DE602004009607T2 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von traktionskraft - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND
  • Die vorliegende Erfindung betrifft im Wesentlichen elektrische Traktionssysteme und insbesondere die Verwendung von Energiebatterien und Leistungsbatterien in Kombination zur Erzeugung von Traktionskraft und für Nicht-Traktionszwecke. Obwohl diese Offenbarung die Anwendung elektrischer Traktionssysteme in Lokomotiven und Geländefahrzeugen hervorhebt, dürfte es dem Fachmann auf diesem Gebiet ersichtlich sein, dass die vorliegende Erfindung ebenso in anderen Fahrzeug- und Nicht-Fahrzeug-Anwendungen nützlich ist.
  • In einer breiten Vielfalt von Anwendungen enthalten elektrische Traktionssysteme elektrische Batterien, um den Systemwirkungsgrad zu verbessern. Diese Batterien werden typischerweise entweder in "Energiebatterien" oder "Leistungsbatterien" abhängig davon klassifiziert, ob ihre Auslegungen auf Energiedichte beziehungsweise Leistungsdichte optimiert sind. Einige Traktionsanwendungen ziehen eine Batterieklasse gegenüber der anderen vor; andere Anwendungen ziehen eine Kombination sowohl von Energie- als auch Leistungsbatterien vor. Während eines Motorbetriebs werden die Batterien durch elektrische Motoren entladen, um eine Traktionskraft zu erzeugen. Während eines Bremsbetriebs werden die Motoren als Generatoren betrieben, um die Batterien wieder aufzuladen.
  • Beispiele derartiger Systeme sind in den Dokumenten US-A-5 589 743 und US 2002/0158606 angegeben. In Systemen, welche sowohl Energie- als auch Leistungsbatterien (duale Batteriesysteme) enthalten, wird eine anfängliche und er gänzende Ladung der Energiebatterien typischerweise entweder mechanisch durch Ersetzen von Teilen der Batterie oder elektrisch durch Verbinden mit dem Energieversorgungsnetz erreicht. Es besteht eine Möglichkeit, eine alternative Einrichtung zum Laden von Energiebatterien in dualen Batteriesystemen bereitzustellen.
  • Zusätzlich zur Bereitstellung von Leistung für die Traktionsanwendung kann die Fähigkeit des Traktionssystems zum Erzeugen elektrischer Leistung auch für Nicht-Traktionszwecke genutzt werden. Daher existieren zusätzliche Gelegenheiten, die Fähigkeit elektrischer Traktionssysteme, elektrische Leistung zu erzeugen, für Nicht-Traktionsanwendungen zu nutzen.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Die vorstehend beschriebenen Möglichkeiten werden in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durch eine Vorrichtung zum Erzeugen von Traktionskraft behandelt, wobei die Vorrichtung aufweist: eine zur Erzeugung einer hohen Gleichspannung eingerichtete Energiequelle; einen Motortreiber, der zur Erzeugung einer Motorspannung aus der hohen Gleichspannung eingerichtet ist; und einen Motor, der zur Erzeugung der Traktionskraft aus der Motorspannung eingerichtet ist, wobei die Energiequelle aufweist: eine Wärmekraftmaschine die zur Erzeugung mechanischer Leistung durch Verbrennung eines Kraftstoffs eingerichtet ist; einen zur Erzeugung einer Wechselspannung aus der mechanischen Leistung eingerichteten Wechselstromgenerator; einen zum Gleichrichten der Wechselspannung und zur Erzeugung einer niedrigen Gleichspannung eingerichteten Gleichrichter; eine zum Speichern und Liefern von aus der niedrigen Gleichspan nung abgeleiteter Energie angepasste Energiespeicherbatterie; und einen zum Erhöhen der niedrigen Gleichspannung zur Erzeugung der hohen Gleichspannung eingerichteten Traktions-Spannungserhöhungswandler, wobei der Motorantrieb aufweist: eine zum Speichern von Energie und Liefern von Leistung bei hoher Gleichspannung angepasste Leistungsbatterie; und einen zur Erzeugung der Motorspannung aus der hohen Gleichspannung während des Motorbetriebs und zur Erzeugung der hohen Gleichspannung aus der Motorspannung während des Bremsbetriebs eingerichteten Traktionswandler; wobei die Vorrichtung ferner aufweist: einen zum Umwandeln der niedrigen Gleichspannung oder der hohen Gleichspannung in eine Versorgungsspannung eingerichteten Versorgungswandler.
