RECHENBERG, Karsten (Am Tiefen Weg 5, Dormitz, 91077, DE)
MEINERT, Michael (Altkirchenweg 11a, Erlangen, 91056, DE)
ECKERT, Peter (Ginsterweg 5, Erlangen, 91058, DE)
RECHENBERG, Karsten (Am Tiefen Weg 5, Dormitz, 91077, DE)
MEINERT, Michael (Altkirchenweg 11a, Erlangen, 91056, DE)
| Patentansprüche 1. Anordnung zur elektrischen Anschaltung eines Energiespeichers (3) an eine zwischen einem Pluspol (1) und einem Minus- pol (3) anliegende Systemspannung (Us) eines Systems aus ei¬ ner aufnehmenden Antriebseinrichtung und/oder eines speisenden Versorgungsnetzes, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Ener¬ giespeicher (3) mit dem Pluspol (1) der Systemspannung (Us) über zwei in Reihe geschaltete elektrische Ventile (4, 5) verbunden ist, wobei jedes Ventil (4, 5) einen Leistungs¬ schalter (41, 51) und eine zu diesem antiparallel geschaltete Diode (42, 52) aufweist, und dass eine Chopperdrossel (6) ei¬ nerseits mit einem Leitungsmittelpunkt (45) zwischen den elektrischen Ventilen (4, 5) und andererseits mit dem Minus¬ pol (2) der Systemspannung (Us) verbunden ist. 2. Anschaltanordnung nach Anspruch 1, wobei über einen Schalter (7) ein parallel zur Chopperdrossel (6) geschalteter Widerstand (8) zuschaltbar ist. 3. Anschaltanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei hinter den elektrischen Ventilen (4, 5) und vor dem Pluspol (1) der Systemspannung (Us) seriell eine Glättungs- drossel (9) und parallel zu den elektrischen Ventilen (4, 5) ein Kondensator (10) geschaltet ist. 4. Anschaltanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Energiespeicher (3) eine elektrische Speicherein- heit oder eine elektrochemische Speichereinheit oder eine Kombination aus beiden umfasst. 5. System zur Traktionsversorgung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, insbesondere eines Schienenfahrzeugs, mit ei- nem fahrzeugseitigen Energiespeicher (3) , der mittels der Anschaltanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einem Pluspol (1) und einem Minuspol (2) einer Systemspannung (Us) eines Systems aus einer Antriebseinrichtung zur Traktion des Fahrzeugs und/oder eines speisenden Versorgungsnetzes, insbe sondere eines streckenseitigen Bahnversorgungsnetzes, verbun den ist. 6. Fahrzeug, insbesondere Schienenfahrzeug, mit einem System zu dessen Traktionsversorgung nach Anspruch 5. |
Anordnung zur elektrischen Anschaltung eines Energiespeichers Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur elektrischen Anschaltung eines Energiespeichers gemäß dem Oberbeg ¬ riff des Patentanspruchs 1, auf ein System zur Traktionsversorgung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs gemäß Patentanspruch 5, sowie auf ein Fahrzeug gemäß Anspruch 6.
Energiespeicher, etwa auf Basis von Doppelschicht-Kondensa ¬ toren und/oder Batterien, haben ein variables Spannungsniveau, das je nach Energieinhalt des Energiespeichers oder nach Stärke der lastungsbedingten Energieentnahme stark schwanken kann. Zur Anschaltung solcher Energiespeicher an eine feste oder innerhalb bestimmter Grenzen variable Systemspannung eines Systems aus einer Energie aufnehmenden Antriebseinrichtung und/oder eines speisenden Energieversorgungsnetzes sind unterschiedliche Schaltungsanordnungen be- kannt . Neben einem direkten Anschluss sind auch Anschlüsse des Energiespeichers mittels Hoch- bzw. Tiefsetzsteller im Gebrauch .
