混合式电池/燃气轮机机车制造技术

以前的以电池为动力的电力机车因为采用多台柴油发动机对电池组充电而没有被商业上所接受。本发明专利技术是在一台编组场调车机车上将电池的储能与燃气微型涡轮发电机组合在一起来实现一台燃料利用率高的环保型机车。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及机车领域，特别是以电动机为动力的机车，而电动机的电力又是由一个燃料动力发电机来充电的电池组所提供。众所周知，电池组和热机的结合已在汽车、大轿车和其它公路和高速路上行驶的车辆上得到应用。对车辆来说，这种混合发动机的优点是它们提高了燃料的利用率并减少了污染。在这些应用中，保持燃料高的利用率从而使电池组的重量减到最小是十分重要的。电池组是用来储存驱动电力机车所需的电能。见1921年5月3日授权的Manns的美国专利No.1,377,087。在Manns的专利中，三台标准的柴油发动机用来驱动发电机对蓄能电池组充电。这一系统一直没有获得商品化去替代现存的柴油电传动机车的原因是因为它增加了费用以及除了储能电池组外还要提供多台柴油机而造成的复杂性。因此，需要一台燃料利用率高的机车，此机车采用储能电池组和一个燃料动力发电机的混合组合。本专利技术还提供了操纵机车的方法，此方法包括了i)用来驱动多根轮轴的多台驱动电机；ii)控制牵引电机的牵引动力控制器；iii)用于储存电能而对牵引电机提供电能的电池储能装置，此电池储能装置具有能量容量；iv)发电机与电池储能装置间用电气连接，以保持电池储能装置处于充电状态；v)运用监控电池的充电状态来控制发电机运转的装置，当充电状态低于某一极限时起动发电机运转，而当充电状态高于某一极限时终止发电机运转；此处发电机的充电功率对能量储存容量之比率是在4和40小时之间，此方法包括了在恒定载荷下发电机以最大的输出功率持续一段时期运转。对附图的简要说明在图中把专利技术更好的具体化了附图说明图1为根据专利技术而设计的机车纵向截面；图2为用方块图解示意图来说明专利技术的各单元。电池组16是由微型涡轮发电机组22来充电。此机组包括一台燃气微型涡轮机24，它带动发电机26提供600伏直流电给电池组16充电。“微型涡轮机”的意思是指一台小的可用天然气、柴油或其它气体或液体燃料来作为燃料的燃气涡轮机，它运转在25到400千瓦之间。发电机22保持在使电池处于充电状态的范围内，在此范围内使能量效率达到最大值，而且根据需要只提供均衡循环。鉴于高充电时电池组工作在较低效率下，因此只在定期维护阶段才用高充电状态去均衡化电池组。微型涡轮发电机组最好是70千瓦或80千瓦的微型涡轮机，如Northern Research and Engineering Corp.在Ingersoll Rand分部制造的POWERWORKSTM微型涡轮机，或者由Capstone，ElliottMagnetek和其它公司制造的微型涡轮机。它具有经过整流和调节的输出。由于微型涡轮发电机组的相关尺寸，为了与微型涡轮机匹配，发电机组将在最高效率下以满负荷运转。为了得到最高的充电效率，发电机的电压将随串联的电池电压而升到一个适度的充电率。对天然气涡轮机可以用一个压缩气体罐来提供燃料，如在美国专利No.5,129,328中所描述的那样。当然其它的气体或液体燃料也可以使用。此外，也可以采用一台以上的微型涡轮机。例如可以用每台发电30千瓦的两台Capstone微型涡轮机来代替单台微型涡轮机。在此情况下，多台微型涡轮机可作为单个单元运转，也可以根据需要各自独立的分阶段或逐步地运转。更进一步，发电机组可以包括一个由微型涡轮机/燃料电池组合构成的二重循环配置。在此组合中，高温燃料电池作为微型涡轮机的燃烧器或高温源。由Northern Research and Engineering Corp.和Siemens Westinghouse Power Corp.联合开发的混合发电站就是一个实例。该电站是将一台加压的200千瓦固体氧化物燃料电池与一台50千瓦POWERWORKSTM微型涡轮机集合成一体。微型涡轮机的压气机对燃料电池加压，从燃料电池排出的华氏1500度的废气被送到涡轮机的燃气发生器和高速动力涡轮机中来分别驱动压气机和发电机，从而得到一个燃料利用率十分高的发电厂。