  • Die vorliegende Erfindung wird auch durch ein Verfahren verkörpert, das die Aktionen aufweist: Erzeugen einer hohen Gleichspannung; Erzeugen einer Motorspannung aus der hohen Gleichspannung; und Erzeugen der Traktionskraft aus der Motorspannung, wobei der Vorgang der Erzeugung der hohen Gleichspannung die Schritte umfasst: Verbrennen eines Kraftstoffs zum Erzeugen mechanischer Leistung; Erzeugen einer Wechselspannung aus der mechanischen Leistung unter Verwendung eines Wechselstromgenerators; Gleichrichten der Wechselspannung zur Erzeugung einer niedrigen Gleichspannung unter Verwendung eines Gleichrichters; Speichern und Liefern von aus niedriger Gleichspannung abgeleiteter Energie unter Verwendung einer Energiebatterie; und Erhöhen der niedrigen Gleichspannung durch Erzeugen der hohen Gleichspannung, wobei der Vorgang zur Erzeugung einer Motorspannung die Schritte umfasst: Speichern von Energie und Liefern von Leistung bei der hohen Gleichspannung unter Verwendung einer Leistungsbatterie; Erzeugen der Motorspannung aus der hohen Gleichspannung eines Motorbetriebs und Erzeu gen der hohen Gleichspannung aus der Motorspannung während eines Bremsbetriebs; und Umwandeln der niedrigen Gleichspannung oder der hohen Gleichspannung in eine Versorgungsspannung.
  • ZEICHNUNGEN
  • Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verständlich, wenn die nachstehende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile durchgängig durch die Zeichnungen bezeichnen, in welchen:
  • 1 eine Blockdarstellung einer Vorrichtung zum Erzeugen von Traktionskraft veranschaulicht.
  • 2 bis 9 zu der von 1 verwandte Blockdarstellungen veranschaulichen.
  • 3 und 4 Blockdarstellungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
  • 10 eine Blockdarstellung einer Lokomotive veranschaulicht.
  • 11 eine Blockdarstellung eines Geländefahrzeugs veranschaulicht.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • 1 veranschaulicht eine Blockdarstellung einer Vorrichtung 100 für die Erzeugung von Traktionskraft. Die Vor richtung 100 weist eine Energiequelle 110, einen Motortreiber 130 und einen Motor 150 auf. Im Betrieb erzeugt die Energiequelle 110 eine hohe Gleichspannung 120. Der Motortreiber 130 erzeugt eine Motorspannung 140 aus der hohen Gleichspannung 120 und der Motor 150 erzeugt aus der Motorspannung 140 eine Traktionskraft. So wie hierin verwendet, bezieht sich Motor 150 auf jede elektrische Vorrichtung, welche in der Lage ist mechanische Leistung aus elektrischer Leistung zu erzeugen, einschließlich, jedoch ohne Einschränkung Einphasen- oder Mehrphasen-Wechselstrom- oder Gleichstrom-Motoren.
