WO2014029582A1 - Fahrzeug für den streckennetz- und den batteriebetrieb - Google Patents

Fahrzeug für den streckennetz- und den batteriebetrieb Download PDF

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Andreas Krickau
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • B61C3/02—Electric locomotives or railcars with electric accumulators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
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    • B61C17/06—Power storing devices
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    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T30/00—Transportation of goods or passengers via railways, e.g. energy recovery or reducing air resistance

Definitions

  • the invention relates to a vehicle with a battery, a motor and a power converter between a connection to a power grid and the engine.
  • the motors of a vehicle in particular of a rail vehicle of local transport, in each case via a power converter, in particular a converter, connected to a busbar, which in turn is connected to a so-called contact wire, such as a catenary or a power rail.
  • a so-called contact wire such as a catenary or a power rail.
  • they include a battery.
  • the battery is connected to the busbar via a DC-DC converter to feed the battery voltage into the busbar and to drive the motors.
  • the battery can be recharged in mains operation of the vehicle or by recovered braking energy.
  • the object of the invention is to be able to provide a cost-effective vehicle.
  • a vehicle according to the invention in particular a rail vehicle of passenger traffic, in particular of local traffic, comprises a first motor, a first power converter and a battery.
  • the first power converter is in a first
  • Switch position between the first motor and a connection connected to a power supply network.
  • a second Switch position is the first power converter between the battery and the connection to the power grid connected.
  • the first power converter is connected in the first switch position as a converter or so-called DC-DC converter between the first motor and the connection to a power supply network and in the second switch position the first power converter is connected as a DC-DC converter, in particular as a high-buck converter, between the battery and the connection to the power supply network. Further developed is the first power converter to a galvanically isolated DC-DC converter.
  • the first power converter is therefore suitable for use as a converter for connecting an electrical machine, in particular a motor, to a power grid and suitable for use as a galvanically isolated DC-DC converter, in particular as a high-buck converter, for connecting a battery to a power grid, in particular to a part a power grid in a vehicle.
  • the first converter is operated and connected so that it is switched in the first switch position between a power grid and the motor and that it is switched in the second switch position between the battery and the power grid.
  • the first switch position is set in particular during a feed of electrical energy from a route network.
  • the second switch position is set in particular during a feed of electrical energy from the battery in the power grid.
  • a conventional converter is also used in particular as a high-buck converter and wired accordingly.
  • the vehicle comprises at least one further, second motor and at least one further, second power converters, wherein the first motor is connected via the first power converter to a busbar and wherein the second motor is connected via the second power converter to the busbar.
  • the busbar serves for the distribution and provision of electrical energy, in particular for the supply of the motors. It is thus part of the energy supply network on the vehicle side, as well as a track-side contact wire with which it in turn is connected, at least temporarily, in particular in the first switch position, for example via a current collector.
  • Catenary is part of a route network, which in turn is part of the energy supply network.
  • the busbar serves to supply the first and the at least one further, second motor with electrical energy from the route network.
  • electrical energy is fed from the battery into the busbar.
  • the first motor is, for example, in the second switch position free of a connection to the busbar and thus not supplied with electrical energy.
  • the at least one further, second motor is connected to the busbar via the second power converter and supplied with electrical energy and thus driven.
  • the battery is charged in the second switch position.
  • the at least one further, second motor serves as a generator and feeds electrical energy through brake recovery into the busbar, which serves to charge the battery.
  • Another variant provides that the battery is charged in the second switch position with electrical energy from the route network.
  • electrical energy is fed from the battery into the route network, for example without driving the at least one further, second motor.
  • a wiring of a rail vehicle of the prior art is shown schematically.
  • a busbar 4 which in turn is connected to the route network via a current collector 5
  • the motors 1 of the vehicle via a respective converter 6 to the busbar 4 are connected.
  • the battery 3 is connected to the busbar 4 via a DC voltage converter 7 in order to be able to supply energy during battery operation or to be able to be recharged in train network operation or by braking energy.
  • three motors 1 and a battery 3 thus four power converters 6 and 7 are provided.
  • Fig. 2 illustrates the circuit according to the invention schematically.
  • the vehicle has a first motor 1 and a battery 3, which can be connected to a busbar 4 via a common first power converter 2.
  • the first power converter 2 In a first switch position, the first power converter 2 is connected as a converter between the busbar 4 and the first motor 1.
  • the first power converter 2 In a second switch position, the first power converter 2 is connected as a galvanically isolated high-buck converter between the battery 3 and the busbar 4.
  • the first motor 2 can be driven in the first switch position with electrical energy from the busbar 4.
  • the battery 3 with electrical energy from the busbar. 4 can be charged or the battery 3 can deliver electrical energy to the busbar 4 and be discharged with it.
  • the vehicle has two further motors 11, which are each connected via a respective further power converter 21 to the busbar 4.
  • the busbar 4 serves to distribute electrical energy of the route network and / or the battery.
  • the invention is a power converter in comparison to
  • the first power converter 2 is connected as a boost / buck converter.
  • the first motor 1 is no longer available for driving the vehicle. This is usually not critical because the motors 11 can take full battery power, which is less than the catenary power. If all motors 1 and 11 are available, it is possible, for example, to feed the first motor 1 through one of the further power converters 21. In this case, this power converter 21 would have to feed two motors 1 and 11, for which it would have to be interpreted accordingly.
  • a possible wiring of the first power converter 2 of a vehicle according to the invention is outlined in FIG. It is connected to the busbar 4, where a voltage U D is present. Depending on the operating mode, it is open and / or open

