Energiesparendes Fahren von Schienenfahrzeugen mit wenigstens zwei Antriebseinheiten

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung des Antriebs eines Schienenfahrzeuges, das einen Antrieb mit mehreren Antriebseinheiten aufweist, bei dem die Antriebseinheiten dem Antrieb zugeschaltet oder von diesem abgeschaltet werden, so dass die Summe der Traktionskräfte der Antriebseinheiten größer ist als die erforderliche Zugkraft.

Die Erfindung betrifft ferner ein Schienenfahrzeug mit einem wenigstens zwei Antriebseinheiten aufweisenden Antrieb und einer mit dem Antrieb verbundenen Steuereinheit, die zum Ein- und Ausschalten der Antriebseinheiten eingerichtet ist.

Ein solches Verfahren und ein solches Schienenfahrzeug sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. So sind insbeson- dere im Güterbahnenbetrieb Doppellokomotiven bekannt, bei denen die notwendige Traktionskraft von zwei Teillokomotiven oder mit anderen Worten Antriebseinheiten bereitgestellt wird. Ist eine hohe Zugkraft erforderlich, beispielsweise bei schwerer Ladung und teilweise steilem Anstieg des Fahrwegs, bleiben beide Teillokomotive fortwährend eingeschaltet, auch wenn die hohe Zugkraft nur auf einem kleinen Teilstück der Gesamtfahrstrecke erforderlich ist. Dem vorbekannten Verfahren und dem vorbekannten Schienenfahrzeug haftet daher der Nachteil an, dass durch den Betrieb beider Teillokomotiven ein hoher Energieverbrauch entsteht mit hohen Betriebskosten im Gefolge. Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Verfahren sowie ein Schienenfahrzeug der eingangs genannten Art bereitzustellen, so dass der Energieverbrauch gesenkt werden kann.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass die erforderliche Zugkraft in Abhängigkeit des Fahrwegs für Teilstrecken des Fahrwegs berechnet wird und die Anzahl der eingeschaltete Antriebseinheiten während der Fahrt verändert und an die jeweils erforderliche Zugkraft angepasst wird.

Ausgehend von dem eingangs genannten Schienenfahrzeug löst die Erfindung die Aufgabe dadurch dass die Steuerungseinheit Mittel zum Bereitstellen der erforderlichen Zugkraft für bestimmte Teilstrecken des Fahrwegs aufweist, wobei die Steue- rungseinheit die Anzahl der Antriebseinheiten während der Fahrt verändert und Antriebseinheiten abschaltet, so lange die Summe der Traktionskraft der eingeschalteten Antriebseinheiten größer ist als erforderliche Zugkraft der jeweiligen Teilstrecke .

Erfindungsgemäß wird ein umweltschonendes Schienenfahrzeug mit Doppel- oder Mehrfachtraktion vorgeschlagen. Hierzu weist das Schienenfahrzeug wenigstens zwei Antriebseinheiten auf, die erfindungsgemäß während der Fahrt ein- und ausgeschaltet werden können, so dass die Anzahl der betriebenen Antriebseinheiten verändert werden kann. Das Ein- und Abschalten der Antriebseinheiten erfolgt so, dass ein möglichst geringer Energieverbrauch entsteht. Die Erfindung basiert auf der Idee, dass eine grundsätzlich anwendbare Mehrfachtraktion nur dann erfolgen sollte, wenn dies aufgrund der erforderlichen

