Verfahren zum Betreiben eines Schienenfahrzeugs und Schienen- fahrzeug

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Schienenfahrzeugs und ein Schienenfahrzeug.

In Schienenfahrzeugen befinden sich fahrzeugseitig elektri- sche Energiespeicher mit welchen u.a. Traktionsenergie spei- cherbar ist. Insbesondere bei einem Betrieb von Schienenfahr- zeugen, der durch einen häufigen Wechsel von Beschleunigungs- und Bremsvorgängen gekennzeichnet ist, kommen Energiespei- cherlösungen zum Einsatz, da mit deren Hilfe die Bremsenergie mittels Rekuperation, bei der kinetische in elektrische Ener- gie umgewandelt wird, nahezu vollständig genutzt werden kann.

Die Energiespeicher ermöglichen dadurch einen autonomen Be- trieb auf kurzen Streckenabschnitten ohne weitere bordeigene Energiequellen oder Oberleitungsversorgung bzw. stellen vo- rübergehend eine geringere Stromaufnahme aus dem Fahrdraht sicher.

Solche Energiespeicher werden im laufenden Betrieb im perma- nenten Wechsel aufgeladen und wieder entladen.

Der Einsatz von Energiespeichern in Antriebsanwendungen im laufenden Betrieb, z.B. in Schienenfahrzeugen, insbesondere zum Sparen bzw. Rekuperieren von Energie insbesondere Trakti- ons- und/oder Bremsenergie bringt Herausforderungen bezüglich deren Leistungsmanagement mit sich, da sie meist parallel ne- ben anderen Energiequellen betrieben werden.

Beispielsweise tritt bei Energiespeichern in Form von Doppel- schichtkondensatoren das Problem auf, dass bei leerem Ener- giespeicher die Leistungsfähigkeit aufgrund einer Strombe- grenzung und kleiner Spannung eingeschränkt ist. Ist aber ab- zusehen, dass in der nächsten Ladephase nicht genügend Ener- gie bereitsteht, um den Energiespeicher vollständig zu laden, ist eine tiefe Entladung im Voraus nachteilig, da dies die Aufnahmefähigkeit zusätzlich vermindert und eventuell anfal- lende hohe Bremsleistungen nicht verwertet werden können. Die dadurch nicht genutzte Energie kann in der Regel nicht ver- wendet werden und wird anderweitig beispielsweise in Wärme umgewandelt und geht "verloren".

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzu- geben, mit welchem der Energiespeicher eines Schienenfahr- zeugs so optimal eingesetzt werden kann, um die zu erwartende Energie, insbesondere aus Bremsvorgängen, möglichst vollstän- dig aufzunehmen.

Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1. Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Merkmalen der abhängigen Pa- tentansprüche wieder.

Dabei ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Schienenfahrzeugs, welches wenigstens einen elektri- schen Energiespeicher (ES) zur Speicherung von Energie auf- weist, die Entladeleistung des ES während des Betriebs des Schienenfahrzeugs einstellbar, wobei die Entladeleistung durch einen Vergleich eines Ist-Ladezustandes mit einem Soll- Ladezustand des ES in Abhängigkeit eines energetischen Zu- stands des Schienenfahrzeugs eingestellt wird.

Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, dass mittels des Vergleichs eines Ist-Ladezustandes mit dem entsprechenden Soll-Ladezustand des Energiespeichers in Abhängigkeit des energetischen Zustands des Schienenfahrzeugs ableitbar ist, ob Energie aus dem oder den Energiespeichern entnommen werden soll, dass also mittels des Verfahrens entschieden werden kann, wann Energie aus einem oder mehreren Energiespeichern, bzw. aus einer alternativen Energiequelle (z.B. Fahrleitung, Dieselmotor, etc.) des Schienenfahrzeugs bezogen werden soll, um zu ermöglichen, dass ein oder mehrere Energiespeicher des Schienenfahrzeugs die zukünftig wieder zu erwartende Energie, insbesondere aus Bremsvorgängen, möglichst vollständig auf- nehmen, bzw. speichern zu können.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der energetische Zustand des Schienenfahrzeugs durch wenigstens eine Zustandsgröße bestimmbar, wobei die wenigstens eine Zu- standsgröße ein Energieäquivalent des Schienenfahrzeugs ist. Dabei ist besonders bevorzugt ein Energieäquivalent die Ge- schwindigkeit des Schienenfahrzeugs, da diese besonders ein- fach zu bestimmen, bzw. zu messen ist. Die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs ist ein Maß für dessen kinetische Energie und somit für den energetischen Zustand des Schienen- fahrzeugs. Im Folgenden wird deshalb in der Regel die Ge- schwindigkeit repräsentativ für diesen energetischen Zustand verwendet, wobei dies aber gleichwertig auch für andere Zu- standsgrößen, insbesondere andere Energieäquivalente, wie z.B. Drehzahl, Winkelgeschwindigkeit, Höhenlage, Beladung, etc. gilt.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Soll-Ladezustand des Energiespeichers in Abhängigkeit wenigstens eines Energieäquivalents bestimmbar ist, wobei ei- ne daraus resultierende Soll-Ladezustandskurve eine Funktion des wenigstens einen Energieäquivalents des Schienenfahrzeugs ist.

