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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Hybridantriebs mit einem elektrischen Energiespeicher, für ein Schienenfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bei dem ein elektronischer Streckenfahrplan streckenabschnittsbezogen über ein Zugsteuergerät vorgegeben wird, und eine streckenabschnittsbezogene Antriebsart des Schienenfahrzeugs mittels des elektronischen Streckenfahrplans prädiktiv bestimmt wird.
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Bei einem aus der
DE 102 26 143 B4 bekannten Verfahren zur Steuerung eines Hybridantriebs wird die Antriebsart von einer Fahrbetriebsstrategie vorgeschlagen. Die vorgeschlagene Fahrbetriebsstrategie gilt als gesetzt, wenn der Fahrer nicht in das System eingreift. Betätigt der Fahrer hingegen kurzfristig das Fahr- oder das Bremspedal, so wird die vorgeschlagene Fahrbetriebsstrategie verworfen und eine neue Fahrbetriebsstrategie berechnet. Dies erfolgt so lange, bis ein stationärer Zustand erreicht wird, in welchem keine weiteren kurzfristigen Änderungen mehr auftreten. Bestimmt wird die Fahrbetriebsstrategie an Hand eines Energieprofils, beispielsweise im Hinblick auf den Verbrauch und den Zeitbedarf. Das Energieprofil wiederum wird aus Fahrer-, Fahrzeug-, Fahrstrecken- und Wetterdaten sowie fahrerspezifischer Daten berechnet. Die Fahrstreckendaten werden aus einer digitalen Straßenkarte mit Höhenangabe oder von einem GPS eingelesen. Über ein RDS-TMC-System soll das Energieprofil an zu erwartende geänderte Verkehrswegbedingungen oder Verkehrsbedingungen, beispielsweise Stau, angepasst werden. Zur Umsetzung werden jedoch keine weiteren Ausführungen gemacht. Das vorgeschlagene Verfahren ist auf ein Kraftfahrzeug und der letztendlich bestimmenden Festlegung der Antriebsart durch den Fahrer ausgerichtet, wodurch die Kraftstoffeinsparung schwer abschätzbar ist.
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DE 10 2008 038 753 A1 offenbart ein eingangs genanntes Verfahren, das es ermöglicht, vor Fahrtantritt die streckenabschnittsbezogenen Antriebsarten des Schienenfahrzeugs mittels des elektronischen Streckenfahrplans prädiktiv festzulegen. Im Fahrbetrieb kann dann gemäß
DE 10 2008 038 753 A1 eine Positionsabweichung der Ist-Position zu einer aus dem elektronischen Streckenfahrplan ermittelten Soll-Position des Schienenfahrzeugs bestimmt werden. Aus der Positionsabweichung wiederum kann eine Zeitreserve berechnet werden. Anhand der Zeitreserve wird dann entweder die Antriebsart beibehalten oder gewechselt. Beispielsweise bei einer negativen Zeitreserve im Sinne einer Verspätung wird in eine Antriebsart mit höherer Leistungsabgabe gewechselt. Aus Sicherheitsgründen wird vor Aktivierung der Antriebsart höherer Leistungsabgabe geprüft, ob die zu erwartende Geschwindigkeit signifikant von derjenigen Geschwindigkeit, welche durch den elektronischen Streckenfahrplan definiert ist, abweicht. Bei einer signifikanten Abweichung muss zuerst durch die Leitstelle eine Freigabe erteilt werden, beispielsweise indem diese einen modifizierten elektronischen Streckenfahrplan zur Verfügung stellt. Dieselbe Betrachtung gilt auch für den Fall, dass eine Antriebsart niedrigerer Leistungsabgabe initiiert werden soll.
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Bekannt ist auch, eine zum Beispiel beim Bremsen oder Frequenzumrichten anfallende überschüssige elektrische Energie in einem sogenannten Brems-Chopper über einen Bremswiderstand zu leiten und so in Wärme umzuwandeln, die an die Umgebung abgegeben wird; also nicht weiter nutzbar gemacht werden kann. Dieses Verfahren ist noch verbesserungswürdig.
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Das Dokument
DE 10 2007 032 726 A1 betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Antriebstrangs für ein Straßenfahrzeug.
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Das Dokument
DE 10 2008 017 699 A1 betrifft ein System und Verfahren zur Bereitstellung von Streckeninformationen für einen Fahrer eines Fahrzeugs.
