專利名稱：多發(fā)動機混合型機車的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及機車領域，并且，更具體而言，涉及由牽引電動機(electrictraction motor)提供動力的機車，其中，由通過利用燃料提供動力的發(fā)動機所驅動的發(fā)電機進行 充電的電池向電動機提供電功率。
背景技術：
現有的鐵路機車通常通過柴油動力系統(tǒng)(diesel electric system)提供動力，其中，
柴油機驅動發(fā)電機以產生電功率為推進(propel)機車的驅動輪(drive wheel)的電動機提供 能量。近來，對創(chuàng)新改進型機車的關注已增加，在該改進型機車中，通過諸如電池這樣 的能量存儲裝置(energy storagedevice)來提供電功率，連接電池以根據需要通過使用燃料 動力發(fā)動機的發(fā)電機進行充電，燃料動力發(fā)動機諸如柴油機、燃氣渦輪(gas turbine)、液 化天然氣(LiquidNatural Gas，LNG)發(fā)動機、汽油發(fā)動機(gasoline engine)、或者甚至以 氫氣為燃料的內燃機(Internal Combustion Engine, ICE)。在汽車工業(yè)中這樣的方案公知 為“混合”車輛。這些混合車輛具有提高的燃料效率和降低的污染的優(yōu)點。在6,308,639號美國專利(‘639專利)中公開了創(chuàng)新一種混合型機車的一個 嘗試。該‘639專利公開了這樣的機車，其中，燃氣微型渦輪發(fā)電機(gasmicroturbine generator)為電池提供再充電流(recharging current)。所公開的機車具有使用多個牽弓I電 動機的傳統(tǒng)牽引驅動器，每一個牽引電動機按驅動關系(driving relationship)耦接到機車 驅動軸中相應的一個。牽引功率控制器對使用來自車載(on-board)電池的電功率的牽引 電動機進行控制。由燃氣微型渦輪驅動的發(fā)電機被電連接到電池以使電池保持在充電狀 態(tài)。響應于電池的充電狀態(tài)來控制發(fā)電機和相關聯的燃氣渦輪機。圖1示出了 ‘639專 利的動力系統(tǒng)，其中，由牽引電動機14驅動機車車輪12。用于牽引電動機的電功率由 蓄電池16提供并且由牽引功率控制器18控制，牽引功率控制器18可以便響應于操作員 的節(jié)流閥和方向信息使用脈沖寬度調制來調節(jié)(regulate)電功率。電池16由微型渦輪發(fā) 電機22充電，該微型渦輪發(fā)電機包含被耦接到交流發(fā)電機26的燃氣微型渦輪24。微型 渦輪發(fā)電機的控制由車載PLC 30(可編程邏輯控制器)操縱，該車載PLC對電池充電狀 態(tài)、周圍溫度進行監(jiān)測并且具有用于電池均衡(battery equalization)的時鐘/日歷。當 電池接近其產氣電壓(gassing voltage)時，該氣電壓代表高充電狀態(tài)，微型渦輪發(fā)生器關 閉。相反地，當電池16的充電降至低于一定水平時，微型渦輪被起動。只有當所有電 池單元完全充電時電池均衡維持，高充電狀態(tài)才將發(fā)生。因此，微型渦輪機24確定其容 量以使其將以最大功率輸出在恒定的負載下運行持續(xù)的時間段。輔助負載(auxiliary load) 在標稱電壓600V DC處從電池充電源吸收功率(draw)，該標稱電壓600V DC由逆變器 (inverter) 32變換到480V AC,以便運行機車的空氣壓縮機(air compressor) 34、牽引電動 機鼓風機(traction motor blower) 36和75V電池充電器38，電池充電器3 8用于對為控制 和照明供電的64V電池充電。