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer Batterie (3), einem Motor (1) und einem Stromrichter (2), welcher in einer ersten Schalterstellung als Umrichter zwischen einem Anschluss an ein Energieversorgungsnetz (4) und dem Motor (1) beschaltet ist. Der Stromrichter (2) ist in einer zweiten Schalterstellung als galvanisch getrennter Gleichspannungswandler zwischen der Batterie (3) und dem Anschluss an das Energieversorgungsnetz (4) beschaltet.

Description

Beschreibung
Fahrzeug für den Streckennetz- und den Batteriebetrieb
Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer Batterie, einem Motor und einem Stromrichter zwischen einem Anschluss an ein Energieversorgungsnetz und dem Motor. Üblicherweise sind die Motoren eines Fahrzeugs, insbesondere eines Schienenfahrzeugs des Nahverkehrs, jeweils über einen Stromrichter, insbesondere einen Umrichter, mit einer Sammelschiene verbunden, welche ihrerseits mit einem sogenannten Fahrdraht, beispielsweise einer Oberleitung oder einer Strom- schiene, verbunden ist. Um einen Batteriebetrieb des Fahrzeugs zu ermöglichen, insbesondere auf kurzen Strecken ohne Fahrdraht, umfassen sie eine Batterie. Die Batterie ist über einen Gleichspannungswandler mit der Sammelschiene verbunden, um die Batteriespannung in die Sammelschiene einzuspeisen, und die Motoren anzutreiben. Die Batterie ist im Netzbetrieb des Fahrzeugs oder durch rückgewonnene Bremsenergie wieder aufladbar .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstige- res Fahrzeug bereitstellen zu können.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche 1 und 5. Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Merkmalen der abhän- gigen Patentansprüche wieder.
Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug, insbesondere ein Schienenfahrzeug des Personenverkehrs, insbesondere des Nahverkehrs, umfasst einen ersten Motor, einen ersten Stromrichter und ei- ne Batterie. Der erste Stromrichter ist in einer ersten
Schalterstellung zwischen erstem Motor und einen Anschluss an ein Energieversorgungsnetz geschaltet. In einer zweiten Schalterstellung ist der erste Stromrichter zwischen Batterie und den Anschluss an das Energieversorgungsnetz geschaltet.
Handelt es sich bei dem Energieversorgungsnetz um ein Gleich- Stromnetz und bei dem ersten Motor um Gleichstrommotor, ist der erste Stromrichter in der ersten Schalterstellung als Umrichter, oder sogenannter Gleichspannungswandler, zwischen dem ersten Motor und dem Anschluss an ein Energieversorgungsnetz beschaltet und in der zweiten Schalterstellung ist der erste Stromrichter als Gleichspannungswandler, insbesondere als Hoch-Tiefsetzsteller, zwischen der Batterie und dem Anschluss an das Energieversorgungsnetz beschaltet. Weitergebildet handelt es sich bei dem ersten Stromrichter um einen galvanisch getrennten Gleichspannungswandler.
Der erste Stromrichter ist daher geeignet zur Verwendung als Umrichter zur Anbindung einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Motors, an ein Energienetz und geeignet zur Verwendung als galvanisch getrennter Gleichspannungswandler, insbesondere als Hoch-Tiefsetzsteller, zur Anbindung einer Batterie an ein Energienetz, insbesondere an ein Teil eines Energieversorgungsnetzes in einem Fahrzeug.
Erfindungsgemäß wird der erste Stromrichter so betrieben und beschaltet, dass er in der ersten Schalterstellung zwischen ein Energieversorgungsnetz und den Motor geschaltet wird und, dass er in der zweiten Schalterstellung zwischen die Batterie und das Energieversorgungsnetz geschaltet wird. Die erste Schalterstellung wird insbesondere während einer Einspeisung von elektrischer Energie aus einem Streckennetz eingestellt. Die zweite Schalterstellung wird insbesondere während einer Einspeisung von elektrischer Energie aus der Batterie in das Energieversorgungsnetz eingestellt. Ein herkömmlicher Umrichter wird zusätzlich insbesondere als Hoch-Tiefsetzsteller verwendet und entsprechend beschaltet.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung umfasst das Fahrzeug zumindest einen weiteren, zweiten Motor und zumindest einen weiteren, zweiten Stromrichter, wobei der erste Motor über den ersten Stromrichter mit einer Sammelschiene verbunden ist und wobei der zweite Motor über den zweiten Stromrichter mit der Sammelschiene verbunden ist. Die Sammelschiene dient der Verteilung und Bereitstellung von elektrischer Energie, insbesondere zur Versorgung der Motoren. Sie ist damit fahrzeug- seitig Teil des Energieversorgungsnetzes, wie auch ein stre- ckenseitiger Fahrdraht, mit welchem sie ihrerseits, zumindest zeitweise, insbesondere in der ersten Schalterstellung, ver- bunden ist, beispielsweise über einen Stromabnehmer. Der
Fahrdraht ist Teil eines Streckennetzes, welches seinerseits Teil des Energieversorgungsnetzes ist.
