DE4416107A1 - Verfahren zum Klimatisieren des Fahrgastraumes bei einem elektrisch angetriebenen Schienennahverkehrsfahrzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Klimatisieren des Fahrgastraumes bei einem elektrisch angetriebenen Schienen­ nahverkehrsfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs. Unter dem Begriff "Klimatisieren" wird dabei allgemein Kühlen und/oder Wärmen/Heizen verstanden.

Bei elektrisch angetriebenen, mittels eines Stromrichters be­ triebenen Fahrzeugen ist es allgemein bekannt, die beim Bremsen des Fahrzeuges entstehende elektrische Energie in Wärme umzuwan­ deln und gegebenenfalls zur Heizung der Fahrgasträume des Fahr­ zeuges zu verwenden. Die Antriebsmotoren werden beim Abbremsen als Generatoren betrieben und an ihren Ausgangsklemmen sind Bremswiderstände, die für die Belastung entsprechend ausgelegt sind, geschaltet. Die hierbei entstehende Wärme kann zur Heizung der Fahrgasträume benutzt werden.

Für diese bekannten Anordnungen zur Ausnutzung der Bremsenergie zur Heizung der Fahrgasträume sind besondere Bremswiderstände erforderlich, um die entstehende Wärmeleistung in die Fahr­ gasträume leiten zu können. Werden die Bremswiderstände direkt im Fahrgastraum angeordnet, ist es aufwendig, die außerhalb der Heizperioden, d. h. bei Außentemperaturen über ca. 18°C, beim Bremsen entstehende Wärmeenergie aus dem Fahrgastraum zu leiten.

Um den Aufwand speziell ausgebildeter Bremswiderstände einzuspa­ ren, wird die elektrische Fahrgastraumbeheizung vielfach unter Verwendung separater Heizwiderstände und nicht unter Einsatz der Bremswiderstände betrieben, wobei die Temperaturregelung völlig unabhängig vom Fahr- und Bremsbetrieb des Fahrzeuges erfolgt. Hierdurch ist nicht sichergestellt, daß die momentan zum Heizen erforderliche Energie aus der Bremsenergie entnommen wird. Es ergibt sich deshalb ein relativ unwirtschaftlicher Heizbetrieb.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Kli­ matisieren des Fahrgastraumes bei einem elektrisch angetriebenen Schienennahverkehrsfahrzeug der eingangs genannten Art anzuge­ ben, mit dem ein wirtschaftlicher Klimatisier-Betrieb, d. h. Heizbetrieb und/oder Kühlbetrieb realisiert wird.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbe­ griffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß das vorgeschlagene Verfahren keine besonderen Brems­ widerstände erfordert, bei denen die entstehende Wärmeleistung in den Fahrgastraum geleitet wird oder bei denen außerhalb der Heizperiode die beim Bremsen entstehende Wärmeleistung aus dem Fahrgastraum zu leiten ist.

Das Verfahren kann vielmehr bei jedem Fahrzeug mit üblichen Bremswiderstand auf dem Fahrzeugdach und separaten Heizwider­ ständen für die Fahrgastraumbeheizung (direkte Luftheizung oder Warmwasserheizung) bzw. mit Klimaanlage (Kühlanlage) eingesetzt werden. Dabei ist auch eine Nachrüstung von Fahrzeugen sehr ein­ fach möglich. Mit anderen Worten ermöglicht das vorgeschlagene Verfahren die Nutzung der elektrischen Bremsenergie (generatori­ scher Betrieb) von Nahverkehrsfahrzeugen für Heizzwecke und/oder zum Kühlen, ohne daß die vorhandene elektrische Heizungseinrich­ tung oder die Klimaanlage geändert werden muß.

Der wirtschaftliche Heizbetrieb bzw. Kühlbetrieb ergibt sich zum einen daraus, daß die Heizwiderstände bzw. der Verdichter der Klimaanlage im Fahrbetrieb solange wie möglich ausgeschaltet bleiben (bis ein noch tolerabler Temperaturminimalwert unter­ schritten bzw. ein noch tolerabler Temperaturmaximalwert über­ schritten wird), und zum anderen daraus, daß bei jeder Brems­ phase die Bremsenergie zumindest teilweise für Heizzwecke bzw. zum Kühlen herangezogen wird. Die im Vergleich zum üblichen Heizbetrieb/Kühlbetrieb (Temperaturregelung ist unabhängig vom Fahr- und Bremsbetrieb) einsparbare Energie ist von der Aufnah­ mefähigkeit des Fahrleitungsnetzes, von der Häufigkeit der Bremsvorgänge und vom Verhältnis zwischen Bremsleistung und Heizleistung/Kühlleistung abhängig. Das Verfahren wirkt sich be­ sonders bei begrenzt aufnahmefähigem Netz günstig aus, da ein Teil der Bremsenergie leichter vom Netz aufgenommen wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dar­ gestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Traktions- und Heizungsleistungsschema,

Fig. 2 ein Diagramm zum Verständnis des Prinzips der Hei­ zungsregelung,

Fig. 3 das Traktions- und Kühlleistungsschema,

Fig. 4 ein Diagramm zum Verständnis des Prinzips der Kühlbe­ trieb-Regelung.

