-
Die Erfindung betrifft ein Schienenfahrzeug mit zumindest einem elektrischen Traktionsmotor, der während eines Traktionsbetriebes des Schienenfahrzeugs Traktion erzeugt und der während eines elektrischen Bremsbetriebes des Schienenfahrzeugs elektrische Energie erzeugt. Ein Traktionsstromrichter ist elektrisch mit dem Traktionsmotor oder zumindest einem der Traktionsmotoren verbunden. An ein elektrisches Bordnetz sind elektrische Verbraucher des Schienenfahrzeugs angeschlossen. Ein Bordnetzstromrichter ist elektrisch und/oder induktiv mit dem Traktionsstromrichter gekoppelt, so dass elektrische Energie von dem Traktionsstromrichter zu dem Bordnetzstromrichter übertragbar ist. Zumindest eine Bordnetzbatterie ist elektrisch mit dem Bordnetz und dem Bordnetzstromrichter verbunden, um Energie zu speichern und durch Entladung der Bordnetzbatterie in das Bordnetz einzuspeisen. Zumindest ein Batterieladegerät ist zum Laden der Bordnetzbatterie vorhanden, wobei das Batterieladegerät in den Bordnetzstromrichter integriert ist oder elektrisch mit dem Bordnetzstromrichter verbunden ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Schienenfahrzeugs.
-
Bordnetze von Schienenfahrzeugen versorgen elektrische Verbraucher wie Beleuchtung, Informationssysteme für Passagiere, Heizung und Klimaanlage. Es können aber auch nicht nur für den Komfort von Passagieren vorgesehene elektrische Verbraucher, sondern auch sogenannte Nebenbetriebe wie Türsteuerungen, Türantriebe und Einrichtungen für den Fahrerstand oder für den Betrieb der Fahrzeugsteuerung aus dem Bordnetz versorgt werden. Dagegen werden Traktionsmotoren nicht direkt aus dem Bordnetz mit Energie versorgt. Der oder die Bordnetzstromrichter ist/sind elektrisch zwischen den oder die Traktionsstromrichter und das Bordnetz geschaltet. Je nach Auslegung des Fahrzeugs hat das Bordnetz eine niedrigere oder höhere Nennspannung, z.B. von 24 Volt oder 110 Volt. Es kommen jedoch auch kaskadierte Bordnetze vor, die in verschiedenen Bereichen bei unterschiedlichen Spannungen betrieben werden. Bei dem Bordnetz kann es sich um ein Gleichspannungsnetz und/oder ein Wechselspannungsnetz handeln. Dagegen werden die elektrischen Anschlüsse des Traktionsstromrichters auf der dem Traktionsmotor entgegengesetzten Seite des Stromrichters typischerweise bei erheblich höheren Spannungen von z.B. 750 Volt als das Bordnetz betrieben. Je nach Art der Energieversorgung für das Schienenfahrzeug und je nach Art des Bordnetzes kann es sich bei dem Bordnetzstromrichter z.B. um einen Gleichspannungswandler oder um einen Gleichrichter handeln. Z.B. im Fall einer an einem Wechselspannungsfahrdraht betriebenen Lokomotive kann der Bordnetzstromrichter an eine Wicklung auf der Sekundärseite des Haupttransformators angeschlossen sein, dessen Primärseite an das fahrzeugexterne Energieversorgungsnetz für Schienenfahrzeuge angeschlossen ist. An eine andere Wicklung oder an eine größere Induktivität auf der Sekundärseite des Haupttransformators kann über einen Traktionsgleichrichter und einen Gleichspannungszwischenkreis der Traktionsstromrichter als Umrichter angeschlossen sein. Die Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Art von Bordnetzstromrichtern, Traktionsstromrichtern und Fahrzeugenergieversorgung beschränkt. Sie ist z.B. auch für dieselelektrische Lokomotiven anwendbar. In allen Fällen jedoch besteht die Möglichkeit, im elektrischen Bremsbetrieb von dem oder den Traktionsmotoren generierte elektrische Energie über den Traktionsstromrichter und den Bordnetzumrichter in das Bordnetz einzuspeisen.
-
Bordnetzbatterien, die elektrisch an das Bordnetz angeschlossen sind, ermöglichen eine Energiespeicherung und können z.B. bei temporärem Ausfall des fahrzeugexternen Energieversorgungsnetzes oder bei kurzzeitiger Abkopplung des Fahrzeugs von dem externen Energieversorgungsnetz den Energiebedarf der an das Bordnetz angeschlossenen Verbraucher decken. Während des normalen Traktionsbetriebes, in dem das Fahrzeug aus dem externen Energieversorgungsnetz oder von einer Motor-/ Generatoreinheit mit Energie versorgt wird, ist es üblich, Energie über den Bordnetzstromrichter in das Bordnetz einzuspeisen. Diese Betriebsphasen, aber auch der elektrische Bremsbetrieb können dazu genutzt werden, die Bordnetzbatterie zu laden. Hierzu können Batterieladegeräte zum Einsatz kommen, die entsprechend einem Ladeverfahren abhängig vom Ladezustand der Bordnetzbatterie die elektrische Ladespannung und optional auch den Ladestrom steuern. Das Ladeverfahren ist fest vorgegeben und wird z.B. durch Software einer computergestützten Batterieladegerät-Steuerung gesteuert.
-
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schienenfahrzeug der eingangs genannten Art anzugeben, bei dessen Betrieb Energie effektiv genutzt werden kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein entsprechendes Betriebsverfahren anzugeben.
