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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Antrieb eines Schienenfahrzeugs, das zum Antrieb zwei unterschiedliche Energiequellen nutzt.
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Derartige Schienenfahrzeuge sind als Hybridfahrzeuge bekannt, die im Allgemeinen eine Kombination mit einer Traktionsbatterie als erste Energiequelle und mit einem Dieselmotor oder mit einer Oberleitung, etc., als zweite Energiequelle nutzen.
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Wesentlicher Bestandteil des Hybridfahrzeugs ist ein Gleichspannungszwischenkreis, in den über eine Eingangsseite Energie der jeweiligen Energiequelle eingebracht wird, um nachfolgend für den Antrieb des Schienenfahrzeugs verwendet zu werden.
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Dazu ist der Gleichspannungszwischenkreis ausgangsseitig über einen DC/AC-Wandler mit einem Traktionsmotor des Schienenfahrzeugs verbunden. Aus dem Gleichspannungszwischenkreis entnommene Energie gelangt über den DC/AC-Wandler als Wechselrichter an den Traktionsmotor, um dort zum Antrieb des Schienenfahrzeugs verwendet zu werden.
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Der Dieselmotor treibt einen Generator an, die damit gebildete Energie gelangt über einen AC/DC-Wandler zur Eingangsseite des Gleichspannungszwischenkreises.
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Eine AC-Oberleitung ist über einen AC/DC-Wandler als Umrichter mit der Eingangsseite des Gleichspannungszwischenkreises verbunden, während eine DC-Oberleitung ggf. über einen DC/DC-Wandler mit der Eingangsseite des Gleichspannungszwischenkreises verbunden ist, um jeweilige Energie zur Eingangsseite des Gleichspannungszwischenkreises zu bringen.
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Aufgrund der Historie und der verwendeten Komponenten wird an dieses bekannte, klassische System die Traktionsbatterie zusätzlich angebunden.
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Die Traktionsbatterie ist über einen DC/DC-Steller mit der Eingangsseite des Gleichspannungszwischenkreises verbunden, um die für den Antrieb benötigte Energie aus der Traktionsbatterie in den Gleichspannungszwischenkreis einzubringen.
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2 zeigt ein prinzipielles Blockschaltbild für ein derartiges Hybridfahrzeug bzw. hybrides Schienenfahrzeug SFZ des bekannten Stands der Technik.
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Eine Traktionsbatterie TB ist als erste Energiequelle über einen DC/DC-Steller DCDCS mit einer Eingangsseite eines Gleichspannungszwischenkreises GSZK verbunden, um dem Gleichspannungszwischenkreis GSZK Energie zuzuführen.
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Die Traktionsbatterie TB ist dabei über Schalter S11 und S12 an- bzw. abschaltbar mit dem DC/DC-Steller DCDCS verbunden.
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Der DC/DC-Steller DCDCS ist über Schalter Q11 und Q12 an- bzw. abschaltbar mit dem Gleichspannungszwischenkreis GSZK verbunden.
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Der Gleichspannungszwischenkreis GSZK ist ausgangsseitig über einen DC/AC-Wandler als Umrichter UMR mit einem Traktionsmotor M des Schienenfahrzeugs verbunden.
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Dem Traktionsmotor M wird aus dem Gleichspannungszwischenkreis GSZK entnommene und über den Umrichter UMR geführte Energie zum Antrieb des Schienenfahrzeugs SFZ zugeführt.
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Der Umrichter UMR wird ausgangsseitig auch zur Versorgung von Hilfsbetrieben HB mit Energie und zur Ableitung von Bremsenergie an einen Bremswiderstand BWID benutzt.
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Als Teil der Eingangsseite des Gleichspannungszwischenkreises GSZK ist ein Kondensator CZK vorgesehen, der zur Glättung von Oberwellen der dem Gleichspannungszwischenkreis GSZK zugeführten Energie vorgesehen ist.
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Eine Oberleitung OL oder ein Dieselmotor DM bilden eine zweite Energiequelle, die (wie vorstehend beschrieben) Energie an die Eingangsseite des Gleichspannungszwischenkreises GSZK zuführt, wobei diese Energie ebenfalls über den Kondensator CZK zur Glättung von Oberwellen geführt ist.
