Batterieanordnung für den Hilfsbetrieb eines

Schienenfahrzeugs

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Batterieanordnung für den Hilfsbetrieb eines Schienenfahrzeugs, umfassend zumindest eine Batterieeinheit, insbesondere eine

Hochleistungsbatterie, und eine Schaltung zum Laden und Entladen der Batterieeinheit, wobei die Batterieeinheit über eine elektronische Schutzeinrichtung verfügt.

Stand der Technik

Batterieeinheiten für den Hilfsbetrieb eines

Schienenfahrzeugs, die auch als Hilfsbetriebebatterien bezeichnet werden, dienen insbesondere dazu, in

Notfallsituationen Energie für das Schienenfahrzeug

bereitzustellen, z.B. für eine Notbeleuchtung. Solche

Batterieeinheiten werden z.B. in Schienenfahrzeugen von Untergrundbahnen (Metro) verwendet. Bisher wurden für

Hilfsbetriebebatterien Blei-Gel- oder Nickel-Cadmium- Batteriezellen verwendet, welche jedoch eine hohe Masse aufweisen. Die hohe Masse kann dazu führen, dass bereits bei der Auslegung des Schienenfahrzeugs zulässige Achslasten durch andere Masseeinsparungsmaßnahmen sichergestellt werden müssen und dass im Betrieb des Schienenfahrzeugs der

Energieverbrauch entsprechend steigt. Entsprechend mussten aufwändige konstruktive und kostenintensive Maßnahmen zur Gewichtseinsparung der Schienenfahrzeuge getroffen werden. Eine Nutzung der Batterieeinheiten für Sonderzwecke, wie Rangierfahrten über längere Zeiträume, oder

Spitzenleistungskappung innerhalb des Bordnetzes war nicht möglich . Daher bietet sich die Verwendung von Lithium-Ionen- Batterieeinheiten an, die über eine vergleichsweise geringere Masse verfügen. Diese verfügen darüber hinaus auch über eine höhere Leistungsfähigkeit und bieten mehr Spielraum zur Bemessung der Kapazität, sodass diese auch ein Fahren des Schienenfahrzeugs ohne Fahrleitung im Depot oder über stromlose Abschnitte ermöglichen. Im Vergleich zu

konventionellen Batterieeinheiten sind Lithium-Ionen- Batterieeinheiten diagnosefähig, das heißt, es können bei Lithium-Ionen-Batterieeinheiten der Gesundheits- und

Ladezustand festgestellt werden, was eine Aussage über die Verfügbarkeit der Batterieeinheit ermöglicht. Man spricht von der Möglichkeit der zuständigkeitsabhängigen Überwachung (engl, condition based monitoring) und der

zuständigkeitsabhängigen Wartung (engl, condition based maintenance) .

Lithium-Ionen-Batterieeinheiten benötigen aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften elektronische Schutzeinrichtungen, um gefährliche Betriebszustände, wie z.B. Überladung oder Tiefentladung, zu verhindern. Hierbei sind insbesondere ein zu hoher Ladestrom bei tiefen Temperaturen und ein Überladen der Batterieeinheit zu vermeiden. Diese Schutzeinrichtungen beinhalten im Allgemeinen elektronische Bauteile mit

begrenzter Verfügbarkeit und schalten die Batterieeinheit nötigenfalls vorbeugend ab. Dies führt dazu, dass sie nicht als Hilfsbetriebebatterien verwendet werden können, weil die erforderliche Verfügbarkeit in Notfällen nicht gewährleistet werden kann.

Darstellung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine

Schaltung für eine Batterieeinheit anzugeben, mit welcher die Verfügbarkeit der Batterieeinheit in Notfällen erhöht werden kann, ohne die erforderlichen Überwachungen still zu legen. Die gestellte Aufgabe wird durch eine Batterieanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Dabei wird ausgegangen von einer Batterieanordnung für einen

Hilfsbetrieb (insbesondere ist diese Batterieanordnung für mehrere Arten von Hilfsbetrieben einsetzbar) eines

Schienenfahrzeugs, umfassend zumindest eine Batterieeinheit und eine Schaltung zum Laden und Entladen der

Batterieeinheit, wobei die Batterieeinheit über eine

elektronische Schutzeinrichtung verfügt. Vorgesehen ist, dass die Schaltung für den positiven Eingang der

