用于客运列车的电池租赁和无线电力传输的制作方法

背景技术：

1、背景技术的第一部分与能用于吸收再生制动能量的大型模块化电池系统有关。一些实例系统是在电池供电的电力机车中使用的大型电池系统、将吸收吊车的电机制动能量的电池组。

2、在这些情况下，吊车和机车具有已知的资本价值和长达30年的较长寿命。对用户来说的挑战是确定化学活性电池或超级电容器单元(它们在本节中为可互换使用的术语)的价值和寿命。

3、在电池供电的机车的情况中，电池的成本可能占到该设备成本的1/2。这是一笔巨大的资本支出，并且电池单元具有比许多这些设备的15年至30年寿命短得多的有限寿命。随着电池单元技术成熟，这些电池单元的预期寿命和性能提高，但是这些电池单元的总循环寿命是未知的，因此判断电池单元的价值来验证这些大型资本购买的合理性被证明是一项挑战。

4、如何使用电池单元对预期寿命具有显著影响。进出电池的电力流的c率越高，每次充电循环或放电循环对电池单元造成的累积损害就越大。c率是用于描述以安培为单位的瞬时电流与以安培小时为单位的电池能量容量之比的术语。笔记本电脑中所使用的典型18650电池单元可以具有3.4安培的安培小时额定值。如果该电池以1.7安培进行充电，则该电池以0.5的c率进行充电。

5、放电循环和充电循环导致的随时间推移的累积损坏循环会持续降低储存能量的电池单元容量。当电池单元下降至其初始能量容量的一定部分时，通常认为电池单元处于其使用寿命的终点。在例如轻型汽车等重量和范围敏感的应用中，该能量容量寿命的终点为80％。对于例如轨道等重量敏感较小的应用，可以接受例如60％等较低的数字。

6、在充电电流与放电电流之间，通常充电电流导致每个循环的最大累积劣化。c率与劣化的关系不是线性的。1c的放电电流的劣化比0.5c的放电率的劣化的两倍大。当以小于0.5的c率对电池进行过夜充电时，劣化最小。当在机车中的再生事件期间对电池充电时，c率可以高达2.0。预测电池的预期寿命是困难的，使得难以确定作为资本资产的电池价值。这是将电池引入轨道设备的主要挑战之一。由于电池的寿命较短且是可变的，因此期望采用如下有效方式：将电池作为消耗品(如同燃料那样)而不是资本设备成本来进行支付。

7、背景技术的第二部分与用于轨道应用的无线电力传输系统(wpt)的使用有关。

8、钢轮(steel wheels)(www.railpac.org)在2014年7月/8月发布的车载电气化文章讨论了一种系统，该系统通过首先增加零排放增压机车(zebl)并然后增加无线电力传输(wpt)系统来使客运列车的启动和停止电气化。增加wpt的一个重大挑战是：一个20英尺长的wpt系统必须被装配在轨道之间，并以1.8mw的功率传输电力，从而在平均40秒的通勤轨道停靠站中传输20千瓦时的电力。

9、用于轨道应用的wpt的另一个重大挑战是：常规的wpt系统需要wpt发射器与接收器天线之间的精确对准。

10、目前能用于公交车和轻轨应用的最高容量的单个wpt单元仅能够为50kw并且直径将超过42"(可以是52")。

11、在韩国，存在用于移动列车的wpt系统，该wpt系统使用比正在充电的列车长得多的单个环形线圈的较长区段。该系统非常经济并且可以传输高功率水平，但是对于人们靠近轨道或在轨道上行走的应用(例如在调车场或港口区域中)而言，该系统是不实用的。甚至一些客运站也具有为乘客步行穿过轨道的步行道。

