ES2581778T3 - Vehículo con acumulador de energía de frenado - Google Patents

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ES2581778T3 ES03706393.0T ES03706393T ES2581778T3 ES 2581778 T3 ES2581778 T3 ES 2581778T3 ES 03706393 T ES03706393 T ES 03706393T ES 2581778 T3 ES2581778 T3 ES 2581778T3
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Abstract

Un vehículo, en particular un vehículo ferroviario, con un dispositivo de alimentación de energía (2), un dispositivo de accionamiento eléctrico (3) conectado al mismo, un dispositivo de acumulación de energía (4) conectado al dispositivo de accionamiento (3) para almacenar energía de frenado en una fase de frenado del vehículo y para el suministro de la energía acumulada al dispositivo de accionamiento (3) en una fase de aceleración del vehículo, así como un dispositivo de control (5) para el control del funcionamiento del dispositivo de alimentación de energía (2), del dispositivo de acumulación de energía (4) y del dispositivo de accionamiento (3), caracterizado por que el dispositivo de control (5) está realizado de tal modo que la energía del dispositivo de acumulación de energía (4) se suministra en la fase de aceleración durante un primer período corto para conseguir una aceleración elevada, siendo el primer período más corto que la fase de aceleración.

Description

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DESCRIPCION
Vehlcuio con acumulador de energla de frenado
La presente invencion se refiere a un vehlcuio, en particular un vehlcuio ferroviario, con un dispositivo de alimentacion de energia, un dispositivo de accionamiento electrico conectado con el mismo, un dispositivo de acumulacion de energia conectado con el dispositivo de accionamiento para almacenar energia de frenado en una fase de frenado del vehiculo y para el suministro de la energia acumulada al dispositivo de accionamiento en una fase de aceleracion del vehiculo, asi como un dispositivo de control para el control del funcionamiento del dispositivo de alimentacion de energia, del acumulador de energia y del dispositivo de accionamiento. Ademas, se refiere a un procedimiento correspondiente para el funcionamiento de un vehiculo de este tipo.
En un vehiculo tipico en el sentido de la presente invencion, por ejemplo un tren automotor diesel, la cadena de accionamiento esta formada por un dispositivo de alimentacion de energia con al menos un motor diesel y un generador, un rectificador, un circuito intermedio de tension, asi como un accionamiento con ondulador y uno o varios motores electricos correspondientes. Desde el circuito intermedio se alimentan tambien los accionamientos auxiliares y otros modulos electricamente accionados del vehiculo. En estos vehiculos, la potencia maxima de traccion esta limitada habitualmente por el motor diesel, que por regla general es el elemento mas debil de la cadena de accionamiento.
En vehiculos genericos mas modernos, por razones relacionadas con el ahorro de energia, se ha propuesto usar acumuladores de energia, que al frenar el vehiculo acumulan una parte de la energia de frenado, para poner esta energia adicionalmente a disposicion en el momento de volver a acelerar el vehiculo. En los vehiculos de este tipo, que estan previstos para el funcionamiento con acumuladores de energia, el acumulador de energia esta conectado en la mayoria de los casos mediante un elemento de regulation, por ejemplo un convertidor de corriente con el circuito intermedio. Un vehiculo de este tipo se conoce por ejemplo por “The Innovative Traction System with the Flywheel of the LIREX”, autor: Bernd Engel, WCRR (World Congress on Railway Research), Colonia, 2001. En este prototipo conocido, el acumulador de energia comprende un volante, que se pone en rotation usandose la energia de frenado, acumulando de este modo una parte de la energia de frenado como energia cinetica en forma energia de energia de rotacion. Esta energia cinetica puede convertirse en una fase de aceleracion, por ejemplo al arrancar, nuevamente en energia electrica y puede ponerse adicionalmente a disposicion del dispositivo de accionamiento.
Un vehiculo segun el estado de la tecnica tambien se conoce por el documento DE-C-197 00 893. Para aclarar, cabe anadir que el concepto “aceleracion” se usa en la presente solicitud siempre en relation con un aumento de la velocidad del vehiculo, mientras que en relacion con una reduction de la velocidad del vehiculo se usa el concepto “frenado”.
No obstante, en los vehiculos conocidos existe el problema de que los acumuladores de energia disponibles son relativamente complejos y por lo tanto caros. Y no por ultimo por un aprovechamiento poco optimizado de la energia de frenado, deben estar dimensionados por regla general relativamente grandes, para almacenar una cantidad suficiente de energia de frenado.
Por lo tanto, la presente invencion tiene el objetivo de poner a disposicion un vehiculo o un procedimiento del tipo indicado al principio que no presente los inconvenientes indicados o al menos en menor medida y que garantice, en particular, una configuration sencilla y economica del dispositivo de acumulacion de energia.
La presente invencion consigue este objetivo partiendo de un vehiculo segun el preambulo de la reivindicacion 1 mediante las caracteristicas indicadas en la parte caracterizadora de la reivindicacion 1. Ademas, este objetivo se consigue partiendo de un procedimiento segun el preambulo de la reivindicacion 13 mediante las caracteristicas indicadas en la parte caracterizadora de la reivindicacion 13.