Batterieeinheit einen Ladepfad zum Laden der Batterieeinheit und einen vom Ladepfad unterschiedlichen Entladepfad zum Entladen der Batterieeinheit aufweist, wobei der Entladepfad den positiven Eingang der Batterieeinheit mit dem positiven Abgang der Batterieeinheit als Entladepfad verbindet, dass der Ladepfad mit einem oder mehreren elektrischen

Bauteilen ausgestattet ist, welche einen Schutz für die Batterieeinheit vor Kurzschlussstrom, Überladung und

Überhitzung bieten, und

dass der Entladepfad mit einem oder mehreren elektrischen Bauteilen ausgestattet ist, welche einen Schutz für die Batterieeinheit vor Kurzschlussstrom und Tiefentladung bieten .

Es kann somit als Batterieeinheit auch eine Lithium-Ionen Batterie verwendet werden, die in der Regel über eine elektronische Schutzeinrichtung verfügt. Die Schaltung dient dazu sicherzustellen, dass die Batterieeinheit auch bei Ausfall der elektronischen Schutzeinrichtung sicher verwendet werden kann, andererseits aber die elektronische

Schutzeinrichtung sonst wesentliche Schutzfunktionen ausüben kann. Dazu wird der Stromanschluss, in der Regel ein

Starkstromanschluss, in zwei Pfade aufgeteilt. Der

Entladepfad gewährleistet auch bei Ausfall der elektronischen Schutzeinrichtung (insbesondere bei Notfällen) einen Weg, die Batterieeinheit zu entladen. Erforderliche Schutzfunktionen für das Entladen werden durch einfache Hardware- Schutzelemente gewährleistet, die eine hohe Verfügbarkeit haben und weiterhin die Absicherung der Batterieeinheit sicherstellen. Der Ladepfad bietet die Möglichkeit, die Batterie jederzeit aufzuladen und nötigenfalls auch zu entladen, insbesondere auch bei Störungen im Entladepfad, wobei hier jedoch der volle elektronische Schutz wirksam ist.

Die elektronische Schutzeinrichtung ermöglicht die Erfassung der Betriebszustände der Batterieeinheit, wie beispielsweise den Gesundheitszustand (engl. State of Health SOH) ,

Ladezustand (engl. State of Charge, SOC) , Spannung,

Temperatur und/oder Ströme. Bei Blei- und NiCd-Batterien ist eine derartige Elektronik nicht vorgesehen.

Die elektronische Schutzeinrichtung der Batterieeinheit kann auf Zell- und/oder Modulebene ausgeführt werden, also für eine Batterieeinheit oder für mehrere Batterieeinheiten gemeinsam. Die elektronische Schutzeinrichtung ist dabei insbesondere als Teil der Batterieanordnung selbst

vorgesehen, insbesondere als Batteriemanagement-Einheit (engl, battery management unit, BMU) bzw. in diese

integriert. Die elektronische Schutzeinrichtung der

Batterieeinheit kann aber auch außerhalb der

Batterieanordnung, z.B. in Fahrzeugsteuergeräten von

Schienenfahrzeugen, vorgesehen sein.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass im

Ladepfad als Schutz vor einem Kurzschlussstrom eine oder mehrere elektrische Sicherungen vorgesehen sind. Hierbei kann es sich um in einem Trennschalter, wie einem

Lasttrennschalter, integrierte Sicherungen handeln.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass im

Ladepfad als Schutz vor unzulässig hohem Strom zumindest ein Ladeschütz zum Abschalten des Ladepfads vorgesehen ist, das mit der elektronischen Schutzeinrichtung in Verbindung steht, wobei die Verbindung so ausgeführt ist, dass das Ladeschütz den Ladepfad abschaltet, wenn die elektronische Schutzeinrichtung einen unzulässig hohen Strom der

Batterieeinheit detektiert.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass im

Ladepfad als Schutz vor einer Überladung mindestens ein Ladeschütz zum Abschalten des Ladepfads vorgesehen ist, das mit der elektronischen Schutzeinrichtung in Verbindung steht, wobei die Verbindung so ausgeführt ist, dass mindestens ein Ladeschütz den Ladepfad abschaltet, wenn die elektronische Schutzeinrichtung eine Überladung der Batterieeinheit detektiert .

