EP4540090A1 - Stromabnehmer mit bruchüberwachung - Google Patents

Stromabnehmer mit bruchüberwachung

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Publication number
EP4540090A1
EP4540090A1 EP23768178.8A EP23768178A EP4540090A1 EP 4540090 A1 EP4540090 A1 EP 4540090A1 EP 23768178 A EP23768178 A EP 23768178A EP 4540090 A1 EP4540090 A1 EP 4540090A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pressure
test pressure
compressed air
actual
current collector
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.)
Pending
Application number
EP23768178.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Göran SÄNGER
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
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 Mobility GmbH filed Critical Siemens Mobility GmbH
Publication of EP4540090A1 publication Critical patent/EP4540090A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • B60L5/00—Current collectors for power supply lines of electrically-propelled vehicles
    • B60L5/18—Current collectors for power supply lines of electrically-propelled vehicles using bow-type collectors in contact with trolley wire
    • B60L5/22—Supporting means for the contact bow
    • B60L5/24—Pantographs
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • B60L3/00—Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B60L3/0023—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • B60L3/00—Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B60L3/04—Cutting off the power supply under fault conditions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B60L5/20—Details of contact bow
    • B60L5/205—Details of contact bow with carbon contact members
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • B60L5/32—Devices for lifting and resetting the collector using fluid pressure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B60L2200/00—Type of vehicles
    • B60L2200/30—Trolleys
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    • B60L2250/00—Driver interactions
    • B60L2250/10—Driver interactions by alarm

Definitions

  • the invention relates to a current collector according to the preamble of patent claim 1.
  • Such a current collector is designed and provided for an electrically or hybrid-electrically powered vehicle for feeding in electrical energy from an overhead line system having at least one contact wire. It comprises at least one contact strip for electrically contacting the at least one contact wire, which has a contact piece carried by a contact piece holder.
  • the current collector also comprises a compressed air channel that is at least partially delimited by the contact piece and a compressed air supply connected to the compressed air channel for feeding in compressed air. It also comprises a test pressure sensor for measuring an actual test pressure prevailing in the compressed air channel.
  • Such a current collector is known from the publication DE 39 14 675 A1, which discloses a contact strip with a break detector device.
  • the contact strip has a gas-tight channel, which is connected to a device for generating an increased air or gas pressure in the channel and to a detector that signals a drop in pressure. If the contact strip breaks or becomes excessively worn, the channel becomes leaky and the break or wear is indicated by the drop in pressure.
  • the supports on the overrun horns provided according to the invention are also included in this break monitoring. These also have a corresponding channel, which is connected to the channel of the carbon strip via an inserted piece of hose.
  • the connection to the gas supply and the monitoring device can be made via a connection nipple in the area of one of the overrun horns.
  • the supports of the overrun Horns can also be manufactured in one piece with the grinding strip.
  • a non-rail-bound, electrically or hybrid-electrically driven vehicle with a pantograph for feeding in electrical traction energy from an overhead line system is known.
  • the pantograph has a contact strip arrangement that can be raised and lowered and which can be brought into contact with a contact wire of the overhead line system that runs over a lane.
  • the contact strip arrangement has laterally projecting insulation horns with a predetermined breaking point.
  • the contact strip arrangement also has a detection device which is designed to detect the breakage of an insulation horn and to trigger an automatic lowering of the contact strip arrangement.
  • the air duct of the automatic emergency lowering can be connected to the emergency lowering up to the predetermined breaking point and the emergency lowering can thus be initiated via the safety relay.
  • the known monitoring devices are based on detecting a pressure drop in the pressure channel as an indication of a major leak in the form of a break in the grinding piece or in the form of a broken running horn.
  • the monitoring device can also incorrectly evaluate a drop in feed pressure from the compressed air supply as a detection event.
  • the invention is therefore based on the object of providing a current collector of the type mentioned at the beginning, the breakage monitoring of which generates fewer false error messages.
  • the pantograph is for an electric or hybrid-electric vehicle, such as a road vehicle. vehicle or a rail vehicle, designed, for example, as a pantograph. It is used to feed in electrical energy from a single-pole or two-pole overhead line system, which has a contact wire for rail vehicles and two contact wires designed as forward and return conductors for road vehicles.
  • the current collector includes at least one contact strip for each contact pole for electrically contacting the respective contact wire, but can also include two contact strips arranged one behind the other in the direction of travel per contact pole.
  • Each grinding strip has a grinding piece carried by a grinding piece holder, which is preferably made of carbon.
  • the one or more contact strips of a contact pole can each be stored on a rocker arrangement, which can be carried by a pantograph-like adjustable support frame.
  • the current collector comprises a compressed air channel at least partially delimited by the grinding piece, to which a compressed air supply for feeding in compressed air is connected.
  • the compressed air channel extends from the compressed air supply into each of the at least one grinding strip and is at least partially delimited there by the respective grinding piece.
  • the current collector also includes a test pressure sensor for measuring an actual test pressure prevailing in the compressed air duct.
  • the current collector comprises a pneumatic throttle arranged in the compressed air duct between the compressed air supply and the grinding piece, the test pressure sensor cyclically measuring an actual test pressure prevailing in the compressed air duct downstream of the throttle. It also includes a feed pressure sensor for cyclically measuring an actual feed pressure prevailing in the compressed air channel upstream of the throttle. Furthermore, the current collector comprises an evaluation device which is designed to determine a target test pressure prevailing in the compressed air duct downstream of the throttle as a function of the measured actual feed pressure from the difference between a supply air mass flow flowing in through the throttle and one through a downstream in the pressure duct to cyclically calculate any leak present in the throttle in the exhaust air mass flow flowing out into the surroundings. The evaluation device is further designed to cyclically determine a test pressure deviation of the actual test pressure from the target test pressure, and to generate an error message if a first threshold value is exceeded by the determined test pressure deviation.
  • cyclic should mean continuously at discrete, fixed time intervals, for example every 5 ms.
  • the time intervals can also be given by a clock of a control device of the current collector, which controls the compressed air supply and a lifting device for raising and lowering the at least one contact strip.
  • the evaluation device includes known means for electronic data processing, such as a computer unit and data memory with stored calculation algorithms for calculating the target test pressure in the test volume, i.e. the volume of the compressed air channel downstream of the throttle.
  • the difference between the supply air mass flow flowing in through the throttle and the exhaust air mass flow flowing out through a leak is used as a key variable in the calculation of the target test pressure.
  • the supply air mass flow is determined by the current actual feed pressure upstream of the throttle, by a passage cross-section of the throttle and by the actual test pressure prevailing in the test volume.
  • the exhaust air mass flow is determined by the actual test pressure in the test volume, by the size of the leak in the test volume and by the ambient air pressure prevailing in the area.
  • a flow model of the throttle and the leak is used, in which a distinction is made between subcritical and supercritical flow depending on the pressure conditions upstream and downstream of the throttle or the leak. Even with an intact grinding piece, a small leak can occur due to a leak in a practical implementation of the compressed air channel. nals can be assumed. From the size of the test pressure deviation, the evaluation unit recognizes a crack or break in the grinding piece with a gap width that is equivalent to a passage cross-section of, for example, 2 mm. Since the flow model continually calculates the behavior of the target test pressure in the test volume as a function of the measured actual feed pressure upstream of the throttle, the determined test pressure deviation is insensitive to pressure fluctuations in the feed pressure.
  • Such pressure fluctuations occur, for example, when other consumers, such as a pneumatic lifting device on the pantograph, are connected to the compressed air supply.
  • pressure drops in the pressure channel which are due to a reduction in feed pressure on the part of the compressed air supply or to temperature fluctuations, can be avoided that pressure drops in the pressure channel, which are due to a reduction in feed pressure on the part of the compressed air supply or to temperature fluctuations, are no longer incorrectly interpreted as break detections in the grinding piece. This reduces the number of false error messages.
  • the evaluation device is designed to cyclically calculate an actual rate of change of the actual test pressure from successive measurements of the actual test pressure, and one from successive calculations of the target test pressure To calculate the target rate of change of the calculated target test pressure, to determine a change rate deviation of the actual rate of change from the target rate of change, and to generate an error message if a second threshold value is exceeded by the determined rate of change deviation.
  • the respective rate of change indicates how quickly the target test pressure or the actual test pressure changes, which mathematically corresponds to the first derivative of the test pressure with respect to time.
  • the evaluation device is designed to calculate the supply air mass flow from the measured actual feed pressure, the measured actual test pressure and a flow coefficient of the throttle, and to calculate the exhaust air mass flow from the measured actual test pressure, an ambient air pressure and a flow coefficient of the leak.
  • determination equations for the mass flow with different approximation assumptions to simplify the equations are known, for example from https : / /de . wikipedia . org/wiki/Düsenströmung .
  • a concrete simplified form is, for example, given by the equations
  • PI inlet pressure upstream of the nozzle in bar
  • P2 counter pressure downstream of the nozzle in bar
  • KV flow coefficient in kg/h
  • pN density in kg/m 3
  • T temperature in K 297 K can be used for the temperature and 1.2 kg/m 3 for the density.
