DE102018004716A1

DE102018004716A1 - Schienenfahrzeuge mit Batteriebetrieb und deren Strommanagement

Info

Publication number: DE102018004716A1
Application number: DE102018004716.5A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-06-14
Filing date: 2018-06-14
Publication date: 2019-12-19

Abstract

Es werden Vorschläge zum Betrieb für Oberleitungs- und Dieselzügen gemacht, die mittels zusätzlichem Batterieantrieb optimaler, kostengünstiger und sichererer fahren können.
Zudem wird für batterie- oder wasserstoffbetriebenen Zugstrecken (2) - insbesondere solche mit Lade- und Stromabgabeinseln (FIG.1) auf der Strecke - ein optimales Management mittels Übertragung von Betriebsdaten der Traktionsbatterien vorgeschlagen.

Description

Diese Schrift behandelt Eisenbahnen mit elektrischem Antrieb, wobei der Fahrstrom aus einem bordeigenen Batteriespeicher (zumindest teilweise) verwendet wird. Sie betrifft insbesondere entsprechende Lokomotiven oder Wagen mit entsprechenden Antriebseinheiten oder hierzu vorgesehenen Batteriespeichern . Dazu gehören auch mit Brennstoffzellen betriebene Züge, die für rasches Anfahren eine Batterie zuschalten, weil die Brennstoffzellen den Anfahrstrom dazu nicht befriedigend liefern. Die hier einbezogenen Fahrzeuge können neben einer bordeigenen Antriebsbatterie (Traktionsbatterie) für den Fahrbetrieb auch einen Oberleitungsbetrieb, einen Drittschienenbetrieb oder Dieselbetrieb aufweisen.
Im Umfeld der Erfindung sind keine entscheidenden Hinweise zur Lösung der u.e. Aufgabenstellung zu finden. In der WO 2009/010417 A2 ist ein batteriebetriebenes Schienenfahrzeug beschrieben. DE 10201622285 beschreibt Mittel für den Betrieb eines Zugfahrzeugs zwischen Hochvolt- und Niedervoltbetrieb. DE 1020162020955 Verbesserungen für einen Stromrichter, durch den man hindurchgehen kann. DE 10201620256 beschreibt einen optimalen Schienenfahrzeugverbund mit elektrischen Übergängen. EP 2759689A1 beschreibt einen Notfahrbetrieb für Züge mit Brennstoffzelle.
Mit der DE 10 2018 003 163 ist System zur Erweiterung der Reichweite batteriebetriebener Züge bekannt geworden. Dort sind oberleitungsfreie Eisenbahnstrecken („Dieselstrecken“) für batteriebetriebene Fahrzeuge mit Versorgungsinseln (Strominseln) beschrieben, in denen die Traktionsbatterien durch Stromlieferung von außen (per Netz oder aus stationären Batterien) auf- oder entladen werden. Dies kann auch während der Fahrt des Zuges geschehen. In Zukunft werden keine langen Ladezeiten benötigt, denn die Batteriekapazitäten, deren spezifisches Ladungsgewicht und deren Ladezeiten werden mit neueren Batterieentwicklungen die heutigen Gegebenheiten deutlich verbessern, z.B. durch Siliziumbatterien.
Es ist Aufgabe der Erfindung, sich mit der weiteren Anwendung batteriegetriebener Züge, ihrem sicheren Einsatz und deren elektrisches Lastmanagement zu befassen, auch um ein optimales Batterie- und Strommanagement zu ermöglichen. Zudem ist es Aufgabe, weitere Vorschläge für einen möglichst wirtschaftlich optimalen und sicheren elektrischen Zugbetrieb zu machen.
Die Lösung der Aufgabe ist in den Ansprüchen beschrieben. Im Folgenden werden dazu genauere Einzelheiten ausgeführt.
Der Betrieb mit Oberleitungszügen ist insbesondere bei Unwettern infolge beschädigter Fahrdrähte störanfällig. Ein so auf der Strecke liegen gebliebener Zug muss nach Abschalten der Oberleitung abgeschleppt werden oder warten, bis die Oberleitung repariert ist. Beides benötigt viel Zeit. Es wird daher vorgeschlagen, Oberleitungs-Loks mit zusätzlichem Batteriebetrieb (Stromwandler immer inklusiv) als Hilfsantrieb zu versehen. Der Batteriebetrieb ermöglicht es, sich aus dem (abgeschalteten) Bereich eigenständig herauszubewegen. Hierfür genügt meist ein Fahrbereich von wenigen, maximal aber 80 km, entsprechend einem Unterwerksabstand. Dies ist ein wesentlicher Vorteil, um die vernetzten Fahrpläne besser einzuhalten.
