EP4341123A1 - Stromversorgung für ein schienenfahrzeug mit traktionsbatterie - Google Patents

Stromversorgung für ein schienenfahrzeug mit traktionsbatterie

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EP4341123A1
EP4341123A1 EP22703548.2A EP22703548A EP4341123A1 EP 4341123 A1 EP4341123 A1 EP 4341123A1 EP 22703548 A EP22703548 A EP 22703548A EP 4341123 A1 EP4341123 A1 EP 4341123A1
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EP
European Patent Office
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traction
power supply
electrical system
vehicle electrical
circuit
Prior art date
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Pending
Application number
EP22703548.2A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Maik DITTRICH
Bernhard HÖSCHELER
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 Mobility GmbH
Original Assignee
Siemens Mobility GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP4341123A1 publication Critical patent/EP4341123A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B60L1/00—Supplying electric power to auxiliary equipment of vehicles
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    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/50—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
    • B60L50/53—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells in combination with an external power supply, e.g. from overhead contact lines
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    • B60L2210/00—Converter types
    • B60L2210/40—DC to AC converters

Definitions

  • the invention relates to a power supply device for a rail vehicle.
  • the invention also relates to a power supply method.
  • the invention also relates to a method for discharging a traction battery of a power supply device according to the invention.
  • the invention relates to a method for charging a traction battery of a power supply device according to the invention.
  • the invention also relates to a rail vehicle.
  • An electrified rail vehicle with a three-phase drive has what is known as an intermediate traction circuit, which is connected between the high-voltage supply from the traction current network and the three-phase drive or a traction unit operated with three-phase current.
  • the load-dependent terminal voltage of a traction battery is usually significantly lower, typically ⁇ lkV.
  • a voltage control element is usually connected between the traction intermediate circuit and the traction battery.
  • This so-called DC/DC controller must be designed for the full discharge capacity of the traction battery and is therefore relatively expensive to produce. It is also heavy and requires additional installation space.
  • an additional rectifier must be used in order to supply the DC/DC converter, via which the traction battery is to be charged, with a suitable direct voltage on the input side.
  • an on-board charger can also be installed in addition to or in parallel with the DC/DC converter, which converts three-phase current into direct current in order to charge the traction battery.
  • a so-called standard auxiliary converter or on-board converter which converts the direct current of the traction intermediate circuit with a relatively high electrical voltage of 2 to 4 kV into three-phase current with a low electrical voltage, for example 400 volts and a suitable vehicle electrical system frequency, so that auxiliary units with three-phase asynchronous motors can be operated with the three-phase electrical system.
  • a low on-board network load in the three-phase on-board network as is typically occurs during operation for "the last mile" or emergency driving, the standard auxiliary converter runs with poor efficiency, since it is designed for very high on-board power supply loads.
  • an auxiliary converter with a structure and design that is typical for conventional electrified rail vehicles should be regarded as a standard auxiliary converter.
  • the power supply device according to the invention for a rail vehicle has a traction battery.
  • Traction accumulator is a rechargeable electrical energy store, which is used in connection with the power supply device according to the invention for the network-independent supply of traction units and preferably the other electrical functional units of a rail vehicle.
  • a traction accumulator is set up to supply a large amount of electrical power over a longer period of time for the traction of a rail vehicle to provide.
  • Such a traction accumulator therefore has a large number of parallel and serially interconnected accumulator cells and is designed as a high-voltage battery and for the provision of strong electrical currents in order to provide sufficient power for the
  • Electric voltages of 400 volts to 1000 volts are the usual nominal battery voltages here in order to be able to drive heavy vehicles such as rail vehicles.
  • a traction accumulator usually also has a so-called
  • the traction units include electric motors for driving the drive wheels of the rail vehicle.
  • the power supply device comprises an intermediate traction circuit.
  • Such a traction intermediate circuit is part of a so-called locomotive converter, which carries out a current/voltage conversion between the current of the railway power supply system and the aggregates of the rail vehicle.
  • the electric motors of the traction units are usually operated with three-phase current, while the traction current is obtained from the traction current network as alternating current with high electrical voltage, for example 15kV or 25kV.
  • a rail vehicle also includes a large number of different electrically operated auxiliary units, which are integrated into what is known as an on-board network, which is also part of the power supply device according to the invention.
  • the locomotive converter mentioned above also includes a so-called auxiliary converters.
  • the auxiliary converter is set up to convert or convert the direct current of the traction intermediate circuit into the current type of the vehicle electrical system, preferably three-phase current.
  • an auxiliary operation transformer is usually also connected between the converter and the vehicle electrical system, which transformer adapts the electrical voltage of the three-phase current generated by the auxiliary operation converter to the low electrical voltage of the vehicle electrical system.
  • the power supply device In contrast to conventional power supply devices of rail vehicles, the power supply device according to the invention now has a bidirectional charging device which is connected between the accumulator and the vehicle electrical system.
  • the bidirectional charger has two different interfaces.
  • a first interface is electrically connected to the accumulator, receives direct current from the accumulator in the discharging mode and applies direct current to the accumulator in the charging mode.
  • Charging operation is to be understood as meaning an increase in the quantity of electrical energy stored by the traction accumulator by means of an external energy source.
  • Discharging operation is to be understood as meaning that electrical energy stored in the traction accumulator is released to the outside.
  • a second interface is electrically connected to the vehicle electrical system and, in discharging mode, also referred to as battery operation, transmits and receives three-phase current with a lower electrical voltage than the electrical voltage of the railway system or the traction intermediate circuit, for example 400 V in charging three-phase current from the vehicle electrical system.
  • the bidirectional charger has a converter unit, preferably comprising a converter/active rectifier and, if necessary, a DC-DC converter, for converting vehicle electrical system current into charging current, i.e. direct current, of the accumulator and vice versa .
  • the converter unit is preferably set up to convert the electric current of the vehicle electrical system, preferably three-phase current to convert into direct current and vice versa.
  • the accumulator can provide the vehicle electrical system with the required vehicle electrical system power in the discharging mode. In charging mode, the accumulator can be charged with direct current via the vehicle electrical system.
  • the bidirectional charger allows the traction battery to be used both in traction current operation, for example while driving, and when stationary, without additional charging paths or interfaces , for example in a railway depot, to be charged electrically via a conventional external power supply.
  • the traction accumulator can supply the traction unit, which is electrically connected to the traction intermediate circuit, with electrical energy in discharging mode
  • the power supply device has a first switch unit between the accumulator and the traction intermediate circuit for switching between the charging mode and discharging mode of the traction battery.
  • the first switch unit is therefore set up to electrically connect the traction accumulator directly to the traction intermediate circuit in the discharging mode and to electrically separate it from the traction intermediate circuit in the charging mode.
  • the omission of the conventionally used DC/DC converter between the traction accumulator and the traction intermediate circuit is made possible by the fact that the traction accumulator has a relatively low charging power requirement, since it is mainly intended for emergency journeys and operation over the last mile.
  • the traction accumulator is charged with a low charging power via the on-board network and the bidirectional charger.
  • no additional DC/DC converter is required between the traction accumulator and the intermediate traction circuit, as is conventionally the case. This circumstance is associated with the following advantages: In discharging operation, energy transfer transmission losses reduced.
  • the effort and costs for the DC/DC converter that is not required are eliminated.
  • weight and installation space are saved due to the omitted component.
  • no additional charging device is required for charging between the railway power supply system and the DC/DC converter or, if applicable, no additional rectifier for the DC/DC converter for charging via an external power supply or the vehicle electrical system.
  • the traction accumulator can be charged via the vehicle electrical system via an external power supply or via the traction power supply.
  • a versatile and relatively simply constructed power supply device for a rail vehicle that can be easily retrofitted is therefore provided.
  • a bidirectional charging device is connected between a traction battery and an on-board network of a rail vehicle.
  • the traction accumulator can be electrically charged via a conventional external power supply both in traction current operation, for example while driving, and when stationary, for example in a railway depot, without additional charging paths or interfaces.
  • a first switch unit is provided between the traction accumulator and an intermediate traction circuit of the rail vehicle for switching between charging operation and discharging operation of the accumulator.
  • the first switch unit is used to electrically connect the traction accumulator directly to the traction intermediate circuit in discharging mode and to electrically separate it from the traction intermediate circuit in charging mode.
  • no additional DC/DC converter is required between the traction accumulator and the traction intermediate circuit, as is conventionally the case.
  • the traction accumulator is electrically connected to the traction intermediate circuit of the rail vehicle by closing a switch of the first switch unit of the power supply device according to the invention.
  • the traction intermediate circuit and the functional units connected thereto as well as the vehicle electrical system can be supplied with electrical energy via the traction accumulator.
  • the supply of the vehicle electrical system by the traction battery via the discharging path with the bidirectional charger can also be used to supply an air conditioning device to maintain a favorable temperature range for the traction battery while the rail vehicle is parked, in order to activate emergency air conditioning of the traction battery. With this emergency supply, for example, a period can be bridged until an external power supply and the on-board power supply thus also takes over the energy supply of the air conditioning unit.
  • the traction accumulator is charged via a series connection of the vehicle electrical system, the bidirectional charging device and the traction accumulator.
  • no additional charger is required for charging between the traction power supply system and the conventionally used DC/DC converter or, if applicable, no additional rectifier for the conventionally used DC/DC converter for charging via an external power supply or the vehicle electrical system.
  • the rail vehicle according to the invention comprises a railway power supply unit, preferably a pantograph. Such a railway power supply unit forms an electrical connection between the railway power supply and the rail vehicle in normal operation.
  • the rail vehicle according to the invention comprises a traction unit, an auxiliary unit that can be supplied with electricity via an on-board network and a power supply device according to the invention for alternatively supplying the traction unit and the auxiliary unit with electricity if supply via the railway electricity network is not possible or not is intended.
  • An auxiliary unit is required for the auxiliary operation of the rail vehicle, so it is not directly involved in the traction of the rail vehicle.
  • the rail vehicle according to the invention shares the advantages of the power supply device according to the invention.
  • the vehicle electrical system includes a three-phase vehicle electrical system and the bidirectional charger includes a current/voltage conversion unit for current/voltage conversion between a DC voltage of the battery and a multi-phase voltage of the vehicle electrical system.