Zugkraft unbedingt notwendig ist. Die notwendige Zugkraft ist zum einen vom Streckenprofil sowie vom Beladungszustand des Schienenfahrzeugs abhängig und kann mit dem Fachmann bekannten Verfahren, beispielsweise durch eine Simulation, bestimmt werden. Die Simulation benötigt als Eingangsgröße beispielsweise das Streckenprofil sowie den Beladungszustand des Schienenfahrzeugs, die Temperatur und dergleichen. In dem erfindungsgemäßen Schienenfahrzeug sind Mittel zum Bereistellen der erforderlichen Zugkraft vorgesehen. Diese Mittel greifen auf die ermittelten Daten der Zugkraft in Abhängigkeit des Ortes zu, so dass dem Schienenfahrzeug für den jeweiligen Streckenpunkt die an diesem Ort erforderliche Zugkraft zur Verfügung steht. Wird im Rahmen der Erfindung festgestellt, dass die erforderliche Zugkraft in einem Streckenabschnitt, von nur einer Antriebseinheit bereitgestellt werden kann, können die nicht benötigten Antriebseinheiten abgeschaltet werden. Auf diese Weise wird der Elektroenergieverbrauch des Schienenfahrzeuges verringert, vor allem auch durch den Weg- fall eines Teiles der Hilfsbetriebeenergie . Somit werden auch die Betriebskosten des Schienenfahrzeugs herabgesetzt. Darüber hinaus werden die abgeschalteten Antriebseinheiten weniger stark belastet.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die erforderliche Zugkraft ortsaufgelöst vor Beginn einer Fahrt berechnet. Auf Grund der hinreichend genau bekannten Fahrstrecke und der äußeren Randbedingen der Fahrt insbesondere des Streckenprofils ist eine solche Berechnung der Zugkraft vorab möglich. Als Ergebnis dieser Berechnung vorab erhält man die erforderliche Zugkraft in Abhängigkeit bestimmter Streckenpunkte. Dabei ist es keineswegs erforderlich, die Berechnung in dem Schienenfahrzeug selbst durchzuführen. Die Berechnung kann auch außerhalb des Schienenfahrzeugs an einem externen Ort, beispielsweise in einer Leitstelle durchgeführt werden, wobei die Ergebnisse der Berechnung anschließend auf das Schienenfahrzeug beispielsweise mittels Funkübertragen, WLAN oder dergleichen übertragen werden. Das Schienenfahrzeug empfängt die übertragenen Daten und speichert diese, so dass ein beliebiger zweckmäßiger Zugriff auf die Daten während der Fahrt ermöglicht ist.

Vorteilhafterweise wird die Anzahl der eingeschalteten An- triebseinheiten an bestimmten Streckenpunkten des Fahrwegs verändert. Die Streckenpunkte werden beispielsweise fahrbahn- seitig markiert, so dass das Zu- und Abschalten der Antriebseinheiten vom Lokführer von Hand durchgeführt werden kann. Abweichend davon sind an den Streckenpunkten elektrische oder induktive Markierungen in Form von Balisen oder dergleichen angeordnet, so dass das Schienenfahrzeug selbsttätig und das ohne Zutun eines Zugführers das Erreichen eines Streckenpunktes überwachen kann. Auch das Ausnutzen von Satelliten unterstützter Lokalisierungsverfahren, wie GPS oder dergleichen, ist im Rahmen der Erfindung möglich.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn für jeden Streckenpunkt die erforderliche Zugkraft berechnet wird und anschließend wenigstens so viele Antriebseinheiten eingeschaltet werden, dass die Summe der Traktionskräfte der eingeschalteten Antriebseinheiten größer ist als die erforderliche Zugkraft. Durch diese Weiterentwicklung ist in jedem Streckenpunkt von neuem sichergestellt, dass immer eine ausreichend große Zugkraft bereitgestellt ist, so dass das Schienenfahrzeug seine Fahrt in jedem Falle fortsetzen kann.