在‘ 639專利中所公開的系統(tǒng)是為調車場調車機車(yard switcherlocomotive)而設計，該機車不需要 長期持續(xù)供電而是具有短期供電需要，這樣的短期供電需要使得利 用相對小型的發(fā)電機能夠完成電池的連續(xù)再充電。蓄電池16與充電電源22的儲能容量 之比對于成本、燃料消耗以及微型渦輪24的污染物排放的最小化是重要的。以kwH計 的儲存能量與以kW計的充電功率之比可以被表示為小時數。所公開的系統(tǒng)的最佳性能 被描述為8小時充電率周期或者更長，其表示每IOOOkwH的電池存儲量的充電功率最大 為125kW。理想情況是，在這些情況中的微型渦輪將連續(xù)運行至少1/2小時時間段，并 且優(yōu)選地在沒有中止的情況下連續(xù)運行，即連續(xù)運行100小時或者更多。


為了對本發(fā)明更好的理解，需要結合附圖參考下面的詳細描述，附圖中圖1示出了已有技術的混合型機車動力系統(tǒng)；圖2是以本發(fā)明的一種形式的混合型機車動力系統(tǒng)的方框示意圖；圖3是以本發(fā)明的第二種形式的混合型機車動力系統(tǒng)的方框示意圖；圖4示出了使用大型單個APU、雙APU和三APU的實現的混合型機車的效率 比較，其中雙APU中每一個APU額定功率為總額定功率的50%，三APU中每一個APU 額定功率為總額定功率的33%。圖5示出了混合型機車的正常運行；圖6示出了具有APU故障的混合型機車的運行；圖7示出了具有增加的APU額定容量的混合型機車的運行；圖8是混合型機車能量管理系統(tǒng)傳感器信號和功率控制的方框示意圖；圖9是混合型機車APU功率控制的方框示意圖。
具體實施例方式參照圖2，其以方框示意圖形式示出了本發(fā)明的一種形式的簡化描述。應當理 解，除了表示外部電源的方塊12之外，圖2的所有元件都是機車的部分。未示出的機 車可以是調車場調車機車或具有多個固定在機車車輪上的驅動軸的其它短程路機車(short haul road locomotive) 典型地，所述機車包括在其上安裝了一對或多個軸的鐵路敞車 (truck)。而且，通常每一個機車的驅動軸具有單獨的牽引電動機，雖然諸如每個鐵路敞 車對應一個電動機或每個控制對應一個電動機這樣的其它配置也是公知的。雖然其它數 量也是常見的，但是在圖2中，機車被示為具有4個牽引電動機14。每一個電動機14由 單獨的對應牽引電動機驅動器16控制。驅動器16可以是PWM、斬波器(chopper)或相 位控制，所有這些都是本領域所公知的。經由驅動器16從能量存儲裝置18向電動機14 提供電功率，該能量存儲裝置18可以是電池或任何其它適合的儲能系統(tǒng)?？梢砸耘c各自 的牽引電動機一對一的比率設置牽引驅動器16，或者將每一個牽引驅動器16設置為向限 定的電動機組供電，所限定的電動機組諸如在一個鐵路敞車上的所有電動機。從被示為多個交流發(fā)電機(alternator) /整流器(rectifier) /穩(wěn)壓器 (voltageregulator)單元20的發(fā)電機系統(tǒng)對設備18充電和再充電。每一個單元20由各自 的使用燃料的內燃機22驅動，諸如小型柴油機或燃氣渦輪。如所示，有多個這樣的發(fā)動 機/發(fā)電機單元和大量這樣的單元可以選擇，取決于機車將要實行的行動的具體安排。要注意的是，每一個發(fā)動機22還可以按驅動關系連接到相應的空氣壓縮機24，以便維持 對所有壓縮機公用的壓縮空氣箱26中的空氣壓力。發(fā)動機22還可以連接到其它輔助負 載。