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Das Dokument
EP 0 511 654 B1 beschreibt eine Antriebseinheit für ein Hybridfahrzeug.
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Wünschenswert ist es darüberhinaus eine einfache und flexible Lösung für den Umgang mit überschüssiger Energie zu haben, ohne dass diese nutzlos in die Umgebung abgegeben werden müsste. Insbesondere ist es wünschenswert, eine verbesserte und umfassendere Steuerung, insbesondere zur Kraftstoffeinsparung und unter Berücksichtigung des Energiespeichers, zu erreichen bzw. überhaupt zu ermöglichen.
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An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, das eine einfache und flexible Lösung für den Umgang mit überschüssiger Energie bietet; insbesondere unter Nutzbarmachung derselben. Insbesondere soll die Lösung unabhängig bzw. zusätzlich zu einer Steuerung, insbesondere prädiktiven Steuerung zur Verfügung stehen; d. h. auch für unerwartete Fahrsituationen möglichst ohne Beschränkung zur Verfügung stehen. Insbesondere soll ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zur umfassenderen Steuerung eines Hybridantriebs in einem Schienenfahrzeug bereitgestellt werden, welche die Gegebenheiten des Schienenverkehrs nutzt und den Rahmenbedingungen dieses Verkehrssystems des Schienenverkehrs gerecht wird.
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Diese Aufgabe wird durch die Erfindung mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Betreffend die Vorrichtung führt die Erfindung auch auf eine Steuereinrichtung zur, insbesondere prädiktiven, Steuerung eines Hybridantriebs für ein Schienenfahrzeug gemäß Anspruch 8. Betreffend die Vorrichtung führt die Erfindung auch auf einen Hybridantrieb für ein Schienenfahrzeug, insbesondere ein Schienenfahrzeug mit einem Hybridantrieb, gemäß dem Anspruch 9.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass die an sich bekannte Abführung von elektrischer Energie, insbesondere beim Bremsen entstehender elektrischer Energie, durch Umwandlung in Wärme und anschließende Wärmeabgabe in die Umgebung erfolgt. Die Wärme bleibt damit ungenutzt und verringert im Prinzip den Wirkungsgrad des Hybridantriebs. Zum Anderen geht die Erfindung von der Überlegung aus, dass eine mit vergleichsweise hoher Flexibilität und Verfügbarkeit bestehende Wärmeabgabe auch innerhalb der Systemgrenzen des Hybridantriebs möglich sein sollte und somit den Vorteil hat, dass die abgegebene Wärmemenge zum Nutzen des Systems ebenfalls zur Verfügung steht. Die Erfindung hat erkannt, dass die Abgasleitung ein geeigneter Ort der Wärmeabgabe aus überschüssiger elektrischer Energie, insbesondere beim Bremsen entstehender elektrischer Energie, ist. Die Abgasleitung unterliegt am Systemausgang praktisch keinen weiteren Beschränkungen hinsichtlich der Höhe der Wärmeabgabe und ist darüber hinaus resistent selbst gegen hohe Temperaturen ausgebildet. Zudem hat dies den Vorteil, dass eine bereits bestehende Leitung, nämlich die Abgasleitung genutzt wird um die Wärmeabgabe umzusetzen. Das Konzept der Erfindung hat den Vorteil, dass bisher zur Wärmeabgabe erforderliche Brems-Chopper überflüssig werden jedenfalls aber mit geringerer Kapazität, d. h. vor allem auf kleinerem Bauraum, ausgelegt werden können.
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Eine Abgasleitung stellt einen sicheren Abnehmer für Wärme dar. Die Abführung von elektrischer Energie lässt sich klar definieren und steuern, ohne dass eine Beschränkung durch das wärmeaufnehmende System – nämlich die Abgasleitung – auferlegt wäre. Dies ermöglicht erst eine vorteilhafte Steuerung des Hybridantriebs mit elektrischem Energiespeicher, da der nötige Freiheitsgrad für überschüssige elektrische Energie gegeben ist.
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Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist die Wärmeabgabe über einen Heizwiderstand in der Abgasleitung umgesetzt. Ein Heizwiderstand kann vergleichsweise einfach in der Abgasleitung angeordnet werden und erweist sich darüber hinaus als widerstandsfähig gegenüber den gegebenenfalls aggressiven Abgaswirkungen.
