DE102011110641A1

DE102011110641A1 - Energieversorgungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102011110641A1
Application number: DE102011110641A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Meyer zu Hörste Michael; Matthias Grimm
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2011-08-18
Filing date: 2011-08-18
Publication date: 2013-02-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungsvorrichtung zur temporären, elektrischen Energieversorgung von zumindest teilweise elektrisch antreibbaren Fahrzeugen 1 mit:
– mindestens einem externen Energiespeicher 2, der mit einem elektrischen Energieversorgungsnetz 3 elektrisch in Verbindung steht und zur Aufnahme und Speicherung von elektrischer Energie aus dem elektrischen Energieversorgungsnetz 3 eingerichtet ist, und
– einer elektrischen Kontaktvorrichtung 5, die mit dem mindestens einen Energiespeicher 2 verbunden ist, zum elektrischen Kontaktieren mit einem zumindest teilweise elektrisch antreibbaren Fahrzeug 1 mittels an dem Fahrzeug angeordneten elektrischen Kontaktmitteln 8 ausgebildet ist,
wobei der mindestens eine Energiespeicher 2 zur Bereitstellung von elektrischer Energie aus der in dem Energiespeicher gespeicherten Energie und die Energieversorgungsvorrichtung zur elektrischen Energieversorgung des Fahrzeuges 1 mittels der bereitgestellten elektrischen Energie über die elektrische Kontaktvorrichtung 5 eingerichtet ist, wenn die elektrische Kontaktvorrichtung mit dem an dem Fahrzeug 1 angeordneten elektrischen Kontaktmitteln 8 elektrisch kontaktiert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungsvorrichtung zur temporären, elektrischen Energieversorgung von zumindest teilweise elektrisch antreibbaren Fahrzeugen.
Im Zuge der Rohstoffverknappung sowie dem stetig steigenden Umweltbewusstsein gewinnen elektrisch antreibbare Fahrzeuge mehr und mehr an Attraktivität, da sie auf die herkömmlichen Verbrennungsmotoren, bei denen fossile Brennstoffe zur Erzeugung der notwendigen Energie verwendet werden, verzichten. Bei solchen Fahrzeugen bleibt jedoch der Nachteil bestehen, dass eine ausreichende Menge von elektrischer Energie für die Fahrzeuge bereitgestellt werden muss, damit die elektrische Antriebsvorrichtung das Fahrzeug entsprechend bewegen kann. Bei Kraftfahrzeugen wird dies heutzutage mit entsprechenden Akkumulatoren versucht, die jedoch nur eine recht geringe Reichweite aufweisen und lange Ladezeiten benötigen.
Darüber hinaus werden auch heute nach im Eisenbahnbereich nennenswerte Anteile im Personen- und Güterverkehr mit Hilfe von Dieseltriebfahrzeugen ausgeführt. Dies bedeutet, dass mit Hilfe von fossilen Brennstoffen und entsprechenden Verbrennungsmotoren eine Antriebsenergie bereitgestellt wird, die mit einer erheblichen Umweltverschmutzung und Umweltbelastung einhergeht. Der Vorteil von Schienentriebfahrzeugen, die mit Hilfe von fossilen Brennstoffen angetrieben werden, besteht jedoch in der Flexibilität solcher Fahrzeuge und der Tatsache, dass, anders als bei E-Loks, keine aufwendigen Installationsmaßnahmen für eine Energiebereitstellung erforderlich sind.
Eine vollständige Umrüstung auf ein elektrisch antreibbares Schienenfahrzeug, welches autark, d. h. unabhängig von einem Energiebereitstellungs- bzw. Versorgungsnetzwerk ist, besteht jedoch in der Tatsache, dass das Schienenfahrzeug dann die benötigte elektrische Energie in Form von entsprechenden Energiespeichern auf dem Fahrzeug mitführen müsste. Darüber hinaus weist das System Eisenbahn grundsätzlich das Problem auf, dass es zur Beförderung von sehr schweren Gegenständen eingesetzt wird. Ein Triebfahrzeug muss beispielsweise im Guterverkehr ein entsprechendes Eigengewicht aufweisen, da es ansonsten möglicherweise die angehängten schweren Güterwaggons aufgrund der fehlenden Traktion zwischen Eisenrad und Eisenschiene nicht bewegen könnte. Bei einem hohen Eigengewicht muss jedoch das Schienenfahrzeug über entsprechend antriebsstarke Motoren verfügen, um die zu transportierende Last einschl. des Eigengewichts bewegen zu können. Der hierfür benötigte Energiebedarf kann daher momentan allein durch elektrische Energiespeicher, die ausschließlich auf dem Fahrzeug angeordnet sind, nicht gedeckt werden.
