DE4239164C1 - Informationsgesteuertes ortsfestes/businternes Energiespeichersystem für Busse mit Fahrstromversorgung über Oberleitungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein informationsgesteuertes Energie­ speichersystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (DE 32 35 107 C2).

Besondere Merkmale sind die über das bekannte Maß hinausgehende Einsparung von Antriebsenergie sowie die erhöhte Funktionalität und Verfügbarkeit bei teilgestörten Netzen.

Vorrichtungen zur Rückgewinnung der kinetischen Energie beim Abbremsen von Fahrzeugen sind nach verschiedenen Prinzipien bekannt. Elektroloks, Straßen- oder U-Bahnen z. B. speisen ei­ nen Teil der abzubauenden kinetischen Energie in ihre Fahr­ stromnetze zurück. Eine Einspeisung der Bremsenergie in das öffentliche Leitungsnetz ist ebenfalls bekannt, hat jedoch den entscheidenden Nachteil, daß das öffentliche Netz nicht zu jedem Zeitpunkt entsprechend aufnahmebereit ist.

Die Speicherung der Bremsenergie von elektrischen (Schienen-) Fahrzeugen oder Eisenbahnen in einem ortsfesten Speicher wird in der DE 32 35 107 C2 beschrieben. Bei diesem System besteht jedoch die Gefahr, daß z. B. elektrisch angetriebene Busse im öffentlichen Personennahverkehr im Fall von Netzstörungen den sonstigen Straßenverkehr empfindlich stören bis blockieren. Sie haben keine Energiereserven, um Haltebuchten zu erreichen oder im Fall von Netzteilstörungen den Anschluß an das ungestörte Netz aus eigener Kraft wiederzugewinnen.

Die Speicherung der Bremsenergie bei Bussen in Form von businternen Schwungradspeichern ist ebenfalls bekannt (z. B. in: "Ver­ kehr und Technik", 25. Jg., Sonderheft 1972, S. 58/59), wobei die bisher beschriebenen Ausführungen dafür ausgelegt sind, die gesamte Bremsenergie ausschließlich fahrzeugintern aufzunehmen. Dazu ist eine erhebliche Masse für das Schwungrad erforderlich, die bei jedem Anfahrvorgang translatorisch beschleunigt werden muß, was jedesmal zusätzlichen Energieeinsatz sowie einen stär­ keren und somit schwereren Fahrzeugunterbau erfordert. Ferner stellt die hohe Energie im Fahrzeug ein Gefahrenpotential für Fahrgäste und Verkehrsteilnehmer dar, falls das Fahrzeug kolli­ diert oder verunglückt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Energie­ speichersystem für elektrisch über Oberleitungen angetriebene Busse dergestalt bereitzustellen, daß bei minimalen Energiever­ lusten im Speicherungs- und Rückspeisungsprozeß der Bus die Fähigkeit besitzt, im Fall von Netzstörungen aus eigener Kraft Haltebuchten zu erreichen oder bei Teilnetzstörungen den An­ schluß an das ungestörte Netz wiederzugewinnen. Ein weiteres er­ finderisches Ziel ist es, die Gefährdung der Passagiere durch große, voll aufgeladene Energiespeicher bei Unfällen zu vermei­ den sowie ohne überschwere Fahrzeugunterbauten auszukommen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Es sind somit einerseits ortsfeste Schwungradspeicher 1 vorhanden und anderer­ seits ist jeder Bus 8 mit einem eigenen, in der Regel kleineren Schwungradspeicher 6 ausgestattet. Die Energie­ speicherung und -rückgabe kann je nach Bedarfssituation und vor­ wählbarem Betriebsmodus entweder aus dem businternen oder aus dem ortsfesten Schwungradspeicher oder aus beiden oder mit Zuspeisung aus dem Fahrstromnetz 4 unter Verwendung von Meßvor­ richtungen 10, 12 sowie Steuer- und Regeleinrichtungen 2, 5 op­ timiert werden.

Im einzelnen: An ausgewählten Haltepunkten des Liniennetzes sind in entsprechend gesicherten Räumen ein oder mehrere orts­ feste Schwungradspeicher 1 vorhanden. Diese bestehen aus einem Rotor und einem permanent erregten Elektromotor/-generator und sind Stand der Technik; hinzu kommen Steuer- und Regeleinrich­ tungen 2 sowie eine Meßvorrichtung 12 mit Signalgeber für die Feststellung des jeweiligen Ladungszustandes des/der Schwungrad­ speicher 1 und die notwendigen Leitungen 3 vom Fahrstromnetz zum ortsfesten Energiespeicher 1 (Fig. 1).

