DE102022211546A1 - Drive system for a vehicle - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Antriebssystem für ein Fahrzeug, wobei das Antriebssystem zumindest aufweist einen Gleichspannungszwischenkreis, zumindest eine Batterie erster Bauart, wobei deren Batterieanschlüsse mittelbar über einen Gleichspannungssteller mit dem Gleichspannungszwischenkreis elektrisch verbunden sind, zumindest eine Batterie zweiter Bauart, wobei deren Batterieanschlüsse unmittelbar mit dem Gleichspannungszwischenkreis elektrisch verbunden sind, wobei sich die erste und zweite Bauart der Batterien voneinander unterscheiden.The invention relates to a drive system for a vehicle, wherein the drive system has at least one DC voltage intermediate circuit, at least one battery of the first type, wherein the battery terminals thereof are indirectly electrically connected to the DC voltage intermediate circuit via a DC voltage controller, at least one battery of the second type, wherein the battery terminals thereof are directly electrically connected to the DC voltage intermediate circuit, wherein the first and second types of batteries differ from one another.

Description

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.The invention relates to an electric drive system for a vehicle. The invention also relates to a vehicle, in particular a rail vehicle, with such a drive system.

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.In the field of rail vehicle technology, railway trains are known that can be connected to a track-side power supply network via current collectors. The current collectors are connected to the DC intermediate circuit via network-side converters and, via this and drive-side converters, to the vehicle drive. The DC intermediate circuit thus forms an electrical intermediate component between the network side or the track-side power supply network on the one hand and the drive side or the drive-side converters and the drive on the other.

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.In addition, it is known to connect batteries to the DC intermediate circuit, which can be used, for example, to enable train operation on non-electrified sections of track. In railway trains in use today, the batteries are connected to the DC intermediate circuit via DC voltage controllers. The function of the DC voltage controllers is to regulate the energy flow between the DC intermediate circuit and the respective associated battery and to ensure battery-compliant battery operation, i.e. according to the optimal operating parameters of the respective battery.

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.In order to enable autonomous driving even over longer distances, batteries with a particularly high capacity are used, which can also be referred to as high-energy batteries. Such high-energy batteries are characterized by a high storage capacity, but high power peaks or large changes in power should be avoided due to the risk of premature aging.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Antriebssystem eines Fahrzeugs der beschriebenen Art mit Blick auf die Energiespeicherung weiterzuentwickeln.The invention is based on the object of further developing the drive system of a vehicle of the type described with regard to energy storage.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Antriebssystem sowie ein Fahrzeug mit den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausgestaltungen sind in Unteransprüchen angegeben.This object is achieved according to the invention by a drive system and a vehicle with the respective features of the independent patent claims. Embodiments are specified in subclaims.

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.According to the invention, a drive system for a vehicle is provided with a direct current intermediate circuit and at least one battery of the first type, the battery connections of which are indirectly electrically connected to the direct current intermediate circuit via a direct current controller. At least one battery of the second type is electrically connected with its battery connections directly, i.e. without a direct current controller, to the direct current intermediate circuit. The first and second types of batteries differ from one another.

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.A significant advantage of the drive system according to the invention is based on the inventive concept of connecting batteries of different types in different circuits to the DC intermediate circuit. In the case of batteries that are connected to the DC intermediate circuit via a DC voltage regulator, i.e. batteries of the first type, the battery design can be optimized exclusively with a view to the property as a high-energy battery, i.e. with a view to a particularly high energy storage capacity with a long service life. In the case of batteries that are connected to the DC intermediate circuit without a DC voltage regulator, i.e. batteries of the second type, the battery design can be optimized with a different goal in mind; for example, these batteries can be designed as high-performance batteries that can specifically supply or absorb high currents and can cope with high current changes and power peaks. The degree of energy storage capacity can play a subordinate role in the second type.