La presente invencion esta basada en la doctrina tecnica de que puede conseguirse un dispositivo de acumulacion de energia configurado de una forma especialmente sencilla y economica si el dispositivo de control esta realizado de tal modo que la energia del dispositivo de acumulacion de energia se suministra en la fase de aceleracion durante un primer periodo corto para conseguir una aceleracion elevada.
Gracias al suministro de la energia acumulada que se realiza durante un periodo corto, es decir, con una gran potencia, no solo es posible conseguir valores de aceleracion elevados, que en particular en caso de distancias comparativamente cortas entre las paradas del vehiculo son mas interesantes que una velocidad final lo mas alta posible, para conseguir asi duraciones de trayecto cortas entre las paradas. Precisamente cuando las distancias entre las paradas son cortas, una aceleracion elevada es mas importante que una velocidad final elevada, que eventualmente ni puede alcanzarse porque el vehiculo ya se frena antes.
Ademas, con este funcionamiento es posible conseguir con una duration de trayecto predeterminada, por ejemplo entre dos paradas, un dimensionado claramente menor del dispositivo de acumulacion de energia que en realizaciones convencionales, en las que la energia acumulada en el dispositivo de acumulacion de energia se
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suministra durante un perlodo largo, por ejemplo durante toda la fase de aceleracion. Gracias al buen aprovechamiento de la energla acumulada en el dispositivo de acumulacion de energla de acuerdo con la invencion y el dimensionado correspondiente del dispositivo de acumulacion de energla, se reducen claramente los costes relativamente elevados para el dispositivo de acumulacion de energla. En particular, puede aprovecharse de forma ventajosa para la optimizacion la eleccion correcta de la potencia de un acumulador de energla.
Otra ventaja de la solucion de acuerdo con la invencion esta en que ahora pueden aprovecharse y se aprovechan las reservas de potencia del dispositivo de accionamiento electrico. Por el contrario, en los vehlculos de accionamiento autonomo que se usan habitualmente, p.ej. en un tren automotor diesel-electrico, la potencia de accionamiento esta limitada por la potencia maxima del dispositivo de alimentacion de energla, es decir, por ejemplo del motor diesel, que por regla general esta claramente por debajo de la potencia maxima del dispositivo de accionamiento electrico, es decir, por ejemplo de la parte electrica de traccion (convertidores de corriente y motores).
Dicho de otro modo, de acuerdo con la invencion se usa para la aceleracion elevada de arranque del vehlculo la mayor potencia posible del dispositivo de acumulacion de energla adicionalmente a la potencia maxima del dispositivo de alimentacion de energla.
En variantes preferibles del vehlculo de acuerdo con la invencion, el primer perlodo es claramente mas corto que la fase de aceleracion. El primer perlodo deberla ser lo mas corto posible. El primer perlodo se elige preferentemente de tal modo que la energla del dispositivo de acumulacion de energla se haya suministrado sustancialmente por completo cuando el vehlculo haya alcanzado entre el 30 % y el 70 %, preferentemente entre el 30 % y el 50 % de una velocidad maxima predeterminada. De este modo resultan condiciones de aceleracion especialmente favorables. Dado el caso, tambien pueden realizarse primeros perlodos aun mas cortos.
En variantes ventajosas del vehlculo de acuerdo con la invencion esta previsto que el dispositivo de control este realizado de tal modo que la energla del dispositivo de acumulacion de energla se suministra en la fase de aceleracion con una potencia suficiente para el aprovechamiento lo mas completo posible de la potencia maxima del dispositivo de accionamiento. De este modo resulta de forma ventajosa un aprovechamiento optimo de las reservas de potencia existentes. Por consiguiente, el dispositivo de accionamiento puede optimizarse correspondientemente y por lo tanto puede dimensionarse de forma economica.
Al final de la fase de aceleracion, cuando el dispositivo de acumulacion de energla esta casi vaclo, aumentan fuertemente las perdidas en el dispositivo de acumulacion de energla. En esta fase puede ser recomendable una reduccion de la potencia del dispositivo de acumulacion de energla, segun la concepcion del dispositivo de acumulacion de energla. Esto puede realizarse de diferentes formas. En variantes preferibles de la invencion, esto es especialmente sencillo mediante limitacion de la corriente en el dispositivo de acumulacion de energla a un valor maximo. El dispositivo de control esta realizado, por lo tanto, preferentemente para la limitacion de la corriente de descarga del dispositivo de acumulacion de energla, al menos al final del proceso de descarga del dispositivo de acumulacion de energla.
La limitacion de corriente hace que tenga lugar una limitacion de la potencia y tiene varios efectos: por un lado, se reducen las perdidas en el acumulador de energla, por otro lado, se limita la corriente de salida del convertidor de corriente para el dispositivo de acumulacion de energla y finalmente los semiconductores y otros componentes (p.ej. bobinas de choque etc.) tienen una corriente maxima para la que estan concebidos.
