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Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungsanordnung, insbesondere für elektrisch betriebener Fahrzeuge, insbesondere Schienenfahrzeuge, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Verfahren, insbesondere für die Energieversorgung elektrisch betriebener Fahrzeuge, insbesondere Schienenfahrzeuge, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12, sowie ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, insbesondere Schienenfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 13.
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Es ist bekannt, dass es technische Systeme gibt, bei denen unterschiedliche Betriebsspannungen benötigt werden. Beispiele für solche Systeme sind Fahrzeuge, wie insbesondere Schienenfahrzeuge oder andere Straßenfahrzeuge.
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Bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen kommt dabei üblicherweise eine Konfiguration zum Einsatz, bei der es einen ersten Stromkreis mit einem hohen Spannungsniveau gibt, der für die Traktion zuständig ist und somit auch als Hauptfunktion des Fahrzeugs angesehen werden kann, sowie einen zweiten Stromkreis mit einem niedrigen Spannungsniveau gibt, der für andere elektrische Verbraucher im Fahrzeug die Energieversorgung bereitstellt, welche oft als Hilfsbetriebe angesehen und bezeichnet werden.
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Dabei sind solche Systeme in der Regel so dimensioniert, dass die Hilfsbetriebe aus einer Batterie mit niedrigerem Spannungsniveau (Nennspannung) gespeist werden bzw. die Energieversorgung gestützt wird, während die Hauptfunktion, also beispielsweise die Traktion aus einer Batterie mit höherem Spannungsniveau (Nennspannung) gespeist wird.
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Hierfür werden typischerweise in solchen Fällen für die beiden Stromkreise zwei unterschiedliche Batterien installiert.
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In der vorstehend genannten Konfiguration liegen zwei Stromkreise vor. Da es sich in der Regel dabei um aufladbare Batterien handelt, benötigt bei der genannten Konfiguration jede Batterie ihr eigenes Ladegerät. Dies führt zu erhöhten Kosten, erhöhter Raumforderung und Einschränkungen bei der Gestaltung des Fahrzeugdesigns.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es daher, eine Lösung anzugeben, die die Nachteile der Energieversorgung gemäß dem Stand der Technik überwindet, insbesondere liegt die technische Aufgabe darin, eine derartige Energieversorgung für elektrisch betriebene Fahrzeuge, insbesondere Schienenfahrzeuge, anzugeben.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von der Anordnung zur Energieversorgung, insbesondere eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, beispielsweise eines Schienenfahrzeugs, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnenden Merkmale, ausgehend von dem Verfahren zur Energieversorgung, insbesondere eines elektrischen Fahrzeugs, insbesondere eines Schienenfahrzeugs, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11, durch dessen kennzeichnenden Merkmale sowie ausgehend von dem Schienenfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 13, durch dessen kennzeichnenden Merkmale gelöst.
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Bei der erfindungsgemäßen Energieversorgungsanordnung, insbesondere für elektrisch betriebene Fahrzeuge, beispielsweise Schienenfahrzeuge, gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung bestehend aus zumindest einer wiederaufladbaren Batterie ist die Batterie derart aus mindestens zwei Batteriemodulen gebildet, dass die Energieversorgung für einen ersten Zeitraum zumindest ein zweites, insbesondere dem ersten Spannungsniveau entsprechendes, Spannungsniveau für einen ersten an die Energieversorgungsanordnung angeschlossenen Gleichstromkreis sowie ein drittes Spannungsniveau für einen zweiten an die Energieversorgungsanordnung angeschlossenen Gleichstromkreis verfügbar ist und in einem zweiten zum ersten Zeitraum disjunkten Zeitraum die Batterie aus den Batteriemodulen derart gebildet ist, dass ein Ladegerät zur Wiederaufladung auf einem vierten, insbesondere dem ersten Spannungsniveau entsprechenden, Spannungsniveau, an die Batterie angeschlossen ist.
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Die erfindungsgemäße Anordnung stellt Einrichtungen für die Speisung von mindestens zwei Gleichstromkreisen eines elektrischen Fahrzeugs aus einer einzigen Anordnung heraus bereit, die dabei so flexibel betrieben werden können, dass sie im Lastbetrieb, also beim Entladen, mindestens zwei Spannungsniveaus zur Verfügung stellen und in einem Ladebetrieb durch nur ein bzw. gegenüber der Anzahl der zum Laden auf verschiedenen Spannungsniveaus nötigen einer um mindestens eins reduzierten Anzahl Ladegeräte geladen werden kann. Dies wird vor allem dadurch erreicht, dass sie eine Batterie umfasst, die durch mehrere Batteriemodule zusammengesetzt ist und zwar in der Art, dass deren elektrische Verschaltung variabel, also veränderbar ist und in der ersten Konfiguration derart verschaltet ist, dass eine Ladung aller Batteriemodule auf einem Spannungsniveau erfolgen kann, und in einer zweiten Konfiguration mindestens zwei unterschiedliche Spannungsniveaus zum Entladen zur Verfügung stehen.