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.The inventive idea therefore consists in the parallel use of two different battery types in different circuits, namely with and without the interposition of DC voltage regulators, which enables a division of labor: the batteries of the second type are used for the dynamic processes, i.e. for the delivery of high battery currents with large power peaks during acceleration and the absorption of high battery currents with large power peaks during braking; the batteries of the first type can be used for comparatively static operation and keep the DC intermediate circuit voltage constant on average over time by recharging or discharging the battery(s) of the second type.

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.The direct connection of the second type of batteries provided for in the invention also reduces the electrical losses in the high current or high power phases or in particularly dynamic phases with strong power peaks. This is due to the direct, controller-free connection of the second type of batteries to the DC voltage. voltage intermediate circuit. In this context, for example, the very influential choke resistance of the chokes usually present in the DC voltage controllers should be mentioned, which lead to ohmic losses that increase quadratically with the battery current; such losses that increase quadratically with the battery current simply do not occur with a controller-free connection.

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.A further advantage of the inventive concept is the saving of components, since the batteries of the second type are connected directly to the DC voltage intermediate circuit, so that connection components such as DC voltage controllers and their components can be saved.

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.Yet another advantage of the concept according to the invention is the possibility of dimensioning the DC voltage controllers provided for connecting the batteries of the first type smaller than would otherwise be necessary, thereby saving costs and material; because the batteries of the first type can, unlike the batteries of the second type, be charged or discharged with comparatively small battery currents because the high-performance operation is taken over by the batteries of the second type.

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.With regard to the two designs, it is considered advantageous, in view of their different tasks, if the maximum permissible current and power change rate is larger in the second design than in the first design. This design makes it easy to ensure that the batteries connected indirectly via DC voltage regulators can be shielded from power peaks by the directly connected batteries. Accordingly, it is also advantageous if the maximum permissible battery current and the maximum permissible power are larger in the second design than in the first design.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn gilt $$\left(\text{dI}2\text{/dt}\right)\_\text{max}>\left(\text{dI}1\text{/dt}\right)\_\text{max}*\text{F}1$$

$$\left(\text{dP}2\text{/dt}\right)\_\text{max}>\left(\text{dP}1\text{/dt}\right)\_\text{max}*\text{F}2$$

$$\text{I}2\text{max}>\text{I}1\text{max}*\text{F}3$$

$$\text{P}2\text{max}>\text{P}1\text{max}*\text{F}4$$

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.It is particularly advantageous if $$\left(\text{dI}2\text{/eng}\right)\_\text{Max}>\left(\text{<figure-callout id="1" label="dI" filenames="DE102022211546A1\_0014.png" state="{{state}}">dI</figure-callout>}1\text{/eng}\right)\_\text{Max}*\text{<figure-callout id="1" label="F" filenames="DE102022211546A1\_0014.png" state="{{state}}">F</figure-callout>}1$$

$$\left(\text{dP}2\text{/eng}\right)\_\text{Max}>\left(\text{<figure-callout id="1" label="dP" filenames="DE102022211546A1\_0014.png" state="{{state}}">dP</figure-callout>}1\text{/eng}\right)\_\text{Max}*\text{F}2$$

$$\text{I}2\text{Max}>\text{I}1\text{Max}*\text{F}3$$

$$\text{P}2\text{Max}>\text{<figure-callout id="1" label="P" filenames="DE102022211546A1\_0014.png" state="{{state}}">P</figure-callout>}1\text{Max}*\text{F}4$$

where
(dI2/dt)_max describes the maximum permissible current change for batteries of the second type,
(dI1/dt)_max describes the maximum permissible current change for batteries of the first and second type,
(dP2/dt)_max describes the maximum permissible power change for batteries of the second type,
(dP1/dt)_max describes the maximum permissible power change for batteries of the first type,
I2max describes the maximum permissible battery current for batteries of the second type,
I1max describes the maximum permissible battery current for batteries of the first type,
P2max describes the maximum permissible power for batteries of the second type,
Plmax describes the maximum permissible power for batteries of the first type.

