用于利用轨道车辆的再生制动能量的方法和系统

摘要

本发明涉及一种能量分配和消耗系统，其包括：轨道车辆组，设有再生制动装置；电动公共汽车车辆组，各自包括车载电池；电储能装置，适应于存储轨道车辆在制动期间产生的电能；多个充电站，各自适应于连接到公共汽车车辆，用于用所述电储能装置的电能为车载电池充电；其中所述轨道车辆组适应于在预定时段内为所述电储能装置提供基本上预定电能净量，其中所述公共汽车车辆组适应于在所述预定时段内基本上消耗至少所述电能的净量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于利用由轨道车辆，尤其当所述轨道车辆在火车站或接近火车 站处制动和/或减速时，产生的制动能量的方法，所述轨道车辆包括用于将所述轨道车 辆的制动能量转换成电能的再生制动装置。本发明还涉及用于消耗和分配这种由轨道 车辆的再生制动装置产生的电能的能量消耗和分配系统。

背景技术

用于回收轨道车辆的制动能量的系统是已知的，例如从EP1,985,490中所知的， 其中描述了一种能量回收系统，其包括在导轨上的轨道车辆，例如火车车辆，经由受 电弓电连接到电源线以获取电能。该轨道车辆设有电动马达，电动马达适应于当被供 电时转动该轨道车辆的轮子。在该轨道车辆制动期间，该马达可作为发电机操作，用 于产生电能，在此情况下制动期间产生的电能被返回至电源线。该已知的系统还包括 电源站，其被设置在沿导轨的预定位置，用于将来自电网的电能供给至轨道车辆，并 且用于接收在制动期间来自轨道车辆的电能并且将此能量传输回到电网。在一个实施 例中，在轨道车辆制动期间产生的该能量的一部分被直接用于为另一轨道车辆的加速 提供电力，而再生能量的其余部分经由电源站被传输回到电网。

该已知系统的缺点在于，为了将轨道车辆制动期间产生的电能转换成适用于在电 网内传输的能量形式，供电站处需要一种复杂的电压调整系统和/或电源转换器。供电 站通常适应于接收来自电网的在第一电压，例如10000伏的电压下的电能，在此电压 下电能在电网内传输，以及用于将此能量转换成适合于在基本上更低的第二电压，例 如1500伏的电压下驱动轨道车辆的电能。在制动期间，轨道车辆产生第三电压下的电 能，第三电压在第一电压和第二电压之间，例如，轨道车辆在制动期间产生在约 1600-1900伏范围之间的电压。结果是，除了将电能从第一电压转换成第二电压，在 该已知系统中，电源转换器和/或电压调整系统必须同样适应于将能量从第三电压转换 成第一电压。

本发明的目的是提供一种更简单的用于利用轨道车辆的制动能量的方法和系统， 实现对制动能量的有效利用。

发明内容

为此目的，根据第一方面，本发明提供一种用于利用轨道车辆组的制动能量的方 法，轨道车辆各自设有用于在制动期间产生电能的再生制动装置，其中所述轨道车辆 组适应于在预定时段内提供基本上电能的预定净量到储能装置，在所述预定时段内， 所述方法包括以下步骤：

在制动期间存储由所述储能装置中的所述再生制动装置产生的电能，

将电能的所述净量从所述储能装置传输到电动公共汽车组的车载电池，

其中所述储能装置与所述轨道车辆和所述电动公共汽车间隔开，并且其中电能从 所述储能装置到所述电动公共汽车组的所述传输在离所述储能装置2公里的距离内进 行，优选地在1公里的距离内，最优选地在500米的距离内。

通常，预定时段是18或24小时的时段，在其间轨道车辆和电动公共汽车在计费 营运中排时间表。能量的净量基本上等于由轨道车辆组供给到储能装置的能量的量减 去由所述轨道车辆在预定时段内从储能装置吸取的-如果有的话-能量的量。例如，如 果在18小时的预定时段内，四个轨道车辆每小时在离储能装置2公里的距离内制动， 制动时各自产生120千瓦时，那么由轨道车辆的再生制动装置在离储能装置所述距离 内产生的能量的总量是120千瓦时*18小时*4＝8640千瓦时。如果，在同样预定时段内， 没有能量被轨道车辆从储能装置吸取，那么传输至储能装置的能量的净量基本上等于 产生的能量的量，即，在此例子中基本上等于8640千瓦时。

由于基本上电能的全部净量被传输到电动公共汽车的车载电池，基本上此净能量 的全部可用于为所述公共汽车的运动提供电力。因转换而导致的能量损失被减少，因 为在传输电能到电动公共汽车的车载电池之前不需要将电能转换成适于在电网中传输 的形式。因此能够不改变现有的沿铁路导轨的电源站而进行根据本发明的方法。

一般来说，由轨道车辆的再生制动装置产生的能量传输到用于在其中存储所述能 量的储能装置在轨道车辆在所述距离内制动期间发生。

在一实施例中，轨道车辆适应于从电力线段接收标称电压下的电能，其中储能装 置直接地连接到所述电力线段并且适应于基本上在所述标称电压下存储电能。在轨道 车辆制动期间，电能因此从其再生制动装置经由电力线段传输到储能装置，电力线段 通常是沿轨道车辆运行的导轨设置的两个电源站之间的电源线的一段或一部分，并且 适应于供给所述标称电压下的电能到轨道车辆。电力线段通常是导体线或导体带，基 本上平行于轨道车辆运行的导轨延伸。

在一实施例中，轨道车辆适应于通过所述电力线段被提供电力，其中电力线段在 任一侧上连接到电源站，电源站连接到外部电网，并且其中电力从所述电网流到所述 电力线段而反之则不然。轨道车辆的运动可因此使用来自例如电网的能量被提供电力， 但在轨道车辆制动期间再生的能量不被传送回电网。

在一实施例中，所述预定时段基本上等于24小时，并且其中在所述预定时段内， 被传输到所述电动公共汽车组的车载电池的能量的净量是2000千瓦时或更多，优选地 至少6000千瓦时。

