电车应急牵引供电系统、方法及电车与流程

本发明涉及新能源电车
技术领域：
，尤其涉及一种电车应急牵引供电系统、方法及电车。
背景技术：
近年来，环境污染严重、石油资源匮竭及全球气候变暖，迫使人们在新能源动力系统领域寻求技术突破。为达到人类、环境、电车三者友好协调发展的目的，世界各国都在积极探索新能源，新能源必然成为未来有轨电车发展的趋势。其中，在国内多个城市开始规划建设有轨电车，并在重要区段设置无电网区域，以保护城市景观；而在国外，西门子、阿尔斯通、庞巴迪、安萨尔多、卡福等公司已经生产了近千辆的部分低地板和100％低地板混合动力轻轨车，其中100％低地板混合动力轻轨车技术代表了国际低地板轻轨车最先进技术。在无轨交通行业，国内已有很多研究人员进行以超级电容、蓄电池、燃料电池为动力源的混合动力车研究，并有相关产品已经面世。例如，南车株洲所研制的电动大巴已经开始批量生产，比亚迪生产的电动轿车已经进入私家车市场，其它如一汽、二汽等也有相应产品问世。现有的混合动力系统运用成熟的储能部件主要包括超级电容和动力电池两大类。其中，超级电容的功率密度高，具备快充快放特性，能满足高加速度所需功率，可实施制动能量高效回收；动力电池能量密度高，具备持续放电特性，能满足长距离运用所需能量，可实施制动能量适度回收。此外，燃料电池作为零排放、节能环保的新兴能源，也成为混合动力汽车和轨道电车技术研究的重点和热点。而在轨道交通行业，日本已研制成功燃料电池有轨电车，国内也已有株所、长客等单位研制出采用超级电容的混合动力有轨电车，唐车公司研制出动力电池结合超级电容方式的混合动力列车，以及燃料电池/动力电池/超级电容供电的混合动力有轨电车。除了以上牵引动力供电方式，目前动车组、地铁还逐渐开始考虑应急牵引供电方式，也就是针对车辆故障情况下的救援，开始采用动力电池应急牵引方案，并逐步在个别地铁车辆上运用。此外，例如在北京-张家口奥运会上运行的京张高铁动车组，也将采用动力电池应急牵引方案，预计具备20公里的自行走里程，可将乘客从故障地点运送至最近的车站。现有轨道车辆多采用蓄电池或动力电池作为应急供电能源，即在车顶或设备舱设置一个或几个蓄电池箱或动力电池箱，电池通过dc/dc变流器转换为牵引系统供电。其中，以动车组为例，满足20km运行距离所需的动力电池及变流装置配备量大致为5000kg。可见，目前所采用的铅酸电池或钛酸锂电池方案，单纯为了满足常规应急牵引里程所需的箱体尺寸和重量就已经很大，随着我国高铁线路的不断扩展，对应急牵引的续驶里程和旅客舒适性提出更加严苛的要求，采用常规方案还需进一步加大电池箱体的体积和重量，这给车内设备布置带来很大压力，也不利于车辆轻量化。技术实现要素：本发明提供一种电车应急牵引供电系统、方法及电车，以缩减应急牵引系统的体积和重量，从而使得应急牵引系统在车辆上布置的方案具有更好的灵活性。第一方面，本发明提供一种电车应急牵引供电系统，包括：燃料电池系统、dc-dc转换器、牵引变流器以及牵引电机；所述燃料电池系统的输出端与所述dc-dc转换器的输入端连接；所述dc-dc转换器的输出端与所述牵引变流器的输入端连接；所述牵引变流器的输出端与所述牵引电机的输入端连接，所述牵引电机用于驱动所述电车驱动轴。在一种可能的设计中，所述燃料电池系统的输出端上还连接有能量控制器，所述能量控制器用于控制所述燃料电池系统的输出功率。在一种可能的设计中，还包括：辅助变流器；所述辅助变流器的输入端与所述dc-dc转换器的输出端连接；所述辅助变流器的输出端与所述电车的冷却通风系统连接，当所述电车处于应急牵引状态下时，所述燃料电池系统输出的电流经所述辅助变流器变流后驱动所述电车的冷却通风系统，以对所述电车应急牵引供电系统进行冷却和通风。在一种可能的设计中，所述燃料电池系统包括：燃料电池箱、冷却装置以及储气罐，其中，所述燃料电池箱通过利用所述储气罐输入的氢气产生电能，所述冷却装置用于对所述燃料电池系统进行冷却。