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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ladung einer Traktionsbatterie eines batteriebetriebenen Schienenfahrzeugs und ein Batterieladungssystem für ein batteriebetriebenes Schienenfahrzeug.
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TECHNISCHER HINTERGRUND
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Ein Schienenfahrzeug verkehrt im Diensteinsatz typischerweise auf immer definierten und daher wiederkehrenden Strecken, die im Voraus bekannt sind. Überwiegend wird das Schienenfahrzeug durch eine externe Spannungsquelle gespeist, beispielsweise mittels einer Oberleitung eines Stromnetzes, die mit einem Stromabnehmer des Schienenfahrzeugs verbindbar ist. Während der Traktion eines Schienenfahrzeugs können Trennstellen oder ladepunktfreie Streckenabschnitte, womit keine externe Stromquelle verfügbar ist, auftreten. Um die Traktion des Schienenfahrzeugs weiter aufrechterhalten zu können, werden alternative Energiequellen benötigt, wie beispielsweise Diesel, Wasserstoff oder eine Batterie. Zur Aufrechterhaltung der Traktion des Schienenfahrzeugs und anderer Einrichtungen des Schienenfahrzeugs, insbesondere von Hilfsbetrieben, innerhalb einer Trennstelle, wird eine erhebliche Energiemenge benötigt, wodurch hohe Anforderungen an eine Traktionsbatterie für das Schienenfahrzeug gestellt werden.
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PROBLEMSTELLUNG
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Ladung einer Traktionsbatterie eines batteriebetriebenen Schienenfahrzeugs und ein Batterieladungssystem für ein batteriebetriebenes Schienenfahrzeug bereitzustellen, mit dem ein effizientes Betreiben der Traktionsbatterie ermöglicht wird, insbesondere innerhalb eines ladepunktfreien Streckenabschnitts.
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ERFINDUNGSGEMÄSSE LÖSUNG
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Diese Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 durch ein Verfahren zur Ladung einer Traktionsbatterie eines batteriebetriebenen Schienenfahrzeugs gelöst. Ferner wird die Aufgabe Bereitstellung eines Batterieladungssystems für ein batteriebetriebenes Schienenfahrzeug gemäß Anspruch 14 gelöst. Weitere Ausführungsformen, Modifikationen und Verbesserungen ergeben sich anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Ansprüche.
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Gemäß einer Ausführungsform wird ein, insbesondere prädiktives, Verfahren zur Ladung einer Traktionsbatterie eines batteriebetriebenen Schienenfahrzeugs bereitgestellt. Das Verfahren umfasst den Schritt Ermitteln eines ersten zu erwartenden Energieverbrauchs des batteriebetriebenen Schienenfahrzeugs für ein Durchfahren eines ersten ladepunktfreien Streckenabschnitts bis zum Erreichen eines nächsten Ladepunktes. Das Verfahren weist ferner den Schritt Ermitteln eines Zielladezustands der Traktionsbatterie unter Berücksichtigung eines Alterungszustandes der Traktionsbatterie und des ersten zu erwartenden Energieverbrauchs auf. Das Verfahren weist die Schritte Einstellen einer Zieltemperatur für das Laden der Traktionsbatterie und Laden der Traktionsbatterie bis zum Erreichen des Zielladezustands auf.
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Nach einem allgemeinen Aspekt der vorliegenden Offenbarung können die Schritte des Verfahrens in beliebiger Reihenfolge ausgeführt werden. Bevorzugt wird der Schritt, Laden der Traktionsbatterie bis zum Erreichen des Zielladezustands auf, zuletzt ausgeführt.
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Die Traktionsbatterie stellt einen Energiespeicher für das Speisen einer Traktionseinrichtung des Schienenfahrzeugs bereit, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Typischerweise umfasst die Traktionseinrichtung einen oder mehrere Elektromotoren. Weiterhin kann die Traktionsbatterie zusätzlich einen Energiespeicher für das Speisen von Hilfsbetrieben, wie beispielsweise das Klimatisieren oder Heizen des Fahrgastraums, bereitstellen. Alternativ kann die Traktionsbatterie ausschließlich einen Energiespeicher für das Speisen der Traktionseinrichtung des Schienenfahrzeugs bereitstellen. In diesem Fall kann das Schienenfahrzeug eine Fahrzeugbatterie aufweisen für das Speisen der Hilfsbetriebe.
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Unter einem batteriebetriebenen Schienenfahrzeug ist ein Schienenfahrzeug zu verstehen, dessen Traktionseinrichtung vollständig durch eine Traktionsbatterie gespeist werden kann. Bei dem batteriebetriebenen Schienenfahrzeug kann es sich um ein rein batteriebetriebenes Schienenfahrzeug handeln, es kann sich aber auch um ein Schienenfahrzeug handeln, dessen Traktionseinrichtung in manchen Streckabschnitten durch die Traktionsbatterie gespeist wird und in anderen Streckenabschnitten durch eine externe Energiequelle, insbesondere durch aus einer Oberleitung entnommenen Strom, gespeist wird.
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Unter „innerhalb eines Ladepunkts“ oder „innerhalb eines nächsten Ladepunkts“ wird sowohl das Verweilen des batteriebetriebenen Schienenfahrzeugs an einem Ort (beispielsweise einem Bahnhof), an dem die Traktionsbatterie geladen werden kann, als auch das Durchfahren einer ausgedehnten Strecke, in der die Traktionsbatterie beim Fahren durch eine externe Energiequelle (beispielsweise Energie aus einer Oberleitung) aufgeladen werden kann. Ein Laden der Traktionsbatterie erfolgt im letzten Fall während der Fahrt des batteriebetriebenen Schienenfahrzeugs innerhalb des Ladepunkts (Ladestrecke). Ein „ladepunktfreier Streckenabschnitt“ ist ein Abschnitt ohne externe Energiequelle für das Schienenfahrzeug.