在一实施例中，能量的净量比储能装置的最大储能容量大至少两倍，优选地至少 三倍。例如，即使当7200千瓦时的能量的净量在预定时段中从储能装置传输到车载电 池，具有最大储能容量2400千瓦时的储能装置通常就足够了。

在一实施例中，储能装置具有2.5C与3.5C之间的额定容量(C评级值)，优选地 基本上等于3C。C评级值提供了当储能装置的储能容量是已知的时候，可以从储能装 置吸取、或供给到储能装置而不会对其造成损坏的最大电流的指示。同样地，当将要 由轨道车辆从储能装置吸取或供给到储能装置的最大电流以及所述电流流动的最大电 压是已知的时候，C评级值可以被用来计算储能装置应该具有的必须能够应付在最大 电压下的最大电流而不会损坏储能装置的最小储能容量。此最小所需的储能容量可以 被计算为在一个或多个车辆制动期间所述电力线段上的最大电流乘以在所述一个或多 个轨道车辆制动期间产生在所述电力线段上的最大电压，并除以储能装置的C评级值。 例如，当已知同一时间仅一个轨道车辆沿所述电力线段制动，而且在其制动期间供给 至储能装置的电流至多为4000安并且在至多1800伏电压下供给，而储能装置的C评 级值为3，则储能装置的尺寸应设定成具有至少4000安*1800伏*(1小时/3)＝2.4 兆瓦时的存储容量。

在一实施例中，各电动公共汽车的车载电池的尺寸设定为用于储存至少等于所述 公共汽车的最大功率使用乘以1小时并除以2.5的能量的量。例如，当电动公共汽车 加速期间的最大功率使用是180千瓦，即任何时候从车载电池吸取的功率的量为180 千瓦或更小，则公共汽车的车载电池应该具有容量为至少180千瓦*1小时/2.5＝72 千瓦时。在整个预定时段内各公共汽车的总能耗通常基本上会比其车载电池的总储能 容量高，例如至少2倍。

当车载电池的储能容量和用于在充电站为所述电池充电的电压都是已知的时候， 车载电池在充电站充电而不损坏车载电池时能接收的最大电流可以通过用车载电池的 储能容量除以充电电压来计算。例如，当储能容量是72千瓦时，并且在充电站为车载 电池充电的电压是600伏时，那么车载电池应能接收72千瓦时/600伏＝120安的电 流而不损坏。公共汽车的车载电池的尺寸设定因此可以基于从储能装置传输电能到车 载电池的可用的充电电流和/或基于电动公共汽车的预定最大的能量使用。

在一实施例中，在预定时段内在任何时候由储能装置存储的能量的最大和最小量 之间的差基本上小于储能装置的最大储能容量，优选地至少小10或15倍。这可以通 过对从再生制动装置传输到储能装置的电能进行时间控制来实现，使得所述传输在所 述差变成大于储能装置的最大储能容量的十分之一或十五分之一之前，后接从储能装 置到电动公共汽车的车载电池的能量传输。相反，当对传输时间控制和相应能量传输 量的估计在预定时段的开始之前被确定，具有合适的最大储能容量的储能装置可以基 于所述估计来选择。

在一实施例中，所述轨道车辆根据所述预定时段所基于的预定时间表在火车站停 留，其中火车站和一个或多个充电站在离储能装置2公里的距离内，优选地在1公里 的距离内，最优选地在500米的距离内。由再生制动装置产生的预期的能量的净量因 此可以基于轨道车辆的预定时间表预先计算。相同的预定时段内使用的电动公共汽车 的数量优选地被选择，使得它们消耗至少所述预期的能量的净量。通常，根据预定的 公共汽车的时间表，这些公共汽车的预期的能量消耗可被预先计算。

在一实施例中，一个多个充电站位于相应的公共汽车站，其中所述车载电池在所 述电动公共汽车在所述公共汽车站停留期间被不完全充电。由于车载电池仅不完全充 电，通常在预定时段的开始比在预定时段的结束更大量的能量被存储在车载电池中， 即使当电池在所述预定时段内在充电站不完全充电若干次。当公共汽车不在计费营运 时，它们的车载电池可以被充电至至少在预定时段的开始时被保存其中的能量的量。

在一实施例中，电能从储能装置到电动公共汽车的传输是使用充电站实现的，充 电站设置在公共汽车站乘客上和/或下车的位置。优选地，在一天中公共汽车计费营运 的时间内，即，从根据通常基本上与预定时段重合的公共汽车时间表的公共汽车时间 的开始到结束，电动公共汽车的每辆公共汽车一旦已经连续地连接到充电站超过为乘 客上或下所述公共汽车而保留的预定时间时限，就从充电站断开。此用于上客/下客的 时间时限优选小于10分钟，优选地小于5分钟。因此，在公共汽车时间表的开始和公 共汽车时间表的结束之间，公共汽车可以保持在基本上恒定的运行而不必做出额外的 停靠以用于为其车载电池充电。

在一实施例中，能量从所述储能装置到所述电动公共汽车的传输是使用一个或多 个充电站执行的，优选为6分钟或更短的充电时间内，优选为3分钟或更短，在这之 后，所述电动公共汽车保持从所述充电站断开持续时间至少8或9倍于所述充电时间， 在此之后，公共汽车优选地返回到一个或多个充电站。例如，当公共汽车已在充电站 为其车载电池不完全充电3分钟，它将保持从所有的所述充电站断开持续至少另外的 24或27分钟的时间。

在一个实施例中，在预定时段内为每辆公共汽车在充电站充电花费的时间的全部 量小于预定时段的九分之一或十分之一。例如，在整个预定时段内，公共汽车可能在 平均27分钟的驾驶之后返回到充电站，然后在再次离开充电站前为其车载电池不完全 充电平均3分钟。