F1 bis F4 sind Dimensionierungsfaktoren, für die vorzugsweise gilt: $$10<\text{F}1<100$$

$$10<\text{F}2<100$$

$$10<\text{F}3<100$$

$$10<\text{F}4<100$$

F1 to F4 are dimensioning factors, for which the following preferably applies: $$10<\text{<figure-callout id="1" label="F" filenames="DE102022211546A1\_0014.png" state="{{state}}">F</figure-callout>}1<100$$

$$10<\text{F}2<100$$

$$10<\text{F}3<100$$

$$10<\text{F}4<100$$

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.In order to provide the DC voltage controllers with a sufficient voltage control reserve, it is considered advantageous if the terminal voltage of the batteries of the first type is smaller than a maximum threshold dependent on the DC intermediate circuit voltage.

Die Maximalschwelle entspricht vorzugsweise der betrieblich vorgesehenen minimalen Gleichspannungszwischenkreisspannung und damit der betrieblich vorgesehenen kleinsten Klemmenspannung der Batterien der zweiten Bauart abzüglich eines Margenwerts.The maximum threshold preferably corresponds to the operationally intended minimum DC link voltage and thus to the operationally intended smallest terminal voltage of the batteries of the second type less a margin value.

Der Margenwert Um wird bei einer bevorzugten Ausgestaltung festgelegt gemäß: $$\text{Um}=\text{I}1\text{max}*\left(\text{R}1\text{i}+\text{Rd}\right)$$

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.In a preferred arrangement, the margin value Um is determined according to: $$\text{Around}=\text{I}1\text{Max}*\left(\text{R}1\text{i}+\text{Rd}\right)$$

where I1max defines the maximum permissible current for the first type, R1i the internal resistance of the batteries of the first type and Rd a choke resistance of the DC voltage controller through which the battery current flows.

Zusätzlich kann der Margenwert Um noch einen Sicherheitsfaktor berücksichtigen und beispielsweise festgelegt werden gemäß: $$\text{Um}=\text{SF}*\text{I}1\text{max}*\left(\text{R}1\text{i}+\text{Rd}\right)$$

wobei SF den Sicherheitsfaktor bezeichnet, der beispielsweise 1,1 betragen und einem Margenzuschlag von 10 % entsprechen kann.In addition, the margin value can take into account a safety factor and be set, for example, according to: $$\text{Around}=\text{SF}*\text{I}1\text{Max}*\left(\text{R}1\text{i}+\text{Rd}\right)$$

where SF denotes the safety factor, which can be, for example, 1.1 and correspond to a margin surcharge of 10%.

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.In other words, it is considered advantageous if the terminal voltage at the batteries of the first type is less than the minimum DC link voltage minus a margin value which is at least as large as the product of the maximum current of the first battery type and the sum of the resistances of the internal battery resistance of the first battery type and the choke resistance of the DC voltage controller through which the battery current flows.

Die Nominalspannung der Batterie der zweiten Bauart ist vorzugsweise mit der Nominalspannung des Gleichspannungszwischenkreises identisch.The nominal voltage of the battery of the second type is preferably identical to the nominal voltage of the DC intermediate circuit.

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.The nominal voltage of the battery of the first type is preferably lower than the nominal voltage of the DC intermediate circuit and lower than the nominal voltage of the battery of the second type.

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.The adaptation of the two designs to their respective individual requirements can be achieved in a particularly simple manner if the first and second designs differ in terms of the cell chemistry of the battery cells.

Die nominale Einzelzellenspannung der Batteriezellen ist bei der zweiten Bauart vorzugsweise größer als die nominale Einzelzellenspannung der Batteriezellen bei der ersten Bauart.The nominal single cell voltage of the battery cells in the second design is preferably greater than the nominal single cell voltage of the battery cells in the first design.

Die Zellenzahl der Batteriezellen ist bei der zweiten Bauart vorzugsweise größer als bei der ersten Bauart.The number of battery cells in the second design is preferably larger than in the first design.