微型涡轮发电机组的控制是一个车载PLC 30(可编程逻辑控制器)，它监控电池组充电状态和周围温度，为了方便对电池组施行均衡化，它还设置了一个时钟/日历。当电池接近它的出气电压时，表示了高的充电状态，微型涡轮发电机组就停止运转。相反，当电池组16的充电下降到某一水平时，微型涡轮发电机组就启动。只有在所有的原电池全用完，对电池组实行均衡化维护而进行满充电时才发生高的充电状态。因为微型涡轮机中的原动机的尺寸是确定的，所以它可以在一个恒定载荷下以最大的输出功率持续一段时期运转。辅助功率是从额定电压600伏直流电池组充电源处引出，它被一个逆变器32转换成480伏交流电为机车的空气压缩机34、牵引电机冷却鼓风机36和75伏电池充电器38提供电源。75伏电池充电器38是用来为动力控制器和照明供电的64伏电池充电。逆变器32最好是一台50千瓦脉冲逆变器(正逆变器)。空气压缩机34最好是30马力，牵引电机冷却鼓风机36最好是20马力，而充电器38最好是5千瓦。本专利技术特别适用于编组场调车机车，它不需长期的持续功率，只需要短期的功率，因此它允许用相对来说小的发电机不断地进行充电。储能电池组16的能量储存容量与充电功率源之比值对实现本专利技术的目标来说是十分重要的。此比值可以使微型涡轮发电机组的费用、燃料消耗和污染物质的排放减到最小。能量储存千瓦小时对充电功率千瓦之比率可以表示成一个小时数。求得本专利技术的最佳运转性能的充电率时间为8小时或更长，这就意味着它是充电功率125千瓦比上电池储能容量1000千瓦小时的最大值，虽然充电时间降到4小时也是可行的。在此情况下，理想的是微型涡轮机将连续运转至少1/2小时时段，最好是不停止(即连续工作100小时或更多)。根据机车的结构空间和重量，加上考虑机车寿命周期的费用等实际情况，将电池组能量容量确定在500到2000千瓦小时之间。在本领域的技术人员很明显的是，根据上述公开的内容，在应用本专利技术的实践中显然可以进行各种修改和替换而又不脱离本专利技术的思想和范围。因此，本专利技术的保护范围由所附的权利要求书所定义的内容来解释。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种机车，其包括：ｉ）驱动多根轮轴的多台牵引电机；ｉｉ）控制所述的牵引电机的牵引动力控制器；ｉｉｉ）储存电能而对所述的牵引电机提供所述的电能的电池储能装置，此装置具有能量容量；ｉｖ）具有充电能力的发电机和所述的电池储能装置之间用电气连接，以保持所述的电池储能装置处于充电状态；ｖ）运用监控所述的电池充电状态来控制所述的发电机的运转装置，当所述的充电状态低于某一极限时起动所述的发电机运转，而当所述的充电状态高于某一极限时终止所述的发电机运转；其中，所述的发电机的总充电功率对所述的能量储存容量之比率为４到４０小时之间。

【技术特征摘要】
US 2000-4-26 09/558,3761.一种机车，其包括i)驱动多根轮轴的多台牵引电机；ii)控制所述的牵引电机的牵引动力控制器；iii)储存电能而对所述的牵引电机提供所述的电能的电池储能装置，此装置具有能量容量；iv)具有充电能力的发电机和所述的电池储能装置之间用电气连接，以保持所述的电池储能装置处于充电状态；v)运用监控所述的电池充电状态来控制所述的发电机的运转装置，当所述的充电状态低于某一极限时起动所述的发电机运转，而当所述的充电状态高于某一极限时终止所述的发电机运转；其中，所述的发电机的总充电功率对所述的能量储存容量之比率为4到40小时之间。2.如权利要求1所述的机车，其中，所述的发电机的总充电功率对所述的能量储存容量之比率是大于或等于8小时。3.如权利要求1所述的机车，其中，所述的能量储存容量是在500到2000千瓦小时之间。4.如权利要求1所述的机车，其中，所述的能量储存容量是1000千瓦小时。5.如权利要求1所述的机车，其中，所述的发电机的总充电功率是在25到250千瓦之间。6.如权利要求1所述的机车，其中，所述的发电机的总充电功率是在70到125千瓦之间。7.如权利要求1所述的机车，其中，所述的发电机是微型涡轮机。8.如权利要求1所述的机车，其中，所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：弗兰克W唐纳利，杰拉德H科尔迪克，
申请(专利权)人：火车动力技术公司，
类型：发明
国别省市：CA[加拿大]