DE102011110639A1 - Power supply control device for supplying electrical power to rail vehicle, has control unit controlling supply of energy from different sources of energy in response to characteristics of sources and by request for operation of vehicle - Google Patents

Power supply control device for supplying electrical power to rail vehicle, has control unit controlling supply of energy from different sources of energy in response to characteristics of sources and by request for operation of vehicle Download PDF

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Abstract

The device has multiple power supplies (6-8) located on a vehicle (1) and formed for provision of electrical power to a power supply of the vehicle. A power control unit (2) controls the supply of energy from different sources of energy in response to state and/or performance characteristics of the energy sources and by a request for operation of the vehicle. Electrical power output characteristics and/or electrical power consumption characteristics are formed by the state and/or performance characteristics of the power sources made of a wear model. Independent claims are also included for the following: (1) a vehicle (2) a method for equipping an electrical drivable vehicle with multiple power supplies.

Description

Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungssteuerungseinrichtung zur elektrischen Energieversorgung eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs. Die Erfindung betrifft auch ein Fahrzeug hierzu sowie ein Verfahren zum Ausrüsten eines elektrisch antreibbaren Fahrzeuges.The invention relates to a power supply control device for the electrical power supply of an electrically driven vehicle. The invention also relates to a vehicle for this purpose and to a method for equipping an electrically drivable vehicle.

Fahrzeuge jeglicher Art benötigen zur Fortbewegung einen entsprechenden Antrieb, damit das Fahrzeug in Bewegung versetzt wird. Dabei wird dem Fahrzeug Energie zugeführt, die von einer Antriebseinheit dazu genutzt wird, diese gespeicherte Energie in kinetische Energie, das heißt in Bewegungsenergie umzusetzen. Um eine möglichst hohe Flexibilität des Fahrzeuges zu gewährleisten, ist es besonders wünschenswert, dass das Fahrzeug zumindest über einen gewissen Zeitraum hinweg autark und von einer externen Energiequelle unabhängig agieren kann.Vehicles of any kind need to drive a corresponding drive, so that the vehicle is set in motion. In this case, the vehicle energy is supplied, which is used by a drive unit to convert this stored energy into kinetic energy, that is in kinetic energy. In order to ensure the greatest possible flexibility of the vehicle, it is particularly desirable that the vehicle can operate autonomously and independently of an external energy source, at least over a certain period of time.

Aus Sicht der Energieversorgung existieren beispielsweise im Schienenverkehr grundsätzlich zwei Klassen von Schienenfahrzeugen: Nämlich zum einen solche, die auf eine externe Energieversorgung angewiesen sind (beispielsweise E-Lok) und solche, die stets einen gewissen Teil ihrer benötigten Energie selbst mitführen und somit unabhängig von einem externen Energieversorgungssystem sind (beispielsweise Diesellok). So hat zwar die Diesellok gegenüber der anderen Art von Schienenfahrzeugen den entscheidenden Vorteil, dass sie auch auf einer Strecke fahren kann, auf der kein teures Oberleitungssystem zur elektrischen Energieversorgung installiert ist, was selbstverständlich auch die Instandhaltung und Wartung der Gleisanlage vergünstigt. Allerdings ist im Zuge des gestiegenen Umweltbewusstseins sowie der zunehmenden Ressourcenverknappung politisch nicht mehr vertretbar, den Bereich der dieselangetriebenen Schienenfahrzeuge weiter auszubauen.From the perspective of energy supply, for example, there are basically two classes of rail vehicles in rail transport: namely those that depend on an external energy supply (eg electric locomotive) and those that always carry a certain part of their required energy and thus independently of one another external energy supply system are (for example diesel locomotive). Thus, while the diesel locomotive has the distinct advantage over the other type of rail vehicles that it can also drive on a route on which no expensive overhead line system for electrical energy supply is installed, which of course also reduces the maintenance and service of the track system. However, in the context of heightened environmental awareness and the increasing scarcity of resources, politically it is no longer justifiable to further expand the field of diesel-powered rail vehicles.

Selbst bei einer uneingeschränkten Nutzung von Akkumulatoren im Schienenverkehr wäre ein sinnvoller Betrieb allein deshalb schon nicht möglich, da die Kapazitäten der Akkumulatoren derzeit ausreichen, um das grolle Gewicht eines gesamten Zuges in eine Bewegung zu versetzen. Im Gegensatz dazu ist die Anwendung eines reinen Dieselaggregates auf weiten Teilen der zu fahrenden Strecke sehr unökonomisch, da die Aggregate in einer Größenordnung vorgehalten werden müssen, die es ermöglicht, das Schienenfahrzeug aus dem Stand in die entsprechende Bewegung zu versetzen. Befindet sich das Schienenfahrzeug erst einmal in Bewegung, so wird nur noch ein Bruchteil der von dem Dieselaggregat zur Verfügung gestellten Leistung benötigt, so dass ein solches Dieselaggregat in der Regel unökonomisch betrieben wird. Mit Blick auf den stetig steigenden Energiepreis ist ein solcher Einsatz nicht mehr zu rechtfertigen.Even with unrestricted use of rechargeable batteries in rail transport, meaningful operation would not be possible for the sole reason that the capacity of the accumulators is currently sufficient to put the heavy weight of an entire train into motion. In contrast, the application of a pure diesel engine on large parts of the route to be traveled is very uneconomical, since the aggregates must be maintained in an order of magnitude which makes it possible to move the rail vehicle from a standing position into the corresponding movement. Once the rail vehicle is in motion, only a fraction of the power provided by the diesel engine is required, so that such a diesel engine is generally operated uneconomically. In view of the steadily rising energy price such an effort is no longer justifiable.

