DE102015215178A1

DE102015215178A1 - Vorrichtung und ein Verfahren zum oberleitungslosen Betreiben eines Schienenfahrzeugs

Info

Publication number: DE102015215178A1
Application number: DE102015215178.6A
Authority: DE
Inventors: Manfred Kerscher
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2015-08-07
Filing date: 2015-08-07
Publication date: 2017-02-09

Abstract

Die Erfindung betrifft Fahrzeug (1) mit wenigstens einem Stromabnehmer (2) zur Übertragung von elektrischer Energie aus einem Fahrdraht (3) auf das Fahrzeug und mit wenigstens einem Energiespeicher (10) zur Bereitstellung von elektrischer Energie zum Antrieb des Fahrzeugs, wobei das Fahrzeug wenigstens ein elektrisches Bauelement (12) umfasst, welches ausgebildet ist, eine vom Energiespeicher (10) aufgebaute Fahrspannung (U2), in eine vorgegebene Versorgungsspannung (U1) des Fahrdrahts (3) zu wandeln. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Streckennetz für das Fahrzeug (1), wobei es einen Fahrdraht (3) im Bereich einer Haltestelle für das Fahrzeug (1) aufweist und zwischen dem Fahrdraht (3) und einem Umspannwerk (16) wenigstens ein elektrisches Bauelement (15) angeordnet ist, das Strom in Richtung des Fahrdrahts (3) passieren lässt und in Richtung des Umspannwerks (16) isolierend wirkt. Ebenso betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben des Fahrzeugs im Streckennetz, wobei das Fahrzeug mit angehobenem Stromabnehmer in die Haltestelle ein- und wieder ausfährt.

