用于操作混合动力车辆系统的系统和方法

用于操作混合动力车辆系统的系统和方法
【专利摘要】一种系统，包括配置为控制车辆系统中的第一接触器和第二接触器的操作的开关控制模块。第一和第二接触器被配置为将前端总线和直流(DC)总线分别有选择地连接到车辆系统的能量存储系统。所述前端总线被配置为从外部电源接收电力并且向转换器设备提供电力。所述转换器设备被配置为向所述DC总线供应DC电力。所述开关控制模块被配置为在所述车辆系统可操作地耦合到所述外部电源时闭合所述第二接触器，以便所述能量存储系统被所述DC电力充电。所述开关控制模块被配置为在所述车辆系统可操作地与外部电源去耦合时闭合第一接触器或者第二接触器之一。
【专利说明】用于操作混合动力车辆系统的系统和方法
[0001] 有关申请的夺叉引用
[0002] 本申请要求提交于2013年3月14日的第61/784, 482号美国临时申请（"'482申 请")、提交于2012年7月5日的第61/668, 432号美国临时申请（"'432申请"）和提交于 2012年11月05日的第61/722, 744号美国临时申请（744申请"）的权益。' 482，' 432 和' 744申请中的每份申请通过完全引用而结合于此。

【背景技术】
[0003] 已知的车辆系统（例如机车、汽车、挖掘设备等）可以包括提供用于推进车辆系统 的牵引力（tractiveeffort)的牵引马达。在一些情况下，牵引马达可以被多于一个电源 供电。例如现有混合车辆可以被柴油机驱动的发电机和也被车载能量存储系统（例如电池 系统）供电。在其它情况下，混合车辆系统可以被能量存储系统和外部电源、比如高架线 (overheadlines)或者第三干线（thirdrail)供电。然而外部电源可能未对于整个路线 是可得的。例如高架线或者第三干线可能沿着路线的仅部分延伸。为了车辆系统在外部电 源不可用时继续沿着路线移动，车辆系统应当能够从另一来源获得电力。
[0004] 已知的机车包括耦合到高架线的集电弓。在连接到高架线之时，电力通过集电弓 和通过直流0C)总线或者链路以及其它渠道被递送到牵引马达。在机车不再可操作地连 接到高架线时，机车包括向牵引马达供电的能量存储系统。电力可以通过相同DC总线来递 送。然而多个中间电部件可以被耦合在能量存储系统与牵引马达之间。例如能量存储系统 可以使用多个部件（例如滤波器、整流器、变压器等）来耦合到DC总线。这些多个部件可 以被配置为从DC总线电隔离电池并且将电池的电压转换成不同电压。
[0005] 然而这些附加中间部件可能显著地增加车辆系统的成本、维护需要和重量。就重 量而言，向车辆系统添加某些部件（例如变压器）可能向车辆系统的重量添加数百磅或者 数百千克。这样的重量添加可能对于一些车辆系统（例如汽车）并不可能而可能对于其它 车辆系统是不希望的。就机车而言，添加一个或者多个变压器可能显著地增加机车的重量 并且由此需要附加牵引力以推进机车。此外，变压器可能消耗车辆系统的有限空间中的附 加体积。


【发明内容】

[0006] 在一个实施例中，提供一种系统，该系统包括配置为控制车辆系统中的第一接触 器和第二接触器的操作的开关控制模块。第一和第二接触器被配置为将前端总线和直流 (DC)总线分别有选择地连接到车辆系统的能量存储系统。前端总线被配置为从外部电源接 收电力并且向转换器设备提供电力。转换器设备被配置为向DC总线供应DC电力。DC总线 被配置为耦合到车辆系统的推进系统并且配置为具有近似地等于能量存储系统的充电电 压的用于向推进系统供电的指定牵引电压。开关控制模块被配置为在车辆系统可操作地耦 合到外部电源时闭合第二接触器。转换器设备被配置为向DC总线提供DC电力，以便能量 存储系统被充电并且推进系统接收DC电力。开关控制模块也被配置为在车辆系统可操作 地去耦合于外部电源时闭合第一接触器或者第二接触器之一。能量存储系统被配置为在车 辆系统可操作地去耦合于外部电源时向推进系统供应电力。
[0007] 在另一实施例中，提供车辆系统的一种动力系（powertrain)，该动力系包括配直 为从外部电源接收电力的转换器设备以及被转换器设备电互连的前端总线和直流（DC)总 线。转换器设备被配置为通过前端总线从外部电源接收电力并且向DC总线提供DC电力。 动力系也可以包括配置为提供用于移动车辆系统的牵引力的推进系统。推进系统可操作地 连接到DC总线并且配置为从DC总线接收DC电力。动力系也可以包括配置为分别通过第 一和第二接触器有选择地连接到前端总线和DC总线的能量存储系统。动力系也可以包括 配置为控制第一和第二接触器的操作的开关控制模块。开关控制模块被配置为在动力系可 操作地耦合到外部电源时闭合第二接触器，以便能量存储系统被充电并且推进系统接收DC 电力。开关控制模块也被配置为在动力系可操作地去耦合于外部电源时闭合第一接触器或 者第二接触器之一。能量存储系统被配置为在车辆系统可操作地去耦合于外部电源时向推 进系统供应电力。
[0008] 在另一实施例中，提供车辆系统的一种动力系，该动力系包括配直为从外部电源 接收电力并且向车辆系统的DC总线供应直流（DC)电力的转换器设备。动力系也可以包括 具有用于移动车辆系统的牵引马达的推进系统。推进系统被配置为通过DC总线接收DC电 力。动力系也包括可操作地连接到DC总线的能量存储系统，其中能量存储系统具有指定充 电电压并且配置在从充电模式中和在供应模式中操作。车辆系统在充电模式中可操作地连 接到外部电源，并且车辆系统在供应模式中未可操作地连接到外部电源。指定充电电压近 似地等于牵引马达在确定的转矩的电压要求，以便可以在充电模式期间通过DC总线对能 量存储系统充电。可以在供应模式期间从能量存储系统通过DC总线向推进系统供应电力 而无电压转换器被设置在能量存储系统的输出与推进系统的输入之间。
[0009] 在另一实施例中，提供一种向车辆系统供电的方法，该车辆系统被配置为从外部 电源接收电力并且包括能量存储系统。该方法包括在车辆系统可操作地连接到外部电源时 通过前端总线向转换器设备供应电力。转换器设备被配置为将电力转换成DC电力并且向 DC总线供应DC电力。该方法也包括在车辆系统可操作地连接到外部电源时对有选择地连 接到DC总线的能量存储系统充电而同时向连接到DC总线的推进系统供电。该方法也包括 确定车辆系统可操作地去耦合于外部电源。该方法也包括在车辆系统可操作地去耦合于外 部电源时从能量存储系统向前端总线或者DC总线之一供应电力以向推进系统供电。

【专利附图】

【附图说明】
[0010] 将参照附图从阅读非限制实施例的以下描述中更好地理解本发明主题内容，在附 图中：
[0011] 图1是根据一个实施例形成的车辆系统的示意图；
[0012] 图2是根据一个实施例形成的动力系或者组件的示意图；
[0013] 图3是可以与动力系一起使用的根据一个实施例形成的能量存储系统的示意图； 以及
[0014] 图4是根据一个实施例形成的动力系或者组件的示意图；
[0015] 图5图示操作包括能量存储系统的车辆系统的方法的流程图；以及
[0016]图6是根据一个实施例形成的系统的示意图。

【具体实施方式】
[0017]这里描述的本发明主题内容的一个或者多个实施例提供用于向具有不同类型的 电源的车辆系统（例如混合车辆系统）供电的系统和方法。对于各种实施例，电源中的至 少一个电源是车辆系统承载的能量存储系统。在具体实施例中，车辆系统能够由外部电源 (例如悬链或者高架线、第三干线等）供电。车辆系统可以沿着指定路线行驶，该路线对于 路线的至少一些部分包括沿着路线延伸的外部电源。车辆系统可以对于路线的第一部分可 操作地耦合到外部电源，如此外部电源向车辆系统供应电力。然而在路线的第二部分期间， 车辆系统不可以可操作地连接到外部电源，例如如果车辆系统未可操作地耦合（例如可操 作地去耦合）到外部电源，外部电源未提供足够电力或者任何电力，或者车辆系统中的部 件已经出故障、从而不能从外部电源接收电力，则车辆系统不可以可操作地连接到外部电 源。
[0018] 虽然相对于外部电源描述这里描述的实施例中的至少一些实施例，但是备选实施 例可以与能量存储系统一起包括原动机（例如柴油发动机）。在这样的实施例中，原动机可 以在操作期间同时对能量存储系统充电和向推进系统供电。
[0019] 如这里所用，应当理解在单数中记载的和前置有字眼"一"的单元或者步骤为未排 除复数个所述单元或者步骤，除非明确地陈述这样的排除。另外，对当前描述的本发明主题 内容的"一个实施例"的引用未旨在于被解释为排除存在也将记载的特征并入的附加实施 例。另外，除非明确地相反陈述，"包括"，"包含"或者"具有"（或者类似术语）一个具有特 定性质的单元或者多个具有特定性质的单元的实施例可以包括无该特定性质的附加的这 样的单元。
