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Die Erfindung bezieht sich auf ein Stromversorgungssystem für Bahnfahrzeuge mit einer über einen Stromabnehmer an die Fahrleitung oder an ein Speisenetz anschliessbaren, regelbaren Strom- versorgungseinheit, an deren Ausgang parallel zum Verbraucherkreis ein Ladestromkreis einer Puf- ferbatterie angeschlossen ist, wobei die Ausgangsspannung dieser Stromversorgungseinheit entwe- der mittels eines Spannungsstellers oder mittels eines Strombegrenzers beeinflussbar ist und die jeweils zur Anwendung kommenden Spannungssollwerte oder Strombegrenzungswerte des Ausgangsstro- mes der Stromversorgungseinheit von einem Sollwertsteller geliefert werden und wobei ein Lade- programm-Speicher im ungestörten Betrieb mittels eines ersten Signals den Sollwertsteller zur Ein- stellung eines Spannungssollwertes veranlasst,
der eine den Ladezustand der Pufferbatterie erhal- tene Aufladung (Erhaltungsladung) erzielt, jedoch nach einem Ausfall der Ausgangsspannung der
Stromversorgungseinheit mittels eines zweiten Signals den Sollwertsteller zur Einstellung eines er- höhten Spannungssollwertes für eine (nach erhöhtem Verbrauch oder nach verringerter Aufladung erforderliche) verstärkte Aufladung (Schnelladung) bis zum Erreichen eines vorgegebenen Span- nungs-Istwertes veranlasst.
Fahrzeugbatterien sind insbesondere bei Bahnfahrzeugen starken Temperaturschwankungen ausgesetzt und durch diese sehr gefährdet. Dies ist auch dann der Fall, wenn für die Batterie- aufladung ein die Ladekennlinie berücksichtigender Regler vorhanden ist, weil die für die Lade- programmsteuerung heranziehbaren Batterieparameter selbst stark temperaturabhängig sind und sich demgemäss mit einer Temperaturänderung auch eine starke Veränderung der errechneten La- dekennlinien ergibt.
Die Folgen einer ungenügenden Berücksichtigung der Temperatur sind einerseits eine Überladung bei hoher Temperatur, verbunden mit hohem Wasserverbrauch bei Knallgasbildung (mit Explosionsgefahr) und anderseits eine Unterladung bei niedrigen Temperaturen, verbunden mit einer geringen Ladekapazität, wodurch die Betriebssicherheit gefährdet wird. Sowohl Über- als auch Unterladungen wirken sich auf die Lebensdauer der Batterie ungünstig aus.
Gegen diese Nachteile behilft man sich derzeit dadurch, dass für die Ladeprogrammsteuerung mittlere Kennlinienparameter zugrundegelegt werden, die so ausgewählt sind, dass sie ein möglichst grosses Temperaturspektrum abdecken. Dies hat allerdings den Nachteil, dass das Ladeverhalten umso ungünstiger wird, je mehr die Betriebsverhältnisse von den gewählten Mittelwerten abweichen.
Die den erwähnten Regelungsverfahren anhaftenden Unsicherheiten könnten vermieden werden, wenn jederzeit der genaue Ladezustand (die Anzahl der jeweils gespeicherten Amperestunden) bekannt wäre. Da sich jedoch der Ladezustand einer unmittelbaren Messung entzieht, hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, eine Kontrolleinrichtung zu schaffen, die unter ständiger Überwachung der Ladevorgänge die jeweiligen Sollwertvorgaben der Batterieladeregelung dahingehend kontrolliert, ob sie nach einem einer Entladung folgenden Aufladevorgang auch plausibel sind, um die Gefahren eines Fehlverhaltens der Batterieladeregelung bei extremen Temperaturen auszuschalten.
