一种基于超级电容储能的纯电动调车机车的制作方法

1.本发明涉及调车机车领域，尤其涉及一种基于超级电容储能的纯电动调车机车。


背景技术：

2.现有调车机车多采用内燃机或内燃机和动力电池混合动力，由于调车机车换向、起动、加速、制动频繁，负荷变化频繁，导致内燃机燃烧效率低，废气排放严重，不符合企业节能减排及经济运行要求。混合动力调车机车的动力电池多采用磷酸铁锂电池，磷酸铁锂电池通常寿命只有几千次，功率密度低，充电电流小，充电速度慢，通常需要几个小时的充电时间。混合动力调车机车多通过机车两侧的充电插座进行充电，需要手动插拔充电枪，不能实现自动充电。同时，在进行调车作业和牵引货车作业时，需要手动进行提销摘钩操作。


技术实现要素：

3.本发明提供一种基于超级电容储能的纯电动调车机车，以克服现有调车机车存在的废弃排放严重、不具备自动提销摘钩功能，动力电池充电速度慢，且不能自动充电等技术问题。
4.为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
5.一种基于超级电容储能的纯电动调车机车，包括：调车机车本体和受电弓，所述调车机车本体设有超级电容储能系统，所述超级电容储能系统包括超级电容柜、超级电容管理系统、充电接触器、输出接触器和熔断器；
6.所述超级电容管理系统接收调车机车主控单元发出的充电指令和放电指令，所述充电指令用于控制所述充电接触器接通或断开，使所述受电弓与所述超级电容柜连接或断开；所述放电指令用于控制输出接触器接通和断开，使所述超级电容柜对外供电，所述熔断器用于超级电容柜输出给调车机车的电流超过预设电流值时进行过流保护；
7.所述超级电容柜用于为调车机车提供所需能量。
8.进一步的，所述受电弓为双极受电弓，所述受电弓的正极连接变电所高压电源正极，用于给所述超级电容柜充电，所述双极受电弓的负极连接变电所高压电源负极，用于使调车机车的电流流回变电所。
9.进一步的，所述调车机车两端还设有自动提销摘构装置；
10.所述自动提销摘构装置包括气缸、链环、气缸活塞杆、电控阀；
11.所述电控阀接收调车机车主控单元发出的摘钩指令，用于控制气缸活塞杆移动；
12.所述气缸连接调车机车的提销杆和气缸活塞杆，并通过链环与调车机车的提销链环连接。
13.进一步的，所述自动提销摘钩装置还包括激光雷达；
14.所述激光雷达用于采集调车机车与货车之间的距离，并转化为第一电信号传输至调车机车主控单元，所述调车机车主控单元通过对比所述第一电信号与预设的光电值，进而判断调车机车与货车之间是否脱离。
15.进一步的，所述自动提销摘钩装置还包括接近开关，所述接近开关用于检测调车机车上的钩舌与钩体之间的距离，并转化为第二电信号传输至调车机车主控单元，所述调车机车主控单元通过对比所述第二电信号与预设的光电值，进而判断车钩是否在全开位。
16.进一步的，利用远程控制的方式控制气缸活塞杆移动，实现远程提销摘钩；
17.所述远程控制的方式具体为：调车机车主控单元通过无线传输的方式接收地面远程操作台发送的摘钩指令，并将摘钩指令发送至电控阀，所述电控阀接收调车机车主控单元发出的摘钩指令，用于控制气缸活塞杆移动，从而拉动提销杆实现摘钩。
18.进一步的，利用本地控制的方式控制气缸活塞杆移动，实现本地提销摘钩；
19.所述本地控制的方式具体为：所述调车机车司机室操作台上设置提钩按钮，所述提钩按钮用于向调车机车主控单元发送摘钩指令，调车机车主控单元将摘钩指令发送至电控阀，所述电控阀接收调车机车主控单元发出的摘钩指令，用于控制气缸活塞杆移动，从而拉动提销杆实现摘钩。
20.进一步的，所述超级电容管理系统还用于为所述超级电容柜实现自动充电；
21.调车机车主控单元与所述超级电容管理系统通过总线双向连接，接收超级电容管理系统发送的超级电容柜的电压v和电荷值soc，当超级电容柜的电压v低于预设的最低电压v
