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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betreiben zumindest eines elektrischen Verbrauchers eines Schienenfahrzeugs, welcher mit einer durch einen Bremsvorgang des Schienenfahrzeugs erzeugten elektrischen Energie betreibbar ist, mit einer Steuereinheit zum Steuern des Betriebs des Verbrauchers gemäß wenigstens zwei Betriebsmodi, wobei ein erster Betriebsmodus für eine erste Betriebsphase des Verbrauchers während einer Bremsphase des Schienenfahrzeugs vorgesehen ist, ein zweiter Betriebsmodus für eine zweite Betriebsphase des Verbrauchers während einer der Bremsphase vorangehenden Fahrtphase des Schienenfahrzeugs vorgesehen ist und die Steuereinheit dazu vorgesehen ist, den Verbraucher für den ersten und zweiten Betriebsmodus derart zu steuern, dass seine Betriebsleistung im zweiten Betriebsmodus kleiner als im ersten Betriebsmodus ist.
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Es ist bei dem Bremsbetrieb eines Schienenfahrzeuges bereits bekannt, die kinetische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Herkömmlicherweise wird diese, von den als Generatoren agierenden Fahrmotoren erzeugte Energie in ein Bahnversorgungsnetz zurückgespeist und/oder in Bremswiderständen in thermische Energie umgewandelt. Diese zuletzt genannte Möglichkeit wird insbesondere dann angewandt, wenn das Bahnversorgungsnetz die gesamte generatorische Bremsenergie nicht aufnehmen kann. In diesem Fall geht diese durch die Umwandlung in thermische Energie verloren. Bei Schienenfahrzeugen, die auf nicht elektrifizierten Strecken betrieben werden, muss die Bremsenergie zwangsweise in Bremswiderstände eingespeist werden.
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Aus der
DE 44 16 107 A1 ist ein Schienenfahrzeug bekannt, bei welchem eine Klimatisierungseinrichtung vorzugsweise nur während einer Bremsphase betrieben wird. In einer Traktions- bzw. Rollphase wird die Klimatisierungseinrichtung für den Fahrzeuginnenraum außer Betrieb gesetzt, es sei denn, dass eine zu große Abweichung der Innenraumtemperatur von einer voreingestellten, gewünschten Komforttemperatur vorliegt.
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Die Zeitspanne, in welcher die Klimatisierungseinrichtung keine Leistung bezieht, ist durch die Dauer der einem Bremsvorgang vorangehende Traktions- und/oder Rollphase bestimmt. Ist die Zeitspanne zu groß, kann vor der Einleitung des Bremsvorgangs und bedingt durch eine zu große Abweichung der Innenraumtemperatur von der gewünschten Komforttemperatur ein Einschalten der Klimatisierungseinrichtung erfolgen. Dadurch wird von dieser elektrische Energie bezogen, bevor eine Bremsenergie zur Verfügung steht. Bei der Einleitung des Bremsvorgangs kann der Energiebedarf der Klimatisierungseinrichtung daher wesentlich kleiner als die erzeugte Bremsenergie, so dass ein Energieüberschuss in Bremswiderständen vernichtet werden muss. Im ungünstigsten Fall kann durch den Betrieb der Klimatisierungseinrichtung während der Traktions- bzw. Rollphase die im Fahrzeuginnenraum gewünschte Komforttemperatur wieder erreicht werden, bevor der Bremsvorgang eingeleitet wird, sodass kein Energiebedarf für die Klimatisierungseinrichtung während dieses Bremsvorgangs mehr besteht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Betreiben eines elektrischen Verbrauchers eines Schienenfahrzeugs bereitzustellen, bei welcher eine während des Bremsvorgangs erzeugte Energie effizienter genutzt werden kann.
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Hierzu wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung eine Einheit aufweist, die dazu vorgesehen ist, zumindest einen Auslöseparameter der zweiten Betriebsphase abhängig von zumindest einem Merkmal der Bremsphase festzulegen. Hierdurch kann eine im Hinblick auf die Ausnutzung einer verfügbaren Bremsenergie effizientere Steuerung eines Leistungsbezugs durch den elektrischen Verbraucher in Abhängigkeit von verschiedenen Fahrtphasen des Schienenfahrzeugs erreicht werden. Im Vergleich zu einer herkömmlichen Lösung, in welcher die zweite Betriebsphase des Verbrauchers grundsätzlich automatisch durch eine Traktions- und Rollphase des Schienenfahrzeugs getriggert wird, sodass die Dauer der zweiten Betriebsphase im Wesentlichen durch die Dauer der entsprechenden Traktions- und Rollphase bestimmt ist, kann durch die vorgeschlagene Vorrichtung, insbesondere das Festlegen des Auslöseparameters, die zweite Betriebsphase vorteilhaft auf die nachfolgende Bremsphase zum Zweck eines effizienten Leistungsbezugs in dieser Bremsphase abgestimmt sein.
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Die Vorrichtung eignet sich insbesondere zum Betreiben eines als Klimatisierungsgerät ausgebildeten Verbrauchers. Herkömmlicherweise kann eine von einem oder mehreren Klimatisierungsgeräten gebildeten Klimatisierungsanlage eines Schienenfahrzeugs eine Betriebsleistung haben, die bis über 50% der verfügbaren Bordnetzleistung beträgt. In diesem Fall kann durch die vorgeschlagene Vorrichtung eine besonders effiziente Ausnutzung einer verfügbaren Bremsenergie erreicht werden.
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Des Weiteren eignet sich die Vorrichtung insbesondere zum Betreiben eines als Energiespeicherladeeinheit ausgebildeten Verbrauchers. Es ist z.B. denkbar, dass dieser Verbraucher in der zweiten Betriebsphase in einem zweiten Betriebsmodus, der als Modus, in welchem ein Ladevorgang gehalten wird, oder als Entlademodus ausgebildet ist, und in der ersten Betriebsphase in einem als Lademodus ausgebildeten ersten Betriebsmodus betrieben wird, wodurch der entsprechende Energiespeicher möglichst mittels einer verfügbaren Bremsenergie geladen wird.