In der ersten Schalterstellung dient die Sammelschiene der Versorgung des ersten und des zumindest einen weiteren, zweiten Motors mit elektrischer Energie aus dem Streckennetz. In der zweiten Schalterstellung hingegen wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung elektrische Energie aus der Batterie in die Sammelschiene eingespeist. Der erste Motor ist beispielsweise in der zweiten Schalterstellung frei von einer Verbindung mit der Sammelschiene und somit nicht mit elektrischer Energie versorgt. Der zumindest eine weitere, zweite Motor ist über den zweiten Stromrichter mit der Sammelschiene verbunden und mit elektrischer Energie versorgt und damit an- getrieben. Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird in der zweiten Schalterstellung die Batterie geladen. Der zumindest eine weitere, zweite Motor dient als Generator und speist elektrische Energie durch Bremsrückgewinnung in die Sammel- schiene ein, welche zur Aufladung der Batterie dient. Eine weitere Variante sieht vor, dass die Batterie in der zweiten Schalterstellung mit elektrischer Energie aus dem Streckennetz geladen wird. Alternativ wird in der zweiten Schalterstellung elektrische Energie aus der Batterie in das Streckennetz eingespeist, beispielsweise ohne den zumindest einen weiteren, zweiten Motor anzutreiben.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Sie wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert, in denen jeweils ein Ausgestaltungsbeispiel dargestellt ist. Gleiche Elemente in den Figuren sind mit gleichen Bezugszeichen versehen . zeigt schematisch eine Beschaltung eines Stromrichters des Stands der Technik, zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Beschaltung des Stromrichters, zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Beschaltung eines Stromrichters.
In Fig. 1 ist eine Beschaltung eines Schienenfahrzeugs des Stands der Technik schematisch dargestellt. An einer Sammelschiene 4, welche ihrerseits mit dem Streckennetz über einen Stromabnehmer 5 verbunden ist, sind die Motoren 1 des Fahrzeugs über jeweils einen Umrichter 6 mit der Sammelschiene 4 verbunden. Die Batterie 3 ist über einen Gleichspannungswand- 1er 7 mit der Sammelschiene 4 verbunden, um im Batteriebetrieb Energie einspeisen zu können oder im Streckennetzbetrieb oder durch Bremsenergie wieder aufgeladen werden zu können. Bei drei Motoren 1 und einer Batterie 3 sind somit vier Stromrichter 6 und 7 vorgesehen.
Fig. 2 veranschaulicht die erfindungsgemäße Schaltung schematisch. Das Fahrzeug weist einen ersten Motor 1 und eine Batterie 3 auf, welche über einen gemeinsamen ersten Stromrichter 2 mit einer Sammelschiene 4 verbindbar sind. In einer ersten Schalterstellung ist der erste Stromrichter 2 als Umrichter zwischen die Sammelschiene 4 und den ersten Motor 1 geschaltet. In einer zweiten Schalterstellung ist der erste Stromrichter 2 als galvanisch getrennter Hoch-Tiefsetzsteller zwischen die Batterie 3 und die Sammelschiene 4 geschaltet. Somit kann der erste Motor 2 in der ersten Schalterstellung mit elektrischer Energie aus der Sammelschiene 4 angetrieben werden. In der zweiten Schalterstellung hingegen kann die Batterie 3 mit elektrischer Energie aus der Sammelschiene 4 aufgeladen werden oder die Batterie 3 kann elektrische Energie an die Sammelschiene 4 abgeben und damit entladen werden.
Des Weiteren weist das Fahrzeug zwei weitere Motoren 11 auf, welche jeweils über jeweils einen weiteren Stromrichter 21 mit der Sammelschiene 4 verbunden sind. Die Sammelschiene 4 dient der Verteilung von elektrischer Energie des Streckennetzes und/oder der Batterie. Durch die Erfindung ist ein Stromrichter im Vergleich zum
Stand der Technik eingespart, da die Batterie 3 an den ersten Stromrichter 2 für den ersten Motor 1 angeschlossen ist. Dieser muss jedoch unterschiedlich beschaltet werden, für den Batteriebetrieb und den Streckennetzbetrieb.
Beim Batteriebetrieb wird der erste Stromrichter 2 als Hoch- Tiefsetzsteller beschaltet. In dieser zweiten Schalterstellung steht der erste Motor 1 nicht mehr zum Antrieb des Fahrzeugs zur Verfügung. Dies ist in der Regel unkritisch, da die Motoren 11 die volle Batterieleistung aufnehmen können, welche geringer ist, als die Fahrdrahtleistung. Sollten alle Motoren 1 und 11 zur Verfügung stehen, ist es beispielsweise möglich, den ersten Motor 1 durch einen der weiteren Stromrichter 21 zu speisen. In diesem Fall hätte dieser Stromrich- ter 21 zwei Motoren 1 und 11 zu speisen, wozu er entsprechend auszulegen wäre.
Eine mögliche Beschaltung des ersten Stromrichters 2 eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs ist in Fig. 3 skizziert. Er ist mit der Sammelschiene 4 verbunden, wo eine Spannung UD anliegt. Je nach Betriebsart ist er durch Öffnen und/oder
Schließen der Schalter 8 mit dem ersten Motor 1 oder der Batterie 3 verbunden. Durch die Verwendung eines Stromrichters sowohl für die Verbindung von Motor und Energieversorgungsnetz, als auch für die Verbindung von Batterie und Energieversorgungsnetz werden Gewicht und Kosten eingespart.