Description

Die Erfindung betrifft ein System aus einem Fahrzeug und einem Streckennetz und ein Verfahren zum Betreiben des Systems, wobei das Fahrzeug wenigstens einen Stromabnehmer zur Übertragung von elektrischer Energie aus einem Fahrdraht des Streckennetzes auf das Fahrzeug und wenigstens einen Energiespeicher zur Bereitstellung von elektrischer Energie zum Antrieb des Fahrzeugs aufweist.
In einem Artikel der Zeitschrift „Stadtverkehr", 60. Jahrgang, Ausgabe 06/2015 wird auf den Seiten 20–22 die Straßenbahn Avenio QEC der Siemens AG beschrieben. Diese umfasst einen kleinen Stromabnehmer zur Kontaktierung einer beidseitig gerampten Dachstromschiene, welche im Bereich von Haltestellen angeordnet ist. Die Straßenbahn weist ein Energiespeichersystem zum oberleitungslosen Fahren auf, mit welchem sie zwischen den Haltestellen angetrieben wird. In den Haltestellen wird das Energiespeichersystem mittels Deckenstromschiene und Stromabnehmer geladen.
Bei der Trennung des Stromabnehmers von der Oberleitung können Lichtbögen auftreten, ebenso wie beim Herstellen des Kontakts zwischen Stromabnehmer und Oberleitung. Lichtbögen können insbesondere bei einer Gleichstromversorgung Schäden an Oberleitung und/oder Stromabnehmer verursachen.
Darüber hinaus kann der fahrdrahtlose Betrieb von Straßenbahnen mittels fahrzeuginterner Energiespeicher für konventionelle Einholm-Dachstromabnehmer eine sehr große Belastung durch sehr häufige Hebe-/Senkzyklen bedeuten. Dabei muss der Stromabnehmer vor fahrdrahtlosen Abschnitten abgesenkt und vor der Haltestelle zum Laden der Energiespeicher wieder angehoben werden. So wären bei Betrieb einer üblichen Strecke beispielsweise ca. 750 Hebe-/Senkzyklen pro Tag erforderlich. Herkömmliche Straßenbahnen im Oberleitungsbetrieb kommen dagegen mit ca. 5 bis 10 Zyklen aus.
Die bislang eingesetzten elektrischen Hebe-/Senkantriebe der Stromabnehmer sind für ca. 75.000 bis 150.000 Zyklen ausgelegt, was eine entsprechend kurze Lebensdauer von nur 100 bis 200 Tagen bedeuten könnte. Standfeste elektrische Antriebe sind dagegen sehr kostenintensiv.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und kostengünstige Lösung zum fahrdrahtlosen Betrieb eines Schienenfahrzeugs vorzuschlagen, bei welchem fahrzeuginterne Energiespeicher über eine Oberleitung an den Haltestellen geladen und zwischen den Haltestellen oberleitungsfrei Betrieb des Schienenfahrzeugs erfolgt.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche 1, 6 und 10. Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Merkmalen der abhängigen Patentansprüche wieder.
Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug umfasst wenigstens einen Stromabnehmer zur Übertragung von elektrischer Energie aus einem Fahrdraht auf das Fahrzeug und wenigstens einen Energiespeicher zur Bereitstellung von elektrischer Energie zum Antrieb des Fahrzeugs, wobei zum Antrieb des Fahrzeugs während eines oberleitungslosen Betriebs eine Fahrspannung aus einer vom Energiespeicher bezogenen elektrischen Energie bereitgestellt ist, sowie wenigstens ein elektrisches Bauelement, welches ausgebildet ist, die Fahrspannung, auf mindestens den Wert einer vorgegebenen, zumindest betragsmäßig vom vorgegebenem Wert der Fahrspannung abweichenden Versorgungsspannung des Fahrdrahts zu wandeln.
Bei dem Fahrzeug handelt es sich beispielsweise um ein Schienenfahrzeug, insbesondere Niederflur-Schienenfahrzeug, um einen Oberleitungsbus oder um ein weiteres Fahrzeug des öffentlichen Personenverkehrs, insbesondere des öffentlichen Personennahverkehrs.
Der Fahrdraht ist Teil eines Streckennetzes zur Versorgung des Fahrzeugs mit Energie. Dieses wird auch Versorgungsnetz genannt. Der Fahrdraht liegt dabei auf einer vorgegebenen Versorgungsspannung, beispielsweise 900V. Die Spannung bemisst sich selbstverständlich gegenüber dem Erdpotential.
Der Stromabnehmer dient zur Übertragung von elektrischer Energie aus dem Fahrdraht auf das Fahrzeug und tritt dafür in Kontakt mit dem Fahrdraht. Üblicherweise weist er so genannte Schleifleisten auf, die eine galvanische Verbindung mit dem Fahrdraht herstellen. Beispielsweise ist der Stromabnehmer als Pantograph auf dem Dach des Fahrzeugs angeordnet. Weitergebildet ist der Stromabnehmer als Einholmstromabnehmer ausgeführt, wobei ein Oberarm des Stromabnehmers mittels eines Gelenks unmittelbar an einem Grundrahmen des Stromabnehmers drehbeweglich gelagert ist. Der Stromabnehmer ist somit frei von einem Unterarm und von einem Kniegelenk zwischen dem Oberarm und dem Unterarm. Der Stromabnehmer, insbesondere sein Grundrahmen, ist zur Kontaktierung des Fahrdrahts insbesondere auf einem Dach des Schienenfahrzeugs angeordnet.
Neben dem Oberarm umfasst der Stromabnehmer eine Wippe zur Aufnahme der Schleifleisten, welche Wippe an dem Oberarm befestigt und insbesondere drehbar gelagert ist. Der Oberarm ist seinerseits mittels eines Gelenks unmittelbar an dem Grundrahmen des Stromabnehmers gelagert, so dass die Einstellung der Höhe der Schleifleisten über dem Grundrahmen und damit über dem Dach des Schienenfahrzeugs ausschließlich über die Einstellung des Winkels des Oberarms zum Grundrahmen, respektive zum Dach des Fahrzeugs und damit letztendlich zur Schiene, erfolgt. Zum Heben und Senken des Oberarms um das Gelenk zum Grundrahmen umfasst der Stromabnehmer zusätzlich noch einen geeigneten Antrieb, beispielsweise einen elektromotorischen oder einen pneumatischen Antrieb.
Der Energiespeicher dient zur Speicherung und zur Abgabe von elektrischer Energie zum Antrieb des Schienenfahrzeugs und zur Versorgung der sonstigen Verbraucher (Hilfsbetriebe, Klimatisierung, etc.), wenigstens während eines sogenannten oberleitungslosen Betriebs. Die Antriebsenergie wird an entsprechende Antriebsaggregate des Schienenfahrzeugs, beispielsweise Fahrmotoren, abgegeben. Er dient im Fahrbetrieb als elektrische Energiequelle. Der Energiespeicher umfasst bevorzugt einen oder mehrere Kondensatoren, insbesondere sogenannte Superkondensatoren, auch Ultrakondensatoren genannt, und/oder um eine oder mehrere Batteriezellen. Superkondensatoren bestehen meist aus Doppelschichtkondensatoren. Eine Einheit aus mehreren Batteriezellen wird gelegentlich auch Traktionsbatterie, Traktionsakkumulator, Antriebsbatterie oder Zyklenbatterie genannt und ist grundsätzlich wiederaufladbar. Eine Kombination aus beidem wird als vorteilhaft angesehen. Der Energiespeicher umfasst dann wenigstens einen Kondensator und wenigstens eine Batterie.
Der Energiespeicher gibt die elektrische Energie üblicherweise bei einer, teilweise variierenden und gegebenenfalls vom Ladezustand abhängigen Quellenspannung ab. Die Fahr- oder Traktionsspannung wird aus einer vom Energiespeicher bezogenen elektrischen Energie bereitgestellt. Dazu ist beispielsweise ein Hoch-/Tiefsetzsteller vorgesehen. Insbesondere weist das Schienenfahrzeug einen Zwischenkreis auf – die Fahrspannung entspricht dann der Zwischenkreisspannung, der Energiespeicher speist den Zwischenkreis während des oberleitungslosen Betriebs. Der Hoch-/Tiefsetzsteller dient dazu, die variierende Quellenspannung in eine vorgegebene, näherungsweise konstante, Fahr- bzw. Zwischenkreisspannung zu wandeln.
Typischerweise sind zwischen den Energiespeicher und den Antriebsaggregaten des Fahrzeugs ein oder mehrere Stromrichter geschaltet.
Der Energiespeicher wird mittels Energie aus dem Fahrdraht geladen. Dazu ist der Stromabnehmer mit dem Energiespeicher elektrisch verbunden, so dass Strom aus dem Fahrdraht durch den Stromabnehmer zum Energiespeicher fließen kann.
Der Stromabnehmer ist mit dem Energiespeicher insbesondere über einen Schalter elektrisch verbunden. Ist der Schalter geschlossen und ist der Stromabnehmer mit der Oberleitung verbunden, kann Energie aus der Oberleitung durch den Stromabnehmer in den Energiespeicher fließen.
Ist der Schalter geschlossen und ist der Stromabnehmer hingegen nicht mit der Oberleitung verbunden, so liegt auch der mit dem Energiespeicher verbundene Stromabnehmer während des Antriebs des Schienenfahrzeugs mittels elektrischer Energie aus dem Energiespeicher auf dem entsprechenden Potential – auch an ihm liegt die Fahrspannung an. Bevorzugt ist der Schalter im oberleitungslosen Betrieb geöffnet.
Die Fahrspannung beträgt beispielsweise 750 V, wiederum gemessen gegenüber dem Erdpotential.
Die Spannung würde im oben genannten Beispiel durch das elektrische Bauelement, insbesondere durch den Hoch-/Tiefsetzsteller von 750 V auf 900 V angehoben.
Alternativ kann es sich bei dem elektrischen Bauteil beispielsweise um eine zum Energiespeicher zusätzliche Energiequelle, insbesondere eine Zusatzbatterie handeln, welche beispielsweise in Reihe zum Energiespeicher geschaltet ist, und welche insbesondere ausschließlich dazu dient, die Fahrspannung auf die Versorgungsspannung anzuheben, oder es handelt sich um einen Stromrichter, insbesondere einen Gleichstromsteller. Als Gleichstromsteller werden im Bereich der Energietechnik und der Schienenfahrzeuge Gleichspannungswandler bezeichnet, die die eine am Eingang zugeführte Gleichspannung in eine Gleichspannung mit höherem, niedrigerem oder invertiertem Spannungsniveau umwandeln. Dies kann mittels eines periodisch arbeitenden elektronischen Schalters und eines oder mehrerer Energiespeicher erfolgen. Als eine spezielle Form der Gleichstromsteller kommt der Aufwärtswandler oder auch Hochsetzsteller genannt in Frage. Es ist ein Synchronwandler, der eine geringere Eingangsspannung, hier die Fahrspannung, in eine größere Ausgangsspannung, hier die Versorgungsspannung wandelt.
Ein weiterer Stromrichter, insbesondere ein Puls-Wechselrichter kann zur Versorgung und Ansteuerung der Antriebsaggregate des Schienenfahrzeugs dienen und wird daher auch Antriebsumrichter genannt. Je nach Art der Antriebsart und der Energieversorgung handelt es sich um einen Frequenzumrichter oder um einen Wechselrichter, beispielsweise zur Wandlung einer Gleichspannung in ein dreiphasiges Drehstromsystem zur Versorgung der Antriebsmotoren. Er ist ebenfalls mit dem Zwischenkreis verbunden.
Zwischen der Fahrspannung und der Versorgungsspannung besteht eine Spannungsdifferenz. Würde der Stromabnehmer, ohne dass diese Spannungsdifferenz durch das elektrische Bauteil kompensiert werden würde, die Oberleitung kontaktieren, würde es aufgrund der Spannungsdifferenz zu einem Lichtbogen kommen. Dieser würde wiederum zum Verschleiß an den Schleifleisten des Stromabnehmers sowie an der Oberleitung beitragen. Das elektrische Bauelement zu Spannungswandlung trägt somit zur Vermeidung von Lichtbögen bei.
Lichtbögen entstehen nur, wenn ein Strom fließt. Durch kompensieren der Spannungsdifferenz zum Zeitpunkt des Herstellens und zum Zeitpunkt des Trennens des Kontakts zwischen Stromabnehmer und Oberleitung wird sichergestellt, dass kein Strom fließen kann und somit wird ein lichtbogenfreier Betrieb sichergestellt. Zusätzlich kann streckenseitig noch eine Anti-Rückspeisediode vorgesehen sein. Dies wird weiter unten näher beschrieben.
Der Zeitpunkt der Wandlung der Fahrspannung auf das Niveau der Versorgungsspannung wird weitergebildet mittels eines Orts- oder Steuerungssignals bestimmt. Mit einfließen könnte auch eine vom Fahrzeug zurückgelegte und selbst errechnete Wegstrecke, die beispielsweise an einem Rad eines selbst nicht angetriebenen Lauffahrwerks gemessen werden kann.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Fahrzeug eine Empfangseinheit zum Empfang eines Steuerungssignals aufweist, welche Empfangseinheit ausgebildet ist, ein Steuerungssignal von wenigstens einem fahrzeugexternen Signalgeber zu empfangen und das elektrische Bauelement zur Spannungswandlung in Abhängigkeit des empfangenen Signals anzusteuern. Der Signalgeber kann dabei ortsfest im Bereich des Fahrdrahts angeordnet sein, beispielsweise eine Ortsbake im Gleis kurz vor der Haltestelle mit dem Fahrdraht.
Als Steuerungssignal können auch die Signale eines Satellitensystems, insbesondere eines globalen Navigationssatellitensystems wie GPS, Galileo, GLONASS oder Beidou dienen. In diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Empfangseinheit um einen Empfänger einer globalen Navigationssatellitensystems. Die Empfangseinheit muss entsprechend geeignet ausgebildet sein, die Signale zu empfangen und auszuwerten. Eine Auswertung der empfangenen Signale führt zu momentanen Ortskoordinaten des Fahrzeugs. Bei einem vorgegebenen Ort des Fahrzeugs steuert die Empfangseinheit das elektrische Bauelement zur Spannungswandlung. Der vorgegebene Ort weist insbesondere einen vorgegebenen Abstand in Fahrtrichtung zum Fahrdraht auf. Wenn also beispielsweise das Fahrzeug kurz vor Einfahrt in eine Haltestelle mit dem Fahrdraht ist, wird die Fahrspannung auf die Versorgungsspannung hochgeregelt, um einen Lichtbogen zu vermeiden.
Die Dauer der Wandlung der am ersten Stromabnehmer anliegenden Fahrspannung auf das Niveau der Versorgungsspannung des Fahrdrahts und/oder der Rückwandlung der am ersten Stromabnehmer anliegenden Versorgungsspannung des Fahrdrahts in die Fahrspannung wird bestimmt durch die Wegstrecke die das Fahrzeug zurücklegt und/oder durch eine vorgegebene Zeitspanne. Die Wegstrecke kann beispielsweise an einem Rad eines selbst nicht angetriebenen Lauffahrwerks gemessen werden.
Eine weitere Weiterbildung ist darin zu sehen, dass das Fahrzeug zwei Stromabnehmer aufweist, einen ersten Stromabnehmer im Bereich eines ersten Fahrzeugkopfs an einem ersten Ende des Schienenfahrzeugs und einen zweiten Stromabnehmer im Bereich eines zweiten Fahrzeugkopfs an einem dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende des Schienenfahrzeugs. Wenigstens der erste Stromabnehmer kann dabei über einen Schalter mit dem Energiespeicher verbunden sein. Es ist auch möglich beide Stromabnehmer über einen, zwei oder mehrere Schalter mit dem Energiespeicher zu verbinden.
Ein erfindungsgemäßes Streckennetz umfasst einen Fahrdraht wenigstens im Bereich einer Haltestelle für das Fahrzeug und zwischen dem Fahrdraht und einem Umspannwerk wenigstens ein weiteres, zweites elektrisches Bauelement, das Strom in Richtung des Fahrdrahts im Wesentlichen ungehindert passieren lässt und in Richtung des Umspannwerks isolierend wirkt, um einen Stromfluss zu unterbinden. Das Umspannwerk dient als Verbindung zwischen einer Energiequelle und dem Fahrdraht. Es ist beispielsweise ausgerüstet mit Gleichrichtern zur Erzeugung einer Gleichspannung. Darüber hinaus ist es ausgebildet, die am Fahrdraht anliegende, vorgegebene Versorgungsspannung zu erzeugen.
Das weitere, zweite elektrische Bauelement kann allgemein als Diode bezeichnet werden. Nachfolgend wird es als Anti-Rückspeise-Diode bezeichnet. Diese ist in Fahrdraht Richtung offen und sperrt in Richtung der Stromversorgung. Sie verhindert somit den Energiefluss vom Fahrzeug auf das Streckennetz. Keine Energie aus dem Energiespeicher geht somit in das Streckennetz verloren.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Streckennetzes ist der Fahrdraht als feste Deckenstromschiene ausgebildet.
Eine weitere Weiterbildung des Streckennetzes liegt darin, dass es einen Signalgeber umfasst, welcher insbesondere in Fahrtrichtung in vorgegebenem Abstand zum Fahrdraht angeordnet ist und welcher geeignet ausgebildet ist, ein Steuerungssignal in vorgegebener Form zum Fahrzeug zu senden und auf das Fahrzeug zu übertragen.
Der Signalgeber kann dabei ortsfest sein, beispielsweise eine Ortsbake im Gleis vor der Haltestelle mit dem Fahrdraht, oder es handelt sich um einen oder mehrere Satelliten eines globalen Navigationssatellitensystems wie GPS, Galileo, GLONASS oder Beidou. Der Signalgeber dient insbesondere zur Übermittlung einer Ortsinformation auf das Fahrzeug. Er könnte somit auch Ortsinformationsgeber genannt werden.
Der Signalgeber ist insbesondere komplementär zur Empfangseinheit des Fahrzeugs ausgebildet und muss entsprechend geeignet ausgebildet sein, wenigstens ein Signal zu erzeugen und an die Empfangseinheit auszusenden. Das Signal eines ortsfesten Signalgebers, beispielsweise einer Ortsbake im Gleis, ist an sich bereits ortsbezogen – nur an diesem Ort kann es vom Signalgeber ausgesandt und von der Empfängereinheit des Fahrzeugs empfangen werden. Es benötigt nicht zwingend eine weitere Ortsinformation kodiert im Signal. Signale von anderen Signalgebern weisen insbesondere Ortskoordinaten auf oder aus ihnen lassen sich die momentanen Ortskoordinaten des Fahrzeugs durch die Empfangseinheit ableiten. Der Signalgeber ist entsprechend ausgebildet solch ein Signal zu erzeugen und auszusenden.
Ein erfindungsgemäßes System besteht aus wenigstens einem erfindungsgemäßen Fahrzeug und einem erfindungsgemäßen Streckennetz mit wenigstens einem Fahrdraht im Bereich einer Haltestelle.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs in einem erfindungsgemäßen Streckennetz umfasst folgende Verfahrensschritte:

– Einfahren des Fahrzeugs mit ausgefahrenem Stromabnehmer in die Haltestelle frei von einem Kontakt zum Fahrdraht mittels Energie aus dem Energiespeicher des Schienenfahrzeugs;
– Anheben der Fahrspannung von einem vorgegebenem Wert auf mindestens den Wert der vorgegebenen Versorgungsspannung des Fahrdrahts;
– Herstellen eines galvanischen Kontakts zwischen dem ausgefahrenen Stromabnehmer und dem Fahrdraht und Übertragen von elektrischer Energie aus der Oberleitung auf das Fahrzeug;
– Ausfahren des Fahrzeugs mit ausgefahrenem Stromabnehmer aus der Haltestelle und Trennen des galvanischen Kontakts zwischen dem ausgefahrenen Stromabnehmer und dem Fahrdraht;
– Absenken der Fahrspannung auf den vorherigen, vorgegebenen Wert;
– Weiterfahren mittels Energie aus dem Energiespeicher des Fahrzeugs.

