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Die Erfindung betrifft ein Schienenfahrzeug gemäss dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.
Es ist bei Schienenfahrzeugen ganz allgemein bekannt, eine Batterie aus einem Stromnetz zu speisen, wobei der Batterie ein Wechselrichter nachgeschaltet ist, der nach Umsetzung der der Batterie entnommenen Leistung elektrische Verbraucher versorgt, die einem Wagen des Schienenfahrzeugs zugeordnet sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Schienenfahrzeug gemäss dem Oberbegriff des ersten Anspruchs Massnahmen zu treffen, durch welche eine zuverlässige und unterbrechungsfreie Stromversorgung von zwei den Wagen eines Schienenfahrzeugs zugeordneten und auf unterschiedlichem Spannungspotential betriebenen elektrischen Sammelschienen möglich ist.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäss der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs.
Bei einem gemäss der Erfindung ausgestatteten Schienenfahrzeug ist sowohl eine Zugsammelschiene als auch eine Batteriesammelschiene durch die zu versorgenden und miteinander gekuppelten Wagen hindurchgeführt. Die Zugsammelschiene wird dabei aus einem fahrzeugeigenen Generator oder einer äusseren Stromversorgung gespeist und führt beispielsweise ein elektrisches Gleichspannungspotential von 670 Volt; sie versorgt im
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normalen Betriebsfall Verbraucher hoher Leistung. An die Batteriesammelschiene sind dagegen bei niedrigerem elektrischem Spannungspegel relativ leistungsschwache Verbraucher wie Beleuchtung und dergleichen angeschlossen.
Für die Speisung der batteriegestützten Batteriesammelschiene dient wenigstens ein Schaltnetzteil, das aus der Zugsammelschiene gespeist wird. Für den Fall einer Störung der üblichen Stromversorgung der Zugsammelschiene ist ein weiteres Schaltnetzteil vorgesehen, das antiparallel zum ersten Schaltnetzteil geschaltet ist und eingangsseitig aus der Batteriesammelschiene gespeist wird und ausgangsseitig die Zugsammelschiene speist. Die der Batteriesammelschiene entnommene Leistung wird dabei auf das Sollspannungspotential der Zugsammelschiene umgesetzt.
Diese paarweise antiparallel geschalteten Schaltnetzteile können jeweils gleichzeitig betrieben werden, es ist jedoch zweckmässig, durch geeignete Steuermassnahmen jeweils nur das Schaltnetzteil zu aktivieren, das bei intakter äusserer Stromversorgung der Zugsammelschiene die Batteriesammelschiene speist und bei Ausfall der äusseren Stromversorgung das antiparallel dazu geschaltete Schaltnetzteil aktiviert, um aus der Batteriesammelschiene Leistung zur Versorgung der Zugsammelschiene zu entnehmen.
Zur elektrischen Ladung einer Batterie ist jeweils ein zusätzliches Schaltnetzteil an die Zugsammelschiene angeschlossen, das ausgangsseitig unmittelbar die zugeordnete Batterie speist, deren Nennspannung der Nennspannung der Batteriesammelschiene entspricht und z. B. bei 110 Volt liegt. Dabei ist dieses zusätzliche Schaltnetzteil batterieseitig über ein unidirektionales Schaltelement, insbesondere eine Diode, mit der Batteriesammelschiene elektrisch gekoppelt, wobei dieses Schaltelement in Durchlassrichtung so gepolt ist, dass ein Stromfluss zur Batteriesammelschiene hin möglich ist, eine Ladung dieser Batterie jedoch aus der Batteriesammelschiene unterbunden ist.
Durch diese Entkopplung wird erreicht, dass zwar die
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Batteriesammelschiene aus allen speisenden Schaltnetzteilen versorgt werden kann, dass jedoch die Batterie unabhängig vom
Belastungs- oder Spannungspegel der Batteriesammelschiene über das zugeordnete Schaltnetzteil vorschriftsmässig geladen werden kann. Im Bedarfsfall wird jedoch die Zugsammelschiene über das unidirektionale Schaltelement auch aus der Batterie und/oder dem zugeordneten zusätzlichen Schaltnetzteil mit
Energie versorgt. Vorzugsweise sind in einem Wagen zwei getrennte Batterien zur Versorgung der Batteriesammelschiene vorgesehen, die jede über ein eigenes zusätzliches
Schaltnetzteil aus der Zugsammelschiene geladen werden können und jeweils über ein eigenes unidirektionales Schaltelement mit der Batteriesammelschiene gekoppelt sind.