-
Üblich ist es, den zumindest einen Traktionsmotor des Fahrzeugs im elektrischen Bremsbetrieb als Generator zu betreiben, sodass elektrische Energie erzeugt wird. Wenn das Schienenfahrzeug an ein externes Energieversorgungsnetz angeschlossen ist und in dem Netzabschnitt, in dem sich das Schienenfahrzeug befindet, ein Abnehmer für die Energie vorhanden ist, kann die generierte elektrische Energie in das externe Energieversorgungsnetz eingespeist werden. Andernfalls wird über längere Zeiträume betrachtet die vom Traktionsmotor erzeugte elektrische Energie zu einem geringen Anteil in das Bordnetz eingespeist und überwiegend über Bremswiderstände in Wärme umgewandelt. Dadurch wird gesichert, dass der elektrische Bremsbetrieb immer zu Verfügung steht.
-
Gemäß einem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung wird die Bordnetzbatterie außerhalb des elektrischen Bremsbetriebes des Schienenfahrzeugs nicht oder nur in geringerem Maße geladen, als es bei Umsetzung eines einzigen vorgegebenen Ladeverfahrens der Fall ist. Insbesondere wird die Bordnetzbatterie außerhalb des elektrischen Bremsbetriebes nur dann geladen, wenn eine vorgegebene Bedingung erfüllt ist, z.B. die Menge der in der Fahrzeugbatterie gespeicherten elektrischen Energie kleiner als ein vorgegebener Grenzwert ist. Dadurch kann besser gewährleistet werden, dass eine Mindestmenge an Energie aus der Fahrzeugbatterie entnommen werden kann. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn das externe Netz oder der Verbrennungsmotor zeitweise nicht zur Verfügung steht.
-
Unter der Menge wird auch ein relativer (zum Beispiel prozentualer) Wert im Verhältnis zu der maximal in der Bordnetzbatterie gespeicherten Energie verstanden. In der Praxis wird die gespeicherte Menge an Energie bzw. die noch maximal aufnehmbare Energie häufig geschätzt oder indirekt über die Messung von elektrischen Größen wie Ladestrom, Entladestrom, Batteriespannung und/oder Innenwiderstand der Batterie bestimmt. Auch die Prüfung, ob die in der Bordnetzbatterie gespeicherte Energiemenge unterhalb des Grenzwertes oder oberhalb des Grenzwertes liegt, kann daher indirekt gemessen oder geschätzt werden.
-
Da die Bordnetzbatterie außerhalb des elektrischen Bremsbetriebes nicht oder nur in geringem Maße geladen wird, steht im zeitlichen Mittel während des elektrischen Bremsbetriebes eine erheblich größere Speicherkapazität zu Verfügung. Die von dem zumindest einen Traktionsmotor generierte elektrische Energie kann daher zu einem höheren Anteil in die Bordnetzbatterie geladen und später genutzt werden. Dadurch kann insbesondere der Anteil der generierten elektrischen Energie, der über Bremswiderstände in Wärme umgewandelt wird, reduziert werden. Die Einspeisung der erzeugten elektrischen Energie in das Stromversorgungsnetz (soweit vorhanden) kann gegenüber dem Betrieb mit fest vorgegebenem und Betriebszustand-unabhängigem Ladeverfahren unverändert oder in veränderter Weise durchgeführt werden. Z.B. kann selbst dann, wenn in demselben Bereich des Energieversorgungsnetzes ein Abnehmer zur Verfügung steht, nicht die ganze generierte elektrische Energie in das Versorgungsnetz eingespeist wird, sondern z.B. wenn der vorgegebene Grenzwert für die bereits gespeicherte Energiemenge oder ein anderer vorgegebener Grenzwert für die bereits gespeicherte Energiemenge unterschritten wird, zumindest zeitweise die ganze generierte elektrische Energie oder ein Teil davon zum Laden der Bordnetzbatterie verwendet werden. Insgesamt wird somit die im elektrischen Bremsbetrieb erzeugte elektrische Energie effektiver genutzt als bei einem einzigen fest vorgegebenen Ladeverfahren, das unabhängig vom Betriebszustand ausgeführt wird.
-
Insbesondere wird ein Schienenfahrzeug vorgeschlagen, das aufweist:
- • zumindest einen elektrischen Traktionsmotor, der während eines Traktionsbetriebes des Schienenfahrzeugs Traktion erzeugt und der während eines elektrischen Bremsbetriebes des Schienenfahrzeugs elektrische Energie erzeugt,
- • einen Traktionsstromrichter, der elektrisch mit dem Traktionsmotor oder zumindest einem der Traktionsmotoren verbunden ist,
- • ein elektrisches Bordnetz, an das elektrische Verbraucher des Schienenfahrzeugs angeschlossen sind,
- • einen Bordnetzstromrichter, der elektrisch und/oder induktiv mit dem Traktionsstromrichter gekoppelt ist, so dass elektrische Energie von dem Traktionsstromrichter zu dem Bordnetzstromrichter und damit zu dem Bordnetz übertragbar ist,
- • zumindest eine Bordnetzbatterie, die elektrisch mit dem Bordnetz und dem Bordnetzstromrichter verbunden ist, um Energie zu speichern und durch Entladung der Bordnetzbatterie in das Bordnetz einzuspeisen,
- • zumindest ein Batterieladegerät zum Laden der Bordnetzbatterie, wobei das Batterieladegerät in den Bordnetzstromrichter integriert ist oder elektrisch mit dem Bordnetzstromrichter verbunden ist,
- • eine Batterieladegerät-Steuerung, die ausgestaltet ist, den elektrischen Bremsbetrieb und zumindest einen weiteren Betriebszustand des Schienenfahrzeuges zu erkennen und abhängig von einem erkannten Betriebszustand des Schienenfahrzeugs einen Ladevorgang des Batterieladegeräts zu steuern.
