CN208971430U - 增程式大功率低速非连续运行电动牵引*** - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种增程式大功率低速非连续运行电动牵引***。该***包括：电池组；第一直流/直流变换器，与所述电池组连接，用于对所述电池组的电压进行变换和稳压；逆变器，与所述第一直流/直流变换器连接；电机控制器，与所述逆变器连接，用于控制电机的运行状态；电机，与所述电机控制器连接；传动***，与所述电机连接；和充电装置，分别与所述逆变器和所述电池组连接，用于给所述电池组供电。该***采用充电装置，能够满足大功率低速非连续运行状态的要求，该***采用电池组和充电装置配合的模式，既能够为***提供连续的稳定的电源，实现燃料供给的长距离供电，并且降低了对电网瞬时功率的需求，从而提高了安全性。

Description

增程式大功率低速非连续运行电动牵引***

技术领域

本申请涉及电力牵引领域，特别是涉及一种增程式大功率低速非连续运行电动牵引***。

背景技术

在现代社会中，电能是现代社会最主要的能源之一。电力的普遍应用和电动机的发展，为人类工业化进程提供了助推剂。

电力牵引是以电能为动力驱动电动机运行的一种牵引动力形式，是当今三种牵引动力形式(蒸汽机、内燃机、电力)之一。在常规牵引功率需求的领域，蒸汽机、内燃机和电力都有着十分广泛的应用。

在大功率电力牵引方面，目前国内外绝大部分用于电力机车，在铁路线上使用，采用不间断架线式电力电源做动力，具有速度高、续航里程远、负载大、连续运行等特点。目前，铁路用电力机车技术已经很成熟。然而，针对大功率、低速、非连续运行的工况环境下，电力牵引***是个空白。

电网供电的电力牵引模式，从纯牵引的角度是最简便的，初期相关设备的投资低、使用方便。但是，电网供电的电力牵引模式也存在非常显著的弊端。首先是增加了架线的投入，特别是牵引需求地远离高压电网的情况下，电网的建设需要很大的投资，建高压电网涉及的相关手续繁琐。其次，在某些情况下存在用电安全风险，比如需要牵引的设备部分或全部浸没在水里。最后，非连续的、兆瓦级功率负载对电网的稳定性是一个严峻的挑战。总之，电网供电存在灵活性差、安全风险高和电网稳定性受到影响等很难克服的问题。

实用新型内容

本申请的目的在于克服上述问题或者至少部分地解决或缓减解决上述问题。

根据本申请的一个方面，提供了一种增程式大功率低速非连续运行电动牵引***，该***包括：

电池组，用于存储电能；

充电装置，与所述电池组连接，用于给所述电池组供电；

第一直流/直流变换器，与所述充电装置连接，用于对所述电池组的电压进行变换和稳压；

逆变器，与所述第一直流/直流变换器连接，用于将直流电压转变为交流电压；

电机控制器，与所述逆变器连接，用于控制电机的运行状态；

电机，与所述电机控制器连接；

传动***，与所述电机连接，用于在电机的驱动下控制负载的运行状态。

该***采用充电装置，能够满足大功率低速非连续运行状态的要求，该***不直接使用燃料发电牵引模式和电力牵引模式，而是采用电池组和充电装置配合的模式，既能够提供连续的稳定的电源，也能通过其他供电装置对本***的电源进行电力补给，从而能实现长距离供电，燃料发电牵引装置不必设立在该***附近，从而降低了噪音和污染；同时，相比电网直接供电，降低了对瞬时功率的需求，也避免了电力牵引装置直接与***所应用的环境，例如，水相接触，从而提高了安全性。

可选地，所述充电装置包括市电充电装置和/或燃料充电装置。

可选地，所述市电充电装置包括：

配电装置，分别与所述电池组和所述第一直流/直流变换器连接；

充电器，与所述配电装置和市电网络连接，用于利用市电给所述电池组充电。

本申请的***采用电网供电作为电力牵引，具有成本低、噪声小、环保、环境适应性强、能量转化和利用效率高等优点。利用电网对该***电池组充电时，充电功率较低，因而对电网无冲击。白天使用时可以用增程器给电池组充电，也可以用晚上的谷电给电池组充电，这样能源利用效率更高。

可选地，所述市电充电装置还包括：

第二直流/直流变换器，与所述配电装置连接；

辅助蓄电池，与所述第二直流/直流变换器连接，用于通过所述充电器存储所述市电的电能；

中央控制装置，与所述辅助蓄电池连接，用于控制所述第二直流/直流变换器、所述第一直流/直流变换器、所述电池组、所述电机控制器和所述传动***的运行。

本***采用辅助蓄电池能够对后续的装置提供电能，防止电力不足时，仪器仪表等器件不能正常指示，从而影响工作人员对***运行状况的判断；采用中央控制装置能够对多个装置进行集中控制，使得各个装置协调稳定地运行。