Die Batteriesammelschiene ist somit im Fehlerfalle aus zwei getrennten Batterien zu speisen, wobei eine gegenseitige Ladung oder Entladung der Batterien über die Schaltelemente vermieden ist.
Zur Erhöhung der Betriebssicherheit ist es auch zweckmässig, jedem aus der Zugsammelschiene gespeisten Schaltnetzteil ein antiparallel geschaltetes weiteres Schaltnetzteil elektrisch parallel zu schalten. Dabei ist es zur Vereinfachung des Aufbaus und der Herstellung sowie der Steuerung zweckmässig, jeweils zwei der antiparallel geschalteten Schaltnetzteile auch mechanisch miteinander zu verbinden. Von Vorteil ist es zudem, wenn zwei Wagen des Schienenfahrzeugs mit den gleichen Stromversorgungseinrichtungen ausgestattet sind, wodurch sich nicht nur die Aufrechterhaltung des Notbetriebs im Fehlerfalle insgesamt verbessert wird, sondern auch die Möglichkeit besteht, bei einer Trennung eines längeren Schienenfahrzeugs die Stromversorgung in beiden Fahrzeughälften zumindest im Notbetrieb aufrecht zu erhalten.
In die Zugsammelschiene und die Batteriesammelschiene kann für diesen Betriebsfall zwischen jeweils zwei Wagen jeweils eine elektrisch und mechanisch lösbare Kupplung eingefügt werden. Dabei kann mit wenigstens einem dieser Wagen
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zumindest ein weiterer Wagen gekuppelt sein, in dem lediglich die Zugsammelschiene und die Batteriesammelschiene weitergeführt ist. Dabei kann ein weiterer Wagen auch als Lokomotive oder Triebwagen ausgebildet sein, der Antriebseinrichtungen aufnimmt, über welche Wagenräder angetrieben werden.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Von einem Schienenfahrzeug sind Wagen 1 und 2 über eine mechanische Kupplung 3 und über zwei getrennte elektrische Kupplungen 4 und 5 miteinander verbunden. Die elektrische Kupplung 4 ist dabei zwischen Teilstücke einer Zugsammelschiene 6 eingelegt, während über die elektrische Kupplung 5 Teilstücke einer Batteriesammelschiene 7 ebenfalls lösbar miteinander verbunden sind. Die Zugsammelschiene 6 wird elektrisch aus einem nicht dargestellten Versorgungsnetz gespeist, das durch fahrzeugeigene Generatoren oder aus äusseren Versorgungsnetzen über Fahrleitungen versorgt wird.
Die Zugsammelschiene 6 führt dabei beispielsweise Gleichspannung von 670 Volt und dient insbesondere zur Speisung leistungsstarker Verbraucher wie Klimaanlagen und dergleichen. Die Batteriesammelschiene 7, die sich wie die Zugsammelschiene 6 durch alle zu versorgenden Wagen 1, 2 erstreckt, ist für ein niedrigeres Spannungspotential von beispielsweise 110 Volt Gleichspannung bemessen und sorgt für die Versorgung aller Verbraucher dieser Spannungsebene wie Beleuchtung, Anzeigeelemente, Uhren und dergleichen.
Im normalen Betriebsfall wird die Zugsammelschiene 6 aus dem zugeordneten Versorgungsnetz mit Energie versorgt. Um dabei auch die Batteriesammelschiene 7 mit Energie zu speisen, ist an die Zugsammelschiene 6 ein erstes Schaltnetzteil 10 angeschlossen, das eingangsseitig der Zugsammelschiene Energie entnimmt und dieselbe auf das Spannungspotential der
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Batteriesammelschiene 7 umsetzt. Dieses erste Schaltnetzteil 10 ist somit eingangsseitig an die Zugsammelschiene 6 und ausgangsseitig an die Batteriesammelschiene 7 angeschlossen, wobei in den Ausgangsstromweg ein Schalter 11 und in Serie dazu eine Sicherung 12 gelegt sind. Dadurch kann eine Trennung der Stromversorgung für die Batteriesammelschiene wahlweise über den Schalter 11 vorgenommen werden bzw. erfolgt die Trennung zwangsläufig bei Auslösen der Sicherung 12.
