CN111071041B - 车载供电*** - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于磁悬浮列车的车厢中的车载供电***，车载供电***为车厢的车载用电设备供电，磁悬浮列车的每一节车厢中分别具有车载供电***，车载供电***包括：电源装置；N个车载电网，其中N为2以上正整数；车厢电能存储装置；和开关装置；并且每一个车载电网分别连接至电源装置和车载用电设备，以将电源装置输出的电能供给至车载用电设备；开关装置用于控制车厢电能存储装置与N个车载电网的电连接。通过为每一车厢单独设置车厢电能存储装置，并且设置开关装置控制车厢电能存储装置与各个车载电网的电连接，能够保障各个电网在冗余供电模式下的独立性，一个或多个电网故障后采取的供电措施不会导致整个供电***失效。

Description

车载供电***
技术领域
本发明涉及列车车载供电***，特别地涉及高速磁浮列车车载供电***。
背景技术
悬浮、导向和涡流制动功能是常导高速磁浮列车最基本的三大安全功能，为这三大功能设计安全的供电***尤为重要。常导高速磁浮列车通过电磁力实现悬浮，列车运行时，通过嵌在悬浮磁铁中的发电线圈感应定子磁通变化给列车供电(低速时，供电能力不足，需车载蓄电池或其它供电方式提供足够电能)；也就是说，悬浮电磁场同时也是发电线圈能供电的先决条件。当供电***出现故障(如蓄电池)无法为悬浮***供电时，悬浮电磁场无法建立，发电线圈也就无法供电，将导致磁浮列车掉落，在高速行驶过程中这将导致重大的人身安全事故及财产损失。
传统的各种轨道交通工具配电方式通常是主电源-短路保护装置-汇流装置-用电负载，并且附加应急配电网络以应对前述主配电网络故障的问题，这种其配电方式要求有长期接触式的供电线路或带传动装置的发电机供电。因此在高速磁浮列车中，不采用长期接触式的供电线路。德国TR08、TR09磁浮列车采用冗余的多电网实现安全的供电***，其中每节车有4个完全独立的直流440V电网；每个电网均有连接可控的440V蓄电池作为缓冲；每个电网均有多个独立的440V基本供电单元；每个440V基本供电单元与电网之间均串联去耦二极管；悬浮控制器按一定的分配规则从4个440V电网取电，保证一个电网失效后剩余悬浮力可以维持列车继续运行。
上述方案的不利之处在于：
一个电网失效后，列车虽然可以继续运行，但是运行质量和安全性能明显下降，主要是悬浮和导向的间隙控制误差增大、承载能力降低、车身稳定性下降等。
为解决上述问题，中国专利CN1234556C提供了一种常导高速磁悬浮车辆的电源装置，包括发电装置和供电装置，如图1所示，其发电装置如下：
①每一直线发电绕组Gi由分别位于5个相邻悬浮磁极上的发电线圈正向串联而成，其中i＝l、2、3、4；
②与每一直线发电绕组Gi对应的变流器Hi以发电绕组Gi的输出作为输入，通过斩波控制的方式，使输出电压保持稳定地输往相应的车载电网Ni；
③每套车载电网Ni设有相对应的蓄电池Bi；
④每节车设有4套车载电网Nl、N2、N3、N4，该4套车载电网还设有二个互为冗余的实时高速并网电路ASNC-1和ASNC-2；
⑤每一套车载电网Ni的8个变流器Hi通过输出二极管隔离后合并，与相应的蓄电池Bi构成浮充关系。所述变流器Hi的正端集成有一正向二极管。
其供电装置如下：
①同一悬浮架对应的两个悬浮电磁铁和两个导向电磁铁的控制单元的电源取自不同的电网；
②每个涡流制动电磁铁分为4个控制单元，将涡流制动控制的8个单元分为4组，其电源分别取自上述4个电网Ni。
其中，CN1234556C所公开的实时高速并网电路ASNC-1和ASNC-2互为冗余体系结构。在Nl、N2、N3和N4工作正常的条件下，它们独立地向各自的负载供电。在某一个电网失效后，如果失效条件许可的话，ASNC-1或ASNC-2将把另三个电网合并，向失效的电网供电，这样确保全部的用电负载仍然可以正常工作。
从以上描述看，ASNC-1或ASNC-2在电网失效条件许可情况下将非失效电网合并给失效电网供电。但这种方案存在以下问题：