每一個交流發(fā)電機單元20的功率輸出被耦接到電源選擇和功率潮流控制塊28?？?制塊28將來自所有電源的電功率求和和/或選擇電源，包括來自外部源12的電功率，并 且將該電功率施加到能量存儲裝置18。控制塊28還檢測來自牽引電動機的能量需求和設 備18的充電狀態(tài)，以確定何時開動發(fā)動機22以及開動多少發(fā)動機22以對設備18進行充 H1^ ο在圖3中示出了圖2的系統(tǒng)的替換實施例。在本替換實施例中，牽引電動機14 和相關聯的驅動器16按組分到各個單元30、32。該單元可以是在機車的其中一個鐵路敞 車上的所有電動機或所選擇的一些其它裝置。在本實施例中，每一個單元30、32具有其 自己的能量存儲裝置18a、18b，并且經由其中一個單獨的功率潮流控制塊28從其中的一 個單獨的發(fā)動機22對每一個設備18a、18b充電。外部電源耦接到每個控制塊28。還可 以預期，可以在能量存儲裝置18a、18b之間提供互連接34，以便可以在系統(tǒng)故障的過程 中在一個供電單元中轉移能量。還可以預期，可以對系統(tǒng)進行配置，以使每一個軸具有 單獨的可再充電能量存儲裝置，并且能夠從單獨的發(fā)動機/交流發(fā)電機單元對每一個能 量存儲裝置進行再充電或者能夠從一個公共單元設備組對設備組進行再充電?，F在轉向圖4，其示出了發(fā)動機/交流發(fā)電機效率作為滿載百分比函數的曲線 圖。假設滿載為100千瓦(IOOkw)，則單個發(fā)動機/交流發(fā)電機的組合產生40所示的效 率曲線?？梢钥吹剑钡截撦d達到60%以上效率才達到最大值。如果用2個單元替代 單個發(fā)動機/交流發(fā)電機，每個單元產生50kw，則效率曲線呈現為42所示的那樣，其中 在低于滿載的40%處達到最大效率。增加額外的發(fā)動機/交流發(fā)電機單元，每個單元具 有33kw的滿載容量，導致近似于曲線44的效率曲線，其中在大約滿載的20%的負載處 達到最大效率。而且，該較高的效率被保持在較寬的負載范圍上。具有多個較低功率發(fā) 動機的好處不只是效率，還導致較少的排放物。而且，在電池充電周期中，通過降低電 池充電時間可以進一步地減少排放物。圖5示出了用于混合型機車電池的理想充電/放電方案。在Y軸或縱軸上表示 電池充電，同時沿X軸或橫軸表示時間。在由參考標記46所示的每一個充電/放電周 期中，電池放電至大約全部充電的40%，然后被再充電一段時間回到全充狀態(tài)。換句話 說，每一個機車計劃運行(mission)都占有短的持續(xù)時間，在示意性示例中近似為40分 鐘，并且電池充電率統(tǒng)一為在大約60分鐘內對電池再充電。在本例中，單個發(fā)動機/交 流發(fā)電機的組合足夠用以維持機車的性能。遺憾的是，所有的機車計劃運行都不是理想的。圖6示出了在不允許電池變?yōu)?再次被全充的情況下重復計劃運行的結果。這可能是由電源的故障而造成(由此造成充 電的容量降低)或者由較重的負載而造成。如曲線圖的48處所示，第一計劃運行將電池 放電至大約30 %并且在下一個計劃運行在50處開始之前電池僅達到大約80 %充電容量。 在開始再充電周期之前，電池在52處放電至大約15%電荷。雖然在52處計劃運行結束 與在54處下一個計劃運行開始之間有一段長時間段，但是在下一個計劃運行開始 之前電 池還是沒有達到全充狀態(tài)。該計劃運行將電池在58處放電至大約20%，但是直到60處 下一個計劃運行開始時只有一個短的充電周期。最后一個計劃運行將電池充電量耗盡至零而導致在62處的計劃運行失敗。在該點，機車退出運行(out of service)并且需要大量 時間以便使用單個發(fā)動機/交流發(fā)電機組合使電池恢復。圖7示出了用于混合型機車的多個發(fā)動機/交流發(fā)電機系統(tǒng)的好處之一。在本例 中，在64處的電池放電率被示為高于圖6的電池放電率，并且在66處的再充電率更高， 這是由于多個發(fā)動機/交流發(fā)電機充電單元的增加容量而造成。因此，即使放電周期高 于圖6的放電周期，再充電率也足夠大到使電池能夠在每一個放電事件或計劃運行之間 被完全充電。如果不提高再充電率，則所有的計劃運行都不能被完成。
