DE102022204417B3

DE102022204417B3 - Elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug sowie Verfahren zum Betrieb dessen

Info

Publication number: DE102022204417B3
Application number: DE102022204417.7A
Authority: DE
Inventors: Hardy Naumann; Henning Sebastian Vogt
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2022-05-04
Filing date: 2022-05-04
Publication date: 2023-10-12
Anticipated expiration: 2042-05-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug (20), das einen ersten Stromabnehmer (26) und einen zweiten Stromabnehmer (28) zum Kontaktieren jeweils einer Fahrleitung (4,6) einer zweipoligen Fahrleitungseinrichtung (2), ein Fahrzeugchassis (22), und eine Einrichtung (46) zur Ermittlung der Spannung zwischen dem Fahrzeugchassis (22) und dem ersten Stromabnehmer (26) und/oder der Spannung zwischen dem Fahrzeugchassis (22) und dem zweiten Stromabnehmer (28) aufweist, wobei ein erstes steuerbares Halbleiterelement (52) zwischen das Fahrzeugchassis (22) und den ersten Stromabnehmer (26) geschaltet ist, wobei ein zweites steuerbares Halbleiterelement (54) zwischen das Fahrzeugchassis (22) und den zweiten Stromabnehmer (28) geschaltet ist, wobei das erste Halbleiterelement (52) und das zweite Halbleiterelement (54) derart angesteuert sind und/oder werden, dass die Spannung zwischen dem ersten Stromabnehmer (26) und dem Fahrzeugchassis (22) gleich der Spannung zwischen dem Fahrzeugchassis (22) und dem zweiten Stromabnehmer (28) ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Kraftfahrzeugs (20) und ein System aus einem solchen Kraftfahrzeug (20) und einer zweipoligen Fahrleitungseinrichtung mit spannungsmittiger Erdung.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug mit zwei Stromabnehmern für eine zweipolige Fahrleitungseinrichtung, sowie ein Verfahren zum Betrieb des Kraftfahrzeugs.
Unter einem Kraftfahrzeug ist hierbei ein durch einen Motor angetriebenes, nicht an Schienen gebundenes Fahrzeug zu verstehen. Im Gegensatz zu schienengebundenen oder schienengeführten Fahrzeugen, bei denen eine Erdung mittels der Schienen erfolgt, ist bei einem Kraftfahrzeug anhand dessen Bereifung ein vergleichsweise großer elektrischer Widerstand zwischen dem Fahrzeugchassis (Fahrzeugrahmen) und dem Untergrund, also der Erde, vorhanden.
Beispielhaft ist ein solches Kraftfahrzeug, das anhand einer Fahrleitungseinrichtung mit elektrischer Energie zu dessen Antrieb versorgt wird, ein Oberleitungsbus (O-Bus) oder ein Oberleitungs-Lastkraftwagen.
Um für eine Person die Gefahr eines elektrischen Schlages (Stromschlag, Stromunfall) bei einer Berührung des Fahrzeugchassis zu vermeiden, sollte daher eine Spannung zwischen dem Fahrzeugchassis und dem Untergrund möglichst klein, insbesondere Null, sein.
Hierzu ist für den Oberleitungsbus beispielsweise der Standard EN50502 bekannt, der im Wesentlichen eine doppelte Isolierung (Doppelisolierung) für die elektrische Sicherheit vorsieht.
Weiterhin ist aus der DE 639127 C ein Berührungsschutz für Oberleitungsomnibusse bekannt, wobei anhand von Hilfsspannungsquellen ein elektrischer Mittelpunkt zwischen den beiden Stromzuführungsleitungen hergestellt wird, und wobei der elektrische Mittelpunkt durch eine weitere Hilfsspannungsquelle mit dem auf Spannung Null zu bringenden Wagengestell verbunden ist.
Des Weiteren ist aus der EP 3 036 127 B1 ein Fahrzeug bekannt, das zur Vermeidung von gefährlichen Berührungsspannungen an dessen Fahrzeugrahmen eine zweite Schutzstufe, die durch eine elektrisch einfach isolierte Montage des Traktionsantriebes am Fahrzeugrahmen gebildet ist, sowie eine erste Schutzstufe aufweist, die zusätzlich durch einen zwischen Stromabnehmer und Traktionsantrieb geschalteten, galvanisch trennenden Gleichspannungswandler gebildet ist. Weiterhin umfasst das Fahrzeug ein Schaltelement, mittels dessen das Schutzsystem durch wahlweises Zuschalten oder Überbrücken des Gleichspannungswandlers zwischen der ersten und der zweiten Schutzstufe umschaltbar ist. Hierbei wird der Bypassbetrieb, in welchem der Gleichspannungswandler überbrückt ist, bei höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten angewendet, wobei die Gefahr für außenstehende Personen durch das fahrende Fahrzeug im Vergleich zur Gefährdung durch einen Isolationsfehler höher eingestuft wird.
Aus der DE 10 2021 207 041 A1 ist ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug bekannt, welches einen ersten Stromabnehmer und einen zweiten Stromabnehmer zum Kontaktieren jeweils einer Fahrleitung einer zweipoligen Fahrleitungseinrichtung aufweist. Das Kraftfahrzeug umfasst weiterhin eine erste Schaltung mit einstellbarem elektrischen Widerstand und eine zweite Schaltung mit einstellbarem elektrischen Widerstand, welche in Serie zwischen die beiden Stromabnehmer geschaltet sind. Die erste und die zweite Schaltung werden derart eingestellt, dass eine Spannung zwischen dem ersten Stromabnehmer und dem Fahrzeugchassis gleich der Spannung zwischen dem zweiten Stromabnehmer und dem Fahrzeugchassis ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug anzugeben, das Stromabnehmer zum elektrischen Kontaktieren mit Fahrleitungen einer Fahrleitungseinrichtung aufweist. Insbesondere soll dabei ein Schutz für eine Person gegen einen elektrischen Schlag bei einer Berührung des Fahrzeugchassis vergleichsweise hoch und/oder dieser Schutz technisch vergleichsweise aufwandsarm sein. Weiterhin soll ein Verfahren zum Betrieb eines solchen elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, sowie ein System mit einem Solchen und mit einer zweipoligen Fahrleitungseinrichtung angegeben werden.
Bezüglich des elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 4 und bezüglich des Systems mit den Merkmalen des Anspruchs 9 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei gelten die Ausführungen im Zusammenhang mit dem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug sinngemäß auch für das Verfahren sowie für das System und umgekehrt.
Das im Folgenden kurz auch als Fahrzeug bezeichnete elektrisch angetriebene Kraftfahrzeug weist ein Fahrzeugchassis (einen Fahrzeugrahmen) auf. Insbesondere ist das Fahrzeugchassis nicht geerdet. So ist das Fahrzeugchassis lediglich mittels Reifen mit dem Untergrund des Fahrzeugs in Kontakt, wobei die Reifen einen vergleichsweise hohen elektrischen Widerstand aufweisen.
Unter einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug ist hierbei sowohl ein lediglich elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug zu verstehen, als auch ein Hybridfahrzeug, also ein Kraftfahrzeug, das zusätzlich zum elektrischen Antrieb weitere Antriebsmöglichkeiten aufweist.
Weiterhin umfasst das Fahrzeug einen ersten Stromabnehmer sowie einen zweiten Stromabnehmer. Diese beiden Stromabnehmer dienen dem elektrischen Kontaktieren mit den beiden Fahrleitungen einer zweipoligen Fahrleitungseinrichtung. Hierzu weist jeder der Stromabnehmer, welcher beispielsweise als Pantograph ausgebildet ist, eine Kontakteinrichtung, beispielsweise eine Schleifleiste oder eine Kontaktrolle, auf. Anhand der Stromabnehmer ist und/oder wird es ermöglicht, von der Fahrleitungseinrichtung bereitgestellte elektrische Energie, insbesondere für einen Antrieb des Fahrzeugs, zu nutzen. Zusammenfassend dienen die beiden Stromabnehmer der (fahrzeug-)externen elektrischen Energieversorgung.
