具有車載可再生能量裝置的編組動力系統的制作方法
【專利摘要】本公開涉及一種具有車載可再生能量裝置的編組動力系統。該編組動力系統可以包括：位于機車上的發動機，以及由發動機驅動以產生主要電力供應的發電機。編組動力系統還可以包括：風力渦輪機，其位于機車上并且配置成產生第一輔助電力供應；以及太陽能板，其位于機車上并且配置成產生第二輔助電力供應。編組動力系統還可以包括：牽引電機，其配置成接收主要電力供應以及第一和第二輔助電力供應以推進機車。編組動力系統還可以包括：傳感器，其配置成產生指示編組的速度的信號；以及控制器，其與傳感器、風力渦輪機和太陽能板通信。控制器可以配置成基于來自傳感器的信號選擇性地控制風力渦輪機和太陽能板中的至少一個。
【專利說明】具有車載可再生能量裝置的編組動力系統

【技術領域】
[0001]本公開一般涉及編組動力系統，并且更特別地涉及具有車載可再生能量裝置的編組動力系統。

【背景技術】
[0002]編組(consist)包括一個或多個機車，并且在一些情況下包括耦接在一起以產生用于一連串鐵路車輛的機動動力的補給車。機車各自包括一個或多個發動機，其燃燒燃料來產生機械動力。可以向每個機車的發動機供應:來自車載燃料罐的液體燃料(例如，柴油)，來自補給車的氣體燃料(例如，天然氣)，或者液體燃料和氣體燃料的混合物。由燃燒過程產生的機械動力被引導通過發電機并且被用于產生電力。然后電力經由線路傳送到機車的牽引電機，從而生成推進列車的轉矩。
[0003]由于柴油和天然氣的成本不斷升高，機車的發動機的運行可能會較昂貴。因此，在一些應用中，可再生能源(例如風能和太陽能)可以用于補充發動機的動力。另外，發動機的運行會是非常嘈雜的并且在某些區域和/或在某些時間是不期望的。
[0004]—種解決上述問題的嘗試被公開在于2011年2月15日授予Kumar的美國專利號7，886，669中(669專利”)。具體地，’ 669專利公開了一種具有柴油機的機車，所述柴油機生成沿著驅動軸傳輸到交流發電機的轉矩。交流發電機利用該轉矩生成供應到牽引電機的電力，牽引電機提供牽引動力來推進機車。操作包括散熱器、鼓風機和風扇的通風裝置以幫助控制機車組件的溫度。每個通風裝置耦接到電機，該電機將接收到的電力輸入轉換成通風裝置的旋轉運動。在待機模式期間，流過靜止機車的周圍空氣(即，風)使通風裝置的葉片旋轉，并且與通風裝置關聯的電機可以將旋轉能量轉換成電能，該電能被供應以對用于向機車組件供電的電池充電。
[0005]盡管’669專利的系統可以利用風能來幫助向機車供電，但是其仍不太理想。特別地，’669專利的機車在機車處于待機模式(S卩，靜止)時僅能獲得有限量的能量。另外，’669專利的系統被限制于風能的使用。
[0006]本公開的編組動力系統解決了上面闡述的一個或多個問題和/或現有技術中的其它問題。


【發明內容】

[0007]在第一方面中，本公開涉及一種用于具有機車的編組的編組動力系統。編組動力系統可以包括:位于機車上的發動機，以及由發動機驅動以產生主要電力供應的發電機。編組動力系統還可以包括:風力渦輪機，其位于機車上并且配置成產生第一輔助電力供應；以及太陽能板，其位于機車上并且配置成產生第二輔助電力供應。編組動力系統還可以包括:牽引電機，其配置成接收主要電力供應以及第一和第二輔助電力供應以推進機車。編組動力系統還可以包括:傳感器，其配置成產生指示編組的速度的信號；以及控制器，其與傳感器、風力渦輪機和太陽能板通信。控制器可以配置成基于來自傳感器的信號選擇性地控制風力渦輪機和太陽能板中的至少一個。
