EP1200296A1 - Verfahren zur energieoptimierung bei einem fahrzeug/zug mit arbeitspunktabhängigem wirkungsgrad - Google Patents

Verfahren zur energieoptimierung bei einem fahrzeug/zug mit arbeitspunktabhängigem wirkungsgrad

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EP1200296A1
EP1200296A1 EP00951448A EP00951448A EP1200296A1 EP 1200296 A1 EP1200296 A1 EP 1200296A1 EP 00951448 A EP00951448 A EP 00951448A EP 00951448 A EP00951448 A EP 00951448A EP 1200296 A1 EP1200296 A1 EP 1200296A1
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EP
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train
efficiency
energy
vehicle
motor vehicle
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EP00951448A
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Rüdiger Franke
Peter Terwiesch
Markus Meyer
Christian Klose
Karl-Hermann Ketteler
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Alstom Transportation Germany GmbH
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Bombardier Transportation GmbH
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Publication date
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    • B60L15/00—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles
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    • B60W40/10—Estimation or calculation of non-directly measurable driving parameters for road vehicle drive control systems not related to the control of a particular sub unit, e.g. by using mathematical models related to vehicle motion
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    • Y02T10/72—Electric energy management in electromobility

Definitions

  • the invention relates to a method for energy optimization in a vehicle / train according to the preamble of claim 1.
  • time reserves for unforeseen events and adverse operating conditions are planned. Since the operating conditions are typically more favorable during real journeys than assumed in the planning, the resulting time reserves are available for other purposes.
  • a particularly sensible use of the time reserves consists in saving energy by means of a suitable driving style.
  • EP 0 467 377 B1 introduces a division of the total distance into several sections in such a way that the permissible maximum speed is constant in each section.
  • the components of the maximum acceleration - driving at constant speed - Maximum delay existing driving style is repeated in each section. It is therefore not rolled out.
  • EP 0 755 840 AI does not describe a specific method for energy optimization, but rather explains a general system structure, which can also be used to implement energy optimization.
  • a cycle consisting of acceleration - travel at constant speed - deceleration and braking is given as an example.
  • the invention is based on the object of specifying an improved method for energy optimization with regard to the time reserves planned for a timetable of a vehicle / train.
  • the advantage that can be achieved with the invention is, in particular, that by taking into account the operating point dependency of the vehicle efficiency in the optimization algorithm instead of the mechanical traction energy, the primary energy used, such as the electrical energy in electric rail vehicles is minimized.
  • Fig. 4 shows an exemplary optimal speed curve
  • the vehicle efficiency is the quotient of the traction power provided - the output power - and the input power required for this, in particular the electrical power that is drawn from an electric locomotive via a pantograph.
  • the difference between the input power and the output power is the power loss of the vehicle.
  • the operating point dependency of the efficiency is included in or for energy optimization with regard to the time reserves planned for a timetable of a vehicle / train, since a calculation with a constant efficiency assumed is only a poor approximation of the actual optimum.
  • the problem of energy minimization is formulated as a mathematical optimization problem and solved with a suitable, generally known optimization algorithm.
  • FIGS. 1 and 2 show characteristic diagrams of the power loss of typical electric locomotives. Such a three-dimensional characteristic diagram of the power loss as a function of the traction force and the speed is a typical representation of the efficiency's dependence on the operating point.
  • 3 shows as a driving diagram an exemplary path / speed curve - see solid curve - with the vehicle efficiency assumed to be constant and the maximum speed in the individual sections of the route - see dashed curve.
  • the driving style shown is composed of the known components, which are used repeatedly in each section with a constant speed limit. These known components are essentially maximum acceleration, coasting and braking in the first section, followed by "driving at constant speed" in the slow travel route, followed by maximum acceleration and the change between coasting and braking to stop.
  • FIG. 4 shows as a driving diagram (and determined in accordance with the map in accordance with FIG. 1) an exemplary optimal speed curve - see solid curve - taking into account the operating point dependency of the vehicle efficiency and maximum speed - see dashed curve.
  • the optimal driving style shown differs significantly from driving styles which can be determined using previously known methods (see FIG. 3).
  • a reduced acceleration is used in the illustrated embodiment, which smoothly merges into braking.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Energieoptimierung bei einem Fahrzeug/Zug bei der Benutzung von bei einem Fahrplan eingeplanten Zeitreserven vorgeschlagen. Zur Erzielung einer Energiesparenden Fahrweise unter Zuhilfenahme eines Optimierungsalgorithmus wird die Arbeitspunktabhängigkeit des Fahrzeug-Wirkungsgrades oder der Verlustleistung berücksichtigt.

