CN114175437B - 具有集电器的车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种车辆(1)，包括：集电器(4)，用于从双极滑接线设备(3)馈入牵引能量；电动或混合电动的牵引驱动器(2)；电能存储器(5)，用于临时存储所馈入的牵引能量；能够将牵引驱动器(2)与集电器(4)连接的第一线路分支(11)；能够将牵引驱动器(2)和能量存储器(5)与集电器(4)连接的第二线路分支(13)，该第二线路分支具有***的电流隔离直流电压转换器(8)。通过车辆(1)包括能够将牵引驱动器(2)和能量存储器(5)与集电器(4)连接的第三线路分支(14)，该第三线路分支具有***的非电流隔离直流电压转换器(15)，可以在维持保护***的条件下传输用于为能量存储器(5)充电的更高的充电功率。

Description

具有集电器的车辆
技术领域
本发明涉及一种根据本发明的车辆。
背景技术
在具有纯电动牵引驱动器或具有混合电动牵引驱动器的车辆(其中电动机例如可以与内燃机或燃料电池耦合)中，牵引驱动器由不接地的车架承载。如果车辆包括可与牵引驱动器连接的集电器，该集电器可以与接地滑接线设备的双极滑接线电流接触以馈入牵引能量，则车辆必须具有电气保护***，以避免在车架上或在与车架导电连接的车辆部件上的危险的触摸电压。保护***必须将车架和例如车身与牵引驱动器和集电器电气隔离，该牵引驱动器和集电器与滑接线处于电流接触。如果保护***失效，则可能会在车架或车身上出现危险的触摸电压，该触摸电压在被接地的人触摸时可能会导致具有受伤甚至死亡后果的危险的身体电流。
这涉及混合电动驱动的卡车，如其例如露天采矿中使用的，其仅逐段地与滑接线设备电流连接，以及诸如电动无轨电车的车辆，其永久地与滑接线设备电流连接。与轨道车辆的情况不同地，该轨道车辆的轨道车轮在车架和接地的钢轨之间形成导电连接，卡车和无轨电车的车架由于其橡胶轮胎而不接地。
由专利文献EP 3 036 127 B1已知一种开头所述类型的车辆。其包括保护***，以避免车架上的危险的触摸电压。该车辆具有第一保护级别，该第一保护级别通过至少将牵引驱动器以简单电绝缘的方式安装在车架上形成，该车辆还具有安全性更高的第二保护级别，该第二保护级别附加地通过连接在集电器和牵引驱动器之间的电流隔离直流电压转换器形成。借助开关元件，保护***可以通过选择性地接通或桥接直流电压转换器来在第一和第二保护级别之间进行切换。该保护***满足在车辆的不同运行状态下的不同安全要求，不同运行状态的特征在于人与车辆之间可能发生不同的交互作用。在第一运行状态下(例如在车辆静止时)，对于驾驶员或第三方可能的是，从外部触摸车架或车身，而同时不会有由于机械暴力而受伤的风险；在这种运行状态下，由身体电流造成伤害的风险占主导地位。在第二运行状态下(例如当车辆的行驶速度高时)，对于第三方几乎不可能的是，从外部触摸车架或车身而在此不会有与车辆碰撞而受伤的风险。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种开头所述类型的车辆，该车辆在维持已知的保护***的情况下实现改进的功率传输。
根据本发明，上述技术问题通过具有在本发明中说明的特征的这类的车辆来解决。该车辆包括集电器，用于从双极滑接线设备馈入牵引能量。该车辆还包括电动或混合电动的牵引驱动器。此外，该车辆包括电能存储器，用于临时存储所馈入的牵引能量。牵引驱动器可以通过第一线路分支与集电器连接。牵引驱动器和能量存储器可以通过第二线路分支与集电器连接，其中，在该第二线路分支中***车辆的电流隔离直流电压转换器。根据本发明，牵引驱动器和能量存储器可以附加地通过第三线路分支与集电器连接，在该第三线路分支中***车辆的非电流隔离直流电压转换器。由此能够在以较低的保护级别行驶时，即在较高的行驶速度下，可以通过非电流隔离直流电压转换器为能量存储器充电。与相应的具有电流隔离的直流电压转换器相比，不具有电流隔离的直流电压转换器可以更小且更轻地设计，以传输高的充电功率，并且为此采购成本也更低。电流隔离直流电压转换器用于在以低行驶速度行驶时进行牵引供电和为能量存储器充电，在以低行驶速度行驶时，需要针对触摸电压的较高的保护级别。在两种保护级别中，都可以从滑接线设备向牵引驱动器供应牵引能量。