So ist beispielsweise aus der DE 198 31 204 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb von elektromotorisch angetriebenen Fahrzeugen bekannt, das im Normalfall mit Hilfe eines externen elektrischen Energieversorgungsnetzes, beispielsweise über Oberleitungen, mit elektrischer Energie versorgt wird. Wird das Fahrzeug dann aus der Fahrt abgebremst, so kann ein Teil der kinetischen Energie durch Umwandlung zurück in das Energieversorgungsnetz rückeingespeist werden, die dann gegebenenfalls gespeichert werden oder für andere Zwecke verwendet werden kann.For example, from the DE 198 31 204 A1 a method and a device for the operation of electric motor driven vehicles known which is normally supplied with the help of an external electrical power supply network, for example via overhead lines, with electrical energy. If the vehicle is then braked while driving, some of the kinetic energy may be fed back by conversion back to the utility grid, which may then be stored or used for other purposes.

Nachteilig herbei ist jedoch insbesondere die Tatsache, dass die Speicherung der rückeingespeisten Energie häufig nicht sehr effektiv ist und dass die Rückspeisung nur selten mit einem tatsächlichen Energiebedarf zusammenfällt.However, disadvantageous in particular is the fact that the storage of the backfeed-fed energy is often not very effective and that the return feed rarely coincides with an actual energy requirement.

Darüber hinaus bleibt auch bei elektromotorisch antreibbaren Fahrzeugen das Problem bestehen, dass die Antriebseinheit zumindest derart ausgelegt sein muss, dass das Fahrzeug aus dem Stand in die gewünschte Geschwindigkeit beschleunigt werden kann.In addition, the problem persists even in electric motor driven vehicles that the drive unit must be at least designed so that the vehicle can be accelerated from a standstill to the desired speed.

Aufgabetask

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Energieversorgungssteuerungseinrichtung anzugeben, die ein Fahrzeug autark von einem externen Energieversorgungsnetz mit elektrischer Energie versorgen kann und dass darüber hinaus eine optimale Skalierung des Bedarfes ermöglicht.It is therefore an object of the present invention to provide a power supply control device that can provide a vehicle autonomously from an external power grid with electrical energy and that also allows optimal scaling of the need.

Lösungsolution

Die Aufgabe wird zum einen gelöst durch die eingangs genannte Energieversorgungssteuerungseinrichtung zur elektrischen Energieversorgung eines elektrisch antreibbaren Fahrzeuges mit einer Mehrzahl von auf dem Fahrzeug angeordneten Energiequellen, die zur Bereitstellung von elektrischer Energie zur Energieversorgung des Fahrzeuges ausgebildet sind und mit einer Energie-Steuereinheit, die zur Steuerung der Energiebereitstellung aus den verschiedenen Energiequellen in Abhängigkeit von Zustands- und/oder Leistungscharakteristiken der Energiequellen und von einer Betriebsanforderung des Fahrzeuges eingerichtet ist.The object is achieved on the one hand by the aforementioned power supply control device for the electrical power supply of an electrically driven vehicle with a plurality of energy sources arranged on the vehicle, which are designed to provide electrical energy for powering the vehicle and with an energy control unit to control the energy supply from the different energy sources depending on state and / or performance characteristics of the energy sources and is set up by an operating requirement of the vehicle.

Die Erfindung schlägt demnach vor, dass mehrere, zum Teil auch voneinander verschiedene Energiequellen auf dem Fahrzeug selber angeordnet sind, wobei jede Energiequelle eine Zustands- und/oder Leistungscharakteristik aufweist.The invention therefore proposes that a plurality of energy sources, some of which are different from one another, are arranged on the vehicle itself, each energy source having a state and / or power characteristic.

Die auf dem Fahrzeug angeordneten Energiequellen können beispielsweise Verbrennungsmotoren, Schwungmassenspeicher, kapazitive Speicher und/oder Akkumulatoren sein. Handelt es sich bei der Energiequelle um einen Verbrennungsmotor, so ist dieser an einem entsprechenden Generator gekoppelt, so dass der Verbrennungsmotor letztendlich zur Bereitstellung von elektrischer Energie ausgebildet ist. The energy sources arranged on the vehicle can be, for example, internal combustion engines, flywheel mass accumulators, capacitive accumulators and / or accumulators. If the energy source is an internal combustion engine, it is coupled to a corresponding generator so that the internal combustion engine is ultimately designed to provide electrical energy.

Mittels der mehreren, auf dem Fahrzeug angeordneten Energiequellen, die letztendlich elektrische Energie zur Energieversorgung der Antriebseinheit bereitstellen, kann eine Skalierung hinsichtlich einer Betriebsanforderung des Fahrzeuges erfolgen, so dass das Fahrzeug beispielsweise hinsichtlich seiner ökonomischen Betriebsweise optimiert wird.By means of the plurality of energy sources arranged on the vehicle, which ultimately provide electrical energy for supplying energy to the drive unit, a scaling can take place with regard to an operating requirement of the vehicle, so that the vehicle is optimized, for example, with regard to its economic operation.

