Verfahren zur Versorgung einer streckenseitigen Einrichtung mit Energie

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Versorgung einer streckenseitigen Einrichtung mit Energie, eine stre ckenseitige Einrichtung, die für ein solches Verfahren geeig net ist, und ein Fahrzeug, das für ein solches Verfahren ge eignet ist.

Im Bereich der Eisenbahntechnik besteht das Problem, dass bei langen Strecken, insbesondere in abgelegenen Gegenden, eine Energieversorgung streckenseitiger Einrichtungen bzw. von streckenseitigen Eisenbahnkomponenten wie beispielsweise Gleisfreimeldeeinrichtungen, Signaleinrichtungen oder Wei chenantrieben, schwierig oder zumindest kostenintensiv ist, weil separate Energieversorgungsleitungen zur Energieversor gung der streckenseitigen Einrichtungen bereitgestellt werden müssen .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Versorgung einer streckenseitigen Einrichtung mit Energie an zugeben, das sich besonders einfach und kostengünstig durch führen lässt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Un teransprüchen angegeben.

Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die streckensei tige Einrichtung einen Energiespeicher umfasst und zu der streckenseitigen Einrichtung übertragene Energie zunächst in dem Energiespeicher gespeichert wird.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass der erfindungsgemäß vorgesehene Energie- Speicher eine Zwischenspeicherung von Energie ermöglicht und insofern keine dauerhafte Versorgung der streckenseitigen Einrichtung mit Energie erforderlich macht, wie dies bei heutzutage im Einsatz befindlichen und mittels fester Ener gieversorgungsleitungen dauerhaft versorgten streckenseitigen Einrichtungen der Fall ist. Durch die erfindungsgemäß vorge sehene Energiespeicherung durch den erfindungsgemäß vorgese henen Energiespeicher ist es möglich, nur temporär eine Ener gieversorgung der streckenseitigen Einrichtung bereitzustel len, sei dies mittels Solaranlagen, Windenergieanlagen oder besonders vorteilhaft fahrzeugseitig, wie weiter unten noch näher erläutert wird.

Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn die Energie fahrzeugseitig von einem die streckenseitige Einrichtung pas sierenden oder in deren Bereich haltenden Fahrzeug, insbeson dere Schienenfahrzeug, zu der streckenseitigen Einrichtung übertragen und in dem Energiespeicher für den weiteren bzw. späteren Betrieb der streckenseitigen Einrichtung gespeichert wird. Bei dieser Variante erfolgt das Aufladen der Energie speicher bzw. der Energietransfer zu der streckenseitigen Einrichtung also nur temporär, wenn ein Fahrzeug die stre ckenseitige Einrichtung passiert oder dort hält, und die übertragene Energie wird nicht sofort verbraucht, sondern im Energiespeicher für den späteren Betrieb gespeichert.

Bezüglich der Energiespeicherung wird es als vorteilhaft an gesehen, wenn der elektrische Energiespeicher ein Kondensa tor, insbesondere ein elektrochemischer Kondensator (vorzugs weise ein Superkondensator oder ein Ultrakondensator) , ist, und die zu der streckenseitigen Einrichtung übertragene Ener gie, insbesondere die von einem Fahrzeug übertragene Energie, in dem Kondensator gespeichert wird. Diese Verfahrensvariante nutzt den Umstand, dass sich bestimmte Energiespeicher, wie beispielsweise Superkondensatoren oder Ultrakondensatoren, sehr schnell und mit sehr hohen Ladeströmen laden lassen, so dass auch in sehr kurzer Zeit, beispielsweise nur beim Vor beifahren eines Fahrzeugs oder auch bei einem nur kurzen Fahrzeughalt, eine sehr hohe Energiemenge zum Energiespeicher übertragen werden kann.

Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn die stre ckenseitige Einrichtung einen ersten Energiespeicher und ei nen zweiten Energiespeicher aufweist und die zu der strecken seitigen Einrichtung übertragene Energie, insbesondere die von dem passierenden Fahrzeug übertragene Energie, zunächst in dem ersten elektrischen Energiespeicher abgespeichert wird und von dort in den zweiten Energiespeicher zur nachfolgenden Speicherung überführt wird. Bei dieser Ausgestaltung dient der erste Energiespeicher für die Energieübertragung bzw. die Ladephase, und der zweite Energiespeicher dient für das dau erhafte Speichern der Energie für einen besonders langen Zeitraum.

Der erste Energiespeicher ist vorzugsweise derart ausgestal tet, dass er eine größere Energiemenge pro Zeiteinheit auf nehmen kann als der zweite Energiespeicher, und der zweite Energiespeicher ist vorzugsweise derart ausgestaltet, dass er eine größere Speicherzeit für gespeicherte Energie als der erste Energiespeicher aufweist.