Ferner sieht die Erfindung vor, daß der Bus 8 selbst einen - im Vergleich zu dem ortsfesten Schwungradspeicher in der Regel deutlich kleineren - mobilen magnetdynamischen Schwungradspei­ cher 6 mit Steuer- und Regeleinrichtung 5 sowie einer Meßvor­ richtung 10 mit Signalgeber besitzt. Die Funktion von 6 besteht darin, bei Netzausfällen noch das Erreichen der nächstgelegenen Haltebucht zu ermöglichen, so daß ein Elektrobus 8 bei Stromaus­ fall nicht mehr - je nach momentanem Standort - ein Verkehrshin­ dernis sein muß. Von Nutzen ist dieser kleine interne Schwung­ radspeicher 6 auch dann, wenn örtlich begrenzte Netzstörungen vorliegen, so daß der Bus 8 mit seiner Hilfe wieder den Anschluß an das nicht gestörte Netz gewinnen kann, vorausgesetzt, daß die Überbrückungsstrecke eine Entfernung von ca. 2 km nicht übersteigt.

Beim Abbremsen an einem Haltepunkt gibt der Bus 8 seine kineti­ sche Energie, die durch generatorischen Betrieb des Antriebs­ motors des Busses in elektrische Energie umgewandelt wird, zu­ nächst an den kleinen businternen Schwungradspeicher 6 und nach dessen voller Aufladung über die Leitungen 4 und 3 und die Re­ gel- und Steuereinrichtungen 2 an den ortsfesten Schwungrad­ speicher 1 ab.

Wird ein Betriebsmodus mit permanent aufgeladenem businternen Schwungradspeicher 6 (Notreserve) gewählt, dann wird beim Wie­ deranfahren des Busses 8 über den generatorischen Betrieb die Rotationsenergie des ortsfesten Schwungradspeichers 1 wieder in elektrische Energie umgewandelt und über die Regel- und Steuereinrichtung 2 und über die Leitungen 3 und das Fahr­ stromnetz 4 in den Antriebsmotor des Fahrzeugs eingespeist, bis der Schwungradspeicher 1 seine Beladungsuntergrenze erreicht hat. Der Restbedarf für die Beschleunigung des Fahrzeugs sowie für die Überwindung von Luft- und Rollwiderständen wird aus dem Fahrstromnetz 4 zugespeist. Diese Zuspeisung kann entweder di­ rekt aus dem Fahrstromnetz 4 in den Bus 8 geschehen oder aber über den Schwungradspeicher 1 erfolgen, von wo aus dann der Energiefluß wie beschrieben abläuft. Die letztgenannte Variante hat den Vorteil einer einfacheren Versorgung aus dem Netz, aber auch den Nachteil des schlechteren Gesamtwirkungsgrades, da da­ bei die elektrische Energie über den Schwungradspeicher 1 fließen muß und damit Verluste anfallen.

Damit ein abbremsender Bus die zurückgewonnene Bremsenergie nicht - wie bei der Bundesbahn z. T. üblich - zur allgemeinen Verfügbarkeit in das Fahrstromnetz zurückspeist, wird das Fahr­ stromnetz 4 einer Buslinie bei erfindungsgemäßer Ausgestaltung in Blöcke eingeteilt. Dadurch wird sichergestellt, daß die ab­ gegebene Energie in einem abgegrenzten Stromversorgungsbereich bleibt; erst bei völliger Aufladung aller Energiespeicher wird Energie an die Nachbarblöcke abgegeben. Die Art der Zusammen­ fassung der Haltestellen zu Blöcken hängt von den Entfernungen s der Haltepunkte voneinander und insbesondere von der Fahr­ zeugfrequenz ab (Fig. 1).

Zwischen dem Bus 8 und dem ortsfesten Schwungradspeicher 1 ist ein Signalaustausch zur Steuerung des Energieflusses (Energie­ aufnahme/ -abgabe; ab wann/bis wann) erforderlich. Die Sig­ nale zur Aktivierung der ortsfesten Steuer- und Regeleinrich­ tungen 2 werden in analoger oder digitaler Form über die Lei­ tungen 3 und 4 übermittelt. Bei analoger Übermittlung ist im Bus 8 ein A/D-Wandler vorzusehen. Dabei wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, daß diese Fahrstromversorgung vom öffentli­ chen Netz getrennt und bereichsweise in Blöcke aufgeteilt ist. Je nach Auslegung können auch Informationsleitungen parallel zu den stromführenden Leitungen 3 und 4 vorgegeben werden. Auch ist eine drahtlose Datenübermittlung möglich. Ein weiterer Signalfluß ist zwischen jeweils benachbarten Blöcken vorgese­ hen, um örtlich auftretenden Energieüberschuß, der nicht mehr gespeichert werden kann, an aufnahmebereite Nachbarblöcke wei­ terzugeben. Dies bedingt schaltbare Überbrückungsglieder 11 zwischen den Blöcken zur Weiterleitung von Signalen und Ener­ gie.