Ein flächendeckender Ausbau des Schienennetzes mit einem Energieversorgungssystem, wie dies beispielsweise in Teilen mit Hilfe von Oberleitungen und Bahnstrom bereits erfolgt ist, ist aufgrund des enormen Kostendruckes insbesondere auf Nebenstrecken sowohl ökologisch als auch ökonomisch nicht sinnvoll, da die hierfür aufgewendeten Installationskosten und die Folgekosten wie Wartung und Instandsetzung den erhaltenen Nutzen nicht aufwiegen würden. Es bestehen daher insbesondere im Bereich des Güterverkehrs keine nennenswerten Alternativen, bei denen auf die herkömmlichen Verbrennungsmotoren und fossilen Brennstoffe verzichtet werden könnte.
Aufgabe
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein System anzugeben, mit dem Fahrzeuge temporär mit elektrischer Energie versorgt werden können, ohne hierfür auf die fahrzeugseitige Energiespeicher zugreifen zu müssen.
Lösung
Die Aufgabe wird gelöst mit dem eingangs genannten Energieversorgungsvorrichtung zur temporären, elektrischen Energieversorgung von zumindest teilweise elektrisch antreibbaren Fahrzeugen mit

– mindestens einem externen Energiespeicher, der mit einem elektrischen Energieversorgungsnetz elektrisch in Verbindung steht und zur Aufnahme und Speichern von elektrischer Energie aus dem elektrischen Energieversorgungsnetz eingerichtet ist, und
– einer elektrischen Kontaktvorrichtung, die mit dem mindestens einem Energiespeicher verbunden ist und zum elektrischen Kontaktieren mit einem zumindest teilweise elektrisch antreibbaren Fahrzeug mittels an dem Fahrzeug angeordneten elektrischen Kontaktmitteln ausgebildet ist,

Die vorliegende Erfindung schlägt somit eine Energieversorgungsvorrichtung vor, die einen externen, d. h. nicht auf dem Fahrzeug angeordneten Energiespeicher aufweist, der mit einem elektrischen Energieversorgungsnetz verbunden ist. Ein solches elektrisches Energieversorgungsnetz kann beispielsweise ein Niederspannungsnetz sein, wie es zur Elektrifizierung von Privathaushalten verwendet wird. Der Energiespeicher ist dabei derart eingerichtet, dass er zur Aufnahme und Speicherung von elektrischer Energie aus dem elektrischen Energieversorgungsnetz eingerichtet ist. Mit anderen Worten, der Energiespeicher zieht elektrische Energie aus dem angeschlossenen elektrischen Energieversorgungsnetz, um den Energiespeicher aufzuladen, während er nicht benutzt wird.
Des Weiteren verfügt die Energieversorgungsvorrichtung über eine Kontaktvorrichtung, die mit dem Energiespeicher elektrisch verbunden ist und zum elektrischen Kontaktieren mit einem Fahrzeug eingerichtet ist. Hierzu weist das Fahrzeug entsprechende Kontaktmittel auf, die mit der Kontaktvorrichtung in Eingriff bringbar ist und so die Kontaktvorrichtung mit dem Fahrzeug elektrisch kontaktiert. Ist ein Fahrzeug, das zumindest teilweise elektrisch antreibbar ist, derart mit der Kontaktvorrichtung elektrisch kontaktiert, so ist die Vorrichtung derart eingerichtet, dass die in dem Energiespeicher gespeicherte Energie zur elektrischen Energieversorgung des Fahrzeuges verwendet wird. Unter Umständen muss hier, je nach Art des Energiespeichers, die gespeicherte Energie in elektrische Energie umgewandelt werden.
In einer derartigen Vorrichtung ist es beispielsweise möglich, dass ein Schienenfahrzeug, das über einen elektrischen Antrieb verfügt, im Bereich des Bahnhofs mit einer entsprechenden Stromschiene elektrisch kontaktiert wird, so dass über diese Stromschiene das Schienenfahrzeug mit elektrischer Energie aus dem Energiespeicher versorgt wird. Durch die Zwischenschaltung des Energiespeichers ist es dabei möglich, dass auf eine entsprechende Installation eines Hochspannungsversorgungsnetzes verzichtet werden kann, das normalerweise den großen Energiebedarf eines Schienenfahrzeuges deckt. Zwar kann so nur kurzzeitig das Schienenfahrzeug mit elektrischer Energie versorgt werden, dies ist jedoch gerade beim Anfahren bzw. Beschleunigen des Schienenfahrzeuges notwendig und ausreichend.
