CN104487279B - 电功率供应***、车辆和操作车辆的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及车辆的电功率供应***，特别是车辆的牵引***，其中所述电功率供应***(1)包括能量存储模块、逆变器(3)、电机(4)、适用于接收交变电磁场并且通过电磁感应来产生交变电流的接收设备(5)、以及适用于连接所述逆变器(3)、所述电机(4)和所述接收设备(5)的无源电路布置(8)，其中所述无源电路布置(8)包括用于在所述接收设备(3)与所述电机(4)之间传输电能的第一传输电路、用于在所述接收设备(5)与所述逆变器(3)之间传输电能的第二传输电路、以及用于在所述逆变器(3)与所述电机(4)之间传输电能的第三传输电路，其中所述无源电路布置(8)被设计为使得在给定充电频率下，由所述第一传输电路提供的阻抗高于预定的第一阻塞阻抗并且由所述第二传输电路提供的阻抗低于预定的第二传递阻抗。

Description

电功率供应***、车辆和操作车辆的方法
技术领域
本发明涉及利用电能的车辆的电功率供应***，所述车辆特别是轨道车辆和/或道路汽车，所述电功率供应***特别是牵引***，其中***包括适用于接收交变电磁场并且通过电磁感应(即，由电磁场产生的磁感应并且感应产生电能)来产生交变电流的接收设备、适用于将交流电转换成直流电的逆变器、适用于推进车辆的电机、以及适用于连接逆变器、电机和接收设备的无源电路布置。
此外，本发明涉及包括所述布置的车辆。本发明还涉及制造车辆的方法并且涉及操作车辆的方法。
背景技术
WO 2010/031595 A2公开了用于为车辆，特别是轨道车辆提供电能的布置，其中所述布置包括适用于接收交变电磁场并且通过电磁感应来产生交变电流的接收设备。接收设备包括导电材料的多个绕组和/或线圈，其中每个绕组或线圈适用于产生交变电流的单独的相位。
本发明可以应用于任何陆地车辆(包括但并非优选为仅暂时在陆地上的任何车辆)，特别是诸如铁路车辆(例如，电车)之类的轨道车辆，本发明还可以应用于道路汽车，例如个人(私人)小客车或公共交通车辆(例如公共汽车，包括同样是轨道车辆的无轨电车)。优选地，产生交变电磁场的初级侧导线布置集成在车辆的轨道或道路中，以使得初级侧导线布置的电线在与车辆可以行驶的道路或轨道表面接***行的平面中延伸。如WO2010/031595 A2还描述的，接收设备可以位于车辆的下侧并且可以被诸如厚板或薄板形状的主体之类的铁磁体覆盖。适合的材料是铁氧体。主体收集并且重定向磁场的场线，并且因此将主体上方的场强减小到接近零。然而，初级侧导线布置的其它配置、位置和/或取向是可能的。例如，初级侧导线布置可以位于车辆的一侧。
在任何情况下，初级侧导线布置与接收设备的至少一个电感之间的间隙应该尽可能小，因为对于较大间隙，初级侧与次级侧之间的无线能量传输的效率较小。出于同样的原因，在至少一个电感中所感应的电压取决于间隙的尺寸。应对***的次级侧上的电压变化的一种方式是仅向功率消耗装置供应电能，功率消耗装置是电压耐受的，即其可以在较宽的电压范围内进行操作。
可以应用本发明的另一个示例是铁路车辆的牵引***，牵引***包括将接收设备连接到逆变器的功率供应网络，逆变器将接收设备的交流输出电流转化成用于为例如牵引用蓄电池的能量存储模块充电的直流电。逆变器也可以将直流电转化成用于操作车辆的至少一个牵引电动机的交流电。因此，功率供应网络也可以将逆变器连接到车辆的牵引电动机。然而，在这种情况下，可以存在从接收设备经由电功率供应***流向牵引电动机的电流，该电流可以引起牵引电动机的不期望的操作，并且因此引起车辆的不期望的移动。例如，在静态充电期间，接收设备产生交变输出电流，以在车辆停止时为牵引用蓄电池充电。
US 6879889 B2公开了道路供电的电动车辆，其包括：由前悬挂***和后悬挂***支撑的车辆框架，包括前轮和后轮；安装在所述车辆框架下侧上的车载功率接收模块，该车载功率接收模块从嵌入在EV所行驶的道路中的道路功率发射模块接收与车载功率接收模块耦合的功率；用于存储并输送电能的车载能量存储装置，所述车载储能装置呈现出至少5kW/kg的功率系数；耦合到所述前悬挂***或后悬挂***的至少其中之一的电驱动装置，用于驱动所述前轮和后轮；车载功率控制器装置，其用于从所述车载功率模块接收电功率并将电功率引导到所述能量存储装置，并且用于选择性地将电能从所述能量存储装置输送到所述电驱动装置，以便为所述EV提供操作功率；以及位置确定***，其用于确定道路供电的电动车辆的位置并且响应于所述确定来产生位置信号。通过有源控制开关来引导牵引***内的电流。开关可以是电气继电器、固态开关、SCR和二极管。所提出的方案的缺点在于，车辆的充电模式或操作模式中的能量流或电流的控制是有源控制，其中开关过程增大了控制的复杂性并且产生了开关损耗。