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.With regard to the task of the battery of the first type, which is to be able to recharge and discharge the DC voltage intermediate circuit in a large energy window, it is considered advantageous if the energy storage capacity of the first type is significantly greater than the energy storage capacity of the second type. Preferably, the energy storage capacity of the first type is at least 10 times greater than that of the second type.

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.The maximum performance of the battery of the second type is preferably selected such that it can provide the required acceleration power alone when the vehicle is accelerating and can absorb the braking power alone when the vehicle is braking.

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.The performance of the battery of the first type is preferably smaller than the performance of the battery of the second type; the battery of the first type can preferably neither provide the acceleration power nor absorb the braking power.

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.Batteries in the sense of the above embodiments are energy storage devices that store energy on an electrochemical basis in battery cells. Batteries preferably comprise a plurality of electrochemical battery cells that are connected to one another in series and/or in parallel.

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.Batteries in the sense of the above examples differ from supercapacitors or supercaps, for example, in that supercaps are physical energy stores and batteries are chemical energy stores. With supercaps, the energy is stored in the form of an electric field. There is no charge transfer within the supercap. With batteries, on the other hand, there is a charge exchange within the battery between the poles and the electrons chemically bind to the corresponding cathode material.

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.With regard to a possible mains operation of the vehicle, it is considered advantageous if a current collector is available for connection to a track-side energy supply network, a network-side converter connects the current collector to the DC intermediate circuit, and a drive-side converter is also connected to the DC intermediate circuit, which is connected to a vehicle-side drive and can be connected to the energy supply network via the DC intermediate circuit and the network-side converter.

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.The vehicle is preferably a single or multi-unit rail vehicle, for example in the form of a local or long-distance train, or a non-rail-bound overhead line vehicle, for example in the form of a trolleybus.

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.

The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments; by way of example,

• 1 Components of a first embodiment of a rail vehicle according to the invention in a schematic side view, and
• 2 Components of a second embodiment of a rail vehicle according to the invention in a schematic side view.

In den Figuren werden der Übersicht wegen für identische oder vergleichbare Komponenten dieselben Bezugszeichen verwendet. For the sake of clarity, the same reference symbols are used in the figures for identical or comparable components.

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.The 1 shows components of an embodiment of an electric vehicle 10 according to the invention in more detail. The vehicle 10 is equipped with a current collector 11, which, in the extended or active position, enables a connection to a trackside energy supply network 20.

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.The current collector 11 is connected via a transformer 12 to a grid-side converter 13, which connects the current collector 11 to a DC voltage intermediate circuit 14. The grid-side converter 13 is preferably a four-quadrant controller.

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.On the in the 1 On the right side, a drive-side converter 15, which can be a pulse inverter, for example, is connected to the DC intermediate circuit 14. The drive-side converter 15 connects a vehicle-side electric drive 16 to the DC intermediate circuit 14.

An den Gleichspannungszwischenkreis 14 sind außerdem eine erste Batterie 50 und eine zweite Batterie 60 angeschlossen.A first battery 50 and a second battery 60 are also connected to the DC voltage intermediate circuit 14.

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.The first battery 50 is indirectly connected to the DC voltage intermediate circuit 14 via a DC voltage controller 70 (DC/DC controller). The DC voltage controller 70 contains, among other things, a switching unit 71 and an internal choke 72 through which the battery current I1 of the first battery 50 flows. The ohmic choke resistance of the choke 72 leads to ohmic losses that increase quadratically with the battery current I1.

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.In contrast to the first battery 50, the second battery 60 is connected with its battery connections directly to the DC intermediate circuit 14, i.e. without a DC voltage controller 70 or controller-free. The second battery 60 and the DC intermediate circuit 14 are therefore electrically connected in parallel, so that the terminal voltage U2 of the second battery 60 always corresponds to the intermediate circuit voltage Uzk of the DC intermediate circuit 14.

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.The first and second batteries 50,60 are batteries of different designs: the first battery 50 corresponds to a first design and the second battery 60 corresponds to a different second design.