-
Ferner wird ein Verfahren zum Betreiben eines Schienenfahrzeugs vorgeschlagen, wobei:
- • zumindest ein elektrischer Traktionsmotor während eines Traktionsbetriebes des Schienenfahrzeugs Traktion erzeugt und während eines elektrischen Bremsbetriebes des Schienenfahrzeugs elektrische Energie erzeugt,
- • im elektrischen Bremsbetrieb und im Traktionsbetrieb in Kombination mit dem Traktionsmotor oder mit zumindest einem der Traktionsmotoren ein Traktionsstromrichter betrieben wird,
- • ein elektrisches Bordnetz betrieben wird, um elektrische Verbraucher des Schienenfahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen,
- • in Kombination mit dem elektrischen Bordnetz ein Bordnetzstromrichter betrieben wird, zu dem während des Bremsbetriebes des Schienenfahrzeugs elektrische Energie von dem Traktionsstromrichter übertragen wird,
- • in Kombination mit dem Bordnetz zumindest eine Bordnetzbatterie betrieben wird, die Energie speichert und in das Bordnetz einspeist,
- • zum Laden der Bordnetzbatterie zumindest ein Batterieladegerät betrieben wird,
- • eine Batterieladegerät-Steuerung den elektrischen Bremsbetrieb und zumindest einen weiteren Betriebszustand des Schienenfahrzeuges erkennt und abhängig von einem erkannten Betriebszustand des Schienenfahrzeugs einen Ladevorgang des Batterieladegeräts steuert.
-
Die Bordnetzbatterie ist von einer Traktionsbatterie zu unterscheiden, die optional zusätzlich vorhanden sein kann. Im Gegensatz zu der Bordnetzbatterie ist die Traktionsbatterie nicht über den Bordnetzstromrichter mit dem Traktionsstromrichter verbunden. Vielmehr kann die Traktionsbatterie zum Beispiel über einen Ladesteller mit dem Traktionsstromrichter verbunden sein. Sie bietet zusätzlich zu der Bordnetzbatterie die Möglichkeit, im elektrischen Bremsbetrieb Energie zu speichern.
-
Die Bordnetzbatterie kann aus einer Einheit oder einer Mehrzahl von getrennten Einheiten bestehen, die von dem selben Batterieladegerät geladen und entladen werden. Ferner kann eine Mehrzahl von Batterieladegeräten vorhanden sein, die dieselbe Bordnetzbatterie-Einheit oder getrennte Einheiten laden und entladen. Grundsätzlich können verschiedene Einheiten der Bordnetzbatterie auf unterschiedliche Weise geladen und entladen werden, zum Beispiel so dass der Ladezustand der Einheiten verschieden ist oder zumindest verschieden sein kann. Bevorzugt wird jedoch, dass mehrere Einheiten so geladen und entladen werden, dass sie denselben Ladezustand haben.
-
Insbesondere können der Bordnetzstromrichter und der Traktionsstromrichter über einen Gleichspannungszwischenkreis elektrisch miteinander gekoppelt sein. Dies gilt sowohl dann, wenn die Energiequelle für den Betrieb des Schienenfahrzeugs eine Verbrennungsmotor-Generator Kombination ist, wie zum Beispiel bei einer dieselelektrischen Lokomotive, als auch dann, wenn das Schienenfahrzeug mit elektrischer Energie aus einem externen Versorgungsnetz versorgt wird, zum Beispiel über eine Oberleitung oder eine Stromschiene.
-
Insbesondere kann die Batterieladegerät-Steuerung ausgestaltet sein, vor oder während des elektrischen Bremsbetriebes zu erkennen, ob die Bordnetzbatterie während des elektrischen Bremsbetriebes mit der von dem Traktionsmotor erzeugten elektrischen Energie zu laden ist. Zum Beispiel kann die Batterieladegerät-Steuerung feststellen, ob von dem zumindest einen Traktionsmotor erzeugte elektrische Energie vollständig oder teilweise in ein Fahrzeug-externes Versorgungsnetz einzuspeisen ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Batterieladegerät-Steuerung die oben bereits erwähnte Prüfung durchführen oder das entsprechende Prüfungsergebnis von einer anderen Einrichtung erhalten, ob der vorgegebene Grenzwert für die bereits gespeicherte Energie oder ein anderer vorgegebener Grenzwert für die bereits gespeicherte Energie unterschritten wird. Der andere vorgegebene Grenzwert, und somit ein zweiter vorgegebener Grenzwert, liegt insbesondere oberhalb des ersten vorgegebenen Grenzwertes, bei dessen Unterschreiten auch außerhalb des elektrischen Bremsbetriebes Energie in die Bordnetzbatterie eingespeist wird. Ferner kann der höhere Grenzwert unterhalb des Wertes für die vollgeladene Bordnetzbatterie liegen. Dies hat den Vorteil, dass während eines späteren elektrischen Bremsbetriebes noch Energie in die Bordnetzbatterie eingespeichert werden kann, z.B. für den Fall, dass andere Senken (z.B. das externe Versorgungsnetz und Bremswiderstände) nicht zur Verfügung stehen. Der obere Grenzwert kann aber alternativ dem vollgeladenen Zustand der Bordnetzbatterie entsprechen. In diesem Fall wird die im elektrischen Bremsbetrieb generierte elektrische Energie so weit wie möglich in die Bordnetzbatterie geladen.
-
Zweckmäßigerweise berücksichtigt die Batterieladegerät-Steuerung bei der Steuerung des Batterie-Ladevorganges die Batterietemperatur, welche insbesondere mit zumindest einem Temperatursensor gemessen wird. Dies betrifft insbesondere sowohl die Batterieladung während des elektrischen Bremsbetriebes als auch die Batterieladung außerhalb des elektrischen Bremsbetriebes. Zum Beispiel wird von dem Hersteller der Batterie eine dem Batterietyp und den Betriebsbedingungen der Batterie entsprechende Ladekennlinie zur Verfügung gestellt, durch die die maximale Ladespannung in Abhängigkeit von der Batterietemperatur vorgegeben ist. Insbesondere steuert die Batterieladegerät-Steuerung den Ladevorgang in der Weise, dass die Batteriespannung, welche der momentanen Batterietemperatur zugeordnet ist, nicht überschritten wird. Vorzugsweise liegt die Ladespannung kontinuierlich unterhalb der durch die Ladekennlinie vorgegebenen maximalen Ladespannung. Ein solches Überschreiten könnte zu einem zu hohen Ladestrom führen, der wiederum zu einer zu hohen Betriebstemperatur und gegebenenfalls zu einer Schädigung der Batterie führen könnte.