发明内容
本发明的目的是提供车辆的电功率供应***，特别是车辆的牵引***，其减小了在充电模式和操作模式期间控制能量流或电流的复杂性，同时还减小了能量损耗。本发明的其它目的是提供包括所述布置的车辆、操作车辆的方法和制造车辆的方法。
本发明的基本思想是使用无源电路布置来连接车辆的电功率供应***的不同元件，特别是连接牵引***的不同元件，该无源电路布置在充电模式和操作模式期间引导能量流或电流，同时消除开关操作并且减小能量损耗。
提出了车辆的电功率供应***，特别是车辆的牵引***。电功率供应***可以用于在例如牵引用蓄电池的能量存储模块(例如电化学存储器)与可以用于推进车辆的例如牵引电动机的电机之间传输电能。
特别地，电功率供应***包括逆变器和电机。特别地，电机用于推进车辆。例如，可以在电动机模式中和可选的发电机模式中操作电机。在电动机模式中，电机将电能变换成特别用于推进车辆的机械能。在发电机模式中，电机将由移动车辆提供的机械能变换成电能。发电机模式中的变换也可以被称为再生。因此可以通过在发电机模式中操作电机来为能量存储模块充电。电机可以是三相电动机，例如异步电机或同步电机。
此外，电功率供应***包括接收设备(通常称为：拾取器)，其适用于接收交变电磁场并且通过电磁感应来产生交变电流。接收设备提供变压器的次级侧，其中可以由嵌入到车辆所行驶的轨道(例如道路)中的电线来提供变压器的初级侧。接收设备用于通过电磁感应将电能从轨道侧传输到车辆。可以在车辆相对于轨道移动时和/或在车辆静止或停止时将电能从轨道侧传输到车辆。在车辆停止时向存储器传输电能也被称为静态充电。电能存储模块可以唯一地由接收设备所产生的电能充电。如果电机在发电机模式中不能操作，则可以出现这种情况。
逆变器可以电连接到能量存储模块。在车辆的充电模式中，逆变器将例如由接收设备产生的交流电变换成用于为能量存储模块充电的直流电。车辆的操作模式可以包括电动机模式和发电机模式。在电动机模式中，电能从能量存储模块传输到电机并且逆变器将能量存储模块提供的直流电变换成用于操作电机的交流电。在发电机模式中，电能从电机传输到能量存储模块并且逆变器将电机提供的交流电变换成可以用于为能量存储模块充电的直流电。逆变器可以是产生3相交流电的3相逆变器。
此外，电功率供应***包括适用于电连接逆变器、电机和接收设备的无源电路布置。无源电路唯一地包括无源电气元件，例如电感元件和/或电容元件。术语“无源电气元件”表示没有任何外部电能用于操作无源元件。相反，有源电气元件，例如场效应晶体管，需要电能来操作。无源电路布置还可以适用于将逆变器连接到能量存储模块。
例如，能量存储模块可以电连接到逆变器的输出(特别是DC侧)。逆变器的输入(特别是AC侧)可以电连接到接收设备的输出。另外，逆变器的输入可以电连接到电机的输入。在这种布置内，接收设备的输出还电连接到电机的输入。
无源电路布置包括用于在接收设备与电机之间传输电能的第一传输电路。此外，无源电路布置包括用于在接收设备与逆变器之间传输电能的第二传输电路。此外，无源电路布置包括用于在逆变器与电机之间传输电能的第三传输电路。第一、第二和第三传输电路是无源电路布置的部分。第一传输电路的一部分也可以是第二和/或第三传输电路的一部分。类似地，第二传输电路的一部分可以是第一和/或第三传输电路的一部分。同样，第三传输电路的一部分可以是第一和/或第二传输电路的一部分。传输电路可以替代地被称为“传输路径”，因为它们提供了用于能量传输的路径，尽管一些路径可能至少在特定操作模式中阻碍大部分功率的传输。例如，第一传输电路可以阻碍由接收设备直接向电机提供的大部分功率的传输。
由无源电路布置提供的电连接可以是直接电连接，例如在逆变器与接收设备之间未布置额外的电气元件，或者所述电连接可以是包括一个或多个额外的电气元件的电连接，所述额外的电气元件例如是诸如电感器或电容器之类的电感和/或电容元件。
特别地，无源电路布置被设计为使得在给定充电频率下，由第一传输电路提供的阻抗高于预定的第一阻塞阻抗，并且由第二传输电路提供的阻抗低于预定的第二传递阻抗。第一阻塞阻抗表示第一电路的预定阻抗。在下文中，术语“第一阻塞或传递阻抗”是指第一传输电路的阻抗，而术语“第二阻塞或传递阻抗”是指第二传输电路的阻抗。如下文详述的，术语“第三阻塞或传递阻抗”是指第三传输电路的阻抗。