  • In der 1 weist die Energiequelle 110 eine Wärmekraftmaschine 160, einen Wechselstromgenerator 180, einen Gleichrichter 200, eine Energiebatterie 220 und einen Traktions-Spannungserhöhungswandler 230 auf. Im Betrieb erzeugt die Wärmekraftmaschine 160 mechanische Leistung 170 durch Verbrennen eines Kraftstoffes. Der Wechselstromgenerator 180 erzeugt eine Wechselspannung 190 aus der mechanischen Leistung 170. Der Gleichrichter 200 richtet dann die Wechselspannung 190 gleich, um eine niedrige Gleichspannung 210 zu erzeugen. Die Energiebatterie 220 speichert und liefert aus der niedrigen Gleichspannung 210 abgeleitete Energie und der Traktions-Spannungserhöhungswandler 230 erhöht die Gleichspannung 210, um eine hohe Gleichspannung 120 zu erzeugen. So wie hierin unter Bezugnahme auf Gleichspannungen verwendet, sind "niedrig" und "hoch" nur relative Begriffe und implizieren keine speziellen absoluten Spannungspegel.
  • Der Motortreiber 130 weist eine Leistungsbatterie 240 und einen Traktionswandler 250 auf. Im Betrieb speichert die Leistungsbatterie 240 Energie und liefert Leistung bei hoher Spannung 120. Der Traktionswandler 250 erzeugt die Motorspannung 140 aus der hohen Gleichspannung 120 während des Motorbetriebs und erzeugt die hohe Gleichspannung 120 aus der Motorspannung 140 während eines Bremsbetriebs.
  • In einem detaillierteren System gemäß der Vorrichtung von 1 liegt ein Verhältnis der Energiespeicherkapazität des Motortreibers 130 zu der von der Energiequelle 110 bei hoher Gleichspannung 120 gelieferten Leistung zwischen etwa 0,001 Stunden und etwa 60 Stunden.
  • In einem weiteren detaillierteren System gemäß der Vorrichtung von 1 liegt ein Verhältnis der Energiespeicherkapazität des Motortreibers 130 zu der von der Energiequelle 110 bei hoher Gleichspannung 120 gelieferten Leistung zwischen etwa 0,5 Stunden und etwa 20 Stunden.
  • 2 veranschaulicht eine Blockdarstellung, in welcher die Vorrichtung 100 ferner einen Anlasswechselrichter 260 aufweist. Im Betrieb erzeugt der Anlasswechselrichter 260 eine Anlassspannung 265 aus der niedrigen Gleichspannung 210 während des Anlassvorgangs des Wechselstromgenerators 180. "Anlassvorgang" bezieht sich auf die Praxis der Verwendung des Wechselstromgenerators 180 als ein Motor, um Drehmoment zum Starten der Wärmekraftmaschine 160 aufzubringen.
  • In einem detaillierteren System gemäß der Vorrichtung von 2 ist der Anlasswechselrichter 260 bidirektional und weist ferner einen Ladespannungserhöhungswandler 270 auf. Im Betrieb erhöht der Ladespannungserhöhungswandler 270 die Wechselspannung 190 auf eine für das Laden der Energiebatterie 220 besser geeignete höhere Spannung.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Ausführungsform veranschaulicht 3 eine Blockdarstellung, in welcher die Vorrichtung 100 ferner einen Versorgungswandler 280 aufweist. Im Betrieb dient der Versorgungswandler 280 als ein Notgenerator, welcher niedrige Gleichspannung 210 in eine Versorgungsspannung 290 umwandelt, die zur Einkopplung in ein Versorgungsnetz 300 geeignet ist. In einigen Ausführungsformen ist der Wandler 280 eine bidirektionale Vorrichtung, welche selektiv das Laden einer Notbatterie 220 direkt aus dem Versorgungsnetz 300 erlaubt.
  • In einer in 4 dargestellten alternativen Ausführungsform wird der Versorgungswandler 280 aus der Hochspannung 120 anstelle der Niederspannung 210 gespeist. In einigen Ausführungsformen ist der Wandler 280 eine bidirektionale Vorrichtung, welche wahlweise das Laden der Leistungsbatterie 240 direkt aus dem Versorgungsnetz 300 erlaubt.
  • 5 veranschaulicht eine Blockdarstellung, in welcher die Vorrichtung 100 ferner einen Anlasswechselrichter 260 und einen Umschalter 310 aufweist. Im Betrieb erzeugt der Anlasswechselrichter 260 selektiv eine Anlassspannung 265 oder eine Versorgungsspannung 290 aus der niedrigen Gleichspannung 210. Der Umschalter 310 koppelt wahlweise die Anlassspannung 265 in den Wechselstromgenerator 180 oder die Versorgungsspannung 290 in das Versorgungsnetz 300.