[0020] 如这里所用，术语、比如"系统"、"模块"或者"控制器"可以包括操作用于执行一 个或者多个功能的硬件和/或软件。例如系统、模块或者控制器可以包括基于有形和非瞬 态计算机可读存储介质、比如计算机存储器上存储的指令执行操作的计算机处理器或者其 它基于逻辑的设备。备选地，系统、模块或者控制器可以包括硬接线式设备，该设备基于该 设备的硬接线式逻辑执行操作。图中所示系统、模块和控制器可以代表基于软件或者硬接 线式指令操作的硬件、指引硬件执行操作的软件或者其组合。
[0021] 如这里所用，术语、比如"可操作地连接"、"操作地连接"、"可操作地耦合"、"操作 地耦合"等指示以如下方式连接两个或者更多部件，该方式使部件中的至少一个部件能够 或者允许部件中的至少一个部件执行指定功能。例如在可操作地连接两个或者更多部件 时，一个或者多个连接（电和/或无线连接）可以存在，该一个或者多个连接允许部件相互 通信、允许一个部件控制另一部件、允许每个部件控制另一部件和/或使部件中的至少一 个部件以指定方式操作。
[0022] 图1是包括动力系或者组件101的车辆系统100的示意图。动力系101可以包括 控制系统（或者系统控制器）102,该控制系统（或者系统控制器）直接或者间接控制车辆 系统100的各种部件，以便车辆系统100可以进行接收、生成、存储或者供应用于移动车辆 系统100的电力中的至少一项。如图所示，车辆系统100可以通过外部电源104、比如悬链 系统（例如高架线）、第三干线等获得电力。
[0023] 动力系101也可以包括用于移动车辆系统100的能量存储系统106。能量存储系 统106可以例如具有一个或者多个电池、电容器、燃料电池等。电池可以包括钠金属卤化物 电池、钠硫化物电池、锂基电池、镍金属卤化物电池、镍镉电池或者铅酸电池中的一个或者 多个。可以基于系统需要如适当的那样单独或者组合使用电池。从外部电源104接收的电 力可以用来移动车辆系统100和/或对能量存储系统106充电。
[0024] 能量存储系统106可以车载地位于车辆系统100上，以便能量存储系统106在车 辆系统100彳了驶时被车辆系统100承载。在所不实施例中，能量存储系统106位于车辆系 统100的第一车辆或者本体190上。然而能量存储系统106可以车载在车辆系统100的另 一车辆上。例如如果车辆系统100包括机车（或者其它链接的车辆），则能量存储系统106 可以包括通过机械和电耦合来连接到机车的车辆。
[0025] 在一些实施例中，能量存储系统106可以包括多个模块子组件，其中每个模块子 组件具有单个存储单元（individualstorageunits)(例如电池）、电池管理系统（或者 子系统）或者其部分和可选参考接地。在一个实施例中，模块子组件可以包括两个集合 (sets)，其中每个集合具有串联的四五个存储单元。如果每个存储单元是具有约550V输出 的20kWh电池，则可以用共计1100V获得共计160kWh(或者200kWh)。这一配置可以适应如 下实例，在这些实例中，个别存储单元需要参考接地而模块子组件无这样的限制。其它配置 可以是可用的，在这些配置中通过壳隔离、使用辅助罩等获得隔离。
[0026] 在操作期间，车辆系统100可以对于车辆系统100采用的路线的至少部分可操作 地耦合到外部电源104。在车辆系统100未可操作地连接到外部电源104时，用于驱动车辆 系统100的电力可以由能量存储系统106提供。然而无需排他地操作能量存储系统106和 外部电源104,而在一些实施例中，用于操作车辆系统100的电力可以由能量存储系统106 和外部电源104同时或者并行提供。在具体实施例中，车辆系统100可以是全电动混合车辆 系统，在该车辆系统中，用于移动车辆系统100的电力由外部电源104和能量存储系统106 提供。然而在备选实施例中，车辆系统100可以包括可以用来生成电力的不同电源、比如原 动机（例如柴油发动机）。
[0027] 对于一些实施例，车辆系统100可以是机车。然而在其它实施例中，车辆系统100 可以是能够自推进的另一车辆系统（例如包括用于提供牵引力的马达的车辆系统）。这 样的车辆系统可以包括汽车、除了机车之外的轨道车辆、其它非公路用车辆（off-highway vehicle)系统（例如未被设计和/或允许在公路上行驶的挖掘或者其它车辆系统）、卡车、 海船或者工业设备。
[0028] 在一些实施例中，车辆系统100包括单个车辆构成或者包括多个车辆构成。如这 里所用，"车辆构成（vehicleconsist)"包括机械地稱合或者链接在一起以沿着路线行驶 的一组单个车辆。单个车辆可以包括电动单元和非电动单元。在一些情况下，车辆构成包 括相互直接或者间接耦合的多个电动单元（例如多个机车）。单个车辆中的多个电动单元 可以被配置为作为单个移动装置操作。例如多个电动单元可以由主控计算系统控制，该主 控计算系统协调牵引力和/或制动力以控制包括车辆构成的车辆系统的操作。对于包括多 个车辆构成的这样的实施例，每个车辆构成可以与其它车辆构成协调操作以作为单个移动 装置移动车辆系统1〇〇。
[0029] 在一些实施例中，车辆系统100的特征在于具有分布式动力系或者能够在不同模 式中操作。在分布式动力系中，不同的被供电单元（或者不同车辆构成）能够根据不同指 令操作。例如单个车辆系统可以包括第一和第二被供电单元（或者第一和第二车辆构成）。 用于车辆系统的主控计算系统可以用协调车辆系统的牵引和/或制动力的方式指令第一 和第二被供电单元。然而主控计算系统可以向它们传达不同指令。例如第一被供电单元可 以被指令在高档位（或者节流）设置操作。在相同时间，第二被供电单元可以被指令在更 低档位设置操作或者向被供电单元施加制动。
[0030] 如图1中所示，动力系101可以包括配置为对接外部电源104并且从其接收电力 的电力接收器108。电力接收器108可以向动力系101的前端总线110直接或者间接供应 电力。电力接收器108可以包括用于对接和脱离外部电源104的适当设备（例如开关装置、 避雷针（例如变阻器）、传感器等）。前端总线110可操作地连接到动力系101的转换器设 备112和能量存储系统106。在其中外部电源104向前端总线110供应交流（AC)电力的一 些实施例中，前端总线110可以称为AC总线。虽然未示出，但是前端总线110可以可操作 地耦合到除了转换器设备112和能量存储系统106之外的部件。
[0031] 转换器设备112可以被配置为以指定方式变换或者修改（modify)电力并且向动 力系101的DC总线114提供修改的电力。在所示实施例中，DC总线114直接连接到转换器设 备112。通过一个示例，在其中向前端总线110供应AC电力的实施例中，转换器设备112可 以作为整流器操作，该整流器将AC电力转换成直流（DC)电力并且向DC总线114供应DC电 力。作为另一示例，转换器设备112可以作为DC-DC转换器或者斩波器操作，该DC-DC转换 器或者斩波器增加（例如向上阶跃（st印s-up))或者减少（例如向下阶跃（st印s-down)) 从前端总线110向转换器设备112供应的DC电力的电压。在这一实例中，DC电力可以由 外部电源104或者能量存储系统106提供。
[0032] 转换器设备112可以是在车辆系统100的相同行程或者任务期间具有多个不同功 能的双向转换器。例如转换器设备112可以（a)在车辆系统100可操作地连接到外部电源 104时将来自前端总线110的AC电力转换成DC电力；(b)将从能量存储系统106接收的 DC电力的电压改变成不同电压；或者（c)改变从推进系统124的逆变器134接收的DC电 力的电压。在其中外部电源104提供DC电力的实施例中，转换器设备112可以类似地改变 DC电力的电压。
[0033] 如图1中所示，能量存储系统106可以可操作地连接到前端总线110和DC总线 114。动力系101可以包括连接前端总线110和能量存储系统106的传导路径（conductive pathway) 116。传导路径116可以具有配置为闭合或者打开能量存储系统106并且由此控 制能量存储系统106供应的电力量的第一接触器118。动力系101也可以包括将DC总线 114连接到能量存储系统106的传导路径120。传导路径120可以具有配置为闭合或者打 开能量存储系统106并且由此控制供应至或来自能量存储系统106的电力量的第二接触器 122。第一和第二接触器118U22也可以被表征为开关或者继电器。
[0034]DC总线114也可以可操作地连接到调控设备130、推进系统124和一个或者多个 附加子系统126。在所示实施例中，推进系统124包括逆变器134和牵引马达136。推进系 统124被配置为提供用于移动车辆系统100的牵引力。附加子系统126可以例如包括辅助 系统128。虽然未示出，但是附加设备或者子系统可以可操作地耦合到前端总线110或者 DC总线114。