Befinden sich mehrere unterschiedliche Arten von Energiequellen auf dem Fahrzeug, so bilden diese gemeinsam ein heterogenes Energiequellennetz, das sich hinsichtlich der Betriebsanforderung des Fahrzeuges skalieren lässt. Befinden sich beispielsweise mehrere kleinere Dieselaggregate als Energiequellen auf dem Fahrzeug sowie eine Supercap-Einheit als eine weitere Energiequelle auf dem Fahrzeug, so ist es besonders vorteilhaft, wenn die Energie beim Anfahren des Fahrzeuges, beispielsweise ein Schienenfahrzeug, aus den Supercaps und den kleineren Dieselaggregaten gespeist wird, während auf der freien Strecke, wo sich die Geschwindigkeit nur wenig ändert, ein oder zwei Dieselaggregate ausreichen, um das Fahrzeug am laufen zu halten. Da die Supercaps letztendlich für einen kurzen Zeitraum eine relativ hohe Energie bereitstellen, sind sie zur Energiebereitstellung auf der langen Strecke daher nicht geeignet.If several different types of energy sources are present on the vehicle, they together form a heterogeneous power source network that can be scaled with regard to the operating requirement of the vehicle. For example, if several smaller diesel units as energy sources on the vehicle and a supercap unit as a further source of energy on the vehicle, so it is particularly advantageous if the energy when starting the vehicle, such as a rail vehicle, fed from the supercaps and the smaller diesel units While on the free route, where the speed changes only slightly, one or two diesel gensets will be sufficient to keep the vehicle running. Since the supercaps ultimately provide relatively high energy for a short period of time, they are therefore not suitable for providing energy over the long haul.

Eine Betriebsanforderung des Fahrzeuges kann beispielsweise ein entsprechendes Streckenprofil sein. Ein solches Streckenprofil kann dabei sowohl Steigungen als auch Gefälle und den Grad davon beinhalten, sowie Geschwindigkeitsprofile und dergleichen. Es handelt sich dabei letztendlich um eine möglichst detaillierte Abbildung der zu fahrenden Strecke, so dass hierauf beispielsweise auf den Bedarf geschlossen werden kann, den das Fahrzeug an bestimmten Punkten der Strecke benötigt. Unter Kenntnis dieses Streckenprofils kann dann die Skalierung der Energiebereitstellung über die einzelnen Energiequellen erfolgen. Eine Betriebsanforderung kann aber auch ein Beanspruchungsmodell sein, das beispielsweise hinsichtlich der zu erwartenden Belastungen des Schienenfahrzeuges eine Skalierung beziehungsweise Steuerung der Energiebereitstellung über die Energiequellen sicherstellt. So ist die Beanspruchung bei der Fahrt auf der freien Strecke letztendlich eine völlig andere als im Rangierbetrieb, so dass hier die auf dem Fahrzeug angeordneten Energiequellen letztendlich bezüglich ihrer Zustands- und/oder Leistungscharakteristik anders skaliert werden müssen.An operating requirement of the vehicle may be, for example, a corresponding route profile. Such a route profile can include both inclines and gradients and the degree thereof, as well as speed profiles and the like. In the end, this is a picture of the route to be traveled that is as detailed as possible, so that, for example, it is possible to deduce the demand that the vehicle needs at certain points on the route. Under knowledge of this route profile then the scaling of the energy supply via the individual energy sources can be done. However, an operating requirement can also be a demand model which, for example, ensures scaling or control of the energy supply via the energy sources with regard to the expected loads of the rail vehicle. So the load when driving on the free route is ultimately a completely different than in shunting, so that here the arranged on the vehicle energy sources must ultimately be scaled differently in terms of their state and / or performance characteristics.

Die Zustands- und/oder Leistungscharakteristik der Energiequellen kann beispielsweise aus einem Verschleißmodell gebildet sein. Ein solches Verschleißmodell kann dabei im erfassten Fall die Anzahl der Betriebsstunden sein, so dass hinsichtlich dessen die Skalierung beziehungsweise Steuerung erfolgt. So kann beispielsweise bei mehreren kleineren Verbrennungsmotoren verhindert werden, dass ein Verbrennungsmotor zur Energiebereitstellung ständig läuft, während andere nur bei Bedarf hinzugeschaltet werden.The state and / or power characteristic of the energy sources can be formed for example from a wear model. In the case covered, such a wear model can be the number of operating hours, with the result that scaling or control takes place with regard to this. For example, it can be prevented in several smaller combustion engines, that an internal combustion engine for energy supply is constantly running, while others are connected only when needed.

Die Zustands- und/oder Leistungscharakteristik kann aber auch eine elektrische Energieabgabecharakteristik beziehungsweise eine elektrische Energieaufnahmecharakteristik sein. So hat beispielsweise ein herkömmlicher Akkumulator, der elektrische Energie in Form von chemischer Energie speichert, eine andere elektrische Energieabgabecharakteristik als beispielsweise ein kapazitiver Speicher, der die elektrische Energie in Supercaps speichert. So kann bei der kapazitiven Speicherung in kurzer Zeit eine sehr hohe elektrische Energie abgegeben werden, was beispielsweise vorteilhaft ist beim Anfahren, während aus den Akkumulatoren über einen etwas längeren Zeitraum, dafür mit geringerer Leistung, elektrische Energie abgegeben wird. Gleiches verhält sich im umgekehrten Fall bei der Energiespeicherung. Ein Schwungmassenspeicher beispielsweise, der als Energiequelle ebenfalls denkbar ist, speichert Energie in Form von kinetischer Energie, der wiederum eine andere elektrische Energieabgabecharakteristik hat als beispielsweise ein Verbrennungsmotor mit einem nachgeschalteten Generator, Der Verbrennungsmotor ist dabei derart charakterisiert, dass er über einen längeren Zeitraum konstant eine elektrische Energieabgabe gewährleistet, dafür jedoch entsprechende fossile Brennstoffe mitführen muss.However, the state and / or power characteristic can also be an electrical energy release characteristic or an electrical energy absorption characteristic. For example, a conventional accumulator that stores electrical energy in the form of chemical energy has a different electrical energy delivery characteristic than, for example, a capacitive storage that stores the electrical energy in supercaps. Thus, in the capacitive storage in a short time a very high electrical energy can be delivered, which is advantageous for example when starting, while from the accumulators over a slightly longer period, but with less power, electrical energy is emitted. The same is true in the reverse case of energy storage. A flywheel energy storage, for example, which is also conceivable as an energy source, stores energy in the form of kinetic energy, which in turn has a different electrical energy release characteristic than, for example, an internal combustion engine with a downstream generator, the internal combustion engine is characterized in such a way that it constant over a longer period of time ensures electrical energy delivery, but must carry appropriate fossil fuels.