在一实施例中，来自所述电储能装置的电能的电压，优选地在用于为电动公共汽 车的车载电池充电的充电站，在从所述电储能装置间隔开的位置处，例如5米或10 米或更远，被转换成适于为所述一个或多个电动公共汽车或其中的车载电池充电的电 压。这种转换，优选地使用增压器实行，仅当一个或多个电动公共汽车在充电站充电 时才需发生。

在一实施例中，由轨道车辆组的再生制动装置产生的电能被用于在预定时段内为 至少10辆、优选至少20辆、更优选至少30辆所述电动公共汽车充电。这些数量的公 共汽车可以消耗大量的轨道车辆产生的净能量。优选地在整个预定时段的持续时间上， 每辆公共汽车被提供由来自储能装置的至少200千瓦时的电能。例如，当在整个预定 时段内30辆公共汽车各自都被提供有来自储能装置的216千瓦时的电能时，这些公共 汽车一起在所述预定时段上从储能装置吸取648兆瓦时。

最优选地，要用在预定时段内被转换的电能来供电的电动公共汽车的数量至少基 本上等于电能的净量除以电动公共汽车组中的公共汽车的平均能量消耗。

在一实施例中，电储能装置位于所述轨道车辆频繁制动和/或减速的位置，例如在 火车站或轨道站。充电站优选地设置在临近于所述火车站的公共汽车站，如离火车站 2公里的距离内。

在一实施例中，储能装置在电能从电储能装置到电动公共汽车车辆组或其车载电 池的所述传输期间是静止的。储能装置相对于导轨的位置因此在所述能量传输期间不 改变。

在一个实施例中，从储能装置到电动公共汽车组的能量传输在储能装置的2公里 距离内进行，优选在1公里的距离内，而不是在离储能装置500米的所述距离内。

根据第二方面，本发明提供了一种用于与轨道车辆组和电动公共汽车组一起使用 的能量消耗和分配系统，所述轨道车辆组设有用于在制动期间产生电能的再生制动装 置，每辆公共汽车包括用于驱动其轮子运动的电动马达和连接到所述电动马达的车载 电池，所述系统包括：电力线段，被设置用于接收在所述轨道车辆制动期间由所述轨 道车辆组的轨道车辆的再生制动装置产生的电能；电储能装置，连接到所述电力线段 并且适应于存储在所述轨道车辆制动期间由所述电力线段接收的电能；多个充电站， 各自适应于连接到所述电动公共汽车组中的电动公共汽车，用于使用来自所述电储能 装置的电能为所述电动公共汽车的车载电池充电；其中所述电储能装置、所述电力线 段和所述多个充电站形成整合系统并且位于彼此相距2公里的距离内，优选地1公里 的距离内，最优选地500米的距离内。电力线段优选位于储能装置500米的距离内。

因为整合系统的部件，即电力线段、电储能装置，和多个充电站，都相互靠近， 因电能传输的能量损失被最小化。此外，由于不必利用转换器来将电力线段的电压转 换成电储能装置的电压，由于转换而造成的能量损失被最小化。

在一实施例中，所述电储能装置直接地连接到所述电力线段，允许电能从储能装 置到电力线段的基本上自由的流动且反之亦然。因此，电能的直接双向交换在储能装 置和所述电力线段之间是可能的。因此，可以使用存储在储能装置中的能量的一部分， 用于至少部分地提供电力以加速轨道车辆，而无需转换电能，即使同时没有轨道车辆 在制动，并且另一部分可用于为电动公共汽车组中一个或多个车辆充电。在本实施例 中，特别有利的是，如果储能装置适应于存储在根据存储在储能装置中的能量的电压 下的所述电能，即存储在储能装置中的能量越多，所述能量在越高的电压下被存储。 因此，当存储在储能装置中的能量低于最小阈值，那么所述储能装置的电压将比施加 到电力线段的额定电压更低，并且储能装置将经由电力线段接收电能。另一方面，当 与电力线段接触的轨道车辆正在加速时，在电力线段上的电压降低至储能装置的电压 以下。其结果是，能量从储能装置被提供到的电力线段，用于为轨道车辆的加速提供 电力。

在一实施例中，储能装置和电力线段一起形成自由浮动系统，使得能量可以在任 何方向上浮动、或者被传输。由轨道车辆组的再生制动装置供给至储能装置的能量的 量通常大于在加速期间由这些轨道车辆从储能装置吸取的能量的量，结果是从而给储 能装置提供了能量的净量。这部分是因为在制动期间基本上所有的电能由储能装置接 收，而在轨道车辆的加速期间，用于为轨道车辆提供电力所需的能量的至少一部分是 由电源站供给的。

在一实施例中，所述轨道车辆组适应于在预定时段内提供基本上电能的预定净量 到所述电储能装置，其中所述电动公共汽车组适应于在所述预定时段内基本上消耗至 少电能的所述净量。

整合系统优选位于公共交通车站，该公共交通车站包括用于轨道车辆的火车站和 用于公共汽车的公共汽车站。然后可以在预定时段开始之前，例如提前至少一天，基 于火车和公共汽车时间表、预定时段中公共汽车的电储能容量和/或公共汽车的预期的 能量消耗，来确定能量的净量。包括多个充电站的火车站和公共汽车站优选位于彼此 步行距离内，例如，在彼此2km或更小的距离内。

在预定时段内，通常是在此期间轨道车辆和公共汽车在计费营运中排时间表的18 或24小时的时段，存在几次，在这几次期间内能量由轨道车辆供给到电储能装置。因 为储能装置充当能量缓冲器，再生能量可以以更渐进的方式被消耗以用于为电动公共 汽车的车载电池充电。例如，在持续大约18个小时的预定时段内，每小时平均至少4 辆轨道车辆会制动以停在电力线段处。在相同的预定时段内，从电动公共汽车组的电 动公共汽车可以相互接替地在充电站，从而基本上在预定时段内的任何时间，至少一 辆电动公共汽车的车载电池正在使用来自储能装置的能量充电。