[0035] 辅助系统128可以可操作地耦合到一个或者多个非牵引部件并且被配置为改变 DC电力，以便DC电力适合用于向非牵引部件供电。例如辅助系统128可以向压缩机、风扇 或者吹风机、车载空调器、辐射器、用户接口、制动器等供应电力。辅助系统128可以包括减 少（例如斩波）DC总线114中的电力的电压的转换器设备。
[0036] 调控设备130可以被配置为修改电力。例如调控设备130可以包括过滤掉非所需 频率和/或调节DC总线114等的电流的一个或者多个部件。调控设备130也可以调节DC 总线114的电压（例如通过去除瞬态电压）。调控设备130可以例如包括第二谐波滤波器。 [0037]控制系统102可以指令动力系101的各种部件以执行用于接收、生成、存储、分布 或者供应用于操作车辆系统1〇〇的电力中的至少一个的指定操作。控制系统102可以直接 或者间接连接到电力接收器108、转换器设备112、能量存储系统106、推进系统124、辅助系 统128和调控设备130中的一个或者多个。虽然图1表现为指示控制系统102是单个结构， 但是控制系统102可以包括在分离位置分布于整个车辆系统100的多个模块和/或部件。
[0038] 控制系统102可以被配置为在不同操作模式期间操作车辆系统100的一个或者多 个部件。具体而言，控制系统102可以有选择地控制第一和第二接触器118和122以控制电 力的存储和分布。例如车辆系统100可以用不同方式有选择地操作第一和第二接触器118、 122,这些方式用于：（i)外部供应模式，其中车辆系统100可操作地耦合到外部电源104 ; (ii)内部供应模式，其中车辆系统100未可操作地耦合（例如可操作地去耦合）到外部电 源104,并且电力由能量存储系统106供应；以及（iii)再生模式，其中车辆系统100通过 动态制动重获电力。再生模式可以在车辆系统100可操作地耦合或者可操作地与外部电源 104去耦合时出现。
[0039] 在外部供应模式期间，第一接触器118可以打开（open)而第二接触器122可以被 闭合（closed)。转换器设备112提供的DC电力可以同时向推进系统124供电并且对能量 存储系统106充电。DC电力的电压可以被配置为近似地等于能量存储系统106的充电电 压。在内部供应模式期间，第一接触器118可以被闭合而第二接触器122可以打开。电力 可以由能量存储系统106提供到前端总线110和转换器设备112。这样，来自能量存储系统 106的电力（例如DC电力）可以被供应到先前传输来自外部电源104的电力的前端总线 110和转换器设备112。可选地，转换器设备112可以用指定方式修改电力，以便电力足以 用于操作车辆系统1〇〇。例如转换器设备112可以基于推进系统124和其它子系统126的 功率要求（powerrequirement)增加（向上阶跃）或者减少（向下阶跃）DC电力的电压。 备选地，电力可以从转换器设备112电旁路，以便DC电力未被改变或者修改。
[0040] 在一些实施例中，在内部供应模式期间，第一接触器118可以打开而第二接触器 122可以被闭合。这样，电力可以被直接供应到DC总线114而未由转换器设备112修改（例 如斩波）。这样，在通过第二接触器122供应电力时电力可以保持在能量存储系统106的输 出与推进系统126的输入之间的未转换状态（uncovertedstate)中。在具体实施例中，在 通过第二接触器122供应电力时电力可以保持在能量存储系统106的输出与推进系统126 的输入之间的未变换状态中（untransformedstate)。更具体而言，变压器可以未从DC总 线114分离和电隔离能量存储系统106。
[0041] 因而，电力可以在能量存储系统106的放电电压近似地等于推进系统134的所需 牵引电压时被直接供应到DC总线114。如以下将描述的那样，在一些实施例中，能量存储系 统106可以可适配或者可再配置为改变能量存储系统106的放电电压，以便能量存储系统 106可以向DC总线114直接供应具有电压范围的电力。
[0042] 图2是根据一个实施例形成的动力系或者组件200的示意图。动力系200可以是 车辆或者车辆系统、比如车辆系统1〇〇(图1)的部分。如图所示，动力系200可以包括电力 接收器202,该电力接收器202在所示实施例中是配置为对接外部电源206的高架线204的 悬链组装（catenarypackage)。在一些实施例中，车辆系统是沿着路线、比如铁路轨道可移 开地对接高架线204的机车（或者机车构成）。外部电源206供应的电力是单相AC电力， 但是电力在其它实施例中可以是多相AC电力或者DC电力。在图2中，电力接收器202可 以包括源连接组装（source-connectingpackage) 210,该源连接组装可以例如具有开关装 置、避雷针（例如变阻器）、感测设备等。
[0043] 在所示实施例中，电力接收器202被配置为接收和向第一或者主变压器212递送 具有高电压（例如大于5kV)的电力。举例而言，电力可以在约16. 7Hz约为15kV或者在约 50Hz约为25kV，但是在其它实施例中可以使用电力的其它量和频率。主变压器212也可以 称为电感器（或者线圈或者电抗器）并且可以包括铁芯和一个或者多个电感器（例如绕 组）。主变压器212可以被配置为将来自电力接收器202的输入电压变换成输出电压。在输 入与输出电压之间的差别可以由输入绕组与输出绕组的比值确定。例如主变压器212可以 包括单个输入绕组213和一个或者多个次级绕组214。在所示实施例中，单个次级绕组214 可以可操作地耦合到动力系200的其余单元并且配置为向这些单元提供充分的电力量。虽 然未示出，但是其它次级绕组214可以可操作地耦合到车辆系统的其它动力系200和/或 部件。在一些实施例中，车辆系统被配置为在约4-9MW操作而动力系200中的每个动力系 在约1-2丽之间操作。
[0044] 主变压器212连接到第一或者前端总线216,该第一或者前端总线216电连接到转 换器设备218。如以上关于转换器设备112 (图1)描述的那样，转换器设备218在所示实 施例中可以具有多个功能。例如在一些境况之下，转换器设备218可以作为整流器、DC-DC 转换器操作或者可以允许电力从转换器设备218旁路。适当的转换器设备218的一个示例 包括脉宽调制（PWM)整流器。在一些实施例中，转换器设备218接收的平均电压（或者电 流）可以通过以指定方式（例如在指定频率）闭合和打开转换器设备218的开关或者接触 器（未示出）来控制。在这样的实例中，开关或者接触器被闭合的时间量越大，可以通过转 换器设备218供应的电力量就越大。备选地或者附加地，转换器设备218可以包括一个或 者多个金属氧化物半导体场效应晶体管（M0SFET)或者绝缘栅双极晶体管（IGBT)。在一些 实施例中，转换器设备218可以包括用于过滤切换噪声的一个或者多个电感器和/或一个 或者多个电容器。
[0045] 转换器设备218电连接到DC总线228并且配置为向该DC总线228供应DC电力。 DC总线228又电连接到可以与图1中的推进系统124、调控设备138和辅助系统128相似 的推进系统220、调控设备222和辅助系统224。虽然未示出，但是推进系统220可以包括 一个或者多个逆变器和从逆变器接收电力的一个或者多个牵引马达。辅助系统224可以电 连接到车辆系统的其它子系统。推进系统220和辅助系统224被配置为从DC总线228汲 取电力并且在一些实例中可以生成和向DC总线228供应电力。关于调控设备222,调控设 备222可以例如包括电感电容器模块和/或谐波滤波器。
[0046] 动力系200也可以包括能量存储系统230。能量存储系统230被配置为向动力系 200和更具体地向推进系统220供应用于移动车辆系统的电力。能量存储系统230可以包 括并联和/或串联布置的多个单个存储单元、比如一个或者多个电池、电容器、燃料电池。 可以配置存储单元的类型和存储单元的布置，以便能量存储系统230具有充电电压。
[0047] 在车辆系统可操作地耦合到外部电源206时，主变压器212和转换器设备218可 以被配置为在DC总线228供应指定电压用于对能量存储系统230充电和用于向推进系统 220供电。在一些实施例中，在DC总线228的指定电压可变，但是在其它实施例中，在DC总 线228的指定电压可以基本上恒定。在DC总线228的电压可以近似地等于能量存储系统 230的充电电压。仅举例而言，DC总线228可以在约1-3. 5kV或者更具体地在约2. 8kV操 作。