Der Ladezustand eines Energiespeichers kann durch unter- schiedliche Zustandsgrößen repräsentiert werden. Beispiele hierfür sind kumulierte Ladungsmengen, Spannungen, Drehzahlen etc. Im Folgenden wird in der Regel die Spannung als beson- ders bevorzugtes Ladezustandsäquivalent verwendet, da die Spannung ebenfalls sehr einfach und sehr genau bestimmbar ist, wobei jedoch ohne Einschränkung auch jede andere Ladezu- standsgröße, bzw. jedes andere Ladezustandsäquivalent hierfür verwendet werden kann. Somit wird erfindungsgemäß ein vordefinierter Soll- Ladezustand des Energiespeichers also eine Spannung, bzw. ein Spannungswert, in Abhängigkeit des jeweiligen energetischen Zustands des Fahrzeugs, also eines Energieäquivalents, wie insbesondere der Geschwindigkeit bestimmt, wodurch eine ent- sprechende Soll-Ladezustandskurve abgebildet werden kann. Die Soll-Ladezustandskurve U ist demnach eine Funktion der be- treffenden Zustandsgröße, bzw. des betreffenden Energieäqui- valents Geschwindigkeit v: U=f(v).

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung entspricht eine Soll-Ladezustandskurve einem Betriebsprofil des Schienenfahrzeugs, wobei jeweils unterschiedliche Be- triebsprofile jeweils unterschiedlichen Soll- Ladezustandskurven entsprechen. Besonders bevorzugt werden die unterschiedlichen Soll-Ladezustandskurven in einem Daten- speicher hinterlegt, so dass diese jederzeit, wenn benötigt, abgerufen, bzw. ausgelesen werden können und somit jederzeit zur Verfügung stehen. Somit können für alle denkbaren Situa- tionen Betriebsprofile des Schienenfahrzeugs als jeweils zugehörige Soll-Ladezustandskurven insbesondere im Voraus, also vordefiniert, abgebildet und gespeichert werden, wobei diese sowohl ortsabhängig als auch allgemein gültig hinter- legt werden können.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist mittels des Vergleichs des Ist-Ladezustandes mit dem Soll-Ladezustand des ES in Abhängigkeit des energetischen Zu- stands des Schienenfahrzeugs eine Entladesollleistung ableit- bar. Besonders bevorzugt ist die Entladesollleistung zu einer geregelten Energieentnahme aus dem ES des Schienenfahrzeugs verwendbar, wobei dies besonders bevorzugt mittels einer ge- regelten Stromentnahme erfolgt, die wiederum besonders bevor- zugt zum Beschleunigen des Schienenfahrzeugs verwendbar ist.

Die erfindungsgemäße Einstellung der Entladeleistung, insbe- sondere der Bestimmung der jeweiligen Entladesollleistung, eines Energiespeichers erfolgt geregelt durch den Abgleich des aktuellen Ist-Ladezustands mit dem entsprechenden, vorde- finierten Soll-Ladezustand des Energiespeichers in Abhängig- keit des zugehörigen energetischen Zustands des Fahrzeugs. So kann beispielsweise die Spannung als Maß für den Ladezustand des Energiespeichers in Abhängigkeit der Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs geregelt werden. Die gemessene Geschwindig- keit ergibt zusammen mit der hinterlegten Sollkurve des Lade- zustands U=f(v) einen Sollwert der Spannung U _soll · Davon wird der gemessene Wert der Spannung des Energiespeichers Ui _St sub- trahiert, woraus sich ggf. eine Regelabweichung ergibt, wel- che in einem hierfür angeschlossenem Regelkreislauf mittels eines entsprechenden Reglers, beispielsweise einem PI-Regler, in eine Entladesollleistung umgewandelt wird. Eine Entlade- leistung kann beispielsweise und besonders vorteilhaft durch einen Entladestrom repräsentiert werden, sodass die, aufgrund des vorher beschriebenen Vergleichs bestimmte Entladesoll- leistung einem Soll-Entladestrom I _soll entspricht. Dies wiede- rum führt in der Regelstrecke beim Schienenfahrzeug zu einer geregelten Stromentnahme I _ist aus dem Energiespeicher in dem Maße, in dem diese hierdurch repräsentierte Energie verwendet werden kann und soll, z.B. und besonders vorteilhaft zum Be- schleunigen des Schienenfahrzeugs, da dadurch keine alterna- tiven Energiequellen benötigt werden. Optional ist es hier auch möglich eine Begrenzung des Entladestroms vorzusehen, um beispielsweise eine Tiefenentladung des oder der Energiespei- cher zu vermeiden. Die resultierende, bzw. zu entnehmende Entladeleistung wiederum beeinflusst mittels Beschleunigung und der daraus resultierenden, geänderten Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs die Regelstrecke und führt somit zu einer Rückkopplung der Regelung.