Description

Verfahren zur Energieoptimierung bei einem Fahrzeug/Zug mit arbeitspunkt- abhängigem Wirkungsgrad
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Energieoptimierung bei einem Fahrzeug/Zug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei der Planung von Fahrten und der Erstellung von Fahrplänen für den Schienenverkehr werden Zeitreserven für unvorhergesehene Ereignisse und widrige Betriebsbedingungen eingeplant. Da während realer Fahrten die Betriebsbedingungen typischerweise günstiger sind als in der Planung angenommen, werden die dabei entstehenden Zeitreserven für andere Zwecke verfügbar. Eine besonders sinnvolle Benutzung der Zeitreserven besteht in der Einsparung von Energie mittels geeigneter Fahrweise.
Bisher bekannte und verwendete Verfahren zur Energieminimierung basieren meist auf der Annahme, daß eine Fahrweise, bestehend aus den Bestandteilen Maximalbeschleunigung - Fahrt bei konstanter Geschwindigkeit - Ausrollen - Maximalverzögerung energieoptimal ist. Hierbei wird die mechanische Traktionsenergie, die zur Beschleunigung des Fahrzeuges benötigt wird, minimiert. Für Nachweise wird ein lineares dynamisches Zugmodell verwendet, insbesondere wird kein Term berücksichtigt, der den quadratischen Zusammenhang zwischen Geschwindigkeit und Fahrwiderstand beschreibt.
Bei der DD 255 132 AI wird diese Grundannahme um die Unterteilung einer Gesamtstrecke in mehrere Abschnitte erweitert, so daß in jedem Abschnitt der Neigungswiderstand der Strecke konstant ist.
Bei der EP 0 467 377 Bl wird eine Unterteilung der Gesamtstrecke in mehrere Abschnitte in der Art eingeführt, daß in jedem Abschnitt die zulässige Maximalgeschwindigkeit konstant ist. Die aus den Bestandteilen Maximalbeschleunigung - Fahrt bei konstanter Geschwindigkeit - Maximalverzögerung bestehende Fahrweise wird in jedem Abschnitt wiederholt. Es wird also auf das Ausrollen verzichtet.
Bei der EP 0 755 840 AI wird kein konkretes Verfahren zur Energieoptimierung beschrieben, sondern vielmehr eine generelle Systemstruktur erläutert, womit auch eine Energieoptimierung realisiert werden kann. Ein Zyklus, bestehend aus Beschleunigung - Fahrt bei konstanter Geschwindigkeit - Verlangsamung und Bremsung wird als Beispiel angeführt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Energieoptimierung hinsichtlich der bei einem Fahrplan eines Fahrzeugs/Zuges eingeplanten Zeitreserven anzugeben.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil besteht insbesondere darin, daß durch die Berücksichtigung der Arbeitspunktabhangigkeit des Fahrzeug- Wirkungsgrades beim Optimierungsalgorithmus anstatt der mechanischen Traktionsenergie die primär eingesetzte Energie, wie z.B. die elektrische Energie bei elektrischen Schienenfahrzeugen, minimiert wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Unteranspruch gekennzeichnet.
Weitere Vorteile des vorgeschlagenen Verfahrens ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 , 2 Kennfelder der Verlustleistung von typischen elektrischen Lokomotiven, Fig. 3 einen beispielhaften Geschwindigkeitsverlauf bei konstant angenommenem Fahrzeugwirkungsgrad sowie Maximalgeschwindigkeit,
Fig. 4 einen beispielhaften optimalen Geschwindigkeitsverlauf bei
Berücksichtigung der Arbeitspunktabhangigkeit des Fahrzeugwirkungsgrads sowie Maximalgeschwindigkeit,
Der Fahrzeugwirkungsgrad ist der Quotient aus der bereitgestellten Traktionsleistung - der Ausgangsleistung - und der dazu benötigten Eingangsleistung, insbesondere der elektrischen Leistung, die von einer elektrischen Lokomotive über einen Pantographen gezogen wird. Die Differenz zwischen Eingangsleistung und der Ausgangsleistung ist die Verlustleistung des Fahrzeuges.
