專利名稱：交通車輛供電系統(tǒng)及其管理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及交通車輛供電領(lǐng)域，且更具體地涉及一種交通車輛供電系統(tǒng)及其管理方法。

背景技術(shù)：
現(xiàn)有交通車輛的動力供應(yīng)主要通過以下幾種方式實(shí)現(xiàn) 1.對于地鐵及輕軌車輛、有軌電車、無軌電車，必須在地面設(shè)置專用的供電系統(tǒng)，供電線路可通過第三軌或接觸網(wǎng)的形式實(shí)現(xiàn)，其中，通過車載受流器接受第三軌的電源供電或通過受電弓接受接觸網(wǎng)的電源供電，并通過車載設(shè)備將該電源供電轉(zhuǎn)換成車輛動力用電和車輛控制用電，從而驅(qū)動車輛運(yùn)行。這種電能傳送方式的缺點(diǎn)在于必須設(shè)置專用的供電線路，投資大，費(fèi)用高，占地或占空間較大，影響沿途景觀，線路電能損耗高，不經(jīng)濟(jì)。
2.對于公共汽車，通過汽車發(fā)動機(jī)燃燒汽油、柴油或天然氣，以產(chǎn)生動力，驅(qū)動汽車運(yùn)行。不過當(dāng)汽車用油/氣不足時，需要通過地面加油/氣站進(jìn)行補(bǔ)充。這種燃燒油/氣方式的缺點(diǎn)在于會排放尾氣，同時發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的噪聲大，對環(huán)境的影響較大，而且加油/氣站容易引發(fā)火災(zāi)或爆炸。
3.對于鋰電池動力車輛，其采用鋰電池提供車輛動力用電和車輛控制用電。這種鋰電池供電方式雖然可避免前述兩種動力供應(yīng)方式的一些不足，不過其仍然具有以下缺點(diǎn)使用壽命短，充電時間長，充放電功率小，低溫性能差。
近年來，超級電容器技術(shù)日漸發(fā)展。超級電容屬于雙電層電容器，它的基本原理和其它種類的雙電層電容器一樣，都是利用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)獲得超大的容量，可用于供電。


發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明在此提供一種交通車輛供電系統(tǒng)及其管理方法，這種供電方案采用超級電容器技術(shù)，能夠克服鋰電池供電方案的上述缺點(diǎn)。
本發(fā)明提供一種交通車輛供電系統(tǒng)，其特征在于，該交通車輛供電系統(tǒng)包括 電容器組件，其被可拆卸地設(shè)置在交通車輛上并包括多個串聯(lián)的超級電容器，用于為車輛用電裝置供電； 充電系統(tǒng)，其能夠通過電連接器選擇性地連接到所述電容器組件，以對所述電容器組件充電；和 控制系統(tǒng)，其通過有線方式或無線方式連接到所述電容器組件，以實(shí)現(xiàn)對所述電容器組件的工作狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控及保護(hù)。
另外，本發(fā)明還提供一種用于上述交通車輛供電系統(tǒng)的管理方法，其特征在于，該管理方法包括 檢測所述電容器組件的端電壓，并且當(dāng)檢測到所述電容器組件的端電壓低于端電壓下限值時對所述電容器組件充電； 檢測所述電容器組件的端電壓和充電電流，并且當(dāng)所述電容器組件的端電壓超過端電壓上限值或充電電流超過充電電流上限值時停止充電。
由上可知，通過本發(fā)明在此提供一種交通車輛供電系統(tǒng)及其管理方法，不僅不占用公共空間且具有零排放，而且使用壽命長，充電時間短，充放電功率大，低溫性能好。



圖1是本發(fā)明提供的車輛供電系統(tǒng)的一個實(shí)施例的示意圖。
圖2是本發(fā)明提供的車輛供電系統(tǒng)的另一實(shí)施例的示意圖。

具體實(shí)施例方式 根據(jù)本發(fā)明提供的交通車輛供電系統(tǒng)及其管理方法，其中采用超級電容器技術(shù)，能夠更安全有效地實(shí)現(xiàn)交通車輛供電。
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