Nach einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Soll-Ladezustandskurve eine Funktion des wenigstens einen Energieäquivalents des Schienenfahrzeugs und wenigstens einer Störgröße. Dabei ist die Soll- Ladezustandskurve besonders bevorzugt in Abhängigkeit eines definierten Soll-Ladezustands des Energiespeichers bei einer definierten Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs anpassbar. Somit können erfindungsgemäß Störgrößen entsprechend vorteil- haft bei der Bestimmung der Soll-Ladezustandskurve berück- sichtigt werden. Störgrößen sind Einflüsse, die den energeti- schen Zustand des Schienenfahrzeuges beeinflussen können, je- doch größtenteils nicht bekannt sind. Sind einzelne oder meh- rere Störgrößen, wie beispielsweise die Fahrweise getriggert durch den Fahrer, bzw. Zugführer, Zuladung (m _Zul ), Witterungs- bedingungen (T), Hilfsbetriebe (P _HBU ), Position (x,y), Fahrt- richtung (d), etc. messtechnisch erfassbar, kann der Soll- Ladezustand und somit die entsprechende Soll-Ladezustands- kurve nicht nur in Abhängigkeit eines energetischen Zustands des Fahrzeugs, wie z.B. der Geschwindigkeit v, sondern auch in einer ein- oder auch mehrdimensionalen Abhängigkeit abge- bildet werden, so dass beispielsweise eine Funktion U (v, Fah- rer, m _Zul , T, P _HBU , x,y, d) betrachtet und somit entsprechend wenigstens eine oder auch mehrere Störgrößen berücksichtigt werden können. Die mathematische Beschreibung des Einflusses einer oder mehrerer Störgröße(n) auf den Soll- Ladezustandswert ist sehr komplex und aufwändig. Die dabei auftretende Komplexität der Zusammenhänge kann zum Beispiel durch den Einsatz von maschinellem Lernen, künstlicher Intel- ligenz, neuronalen Netzwerken, etc. gelöst werden. Wird etwa maschinelles Lernen eingesetzt, könnte anhand der vergangenen zeitlichen Verläufe der erfassten Zustände eine Prognose für die anfallende Ladeleistung und Energie beim Bremsen gemacht werden und daraus ein Soll-Ladezustandswert abgeleitet wer- den. Der Vorteil des maschinellen Lernens liegt insbesondere darin, dass der Einfluss der Störgrößen verkleinert wird und die Notwendigkeit der mathematischen Beschreibung der Wirkung der Störgrößen auf den Soll-Ladezustandswert entfallen kann. Je mehr Störgrößen messtechnisch erfasst werden, desto gerin- ger ist die Notwendigkeit für einen gezielten Umgang mit den Störgrößen, wie dies bei einfachen zustandsbasierten Regelun- gen der Entladeleistung der Fall ist. Insbesondere ist es vorteilhaft abhängig vom Ort, bzw. einer Haltestelle des Schienenfahrzeugs bereits vorhersehbare Störgrößen, wie z.B. Änderungen der Höhenlage oder Energieverbrauch, etc. durch besondere Fahrwiderstände, wie z. B. Kurvenradien, etc. in der entsprechenden Soll-Ladezustandskurve, also der U (v)- Kennlinie, zu berücksichtigen.

Für einfache zustandsbasierte Regelungen der Entladeleistung ist eine Kompensation der Störgrößen zwar nicht zwingend not- wendig, aber dennoch sinnvoll.

Dabei ist eine entsprechende Berücksichtigung einer oder meh- rerer Störgrößen durch eine Anpassung der Soll- Ladezustandskurve erfindungsgemäß besonders bevorzugt in Ab- hängigkeit eines definierten Soll-Ladezustands des Energie- speichers bei einer definierten Geschwindigkeit des Schienen- fahrzeugs.

Hierfür werden im Folgenden beispielsweise zwei Möglichkeiten zum Umgang mit Störgrößen dargestellt.

Auf Grund von Störgrößen werden die Vorhersagen einer vorde- finierten Soll-Ladezustandskurve möglicherweise von der Rea- lität abweichen, sodass die, ein oder mehrere, Energiespei- cher beim nächsten Ladevorgang, insbesondere Bremsvorgang des Schienenfahrzeugs, entweder nicht vollständig geladen werden können, weil im Vorfeld zu viel Energie entnommen und somit verloren wurde, oder bereits verfrüht vollständig aufgeladen sind, weil sie vorher nicht tief genug entladen wurden und somit ein Teil der Energie, beispielsweise über Wärmeabstrah- lung verloren geht. Dementsprechend ist es vorteilhaft eine übergeordnete Regelung zur Adaption der entsprechenden Kenn- linie des Ladezustands, also der Soll-Ladezustandskurve zu integrieren .

So wird erfindungsgemäß bei Erreichen einer definierten Ge- schwindigkeit, der Referenzgeschwindigkeit v _Ref , z.B. bei Stillstand, also v=0, der aktuelle Ladezustand U vom Sollwert des zugehörigen Ladezustands, also des zur Referenzgeschwin- digkeit v _Ref gehörenden Referenzladezustands U _Ref, abgezogen. Die resultierende Abweichung wird im Anschluss mittels eines Reglers, beispielsweise eines PI-Reglers, verarbeitet, wobei am Ausgang des Reglers beispielsweise eine geschwindigkeits- abhängige Funktion m(v) definiert wird und die resultierende Größe dabei der mathematischen Anpassung der Sollkurve bei- spielsweise nach folgendem mathematischen Muster dient: m (v)=1 + (m _n * v/v _max )

Die geschwindigkeitsabhängige Funktion m(v) wird nun bei- spielsweise mit der Sollwertkurve U (v) multipliziert und ergibt somit U (v) x m(v), wodurch die Anpassung der Soll- Ladezustandskurve basierend auf der Erreichung eines defi- nierten Sollladezustands bei einer definierten Geschwindig- keit erreicht wird. Dies führt somit zu einer Adaption des geschwindigkeitsabhängigen Sollwerts des Ladezustands und so- mit der Soll-Ladezustandskurve U (v).