Erfindungsgemäß wird vorgesehen, daß die Arbeitspunktabhangigkeit des Wirkungsgrades in die bzw. zur Energieoptimierung hinsichtlich der bei einem Fahrplan eines Fahrzeugs/Zuges eingeplanten Zeitreserven einbezogen wird, da eine Berechnung mit konstant angenommenem Wirkungsgrad nur eine schlechte Annäherung an das tatsächliche Optimum darstellt. Dabei wird das Problem der Energieminimierung als mathematisches Optimierungsproblem formuliert und mit einem geeigneten, allgemein bekannten Optimierungsalgorithmus gelöst.
Für das vorgeschlagene Verfahren geeignete Optimierungsalgorithmen sind beispielsweise aus Papageorgiou: Optimierung, Kapitel 10, 19 und insbes. 20, Oldenbourg Verlag, 1996, bekannt.
Die Berücksichtigung der Arbeitspunktabhangigkeit des Wirkungsgrades kann über eine Funktion des Wirkungsgrades oder der Verlustleistung in Abhängigkeit von wichtigen Einflußgrößen, wie insbesondere Traktionskraft und/oder Geschwindigkeit und/oder Temperatur erfolgen. In den Figuren 1 und 2 sind hierzu Kennfelder der Verlustleistung von typischen elektrischen Lokomotiven gezeigt. Ein solches dreidimensionales Kennfeld der Verlustleistung in Abhängigkeit von der Traktionskraft und der Geschwindigkeit ist eine typische Darstellungsmöglichkeit der Arbeitspunktabhangigkeit des Wirkungsgrades. Fig. 3 zeigt als Fahrschaubild einen beispielhaften Weg/Geschwindigkeitsverlauf - siehe durchgezogene Kurve - bei konstant angenommenem Fahrzeugwirkungsgrad sowie Maximalgeschwindigkeit in den einzelnen Streckenabschnitten - siehe gestrichelte Kurve. Die dargestellte Fahrweise setzt sich aus den bekannten Bestandteilen zusammen, wobei diese in jedem Teilabschnitt mit konstanter Geschwindigkeitsbegrenzung wiederholt angewendet werden. Diese bekannten Bestandteile sind im wesentlichen Maximalbeschleunigung, Auslaufund Bremsung im ersten Abschnitt, gefolgt von „Fahren mit konstanter Geschwindigkeit" in der Langsamfahrstrecke, gefolgt von Maximalbeschleunigung und dem Wechsel zwischen Auslaufen und Bremsen zum Anhalten.
Fig. 4 zeigt im Vergleich hierzu als Fahrschaubild (und entsprechend dem Kennfeld gemäß Fig. 1 ermittelt) einen beispielhaften optimalen Geschwindigkeitsverlauf - siehe durchgezogene Kurve - bei Berücksichtigung der Arbeitspunktabhangigkeit des Fahrzeugwirkungsgrads sowie Maximalgeschwindigkeit - siehe gestrichelte Kurve. Die dargestellte optimale Fahrweise unterscheidet sich deutlich von Fahrweisen, die mit bisher bekannten Verfahren (siehe Fig. 3) ermittelt werden können. Insbesondere kommt beim dargestellten Ausführungsbeispiel eine reduzierte Beschleunigung zum Einsatz, die fließend in das Bremsen übergeht.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Energieoptimierung bei einem Fahrzeug/Zug bei der Benutzung von Zeitreserven, welche bei einem Fahrplan eingeplant sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer energiesparenden Fahrweise unter Zuhilfenahme eines Optimierungsalgorithmus die Arbeitspunktabhangigkeit des Fahrzeug- Wirkungsgrades oder der Verlustleistung berücksichtigt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Berücksichtigung der Arbeitspunktabhangigkeit des Fahrzeug- Wirkungsgrades oder der Verlustleistung über eine Funktion des Wirkungsgrades oder der Verlustleistung in Abhängigkeit von Einflußgrößen, wie Traktionskraft und/oder Geschwindigkeit und/oder Temperatur erfolgt.
EP00951448A 1999-07-29 2000-07-26 Verfahren zur energieoptimierung bei einem fahrzeug/zug mit arbeitspunktabhängigem wirkungsgrad Ceased EP1200296A1 (de)

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