  • the three-phase consumers using the three-phase current of the vehicle electrical system can also be operated in battery mode. Compared to devices powered by direct current, these have lower acquisition and maintenance costs, are lighter in mass, require less space and are more robust. If you put the mains voltage on the usual voltage level of a low-voltage network, for example 230/400 volts, commercial electrical devices can be used.
  • the power supply device preferably includes a second switch unit between the vehicle electrical system and the intermediate traction circuit, which is set up to block discharging operation and to switch to conduction for charging operation, preferably operation via a railway power supply.
  • the second switch unit is used to establish an electrical connection between the traction intermediate circuit and the vehicle electrical system via the auxiliary converter or to interrupt this connection.
  • the electrical connection is required to operate the on-board power supply via the traction power supply and to charge the traction accumulator from the traction power supply. With such a charging operation, charging takes place from the traction current network via the intermediate traction circuit, the
  • the charging path can be a current path via a pantograph, a main transformer, a four-quadrant divider, the traction tion intermediate circuit, an auxiliary converter, an auxiliary converter, the second switch unit, the vehicle electrical system and the bidirectional charger.
  • the traction accumulator can be charged by a traction current supply via the intermediate traction circuit and the vehicle electrical system.
  • An additional DC/DC converter between the traction accumulator and the traction intermediate circuit for charging is not required.
  • the vehicle electrical system includes a feed interface for an external vehicle electrical system feed.
  • Such a vehicle electrical system can be supplied externally, for example, in a depot or railway depot.
  • the traction battery of the rail vehicle can be charged even if the rail vehicle is disconnected from the railway power supply.
  • the feed interface is usually designed as a three-phase interface. Alternatively, a single-phase charging operation with a correspondingly lower charging power is also possible.
  • the power supply device includes a control unit for controlling the charging power of the bidirectional charger in charging mode to a remaining power reserve in the vehicle electrical system.
  • a control unit for controlling the charging power of the bidirectional charger in charging mode to a remaining power reserve in the vehicle electrical system.
  • Such a regulation can be used as a power regulation on the vehicle electrical system
  • the regulation information can be transmitted via a data line, preferably a CAN bus redirection, via a control device.
  • a data line preferably a CAN bus redirection
  • a control device preferably a CAN bus redirection
  • only the part of the energy flowing to it that is not required is withdrawn from the vehicle electrical system, so that all the auxiliary units of the vehicle electrical system are sufficiently supplied with electrical energy. This enables flexible charging that is adapted to the energy requirements of the vehicle electrical system.
  • Battery equipment does not have to be enlarged for the additional charging capacity.
  • the power of the auxiliary converter must depend on the consumption of the vehicle electrical system for a charging operation cannot be increased since the charging capacity is adapted to the consumption of the vehicle electrical system.
  • a corresponding modification of the auxiliary operation converter when retrofitting a rail vehicle with a traction battery is therefore not necessary when the rail vehicle is equipped with a power supply device according to the invention.
  • the power supply device preferably the locomotive converter of the power supply device, has an auxiliary converter for powering the on-board network via a Brustromver supply, which can be electrically connected to the on-board network via the second switch unit.
  • the auxiliary operation converter converts the DC voltage in the intermediate traction circuit into another type of voltage, preferably a 3-phase voltage of the vehicle electrical system.
  • the vehicle electrical system can be supplied with electrical energy by this voltage conversion from the traction current network. It is also possible in this way to charge the traction battery via the vehicle electrical system and the bidirectional charger.
  • the electrical connection between the auxiliary converter and the vehicle electrical system is established by the second switch unit.
  • an auxiliary converter designed as a standard auxiliary converter can have a low level of efficiency, so that the current path via the auxiliary converter is better interrupted during discharge operation.
  • the separation is preferably done by locking a switch of the already mentioned second switch unit between the vehicle electrical system and the intermediate traction circuit.
  • the vehicle electrical system is advantageously supplied with electrical energy with little loss via the bidirectional charging device. In this way, the range of the rail vehicle is advantageously increased in comparison to supplying the vehicle electrical system via the auxiliary converter, or the total energy consumption per unit of time is reduced.
  • the maximum possible vehicle electrical system voltage via the standard auxiliary converter is limited to a lower electrical voltage than in nominal operation, i.e. when operated via the traction power system, which would only limit the usability of the vehicle electrical system.
  • This problem can also be solved by the bi-directional charger.
  • an auxiliary converter or standard auxiliary converter already used in the conventional rail vehicle without battery equipment can be retained when retrofitting with a traction accumulator, which saves resources and conversion effort.
  • the auxiliary converter of the traction intermediate circuit can also be designed so that it can be connected in parallel with the bidirectional charging device in discharging mode.
  • the auxiliary converter of the traction intermediate circuit serves as an additional auxiliary converter for a second vehicle electrical system, which is separate from the first vehicle electrical system.
  • the maximum possible vehicle electrical system voltage via the auxiliary converter of the traction link is limited to a lower electrical voltage than in nominal operation.
  • the parallel connection can be done by a
  • the traction intermediate circuit is controlled by the vehicle electrical system via a switch of the second Switch unit decoupled.
  • the auxiliary converter is electrically isolated from the vehicle electrical system during discharge operation, and the range of the rail vehicle in battery operation or discharge operation can thus be increased.
  • This gain in efficiency is achieved in particular when the bidirectional charging device is adapted to the electrical discharging/ charging voltage of the traction battery. Because of this adjustment, the bidirectional charger can easily convert the discharge voltage of the traction battery into the vehicle electrical system voltage.
  • a standard auxiliary converter between the traction intermediate circuit and the vehicle electrical system with a standard transmission ratio in the auxiliary system transformer is not able to deliver the required vehicle electrical system voltage when the discharge voltage of the traction battery is present and at maximum modulation. Due to the fact that the discharge path to the on-board network bypasses the standard auxiliary converter via the bidirectional charger, the standard auxiliary converter, which supplies the current for the on-board network during operation via the traction current network, can be retained, so that the conversion effort for an electric standard rail vehicle is limited.
  • the traction accumulator is charged via an external traction power supply, which is connected via the intermediate traction circuit and a second switch unit between the vehicle electrical system and the intermediate traction circuit with the series connection of the vehicle electrical system, the bidirectional Charger and the traction battery is electrically coupled.
  • the excess portion of the traction power provided that is not required by the consumers, in particular a traction unit connected to the intermediate traction circuit and the on-board network can be used during normal operation, i.e. network operation of the rail vehicle, for example during a journey Charging the traction accumulator can be used.
  • the invention is explained in more detail below with reference to the attached figures using exemplary embodiments. Show it:
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a rail vehicle with a conventional power supply device with a traction battery
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a conventional one
  • FIG 3 is a schematic representation of a conventional
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a power supply circuit with a traction battery according to one embodiment of the invention while the traction battery is being discharged
  • FIG. 6 shows a flowchart which illustrates a charging method according to an exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 7 shows a flow chart which illustrates a discharge method according to an exemplary embodiment of the invention.
  • the electrified rail vehicle 1 shows a schematic representation of an electrified rail vehicle 1 with a traction battery 10 is illustrated.
  • the electrified rail vehicle 1 summarizes for the supply of electrical energy from the Wech selpressivesbahnstromnetz a pantograph 2, which is electrically connected via a circuit breaker 3 with a main transformer 4.
  • the main transformer 4 transforms the high voltage of the AC traction power system into a lower AC voltage, which is then converted via a four-quadrant divider 5 into an intermediate circuit DC voltage of around 2 to 4 kV for an intermediate traction circuit ZK.
  • the traction units 8, which are operated with three-phase current with an electric voltage of, for example, 6 kV, are supplied with three-phase current via pulse-controlled inverters 7 from the intermediate traction circuit ZK.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a conventional power supply circuit 20 of a rail vehicle with a traction battery 10 while the traction battery 10 is discharging.
  • the power supply circuit 20 has a traction battery modulator 10, a locomotive converter LSR, including a traction intermediate circuit ZK, a three-phase electrical system 3AC and a DC / DC controller 9.
  • the locomotive converter LSR also has a pulse inverter 7 for converting the direct current of the traction intermediate circuit ZK into three-phase current for traction units 8 of the rail vehicle.
  • the locomotive converter LSR also includes an auxiliary converter 6, with which the direct current of the intermediate traction circuit ZK is converted into three-phase current for the three-phase on-board network 3AC. part of
  • Power supply circuit 20 is also an auxiliary operation transformer 6a, which has a voltage transformation to low electrical voltages of the three-phase vehicle electrical system 3AC makes.
  • a switch unit S1 between the vehicle electrical system 3AC and an auxiliary operation transformer 6a allows the vehicle electrical system 3AC to be connected to the intermediate traction circuit ZK and disconnected from it.
  • the already mentioned DC/DC controller 9 is connected between the traction accumulator 10 and the locomotive converter LSR.
  • the DC/DC controller 9 converts a direct voltage of the traction accumulator 10 of about 1kV into a higher direct voltage of 4kV of the traction intermediate circuit ZK.
  • the three-phase electrical system 3AC is due to the low load in battery operation via a current path via the
  • Auxiliary converter 6 and the auxiliary transformer 6a with poor efficiency supplied with electricity, so that the range of the rail vehicle in question is reduced.
  • Part of the conventional power supply device 20 is also a unidirectional charger 12, which with the
  • DC/DC controller 9 is electrically connected and is electrically connected via a switch unit S2 to the three-phase vehicle electrical system 3AC. If the traction accumulator 10 is to be charged, the charger 12 is electrically connected to the three-phase vehicle electrical system 3AC, as illustrated in detail in FIG. In contrast, in the discharge mode illustrated in FIG. 2, the charger remains inactive and is electrically isolated from the three-phase vehicle electrical system 3AC. Arrows are drawn in FIGS. 2 to 5 which are marked with the reference sign “E” and represent the direction of energy flow.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a conventional power supply circuit 20 with a traction battery 10 while the traction battery 10 is being charged.
  • the traction accumulator 10 is charged electrically either via a current path from the traction current network via the intermediate traction circuit ZK and via the DC/DC controller 9 or instead via a current path from an external power supply 11 via the three-phase vehicle electrical system 3AC and the charger 12.