Nach einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Steilheit der Soll-Ladezustandskurve in Ab- hängigkeit einer definierten Geschwindigkeit des Schienen- fahrzeugs anpassbar.

So erfolgt beim Erreichen einer definierten Geschwindigkeit, beispielsweise bei v=0, eine Überprüfung der erreichten Ener- gieeinsparung im Vergleich zum Sollwert, z.B., wie folgt: a) Sollwert dU _soll = U _max - U _min mit U _max = maximale Energiespei- cherspannung, d.h. maximaler Ladezustand, der Energiespeicher ist vollständig geladen, und U _min = minimale projektierte Speicherspannung, d.h. minimaler Ladezustand, der Energie- speicher ist „leer", also entladen. b) Istwert dU _ist = U _ist , _min - U _ende, mit U _ist , _min = kleinste er- reichte Spannung im betrachteten Intervall und U _ende = er- reichte Spannung nach dem Laden des Energiespeichers durch den Bremsvorgang nach Erreichen der definierten Geschwindig- keit v=0.

Der entsprechende Istwert des Ladezustands dU _ist kann nie grö- ßer werden als der Sollwert dU _soll · Beim Vergleich von Istwert mit dem Sollwert können sich fol- gende Fälle ergeben:

Falls der Istwert gleich dem Sollwert ist, also dUi _St = dU _soll ist keine weitere Maßnahme erforderlich, da die erzielte Energieeinsparung bereits optimal ist.

Falls U _ende < U _max ist, bedeutet das, dass die optimale Ener- gieeinsparung nicht erzielt worden ist, weil der Energiespei- cher durch den Bremsvorgang nicht wieder vollständig geladen werden konnte, da er vorher zu tief entladen worden ist. Dem- entsprechend muss der Entladestrom entsprechend reduziert werden.

Mögliche Ursachen sind beispielsweise, dass

1. zu viel Bremsleistung in zu kurzer Zeit zur Verfügung steht, weshalb eine Ladestrombegrenzung wirksam wird, wodurch die Bremsenergie nicht aufgenommen werden kann, oder, dass

2. nicht genügend Bremsenergie zum Laden des Energiespeichers zur Verfügung steht, z.B. aufgrund von Störgrößen.

Konsequenz :

In der Designphase: Überprüfung der Speicherauslegung: Mehr Leistung, weniger Energie.

In der Betriebsphase: Das Entladen sollte verringert werden, damit mit vollständiger Aufnahme der Brems- energie auch der Energiespeicher möglichst vollständig geladen werden kann.

Um dies zu berücksichtigen, kann insbesondere die Steilheit der Soll-Ladezustandskurve, also der Kennlinie U=f(v) erhöht werden.

Falls U _ende = U _max und U _ist , _min > U _min bedeutet das, dass die op- timale Energieeinsparung nicht erzielt worden ist, weil der Energiespeicher vorher nicht tief genug entladen wurde. Mögliche Ursachen sind beispielsweise, dass

1. der Sollentladestrom durch den Maximalwert begrenzt wird oder, dass

2. die Energieaufnahme des Schienenfahrzeugs geringer als projektiert ist, z.B. aufgrund von Störgrößen.

Konsequenz :

In der Designphase: Überprüfung der Speicherauslegung: Mehr Leistung, weniger Energie.

In der Betriebsphase: Das Entladen sollte schon bei kleinen Geschwindigkeiten erhöht werden, damit mehr Energie im Energiespeicher umgesetzt werden kann.

Um dies zu berücksichtigen, kann insbesondere die Steilheit der Soll-Ladezustandskurve, also der Kennlinie U=f(v) ernied- rigt werden.

Eine weitere besonders bevorzugte Ausprägung der Erfindung ist ein Schienenfahrzeug mit Mitteln zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13.