So ist aus der Offenlegungsschrift DE 10 2007 046 275 AI ein elektrisches Antriebssystem, insbesondere für ein Schienenfahrzeug, mit einem Energiespeicher bekannt, der mit Anschlüssen für einen Spannungszwischenkreis in Verbindung steht. Zum Aufladen des Energiespeichers sind an den An ¬ schlüssen in Serie zwei abschaltbare Halbleiter mit Freilauf- kreis angeschlossen, die in Verbindung mit einer Drossel im Leitungskreis des Energiespeichers einen Hoch-/Tiefsetz ¬ steiler bilden, mit dem das Spannungsniveau des Energiespei ¬ chers an das Spannungsniveau des Spannungszwischenkreises an- gepasst wird.
Hierbei muss stets darauf geachtet werden, dass die Speicher ¬ spannung des Energiespeichers immer niedriger als die ange ¬ schlossene Systemspannung ist. Andernfalls ergibt sich eine automatische und nicht kontrollierbare - außer durch Abschal ¬ tung des Energiespeichers - Entladung des Energiespeichers bis zum Niveau der Systemspannung. Der Erfindung liegt daher die Teilaufgabe zugrunde, eine An ¬ schaltanordnung der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei der die Speicherspannung sowohl niedriger als auch höher als die Systemspannung sein kann und die Energieflussrichtung zwischen Systemspannung und Energiespeicher bidirektional ist. Entsprechende Teilaufgaben liegen der Erfindung hinsichtlich Systems zur Traktionsversorgung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs sowie hinsichtlich eines Fahrzeugs mit einem solchen System zugrunde. Die erste Teilaufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine gattungsgemäße Anschaltanordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1. Demnach ist der Energie ¬ speicher mit dem Pluspol der Systemspannung über zwei in Reihe geschaltete elektrische Ventile verbunden, wobei jedes Ventil einen Leistungsschalter und eine zu diesem antiparallel geschaltete Diode aufweist, und eine Chopperdrossel ei ¬ nerseits mit einem Leitungsmittelpunkt zwischen den elektri ¬ schen Ventilen und andererseits mit dem Minuspol der System ¬ spannung verbunden. Das Laden bzw. Entladen des Energiespei- chers erfolgt durch einen abwechselnden Betrieb des Leis ¬ tungsschalters des einen Ventils und der Diode des anderen Ventils. Zum Laden des Energiespeichers wird ein erster Leis ¬ tungsschalter eingeschaltet, so dass Strom aus der Systemspannung in die Chopperdrossel fließt, welche die elektromag- netische Energie speichert. Wird der erste Leistungsschalter abgeschaltet, entlädt sich die gespeicherte Energie über die zweite Diode des zweiten Ventils in den Energiespeicher. Zum Entladen des Energiespeichers wird der zweite Leistungsschal ¬ ter eingeschaltet, so dass Strom aus dem Energiespeicher in die Chopperdrossel fließt, welche die elektromagnetische
Energie speichert. Wird der zweite Leistungsschalter abge ¬ schaltet, entlädt sich die gespeicherte Energie über die ers ¬ te Diode des ersten Ventils in die Systemspannung. Da hierbei jeweils nur Energien ausgetauscht werden, kann die Speicherspannung des Energiespeichers sowohl kleiner als auch größer als die der Systemspannung sein. Der Energiespeicher ist spannungsmäßig entkoppelt von der Systemspannung. Die Strom- stärke und damit die Leistung des Systems wird über das Ein- /Ausschaltverhältnis der Leistungshalbleiter der elektrischen Ventile gesteuert. Aufgrund der höheren maximalen Speicherspannung des Energiespeichers kann bei gleicher Stromamplitu ¬ de, deren Obergrenze durch die Strombelastbarkeit des Ener- giespeichers vorgegeben ist, eine deutlich höhere Leistung mit dem angeschlossenen System ausgetauscht werden bzw. eine bestimmte Energiemenge innerhalb kürzerer Zeit transportiert werden als bei den bekannten Schaltungen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anschaltanordnung ist über einen Schalter ein parallel zur Chopperdrossel geschalteter Widerstand zuschaltbar. Der
Schalter kann beispielsweise mechanisch oder elektronisch ausgebildet sein. Der Widerstand kann dazu verwendet werden, um überschüssige Energie - beispielsweise aus Bremsvorgängen - abzuführen oder um den Energiespeicher zu entladen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anschaltanordnung ist hinter den elektrischen Ventilen und vor dem Pluspol der Systemspannung seriell eine Glättungs- drossel und parallel zu den elektrischen Ventilen ein Kondensator geschaltet. Die Glättungsdrossel wird durch eine Induk ¬ tivität zur Glättung des getakteten Chopperstromes gebildet. Der parallel geschaltete Kondensator ist zum verlustarmen Ab- schalten des ersten Leistungsschalters in der Regel vorgese ¬ hen .