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Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Wärmeabgabe in die Abgasleitung vor einer Abgasnachbehandlung erfolgt. Eine Abgasnachbehandlung ist wie von der Weiterbildung erkannt, besonders effektiv, wenn das Abgas eine gewisse Mindesttemperatur hat. Dies stellt gerade bei einem Triebkopf für ein Schienenfahrzeug ein Problem dar, da dieser praktisch nur in einem anfänglichen Beschleunigungszustand auf Volllast betrieben wird, ansonsten aber – bei üblichem Beharrungszustand einer normalen Fahrt – nur in einem Teilllastbetrieb. Die Abgase haben über einen Großteil der Einsatzzeit gegebenenfalls zu geringere Temperatur als das eine Abgasnachbehandlung besonders optimal laufen würde. Gerade deshalb erweist sich die Zuspeisung von zusätzlicher Wärme in das Abgassystem als besonders vorteilhaft.
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Insbesondere kann das Konzept im Rahmen einer Weiterbildung umgesetzt werden, indem die alternative Abführung von elektrischer Energie in einem Heizwiderstand in der Abgasleitung erfolgt, die einem Katalysator vorgelagert ist.
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Insgesamt führt das Konzept der Erfindung unter Anwendung auf einen Hybridantrieb zu erheblicher vorteilhafter Konfiguration derselben. So ermöglicht es die bevorzugte Abgabe überschüssiger Wärme eine geringere Dimensionierung von Kühleinrichtungen für die Bremse oder Umrichter. Aufgrund des bei erhöhter Temperatur betreibbaren Abgasnachbehandlungssystems ergibt sich ein positiver Effekt auf die Abgasnachbehandlung, insbesondere auf Einheiten derselben, wie ein selektiver Katalysator oder ein Partikelfilter. Insbesondere ermöglicht es die Steuerung einer Abgasnachbehandlung bzw. der Einheiten derselben, als auch des Heizwiderstands die Abgasnachbehandlung gezielt auf die Temperatur des Abgases auszulegen. Die synergetische Kombination einer Wärmeabfuhr durch Umwandlung überschüssiger elektrischer Energie aus dem Hybridantrieb einerseits und die gezielte Wärmeabfuhr in ein Abgasnachbehandlungssystem führt insgesamt zu einer erheblich verbesserten Performance des Hybridantriebs. Insbesondere lässt sich die Motorsteuerung in Kombination mit dem Steuergerät für die Abgasnachbehandlung vorteilhaft darauf auslegen.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, dass oben erläuterte Konzept im Rahmen der Aufgabenstellung sowie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisieren.
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Besonders bevorzugt wird die Betriebsführung einer Abgasnachbehandlung und eines Heizwiderstands, insbesondere Katalysators, unter Nutzung eines Katalysatormodells für die Abgasnachbehandlung prädiktiv bestimmt. Dies ermöglicht eine vorteilhaft auf den Streckenverlauf abgestimmte Steuerung der Abgasnachbehandlung zusammen mit dem Heizwiderstand. Gegebenenfalls kann die dem Heizwiderstand zugeführte elektrische Energie auch zwischengespeichert werden und kurzfristig in einem dem Bremsvorgang nachfolgenden Beschleunigungsvorgang – z. B. in einem Boost-Betrieb des Hybridantriebs – an den Heizwidersand abgegeben werden. Dadurch kann zeitlich passend und vor allem in dem eine hohe Verfügbarkeit des Dieselmotors erforderlich machenden Beschleunigungsvorgang mittels der Wärmeabgabe in das Abgas und/oder einen Katalysator oder eine sonstige Einheit eines Abgasnachbehandlungssystems, eine besonders gute Abgasnachbehandlung umgesetzt werden.
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Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung wird ein elektronischer Streckenfahrplan (SPL) streckenabschnittsbezogen über ein Zugsteuergerät vorgegeben, und eine streckenabschnittsbezogene Antriebsart (AA) des Schienenfahrzeugs mittels des elektronischen Streckenfahrplans (SPL) prädiktiv bestimmt. Dadurch ist es möglich über den Streckenverlauf eine Antriebsart und/oder einen Betriebsmodus eines Hybridantriebs vorausschauend zu steuern. Dadurch kann ein Kraftstoffverbrauch gesenkt werden und eine au den Streckenverlauf ausgelegter Betriebsmodus genutzt werden.