在根据本发明的车辆的一种优选的实施例中，用于断开和接通第一线路分支的第一开关元件连接在牵引驱动器的上游，用于断开和接通第二和第三线路分支的第二开关元件连接在牵引驱动器的上游，并且用于断开和接通第三线路分支的第三开关元件连接在非电流隔离直流电压转换器的上游。开关元件的布置允许，通过驾驶员操作元件手动地(如在具体实施例中详细阐述的那样)或者依据所需的保护级别自动控制地，在不同的线路分支上释放或中断能量流。在更高的保护级别的情况下，第一开关元件和第三开关元件断开，而第二开关元件接通。牵引能量因此可以从集电器通过第二线路分支经由具有电流隔离的直流电压转换器流入到能量存储器和牵引驱动器中。在较低的保护级别的情况下，第一开关元件接通并且第二开关元件断开，从而可以将牵引能量从集电器通过第一线路分支直接输送给牵引驱动器。在较低的保护级别下，牵引能量可以通过具有电流隔离的直流转换器继续流入能量存储器。
在根据本发明的车辆的另一种优选的实施例中，牵引驱动器和能量存储器以及分别从其出发直到第一开关元件的第一线路分支、直到电流隔离直流电压转换器的第二线路分支、包括非电流隔离直流电压转换器且直到第三开关元件的第三线路分支，相对于车架以简单电绝缘层安装。此外，集电器和分别从其出发直到第一开关元件的第一线路分支、直到且包括电流隔离直流电压转换器的第二线路分支、直到第三开关元件的第三线路分支，相对于车架以双重电绝缘层安装。由此，在较高的保护级别下与滑接线设备的高压水平导电连接的车辆组件在电气上双重绝缘，以避免在车架或在与车架导电连接的车辆部件上的危险的触摸电压。对于其他车辆组件，简单的电绝缘就足够了。
在另一种优选的实施例中，根据本发明的车辆还包括速度测量设备和控制装置，该速度测量设备用于采集车辆速度，该控制装置被设计为依据所测量的车辆速度控制第一开关元件、第二开关元件和第三开关元件，使得在车辆速度低于预先给定的阈值时断开第一开关元件和第三开关元件并且接通第二开关元件，并且使得在高于该阈值时接通第一开关元件并且断开第二开关元件。
可以将例如30km/h预先给定为行驶速度的阈值。如果车辆静止或以低于阈值的速度运动，则保护***将切换到具有提高的电气安全性的更高的保护级别，因为在此，身体电流伤害的后果比身体碰撞伤害的后果更严重。如果超过阈值，则保护***切换到较低的保护级别，因为在这种运行状态下，碰撞事故就已经可能导致严重的人身伤害。作为对速度测量设备的替代或附加，车辆还可以包括用于采集车辆运行状态的其他传感器装置，其中，将其所采集的状态参量与用于保护级别之间的切换的相应阈值相关联。因此，可以设置电流测量设备，用于采集在从滑接线馈入能量时形成的牵引电流的电流强度，其中，可以确定所引入的牵引电流或所馈入的牵引功率的阈值。还可以设置用于采集车门关闭状态的车门关闭传感器和/或用于采集车辆座椅占用状态的座椅占用传感器和/或用于采集车辆座椅安全带闭合状态的安全带闭合传感器，其中，在车门从内部关闭和/或车辆座椅被占用和/或安全带闭合时，切换保护级别。
在根据本发明的车辆的另一种优选的实施例中，控制装置还被设计为，在高于阈值时也接通第三开关元件。因此，可以在较低的保护级别下提高针对能量存储器的充电功率，方式是，能量可以从集电器通过并联的、***有非电流隔离直流电压转换器的第三线路分支流出。
在另一种优选的实施例中，根据本发明的车辆还包括监测装置，用于采集和发信号通知在简单绝缘层和/或在双重绝缘层中的绝缘故障。为了进一步提高根据本发明的车辆的运行安全性，监测简单绝缘或双重绝缘的故障。如果探测到绝缘故障并向驾驶员报告，则可以立即采取措施，例如可以指示驾驶员将车辆开到车间。
附图说明
本发明的其他特性和优点从以下参照附图对实施例的描述中得出，在唯一的图1中示出了根据本发明的具有保护***的车辆的电路图。
具体实施方式
根据图1，根据本发明的车辆1(其例如可以是重型商用车)未示出本身已知的部件，例如车架，其承载具有橡胶轮胎的轮轴、具有车门、车辆座椅和安全带的驾驶室以及用于运输货物的车身。车架还承载牵引驱动器2，该牵引驱动器可以纯电动或混合电动地设计，并且其扭矩可以通过也未示出的传动装置传递到车轮。对于具有双极滑接线设备3的路段，其中，悬挂在车道上方并设计为前向导体和返回导体的两个滑接线在附图中通过共同的线表示，车辆1包括用于外部馈入牵引能量的集电器4。集电器4具有可以升高和降低的机架，该机架承载两个带有滑片的跷板。借助滑片在集电器4和滑接线设备3之间建立电流接触，以便将牵引能量馈入到车辆1中或将制动能量反馈回来。在集电器4和滑接线设备3之间电流接触中断的情况下或在没有滑接线设备3的路段上，例如可以通过柴油机组或从车辆1的能量存储器5、例如双电层电容器和/或诸如镍氢电池的电池，为混合电动的牵引驱动器2供应牵引能量。能量存储器5例如保持在15kWh和80kWh之间。