Vorteilhaft ist es, wenn der erste Energiespeicher ein Kon densator, insbesondere ein elektrochemischer Kondensator (wie oben bereits erwähnt, z. B. Super- oder Ultrakondensator), ist und der zweite Energiespeicher ein (elektrochemischer) Akkumulator bzw. eine ladbare Batterie ist.

Bezüglich der Energieübertragung von einem Fahrzeug zur stre ckenseitigen Einrichtung wird es als vorteilhaft angesehen, wenn das Fahrzeug zumindest eine Energiesendeeinrichtung auf weist, die beim Passieren der streckenseitigen Einrichtung oder bei einem Fahrzeughalt, die Energie elektromagnetisch oder zumindest auch elektromagnetisch überträgt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Energiesendeeinrichtung zumindest einen Permanent- magneten aufweist. Ein Permanentmagnet erzeugt dauerhaft ein magnetisches Gleichfeld und ruft eine magnetische Feldände rung innerhalb der Spule oder Spulen der streckenseitigen Einrichtung allein durch die Bewegung des Fahrzeugs relativ zu der oder den Spulen hervor. Die Spannungsinduktion ist al so von der Bewegung des Permanentmagnets abhängig. Anschau lich beschrieben arbeiten ein solcher Permanentmagnet und die streckenseitige Spule oder Spulen wie ein Linearantrieb (z.

B. wie bei einer Magnetschwebebahn) in entgegengesetzter Um wandlungsrichtung, nämlich in einer Umwandlungsrichtung von mechanischer Energie in elektrische Energie.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsvariante ist vorge sehen, dass die Energiesendeeinrichtung (alternativ zu einem oder mehreren Permanentmagneten oder zusätzlich zu einem oder mehreren Permanentmagneten) zumindest einen Elektromagneten und/oder zumindest eine elektromagnetische Sendeantenne auf weist.

Bei der letztgenannten Ausführungsvariante ist es besonders vorteilhaft, wenn der zumindest eine Elektromagnet und/oder die zumindest eine elektromagnetische Sendeantenne vor Errei chen der streckenseitigen Einrichtung eingeschaltet und nach dem Passieren der streckenseitigen Einrichtung ausgeschaltet werden. Durch das Ausschalten des Magnetfelds bzw. des Ener giesendebetriebs außerhalb der streckenseitigen Einrichtung lässt sich vermeiden, dass andere entfernt von der zu spei senden streckenseitigen Einrichtung befindliche streckensei tige Komponenten, wie beispielsweise Balisen oder derglei chen, in ihrem Betrieb unnötig behindert werden.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der zumindest eine Elekt romagnet oder die zumindest eine Sendeantenne im eingeschal teten Betrieb mit Gleichstrom betrieben wird und ein magneti sches Gleichfeld erzeugt wird und eine magnetische Feldände rung innerhalb der Spule oder Spulen der streckenseitigen Einrichtung allein durch die Bewegung des Fahrzeugs relativ zu der oder den Spulen hervorgerufen wird. Alternativ oder zusätzlich zu Gleichstrom kann der zumindest eine Elektromagnet oder die zumindest eine Sendeantenne im eingeschalteten Betrieb mit Wechselstrom betrieben werden und es kann ein magnetisches Wechselfeld erzeugt werden; eine magnetische Feldänderung innerhalb der Spule oder Spulen der streckenseitigen Einrichtung wird in diesem Falle zumindest auch durch das Wechselfeld des Elektromagneten bzw. der Sen deantenne hervorgerufen, so dass eine Energieübertragung in vorteilhafter Weise auch bei einem Fahrzeughalt möglich ist.

Alternativ oder zusätzlich zu einer elektromagnetischen Ener gieübertragung kann es vorteilhaft sein, wenn die Energie übertragung vom Fahrzeug zur streckenseitigen Einrichtung über einen Ladestrom erfolgt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Fahrzeug zumindest ein elektrisches Kontaktelement aufweist, das beim Passieren der streckenseitigen Einrichtung (z. B. über eine Stromschiene der streckenseitigen Einrich tung) oder bei einem Halt des Fahrzeugs im Bereich der stre ckenseitigen Einrichtung einen elektrischen Kontakt mit einem streckenseitigen Kontaktelement herstellt und über dieses ei nen Ladestrom für den Energiespeicher einspeist.