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Die Weiterbildung geht im Einzelnen von der Überlegung aus, dass die Rahmenbedingungen beim Betrieb eines Schienenfahrzeugs durch den elektronischen Streckenfahrplan vorgegeben werden, welcher – wie bekannt – vor Fahrtantritt z. B. über Richtfunk in das Zugsteuergerät eingelesen wird. Im elektronischen Streckenfahrplan sind die streckenabschnittsbezogenen Geschwindigkeiten und damit auch der Zeitrahmen zwischen zwei Wegpunkten hinterlegt. Das Verfahren ermöglicht es vorteilhaft, dass vor Fahrtantritt die streckenabschnittsbezogenen Antriebsarten des Schienenfahrzeugs mittels des elektronischen Streckenfahrplans prädiktiv festgelegt werden. Insbesondere hat es sich im Rahmen einer bevorzugten Weiterbildung als vorteilhaft erwiesen jedenfalls grundsätzlich von einem Verfahren auszugehen, wie es in
DE 10 2008 038 753 A1 beschrieben ist, deren Offenbarungsgehalt hiermit vollständig durch Zitat in diese Anmeldung aufgenommen ist. Auch vorliegend wird zur prädiktiven Festlegung der streckenabschnittsbezogenen Antriebsarten vor Fahrtantritt ein entsprechendes Modell als prädiktiver Beobachter verwendet. Die prädiktive Regelung gehört zur Klasse der modellbasierten Regelungsverfahren und gestattet eine Vorhersage in die Zukunft, dem so genannten Prädiktionshorizont.
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Zentraler Gedanke ist die Nutzung des elektronischen Streckenfahrplans, welcher, z. B. in Verbindung mit einem Höhenprofil, als vorausschauendes Verfahren in vorteilhafter Weise das Kraftstoff-Einsparpotential in vollem Umfang nutzt. Das heißt, die eingesetzte Energie wird über die prädiktive Regelung minimiert. Für den Betreiber verringern sich daher die Betriebskosten. Das Modell bietet auch die Möglichkeit ein individuelles Verhaltensmuster des Schienenfahrzeugführers zu erfassen und abzuspeichern. Beim erneuten Durchfahren derselben Wegstrecke mit demselben Schienenfahrzeugführer kann dann auf dessen individuelles Verhaltensmuster zurückgegriffen werden.
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Besonders bevorzugt wird die Betriebsführung des elektrischen Energiespeichers unter Nutzung eines Energiespeichermodells prädiktiv bestimmt, und/oder die Betriebsführung des elektrischen Energiespeichers unter Nutzung eines Alterungsmodells für den Energiespeicher prädiktiv bestimmt wird. Diese weiter bevorzugte Weiterbildung geht von der Überlegung aus, dass eine alleinige Vorgabe des Streckenfahrplans z. B. über ein Zugsteuergerät noch verbessert werden kann. Insbesondere erweist sich eine Leistungsführung mittels einer Antriebsart und durch Systemgrößen einer Sollposition und einer Sollmotorleistung in Bezug auf eine Zeitreserve zwar als grundsätzlich vorteilhaft; jedoch ist der dieser prädiktiven Lösung zugrunde liegende Ansatz noch vorteilhaft ergänzbar um eine vorteilhafte Steuerung des Energiespeichers. Die Erfindung hat erkannt, dass ein Hybridantrieb unabhängig von einer Antriebsart regelmäßig auf einen Energiespeicher zurückgreifen muss. Lediglich die Vorgabe von Ist-Werten des Energiespeichers, z. B. seitens eines Batteriemanagements, für eine prädiktive Steuerung einer Antriebsart kann unzureichend sein, z. B. wenn eine Batterie überladen wird oder völlig entleert wird oder anders jenseits eines vorteilhaften Lastpunkts betrieben wird.
