Транспортное средство, в частности рельсовое транспортное средство

Изобретение относится к электрическим тяговым системам транспортных средств. Транспортное средство, в частности рельсовое транспортное средство, содержит промежуточный контур постоянного напряжения и по меньшей мере один соединенный с промежуточным контуром постоянного напряжения вторичный контур, имеющий более низкий уровень напряжения, чем промежуточный контур постоянного напряжения. При этом к промежуточному контуру постоянного напряжения подключены два последовательно включенных аккумуляторных блока. Средний вывод, электрически находящийся между аккумуляторными блоками, непосредственно или косвенно через импеданс находится под потенциалом массы. Вторичный контур соединен со средним выводом и нагружается напряжением одного из двух аккумуляторных блоков. Технический результат заключается в оптимизации транспортного средства. 14 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к транспортным средствам, в частности рельсовым транспортным средствам, содержащим промежуточный контур постоянного напряжения и по меньшей мере один соединенный с промежуточным контуром постоянного напряжения вторичный контур, имеющий более низкий уровень напряжения, чем промежуточный контур постоянного напряжения.

В области техники рельсовых транспортных средств промежуточный контур постоянного напряжения в отношении потребности в энергии тяговыми двигателями работает обычно в диапазоне напряжений 1400-2000 В. Вторичный контур соединен с промежуточным контуром постоянного напряжения обычно через DC/DC-конвертор, который на выходной стороне вырабатывает более низкое напряжение вторичного контура, обычно в диапазоне 700-1000 В.

В основе изобретения лежит задача создания оптимизации транспортного средства, в частности рельсового транспортного средства, в отношении подключения вторичного контура к промежуточному контуру постоянного напряжения.

Эта задача решается, согласно изобретению, посредством транспортного средства, охарактеризованного признаками п. 1 формулы. Предпочтительные варианты предложенного транспортного средства охарактеризованы в зависимых пунктах формулы.

Согласно изобретению, предусмотрено, что к промежуточному контуру постоянного напряжения подключены два последовательно включенных аккумуляторных блока, электрически лежащий между аккумуляторными блоками средний вывод непосредственно или косвенно через импеданс лежит на потенциале массы, а вторичный контур соединен со средним выводом и нагружается напряжением одного из обоих аккумуляторных блоков.

Одно существенное преимущество предложенного транспортного средства в том, что за счет последовательно включенных аккумуляторных блоков достигается деление напряжения или (в случае одинаковых или, по меньшей мере, схожих напряжений на клеммах аккумуляторных элементов) деление напряжения пополам, которое может привлекаться непосредственно для работы вторичного контура. За счет последовательно включенных аккумуляторных блоков можно, тем самым, отказаться, например, от DC/DC-преобразователя для преобразования постоянного напряжения промежуточного контура до более низкого уровня напряжения вторичного контура.

Другое существенное преимущество предложенного транспортного средства в том, что за счет деления напряжения или (в случае одинаковых или, по меньшей мере, схожих напряжений на клеммах аккумуляторных элементов) деление напряжения пополам в комбинации с заземлением или подключением среднего вывода к массе – в случае промежуточных контуров постоянного напряжения 1400-2000 В – могут использоваться аккумуляторные блоки, которые имеют электроизолирующую способность лишь 700-1000 В и в соответствии с этим дешевле, чем аккумуляторные блоки с электроизолирующей способностью вдвое большего напряжения.

Промежуточный контур постоянного напряжения служит предпочтительно для питания по меньшей мере одного тягового двигателя; в соответствии с этим предпочтительно, если к промежуточному контуру постоянного напряжения подключен по меньшей мере один инвертор, который соединен с одним или несколькими тяговыми двигателями и может питать их.

К вторичному контуру подключен предпочтительно преобразователь, в частности преобразователь собственных нужд, который питает внутреннюю бортовую сеть транспортного средства.

Предпочтительно, предусмотрено симметрирующее устройство, которое поддерживает ниже заданного предела возможное отличие между напряжениями двух аккумуляторных блоков.

В одном предпочтительном варианте предусмотрено, что симметрирующее устройство по меньшей мере одним выводом соединено с одним аккумуляторным блоком, а по меньшей мере одним выводом – с другим аккумуляторным блоком, обеспечивая по меньшей мере один однонаправленный поток энергии между аккумуляторными блоками.