Bei der Erfindung wird davon ausgegangen, dass unter normalen Bedingungen der Ladeprogramm-Rechner den optimalen Ladezustand anstrebt, wobei die Kontrolleinrichtung jedoch den Wirkungsbereich des Ladeprogramm-Rechners in Abhängigkeit von der bei jeder Entladung der Pufferbatterie entnommenen Ladungsmenge begrenzt. Die hiebei gesetzten Grenzen sind so bemessen, dass bei niedrigen Temperaturen eine Dauer der Schnelladung garantiert wird, während welcher auf jeden Fall die entnommene Ladungsmenge ersetzt wird ; demnach ist eine von der Gesamtentladungsmenge abhängige untere Grenze festzulegen, unterhalb welcher ausschliesslich Schnelladung betrieben wird. Bei hohen Temperaturen ist hingegen eine Überladung zu vermeiden. Zu diesem Zweck wird eine obere Grenze festgelegt, oberhalb welcher eine Schnelladung auf jeden Fall unterdrückt werden muss.
Die solcherart durchgeführte Plausibilitätkontrolle der Batterieladeregelung vermeidet eine Unterschreitung des jeweils zulässigen unteren Grenzwertes und eine Überschreitung des jeweils zulässigen oberen Grenzwertes der Batterieladung erfindungsgemäss dadurch, dass sowohl der Ladeprogramm-Rechner als auch ein ebenfalls zur Abgabe eines ersten oder eines zweiten Signals dienender Kontrollrechner über eine aus vier NOR-Gattern aufgebaute logische Schaltung an den
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Sollwertsteller angeschlossen sind,
wobei die logische Schaltung im Falle der Abgabe unterschied- licher Signale durch den Ladeprogramm-Rechner einerseits und durch den Kontrollrechner ander- seits die Signale des Ladeprogramm-Rechners gegenüber denen des Kontrollrechners unterdrückt und dass weiters an ein den Auflade- und Entladestrom der Pufferbatterie messendes Strommessge- rät ein Amperestundenzähler angeschlossen ist, der einerseits die bei Entladung entnommene und anderseits die bei Aufladung gespeicherten Amperestundenmengen in zwei getrennte, den Entlade- bzw.
Auflademengen zugeordnete Speicherbereiche eines Kontrollrechners einzählt, wobei zur An- schaltung des der jeweiligen Richtung des Batteriestromes zugeordneten Speicherbereiches an den
Amperestundenzähler eine vom Strommessgerät bei jedem Stromrichtungswechsel betätigte Umschalte- vorrichtung vorgesehen ist und dass schliesslich der nach jeder Unterbrechung des Ladestroms akti- vierte Kontrollrechner einerseits aus der im Speicherbereich für Entlademengen enthaltenen Summe einen unteren und einen oberen Grenzwert errechnet und die im Speicherbereich für Auflademen- gen enthaltene Summe mit diesen Grenzwerten vergleicht, derart, dass der Kontrollrechner ausschliess- lich bei einer oberhalb der oberen Grenze liegenden Summe ein erstes Signal, ferner ebenfalls ausschliesslich bei einer unterhalb der unteren Grenze liegenden Summe ein zweites Signal lie- fert,
während bei einer zwischen den beiden Grenzen liegenden Summe ausschliesslich die Signale des Ladeprogramm-Rechners wirksam sind.
Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Amperestundenzähler mit einer Rück- stellvorrichtung versehen, die beim Befehl"Erhaltungsladung"aktiviert wird. Dem Kontroll- rechner gehört vorteilhafterweise eine Einheit zur Auslösung einer Zusatzladung mit einer vor- gegebenen Amperestundenmenge an.
Als Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung das Stromversorgungssystem eines Triebfahrzeuges oder eines Reisezugwagens dargestellt.
Die an das Wechselspannungs-Speisenetz --1-- angeschlossene steuerbare Stromversorgungseinheit --2-- ist mit einer phasenanschnittsgesteuerten Thyristorgleichrichterschaltung versehen und dient zur Versorgung einerseits der mit --3-- bezeichneten Verbraucher, wie Beleuchtung, Hilfsantriebe usw., sowie anderseits der Pufferbatterie --4--. Die Ausgangsspannung der Stromversorgungseinheit --2-- ist entweder mittels eines Spannungsstellers --5-- oder mittels eines Strombegrenzers --6-- beeinflussbar. Die jeweils zur Anwendung kommenden Spannungssollwerte oder Strombegrenzungswerte sind in einen Sollwertsteller --7-- eingegeben. Mit einer strichpunktierten Linie 8 ist die Gruppe jener Schaltungselemente umgeben, die der erfindungsgemäss vorgesehenen Plausibilitätskontrolle dienen.
