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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrischen Energieversorgung von Kraftfahrzeugen mittels eines Versorgungssystems, wobei das Versorgungssystem mindestens ein Unterwerk mit zugeordneten Oberleitungen aufweist, ein Kraftfahrzeug mit Stromabnehmern zur Kontaktierung von Oberleitungen sowie ein Versorgungssystem mit mindestens einem Unterwerk und Oberleitungen.
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Es ist bekannt, straßengeführte Kraftfahrzeuge, insbesondere Lastkraftwagen, mit Stromabnehmern auszubilden, die dann elektrische Energie von Oberleitungen beziehen. Dabei wird typischerweise Gleichspannung verwendet, wobei die Spannung beispielsweise 600 V bis 1200 V beträgt. Dabei ist es weiter bekannt, dass das Versorgungssystem für die Oberleitungen Unterwerke aufweist, die beispielsweise alle 3 bis 5 km Energie einspeisen. Dabei ist sicherzustellen, dass die Leistungsgrenzen eines Unterwerks nicht überschritten werden. Kommt es zur Leistungsentnahme, so fließt ein Strom über die Oberleitungen, der einen Spannungsabfall zur Folge hat. Je größer der Strom, desto größer ist der Spannungsabfall. Dabei ist der Spannungsabfall auch größer, je weiter entfernt vom Einspeisepunkt des Unterwerks die Stromabnahme erfolgt.
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Eine mögliche Lösung ist es, dass die Kraftfahrzeuge die Spannungslage an den Oberleitungen erfassen und in Abhängigkeit der Spannungslage ihre Leistungsentnahme anpassen und im Extremfall einstellen. Gleiches gilt für eine denkbare Leistungseinspeisung, wenn beispielsweise ein Kraftfahrzeug Bremsenergie zurückspeisen will. Ein Nachteil ist, dass Kraftfahrzeuge, die weit vom Einspeisepunkt des Unterwerks entfernt sind, gegebenenfalls keine Energie mehr beziehen können, weil bei diesen die Spannungslage zu niedrig ist.
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Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Verfahren zur elektrischen Energieversorgung von Kraftfahrzeugen zu verbessern sowie hierfür geeignete Kraftfahrzeuge sowie ein Versorgungssystem zu schaffen.
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Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 7 sowie ein Versorgungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Das Verfahren zur elektrischen Energieversorgung von Kraftfahrzeugen erfolgt mittels eines Versorgungssystems, wobei das Versorgungssystem mindestens ein Unterwerk mit zugeordneten Oberleitungen aufweist und die Kraftfahrzeuge Stromabnehmer zur Kontaktierung der Oberleitung aufweisen. Die Kraftfahrzeuge teilen ihre zukünftige oder aktuelle Anwesenheit im Bereich des Unterwerks dem Unterwerk mit, wobei das Unterwerk oder eine übergeordnete Zentrale für die einzelnen Kraftfahrzeuge jeweils eine maximale Leistung bestimmt, die das jeweilige Kraftfahrzeug dem Versorgungssystem entnehmen oder einspeisen darf, wobei die bestimmte maximale Leistung dem jeweiligen Kraftfahrzeug durch das Unterwerk oder die Zentrale mitgeteilt wird. Das Unterwerk bzw. die Zentrale kennt dabei die Leistungsgrenzen des Unterwerks und kann diese entsprechend verteilen, da die Anzahl der Kraftfahrzeuge bekannt ist. Im einfachsten Fall wird dabei die Leistung gleichmäßig aufgeteilt. Durch die zusätzliche Kenntnis der Position der Kraftfahrzeuge kann dann bei der Zuteilung einerseits bereits berücksichtigt werden, dass bald zusätzliche Kraftfahrzeuge in den Bereich des Unterwerks einfahren (was einen erhöhten Leistungsbedarf bedeutet) sowie wieviel Verlustleistung zusätzlich aufgrund der Entfernung vom Einspeisepunkt zu berücksichtigen ist. Die Kommunikation zwischen den Kraftfahrzeugen und dem Unterwerk erfolgt dabei vorzugsweise drahtlos, beispielsweise mittels einer geeigneten Funkschnittstelle.