[0008]在第二方面中，本公開涉及一種向具有機車的編組提供電力的方法。該方法可以包括:利用由位于機車上的發動機驅動的發電機產生主要電力供應。該方法還可以包括:利用位于機車上的風力渦輪機產生第一輔助電力供應，以及利用位于機車上的太陽能板產生第二輔助電力供應。該方法還可以包括:選擇性地將主要電力供應以及第一和第二輔助電力供應引導至牽引電機以推進機車。該方法還可以包括:確定編組的速度，以及基于編組的速度選擇性地控制風力渦輪機和太陽能板中的至少一個。
[0009]在第三方面中，本公開涉及一種用于具有機車的編組的編組動力系統。編組動力系統可以包括:位于機車上的發動機，以及由發動機驅動以產生主要電力供應的發電機。編組動力系統還可以包括:風力渦輪機，其位于機車上并且配置成產生第一輔助電力供應；以及太陽能板，其位于機車上并且配置成產生第二輔助電力供應。編組動力系統還可以包括:牽引電機，其配置成接收主要電力供應以及第一和第二輔助電力供應以推進機車。編組動力系統還可以包括:通風口，其位于機車的車身的至少一側；以及控制器，其配置成響應于制動命令而選擇性地控制通風口。
[0010]在第四方面中，本公開涉及一種向具有機車的編組提供電力的方法。該方法可以包括:利用由位于機車上的發動機驅動的發電機產生主要電力供應。該方法還可以包括:利用位于機車上的風力渦輪機產生第一輔助電力供應，以及利用位于機車上的太陽能板產生第二輔助電力供應。該方法還可以包括:選擇性地將主要電力供應以及第一和第二輔助電力供應引導至牽引電機以推進機車。該方法還可以包括:接收指示編組正在制動的制動命令，以及基于制動命令而選擇性地打開機車的車身的通風口。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是示例性公開的編組的側視示意圖；
[0012]圖2是圖1的編組的頂視示意圖；并且
[0013]圖3是可以與圖1的編組結合使用的示例性公開的動力系統的示意圖。

【具體實施方式】
[0014]圖1示出示例性的列車編組13，其具有機車10和被機車10牽引的尾隨車(trailing car) 11。尾隨車11可以是補給車、客車、貨柜車、或其它類型的車輛。可預期到的是，編組13可以包括任何數量的機車10和尾隨車11，并且機車10可以以相對于尾隨車11的任何布置方式且以任何取向(例如，面向前或面向后)定位。
[0015]機車10可以包括車身12，車身12在相反的兩端由多個轉向架14(例如，兩個轉向架14)支撐。每個轉向架14可以配置成通過多個車輪18與軌道16接合，并且支撐車身12的框架20。任何數量的發動機22可以安裝到車身12內的框架20上并且驅動地連接到發電機24以產生推進每個轉向架14的車輪18的電力。
[0016]發動機22可以是內燃發動機，其配置成燃燒空氣和燃料的混合物。燃料可以包括從位于機車10上的燃料罐(未示出)提供給發動機22的液體燃料(例如，柴油)，由補給車(未示出)提供的氣體燃料(例如，天然氣)，和/或液體燃料和氣體燃料的混合物。發動機22可以配置成燃燒液體和/或氣體燃料，并且生成驅動發電機24產生電力的機械輸出。來自發電機24的電力可以用于通過一個或多個與車輪18關聯的牽引電機26推進機車10。
[0017]發電機24可以是感應發電機、永磁發電機、同步發電機、或開關磁阻。在一個實施例中，發電機24可以包括多個極對(未示出)，每個對具有設置在定子(未示出)的周界上的三個相以產生交流電。
[0018]牽引電機26除了在被供應電力時提供編組13的推進力之外，還可以起到使機車10減速的作用。該過程在本領域中被稱作動態制動。當不需要牽引電機26提供推動力時，牽引電機26可以重新配置成作為發電機運轉。如此，牽引電機26可以將編組13的動能轉換成電能，這具有使編組13減速的效果。在動態制動期間生成的電能通常被傳送到安裝在車身12上的一個或多個電阻柵(未示出)。在電阻柵處，在動態制動期間生成的電能被轉換成熱并被排散到大氣中。可替換地或另外地，從動態制動生成的電能可以經由線路傳送到能量儲存系統(例如，電池)34。