In Abhängigkeit dieser so beschreibbaren Zustands- und/oder Leistungscharakteristiken der Energiequellen, die jedoch nicht alle abschließend aufgezählt werden können, kann dann in Bezug auf die Betriebsanforderung die Bereitstellung der elektrischen Energie aus diesen Energiequellen skaliert beziehungsweise gesteuert werden, so dass das elektrisch antreibbare Fahrzeug an die entsprechende Betriebsanforderung hinsichtlich seiner Energieversorgung angepasst und optimiert werden kann.Depending on the so describable state and / or performance characteristics of the energy sources, which however can not all be exhaustively enumerated, then the supply of electrical energy from these energy sources can be scaled or controlled with respect to the operating requirement, so that the electrically drivable vehicle the corresponding operating requirement can be adapted and optimized with regard to its energy supply.

Dabei ist es des Weiteren ganz besonders vorteilhaft, wenn die Energieversorgungseinrichtung zur Rückspeisung von elektrischer Energie, die beispielsweise aus der kinetischen Bewegungsenergie gewonnen wird, in die als Energiespeicher ausgebildeten Energiequellen ausgebildet ist. So kann beispielsweise bei der Bremsung des Fahrzeuges die so frei gewordene kinetische Energie in elektrische Energie umgewandelt werden und dann in die entsprechend als Energiespeicher ausgebildeten Energiequellen eingespeist werden. Vorteilhaft ist insbesondere dabei, wenn die Rückeinspeisung in die Energiequellen ebenfalls in Abhängigkeit der Zustands- und/oder Leistungscharakteristik der entsprechenden Energiequellen und der Betriebsanforderung des Fahrzeuges erfolgt.In this case, it is furthermore particularly advantageous if the energy supply device for regenerating electrical energy, which is obtained, for example, from the kinetic kinetic energy, is designed in the energy sources designed as energy stores. So can For example, during the braking of the vehicle, the kinetic energy released in this way are converted into electrical energy and then fed into the energy sources designed accordingly as energy storage devices. It is particularly advantageous in this case if the feedback feed into the energy sources also takes place as a function of the state and / or performance characteristics of the corresponding energy sources and the operating requirement of the vehicle.

So ist es zum Beispiel denkbar, dass eine der Betriebsanforderungen hinsichtlich eines Streckenprofils gebildet wird, so dass der entsprechende Leistungsbedarf für jeden Punkt der Strecke ermittelbar ist. Aus diesem lässt sich nun erkennen, dass die voraus liegende Strecke ein Gefälle aufweist, so dass hierbei Energie in die entsprechenden als Energiespeicher ausgebildeten Energiequellen zurückgespeist werden kann. Anhand des Grades des Gefälles kann abgeschätzt werden, in welchen Energiespeicher die rückgespeiste Energie vorzugsweise eingespeist werden soll. So macht es bei einem recht flachen Gefälle wenig Sinn, einen schweren Schwungmassenspeicher anzutreiben, wenn hierbei die Speicherung in einem Akkumulator sinnvoller ist. Darüber hinaus kann die Speicherung der rückgespeisten Energie auch in Abhängigkeit von weiteren Streckenpunkten erfolgen, beispielsweise derart, dass nach dem Gefälle eine starke Steigung kommt, bei der kurzzeitig ein hoher Energiebedarf notwendig ist. In diesem Fall ist es dann sinnvoller, die kapazitiven Speicher anstelle der Akkumulatoren oder Schwungmassenspeicher aufzuladen.Thus, it is conceivable, for example, that one of the operating requirements is formed with regard to a route profile, so that the corresponding power requirement can be determined for each point of the route. From this it can now be seen that the route ahead has a gradient, so that in this case energy can be fed back into the corresponding energy sources designed as energy stores. On the basis of the degree of the gradient, it can be estimated in which energy store the energy fed back is preferably to be fed. Thus it makes little sense to drive a heavy flywheel mass storage if the storage in a rechargeable battery makes more sense. In addition, the storage of the energy fed back can also take place as a function of further route points, for example in such a way that after the incline there is a steep incline in which a high energy requirement is required for a short time. In this case, it makes more sense to charge the capacitive storage instead of the accumulators or flywheel energy storage.

Somit erfolgt die Rückspeisung vorteilhafterweise in Abhängigkeit der Betriebsanforderung des Fahrzeugs sowie der entsprechenden einzelnen Zustands- und/oder Leistungscharakteristiken. Somit wird auch die Rückspeisung der elektrischen Energie bezüglich der Betriebsanforderung optimal skaliert.Thus, the feedback is advantageously carried out as a function of the operating requirement of the vehicle and the corresponding individual state and / or performance characteristics. Thus, the recovery of electrical energy is scaled optimally with respect to the operating requirement.

Die Aufgabe wird des Weiteren auch gelöst mit einem Fahrzeug, insbesondere einem Schienenfahrzeug, mit einer elektrischen Antriebsvorrichtung und einer damit in Verbindung stehenden elektrischen Energieversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Energieversorgung mit der Antriebsvorrichtung.The object is furthermore also achieved with a vehicle, in particular a rail vehicle, with an electric drive device and an electric power supply device connected thereto in accordance with one of the preceding claims for supplying energy to the drive device.