Unas realizaciones especialmente ventajosas de la invencion se refieren a un vehlculo con un dispositivo de alimentacion de energla, un dispositivo de accionamiento electrico conectado con este, un dispositivo de acumulacion de energla conectado con el dispositivo de accionamiento para almacenar la energla de frenado en una fase de aceleracion del vehlculo y para suministrar la energla acumulada al dispositivo de accionamiento en una fase de aceleracion del vehlculo, as! como un dispositivo de control para el control del funcionamiento del dispositivo de alimentacion de energla, del acumulador de energla y del dispositivo de accionamiento. De acuerdo con la invencion, el dispositivo de control esta realizado para la reduccion de las perdidas en el dispositivo de acumulacion de energla mediante un control optimizado respecto a las perdidas de la corriente de carga del dispositivo de acumulacion de energla durante un segundo perlodo durante la fase de frenado. El control optimizado para perdidas influye sobre todo en el calor perdido y, por lo tanto, en el esfuerzo a realizar para la refrigeration del dispositivo de acumulacion de energla, que puede reducirse de este modo claramente. Gracias al control optimizado para perdidas, dado el caso tambien es posible aprovechar lo mas completamente posible la capacidad de acumulacion del dispositivo de acumulacion de energla. De este modo puede conseguirse a su vez una concepcion correspondientemente optimizada o un dimensionado mas pequeno y por lo tanto mas economico del dispositivo de acumulacion de energla.
El control optimizado para perdidas de la corriente de carga del dispositivo de acumulacion de energla durante un segundo perlodo durante la fase de frenado para la reduccion de las perdidas en el dispositivo de acumulacion de energla representa por lo demas una idea de la invencion susceptible de protection por si misma, independiente del control de acuerdo con la invencion del suministro de energla durante la fase de aceleracion, que tambien consigue el objetivo indicado al principio.
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Un aprovechamiento especialmente favorable de la energla de frenado resulta en configuraciones preferibles del vehlculo de acuerdo con la invencion, en las que el segundo perlodo dura sustancialmente durante toda la fase de frenado.
La optimizacion de las perdidas del proceso de carga puede conseguirse de diferentes formas. Una optimizacion de perdidas que puede realizarse de forma especialmente buena y sencilla resulta en variantes preferibles del vehlculo de acuerdo con la invencion, en las que el dispositivo de control esta realizado para conseguir una corriente de carga sustancialmente constante. El valor efectivo de la corriente de carga corresponde en este caso a lo largo del perlodo de carga sustancialmente a su valor medio, por lo que tambien se minimizan correspondientemente las perdidas.
En variante preferibles del vehlculo de acuerdo con la invencion esta previsto que el dispositivo de control este realizado para la determination de la corriente de carga a partir de la energla que se necesita para la carga completa del dispositivo de acumulacion de energla y la energla disponible para la carga. De este modo puede conseguirse de forma sencilla un control optimizado para perdidas, adaptado a las condiciones reales.
Puede determinarse, por ejemplo, a partir del conocimiento de la velocidad y de algunas magnitudes en funcion del vehlculo, como p.ej. la masa etc., la energla cinetica de frenado disponible. Si se tienen en cuenta las resistencias al avance, los accionamientos auxiliares a alimentar, la pendiente actual, puede determinarse la energla sobrante actual que esta disponible para la carga del acumulador de energla. Tambien se conoce la energla necesaria para la carca completa del dispositivo de acumulacion de energla. En el caso de condensadores de doble capa, esta esta predeterminada por el valor actual de la tension y la tension teorica en caso de carga completa. En acumuladores de volante, esta esta predeterminada por la velocidad actual del volante y su valor teorico en caso de carga completa. Para simplificar, en ambos casos es posible no tener en cuenta las perdidas.
En variantes preferibles de la invencion que trabajan con las regulaciones de exploration hoy dla habituales, el dispositivo de control recalcula y corrige varias veces durante un proceso de frenado las magnitudes constantes aqul indicadas, de modo que pueden reducirse de forma ventajosa los efectos parasitarios no tenidos en cuenta (p.ej. errores en la pendiente o la masa en funcion de los pasajeros).
Por razones de protection, tambien durante el proceso de frenado esta prevista preferentemente una limitation a una corriente maxima al dispositivo de acumulacion de energla.
El vehlculo de acuerdo con la invencion puede ser cualquier vehlculo ferroviario o no ferroviario. La invencion puede usarse, por ejemplo, en relation con turismos, autobuses o camiones etc. De forma especialmente ventajosa puede usarse naturalmente en relacion con vehlculo ferroviarios, como se usan habitualmente en el transporte publico de personas o mercanclas, puesto que precisamente aqul es donde se manifiestan especialmente bien las ventajas de la invencion, en particular respecto al comportamiento de aceleracion optimizado.
El dispositivo de acumulacion de energla tambien puede estar realizado de cualquier forma conocida, adecuada para la acumulacion de cantidades de energla correspondientemente grandes. Un dispositivo de acumulacion de energla puede ser, por ejemplo, un acumulador de volante correspondientemente configurado o similar. En variantes ventajosas del vehlculo de acuerdo con la invencion, el dispositivo de acumulacion de energla presenta al menos un condensador para la acumulacion de la energla de frenado. Estas variantes tiene la ventaja de contener solo pocas partes moviles, por lo que garantizan un funcionamiento con un desgaste correspondientemente reducido o que requiere poco mantenimiento.