Dieselzüge sind wegen ihrer Abgase, in manchen Bahnhofsbereichen (z.B. unterirdisch) nicht einsetzbar. Sie können auch als Antrieb einen Strang Dieselmotor/Generator/ el. Motor aufweisen. Erfinderisch wird ein Hybridantrieb vorgeschlagen, der im abgasfreien Bereich den Zug batterieelektrisch antreibt und auf unkritischer Strecke mittels Dieselmotor gefahren wird. Der Dieselmotor kann, versehen mit einer Traktionsbatterie und Stromwandlern, so in einem optimalen Betriebszustand betrieben werden. Er kann zudem durch den zusätzlichen Batteriebetrieb auch eine geringere Leistungsdimensionierung als für einen Vollbetrieb nötig aufweisen. So kann der Zug universell kostengünstig fahren, da er keinen teuren und unnötigen Batterieballast (Vollbatteriebetrieb) oder schweren Motor (Volldieselbetrieb) mit sich führen muss. Zugleich ist es möglich, seinen Motor in einem optimalen Drehzahlbereich durch den Batteriepuffer und somit sparsam zu betreiben.
Züge mit Brennstoffzellen können sich im Fahrbetrieb mit niedrigem Energiebedarf autonom mittels der Brennstoffzelle bewegen. Im Bereich hohen Energiebedarfs, z.B. beim Anfahren, werden sie mit unterstützendem Batterieantrieb betrieben. Sie können erfinderisch an den vorgeschlagenen Strominseln ihre Energie aus der Traktionsbatterie abgeben oder aufladen und somit technisch und wirtschaftlich optimal fahren. Der Batteriebetrieb koppelt sich an den Inseln, z.B. an Stellen erhöhten Energiebedarfs, ein.
Generell sind Züge mit Oberleitungs- oder Brennstoffzellenbetrieb mit einer zusätzlichen Batteriebetriebseinheit für einen gesicherten Zugverkehr vorteilhaft.
Zum Strommanagement:
Die Stromübergabe zwischen Zug und einem stationärem Stromspeicher an einer vorgeschlagenen Strominsel kann generell per Kontakt oder induktiv erfolgen. 1 zeigt beispielhaft übertrieben skizziert eine in DE 10 2018 003 163 aufgezeigte Fahrstreckeninsel (1) mit einem Zug (1.1) mit (von links kommend, s. Pfeil) Steigungsabschnitt A, ebene Strecke B mit Haltestelle (HP), die vor dem Haltepunkt (HP) in die Abschnitte B1 und B2 vor und nach dem Haltepunkt unterteilt ist. Dazu ist eine Gefällstrecke (c) angedeutet. Parallel zur Strecke befindet sich eine Stromleitung (2, Oberleitung, Drittschiene, Kabel) mit Anschluss (2.1) an einen stationären Stromspeicher (3) oder ggf. direkt ans Netz (4). Stromspeicher oder Netz können vom Triebfahrzeug (1.1) beim Bremsen vor HP oder bei Talfahrt zurück gewonnene Energie - aber auch Energie von außen, insbesondere aus regenerativ arbeitenden Anlagen (Windkraft, Solarenergie, Biogasverstromung oder intern aus der Brennstoffzelle) - aufnehmen und in den Speicher (3) abgeben. Speicher (3) kann wiederum mit weiteren im Netz vorhandenen Speichern oder direkt mit dem Netz (4) verbunden sein. Dann ist es möglich, in die im Netz vorhandenen Puffer einzuspeichern. Je nach Ladezustand der Traktionsbatterie und dem Strombedarf an der weiteren Fahrstrecke kann an der Strominsel Strom geladen oder abgegeben werden.