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In einer Ausführungsform wird die zugewiesene maximale Leistung der Kraftfahrzeuge dynamisch angepasst, also die zugewiesene Leistung kann beim Fahren unter der Oberleitung variieren.
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In einer weiteren Ausführungsform teilen die Kraftfahrzeuge ihre tatsächlich aufgenommene oder abgegebene Leistung dem Unterwerk mit. So kann es beispielsweise vorkommen, dass ein Kraftfahrzeug weniger Leistung entnimmt, weil beispielsweise aufgrund einer vollgeladenen Batterie und einer geringen Geschwindigkeit kein großer Energiebedarf besteht. In diesem Fall kann das Unterwerk die restliche Leistung anderen Kraftfahrzeugen zuordnen.
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In einer weiteren Ausführungsform erfassen die Kraftfahrzeuge die Spannungslage an den Oberleitungen und teilen diese dem Unterwerk mit. Dies verbessert die Bestimmung der aktuell entnommenen Leistung, da so der Strom bestimmbar ist, der über die Oberleitungen fließt, sodass die zusätzliche Verlustleistung an den Oberleitungen genauer bestimmt werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform übermitteln die Kraftfahrzeuge zusätzlich einen Leistungsbedarf und/oder weitere Informationen an das Unterwerk oder die Zentrale, wobei aus dem Leistungsbedarf und/oder den weiteren Informationen eine Priorität ermittelt wird, die bei der Leistungszuordnung berücksichtigt wird. Beispielsweise kann ein Kraftfahrzeug einen erhöhten Leistungsbedarf aufgrund schwerer Beladung und/oder einer stark entladenen Batterie haben, sodass dessen Leistungszuordnung erhöht wird. Andere Informationen, die die Priorität beeinflussen können, können beispielsweise sein, ob das Kraftfahrzeug ein Kühlfahrzeug, ein Gefahrengutfahrzeug oder ein Rettungsfahrzeug ist. Alternativ oder ergänzend kann ein Bezahl- oder Belohnungssystem implementiert sein, sodass beispielsweise ein Kraftfahrzeug zuvor auf eine zugeordnete Leistungsentnahme verzichtet hat, über Bonuspunkte eine höhere Priorität zugewiesen bekommt. Eine weitere Information kann beispielsweise sein, dass Kraftfahrzeuge im Platoon fahren. Um nun den Verkehrsfluss zu optimieren, kann den Kraftfahrzeugen des Platoons eine höhere Priorität zugeordnet werden.
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In einer weiteren Ausführungsform weist das Versorgungssystem mindestens zwei Unterwerke auf, wobei eine Zuordnung der maximalen Leistung durch das erste Unterwerk in Abhängigkeit eines Zustandes in einem nachfolgenden zweiten Unterwerk erfolgt. So kann beispielsweise die zugeordnete Leistung am Ende des ersten Unterwerks reduziert werden (was die Verlustleistung minimiert), wenn sichergestellt ist, dass das Kraftfahrzeug bei Einfahren in das zweite Unterwerk wieder ausreichend mit Energie versorgt werden kann.
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Das Kraftfahrzeug mit Stromabnehmern zur Kontaktierung von Oberleitungen und einer Steuereinrichtung für mindestens einen Wandler, die derart ausgebildet ist, den Energiefluss durch den Wandler zu steuern, weist eine Kommunikationsschnittstelle auf. Die Kommunikationsschnittstelle ist derart ausgebildet, um mit einem Unterwerk und/oder einer Zentrale von Unterwerken zu kommunizieren, wobei die Steuereinrichtung derart ausgebildet ist, den Wandler derart anzusteuern, dass eine vom Unterwerk oder der Zentrale übermittelte maximale Leistung nicht überschritten wird. Hinsichtlich der weiteren Ausgestaltungen wird auf die vorangegangenen Ausführungen Bezug genommen. Der Wandler kann dabei beispielsweise ein Wechselrichter, ein DC/DC-Wandler oder ein kombinierter Wechselrichter mit DC/DC-Funktionalität sein. Des Weiteren kann das Kraftfahrzeug derart ausgebildet sein, dass bei fehlenden Nachrichten des Unterwerks oder der Zentrale die Leistungsentnahme oder -abgabe in Abhängigkeit der Spannungslage der Oberleitungen erfolgt. Hierdurch kann das Kraftfahrzeug auch in nicht erfindungsgemäßen Unterwerken verwendet werden bzw. durch dieses Backup wird verhindert, dass bei einer Störung der Kommunikation das Unterwerk zu stark belastet wird.