Zusammengefasst kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ge- genüber herkömmlichen Entladeregelungen bzw. Verfahren aus dem Stand der Technik gewährleistet werden, dass ein oder mehrere Energiespeicher eines Schienenfahrzeugs durch rekupe- rativ anfallende Energie bestmöglich geladen werden können, ohne dabei in gesteigertem Maß nicht aufnahmefähig zu sein, bzw. bereits vollständig geladen zu sein, trotz zusätzlich vorhandener rekuperativer Energie. Dies ist insbesondere be- sonders vorteilhaft bei Energiespeichern mit ladezustandsab- hängiger Leistung, wie zum Beispiel Doppelschichtkondensato- ren, Schwungmassenspeichern, aber auch Batterien. Ein weite- rer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass sich dieses, insbesondere sich die zugehörige Regelung automatisch auf Störgrößen adaptiert, die meist nicht oder nur unzu- reichend erfasst werden können und damit einem optimalen Energiespeichereinsatz in der Regel entgegenstehen. Die Adap- tion eignet sich besonders für langsam veränderliche Störgrö- ßen, die sich über mehrere Lade-/ Entladezyklen langsam ver- ändern. Hingegen kann die innere Regelung sehr schnell auf Veränderungen reagieren. Unabhängig von der Art der Störgröße reagiert die Adaption. Indirekt reagiert die Adaption sogar automatisch auf die Alterung des Energiespeichers, wenn sich dessen Energieinhalt und/oder Leistungsvermögen ändern. In der Regel sind bereits viele notwendige Größen bekannt und müssen nur verarbeitet werden. Zusätzliche Sensorik wird da- mit weitestgehend vermieden. Beim Einsatz von maschinellem Lernen entfällt die mathematische/physikalische Beschreibung des Einflusses der Störgrößen auf den Ladezustandssollwert und vereinfacht somit das Engineering.

Weiterhin bietet die adaptive zustandsbasierte Entladerege- lung des Energiespeichers, z.B. beim Einsatz für Doppel- schichtkondensatoren, mehrere Vorteile in Bezug auf Effektiv- wert des Speicherstroms, Verlustverhalten, Thermik, Alterung, Komponentendimensionierung, Energieinhalt des Energiespei- chers, Kühlsystemgröße und Energieverbrauch. Die verwendete Entladeregelung führt zu einem Betrieb bei höheren mittleren Spannungen der Doppelschichtkondensatoren, wobei die oberen und unteren Grenzen unangetastet bleiben. Durch den Betrieb bei höheren Spannungen werden bei gleicher Leistung geringere Ströme benötigt, was geringere Effektivwerte der Ströme her- vorruft, die wiederum geringere ohmsche Verluste in Strom- richter, Drossel und Energiespeicher nach sich ziehen. Gerin- gere Verluste verbessern das thermische Verhalten der Kompo- nenten und ermöglichen einen Einsatz bei wärmeren Umgebungs- bedingungen oder mit geringerem Aufwand für die Kühlung der Komponenten. Die geringeren Verluste tragen zu einer Steige- rung der Energieeffizienz bei und reduzieren den Energiebe- darf. Die hervorgerufene Verbesserung des Effektivwerts des Stroms könnte auch dazu verwendet werden, niedrigere Schwel- len für den minimalen Ladezustand des Energiespeichers zuzu- lassen, die aufgrund der Regelung beispielsweise nur in lan- gen Bergabfahrten zum Tragen kommen. Der oder die Energie- speicher könnten somit einen größeren Teil ihres theoreti- sehen Energieinhalts nutzen, was eine bessere Ausnutzung und höhere Energieeffizienz hervorruft.

Eine zusätzliche Möglichkeit besteht in einer Überdimensio- nierung (hohe Energieaufnahme, aber hohe Investkosten) oder Unterdimensionierung (billig, aber Energie nur teilweise re- kuperierbar) der Energiespeicher.

Im Weiteren werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfin- dung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ersatzschaltbild für eine zustandsbasierte Re- gelung der Entladeleistung,

Fig. 2 ein Ersatzschaltbild für eine Energieregelung bei einer Referenzgeschwindigkeit und Fig. 3 bis 6 Diagramme zur Speicherleistung bzw. Energie in Bezug zu einer adaptierten Soll-Ladezustandskurve.

Fig.l zeigt ein Ersatzschaltbild für eine zustandsbasierte Regelung 1 der Entladeleistung.

Die Einstellung der Entladeleistung eines Energiespeichers erfolgt geregelt durch den Abgleich eines aktuellen Ist- Ladezustands mit einem vordefinierten Soll-Ladezustand des Energiespeichers in Abhängigkeit eines energetischen Zustands eines Schienenfahrzeugs, insbesondere der Geschwindigkeit ei- nes Schienenfahrzeugs, welches ein Maß für die kinetische Energie und somit den energetischen Zustand des Schienenfahr- zeugs ist. In den Figuren bzw. der Figurenbeschreibung wird deshalb die Geschwindigkeit repräsentativ für diesen energe- tischen Zustand verwendet, wobei dies aber gleichwertig auch für andere Zustandsgrößen, insbesondere andere Energieäquiva- lente, wie z.B. Drehzahl, Winkelgeschwindigkeit, Höhenlage, Beladung, etc. gilt.

Dabei zeigt Fig.l einen Datenspeicher 10, der eine oder meh- rere Soll-Ladezustandskurven U (v) enthält. Die Soll- Ladezustandskurven sind beispielsweise Spannungskurven U in Abhängigkeit der Zustandsgröße Geschwindigkeit v. Eine Soll- Ladezustandskurve entspricht einem Betriebsprofil des Schie- nenfahrzeugs, wobei jeweils unterschiedliche Betriebsprofile jeweils unterschiedlichen Soll-Ladezustandskurven entspre- chen. Somit kann für jedes denkbare Betriebsprofil eines Schienenfahrzeugs, ortsabhängig oder allgemein gültig, eine zugehörige Soll-Ladezustandskurve im Datenspeicher 10 hinter- legt werden, so dass diese jederzeit, wenn benötigt, abgeru- fen, bzw. ausgelesen werden können und somit jederzeit zur Verfügung stehen.