  • the three-phase electrical system 3AC can be electrically connected to an external power supply 11 .
  • Such a foreign Feed-in 11 is used, for example, in a railway depot and takes place with the electrical voltage of the three-phase on-board network 3AC.
  • the traction current is first transformed down via a main transformer 4 and then converted into direct current for the traction intermediate circuit ZK via a four-quadrant divider 5 and is converted into direct current via the DC/DC converter 9 low electrical voltage of 1 kV.
  • the charging current is transmitted via the three-phase vehicle electrical system 3AC when the switch of the switch unit S2 is closed between the three-phase vehicle electrical system 3AC and the charger 12, via the charger 12 and the DC/DC controller 9 to the traction accumulator 10.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a power supply circuit 30 with a traction battery 10 according to an exemplary embodiment of the invention while the traction battery 10 is being discharged.
  • the power supply circuit 30 has a traction accumulator 10, a locomotive converter LSR with a traction intermediate circuit ZK, a pulse inverter 7, an auxiliary converter 6, a three-phase vehicle electrical system 3AC and a bidirectional charger 13.
  • the bidirectional charger 13 is connected between the traction battery 10 and the three-phase vehicle electrical system 3AC.
  • the traction accumulator 10 is directly electrically connected to the intermediate traction circuit ZK via a DC connection.
  • the DC connection is formed via a switch unit S3, which creates an electrical connection between the traction accumulator 10 and the traction intermediate circuit ZK during discharge operation.
  • the traction intermediate circuit ZK is supplied directly with direct current from the traction accumulator 10 in the discharge mode.
  • the traction intermediate circuit ZK is supplied directly with direct current from the traction accumulator 10 in the discharge mode.
  • the three-phase electrical system 3AC can also be supplied with electrical energy E from the traction accumulator 10 via the bidirectional charger 13 .
  • the auxiliary converter 6 is decoupled from the three-phase vehicle electrical system 3AC in the discharge mode.
  • the switch of a switch unit S1 between the auxiliary operation transformer 6a and the three-phase vehicle electrical system 3AC is open in the discharge mode, ie the electrical connection between the auxiliary converter 6 and the three-phase vehicle electrical system 3AC is interrupted.
  • the 3AC on-board power supply is supplied directly with good efficiency via the bidirectional 3AC charger.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of the power supply circuit 30 shown in FIG. 4 in charging mode.
  • the traction accumulator 10 is electrically isolated from the traction intermediate circuit ZK by opening the switch of the switch unit S3 (not shown in FIG. 5) between the two aforementioned components 10, ZK and instead via the bidirectional charger 13 with the
  • the three-phase vehicle electrical system 3AC can be electrically connected to an external power supply 11 via a switch unit S4.
  • Such an external power supply 11 can be realized, for example, in a railway depot with the electrical voltage of the three-phase vehicle electrical system 3AC.
  • the traction current is first transformed down via a main transformer 4 and converted into direct current by a four-quadrant controller 5 for the intermediate traction circuit ZK and then converted into three-phase on-board current via the auxiliary converter 6 and an auxiliary converter transformer 6a by the bi-directional charger 13 in direct current converted and fed to the traction accumulator 10 as direct current.
  • the charging mode there is no direct electrical or galvanic connection between the traction battery 10 and the intermediate traction circuit ZK.
  • FIG. 6 shows a flow chart 600 which illustrates a charging method for charging a traction battery 10 of a rail vehicle 1 according to an exemplary embodiment of the invention.
  • an electrical decoupling between a traction battery 10 and a traction intermediate circuit ZK of a power supply device 30 is achieved in a step 6.I.
  • a switch of a switch unit S3 between the traction battery 10 and the intermediate traction circuit ZK is opened, so that a DC connection between the traction battery 10 and the intermediate traction circuit ZK is interrupted.
  • a three-phase electrical system 3AC of the rail vehicle 1 is electrically connected via an auxiliary converter 6 to the traction intermediate circuit ZK.
  • step 6.III traction current is obtained via the pantograph 2 of the rail vehicle 1 .
  • the traction current is converted into direct current via a main transformer 4 for the traction interim circuit ZK and into direct current via the auxiliary operation converter 6 and the auxiliary operation transformer 6a in on-board three-phase current.
  • the on-board three-phase current is converted into direct current via a bidirectional charger 13 and transmitted to the traction battery 10 .
  • FIG. 7 shows a flow chart 700 which illustrates a discharge method for discharging a traction battery 10 of a rail vehicle 1 according to an exemplary embodiment of the invention.
  • the traction battery 10 is electrically connected to the intermediate traction circuit ZK.
  • a switch S3 is closed between the traction battery 10 and the intermediate traction circuit ZK. ie switched to pass, so that a DC connection between the traction battery 10 and the intermediate traction circuit ZK is made.
  • an auxiliary converter 6 of a locomotive converter LRS which includes, among other things, the intermediate traction circuit ZK, is electrically isolated from the three-phase on-board network 3AC.
  • step 7.III direct current is now transmitted from the traction battery 10 via the DC connection to the intermediate traction circuit ZK and converted there by a pulse-controlled inverter 7 for the operation of a traction unit 8 into three-phase current.
  • the direct current of the traction battery 10 is also converted into on-board three-phase current via the bidirectional charger 13 and made available to the on-board three-phase current network 3AC.

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Abstract

Es wird eine Stromversorgungseinrichtung (30) für ein Schienenfahrzeug (1) beschrieben. Die Stromversorgungseinrichtung (30) umfasst einen Traktionsakkumulator (10), einen Traktionszwischenkreis (ZK), ein Bordnetz (3AC), ein bidirektionales Ladegerät (13), welches zwischen den Traktionsakkumulator (10) und das Bordnetz (3AC) geschaltet ist, und eine erste Schaltereinheit (S3) zwischen dem Traktionsakkumulator (10) und dem Traktionszwischenkreis (ZK) zum Umschalten zwischen einem Ladebetrieb und einem Entladebetrieb des Traktionsakkumulators (10). Es wird auch ein Stromversorgungsbereitstellungsverfahren beschrieben. Außerdem wird ein Verfahren zum Entladen eines Traktionsakkumulators (10) einer erfindungsgemäßen Stromversorgungseinrichtung (30) beschrieben. Zudem wird ein Verfahren zum Aufladen eines Traktionsakkumulators (10) einer Stromversorgungseinrichtung (30) beschrieben. Weiterhin wird ein Schienenfahrzeug (1) beschrieben.

Description

Beschreibung
Stromversorgung für ein Schienenfahrzeug mit Traktions batterie
Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungseinrichtung für ein Schienenfahrzeug. Die Erfindung betrifft auch ein Strom versorgungsbereitstellungsverfahren. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Entladen eines Traktionsakku- mulators einer erfindungsgemäßen Stromversorgungseinrichtung. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Aufladen eines Traktionsakkumulators einer erfindungsgemäßen Stromversor gungseinrichtung. Überdies betrifft die Erfindung ein Schienenfahrzeug.
Nur etwas mehr als 60 Prozent des Schienennetzes in Deutsch land ist elektrifiziert. Häufig werden bisher für den Betrieb auf nicht elektrifizierten Schienenabschnitten, insbesondere für den Betrieb auf der letzten Meile, dieselgetriebene Rangierlokomotiven verwendet, die nicht besonders umwelt freundlich sind und auch zusätzliche Kosten verursachen. Um Rangierlokomotiven einzusparen, gibt es Überlegungen, mit Akkumulatoren ausgerüstete Schienenfahrzeuge einzusetzen. Allerdings gestaltet sich der Einbau oder die Nachrüstung von dafür benötigten Akkumulatoren, im Folgenden auch als Trak tionsakkumulator oder Traktionsbatterie bezeichnet, als recht aufwändig, so dass ein Bedarf einer vereinfachten Schaltungs topologie eines solchen Systems besteht. Eine wirtschaftlich effektive Lösung könnte eine Ausrüstung bestehender elektri- scher Schienenfahrzeuge mit relativ kleinen zusätzlichen
Traktionsbatterien sein, die also eine relativ kleine Ener giemenge speichern und nur dann zum Einsatz kommen, wenn ein Schienenfahrzeug eine relativ kurze Strecke ohne Bahnstrom netzVersorgung fährt, wie zum Beispiel bei einer Fahrt auf der letzten Meile oder einer Notfahrt bei einem Stromausfall des Bahnstromnetzes bis zum nächsten Bahnhof. Bei einer sol chen Nachrüstung ist es wünschenswert, den Umbau eines Schie nenfahrzeugs möglichst einfach und mit möglichst geringem Aufwand zu gestalten. Ein elektrifiziertes Schienenfahrzeug mit Drehstromantrieb weist einen sogenannten Traktionszwischenkreis auf, der zwischen die HochspannungsVersorgung aus dem Bahnstromnetz und den Drehstromantrieb bzw. eine mit Drehstrom betriebene Traktionseinheit geschaltet ist. Ein solcher Traktions- zwischenkreis weist üblicherweise eine Gleichspannung von 2 bis 4 kV (kV = Kilovolt) auf. Dagegen ist die belastungs abhängige Klemmenspannung einer Traktionsbatterie gewöhnlich deutlich niedriger, typischerweise < lkV. Um die Traktions einheiten mit einer konstanten elektrischen Spannung zu versorgen, wird üblicherweise ein Glied zur SpannungsStellung zwischen den Traktionszwischenkreis und die Traktionsbatterie geschaltet. Dieser sogenannte DC/DC-Steller muss für die vol- le Entladeleistung der Traktionsbatterie ausgelegt sein und ist daher relativ kostenaufwändig herzustellen, außerdem weist er ein hohes Gewicht und ein zusätzliches Einbauvolumen auf. Soll die Traktionsbatterie über das dreiphasige Drehstrom bordnetz geladen werden, so muss ein zusätzlicher Gleich richter eingesetzt werden, um den DC/DC-Steller, über den die Traktionsbatterie aufgeladen werden soll, eingangsseitig mit einer geeigneten Gleichspannung zu versorgen. Alternativ kann auch zusätzlich bzw. parallel zu dem DC/DC-Steller ein bordseitiges Ladegerät installiert werden, das Drehstrom in Gleichstrom wandelt, um die Traktionsbatterie aufzuladen.
