此应用程序的某些内容目前无法使用。
如果这种情况持续存在,请联系我们反馈与联系
1. (DE102008031001) Schienenfahrzeug und Verfahren zur Energieversorgung eines Schienenfahrzeugs
注:相关文本通过自动光符识别流程生成。凡涉及法律问题,请以 PDF 版本为准
Beschreibung
[0001]  Die Erfindung bezieht sich auf ein Schienenfahrzeug mit wenigstens einer Hauptenergieversorgung, wenigstens einem Steuerspannungsnetz, wenigstens einem Hilfsbetriebe-Spannungsnetz, einer ersten Hilfs-Energieversorgung aufweisend einen mit wenigstens einem Steuerspannungsnetz verbundenen Energiespeicher und wenigstens einer zweiten Hilfs-Energieversorgung für wenigstens eines der Hilfsbetriebe-Spannungsnetze.
[0002]  Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur elektrischen Energieversorgung eines Schienenfahrzeugs, bei welchem mindestens eine Hauptenergieversorgung elektrische Leistung den Fahrmotoren, wenigstens einem Steuerspannungsnetz und wenigstens einem Hilfsbetriebe-Spannungsnetz zur Verfügung stellt und einen Energiespeicher auflädt, und wenigstens eines der Steuerspannungsnetze hilfsweise mit elektrischer Energie aus dem Energiespeicher versorgt wird und wenigstens eines der Hilfsbetriebe-Spannungsnetze ebenfalls hilfsweise mit elektrischer Energie versorgt wird.
[0003]  Aus dem Stand der Technik sind Schienenfahrzeuge bekannt, mit einem Verbrennungsmotor, welcher in Verbindung mit einem Generator elektrische Leistung zum Antrieb des Schienenfahrzeugs und zur Versorgung eines Hilfsbetriebe-Spannungsnetzes und eines Steuerspannungsnetzes zur Verfügung stellt, wobei an das Hilfsbetriebe-Spannungsnetz über ein Energiespeicher-Ladegerät ein Energiespeicher angeschlossen ist. Der Energiespeicher gewährleistet eine hilfsweise Energieversorgung des Steuerspannungsnetzes, beispielsweise wenn das Schienenfahrzeug bei abgeschalteter Hauptenergieversorgung sich im Stillstand befindet. Eine hilfsweise Energieversorgung der an das Hilfsbetriebe-Spannungsnetz angeschlossenen Hilfsbetriebe ist mittels eines Hilfsmotors gewährleistet.
[0004]  Aufgabe der Erfindung ist es, ein Schienenfahrzeug und ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches die hilfsweise Energieversorgung wenigstens eines Steuerspannungsnetzes und wenigstens eines Hilfsbetriebe-Spannungsnetzes in besonders kostengünstiger Art und Weise ermöglicht.
[0005]  Die Erfindung löst diese Aufgabe ausgehend von dem eingangs genannten Schienenfahrzeug dadurch, dass die zweite Hilfs-Energieversorgung ebenfalls einen Energiespeicher aufweist und eine mit dem Energiespeicher verbundene Speiseeinrichtung aufweist, welche eine von dem Energiespeicher bereitgestellte Speicherklemmenspannung in eine andere Spannung umwandelt und an einem Anschluss bereitstellt, wobei der Anschluss mit zumindest einem Steuerspannungsnetz und/oder Hilfsbetriebe-Spannungsnetz verbunden ist.
[0006]  Erfindungsgemäß wird somit hilfsweise wenigstens ein Hilfsbetriebe-Spannungsnetz über einen Energiespeicher mit elektrischer Energie versorgt. Durch das Zwischenspeichern der von der Hauptenergieversorgung erzeugten Energie kann der Hilfsmotor nach dem Stand der Technik entfallen und Kraftstoff eingespart werden. Um das Hilfsbetriebe-Spannungsnetz mittels des Energiespeichers mit elektrischer Energie zu versorgen, kann die von dem Energiespeicher bereitgestellte Speicherklemmenspannung mittels der Speiseeinrichtung in eine Hilfsbetriebe-Spannung umgewandelt und elektrische Energie über die Speiseeinrichtung in das Hilfsbetriebe-Spannungsnetz eingespeist werden. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Energiespeicher aber auch eine Speicherklemmenspannung aufweisen, welche der Hilfsbetriebe-Spannung entspricht. In diesem Fall kann der Energiespeicher direkt mit dem Hilfsbetriebe-Spannungsnetz verbunden sein und die Speiseeinrichtung dient dem Einspeisen von Energie in zumindest ein weiteres Steuerspannungsnetz und/oder Hilfsbetriebe-Spannungsnetz, welches eine andere Betriebsspannung aufweist als die Speicherklemmenspannung. Bei der Verbindung zwischen der Speiseeinrichtung und dem zumindest einen Steuerspannungsnetz und/oder Hilfsbetriebe-Spannungsnetz muss es sich nicht um eine direkte Verbindung handeln. Beispielsweise können weitere Geräte und/oder Spannungsnetze zwischen dem Anschluss der Speiseeinrichtung und dem zumindest einen Steuerspannungsnetz und/oder Hilfsbetriebe-Spannungsnetz zwischengeschaltet sein. Der Energiespeicher kann aus mehreren Teil-Energiespeichern aufgebaut sein. Diese Teil-Energiespeicher können unabhängig voneinander Energie speichern. Die Teil-Energiespeicher können auf einem identischen oder einem unterschiedlichen Speicherprinzip beruhen.
