专利名称：多发动机混合型机车的制作方法
技术领域：
本发明涉及机车领域，并且，更具体而言，涉及由牵引电动机(electrictraction motor)提供动力的机车，其中，由通过利用燃料提供动力的发动机所驱动的发电机进行 充电的电池向电动机提供电功率。
背景技术：
现有的铁路机车通常通过柴油动力系统(diesel electric system)提供动力，其中，
柴油机驱动发电机以产生电功率为推进(propel)机车的驱动轮(drive wheel)的电动机提供 能量。近来，对创新改进型机车的关注已增加，在该改进型机车中，通过诸如电池这样 的能量存储装置(energy storagedevice)来提供电功率，连接电池以根据需要通过使用燃料 动力发动机的发电机进行充电，燃料动力发动机诸如柴油机、燃气涡轮(gas turbine)、液 化天然气(LiquidNatural Gas，LNG)发动机、汽油发动机(gasoline engine)、或者甚至以 氢气为燃料的内燃机(Internal Combustion Engine, ICE)。在汽车工业中这样的方案公知 为“混合”车辆。这些混合车辆具有提高的燃料效率和降低的污染的优点。在6,308,639号美国专利(‘639专利)中公开了创新一种混合型机车的一个 尝试。该‘639专利公开了这样的机车，其中，燃气微型涡轮发电机(gasmicroturbine generator)为电池提供再充电流(recharging current)。所公开的机车具有使用多个牵弓I电 动机的传统牵引驱动器，每一个牵引电动机按驱动关系(driving relationship)耦接到机车 驱动轴中相应的一个。牵引功率控制器对使用来自车载(on-board)电池的电功率的牵引 电动机进行控制。由燃气微型涡轮驱动的发电机被电连接到电池以使电池保持在充电状 态。响应于电池的充电状态来控制发电机和相关联的燃气涡轮机。图1示出了 ‘639专 利的动力系统，其中，由牵引电动机14驱动机车车轮12。用于牵引电动机的电功率由 蓄电池16提供并且由牵引功率控制器18控制，牵引功率控制器18可以便响应于操作员 的节流阀和方向信息使用脉冲宽度调制来调节(regulate)电功率。电池16由微型涡轮发 电机22充电，该微型涡轮发电机包含被耦接到交流发电机26的燃气微型涡轮24。微型 涡轮发电机的控制由车载PLC 30(可编程逻辑控制器)操纵，该车载PLC对电池充电状 态、周围温度进行监测并且具有用于电池均衡(battery equalization)的时钟/日历。当 电池接近其产气电压(gassing voltage)时，该气电压代表高充电状态，微型涡轮发生器关 闭。相反地，当电池16的充电降至低于一定水平时，微型涡轮被起动。只有当所有电 池单元完全充电时电池均衡维持，高充电状态才将发生。因此，微型涡轮机24确定其容 量以使其将以最大功率输出在恒定的负载下运行持续的时间段。辅助负载(auxiliary load) 在标称电压600V DC处从电池充电源吸收功率(draw)，该标称电压600V DC由逆变器 (inverter) 32变换到480V AC,以便运行机车的空气压缩机(air compressor) 34、牵引电动 机鼓风机(traction motor blower) 36和75V电池充电器38，电池充电器3 8用于对为控制 和照明供电的64V电池充电。在‘ 639专利中所公开的系统是为调车场调车机车(yard switcherlocomotive)而设计，该机车不需要 长期持续供电而是具有短期供电需要，这样的短期供电需要使得利 用相对小型的发电机能够完成电池的连续再充电。蓄电池16与充电电源22的储能容量 之比对于成本、燃料消耗以及微型涡轮24的污染物排放的最小化是重要的。以kwH计 的储存能量与以kW计的充电功率之比可以被表示为小时数。所公开的系统的最佳性能 被描述为8小时充电率周期或者更长，其表示每IOOOkwH的电池存储量的充电功率最大 为125kW。理想情况是，在这些情况中的微型涡轮将连续运行至少1/2小时时间段，并 且优选地在没有中止的情况下连续运行，即连续运行100小时或者更多。