Zur Versorgung der Nebenaggregate bzw. Hilfsaggregate eines Schienenfahrzeugs über das Drehstrombordnetz wird ein soge nannter Standard-Hilfsbetriebeumrichter oder Bordnetzum richter benötigt, der den Gleichstrom des Traktionszwischen- kreises mit einer relativ hohen elektrischen Spannung von 2 bis 4 kV in Drehstrom mit niedriger elektrischer Spannung, beispielsweise 400 Volt, und einer geeigneten Bordnetzfre quenz wandelt, so dass mit dem Drehstrombordnetz Nebenaggre gate mit Drehstrom-Asynchronmotoren betrieben werden können. Bei geringer Bordnetzlast im Drehstrombordnetz, wie sie typi- scherweise während des Betriebs für „die letzte Meile" oder eines Notfahrtbetriebs auftritt, läuft der Standard-Hilfs- betriebeumrichter mit schlechtem Wirkungsgrad, da dieser für sehr hohe Bordnetzlast ausgelegt ist. Daher ist die Versor- gung des festfrequenten Bordnetzes im Batteriebetrieb ineffi zient und die erzielbare Reichweite auf Basis der Traktions batterie wird aufgrund des reduzierten Wirkungsgrades redu ziert. Als Standard-Hilfsbetriebeumrichter soll in diesem Fall ein Hilfsbetriebeumrichter mit einem Aufbau und einer Auslegung, wie sie bei herkömmlichen elektrifizierten Schienenfahrzeugen üblich sind, aufgefasst werden.
Es besteht also die Aufgabe, eine batteriegespeiste Stromver sorgung eines Schienenfahrzeugs, insbesondere für den Bat- teriebetrieb auf kurze Strecken, ressourcensparender und energiesparender zu realisieren, als es bei herkömmlichen Lösungen der Fall ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Stromversorgungseinrichtung für ein Schienenfahrzeug gemäß Patentanspruch 1, ein Stromversor gungsbereitstellungsverfahren gemäß Patentanspruch 8, ein Verfahren zum Entladen eines Traktionsakkumulators einer er findungsgemäßen Stromversorgungseinrichtung gemäß Patent anspruch 9, ein Verfahren zum Aufladen eines Traktionsakkumu- lators einer erfindungsgemäßen Stromversorgungseinrichtung gemäß Patentanspruch 12 und ein Schienenfahrzeug gemäß Patentanspruch 14 gelöst.
Die erfindungsgemäße Stromversorgungseinrichtung für ein Schienenfahrzeug weist einen Traktionsakkumulator auf. Als
Traktionsakkumulator ist ein wiederaufladbarer elektrischer Energiespeieher zu verstehen, der im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Stromversorgungseinrichtung zur netzunab hängigen Versorgung von Traktionseinheiten und vorzugsweise der übrigen elektrischen Funktionseinheiten eines Schienen fahrzeugs eingesetzt wird. Ein Traktionsakkumulator ist dazu eingerichtet, eine große elektrische Leistung über einen längeren Zeitraum für die Traktion eines Schienenfahrzeugs zur Verfügung zu stellen. Ein solcher Traktionsakkumulator weist deshalb eine Vielzahl von parallel und seriell zusam mengeschalteten Akkumulatorzellen auf und ist als Hochvolt batterie und für die Bereitstellung von starken elektrischen Strömen ausgebildet, um eine ausreichende Leistung für die
Traktion des Schienenfahrzeugs bereitstellen zu können. Elek trische Spannungen von 400 Volt bis 1000 Volt sind hier üb liche Batterienennspannungen, um schwere Fahrzeuge, wie zum Beispiel Schienenfahrzeuge, antreiben zu können. Ein Trak- tionsakkumulator weist üblicherweise auch ein sogenanntes
Batteriemanagementsystem auf, mit dem eine Überlastung ein zelner Zellen bei der Energieentnahme vermieden wird. Die Traktionseinheiten umfassen Elektromotoren zum Antrieb der Antriebsräder des Schienenfahrzeugs. Zur Versorgung der Trak- tionseinheiten mit elektrischem Strom mit einer geeigneten elektrischen Spannung umfasst die erfindungsgemäße Stromver sorgungseinrichtung einen Traktionszwischenkreis. Ein solcher Traktionszwischenkreis ist Teil eines sogenannten Lokstrom- richters, der eine Strom/Spannungswandlung zwischen dem Strom des Bahnstromnetzes und den Aggregaten des Schienenfahrzeugs vornimmt. Üblicherweise werden die Elektromotoren der Trak tionseinheiten mit Drehstrom betrieben, während der Bahnstrom aus dem Bahnstromnetz als Wechselstrom mit hoher elektrischer Spannung, beispielsweise 15kV oder 25kV, bezogen wird.
Neben den Traktionseinheiten umfasst ein Schienenfahrzeug noch eine Vielzahl von unterschiedlichen elektrisch betrie benen Hilfseinheiten, die in ein sogenanntes Bordnetz, das ebenfalls Teil der erfindungsgemäßen Stromversorgungsein- richtung ist, integriert sind. Ein solches Bordnetz stellt gewöhnlich Drehstrom mit einer im Vergleich zu dem Traktions zwischenkreis relativ niedrigen elektrischen Spannung, bei spielsweise 400 V (V = Volt), bereit. Wird die Energie dem Bordnetz über das Bahnstromnetz bereitgestellt, so erfolgt eine Transformation des Bahnstroms zunächst in Gleichstrom des Traktionszwischenkreises mit einer elektrischen Spannung von 2 bis 4 kV. Neben dem Traktionszwischenkreis umfasst der bereits erwähnte Lokstromrichter unter anderem auch einen sogenannten Hilfsbetriebeumrichter. Der Hilfsbetriebeumrich ter ist dazu eingerichtet, den Gleichstrom des Traktions- zwischenkreises in die Stromart des Bordnetzes, vorzugweise Drehstrom, zu wandeln bzw. umzurichten. Zwischen den Strom- richter und das Bordnetz ist üblicherweise zusätzlich noch ein Hilfsbetriebetransformator geschaltet, der eine Anpassung der elektrischen Spannung des von dem Hilfsbetriebeumrichter erzeugten Drehstroms an die niedrige elektrische Spannung des Bordnetzes vornimmt.
Die erfindungsgemäße Stromversorgungseinrichtung weist nun anders als herkömmliche Stromversorgungseinrichtungen von Schienenfahrzeugen ein bidirektionales Ladegerät, welches zwischen den Akkumulator und das Bordnetz geschaltet ist, auf. Das bidirektionale Ladegerät weist zwei unterschiedliche Schnittstellen auf. Eine erste Schnittstelle ist elektrisch mit dem Akkumulator verbunden, empfängt im Entladebetrieb Gleichstrom von dem Akkumulator und gibt im Ladebetrieb Gleichstrom an den Akkumulator auf. Als Ladebetrieb soll ein Erhöhen der Menge der von dem Traktionsakkumulator gespei cherten elektrischen Energie durch eine externe Energiequelle verstanden werden. Als Entladebetrieb soll eine Abgabe von in dem Traktionsakkumulator gespeicherter elektrischer Energie nach außen verstanden werden.
Eine zweite Schnittstelle ist elektrisch mit dem Bordnetz verbunden und gibt im Entladebetrieb, auch als Batterie betrieb bezeichnet, Drehstrom mit im Vergleich zur elek trischen Spannung des Bahnstromnetzes oder des Traktions- zwischenkreises niedriger elektrischer Spannung, beispiels weise 400 V, an das Bordnetz ab und empfängt im Ladebetrieb Drehstrom von dem Bordnetz. Um die Lade/Entladefunktion wahr nehmen zu können, weist das bidirektionale Ladegerät eine Wandlereinheit, vorzugsweise umfassend einen Umrichter / aktiven Gleichrichter und gegebenenfalls einen DC-DC-Steller, zur Wandlung von Bordnetzström in Ladestrom, also Gleich strom, des Akkumulators und umgekehrt, auf. Vorzugsweise ist die Wandlereinheit dazu eingerichtet, den elektrischen Strom des Bordnetzes, vorzugsweise Drehstrom, in Gleichstrom zu wandeln und umgekehrt. Der Akkumulator kann mittels der Wand lereinheit im Entladebetrieb dem Bordnetz benötigten Bord- netzstrom zur Verfügung stellen. Im Ladebetrieb lässt sich der Akkumulator über das Bordnetz mit Gleichstrom aufladen.