[0019]尾隨車11可以通過機械耦接28連接到機車10。與機車10類似，尾隨車11也可以配備有框架20，該框架20由具有多個車輪18的兩個或多個轉向架14支撐。尾隨車11還可以經由牽引電機26通過動態制動生成其自身的電能。所生成的電力可以儲存在位于尾隨車11上的獨立電池34中。
[0020]電池34可以用于選擇性地提供補充電力給牽引電機26和/或編組13的任何輔助負載。電池34可以采用本領域已知的任何形式。在一些實施例中，一個或多個電池34可以位于編組13的每個機車10和/或每個尾隨車11上。可預期到的是，位于分離的鐵路車輛上的電池34可以串聯連接或并聯連接，從而允許能量在機車10和/或尾隨車11之間傳送。在一些實施例中，還可預期到的是，可以存在包括提供用于編組13的能量的一組或多組電池34的補給車(未示出)。位于機車10和/或尾隨車11上的一個或多個控制器32可以與電池34通信。
[0021]每個控制器32可以配置成控制其相關的鐵路車輛的操作方面。例如，機車10的控制器32可以配置成控制其對應電池34向機車10的牽引電機26和/或輔助負載的電力分配。同樣地，尾隨車11的控制器32可以配置成控制其對應電池34向尾隨車11的牽引電機26和/或輔助負載的電力分配。控制器32還可以配置成控制其對應的發動機22、發電機24、牽引電機26、操作員顯示器和其它關聯組件的操作方面。在一些實施例中，根據需要，機車10的控制器32還可以配置成控制尾隨車11的操作方面。
[0022]每個控制器32可以具體化為單個微處理器或多個微處理器，其包括尤其基于來自操作員的輸入和/或一個或多個感測到的操作參數來控制關聯鐵路車輛的運行的機構。許多市售微處理器可以配置成執行控制器32的功能。控制器32可以包括存儲器、次要存儲裝置、處理器、和用于運行應用的任何其它組件。各種其它電路可以與控制器32關聯，例如電源電路、信號調節電路、螺線管驅動器電路和其它類型的電路。在一些實施例中，控制器32可以包括一個或多個模塊，其控制編組13內的電力供應的各個方面。例如，控制器32可以包括能量管理模塊和/或電壓管理模塊。
[0023]為了便于有效地控制從發電機24到牽引電機26的電力供應，控制器32可以監測發動機運轉、發電機運轉、和/或系統內的電力傳送的各個方面。例如，控制器32可以監測它們各自的發動機22的發動機轉速、發動機供油和/或發動機負載。同樣地，控制器32可以監測由它們各自的發電機24生成的電力的電壓、電流、頻率和/或相位。控制器32還可以采用傳感器和/或其它適合的機構來監測一般的編組操作參數。例如，控制器32可以利用一個或多個速度傳感器48監測編組13的實際速度。
[0024]如圖1所示，發動機22、發電機24、牽引電機26、控制器32和電池34全都可以有助于與編組13關聯的動力系統30。除了這些組件之外，動力系統30還可以包括多個可再生能量裝置。例如，編組13可以包括一個或多個風力渦輪機。風力渦輪機可以將動能轉換成儲存在與風力渦輪機關聯的電機中的電能。儲存在電機中的電能可以傳送到位于機車10和/或尾隨車11上的電池34。
[0025]在所公開的實施例中，動力系統30可以包括第一風力渦輪機36，其位于機車10的車身12的內部中。出于本公開的目的，風力渦輪機36可以是水平軸風力渦輪機。風力渦輪機36可以定位成與位于車身12側面的一個或多個通風口 38相鄰。在所公開的實施例中，機車10可以包括位于車身12的每一側的一個通風口 38。通風口 38可以配置成在打開位置和閉合位置之間移動，以允許或阻擋周圍空氣流入車身12的內部。風力渦輪機36的一個或多個葉片可以配置成由于來臨的周圍空氣而旋轉。該旋轉可以生成動能，動能通過風力渦輪機36的電機轉換成電能。然后該電能可以傳送給電池34。可預期到的是，通風口 38可以由風力渦輪機36供電，或者通風口 38可以由電池34供電作為替代。盡管只有一個風力渦輪機36在圖1中示出，但是根據需要，任何數量的風力渦輪機36可以位于機車10的車身12的內部。還可預期到的是，盡管風力渦輪機36被示出為僅與機車10關聯，但是風力渦輪機36還可以與尾隨車11關聯。