Das elektrisch angetriebene Kraftfahrzeug ist dabei insbesondere dazu vorgesehen, mit einer solchen zweipoligen Fahrleitungseinrichtung mit zwei, insbesondere als Oberleitungen ausgebildeten, Fahrleitungen verwendet zu werden, bei der eine Spannung zwischen der ersten der beiden Fahrleitungen und dem Erdpotential gleich der Spannung zwischen dem Erdpotential und der zweiten der beiden Fahrleitungen ist. Die Fahrleitungen weisen also eine symmetrische, mit anderen Worten spannungsmittige, Erdung auf.
Das Fahrzeug umfasst zudem eine Einrichtung zur Ermittlung der Spannung zwischen dem Fahrzeugchassis und dem ersten Stromabnehmer und/oder zur Bestimmung der Spannung zwischen dem Fahrzeugchassis und dem zweiten Stromabnehmer. Diese Einrichtung wird im Folgenden auch als Spannungsermittlungs-Einrichtung bezeichnet. Die Spannung zwischen dem Fahrzeugchassis und dem ersten Stromabnehmer wird im Folgenden kurz auch als erste Spannung und die Spannung zwischen dem Fahrzeugchassis und dem zweiten Stromabnehmer als zweite Spannung bezeichnet.
Beispielsweise umfasst die Spannungsermittlungs-Einrichtung zumindest zwei Spannungsmesseinrichtungen. Diese dienen zur Ermittlung der ersten sowie zur Ermittlung der zweiten Spannung. Hierzu sind die beiden Spannungsmesseinrichtungen entweder derart geschaltet, dass diese direkt diese beiden Spannungen erfassen können. Alternativ hierzu sind die beiden Spannungsmesseinrichtungen derart geschaltet, dass mittels einer der beiden Spannungsmesseinrichtungen die Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Stromabnehmer und anhand der anderen Spannungsmesseinrichtung die Spannung zwischen dem Fahrzeugchassis und einem der beiden Stromabnehmer erfasst werden kann. Bei dieser Ausgestaltung kann dann der Betrag der Spannung zwischen dem anderen der Stromabnehmer und dem Fahrzeugchassis anhand der Differenz der Spannung zwischen den Stromabnehmern und der erfassten Spannung zwischen dem Fahrzeugchassis und dem Stromabnehmer ermittelt werden. Es kann vorteilhaft anhand der Differenz aus dem Betrag der ermittelten Spannung zwischen dem ersten Stromabnehmer und dem Fahrzeugchassis und aus dem Betrag der ermittelten Spannung zwischen dem zweiten Stromabnehmer und dem Fahrzeugchassis ermittelt werden, ob das Fahrzeugchassis Erdpotential aufweist. Unter der Annahme, dass die Fahrleitungsspannung symmetrisch zur Erde ist, weist das Fahrzeugchassis dann Erdpotential auf, wenn diese Differenz gleich Null (0) ist.
Alternativ zu dieser Spannungsermittlungs-Einrichtung umfasst das elektrisch angetriebene Kraftfahrzeug eine Schaltung zur Ermittlung eines Unterschieds zwischen dem Betrag des elektrischen Widerstands der Isolation zwischen dem ersten Stromabnehmer und dem Fahrzeugchassis und dem Betrag des elektrischen Widerstands der Isolation zwischen dem zweiten Stromabnehmer und dem Fahrzeugchassis. Diese Schaltung ist mittels einer Brückenschaltung, insbesondere mittels einer Wheatstone'schen Brückenschaltung gebildet und umfasst einen Spannungsteiler mit zwei in Serie miteinander verschalteten elektrischen Spannungsteiler-Widerständen (Spannungsteiler-Widerstandselementen). Der Spannungsteiler ist dabei zwischen den ersten und den zweiten Stromabnehmer geschaltet, und somit elektrisch mit diesen verbunden. Der Spannungsteiler ist dabei derart ausgebildet, dass dessen beiden Spannungsteiler-Widerstände den gleichen elektrischen Widerstand aufweisen. Also ist der Betrag des elektrischen Widerstands (ohmschen Widerstands) des einen Spannungsteiler-Widerstands gleich dem Betrag des elektrischen Widerstands (ohmschen Widerstands) des anderen der beiden Spannungsteiler-Widerstände. Somit ist ein Spannungsteiler mit festem (konstanten) 1:1 Teilungsverhältnis gebildet. Dieser Spannungsteiler wird hier und im Folgenden auch als Referenz-Spannungsteiler bezeichnet. Der zweite Spannungsteiler der Brückenschaltung ist anhand der Isolation (Isolationsmaterial) zwischen dem ersten Stromabnehmer und dem Fahrzeugchassis und anhand der Isolation (Isolationsmaterial) zwischen dem zweiten Stromabnehmer und dem Fahrzeugchassis gebildet. Dieser zweite Spannungsteiler wird auch als Isolations-Spannungsteiler bezeichnet. Ein Brückenquerwiderstand ist zwischen dem anhand des Referenz-Spannungsteilers gebildeten Zweigs der Messbrücke und einem anhand der Isolationen gebildeten Zweig der Messbrücke geschaltet. Der Brückenquerwiderstand ist also mit dem Mittenabgriff zwischen den beiden Spannungsteiler-Widerständen, also mit einem Mittelpunkt des Referenz-Spannungsteilers, elektrisch verbunden. Zudem ist der Brückenquerwiderstand elektrisch mit dem Fahrzeugchassis verbunden. Zusammenfassend ist der Brückenquerwiderstand zwischen den ersten Mittenabgriff und das Fahrzeugchassis geschaltet. Ist der elektrische Widerstand der Isolation zwischen dem ersten Stromabnehmer und dem Fahrzeugchassis und dem elektrischen Widerstand der Isolation zwischen dem zweiten Stromabnehmer und dem Fahrzeugchassis unterschiedlich, resultiert dies in einem Strom durch bzw. einer Spannung am Brückenquerwiderstand. Zusätzlich oder alternativ kann anhand der vorbekannten oder gemessenen Fahrleitungsspannung (Außenleiterspannung), also der Spannung zwischen den Fahrleitungen und somit der Spannung zwischen dem ersten Stromabnehmer und dem zweiten Stromabnehmer, sowie anhand der erfassten Spannung über dem Brückenquerwiderstand die Spannung zwischen dem Fahrzeugchassis und dem ersten Stromabnehmer und die Spannung zwischen dem Fahrzeugchassis und dem zweiten Stromabnehmer bestimmt werden. In diesem Fall ist anhand der Schaltung zur Ermittlung eines Unterschieds also die Spannungsermittlungs-Einrichtung gebildet.
Allenfalls ist zwischen das Fahrzeugchassis und den ersten Stromabnehmer ein erstes steuerbares Halbleiterelement, insbesondere ein (erster) Schalter geschaltet. Zudem ist ein zweites steuerbares Halbleiterelement, insbesondere ein (zweiter) Schalter zwischen das Fahrzeugchassis und dem zweiten Stromabnehmer geschaltet. Insbesondere ist anhand des ersten Halbleiterelements und anhand des zweiten Halbleiterelements eine Halbbrücke gebildet. Das erste und das zweite Halbleiterelement sind bevorzugt jeweils als ein Halbleiterschalter, beispielsweise als ein MOSFET oder ein IGBT, ausgebildet.
Das erste Halbleiterelement und das zweite Halbleiterelement sind und/oder werden, insbesondere während eines Fahrleitungsbetriebs, derart angesteuert, dass die Spannung zwischen dem ersten Stromabnehmer und dem Fahrzeugchassis gleich der Spannung zwischen dem Fahrzeugchassis und dem zweiten Stromabnehmer ist, also dass die erste Spannung gleich der zweiten Spannung ist. In diesem Fall ist auch der elektrische Gesamtwiderstand zwischen dem ersten Stromabnehmer und dem Fahrzeugchassis gleich dem elektrischen Gesamtwiderstand zwischen dem zweiten Stromabnehmer und dem Fahrzeugchassis.
