-
Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Fahrzeug, insbesondere ein Schienenfahrzeug, mit einem solchen Antriebssystem.
-
Im Bereich der Schienenfahrzeugtechnik sind Eisenbahnzüge bekannt, die über Stromabnehmer an ein streckenseitiges Energieversorgungsnetz anschließbar sind. Die Stromabnehmer stehen über netzseitige Umrichter mit dem Gleichspannungszwischenkreis und über diesen und antriebsseitige Umrichter mit dem Fahrzeugantrieb in Verbindung. Der Gleichspannungszwischenkreis bildet somit eine elektrische Zwischenkomponente zwischen der Netzseite bzw. dem streckenseitigen Energieversorgungsnetz einerseits und der Antriebsseite bzw. den antriebsseitigen Umrichtern und dem Antrieb andererseits.
-
Darüber hinaus ist es bekannt, an den Gleichspannungszwischenkreis Batterien anzuschließen, die beispielsweise dazu dienen können, einen Zugbetrieb in nichtelektrifizierten Streckenabschnitten zu ermöglichen. Die Batterien sind bei heutzutage im Einsatz befindlichen Eisenbahnzügen jeweils über Gleichspannungssteller an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen. Die Funktion der Gleichspannungssteller besteht darin, den Energiefluss zwischen dem Gleichspannungszwischenkreis und der jeweils zugehörigen Batterie zu regeln und einen batteriekonformen Batteriebetrieb, also einen gemäß den jeweils optimalen Betriebsparametern der jeweiligen Batterie, zu gewährleisten.
-
Um einen autarken Fahrbetrieb auch in längeren Streckenabschnitten zu ermöglichen, werden Batterien mit besonders gro-ßer Kapazität eingesetzt, die auch als Hochenergiebatterien bezeichnet werden können. Solche Hochenergiebatterien zeichnen sich durch eine hohe Speicherfähigkeit aus, jedoch sollten hohe Leistungsspitzen oder hohe Leistungsänderungen wegen der Gefahr vorzeitiger Alterung vermieden werden.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Antriebssystem eines Fahrzeugs der beschriebenen Art mit Blick auf die Energiespeicherung weiterzuentwickeln.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Antriebssystem sowie ein Fahrzeug mit den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausgestaltungen sind in Unteransprüchen angegeben.
-
Danach ist erfindungsgemäß ein Antriebssystem für ein Fahrzeug vorgesehen mit einem Gleichspannungszwischenkreis und zumindest einer Batterie erster Bauart, deren Batterieanschlüsse mittelbar über einen Gleichspannungssteller mit dem Gleichspannungszwischenkreis elektrisch verbunden sind. Zumindest eine Batterie zweiten Bauart ist mit ihren Batterieanschlüssen unmittelbar, also ohne Gleichspannungssteller, mit dem Gleichspannungszwischenkreis elektrisch verbunden. Die erste und zweite Bauart der Batterien unterscheiden sich dabei voneinander.
-
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Antriebssystems basiert auf dem erfindungsgemäßen Konzept, Batterien unterschiedlicher Bauart in unterschiedlicher Verschaltung an den Gleichspannungszwischenkreis anzuschließen. Bei Batterien, die über einen Gleichspannungssteller an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen sind, also den Batterien der ersten Bauart, kann eine Optimierung des Batteriedesigns ausschließlich mit Blick auf die Eigenschaft als Hochenergiebatterie erfolgen, also mit Blick auf eine besonders hohe Energiespeicherfähigkeit bei hoher Lebensdauer. Bei Batterien, die ohne einen Gleichspannungssteller an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen sind, also den Batterien der zweiten Bauart, kann eine Optimierung des Batteriedesigns mit einem anderen Ziel erfolgen; beispielweise können diese Batterien als Hochleistungsbatterien ausgestaltet werden, die gezielt hohe Ströme liefern oder aufnehmen können und mit hohen Stromänderungen und Leistungsspitzen zurechtkommen. Das Maß der Energiespeicherfähigkeit kann bei der zweiten Bauart eine untergeordnete Rolle spielen.
