铁路车辆动能采集装置和系统的制作方法

1.本技术涉及铁路车辆设备技术领域，特别是涉及一种铁路车辆动能采集装置和系统。


背景技术：

2.随着铁路运输的发展，铁路车辆需要安装外接设备用于信息传输、定位等，外接设备的电能供应问题亟待解决。目前，铁路车辆的外接设备通常采用储能电池供电，而铁路车辆为无源大型运载设备，车体可安装空间有限，限制了储能电池的体积，难以通过提升储能电池的容量以满足铁路车辆的外接设备长期工作的需要。而通过铁路车辆自发电向铁路车辆的外接设备提供电能的方式，例如，采用常规的光伏发电或风力发电，由于太阳能的能力分布密度小、风车结构存在安全隐患等问题，这些发电方式无法在铁路车辆的有限空间的条件下采集足够的电能供车辆的外接设备正常工作。
3.目前的铁路车辆发电方式或者传统方法，存在能量采集效率低等问题。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够高效采集能量的铁路车辆动能采集装置和系统。
5.第一方面，本技术提供了一种铁路车辆动能采集装置，装置设置于铁路车辆的车体上；装置包括：
6.振动发电模组，振动发电模组包括第一振动发电组件和第二振动发电组件；第一振动发电组件采集铁路车辆运行中的第一振动动能，并通过电磁感应将第一振动动能转化成第一交流电输出；第二振动发电组件采集铁路车辆运行中的第二振动动能，并通过电磁感应将第二振动动能转化成第二交流电输出；其中，第一振动动能的振动频率小于第二振动动能的振动频率，且第一振动动能的振幅大于第二振动动能的振幅；
7.整流模块，与第一振动发电组件和第二振动发电组件分别连接，用于将第一交流电和第二交流电分别转化成第一直流电和第二直流电输出。
8.在其中一个实施例中，还包括：
9.电能采集模组；电能采集模组的输入端与整流模块连接，用于对第一直流电依次进行滤波及变压处理，输出第一采集电能，以及对第二直流电依次进行滤波及变压处理，输出第二采集电能；
10.电能采集模组的一输出端用于连接第一车辆负载，以向第一车辆负载输出第一采集电能；电能采集模组的另一输出端用于连接第二车辆负载，以向第二车辆负载输出第二采集电能；第二车辆负载的功耗小于第一车辆负载。
11.在其中一个实施例中，还包括储能模块；储能模块的一端连接电能采集模组，另一端用于分别连接第一车辆负载、第二车辆负载。
12.在其中一个实施例中，电能采集模组包括第一电能采集模块和第二电能采集模
块；
13.第一电能采集模块的输入端连接整流模块，第一电能采集模块的输出端连接储能模块，第一电能采集模块的输出端还用于连接第一车辆负载；第二电能采集模块的输入端连接整流模块，第二电能采集模块的输出端连接储能模块，第二电能采集模块的输出端还用于连接第二车辆负载；
14.第一采集电能的电压范围为1v至4.2v，第二采集电能的电压范围为小于1v。
15.在其中一个实施例中，第一振动发电组件包括一个或多个振动发电元件；第二振动发电组件包括一个或多个振动发电元件；
16.振动发电元件包括线圈、永磁体、固定轴和固定弹簧；其中，固定轴设置于线圈的中心轴方向上且与线圈的两端固定连接；永磁体设置于线圈的内部，永磁体的两端分别通过固定弹簧与固定轴活动连接。
17.在其中一个实施例中，第一振动发电组件的线圈体积大于第二振动发电组件的线圈体积；第一振动发电组件的线圈匝数大于第二振动发电组件的线圈匝数。
18.在其中一个实施例中，在第二振动发电组件包括多个振动发电元件的情况下，各振动发电元件分别用于采集多个方向上的第二振动动能。
19.在其中一个实施例中，第二振动发电组件包括一个或多个水平振动发电元件，以及一个或多个垂直振动发电元件；
20.水平振动发电元件用于采集第一方向上的第二振动动能；垂直振动发电元件用于采集第二方向上的第二振动动能；第一方向平行于铁路车辆的运行方向，第二方向垂直于铁路车辆的运行方向。
21.另一方面，本技术提供了一种铁路车辆动能采集系统，包括上述的铁路车辆动能采集装置；
22.系统还包括均连接铁路车辆动能采集装置的第一车辆负载、第二车辆负载；第二车辆负载的功耗小于第一车辆负载。
23.在其中一个实施例中，第一车辆负载包括通信模组和北斗定位模块；
24.第二车辆负载包括电池管理系统、控制器和传感器模组。
25.上述铁路车辆动能采集装置和系统，
26.通过采用第一振动发电组件采集第一振动动能，以及通过第二振动发电组件采集第二振动动能，能够高效采集铁路车辆运行中的振动动能并分别转化为第一交流电和第二交流电；通过采用整流模块将第一交流电转化为第一直流电，以及采用整流模块将第二直流电转化为第二直流电，能够提高能量的转换效率。