Da das Bordnetz sowohl mit dem Traktionszwischenkreis elek trisch verbunden ist als auch üblicherweise einen Anschluss für eine sogenannte Fremdeinspeisung aufweist, erlaubt es das bidirektionale Ladegerät, ohne zusätzliche Ladepfade oder Schnittstellen, den Traktionsakkumulator sowohl im Bahnstrom netzbetrieb, beispielsweise während der Fahrt, als auch im Stand, beispielsweise in einem Bahndepot, über eine übliche Fremdeinspeisung elektrisch aufzuladen. Damit der Traktionsakkumulator die Traktionseinheit, welche elektrisch mit dem Traktionszwischenkreis verbunden ist, im Entladebetrieb mit elektrischer Energie versorgen kann, weist die erfindungsgemäße Stromversorgungseinrichtung eine erste Schaltereinheit zwischen dem Akkumulator und dem Traktions- zwischenkreis zum Umschalten zwischen dem Ladebetrieb und Entladebetrieb des Traktionsakkumulators auf. Die erste Schaltereinheit ist also dazu eingerichtet, den Traktions akkumulator im Entladebetrieb mit dem Traktionszwischenkreis elektrisch direkt zu verbinden und im Ladebetrieb von dem Traktionszwischenkreis elektrisch zu trennen. Der Wegfall des herkömmlich genutzten DC/DC-Stellers zwischen dem Traktions akkumulator und dem Traktionszwischenkreis wird dadurch ermöglicht, dass für den Traktionsakkumulator eine relativ geringe Anforderung an die Ladeleistung besteht, da dieser hauptsächlich für Notfahrten und den Betrieb auf der letzten Meile vorgesehen ist. Das Aufladen des Traktionsakkumulators erfolgt mit kleiner Ladeleistung über den Umweg über das Bordnetz und das bidirektionale Ladegerät. Vorteilhaft wird kein zusätzlicher DC/DC-Steller zwischen dem Traktionsakkumulator und dem Traktionszwischenkreis benötigt, wie es herkömmlich üblich ist. Dieser Umstand ist mit folgen den Vorteilen verbunden: Im Entladebetrieb sind Energieüber- tragungsverluste reduziert. Außerdem fallen Aufwand und Kos ten für den nicht benötigten DC/DC-Steller weg. Weiterhin wird aufgrund des weggefallenen Bauteils Gewicht und Bauraum eingespart. Überdies wird für den Ladebetrieb kein zusätz- liches Ladegerät zwischen Bahnstromnetz und DC/DC-Steller oder gegebenenfalls kein zusätzlicher Gleichrichter zu dem DC/DC-Steller für ein Aufladen über eine Fremdeinspeisung oder das Bordnetz benötigt. Vorteilhaft kann der Traktions akkumulator vermittelt durch das Bordnetz über eine Fremdein- speisung oder über das Bahnstromnetz aufgeladen werden. Es wird also eine vielseitige und relativ einfach aufgebaute leicht nachrüstbare Stromversorgungseinrichtung für ein Schienenfahrzeug bereitgestellt. Bei dem erfindungsgemäßen Stromversorgungbereitstellungs- verfahren wird ein bidirektionales Ladegerät zwischen einen Traktionsakkumulator und ein Bordnetz eines Schienenfahrzeugs geschaltet. Wie bereits erwähnt, kann durch die bidirektio nale Funktion des Ladegeräts ohne zusätzliche Ladepfade oder Schnittstellen der Traktionsakkumulator sowohl im Bahnstrom netzbetrieb, beispielsweise während der Fahrt, als auch im Stand, beispielsweise in einem Bahndepot, über eine übliche Fremdeinspeisung elektrisch aufgeladen werden. Weiterhin wird eine erste Schaltereinheit zwischen dem Trak tionsakkumulator und einem Traktionszwischenkreis des Schie nenfahrzeugs zum Umschalten zwischen Ladebetrieb und Entla debetrieb des Akkumulators bereitgestellt. Wie bereits erläu tert, dient die erste Schaltereinheit dazu, den Traktions- akkumulator im Entladebetrieb mit dem Traktionszwischenkreis elektrisch direkt zu verbinden und im Ladebetrieb von dem Traktionszwischenkreis elektrisch zu trennen. Vorteilhaft wird kein zusätzlicher DC/DC-Steller zwischen dem Traktions akkumulator und dem Traktionszwischenkreis benötigt, wie es herkömmlich üblich ist. Außerdem wird für den Ladebetrieb kein zusätzliches Ladegerät zwischen dem Bahnstromnetz und dem herkömmlich eingesetzten DC/DC-Steller oder gegeben enfalls kein zusätzlicher Gleichrichter zu dem herkömmlich eingesetzten DC/DC-Steller für ein Aufladen über eine Fremd einspeisung oder das Bordnetz benötigt, da die Aufgaben der wegfallenden Bauteile von dem bidirektionalen Ladegerät übernommen werden bzw. das Aufladen des Traktionsakkumulators über das Bordnetz und das bidirektionale Ladegerät erfolgt. Vorteilhaft ist außerdem durch den Einsatz des bidirektio nalen Ladegeräts unter Umgehung des Lokstromrichters ein Auf- laden des Traktionsakkumulators auch bei abgerüstetem Schie nenfahrzeug, bei dem der Lokstromrichter, der den Traktions- zwischenkreis umfasst, ausgeschaltet ist, ohne Zusatzaufwand möglich.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Entladen eines Trak tionsakkumulators einer erfindungsgemäßen Stromversorgungs- einrichtung wird der Traktionsakkumulator mit dem Trak tionszwischenkreis des Schienenfahrzeugs durch Schließen eines Schalters der ersten Schaltereinheit der erfindungs gemäßen Stromversorgungseinrichtung elektrisch verbunden.
Dann wird über den auf diese Weise hergestellten Strompfad elektrische Energie des Traktionsakkumulators an eine Trak tionseinheit des Schienenfahrzeugs über den Traktions- zwischenkreis übermittelt. Zusätzlich wird elektrische Ener gie des Traktionsakkumulators an ein Bordnetz des Schienen fahrzeugs über das bidirektionale Ladegerät der erfindungs- gemäßen Stromversorgungseinrichtung übermittelt. Vorteilhaft können über den Traktionsakkumulator sowohl der Traktions- zwischenkreis und die daran angeschlossenen Funktionseinhei ten als auch das Bordnetz mit elektrischer Energie versorgt werden. Die Versorgung des Bordnetzes durch den Traktions- akkumulator über den Entladepfad mit dem bidirektionalen Ladegerät kann auch zur Versorgung eines Klimatisierungs- geräts zur Beibehaltung eines günstigen Temperaturbereichs für den Traktionsakkumulator während eines Abstellvorgangs des Schienenfahrzeugs genutzt werden, um eine Notklima- tisierung des Traktionsakkumulators zu aktivieren. Mit dieser NotVersorgung kann zum Beispiel ein Zeitraum überbrückt werden, bis eine Fremdeinspeisung die BordnetzVersorgung und damit auch die Energieversorgung des Klimatisierungsgeräts übernimmt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Aufladen eines Trak- tionsakkumulators einer erfindungsgemäßen Stromversorgungs einrichtung erfolgt eine Aufladung des Traktionsakkumulators über eine Serienschaltung des Bordnetzes, des bidirektionalen Ladegeräts und des Traktionsakkummulators. Vorteilhaft wird für den Ladebetrieb kein zusätzliches Ladegerät zwischen Bahnstromnetz und dem herkömmlich genutzten DC/DC-Steller oder gegebenenfalls kein zusätzlicher Gleichrichter zu dem herkömmlich genutzten DC/DC-Steller für ein Aufladen über eine Fremdeinspeisung oder das Bordnetz benötigt. Das erfindungsgemäße Schienenfahrzeug umfasst eine Bahnstrom netzVersorgungseinheit, vorzugsweise einen Pantographen. Eine solche Bahnstromnetzversorgungseinheit bildet eine elektri sche Verbindung zwischen dem Bahnstromnetz und dem Schienen fahrzeug im Normalbetrieb. Weiterhin umfasst das erfindungs- gemäße Schienenfahrzeug eine Traktionseinheit, eine über ein Bordnetz mit elektrischem Strom versorgbare Hilfseinheit und eine erfindungsgemäße Stromversorgungseinrichtung zur ersatz weisen Versorgung der Traktionseinheit und der Hilfseinheit mit elektrischem Strom, wenn eine Versorgung über das Bahn- Stromnetz nicht möglich ist oder nicht beabsichtigt ist. Eine Hilfseinheit wird für den Nebenbetrieb des Schienenfahrzeugs benötigt, ist also nicht direkt an der Traktion des Schie nenfahrzeugs beteiligt. Das erfindungsgemäße Schienenfahrzeug teilt die Vorteile der erfindungsgemäßen Stromversorgungs- einrichtung.
Die abhängigen Ansprüche sowie die nachfolgende Beschreibung enthalten jeweils besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung. Dabei können insbesondere die Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den ab hängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie und deren Beschreibungsteilen weitergebildet sein. Zudem können im Rahmen der Erfindung die verschiedenen Merkmale unter- schiedlicher Ausführungsbeispiele und Ansprüche auch zu neuen Ausführungsbeispielen kombiniert werden.
In einer Variante der erfindungsgemäßen Stromversorgungs- einrichtung umfasst das Bordnetz ein Drehstrombordnetz und das bidirektionale Ladegerät umfasst eine Strom/Spannungs wandlungseinheit zur Strom/Spannungswandlung zwischen einer Gleichspannung des Akkumulators und einer mehrphasigen Span nung des Bordnetzes. Vorteilhaft können die den Drehstrom des Bordnetzes nutzenden Drehstromverbraucher, wie zum Beispiel Stromversorgungseinheiten oder Asynchronmotoren mit Kurz schlussläufern, auch im Batteriebetrieb betrieben werden. Im Vergleich zu mit Gleichstrom betriebenen Geräten haben diese geringere Anschaffungskosten und Wartungskosten, eine ge- ringere Masse, einen geringeren Platzbedarf und sind robus ter. Legt man die Netzspannung auf das übliche Spannungs niveau eines Niederspannungsnetzes, also beispielsweise 230/400 Volt, so können handelsübliche elektrische Geräte verwendet werden.
Bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Stromversorgungs einrichtung eine zweite Schaltereinheit zwischen dem Bordnetz und dem Traktionszwischenkreis, welche dazu eingerichtet ist, für den Entladebetrieb zu sperren und für den Ladebetrieb, vorzugsweise den Betrieb über eine Bahnstromversorgung, auf Durchlass zu schalten.
Die zweite Schaltereinheit dient dazu, eine elektrische Ver bindung zwischen dem Traktionszwischenkreis und dem Bordnetz über den Hilfsbetriebeumrichter herzustellen bzw. diese Ver bindung zu unterbrechen. Die elektrische Verbindung wird für den Betrieb des Bordnetzes über das Bahnstromnetz und das Aufladen des Traktionsakkumulators aus dem Bahnstromnetz benötigt. Bei einem solchen Ladebetrieb erfolgt ein Aufladen aus dem Bahnstromnetz über den Traktionszwischenkreis, das
Bordnetz und das bidirektionale Ladegerät. Im Detail kann der Ladepfad einen Strompfad über einen Pantographen, einen Haupttransformator, einen Vierquadrantensteiler, den Trak- tionszwischenkreis, einen Hilfsbetriebeumrichter, einen Hilfsbetriebetransformator, die zweite Schaltereinheit, das Bordnetz und das bidirektionale Ladegerät umfassen. Auf diese Weise wird ein Aufladen des Traktionsakkumulators durch eine Bahnstromversorgung über den Traktionszwischenkreis und das Bordnetz ermöglicht. Ein zusätzlicher DC/DC-Steller zwischen dem Traktionsakkumulator und dem Traktionszwischenkreis für den Ladebetrieb wird nicht benötigt. In einer Variante der erfindungsgemäßen Stromversorgungs einrichtung umfasst das Bordnetz eine Einspeiseschnittstelle für eine Bordnetz-Fremdeinspeisung. Eine solche Bordnetz fremdeinspeisung kann zum Beispiel in einem Depot bzw. Bahn betriebswerk erfolgen. Der Traktionsakkumulator des Schienen- fahrzeugs kann so, auch wenn das Schienenfahrzeug vom Bahn stromnetz getrennt ist, aufgeladen werden. Die Einspeise schnittstelle ist gewöhnlich als dreiphasige Schnittstelle ausgebildet. Alternativ ist auch ein einphasiger Ladebetrieb mit entsprechend niedrigerer Ladeleistung möglich.