-
Der erfinderische Gedanke besteht also in dem parallelen Einsatz zweier unterschiedlicher Batterietypen in unterschiedlicher Verschaltung, nämlich mit und ohne Zwischenschaltung von Gleichspannungsstellern, wodurch eine Arbeitsteilung ermöglicht wird: Die Batterien der zweiten Bauart dienen für die dynamischen Prozesse, also für die Abgabe hoher Batterieströme mit großen Leistungsspitzen beim Beschleunigen und die Aufnahme hoher Batterieströme mit großen Leistungsspitzen beim Bremsen; die Batterien der ersten Bauart können für den vergleichsweise statischen Betrieb herangezogen werden und die Gleichspannungszwischenkreisspannung durch Nachladen oder Entladen der Batterie(n) zweiter Bauart im zeitlichen Mittel konstant halten.
-
Durch den erfindungsgemäß vorgesehenen direkten Anschluss der Batterien zweiter Bauart werden erfindungsgemäß darüber hinaus die elektrischen Verluste in den Hochstrom- bzw. Hochleistungsphasen bzw. in besonders dynamischen Phasen mit starken Leistungsspitzen reduziert. Dies liegt an dem unmittelbaren stellerfreien Anschluss der Batterien zweiter Bauart an den Gleichspannungszwischenkreis. In diesem Zusammenhang ist beispielsweise der sehr einflussreiche Drosselwiderstand der in den Gleichspannungsstellern üblicherweise vorhandenen Drosseln zu nennen, die zu ohmschen Verlusten führen, die mit dem Batteriestrom quadratisch ansteigen; solche mit dem Batteriestrom quadratisch ansteigenden Verluste treten bei einem stellerfreien Anschluss schlicht nicht auf.
-
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Konzepts besteht in der Einsparung von Komponenten, da die Batterien der zweiten Bauart unmittelbar an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen werden, sodass Anschlusskomponenten wie beispielsweise Gleichspannungssteller und deren Komponenten eingespart werden können.
-
Noch ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Konzepts besteht in der Möglichkeit, die für den Anschluss der Batterien erster Bauart vorgesehenen Gleichspannungssteller kleiner als sonst nötig zu dimensionieren, wodurch Kosten und Material eingespart werden; denn die Batterien der ersten Bauart können anders als die Batterien der zweiten Bauart mit vergleichsweise kleinen Batterieströmen geladen oder entladen werden, weil der Hochleistungsbetrieb von den Batterien der zweiten Bauart übernommen wird.
-
Bezüglich der beiden Bauarten wird es mit Blick auf deren unterschiedliche Aufgaben als vorteilhaft angesehen, wenn die maximal zulässige Strom- und Leistungsänderungsrate bei der zweiten Bauart größer als bei der ersten Bauart dimensioniert ist. Durch diese Ausgestaltung lässt sich in einfacher Weise erreichen, dass die mittelbar über Gleichspannungssteller angeschlossenen Batterien von den unmittelbar angeschlossenen Batterien vor Leistungsspitzen abgeschirmt werden können. Entsprechend ist es auch von Vorteil, wenn der maximal zulässige Batteriestrom und die maximal zulässige Leistung bei der zweiten Bauart größer als bei der ersten Bauart bemessen sind.
-
Besonders vorteilhaft ist es, wenn gilt
wobei
(dI2/dt)_max die maximal zulässige Stromänderung für Batterien der zweiten Bauart beschreibt,
(dI1/dt)_max die maximal zulässige Stromänderung für Batterien der ersten zweiten Bauart beschreibt,
(dP2/dt)_max die maximal zulässige Leistungsänderung für Batterien der zweiten Bauart beschreibt,
(dP1/dt)_max die maximal zulässige Leistungsänderung für Batterien der ersten Bauart beschreibt,
I2max den maximal zulässigen Batteriestrom für Batterien der zweiten Bauart beschreibt,
I1max den maximal zulässigen Batteriestrom für Batterien der ersten Bauart beschreibt,
P2max die maximal zulässige Leistung für Batterien der zweiten Bauart beschreibt,
Plmax die maximal zulässige Leistung für Batterien der ersten Bauart beschreibt.
-
F1 bis F4 sind Dimensionierungsfaktoren, für die vorzugsweise gilt:
-
Um den Gleichspannungsstellern eine ausreichende Spannungsregelreserve zur Verfügung zu stellen, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Klemmenspannung bei den Batterien der ersten Bauart kleiner ist als eine von der Gleichspannungszwischenkreisspannung abhängige Maximalschwelle.
-
Die Maximalschwelle entspricht vorzugsweise der betrieblich vorgesehenen minimalen Gleichspannungszwischenkreisspannung und damit der betrieblich vorgesehenen kleinsten Klemmenspannung der Batterien der zweiten Bauart abzüglich eines Margenwerts.