附图说明
27.图1为一个实施例中简谐运动的原理示意图；
28.图2为一个实施例中铁路车辆振动模型的示意图；
29.图3为一个实施例中铁路车辆动能采集装置的结构框图；
30.图4为一个实施例中振动发电元件的结构示意图；
31.图5为另一个实施例中振动发电元件的结构示意图；
32.图6为另一个实施例中铁路车辆动能采集装置的结构框图；
33.图7为另一个实施例中铁路车辆动能采集装置的结构框图。
具体实施方式
34.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
35.需要说明的是，可再生能源发电技术有风能发电、光伏发电和振动发电等；其中，风能发电对环境要求较高，需要持续风力，在风力较大的情况下能够发出大功率，但是在风量不稳定的情况下，输出变化交流电不稳定、质量低，变化的交流电，须经充电器整流；此外，风力发电对风车的尺寸有一定要求，轮轴、扇叶或者入风口需要定期维护，常见的风力发电的风车结构占用面积庞大，且旋转过程中存在一定的安全隐患。
36.光伏发电设备主要包括太阳能电池板(组件)、控制器和逆变器三大部分，可靠稳定、寿命长且安装维护简便。太阳光照射的能量分布密度小，太阳能同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关，光伏发电设备需要占用的面积巨大；太阳能电池板的安装面要求较高，需要定期清理表面，不适用于铁路车辆，特别是铁路货车的工作环境。
37.常规振动发电利用电磁感应原理，把振动机械能转换为电能，将线圈410放置在一个变化的磁场(例如，采用一块悬挂的磁铁)中产生电能；振动发电具有设备体积小、可以做密封的优势，但是功率较小，对电磁感应相对运动方向有要求。
38.由于铁路车辆(例如，铁路货车)属于无源大型运载设备，并且车体可安装空间有限、运行环境极端、整车震动幅度偏低，采用常规的光伏、振动、风力都无法采集到足够的能量供铁路车辆外接设备使用，本技术提出一种铁路车辆动能采集装置和系统，以满足铁路车辆的外接设备(例如，物联网设备)信息传输、定位使用。
39.基于铁路车辆重力加速度理论f＝mg，铁路车辆在运行过程中由于路轨与轮轨的接触问题而产生的地面颠簸，主要体现在铁路车辆重力加速度方面，而铁路车辆的振动并非来自于周期旋转的轴，而是复杂的非周期振动，如图1所示，任何复杂振动都是简谐运动的叠加组成。对于一个简谐运动来说，振幅是一定的，加速度的变化周期与频率倒数相同。如图2所示，支撑点的力为fu(t)，激振力为fe(t)，在轨道上层结构体在瞬间激振力fe(t)的作用下发生失衡，结构体将以f0的固有频率自由振动，则有下式：
[0040][0041]
式中，c为动态弹簧刚度，m为轨道上层结构体质量与车轮的非簧载质量的和。
[0042]
在一个实施例中，如图3所示，本技术提供了一种铁路车辆动能采集装置，装置设置于铁路车辆的车体上；装置包括：
[0043]
振动发电模组110，振动发电模组110包括第一振动发电组件112和第二振动发电组件114；第一振动发电组件112采集铁路车辆运行中的第一振动动能，并通过电磁感应将第一振动动能转化成第一交流电输出；第二振动发电组件114采集铁路车辆运行中的第二振动动能，并通过电磁感应将第二振动动能转化成第二交流电输出；其中，第一振动动能的振动频率小于第二振动动能的振动频率，且第一振动动能的振幅大于第二振动动能的振幅；
[0044]
具体的，一般来说，同样的情况下发生的振动过程中，质量越大的物体振幅越小，而振幅对于振动发电尤为重要，为了实现通过铁路车辆振动发电，同时针对铁路车辆的运行情况，振动发电模组110采用第一振动发电组件112和第二振动发电组件114，以分别采集铁路车辆运行中的第一振动动能和第二振动动能；通过分别采集第一振动动能和第二振动动能，并将第一振动动能转化成第一交流电，将第二振动动能转化成第二交流电，能够提高能量的转换效率，实现能量的高效采集。
[0045]
在其中一个实施例中，如图4和图5所示，第一振动发电组件112包括一个或多个振动发电元件；第二振动发电组件114包括一个或多个振动发电元件；
[0046]
振动发电元件包括线圈410、永磁体420、固定轴430和固定弹簧；其中，固定轴430设置于线圈410的中心轴方向上且与线圈410的两端固定连接；永磁体420设置于线圈410的内部，永磁体420的两端分别通过固定弹簧与固定轴430活动连接。