由于在预定时段内由轨道车辆组供给到储能装置的电能的至少净量被电动公共汽 车组在相同的预定时段内消耗，可以确保没有能量的净量因为储能容量的不足而损失。 例如，当在18小时的预定时段内，每小时4辆轨道车在电力线段处制动，在制动时各 自产生120千瓦时，那么由轨道车辆的再生制动装置在电力线段处产生的能量的总量 是8640千瓦时。如果基本上所有这种能量被存储在储能装置中的话，并且没有能量从 储能装置流回到电力线段的话，那么在预定时段内供给到储能装置的能量的净量基本 上等于8640千瓦时。

当电动公共汽车，例如用于当地公共运输的公共汽车，在相同的预定时段内各自 消耗平均1千瓦时/公里并且各自行驶在平均240公里，那么每辆公共汽车每天消耗大 约240千瓦时，并且供给到储能装置的净能量足够为大约8640/240＝36辆公共汽车提 供电力。组合的火车和公共汽车站通常将为至少此数量的公共汽车和相应数量的充电 站提供空间，从而基本上所有净能量可以实际上被消耗。由再生制动装置产生并供给 到电力线段的能量没有全部用于为公共汽车提供电力的情况下，一些此能量可能被用 于为轨道车辆的加速提供电力，轨道车辆从电力线段吸取能量。

优选地，在18或24小时之间的预定时段内，所述电动公共汽车的各自能量消耗 是至少200千瓦时。如果使用具有低能量消耗的车辆而不是电动公共汽车的话，比如 电动力自行车或电动力载人汽车，那么基本上需要更大数量的车辆和充电站以便保证 被这些车辆消耗的能量，即，能量被用于为这些车辆的车载电池充电，会是至少与供 给的净能量相同，以防止能量的浪费。例如，假设电力汽车具有平均18千瓦时的容量 的车载电池，并且需要6小时为此电池在充电站完全充电，那么大约3辆这种汽车可 以在净能量供给到储能装置的18小时的预定时段内在充电站充电。因此，在整个预定 的时段中，大约8640千瓦时/18千瓦时＝480辆汽车必须在充电使它们的电池完全充电， 以便消耗所有供给到储能装置的全部净能量，并且需要480/3＝160个充电站。申请人 所已知的现有技术并未启示在离火车站的较短距离内停泊如此大数量的电动力汽车并 为其充电，例如离火车站至少2公里内，优选地1公里内，最优选地500米的距离内。

在一实施例中，电力线段在任一端连接到电源站，所述电源站适应于施加标称电 压到所述电力线段，其中所述再生制动装置适应于，在至少制动期间，产生在高于所 述标称电压的电压范围内的所述电能，并且其中所述电储能装置适应于存储在基本上 等于所述标称电压的电压下的所述电能。标称电压定义为当基本上没有轨道车辆在从 电力线段吸取能量的时候，例如，当与电力线段相关的导轨的一段上没有轨道车辆时， 由电源站供给到电力线段的电压。

电源站通常连接到与本发明的整合系统隔开的电网，即，没有电能从整合系统被 供给到电网。这些电源站可以因此独立于整合系统工作，即，被适应于单向供给能量 到电力线段，并且不必被适应于接收来自电力线段的电能。

优选地，电储能装置适应于接收来自所述电力线段在所述电压范围中的电压下的 电能。

在一实施例中，所述储能装置适应于供给在基本上所述标称电压下的电能到所述 多个充电站和/或所述电力线段。

在一实施例中，电储能装置直接地连接到所述电力线段并且适应于存储在基本上 所述标称电压或更高电压下的电能。更高电压优选地小于轨道车辆制动期间施加到电 力线段的最大电压。储能装置，比如电池，可因此被使用，在基本等于或高于标称电 压的势差下具有极点。通常，当轨道车辆以恒定速度行驶时，其接受来自电力线段的 在基本上等于1500伏电压下的电能。在此情况下，储能装置优选地适应于存储1500 伏或稍高的电压下的电能，例如基本上在1550伏。因此，当电力线段基本上在所述标 称电压下时，从电源站经由电力线段到储能装置的能量传输被减小或彻底避免。

在一实施例中，所述整合系统进一步包括转换器，所述转换器导电连接在所述储 能装置和所述多个充电站之间，用于将来自所述储能装置的电能转换成适于所述充电 站的电压。转换器和多个充电站优选地位于离火车站2公里的距离内，优选地1公里 的距离内，最优选地500米的距离内。

在一实施例中，储能装置在电能从电储能装置到电动公共汽车车辆组或其车载电 池的所述传输期间是静止的。

在一个实施例中，从储能装置到电动公共汽车组的能量传输在储能装置的2公里 距离内进行，优选在1公里的距离内，而不是在离储能装置500米的距离内。

在一实施例中，所述轨道车辆组中的所述车辆适应于接收在基本上所述标称电压 下的电能，用于为所述轨道车辆的运动提供电力。轨道车辆因此可以从储能装置吸取 能量而不需要使用电压转换器。轨道车辆还可以适应于接收标称电压范围之内的电压 下的电能，标称电压范围包括所述标称电压。例如，轨道车辆可各自包括用于在被提 供有标称电压范围内，例如在1400伏-1700伏标称电压范围内的，例如在1500伏的 标称电压下的电能时驱动所述车辆在导轨上的运动的电动马达。

在一实施例中，每个轨道车辆设有电动马达，用于驱动所述车辆在导轨上的运动， 其中所述电动马达还能够作为所述轨道车辆的再生制动装置被操作。

在一实施例中，其中电力线段还被用于从储能装置以外的其他源提供电能到轨道 车辆，例如从设置在电力线段任一侧的电源站，电储能装置作为用于电力线段的电压 调节器。当经由电力线段提供电力的轨道车辆以基本恒定的速度移动时，它从电力线 吸取基本恒定的能量，并且在所述电力线段上的电压通常也基本上恒定。当更多电能 被轨道车辆吸取时，电力线段上的电压下降，例如当轨道车辆加速时，并且当电能由 轨道车辆的再生制动装置供给到电力线段时上升。当储能装置直接连接到电力线段时， 其使得电力线段的电压平滑。

