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Die Erfindung betrifft einen stationären Energiespeicher mit den Merkmalen von Anspruch 1, ein Energiesystem mit den Merkmalen von Anspruch 7, ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 11 und ein Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen von Anspruch 12.
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Stand der Technik
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Ein elektrisch antreibbares Fahrzeug, insbesondere ein Linienfahrzeug wie ein Zug, eine Straßenbahn oder ein Bus, ist permanent oder zeitweise mit einem Energieversorgungsnetz verbunden. Das Fahrzeug verfügt über einen mobilen Energiespeicher, der aus dem Energieversorgungsnetz aufladbar ist, und der elektrische Energie zwischenspeichert, die später zum Antreiben des Fahrzeugs verwendet werden kann. Dabei kann der mobile Energiespeicher auch im so genannten Rekuperatorbetrieb aufgeladen werden, während das Fahrzeug abbremst.
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EP 0 968 873 A1 schlägt vor, elektrische Energie zwischen einem ersten, bremsenden Fahrzeug und einem zweiten, beschleunigenden Fahrzeug auszutauschen, die beide elektrisch mit einem Energieversorgungsnetz verbunden sind.
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EP 1 864 849 A1 beschreibt ein System, in dem ein stationärer Energiespeicher außerhalb des Fahrzeugs und ein mobiler Energiespeicher an Bord des Fahrzeugs vorgesehen sind, wobei der mobile Energiespeicher dazu eingerichtet ist, aus dem stationären Energiespeicher aufgeladen zu werden.
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Die bekannten stationären oder mobilen Energiespeicher umfassen zur Speicherung üblicherweise einen Akkumulator oder einen Kondensator, insbesondere einen Doppelschicht-Kondensator, und die im Energiespeicher gespeicherte Energie ist von einer Spannung des Energiespeichers abhängig.
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Insbesondere in einer Ausführungsform, bei der das Fahrzeug nur während kurzer Phasen, beispielsweise an vorbestimmten Haltestellen, mit dem Energieversorgungsnetz verbunden ist, ist eine rasche Energieübertragung vom stationären Energiespeicher zum mobilen Energiespeicher erforderlich. Das Energieversorgungsnetz kann aus einem anderen elektrischen Versorgungsnetz gespeist werden. Die Spannung eines vollständig aufgeladenen stationären Energiespeichers würde die im Energieversorgungsnetz herrschende Spannung üblicherweise überschreiten, weshalb der stationäre elektrische Energiespeicher nur auf einen Spannung aufgeladen wird, die die Spannung des elektrischen Versorgungsnetzes nicht übersteigt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine wirtschaftliche Ausnützung eines größeren Teils der elektrischen Speicherfähigkeit des stationären Energiespeichers zu ermöglichen, ohne dass dafür ein hoch leistungsfähiges Versorgungsnetz benötigt wird.
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Die Erfindung löst dieses Problem mittels eines stationären Energiespeichers mit den Merkmalen von Anspruch 1, eines Energiesystems mit den Merkmalen von Anspruch 7, eines Verfahrens mit den Merkmalen von Anspruch 11 und eines Computerprogrammprodukts mit den Merkmalen von Anspruch 12. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Offenbarung der Erfindung
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Ein stationärer Energiespeicher zur temporären Speicherung elektrischer Energie in einem stationären Energieversorgungsnetz für ein elektrisch antreibbares Fahrzeugs umfasst eine stationäre Speichereinrichtung, einen ersten Tiefsetzsteller zum Aufladen der stationären Speichereinrichtung, einen ersten Hochsetzsteller zum Entladen der stationären Speichereinstellung, einen zweiten Hochsetzsteller zum Aufladen der stationären Speichereinrichtung und einen zweiten Tiefsetzsteller zum Entladen der stationären Speichereinrichtung.
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Erfindungsgemäß kann die stationäre Speichereinrichtung aus dem Versorgungsnetz auf eine Spannung aufgeladen werden, die über der Spannung des Versorgungsnetzes liegt und die ferner noch in das mit konstanter Spannung betriebene Energieversorgungsnetz entladen werden kann, während die Spannung der stationären Speichereinrichtung unterhalb der Spannung des Energieversorgungsnetzes liegt. Eine elektrische Speicherfähigkeit der stationären Speichereinrichtung kann dadurch optimiert genutzt und ein Energieaustausch beschleunigt werden. Hilfs- und Schutzelemente des stationären Energiespeichers können in allen Betriebszuständen verwendet werden, so dass der stationäre Energiespeicher nur wenig zusätzlichen Herstellungs- und Betriebsaufwand erfordern kann. Die zusätzlichen Hoch- bzw. Tiefsetzsteller können bekannten Setzstellern entsprechen, so dass eine Neuentwicklung der Setzsteller entbehrlich sein kann.
