EP2697095A2 - Energieversorgung - Google Patents

Energieversorgung

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Publication number
EP2697095A2
EP2697095A2 EP12726762.3A EP12726762A EP2697095A2 EP 2697095 A2 EP2697095 A2 EP 2697095A2 EP 12726762 A EP12726762 A EP 12726762A EP 2697095 A2 EP2697095 A2 EP 2697095A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
stationary
energy
voltage
storage device
power supply
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP12726762.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rolf Fischperer
Michael Meinert
Peter Eckert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP2697095A2 publication Critical patent/EP2697095A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to a stationary energy store having the features of claim 1 and to an energy system having the features of claim 6.
  • An electrically drivable vehicle in particular a Li ⁇ nien scholar such as a train, a tram or a bus is permanently or temporarily connected to a power grid.
  • the vehicle has a mobile energy storage, which is rechargeable from the power grid, and caches the electrical energy that can be used later for driving the vehicle.
  • the mobile energy storage can be charged in the so-called recuperator while the vehicle is decelerating.
  • EP 0968873 Al suggests to exchange electrical energy between ei ⁇ nem first braking the vehicle and a second, accelerating the vehicle, both of which are electrically connected to a power grid.
  • EP 1 864 849 A1 describes a system in which a stationary energy store outside the vehicle and a mobile energy store are provided on board the vehicle, wherein the mobile energy store is set up to be charged from the stationary energy store.
  • the known stationary or mobile energy storage for storing normally include an accumulator or a capacitor, in particular a double-layer Kondensa ⁇ gate, and the stored energy in the energy storage is dependent on a voltage of the energy store.
  • the vehicle is connected to the energy supply network only during short phases, for example at predetermined stops
  • rapid energy transfer from the stationary energy store to the mobile energy store is required.
  • the power supply network can be fed from another electrical supply network.
  • the voltage of a fully charged stationary energy storage would normally exceed the voltage prevailing in the power supply voltage, which is why the stationary electrical energy storage is charged only to a voltage that does not exceed the voltage of the electrical supply network.
  • the invention is therefore based on the object a host ⁇ nomic utilization of a major portion of the electrical storage capacity of the stationary energy storage for enabling ⁇ union without the need for a high-performance power supply is needed.
  • the invention solves this problem by means of a stationary energy storage with the features of claim 1 and an energy system with the features of claim 6.
  • Unteransprü ⁇ che give preferred embodiments again.
  • a stationary energy store for the temporary storage of electrical energy in a stationary power supply network for an electrically drivable vehicle comprises a stationary storage device, a first buck converter for charging the stationary storage device, a first boost converter for discharging the stationary storage device. Position, a second boost converter for charging the stationary storage device and a second buck converter for discharging the stationary storage device.
  • the stationary storage device can be charged from the supply network to a voltage which is above the voltage of the supply network and which can furthermore be discharged into the constant-voltage power supply network, while the voltage of the stationary storage device is below the voltage of the energy supply network , An electric storage capable ⁇ ness of the stationary storage device can thus be used to optimize and an energy exchange can be accelerated.
  • Auxiliary and protective elements of the stationary energy storage can be used in all operating conditions, so that the stationary energy storage can require little additional manufacturing and operating costs.
  • the additional step- up or step-down converters can correspond to known setters, so that a new development of the setting divider can be dispensable.
  • the stationary storage device of the stationary energy store can be charged and discharged in a short time between voltage limits, which are independent of the voltage of the power supply network. So it suffice even a rela ⁇ tively low voltage and a relatively low power of the supply network to charge the stationary energy storage. Thereby, a connection of the stationary energy storage to the supply network can be done easily and inexpensively.
  • the first and the second step-up converter as well as the first and second step-down converter each comprise an actuating element and a control throttle, wherein the Stelldros ⁇ least at least two of the setting divider are identical to each other. It can also be the control chokes of three or all four setting divider identical to each other.
  • the stationary energy store may be configured to discharge the energy stored in the stationary storage device into the vehicle. As a result, a supply of the vehicle with electrical energy, in particular during a time-limited charging process, be optimized.
  • the stationary energy store may further comprise a control device, which is set up to charge or discharge the stationary storage device in different operating states.
  • a control device which is set up to charge or discharge the stationary storage device in different operating states.
  • the stationary memory device In a first operating state, the stationary memory device is charged by means of the first buck converter from the power supply network to a voltage which is below a voltage of the power supply network.
  • the stationary storage device In a second operating state, the stationary storage device is charged by means of the second boost converter from the power grid to a voltage higher than the voltage of the Energymakerssnet ⁇ zes.
  • the stationary memory device In a third operating state, the stationary memory device is discharged by means of the second buck converter to provide a voltage in the power supply network that is below the voltage of the stationary memory device, and in a fourth operating state, the stationary memory device is discharged by the first boost converter to a voltage provide in the power grid, which is above the voltage of the stationary storage device.
  • the time required for charging or discharging each energy storage can be different in the various operating conditions and be determined by the given data of the components involved, in particular rated current and rated voltage.
  • the energy supply network can have a low efficiency, which leads to comparatively long charging times for the stationary energy store, wherein the discharging of the stationary storage into the mobile energy storage, nevertheless, only a comparatively short It may take time if the energy stores are rated for high performance.
  • control device By means of the control device, the described elements of the stationary ele- energy storage device in accordance with the un ⁇ ter Kunststofflichen operating states are controlled. Thereby may be achieved an improved, more flexible and more particularly to auto ⁇ mated treatment of the different operating states. By converting the voltages using the boost and buck converters, excessive current flow can be prevented.
  • the power supply network carries a substantially constant voltage.
  • the voltage of the energy supply network may be subject to smaller fluctuations and certain disturbances may be superimposed, as a result of which the energy supply network is not yet operated with different voltages or with a specifically varying voltage.
  • a design of the power supply network and a dimensioning of components, in particular in the stationary energy storage and on board the vehicle can be facilitated by the substantially constant voltage.
  • the power supply network leads a DC voltage fed from a rectifier.
  • the rectifier can be fed from the electrical supply network.
  • the DC voltage fed from the rectifier can be sufficient.
  • the stationary energy storage can help to cover a peak load, which can arise at ⁇ example, the rapid transfer of electrical energy in the vehicle or in several vehicles simultaneously.
  • a power system includes the stationary energy storage device and the electric automobile described, the vehicle having a mobile Ener ⁇ gieatorium for storing electrical drive energy environmentally summarizes and the mobile energy storage comprises a mobile storage device which is adapted to be charged from the statio ⁇ nary storage device.
  • the energy system according to the invention can provide improved from utilization ⁇ a storage capacity of one or both energy ⁇ memory. A charging time of the mobile energy storage device can be reduced according to the energy system according to the invention.
  • the second buck converter is adapted to charge the mobile storage device from the statio nary ⁇ storage device, wherein the second downconverter is arranged on board the vehicle.
  • a change in the voltage of the power supply network can be made possible, while the voltage of the stationary energy storage exceeds the usual nominal voltage of the power supply network.
  • the mobile energy storage device may have a third boost converter for charging the mobile storage device. As a result, a constant voltage can be removed from the mobile energy store, even if the vehicle or the mobile energy store is not connected to the energy supply network.
  • the energy system may include an electrical connection device for establishing an at least temporary electrical connection between the vehicle and the power supply network.
  • the connection device may comprise, for example, a high-voltage line with sliding contact and / or a track contact. The connection device can do this be configured to produce the electrical connection, for example, only at a stop of the vehicle.
  • the invention comprises a method for charging a mobile electrical energy store with a mobile storage device comprising a stationary electrical energy store with a stationary storage device, the method comprising steps of charging the stationary storage device by means of a first step-down converter from a power supply network Voltage of the stationary memory device is under the voltage of the power supply network, the charging of the stationary memory device by means of a first boost converter from the power grid, the voltage of the stationary memory device is above the voltage of the power supply network, discharging the statio ⁇ nary memory device by means of a second buck converter in order to provide a voltage in the power supply network which is below the voltage of the stationary storage device and the discharge of the s tationary storage means by means of a second boost converter to provide a voltage in the power supply network, which is above the voltage of the stationary storage device comprises.
