DE102007032776A1

DE102007032776A1 - Elektrisches Antriebssystem

Info

Publication number: DE102007032776A1
Application number: DE102007032776A
Authority: DE
Inventors: Michael Meinert; Karsten Dr. Rechenberg
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-07-13
Filing date: 2007-07-13
Publication date: 2009-01-15
Also published as: EP2167344A2; WO2009010417A3; WO2009010417A2

Abstract

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das elektrische Antriebssystem eine elektrische Antriebseinheit (20) und eine mit der Antriebseinheit unmittelbar oder mittelbar verbundene Energiespeichereinrichtung (30) umfasst, wobei die Energiespeichereinrichtung zumindest einen elektrischen Energiespeicher (40, 50) und zumindest einen elektrochemischen Energiespeicher (60, 70) aufweist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Antriebssystem, insbesondere für Schienenfahrzeuge.
Bekanntermaßen lassen sich Antriebssysteme mit einer Energiespeichereinrichtung ausstatten, um die beim Abbremsen eines Fahrzeugs freiwerdende Bremsenergie zwischenzuspeichern und diese für einen nächsten Beschleunigungsvorgang wieder zu verwenden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Antriebssystem mit einer für Antriebszwecke besonders geeigneten Energiespeicherung anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Antriebssystem mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Antriebssystems sind in Unteransprüchen angegeben.
Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das elektrische Antriebssystem eine elektrische Antriebseinheit und eine mit der Antriebseinheit unmittelbar oder mittelbar verbundene Energiespeichereinrichtung umfasst, wobei die Energiespeichereinrichtung zumindest einen elektrischen Energiespeicher und zumindest einen elektrochemischen Energiespeicher aufweist.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Antriebssystems besteht darin, dass aufgrund der Verwendung zweier unterschiedlicher Energiespeichertypen ein optimales Speicherverhalten für Traktionsanwendungen erreicht wird. Bei Traktionsanwendungen ist nämlich nicht nur eine große Speicherkapazität der Energiespeichereinrichtung wichtig, sondern auch die Fähigkeit, kurzfristig eine sehr große Energiemenge bereitzustellen, beispielsweise für Beschleunigungsvorgänge. An dieser Stelle setzt die Erfindung an, indem erfindungsgemäß zumindest ein elektrischer Energiespeicher und zumindest ein elektrochemischer Energiespeicher vorgesehen werden. Unter dem Begriff „elektrischer Speicher" werden hier solche Speicher verstanden, die Energie ausschließlich auf elektrischem oder elektromagnetischem Wege (z. B. wie Kondensatoren, Supraleiter, etc.) und nicht durch chemische Stoffumwandlung speichern; diese Speicher weisen eine sehr große Energieabgabegeschwindigkeit auf und lassen sich somit gezielt für Beschleunigungsvorgänge heranziehen. Unter dem Begriff "elektrochemischer Energiespeicher" werden hier Energiespeicher verstanden, die Energie auf elektrochemischem Wege – also durch chemische Stoffumwandlung – speichern; diese Speicher weisen eine besonders große Speicherkapazität auf, so dass sie vorzugsweise für den beschleunigungsfreien oder beschleunigungsarmen Normalfahrbetrieb, beispielsweise zum Überbrücken fahrdrahtloser Abschnitte einer ansonsten elektrifizierten Eisenbahnstrecke, eingesetzt werden. Durch die erfindungsgemäße Kombination zumindest eines elektrischen Energiespeichers und zumindest eines elektrochemischen Energiespeichers lässt sich also ein ideales Speicherverhalten für Traktionsanwendungen erreichen, so dass beispielsweise andere Energiequellen wie zum Beispiel Verbrennungsmotoren des Antriebssystems stets in ihrem optimalen Arbeitspunkt betrieben werden können.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des elektrischen Antriebssystems ist vorgesehen, dass das Antriebssystem außerdem eine elektrische Energiequelle aufweist, die mit der Antriebseinheit unmittelbar oder mittelbar verbunden ist. Eine solche Energiequelle kann beispielsweise einen Verbrennungsmotor umfassen, der über einen nachgeordneten elektromechanischen Energiewandler mit der Antriebseinheit unmittelbar oder mittelbar verbunden ist.