①由于非失效电网的电压不可能相同，且独立配置有蓄电池，因此不能直接合并短接，而是不得不变为一个非失效电网和失效电网并网，由于一个电网的能力不一定满足两个电网负载需求，因此该方案可能导致供电稳定性、可靠性降低。
②采用直接并网方式，将使原来独立的电网变得不再独立；如果在合并供电过程中再出故障，例如电网短路故障，可能导致整个供电***崩溃；因此，必须配置及时切断诸如短路类故障的功能。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种用于磁悬浮列车的车厢中的车载供电***，车载供电***为车厢的车载用电设备供电，磁悬浮列车的每一节车厢中分别具有车载供电***，车载供电***包括：电源装置；N个车载电网，其中N为2以上正整数；车厢电能存储装置；和开关装置；并且每一个车载电网分别连接至电源装置和车载用电设备，以将电源装置输出的电能供给至车载用电设备；开关装置用于控制车厢电能存储装置与N个车载电网的电连接，以使得车厢电能存储装置选择性地通过N个车载电网中的至少一个车载电网输入电能或选择性地向N个车载电网中的至少一个车载电网输出电能。
通过为每一车厢单独设置车厢电能存储装置，并且设置开关装置控制车厢电能存储装置与各个车载电网的电连接，能够保障各个电网在冗余供电模式下的独立性。
优选地，当N个车载电网中的至少一个车载电网发生故障时，开关装置接通车厢电能存储装置与至少一个车载电网的电连接。
优选地，故障为供电***设备输出故障、用电***设备输入故障、蓄电池故障中的一个或多个。
优选地，N个车载电网中的每一个车载电网与相应的至少一个电网电能存储装置电连接，以从至少一个电网电能存储装置输入电能或向至少一个电网电能存储装置输出电能。
优选地，N个车载电网为直流600V电网、直流440V电网或直流24V电网。
优选地，N个车载电网为4个车载电网。
优选地，车载供电***中具有M个开关装置和相对应的M个车厢电能存储装置，M个开关装置中的每一个开关装置单独控制相对应的车厢电能存储装置与N个车载电网的电连接，其中M为正整数。
优选地，车厢电能存储装置和电网电能存储装置包括锂电池、超级电容、石墨烯电池、钒电池、水基锌电池中的一个或多个。
与现有技术相比，本发明的技术方案能够保证冗余供电过程中不出现***崩溃。对提高列车的运行质量有所裨益，具体地：
a)采用本发明的车载供电***，即使在冗余供电过程中再次出现故障，也可保持电网的独立性，一个或多个电网故障后采取的供电措施不会导致整个供电***失效，仍可维持列车的运行；
b)采用本发明的车载供电***，可避免因诸如短路类故障导致整个供电***崩溃；
c)采用本发明的车载供电***，可通过开关单元的控制逻辑实现蓄电池分时使用，进一步提高列车运行质量。
附图说明
本发明的以上发明内容以及下面的具体实施方式在结合附图阅读时会得到更好的理解。需要说明的是，附图仅作为所请求保护的发明的示例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的元素。
图1为现有技术中的车载供电***。
图2为本发明车载供电***的基本组成及车载供电设备、车载用电设备的输入/输出连接关系的示意图。
图3示出本发明车载供电***的开关装置和车厢电能存储装置。
具体实施方式
以下在具体实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的说明书、权利要求及附图，本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。
下面将参见图2描述本发明车载供电***的基本组成及车载供电设备、车载用电设备的输入/输出连接关系。
本发明提供一种用于磁悬浮列车的车厢中的车载供电***，车载供电***为车厢的车载用电设备供电，磁悬浮列车的每一节车厢中分别具有车载供电***，车载供电***包括：电源装置PS、4个车载电网G1～G4、冗余蓄电池Br和开关装置Su。