[0048] 在所示实施例中，能量存储系统230电连接到前端总线216并且也电连接到DC总 线228。能量存储系统230可以通过线或者传导路径232电连接到前端总线216并且可以 通过线或者传导路径234电连接到DC总线228。传导路径232、234分别包括第一和第二接 触器236、238。可选地，传导路径234可以包括二极管240。第一和第二接触器236、238被 配置为将前端总线和直流〇)C)总线216、228分别有选择地连接到能量存储系统230。在动 力系200的操作期间，第一和第二接触器236、238被配置为如这里描述的那样闭合或者打 开以控制电力流过动力系200。
[0049] 动力系200的各种部件可以可操作地耦合到可以与控制系统102(图1)相似的 控制系统201。控制系统201可以包括硬件和/或软件部件的组合，这些部件被配置为执 行动力系200的指定操作。例如指定操作可以控制接收、生成、存储、分布或者供应用于动 力系200的电力中的至少一个。如图2中所示，控制系统201可以包括多个模块和监测器 (monitors)(或者检测器（detectors))。虽然图示模块和监测器为相对于图2中的动力系 200的其它部件具有确定的位置，但是理解模块和监测器在其它实施例中可以具有不同位 置。
[0050] 控制系统201可以包括开关控制模块250,该开关控制模块被配置为控制第一接 触器236和第二接触器238的操作。开关控制模块250可以基于来自车辆系统的其它部件 的数据（例如测量结果）控制第一和第二接触器236、238的操作。例如控制系统201也可 以包括电压监测器252、253。电压监测器252被配置为确定DC总线228的电压参数（例如 电压或者电流），并且电压监测器253被配置为确定前端总线216的电压参数。基于从电压 监测器252、253接收的测量结果，开关控制模块250可以被配置为打开或者闭合第一和第 二接触器236、238。例如开关控制模块250可以在确定动力系200可操作地耦合到外部电 源206时闭合第二接触器238。开关控制模块250也可以被配置为在确定车辆系统可操作 地与外部电源206去耦合时闭合第一接触器236或者第二接触器238之一。
[0051] 控制系统201也可以包括配置为控制转换器设备218的操作的设备控制模块254 和配置为控制能量存储系统230的操作的能量管理模块256。设备控制模块254和能量管 理模块256的操作也可以基于从车辆系统的其它部件接收的数据。作为一个示例，设备控 制模块254可以被配置为控制转换器设备218以增加或者减少能量存储系统230 (或者变 压器212)供应的电力的电压以实现用于DC电力的指定电压。
[0052] 如以上关于车辆系统100(图1)描述的那样，动力系200可以根据不同操作模式 操作。例如动力系200可以根据其中电力接收器202可操作地连接到外部电源206的外部 供应模式操作。在外部供应模式期间，来自外部电源206的电力可以由电力接收器202接 收并且供应到主变压器212。主变压器212可以通过次级绕组214之一向前端总线216引 导（directing)电力。在外部供应模式中，来自前端总线216的电力可以由转换器设备218 修改。例如转换器设备218可以作为整流器操作，该整流器将前端总线216中的电力从AC 电力转换成DC电力。在其中电力接收器202接收DC电力的备选实施例中，转换器设备218 可以是向上阶跃或者向下阶跃DC电力的电压的DC-DC转换器（例如斩波器）。在一些实 施例中，转换器设备218也可以允许DC电力从转换器设备218旁路并且直接流入DC总线 228 中。
[0053] 在外部供应模式期间，DC总线228可以向推进系统220和/或辅助系统224供电。 推进系统220的逆变器（未示出）可以将DC电力转换成AC电力和/或AC电力斩波成不 同电压电平。在一些实施例中，向牵引马达（未示出）供应的AC电力是三相AC电力。
[0054] 能量存储系统230也可以在外部供应模式中从DC总线228接收DC电力。更具体 而言，第二接触器238可以被闭合以允许通过传导路径234和通过二极管240将电力引向 能量存储系统230。如这里描述的那样，转换器设备218提供的DC电力的牵引电压可以近 似地等于能量存储系统230的指定充电电压。因而，在外部供应模式中，推进系统220可以 被供电而同时对能量存储系统230充电。在一些实施例中，开关控制模块250可以被配置 为在外部供应模式期间有选择地打开第二接触器238,以便推进系统220和/或辅助系统 224仅被供电而能量存储系统230未被充电。这可以例如在控制系统201确定能量存储系 统230被充分地充电或者推进系统220需要最大电力时出现。
[0055] 在车辆系统的操作期间的某点，动力系200不再可以从外部电源206接收电力。例 如高架线204可能结束（例如高架线204不再可以沿着路线的一个或者多个部分延伸），外 部电源206可能无法提供充分的电力量，或者动力系200中的部件可能出故障。电压监测 器253可以在动力系200不再接收电力时检测到电压改变，并且控制系统201然后可以确 定动力系200未可操作地连接到外部电源206。例如在一些实施例中，控制系统201可以从 电压监测器253接收在前端总线216的电压参数的测量结果并且确定动力系200不再接收 电力。
[0056] 在其它实施例中，取代检测在前端总线216的电压参数，电压监测器253可以被配 置为检测在主变压器212、在电力接收器202、在主变压器212与电力接收器202之间延伸 的传导路径或者在动力系200内的另一点的电压参数。在备选实施例中，控制系统201可 以使用其它数据以确定车辆系统不再可操作地连接到外部电源206。例如传感器或者检测 器可以传达数据，该数据向控制系统201通知电力接收器202不再耦合到高架线204。
[0057] 在控制系统201确定动力系200不再可操作地连接到外部电源206时，开关控制 模块250可以根据内部供应（或者离线）模式操作。在向内部供应模式转变时，开关控制 模块250可以闭合第一和第二接触器236、238之一并且打开第一和第二接触器236、238中 的另一个。
[0058] 在一个实施例中，开关控制模块250可以打开第二接触器238并且闭合第一接触 器236。在第一接触器236被闭合时，能量存储系统230可以向前端总线216并且因而向 转换器设备218供应DC电力。这时，转换器设备218也可以作为斩波器（例如DC-DC转换 器）工作，该斩波器向上阶跃或者向下阶跃能量存储系统230向转换器设备218提供的DC电力的电压。更具体而言，设备控制模块254可以操作转换器设备218以向DC总线228提 供电力的指定电压。指定电压可以例如基于车辆系统或者控制系统201的操作中提供的功 率要求（例如档位或者节流水平）。作为示例，指定电压可以在约1-3. 5kV之间。
[0059] 在一些境况之下，电池存储系统230也可以向DC总线228直接提供电力而未通过 转换器设备（例如转换器设备218)引导电力。例如在其中未使用二极管240并且电池存 储系统230能够在DC总线228的指定操作电压将电力放电的实施例中，第二接触器238可 以被闭合以允许DC电力从能量存储系统230流向DC总线228。
[0060] 电池存储系统230在一些实施例中也可以在再生模式期间被充电。推进系统220 可以用来在动态制动操作期间生成电力并且对DC总线228充电。例如牵引马达可以在车 辆系统执行制动操作时作为发电机操作。这样，推进系统220可以向DC总线228供应DC 电力。在这样的场合时，开关控制模块250可以操作第一和第二接触器236、238和/或设 备控制模块254可以根据再生模式操作转换器设备218。动力系200可以或者可以未在再 生模式中可操作地耦合到外部电源206。
[0061] 例如在再生模式中，开关控制模块250可以基于DC总线228的电压电平有选择地 激活第一和第二接触器236、238。电压监测器252可以确定DC总线228在再生模式期间 具有与能量存储系统230的充电电压近似地相等的操作电压。这样，开关控制模块250可 以打开第一接触器236并且闭合第二接触器238,以便DC总线228中的DC电力通过线234 流向能量存储系统230。
[0062] 然而电压监测器252可以确定DC总线228在再生模式期间具有未与能量存储系 统230的充电电压近似地相等的操作电压。在这样的情况下，开关控制模块250可以打开 第二接触器238并且闭合第一接触器236,以便DC电力流向转换器设备218。设备控制模 块254又可以控制转换器设备218以向上阶跃或者向下阶跃推进系统220生成的DC电力 的电压，以便在前端总线216的电压在能量存储系统230的充电电压。