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Die Erfindung bewirkt also unter anderem, dass die Module derart verschaltet werden können, dass sie allesamt auf einem ersten Spannungsniveau geladen werden können und zumindest ein Teil der Module auch auf diesem entladen werden können, durch Umschaltung jedoch zumindest ein Teil der Module auf einem zweiten Spannungsniveau, welches in der Regel ein vielfaches des ersten Spannungsniveaus ist, entladen werden können.
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Hierdurch kann mit einem einzigen Ladegerät die Aufladung der erfindungsgemäßen wiederaufladbaren Batterie erfolgen, so dass mindestens ein weiteres Ladegerät eingespart wird. Ferner erlaubt diese Ausgestaltung der Erfindung eine durch diese eine Batterie gegebene kompakte Anordnung zur Bereitstellung der Spannungsniveaus, so dass dies zum einen platzsparend und zum anderen hinsichtlich einer etwaigen erforderlichen Kühlung aufwandsarm ist.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Energieversorgung, insbesondere eines elektrischen Fahrzeugs, beispielsweise eines Schienenfahrzeugs, vorzugsweise unter Nutzung einer Energieversorgungsanordnung gemäß der Erfindung und/oder Weiterbildung hiervon, bei der als Energieversorgung eine Energieversorgunganordnung mit den elektrischen Verbrauchern des Fahrzeugs funktional verbunden wird, bei der eine Batterie derart aus mindestens zwei Batteriemodulen mit einem ersten Spannungsniveau betrieben wird, dass die Energieversorgung für einen ersten Zeitraum zumindest ein zweites, insbesondere dem ersten Spannungsniveau entsprechendes, Spannungsniveau für einen ersten an die Energieversorgungsanordnung angeschlossenen Gleichstromkreis bereitgestellt wird sowie ein drittes Spannungsniveau für einen zweiten an die Energieversorgungsanordnung angeschlossenen Gleichstromkreis und in einem zweiten zum ersten Zeitraum disjunkten Zeitraum die Batterie aus den Batteriemodulen derart betrieben wird, dass ein Ladegerät zur Wiederaufladung auf einem vierten, insbesondere dem ersten Spannungsniveau entsprechenden, Spannungsniveau, mit der Batterie funktional verbunden betrieben wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Speisung von mindestens zwei Gleichstromkreisen eines elektrischen Fahrzeugs aus einer einzigen Anordnung heraus, die dabei so flexibel betrieben werden kann, dass sie im Lastbetrieb mindestens zwei Spannungsniveaus zur Verfügung stellt und in einem Ladebetrieb durch nur ein bzw. mindestens um eins reduziertes Ladegerät auf einem Spannungsniveau geladen werden kann, da sie eine Batterie durch mehrere Batteriemodule zusammengesetzt betreibt und zwar in der Art, dass sie gesteuert wird, so dass die Zusammensetzung veränderbar betrieben wird. Das Verfahren ermöglicht dies vor allem bei Nutzung einer erfindungsgemäßen Energieversorgung.
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Ein dritter Aspekt der Erfindung ist durch das erfindungsgemäße elektrisch angetriebene Fahrzeug, insbesondere Schienenfahrzeug, gegeben, die eine Energieversorgungsanordnung gemäß Erfindung und/oder deren Weiterbildung und/oder Mittel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens aufweist.
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Das erfindungsgemäße Schienenfahrzeug zeichnet sich vor allem dadurch vorteilhaft aus, dass es die Mittel zur Durchführung des Verfahrens oder einer seiner Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfasst. Hierdurch trägt sie zur Implementierung und mutatis mutandis damit Realisierung der im Zusammenhang mit dem Verfahren genannten Vorteile bei. Dies ist insbesondere auch dann der Fall, wenn es die erfindungsgemäße Energieversorgungsanordnung aufweist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche angegeben.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinrichtung sind die Batteriemodule derart ausgestaltet und verbunden, dass als das zweite Spannungsniveau ein erstes ganzzahliges Vielfaches K1 des ersten Spannungsniveaus verfügbar ist und als das dritte Spannungsniveau ein zweites ganzzahliges Vielfaches K2 des Wertes des ersten Spannungsniveaus verfügbar ist. Hierdurch werden vereinfachte Schaltungen bzw. deren Steuerung, insbesondere durch damit leichter erzeugbaren Symmetrien von Teilschaltungen, erreicht.
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Alternativ oder ergänzend kann die erfindungsgemäße Energieversorgungsanordnung derart weitergebildet werden, dass die Verbindung der Batteriemodule derart schaltbar ausgestaltet ist, dass im ersten Zeitraum das zweite Spannungsniveau durch eine erste Zusammenschaltung von einer dem ersten ganzzahligen Vielfachen K1 entsprechenden ersten Anzahl Batteriemodulen verfügbar ist und das dritte Spannungsniveau durch eine zweite Zusammenschaltung von einer dem zweiten ganzzahligen echten Vielfachen K2 entsprechenden zweiten Anzahl Batteriemodulen verfügbar ist. Ein Vielfaches unterscheidet sich von einem echten Vielfachen bekannter Weise dadurch, dass ein echtes Vielfaches durch Multiplikation mit einer natürlichen Zahl > 1 erfolgt, also 2, 3...n, während das Vielfach durch Multiplikation mit einer natürlichen Zahl > 0 erfolgt, also 1, 2...n. Hierdurch und durch die Weiterbildung gemäß der die erfindungsgemäße Energieversorgungsanordnung derart weitergebildet ist, dass im ersten Zeitraum die erste Zusammenschaltung als Parallelschaltung der ersten Anzahl, insbesondere zwei, Batteriemodulen und die zweite Zusammenschaltung als Serienschaltung der zweiten Anzahl, insbesondere vier, Batteriemodulen ausgestaltet ist, wird die genannte Symmetrieeigenschaft ebenfalls unterstützt. Die Steuerung eines Umschaltvorgangs von erstem Zeitraum zu zweitem Zeitraum und vice versa wird damit erleichtert bzw. in optimaler Weise möglich.