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Die stationäre Speichereinrichtung des stationären Energiespeichers kann in kurzer Zeit zwischen Spannungsgrenzen auf- und entladen werden, die von der Spannung des Energieversorgungsnetzes unabhängig sind. Es genügen also schon eine relativ geringe Spannung und eine relativ geringe Leistung des Versorgungsnetzes, um den stationären Energiespeicher aufzuladen. Dadurch kann eine Anbindung des stationären Energiespeichers an das Versorgungsnetz einfach und kostengünstig erfolgen.
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Der erste und zweite Hochsetzsteller sowie der erste und zweite Tiefsetzsteller können jeweils ein Stellelement und eine Stelldrossel umfassen, wobei die Stelldrosseln wenigstens zweier der Setzsteller miteinander identisch sind. Es können auch die Stelldrosseln dreier oder aller vier Setzsteller miteinander identisch sein. Dadurch kann ein Bauteileaufwand gesenkt werden, wodurch Kostenvorteile, eine gesteigerte Betriebssicherheit und ein verkleinerter Bauraum erzielbar sein können.
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Der stationäre Energiespeicher kann dazu eingerichtet sein, die in der stationären Speichereinrichtung gespeicherte Energie in das Fahrzeug zu entladen. Dadurch kann eine Versorgung des Fahrzeugs mit elektrischer Energie, insbesondere während eines zeitlich limitierten Aufladevorgangs, optimiert sein.
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Der stationäre Energiespeicher kann ferner eine Steuereinrichtung umfassen, die dazu eingerichtet ist, die stationäre Speichereinrichtung in unterschiedlichen Betriebszuständen aufzuladen bzw. zu entladen. In einem ersten Betriebszustand wird die stationäre Speichereinrichtung mittels des ersten Tiefsetzstellers aus dem Energieversorgungsnetz auf eine Spannung aufgeladen, die unter einer Spannung des Energieversorgungsnetzes liegt. In einem zweiten Betriebszustand wird die stationäre Speichereinrichtung mittels des zweiten Hochsetzstellers aus dem Energieversorgungsnetz auf eine Spannung aufgeladen, die über der Spannung des Energieversorgungsnetzes liegt. In einem dritten Betriebszustand wird die stationäre Speichereinrichtung mittels des zweiten Tiefsetzstellers entladen, um eine Spannung im Energieversorgungsnetz bereitzustellen, die unterhalb der Spannung der stationären Speichereinrichtung liegt, und in einem vierten Betriebszustand wird die stationäre Speichereinrichtung mittels des ersten Hochsetzstellers entladen, um eine Spannung im Energieversorgungsnetz bereitzustellen, die oberhalb der Spannung der stationären Speichereinrichtung liegt.
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Die benötigte Zeit zum Laden bzw. Entladen jedes Energiespeichers kann in den verschiedenen Betriebszuständen unterschiedlich sein und durch die gegebenen Daten der beteiligten Komponenten, insbesondere Nennstrom und Nennspannung, bestimmt sein. Insbesondere kann das Energieversorgungsnetz eine geringe Leistungsfähigkeit aufweisen, was zu vergleichsweise langen Ladezeiten für den stationären Energiespeicher führt, wobei das Entladen des stationären Speichers in den mobilen Energiespeicher dennoch nur eine vergleichsweise kurze Zeit in Anspruch nehmen kann, wenn die Energiespeicher für eine hohe Leistung bemessen sind.
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Mittels der Steuereinrichtung können die beschriebenen Elemente des stationären Energiespeichers entsprechend der unterschiedlichen Betriebszustände gesteuert werden. Dadurch kann eine verbesserte, flexibilisierte und insbesondere automatisierte Behandlung der unterschiedlichen Betriebszustände erzielbar sein. Durch die Umwandlung der Spannungen mittels der Hoch- und Tiefsetzsteller kann ein übermäßiger Stromfluss verhindert werden.
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In einer Ausführungsform führt das Energieversorgungsnetz eine im Wesentlichen konstante Spannung. Die Spannung des Energieversorgungsnetzes kann kleineren Schwankungen unterworfen sein und es können gewisse Störungen überlagert sein, wodurch das Energieversorgungsnetz noch nicht mit unterschiedlichen Spannungen bzw. mit einer gezielt variierenden Spannung betrieben wird. Eine Auslegung des Energieversorgungsnetzes und eine Dimensionierung von Bauteilen insbesondere im stationären Energiespeicher und an Bord des Fahrzeugs können durch die im Wesentlichen konstante Spannung erleichtert sein.