Um bei Ausfall des Versorgungsnetzes zur Speisung der Zugsammelschiene 6 die Versorgung von betriebswichtigen Verbrauchern 8 zu ermöglichen, ist ein weiteres Schaltnetzteil 13 vorgesehen, das eingangsseitig aus der Batteriesammelschiene 7 gespeist wird und das ausgangsseitig nach einer Leistungsumsetzung auf das Spannungspotential der Zugsammelschiene 6 dieselbe mit Energie versorgt. Das erste Schaltnetzteil 10 und das weitere Schaltnetzteil 13 können dabei insbesondere als antiparallel geschaltete Schaltnetzteile ausgebildet sowie elektrisch und mechanisch einschliesslich der notwendigen Sensor- und Steuereinrichtungen als Baueinheit ausgebildet sein.
Während das erste Schaltnetzteil 10 im normalen Betriebsfall allein für die Energieversorgung der Batteriesammelschiene 7 dient, ist zur Ladung einer Batterie 14 bzw. zur Ladung von zwei aus Redundanzgründen vorhandenen getrennten Batterien 14 je ein zusätzliches Schaltnetzteil 16 vorgesehen, das wie das erste Schaltnetzteil 10 eingangsseitig aus der Zugsammeischiene 6 gespeist wird und an das ausgangsseitig unmittelbar eine Batterie 14 angeschlossen ist. Dieses zusätzliche Schaltnetzteil 16 dient jeweils in erster Linie zur Ladung bzw. Ladungserhaltung der angeschlossenen Batterie 14.
Es übernimmt jedoch insbesondere bei erhöhten Belastungen an der Batteriesammelschiene 7 einen Teil der elektrischen Last und ist dazu über eine in Durchflussrichtung gepolte
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Diode als unidirektionales Schaltelement mit seinem Ausgang parallel an die beiden Ausgangsanschlüsse des ersten Schaltnetzteils 10 angeschaltet. Die Diode 17 ist daher in Durchflussrichtung so gepolt, dass ein Stromfluss zur Batteriesammelschiene 7 hin möglich ist, in Gegenrichtung jedoch gesperrt ist. Hierdurch wird vermieden, dass insbesondere bei Vorhandensein von zwei unabhängigen Batterien 14, wie vorliegend dargestellt, ein Ausgleichsstrom zwischen den Batterien fliessen kann, wenn der Ladungszustand der Batterien ungleich ist. Es wird dabei zugleich vermieden, dass eine Beeinflussung der Ladung der Batterien 14 durch das erste Schaltnetzteil 10 erfolgen kann.
Die Ladung der Batterien 14 ist daher durch entsprechende Steuerung der zugehörigen zusätzlichen Schaltnetzteile unabhängig voneinander steuerbar.
Zweckmässigerweise ist nicht nur dem ersten Schaltnetzteil 10 sondern auch den zusätzlichen Schaltnetzteilen 16 jeweils ein antiparallel geschaltetes Schaltnetzteil 13. 1 elektrisch wie mechanisch zugeordnet. Dadurch wird die Belastung der einzelnen weiteren Schaltnetzteile 13. 1 bei Speisung der Zugsammelschiene 6 aus der Batteriesammelschiene 7 auf mehrere Schaltnetzteile verteilt. Es wird auch eine erhöhte Betriebssicherheit im Fehlerfalle eines der Schaltnetzteile 13,13.1 erzielt.
Um die Versorgungssicherheit weiter zu erhöhen, ist vorzugsweise den beiden Wagen 1 und 2 je eine gleichartige Versorgungseinrichtung aus Schaltnetzteilen 10,13, 16 und Batterien 14 zugeordnet. Dadurch ergibt sich auch der Vorteil, dass bei einem Trennen der Wagen 1 und 2 durch Lösen der Kupplungen 3,4, 5 beide Wagen 1, 2 und jeweils damit gekoppelte weitere Wagen eine ausreichende Versorgung vorhandener Verbraucher 8,9 erfahren. Dabei genügt bei weiteren Wagen, lediglich die Zugsammelschiene 6 und die Batteriesammelschiene mit den jeweils angeschlossenen
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Verbrauchern zu verlegen. Einer der Wagen 1, 2 oder damit gekuppelte Wagen können mit einer Antriebseinrichtung für Wagenräder 18 versehen sein, also als Lokomotive oder Triebwagen ausgebildet und mit der Zugsammelschiene und der Batteriesammelschiene verbunden sein.