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Der Zielladezustand ist der Ladezustand (oder SoC, „State of Charge“) der Traktionsbatterie, den die Traktionsbatterie beim Einfahren in den ersten ladepunktfreien Streckenabschnitt aufweisen soll.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zielt insbesondere darauf ab, die Traktionsbatterie möglichst nicht vollständig aufzuladen, aber auch nicht in einem sehr niedrigen Ladezustand zu betreiben, sondern den Ladezustand der Traktionsbatterie in einem Bereich zu halten, welcher zu einer möglichst geringen Alterungsbelastung der Traktionsbatterie führt. Zu diesem Zweck wird der erste zu erwartende Energieverbrauch für das Durchfahren des ersten ladepunktfreien Streckenabschnitts ermittelt und basierend hierauf und unter Berücksichtigung des aktuellen Alterungszustands der Traktionsbatterie der Zielladezustand ermittelt. Der Zielladezustand wird so ermittelt, dass die von der Traktionsbatterie bereitgestellte Energie für das Durchfahren des ersten ladepunktfreien Streckenabschnitts sicher ausreicht, ohne jedoch die Traktionsbatterie unnötig stark aufzuladen. Die Traktionsbatterie wird bevorzugt lediglich solange geladen, bis der Zielladezustand erreicht wird und danach nicht weitergeladen. Die auf den Zielladezustand geladene Traktionsbatterie verfügt hierdurch über ausreichend Energie zum Speisen der Traktionseinrichtung, und insbesondere auch der Hilfsbetriebe, ist jedoch möglichst weder auf einen sehr hohen noch auf einen sehr niedrigen Ladezustand aufgeladen. Vorteilhafterweise lässt sich die Lebensdauer der Traktionsbatterie erhöhen, indem die Traktionsbatterie möglichst nicht auf einen sehr hohen Ladezustand aufgeladen wird, sondern in einem „mittleren Bereich“ betrieben wird. Allgemeiner ausgedrückt lässt sich die Leistung der Traktionsbatterie sowohl beim Laden als auch beim Entladen erhöhen, indem Traktionsbatterie möglichst weder auf einen sehr hohen Ladezustand noch auf einen sehr niedrigen Ladezustand aufgeladen wird, sondern in einem „mittleren Bereich“ betrieben wird.
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Der Zielladezustand muss nicht notwendigerweise mit dem ersten zu erwartenden Energieverbrauch korrelieren, insbesondere kann der Zielladezustand wesentlich höher sein als der erste zu erwartende Energieverbrauch. Beispielsweise kann der erste ladepunktfreie Streckenabschnitt sehr kurz sein, und damit der erste zu erwartende Energieverbrauch sehr gering sein. Das Ermitteln des Zielladezustands der Traktionsbatterie unter Berücksichtigung des Alterungszustandes der Traktionsbatterie und des ersten zu erwartenden Energieverbrauchs wird in diesem Beispiel zu einem wesentlich höheren Zielladezustand als der erste zu erwartende Energieverbrauch führen. Stattdessen wird der Zielladezustand sich in einem „mittleren Bereich“ befinden.
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Die Alterung der Traktionsbatterie führt insbesondere dazu, dass sich die Kapazität, d.h. die aktuell maximal nutzbare Kapazität, der Traktionsbatterie verringert. Eine Konsequenz der Alterung ist, dass Traktionsbatterien mit identischen Energieinhalten aber unterschiedlichen Alterungszuständen unterschiedliche Ladezustände aufweisen. Anders ausgedrückt sind bei Traktionsbatterien mit unterschiedlichen Alterungszuständen unterschiedliche Ladezustände nötig, um die gleiche Energie bereitzustellen. Das erfindungsgemäße Verfahren berücksichtigt den Alterungszustand beim Ermitteln des Zielladezustands und führt daher zu einer geringeren Belastung der Traktionsbatterie, um insgesamt die Lebensdauer der Traktionsbatterie zu erhöhen und damit Kosten einzusparen.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird weiterhin eine verbesserte Rekuperationsfähigkeit der Batterie ermöglicht, indem ein auf den Alterungszustand angepasster Zielladezustand ermittelt und ein hoher Ladungszustand vermieden wird. Insbesondere wird gemäß dem vorliegenden Verfahren für neuere oder wenig gealterte Traktionsbatterien ein wesentlich niedrigerer Zielladezustand als für ältere oder bereits stärker gealterte Traktionsbatterien ermittelt, wodurch sich die Lebensdauer der Traktionsbatterie und die Leistung der Traktionsbatterie sowohl bei dem Laden als auch bei dem Entladen wesentlich erhöhen.
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Das Einstellen der Zieltemperatur für das Laden der Traktionsbatterie ermöglicht das Aufladen der Traktionsbatterie bei einer Temperatur, bei der die Lebensdauer möglichst wenig beeinflusst wird, der Zielladezustand jedoch erreicht wird. Die Lebensdauer der Traktionsbatterie nimmt mit steigender Temperatur ab, während die beim Aufladen der Traktionsbatterie zuführbare Energie erheblich bei niedrigen Temperaturen abnimmt. Typischerweise wird die Traktionsbatterie beim Aufladen in einem Temperaturbereich von 15 bis 35 °C betrieben. Im Ergebnis soll die für die Temperierung der Traktionsbatterie erforderliche Kühl- bzw. Heizleistung verringert, die Traktionsbatterie jedoch in einem optimalen Temperaturbereich betrieben werden.
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Das Verfahren kann ferner den Schritt Ermitteln eines Ladezustandsbereichs (angestrebter Ladezustandsbereich) unter Berücksichtigung des Alterungszustandes der Batterie, aufweisen. Der Ladezustandsbereich ist ein jeweils für die Spezifikationen der Traktionsbatterie und dem Alterungszustand der Traktionsbatterie spezifischer Bereich, in dem die Batterie vorteilhafterweise betrieben wird, um maximale Ladezustände zu vermeiden und Alterungserscheinungen zu vermindern. Mit steigendem Alterungszustand der Traktionsbatterie wird jedoch der zu berücksichtigenden Ladezustandsbereich größer, da die Gesamtkapazität der Traktionsbatterie abnimmt und die Kapazität der Traktionsbatterie immer mehr ausgenutzt werden muss. Dabei wird sowohl ein minimaler Wert des erforderlichen Ladezustandsbereichs typischerweise kleiner, als auch ein maximaler Wert des erforderlichen Ladezustandsbereichs typischerweise größer. Ein Mittelwert des Ladezustandsbereichs liegt häufig in etwa in der Mitte der Gesamtkapazität, in dem die Traktionsbatterie geladen werden kann (gesamter SoC Bereich), beispielsweise bei 50 % des maximalen Ladezustands der Traktionsbatterie. Der Zielladezustand wird innerhalb des Ladezustandsbereichs festgelegt. Das Laden der Traktionsbatterie erfolgt bis zum Erreichen des Zielladezustands, und somit innerhalb des Ladezustandsbereichs.