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In einer Ausführungsform führt das Energieversorgungsnetz eine aus einem Gleichrichter eingespeiste Gleichspannung. Der Gleichrichter kann aus dem elektrischen Versorgungsnetz gespeist sein. Zum Bestreiten einer Grundlast des Energieversorgungsnetzes kann die aus dem Gleichrichter eingespeiste Gleichspannung ausreichen. Der stationäre Energiespeicher kann dazu beitragen, eine Lastspitze abzudecken, die beispielsweise beim raschen Übertragen elektrischer Energie in das Fahrzeug oder in mehrere Fahrzeuge gleichzeitig entstehen kann.
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Nach einem weiteren Aspekt umfasst ein Energiesystem den beschriebenen stationären Energiespeicher und das elektrisch antreibbare Fahrzeug, wobei das Fahrzeug einen mobilen Energiespeicher zur Speicherung elektrischer Antriebsenergie umfasst und der mobile Energiespeicher eine mobile Speichereinrichtung umfasst, die dazu eingerichtet ist, aus der stationären Speichereinrichtung aufgeladen zu werden.
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Das erfindungsgemäße Energiesystem kann eine verbesserte Ausnutzung einer Speicherkapazität eines oder beider Energiespeicher bereitstellen. Eine Ladezeit des mobilen Energiespeichers kann gemäß dem erfindungsgemäßen Energiesystem verringert sein.
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In einer Ausführungsform ist der zweite Tiefsetzsteller dazu eingerichtet, die mobile Speichereinrichtung aus der stationären Speichereinrichtung aufzuladen, wobei der zweite Tiefsetzsteller an Bord des Fahrzeugs angeordnet ist. In dieser Ausführungsform kann eine Veränderung der Spannung des Energieversorgungsnetzes ermöglicht sein, währen die Spannung des stationären Energiespeichers die übliche Nennspannung des Energieversorgungsnetzes übersteigt. Durch Vorsehen der Tiefsetzsteller-Funktionalität zum Entladen des stationären Energiespeichers bzw. Aufladen des mobilen Energiespeichers ausschließlich an Bord des Fahrzeugs kann eine redundante Implementation des Tiefsetzstellers vermieden werden, wodurch sich Kostenvorteile ergeben können.
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Der mobile Energiespeicher kann einen dritten Hochsetzsteller zum Aufladen der mobilen Speichereinrichtung aufweisen. Dadurch kann eine konstante Spannung aus dem mobilen Energiespeicher entnehmbar sein, auch wenn das Fahrzeug bzw. der mobile Energiespeicher nicht mit dem Energieversorgungsnetz verbunden ist.
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Das Energiesystem kann eine elektrische Verbindungseinrichtung zur Herstellung einer wenigstens temporären elektrischen Verbindung zwischen dem Fahrzeug und dem Energieversorgungsnetz umfassen. Die Verbindungseinrichtung kann beispielsweise eine Hochspannungsleitung mit Schleifkontakt und/oder einen Gleiskontakt umfassen. Die Verbindungseinrichtung kann dazu eingerichtet sein, die elektrische Verbindung beispielsweise nur an einer Haltestelle des Fahrzeugs herzustellen.
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Nach einem weiteren Aspekt umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Aufladen eines mobilen elektrischen Energiespeichers mit einer mobilen Speichereinrichtung aus einem stationären elektrischen Energiespeicher mit einer stationären Speichereinrichtung, wobei das Verfahren Schritte des Aufladens der stationären Speichereinrichtung mittels eines ersten Tiefsetzstellers aus einem Energieversorgungsnetz, wobei die Spannung der stationären Speichereinrichtung unter der Spannung des Energieversorgungsnetzes liegt, des Aufladens der stationären Speichereinrichtung mittels eines ersten Hochsetzstellers aus dem Energieversorgungsnetz, wobei die Spannung der stationären Speichereinrichtung über der Spannung des Energieversorgungsnetzes liegt, des Entladens der stationären Speichereinrichtung mittels eines zweiten Tiefsetzstellers, um eine Spannung im Energieversorgungsnetz bereitzustellen, die unter der Spannung der stationären Speichereinrichtung liegt, und des Entladens der stationären Speichereinrichtung mittels eines zweiten Hochsetzstellers, um eine Spannung im Energieversorgungsnetz bereitzustellen, die über der Spannung der stationären Speichereinrichtung liegt, umfasst.
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Das Verfahren kann vorteilhafterweise mittels des oben beschriebenen stationären Energiespeichers bzw. des beschriebenen Energiesystems durchgeführt werden.
