaktní prvky (LI, L2) jsou propojeny s obvody pro nabíjení systému uchování elektrické energie vozidla přes přepínač polarity.

3. Vícepólový kontaktní systém pro nabíjení vozidel se systémem uchování elektrické energie podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že přepínač polarity obsahuje kombinací polovodičových prvků.

4. Vícepólový kontaktní systém pro nabíjení vozidel se systémem uchování elektrické energie podle některého z předešlých nároků, vyznačující se tím, že přepínač polarity obsahuje kombinaci elektrických stykačů.

5. Vícepólový kontaktní systém pro nabíjení vozidel se systémem uchování elektrické energie podle některého z předešlých nároků, vyznačující se tím, že nejméně jeden z kontaktních prvků (LI, L2, L3) je tvořen nejméně dvěma elektricky propojenými kontaktními členy.