  • the flow coefficients K v for throttle and leak are determined empirically for a current collector model and are then unchangeable.
  • the actual feed pressure is used as the inlet pressure for the throttle and the actual test pressure is used as the counterpressure
  • the actual test pressure is used as the inlet pressure for the leak and the ambient air pressure is used as the counterpressure.
  • the current collector according to the invention further comprises a pneumatic lifting device for raising and lowering the at least one contact strip and a control device connected to the evaluation device for controlling the lifting device.
  • the evaluation device is designed to transmit a generated error message to the control device and, when an error message is transmitted, to trigger a lowering of the at least one contact strip and/or to generate a driver message.
  • the lifting device can have a pantograph-like frame that supports the contact strips and can be raised using an air bellows. The air bellows can be supplied with compressed air from the compressed air supply.
  • the lifting device is electrically controlled by means of the control device of the current collector in order to put it into or out of operation and to trigger a raising or lowering of the contact strips.
  • the control device can block the raising of the contact strips or lower the contact strips that are in contact with the contact wire in order to prevent defective pantographs with a cracked or broken contact piece from contacting the contact wire.
  • the evaluation device is designed to detect an exceedance of the first threshold value by the test pressure deviation and/or the second threshold value by to recognize the change rate deviation as a blockage in the pressure channel and to generate a corresponding error message.
  • Such blockages in the pressure channel can be caused by production or assembly errors and would prevent a correct determination of a test pressure deviation and/or a change rate deviation and thus an error detection "compressed air is escaping through a break or crack, for example in the grinding piece".
  • Such a blockage reduces the test volume in the pressure channel, which is why the measured actual test pressure increases faster than the calculated target test pressure. This applies even more to the rate of change of the test pressure.
  • the evaluation device can thus quickly issue an existing failure disclosure - for example when the feed pressure is increased to the nominal feed pressure - and use an error message to prompt the control device to prevent the grinding bars from being raised.
  • This can detect an error, such as a blockage in the pressure channel, which prevents the actual purpose, such as the detection of a crack in or breakage of the grinding piece, from being fulfilled.
  • the evaluation device is designed to recognize an exceedance of the first threshold value by the test pressure deviation and/or the second threshold value by the change rate deviation as a crack or break in the contact piece after the nominal feed pressure has been reached and to generate a corresponding error message. If a crack in a contact piece or a break in a contact piece occurs during operation of the vehicle, which can occur, for example, with a heavily worn contact piece with no remaining wear reserve, the Actual test pressure deviates from its nominal value more than the calculated target test pressure.
  • This drop is detected early on by the corresponding exceedance of the second threshold value by the change rate deviation, so that only a very short reaction time elapses between the occurrence of the error and the triggering of an intervention by the control device. This means that possible consequential damage that a defective contact piece can cause can be avoided or reduced by interrupting contact between the contact piece and the contact wire by lowering the pantograph.
  • the invention also relates to an electrically or hybrid-electrically powered vehicle, in particular a road vehicle, which is equipped with a current collector according to one of the claims described above.
  • FIG 1 a road vehicle with a pantograph according to the invention in front view
  • FIG 2 a time diagram of target and actual test pressure during the error-free ramp-up of the feed pressure to the nominal value
  • FIG 3 is a time diagram of the target and actual rate of change of the test pressure corresponding to FIG 2,
  • FIG. 5 shows a time diagram of the rate of change deviation corresponding to FIG. 4,
  • FIG 6 a time diagram of target and actual test pressure during the ramp-up of the feed pressure in the presence of a blockage in the pressure channel
  • FIG. 7 shows a time diagram of the target and I st rate of change corresponding to FIG. 6, and 8 shows a time diagram of the I st test pressure and the I st rate of change of the test pressure based on the nominal feed pressure when a crack suddenly occurs in a grinding piece.
  • a road vehicle 1 designed for example as a heavy commercial vehicle, with an electric or hybrid electric drive, uses an electrified lane of a roadway, for example a multi-lane motorway, over which there are two contact wires 2 of a two-pole overhead line system 3, designed as forward and return conductors.
  • the road vehicle 1 has a current collector 4, which has two contact strips 4 arranged one behind the other in the longitudinal direction of the vehicle for electrically contacting the respective contact wire 2 for each contact pole.
  • the current collector 4 comprises a pantograph-like support frame 5, for example with a lower arm and two upper arms, which are articulated to one another and to the vehicle.
  • Each upper arm carries a rocker 6 which can be rotated about a transverse axis of the vehicle and on which a pair of contact strips 7 are spring-mounted.
  • Each of the grinding strips 7 has an elongated grinding piece 9 made of graphite, which is carried by a grinding piece holder 8. At the lateral ends of the grinding strips, downwardly bent overrun horns are arranged.
  • the support frame 5 is coupled to a lifting device 10 designed as an air bellows for raising and lowering the grinding strips 7.
  • the lifting device 10 is fed with compressed air from a compressed air supply 11.
  • the current collector 4 comprises a control device 12 which electrically controls valves in order to connect the lifting device 10 to the compressed air supply 11 for raising the support frame 5 or to shut off the lifting device 10 from the compressed air supply 11 for gravity-driven lowering of the support frame 5.
  • the current collector 4 comprises a compressed air duct 13 connected to the compressed air supply 11.
  • the Compressed air channel 13 can be partially formed by separate compressed air lines that can be laid flexibly along the support frame 5, branch off and extend into each of the grinding strips 7. In the grinding strips 7, the compressed air channel 13 is at least partially delimited by the respective grinding piece 9.
  • the current collector 4 comprises a pneumatic throttle 14 arranged in the compressed air channel 13 between the compressed air supply 11 and the sliding piece 9.
  • a feed pressure sensor 15 is connected to the compressed air channel 13 for the cyclical measurement of an actual feed pressure SDist prevailing upstream of the throttle 14.
  • a test pressure sensor 16 is connected to the compressed air channel 13 for the cyclical measurement of an actual test pressure PDist prevailing in the test volume downstream of the throttle 14.
  • the evaluation device 17 is also designed to cyclically determine a test pressure deviation APD of the actual test pressure PDact from the target test pressure PDsoll, and to generate an error message El when a first threshold value S 1 is exceeded by the determined test pressure deviation APD.
  • cyclic should mean continuously at fixed time intervals, for example every 5 ms. The time intervals can also be given by a clock of the control device 12 of the current collector 4.
  • the evaluation device 17 includes known means for electronic data processing, such as computer units and data memories not shown in detail Calculation algorithms for calculating the target test pressure PDsoll in the test volume.
  • the difference between the supply air mass flow Qzu flowing in through the throttle 14 and the exhaust air mass flow Qab of the compressed air flowing out through the leak L is used as a value essential to the invention in the calculation of the target test pressure PDsoll.
  • the supply air mass flow Qzu is determined by the current actual feed pressure SDist upstream of the throttle 14, by a passage cross-section of the throttle 14 and by the actual test pressure PDist prevailing in the test volume.
  • the exhaust air mass flow Qab is determined by the actual test pressure PDist in the test volume, by the size of the leak L in the test volume and by the ambient pressure UD prevailing in the environment U.
  • the calculation of the mass flows Qzu and Qab of the compressed air is based on a flow model of the throttle 14 and the leak L, in which a distinction is made between subcritical and supercritical flow depending on the pressure conditions upstream and downstream of the throttle 14 or the leak L.
  • the evaluation device 17 is preferably designed to calculate the supply air mass flow Qzu from the measured actual feed pressure SDist, the measured actual test pressure PDist and a flow coefficient KV14 of the throttle 14 and the exhaust air mass flow Qab from the measured actual test pressure PDist, an ambient pressure DU and a flow coefficient KVL of the leak L.
  • Pl pre-pressure upstream of the nozzle in bar
  • P2 counter pressure downstream of the nozzle in bar
  • KV flow coefficient in kg/h
  • pN standard density in kg/m3
  • T temperature in K.
  • 297 K can be used for the temperature and 1.2 kg/m3 for the density.
  • the flow coefficients KV for throttle 14 and leak L are determined empirically for a model of the pantograph 4 and are then unchangeable.
  • the actual feed pressure SDist is used as the form PI and the actual test pressure PDist is used as the counterpressure P2
  • the actual test pressure PDist is used as the form PI and as the counterpressure P2 the ambient pressure UD.
  • the evaluation unit 17 From the size of the test pressure deviation APD, the evaluation unit 17 detects a crack or break in a grinding piece 9 with a gap width that is equivalent to a passage cross-section starting from, for example, 2 mm. Since the flow model continuously calculates the behavior of the target test pressure PDsoll in the test volume as a function of the measured actual feed pressure SDist upstream of the throttle 14, the specific test pressure deviation APD is insensitive to pressure fluctuations in the feed pressure SD. Such pressure fluctuations occur, for example, when additional consumers, such as the pneumatic lifting device 10, are connected to the compressed air supply 11.