例如，当轨道车辆每单位时间吸取基本上恒定量的能量时，例如当以恒定速度行 驶时，轨道车辆适应于在1400伏和2100伏之间的电压范围内操作，并且通常接收大 约1500伏的电压。在车辆制动期间，其再生制动装置经由电力线段供给电能到在1800 伏下的储能装置。当，在较晚的时候，轨道车辆从储能装置吸取能量时，此能量自动 在轨道车辆的操作电压范围之内被供给，而不需要任何转换。

在一实施例中，所述电力线段设置在所述轨道车辆组的所述轨道车辆频繁发生制 动和/或减速的位置，例如在火车站、在导轨的拐角段、在位于公共汽车站2公里内的 铁路平交道，等等。

在一实施例中，所述整合系统进一步包括转换器，所述转换器导电连接在所述储 能装置和所述多个充电站之间，用于将来自所述储能装置的电能转换成适于所述充电 站的电压。例如，该转换器，例如增压器，可以适应于将从储能装置和/或从电力线段 接收到的电能转换成400到600伏之间的电压和基本上等于350安培的电流，用于为 公共汽车的车载电池充电。当需要时，即，当电能被供给到公共汽车的车载电池时， 转换器优选仅将电能转换成适于所述充电站的电压。

在一实施例中，整合系统进一步包括切换装置，切换装置适应于单独地切换以下 的或者开或者关：电源线和转换器之间的第一连接，电源线和储能装置之间的第二连 接，储能装置和转换器之间的第三连接。这些连接是导电连接，轨道车辆的制动产生 的电能可以通过这些连接传输。

当第一和第二连接被断开而第三连接被接通时，那么通过转换器可以从储能装置 提供能量给公共汽车，直到基本上所有存储在储能装置中的能量被消耗。在此配置中， 没有能量从电力线段被供给到储能装置或者转换器。只要有足够的能量存储在储能装 置中，储能装置可以仍然提供电能到转换器，从而公共汽车可以被充电。因此，即使 当火车发生故障时，或者没有再生制动能量被供给到储能装置时，公共汽车仍可以在 充电站再充电，优选地在至少进一步的预定时段内。通常，当储能装置被充电到其最 大容量的至少75％时，有足够的能量存储在储能装置中用于提供在所述进一步的预定 时段内公共汽车所消耗的能量。此进一步的预定时段优选地等于预定时段的至少三分 之一，例如当预定时段是18小时时，那么进一步的预定时段是优选地至少6小时。

在储能装置不能够存储或提供电能的情况下，例如在故障期间或当基本上没有电 能存储在其中时，第二和第三连接可以被断开而第一连接被接通，从而转换器直接地 被供给来自电力线段的能量并且因此可以供给电能给公共汽车。公共汽车因此可以在 储能装置与转换器和电力线段断开连接时保持在计费营运操作中。

当第一和第三连接断开而第二连接接通时，在轨道车辆制动期间产生的电能被存 储在储能装置中。在此配置中，没有能量从储能装置传输到转换器用于为公共汽车的 车载电池充电，并且没有能量从电力线段传输到转换器。在此配置中，储能装置可以 快速地完全充电，例如在约2-4小时之内。

在紧急情况下，切换装置适应于断开所有连接，从而减少救援和/或维修工人触电 的风险。

在一实施例中，切换装置包括具有至少三个腿的导电性接合件，其中所述导电性 接合件的第一腿包括连接到电力线段的第一开关，所述导电性接合件的第二腿包括连 接到所述储能装置的第二开关，所述导电性接合件的第三腿包括连接到所述转换器的 第三开关。当第一和第二腿的开关为开的时候，电能可以从电力线段传输到储能装置 或反之亦然。当第二和第三腿的开关为开的时候，电力可以从储能装置传输到转换器。 当第一和第三腿的开关为开的时候，电力从电力线段直接传输到转换器。

在一实施例中，所述电力线段、所述电储能装置、所述转换器和所述多个充电站 位于离此位置2公里的距离内，优选1公里距离内，最优选500米距离内。

在一实施例中，电储能装置适应于电能从所述电储能装置到所述充电站的单向交 换。这可以例如，通过使用设置在电储能装置和充电站之间的整流器实现。

在一实施例中，每个所述充电站适应于产生与电动公共汽车的滑动或滚动导电接 触。所述电动公共汽车的车载电池因此可以在相对于充电站运动时，例如当一些所述 公共汽车排列成行时，至少不完全充电。优选地，在充电期间，每辆公共汽车与至少 两个导电体导电接触，一个用于承载来自充电站到公共汽车的电流，另一个是回流导 电体。

在一实施例中，每个所述充电站包括架空导电线，用于提供电能到电动公共汽车 的车载电池。优选地，每个所述充电站包括两个架空导电线，用于与电动公共汽车连 接，一根线用于承载从充电站到公共汽车的电流，另一根是回流线。

在一实施例中，所述电动公共汽车设有受电弓，用于接收来自所述架空导电线的 电能。额外地，或者可替换地，电动公共汽车可以设有两根触轮杆，一根用于与充电 站的承载电流的架空导电线导电连接，而另一根与充电站的架空回流线连接。

在一实施例中，所述系统包括所述轨道车辆组和/或所述电动公共汽车组。这有助 于事先估计将由轨道车辆组在预定时段内产生的净能量和/或电动公共汽车组在预定 时段内的能量消耗。

在一实施例中，至少在预定时段内，基本上所有存储在电储能装置中的能量经由 电源线被提供。储能装置因此可以独立于连接到电源站的电网运作，电网不是本发明 的整合系统的一部分。