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Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Computerprogrammprodukt Programmcodemittel zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens, wenn das Verfahren auf einer Verarbeitungseinrichtung ausgeführt wird oder auf einem computerlesbaren Datenspeicher gespeichert ist.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
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1 ein Schaltbild eines Energiesystems;
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2 Spannungsdiagramme am Energiesystem aus 1;
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3 ein Schaltbild einer Variation des Energiesystems aus 1;
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4 ein Schaltbild einer weiteren Variation des Energiesystems aus 1;
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5 ein Schaltbild noch einer weiteren Variation des Energiesystems aus 1; und
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6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Steuern des Energiesystems aus 1 darstellt.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt ein Schaltbild eines Energiesystems 100. Das Energiesystem 100 umfasst einen stationären Energiespeicher (SES) 105 sowie ein Fahrzeug 110 mit einem mobilen Energiespeicher (MES) 115. Der stationäre Energiespeicher 105 und das Fahrzeug 110 sind mittels eines Energieversorgungsnetzes 120 miteinander verbunden. Das Energieversorgungsnetz 120 kann eine Hochspannungsleitung, etwa in Form einer Oberleitung oder einer Stromschiene, umfassen, die mit einem an dem Fahrzeug 110 angebrachten Schleifkontakt 125 kontaktiert wird. Es kann auch ein Gleiskontakt vorgesehen sein, der durch ein elektrisch leitfähiges Rad 130 oder einen entsprechenden Schleifkontakt des Fahrzeugs 110 kontaktiert wird. Das Energieversorgungsnetz 120 ist üblicherweise ein Gleichspannungsversorgungsnetz, dessen Nennspannung beispielsweise 400 V betragen kann. Das Energieversorgungsnetz 120 wird primär gespeist durch eine Gleichrichter 135, der beispielsweise mit Dreiphasen-Wechselstrom aus einem Wechselspannungs-Versorgungsnetz betrieben wird.
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Ein Hauptschalter 140 verbindet den stationären Energiespeicher 105 mit dem Energieversorgungsnetz 120. Vom Hauptschalter 140 gelangt eine positive Spannung durch eine Vorladevorrichtung 145 zu einer Netzdrossel 150. Die Vorladevorrichtung 145 und die Netzdrossel 150 haben die Aufgabe, elektrische Störungen zwischen dem Energieversorgungsnetz 120 und den restlichen Komponenten des stationären Energiespeichers 105 zu entkoppeln. Ein Stützkondensator 155 verläuft von der Netzdrossel 150 zu einem elektrisch negativen Anschluss des Hauptschalters 140 und dient zum Glätten der an ihm anliegenden Hochspannung.
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Eine Stelldrossel 160 ist so mit vier Stellelementen 165 verbunden, dass zwei Hochsetzsteller („step-up converter“) und zwei Tiefsetzsteller („step-down converter“) gebildet sind. Jedes der Stellelemente 165 ist symbolisch durch einen NPN-Transistor dargestellt, der eine Freilaufdiode von seinem Emitter zu seinem Kollektor umfasst. Es kann jedoch auch eine beliebige andere Schalteinrichtung für das Stellelement 165 verwendet werden, etwa ein FET-Transistor. Die Hochsetzsteller und Tiefsetzsteller haben die Aufgabe, einen Ladevorgang bzw. einen Entladevorgang einer stationären Speichereinrichtung 170 zu steuern. Die stationäre Speichereinrichtung 170 kann einen Akkumulator oder einen Kondensator, insbesondere einen Doppelschichtkondensator umfassen.
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Der erste Tiefsetzsteller 175 zum Aufladen der stationären Speichereinrichtung 170 aus dem Energieversorgungsnetz 120 ist durch die Stelldrossel 160 und das obere linke Stellelement 165 gebildet.
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Der erste Hochsetzsteller 180 zum Entladen der stationären Speichereinrichtung 170 in das Energieversorgungsnetz 120 ist durch die Stelldrossel 160 und das untere linke Stellelement 165 gebildet.
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Der zweite Hochsetzsteller 185 zum Aufladen der stationären Speichereinrichtung 170 aus dem Energieversorgungsnetz 120 ist durch die Stelldrossel 160 und das untere rechte Stellelement 165 gebildet.
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Der zweite Tiefsetzsteller 190 zum Entladen der stationären Speichereinrichtung 170 in das Energieversorgungsnetz 120 ist durch die Stelldrossel 160 und das obere rechte Stellelement 165 gebildet.
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Ein Strom durch die Stelldrossel 160 wird mittels einer optionalen Sicherung 195 abgesichert. Eine optionale Sicherungseinrichtung 200 ist parallel zur stationären Speichereinrichtung 170 geschaltet und begrenzt sichert die stationäre Speichereinrichtung 170 elektrisch gegen Überspannung ab.