在一种可能的设计中，每辆所述电车包括两套所述燃料电池系统，其中，两套所述燃料电池系统分别设置在所述电车的首末节设备舱内；所述电车的首末节车体上设置有加氢舱，所述加氢舱通过供氢管道与所述储气罐连接。在一种可能的设计中，每辆所述电车包括两套所述燃料电池系统，其中，所述燃料电池箱以及所述冷却装置设置在所述电车的设备舱内，所述储气罐设置在所述电车的车顶；所述电车的首末节车体上设置有加氢舱，所述加氢舱通过供氢管道与所述储气罐连接。在一种可能的设计中，所述燃料电池系统通过管路与所述电车的空调系统的暖气输入口连接，以使所述燃料电池系统发电所产生的热量对所述电车的车厢进行供暖。在一种可能的设计中，还包括：动力电池；所述动力电池的输出端与所述dc-dc转换器的输入端连接；所述动力电池的输出端上还连接有能量控制器，所述能量控制器用于分别控制所述动力电池以及所述燃料电池系统的工作状态，所述工作状态包括：充电状态、放电状态以及停机状态中的至少一个。在一种可能的设计中，所述动力电池设置在所述电车的车顶或者设备舱内。在一种可能的设计中，还包括：超级电容；所述超级电容的输出端与所述dc-dc转换器的输入端连接；所述超级电容的输出端上还连接有能量控制器，所述能量控制器用于分别控制所述超级电容以及所述燃料电池系统的工作状态，所述工作状态包括：充电状态、放电状态以及停机状态中的至少一个。在一种可能的设计中，所述超级电容设置在所述电车的车顶或者设备舱内。第二方面，本发明还提供一种电车应急牵引供电方法，应用于电车应急牵引供电系统，所述方法包括：启动燃料电池系统，并判断所述燃料电池系统是否处于正常工作状态；若判断结果为是，则判断所述电车是否处于加速状态；若判断结果为是，则判断动力电池的剩余电量是否大于预设的工作电量；若判断结果为是，则控制所述动力电池切入所述电车应急牵引供电系统。在一种可能的设计中，所述判断所述动力电池的剩余电量是否大于预设的工作电量，若判断结果为否，则所述动力电池切出所述电车应急牵引供电系统。在一种可能的设计中，所述判断所述电车是否处于加速状态，若判断结果为否，则判断所述电车是否处于制动状态；若判断结果为是，则所述动力电池回收能量。在一种可能的设计中，所述判断所述电车是否处于制动状态，若判断结果为否，则所述动力电池充电。第三方面，本发明还提供一种电车应急牵引供电方法，应用于电车应急牵引供电系统，所述方法包括：启动燃料电池系统，并判断所述燃料电池系统是否处于正常工作状态；若判断结果为是，则判断所述电车是否处于加速状态；若判断结果为是，则判断超级电容的剩余电量是否大于预设的工作电量；若判断结果为是，则控制所述超级电容切入所述电车应急牵引供电系统。在一种可能的设计中，所述判断所述超级电容的剩余电量是否大于预设的工作电量，若判断结果为否，则所述超级电容切出所述电车应急牵引供电系统。在一种可能的设计中，所述判断所述电车是否处于加速状态，若判断结果为否，则判断所述电车是否处于制动状态；若判断结果为是，则所述超级电容回收能量。在一种可能的设计中，所述判断所述电车是否处于制动状态，若判断结果为否，则所述超级电容充电。第四方面，本发明还提供一种电车应急牵引供电系统，包括：启动模块，用于启动燃料电池系统，并判断所述燃料电池系统是否处于正常工作状态；判断模块，用于判断所述电车是否处于加速状态；所述判断模块，还用于判断动力电池的剩余电量是否大于预设的工作电量；控制模块，用于当所述动力电池的剩余电量是大于预设的工作电量时，控制所述动力电池切入所述电车应急牵引供电系统。第五方面，本发明还提供一种电车应急牵引供电系统，包括：启动模块，用于启动燃料电池系统，并判断所述燃料电池系统是否处于正常工作状态；判断模块，用于判断所述电车是否处于加速状态；所述判断模块，还用于判断超级电容的剩余电量是否大于预设的工作电量；控制模块，用于当所述超级电容的剩余电量是大于预设的工作电量时，控制所述超级电容切入所述电车应急牵引供电系统。