根据第三方面，本发明提供了一种用于与第一车辆组和第二车辆组一起使用的能 量分配和消耗系统，第一车辆组包括设有用于在制动期间产生电能的再生制动装置的 轨道车辆，第二车辆组包括电动公共汽车，每辆电动公共汽车包括用于驱动其轮子运 动的电动马达和连接至所述电动马达的车载电池，所述系统包括：电力线段，被设置 用于接收在所述轨道车辆制动期间由所述第一组的轨道车辆的再生制动装置产生的电 能；电储能装置，连接到所述电力线段并且适应于存储在所述轨道车辆制动期间由所 述电力线段接收的电能；多个充电站，各自适应于连接到所述第二组的车辆，用于使 用来自所述电储能装置的电能为其车载电池充电；其中所述第一组车辆适应于在预定 时段内提供基本上电能的预定净量到所述电储能装置，其中所述第二组车辆适应于在 所述预定时段内基本上消耗电能的所述净量；并且其中所述电力线段、所述电储能装 置和所述多个充电站形成整合系统并且位于彼此相距10公里的距离内，优选地4公里 的距离内，最优选地1公里的距离内。在预定时段内，例如18或24小时的时段，在 此期间轨道车辆和公共汽车在计费营运中排时间表，存在几次，在这几次期间内能量 由轨道车辆供给到电储能装置并且以更渐进的方式被第二组的车辆消耗。例如，在大 约持续18个小时的预定时段内，每小时平均至少4次制动动作出现。在相同的预定时 段内，第二组的车辆可以相互接替地在充电站，从而基本上在预定时段内的任何时间， 至少一辆第二组的车辆被提供来自储能装置的能量。

在一实施例中，第一组车辆的轨道车辆的制动或减速期间产生的电能被用于在预 定时段内为至少两辆电动公共汽车提供电力，优选地至少四辆，更优选地至少6辆第 二组车辆中的电动公共汽车。

在一实施例中，整合系统进一步包括切换装置，切换装置适应于单独地切换以下 的或者开或者关：电源线和转换器之间的第一连接，电源线和储能装置之间的第二连 接，储能装置和转换器之间的第三连接。这些连接是导电连接，轨道车辆的制动产生 的电能可以通过这些连接传输。

当第一和第二连接被断开而第三连接被接通时，那么通过转换器可以从储能装置 提供能量给公共汽车，直到基本上所有存储在储能装置中的能量被消耗。在此配置中， 没有能量从电力线段被供给到储能装置或者转换器。只要有足够的能量存储在储能装 置中，储能装置可以仍然提供电能到转换器，从而公共汽车可以被充电。因此，即使 当火车发生故障时，公共汽车仍可以在充电站充电，优选地，当储能装置被充电到其 最大容量的至少75％时，有足够的能量存储在储能装置中用于提供在进一步的预定时 段内公共汽车所消耗的能量。此进一步的预定时段优选地等于预定时段的至少三分之 一，例如当预定时段是18小时时，那么进一步的预定时段是优选地至少6小时。

在储能装置不能够存储或提供电能的情况下，例如在故障期间或当基本上没有电 能存储在其中时，第二和第三连接可以被断开而第一连接被接通，从而转换器直接地 被供给来自电力线段的能量并且因此可以供给电能给公共汽车。公共汽车因此可以在 储能装置与转换器和电力线段断开连接时保持在计费营运操作中。

当第一和第三连接被断开而第二连接被接通时，在轨道车辆制动期间产生的电能 被存储在储能装置中。在此配置中，没有能量从储能装置传输到转换器用于为公共汽 车的车载电池充电，并且没有能量从电力线段传输到转换器。通常在此配置中，储能 装置需要大约2-4小时完全充电。

在紧急情况下，切换装置适应于断开所有连接，从而减少救援和/或维修工人触电 的风险。

在一实施例中，切换装置包括具有至少三个腿的导电性接合件，其中所述导电性 接合件的第一腿包括连接到电力线段的第一开关，所述导电性接合件的第二腿包括连 接到所述储能装置的第二开关，所述导电性接合件的第三腿包括连接到所述转换器的 第三开关。

在一实施例中，所述储能装置适应于从所述电力线段和/或向所述电力线段收集和 /或释放在所述预定电压范围下的电能持续至少40秒，优选地持续至少60秒。

描述和示出在说明书中的各个方面和特征可以在任何可能的情况下单独地应用。 这些单独的方面，特别是所附的权利要求所描述的方面和特征，可以成为分案专利申 请的主题。

附图说明

本发明将基于附图中所示的示例性实施例进行详述，其中：

图1A示出根据本发明的能量分配和消耗系统的示意图；

图1B示出图1A的一段的细节，示出了轨道车辆的部分剖切图；

图1C示出图1A的另一段的细节，示出电动公共汽车的部分剖切图；

图2示出根据本发明的系统的第二实施例；

图3示意性示出存储在储能装置中的能量、由再生制动装置再生的能量、和由电 动公共汽车消耗的能量，对比时间的曲线图；

图4示出存储在储能装置中的能量在预定量的时间中的曲线图；

图5A示出本发明的方法的流程图；

图5B示出本发明的方法的另一个实施例的流程图。

具体实施方式

图1A示出根据本发明的能量分配和消耗系统1的第一实施例的示意图。图1B和 1C分别示出图1A所示的轨道车辆20和电动公共汽车83的一段的详细的部分剖切图。 系统1设置成邻近于火车站2，在火车站2，比如轨道车辆20的轨道车辆频繁地加速 和减速，例如用于上客和下客，以及/或者用于装载或卸载轨道车辆的货物。火车或轨 道车辆20是电动力并且包括机动化的轨道车辆10，其设有电动马达11(见图1B)以 用于驱动机动化轨道车辆10的轮子14在轨道或导轨5上转动。机动轨道车辆10还包 括反相器12，与马达11一起形成用于将轨道车辆10的制动能量转换成电能。该再生 的电能经由架空的导电电力线段31或电源段传输至位于接近火车站2，即，2公里以 内，的电储能装置40。电储能装置40和导轨5两者都导电地接地，使得返回电路可 以被形成用于电能量。轨道车辆20还包括至少一个火车箱21，用于容纳乘客和/或保 存货物。