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Weitere Ausbildungen des Verbrauchers als Kühlungseinrichtung zur Kühlung einer Antriebskomponente des Schienenfahrzeugs oder Drucklufterzeugungseinrichtung sind ebenfalls denkbar.
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Die Festlegung des Auslöseparameters durch die Einheit erfolgt zweckmäßigerweise auf automatische Weise, um einen hohen Fahrerkomfort zu erreichen. Eine hohe Flexibilität in der Nutzung der vorgeschlagenen Funktion kann außerdem erreicht werden, wenn die Einheit durch ein Fahrzeugpersonal ein- und abschaltbar ist.
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Die Festlegung des zumindest einen Auslöseparameters der zweiten Betriebsphase erfolgt zweckmäßigerweise abhängig von zumindest einem Merkmal einer planbaren Bremsphase. Unter einer „planbaren“ Bremsphase soll eine beim Befahren einer Bremsstrecke erfolgenden Fahrtphase des Schienenfahrzeugs verstanden werden, deren Merkmale auf der Basis von Daten bestimmbar sind, die im Voraus – d.h. vor dem Erreichen der Bremsstrecke durch das Schienenfahrzeug – bekannt sind. Diese Daten können insbesondere aus statischen und/oder dynamischen bzw. während der Fahrt aktualisierten Merkmalen der Strecke, zu welcher die Bremsstrecke gehört, hergeleitet werden.
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Unter einem „Auslöseparameter“ der zweiten Betriebsphase soll ein Parameter verstanden werden, welcher für den Beginn der zweiten Betriebsphase bestimmend ist. Der Auslöseparameter kann insbesondere zum Definieren eines Ereignisses dienen, wobei die zweite Betriebsphase beim Eintreten dieses Ereignisses ausgelöst wird. Alternativ kann der Auslöseparameter eine Auslösezeit sein. Der Auslöseparameter wird vorzugsweise von der Einheit auf der Grundlage von zumindest einem Merkmal der Bremsphase bestimmt, beispielsweise auf der Grundlage einer Anfangszeit der Bremsphase, einer Dauer der Bremsphase, einer Streckenposition für den Anfang der zugeordneten Bremsstrecke, einer Länge der zugeordneten Bremsstrecke und/oder einer in der Bremsphase zu erbringenden Bremsleistung.
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Die für den Betrieb des elektrischen Verbrauchers notwendige Energie wird zweckmäßigerweise von einer Versorgungseinheit des Schienenfahrzeugs bereitgestellt, in welche eine von Fahrmotoren erzeugte Bremsenergie gespeist wird. Insbesondere kann die Versorgungseinheit von einem Zwischenkreis gebildet sein, an welchen eine Leistungsversorgungseinheit zur Versorgung des elektrischen Verbrauchers angeschlossen ist. Insbesondere dient die Leistungsversorgungseinheit zur Versorgung eines in der fachmännischen Sprache genannten „Bordnetzes“, an welches der Verbraucher angeschlossen ist.
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Unter der „Betriebsleistung“ des elektrischen Verbrauchers in einem Betriebsmodus soll insbesondere eine in diesem Betriebsmodus durch eine Maßnahme der Steuereinheit maximal beziehbare Leistung oder während der entsprechenden Phase bezogene, konstante Leistung oder über die Dauer der entsprechenden Betriebsphase gemittelte Leistung verstanden werden.
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In der erstgenannten Alternative soll unter der Betriebsleistung des elektrischen Verbrauchers in einem Betriebsmodus eine maximal beziehbare Leistung verstanden werden. In diesem Fall kann die Steuereinheit eine Funktion einer Leistungsverwaltungseinheit haben, indem sie dem elektrischen Verbraucher im zweiten Betriebsmodus eine niedrigere Betriebsleistung zuweist als im ersten Betriebsmodus.
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In der zweitgenannten Alternative soll unter der Betriebsleistung des elektrischen Verbrauchers in einem Betriebsmodus eine während der entsprechenden Phase bezogene, konstante Leistung verstanden werden. Dies eignet sich insbesondere für einen elektrischen Verbraucher, für welchen Leistungsstufen vordefiniert sind. In diesem Fall kann die Steuereinheit im zweiten Betriebsmodus den Betrieb mit einer niedrigeren Leistungsstufe als im ersten Betriebsmodus bewirken.
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In der letztgenannten Alternative soll unter der Betriebsleistung eine über die Dauer der entsprechenden Betriebsphase gemittelte Leistung verstanden werden. Dabei entspricht die „Dauer“ der zweiten Betriebsphase insbesondere der Zeitspanne zwischen dem Auslösen der zweiten Betriebsphase und der Einleitung der Bremsphase. Für den ersten Betriebsmodus entspricht die „Dauer“ der ersten Betriebsphase insbesondere zumindest einer Zeitspanne der Bremsphase, in welcher die erzeugte Bremsenergie zumindest einen wesentlichen Teil, insbesondere zumindest 50% des Bedarfs der Bordnetzversorgung decken kann.
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Die Betriebsleistung des Verbrauchers im zweiten Betriebsmodus ist bevorzugt signifikativ kleiner als im ersten Betriebsmodus. Darunter soll insbesondere verstanden werden, dass die Betriebsleistung im zweiten Betriebsmodus maximal 50%, vorzugsweise maximal 25% und bevorzugt maximal 10% der Betriebsleistung im ersten Betriebsmodus beträgt. Insbesondere kann der Verbraucher derart gesteuert werden, dass er im zweiten Betriebsmodus keine elektrische Energie bezieht. In diesem Fall entspricht die „Betriebsleistung“ einer Leistung von 0 Watt. Beispielsweise kann die Steuerung des Verbrauchers bei einem Übergang in den zweiten Betriebsmodus ein Ausschalten des Verbrauchers oder ein Aufrechterhalten eines bereits vorhandenen Ausschaltzustands bewirken. Ein signifikativer Unterschied zwischen den Betriebsleistungen in den ersten und zweiten Betriebsmodi kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Betriebsleistung im ersten Betriebsmodus der höchsten Leistung entspricht, die vom Verbraucher bezogen werden kann.