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Hierzu trägt auch die Weiterbildung der erfindungsgemäßen Energieversorgungsanordnung bei der die Verbindung der Batteriemodule derart schaltbar ausgestaltet ist, dass im zweiten Zeitraum das vierte Spannungsniveau durch eine dritte, entweder als Parallelschaltung oder als Serienschaltung ausgestaltete, Zusammenschaltung aller Batteriemodule verfügbar ist, neben der Tatsache, dass sie eine Zusammenschaltung bereitstellt, die für die Ladung der Batterie geeignet ist, ebenfalls bei.
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Wird die erfindungsgemäße Energieversorgungsanordnung derart weitergebildet, dass die Batteriemodule jeweils derart ausgestaltet sind, dass durch sie jeweils das ein gleicher, insbesondere ein dem kleinsten Spannungsniveau, vorzugsweise dem Wert des ersten Spannungsniveau entsprechender, Wert des Spannungsniveaus bereitgestellt ist, wird ein Ladevorgang mit niedrigem Spannungsniveau möglich, welcher Vorteile hat, beispielsweise hinsichtlich einer bei der Dimensionierung der Bauteile zu berücksichtigenden Beanspruchung.
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Alternativ bzw. ergänzend kann die erfindungsgemäße Energieversorgungsanordnung derart weitergebildet werden, dass im ersten Zeitraum und/oder zweiten Zeitraum eine Parallelschaltung der Batteriemodule derart ausgestaltet ist, dass jeweils die Pluspole der Batteriemodule der Parallelschaltung miteinander sowie jeweils die Minuspole der Batteriemodule der Parallelschaltung verbunden sind und die Pluspole hierzu jeweils an einem das erste Spannungsniveau für die Energieversorgung bereitstellenden ersten Ausgang und die Minuspole an einem ein Bezugspotenzial, insbesondere Massepotenzial, für die Energieversorgung bereitstellenden zweiten Ausgang angeschlossen sind. Hiermit ist ein einfacher Schaltungsaufbau realisiert, der bevorzugt durch die Weiterbildung der erfindungsgemäßen Energieversorgungsanordnung bei der jeder Anschluss an den ersten Ausgang über einen ersten Umschalter mit dem ersten Ausgang trenn- sowie vice versa verbindbar ausgestaltet ist, vorteilhaft weitergebildet werden kann, da dies die einfache Umsetzung der Veränderbarkeit der Beschaltung ebenfalls unterstützt.
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Gleiches gilt für die Weiterbildung der erfindungsgemäßen Energieversorgungsanordnung, die alternativ oder ergänzend vorgesehen sein kann, bei der mindestens zu einem der ersten Umschalter eine, insbesondere mindestens durch einen mittels zweiten Umschalter zuschalt- sowie vice versa trennbaren Widerstand steuerbar ausgestaltete, Vorladeschaltung parallel geschalten ist.
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Wird die erfindungsgemäße Energieversorgungsanordnung derart weitergebildet, dass im ersten Zeitraum eine Serienschaltung der Batteriemodule derart ausgestaltet ist, dass der Pluspol des ersten Batteriemoduls der Serienschaltung an einem das dritte Spannungsniveau für die Energieversorgung bereitstellenden dritten Ausgang und beim letzten Batteriemodul der Serienschaltung der Minuspol an den zweiten Ausgang angeschlossen ist sowie beginnend beim ersten Batteriemodul der Pluspol des nachfolgenden Batteriemoduls jeweils über einen dritten Umschalter mit dem Minuspol des vorhergehenden) derart verbunden ist, dass die Verbindung trenn- sowie vice versa verbindbar ausgestaltet ist, kann auf einfache Weise eine das höhere Spannungsniveau bereitstellende Schaltung der hierfür vorgesehenen Batteriemodule bereitgestellt werden.
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Eine weitere Einsparung von Bauteilen ist gegeben, wenn die erfindungsgemäße Energieversorgungsanordnung derart weitergebildet wird, dass zumindest Teile der ersten, zweiten und/oder dritten Umschalter zu, insbesondere durch mehrpolige Schalter, gleichzeitig schaltbaren Gruppen zusammengefasst
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist gegeben, wenn die erfindungsgemäße Energieversorgungsanordnung derart weitergebildet wird, dass wenigstens zwei Batterien derart miteinander parallel verschaltbar sind, dass wenigstens eines der verfügbaren Spannungsniveaus einer jeden Batterie auf eine gemeinsame Schiene speisbar ist, wobei dies vorteilhaft derart weitergebildet wird, dass der Leistungsfluss unidirektional ist, also vorteilhafter Weise die Richtung des Leistungsflusses durch die Durchlassrichtung des Stromfluss bestimmende Bauteile, insbesondere Dioden, festgelegt werden kann.