Es ist daher besonders vorteilhaft, wenn das Fahrzeug mit der Kontaktvorrichtung innerhalb eines definierten Kontaktbereiches mit der Kontaktvorrichtung temporär elektrisch kontaktiert wird, so dass das Fahrzeug temporär mit elektrischer Energie aus dem Energiespeicher versorgt werden kann, während es auf dem Rest der Strecke beispielsweise völlig autark fährt.
Bei der Art des Energiespeichers ist es denkbar, dass der Energiespeicher zur chemischen Speicherung der elektrischen Energie ausgebildet ist, beispielsweise in Form eines Akkumulators. Denkbar ist aber auch, dass der Energiespeicher die aufgenommene elektrische Energie in Form von kinetischer Energie speichert, wie dies beispielsweise bei einem Schwungmassenspeicher der Fall ist. Denkbar ist aber auch die Verwendung eines Kondensators bzw. Superkondensators als Energiespeicher.
Vorteilhafterweise ist die Energieversorgungsvorrichtung derart ausgebildet, dass es mit einem elektrischen Energieversorgungsnetz zum Aufladen des Energiespeichers verbindbar ist, das eine geringere Ladespannung zum Aufladen der Batterie liefert als die eigentliche Versorgungsspannung zur Versorgung des elektrisch antreibbaren Fahrzeuges ist. So ist es, wie bereits oben erwähnt, besonders vorteilhaft, wenn der Energiespeicher mit einem gewöhnlichen Haushaltsstromnetz verbunden wird und die zum Aufladen des Energiespeichers benötigte elektrische Energie aus diesem Haushaltsstromnetz bezieht, während die eigentliche Versorgungsspannung zur elektrischen Energieversorgung des Fahrzeuges um ein Vielfaches höher fegt. Dies ist beispielsweise bei Schienenfahrzeugen der Fall, deren elektrischer Antrieb meist mit elektrischer Energie im Hochspannungsbereich versorgt werden muss. Der Energiespeicher wird somit durch ein Niederspannungs-Stromversorgungsnetz aufgeladen und versorgt ein Schienenfahrzeug somit mit elektrischer Energie im Hochspannungsbereich.
Mit Blick auf den Streckenrückbau und der Tatsache, dass meist abgelegene Bahnhöfe nicht mit einem entsprechenden für Schienenfahrzeuge nutzbaren elektrischen Energieversorgungsnetz angebunden sind, besteht somit mit Hilfe der vorliegenden Erfindung die Möglichkeit, auch elektrisch antreibbare Fahrzeuge zumindest in vordefinierten Kontaktbereichen, beispielsweise an Bahnhöfen oder Haltestellen, mit der benötigten hohen elektrischen Energie zu versorgen, ohne dass hierfür weitere entsprechende elektrische Installationsmaßnahme notwendig werden.
Des Weiteren ist es ganz besonders vorteilhaft, wenn die Energieversorgungsvorrichtung derart eingerichtet ist, dass elektrische Energie von dem Fahrzeug in den Energiespeicher rückgespeist werden kann. Dies ist beispielsweise dann denkbar, wenn das Fahrzeug im definierten Kontaktbereich einfährt und dazu seine Geschwindigkeit verringern muss, so dass über entsprechende Umwandler elektrische Energie aus der kinetischen Energie des Fahrzeuges zurückgespeist werden kann. Somit kann der Energiespeicher auch zusätzlich zu dem eigentlichen elektrischen Energieversorgungsnetz mit elektrischer Energie gespeist werden.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnung beispielhaft erläutert.
Es zeigt:
1 – schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems am Beispiel eines Schienenfahrzeuges.
1 zeigt schematisch das Energieversorgungssystem zur temporären Energieversorgung eines Schienenfahrzeuges 1. Bei dem Schienenfahrzeug 1 kann es sich beispielsweise um ein Triebfahrzeug handeln, das mit Hilfe eines Elektromotors angetrieben wird. Die hierfür benötigte elektrische Energie wird größtenteils mit Hilfe eines Dieselaggregates bereitgestellt, um von elektrischen Installationsanlagen am Streckenrand, wie beispielsweise Oberleitungen, unabhängig zu sein. Letztendlich wird jedoch die für den Elektromotor benötigte Energie mit Hilfe eines herkömmlichen Verbrennungsmotors bereitgestellt, so dass ein derartiger Antrieb ökologisch nicht mehr sinnvoll ist.