可选地，所述配电装置包括主支路和副支路，其中所述主支路用于给所述电机供电，所述副支路用于通过所述辅助蓄电池给仪器仪表供电。

可选地，所述燃料充电装置包括：

增程器，用于将燃料提供的能量转换为电能；

增程器控制器，与所述增程器连接，用于控制所述增程器的运行状态；

配电装置，分别与所述增程器控制器、所述电池组和所述第一直流/直流变换器连接，用于将所述增程器提供的能量传送到所述电池组。

本申请的***采用增程器和增程器控制器，相对于传统的大型内燃机(柴油机或燃气轮机)动力或者电网供电的电力牵引***，具有成本低、噪声小、环保、环境适应性强、能量转化和利用效率高等优点。

可选地，所述增程器为燃料电池装置或者热机发电装置。

可选地，所述增程器包括：

燃料存储装置，用于存储燃料；

发电机，与所述燃料存储装置连接，用于利用所述燃料进行发电。

可选地，所述充电装置包括：

配电装置，分别与所述电池组和所述第一直流/直流变换器连接；

充电器，分别与所述配电装置和市电网络连接，用于利用市电给所述电池组充电；

第二直流/直流变换器，与所述配电装置连接；

辅助蓄电池，与所述第二直流/直流变换器连接，用于通过所述充电器存储所述市电的电能；

增程器，用于将燃料提供的能量转换为电能；

增程器控制器，分别与所述增程器和所述配电装置连接，用于控制所述增程器的运行状态；

中央控制装置，与所述辅助蓄电池连接，用于控制所述第二直流/直流变换器、所述第一直流/直流变换器、所述电池组、所述电机控制器、所述增程器控制器和所述传动***的运行。

本申请的***采用燃料和电网两种方式为电池组供电，能够实现各种的方式相互补充，从而为***的稳定运行提供了多重保障。

可选地，所述第一直流/直流变换器为双向变换器，用于通过制动能量回收给所述电池组充电。

本申请采用能量回收控制方式加大电机的负荷，并根据传动***和不同的负载设定，将负载减速时的部分动能输出到电池组，供其他状态时使用；通过这种对电机即时驱动模式，将原来白白浪费掉的制动动能得以部分有效利用。

根据下文结合附图对本申请的具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本申请的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本申请的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本申请一个实施例的电动牵引***的示意性结构图；

图2是根据本申请另一个实施例的电动牵引***的示意性结构图；

图3是根据本申请另一个实施例的电动牵引***的示意性结构图；

图4是根据本申请另一个实施例的电动牵引***的示意性结构图。

具体实施方式

根据下文结合附图对本申请的具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本申请的上述以及其他目的、优点和特征。显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的部件实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

为了便于理解本实用新型，首先对电动牵引***领域以及相关应用领域中的一些术语简单介绍如下：

“增程器”英文Range-extender的中文翻译。在中文、电动汽车语境下，特别指能增加电动汽车续航里程的燃油发电机。该燃油发电机运行时，给电动汽车的电池组充电。

“人工冲浪池”指一个水池，水池里有人工制造的波浪，可供冲浪爱好者从事冲浪体育运动。根据国际上建造的人工冲浪池项目，其占地面积约100-200 米宽、500-800米长。牵引波浪设备的功率约1-20MW，速度为1-10米每秒。

“非连续运行”根据通常电机运行的工作制，指电机不在额定负载下长时间稳定运行，包含(但不局限于)短时工作制、断续周期工作制等。

“电池过放”指电池正常放电至截止电压后,继续放电。电池过放对电池的寿命有害。

实施例一

本申请的一个实施方案提供了一种增程式大功率低速非连续运行电动牵引***。图1是根据本申请一个实施例的电动牵引***的示意性结构图。该***可以包括：

电池组，用于存储电能；

充电装置，与所述电池组连接，用于给所述电池组供电；

第一直流/直流(DC/DC)变换器，与所述充电装置连接，用于对所述电池组的电压进行变换和稳压；

逆变器，与所述第一直流/直流变换器连接，用于将直流电压转变为交流电压；

电机控制器，与所述逆变器连接，用于控制电机的运行状态；

电机，与所述电机控制器连接；

传动***，与所述电机连接，用于在电机的驱动下控制负载的运行状态。

该***采用充电装置，能够满足大功率低速非连续运行状态的要求，该***不直接使用燃料发电牵引模式和电力牵引模式，而是采用电池组和充电装置配合的模式，既能够提供连续的稳定的电源，也能通过其他供电装置对本***的电源进行电力补给，从而能实现长距离供电，燃料发电牵引装置不必设立在该***附近，从而降低了噪音和污染；同时，相比电网直接供电，降低了对瞬时功率的需求，也避免了电力牵引装置直接与***所应用的环境，例如，水想接触，从而提高了安全性。