  • a computer program product comprises program code means for performing the described method when the method is executed on a processing device or stored on a computer-readable data memory.
  • FIG. 1 shows a circuit diagram of an energy system
  • FIG. 2 shows voltage diagrams on the energy system from FIG. 1;
  • FIG. 1 A first figure.
  • FIG. 4 shows a circuit diagram of a further variation of the energy system from FIG. 1;
  • FIG. 5 shows a circuit diagram of yet another variation of the energy system of FIG. 1;
  • FIG. 6 shows a flowchart of a method for controlling the
  • the power system 100 includes a stationary energy storage (SES) 105 and a vehicle 110 with a mobile power ⁇ memory (MES) 115.
  • the stationary energy storage 105 and the vehicle 110 are by means of a power supply system 120 connected to each other ,
  • the power grid 120 may include a high voltage power line, such as a catenary or bus bar, that is contacted with a sliding contact 125 attached to the vehicle 110. It may also be provided a track contact, which is contacted by an electrically conductive wheel 130 or a corresponding sliding contact of the vehicle 110.
  • the power supply network 120 is usually a DC power supply network whose nominal voltage can be, for example, 400 V.
  • the power grid 120 is primarily powered by a rectifier 135, which is operated, for example, with three-phase alternating current from an AC power supply network.
  • a main switch 140 connects the stationary energy storage 105 to the power supply network 120. From the main switch 140, a positive voltage passes through a precharging device 145 to a mains choke 150.
  • the precharging device 145 and the mains choke 150 have the task of electrical interference between the power supply network 120 and the remaining components of the stationary energy storage 105 to decouple.
  • a backup capacitor 155 extends from the mains choke 150 to an electrically negative terminal of the main switch 140 and serves to smooth the high voltage applied to it ⁇ .
  • An adjusting throttle 160 is ver ⁇ connected with four actuators 165, that two step-up converter ( “step-up converter”) and two step-down converter ( “step-down converter”) are formed.
  • Each of the actuators 165 is symbolically represented by an NPN transistor which includes a freewheeling diode from its emitter to its collector.
  • any other switching means for the actuator 165 may be used, such as a FET transistor.
  • the Hochsetzstel ⁇ ler and buck converter have the task of controlling a charging or discharging a stationary memory device 170.
  • the stationary storage device 170 may comprise an accumulator or a capacitor, in particular a double-layer capacitor.
  • the first buck converter 175 for charging the stationary storage device 170 from the power supply network 120 is formed by the positioning choke 160 and the upper left positioning element 165.
  • the first step-up converter 180 for discharging the stationary storage device 170 into the power supply network 120 is formed by the positioning choke 160 and the lower-left positioning element 165.
  • the second boost converter 185 for charging the stationary storage device 170 from the power supply network 120 is formed by the control throttle 160 and the lower right Stell ⁇ element 165.
  • the second step-down converter 190 for discharging the stationary memory device 170 into the power supply network 120 is formed by the positioning choke 160 and the upper-right positioning element 165.
  • a current through the control throttle 160 is protected by means of an optional fuse 195.
  • An optional backup ⁇ device 200 is connected in parallel to the stationary storage device 170 and limits the stationary SpeI ⁇ cher worn 170 secures electrically against overvoltage.
  • all setting dividers 175 to 190 are constructed with the same adjusting throttle 160.
  • a plurality of actuating throttles 160 may be provided, which are assigned in each case in each case one or more of the setting divider 175 to 190.
  • All control elements 165 can be controlled by means of a control device 210.
  • the controller 210 may be configured to prevent a competing operation of boost converters 175 to 190, as the same parking restrictor 160 umfas ⁇ sen.
  • the control device 210 controls the sta ⁇ tionary energy storage 105 in one of four different operating conditions, which are briefly explained below.
  • the stationary spoke pure ⁇ device In the first operating state, the stationary spoke pure ⁇ device is charged from the power supply network 120 170, wherein the voltage of the stationary storage device 170 is less than or equal to the voltage of the power supply network 120th Charging is done in this case by means of the f ⁇ th step-down converter 175th
  • the stationary spoke pure ⁇ direction is loaded from the power supply network 120 170, wherein the voltage of the stationary storage device 170 is greater than or equal to the voltage of the power supply network 120th
  • the charging takes place in this case by means of the second boost converter 185.
  • the first buck converter 175 preferably the first buck converter 175 is permanently turned on.
  • the stationary storage device 170 is discharged into the energy supply network 120, wherein the voltage of the stationary storage device 170 is greater than or equal to the voltage of the energy supply network 120.
  • the unloading takes place in this case by means of the second buck converter 190.
  • the stationary spoke pure ⁇ direction is discharged into the power supply network 120 170, wherein the voltage of the stationary storage device 170 is less than or equal to the voltage of the power supply network 120th
  • the unloading is carried out in this case by means of the f ⁇ th boost converter 180.
  • the second buck converter 190 is preferential ⁇ as permanent effetgesteu ⁇ ert.
  • Memory means 170 may be alternatively charged from the power grid 120 or discharged into the power grid 120, wherein the voltage of the stationary memory means 170 may each be in a range which is both greater and smaller than the voltage of the grid 120 includes. Apart from disturbances, parasitic effects and load-related variations, the voltage of the power supply network 120 may be kept substantially constant.
  • the energy supply network 120 may be connected to the stationary energy storage 105 by means of one of seven different connections 220 to 245. It usually comes use only one of the connections, which will be explained below.
  • the first connection 215 extends to the rectifier 135. This makes it possible for the vehicle 110 even with electrical
  • the mains choke 150 of the stationary energy store 105 can have a smoothing effect on the voltage in the energy supply network 120.
  • the second link 220 extends to a point between the main switch 140 and the precharging device 145. Thereby, it is possible to charge the stationary Speichereinrich- tung 170 by opening the Hauptaschalters 140 to interrup ⁇ chen.
  • the third link 225 extends to a point between the precharging device 145 and the choke 150.
  • the charging function of the stationary Energyspei ⁇ Chers 105 from the power supply system 120 by opening the switch of the precharging device shown can be interrupted 145th
  • the fourth link 230 extends to a point between the choke 150 and the two left actuators 165. If the vehicle 110 power taken from the electric power supply network ⁇ 120 so doing, the choke 150 is bypassed.
  • the fifth connection 235 extends to a point between the two left adjusting elements 165 and the associated end of the adjusting throttle 160. As a result, the first buck converter 175 can be bypassed when the vehicle 110 takes energy from the power supply network 120.
  • the sixth connection 240 extends to the other end of the control throttle 160, with the two right-hand control elements 165 is connected. This variant is only useful if the nominal voltage of the vehicle 110 or 265 is not greater than the voltage of the stationary memory in the defi ⁇ ned state as empty, since the voltage in the vehicle 110 in this case only as large as that of the stationary storage device 170 may be because the boost converter 180 is not effective.
  • the seventh connection 245 extends to a point between the two right-hand control elements 165 and the stationary one
  • the mobile energy storage 115 of the vehicle 110 is verbun ⁇ by means of a vehicle main switch 250 and a vehicle mains choke 255 with the positive sliding contact 125.
  • An intermediate circuit capacitor 260 is parallel to the mobile energy accumulator 115.
  • the main switch 250, the choke 255 and capacitor 260 are not the owing here ⁇ detected charging concept, but are for the vehicle for providing a defined voltage for the traction motors and auxiliary operating devices, even when operating on a conventional catenary or track.
  • a mobile storage device having a parallel connected backup device 270 against overvoltage, wherein the mobile storage device via a third step-down converter 275 or a third boost converter 280 can be charged from the Energyversor ⁇ supply network 120,115,265,265.
  • a control throttle 285 is provided, which forms the setting dividers 275 and 280 in conjunction with
  • the setting dividers 275 and 280 can alternatively be constructed with dedicated adjusting throttles.
  • connection of the control inductor 285 with the control elements 290 is effected by a fuse 295.
