DE102019211142A1

DE102019211142A1 - Verfahren zum Betreiben eines Schienenfahrzeugs und Schienenfahrzeug

Info

Publication number: DE102019211142A1
Application number: DE102019211142.4A
Authority: DE
Inventors: Michael Melzer; Rolf Fischperer; Michael Meinert
Original assignee: Siemens Mobility GmbH
Current assignee: Siemens Mobility GmbH
Priority date: 2019-07-26
Filing date: 2019-07-26
Publication date: 2021-01-28
Also published as: EP3947015A1; WO2021018582A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Schienenfahrzeugs mit wenigstens einem elektrischen Energiespeicher (ES) zur Speicherung von Traktionsenergie, bei dem der Innenwiderstand des ES zyklisch während des Betriebs bestimmt wird, sowie ein Schienenfahrzeug mit Mitteln zur Durchführung des betreffenden Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Schienenfahrzeugs und ein Schienenfahrzeug.
In Schienenfahrzeugen befinden sich fahrzeugseitig elektrische Energiespeicher mit welchen u.a. Traktionsenergie speicherbar ist. Insbesondere bei einem Betrieb von Schienenfahrzeugen, der durch einen häufigen Wechsel von Beschleunigungs- und Bremsvorgängen gekennzeichnet ist, kommen Energiespeicherlösungen zum Einsatz, da mit deren Hilfe die Bremsenergie mittels Rekuperation, bei der kinetische in elektrische Energie umgewandelt wird, nahezu vollständig genutzt werden kann.
Die Energiespeicher ermöglichen dadurch einen autonomen Betrieb auf kurzen Streckenabschnitten ohne weitere bordeigene Energiequellen oder Oberleitungsversorgung bzw. stellen vorübergehend eine geringere Stromaufnahme aus dem Fahrdraht sicher.
Solche Energiespeicher werden im laufenden Betrieb im permanenten Wechsel aufgeladen und wieder entladen. Aufgrund des Alterungsprozesses, dem die Energiespeicher unterliegen, müssen diese am Ende ihrer Lebensdauer Dazu ist insbesondere die Kenntnis des aktuellen Alterszustands, des sog. State of Da mit zunehmendem Alterungsprozess der Innenwiderstand von Energiespeichern, wie beispielsweise Doppelschichtkondensatoren (DSK) oder Li-Ionen Batterien, ansteigt, d.h. die Energiespeicher einen erhöhten Innenwiderstand aufweisen, ist der Innenwiderstand ein Indikator für den State of Health (SoH) des bzw. der Energiespeicher(s). Die Bestimmung des Innenwiderstands von DSK beispielsweise wie in IEC 62576 Kapitel 4.1.6 oder für Batterien nach IEC 62620 beschrieben, erfordert jedoch präzises Messequipment. Der Strom und die Spannung müssen zeitlich hochaufgelöst aufgezeichnet werden. Weiterhin muss die Entladung mit konstantem Strom erfolgen.
Für den Einsatz bzw. die Funktion von Energiespeichern im laufenden Betrieb eines Schienenfahrzeugs sind präzise Messwandler im Regelfall nicht notwendig und werden deshalb, insbesondere aus ökonomischen Gründen entsprechend nicht verbaut. Weiterhin ist die Entladung der Energiespeicher mit konstantem Strom in der Praxis aufgrund der verwendeten Bauteile bzw. der Gegebenheiten nach IEC 62576 Kapitel 4.1.6 oder IEC 62620 während des Betriebs normalerweise nicht möglich. Somit kann eine normgerechte Bestimmung des Innenwiderstands während des Betriebs in der Praxis nicht durchgeführt werden.
Deshalb sind üblicherweise zur Innenwiderstandsbestimmung Betriebsunterbrechungen und ggf. zusätzliches genaueres Messequipment notwendig. Der Innenwiderstand wird somit zu diskreten Zeiten außerhalb des normalen Betriebs erfasst, deren zeitliche Abstände recht groß sein können, da eine Unterbrechung des Betriebs, egal aus welchem Grund, nicht wünschenswert ist. Dadurch ist die Kenntnis über die zeitliche Entwicklung des Innenwiderstands eines entsprechend eingesetzten Energiespeichers lückenhaft und somit sind präventive Aussagen über die weitere Entwicklung des SoH und ein damit verbundener rechtzeitiger Austausch des Energiespeichers nur eingeschränkt möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur genaueren Bestimmung des Innenwiderstands und somit des Alterungszustands, also des SoH, eines Energiespeichers, anzugeben.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Merkmalen der abhängigen Patentansprüche wieder.