將會認識到，諸如圖2的單元20那樣的發(fā)動機/交流發(fā)電機單元每當(whenever) 所存儲的電能降低到某一預設水平時就將被開動。這保證了在放電周期期間至少由機車 所使用的部分電能通過單元20補充(replenish)?？商鎿Q地，當設計時可以考慮圖2的系 統(tǒng)為對于來自發(fā)動機/交流發(fā)電機單元的可用功率。例如，如果機車需要2000 HP并且 假設是三個發(fā)動機/交流發(fā)電機設計，來自單元20的可用牽引電功率對于總計1200HP僅 為每單元400HP，則電功率的不足必須由儲能系統(tǒng)來補足，或是可再充電的電池、或是 飛輪(flywheel)、或是電容存儲器。如果只有兩個發(fā)動機/交流發(fā)電機單元，則不足較大 (除非通過犧牲效率來提高發(fā)動機容量)，并且機車可產生相同的電功率持續(xù)較短時間段 并可需要較長時間段來對能量存儲裝置再充電。圖8和9示出了用于圖2的多個發(fā)動機/交流發(fā)電機系統(tǒng)的一個控制方案。首 先參照圖8，圖中示出了傳統(tǒng)的比例加積分式(proportional plus integral, PI)控制器70，
其響應于來自牽引用電池電壓監(jiān)測器72的信號和來自塊74的參考電壓，以產生誤差信 號施加到屬于本領域所公知的類型的電壓增益/電壓誤差塊76。然后，來自塊76的放 大誤差信號被施加到電壓限制塊78，接著來自塊78的合成值受限信號(the resulting value limited signal)被耦接到求和點80。來自塊72的電池電壓信號也被施加到乘法器電路 (multipliercircuit)82,在這里其被乘以來自監(jiān)測器塊84的牽引電動機電流的值。其結果 是施加到牽引電動機的電功率。在經過塊85合適的增益電路和塊88的功率限制電路處 理之后，功率信號被施加到求和點80用以與來自塊78的誤差信號求和。與此同時，將 塊72a的電池電壓與來自塊90的參考電壓相比較，然后經過塊92合適的增益電路和塊94 功率限制電路處理，并且也被耦接到求和點80。塊72a、90、92和94組成(make up)牽 引用電池的過壓保護電路以防止電池的過充。來自求和點80的輸出通過功率限制塊96 傳輸并且變?yōu)楣β士刂菩盘?，表示為EMS功率指令信號(Power Command signal)，其用 于控制發(fā)動引/交流發(fā)電機單元20的開動(actuation)并且被施加到圖9的系統(tǒng)。圖9示出了用于多個發(fā)動機/交流發(fā)電機混合型機車的一種形式的控制系統(tǒng)。在 接合點98處對來自圖8的EMS信號與輔助功率命令(以傳統(tǒng)方式生成，以表示對用于運 行耦接到機車的系統(tǒng)的輔助電功率而非用于驅動電動機的牽引電功率的需求)求和以產 生總電功率需求。該信號被耦接到基于微處理器的控制器100，其被編程以通過選擇性 地開動發(fā)動機/交流發(fā)電機單元20來對機車系統(tǒng)的運行最優(yōu)化。該處理器可以使用查詢 表或其它算法以確定每一個發(fā)動機/交流發(fā)電機單元將在何時是工作的以及工作多長時 間。每一個單元20包括控制器102，其將來自控制器100的功率控制信號轉換為相應的 用于發(fā)動機的速度命令和用于交流發(fā)電機的功率輸出命令。各自的速度和功率命令被施 加到相應的速度控制塊104和交流發(fā)電機穩(wěn)壓器塊106。來自每一個交流發(fā)電機的輸出功率在牽引用電池18處被求和并且被 施加到機車牽引功率母線108。