车辆具有电气保护***，以避免车架或与其导电连接的车辆部件(例如驾驶室或用于运输货物的车身)上的危险的触摸电压。由于车辆1通过橡胶轮胎绝缘地站立在地面上，因此车架不接地。为了当在单极接地的滑接线设备3与集电器4并且因此与牵引驱动器2之间建立了电流接触时，在车架上不会出现危险的触摸电压，保护***在可与集电器4和牵引驱动器2导电连接的车辆部件和与车架导电连接的车辆部件之间设置电隔离或电绝缘。在保护***失效的情况下，在站立在地面上并从外部触摸车辆1的人与车架发生身体接触时可能导致危及生命的身体电流。保护***具有较低的保护级别和较高的保护级别。与较低的保护级别相比，较高的保护级别针对危险的触摸电压具有更高的电气安全性。
通过将牵引驱动器2以简单电绝缘的方式安装在车架上，形成较低的保护级别。除了牵引驱动器2之外，具有简单绝缘层6的区域还包括能量存储器5和连接在牵引驱动器2上游的逆变器7，该逆变器用于将直流电压转换为交流电压。较高的保护级别除了简单绝缘层6之外还通过连接在集电器4和牵引驱动器2之间的电流隔离直流电压转换器8形成。集电器4和电流隔离直流电压转换器8属于具有双重绝缘层9的区域。
在较高的保护级别中，与滑接线设备3电连接的所有车辆部件，通过双重绝缘的安装或通过电流隔离，针对车架双倍绝缘。通过合适的监测装置10连续地监测该双重绝缘。在较低的保护级别中，与滑接线设备3电连接的一些或所有车辆部件针对车架简单地绝缘。这种绝缘也可以通过监测装置10监测。
牵引驱动器2可以通过第一线路分支11与集电器4连接，其中，用于断开和接通第一线路分支11的第一开关元件12连接在牵引驱动器2的上游。牵引驱动器2和能量存储器5可以通过第二线路分支13与集电器4连接，在该第二线路分支中***电流隔离直流电压转换器8。牵引驱动器2和能量存储器5可以并联地通过第三线路分支14与集电器4连接，在该第三线路分支中***非电流隔离直流电压转换器15。用于断开和接通第二线路分支13和第三线路分支14的第二开关元件16连接在牵引驱动器2的上游。用于断开和接通第三线路分支14的第三开关元件17连接在非电流隔离直流电压转换器15的上游。通过操纵第一开关元件12和第二开关元件16来完成较低和较高的保护级别之间的切换，更确切地说取决于当前测量的行驶速度是高于还是低于预先给定的阈值、例如30km/h。
当车辆1处于静止状态或行驶速度达到阈值时，对于驾驶员或位于外面的第三方可能的是，从外部触摸车辆1，而同时不会有具有高损害程度的其他危险的风险。在行驶速度高于阈值的情况下，对于位于外面的第三方不可能或几乎不可能的是，从外部触摸车辆1而在此同时不会造成严重的机械损坏或涉及人身伤害的事故或者不会有以高的发生概率的风险。车辆1的运行状态和相关联的保护级别之间的其他区别可以类似地实现。
安装在车辆1中的电流隔离直流电压转换器8用于在低行驶速度下为牵引驱动器2供电。在此，通过断开第一开关元件12和接通第二开关元件16切换较高的保护级别，该较高的保护级别用于低行驶速度下的启动和行驶。由此能够使用具有相对而言较低的额定功率(例如30kW)的电流隔离直流电压转换器8。在较高的行驶速度下，通过断开第二开关元件16和接通第一开关元件12来切换较低的保护级别，其方式是，电流隔离直流电压转换器8被第一线路分支11桥接并且直接从滑接线设备3中提取牵引能量。具有简单绝缘层6的车辆部件于是不再通过电流隔离与双重绝缘层9的区域以及外部滑接线设备3隔离。