Dabei wird beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Schienenfahrzeugs, welches wenigstens einen elektrischen Energiespeicher (ES) zur Speicherung von Traktionsenergie aufweist, der Innenwiderstand des ES zyklisch während des Betriebs bestimmt.
Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, dass durch die zyklische Bestimmung des Innenwiderstands eines ES während des Betriebs eines Schienenfahrzeugs diesbezügliche Betriebsunterbrechungen nicht mehr notwendig sind, was entsprechende Kosteneinsparungen zur Folge hat. Des Weiteren kann die zeitliche Entwicklung des Werts des Innenwiderstands quasi kontinuierlich erfasst, verfolgt und dokumentiert werden, sodass daraus der jeweilig erreichte Alterungszustand, also der SoH, des Energiespeichers entsprechend abgeleitet und somit ein am Ende der Lebenszeit notwendiger, zustandsbasierter Austausch mit wesentlich höherer Genauigkeit vorgenommen werden kann.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der ES aus wenigstens einer Speicherzelle (SZ) mit wenigstens einem ersten Sensor zur Messung der elektro Spannung und wenigstens einem zweiten Sensor zur Messung des elektro Stroms und die Spannung, die beim Laden und Entladen der SZ anliegt und der Strom, der beim Laden und Entladen der SZ fließt, wird mittels des ersten und des zweiten Sensors permanent gemessen. Damit ist es, bei Bedarf, jederzeit möglich, beispielsweise zu Auswertungs- und/oder Überwachungszwecken auf die aktuellen Strom- und/oder Spannungswerte der jeweiligen Speicherzellen des Energiespeichers zuzugreifen. Der ES ist dabei aus einer oder mehrerer in Reihe und/oder parallel geschalteter Speicherzellen oder Speichermodule aufgebaut.
Bevorzugt sind die Speicherzellen des ES jeweils als Doppelschichtkondensatorzellen oder Doppelschichtkondensatormodule (DSK) ausgeführt, da diese aufgrund deren hoher Leistungsdichte sehr schnell Ladungen speichern und abgeben können und darüber hinaus eine hohe Zyklenstabilität bzgl. Lade- /Entladevorgängen aufweisen. Dies ist insbesondere vorteilhaft bei der Energierückgewinnung, der sogenannten Rekuperation, beispielsweise von Bremsenergie. Das erfindungsgemäße Verfahren ist aber in der Anwendung nicht auf Doppelschichtkondensatoren beschränkt, sondern ist ebenso für Batterien, insbesondere Li-Ionen-Batterien, aber auch für alle möglichen anderen elektrischen und elektrochemischen Energiespeicher anwendbar.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zu einem beliebigen Zeitpunkt während des Betriebs ein beliebiger Wert der gemessenen Spannung als erster Triggerspannungswert U_0c mittels eines, mit dem ES verbindbaren Datenspeichers gespeichert und fortlaufend mit der gemessenen Spannung verglichen. Dieser Wert dient als sehr einfach zu detektierender Ausgangswert für die erste Bestimmung des Innenwiderstands. Alternativ dazu ist der erste Triggerspannungswert festlegbar bzw. parametrierbar, wobei der entsprechende Wert vorteilhafterweise aus dem Werteraum genommen wird, den die gemessene Spannung während des Betriebs also bei den zyklischen Entlade- oder Ladevorgängen annimmt. Dabei ist der Triggerspannungswert prinzipiell ein Maß für die Leerlaufspannung Uoc(t) des ES, welches die Spannung über dem Energiespeicher ohne Last, also ohne den Spannungsabfall über dem Innenwiderstand angibt.
Besonders bevorzugt ist der Datenspeicher aus Platzgründen in den Energiespeicher integriert.