Actualmente se estan desarrollando acumuladores de energla capacitivos, que son adecuados para el uso en vehlculos ferroviarios. Se trata en particular de condensadores de doble capa, como por ejemplo los llamados SuperCaps, Boost-Caps, ultracapacitors.
La presente invencion puede usarse en relacion con vehlculos que presentan un dispositivo de acumulacion de energla configurado de una forma a elegir libremente. Tambien puede usarse en vehlculos que son alimentados temporalmente o incluso permanentemente por dispositivos de contactos correspondientes de una red de abastecimiento de energla.
Naturalmente, la invencion puede usarse de forma especialmente ventajosa en relacion con un vehlculo que esta realizado al menos temporalmente como vehlculo accionado de forma autonoma, puesto que destacan claramente las ventajas en comparacion con un vehlculo comparable no equipado de acuerdo con la invencion. En un vehlculo alimentado temporalmente mediante una red de abastecimiento de energla correspondiente resulta ademas la ventaja de que la energla del dispositivo de acumulacion de energla puede volver a alimentarse a la red de abastecimiento, en cuanto exista un contacto correspondiente con la red de abastecimiento de energla. El dispositivo de alimentation de energla comprende preferentemente un dispositivo de motor-generador autonomo.
De forma especialmente ventajosa, la invencion puede usarse en relacion con grupos conocidos, que comprenden un accionamiento con combustible, por ejemplo en relacion con un grupo diesel-electrico. Naturalmente, se
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sobrentiende tambien que la invencion puede usarse por supuesto tambien en relacion con un dispositivo de alimentacion de energia que comprende una pila de combustible.
La presente invencion se refiere ademas a un procedimiento correspondiente para el funcionamiento de un vehiculo, en particular un vehiculo ferroviario, con un dispositivo de alimentacion de energia, un dispositivo de accionamiento electrico conectado con el mismo, un dispositivo de acumulacion de energia conectado con el dispositivo de accionamiento para almacenar energia de frenado en una fase de frenado del vehiculo y para el suministro de la energia acumulada al dispositivo de accionamiento en una fase de aceleracion del vehiculo, controlandose el funcionamiento del dispositivo de alimentacion de energia, del acumulador de energia y del dispositivo de accionamiento mediante un dispositivo de control. De acuerdo con la invencion, la energia del dispositivo de acumulacion de energia se suministra en la fase de aceleracion para conseguir una aceleracion elevada durante un primer periodo corto. Las caracteristicas y ventajas del procedimiento de acuerdo con la invencion ya se han descrito anteriormente en relacion con el vehiculo de acuerdo con la invencion, de modo que aqui se remite a estas explicaciones.
La presente invencion se refiere ademas a un procedimiento en relacion con el procedimiento anteriormente indicado o un procedimiento susceptible de proteccion por si mismo para el funcionamiento de un vehiculo con un dispositivo de alimentacion de energia, un dispositivo de accionamiento electrico conectado con el mismo, un dispositivo de acumulacion de energia conectado con el dispositivo de accionamiento para almacenar energia de frenado en una fase de frenado del vehiculo y para el suministro de la energia acumulada al dispositivo de accionamiento en una fase de aceleracion del vehiculo, controlandose el funcionamiento del dispositivo de alimentacion de energia, del acumulador de energia y del dispositivo de accionamiento mediante un dispositivo de control. De acuerdo con la invencion, durante un segundo periodo durante la fase de frenado se realiza un control optimizado para perdidas de la corriente de carga del dispositivo de acumulacion de energia para la reduccion de las perdidas en el dispositivo de acumulacion de energia. Las caracteristicas y ventajas del procedimiento de acuerdo con la invencion ya se han descrito anteriormente en relacion con el vehiculo de acuerdo con la invencion, de modo que aqui se remite a estas explicaciones.
Otras realizaciones preferibles de la invencion resultan de las reivindicaciones dependientes o de las descripciones expuestas a continuation de ejemplos de realization preferibles, haciendose referencia a los dibujos adjuntos. Muestran:
La Figura 1
un diagrama de bloques de la cadena de accionamiento de una forma de realizacion del vehiculo de acuerdo con la invencion.
Las Figuras 2A, 2B una comparacion de diagramas de fuerza de traccion-velocidad de un vehiculo de comparacion y una forma de realizacion del vehiculo de acuerdo con la invencion;
Las Figuras 3A, 2B una comparacion de diagramas de potencia-velocidad (P-v) del vehiculo de comparacion y de la forma de realizacion del vehiculo de acuerdo con la invencion de la Figura 2;
Las Figuras 4A, 4B, una comparacion de diagramas de velocidad-tiempo (v-t) del vehiculo de comparacion y de la forma de realizacion del vehiculo de acuerdo con la invencion de la Figura 2;
Las Figuras 5A, 5B, una comparacion de diagramas de potencia-tiempo o de tramo recorrido-tiempo (p-t o w-t) del vehiculo de comparacion y de la forma de realizacion del vehiculo de acuerdo con la invencion de la Figura 2;
La Figura 6 un detalle de la fase de frenado de la forma de realizacion de la Figura 5B;
La Figura 7 un detalle de la fase de marcha de la forma de realizacion de la Figura 5B.