[0026]在一些實施例中，控制器32可以響應于編組13的運行狀態而使通風口 38在打開位置和閉合位置之間移動。例如，控制器32可以接收來自操作員的制動命令和/或指示編組13正在制動的一個或多個感測參數。結果，控制器32可以使通風口 38移動到打開位置。可預期到的是，通風口 38可以在其它運行狀態下(例如，當編組13正在移動時)保持閉合。
[0027]除了通過風力渦輪機36協助產生電能之外，由于在通風口 38處于打開位置時氣動阻力的增加，通風口 38還可以用于提供制動阻力。該增加的制動阻力可以有助于使編組13減速，從而減小牽引電機26所需的制動功率。
[0028]動力系統30還可以包括第二風力渦輪機40，其位于機車10和/或尾隨車11的車身12的外部。出于本公開的目的，風力渦輪機40可以是垂直軸風力渦輪機。應注意，垂直軸風力渦輪機可以具有葉片，其在基本上垂直于水平軸風力渦輪機的旋轉方向的方向上旋轉以便產生電力。以這種方式，基于來臨的空氣的方向，垂直軸風力渦輪機和水平軸風力渦輪機中的一個可以生成比另一個更多的電力。結果，水平軸風力渦輪機和垂直軸風力渦輪機中的任何一個的使用可以基于風力渦輪機的位置和來臨的空氣的方向。然而，垂直軸風力渦輪機和水平軸風力渦輪機都可以以類似的方式起到產生電力的作用。
[0029]在所公開的實施例中，一個風力渦輪機40位于機車10和尾隨車11中的每一者上。每個風力渦輪機40可以至少部分地布置在安裝到其各自的鐵路車輛的車身12的末端的封罩中。風力渦輪機40可以配置成在封罩內的第一位置和垂直延伸到封罩上方的第二位置之間移動。機構(未示出)可以使風力渦輪機40在第一位置和第二位置之間移動。該機構可以由風力渦輪機40的電機(未示出)驅動。可預期到的是，電機可以由風力渦輪機40自身來供電，或者由電池34供電作為替代。
[0030]在一些實施例中，當編組13靜止時，風力渦輪機40可以被利用。例如，控制器32可以配置成通過傳感器48檢測編組13的速度。如果編組13的速度高于閾值速度(例如，約0ΜΡΗ)，那么風力渦輪機40可以不處于運轉并且保持在封罩內。另一方面，如果編組13的速度低于閾值速度(例如，約0ΜΡΗ)，那么風力渦輪機40可以從第一位置移動到第二位置。在第二位置，風力渦輪機40可以處于完全運轉并且生成電力，該電力被傳送給電池34和/或編組13的其它組件。
[0031]除了風力渦輪機36、40之外，動力系統30還可以包括一個或多個太陽能板。太陽能板可以包括多個光伏電池，其利用來自太陽的光能生成電能。由太陽能板產生的電能可以傳送給電池34。在所公開的實施例中，動力系統30可以包括沿著車身12的側面定位的第一太陽能板42、和位于車身12的頂部的第二太陽能板44。出于本公開的目的，太陽能板42、44可以是基本相同的。如圖1所示，根據需要，可以存在位于機車10和尾隨車11中的一者或兩者上的多個太陽能板42、44。
[0032]在一些實施例中，動力系統30還可以包括第三可伸縮太陽能板50。太陽能板50可以配置成按照與風力渦輪機40類似的方式在車身12內部的第一位置和車身12外部的第二位置之間移動。此外，與風力渦輪機40類似，太陽能板50可以在靜止運行期間被利用并生成傳送給電池34的電力。因此，太陽能板50可以響應于編組13的速度低于閾值而移動到第二位置。通過利用可伸縮的太陽能板50，這可以有助于在編組13靜止時增加從太陽捕獲的電力。除了是可伸縮的之外，太陽能板50還可以從閉合位置展開到打開位置，從而擴大其主體的表面面積并增加電能生產。可預期到的是，盡管太陽能板50被示出為僅與尾隨車11關聯，但是太陽能板50還可以與機車10關聯。