Nach einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird jeweils bei Übereinstimmung der gemessenen Spannung mit dem ersten Triggerspannungswert, bei den zyklischen Entlade- oder Ladevorgängen, der zu diesem Zeitpunkt gemessene Wert des Stroms des ES gespeichert, aus beiden Werten, des Triggerspannungswerts einerseits und des gemessenen Wert des Stroms andererseits, der Wert der gespeicherten elektro Energie E und der Wert des Quadrats des Stroms I²dt bestimmt und als Wertetupel im Datenspeicher gespeichert. Dabei besteht das erste gespeicherte Wertetupel aus dem entsprechenden gemessenen Wert des Stroms, dem Wert der gespeicherten elektr. Energie E und dem Wert des Quadrats des Stroms I²dt zum Zeitpunkt an dem die gemessene Spannung zum ersten Mal mit dem ersten Triggerspannungswert übereinstimmt. Bei jeder weiteren Übereinstimmung der gemessenen Spannung mit dem ersten Triggerspannungswert werden die entsprechenden Wertetupel jeweils, gemäß der zeitlichen Reihenfolge, aufeinanderfolgend gespeichert. Analog zum ersten Wertetupel bestehen die weiteren Wertetupel aus den entsprechenden Werten zu den jeweils späteren Zeitpunkten, an denen die gemessene Spannung wieder mit dem ersten Triggerspannungswert übereinstimmt und werden auch entsprechend bezeichnet. Somit kann vorteilhafterweise auch zu einem späteren Zeitpunkt auf alle Wertetupel und somit auf den entsprechenden zeitlichen Verlauf zurückgegriffen und dieser sowohl räumlich als auch zeitlich separat ausgewertet werden.
Nach einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Innenwiderstand des ES aus jeweils einem ersten und einem zweiten Wertetupel bestimmt und optional gespeichert, wobei sich der Innenwiderstand aus dem Quotienten der Differenz des Wertes der elektr. Energie E des zweiten und des ersten Wertetupels und der Differenz des Werts des Quadrats des Stroms I²dt des zweiten und des ersten Wertetupels bestimmt.
Besonders bevorzugt wird der Innenwiderstand zyklisch jeweils aus zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Wertetupeln bestimmt und optional gespeichert, wobei bei jeder erneuten Bestimmung des Innenwiderstands jeweils das aktuell gespeicherte Wertetupel als zweites Wertetupel und das unmittelbar vorhergehend gespeicherte Wertetupel als erstes Wertetupel verwendet wird.
Genauso ist es selbstverständlich jederzeit möglich den Innenwiderstand zyklisch jeweils aus zwei beliebigen, unmittelbar aufeinanderfolgenden Wertetupeln zu bestimmen und optional zu speichern, wobei jeweils das zeitlich später gespeicherte Wertetupel als zweites Wertetupel und das unmittelbar vorhergehend gespeicherte Wertetupel als erstes Wertetupel verwendet wird.
Der jeweils aktuelle Innenwiderstand R_i,n+1 wird dann entsprechend der folgenden Beziehung mittels Soft- und/oder Hardware berechnet. $R_{i, n + 1} = (E_{n + 1} - E_{n}) / (I_{n + 1}^{2} {dt}_{n + 1} - I_{n}^{2} {dt}_{n}); n e N; n > = 1$
Alternativ wird der Innenwiderstand zyklisch jeweils aus zwei gespeicherten Wertetupeln bestimmt, die bezüglich der zeitlichen Reihenfolge jeweils konstant voneinander beabstandet gespeichert sind, wobei jeweils das zeitlich später gespeicherte Wertetupel als zweites Wertetupel und das zeitlich früher gespeicherte Wertetupel als erstes Wertetupel verwendet wird. Dabei werden beispielsweise nur die jeweiligen n+2., n+3., etc. Wertetupel für die Bestimmung des jeweiligen Innenwiderstands verwendet.
In diesem Fall wird der aktuelle Innenwiderstand R_i,n+1 dann entsprechend der folgenden Beziehung mittels Soft- und/oder Hardware berechnet. $R_{i, n + 1} = (E_{n + m} - E_{n}) / (I_{n + m}^{2} {dt}_{n + m} - I_{n}^{2} {dt}_{n}); m,n e N; n > = 1; m > = 2$
Der ermittelte Innenwiderstand entspricht normalerweise dem Gesamtinnenwiderstand der Reihen- und/oder Parallelschaltung. Bei einer Betrachtung auf Speicherzell- bzw. Speichermodulebene ist entsprechend die Messung jeder Speicherzell- bzw. Speichermodulspannung und des jeweiligen Speicherzell- bzw. Speichermodulstroms notwendig.
Nach einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein zweiter Triggerspannungswert aus der Differenz des ersten Triggerspannungswerts und dem Produkt des jeweils aktuellen Innenwiderstands und dem gemessenen Wert des Stroms des zweiten Wertetupels, welcher zur Bestimmung des aktuellen Innenwiderstands hergenommen wurde, bestimmt, der den ersten Triggerspannungswert ersetzt.
Besonders bevorzugt wird zyklisch jeweils ein nachfolgender Triggerspannungswert aus der Differenz des vorhergehenden Triggerspannungswerts und dem Produkt des jeweils aktuellen Innenwiderstands und dem gemessenen Wert des Stroms des aktuellen Wertetupels, bestimmt, der den vorhergehenden Triggerspannungswert ersetzt.