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In der in 1 dargestellten Ausführungsform sind alle Setzsteller 175 bis 190 mit derselben Stelldrossel 160 aufgebaut. In anderen Ausführungsformen können auch mehrere Stelldrosseln 160 vorgesehen sein, die in beliebiger Weise jeweils einem oder mehreren der Setzsteller 175 bis 190 zugeordnet sind.
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Alle Stellelemente 165 sind mittels einer Steuereinrichtung 210 steuerbar. Die Steuereinrichtung 210 kann dazu eingerichtet sein, einen konkurrierenden Betrieb von Setzstellern 175 bis 190 zu vermeiden, da die dieselbe Stelldrossel 160 umfassen. Üblicherweise steuert die Steuereinrichtung 210 den stationären Energiespeicher 105 in einem von vier unterschiedlichen Betriebszuständen, die im Folgenden kurz erläutert werden.
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Im ersten Betriebszustand wird die stationäre Speichereinrichtung 170 aus dem Energieversorgungsnetz 120 aufgeladen, wobei die Spannung der stationären Speichereinrichtung 170 kleiner oder gleich der Spannung des Energieversorgungsnetzes 120 ist. Das Aufladen erfolgt in diesem Fall mittels des ersten Tiefsetzstellers 175.
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Im zweiten Betriebszustand wird die stationäre Speichereinrichtung 170 aus dem Energieversorgungsnetz 120 geladen, wobei die Spannung der stationären Speichereinrichtung 170 größer oder gleich der Spannung des Energieversorgungsnetzes 120 ist. Das Aufladen erfolgt in diesem Fall mittels des zweiten Hochsetzstellers 185. Während des Aufladens wird vorzugsweise der erste Tiefsetzsteller 175 permanent durchgesteuert.
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Im dritten Betriebszustand wird die stationäre Speichereinrichtung 170 in das Energieversorgungsnetz 120 entladen, wobei die Spannung der stationären Speichereinrichtung 170 größer oder gleich der Spannung des Energieversorgungsnetzes 120 ist. Das Entladen erfolgt in diesem Fall mittels des zweiten Tiefsetzstellers 190.
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Im vierten Betriebszustand wird die stationäre Speichereinrichtung 170 in das Energieversorgungsnetz 120 entladen, wobei die Spannung der stationären Speichereinrichtung 170 kleiner oder gleich der Spannung des Energieversorgungsnetzes 120 ist. Das Entladen erfolgt in diesem Fall mittels des ersten Hochsetzstellers 180. Während des Entladens wird vorzugsweise der zweite Tiefsetzsteller 190 permanent durchgesteuert.
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Mittels der genannten Betriebszustände kann die stationäre Speichereinrichtung 170 dazu verwendet werden, alternativ aus dem Energieversorgungsnetz 120 aufgeladen oder in das Energieversorgungsnetz 120 entladen zu werden, wobei die Spannung der stationären Speichereinrichtung 170 jeweils in einem Bereich liegen kann, der sowohl größere als auch kleinere Spannungswerte als die Spannung des Versorgungsnetzes 120 umfasst. Abgesehen von Störungen, parasitären Effekten und lastbedingten Variationen kann die Spannung des Energieversorgungsnetzes 120 im Wesentlichen konstant gehalten sein.
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Das Energieversorgungsnetz 120 kann mittels einer von sieben unterschiedlichen Verbindungen 220 bis 245 mit dem stationären Energiespeicher 105 verbunden sein. Dabei kommt üblicherweise nur eine der Verbindungen zum Einsatz, die im Folgenden erläutert werden.
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Die erste Verbindung 215 verläuft zum Gleichrichter 135. Dies ermöglicht es, das Fahrzeug 110 auch dann mit elektrischer Energie zu versorgen, wenn der stationäre Energiespeicher 105 nicht verfügbar ist. Ist der Hauptschalter 140 geschlossen, so kann die Netzdrossel 150 des stationären Energiespeichers 105 glättend auf die Spannung im Energieversorgungsnetz 120 wirken.
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Die zweite Verbindung 220 verläuft an einen Punkt zwischen dem Hauptschalter 140 und der Vorladevorrichtung 145. Dadurch ist es möglich, das Aufladen der stationären Speichereinrichtung 170 durch Öffnen des Hauptaschalters 140 zu unterbrechen.
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Die dritte Verbindung 225 verläuft an einen Punkt zwischen der Vorladevorrichtung 145 und der Netzdrossel 150. In dieser Variante kann die Ladefunktion des stationären Energiespeichers 105 aus dem Energieversorgungsnetz 120 durch Öffnen der dargestellten Schalter der Vorladevorrichtung 145 unterbrochen werden.