本实用新型提供的***主要特点有：***电机在非连续运行制式下运行，牵引功率大于1MW；牵引速度范围大，能够达到0.2米每秒至30米每秒之间；***内部能量供给为增程式电动***，且包含电储能式制动能量的回收***，以达到成本低、节能、环保、环境适应性强及工作效率和能源利用效率高的目的。

可选地，电机可以是电动机或发单机，其中，电动机为可逆电机或不可逆电机，电机驱动方式为单电机驱动、双电机驱动或多电机驱动。

可选地，所述电池组为钠硫电池、钒电池、锂电池、铅酸电池或超级电容。

在本申请中，给***的电池组充电方式包括三种：通过电网给电池组充电、通过增程器给电池组充电和通过制动能量回收给电池组充电。

电池组具有电池管理***(BATTERY MANAGEMENT SYSTEM,BMS) 该电池管理***能够提高电池组的利用率，防止电池组出现过度充电和过度放电。根据BMS和中央控制***，在***配置增程器的情况下，电池组能够有效避免过放现象，从而提高电池组的使用寿命。

可选地，所述充电装置包括市电充电装置和/或燃料充电装置。

本申请的***对于电池组的充电方式，既可以采用市电充电的模式，也可以采用燃料充电的方式，也可以同时具有两种充电装置，同时使用市电和燃料充电，二者互为补充，保证了本***电力供给的连续性。

实施例二

本申请的一个实施方案还提供了一种增程式大功率低速非连续运行电动牵引***。该***至少包括实施例一中***的各个组成部件，并且可以采用市电充电的模式。图2是根据本申请另一个实施例的电动牵引***的示意性结构图。在该图中，长虚线表示市电充电装置，短虚线表示信号的控制关系，实线表示部件之间的连接关系。其中，所述市电充电装置可以包括：

配电装置，分别与所述电池组和所述第一直流/直流变换器连接；

充电器，与所述配电装置和市电网络连接，用于利用市电给所述电池组充电。

其中充电器通过插座和插销与市电网络连接，能够从电网上获取电力能量，进而给电池组供电，由于采用了洁净能源不会造成电力污染，同时，能够将电网的电力进行存储，从而电网可以不用提供特别大的功率，缓解了电网的功率压力。

用本申请的***采用电网供电作为电力牵引，具有成本低、噪声小、环保、环境适应性强、能量转化和利用效率高等优点。利用电网对该***电池组充电时，充电功率较低，因而对电网无冲击。白天使用时可以用增程器给电池组充电，也可以用晚上的谷电给电池组充电，这样能源利用效率更高。

与现有技术相比，本申请的有益效果是：既满足大功率、低速和非连续运行的牵引需求，又满足了成本低、噪声小、环保、环境适应性强、能量转化和利用效率高等优点。

可选地，所述市电充电装置还可以包括：

第二直流/直流变换器，与所述配电装置连接；

辅助蓄电池，与所述第二直流/直流变换器连接，用于通过所述充电器存储所述市电的电能；

中央控制装置，与所述辅助蓄电池连接，用于控制所述第二直流/直流变换器、所述第一直流/直流变换器、所述电池组、所述电机控制器和所述传动***的运行。

可选地，辅助蓄电池可以与仪器仪表等连接。

本***采用辅助蓄电池能够对后续的装置提供电能，防止电力不足时，仪器仪表等器件不能正常指示，从而影响工作人员对***运行状况的判断；采用中央控制装置能够对多个装置进行集中控制，使得各个装置协调稳定地运行。

其中，中央控制装置对仪器仪表、辅助蓄电池、增程器控制器、电池组、电机控制器、传动***等进行综合监控。中央控制***发出指令，通过电机控制器对电机的启停、转速、转向、能量回收等进行控制；中央控制***发出指令，通过增程器控制器实现对增程器的运行状态进行监控；中央控制***发出指令，通过电池管理***对电池组的荷电状态、电池组的工作状态、单体电池间和电池组间的均衡等进行管理。