Die gemessene Geschwindigkeit v ergibt zusammen mit der im Datenspeicher 10 hinterlegten Sollkurve des Ladezustands (U=f(v)) einen Sollwert der Spannung U _soll · Davon wird der ge- messene Wert der Spannung U _ist subtrahiert. Ergibt sich daraus eine Regelabweichung verschieden von 0, wird diese daran an- schließend im Regler 12, hier beispielhaft als PI-Regler aus- geführt, in eine Entladesollleistung umgewandelt, wobei diese in der Figur 1 beispielsweise durch den Soll-Entladestrom I _soll repräsentiert wird. In einem optionalen Strombegrenzer 14 ist es hier auch möglich, eine Begrenzung des Entlade- stroms vorzusehen, um beispielsweise eine Tiefenentladung des oder der Energiespeicher zu vermeiden.

Der in Fig.1 dargestellte Sollwert I _soll führt im Anschluss in der Regelstrecke 16 also im Schienenfahrzeug zu einer gere- gelten Stromentnahme I _ist (hier nicht dargestellt) aus dem Energiespeicher, beispielsweise zur Beschleunigung des Schie- nenfahrzeugs. Die resultierende, bzw. zu entnehmende Entlade- leistung wiederum beeinflusst mittels Beschleunigung und der daraus resultierenden, geänderten Geschwindigkeit des Schie- nenfahrzeugs die Regelstrecke und führt somit zu einer Rück- kopplung der Regelung. Die Regelstrecke 16 kann dabei zusätz- lich durch weitere Zustandsgrößen, insbesondere Störgrößen beeinflusst werden (In Fig. 1 durch einen Pfeil, der in die Regelstrecke 16 zeigt, symbolisiert. Störgrößen sind Einflüsse, die den energetischen Zustand des Fahrzeuges beeinflussen können, jedoch größtenteils nicht be- kannt sind.

Sind einzelne oder mehrere Störgrößen, wie beispielsweise die Fahrweise (Fahrer) getriggert durch den Fahrer, bzw. Zugfüh- rer, Zuladung (m _Zul ), Witterungsbedingungen (T), Hilfsbetriebe (P _HBU ), Position (x,y), Fahrtrichtung (d), etc. messtechnisch erfassbar, kann der Soll-Ladezustand und somit die entspre- chende Soll-Ladezustandskurve nicht nur in Abhängigkeit eines energetischen Zustands des Fahrzeugs, wie z.B. der Geschwin- digkeit v, sondern auch in einer ein- oder auch mehrdimensio- nalen Abhängigkeit abgebildet werden, so dass beispielsweise eine Funktion U (v, Fahrer, m _Zul , T, R _HBU , x,y, d) betrachtet und somit entsprechend wenigstens eine oder auch mehrere Störgrößen berücksichtigt werden können. In den folgenden Fi- guren wird der Umgang mit Störgrößen beispielhaft darge- stellt.

Fig. 2 zeigt hierzu ein Ersatzschaltbild für eine entspre- chende Regelung bei einer Referenzgeschwindigkeit.

Auf Grund von oben bereits genannten Störgrößen werden die Vorhersagen einer vordefinierten Soll-Ladezustandskurve mög- licherweise von der Realität abweichen, sodass die, ein oder mehrere, Energiespeicher beim nächsten Ladevorgang, insbeson- dere Bremsvorgang des Schienenfahrzeugs, entweder nicht voll- ständig geladen werden können, weil im Vorfeld zu viel Ener- gie entnommen und somit verloren wurde, oder bereits verfrüht vollständig aufgeladen sind, weil sie vorher nicht tief genug entladen wurden und somit ein Teil der Energie, beispielswei- se über Wärmeabstrahlung verloren geht. Dementsprechend ist es vorteilhaft eine übergeordnete Regelung zur Adaption der entsprechenden Kennlinie des Ladezustands, also der Soll- Ladezustandskurve zu integrieren, wie dies beispielhaft in Fig. 2 dargestellt ist. Dabei wird bei Erreichen einer definierten Geschwindigkeit, der Referenzgeschwindigkeit v _Ref , z.B. bei Stillstand, also bei v = 0, mittels des Triggers 21 der aktuelle Ladezustand U 23 vom Sollwert des zugehörigen Ladezustands, also des zur Referenzgeschwindigkeit v _Ref gehörenden Referenzladezustands U _Ref 25, abgezogen.

Die resultierende Abweichung wird dann mittels eines Reglers 27, hier beispielsweise als PI-Regler ausgeführt, verarbei- tet, wobei am Ausgang des Reglers 27 beispielsweise eine ge- schwindigkeitsabhängige Funktion m(v) definiert wird und die resultierende Größe dabei der mathematischen Anpassung der Sollkurve beispielsweise gemäß folgendem mathematischem Mus- ter dient: m (v)=1 + (m _n * v/v _max )

Die geschwindigkeitsabhängige Funktion m(v) wird nun bei- spielsweise mit der Sollwertkurve U (v) multipliziert und ergibt somit U (v) x m(v), wodurch die Anpassung der Soll- Ladezustandskurve basierend auf der Erreichung eines defi- nierten Sollladezustands U _Ref 25 bei einer definierten Ge- schwindigkeit v _Ref erreicht wird. Dies führt somit zu einer Adaption des geschwindigkeitsabhängigen Sollwerts des Ladezu- stands und somit der Soll-Ladezustandskurve U (v).