[0047]
具体的，永磁体420(即永磁铁)可以在线圈410内部与线圈410发生相对运动(例如，双向运动)；基于永磁体420的相对运动，线圈410所在的闭合回路能够产生电流，以通过电磁感应将振动动能转化成交流电；
[0048]
在一些示例中，振动发电元件还包括传动元件，用于实现较低滑动阻力下的永磁体420滑动；
[0049]
在其中一个实施例中，第一振动发电组件112的线圈410体积大于第二振动发电组件114的线圈410体积；第一振动发电组件112的线圈410匝数大于第二振动发电组件114的线圈410匝数。
[0050]
具体的，第一振动发电组件112采用较大的线圈410体积和较多的线圈410匝数实现第一振动动能的采集，并通过电磁感应将第一振动动能转化成第一交流电输出，以实现较高功率的发电；第二振动发电组件114采用较小的线圈410体积和较少的线圈410匝数实现第二振动动能的采集，并通过电磁感应将第二振动动能转化成第二交流电输出，以实现高频振动情况下的振动发电；
[0051]
在一些示例中，第二振动发电组件114可以为微型发电组件，采用小体积以及较少的线圈410匝数实现易驱性，以采集高频率振动产生的微小动能。
[0052]
通过设置不同体积和匝数的线圈410，能够达到分别采集第一振动动能和第二振动动能的效果，便于后续将第一振动动能和第二振动动能分别进行处理后输出至相应的负载，以减少电压转换带来的能量损失。
[0053]
整流模块120，与第一振动发电组件112和第二振动发电组件114分别连接，用于将第一交流电和第二交流电分别转化成第一直流电和第二直流电输出。
[0054]
具体的，整流模块120将线圈410所在的闭合回路中产生的交流电整流为直流电；
[0055]
在一些示例中，整流模块120可以包括ac-dc转换器；通过整流模块120将交流电转换为直流电，便于负载的接入。
[0056]
在其中一个实施例中，如图6所示，还包括：
[0057]
电能采集模组210；电能采集模组210的输入端与整流模块120连接，用于对第一直流电依次进行滤波及变压处理，输出第一采集电能，以及对第二直流电依次进行滤波及变压处理，输出第二采集电能；
[0058]
电能采集模组210的一输出端用于连接第一车辆负载，以向第一车辆负载输出第
一采集电能；电能采集模组210的另一输出端用于连接第二车辆负载，以向第二车辆负载输出第二采集电能；第二车辆负载的功耗小于第一车辆负载。
[0059]
具体的，电能采集模组210对直流电进行的变压处理可以包括升压、降压、防过压等处理；电能采集模组210对第一直流电依次进行滤波及变压处理，输出第一采集电能至第一车辆负载，以及对第二直流电依次进行滤波及变压处理，输出第二采集电能至第二车辆负载。
[0060]
在一些示例中，电能采集模组210可以包括滤波器和dc-dc转换器。
[0061]
本实施例中，通过向第一车辆负载输出第一采集电能，向第二车辆负载输出第二采集电能，能够匹配电能的电压和负载的功耗，减少了电压转换带来的能量损失。
[0062]
在其中一个实施例中，还包括储能模块；储能模块的一端连接电能采集模组210，另一端用于分别连接第一车辆负载、第二车辆负载。
[0063]
具体的，储能模块可以存储电能采集模组210输出的第一采集电能、第二采集电能；在电能采集模组210向第一车辆负载、第二车辆负载输出的电能不足的情况下，储能模块中可以向第一车辆负载、第二车辆负载输出存储的电能以供电。在一些示例中，储能模块可以包括电池，例如，可充电电池。
[0064]
在其中一个实施例中，如图7所示，电能采集模组210包括第一电能采集模块212和第二电能采集模块214；
[0065]
第一电能采集模块212的输入端连接整流模块120，第一电能采集模块212的输出端连接储能模块，第一电能采集模块212的输出端还用于连接第一车辆负载；第二电能采集模块214的输入端连接整流模块120，第二电能采集模块214的输出端连接储能模块，第二电能采集模块214的输出端还用于连接第二车辆负载；
[0066]
第一采集电能的电压范围为1v至4.2v，第二采集电能的电压范围为小于1v。
[0067]
具体的，第一电能采集模块212连接第一车辆负载，以向较高功耗负载(即第一车辆负载)输出第一采集电能；第二电能采集模块214连接第二车辆负载，以向较低功耗负载(即第二车辆负载)输出第二采集电能；