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass im

Ladepfad als Schutz vor Überhitzung mindestens ein Ladeschütz zum Abschalten des Ladepfads vorgesehen ist, das mit der elektronischen Schutzeinrichtung in Verbindung steht, wobei die Verbindung so ausgeführt ist, dass mindestens ein

Ladeschütz den Ladepfad abschaltet, wenn die elektronische Schutzeinrichtung eine Überhitzung, insbesondere der

Batterieeinheit, detektiert.

In der Regel wird ein und dasselbe Ladeschütz sowohl für den Schutz vor unzulässig hohem Strom als auch für den Schutz vor Überladung als auch für den Schutz vor Überhitzung verwendet.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass im

Entladepfad als Schutz vor einem Kurzschlussstrom eine oder mehrere elektrische Sicherungen vorgesehen sind. Hierbei kann es sich um in einem Trennschalter, wie einem

Lasttrennschalter, integrierte Sicherungen handeln.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass für den Entladepfad als Schutz vor Tiefentladung ein

Unterspannungsrelais vorgesehen ist, das eine Unterbrechung des Entladepfads, etwa mittels eines Entladeschützes, auslösen kann. Das Unterspannungsrelais ist hierzu an den beiden Abgangsklemmen der Batterieanordnung angeschlossen und schaltet in Abhängigkeit von der Spannung zwischen den

Abgangsklemmen .

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass im

Entladepfad vorgesehene Bauteile (insbesondere z.B. das mindestens eine Entladeschütz und die - siehe unten - Diode (n) ) als Schutz vor Überhitzung so dimensioniert sind, dass auch bei voller Entladung der Batterieeinheit gemäß vorgegebener Notfall-Lastprofile keine Überhitzung auftreten kann .

Alternativ oder zusätzlich dazu kann vorgesehen sein, dass im Entladepfad als Schutz vor Überhitzung mindestens ein

Entladeschütz mit einer Temperaturüberwachung in Verbindung steht, wobei die Verbindung so ausgeführt ist, dass

mindestens ein Entladeschütz den Entladepfad abschaltet, wenn die Temperaturüberwachung eine Überhitzung der

Batterieeinheit detektiert.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass im

Entladepfad mindestens eine Diode vorgesehen ist, die ein ungewolltes Laden der Batterieeinheit verhindert.

Zusätzlich kann auch im Ladepfad mindestens eine, zur Diode im Entladepfad antiparallele Diode vorgesehen sein. Dadurch kann ein unbeabsichtigtes Entladen der Batterieeinheit verhindert werden.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die

Batterieeinheit als Schutz vor Unterkühlung mit einem

Heizgerät für die Batterieeinheit ausgestattet ist, welches von der elektronischen Schutzeinrichtung steuerbar ist.

Stellt die elektronische Schutzeinrichtung eine zu geringe Temperatur der Batterieeinheit fest, kann sie das Heizgerät starten und wieder abschalten, wenn eine vorgegebene

Zieltemperatur erreicht ist. Vorzugsweise ist die Schaltung der Batterieanordnung mit einem Vorladekreis ausgestattet, mittels welchem der

Entladepfad an eine Ladeeinheit sowie an eine Last geschaltet werden kann, sodass die Kapazitäten von Ladeeinheit und Last vor dem Zuschalten der Batterieeinheit vorgeladen werden können. Alternativ können die Bauteile (insbesondere die Schütze) so bemessen werden, dass keine Vorladung

erforderlich ist.

Für die Betätigung des Vorladekreises sind grundsätzlich eine manuelle oder eine automatische Betätigung möglich. Bei ersterer kann im Vorladekreis ein Relais vorgesehen sein, welches den Vorladekreis im Falle einer Fehlbedienung unterbricht, um eine Überhitzung des Vorladekreises zu verhindern. Betätigt also eine Person einen Taster zum

Schließen des Vorladekreises zu lang, so unterbricht das Relais das Vorladen. Alternativ kann die Vorladeeinrichtung so bemessen sein, dass keine Überhitzung möglich ist, und die Vorladeeinrichtung kann in Selbsthaltung gehen.

Alternativ oder zusätzlich kann beim manuell betätigbaren Vorladekreis in Reihe zu einem manuellen Betätigungselement, wie einem Taster, ein Hilfsschütz vorgesehen sein, das mit der elektronischen Schutzeinrichtung in Verbindung steht, sodass dieses verriegelt, d.h. offen gehalten werden kann, um das Zuschalten einer defekten Batterieeinheit zu verhindern.