在低行驶速度下，能量存储器5通过第二线路分支13中的具有电流隔离的直流电压转换器8从集电器4充电。此外，使用直流电压转换器8，以在低行驶速度下行驶。附加地，可以使用来自能量存储器5或车辆1的柴油机组的牵引能量。即使行驶速度高于较低保护级别中的阈值，在那里牵引能量主要通过第一线路分支11直接从滑接线设备中3获取，也可以提供存在于能量存储器5中的能量作为牵引能量。直流电压转换器8在两种保护级别中都稳定了能量存储器5的能量馈入。为了能够以更高的充电功率对能量存储器5进行充电，接通第三开关元件17，从而牵引能量能够通过第三线路分支14中的非电流隔离直流电压转换器15从集电器4流入到能量存储器5中。不具有电流隔离的直流电压转换器15可以传输例如150kW的额定功率，并且在此具有小的结构体积和重量。
保护级别之间的切换可以通过自动控制或也可以通过手动操纵实现。因此，无论行驶速度如何，驾驶员都可以在离开公共行驶区域并驶入非公共行驶区域时通过车辆侧的操作元件进行操纵，在非公共行驶区域中，通过指示或其他技术措施防止第三方从外部触摸车辆。例如，当在限定的区域中行驶时，在不同的滑接线设备的情况下或在发生事故的情况下，也可以由第三方通过可远程操纵的操作装置进行切换。
在集电器4降低时，可以断开第一开关元件12和第二开关元件16，以便在驱动***侧找到绝缘故障。此外，该开关位置用于使驱动***侧的电压电平匹配于滑接线设备3的电压电平，以防止在保护级别之间切换时的电压跳变。

Claims (6)

1.一种车辆(1)，所述车辆包括
-集电器(4)，用于从双极滑接线设备(3)馈入牵引能量，
-电动或混合电动的牵引驱动器(2)，
-能量存储器(5)，用于临时存储所馈入的牵引能量，
-第一线路分支(11)，所述第一线路分支能够将所述牵引驱动器(2)与所述集电器(4)连接，
-第二线路分支(13)，所述第二线路分支能够将所述牵引驱动器(2)和所述能量存储器(5)与所述集电器(4)连接并且所述第二线路分支具有***的电流隔离直流电压转换器(8)，其中所述电流隔离直流电压转换器用于在以低行驶速度行驶时进行牵引供电和为能量存储器充电，
其特征在于
-第三线路分支(14)，所述第三线路分支能够将所述牵引驱动器(2)和所述能量存储器(5)与所述集电器(4)连接并且所述第三线路分支具有***的非电流隔离直流电压转换器(15)，其中所述非电流隔离直流电压转换器用于在以高行驶速度行驶时为能量存储器充电，并且所述电流隔离直流电压转换器在以高行驶速度行驶时被第一线路分支桥接并且直接从滑接线设备中提取牵引能量，
其中所述高行驶速度和所述低行驶速度取决于是高于还是低于预先给定的阈值。
2.根据权利要求1所述的车辆(1)，
-其中，用于断开和接通所述第一线路分支(11)的第一开关元件(12)连接在所述牵引驱动器(2)的上游，
-其中，用于断开和接通所述第二和第三线路分支(13，14)的第二开关元件(16)连接在所述牵引驱动器(2)的上游，并且
-其中，用于断开和接通所述第三线路分支(14)的第三开关元件(17)连接在所述非电流隔离直流电压转换器(15)的上游。
3.根据权利要求2所述的车辆(1)，
-其中，所述牵引驱动器(2)和所述能量存储器(5)以及分别从其出发直到第一开关元件(12)的第一线路分支(11)、直到电流隔离直流电压转换器(8)的第二线路分支(13)、包括非电流隔离直流电压转换器(15)且直到第三开关元件(17)的第三线路分支(14)，相对于车架以简单绝缘层(6)安装，并且
-其中，所述集电器(4)和分别从其出发直到第一开关元件(12)的第一线路分支(11)、直到且包括电流隔离直流电压转换器(8)的第二线路分支(13)、直到第三开关元件(17)的第三线路分支(14)，相对于车架以双重绝缘层(9)安装。
4.根据权利要求2或3所述的车辆(1)，包括
-速度测量设备，用于采集车辆速度，
-控制装置，所述控制装置被设计为，依据所测量的车辆速度控制所述第一开关元件(12)、所述第二开关元件(16)和所述第三开关元件(17)，
-使得在车辆速度低于预先给定的阈值时，断开所述第一开关元件(12)和所述第三开关元件(17)并且接通所述第二开关元件(16)，并且
-使得在高于所述阈值时接通所述第一开关元件(12)并且断开所述第二开关元件(16)。
5.根据权利要求4所述的车辆(1)，
-其中，所述控制装置还被设计为，在高于所述阈值时也接通所述第三开关元件(17)。
6.根据权利要求3所述的车辆(1)，包括
-监测装置(10)，用于采集和发信号通知在简单绝缘层(6)和/或在双重绝缘层(9)中的绝缘故障。
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