Claims

Patentansprüche
Fahrzeug mit einem Motor (1), einem Stromrichter (2) und einer Batterie (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter (2) in einer ersten Schalterstellung zwischen ein Energieversorgungsnetz (4) und den Motor (1) geschaltet ist und, dass er in einer zweiten Schalterstellung zwischen die Batterie (3) und das Energieversorgungsnetz (4) geschaltet ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, dass der Stromrichter (1) ein galvanisch getrennter Gleichspannungswandler ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter (1) in der zweiten Schalterstellung als Hoch-Tiefsetzsteller beschaltet ist .
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest zwei Motoren (1, 11) aufweist, welche über jeweils einen Stromrichter (2, 21) mit einer Sammelschiene (4) als Teil des Energieversorgungsnetzes verbunden sind.
Verfahren zum Betreiben eines Stromrichters (2) in einem Fahrzeug mit zumindest einem Motor (1) und einer Batterie (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter (2) zwischen ein Energieversorgungsnetz (4) und den zumindest einen Motor (1) geschaltet wird, um elektrische Energie aus dem Energieversorgungsnetz (4) zu dem zumindest einen Motor (1) zu führen und, dass der Stromrichter (2) zwischen die Batterie (3) und das Energieversorgungsnetz (4) geschaltet wird, um elektrische Energie aus dem Energieversorgungsnetz (4) in die Batterie (3) zu führen oder, um elektrische Energie aus der Batterie (3) in das Energieversorgungsnetz (4) einzuspeisen .
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