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Die Weiterbildung hat somit erkannt, dass der Energiespeicher technisch und kostenmäßig als Element das Hybridantriebs über ein reines Batterie- und Sicherheitsmanagement hinaus möglichst vorteilhaft zur Antriebsart, insbesondere auch grundsätzlich unabhängig von dieser, geführt werden sollte. Die Weiterbildung sieht deshalb vor, dass die Betriebsführung des elektrischen Energiespeichers unter Nutzung eines Energiespeichermodells und/oder Alterungsmodells prädiktiv bestimmt wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung im Vergleich zum Stand der Technik, welcher zum Teil ebenfalls dargestellt ist, beschrieben. Diese soll die Ausführungsbeispiele nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:
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1: als Blockschaltbild eine Steuereinrichtung unter Anbindung an einen Hybridantrieb mit einem Abgasnachbehandlungssystem bei einem Schienenfahrzeug, gemäß einer ersten Ausführungsform,
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2: als Blockschaltbild eine Steuereinrichtung unter Anbindung an einen Hybridantrieb mit einem Abgasnachbehandlungssystem bei einem Schienenfahrzeug, gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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1 zeigt die Steuereinrichtung 100 eines Hybridantriebs 200 für ein Schienenfahrzeug 1000. Der Hybridantrieb 200 umfasst eine Brennkraftmaschine 210, einen Elektromotor 220, ein Getriebe, elektrische Umrichter und einen elektrischen Energiespeicher 20, beispielsweise ein Lithium-Ionenspeicher (Super-Caps). An einem gemeinsamen elektronischen Datenbus 1, beispielsweise einem CAN-Bussystem oder Ethernet, sind ein Zugsteuergerät 2 (ZSG), ein Motorsteuergerät 3 (ECU), ein Getriebesteuergerät 4 (GS), ein Batteriemanagement-Steuergerät 5 (BMS), ein Umrichter-Steuergerät 6 (VCU) und exemplarisch ein Steuergerät 7 zur Festlegung des Abgases (SCR) angeschlossen. Die am Datenbus 1 angeschlossenen Steuergeräte 2 bis 7 sind sowohl Empfänger als auch Sender. Ebenfalls am Datenbus 1 angeschlossen ist eine Einheit 8 zum Empfang des Bahnrichtfunks und der Daten des GPS. Über den Bahnrichtfunk wird der elektronische Streckenfahrplan mit hinterlegter elektronischer Streckenkarte auf dem Datenbus gesetzt. Die Daten des GPS umfassen die Ist-Position und die aktuelle Höhe.
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Das Motorsteuergerät 3 (ECU) ist zur Steuerung eines Hybridantriebs 200 ausgelegt. Der Hybridantrieb 200 weist einen Dieselmotor 210, eine Motor/Generator 220 mit einem elektrischen Motor M auf, der auch als Generator G – d. h. zum Beispiel bei einem Bremsvorgang zur Lieferung von elektrischer Energie E – betrieben werden kann. Auf einer Motorwelle sitzt im Triebwagen des Schienenfahrzeugs 1000 ein automatisches Getriebe 230, das das Drehmoment über ein Achswendegetriebe 240 auf die Achswelle 250 und die daran angebundenen Räder 260 des Triebkopfs weitergibt.
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Die Kombination aus Dieselmotor 210, Elektromotor/Generator (auch Statorgenerator genannt) 220 und Energiespeicher 20 – hier ein Kondensator, der jedoch auch für eine Batterie (Traktionsbatterie) stehen kann oder in Kombination mit einer Batterie bereitstehen kann – wird auch als Powerpack bezeichnet; dazu gehören die zwischengeschalteten Stromrichter in Form von Wechsel- oder Gleichrichtern. Vorliegend wird die als Wechselstrom zur Verfügung stehende elektrische Energie E des Motor/Generators 220 über einen als AC/DC-Wechselrichter ausgelegten Stromrichter 270 auf den Energiespeicher 20 – Kondensator, Batterie oder Kombination davon – geführt. Der zwischen Energiespeicher 20 und Stromrichter 270 angeordnete Schalter 30 kann auch in eine Stellung gebracht werden, die den Motor/Generator von dem Energiespeicher 20 trennt und stattdessen die als Gleichstrom zur Verfügung stehende elektrische Energie zur Umwandlung in Wärme einer Wärmeabgabe 40 zuführt. Vorliegend ist die Wärmeabgabe 40 in einem Abgassystem 300 der Brennkraftmaschine 200 untergebracht. Abgas AG wird aus dem Motorraum über den Motorkrümmer 201 in eine Abgasleitung 301 eingebracht. Die Abgasleitung 301 hat vorliegend ein Abgasnachbehandlungssystem 310 in Form einen selektiven Katalysators. Dem selektiven Katalysators vorgeordnet ist ein über einen Gleichstromrichter 341 betreibbarer Heizwiderstand 342 mittels dem die Wärmeabgabe 40 realisiert ist; d. h. die Wärmeabgabe 40 ist als ein Abgasheizsystem 340 ausgeführt.