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Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell ausgelegt, ausgestattet und/oder programmiert verstanden werden. Insbesondere kann die Einheit von einer Recheneinheit gebildet sein, die zur Ausführung der vorgeschlagenen Maßnahme mit zumindest einem Softwaremodul ausgestattet ist.
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In einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Auslöseparameter der zweiten Betriebsphase eine bestimmte Streckenposition ist, wobei die Vorrichtung eine Positionserfassungsvorrichtung aufweist, die zur Bereitstellung einer Ist-Streckenposition des Schienenfahrzeugs dient. Hierdurch können eine einfache und schnelle Bestimmung des Auslöseparameters sowie ein einfaches und schnelles Auslösen der zweiten Betriebsphase erfolgen, indem die Einheit die Streckenposition für den Anfang der zweiten Betriebsphase auf der Basis einfach zugänglicher, statischer und/oder dynamischer Daten einer der Bremsphase zugeordneten Bremsstrecke bestimmt und die erfasste Ist-Streckenposition des Schienenfahrzeugs mit dieser Streckenposition verglichen wird. Unter einer „Streckenposition“ soll insbesondere eine entlang einer vom Schienenfahrzeug zu befahrenden, die zugeordnete Bremsstrecke umfassenden Strecke definierte Position verstanden werden.
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Vorteilhafterweise ist zumindest ein Auslöseparameter für die erste Betriebsphase ein Bremssignal. Dieses Bremssignal kann vorteilhaft dazu dienen, einen Wechsel der zweiten Betriebsphase in die erste, der Bremsphase zugeordnete Betriebsphase des Verbrauchers mit dem Beginn der Bremsphase zu koordinieren. Insbesondere kann die Bestimmung eines Parameters für das Ende der zweiten Betriebsphase durch die Einheit vermieden werden. Das Bremssignal kann ein von einer Steuerung erzeugtes Signal sein, das zur Einleitung eines Bremsvorgangs durch eine Bremseinrichtung des Schienenfahrzeugs dient, oder es kann ein Signal sein, welches durch den Beginn des Bremsvorgangs ausgelöst wird.
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Vorzugsweise ist die Einheit dazu vorgesehen, bei einer Bestimmung des Auslöseparameters eine für die zweite Betriebsphase minimale und/oder eine für die zweite Betriebsphase maximale Dauer zu berücksichtigen. Der Auslöseparameter der zweiten Betriebsphase kann besonders vorteilhaft derart bestimmt werden, dass die Dauer der zweiten Betriebsphase eine voreingestellte maximale Dauer nicht überschreitet. Hierdurch kann eine nachteilhafte Auswirkung eines Betriebs des Verbrauchers in der zweiten Betriebsphase auf weitere Einrichtungen des Schienenfahrzeugs und/oder den Fahrgastkomfort vermieden werden, die aus einem zu langen Betrieb des Verbrauchers mit reduzierter Betriebsleistung resultieren könnte. Durch die Festlegung einer minimalen Dauer kann ein im Sinne einer effizienten Ausnutzung der Bremsenergie vorteilhafter Leistungsbedarf des Verbrauchers bei der Einleitung der Bremsphase vorliegen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Einheit dazu vorgesehen ist, den zumindest einen Auslöseparameter der zweiten Betriebsphase auf der Grundlage von Daten eines Fahrerassistenzsystems zu bestimmen. Zur Bestimmung des Auslöseparameters kann dadurch vorteilhaft auf Daten eines bestehenden Systems zugegriffen werden, sodass Bauteile und Bauraum für eine der Einheit gesondert zugeordnete Datenschnittstelle eingespart werden können. Insbesondere können bestehende Schienenfahrzeuge einfach mit den Funktionalitäten der Einheit nachgerüstet werden. Unter einem „Fahrerassistenzsystem“ soll insbesondere ein System verstanden werden, das dazu dient, auf der Basis von zumindest einem Optimierungsmodell und zumindest auf der Grundlage von statischen und/oder dynamischen Streckendaten als Eingangsgrößen für das Optimierungsmodell eine Fahrempfehlung für den Fahrzeugführer auszugeben und/oder zur Erzeugung eines Steuersignals für eine zumindest teilautomatische Steuerung des Schienenfahrzeugs zumindest beizutragen. Das Fahrerassistenzsystem wird von Einrichtungen des Schienenfahrzeugs und/oder von landseitigen Einrichtungen gebildet, die mit Einrichtungen an Bord des Schienenfahrzeugs datentechnisch gekoppelt sind.
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In einer Ausführungsvariante wird vorgeschlagen, dass die Einheit dazu vorgesehen ist, den zumindest einen Auslöseparameter der zweiten Betriebsphase auf der Grundlage von Daten eines Strecken-Fahrzeug-Beeinflussungssystems zu bestimmen. Zur Bestimmung des Auslöseparameters kann dadurch vorteilhaft auf Daten eines bestehenden Systems zugegriffen werden, sodass Bauteile und Bauraum für eine der Einheit gesondert zugeordnete Datenschnittstelle eingespart werden können. Unter einem „Strecken-Fahrzeug-Beeinflussungssystem“ soll ein System verstanden werden, welches zur Erzeugung eines Steuersignals für eine zumindest teilautomatische Steuerung des Schienenfahrzeugs auf der Basis von Daten einer streckenseitigen Signalisierungsanlage dient.
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Ist die Steuereinheit insbesondere dazu vorgesehen, einen Regelbetrieb des Verbrauchers anhand von zumindest einem Schwellwert für eine Regelkenngröße zu steuern, wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit dazu vorgesehen ist, – bei einem Übergang in den ersten Betriebsmodus – den Schwellwert für eine Erhöhung der Betriebsleistung zu ändern. Hierdurch kann die im ersten Betriebsmodus bezogene Betriebsleistung auf einfache Weise erhöht werden.
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In diesem Zusammenhang wird vorgeschlagen, dass der Verbraucher als Klimatisierungsgerät ausgebildet ist, wobei die Steuereinheit dazu vorgesehen ist, den als Komforttemperatur ausgebildeten Schwellwert zu ändern. Bezüglich eines Heiz- oder Kühlbetriebs des Klimatisierungsgeräts kann die Komforttemperatur im zweiten Betriebsmodus kleiner bzw. höher als im ersten Betriebsmodus eingestellt werden.