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Alternativ oder ergänzend wird die Energieversorgungsanordnung derart weitergebildet, dass das Spannungsniveau aller zum Parallelschalten bestimmter Module unmittelbar vor dem Schaltvorgang durch Mittel zum Halten des Spannungsniveaus innerhalb einer vorgebbaren Bandbreite, insbesondere durch ein von den zuvor beschriebenen, insbesondere auf die Schalter bezogenen, Merkmalen der Weiterbildungen erfindungsgemäß ebenfalls umfassten System zur Erhaltung der Symmetrie, also innerhalb eines Toleranzbereiches gleicher Spannungsniveaus gleichartiger Module,(Symmetriersystems), gehalten wird, so dass keine Maßnahmen und damit keine separate Anordnung zum Spannungsangleich von Nöten ist.
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Weitere Vorteile und Details der Erfindung werden anhand der in der 1 und 3 schematisch als Schaltung dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung dargelegt, wobei anhand der Darstellungen jeweils sowohl der Aufbau als auch die Funktion erläutert werden.
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Dabei zeigt:
- 1 schematisch eine beispielhafte Schaltung von Batteriemodulen gemäß Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Energieversorgung und deren Funktionsweise gemäß Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wie sie in einem Ausführungsbeispiel im Rahmen der erfindungsgemäßen Anordnung, hier auf einem Schienenfahrzeug, betrieben wird,
- 2 Schematische Darstellung des Standes der Technik,
- 3 Schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels ohne Vorladeelemente.
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Bei dem im Folgenden in der 1 und 3 erläuterten und dem in 2 dargestellten Stand der Technik gegenübergestellten Ausführungsbeispielen, des Verfahrens und der Anordnung gemäß Ausführungen der Erfindung, handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung.
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Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind.
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Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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Gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Figuren haben sofern nichts Abweichendes genannt ist die gleiche Bedeutung.
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In der 1 ist als ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung schematisch eine typische Konfiguration der Energieversorgung eines Schienenfahrzeuges gezeigt.
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Bei dieser Konfiguration wird gemäß dem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer ersten gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Energieversorgung ausgestalteten Batterie BAT1 eine batterieinterne Umschaltung vorgenommen. Mit dieser erfindungsgemäßen batterieinternen Umschaltung wird damit erreicht, dass die Hauptfunktion oder der Hilfsbetrieb eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs oder sogar beide gleichzeitig mit der Energie aus ein und derselben Batterie versorgt werden, wobei gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugs, die Hauptfunktion die Versorgung der Traktion und der Hilfsbetrieb die Versorgung des Bordnetzes betreffen könnte.
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Dabei stellt die gezeigte Anordnung entsprechend sicher, dass entweder für das eine oder das andere oder sogar beide Spannungsniveaus Energie bereitgestellt wird, die entsprechenden elektrischen Verbraucher also mit Energie versorgt werden, wobei hierzu wird erfindungsgemäß die Energie einer einzigen ersten Batterie BAT1, die aus mehreren Batteriemodulen erfindungsgemäß derart aufgebaut ist, dass die Energie je nach Bedarf für beide Spannungsniveaus genutzt werden kann.
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Da das dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung gemäß dem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugs eingesetzt wird, wird gemäß Ausführungsbeispiel der Energieversorgung, die Anordnung derart dimensioniert, dass ein niedrigeres Spannungsniveau 110 V, also ein typisches Spannungsniveau des Bordnetzes eines Schienenfahrzeugs, und als ein höheres Spannungsniveau, insbesondere 440 V, also ein für die Traktion ausreichendes Spannungsniveau, bereitgestellt werden kann. Neben den in den dargestellten Ausführungsbeispielen verwendeten Spannungsniveaus von 110 V und 440 V sind auch andere Kombinationen von Spannungsniveaus üblich. So sind zum Beispiel als niedriges Spannungsniveau bei Straßenbahnen, auch als so genannte „Light Rail Vehicle“ bezeichnet, 24V als niedriges Spannungsniveau üblich. In den USA ist ein typisches Niveau 48V. Die Erfindung ist also nicht auf die in den hier beschriebenen Spannungsniveaus beschränkt; vielmehr ist die Erfindung derart flexibel, dass sie für alle erdenklichen lediglich durch die anspruchsgemäßen Definitionen begrenzten Spannungskombinationen genutzt werden kann.
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Hierzu sind gemäß Ausführungsbeispiel der Energieversorgung sechs Batteriemodule B1...B6 zu je 110 V installiert.
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Ein erstes Batteriemodul B1 und ein zweites Batteriemodul B2 von den Modulen B1...B6 können gemäß Ausführungsbeispiel elektrisch parallelgeschaltet werden. Dabei ist der jeweilige Minuspol der Batteriemodule B1...B6 gemeinsamem mit der Masse M als Bezugspotenzial für alle zu versorgenden Verbraucher verbunden.