充电频率表示在充电过程中的电能传输期间，特别是在静态充电期间，由接收设备提供的交变电流的频率。特别地，充电频率由接收设备的电气性质给定和/或由接收设备接收的电磁场的频率给定。特别地，如果充电频率由可选地包括所述布置的其它部件的接收设备的谐振频率给定，则给定的充电频率也可以被称为“固有充电频率”。例如，充电频率可以是20kHz。在该频率下，在接收设备的输出与电机的输入之间布置的电气元件提供了特定阻抗。该阻抗高于预定的第一阻塞阻抗。优选地，第一阻塞阻抗被选择为使得电机的输入电流小于预定输入电流，特别是要尽可能小，优选为0或近似为0。
因此，第一阻塞阻抗应该选择高阻抗。然而，同时，由布置在接收设备的输出与逆变器的输入之间的电气元件提供的阻抗，例如由第二传输电路所包括的电气元件提供的阻抗低于预定的第二传递阻抗。优选地，第二传递阻抗应该被选择为使得逆变器的电输入电流高于预定的输入电流，优选为尽可能高。因此，应该选择低阻抗作为传递阻抗。在任何情况下，第一阻塞阻抗高于第二传递阻抗，优选为高出至少100倍或甚至高出至少1000倍。在实践中，第一阻塞阻抗和第二传递阻抗(以及任何其它预定阻抗，例如第三传递阻抗，见下文)由包括接收设备、逆变器、电机和无源电路布置的功率供应***的电气性质(特别是电容、电感和/或欧姆电阻)限定。
因此无源电路布置在接收设备、逆变器和电机之间提供了无源开关网络。在静态充电过程期间，无源电路布置防止电流从接收设备流向电机，同时将电流引导到逆变器。因此，在静态充电期间传输的电能主要传输到逆变器，优选为唯一地传输到逆变器。有利地，不需要诸如有源开关(例如场效应晶体管)、电气继电器或固态开关之类的任何有源元件来提供期望的电流。无源电路布置还防止车辆在静态充电期间发生不期望的移动，因为流向电机的电流被最小化。
在另一个实施例中，无源电路布置被设计为使得在给定的操作频率下，由第三传输电路提供的阻抗低于预定的第三传递阻抗。操作频率表示在电动机操作期间由逆变器提供的交流电的频率或在发电机操作期间由电机提供的交流电的频率。
无源电路布置可以被设计为使得对于操作频率的区间中的每个频率，由第三传输电路提供的阻抗低于预定的第三传递阻抗。操作频率/多个操作频率通常小于充电频率。例如，操作频率可以在0kHz到10kHz范围内。
在该实施例中，逆变器与电机之间所布置的电气元件(特别是包括机器的电气性质，例如机器的固有电感)被选择为使得在给定操作频率下或在给定的多个操作频率下，这些元件提供的阻抗小于第三传递阻抗。这有利地允许电流在电动机模式期间从逆变器流向电机并且允许电流在发电机模式期间从电机流向逆变器。第三传递阻抗可以等于第二传递阻抗。替代地，第二传递阻抗与第三传递阻抗之间的偏差可以小于两个阻抗中的较小者的50％，优选为小于两个阻抗中的较小者的20％。在任何情况下，优选为第一阻塞阻抗高于第三传递阻抗，优选为高出至少100倍或甚至高出至少1000倍。优选地，第三传递阻抗被选择为使得从逆变器流向电机的电流和/或从电机流向逆变器的电流高于预定电流。优选地，选择低阻抗作为第三传递阻抗。
在另一个实施例中，无源电路布置被设计为使得在给定操作频率(特别是前面段落中提到的给定操作频率或给定的多个操作频率的其中之一)下，由第二传输电路提供的阻抗高于预定的第二阻塞阻抗。在这种情况下，逆变器与接收设备的输出之间所布置的电气元件被选择为使得由这些元件提供的阻抗高于预定的第二阻塞阻抗。优选地，第二阻塞阻抗被选择为使得从逆变器流向接收设备的电流很小，优选为零或近似为0。因此，可以选择高阻抗作为第二阻塞阻抗。在任何情况下，优选为第二阻塞阻抗高于第二传递阻抗和/或第三传递阻抗，优选为高出至少100倍或甚至高出至少1000倍。
替代地或另外，在给定操作频率下，由第一传输电路提供的阻抗高于另一个预定的第一阻塞阻抗。在接收设备的输出与电机的输入之间布置的前述电气元件被额外设计或选择为使得在操作频率/多个操作频率下，由这些元件提供的阻抗高于另一个第一阻塞阻抗。另一个第一阻塞阻抗可以等于前述第一阻塞阻抗。第一阻塞阻抗表示第一传输电路在充电频率下的阻抗，并且第一阻塞阻抗被选择为使得在充电模式中从接收设备流向电机的电流很小。另一个第一阻塞阻抗也表示第一传输电路的阻抗。然而，另一个第一阻塞阻抗是由第一传输电路在给定操作频率下提供的阻抗并且另一个第一阻塞阻抗被选择为使得在发电机模式中从电机流向接收设备的电流很小。
这有利地允许使在电动机模式期间从逆变器流到接收设备的电流最小化，并且如果适用，使在发电机模式期间从电机流到接收设备的电流最小化。这又确保了在电动机模式和发电机模式期间电能的最佳传输。