Die streckenseitige Einrichtung umfasst vorzugsweise zumin dest eine Eisenbahnkomponente, insbesondere eine Achszählein richtung, eine Gleisfreimeldeeinrichtung, eine Signaleinrich tung oder einen Weichenantrieb.

Auch kann es vorteilhaft sein, wenn der Energiespeicher mit Ladestrom einer Solaranlage oder einer Windenergieanlage oder zumindest auch mit Ladestrom einer Solaranlage oder einer Windenergieanlage gespeist wird.

Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf eine strecken seitige Einrichtung, insbesondere eine solche, mit der das oben beschriebene Verfahren durchführbar ist. Bezüglich einer solchen streckenseitigen Einrichtung ist vorgesehen, dass diese einen Energiespeicher aufweist, in dem Energie, insbe- sondere von einem passierenden Fahrzeug oder von einem im Be reich der streckenseitigen Einrichtung haltenden Fahrzeug in die streckenseitige Einrichtung eingespeiste Energie, für den weiteren Betrieb der streckenseitigen Einrichtung gespeichert wird .

Bezüglich der Vorteile der erfindungsgemäßen streckenseitigen Einrichtung sei auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen.

Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf ein Fahrzeug, insbesondere Schienenfahrzeug, das zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens geeignet ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Fahrzeug eine Energiesendeeinrichtung aufweist, die dazu ausgebildet ist, beim Passieren einer streckenseitigen Einrichtung oder beim Halten im Bereich der streckenseitigen Einrichtung, Energie in einen Energiespei cher der streckenseitigen Einrichtung einzuspeisen.

Bezüglich der Vorteile des erfindungsgemäßen Fahrzeugs sei auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfin dungsgemäßen Verfahren verwiesen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie len näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft

Figur 1 ein Ausführungsbeispiel für eine Eisenbahngleisan lage, bei der eine streckenseitige Einrichtung fahrzeugseitig auf elektromagnetischem Wege mit Energie versorgt wird,

Figur 2 eine Ausführungsvariante der Eisenbahngleisanlage gemäß Figur 1, bei der eine Streckeneinrichtung zu sätzlich mit einer Solaranlage und einer Windener gieanlage ausgestattet ist,

Figur 3 ein Ausführungsbeispiel für eine Eisenbahngleisan lage, bei der eine streckenseitige Einrichtung fahrzeugseitig über elektrische Kontakte mit einem Ladestrom versorgt wird,

Figur 4 eine Ausführungsvariante der Eisenbahngleisanlage gemäß Figur 3, bei der zusätzlich eine Energieein speisung durch eine Solaranlage und eine Windener gieanlage erfolgt,

Figur 5 ein Ausführungsbeispiel für ein Schienenfahrzeug mit Dauermagnet für die Eisenbahngleisanlage gemäß den Figuren 1 und 2,

Figur 6 ein Ausführungsbeispiel für ein Schienenfahrzeug mit Elektromagnet für die Eisenbahngleisanlage ge mäß den Figuren 1 und 2 und

Figur 7 ein Ausführungsbeispiel für ein Schienenfahrzeug mit Sendeantenne für die Eisenbahngleisanlage gemäß den Figuren 1 und 2.

In den Figuren werden der Übersicht halber für identische o- der vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen verwendet .

Die Figur 1 zeigt einen Abschnitt einer Eisenbahngleisanlage 10, die mit einer streckenseitigen Einrichtung 20 ausgestat tet ist. Die streckenseitige Einrichtung 20 umfasst eine Energieempfangseinrichtung 30, die im Gleis der Eisenbahn gleisanlage 10 angeordnete Spulen 31 umfasst. Die Spulen 31 bilden im Bereich der streckenseitigen Einrichtung 20 eine dritte Schiene 11 der Eisenbahngleisanlage 10.

Die streckenseitige Einrichtung 20 weist darüber hinaus eine Steuereinrichtung 40 mit einem integrierten Spannungswandler 41 auf, der eingangsseitig mit der Energieempfangseinrichtung 30 bzw. deren Spulen 31 verbunden ist. Die Steuereinrichtung 40 steht darüber hinaus mit einem ers ten Speicher in Form eines elektrochemischen Kondensators 50 und einem zweiten Speicher in Form eines Akkumulators 60 in Verbindung .

Als Energieverbraucher sind an die Steuereinrichtung 40 zwei Eisenbahnkomponenten angeschlossen, und zwar eine Signalein richtung 80 und ein Achszähler 90.