Eine Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass zusätzlich oder alternativ zur manuellen Betätigung des Vorladekreises mindestens ein automatisch durch

Fahrzeugsteuergeräte, also durch außerhalb der

Batterieanordnung angeordnete Steuergeräte, betreibbarer Schalter vorgesehen ist. Es kann also z.B. vorgesehen sein, dass der manuelle Taster des Vorladekreises durch mindestens einen automatisch durch Fahrzeugsteuergeräte betriebenen Schalter ergänzt oder ersetzt wird. Im Falle des automatischen Vorladens kann für den

Vorladekreis ein weiteres Unterspannungsrelais vorgesehen sein, das die Vorladung einleitet, wenn eine Spannung der Batterieeinheit detektiert wird. Wenn also die

Batterieeinheit durch das Einlegen der Sicherungen (z.B. das Schließen gesicherter Trennschalter) mit der Schaltung leitend verbunden wird, würde die Ausgangsspannung der

Batterieeinheit am Unterspannungsrelais anliegen und dieses könnte entsprechend den Vorladekreis schließen.

Die Batterieeinheit der Batterieanordnung ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine Lithium-Ionen

Batterieeinheit, denkbar wären aber auch andere

Batterieeinheiten, die über eine elektronische

Schutzeinrichtung verfügen. Mit Lithium-Ionen

Batterieeinheiten kann Gewicht und Platz gegenüber

herkömmlichen Batterieeinheiten eingespart werden.

Für hinreichend temperaturunempfindliche Lithium-Ionen

Batterieeinheiten, z.B. mit Anoden aus Lithium-Titanat (LTO) , wäre es sogar denkbar, die herkömmliche elektronische

Schutzeinrichtung durch ein Überspannungsrelais zu ersetzen und dieses als Schutzeinrichtung zu verwenden, insbesondere als Schutz vor Überladung. Dieses Überspannungsrelais könnte mit dem gegebenenfalls im Entladepfad vorhandenen

Unterspannungsrelais kombiniert werden, indem das Schütz lediglich zwischen dem eingestellten unteren und dem

eingestellten oberen Spannungsgrenzwert zugeschaltet wird und der Ladepfad entfällt. Die Diode im Entladepfad könnte dann auch entfallen.

Schließlich umfasst die Erfindung auch eine

Batterieanordnung, die in einem Schienenfahrzeug angeordnet ist und mit einer Ladeeinheit eines Schienenfahrzeugs und mit einer Last eines Schienenfahrzeugs verbunden ist.

Dabei kann vorgesehen sein, dass die elektronische

Schutzeinrichtung der Batterieeinheit sowie diverse Schütze der erfindungsgemäßen Schaltung in der Batterieanordnung abgeschaltet bleiben, um Energie zu sparen, wenn die

Batterieeinheit nicht benötigt wird. Beispielsweise könnte ein Aktivsignal der Ladeeinheit oder das Fahrerstand-Besetzt- Signal oder ein Aktivsignal der Fahrzeugsteuergeräte, wie einer Zugsteuerung, verwendet werden, indem die elektronische Schutzeinrichtung und die Schütze nur eingeschaltet werden, wenn dieses Signal anliegt.

Die erfindungsgemäße Batterieanordnung kann eine oder mehrere Batterieeinheiten (Zellen) umfassen, wobei jede einzelne über eine eigene elektronische Schutzeinrichtung und

erfindungsgemäße Schaltung verfügen kann. Es wäre auch denkbar, dass mehrere Zellen untereinander zu einer

Batterieeinheit verschaltet sind und diese Zellen dann eine gemeinsame elektronische Schutzeinrichtung und

erfindungsgemäße Schaltung haben.

Mit der erfindungsgemäßen Batterieanordnung muss der

elektronische Schutz der Batterieeinheiten zur hohen

Verfügbarkeit nicht redundant und sicher ausgeführt sein, weil der Entladepfad nicht vom elektronischen Schutz

beeinflusst wird. Im Entladepfad kommen nur hoch verfügbare Hardware-Schutzeinrichtungen zum Einsatz. Gegen gefährliche Zustände ist die Batterieeinheit immer noch vollständig abgesichert und vorteilhaft diagnosefähig.