Insbesondere im Bahnhofsbereich, wo das Schienenfahrzeug von einer vorherigen Geschwindigkeit auf die Geschwindigkeit Null heruntergebremst wird, d. h. zum Stillstand gebracht wird, um dann wieder auf die Betriebsgeschwindigkeit zu beschleunigen, ist der elektrische Energiebedarf am größten. Für derartige Belastungsspitzen muss letztendlich auch das Dieselaggregat, welches die elektrische Energie in diesem Ausführungsbeispiel bereitstellt, ausgelegt sein. Dieses Dieselaggregat ist allerdings für die freie Strecke und den weiteren Verlauf überdimensioniert, so dass die ökologische und ökonomische Bilanz letztendlich sehr schlecht ist. Um dieses Problem zu lösen, schlägt die vorliegende Erfindung ein Energieversorgungssystem vor, das einen Energiespeicher 2 hat, der mit einem elektrischen Energieversorgungsnetz 3 elektrisch kontaktiert ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Energiespeicher in der Nähe eines Bahnhofes 4 angeordnet, um die räumliche Ausdehnung zu beschränken.
Der Energiespeicher 2 ist des Weiteren mit einer elektrischen Kontaktvorrichtung 5 verbunden, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Stromschiene 6 in der Nähe des Gleises 7, auf dem das Schienenfahrzeug 1 fährt, hat.
An dem Schienenfahrzeug 1 sind des Weiteren elektrische Kontaktmittel 8 angeordnet, die mit der elektrischen Antriebseinheit 9 des Schienenfahrzeuges 1 elektrisch verbunden sind. Fährt das Schienenfahrzeug 1 nun in den durch die Stromschiene definierten Kontaktbereich 10 ein, der sich bei Schienenfahrzeugen durchaus mehrere Kilometer vor und hinter dem Bahnhof 4 ausdehnen kann, so kommen die Kontaktmittel 8 des Schienenfahrzeuges 1 mit der Stromschiene 6 elektrisch in Kontakt, so dass eine elektrische Verbindung zwischen dem Schienenfahrzeug 1 und dem Energiespeicher 2 hergestellt ist.
Die elektrische Kontaktvorrichtung 5 sowie die elektrischen Kontaktmittel 8 können auch dergestalt sein, dass sie zur berührungslosen Energieübertragung, beispielsweise mittels Induktion, eingerichtet sind. Dies ist besonders vorteilhaft bei Fahrzeugen mit einem größeren Bewegungsfreiraum, wie bspw. Straßenfahrzeugen.
Während der Zeit, in der mit der Energieversorgungsvorrichtung kein Schienenfahrzeug 1 kontaktiert wurde, wurde der Energiespeicher 2 mit Hilfe des elektrischen Energieversorgungsnetzes 3 aufgeladen. Fährt nun ein Schienfahrzeug 1 in den Kontaktierungsbereich 10 ein, so kann die elektrische Energieversorgung des Schienenfahrzeuges 1 über den Energiespeicher 2 erfolgen, indem die in dem Energiespeicher 2 gespeicherte elektrische Energie über die elektrische Kontaktvorrichtung 5 und der Stromschiene 6 auf das Schienenfahrzeug 1 übertragen wird.
Vorteilhaft ist nun, dass beim Anfahren des Schienenfahrzeuges 1 aus dem Bahnhofsbereich 10 die elektrische Energie, die für das Anfahren des Schienenfahrzeugs 1 benötigt wird, nunmehr aus dem Energiespeicher 2 gespeist wird, so dass der größte Teil der zum Anfahren benötigten elektrischen Energie von dem Schienenfahrzeug 1 nicht selber bereitgestellt werden muss. Dies hat den erheblichen Vorteil, dass die für die elektrische Energieversorgung des Schienenfahrzeuges 1 benötigte Komponenten auf dem Schienenfahrzeug kleiner dimensioniert werden können, was sowohl ökologisch als auch ökonomisch effizienter ist. Der Energiespeicher 2 wird dabei mit Hilfe eines herkömmlichen elektrischen Energieversorgungsnetzes 3, beispielsweise zur elektrischen Bereitstellung des Hausstromes im Niederspannungsbereich, über längere Zeit aufgeladen, so dass hier eine spezielle elektrische Energieversorgung mit einen Hochspannungsnetz nicht erforderlich ist. Somit ließen sich auch sehr niedrig frequentierte Bahnhöfe auf Nebenstrecken mit dieser Energieversorgungsvorrichtung ausrüsten, ohne dass es hierfür teure Installationsmaßnahmen für ein Hochspannungsnetz bedarf.