如圖1所示，本發(fā)明提供的交通車輛供電系統(tǒng)包括車載電容器組件110，地面充電系統(tǒng)120，和控制系統(tǒng)130。其中，電容器組件110采用超級電容器技術(shù)，其中所儲存的電能可用于為交通車輛用電裝置140供電，車輛用電裝置140可以是車輛牽引系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、輔助電氣設(shè)備等；充電系統(tǒng)120中可包括充電柜，并當(dāng)電容器組件110中所儲存的電能不足時可對電容器組件110進(jìn)行快速充電，其中電容器組件110能夠通過電連接器(例如，車輛頂部的受電弓或車輛底盤端的電連接件)選擇性地電連接到充電系統(tǒng)120進(jìn)行充電；控制系統(tǒng)130能夠通過有線或無線方式連接到電容器組件110，以對電容器組件110進(jìn)行充電控制、狀態(tài)監(jiān)視并提供充電保護(hù)功能。
以下將更詳細(xì)地描述電容器組件110、充電系統(tǒng)120和控制系統(tǒng)130的結(jié)構(gòu)，不過應(yīng)理解的是，電容器組件110、充電系統(tǒng)120和控制系統(tǒng)130的各種實(shí)施例可根據(jù)需要進(jìn)行相互組合。
1.電容器組件 電容器組件110通常設(shè)置在車輛上，不過根據(jù)需要也可設(shè)置為可連接到車輛的分立附件。電容器組件110采用超級電容器技術(shù)，其中包括多個串聯(lián)的超級電容器，其中儲存的電能可用于為車輛用電裝置供電。這些超級電容器可分別設(shè)置在多個電器箱中，例如平均設(shè)置在多個電器箱中，而這些電器箱可根據(jù)需要具有任意適合形狀并被安置在車輛中的任意適合位置，例如，安置在車輛客室的座椅下和/或車輛底盤下，等等。在一個實(shí)施例中，電容器組件110包括360個串聯(lián)的超級電容器，這些超級電容器可平均設(shè)置在12個電器箱中，其中，6個電器箱可安裝在車輛客室的座椅下，而另外6個電器箱可安裝在車輛底盤下。
在一個實(shí)施例中，電容器組件110的主要技術(shù)參數(shù)可如下表1所示 表1 通常，電容器組件110每充一次電，自重22噸的車輛可在空載且不啟動空調(diào)時連續(xù)運(yùn)行16km，或者可在重載(總重28噸)且啟動空調(diào)時連續(xù)運(yùn)行3km。
電容器組件110適用于多種交通車輛，例如，城市軌道交通車輛或無軌車輛，其中交通車輛可例如為采用直流/交流傳動系統(tǒng)的車輛。為了使電容器組件110能夠適于向不同的用電裝置供電，可采用相應(yīng)的轉(zhuǎn)換裝置(例如輔助電源)，在優(yōu)選的實(shí)施例中，交通車輛可采用DC455V/AC220V的輔助電源，或者可采用DC455V/DC27.5V的輔助電源。
在一個實(shí)施例中，電容器組件110可向空壓機(jī)(用于制動用風(fēng))、冷卻風(fēng)機(jī)、交流照明和單相交流負(fù)載供電。在這種情況下，可以采用TGF50型三相輔助逆變電源(DC455V/AC220V)作為轉(zhuǎn)換裝置，以將直流455V電壓轉(zhuǎn)換成三相220V/50Hz交流電壓，使其滿足空壓機(jī)、冷卻風(fēng)機(jī)、交流照明和單相交流負(fù)載的用電要求。
在另一實(shí)施例中，電容器組件110可向車輛牽引系統(tǒng)(例如牽引電機(jī))供電。在這種情況下，可以采用TEP-05AI01型牽引逆變器(VVVF)作為轉(zhuǎn)換裝置，以將直流電逆變成電壓、頻率可調(diào)(簡稱VVVF)的三相交流電，使其滿足車輛牽引電機(jī)(例如三相交流異步電動機(jī))的用電要求。優(yōu)選地，上述牽引逆變器(簡稱為逆變器)由一個TX001型IGBT變流器模塊、一個對外接線箱和一個由三個風(fēng)機(jī)、風(fēng)道構(gòu)成的通風(fēng)系統(tǒng)組成。
在又一實(shí)施例中，電容器組件110可向控制電源或蓄電池等負(fù)載供電。在這種情況下，可以采用DJC3K24-B型DC/DC變換器(DC455V/DC27.5V)作為轉(zhuǎn)換裝置，以將直流455V電壓經(jīng)過DC/DC變換為DC27.5V電壓輸出，使其滿足DC27.5V電源設(shè)備、控制電源以及蓄電池充電等的用電要求。
在一些情況下，由于特定用電裝置的工作電壓和/或電流范圍與電容器組件110的輸出電壓和/或電流范圍一致，因而電容器組件110可以直接向特定用電裝置供電，而不需要使用轉(zhuǎn)換裝置。例如，電容器組件110可直接向空調(diào)系統(tǒng)供電。
電容器組件110對各種用電裝置的供電情況可具體如圖2中所示。