当机动轨道车辆10行驶在恒定速度或加速时，电动马达11经由电源线30被供给 电能，电力线段31是电源线30的一部分。电力线段31的两端连接到电源站3、4， 电源站3、4以大约4千米左右距离彼此沿导轨5设置，并且适应于在标称基本上恒定 电压V1下在它们与电力线段31接触点处提供电能。由于电源站3、4间隔开相对大 的距离，压降会发生在电源供给站3和4之间的电力线段31上，特别是靠近所述电力 线段的中间。对于常规的轨道车辆，由电源站3、4供给的电压通常基本上等于1500伏。

虽然在示出的实施例中的轨道车辆10是电动力，也可使用通过其它方式提供电力 的其它种类的轨道车辆。例如，代替如图1A所示的接收经由电力线段31的电能的机 动轨道车辆10，也可以使用柴电动轨道车辆，其包括柴油发动机，以产生电力用于驱 动轨道车辆的电动马达，或可使用轨道车辆，其包括内燃机，用于直接地且机械地驱 动轨道车辆的车轮的转动。然而，轨道车辆或其车厢的至少一个应该设有再生制动装 置。

图1B示出了图1A的机动轨道车辆10的部分剖切细节。当轨道车辆10制动或降 低加速时，其再生制动装置13产生电能。例如，在所示的实施例中，轨道车辆10的 再生制动装置13在制动约60秒时可以产生1800伏的电压V2和4000安培的电流A2 的电能。制动基本上发生在电力线段31的长度内，并且制动过程中所产生电能的量在 本实施例中基本上等于1800伏*4000安*(60秒/3600秒)＝120千瓦时。此电能 经由电力线段31从轨道车辆10的再生制动装置13输送至电储能装置40，电储能装 置40在电压V3下存储电能，电压V3基本上等于或略小于电压V1。因为电能在储能 装置40中被存储的电压V3基本上等于或小于由发电站3、4提供到电力线段31的标 称电压V1，当没有轨道车辆沿电力线段31加速时，总体上没有能量从储能装置40 传输至电力线段31。

要在轨道车辆制动所需的相对较短的时间内实现电储能在储能装置40中，如图 1A中所示的储能装置40适应于存储至少15倍，优选地至少20倍的通常单一轨道车 辆20制动时所产生的电能。基于上面的例子中的120千瓦时的制动能量，储能装置 40的尺寸因此设定成用于存储至少1.8兆瓦时，优选地至少2.4兆瓦时的电能。

储能装置40经由例如，包括整流器的单向连接件41连接到电能转换器50，电能 转换器转而经由一个或多个导电引线51连接到多个充电站61-66。虽然只有六个充电 站被示出用于同时为相同数量的电动公共汽车81-86充电，充电站的实际数量通常被 选择以使得足够数量的电动公共汽车可以通过充电站61-66充电，在预定时段中，用 于消耗由在火车站2或沿电力线段31制动或减速的轨道车辆供给到储能装置40的电 能的至少一定净量。

电能转换器50，其连接在储能装置40和充电站61-66之间，适应于将从储能装 置40供给至其的电压V3下的电能转换成在较低的电压V4下的电能，以适于为电动 公共汽车辆公共汽车车81-86的车载电池充电。电压V4通常比电压V3低，至少低4.5 倍。在示出的实施例中，充电站61-66为公共汽车车辆81-86充电所用的电压V4在 400-600伏范围内，并且充电电流基本上等于350安。

每个充电站61-66包括一对架空导体线61a至66a和相应的返回线61b-66b，用于 供给电能到相对于所述充电站在基本上预定位置P1-P6上的相应的车辆81-86。在充电 站的电动公共汽车81-86各自设有电机92(见图1C)，用于驱动所述公共汽车移动， 并且各自设有车载电池91以用于存储电能，如图1C所示。每个电动公共汽车还包括 两个各自的受电弓81a、81b，82a、82b，83a、83b，84a、84b，85a、85b和86a、86b， 用于导电连接到各自的充电站的各自的架空导线61a、61b-66a、66b。充电站61-63 和63-65被布置成队列，使得当等待乘客上下公共汽车的时候，公共汽车81、82和 83或公共汽车84、85和86形成队列，这些公共汽车的车载电池可以在同一时间充电。 当公共汽车81离开在队列中P1的位置，公共汽车82和83可以在相同的队列中分别 从位置P3和P2向前移动到位置P2和P1，以使它们的车载电池分别在充电站62和 61进一步充电。

每辆公共汽车通常在预定时段中完成几个往返期行程，每一次行程之后返回至充 电站中的一个。当公共汽车在充电站位置P1-P6等待乘客上下车时，公共汽车的车载 电池被不完全充电。当公共汽车在公共汽车站6停留以上客和下客时，公共汽车的车 载电池不一定完全地被再充电。优选地，在一天的开始时，电动公共汽车的车载电池 基本上完全充电，存储在车载电池的能量在一天中逐渐减小，除了相对短暂时间，例 如在5或3分钟，在此期间乘客可上下公共汽车，并且在此期间，公共汽车在公共汽 车站6的充电站对其车载电池进行不完全充电。

图2示出了根据本发明的系统的第二实施例的示意图，其中相同的参考数字指代 图1中的相同的元件。第二实施例还包括切换装置70，用于单独地切换电力线段31、 储能装置40和变换器50之间的连接打开或关闭。

切换装置70包括具有至少第一、第二和第三导电腿75、76、77的导电性接合件。 导电性接合件70的第一腿75包括第一开关71，第一开关71在一侧连接到电力线段 31，在另一侧连接到导电性接合件。所述导电性接合件的第二腿76包括第二开关72， 第二开关72在一侧连接到所述转换器50，在另一侧连接到导电性接合件。导电性接 合件的第三腿77包括第三开关73，第三开关73在一侧连接到所述储能装置40，在另 一侧连接到导电性接合件。