  • the evaluation device 17 is also designed to cyclically calculate an I st rate of change PD 'is of the actual test pressure PDist from successive measurements of the actual test pressure PDist, and a target from successive calculations of the target test pressure PDsoll - Rate of change PD 'should be calculated from the calculated target test pressure PDset, a change rate deviation APD 'of the actual rate of change PD 'is to be determined from the target rate of change PD 'should be determined, and if a second threshold value S2 is exceeded by the determined rate of change deviation APD ' to generate an error message E2.
  • the respective rate of change indicates how quickly the target test pressure PDsoll or the actual test pressure PDist changes, which mathematically corresponds to the first derivative of the test pressure with respect to time.
  • the lifting device 10 is electrically controlled in order to put it into or out of operation and to raise or lower the grinding strips 7. If the evaluation device 17 transmits a generated error message El or E2 to the control device 12, this can block the lifting of the contact strips 7 or lower the contact wire 2 contacting contact strips 7 in order to prevent a defective current collector 4 from having a cracked or broken one Wearing piece 9 contacts the contact wire 2.
  • the evaluation device 17 is further designed to detect an exceedance of the first threshold value S 1 by the test pressure deviation APD and/or the second threshold value S2 by the rate of change deviation APD 'that occurs during the ramp-up of the feed pressure SD from an ambient pressure UD to a nominal feed pressure SDnenn To detect a blockage in the pressure channel 13 and generate a corresponding error message E3.
  • Such blockages in the pressure channel 13 can be caused by production or assembly errors and would prevent a correct determination of a test pressure deviation APD and / or a change rate deviation APD 'and thus an error detection "Compressed air escapes through a break or crack, for example in the grinding piece".
  • the evaluation device is designed in particular to detect an exceedance of the first threshold value S 1 by the test pressure deviation APD and/or the second threshold value S2 that occurs after the nominal feed pressure SDnenn has been reached through the change rate deviation APD ' as a crack or breakage of a grinding piece 9 and a corresponding error message El or. to generate E2. If a crack in a grinding piece 9 or a break in a grinding piece 9 occurs during operation of the vehicle 1, which can occur, for example, with a heavily ground grinding piece 9 without any remaining wear reserve, the actual test pressure PDist drops from its nominal value stronger than the calculated target test pressure PDsoll.
  • FIG 2 shows how the measured actual test pressure PDist and the calculated target test pressure PDsoll develop over time t when the feed pressure SD is increased by means of the compressed air supply 11 in the test volume downstream of the throttle 14.
  • FIG 4 shows the test pressure deviation APD between the actual test pressure PDist and the target test pressure PDsoll, which does not exceed a predetermined first threshold value Sl.
  • the measured actual change rate PD'ist of the actual test pressure PDist follows the calculated target change rate PD'soll of the target test pressure PDsoll just as well, whereby the actual change rate PD'ist scatters around the curve of the calculated target change rate PD'soll approximately every 5 ms due to the discrete measurements.
  • the change rate deviation APD' between the actual change rate PD'ist and the target change rate PD'soll does not exceed the predetermined second threshold value S2.
  • the situation is different in the case of a blockage in the pressure channel 13, in which, according to FIG 6, the actual test pressure PDist rises faster than the target test pressure PDsoll and at the time shown, the test pressure deviation APD exceeds the first threshold value Sl. If one looks at the corresponding course of the rate of change according to FIG 7, the rate of change deviation APD' between the actual rate of change PD'ist and the target rate of change PD'soll already exceeds the second threshold value S2 at an earlier time, which is also shown. A failure of the break detection caused by a blockage in the pressure channel 13 can therefore be revealed earlier by monitoring the second threshold value S2.
  • FIG. 8 shows, starting from regular operation, in which the nominal feed pressure SDnenn prevails in the test volume, how the actual test pressure PDist (upper curve in FIG. 8) and even faster the actual rate of change PD'act of the actual test pressure PDist drops when A leak occurs in the pressure channel 13, for example a break in a contact piece 9. Due to the faster drop in the rates of change PD'actual and PD'soll compared to the test pressures PDactual and PDsoll, the change rate deviation APD' will also exceed the second threshold value S2 earlier than the test pressure deviation APD will exceed the first threshold value Sl. By monitoring the second threshold value S2, the reaction time for a control intervention is shortened.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stromabnehmer (4) für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug zur Einspeisung von elektrischer Energie aus einer Oberleitungsanlage (3). Er umfasst eine Schleifleiste (7) zur elektrischen Kontaktierung eines Fahrdrahtes (2), welche ein von einem Schleifstückhalter (8) getragenes Schleifstück (9) aufweist. Ein Druckluftkanal (13) ist wenigstens teilweise vom Schleifstück (9) begrenzt und an eine Druckluftversorgung (11) angeschlossen. Erfindungsgemäß ist zwischen Druckluftversorgung (11) und Schleifstück (9) eine pneumatische Drossel (14) angeordnet. Zyklisch messen ein Prüfdrucksensor (16) einen stromab der Drossel (14) herrschenden Ist-Prüfdruck (PDist) und ein Speisedrucksensor (15) einen stromauf der Drossel (14) herrschenden Ist-Speisedruckes (SDist). Eine Auswertungseinrichtung (17) ist dazu ausgebildet, einen im einem Prüfvolumen stromab der Drossel (14) herrschenden Soll-Prüfdruck (PDsoll) in Abhängigkeit des gemessenen Ist-Speisedruckes (SDist) aus der Differenz eines durch die Drossel (14) einströmenden Zuluftmassenstromes (Qzu) und eines durch ein im Druckkanal (13) stromab der Drossel (14) vorhandenes Leck (L) in die Umgebung (U) ausströmenden Abluftmassenstromes (Qab) zyklisch zu berechnen. Sie bestimmt zyklisch eine Prüfdruckabweichung (ΔPD) des Ist-Prüfdruckes (PDist) vom Soll-Prüfdruck (PDsoll) und erzeugt bei Überschreitung eines ersten Schwellwertes (S1) durch die bestimmte Prüfdruckabweichung (ΔPD) eine Fehlermel- dung (E1). Hierdurch werden bei der Bruchüberwachung weniger falsche Fehlermeldungen erzeugt.

Description

Beschreibung
Stromabnehmer mit Bruchüberwachung
Die Erfindung betri f ft einen Stromabnehmer nach dem Oberbegri f f des Patentanspruches 1 .
Ein derartiger Stromabnehmer ist für ein elektrisch oder hybridelektrisch angetriebenes Fahrzeug zur Einspeisung von elektrischer Energie aus einer wenigstens einen Fahrdraht aufweisenden Oberleitungsanlage ausgebildet und vorgesehen . Er umfasst mindestens eine Schlei f leiste zur elektrischen Kontaktierung des wenigstens einen Fahrdrahtes , welche ein von einem Schlei fstückhalter getragenes Schlei fstück aufweist . Ferner umfasst der Stromabnehmer einen wenigstens teilweise vom Schlei fstück begrenzten Druckluf tkanal und eine an den Druckluf tkanal angeschlossene Druckluftversorgung zur Einspeisung von Druckluft . Außerdem umfasst er einen Prüfdrucksensor zur Messung eines im Druckluf tkanal herrschenden Ist-Prüfdruckes .
Ein solcher Stromabnehmer ist bekannt aus der Of fenlegungsschri ft DE 39 14 675 Al , welche ein Schlei fstück mit einer Bruchdetektoreinrichtung of fenbart . Zu diesem Zweck weist die Schlei f leiste einen gasdichten Kanal auf , der an eine Einrichtung zum Erzeugen eines erhöhten Luft- oder Gasdruckes in dem Kanal und an einen einen Druckabfall signalisierenden Detektor angeschlossen ist . Bei einem Bruch oder bei übermäßiger Abnutzung der Schlei f leiste wird der Kanal undicht , und durch den Druckabfall wird der Bruch oder der Verschleiß angezeigt . In diese Bruchüberwachung sind auch die erfindungsgemäß vorgesehenen Auflagen auf den Auf laufhörnern einbezogen . Auch diese haben einen entsprechenden Kanal , der über ein eingesetztes Schlauchstück mit dem Kanal der Kohlenleiste verbunden ist . Der Anschluss an die Gas zufuhr und die Überwa- chungseinrichtung kann über einen Anschlussnippel im Bereich eines der Auf laufhörner erfolgen . Die Auflagen der Auflauf- hörner können aber auch einstückig mit der Schlei f leiste hergestellt sein .