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Auch diese zweite Energiequelle DM oder OL ist schaltbar mit dem Gleichspannungszwischenkreis GSZK verbunden.
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Die geschilderte Beschaltung ermöglicht eine Antriebs-Energieversorgung des Traktionsmotors M über die erste Energiequelle TB oder über die zweite Energiequelle, also Oberleitung OL oder Dieselmotor DM.
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Die Traktionsbatterie TB wird hier durch zwei Gleichspannungszellen U11, U12, zwei Sicherungen F11, F12 und die beiden Schalter S11, S12 repräsentiert.
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Ausgangsseitig wird dem Gleichspannungszwischenkreis GSZK eine relativ große elektrische Leistung für den Traktionsmotor M entnommen, die dem Gleichspannungszwischenkreis GSZK eingangsseitig zugeführt werden muss.
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Um dazu benötigte eingangsseitige Ströme aus Gründen von Verlusten relativ klein zu halten, werden an der Eingangsseite des Gleichspannungszwischenkreises GSZK relativ hohe Spannungen gewählt, die typischerweise im Bereich von 2 kV bis 4 kV liegen.
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Diese Forderung wird von der Verwendung des Dieselmotors DM bzw. der Oberleitung OL als Energiequelle bestimmt.
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Die Traktionsbatterie TB kann bauartbedingt jedoch diese hohen Spannungen nicht unmittelbar zur Verfügung stellen, da deren Ausgangsspannung nur in einem Bereich von <1 kV liegt.
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Daher wird mit Hilfe des DC/DC-Stellers DCDCS eine entsprechende Spannungsanpassung durchgeführt, um die an der Eingangsseite des Gleichspannungszwischenkreis GSZK geforderten, relativ hohen Spannungen zu erreichen.
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Zu diesem Zweck weist der hier symbolisch dargestellte DC/DC-Steller DCDCS eine erste Drossel LP1 auf, der zwei getaktete bzw. geschaltete IGBTs BPT11, BPT12 (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode, IGBT) nachgeschaltet sind.
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Die Drossel LP1 wird als „Chopperdrossel“ bezeichnet und verwendet
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Die beiden IGBTs BPT11, BPT12 werden derart getaktet bzw. angesteuert, dass eine Spannungsanpassung in zwei Energieflussrichtungen erfolgt.
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Den beiden IGBTs BPT11, BPT12 mit zugeordneten Inversdioden D11, D12 sind ein Kondensator CZK1, eine Drossel LK1 und die beiden Schalter Q11, Q12 nachgeschaltet.
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Die Drossel LK1 wird als „Entkopplungsdrossel“ bezeichnet und verwendet. Mit ihrer Hilfe werden Schwingungen zwischen den verteilten (Zwischenkreis-) Kondensatoren CZK und CZK1 in einen Frequenzbereich verschoben, der durch den Umrichter aktiv bedämpft werden kann.
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Für den Antrieb des Schienenfahrzeugs SFZ gilt die folgende Schalterkonfiguration für die nachfolgend genannten Komponenten:
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Bei einem Antrieb, der nur mit Hilfe der ersten Energiequelle (Traktionsbatterie TB) erfolgt:
| S11, S12: | geschlossen |
| BPT11, BPT12: | getaktet |
| Q11, Q12: | geschlossen |
| OL, DM: | ohne Verbindung zum Gleichstromzwischenkreis GSZK bzw. abgeschaltet |
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Bei einem Antrieb, der nur mit Hilfe der zweiten Energiequelle (Oberleitung OL oder Dieselmotor DM) erfolgt:
| S11, S12: | offen |
| BPT11, BPT12: | nicht getaktet |
| Q11, Q12: | offen |
| OL, DM: | mit Verbindung zum Gleichstromzwischenkreis GSZK |
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Der DC/DC-Steller DCDCS muss für eine volle Lade- und Entladeleistung der Traktionsbatterie TB ausgelegt sein, wodurch Verluste verursacht werden.
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Durch den getakteten Betrieb des DC/DC-Stellers werden weitere Verluste in den IGBTs BPT11, BPT12, den Dioden D11, D12, der Drossel LP1 und ggf. der Drossel LK1 verursacht.