  • the structure of the illustrated mobile energy storage 115 substantially corresponds to the structure of the stationary described above
  • the mobile energy store 115 can be charged in a first operating state by means of the third step-down converter 275, the voltage of the mobile energy store 265 being less than or equal to the voltage of the energy supply network 120 or the energy store 170, without the network stations 175 to 190 of the stationary store Energy storage 105 may be needed.
  • the mobile energy storage 265 may be discharged by the third boost converter 280 to apply power to the traction motors and
  • the stored in the mobile energy accumulator 265, electrical energy is preferably for driving the vehicle 110 turns ⁇ ver.
  • the mobile energy storage 265 may also be provided during braking of the vehicle
  • the stationary energy storage 105 may also be charged during braking of the vehicle 110.
  • 2 shows voltage diagrams on the energy system 100 from FIG. 1.
  • a left-hand diagram shows a time profile of the voltage U_SES of the stationary memory device 170.
  • a right-hand diagram shows a time profile of the voltage U_SES at the stationary memory device 170 and a time profile of the voltage U_MES corresponding thereto the mobile memory device 265. To the right, respectively times and upwards voltages are applied.
  • the left graph of Figure 2 shows high a charging curve ⁇ the stationary energy storage device 170.
  • a first temporal portion Tl in which the voltage U_SES the stati ⁇ oncer memory device 170 is smaller than the voltage U_n the power supply system 120 is, the charging of the stationary storage means 170 in the above with reference to FIG 1 described first operating state via the first buck converter 175 the voltage U_SES the stationary storage device 170 exceeds the voltage u_n the power supply system 120, so in a period T2, the stationary SpeI ⁇ cher worn 170 in the second operating state by means of the second boost converter 185 further charged.
  • the right-hand diagram of FIG. 2 shows a discharge curve of the stationary storage device 170 and a corresponding charging curve of the mobile storage device 265.
  • the curves are based on a charging process of the mobile storage device 265 from the stationary storage device 170.
  • the stationary storage device shall be charged to 170 ⁇ next, for example, under the operating conditions described with Be ⁇ train on the left diagram.
  • T3 in which the voltage U_SES of the stationary memory device 170 is greater than a voltage U_MES of the mobile memory device 265, the unloading of the stationary memory device 170 takes place in the mobile memory device 265 in buck converter mode, for example in the third operating state by means of the second buck converter 190.
  • FIG. 3 shows a circuit diagram of a variation of the energy system 100 from FIG. 1.
  • the illustrated energy system 100 differs from the energy system 100 from FIG. 1 in that the upper right control element 165 is missing and thus the second step-down converter 190 is not present.
  • the connections 215 to 245 are not shown and can thus be supplemented as described above with reference to FIG.
  • FIG. 4 shows a circuit diagram of a further variation of the energy system 100 from FIG. 1.
  • the energy system 100 is changed to the effect ⁇ changed from FIG 1 that the third step-down converter 275 on board the vehicle zeugs 110 is omitted.
  • the function of the third step-down converter 275 for example, during the third Radio S ⁇ stands is taken over here by the second downconverter 190 in the stationary energy storage 105th
  • operating parameters from the vehicle 110 in particular with respect to the mobile energy accumulator 265 may be transmitted to the stationary energy storage 105 that are there placed the control is based.
  • the connection 235 has been selected.
  • FIG. 5 shows a circuit diagram of yet another variation of the energy system 100 from FIG. 1.
  • both the first buck converter 175 and the second buck converter 190 are dispensed with.
  • a blocking diode 505 is arranged in the forward direction between the stationary energy storage 105 and the mobile energy storage 115.
  • Blocking diode 505 may be disposed at any point of the energy flow, for instance in stationary Ener ⁇ gie appointment 105, the mobile energy accumulator 115, on board the vehicle 110 or in the area of power supply network 120.
  • the embodiment of the energy system 100 illustrated in FIG 5 may be, for Charging the mobile energy storage 115 can be used from the stationary energy storage 105, as long as the voltage of the power supply network 120 U_N is smaller than a minimum voltage U_SES the stationary storage device 170.
  • FIG. 6 shows a flowchart of a method 600 for STEU ⁇ s of the energy system 100 of FIG 1.
  • the method 600 can also be used for controlling the power system 100, one of the variants of Figures 3 to fifth For this purpose, if necessary, adjustments are required, which are described above with reference to the corresponding variants.
  • a first step 605 the stationary memory device 170 is charged from the power supply network 120 by means of the first buck converter 175, the voltage U_SES of the stationary memory device 170 being below the voltage U_N of the power supply network 120.
  • Step corresponds to the first operating state described above with reference to FIG.
  • the stationary storage device 170 is charged from the energy supply network 120 by means of the second boost converter 185, the voltage U_SES of the stationary storage device 170 being above the voltage U_N of the energy supply network 120.
  • the ⁇ ser step corresponds to the second operating state.
  • step 615 the stationary SpeI ⁇ cher worn 170 is discharged by the second down converter 190 to provide a voltage U_n in the power supply system 120, which is below the voltage U_SES the stationary storage device 170th This step corresponds to the third operating state.
  • step 620 the stationary SpeI ⁇ cher worn 170 is discharged by the first up converter 180 to provide a voltage U_n in the power supply system 120, which is above the voltage U_SES the stationary storage device 170th
  • This step corresponds to the fourth operating state. Transitions between steps 605-620 are typically in the order described, returning to step 605 after step 620. In principle, however, other transitions are possible if necessary, as indicated in Figure 6 by the arrows.

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Abstract

Ein stationärer Energiespeicher zur temporären Speicherung elektrischer Energie in einem stationären Energieversorgungsnetz für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug umfasst eine stationäre Speichereinrichtung, einen ersten Tiefsetzsteller zum Aufladen der stationären Speichereinrichtung, einen ersten Hochsetzsteller zum Entladen der stationären Speichereinrichtung, einen zweiten Hochsetzsteller zum Aufladen der stationären Speichereinrichtung und einen zweiten Tiefsetzsteller zum Entladen der stationären Speichereinrichtung. Ein Energiesystem umfasst den stationären Energiespeicher und das elektrisch antreibbare Fahrzeug, wobei das Fahrzeug einen mobilen Energiespeicher zur Speicherung elektrischer Antriebsenergie umfasst und der mobile Energiespeicher eine mobile Speichereinrichtung umfasst, die dazu eingerichtet ist, aus der stationären Speichereinrichtung aufgeladen zu werden. Ferner werden ein diesbezügliches Verfahren und ein korrespondierendes Computerprogrammprodukt offenbart.

Description

Beschreibung
Energieversorgung Die Erfindung betrifft einen stationären Energiespeicher mit den Merkmalen von Anspruch 1 und ein Energiesystem mit den Merkmalen von Anspruch 6.
Stand der Technik
Ein elektrisch antreibbares Fahrzeug, insbesondere ein Li¬ nienfahrzeug wie ein Zug, eine Straßenbahn oder ein Bus, ist permanent oder zeitweise mit einem Energieversorgungsnetz verbunden. Das Fahrzeug verfügt über einen mobilen Energie- Speicher, der aus dem Energieversorgungsnetz aufladbar ist, und der elektrische Energie zwischenspeichert, die später zum Antreiben des Fahrzeugs verwendet werden kann. Dabei kann der mobile Energiespeicher auch im so genannten Rekuperatorbetrieb aufgeladen werden, während das Fahrzeug abbremst.
EP 0 968 873 AI schlägt vor, elektrische Energie zwischen ei¬ nem ersten, bremsenden Fahrzeug und einem zweiten, beschleunigenden Fahrzeug auszutauschen, die beide elektrisch mit einem Energieversorgungsnetz verbunden sind.
EP 1 864 849 AI beschreibt ein System, in dem ein stationärer Energiespeicher außerhalb des Fahrzeugs und ein mobiler Energiespeicher an Bord des Fahrzeugs vorgesehen sind, wobei der mobile Energiespeicher dazu eingerichtet ist, aus dem statio- nären Energiespeicher aufgeladen zu werden.