[0033]無論是單獨使用還是組合使用，電池34、風力渦輪機36、40和太陽能板42、44、50都可以充當輔助電力單元。以這種方式，這些裝置中的一個或多個可以在待機運行模式期間向位于機車10和/或尾隨車11上的組件供電。例如，不是讓發動機22怠速運行向編組13的必要組件供電，而是電池34、風力渦輪機36、40和/或太陽能板42、44、50向必要組件供電作為替代。這樣可以允許發動機22在某些時間和/或在某些區域中關閉，從而減少與編組13的運行關聯的噪聲。
[0034]圖2示出編組13的頂視圖。如圖2所示，一個或多個太陽能板42、44可以具有冷卻裝置46，其布置在車身12的外部和各個太陽能板42、44之間。冷卻裝置46可以具體化為空氣到空氣熱交換器、液體到空氣熱交換器、或兩者的組合，并且配置成促進熱能被傳送到遠離太陽能板42、44的位置。在所公開的實施例中，冷卻裝置46配置成通過由電機供電的風扇(未示出)生成空氣流。由風扇生成的空氣流可以從太陽能板42、44吸收熱能。如圖2所示，冷卻裝置46可以僅與位于機車10上的太陽能板42、44關聯。由于這些太陽能板42、44與發動機22相鄰，所以它們可能會經歷升高的運行溫度。因此，冷卻裝置46可以有助于將太陽能板42、44維持在期望的運行溫度范圍內，從而防止性能降低。
[0035]圖3示出動力系統30的示意圖。下面將更詳細地描述運行動力系統30的方法。
[0036]工業話用件
[0037]所公開的動力系統可以適用于任何編組運行。所公開的系統可以通過利用可再生能源增加編組13的電力容量。具體地，風力渦輪機36、40和太陽能板42、44、50可以將風能和太陽能轉換成電能，該電能被用于向牽引電機26供電。另外，由風力渦輪機36、40和太陽能板42、44、50產生的電能可以保存在電池34中，其中可以從電池34向編組13的任何輔助負載供電。以這種方式，由發動機24生成的電力可以通過可再生能量得到補充，從而減少發動機22所需的動力和供油。另外，風力渦輪機40和太陽能板50可以是可伸縮的，這可以有助于在靜止運行模式下產生額外的電力。通過利用這些可再生能源，大量燃料可以得到節約。現在將對動力系統30的示例性運行進行詳細描述。
[0038]參考圖3，主要電力供應可以由發動機22驅動的發電機24生成。該主要電力供應可以被引導至牽引電機26、電池34、輔助負載、和/或編組13的其它組件。除了主要電力供應之外，還可以通過風力渦輪機36、40和太陽能板42、44、50生成輔助電力供應。這些輔助電力供應可以被引導至電池34，以用于分配給牽引電機26、輔助負載、和/或編組13的任何其它組件。在運行期間，一個或多個太陽能板42、44可以經由冷卻裝置46得到冷卻，以便維持期望的運行溫度。
[0039]在所公開的實施例中，速度傳感器48可以產生指示編組13的速度的信號。控制器32可以接收該信號并確定編組13的速度。然后控制器32可以利用速度確定編組13是靜止的還是移動的。例如，如果信號指示編組13的速度低于閾值(例如，約0ΜΡΗ)，那么控制器32可以確定編組13是靜止的。然而，如果信號指示編組13的速度高于閾值，那么控制器32可以確定編組13是移動的。如果編組13是靜止的，那么控制器32可以使風力渦輪機40和太陽能板50之一或兩者移動到它們各自的位于車身12上方的第二位置。控制器32還可以使太陽能板50在移動到其第二位置時展開到打開位置。另一方面，如果編組13是移動的，那么風力渦輪機40和太陽能板50可以保持在它們位于車身12內部的第一位置。