Da der Wert der Triggerspannung ein Maß für die Leerlaufspannung U_0c(t) des ES ist, die jedoch selbst nicht direkt gemessen werden kann, wird durch die jeweilige zyklische Neubestimmung des Triggerspannungswerts, unter Verwendung des jeweils aktualisierten Werts des Innenwiderstands, und dem Ersetzen des vorherigen Triggerspannungswerts, der Wert für die Leerlaufspannung Uoc(t)und somit jeder darauffolgende Triggervorgang präziser. Dies wiederum bewirkt eine jeweils folgende präzisere Berechnung des Innenwiderstands, sodass auch die Bestimmung des SoH immer präziser bestimmbar ist.
Der jeweils aktuelle Triggerspannungswert bzw. die Leerlaufspannung U_0c,n+1 wird entsprechend nach der folgenden Beziehung bestimmt und kann mittels Soft- und/oder Hardware berechnet werden. $U_{0 c, n + 1} (t) = U_{0 c, n} (t) - R_{i, n + 1} I_{n + 1} (t)$
Eine weitere besonders bevorzugte Ausprägung der Erfindung berücksichtigt bei der Bestimmung des Innenwiderstands einen Symmetrierwiderstand.
Häufig kommen Reihen- und Parallelschaltungen von DSK-Zellen oder DSK-Modulen zur Bildung eines Energiespeichers zum Einsatz, wobei die DSK-Zellen oder -Module mit einem parallelen Widerstand zur Symmetrierung beschaltet werden. Ein solcher Symmetrierwiderstand gleicht Unterschiede der individuellen Eigenschaften der verwendeten Bauteile aus.
Ein Symmetrierwiderstand erzeugt eine entsprechende Verlustenergie E_sym, die die Bestimmung des Innenwiderstands verfälscht. Da die Eigenschaften und insbesondere die Dimensionierung des bzw. der Symmetrierwiderstände bekannt sind, lassen sich dessen bzw. deren Verluste abschätzen.
So lässt sich der Gesamtsymmetrierwiderstand R_sym,ges nach folgender Beziehung bestimmen. Dabei ist k die Anzahl der in Reihe verschalteter DSK-Zellen oder DSK-Module und I ist die Anzahl der parallel verschalteten Zweige von DSK-Zellen oder DSK-Modulen. $R_{sym, ges} = (k - R_{sym}) / I$
Die entsprechende Verlustenergie E_sym berechnet sich dann nach folgender Beziehung und kann mittels Soft- und/oder Hardware ebenfalls berechnet werden. $E_{sym} = Integral ((U^{2} (t) / R_{sym, ges})) dt$
Die Verluste E_sym werden ebenfalls bei jedem Triggervorgang mitgespeichert. Die Berechnung des jeweils aktuellen Innenwiderstands bestimmt sich dann nach folgender Beziehung und kann mittels Soft- und/oder Hardware ebenfalls berechnet werden. $\begin{array}{l} R_{i, n + 1} = {((E}_{n + m} - E_{sym, n + m}) - {(E}_{n} - E_{sym, n} {)/(I}_{n + m}^{2} {dt}_{n + m} - I_{n}^{2} {dt}_{n}); \\ m,n e N; n,m > = 1; \end{array}$
Elektrisch aber nicht funktional identisch kann ein bekannter Wert des Selbstentladewiderstandes nach obigem Berechnungsprinzip berücksichtigt werden, was den Vorteil mit sich bringt, dass auch bei langen Betriebspausen eine sinnvolle Auswertung des Innenwiderstands möglich ist, da bei Nichtbeachtung des Selbstentladewiderstands oder des Symmetrierwiderstands eine Verfälschung des Ergebnisses erfolgt.
Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausprägung der Erfindung wird aus dem Innenwiderstand der Alterungszustand des ES abgeleitet und bei Erreichung eines vorgebbaren Werts ein Hinweis mittels einer Warneinrichtung ausgelöst.