[0007]  Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, wenn die erste und die zweite Hilfs-Energieversorgung einen gemeinsamen Energiespeicher aufweisen.
[0008]  Es ist somit vorgesehen, dass zumindest ein Steuerspannungsnetz und ein Hilfsbetriebe-Spannungsnetz einen gemeinsamen Energiespeicher aufweisen. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann insbesondere vorsehen, dass die erste und die zweite Hilfsenergieversorgung identisch sind. Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht einerseits das Einsparen des Hilfsmotors nach dem Stand der Technik und bedarf lediglich einer Ergänzung des Hilfsbetriebe-Spannungsnetzes um die Speiseeinrichtung. Der ohnehin für das Steuerspannungsnetz vorgesehene Energiespeicher– ausreichende Dimensionierung vorausgesetzt– dient damit auch zur hilfsweisen Energieversorgung des Hilfsbetriebe-Spannungsnet-zes. Dadurch können Kosten für Energiespeicher eingespart werden. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ist der ohnehin für das Steuerspannungsnetz vorgesehene Energiespeicher durch einen anderen Energiespeicher ersetzt, welcher eine der Hilfsbetriebe-Spannung entsprechende Speicherklemmenspannung aufweist. In diesem Fall dient die Speiseeinrichtung der Umwandlung der Speicherklemmenspannung in eine Spannung zur hilfsweisen Energieversorgung des Steuerspannungsnetzes. Auch in diesem Fall können Kosten für Energiespeicher eingespart werden.
[0009]  Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Energiespeicher-Ladegerät vorgesehen, welches eine Versorgungsspannung in eine Speicherklemmenspannung umwandelt und an einem Anschluss bereitstellt.
[0010]  Der Energiespeicher kann über ein Energiespeicher-Ladegerät aufladbar sein. Derartige Energiespeicher-Ladegeräte wandeln eine bereitgestellte Versorgungsspannung in eine zum Laden des Energiespeichers geeignete Speicherklemmenspannung um und stellen diese dem Energiespeicher zur Verfügung. Beispielsweise könnte das Energiespeicher-Ladegerät eingangsseitig mit dem Hilfsbetriebe-Spannungsnetz verbunden sein und ausgangsseitig mit dem Steuerspannungsnetz, wobei der Energiespeicher an das Steuerspannungsnetz angeschlossen ist und, solange die Hauptenergieversorgung das Hilfsbetriebe-Spannungsnetz mit elektrischer Energie versorgt, der Energiespeicher aufgeladen wird. Das Energiespeicher-Ladegerät könnte aber auch in anderer Weise angeordnet sein. Beispielsweise eingangsseitig direkt verbunden mit einem eine Versorgungsspannung bereitstellenden Anschluss der Hauptenergieversorgung und ausgangsseitig direkt mit dem Energiespeicher. Das Energiespeicher-Ladegerät kann aber auch derart ausgestaltet sein, dass es über mehrer Hilfsbetriebe-Spannungsniveaus hinweg unter Einbeziehung weiterer Hilfsbetriebe-Spannungsnetze über mehrere Geräte verteilt realisiert ist. Erfindungswesentlich hierbei ist lediglich, dass elektrische Energie der Hauptenergieversorgung über das Ladegerät dem Energiespeicher in Form einer geeigneten Speicherklemmenspannung zur Verfügung gestellt wird.