在另一个实施例中，第二传输电路包括电路电感元件，其中电路电感元件的电感被选择为使得在充电频率下，由第二传输电路提供的阻抗低于预定的第二传递阻抗和/或使得在给定操作频率下，由第二传输电路提供的阻抗高于预定的第二阻塞阻抗。电路电感元件为从逆变器流出或流到逆变器的电流提供滤波器电路。电路电感元件也可以是第三传输电路的一部分。电路电感元件可以用于在电动机模式中将由逆变器提供的矩形高频交流电压与接收设备解耦，因为该交流输出电压的频谱可以包括接收设备的谐振频率并且因此可以产生高谐振电流。在所提出的电功率供应***的电机的设计期间，必须要考虑电路电感元件的电感。
这有利地允许将无源电感元件用于在电动机模式期间将逆变器与接收设备解耦。这还简化了第二传输电路的设计，并且又简化了整个无源电路布置的设计。
在另一个实施例中，第二传输电路的电路电感元件也是第三传输电路的一部分。因此，电路电感元件，特别是电感元件的电感必须被选择为使得在充电频率和/或操作频率下满足第三传输电路的前述要求。特别地，电路电感元件的电感被选择为使得在给定操作频率下，由第三传输电路提供的阻抗低于预定的第三传递阻抗。
将电路电感元件同时用作第二传输电路和第三传输电路的一部分有利地产生了无源电气布置的复杂性并且因此还降低了成本。
在另一个实施例中，第一传输电路包括电路电容元件，其中电路电容元件的电容被选择为使得在充电频率下，由第一传输电路提供的阻抗高于预定的第一阻塞阻抗和/或使得在操作频率下，由第一传输电路提供的阻抗高于另一个预定的第一阻塞阻抗。电路电容元件可以是第一传输电路的一部分并且可以同时是第三传输电路的一部分。在这种情况下，电路电容元件的电容可以被选择为使得在操作频率下，由第三传输电路提供的阻抗低于预定的第三传递阻抗。电路电容元件的集成有利地允许利用容易获得的电气元件来构建所提出的无源电路布置。
在优选实施例中，第一传输电路包括并联谐振电路。前述电路电容元件可以是并联谐振电路的一部分。此外，并联谐振电路可以包括并联连接到电容元件的电感元件。并联谐振电路的电气元件，例如电感元件和/或电容元件可以被选择为使得在充电频率下，由第一传输电路提供的阻抗高于预定的第一阻塞阻抗，并且如果并联谐振电路也是第三传输电路的一部分，则在操作频率下，由第三传输电路提供的阻抗低于预定的第三传递阻抗。并联谐振电路在静态充电的情况下提供高阻抗。因此，在静态充电期间，没有或仅有最小的电流从接收设备流向电机。
在另一个实施例中，并联谐振电路的电感元件是电机的电动机感应率。诸如同步电动机或异步电动机之类的电机包括电动机感应率，特别是电机的每个相一个感应率。可以将该电感元件并联连接到前述电容元件。这有利地允许利用较少的电气元件构建无源电路布置。在这种情况下，尤其是如果电动机感应率由于电动机的要求而被固定或预定，则电容元件的电容要被选择为使得并联谐振电路在静态充电期间提供高阻抗。
在替代的实施例中，第一传输电路包括RC并联滤波器。RC并联滤波器包括电感元件和并联连接到电感元件的电容元件。然而，RC并联滤波器串联连接到电机，特别是串联连接到提供电机的电动机感应率的元件。将RC滤波器集成到第一传输电路中有利地允许在静态充电期间进一步使从接收设备流到电机的电流最小化。
在另一个实施例中，电容元件也是第三传输电路的一部分。前述并联谐振电路或前述RC并联滤波器还可以也是第三传输电路的一部分。这有利地减少了用于构建无源电路布置的电气元件的量。
在另一个实施例中，接收设备包括由导电材料形成的至少一个电感元件，用于通过电磁感应来产生交变电流的一个相。接收设备在静态充电期间在无源电路布置内提供恒定电压源。恒定电压源表示由接收设备提供的交流电压的有效值或路线均方值是恒定的。
电感元件可以用于功率因数校正或无功功率校正的目的。在这种情况下，可以根据接收设备的电感元件的电感来选择第一和/或第二和/或第三传输电路的电气元件。接收设备的电感元件也可以是第一和/或第二传输电路的一部分。
将接收设备的电感元件集成到第一和/或第二传输电路中或在无源电路布置的设计期间考虑接收设备的电感元件有利地允许利用较少电气元件来构建无源电路布置，并且还允许在静态充电期间使从逆变器流到电机的电流最小化。
在另一个实施例中，接收设备包括至少一个其它电气元件，其连接到电感元件以产生交变电流的一个相。其它电气元件可以是电容元件，其也可以用于功率因数校正或无功功率校正。这有利地在静态充电期间进一步提高接收设备的输出电压和/或电流的质量。同样，其它电气元件可以是第一和/或第二传输电路的一部分。这有利地允许利用较少电气元件来构建所提出的无源电路布置。