12、机车利用已经标准化数十年并且被证明非常可靠和安全的空气制动系统来运行，如常规的wpt系统所需那样将列车停靠在几英寸左右的距离内是不实际的。

13、期望如下实用方式：展开接收器来以较低强度吸收总发射电力且不需要精确的停止位置。

技术实现思路

1、技术实现要素：的第一部分与用于捕获和储存再生能量的系统的大型电池系统的可变租赁费率程序最密切相关。

2、通过使用与飞机发动机的“按小时计的功率”类似的系统，可以以千瓦时的形式测算从电池系统中吸收和储存或可选地移除的能量来租赁电池。在另一个实施例中，根据电池的当前充电率或放电率，将存在可变的租赁费率。在一个实施例中，每千瓦时的成本可以与c率成线性正比，在另一个实施例中，每千瓦时的成本可以以一些非线性曲线变化，这些非线性曲线与由那些不同的充电率导致的累积劣化更接近地对应。最简单的系统仅具有两个计费率：当c率低于一定水平(可以是0.75c)时的每千瓦时的较低成本的“充电”率以及当c率高于该水平时的较高的“再生”成本率。作为c率的函数的该可变租赁计费成本允许使电池的成本平均，而无需指定某个运行周期(这对于在不同时间在不同区域中运行的设备将是一个挑战)。当设备由电网充电时，通常应用较低充电率处的较低租赁成本。该较低的能量成本既可以考虑对电池造成的较小劣化，也可以补偿用户将能量储存在电池中的成本，这是因为除了支付储存在该电池中的每千瓦时的租赁成本之外，用户还支付从电力公司购买的能量。本发明的目标是使电池租赁和电网能量的组合的每千瓦时成本低于电池所替代的以千瓦时计用户将花费的柴油燃料成本。“再生”租赁费率将适用于基本上免费的能量，这是因为如果这些能量没有被电池捕获，这些能量将被浪费。因为用户不需要以每千瓦时的成本来购买该能量，所以可以直接将电池的千瓦时成本与用户不再需要购买的柴油燃料的每千瓦时的成本进行比较。通过组合这两种不同的租赁成本费率来确定用户租赁电池的成本，该系统可以更好地平均电池成本，以更好地与因不同的使用而导致的劣化相关联，并且与所替代的燃料相比更快地降低电池成本。这降低了拥有电池的公司的租赁风险，并使租赁计划对最终用户更具吸引力，从而加速了人们接受将电池用于这些应用。

3、随着柴油燃料成本增大并且电池单元变得更便宜且持续更长时间，本发明的目标是以使用户的花费少于所替代的柴油燃料的方式来租赁电池，并且与用户不得不购买的柴油燃料相比为用户提供运行节省。

4、该背景技术的第二部分与使用无线电力传输来为电气化客运轨道设备随时充电有关。

5、一项新方案是将若干个wpt接收器置于每个客车车厢的下方，并且然后将传输的能量经由现有的hep电力系统电缆传输到zebl。根据apta规范，当前安装的hep电缆系统可以连续传输高达1.2mw的电力且无需进行修改。由于wpt最多可以以30％的占空比运行，因此对间歇周期而言可以持续传输超过1.2mw的连续额定值。另外，可以增加接线的容量，并且随着这些系统的成熟，可以增加第二组hep列车线。

6、这将要求每辆车厢中的电力电子封装件将接收来自每个wpt接收器的传输能量，并将该能量转换为480 3相交流电力。在每辆客车车厢中安装电力电子单元允许冗余，如果一个车厢系统出现故障，则该车厢系统对整个系统的影响较小，这是因为其他客车的系统仍然会接收电力，并将电力传输到zebl中的电池中。

7、该系统不需要增加任何附加接线以控制各个单元。每辆客车车厢中的电力电子设备均可以使用当前可用的电力线通信网络系统来经由hep电缆与zebl通信。每列列车均是自己的小型微电网。

8、此外，列车安装的wpt系统可以使用现有的wpt线圈或额外的线圈、线圈组或用于通信信号传输的天线经由电感耦合系统与站台通信。

9、将更多低功率密度单元置于多个客车车厢下方将消除把磁性接收器置于机车的燃料箱或zebl下方的挑战，该挑战可能造成感应电力点燃泄漏燃料的安全风险。

10、此外，电网所需的电力将与客车车厢的数量成正比，这是因为随着增加更多的客车车厢，系统总功率容量自动扩大。

11、这允许使用当前技术的各个wpt(至50kw)发射器沿较长的区段长度展开，从而减少了机车必须停在特定位置的需求。

12、此外，可以将电力传输的时间增加50％。由于列车通常只有40秒的完全停止，因此列车会以几秒钟减速至停止，并且在启动之后花费一分钟使最后一辆车厢通过站台的一端。如果低密度wpt发射器在停止区域之前和之后延伸一段短距离，则当列车处于低速来进行停止并然后启动时，可以完成另外一分钟的电力传输。该额外时间可以使被传输到列车的能量加倍。

13、该特征还允许随时间扩展容量。随着越来越多的租赁机构中的客车车厢配备该技术，轨道中的固定系统可以得到扩展，并最终从站台延伸出来，以便在列车减速或加速时从站台更远处捕获列车。随着时间推移这不仅会增加基础设施成本，还会增加电网需求。

14、另一方面在于允许列车吸收比hep电缆所能传输的电力多的电力的，其能够从列车自己的wpt系统为每个车厢供应内部招待电力负载。

15、本发明内容的第三部分与用于固定导轨设备的wpt类型最密切相关，该固定导轨设备不需要在行进方向上精确停止。除了常规的固定导轨车辆之外，在相同车道中反复花费时间的例如港口拖运卡车等一些其他车辆可以从该类型的系统中受益。通过驾驶员手动或使用一些类型的系统将车辆保持在路径中心，以将车辆自动排列在路径的中心线上，从而允许随时充电。

16、在以下详细描述中讨论了四种不同的发射器和接收器拓扑结构，这些拓扑结构消除了沿着导轨路径的精确停止的需求。

17、实例的其他目的、优点和新特征将在下面的描述中部分地阐述，并且对于本领域技术人员而言在研究以下描述和附图时将部分地变得显而易见或可以通过实例的生产或操作来习得。借助于所附权利要求中特别指出的方法、手段和组合，可以实现和获得概念的目的和优点。