专利名称：交通车辆供电系统及其管理方法
技术领域：
本发明涉及交通车辆供电领域，且更具体地涉及一种交通车辆供电系统及其管理方法。
背景技术：
现有交通车辆的动力供应主要通过以下几种方式实现 1.对于地铁及轻轨车辆、有轨电车、无轨电车，必须在地面设置专用的供电系统，供电线路可通过第三轨或接触网的形式实现，其中，通过车载受流器接受第三轨的电源供电或通过受电弓接受接触网的电源供电，并通过车载设备将该电源供电转换成车辆动力用电和车辆控制用电，从而驱动车辆运行。这种电能传送方式的缺点在于必须设置专用的供电线路，投资大，费用高，占地或占空间较大，影响沿途景观，线路电能损耗高，不经济。
2.对于公共汽车，通过汽车发动机燃烧汽油、柴油或天然气，以产生动力，驱动汽车运行。不过当汽车用油/气不足时，需要通过地面加油/气站进行补充。这种燃烧油/气方式的缺点在于会排放尾气，同时发动机产生的噪声大，对环境的影响较大，而且加油/气站容易引发火灾或爆炸。
3.对于锂电池动力车辆，其采用锂电池提供车辆动力用电和车辆控制用电。这种锂电池供电方式虽然可避免前述两种动力供应方式的一些不足，不过其仍然具有以下缺点使用寿命短，充电时间长，充放电功率小，低温性能差。
近年来，超级电容器技术日渐发展。超级电容属于双电层电容器，它的基本原理和其它种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量，可用于供电。
发明内容
有鉴于此，本发明在此提供一种交通车辆供电系统及其管理方法，这种供电方案采用超级电容器技术，能够克服锂电池供电方案的上述缺点。
本发明提供一种交通车辆供电系统，其特征在于，该交通车辆供电系统包括 电容器组件，其被可拆卸地设置在交通车辆上并包括多个串联的超级电容器，用于为车辆用电装置供电； 充电系统，其能够通过电连接器选择性地连接到所述电容器组件，以对所述电容器组件充电；和 控制系统，其通过有线方式或无线方式连接到所述电容器组件，以实现对所述电容器组件的工作状态的实时监控及保护。
另外，本发明还提供一种用于上述交通车辆供电系统的管理方法，其特征在于，该管理方法包括 检测所述电容器组件的端电压，并且当检测到所述电容器组件的端电压低于端电压下限值时对所述电容器组件充电； 检测所述电容器组件的端电压和充电电流，并且当所述电容器组件的端电压超过端电压上限值或充电电流超过充电电流上限值时停止充电。
由上可知，通过本发明在此提供一种交通车辆供电系统及其管理方法，不仅不占用公共空间且具有零排放，而且使用寿命长，充电时间短，充放电功率大，低温性能好。
图1是本发明提供的车辆供电系统的一个实施例的示意图。
图2是本发明提供的车辆供电系统的另一实施例的示意图。
具体实施例方式 根据本发明提供的交通车辆供电系统及其管理方法，其中采用超级电容器技术，能够更安全有效地实现交通车辆供电。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，本发明提供的交通车辆供电系统包括车载电容器组件110，地面充电系统120，和控制系统130。其中，电容器组件110采用超级电容器技术，其中所储存的电能可用于为交通车辆用电装置140供电，车辆用电装置140可以是车辆牵引系统、空调系统、辅助电气设备等；充电系统120中可包括充电柜，并当电容器组件110中所储存的电能不足时可对电容器组件110进行快速充电，其中电容器组件110能够通过电连接器(例如，车辆顶部的受电弓或车辆底盘端的电连接件)选择性地电连接到充电系统120进行充电；控制系统130能够通过有线或无线方式连接到电容器组件110，以对电容器组件110进行充电控制、状态监视并提供充电保护功能。
以下将更详细地描述电容器组件110、充电系统120和控制系统130的结构，不过应理解的是，电容器组件110、充电系统120和控制系统130的各种实施例可根据需要进行相互组合。