此外，提出了包括先前提出的电功率供应网络的其中之一的车辆。车辆可以是轨道车辆或道路汽车。特别地，本发明可以应用于任何陆地车辆(包括但并非优选为仅暂时在陆地上的任何车辆)，特别是诸如铁路车辆(例如，电车)之类的轨道车辆，本发明还可以应用于道路汽车，例如个人(私人)小客车或公共交通车辆(例如包括也是轨道车辆的无轨电车的公共汽车)。优选地，将产生交变电磁场的初级侧导线布置集成到车辆的轨道或道路中，以使得初级侧导线布置的电线在与车辆可以行驶的道路或轨道表面接***行的平面中延伸。接收设备可以位于车辆的下侧，并且可以被诸如板形的主体之类的铁磁体覆盖。适合的材料是铁氧体。主体收集并且重定向磁场的场线，并且因此将主体上方的场强减小到接近零。然而，初级侧导线布置的其它配置、位置和/或取向是可能的。
此外，提出了利用电能来操作车辆的方法，特别是利用电能来操作轨道车辆和/或道路汽车的方法。在充电模式中，交变电磁场由接收设备接收并且用于通过电磁感应来产生交变电流。充电模式特别是静态充电模式，其中在静态充电期间车辆停止或处于静止。此外，电能经由第二传输电路从接收设备传输到逆变器。逆变器将由接收设备在(静态)充电期间产生的交流电变换成可以用于为能量存储模块(例如车辆的牵引用蓄电池)充电的直流电。
根据本发明，电能经由第一传输电路从接收设备到电机的传输被第一传输电路的阻抗阻塞。第一传输电路是连接接收设备、逆变器和电机的无源电路布置的一部分。
在静态充电期间，接收设备的交流电的频率(充电频率)例如是20kHz，其中在该充电频率下，第一传输电路的阻抗高于预定的第一阻塞阻抗。作为结果，在静态充电期间，没有或仅有最小的电流从接收设备流向电机。特别地，包括第一传输电路的无源电路布置被设计为使得在给定充电频率下，由第一传输电路提供的阻抗高于预定的第一阻塞阻抗，并且由同样是无源电路布置的一部分的第二传输电路提供的阻抗低于预定的第二传递阻抗。
在另一个实施例中，在操作模式中，电能经由第三传输电路从逆变器传输到电机或从电机传输到逆变器。第三传输电路也是无源电路布置的一部分。在电动机模式中，电能从逆变器传输到电机。在这种情况下，在操作频率下，电能经由第二传输电路从逆变器到接收设备的传输被由第二传输电路提供的阻抗阻塞。特别地，在操作频率下或在操作频率区间中的频率下，由第二传输电路提供的阻抗可以高于第二阻塞阻抗。
在发电机模式中，通过再生来产生电能并且将电能从电机传输到逆变器。在这种情况下，在操作频率下，电能经由第一传输电路从电机到接收设备的传输被由第一传输电路提供的阻抗阻塞。特别地，在操作频率下或在操作频率区间中的频率下，由第一传输电路提供的阻抗可以高于另一个预定的第一阻塞阻抗。
该方法有利地允许使在电动机模式中从逆变器流向接收设备的电流或在发电机模式中从电机流向接收设备的电流最小化。
此外，提出了制造车辆的方法，特别是轨道车辆和/或道路汽车的方法。方法包括如下步骤：
-提供接收设备，该接收设备适用于接收交变电磁场并且通过电磁感应来产生交变电流，
-提供能量存储模块，
-提供逆变器，
-提供电机，
-提供无源电路布置，以使得在给定充电频率下，由无源电路布置的第一传输电路提供的阻抗高于预定的第一阻塞阻抗，并且由无源电路布置的第二传输电路提供的阻抗低于预定的第二传递阻抗。
此外，方法包括通过无源电路布置将接收设备、逆变器和电机电连接的步骤，其中电路布置包括用于在接收设备与电机之间传输电能的第一传输电路、用于在接收设备与逆变器之间传输电能的第二传输电路、以及用于在逆变器与电机之间传输电能的第三传输电路。
在这种车辆内，有利地由无源电路布置来引导静态充电期间和/或操作期间的能量流，无源电路布置被设计为使得在静态充电期间，从接收设备到电机的能量流为零或最小化，而在车辆操作期间，例如在电动机模式中或发电机模式中的操作期间，到接收设备的能量流为零或最小。
在另一个实施例中，另外执行如下步骤：
-提供无源电路布置，以使得在给定操作频率下，由第三传输电路提供的阻抗低于预定的第三传递阻抗。
在另一个实施例中，另外执行如下步骤：
-提供无源电路布置，以使得在给定操作频率下，由第二传输电路提供的阻抗高于预定的第二阻塞阻抗和/或由第一传输电路提供的阻抗高于预定的另一个第一阻塞阻抗。
附图说明
将参考如下附图来描述本发明的示例：
图1示出了根据现有技术的电功率供应***的电路图，
图2示出了根据本发明的第一实施例的电功率供应***的电路布置，以及
图3示出了根据本发明的第二实施例的电功率供应***的电路图。
具体实施方式
图1示出了根据现有技术的车辆(未示出)的电功率供应***。电功率供应***1可以是车辆的牵引***。电功率供应***1包括牵引用蓄电池2、逆变器3、电机4，电机4包括表示电动机感应率的电动机电感元件LM1、LM2、LM3。此外，电功率供应***1包括接收设备5。接收设备5(也可以被称为车辆的拾取器)适用于接收交变电磁场并且通过电磁感应来产生交流输出电压。图1中还示出了接收设备5的输出端子T1、T2、T3。接收设备包括通过电磁感应来产生或生成交流电压的电压源V1、V2、V3。此外，接收设备5包括分别串联连接的电容元件C1、C2、C3和电感元件L1、L2、L3。