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Der angestrebte Ladezustandsbereich ist kleiner als der maximale Ladezustand der Traktionsbatterie und oberhalb einer Entladeschlussspannung der Traktionsbatterie. Der angestrebte Ladezustandsbereich kann kleiner als 90 % des maximalen Ladezustands der Traktionsbatterie und/oder größer als 10 % des maximalen Ladezustands der Traktionsbatterie sein, insbesondere für eine ältere oder bereits stärker gealterte Traktionsbatterie. Für eine neuere oder wenig gealterte Traktionsbatterie kann der angestrebte Ladezustandsbereich wesentlich geringer sein. Beispielsweise kann der Ladezustandsbereich kleiner als 65 % des maximalen Ladezustands der Traktionsbatterie und/oder größer als 35 % des maximalen Ladezustands der Traktionsbatterie sein, insbesondere für eine neuere oder wenig gealterte Traktionsbatterie. Der Ladezustandsbereich kann unter Berücksichtigung einer ladezustandsbereichsabhängigen Lebensdauer und/oder einer ladezustandsbereichsabhängigen Leistung der Traktionsbatterie ermittelt werden.
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Ein typischer Kapazitätsverlust über die Alterung der Traktionsbatterie liegt im Bereich von etwa 20 bis 30%. Im Neuzustand einer Traktionsbatterie können etwa 35% bis etwa 65% SoC (also etwa 30 bis 40% DoD - Depth of Discharge) genutzt werden und im Alt-Zustand etwa 10% bis etwa 90% SoC (also etwa 80% DoD). Es ist gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, dass eine neue Traktionsbatterie nicht auf unter 35% SoC entleert werden soll, und eine gealterte Batterie bevorzugt im Bereich von 30% bis 85% betrieben wird. Dadurch kann eine zusätzliche Reserve bereitgestellt werden. Gleichzeitig wird angestrebt, die Symmetrie des Betriebs (arbeiten um eine mittleren Ladungszustand) beizubehalten. Um auch bei Alterung der Traktionsbatterie die zusätzliche Reserve beizubehalten, kann vorgesehen werden, den symmetrischen Betrieb zu einem eher unsymmetrischen Betrieb zu verschieben, ohne jedoch diesen vollständigen aufzugeben.
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Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Ermitteln des Zielladezustands der Traktionsbatterie ferner unter Berücksichtigung eines Reservefaktors, insbesondere für das Durchfahren des ersten ladepunktfreien Streckenabschnitts bis zum Erreichen des nächsten Ladepunktes. Der Reservefaktor dient insbesondere als Vorhalt für ungeplante Verzögerungen im Betriebsablauf und/oder als Vorhalt für einen möglichen Ausfall von Komponenten. Bei ungeplanten Verzögerungen im Betriebsablauf kann ein energieoptimiertes Fahren gegebenenfalls nicht möglich sein. Die Berücksichtigung des Reservefaktors ermöglicht es eine Traktion und/oder die Hilfsbetriebe auch dann bis zum nächsten Ladepunkt aufrechtzuerhalten falls unvorhergesehene Ereignisse auftreten.
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Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Ermitteln des Zielladezustands der Traktionsbatterie ferner unter Berücksichtigung eines zu erwartenden Energieverbrauchs für das Temperieren der Traktionsbatterie beim Durchfahren des ersten ladepunktfreien Streckenabschnitts bis zum Erreichen des nächsten Ladepunkts. Der zu erwartende Energieverbrauch für das Temperieren der Traktionsbatterie kann unter Berücksichtigung der Umgebungstemperatur und/oder des Alterungszustands der Traktionsbatterie erfolgen. Die Umgebungstemperatur wirkt sich auf den zu erwartenden Energieverbrauchs für das Temperieren der Traktionsbatterie aus, insbesondere da ein Energieverbrauch zum Kühlen oder Heizen der Traktionsbatterie erheblich von der Umgebungstemperatur abhängen kann. Der Alterungszustand kann sich auch auf den zu erwartenden Energieverbrauchs für das Temperieren der Traktionsbatterie auswirken. Eine gealterte Traktionsbatterie weist einen höheren Innenwiderstand auf und erfordet daher eine höhere Kühlleistung. Die für das Temperieren der Traktionsbatterie benötigte Energiemenge ist typischerweise erheblich geringer als die für das Durchfahren des ersten ladepunktfreien Streckenabschnitts bis zum Erreichen des nächsten Ladepunktes benötigte Energiemenge. Die für das Temperieren der Traktionsbatterie benötigte Energiemenge innerhalb des ersten ladepunktfreien Streckenabschnitts wird der Traktionsbatterie entnommen. Die für das Temperieren der Traktionsbatterie benötigte Energiemenge reduziert somit die für das Durchfahren des ersten ladepunktfreien Streckenabschnitts verfügbare Energiemenge.
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Typischerweise wird die Traktionsbatterie beim Entladen in einem Temperaturbereich von etwa 15 bis 35 °C betrieben. Das Einstellen der Zieltemperatur für das Entladen der Traktionsbatterie ermöglicht das Entladen der Traktionsbatterie bei hoher Leistung, während die Lebensdauer möglichst wenig beeinflusst wird. Die Lebensdauer der Traktionsbatterie nimmt mit steigender Temperatur ab, während die beim Entladen der Traktionsbatterie entnehmbare Leistung bei niedrigen Temperaturen abnimmt. Das Temperieren erfolgt somit derart, dass während des Entladens ein möglichst geringer Energieverbrauch für das Temperieren (Kühlen bzw. Heizen) aufgebracht werden muss, aber trotzdem die Traktionsbatterie nicht geschädigt wird oder Einschränkungen in der Leistung und der Lebensdauer der Traktionsbatterie minimiert werden.