第六方面，本发明还提供一种电车，包括：如第一方面中任意一项所述的一种电车应急牵引供电系统。本发明提供的电车应急牵引供电系统、方法及电车，通过将燃料电池系统的输出端与dc-dc转换器的输入端连接，dc-dc转换器的输出端与牵引变流器的输入端连接，使得电车处于应急牵引状态下时，燃料电池系统能够通过将电流传输至牵引电机，从而驱动电车的驱动轴，以使得电车能够在应急牵引状态下运行至指定的站点，此外，由于燃料电池系统相对于动力电池具有更高的能量密度，从而在实现相同应急牵引的距离前提下，能够大大缩减应急牵引系统的体积和重量，从而使得应急牵引系统在车辆上布置的方案具有更好的灵活性。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是根据一示例性实施例示出的电车应急牵引供电系统的结构示意图；图2是图1所示燃料电池系统的布置图；图3是根据另一示例性实施例示出的电车应急牵引供电系统的结构示意图；图4是根据又一示例性实施例示出的电车应急牵引供电系统的结构示意图；图5是根据一示例性实施例示出的电车应急牵引供电方法的流程示意图；图6是根据另一示例性实施例示出的电车应急牵引供电系统的结构示意图；图7是根据再一示例性实施例示出的电车应急牵引供电方法的流程示意图；图8是根据又一示例性实施例示出的电车应急牵引供电方法的流程示意图；图9是根据再一示例性实施例示出的电车应急牵引供电系统的流程示意图。具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。图1是根据一示例性实施例示出的电车应急牵引供电系统的结构示意图。如图1所示，本实施例提供的一种电车应急牵引供电系统，包括：燃料电池系统、dc-dc转换器、牵引变流器以及牵引电机。具体地，燃料电池系统的输出端与dc-dc转换器的输入端连接，dc-dc转换器的输出端与牵引变流器的输入端连接，牵引变流器的输出端与牵引电机的输入端连接，而牵引电机用于驱动电车驱动轴。可选地，燃料电池系统的输出端上还连接有能量控制器，其中，能量控制器用于控制燃料电池系统的输出功率，并对燃料电池系统和dc/dc转换器进行匹配，根据线路需求控制燃料电池的输出功率即可。此外，本实施例提供电车应急牵引供电系统还可以包括：辅助变流器，其中，辅助变流器的输入端与dc-dc转换器的输出端连接，辅助变流器的输出端与电车的冷却通风系统连接，当电车处于应急牵引状态下时，燃料电池系统输出的电流经辅助变流器变流后驱动电车的冷却通风系统，以对电车应急牵引供电系统进行冷却和通风。在本实施例中，通过将燃料电池系统的输出端与dc-dc转换器的输入端连接，dc-dc转换器的输出端与牵引变流器的输入端连接，使得电车处于应急牵引状态下时，燃料电池系统能够通过将电流传输至牵引电机，从而驱动电车的驱动轴，以使得电车能够在应急牵引状态下运行至指定的站点，此外，由于燃料电池系统相对于动力电池具有更高的能量密度，从而在实现相同应急牵引的距离前提下，能够大大缩减应急牵引系统的体积和重量，从而使得应急牵引系统在车辆上布置的方案具有更好的灵活性。对于燃料电池系统的具体结构和布置，图2是图1所示燃料电池系统的布置图，如图2所示，燃料电池系统具体包括：燃料电池箱、冷却装置以及储气罐，其中，燃料电池箱通过利用储气罐输入的氢气产生电能，冷却装置用于对燃料电池系统进行冷却。在一种可能的设计中，每辆电车可以包括两套燃料电池系统，其中，两套燃料电池系统分别设置在电车的首末节设备舱内，例如对于8节编组动车，两套燃料电池系统就可以分别设置在电车的第一节和第八节的设备舱内。此外，电车的首末节车体上设置有加氢舱，加氢舱通过供氢管道与储气罐连接。