min
或超级电容柜的电荷值soc低于预设的最低电荷值soc
min
时，主控单元发送充电指令给所述超级电容管理系统，所述超级电容管理系统控制所述充电接触器接通所述受电弓，使所述超级电容柜与所述受电弓连接；调车机车主控单元检测到所述超级电容柜与所述受电弓连接后，调车机车主控单元发送升弓指令给所述受电弓控制所述受电弓升起，并与变电所高压电源连接，对所述超级电容柜进行充电；当调车机车主控单元检测到超级电容柜的电荷值soc高于预设的最高电荷值soc
max
时，调车机车主控单元发送降弓指令给所述受电弓控制所述受电弓降下，当调车机车主控单元检测到所述受电弓降下后，取消给所述超级电容管理系统发送的充电指令，所述超级电容管理系统控制所述充电接触器断开，完成充电。
22.有益效果：本发明采用超级电容储能系统为调车机车提供能量，减少内燃机存在的废气排放严重问题，同时利用超级电容功率密度大的特点，可以实现大电流充电，减少充电时间；设置自动提销摘钩装置，无需手动摘钩操作，利用无线通讯装置实现远程提销摘钩；设置双极受电弓，不用通过钢轨回流，直接通过受电弓的负极回流，减少对钢轨的改造。
附图说明
23.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。
24.图1为本发明调车机车整体结构图主视图；
25.图2为本发明调车机车整体结构图俯视图；
26.图3为本发明调车机车充电和供电系统结构图。
27.其中，1、车厢；2、底架；3、司机室；4、供配电室；5、转向架；6、车钩；7、自动提销摘钩装置；8、受电弓；9、轮对；10、蓄电池箱；11、监控摄像头；12、风缸；13、超级电容柜；14、变流
器柜；15、高压电器柜；16、低压电器柜；17、制动装置。
具体实施方式
28.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。
29.本实施例提供了一种基于超级电容储能的纯电动调车机车，如图1-3，包括：调车机车本体和受电弓，所述调车机车本体设有超级电容储能系统，所述超级电容储能系统包括超级电容柜、超级电容管理系统、充电接触器、输出接触器和熔断器；
30.所述超级电容管理系统接收调车机车主控单元发出的充电指令和放电指令，所述充电指令用于控制所述充电接触器接通或断开，使所述受电弓与所述超级电容柜连接或断开；所述放电指令用于控制输出接触器接通和断开，使所述超级电容柜对外供电，所述熔断器用于超级电容柜输出给调车机车的电流超过预设电流值时进行过流保护；
31.所述超级电容柜用于为调车机车提供所需能量。
32.在具体实施例中，所述受电弓为双极受电弓，机车充电时，所述双极受电弓升起，所述受电弓的正极连接变电所高压电源正极，将电能传输至调车机车，给所述超级电容柜充电，所述双极受电弓的负极连接变电所高压电源负极，使电流流回变电所。机车充满电后，所述双极受电弓降下，机车靠超级电容柜供电。具体的，受电弓8采用单臂受电弓，正负极受电模式，可以不通过钢轨回流，减少对现有轨道的改造，同时支持1000a静态大电流充电，有效保证车载超级电容储能系统充电的快速性。
33.在具体实施例中，所述调车机车两端还设有自动提销摘构装置；
34.所述自动提销摘构装置包括气缸、链环、气缸活塞杆、电控阀；
35.所述电控阀接收调车机车主控单元发出的摘钩指令，用于控制气缸活塞杆移动；
36.所述气缸连接调车机车的提销杆和气缸活塞杆，并通过链环与调车机车的提销链环连接。
37.在具体实施例中，所述自动提销摘钩装置还包括激光雷达；
38.所述激光雷达用于采集调车机车与货车之间的距离，并转化为第一电信号传输至调车机车主控单元，所述调车机车主控单元通过对比所述第一电信号与预设的光电值，进而判断调车机车与货车之间是否脱离。