Die Steuerung der Stromversorgungseinheit --2-- erfolgt normalerweise in dem Sinn, dass ein optimaler Ladezustand der Pufferbatterie --4-- erzielt bzw. angestrebt wird. Hiezu dient ein Ladeprogramm, das von einem mit einem Programmspeicher versehenen Ladeprogramm-Rechner --9-- ausgeführt wird, dem zu diesem Zweck die folgenden Messwerte eingegeben werden :
Über die Leitung --10-- wird ein Messwert der Verbraucher- und zugleich Batteriespannung abgenommen, ferner wird die Information, dass die Spannung des Speisenetzes --1-- vorhanden ist, über die Leitung --11-- dem Ladeprogramm-Rechner --9-- zugeführt. Schliesslich übermittelt ein an die Stromzuführungsleitung --12-- zur Pufferbatterie --4-- angeschlossenes Strommessgerät --13- über die Messleitung --14-- den Wert des jeweiligen Lade- oder Entladestromes an den Rechner-9--.
Das vom Rechner --9-- durchgeführte Ladeprogramm sieht zunächst vor, dass bei normaler Belastung der Stromversorgungseinheit --2-- durch die Verbraucher --3-- sich am Ausgang der Stromversorgungseinheit --2-- eine konstante Spannung einstellt. Dieser, als "Erhaltungsladung" bezeichnete Betriebszustand wird vom Ladeprogramm-Rechner --9-- durch ein Signal an seinem mit --E-- bezeichneten Ausgang bewirkt.
Nach Ausfall der Spannung des Speisenetzes --1-- z. B. nach Überfahren einer Trennstrecke, wird vom Ausgang --5-- des Ladeprogramm-Rechners --9-- ein Signal zum Einsatz des als "Schnelladung" bezeichneten Betriebszustandes geliefert, währenddessen die Ausgangsspannung der Stromversorgungseinheit erhöht wird, um eine erhöhte Aufladung der Pufferbatterie --4-- bei der maximal möglichen Strombelastung der Stromversorgungseinheit --2-- zu erzielen. Durch die erhöhte Spannung steigt der Batteriestrom an.
Nunmehr steuert der Strombegrenzer --6-- die Strom-
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versorgungseinheit --2--, wobei entweder ein weiteres an den Ausgangskreis der Stromversor- gungseinheit --2-- angeschaltetes Strommessgerät --15-- den Gesamtstrom der Stromversorgungsein- heit --2-- begrenzt oder das Strommessgerät --13-- den Batteriestrom begrenzt. Die Messergebnis- se der Strommesser --13 und 15-werden über die Messleitungen --14 und 16-dem Strombegren- zer --6-- übermittelt.
Eine ordnungsgemässe Batterieladung erfordert, dass bei einsetzender Gasung von Schnella- dung auf Erhaltungsladung umgeschaltet wird. Das konventionelle Ladeprogramm macht sich den
Umstand zunutze, dass bei einsetzender Gasung die Batteriespannung relativ rasch auf die Ga- sungsspannung ansteigt. Dieser Spannungshub wird üblicherweise als Umschaltkriterium in der
Weise herangezogen, dass die Batteriespannung mit einer konstanten, vorgegebenen Spannung ver- glichen wird. Dieses Verfahren arbeitet jedoch nur innerhalb eines beschränkten Temperaturbe- reiches einwandfrei, weil sich das gesamte Spannungsniveau der Batterie mit der Temperatur ändert.
Um eine einwandfreie Funktion auch in einem erweiterten Temperaturbereich zu gewähr- leisten, ist erfindungsgemäss eine Plausibilitätskontrolle vorgesehen, die im wesentlichen von einem Kontrollrechner --17-- durchgeführt wird, der entnommene und geladene Amperestunden bewertet und entsprechend in das Ladeprogramm des Reglers --9-- eingreift.