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Diese Verluste verringern eine erzielbare Reichweite des Schienenfahrzeugs, wenn dessen Antrieb mit Hilfe der Traktionsbatterie TB erfolgen soll.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem bei einem Hybridfahrzeug mit Traktionsbatterie dessen erzielbare Reichweite verbessert wird.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Anordnung zum Antrieb eines hybriden Schienenfahrzeugs bzw. das hybride Schienenfahrzeug weist eine Traktionsbatterie als erste Energiequelle, einen DC/DC-Steller, einen Gleichspannungszwischenkreis, einen Umrichter sowie einen Traktionsmotor auf.
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Die Traktionsbatterie ist an- bzw. abschaltbar mit dem DC/DC-Steller verbunden.
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Der DC/DC-Steller ist an- bzw. abschaltbar mit dem Gleichspannungszwischenkreis verbunden.
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Die zweite Energiequelle ist an- bzw. abschaltbar mit dem Gleichspannungszwischenkreis verbunden.
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Erfindungsgemäß ist der DC/DC-Steller zusätzlich überbrückbar ausgestaltet und nimmt mit Blick auf die erfinderische Anordnung zwei Zustände ein.
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In einem ersten Zustand ist der DC/DC-Steller nicht überbrückt und bildet damit einen aktiven Bestandteil der erfinderischen Anordnung.
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In einem zweiten Zustand ist der DC/DC-Steller überbrückt bzw. kurzgeschlossen, so dass er einen inaktiven Bestandteil der erfinderischen Anordnung bildet.
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Im ersten Zustand, d.h. mit aktivem DC/DC-Steller, gelangt Energie der Traktionsbatterie über den DC/DC-Steller in den Gleichspannungszwischenkreis.
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Im zweiten Zustand, d.h. mit überbrücktem DC/DC-Steller, gelangt Energie der Traktionsbatterie direkt, d.h. ohne Beteiligung des DC/DC-Stellers, in den Gleichspannungszwischenkreis.
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Zusammengefasst ist der Gleichspannungszwischenkreis eingangsseitig entweder direkt mit der Traktionsbatterie verbunden, d.h. der DC/DC-Steller ist überbrückt, oder der Gleichspannungszwischenkreis ist eingangsseitig über den DC/DC-Steller mit der Traktionsbatterie verbunden, d.h. der DC/DC-Steller ist nicht überbrückt.
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Der Gleichspannungszwischenkreises ist ausgangsseitig über einen Umrichter bzw. DC/AC-Wandler mit dem Traktionsmotor derart verbunden, dass Energie aus dem Gleichspannungszwischenkreis entnommen wird und zum Traktionsmotor gelangt, um dort zum Antrieb des Schienenfahrzeugs verwendet zu werden.
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Die Eingangsseite des Gleichspannungszwischenkreises ist zusätzlich mit einer an- bzw. abschaltbaren zweiten Energiequelle derart verbunden, dass Energie der zweiten Energiequelle in den Gleichspannungszwischenkreis gelangt.
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Das Schienenfahrzeug beinhaltet eine Schaltlogik, die wie folgt ausgestaltet ist:
- In einer ersten Ausgestaltung der Schaltlogik gelangt ausschließlich Energie von der Traktionsbatterie über den überbrückten DC/DC-Steller und damit direkt in den Gleichspannungszwischenkreis. Bevorzugt ist in diesem Fall die zweite Energiequelle abgeschaltet, inaktiv oder nicht mit der Eingangsseite des Gleichspannungszwischenkreises verbunden.
- In einer zweiten Ausgestaltung der Schaltlogik gelangt ausschließlich Energie von der Traktionsbatterie über den DC/DC-Steller in den Gleichspannungszwischenkreis. Bevorzugt ist in diesem Fall die zweite Energiequelle abgeschaltet, inaktiv oder nicht mit der Eingangsseite des Gleichspannungszwischenkreises verbunden.
- In einer dritten Ausgestaltung der Schaltlogik gelangt ausschließlich Energie der zweiten Energiequelle in den Gleichspannungszwischenkreis. Bevorzugt ist in diesem Fall die erste Energiequelle abgeschaltet, inaktiv bzw. nicht mit der Eingangsseite des Gleichspannungszwischenkreises verbunden. Bevorzugt ist in diesem Fall der DC/DC-Steller abgeschaltet, inaktiv oder nicht mit der Eingangsseite des Gleichspannungszwischenkreises verbunden.
