DE102012214864A1

DE102012214864A1 - Vehicle for route network and battery operation

Info

Publication number: DE102012214864A1
Application number: DE102012214864.7A
Authority: DE
Inventors: Andreas Krickau
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-08-21
Filing date: 2012-08-21
Publication date: 2014-02-27
Also published as: WO2014029582A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer Batterie (3), einem Motor (1) und einem Stromrichter (2), welcher in einer ersten Schalterstellung als Umrichter zwischen einem Anschluss an ein Energieversorgungsnetz (4) und dem Motor (1) beschaltet ist. Der Stromrichter (2) ist in einer zweiten Schalterstellung als galvanisch getrennter Gleichspannungswandler zwischen der Batterie (3) und dem Anschluss an das Energieversorgungsnetz (4) beschaltet.The invention relates to a vehicle with a battery (3), a motor (1) and a converter (2) which, in a first switch position, is connected as a converter between a connection to an energy supply network (4) and the motor (1). In a second switch position, the converter (2) is connected as a galvanically isolated DC voltage converter between the battery (3) and the connection to the power supply network (4).

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer Batterie, einem Motor und einem Stromrichter zwischen einem Anschluss an ein Energieversorgungsnetz und dem Motor. The invention relates to a vehicle with a battery, a motor and a power converter between a connection to a power grid and the engine.

Üblicherweise sind die Motoren eines Fahrzeugs, insbesondere eines Schienenfahrzeugs des Nahverkehrs, jeweils über einen Stromrichter, insbesondere einen Umrichter, mit einer Sammelschiene verbunden, welche ihrerseits mit einem sogenannten Fahrdraht, beispielsweise einer Oberleitung oder einer Stromschiene, verbunden ist. Um einen Batteriebetrieb des Fahrzeugs zu ermöglichen, insbesondere auf kurzen Strecken ohne Fahrdraht, umfassen sie eine Batterie. Die Batterie ist über einen Gleichspannungswandler mit der Sammelschiene verbunden, um die Batteriespannung in die Sammelschiene einzuspeisen, und die Motoren anzutreiben. Die Batterie ist im Netzbetrieb des Fahrzeugs oder durch rückgewonnene Bremsenergie wieder aufladbar. Usually, the motors of a vehicle, in particular of a rail vehicle of local transport, in each case via a power converter, in particular a converter, connected to a busbar, which in turn is connected to a so-called contact wire, such as a catenary or a power rail. To enable battery operation of the vehicle, especially on short distances without contact wire, they include a battery. The battery is connected to the busbar via a DC-DC converter to feed the battery voltage into the busbar and to drive the motors. The battery can be recharged in mains operation of the vehicle or by recovered braking energy.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstigeres Fahrzeug bereitstellen zu können. The invention has for its object to be able to provide a cheaper vehicle.

Gelöst wird die Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche 1 und 5. Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Merkmalen der abhängigen Patentansprüche wieder. The object is achieved by the subject matters of independent claims 1 and 5. Further developments and refinements of the invention can be found in the features of the dependent claims.

Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug, insbesondere ein Schienenfahrzeug des Personenverkehrs, insbesondere des Nahverkehrs, umfasst einen ersten Motor, einen ersten Stromrichter und eine Batterie. Der erste Stromrichter ist in einer ersten Schalterstellung zwischen erstem Motor und einen Anschluss an ein Energieversorgungsnetz geschaltet. In einer zweiten Schalterstellung ist der erste Stromrichter zwischen Batterie und den Anschluss an das Energieversorgungsnetz geschaltet. An inventive vehicle, in particular a rail vehicle of passenger transport, in particular of local transport, comprises a first motor, a first power converter and a battery. The first power converter is connected in a first switch position between the first motor and a connection to a power supply network. In a second switch position, the first power converter is connected between the battery and the connection to the power supply network.

Handelt es sich bei dem Energieversorgungsnetz um ein Gleichstromnetz und bei dem ersten Motor um Gleichstrommotor, ist der erste Stromrichter in der ersten Schalterstellung als Umrichter, oder sogenannter Gleichspannungswandler, zwischen dem ersten Motor und dem Anschluss an ein Energieversorgungsnetz beschaltet und in der zweiten Schalterstellung ist der erste Stromrichter als Gleichspannungswandler, insbesondere als Hoch-Tiefsetzsteller, zwischen der Batterie und dem Anschluss an das Energieversorgungsnetz beschaltet. Weitergebildet handelt es sich bei dem ersten Stromrichter um einen galvanisch getrennten Gleichspannungswandler. If the energy supply network is a direct current network and the first motor is a direct current motor, the first power converter is connected in the first switch position as a converter, or so-called DC voltage converter, between the first motor and the connection to a power supply network and in the second switch position first power converter as a DC-DC converter, in particular as a high-buck converter, connected between the battery and the connection to the power grid. Further developed is the first power converter to a galvanically isolated DC-DC converter.