Eine weitere Möglichkeit für den Umgang mit Störgrößen wird beispielhaft anhand der Figuren 3 bis 6 dargestellt.

Fig. 3 bis 6 zeigen hierzu Diagramme zur Speicherleistung 30, 40 bzw. Energie 35, 45 in Bezug zu einer adaptierten Soll- Ladezustandskurve .

So erfolgt beim Erreichen einer definierten Geschwindigkeit, beispielsweise bei v = 0, eine Überprüfung der erreichten Energieeinsparung im Vergleich zum Sollwert, z.B., wie folgt: a) Sollwert dU _so11 = U _max - U _min mit U _max = maximale Energiespei- cherspannung, d.h. maximaler Ladezustand, der Energiespeicher ist vollständig geladen, und U _min = minimale projektierte Speicherspannung, d.h. minimaler Ladezustand, der Energie- speicher ist „leer", also entladen. b) Istwert dU _ist = U _ist ,min - U _ende, mit U _ist,min = kleinste er- reichte Spannung im betrachteten Intervall und U _ende = er- reichte Spannung nach dem Laden des Energiespeichers durch den Bremsvorgang nach Erreichen der definierten Geschwindig- keit v = 0.

Der entsprechende Istwert des Ladezustands dU _ist kann nie grö- ßer werden als der Sollwert dU _soll ·

Beim Vergleich vom Istwert mit dem Sollwert des Ladezustands können sich folgende Fälle ergeben:

Falls der Istwert gleich dem Sollwert ist, also dU _ist = dU _soll ist keine weitere Maßnahme erforderlich, da die erzielte Energieeinsparung bereits optimal ist.

Falls U _ende < U _max ist, bedeutet das, dass die optimale Ener- gieeinsparung nicht erzielt worden ist, weil der Energiespei- cher durch den Bremsvorgang nicht wieder vollständig geladen werden konnte, da er vorher zu tief entladen worden ist. Dem- entsprechend muss der Entladestrom entsprechend reduziert werden.

Mögliche Ursachen sind beispielsweise, dass

1. zu viel Bremsleistung in zu kurzer Zeit zur Verfügung steht, weshalb eine Ladestrombegrenzung wirksam wird, wodurch die Bremsenergie nicht aufgenommen werden kann, oder, dass

2. nicht genügend Bremsenergie zum Laden des Energiespeichers zur Verfügung steht, z.B. aufgrund von Störgrößen.

Konsequenz :

In der Designphase: Überprüfung der Speicherauslegung: Mehr Leistung, weniger Energie.

In der Betriebsphase: Das Entladen sollte verringert werden, damit mit vollständiger Aufnahme der Brems- energie auch der Energiespeicher möglichst vollständig geladen werden kann.

Um dies zu berücksichtigen, kann insbesondere die Steilheit der Soll-Ladezustandskurve, also der Kennlinie U=f(v) erhöht werden.

Dieser Fall wird in Fig. 3 bzw. 4 abgebildet, wobei Diagramm 30 die Speicherleistung in Abhängigkeit der Geschwindigkeit zeigt, und sowohl Speicherleistung als auch Geschwindigkeit jeweils in % angegeben werden. Entsprechend dazu zeigt Dia- gramm 35 die Energie in Abhängigkeit der Geschwindigkeit, wo- bei auch hier sowohl Speicherleistung als auch Geschwindig- keit jeweils in % angegeben werden.

Dabei wird in Diagramm 30 die Kennlinie 32 mit dem normalen Verlauf der Speicherleistung in Abhängigkeit der Geschwindig- keit gemäß der ursprünglichen Soll-Ladezustandskurve im Ver- gleich zur Kennlinie 34 gezeigt, die den, wie oben erläutert, korrigierten Verlauf der Speicherleistung in Abhängigkeit der Geschwindigkeit gemäß der adaptierten Soll-Ladezustandskurve abbildet. Analog dazu wird in Diagramm 35 die Kennlinie 37 mit dem normalen Verlauf der Energie in Abhängigkeit der Ge- schwindigkeit gemäß der ursprünglichen Soll-Ladezustandskurve im Vergleich zur Kennlinie 39 gezeigt, die den, wie oben er- läutert, korrigierten Verlauf der Energie in Abhängigkeit der Geschwindigkeit gemäß der adaptierten Soll-Ladezustandskurve abbildet.

Wie unmittelbar in den Diagrammen 30 und 35 zu erkennen ist, verlaufen die korrigierten Kennlinien 34 und 39 mit erhöhter Steilheit deutlich oberhalb der entsprechenden, nicht korri- gierten Kennlinien 32 und 37.