图1示出了包括三相的3相网络。例如，接收设备5的第一电压源V1、第一电容元件C1和第一电感元件L1产生第一相位的交流输出电压。电功率供应***1还包括有源电路布置6。有源电路布置6适用于连接逆变器3、电机4和接收设备5。有源电路布置6包括三个开关7，每个相位一个开关7。这些开关7是有源元件，这意味着使用外部能量来操作这些开关7。在开关7的第一位置，提供逆变器3与电机4之间的电连接。在开关7的第二位置，提供逆变器3与接收设备5之间的电连接(图1中未示出)。开关例如可以是场效应晶体管，例如MOSFET。在这种情况下，可以通过控制例如MOSFET的栅-源电压的控制电压来操作开关7。还示出了开关7的操控或控制信号S。控制信号S可以是频率依赖的控制信号S。在例如20kHz的充电频率下，控制信号S控制开关7，以使得开关7处于第二位置(静态充电)。在高达10kHz的操作频率下，控制信号S控制开关7，以使得开关7处于第一位置(操作模式)。
图2示出了根据本发明的第一实施例的3相电功率供应***的电路图。至于诸如牵引用蓄电池2、逆变器3、电机4和接收设备5之类的电气元件，可以参考图1的描述。关于接收设备5，电容元件C1、C2、C3和电感元件L1、L2、L3的串联连接用于功率因数校正或无功功率补偿。同样，接收设备5提供了具有恒定有效值或RMS值的交流输出电压。
与图1中所示的电功率供应***1相反，图2的电功率供应***1包括无源电路布置8。
无源电路布置8包括电路电感元件L4、L5、L6，特别是每个相一个电路电感元件L4、L5、L6。电路电感元件L4、L5、L6电布置在接收设备5的输出端子T1、T2、T3与逆变器3之间。此外，无源电路布置8包括电路电容元件C4、C5、C6。电路电容元件C4、C5、C6的一个端子电连接到接收设备5的输出端子T1、T2、T3。电路电容元件C4、C5、C6的另一个端子连接在中性点ST中。将一个电路电容元件C4、C5、C6分配到3相***中的每个相。特别地，电路电容元件C4、C5、C6与电机4的输入端子TM1、TM2、TM3并联布置。电动机电感元件LM1、LM2、LM3和电路电容元件C4、C5、C6分别提供并联谐振电路。
相对于输出端子T1、T2、T3，作为无源电路布置8的一部分的第一传输电路包括由电路电容元件C4、C5、C6和电动机电感元件LM1、LM2、LM3提供的并联谐振电路。同样相对于输出端子T1、T2、T3，同样作为无源电路布置8的一部分的第二传输电路包括电路电感元件L4、L5、L6。同样作为无源电路布置8的一部分的第三传输电路包括电动机电感元件L4、L5、L6以及由电路电容元件C4、C5、C6和电动机电感元件LM1、LM2、LM3提供的前述并联谐振电路。
根据本发明，电路电容元件C4、C5、C6的电容和电动机电感元件LM1、LM2、LM3的电感被选择为使得在20kHz的充电频率下，由第一传输电路提供的阻抗高于第一阻塞阻抗。同时，电路电感元件L4、L5、L6的电感被选择为使得在充电频率下，由第二传输提供的阻抗低于预定的第二传递阻抗。此外，电动机电感元件L4、L5、L6的电感、电路电容元件C4、C5、C6的电容和电动机电感元件LM1、LM2、LM3的电感被选择为使得在0kHz到高达10kHz的范围内的操作频率下，由第三传输电路提供的阻抗低于第三传递阻抗。电路电感元件L4、L5、L6的电感必须被选择为使得在操作频率下，第二传输电路的阻抗高于第二阻塞阻抗。同样，电路电容元件C4、C5、C6的电容和电动机电感元件LM1、LM2、LM3的电感必须被选择为使得在操作频率下，第一传输电路的阻抗高于另一个第一阻塞阻抗。
所示电功率供应***1有利地允许无源地控制或引导逆变器2、接收设备5和电机4之间的能量流或电流，例如，无需使用诸如开关7(见图1)或电源开关之类的额外的有源元件。对能量流或电流的控制受到无源电路布置8的设计和电气元件的控制。在电动机模式中，电能经由逆变器3从牵引用蓄电池2传输到电机4。逆变器3产生具有高达10kHz的操作频率的交流输出电压，该交流输出电压可以是方波电压。由于电路电感元件L4、L5、L6和电动机电感元件LM1、LM2、LM3的串联连接，该矩形波电压和产生的方波电流被变换成接近正弦的电流。电路电感元件L4、L5、L6还用于在操作模式中将逆变器的例如方波电压的输出电压与接收设备5解耦。