为了对本发明更好的理解，需要结合附图参考下面的详细描述，附图中图1示出了已有技术的混合型机车动力系统；图2是以本发明的一种形式的混合型机车动力系统的方框示意图；图3是以本发明的第二种形式的混合型机车动力系统的方框示意图；图4示出了使用大型单个APU、双APU和三APU的实现的混合型机车的效率 比较，其中双APU中每一个APU额定功率为总额定功率的50%，三APU中每一个APU 额定功率为总额定功率的33%。图5示出了混合型机车的正常运行；图6示出了具有APU故障的混合型机车的运行；图7示出了具有增加的APU额定容量的混合型机车的运行；图8是混合型机车能量管理系统传感器信号和功率控制的方框示意图；图9是混合型机车APU功率控制的方框示意图。
具体实施例方式参照图2，其以方框示意图形式示出了本发明的一种形式的简化描述。应当理 解，除了表示外部电源的方块12之外，图2的所有元件都是机车的部分。未示出的机 车可以是调车场调车机车或具有多个固定在机车车轮上的驱动轴的其它短程路机车(short haul road locomotive) 典型地，所述机车包括在其上安装了一对或多个轴的铁路敞车 (truck)。而且，通常每一个机车的驱动轴具有单独的牵引电动机，虽然诸如每个铁路敞 车对应一个电动机或每个控制对应一个电动机这样的其它配置也是公知的。虽然其它数 量也是常见的，但是在图2中，机车被示为具有4个牵引电动机14。每一个电动机14由 单独的对应牵引电动机驱动器16控制。驱动器16可以是PWM、斩波器(chopper)或相 位控制，所有这些都是本领域所公知的。经由驱动器16从能量存储装置18向电动机14 提供电功率，该能量存储装置18可以是电池或任何其它适合的储能系统。可以以与各自 的牵引电动机一对一的比率设置牵引驱动器16，或者将每一个牵引驱动器16设置为向限 定的电动机组供电，所限定的电动机组诸如在一个铁路敞车上的所有电动机。从被示为多个交流发电机(alternator) /整流器(rectifier) /稳压器 (voltageregulator)单元20的发电机系统对设备18充电和再充电。每一个单元20由各自 的使用燃料的内燃机22驱动，诸如小型柴油机或燃气涡轮。如所示，有多个这样的发动 机/发电机单元和大量这样的单元可以选择，取决于机车将要实行的行动的具体安排。要注意的是，每一个发动机22还可以按驱动关系连接到相应的空气压缩机24，以便维持 对所有压缩机公用的压缩空气箱26中的空气压力。发动机22还可以连接到其它辅助负 载。每一个交流发电机单元20的功率输出被耦接到电源选择和功率潮流控制块28。控 制块28将来自所有电源的电功率求和和/或选择电源，包括来自外部源12的电功率，并 且将该电功率施加到能量存储装置18。控制块28还检测来自牵引电动机的能量需求和设 备18的充电状态，以确定何时开动发动机22以及开动多少发动机22以对设备18进行充 H1^ ο在图3中示出了图2的系统的替换实施例。在本替换实施例中，牵引电动机14 和相关联的驱动器16按组分到各个单元30、32。该单元可以是在机车的其中一个铁路敞 车上的所有电动机或所选择的一些其它装置。在本实施例中，每一个单元30、32具有其 自己的能量存储装置18a、18b，并且经由其中一个单独的功率潮流控制块28从其中的一 个单独的发动机22对每一个设备18a、18b充电。外部电源耦接到每个控制块28。还可 以预期，可以在能量存储装置18a、18b之间提供互连接34，以便可以在系统故障的过程 中在一个供电单元中转移能量。还可以预期，可以对系统进行配置，以使每一个轴具有 单独的可再充电能量存储装置，并且能够从单独的发动机/交流发电机单元对每一个能 量存储装置进行再充电或者能够从一个公共单元设备组对设备组进行再充电。现在转向图4，其示出了发动机/交流发电机效率作为满载百分比函数的曲线 图。假设满载为100千瓦(IOOkw)，则单个发动机/交流发电机的组合产生40所示的效 率曲线。可以看到，直到负载达到60%以上效率才达到最大值。如果用2个单元替代 单个发动机/交流发电机，每个单元产生50kw，则效率曲线呈现为42所示的那样，其中 在低于满载的40%处达到最大效率。增加额外的发动机/交流发电机单元，每个单元具 有33kw的满载容量，导致近似于曲线44的效率曲线，其中在大约满载的20%的负载处 达到最大效率。