[0068]
在一些示例中，第一车辆负载可以包括通信模组和北斗定位模块，通信模组和北斗定位模块的工作电压范围与第一采集电能的电压范围匹配；第二车辆负载包括电池管理系统、控制器和传感器模组，电池管理系统、控制器和传感器模组的工作电压范围与第二采集电能的电压范围匹配。
[0069]
在其中一个实施例中，在第二振动发电组件114包括多个振动发电元件的情况下，各振动发电元件分别用于采集多个方向上的第二振动动能。
[0070]
具体的，第二振动发电组件114可以采用多个振动发电元件采集多个方向上的第二振动动能，以更多采集铁路车辆运行过程中的微小振动动能，进而提高能量采集效率。
[0071]
在一些示例中，可以通过在多个方向上固定安装一个或多个振动发电元件，以采集多个方向上的第二振动动能。
[0072]
在其中一个实施例中，第二振动发电组件114包括一个或多个水平振动发电元件，以及一个或多个垂直振动发电元件；
[0073]
水平振动发电元件用于采集第一方向上的第二振动动能；垂直振动发电元件用于采集第二方向上的第二振动动能；第一方向平行于铁路车辆的运行方向，第二方向垂直于
铁路车辆的运行方向。
[0074]
具体的，水平振动发电元件可以用于采集铁路车辆在启动、停止、以及差速等前后振动的情况下的第二振动动能；垂直振动发电元件可以用于采集铁路车辆在铁轨上发生上下振动的情况下的第二振动动能；
[0075]
在一些示例中，可以通过在第一方向上固定安装一个或多个振动发电元件作为水平振动发电元件，例如，永磁体420在线圈410的内部做往复运动的方向平行于铁路车辆的运行方向，以采集第一方向上的第二振动动能；可以通过在第二方向上固定安装一个或多个振动发电元件作为垂直振动发电元件，例如，永磁体420在线圈410的内部做往复运动的方向垂直于铁路车辆的运行方向，以采集第二方向上的第二振动动能。
[0076]
本实施例中，通过第一振动发电组件112和第二振动发电组件114分别采集第一振动动能和第二振动动能，以及分别进行处理后输出第一采集电能和第二采集电能，用于第一车辆负载和第二车辆负载的供电，能够达到在尽量降低铁路车辆动能采集装置的尺寸和重量的条件下实现能量高效采集和转化的效果。
[0077]
在一个实施例中，本技术提供了一种铁路车辆动能采集系统，包括上述的铁路车辆动能采集装置；
[0078]
系统还包括均连接铁路车辆动能采集装置的第一车辆负载、第二车辆负载；第二车辆负载的功耗小于第一车辆负载。
[0079]
具体的，铁路车辆动能采集装置可以将第一采集电能输出至第一车辆负载，以及将第二采集电能输出至第二车辆负载。
[0080]
在其中一个实施例中，第一车辆负载包括通信模组和北斗定位模块；
[0081]
第二车辆负载包括电池管理系统、控制器和传感器模组。
[0082]
具体的，铁路车辆动能采集装置可以将第一采集电能输出至通信模组和北斗定位模块，以及将第二采集电能输出至电池管理系统、控制器和传感器模组。
[0083]
在一些示例中，电池管理系统可以采用三级电池，例如，电池管理系统可以包括：超级电容、充电电池、不可充电电池(备用电池)；其中，超级电容具有几百万次的循环次数，放电性能好，主要用于铁路车辆动能采集装置发电过程中产生的电能的直接使用，防止了电池反复充放电的损耗，提高电池利用率；充电电池，用于存储铁路车辆动能采集装置产生的多余电量的存储，确保铁路车辆静止时仍然能正常工作；不可充电电池，主要作为铁路车辆长期停放时使用的备用电池，以及保证异常情况下各种设备的供电。
[0084]
在一些示例中，铁路车辆动能采集装置可以采用ip67级的密封结构；
[0085]
在一些示例中，铁路车辆动能采集装置采用多个振动发电元件以多方向采集振动动能，例如，振动发电元件可以包括模块化的横向振动发电元件和纵向振动发电元件，根据实际应用场景可定制横向振动发电元件和纵向振动发电元件的比例，另外可以考虑集群的方式实现铁路车辆动能采集装置的发电效率的灵活调节与尺寸的平衡。
[0086]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0087]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员
来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术的保护范围应以所附权利要求为准。