Funktionsweise: Wenn in einem Streckenblock die Energiespei­ cher aufgeladen sind und weitere Energie anfällt, wird dieser Block mittels Überbrückungsglieder 11 an die Nachbarblöcke ge­ schaltet, die überschüssige Energie wird an deren Speicher ab­ gegeben. Sind diese ebenfalls aufgeladen, erfolgt die Weiter­ schaltung an die dann folgenden Nachbarblöcke. Fließt kein Strom mehr, werden die Überbrückungsglieder 11 deaktiviert, die Blöcke sind wieder getrennt. Das Aktivieren und Deakti­ vieren von Überbrückungsgliedern 11 erfolgt über analoge oder digitale Signale über die Leitungen 3 und 4. Ausgelöst werden die Signale von den Steuer- und Regeleinrichtungen 2 bei Vor­ liegen entsprechender Betriebszustände. Die Überbrückungsglie­ der 11 können auch zentral aktiviert werden, wodurch aus einer Vielzahl von Blöcken temporär ein zusammenhängendes Netz ent­ steht. Das ist z. B. dann sinnvoll, wenn alle Schwungradspeicher vor dem täglichen Betriebsbeginn mit billigem Nachtstrom hoch­ gefahren werden sollen oder wenn Zuspeisung von Energie zum Ausgleich der Systemverluste oder zum Abdecken von Spitzenbe­ lastungen erforderlich ist.

Im Bus 8 ist ein Betriebsarten-Wählschalter 7 vorhanden, mit dem der Betriebsmodus vorgewählt wird. Folgende Betriebsmodi sind vorgesehen:

• 1. NORMALBETRIEB I: Die Beschleunigungs- und Betriebsenergie wird zuerst aus dem businternen Schwungradspeicher 6, da­ nach aus dem ortsfesten Schwungradspeicher 1 und dann, so­ weit erforderlich, aus der Fahrstromnetzeinspeisung entnom­ men.
• 2. NORMALBETRIEB II (mit interner Überbrückungsreserve): Die benötigte Energie wird zuerst dem ortsfesten Schwungradspei­ cher 1, danach der Netzzuspeisung entnommen. Der businterne Schwungradspeicher 6 bleibt als Reserve aufgeladen.
• 3. AUFLADEN: Vor Fahrtantritt oder nach Störungen wird der businterne Schwungradspeicher 6 aus dem Fahrstromnetz 4 auf­ geladen, um autarken Notbetrieb sicherzustellen.

Wenn keine Energie aus dem Fahrstromnetz 4 bezogen werden kann (Störungen in der Fahrstromzuspeisung, kein Zugriff auf den orts­ festen Schwungradspeicher 1), lösen die entsprechenden Zustands­ signale den Notbetrieb aus: Information an den Fahrer, daß nur noch der businterne Schwungradspeicher 6 zur Verfügung steht; alle entbehrlichen Stromverbraucher (z. B. Lüftung, Klimaanlage) werden abgeschaltet.

Wird kurzfristig besonders viel Energie benötigt, z. B. beim Beschleunigen eines vollbesetzten Busses, dann erfolgt Paral­ lelschaltung des businternen Schwungradspeichers 6 zu der Strom­ versorgung aus dem Schwungradspeicher 1 bzw. der Fahrstromzuspeisung.

Das erfindungsgemäße Energiespeichersystem für O-Busse, das besonders bei eigenen Bustrassen effektiv ist, zeichnet sich durch erhebliche Energieeinsparung bei gleichzeitig erhöhter Zuverlässigkeit durch Betriebsartenredundanz aus. Da der größere Schwungradspeicher 1 ortsfest ist, ist der Bus um diese Masse leichter, sie muß nicht bei jedem Beschleunigungsvorgang translatorisch mitbeschleunigt werden. Da nur ein kleinerer Schwungradspeicher 6 im Bus mitgeführt wird, ist die Niederflur­ bauweise mit durchgehendem Boden beibehaltbar.