[0040]在編組13正在移動時，控制器32可以接收指示編組13正在制動的制動命令。該制動命令可以由編組13的操作員生成和/或通過傳感器48確定(即，基于速度變化來確定)。如果編組13正在制動，那么控制器32可以使通風口 38打開，從而允許周圍空氣流入機車10的車身12中。由于通風口 38打開，所以風力渦輪機36可以利用周圍氣流生成輔助電力供應。如果編組13不在制動，那么通風口 38可以保持關閉。
[0041]對于本領域技術人員明顯的是，在不脫離本公開的范圍的情況下，可以對所公開的系統做出各種修改和變更。根據對本文所公開的系統的規格和實踐的考慮，本系統的其它實施例對于本領域技術人員將是明顯的。說明和實例旨在僅被視為是示例性的，并且本公開的實際范圍由所附權利要求及其等價物指示。
【權利要求】
1.一種用于具有機車的編組的編組動力系統，包括: 發動機，其位于所述機車上； 發電機，其由所述發動機驅動以產生主要電力供應； 風力渦輪機，其位于所述機車上并且配置成產生第一輔助電力供應； 太陽能板，其位于所述機車上并且配置成產生第二輔助電力供應； 牽引電機，其配置成接收所述主要電力供應以及所述第一和第二輔助電力供應以推進所述機車； 傳感器，其配置成產生指示所述編組的速度的信號；以及 控制器，其與所述傳感器、所述風力渦輪機和所述太陽能板通信，所述控制器被配置成基于來自所述傳感器的所述信號來選擇性地控制所述風力渦輪機和所述太陽能板中的至少一個。
2.如權利要求1所述的編組動力系統，其中所述風力渦輪機至少部分地布置在封罩內，所述封罩被安裝到所述機車的車身外部。
3.如權利要求2所述的編組動力系統，其中所述風力渦輪機能夠在第一位置和第二位置之間移動，所述第一位置在所述封罩的內部，所述第二位置在所述封罩的上方垂直延伸。
4.如權利要求1所述的編組動力系統，其中所述太陽能板能夠在第一位置和第二位置之間移動，所述第一位置在所述機車的車身內部，所述第二位置在所述車身的上方垂直延伸。
5.如權利要求4所述的編組動力系統，其中所述太陽能板被配置成當移動到所述第二位置時展開從而增大其主體的表面面積。
6.如權利要求1所述的編組動力系統，其中: 所述風力渦輪機是第一風力渦輪機；以及 所述動力系統還包括:第二風力渦輪機，其位于所述機車的車身內部并且配置成產生第三輔助電力供應。
7.如權利要求6所述的編組動力系統，還包括:通風口，其位于所述機車的車身的至少一側，所述通風口被配置成在打開位置和閉合位置之間移動，以允許和阻擋空氣流過所述第二風力渦輪機。
8.如權利要求1所述的編組動力系統，其中: 所述太陽能板是第一太陽能板；以及 所述動力系統還包括:第二太陽能板，其位于所述機車的車身外部并且配置成產生第三輔助電力供應。
9.如權利要求8所述的編組動力系統，還包括:冷卻裝置，其位于所述第二太陽能板和所述機車的車身外部之間。
10.一種向具有機車的編組提供電力的方法，包括: 利用由位于所述機車上的發動機驅動的發電機產生主要電力供應； 利用位于所述機車上的風力渦輪機產生第一輔助電力供應； 利用位于所述機車上的太陽能板產生第二輔助電力供應； 選擇性地將所述主要電力供應以及所述第一和第二輔助電力供應引導至牽引電機以推進所述機車；確定所述編組的速度；以及基于所述編組的速度，選擇性地控制所述風力渦輪機和所述太陽能板中的至少一個。
【文檔編號】B61B1/00GK104340077SQ201410366801
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年7月29日 優先權日:2013年7月29日
【發明者】H·S·拉姆巴 申請人:易安迪機車公司