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Das Motorsteuergerät 3 hat Zugriff auf den Gleichstromrichter 341, auf den Wechselrichter 270 und auf den Schalter 30. Außerdem hat das Motorsteuergerät 3 über Soll-Batteriesystemgrößen BS(SL) – die über den Datenbus 1 und das Batteriemanagement-Steuergerät 5 dem Energiespeicher 20 zuführbar sind – Zugriff auf den Energiespeicher 20. Entsprechende Steuerleitungen 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 sind als Steuerverbindung zwischen der Steuereinrichtung 100 und dem Hybridantrieb 200 in 1 eingezeichnet. Darüber hinaus verbindet eine weitere Steuerleitung 3.5 als Steuerverbindung das Steuergerät 7 zur Festlegung des Abgases (SCR) der Steuereinrichtung 100 mit dem selektiven katalytischen Reaktor 310 des Abgasnachbehandlungssystems 300.
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Bezugnehmend auf 2 wird die in 1 gezeigte Informationsstruktur 100 ergänzt durch ein Prädiktionsmodell 9 als prädiktiver Beobachter und ein Sicherheitsmanagement 15. Das Sicherheitsmanagement 15 überwacht die Eingangsgrößen SG(IST), die Ausgangsgröße SG(SL) und die Parameter des Prädiktionsmodells 9. Die Eingangsgrößen des Prädiktionsmodells 9 sind der elektronische Streckenfahrplan SPL, die Ist-Systemgrößen SG(IST) und die aktuelle Höhe Hh. Der elektronische Streckenfahrplan SPL mit hinterlegter elektronischer Streckenkarte wird vom Zugsteuergerät 2 bereitgestellt. Im elektronischen Streckenfahrplan SPL sind die streckenabschnittsbezogenen Geschwindigkeiten, beispielsweise die zulässige Geschwindigkeit zwischen einem Wegpunkt A und einem Wegpunkt B, enthalten. Anhand der streckenabschnittsbezogenen Geschwindigkeiten sind auch die Zeiten zwischen den Wegpunkten definiert. Die aktuelle Höhe Hh wird von der Einheit 8 auf dem Datenbus 1 bereitgestellt. Die Ist-Systemgrößen SG(IST) werden vom Motorsteuergerät 3 bereitgestellt und entsprechen ganz allgemein den verfügbaren Einzeldaten aller am Datenbus 1 angeschlossenen Steuergeräte 2 bis 7 einschließlich der Einheit 8. Hierunter sind zum Beispiel die Ist-Drehzahl der Brennkraftmaschine, die Ist-Motorleistung, der Ist-Kraftstoffverbrauch, der Status des Energiespeichers, die Ist-Position des Schienenfahrzeugs sowie die Öl-, die Energiespeicher-, die Kühlwasser- und die Umrichtertemperatur zu verstehen.
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Die Ausgangsgröße des Prädiktionsmodells 9 ist das Signal S1, welches auf das Motorsteuergerät 3 geführt wird. Innerhalb des Prädiktionsmodells 9 sind diverse funktionale Einheiten wie z. B. eine modellbasierte Berechnung mit einem Berechnungsalgorithmus 14 als Funktionsblock angeordnet. In der Berechnung ist die Regelstrecke mathematisch abgebildet. Die Eingangsgrößen der Berechnung sind der elektronische Streckenfahrplan SPL, die aktuelle Höhe Hh und ein Signal. Über die Berechnung 10 werden die Soll-Systemgrößen SG(SL), zum Beispiel die Soll-Position oder die Soll-Motorleistung, berechnet. Die Soll-Systemgrößen SG(SL) werden streckenabschnittsbezogen abgespeichert. Im Datenspeicher sind streckenabschnittsbezogen auch die Soll-Systemgrößen SG(SL) abgespeichert.
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Vor Fahrtantritt werden über das Prädiktionsmodell 9 an Hand des elektronischen Streckenfahrplans SPL und des Höhenprofils der Fahrtstrecke die streckenabschnittsbezogenen Antriebsarten prädiktiv berechnet. Diese werden im Datenspeicher streckenabschnittsbezogen hinterlegt. Beispielsweise eine rein verbrennungsmotorische Antriebsart bei einem Streckenabschnitt mit Steigung oder eine Antriebsart mit Rekuperieren (Energie-Rückspeisung) bei einem Streckenabschnitt mit Gefälle. Während des Fahrbetriebs beurteilt das Motorsteuergerät 2 an Hand der Daten den aktuellen Zustand des Gesamtsystems und veranlasst gegebenenfalls über den Datenbus 1 eine Änderung der Antriebsart. Am Beispiel einer Positionsabweichung wird dies näher erklärt.