对于高速磁浮列车，只在进出站由外部供电，沿途不设列车供电线路网，车上不设由传动机构驱动的发电机，而是由直线发电机在列车正常运行自主发电，或者由非接触感应拾取线圈产生交流电，并将上述交流电送至升压斩波器HS。另外，一路由受流器提供的直流电经外部供电车载电网分配器过压保护、分配处理后与直线发电机共用一个升压斩波器HS进行处理。通过升压斩波器HS将上述交流电进行整流、升压或斩波(DC/DC变换)，将能转换为高等级电压的直流电，例如图中所示的440V直流电，或者600V直流电。上述由现有技术中已知的直线发电机和/或非接触感应拾取线圈产生交流电和/或通过受流器和外部供电车载电网分配器供给交流电，以作为车载供电***的电源装置PS。进一步，通过DC/DC变换器对高等级电压直流电进行斩波变化而得到低等级直流电，例如24V直流电，通过逆变器对高等级电压直流电进行逆变以得到交流电，例如230V交流电，以满足不同车载用电设备的电压需求。此处440V直流电网、600V直流电网、24V直流电网的都是本发明中车载电网的示例。
4个同电压等级的车载电网G1～G4中的每一个车载电网分别连接至上述电源装置PS和车载用电设备，以直接或间接地将电源装置PS输出的电能供给至车载用电设备，换言之，4个车载电网G1～G4互为冗余。每一个车载电网都给同一位置或相同功能的车载用电设备供电，因此即使4个车载电网G1～G4中某一个车载电网发生故障，仍然可以保障该同一位置或相同功能的车载用电设备的供电，从而保证列车的安全。这些车载用电设备包括悬浮控制器、导向控制器、涡流制动控制器、DC/DC变换器、逆变器、蓄电池加热装置等。
此外，4个同电压等级的车载电网G1～G4中的每一个车载电网与相应的至少一个电网电能存储装置电连接，以从至少一个电网电能存储装置输入电能或向至少一个电网电能存储装置输出电能。例如，440V车载电网G1与蓄电池B1电连接，在列车正常运行时，上述电源装置提供的电能在升压斩波器HS中进行整流、升压，以将电压提高到蓄电池B1电压水平，使得440V车载电网G1能够向蓄电池B1输出电能以对蓄电池B1充电。应急状态下，440V车载电网能够从蓄电池B1输入电能，以使得蓄电池B1向440V车载电网G1供电。以此类推，440V车载电网G2与蓄电池B2电连接，440V车载电网G3与蓄电池B3电连接，440V车载电网G4与蓄电池B4电连接。此处，蓄电池B1～B4是本发明电网电能存储装置的示例，可采用环保型镍氢440VDC蓄电池。此外，本发明的电网电能存储装置能够是锂电池、超级电容、石墨烯电池、钒电池、水基锌电池中的一个或多个。
下面将结合图2和图3描述本发明车载供电***的开关装置和车厢电能存储装置。
图3中示出440V车载电网G1～G4、蓄电池B1～B4、冗余蓄电池Br和开关装置Su的连接关系。
冗余蓄电池Br是本发明中车厢电能存储装置的示例，可采用环保型镍氢440VDC蓄电池。此外，本发明的车厢电能存储装置能够是锂电池、超级电容、石墨烯电池、钒电池、水基锌电池中的一个或多个。
开关装置Su用于控制车厢电能存储装置与上述4个车载电网G1～G4的电连接，以使得冗余蓄电池Br选择性地通过4个车载电网中的至少一个车载电网输入电能或选择性地向4个车载电网中的至少一个车载电网输出电能。当4个车载电网中的至少一个车载电网发生故障时，开关装置Su接通车厢电能存储装置与至少一个车载电网的电连接，上述故障例如为供电***设备输出短路、用电***设备输入短路、蓄电池损坏或短路故障中的一个或多个。
具体地，440V车载电网G1～G4都通过开关装置Su与冗余蓄电池Br电连接，使得440V车载电网G1～G4能够向冗余蓄电池Br输出电能以对冗余蓄电池Br充电。应急状态下，例如440V车载电网G1发生故障时，通过开关装置Su接通冗余蓄电池Br和440V车载电网G1的电连接，440V车载电网G1能够从冗余蓄电池Br输入电能，以使得蓄电池B1向440V车载电网G1供电，达到冗余供电目的。类似地，440V车载电网G2、G3、G4发生故障时，也能够通过开关装置Su分别接通冗余蓄电池Br和440V车载电网G2、G3、G4的电连接，440V车载电网G2、G3、G4也能够从冗余蓄电池Br输入电能。