[0063] 因而，在一些实施例中，在通过第二接触器238供应电力时，动力系200未包括在 能量存储系统230的输出与推进系统220的输入之间的电压转换器。不同于已知的车辆系 统，动力系200可以未包括在能量存储系统230的输出与推进系统220的输入之间的变压 器。在一些实施例中，从能量存储系统230的输出流向推进系统220的输入的电力在通过 第一接触器238供应电力时仅由转换器设备218转换。
[0064] 在一些实施例中，动力系200中的部件固有地（inherently)保持的电感（例如漏 电感）可以用来向DC总线228供应电力。例如变压器212可以具有电感并且可以用作短 时间能量存储设备。变压器212可以向转换器设备218供应电力，该转换器设备可以向上 阶跃或者向下阶跃电压并且向DC总线228供应它。备选地，变压器212可以通过路径234 向能量存储系统230直接供应电力。可以使用切换设备，以便变压器212有效地作为斩波 器设备操作。作为一个具体示例，假设动力系200在指定速度（例如低速度）操作。如果 DC总线228的电压不再与能量存储系统230的电压匹配，则变压器212可以用来升高DC总 线228的或者能量存储系统230的电压。虽然以上示例具体地描述变压器212为用作能量 存储设备，但是可以用相似方式使用动力系200中的其它电部件。
[0065] 图3是可以与动力系、比如分别与图2和3的动力系200、300-起使用的根据一个 实施例的能量存储系统300的示意图。然而能量存储系统300不限于仅与动力系200、300 的一起应用、但是可以与其它动力系和车辆系统一起使用。能量存储系统300可以包括存 储组件301和能量管理模块或者控制器350。存储组件301可以包括一个或者多个能量模 块、比如能量模块302、304,每个能量模块包括一个或者多个存储单元（例如电池、电容器、 燃料电池等）。在一个或者多个实施例中，能量存储系统300被配置为提供用于向存储单元 306充电的可适配或者可再配置充电电压和/或用于向电耦合到推进系统（未示出）的DC 总线320供应电力的可适配或者可再配置操作电压。例如动力系400(在图4中示出）可 以利用能量存储系统300的可再配置特征。
[0066] 如图所示，存储组件301包括通过组到组总线326相互串联电连接的多个能量模 块（也称为能量组）302、304。附加能量模块在其它实施例中可以相互串联和/或并联耦合。 例如存储组件301可以包括串联的三个到六个能量模块。能量存储系统300电耦合到可以 与DC总线216、416(分别为图2和4)相似的DC总线320。能量模块302可以通过第一引 线322直接连接到DC总线320的正极性导体，并且能量模块304可以通过第二引线324直 接连接到DC总线320的负极性导体。
[0067] 能量模块302、304中的每个能量模块可以包括相互串联和/或并联电连接的能量 存储单元（或者电池）306的阵列。例如就能量模块302而言，多行或者串308-310的存 储单元306可以包括串联的多个存储单元306。虽然仅示出三行308-310,但是能量模块 302、304可以包括附加行。行308-310中的每行可以相互并联电连接。仅作为一个示例，行 308-310中的每行可以具有串联布置的约150个存储单元。
[0068] 能量模块302、304被配置为实现指定电压并且在具体实施例中实现在电压范围 内的选择电压。例如能量模块302、304中的每个能量模块可以具有约550到约585V的最 大电压。能量模块302、304也可以被配置为提供指定量的电力并且在具体实施例中提供在 电力范围内的选择量的电力。例如能量存储系统300可以被配置为提供从约2MW到约6MW 的电力。
[0069]为了实现在电压范围内的选择电压，能量存储系统300可以包括多个旁路电路 352、354。旁路电路352、354可以由能量管理模块350控制以有选择地对能量模块302、304 中的一个或者多个能量模块和/或对应存储单元306中的一个或者多个存储单元充电或者 放电。例如个别存储单元306可能例如由于制造容差、老化和环境条件而具有与其它存储 单元306不同的容量。这样，在若干充电和放电循环之后，存储单元306可能变得相对于彼 此失衡（或者不相等）。这些失衡可能减少存储单元或者能量模块的寿命操作和/或性能。 旁路电路352、354可以被操作为均衡存储单元306。除了控制或者进行存储单元和能量模 块中的电力均衡之外，旁路电路352、354也可以用来配置电力电路，该电力电路在存储单 元被放电时提供指定电压、由此向动力系供应指定量的电力。
[0070] 因而，旁路电路352、354可以包括用于有效地从一个或者多个电部件旁路的适当 电路装置（例如开关、二极管、电阻器等）。在充电操作期间，能量管理模块350可以监视能 量模块302、304的至少一个存储参数、一行或者多行存储单元306的至少一个存储参数和 /或一个或者多个单个存储单元306的至少一个存储参数。存储参数（或者条件）可以包 括对应能量模块/行/存储单元的充电状态（S0C)、充电深度（D0C)、端子电压或者开路电 压。就能量模块302、304而言，在检测到一个或者多个存储参数（例如S0C)之后，能量管 理模块350可以指令旁路电路352从一个或者多个能量模块旁路、但是继续对一个或者多 个其它能量模块充电。作为具体示例，如果能量管理模块350基于测量的存储参数确定能 量模块302被充分地充电，则能量管理模块350可以指令旁路电路352指引电流流动，以便 电流从能量模块302旁路、但是继续对能量模块304充电。
[0071] 以相似方式，能量管理模块350可以监视行308-310和/或单个存储单元306的 充电。在测量用于行或者单个存储单元的存储参数之后，能量管理模块350可以指令对应 旁路电路354从一行或者多行和/或一个或者多个存储单元306旁路。例如如果能量管理 模块350确定存储单元306A被充分地充电、但是存储单元306B未被充分地充电，则能量管 理模块350可以指令对应旁路电路354引导电流流动，以便电流从存储单元306A旁路、但 是继续对存储单元306B充电。
[0072] 可选地，能量存储系统300的旁路电路352、354可以被配置为向上阶跃或者向下 阶跃向测量系统供应的电力的电压。例如在车辆系统不再从外部电源接收电力时，能量存 储系统300可以被适配或者再配置为满足动力系的需要。更具体而言，在放电操作期间，能 量管理模块350可以操作旁路电路352、354以增加或者减少能量存储系统300的有效电压 或者能量存储系统300的有效容量。旁路电路352、354可以有选择地连接指定能量模块或 者在能量模块内的指定存储单元以对推进系统放电和向推进系统供应指定电力。
[0073] 例如在车辆系统未稱合到外部电源时，从能量存储系统300需要的电力量可以基 于各种因素、比如路线的地理、车辆系统的重量等。因而，能量存储系统350可以确定能量 模块302、304和/或在能量模块302、304内的存储单元306的电路布置，该电路布置满足请 求的电力量。能量管理模块350可以指令旁路电路352、354以有选择地连接能量模块302、 304和/或存储单元306,以便能量存储系统300形成指定电路布置。例如旁路电路352、 354可以改变以添加或者减去串联的存储单元306。电路布置可以随着车辆系统的能量要 求改变而改变。更具体而言，能量存储模块350可以向上阶跃或者向下阶跃能量存储系统 300供应的电压或者增加或者减少能量存储系统300供应的电力。
[0074] 举例而言，在需要最大电力（例如约6MW)时，能量管理模块350可以指令旁路电 路352、354在放电操作期间利用每一个存储单元306。然而在车辆系统仅需有限量的电力 (例如2MW)时、比如在车辆系统惯性行进或者静止时，能量管理模块350可以指令旁路电路 352、354仅对能量模块中的选择数目的能量模块或者在能量模块内的存储单元中的选择数 目的存储单元放电。
[0075] 除了以上之外，实施例也可以被配置为在存储单元中的一个或者多个存储单元形 成接地故障时保护车辆系统。如图所示，能量模块302、304可以分别包括模块壳312、314。 模块壳312、314可以被与车辆系统的余项（remainder)电隔离。例如模块壳312、314的外 部可以被绝缘，并且模块壳312、314可以搁放在绝缘元件（例如套管）上，以便模块壳312、 314被电隔离。能量模块302、304也可以包括使模块壳与传入或者传出导体隔离和绝缘的 多个电绝缘套管341-344。更具体而言，套管341使模块壳312与第一引线322绝缘和隔 离。套管342使模块壳314与第二引线324绝缘和隔离，并且套管343、344使模块壳312、 314分别与组到组总线326绝缘和隔离。