In der Regel sind die Eigenschaften und damit auch der Wertebereich des erhöhten Innenwiderstands eines gealterten Energiespeichers bekannt. Somit kann ein entsprechender Wert als Vergleichswert im Datenspeicher eines verwendeten Batteriemanagementsystems hinterlegt werden. Bei Erreichen dieses Werts ist das vorgesehene Alter, der SoH, erreicht und der betreffende ES soll dann ausgetauscht werden, um vorteilhafterweise einen unkontrollierten Austauschvorgang zu einem späteren Zeitpunkt und damit eine außerplanmäßige Betriebsunterbrechung zu vermeiden. Der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zyklisch bestimmte Innenwiderstand wird demgemäß permanent mit dem hinterlegten Vergleichswert abgeglichen und bei Erreichen des hinterlegten Werts wird eine entsprechende Warneinrichtung ausgelöst. Beispielsweise kann ein entsprechender Hinweis beim Fahrer des Schienenfahrzeugs angezeigt werden. Dabei umfasst die entsprechende Warneinrichtung sowie eine von der Warneinrichtung abgesetzte Warnung bzw. ein entsprechender Hinweis alle möglichen Arten, wie beispielsweise auf optischer oder akustischer Grundlage, ohne Beschränkung auf ein bestimmtes anzuwendendes Prinzip und/oder die Ausführung einer bestimmten Warneinrichtung.
Eine weitere, ganz besonders bevorzugte Ausprägung der Erfindung ist ein Schienenfahrzeug mit Mitteln zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Das beschriebene Verfahren ermöglicht es, den Innenwiderstand eines Energiespeichers im laufenden Betrieb zu bestimmen, ohne den Betrieb zu beeinflussen. Die notwendigen Messmittel sind in der Regel schon verbaut und erzeugen keine Mehrkosten, wobei die Berechnung beispielsweise kostengünstig in einer Soft- und/oder Hardware umgesetzt werden kann. Weiterer Vorteil ist die quasi kontinuierliche Erfassung des Innenwiderstands, sodass unter Zuhilfenahme von vorhandenen Speichertemperaturen sogar Abhängigkeiten von Temperatur und Innenwiderstand bestimmbar sind. Besonders vorteilhaft kann mittels der kontinuierlichen Erfassung die zeitliche Entwicklung des Innenwiderstands verfolgt werden, wodurch der aktuelle SoH des betreffenden Energiespeichers abgeleitet werden kann und somit einen zustandsbasierten Service, bzw. Austausch erlaubt. Dadurch ist es möglich die Energiespeicher bis unmittelbar vor das Lebensdauerende zu betreiben und Kosten, insbesondere Austauschkosten zu minimieren. Weitere Möglichkeiten zur Nutzung des ermittelten Innenwiderstands ergeben sich bei der Steuerung oder Regelung einer Klimatisierung des Energiespeichers, was den Energieverbrauch reduzieren kann, oder die Lebensdauer der Energiespeicher erhöht.
Im Weiteren werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Ersatzschaltbild eines Energiespeichers (1) mit einer Speicherzelle (2),
2 ein Ersatzschaltbild eines Energiespeichers (10) mit zwei Speicherzellen (2, 12) und entsprechenden Symmetrierwiderständen (6,16),
3 ein Flussdiagramm zur prinzipiellen Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens und
4 ein Schienenfahrzeug (50) mit Energiespeicher (52).

In 1 ist ein Ersatzschaltbild eines Doppelschichtkondensator (DSK)-Energiespeichers (1) mit einer einzelnen Speicherzelle (2) dargestellt. Ein DSK-Energiespeicher (1) ist aus ein oder mehreren in Reihe oder Serie geschalteter solcher DSK-Speicherzellen (2) aufgebaut.
Das Ersatzschaltbild des Energiespeichers (1) in 1 zeigt den zugehörigen äquivalenten Innenwiderstand (3) sowie eine DSK-Speicherzelle (2) in Reihe geschaltet, die zusammen die Gesamtspannung UES (7) des Energiespeichers (1) bestimmen. Die Gesamtspannung (7) des Energiespeichers (1) wird mit mindestens einem Spannungssensor (4) und der Strom des Energiespeichers (1) mindestens mit einem Stromsensor (5) permanent gemessen.
2 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Doppelschichtkondensator (DSK)-Energiespeichers (10) mit zwei Speicherzellen (2, 12) sowie den zugehörigen äquivalenten Innenwiderständen (3, 13). Beim Energiespeicher (10) mit zwei Speicherzellen (2, 12) sind zwei parallel geschaltete Symmetrierwiderstände (6, 16) dargestellt, die Unterschiede der individuellen Eigenschaften der verwendeten Bauteile ausgleichen. Die Spannung des Energiespeichers (10) wird aus mindestens einem Spannungssensor (14) und der Strom des Energiespeichers mindestens mit einem Stromsensor (15) permanent gemessen.
3 zeigt ein Flussdiagramm zur prinzipiellen Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens zur zyklischen Bestimmung des Innenwiderstands (3,13) eines Energiespeichers (1,10,52) im laufenden Betrieb eines Schienenfahrzeugs (50).