Alternativ oder zusätzlich kann die Antriebseinheit beispielsweise auch unmittelbar oder mittelbar mit einer elektrischen Energiezuführungseinrichtung für eine Zufuhr extern erzeugter elektrischer Energie verbunden sein. Eine solche elektrische Energiezuführungseinrichtung kann beispielsweise mindestens einen Pantograph und/oder Stromschuh umfassen.
Auch kann die Energiespeichereinrichtung eine Kombination mehrerer elektrischer und mehrerer elektrochemischer Energiespeicher aufweisen.
Vorzugsweise weist der elektrische Energiespeicher zumindest einen Doppelschichtkondensator auf. Alternativ oder zusätzlich kann der elektrische Energiespeicher auch mit einem supraleitenden Energiespeicherelement ausgestattet sein.
Der elektrochemische Energiespeicher kann beispielsweise durch eine Bleibatterie, eine Nickel-Cadmium Batterie, eine Nickelmetallhydridbatterie oder eine Lithiumionenbatterie gebildet werden.
Im Hinblick auf einen möglichst geringen Platzbedarf wird es als vorteilhaft angesehen, wenn der zumindest eine elektrochemische Energiespeicher und der zumindest eine elektrische Energiespeicher eine bauliche Einheit bilden.
Der elektrische und der elektrochemische Energiespeicher können beispielsweise direkt miteinander verbunden sein; alternativ können diese Komponenten auch über leistungselektronische und/oder mechanische Schalter miteinander mittelbar oder unmittelbar in Verbindung stehen.
Der elektrische und der elektrochemische Energiespeicher können je nach Anforderungen an Speicherkapazität und Ausgangsspannung elektrisch in Reihe und/oder parallel geschaltet sein.
Vorzugsweise sind die Energiespeicher über leistungselektronische und/oder mechanische Schalter mit einem oder mehreren elektrischen Energiequellen und/oder einem oder mehreren elektrischen Antriebseinheiten verbunden.
Der Energieaustausch zwischen der elektrischen Antriebseinheit und den Energiespeichern wird bevorzugt durch eine Energiemanagementeinheit gesteuert und/oder geregelt.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Schienenfahrzeug mit einen Antriebssystem, wie es oben beschrieben ist. Ein solches Schienenfahrzeug kann beispielsweise eine Lokomotive, ein Triebzug, eine Rangierlokomotive, eine Stadtbahn, eine Metro, eine Magnetschwebebahn, gummibereifte spurgeführte Fahrzeuge oder eine Straßenbahn bilden.
Vorzugsweise befinden sich auf dem Schienenfahrzeug ein oder mehrere elektrische Energiequellen, die mit der Antriebseinheit unmittelbar oder mittelbar verbunden sind. Beispielsweise befindet sich in dem Schienenfahrzeug mindestens ein Verbrennungsmotor, und zwar im Fahrzeugkopf, innerhalb des Fahrzeuges selbst, auf dem Fahrzeugdach und/oder unterflur.
Auch können sich in dem Schienenfahrzeug mehrere Energiespeichereinrichtungen mit jeweils zumindest einem elektrischen Energiespeicher und zumindest einem elektrochemischen Energiespeicher befinden.
Das elektrische Antriebssystem ist bevorzugt derart ausgestaltet, dass eine elektrische Energiequelle des Antriebssystems während des Betriebs des Schienenfahrzeugs zeitweise nicht aktiv sein muss und ausschließlich andere Energie als die der elektrischen Energiequelle verwendet wird.
Auch kann eine elektrische Energiezuführungseinrichtung des Antriebssystems derart ausgestaltet sein, dass die elektrische Energiezuführung örtlich konzentriert an bestimmten Ladestationen und/oder an streckenseitigen Ladeabschnitten auf das Schienenfahrzeug erfolgt.
Darüber hinaus wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die elektrische Energiezuführungseinrichtung derart ausgestaltet ist, dass die elektrische Energiezuführung über eine oder mehrere Kontaktstellen, insbesondere über einen oder mehrere Pantographen und/oder über eine oder mehrere Stromschienen und/oder über einen oder mehrere Stromschuhe und/oder über eine oder mehrere induktive Energieübertragungseinrichtungen erfolgt.