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.The first battery 50 is a high-energy battery that has a particularly high energy storage capacity. The energy storage capacity of the first battery 50 is greater than that of the second battery 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.The second battery 60 is a high-performance battery that can specifically deliver and absorb high currents and can also cope with high current and power changes, i.e. power peaks; the degree of energy storage capacity plays a rather subordinate role in the second battery 60, since the total amount of energy is primarily stored by the first battery 50.

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.The first battery 50 and the second battery 60 carry out a kind of division of labor: Due to the parallel connection, the second battery 60 reacts automatically and without further external control to the dynamic processes and compensates for high power peaks when accelerating the vehicle 10 by delivering high battery currents and for high power peaks when braking the vehicle 10 by absorbing high battery currents.

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.The first battery 50 is primarily used in static operation to recharge or discharge the second battery 60 so that its voltage and the intermediate circuit voltage Uzk of the DC voltage intermediate circuit 14 are kept constant on average over time. The switching unit 71 of the DC voltage controller 70 is preferably controlled by an internal or external control device 73 of the DC voltage controller 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.The control device 73 serves to control the charging and discharging of the second battery 60 by controlling the switching unit 71 in such a way that the intermediate circuit voltage remains within predetermined limits and the voltage difference between the intermediate circuit voltage and the voltage of the first battery always remains large enough that a sufficient control reserve is available for the operation of the DC voltage controller.

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.The nominal voltage of the first battery 50 is preferably lower than the nominal voltage of the second battery 60. For this purpose, it can be provided, for example, that the nominal individual cell voltage of the battery cells of the second battery 60 is greater than the nominal individual cell voltage of the battery cells of the first battery 50. Alternatively or additionally, it can be provided that the number of battery cells in the second battery 60 is greater than in the first battery 50. The number of battery cells in both the first design and the second design is preferably at least 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.The nominal voltage of the second battery 60 is preferably identical to the nominal voltage of the DC voltage intermediate circuit 14. The nominal voltage of the first battery 50 is preferably lower than the nominal voltage of the DC voltage intermediate circuit 14.

Die erste und zweite Batterie 50 unterscheiden sich vorzugsweise hinsichtlich ihrer Zellchemie, damit sie hinsichtlich ihrer unterschiedlichen Aufgabenstellungen jeweils individuell optimiert werden können.The first and second batteries 50 preferably differ in terms of their cell chemistry so that they can be used for different tasks settings can be optimized individually.

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: $$\text{U}1<\text{Uzk}-\text{I}1\text{max}*\left(\text{R}1\text{i}+\text{Rd}\right)\text{ bzw}.$$

$$\text{U}1<\text{U}2-\text{I}1\text{max}*\left(\text{R}1\text{i}+\text{Rd}\right)$$

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.In order to provide the DC voltage controller 70 with a sufficient voltage control reserve, the terminal voltage U1 of the first battery 50 is preferably set significantly lower than the intermediate circuit voltage Uzk. It is advantageous if the following applies: $$\text{<figure-callout id="1" label="U" filenames="DE102022211546A1\_0014.png" state="{{state}}">U</figure-callout>}1<\text{Uzk}-\text{I}1\text{Max}*\left(\text{R}1\text{i}+\text{Rd}\right)\text{or}.$$

$$\text{<figure-callout id="1" label="U" filenames="DE102022211546A1\_0014.png" state="{{state}}">U</figure-callout>}1<\text{U}2-\text{I}1\text{Max}*\left(\text{R}1\text{i}+\text{Rd}\right)$$

where U1 is the terminal voltage of the first battery 50, U2 is the terminal voltage of the second battery 60, Uzk is the intermediate circuit voltage Uzk of the DC voltage intermediate circuit 14, I1max is the maximum battery current of the first battery 50, R1i is the internal resistance of the first battery 50 and Rd is the ohmic choke resistance of the choke 72 of the DC voltage controller 70.