Gemäß einer diesbezüglichen zweckmäßigen Weiterentwicklung wird an den bestimmten Streckenpunkten der jeweilige Betriebspunkt des Schienenfahrzeugs ermittelt und für den er- mittelten Betriebspunkt und für jede Anzahl eingeschalteter Antriebseinheiten ein Wirkungsgrad berechnet, wobei die auf diese Weise ermittelten Wirkungsgrade unter Gewinnung eines optimalen Wirkungsgrades miteinander verglichen und anschließend so viele Antriebseinheiten eingeschaltet werden, dass deren Anzahl der Anzahl von Antriebseinheiten entspricht, die dem optimalen Wirkungsgrad zugeordnet sind. Gemäß dieser bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden aus Gründen eines optimalen Energieverbrauchs an bestimmten Teilstrecken mehr Antriebseinheiten eingeschaltet, als nötig ist, um die erforderliche Zugkraft bereitzustellen. Dies basiert auf der Erkenntnis, dass der Wirkungsgrad des Antriebes günstiger sein kann, wenn mehrere Antriebseinheiten als erforderlich eingeschaltet sind. Unter Wirkungsgrad ist hier der Anteil der gewonnenen Traktionsenergie bezogen auf die eingesetzte Elektroenergie zu verstehen. Der Wirkungsgrad des Antriebes ist von verschiedenen Einflussparametern abhängig. So weisen beispielsweise die Komponenten der Antriebseinheiten, wie beispielsweise der Haupttransformator, Stromrichter, Fahrmo- tor, Getriebe und dergleichen, in verschiedenen Arbeitsbereichen unterschiedliche Wirkungsgrade auf. Der Wirkungsgrad des Fahrmotors variiert beispielsweise mit der Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs. Daher ist, bevor der Wirkungsgrad bestimmt werden kann, zunächst ein Betriebspunkt des Schienen- fahrzeugs zu ermitteln. Der Betriebspunkt beschreibt den Zustand des Schienenfahrzeugs. Dieser Zustand wird durch die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges, die Außentemperatur, die Steigung des Fahrwegs, die Anzahl der Wagen des Schienenfahrzeugs sowie deren Beladung, die gewählte Belüftung, die Reibung und dergleichen beschrieben. Mit diesen Angaben ist der Betriebspunkt festgelegt. Die Wirkungsgrade der einzelnen Antriebskomponenten sind tabellarisch für bestimmte Bereiche hinterlegt. Der Gesamtwirkungsgrad der jeweiligen Antriebseinheit setzt sich aus diesen Einzelwirkungsgraden ihrer Kom- ponenten zusammen und kann durch einfache Multiplikation berechnet werden. Zweckmäßigerweise werden die jeweiligen Betriebspunkte und die den Betriebspunkten zuordenbaren Wirkungsgrade vor Antritt der Fahrt des Schienenfahrzeuges berechnet.

Die Berechnung kann beispielsweise mit Hilfe einer elektronischen Recheneinheit durchgeführt werden.

Zweckmäßigerweise werden die Wirkungsgrade mit Hilfe eines Simulationsverfahrens für Streckenpunkte des Fahrweges be- stimmt. Die Simulation benötigt - wie bereits weiter oben beschrieben - die zur Bestimmung des Betriebspunktes notwendigen Eingangsdaten, also das Streckenprofil, erlaubte Höchstgeschwindigkeiten, Temperatur, Anzahl der Wagons, Beladungsgewicht und dergleichen. Anschießend wird die Fahrt des Schienenfahrzeugs beispielsweise für einen Betrieb mit einer Antriebseinheit simuliert, wobei die Simulation ausgangssei- tig die sich ergebenden Wirkungsgrade in Abhängigkeit des Streckenverlaufs bereitstellt. Anschießend wird die Simulation beispielsweise mit zwei Antriebseinheiten wiederholt. Die Wirkungsgrade sind somit ortsabhängig bekannt.

Gemäß einer diesbezüglich zweckmäßigen Weiterentwicklung werden die Wirkungsgrade sowohl hinsichtlich der Rückspeisefähigkeit im Bremsbetrieb, als auch hinsichtlich der erzeugba- ren Traktionsenergie bestimmt. Diese vorteilhafte Weiterentwicklung der Erfindung basiert auf der Idee, dass eine höhere Anzahl von eingeschalteten Antriebseinheiten auch dann zweckmäßig sein kann, wenn auf diese Weise mehr Energie in das Versorgungsnetz zurückgespeist werden kann.