In „A Supercapacitor-Based Energy Storage Substation for Vol- tage Compensation in Weak Transportation Networks", IEEE Transactions on Power Delivery, Vol 19, No . 2, April 2009, beschreiben Alfred Rufer, David Hotellier und Philippe Barra¬ de eine Technik zur Zwischenspeicherung von elektrischer Energie in einem netzbasierten Verkehrssystem. Die bekannten stationären oder mobilen Energiespeicher umfassen zur Speicherung üblicherweise einen Akkumulator oder einen Kondensator, insbesondere einen Doppelschicht-Kondensa¬ tor, und die im Energiespeicher gespeicherte Energie ist von einer Spannung des Energiespeichers abhängig.
Insbesondere in einer Ausführungsform, bei der das Fahrzeug nur während kurzer Phasen, beispielsweise an vorbestimmten Haltestellen, mit dem Energieversorgungsnetz verbunden ist, ist eine rasche Energieübertragung vom stationären Energiespeicher zum mobilen Energiespeicher erforderlich. Das Energieversorgungsnetz kann aus einem anderen elektrischen Versorgungsnetz gespeist werden. Die Spannung eines vollständig aufgeladenen stationären Energiespeichers würde die im Ener- gieversorgungsnetz herrschende Spannung üblicherweise überschreiten, weshalb der stationäre elektrische Energiespeicher nur auf einen Spannung aufgeladen wird, die die Spannung des elektrischen Versorgungsnetzes nicht übersteigt. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine wirt¬ schaftliche Ausnützung eines größeren Teils der elektrischen Speicherfähigkeit des stationären Energiespeichers zu ermög¬ lichen, ohne dass dafür ein hoch leistungsfähiges Versorgungsnetz benötigt wird.
Die Erfindung löst dieses Problem mittels eines stationären Energiespeichers mit den Merkmalen von Anspruch 1 und eines Energiesystems mit den Merkmalen von Anspruch 6. Unteransprü¬ che geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
Offenbarung der Erfindung
Ein stationärer Energiespeicher zur temporären Speicherung elektrischer Energie in einem stationären Energieversorgungs- netz für ein elektrisch antreibbares Fahrzeugs umfasst eine stationäre Speichereinrichtung, einen ersten Tiefsetzsteller zum Aufladen der stationären Speichereinrichtung, einen ersten Hochsetzsteller zum Entladen der stationären Speicherein- Stellung, einen zweiten Hochsetzsteller zum Aufladen der stationären Speichereinrichtung und einen zweiten Tiefsetzsteller zum Entladen der stationären Speichereinrichtung. Erfindungsgemäß kann die stationäre Speichereinrichtung aus dem Versorgungsnetz auf eine Spannung aufgeladen werden, die über der Spannung des Versorgungsnetzes liegt und die ferner noch in das mit konstanter Spannung betriebene Energieversorgungsnetz entladen werden kann, während die Spannung der sta- tionären Speichereinrichtung unterhalb der Spannung des Energieversorgungsnetzes liegt. Eine elektrische Speicherfähig¬ keit der stationären Speichereinrichtung kann dadurch optimiert genutzt und ein Energieaustausch beschleunigt werden. Hilfs- und Schutzelemente des stationären Energiespeichers können in allen Betriebszuständen verwendet werden, so dass der stationäre Energiespeicher nur wenig zusätzlichen Her- stellungs- und Betriebsaufwand erfordern kann. Die zusätzli¬ chen Hoch- bzw. Tiefsetzsteller können bekannten Setzstellern entsprechen, so dass eine Neuentwicklung der Setzsteiler ent- behrlich sein kann.
Die stationäre Speichereinrichtung des stationären Energiespeichers kann in kurzer Zeit zwischen Spannungsgrenzen auf- und entladen werden, die von der Spannung des Energieversor- gungsnetzes unabhängig sind. Es genügen also schon eine rela¬ tiv geringe Spannung und eine relativ geringe Leistung des Versorgungsnetzes, um den stationären Energiespeicher aufzuladen. Dadurch kann eine Anbindung des stationären Energiespeichers an das Versorgungsnetz einfach und kostengünstig erfolgen . Dabei umfassen der erste und der zweite Hochsetzsteller sowie der erste und zweite Tiefsetzsteller jeweils ein Stellelement und eine Stelldrossel, wobei die Stelldros¬ seln wenigstens zweier der Setzsteiler miteinander identisch sind. Es können auch die Stelldrosseln dreier oder aller vier Setzsteiler miteinander identisch sein. Dadurch kann ein Bauteileaufwand gesenkt werden, wodurch Kostenvorteile, eine ge¬ steigerte Betriebssicherheit und ein verkleinerter Bauraum erzielbar sein können. Der stationäre Energiespeicher kann dazu eingerichtet sein, die in der stationären Speichereinrichtung gespeicherte Energie in das Fahrzeug zu entladen. Dadurch kann eine Versorgung des Fahrzeugs mit elektrischer Energie, insbesondere während eines zeitlich limitierten Aufladevorgangs , optimiert sein.
Der stationäre Energiespeicher kann ferner eine Steuereinrichtung umfassen, die dazu eingerichtet ist, die stationäre Speichereinrichtung in unterschiedlichen Betriebszuständen aufzuladen bzw. zu entladen. In einem ersten Betriebszustand wird die stationäre Speichereinrichtung mittels des ersten Tiefsetzstellers aus dem Energieversorgungsnetz auf eine Spannung aufgeladen, die unter einer Spannung des Energiever- sorgungsnetzes liegt. In einem zweiten Betriebszustand wird die stationäre Speichereinrichtung mittels des zweiten Hochsetzstellers aus dem Energieversorgungsnetz auf eine Spannung aufgeladen, die über der Spannung des Energieversorgungsnet¬ zes liegt. In einem dritten Betriebszustand wird die statio- näre Speichereinrichtung mittels des zweiten Tiefsetzstellers entladen, um eine Spannung im Energieversorgungsnetz bereitzustellen, die unterhalb der Spannung der stationären Speichereinrichtung liegt, und in einem vierten Betriebszustand wird die stationäre Speichereinrichtung mittels des ersten Hochsetzstellers entladen, um eine Spannung im Energieversorgungsnetz bereitzustellen, die oberhalb der Spannung der stationären Speichereinrichtung liegt.
Die benötigte Zeit zum Laden bzw. Entladen jedes Energiespei- chers kann in den verschiedenen Betriebszuständen unterschiedlich sein und durch die gegebenen Daten der beteiligten Komponenten, insbesondere Nennstrom und Nennspannung, bestimmt sein. Insbesondere kann das Energieversorgungsnetz eine geringe Leistungsfähigkeit aufweisen, was zu vergleichs- weise langen Ladezeiten für den stationären Energiespeicher führt, wobei das Entladen des stationären Speichers in den mobilen Energiespeicher dennoch nur eine vergleichsweise kur- ze Zeit in Anspruch nehmen kann, wenn die Energiespeicher für eine hohe Leistung bemessen sind.
Mittels der Steuereinrichtung können die beschriebenen Ele- mente des stationären Energiespeichers entsprechend der un¬ terschiedlichen Betriebszustände gesteuert werden. Dadurch kann eine verbesserte, flexibilisierte und insbesondere auto¬ matisierte Behandlung der unterschiedlichen Betriebszustände erzielbar sein. Durch die Umwandlung der Spannungen mittels der Hoch- und Tiefsetzsteller kann ein übermäßiger Stromfluss verhindert werden.
In einer Ausführungsform führt das Energieversorgungsnetz eine im Wesentlichen konstante Spannung. Die Spannung des Ener- gieversorgungsnetzes kann kleineren Schwankungen unterworfen sein und es können gewisse Störungen überlagert sein, wodurch das Energieversorgungsnetz noch nicht mit unterschiedlichen Spannungen bzw. mit einer gezielt variierenden Spannung betrieben wird. Eine Auslegung des Energieversorgungsnetzes und eine Dimensionierung von Bauteilen insbesondere im stationären Energiespeicher und an Bord des Fahrzeugs können durch die im Wesentlichen konstante Spannung erleichtert sein.