Als Energiespeicher 2 kann hierbei beispielsweise ein Schwungmassenspeicher verwendet werden, welcher dem ihm zugeführte Energie in Form von kinetischer Energie speichert. Denkbar ist aber auch ein großer Akkumulator, der die elektrische Energie speichert. Auch sogenannte Superkondensatoren (Supercaps) sind hierbei denkbar, da die bereitgestellte Energie meist nur für einen geringen Zeitraum zur Verfügung gestellt werden muss.

Claims

Energieversorgungsvorrichtung zur temporären, elektrischen Energieversorgung von zumindest teilweise elektrisch antreibbaren Fahrzeugen mit: – mindestens einem externen Energiespeicher (2), der mit einem elektrischen Energieversorgungsnetz (3) elektrisch in Verbindung steht und zur Aufnahme und Speicherung von elektrischer Energie aus dem elektrischen Energieversorgungsnetz (3) eingerichtet ist, und – eine elektrische Kontaktvorrichtung (5), die mit dem mindestens einen Energiespeicher (2) verbunden ist und zum elektrischen Kontaktieren mit einem zumindest teilweise elektrisch antreibbaren Fahrzeug (1) mittels an dem Fahrzeug (1) angeordneten elektrischen Kontaktmitteln (8) ausgebildet ist, wobei der mindestens eine Energiespeicher (2) zur Bereitstellung von elektrischer Energie aus der in dem Energiespeicher (2) gespeicherten Energie und die Energieversorgungsvorrichtung zur elektrischen Energieversorgung des Fahrzeuges (1) mittels der bereitgestellten elektrischen Energie über die elektrische Kontaktvorrichtung (5) eingerichtet ist, wenn die elektrische Kontaktvorrichtung (5) mit den an dem Fahrzeug (1) angeordneten elektrischen Kontaktmitteln (8) elektrisch kontaktiert ist.
Energieversorgungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kontaktvorrichtung (5) zum elektrischen Kontaktieren mit dem Fahrzeug (1) mittels der an dem Fahrzeug angeordneten elektrischen Kontaktmitteln (8) innerhalb eines definierten Kontaktbereiches (10) ausgebildet ist.
Energieversorgungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Energiespeicher (2) zur chemischen Speicherung von Energie, insbesondere als Akkumulator, und/oder zur kinetischen Speicherung von Energie, insbesondere als Schwungmassenspeicher, ausgebildet ist und/oder ein Superkondensator ist.
Energieversorgungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug (1) ein Schienenfahrzeug ist und die elektrische Kontaktvorrichtung (5) eine Stromschiene (6) aufweist, die mit den am Schienenfahrzeug (1) angeordneten Kontaktmitteln (8) elektrisch derart kontaktierbar ist, dass das Schienenfahrzeug (1) mit elektrischer Energie aus dem Energiespeicher (2) versorgt wird.
Energieversorgungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (2) eine geringere Ladespannung der elektrischen Energie bei der Aufnahme aus dem Energieversorgungsnetz (3) aufweist als die Versorgungsspannung der elektrischen Energie bei der elektrischen Energieversorgung des Fahrzeuges (1) aus dem Energiespeicher (2).
Energieversorgungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Energieversorgungsnetz (3) ein Niederspannungsnetz, insbesondere ein hochverfügbares Haushaltsstromnetz ist.
Energieversorgungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgungsvorrichtung zur Rückspeisung von elektrischer Energie von dem Fahrzeug (1) in dem mindestens ein Energiespeicher (2) eingerichtet ist, wenn die elektrische Kontaktvorrichtung mit den an dem Fahrzeug angeordneten elektrischen Kontaktmitteln (8) elektrisch kontaktiert ist.
Energieversorgungssystem zur temporären elektrischen Energieversorgung von zumindest teilweise elektrisch antreibbaren Fahrzeugen (1) mit einer Energieversorgungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mit an einem Fahrzeug (1) angeordneten elektrischen Kontaktmitteln (8) zum elektrischen Kontaktieren mit der Energieversorgungsvorrichtung derart, dass das Fahrzeug (1) über die Energieversorgungsvorrichtung mit elektrischer Energie versorgt wird.