1.电容器组件 电容器组件110通常设置在车辆上，不过根据需要也可设置为可连接到车辆的分立附件。电容器组件110采用超级电容器技术，其中包括多个串联的超级电容器，其中储存的电能可用于为车辆用电装置供电。这些超级电容器可分别设置在多个电器箱中，例如平均设置在多个电器箱中，而这些电器箱可根据需要具有任意适合形状并被安置在车辆中的任意适合位置，例如，安置在车辆客室的座椅下和/或车辆底盘下，等等。在一个实施例中，电容器组件110包括360个串联的超级电容器，这些超级电容器可平均设置在12个电器箱中，其中，6个电器箱可安装在车辆客室的座椅下，而另外6个电器箱可安装在车辆底盘下。
在一个实施例中，电容器组件110的主要技术参数可如下表1所示 表1 通常，电容器组件110每充一次电，自重22吨的车辆可在空载且不启动空调时连续运行16km，或者可在重载(总重28吨)且启动空调时连续运行3km。
电容器组件110适用于多种交通车辆，例如，城市轨道交通车辆或无轨车辆，其中交通车辆可例如为采用直流/交流传动系统的车辆。为了使电容器组件110能够适于向不同的用电装置供电，可采用相应的转换装置(例如辅助电源)，在优选的实施例中，交通车辆可采用DC455V/AC220V的辅助电源，或者可采用DC455V/DC27.5V的辅助电源。
在一个实施例中，电容器组件110可向空压机(用于制动用风)、冷却风机、交流照明和单相交流负载供电。在这种情况下，可以采用TGF50型三相辅助逆变电源(DC455V/AC220V)作为转换装置，以将直流455V电压转换成三相220V/50Hz交流电压，使其满足空压机、冷却风机、交流照明和单相交流负载的用电要求。
在另一实施例中，电容器组件110可向车辆牵引系统(例如牵引电机)供电。在这种情况下，可以采用TEP-05AI01型牵引逆变器(VVVF)作为转换装置，以将直流电逆变成电压、频率可调(简称VVVF)的三相交流电，使其满足车辆牵引电机(例如三相交流异步电动机)的用电要求。优选地，上述牵引逆变器(简称为逆变器)由一个TX001型IGBT变流器模块、一个对外接线箱和一个由三个风机、风道构成的通风系统组成。
在又一实施例中，电容器组件110可向控制电源或蓄电池等负载供电。在这种情况下，可以采用DJC3K24-B型DC/DC变换器(DC455V/DC27.5V)作为转换装置，以将直流455V电压经过DC/DC变换为DC27.5V电压输出，使其满足DC27.5V电源设备、控制电源以及蓄电池充电等的用电要求。
在一些情况下，由于特定用电装置的工作电压和/或电流范围与电容器组件110的输出电压和/或电流范围一致，因而电容器组件110可以直接向特定用电装置供电，而不需要使用转换装置。例如，电容器组件110可直接向空调系统供电。
电容器组件110对各种用电装置的供电情况可具体如图2中所示。
2.充电系统 充电系统120通常设置在地面，并且可以是固定的或者可移动的。充电系统120中包括至少一个充电柜，用于通过电连接器(例如车辆顶部的受电弓或车辆底盘端的电连接件)连接到车辆的电容器组件110以对其充电。在一个实施例中，充电系统120包括主充电柜和备用充电柜，而且二者可互为备份，因而当其中一台发生故障时，另一台可投入运行。
在一个实施例中，充电柜的主要技术参数可具体如下输入电源三相四线AC380V、50Hz，直流输出电压0～600V，直流输出电流0～400A，最大输出功率240kW，纹波系数≤1％。
当确认车辆(电容器组件110)已作好充电准备且充电系统120与电容器组件110连接良好(例如，在二者之间的车顶受电弓接触良好或电连接器连接良好)时，可对充电柜发出指令(例如，通过遥控器发出远程指令)，实施充电操作。在一个实施例中，当检测到电容器组件110连接良好，而且电容器组件110的端电压V0大于预定值(例如0V或DC 50V)时，可对电容器组件110充电。
3.控制系统 控制系统130用于对电容器组件110进行充电控制、状态监视，并提供充电保护功能，其具体功能可包括 1)当检测到电容器组件110端电压V0低于端电压报警值(例如为DC360V)时，控制系统130可发出报警信号并将其报告司机以提醒及时充电。不过，本领域技术人员应理解的是，上述“发出报警信号”的步骤仅仅是本发明优选实施例中的步骤，而在本发明其它实施例中，这一步骤也可以根据需要而省略。