-
Der Margenwert Um wird bei einer bevorzugten Ausgestaltung festgelegt gemäß:
wobei I1max den zulässige Maximalstrom bei der ersten Bauart, R1i den Innenwiderstand der Batterien der ersten Bauart und Rd einen vom Batteriestrom durchflossenen Drosselwiderstand des Gleichspannungsstellers definiert.
-
Zusätzlich kann der Margenwert Um noch einen Sicherheitsfaktor berücksichtigen und beispielsweise festgelegt werden gemäß:
wobei SF den Sicherheitsfaktor bezeichnet, der beispielsweise 1,1 betragen und einem Margenzuschlag von 10 % entsprechen kann.
-
Mit anderen Worten wird es also als vorteilhaft angesehen, wenn die Klemmenspannung bei den Batterien der ersten Bauart kleiner ist als die minimale Gleichspannungszwischenkreisspannung abzüglich eines Margenwerts, der mindestens so groß ist wie das Produkt aus dem Maximalstrom der ersten Batteriebauart und der Widerstandsumme aus dem Batterieinnenwiderstand der ersten Batteriebauart und dem vom Batteriestrom durchflossenen Drosselwiderstand des Gleichspannungsstellers.
-
Die Nominalspannung der Batterie der zweiten Bauart ist vorzugsweise mit der Nominalspannung des Gleichspannungszwischenkreises identisch.
-
Die Nominalspannung der Batterie der ersten Bauart ist vorzugsweise kleiner als die Nominalspannung des Gleichspannungszwischenkreises sowie kleiner als die Nominalspannung der Batterie der zweiten Bauart.
-
Die Anpassung der beiden Bauarten an ihre jeweiligen individuellen Anforderungen lässt sich in besonders einfacher Weise erreichen, wenn sich die erste und zweite Bauart hinsichtlich der Zellchemie der Batteriezellen unterscheiden.
-
Die nominale Einzelzellenspannung der Batteriezellen ist bei der zweiten Bauart vorzugsweise größer als die nominale Einzelzellenspannung der Batteriezellen bei der ersten Bauart.
-
Die Zellenzahl der Batteriezellen ist bei der zweiten Bauart vorzugsweise größer als bei der ersten Bauart.
-
Mit Blick auf die Aufgabe der Batterie der ersten Bauart, den Gleichspannungszwischenkreis in einem großen Energiefenster nach- und entladen zu können, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Energiespeicherfähigkeit bei der ersten Bauart deutlich größer als die Energiespeicherfähigkeit bei der zweiten Bauart ist. Vorzugsweise ist die Energiespeicherfähigkeit bei der ersten Bauart mindestens 10-mal größer als bei der zweiten Bauart.
-
Die maximale Leistungsfähigkeit der Batterie der zweiten Bauart ist vorzugsweise derart gewählt, dass diese bei Beschleunigungsvorgängen des Fahrzeugs die erforderliche Beschleunigungsleistung allein bereitstellen kann und bei Bremsvorgängen des Fahrzeugs die Bremsleistung allein aufnehmen kann.
-
Die Leistungsfähigkeit der Batterie der ersten Bauart ist vorzugsweise kleiner als die Leistungsfähigkeit der Batterie der zweiten Bauart; die Batterie der ersten Bauart kann vorzugsweise weder die Beschleunigungsleistung bereitstellen noch die Bremsleistung aufnehmen.
-
Batterien im Sinne der obigen Ausführungsbeispiele sind Energiespeicher, die Energie auf elektrochemischer Basis in Batteriezellen speichern. Batterien umfassen vorzugsweise eine Vielzahl an elektrochemischen Batteriezellen, die miteinander in Reihe und/oder parallel geschaltet sind.
-
Batterien im Sinne der obigen Ausführungsbeispiele unterscheiden sich somit von Superkondensatoren oder Supercaps beispielsweise darin, dass Supercaps physikalische Energiespeicher und Batterien chemische Energiespeicher sind. Bei Supercaps wird die Energie in Form eines elektrischen Feldes gespeichert. Es findet kein Ladungstransfer innerhalb des Supercaps statt. Bei Batterien hingegen gibt es einen Ladungsaustausch innerhalb der Batterie zwischen den Polen und die Elektronen binden sich chemisch an das entsprechende Kathodenmaterial.