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Beispielsweise kann die Traktionsbatterie eine Lithium-Ionenbatterie sein. Der Innenwiderstand einer Lithium-Ionenbatterie sinkt mit steigender Temperatur. Dadurch sinken Verluste, ein größerer Anteil der chemisch gespeicherten Energie kann entnommen werden. Die Traktionsbatterie kann abhängig von einer Umgebungstemperatur und einer Lastanforderung an die Traktionsbatterie beheizt oder gekühlt werden. Die Kühlung kann mittels einer Kompressionskälteanlage erfolgen. In Fällen in denen eine Solltemperatur für die Traktionsbatterie deutlich unterhalb der Umgebungstemperatur liegt, erfordert die Kühlung einen signifikanten Energieverbrauch.
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Das Einstellen der Zieltemperatur für das Laden der Traktionsbatterie kann ferner ermöglichen, den zu erwartenden Energieverbrauch für das Temperieren der Traktionsbatterie innerhalb des ersten ladepunktfreien Streckenabschnitts zu reduzieren. Insbesondere kann während dem Laden der Traktionsbatterie, die Traktionsbatterie mit steigendem Ladezustand zunehmend abgekühlt werden, beispielsweise auf 27 °C bei 35 % SoC und auf 23 °C bei 85% SoC. Innerhalb des ersten ladepunktfreien Streckenabschnitts kann die erforderliche Energiemenge für das Temperieren der Traktionsbatterie hierdurch reduziert werden. Damit wird während des Ladevorgangs die Temperatur der Traktionsbatterie reduziert (also Energie für die Kühlung investiert) und während des Entladens die Temperatur erhöht (also die Energie für die Kühlung der Batterie eingespart). Dies ist deswegen möglich, weil eine Traktionsbatterie von 50kWh eine thermische Kapazität von ca. 0,1 bis 0,2 kWh/K hat. Damit wird also beispielsweise bereits etwa 0,5 bis 1 Kilowattstunden beim Entladen, oder anders ausgedrückt 1-2% DoD, gespart.
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Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Ermitteln des Zielladezustands derart, dass der Ladezustand der Traktionsbatterie bei einem Einfahren in den nächsten Ladepunkt innerhalb des Ladezustandsbereichs (angestrebter Ladezustandsbereichs) liegt. Vorteilhafterweise liegt der Ladezustand der Traktionsbatterie während der gesamten Fahrt innerhalb des ersten ladepunktfreien Streckenabschnitts innerhalb des Ladezustandsbereichs. Beispielsweise kann das Ermitteln des Zielladezustands dazu führen, dass der Zielladezustands sich innerhalb eines oberen Bereichs des Ladezustandsbereichs befindet, wobei bei dem Einfahren in den nächsten Ladepunkt der Ladezustand der Traktionsbatterie innerhalb eines unteren Bereichs des Ladezustandsbereichs liegen kann.
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In einer Ausführungsform erfolgt das Ermitteln des ersten zu erwartenden Energieverbrauchs auf Basis einer Umgebungstemperatur. Das batteriebetriebene Schienenfahrzeug kann ein Batterieladungssystem aufweisen, das einen Sensor zum Erfassen der Umgebungstemperatur aufweist. Alternativ kann beispielsweise die Umgebungstemperatur an das Batterieladungssystem übermittelt werden. Die Umgebungstemperatur wirkt sich auf den ersten zu erwartenden Energieverbrauchs aus, insbesondere da ein Energieverbrauch der Hilfsbetriebe, wie das Heizen oder Klimatisieren des Fahrgastraums, erheblich von der Umgebungstemperatur abhängen kann.
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Das Ermitteln des ersten zu erwartenden Energieverbrauchs kann ferner auf Basis eines Nutzungsprofils erfolgen. Das Verfahren umfasst ferner das Ermitteln des Nutzungsprofils unter Berücksichtigung eines Streckenprofils für den ersten ladepunktfreien Streckenabschnitt. Das Streckenprofil weist die Höhenunterschiede und die Distanzen innerhalb des ersten ladepunktfreien Streckenabschnitts auf. Aus den Angaben zu den Höhenunterschieden und den Distanzen, und unter Berücksichtigung der angestrebten Fahrgeschwindigkeiten sowie eventuellen Beschleunigungs- und Abbremsvorgängen lässt sich der Energiebedarf für das Durchfahren des ersten ladepunktfreien Streckenabschnitts abschätzen.