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Die vierte Verbindung 230 verläuft an einen Punkt zwischen der Netzdrossel 150 und den beiden linken Stellelemente 165. Wird vom Fahrzeug 110 Energie aus dem elektrischen Energieversorgungsnetz 120 entnommen, so wird dabei die Netzdrossel 150 umgangen.
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Die fünfte Verbindung 235 verläuft an einen Punkt zwischen den beiden linken Stellelemente 165 und dem damit verbundenen Ende der Stelldrossel 160. Dadurch kann der erste Tiefsetzsteller 175 umgangen werden, wenn das Fahrzeug 110 Energie aus dem Energieversorgungsnetz 120 entnimmt.
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Die sechste Verbindung 240 verläuft an das andere Ende der Stelldrossel 160, das mit den beiden rechten Stellelemente 165 verbunden ist. Diese Variante ist nur dann sinnvoll, wenn die Nennspannung vom Fahrzeug 110 bzw. 265 nicht größer ist als die Spannung des stationären Speichers im als leer definierten Zustand, da die Spannung im Fahrzeug 110 in diesem Fall nur so groß wie die der stationären Speichereinrichtung 170 sein kann, weil der Hochsetzsteller 180 nicht wirksam wird.
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Die siebte Verbindung 245 verläuft an einen Punkt zwischen den beiden rechten Stellelemente 165 und der stationären Speichereinrichtung 170. Bei dieser Variante gelten die bezüglich der sechsten Verbindung 240 angegebenen Einschränkungen, jedoch ist die Energieentnahme aus dem stationären Energiespeicher 105 auch dann möglich, wenn seitens des stationären Energiespeichers 105 keiner der Setzsteller 175 bis 190 verfügbar ist.
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Generell kann es sinnvoll sein, den Energiefluss in seiner Richtung vom stationären Energiespeicher 105 zum mobilen Energiespeicher 115 mittels einer Freilaufdiode festzulegen (in 1 nicht dargestellt).
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Es versteht sich, dass in Abhängigkeit von der gewählten Verbindung 215 bis 245 Komponenten, die keine Funktion mehr erfüllen, weggelassen werden können, z.B. der Hochsetzsteller 180 bei Verbindung 240 oder 245.
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Der mobile Energiespeicher 115 des Fahrzeugs 110 ist mittels eines Fahrzeug-Hauptschalters 250 und einer Fahrzeug-Netzdrossel 255 mit dem positiven Schleifkontakt 125 verbunden. Ein Zwischenkreiskondensator 260 liegt parallel zum mobilen Energiespeicher 115. Der Hauptschalter 250, die Netzdrossel 255 und der Kondensator 260 sind nicht dem hier vorgestellten Ladekonzept geschuldet, sondern dienen dem Fahrzeug zum Bereitstellen einer definierten Spannung für Traktionsmotoren und Hilfsbetriebeeinrichtungen, auch beim Betrieb an einer herkömmlichen Oberleitung oder Stromschiene. In ähnlicher Weise wie der stationäre Energiespeicher 105 umfasst der mobile Energiespeicher 115 eine mobile Speichereinrichtung 265 mit einer parallel geschalteten Sicherungseinrichtung 270 gegen Überspannung, wobei die mobile Speichereinrichtung 265 mittels eines dritten Tiefsetzstellers 275 oder eines dritten Hochsetzstellers 280 aus dem Energieversorgungsnetz 120 aufgeladen werden kann. Hierfür ist eine Stelldrossel 285 vorgesehen, die im Zusammenspiel mit Stellelementen 290 die Setzsteller 275 und 280 bildet. Auch hier können die Setzsteller 275 und 280 alternativ mit dedizierten Stelldrosseln aufgebaut werden.
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Die Verbindung der Stelldrossel 285 mit den Stellelementen 290 erfolgt durch eine Sicherung 295. Funktional entspricht der Aufbau des dargestellten mobilen Energiespeichers 115 im Wesentlichen dem oben beschriebenen Aufbau des stationären Energiespeichers 105. Eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Stellelemente 290 ist der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
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Der mobile Energiespeicher 115 kann in einem ersten Betriebszustand mittels des dritten Tiefsetzstellers 275 aufgeladen werden, wobei die Spannung des mobilen Energiespeichers 265 kleiner oder gleich der Spannung des Energieversorgungsnetzes 120 bzw. des Energiespeichers 170 ist, ohne dass die Setzteller 175 bis 190 des stationären Energiespeichers 105 benötigt werden. In einem zweiten Betriebszustand kann der mobile Energiespeicher 265 mittels des dritten Hochsetzstellers 280 entladen werden, um Energie an die Traktionsmotoren und Hilfsbetriebe oder den stationären Energiespeicher zu liefern.