In Fig. 1 ist das Traktions- und Heizungsleistungsschema darge­ stellt. Die Gleichstrom-Leistungseinspeisung des Schienenfahr­ zeuges erfolgt über das Fahrleitungsnetz, und zwar über die Fahrleitung 1 mit Stromabnehmer und das Rad/Schiene-System 2. Im Bereich der Spannungseinspeisung (erster Gleichspannungsan­ schluß) sind zwischen Fahrleitung 1 und Traktions-Wechselrichter 4 ein Sicherungselement FT, ein Schaltelement LS, eine Indukti­ vität LF und eine Stromerfassungseinrichtung 3 vorgesehen. Die Stromerfassungseinrichtung 3 meldet den ermittelten Gleich­ strom-Istwert iF an eine Fahrzeug- und Heizungs-Steuerung 7. Ge­ gebenenfalls dient die Steuerung 7 auch zur Kühlung des Fahrzeu­ ges, wie unter Fig. 3 gezeigt.

Der zweite Gleichspannungsanschluß des Wechselrichters 4 ist di­ rekt an das Rad/Schiene-System 2 angeschlossen. Eine Span­ nungserfassungseinrichtung 5 ermittelt den zwischen den Gleich­ spannungsklemmen des Wechselrichters 4 anstehenden Gleichspan­ nungs-Istwert UF und meldet diesen an die Steuerung 7. Zur Stüt­ zung der Gleichspannung am Eingang des Wechselrichters 4 dient eine Zwischenkreiskapazität CF.

Ein Bremssteller BS mit seriengeschaltetem Bremswiderstand BW ist zwischen beiden Gleichspannungsklemmen des Wechselrichters 4 angeordnet und nimmt die Bremsenergie auf, wenn das Fahrlei­ tungsnetz nicht energie-aufnahmefähig ist. Steigt während der Bremsphase der Gleichspannungs-Istwert UF und damit die Fahr­ drahtspannung über vorgegebene Werte an, so wird der parallel zum Netz liegende Bremswiderstand über den Bremssteller so akti­ viert, daß die Fahrdrahtspannung auf einen Maximalwert begrenzt wird. Im Extremfall wird die Bremsenergie vollständig im Brems­ widerstand in Wärme umgesetzt. Die Ansteuerung des Bremsstellers BS erfolgt durch die Steuerung 7 in Abhängigkeit des Bremssoll­ wertes, des Gleichstrom-Istwertes und des Gleichspan­ nungs-Istwertes.

Zwischen Fahrleitung 1 und Rad/Schiene-System 2 liegt die Seri­ enschaltung eines Sicherungselements FH mit einem Schaltelement 6 und parallelgeschalteten Heizwiderständen HW1 . . . HWn für di­ rekte Luftheizung der Fahrgasträume oder Warmwasserheizung der Fahrgasträume. Das Schaltelement 6 kann auch als Stromrichter ausgeführt sein, um eine stufenlose Einstellung der mittels der Heizwiderstände erzeugten Wärmeleistung zu ermöglichen.

Der Wechselrichter 4 ist wechselspannungsseitig/drehspannungs­ seitig mit einem Fahrmotor ASM verbunden.

Zur Erfassung der Fahrgastraum-Temperaturistwerte sind Tempera­ tur-Erfassungseinrichtungen 8 vorgesehen, die die ermittelten Temperaturistwerte an die Steuerung 7 melden. Ein zur Fahrzeug­ führung dienender Fahrerstand 9 liefert Fahrbefehle, Bremsbe­ fehle sowie Fahrsollwerte und Bremssollwerte an die Steuerung 7. Die Ansteuerung der Leistungshalbleiter des Wechselrichters 4 erfolgt über die Steuerung 7.