2.充電系統(tǒng) 充電系統(tǒng)120通常設(shè)置在地面，并且可以是固定的或者可移動的。充電系統(tǒng)120中包括至少一個充電柜，用于通過電連接器(例如車輛頂部的受電弓或車輛底盤端的電連接件)連接到車輛的電容器組件110以對其充電。在一個實(shí)施例中，充電系統(tǒng)120包括主充電柜和備用充電柜，而且二者可互為備份，因而當(dāng)其中一臺發(fā)生故障時，另一臺可投入運(yùn)行。
在一個實(shí)施例中，充電柜的主要技術(shù)參數(shù)可具體如下輸入電源三相四線AC380V、50Hz，直流輸出電壓0～600V，直流輸出電流0～400A，最大輸出功率240kW，紋波系數(shù)≤1％。
當(dāng)確認(rèn)車輛(電容器組件110)已作好充電準(zhǔn)備且充電系統(tǒng)120與電容器組件110連接良好(例如，在二者之間的車頂受電弓接觸良好或電連接器連接良好)時，可對充電柜發(fā)出指令(例如，通過遙控器發(fā)出遠(yuǎn)程指令)，實(shí)施充電操作。在一個實(shí)施例中，當(dāng)檢測到電容器組件110連接良好，而且電容器組件110的端電壓V0大于預(yù)定值(例如0V或DC 50V)時，可對電容器組件110充電。
3.控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)130用于對電容器組件110進(jìn)行充電控制、狀態(tài)監(jiān)視，并提供充電保護(hù)功能，其具體功能可包括 1)當(dāng)檢測到電容器組件110端電壓V0低于端電壓報(bào)警值(例如為DC360V)時，控制系統(tǒng)130可發(fā)出報(bào)警信號并將其報(bào)告司機(jī)以提醒及時充電。不過，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解的是，上述“發(fā)出報(bào)警信號”的步驟僅僅是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中的步驟，而在本發(fā)明其它實(shí)施例中，這一步驟也可以根據(jù)需要而省略。
2)當(dāng)檢測到電容器組件110端電壓V0低于端電壓下限值(例如為DC340V)時，控制系統(tǒng)130可控制對電容器組件110進(jìn)行充電。在一個實(shí)施例中，在進(jìn)行充電步驟之前，控制系統(tǒng)130可斷開被設(shè)置在電容器組件110與車輛負(fù)載(例如車輛用電裝置140)之間的直流輸出接觸器，以停止電容器組件110向車輛用電裝置140供電，然后進(jìn)行充電。在實(shí)際應(yīng)用中，如果需要，也可在供電的同時進(jìn)行充電，例如，當(dāng)檢測到電容器組件110端電壓V0不足但仍然高于端電壓下限值(例如為DC 340V)時，可在保持向車輛負(fù)載供電的同時進(jìn)行充電。
3)當(dāng)確定實(shí)施充電時，控制系統(tǒng)130輸出指令使設(shè)置在電容器組件110與充電系統(tǒng)120之間的充電接觸器閉合，以通過充電系統(tǒng)120對電容器組件110充電。
4)在充電過程中，控制系統(tǒng)130實(shí)時監(jiān)測電容器組件110的端電壓V0和充電電流。其中，當(dāng)電容器組件110的端電壓V0超過端電壓上限值(例如為DC 570V)或者充電電流超過充電電流上限值(例如為DC 400A)時，可立即斷開充電接觸器以停止對電容器組件110充電；而另一方面，當(dāng)電容器組件110的端電壓V0達(dá)到端電壓上限值(例如為DC 570V)時，充電系統(tǒng)120的充電柜可自動停機(jī)以停止充電。充電過程可具體如下 當(dāng)V0＜DC 340V時，以30A的小電流緩慢充電； 當(dāng)DC 340V≤V0＜DC 540V時，充電電流為400A； 當(dāng)DC 540V≤V0＜DC 560V時，充電電流為200A； 當(dāng)DC 560V≤V0＜DC 570V時，充電電流為100A。
其中，在一個充電階段中，充電電流是恒定的。例如，在對應(yīng)于DC 340V≤V0＜DC 540V的充電階段中，充電電流保持為400A。
在一個實(shí)施例中，當(dāng)在充電的同時保持向車輛負(fù)載供電時，在充電過程中，控制系統(tǒng)130可實(shí)時監(jiān)測電容器組件110的輸出電流，并且當(dāng)輸出電流超過輸出電流上限值(例如為車輛所有用電裝置140的最大電流值)時輸出指令而使直流輸出接觸器斷開，以停止向車輛用電裝置140供電而確保車輛用電裝置140的安全使用。