La Figura 1 muestra un diagrama de bloques de la cadena de accionamiento 1 de una forma de realizacion preferible del vehiculo de acuerdo con la invencion, que esta accionado segun el procedimiento de acuerdo con la invencion.
La cadena de accionamiento 1 comprende un dispositivo de alimentacion de energia 2, un dispositivo de accionamiento electrico 3 conectado con el mismo y un dispositivo de acumulacion de energia 4 conectado con el dispositivo de accionamiento 3. Este dispositivo de acumulacion de energia 4 sirve para almacenar energia de frenado, que se recibe durante una fase de frenado del vehiculo, asi como para el suministro de la energia acumulada al dispositivo de accionamiento 3, cuando el vehiculo se encuentra en una fase de aceleracion, por ejemplo al arrancar o al realizar una aceleracion intermedia. El funcionamiento del dispositivo de alimentacion de energia 2, del dispositivo de acumulacion de energia 4 y del dispositivo de accionamiento 3 es controlado o regulado mediante un dispositivo de control 5 correspondiente. El dispositivo de alimentacion de energia 2 y el dispositivo de acumulacion de energia 4 estan conectados mediante un circuito intermedio 6 con el dispositivo de accionamiento 3.
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El dispositivo de accionamiento 3 comprende en el ejemplo mostrado un ondulador 3.1 y consumidores 3.2, como por ejemplo uno o varios motores de traccion y accionamientos auxiliares del vehlculo.
El dispositivo de control 5 controla el funcionamiento de los componentes, por un lado, de tal modo que la energla del dispositivo de acumulacion de energla 4 se suministra en la fase de aceleracion durante un primer perlodo lo mas corto posible para conseguir una aceleracion elevada. En la fase de frenado, controla el funcionamiento de los componentes, por otro lado, de tal modo que durante un segundo perlodo durante la fase de frenado se produce un control optimizado para perdidas de la corriente de carga del dispositivo de acumulacion de energla 4, para la reduccion de las perdidas en el dispositivo de acumulacion de energla 4.
El funcionamiento de acuerdo con la invencion se explicara a continuation con ayuda de una comparacion de un vehlculo de comparacion con una realization de un vehlculo de acuerdo con la invencion.
Funcionamiento en las fases de arranque o de marcha:
Para conseguir duraciones de trayecto cortas entre las paradas, se necesitan aceleraciones elevadas. En particular, cuando las distancias entre las paradas son cortas, es mas importante una aceleracion elevada que una velocidad final elevada, que eventualmente ni siquiera se alcanza, puesto que el vehlculo ya se frena antes.
Para la aceleracion elevada en el arranque del vehlculo, el funcionamiento de acuerdo con la invencion usa la mayor cantidad posible de potencia del dispositivo de acumulacion de energla 4, ademas de la potencia maxima del dispositivo de alimentation de energla 2, por ejemplo en forma de un grupo diesel-electrico. De este modo queda limitada la potencia maxima de la cadena de accionamiento 1 por la potencia maxima del dispositivo de accionamiento 3 (convertidores de corriente y motores) y ya no por la potencia de la alimentacion de energla (p.ej. del motor diesel).
Para la representation sencilla de la invencion, se contrastan el funcionamiento de comparacion de un vehlculo de comparacion y el funcionamiento de acuerdo con la invencion en las figuras 2 a 5. Las Figuras con la letra “A” designan respectivamente el vehlculo de comparacion, mientras que las Figuras con la letra “B” estan asignadas al vehlculo de acuerdo con la invencion. En primer lugar se muestran los diferentes diagramas de fuerza de traccion- velocidad (Figura 2A y 2B) y los diagramas de potencia-velocidad (Figura 3A y 3B), que conducen a las dinamicas de marcha diferentes. En el diagrama velocidad-tiempo (Figura 4A y 4B) se ha insertado para mayor claridad la curva de velocidad 7 de la solution de comparacion en la representacion del funcionamiento de acuerdo con la invencion en la Figura 4B.
En la representacion de la velocidad en la Figura 4B se ve claramente la mayor aceleracion en el arranque del procedimiento de acuerdo con la invencion. En el ejemplo, el dispositivo de acumulacion de energla se ha vaciado ya despues de aprox. 30 segundos en el procedimiento de acuerdo con la invencion. En el procedimiento de comparacion, se consume una potencia constante del circuito intermedio durante toda la fase de aceleracion.
En las Figuras 3 y 5 esta representada la potencia de traccion, compuesta por la potencia del dispositivo de alimentacion de energla 2, p.ej. el diesel, y la potencia del dispositivo de acumulacion de energla. El rango 8 designa aqul el rango de la potencia que se consigue mediante el dispositivo de acumulacion de energla 4 ademas de la potencia del dispositivo de alimentacion de energla 2.