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Daher wird gemäß dargestelltem Ausführungsbeispiel des Verfahrens, als Pfeil M dargestellt, das gemeinsame Bezugspotenzial derart nach außen geführt, beispielsweise als Massepotenzial der jeweiligen Gleichstromschiene des Bordnetzes und/oder des Traktionskreises, dass die Verbraucher daran angeschlossen werden können.
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Wohingegen der jeweilige Pluspol/-anschluss des ersten Batteriemoduls B1 und des zweiten Batteriemoduls B2, die jeweils das für die Nennspannung der ersten Batterie BAT1 erforderliche Potenzial bezogen auf den Minusanschluss bereitstellen, jeweils an eine Leitung über einen beide Leitungen unabhängig schaltenden, Trennschalter 1 angeschlossen werden, die gemäß dem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens als ein Bordnetzpotenzial U1 des Spannungswertes 110 V nach außen geführt wird und dort beispielsweise über die Gleichstromschiene des Bordnetzes entsprechend als Spannung des Wertes 110 V zur Verfügung gestellt wird.
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Für ein drittes Batteriemodul B3, ein viertes Batteriemodul B4, ein fünftes Batteriemodul B5 sowie ein sechstes Batteriemodul B6 der Batteriemodule B1...B6 werden deren Bezugspotenziale, Minuspole, ebenfalls an das gemeinsame Bezugspotenzial M angeschlossen und gemäß Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens als Masseanschluss/-pol sowohl für den Traktionskreis als auch dem Bordnetz nach außen auf die entsprechenden Schienen geführt.
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Im Gegensatz zum ersten Batteriemodul B1 und dem zweiten Batteriemodul B2 sind das dritte Batteriemodul B3, das vierte Batteriemodul B4, das fünfte Batteriemodul B5 sowie das sechste Batteriemodul B6 nicht immer parallel geschalten, sondern sollen gemäß Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere zum Entladen auch in Reihe betrieben werden. Daher ist der einem Pluspol/-schluss des sechsten Batteriemoduls B6 zu einem Pluspol des fünften Batteriemoduls B5, der Pluspol vom fünften Batteriemodul B5 mit dem Pluspol des vierten Batteriemodul B4 und der Pluspol vom vierten Batteriemodul B4 mit dem Pluspol des dritten Batteriemoduls B3 verbunden, wobei die Verbindungen entweder einzeln oder mit einem alle drei Verbindungen schaltendenden, also dreipolig ausgestalteten, Serienverbindungsschalter 3 geschaltet werden, der im Gegensatz zur Darstellung in der 1 zur Konfiguration gemäß dem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Beispiels geschlossen ist und wobei der Pluspol des dritten Batteriemoduls B3 an ein das Potenzial für den Traktionskreis gemäß Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugs gemäß dem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Außen geführt und beispielsweise auf die entsprechend Gleichstromschiene des Traktions- oder Hauptkreises gelegt wird, um den Traktion, also im Wesentlichen einen Antriebsmotor des (Schienen-)Fahrzeugs, zu speisen.
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Da die in Reihe geschalteten Batteriemodule B3...B6 jeweils ein Potenzial am Pluspol bereitstellen, welches jeweils eine Nennspannung von 110 V gewährleistet, werden durch die Reihenschaltung für das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugs demnach eine Spannung des Wertes 440 V gemäß dem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens nach außen zu einem Anschluss U2 geführt, was in der Darstellung genauso wie die nach außen geführte Masse M und dem nach außen geführten 110 V Bordnetzpotenzial U1, ebenfalls mit einem Pfeil symbolisiert dargestellt ist. Das höhere Spannungsniveau ist dabei nicht auf den Wert 440 V eingeschränkt. Wie bereits angegeben sind alle anderen Werte, die zu anderen Kombinationen von Spannungsniveaus führen, die durch die Ansprüche abgedeckt sind, von der Erfindung mit umfasst.
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Mit dieser beispielhaften Konfiguration ist die Versorgung des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugs mit 110 V und 440 V aus einer Batterie gewährleistet, welches das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Energieversorgung nutzt und die erste Batterie BAT1 somit beide Potenziale zur Verfügung stellt, wobei die erste Batterie BAT1 hierzu mehrere Batteriemodule B1...B6 aufweist, die für die Konfiguration entsprechend geschalten werden und somit dem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens folgt.
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Da die Batteriemodule B1...B6 alle die gleiche Nennspannung, aufweisen, ist für das Laden dieser Batteriemodule ein Ladegerät für diese beispielhafte Nennspannung von 110 V ausreichend, ein Ladegerät für 440 V wird nicht benötigt.
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Wie in der 1 zu erkennen ist, weist das dritte Batteriemodul B3, das vierte Batteriemodul B4, das fünfte Batteriemodul B5 sowie das sechste Batteriemodul B6 ebenfalls jeweils eine Verbindung vom Pluspol/-anschluss zum 110 V Anschluss U1, der nach außen geführt wird, auf. Diese sind gemäß Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Energieversorgung gleichzeitig, also durch einen zwei-mal-zwei-polig ausgestalteten, Parallelverbindungsschalter 6 schaltbar, der hier als Verbindungsschalter bezeichnet wird, da die Pole für die Konfiguration für das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugs offen sind. Die Schalter müssen aber nicht gleichzeitig, insbesondere mit einem zwei-mal-zwei-polig ausgestalteten Parallelverbindungsschalter 6, geschaltet werden, sondern können alternativ oder ergänzend, zumindest teilweise, voneinander unabhängig, insbesondere einzeln, durch eine entsprechende Schaltvorrichtung, beispielsweise vier einzelne Verbindungsschalter, geschaltet werden.