Vorzugsweise umfasst der Energiespeicher einer erfindungsge ¬ mäßen Anschaltanordnung eine elektrische Speichereinheit oder eine elektrochemische Speichereinheit oder eine Kombination aus beiden. Als Speichereinheiten kommt ein Kondensator, etwa ein Doppelschicht-Kondensator, eine Batterie, etwa eine Ni- ckel-Cadmium-Batterie, Kombinationen daraus oder auch ein Elektrolyseur oder eine Brennstoffzelle in Betracht.
Eine weitere Teilaufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein System zur Traktionsversorgung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, insbesondere eines Schienenfahrzeugs, mit einem fahrzeugseitigen Energiespeicher, der mittels der Anschaltanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einem Pluspol und einem Minuspol einer Systemspannung eines Systems aus einer Antriebseinrichtung zur Traktion des Fahrzeugs und/oder eines speisenden Energieversorgungsnetzes, insbeson ¬ dere eines streckenseitigen Bahnversorgungsnetzes, verbunden ist . Eine andere Teilaufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Fahrzeug, insbesondere ein Schienenfahrzeug, mit einem System zu dessen Traktionsversorgung nach Anspruch 5.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung werden an- hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein Schalt ¬ bild der erfindungsgemäßen Anschaltanordnung.
Gemäß der Figur ist eine zwischen einem Pluspol 1 und einem Minuspol 3 anliegende Systemspannung U s mit den Polen eines Energiespeichers 3 verbunden. Die Systemspannung U s kann die Spannung einer aufnehmenden Antriebseinrichtung eines Fahrzeugs, beispielsweise eines Schienenfahrzeugs sein, die hier nicht dargestellt sind. Die Systemspannung U s kann aber auch die Spannung eines speisenden Energieversorgungsnetzes, bei ¬ spielsweise eines Bahnstromversorgungsnetzes sein, hier eben ¬ falls nicht dargestellt. Der Energiespeicher 3 kann als Kom ¬ bination aus einer elektrischen Speichereinheit, beispiels ¬ weise einem Doppelschichtkondensator, und einer elektrochemi- sehen Speichereinheit, beispielsweise einer Nickel-Cadmium- Batterie, gebildet sein. Die Anschaltanordnung weist zwei in Reihe geschaltete elekt ¬ rische Ventilen 4 bzw. 5 auf. Das erste Ventil 4 umfasst ei ¬ nen ersten abschaltbaren Leistungsschalter 41 und eine dazu antiparallel geschaltete erste Diode 42; entsprechend umfasst das zweite Ventil 5 einen ersten abschaltbaren Leistungs ¬ schalter 51 und eine dazu antiparallel geschaltete zweite Di ¬ ode 52. Die Leistungsschalter 41 bzw. 51 sind beispielsweise durch Bipolartransistoren mit isolierten Gate-Elektroden, kurz IGBT, gebildet. Im Leitungsmittelpunkt 45 zwischen dem ersten Ventil 4 und dem zweiten Ventil 5 ist die eine Seite einer Chopperdrossel 6 angeschlossen, deren andere Seite zum Minuspol 2, dem Massepunkt der Systemspannung U s führt. Die oberer Seite der Reihenschaltung der Ventile 4 und 5 ist über eine Glättungsdrossel 9 und einen optionalen Schalter 11, ggf- mit einer Sicherung, an den Pluspol 1 der Systemspannung Us y stem angeschlossen, die untere Seite der Reihenschaltung ist an den einen Pol des Energiespeichers 3 angeschlossen. Der andere Pol des Energiespeichers 3 ist an den Minuspol 2 oder Massepunkt der Systemspannung U s angeschlossen.