5)當(dāng)檢測到充電電流時，控制系統(tǒng)130輸出指令使充電指示燈點(diǎn)亮；當(dāng)檢測到無充電電流時，控制系統(tǒng)130輸出指令斷開充電接觸器，充電指示燈熄滅。
6)在緊急情況下，控制系統(tǒng)130可對車輛實(shí)施緊急供電，例如，通過緊急供電按鈕緊急閉合直流輸出接觸器，以暫時恢復(fù)電容器組件110向車輛負(fù)載(例如車輛用電裝置140)供電。在一個實(shí)施例中，通過緊急供電按鈕切換到緊急供電電路，實(shí)施車輛緊急牽引，例如，可將空載車輛緊急牽引到檢修位置。此時，電容器組件110的端電壓不低于最低極限工作電壓(例如為DC 300V)。實(shí)施車輛緊急供電的緊急情況可以包括①電容器組件110的端電壓V0高于最低極限工作電壓(例如為DC 300V)但同時低于端電壓下限值(例如為DC 340V)；②用于控制系統(tǒng)130的控制電源(其可與前述輔助電源相同或不同，例如為DC455V/DC27.5V)發(fā)生故障；③用于空壓機(jī)的電源發(fā)生故障。
7)控制系統(tǒng)130實(shí)時監(jiān)測電容器組件110內(nèi)的溫度，例如電器箱內(nèi)的溫度。在一個實(shí)施例中，當(dāng)電容器組件110(或電器箱)內(nèi)的溫度高于溫度上限值(例如35℃)時，控制系統(tǒng)130可控制啟動冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行，將較冷的大氣引入電容器組件110(或電器箱)內(nèi)，并將電容器組件110(或電器箱)內(nèi)的熱空氣排放到大氣中，以實(shí)現(xiàn)對電容器組件110(或電器箱)內(nèi)的超級電容器的冷卻。
在實(shí)際應(yīng)用中，控制系統(tǒng)130的上述各種功能均是可選的，也就是說，控制系統(tǒng)130可根據(jù)需要具有上述功能中的一種或多種功能。
前述的各種電壓、電流等參數(shù)(例如，如表1中所示的各參數(shù))的設(shè)定值不僅限于在本文中提到的具體數(shù)值，而是可根據(jù)需要而相應(yīng)設(shè)置，例如，對于輕載車輛而言，由于動力要求較低，因而所需的電壓、電流值可以較小；而對于重載車輛而言，由于動力要求較高，因而所需的電壓、電流值應(yīng)設(shè)置為相對較大。
通過上述控制系統(tǒng)130，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)一種用于交通車輛供電系統(tǒng)的管理方法，其包括 檢測電容器組件110的端電壓，并且當(dāng)檢測到電容器組件110的端電壓低于端電壓下限值(例如為DC 340V)時對電容器組件110充電； 檢測電容器組件110的端電壓和充電電流，并且當(dāng)電容器組件110的端電壓超過端電壓上限值(例如為DC 570V)或充電電流超過充電電流上限值(例如為DC 400A)時停止充電。
綜上所述，本發(fā)明提供的交通車輛供電系統(tǒng)及其管理方法具有以下有益效果 1)不需要設(shè)置一般電動車輛所需的專用供電線路，不占用公共空間，避免影響沿線景觀。
2)實(shí)現(xiàn)車輛的零排放，對環(huán)境影響小。
3)所采用的電容器組件具有以下優(yōu)點(diǎn)使用壽命長，可達(dá)8年；充電時間短，從DC 340V開始充電至DC 570V的總充電時間不到5分鐘；充電功率大；放電功率大，可驅(qū)動重載車輛，因而大大提高了車輛的使用性能。
4)低溫供電性能好，優(yōu)于鋰電池，即使在-30℃時也具有良好的供電性能。
5)實(shí)現(xiàn)了牽引系統(tǒng)的各類用電需求。
以上實(shí)施實(shí)例僅是本發(fā)明提供的保健管理系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施方式，而并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可進(jìn)行各種改進(jìn)和變化，比如增加、刪減、替換或合并某些功能單元/模塊，而這些改進(jìn)和變化也在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種交通車輛供電系統(tǒng)，其特征在于，該交通車輛供電系統(tǒng)包括