对于440V车载电网G1～G4中的每一个车载电网，例如440V车载电网G1，能够由蓄电池B1和冗余蓄电池Br两个不同的电能存储装置供电，因此即使在采用蓄电池B1为440V车载电网G1供电过程中再次出现故障，也可采用冗余蓄电池Br供电，并通过开关装置Su保持440V车载电网G1与其余的440V车载电网G2、G3、G4之间的独立性，因此440V车载电网G1或多个电网故障后采取的供电措施不会导致整个供电***失效，可避免因诸如短路类故障导致整个供电***崩溃。
此外，由于开关装置Su能够独立地控制冗余蓄电池Br与上述4个车载电网G1～G4中每一个车载电网的电连接，可通过开关单元的控制逻辑实现冗余蓄电池Br分时使用，根据上述4个车载电网G1～G4的实际状况合理地将冗余蓄电池Br的电能独立地分配至上述4个车载电网G1～G4中的一个或多个电网，提高每个车载电网G1～G4的供电稳定性、电能质量等，进一步提高列车运行质量。
采用本发明的车载供电***，还能够使发生故障的车载电网中的变流器节点重新工作，提供相应的功率给车载用电设备，提高列车运行质量。
本实施例中，用于磁浮列车车厢中的车载供电***配置有4个车载电网、1个车厢电能存储装置和1个开关装置，也可配置2个或多个电网，多个开关装置和相对应数量的多个车厢电能存储装置，其中多个开关装置中的每一个开关装置单独控制相对应的车厢电能存储装置与多个车载电网的电连接，来实现冗余安全供电的目的。例如可以在用于磁浮列车车厢中的车载供电***配置有8个车载电网、2个车厢电能存储装置和2个开关装置等。
这里基于的术语和表述方式只是用于描述，本发明并不应局限于这些术语和表述。使用这些术语和表述并不意味着排除任何示意和描述(或其中部分)的等效特征，应认识到可能存在的各种修改也应包含在权利要求范围内。其他修改、变化和替换也可能存在。相应的，权利要求应视为覆盖所有这些等效物。
同样，需要指出的是，虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可做出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (7)

1.一种用于磁悬浮列车的车厢中的车载供电***，所述车载供电***为所述车厢的车载用电设备供电，所述磁悬浮列车的每一节车厢中分别具有所述车载供电***，所述车载供电***包括：
电源装置；
N个车载电网，其中N为2以上正整数；所述N个车载电网中的每一个车载电网与相应的至少一个电网电能存储装置电连接，以从所述至少一个电网电能存储装置输入电能或向所述至少一个电网电能存储装置输出电能；
车厢电能存储装置；和
开关装置；并且：
每一个所述车载电网分别连接至所述电源装置和车载用电设备，以将所述电源装置输出的电能供给至所述车载用电设备；
所述开关装置用于控制所述车厢电能存储装置与所述N个车载电网的电连接，以使得所述车厢电能存储装置选择性地通过所述N个车载电网中的至少一个车载电网输入电能或选择性地向所述N个车载电网中的至少一个车载电网输出电能。
2.根据权利要求1所述的车载供电***，其特征在于，当所述N个车载电网中的至少一个车载电网发生故障时，所述开关装置接通所述车厢电能存储装置与所述至少一个车载电网的电连接。
3.根据权利要求2所述的车载供电***，其特征在于，
所述故障为供电***设备输出故障、用电***设备输入故障、蓄电池故障中的一个或多个。
4.根据权利要求1所述的车载供电***，其特征在于，
所述N个车载电网为直流600V电网、直流440V电网或直流24V电网。
5.根据权利要求1所述的车载供电***，其特征在于，
所述N个车载电网为4个车载电网。
6.根据权利要求1所述的车载供电***，其特征在于，
所述车载供电***中具有M个开关装置和相对应的M个车厢电能存储装置，所述M个开关装置中的每一个开关装置单独控制相对应的车厢电能存储装置与所述N个车载电网的电连接，其中M为正整数。
7.根据权利要求1所述的车载供电***，其特征在于，
所述车厢电能存储装置和所述电网电能存储装置包括锂电池、超级电容、石墨烯电池、钒电池、水基锌电池中的一个或多个。
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