Der erste Stromrichter ist daher geeignet zur Verwendung als Umrichter zur Anbindung einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Motors, an ein Energienetz und geeignet zur Verwendung als galvanisch getrennter Gleichspannungswandler, insbesondere als Hoch-Tiefsetzsteller, zur Anbindung einer Batterie an ein Energienetz, insbesondere an ein Teil eines Energieversorgungsnetzes in einem Fahrzeug. The first power converter is therefore suitable for use as a converter for connecting an electrical machine, in particular a motor, to a power grid and suitable for use as a galvanically isolated DC-DC converter, in particular as a high-buck converter, for connecting a battery to a power grid, in particular to a part a power grid in a vehicle.

Erfindungsgemäß wird der erste Stromrichter so betrieben und beschaltet, dass er in der ersten Schalterstellung zwischen ein Energieversorgungsnetz und den Motor geschaltet wird und, dass er in der zweiten Schalterstellung zwischen die Batterie und das Energieversorgungsnetz geschaltet wird. Die erste Schalterstellung wird insbesondere während einer Einspeisung von elektrischer Energie aus einem Streckennetz eingestellt. Die zweite Schalterstellung wird insbesondere während einer Einspeisung von elektrischer Energie aus der Batterie in das Energieversorgungsnetz eingestellt. Ein herkömmlicher Umrichter wird zusätzlich insbesondere als Hoch-Tiefsetzsteller verwendet und entsprechend beschaltet. According to the first converter is operated and connected so that it is switched in the first switch position between a power grid and the motor and that it is switched in the second switch position between the battery and the power grid. The first switch position is set in particular during a feed of electrical energy from a route network. The second switch position is set in particular during a feed of electrical energy from the battery in the power grid. A conventional converter is also used in particular as a high-buck converter and wired accordingly.

Gemäß einer weiteren Weiterbildung umfasst das Fahrzeug zumindest einen weiteren, zweiten Motor und zumindest einen weiteren, zweiten Stromrichter, wobei der erste Motor über den ersten Stromrichter mit einer Sammelschiene verbunden ist und wobei der zweite Motor über den zweiten Stromrichter mit der Sammelschiene verbunden ist. Die Sammelschiene dient der Verteilung und Bereitstellung von elektrischer Energie, insbesondere zur Versorgung der Motoren. Sie ist damit fahrzeugseitig Teil des Energieversorgungsnetzes, wie auch ein streckenseitiger Fahrdraht, mit welchem sie ihrerseits, zumindest zeitweise, insbesondere in der ersten Schalterstellung, verbunden ist, beispielsweise über einen Stromabnehmer. Der Fahrdraht ist Teil eines Streckennetzes, welches seinerseits Teil des Energieversorgungsnetzes ist. According to a further development, the vehicle comprises at least one further, second motor and at least one further, second power converter, the first motor being connected to a busbar via the first power converter and the second motor being connected to the busbar via the second power converter. The busbar serves for the distribution and provision of electrical energy, in particular for the supply of the motors. It is therefore part of the power supply network on the vehicle side, as well as a track-side contact wire, with which it in turn, at least temporarily, in particular in the first switch position, connected, for example via a current collector. The contact wire is part of a route network, which in turn is part of the power supply network.