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Die Soll-Position wird über die Berechnung 10 als eine der Soll-Systemgrößen SG(SL) bestimmt. Die Ist-Position wird als eine der Ist-Systemgrößen SG(IST) vom Motorsteuergerät 3 dem Prädiktionsmodell 9 als Eingangsgröße bereitgestellt. Die Datenwerte werden zyklisch vom Motorsteuergerät 3 eingelesen und beurteilt. Aus Sicherheitsgründen wird vor Aktivierung der Antriebsart höherer Leistungsabgabe geprüft ob die zu erwartende Geschwindigkeit signifikant von derjenigen Geschwindigkeit, welche durch den elektronischen Streckenfahrplan definiert ist, abweicht. Ist dies der Fall, muss zuerst durch die Leitstelle eine Freigabe erteilt werden, beispielsweise indem diese einen modifizierten elektronischen Streckenfahrplan zur Verfügung stellt.
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Beispielhaft erfolgt eine Steuerung des Hybridantriebs 200 über die Steuereinrichtung 100 mittels des Motorsteuergeräts 3 wie folgt.
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Für den Fahrbetriebsmodus „Fahren” kann das Motorsteuergerät für den Hybridantrieb 200 einen Antrieb über den Dieselmotor 210 mit etwa 50% der Leistung vorgeben. Für ein Antriebsprofil ”Boosten” kann das Motorsteuergerät 3 zusätzlich elektrische Energie des Energiespeichers 20 über den Motor/Generator 220 zum Antrieb des Getriebes 230 bereitstellen. Für den Fahrbetriebsmodus ”Langsamfahrt”; d. h. z. B. für eine Fahrt in einen Bahnhof oder Tunnel oder dergleichen, kann ein Antrieb des Getriebes 230 z. B. nur über den elektrischen Energiespeicher 20 erfolgen. Für den Fahrbetriebsmodus „Bremsen” ist regelmäßig vorgesehen, dass über den Motor/Generator 220 anstehende elektrische Energie E in den Energiespeicher 20 eingespeist wird, d. h. der Energiespeicher 20 befindet sich im Energiespeichermodus „Laden”. Das zugehörige Antriebsprofil des Hybridantriebs 200 wird als ”Rekuperieren am Lastpunkt” bezeichnet. Die für den Betriebsmodus des Hybridantriebs relevanten Anteile einer Brennkraftmaschine 210 und eines Elektromotors des Motor/Generators 220 an einer Gesamtleistung des Hybridantriebs können beispielsweise variabel festgelegt werden. Je nach Streckenabschnitt des Fahrprofils kann z. B. ein geeignetes Alterungs- und Batteriemodell ABM 5' als Variante gewählt werden. Dies kann unter Vorgabe einer Antriebsart bzw. eines Fahrbetriebsmodus erfolgen. Die streckenabschnittsbezogene Antriebsart AA des Schienenfahrzeugs bzw. des streckenabschnittsbezogene Betriebsmodus des Hybridantriebs 200 kann unter Zugrundelegung des Energiespeichermodells 5' prädiktiv bestimmt werden. Es kann auch ein geeigneter Prädiktionshorizont zur Energiespeicherführung vorgegeben werden, d. h. zur Führung des Energiespeichers 20 unabhängig von einem Prädiktionshorizont für die Antriebsart.
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Insbesondere setzt das Alterungsmodell auf das Energiespeichermodell 5' auf. Damit können Überladungszustände des Energiespeichers 20 vermieden werden. Beispielsweise Überladungszustände bei einem langen Bremsweg über mehrere Kilometer auftreten. Überladungszustände können auch bei Notbremsungen oder Bremsvorgängen auftreten, die bei voll aufgeladenem Energiespeicher 20 zu erfolgen haben. Hier besteht ohne Abführmöglichkeit der elektrischen Energie die Gefahr, dass der Energiespeicher 20 überladen wird.