  • In einem detaillierteren System gemäß der Vorrichtung von 5 ist der Anlasswechselrichter 260 bidirektional und weist einen Ladespannungserhöhungswandler 270 auf. Im Betrieb erhöht der Ladespannungserhöhungswandler 270 die Wechselspannung 190 auf eine höhere Spannung, die zum Laden der Energiebatterie 220 besser geeignet ist. In einer in
  • 6 dargestellten alternativen Ausführungsform wird der Anlasswechselrichter 260 aus der hohen Gleichspannung 120 anstelle der niedrigen Gleichspannung 210 gespeist und kann zum Laden der Leistungsbatterie 240 verwendet werden.
  • In einem weiteren System gemäß der Vorrichtung von 1 veranschaulicht 7 ein Blockdiagramm, in welchem die Energiequelle 110 ferner eine Ultra-Kondensatorbank 320 enthält. Im Betrieb speichert und liefert die Ultra-Kondensatorbank 320 elektrische Energie. In dieser Ausführungsform führt der Spannungserhöhungswandler 230 die zusätzliche Funktion einer Steuerung der Energieströme zwischen Gleichrichter 200, Energiebatterie 220 und Ultra-Kondensatorbank 320 durch.
  • In einem weiteren System gemäß 7 weist die Energiequelle 110 ferner einen unidirektionalen Koppler 330 auf. Im Betrieb leitet der unidirektionale Koppler 330 Strom aus der Energiebatterie 220 zu der Ultra-Kondensatorbank 320, wenn die Spannung der Ultra-Kondensatorbank niedriger als die Spannung der Energiebatterie 220 ist.
  • In einem weiteren System gemäß 1 veranschaulicht 8 eine Blockdarstellung, in welcher der Motortreiber 130 ferner einen Leistungs-Ultra-Kondensator 340 aufweist. Im Betrieb speichert und liefert der Leistungs-Ultra-Kondensator 340 aus der hohen Spannung 120 abgeleitete Energie.
  • In einem weiteren detaillierteren System gemäß der Vorrichtung von 1 ist die Motorspannung 140 eine Gleichspannung und der Motor 150 besteht aus einem Gleichstrommotor.
  • In einem weiteren detaillierteren System gemäß der Vorrichtung von 1 veranschaulicht 9 eine Blockdarstellung, in welcher der Wechselstromgenerator 180 und der Gleichrichter 200 ferner dafür eingerichtet sind, Leistung an Hilfslasten 350 zu liefern, und somit als eine Hilfsleistungseinheit zu dienen.
  • Gemäß einem weiteren System das mit der vorliegenden Erfindung verwandt ist, veranschaulicht 10 eine Blockdarstellung einer Lokomotive 400. Zusätzlich zu den Komponenten der Vorrichtung 100 weist die Lokomotive 400 ein Rad 420 auf. In dieser Ausführungsform erzeugt der Motor 150 ein Motordrehmoment 410 aus der Motorspannung 140. Das Rad 420 erzeugt eine Traktionskraft 430 aus dem Motordrehmoment 410 und übt die Traktionskraft 430 auf eine Schiene 440 aus.
  • Gemäß einem weiteren System, das mit der vorliegenden Erfindung verwandt ist, veranschaulicht 11 eine Blockdarstellung eines Geländefahrzeugs 500. Zusätzlich zu den Komponenten der Lokomotive 400 weist das Geländefahrzeug 500 einen Reifen 520 auf. In dieser Ausführungsform erzeugt das Rad 420 ein Raddrehmoment 510 aus dem Motordrehmoment 410. Der Reifen 520 erzeugt eine Traktionskraft 430 aus dem Raddrehmoment 510 und übt die Traktionskraft 430 auf eine Geländeoberfläche 540 aus.