-
Die Erkennung, ob die Bordnetzbatterie während des elektrischen Bremsbetriebes zu laden ist, kann vor oder während des elektrischen Bremsbetriebes durchgeführt werden. Die Erkennung vor dem elektrischen Bremsbetrieb hat den Vorteil, dass die Ladung der Bordnetzbatterie ohne Zeitverzögerung bereits zu Beginn des elektrischen Bremsbetriebes beginnen kann. Vorzugsweise wird auch während des elektrischen Bremsbetriebes geprüft und erkannt, ob die Bordnetzbatterie zu laden ist.
-
Die Batterieladegerät-Steuerung kann ausgestaltet sein, einen Ladezustand der Bordnetzbatterie zu erkennen und abhängig von dem erkannten Ladezustand und abhängig von dem aktuellen Betriebszustand des Schienenfahrzeugs zu entscheiden, ob die Bordnetzbatterie zu laden ist.
-
Insbesondere werden die Batterietemperatur, die über die Bordnetzbatterie abfallende elektrische Spannung und der elektrische Strom zu und von der Bordnetzbatterie wiederholt oder kontinuierlich gemessen und die Messergebnisse der Steuerung zugeführt. Insbesondere kann die Steuerung daher die Spannung und den Strom gemäß einem vorgegebenen Ladeverfahren regeln. Dabei kann die Steuerung den Ladezustand berechnen oder Informationen darüber von einer anderen Berechnungseinrichtung erhalten. Häufig kann der Ladezustand nicht exakt berechnet werden. Zwar kann optional der Innenwiderstand der Batterie bestimmt werden. Jedoch sind sämtliche Messungen Messtoleranzen unterworfen und kann der Ladezustand daher nur innerhalb einer resultierenden Toleranz berechnet werden. Wenn der Ladestrom über einen Zeitraum vorgegebener Länge unterhalb eines Grenzwertes von z. B. 1 A liegt, kann die Batterieladegerät-Steuerung den Schluss ziehen, dass die Bordnetzbatterie voll aufgeladen ist. Für die weitere Steuerung der Batterieladung und -Entladung steht ihr dann ein besserer Wert für den Ladezustand zur Verfügung.
-
In der Praxis kommt es allerdings regelmäßig vor, dass die Ladekapazität der Batterie im Laufe der Zeit abnimmt. Vorzugsweise führt die Batterieladegerät-Steuerung den Ladevorgang abhängig von einem einstellbaren, z. B. zeitabhängigen Parameter aus, durch den oder durch dessen Einstellung die Verringerung der Energiespeicherkapazität kompensiert wird. Zum Beispiel erhält die Batterieladegerät-Steuerung diese Information über die Informationsverbindung, über welche sie auch weitere Informationen, zum Beispiel über den Betriebszustand, erhält.
-
Mit dem Begriff „Betriebszustand“ werden Zustände des Schienenfahrzeugs bezeichnet, die sich auf die elektrische Versorgung innerhalb des Schienenfahrzeugs beziehen. Einer dieser Betriebszustände ist der elektrische Bremsbetrieb. Optional kann aber auch zwischen verschiedenen Betriebszuständen unterschieden werden, in denen der zumindest eine Traktionsmotor elektrische Energie erzeugt. In einem ersten solchen Betriebszustand steht zum Beispiel das externe Energieversorgungsnetz für die Aufnahme von elektrischer Energie zur Verfügung, in einem zweiten solchen Betriebszustand dagegen nicht. Ferner können sich verschiedene Betriebszustände dadurch unterscheiden, dass der Ladezustand der Fahrzeugbatterie verschieden ist und/oder ein größerer oder kleinerer elektrischer Leistungsbedarf durch die an das Bordnetz angeschlossenen elektrischen Verbraucher besteht, z. B. wieviel Leistung Beleuchtung, Klimaanlage und Gerätesteuerungen benötigen.
-
Wie oben bereits angedeutet, kann die Batterieladegerät-Steuerung ausgestaltet sein, die Bordnetzbatterie in einem erkannten Betriebszustand des Schienenfahrzeugs, der nicht der elektrische Bremsbetrieb ist, nur dann zu laden (d.h. das Batterieladegerät nur dann so zu steuern, dass die Bordnetzbatterie geladen wird), wenn die Menge der in der Bordnetzbatterie gespeicherten Energie kleiner als ein vorgegebener Grenzwert ist, jedoch die Bordnetzbatterie während des elektrischen Bremsbetriebes des Schienenfahrzeugs auch dann zu laden, wenn die Menge der in der Bordnetzbatterie gespeicherten Energie größer als der vorgegebene Grenzwert ist. Auf diese Weise kann aber erreicht werden, dass die außerhalb des elektrischen Bremsbetriebes in der Bordnetzbatterie vorhandene Energiemenge für einen Notbetrieb ausreicht.
-
Alternativ kann die Batterieladegerät-Steuerung ausgestaltet sein, die Bordnetzbatterie außerhalb des elektrischen Bremsbetriebes des Schienenfahrzeugs nicht zu laden (d.h. das Batterieladegerät nicht so zu steuern, dass die Bordnetzbatterie geladen wird), jedoch die Bordnetzbatterie während des elektrischen Bremsbetriebes des Schienenfahrzeugs zu laden. Optional kann das Laden von der Erfüllung weiterer Bedingungen abhängen, auf die bereits eingegangen wurde.