可选地，所述配电装置可以为配电柜。配电装置可以包括主支路和副支路，其中所述主支路用于给所述电机供电，所述副支路用于通过所述辅助蓄电池给仪器仪表供电。

实施例三

本申请的一个实施方案还提供了一种增程式大功率低速非连续运行电动牵引***。该***至少包括实施例一中***的各个组成部件，并且可以采用燃料充电的模式。图3是根据本申请另一个实施例的电动牵引***的示意性结构图。在该图中，虚线表示燃料充电装置，实线表示部件之间的连接关系。其中，所述燃料充电装置可以包括：

增程器，用于将燃料提供的能量转换为电能；

增程器控制器，与所述增程器连接，用于控制所述增程器的运行状态；

配电装置，分别与所述增程器控制器、所述电池组和所述第一直流/直流变换器连接，用于将所述增程器提供的能量传送到所述电池组。

本申请的***采用增程器和增程器控制器，相对于传统的大型内燃机(柴油机或燃气轮机)动力或者电网供电的电力牵引***，具有成本低、噪声小、环保、环境适应性强、能量转化和利用效率高等优点。

可选地，所述增程器为燃料电池装置或者热机发电装置。热机包括：汽油机、柴油机、天然气发动机、燃气轮机、斯特林机。

可选地，所述增程器包括燃料存储装置和发电机，其中燃料存储装置用于存储燃料；发电机与所述燃料存储装置连接，用于利用所述燃料进行发电。

可选地，所述增程器控制器为发电机。

在一个可选实施方案中，实施例二和实施例三可以合在一起使用，此时两种模式可以共用一个配电装置，也可以是使用两个独立的配电装置。

实施例四

本申请的一个实施方案还提供了一种增程式大功率低速非连续运行电动牵引***。该***至少包括实施例一中***的各个组成部件，并且可以采用市电充电装置和燃料充电两种模式。图4是根据本申请另一个实施例的电动牵引***的示意性结构图。在该图中，虚线表示信号的控制关系，实线表示部件之间的连接关系。其中，所述充电装置可以包括：

配电装置，分别与所述电池组和所述第一直流/直流变换器连接；

充电器，分别与所述配电装置和市电网络连接，用于利用市电给所述电池组充电；

第二直流/直流变换器，与所述配电装置连接；

辅助蓄电池，与所述第二直流/直流变换器连接，用于通过所述充电器存储所述市电的电能；

增程器，用于将燃料提供的能量转换为电能；

增程器控制器，分别与所述增程器和所述配电装置连接，用于控制所述增程器的运行状态；

中央控制装置，与所述辅助蓄电池连接，用于控制所述第二直流/直流变换器、所述第一直流/直流变换器、所述电池组、所述电机控制器、所述增程器控制器和所述传动***的运行。

其中，充电器端可以通过插销和插座接入市电网络，发电机控制器可以插销和插座接入配电装置。

通过本申请的***采用燃料和电网两种方式为电池组供电，能够实现各种的方式相互补充，从而为***的稳定运行提供了多重保障。

本申请的***的典型工作模式可以包括：

(1)负载运行模式

电池组通过配电柜，通过第一DC/DC变换器进行稳压、通过逆变器变成交流，然后驱动电机，电机再通过传动***，最终驱动负载。电机控制器对电机的启停、转速、转向等进行控制。

对***的能量来说，负载运行模式为大量消耗***的电能(来自***的电池组)，对外提供大功率的机械能。

(2)增程器运行模式

当中央控制***要求给电池组需要充电时，增程器开启，通过配电柜对电池组进行充电。增程器消耗***自带的燃料，转化为电能存储在电池组中。增程器的发电功率可以根据需要进行优化配置。

增程器可以和负载模式同时运行，也可以单独运行。

(3)电网充电模式

***连接电网(220V、380V)，充电器通过配电柜给电池组充电。特别地，在谷电期间对电池组进行充电，能够提高能源综合利用效率。通常，电网有谷电价格优惠机制，对充电侧来说，成本更低。

(4)加注燃料模式

该模式用于给增程器的燃料箱加装燃料。根据所采用增程器的不同，可以加不同的燃料。比如，内燃机可以加汽油、柴油、甲醇、天然气等，燃料电池可以加氢气、甲烷等。

在上述所有实施例中，所述第一直流/直流变换器为双向变换器，用于通过制动能量回收给所述电池组充电。

第一直流/直流变换器能够对电压变换：通过DC/DC变换器对燃料电池的输出电压进行变换后再提供给电机驱动器；同时能够稳定电压：燃料电池的输出电压不稳，通过DC/DC变换器闭环控制***对其进行稳压。