In der ersten Schalterstellung dient die Sammelschiene der Versorgung des ersten und des zumindest einen weiteren, zweiten Motors mit elektrischer Energie aus dem Streckennetz. In der zweiten Schalterstellung hingegen wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung elektrische Energie aus der Batterie in die Sammelschiene eingespeist. Der erste Motor ist beispielsweise in der zweiten Schalterstellung frei von einer Verbindung mit der Sammelschiene und somit nicht mit elektrischer Energie versorgt. Der zumindest eine weitere, zweite Motor ist über den zweiten Stromrichter mit der Sammelschiene verbunden und mit elektrischer Energie versorgt und damit angetrieben. Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird in der zweiten Schalterstellung die Batterie geladen. Der zumindest eine weitere, zweite Motor dient als Generator und speist elektrische Energie durch Bremsrückgewinnung in die Sammelschiene ein, welche zur Aufladung der Batterie dient. Eine weitere Variante sieht vor, dass die Batterie in der zweiten Schalterstellung mit elektrischer Energie aus dem Streckennetz geladen wird. Alternativ wird in der zweiten Schalterstellung elektrische Energie aus der Batterie in das Streckennetz eingespeist, beispielsweise ohne den zumindest einen weiteren, zweiten Motor anzutreiben. In the first switch position, the busbar serves to supply the first and the at least one further, second motor with electrical energy from the route network. In contrast, in the second switch position, according to one embodiment of the invention, electrical energy is fed from the battery into the busbar. The first motor is, for example, in the second switch position free of a connection to the busbar and thus not supplied with electrical energy. The at least one further, second motor is connected via the second power converter to the busbar and supplied with electrical energy and thus driven. According to a further embodiment, the battery is charged in the second switch position. The at least one further, second motor serves as a generator and feeds electrical energy by braking regeneration into the busbar, which serves to charge the battery. Another variant provides that the battery is charged in the second switch position with electrical energy from the route network. Alternatively, in the second switch position, electrical energy is fed from the battery into the route network, for example without driving the at least one further, second motor.

Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Sie wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert, in denen jeweils ein Ausgestaltungsbeispiel dargestellt ist. Gleiche Elemente in den Figuren sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. The invention allows numerous embodiments. It will be explained in more detail with reference to the following figures, in each of which a design example is shown. Identical elements in the figures are provided with the same reference numerals.

1 zeigt schematisch eine Beschaltung eines Stromrichters des Stands der Technik, 1 shows schematically a circuit of a power converter of the prior art,

2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Beschaltung des Stromrichters, 2 shows schematically a circuit according to the invention of the power converter,

3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Beschaltung eines Stromrichters. 3 shows an embodiment of a circuit according to the invention of a power converter.

In 1 ist eine Beschaltung eines Schienenfahrzeugs des Stands der Technik schematisch dargestellt. An einer Sammelschiene 4, welche ihrerseits mit dem Streckennetz über einen Stromabnehmer 5 verbunden ist, sind die Motoren 1 des Fahrzeugs über jeweils einen Umrichter 6 mit der Sammelschiene 4 verbunden. Die Batterie 3 ist über einen Gleichspannungswandler 7 mit der Sammelschiene 4 verbunden, um im Batteriebetrieb Energie einspeisen zu können oder im Streckennetzbetrieb oder durch Bremsenergie wieder aufgeladen werden zu können. Bei drei Motoren 1 und einer Batterie 3 sind somit vier Stromrichter 6 und 7 vorgesehen. In 1 Fig. 2 is a schematic diagram of a wiring of a rail vehicle of the prior art. At a busbar 4 , which in turn with the route network via a pantograph 5 connected are the engines 1 of the vehicle via one inverter each 6 with the busbar 4 connected. The battery 3 is via a DC-DC converter 7 with the busbar 4 connected in order to feed energy in battery mode or to be able to be recharged in the network or by braking energy. With three engines 1 and a battery 3 are thus four power converters 6 and 7 intended.

2 veranschaulicht die erfindungsgemäße Schaltung schematisch. Das Fahrzeug weist einen ersten Motor 1 und eine Batterie 3 auf, welche über einen gemeinsamen ersten Stromrichter 2 mit einer Sammelschiene 4 verbindbar sind. In einer ersten Schalterstellung ist der erste Stromrichter 2 als Umrichter zwischen die Sammelschiene 4 und den ersten Motor 1 geschaltet. In einer zweiten Schalterstellung ist der erste Stromrichter 2 als galvanisch getrennter Hoch-Tiefsetzsteller zwischen die Batterie 3 und die Sammelschiene 4 geschaltet. Somit kann der erste Motor 2 in der ersten Schalterstellung mit elektrischer Energie aus der Sammelschiene 4 angetrieben werden. In der zweiten Schalterstellung hingegen kann die Batterie 3 mit elektrischer Energie aus der Sammelschiene 4 aufgeladen werden oder die Batterie 3 kann elektrische Energie an die Sammelschiene 4 abgeben und damit entladen werden. 2 illustrates the circuit according to the invention schematically. The vehicle has a first engine 1 and a battery 3 on, which via a common first power converter 2 with a busbar 4 are connectable. In a first switch position is the first power converter 2 as inverter between the busbar 4 and the first engine 1 connected. In a second switch position is the first power converter 2 as a galvanically isolated up-down converter between the battery 3 and the busbar 4 connected. Thus, the first engine 2 in the first switch position with electrical energy from the busbar 4 are driven. In the second switch position, however, the battery can 3 with electrical energy from the busbar 4 be charged or the battery 3 can supply electrical energy to the busbar 4 leave and be unloaded.