Das Bahnnetz besteht aus einer Vielzahl von Fahrstrecken mit unterschiedlichem, auch zeitlich verschiedenem Bedarf an Fahrstrom bzw. Spitzenstrom. Es ist daher vorteilhaft, ein Lastmanagement vernetzt zu betreiben, um den verschiedenen Energiebedarf und insbesondere die benötigten Energiespitzen im Bahnnetz auszugleichen um Netzspitzen zu vermeiden, bzw. die Beibehaltung eines optimalen Fahrbetriebes zu ermöglichen. Dazu weisen die Züge entsprechende Messvorrichtungen und ggf. Auswertungsrechner oder Datenübermittlungseinrichtungen, bevorzugt auch an eine Außenstelle auf. So kann z.B. angewiesen bzw. geregelt werden, dass zurück gewonnene Energie, die nicht direkt für den Zugmotor benötigt wird, an einer Insel-Gefällstrecke (C, Fahrtrichtung siehe Pfeil) über eine vorhandene Leitung (Oberleitung, Drittschiene oder Kabel) zum Lokalen Speicher (3) eingespeist wird. Der Speicher (3) kann auch aus dem Netz (symbolisch 4) oder aus nachhaltigen Energielieferanten (Windkraft-, Solaranlagen) seine Energie beziehen und an den Zug abgeben. Es kann vorteilhaft sein, die z.B. per Rekuperation gewonnene Fahrtenergie aus der Traktionsbatterie teilweise in eine stationäre Batterie (3) oder in das Netz (4) auszuspeisen, wenn nachfolgend auf der Strecke weniger Strom (z.B. infolge weitere Gefälle oder weniger Haltepunkte) am Zugfahrzeug benötigt wird. Dies ist dann möglich, wenn die Zugbatterie genügend geladen ist oder mit Brennstoff / Brennstoffzellen oder mit kleinem Dieselmotor auf dem Folgeabschnitt genügend Energie aus Diesel- oder Brennstoffzellenbetrieb erhält. Dann kann einem nachfolgenden, z.B. in der Gegenrichtung fahrenden Zug diese Energie über den Außenspeicher (3) oder über das mit Speichern versehene Netz (4) zur Verfügung gestellt werden. Es sinnvoll, die in der Voranmeldung genannten stromzu- oder -abführenden Inseln (Stromflussinseln) an der Bahnstrecke in Bereichen guter Energiebereitstellung (Windkraft, Solaranlagen, Netzzugang) anzusiedeln.
Mittels Funk- oder Datennetz (D), (5) können Strecken-Betriebslastenwechsel und Batteriebetriebsdaten ermittelt, übertragen und ausgewertet werden, so dass auch neben dem Batteriemanagement eine weitere Optimierung der Stromversorgung bei minimalen Stromstärkenspitzen im Bahnnetz im Sinne eines Systembetriebes möglich ist. Dies gilt sowohl für Strecken mit Inselbetrieb, als auch auf den vom Batteriezug erreichten Strecken mit Stromversorgung, z. B. mittels Oberleitung. Der Stromfluss erfolgt bei Inselbetrieb stationär (z.B. an Haltestellen induktiv) oder ggf. während der Fahrt über eine am Gleisbett vorhandene Leitung (mechanisch über Oberleitung, Drittschiene, Kabel oder aber induktiv) in und aus den lokalen Einspeise- und Stromabgabestellen (3), oder direkt über das an Inseln vorhandene Stromnetz (4).
Die Betriebszustände der stationären Batterien (3) und/oder Traktionsbatterien (nicht dargestellt) werden mittels Daten aus bekannter Batterieüberwachungstechniken (z.B. auf Ladezustand, Tiefentladung, Überladungsschutz) erfasst und in einer Zentrale bzw. auch regionalen Zentralen - vorteilhaft über die an den Bahnstrecken vorhandenen Funkeinrichtungen (5) oder per Internet - überspielt. Die Daten werden und hinsichtlich des Batterieladebedarfs oder der Stromabgabemöglichkeit ausgewertet. Damit können auch im Verbund der Bord- und Stationärbatterien die Stromflüsse zeitnah vergleichmäßigt und so geschaltet werden, dass Stromspitzen vermieden und kostengünstige Energiebezüge bevorzugt werden. Auch werden Batterieausfälle rechtzeitig erkannt. Die Schaltlastmomente, z.B. beim Laden mehrerer Züge über das Netz, können durch Taktung verteilt werden. Es ist ferner möglich, die Fahrpläne in diesem Sinne abzustimmen. Die Schalt- und Auswertungsstellen können regional oder zentral angesiedelt sein.
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 Patentliteratur