而且，该较高的效率被保持在较宽的负载范围上。具有多个较低功率发 动机的好处不只是效率，还导致较少的排放物。而且，在电池充电周期中，通过降低电 池充电时间可以进一步地减少排放物。图5示出了用于混合型机车电池的理想充电/放电方案。在Y轴或纵轴上表示 电池充电，同时沿X轴或横轴表示时间。在由参考标记46所示的每一个充电/放电周 期中，电池放电至大约全部充电的40%，然后被再充电一段时间回到全充状态。换句话 说，每一个机车计划运行(mission)都占有短的持续时间，在示意性示例中近似为40分 钟，并且电池充电率统一为在大约60分钟内对电池再充电。在本例中，单个发动机/交 流发电机的组合足够用以维持机车的性能。遗憾的是，所有的机车计划运行都不是理想的。图6示出了在不允许电池变为 再次被全充的情况下重复计划运行的结果。这可能是由电源的故障而造成(由此造成充 电的容量降低)或者由较重的负载而造成。如曲线图的48处所示，第一计划运行将电池 放电至大约30 %并且在下一个计划运行在50处开始之前电池仅达到大约80 %充电容量。 在开始再充电周期之前，电池在52处放电至大约15%电荷。虽然在52处计划运行结束 与在54处下一个计划运行开始之间有一段长时间段，但是在下一个计划运行开始 之前电 池还是没有达到全充状态。该计划运行将电池在58处放电至大约20%，但是直到60处 下一个计划运行开始时只有一个短的充电周期。最后一个计划运行将电池充电量耗尽至零而导致在62处的计划运行失败。在该点，机车退出运行(out of service)并且需要大量 时间以便使用单个发动机/交流发电机组合使电池恢复。图7示出了用于混合型机车的多个发动机/交流发电机系统的好处之一。在本例 中，在64处的电池放电率被示为高于图6的电池放电率，并且在66处的再充电率更高， 这是由于多个发动机/交流发电机充电单元的增加容量而造成。因此，即使放电周期高 于图6的放电周期，再充电率也足够大到使电池能够在每一个放电事件或计划运行之间 被完全充电。如果不提高再充电率，则所有的计划运行都不能被完成。
将会认识到，诸如图2的单元20那样的发动机/交流发电机单元每当(whenever) 所存储的电能降低到某一预设水平时就将被开动。这保证了在放电周期期间至少由机车 所使用的部分电能通过单元20补充(replenish)。可替换地，当设计时可以考虑图2的系 统为对于来自发动机/交流发电机单元的可用功率。例如，如果机车需要2000 HP并且 假设是三个发动机/交流发电机设计，来自单元20的可用牵引电功率对于总计1200HP仅 为每单元400HP，则电功率的不足必须由储能系统来补足，或是可再充电的电池、或是 飞轮(flywheel)、或是电容存储器。如果只有两个发动机/交流发电机单元，则不足较大 (除非通过牺牲效率来提高发动机容量)，并且机车可产生相同的电功率持续较短时间段 并可需要较长时间段来对能量存储装置再充电。图8和9示出了用于图2的多个发动机/交流发电机系统的一个控制方案。首 先参照图8，图中示出了传统的比例加积分式(proportional plus integral, PI)控制器70，
其响应于来自牵引用电池电压监测器72的信号和来自块74的参考电压，以产生误差信 号施加到属于本领域所公知的类型的电压增益/电压误差块76。然后，来自块76的放 大误差信号被施加到电压限制块78，接着来自块78的合成值受限信号(the resulting value limited signal)被耦接到求和点80。来自块72的电池电压信号也被施加到乘法器电路 (multipliercircuit)82,在这里其被乘以来自监测器块84的牵引电动机电流的值。其结果 是施加到牵引电动机的电功率。在经过块85合适的增益电路和块88的功率限制电路处 理之后，功率信号被施加到求和点80用以与来自块78的误差信号求和。与此同时，将 块72a的电池电压与来自块90的参考电压相比较，然后经过块92合适的增益电路和块94 功率限制电路处理，并且也被耦接到求和点80。块72a、90、92和94组成(make up)牵 引用电池的过压保护电路以防止电池的过充。