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Das Ermitteln des Nutzungsprofils kann auf Basis diverser weiterer Faktoren erfolgen. Beispielsweise kann das Nutzungsprofil ferner unter Berücksichtigung eines Rekuperationsfaktors der Traktionsbatterie ermittelt werden, falls das batteriebetriebene Schienenfahrzeug für eine Nutzbremsung oder Rekuperationsbremsung eingerichtet ist. Der Rekuperationsfaktor kann dazu führen, dass der erste zu erwartende Energieverbrauch gering oder sogar negativ wird, beispielsweise wenn der Ladepunkt auf einem Berg liegt und der erste ladepunktfreie Streckenabschnitt einer Abwärtsfahrt mit hohem Bremsanteil entspricht. Das Nutzungsprofil kann unter Berücksichtigung anderer externer Faktoren als die Umgebungstemperatur ermittelt werden. Beispielsweise kann der externe Faktor ein Verkehrsaufkommen sein. Ein erhöhtes Verkehrsaufkommen kann längere Fahrtzeiten bewirken und den Energieverbrauch, insbesondere der Hilfsbetriebe, erhöhen. Das Nutzungsprofil kann beispielsweise auch unter Berücksichtigung eines Fahrstils eines Fahrzeugführers erfolgen. Der erste zu erwartende Energieverbrauch kann je nach Schulungsgrad des Lokomotivführers auf eine energieoptimierte Fahrweise abweichen. Das Nutzungsprofil kann auch unter Berücksichtigung eines Fahrplans erfolgen. Im Falle von Zeitreserven kann die Traktion des batteriebetriebenen Schienenfahrzeugs energieoptimiert erfolgen, und damit der erste zu erwartende Energieverbrauch sinken. Im Falle einer Verspätung kann eine energieineffiziente Fahrweise erforderlich sein, und damit der erste zu erwartende Energieverbrauch steigen.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Verfahren ferner den Schritt, Ermitteln einer Restzeit bis zu einem Einfahren in den ersten ladepunktfreien Streckenabschnitt auf. Die Restzeit ist von Bedeutung zum Ermitteln, welche Zeitdauer zum Laden der Traktionsbatterie bis zum Erreichen des Zieladezustands verbleibt. Das Verfahren kann ferner den Schritt Erstellen eines Ladeprofils zum Erreichen des Zielladezustands unter Berücksichtigung der Restzeit, aufweisen. Je nach verbleibender Restzeit kann ein Ladestrom angepasst werden, damit der Zieladezustand erreicht wird. Das Aufladen der Traktionsbatterie kann aus Effizienzgründen vorteilhafterweise innerhalb eines vorgegebenen Ladestrombereichs erfolgen. In einer Ausgestaltungsform erfolgt das Erstellen des Ladeprofils derart, dass der Ladestrom innerhalb des vorgegebenen Ladestrombereichs bleibt. Insbesondere kann ein maximaler Ladestrom auf die verfügbare Restladezeit angepasst werden, damit der Zieladezustand erreicht wird. Bevorzugt wird der Ladestrom auf ein Minimum begrenzt, sodass einerseits die verbleibende Restzeit ausreicht, um die Traktionsbatterie auf den Zielladezustand zu bringen und andererseits die Traktionsbatterie möglichst schonend geladen wird. Mit steigendem Ladestrom erhöht sich der schädigende Einfluss und führt zu einer beschleunigten Alterung der Traktionsbatterie. Zudem können begrenzende Faktoren für den Ladestrom, wie beispielsweise Strombegrenzungen der Oberleitung, berücksichtigt werden.
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Nach einem allgemeinen Aspekt kann eine Fahrt des batteriebetriebenen Schienenfahrzeugs eine Serie von Ladepunkten und ladepunktfreien Streckenabschnitten beinhalten. Nachfolgend werden Ausführungsformen anhand von einer Fahrt aufweisend zwei Ladepunkten und zwei ladepunktfreien Streckenabschnitten erläutert. Diese Ausführungsformen können in entsprechender Weise auf Fahrten mit drei und mehr Ladepunkten und/oder drei und mehr ladepunktfreien Streckenabschnitten angewendet werden. Die Benennung der Streckenabschnitte ist dabei folgendermaßen gewählt: auf den Ladepunkt folgt der erste ladepunktfreie Streckenabschnitt, auf den ersten ladepunktfreien Streckenabschnitt folgt der nächste Ladepunkt, hierauf folgt ein zweiter ladepunktfreier Streckenabschnitt, und hierauf wiederum folgt ein übernächster Ladepunkt, und so weiter.
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Bei einer Fahrt mit mehreren Ladepunkten und mehreren ladepunktfreien Streckenabschnitten kann das Verfahren ferner den Schritt, Ermitteln eines zweiten zu erwartenden Energieverbrauchs des batteriebetriebenen Schienenfahrzeugs für das Durchfahren eines nach dem nächsten Ladepunkt folgenden zweiten ladepunktfreien Streckenabschnitts bis zum Erreichen eines übernächsten Ladepunktes, aufweisen. Das Ermitteln des zweiten zu erwartenden Energieverbrauchs des batteriebetriebenen Schienenfahrzeugs kann in entsprechender Weise zu dem Ermitteln des ersten zu erwartenden Energieverbrauchs des batteriebetriebenen Schienenfahrzeugs erfolgen. Dies gilt für alle vorstehend erläuterten Ausführungsformen, insbesondere in Bezug auf das Nutzungsprofil und/oder das Streckenprofil, bezogen auf das Ermitteln des ersten zu erwartenden Energieverbrauchs des batteriebetriebenen Schienenfahrzeugs.
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Das Verfahren kann ferner den Schritt, Ermitteln einer Verweildauer innerhalb des nächsten Ladepunkts bis zu einem Einfahren in den zweiten ladepunktfreien Streckenabschnitt, aufweisen. Die Verweildauer im nächsten Ladepunkt kann als ein Analogon zu der Restzeit im Ladepunkt angesehen werden, mit dem Unterschied, dass die Verweildauer eine Gesamtdauer des batteriebetriebenen Schienenfahrzeugs innerhalb des nächsten Ladepunkts entspricht, während die Restzeit unter der Annahme, das Schienenfahrzeug ist bereits seit einiger Zeit innerhalb des Ladepunkts, die noch verbleibende Zeit bis zum Verlassen des Ladepunktes ist. Beispielsweise könnte das erfindungsgemäße Verfahren mit zeitlicher Verzögerung nach Erreichen des Ladepunkt ausgeführt werden oder aber das Verfahren könnte vor Erreichen des Ladepunkts ausgeführt werden. Das Ermitteln der zweiten zu erwartenden Energieverbrauchs und der Verweildauer bereits im Ladepunkt kann vor allem dann relevant sein, falls die Verweildauer eher kurz ist und möglicherweise nicht ausreicht, um die Traktionsbatterie derart aufzuladen, dass ausreichend Energie für das Durchfahren des zweiten ladepunktfreien Streckenabschnitts vorhanden ist. Insbesondere kann die Verweildauer zu kurz sein, um die Traktionsbatterie innerhalb des vorgegebenen Ladestrombereichs aufzuladen.
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Es kann daher vorteilhaft sein, beim Aufladen der Traktionsbatterie im Ladepunkt einen Vorhalt für das Durchfahren des zweiten ladepunktfreien Streckenabschnitts vorzusehen. Das Verfahren kann ferner den Schritt, Ermitteln des Zielladezustands ferner unter Berücksichtigung des zweiten zu erwartenden Energieverbrauchs und der Verweildauer, umfassen. Vorteilhafterweise kann hierdurch ermöglicht werden, dass auch bei einer eher kurzen Verweildauer ausreichend Energie für das Durchfahren des zweiten ladepunktfreien Streckenabschnitts durch die Traktionsbatterie bereitgestellt werden kann.