Im Übrigen wird die Aufgabe auch gelöst mit dem Verfahren der eingangs genannten Art zur Ausrüstung eines elektrisch antreibbaren Fahrzeuges mit einer Mehrzahl von Energiequellen, die modulartig auf dem Fahrzeug anordbar sind, zur Bildung eines insbesondere heterogenen Energiequellennetzes mit dem Schritten:

  • – Auswählen von Energiequellen in Abhängigkeit von Zustands- und/oder Leistungscharakteristiken der Energiequellen und einer Betriebsanforderung des Fahrzeuges und
  • – Ausrüsten des Fahrzeuges mit den ausgewählten Energiequellen.
Moreover, the object is also achieved with the method of the type mentioned above for equipping an electrically driven vehicle with a plurality of energy sources, which can be arranged in a modular manner on the vehicle, to form a particular heterogeneous power source network with the steps:
  • Selecting energy sources in dependence on state and / or performance characteristics of the energy sources and an operating requirement of the vehicle and
  • - Equipping the vehicle with the selected energy sources.

Hiernach wird vorgeschlagen, dass das Fahrzeug mit entsprechenden Energiequellen derart ausgerüstet wird, dass die Zustands- und/oder Leistungscharakteristik der Energiequellen mit der Betriebsanforderung des Fahrzeuges harmoniert. Hierfür ist es besonders vorteilhaft, wenn die Energiequellen modulartig auf dem Fahrzeug anordbar sind, so dass sie einfach ausgetauscht oder gewechselt werden können. So wird beispielsweise für ein Schienenfahrzeug, welches vorzugsweise im Rangierbetrieb verwendet wird, eine andere Auswahl der Energiequellen hinsichtlich der Zustands- und/oder Leistungscharakteristik der Energiequellen notwendig sein, als für ein Schienenfahrzeug, welches vorzugsweise auf der freien Strecke lange Distanzen fährt. Je nach Betriebsanforderung können sich somit unterschiedliche Auswahlen der Energiequellen ergeben, so dass die Fahrzeuge hinsichtlich der Betriebsanforderung und der Zustands- und/oder Leistungscharakteristik der Energiequellen mit entsprechenden Energiequellen ausgerüstet ist.According to this, it is proposed that the vehicle be equipped with corresponding energy sources in such a way that the state and / or performance characteristics of the energy sources harmonize with the operating requirement of the vehicle. For this purpose, it is particularly advantageous if the energy sources can be arranged in a modular manner on the vehicle, so that they can be easily replaced or replaced. For example, for a rail vehicle, which is preferably used in shunting, a different selection of energy sources with respect to the state and / or performance of the energy sources will be necessary, as for a rail vehicle, which preferably runs long distances on the free route. Depending on the operating requirement, different selections of the energy sources can thus result, so that the vehicles are equipped with corresponding energy sources with regard to the operating requirement and the state and / or performance characteristics of the energy sources.

Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.Advantageous embodiments can be found in the corresponding subclaims.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:The invention will be described by way of example with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 – schematische Darstellung eines Schienenfahrzeuges mit unterschiedlichen Energiequellen; 1 - Schematic representation of a rail vehicle with different energy sources;

2 – Darstellung der Erfindung anhand eines Streckenprofils. 2 - Presentation of the invention with reference to a route profile.

1 zeigt schematisch ein Schienenfahrzeug 1, auf dem erfindungsgemäß eine Energie-Steuereinheit 2 angeordnet ist. An den vier Achsen 3 des Schienenfahrzeuges 1 befindet sich jeweils ein Elektromotor 4, die zusammen das Schienenfahrzeug 1 elektromotorisch antreiben. Die Elektromotoren 4 sind dabei über eine Stromsammelschiene 5 miteinander verbunden. 1 schematically shows a rail vehicle 1 on which according to the invention an energy control unit 2 is arranged. On the four axes 3 of the rail vehicle 1 There is one electric motor each 4 that together the rail vehicle 1 electric motor drive. The electric motors 4 are doing a power bus 5 connected with each other.

Zur entsprechenden Speisung der Elektromotoren 4 über die Stromschiene 5 mit elektrischer Energie, sind die einzelnen Energiequellen ebenfalls mit der Stromsammelschiene 5 elektrisch kontaktiert. In diesem Ausführungsbeispiel sind dies zwei Schwungmassenspeicher 6, insgesamt vier Dieselaggregate 7 und ein Batteriesystem 8. Bei den Dieselaggregaten 7 kann es sich beispielsweise um relativ klein ausgebildete Dieselmotoren handeln, wie sie auch im Fahrzeugbereich Anwendung finden. Über einen mit den Dieselaggregaten 7 verbundenen Generator (nicht gezeigt) wird die Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt, die über die Sammelschiene 5 den Elektromotoren 4 zwecks Antriebs des Fahrzeuges 1 zur Verfügung gestellt wird.For appropriate supply of electric motors 4 over the busbar 5 With electrical energy, the individual energy sources are also with the power bus 5 electrically contacted. In this embodiment, these are two flywheel mass storage 6 , a total of four diesel engines 7 and a battery system 8th , At the diesel engines 7 For example, they may be relatively small diesel engines, as they are also find application in the vehicle sector. About one with the diesel engines 7 connected generator (not shown), the kinetic energy is converted into electrical energy via the busbar 5 the electric motors 4 for the purpose of driving the vehicle 1 is made available.

Jede Energiequelle 6 bis 8, gleich welcher Art, ist mit einer Energie-Steuereinheit 2 verbunden, um die Energiebereitstellung für den elektromotorischen Antrieb 4 entsprechend zu skalieren und zu steuern.Every energy source 6 to 8th Whatever kind, is with an energy control unit 2 connected to the energy supply for the electric motor drive 4 to scale and control accordingly.

Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Energiequellen 6 bis 8 derart an dem Fahrzeug anordbar sind, dass sie modulartig aufgebaut sind. Dadurch lässt sich das Schienenfahrzeug 1 je nach Betriebsanforderung an die entsprechende Situation anpassen, ohne dass hierfür teure und komplizierte Umbaumaßnahmen erforderlich sind. So wird ein Schienenfahrzeug 1 in der Regel mit anderen Energiequellen 6 bis 8 ausgerüstet werden, wenn der Einsatz des Schienenfahrzeuges vorzugsweise im Rangierbetrieb liegt, als wenn das Schienenfahrzeug 1 ausschließlich zum Gütertransport auf der freien Strecke eingesetzt wird.It is particularly advantageous if the energy sources 6 to 8th can be arranged on the vehicle so that they are modular. This allows the rail vehicle 1 adapt to the situation, depending on the operating requirements, without the need for costly and complicated conversion measures. This is how a rail vehicle becomes 1 usually with other sources of energy 6 to 8th be equipped when the use of the rail vehicle is preferably in shunting, as if the rail vehicle 1 is used exclusively for the transport of goods on the open track.

So lässt sich unter Kenntnis der Streckennetz-Topologie und -Geometrie, dem Fahrplan und dem aktuellen Betriebszustand (Fahren, Bremsen, Rollen) die jeweiligen Energiequellen situationsabhängig optimal steuern.Thus, knowing the route network topology and geometry, the timetable and the current operating state (driving, braking, taxiing), the respective energy sources can be optimally controlled depending on the situation.

Anhand der 2 soll nun ein konkretes Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Ein Schienenfahrzeug 1, das beispielsweise wie in 1 aufgebaut sein kann, befindet sich im Bahnhofsbereich A1 eines Startbahnhofes 10. Der Einfachheit halber ist das Schienenfahrzeug 1 mit Dieselaggregaten, wie in 1 beschrieben, sowie einem großen Batteriesystem zur Speicherung elektrischer Energie ausgerüstet. Zum Zeitpunkt, zu dem sich das Schienenfahrzeug 1 im Bahnhofsbereich A1 befindet, sind die Akkumulatoren voll aufgeladen.Based on 2 Now, a concrete embodiment will be explained in more detail. A rail vehicle 1 which, for example, like in 1 can be constructed, located in the station area A1 of a start station 10 , For the sake of simplicity, the rail vehicle 1 with diesel engines, as in 1 described, as well as a large battery system for storing electrical energy equipped. At the time when the rail vehicle 1 Located in the station area A1, the accumulators are fully charged.

Um das Schienenfahrzeug 1 nunmehr auf die gewünschte Geschwindigkeit zu beschleunigen, werden alle vier Dieselaggregate des Fahrzeuges 1 von der Energie-Steuereinheit 2 (1) benötigt und eingesetzt. Die Akkumulatoren werden zu diesem Zeitpunkt noch nicht eingesetzt, da dem Streckenverlauf voraus im Bereich A2 eine Steigung existiert, für die das Schienenfahrzeug entsprechende Energiereserven benötigt. Erreicht das Schienenfahrzeug 1 nun den Streckenabschnitt A2, bei dem es sich um eine entsprechende Steigung handelt, so wird mehr elektrische Energie für den Antrieb des Schienenfahrzeuges 1 benötigt.To the rail vehicle 1 Now to accelerate to the desired speed, all four diesel engines of the vehicle 1 from the power control unit 2 ( 1 ) needed and used. The accumulators are not yet used at this time, since the route ahead in the area A2 exists a slope for which the rail vehicle requires appropriate energy reserves. Reach the rail vehicle 1 now the section A2, which is a corresponding slope, so is more electrical energy for the drive of the rail vehicle 1 needed.

Nun ist es denkbar, dass die Dieselaggregate derart ausgebildet sind, dass sie auch mit einer solchen Steigung im Bereich A2 fertig werden. Dafür müssten Dieselaggregate allerdings mit Blick auf die freie Strecke überdimensioniert sein, was dazu führt, dass das Schienenfahrzeug 1 größtenteils im unökonomischen Bereich fährt. Daher wird die Leistung der Dieselaggregate weder hochgefahren noch werden entsprechend große Dieselaggregate verbaut, sondern für den Bereich A2 wird nunmehr die für die Steigung benötigte Energie zusätzlich aus den Akkumulatoren bereitgestellt, so dass das Schienenfahrzeug 1 im Bereich A2 mit elektrischer Energie aus den Dieselaggregaten sowie aus dem Akkumulatorensatz versorgt wird.Now it is conceivable that the diesel engines are designed such that they can cope with such a slope in the area A2. For diesel engines would have to be oversized, however, overlooking the open track, which leads to the fact that the rail vehicle 1 mostly in the uneconomic area. Therefore, the power of the diesel units is neither started up nor large diesel engines are installed, but for the area A2 now required for the slope energy is additionally provided from the batteries, so that the rail vehicle 1 is supplied in the area A2 with electrical energy from the diesel units and from the accumulator set.