[0011]  Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Speiseeinrichtung eine bidirektionale Speiseeinrichtung ist, welche in einem Betriebszustand eine Speicherklemmenspannung an einem zumindest mit dem Energiespeicher verbundenen Anschluss bereitstellt und in einem anderen Betriebszustand wenigstens eine von der Speicherklemmenspannung verschiedene Spannung an einem wenigstens mit einem Hilfsbetriebe-Spannungsnetz und/oder Steuerspannungsnetz verbundenen Anschluss bereitstellt.
[0012] Die bidirektionale Speiseeinrichtung kann mehr als die zwei genannten Anschlüsse aufweisen. Die beiden genannten Anschlüsse der bidirektionalen Speiseeinrichtung müssen nicht direkt mit dem Energiespeicher bzw. dem mindesten einen Hilfsbetriebe-Spannungsnetz und/oder Steuerspannungsnetz verbunden sein. Es kann sich auch um indirekte Verbindungen handeln.
[0013]  Eine derartige bidirektionale Speiseeinrichtung fasst die Funktionen eines Energiespeicher-Ladegerätes und einer Speiseeinrichtung zusammen. Durch das Zusammenfassen der beiden Geräte können Bauteile eingespart und Anschaffungskosten weiter reduziert werden. Eine Hilfs-Energieversorgung des wenigstens einen Steuerspannungsnetzes und des wenigstens einen Hilfsbetriebe-Spannungsnetzes ist somit in besonders wirtschaftlicher Weise mit nur einem Energiespeicher und der bidirektionalen Speiseeinrichtung ermöglicht.
[0014]  Zum Laden des Energiespeichers wandelt die bidirektionale Speiseeinrichtung eine bereitgestellte Versorgungsspannung in eine zum Laden des Energiespeichers geeignete Speicherklemmenspannung um.
[0015]  Zur hilfsweisen Energieversorgung mindestens eines Hilfsbetriebe-Spannungsnetzes und/oder Steuerspannungsnetzes wandelt die bidirektionale Speiseeinrichtung die von dem Energiespeicher zur Verfügung gestellte Speicherklemmenspannung in eine zur Energieversorgung des mindestens einen Hilfsbetriebe-Spannungsnetzes und/oder des Steuerspannungsnetzes geeignete andere Spannung um. Dabei wird jeweils elektrische Energie übertragen. Derartige bidirektionale Speiseeinrichtungen, welche in der einen Richtung (hier mit Laderichtung bezeichnet) eine Versorgungsspannung in eine Speicherklemmenspannung und in der anderen Richtung (hier mit Rückspeiserichtung bezeichnet) die Speicherklemmenspannung zurück in mindestens eine andere Spannung umwandeln, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Die Versorgungsspannung kann identisch mit der Hilfsbetriebe-Spannung sein. Normalerweise werden derartige bidirektionale Speiseeinrichtungen über Halbleiterschaltungen (Gleich-/Wechselrichter, Hoch-/Tiefsteller) realisiert, wobei die für die Lade- und Rückspeiserichtung benötigten Bauteile der Speiseeinrichtung entweder getrennt oder zumindest teilweise identisch ausgeführt werden können. Derartige bidirektionale Speiseeinrichtungen sind dem Fachmann bekannt und sollen deshalb hier nicht näher beschrieben werden. Bekannt ist es auch, Einrichtungen zur Potenzialtrennung der beiden über die Speiseeinrichtung verbundenen Spannungsnetze vorzusehen. Die Ausgestaltung derartiger Einrichtungen ist dem Fachmann ebenfalls bekannt. Die bidirektionale Speiseeinrichtung ist auf der einen Seite an mindestens ei-nem Anschluss zumindest indirekt mit der Hauptenergieversorgung verbunden und an einem anderen Anschluss zumindest indirekt mit dem Energiespeicher verbunden. Ob die bidirektionale Speiseeinrichtung noch mit weiteren Komponenten verbunden ist, ist nicht erfindungswesentlich. Bei der Verbindung kann es sich um eine direkte oder indirekte Verbindung handeln. Die bidirektionale Speiseeinrichtung muss zudem nicht zwingend in einem Gerät realisiert sein, sondern kann auch über mehrere Geräte verteilt sein.
[0016]  Weiter kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass zumindest eine Hauptenergieversorgung mindestens einen Verbrennungsmotor und einen Generator aufweist.
[0017]  In diesem Fall handelt es sich um ein dieselelektrisches Schienenfahrzeug. Der Generator kann beispielsweise über einen Hauptumrichter mit den Fahrmotoren und dem Hilfsbetriebe-Spannungsnetz verbunden sein.
[0018]  Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung weist mindestens eine Hauptenergieversorgung mindestens einen Umrichter auf, der mit einem elektrische Energie bereitstellenden Bahnversorgungsnetz verbindbar ist.