Kurzbeschreibung der Figuren

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im nachfolgenden Teil der Beschreibung auf die Figur Bezug genommen, aus der weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Einzelheiten und

Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind. Die Figur ist beispielhaft zu verstehen und soll den

Erfindungscharakter zwar darlegen, ihn aber keinesfalls einengen oder gar abschließend wiedergeben. Die Figur zeigt ein Schema einer erfindungsgemäßen Batterieanordnung für den Hilfsbetrieb eines Schienenfahrzeugs, umfassend eine

Batterieeinheit und eine Schaltung.

Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt ein Schema einer erfindungsgemäßen

Batterieanordnung. Die Batterieanordnung BA umfasst zumindest die Batterieeinheit BU und eine Schaltung, welche die

Batterieeinheit BU mit einer Ladeeinheit C und einer Last LO verbindet. Die Batterieanordnung BA umfasst eine

Batteriemanagement-Einheit BMU .

Die Batterieanordnung BA umfasst einen positiven Eingang BC+ der Batterieanordnung BA für die Ladeeinheit C und einen negativen Eingang BC- der Batterieanordnung BA für die

Ladeeinheit C. Der positive Eingang BC+ ist mit dem positiven Eingang der Batterieeinheit BU (bei Trennschalter TI) verbunden, und zwar grundsätzlich sowohl über den Ladepfad L als auch über den Entladepfad E. Der negative Eingang BC- ist mit dem negativen Eingang der Batterieeinheit BU (bei

Trennschalter T2) über die Verbindung NC verbunden.

Die Batterieanordnung BA umfasst eine positive Abgangsklemme BL+ für den Anschluss der Last LO und eine negative

Abgangsklemme BL- für den Anschluss der Last LO . Die positive Abgangsklemme BL+ ist mit dem positiven Eingang der

Batterieeinheit BU (bei Trennschalter TI) verbunden, und zwar sowohl über den Ladepfad L als auch über den Entladepfad E. Die negative Abgangsklemme BL- ist mit dem negativen Eingang der Batterieeinheit BU (bei Trennschalter T2) über die

Verbindung NL verbunden .

Die Schaltung weist einen Ladepfad L auf, der fett

strichliert dargestellt ist, und einen Entladepfad E, der mit durchgehend fetter Linie dargestellt ist. Der Ladepfad L reicht vom positiven Ausgang BN+ der Ladeeinheit C über den positiven Eingang BC+ der Batterieanordnung BA für die Ladeeinheit C bis vor den positiven Eingang der Batterieeinheit BU, also des eigentlichen Speichermoduls. Der Ladepfad L endet hier vor einem Trennschalter TI, der vor dem positiven Eingang der Batterieeinheit BU angeordnet ist. Der Ladepfad L weist einen Trennschalter T3 auf, der nach dem positiven Eingang BC+ angeordnet ist, vor der Abzweigung zur Abgangsklemme BL+ zur Last LO . Der Trennschalter T3 dient als Berührungsschutz gegen die Spannung der Ladeeinheit C. Der Ladepfad L weist weiters ein Ladeschütz LS auf, das zwischen dem Trennschalter T3 und dem Trennschalter TI angeordnet ist. Das Ladeschütz LS ist mit der Batteriemanagement-Einheit BMU verbunden, sodass das Ladeschütz LS von der

Batteriemanagement-Einheit BMU geschaltet werden kann.

Mit Hilfe des Ladeschützes LS kann die Batteriemanagement- Einheit BMS das Laden erlauben oder unterbinden, gemäß den Sicherheitsvorschriften für die Batterieeinheit BU .

Im Ladepfad L kann ein Stromsensor integriert sein, welcher das Signal des Ladestromes i an die Ladeeinheit C zu

Regelungs- und Schutzzwecken übermittelt. Alternativ kann der Stromsensor in der Ladeeinheit C integriert sein.