WO 2009/010417 A2 [0002]
DE 10201622285 [0002]
DE 1020162020955 [0002]
DE 10201620256 [0002]
EP 2759689 A1 [0002]
DE 102018003163 [0003, 0010]

Claims

System für batteriebetriebene oder mit Batteriehilfsbetrieb versehene Eisenbahnzüge (1.1), dadurch gekennzeichnet, dass im Zug mitgeführten Traktionsbatterien und/oder an einer Strecke (2) zur Stromabgabe und/oder Stromaufnahme stationär positionierte Batterien (3) oder Netzanschlüsse (4) Mittel zur Überwachung ihres Batteriebetriebszustandes aufweisen, die Daten auf Entlade-, Lade- oder Ersatzbedarf ausgewertet und/oder zur Auswertung an eine Zentralstelle übermittelt werden, insbesondere um einen zeitnahes, technisch und / oder wirtschaftlich optimales Strommanagement des Zuges oder des Netzes zu ermöglichen.
System oder Fahrstrecke für batteriebetriebene oder Eisenbahnzüge mit Batteriehilfsbetrieb, dadurch gekennzeichnet, dass ein Datennetz für ein optimales Lastenmanagement für den Fahrbetrieb und / oder für ein optimales Batteriemanagement vorgesehen ist.
System für Eisenbahnzüge nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich längs einer nur teilweise für den Oberleitungs- oder Drittschienenbetrieb ausgerüstete Fahrstrecke zumindest eine Strominsel zur Abgabe oder Aufnahme von Strom aus oder in die Traktionsbatterien installiert ist, welche ihren Strom aus einer stationären Batterie oder dem Netz erhält, wobei die Lade- und Entladevorgänge dort durch das Strommanagement überwacht und geregelt werden.
System für Eisenbahnzüge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Strominseln Mittel (z.B. Oberleitung, Drittschiene) vorgesehnen sind, um die Stromübergabe aus Traktionsbatterien an einer Strominseln auch während der Fahrt des Zuges zu ermöglichen.
Elektrolokomotive mit Oberleitungs-, Diesel- oder Drittschienbetrieb oder entsprechender Triebwagen, dadurch gekennzeichnet, dass sie (er) eine zusätzliche, batteriebetriebene Traktionseinheit aufweist, die so in ihrer Leistung und Kapazität ausgelegt ist, dass sie geeignet ist, einen Zug aus einem geschädigten, stromlosen Oberleitungsbereich in einen stromführenden Bereich, maximal entsprechend einem Unterwerksabstand, zu befördern.
Lokomotiven oder Antriebseinheiten für Züge mit Dieselbetrieb, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Antriebs mit einer Traktionsbatterie der Dieselbetrieb auf einem optimalen Zustand betrieben werden kann und / oder die Batterieantriebseinheit ersatzweise den Antrieb übernimmt.
Lokomotiven oder Antriebseinheiten mit Traktionsbatteriebetrieb, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Einheit mit Dieselantrieb an Bord haben, insbesondere um größere Reichweiten und / oder einen energetisch optimalen Fahrzustand zu erreichen.
Lokomotiven oder Abtriebseinheiten mit Brennstoffzellen für den Antrieb, dadurch gekennzeichnet, dass für ihre mitgeführten Traktionsbatterien auf der Fahrstrecke Stromaufnahme- und Abgabestellen, insbesondere Strominseln angebracht sind, die Mittel aufweisen, um ihre Traktionsbatterien zu be- oder entladen.