In einer Ausführungsform führt das Energieversorgungsnetz ei- ne aus einem Gleichrichter eingespeiste Gleichspannung. Der Gleichrichter kann aus dem elektrischen Versorgungsnetz gespeist sein. Zum Bestreiten einer Grundlast des Energieversorgungsnetzes kann die aus dem Gleichrichter eingespeiste Gleichspannung ausreichen. Der stationäre Energiespeicher kann dazu beitragen, eine Lastspitze abzudecken, die bei¬ spielsweise beim raschen Übertragen elektrischer Energie in das Fahrzeug oder in mehrere Fahrzeuge gleichzeitig entstehen kann . Nach einem weiteren Aspekt umfasst ein Energiesystem den beschriebenen stationären Energiespeicher und das elektrisch antreibbare Fahrzeug, wobei das Fahrzeug einen mobilen Ener¬ giespeicher zur Speicherung elektrischer Antriebsenergie um- fasst und der mobile Energiespeicher eine mobile Speichereinrichtung umfasst, die dazu eingerichtet ist, aus der statio¬ nären Speichereinrichtung aufgeladen zu werden. Das erfindungsgemäße Energiesystem kann eine verbesserte Aus¬ nutzung einer Speicherkapazität eines oder beider Energie¬ speicher bereitstellen. Eine Ladezeit des mobilen Energiespeichers kann gemäß dem erfindungsgemäßen Energiesystem verringert sein.
In einer Ausführungsform ist der zweite Tiefsetzsteller dazu eingerichtet, die mobile Speichereinrichtung aus der statio¬ nären Speichereinrichtung aufzuladen, wobei der zweite Tiefsetzsteller an Bord des Fahrzeugs angeordnet ist. In dieser Ausführungsform kann eine Veränderung der Spannung des Energieversorgungsnetzes ermöglicht sein, währen die Spannung des stationären Energiespeichers die übliche Nennspannung des Energieversorgungsnetzes übersteigt. Durch Vorsehen der Tief¬ setzsteller-Funktionalität zum Entladen des stationären Ener- giespeichers bzw. Aufladen des mobilen Energiespeichers aus¬ schließlich an Bord des Fahrzeugs kann eine redundante Imple¬ mentation des Tiefsetzstellers vermieden werden, wodurch sich Kostenvorteile ergeben können. Der mobile Energiespeicher kann einen dritten Hochsetzsteller zum Aufladen der mobilen Speichereinrichtung aufweisen. Dadurch kann eine konstante Spannung aus dem mobilen Energiespeicher entnehmbar sein, auch wenn das Fahrzeug bzw. der mobile Energiespeicher nicht mit dem Energieversorgungsnetz verbunden ist.
Das Energiesystem kann eine elektrische Verbindungseinrichtung zur Herstellung einer wenigstens temporären elektrischen Verbindung zwischen dem Fahrzeug und dem Energieversorgungs- netz umfassen. Die Verbindungseinrichtung kann beispielsweise eine Hochspannungsleitung mit Schleifkontakt und/oder einen Gleiskontakt umfassen. Die Verbindungseinrichtung kann dazu eingerichtet sein, die elektrische Verbindung beispielsweise nur an einer Haltestelle des Fahrzeugs herzustellen.
Nach einem weiteren Aspekt umfasst die Erfindung ein Verfah- ren zum Aufladen eines mobilen elektrischen Energiespeichers mit einer mobilen Speichereinrichtung aus einem stationären elektrischen Energiespeicher mit einer stationären Speichereinrichtung, wobei das Verfahren Schritte des Aufladens der stationären Speichereinrichtung mittels eines ersten Tiefsetzstellers aus einem Energieversorgungsnetz, wobei die Spannung der stationären Speichereinrichtung unter der Spannung des Energieversorgungsnetzes liegt, des Aufladens der stationären Speichereinrichtung mittels eines ersten Hochsetzstellers aus dem Energieversorgungsnetz, wobei die Span- nung der stationären Speichereinrichtung über der Spannung des Energieversorgungsnetzes liegt, des Entladens der statio¬ nären Speichereinrichtung mittels eines zweiten Tiefsetzstellers, um eine Spannung im Energieversorgungsnetz bereitzustellen, die unter der Spannung der stationären Speicherein- richtung liegt, und des Entladens der stationären Speichereinrichtung mittels eines zweiten Hochsetzstellers, um eine Spannung im Energieversorgungsnetz bereitzustellen, die über der Spannung der stationären Speichereinrichtung liegt, umfasst .
Das Verfahren kann vorteilhafterweise mittels des oben be¬ schriebenen stationären Energiespeichers bzw. des beschriebe¬ nen Energiesystems durchgeführt werden. Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Computerprogrammprodukt Programmcodemittel zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens, wenn das Verfahren auf einer Verarbeitungseinrichtung ausgeführt wird oder auf einem computerlesbaren Datenspeicher gespeichert ist.
Kurze Beschreibung der Figuren Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
FIG 1 ein Schaltbild eines Energiesystems;
FIG 2 Spannungsdiagramme am Energiesystem aus FIG 1 ;
FIG 3 ein Schaltbild einer Variation des Energiesystems aus
FIG 1;
FIG 4 ein Schaltbild einer weiteren Variation des Energiesystems aus FIG 1 ;
FIG 5 ein Schaltbild noch einer weiteren Variation des Energiesystems aus FIG 1; und
FIG 6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Steuern des
Energiesystems aus FIG 1 darstellt.
Beschreibung von Ausführungsformen
FIG 1 zeigt ein Schaltbild eines Energiesystems 100. Das Energiesystem 100 umfasst einen stationären Energiespeicher (SES) 105 sowie ein Fahrzeug 110 mit einem mobilen Energie¬ speicher (MES) 115. Der stationäre Energiespeicher 105 und das Fahrzeug 110 sind mittels eines Energieversorgungsnetzes 120 miteinander verbunden. Das Energieversorgungsnetz 120 kann eine Hochspannungsleitung, etwa in Form einer Oberleitung oder einer Stromschiene, umfassen, die mit einem an dem Fahrzeug 110 angebrachten Schleifkontakt 125 kontaktiert wird. Es kann auch ein Gleiskontakt vorgesehen sein, der durch ein elektrisch leitfähiges Rad 130 oder einen entspre- chenden Schleifkontakt des Fahrzeugs 110 kontaktiert wird.
Das Energieversorgungsnetz 120 ist üblicherweise ein Gleichspannungsversorgungsnetz, dessen Nennspannung beispielsweise 400 V betragen kann. Das Energieversorgungsnetz 120 wird primär gespeist durch eine Gleichrichter 135, der beispielsweise mit Dreiphasen-Wechselstrom aus einem Wechselspannungs- Versorgungsnetz betrieben wird. Ein Hauptschalter 140 verbindet den stationären Energiespeicher 105 mit dem Energieversorgungsnetz 120. Vom Hauptschalter 140 gelangt eine positive Spannung durch eine Vorladevorrichtung 145 zu einer Netzdrossel 150. Die Vorladevorrichtung 145 und die Netzdrossel 150 haben die Aufgabe, elektrische Störungen zwischen dem Energieversorgungsnetz 120 und den restlichen Komponenten des stationären Energiespeichers 105 zu entkoppeln. Ein Stützkondensator 155 verläuft von der Netzdrossel 150 zu einem elektrisch negativen Anschluss des Hauptschalters 140 und dient zum Glätten der an ihm anliegen¬ den Hochspannung.
Eine Stelldrossel 160 ist so mit vier Stellelementen 165 ver¬ bunden, dass zwei Hochsetzsteller („step-up Converter") und zwei Tiefsetzsteller („step-down Converter") gebildet sind. Jedes der Stellelemente 165 ist symbolisch durch einen NPN- Transistor dargestellt, der eine Freilaufdiode von seinem Emitter zu seinem Kollektor umfasst. Es kann jedoch auch eine beliebige andere Schalteinrichtung für das Stellelement 165 verwendet werden, etwa ein FET-Transistor . Die Hochsetzstel¬ ler und Tiefsetzsteller haben die Aufgabe, einen Ladevorgang bzw. einen Entladevorgang einer stationären Speichereinrichtung 170 zu steuern. Die stationäre Speichereinrichtung 170 kann einen Akkumulator oder einen Kondensator, insbesondere einen Doppelschichtkondensator umfassen.