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Es ist für jeden Parallelverbindungsschalter 6 ein Ausgleichschalter 5 mit ersten vorgeschalteten Widerständen R1...R4 vorgesehen. Die ersten Widerstände R1...R4 können dabei hinsichtlich des Widerstandswertes individuell dimensioniert sein, daher sind sie mit aufsteigender Ordnungszahl versehen, sie können aber auch den gleichen Widerstandswert aufweisen. Wie in der 1 weiterhin zu erkennen ist, weist das erste Batteriemodul B1 sowie das zweite Batteriemodul B2 ebenfalls jeweils eine Verbindung vom Pluspol/-anschluss zum 110 V Anschluss U1, der nach außen geführt wird auf.
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Diese sind gemäß Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Energieversorgung gleichzeitig, also durch einen zwei-polig ausgestalteten, Parallelverbindungsschalter 7 schaltbar, der hier als Verbindungsschalter bezeichnet wird, da die Pole für die Konfiguration für das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugs offen sind. Die Schalter müssen aber nicht gleichzeitig, insbesondere mit einem zwei-polig ausgestalteten Parallelverbindungsschalter 7, geschaltet werden, sondern können alternativ oder ergänzend, zumindest teilweise, voneinander unabhängig, insbesondere einzeln, durch eine entsprechende Schaltvorrichtung, beispielsweise zwei einzelne Verbindungsschalter, geschaltet werden.
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Es ist ferner zu erkennen, dass für jeden Parallelverbindungsschalter 7 ein Ausgleichschalter 8 mit zweien vorgeschalteten Widerständen R5...R6 vorgesehen ist. Die zweiten Widerstände R5...R6 können dabei hinsichtlich des Widerstandswertes individuell dimensioniert sein, daher sind sie mit aufsteigender Ordnungszahl versehen, sie können aber auch den gleichen Widerstandswert aufweisen.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Energieversorgung sind also alle Batteriemodule B1...B6 derart schaltbar, so dass alle Batteriemodule am 110 V Potenzial angeschlossen sind. Dazu muss die serielle Schaltung durch den Serienverbindungsschalter 3 aufgehoben und die vier Module B3...B6 durch den ggf. dreiphasigen Parallelverbindungsschalter 4 an die 110 V Leitung zum 110 V Ausgang U1 geschalten werden. Somit können die Module B1 bis B6 sequentiell oder zeitgleich mit der Ladeeinrichtung des 110 V Bordnetzes verbunden und geladen werden.
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Für den Fall, dass der Parallelverbindungsschalter 4 nicht als dreipoliger Schalter, sondern als drei einzelne Schalter ausgeführt sind, können die Module B1 bis B6 einzeln und unabhängig voneinander, z.B. zeitlich versetzt, mit der Ladeeinrichtung des 110 V Bordnetzes verbunden und nachgeladen werden.
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Diese Konfiguration und auch weitere sind durch die Erfindung hier gemäß Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung möglich.
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Gemäß Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei der Umschaltung der zwei getrennten Batterieeinheiten, also einer ersten Einheit, bestehend aus dem ersten Batteriemodul B1 und dem zweiten Batteriemodul B2, und einer zweiten Einheit, bestehend aus dem dritten, vierten, fünften und sechsten Batteriemodul B3...B6 zu so einer reinen Parallelschaltung aller Batteriemodule B1...B6, dem Umstand Rechnung getragen, dass es durch unterschiedliche Entladung dazu kommen kann, dass die 4 Module B3...B6 der ersten Einheit, die 440 V bereitstellte, aufgrund ihres Ladezustand eine andere Modulspannung aufweisen als die 2 Module B1...B2 der ersten Einheit, die 110 V bereitstellte. Daher werden gemäß dem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zunächst die Batteriemodule B1 und B2 oder B3...B6, die einen Ladezustand mit niedrigerer Spannung aufweisen, mit der 110 V Ebene verbunden und über diese nachgeladen.
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Sobald sie den Ladezustand der anderen Batteriemodule B3...B6 bzw. B1 und B2 erreicht haben und sich die Spannung nur noch minimal unterscheidet, können diese in einem zweiten Schritt über die jeweiligen Vorladeschaltungen aus erstem Widerstand R1...R4 und Ausgleichsschaltern 5 verbunden werden. Die ggf. verbliebenen, kleinen Spannungsunterschiede werden dabei über die den Polen der Ausgleichschalter vorgeschalteten Vorlade-/ Ausgleichswiderstände R1...R4, R5...R6 angeglichen.
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Alternativ oder ergänzend kann bei Ausgestaltungen der Erfindung, welche gewährleistet, dass die einzelnen Modulspannung sehr genau in angeglichenem Zustand gehalten werden können, es auch möglich ist auf alle oder einzelne Vorladeschalter und -Widerstände R1...R4, R5...R6 zu verzichten.