Como puede verse en la Figura 3B, el primer perlodo, es decir, el perlodo hasta el vaciado sustancialmente completo del dispositivo de acumulacion de energla, termina en el ejemplo mostrado aproximadamente cuando se ha alanzado el 60 % de la velocidad maxima predeterminada de 160 km/h. Se sobrentiende que en otras variantes de la invencion tambien pueden conseguirse primeros perlodos claramente mas cortos, de modo que el vaciado del dispositivo de acumulacion de energla se ha realizado ya al haberse alcanzado una parte claramente inferior de la velocidad maxima.
En el ejemplo elegido, los siguientes valores conducen al contenido de energla necesario del dispositivo de acumulacion de energla denominado a continuacion acumulador de energla “ES”:
Funcionamiento de comparacion
Funcionamiento de acuerdo con la invencion
Pes = 160 KW
Pes = 600 KW
tEs = 202 s (7 a 209 s)
tEs = 36 s (8 a 44 s)
Ees = 9 kWh (100 %)
Ees = 6 kWh (66 %)
El funcionamiento de acuerdo con la invencion conduce obviamente a un acumulador de energla claramente mas pequeno que el funcionamiento de comparacion, en la misma duration de trayecto.
En vista de los elevados costes para el acumulador de energla, esto es el objetivo primario. Cabe anadir que el consumo total de energla es casi igual en los dos procedimientos. Si bien el procedimiento de acuerdo con la
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invencion puede almacenar menos energla de frenado por el acumulador de energla mas pequeno que en el funcionamiento del estado de la tecnica cercano, la energla de frenado disponible tambien es mas pequena por regla general, debido a la menor velocidad al comenzar el proceso de frenado.
En el diagrama tiempo-tramo recorrido de la Figura 5B (abajo), se sobreponen la curva 9 para el vehlculo de acuerdo con la invencion y la curva 10 para el vehlculo de comparacion. Se puede ver claramente que en el vehlculo de acuerdo con la invencion resultan duraciones de trayecto claramente inferiores, precisamente en trayectos cortos, gracias a la aceleracion de arranque claramente mas elevada.
Funcionamiento en la fase de frenado:
Con una concepcion razonable del acumulador de energla, en muchos trayectos la energla de frenado disponible es claramente mayor que la energla a almacenar en el acumulador de energla. En este caso resulta tambien aqul un grado de libertad en el funcionamiento del acumulador de energla que debe usarse para la optimizacion del funcionamiento en el proceso de frenado.
Para mayor claridad, los valores caracterlsticos en la fase de frenado de la Figura 5B estan representados en la Figura 6 en una vista a escala ampliada.
A partir del conocimiento de la velocidad y de algunas magnitudes en funcion del vehlculo, como p.ej. masa etc., puede determinarse la energla cinetica de frenado disponible (Ekin~m*v2). Si se tienen en cuenta las resistencias al avance, los accionamientos auxiliares a alimentar, la pendiente actual etc., puede determinarse la energla sobrante actual Efrenado que esta disponible para la carga del acumulador de energla.
Se conoce la energla necesaria para la carga completa del acumulador de energla. En el caso de condensadores de doble capa, esta predeterminada por el valor actual de la tension y la tension teorica en caso de carga completa (Ees=0,5*C* (Uteorica-U(t))2). En el caso de acumuladores de volante esta predeterminada por la velocidad actual del volante y su valor teorico en caso de carga completa (EEs=0,5*m* (vteorica-v(t))2). Para simplificar, no se tienen en cuenta las perdidas.
Puede determinarse la potencia media para la carga del acumulador de energla durante el proceso de frenado:
PESmedia/Pfrenadomax_EEs/Efrenado
A partir del valor medio de la potencia puede determinarse ahora el funcionamiento optimo del acumulador de energla.
En el caso de condensadores de doble capa, las perdidas dependen sobre todo de su resistencia en serie. Las perdidas corresponden al cuadrado del valor efectivo de corriente (Pv=R*Ieff2). El valor efectivo de corriente es mas pequeno cuando la corriente i(t) tiene una evolucion constante, por lo que corresponde a su valor medio. Para minimizar las perdidas en el acumulador de energla, en el procedimiento de acuerdo con la invencion se mantiene sustancialmente constante la corriente al condensador. En caso de una corriente constante a un condensador, la tension del condensador aumenta linealmente. El valor medio de tension del acumulador de energla es, por lo tanto:
UESmedia= (UEs(t) + UESteorica)/2
UEsteorica es la tension teorica cuando el acumulador de energla esta completamente cargado.
A partir de ella puede determinarse ahora la corriente optimizada para perdidas al acumulador de energla:
loptima = PESmedia / UESmedia
La potencia resultante al acumulador de energla depende del tiempo y puede ser determinada mediante la tension actual del acumulador de energla:
PES (t) = UeS (t) * loptima
En una regulacion por exploracion, que es preferible, las magnitudes constantes aqul presentadas se recalculan y corrigen varias veces durante una fase de frenado, de modo que se reducen los efectos parasitarios no tenidos en cuenta (p.ej. errores en la pendiente o la masa que depende de los pasajeros).
Se sobrentiende que el procedimiento de acuerdo con la invencion optimizado para condensadores de doble capa puede aplicarse tambien para acumuladores de volante.