Aus der Veröf fentlichung EP 3 147 152 Al ist ein nicht schienengebundenes , elektrisch oder hybridelektrisch getriebenes Fahrzeug mit einem Stromabnehmer zur Einspeisung von elektrischer Traktionsenergie aus einer Oberleitungsanlage bekannt . Der Stromabnehmer weist eine anheb- und absenkbare Schlei fleistenanordnung auf , die mit einem über einem Fahrstrei fen verlaufenden Fahrdraht der Oberleitungsanlage in Schlei fkontakt bringbar ist . Die Schlei fleistenanordnung weist seitlich abstehende I solationshörner mit einer Sollbruchstelle auf . Die Schlei fleistenanordnung weist ferner eine Detektionseinrichtung auf , die dazu ausgebildet ist , ein Abbrechen eines Isolationshorns zu detektieren und eine automatische Absenkung der Schlei fleistenanordnung aus zulösen . Dazu kann der Luftkanal der automatischen Notabsenkung bis zur Sollbruchstelle mit der Notabsenkung verbunden sein und damit über das Sicherheitsrelais die Notabsenkung eingeleitet werden .
Die bekannten Überwachungseinrichtungen beruhen auf einer Detektion eines Druckabfalls im Druckkanal als Indi z für eine größere Undichtigkeit im Form eines Bruches des Schlei fstückes oder in Form eines abgebrochenen Auf laufhornes . Die Uberwachungseinrichtung kann aber auch fälschlicherweise einen Abfall des Speisedruckes seitens der Druckluftzufuhr als Detektionsereignis werten .
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde , einen Stromabnehmer der eingangs genannten Art bereitzustellen, dessen Bruchüberwachung weniger falsche Fehlermeldungen erzeugt .
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen gattungsgemäßen Stromabnehmer mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmalen .
Der Stromabnehmer ist für ein elektrisch oder hybridelektrisch angetriebenes Fahrzeug, etwa für ein Straßenfahr- zeug oder ein Schienenfahrzeug, ausgebildet , beispielsweise als Bügelstromabnehmer . Er dient der Einspeisung von elektrischer Energie aus einer ein- oder zweipoligen Oberleitungsanlage , die für Schienenfahrzeuge einen Fahrdraht und für Straßenfahrzeuge zwei als Hin- und Rückleiter ausgebildete Fahrdrähte aufweist . Der Stromabnehmer umfasst j e Kontaktpol mindestens eine Schlei f leiste zur elektrischen Kontaktierung des j eweiligen Fahrdrahtes , kann aber auch j e Kontaktpol zwei in Fahrtrichtung hintereinander angeordnete Schlei f leisten umfassen . Jede Schlei f leiste weist ein von einem Schlei fstückhalter getragenes Schlei fstück auf , welches vorzugsweise aus Kohlenstof f gefertigt ist . Die eine oder mehreren Schlei fleisten eines Kontaktpols können auf j e einer Wippenanordnung lagern, welche von einem pantograf enartig auf stellbaren Traggestell getragen werden können . Der Stromabnehmer umfasst einen wenigstens teilweise vom Schlei fstück begrenzten Druckluftkanal , an den eine Druckluftversorgung zur Einspeisung von Druckluft angeschlossen ist . Von der Druckluftversorgung erstreckt sich der Druckluf tkanal in j ede der wenigstens einen Schlei f leiste und wird dort wenigstens teilweise vom j eweiligen Schlei f stück begrenzt . Der Stromabnehmer umfasst ferner einen Prüfdrucksensor zur Messung eines im Druckluftkanal herrschenden I st-Prüfdruckes .
Erfindungsgemäß umfasst der Stromabnehmer eine im Druckluftkanal zwischen Druckluftversorgung und Schlei fstück angeordnete pneumatische Drossel , wobei der Prüfdrucksensor zyklisch einen im Druckluf tkanal stromab der Drossel herrschenden I st- Prüfdruck misst . Er umfasst auch einen Speisedrucksensor zur zyklischen Messung eines im Druckluf tkanal stromauf der Drossel herrschenden I st-Speisedruckes . Des Weiteren umfasst der Stromabnehmer eine Auswertungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist , einen im Druckluf tkanal stromab der Drossel herrschenden Soll-Prüfdruck in Abhängigkeit des gemessenen I st- Speisedruckes aus der Di f ferenz eines durch die Drossel einströmenden Zuluftmassenstromes und eines durch ein im Druckkanal stromab der Drossel vorhandenes Leck in die Umgebung ausströmenden Abluftmassenstromes zyklisch zu berechnen . Die Auswertungseinrichtung ist ferner dazu ausgebildet , eine Prüfdruckabweichung des I st-Prüfdruckes vom Soll-Prüfdruck zyklisch zu bestimmen, und bei Überschreitung eines ersten Schwellwertes durch die bestimmte Prüfdruckabweichung eine Fehlermeldung zu erzeugen .
Zyklisch soll in diesem Zusammenhang fortwährend in diskreten, festgelegten Zeitabständen, beispielsweise alle 5 ms bedeuten . Die Zeitabstände können auch durch einen Takt einer Steuereinrichtung des Stromabnehmers gegeben sein, welche die Druckluftversorgung und eine Hubeinrichtung zum Anheben und Absenken der mindestens einen Schlei f leiste ansteuert .
Die Auswertungseinrichtung umfasst an sich bekannte Mittel zur elektronischen Datenverarbeitung, wie Rechnereinheit und Datenspeicher mit hinterlegten Rechenalgorithmen zur Berechnung des Soll-Prüfdruckes im Prüfvolumen, also dem stromab der Drossel liegenden Volumen des Druckluf tkanals .
In die Berechnung des Soll-Prüfdruckes geht als erfindungswesentliche Größe die Di f ferenz zwischen dem durch die Drossel einströmenden Zuluftmassenstromes und dem durch ein Leck ausströmenden Abluftmassenstromes der Druckluft ein . Der Zuluftmassenstrom ist durch den aktuell anliegenden I st-Speisedruck stromauf der Drossel , durch einen Durchlassquerschnitt der Drossel und durch den im Prüfvolumen herrschenden I st- Prüfdruck bestimmt . Der Abluftmassenstrom ist durch den I st- Prüfdruck im Prüfvolumen, durch die Größe des Lecks im Prüfvolumen und durch den in der Umgebung herrschenden Umgebungsluftdruck bestimmt .
Für die Berechnung der Massenströme der Druckluft wird ein Strömungsmodell der Drossel und des Lecks zugrunde gelegt , in dem in Abhängigkeit der Druckverhältnisse stromauf und stromab der Drossel bzw . des Lecks nach unterkritischer und überkritischer Strömung unterschieden wird . Auch bei intaktem Schlei fstück kann ein Leck von geringer Größe aufgrund von Undichtigkeit einer praktischen Realisierung des Druckluftka- nals angenommen werden . Die Auswertungseinheit erkennt aus der Größe der Prüfdruckabweichung einen Riss oder Bruch des Schlei f stücks mit einer Spaltbreite , die äquivalent zu einem Durchlassquerschnitt ab beispielsweise 2 mm ist . Da das Strömungsmodell das Verhalten des Soll-Prüfdruckes im Prüfvolumen fortwährend in Abhängigkeit des gemessenen I st-Speisedruckes stromauf der Drossel berechnet , ist die bestimmte Prüfdruckabweichung unempfindlich gegen Druckschwankungen des Speisedruckes . Solche Druckschwankungen kommen beispielsweise vor, wenn an die Druckluftversorgung weitere Verbraucher, etwa eine pneumatische Hubeinrichtung des Stromabnehmers , angeschlossen sind . Durch Berücksichtigung des I st-Speisedruckes kann vermieden werden, dass Druckabfälle im Druckkanal , die auf eine Speisedruckabsenkung seitens der Druckluftversorgung oder auf Temperaturschwankungen zurückzuführen sind, nicht mehr fälschlicherweise als Brucherkennungen im Schlei fstück interpretiert werden . Dies verringert die Anzahl an falschen Fehlermeldungen .
In einer vorteilhaften Aus führungs form des erfindungsgemäßen Stromabnehmers ist die Auswertungseinrichtung dazu ausgebildet , aus zeitlich aufeinanderfolgenden Messungen des I st- Prüfdruckes zyklisch eine I st-Änderungsrate des I st-Prüfdru- ckes zu berechnen, aus zeitlich aufeinander folgenden Berechnungen des Soll-Prüfdruckes eine Soll-Änderungsrate des berechneten Soll-Prüfdruckes zu berechnen, eine Änderungsraten- abweichung der I st-Änderungsrate von der Soll-Änderungsrate zu bestimmen, und bei Überschreitung eines zweiten Schwellwertes durch die bestimmte Änderungsratenabweichung eine Fehlermeldung zu erzeugen . Die j eweilige Änderungsrate gibt an, wie schnell sich der Soll-Prüfdruck bzw . der I st-Prüfdruck ändert , was mathematisch der ersten Ableitung des Prüfdruckes nach der Zeit entspricht . Durch Überwachung der Änderungsratenabweichung hinsichtlich einer Überschreitung des zweiten Schwellwertes wird ein kritisches Verhalten des Prüfdruckes im Prüfvolumen wesentlich früher erkannt , als mit bekannten Lösungen, die lediglich den statischen Druck im Druckkanal mit einem festen Sollwert vergleichen . Mit der beschriebenen Aus führungs form können Reaktions zeiten im Bereich von 10 ms bis 40 ms erreicht werden . Dies kann entscheidend sein, wenn aufgrund der erzeugten Fehlermeldung eine Steuereinrichtung des Stromabnehmers schnell reagieren muss , um den Kontakt zwischen Schlei fstück und Fahrdraht der Oberleitungsanlage zu lösen .