通过将燃料电池箱、冷却装置、储氢系统三个箱体分别在两个车上的布置，实现了对称式、模块化设计，具有较好的冗余特性此外，在另一种可能的设计中，每辆电车可以包括两套燃料电池系统，其中，燃料电池箱以及冷却装置设置在电车的设备舱内，而储气罐设置在电车的车顶，电车的首末节车体上设置有加氢舱，加氢舱通过供氢管道与储气罐连接。通过在车体侧设置加氢舱，同时设置供氢管路引至车顶或设备舱，实现供氢和加氢一体化管控，维护更为便捷。可见，本实施例提供的电车应急牵引供电系统布置方案更加灵活，可以采用“设备舱布置”的布置方案，也可以采取“车顶+设备舱布置”的布置方案，值得说明地，在本实施例中并不对电车应急牵引供电系统布置的方案进行具体的限定。此外，燃料电池系统在工作时会产生大量的热量，为了充分利用余热，进一步地提高能量利用效率，可以燃料电池系统通过管路与电车的空调系统的暖气输入口连接，从而实现车内供暖，尤其对于冬天，通过利用燃料电池系统工作时产生的热量对车厢进行供暖，可以大大节省能量，从而使得电车具有更远的应急牵引距离，具备更好的救援性能，同时也大大提高了电车处于应急牵引状态时，车厢内乘客的乘坐舒适性。在图1所示实施例的基础上，图3是根据另一示例性实施例示出的电车应急牵引供电系统的结构示意图。如图3所示，本实施例还包括：动力电池。具体地，动力电池的输出端与dc-dc转换器的输入端连接，动力电池的输出端上还连接有能量控制器，能量控制器用于分别控制动力电池以及燃料电池系统的工作状态，工作状态包括：充电状态、放电状态以及停机状态中的至少一个。此外，动力电池可以设置在电车的车顶，也可以设置在设备舱内，在本实施例中，并不对动力电池的具体设置位置进行限定。在图1所示实施例的基础上，图4是根据又一示例性实施例示出的电车应急牵引供电系统的结构示意图。如图4所示，本实施例提供的电车应急牵引供电系统，还包括：超级电容。具体地，超级电容的输出端与dc-dc转换器的输入端连接；超级电容的输出端上还连接有能量控制器，能量控制器用于分别控制超级电容以及燃料电池系统的工作状态，工作状态包括：充电状态、放电状态以及停机状态中的至少一个。此外，超级电容可以设置在电车的车顶，也可以设置在设备舱内，在本实施例中，并不对超级电容的具体设置位置进行限定。下面结合一个具体的例子，对本实施例提供的电车应急牵引供电系统进行说明：表1为三种动力源能量密度和功率密度对比表，具体地，为市面上主流燃料电池、动力电池和超级电容的能量密度和功率密度(将辅机系统质量计算在内)对比列表，如表1所示，燃料电池能量密度最高，超级电容的功率密度最高，动力电池在能量密度和功率密度方面居中。表1三种动力源能量密度和功率密度对比表燃料电池动力电池超级电容功率密度(w/kg)1001206800能量密度(wh/kg)44.57243.9以满足电车自行走20公里，其中5‰上坡道为5公里、平直道为15公里，走行速度30km/h的能耗需求为例，其中，表2为应急牵引需求表，表3为满足需求的动力源质量表，具体地，满足功率需求和能量需求的各动力源的质量如表3所示。表2应急牵引需求表指标参数功率380kw持续运行速度30km/h耗电量>120kwh平均加速度≥0.1m/s2续驶里程>20km表3满足需求的动力源质量如表3所示，若采用图1所示实施例中的燃料电池方案，则比纯动力电池方案增加30％的质量，但续航里程增加一倍多；若采用3000kg燃料电池，剩余功率需求由动力电池补充，则需要动力电池补充，则需要动力电池667kg，比纯动力电池方案质量减少近30％，空间减少近12％，同时续航里程增加25％；若采样3000kg燃料电池，剩余功率由超级电容补充，则需要超级电容350kg，比纯动力电池方案质量减少40％，空间减少近15％，同时续航里程增加20％。图5是根据一示例性实施例示出的电车应急牵引供电方法的流程示意图。