Das Verfahren dient besonders zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugs in einem Streckennetz mit wenigstens einer Deckenstromschiene als Fahrdraht im Bereich einer Haltestelle. Das Schienenfahrzeug weist dann zumindest einen entsprechend geeigneten Stromabnehmer auf dem Dach des Schienenfahrzeugs auf.
Der Stromabnehmer ist im Bereich der Haltestelle, sowie in deren unmittelbaren Umgebung in der ausgefahrenen Stellung, insbesondere ist der Stromabnehmer während des gesamten Regelbetriebs des Fahrzeugs in ausgefahrener Stellung. Ausgefahren befindet sich der Stromabnehmer in seiner Arbeitsposition, um den Fahrdraht zu kontaktieren und eine galvanische Verbindung mit diesem herzustellen, auch wenn, wie hier, nicht zwingend ein Fahrdraht vorhanden sein muss. Bei einer Oberleitung als Fahrdraht ist der Stromabnehmer somit angehoben. Ist eine Oberleitung vorhanden, wird auch davon gesprochen, dass der Stromabnehmer angebügelt ist. Handelt es sich beim Fahrdraht um eine seitlich oder unterhalb des Fahrzeugs verlaufenden Stromschiene befindet sich der Stromabnehmer in ausgefahrener Stellung, wenn er in seiner Arbeitsposition bereit zum Herstellen eines Kontakts mit der Stromschiene ist – der Stromabnehmer wird, im Vorhandensein der Stromschiene, schleifend auf, seitlich oder unter der Stromschiene entlanggeführt. In jedem Fall ist eine galvanische Verbindung zwischen Stromabnehmer, insbesondere dessen Schleifleisten, und dem Fahrdraht herstellbar.
Bei einem weitergebildeten Verfahren wird ein Steuerungssignal erfasst und die Fahrspannung wird von dem vorgegebenen Wert auf mindestens den Wert der vorgegebenen Versorgungsspannung des Fahrdrahts in Abhängigkeit des Steuerungssignals gewandelt. Alternativ oder Zusätzlich wird ein Steuerungssignal erfasst und die Versorgungsspannung des Fahrdrahts wird in die Fahrspannung wird in Abhängigkeit des Steuerungssignals von mindestens dem Wert der vorgegebenen Versorgungsspannung des Fahrdrahts auf den vorgegebenen Wert abgesenkt.
Vor dem Ausfahren des Schienenfahrzeugs mit ausgefahrenem erstem Stromabnehmer aus der Haltestelle erfolgt üblicherweise der Halt des Fahrzeugs in der Haltestelle unter Beibehaltung des galvanischen Kontakts zwischen dem ersten und/oder dem zweiten Stromabnehmer und dem Fahrdraht, insbesondere unter Beibehaltung des galvanischen Kontakts zwischen dem ersten und dem zweiten Stromabnehmer und dem Fahrdraht.
Sind beide Stromabnehmer gleichzeitig in galvanischen Kontakt mit dem Fahrdraht kann elektrische Energie aus dem Fahrdraht auf das Schienenfahrzeug mittels beiden Stromabnehmern erfolgen oder ausschließlich mittels des ersten oder des zweiten ausgefahrenen Stromabnehmers. Bevorzugt wird zumindest im Stand des Fahrzeugs beim Halt Energie aus dem Fahrdraht auf das Fahrzeug mittels beiden Stromabnehmern übertragen. Um die Energieübertragung über die Stromabnehmer zu steuern kann wenigstens der erste Stromabnehmer über einen Schalter mit dem Energiespeicher verbunden. Weitergebildet kann jeder der beiden Stromabnehmer über einen Schalter mit dem Energiespeicher des Fahrzeugs verbunden und somit zu- und abschaltbar sein.
Sowohl das Öffnen und Schließen der Schalter, sowie auch das Herstellen und Trennen der galvanischen Verbindungen zwischen Stromabnehmern und Fahrdraht erfolgt jeweils lastfrei respektive stromlos und somit lichtbogenfrei.
Wird ein Schienenfahrzeug mit zwei Stromabnehmern betrieben, wobei insbesondere ein erster Stromabnehmer im Bereich eines ersten Schienenfahrzeugkopfs an einem ersten Ende des Schienenfahrzeugs und ein zweiter Stromabnehmer im Bereich eines zweiten Schienenfahrzeugkopfs an einem dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende des Schienenfahrzeugs angeordnet ist, kann das Verfahren weitergebildet folgende Verfahrensschritte umfassen:

– Einfahren des Schienenfahrzeugs mit ausgefahrenem ersten und zweiten Stromabnehmer in die Haltestelle frei von einem Kontakt zur Oberleitung mittels Energie aus dem Energiespeicher des Schienenfahrzeugs;
– Gegebenenfalls Erfassen eines Steuerungssignals von einem ersten Signalgeber;
– Anheben der Fahrspannung auf mindestens den Wert der vorgegebenen Versorgungsspannung der Oberleitung, gegebenenfalls in Abhängigkeit des Steuerungssignals;
– Gegebenenfalls Schließen eines geöffneten Schalters zwischen dem ersten Stromabnehmer und dem Energiespeicher.

Die beiden letzten Verfahrensschritte können auch vertauscht werden. Wichtig ist, dass beim nachfolgenden Verfahrensschritt eine Spannung mit mindestens dem Wert der vorgegebenen Versorgungsspannung der Oberleitung am Stromabnehmer anliegt. Es folgt:

– Herstellen eines galvanischen Kontakts zwischen dem ersten ausgefahrenen Stromabnehmer und der Oberleitung;
– Absenken der Fahrspannung auf den vorherigen, vorgegebenen Wert;
– Übertragen von elektrischer Energie aus der Oberleitung auf das Schienenfahrzeug, insbesondere mittels des ersten ausgefahrenen Stromabnehmers;
– Weiterfahren des Schienenfahrzeugs unter Beibehaltung des galvanischen Kontakts zwischen dem ausgefahrenen ersten Stromabnehmer und der Oberleitung und somit insbesondere Weiterfahren mittels der, insbesondere mittels des ersten ausgefahrenen Stromabnehmers, aus der Oberleitung auf das Schienenfahrzeug übertragenen Energie;
– Halten unter Beibehaltung des galvanischen Kontakts zwischen dem ausgefahrenen ersten Stromabnehmer und unter Beibehaltung der Übertragung von elektrischer Energie aus der Oberleitung auf das Schienenfahrzeug.

Vor dem letzten Verfahrensschritt könnten die nachfolgenden Verfahrensschritte erfolgen:

– Gegebenenfalls Erfassen eines weiteren Steuerungssignals vom ersten Signalgeber oder Ermitteln einer vom Schienenfahrzeug seit dem Steuerungssignal zurückgelegten Wegstrecke und errechnen eines weiteren Steuerungssignals;
– Anheben der Fahrspannung auf mindestens den Wert der vorgegebenen Versorgungsspannung der Oberleitung, gegebenenfalls in Abhängigkeit des Steuerungssignals;
– Gegebenenfalls Schließen eines geöffneten Schalters zwischen dem zweiten Stromabnehmer und dem Energiespeicher;
– Herstellen eines galvanischen Kontakts zwischen dem zweiten ausgefahrenen Stromabnehmer und der Oberleitung;
– Absenken der Fahrspannung auf den vorherigen, vorgegebenen Wert;
– Übertragen von elektrischer Energie aus der Oberleitung auf das Schienenfahrzeug.

Wie oben könnten auch hier das Anheben der Spannung und das Schließen des Schalters vertauscht werden. Es ist jedoch auch möglich, dass der geöffnete Schalter zwischen dem zweiten Stromabnehmer und dem Energiespeicher erst während des Halts des Fahrzeugs geschlossen wird. Dazu muss wiederum vorher die Fahrspannung angehoben werden.
Vor der Ausfahrt könnte wiederum der Schalter zwischen dem ersten Stromabnehmer und dem Energiespeicher geöffnet werden. Dadurch kommutiert der Stromfluss zum zweiten Stromabnehmer. Es folgen:

– Ausfahren des Schienenfahrzeugs mit ausgefahrenem erstem und zweitem Stromabnehmer aus der Haltestelle;
– Weiterfahren des Schienenfahrzeugs unter Beibehaltung des galvanischen Kontakts zwischen dem ausgefahrenen zweiten Stromabnehmer und der Oberleitung und somit insbesondere Weiterfahren mittels der, insbesondere mittels des zweiten ausgefahrenen Stromabnehmers, aus der Oberleitung auf das Schienenfahrzeug übertragenen Energie;
– Gegebenenfalls Erfassen eines weiteren Steuerungssignals vom zweiten Signalgeber oder Ermitteln einer vom Schienenfahrzeug seit dem Steuerungssignal zurückgelegten Wegstrecke und errechnen eines weiteren Steuerungssignals;
– Anheben der Fahrspannung auf mindestens den Wert der vorgegebenen Versorgungsspannung der Oberleitung, gegebenenfalls in Abhängigkeit des Steuerungssignals;
– Gegebenenfalls Öffnen des geschlossenen Schalters zwischen dem zweiten Stromabnehmer und dem Energiespeicher;
– Trennen des galvanischen Kontakts zwischen dem zweiten ausgefahrenen Stromabnehmer und der Oberleitung;
– Absenken der Fahrspannung auf den vorherigen, vorgegebenen Wert und Weiterfahren mittels Energie aus dem Energiespeicher des Schienenfahrzeugs.

Alternativ könnte folgen:

– Ausfahren des Schienenfahrzeugs mit ausgefahrenem erstem und zweitem Stromabnehmer aus der Haltestelle;
– Gegebenenfalls Erfassen eines weiteren Steuerungssignals von einem weiteren, zweiten Signalgeber;
– Gegebenenfalls Öffnen des geschlossenen Schalters zwischen dem ersten Stromabnehmer und dem Energiespeicher;
– Anheben der Fahrspannung auf mindestens den Wert der vorgegebenen Versorgungsspannung der Oberleitung, gegebenenfalls in Abhängigkeit des Steuerungssignals;
– Trennen des galvanischen Kontakts zwischen dem ersten ausgefahrenen Stromabnehmer und der Oberleitung;
– Absenken der Fahrspannung auf den vorherigen, vorgegebenen Wert und gegebenenfalls Übertragen von elektrischer Energie aus der Oberleitung auf das Schienenfahrzeug, insbesondere mittels des zweiten ausgefahrenen Stromabnehmers;
– Weiterfahren des Schienenfahrzeugs unter Beibehaltung des galvanischen Kontakts zwischen dem ausgefahrenen zweiten Stromabnehmer und der Oberleitung und somit insbesondere Weiterfahren mittels der, insbesondere mittels des zweiten ausgefahrenen Stromabnehmers, aus der Oberleitung auf das Schienenfahrzeug übertragenen Energie;
– Gegebenenfalls Erfassen eines weiteren Steuerungssignals vom zweiten Signalgeber oder Ermitteln einer vom Schienenfahrzeug seit dem Steuerungssignal zurückgelegten Wegstrecke und errechnen eines weiteren Steuerungssignals;
– Anheben der Fahrspannung auf mindestens den Wert der vorgegebenen Versorgungsspannung der Oberleitung, gegebenenfalls in Abhängigkeit des Steuerungssignals;
– Gegebenenfalls Öffnen des geschlossenen Schalters zwischen dem zweiten Stromabnehmer und dem Energiespeicher;
– Trennen des galvanischen Kontakts zwischen dem zweiten ausgefahrenen Stromabnehmer und der Oberleitung;
– Absenken der Fahrspannung auf den vorherigen, vorgegebenen Wert und Weiterfahren mittels Energie aus dem Energiespeicher des Schienenfahrzeugs.