Der erste Tiefsetzsteller 175 zum Aufladen der stationären Speichereinrichtung 170 aus dem Energieversorgungsnetz 120 ist durch die Stelldrossel 160 und das obere linke Stellele- ment 165 gebildet.
Der erste Hochsetzsteller 180 zum Entladen der stationären Speichereinrichtung 170 in das Energieversorgungsnetz 120 ist durch die Stelldrossel 160 und das untere linke Stellelement 165 gebildet.
Der zweite Hochsetzsteller 185 zum Aufladen der stationären Speichereinrichtung 170 aus dem Energieversorgungsnetz 120 ist durch die Stelldrossel 160 und das untere rechte Stell¬ element 165 gebildet.
Der zweite Tiefsetzsteller 190 zum Entladen der stationären Speichereinrichtung 170 in das Energieversorgungsnetz 120 ist durch die Stelldrossel 160 und das obere rechte Stellelement 165 gebildet.
Ein Strom durch die Stelldrossel 160 wird mittels einer opti- onalen Sicherung 195 abgesichert. Eine optionale Sicherungs¬ einrichtung 200 ist parallel zur stationären Speichereinrichtung 170 geschaltet und begrenzt sichert die stationäre Spei¬ chereinrichtung 170 elektrisch gegen Überspannung ab. In der in FIG 1 dargestellten Ausführungsform sind alle Setzsteiler 175 bis 190 mit derselben Stelldrossel 160 aufgebaut. In anderen Ausführungsformen können auch mehrere Stelldrosseln 160 vorgesehen sein, die in beliebiger Weise jeweils einem oder mehreren der Setzsteiler 175 bis 190 zugeordnet sind.
Alle Stellelemente 165 sind mittels einer Steuereinrichtung 210 steuerbar. Die Steuereinrichtung 210 kann dazu eingerichtet sein, einen konkurrierenden Betrieb von Setzstellern 175 bis 190 zu vermeiden, da die dieselbe Stelldrossel 160 umfas¬ sen. Üblicherweise steuert die Steuereinrichtung 210 den sta¬ tionären Energiespeicher 105 in einem von vier unterschiedlichen Betriebszuständen, die im Folgenden kurz erläutert werden .
Im ersten Betriebszustand wird die stationäre Speicherein¬ richtung 170 aus dem Energieversorgungsnetz 120 aufgeladen, wobei die Spannung der stationären Speichereinrichtung 170 kleiner oder gleich der Spannung des Energieversorgungsnetzes 120 ist. Das Aufladen erfolgt in diesem Fall mittels des ers¬ ten Tiefsetzstellers 175. Im zweiten Betriebszustand wird die stationäre Speicherein¬ richtung 170 aus dem Energieversorgungsnetz 120 geladen, wobei die Spannung der stationären Speichereinrichtung 170 größer oder gleich der Spannung des Energieversorgungsnetzes 120 ist. Das Aufladen erfolgt in diesem Fall mittels des zweiten Hochsetzstellers 185. Während des Aufladens wird vorzugsweise der erste Tiefsetzsteller 175 permanent durchgesteuert.
Im dritten Betriebszustand wird die stationäre Speicherein- richtung 170 in das Energieversorgungsnetz 120 entladen, wobei die Spannung der stationären Speichereinrichtung 170 größer oder gleich der Spannung des Energieversorgungsnetzes 120 ist. Das Entladen erfolgt in diesem Fall mittels des zweiten Tiefsetzstellers 190.
Im vierten Betriebszustand wird die stationäre Speicherein¬ richtung 170 in das Energieversorgungsnetz 120 entladen, wobei die Spannung der stationären Speichereinrichtung 170 kleiner oder gleich der Spannung des Energieversorgungsnetzes 120 ist. Das Entladen erfolgt in diesem Fall mittels des ers¬ ten Hochsetzstellers 180. Während des Entladens wird vorzugs¬ weise der zweite Tiefsetzsteller 190 permanent durchgesteu¬ ert . Mittels der genannten Betriebszustände kann die stationäre
Speichereinrichtung 170 dazu verwendet werden, alternativ aus dem Energieversorgungsnetz 120 aufgeladen oder in das Energieversorgungsnetz 120 entladen zu werden, wobei die Spannung der stationären Speichereinrichtung 170 jeweils in einem Be- reich liegen kann, der sowohl größere als auch kleinere Spannungswerte als die Spannung des Versorgungsnetzes 120 um- fasst. Abgesehen von Störungen, parasitären Effekten und lastbedingten Variationen kann die Spannung des Energieversorgungsnetzes 120 im Wesentlichen konstant gehalten sein.
Das Energieversorgungsnetz 120 kann mittels einer von sieben unterschiedlichen Verbindungen 220 bis 245 mit dem stationären Energiespeicher 105 verbunden sein. Dabei kommt üblicher- weise nur eine der Verbindungen zum Einsatz, die im Folgenden erläutert werden.
Die erste Verbindung 215 verläuft zum Gleichrichter 135. Dies ermöglicht es, das Fahrzeug 110 auch dann mit elektrischer
Energie zu versorgen, wenn der stationäre Energiespeicher 105 nicht verfügbar ist. Ist der Hauptschalter 140 geschlossen, so kann die Netzdrossel 150 des stationären Energiespeichers 105 glättend auf die Spannung im Energieversorgungsnetz 120 wirken.
Die zweite Verbindung 220 verläuft an einen Punkt zwischen dem Hauptschalter 140 und der Vorladevorrichtung 145. Dadurch ist es möglich, das Aufladen der stationären Speichereinrich- tung 170 durch Öffnen des Hauptaschalters 140 zu unterbre¬ chen .
Die dritte Verbindung 225 verläuft an einen Punkt zwischen der Vorladevorrichtung 145 und der Netzdrossel 150. In dieser Variante kann die Ladefunktion des stationären Energiespei¬ chers 105 aus dem Energieversorgungsnetz 120 durch Öffnen der dargestellten Schalter der Vorladevorrichtung 145 unterbrochen werden. Die vierte Verbindung 230 verläuft an einen Punkt zwischen der Netzdrossel 150 und den beiden linken Stellelemente 165. Wird vom Fahrzeug 110 Energie aus dem elektrischen Energie¬ versorgungsnetz 120 entnommen, so wird dabei die Netzdrossel 150 umgangen.
Die fünfte Verbindung 235 verläuft an einen Punkt zwischen den beiden linken Stellelemente 165 und dem damit verbundenen Ende der Stelldrossel 160. Dadurch kann der erste Tiefsetzsteller 175 umgangen werden, wenn das Fahrzeug 110 Energie aus dem Energieversorgungsnetz 120 entnimmt.
Die sechste Verbindung 240 verläuft an das andere Ende der Stelldrossel 160, das mit den beiden rechten Stellelemente 165 verbunden ist. Diese Variante ist nur dann sinnvoll, wenn die Nennspannung vom Fahrzeug 110 bzw. 265 nicht größer ist als die Spannung des stationären Speichers im als leer defi¬ nierten Zustand, da die Spannung im Fahrzeug 110 in diesem Fall nur so groß wie die der stationären Speichereinrichtung 170 sein kann, weil der Hochsetzsteller 180 nicht wirksam wird .
Die siebte Verbindung 245 verläuft an einen Punkt zwischen den beiden rechten Stellelemente 165 und der stationären
Speichereinrichtung 170. Bei dieser Variante gelten die bezüglich der sechsten Verbindung 240 angegebenen Einschränkungen, jedoch ist die Energieentnahme aus dem stationären Energiespeicher 105 auch dann möglich, wenn seitens des stationä- ren Energiespeichers 105 keiner der Setzsteiler 175 bis 190 verfügbar ist.