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Ist diese Konfiguration in der alle Batteriemodule B1...B6 parallel an der 110 V Ebene geschaltet sind wie beschrieben ausgeglichen worden, kann eine Aufladung der Batteriemodule B1...B6 durch ein für 110 V dimensioniertes Batterieladegerät durchgeführt werden.
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Das dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Energieversorgung erreicht durch die gleiche Dimensionierung der Batteriemodule B1...B6, dass bei der Umschaltung von reiner Parallelschaltung aller sechs Batteriemodule B1...B6, die als „6p1s“ Schaltung bezeichnet werden kann, auf die erste Einheit B1...B2 und zweite Einheit B3...B6 getrennten Batterieeinheiten, die als „2p1s“ für 110 V sowie „1p4s“ für 440 V bezeichnet werden können, dass die nunmehr seriell verschalteten Batteriemodule B3...B6 „symmetrisch“ sind, was für eine reibungslose Funktion wichtig ist, d.h. die erforderliche Antriebsleistung kann innerhalb den für die Traktion erforderlichen bzw. der ersten Batterie BAT1 zulässigen Spannungs- und Stromgrenzwerte bereitgestellt werden, wobei insbesondere die einzelnen Module die gleichen Spannungsänderungen erfahren, das heißt nach dem Entladen auf einem gleichmäßig niedrigen Spannungsniveaus, nach dem Laden auf einem gleichmäßig hohem Spannungsniveau sind, und keines der Module übermäßig tief entladen oder übermäßig hoch geladen ist.
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Dabei berücksichtig die Erfindung auch, dass jede Batterie auf das denkbar anspruchsvollste Lastspiel im jeweiligen Spannungsniveau ausgelegt ist und entsprechende Reserven vorgehalten werden müssen.
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Die Verwendung von mehrpoligen Schaltern, wie beispielsweise den zweipoligen und dreipoligen Schaltern gemäß Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Energieversorgung, hält sich die Gesamtzahl schaltender Elemente in Grenzen. Im dargestellten Beispiel werden demnach nur 10 Bauelemente benötigt, um 20 Schalter zu realisieren.
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Das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel der 1 unterscheidet sich von dem in 2 schematisch dargestellten Stand der Technik im Wesentlichen somit durch folgende Komponenten:
- Zwei unabhängige Bordnetzversorgungssysteme, mit dem ersten Potenzial U1 des Wertes 110 V und höheren Potenzial U2 des Wertes 440 V mit zugehörigen Ladeeinrichtungen L1...L4, wovon eine erste Ladeeinrichtung L1 einem ersten Batteriemodul B1 und einem zweiten Batteriemodul B2 des ersten Bordnetzversorgungssystems zugeordnet ist und eine zweiten Ladeeinrichtung L2 einem ersten Batteriemodul B1` und einem zweiten Batteriemodul B2' des zweiten Bordnetzversorgungssystems zugeordnet ist. Zu erkennen ist ferner, dass diese Systeme im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel der Erfindung über Dioden 9 entkoppelt sind.
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Die ersten Batteriemodule B1, B1` und die zweiten Batteriemodule B2, B2' sind wie des Weiteren zu erkennen ist jeweils über erste Trennschalter 1, 1` mit einer ersten Sicherung SI1, SI1' an das erste Bordnetz angeschlossen.
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Die Ladeeinrichtungen L1 und L2 werden i.d.R. aus einem Netz höherer Spannung versorgt, wobei es sich dabei auch um das Traktionssystem handeln kann.
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Ferner ist zu erkennen, dass im Gegensatz zum in 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung von diesem ersten Bordnetz unabhängige 440 V Traktionssysteme einer dritten Ladeeinrichtung L3 und einer vierten Ladeeinrichtung L4 vorgesehen sind. Dabei ist die dritte Ladeeinrichtung L3 mit einem dritten, vierten, fünften und sechsten Batteriemodul B3 bis B6 des ersten Bordnetzversorgungssystems verbunden sowie die vierte Ladeeinrichtung L4 mit einem dritten, vierten, fünften und sechsten Batteriemodul B3' bis B6' des zweiten Bordnetzversorgungssystems verbunden, wobei die Batteriemodule B3...B6, B3'...B6' der beiden Bordnetzversorgungssysteme jeweils in Reihe geschaltet sind, und mit zweiten Trennschaltern 2, 2' mit einer zweiten Sicherung SI2, SI2` ans Traktionsnetz geschaltet sind.
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Wie zu erkennen ist, ist die in 2 gezeigte Schaltung gemäß dem Stand der Technik deutlich umfangreicher aufgebaut als die Schaltung gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel.
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Das in 3 gezeigte weitere erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel, welches ebenfalls schematisch dargestellt ist, kommt im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel mit zumindest weniger, insbesondere ohne Vorlade-Bauteile aus und bildet somit als ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Energieversorgung eine zweite Batterie BAT2 .