Besonders bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Stromver sorgungseinrichtung eine Regeleinheit zum Regeln der Lade leistung des bidirektionalen Ladegeräts im Ladebetrieb auf eine verbleibende Leistungsreserve im Bordnetz. Eine solche Regelung kann als Leistungsregelung am bordnetzseitigen
Eingang des bidirektionalen Ladegeräts in Abhängigkeit von einer Ist-Leistung des Hilfsbetriebetransformators erfolgen. Die RegelungsInformation kann über eine Datenleitung, vor zugsweise eine CAN-Bus-Umleitung, über ein Steuergerät über- mittelt werden. Vorteilhaft wird dem Bordnetz nur der nicht- benötigte Teil der ihm zufließenden Energie entzogen, so dass alle Hilfseinheiten des Bordnetzes ausreichend mit elektri scher Energie versorgt werden. Damit ist ein an den Energie bedarf des Bordnetzes angepasster und flexibler Ladebetrieb möglich. Die BordnetzVersorgung des Standardfahrzeugs ohne
Batterieausrüstung muss für die nun hinzukommende Lade leistung nicht vergrößert werden. Insbesondere muss die Leistung des Hilfsbetriebeumrichters abhängig vom Verbrauch des Bordnetzes für einen Ladebetrieb nicht erhöht werden, da die Ladeleistung an den Verbrauch des Bordnetzes angepasst wird. Eine entsprechende Modifikation des Hilfsbetriebe umrichters bei einer Nachrüstung eines Schienenfahrzeugs mit einem Traktionsakkumulator ist bei einer Ausrüstung des Schienenfahrzeugs mit einer erfindungsgemäßen Stromver sorgungseinrichtung also nicht nötig. Somit kann ein Einfluss der Batterieausrüstung auf den Ressourcenaufwand und damit die Kosten bei der Herstellung des Standardschienenfahrzeugs ohne Batterieausrüstung vermieden werden.
In einer Variante der erfindungsgemäßen Stromversorgungs einrichtung weist die Stromversorgungseinrichtung, vorzugs weise der Lokstromrichter der Stromversorgungseinrichtung, zur Stromversorgung des Bordnetzes über eine Bahnstromver sorgung einen Hilfsbetriebeumrichter, der über die zweite Schaltereinheit mit dem Bordnetz elektrisch verbindbar ist, auf. Wie bereits kurz erwähnt, wandelt der Hilfsbetriebe- Umrichter die Gleichspannung im Traktionszwischenkreis in eine andere Spannungsart, vorzugsweise eine 3-Phasenspannung des Bordnetzes um. Das Bordnetz kann durch diese Spannungs wandlung von dem Bahnstromnetz aus mit elektrischer Energie versorgt werden. Auch ein Aufladen des Traktionsakkumulators über das Bordnetz und das bidirektionale Ladegerät ist auf diese Weise möglich. Wie bereits erwähnt, wird die elektri sche Verbindung zwischen dem Hilfsbetriebeumrichter und dem Bordnetz durch die zweite Schaltereinheit hergestellt.
Im Entladebetrieb kann es sinnvoll sein, den Traktions- zwischenkreis bzw. den Lokstromrichter, der den Traktions- zwischenkreis umfasst, von dem Bordnetz zu trennen. Insbe sondere wenn im Bordnetz nur sehr wenig Last anliegt, kann ein als Standard-Hilfsbetriebeumrichter ausgelegter Hilfs betriebeumrichter einen geringen Wirkungsgrad aufweisen, so dass der Strompfad über den Hilfsbetriebeumrichter im Ent ladebetrieb besser unterbrochen wird. Die Trennung erfolgt vorzugsweise über ein Sperren eines Schalters der bereits erwähnten zweiten Schaltereinheit zwischen dem Bordnetz und dem Traktionszwischenkreis. Das Bordnetz wird in diesem Fall vorteilhaft mit wenig Verlust über das bidirektionale Lade gerät mit elektrischer Energie versorgt. Vorteilhaft wird so die Reichweite des Schienenfahrzeugs im Vergleich zu einer Versorgung des Bordnetzes über den Hilfsbetriebeumrichter erhöht bzw. der Gesamtenergieverbrauch pro Zeit reduziert. Aufgrund der geringen TraktionszwischenkreisSpannung im Batteriebetrieb ist die maximal mögliche Bordnetzspannung über den Standard-Hilfsbetriebeumrichter auf eine geringere elektrische Spannung als im Nennbetrieb, d.h. im Betrieb über das Bahnstromnetz, begrenzt, was das Bordnetz nur einge schränkt nutzbar machen würde. Dieses Problem kann ebenfalls durch das bidirektionale Ladegerät gelöst werden. Weiterhin kann ein bereits im herkömmlichen Schienenfahrzeug ohne Bat- terieausrüstung genutzter Hilfsbetriebeumrichter bzw. Stan- dard-Hilfsbetriebeumrichter bei der Nachrüstung mit einem Traktionsakkumulator beibehalten werden, wodurch Ressourcen und Umrüstungsaufwand eingespart werden. Alternativ kann der Hilfsbetriebeumrichter des Traktions- zwischenkreises im Entladebetrieb dem bidirektionalen Lade gerät auch parallelschaltbar ausgebildet sein. Bei dieser Variante dient der Hilfsbetriebeumrichter des Traktions- zwischenkreises als zusätzlicher Hilfsbetriebeumrichter für ein zweites Bordnetz, welches vom ersten Bordnetz getrennt ist. Aufgrund der geringen TraktionszwischenkreisSpannung im Batteriebetrieb ist die maximal mögliche Bordnetzspannung über den Hilfsbetriebeumrichter des Traktionszwischenkreises jedoch auf eine geringere elektrische Spannung als im Nenn- betrieb begrenzt. Das Parallelschalten kann durch ein
Schalten des Schalters der zweiten Schaltereinheit zwischen dem Bordnetz und dem Traktionszwischenkreis auf Durchlass erfolgen. In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ent laden eines Traktionsakkumulators einer Stromversorgungs einrichtung eines Schienenfahrzeugs wird der Traktionszwi schenkreis von dem Bordnetz über einen Schalter der zweiten Schaltereinheit entkoppelt. Wie bereits erwähnt, kann bei dem Entladebetrieb ein besserer Wirkungsgrad erzielt werden, wenn der Hilfsbetriebeumrichter im Entladebetrieb von dem Bordnetz elektrisch getrennt ist, und damit die Reichweite des Schie- nenfahrzeugs im Batteriebetrieb bzw. Entladebetrieb erhöht werden. Dieser Effizienzgewinn wird insbesondere dann er reicht, wenn das bidirektionale Ladegerät an die elektrische Entlade/LadeSpannung des Traktionsakkumulators angepasst aus- gebildet ist. Aufgrund dieser Anpassung kann das bidirektio- nale Ladegerät die EntladeSpannung des Traktionsakkumulators leicht in die Bordnetzspannung wandeln. Ein Standard-Hilfs- betriebeumrichter zwischen dem Traktionszwischenkreis und dem Bordnetz mit einem Standardübersetzungsverhältnis im Hilfs betriebetransformator schafft es bei anliegender Entladespan- nung des Traktionsakkumulators und maximaler Aussteuerung dagegen nicht, die geforderte Bordnetzspannung zu liefern. Aufgrund des den Standard-Hilfsbetriebeumrichter umgehenden Entladepfads zum Bordnetz über das bidirektionale Ladegerät kann der Standard-Hilfsbetriebeumrichter, der den Strom für das Bordnetz im Betrieb über das Bahnstromnetz liefert, bei behalten werden, so dass der Umrüstungsaufwand eines elektri schen Standardschienenfahrzeugs beschränkt wird.
In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Auf- laden eines Traktionsakkumulators einer Stromversorgungs einrichtung erfolgt die Aufladung des Traktionsakkumulators über eine externe Bahnstromversorgung, die über den Zwischen traktionskreis und eine zweite Schaltereinheit zwischen dem Bordnetz und dem Traktionszwischenkreis mit der Serienschal- tung des Bordnetzes, des bidirektionalen Ladegeräts und des Traktionsakkummulators elektrisch gekoppelt ist. Vorteilhaft kann der überschüssige Teil des zur Verfügung gestellten Bahnstroms, der nicht von den Verbrauchern, insbesondere einer an dem Traktionszwischenkreis angeschlossenen Trak- tionseinheit und dem Bordnetz, benötigt wird, während dem normalen Betrieb, d.h. dem Netzbetrieb des Schienenfahrzeugs, beispielsweise während einer Fahrt, zum Aufladen des Trak tionsakkumulators genutzt werden. Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beige fügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Es zeigen:
FIG 1 eine schematische Darstellung eines Schienenfahrzeugs mit einer herkömmlichen Stromversorgungseinrichtung mit einem Traktionsakkumulator, FIG 2 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen
StromversorgungsSchaltung eines Schienenfahrzeugs mit einem Traktionsakkumulator während dem Entladen des Traktions akkumulators, FIG 3 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen
StromversorgungsSchaltung eines Schienenfahrzeugs mit einem Traktionsakkumulator während dem Aufladen des Traktions akkumulators, FIG 4 eine schematische Darstellung einer Stromversorgungs schaltung mit einem Traktionsakkumulator gemäß einem Aus führungsbeispiel der Erfindung während dem Entladen des Traktionsakkumulators, FIG 5 eine schematische Darstellung einer Stromversorgungs schaltung mit einem Traktionsakkumulator gemäß einem Aus führungsbeispiel der Erfindung während dem Aufladen des Traktionsakkumulators, FIG 6 ein Flussdiagramm, welches ein Ladeverfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht,
FIG 7 ein Flussdiagramm, welches ein Entladeverfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht.