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In einer Ausgestaltungsform wird der Zielladezustand derart ermittelt, dass der Ladezustand der Traktionsbatterie bei einem Einfahren in den übernächsten Ladepunkt innerhalb des Ladezustandsbereichs liegt. Hierdurch wird ermöglicht, dass der Ladezustand der Traktionsbatterie sowohl im ersten ladepunktfreien Streckenabschnitt als auch im zweiten ladepunktfreien Streckenabschnitt weitgehend oder sogar vollständig innerhalb des Ladezustandsbereichs liegt. Das Ladeprofil zum Erreichen des Zielladezustands kann dabei unter Berücksichtigung der Restzeit und der Verweildauer erstellt werden. Das Ladeprofil kann dabei derart eingestellt werden, dass der Ladestrom sowohl im Ladepunkt als auch im nächsten Ladepunkt innerhalb eines vorgegebenen Ladestrombereichs bleibt.
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Das Verfahren kann ferner das Erfassen des Ladezustands der Traktionsbatterie umfassen. Das Batterieladungssystem kann beispielsweise einen Sensor zum Erfassen des Ladezustands der Traktionsbatterie aufweisen. Aus der Differenz zwischen dem Zielladezustand und einem derzeitigen Ladezustands der Traktionsbatterie kann eine benötigte Energiemenge ermittelt werden um den Zielladezustand zu erreichen.
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Gemäß einer Ausführungsform wird ein Batterieladungssystem für ein batteriebetriebenes Schienenfahrzeugs bereitgestellt. Das Batterieladungssystem weist eine Traktionsbatterie zum Betreiben des Schienenfahrzeugs und eine Kontrolleinheit auf. Die Kontrolleinheit ist dazu eingerichtet einen zu ersten erwartenden Energieverbrauch des batteriebetriebenen Schienenfahrzeugs für das Durchfahren eines ersten ladepunktfreien Streckenabschnitts bis zum Erreichen eines nächsten Ladepunktes zu ermitteln. Ferner ist die Kontrolleinheit dazu eingerichtet einen Zielladezustand der Traktionsbatterie unter Berücksichtigung eines Alterungszustandes der Traktionsbatterie und des ersten zu erwartenden Energieverbrauchs zu ermitteln. Die Kontrolleinheit ist konfiguriert, eine Zieltemperatur für das Laden der Traktionsbatterie einzustellen, und das Laden der Traktionsbatterie bis zum Erreichen des Zielladezustands zu kontrollieren.
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Die Kontrolleinheit kann dazu eingerichtet sein, alle vorstehend offenbarten Ausführungsformen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auszuführen. Insbesondere kann die Kontrolleinheit dazu eingerichtet sein, den Reservefaktor und/oder die Umgebungstemperatur und/oder das Nutzungsprofil und/oder den Ladezustandsbereich und/oder das Streckenprofil und/oder die Restzeit und/oder die Verweildauer und/oder den zweiten zu erwartenden Energieverbrauch und/oder den Ladestrom und/oder den Ladestrombereich zu bestimmen. Die Kontrolleinheit kann eine Recheneinheit zur Bestimmung der vorgenannten Komponenten aufweisen. Beispielsweise kann die Recheneinheit einen Datenspeicher mit Kartendaten zur Bestimmung des Streckenprofils aufweisen. Das Batterieladungssystem kann einen Sensor zum Erfassen des Ladezustands der Traktionsbatterie aufweisen. Die Kontrolleinheit kann dazu eingerichtet sein aus der Differenz zwischen dem Zielladezustand und einem derzeitigen Ladezustand der Traktionsbatterie eine benötigte Energiemenge zu ermitteln und das Laden der Traktionsbatterie bis zum Erreichen des Zielladezustands zu kontrollieren.
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Die Kontrolleinheit kann dazu eingerichtet sein einen Ladezustandsbereich unter Berücksichtigung des Alterungszustandes der Traktionsbatterie zu ermitteln, und den Zielladezustand innerhalb des Ladezustandsbereichs festzulegen.
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Das Batterieladungssystem kann ferner einen Sensor zur Erfassung der Umgebungstemperatur aufweisen. Die Kontrolleinheit kann dazu eingerichtet sein, den ersten zu erwartenden Energieverbrauchs auf Basis der Umgebungstemperatur und einem Nutzungsprofil zu ermitteln und das Nutzungsprofil unter Berücksichtigung eines Streckenprofils innerhalb des ersten ladepunktfreien Streckenabschnitts zu erhalten.
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Die Kontrolleinheit kann ferner dazu konfiguriert sein, eine Restzeit bis zu einem Einfahren in den ersten ladepunktfreien Streckenabschnitt zu ermitteln und dazu konfiguriert sein, ein Ladeprofil zum Erreichen des Zielladezustands unter Berücksichtigung der Restzeit zu ermitteln.
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Gemäß einer Ausführungsform wird ein Schienenfahrzeug bereitgestellt. Das Schienenfahrzeug weist ein Batterieladungssystem nach einem der hierin offenbarten Ausführungsformen auf.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen näher erläutert, ohne dass diese den durch die Ansprüche definierten Schutzbereich einschränken sollen.
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Die beiliegenden Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsformen und dienen zusammen mit der Beschreibung der Erläuterung der Prinzipien der Erfindung. Die Elemente der Zeichnungen sind relativ zueinander und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu.
- 1 zeigt schematisch einen zeitlichen Verlauf eines Ladezustands einer Traktionsbatterie innerhalb des Ladepunkts und innerhalb des ersten ladepunktfreien Streckenabschnitts.
- 2 zeigt schematisch einen zeitlichen Verlauf eines Ladezustands einer Traktionsbatterie innerhalb des Ladepunkts, innerhalb des ersten ladepunktfreien Streckenabschnitts, innerhalb des nächsten Ladepunkts, und innerhalb des zweiten ladepunktfreien Streckenabschnitts.
- 3 zeigt den Ladezustandsbereich einer neuen Traktionsbatterie.