  • Obwohl nur einige bestimmte Merkmale der Erfindung hierin dargestellt und beschrieben wurden, sind für den Fachmann auf diesem Gebiet Änderungen ersichtlich. Es dürfte sich daher verstehen, dass die beigefügten Ansprüche al ler derartigen Modifikationen und Änderungen, soweit sie in den Schutzumfang der Erfindung fallen, abdecken sollen.

Claims (16)

  1. Vorrichtung (100) zur Erzeugung einer Traktionskraft, wobei die Vorrichtung (100) aufweist: eine zur Erzeugung einer hohen Gleichspannung (120) eingerichtete Energiequelle (110); einen Motortreiber (130), der zur Erzeugung einer Motorspannung (140) aus der hohen Gleichspannung (120) eingerichtet ist; und einen Motor (150), der zur Erzeugung der Traktionskraft aus der Motorspannung (140) eingerichtet ist, wobei die Energiequelle (110) aufweist: eine Wärmekraftmaschine (160), die zur Erzeugung mechanischer Leistung (170) durch Verbrennen eines Kraftstoffs eingerichtet ist; einen zur Erzeugung einer Wechselspannung (190) aus der mechanischen Leistung (170) eingerichteten Wechselstromgenerator (180); einen zum Gleichrichten der Wechselspannung (190) und zur Erzeugung einer niedrigen Gleichspannung (210) eingerichteten Gleichrichter (200); eine zum Speichern und Liefern von aus der niedrigen Gleichspannung (210) abgeleiteter Energie angepasste Energiespeicherbatterie (220); und einen zum Erhöhen der niedrigen Gleichspannung (210) zur Erzeugung der hohen Gleichspannung (120) eingerichteten Traktions-Spannungserhöhungswandler (230), wobei der Motorantrieb (130) aufweist: eine zum Speichern von Energie und Liefern von Leistung bei der hohen Gleichspannung (120) angepasste Leistungsbatterie (240); und einen zur Erzeugung der Motorspannung (140) aus der hohen Gleichspannung (120) während des Motorbetriebs und zur Erzeugung der hohen Gleichspannung (120) aus der Motorspannung (140) während des Bremsbetriebs eingerichteten Traktionswandler (250); wobei die Vorrichtung (100) ferner aufweist: einen zum Umwandeln der niedrigen Gleichspannung (210) oder der hohen Gleichspannung (120) in eine Versorgungsspannung (290) eingerichteten Versorgungswandler (280).
  2. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei ein Verhältnis der Energiespeicherkapazität des Motorantriebs (130) zu der durch die Energiequelle (110) bei der hohen Gleichspannung (120) gelieferten Leistung zwischen etwa 0,001 Stunden und etwa 60 Stunden liegt.
  3. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei ein Verhältnis der Energiespeicherkapazität des Motorantriebs (130) zu der durch die Energiequelle (110) bei der hohen Gleichspannung (120) gelieferten Leistung zwischen etwa 0,5 Stunden und etwa 20 Stunden liegt.
  4. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, welche ferner einen für die Erzeugung einer Anlassspannung (265) aus der niedrigen Gleichspannung (210) während eines Anlassvorgangs des Wechselstromgenerators (180) eingerichteten Anlasswechselrichter (260) aufweist.
  5. Vorrichtung (100) nach Anspruch 4, wobei der Anlasswechselrichter (260) bidirektional ist, und ferner einen zum Erhöhen der Wechselspannung (190) eingerichteten Ladespannungserhöhungswandler (270) aufweist.
  6. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei der Versorgungswandler (280) ferner dafür angepasst ist, wahlweise die Versorgungsspannung (290) auf die niedrige Gleichspannung (210) umzuwandeln.
  7. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei der Versorgungswandler (280) ferner dafür angepasst ist, wahlweise die Versorgungsspannung (290) auf die hohe Gleichspannung (120) umzuwandeln.