在车辆停止时进行感应充电(静态充电)的情况下，电能从接收设备5传输到逆变器3。接收设备5包括前述电感元件L1、L2、L3和电容元件C1、C2、C3，电容元件C1、C2、C3也可以被称为补偿电容器。这些电气元件和电路电感元件L4、L5、L6形成具有预定传输频率的串联谐振电路。在静态充电期间，接收设备5的输出电压的一部分落在电机4的输入端子TM1、TM2、TM3上。由电路电容元件C4、C5、C6和电动机电感元件LM1、LM2、LM3形成的并联谐振电路为充电频率的频率范围内的电压提供高阻抗。因此，没有或仅有最小的电流流向电机4。
如果在电动机模式中的车辆操作期间，电能从逆变器3传输到电机4，电流自由地从逆变器3流向电机4，因为并联谐振电路并未在其谐振频率下操作。同时，由于前述串联谐振电路，没有或仅有最少的电能从逆变器3传输到接收设备5。
在电动机模式中操作的逆变器3的输出电压的一些频率，特别是在串联谐振连接的谐振频率的范围内的一些频率可以在接收设备5中产生谐振电流。电路电感元件L4、L5、L6使该效应最小化。在车辆制动期间，例如在再生期间，可以在发电机模式中操作车辆。在发电机模式中由电机4产生的输出电压是正弦输出电压并且具有比接收设备5的谐振频率低的频率。因此，将没有或仅有最小的电流从电机4流向接收设备5。然而，同时，不干扰从电机4到逆变器3的能量流。
显然，必须为提出的发明的正确运行提供相应传输电路的谐振频率的足够的频率间隔。
在图3中，示出了电功率供应***1的替代的实施例。取代包括电路电容元件C4、C5、C6(见图2)和电动机电感元件LM1、LM2、LM3的并联谐振电路，无源电路布置8包括电布置在接收设备5的输出端子T1、T2、T3与电机4的输入端子TM1、TM2、TM3之间的RC并联滤波器RC1、RC2、RC3。同时，RC并联滤波器RC1、RC2、RC3布置在逆变器3与电机4之间，与电路电感元件L4、L5、L6串联。RC并联滤波器RC1、RC2、RC3是无源电路布置8的第一传输电路和第三传输电路的一部分。每个RC并联滤波器RC1、RC2、RC3包括电容元件和并联连接到电容元件的电感元件。如图所示，RC并联滤波器RC1、RC2、RC3是无源电路布置8的唯一部分，并且不是电机4的元件。同样，3相***的每个相有一个RC并联滤波器RC1、RC2、RC3。无源电路布置8的提出的设计有利地允许进一步使静态充电期间从接收设备5到电机4的电流的流动最小化，同时允许在例如电动机模式或发电机模式中进行操作的操作模式期间，逆变器3与电机4之间的电流流动。

Claims (24)

1.一种车辆的电功率供应***，其中，所述电功率供应***(1)包括逆变器(3)、电机(4)、适用于接收交变电磁场并且通过电磁感应来产生交变电流的接收设备(5)、以及适用于连接所述逆变器(3)、所述电机(4)和所述接收设备(5)的无源电路布置(8)，其中，所述无源电路布置(8)包括用于在所述接收设备(5)与所述电机(4)之间传输电能的第一传输电路、用于在所述接收设备(5)与所述逆变器(3)之间传输电能的第二传输电路，以及用于在所述逆变器(3)与所述电机(4)之间传输电能的第三传输电路，
所述电功率供应***的特征在于，
所述无源电路布置(8)被设计为使得在给定充电频率下，由所述第一传输电路提供的阻抗高于预定的第一阻塞阻抗，并且由所述第二传输电路提供的阻抗低于预定的第二传递阻抗。
2.根据权利要求1所述的功率供应***，其中，所述无源电路布置(8)被设计为使得在给定操作频率下，由所述第三传输电路提供的阻抗低于预定的第三传递阻抗。
3.根据权利要求2所述的功率供应***，其中，所述无源电路布置(8)被设计为使得在给定操作频率下，由所述第二传输电路提供的阻抗高于预定的第二阻塞阻抗和/或由所述第一传输电路提供的阻抗高于另一个预定的第一阻塞阻抗。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的功率供应***，其中，所述第二传输电路包括电路电感元件(L4，L5，L6)，其中，所述电路电感元件(L4，L5，L6)的电感被选择为使得在所述充电频率下，由所述第二传输电路提供的所述阻抗低于所述预定的第二传递阻抗，并且/或者在给定操作频率下，由所述第二传输电路提供的所述阻抗高于所述预定的第二阻塞阻抗。
5.根据权利要求4所述的功率供应***，其中，所述第二传输电路的所述电路电感元件(L4，L5，L6)也是所述第三传输电路的一部分。
6.根据权利要求1至3中的任一项所述的功率供应***，其中，所述第一传输电路包括电路电容元件(C4，C5，C6)，其中，所述电路电容元件(C4，C5，C6)的电容被选择为使得在所述充电频率下，由所述第一传输电路提供的所述阻抗高于所述预定的第一阻塞阻抗，并且/或者在给定操作频率下，由所述第一传输电路提供的所述阻抗高于另一个预定的第一阻塞阻抗。