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Des Weiteren ist denkbar, dass der Verbraucher als Kühlungseinrichtung zur Kühlung von zumindest einer Antriebskomponente, z.B. eines Transformators, eines Stromrichters, eines Fahrmotors usw. des Schienenfahrzeugs ausgebildet ist, wobei die Regelgröße eine Temperaturkenngröße für eine zu regelnde Temperatur der Antriebskomponente ist. Es kann ferner als Drucklufterzeugungseinrichtung ausgebildet sein, wobei die Regelgröße eine Druckkenngröße für einen von der Drucklufterzeugungseinrichtung erzeugten Luftdruck sein kann. In einer weiter denkbaren Ausführung des Verbrauchers als Energiespeicherladeeinheit kann die Regelgröße eine Ladezustandskenngröße für den Ladezustand eines Energiespeichers oder eine Ladevorgangskenngröße für einen Ladevorgang der Energiespeicherladeeinheit sein.
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Außerdem wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit im zweiten Betriebsmodus dazu vorgesehen ist, den Verbraucher in einem leistungslosen Betriebszustand zu halten. Hierdurch kann eine besonders hohe Energieeinsparung erreicht werden. In diesem Fall kann die Steuereinheit bei der Einleitung des zweiten Betriebsmodus ein Ausschalten oder ein Aufrechterhalten eines Ausschaltzustands des Verbrauchers bewirken.
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Ferner geht die Erfindung aus von einem Verfahren zum Betreiben zumindest eines elektrischen Verbrauchers eines Schienenfahrzeugs, welcher mit einer durch einen Bremsvorgang des Schienenfahrzeugs erzeugten elektrischen Energie betreibbar ist, wobei der Verbraucher in einer ersten Betriebsphase während einer Bremsphase des Schienenfahrzeugs gemäß einem ersten Betriebsmodus betrieben wird, der Verbraucher in einer zweiten Betriebsphase während einer der Bremsphase vorangehenden Fahrtphase des Schienenfahrzeugs gemäß einem zweiten Betriebsmodus betrieben wird und der Verbraucher derart gesteuert wird, dass seine Betriebsleistung im zweiten Betriebsmodus kleiner als im ersten Betriebsmodus ist.
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Es wird vorgeschlagen, dass zumindest ein Auslöseparameter der zweiten Betriebsphase abhängig von zumindest einem Merkmal der Bremsphase festgelegt wird. Hierdurch kann eine im Hinblick auf die Ausnutzung einer verfügbaren Bremsenergie effizientere Steuerung eines Leistungsbezugs durch den elektrischen Verbraucher in Abhängigkeit von verschiedenen Fahrtphasen des Schienenfahrzeugs erreicht werden. Zu weiteren vorteilhaften Wirkungen des vorgeschlagenen Verfahrens wird auf die obigen Ausführungen zur Vorrichtung verwiesen.
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Es wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhang der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1: ein Schienenfahrzeug in einer schematischen Seitenansicht,
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2: eine elektrische Schaltung des Schienenfahrzeugs aus 1, mit einer Antriebseinheit und an ein Bordnetz angeschlossenen Verbrauchern,
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3 bis 5:
verschiedene Fahrtsituationen, bei welchen eine Bremstrecke vom Schienenfahrzeug befahren wird,
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6: eine Schaltung zur Steuerung eines Verbrauchers in Abhängigkeit von Streckendaten und
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7: den Verlauf einer Innentemperatur und der Betriebsleistung des als Klimatisierungsgerät ausgebildeten Verbrauchers als Funktion der Zeit.
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1 zeigt ein als Triebzug ausgebildetes Schienenfahrzeug 10 in einer schematischen Seitenansicht. Im betrachteten Ausführungsbeispiel bezieht das Schienenfahrzeug 10 elektrische Energie insbesondere aus einer als Oberleitung ausgebildeten Bahnnetzversorgung 12. In weiteren Ausführungen kann das Schienenfahrzeug 10 elektrische Energie aus einer bodenfesten Stromschiene beziehen oder für einen Betrieb auf nicht elektrifizierten Strecken über einen Generator und/oder einen Energiespeicher verfügen.
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Das Schienenfahrzeug 10 weist einen Satz Antriebsachsen 14 auf. In der betrachteten, beispielhaften Ausführung ist eine separate Antriebseinheit 16 jeweils für ein Paar von Antriebsachsen 14, insbesondere eines Triebdrehgestells vorgesehen.
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Das Schienenfahrzeug 10 umfasst ferner elektrische Verbraucher (18.1 bis 18.5), die als Klimatisierungsaggregat, Batterieladeeinheit, Drucklufterzeugungseinrichtung, Kühlungseinrichtungen der Antriebseinheiten bzw. Lüfter ausgebildet sind.
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2 zeigt eine elektrische Schaltung des Schienenfahrzeugs 10 aus 1 in einer schematischen Darstellung. Die oben beschriebenen Antriebseinheiten 16 weisen jeweils elektrische Motoren 20 und eine Leistungsversorgungseinheit 22 auf, die die Motoren 20 mit elektrischer Leistung versorgt. Diese ist insbesondere als Antriebswechselrichter ausgebildet. Die Leistungsversorgungseinheit 22 bezieht bekannterweise eine elektrische Energie aus einem Gleichspannungszwischenkreis 24, indem sie aus der im Gleichspannungszwischenkreis 24 bereitgestellten Gleichspannung einen elektrischen Wechselstrom für die Motoren 20 gemäß einer durch diese zu erbringenden Leistung. Der Gleichspannungszwischenkreis 24 wird – insbesondere in einem Traktionsmodus des Schienenfahrzeugs 10 – aus der Bahnnetzversorgung 12 über einen Stromabnehmer 26, einen Transformator 28 und einen Eingangssteller 30, welcher insbesondere die elektrische Spannung der Unterspannungswicklung des Transformators 28 gleichrichtet, mit elektrischer Energie gespeist.