Nachfolgend wird das auf dem Traktions- und Heizungsleistungs­ schema gemäß Fig. 1 aufbauende Verfahren zum Heizen der Fahr­ gasträume des elektrisch angetriebenen Schienenfahrzeuges erläu­ tert. Wesentliches Merkmal dieses Verfahrens ist es, daß die Heizwiderstände HW1 . . . HWn zwangsweise während jeder Bremsphase des Fahrzeuges (Bremsbefehl und Bremssollwert liegen vor) akti­ viert werden, d. h. Schaltelement 6 wird während jeder Bremsperi­ ode unabhängig davon geschlossen, ob das Fahrleitungsnetz auf­ nahmefähig ist (d. h. der Bremswiderstand BW wird nicht über den Bremssteller BS zugeschaltet) oder nicht (d. h. der Bremswider­ stand BW wird über den Bremssteller BS zugeschaltet). Hierdurch wird erreicht, daß zumindest ein Teil der Bremsenergie in Heize­ nergie umgesetzt wird. Die Zuschaltung der Heizwiderstände er­ folgt selbst dann, wenn der vorgegebene Fahrgastraum-Temperatur­ sollwert Tsoll bereits erreicht oder überschritten ist. Erst wenn ein Fahrgastraum-Temperaturmaximalwert T_max2 überschritten wird, unterbleibt die Zuschaltung der Heizwiderstände während der Bremsphasen. Bei Heizungen mit abgestufter oder stufenloser Verstellmöglichkeit der Heizleistung wird während jeder Brems­ phase stets die maximale Heizleistung eingestellt. Die Heizwi­ derstände werden wieder abgeschaltet, sobald die generatorische Energie während der Bremsperiode zu ihrer Versorgung nicht mehr ausreicht. Dies ermittelt die Steuerung 7 anhand des Gleichspan­ nungs-Istwertes UF und des Gleichstrom-Istwertes iF. Das weitere wesentliche Merkmal des vorgeschlagenen Verfahrens ist es, daß die Heizwiderstände beim Fahren oder während einer Haltephase erst dann eingeschaltet werden, wenn ein relativ tief vorgegebe­ ner Temperaturminimalwert T_min2 unterschritten wird. Die Heizwi­ derstände werden in einem solchen Fall wieder ausgeschaltet, wenn der Temperatursollwert Tsoll erreicht ist. Bei konventio­ nellen Heizverfahren werden die Heizwiderstände erst ausgeschal­ tet, sobald ein Temperaturmaximalwert T_max1 erreicht wird, wobei T_max1 größer als Tsoll ist.

Das vorstehend erläuterte Prinzip der Heizungsregelung kann eine kurzzeitige Überheizung des Fahrgastraumes während der Dauer des Bremsvorganges zur Folge haben. Während der auf den Bremsvorgang folgenden Haltephase oder Fahrperiode ergibt sich eine Abkühl­ phase, während der die Heizung solange ausgeschaltet bleibt, bis ein Fahrgastraum-Temperaturminimalwert T_min2 erreicht bzw. unterschritten wird. Erst wenn dieser Temperaturminimalwert T_min2 unterschritten wird, werden auch während der Haltephase oder Fahrperiode die Heizwiderstände HW1 . . . HWn über das Schalt­ element 6 zugeschaltet.

Das Verfahren zum Heizen der Fahrgasträume wird nachfolgend an­ hand der Fig. 2 erläutert. Das dargestellte Diagramm zeigt vier spaltenförmig skizzierte Zeiträume, und zwar eine erste Fahrpe­ riode bis zum Zeitpunkt t1, eine Bremsperiode zwischen den Zeit­ punkten t1 und t2, eine zweite Fahrperiode zwischen den Zeit­ punkten t2 und t4 sowie eine zweite Bremsperiode ab dem Zeit­ punkt t4. Die Fahrgastraum-Temperatur T fällt bis zum Zeitpunkt t1 ab, da der Temperaturminimalwert T_min2 nicht unterschritten wird und folglich die Heizwiderstände HW1 . . . HWn nicht zugeschal­ tet sind (Fahrperiode). Durch die zwangsweise Einschaltung der Heizwiderstände während des Zeitraumes zwischen t1 und t2 (Bremsperiode) steigt die Temperatur T über den Temperatursoll­ wert Tsoll an. Während der sich anschließenden Fahrperiode fällt die Temperatur T wiederum ab, unterschreitet den Temperatursoll­ wert Tsoll und unterschreitet zum Zeitpunkt t3 den Temperaturmi­ nimalwert T_min2. Folglich werden zum Zeitpunkt t3 die Heizwider­ stände HW1 . . . HWn zugeschaltet und es ergibt sich ein Tempera­ turanstieg. Ab dem Zeitpunkt t4 werden die Heizwiderstände durch die generatorische Energie während der Bremsperiode gespeist.

Zum Vergleich des vorgeschlagenen Verfahrens mit konventionellen Fahrgastraum-Temperaturregelverfahren sind die üblicherweise vorgegebenen Temperaturminimalwerte T_min1 und Temperaturmaximal­ werte T_max1 eingezeichnet. Diese Werte T_min1 und T_max1 lassen wesentlich geringere Abweichungen vom Fahrgastraum-Temperatur­ sollwert Tsoll zu als die Werte T_min2 und T_max2.