Solange die Fahrleitungsspannung symmetrisch zur Erde ist, die Fahrleitungen elektrisch mit dem jeweiligen Stromabnehmer kontaktiert sind, und die Isolation des Kraftfahrzeugs symmetrisch ist, weist das Fahrzeugchassis Erdpotential oder lediglich eine vernachlässigbar kleine, also für eine Person bei einer Berührung des Fahrzeugchassis keine Gefahr darstellende, Spannungsdifferenz zum Erdpotential auf. Eine für eine Person gefährliche (Berühr-)Spannung zwischen dem Fahrzeugchassis und Erde ist somit nicht vorhanden. Somit ist für eine Person, die das Fahrzeugchassis berührt, eine vergleichsweise hohe Sicherheit gegen einen elektrischen Schlag realisiert. Unter einer symmetrischen Isolation ist hier und im Folgenden zu verstehen, dass hinsichtlich dessen Betrag der elektrische (ohmsche) Widerstand der Isolation zwischen dem ersten Stromabnehmer und dem Fahrzeugchassis gleich dem elektrischen (ohmschen) Widerstand zwischen dem zweiten Stromabnehmer und dem Fahrzeugchassis ist.
Bei symmetrischen Isolationsfehlern entsteht keine Berührspannung zwischen dem Fahrzeugchassis und der Erde. Unter einem symmetrischen Isolationsfehler ist dabei zu verstehen, dass sich ein elektrischer Widerstand der Isolation zwischen dem ersten Stromabnehmer und dem Fahrzeugchassis und ein elektrischer Widerstand der Isolation zwischen dem zweiten Stromabnehmer und dem Fahrzeugchassis um den gleichen Wert, beispielsweise durch eine Beschädigung, ändern, insbesondere verringern. Bei einem solchen symmetrischen Isolationsfehler werden das erste Halbleiterelement und das zweite Halbleiterelement zweckmäßig gleichartig angesteuert, so dass weiterhin die Spannung zwischen dem ersten Stromabnehmer und dem Fahrzeugchassis gleich der Spannung zwischen dem Fahrzeugchassis und dem zweiten Stromabnehmer ist.
Zusätzlich oder alternativ hierzu wird das erste und das zweite Halbleiterelement zum Symmetrieren nur dann angesteuert, wenn ein vorgegebener Schwellenwert für den Unterschied zwischen der ersten Spannung und der zweiten Spannung bzw. ein Schwellenwert für den Betrag des Stroms durch oder den Betrag der Spannung am Brückenquerwiderstand überschritten wird. Auf diese Weise würde bei ungefährlicher Asymmetrie keine Energie zum Ausgleich aufgewendet werden müssen.
Ein asymmetrischer Isolationsfehler, also ein Isolationsfehler, bei dem sich der elektrische Widerstand der Isolation zwischen dem ersten Stromabnehmer und dem Fahrzeugchassis und der elektrische Widerstand der Isolation zwischen dem zweiten Stromabnehmer und dem Fahrzeugchassis nicht um den gleichen Wert ändert, kann- ohne das erste und/oder ohne das zweite Halbleiterelement - dagegen in einer Berührspannung resultieren, die für eine Person bei Berührung des Fahrzeugchassis gefährlich sein kann. Vorteilhaft kann und wird ein solcher asymmetrischer Isolationsfehler allerdings anhand der Spannungsermittlungs-Einrichtung erfasst bzw. erkannt und anhand des ersten Halbleiterelements und des zweiten Halbleiterelements ausgeglichen werden. Dies wird auch als (aktive) Symmetrierung oder als (aktives) Symmetrieren des Fahrzeugchassis bezeichnet. Infolge dessen ist eine (Berühr-) Spannung zwischen dem Fahrzeugchassis und der Erde auch im Fall asymmetrischer Isolationsfehler reduziert, insbesondere minimiert.
Beispielsweise sind die beiden Halbleiterelemente jeweils als Halbleiterverstärker, beispielsweise als MOSFETS, ausgebildet, die im Linearbetrieb verwendet werden. Auf diese Weise kann der elektrische Widerstand des ersten und/oder des zweiten Schalters derart geändert werden, dass der gesamte elektrische Widerstand zwischen dem ersten Stromabnehmer und dem Fahrzeugchassis gleich dem gesamten elektrischen Widerstand zwischen dem zweiten Stromabnehmer und dem Fahrzeugchassis ist. Mit anderen Worten wird anhand der Einstellung des elektrischen Widerstands des ersten und/oder des zweiten Schalters im Linearbetrieb der (Gesamt-)Widerstand zwischen Fahrzeugchassis und dem ersten Stromabnehmer an den (Gesamt-)Widerstand zwischen Fahrzeugchassis und dem zweiten Stromabnehmer angepasst. Damit einhergehend ist im Fahrleitungsbetrieb und bei zur Erde symmetrischer Fahrleitungsspannung auch die erste Spannung gleich der zweiten Spannung.
In bevorzugter Ausgestaltung sind das erste Halbleiterelement und das zweite Halbleiterelement als erster Schalter bzw. als zweiter Schalter ausgebildet, wobei der erste Schalter und der zweite Schalter in vergleichsweise verlustarmer Art und Weise jeweils anhand eines pulsweitenmodulierten Steuersignals angesteuert sind und/oder werden. Zweckmäßigerweise werden der erste Schalter und der zweite Schalter im Gegentakt angesteuert, mit anderen Worten (unter Vernachlässigung ggf. vorgesehener Schutzzeiten/Totzeiten) ist einer der Schalter im stromleitenden Zustand und der andere Schalter im stromsperrenden Zustand und umgekehrt.
Liegt kein Isolationsfehler oder ein symmetrischer Isolationsfehler vor, werden der erste Schalter und der zweite Schalter jeweils mit einem Steuersignal mit einem Tastgrad von jeweils 50% angesteuert. Auf diese Weise wird die halbe Außenleiterspannung auf das Chassispotential übertragen. Also entspricht die Spannung zwischen dem ersten Stromabnehmer und dem Fahrzeugchassis der Spannung zwischen dem Fahrzeugchassis und dem zweiten Stromabnehmer.
Zur aktiven Symmetrierung wird im Falle eines asymmetrischen Isolationsfehlers der Tastgrad des ersten und/oder der Tastgrad des zweiten Schalters geändert. Vorzugsweise wird dabei der Tastgrad des ersten Schalters und des zweiten Schalters derart eingestellt, dass die Summe der beiden Tastgrade Eins (1), also 100% ergibt (unter Vernachlässigung ggf. vorgesehener Schutzzeiten/Totzeiten). Zweckmäßiger Weise wird der Tastgrad des ersten Schalters erhöht und der Tastgrad des zweiten Schalters um den gleichen Betrag reduziert, wenn der Widerstand der elektrischen Isolation zwischen dem Fahrzeugchassis und dem zweiten Stromabnehmer kleiner ist als der Widerstand der elektrischen Isolation zwischen dem ersten Stromabnehmer und dem Fahrzeugchassis. In analoger Weise wird zweckmäßig der Tastgrad des ersten Schalters reduziert und der Tastgrad des zweiten Schalters um den gleichen Betrag erhöht, wenn der Widerstand der elektrischen Isolation zwischen dem Fahrzeugchassis und dem ersten Stromabnehmer kleiner ist als der Widerstand der elektrischen Isolation zwischen dem zweiten Stromabnehmer und dem Fahrzeugchassis.