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Außerdem sind die elektrischen Verbraucher 18.1 bis 18.5 aus 1 in der schematischen Schaltung dargestellt. Diese elektrischen Verbraucher 18 werden über ein sogenanntes Bordnetz 32 mit elektrischer Energie versorgt, die ebenfalls aus dem Gleichspannungszwischenkreis 24 bezogen wird. Dies erfolgt über eine Leistungsversorgungseinheit 34, welche ausgehend von der durch den Gleichspannungszwischenkreis 24 bereitgestellten Gleichspannung eine einphasige oder dreiphasige Wechselspannung erzeugt. In der fachmännischen Sprache ist die Leistungsversorgungseinheit 34 auch als „Hilfsbetriebeumrichter“ genannt. In einer alternativen, nicht gezeigten Ausführung kann elektrische Energie von der Leistungsversorgungseinheit 34 direkt von einer Unterspannungswicklung des Transformators 28 bezogen werden.
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Die Darstellung des Bordnetzes 32 und der Leistungsversorgungseinheit 34 in 2 ist stark vereinfacht. Die Leistungsversorgungseinheit 34 kann mehrere Hilfsbetriebeumrichter aufweisen, die jeweils eine auf den jeweiligen Verbrauchertyp abgestimmte Spannung (z.B. Gleichspannung, monophasige oder dreiphasige Wechselspannung, Wechselspannung variabler Frequenz) bereitstellen.
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Im oben genannten Traktionsmodus des Schienenfahrzeugs 10 fließt Energie vom Gleichspannungszwischenkreis 24 über die Leistungsversorgungseinheit 22 in die Motoren 20, welche ein auf die Antriebsachsen 14 übertragenes Antriebsmoment erzeugen.
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In einem Bremsmodus des Schienenfahrzeugs 10 wird eine kinetische Energie des Schienenfahrzeugs 10 mittels der Motoren 20 in elektrische Energie umgewandelt, die dabei die Funktion eines Generators haben. Diese Energie wird über die Leistungsversorgungseinheit 22 in den Gleichspannungszwischenkreis 24 gespeist. Zumindest ein Teil dieser Energie dient dazu, die an das Bordnetz 32 angeschlossenen elektrischen Verbraucher 18 während eines Bremsvorgangs des Schienenfahrzeugs 10 zu betreiben. Der dabei entstehende Energiefluss ist in der 2 mittels Pfeilen schematisch dargestellt. Alternativ oder zusätzlich kann ein Teil der durch die Motoren 20 erzeugten Energie in die Bahnnetzversorgung 12 zurückgespeist werden und/oder in nicht näher gezeigte Bremswiderstände geführt werden, um dort in thermische Energie umgewandelt zu werden.
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3 zeigt eine Strecke 36, welche vom Schienenfahrzeug 10 befahren wird. Die Strecke 36 und das entlang dieser fahrende Schienenfahrzeug 10 sind in einer stark schematisierten Darstellung gezeigt. Die Fahrt entlang einer bestimmten Strecke kann durch abschnitt- oder ortbezogene Merkmale charakterisiert werden, welche im Voraus – d.h. zumindest ab einem Zeitpunkt vor dem Erreichen des betreffenden Abschnitts bzw. Ortes – bekannt sind. So gehören zur zurückzulegenden Strecke 36 zumindest ein Haltepunkt, der dem Zielpunkt der Fahrt entspricht, oder mehrere Haltepunkte, die von diesem Zielpunkt und Zwischenstationen gebildet sind. Ein derartiger Haltepunkt 38, der z.B. einem Bahnhof entspricht, ist in 3 schematisch dargestellt. Diesem Haltepunkt 38 ist eine Bremsstrecke 40 der Strecke 36 zugeordnet, wobei das Schienenfahrzeug 10 beim Befahren der Bremsstrecke 40 von einer bestimmten Geschwindigkeit bis zum Stillstand gebremst wird.
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Ein weiteres, im Voraus bekanntes Merkmal der Strecke 36 kann das Vorliegen eines bestimmten Streckenabschnitts sein, in welcher eine Fahrt mit reduzierter Geschwindigkeit zu erfolgen hat. Dies ist in 4 dargestellt, in welcher ein derartiger Streckenabschnitt 42 gezeigt ist. Diesem Streckenabschnitt ist eine Bremsstrecke 44 der Strecke 36 zugeordnet, wobei das Schienenfahrzeug 10 beim Befahren der Bremsstrecke 44 von einer bestimmten Geschwindigkeit auf die reduzierte Soll-Geschwindigkeit des Streckenabschnitts 42 gebremst wird.
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5 zeigt einen weiteren Anwendungsfall, in welchem ein Halten oder eine reduzierte Geschwindigkeit von der Strecke 36 dynamisch vorgeschrieben wird. Dies erfolgt mittels einer Signalisierungsanlage 46, welche eine bestimmte Fahrweise („Halten“ oder „Langsam fahren“) durch eine dynamische Signalisierung (z.B. Lichter) anzeigt. Dieser dynamischen Vorschrift ist eine Bremsstrecke 48 der Strecke 36 zugeordnet, wobei das Schienenfahrzeug 10 beim Befahren der Bremsstrecke 44 von einer bestimmten Geschwindigkeit bis zum Stillstand bzw. auf die reduzierte Soll-Geschwindigkeit am Ort der Signalisierungsanlage 46 gebremst wird.
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In den in den 3 und 4 gezeigten Anwendungsfällen kann der Haltepunkt 38 bzw. das Vorliegen des Streckenabschnitts 42 bereits vor einer Abfahrt vom Streckenstartpunkt bekannt sein, d.h. sie stellen „statische“ Merkmale der Strecke 36 dar. Dementsprechend können die Streckenposition des Beginns der Bremsstrecke 40 bzw. 44 und/oder deren Länge vor der Abfahrt vom Streckenstartpunkt festgelegt sein. Beispielsweise können diese in einer Streckenbeschreibung hinterlegt sein. Ein zusätzlicher Haltepunkt 38 bzw. ein vorübergehender Streckenabschnitt 42, in welchem eine reduzierte Geschwindigkeit vorgeschrieben ist, kann während der Fahrt entlang der Strecke 36 bekannt gegeben werden. Diese Merkmale werden als „dynamische“ Merkmale der Strecke 36 bezeichnet. Die Berücksichtigung dieser Änderungen während der Fahrt kann durch eine Informationsübertragung von einer landseitigen Leitzentrale an das Schienenfahrzeug 10 erfolgen, insbesondere über eine zwischen der Leitzentrale und einer Sende-/Empfangseinheit 50 hergestellte Funkverbindung (siehe 1). Ist die Strecke 36 mit einem Strecken-Fahrzeug-Beeinflussungssystem ausgestattet, können alternativ Informationen über den zusätzlichen Haltepunkt 38 bzw. den vorübergehenden Streckenabschnitt 42 über dieses System dem Schienenfahrzeug 10 übertragen werden.