  8. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, ferner aufweisend: einen Anlasswechselrichter (260), der dafür angepasst ist, wahlweise eine Anlassspannung (265) oder eine Versorgungsspannung (290) aus der niedrigen Gleichspannung (210) zu erzeugen; und einen Umschalter (310), der dafür angepasst ist, wahlweise die Anlassspannung (265) mit dem eingerichteten Wechselstromgenerator (180) oder die Versorgungsspannung (290) mit einem Versorgungsnetz (300) zu koppeln.
  9. Vorrichtung (100) nach Anspruch 8, wobei der Anlasswechselrichter (260) bidirektional ist und ferner einen zur Erhöhung der Wechselspannung (190) eingerichteten Ladespannungserhöhungswandler (270) aufweist.
  10. Vorrichtung (100) nach Anspruch 8, ferner aufweisend: einen Anlasswechselrichter (62), der dazu eingerichtet ist, wahlweise eine Anlassspannung (265) oder eine Versorgungsspannung (190) aus der hohen Gleichspannung (120) zu erzeugen; und einen Umschalter (310), dazu eingerichtet ist, wahlweise die Anlassspannung (265) mit dem Wechselstromgenerator (180) oder die Versorgungsspannung (290) mit einem Versorgungsnetz (300) zu koppeln.
  11. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei die Energiequelle (110) ferner eine Super-Kondensator-Bank (320) aufweist, die zum Speichern und Liefern elektrischer Energie eingerichtet ist, wobei der Traktions-Spannungserhöhungswandler (230) ferner dazu eingerichtet ist, Energieströme zwischen dem Gleichrichter (200), der Energiebatterie (220) und der Super-Kondensator-Bank (320) zu kontrollieren.
  12. Vorrichtung (100) nach Anspruch 11, welche ferner einen unidirektionalen Koppler (330) aufweist, der dazu eingerichtet ist, Strom aus der Energiebatterie (220) zu der Super-Kondensator-Bank (320) zu leiten.
  13. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei der Motorantrieb (130) ferner einen Leistungs-Super-Kondensator (340) aufweist, der zum Speichern und Liefern von aus der hohen Gleichspannung (120) abgeleiteter Energie angepasst ist.
  14. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei die Motorspannung (140) eine Gleichspannung ist.
  15. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei der Wechselstromgenerator (180) und der Gleichrichter (200) ferner dazu eingerichtet sind, Leistung an Versorgungslasten (350) zu liefern.
  16. Verfahren zur Erzeugung von Traktionskraft, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Erzeugen einer hohen Gleichspannung (120); Erzeugen einer Motorspannung (140) aus der hohen Gleichspannung (120); und Erzeugen der Traktionskraft aus der Motorspannung (140), wobei der Vorgang der Erzeugung der hohen Gleichspannung (120) die Schritte umfasst: Verbrennen eines Kraftstoffs zur Erzeugung von mechanischer Leistung (170); Erzeugen einer Wechselspannung (190) aus der mechanischen Leistung (170) unter Verwendung eines Wechselstromgenerators (180); Gleichrichten der Wechselspannung (190) zur Erzeugung einer niedrigen Gleichspannung (210) unter Verwendung eines Gleichrichters (200); Speichern und Liefern von aus der niedrigen Gleichspannung (210) abgeleiteter Energie unter Verwendung einer Energiebatterie (220); und Erhöhen der niedrigen Gleichspannung (210) zur Erzeugung der hohen Gleichspannung (120), wobei der Vorgang der Erzeugung einer Motorspannung (140) die Schritte umfasst: Speichern von Energie und Liefern von Leistung bei der hohen Gleichspannung (120) unter Verwendung einer Leistungsbatterie (240); Erzeugen der Motorspannung (140) aus der hohen Gleichspannung (120) während eines Motorbetriebs und Erzeugen der hohen Gleichspannung (120) aus der Motorspannung (140) während eines Bremsbetriebs; und Umwandeln der niedrigen Gleichspannung (210) oder der hohen Gleichspannung (120) in eine Versorgungsspannung (290).
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