Der Entladepfad E beginnt am Ende des Ladepfads L, also vor dem positiven Eingang der Batterieeinheit BU, hier vor (mit Bezug auf die Batterieeinheit BU außerhalb) des

Trennschalters TI. Der Entladepfad E erstreckt sich bis zum positiven Leiter der Last LO, also hier über die positive Abgangsklemme BL+ zur Last LO bis über eine Diode D2 hinaus, die hier in der Last LO vorgesehen ist. Die Diode D2 dient dazu, eine Rückspeisung aus der Last LO in die

Batterieeinheit BU zu verhindern. Es besteht eine Verbindung zwischen dem Entladepfad E vor der positiven Abgangsklemme BL+ mit dem Trennschalter T3. Über diese Verbindung kann einerseits die Ladeeinheit C die Last LO versorgen, und andererseits der Ladepfad L der Batterieeinheit die Last LO versorgen. Im fehlerfreien Zustand der Anlage fließt kein Strom im Entladepfad E und dessen Bauelementen, diese und insbesondere die Diode Dl werden nicht belastet.

Der Entladepfad E weist ein Entladeschütz ES auf, das von einem Unterspannungsrelais REL ausgelöst werden kann. Das Unterspannungsrelais REL ist einerseits mit dem Entladepfad zwischen Entladeschütz ES und positiver Abgangsklemme zur Last LO verbunden, andererseits mit der Verbindung NL zwischen negativer Abgangsklemme BL- und dem negativen

Eingang der Batterieeinheit BU .

Ein Vorladekreis, der manuell, z.B. mittels eines Tasters TA, zugeschaltet werden kann, ist parallel zum Entladeschütz ES geschaltet und schaltet den Vorladekreis an die Ladeeinheit C. Die Last LO sorgt dafür, dass die Kapazitäten von

Ladeeinheit C und Last LO kontrolliert vorgeladen werden können, sodass kein kurzschlussartiger Strom beim Zuschalten der Batterieeinheit BU über die Trennschalter T2, T3

auftritt. Der Vorladekreis umfasst hier den Taster TA, mindestens eine Sicherung und mindestens einen Widerstand.

Das Entladeschütz ES schaltet automatisch zu, wenn das

Unterspannungsrelais REL an den Abgangsklemmen BL+, BL- eine hinreichend große Spannung detektiert. Dies ist der Fall, wenn die Vorladung abgeschlossen ist oder wenn die

Ladeeinheit C von sich aus eine entsprechende Spannung eingestellt hat. Eine Diode Dl im Entladepfad E stellt sicher, dass die Batterieeinheit BU nicht ungewollt oder unkontrolliert geladen werden kann. Der Entladepfad E kann nun nicht mehr abgeschaltet werden, es sei denn, das

Unterspannungsrelais REL spricht an, wenn die Batterieeinheit einen definierten minimalen Ladezustand (engl. State of Charge, SOC) unterschreitet.

Die Schaltung weist drei Trennschalter TI, T2, T3 auf, die mit einer Sicherung gesichert sind. Ein Trennschalter TI, T2, T3 kann beispielsweise als dreiphasiger

Sicherungstrennschalter ausgeführt sein, oder als eine Kombination eines oder mehrerer Trennschalter mit

nachfolgender Sicherung. Je ein Trennschalter TI, T2 ist vor den beiden Eingängen der Batterieeinheit BU angeordnet, zum sicheren Freischalten der BU . Ein Trennschalter T3 ist im Ladepfad L nach dem positiven Eingang BC+ der Batterieeinheit BU für die Ladeeinheit C angeordnet, zum sicheren Abtrennen der Ladeeinheit C. Die drei Trennschalter TI, T2, T3 trennen die Speichermodule beidseitig und von der Ladeeinheit C zum Zwecke der Instandhaltung, um also Berührungsschutz zu gewährleisten .

Die Last LO ist gemäß Stand der Technik über eine oder mehrere Dioden D2, hier über Abgangsklemmen BL+, BL-, an die Batterieeinheit BU angebunden, sodass keine Rückspeisung aus der Last LO in die Batterieeinheit BU möglich ist. Die Diode D2 könnte generell auch entfallen, wenn die Ladeeinheit C über eine Zugsammelschiene mehrere Batterieeinheiten laden und/oder entladen muss. Die Spannungsfreiheit der

Zugsammelschiene in Richtung der Batterieeinheit kann dann über andere Maßnahmen, z.B. über zusätzliche Trennschalter, sichergestellt werden.

Die Batteriemanagement-Einheit BMU dient als elektronische Schutzeinrichtung für die Batterieeinheit BU und ermöglicht darüber hinaus die Erfassung der Betriebszustände der

Batterieeinheit BU, wie beispielsweise den Gesundheitszustand (engl. State of Health SOH) , Ladezustand (engl. State of Charge, SOC) , Spannung, Temperatur und/oder Ströme.