- In einer vierten Ausgestaltung der Schaltlogik gelangt Energie von der Traktionsbatterie über den DC/DC-Steller in den Gleichspannungszwischenkreis und gleichzeitig gelangt Energie der zweiten Energiequelle in den Gleichspannungszwischenkreis.
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Die Erfindung nutzt die Erkenntnis, dass bei einer Fahrt unter alleiniger Nutzung der Traktionsbatterie deren verringerte Energie- bzw. Leistungseinspeisung in den Gleichspannungszwischenkreis für den Antrieb des Schienenfahrzeugs ausreichend ist.
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Diese Antriebsmöglichkeit wird über durch die Überbrückung des DC/DC-Stellers realisiert, der DC/DC-Steller wird beim Laden bzw. beim Entladen des Gleichspannungszwischenkreises durch die Überbrückung vermieden bzw. deaktiviert.
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Gleiches gilt für eine Nutzung von Bremsenergie seitens der Traktionsmotoren, die verwendet wird, um die Traktionsbatterie aufzuladen - auch hier kann auf den DC/DC-Steller beim Laden bzw. beim Entladen des Gleichspannungszwischenkreises verzichtet werden.
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Wird neben der Traktionsbatterie zusätzlich die zweite Energiequelle verwendet, um Energie in den Gleichspannungszwischenkreis einzuspeisen, so wird der DC/DC-Steller „normal“ verwendet, d.h. er ist nicht überbrückt und arbeitet im Taktbetrieb.
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In einem Entladebetrieb der Traktionsbatterie arbeitet der DC/DC-Steller als Hochsetz-Steller, um für den Antrieb des Schienenfahrzeugs die Batteriespannung der Traktionsbatterie auf eine geforderte Zwischenkreisspannung am Eingang des Gleichspannungszwischenkreises hochzusetzen.
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In einem Ladebetrieb der Traktionsbatterie arbeitet der DC/DC-Steller als Tiefsetz-Steller, um eine vom Gleichspannungszwischenkreis zur Verfügung gestellte Spannung auf ein gefordertes Niveau am Eingang der Traktionsbatterie herunterzusetzen.
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Durch die vorliegende Erfindung werden mehrere Betriebsarten des Schienenfahrzeugs ermöglicht:
- - eine Betriebsart mit alleiniger Verwendung der Traktionsbatterie,
- - eine Betriebsart mit alleiniger Verwendung der zweiten Energiequelle, oder
- - eine Betriebsart mit kombinierter Verwendung der Traktionsbatterie und der zweiten Energiequelle.
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Durch die vorliegende Erfindung werden verteilte (Zwischenkreis-) Kondensatoren bei überbrücktem DC/DC-Steller getrennt, so dass kein Schwingkreis zwischen den Kondensatoren mehr vorhanden ist.
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Eine bislang benötigte Entkopplungsdrossel ist nicht mehr notwendig und wird entsprechend nicht mehr bestromt. Damit werden Verluste in der Entkopplungsdrossel vollständig vermieden.
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Durch die vorliegende Erfindung wird im reinen Traktionsbatterie-Betrieb eine Wirkungsgrad-Steigerung erreicht:
- Der Wirkungsgrad der DC/DC-Steller-Übertragung (bedingt durch die Verluste in Halbleitern und Drosseln) von ca. 97 im Taktbetrieb muss nicht mehr berücksichtigt werden, da die entsprechenden Verluste entfallen. Die Übertragung zwischen der Traktionsbatterie und dem Gleichspannungszwischenkreis erzielt nun einen Wirkungsgrad von nahezu 100%.
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Durch die vorliegende Erfindung wird eine erhöhte Batteriereichweite erzielt.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
- 1 ein prinzipielles Blockschaltbild für ein erfindungsgemäßes hybrides Schienenfahrzeug, und
- 2 den in der Einleitung beschriebenen Stand der Technik.
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1 zeigt ein prinzipielles Blockschaltbild für ein erfindungsgemäßes hybrides Schienenfahrzeug SFZ.