Nach der Steigung im Bereich A2 schließt sich ein wesentlich ebener Streckenabschnitt A3 an. In diesem Bereich, soweit das Schienenfahrzeug seine Reisegeschwindigkeit erreicht hat, werden zwei der vier Dieselaggregate abgeschaltet, da lediglich die Energie aus zwei Dieselaggregaten ausreicht, um das Schienenfahrzeug auf der Wunschgeschwindigkeit zu halten. Welche dieser Aggregate letztendlich abgeschaltet werden, wird in Abhängigkeit eines Zustands- beziehungsweise Verschleißmodells gewählt. So ist es besonders vorteilhaft, wenn zuerst die Dieselaggregate abgeschaltet werden, welche die höchsten Betriebsstunden aufweisen. Somit kann die Leistung beziehungsweise der Verschleiß der einzelnen Dieselaggregate über die Zeit sehr gut verteilt werden, was sich letztendlich in verlängerten Wartungsintervallen niederschlägt. An den Streckenabschnitt A3 schließt sich dann ein Gefälle im Streckenabschnitt A4 an, bei dem das Schienenfahrzeug 1 auf eine entsprechende Maximalgeschwindigkeit abgebremst werden muss. Darüber hinaus ist das Gefälle im Streckenabschnitt A4 derart groß, dass ein weiterer Antrieb hier nicht notwendig ist. Der elektromotorische Antrieb des Schienenfahrzeuges 1 wird nunmehr zur Rückspeisung der bei der Bremsung gewonnen elektrischen Energie eingesetzt, so dass im Streckenabschnitt A4 die während des Streckenabschnitts A2 leer gefahrenen Batterien aufgeladen werden. Dies ist allein schon deshalb notwendig, da im Streckenabschnitt A5 wieder eine Steigung existiert, die sich direkt dem Gefälle-Streckenabschnitt A4 anschließt. Im Bereich des Streckenabschnitts A5 wird somit wieder zusätzliche Energie aus den Akkumulatorensatz benötigt, der während des Streckenabschnitts A4 aufgeladen wird.After the slope in the area A2, a substantially flat stretch section A3 connects. In this area, as far as the rail vehicle has reached its cruising speed, two of the four diesel engines are switched off, since only the energy from two diesel engines is sufficient to keep the rail vehicle at the desired speed. Which of these aggregates will ultimately be switched off is selected as a function of a state or wear model. So it is particularly advantageous if the first diesel engines are turned off, which have the highest operating hours. Thus, the performance or wear of the individual diesel engines over the time can be very well distributed, which is ultimately reflected in extended maintenance intervals. At the section A3 then follows a gradient in the section A4, in which the rail vehicle 1 must be braked to a corresponding maximum speed. In addition, the slope in the section A4 is so great that a further drive is not necessary here. The electromotive drive of the rail vehicle 1 is now used to regenerate the electrical energy obtained during braking, so that in the section A4, the empty during the section A2 driven batteries are charged. This alone is necessary because in the section A5 again there is a slope that connects directly to the slope section A4. In the area of the route section A5, additional energy from the accumulator set is thus again required, which is charged during the route section A4.

Im letzten Streckenabschnitt A6 fährt das Schienenfahrzeug in den Bahnhofsbereich des Endbahnhofes 11 ein. Es muss dabei entsprechend in den Haltezustand abgebremst werden, wobei die hierbei frei werdende Energie als elektrische Energie in den im Streckenabschnitt A5 leer gefahrenen Akkumulator eingespeist werden kann. Nachdem das Schienenfahrzeug 1 nunmehr im Bahnhofsbereich des Endbahnhofes 11 zum Stillstand gekommen ist, ist somit auch der Akkumulator des Schienenfahrzeuges 1 wieder aufgeladen, und steht der weiteren Verwendung des weiteren Streckenverlaufes zur Verfügung.In the last section A6, the rail vehicle drives into the station area of the terminus 11 one. It must be braked in accordance with the holding state, the energy released in this case can be fed as electrical energy in the empty in the section A5 accumulator. After the rail vehicle 1 now in the station area of the terminus 11 has come to a standstill, so is the accumulator of the rail vehicle 1 recharged, and is the further use of the further route available.

Das Ausführungsbeispiel in 2 ist dabei nur eines von vielen möglichen Kombinationen, mit der das Schienenfahrzeug seine Energiequellen optimal steuern und skalieren kann. So ist natürlich auch eine weitere Verwendung von anderen Energiequellen, beispielsweise Schwungmassenspeichern oder kapazitiven Energiespeichern denkbar, die sich alle hinsichtlich ihrer Leistungscharakteristik und Zustandscharakteristik unterscheiden und somit in Abhängigkeit der Betriebsanforderung des Fahrzeuges entsprechend verwendet werden können. So ist es beispielsweise auch denkbar, dass in Bereichen von Krankenhäusern, Schulen oder anderen öffentlichen Gebäuden das Schienenfahrzeug, das beispielsweise mit vier Dieselaggregaten ausgerüstet ist, in diesen Bereichen auf gespeicherte Energie, beispielsweise in Schwungmassenspeichern, Akkumulatoren oder Supercaps zurückgreift, um so die Umweltbelastung durch Abgase in diesen Bereichen entsprechend gering zu halten.The embodiment in 2 This is just one of many possible combinations with which the rail vehicle can optimally control and scale its energy sources. Thus, of course, a further use of other energy sources, such as flywheel energy storage or capacitive energy storage conceivable, all differ in terms of their performance and condition characteristics and thus can be used according to the operating requirement of the vehicle accordingly. So it is also conceivable, for example, that in areas of hospitals, schools or other public buildings, the rail vehicle, which is equipped with four diesel units, in these areas on stored energy, such as flywheel energy storage devices, accumulators or supercaps, so the environmental impact of Keep exhaust gases in these areas accordingly low.