В качестве альтернативы или дополнительно может быть предпочтительным образом предусмотрено, что симметрирующее устройство по меньшей мере одним выводом соединено с одним аккумуляторным блоком, а, по меньшей мере одним выводом – с другим аккумуляторным блоком, обеспечивая двунаправленный поток энергии между аккумуляторными блоками, т.е. от одного аккумуляторного блока в другой или наоборот.

В качестве альтернативы или дополнительно может быть предпочтительным образом предусмотрено, что симметрирующее устройство по меньшей мере одним выводом соединено с промежуточным контуром постоянного напряжения, а по меньшей мере одним выводом – с одним из аккумуляторных блоков, обеспечивая одно- или двунаправленный поток энергии между промежуточным контуром постоянного напряжения и аккумуляторным блоком.

В одном предпочтительном варианте симметрирующее устройство содержит двунаправленный реостат, который обеспечивает поток энергии на выбор от одного аккумуляторного блока в другой или наоборот. При включении реостата, как это предпочтительно, между аккумуляторными блоками его коммутирующие компоненты нагружаются предпочтительно соответственно только половиной постоянного напряжения промежуточного контура или только постоянным напряжением вторичного контура; это обеспечивает предпочтительным образом использование особенно легкого и недорогого реостата.

В качестве альтернативы или дополнительно симметрирующее устройство может содержать DC/DC-преобразователь, в частности DC/DC-конвертор, который по меньшей мере одним выводом соединен с одним аккумуляторным блоком, а по меньшей мере одним выводом – с другим аккумуляторным блоком, обеспечивая поток энергии на выбор от одного аккумуляторного блока в другой или наоборот. При включении DC/DC-преобразователя между аккумуляторными блоками он нагружается только половиной постоянного напряжения промежуточного контура или только постоянным напряжением вторичного контура и должен быть выполнен, тем самым, лишь наполовину устойчивым к повышенному уровню напряжения, чем в случае подключения к промежуточному контуру постоянного напряжения. Это обеспечивает предпочтительным образом использование особенно легкого и недорогого DC/DC-преобразователя.

В качестве альтернативы или дополнительно симметрирующее устройство может содержать DC/DC-преобразователь, в частности DC/DC-конвертор, который на одной стороне подключения нагружается постоянным напряжением промежуточного контура, а своей другой стороной подключения соединен с одним из аккумуляторных блоков, обеспечивая передачу энергии между промежуточным контуром постоянного напряжения и аккумуляторным блоком.

В качестве альтернативы или дополнительно симметрирующее устройство может содержать инвертирующий преобразователь, который по меньшей мере одним выводом соединен с одним аккумуляторным блоком, а по меньшей мере одним выводом – с другим аккумуляторным блоком, обеспечивая поток энергии от одного аккумуляторного блока в другой или наоборот. При включении инвертирующего преобразователя, как здесь предложено, между аккумуляторными блоками он нагружается только половиной постоянного напряжения промежуточного контура или только постоянным напряжением вторичного контура; это обеспечивает предпочтительным образом использование особенно легкого и недорогого инвертирующего преобразователя.

В качестве альтернативы или дополнительно симметрирующее устройство может содержать коммутационное устройство, которое соединяет или, по меньшей мере, может соединять вторичный контур на выбор с одним или другим аккумуляторным блоком.

В качестве альтернативы или дополнительно симметрирующее устройство может содержать источник энергии или может быть соединено с источником энергии вторичного контура, который может соединять симметрирующее устройство по меньшей мере с одним из аккумуляторных блоков, чтобы зарядить его.

В качестве альтернативы или дополнительно симметрирующее устройство может содержать электрическую нагрузку или может быть соединено с электрической нагрузкой, которая может соединять симметрирующее устройство по меньшей мере с одним из аккумуляторных блоков, чтобы разрядить его.

Аккумуляторные блоки или по меньшей мере один из аккумуляторных блоков может содержать последовательно включенные аккумуляторные элементы.