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Dies ergibt sich unter anderem dadurch, dass gemäß dem in dieser Darstellung zum Einsatz kommenden erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens mit dem in dieser Darstellung gezeigten zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anordnung derart implementiert ist, dass in einem Regelbetrieb, also einem ersten Zeitraum, der erste Trennschalter 1 und der zweite Trennschalter 2 sowie der Serienverbindungsschalter 3 geschlossen sind, während die Parallelverbindungsschalter 4 und 6 geöffnet sind.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird vorausgesetzt, dass die dritten, vierten, fünften, sechsten Batteriemodule B3 bis B6 gleich ausgeführt sind und mit dem gleichen Strom belastet werden und somit gleicht tief, d.h. auf die gleiche Spannung, entladen werden. Gemäß Stand der Technik wird davon ausgegangen, dass ein Symmetriersystem vorhanden ist, welches die Teilspannungen innerhalb eines Systems nicht nur auf Zellsondern auch auf Modulebene angleichen kann. Dies kann zu diesem Zweck verwendet werden um Abweichungen, welche trotz gleichmäßiger Auslegung, zum Beispiel aufgrund unterschiedlicher Alterung oder Fertigungstoleranzen, entstehen, auszugleichen.
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In einem zweiten Zeitraum erfolgt gemäß dem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens beispielsweise in dem in der 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung ein Nachladen wie folgt:
- Die Serienverbindungsschalter 3 werden geöffnet, und die Parallelverbindungsschalter 4 werden geschlossen. Dabei wird das erste Batteriemodul B1 und das zweite Batteriemodul B2 vom 110 V Bordnetz mittels dem Trennschalter 1 getrennt, falls sie eine größere Spannung haben als B3 bis B6, sonst bleiben sie verbunden.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels des Verfahrens kann so die Schaltung geschützt werden, da eine unkontrollierte Umladung von Batteriemodul B1 oder Batteriemodul 2 auf die Batteriemodule B3 bis B6 verhindert wird.
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Die Parallelverbindungsschalter 6 werden geschlossen. Die erste nicht dargestellte Ladeeinrichtung L1 oder die zweite nicht dargestellte Ladeeinrichtung L2 laden dann das dritte, vierte, fünfte, sechste Batteriemodul B3 bis B6 auf, falls verbunden, das erste Batteriemodul B1 und das zweite Batteriemodul B2. Wenn das dritte, vierte, fünfte, sechste Batteriemodul B3 bis B6 die gleiche Spannung durch das Laden erreicht haben wie das erste Batteriemodul B1 und das zweite Batteriemodul B2 werden das erste Batteriemodul B1 und das zweite Batteriemodul B2 wieder zugeschaltet und werden mit geladen.
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Sind das dritte, vierte, fünfte, sechste Batteriemodul B3 bis B6 ausreichend geladen und werden Sie zur Speisung des 440 V Systems insbesondere der Traktion benötigt, werden sie über die Parallelverbindungsschalter 4 und 6 getrennt. Anschließend wird die Reihenschaltung mittels dem Serienverbindungsschalter 3 wiederhergestellt.
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Ergänzend oder alternativ zu dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel kann eine Vorladeeinrichtung zwischen den 110 V Ausgängen eines oder beider nicht dargestellter Ladeeinrichtungen L1 oder L2 und dem 110 V Anschluss U1 der Parallelverbindungsschalter 6 vorgesehen werden, um eventuell leicht unterschiedliche Spannungen bei Zuschaltvorgängen zwischen dem Teilblock aus ersten Batteriemodul B1 und zweiten Batteriemodul B2 und dem zweiten Teilblock aus dem dritten, vierten, fünften und sechsten Batteriemodul B3...B6 zu beherrschen.
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Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten und diskutierten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist es so, dass mit der Erfindung, wie sie durch die Ansprüche definiert ist, sollen alle - auch nicht angesprochene aber - durch die Ansprüche abgedeckten Varianten umfasst sein sollen, bei der eine Konfigurierbarkeit einer erfindungsgemäßen Batterie BAT1, BAT2 mittels Zusammen- und/oder Umschaltung 1...8 mehrerer die Batterie BAT1, BAT2 bildendender Batteriemodule eine batterieinterne Umschaltung ermöglichen, um entweder mindestens ein erstes Spannungsniveau 110 V oder ein zweites Spannungsniveau 440 V und/oder beide Spannungsniveaus 110 V, und Vielfachen davon 440 V mit Energie versorgen zu können, so dass die installierte Energie dieser einen aus mehreren Batteriemodulen B1...B6 bestehenden Batterie BAT1, BAT2 je nach Bedarf für beide Spannungsniveaus 110 V, oder einem Vielfachen davon genutzt werden und damit unter anderem Synergien durch Einsparung eines Ladegerätes mit sich bringen, weil stets auf einem, vorteilhaft weitergebildet dem niedrigeren, Spannungsniveau 110 V geladen, aber auf mehreren Spannungsniveaus 110 V, und einem Vielfachen davon entladen werden kann. Beispielsweise sind auch Varianten umfasst, bei denen mehr als zwei Spannungsniveaus zur Verfügung gestellt werden können und beispielsweise hierfür geeignete durch im Rahmen des fachmännischen Könnens liegenden entsprechende Ergänzungen der gezeigten, insbesondere der schaltbaren, Verbindungen 3, 4, 6, 7, Vorladebeschaltungen 5,8, Dioden 9 und/oder mit vorgeschalteten Sicherungen SI1, SI2 versehenen (Netz-)Trennschaltern 1, 2, umfasst.