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Im Anwendungsfall der 5 ist die Strecke 36 mit einem derartigen Strecken-Fahrzeug-Beeinflussungssystem 52 ausgestattet, welches schematisch durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist. Dieses greift bekannterweise in die Steuerung des Schienenfahrzeugs 10 ein. Diese Steuerung steht hierzu mit einer in 1 dargestellten, zum Zusammenwirken mit dem Strecken-Fahrzeug-Beeinflussungssystem 52 der Strecke 36 vorgesehenen Empfangseinrichtung 54 des Schienenfahrzeugs 10 in Verbindung.
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Aus den oben beschriebenen, statischen und/oder dynamischen Merkmalen der Strecke 36 kann eine der entsprechenden Bremsstrecke 40, 44 bzw. 48 zugeordnete Bremsphase des Schienenfahrzeugs 10 geplant werden. Die als „planbar“ bezeichnete Bremsphase beruht auf Daten, die zumindest ab einem Zeitpunkt vor dem Erreichen des betreffenden Abschnitts bzw. Ortes der Strecke 36 bekannt sind.
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Die Steuerung des Betriebs der elektrischen Verbraucher 18 während der Fahrt des Schienenfahrzeugs 10 entlang der Strecke 36 wird nun anhand der 6 erläutert. Diese Steuerung wird insbesondere am Beispiel des als Klimatisierungsaggregat ausgebildeten Verbrauchers 18.1 beschrieben.
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Zur Steuerung des Betriebs des elektrischen Verbrauchers 18.1 ist eine Steuereinheit 56 vorgesehen, die für zumindest zwei verschiedene Betriebsmodi des zugeordneten Verbrauchers 18.1 ausgelegt ist. Die Betriebsmodi sind für unterschiedliche Betriebsphasen des Verbrauchers 18.1 vorgesehen.
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Eine erste Betriebsphase erfolgt während einer Bremsphase des Schienenfahrzeugs 10. Der Beginn der Bremsphase wird durch ein Bremssignal, welches von einer Steuereinrichtung 58 des Schienenfahrzeugs 10 zum Einleiten eines Bremsvorgangs erzeugt wird, signalisiert. Das Bremssignal dient hierbei als Auslöseparameter für die erste Betriebsphase des Verbrauchers 18.1, d.h. der Beginn der ersten Betriebsphase wird mit dem Beginn der Bremsphase koordiniert. Auf der Basis dieses Auslöseparameters erfolgt ein Auslösen eines ersten, der ersten Betriebsphase zugeordneten Betriebsmodus, indem die Steuereinheit 56 zum Wechseln in den ersten Betriebsmodus beim Vorliegen des Bremssignals getriggert wird. Hierzu steht die Steuereinheit 56 mit der Steuereinrichtung 58 in Wirkverbindung.
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In der betrachteten Ausführung ist die Steuereinheit 56 als eine dem Verbraucher 18.1 lokal zugewiesene Einheit und von der übergeordneten Steuereinrichtung 58 physikalisch separat ausgebildet. In einer weiteren Ausführung ist denkbar, dass die Steuereinheit 56 strukturell als Bestandteil einer den elektrischen Verbrauchern 18 übergeordneten Einheit, z.B. Bestandteil der Steuereinrichtung 58 ausgebildet ist.
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In den in den 3 bis 5 gezeigten Anwendungsfällen erfolgen eine Bremsphase und daher ein Betrieb des elektrischen Verbrauchers 18.1 im ersten Betriebsmodus, wenn die Bremsstrecke 40, 44 bzw. 48 vom Schienenfahrzeug 10 befahren wird.
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Die Steuereinheit 56 ist für einen zweiten Betriebsmodus ausgelegt, welcher für eine zweite Betriebsphase des Verbrauchers 18.1 vorgesehen ist. Diese zweite Betriebsphase erfolgt während einer der Bremsphase vorangehenden Fahrtphase des Schienenfahrzeugs 10, die eine Traktions- oder Rollphase sein kann. Wie oben beschrieben beruht die Steuerung des Schienenfahrzeugs 10 bezüglich der Bremsphase auf Daten, die im Voraus – d.h. zumindest ab einem Zeitpunkt vor dem Erreichen des betreffenden Abschnitts bzw. Ortes – bekannt sind. Durch diese Daten sind Merkmale der Bremsphase, wie insbesondere zumindest eine Streckenposition für den Anfang der betreffenden Bremsstrecke und/oder eine Länge dieser Bremsstrecke, eine Bremsleistung usw. bekannt. Die Streckenposition für den Anfang der Bremsphase ist in den 3 bis 5 als Merkmal „B“ bezeichnet.
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Wenn die Daten zu den Bremsphasenmerkmalen, wie z.B. zum Merkmal „B“, bekannt sind, kann der Bremsphase die dieser vorangehende, zweite Betriebsphase des Verbrauchers 18.1 als Vorphase zugeordnet werden. Die Zuordnung der zweiten Betriebsphase zur Bremsphase erfolgt mittels einer Einheit 60. Bei dieser Zuordnung wird von der Einheit 60 zumindest ein Auslöseparameter für die zweite Betriebsphase auf der Grundlage von zumindest einem Merkmal der Bremsphase festgelegt. Die Einheit 60 ist in der betrachteten Ausführung als Bestandteil der Steuereinrichtung 58 ausgebildet. Alternativ kann sie von der Steuereinrichtung 58 physikalisch getrennt sein. In der betrachteten Ausführung wird auf der Grundlage des Merkmals B der Auslöseparameter V derart bestimmt, dass die zweite Betriebsphase eine bestimmte Dauer hat. Diese Dauer kann z.B. und optional als weiteres Merkmal der Bremsphase eine in dieser zu erbringende Bremsleistung berücksichtigen. Damit kann die Dauer der zweiten Betriebsphase an eine zu erwartende, in der Bremsphase erzeugte Bremsenergie angepasst werden.