通过单独地切换开关71-73打开或关闭，也就是分别使所述开关处于导通状态或 非导通状态，电能在切换装置中可行进的路线可被设置。切换装置70适应于在轨道车 辆制动时关闭第一开关71和第三开关73，同时保持第二开关72打开。因而在轨道车 辆制动期间在电力线段31和储能装置40之间形成导电连接，使得由再生制动装置所 产生的能量可以被存储在储能装置40中。当一个或多个电动公共汽车在为其车载电池 充电时，切换装置70还适用于闭合第二开关72和第一和第三开关71，73中的任一个 或两个。当第二开关72和第三开关73闭合而第一开关71打开时，电能可以从储能装 置40流向转换器50。在这种情况下，转换器必须能够处理的输入电压范围可以是相 对窄的，即，基本上等于储能装置40的标称电压。当第一开关71和第二开关72闭合 而第三开关73打开时，由正在沿电力线段31制动的轨道车辆产生的电能可直接传送 到转换器50，然后转换器50必须能够处理比上述窄的范围更广范围的输入电压。

切换装置70还适应于在系统的一部分维修期间和/或故障期间打开第一、第二和 第三开关。

在示出的实施例中，切换装置70还包括第四开关74，用于将转换器50的接地和 储能装置40之间的连接切换为开或关。

图3示意性地示出了存储在储能装置301中的能量、由再生制动装置302再生的 能量、以及由电动公共汽车303所消耗的能量，它们所有对比时间的曲线图。显示的 时间标度持续63.5分钟。在时间标度的开始，在时间t＝0时，储能装置的存储是在 约80％的容量，存储了2兆瓦的电能。在整点过7.5分钟起始，轨道车辆制每7.5分 钟在火车站制动，在制动过程中产生75千瓦时的电能。因此，在t＝0的30分钟后， 四辆轨道车辆已经在火车站制动，总共0.3兆瓦时的电能的已经由轨道车辆的再生制 动装置产生并添加到储能装置。在整点过30分钟起始，一些电动公共汽车在基本相同 的时间到达充电站附近的火车站，并开始从储能装置吸取约0.30兆瓦时的能量，从而 存储在存储装置中的电能降回到2兆瓦时。通过制动轨道车辆将能量添加至储能装置 和通过电动公共汽车从储能装置吸取能量的过程可以在整个预定时段内重复。

图4示出了存储在储能装置中的电能的量在预定持续18小时的时段中的示意性曲 线图。在这段时间内有多个预定时刻t1…t72，在这些时刻轨道车辆在火车站附近开始 制动，并提供电能给所述火车站的储能装置。在图4的曲线图中，有72个这样的时刻 t1…t72，以15分钟左右的时间间隔出现。

在t1…t72每个时刻的轨道车辆制动，存储在储能装置的能量的量以时间 Δt1…Δt72的持续时间的到达峰值，Δt1…Δt72是轨道车辆制动所需的时间，通常是约 1分钟，但可以有些变化，如Δt1可能持续70秒而Δt2和Δt3可能分别会持续55和 65秒。在任一种情况下，轨道车辆从正常行驶列车的速度减速，例如120米/秒至完全 停止，而其受电弓接触储能装置所连接的电力线段。

如从在时间t1存储的能量和在预定时段结束时，即t72后15分钟，存储的能量可 见，在制动或轨道车辆在同样18小时的预定时段内被使用期间，基本上所有能量被供 给到储能装置用于为电动公共汽车的车载电池进行充电。

在储能装置处，相比从轨道车辆接收能量，能量以更渐进的方式被提供到公共汽 车。而在其间，在制动时间的总和内，例如在假设平均每辆车制动一分钟的72分钟之 内，轨道车辆的制动期间产生的基本上所有的能量被提供到储能装置，所有此能量通 过在整个预定时段内为公共汽车充电而被逐渐消耗。

图5A示出，在一个预定时段中，用于利用轨道车辆减速和制动时所产生的电能 的方法的流程图250，轨道车辆比如设有再生制动装置的一个或多个轨道车辆。在步 骤200中，在制动期间由再生制动装置产生的电能被输送到电储能装置。为了能够接 收和存储电能，轨道车辆制动的时间内，电储能装置适应于至少存储至少20倍的通过 轨道车辆的再生制动装置所产生的电能的量。在步骤201中，此电能从电储能装置被 输送到一个或多个诸如用于运输乘客的电动公共汽车的电动公共汽车的车载电池。

图5B示出了可以在预定时段的开始之前进行的，用于平衡电动公共汽车消耗的 能量的量和存储在电储能装置中的能量的量的进一步的方法步骤的流程图190。在步 骤197中，在预定时段中，即，在至少一天中，基于预定数量的在火车站停站的轨道 车辆，对在轨道车辆制动期间将会产生的和将要存储在电储能装置中的电能的量进行 估计。

在步骤198中，对在相同的时段内电力车辆的能量消耗做出评估。在步骤199中， 基于步骤198和步骤199中做出的估计，计算电能将从电储能装置传输至车载电池的 电力车辆的数量，并且使得这些做出的估计基本上都对应。一旦预定时段已开始，方 法步骤200和201被执行。

总之，本发明涉及一种能量分配和消耗系统，包括：设有再生制动装置的轨道车 辆组；电动公共汽车车辆，各自包括车载电池；电力线段，设置成用于接收由轨道车 辆的再生制动装置产生的电能；电储能装置，连接到所述电力线段并且适应于存储由 所述电力线段在所述轨道车辆制动期间接收到的电能；多个充电站，各自适应于连接 到公共汽车车辆，用于使用来自所述电储能装置的电能为车载电池充电；其中所述轨 道车辆组适应于在预定时段内向所述电储能装置提供基本上预定电能的净量，其中所 述公共汽车车辆组适应于在所述预定时段内基本上消耗至少所述电能的净量。

但是应当理解，上述说明是为了说明优选实施例的操作，并且不意味着限制本发 明的范围。从上面的讨论中，许多变型对于本领域技术人员将是显而易见的，将还由 本发明的精神和范围所涵盖。