Zusammenfassend ist es vorteilhaft ermöglicht, anhand der beiden Schalter die Spannung zwischen dem ersten Stromabnehmer und dem Fahrzeugchassis an die Spannung zwischen dem Fahrzeugchassis und dem zweiten Stromabnehmer anzugleichen. Die Schalter arbeiten nach Art eines Spannungswandlers, insbesondere eines Gleichspannungswandlers, geeigneter Weise nach Art eines Abwärtswandlers (Buck-Converters). Insbesondere wird dabei die Spannung zwischen dem ersten und dem zweiter Stromabnehmer nicht aufgrund des Betriebs der beiden Schalter geändert. Lediglich die Spannung zwischen dem Fahrzeugchassis und dem jeweiligen Stromabnehmer wird mittels einer Änderung des Tastgrades des Steuersignals des jeweiligen Schalters entsprechend beeinflusst, insbesondere konstant gehalten.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung sind das erste Halbleiterelement und das zweite Halbleiterelement in Reihe zueinander geschaltet. Dabei ist eine Induktivität, also ein Bauteil mit induktiver Wirkung, insbesondere eine Spule, zwischen das Fahrzeugchassis und den Mittenabgriff, der zwischen dem ersten und dem zweiten Halbleiterelement angeordnet ist, geschaltet. Die Induktivität bewirkt dabei vorteilhaft aufgrund ihres Tiefpass-artigen Verhaltens hinsichtlich der Frequenz der Spannung eine Entkopplung zwischen dem Potential des Fahrzeugchassis und dem Potential des Mittenabgriffs, der zwischen dem ersten und dem zweiten Halbleiterelement gebildet ist. So kann das Potential des Fahrzeugchassis als Gleichspannung charakterisiert werden und das Potential am Mittenabgriff durch die Ansteuerung, insbesondere Gegentaktansteuerung der anhand der Schalter gebildeten Halbbrücke als eine Pulsspannung charakterisiert werden.
Gemäß einer geeigneten Ausgestaltung des Kraftfahrzeugs ist der erste Stromabnehmer und der zweite Stromabnehmer an einen Spannungswandler angeschlossen. Dabei sind das erste Halbleiterelement und das zweite Halbleiterelement stromabnehmerseitig, also eingangsseitig, des Spannungswandlers angeschlossen.
Zweckmäßiger Weise ist der Spannungswandler als ein Wechselrichter ausgestaltet, an welchen ausgangsseitig ein Elektromotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs angeschlossen ist.
Alternativ ist der Spannungswandler ein Gleichspannungswandler, wobei ausgangsseitig an diesen weitere Hochvoltverbraucher, eine Traktionsbatterie und/oder ein Wechselrichter mit daran angeschlossenem Elektromotor angeschlossen sind.
Beispielsweise ist der Gleichspannungswandler als ein Gleichspannungswandler ohne galvanische Trennung ausgebildet, so dass eine Kosten-, Bauraum- und/oder Gewichtsersparnis erreicht ist. Dabei ist allerdings zu beachten, dass der Stellbereich, also der Bereich der ersten bzw. zweiten Spannung, bei der symmetriert werden kann, insbesondere bei dem der Tastgrad einer der Schalter kleiner oder gleich 100% ist, von der Wandertopologie abhängig ist. Alternativ und bevorzugt ist der Gleichspannungswandler für eine vergleichsweise hohe Sicherheit als ein Gleichspannungswandler mit galvanischer Trennung ausgeführt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, das in einer der oben dargestellten Varianten ausgebildet ist. Das oben dargestellte Kraftfahrzeug ist also dazu vorgesehen und eingerichtet, dieses Verfahren durchzuführen.
Verfahrensgemäß werden im Fahrleitungsbetrieb, also wenn eine an den Stromabnehmern die Fahrleitungsspannung anliegt und diese zum Betrieb des Kraftfahrzeugs genutzt wird, zweckmäßiger Weise anhand der Spannungsermittlungs-Einrichtung als erste Spannung (erster Spannungswert) die Spannung zwischen dem ersten Stromabnehmer und dem Fahrzeugchassis ermittelt. Weiterhin wird im Fahrleitungsbetrieb als zweite Spannung (zweiter Spannungswert) die Spannung zwischen dem Fahrzeugchassis und dem zweiten Stromabnehmer ermittelt.
Anschließend wird anhand der ersten Spannung und anhand der zweiten Spannung ein Steuerwert für die Ansteuerung des, insbesondere als (erster) Schalter ausgebildeten, ersten Halbleiterelements und/oder des, insbesondere als (zweiter) Schalter ausgebildeten, Halbleiterelements bestimmt. Das erste Halbleiterelement und das zweite Halbleiterelement werden in Abhängigkeit des bestimmten Steuerwerts derart angesteuert werden, dass die Spannung zwischen dem ersten Stromabnehmer und dem Fahrzeugchassis gleich der Spannung zwischen dem Fahrzeugchassis und dem zweiten Stromabnehmer ist. Zusammenfassend erfolgt die Ansteuerung der beiden Schalter also in Abhängigkeit der ersten Spannung und der zweiten Spannung.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung wird zunächst der Mittelwert, insbesondere das arithmetische Mittel, der ersten Spannung und der zweiten Spannung bestimmt. Anschließend wird ein Differenzwert aus dem Mittelwert und der ersten Spannung oder alternativ hierzu aus dem Mittelwert und der zweiten Spannung bestimmt. Der Steuerwert wird anhand des derart bestimmten Differenzwertes bestimmt. Bei symmetrischer Erdung des Fahrleitungen entspricht dabei der Mittelwert der Spannung zwischen einer Fahrleitung und Erde und der Spannung zwischen Erde und der anderen Fahrleitung. Folglich resultiert der Differenzwert aus einem asymmetrischen Isolationsfehler.
Zusammenfassend erfolgt die Ansteuerung der beiden Halbleiterelemente also in Abhängigkeit einer Abweichung der ersten Spannung und der zweiten Spannung vom Mittelwert dieser Spannungen und damit einhergehend in Abhängigkeit einer Stärke eines asymmetrischen Isolationsfehlers.
Gemäß einer geeigneten Weiterbildung wird zur Ermittlung des Steuerwerts ein Sollwert und ein Ist-Wert einer Regeleinheit (Reglereinheit), beispielsweise einem I-Regler, vorzugsweise einem PI-Regler oder einem PID-Regler, zugeführt. Dabei wird als Sollwert der Mittelwert der ersten Spannung und der zweiten Spannung verwendet. Als Ist-Wert wird die erste Spannung oder die zweite Spannung verwendet. Die Regeleinheit gibt einen Ausgabewert aus, wobei zweckmäßig für die Bestimmung des Ausgabewerts der Differenzwert gebildet wird.
Zusammenfassend wird anhand der, beispielsweise als I-Regler, vorzugsweise als PI-Regler oder als PID-Regler ausgebildeten Regeleinheit eine Störung, also die Abweichung der ersten oder zweiten Spannung vom Mittelwert, ausgeregelt.
In geeigneter Ausgestaltung wird anhand des Steuerwerts ein Tastgrad für eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung des als erster Schalter ausgebildeten ersten Halbleiterelements sowie ein, insbesondere zu diesem Tastgrad komplementärer, Tastgrad für eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung des als zweiter Schalter ausgebildeten zweiten Halbleiterelements bestimmt. Also wird anhand des Steuerwert jeweils ein Tastgrad für eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung der beiden Schalter ermittelt und zweckmäßig eingestellt.