39.在具体实施例中，所述自动提销摘钩装置还包括接近开关，所述接近开关用于检测调车机车上的钩舌与钩体之间的距离，并转化为第二电信号传输至调车机车主控单元，所述调车机车主控单元通过对比所述第二电信号与预设的光电值，进而判断车钩是否在全开位。
40.在具体实施例中，利用远程控制的方式控制气缸活塞杆移动，实现远程提销摘钩；
41.所述远程控制的方式具体为：调车机车主控单元通过无线传输的方式接收地面远程操作台发送的摘钩指令，并将摘钩指令发送至电控阀，所述电控阀接收调车机车主控单元发出的摘钩指令，用于控制气缸活塞杆移动，从而拉动提销杆实现摘钩。
42.在具体实施例中，利用本地控制的方式控制气缸活塞杆移动，实现本地提销摘钩；
43.所述本地控制的方式具体为：所述调车机车司机室操作台上设置提钩按钮，所述提钩按钮用于向调车机车主控单元发送摘钩指令，调车机车主控单元将摘钩指令发送至电控阀，所述电控阀接收调车机车主控单元发出的摘钩指令，用于控制气缸活塞杆移动，从而拉动提销杆实现摘钩。
44.在具体实施例中，所述超级电容管理系统还用于为所述超级电容柜实现自动充电；
45.调车机车主控单元与所述超级电容管理系统通过总线双向连接，接收超级电容管理系统发送的超级电容柜的电压v和电荷值soc，当超级电容柜的电压v低于预设的最低电压v
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或超级电容柜的电荷值soc低于预设的最低电荷值soc
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时，主控单元发送充电指令给所述超级电容管理系统，所述超级电容管理系统控制所述充电接触器接通所述受电弓，使所述超级电容柜与所述受电弓连接；调车机车主控单元检测到所述超级电容柜与所述受电弓连接后，调车机车主控单元发送升弓指令给所述受电弓控制所述受电弓升起，并与变电所高压电源连接，对所述超级电容柜进行充电；当调车机车主控单元检测到超级电容柜的电荷值soc高于预设的最高电荷值soc
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时，调车机车主控单元发送降弓指令给所述受电弓控制所述受电弓降下，当调车机车主控单元检测到所述受电弓降下后，取消给所述超级电容管理系统发送的充电指令，所述超级电容管理系统控制所述充电接触器断开，完成充电。
46.具体的，所述调车机车车采用单司机室外走廊底架承载式结构，总体分为上下两部分。上部为底架2和安装在底架上的车厢1，下部为转向架5、控制用蓄电池箱10和风缸12。车厢1由司机室3和配电室4构成，车厢1的顶盖为可拆卸设计，便于大型设备的安装及检修。调车机车中部顶盖设有受电弓8，调车机车前后端设有车钩6和自动提销摘钩装置7。转向架5采用b0-b0轴列式二轴转向架，转向架上布置有轮对9、牵引电机、减速机、制动执行单元、撒砂机构等部件。牵引电机为鼠笼式三相异步牵引电动机，自然冷却散热方式，采用矢量控制技术。
47.调车机车车钩6采用13号车钩和mt-3型缓冲器，车钩与缓冲器设置在车体牵引梁内。每套自动提销摘钩装置7包括包含1个气缸、1个电控阀、1个激光雷达、2个接近开关及2个提钩按钮等器件组成，气缸安装在手动提销杆正上方通过环链与手动提销环链连接，可通过本地、远程控制的方式控制气缸活塞杆移动，实现自动提销、摘钩。提钩按钮共有两个，分别设置在司机室操作台和远程操作台上。
48.司机室3前部设有观察钢化玻璃窗，两侧设可开启观察窗，后墙两侧设车门，司机室内设有操作台、座椅，后墙设基础制动手轮。操作台上安装司控器、单独制动阀、板键开关、风笛按钮、撒砂按钮、视频显示器、调车机车显示屏等器件。
49.供配电室4装有2个超级电容柜13、1个高压电器柜15、2个变流器柜14、一个低压电器柜16、风源和制动装置17。