Zweckmäßigerweise sind die Antriebseinheiten jeweils eine Teillokomotive, wobei beispielsweise zwei Teillokomotiven als Doppellokomotive ausgebildet sind und dabei jeweils eine Antriebseinheit darstellen. Abweichend hiervon sind die Antriebseinheiten Elektroantriebe eines Drehgestells. Solche Antriebseinheiten umfassen neben dem eigentlichen Fahrmotor auch den Umrichter, Getriebe und dergleichen. Solche Antriebseinheiten sind dem Fachmann je- doch bekannt, so dass an dieser Stelle hierauf nicht genauer eingegangen zu werden braucht.

Gemäß einer Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugs sind Mittel zum Bestimmen der Wirkungsgrade des An- triebes in Abhängigkeit der Anzahl der eingeschalteten Antriebseinheiten vorgesehen, wobei die Steuerungseinheit zum Einschalten so vieler Antriebseinheiten eingerichtet ist, dass ein maximaler Wirkungsgrad des Antriebs bereitgestellt ist .

Nachfolgend werden weitere Vorteile der Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugs unter Bezug auf die Figuren beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich- wirkende Bauteile verweisen und wobei

Figur 1 ein Streckenprofil einer Fahrstrecke mit der jeweils erlaubten Höchstgeschwindigkeit und

Figur 2 die zu dem Streckenprofil gemäß Figur 1 berechnete erforderliche Zugkraft sowie die maximale Traktionsenergie einer Teillokomotive einer Doppellokomotive zeigen.

Figur 1 zeigt ein Streckenprofil in Form einer Höhenlinie sowie eine dem Streckenprofil zugeordnete Kurve der jeweils erlaubten Höchstgeschwindigkeit. Auf der Abszisse ist die Entfernung vom Ausgangsbahnhof abgetragen. Es sind zwei Ordina- ten erkennbar. Die erste Ordinate weist als Maßeinheit die Geschwindigkeit auf. Der Höhenunterschied zum Ausgangsbahnhof ist auf der zweiten hinteren Ordinate in Metern abgetragen. Es ist erkennbar, dass die Fahrstrecke des Schienenfahrzeugs am Ausgangsbahnhof bei der Höhe Null Meter beginnt. Die ers- ten Kilometer der Strecke liegen im Stadtbereich. Daher ist eine Höchstgeschwindigkeit von nur 40 km/h erlaubt. Wie die untere Kurve zeigt, steigt der Fahrweg auf den ersten 3 km auf 6 m an. Die zulässige Höchstgeschwindigkeit beträgt hier 80 km/h. Nach 43 km steigt der Fahrweg über 10 km hinweg stark an.

In Figur 2 zeigt ebenfalls ein Kurvendiagramm, wobei auf der Abszisse wieder die Strecke in den Einheiten Metern dargstellt ist. An der Ordinate ist die elektrische Leistung abgetragen. Die zackige Kurve zeigt die für das Streckenprofil gemäß Figur 1 berechnete erforderliche Zugkraft. Hierbei wurde von einer Doppellokomotive ausgegangen, die zwei identische Teillokomotiven aufweist. Die parallel zur Abszisse verlaufende Gerade bei 400 kN verdeutlicht die maximale Trak- tionsleistung einer Teillokomotive. Es ist erkennbar, dass die zackige Linie die Gerade der maximalen Traktionsleistung im Bereich starker Steigungen des Fahrweges übersteigt. In diesen Teilbereichen sind im Rahmen der Erfindung beide Teillokomotiven der Doppellokomotive eingeschaltet, so dass die erforderliche Zugkraft erzeugt werden kann. In anderen Teilstrecken ist auch der alleinige Betrieb einer einzelnen Teillokomotive ausreichend, um den Anforderungen an die Traktionsleistung des Antriebs gerecht zu werden. In diesen Bereichen kann es jedoch trotzdem hinsichtlich des Energie- Verbrauchs oder hinsichtlich der Rückspeisefähigkeit von

Bremsenergie günstiger sein beide Teillokomotiven einzuschalten. Dies ist dann der Fall, wenn die beiden Teillokomotiven gemeinsam weniger Energie benötigen als eine Teillokomotive allein oder wenn in Bereichen mit starkem Gefälle beide Teil- lokomotiven mehr Energie in das Versorgungsnetz zurückspeisen können als nur eine Teillokomotive.