Beispielsweise wird der Ausgabewert der Regeleinheit als Steuerwert verwendet. Bevorzugt wird jedoch zum Ausgabewert ein sogenannter Vorsteuerwert addiert, wobei die Summe dieser beiden Werte den Steuerwert bildet. Insbesondere beträgt dabei der Vorsteuerwert 0,50, mit anderen Worten 50%. Der Steuerwert kann dann direkt als Tastgrad für den ersten oder den zweiten Schalter herangezogen werden. So ist, wie im Zusammenhang mit dem Kraftfahrzeug bereits dargestellt, eine Ansteuerung der beiden Schalter mit einem Tastgrad von jeweils 50% bei einer bezüglich deren elektrischen Widerständen symmetrischen Isolierung zwischen den Stromabnehmern und dem Fahrzeugchassis vorgesehen, was durch den Vorsteuerwert realisiert wird. Bei einem Ausgabewert der Regeleinheit ungleich Null (0) wird der Tastgrad des jeweiligen Schalter entsprechend des Ausgabewerts geändert, so dass der Unterschied zwischen der ersten und der zweiten Spannung gleich 0 wird. Insbesondere wird hierbei der Tastgrad des ersten Schalters um den Ausgabewert erhöht und der Tastgrad des zweiten Schalters um den Ausgabewert reduziert, wenn der Widerstand der elektrischen Isolation zwischen dem Fahrzeugchassis und dem zweiten Stromabnehmer kleiner ist als der Widerstand der elektrischen Isolation zwischen dem ersten Stromabnehmer und dem Fahrzeugchassis, insbesondere wenn die erste Spannung größer als der Mittelwert ist. In analoger Weise wird zweckmäßig der Tastgrad des ersten Schalters um den Ausgabewert reduziert und der Tastgrad des zweiten Schalters um den Ausgabewert erhöht, wenn der Widerstand der elektrischen Isolation zwischen dem Fahrzeugchassis und dem ersten Stromabnehmer kleiner als der Widerstand der elektrischen Isolation zwischen dem zweiten Stromabnehmer und dem Fahrzeugchassis ist, insbesondere wenn die erste Spannung kleiner als der Mittelwert ist.
In vorteilhafter Ausgestaltung wird der Fahrleitungsbetrieb beendet, wenn der Tastgrad für den ersten Schalter einen vorgegebenen oberen Schwellenwert erreicht und/oder überschreitet oder wenn dieser Tastgrad einen vorgegebenen unteren Schwellenwert erreicht und/oder unterschreitet. Alternativ oder zusätzlich wird der Fahrleitungsbetrieb beendet, wenn der Tastgrad für den zweiten Schalter den oberen Schwellenwert erreicht und/oder überschreitet oder wenn dieser Tastgrad den unteren Schwellenwert erreicht und/oder unterschreitet.
Dabei ist der obere Schwellenwert größer als der untere Schwellenwert. Beispielsweise beträgt der obere Schwellenwert 80%, 90% oder 100% und/oder der untere Schwellenwert 20%, 10% oder 0%. Ein Tastgrad von 100% für den ersten Schalter (und zweckmäßig ein Tastgrad von 0% für den zweiten Schalter) wird dabei insbesondere dann erreicht, wenn der innere Widerstand des ersten Schalters gleich dem elektrischen Widerstand der Isolation zwischen dem Fahrzeugchassis und dem zweiten Stromabnehmer entspricht, wobei der elektrischen Widerstand der Isolation zwischen dem Fahrzeugchassis und dem ersten Stromabnehmer wesentlich größer, insbesondere mehr als das 20-Fache, als der innere Widerstand des ersten Schalters ist. Ein Tastgrad von 100% für den zweiten Schalter (und zweckmäßig ein Tastgrad von 0% für den ersten Schalter) wird insbesondere dann erreicht, wenn der innere Widerstand des zweiten Schalters gleich dem elektrischen Widerstand der Isolation zwischen dem Fahrzeugchassis und dem ersten Stromabnehmer entspricht, wobei der elektrische Widerstand der Isolation zwischen dem Fahrzeugchassis und dem zweiten Stromabnehmer wesentlich größer, insbesondere mehr als das 20-Fache, als der innere Widerstands des zweiten Schalters ist.
Optional ist zusätzlich ein Widerstandselement in Serie mit dem ersten Schalter zwischen das Fahrzeugchassis und den ersten Stromabnehmer und/oder ein weiteres Widerstandselement in Serie mit dem zweiten Schalter zwischen das Fahrzeugchassis und den zweiten Stromabnehmer geschaltet. Somit wird der Tastgrad von 100% für den zweiten Schalter bei entsprechendem elektrischen Widerstand der Isolation zwischen dem Fahrzeugchassis und dem ersten Stromabnehmer, und/oder ein Tastgrad von 100% für den ersten Schalter bei entsprechendem elektrischen Widerstand der Isolation zwischen dem Fahrzeugchassis und dem zweiten Stromabnehmer erreicht. Also können auf diese Weise die Stellgrenzen entsprechend eingestellt werden.
Weiterhin wird zusätzlich oder alternativ hierzu der Fahrleitungsbetrieb beendet, wenn der Betrag der Differenz aus der ersten Spannung und der Spannung einen vorgegebenen Spannungs-Schwellenwert überschreitet.
Zum Beenden des Fahrleitungsbetriebs wird beispielsweise ein Schalter, der zwischen der Kontakteinrichtung des jeweiligen Stromabnehmers und dem Spannungswandler geschaltet ist, stromsperrend geschaltet, also geöffnet. Alternativ oder zusätzlich wird die Kontakteinrichtung von der jeweiligen Fahrleitung entfernt, also abgekoppelt.
Geeigneterweise wird, wenn die Tastgrade ungleich 50% sind, der jeweilige Schwellenwert aber nicht erreicht oder überschritten wird, dies protokolliert, beispielsweise eine entsprechende Information in einem Speicher hinterlegt. Bei vergleichsweise langem Andauern, beispielsweise länger als 1 Tag oder länger als 1 Woche, dieses Zustands, also wenn der Tastgrad ungleich 50% ist, der jeweilige Schwellenwert aber nicht erreicht oder überschritten ist, wird bevorzugt eine Meldung an den Nutzer des Fahrzeugs ausgegeben. Insbesondere kann die Meldung eine Aufforderung zu einem Werkstatt-Aufenthalt des Fahrzeugs beinhalten.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein System aus einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug, das nach einer der oben dargestellten Varianten ausgebildet, und/oder gemäß dem Verfahren in einer der oben dargestellten Varianten betrieben ist.
Weiterhin umfasst das System eine zweipolige Fahrleitungseinrichtung mit zwei Fahrleitungen, wobei eine Spannung zwischen einer ersten der beiden Fahrleitungen und Erde gleich der Spannung zwischen Erde und der zweiten der beiden Fahrleitungen ist. Dies wird beispielsweise durch eine symmetrische, also spannungsmittige, Erdung im Unterwerk der Fahrleitungseinrichtung erreicht.
Im Vergleich hierzu ist bei einem Unterwerk, bei dem lediglich eine der Fahrleitungen mit Erde verbunden ist, eine Erdung des Fahrzeugchassis notwendig.
Das erste Halbleiterelement und das zweite Halbleiterelement sind bzw. werden besonders bevorzugt entsprechend des Verfahrens in einer der oben dargestellten Varianten angesteuert.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

1a,b unterschiedliche Ausgestaltungen einer Fahrleitungseinrichtung mit zwei Fahrleitungen zur Versorgung eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie,
2 ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug mit zwei Stromabnehmern, zwischen denen ein erster und ein zweiter Schalter in Serie geschaltet sind, wobei der Mittenabgriff zwischen den Schaltern mit dem Fahrzeugchassis verbunden ist,
3 in einem Flussdiagramm einen Verfahrensablauf zum Betrieb des elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, und
4 in einem Flussdiagramm ein Verfahrensablauf zum Bestimmen eines Steuerwerts zur Ansteuerung des ersten und des zweiten Schalters.

Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In den 1a und 1b sind zwei Ausgestaltungen einer Fahrleitungseinrichtung 2 (Fahrleitungsanlage) dargestellt. Diese ist beispielsweise als Oberleitungseinrichtung ausgebildet. Beiden Ausgestaltungen gemeinsam ist, dass die Fahrleitungseinrichtung 2 zwei insbesondere als Oberleitungen ausgebildete Fahrleitungen aufweist, nämlich eine erste Fahrleitung 4 sowie eine zweite Fahrleitung 6. Die Fahrleitungseinrichtung 2 umfasst des Weiteren ein Unterwerk, von dem in den Figuren ausschnittsweise die Gleichspannungsquelle 8 (1a) bzw. die Gleichspannungsquellen 8 dargestellt sind. Die Fahrleitungen 4 und 6 sind dabei derart verschaltet, dass eine Spannung zwischen der ersten Fahrleitung 4 und Erde 9 gleich der Spannung zwischen Erde 9 und der zweiten Fahrleitung 6 ist. Die beiden Fahrleitungsspannungen sind somit symmetrisch zur Erde. Zusammenfassend ist eine spannungsmittige Erdung im Unterwerk realisiert. Zweckmäßig weist die Gleichspannungsquelle 8 bzw. weisen die Gleichspannungsquellen 8 hierbei in nicht näher dargestellter Weise jeweils mindestens einen Transformator und mindestens einen diesem nachgeschalteten Gleichrichter auf.