Аккумуляторные блоки или по меньшей мере один из аккумуляторных блоков может содержать два или более параллельно включенных последовательных схем из последовательно включенных аккумуляторных элементов.

Аккумуляторные блоки предпочтительно конструктивно одинаковы или имеют предпочтительно по меньшей мере одинаковое номинальное зарядное напряжение. Также предпочтительно, если они имеют одинаковую номинальную зарядную емкость.

Аккумуляторные блоки имеют предпочтительно номинальное зарядное напряжение в диапазоне 700-1000 В.

Напряжение промежуточного контура лежит предпочтительно в диапазоне 1400-2000 В.

У транспортного средства речь идет предпочтительно о транспортном средстве с электроприводом или о гибридном транспортном средстве, по меньшей мере, также с электроприводом, например с энергоснабжением от топливных элементов.

Изобретение более подробно поясняется ниже на примерах его осуществления, изображенных на чертежах, на которых:

- фиг. 1: схема составных частей первого примера выполнения предложенного рельсового транспортного средства, оснащенного симметрирующим устройством;

- фиг. 2: пример выполнения симметрирующего устройства, содержащего DC/DC-преобразователь;

- фиг. 3: другой пример выполнения симметрирующего устройства, содержащего DC/DC-преобразователь;

- фиг. 4: пример выполнения симметрирующего устройства, содержащего инвертирующий преобразователь;

- фиг. 5: пример выполнения симметрирующего устройства, содержащего реостат;

- фиг. 6: схема составных частей второго примера выполнения предложенного рельсового транспортного средства, у которого симметрирующее устройство содержит коммутационное устройство.

На чертежах для наглядности идентичные или сопоставимые компоненты обозначены одними и теми же ссылочными позициями.

На фиг. 1 показан пример выполнения предложенного рельсового транспортного средства 10, который через токоприемник 11 подключен к внешней системе 20 энергоснабжения перегона. С токоприемником 11 соединен трансформатор 12, к которому подключен выпрямитель 13. На выходной стороне с выпрямителем 13 соединен промежуточный контур 14 постоянного напряжения рельсового транспортного средства 10, к которому подключен инвертор 15. На выходной стороне инвертор 15 соединен с одним или несколькими тяговыми двигателями 16.

К промежуточному контуру 14, напряжение которого сглаживается посредством конденсатора С, подключены два последовательно включенных аккумуляторных блока, а именно первый, на фиг. 1 верхний аккумуляторный блок 31 и второй, на фиг. 1 нижний аккумуляторный блок 32. Электрически между обоими аккумуляторными блоками 31, 32 находится средний вывод М, который косвенно через импеданс Z, который предпочтительно определяется индуктивностью, или в качестве альтернативы непосредственно соединен с потенциалом МР массы.

Аккумуляторные блоки 31, 32 имеют предпочтительно номинальное зарядное напряжение 700-1000 В. Напряжение промежуточного контура составляет, следовательно, предпочтительно 1400-2000 В.

К среднему выводу М и к выводам 14а, 14b промежуточного контура 14 постоянного напряжения подключено симметрирующее устройство 100, задачей которого является поддержание как можно меньшим возможное отличие между приложенным к первому аккумуляторному блоку 31 напряжением U1 и приложенным к второму аккумуляторному блоку 32 напряжением U2.

В примере на фиг. 1 между средним выводом М и нижним выводом 14b промежуточного контура 14 постоянного напряжения подключен вторичный контур 17, который, тем самым, электрически параллелен второму аккумуляторному блоку 32 и нагружен его напряжением U2. В качестве альтернативы вторичный контур 17 может быть включен электрически параллельно первому аккумуляторному блоку 31 и нагружен его напряжением U1; тогда соответственно справедливы нижеследующие пояснения.

К вторичному контуру 17 могут быть подключены один или более электрических потребителей 18, например, в том числе, преобразователь, в частности преобразователь собственных нужд, который питает внутреннюю бортовую сеть транспортного средства (например, трехфазную сеть переменного напряжения 220 В на фазу). К вторичному контуру 17 могут быть подключены также один или более источников 19 энергии (предпочтительно топливные элементы).