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Die im mobilen Energiespeicher 265 gespeicherte elektrische Energie wird vorzugsweise zum Antrieb des Fahrzeugs 110 verwendet. In einer weiteren Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, den mobilen Energiespeicher 265 beim Bremsen des Fahrzeugs 110 aufzuladen. In noch einer weiteren Ausführungsform kann auch der stationären Energiespeicher 105 beim Bremsen des Fahrzeugs 110 aufgeladen werden.
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2 zeigt Spannungsdiagramme am Energiesystem 100 aus 1. Ein linkes Diagramm zeigt einen zeitlichen Verlauf der Spannung U_SES der stationären Speichereinrichtung 170. Ein rechtes Diagramm zeigt einen zeitlichen Verlauf der Spannung U_SES an der stationären Speichereinrichtung 170 und einen dazu korrespondierenden zeitlichen Verlauf der Spannung U_MES der mobilen Speichereinrichtung 265. Nach rechts sind jeweils Zeiten und nach oben jeweils Spannungen angetragen.
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Das linke Diagramm von 2 zeigt qualitativ eine Aufladekurve des stationären Energiespeichers 170. In einem ersten zeitlichen Abschnitt T1, in dem die Spannung U_SES der stationären Speichereinrichtung 170 kleiner als die Spannung U_N des Energieversorgungsnetzes 120 ist, erfolgt das Aufladen der stationären Speichereinrichtung 170 im oben mit Bezug auf 1 beschriebenen ersten Betriebszustand über den ersten Tiefsetzsteller 175.
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Übersteigt die Spannung U_SES der stationären Speichereinrichtung 170 die Spannung U_N des Energieversorgungsnetzes 120, so wird in einem Zeitabschnitt T2 die stationäre Speichereinrichtung 170 im zweiten Betriebszustand mittels des zweiten Hochsetzstellers 185 weiter geladen.
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Das rechte Diagramm von 2 zeigt eine Entladekurve der stationären Speichereinrichtung 170 und eine dazu korrespondierende Aufladekurve der mobilen Speichereinrichtung 265. Den Kurven liegt ein Aufladevorgang der mobilen Speichereinrichtung 265 aus der stationären Speichereinrichtung 170 zu Grunde. Dazu muss die stationäre Speichereinrichtung 170 zunächst aufgeladen sein, beispielsweise im Rahmen der mit Bezug auf das linke Diagramm beschriebenen Betriebszustände.
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In einem dritten Zeitabschnitt T3, in dem die Spannung U_SES der stationären Speichereinrichtung 170 größer als eine Spannung U_MES der mobilen Speichereinrichtung 265 ist, erfolgt das Entladen der stationären Speichereinrichtung 170 in die mobile Speichereinrichtung 265 im Tiefsetzstellerbetrieb, beispielsweise im dritten Betriebszustand mittels des zweiten Tiefsetzstellers 190.
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Fällt die Spannung U_SES der stationären Speichereinrichtung 170 unter die Spannung U_MES der mobilen Speichereinrichtung 265, so wird während eines vierten Zeitabschnitts T4 die mobile Speichereinrichtung 265 aus der stationären Speichereinrichtung 170 im Hochsetzstellerbetrieb weiter aufgeladen, beispielsweise im vierten Betriebszustand mittels des ersten Hochsetzstellers 180.
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Der zeitliche Verlauf der Spannungen ist aus zeichnerischen Gründen jeweils linear dargestellt, in Wirklichkeit können sich jedoch nichtlineare Verläufe einstellen, da der Energieinhalt mit dem Quadrat der Spannung zu- bzw. abnimmt.
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3 zeigt ein Schaltbild einer Variation des Energiesystems 100 aus 1. Im Wesentlichen unterscheidet sich das dargestellte Energiesystem 100 vom Energiesystem 100 aus 1 dadurch, dass das obere rechte Stellelement 165 fehlt und somit der zweite Tiefsetzsteller 190 nicht vorhanden ist. Die Verbindungen 215 bis 245 sind nicht dargestellt und können so, wie oben mit Bezug auf 1 beschrieben ist, ergänzt werden.
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Die Funktionalität des zweiten Tiefsetzstellers 190 im dritten Betriebszustand, in dem der stationäre Energiespeicher 170 in das Energieversorgungsnetz 120 bzw. über das Energieversorgungsnetz 120 in die mobile Speichereinrichtung 265 entladen wird, erfolgt in der dargestellten Variation mittels des dritten Tiefsetzstellers 275 an Bord des Fahrzeugs 110.