如图5所示，本实施例提供的电车应急牵引供电方法，包括：步骤101、启动燃料电池系统。步骤102、判断所述燃料电池系统是否处于正常工作状态，若判断结果为是，则执行步骤103。步骤103、判断电车是否处于加速状态，若判断结果为是，则执行步骤104。步骤104、判断动力电池的剩余电量是否大于预设的工作电量，若判断结果为是，则执行步骤105。步骤105、控制动力电池切入电车应急牵引供电系统。图6是根据一示例性实施例示出的电车应急牵引供电方法的流程示意图。如图6所示，本实施例提供的电车应急牵引供电方法，包括：步骤201、启动燃料电池系统。步骤202、判断所述燃料电池系统是否处于正常工作状态，若判断结果为是，则执行步骤203。步骤203、判断电车是否处于加速状态，若判断结果为是，则执行步骤204，若判断结果为否，则执行步骤207。步骤204、判断动力电池的剩余电量是否大于预设的工作电量，若判断结果为是，则执行步骤205，若判断结果为否，则执行步骤206。步骤205、控制动力电池切入电车应急牵引供电系统。步骤206、控制动力电池切出电车应急牵引供电系统。步骤207、判断电车是否处于制动状态。步骤208、动力电池回收能量。步骤209、动力电池充电。图7是根据再一示例性实施例示出的电车应急牵引供电方法的流程示意图。如图7所示，本实施例提供的电车应急牵引供电方法，包括：步骤301、启动燃料电池系统。步骤302、判断所述燃料电池系统是否处于正常工作状态，若判断结果为是，则执行步骤303。步骤303、判断电车是否处于加速状态，若判断结果为是，则执行步骤304。步骤304、判断超级电容的剩余电量是否大于预设的工作电量，若判断结果为是，则执行步骤305。步骤305、控制超级电容切入电车应急牵引供电系统。图8是根据又一示例性实施例示出的电车应急牵引供电方法的流程示意图。如图8所示，本实施例提供的电车应急牵引供电方法，包括：步骤401、启动燃料电池系统。步骤402、判断所述燃料电池系统是否处于正常工作状态，若判断结果为是，则执行步骤403。步骤403、判断电车是否处于加速状态，若判断结果为是，则执行步骤404，若判断结果为否，则执行步骤407。步骤404、判断动力电池的剩余电量是否大于预设的工作电量，若判断结果为是，则执行步骤405，若判断结果为否，则执行步骤406。步骤405、控制动力电池切入电车应急牵引供电系统。步骤406、控制动力电池切出电车应急牵引供电系统。步骤407、判断电车是否处于制动状态。步骤408、动力电池回收能量。步骤409、动力电池充电。图9是根据再一示例性实施例示出的电车应急牵引供电系统的流程示意图。如图9所示，本实施例提供的电车应急牵引供电系统，包括：启动模块501，用于启动燃料电池系统，并判断所述燃料电池系统是否处于正常工作状态；判断模块502，用于判断所述电车是否处于加速状态；所述判断模块502，还用于判断动力电池的剩余电量是否大于预设的工作电量；控制模块503，用于当所述动力电池的剩余电量是大于预设的工作电量时，控制所述动力电池切入所述电车应急牵引供电系统。在一种可能的设计中，启动模块501，用于启动燃料电池系统，并判断所述燃料电池系统是否处于正常工作状态；判断模块502，用于判断所述电车是否处于加速状态；所述判断模块502，还用于判断超级电容的剩余电量是否大于预设的工作电量；控制模块503，用于当所述超级电容的剩余电量是大于预设的工作电量时，控制所述超级电容切入所述电车应急牵引供电系统。图9所示的实施例提供的电车供电系统，可用于执行上述图5至图8所示实施例提供的方法，具体实现方式和技术效果类似，这里不再赘述。本发明另一方面还提供一种电车，包括：如图1-3所示的实施例中所提供的任意一种电车应急牵引供电系统。最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。当前第1页12