Der Fahrbetrieb erfolgt im Rahmen des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens mit zwei Teillokomotiven, wenn die erforderliche Zugkraft auf dem Streckenpunkt dies erforderlich macht, mit anderen Worten, wenn die maximale Traktionsleistung einer Teillokomotive kleiner ist als die erforderliche Zugkraft. Der Betrieb erfolgt auch dann mit zwei Teillokomotiven, wenn dadurch eine höhere Rückspeisung von Bremsenergie im Bremsbetrieb erreicht werden kann. Darüber hinaus werden auch zwei Teillokomotiven eingesetzt, wenn der Gesamtwirkungsgrad beider Teillokomotiven über dem Wirkungsgrad einer Teillokomotive auf dem Streckenpunkt liegt. Trifft keiner der vorher genannten Bedingungen zu, erfolgt der Betrieb des Schienenfahrzeugs mit einer Teillokomotive.

In Abhängigkeit des Streckenprofils wird die Anzahl der eingeschalteten Teillokomotiven daher verändert. Zunächst werden Streckenpunkte festgelegt. Die können markante Punkte sein, die den Beginn einer Steigung oder eines starken Gefälles ankündigen. Die Streckenpunkte können jedoch auch äquidistant über der Strecke verteilt werden. Für die Streckenpunkte werden zunächst die Betriebspunkte des Schienenfahrzeuges be- stimmt. Wie bereits weiter oben ausgeführt wurde, kann der

Betriebspunkt auch als Zustand des Schienenfahrzeuges während der Fahrt bezeichnet werden. Der Betriebspunkt umfasst Kenngrößen, wie Geschwindigkeit, Steigung des Fahrwegs im Streckenpunkt, Erwärmung der Antriebskomponenten, Drehzahlen und dergleichen mehr. Für jeden dieser Betriebspunkte wird nun ein Wirkungsgrad, also das Verhältnis der erzeugten mechanischen Traktionsenergie zur eingesetzten Elektroenergie, berechnet. Die Berechnung erfolgt mit den tabellarisch hinterlegten oder mit Formeln beschriebenen Wirkungsgraden der Kom- ponenten der jeweiligen Antriebseinheit, wie Haupttransformator, Stromrichter, Fahrmotor, Getriebe und dergleichen. Auf diese Art und Weise wird für jeden Streckenpunkt ein Wirkungsgrad des Antriebs mit einer Teillokomotive und ein Wir- kungsgrad des Antriebs mit zwei Teillokomotiven bestimmt. Gemäß eines der weiter oben dargestellten Auswahlverfahren wird die Anzahl der Antriebseinheiten oder Teillokomotiven so bestimmt, dass ein möglichst hoher Wirkungsgrad beim Bremsen oder während des Traktionsbetriebes erzeugt ist, wobei ge- währleistet ist, dass eine ausreichend hohe Traktionsenergie bereitgestellt ist.

Zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Schienenfahrzeug sind nur geringere Aufwendungen notwendig. So ist es beispielweise möglich, die Steuerungssoftware des Antriebs der Lokomotive dementsprechend anzupassen. Die Um- schaltung erfolgt beispielsweise automatisch beim Erhalt von Streckeninformationen an bestimmten Streckenpunkten, mittels Balisen oder dergleichen. Das Erreichen eines Streckenpunktes kann der Steuerungssoftware des Antriebs jedoch auch mit Hilfe von Satelliten unterstützten Lokalisierungssystemen, wie GPS oder dergleichen, gemeldet werden. Auch eine Umschaltung aufgrund von Einträgen ins Fahrtenbuch vom Fahrer ist im Rahmen der Erfindung möglich.

Erste Ergebnisse bei der Implementierung der Erfindung haben gezeigt, dass der Gesamtenergieverbrauch um 3 bis 5 % gesenkt werden kann. Darüber hinaus sind die Ausfälle der Komponenten des Antriebs verringert, da die Komponenten weniger stark be- lastet sind.