Im Prinzip gilt das oben beschriebene Verfahren für jeden Stromabnehmer einzeln.
Ein weitergebildetes System umfasst wenigstens eine Oberleitung als Fahrdraht im Bereich einer Haltestelle und wenigstens ein Schienenfahrzeug als Fahrzeug mit einem Stromabnehmer zur Kontaktierung der Oberleitung. Die Oberleitung ist ortsfest angeordnet und weist eine begrenzte Länge auf. Sie umfasst einen Mittelteil einer vorgegebenen Länge und einer im Wesentlichen konstanten, vorgegebenen Höhe über der Schiene und daran anschließend auf wenigstens einer Seite einen ersten Endabschnitt mit einer vom Mittelteil ausgehend zunehmenden Höhe über der Schiene.
Der angehobene Stromabnehmer des Schienenfahrzeug ist so ausgebildet und auf die Oberleitung abgestimmt, dass Schleifleisten des Stromabnehmers bei der Einfahrt des Schienenfahrzeug in die Haltestelle eine Höhe über der Schiene aufweisen, die mindestens so groß ist, wie die im Wesentlichen konstante Höhe des Mittelteils der Oberleitung und höchstens so groß ist, wie die größte Höhe des angehobenen ersten Endabschnitts der Oberleitung über der Schiene.
Bei dem Schienenfahrzeug handelt es sich um ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Schienenfahrzeug, insbesondere ein Fahrzeug des öffentlichen Personenverkehrs, wie beispielsweise eine Straßenbahn. Die Oberleitung ist Teil eines Streckennetzes. Sie ist im Bereich einer Haltestelle an zumindest einer vorgegebenen Stelle im Streckennetz zur Versorgung des Schienenfahrzeugs mit elektrischer Energie zum Antrieb des Schienenfahrzeugs angeordnet. Sie weist eine begrenzte Länge zwischen zwei Enden auf. Das Streckennetz ist in unmittelbarer Umgebung der zumindest einen Oberleitung frei von weiteren Oberleitungen im Weiteren Verlauf des Streckennetzes.
Zwischen den zwei Enden der Oberleitung umfasst die Oberleitung den Mittelteil und wenigstens einen ersten Endabschnitt, welcher sich unmittelbar an den Mittelteil anschließt. Der Mittelteil weist eine vorgegebene Länge auf, welche insbesondere geeignet ist, die elektrische Energie zur Beschleunigung des Fahrzeugs auf eine vorgegebene Geschwindigkeit bereitzustellen. Der Mittelteil ist so ausgebildet, dass er einen im Wesentlichen konstanten Abstand zur Schiene aufweist, insbesondere über die gesamte Länge des Mittelteils.
Das Schienenfahrzeug bewegt sich entlang der Schiene, beispielsweise eine Standard-Profilschiene mit Schienenkopf oder eine üblicherweise gebräuchliche Eisenbahnschiene, und rollt auf ihrer Lauffläche, insbesondere des Schienenkopfs, ab. Die Höhe der Oberleitung über der Schiene bemisst sich somit zwischen der Lauffläche der Schiene und der ihr zugewandten Seite der Oberleitung. Gleichermaßen bemisst dich der Abstand der Schleifleiste des Stromabnehmers zur Schiene zwischen der der Oberleitung zugewandten Seite der Schleifleiste und der Lauffläche der Schiene. Als alternative Bezeichnung der Höhe über der Schiene könnte auch die Höhe über Grund verwendet werden, wobei die Grundfläche ist, auf der sich das Fahrzeug bewegt.
Der Endabschnitt weist insbesondere einen vom Mittelteil der Oberleitung wegweisend ansteigenden Verlauf auf. Der Abstand des Endabschnitts der Oberleitung zur Lauffläche der Schiene nimmt also vom Mittelteil bis zum gegenüberliegenden Ende des Endabschnitts zu. Insbesondere beschreibt der Abstand des Endabschnitts der Oberleitung zur Lauffläche der Schiene eine monotone, insbesondere streng monotone Funktion. Der Endabschnitt ist somit kontinuierlich, ohne Sprünge oder Lücken. Weitergebildet ist der Verlauf des Endabschnitts stetig. Vom Mittelteil wegweisend steigt der Endabschnitt der Oberleitung an und weist im Vergleich zu diesem einen vergrößerten Abstand zur Schiene auf.
Gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass der erste Endabschnitt im Wesentlichen geradlinig mit einem Winkel von höchstens 5°, insbesondere von höchstens 3° zum Mittelteil der Oberleitung verläuft. Er bildet daher eine Rampe. Die Schiene und der Mittelteil der Oberleitung verlaufen im Übrigen näherungsweise parallel zueinander. Gleichermaßen beträgt der Winkel des ersten Endabschnitts zum Mittelteil weitergebildet mindestens 1°, insbesondere mindestens 2°.
Die größte Höhe über der Schiene weist der im Wesentlichen geradlinig verlaufende, angehobene erste Endabschnitt der Oberleitung dann an seinem dem Mittelteil der Oberleitung abgewandten Ende auf. Mit den vorgenannten Winkeln und Längen des ersten Endabschnitts ergeben sich somit maximale und minimale Höhendifferenzen zwischen dem dem Mittelteil abgewandten Ende des ersten Endabschnitts und dem Mittelteil gegenüber der Schiene.
Weitergebildet sind der Winkel und die Länge des ersten Endabschnitts der Oberleitung so ausgewählt, dass die Differenz zwischen der größten Höhe des ersten Endabschnitts über der Schiene und der Höhe des Mittelsteils über Schiene mindestens 50 mm, insbesondere mindestens 100 mm beträgt, höchstens jedoch 500 mm, insbesondere höchstens 250 mm beträgt.
Weitergebildet weist die Oberleitung im Übergang zwischen dem erstem Endabschnitt und dem Mittelteil der Oberleitung einen Radius auf, welcher größer 1000 mm, insbesondere größer 5000 mm ist. Somit ist ein sanfter Übergang des Stromabnehmers vom ersten Endabschnitt auf den Mittelteil der Oberleitung gewährleistet.
Alternativ ist der erste Endabschnitt beispielsweise kufenförmig ausgebildet. Er ist dann mit einer vorgegebenen Krümmung aufwärts gekrümmt. Der Übergang zum Mittelteil verläuft wiederum vorteilhaft kontinuierlich. So gleitet der Stromabnehmer frei von Schlägen auf dem ersten Endabschnitt und vom ersten Endabschnitt auf den Mittelteil.
Weitere Bauarten sind denkbar. Wichtig ist, dass der gegenüber dem Mittelteil angehobene erste Endabschnitt den Unterschied in den Höhen zwischen dem Mittelteil und dem ersten Endabschnitt gegenüber der Schiene, insbesondere gleichmäßig, verringert und die Höhe der Oberleitung an die Höhe des Mittelteils angleicht.
Ein Vorteil ist, dass sich der Stromabnehmer des Schienenfahrzeugs in angehobenem Zustand leicht in die Oberleitung einfädeln kann. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass der Stromabnehmer einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar ist – beispielsweise als Einholmstromabnehmer, wobei ein Oberarm des Stromabnehmers mittels eines Gelenks unmittelbar an einem Grundrahmen des Stromabnehmers drehbeweglich gelagert ist, wie oben bereits beschrieben.
Einfach aufgebaute Stromabnehmer, beispielsweise Lyra-Stromabnehmer, sind aus dem Stand der Technik bekannt, z.B. auch als Hilfsstromabnehmer aus dem Bereich der U-Bahnen bekannt, um die U-Bahn bei Wartungsarbeiten in einem Depot mit elektrischer Energie zu versorgen. Sie sind nicht für häufige Hebe-/Senkzyklen ausgelegt. Durch die Ausgestaltung der Oberleitung im Bereich der Haltestelle kann der Stromabnehmer erfindungsgemäß während der Fahrt jedoch in angehobenem Zustand verweilen.
Die Oberleitung ist weitergebildet als feste Stromschiene ausgebildet. Zumindest der Mittelteil und der erste Endabschnitt der Oberleitung, gegebenenfalls auch der zweite Endabschnitt und insbesondere die Oberleitung über ihre gesamte Länge, sind als feste Stromschienen ausgebildet. Eine Stromschiene, die wie ein Oberleitungsfahrdraht über dem Schienenfahrzeug angeordnet ist, wird auch als Deckenstromschiene bezeichnet.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist die Oberleitung einen zweiten Endabschnitt mit einer vom Mittelteil ausgehend zunehmenden Höhe über der Schiene auf, welcher sich an die dem ersten Endabschnitt gegenüberliegenden Seite des Mittelteils anschließt.
Der zweite Endabschnitt ist dabei insbesondere baugleich zum ersten Endabschnitt ausgebildet, die Oberleitung somit symmetrisch. Bildet der erste Endabschnitt eine Rampe, so ist auch die Oberleitung im Bereich des zweiten Endabschnitts angerampt. Fährt das Fahrzeug in die Haltestelle ein dient der erste Endabschnitt als Einfahrrampe, der zweite Endabschnitt analog als Ausfahrrampe. So wird der Stromabnehmer wieder einfach von der Oberleitung getrennt.
Der symmetrische Aufbau der Oberleitung scheint jedoch nur beim Betrieb in beiden Richtungen zwingend erforderlich, also wenn ein Fahrzeug von beiden Seiten in die Haltestelle einfahren kann.
Eine weitere Weiterbildung ist darin zu sehen, dass die Oberleitung zumindest einen weiteren, dritten Endabschnitt aufweist, der sich an den ersten Endabschnitt anschließt – an den dem Mittelteil abgewandten Ende des ersten Endabschnitts – und eine vom Mittelteil ausgehend zunehmende Höhe über der Schiene aufweist. Gleichermaßen kann auch ein zum dritten Endabschnitt baugleich ausgeführter, vierter Endabschnitt vorgesehen sein, der sich an den zweiten Endabschnitt anschließt.
Der dritte und/oder der vierte Endabschnitt weist insbesondere einen Winkel größer Null zum ersten und/oder zweiten Endabschnitt und somit einen größeren Winkel zum Mittelteil auf als der erste und/oder zweite Endabschnitt. Er kann hingegen kürzer ausgeführt sein. Auch hier kann ein Radius im Übergang zwischen dem erstem und/oder dem zweiten Endabschnitt und dem dritten und/oder vierten Endabschnitt der Oberleitung vorgesehen sein. Der dritte und/oder der vierte Endabschnitt stehen für den Notfall zur Verfügung, um ein Einfädeln des Stromabnehmers in einem Bereich über der Oberleitung in jedem Fall zu verhindern.
Um sicherzustellen, dass die Schleifleisten des angehobenen Stromabnehmers bei der Einfahrt des Schienenfahrzeugs in die Haltestelle eine Höhe über der Schiene aufweisen, die mindestens so groß ist, wie die im Wesentlichen konstante Höhe des Mittelteils der Oberleitung und höchstens so groß ist, wie die größte Höhe des angehobenen ersten Endabschnitts der Oberleitung über der Schiene, und somit auf den ersten Endabschnitt der Oberleitung treffen, sind weitergebildet die Toleranzen zur Höhe eines Dachs des Schienenfahrzeugs über der Schiene, auf welchem der Stromabnehmer angeordnet ist, zur Höhe des angehobenen Stromabnehmers über dem Dach des Schienenfahrzeugs und zur Höhe des Mittelteils der Oberleitung über der Schiene so bemessen, dass die Schleifleisten des angehobenen Stromabnehmers bei der Einfahrt des Schienenfahrzeugs in die Haltestelle eine Höhe über der Schiene aufweisen, die mindestens so groß ist, wie die im Wesentlichen konstante Höhe des Mittelteils der Oberleitung und höchstens so groß ist, wie die größte Höhe des angehobenen ersten Endabschnitts der Oberleitung über der Schiene. Die Summe der genannten Toleranzen ergibt eine Gesamttoleranz. Diese ist kleiner oder gleich der Differenz aus der größten Höhe des angehobenen ersten Endabschnitts der Oberleitung über der Schiene und der Höhe des Mittelteils der Oberleitung über der Schiene.
Beim Bau der Haltestelle könnte gegebenenfalls noch eine weitere Toleranz zu berücksichtigen sein, nämlich die der Höhe der Schiene über einer Grundfläche, auf welcher die Oberleitung befestigt ist. Die Haltestelle, inklusive der Oberleitung, wie auch die Schienen werden auf einer Grundfläche – dem Boden – befestigt und danach ausgerichtet. Somit ist die Höhe der Oberleitung über der Schiene abhängig von der Toleranz ihrer Befestigung auf der Grundfläche, als auch von der Toleranz der Höhe der Schiene über der Grundfläche. Weitergebildet sind somit die Toleranzen einer Höhe der Schiene über einer Grundfläche, auf welcher die Schienen befestigt sind, die Toleranzen einer Höhe des Mittelteils der Oberleitung über der Grundfläche, auf welcher die Oberleitung befestigt ist, die Toleranzen einer Höhe eines Dachs des Schienenfahrzeugs, auf welchem der Stromabnehmer angeordnet ist, über der Schiene, und die Toleranzen einer Höhe des angehobenen Stromabnehmers über dem Dach des Schienenfahrzeugs so bemessen, dass die Schleifleisten des angehobenen Stromabnehmers bei der Einfahrt des Schienenfahrzeugs in die Haltestelle eine Höhe über der Schiene aufweisen, die mindestens so groß ist, wie die im Wesentlichen konstante Höhe des Mittelteils der Oberleitung und höchstens so groß ist, wie die größte Höhe des angehobenen ersten Endabschnitts der Oberleitung über der Schiene.
Der Stromabnehmer kann, wie oben beschrieben, mechanisch einfach aufgebaut sein. Weitergebildet weisen seine Schleifleisten eine maximale Höhendifferenz zwischen und angehobenem Zustand von 1000 mm, insbesondere von 500 mm auf. Beispielsweise weist er eine Höhe über einem Grundrahmen in angehobenem Zustand von höchstens 1500 mm, insbesondere von höchstens 750 mm auf.
Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Schienenfahrzeug zwei Stromabnehmer auf, einen ersten im Bereich eines Fahrzeugkopfs an einem ersten Ende des Schienenfahrzeugs und einen zweiten im Bereich eines Fahrzeugkopfs an einem dem ersten gegenüberliegenden zweiten Ende des Schienenfahrzeugs. Beide Stromabnehmer sind insbesondere identisch ausgebildet und am Schienenfahrzeug angeordnet, so dass das Schienenfahrzeug, bezogen auf die Stromabnehmer, symmetrisch ausgestaltet ist. Beide Stromabnehmer sind weitergebildet gleichzeitig angehoben. Die Länge des Mittelteils der Oberleitung ist dabei größer als der Abstand des ersten und zweiten Stromabnehmers, insbesondere deren Schleifleisten, zueinander. Somit können beide Stromabnehmer den Mittelteil der Oberleitung gleichzeitig kontaktieren.
Dies geschieht insbesondere beim Halt in der Haltestelle, währenddessen die Energiespeicher des Fahrzeugs geladen werden.
Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Schienenfahrzeug zwei Stromabnehmer auf, einen ersten im Bereich eines Fahrzeugkopfs an einem ersten Ende des Schienenfahrzeugs und einen zweiten im Bereich eines Fahrzeugkopfs an einem dem ersten gegenüberliegenden zweiten Ende des Schienenfahrzeugs. Beide Stromabnehmer sind insbesondere identisch ausgebildet und am Schienenfahrzeug angeordnet, so dass das Schienenfahrzeug, bezogen auf die Stromabnehmer, symmetrisch ausgestaltet ist. Beide Stromabnehmer sind weitergebildet gleichzeitig angehoben. Die Länge des Mittelteils der Oberleitung ist dabei größer als der Abstand des ersten und zweiten Stromabnehmers, insbesondere deren Schleifleisten, zueinander. Somit können beide Stromabnehmer den Mittelteil der Oberleitung gleichzeitig kontaktieren. Dies geschieht insbesondere beim Halt in der Haltestelle, währenddessen die Energiespeicher des Fahrzeugs geladen werden.
Der Mittelteil weist eine vorgegebene Länge auf. Die Länge des ersten und/oder der weiteren Endabschnitte ist dazu vergleichsweise kurz. Die Länge des Mittelteils ist insbesondere in Abhängigkeit des Abstands mehrerer Stromabnehmer auf dem Fahrzeug so bemessen, dass wenigstens zwei, insbesondere sämtliche, Stromabnehmer auf dem Fahrzeug gleichzeitig in Kontakte mit dem Mittelteil der Oberleitung sein können. Sie ist also etwas länger, als der Abstand zweier benachbarter Stromabnehmer des Fahrzeugs. Insbesondere ist sie länger als der Abstand der beiden äußersten Schleifleisten der äußersten Stromabnehmer des Fahrzeugs.
Zur Lichtbogenvermeidung weist das Streckennetz, wie oben bereits beschrieben, beispielsweise eine Anti-Rückspeise-Diode zwischen Oberleitung und Umspannwerk auf. Zusätzlich kann eine Ortsbake im Gleis vor der Haltestelle vorgesehen sein und eine entsprechende Empfangseinheit auf dem Fahrzeug.
Weitergebildet kann das System mit folgenden Verfahrensschritten betrieben werden:

– Fahren des Schienenfahrzeugs mit angehobenem Stromabnehmer frei von einem Kontakt zu einer Oberleitung;
– Einfahren des Schienenfahrzeugs mit angehobenem Stromabnehmer in die Haltestelle;
– Herstellen eines galvanischen Kontakts zwischen dem angehobenen Stromabnehmer und dem ersten Endabschnitt der Oberleitung;
– Überfahren eines Übergangs zwischen dem erstem Endabschnitt der Oberleitung und dem Mittelteil der Oberleitung unter Beibehaltung des galvanischen Kontakts zwischen dem angehobenen Stromabnehmer und der Oberleitung;
– Weiterfahren des Schienenfahrzeugs unter dem Mittelteil der Oberleitung unter Beibehaltung des galvanischen Kontakts zwischen dem angehobenen Stromabnehmer und der Oberleitung;
– Gegebenenfalls Überfahren eines Übergangs zwischen dem Mittelteil der Oberleitung und einem zweiten Endabschnitt der Oberleitung unter Beibehaltung des galvanischen Kontakts zwischen dem angehobenen Stromabnehmer und der Oberleitung;
– Ausfahren des Schienenfahrzeugs mit angehobenem Stromabnehmer aus die Haltestelle und Trennen des galvanischen Kontakts zwischen dem angehobenen Stromabnehmer und der Oberleitung, insbesondere im Bereich des zweiten Endabschnitts;
– Fahren des Schienenfahrzeugs mit angehobenem Stromabnehmer frei von einem Kontakt zu einer Oberleitung.

Die oben ausführlich beschriebenen Verfahrensschritte zur Lichtbogenvermeidung wurden der Übersichtlichkeit wegen weggelassen. Das Verfahren wäre mit diesen Verfahrensschritten entsprechend zu ergänzen.
Wird der Kontakt zwischen dem Stromabnehmer und der Oberleitung hergestellt wird elektrische Energie aus der Oberleitung auf das Schienenfahrzeug übertragen, insbesondere um die elektrischen Energiespeicher des Schienenfahrzeugs zu laden.
Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Schienenfahrzeug vor dem Einfahren in die Haltestelle mit angehobenem Stromabnehmer fährt, ohne Kontakt zu einer Oberleitung zu haben und mit angehobenem Stromabnehmer in die Haltestelle ein- und wieder aus dieser herausfährt. Der Stromabnehmer ist dabei genauso weit angehoben ist, dass die Höhe der Schleifleisten über der Schiene größer ist als die Höhe des Mittelteils über der Schiene und geringer als die Höhe des Endes des ersten Endabschnitts über der Schiene. Insbesondere wird der Stromabnehmer aber nicht nur beim Einfahren in die Haltestelle genau so weit angehoben, sondern während der gesamten Fahrt des Schienenfahrzeugs im vorgegebenen Streckennetz. Insbesondere ist der Stromabnehmer während des Regelbetriebs des Schienenfahrzeugs angehoben.
Durch das Fahren mit dauerhaft – zumindest im Regelbetrieb – angehobenem Stromabnehmer kann dieser einfacher ausgestaltet werden, was zu deutlichen Kosteneinsparungen gegenüber bislang bekannten Lösungen führt.
Die Belastung des Stromabnehmers durch viele Hebe-/Senkzyklen wird vermieden. Dieses Problem ist durch die Anforderungen eines fahrdrahtlosen Betriebs entstanden, bei welchem die fahrzeuginternen Energiespeicher über die Oberleitung bzw. die Deckenstromschiene an den Haltestellen geladen werden und zwischen den Haltestellen der Betrieb des Schienenfahrzeugs oberleitungsfrei erfolgt. Über die spezielle Einfahr- und Ausfahrrampe der Oberleitung kann sich der Stromabnehmer dabei eigenständig einfädeln bzw. heraus bewegen. Darüber hinaus kann das Stromabnehmerdesign eine sehr geringe Arbeitshöhe beinhalten, welche die Fahrt im gehobenen Zustand ermöglicht. Dabei sind alle maßgeblichen Toleranzen von Infrastruktur, Fahrzeug, Oberleitung und Stromabnehmer mit einzubeziehen.
Sind zwei Stromabnehmer am Fahrzeug vorgesehen, gilt dies für beide Stromabnehmer. Das Verfahren würde dann entsprechend folgende Verfahrensschritte aufweisen:

– Fahren des Schienenfahrzeugs mit angehobenem ersten und zweiten Stromabnehmer frei von einem Kontakt zu einer Oberleitung;
– Einfahren des Schienenfahrzeugs mit angehobenen Stromabnehmern in die Haltestelle;
– Herstellen eines galvanischen Kontakts zwischen dem ersten angehobenen Stromabnehmer und dem ersten Endabschnitt der Oberleitung und Übertragen von elektrischer Energie aus der Oberleitung auf das Schienenfahrzeug;
– Überfahren eines Übergangs zwischen dem erstem Endabschnitt der Oberleitung und dem Mittelteil der Oberleitung unter Beibehaltung des galvanischen Kontakts zwischen dem angehobenen ersten Stromabnehmer und der Oberleitung und unter Beibehaltung der Übertragung von elektrischer Energie aus der Oberleitung auf das Schienenfahrzeug;
– Weiterfahren des Schienenfahrzeugs unter Beibehaltung des galvanischen Kontakts zwischen dem angehobenen ersten Stromabnehmer und dem Mittelteil der Oberleitung;
– Herstellen eines galvanischen Kontakts zwischen dem angehobenen zweiten Stromabnehmer und dem ersten Endabschnitt der Oberleitung und Übertragen von elektrischer Energie aus der Oberleitung auf das Schienenfahrzeug;
– Überfahren eines Übergangs zwischen dem erstem Endabschnitt der Oberleitung und dem Mittelteil der Oberleitung unter Beibehaltung des galvanischen Kontakts zwischen dem angehobenen zweiten Stromabnehmer und der Oberleitung und unter Beibehaltung der Übertragung von elektrischer Energie aus der Oberleitung auf das Schienenfahrzeug;
– Weiterfahren des Schienenfahrzeugs unter Beibehaltung des galvanischen Kontakts zwischen dem angehobenen zweiten Stromabnehmer und dem Mittelteil der Oberleitung;
– Gegebenenfalls Überfahren eines Übergangs zwischen dem Mittelteil der Oberleitung und einem zweiten Endabschnitt der Oberleitung unter Beibehaltung des galvanischen Kontakts zwischen dem angehobenen ersten Stromabnehmer und der Oberleitung;
– Ausfahren des Schienenfahrzeugs mit angehobenem ersten Stromabnehmer aus der Haltestelle und Trennen des galvanischen Kontakts zwischen dem angehobenen ersten Stromabnehmer und der Oberleitung, insbesondere im Bereich des zweiten Endabschnitts;
– Gegebenenfalls Überfahren eines Übergangs zwischen dem Mittelteil der Oberleitung und einem zweiten Endabschnitt der Oberleitung unter Beibehaltung des galvanischen Kontakts zwischen dem angehobenen zweiten Stromabnehmer und der Oberleitung;
– Ausfahren des Schienenfahrzeugs mit angehobenem zweiten Stromabnehmer aus der Haltestelle und Trennen des galvanischen Kontakts zwischen dem angehobenen zweiten Stromabnehmer und der Oberleitung, insbesondere im Bereich des zweiten Endabschnitts;
– Fahren des Schienenfahrzeugs mit angehobenen Stromabnehmern frei von einem Kontakt zu einer Oberleitung.