Der Energieaustausch zwischen der zumindest einen elektrischen Antriebseinheit und den Energiespeichern wird bevorzugt durch eine Energiemanagementeinheit gesteuert und/oder geregelt, die im Fahrzeug zentral angeordnet ist oder aus mehreren dezentralen Einheiten besteht.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft:
1 ein elektrisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels für ein elektrisches Antriebssystem, und
2 ein Schienenfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystem, wobei in der 2 verschiedene Positionen für die Energiespeichereinrichtung des Antriebssystems angedeutet sind.
In den Figuren werden der Übersichtlichkeit halber für identische oder vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen verwendet.
In der 1 ist ein elektrisches Antriebssystem für ein nicht weiter dargestelltes Schienenfahrzeug gezeigt. Das Antriebssystem 10 weist eine elektrische Antriebseinheit 20 in Form eines Traktionsmotors auf. Die Antriebseinheit 10 ist elektrisch mit einer Energiespeichereinrichtung 30 verbunden, die elektrische Energiespeicher 40 und 50 sowie elektrochemische Energiespeicher 60 und 70 umfasst.
Wie sich in der 1 erkennen lässt, bilden der elektrische Energiespeicher 40 sowie der elektrochemische Energie speicher 60 eine bauliche Einheit; diese bauliche Einheit ist in der 1 mit dem Bezugszeichen 80 gekennzeichnet.
Der elektrochemische Energiespeicher 70 ist über einen DC/DC-Steller 90 und der elektrische Energiespeicher 50 über einen weiteren DC/DC-Steller 100 an äußere Anschlüsse 110 und 120 der Energiespeichereinrichtung 30 sowie über diese an die Antriebseinheit 20 angeschlossen.
Mit der Energiespeichereinrichtung 30 sowie mit der Antriebseinheit 20 steht darüber hinaus eine elektrische Energiequelle 130 in Verbindung, die durch einen Motor, beispielsweise einen Dieselmotor 140, einen Generator 150 sowie einen Gleichrichter 160 gebildet ist.
Außerdem steht die elektrische Antriebseinheit 20 mit einer Energiezuführeinrichtung 170 in Verbindung, die Pantographen oder Stromschuhe aufweisen kann. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 umfasst die Energiezuführeinrichtung 170 beispielhaft mehrere Pantographen 180 und 190, die zum Einspeisen externer Gleich- oder Wechselspannung in die Antriebseinheit 10 geeignet sind.
Die elektrischen Speicher 40 und 50 der Energiespeichereinrichtung 30 können beispielsweise jeweils durch einen oder mehrere Doppelschichtkondensatoren gebildet sein, die elektrisch parallel oder in Reihe geschaltet sind. Alternativ können die elektrischen Energiespeicher 40 und 50 auch durch einen supraleitenden Energiespeicher gebildet sein oder einen solchen zusätzlich aufweisen.
Bezüglich der elektrochemischen Energiespeicher 60 und 70 wird vorgeschlagen, diese durch Bleibatterien, Nickelkadmiumbatterien, Nickelmetallhybridbatterien oder Lithiumionenbatterien zu bilden; selbstverständlich sind auch andere Arten elektrochemischer Energiespeicher denkbar.
In der 2 ist anhand eines Eisenbahnzugs 200 beispielhaft angedeutet, an welchen Positionen in einem Schienenfahrzeug eine Energiespeichereinrichtung des Antriebssystems angeordnet sein kann.
Das Bezugszeichen 1 deutet in der 2 beispielhaft eine Anordnung der Energiespeichereinrichtung unterflur im mittleren Bereich 210 des Zuges 200, also außerhalb der beiden Fahrzeugköpfe 220 und 230, an.
Mit dem Bezugszeichen 2 ist eine Anordnung auf dem Fahrzeugdach im mittleren Bereich 210 des Zuges symbolisiert. Das Bezugszeichen 3 bezeichnet eine Anordnung der Energiespeichereinrichtung im mittleren Bereich des Zuges, und zwar im Fahrzeuginneren.
Mit den Bezugszeichen 4, 5 und 6 wird eine Anordnung im Bereich der Fahrzeugköpfe bezeichnet, wobei das Bezugszeichen 5 eine Anordnung auf dem Fahrzeugdach, das Bezugszeichen 4 eine Anordnung unterflur und das Bezugszeichen 6 eine Anordnung innerhalb des Fahrzeugs symbolisiert.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der 2 ist der Fahrzeugkopf 220 an eine externe elektrische Energieversorgung angeschlossen und der andere Fahrzeugkopf 230 nicht.