- 4 zeigt den Ladezustandsbereich einer gealterten Traktionsbatterie.
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AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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1 zeigt schematisch einen zeitlichen Verlauf eines Ladezustands (SoC) einer Traktionsbatterie bei einer Fahrt in einem Streckenabschnitt, der einen Ladepunkt und einen ersten ladepunktfreien Streckenabschnitt umfasst. Die horizontalen, gepunkteten Linien stellen einen minimalen und einen maximalen Wert eines angestrebten Ladezustandsbereichs dar, in dem die Traktionsbatterie vorzugsweise betrieben werden soll, um die Alterung der Traktionsbatterie zu verringern. Die vertikal gepunktete Linie hebt den Übergang zwischen dem Ladepunkt und dem ersten ladepunktfreien Streckenabschnitt hervor.
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Der dargestellte Zielladezustand ist der Ladezustand der Traktionsbatterie zum Zeitpunkt des Einfahrens in den ladepunktfreien Streckenabschnitt. Der Ladepunkt kann einen Ort bezeichnen, an dem das Schienenfahrzeug zum Laden verweilt, oder einen elektrifizierten Streckenabschnitt, der vom Schienenfahrzeug durchfahren wird.
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Zu Beginn einer Restzeit im Ladepunkt ist der Ladezustand der Traktionsbatterie innerhalb des Ladezustandsbereichs, allerdings nicht ausreichend hoch zum Durchfahren eines ersten ladepunktfreien Streckenabschnitts bis zum Erreichen eines nächsten Ladepunktes. Beispielsweise kann sich das Schienenfahrzeug in einem elektrifizierten Teilabschnitt der Gesamtstrecke befinden. Dabei wird beispielsweise der Ladezustand der Traktionsbatterie ständig überwacht. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun vorausschauend abgeschätzt, wieviel Energie für den zu durchfahrenden ladepunktfreien Streckenabschnitt benötigt wird, um rechtzeitig mit dem Laden der Traktionsbatterie zu beginnen, ohne dass zu hohe Ladeströme erforderlich sind.
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Da Schienenfahrzeuge herstellerseitig gemäß Kundenanforderungen hergestellt werden, kann davon ausgegangen werden, dass die Gesamtkapazität der Traktionsbatterie grundsätzlich ausreichend hoch ist, um die erforderliche Energie bereitzustellen. Am einfachsten wäre es, die Traktionsbatterie immer maximal zu laden, da hierdurch sichergestellt wird, dass immer ausreichend Energie zur Verfügung steht. Allerdings führt ein ständiges Laden bis zum Maximalladezustand zu einer erhöhten Alterung der Traktionsbatterie, in deren Folge die von der Traktionsbatterie bereitgestellte Maximalkapazität rasch sinkt.
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Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, dies zu vermeiden. Dabei wird angestrebt, die Traktionsbatterie in einem „mittleren“ Bereich zu betreiben (Laden und Entladen), in dem die Belastung der Traktionsbatterie vergleichsweise gering ist. Dieser mittlere Bereich wird als Zielladezustandsbereich bezeichnet. Bei neuen Traktionsbatterien, bei denen die Maximalkapazität sehr hoch ist, kann der Zielladezustandsbereich vergleichsweise eng gewählt werden. Mit zunehmend sinkender Kapazität aufgrund der Alterung muss der Zielladezustandsbereich dagegen immer größer gewählt werden, damit die gleiche Energiemenge abgerufen werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren vermeidet daher insbesondere bei neuen Traktionsbatterien, dass diese einer beschleunigten Alterung aufgrund eines hohen Ladezustandes unterworfen sind.
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In der 3 ist der angestrebte Ladezustandsbereich für eine neue Traktionsbatterie gezeigt. Da die Gesamtkapazität noch sehr hoch ist, kann der Ladezustandsbereich noch relativ eng gewählt werden im Gegensatz zu einer bereits seit längerem im Betrieb befindlichen Traktionsbatterie. Deren Ladezustandsbereich ist in 4 dargestellt. Der Ladezustandsbereich für beide Traktionsbatterien überdeckt den gleichen Energieinhalt. Aufgrund der verringerten Gesamtkapazität durch die Alterung muss jedoch der Nutzungsbereich der Traktionsbatterie in 4 erweitert werden.
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Der in Abhängigkeit vom Alterungszustand gewählte Ladezustandsbereich kann auch als angestrebter Ladezustandsbereich bezeichnet werden.
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Es erfolgt zunächst eine Abschätzung eines ersten zu erwartenden Energieverbrauchs des batteriebetriebenen Schienenfahrzeugs für das Durchfahren des ersten ladepunktfreien Streckenabschnitts bis zum Erreichen eines nächsten Ladepunktes. Der erste zu erwartende Energieverbrauch soll dabei den Gesamtverbrauch umfassen, d.h. insbesondere den Energieverbrauch für die Traktion unter Berücksichtigung aktueller Anforderungen durch den Fahrplan, den Verbrauch durch Hilfseinrichtungen, z.B. Klimatisierung, sowie von Sicherheitszuschlägen für eventuelle unerwartete Ereignisse, beispielsweise außerplanmäßige Halte oder Verzögerungen.
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Für den Energieverbrauch für die Traktion sind insbesondere das Streckenprofil (Höhen, Anstiege, Streckenlänge, Abfahrten) sowie die angestrebten Fahrgeschwindigkeiten bei den einzelnen Teilabschnitten innerhalb des Streckenprofils von Bedeutung. Außerdem sind planmäßige Halte zu berücksichtigen. Zusätzlich können auch das individuelle Fahrverhalten des Schienenfahrzeugführers sowie aktuelle Fahrplananforderungen berücksichtigt werden.
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Darüber hinaus wird der Energiebedarf für die Klimatisierung und beispielsweise Beleuchtung abgeschätzt. Hierzu können die Außentemperatur ermittelt und die Lichtverhältnisse berücksichtigt werden.
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Schließlich ist auch für das Betreiben der Traktionsbatterie eine Klimatisierung erforderlich, um deren Temperatur in einem optimalen Bereich zu halten.