Das Überfahren eines Übergangs zwischen dem erstem Endabschnitt der Oberleitung und dem Mittelteil der Oberleitung unter Beibehaltung des galvanischen Kontakts zwischen dem angehobenen ersten Stromabnehmer und der Oberleitung und gegebenenfalls unter Beibehaltung der Übertragung von elektrischer Energie aus der Oberleitung auf das Schienenfahrzeug. Das Ausfahren des Schienenfahrzeugs mit angehobenem ersten Stromabnehmer aus der Haltestelle und Trennen des galvanischen Kontakts zwischen dem angehobenen ersten Stromabnehmer und der Oberleitung erfolgt insbesondere unter Beibehaltung des galvanischen Kontakts zwischen dem angehobenen zweiten Stromabnehmer und der Oberleitung und unter Beibehaltung der Übertragung von elektrischer Energie aus der Oberleitung auf das Schienenfahrzeug.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird elektrische Energie aus der Oberleitung auf das Schienenfahrzeug erst übertragen, wenn der Übergang zwischen dem erstem Endabschnitt der Oberleitung und dem Mittelteil der Oberleitung erfolgt ist und somit ein galvanischer Kontakt zwischen dem angehobenen ersten und/oder zweiten Stromabnehmer und dem Mittelteil der Oberleitung hergestellt ist. Gleichermaßen endet die Übertragung von elektrischer Energie aus der Oberleitung auf das Schienenfahrzeug bevor der Übergang zwischen dem Mittelteil der Oberleitung und dem zweitem Endabschnitt der Oberleitung erfolgt ist. Dazu sind beispielsweise der erste und/oder der zweite Stromabnehmer mit dem Energiespeicher insbesondere über einen oder jeweils einen Schalter elektrisch verbunden. Dieser dient zur Regelung des Energieflusses. Ein entsprechendes Verfahren ist weiter unten beschrieben.
Zwischen dem Ausfahren des Schienenfahrzeugs mit angehobenem ersten Stromabnehmer aus der Haltestelle und Trennen des galvanischen Kontakts zwischen dem angehobenen ersten Stromabnehmer und der Oberleitung und dem Ausfahren des Schienenfahrzeugs mit angehobenem zweiten Stromabnehmer aus der Haltestelle und Trennen des galvanischen Kontakts zwischen dem angehobenen zweiten Stromabnehmer und der Oberleitung wird das Schienenfahrzeug, beispielsweise auch deren Energiespeicher, somit über den zweiten, dann noch in galvanischem Kontakt mit der Oberleitung befindlichen Stromabnehmer mit elektrischer Energie aus der Oberleitung versorgt. Diese wird insbesondere auch zum Beschleunigen des Schienenfahrzeugs eingesetzt und direkt in den Antriebsaggregaten des Schienenfahrzeugs genutzt, insbesondere ohne Zwischenspeicherung.
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.
1 zeigt ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs und eines Abschnitts eines erfindungsgemäßen Streckennetzes,
2 zeigt schematisch ein Schienenfahrzeug des Stands der Technik mit konventionellem Stromabnehmer,
3 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Schienenfahrzeug,
4 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Oberleitung
5 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Schienenfahrzeug bei der Einfahrt in eine Haltestelle,
6 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Schienenfahrzeug bei der Einfahrt in die Haltestelle,
7 bis 15 zeigen schematisch das Ein- und Ausfahren des erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugs in und aus der Haltestelle.
In 1 ist ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs 1 und ein Bereich einer Haltestelle eines erfindungsgemäßen Streckennetzes dargestellt. Das Streckennetz weist einen in seiner Länge begrenzten Fahrdraht 3 auf, welcher als Deckenstromschiene im Bereich der Haltestelle ausgebildet ist.
Die Spannungsversorgung des Fahrdrahts 3 übernimmt ein Umspannwerk 16, auch Unterwerk genannt. Um eine Rückspeisung von elektrischer Energie aus dem Fahrzeug 1 in den Fahrdraht 3 zu vermeiden ist ein weiteres elektrisches Bauelement 15 zwischen dem Umspannwerk 16 und dem Fahrdraht 3 vorgesehen, das Strom in Richtung des Fahrdrahts 3 passieren lässt und in Richtung des Umspannwerks 16 isolierend wirkt – eine sogenannte Anti-Rückspeise-Diode.
Das Fahrzeug 1 ist ein Schienenfahrzeug, welches auf wenigstens einer Schiene 9 fährt und von dieser geführt wird. Die Schiene 9 könnte dabei gleichzeitig zur Ableitung von elektrischen Strömen in das Erdreich und damit zu einem Potentialausgleich dienen. Die Schiene 9 liegt auf dem Erdpotential (Ground). Die Schienen können aber auch gegenüber der Erde isolieren und dienen zur Weiterleitung des Stroms zum Unterwerk, wo die Erdung erfolgt.
Auf dem Dach des Fahrzeugs 1 ist ein Stromabnehmer 2 zur Übertragung von elektrischer Energie aus dem Fahrdraht 3 auf das Fahrzeug angeordnet. Zusätzlich umfasst das Fahrzeug 1 einen Energiespeicher 10 zur Bereitstellung von elektrischer Energie zum Antrieb des Fahrzeugs. Der Energiespeicher 10 ist mit dem Stromabnehmer 2 über einen Schalter 14 verbunden. Die Verbindung dient primär zum Aufladen des Energiespeichers 10 aus dem Fahrdraht 3 mit elektrischer Energie, welche vom Stromabnehmer 2 zum Energiespeicher 10 geleitet wird.
Darüber hinaus weist das Fahrzeug wenigstens ein elektrisches Bauelement 12 auf, welches ausgebildet ist, eine vom Energiespeicher 10 aufgebaute Quellenspannung U3 in eine vorgegebene Fahrspannung U2 und in eine vorgegebene Versorgungsspannung U1 des Fahrdrahts 3 zu wandeln. Das Bauelement 12 ist hier ein Hoch-/Tiefsetzsteller. Die Spannungen bemessen sich jeweils gegenüber dem Erdpotential der Schiene 9 und sie sind unterschiedlich groß. Der Fahrdraht und der Stromabnehmer liegen also auf unterschiedlichen Spannungsniveaus – die Fahrspannung und die Versorgungsspannung sind unterschiedlich, wenn keine Verbindung besteht.
Während das Fahrzeug mit Energie aus dem Energiespeicher angetrieben wird, liegt vor dem Schalter 14 die Fahrspannung U2 an, bei geschlossenem Schalter 14 auch am Stromabnehmer.
Das elektrische Bauelement 12 ist geeignet, die Fahrspannung bei der Fahrt mittels Energie aus dem Energiespeicher 10 auf den Wert der Versorgungsspannung U1, welche am Fahrdraht 3 anliegt, zu konvertieren, d.h. anzuheben und/oder abzusenken.
Hier ist ein Hoch-/Tiefsetzsteller als elektrisches Bauelement 12 vorgesehen und mit dem Energiespeicher 10 verbunden, um die Spannungsdifferenz zwischen der Fahrspannung und der Versorgungsspannung des Fahrdrahts 3 zumindest kurzzeitig zu kompensieren.
Das Energiespeichersystem umfasst somit den Energiespeicher 10 und das elektrische Bauelement 12 zur Spannungswandlung.
Der Stromrichter ist regelbar ausgebildet. Die Steuerung erfolgt über eine Empfangseinheit 13 zum Empfangen und Auswerten einer Ortsinformation und zur Regelung des Stromrichters in Abhängigkeit der Ortsinformation. Hier ist die Empfangseinheit 13 eingerichtet und in der Lage die momentanen Ortskoordinaten des Fahrzeugs in einem vorgegebenen Koordinatensystem anhand von Signalen von einem Navigationssatellitensystems zu bestimmen.
Neben dem Stromrichter des Energiespeichersystems weist das Fahrzeug einen weiteren Stromrichter 17 auf, über welchen Fahrmotoren als Antriebsaggregate 11 des Fahrzeugs sowohl mit dem Energiespeicher 10, als auch mit dem Stromabnehmer 2 elektrisch verbunden sind. Er dient zur Versorgung und Ansteuerung der Antriebsaggregate des Fahrzeugs 1 und wird daher auch Antriebsumrichter genannt. Hier handelt es sich um einen Wechselrichter. Der zweite Stromrichter 17 ist den zugeordnet – das Antriebssystem 18 wird analog zum Energiespeichersystem gebildet aus den Fahrmotoren als Antriebsaggregaten 11 und dem zweiten Stromrichter 17.
Im vorliegenden Fall kann also bei der Wandlung der Fahrspannung U2 auf den Wert der vorgegebenen Versorgungsspannung U1 des Fahrdrahts 3 von einer Anpassung der Zwischenkreisspannung gesprochen werden.
Vor dem Anheben oder dem Absenken der Zwischenkreisspannung wird mittels einer Empfangseinheit 13 ein Steuerungssignal erfasst und daraufhin der Eingangsstromrichter so angesteuert, dass die Zwischenkreisspannung auf oder über das vorgegebene Niveau der Versorgungsspannung angehoben oder abgesenkt wird. Das Steuerungssignal stammt von wenigstens einem fahrzeugexternen Signalgeber.
In die Bestimmung des exakten Zeitpunkts der Wandlung der Fahrspannung auf das Niveau der Versorgungsspannung kann auch eine vom Fahrzeug zurückgelegte und selbst errechnete Wegstrecke einfließen, die beispielsweise an einem Rad eines selbst nicht angetriebenen Lauffahrwerks gemessen wird, insbesondere seit dem Zeitpunkt des Erfassens des Steuerungssignals durch die Empfangseinheit 13.
Der Signalgeber kann dabei ortsfest im Bereich des Fahrdrahts angeordnet sein, beispielsweise eine Entfernungs-, Brems- oder Ortsbake im Gleis kurz vor der Haltestelle mit dem Fahrdraht 3.
Hier werden durch die Empfangseinheit 13 Daten eines Navigationssatellitensystems empfangen und ausgewertet. Es ist entsprechend komplementär dazu ausgebildet. Darüber hinaus ist es geeignet zur Verarbeitung der genannten Daten und zur Ansteuerung des elektrischen Bauelements 12.
Zwischen zwei Abschnitten des Streckennetzes mit Fahrdraht 3, also insbesondere zwischen zwei Haltestellen, wird das Fahrzeug 1 mit Energie aus dem Energiespeicher 10 angetrieben. Dabei wird eine Fahr- bzw. Zwischenkreisspannung von vorgegebenem Betrag bereitgestellt, welcher verschieden ist eines Betrags der Versorgungsspannung des Fahrdrahts 3.
Um Lichtbögen zu vermeiden wird kurz vor dem Kontakt des Stromabnehmers 2 mit dem Fahrdraht 3 die Fahr- bzw. Zwischenkreisspannung zumindest auf oder über den Betrag der Versorgungsspannung erhöht. Zum Laden des Energiespeichers wird die Spannung wieder abgesenkt.
In 2 ist ein Schienenfahrzeug 1 des Stands der Technik dargestellt, mit einem mittig angeordneten, konventionellen Einholmstromabnehmer 2 auf dem Dach des Schienenfahrzeugs zur Kontaktierung einer ortsfesten Oberleitung als Fahrdraht. Zum Vergleich zeigt 3 ein erfindungsgemäßes Fahrzeug 1, hier ein Niederflur-Schienenfahrzeug, des öffentlichen Personennahverkehrs, mit zwei deutlich kleineren, erfindungsgemäßen Stromabnehmern 2. Diese sind angeordnet und ausgebildet, galvanische Verbindungen mit einer festen Deckenstromschiene als ortsfesten Fahrdraht 3 herzustellen.
Der erfindungsgemäße und komplementär zum Fahrzeug ausgebildete Fahrdraht 3 ist in der Prinzipdarstellung der 4 abgebildet. Sie ist als feste Stromschiene ausgeführt. Daher könnte sie auch als Deckenstromschiene bezeichnet werden. Allgemein wird ein Fahrdraht auch als Fahrleitung bzw. Oberleitungsfahrdraht oder einfach nur Oberleitung oder Stromschiene genannt. Der Fahrdraht 3 ist beidseitig gekröpft. Er weist auf einer ersten Seite eines Mittelteils 4 einen daran anschließenden ersten Endabschnitt 5 und auf der gegenüberliegenden, zweiten Seite des Mittelteils 4 einen sich analog daran anschließenden, hier baugleichen zweiten Endabschnitt 6 auf. Beide Endabschnitte 5 und 6 bilden Ein- und Ausfahrrampen.
Die Endabschnitte 5 und 6 verlaufen jeweils gerade. Zwischen den jeweiligen Endabschnitten 5 und 6 und dem Mittelteil 4 sind jeweils Radien vorgesehen, die einen stetigen Übergang von den jeweiligen Endabschnitten 5 und 6 auf den Mittelteil 4 erlauben. Die Endabschnitte 5 und 6 weisen vorgegebene und hier gleiche Winkel zum Mittelteil 4 und Längen auf. Die Winkel ergeben sind in Abhängigkeit von Auftreff-Geschwindigkeit und Auftreff-Kräften und Festigkeit von Stromabnehmer und Schleifleisten des Fahrzeugs. So weisen die Endabschnitte 5 und 6 jeweils an dem vom Mittelteil 4 abgewandten Ende den größten Abstand zum Mittelteil 4 auf.
Da der Mittelteil 4 eine im Wesentlichen konstante, vorgegebene Höhe über der Schiene aufweist und der erste und der zweite Endabschnitt 5 und 6 eine vom Mittelteil ausgehend zunehmende Höhe über der Schiene aufweist, haben die Endabschnitte 5 und 6 jeweils an dem vom Mittelteil 4 abgewandten Ende die größte Höhe über der hier nicht näher veranschaulichten Schiene.
In diesem Ausführungsbeispiel ist ein weiterer, dritter Endabschnitt 7 vorgesehen, der sich an den dem Mittelteil 4 abgewandten Ende des ersten Endabschnitts 5 anschließt und ein zum dritten Endabschnitt 7 identischer, vierter Endabschnitt 8, der sich in analoger Weise an den zweiten Endabschnitt 6 anschließt. Ihre Winkel zum Mittelteil 4 sind größer als die Winkel des ersten und zweiten Endabschnitts 5 und 6. Ihre Längen dagegen deutlich kürzer als die des ersten und zweiten Endabschnitts 5 und 6. Auch der dritte und vierte Endabschnitt sind mittels Übergangsbögen mit vorgegebenen Radien mit dem ersten, respektive zweiten Endabschnitt verbunden. Der dritte und vierte Endabschnitt 7 und 8 dienen vor allem in einem Notfall, um ein Einfädeln des Stromabnehmers in einem Bereich über dem Fahrdraht in jedem Fall zu verhindern.
Denn in der Regel fädelt der Stromabnehmer des Fahrzeugs im ersten oder zweiten Endabschnitt 5 und 6 des Fahrdrahts 3 ein. Dazu sind der angehobene Stromabnehmer des Fahrzeugs und der Fahrdraht so ausgebildet und aufeinander abgestimmt, dass Schleifleisten des Stromabnehmers bei der Einfahrt des Fahrzeugs in die Haltestelle eine Höhe über der Schiene aufweisen, die mindestens so groß ist, wie die im Wesentlichen konstante Höhe des Mittelteils 4 des Fahrdrahts und höchstens so groß ist, wie die größte Höhe des angehobenen ersten und/oder zweiten Endabschnitts 5 und/oder 6 des Fahrdrahts über der Schiene.
Dazu sind insbesondere die in 5 skizzierten Toleranzen für die Toleranzkette zu berücksichtigen und mit einzubeziehen. 6 veranschaulicht dabei das Auftreffen des Stromabnehmers im zulässigen Rampenbereich des ersten Endabschnitts 5 unter Berücksichtigung aller Toleranzen Δ.
Die Toleranzkette Δ von Infrastruktur Δ1, Fahrzeug Δ2, Fahrdraht Δ3 und Stromabnehmer Δ4 ist so bemessen, dass der Stromabnehmer immer im Bereich des ersten oder zweiten Endabschnitts 5 oder 6 auftrifft, wobei die Toleranz Δ kleiner oder gleich der Gesamthöhe des ersten oder zweiten Endabschnitts 5 oder 6 gegenüber dem Mittelteil 4 beträgt.
Δ1 kennzeichnet hierbei die Toleranzen einer Höhe der Schiene 9 über einer Grundfläche, auf welcher die Schienen 9 befestigt sind. Δ3 kennzeichnet die Toleranzen einer Höhe des Mittelteils 4 des Fahrdrahts über der Grundfläche, auf welcher der Fahrdraht befestigt ist. Δ2 kennzeichnet die Toleranzen einer Höhe eines Dachs des Fahrzeugs 1 über der Schiene 9, auf welchem Dach der Stromabnehmer 2 angeordnet ist. Und schließlich bezieht sich Δ4 auf die Toleranzen einer Höhe des angehobenen Stromabnehmers 2 über dem Dach des Fahrzeugs 1. Diese sind so bemessen, dass die Schleifleisten des angehobenen Stromabnehmers 2 bei der Einfahrt des Fahrzeugs 1 in die Haltestelle eine Höhe über der Schiene 9 aufweisen, die mindestens so groß ist, wie die im Wesentlichen konstante Höhe des Mittelteils 4 des Fahrdrahts und höchstens so groß ist, wie die größte Höhe des angehobenen ersten Endabschnitts 5 des Fahrdraht über der Schiene 9.
7 bis 15 zeigen ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben des Fahrzeugs.
Gemäß 7 wird das Fahrzeug mit zwei, auch zwischen zwei Haltestellen, angehobenen, sehr niedrigen Stromabnehmern betrieben, die auf dem Fahrzeugdach im Bereich der gegenüberliegenden jeweiligen Enden des Fahrzeugs angeordnet sind. Die Stromabnehmer bleiben während des Regelbetriebs des Fahrzeugs angehoben. Das Stromabnehmerdesign beinhaltet einen sehr kurzen Aufbau mit einer sehr geringen Arbeitshöhe.
Das Fahrzeug erhält kurz vor Einfahrt in eine Haltestelle mit dem Fahrdraht eine Ortsinformation als Steuerungssignal, hier über eine Empfangseinheit 13 eines Navigationssatellitensystems (8). Ein Bremsvorgang wird in Abhängigkeit dieses Steuerungssignals eingeleitet.
Es folgt das Einfahren des Fahrzeugs mit angehobenem erstem und zweitem Stromabnehmer in die Haltestelle und das lichtbogenfreie Herstellen eines galvanischen Kontakts zwischen dem ersten angehobenen Stromabnehmer und dem ersten Endabschnitt des Fahrdrahts und Übertragen von elektrischer Energie aus dem Fahrdraht auf das Fahrzeug.
Über die Einfahrrampe des Fahrdraht bzw. der Deckenstromschiene kann sich der Stromabnehmer dabei eigenständig einfädeln. Dies ist in der Detailansicht 9 skizziert.
Das lichtbogenfreie Herstellen des Kontakts erfolgt wiederum durch die oben beschriebene Kompensation der Spannungsdifferenzen zwischen Fahrspannung und Versorgungsspannung durch Wandeln der Fahrspannung auf das Niveau der Versorgungsspannung.
Es folgt das Weiterfahren des Fahrzeugs unter Beibehaltung des galvanischen Kontakts zwischen dem angehobenen ersten Stromabnehmer und dem Mittelteil des Fahrdrahts und gemäß 10 das Herstellen eines lichtbogenfreien galvanischen Kontakts zwischen dem angehobenen zweiten Stromabnehmer und dem ersten Endabschnitt des Fahrdrahts und das Übertragen von elektrischer Energie aus dem Fahrdraht auf das Fahrzeug. Das lichtbogenfreie Herstellen des Kontakts erfolgt hier identisch zum Kontakt zwischen dem ersten Stromabnehmer und des Fahrdrahts.
Anschließend (11) erfolgt der Halt des Fahrzeugs in der Haltestelle unter Beibehaltung des galvanischen Kontakts beider angehobenen Stromabnehmer und dem Mittelteil des Fahrdraht und unter Beibehaltung des Übertragens von elektrischer Energie aus dem Fahrdraht auf das Fahrzeug, insbesondere zum Laden der elektrischen Energiespeicher des Fahrzeugs.
Nach dem Halt fährt das Fahrzeug wieder aus der Haltestelle aus (12). Beschleunigt wird das Fahrzeug jedoch vorteilhaft mittels Energie aus dem Fahrdraht und nicht aus dem Energiespeicher auf dem Fahrzeug. Zunächst wird der galvanische Kontakt zwischen dem angehobenen ersten Stromabnehmer und dem Fahrdraht im Bereich des zweiten Endabschnitts lastlos getrennt (13). Durch die lastlose Trennung wird ein Lichtbogen vermieden. Über die Ausfahrrampe dem Fahrdraht bzw. der Deckenstromschiene kann sich der Stromabnehmer dabei eigenständig heraus bewegen. Dabei bleibt der galvanische Kontakt zwischen dem angehobenen zweiten Stromabnehmer und dem Mittelteil des Fahrdrahts und somit die Übertragen von elektrischer Energie aus dem Fahrdraht auf das Fahrzeug bestehen. Der zweite Stromabnehmer übernimmt also die Versorgung des Fahrzeugs alleine. Erst wenn der galvanische Kontakt zwischen dem angehobenen zweiten Stromabnehmer und dem Fahrdraht im Bereich des zweiten Endabschnitts lastlos getrennt wird (14), übernimmt der Energiespeicher des Fahrzeugs die Versorgung der Antriebsaggregate des Fahrzeugs. Das Fahrzeug fährt wiederum mit angehobenen Stromabnehmern zur nächsten Haltestelle weiter (15).
Um die Stromabnehmer lastlos zu trennen wird analog zum Herstellen des Kontakts wieder die Fahrspannung auf das Niveau der Versorgungsspannung gewandelt.
Erfindungsgemäß ist der fahrdrahtlose Betrieb mit dauerhaft gehobenem Stromabnehmer mit sehr geringer Arbeitshöhe. Dabei spielen folgende Aspekte eine wichtige Rolle:

– Die Stromabnehmer sind im Vergleich zu herkömmlichen Stromabnehmern deutlich verkleinert. Dadurch ist die Mechanik vereinfacht (Entfall „Kniegelenk“) und zudem die Ästhetik des Fahrzeugs verbessert.
– Selbsttätiges „Einfädeln“ des Stromabnehmers von fahrdrahtlosen in fahrdrahtüberspannte Abschnitte über gerampten Endabschnitte und Toleranzvorgaben bei festgelegten Maximalgeschwindigkeiten.
– Lichtbogenvermeidung bei Ein- und Ausfahrt.

Durch den dauerhaft gehobenen Stromabnehmer sind keine den Antrieb belastenden Hebe-/Senkzyklen erforderlich. Ein regelmäßiger Tausch der Antriebe kann entfallen, eine abnehmende Zuverlässigkeit durch ausfallende Antriebe wird vermieden.
Der Einsatz eines kostengünstigen elektrischen Standard-Stromabnehmer-Antriebs ist möglich. Durch die Einfahrt mit gehobenem Stromabnehmer wird sehr rasch eine Netzverbindung hergestellt und damit ein möglichst früh beginnender Ladevorgang für die fahrzeuginternen Energiespeicher ermöglicht. Dies ermöglicht minimale Haltezeiten.
Andererseits wird bei Ausfahrt eine möglichst lange Netzverbindung ermöglicht. Damit kann der Beschleunigungsvorgang maximal lange unter Oberleitungsversorgung stattfinden. Dies bedeutet eine Schonung der Energiespeicher und damit eine verlängerte Lebensdauer. Das Fahrzeug verlässt die Ladestation mit maximalem Energieinhalt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Artikel der Zeitschrift „Stadtverkehr“, 60. Jahrgang, Ausgabe 06/2015 wird auf den Seiten 20–22 [0002]

Claims

Fahrzeug (1) mit wenigstens einem Stromabnehmer (2) zur Übertragung von elektrischer Energie aus einem Fahrdraht (3) auf das Fahrzeug und mit wenigstens einem Energiespeicher (10), wobei zum Antrieb des Fahrzeugs während eines oberleitungslosen Betriebs eine Fahrspannung (U₂) aus einer vom Energiespeicher bezogenen elektrischen Energie bereitgestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug wenigstens ein elektrisches Bauelement (12) umfasst, welches ausgebildet ist, die Fahrspannung (U₂) auf mindestens den Wert einer vorgegebenen Versorgungsspannung (U₁) des Fahrdrahts (3) zu wandeln.
Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Empfangseinheit (13) zum Empfang eines Steuerungssignals aufweist, welche ausgebildet ist, ein Steuerungssignal von wenigstens einem fahrzeugexternen Signalgeber zu empfangen und das elektrische Bauelement (12) in Abhängigkeit des empfangenen Steuerungssignals zu steuern.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Hoch-/Tiefsetzsteller als elektrisches Bauelement (12) aufweist, um die Fahrspannung (U₂) auf den Wert der Versorgungsspannung (U₁) anzuheben.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromabnehmer (2) als Einholmstromabnehmer ausgeführt ist, wobei ein Oberarm des Stromabnehmers mittels eines Gelenks unmittelbar an einem Grundrahmen des Stromabnehmers gelagert ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es zwei Stromabnehmer (2) aufweist, einen ersten Stromabnehmer im Bereich eines ersten Fahrzeugkopfs an einem ersten Ende des Schienenfahrzeugs und einen zweiten Stromabnehmer im Bereich eines zweiten Fahrzeugkopfs an einem dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende des Schienenfahrzeugs (1), wobei wenigstens der erste Stromabnehmer über einen Schalter (14) mit dem Energiespeicher (10) verbunden ist.
Streckennetz für das Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei es einen Fahrdraht (3) im Bereich einer Haltestelle für das Fahrzeug (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Fahrdraht (3) und einem Umspannwerk (16) wenigstens eine Anti-Rückspeise-Diode (15) so angeordnet ist, dass sie einen Stromfluss in Richtung des Fahrdrahts (3) erlaubt und in Richtung des Umspannwerks (16) unterbindet.
Streckennetz nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrdraht (3) als feste Deckenstromschiene ausgebildet ist.
Streckennetz nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Signalgeber umfasst, welcher in vorgegebenem Abstand zum Fahrdraht angeordnet ist und welcher geeignet ausgebildet ist, ein Steuerungssignal zum Fahrzeug zu senden.
System aus wenigstens einem Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und mit einem Streckennetz nach einem der Ansprüche 6 bis 8.
Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in einem Streckennetz nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Einfahren des Schienenfahrzeugs mit ausgefahrenem Stromabnehmer in die Haltestelle frei von einem Kontakt zum Fahrdraht mittels Energie aus dem Energiespeicher des Schienenfahrzeugs; – Anheben der Fahrspannung von einem vorgegebenem Wert auf mindestens den Wert der vorgegebenen Versorgungsspannung des Fahrdrahts; – Herstellen eines galvanischen Kontakts zwischen dem ausgefahrenen Stromabnehmer und dem Fahrdraht und Übertragen von elektrischer Energie aus dem Fahrdraht auf das Schienenfahrzeug; – Ausfahren des Schienenfahrzeugs mit ausgefahrenem Stromabnehmer aus der Haltestelle und Trennen des galvanischen Kontakts zwischen dem ausgefahrenen Stromabnehmer und dem Fahrdraht; – Absenken der Fahrspannung auf den vorherigen, vorgegebenen Wert.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuerungssignal erfasst wird und die Fahrspannung auf mindestens den Wert der vorgegebenen Versorgungsspannung des Fahrdrahts in Abhängigkeit des Steuerungssignals angehoben wird und/oder dass ein Steuerungssignal erfasst wird und die die Fahrspannung in Abhängigkeit des Steuerungssignals von mindestens dem Wert der vorgegebenen Versorgungsspannung des Fahrdrahts auf den vorgegebenen Wert abgesenkt wird.