[0019]  Das Schienenfahrzeug kann einen Stromabnehmer aufweisen, welcher die von dem Bahnversorgungsnetz bereitgestellte elektrische Spannung abnimmt und mit der Hauptenergieversorgung verbunden ist. Derartige Schienenfahrzeuge müssen keinen Kraftstoff mit sich mitführen.
[0020]  Weiter kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass das mindestens eine Steuerspannungsnetz eine Nenngleichspannung zwischen 12 V und 140 V aufweist.
[0021]  Es handelt sich hierbei um übliche Betriebsspannungen für Steuerspannungsnetze, so dass Geräte aus Serienproduktion an das Steuerspannungsnetz angeschlossen werden können. Übliche Geräte des Steuerspannungsnetzes sind Einrichtungen des Gleitschutzes, Türen, Funk, Notlicht, Schütze und Schalter.
[0022]  Weiter kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass das Hilfsbetriebe-Spannungsnetz eine dreiphasige Nennwechselspannung zwischen 0 V und 500 V und eine Frequenz zwischen 0 Hz und 100 Hz aufweist.
[0023]  Es handelt sich hierbei um übliche Betriebsspannungen für Hilfsbetriebe-Spannungsnetze. Übliche Geräte des Hilfsbetriebe-Spannungsnetzes sind Klimageräte und Belüftungseinrichtungen.
[0024] Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass der Energiespeicher mindestens einen chemischen Akkumulator aufweist.
[0025]  Energiespeicher auf Akkumulatorbasis sind eine besonders bewährte Technologie. Grundsätzlich ist die Ausgestaltung des Energiespeichers aber nicht erfindungswesentlich. Im Rahmen der Erfindung kann der Energiespeicher somit auf einem beliebigen Speicherprinzip von Energie beruhen. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Energiespeicher ein Schwungrad aufweist.
[0026]  Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung weist der Energiespeicher mindestens einen Speicher-Kondensator auf.
[0027]  Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zur hilfsweisen Energieversorgung zumindest eines Hilfsbetriebe-Spannungsnetzes ebenfalls elektrische Energie in einem Energiespeicher gespeichert und im Bedarfsfall in das Hilfsbetriebe-Spannungsnetz eingespeist wird, wobei eine Speiseeinrichtung eine von dem Energiespeicher bereitgestellte Speicherklemmenspannung in wenigstens eine andere Spannung umwandelt und elektrische Energie zu wenigstens einem Hilfsbetriebe-Spannungsnetz und/oder Steuerspannungsnetz überträgt.
[0028]  Die elektrische Energie zur hilfsweisen Energieversorgung des Hilfsbetriebe-Spannungsnetzes wird somit nicht mehr von einem Hilfsaggregat erzeugt, sondern wird bei noch laufender Hauptenergieversorgung in einem Energiespeicher zwischengespeichert, um dann bei abgestellter Hauptenergieversorgung oder zur Stützung derselben in das Hilfsbetriebe-Spannungsnetz eingespeist zu werden. Bei dem Energiespeicher kann es sich um einen weiteren Energiespeicher handeln. Insbesondere wird damit auf besonders kostengünstige Art und Weise erreicht, dass bei abgestellter Hauptenergieversorgung noch alle Funktionen der an das Hilfsbetriebe-Spannungsnetz angeschlossenen Hilfsbetriebe zur Verfügung stehen. Da keine Hilfsaggregate wie beispielsweise Hilfsmotoren mehr zum Einsatz kommen, ist das erfindungsgemäße Schienenfahrzeug im Stillstand– beispielsweise während eines Aufenthalts in einem Bahnhof– zudem besonders geräuscharm.
[0029]  Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur hilfsweisen Energieversorgung zumindest eines Steuerspannungsnetzes und zumindest eines Hilfsbetriebe-Spannungsnetzes ein gemeinsamer Energiespeicher verwendet wird.
[0030]  Dadurch können Anschaffungskosten für Energiespeicher eingespart werden.
[0031] Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass eine bidirektionale Speiseeinrichtung verwendet wird, welche in einem ersten Betriebszustand eine Versorgungsspannung in die Speicherklemmenspannung umwandelt und elektrische Energie zum Energiespeicher überträgt und in einem zweiten Betriebszustand die Speicherklemmenspannung in mindestens eine von der Speicherklemmenspannung verschiedene Spannung umwandelt und elektrische Energie zu mindestens einem Hilfsbetriebe-Spannungsnetz und/oder Steuerspannungsnetz überträgt.