Zur Ermittlung der beim Aufladen gespeicherten und beim Entladen entnommenen Ampere- stunden dient ein an das Strommessgerät --13-- angeschlossener Amperestundenzähler --18--, dessen Zeitmass von einem Taktgenerator --19-- geliefert wird. Überdies werden noch die Speise- spannung und die Batteriespannung mittels einer Überwachungseinheit --20-- auf ihr Vorhanden- sein sowie der Batteriestrom hinsichtlich seines Vorzeichens überwacht.
Die Plausibilitätskontrolle hat die Aufgabe, temperaturbedingte Über- oder Unterladungen der Pufferbatterie --4-- zu verhindern, wenn solche auf Grund des vom Rechner --9-- ausge- führten Ladeprogrammes zustande kämen. Demgemäss hat auch der Kontrollrechner --17-- ebenso wie der Ladeprogramm-Rechner --9-- je einen mit --S und E-- bezeichneten Ausgang zur Aus- gabe des Signals "Schnelladung" im Falle einer Unterladung der Pufferbatterie --4-- und zur Aus- gabe des Signals"Erhaltungsladung"im Falle einer drohenden Überladung.
Da die Plausibilitätskontrolle der Laderegelung überlagert ist, d. h. damit die Befehle der Plausibilitätskontrolle den Vorrang vor den Befehlen der Laderegelung aufweisen, ist eine aus den NOR- - Gattern --21, 22, 23 und 24-- aufgebaute logische Schaltung vorgesehen, die bewirkt, dass in den Fällen in denen die beiden Rechner --9 und 17-- zugleich übereinstimmend die Signale "S" bzw."E"ausgeben, diese auch an die entsprechend gleich bezeichneten Eingänge des Sollwertstellers --7-- gelangen. Geben also beispielsweise die Rechner --9 und 17-- zugleich "S"-Signal, d. h."H"-Signal an ihren S-Ausgängen, so gelangen diese an die Eingänge des NOR-Gatters - -21--, das daraufhin an seinem Ausgang "L"-Signal gibt.
Das nachgeschaltete NOR-Gatter --22-- überträgt das invertierte Signal, also ein"H"-Signal an den Eingang "S" des Sollwertstellers - -7--, der somit eine Schnelladung veranlasst. In entsprechender Weise liefern die NOR-Gatter - 23 und 24-- bei übereinstimmenden "E"-Signalen der Rechner --9 nd 17-- ein "H"-Signal am Eingang "E" des Sollwertstellers --7--, der dann eine Erhaltungsladung veranlasst.
Während die Ausgänge --S und E-- des Rechners --9-- nur mit den Eingängen der Gatter - 21 und 23-- verbunden sind, haben die Ausgänge --S und E-- des Kontrollrechners --17-zusätzlich auch noch Verbindungen zu den Eingängen der den Gattern --21 und 23-- nachgeschalteten Gatter --22 und 24--. Über diese Verbindungen können die vom Rechner --9-- ausgegebenen Signale unterdrückt werden, während die vom Kontrollrechner --17-- gelieferten Signale zur Auswertung gelangen.
Zur Bemessung der auf dem Wege von Schnelladungen in die Pufferbatterie --4-- einzuspei- chernden Amperestundenmengen wird von dem Umstand ausgegangen, dass nach einer Entladung zur Erhaltung des ursprünglichen Ladezustandes eine grössere Amperestundenmenge eingespeist werden muss als die vorher entnommene Menge betragen hatte, da im Zuge der Umladung Ladungsverluste auftreten. Die einzuspeisende Amperestundenmenge Q'ergibt mit der jeweils entnommenen Menge
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nicht zu gross sein, damit permanente Überladungen verhindert werden. Arbeitet das Ladeprogramm einwandfrei, so ergibt sich ein Ladefaktor f von 1, 3 < f < 1, 5.