Generell kann es sinnvoll sein, den Energiefluss in seiner Richtung vom stationären Energiespeicher 105 zum mobilen Energiespeicher 115 mittels einer Freilaufdiode festzulegen (in Fig. 1 nicht dargestellt) .
Es versteht sich, dass in Abhängigkeit von der gewählten Ver¬ bindung 215 bis 245 Komponenten, die keine Funktion mehr er- füllen, weggelassen werden können, z.B. der Hochsetzsteller 180 bei Verbindung 240 oder 245.
Der mobile Energiespeicher 115 des Fahrzeugs 110 ist mittels eines Fahrzeug-Hauptschalters 250 und einer Fahrzeug- Netzdrossel 255 mit dem positiven Schleifkontakt 125 verbun¬ den. Ein Zwischenkreiskondensator 260 liegt parallel zum mobilen Energiespeicher 115. Der Hauptschalter 250, die Netzdrossel 255 und der Kondensator 260 sind nicht dem hier vor¬ gestellten Ladekonzept geschuldet, sondern dienen dem Fahr- zeug zum Bereitstellen einer definierten Spannung für Traktionsmotoren und Hilfsbetriebeeinrichtungen, auch beim Betrieb an einer herkömmlichen Oberleitung oder Stromschiene. In ähnlicher Weise wie der stationäre Energiespeicher 105 umfasst der mobile Energiespeicher 115 eine mobile Speichereinrichtung 265 mit einer parallel geschalteten Sicherungseinrichtung 270 gegen Überspannung, wobei die mobile Speichereinrichtung 265 mittels eines dritten Tiefsetzstellers 275 oder eines dritten Hochsetzstellers 280 aus dem Energieversor¬ gungsnetz 120 aufgeladen werden kann. Hierfür ist eine Stelldrossel 285 vorgesehen, die im Zusammenspiel mit Stellelemen¬ ten 290 die Setzsteiler 275 und 280 bildet. Auch hier können die Setzsteiler 275 und 280 alternativ mit dedizierten Stell- drosseln aufgebaut werden.
Die Verbindung der Stelldrossel 285 mit den Stellelementen 290 erfolgt durch eine Sicherung 295. Funktional entspricht der Aufbau des dargestellten mobilen Energiespeichers 115 im Wesentlichen dem oben beschriebenen Aufbau des stationären
Energiespeichers 105. Eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Stellelemente 290 ist der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt . Der mobile Energiespeicher 115 kann in einem ersten Betriebszustand mittels des dritten Tiefsetzstellers 275 aufgeladen werden, wobei die Spannung des mobilen Energiespeichers 265 kleiner oder gleich der Spannung des Energieversorgungsnetzes 120 bzw. des Energiespeichers 170 ist, ohne dass die Setztel- 1er 175 bis 190 des stationären Energiespeichers 105 benötigt werden. In einem zweiten Betriebszustand kann der mobile Energiespeicher 265 mittels des dritten Hochsetzstellers 280 entladen werden, um Energie an die Traktionsmotoren und
Hilfsbetriebe oder den stationären Energiespeicher zu lie- fern.
Die im mobilen Energiespeicher 265 gespeicherte elektrische Energie wird vorzugsweise zum Antrieb des Fahrzeugs 110 ver¬ wendet. In einer weiteren Ausführungsform kann auch vorgese- hen sein, den mobilen Energiespeicher 265 beim Bremsen des
Fahrzeugs 110 aufzuladen. In noch einer weiteren Ausführungsform kann auch der stationären Energiespeicher 105 beim Bremsen des Fahrzeugs 110 aufgeladen werden. FIG 2 zeigt Spannungsdiagramme am Energiesystem 100 aus FIG 1. Ein linkes Diagramm zeigt einen zeitlichen Verlauf der Spannung U_SES der stationären Speichereinrichtung 170. Ein rechtes Diagramm zeigt einen zeitlichen Verlauf der Spannung U_SES an der stationären Speichereinrichtung 170 und einen dazu korrespondierenden zeitlichen Verlauf der Spannung U_MES der mobilen Speichereinrichtung 265. Nach rechts sind jeweils Zeiten und nach oben jeweils Spannungen angetragen.
Das linke Diagramm von FIG 2 zeigt qualitativ eine Auflade¬ kurve des stationären Energiespeichers 170. In einem ersten zeitlichen Abschnitt Tl, in dem die Spannung U_SES der stati¬ onären Speichereinrichtung 170 kleiner als die Spannung U_N des Energieversorgungsnetzes 120 ist, erfolgt das Aufladen der stationären Speichereinrichtung 170 im oben mit Bezug auf FIG 1 beschriebenen ersten Betriebszustand über den ersten Tiefsetzsteller 175. Übersteigt die Spannung U_SES der stationären Speichereinrichtung 170 die Spannung U_N des Energieversorgungsnetzes 120, so wird in einem Zeitabschnitt T2 die stationäre Spei¬ chereinrichtung 170 im zweiten Betriebszustand mittels des zweiten Hochsetzstellers 185 weiter geladen.
Das rechte Diagramm von FIG 2 zeigt eine Entladekurve der stationären Speichereinrichtung 170 und eine dazu korrespondierende Aufladekurve der mobilen Speichereinrichtung 265. Den Kurven liegt ein Aufladevorgang der mobilen Speicherein- richtung 265 aus der stationären Speichereinrichtung 170 zu Grunde. Dazu muss die stationäre Speichereinrichtung 170 zu¬ nächst aufgeladen sein, beispielsweise im Rahmen der mit Be¬ zug auf das linke Diagramm beschriebenen Betriebszustände. In einem dritten Zeitabschnitt T3, in dem die Spannung U_SES der stationären Speichereinrichtung 170 größer als eine Spannung U_MES der mobilen Speichereinrichtung 265 ist, erfolgt das Entladen der stationären Speichereinrichtung 170 in die mobile Speichereinrichtung 265 im Tiefsetzstellerbetrieb, beispielsweise im dritten Betriebszustand mittels des zweiten Tiefsetzstellers 190. Fällt die Spannung U_SES der stationären Speichereinrichtung 170 unter die Spannung U_MES der mobilen Speichereinrichtung 265, so wird während eines vierten Zeitabschnitts T4 die mo¬ bile Speichereinrichtung 265 aus der stationären Speichereinrichtung 170 im Hochsetzstellerbetrieb weiter aufgeladen, beispielsweise im vierten Betriebszustand mittels des ersten Hochsetzstellers 180.
Der zeitliche Verlauf der Spannungen ist aus zeichnerischen Gründen jeweils linear dargestellt, in Wirklichkeit können sich jedoch nichtlineare Verläufe einstellen, da der Energie¬ inhalt mit dem Quadrat der Spannung zu- bzw. abnimmt.
FIG 3 zeigt ein Schaltbild einer Variation des Energiesystems 100 aus FIG 1. Im Wesentlichen unterscheidet sich das darge- stellte Energiesystem 100 vom Energiesystem 100 aus FIG 1 dadurch, dass das obere rechte Stellelement 165 fehlt und somit der zweite Tiefsetzsteller 190 nicht vorhanden ist. Die Verbindungen 215 bis 245 sind nicht dargestellt und können so, wie oben mit Bezug auf FIG 1 beschrieben ist, ergänzt werden.
Die Funktionalität des zweiten Tiefsetzstellers 190 im drit¬ ten Betriebszustand, in dem der stationäre Energiespeicher 170 in das Energieversorgungsnetz 120 bzw. über das Energieversorgungsnetz 120 in die mobile Speichereinrichtung 265 entladen wird, erfolgt in der dargestellten Variation mittels des dritten Tiefsetzstellers 275 an Bord des Fahrzeugs 110.
FIG 4 zeigt ein Schaltbild einer weiteren Variation des Energiesystems 100 aus FIG 1.