[0032]  Die bidirektionale Speiseinrichtung ersetzt somit das Energiespeicher-Ladegerät und die Speiseeinrichtung und fasst beide Funktionen in einer Einrichtung zusammen. Die Übertragung der elektrischen Energie in der einen Richtung zum Energiespeicher hin und in der andern Richtung zu mindestens einem Hilfsbetriebe-Spannungsnetz und/oder Steuerspannungsnetz kann über getrennte Wege/Bauteile der bidirektionalen Speiseeinrichtung erfolgen, so dass diese erfindungsgemäße Ausgestaltung vor allem Platz einspart. Es kann aber auch vorgesehen sein, für beide Übertragungswege zumindest teilweise identische Bauteile zu verwenden, so dass die bidirektionale Speiseeinrichtung gegenüber den getrennten Geräten kostengünstiger ist.
[0033]  Vorteilhafter Weise wird das wenigstens eine Steuerspannungsnetz mit einer Nenngleichspannung zwischen 12 V und 140 V betrieben.
[0034]  Weiter kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass das mindesten eine Hilfsbetriebe-Spannungsnetz mit einer dreiphasigen Nennwechselspannung zwischen 0 V und 500 V und einer Frequenz zwischen 0 Hz und 100 Hz betrieben wird.
[0035]  Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figur der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen.
[0036]  Dabei zeigt
[0037]  Fig.1 einzelne Komponenten der elektrischen Energieversorgung des erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugs in schematischer Darstellung.
[0038]  Die Fig.1 zeigt eine Hauptenergieversorgung 1, mit einem Anschluss 3, welcher über einen Schalter 4 sowohl mit einem Hilfsbetriebe-Spannungsnetz 2 als auch über einen weitern Schalter 11 mit einem Anschluss 5 einer bidirektionalen Speiseeinrichtung 6 verbunden ist. Die bidirektionale Speiseeinrichtung 6 ist mit einem Anschluss 7 mit einem Energiespeicher 8 und über einen Schalter 9 mit einem Steuerspannungsnetz 10 verbunden. Wenn die Hauptenergieversorgung 1 elektrische Energie erzeugt, wird bei geschlossenem Schalter 4 das Hilfsbetriebe-Spannungsnetz 2 mit einer am Anschluss 3 bereitgestellten Hilfsbetriebe-Spannung versorgt. Die Hilfsbetriebe-Spannung ist in der Fig.1 als dreiphasige Wechselspannung dargestellt. Durch Schließen des Schalters 11 liegt diese Hilfsbetriebe-Spannung auch an dem Anschluss 5 der bidirektionalen Speiseeinrichtung 6 an, welche sich in einem Lade-Betriebszustand befindet und die Hilfsbetriebe-Spannung in eine Speicherklemmenspannung umwandelt und über den Anschluss 7 dem Energiespeicher zur Verfügung stellt, welcher aufgeladen wird. Durch Schließen des Schalters 9 wird zusätzlich das in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit Gleichspannung betriebene Steuerspannungsnetz 10 mit der am Anschluss 7 bereitgestellten Speicherklemmenspannung versorgt. Bei ausgeschalteter Hauptenergieversorgung 1 kann nun mittels des Energiespeichers 8 eine hilfsweise Energieversorgung der beiden Spannungsnetze 10, 2 erfolgen. Dazu ist Schalter 4 geöffnet und die Schalter 9 und 11 sind geschlossen. Die von dem Energiespeicher 8 bereitgestellte Speicherklemmenspannung wird über den Schalter 9 dem Steuerspannungsnetz 10 zur Verfügung gestellt. Ferner wird elektrische Energie vom Energiespeicher 8 über die bidirektionale Speiseeinrichtung 6 und den Schalter 11 in das Hilfsbetriebe-Spannungsnetz 2 eingespeist, indem die am Anschluss 7 anliegende Speicherklemmenspannung von der bidirektionalen Speiseeinrichtung 6 in die Hilfsbetriebe-Spannung umgewandelt und am Anschluss 5 bereitgestellt wird.
Bezugszeichenliste
1       Hauptenergieversorgung
2       Hilfsbetriebe-Spannungsnetz
3       ein Anschluss der Hauptenergieversorgung
4       Schalter
5       ein Anschluss der bidirektionalen Speiseeinrichtung
6       bidirektionale Speiseeinrichtung
7       ein Anschluss der bidirektionalen Speiseeinrichtung
8       Energiespeicher
9       Schalter
10     Steuerspannungsnetz
11     Schalter