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Das Versorgungssystem mit mindestens einem Unterwerk und Oberleitungen weist mindestens eine Kommunikationsschnittstelle auf, die derart ausgebildet ist, Informationen von Kraftfahrzeugen zu empfangen, wobei das Versorgungssystem derart ausgebildet ist, maximale Leistungen für die Kraftfahrzeuge zu ermitteln und an diese zu übermitteln. Das Versorgungssystem stellt dabei eine Gleichspannung zur Verfügung.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen:
- 1 ein Kraftfahrzeug mit Stromabnehmern,
- 2 ein schematisches Blockschaltbild eines Versorgungssystems mit Kraftfahrzeugen und
- 3 ein schematisches Blockschaltbild eines Kraftfahrzeugs.
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In der 1 ist schematisch ein Kraftfahrzeug 1 mit zwei Stromabnehmern 2 zur elektrischen Kontaktierung mit zwei Oberleitungen 3 dargestellt. Die Oberleitungen 3 führen eine Gleichspannung von beispielsweise 500 V bis 1200 V, wobei deren Spannungsversorgung durch Unterwerke 4 erfolgt (siehe auch 2), die Teil eines Versorgungssystems 5 sind.
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In der 2 ist nun schematisch ein solches Versorgungssystem 5 dargestellt. Das Versorgungssystem 5 umfasst ein erstes Unterwerk 4 und ein zweites Unterwerk 4, wobei das zweite Unterwerk 4 in Fahrtrichtung F der Kraftfahrzeuge 1 nachgeordnet ist. Jedes Unterwerk 4 weist einen Netzanschluss 6 sowie einen Wechselrichter 7 auf, um die Wechselspannung des Netzes in eine gewünschte Gleichspannung für die Oberleitungen 3 zu wandeln. Die Oberleitungen 3 verschiedener Unterwerke 4 können dabei durch Isolatoren 8 miteinander mechanisch verbunden sein oder aber beabstandet angeordnet sein, sodass elektrische Rückwirkungen der Unterwerke 4 untereinander verhindert werden. Weiter weist jedes Unterwerk 4 mindestens eine Kommunikationsschnittstelle 9 auf, um mit den Kraftfahrzeugen 1 und einer Zentrale 10 des Versorgungssystems 5 zu kommunizieren.
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Die Kraftfahrzeuge 1 übermitteln ihre Position an die Unterwerke 4, in deren Bereich sie sich befinden bzw. in dessen Bereich die Kraftfahrzeuge 1 zeitnah einfahren werden. Im dargestellten Zustand gemäß 2 befinden sich aktuell drei Kraftfahrzeuge 1 im Bereich des ersten Unterwerks 4 und ein Kraftfahrzeug 1 im Bereich des zweiten Unterwerks 4. Ein Kraftfahrzeug 1 befindet sich kurz vor dem ersten Unterwerk 4. Das letzte Kraftfahrzeug 1 im ersten Unterwerk 4 hat eine Position, sodass es zeitnah in den Bereich des zweiten Unterwerks 4 einfahren wird. Neben der Anwesenheit übermitteln die Kraftfahrzeuge 1 ihre Position, ihren Leistungsbedarf sowie weitere Daten. Die Unterwerke 4 können nun lokal selbst oder aber die Zentrale 10 zentral maximale Leistungen für jedes Kraftfahrzeug 1 bestimmen, die dieses maximal dem jeweiligen Unterwerk 4 entnehmen kann. Diese ermittelten maximalen Leistungen werden dann über die Kommunikationsschnittstellen 9 den Kraftfahrzeugen 1 übermittelt.