In einer weiteren vorteilhaften Aus führungs form des erfindungsgemäßen Stromabnehmers ist die Auswertungseinrichtung dazu ausgebildet , den Zuluftmassenstrom aus dem gemessenen Ist-Speisedruck, dem gemessenen I st-Prüfdruck und einem Durchflusskoef fi zienten der Drossel zu berechnen, und den Abluftmassenstrom aus dem gemessenen I st-Prüfdruck, einem Umgebungsluftdruck und einem Durchflusskoef fi zienten des Lecks zu berechnen . Das in der Auswertungseinrichtung hinterlegte Strömungsmodell beruht auf dem Massenstrom Q = dm/dt der Druckluft durch eine Düse , der bestimmt wird durch den j eweiligen stromauf seif igen Vordruck, dem stromabseitigen Gegendruck und dem engsten Querschnitt der Düse . Hierfür sind Bestimmungsgleichungen für den Massenstrom mit unterschiedlichen Näherungsannahmen zur Vereinfachung der Gleichungen bekannt , etwa aus https : / /de . wikipedia . org/wiki/Düsenströmung . Eine konkrete vereinfachte Form ist beispielsweise durch die Gleichungen
Q = 257 • KV • PI • [ pN • T ] -1/ 2 , für P2 < 1 /2 - P1 gegeben, worin bedeuten :
Q : Massenstrom in kg/h,
PI : Vordruck stromauf der Düse in bar, P2 : Gegendruck stromab der Düse in bar, KV : Durchflusskoef fi zient in kg/h, pN : Dichte in kg/m3, und T : Temperatur in K Für die Temperatur kann 297 K, für die Dichte 1 , 2 kg/m3 eingesetzt werden . Die Durchflusskoef fi zienten Kv für Drossel und Leck werden empirisch für ein Baumuster des Stromabnehmers bestimmt und sind dann unveränderlich . Für die Drossel wird als Vordruck der I st-Speisedruck und als Gegendruck der Ist-Prüfdruck eingesetzt und für das Leck als Vordruck der Ist-Prüfdruck und als Gegendruck der Umgebungsluftdruck .
In einer weiteren vorteilhaften Aus führungs form umfasst der erfindungsgemäße Stromabnehmer ferner eine pneumatische Hubeinrichtung zum Anheben und Absenken der mindestens einen Schlei f leiste und eine mit der Auswertungseinrichtung verbundene Steuereinrichtung zum Ansteuern der Hubeinrichtung . Dabei ist die Auswertungseinrichtung dazu ausgebildet , eine erzeugte Fehlermeldung an die Steuereinrichtung zu übermitteln, und bei Übermittlung einer Fehlermeldung ein Absenken der mindestens einen Schlei f leiste aus zulösen und/oder einen Fahrerhinweis zu erzeugen . Die Hubeinrichtung kann ein die Schlei f leisten tragendes , pantograf enartig Gestell aufweisen, welches durch einen Luftbalg auf stellbar ist . Der Luftbalg kann von der Druckluftversorgung mit Druckluft versorgt werden . Mittels der Steuereinrichtung des Stromabnehmers wird die Hubeinrichtung elektrisch angesteuert , um sie in oder außer Betrieb zu nehmen und um ein Anheben oder Absenken der Schlei f leisten aus zulösen . Übermittelt die Auswertungseinrichtung eine erzeugte Fehlermeldung an die Steuereinrichtung, kann diese ein Anheben der Schlei f leisten blockieren oder aber den Fahrdraht kontaktierende Schlei f leisten absenken, um zu verhindern, dass defekte Stromabnehmer mit einem rissigen oder gebrochenen Schlei fstück den Fahrdraht kontaktieren .
In einer weiteren vorteilhaften Aus führungs form des erfindungsgemäßen Stromabnehmers ist die Auswertungseinrichtung dazu ausgebildet , eine während des Hochfahrens des Speisedruckes von einem Umgebungsdruck auf einen Nenn-Speisedruck auftretende Überschreitung des ersten Schwellwertes durch die Prüfdruckabweichung und/oder des zweiten Schwellwertes durch die Änderungsratenabweichung als Blockade im Druckkanal zu erkennen und eine entsprechende Fehlermeldung zu erzeugen . Derartige Blockierungen im Druckkanal können durch Produkti- ons- oder Montagefehler verursacht sein und würden eine korrekte Bestimmung einer Prüfdruckabweichung und/oder einer Änderungsratenabweichung und somit eine Fehlererkennung „Druckluft entweicht durch einen Bruch oder Riss , etwa im Schlei fstück" verhindern . Eine solche Blockierung vermindert das Prüfvolumen im Druckkanal , weshalb der gemessene I st- Prüfdruck schneller steigt als der berechnete Soll-Prüfdruck . Umso mehr gilt dies für die Änderungsrate des Prüfdruckes . So kann die Auswertungseinrichtung - etwa beim Hochfahren des Speisedruckes auf Nenn-Speisedruck - schnell eine vorliegende Aus fallof fenbarung ausgeben und mittels einer Fehlermeldung die Steuereinrichtung dazu veranlassen, ein Anheben der Schlei f leisten zu vermeiden . Damit kann ein Fehler, etwa eine Blockierung im Druckkanal , entdeckt werden, der verhindert , dass der eigentliche Zweck, etwa die Erkennung eines Risses in oder Bruches des Schlei f Stückes , erfüllt werden kann .
Durch eine Nichtentdeckung des Fehlers entstehen Sicherheitsrisiken, etwa Beschädigungen an Fahrzeug und/oder Oberleitungsanlage durch Kontaktierung eines Fahrdrahtes mit einem schadhaften Schlei f stück, die erfindungsgemäß anderweitig zu kompensieren sind, etwa durch ein automatisches Unterbinden einer Anhebung der Schlei f leisten oder durch Ausgabe eines entsprechenden Warnhinweises an den Fahrzeugführer .
In einer weiteren vorteilhaften Aus führungs form des erfindungsgemäßen Stromabnehmers ist die Auswertungseinrichtung dazu ausgebildet , eine nach Erreichen des Nenn-Speisedruckes auftretende Überschreitung des ersten Schwellwertes durch die Prüfdruckabweichung und/oder des zweiten Schwellwertes durch die Änderungsratenabweichung als Riss oder Bruch des Schlei fstückes zu erkennen und eine entsprechende Fehlermeldung zu erzeugen . Tritt im Betrieb des Fahrzeuges ein Riss in einem Schlei fstück oder ein Bruch eines Schlei f Stückes auf , was beispielsweise bei einem stark abgeschli f fenen Schlei fstück ohne verbleibende Verschleißreserve auftreten kann, sinkt der Ist-Prüfdruck von seinem Nennwert stärker ab als der berechnete Soll-Prüfdruck . Dieses Absinken wird bereits frühzeitig erkannt durch die entsprechende Überschreitung des zweiten Schwellwertes durch die Änderungsratenabweichung, so dass vom Auftreten des Fehlers bis zur Auslösung eines Eingri f fes durch die Steuereinrichtung nur eine sehr geringe Reaktionszeit verstreicht . Dadurch können mögliche Folgeschäden, die ein defektes Schlei fstück nach sich ziehen kann, vermieden oder vermindert werden, indem ein Kontakt des Schlei f Stückes zum Fahrdraht durch Absenken des Stromabnehmers unterbrochen wird .
Die Erfindung betri f ft auch ein elektrisch oder hybridelektrisch angetriebenes Fahrzeug, insbesondere Straßenfahrzeug, welches mit einem Stromabnehmer nach einem der vorangehend beschriebenen Ansprüche ausgerüstet ist .
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines Aus führungsbeispiels anhand der Zeichnungen, in deren
FIG 1 ein Straßenfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Stromabnehmer in Frontansicht ,
FIG 2 ein Zeitdiagramm von Soll- und I st-Prüfdruck während des fehlerfreien Hochfahrens des Speisedruckes auf Nennwert ,
FIG 3 ein Zeitdiagramm der FIG 2 entsprechenden Soll- und I st-Änderungsrate des Prüfdruckes ,
FIG 4 ein Zeitdiagramm der FIG 2 entsprechenden Prüf- druckabwei chung,
FIG 5 ein Zeitdiagramm der FIG 4 entsprechenden Ände- rungsratenabweichung,
FIG 6 ein Zeitdiagramm von Soll- und I st-Prüfdruck während des Hochfahrens des Speisedruckes bei Vorliegen einer Blockierung im Druckkanal ,
FIG 7 ein Zeitdiagramm der FIG 6 entsprechenden Soll- und I st-Änderungsrate , und FIG 8 ein Zeitdiagramm des I st-Prüfdruckes und der I st- Änderungsrate des Prüfdruckes ausgehend vom Nenn- Speisedruck bei plötzlichem Auftreten eines Risses in einem Schlei fstück schematisch veranschaulicht sind .