En el caso mas sencillo, cuando el motor en el acumulador de volante no tiene un rango de debilitamiento de campo, la tension del motor es lineal respecto al numero de revoluciones o a la velocidad. Tambien aqul es deseable una
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corriente de motor pequena, puesto que de este modo se reducen las perdidas en el cobre del motor, pero tambien la potencia perdida del convertidor de corriente. Segun el principio de dualidad, el procedimiento anteriormente presentado tambien puede aplicarse aqul, intercambiandose las magnitudes tension Ues por velocidad Ves (o por el numero de revoluciones del motor).
Por razones de la proteccion, es recomendable la limitacion a una corriente maxima al acumulador de energla. Funcionamiento en la fase de marcha:
Al final de la fase de aceleracion, cuando el acumulador de energla esta casi vaclo, aumentan fuertemente las perdidas en el acumulador de energla. Segun la concepcion del acumulador de energla, en esta fase puede ser recomendable una reduccion de la potencia del acumulador de energla. Esto puede conseguirse facilmente mediante la limitacion de la corriente al acumulador de energla a un valor maximo. La limitacion de la corriente hace, al igual que en la fase de frenado, que tenga lugar una limitacion de la potencia, vease en la Figura 7, en la que en el diagrama superior no tiene lugar una limitacion de la corriente maxima lESmax al acumulador de energla, mientras que en el diagrama inferior, si que hay una limitacion. Esta limitacion de la corriente tiene varios efectos: a) se reducen las perdidas en el acumulador de energla, b) esta limitada la corriente de salida del rectificador para el acumulador de energla y c) unos semiconductores u otros componentes (p.ej. bobinas de choque) eventualmente necesarios tienen una corriente maxima para la que estan concebidos.
La deteccion de si un vehlculo se encuentra en la fase de arranque o en la fase de frenado es posible con distintos procedimientos Para indicar un ejemplo: fase de arranque: el valor teorico de la fuerza de traccion es positivo tras una fase de parada (perlodo con velocidad 0). Fase de frenado: el valor teorico de la fuerza de traccion es negativo a una velocidad superior a cero.
La presente invencion se ha descrito anteriormente con ayuda de ejemplos de vehlculos autonomos, por ejemplo un tren automotor diesel-electrico, con un accionamiento diesel-electrico como dispositivo de alimentacion de energla. No obstante, se sobrentiende que tambien puede usarse en relacion con otros dispositivos de alimentacion de energla. El dispositivo de alimentacion de energla puede ser, por ejemplo, una pila de combustible. Tambien es posible que en un vehlculo parcialmente autonomo o en un vehlculo no autonomo, alimentado por la red, sea una red de abastecimiento de energla.

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    REIVINDICACIONES
    1. Un vehlcuio, en particular un vehlcuio ferroviario, con un dispositivo de alimentacion de energla (2), un dispositivo de accionamiento electrico (3) conectado ai mismo, un dispositivo de acumulacion de energla (4) conectado ai dispositivo de accionamiento (3) para almacenar energla de frenado en una fase de frenado del vehlculo y para el suministro de la energla acumulada al dispositivo de accionamiento (3) en una fase de aceleracion del vehlculo, as! como un dispositivo de control (5) para el control del funcionamiento del dispositivo de alimentacion de energla (2), del dispositivo de acumulacion de energla (4) y del dispositivo de accionamiento (3), caracterizado por que el dispositivo de control (5) esta realizado de tal modo que la energla del dispositivo de acumulacion de energla (4) se suministra en la fase de aceleracion durante un primer perlodo corto para conseguir una aceleracion elevada, siendo el primer perlodo mas corto que la fase de aceleracion.
  2. 2. Vehlculo de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado por que el primer perlodo dura menos del 17,2 % de la duracion de la fase de aceleracion.
  3. 3. Vehlculo de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por que el primer perlodo se elige de tal modo que la energla del dispositivo de acumulacion de energla (4) se haya suministrado sustancialmente por completo cuando el vehlculo haya alcanzado entre el 30 % y el 70 %, preferentemente entre el 30 % y el 50 % de una velocidad maxima predeterminada.
  4. 4. Vehlculo de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el dispositivo de control (5) esta realizado de tal modo que la energla del dispositivo de acumulacion de energla (4) se suministra en la fase de aceleracion con una potencia suficiente para el aprovechamiento de la potencia maxima del dispositivo de accionamiento (3).
  5. 5. Vehlculo de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el dispositivo de control (5) esta realizado para la limitacion de la corriente de descarga del dispositivo de acumulacion de energla (4), al menos al final del proceso de descarga del dispositivo de acumulacion de energla (4).