權利要求
1.一種混合型動力機車系統(tǒng)，其包含多個內燃機；多個發(fā)電機，其每一個均被耦接以由所述多個內燃機中對應的一個驅動；多個牽引電動機，其按驅動關系耦接到機車的多個輪-軸組中的相應的一個。至少一個牽引電動機驅動器，其連接對到牽引電動機的功率進行控制；功率存儲裝置，其被耦接以向所述牽引電動機驅動器供電；電功率控制器，其被配置以將來自所述發(fā)電機的電功率耦接到所述功率存儲裝置， 該電功率控制器檢測所述功率存儲裝置中的可用能量以及來自所述牽引驅動器的、用于 開動所選擇的所述多個內燃機中的一個以對所述功率存儲裝置進行充電的功率需求。
2.如權利要求1所述的混合型動力機車系統(tǒng)，還包括單獨的牽引電動機驅動器， 其用于所定義的牽引電動機組中的每一個。
3.如權利要求2所述的混合型動力機車系統(tǒng)，其中，每一組牽引電動機包含一個或 多個電動機。
4.如權利要求3所述的混合型動力機車系統(tǒng)，其中，所述牽引電動機和相關聯的牽 引驅動器被配置為多個電動機組，每一個電動機組具有單獨的能量存儲裝置，并且每一 個能量存儲裝置由不同的所述發(fā)電機中的一個進行充電。
5.如權利要求2所述的混合型動力機車系統(tǒng)，其中，所述能量存儲裝置包括牽引用 電池。
6.如權利要求2所述的混合型動力機車系統(tǒng)，其中，所述能量存儲裝置包括超級 電容器、飛輪、或牽引用電池和超級電容器或飛輪的組合。
7.如權利要求1所述的混合型動力機車系統(tǒng)還包括能量管理系統(tǒng)功率控制器，其 包含使用所述儲能單元的檢測電壓和用于控制所述內燃機的選擇性運行的牽引電動機電 功率需求的控制器。
8.如權利要求7所述的混合型動力機車系統(tǒng)，其中，所述控制器產生能量管理功率 控制信號，其包含下列的總和第一誤差，其表示能量存儲裝置電壓與第一參考電壓之間的差；功率信號，其表示牽引驅動功率需求；和第二誤差，其表示牽引用電池電壓與表示過電壓狀態(tài)的第二參考信號之間的差。
9.如權利要求8所述的混合型動力機車系統(tǒng)，其中，所述控制將輔助負載所需要的 電功率與牽引電動機電功率綜合，以形成用于多個發(fā)電機的總電功率需求。
10.如權利要求9所述的混合型動力機車系統(tǒng)，其中，所述功率需求信號由查詢表生成。
11.如權利要求3所述的混合型動力機車系統(tǒng)，其中，所述能量存儲裝置包括多個設 備，每一個設備均被耦接以向所選擇的牽引電動機驅動器中的一個供電并且從所述發(fā)電 機中的每一個接收電功率。
全文摘要
提供了一種混合型動力機車系統(tǒng)，其具有多個內燃機用于驅動向至少一個牽引用電池供電的多個發(fā)電機。電池連接以向多個牽引電動機供電，所述多個牽引電動機按驅動關系耦接到相應的機車的多個輪-軸組中的一個。至少一個牽引電動機驅動器連接用以控制到牽引電動機的電功率。電功率控制器被配置用于將來自發(fā)電機的電功率耦接到電池，并且檢測電池中的可用電能和來自牽引驅動器的、用于開動所選擇的多個內燃機中的一個以對電池進行充電的電功率需求。
文檔編號B60L11/18GK102015353SQ200680020881
公開日2011年4月13日 申請日期2006年6月7日 優(yōu)先權日2005年6月15日
發(fā)明者倫納德·M·希爾, 羅伯特·D·金, 阿吉思·K·庫馬, 陸志鴻 申請人:通用電氣公司