Gemäß FIG 1 benutzt ein beispielsweise als schweres Nutz fahrzeug ausgebildetes , elektrisch oder hybridelektrisch angetriebenes Straßenfahrzeug 1 einen elektri fi zierten Fahrstreifen einer Fahrbahn, etwa einer mehrstrei figen Autobahn, über dem zwei , als Hin- und Rückleiter ausgebildete Fahrdrähte 2 einer zweipoligen Oberleitungsanlage 3 . Zur Einspeisung elektrischer Energie aus der Oberleitungsanlage 3 weist das Straßenfahrzeug 1 einen Stromabnehmer 4 auf , der j e Kontaktpol zwei in Fahrzeuglängsrichtung hintereinander angeordnete Schlei f leisten 4 zur elektrischen Kontaktierung des j eweiligen Fahrdrahtes 2 aufweist . Der Stromabnehmer 4 umfasst ein pantograf enartig auf stellbares Traggestell 5 , beispielsweise mit einem Unterarm und zwei Oberarmen, die gelenkig untereinander und mit dem Fahrzeug verbunden sind . Jeder Oberarm trägt eine um eine Fahrzeugquerachse drehbare Wippe 6 , auf welchen j e ein Paar der Schlei f leisten 7 federnd gelagert sind . Jede der Schlei f leisten 7 weist ein längliches , von einem Schlei fstückhalter 8 getragenes Schlei fstück 9 aus Graphit auf . An den seitlichen Enden der Schlei f leisten sind nach unten gebogene Auf laufhörner angeordnet . Das Traggestell 5 ist mit einer als Luftbalg ausgebildeten Hubeinrichtung 10 zum Anheben und Absenken der Schlei f leisten 7 gekoppelt . Die Hubeinrichtung 10 wird von einer Druckluftversorgung 11 mit Druckluft gespeist . Hierfür umfasst der Stromabnehmer 4 eine Steuereinrichtung 12 , die elektrisch Ventile ansteuert , um die Hubeinrichtung 10 zum Aufrichten des Traggestells 5 mit der Druckluftversorgung 11 zu verbinden oder um die Hubeinrichtung 10 zum schwerkraftgetriebenen Absenken des Traggestells 5 von der Druckluftversorgung 11 abzusperren . Der Stromabnehmer 4 umfasst einen an die Druckluftversorgung 11 angeschlossenen Druckluf tkanal 13 angeschlossen ist . Der Druckluf tkanal 13 kann teilweise durch separate , ggf . flexibel entlang des Traggestells 5 verlegbare Druckluftleitungen gebildet sein, sich verzweigen und in j eder der Schlei fleisten 7 erstrecken . In den Schlei f leisten 7 ist der Druckluftkanal 13 j eweils wenigstens teilweise durch das j eweilige Schlei fstück 9 begrenzt .
Weiter gemäß FIG 1 umfasst der Stromabnehmer 4 eine im Druckluftkanal 13 zwischen Druckluftversorgung 11 und Schlei fstück 9 angeordnete pneumatische Drossel 14 . Ein Speisedrucksensor 15 ist an den Druckluf tkanal 13 zur zyklischen Messung eines stromauf der Drossel 14 herrschenden I st-Speisedruckes SDist angeschlossen . Des Weiteren ist an den Druckluf tkanal 13 ein Prüfdrucksensor 16 zur zyklisch Messung eines im Prüfvolumen stromab der Drossel 14 herrschenden I st-Prüfdruckes PDist angeschlossen .
Der Stromabnehmer 4 umfasst gemäß FIG 1 ferner eine Auswertungseinrichtung 17 , die dazu ausgebildet ist , einen im Druckluf tkanal 13 stromab der Drossel 14 herrschenden Soll- Prüfdruck PDsoll in Abhängigkeit des gemessenen I st-Speise- druckes SDist aus der Di f ferenz eines durch die Drossel 14 einströmenden Zuluftmassenstromes Qzu und eines durch ein im Druckkanal 13 stromab der Drossel 14 vorhandenes Leck L in die Umgebung U ausströmenden Abluftmassenstromes Qab zyklisch zu berechnen . Die Auswertungseinrichtung 17 ist auch dazu ausgebildet , eine Prüfdruckabweichung APD des I st-Prüfdruckes PDist vom Soll-Prüfdruck PDsoll zyklisch zu bestimmen, und bei Überschreitung eines ersten Schwellwertes S 1 durch die bestimmte Prüfdruckabweichung APD eine Fehlermeldung El zu erzeugen . Zyklisch soll in diesem Zusammenhang laufend in festgelegten Zeitabständen, beispielsweise alle 5 ms bedeuten . Die Zeitabstände können auch durch einen Takt der Steuereinrichtung 12 des Stromabnehmers 4 gegeben sein . Die Auswertungseinrichtung 17 umfasst hierzu an sich bekannte Mittel zur elektronischen Datenverarbeitung, wie nicht näher dargestellte Rechnereinheiten und Datenspeicher mit hinterlegten Rechenalgorithmen zur Berechnung des Soll-Prüfdruckes PDsoll im Prüfvolumen.
In die Berechnung des Soll-Prüfdruckes PDsoll geht als erfindungswesentliche Größe die Differenz zwischen dem durch die Drossel 14 einströmenden Zuluftmassenstromes Qzu und dem durch das Leck L ausströmenden Abluftmassenstromes Qab der Druckluft ein. Der Zuluftmassenstrom Qzu ist durch den aktuell anliegenden Ist-Speisedruck SDist stromauf der Drossel 14, durch einen Durchlassquerschnitt der Drossel 14 und durch den im Prüfvolumen herrschenden Ist-Prüfdruck PDist bestimmt. Der Abluftmassenstrom Qab ist durch den Ist-Prüfdruck PDist im Prüfvolumen, durch die Größe des Lecks L im Prüfvolumen und durch den in der Umgebung U herrschenden Umgebungsdruck UD bestimmt. Für die Berechnung der Massenströme Qzu und Qab der Druckluft wird ein Strömungsmodell der Drossel 14 und des Lecks L zugrunde gelegt, in dem in Abhängigkeit der Druckverhältnisse stromauf und stromab der Drossel 14 bzw. des Lecks L nach unterkritischer und überkritischer Strömung unterschieden wird. Vorzugsweise ist die Auswertungseinrichtung 17 dazu ausgebildet, den Zuluftmassenstrom Qzu aus dem gemessenen Ist-Speisedruck SDist, dem gemessenen Ist-Prüfdruck PDist und einem Durchflusskoeffizienten KV14 der Drossel 14 und den Abluftmassenstrom Qab aus dem gemessenen Ist-Prüfdruck PDist, einem Umgebungsdruck DU und einem Durchflusskoeffizienten KVL des Lecks L zu berechnen. Das in der Auswertungseinrichtung 17 hinterlegte Strömungsmodell beruht auf der Näherungsgleichung für den Massenstrom Q = dm/dt der Druckluft durch eine Düse. Dieser ist durch den jeweiligen stromauf seifigen Vordruck, dem stromabseitigen Gegendruck und dem engsten Querschnitt der Düse in guter Näherung durch:
Q = 514-KV- [ (P1 - P2) • P2/pN- T] R2, für P2 > 1/2-P1
Q = 257 -KV- PI • [pN- T] “1/2 für P2 < 1/2 • PI
Darin bedeuten: Q : Massenstrom in kg/h,
Pl : Vordruck stromauf der Düse in bar, P2 : Gegendruck stromab der Düse in bar, KV : Durchflusskoef fi zient in kg/h, pN : Norm-Dichte in kg/m3 , und T : Temperatur in K .
Für die Temperatur kann 297 K, für die Dichte 1 , 2 kg/m3 eingesetzt werden . Die Durchflusskoef fi zienten KV für Drossel 14 und Leck L werden empirisch für ein Baumuster des Stromabnehmers 4 bestimmt und sind dann unveränderlich . Für den Zuluftmassenstrom Qzu durch die Drossel 14 wird als Vordruck PI der Ist-Speisedruck SDist und als Gegendruck P2 der I st-Prüfdruck PDist eingesetzt und für den Abluftmassenstrom Qab durch das Leck L als Vordruck PI der I st-Prüfdruck PDist und als Gegendruck P2 der Umgebungsdruck UD .