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Die Daten, welche von der Steuereinrichtung 58 für die Bremsphase und daher zur Festlegung des Auslöseparameters der zweiten Betriebsphase herangezogen werden, sind in einer schematisch dargestellten Dateneinheit 62 abgelegt, mit welcher die Einheit 60 in Wirkverbindung steht. In einer besonderen Ausführungsvariante kann die Dateneinheit 62 Bestandteil der Steuereinrichtung 58 sein. Abhängig vom aktuellen Anwendungsfall können die Daten der Dateneinheit 62 auf unterschiedliche Art und Weise bereitgestellt werden.
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Die Daten können insbesondere auf der Basis der oben beschriebenen statischen Merkmale der Strecke 36 bereitgestellt werden. Diese Daten, z.B. Daten eines „Streckenbuches“, können vor der Fahrt des Schienenfahrzeugs 10 entlang der Strecke 36 von einer Datenbank in die Dateneinheit 62 geladen werden oder sie können permanent in der Dateneinheit 62 gespeichert sein.
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In Bezug auf dynamische Merkmale der Strecke 36, die während der Fahrt entlang dieser bekannt gegeben werden, werden die Daten für die Bremsphase von der landseitigen Leitzentrale über die Sende-/Empfangseinheit 50 empfangen. Alternativ oder zusätzlich können Daten über die mit dem Strecke-Fahrzeug-Beeinflussungssystem 52 zusammenwirkenden Empfangseinrichtung 54 herangezogen werden. Für diese Datenübermittlungen steht die Dateneinheit 62 direkt oder indirekt mit der Sende-/Empfangseinheit 50 bzw. mit der Empfangseinrichtung 54 in Wirkverbindung.
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Die Dateneinheit 62 kann außerdem Bestandteil eines Fahrerassistenzsystems 64 (in der Figur gestrichelt dargestellt) des Schienenfahrzeugs 10 sein. Dieses hat bekannterweise die Funktion, auf der Basis von statischen und/oder dynamischen Merkmalen der Strecke 36 und einem Optimierungsmodell eine Fahrempfehlung für den Fahrzeugführer und/oder Steuersignale für die Steuereinrichtung 58 zu erzeugen.
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In der gezeigten Ausführung, bei welcher die Dateneinheit 62 Bestandteil des Fahrassistenzsystems 64 und die Einheit 60 zur Zuordnung der zweiten Betriebsphase des Verbrauchers 18.1 Bestandteil der Steuereinrichtung 58 ist, kann diese Einheit 60 eine bestehende, herkömmliche Recheneinheit der Steuereinrichtung 58 sein, die zur Ausführung der beschriebenen Funktion in Verbindung mit dem Betrieb des Verbrauchers 18.1 mit einem entsprechenden Softwaremodul ausgestattet ist. Hierdurch kann ein bestehendes Fahrzeug, welches über ein Fahrassistenzsystem verfügt, einfach und vorteilhaft ohne strukturelle Anpassungen nachgerüstet werden.
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In der betrachteten Ausführung entspricht der von der Einheit 60 bestimmte Auslöseparameter der zweiten Betriebsphase einer Streckenposition für den Anfang dieser Vorphase entlang der Strecke 36. Der als Streckenposition ausgebildete Auslöseparameter ist in den 3 bis 5 mit „V“ bezeichnet. Das Schienenfahrzeug 10 ist mit einer Positionserfassungseinrichtung 66 ausgestattet, durch welche eine Ist-Streckenposition I des Schienenfahrzeugs 10 entlang der Strecke 36 erfasst wird. Mit der Ist-Streckenposition I kann zumindest das Erreichen des festgelegten Auslöseparameters V durch das Schienenfahrzeug 10 erfasst werden. Beispielweise kann die Positionserfassungseinrichtung 66 zum Empfang von mittels Satelliten erzeugten Ortungssignalen (insbesondere GPS-Signalen) vorgesehen sein. Weitere Alternativen für die Positionserfassungseinrichtung 66 zur Bereitstellung von Wegsignalen sind jedoch denkbar.
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Der elektrische Verbraucher 18.1 wird während der zweiten Betriebsphase in einem vom ersten Betriebsmodus unterschiedlichen zweiten Betriebsmodus betrieben. Eine Schaltung in den zweiten Betriebsmodus erfolgt durch das Vorliegen des Auslöseparameters V der zweiten Betriebsphase, d.h. in der betrachteten Ausführung durch das Erreichen der entsprechenden Streckenposition durch das Schienenfahrzeug 10. Hierzu steht die Steuereinrichtung 58 mit der Positionserfassungseinrichtung 66 in Verbindung. Wenn Übereinstimmung zwischen der Ist-Streckenposition und dem Auslöseparameter V vorliegt, wird dies von der Steuereinrichtung 58 erfasst, die die Steuereinheit 56 zum Einleiten des zweiten Betriebsmodus triggert.
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Im ersten und zweiten Betriebsmodus wird der Verbraucher 18.1 derart betrieben, dass seine Betriebsleistung im zweiten Betriebsmodus signifikativ kleiner ist als im ersten Betriebsmodus. Hierzu sind mehrere Maßnahmen möglich. In einer möglichen Ausführung kann die Steuereinheit 56 eine Leistungsverwaltungsfunktion aufweisen, durch welche für den Betrieb im zweiten Betriebsmodus eine dem elektrischen Verbraucher 18.1 zugewiesene maximale Leistung gegenüber dem ersten Betriebsmodus reduziert bzw. gedrosselt wird.
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In einer Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheit 56 den elektrischen Verbraucher 18.1 während der zweiten Betriebsphase in einem leistungslosen Zustand hält. Beispielsweise kann der Verbraucher 18.1 beim Schalten in den zweiten Betriebsmodus von der Steuereinheit 56 ausgeschaltet werden oder es kann ein bereits vorhandener ausgeschalteter Zustand aufrechterhalten werden.