-
Insbesondere kann, abhängig von dem erkannten Betriebszustand, die an der Bordnetzbatterie anliegende elektrische Spannung von der Batterieladegerät-Steuerung eingestellt werden. Zum Beispiel wird im elektrischen Bremsbetrieb bei gleichem Ladezustand der Bordnetzbatterie wie außerhalb des elektrischen Bremsbetriebes eine höhere elektrische Spannung eingestellt. Diese höhere elektrische Spannung führt dazu, dass die Bordnetzbatterie während des elektrischen Bremsbetriebes mit der von dem zumindest einen Traktionsmotor erzeugten elektrischen Energie oder Leistung geladen wird. Außerhalb des elektrischen Bremsbetriebes kann die eingestellte elektrische Spannung so niedrig sein, dass die Bordnetzbatterie bei geringerer Spannung geladen wird oder so niedrig sein, dass sie nicht geladen wird.
-
Das Einstellen der zwischen den Anschlüssen der Bordnetzbatterie anliegenden elektrischen Lade- oder Entladespannung wird insbesondere dadurch erreicht, dass der Bordnetzstromrichter oder ein separates Batterieladegerät, welches als Ladesteller ausgeführt ist und wie auch ein Bordnetzstromrichter steuerbare, und somit ein- und ausschaltbare elektrische Schalter (in der Praxis Halbleiterschalter), aufweist, so betrieben wird, dass sich die gewünschte einzustellende elektrische Spannung ergibt. Wenn die Batterie nicht geladen werden soll, kann insbesondere der Betrieb des Bordnetzstromrichters oder Ladestellers gestoppt werden, sodass kein Ladestrom fließt und die Spannung an den Anschlüssen der Batterie allein durch den Ladezustand der Batterie bestimmt ist. In diesem Fall fließt bei Bedarf an elektrischer Energie aus der Bordnetzbatterie ein Entladestrom in das Bordnetz.
-
Die Steuerung des Batterie-Ladegeräts kann eine von der zentralen Fahrzeugsteuerung separate Steuerung sein oder durch die zentrale Fahrzeugsteuerung realisiert sein. In beiden Fällen erkennt die Ladegerät-Steuerung den Betriebszustand aus entsprechenden Informationen, die ihr zugeführt werden. Bei separater Batterieladegerät-Steuerung erhält die Steuerung zum Beispiel von der zentralen Fahrzeugsteuerung lediglich die Information, welcher Betriebszustand besteht und/oder welcher von mehreren, jeweils einem Betriebszustand zugeordneten Ladevorgängen auszuführen ist. Das Erkennen des Betriebszustandes durch die Batterieladegerät-Steuerung kann darin bestehen, dass die Information empfangen wird, welcher von den mehreren möglichen Ladevorgängen auszuführen ist. Als Batterieladegerät-Steuerung kann jedoch auch die Kombination der zentralen Fahrzeugsteuerung mit der separaten Batterieladegerät-Steuerung aufgefasst werden. Die zentrale Fahrzeugsteuerung kann insbesondere Funktionen ausführen wie Steuerung des Traktionsbetriebes, des elektrischen Bremsbetriebes, der mechanischen Bremse und Erkennung der entsprechenden Befehle, die der Fahrzeugführer zum Beispiel durch Bedienung des Fahr-/Bremshebels erteilt.
-
Vorzugsweise steuert die Batterieladegerät-Steuerung auch das Entladen der Bordnetzbatterie. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Bordnetzspannung an den elektrischen Anschlüssen der Bordnetzbatterie eingestellt wird. Je weiter die Bordnetzspannung dort unterhalb der Batteriespannung eingestellt wird, desto größer sind der Entladestrom und die aus der Batterie entnommene Leistung. Dadurch kann insbesondere erreicht werden, dass die in der Bordnetzbatterie gespeicherte Energiemenge, welche auch als Ladezustand bezeichnet werden kann, nicht unter einen vorgegebenen Wert fällt. Es verbleiben daher noch ausreichende Reserven, zum Beispiel für Betriebszustände, in denen über den Bordnetzstromrichter nur wenig Energie oder keine Energie in das Bordnetz eingespeist werden kann. Insbesondere beim Beschleunigen des Schienenfahrzeugs aus dem Stillstand kann das Entladen der Bordnetzbatterie auf die genannte Weise beschränkt werden. Ein Teil der während dieses Beschleunigungsvorganges benötigten Energie der an das Bordnetz angeschlossenen Verbraucher wird daher vorzugsweise über den oder die Bordnetzstromrichter dem Bordnetz zugeführt.
-
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
-
1 ein Schaltbild einer elektrischen Anordnung in einem Schienenfahrzeug mit einem Bordnetz, an das eine einzige Bordnetzbatterie-Einheit, angeschlossen ist, die von zwei Batterieladegeräten ladbar und entladbar ist,
-
2 eine Ausführungsform wie in 1, wobei jedoch zwei Bordnetzbatterie-Einheiten jeweils von einem zugeordneten Batterieladegerät ladbar und entladbar sind, und
-
3 ein Blockschaltbild einer Anordnung mit einer zentralen Fahrzeugsteuerung, einer Traktionssteuerung und einer Batterieladegerätsteuerung.
-
1 zeigt schematisch ein Schienenfahrzeug-externes Energieversorgungsnetz 1, zum Beispiel mit einem Oberleitungs-Fahrdraht, über das das Schienenfahrzeug mittels eines Stromabnehmers 2 mit elektrischer Energie versorgt werden kann. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein externes Gleichspannungsnetz, so dass kein Haupttransformator vorhanden ist. Der Stromabnehmer 2 ist über Gleichspannungsleitungen 3a, die zum Beispiel bei einer Nennspannung von 750 V betrieben werden, mit zwei Bordnetzstromrichtern 4 sowie einem Traktionsumrichter 11 verbunden, die über (zum Beispiel mit Massepotenzial 20 verbundene) weitere Gleichspannungsleitungen 3b miteinander verbunden sind. Das Ausführungsbeispiel zeigt einen Spezialfall mit zwei Bordnetzstromrichtern 4. Alternativ kann lediglich ein Bordnetzstromrichter oder eine größere Anzahl von Bordnetzstromrichter vorhanden sein. Auch Alternativen zu einem externen Gleichspannungs-Energieversorgungsnetz als Energiequelle, z. B. ein Wechselspannung-Energieversorgungsnetz oder eine Brennkraftmaschine mit elektrischem Generator sind realisierbar.