Claims

Elektrisches Antriebssystem (10), insbesondere für Schienenfahrzeuge (200), wobei das elektrische Antriebssystem eine elektrische Antriebseinheit (20) und eine mit der Antriebseinheit unmittelbar oder mittelbar verbundene Energiespeichereinrichtung (30) umfasst, wobei die Energiespeichereinrichtung zumindest einen elektrischen Energiespeicher (40, 50) und zumindest einen elektrochemischen Energiespeicher (60, 70) aufweist.
Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem außerdem eine elektrische Energiequelle (130) aufweist, die mit der Antriebseinheit unmittelbar oder mittelbar verbunden ist.
Antriebssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energiequelle einen Verbrennungsmotor (140) umfasst, der über einen nachgeordneten elektromechanischen Energiewandler (150) mit der Antriebseinheit unmittelbar oder mittelbar verbunden ist.
Antriebssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit unmittelbar oder mittelbar mit einer elektrischen Energiezuführungseinrichtung (170) für eine Zufuhr extern erzeugter elektrischer Energie verbunden ist.
Antriebssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energiezuführungseinrichtung mindestens einen Pantograph (180, 190) und/oder Stromschuh umfasst.
Antriebssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichereinrichtung eine Kombination mehrerer elektrischer und mehrerer elektrochemischer Energiespeicher aufweist.
Antriebssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine elektrische Energiespeicher durch mindestens einen Doppelschichtkondensator gebildet ist.
Antriebssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine elektrische Energiespeicher durch einen supraleitenden Energiespeicher gebildet ist.
Antriebssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine elektrochemische Energiespeicher durch eine Bleibatterie, eine Nickel-Cadmium Batterie, eine Nickelmetallhydridbatterie oder eine Lithiumionenbatterie gebildet ist.
Antriebssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine elektrochemische Energiespeicher und der zumindest eine elektrische Energiespeicher eine bauliche Einheit (80) bilden.
Antriebssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische und der elektrochemische Energiespeicher direkt miteinander verbunden sind.
Antriebssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische und der elektrochemische Energiespeicher über leistungselektronische und/oder mechanische Schalter miteinander verbunden sind.
Antriebssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische und der elektrochemische Energiespeicher elektrisch in Reihe und/oder parallel geschaltet sind.
Antriebssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicher über leistungselektronische und/oder mechanische Schalter mit einem oder mehreren elektrischen Energiequellen und/oder einem oder mehreren elektrischen Antriebseinheiten verbunden sind.
Antriebssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieaustausch zwischen der zumindest einen elektrischen Antriebseinheit und den Energiespeichern durch eine Energiemanagementeinheit gesteuert und/oder geregelt wird.
Schienenfahrzeug mit einen Antriebssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche.
Schienenfahrzeug nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Schienenfahrzeug eine Lokomotive, ein Triebzug, eine Rangierlokomotive, eine Stadtbahn, eine Metro, eine Magnetschwebebahn, gummibereifte spurgeführte Fahrzeuge oder eine Straßenbahn ist.
Schienenfahrzeug nach einem der voranstehenden Ansprüche 16–17, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf dem Schienenfahrzeug ein oder mehrere elektrische Energiequellen befinden, die mit der Antriebseinheit unmittelbar oder mittelbar verbunden sind.
Schienenfahrzeug nach einem der voranstehenden Ansprüche 16–18, dadurch gekennzeichnet, dass sich in dem Schienenfahrzeug mindestens ein Verbrennungsmotor befindet, und zwar im Fahrzeugkopf, innerhalb des Fahrzeuges selbst, auf dem Fahrzeugdach und/oder unterflur.
Schienenfahrzeug nach einem der voranstehenden Ansprüche 16–19, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein oder mehrere Energiespeichereinrichtungen mit jeweils zumindest einem elektrischen Energiespeicher und zumindest einem elektrochemischen Energiespeicher im Schienenfahrzeug befinden.
Schienenfahrzeug nach einem der voranstehenden Ansprüche 16–20, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Antriebs system derart ausgestaltet ist, dass eine elektrische Energiequelle des Antriebssystems während des Betriebs des Schienenfahrzeugs zeitweise nicht aktiv sein muss und ausschließlich andere Energie als die der elektrischen Energiequelle verwendet wird.
Schienenfahrzeug nach einem der voranstehenden Ansprüche 16–21, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Energiezuführungseinrichtung des Antriebssystems derart ausgestaltet ist, dass die elektrische Energiezuführung örtlich konzentriert an bestimmten Ladestationen und/oder an streckenseitigen Ladeabschnitten auf das Schienenfahrzeug erfolgt.
Schienenfahrzeug nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energiezuführungseinrichtung derart ausgestaltet ist, dass die elektrische Energiezuführung über eine oder mehrere Kontaktstellen, insbesondere über einen oder mehrere Pantographen und/oder über eine oder mehrere Stromschienen und/oder über einen oder mehrere Stromschuhe und/oder über eine oder mehrere induktive Energieübertragungseinrichtungen erfolgt.
Schienenfahrzeug nach einem der voranstehenden Ansprüche 16–23, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieaustausch zwischen der zumindest einen elektrischen Antriebseinheit und den Energiespeichern durch eine Energiemanagementeinheit gesteuert und/oder geregelt wird, die im Fahrzeug zentral angeordnet ist oder aus mehreren dezentralen Einheiten besteht.