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Hierzu weisen die Kraftfahrzeuge 1 ebenfalls Kommunikationsschnittstellen 11 auf, wobei die übermittelte maximale Leistung an eine Steuereinrichtung 12 übertragen wird, die einen Wandler 13 entsprechend ansteuert (siehe auch 3). Der Wandler 13 wandelt dabei die Spannung von den Oberleitungen 3 in Spannungen für einen Elektromotor 14 und/oder eine Batterie 15. Die Steuereinrichtung 12 verfügt über weitere Daten D, die dieser übermittelt werden. Diese Daten D können beispielsweise Positionsdaten des Kraftfahrzeugs 1, Art des Kraftfahrzeugs 1 (Ladung, Rettungsfahrzeug) oder ein Leistungsbedarf sein. Diese Daten D sowie die tatsächliche Leistungsentnahme des Wandlers 13 werden an die Kommunikationsschnittstelle 9 der Unterwerke 4 zurück übermittelt, sodass die zugeordneten maximalen Leistungen für die einzelnen Kraftfahrzeuge 1 angepasst werden können.
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Dies soll nachfolgend an einem stark vereinfachten Beispiel erläutert werden. Dabei sei angenommen, dass das Unterwerk 4 X kW Leistung zur Verfügung stellen kann (vorzugsweise mit einer zusätzlichen Sicherheitsreserve). Aktuell sind drei Kraftfahrzeuge 1 im Bereich des ersten Unterwerks 4, wobei das linke Kraftfahrzeug 1 eher in den Bereich einfährt als das letzte Kraftfahrzeug 1 herausfährt. Weisen alle Kraftfahrzeuge 1 die gleiche Priorität auf, so wird jedem Kraftfahrzeug 1 X/4-Leistung als maximale Leistung zunächst übermittelt. Somit kommt es durch das Einfahren des ersten Kraftfahrzeugs 1 auch nicht zu irgendwelchen Leistungsanpassungen. Nach einer Weile sinkt der Leistungsbedarf des zweiten Kraftfahrzeugs 2, sodass nicht mehr die zugeordnete maximale Leistung benötigt wird, was dem Unterwerk 4 mitgeteilt wird. Diese nicht abgerufene Leistung kann das Unterwerk 4 dann den verbleibenden Kraftfahrzeugen 1 zuordnen. Das letzte Kraftfahrzeug 1 im ersten Unterwerk 4 nähert sich dann langsam dem Ende des ersten Unterwerks 4, wobei die Zentrale 10 dem ersten Unterwerk 4 mitgeteilt hat, dass im zweiten nachfolgenden Unterwerk 4 eine Leistungsreserve vorhanden ist, da sich aktuell nur ein Kraftfahrzeug 1 im zweiten Unterwerk befindet. Daraufhin reduziert das erste Unterwerk 4 die maximale Leistung des letzten Kraftfahrzeugs 1, da dessen Verluste aufgrund der Entfernung zum Einspeisepunkt am größten sind und anschließend im zweiten Unterwerk 4 wieder voll versorgt werden kann. Es ist aber auch möglich, unabhängig von der Versorgungslage im zweiten Unterwerk 4 den Kraftfahrzeugen 1 eine geringere maximale Leistung zuzuordnen, wenn diese sich vom Einspeisepunkt entfernen, wobei die Reduzierung beispielsweise in mehreren Stufen in Abhängigkeit von der Entfernung erfolgt.
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Des Weiteren können einzelnen Kraftfahrzeugen 1 erhöhte Prioritäten zugewiesen werden, sodass diesen im Vergleich zu anderen Kraftfahrzeugen 1 erhöhte maximale Leistungen zugeordnet werden können. Neben Sonderfahrzeugen kann dabei auch eine Verkehrsflusssteuerung berücksichtigt werden, um beispielsweise Fahrzeug-Platoons mit einem Führungsfahrzeug optimiert mit Energie zu versorgen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftfahrzeug
- 2
- Stromabnehmer
- 3
- Oberleitung
- 4
- Unterwerk
- 5
- Versorgungssystem
- 6
- Netzanschluss
- 7
- Wechselrichter
- 8
- Isolator
- 9
- Kommunikationsschnittstelle
- 10
- Zentrale
- 11
- Kommunikationsschnittstelle
- 12
- Steuereinrichtung
- 13
- Wandler
- 14
- Elektromotor
- 15
- Batterie