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Als erste Maßnahme dagegen ist in der in 1 dargestellten Ausführungsform vorgesehen, dass aufgrund der prädiktiven Steuerung der Hybridantrieb 200 auf solche Vorfälle abgestimmt ist; d. h. aufgrund der prädiktiven Festlegung der Antriebsart AA als auch der Betriebsführung des Energiespeichers 20 sind Überladungen oder zu tiefe Entladungen des Energiespeichers 20 weitgehend vermeidbar. Die prädiktive Bestimmung einer Betriebsführung der Energiespeicher 20 kann vorsehen, bei anstehenden großen Mengen elektrischer Energie, einen Energiespeicher 20 vorausschauend vergleichsweise tief zu entladen. Sollte dennoch überschüssige Energie vorhanden sein, so sorgt insbesondere das Alterungsmodell im Rahmen der prädiktiven Betriebsführung des Energiespeichers 20 dafür, dass eine Schädigung des Energiespeichers 20 vermieden wird. Dazu gehört, dass gewisse Schwellwerte für eine Tiefe eines Entladens bzw. eine Höhe eines Ladens bzw. ein Zeitabstand zwischen Ladezyklen oder dgl. Grenzwerte beim Betrieb des Energiespeichers 20 eingehalten werden. Der Energiespeicher 20 wird damit bestimmungsgemäß genutzt, d. h. z. B. voll geladen jedoch nicht überladen. Dies ist einer langen Lebensdauer des Energiespeichers 20 zuträglich.
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Insbesondere kann dazu ein an der Steuerleitung 3.3 anliegendes Signal des Motorsteuergeräts 3 den Schalter 30 aus dem in 1 gezeigten Zustand umlegen. Dadurch kann die überschüssige elektrische Energie E vom über die Steuerleitung 3.1 aktivierten Stromrichter 270 auf den Gleichstromrichter 341 zum Betrieb des Heizwiderstands 342 geführt werden. Die Arbeitsweise der Stromrichter 270, 341 kann über Steuersignale auf den Steuerleitungen 3.1, 3.4 vorgegeben werden.
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Beispielsweise kann auch der Betrieb eines katalytischen Abgasnachbehandlungssystems 310 über die Steuerleitung 3.5 nach Maßgabe des Motorsteuergeräts 3 in Kombination mit dem Steuergerät 7 zur Festlegung des Abgases AG bestimmt werden. In dem Fall wird z. B. überschüssig erzeugte elektrische Energie bei einem langen oder starken Bremsweges nicht ungenutzt über einen Brems-Chopper in die Umgebung gegeben, sondern sinnvoll zur Verbesserung einer Abgasnachbehandlung verwendet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Datenbus
- 2
- Zugsteuergerät (ZSG)
- 3
- Motorsteuergerät (ECU)
- 3.1, 3.2, 3.3, 3.4
- Steuerleitungen
- 4
- Getriebesteuergerät (GS)
- 5
- Batteriemanagement-Steuergerät (BMS)
- 6
- Umrichter-Steuergerät (VCU)
- 7
- Steuergerät zur Festlegung des Abgases (SCR)
- 8
- Einheit
- 9
- Prädiktionsmodell
- 10
- Berechnung
- 14
- Berechnungsalgorithmus
- 15
- Sicherheitsmanagement
- 20
- Energiespeicher, Batterie
- 20
- elektrischer Energiespeicher
- 30
- Schalter
- 40
- Wärmeabgabe
- 100
- Steuereinrichtung
- 200
- Hybridantrieb
- 201
- Motorkrümmer
- 210
- Brennkraftmaschine, Dieselmotor
- 220
- Elektromotor
- 230
- Getriebe
- 240
- Achswendegetriebe
- 250
- Achswelle
- 260
- Räder
- 270
- Stromrichter
- 300
- Abgassystem
- 301
- Abgasleitung
- 310
- Abgasnachbehandlungssystem, Reaktor
- 340
- Abgasheizsystem
- 341
- Gleichstromrichter
- 342
- Heizwiderstand
- 1000
- Schienenfahrzeug
- A, B
- Wegpunkte
- AA
- Antriebsart
- BM 5'
- Energiespeichermodell
- BS(SL)
- Soll-Batteriesystemgrößen
- CM
- Katalysatormodell
- S1
- Signal
- E
- Energie
- G
- Generator
- Hh
- Höhe
- M
- Motor
- SG(SL)
- Soll-Systemgrößen
- SG(IST)
- Ist-Systemgrößen
- SPL
- Streckenfahrplan