So wird ausgehend von einer permanenten Messung der Spannung und des Stroms beim zyklischen Laden und Entladen des Energiespeichers (1,10,52) des Schienenfahrzeugs (50) mittels eines Spannungs- und eines Stromsensors (4,5) gemäß Schritt 20, im Schritt 22 zu einem beliebigen Zeitpunkt während des Betriebs ein beliebiger Wert der gemessenen Spannung als erster Triggerspannungswert mittels eines, mit dem ES (1,10,52) verbindbaren Datenspeichers (54) gespeichert, der im Schritt 24 im Folgenden fortlaufend mit der gemessenen Spannung verglichen wird. Dabei kann der Datenspeicher (54) auch in den ES (1,10,52) integriert sein. Alternativ kann der erste Triggerspannungswert im Schritt 22 auch separat festgelegt bzw. parametriert werden. Solange die gemessenen Spannungswerte nicht mit dem ersten Triggerspannungswert übereinstimmen (Schritt 26) wird mit Schritt 24 fortgefahren. Stimmt der gemessene Spannungswert mit dem ersten Triggerspannungswert überein (Schritt 26), dann wird zu Schritt 28 verzweigt und der zum Zeitpunkt der Übereinstimmung gemäß Schritt 26 gemessene Wert des Stroms des ES (1,10,52) gespeichert, aus beiden Werten der Wert der gespeicherten elektr. Energie E und der Wert des Quadrats des Stroms I²dt bestimmt und jeweils aufeinanderfolgend als unterschiedliche Wertetupel gespeichert. Dabei besteht das erste gespeicherte Wertetupel aus dem entsprechenden gemessenen Wert des Stroms, dem Wert der gespeicherten elektr. Energie E und dem Wert des Quadrats des Stroms I²dt zum Zeitpunkt an dem die gemessene Spannung zum ersten Mal mit dem ersten Triggerspannungswert übereinstimmt.
Als nächstes wird im Schritt 30 überprüft, ob wenigstens zwei Wertetupel vorliegen. Liegt noch kein zweites Wertetupel vor wird zu Schritt 24 zurückverzweigt und das Verfahren solange fortgesetzt, bis der gemessene Spannungswert des Energiespeichers (1,10,52) zum zweiten Mal mit dem Triggerspannungswert übereinstimmt (Schritt 26). Nach dem Abspeichern des zweiten Wertetupels gemäß Schritt 28 (s.o) wird (über Schritt 30) im Schritt 32 dann der Innenwiderstand (3,13) des ES (1,10,52) aus dem ersten und zweiten Wertetupel bestimmt und ebenfalls im Datenspeicher (54) gespeichert, wobei sich der Innenwiderstand (3,13) aus dem Quotienten der Differenz des Wertes der elektr. Energie E des zweiten und des ersten Wertetupels und der Differenz des Werts des Quadrats des Stroms I²dt des zweiten und des ersten Wertetupels berechnet. $R_{i} = (E_{2} - E_{1}) / (I_{2}^{2} {dt}_{2} - I_{1}^{2} {dt}_{1})$
Je nach Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann nach der ersten Bestimmung des Innenwiderstands Ri (3,13) des ES (1,10,52) in Schritt 34 wieder zurück zu Schritt 24 verzweigt werden und bei jeder weiteren Übereinstimmung der gemessenen Spannung mit dem ersten Triggerspannungswert gemäß der vorher beschriebenen Schritte 24 bis 34 die entsprechenden Wertetupel jeweils, gemäß der zeitlichen Reihenfolge, aufeinanderfolgend im verbundenen oder ggf. auch integierten Datenspeicher (54) gespeichert. Analog zum ersten Wertetupel bestehen die weiteren Wertetupel aus den entsprechenden Werten zu den jeweils späteren Zeitpunkten, an denen die gemessene Spannung wieder mit dem ersten Triggerspannungswert übereinstimmt und werden auch entsprechend bezeichnet. Auf diese Weise wird nach jeder neuen Übereinstimmung der gemessenen Spannung mit dem ersten Triggerspannungswert der dann jeweils aktuelle Innenwiderstand (3,13) des ES (1,10,52) aus zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Wertetupeln, nämlich dem dann aktuell gespeicherten und dem unmittelbar vorhergehend gespeicherten Wertetupel neu bestimmt und gespeichert, so dass die zeitliche Entwicklung des Innenwiderstands (3,13) quasi lückenlos dokumentiert wird und dadurch jeweils sofort nach erneuter Berechnung des Innenwiderstands (3,13) unmittelbar ausgewertet werden kann, aber auch, bei Bedarf, nachverfolgbar zu einem späteren Zeitpunkt separat ausgewertet werden kann.