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4 zeigt ein Schaltbild einer weiteren Variation des Energiesystems 100 aus 1.
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Auf ähnliche Weise wie oben mit Bezug auf 3 beschrieben ist, ist das Energiesystem 100 aus 1 dahingehend verändert, dass der dritte Tiefsetzsteller 275 an Bord des Fahrzeugs 110 entfallen ist. Die Funktion des dritten Tiefsetzstellers 275, beispielsweise während des dritten Betriebszustands, wird hier durch den zweiten Tiefsetzsteller 190 im stationären Energiespeicher 105 übernommen. Um die Steuerung des dritten Betriebszustands seitens des stationären Energiespeichers 105 zu steuern, können Betriebsparameter vom Fahrzeug 110, insbesondere bezüglich des mobilen Energiespeichers 265, an den stationären Energiespeicher 105 übermittelt werden, die dort der Steuerung zu Grunde gelegt werden. Außerdem ist in der Ausführungsform von 4 gegenüber derer von 1 an Stelle der Verbindung 215 die Verbindung 235 gewählt.
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5 zeigt ein Schaltbild noch einer weiteren Variation des Energiesystems 100 aus 1. In der dargestellten Variation sind sowohl der erste Tiefsetzsteller 175 als auch der zweite Tiefsetzsteller 190 entfallen. Eine Sperrdiode 505 ist in Durchlassrichtung zwischen dem stationären Energiespeicher 105 und dem mobilen Energiespeicher 115 angeordnet. Die Sperrdiode 505 kann an einer beliebigen Stelle des Energieflusses angeordnet sein, beispielsweise im stationären Energiespeicher 105, im mobilen Energiespeicher 115, an Bord des Fahrzeugs 110 oder im Bereich des Energieversorgungsnetzes 120.
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Die in 5 dargestellte Ausführungsform des Energiesystems 100 kann zum Aufladen des mobilen Energiespeichers 115 aus dem stationären Energiespeicher 105 verwendet werden, so lange die Spannung des Energieversorgungsnetzes 120 U_N kleiner als eine minimale Spannung U_SES der stationären Speichereinrichtung 170 ist.
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6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 600 zum Steuern des Energiesystems 100 aus 1. Das Verfahren 600 kann auch zum Steuern des Energiesystems 100 einer der Varianten aus 3 bis 5 verwendet werden. Hierzu sind gegebenenfalls Anpassungen erforderlich, die oben mit Bezug auf die entsprechenden Varianten beschrieben sind.
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In einem ersten Schritt 605 wird die stationären Speichereinrichtung 170 mittels des ersten Tiefsetzstellers 175 aus dem Energieversorgungsnetz 120 aufgeladen, wobei die Spannung U_SES der stationären Speichereinrichtung 170 unter der Spannung U_N des Energieversorgungsnetzes 120 liegt. Dieser Schritt entspricht dem oben mit Bezug auf 1 beschriebenen ersten Betriebszustand.
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In einem folgenden Schritt 610 wird die stationäre Speichereinrichtung 170 mittels des zweiten Hochsetzstellers 185 aus dem Energieversorgungsnetz 120 aufgeladen, wobei die Spannung U_SES der stationären Speichereinrichtung 170 über der Spannung U_N des Energieversorgungsnetzes 120 liegt. Dieser Schritt entspricht dem zweiten Betriebszustand.
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In einem weiteren Schritt 615 wird die stationäre Speichereinrichtung 170 mittels des zweiten Tiefsetzstellers 190 entladen, um eine Spannung U_N im Energieversorgungsnetz 120 bereitzustellen, die unter der Spannung U_SES der stationären Speichereinrichtung 170 liegt. Dieser Schritt entspricht dem dritten Betriebszustand.
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Schließlich wird in einem Schritt 620 die stationäre Speichereinrichtung 170 mittels des ersten Hochsetzstellers 180 entladen, um eine Spannung U_N im Energieversorgungsnetz 120 bereitzustellen, die über der Spannung U_SES der stationären Speichereinrichtung 170 liegt. Dieser Schritt entspricht dem vierten Betriebszustand.
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Übergänge zwischen den Schritten 605 bis 620 erfolgen üblicherweise in der beschriebenen Reihenfolge, wobei nach dem Schritt 620 zum Schritt 605 zurückgekehrt wird. Grundsätzlich sind bei Bedarf jedoch auch andere Übergänge möglich, wie in 6 durch die Pfeile angedeutet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0968873 A1 [0003]
- EP 1864849 A1 [0004]