Die Rentabilität des beschriebenen Energiespeichersystems er­ gibt sich aus der Energiebilanz und der Kostenrechnung. Für einen Stadtbusbetrieb bei praxisnahen Annahmen für Strecken­ abschnitte, Busfrequenz und Tagesbetriebsdauer ergibt sich ein rückgewinnbarer Energiebetrag von ca. 60% der erforder­ lichen Beschleunigungsenergie. Somit sind nur 40% des Ener­ giebedarfs für konventionelle Stadtbusse zuzuspeisen. Dabei wurde von real zu erwartenden Wirkungsgraden ausgegangen. Luft- und Rollwiderstände sind in dieser Überschlagsrechnung nicht angesetzt.

Unter Berücksichtigung der Investitionskosten, der heute gül­ tigen Energiekosten (hier wurden 0,2 DM/KWh angesetzt) und des Kapitaldienstes ergibt sich rechnerisch für das erfin­ dungsgemäße System eine Kostenreduktion für den Betreiber von ca. 25%, wobei die Kapitaldienstkosten mit 10% angesetzt wur­ den. Bei einer zu erwartenden deutlichen Erhöhung der Energie­ kosten werden die Vorteile entsprechend höher ausfallen.

Neben der deutlichen Energieeinsparung und der damit verbun­ denen Reduzierung der CO₂-Belastung leistet das erfindungs­ gemäße Energiespeichersystem für O-Busse einen wirksamen Bei­ trag zur Reduzierung des Smogs in Innenstädten, besonders, wenn es aufgrund der günstigeren Betriebskosten dieselgetrie­ bene städtische Busse als Massenverkehrsträger ablöst.

Claims (3)

1. Informationsgesteuertes Energiespeichersystem zum temporä­ ren Einspeichern der Bremsenergie von elektrisch über Ober­ leitungen angetriebenen Bussen des innerstädtischen Personen­ nahverkehrs mittels Schwungradspeicher und Wiederverwendung der gespeicherten kinetischen Energie nach Umwandlung in elektrische Energie, insbesondere zum Beschleunigen, gekenn­ zeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

• a) Es ist pro Teilstrecke eines in Blockstrecken geteilten Fahrstromnetzes (4) wenigstens je ein ortsfester Schwung­ radspeicher (1) mit Steuer- und Regeleinrichtungen (2) vorhanden;
• b) Es ist in jedem Bus (8) wenigstens je ein leichter, businterner Schwungradspeicher (6) mit Steuer- und Regeleinrichtungen (5) vorhanden (Fig. 1);
• c) Im Bus (8) ist eine Meßvorrichtung (10) mit Signalgeber vorhanden zum permanenten Feststellen des Ladungszustan­ des des businternen Schwungradspeichers (6);
• d) Es ist an jedem ortsfesten Schwungradspeicher (1) eine Meßvorrichtung (12) mit Signalgeber vorhanden zum per­ manenten Feststellen des Ladungszustandes;
• e) Im Bus (8) ist ein Betriebsarten-Wählschalter (7) zum Einstellen unterschiedlicher Betriebsmodi vorhanden;
• f) Im Bus (8) ist ein Mikroprozessor (9) vorhanden, der aus dem Fahrzustand des Busses (8) (Geschwindigkeit, Stellung Gaspedal/Bremspedal) den Bedarf an Antriebsenergie oder die Verfügbarkeit von Bremsenergie fortlaufend ermittelt und unter Verwertung der Ladungszustandsanzeigen von den Meßvorrichtungen (10) und (12) und dem Betriebsmodus aus dem Betriebsarten-Wählschalter (7) die Schaltbefehle an die Regeleinrichtungen (5) und (2) gibt oder auf Ein­ speisung aus dem Fahrstromnetz (4) schaltet.
• g) Parallel zu dem Fahrstromnetz (4) und den Leitungen (3) zum ortsfesten Schwungradspeicher (1) sind Informations­ leitungen für Steuer- und Regelsignale vorgesehen.
• h) Jede Blockstrecke kann mittels Überbrückungsglieder (11) an Nachbarblockstrecken geschaltet werden.

2. Energieversorgungssystem gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Steuer- und Regelsignale alternativ zu Merkmal g über das Fahrstromnetz (4) und die Leitungen (3) zum ortsfesten Schwungradspeicher (1) erfolgt.

3. Energieversorgungssystem gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Steuer- und Regelsignale alternativ zu Merkmal g drahtlos übertragen werden.