[0076] 然而模块壳312、314可以通过相应接触器332、334有选择地连接到接地316。存 储单元306可以不电耦合到模块壳312、314。取而代之，用于能量模块302、304中的每个能 量模块的存储单元306可以与模块壳312、314被电隔离。这样，存储单元306可以具有相 对于模块壳312、314浮动（floating)的特征。在一些实施例中，存储单元306也可以相互 被电隔离。
[0077]能量存储系统300可以包括接地故障检测器360。在一些实施例中，接地故障检测 器360可以是电压监测器或者电流检测器（例如电流求和电路）。接地故障检测器360可 以电耦合到DC总线320的正极性导体和负极性导体。接地故障检测器360也可以电耦合 到模块壳312、314。在能量存储系统300的操作期间，存储单元306之一可以接地。例如 存储单元306B可能变得受损，以便存储单元360B接地（例如形成与模块壳312的非所需 或者不利电连接）。在这一情况下，接地故障检测器360可以被配置为标识出（identify) 相对于模块壳312和DC总线320的电压（或者电流）改变。基于电压改变，能量管理模块 350可以确定接地故障存在。然而即使接地故障已经出现，能量存储系统300可以仍然操作 并且DC总线320可以接收和/或供应电力。
[0078] 在标识出接地故障存在于能量模块302内之后，可以向技术人员提醒接地故障状 况。在适当时，技术人员然后可以闭合接触器332,以便模块壳312被接地。技术人员然后 可以检查能量模块302以标识接地故障出现于何处。
[0079]图4是根据一个实施例形成的动力系或者组件400的示意图。动力系400可以 是车辆或者车辆系统、比如车辆系统1〇〇(图1)的部分并且可以与动力系101 (图1)和 200 (图2)相似。例如动力系400包括电力接收器402,该电力接收器402在所示实施例中 是配置为对接外部电源406的高架线404的悬链组装。动力系400也包括主变压器412,该 主变压器412在所示实施例中包括多个次级绕组414。次级绕组414之一可操作地耦合到 动力系400的余项并且配置为向该余项提供充分量的电力。其它次级绕组414可以可操作 地耦合到车辆系统的其它组件。
[0080] 变压器412连接到第一或者前端总线416并且配置为向第一或者前端总线416供 应电力。前端总线416向转换器设备418供应电力。与转换器设备218相似，转换器设备 418互连前端总线416和DC总线428。DC总线428又电连接到可以与图2中的推进系统 220、调控设备222和辅助系统224相似的推进系统420、调控设备422和辅助系统424。动 力系400也可以包括可以与能量存储系统300相似的能量存储系统430。
[0081] 与动力系200相似，动力系400可以包括控制系统401，该控制系统包括配置为分 别确定DC总线428和前端总线416的电压参数（例如电压或者电流）的电压监测器452、 453。控制系统401也可以包括配置为控制转换器设备418的操作的设备控制模块454和 配置为控制能量存储系统430的操作的能量管理模块456。设备控制模块454和能量管理 模块456的操作可以基于从车辆系统的其它部件接收的数据（例如测量结果）。
[0082] 不同于转换器设备218,动力系400的转换器设备418未修改能量存储系统430供 应的电力。取而代之，动力系400可以利用以上关于能量存储系统300描述的可再配置特 征，以便能量存储系统430的充电或者放电电压可以基于动力系400的操作来有选择地配 置。例如如果推进系统420需要1000V以向牵引马达供电，但是能量存储系统430具有当 前电压800V，则能量管理模块456可以控制旁路电路（未示出）以形成具有1000V电压的 电路布置。类似地，能量存储系统430可以用于如以上描述的电力均衡。
[0083] 图5图示操作包括能量存储系统的车辆系统的方法500的流程图。方法500例如 可以运用这里讨论的各种实施例（例如系统和/或方法）、比如关于图1-4描述的实施例的 结构或者方面。在各种实施例中，可以省略或者添加某些步骤（或者操作），可以组合某些 步骤，可以同时执行某些步骤，可以并行执行某些步骤，可以将某些步骤拆分成多个步骤， 可以按照不同顺序执行某些步骤，或者可以用迭代方式重新执行某些步骤或者系列步骤。
[0084] 方法500可以包括在502中，确定车辆系统是否可操作地连接到外部电源（例如 高架线、第三干线等）。该在502中的确定可以例如在监测器或者检测器检测到车辆系统已 经对接或者脱离外部电源时被触发。例如监测器或者检测器可以是对接外部电源的电力接 收器的部分。监测器或者检测器可以检测到在电力接收器的电压或者电流突变、然后与控 制系统通信以向控制系统通知电力供应的状态已经改变。在其它实施例中，在502中的确 定可以包括频繁地查询监测器或者检测器关于电力接收器是否可操作地对接到外部电源。
[0085] 基于这一确定，如果车辆系统可操作地连接到外部电源，则方法500可以继续 504,根据外部供应模式操作车辆系统，或者如果车辆系统未可操作地连接到外部电源，则 继续506,根据内部供应模式操作车辆系统。在504的外部供应模式中，方法500可以包括 从外部电源接收电力（在507)并且通过前端总线向转换器设备供应电力（在508)。转换 器设备可以被配置为将电力转换成DC电力并且向DC总线供应DC电力。方法500也可以 包括对有选择地连接到DC总线的能量存储系统充电（在510)并且向连接到DC总线的推 进系统供电（在512)。充电（在510)和供电（在512)可以同时或者并行出现。
[0086] 在一些实施例中，充电（在510)和供电（在512)可以仅在相同时间间歇地或者 偶尔地出现。例如可以在外部供应模式期间确定能量存储系统被充分地充电。也可以确定 车辆系统需要最大电力。在这样的实例期间，方法500可以包括从DC总线断开能量存储系 统（在514)。
[0087] 方法500也可以包括监视能量存储系统的至少一个存储参数（在516)。例如控 制系统可以监视能量模块、在能量模块中的存储单元行或者串或者单个存储单元的存储参 数。基于这一监视，方法500可以包括有选择地连接存储单元以形成指定电路布置（在 518)。指定电路布置可以被配置为对选择的存储单元充电并且未对其它存储单元充电，以 便存储单元变成更能量平衡。
[0088] 在车辆系统的操作期间的某点，方法500可以确定车辆系统未可操作地连接到 外部电源（在502)。在这样的确定之后，方法500可以根据内部供应模式操作车辆系统 (506)。在520,方法500可以包括从能量存储系统向前端总线或者DC总线之一供应电力以 向车辆系统的推进系统供电。在一些实施例中，在520,该供应包括确定电力是否应当被供 应给连接到前端总线的转换器设备或者直接供应到DC总线。例如如果能量存储系统的电 压近似地等于推进系统的电压要求，则该供应（520)可以包括向DC总线直接提供电力。然 而如果推进系统的电压要求不等于能量存储系统的电压，则电力可以被供应到前端总线， 其中转换器设备增加或者减少电压。
[0089] 在一些实施例中，方法500可以包括522,有选择地连接能量存储系统的存储单元 以形成指定电路布置。例如在一个或者多个实施例中，能量存储系统可能不能连接到前端 总线。在这样的实施例中，能量存储系统可以被重配置为向DC总线提供所需电压。例如控 制系统可以操作旁路电路以有选择地连接存储单元，以便提供指定电压。
[0090] 在外部供应模式504或者内部供应模式506期间，方法500可以包括从推进系统 向DC总线供应电力（在524)。例如在动态制动操作期间，牵引马达可以生成被逆变器转换 成DC电力的电力。在一些实施例中，基于DC电力的电压，DC电力可以被直接供应到DC总 线或者供应到修改DC电力的转换器设备。
[0091] 虽然这里描述的实施例可以对人类发起的查询或者操作做出响应，但是一个或者 多个实施例可以根据指定行程计划来操作。更具体而言，各种电力部件（例如转换器设备、 接触器等）的操作可以根据预定行程计划来操作。行程计划可以指明车辆系统在沿着一个 或者多个路线（例如轨道、道路、水路等）的行程的过程期间的操作以便实现某个目标、t匕 如减少能量消耗、按时到达目的地等。更具体而言，行程计划可以根据在行程期间流逝的时 间和/或沿着行程的路线的距离指明牵引输出（例如牵引力、电力输出、速度、加速度等） 和/或制动力（brakingeffort),以便如果车辆系统实际地根据指定操作（例如指定操作 设置）来操作，则车辆系统将减少消耗的能量的量。