Auch bei intakten Schlei f stücken 9 kann ein Leck L von geringer Größe aufgrund von Undichtigkeit einer praktischen Realisierung des Druckluf tkanals 13 angenommen werden . Die Auswertungseinheit 17 erkennt aus der Größe der Prüfdruckabweichung APD einen Riss oder Bruch in einem Schlei fstück 9 mit einer Spaltbreite , die äquivalent zu einem Durchlassquerschnitt ab beispielsweise 2 mm ist . Da das Strömungsmodell das Verhalten des Soll-Prüfdruckes PDsoll im Prüfvolumen fortwährend in Abhängigkeit des gemessenen I st-Speisedruckes SDist stromauf der Drossel 14 berechnet , ist die bestimmte Prüfdruckabweichung APD unempfindlich gegen Druckschwankungen des Speisedruckes SD . Solche Druckschwankungen kommen beispielsweise vor, wenn an die Druckluftversorgung 11 weitere Verbraucher, etwa die pneumatische Hubeinrichtung 10 angeschlossen sind . Durch Berücksichtigung des I st-Speisedruckes SDist kann vermieden werden, dass Druckabfälle im Druckkanal 13 , die auf eine Speisedruckabsenkung seitens der Druckluftversorgung 11 oder auf Temperaturschwankungen zurückzuführen sind, nicht mehr fälschlicherweise als Brucherkennungen in einem Schlei fstück 9 interpretiert werden . Dies verringert die Anzahl an falschen Fehlermeldungen . Die Auswertungseinrichtung 17 ist ebenfalls dazu ausgebildet , aus zeitlich aufeinanderfolgenden Messungen des I st-Prüf- druckes PDist zyklisch eine I st-Änderungsrate PD ' ist des I st- Prüfdruckes PDist zu berechnen, aus zeitlich aufeinander folgenden Berechnungen des Soll-Prüfdruckes PDsoll eine Soll- Änderungsrate PD ' soll des berechneten Soll-Prüfdruckes PDsoll zu berechnen, eine Änderungsratenabweichung APD ' der I st- Änderungsrate PD ' ist von der Soll-Änderungsrate PD ' soll zu bestimmen, und bei Überschreitung eines zweiten Schwellwertes S2 durch die bestimmte Änderungsratenabweichung APD ' eine Fehlermeldung E2 zu erzeugen . Die j eweilige Änderungsrate gibt an, wie schnell sich der Soll-Prüfdruck PDsoll bzw . der Ist-Prüfdruck PDist ändert , was mathematisch der ersten Ableitung des Prüfdruckes nach der Zeit entspricht . Durch Überwachung der Änderungsratenabweichung APD ' hinsichtlich einer Überschreitung des zweiten Schwellwertes S2 wird ein kritisches Verhalten des I st-Prüfdruckes PDist im Prüfvolumen wesentlich früher erkannt , als mit bekannten Lösungen, die lediglich den statischen Druck im Druckkanal mit einem festen Sollwert vergleichen . Damit können Reaktions zeiten im Bereich von 10 ms bis 40 ms erreicht werden . Dies kann entscheidend sein, wenn aufgrund der erzeugten Fehlermeldung E2 die Steuereinrichtung 12 des Stromabnehmers 4 schnell reagieren muss , um den Kontakt zwischen Schlei fstück 9 und Fahrdraht 2 der Oberleitungsanlage 3 zu lösen .
Mittels der Steuereinrichtung 12 des Stromabnehmers 4 wird die Hubeinrichtung 10 elektrisch angesteuert , um sie in oder außer Betrieb zu nehmen und um ein Anheben oder Absenken der Schlei f leisten 7 aus zulösen . Übermittelt die Auswertungseinrichtung 17 eine erzeugte Fehlermeldung El oder E2 an die Steuereinrichtung 12 , kann diese ein Anheben der Schlei fleisten 7 blockieren oder aber den Fahrdraht 2 kontaktierende Schlei f leisten 7 absenken, um zu verhindern, dass ein defekter Stromabnehmer 4 mit einem rissigen oder gebrochenen Schlei f stück 9 den Fahrdraht 2 kontaktiert . Die Auswertungseinrichtung 17 ist des Weitern dazu ausgebildet , eine während des Hochfahrens des Speisedruckes SD von einem Umgebungsdruck UD auf einen Nenn-Speisedruck SDnenn auftretende Überschreitung des ersten Schwellwertes S 1 durch die Prüfdruckabweichung APD und/oder des zweiten Schwellwertes S2 durch die Änderungsratenabweichung APD ' als Blockade im Druckkanal 13 zu erkennen und eine entsprechende Fehlermeldung E3 zu erzeugen . Derartige Blockierungen im Druckkanal 13 können durch Produktions- oder Montagefehler verursacht sein und würden eine korrekte Bestimmung einer Prüfdruckabweichung APD und/oder einer Änderungsratenabweichung APD ' und somit eine Fehlererkennung „Druckluft entweicht durch einen Bruch oder Riss , etwa im Schlei f stück" verhindern . Eine solche Blockierung vermindert das Prüfvolumen im Druckkanal 13 , weshalb der gemessene I st-Prüfdruck PDist schneller steigt als der berechnete Soll-Prüfdruck PDsoll . Umso mehr gilt dies für die Änderungsrate PD ' des Prüfdruckes PD . So kann die Auswertungseinrichtung 17 - etwa beim Hochfahren des Speisedruckes SD auf Nenn-Speisedruck SDnenn - schnell eine vorliegende Aus fallof fenbarung ausgeben und mittels einer Fehlermeldung E3 die Steuereinrichtung 12 dazu veranlassen, ein Anheben der Schlei f leisten 7 zu vermeiden . Damit kann ein Fehler, etwa eine Blockierung im Druckkanal 14 , entdeckt werden, der verhindert , dass der eigentliche Zweck, etwa die Erkennung eines Risses in oder Bruches eines Schlei f Stückes 9 , erfüllt werden kann . Durch eine Nichtentdeckung des Fehlers entstehen Sicherheitsrisiken, etwa Beschädigungen an Fahrzeug 1 und/oder Oberleitungsanlage 3 durch Kontaktierung eines Fahrdrahtes 2 mit einem schadhaften Schlei fstück 9 , die erfindungsgemäß anderweitig zu kompensieren sind, etwa durch ein automatisches Unterbinden einer Anhebung der Schlei fleisten 7 oder durch Ausgabe eines entsprechenden Warnhinweises W an den Fahrzeugführer .
Die Auswertungseinrichtung ist insbesondere dazu ausgebildet , eine nach Erreichen des Nenn-Speisedruckes SDnenn auftretende Überschreitung des ersten Schwellwertes S 1 durch die Prüfdruckabweichung APD und/oder des zweiten Schwellwertes S2 durch die Änderungsratenabweichung APD ' als Riss oder Bruch eines Schlei f Stückes 9 zu erkennen und eine entsprechende Fehlermeldung El bzw . E2 zu erzeugen . Tritt im Betrieb des Fahrzeuges 1 ein Riss in einem Schlei fstück 9 oder ein Bruch eines Schlei f Stückes 9 auf , was beispielsweise bei einem stark abgeschli f fenen Schlei fstück 9 ohne verbleibende Verschleißreserve auftreten kann, sinkt der I st-Prüfdruck PDist von seinem Nennwert stärker ab als der berechnete Soll- Prüfdruck PDsoll . Dieses Absinken wird bereits frühzeitig erkannt durch die entsprechende Überschreitung des zweiten Schwellwertes S2 durch die Änderungsratenabweichung APD ' , so dass vom Auftreten des Fehlers bis zur Auslösung eines Eingri f fes durch die Steuereinrichtung 12 nur eine sehr geringe Reaktions zeit verstreicht . Dadurch können mögliche Folgeschäden, die ein defektes Schlei fstück 9 nach sich ziehen kann, vermieden oder vermindert werden, indem ein Kontakt des Schlei f Stückes 9 zum Fahrdraht 2 durch Absenken des Stromabnehmers 4 unterbrochen wird .
In den nachfolgend beschriebenen FIG 2 bis FIG 8 wird die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Auswertungseinrichtung 17 anhand von Zeitdiagrammen zyklisch auf genommener Messwerte und zyklisch berechneter Vergleichsgrößen erläutert .