Die Plausibilitätskontrolle besteht in der Begrenzung des Ladespiels durch zwei von der je- weils entnommenen Amperestunden-bzw. Ladungsmenge abhängige Grenzwerte. Wenn im Zuge eines abgeschlossenen, im allgemeinen in mehreren aufeinanderfolgenden Ent- und Aufladephasen erfol- genden Wiederaufladevorganges, der erst dann abgeschlossen ist, wenn die Auflademenge die um den Ladefaktor f vergrösserte Entlademenge erreicht hat, die insgesamt entnommene Ladungsmenge den Wert Q erreicht hat, dann ergibt sich der obere Grenzwert Go = Q.fmax + Q und der untere
Grenzwert Gu = Q.ff..... Hiebei ergeben die unterschiedlichen Ladefaktoren fm max und f min sowie eine konstante Grundladungsmenge Q eine gewisse Toleranz,
die eine übermässige Inanspruchnahme der Plausibilitägskontrolle erübrigt und durch die unbestimmbare Faktoren, z. B. Selbstentladung selbsttätig ausgeglichen werden. Die angegebenen Formeln können in analoger Weise auch auf die relativen Ladungswerte (in Prozent, bezogen auf die maximale Batterieladung) angewendet werden.
Wenn bei Batterien nie die gesamte aktive Masse der Platten chemisch umgewandelt wird, kommt es langfristig zu starken Kapazitätsverlusten und damit zu vorzeitiger Alterung. Um dies zu verhindern, wird im Abstand von etwa 14 Tagen eine sogenannte"Zusatzladung"durchge- führt, bei der die bei Erhaltungsladung vorgesehene Spannung etwas erhöht wird. Es war bisher üblich, die Dauer dieser Spannungserhöhung festzulegen, beispielsweise auf 3 h. Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung wird als Zusatzladung eine vorgegebene Amperestundenmenge auf- geladen, beispielsweise von 40% der Gesamtkapazität. Für die Auslösung der Zusatzladung ist im
Kontrollrechner --17-- eine eigene Einheit vorgesehen, die ein entsprechendes Signal über den Ausgang--Z--an den Sollwertsteller --7-- liefert.
Zur Gewährleistung eines einwandfreien Betriebes ist die Einhaltung der folgenden Bedin- gungen erforderlich :
Kommt es während einer Zusatzladung zu Entladungen, so wird sowohl die restliche Zusatz- ladung als auch die mit dem Ladefaktor multiplizierte entnommene Ladungsmenge nachgeladen.
Bei einem Ausfall der Batteriespannung kann es sich entweder um eine Auswechslung der
Batterie oder bloss um den Ausfall der Sicherung handeln. Es wird daher in diesem Fall eine
Schnelladung bis zum Erreichen der Gasungsspannung durchgeführt, wobei der obere Grenzwert der Plausibilitätskontrolle auf 140% der Gesamtkapazität eingestellt wird. Erst nach Abschluss die- ser Schnelladung wird auf die normale Plausibilitätskontrolle umgestellt. Die Daten für die Zusatzladung werden durch Speicherung erhalten, insbesondere der Zeitpunkt der nächsten Zusatzladung.
Da die Mess- und Datenelektronik einen Betriebsstrom von zirka 1 A benötigt und auch bei abgeschalteten Fahrzeugen mit einem Reststrom von zirka 1 A gerechnet werden muss, wird die Elektronik unter einem Batterieentladestrom von 3 A abgeschaltet, um die Batterien nicht unnötig zu belasten. Es muss daher im ungünstigsten Fall damit gerechnet werden, dass im Zeitraum T der Abschaltung ein Entladestrom von 3 A geflossen ist. Nach dem Wiedereinschalten entfällt daher die untere Begrenzung der Plausibilitätskontrolle und es wird eine Schnelladung durchgeführt, wobei dem oberen Grenzwert eine entnommene Amperestundenzahl von 3. T A zugrundegelegt wird.
Erst nach dieser Schnelladung wird auf die normale Plausibilitätskontrolle übergegangen.
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