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Eine Traktionsbatterie TB ist als erste Energiequelle über einen DC/DC-Steller DCDCS mit einer Eingangsseite eines Gleichspannungszwischenkreises GSZK verbunden, um dem Gleichspannungszwischenkreis GSZK Energie zuzuführen.
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Die Traktionsbatterie TB ist dabei über Schalter S11 und S12 an- bzw. abschaltbar mit dem DC/DC-Steller DCDCS verbunden.
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Der DC/DC-Steller DCDCS ist über Schalter Q11 und Q12 an- bzw. abschaltbar mit dem Gleichspannungszwischenkreises GSZK verbunden.
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Der Gleichspannungszwischenkreis GSZK ist ausgangsseitig über einen DC/AC-Wandler als Umrichter UMR mit einem Traktionsmotor M des Schienenfahrzeugs verbunden.
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Dem Traktionsmotor M wird aus dem Gleichspannungszwischenkreis GSZK entnommene und über den Umrichter UMR geführte Energie zum Antrieb des Schienenfahrzeugs zugeführt.
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Der Umrichter UMR wird ausgangsseitig auch zur Versorgung von Hilfsbetrieben HB mit Energie und zur Ableitung von Bremsenergie an einen Bremswiderstand BWID benutzt.
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Als Teil der Eingangsseite des Gleichspannungszwischenkreises GSZK ist ein Kondensator CZK vorgesehen, der zur Glättung von Oberwellen der dem Gleichspannungszwischenkreis GSZK zugeführten Energie vorgesehen ist.
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Eine Oberleitung OL oder ein Dieselmotor DM bilden eine zweite Energiequelle, die Energie an die Eingangsseite des Gleichspannungszwischenkreises GSZK zuführt, wobei diese Energie ebenfalls über den Kondensator CZK zur Glättung von Oberwellen geführt ist.
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Auch diese zweite Energiequelle DM, OL ist schaltbar mit dem Gleichspannungszwischenkreis GSZK verbunden.
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Die Traktionsbatterie TB wird hier durch zwei Gleichspannungszellen U11, U12, zwei Sicherungen F11, F12 und die beiden Schalter S11, S12 repräsentiert.
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Mit Hilfe des DC/DC-Stellers DCDCS wird eine Spannungsanpassung durchgeführt, um die an der Eingangsseite des Gleichspannungszwischenkreis GSZK geforderten, relativ hohen Spannungen zu erreichen.
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Zu diesem Zweck weist der hier symbolisch dargestellte DC/DC-Steller DCDCS eine erste Drossel LP1 auf, der zwei getaktete bzw. geschaltete IGBTs BPT11, BPT12 (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode, IGBT) nachgeschaltet sind.
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Die Drossel LP1 wird als „Chopperdrossel“ bezeichnet und verwendet.
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Die beiden IGBTs BPT11, BPT12 werden derart getaktet bzw. angesteuert, dass eine Spannungsanpassung erfolgt.
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Den beiden IGBTs BPT11, BPT12 mit zugeordneten Inversdioden D11, D12 sind ein Kondensator CZK1, eine Drossel LK1 und die beiden Schalter Q11, Q12 nachgeschaltet.
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Die Drossel LK1 wird als „Entkopplungsdrossel“ bezeichnet und verwendet. Mit ihrer Hilfe werden Schwingungen zwischen den verteilten (Zwischenkreis-) Kondensatoren CZK und CZK1 aktiv bedämpft.
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Erfindungsgemäß ist der DC/DC-Steller DCDCS durch einen Schalter QB1 überbrückbar ausgestaltet und nimmt mit Blick auf die erfinderische Anordnung zwei Zustände ein.
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In einem ersten Zustand ist der DC/DC-Steller DCDCS nicht überbrückt und bildet damit einen aktiven Bestandteil der erfinderischen Anordnung.
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In einem zweiten Zustand ist der DC/DC-Steller DCDCS überbrückt bzw. kurzgeschlossen, so dass er einen inaktiven Bestandteil der erfinderischen Anordnung bildet.
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Im ersten Zustand, d.h. mit aktivem DC/DC-Steller DCDCS, gelangt Energie der Traktionsbatterie TB über den DC/DC-Steller DCDCS in den Gleichspannungszwischenkreis GSZK.