Die jeweils korrigierten Kennlinien 34 und 39 repräsentieren somit, aufgrund der oben erläuterten Gegebenheiten, die ent- sprechend adaptierten Soll-Ladezustandskurven, die die ur- sprünglichen Soll-Ladezustandskurven ersetzen sollen und die wirkliche, reale Situation entsprechend wesentlich besser ab- bilden können.

Falls U _ende = U _max und U _ist , _min > U _min bedeutet das, dass die op- timale Energieeinsparung nicht erzielt worden ist, weil der Energiespeicher vorher nicht tief genug entladen wurde.

Mögliche Ursachen sind beispielsweise, dass

1. der Sollentladestrom durch den Maximalwert begrenzt wird oder, dass

2. die Energieaufnahme des Schienenfahrzeugs geringer als projektiert ist, z.B. aufgrund von Störgrößen.

Konsequenz :

In der Designphase: Überprüfung der Speicherauslegung: Mehr Leistung, weniger Energie.

In der Betriebsphase: Das Entladen sollte schon bei kleinen Geschwindigkeiten erhöht werden, damit mehr Energie im Energiespeicher umgesetzt werden kann.

Um dies zu berücksichtigen, kann insbesondere die Steilheit der Soll-Ladezustandskurve, also der Kennlinie U=f(v) ernied- rigt werden.

Dieser Fall wird in Fig. 5 bzw. 6 abgebildet, wobei Diagramm 40 die Speicherleistung in Abhängigkeit der Geschwindigkeit zeigt, und sowohl Speicherleistung als auch Geschwindigkeit jeweils in % angegeben werden. Entsprechend dazu zeigt Dia- gramm 45 die Energie in Abhängigkeit der Geschwindigkeit, wo- bei auch hier sowohl Speicherleistung als auch Geschwindig- keit jeweils in % angegeben werden.

Dabei wird in Diagramm 40 die Kennlinie 42 mit dem normalen Verlauf der Speicherleistung in Abhängigkeit der Geschwindig- keit gemäß der ursprünglichen Soll-Ladezustandskurve im Ver- gleich zur Kennlinie 44 gezeigt, die den, wie oben erläutert, korrigierten Verlauf der Speicherleistung in Abhängigkeit der Geschwindigkeit gemäß der adaptierten Soll-Ladezustandskurve abbildet. Analog dazu wird in Diagramm 45 die Kennlinie 47 mit dem normalen Verlauf der Energie in Abhängigkeit der Ge- schwindigkeit gemäß der ursprünglichen Soll-Ladezustandskurve im Vergleich zur Kennlinie 49 gezeigt, die den, wie oben er- läutert, korrigierten Verlauf der Energie in Abhängigkeit der Geschwindigkeit gemäß der adaptierten Soll-Ladezustandskurve abbildet.

Wie unmittelbar in den Diagrammen 40 und 45 zu erkennen ist, verlaufen die korrigierten Kennlinien 44 und 49 mit ernied- rigter Steilheit deutlich unterhalb der entsprechenden, nicht korrigierten Kennlinien 42 und 47.

Die jeweils korrigierten Kennlinien 44 und 49 repräsentieren somit, aufgrund der oben erläuterten Gegebenheiten, die ent- sprechend adaptierten Soll-Ladezustandskurven, die die ur- sprünglichen Soll-Ladezustandskurven ersetzen sollen und die wirkliche, reale Situation entsprechend wesentlich besser ab- bilden können.

Zur Bestimmung der Änderung der Steilheit:

- Als Maß M für die erforderliche Nachkorrektur kann die Differenz zwischen erreichter und Soll-Energieeinsparung dienen: M = (dU _ist) /(dU _soll ).

- Beispiel für eine Leistungskennlinie (linear):

P(V) = P _max * (1-(1-P _min /P _max) *(v/v _max) ^ExP ) mit EXP = 1

- Beispiel für eine überhöhte Kennlinie:

P(V) = P _max * (1-(1- P _min /P _max )*(v/v _max ) ^1+M )

- Beispiel für eine erniedrigte Kennlinie:

P(V) = P(V) = P _max * (1-(1- P _man /P _max )*(v/v _max )1-M

- Setzt man den Exponent EXP bei jeder neuen Auswertung neu, so kann eine adaptive Regelung und Optimierung der Kennlinie erreicht werden.

- Damit der Exponent konvergiert, und nicht divergiert, kann man beispielsweise ansetzen:

EXP _neu = EXP _alt +/- M _neu *x und x hinreichend klein wählen. Die Energie-Kennlinie ist in diesem Beispiel in den Diagram- men 35 und 45 der Figuren 4 bzw. 6 quadratisch zur Leistungs- kennlinie angenommen. Dies entspricht einem idealen Kondensa- torspeicher mit E~U ² und P~U, d.h., U = f(v) entspricht in diesem Beispiel der Leistungskennlinie in den Diagrammen 30 und 40 der Figuren 3 bzw. 5:

U(v) = U _max * (1-(1-U _nin /U _max )*(v/v _max) ^EXP ).

Dabei stellt die Leistungskennlinie die geschwindigkeitsab- hängig verfüqbare Speicherleistung dar, nicht zu verwechseln mit der geschwindigkeitsabhängig zu entnehmenden Speicher- leistung, die durch I _soll bestimmt wird.