-
Jeder Bordnetzstromrichter 4 besitzt eine elektronische Steuerung mit Schnittstellen zur zentralen Fahrsteuerung und zum optionalen zweiten Bordnetzumrichter 4 und Batterieladegerät, um Informationen auszutauschen. Bei den Schnittstellen kann es sich um Schnittstellen zu analogen und/oder digitalen Datenübertragungsleitungen handeln. Insbesondere können diese Leitungen durch die im Schienenfahrzeugbau üblichen Bus-Systeme realisiert sein, wie CAN, IP, MVB.
-
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist in die Bordnetzstromrichter 4 jeweils ein Batterieladegerät integriert. Alternativ könnten separate Batterieladegeräte vorhanden sein. An den Traktionsstromrichter 11 ist ein Traktionsmotor 12 angeschlossen. Bei anderen Ausführungsformen können eine Mehrzahl von Traktionsstromrichter an und/oder eine Mehrzahl von Traktionsmotoren vorhanden sein. An den Traktionsstromrichter 11 ist ein Bremswiderstand 19 angeschlossen, über den während des elektrischen Bremsbetriebes elektrische Energie in Wärme umgewandelt werden kann. Ein zugehöriger Bremssteller ist nicht dargestellt.
-
In zumindest einen der Bordnetzstromrichter 4 kann ein Wechselrichter zur Versorgung von Wechselstrom-Verbrauchern integriert sein. Das entsprechende Wechselspannungsnetz und die entsprechenden Verbraucher sind nicht dargestellt.
-
Die elektrischen Anschlüsse, über die die Bordnetzstromrichter 4 mit den Gleichspannungsleitungen 3 verbunden sind, können als Eingangsanschlüsse bezeichnet werden, da über sie während des Betriebes des Schienenfahrzeugs immer oder meistens Energie den Bordnetzstromrichter 4 und somit dem an Ausgangsanschlüssen der Bordnetzstromrichter 4 angeschlossenen Bordnetz 21 zugeführt wird.
-
Das Bordnetz 21 weist zumindest erste elektrische Leitungen 22 auf einem ersten elektrischen Potenzial und zweite elektrische Leitungen 23 auf einem zweiten elektrischen Potenzial auf. An die Leitungen 22, 23 sind elektrische Verbraucher 10, wie zum Beispiel Steuerungen (z. B. Türsteuerung und Bremssteuerung), Infotainment, Beleuchtung, Belüftung von Geräten und Klimaanlage, sowie die Bordnetzbatterie 9 angeschlossen.
-
Mit den elektrischen Leitungen 23 ist jeweils am Ausgang der Bordnetzstromrichter 4 eine Ausgangs-Stromerfassung 5 gekoppelt, die den dort fließenden elektrischen Strom misst. Die elektrischen Leitungen 22, 23 weisen jeweils einen Zweig auf, an den eine Bordnetzbatterie 9 angeschlossen ist, die somit über diese Zweige geladen und entladen werden kann. Mit einem dieser Zweige ist eine Batteriestromerfassung 6 gekoppelt, die den durch den Zweig fließenden Strom misst. Ferner ist zwischen die elektrischen Leitungen 22, 23 eine Spannungserfassungseinrichtung geschaltet, die die Bordnetzspannung misst, welche gleich der Batteriespannung ist. Außerdem ist jede Bordnetzbatterie 9 mit einem Temperatursensor 26 kombiniert, der die Batterietemperatur erfasst.
-
Durch gestrichelte Linien ist dargestellt, dass Messwerte der genannten Erfassungseinrichtungen 5, 6, 8 wiederholt oder kontinuierlich jeweils dem zugeordneten Batterieladegerät bzw. der Steuerung des Batterieladegeräts (die insbesondere Teil des dargestellten Bordnetzstromrichters 4 ist) zugeführt werden. Durch eine weitere gestrichelte Linie ist eine Informationsverbindung 25 dargestellt, über die die nicht im Detail dargestellten Steuerungen der Batterieladegeräte Informationen miteinander und/oder mit einer in 1 nicht dargestellten zentralen Fahrzeugsteuerung austauschen können, z. B. Informationen über Ist- und Sollwerte der elektrischen Spannungen und Ströme, die im Bordnetz und insbesondere im Bereich Bordnetzbatterie gemessen werden bzw. einzustellen sind. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass die Batterieladegeräte das Laden und Entladen der gemeinsamen Bordnetzbatterie gemäß denselben Vorgaben für den Ladevorgang ausführen. Über die Informationsverbindung 25 können in einem Ausführungsbeispiel lediglich Informationen und/oder Steuerbefehle von einer der Batterieladegerät-Steuerungen als Master-Steuerung zu der oder den anderen Batterieladegerät-Steuerungen als Slave- Steuerung(en) übertragen werden. Zusätzlich können Befehle von der zentralen Fahrzeugsteuerung zu den Batterieladegerät-Steuerungen übertragen werden und optional Informationen insbesondere über den Ladezustand der Batterie und/oder über den Ladevorgang zu der zentralen Fahrzeugsteuerung übertragen werden. Wenn die Übertragung von Informationen über die Informationsverbindung 25 gestört ist oder ausgefallen ist, kann dies von den Steuerungen der einzelnen Batterieladegeräte erkannt werden und das Laden und Entladen der Batterie gemäß einem anderen vorgegebenen Ladevorgang ausgeführt werden, der insbesondere eine Überladung der Batterie verhindert. Zum Beispiel kann mit niedrigeren Ladeströmen geladen werden als bei funktionsfähiger Informationsverbindung 25.