Если при эксплуатации рельсового транспортного средства 10 происходит потребление энергии во вторичном контуре 17 и, тем самым, разрядка второго аккумуляторного блока 32, то функция симметрирующего устройства 100 заключается в том, чтобы избежать превышения отличия между обоими напряжениями U1, U2 заданного предела. Примеры выполнения подходящих симметрирующих устройств 100 для рельсового транспортного средства 10 на фиг. 1 более подробно поясняются ниже со ссылкой на фиг. 2-6.

На фиг. 2 изображен пример выполнения симметрирующего устройства 100, содержащего DC/DC-преобразователь 110. Входная сторона 111 DC/DC-преобразователя 110 подключена к промежуточному контуру 14 постоянного напряжения и нагружается, тем самым, его напряжением Uz. Выходная сторона 112 DC/DC-преобразователя 110 подключена к первому аккумуляторному блоку 31 и устанавливает, тем самым, приложенное к нему напряжение U1. За счет подходящего управления DC/DC-преобразователем 110 или подходящей установки напряжения U1 первого аккумуляторного блока 31 можно минимизировать соотношение между напряжениями или отрегулировать до нуля отличие между напряжениями U1, U2.

В качестве альтернативы выходная сторона 112 DC/DC-преобразователя 110 может быть подключена к второму аккумуляторному блоку 32 и устанавливать, тем самым, приложенное к нему напряжение U2; тогда соответственно справедливы вышеприведенные пояснения.

На фиг. 3 показан другой пример выполнения симметрирующего устройства 100, содержащего DC/DC-преобразователь 110. Входная сторона 111 DC/DC-преобразователя 110 подключена к первому аккумуляторному блоку 31 и нагружается его напряжением U1. Выходная сторона 112 DC/DC-преобразователя 110 подключена к второму аккумуляторному блоку 32 и нагружается его напряжением U2, так что DC/DC-преобразователь 110 может устанавливать приложенные к аккумуляторным блокам 31, 32 напряжения U1, U2 по отношению друг к другу. За счет подходящего управления DC/DC-преобразователем 110 или подходящей установки напряжений U1, U2 аккумуляторных блоков 31, 32 можно минимизировать соотношение между напряжениями или отрегулировать до нуля отличие между напряжениями U1, U2.

В качестве альтернативы первый аккумуляторный блок 31 может быть подключен к выходной стороне 112 DC/DC-преобразователя 110, а второй аккумуляторный блок 32 – к входной стороне 111 DC/DC-преобразователя 110; тогда соответственно справедливы вышеприведенные пояснения.

Поскольку у варианта на фиг. 3 DC/DC-преобразователь 110 включен между аккумуляторными блоками 31, 32, он нагружается максимум только постоянным напряжением вторичного контура 17 и должен быть выполнен, тем самым, лишь с половинной устойчивостью к повышенному уровню напряжения, чем в случае подключения DC/DC-преобразователя 110 к промежуточному контуру 14 постоянного напряжения на фиг. 2. Это обеспечивает предпочтительным образом использование особенно легкого и недорогого DC/DC-преобразователя.

На фиг. 4 показан другой пример выполнения симметрирующего устройства 100, которое может использоваться в рельсовом транспортном средстве 10, показанном на фиг. 1. Симметрирующее устройство 100 содержит инвертирующий преобразователь 120, который на входной стороне 121 нагружен напряжением U1 первого аккумуляторного блока 31. Выходной стороной 122 инвертирующий преобразователь 120 соединен с вторым аккумуляторным блоком 32 и устанавливает, тем самым, приложенное к нему напряжение U2. За счет подходящего управления инвертирующим преобразователем 120 можно, тем самым, минимизировать отличие между напряжениями U1, U2, в идеальном случае отрегулировать до нуля.

На фиг. 5 показан пример выполнения симметрирующего устройства 100, содержащего реостат 130. Последний содержит два коммутирующих транзистора Т1, Т2, два включенных параллельно транзисторам безынерционных диода D1, D2 и индуктивность L1. За счет импульсного управления коммутирующими транзисторами Т1, Т2 достигается поток энергии от первого аккумуляторного блока 31 к второму аккумуляторному блоку 32; за счет импульсной работы второго коммутирующего транзистора Т2 обеспечивается поток энергии в обратном направлении. Резюмируя вышесказанное, можно констатировать, что реостат 130, показанный на фиг. 5, обеспечивает двунаправленный поток энергии и, тем самым, уравнивание напряжений обоих аккумуляторных блоков 31, 32, так что можно минимизировать отличие между напряжениями U1, U2.