Die streckenseitige Einrichtung 20 wird zum Aufladen des elektrochemischen Kondensators 50 und des Akkumulators 60 vorzugsweise wie folgt betrieben:

Empfängt die Energieempfangseinrichtung 30 über die Spulen 31 durch magnetische Induktion Energie, so speichert die Steuer einrichtung 40 die Energie zunächst in dem elektrochemischen Kondensator 50 ab, da dieser bauartbedingt eine besonders große Energieaufnahmerate aufweist und somit in kurzer Zeit eine sehr hohe Energiemenge aufnehmen kann.

Die in dem elektrochemischen Kondensator 50 gespeicherte Energie wird nachfolgend über die Steuereinrichtung 40 und den Spannungswandler 41 in dem Akkumulator 60 dauerhaft ge speichert. Der Akkumulator 60 weist bauartbedingt eine größe re Speicherzeit auf, so dass er die über die Energieempfangs einrichtung 30 empfangene Energie länger als der elektroche mische Kondensator 50 speichern kann.

Das Einspeisen von Energie über die Energieempfangseinrich tung 30 kann beispielsweise mittels eines Schienenfahrzeugs 100 erfolgen, wie es beispielhaft in der Figur 5 gezeigt ist.

Das Schienenfahrzeug 100 gemäß Figur 5 weist im Bereich des Fahrzeugbodens zumindest eine Energiesendeeinrichtung 105 in Form eines Dauermagneten 110 auf, dessen Magnetfeld beim Überfahren der dritten Schiene 11 bzw. der Spulen 31 eine elektrische Spannung in den Spulen 31 induziert. Die Indukti on basiert auf der Änderung des magnetischen Flusses in den Spulen 31, wenn diese von dem Dauermagneten 110 überfahren werden; die Energieübertragung beruht also auf der mechani schen Bewegung des Dauermagneten 110 über der dritten Schiene 11. Die durch die Induktion übertragene Energie gelangt zur Steuereinrichtung 40, die diese zunächst im elektrochemischen Kondensator 50 abspeichert und erst nachfolgend von dem Kon densator 50 in den Akkumulator 60 überträgt, wie dies oben bereits erläutert worden ist. Anschaulich beschrieben arbei ten der Dauermagnet 110 und die Spulen wie ein Linearantrieb in entgegengesetzter Betriebsrichtung: Würde man in die Spu len 31 ein wanderndes Magnetfeld einspeisen (wie bei einer Magnetschwebebahn) , würde das wandernde Magnetfeld das Schie nenfahrzeug 100 antreiben und elektrische Energie der Spulen in Bewegungsenergie für das Schienenfahrzeug umwandeln; hier ist die Energiewandlung invers, weil Bewegungsenergie des Schienenfahrzeugs 100 in elektrische Energie für die stre ckenseitige Einrichtung umgewandelt wird.

Alternativ zu einem Dauermagneten 110 oder zusätzlich zu die sem kann das Schienenfahrzeug 100 bzw. dessen Energiesende einrichtung 105 auch mit einem Elektromagneten 120 ausgestat tet sein. Eine solche Ausführungsform zeigt die Figur 6.

Der Elektromagnet 120 kann beispielsweise mit einem Gleich strom betrieben werden und somit ein Gleichmagnetfeld hervor- rufen, das - analog zu dem Dauermagneten 110 gemäß Figur 5 - beim Überfahren der Spulen 31 in diesen bewegungsbedingt eine Spannung induziert, also durch die mechanische Bewegung des Elektromagneten 120 über der dritten Schiene 11. Der Elektro magnet 120 wird vorzugsweise abgeschaltet, wenn das Schienen fahrzeug 100 den Bereich der streckenseitigen Einrichtung 20 bzw. die dritte Schiene 11 verlassen hat.

Alternativ zu dem Dauermagneten 110 gemäß Figur 5 oder dem Elektromagneten 120 gemäß Figur 6 oder zusätzlich zu diesen kann das Schienenfahrzeug 100 bzw. dessen Energiesendeein richtung 105 auch mit einer Sendeantenne 130 ausgestattet sein, wie sie in der Figur 7 dargestellt ist. Die Sendeanten- ne 130 kann durch eine oder mehrere Leiterschleifen gebildet sein. Wird die Sendeantenne 130 mit einem Gleichstrom betrie ben, so erzeugt sie ein Gleichmagnetfeld, das während der Be wegung der Sendeantenne 130 über der dritten Schiene 11 in den Spulen eine Spannung induziert, wie dies der Dauermagnet 110 gemäß Figur 5 durchführt.