電容器組件，其被可拆卸地設(shè)置在交通車輛上并包括多個串聯(lián)的超級電容器，用于為車輛用電裝置供電；
充電系統(tǒng)，其能夠通過電連接器選擇性地連接到所述電容器組件，以對所述電容器組件充電；和
控制系統(tǒng)，其通過有線方式或無線方式連接到所述電容器組件，以實(shí)現(xiàn)對所述電容器組件的工作狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控及保護(hù)。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的交通車輛供電系統(tǒng)，其特征在于，
所述電連接器是車輛頂部的受電弓或車輛底盤端的電連接件。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的交通車輛供電系統(tǒng)，其特征在于，
所述交通車輛供電系統(tǒng)包括緊急供電按鈕，用于在緊急情況下控制所述電容器組件暫時恢復(fù)向所述車輛用電裝置供電。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的交通車輛供電系統(tǒng)，其特征在于，
所述交通車輛供電系統(tǒng)包括冷卻風(fēng)機(jī)，當(dāng)所述電容器組件內(nèi)的溫度高于溫度上限值時，所述冷卻風(fēng)機(jī)啟動以冷卻所述電容器組件。
5、一種用于權(quán)利要求1所述的交通車輛供電系統(tǒng)的管理方法，其特征在于，該管理方法包括
檢測所述電容器組件的端電壓，并且當(dāng)檢測到所述電容器組件的端電壓低于端電壓下限值時對所述電容器組件充電；
檢測所述電容器組件的端電壓和充電電流，并且當(dāng)所述電容器組件的端電壓超過端電壓上限值或充電電流超過充電電流上限值時停止充電。
6、根據(jù)權(quán)利要求5所述的管理方法，其特征在于，
在充電之前，停止所述電容器組件向車輛用電裝置供電；
在停止充電之后，恢復(fù)所述電容器組件向車輛用電裝置供電。
7、根據(jù)權(quán)利要求5所述的管理方法，其特征在于，
當(dāng)檢測到所述電容器組件的端電壓低于端電壓報(bào)警值時，發(fā)出報(bào)警信號。
8、根據(jù)權(quán)利要求5-7中任一項(xiàng)所述的管理方法，其特征在于，
在至少一種以下緊急情況下暫時恢復(fù)所述電容器組件向車輛用電裝置供電
所述電容器組件的端電壓高于最低極限工作電壓但低于端電壓下限值；
用于控制系統(tǒng)的控制電源發(fā)生故障；
用于空壓機(jī)的電源發(fā)生故障。
9、根據(jù)權(quán)利要求5-7中任一項(xiàng)所述的管理方法，其特征在于，
所述最低極限工作電壓為DC 300V；和/或
所述端電壓下限值為DC 340V；和/或
所述端電壓上限值為DC 570V；和/或
所述充電電流上限值為DC 400A。
10、根據(jù)權(quán)利要求5-7中任一項(xiàng)所述的管理方法，其特征在于，
在充電過程中
當(dāng)端電壓＜DC 340V時，充電電流為30A；和/或
當(dāng)DC 340V≤端電壓＜DC 540V時，充電電流為400A；和/或
當(dāng)DC 540V≤端電壓＜DC 560V時，充電電流為200A；和/或
當(dāng)DC 560V≤端電壓＜DC 570V時，充電電流為100A。
全文摘要
本發(fā)明提供一種交通車輛供電系統(tǒng)，其包括電容器組件，其被可拆卸地設(shè)置在交通車輛上并包括多個串聯(lián)的超級電容器，用于為車輛用電裝置供電；充電系統(tǒng)，其能夠通過電連接器選擇性地連接到所述電容器組件，以對所述電容器組件充電；和控制系統(tǒng)，其通過有線方式或無線方式連接到所述電容器組件以對所述電容器組件的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控及提供各種保護(hù)功能。本發(fā)明還提供一種用于交通車輛供電系統(tǒng)的管理方法。
文檔編號B60L9/00GK101648524SQ20091016905
公開日2010年2月17日 申請日期2009年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月17日
發(fā)明者劉克偉, 徐惠林, 馬芳平, 亮 徐 申請人:北京地下鐵道車輛技術(shù)研究所