本申请采用能量回收控制方式加大电机的负荷，并根据传动***和不同的负载设定，将负载减速时的部分动能输出到电池组，供其他状态时使用；通过这种对电机即时驱动模式，将原来白白浪费掉的制动动能得以部分有效利用。

上述实施方案中增程***和牵引***相互独立。在仅有电力牵引的***中，虽然简化了***结构，但配电柜仍可以保留增程器为电池组充电的接口。

本申请提供的***可应用于多个领域，例如，人工冲浪池、铁路机车牵引、矿山等工业领域等。

在一个实施方案中，本申请还提供了一种人工冲浪池***，包括如上所述的任一个电动牵引***，所述电动牵引***用于给容纳在所述人工冲浪池中的液体提供动能，以便形成波浪。

人工冲浪池***包括牵引车，牵引车上安装的车载充电柜，通过配电箱上设有的插座，能够随时对电池组进行充电。人工冲浪池对牵引的要求是：功率约1至20MW，牵引速度1至10米每秒，牵引的距离小于1千米。人工冲浪池***中，电机起、停和满载运行的时间周期为分钟级，通常是1至5分钟。本申请提供的增程式大功率低速非连续运行电动牵引***能够满足人工冲浪池***的牵引要求。

上述的实施方式，只是本申请用于真实工况时的若干种情况。本事情提供的增程式大功率低速非连续运行电动牵引***，是针对大功率、低速、非连续运行电力牵引提出的，该***采用电池组作为储能设备，解决了大功率牵引需求时的能源供给难题，并利用增程器给电池组供电，分别实现了电池组小功率灵活充电、大功率非连续放电和低速非连续运行的难题，同时***简单可靠，能源转换和利用效率高的目的。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种增程式大功率低速非连续运行电动牵引***，其特征在于，该***包括：

电池组，用于存储电能；

充电装置，与所述电池组连接，用于给所述电池组供电；

第一直流/直流变换器，与所述充电装置连接，用于对所述电池组的电压进行变换和稳压；

逆变器，与所述第一直流/直流变换器连接，用于将直流电压转变为交流电压；

电机控制器，与所述逆变器连接，用于控制电机的运行状态；

电机，与所述电机控制器连接；和

传动***，与所述电机连接，用于在电机的驱动下控制负载的运行状态。

2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述充电装置包括市电充电装置和/或燃料充电装置。

3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述市电充电装置包括：

配电装置，分别与所述电池组和所述第一直流/直流变换器连接；和

充电器，与所述配电装置和市电网络连接，用于利用市电给所述电池组充电。

4.根据权利要求3所述的***，其特征在于，所述市电充电装置还包括：

第二直流/直流变换器，与所述配电装置连接；

辅助蓄电池，与所述第二直流/直流变换器连接，用于通过所述充电器存储所述市电的电能；和

中央控制装置，与所述辅助蓄电池连接，用于控制所述第二直流/直流变换器、所述第一直流/直流变换器、所述电池组、所述电机控制器和所述传动***的运行。

5.根据权利要求4所述的***，其特征在于，所述配电装置包括主支路和副支路，其中所述主支路用于给所述电机供电，所述副支路用于通过所述辅助蓄电池给仪器仪表供电。

6.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述燃料充电装置包括：

增程器，用于将燃料提供的能量转换为电能；

增程器控制器，与所述增程器连接，用于控制所述增程器的运行状态；和

配电装置，分别与所述增程器控制器、所述电池组和所述第一直流/直流变换器连接，用于将所述增程器提供的能量传送到所述电池组。

7.根据权利要求6所述的***，其特征在于，所述增程器为燃料电池装置或者热机发电装置。

8.根据权利要求6所述的***，其特征在于，所述增程器包括：

燃料存储装置，用于存储燃料；和

发电机，与所述燃料存储装置连接，用于利用所述燃料进行发电。

9.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述充电装置包括：

配电装置，分别与所述电池组和所述第一直流/直流变换器连接；

充电器，分别与所述配电装置和市电网络连接，用于利用市电给所述电池组充电；

第二直流/直流变换器，与所述配电装置连接；

辅助蓄电池，与所述第二直流/直流变换器连接，用于通过所述充电器存储所述市电的电能；

增程器，用于将燃料提供的能量转换为电能；

增程器控制器，分别与所述增程器和所述配电装置连接，用于控制所述增程器的运行状态；和

中央控制装置，与所述辅助蓄电池连接，用于控制所述第二直流/直流变换器、所述第一直流/直流变换器、所述电池组、所述电机控制器、所述增程器控制器和所述传动***的运行。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的***，其特征在于，所述第一直流/直流变换器为双向变换器，用于通过制动能量回收给所述电池组充电。