Des Weiteren weist das Fahrzeug zwei weitere Motoren 11 auf, welche jeweils über jeweils einen weiteren Stromrichter 21 mit der Sammelschiene 4 verbunden sind. Die Sammelschiene 4 dient der Verteilung von elektrischer Energie des Streckennetzes und/oder der Batterie. Furthermore, the vehicle has two more engines 11 on, which in each case via a further power converter 21 with the busbar 4 are connected. The busbar 4 serves the distribution of electrical energy of the route network and / or the battery.

Durch die Erfindung ist ein Stromrichter im Vergleich zum Stand der Technik eingespart, da die Batterie 3 an den ersten Stromrichter 2 für den ersten Motor 1 angeschlossen ist. Dieser muss jedoch unterschiedlich beschaltet werden, für den Batteriebetrieb und den Streckennetzbetrieb. By the invention, a power converter is saved in comparison to the prior art, since the battery 3 to the first power converter 2 for the first engine 1 connected. However, this must be wired differently, for battery operation and route network operation.

Beim Batteriebetrieb wird der erste Stromrichter 2 als Hoch-Tiefsetzsteller beschaltet. In dieser zweiten Schalterstellung steht der erste Motor 1 nicht mehr zum Antrieb des Fahrzeugs zur Verfügung. Dies ist in der Regel unkritisch, da die Motoren 11 die volle Batterieleistung aufnehmen können, welche geringer ist, als die Fahrdrahtleistung. Sollten alle Motoren 1 und 11 zur Verfügung stehen, ist es beispielsweise möglich, den ersten Motor 1 durch einen der weiteren Stromrichter 21 zu speisen. In diesem Fall hätte dieser Stromrichter 21 zwei Motoren 1 und 11 zu speisen, wozu er entsprechend auszulegen wäre. Battery operation becomes the first power converter 2 connected as a high-buck converter. In this second switch position is the first engine 1 no longer available to drive the vehicle. This is usually uncritical because the engines 11 can absorb the full battery power, which is less than the contact wire power. Should all engines 1 and 11 are available, it is possible, for example, the first engine 1 through one of the other power converters 21 to dine. In this case, this power converter would have 21 two engines 1 and 11 to feed what he would interpret accordingly.

Eine mögliche Beschaltung des ersten Stromrichters 2 eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs ist in 3 skizziert. Er ist mit der Sammelschiene 4 verbunden, wo eine Spannung U_D anliegt. Je nach Betriebsart ist er durch Öffnen und/oder Schließen der Schalter 8 mit dem ersten Motor 1 oder der Batterie 3 verbunden. A possible wiring of the first power converter 2 of a vehicle according to the invention is in 3 outlined. He is with the busbar 4 connected, where a voltage U _D is applied. Depending on the operating mode, it is opened and / or closed by the switch 8th with the first engine 1 or the battery 3 connected.

Durch die Verwendung eines Stromrichters sowohl für die Verbindung von Motor und Energieversorgungsnetz, als auch für die Verbindung von Batterie und Energieversorgungsnetz werden Gewicht und Kosten eingespart.The use of a power converter for the connection of motor and power supply network as well as for the connection of battery and power supply network saves weight and costs.

Claims

Vehicle with a motor ( 1 ), a power converter ( 2 ) and a battery ( 3 ), characterized in that the power converter ( 2 ) in a first switch position between a power grid ( 4 ) and the engine ( 1 ) and that in a second switch position between the battery ( 3 ) and the energy supply network ( 4 ) is switched.

Vehicle according to claim 1, characterized in that the power converter ( 1 ) is a galvanically isolated DC-DC converter.

Vehicle according to one of claims 1 or 2, characterized in that the power converter ( 1 ) is connected in the second switch position as a high-buck converter.

Vehicle according to one of claims 1 to 3, characterized in that it is at least two Engines ( 1 . 11 ), which in each case via a power converter ( 2 . 21 ) with a busbar ( 4 ) are connected as part of the power grid.

Method for operating a power converter ( 2 ) in a vehicle having at least one engine ( 1 ) and a battery ( 3 ), characterized in that the power converter ( 2 ) between a power grid ( 4 ) and the at least one engine ( 1 ) is switched to electrical energy from the power grid ( 4 ) to the at least one engine ( 1 ) and that the power converter ( 2 ) between the battery ( 3 ) and the energy supply network ( 4 ) is switched to electrical energy from the power grid ( 4 ) into the battery ( 3 ) or to remove electrical energy from the battery ( 3 ) into the energy supply network ( 4 ) feed.