来自求和点80的输出通过功率限制块96 传输并且变为功率控制信号，表示为EMS功率指令信号(Power Command signal)，其用 于控制发动引/交流发电机单元20的开动(actuation)并且被施加到图9的系统。图9示出了用于多个发动机/交流发电机混合型机车的一种形式的控制系统。在 接合点98处对来自图8的EMS信号与辅助功率命令(以传统方式生成，以表示对用于运 行耦接到机车的系统的辅助电功率而非用于驱动电动机的牵引电功率的需求)求和以产 生总电功率需求。该信号被耦接到基于微处理器的控制器100，其被编程以通过选择性 地开动发动机/交流发电机单元20来对机车系统的运行最优化。该处理器可以使用查询 表或其它算法以确定每一个发动机/交流发电机单元将在何时是工作的以及工作多长时 间。每一个单元20包括控制器102，其将来自控制器100的功率控制信号转换为相应的 用于发动机的速度命令和用于交流发电机的功率输出命令。各自的速度和功率命令被施 加到相应的速度控制块104和交流发电机稳压器块106。来自每一个交流发电机的输出功率在牵引用电池18处被求和并且被 施加到机车牵引功率母线108。
权利要求
1.一种混合型动力机车系统，其包含多个内燃机；多个发电机，其每一个均被耦接以由所述多个内燃机中对应的一个驱动；多个牵引电动机，其按驱动关系耦接到机车的多个轮-轴组中的相应的一个。至少一个牵引电动机驱动器，其连接对到牵引电动机的功率进行控制；功率存储装置，其被耦接以向所述牵引电动机驱动器供电；电功率控制器，其被配置以将来自所述发电机的电功率耦接到所述功率存储装置， 该电功率控制器检测所述功率存储装置中的可用能量以及来自所述牵引驱动器的、用于 开动所选择的所述多个内燃机中的一个以对所述功率存储装置进行充电的功率需求。
2.如权利要求1所述的混合型动力机车系统，还包括单独的牵引电动机驱动器， 其用于所定义的牵引电动机组中的每一个。
3.如权利要求2所述的混合型动力机车系统，其中，每一组牵引电动机包含一个或 多个电动机。
4.如权利要求3所述的混合型动力机车系统，其中，所述牵引电动机和相关联的牵 引驱动器被配置为多个电动机组，每一个电动机组具有单独的能量存储装置，并且每一 个能量存储装置由不同的所述发电机中的一个进行充电。
5.如权利要求2所述的混合型动力机车系统，其中，所述能量存储装置包括牵引用 电池。
6.如权利要求2所述的混合型动力机车系统，其中，所述能量存储装置包括超级 电容器、飞轮、或牵引用电池和超级电容器或飞轮的组合。
7.如权利要求1所述的混合型动力机车系统还包括能量管理系统功率控制器，其 包含使用所述储能单元的检测电压和用于控制所述内燃机的选择性运行的牵引电动机电 功率需求的控制器。
8.如权利要求7所述的混合型动力机车系统，其中，所述控制器产生能量管理功率 控制信号，其包含下列的总和第一误差，其表示能量存储装置电压与第一参考电压之间的差；功率信号，其表示牵引驱动功率需求；和第二误差，其表示牵引用电池电压与表示过电压状态的第二参考信号之间的差。
9.如权利要求8所述的混合型动力机车系统，其中，所述控制将辅助负载所需要的 电功率与牵引电动机电功率综合，以形成用于多个发电机的总电功率需求。
10.如权利要求9所述的混合型动力机车系统，其中，所述功率需求信号由查询表生成。
11.如权利要求3所述的混合型动力机车系统，其中，所述能量存储装置包括多个设 备，每一个设备均被耦接以向所选择的牵引电动机驱动器中的一个供电并且从所述发电 机中的每一个接收电功率。
全文摘要
提供了一种混合型动力机车系统，其具有多个内燃机用于驱动向至少一个牵引用电池供电的多个发电机。电池连接以向多个牵引电动机供电，所述多个牵引电动机按驱动关系耦接到相应的机车的多个轮-轴组中的一个。至少一个牵引电动机驱动器连接用以控制到牵引电动机的电功率。电功率控制器被配置用于将来自发电机的电功率耦接到电池，并且检测电池中的可用电能和来自牵引驱动器的、用于开动所选择的多个内燃机中的一个以对电池进行充电的电功率需求。
文档编号B60L11/18GK102015353SQ200680020881
公开日2011年4月13日 申请日期2006年6月7日 优先权日2005年6月15日
发明者伦纳德·M·希尔, 罗伯特·D·金, 阿吉思·K·库马, 陆志鸿 申请人:通用电气公司