Gemäß der Ausgestaltung der 1a ist hierzu ein Ende (Ausgang) der Gleichspannungsquelle 8 mit der ersten Fahrleitung 4 und das andere Ende (Ausgang) der Gleichspannungsquelle 8 mit der zweiten Fahrleitung 6 verbunden. Dabei sind die erste Fahrleitung 4 und die zweite Fahrleitung 6 jeweils mittels eines Symmetrierwiderstands 10 mit Erde 9 verbunden. Der elektrische Widerstand der Symmetrierwiderstände 10 beträgt dabei beispielsweise jeweils 1 kΩ. Die bei einer Spannung von beispielsweise 1200 V zwischen den beiden Fahrleitungen 4 und 6 resultierende Verlustleistung ist dabei vergleichsweise gering. Zudem ist eine Unempfindlichkeit gegenüber asynchronen Oberschwingungen der Stromquelle ein Vorteil dieser Ausgestaltung.
Optional ist unterwerkseitig ein Überspannungsschutz zwischen den beiden Fahrleitungen 4, 6 und/oder für jede der Fahrleitungen 4 und 6 jeweils eine Fahrleitungssicherung, insbesondere eine Schalteinrichtung 16 mit Überstrom- und Kurzschlussschutzfunktion, vorgesehen, wie er in der 1b in analoger Weise dargestellt ist.
Alternativ zur Ausgestaltung der Fahrleitungseinrichtung 2 gemäß der 1a weist das Unterwerk für eine spannungsmittige Erdung zwei in Reihe geschaltete Gleichspannungsquellen 8 mit gleicher Ausgangsspannung, beispielsweise jeweils 600V, auf, wobei ein Mittenabgriff zwischen den beiden Gleichspannungsquellen 8 mit Erde 9 verbunden ist, vgl. 1b. Insbesondere ist der Mittenabgriff sekundärseitig, also zwischen den beiden Gleichspannungsquellen 8 angeordnet. Der Erdausbreitungswiderstand ist dabei mit dem Bezugszeichen 12 versehen.
Auch bei der Ausgestaltung der Fahrleitungseinrichtung 2 gemäß der 1 b ist optional unterwerkseitig ein Überspannungsschutz 14 zwischen den beiden Fahrleitungen 4, 6 und/oder für jede der Fahrleitungen 4 und 6 eine Fahrleitungssicherung (nicht dargestellt) und/oder eine Schalteinrichtung 16 mit Überstrom- und Kurzschlussschutzfunktion vorgesehen.
In den 1a und 1b ist mit 18 der Fahrleitungswiderstand der jeweiligen Fahrleitung 4 bzw. 6 bezeichnet. Beispielsweise beträgt dieser 100 mΩ/km.
In der 2 ist schematisch ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug 20 dargestellt, welches hier und im Folgenden auch als Fahrzeug 20 bezeichnet wird. Dieses ist dazu vorgesehen und eingerichtet, mit einer Fahrleitungseinrichtung 2, beispielsweise gemäß der 1a oder 1b, verwendet zu werden, wobei die Spannung zwischen der ersten Fahrleitung 4 und Erde 9 gleich der Spannung zwischen Erde 9 und der zweiten Fahrleitung 6 ist. Das Fahrzeug 20 und die Fahrleitungseinrichtung 2 bilden ein System.
Das Fahrzeugchassis 22 des Fahrzeugs 20 ist nicht geerdet, wobei lediglich anhand, beispielsweise luftgefüllter, Reifen mit vergleichsweise hohem, elektrisch isolierend wirkendem, Widerstand 24 ein Kontakt mit der Erde 9 hergestellt ist. Das Fahrzeug 20 weist weiterhin einen ersten Stromabnehmer 26 sowie einen zweiten Stromabnehmer 28 auf. Jeder der Stromabnehmer 26 und 28 umfasst eine beispielsweise als Schleifleiste ausgebildete Kontakteinrichtung 30 zum Kontaktieren mit jeweils einer der Fahrleitungen 4 bzw. 6 auf.
Die elektrische Isolation (Isolierung) zwischen dem ersten Stromabnehmer 26 und dem Fahrzeugchassis 22 sowie die elektrische Isolation (Isolierung) zwischen dem zweiten Stromabnehmer 28 und dem Fahrzeugchassis sind in der 2 repräsentativ mit jeweils einem elektrischen (Isolations-) Widerstand dargestellt, welche mit dem Bezugszeichen 32 bzw. 34 versehen sind.
Die beiden Stromabnehmer 26 und 28 sind jeweils mittels eines Hochvoltstrompfades 36 bzw. 38 eingangsseitig an einen Wechselrichter 40 angeschlossen, also elektrisch mit diesem verbunden. Dieser stellt eine Wechselspannung zum Betrieb eines Elektromotors 42 zum Antrieb des Fahrzeugs 20 bereit. Gemäß einer nicht weiter dargestellten Alternative ist anstelle des Wechselrichters 40 ein Gleichspannungswandler mittels der Hochvoltstrompfade eingangsseitig mit den beiden Stromabnehmer 26 und 28 verbunden. An den insbesondere als Gleichspannungswandler mit galvanischer Trennung ausgebildeten Gleichspannungswandler ist ausgangsseitig ein Hochvoltverbraucher, eine Traktionsbatterie und/oder ein Wechselrichter mit daran angeschlossenem Elektromotor angeschlossen. Alternativ ist der Gleichspannungswandler als Gleichspannungswandler mit galvanischer Kopplung ausgebildet.
Zwischen der Kontakteinrichtung 30 des ersten Stromabnehmers 26 und den Wechselrichter 40 (bzw. zwischen der Kontakteinrichtung 30 des ersten Stromabnehmers 26 und dem Gleichspannungswandler) sowie zwischen der Kontakteinrichtung 30 des zweiten Stromabnehmers 28 und den Wechselrichter 40 (bzw. zwischen der Kontakteinrichtung 30 des zweiten Stromabnehmers 28 und dem Gleichspannungswandler) ist jeweils ein, insbesondere als Schütz ausgebildeter, Schalter 44 geschaltet. Mit anderen Worten sind die Schalter 44 in die insbesondere als Hochvoltstromschienen ausgebildeten Hochvoltstrompfade 36, 38, welche zwischen der Kontakteinrichtung 30 des jeweiligen Stromabnehmers 26 bzw. 28 und dem Wechselrichter 40 verlaufen, geschaltet.
Das Fahrzeug 20 umfasst weiterhin eine Einrichtung 46, die dazu vorgesehen und eingerichtet ist, die Spannung zwischen dem ersten Stromabnehmer 26 dem Fahrzeugchassis 22 und/oder die Spannung zwischen dem Fahrzeugchassis 22 und dem zweiten Stromabnehmer 28 zu ermitteln, hier zu erfassen. Die Spannung zwischen dem ersten Stromabnehmer 26 und dem Fahrzeugchassis 22 wird hier und im Folgenden kurz auch als erste Spannung U₁, und die Spannung zwischen dem Fahrzeugchassis 22 und dem zweiten Stromabnehmer 28 als zweite Spannung U₂ bezeichnet. Die Einrichtung 46 umfasst hierzu zwei Spannungsmesseinrichtungen 48, 50. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine der Spannungsmesseinrichtungen 48 zwischen den mit dem ersten Stromabnehmer 26 verbundenen Hochvoltstrompfad 36 und das Fahrzeugchassis 22 geschaltet, die andere Spannungsmesseinrichtung 50 ist zwischen den mit dem zweiten Stromabnehmer 28 verbundenen Hochvoltstrompfad 38 und das Fahrzeugchassis 22 geschaltet.