На фиг. 6 показан другой пример выполнения предложенного рельсового транспортного средства 10. В примере на фиг. 6 симметрирующее устройство 100 содержит коммутационное устройство 140, которое электрически коммутирует вторичный контур 17 на выбор параллельно первому аккумуляторному блоку 31 или в качестве альтернативы – параллельно второму аккумуляторному блоку 32. Другими словами, можно нагружать вторичный контур 17 напряжением U1 первого аккумуляторного блока 31 или напряжением U2 второго аккумуляторного блока 32. Симметрирующее устройство 100 будет посредством своего устройства 141 управления регулярно переключать коммутационное устройство 140, если напряжения обоих аккумуляторных блоков 31, 32 слишком сильно отличаются друг от друга.

При этом переключение происходит предпочтительно таким образом, что к вторичному контуру 17 всегда подключается тот аккумуляторный блок, который имеет более высокую степень заряженности или более высокое напряжение. В качестве альтернативы можно соединить с вторичным контуром 17 аккумуляторный блок с более низким напряжением, если, например, с помощью источника 19 энергии должна осуществляться подзарядка данного аккумуляторного блока этим источником энергии.

В вариантах, показанных на фиг. 1-6, аккумуляторные блоки 31, 32 могут содержать каждый последовательно включенные аккумуляторные элементы или могут быть образованы ими. Также может быть предусмотрено, что аккумуляторные блоки 31, 32 содержат каждый две или более параллельно включенных последовательных схем из последовательно включенных аккумуляторных элементов.

Предпочтительно в отношении простого симметрирования, если аккумуляторные блоки конструктивно одинаковы или имеют, по меньшей мере, одно и то же номинальное зарядное напряжение. Также предпочтительна, по меньшей мере, одна и та же номинальная зарядная емкость.

Предпочтительно, в частности, аккумуляторные блоки 31, 32 имеют номинальное зарядное напряжение 700-1400 В, а напряжение промежуточного контура 1400-2000 В.

Хотя изобретение было подробно проиллюстрировано и описано предпочтительными примерами его осуществления, оно не ограничено раскрытыми примерами, и специалист может вывести из них другие варианты, не выходя за объем охраны изобретения.

Перечень ссылочных позиций

10 - рельсовое транспортное средство

11 - токоприемник

12 - трансформатор

13 - выпрямитель

14 - промежуточный контур постоянного напряжения

14а - вывод

14b - вывод

15 - инвертор

16 - тяговый двигатель

17 - вторичный контур

18 - электрический потребитель/нагрузка

19 - источник энергии

20 - сеть энергоснабжения

31 - аккумуляторный блок

32 - аккумуляторный блок

100 - симметрирующее устройство

110 - DC/DC-преобразователь

111 - входная сторона

112 - выходная сторона

120 - инвертирующий преобразователь

121 - входная сторона

122 - выходная сторона

130 - реостат

140 - коммутационное устройство

141 - устройство управления

С - конденсатор

D1 - безынерционный диод

D2 - безынерционный диод

L1 - индуктивность

М - средний вывод

МР - потенциал массы

Т1 - коммутирующий транзистор

Т2 - коммутирующий транзистор

U1 - напряжение аккумулятора

U2 - напряжение аккумулятора

Uz - напряжение

Z – импеданс

1. Транспортное средство, в частности рельсовое транспортное средство (10), содержащее промежуточный контур (14) постоянного напряжения и по меньшей мере один соединенный с промежуточным контуром (14) постоянного напряжения вторичный контур (17), имеющий более низкий уровень напряжения, чем промежуточный контур (14) постоянного напряжения, отличающееся тем, что к промежуточному контуру (14) постоянного напряжения подключены два последовательно включенных аккумуляторных блока (31, 32), электрически находящийся между аккумуляторными блоками (31, 32) средний вывод (М) непосредственно или косвенно, через импеданс (Z), находится под потенциалом (МР) массы, а вторичный контур (17) соединен со средним выводом (М) и нагружается напряжением (U1, U2) одного из двух аккумуляторных блоков (31, 32).