In FIG 1 wird eine schematische Darstellung eines elektri fizierten Schienenfahrzeugs 1 mit einer Traktionsbatterie 10 veranschaulicht. Das elektrifizierte Schienenfahrzeug 1 um- fasst zur Versorgung mit elektrischer Energie aus dem Wech selspannungsbahnstromnetz einen Pantographen 2, der über einen Leistungsschalter 3 mit einem Haupttransformator 4 elektrisch verbunden ist. Der Haupttransformator 4 trans- formiert die Hochspannung des Wechselspannungsbahnstromnetzes in eine niedrigere WechselSpannung, die anschließend über einen Vierquadrantensteiler 5 in eine Zwischenkreis-Gleich spannung von etwa 2 bis 4 kV für einen Traktionszwischenkreis ZK umgewandelt wird. Von dem Traktionszwischenkreis ZK werden die Traktionseinheiten 8, die mit Drehstrom mit einer elek trischen Spannung von beispielsweise 6kV betrieben werden, über Pulswechselrichter 7 mit Drehstrom versorgt. Weiterhin besteht auch eine Gleichstromverbindung über einen DC-DC- Steller 9 zwischen dem Traktionszwischenkreis ZK und der Traktionsbatterie 10. Der Traktionszwischenkreis ZK ist außerdem über einen Standard-Hilfsbetriebeumrichter (nicht gezeigt) mit einem Drehstrombordnetz (nicht gezeigt) elek trisch verbunden. In FIG 2 ist eine schematische Darstellung einer herkömm lichen StromversorgungsSchaltung 20 eines Schienenfahrzeugs mit einem Traktionsakkumulator 10 während dem Entladen des Traktionsakkumulators 10 gezeigt. Die Stromversorgungsschaltung 20 weist einen Traktionsakku mulator 10, einen Lokstromrichter LSR, unter anderem mit einem Traktionszwischenkreis ZK, ein Drehstrombordnetz 3AC sowie einen DC/DC-Steller 9 auf. Der Lokstromrichter LSR weist neben dem Traktionszwischenkreis ZK auch einen Puls- Wechselrichter 7 zum Umrichten des Gleichstroms des Trak tionszwischenkreises ZK in Drehstrom für Traktionseinheiten 8 des Schienenfahrzeugs auf. Darüber hinaus umfasst der Lok- stromrichter LSR auch einen Hilfsbetriebeumrichter 6, mit dem der Gleichstrom des Traktionszwischenkreises ZK in Drehstrom für das Drehstrombordnetz 3AC umgewandelt wird. Teil der
StromversorgungsSchaltung 20 ist auch ein Hilfsbetriebetrans formator 6a, der eine Spannungstransformation zu niedrigen elektrischen Spannungen des Drehstrombordnetzes 3AC hin vornimmt. Eine Schaltereinheit S1 zwischen dem Bordnetz 3AC und einem Hilfsbetriebetransformator 6a erlaubt ein Verbinden des Bordnetzes 3AC mit dem Traktionszwischenkreis ZK und eine Trennung davon. Der bereits erwähnte DC/DC-Steller 9 ist zwischen den Traktionsakkumulator 10 und den Lokstromrichter LSR geschaltet. Der DC/DC-Steller 9 wandelt eine Gleich spannung des Traktionsakkumulators 10 von etwa lkV in eine höhere Gleichspannung von 4kV des Traktionszwischenkreises ZK um. Das Drehstrombordnetz 3AC wird aufgrund der geringen Last im Batteriebetrieb über einen Strompfad über den
Hilfsbetriebeumrichter 6 und den Hilfsbetriebetransformator 6a mit schlechtem Wirkungsgrad mit Strom versorgt, so dass die Reichweite des betreffenden Schienenfahrzeugs reduziert ist. Teil der herkömmlichen Stromversorgungseinrichtung 20 ist auch ein unidirektionales Ladegerät 12, welches mit dem
DC/DC-Steller 9 elektrisch verbunden ist und über eine Schal tereinheit S2 mit dem Drehstrombordnetz 3AC elektrisch ver bunden ist. Soll der Traktionsakkumulator 10 aufgeladen wer den, so wird das Ladegerät 12 mit dem Drehstrombordnetz 3AC elektrisch verbunden, wie es in FIG 3 im Detail veranschau licht ist. In dem in FIG 2 veranschaulichten Entladebetrieb dagegen bleibt das Ladegerät inaktiv und ist von dem Dreh- strombordnetz 3AC elektrisch getrennt. In FIG 2 bis 5 sind Pfeile eingezeichnet, die mit dem BezugsZeichen „E" markiert sind und die Energieflussrichtung darstellen.
In FIG 3 ist eine schematische Darstellung einer herkömm lichen StromversorgungsSchaltung 20 mit einem Traktionsakku mulator 10 während dem Aufladen des Traktionsakkumulators 10 gezeigt.
Im Ladebetrieb wird der Traktionsakkumulator 10 entweder über einen Strompfad von dem Bahnstromnetz über den Traktionszwi schenkreis ZK und über den DC/DC-Steller 9 oder stattdessen über einen Strompfad von einer Fremdeinspeisung 11 über das Drehstrombordnetz 3AC und das Ladegerät 12 elektrisch aufge laden. Das Drehstrombordnetz 3AC kann mit einer Fremdein speisung 11 elektrisch verbunden sein. Eine solche Fremd- einspeisung 11 wird zum Beispiel in einem Bahndepot genutzt und erfolgt mit der elektrischen Spannung des Drehstrombord netzes 3AC. Erfolgt stattdessen eine Stromversorgung über das Bahnstromnetz, beispielsweise über eine Oberleitung, so wird der Bahnstrom zunächst über einen Haupttransformator 4 herun tertransformiert und dann über einen Vierquadrantensteiler 5 in Gleichstrom für den Traktionszwischenkreis ZK umgewandelt und wird über den DC/DC-Steller 9 in Gleichstrom mit niedri ger elektrischer Spannung von 1 kV umgewandelt. Bei Fremd- einspeisung wird der Ladestrom über das Drehstrombordnetz 3AC bei geschlossenem Schalter der Schaltereinheit S2 zwischen dem Drehstrombordnetz 3AC und dem Ladegerät 12, über das Ladegerät 12 und den DC/DC-Steller 9 an den Traktionsakku- mulator 10 übermittelt.
In FIG 4 ist eine schematische Darstellung einer Stromver sorgungsschaltung 30 mit einem Traktionsakkumulator 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung während dem Entladen des Traktionsakkumulators 10 veranschaulicht. Die Stromver- sorgungsSchaltung 30 weist einen Traktionsakkumulator 10, einen Lokstromrichter LSR mit einem Traktionszwischenkreis ZK, einem PulsWechselriehter 7, einem Hilfsbetriebeumrichter 6, ein Drehstrombordnetz 3AC sowie ein bidirektionales Lade gerät 13 auf. Das bidirektionale Ladegerät 13 ist zwischen den Traktionsakkumulator 10 und das Drehstrombordnetz 3AC geschaltet. Weiterhin ist der Traktionsakkumulator 10 über eine DC-Verbindung mit dem Traktionszwischenkreis ZK direkt elektrisch verbunden. Die DC-Verbindung wird über eine Schal tereinheit S3 gebildet, die im Entladebetrieb eine elektri- sehe Verbindung zwischen dem Traktionsakkumulator 10 und dem Traktionszwisehenkreis ZK herstellt. Auf diese Weise wird der Traktionszwisehenkreis ZK im Entladebetrieb direkt mit Gleichstrom aus dem Traktionsakkumulator 10 versorgt. Für einen Traktionsakkumulator 10 mit geringer Anforderung an die Ladeleistung ist es ausreichend, direkt aus der dynami schen elektrischen Spannung des Traktionsakkumulators 10 über den Lokstromrichter LSR, d.h. einen von diesem umfassten Traktionszwischenkreis ZK und einen darin enthaltenen Wechselrichter 7, die Traktionseinheit 8 zu versorgen und so einen DC/DC-Steller (siehe beispielsweise den DC/DC-Steller 9 in der herkömmlichen Anordnung in FIG 2 und FIG 3) im Ent- ladepfad zu vermeiden. Das Drehstrombordnetz 3AC kann eben falls aus dem Traktionsakkumulator 10 über das bidirektionale Ladegerät 13 mit elektrischer Energie E versorgt werden. Um den Wirkungsgrad und damit die Reichweite im Batteriebetrieb zu verbessern, ist der Hilfsbetriebeumrichter 6 vom Dreh- strombordnetz 3AC im Entladebetrieb entkoppelt. Der Schalter einer Schaltereinheit S1 zwischen dem Hilfsbetriebetrans- formator 6a und dem Drehstrombordnetz 3AC ist in dem Entla debetrieb geöffnet, d.h. die elektrische Verbindung zwischen dem Hilfsbetriebeumrichter 6 und dem Drehstrombordnetz 3AC ist unterbrochen. Die Versorgung des Drehstrombordnetzes 3AC erfolgt direkt mit gutem Wirkungsgrad über das bidirektionale Ladegerät 3AC.
In FIG 5 ist eine schematische Darstellung der in FIG 4 ge- zeigten StromversorgungsSchaltung 30 im Ladebetrieb gezeigt. Im Ladebetrieb ist der Traktionsakkumulator 10 von dem Trak tionszwischenkreis ZK durch Öffnen des Schalters der Schal tereinheit S3 (in FIG 5 nicht gezeigt) zwischen den beiden vorgenannten Bauelementen 10, ZK elektrisch getrennt und stattdessen über das bidirektionale Ladegerät 13 mit dem
Drehstrombordnetz 3AC elektrisch gekoppelt. Das Drehstrom bordnetz 3AC kann mit einer Fremdeinspeisung 11 über eine Schaltereinheit S4 elektrisch verbunden sein. Eine solche Fremdeinspeisung 11 kann zum Beispiel in einem Bahndepot mit der elektrischen Spannung des Drehstrombordnetzes 3AC reali siert sein. Erfolgt stattdessen eine Stromversorgung über das Bahnstromnetz, beispielsweise über eine Oberleitung, so wird der Bahnstrom zunächst über einen Haupttransformator 4 herun tertransformiert und durch einen Vierquadrantensteller 5 für den Traktionszwischenkreis ZK in Gleichstrom umgewandelt und anschließend über den Hilfsbetriebeumrichter 6 sowie einen Hilfsbetriebetransformator 6a in Bordnetzdrehstrom gewandelt und durch das bidirektionale Ladegerät 13 in Gleichstrom gewandelt und als Gleichstrom dem Traktionsakkumulator 10 zugeführt. Im Ladebetrieb gibt es keine direkte elektrische bzw. galvanische Verbindung zwischen der Traktionsbatterie 10 und dem Traktionszwischenkreis ZK.