Auf ähnliche Weise wie oben mit Bezug auf FIG 3 beschrieben ist, ist das Energiesystem 100 aus FIG 1 dahingehend verän¬ dert, dass der dritte Tiefsetzsteller 275 an Bord des Fahr- zeugs 110 entfallen ist. Die Funktion des dritten Tiefsetzstellers 275, beispielsweise während des dritten Betriebszu¬ stands, wird hier durch den zweiten Tiefsetzsteller 190 im stationären Energiespeicher 105 übernommen. Um die Steuerung des dritten Betriebszustands seitens des stationären Energie¬ speichers 105 zu steuern, können Betriebsparameter vom Fahrzeug 110, insbesondere bezüglich des mobilen Energiespeichers 265, an den stationären Energiespeicher 105 übermittelt werden, die dort der Steuerung zu Grunde gelegt werden. Außerdem ist in der Ausführungsform von FIG 4 gegenüber derer von FIG 1 an Stelle der Verbindung 215 die Verbindung 235 gewählt.
FIG 5 zeigt ein Schaltbild noch einer weiteren Variation des Energiesystems 100 aus FIG 1. In der dargestellten Variation sind sowohl der erste Tiefsetzsteller 175 als auch der zweite Tiefsetzsteller 190 entfallen. Eine Sperrdiode 505 ist in Durchlassrichtung zwischen dem stationären Energiespeicher 105 und dem mobilen Energiespeicher 115 angeordnet. Die
Sperrdiode 505 kann an einer beliebigen Stelle des Energie- flusses angeordnet sein, beispielsweise im stationären Ener¬ giespeicher 105, im mobilen Energiespeicher 115, an Bord des Fahrzeugs 110 oder im Bereich des Energieversorgungsnetzes 120. Die in FIG 5 dargestellte Ausführungsform des Energiesystems 100 kann zum Aufladen des mobilen Energiespeichers 115 aus dem stationären Energiespeicher 105 verwendet werden, so lange die Spannung des Energieversorgungsnetzes 120 U_N kleiner als eine minimale Spannung U_SES der stationären Speicherein- richtung 170 ist.
FIG 6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 600 zum Steu¬ ern des Energiesystems 100 aus FIG 1. Das Verfahren 600 kann auch zum Steuern des Energiesystems 100 einer der Varianten aus FIG 3 bis 5 verwendet werden. Hierzu sind gegebenenfalls Anpassungen erforderlich, die oben mit Bezug auf die entsprechenden Varianten beschrieben sind. In einem ersten Schritt 605 wird die stationären Speichereinrichtung 170 mittels des ersten Tiefsetzstellers 175 aus dem Energieversorgungsnetz 120 aufgeladen, wobei die Spannung U_SES der stationären Speichereinrichtung 170 unter der Span- nung U_N des Energieversorgungsnetzes 120 liegt. Dieser
Schritt entspricht dem oben mit Bezug auf FIG 1 beschriebenen ersten Betriebszustand.
In einem folgenden Schritt 610 wird die stationäre Spei- chereinrichtung 170 mittels des zweiten Hochsetzstellers 185 aus dem Energieversorgungsnetz 120 aufgeladen, wobei die Spannung U_SES der stationären Speichereinrichtung 170 über der Spannung U_N des Energieversorgungsnetzes 120 liegt. Die¬ ser Schritt entspricht dem zweiten Betriebszustand.
In einem weiteren Schritt 615 wird die stationäre Spei¬ chereinrichtung 170 mittels des zweiten Tiefsetzstellers 190 entladen, um eine Spannung U_N im Energieversorgungsnetz 120 bereitzustellen, die unter der Spannung U_SES der stationären Speichereinrichtung 170 liegt. Dieser Schritt entspricht dem dritten Betriebszustand.
Schließlich wird in einem Schritt 620 die stationäre Spei¬ chereinrichtung 170 mittels des ersten Hochsetzstellers 180 entladen, um eine Spannung U_N im Energieversorgungsnetz 120 bereitzustellen, die über der Spannung U_SES der stationären Speichereinrichtung 170 liegt. Dieser Schritt entspricht dem vierten Betriebszustand. Übergänge zwischen den Schritten 605 bis 620 erfolgen üblicherweise in der beschriebenen Reihenfolge, wobei nach dem Schritt 620 zum Schritt 605 zurückgekehrt wird. Grundsätzlich sind bei Bedarf jedoch auch andere Übergänge möglich, wie in FIG 6 durch die Pfeile angedeutet ist.

Claims

Patentansprüche
1. Stationärer Energiespeicher (105) zur temporären Speicherung elektrischer Energie in einem stationären Energieversorgungsnetz (120) für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug (110), wobei der Energiespeicher (105) folgende Elemente umfasst:
- eine stationäre Speichereinrichtung (170);
- einen ersten Tiefsetzsteller (175) zum Aufladen der stationären Speichereinrichtung (170);
- einen ersten Hochsetzsteller (180) zum Entladen der stationären Speichereinrichtung (170),
- einen zweiten Hochsetzsteller (185) zum Aufladen der stationären Speichereinrichtung (170),
- einen zweiten Tiefsetzsteller (190) zum Entladen der stationären Speichereinrichtung (170),
- wobei die ersten und zweiten Hochsetzsteller (180, 185) bzw. Tiefsetzsteller (175, 190) jeweils ein Stellelement (165) und eine Stelldrossel (160) um- fassen und die Stelldrosseln (160) wenigstens zweier der Setzsteiler (175-190) miteinander identisch sind .
2. Stationärer Energiespeicher (105) nach Anspruch 1, wo- bei der stationäre Energiespeicher (105) dazu einge¬ richtet ist, die in der stationären Speichereinrichtung (170) gespeicherte Energie in das Fahrzeug (110) zu entladen. 3. Stationärer Energiespeicher (105) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Steuereinrichtung (210), die dazu eingerichtet ist, die sta¬ tionäre Speichereinrichtung (105) alternativ
- mittels des ersten Tiefsetzstellers (175) aus dem Energieversorgungsnetz (120) auf eine Spannung
(U_SES) aufzuladen, die unter einer Spannung (U_N) des Energieversorgungsnetzes (120) liegt; - mittels des zweiten Hochsetzstellers (185) aus dem Energieversorgungsnetz (120) auf eine Spannung (U_SES) aufzuladen, die über der Spannung (U_N) des Energieversorgungsnetzes (120) liegt;
- mittels des zweiten Tiefsetzstellers (190) zu ent¬ laden, um eine Spannung (U_N) im Energieversorgungsnetz (120) bereitzustellen, die unter der Spannung (U_SES) der stationären Speichereinrichtung (170) liegt; oder
- mittels des ersten Hochsetzstellers (180) zu entla¬ den, um eine Spannung (U_N) im Energieversorgungs¬ netz (120) bereitzustellen, die über der Spannung (U_SES) der stationären Speichereinrichtung (170) liegt .
Stationärer Energiespeicher (105) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Energieversorgungs¬ netz (120) eine konstante Spannung (U_N) führt.
Stationärer Energiespeicher (105) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Energieversorgungs¬ netz (120) eine aus einem Gleichrichter (135) einge¬ speiste Gleichspannung führt. 6. Energiesystem (100), umfassend einen stationären Energiespeicher (105) und ein elektrisch antreibbares Fahrzeug (110) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Fahrzeug (110) einen mobilen Energiespeicher (115) zur Speicherung elektrischer Antriebsenergie um- fasst und der mobile Energiespeicher (115) eine mobile
Speichereinrichtung (265) umfasst, die dazu eingerichtet ist, aus der stationären Speichereinrichtung (170) aufgeladen zu werden.
Energiesystem (100) nach Anspruch 6, wobei der zweite Tiefsetzsteller (190) dazu eingerichtet ist, die mobi le Speichereinrichtung (265) aus der stationären Spei chereinrichtung (170) aufzuladen und der zweite Tief- setzsteiler (190) an Bord des Fahrzeugs (110) angeord¬ net ist.
8. Energiesystem (100) nach Anspruch 6 oder 7, wobei der mobile Energiespeicher (265) einen dritten Hochsetzsteller (280) zum Aufladen der mobilen Speichereinrichtung (265) umfasst.
9. Energiesystem (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, ferner umfassend eine elektrische Verbindungseinrichtung (125) zur Herstellung einer wenigstens temporären elektrischen Verbindung zwischen dem Fahrzeug (110) und dem Energieversorgungsnetz (120).
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