7.根据权利要求6所述的功率供应***，其中，所述第一传输电路包括并联谐振电路。
8.根据权利要求7所述的功率供应***，其中，所述并联谐振电路的电感元件是所述电机(4)的电动机感应率。
9.根据权利要求6所述的功率供应***，其中，所述第一传输电路包括RC并联滤波器(RC1，RC2，RC3)。
10.根据权利要求6所述的功率供应***，其中，所述电容元件(C4，C5，C6)也是所述第三传输电路的一部分。
11.根据权利要求4所述的功率供应***，其中，所述第一传输电路包括电路电容元件(C4，C5，C6)，其中，所述电路电容元件(C4，C5，C6)的电容被选择为使得在所述充电频率下，由所述第一传输电路提供的所述阻抗高于所述预定的第一阻塞阻抗，并且/或者在所述给定操作频率下，由所述第一传输电路提供的所述阻抗高于另一个预定的第一阻塞阻抗。
12.根据权利要求11所述的功率供应***，其中，所述第二传输电路的所述电路电感元件(L4，L5，L6)也是所述第三传输电路的一部分。
13.根据权利要求11所述的功率供应***，其中，所述第一传输电路包括并联谐振电路。
14.根据权利要求13所述的功率供应***，其中，所述并联谐振电路的电感元件是所述电机(4)的电动机感应率。
15.根据权利要求11所述的功率供应***，其中，所述第一传输电路包括RC并联滤波器(RC1，RC2，RC3)。
16.根据权利要求11所述的功率供应***，其中，所述电容元件(C4，C5，C6)也是所述第三传输电路的一部分。
17.根据权利要求1所述的功率供应***，其中，所述接收设备(5)包括由导电材料形成的至少一个电感元件(L1，L2，L3)，用于通过所述电磁感应来产生所述交变电流的一个相。
18.根据权利要求17所述的功率供应***，其中，所述接收设备(5)包括连接到所述电感元件(L1，L2，L3)的至少一个其它电气元件，以产生所述交变电流的一个相。
19.一种车辆，所述车辆包括根据前述权利要求中的任一项所述的电功率供应***。
20.一种利用电能来操作车辆的方法，其中所述车辆是轨道车辆和/或道路汽车，并且其中，在充电模式中，
-由接收设备(5)接收交变电磁场并且所述交变电磁场用于通过电磁感应来产生交变电流，
-电能经由第二传输电路从所述接收设备(5)传输到逆变器(3)，
所述方法的特征在于，
-电能经由第一传输电路从所述接收设备(5)到电机(4)的传输被所述第一传输电路的阻抗阻塞。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，在操作模式中
-电能经由第三传输电路从所述逆变器(3)传输到所述电机(4)或从所述电机(4)传输到所述逆变器(3)，
-电能经由所述第二传输电路从所述逆变器(3)到所述接收设备(5)的传输被所述第二传输电路的阻抗阻塞，以及/或者
-电能经由所述第一传输电路从所述电机(4)到所述接收设备(5)的传输被所述第一传输电路的阻抗阻塞。
22.一种制造车辆的方法，其中所述车辆是轨道车辆和/或道路汽车，并且其中，所述方法包括如下步骤：
-提供接收设备(5)，所述接收设备(5)适用于接收交变电磁场并且通过电磁感应来产生交变电流，
-提供逆变器(3)，
-提供电机(4)，
-提供无源电路布置(8)，以使得在给定充电频率下，由所述无源电路布置(8)的第一传输电路提供的阻抗高于预定的第一阻塞阻抗，并且由所述无源电路布置(8)的第二传输电路提供的阻抗低于预定的第二传递阻抗，
-通过所述无源电路布置(8)电连接所述接收设备(5)、所述逆变器(3)和所述电机(4)，其中，所述无源电路布置(8)包括用于在所述接收设备(5)与所述电机(4)之间传输电能的所述第一传输电路、用于在所述接收设备(5)与所述逆变器(3)之间传输电能的所述第二传输电路、以及用于在所述逆变器(3)与所述电机(4)之间传输电能的第三传输电路。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，提供所述无源电路布置(8)进一步包括：
-提供所述无源电路布置(8)，以使得在给定操作频率下，由所述第三传输电路提供的阻抗低于预定的第三传递阻抗。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，提供所述无源电路布置(8)进一步包括：
-提供所述无源电路布置(8)，以使得在所述给定操作频率下，由所述第二传输电路提供的阻抗高于预定的第二阻塞阻抗，以及/或者由所述第一传输电路提供的阻抗高于另一个预定的第一阻塞阻抗。
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