FIG 2 zeigt , wie sich beim Hochfahren des Speisedruckes SD mittels der Druckluftversorgung 11 im Prüfvolumen stromab der Drossel 14 der gemessene I st-Prüfdruck PDist und der berechnete Soll-Prüfdruck PDsoll in Laufe der Zeit t entwickelt . Der gemessene I st-Prüfdruck PDist liegt zunächst auf dem Niveau des Umgebungsdruckes UD und steigt ab dem Systemstart etwa bei t = 16 , 7 s an bis im Prüfvolumen etwa bei t = 19 , 0 s der Nenn-Speisedruck SDnenn erreicht ist . Auf diesem Niveau wird der Druck im Prüfvolumen während des Betriebs des Stromabnehmers 4 gehalten, der allerdings wie etwa um t = 20 , 4 s leicht schwanken kann . FIG 2 zeigt , dass bei blockadefreiem Druckkanal 13 der gemessene I st-Prüfdruck PDist dem berechneten Soll-Prüfdruck PDsoll fast identisch folgt - und zwar auch beim Anstieg um t = 20 , 4 s , der durch eine Schwankung des Ist-Speisedruckes SDist bedingt ist. Dies zeigt auch FIG 4, in der die Prüfdruckabweichung APD zwischen Ist-Prüfdruck PDist und Soll-Prüfdruck PDsoll dargestellt ist, die einen vorgegebenen ersten Schwellwert Sl nicht überschreitet. Ebenso gut folgt gemäß FIG 3 die gemessene Ist-Änderungsrate PD'ist des Ist-Prüfdruckes PDist der berechneten Soll- Änderungsrate PD'soll des Soll-Prüfdruckes PDsoll, wobei die Ist-Änderungsrate PD'ist aufgrund der diskreten Messungen etwa alle 5 ms um die Kurve der berechneten Soll-Änderungsrate PD'soll streut. Trotzdem überschreitet gemäß FIG 5 bei blockadefreiem Druckkanal 13 die Änderungsratenabweichung APD' zwischen Ist-Änderungsrate PD'ist und Soll-Änderungsrate PD'soll nicht den vorgegebenen zweiten Schwellwert S2. Anders liegt der Fall bei einer Blockierung im Druckkanal 13, bei der gemäß FIG 6 der Ist-Prüfdruck PDist schneller ansteigt als der Soll-Prüfdruck PDsoll und zum eingezeichneten Zeitpunkt die Prüfdruckabweichung APD den ersten Schwellwert Sl überschreitet. Betrachtet man den entsprechenden Verlauf der Änderungsrate gemäß FIG 7, so überschreitet die Änderungsratenabweichung APD' zwischen Ist-Änderungsrate PD'ist und Soll-Änderungsrate PD'soll schon zu einem früheren, ebenfalls eingezeichneten Zeitpunkt den zweiten Schwellwert S2. Ein durch eine Blockierung im Druckkanal 13 bedingter Ausfall der Brucherkennung kann durch Überwachung des zweiten Schwellwertes S2 damit früher offenbart werden.
FIG 8 zeigt ausgehend vom regulären Betrieb, bei dem im Prüfvolumen der Nenn-Speisedruck SDnenn herrscht, wie der Ist- Prüfdruck PDist (obere Kurve in FIG 8) und noch schneller die Ist-Änderungsrate PD'ist des Ist-Prüfdruckes PDist abfällt, wenn im Druckkanal 13 eine Undichtigkeit, beispielsweise ein Bruch in einem Schleif stück 9, auftritt. Durch den schnelleren Abfall der Änderungsraten PD'ist und PD'soll gegenüber den Prüfdrücken PDist und PDsoll wird die Änderungsratenab- weichung APD' den zweiten Schwellwert S2 auch früher überschreiten als die Prüfdruckabweichung APD den ersten Schwellwert Sl. Durch Überwachung des zweiten Schwellwertes S2 verkürzt sich damit die Reaktionszeit für einen Steuereingriff.

Claims

Patentansprüche
1. Stromabnehmer (4) für ein elektrisch oder hybridelektrisch angetriebenes Fahrzeug, insbesondere Straßenfahrzeug (1) , zur Einspeisung von elektrischer Energie aus einer wenigstens einen Fahrdraht (2) aufweisenden Oberleitungsanlage (3) , umfassend
- mindestens eine Schleif leiste (7) zur elektrischen Kontaktierung des wenigstens einen Fahrdrahtes (2) , welche ein von einem Schleifstückhalter (8) getragenes Schleifstück (9) aufweist,
- einen wenigstens teilweise vom Schleifstück (9) begrenzten Druckluf tkanal (13) ,
- eine an den Druckluf tkanal (13) angeschlossene Druckluftversorgung (11) zur Einspeisung von Druckluft, und
- einen Prüfdrucksensor (16) zur Messung eines im Druckluftkanal (13) herrschenden Ist-Prüfdruckes (PDist) , g e k e n n z e i c h n e t d u r c h
- eine im Druckluf tkanal (13) zwischen Druckluftversorgung (11) und Schleifstück (9) angeordnete pneumatische Drossel (14) , wobei der Prüfdrucksensor (16) zyklisch einen im Druckluftkanal (13) stromab der Drossel (14) herrschenden Ist- Prüfdruck (PDist) misst,
- einen Speisedrucksensor (15) zur zyklischen Messung eines im Druckluf tkanal (13) stromauf der Drossel (14) herrschenden Ist-Speisedruckes (SDist) , und
- eine Auswertungseinrichtung (17) , die dazu ausgebildet ist,
- einen im Druckluf tkanal (13) stromab der Drossel (14) herrschenden Soll-Prüfdruck (PDsoll) in Abhängigkeit des gemessenen Ist-Speisedruckes (SDist) aus der Differenz eines durch die Drossel (14) einströmenden Zuluftmassenstromes (Qzu) und eines durch ein im Druckkanal (13) stromab der Drossel (14) vorhandenes Leck (L) in die Umgebung (U) ausströmenden Abluftmassenstromes (Qab) zyklisch zu berechnen,
- eine Prüfdruckabweichung (APD) des Ist-Prüfdruckes (PDist) vom Soll-Prüfdruck (PDsoll) zyklisch zu bestimmen, und - bei Überschreitung eines ersten Schwellwertes (Sl) durch die bestimmte Prüfdruckabweichung (APD) eine Fehlermeldung (El) zu erzeugen.
2. Stromabnehmer (4) nach Anspruch 1, wobei die Auswertungseinrichtung (17) dazu ausgebildet ist,
- aus zeitlich aufeinanderfolgenden Messungen des Ist- Prüfdruckes (PDist) zyklisch eine Ist-Änderungsrate (PD'ist) des Ist-Prüfdruckes (PDist) zu berechnen,
- aus zeitlich aufeinander folgenden Berechnungen des Soll- Prüfdruckes (PDsoll) eine Soll-Änderungsrate (PD'soll) des berechneten Soll-Prüfdruckes (PDsoll) zu berechnen,
- eine Änderungsratenabweichung (APD') der Ist-Änderungsrate (PD'ist) von der Soll-Änderungsrate (PD'soll) zu bestimmen, und
- bei Überschreitung eines zweiten Schwellwertes (S2) durch die bestimmte Änderungsratenabweichung (APD') eine Fehlermeldung (E2) zu erzeugen.
3. Stromabnehmer (4) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Auswertungseinrichtung () dazu ausgebildet ist,
- den Zuluftmassenstrom (Qzu) aus dem gemessenen Ist- Speisedruck (SDist) , dem gemessenen Ist-Prüfdruck (PDist) und einem Durchflusskoeffizienten (KV14) der Drossel (14) zu berechnen, und
- den Abluftmassenstrom (Qab) aus dem gemessenen Ist-Prüf- druck (PDist) , einem Umgebungsdruck (UD) und einem Durchflusskoeffizienten (KVL) des Lecks (L) zu berechnen.
4. Stromabnehmer (4) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend
- eine pneumatische Hubeinrichtung (10) zum Anheben und Absenken der mindestens einen Schleif leiste (7) und
- eine mit der Auswertungseinrichtung (17) verbundene Steuereinrichtung (12) zum Ansteuern der Hubeinrichtung (10) ,
- wobei die Auswertungseinrichtung (17) dazu ausgebildet ist, eine erzeugte Fehlermeldung (El, E2) an die Steuereinrichtung (12) zu übermitteln, und - wobei die Steuereinrichtung (12) dazu ausgebildet ist, bei Übermittlung einer Fehlermeldung (El, E2) ein Absenken der mindestens einen Schleif leiste (7) auszulösen und/oder einen Fahrerhinweis (W) zu erzeugen.
5. Stromabnehmer (4) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Auswertungseinrichtung (17) dazu ausgebildet ist, eine während des Hochfahrens des Speisedruckes (SDist) von einem Umgebungsdruck (UD) auf einen Nenn-Speisedruck (SDnenn) auftretende Überschreitung des ersten Schwellwertes (Sl) durch die Prüfdruckabweichung (APD) und/oder des zweiten Schwellwertes (S2) durch die Änderungsratenabweichung (APD') als Blockade im Druckkanal (13) zu erkennen und eine entsprechende Fehlermeldung (E3) zu erzeugen.
6. Stromabnehmer (4) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Auswertungseinrichtung (17) dazu ausgebildet ist, eine nach Erreichen des Nenn-Speisedruckes (SDnenn) auftretende Überschreitung des ersten Schwellwertes (Sl) durch die Prüfdruckabweichung (APD) und/oder des zweiten Schwellwertes (S2) durch die Änderungsratenabweichung (APD') als Riss oder Bruch des Schleif Stückes (9) zu erkennen und eine entsprechende Fehlermeldung (El, E2) zu erzeugen.
7. Elektrisch oder hybridelektrisch angetriebenes Fahrzeug, insbesondere Straßenfahrzeug (1) , mit einem Stromabnehmer (4) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
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