-
Da eine Mehrzahl von Bordnetzstromrichtern 4 jeweils auf der Ausgangsseite mit demselben Bordnetz verbunden ist, ist dort jeweils vorzugsweise eine Entkopplungsdiode 7 vorgesehen. Bei ungleichen elektrischen Spannungen an den Ausgangsseiten der Bordnetzstromrichter 4 verhindert dies einen Stromfluss in den Bordnetzstromrichter mit der niedrigeren Spannung.
-
In 1 sind durch gestrichelte Linien Bereiche der Schaltungsanordnung umrandet, zu denen jeweils einer der Bordnetzstromrichter 4 gehört. In diesen Bereichen liegen auch die dem jeweiligen Bordnetzstromrichter 4 zugeordneten Messeinrichtungen 5, 6, 8 und die speziell in diesem Ausführungsbeispiel vorgesehenen Entkopplungsdioden 7. Die gestrichelten Bereiche sind über elektrische Anschlüsse eingangsseitig mit den Gleichspannungsleitungen 3 und ausgangsseitig mit den Bordnetzleitungen 22, 23 verbunden. Dabei sind die auf demselben elektrischen Potenzial liegenden elektrischen Anschlüsse zu der Bordnetzleitung 23 jeweils mit dem Bezugszeichen 13 (Zweig zur Bordnetzbatterie) und 14 (Zweig zu den Verbrauchern) bezeichnet.
-
Außerhalb des elektrischen Bremsbetriebes beziehen die Bordnetzumrichter 4 auf ihrer Eingangsseite Energie aus dem Energieversorgungsnetz 1. ferner fließt ein elektrischer Strom 15 aus dem Energieversorgungsnetz 1 zum Traktionsstromrichter 11. Die Bordnetzumrichter 4 wandeln die an der Eingangsseite anliegende hohe Gleichspannung in eine stabile Gleichspannung auf niedrigerem Niveau um, die an ihrer Ausgangsseite, das heißt an den Anschlüssen des Bordnetzes zwischen den Leitungen 22, 23 anliegt. Wenn das externe Energieversorgungsnetz ein Wechselspannungsnetz ist, wird die elektrische Energie aus dem Netz üblicherweise über einen Haupttransformator und einen Gleichrichter in einen Gleichspannungs-Zwischenkreis eingespeist, der den Gleichspannungsleitungen 3 in 1 entspricht und aus dem die Bordnetzstromrichter und der Traktionsstromrichter Energie beziehen. Auch im Fall eines Verbrennungsmotors, der einen elektrischen Generator antreibt, wird die Energie üblicherweise über einen Gleichrichter einem solchen Gleichspannungs-Zwischenkreis zugeführt.
-
Im elektrischen Bremsbetrieb beziehen die Bordnetzstromrichter 4 ebenfalls Energie über ihre eingangsseitigen Anschlüsse aus den Gleichspannungsleitungen 3. Die Energie wird jedoch von dem Traktionsmotor 12 erzeugt und über den Traktionsstromrichter 11 zu den Bordnetzstromrichtern 4 übertragen. Der entsprechende Strom 16 in der Leitung 3a ist in 1 dargestellt.
-
Wenn die Bordnetzstromrichter 4 die Bordnetzbatterie 9 laden, fließt in dem entsprechenden Zweig der Bordnetzbatterie 23 ein Ladestrom 17. Während der Entladung der Bordnetzbatterie 9 fließt durch den Zweig ein Entladestrom 18 in umgekehrte Richtung wie Ladestrom 17.
-
Entsprechend dem angestrebten Lademanagement ist/sind Bordnetzbatterien mit entsprechender Zyklenfestigkeit zu verwenden. Die Ladekapazität kann entsprechend den Anforderungen des Bordnetzes dimensioniert werden. Im Ausführungsbeispiel der 1 sind die Batterieladespannung und die Bordnetzspannung aufeinander abzustimmen, da sie gleich groß sind. Dabei sind auch die Leitungsinduktivitäten und Spannungsabfälle des Bordnetzes zu berücksichtigen.
-
Die konventionelle Batterieladegerät-Steuerung berücksichtigt lediglich den Ladezustand der Batterie. Wenn der vorgegebene Ladevorgang es vorschreibt, wird die Bordnetzbatterie ohne Berücksichtigung des Betriebszustandes geladen, und zwar mit der für den Ladezustand vorgegebenen Ladespannung.
-
Indem die Batterieladegerät-Steuerung mit Informationen über den Betriebszustand versorgt wird, kann sie gemäß der vorliegenden Erfindung den Ladevorgang unter Berücksichtigung des aktuellen Betriebszustandes ausführen. Energie wird vorrangig während des elektrischen Bremsbetriebes in die Bordnetzbatterie geladen und nachrangig oder nicht außerhalb des elektrischen Bremsbetriebes. Vorzugsweise berücksichtigt die Batterieladegerät-Steuerung zur Ausführung des Ladevorganges während des elektrischen Bremsbetriebes auch, ob Energie in das externe Energieversorgungsnetz eingespeist werden kann. Alternativ kann sie die Information darüber von einer anderen Steuerung, zum Beispiel der zentralen Fahrzeugsteuerung, erhalten. Diese erhaltene Information oder die eigene Entscheidung der Batterieladegerät-Steuerung ergibt insbesondere, mit welcher Ladeleistung oder mit welcher Ladespannung die Bordnetzbatterie zu laden ist.
-
Kann im elektrischen Bremsbetrieb die erzeugte elektrische Energie nicht durch externe Verbraucher (z. B. Fahrzeuge) oder den Bordnetzumrichter genutzt werden, so wird der Rest im Bremswiderstand in Wärme umgewandelt.