Zwischen das Fahrzeugchassis 22 und den ersten Stromabnehmer 26, insbesondere zwischen das Fahrzeugchassis und den mit dem ersten Stromabnehmer 26 verbundenen Hochvoltstrompfad 36, ist ein als erster Schalter 52 ausgebildetes erstes steuerbares Halbleiterelement 52 geschaltet. Zwischen das Fahrzeugchassis 22 und den zweiten Stromabnehmer 28, insbesondere zwischen das Fahrzeugchassis 22 und den mit dem zweiten Stromabnehmer 28 verbundenen Hochvoltstrompfad 38, ist ein als zweiter Schalter 54 ausgebildetes zweites steuerbares Halbleiterelement 54 geschaltet. Dabei sind der erste Schalter 52 und der zweite Schalter 54 in Serie miteinander verschaltet. Dabei ist zwischen den Mittenabgriff zwischen den beiden Schaltern 52,54 und das Fahrzeugchassis 22 eine hier als Spule ausgebildete Induktivität 56 geschaltet. Zusammenfassend ist der Mittenabgriff zwischen den beiden in Serie geschalteten Schaltern 52,54 mittels der Induktivität 56 mit dem Fahrzeugchassis verbunden. Die inneren Widerstände des ersten und des zweiten Schalters 52, 54 sind hier repräsentativ dargestellt und mit den Bezugszeichen 52a bzw. 54a versehen.
Weiterhin ist zwischen den ersten Stromabnehmer 26 und das Fahrzeugchassis 22 ein erster Kondensator 58, der einen Y-Kondensator bildet, geschaltet. Zwischen den zweiten Stromabnehmer 28 und das Fahrzeugchassis 22 ist ein zweiter Kondensator 60, der ebenfalls einen Y-Kondensator bildet, geschaltet.
Der erste Schalter 52 und der zweite Schalter 54 bilden eine Halbbrücke. Die beiden Schalter 52, 54 werden dabei jeweils derart betrieben bzw. jeweils derart anhand eines pulsweitenmodulierten Steuersignals S_PWM,1 bzw. S_PWM,2 angesteuert, dass die erste Spannung U₁ gleich der zweiten Spannung ist. Also wird ein Unterschied zwischen der ersten Spannung U₁ und U₂, der aufgrund eines unterschiedlichen Betrags des elektrischen Widerstands der Isolationswiderstände 32, 34, also wegen eines asymmetrischen Isolationsfehlers, ausgeglichen, also auf Null reduziert.
Diese beiden Steuersignale S_PWM,1 und S_PWM,2 werden von einer Steuer- oder Regeleinrichtung 62 ausgegeben, wobei die Steuer- oder Regeleinrichtung 62 die Steuersignale S_PWM,1 bzw. S_PWM,2 in Abhängigkeit der anhand der Einrichtung 48 ermittelten ersten und zweiten Spannung U₁, U₂ bestimmt und ausgibt. Die Bestimmung der beiden Steuersignale S_PWM,1 bzw. S_PWM,2 wird im Folgenden im Zusammenhang mit dem Betriebsverfahren gem. der 3 und 4 dargestellt.
In der 3 ist ein Verfahrensablauf zum Betrieb des Kraftfahrzeugs 20 anhand eines Flussdiagramms dargestellt.
Im Fahrleitungsbetrieb F des Fahrzeugs 20 werden in einem ersten Schritt I die erste Spannung U₁ und die zweite Spannung U₂ anhand der Einrichtung 46 ermittelt.
In einem zweiten Schritt II wird anhand der ersten Spannung U₁ und anhand der zweiten Spannung U₂ ein Steuerwert C bestimmt. Die Bestimmung des Steuerwerts C ist in der 4 näher dargestellt. Hierzu wird zunächst ein Mittelwert M aus der ersten Spannung U₁ und der zweiten Spannung U₂ bestimmt (vgl. Schritt Ila, 4). Der Mittelwert M und die zweite Spannung U₂ werden einer Regeleinheit 64 als Sollwert bzw. als Ist-Wert zugeführt, welche gemäß der 2 beispielhaft Bestandteil der Steuer- oder Regeleinrichtung 62 ist. Die Regeleinheit 64 ist oder umfasst dabei einen PI-Regler. Gemäß einer nicht weiter dargestellten Alternative wird der Mittelwert M und die erste Spannung U₁ der Regeleinheit 64 zugeführt. Die folgenden Ausführungen gelten dann in analoger Weise.
In Schritt Ilb bestimmt die Regeleinheit 64 einen Differenzwert D, also das Ergebnis der Differenz, aus dem Mittelwert M und der zweiten Spannung U₂. Anschließend wird das Verhältnis V aus dem Differenzwert D und dem Mittelwert M gebildet. Mit anderen Worten wird der Differenzwert D durch den Mittelwert M geteilt.
Zum einen integriert die Regeleinheit 64 dieses Verhältnis V für eine vorgegebene Nachstellzeit und gewichtet das Ergebnis der Integration mit einem vorgegebenen oder vorgebbaren Integrations-Faktor, wobei das Ergebnis der Gewichtung mit dem Integrations-Faktor in der 4 mit dem Bezugszeichen w₁ bezeichnet ist. Zum anderen gewichtet die Regeleinheit 64 das Verhältnis V mit einem vorgegebenen oder vorgebbaren Proportional-Faktor, wobei das Ergebnis der Gewichtung mit dem Proportional-Faktor in der 4 mit dem Bezugszeichen w₂ bezeichnet ist.
In Schritt Ilc wird das Ergebnis w₂ der Gewichtung mit dem Proportional-Faktor, das Ergebnis w₁ der Gewichtung mit dem Integrations-Faktor und ein Vorsteuerwert w₃, welcher 50% beträgt, addiert. Diese Summe bildet dabei den Steuerwert C.
Dieser Steuerwert C bildet dabei den Tastgrad d₁ für das pulsweitenmodulierte Steuersignal S_PWM,1. Der Tastgrad d₂ für das pulsweitenmodulierte Steuersignal S_PWM,2 ist - zum Zwecke eines besseren Verständnisses ohne Berücksichtigung von Schutzzeiten oder Totzeiten - entsprechend der folgenden Gleichung bestimmt: $d_{2} = 1 - d_{1}$
In Schritt III gemäß der 3 erzeugt die Steuer- oder Regeleinrichtung 62 die Steuersignale S_PWM,1, S_PWM,2 mit den entsprechenden Tastgraden d₁ bzw. d₂ für die Ansteuerung der beiden Schalter 52, 54. Die Schalter 52, 54 werden anhand der Steuersignale S_PWM,1, S_PWM,2 pulsweitenmoduliert angesteuert, so dass ein Unterschied zwischen der ersten Spannung U₁ und der zweiten Spannung U₂ ausgeglichen wird. Auf diese Weise ist, sofern das Fahrzeug 20 zusammen mit einer zweipoligen Fahrleitungseinrichtung 2 verwendet wird, die eine spannungsmittige Erdung aufweist, eine Berührspannung gleich Null oder lediglich vergleichsweise klein, so dass für eine Person die Gefahr eines elektrischen Schlages bei einer Berührung des Fahrzeugchassis 22 vorteilhaft vermieden ist.
Falls der Tastgrad d₁ einen vorgegebenen oberen Schwellenwert S₁, beispielsweise 90% oder 100%, erreicht und/oder überschreitet, oder wenn der Tastgrad d₁ einen vorgegebenen unteren Schwellenwert S₂, beispielsweise 10% oder 0%, erreicht oder unterschreitet, werden die Schalter 44 stromsperrend geschaltet und somit der Fahrleitungsbetrieb F beendet. Zusätzlich oder alternativ hierzu wird der Fahrleitungsbetrieb F beendet, wenn der Betrag der Differenz aus der ersten Spannung U₁ und der zweiten Spannung U₂ einen vorgegebenen Spannungs-Schwellenwert S₃ überschreitet. Das Beenden des Fahrleitungsbetriebs F ist in der 3 als Schritt IV dargestellt.