2)当检测到电容器组件110端电压V0低于端电压下限值(例如为DC340V)时，控制系统130可控制对电容器组件110进行充电。在一个实施例中，在进行充电步骤之前，控制系统130可断开被设置在电容器组件110与车辆负载(例如车辆用电装置140)之间的直流输出接触器，以停止电容器组件110向车辆用电装置140供电，然后进行充电。在实际应用中，如果需要，也可在供电的同时进行充电，例如，当检测到电容器组件110端电压V0不足但仍然高于端电压下限值(例如为DC 340V)时，可在保持向车辆负载供电的同时进行充电。
3)当确定实施充电时，控制系统130输出指令使设置在电容器组件110与充电系统120之间的充电接触器闭合，以通过充电系统120对电容器组件110充电。
4)在充电过程中，控制系统130实时监测电容器组件110的端电压V0和充电电流。其中，当电容器组件110的端电压V0超过端电压上限值(例如为DC 570V)或者充电电流超过充电电流上限值(例如为DC 400A)时，可立即断开充电接触器以停止对电容器组件110充电；而另一方面，当电容器组件110的端电压V0达到端电压上限值(例如为DC 570V)时，充电系统120的充电柜可自动停机以停止充电。充电过程可具体如下 当V0＜DC 340V时，以30A的小电流缓慢充电； 当DC 340V≤V0＜DC 540V时，充电电流为400A； 当DC 540V≤V0＜DC 560V时，充电电流为200A； 当DC 560V≤V0＜DC 570V时，充电电流为100A。
其中，在一个充电阶段中，充电电流是恒定的。例如，在对应于DC 340V≤V0＜DC 540V的充电阶段中，充电电流保持为400A。
在一个实施例中，当在充电的同时保持向车辆负载供电时，在充电过程中，控制系统130可实时监测电容器组件110的输出电流，并且当输出电流超过输出电流上限值(例如为车辆所有用电装置140的最大电流值)时输出指令而使直流输出接触器断开，以停止向车辆用电装置140供电而确保车辆用电装置140的安全使用。
5)当检测到充电电流时，控制系统130输出指令使充电指示灯点亮；当检测到无充电电流时，控制系统130输出指令断开充电接触器，充电指示灯熄灭。
6)在紧急情况下，控制系统130可对车辆实施紧急供电，例如，通过紧急供电按钮紧急闭合直流输出接触器，以暂时恢复电容器组件110向车辆负载(例如车辆用电装置140)供电。在一个实施例中，通过紧急供电按钮切换到紧急供电电路，实施车辆紧急牵引，例如，可将空载车辆紧急牵引到检修位置。此时，电容器组件110的端电压不低于最低极限工作电压(例如为DC 300V)。实施车辆紧急供电的紧急情况可以包括①电容器组件110的端电压V0高于最低极限工作电压(例如为DC 300V)但同时低于端电压下限值(例如为DC 340V)；②用于控制系统130的控制电源(其可与前述辅助电源相同或不同，例如为DC455V/DC27.5V)发生故障；③用于空压机的电源发生故障。
7)控制系统130实时监测电容器组件110内的温度，例如电器箱内的温度。在一个实施例中，当电容器组件110(或电器箱)内的温度高于温度上限值(例如35℃)时，控制系统130可控制启动冷却风机运行，将较冷的大气引入电容器组件110(或电器箱)内，并将电容器组件110(或电器箱)内的热空气排放到大气中，以实现对电容器组件110(或电器箱)内的超级电容器的冷却。
在实际应用中，控制系统130的上述各种功能均是可选的，也就是说，控制系统130可根据需要具有上述功能中的一种或多种功能。
前述的各种电压、电流等参数(例如，如表1中所示的各参数)的设定值不仅限于在本文中提到的具体数值，而是可根据需要而相应设置，例如，对于轻载车辆而言，由于动力要求较低，因而所需的电压、电流值可以较小；而对于重载车辆而言，由于动力要求较高，因而所需的电压、电流值应设置为相对较大。
通过上述控制系统130，本发明能够实现一种用于交通车辆供电系统的管理方法，其包括 检测电容器组件110的端电压，并且当检测到电容器组件110的端电压低于端电压下限值(例如为DC 340V)时对电容器组件110充电； 检测电容器组件110的端电压和充电电流，并且当电容器组件110的端电压超过端电压上限值(例如为DC 570V)或充电电流超过充电电流上限值(例如为DC 400A)时停止充电。
综上所述，本发明提供的交通车辆供电系统及其管理方法具有以下有益效果 1)不需要设置一般电动车辆所需的专用供电线路，不占用公共空间，避免影响沿线景观。