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Mit der betrachteten Ausführung des Verbrauchers 18.1 als Klimatisierungsgerät ist die Steuereinheit 56 dazu vorgesehen, einen Regelbetrieb des Verbrauchers 18.1 anhand von zumindest einem Schwellwert für eine Temperaturkenngröße zu steuern. Bei einem Übergang in den ersten Betriebsmodus kann der Verbraucher 18.1 dadurch mit einer höheren Leistung als im zweiten Betriebsmodus betrieben werden, dass der Schwellwert von der Steuereinheit 56 geändert wird. Bei einem Heizbetrieb kann der Schwellwert, der einer Komforttemperatur im Fahrzeuginnenraum entspricht, beim Übergang in den ersten Betriebsmodus erhöht werden. Bei einem Kühlbetrieb kann der Schwellwert gesenkt werden (siehe insbesondere 7).
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Bei der Einleitung der Bremsphase durch das Bremssignal der Steuereinrichtung 58 – wie oben beschrieben – erfolgt ein Wechsel in den ersten Betriebsmodus. Hierbei wird auf einen höheren Leistungsabzug durch den Verbraucher 18.1 abgezielt. Hierzu wird eine im zweiten Betriebsmodus festgelegte Leistungsdrosselung aufgehoben bzw. die dem Verbraucher 18.1 zugewiesene maximale Leistung erhöht. Falls der Verbraucher 18.1 im zweiten Betriebsmodus ausgeschaltet war, wird er beim Übergang in den ersten Betriebsmodus wieder in Betrieb genommen. Wurde für den Betrieb im zweiten Betriebsmodus ein Schwellwert zur Reduzierung der abgezogenen Leistung festgelegt, wird dieser beim Übergang in den ersten Betriebsmodus derart geändert, dass die abgezogene Leistung erhöht, vorzugsweise maximal wird. Wurde z.B. der zur Kühlung eingesetzte Verbraucher 18.1 im zweiten Betriebsmodus mit einem erhöhten Temperaturschwellwert betrieben, wird dieser wieder gesenkt, um die Kühlleistung zu erhöhen (siehe 7).
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7 zeigt eine zusammenfassende Darstellung des Betriebs des elektrischen Verbrauchers 18.1 während der ersten und zweiten Betriebsphase. Es sind zwei Diagramme gezeigt. Im oberen Diagramm sind die Ist-Temperatur T des Fahrzeuginnenraums (gestrichelt dargestellt) und die eingestellten Komforttemperaturen als Funktion der Zeit gezeigt. Das untere Diagramm zeigt die Betriebsleistung des Verbrauchers 18.1 als Funktion der Zeit.
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Auf der Zeitachse sind zwei Zeitpunkte t(V) und t(B) dargestellt, die dem Erreichen der Streckenposition bzw. Auslöseparameters V durch das Schienenfahrzeug 10 und dem Beginn der Bremsphase entsprechen. Während der Zeitspanne [t(V), t(B)] wird der Verbraucher 18.1 in dessen zweiter Betriebsphase BP2 betrieben. Ab dem Zeitpunkt t(B), d.h. während der Bremsphase, wird der Verbraucher 18.1 in dessen erster Betriebsphase BP1 betrieben.
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Die Darstellung bezieht sich auf einen Kühlbetrieb des Verbrauchers 18.1. Zum Zeitpunkt t(V), d.h. zum Beginn der zweiten Betriebsphase BP2, wird die Komforttemperatur vom bis dahin geltenden Schwellwert SW1 auf den höheren Schwellwert SW2 von der Steuereinheit 56 geändert. Dies bewirkt, dass der Verbraucher 18.1, welcher durch Erreichen der Komforttemperatur SW1 bereits ausgeschaltet war, in diesem ausgeschalteten Zustand aufrechterhalten wird. Die Betriebsleistung in der zweiten Betriebsphase BP2 beträgt demnach den Wert L2 = 0.
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Zum Zeitpunkt t(B) erfolgt der Beginn der Bremsphase und daher der ersten Betriebsphase BP1 des Verbrauchers 18.1. Dabei wird die Komforttemperatur vom Schwellwert SW2 auf den niedrigeren Schwellwert SW1 geändert. Die Innentemperatur, die während der zweiten Betriebsphase BP2 gestiegen ist, liegt höher als der Schwellwert SW1, sodass der Verbraucher 18.1 eingeschaltet wird. Für die Betriebsleistung L1 in der ersten Betriebsphase BP1 gilt L1 > L2.
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Durch die Änderung der Komforttemperatur von SW1 auf SW2 bei der Einleitung der zweiten Betriebsphase kann verhindert werden, dass der Verbraucher 18.1 vor der Einleitung der Bremsphase, und zwar während einer durch den Auslöseparameter V bestimmten Zeitspanne [t(V), t[B)] Leistung bezieht, sodass der Leistungsbezug vorteilhaft auf den Beginn der Bremsphase abgestimmt werden kann. Der Auslöseparameter V wird derart bestimmt, dass die Zeitspanne [t(V), t[B)], d.h. die Dauer der zweiten Betriebsphase BP2, eine vordefinierte maximale Dauer nicht überschreitet, um einen zu hohen Anstieg der Innentemperatur T zu verhindern. Beispielsweise kann die maximale Dauer einen Wert von 5 Minuten betragen. Außerdem ist eine minimale Dauer von z.B. 1 Minute für die Dauer der zweiten Betriebsphase BP2 voreingestellt. Der Auslöseparameter V wird derart bestimmt, dass die Dauer der zweiten Betriebsphase diesen Wert nicht unterschreitet.
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Vorteilhafterweise erfolgt die Änderung der Komforttemperatur innerhalb eines Toleranzbands von ±2°.
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Die obige Beschreibung bezieht sich auf den als Klimatisierungsaggregat ausgebildeten Verbraucher 18.1. Diese Erläuterungen finden für die weiteren Verbraucher 18.2 bis 18.5 entsprechende Anwendung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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