Bezugszeichenliste

2: Fahrleitungseinrichtung
4: erste Fahrleitung
6: zweite Fahrleitung
8: Gleichspannungsquelle
9: Erde
10: elektrischer Widerstand/Symmetrierwiderstand
12: Erdausbreitungswiderstand
14: Überspannungsschutz
16: Schalteinrichtung mit Überstrom- und Kurzschlussschutzfunktion
18: elektrischer Widerstand der Fahrleitung
20: elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug
22: Fahrzeugchassis
24: (Reifen-)Widerstand
26: erster Stromabnehmer
28: zweiter Stromabnehmer
30: Kontakteinrichtung
32: elektrischer Widerstand der Isolation
34: elektrischer Widerstand der Isolation
36: Hochvoltstrompfad
38: Hochvoltstrompfad
40: Wechselrichter
42: Elektromotor
44: Schalter
46: Einrichtung zur Ermittlung der ersten Spannung und/oder der zweiten Spannung
48: Spannungsmesseinrichtung
50: Spannungsmesseinrichtung
52: erster Schalter/erstes Halbleiterelement
52a: innerer Widerstand des ersten Schalters
54: zweiter Schalter/zweites Halbleiterelement
54a: innerer Widerstand des zweiten Schalters
56: Induktivität
58: Kondensator
60: Kondensator
62: Steuer- oder Regeleinrichtung
64: Regeleinheit
I: Ermitteln der ersten Spannung und der zweiten Spannung
II: Bestimmen des Steuerwerts
IIa: Bestimmung des Mittelwerts
IIb: Bestimmen des Differenzwerts und des Verhältnisses
IIc: Bestimmen des Steuerwerts
III: Erzeugen der Steuersignale
IV: Beenden des Fahrleitungsbetriebs
C: Steuerwert
D: Differenzwert
d1: Tastgrad
d2: Tastgrad
F: Fahrleitungsbetrieb
M: Mittelwert
S1: oberer Schwellenwert für den Tastgrad
S2: unterer Schwellenwert
S3: Spannungs-Schwellenwert
SPWM,1: pulsweitenmoduliertes Steuersignal für den ersten Schalter
SPWM,2: pulsweitenmoduliertes Steuersignal für den zweiten Schalter
U1: erste Spannung
U2: zweite Spannung
V: Verhältnis aus Differenzwert und Mittelwert
w1: Ergebnis der Gewichtung mit dem Integrations-Faktor
w2: Ergebnis der Gewichtung mit dem Proportional-Faktor
w3: Vorsteuerwert

Claims

Elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug (20), aufweisend - einen ersten Stromabnehmer (26) und einen zweiten Stromabnehmer (28) zum Kontaktieren jeweils einer Fahrleitung (4,6) einer zweipoligen Fahrleitungseinrichtung (2), - ein Fahrzeugchassis (22), und - eine Einrichtung (46) zur Ermittlung der Spannung zwischen dem Fahrzeugchassis (22) und dem ersten Stromabnehmer (26) und/oder der Spannung zwischen dem Fahrzeugchassis (22) und dem zweiten Stromabnehmer (28), oder eine Schaltung zur Ermittlung eines Unterschieds zwischen dem Betrag des elektrischen Widerstands der Isolation zwischen dem ersten Stromabnehmer (26) und dem Fahrzeugchassis (22) und dem Betrag des elektrischen Widerstands der Isolation zwischen dem zweiten Stromabnehmer (28) und dem Fahrzeugchassis (22), - wobei ein erstes steuerbares Halbleiterelement (52), insbesondere ein erster Schalter, zwischen das Fahrzeugchassis (22) und den ersten Stromabnehmer (26) geschaltet ist, - wobei ein zweites steuerbares Halbleiterelement (54), insbesondere ein zweiter Schalter, zwischen das Fahrzeugchassis (22) und den zweiten Stromabnehmer (28) geschaltet ist, - wobei das erste Halbleiterelement (52) und das zweite Halbleiterelement (54) derart angesteuert sind und/oder werden, dass die Spannung zwischen dem ersten Stromabnehmer (26) und dem Fahrzeugchassis (22) gleich der Spannung zwischen dem Fahrzeugchassis (22) und dem zweiten Stromabnehmer (28) ist. dadurch gekennzeichnet, - dass das als Schalter (52) ausgebildete erste Halbleiterelement und das als Schalter (54) ausgebildete zweite Halbleiterelement jeweils anhand eines pulsweitenmodulierten Steuersignals (S_PWM,1, S_PWM,2) angesteuert sind.
Elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Halbleiterelement (52) und das zweite Halbleiterelement (54) in Serie miteinander geschaltet sind, wobei eine Induktivität (56) zwischen das Fahrzeugchassis (22) und den Mittenabgriff zwischen dem ersten Halbleiterelement (52) und dem zweiten Halbleiterelement (54) geschaltet ist.
Elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug (20) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stromabnehmer (26) und der zweite Stromabnehmer (28) an einen Gleichspannungswandler oder an einen Wechselrichter (40) für einen Elektromotor (42) angeschlossen sind.
Verfahren zum Betrieb eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, - wobei im Fahrleitungsbetrieb (F) als erste Spannung (U₁) die Spannung zwischen dem ersten Stromabnehmer (26) und dem Fahrzeugchassis (22) sowie als zweite Spannung (U₂) die Spannung zwischen dem Fahrzeugchassis (22) und dem zweiten Stromabnehmer (28) ermittelt werden, - wobei anhand der ersten Spannung (U₁) und der zweiten Spannung (U₂) ein Steuerwert (C) bestimmt wird, - wobei das erste Halbleiterelement (52) und das zweite Halbleiterelement (54) in Abhängigkeit des bestimmten Steuerwerts (C) derart angesteuert werden, dass die Spannung zwischen dem ersten Stromabnehmer (26) und dem Fahrzeugchassis (22) gleich der Spannung zwischen dem Fahrzeugchassis (22) und dem zweiten Stromabnehmer (28) ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, - dass der Mittelwert (M) der ersten Spannung (U₁) und der zweiten Spannung (U₂) bestimmt wird, - dass ein Differenzwert (D) aus dem Mittelwert (M) und der ersten oder zweiten Spannung (U₁, U₂) bestimmt wird, und - dass der Steuerwert (C) anhand des Differenzwertes (D) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Steuerwerts (C) als Sollwert der Mittelwert (M) der ersten Spannung (U₁) und der zweiten Spannung (U₂) und als Ist-Wert die erste Spannung (U₁) oder die zweite Spannung (U₂) einer Regeleinheit (64) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, - dass unter Bildung des Steuerwertes (C) zum Ausgabewert der Regeleinheit (64) der Wert 0,50 addiert wird, und/oder - dass anhand des Steuerwerts (C) ein Tastgrad (d₁) für eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung des als Schalter ausgebildeten ersten Halbleiterelements (52) und ein Tastgrad (d₂) für eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung des als Schalter ausgebildeten zweiten Halbleiterelements (54) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrleitungsbetrieb (F) beendet wird, wenn der Tastgrad (d₁) für den ersten Schalter (52) einen vorgegebenen oberen Schwellenwert (S₁) erreicht oder überschreitet oder einen vorgegebenen unteren Schwellenwert (S₂) erreicht oder unterschreitet, und/oder wenn der Betrag der Differenz aus der ersten Spannung (U₁) und der zweiten Spannungswert (U₂) einen vorgegebenen Spannungs-Schwellenwert (S₃) überschreitet.
System, aufweisend - ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug (20), welches nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ausgebildet und/oder nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 8 betrieben ist, sowie - eine zweipolige Fahrleitungseinrichtung (2) mit zwei Fahrleitungen (4,6), - wobei eine Spannung zwischen einer ersten der beiden Fahrleitungen (4) und Erde (9) gleich der Spannung zwischen Erde (9) und der zweiten der beiden Fahrleitungen (6) ist.