-
Wie in 1 gezeigt, kann die Bordnetzbatterie-Einheit aus Gründen der Redundanz von einer Mehrzahl von Batterie-Ladegeräten geladen werden. In 2 ist eine alternative Schaltungsanordnung mit zwei Bordnetzbatterie-Einheiten dargestellt, die jeweils von einem zugeordneten Batterie-Ladegerät (im Ausführungsbeispiel wiederum integriert in den jeweiligen Bordnetzstromrichter 4) geladen werden. Es kann alternativ eine größere Anzahl von Bordnetzbatterien vorhanden sein, die jeweils von einem einzigen zugeordneten Batterie-Ladegerät oder einer Mehrzahl von zugeordneten Batterie-Ladegeräten geladen werden. Im Folgenden werden lediglich die Unterschiede zwischen 2 und 1 beschrieben.
-
Die von den Bordnetzstromrichtern 4 zu den Bordnetzbatterien 9 führenden Zweige der Gleichspannungsleitung 23 sind im Unterschied zu der Ausführungsform von 1 voneinander getrennt, sodass über jeden der Zweige lediglich eine Bordnetzbatterie 9 geladen und entladen wird. Wenn auch weiterhin bevorzugt, ist die Informationsverbindung zwischen den Steuerungen der verschiedenen Batterie-Ladegeräte nicht zwingend erforderlich. Sie wird jedoch bevorzugt, damit auch die verschiedenen Bordnetzbatterien in gleicher Weise beladen und entladen werden können. Verschiedene Bordnetzbatterien können jedoch auch in unterschiedlicher Weise beladen und entladen werden, wenn sie z. B. mit unterschiedlichen Bordnetzen oder Teilen von Bordnetzen gekoppelt sind. In jedem Fall kann die Informationsverbindung 25 zur Übertragung von Informationen genutzt werden, auf deren Basis die jeweilige Steuerung des Batterie-Ladegeräts den Ladevorgang oder Entladevorgang der zugeordneten Batterie 9 ausführt.
-
3 zeigt eine zentrale Fahrzeugsteuerung 40, die über gestrichelt dargestellte Informationsverbindungen mit einer Batterieladegerät-Steuerung 31, einer Traktionsstromrichter-Steuerung 50 und wie durch das Bezugszeichen 65 angedeutet mit anderen Einrichtungen (zum Beispiel der vom Fahrzeugführer bedienbaren Fahr- und Bremssteuerung) innerhalb eines Schienenfahrzeugs verbunden ist. Die Batterieladegerät-Steuerung 31 ist mit einem Batterieladegerät 30 verbunden, das elektrisch mit einer Bordnetzbatterie 60 gekoppelt ist. Die Traktionsstromrichter-Steuerung 50 ist mit dem Traktionsstromrichter 61 verbunden, der wiederum elektrisch mit dem Traktionsmotor 62 gekoppelt ist.
-
Bei der in 3 dargestellten Steuerungsanordnung handelt es sich insbesondere um eine Ausführungsform, die in Kombination mit der in 1 oder in 2 dargestellten Schaltungsanordnung betrieben werden kann. In diesem Fall ist die Bordnetzbatterie 60 die Bordnetzbatterie 9 aus 1, das Batterieladegerät 30 in einen der Bordnetzstromrichter 4 aus 1 integriert und entsprechen der Traktionsstromrichter 61 und der Traktionsmotor 62 aus 3 dem Traktionsstromrichter 11 und dem Traktionsmotor 12 aus 1. Alternativ zu der Darstellung in 3 kann die Batterieladegerät-Steuerung 31 in die zentrale Fahrzeugsteuerung 40 integriert sein.
-
Während des Betriebes des Bordnetzes, an das die Bordnetzbatterie 60 angeschlossen ist, wird das Bordnetz über zumindest einen Bordnetzstromrichter, in den das Batterieladegerät 30 optional integriert sein kann, mit elektrischer Energie versorgt. Abhängig vom Betriebszustand des Schienenfahrzeugs wird diese elektrische Energie aus verschiedenen Energiequellen bezogen. Außerhalb des elektrischen Bremsbetriebes stammt die elektrische Energie aus der für den Dauerbetrieb des Fahrzeugs vorgesehenen Energiequelle, zum Beispiel dem externen Energieversorgungsnetz oder der internen Verbrennungsmotor-Generator-Kombination. Während des elektrischen Bremsbetriebes stammt die elektrische Energie von dem oder den Traktionsmotoren.
-
Die Batterieladegerät-Steuerung 31 erfasst den Ladezustand der Bordnetzbatterie, zum Beispiel über die 1 und 2 dargestellten Messeinrichtungen. Von der zentralen Fahrzeugsteuerung 40 erhält sie die Information darüber, in welchem Betriebszustand sich das Schienenfahrzeug momentan befindet. Davon abhängig und unter Berücksichtigung des von ihr erfassten Ladezustandes steuert sie den Betrieb des Batterieladegeräts 30 und damit das Laden und/oder Entladen der Bordnetzbatterie 60.
-
Wenn die zentrale Fahrzeugsteuerung 40 zum Beispiel ausgelöst durch den Fahrzeugführer die Information erhält, dass der elektrische Bremsbetrieb beginnt, überträgt sie eine entsprechende Information zu der Batterieladegerät-Steuerung 31 und übermittelt außerdem entsprechende Informationen zu der Traktionsstromrichter-Steuerung 50, die daraufhin den elektrischen Bremsbetrieb des Traktionsstromrichters 61 und des Traktionsmotor 62 steuert. Optional kann die Traktionsstromrichter-Steuerung 50 an die zentrale Fahrzeugsteuerung 40 Informationen über die Ausführung des elektrischen Bremsbetriebes übertragen.