In einer weiteren Ausführung des Verfahrens können bei der zyklischen Berechnung des Innenwiderstands (3,13) gemäß der vorher beschriebenen Schritte des Verfahrens alternativ auch zwei Wertetupel herangezogen werden, die nicht unmittelbar aufeinander folgen, sondern die bezüglich der Reihenfolge jeweils konstant voneinander beabstandet gespeichert wurden, wobei jeweils das später gespeicherte Wertetupel als zweites Wertetupel und das früher gespeicherte Wertetupel als erstes Wertetupel verwendet wird. Dabei werden beispielsweise nur die jeweiligen n+2., n+3., etc. gespeicherten Wertetupel für die Bestimmung des jeweiligen Innenwiderstands (3,13) verwendet. Bei der Berechnung des jeweiligen Innenwiderstands (3,13) wird beispielsweise im Fall n+3 normalerweise das aktuelle Wertetupel und das als drittletztes gespeicherte Wertetupel herangezogen. Hier sind selbstverständlich auch alle denkbaren anderen Möglichkeiten von dem erfindungsgemäßen Verfahren abgedeckt und erlaubt. Die entsprechenden Ausführungen werden entsprechend software- und/oder hardwaretechnisch abgebildet.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführung des Verfahrens kann, wie in 3 dargestellt, über Schritt 34 zusätzlich zyklisch jeweils ein neuer Triggerspannungswert in Schritt 36 berechnet bzw. festgelegt werden, der dann über die Verzweigung zurück zu Schritt 22 den jeweils vorhergehenden Triggerspannungswert ersetzt und das erfindungsgemäße Verfahren von dort, wie oben beschrieben, weiter fortsetzt.
Da der Triggerspannungwert ein Maß für die Leerlaufspannung Uoc(t) des ES ist, die jedoch selbst nicht direkt gemessen werden kann, wird durch die jeweilige zyklische Neubestimmung des Triggerspannungswerts, unter Verwendung des jeweils aktuell neu berechneten Wert des Innenwiderstands (3,13), und dem anschließenden Ersetzen des vorherigen Triggerspannungswerts, der Wert für die Leerlaufspannung Uoc(t)und somit jeder darauffolgende Triggervorgang, also der Vergleich der gemessenen Spannung des ES (1,10,52) mit dem jeweils gültigen Triggerspannungswert, präziser. Dadurch wird auch jede folgende Berechnung des Innenwiderstands (3,13) präziser, sodass letztlich auch die Bestimmung des SoH immer präziser wird.
So berechnet sich der neue, beispielsweise der zweite Triggerspannungswert, in Schritt 36 aus der Differenz des ersten Triggerspannungswerts und dem Produkt des zu diesem Zeitpunkt aktuell berechneten Innenwiderstands (3,13) und dem zugehörigen gemessenen Wert des Stroms des zweiten Wertetupels, mittels dessen der Innenwiderstand (3,13) berechnet wurde, der dann gemäß Schritt 22 an die Stelle des ersten Triggerspannungswerts tritt und den ersten Triggerspannungswert ersetzt.
Der zweite Triggerspannungswert bzw. die korrespondierende Leerlaufspannung U_0c,2 bestimmt sich dann entsprechend nach der folgenden Beziehung $U_{0 c,2} (t) = U_{0 c,1} (t) - R_{i,2} I_{2} (t) .$
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführung kann im Schritt 34 zusätzlich der Wert des jeweils aktuell berechneten Innenwiderstands (3,13) mit einem vorab vorgegebenen Wert für den Innenwiderstand (3,13) verglichen werden, der den Alterungszustand, also den SoH des ES (1,10,52) kennzeichnet, und bei Übereinstimmung einen Hinweis bzw. eine Warnung mittels einer verbundenen Warneinrichtung auslöst, beispielsweise einen entsprechenden akustischen oder optischen Hinweis beim Fahrer des Schienenfahrzeugs (50) anzeigt. Das Erreichen dieses vorgegebenen Werts entspricht dem Erreichen des vorab vorgesehenen Alters, dem SoH, und der betreffende ES (1,10,52) soll zu diesem Zeitpunkt dann ausgetauscht werden, um vorteilhafterweise einen unkontrollierten Austauschvorgang zu einem späteren Zeitpunkt und damit eine außerplanmäßige Betriebsunterbrechung zu vermeiden. Dabei umfasst die entsprechende Warneinrichtung sowie eine von der Warneinrichtung abgesetzte Warnung bzw. ein entsprechender Hinweis alle möglichen Arten, wie beispielsweise auf optischer oder akustischer Grundlage, ohne Beschränkung auf ein bestimmtes anzuwendendes Prinzip und/oder die Ausführung einer bestimmten Warneinrichtung.