Im Ladebetrieb sind der erste Leistungsschalter 41 und die zweite Diode 52 abwechselnd in Betrieb bzw. stromführend. Wird der erste Leistungsschalter 41 eingeschaltet, fließt ein Strom aus der Systemspannung U s in die Chopperdrossel 6. Die Chopperdrossel 6 speichert elektromagnetische Energie. Wird der Leistungsschalter 41 abgeschaltet, entlädt sich die ge ¬ speicherte Energie über die zweite Diode 52 in den Energie ¬ speicher 3. Im Entladebetrieb sind der zweite Leistungsschalter 51 und die erste Diode 42 abwechselnd in Betrieb bzw. stromführend. Wird der zweite Leistungsschalter 51 eingeschaltet, fließt ein Strom aus dem Energiespeicher 3 in die Chopperdrossel 6, die wiederum die elektromagnetische Energie speichert. Wird der zweite Leistungsschalter 51 abgeschaltet, entlädt sich die gespeicherte Energie über die erste Diode 42 in die Sys ¬ temspannung U s . b
In beiden Betriebsarten werden nur Energien ausgetauscht, so dass die Speicherspannung des Energiespeichers 3 sowohl klei ¬ ner als auch größer als die der Systemspannung U s sein kann. Dadurch können erfindungsgemäß bei gleichen Stromamplituden deutlich höhere Leistungen abgegeben oder aufgenommen werden, als bei Systemen, bei denen die Speicherspannung des Energiespeichers nicht höher als die niedrigste Systemspannung sein kann . Mittels eines Schalters 7, der mechanisch oder elektronisch ausgebildet ist, kann einer Widerstand 8 parallel zur Chop- perdrossel 6 hinzugeschaltet werden. Dieser Widerstand 8 kann dann verwendet werden, um überschüssige Energie - beispiels ¬ weise aus Bremsvorgängen - abzuführen oder den Energiespei- eher 3 zu entladen.
Die als Glättungsdrossel 9 wirkende Induktivität lässt sich technisch in der Regel nicht vermeiden, daher ist ein Kondensator 10, der parallel zur Reihenschaltung der Ventile 4 und 5 geschaltet ist, zum verlustarmen Abschalten des ersten Leistungsschalters 41 in der Regel erforderlich.
Insgesamt ist der Energiespeicher 3 somit spannungsmäßig von der Systemspannung U s entkoppelt. Die Stromstärke und damit die Leistung des Systems wird über das Ein/Ausschaltverhält ¬ nis der Leistungsschalter 41 bzw. 42 gesteuert. Aufgrund der höheren maximalen Speicherspannung des Energiespeichers 3 kann bei gleicher Stromamplitude eine höhere Leistung mit dem angeschlossenen System ausgetauscht werden, oder anders aus- gedrückt, eine bestimmte Energiemenge innerhalb kürzerer Zeit transportiert werden als bei bekannten Anschaltanordnungen.
Als nicht dargestellte Variante können auch zwei Energiespei ¬ cher erfindungsgemäß an die Pole einer Systemspannung ange- schaltet werden. Hierzu sind entsprechend zwei Zweige aus
Energiespeicher mit in Reihe geschalteten elektrischen Ventilen, einschließlich des parallelen Kondensators, parallel zueinander geschaltet. An die Leitungsmittelpunkte ist über je- weils einen Schalter die gemeinsame Chopperdrossel ange ¬ schlossen .