Wie vorstehend bereits erwähnt, kann das erläuterte Verfahren auch beim Kühlen des Fahrgastraumes verwendet werden. In Fig. 3 ist hierzu das Traktions- und Kühlleistungsschema dargestellt. Das Schema ist in gleicher Weise aufgebaut wie das zum Heizen geeignete Schema gemäß Fig. 1, jedoch ist der Verdichter 10 ei­ ner Klimaanlage anstelle der Heizwiderstände eingezeichnet. Das Schaltelement ist als Stromrichter zur stufenlosen Span­ nungs/Frequenz-Versorgung des Verdichters 10 ausgebildet. Mit Ziffer 7 ist die Fahrzeug- und Kühlbetrieb-Steuerung bezeichnet, wobei es sich hierbei selbstverständlich auch um eine Fahrzeug- und Heizungs/Kühlbetrieb-Steuerung handeln kann, die sowohl die Beheizung als auch die Kühlung des Fahrgastraumes regelt.

Das Verfahren zum Kühlen wird im Prinzip gleichartig wie das vorstehend erläuterte Verfahren zum Heizen betrieben. Wesen­ tiches Merkmal ist es, daß der Verdichter 10 zwangsweise während jeder Bremsphase aktiviert wird. Die Zuschaltung des Verdichters erfolgt selbst dann, wenn der Temperatursollwert Tsoll bereits unterschritten ist. Erst wenn ein Temperaturminimalwert T_min2 unterschritten wird, unterbleibt die Zuschaltung des Verdichters während der Bremsphase. Der Verdichter wird abgeschaltet, sobald die generatorische Energie während der Bremsperiode zu seiner Versorgung nicht mehr ausreicht. Das weitere wesentliche Merkmal des Verfahrens ist es, daß der Verdichter beim Fahren oder wäh­ rend einer Haltephase erst dann eingeschaltet wird, wenn ein re­ lativ hoch vorgegebener Temperaturmaximalwert T_max2 überschrit­ ten wird. Der Verdichter wird in einem solchen Fall wieder aus­ geschaltet, wenn der Temperatursollwert Tsoll erreicht ist. Bei konventionellen Kühlanlagen wird der Verdichter erst ausge­ schaltet, sobald ein Temperaturminimalwert T_min1 erreicht wird, wobei T_min1 kleiner als Tsoll ist.

Das vorstehend erläuterte Prinzip der Kühlung kann eine kurzzei­ tige stärkere Abkühlung des Fahrgastraumes während der Dauer des Bremsvorganges zur Folge haben. Während der auf den Bremsvorgang folgenden Haltephase oder Fahrperiode ergibt sich eine Aufwärm­ phase, während der der Verdichter solange ausgeschaltet bleibt, bis ein Temperaturmaximalwert T_max2 erreicht bzw. überschritten wird. Erst dann wird auch während der Haltephase oder Fahrperi­ ode der Verdichter zugeschaltet.

Das Verfahren zur Kühlung der Fahrgasträume wird nachfolgend an­ hand der Fig. 4 erläutert. Die Temperatur T steigt bis zum Zeitpunkt t1 an, da der Temperaturmaximalwert T_max2 nicht über­ schritten wird und folglich der Verdichter nicht zugeschaltet ist (Fahrperiode). Durch die zwangsweise Einschaltung des Ver­ dichters während des Zeitraumes zwischen t1 und t2 (Brems­ periode) fällt die Temperatur T unter Tsoll ab. Während der sich anschließenden Fahrperiode steigt T wiederum an und überschrei­ tet zum Zeitpunkt t3 den Temperaturmaximalwert T_max2. Folglich wird zum Zeitpunkt t3 der Verdichter zugeschaltet und es ergibt sich ein Temperaturabfall. Ab dem Zeitpunkt t4 wird der Verdich­ ter durch die generatorische Energie während der Bremsperiode gespeist.

Wie vorstehend bereits angedeutet, ist es selbstverständlich möglich, sowohl das Verfahren zum Heizen als auch das Verfahren zum Kühlen bei einer einzigen, entsprechend mit Heizwiderständen und Verdichter ausgerüsteten Anlage zu verwenden.

Claims (1)

1. Verfahren zum Klimatisieren des Fahrgastraumes bei einem elektrisch angetriebenen Schienennahverkehrsfahrzeug, bei dem während des Bremsbetriebes eine generatorische Rückspeisung der Bremsenergie in das Fahrleitungsnetz und/oder in einen Bremswi­ derstand erfolgt und bei dem ein Heizwiderstand und/oder eine Kühlanlage zum Klimatisieren des Fahrgastraumes vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet daß während jeder Bremsphase der Heizwi­ derstand und/oder der Verdichter der Kühlanlage zwangsweise eingeschaltet werden, solange die generatorische Energie während der Bremsperiode zu ihrer Versorgung ausreicht.