[0092] 行程计划可以基于车辆数据、路线数据或者行程数据中的至少一个以生成行程计 划并且也可以包括操作数据。车辆数据可以包括关于车辆的特性的信息。例如在车辆系 统是轨道车辆时，车辆数据可以包括轨道车辆数目、机车数目、涉及单个机车或者机车构成 (例如机车型号或者类型、重量、电力描述、机车牵引传输性能、冷却特性）的信息、具有有 效拖拉系数（dragcoefficient)的轨道车辆的负载、车辆操纵规则（例如牵引力斜坡速率、 最大制动力斜坡速率）、轨道汽车容量（content)、关于功率的下限和/或上限（节流）设 置等。
[0093] 路线数据可以包括关于路线的信息、比如涉及沿着路线的各段的地理或者地形 (例如有效轨道等级和曲率）、用于路线的指明段的速度限制、用于路线的指明段的最大累 计和/或瞬时排放、路口（例如铁路路口）的位置、某些轨道特征（例如上顶、下陷、曲线和 超海拔）的位置、里程标志的位置和等级改变、旁轨、补给站和燃料站的位置的信息。
[0094] 行程数据可以包括涉及指定任务或者行程的信息、比如行程的开始和结束时间、 开始和结束位置、涉及指定路线的路线数据（例如视里程标志、速度限制而定的有效轨道 等级和曲率）、用于路线的关于排放的上累计和/或瞬时限制、对于行程而允许的能量消 耗、历史行程数据（例如在沿着指定路线的先前行程中使用多少能量）、希望的行程时间或 者持续时间、工作人员（用户和/或操作中）标识、工作人员轮班到期时间、用于指定段的 关于功率的下和/或上限（节流）设置等。
[0095] 作为一个具体示例，第一和第二接触器236、238(图2)的操作可以基于指定行程 计划。例如基于行程计划，控制系统201可以在车辆系统接近或者通过其中外部电源（例如 高架线）不再可用的点时闭合第一接触器236并且打开第二接触器238。在车辆系统可操作 地连接到外部电源时，控制系统201可以在控制系统201知道推进系统将需要最大电力时 打开第一和第二接触器236、238。例如行程计划可以指示正在接近陡坡（ste印incline)。 因而，控制系统201可以打开第一和第二接触器236、238二者。
[0096]图6图示可以与动力系、比如分别与图2和3的动力系200、300 -起使用的根据 一个实施例的能量存储系统600。然而能量存储系统600不限于仅与动力系200、300的一 起应用、但是可以与其它动力系和车辆系统一起使用。在一个方面中，提供多个能量模块。 这些能量模块中的至少部分被并联电连接。连接的能量模块可以向2、3、4.....n...个总 线系统供应电力。任何"余项"能量模块可以用于在单个总线系统内的负载平衡。例如在 有15个能量模块和4个总线系统时，对于共计的12个能量模块，3个能量模块可以被并联 用于每个总线系统。这样，3个能量模块是余项模块。余项模块未被并联连接、但是可以用 于单个总线系统的负载平衡。
[0097] 可以使用电力开关来切换余项模块。适当的电力开关可以例如包括两个双极接触 器或者开关。电力开关可以是将电路打开或者闭合定义的时段的瞬时通-断开关或者具有 常通-断特征的通-断开关。双极开关可以结合这两个特征。
[0098] 参照图6,示出用于操作车辆系统或者车辆系统的子系统的系统600。系统600包 括功能地耦合到模块604的热管理系统602,该模块604可以是动力系。热管理系统602包 括吹风机612和冷却系统610。所示冷却系统610是液体冷却系统。基于应用专属参数，其 它冷却系统可以用来包括热管、散热器等。模块604包括AC/DC转换器620、具有中心抽头 的变压器622和另一AC/DC转换器624。第一和第二端子引线630、632促进模块与包括其 它模块的其它设备的电接触。
[0099] 适当的变压器可以包括一个或者多个感应地耦合的导体。变压器可以包括升压 转换器（converter)或者降压-升压转换器。其它适当的变压器可以包括开关模式电源 (Switched-ModePowerSupply;简称SMPS)并且可选地可以包括电流限制或者消弧电路。 并且根据转换方向，可以包括逆变器或者整流器。
[0100] 在一个实施例中，热管理系统602的重量在少于约299kg的范围中或者从约300 千克（kg)到约350kg或者从约351kg到约400kg的范围中。热管理系统602的质量和重量 可以根据适当具体标准来选择。模块604在一个实施例中可以具有在少于约149kg的范围 中或者在从约150千克（kg)到约200kg或者从约201kg到约300kg的范围中的重量。模 块604的质量和重量可以根据应用专属标准来选择。在所不实施例中，包含一个模块604 和一个热管理系统602二者的超模块的组合总重量约为550kg。备选超模块实施例可以包 括具有多个模块的一个热管理系统602或者反之包括具有多个热管理系统的一个模块。在 一个实施例中，热管理系统602被"夹入（sandwiched) "在两个模块之间而一个模块在任一 侧上并且通信地耦合到每个模块。
[0101] 就物理尺度而言，这样的物理尺度受制于从一个实现方式到另一实现方式不同的 多个约束。封装挑战可以规定尺度，但是在一个实施例中，热管理系统602和模块604约为 与彼此相同的大小。在所示实施例中，尺度约为950毫米（mm)x530mmx320mm。
[0102] 在一个实施例中，使用基于液体的热管理系统602和3x3平面配置，所述超模块高 度可以是45厘米（cm)以容纳逆变器。其它尺度可以参照任何能量存储设备或者电池来确 定。冷却管道可以耦合到公共热交换器。
[0103] 参照逆变器，一个适当逆变器可以在250千伏安（kVA)运行时生成约10千瓦（kW) 热。在一个实施例中，约250kVA可以是峰稳态状况（peaksteadystatecondition)。对 于偏移（excursion)，在少于约两分钟内，可以能够支持约300kVA。在一个备选实施例中， 预冷却可以用来耗散上至或者附加地耗散12kW电力。另外，可以对占空比可控地进行调整 以影响发热速率。
[0104] 在一个实施例中，八电池模块系统具有160kWHr的容量。对于10电池模块系统， 可以使用越来越大的逆变器。
[0105] 可以在多个电力传送总线系统之中布置和分配如这里描述的这样的超模块。在一 个实施例中，四个电力传送总线系统可以与近似2MWh到3MWh的总能量一起使用。12-15个 160kWh超模块各自可以被布置为实现电力平衡和冗余性。以下表和描述提供一个这样的示 例，但是理解可以使用其它配置。可以优化以下配置，其中冷却系统的求和可以对于多个超 模块如需要的那样被组合成组以求冗余性。在比如图1中的布置中对这些超模块进行定位 可以减少逆变器复杂性和提高单个超模块的逆变器效率。在一个备选实施例中，可以使用 无需隔离的其它电池配置、由此消除对于超模块的需要。在一些实施例中，超模块的益处归 因于它的用于去耦合中间总线要求的能力（例如见图1和在逆变器设备112两端的电压）。
[0106] 由于逆变器允许经由控制器或者电池管理系统（BMS)对能量模块中的任何单个 一个或者组合的有选择电力下调，所以有可能例如具有以下组合，其中余项能量模块用于 负载平衡：
[0107]

【权利要求】
1. 一种系统，包括： 开关控制模块，所述开关控制模块配置为控制车辆系统中的第一接触器和第二接触器 的操作，所述第一接触器和第二接触器被配置为将前端总线和直流（DC)总线分别有选择 地连接到所述车辆系统的能量存储系统，所述前端总线被配置为从外部电源接收电力并且 向转换器设备提供所述电力，所述转换器设备被配置为向所述DC总线供应DC电力，所述DC 总线被配置为耦合到所述车辆系统的推进系统并且配置为具有近似地等于所述能量存储 系统的充电电压的用于向所述推进系统供电的指定牵引电压； 其中所述开关控制模块被配置为在所述车辆系统可操作地耦合到所述外部电源时闭 合所述第二接触器，所述转换器设备被配置为向所述DC总线提供所述DC电力，以便所述能 量存储系统被充电并且所述推进系统接收所述DC电力；以及 其中所述开关控制模块被配置为在所述车辆系统可操作地与所述外部电源去耦合时 闭合所述第一接触器或者所述第二接触器之一，所述能量存储系统被配置为在所述车辆系 统可操作地与所述外部电源去耦合时向所述推进系统供应所述电力。
2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述开关控制模块被配置为闭合所述第 一接触器以向所述转换器设备供应来自所述能量存储系统的所述电力，所述系统还包括可 操作地耦合到所述转换器设备的设备控制模块，所述设备控制模块被配置为控制所述转换 器设备的操作，以便所述转换器设备改变由所述能量存储系统供应的所述电力的电压。
3. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括可操作地耦合到所述转换器设备 的设备控制模块，所述设备控制模块被配置为控制所述转换器设备的操作，以便所述转换 器设备改变由所述外部电源供应的所述电力的电压。
4. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括电压监测器，所述电压监测器配置 为确定所述DC总线的电压参数并且通信地耦合到所述开关控制模块，所述开关控制模块 被配置为基于所述电压参数确定是否闭合所述第一接触器或者闭合所述第二接触器中的 至少一个。
5. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述开关控制模块被配置为在再生模式 期间控制所述第一接触器和第二接触器，在所述再生模式中，所述第二接触器被闭合而所 述车辆系统被制动。
6. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括可操作地耦合到所述能量存储系 统的能量管理模块，所述能量管理模块被配置为确定接地故障是否存在于所述能量存储系 统中。
7. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括可操作地耦合到所述能量存储系 统的旁路电路的能量管理模块，其中，所述能量存储系统包括有选择地相互连接的多个能 量存储单元，所述能量管理模块被配置为控制所述旁路电路以有选择地连接所述存储单元 中的更多或者更少存储单元以实现指定电压或者功率。
8. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在通过所述第二接触器供应所述电力时， 所述电力在所述能量存储系统的输出与所述推进系统的输入之间保持在未转换状态中。
9. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在通过所述第二接触器供应所述电力时， 所述电力在所述能量存储系统的输出与所述推进系统的输入之间保持在未变换状态中。
10. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，从所述能量存储系统的输出到所述推进 系统的输入的所述电力在通过所述第一接触器供应所述电力时仅由所述转换器设备转换。
11. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括能量存储系统，其中，所述能量 存储系统包括配置为向多个总线系统供应电力的能量模块集合，所述能量模块集合包括专 用模块和余项模块，所述总线系统中的每个总线系统从相应多个所述专用模块被排他地供 应电力，每个相应多个专用模块中的专用模块与相应多个专用模块中的其它专用模块电并 联，其中所述余项模块被配置用于负载平衡，以便所述余项模块被配置为从向所述总线系 统中的一个总线系统供应电力切换成向所述总线系统中的另一总线系统供应电力。
12. -种车辆系统的动力系，包括： 转换器设备，所述转换器设备配置为从外部电源接收电力； 前端总线和直流（DC)总线，所述前端总线和DC总线被所述转换器设备电互连，所述转 换器设备被配置为通过所述前端总线从所述外部电源接收所述电力并且向所述DC总线提 供DC电力； 推进系统，所述推进系统配置为提供用于移动所述车辆系统的牵引力，所述推进系统 可操作地连接到所述DC总线并且配置为从所述DC总线接收所述DC电力； 能量存储系统，所述能量存储系统配置为分别通过第一接触器和第二接触器有选择地 连接到所述前端总线和DC总线；以及 开关控制模块，所述开关控制模块配置为控制所述第一接触器和第二接触器的操作， 所述开关控制模块被配置为在所述动力系可操作地耦合到所述外部电源时闭合所述第二 接触器，以便所述能量存储系统被充电并且所述推进系统接收所述DC电力，所述开关控制 模块被配置为在所述动力系可操作地与所述外部电源去耦合时闭合所述第一接触器或者 所述第二接触器之一，所述能量存储系统被配置为在所述车辆系统可操作地与所述外部电 源去耦合时向所述推进系统供应所述电力。
13. 根据权利要求12所述的动力系，其特征在于，在通过所述第二接触器供应所述电 力时，所述电力在所述能量存储系统的输出与所述推进系统的输入之间保持在未变换状态 中。
14. 根据权利要求12所述的动力系，其特征在于，在通过所述第二接触器供应所述电 力时，所述电力在所述能量存储系统的输出与所述推进系统的输入之间保持在未转换状态 中。
15. 根据权利要求12所述的动力系，其特征在于，从所述能量存储系统的输出到所述 推进系统的输入的所述电力在通过所述第一接触器供应所述电力时仅由所述转换器设备 转换。
16. 根据权利要求12所述的动力系，其特征在于，所述开关控制模块被配置为闭合所 述第一接触器以向所述转换器设备供应来自所述能量存储系统的所述电力，所述动力系还 包括可操作地耦合到所述转换器设备的设备控制模块，所述设备控制模块被配置为控制所 述转换器设备的操作，以便所述转换器设备增加或者减少所述能量存储系统供应的所述电 力的电压。
17. 根据权利要求12所述的动力系，其特征在于，还包括可操作地耦合到所述转换器 设备的设备控制模块，所述设备控制模块被配置为控制所述转换器设备的操作，以便所述 转换器设备增加或者减少由所述外部电源供应的所述电力的电压。
18. 根据权利要求12所述的动力系，其特征在于，从所述外部电源接收的所述电力是 交流（AC)电力，所述转换器设备被配置为将所述AC电力转换向所述DC总线供应的所述DC 电力。
19. 根据权利要求12所述的动力系，其特征在于，所述开关控制模块被配置为在再生 模式期间控制所述第一接触器和所述第二接触器，在所述再生模式中，所述第二接触器被 闭合而所述车辆系统被制动。
20. 根据权利要求12所述的动力系，其特征在于，所述能量存储系统包括配置为向多 个总线系统供应电力的能量模块集合，所述能量模块集合包括专用模块和余项模块，所述 总线系统中的每个总线系统从相应多个所述专用模块被排他地供应电力，每个相应多个专 用模块中的专用模块与相应多个专用模块中的其它专用模块电并联，其中所述余项模块被 配置用于负载平衡，以便所述余项模块被配置为从向所述总线系统中的一个总线系统供应 电力切换成向所述总线系统中的另一总线系统供应电力。
21. 根据权利要求12所述的动力系，其特征在于，还包括可操作地耦合到所述能量存 储系统的旁路电路的能量管理模块，所述能量存储系统包括有选择地相互连接的多个能量 存储单元，所述能量管理模块被配置为控制所述旁路电路以有选择地连接所述存储单元中 的更多或者更少存储单元以实现指定电压或者功率。
22. 根据权利要求12所述的动力系，其特征在于，所述能量存储系统包括在并联-串联 布置中相互耦合的多个存储单元，所述存储单元被分配到第一存储单元集合和第二存储单 元集合中，其中所述第一和第二存储单元集合中的每个存储单元集合被保持在接地的模块 壳中。
23. -种向车辆系统供电的方法，所述车辆系统被配置为从外部电源接收电力并且包 括能量存储系统，所述方法包括： 在所述车辆系统可操作地连接到外部电源时通过前端总线向转换器设备供应所述电 力，所述转换器设备被配置为将所述电力转换成DC电力并且向DC总线供应所述DC电力； 在所述车辆系统可操作地连接到所述外部电源时对有选择地连接到所述DC总线的能 量存储系统充电而同时向连接到所述DC总线的推进系统供电； 确定所述车辆系统可操作地与所述外部电源去耦合；以及 在所述车辆系统可操作地与所述外部电源去耦合时从所述能量存储系统向所述前端 总线或者所述DC总线之一供应所述电力以向所述推进系统供电。
24. 根据权利要求23所述的方法，其特征在于，从所述能量存储系统向所述前端总线 或者所述DC总线之一供应电力包括闭合第一接触器以将所述能量存储系统电连接到所述 如端总线。
25. 根据权利要求23所述的方法，其特征在于，还包括使用所述转换器设备来增加或 者减少由所述能量存储系统向所述前端总线供应的所述电力的电压。
26. 根据权利要求25所述的方法，其特征在于，来自所述能量存储装置的所述电力的 电压在向所述推进系统供电之前仅由所述转换器设备转换。
27. 根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述能量存储系统包括输出，并且所述 推进系统包括输入，在通过所述第二接触器供应所述电力时，所述电力在所述能量存储系 统的所述输出与所述推进系统的所述输入之间保持在未变换状态中。
【文档编号】B60L3/00GK104411535SQ201380035933
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2013年6月28日 优先权日:2012年7月5日
【发明者】A.K.库马, W.道姆, D.约安尼季斯 申请人:通用电气公司