In FIG 6 ist ein Flussdiagramm 600, welches ein Ladeverfahren für das Laden einer Traktionsbatterie 10 eines Schienenfahr zeugs 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veran schaulicht, gezeigt. Bei dem Ladebetrieb wird in einem Schritt 6.I eine elektrische Entkopplung zwischen einer Trak tionsbatterie 10 und einem Traktionszwischenkreis ZK einer Stromversorgungseinrichtung 30 erreicht. Hierzu wird ein Schalter einer Schaltereinheit S3 zwischen der Traktions batterie 10 und dem Traktionszwischenkreis ZK geöffnet, so dass eine DC-Verbindung zwischen der Traktionsbatterie 10 und dem Traktionszwischenkreis ZK unterbrochen ist. Bei dem Schritt 6.II wird ein Drehstrombordnetz 3AC des Schienen fahrzeugs 1 über einen Hilfsbetriebeumrichter 6 mit dem Trak tionszwischenkreis ZK elektrisch verbunden. Hierzu wird ein Schalter einer Schaltereinheit S1 zwischen einem Hilfs betriebetransformator 6a und dem Hilfsbetriebeumrichter 6 geschlossen bzw. die Schaltereinheit S1 damit auf Durchlass geschaltet. Bei dem Schritt 6.III wird über den Pantographen 2 des Schienenfahrzeugs 1 Bahnstrom bezogen. Der Bahnstrom wird über einen Haupttransformator 4 für den Traktionszwi schenkreis ZK in Gleichstrom gewandelt und über den Hilfsbe triebeumrichter 6 sowie den Hilfsbetriebetransformator 6a in Bordnetzdrehstrom gewandelt. Der Bordnetzdrehstrom wird über ein bidirektionales Ladegerät 13 in Gleichstrom gewandelt und an die Traktionsbatterie 10 übermittelt.
In FIG 7 ist ein Flussdiagramm 700 gezeigt, welches ein Ent ladeverfahren für das Entladen einer Traktionsbatterie 10 eines Schienenfahrzeugs 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Bei dem Schritt 7.I wird die Trak tionsbatterie 10 mit dem Traktionszwischenkreis ZK elektrisch verbunden. Hierzu wird ein Schalter S3 zwischen der Trak tionsbatterie 10 und dem Traktionszwischenkreis ZK schlossen, d.h. auf Durchlass geschaltet, so dass eine DC-Verbindung zwischen der Traktionsbatterie 10 und dem Traktionszwischen kreis ZK hergestellt ist. Bei dem Schritt 7.II wird ein Hilfsbetriebeumrichter 6 eines Lokstromrichters LRS, der unter anderem den Traktionszwischenkreis ZK umfasst, von dem Drehstrombordnetz 3AC elektrisch getrennt. Hierzu wird ein Schalter S1 zwischen dem Drehstrombordnetz 3AC und einem Hilfsbetriebetransformator 6a und dem Hilfsbetriebeumrichter 6 geöffnet, d.h. auf Sperren geschaltet. Bei dem Schritt 7.III wird nun von der Traktionsbatterie 10 Gleichstrom über die DC-Verbindung an den Traktionszwischenkreis ZK übermit telt und dort von einem Pulswechselrichter 7 für den Betrieb einer Traktionseinheit 8 in Drehstrom umgewandelt. Zusätzlich wird der Gleichstrom der Traktionsbatterie 10 auch über das bidirektionale Ladegerät 13 in Bordrehstrom gewandelt und dem Borddrehstromnetz 3AC zur Verfügung gestellt.
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorbeschriebenen Verfahren und Vorrichtungen lediglich um bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung handelt und dass die Erfindung vom Fachmann variiert werden kann, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, soweit er durch die Ansprüche vorgegeben ist. Es wird der Vollständig keit halber auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein" bzw. „eine" nicht ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließt der Begriff „Einheit" nicht aus, dass diese aus mehreren Komponenten besteht, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.

Claims

Patentansprüche
1. Stromversorgungseinrichtung (30) für ein Schienenfahrzeug (1), aufweisend: - einen Traktionsakkumulator (10),
- einen Traktionszwischenkreis (ZK),
- ein Bordnetz (3AC),
- ein bidirektionales Ladegerät (13), welches zwischen den Traktionsakkumulator (10) und das Bordnetz (3AC) geschaltet ist,
- eine erste Schaltereinheit (S3) zwischen dem Traktions akkumulator (10) und dem Traktionszwischenkreis (ZK) zum Umschalten zwischen einem Ladebetrieb und einem Entlade betrieb des Traktionsakkumulators (10).
2. Stromversorgungseinrichtung (20) nach Anspruch 1, wobei
- das Bordnetz (3AC) ein Drehstrombordnetz umfasst und
- das bidirektionale Ladegerät (13) eine Strom/Spannungs wandlungseinheit zur Strom/Spannungswandlung zwischen einer Gleichspannung des Traktionsakkumulators (10) und einer mehrphasigen Spannung des Bordnetzes (3AC) umfasst.
3. Stromversorgungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, aufweisend eine zweite Schaltereinheit (Sl) zwischen dem Bordnetz (3AC) und dem Traktionszwischenkreis (ZK), welche dazu eingerichtet ist, für den Entladebetrieb zu sperren und für den Ladebetrieb, vorzugsweise über eine Bahnstromversorgung, auf Durchlass zu schalten.
4. Stromversorgungseinrichtung nach einem der vorstehenden
Ansprüche, wobei das Bordnetz (3AC) eine Einspeiseschnitt stelle für eine Bordnetz-Fremdeinspeisung (11) umfasst.
5. Stromversorgungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, aufweisend eine Regeleinheit zum Regeln der Lade leistung des bidirektionalen Ladegeräts (13) im Ladebetrieb auf eine verbleibende Leistungsreserve im Bordnetz (3AC).
6. Stromversorgungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, aufweisend einen Hilfsbetriebeumrichter (6) zwischen dem Traktionszwischenkreis (ZK) und dem Bordnetz
(3AC), wobei der Hilfsbetriebeumrichter (6) über die zweite Schaltereinheit (Sl) mit dem Bordnetz (3AC) elektrisch verbindbar ist.
7. Stromversorgungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Traktionsakkumulator (10) im Entlade- betrieb mit dem Traktionszwischenkreis (ZK) über die erste Schaltereinheit (S3) elektrisch direkt verbunden ist.
8. Stromversorgungbereitstellungsverfahren, aufweisend die Schritte: - Zwischenschalten eines bidirektionalen Ladegeräts (13) zwischen einen Traktionsakkumulator (10) und ein Bordnetz (3AC) eines Schienenfahrzeugs (1),
- Bereitstellen einer ersten Schaltereinheit (S3) zwischen dem Traktionsakkumulator (10) und einem Traktionszwischen- kreis (ZK) des Schienenfahrzeugs (1) zum Umschalten zwischen einem Ladebetrieb und einem Entladebetrieb des Traktionsakkumulators (10).
9. Verfahren zum Entladen eines Traktionsakkumulators (10) einer Stromversorgungseinrichtung (30) nach einem der
Ansprüche 1 bis 7, aufweisend die Schritte:
- elektrisches Verbinden des Traktionsakkumulators (10) mit dem Traktionszwischenkreis (ZK) des Schienenfahrzeugs (1) durch Stellen eines Schalters der ersten Schaltereinheit (S3) auf Durchlass,
- Übermitteln von elektrischer Energie des Traktionsakkumu- lators (10) an eine Traktionseinheit (8) des Schienenfahr zeugs (1) über den Traktionszwischenkreis (ZK),
- Übermitteln von elektrischer Energie (E) des Traktions- akkumulators (10) an das Bordnetz (3AC) des Schienenfahr zeugs (1) über das bidirektionale Ladegerät (13).
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Traktionszwischen kreis (ZK) von dem Bordnetz (3AC) über einen Schalter einer zweiten Schaltereinheit (Sl) zwischen dem Bordnetz (3AC) und dem Traktionszwischenkreis (ZK) entkoppelt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Traktionszwischen kreis (ZK) mit dem Bordnetz (3AC) über einen Schalter einer zweiten Schaltereinheit (Sl) zwischen dem Bordnetz (3AC) und dem Traktionszwischenkreis (ZK) elektrisch verbunden wird.
12. Verfahren zum Aufladen eines Traktionsakkumulators (10) einer Stromversorgungseinrichtung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Aufladung des Traktionsakku- mulators (10) über eine Serienschaltung des Bordnetzes (3AC), des bidirektionalen Ladegeräts (13) und des Traktionsakku- mmulators (10) erfolgt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Aufladung des Traktionsakkumulators (10) über eine externe Bahnstromver- sorgung, die über den Traktionszwischenkreis (ZK) und eine zweite Schaltereinheit (Sl) zwischen dem Bordnetz (3AC) und dem Traktionszwischenkreis (ZK) mit der Serienschaltung des Bordnetzes (3AC), des bidirektionalen Ladegeräts (13) und des Traktionsakkummulators (10) elektrisch gekoppelt ist, erfolgt.
14. Schienenfahrzeug (1), aufweisend:
- eine Bahnstromnetzversorgungseinheit (2)
- eine Traktionseinheit (8), - eine über ein Bordnetz (3AC) mit elektrischem Strom versorgbare Hilfseinheit,
- eine Stromversorgungseinrichtung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Versorgung der Traktionseinheit (8) und der Hilfseinheit mit elektrischem Strom.
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