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Darüber hinaus kann der Rekuperationsfaktor berücksichtigt werden, der insbesondere auch vom Streckenprofil und den zu erwartenden Bremsvorgängen beeinflusst wird.
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Zusätzlich wird ein Reservefaktor einkalkuliert.
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Alles zusammen ergibt ein Nutzungsprofil für den ersten ladepunktfreien Streckenabschnitt, welches für die Abschätzung des ersten zu erwartenden Energieverbrauchs ermittelt wird.
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Weiterhin wird ein angestrebter Ladezustandsbereich festgelegt, der in Abhängigkeit des Alterungszustands der Traktionsbatterie ermittelt wurde. Der angestrebte Ladezustandsbereich soll dabei eine zu starke Belastung der Traktionsbatterie vermeiden.
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Nachdem der erste zu erwartende Energieverbrauch ermittelt wurde, wird die Traktionsbatterie derart im Ladepunkt aufgeladen, dass der Ladezustand der Traktionsbatterie ausreichend für das Durchfahren des ersten ladepunktfreien Streckenabschnitts bis zum Erreichen eines nächsten Ladepunktes ist. Der Zielladezustand wird dabei innerhalb des angestrebten Ladezustandsbereichs festgelegt. Der Zielladezustand wird weiterhin derart ermittelt worden, dass der Ladezustand der Traktionsbatterie auch beim Einfahren in den nächsten Ladepunkt noch innerhalb des Ladezustandsbereichs liegt. Damit werden Maximalzustände beim Laden und Entladen vermieden.
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Zur weiteren Verbesserung erfolgt das Laden bei einer die Traktionsbatterie nur gering belastenden Temperatur. Bei dieser Temperatur kann die Batterie effizient geladen werden. Bei höheren Temperaturen kann zwar eine Traktionsbatterie, insbesondere wenn es sich um eine Lithium-Ionen-Batterie handelt, schneller und mit geringeren Eigenverlusten geladen werden, dies führt jedoch zu einer stärkeren Belastung der Traktionsbatterie. Daher wird die Temperatur so eingestellt, dass das Laden effizient ist, jedoch nur zu einer geringen Belastung der Traktionsbatterie führt und der Energieverbrauch zum Temperieren gering ist. Günstig sind Temperaturen zwischen 15 - 35°C.
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2 zeigt schematisch einen zeitlichen Verlauf eines Ladezustands (SoC) einer Traktionsbatterie bei einer Fahrt in einem Streckenabschnitt, der einen Ladepunkt, einen auf den Ladepunkt folgenden ersten ladepunktfreien Streckenabschnitt, einen auf den ersten ladepunktfreien Streckenabschnitt folgenden nächsten Ladepunkt, und einen hierauf folgenden zweiten ladepunktfreien Streckenabschnitt umfasst. Die horizontalen, gepunkteten Linien stellen einen minimalen und einen maximalen Wert eines Ladezustandsbereichs dar. Die vertikal gepunkteten Linien heben die Übergänge zwischen den jeweiligen Streckenabschnitten hervor.
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Der dargestellte Zielladezustand ist der Ladezustand der Traktionsbatterie zum Zeitpunkt des Einfahrens in den ladepunktfreien Streckenabschnitt.
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Bei dieser Ausführungsform werden nicht nur der erste ladepunktfreie Streckenabschnitt sondern noch weitere Abschnitte berücksichtigt, denn auch für das Durchfahren des zweiten ladepunktfreien Streckenabschnitts muss die Traktionsbatterie ausreichend Energie zur Verfügung stellen. Sofern die Verweildauer im nächsten Ladepunkt, d.h. vor dem Einfahren in den zweiten ladepunktfreien Streckenabschnitt, ausreichend lang ist, stünde genügen Zeit für das Laden zur Verfügung. Wenn jedoch die Verweildauer im nächsten Ladepunkt nur kurz ist, reicht die Verweildauer alleine nicht aus, um die Traktionsbatterie für das Durchfahren des zweiten ladepunktfreien Streckenabschnitts zu laden. Daher müssen bereits beim Laden der Traktionsbatterie im (ersten) Ladepunkt sowohl der Energieverbrauch für das Durchfahren des ersten und zweiten ladepunktfreien Streckenabschnitts (erster zu erwartender Energieverbrauch und zweiter zu erwartender Energieverbrauch) als auch ein Teilladen während des Aufenthalts im nächsten Ladepunkt berücksichtigt werden.
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Zu Beginn einer Restzeit im Ladepunkt ist der Ladezustand der Traktionsbatterie innerhalb des angestrebten Ladezustandsbereichs, allerdings nicht ausreichend zum Durchfahren eines ersten ladepunktfreien Streckenabschnitts bis zum Erreichen eines nächsten Ladepunktes.
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Zusätzlich sind ein zweiter zu erwartender Energieverbrauch des batteriebetriebenen Schienenfahrzeugs für das Durchfahren des zweiten ladepunktfreien Streckenabschnitts bis zum Erreichen eines übernächsten Ladepunktes und eine Verweildauer innerhalb des nächsten Ladepunkts bis zu einem Einfahren in den zweiten ladepunktfreien Streckenabschnitt ermittelt worden. Die Verweildauer im nächsten Ladepunkt ist allerdings zu kurz, um die Traktionsbatterie für den zweiten ladepunktfreien Streckenabschnitt ausreichend aufzuladen.
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Der Zielladezustand ist daher sowohl unter Berücksichtigung des ersten zu erwartenden Energieverbrauchs, des zweiten zu erwartenden Energieverbrauchs und der Verweildauer ermittelt worden. Insbesondere ist die Traktionsbatterie derart im Ladepunkt aufgeladen worden, dass ausreichend Energie für den zweiten ladepunktfreien Streckenabschnitt vorhanden ist. Der Zielladezustand ist derart ermittelt worden, dass der Ladezustand der Traktionsbatterie beim Einfahren in den übernächsten Ladepunkt innerhalb des Ladezustandsbereichs liegt.
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Wenngleich hierin spezifische Ausführungsformen dargestellt und beschrieben worden sind, liegt es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, die gezeigten Ausführungsformen geeignet zu modifizieren, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