  6. 6. Vehlculo de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores con un dispositivo de alimentacion de energla (2), un dispositivo de accionamiento electrico (3) conectado al mismo, un dispositivo de acumulacion de energla (4) conectado al dispositivo de accionamiento para almacenar energla de frenado en una fase de frenado del vehlculo y para el suministro de la energla acumulada al dispositivo de accionamiento (3) en una fase de aceleracion del vehlculo, as! como un dispositivo de control (5) para el control del funcionamiento del dispositivo de alimentacion de energla (2), del dispositivo de acumulacion de energla (4) y del dispositivo de accionamiento (3), caracterizado por que el dispositivo de control (5) esta realizado para la reduccion de las perdidas en el dispositivo de acumulacion de energla (4) mediante un control optimizado para perdidas de la corriente de carga del dispositivo de acumulacion de energla (4) durante un segundo perlodo durante la fase de frenado.
  7. 7. Vehlculo de acuerdo con la reivindicacion 6, caracterizado por que el segundo perlodo dura sustancialmente durante toda la fase de frenado.
  8. 8. Vehlculo de acuerdo con las reivindicaciones 6 o 7, caracterizado por que el dispositivo de control (5) esta realizado para conseguir una corriente de carga sustancialmente constante.
  9. 9. Vehlculo de acuerdo con una de las reivindicaciones 6 a 8, caracterizado por que el dispositivo de control (5) esta realizado para la determinacion de la corriente de carga a partir de la energla necesaria para la carga completa del dispositivo de acumulacion de energla (4) y de la energla disponible para la carga.
  10. 10. Vehlculo de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que es un vehlculo ferroviario.
  11. 11. Vehlculo de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el dispositivo de acumulacion de energla (4) presenta al menos un condensador, en particular un condensador de doble capa, para almacenar la energla de frenado.
  12. 12. Vehlculo de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el dispositivo de acumulacion de energla (4) presenta al menos un acumulador de volante para la acumulacion de la energla de frenado.
  13. 13. Vehlculo de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que esta realizado como vehlculo accionado al menos temporalmente de forma autonoma, comprendiendo el dispositivo de alimentacion de energla (2) preferentemente un dispositivo motor-generador autonomo, que comprende en particular un accionamiento por combustible.
  14. 14. Un procedimiento para el funcionamiento de un vehlculo, en particular un vehlculo ferroviario, con un dispositivo
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    de alimentacion de energla (2), un dispositivo de accionamiento electrico (3) conectado al mismo, un dispositivo de acumulacion de energla (4) conectado al dispositivo de accionamiento para almacenar energla de frenado en una fase de frenado del vehlculo y para el suministro de la energla acumulada al dispositivo de accionamiento (3) en una fase de aceleracion del vehlculo, controlandose el funcionamiento del dispositivo de alimentacion de energla (2), del dispositivo de acumulacion de energla (4) y del dispositivo de accionamiento (3) mediante al menos un dispositivo de control (5), caracterizado por que la energla del dispositivo de acumulacion de energla (4) se suministra en la fase de aceleracion durante un primer perlodo corto para conseguir una aceleracion elevada, siendo el primer perlodo mas corto que la fase de aceleracion..
  15. 15. Procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 14, caracterizado por que el primer perlodo dura menos del 17,2 % de la duracion de la fase de aceleracion.
  16. 16. Procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 14 o 15, caracterizado por que el primer perlodo se elige de tal modo que la energla del dispositivo de acumulacion de energla (4) se haya suministrado sustancialmente por completo cuando el vehlculo haya alcanzado entre el 30 % y el 70 %, preferentemente entre el 30 % y el 50 % de una velocidad maxima predeterminada.
  17. 17. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 14 a 16, caracterizado por que la energla del dispositivo de acumulacion de energla (4) se suministra en la fase de aceleracion con una potencia suficiente para el aprovechamiento de la potencia maxima del dispositivo de accionamiento (3).
  18. 18. El Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 14 a 17, caracterizado por que la corriente de descarga del dispositivo de acumulacion de energla (4) esta limitada al menos al final del proceso de descarga del dispositivo de acumulacion de energla (4).
  19. 19. Procedimiento para el funcionamiento de un vehlculo de acuerdo con una de las reivindicaciones 14 a 18 con un dispositivo de alimentacion de energla (2), un dispositivo de accionamiento electrico (3) conectado al mismo, un dispositivo de acumulacion de energla (4) conectado al dispositivo de accionamiento (3) para almacenar energla de frenado en una fase de frenado del vehlculo y para el suministro de la energla acumulada al dispositivo de accionamiento (3) en una fase de aceleracion del vehlculo, controlandose el funcionamiento del dispositivo de alimentacion de energla (2), del dispositivo de acumulacion de energla (4) y del dispositivo de accionamiento (3) mediante al menos un dispositivo de control (5), caracterizado por que durante un segundo perlodo durante la fase de frenado se realiza un control optimizado para perdidas de la corriente de carga del dispositivo de acumulacion de energla (4) para la reduccion de las perdidas en el dispositivo de acumulacion de energla (4).
  20. 20. Procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 19, caracterizado por que el segundo perlodo dura sustancialmente durante toda la fase de frenado.
  21. 21. Procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 19 o 20, caracterizado por que la corriente de carga se mantiene sustancialmente constante.
  22. 22. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 19 a 21, caracterizado por que la corriente de carga optimizada para perdidas se determina a partir de la energla necesaria para la carga completa del dispositivo de acumulacion de energla (4) y de la energla disponible para la carga.
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