2)实现车辆的零排放，对环境影响小。
3)所采用的电容器组件具有以下优点使用寿命长，可达8年；充电时间短，从DC 340V开始充电至DC 570V的总充电时间不到5分钟；充电功率大；放电功率大，可驱动重载车辆，因而大大提高了车辆的使用性能。
4)低温供电性能好，优于锂电池，即使在-30℃时也具有良好的供电性能。
5)实现了牵引系统的各类用电需求。
以上实施实例仅是本发明提供的保健管理系统的优选实施方式，而并非用于限定本发明的保护范围。应当指出，对本技术领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，还可进行各种改进和变化，比如增加、删减、替换或合并某些功能单元/模块，而这些改进和变化也在本发明的保护范围之内。
权利要求
1、一种交通车辆供电系统，其特征在于，该交通车辆供电系统包括
电容器组件，其被可拆卸地设置在交通车辆上并包括多个串联的超级电容器，用于为车辆用电装置供电；
充电系统，其能够通过电连接器选择性地连接到所述电容器组件，以对所述电容器组件充电；和
控制系统，其通过有线方式或无线方式连接到所述电容器组件，以实现对所述电容器组件的工作状态的实时监控及保护。
2、根据权利要求1所述的交通车辆供电系统，其特征在于，
所述电连接器是车辆顶部的受电弓或车辆底盘端的电连接件。
3、根据权利要求1所述的交通车辆供电系统，其特征在于，
所述交通车辆供电系统包括紧急供电按钮，用于在紧急情况下控制所述电容器组件暂时恢复向所述车辆用电装置供电。
4、根据权利要求1所述的交通车辆供电系统，其特征在于，
所述交通车辆供电系统包括冷却风机，当所述电容器组件内的温度高于温度上限值时，所述冷却风机启动以冷却所述电容器组件。
5、一种用于权利要求1所述的交通车辆供电系统的管理方法，其特征在于，该管理方法包括
检测所述电容器组件的端电压，并且当检测到所述电容器组件的端电压低于端电压下限值时对所述电容器组件充电；
检测所述电容器组件的端电压和充电电流，并且当所述电容器组件的端电压超过端电压上限值或充电电流超过充电电流上限值时停止充电。
6、根据权利要求5所述的管理方法，其特征在于，
在充电之前，停止所述电容器组件向车辆用电装置供电；
在停止充电之后，恢复所述电容器组件向车辆用电装置供电。
7、根据权利要求5所述的管理方法，其特征在于，
当检测到所述电容器组件的端电压低于端电压报警值时，发出报警信号。
8、根据权利要求5-7中任一项所述的管理方法，其特征在于，
在至少一种以下紧急情况下暂时恢复所述电容器组件向车辆用电装置供电
所述电容器组件的端电压高于最低极限工作电压但低于端电压下限值；
用于控制系统的控制电源发生故障；
用于空压机的电源发生故障。
9、根据权利要求5-7中任一项所述的管理方法，其特征在于，
所述最低极限工作电压为DC 300V；和/或
所述端电压下限值为DC 340V；和/或
所述端电压上限值为DC 570V；和/或
所述充电电流上限值为DC 400A。
10、根据权利要求5-7中任一项所述的管理方法，其特征在于，
在充电过程中
当端电压＜DC 340V时，充电电流为30A；和/或
当DC 340V≤端电压＜DC 540V时，充电电流为400A；和/或
当DC 540V≤端电压＜DC 560V时，充电电流为200A；和/或
当DC 560V≤端电压＜DC 570V时，充电电流为100A。
全文摘要
本发明提供一种交通车辆供电系统，其包括电容器组件，其被可拆卸地设置在交通车辆上并包括多个串联的超级电容器，用于为车辆用电装置供电；充电系统，其能够通过电连接器选择性地连接到所述电容器组件，以对所述电容器组件充电；和控制系统，其通过有线方式或无线方式连接到所述电容器组件以对所述电容器组件的工作状态进行实时监控及提供各种保护功能。本发明还提供一种用于交通车辆供电系统的管理方法。
文档编号B60L9/00GK101648524SQ20091016905
公开日2010年2月17日 申请日期2009年9月17日 优先权日2009年9月17日
发明者刘克伟, 徐惠林, 马芳平, 亮 徐 申请人:北京地下铁道车辆技术研究所