50.超级电容柜13采用锂离子电容器，由4.0v/17000f单体20并162串组成的648v/2098f系统。具较有高安全性，完全依靠离子吸附来储能，是纯物理的储能过程，不存在热失控、燃烧、爆炸的问题，采用液冷冷却方案，适用于连续工作和环境温度高的工况，采用定制化设计，具备高可维护性。两个超级电容柜13并联输出，组成648v/5196f系统。
51.高压电器柜15用于超级电容储能系统的充电和放电管理，内部配有超级电容管理
系统cms、充电接触器、输出接触器、熔断器、电流传感器、绝缘检测仪等部件，实现对超级电容柜充电、放电的控制，实时采集电压、电流、温度等数据，并自动均衡压差，实现对电容过温、过压、过流、欠压的报警及保护。
52.变流器柜14采用模块化设计思路，包括4台牵引逆变器，一台稳压模块，1台ac380v电源，1台ac220v电源，一台dc24v充电机，按各功能封装成功率单元，可单独进行调试、拆装，便于试验测试及检修维护。2台牵引逆变器，1台三相ac380v逆变器，1台稳压模块安装在变流器柜1内；另2台牵引逆变器，1台单相ac220v电源，1台dc24v充电机安装在变流器柜2内。牵引逆变器主要功能是将输入的直流电压经过逆变模块转换为电压和频率都可变的三相交流电压，用来驱动牵引电机。单相ac220v电源为调车机车上ac220v生活用电(如电水壶、微波炉、电加热器、空调、风扇、遥控器电池、手机充电器等)提供电源。ac380v电源输出三相ac380v/50hz交流电为调车机车上空压机供对称三相电源。dc24v充电机为调车机车控制电路、照明电路等提供稳定的dc24v电源，同时负责蓄电池恒压限流充电。
53.低压控制柜16内主要是低压控制装置，包括调车机车主控单元，输入输出模块，视频监控系统主机，无线传输设备，以太网交换机等。实现调车机车的控制及远程数据传输功能。
54.风源(图中未体现)和制动装置17包变频空压缩机、油水分离、空气干燥机和空气制动装置，撒砂系统、风笛等控制单元等。
55.还包括视频监控系统的监控摄像头11，共10台，分布调车机车前后远端、司机室、供配电室、走行机构、车钩、受电弓等部位。
56.所述无线传输设备传送控制指令、视频画面、机车状态信息以及其他监测信号，保证牵车机的可靠运行。
57.图3为本发明调车机车充电和供电系统结构图，如图3所示，调车机车采用超级电容柜作为储能系统，超级电容柜额定电压dc540v，电压范围在450v-648v之间。超级电容柜通过高压电器柜为4台牵引逆变器、1台ac380v电源、1台ac220v电源、1台dc24v充电机供电。牵引逆变器通过pwm调制来驱动4台牵引电机m1-m4实现无极调速，驱动调车机车运行。超级电容柜提供450v-648v直流电给稳压模块供电，稳压模块输出恒定的dc600v电源，分别给1台ac380v电源，1台ac220v电源和1台dc24v充电机供电。其中ac380v电源输出50hz三相交流电，经过lc滤波输出给ac380v负载。ac220v电源输出50hz三相交流电，经过lc滤波，再经三相转单相隔离变压器转换为ac220v输出，供给生活用电。dc24v充电机将高压转换为低压dc24v给控制系统供电，同时给dc24v蓄电池充电。
58.机车充电时，所述受电弓升起，所述受电弓与地面变电所高压电源连接，所述调车机车的所述充电接触器闭合，给所述的超级电容柜充电。
59.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，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，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。