-
Bezüglich eines möglichen Netzbetriebs des Fahrzeugs wird es als vorteilhaft angesehen, wenn ein Stromabnehmer zum Anschluss an ein streckenseitiges Energieversorgungsnetz vorhanden ist, ein netzseitiger Umrichter den Stromabnehmer mit dem Gleichspannungszwischenkreis verbindet und an den Gleichspannungszwischenkreis außerdem ein antriebsseitiger Umrichter angeschlossen ist, der mit einem fahrzeugseitigen Antrieb in Verbindung steht und durch den Gleichspannungszwischenkreis und den netzseitigen Umrichter mit dem Energieversorgungsnetz verbindbar ist.
-
Bei dem Fahrzeug handelt es sich vorzugsweise um ein ein- oder mehrgliedriges Schienenfahrzeug, beispielsweise in Form eines Eisenbahnzugs des Nah- oder Fernverkehrs, oder um ein schienenungebundenes Oberleitungsfahrzeug, beispielsweise in Form eines Oberleitungsbusses.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft
- 1 Bestandteile eines ersten Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Schienenfahrzeug in einer schematischen Seitenansicht, und
- 2 Bestandteile eines zweiten Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Schienenfahrzeug in einer schematischen Seitenansicht.
-
In den Figuren werden der Übersicht wegen für identische oder vergleichbare Komponenten dieselben Bezugszeichen verwendet.
-
Die 1 zeigt Bestandteile eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes elektrisches Fahrzeug 10 näher im Detail. Das Fahrzeug 10 ist mit einem Stromabnehmer 11 ausgestattet, der in ausgefahrener bzw. aktiver Stellung einen Anschluss an ein streckenseitiges Energieversorgungsnetz 20 ermöglicht.
-
Der Stromabnehmer 11 ist über einen Transformator 12 an einen netzseitigen Umrichter 13 angeschlossen, der den Stromabnehmer 11 mit einem Gleichspannungszwischenkreis 14 verbindet. Bei dem netzseitigen Umrichter 13 handelt es sich vorzugsweise um einen Vierquadrantensteller.
-
Auf der in der 1 rechten Seite ist an den Gleichspannungszwischenkreis 14 ein antriebsseitiger Umrichter 15 angeschlossen, bei dem es sich beispielsweise um einen Pulswechselrichter handeln kann. Der antriebsseitige Umrichter 15 schließt einen fahrzeugseitigen elektrischen Antrieb 16 an den Gleichspannungszwischenkreis 14 an.
-
An den Gleichspannungszwischenkreis 14 sind außerdem eine erste Batterie 50 und eine zweite Batterie 60 angeschlossen.
-
Die erste Batterie 50 ist mittelbar über einen Gleichspannungssteller 70 (DC/DC-Steller) an den Gleichspannungszwischenkreis 14 angeschlossen. Der Gleichspannungssteller 70 enthält unter anderem eine Schalteinheit 71 und eine interne Drossel 72, die vom Batteriestrom I1 der ersten Batterie 50 durchflossen wird. Der ohmsche Drosselwiderstand der Drossel 72 führt zu ohmschen Verlusten, die quadratisch mit dem Batteriestrom I1 ansteigen.
-
Die zweite Batterie 60 ist im Unterschied zur ersten Batterie 50 mit ihren Batterieanschlüssen unmittelbar an den Gleichspannungszwischenkreis 14 angeschlossen, also ohne Gleichspannungssteller 70 bzw. stellerfrei. Die zweite Batterie 60 und der Gleichspannungszwischenkreis 14 sind also elektrisch parallel geschaltet, sodass die Klemmenspannung U2 der zweiten Batterie 60 stets der Zwischenkreisspannung Uzk des Gleichspannungszwischenkreises 14 entspricht.
-
Bei der ersten und zweiten Batterie 50,60 handelt es sich um Batterien unterschiedlicher Bauart: Die erste Batterie 50 entspricht einer ersten Bauart und die zweite Batterie 60 einer davon verschiedenen zweiten Bauart.
-
Die erste Batterie 50 ist eine Hochenergiebatterie, die eine besonders hohe Energiespeicherfähigkeit aufweist. Die Energiespeicherfähigkeit der ersten Batterie 50 ist größer als die der zweiten Batterie 60.
-
Die zweite Batterie 60 ist eine Hochleistungsbatterie, die gezielt hohe Ströme liefern und aufnehmen kann und auch mit hohen Strom- und Leistungsänderungen, also Leistungsspitzen, zurecht kommt; das Maß der Energiespeicherfähigkeit spielt bei der zweiten Batterie 60 eine eher untergeordnete Rolle, da die Gesamtenergiemenge primär von der ersten Batterie 50 gespeichert wird.