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In diesem ersten Zustand ist der DC/DC-Steller DCDCS aktiv, der Schalter QB1 zur Überbrückung des DC/DC-Stellers DCDCS ist offen.
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Im zweiten Zustand, d.h. mit überbrückten DC/DC-Steller, gelangt Energie der Traktionsbatterie TB direkt, d.h. ohne Beteiligung des DC/DC-Stellers DCDCS, in den Gleichspannungszwischenkreis GSZK.
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In diesem zweiten Zustand ist der DC/DC-Steller DCDCS überbrückt, der Schalter QB1 zur Überbrückung des DC/DC-Stellers DCDCS ist also geschlossen.
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Die geschilderte Beschaltung ermöglicht die oben genannten vier Energieversorgungen bzw. Energieeinspeisungen des Gleichspannungszwischenkreises, um den Antrieb des Schienenfahrzeugs über den Traktionsmotor M durchzuführen.
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Speist nur die Traktionsbatterie TB als erste Energiequelle in den Gleichspannungszwischenkreis GSZK ein,
- - ist entweder die Traktionsbatterie TB durch Überbrückung des DC/DC-Stellers DCDCS direkt mit dem Gleichspannungszwischenkreis GSZK verbunden, oder
- - die Traktionsbatterie TB ist über den (nicht-überbrückten) DC/DC-Steller DCDCS mit dem Gleichspannungszwischenkreis GSZK verbunden.
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Alternativ dazu speist nur die zweite Energiequelle in den Gleichspannungszwischenkreis GSZK ein.
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Alternativ dazu speisen beide Energiequellen kombiniert in den Gleichspannungszwischenkreis GSZK ein, wobei dann die erste Traktionsbatterie TB über den DC/DC-Steller DCDCS mit dem Gleichspannungszwischenkreis GSZK verbunden ist.
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Für diese Einspeisungen gilt die folgende Schalterkonfiguration für die nachfolgend genannten Komponenten:
- 1. Antrieb bzw. Einspeisung erfolgt allein mit Hilfe der Traktionsbatterie TB als erste Energiequelle bei nicht überbrückten DC/DC-Steller DCDCS:
| S11, S12: | geschlossen |
| BPT11, BPT12: | getaktet |
| Q11, Q12: | geschlossen |
| QB1: | offen (damit ist der DC/DC-Steller DCDCS nicht überbrückt) |
| OL, DM: | ohne Verbindung zum Gleichstromzwischenkreis GSZK bzw. abgeschaltet |
Alternativ dazu:
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2. Antrieb bzw. Einspeisung erfolgt allein mit Hilfe der ersten Traktionsbatterie TB als erste Energiequelle bei überbrücktem DC/DC-Steller DCDCS:
| S11, S12: | geschlossen |
| BPT11, BPT12: | nicht getaktet |
| Q11: | offen |
| Q12: | geschlossen (verbindet weiter Minuspfad) |
| QB1: | geschlossen (damit ist der DC/DC-Steller DCDCS überbrückt) |
| OL, DM: | ohne Verbindung zum Gleichstromzwischenkreis GSZK bzw. abgeschaltet |
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3. Antrieb bzw. Einspeisung erfolgt allein mit Hilfe der zweiten Energiequelle (Oberleitung OL bzw. Dieselmotor DM) :
| S11, S12: | offen |
| BPT11, BPT12: | nicht getaktet |
| Q11, Q12: | offen |
| QB1: | offen (damit ist der DC/DC-Steller DCDCS nicht überbrückt) |
| OL, DM: | mit Verbindung zum Gleichstromzwischenkreis GSZK |
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4. Antrieb bzw. Einspeisung erfolgt mit Hilfe der kombinierten Energiequellen (Traktionsbatterie TB mit Oberleitung OL bzw. Traktionsbatterie TB mit Dieselmotor DM):
| S11, S12: | geschlossen |
| BPT11, BPT12: | getaktet |
| Q11, Q12: | geschlossen |
| QB1: | offen (damit ist der DC/DC-Steller DCDCS nicht überbrückt) |
| OL, DM: | mit Verbindung zum Gleichstromzwischenkreis GSZK |