2. Транспортное средство по п. 1, отличающееся тем, что содержит симметрирующее устройство (100), выполненное с возможностью поддерживания ниже заданного предела разности между напряжениями двух аккумуляторных блоков (31, 32).

3. Транспортное средство (10) по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что симметрирующее устройство (100) по меньшей мере одним выводом соединено с одним аккумуляторным блоком (31, 32) и по меньшей мере одним выводом – с другим аккумуляторным блоком (31, 32), обеспечивая одно- или двунаправленный поток энергии между аккумуляторными блоками (31, 32).

4. Транспортное средство (10) по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что симметрирующее устройство (100) по меньшей мере одним выводом соединено с промежуточным контуром (14) постоянного напряжения и по меньшей мере одним выводом – с одним из аккумуляторных блоков (31, 32), обеспечивая одно- или двунаправленный поток энергии между промежуточным контуром (14) постоянного напряжения и аккумуляторным блоком (31, 32).

5. Транспортное средство (10) по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что симметрирующее устройство (100) содержит двунаправленный реостат (130), который обеспечивает поток энергии на выбор от одного аккумуляторного блока (31, 32) в другой или наоборот.

6. Транспортное средство (10) по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что симметрирующее устройство (100) содержит DC/DC-преобразователь (110), в частности DC/DC-конвертор, который по меньшей мере одним выводом соединен с одним аккумуляторным блоком (31, 32) и по меньшей мере одним выводом – с другим аккумуляторным блоком (31, 32), обеспечивая поток энергии на выбор от одного аккумуляторного блока (31, 32) в другой или наоборот.

7. Транспортное средство (10) по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что симметрирующее устройство (100) содержит DC/DC-преобразователь (110), который на одной стороне подключения нагружается постоянным напряжением промежуточного контура (14), а на другой стороне подключения соединен с одним из аккумуляторных блоков (31, 32).

8. Транспортное средство (10) по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что симметрирующее устройство (100) содержит инвертирующий преобразователь (120), который по меньшей мере одним выводом соединен с одним аккумуляторным блоком (31, 32) и по меньшей мере одним выводом – с другим аккумуляторным блоком (31, 32), обеспечивая поток энергии от одного аккумуляторного блока (31, 32) в другой или наоборот.

9. Транспортное средство (10) по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что симметрирующее устройство (100) содержит коммутационное устройство (140), которое соединяет или, по меньшей мере, выполнено с возможностью соединения вторичного контура (17) на выбор с одним или другим аккумуляторным блоком (31, 32).

10. Транспортное средство (10) по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что симметрирующее устройство (100) содержит источник (19) энергии или соединено с источником (19) энергии вторичного контура (17), обеспечивающим зарядку по меньшей мере одного из аккумуляторных блоков (31, 32).

11. Транспортное средство (10) по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что симметрирующее устройство (100) содержит электрическую нагрузку (18) и источник (19) энергии или соединено с электрической нагрузкой (18) вторичного контура (17) и источником (19) энергии вторичного контура (17), который выполнен с возможностью соединять симметрирующее устройство по меньшей мере с одним из аккумуляторных блоков (31, 32) для его зарядки или разрядки.

12. Транспортное средство (10) по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что аккумуляторные блоки (31, 32) или по меньшей мере один из аккумуляторных блоков (31, 32) содержит последовательно включенные аккумуляторные элементы.

13. Транспортное средство (10) по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что аккумуляторные блоки (31, 32) или по меньшей мере один из аккумуляторных блоков (31, 32) содержит две или более параллельно включенных последовательных схем из последовательно включенных аккумуляторных элементов.

14. Транспортное средство (10) по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что аккумуляторные блоки (31, 32) конструктивно одинаковые или имеют, по меньшей мере, одинаковое номинальное зарядное напряжение и/или зарядную емкость.

15. Транспортное средство (10) по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что аккумуляторные блоки (31, 32) имеют номинальное зарядное напряжение 700-1000 В и/или напряжение промежуточного контура 1400-2000 В.