All dies sind letztendlich Betriebsanforderungen des Fahrzeuges, die bei der Steuerung der Energiequellen, die auf dem Fahrzeug angeordnet sind, Berücksichtigung finden, wobei je nach Zustands- und/oder Leistungscharakteristik und der entsprechenden Betriebsanforderung die Bereitstellung der elektrischen Energie aus den Energiequellen gesteuert wird.All these are ultimately operational requirements of the vehicle, which are taken into account in the control of the energy sources disposed on the vehicle, wherein depending on the state and / or performance characteristics and the corresponding operating requirement, the provision of electrical energy from the energy sources is controlled.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 19831204 A1 [0005] DE 19831204 A1 [0005]

Claims (10)

Energieversorgungssteuerungseinrichtung zur elektrischen Energieversorgung eines elektrisch antreibbaren Fahrzeuges (1) mit einer Mehrzahl von auf dem Fahrzeug (1) angeordneten Energiequellen (6, 7, 8), die zur Bereitstellung von elektrischer Energie zur Energieversorgung des Fahrzeuges (1) ausgebildet sind, und mit einer Energie-Steuereinheit (2), die zur Steuerung der Energiebereitstellung aus den verschiedenen Energiequellen (6, 7, 8) in Abhängigkeit von Zustands- und/oder Leistungscharakteristiken der Energiequellen (6, 7, 8) und von einer Betriebsanforderung des Fahrzeuges (1) eingerichtet ist.Power supply control device for the electrical power supply of an electrically driven vehicle ( 1 ) with a plurality of on the vehicle ( 1 ) arranged energy sources ( 6 . 7 . 8th ) used to provide electrical energy to power the vehicle ( 1 ) are formed, and with an energy control unit ( 2 ) used to control the provision of energy from the various energy sources ( 6 . 7 . 8th ) depending on state and / or performance characteristics of the energy sources ( 6 . 7 . 8th ) and an operating requirement of the vehicle ( 1 ) is set up. Energieversorgungssteuerungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequellen (6, 7, 8) ein heterogenes Energiequellennetz bilden und insbesondere als Verbrennungsmotoren (7), Schwungmassenspeicher (6), kapazitive Speicher und/oder Akkumulatoren (8) ausgebildet sind.Power supply control device according to claim 1, characterized in that the energy sources ( 6 . 7 . 8th ) form a heterogeneous power source network and in particular as internal combustion engines ( 7 ), Flywheel mass storage ( 6 ), capacitive storage and / or accumulators ( 8th ) are formed. Energieversorgungssteuerungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustands- und/oder Leistungscharakteristiken der Energiequellen (6, 7, 8) aus einem Verschleißmodell, einer elektrischen Energieabgabecharakteristik und/oder einer elektrischen Energieaufnahmecharakteristik gebildet sind.Power supply control device according to claim 1 or 2, characterized in that the state and / or power characteristics of the energy sources ( 6 . 7 . 8th ) are formed from a wear model, an electric power output characteristic and / or an electric power consumption characteristic. Energieversorgungssteuerungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsanforderung aus einem Streckenprofil (A1 bis A6) und/oder einem Beanspruchungsmodell gebildet ist.Power supply control device according to one of the preceding claims, characterized in that the operating request from a route profile (A1 to A6) and / or a claim model is formed. Energieversorgungssteuerungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgungseinrichtung zur Rückspeisung von elektrischer Energie in als Energiespeicher ausgebildete Energiequellen (6, 8) ausgebildet ist und die Energie-Steuereinheit (2) zur Steuerung der Energierückspeisung in Abhängigkeit von den Zustands- und/oder Leistungscharakteristiken der Energiequellen und der Betriebsanforderung des Fahrzeuges (1) eingerichtet ist.Energy supply control device according to one of the preceding claims, characterized in that the energy supply device for the recovery of electrical energy in energy storage designed as energy sources ( 6 . 8th ) is formed and the energy control unit ( 2 ) for controlling the energy recovery in dependence on the state and / or performance characteristics of the energy sources and the operating requirement of the vehicle ( 1 ) is set up. Fahrzeug (1), insbesondere Schienenfahrzeug, mit einer elektrischen Antriebsvorrichtung (4, 5) und einer damit in Verbindung stehenden elektrischen Energieversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Energieversorgung der Antriebsvorrichtung (4, 5).Vehicle ( 1 ), in particular rail vehicle, with an electric drive device ( 4 . 5 ) and an associated electrical power supply device according to one of the preceding claims for the power supply of the drive device ( 4 . 5 ). Verfahren zum Ausrüsten eines elektrisch antreibbaren Fahrzeuges mit einer Mehrzahl von Energiequellen (6, 7, 8), die modulartig auf dem Fahrzeug (1) anordbar sind, zur Bildung eines insbesondere heterogenen Energiequellennetzes, mit den Schritten: – Auswahlen von Energiequellen (6, 7, 8) in Abhängigkeit von Zustands- und/oder Leistungscharakteristiken der Energiequellen und einer Betriebsanforderung des Fahrzeuges (1) und – Ausrüsten des Fahrzeuges mit den ausgewählten Energiequellen.Method for equipping an electrically driven vehicle with a plurality of energy sources ( 6 . 7 . 8th ), which are modular on the vehicle ( 1 ) are arranged to form a particular heterogeneous power source network, comprising the steps of: - selecting energy sources ( 6 . 7 . 8th ) in dependence on state and / or performance characteristics of the energy sources and an operating requirement of the vehicle ( 1 ) and - equipping the vehicle with the selected energy sources. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Verbrennungsmotoren (7), Schwungmassenspeicher (6), kapazitive Speicher und/oder Akkumulatoren (8) als Energiequellen.Method according to claim 7, characterized by internal combustion engines ( 7 ), Flywheel mass storage ( 6 ), capacitive storage and / or accumulators ( 8th ) as energy sources. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch ein Verschleißmodell, einer elektrischen Energieabgabecharakteristik und/oder einer elektrischen Energieaufnahmecharakteristik als Zustands- und/oder Leistungscharakteristik der Energiequellen.Method according to claim 7 or 8, characterized by a wear model, an electrical energy emission characteristic and / or an electrical energy absorption characteristic as state and / or power characteristic of the energy sources. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, gekennzeichnet durch ein Streckenprofil, einer Streckennetz-Topologie und -Geometrie, Fahrplan und/oder Beanspruchungsmodell als Betriebsanforderung des Fahrzeuges.Method according to one of claims 7 to 9, characterized by a route profile, a route network topology and geometry, timetable and / or claim model as the operating requirement of the vehicle.
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