Entsprechend weist die Batteriemanagement-Einheit BMU einen Datenbus bus und eine digitale Schnittstelle i/o auf, die mit der Zugsteuerung Z und/oder Zugdiagnose verbunden ist.

Ausgang B+ der Ladeeinheit C ist ein parallel geschalteter Anschluss in der Ladeeinheit C für das Laden mit integriertem Stromsensor, der jedoch nicht unbedingt zum Führen des gesamten Laststroms geeignet ist. Im Folgenden werden die einzelnen Schritte bei den

verschiedenen Betriebsfällen der erfindungsgemäßen

Batterieanordnung BA beschrieben.

Starten des Regelbetriebs:

Die Betätigungsreihenfolge der Bauteile beim Hochlauf im

Regelbetrieb ist wie folgt:

1. Manuelles Schließen Trennschalter TI bis T3

2. Hochlauf der Batteriemanagement-Einheit BMU durch die

anliegende Spannung

3. Betätigung des Vorladetasters (=Taster TA)

4. Schließen des Entladeschützes ES wenn das Spannungsniveau ausreichend ist, die Batterieeinheit BU versorgt die Last LO

5. Hochlauf der Lastgeräte, einschließlich der Ladeeinheit C, alternativ kann dieses auch schon bei anliegender

Netzspannung hochlaufen

6. Die Ladeeinheit C übernimmt nach Hochlauf den Laststrom und wartet auf Ladefreigabe.

7. Schließen des Ladeschützes LS sobald die

Batteriemanagement-Einheit BMU das Laden freigibt

8. Einstellen des Ladestroms i zusätzlich zum Laststrom in der Ladeeinheit C

Ablauf bei Störfällen bzw. im Notfallbetrieb:

1. Die Ladeeinheit C fällt aus.

2. Der Laststrom kommutiert automatisch in den Entladepfad E.

3. Wenn die Batterieeinheit BU leer ist, spricht das

Unterspannungsrelais REL an und öffnet das Entladeschütz ES, der Strom wird unterbrochen.

4. Durch die fehlende Versorgungsspannung gehen alle

Verbraucher aus, sowohl die Last LO als auch die

Batteriemanagement-Einheit BMU. Damit fällt auch das Ladeschütz LS ab. Ablauf bei sicherheitskritischen Zuständen im Ladepfad L, z.B. Überspannung, Kurzschlussstrom, Übertemperatur:

1. Die Schutzelektronik in der Batteriemanagement-Einheit BMU erkennt den Zustand.

2. Die Batteriemanagement-Einheit BMU schaltet das Ladeschütz LS ab, der Strom kommutiert auf den Entladepfad E.

Überladen ist nun nicht mehr möglich. Übertemperatur im Ladepfad L ist durch Bauteildimensionierung

ausgeschlossen. Bei Übertemperatur durch Brand wird das Schienenfahrzeug durch die Brandmeldeanlage stillgelegt (nicht in der Fig. dargestellt) .

3. Bei Kurzschluss öffnen die Sicherungen im Trennschalter TI bis T3.

Bezugszeichenliste :

B+ positiver Ausgang der Ladeeinheit C, mit integriertem

Stromsensor

B- negativer Ausgang der Ladeeinheit C

BA Batterieanordnung

BC+ positiver Eingang der Batterieanordnung BA für die

Ladeeinheit C

BC- negativer Eingang der Batterieanordnung BA für die

Ladeeinheit C

BL+ positive Abgangsklemme zur Last LO

BL- negative Abgangsklemme zur Last LO

BN+ positiver Ausgang der Ladeeinheit C

BMU Batteriemanagement-Einheit

BU Batterieeinheit

bus Datenbus

C Ladeeinheit

Dl Diode

D2 Diode

E Entladepfad

ES Entladeschütz

r Ladestrom (von Stromsensor) i/o digitaler Ein/Ausgang

L Ladepfad

LO Last

LS Ladeschütz

NC Verbindung (zwischen negativem Eingang BC- und dem negativen Eingang der Batterieeinheit BU)

NL Verbindung (zwischen negativer Abgangsklemme BL- und dem negativen Eingang der Batterieeinheit BU)

REL Unterspannungsrelais

T1,T2,T3 Trennschalter

TA Taster

Z Zugsteuerung