Bei den Ausführungsbeispielen gemäß Figur 6 und 7 kann der Elektromagnet 120 bzw. die Sendeantenne 130 auch mit einem Wechselstrom beaufschlagt werden, so dass eine Energieüber tragung vom Schienenfahrzeug 100 in Richtung zur streckensei tigen Einrichtung 20 auch dann erfolgen kann, wenn das Fahr zeug im Bereich der streckenseitigen Einrichtung 20 steht, also nicht fährt und somit keine Magnetfeldänderung durch die Bewegung des Fahrzeugs in den Spulen 31 hervorgerufen werden kann .

Zum Betrieb der Energiesendeeinrichtung 105, also z. B. zum Betrieb des Dauermagneten 110, des Elektromagneten 120 und/oder der Sendeantenne 130, kann das Schienenfahrzeug 100 elektrische Energie aus einem eigenen Generator (z. B. Die selgenerator) oder aus einem in den Figuren nicht dargestell ten Fahrdraht (z. B. Oberleitung, Stromschiene) entnehmen, der das Schienenfahrzeug 100 mit elektrischer Energie, insbe sondere Fahrstrom, versorgt.

Die Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine streckenseitige Einrichtung 20, die bei einer Eisenbahngleis anlage 10 eingesetzt werden kann. Die streckenseitige Ein richtung 20 gemäß Figur 2 weist wie bereits im Zusammenhang mit der Figur 1 erläuterte Komponenten, nämlich die Energie empfangseinrichtung 30, die Steuereinrichtung 40, den elekt rochemischen Kondensator 50, den Akkumulator 60 und als Ei senbahnkomponente den Achszähler 90 auf.

Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 fehlt die zweite Eisenbahnkomponente bzw. die Signaleinrichtung 80; statt dessen ist die streckenseitige Einrichtung 20 gemäß Fi- gur 2 mit einer Solaranlage 200 und einer Windenergieanlage 300 ausgestattet, die Solarstrom bzw. durch Wind erzeugten Strom zur Speicherung in die Steuereinrichtung 40 und nach folgend in den elektrochemischen Kondensator 50 einspeisen können .

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 erfolgt eine Ener gieeinspeisung zur Speicherung im elektrochemischen Kondensa tor 50 und zur nachfolgenden weiteren Speicherung im Akkumu lator 60 also sowohl fahrzeugseitig über die Energieempfangs einrichtung 30 als auch zusätzlich über die Solaranlage 200 und die Windenergieanlage 300.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 können zusätzlich oder alternativ zu dem gezeigten Achszähler 90 andere bzw. weitere Eisenbahnkomponenten an die Steuereinrichtung 40 an geschlossen werden.

Die Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Eisenbahn gleisanlage 10, bei der eine fahrzeugseitige Energieübertra gung in Richtung der streckenseitigen Einrichtung 20 durch einen Ladestrom Ia erfolgt, der über einen ausfahrbaren Kon taktarm 140 einer Energiesendeeinrichtung 105 des Schienen fahrzeugs 100 in die Energieempfangseinrichtung 30 der stre ckenseitigen Einrichtung 20 eingespeist wird. Die Energieemp fangseinrichtung 30 umfasst für den Empfang des Ladestroms Ia ein streckenseitiges Kontaktelement 32 und eine Zuleitung 33, die das streckenseitige Kontaktelement 32 mit der Steuerein richtung 40 verbindet.

Der von dem Schienenfahrzeug 100 übertragene Ladestrom Ia wird zunächst im elektrochemischen Kondensator 50 abgespei chert und erst nachfolgend von diesem über die Steuereinrich tung 40 in den Akkumulator 60 zur dauerhaften Abspeicherung übertragen .

Die streckenseitige Einrichtung 20 gemäß Figur 3 weist nur eine einzige Eisenbahnkomponente, nämlich einen Achszähler 90 auf. Alternativ oder zusätzlich zu dieser können auch andere Eisenbahnkomponenten, wie beispielsweise Gleisfreimeldeein richtungen, Signaleinrichtungen oder Weichenantriebe, an die Steuereinrichtung 40 angeschlossen sein.

Die Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Eisenbahngleisanlage 10, die mit einer Energieempfangsein richtung 30 ausgestattet ist. Bei der Energieempfangseinrich tung 30 gemäß Figur 4 erfolgt eine Speicherung elektrischer Energie im elektrochemischen Kondensator 50 und nachfolgend im Akkumulator 60 über einen Ladestrom Ia eines Schienenfahr zeugs 100 sowie alternativ oder zusätzlich durch eine Solar anlage 200 und eine Windenergieanlage 300. Bezüglich der Energieeinspeisung durch eine Solaranlage 200 und eine Wind- energieanlage 300 sei auf die obigen Ausführungen im Zusam menhang mit der Figur 2 verwiesen, die hier entsprechend gel ten .

Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungs- beispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.