-
Die erste Batterie 50 und die zweite Batterie 60 führen eine Art Arbeitsteilung durch: Die zweite Batterie 60 reagiert aufgrund der Parallelschaltung automatisch und ohne weitere äußere Ansteuerung auf die dynamischen Prozesse und kompensiert durch die Abgabe hoher Batterieströme hohe Leistungsspitzen beim Beschleunigen des Fahrzeugs 10 und durch die Aufnahme hoher Batterieströme hohe Leistungsspitzen beim Bremsen des Fahrzeugs 10.
-
Die erste Batterie 50 dient primär im statischen Betrieb zum Nachladen oder Entladen der zweiten Batterie 60, damit deren Spannung und die Zwischenkreisspannung Uzk des Gleichspannungszwischenkreises 14 im zeitlichen Mittel konstant gehalten werden. Die Ansteuerung der Schalteinheit 71 des Gleichspannungsstellers 70 erfolgt vorzugsweise durch eine interne oder externe Steuereinrichtung 73 des Gleichspannungsstellers 70.
-
Die Steuereinrichtung 73 dient dazu, durch Ansteuerung der Schalteinheit 71 das Laden und Entladen der zweiten Batterie 60 derart zu regeln, dass die Zwischenkreisspannung in vorgegebenen Grenzen bleibt und die Spannungsdifferenz zwischen der Zwischenkreisspannung und der Spannung der ersten Batterie stets so groß bleibt, dass eine ausreichende Regelreserve für die Arbeit des Gleichspannungsstellers zur Verfügung steht.
-
Die Nominalspannung der ersten Batterie 50 ist vorzugsweise kleiner als die Nominalspannung der zweiten Batterie 60. Zu diesem Zweck kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die nominale Einzelzellenspannung der Batteriezellen der zweiten Batterie 60 größer als die nominale Einzelzellenspannung der Batteriezellen der ersten Batterie 50 ist. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Zellenzahl der Batteriezellen bei der zweiten Batterie 60 größer als bei der ersten Batterie 50 ist. Die Zellenzahl der Batteriezellen beträgt sowohl bei der ersten Bauart als auch der zweiten Bauart vorzugsweise jeweils mindestens 100.
-
Die Nominalspannung der zweiten Batterie 60 ist vorzugsweise mit der Nominalspannung des Gleichspannungszwischenkreises 14 identisch. Die Nominalspannung der ersten Batterie 50 ist vorzugsweise kleiner als die Nominalspannung des Gleichspannungszwischenkreises 14.
-
Die erste und zweite Batterie 50 unterscheiden sich vorzugsweise hinsichtlich ihrer Zellchemie, damit sie hinsichtlich ihrer unterschiedlichen Aufgabenstellungen jeweils individuell optimiert werden können.
-
Um dem Gleichspannungssteller 70 eine ausreichende Spannungsregelreserve zur Verfügung zu stellen, wird die Klemmenspannung U1 der ersten Batterie 50 vorzugsweise deutlich kleiner als die Zwischenkreisspannung Uzk eingestellt. Vorteilhaft ist, wenn gilt:
wobei U1 die Klemmenspannung der ersten Batterie 50, U2 die Klemmenspannung der zweiten Batterie 60, Uzk die Zwischenkreisspannung Uzk des Gleichspannungszwischenkreises 14, I1max den maximalen Batteriestrom der ersten Batterie 50, R1i den Innenwiderstand der ersten Batterie 50 und Rd den ohmschen Drosselwiderstand der Drossel 72 des Gleichspannungsstellers 70 bezeichnet.
-
Die 2 zeigt Bestandteile eines zweiten Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Fahrzeug 10. Während bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 an den Gleichspannungszwischenkreis 14 genau zwei Batterien angeschlossen sind, nämlich die erste Batterie 50 als einzige Batterie erster Bauart und die zweite Batterie 60 als einzige Batterie zweiter Bauart, sind bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 an den Gleichspannungszwischenkreis 14 zusätzlich eine oder mehr weitere Batterien 100 der ersten Bauart und eine oder mehr weitere Batterien 200 der zweiten Bauart angeschlossen. Im Übrigen gelten die obigen Erläuterungen im Zusammenhang mit der 1 bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 entsprechend.
-
Abschließend sei erwähnt, dass die Merkmale aller oben beschriebenen Ausführungsbeispiele untereinander in beliebiger Weise kombiniert werden können, um weitere andere Ausführungsbeispiele der Erfindung zu bilden.