4 zeigt ein Schienenfahrzeug (50) mit einem Energiespeicher (52) bei dem der Innenwiderstand (3,13) des Energiespeichers (52) zyklisch während des Betriebs gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt wird. Dabei ist ein Datenspeicher (54) in den Energiespeicher (52) integriert.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Schienenfahrzeugs (50) welches wenigstens einen elektrischen Energiespeicher (ES) (1,52) zur Speicherung von Traktionsenergie aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenwiderstand (3,13) des ES (1,52) zyklisch während des Betriebs des Schienenfahrzeugs (50) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ES (1,52) aus wenigstens einer Speicherzelle (SZ) (2) mit wenigstens einem ersten Sensor (4) zur Messung der elektr. Spannung und wenigstens einem zweiten Sensor (5) zur Messung des elektr. Stroms besteht und der Strom, der beim Laden und Entladen der SZ (2) fließt und die Spannung, die beim Laden und Entladen der SZ (2) anliegt, mittels des ersten (4)und des zweiten Sensors (5) permanent gemessen (20) wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherzelle (2) des ES (1, 52) eine Doppelschichtkondensatorzelle ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu einem beliebigen Zeitpunkt während des Betriebs ein beliebiger Wert der gemessenen Spannung als erster Triggerspannungswert mittels eines, mit dem ES (1,52) verbindbaren Datenspeichers (54) gespeichert (22) wird und fortlaufend mit der gemessenen Spannung verglichen (24) wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Triggerspannungswert festlegbar (22) ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Datenspeicher (54) in den Energiespeicher (1,52) integriert ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils bei Übereinstimmung (26) der gemessenen Spannung mit dem ersten Triggerspannungswert der zu diesem Zeitpunkt gemessene Wert des Stroms des ES (1,52) gespeichert wird, aus beiden Werten der Wert der gespeicherten elektr. Energie E und der Wert des Quadrats des Stroms I²dt bestimmt und jeweils aufeinanderfolgend als unterschiedliche Wertetupel gespeichert (28) werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenwiderstand (3,13) des ES (1,52) aus jeweils einem ersten und einem zweiten Wertetupel bestimmt (32) und gespeichert wird, wobei sich der Innenwiderstand (3,13) aus dem Quotienten der Differenz des Wertes der elektr. Energie E des zweiten und des ersten Wertetupels und der Differenz des Werts des Quadrats des Stroms I²dt des zweiten und des ersten Wertetupels bestimmt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenwiderstand (3,13) zyklisch jeweils aus zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Wertetupeln bestimmt (32) und gespeichert wird, wobei bei jeder erneuten Bestimmung des Innenwiderstands (3,13) jeweils das aktuell gespeicherte Wertetupel als zweites Wertetupel und das unmittelbar vorhergehend gespeicherte Wertetupel als erstes Wertetupel verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenwiderstand (3,13) zyklisch jeweils aus zwei gespeicherten Wertetupeln bestimmt (32) und gespeichert wird, die bezüglich der zeitlichen Reihenfolge jeweils konstant voneinander beabstandet gespeichert sind, wobei jeweils das später gespeicherte Wertetupel als zweites Wertetupel und das früher gespeicherte Wertetupel als erstes Wertetupel verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Triggerspannungswert aus der Differenz des ersten Triggerspannungswerts und dem Produkt des Innenwiderstands und dem gemessenen Wert des Stroms des zweiten Wertetupels, bestimmt (36) wird, der den ersten Triggerspannungswert ersetzt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zyklisch jeweils ein nachfolgender Triggerspannungswert aus der Differenz des vorhergehenden Triggerspannungswerts und dem Produkt des jeweils aktuellen Innenwiderstands (3,13) und dem gemessenen Wert des Stroms des aktuellen Wertetupels, bestimmt (36) wird, der den vorhergehenden Triggerspannungswert ersetzt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung des Innenwiderstands (3,13) ein Symmetrierwiderstand (6, 16) berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Innenwiderstand (3,13) der Alterungszustand des ES (1,52) abgeleitet wird und bei Erreichung eines vorgebbaren Werts ein Hinweis mittels einer Warneinrichtung ausgelöst wird.
Schienenfahrzeug (50) mit Mitteln zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14.