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.The 2 shows components of a second embodiment of a vehicle 10 according to the invention. While in the embodiment according to 1 to the DC voltage intermediate circuit 14 exactly two batteries are connected, namely the first battery 50 as the only battery of the first type and the second battery 60 as the only battery of the second type, in the embodiment according to 2 one or more additional batteries 100 of the first type and one or more additional batteries 200 of the second type are additionally connected to the DC voltage intermediate circuit 14. In addition, the above explanations apply in connection with the 1 in the embodiment according to 2 accordingly.

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.Finally, it should be mentioned that the features of all embodiments described above can be combined with each other in any way to form further other embodiments of the invention.

Claims (14)

Antriebssystem für ein Fahrzeug (10), wobei das Antriebssystem zumindest aufweist: - einen Gleichspannungszwischenkreis (14), - zumindest eine Batterie (50) erster Bauart, wobei deren Batterieanschlüsse mittelbar über einen Gleichspannungssteller (70) mit dem Gleichspannungszwischenkreis (14) elektrisch verbunden sind, - zumindest eine Batterie (60) zweiter Bauart, wobei deren Batterieanschlüsse unmittelbar mit dem Gleichspannungszwischenkreis (14) elektrisch verbunden sind, wobei sich die erste und zweite Bauart der Batterien (50, 60) voneinander unterscheiden.Drive system for a vehicle (10), the drive system comprising at least: - a direct current intermediate circuit (14), - at least one battery (50) of the first type, the battery terminals of which are electrically connected indirectly to the direct current intermediate circuit (14) via a direct current controller (70), - at least one battery (60) of the second type, the battery terminals of which are electrically connected directly to the direct current intermediate circuit (14), the first and second types of batteries (50, 60) differing from one another. Antriebssystem nach Anspruch 1, wobei sich die erste und zweite Bauart zumindest dahingehend unterscheiden, dass bei der zweiten Bauart - ein maximal zulässiger Batteriestrom und eine maximal zulässige Leistung größer als bei der ersten Bauart sind, und - eine maximal zulässige Strom- und Leistungsänderungsrate größer als bei der ersten Bauart ist.Drive system according to Claim 1 , wherein the first and second designs differ at least in that in the second design - a maximum permissible battery current and a maximum permissible power are greater than in the first design, and - a maximum permissible current and power change rate is greater than in the first design. Antriebssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei eine Klemmenspannung der Batterie (50) der ersten Bauart kleiner ist als eine von der Gleichspannungszwischenkreisspannung abhängige Maximalschwelle.Drive system according to one of the preceding claims, wherein a terminal voltage of the battery (50) of the first type is smaller than a maximum threshold dependent on the DC intermediate circuit voltage. Antriebssystem nach Anspruch 3, wobei die Maximalschwelle der betrieblich vorgesehenen kleinsten Klemmenspannung der Batterie (60) der zweiten Bauart abzüglich eines Margenwerts entspricht.Drive system according to Claim 3 , wherein the maximum threshold corresponds to the operationally intended smallest terminal voltage of the battery (60) of the second type less a margin value. Antriebssystem nach Anspruch 4, wobei der Margenwert mindestens so groß ist wie das Produkt aus dem Maximalstrom der ersten Bauart und der Widerstandsumme aus dem Batterieinnenwiderstand der ersten Bauart und dem vom Batteriestrom durchflossenen Drosselwiderstand des Gleichspannungsstellers (70).Drive system according to Claim 4 , wherein the margin value is at least as large as the product of the maximum current of the first design and the resistance sum of the battery internal resistance of the first design and the choke resistance of the DC voltage controller (70) through which the battery current flows. Antriebssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Nominalspannung der Batterie (60) der zweiten Bauart größer als die Nominalspannung der Batterie (50) der ersten Bauart ist.Drive system according to one of the preceding claims, wherein the nominal voltage of the battery (60) of the second type is greater than the nominal voltage of the battery (50) of the first type. Antriebssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei - die Nominalspannung der Batterie (50) der ersten Bauart kleiner als die Nominalspannung des Gleichspannungszwischenkreises (14) ist, und - die Nominalspannung der Batterie (60) der zweiten Bauart mit der Nominalspannung des Gleichspannungszwischenkreises (14) identisch ist.Drive system according to one of the preceding claims, wherein - the nominal voltage of the battery (50) of the first type is less than the nominal voltage of the DC voltage intermediate circuit (14), and - the nominal voltage of the battery (60) of the second type is identical to the nominal voltage of the DC voltage intermediate circuit (14). Antriebssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei sich die erste und zweite Bauart hinsichtlich der Zellchemie der Batteriezellen der Batterien (50, 60) unterscheiden.Drive system according to one of the preceding claims, wherein the first and second designs differ with regard to the cell chemistry of the battery cells of the batteries (50, 60). Antriebssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die nominale Einzelzellenspannung der Batteriezellen der zweiten Bauart größer als die nominale Einzelzellenspannung der Batteriezellen der ersten Bauart ist.Drive system according to one of the preceding claims, wherein the nominal single cell voltage of the battery cells of the second type is greater than the nominal single cell voltage of the battery cells of the first type. Antriebssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Zellenzahl der Batteriezellen bei der zweiten Bauart größer als bei der ersten Bauart ist.Drive system according to one of the preceding claims, wherein the number of battery cells in the second design is greater than in the first design. Antriebssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Energiespeicherfähigkeit der Batterie (50) der ersten Bauart größer als die Energiespeicherfähigkeit der Batterie (60) der zweiten Bauart ist.Drive system according to one of the preceding claims, wherein the energy storage capacity of the battery (50) of the first type is greater than the energy storage capacity of the battery (60) of the second type. Antriebssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei - eine Leistungsfähigkeit der Batterie (60) der zweiten Bauart so groß gewählt ist, dass diese bei Beschleunigungsvorgängen des Fahrzeugs die erforderliche Beschleunigungsleistung allein bereitstellen kann und bei Bremsvorgängen des Fahrzeugs die Bremsleistung allein aufnehmen kann, und - eine Leistungsfähigkeit der Batterie (50) der ersten Bauart kleiner als die Leistungsfähigkeit der Batterie (60) der zweiten Bauart ist und die Batterie (50) der ersten Bauart weder die Beschleunigungsleistung bereitstellen kann noch die Bremsleistung aufnehmen kann.Drive system according to one of the preceding claims, wherein - a performance of the battery (60) of the second type is selected to be so high that it can provide the required acceleration power alone during acceleration of the vehicle and can absorb the braking power alone during braking of the vehicle, and - a performance of the battery (50) of the first type is smaller than the performance of the battery (60) of the second type and the battery (50) of the first type can neither provide the acceleration power nor absorb the braking power. Antriebssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei - ein Stromabnehmer (11) zum Anschluss an ein streckenseitiges Energieversorgungsnetz (20) vorhanden ist, - ein netzseitiger Umrichter (13) den Stromabnehmer (11) mit dem Gleichspannungszwischenkreis (14) verbindet und - an den Gleichspannungszwischenkreis (14) außerdem ein antriebsseitiger Umrichter (15) angeschlossen ist, der mit einem fahrzeugseitigen Antrieb (16) in Verbindung steht und durch den Gleichspannungszwischenkreis (14) und den netzseitigen Umrichter (13) mit dem Energieversorgungsnetz verbindbar (20) ist.Drive system according to one of the preceding claims, wherein - a current collector (11) is provided for connection to a track-side energy supply network (20), - a network-side converter (13) connects the current collector (11) to the DC intermediate circuit (14) and - a drive-side converter (15) is also connected to the DC intermediate circuit (14), which converter is connected to a vehicle-side drive (16) and can be connected (20) to the energy supply network via the DC intermediate circuit (14) and the network-side converter (13). Fahrzeug (10), insbesondere Schienenfahrzeug, welches zumindest ein Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13 aufweist.Vehicle (10), in particular rail vehicle, which has at least one drive system according to one of the Claims 1 until 13 having.

Images