DE102009039684A1

DE102009039684A1 - Hybridantrieb für Schienenfahrzeuge

Info

Publication number: DE102009039684A1
Application number: DE102009039684A
Authority: DE
Inventors: Heinz Tengler
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2009-09-02
Filing date: 2009-09-02
Publication date: 2011-03-31

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hybrid-Antriebssystem für Schienenfahrzeuge, umfassend - einen Verbrennungsmotor; - einen elektrischen Generator, der vom Verbrennungsmotor antreibbar ist; - eine Hochtemperatur-Proton-Exchange-Membrane-Brennstoffzelle (HT-PEM-Brennstoffzelle); - einen Reformator zum Betreiben der HT-PEM-Brennstoffzelle; - eine Speicherbatterie, die vom Generator sowie von der HT-PEM-Brennstoffzelle geladen wird; - einen Gleichstrom-Zwischenkreis, der von sämtlichen Energien gespeist wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Hybrid-Antriebssystem für Schienenfahrzeuge.
Hybridantriebe umfassen im Allgemeinen einen Verbrennungsmotor und einen Energiespeicher. Als Verbrennungsmotor dient im Allgemeinen ein Dieselmotor.
Es sind zahlreiche Hybrid-Lösungen bekannt geworden. Siehe EP 1 228 919 A2 , EP 1 245 432 A1 , EP 0 982 176 A1 , DE 44 44 544 A1 , EP 1 186 497 A1 .
Es sind auch Hybridantriebe für Schienenfahrzeuge bekannt geworden, die außer einem Verbrennungsmotor und einem Energiespeicher innovative Energieversorgungsmodule einsetzen, zum Beispiel Brennstoffzellen. Siehe DE 100 45 319 A1 .
Die bisher bekannten Hybrid-Antriebssysteme sind nicht voll befriedigend. Dies betrifft insbesondere den Kraftstoffverbrauch, die Schallemission und die Lebensdauer der Brennstoffzelle.
Die Erfindung geht aus von einem Hybridantrieb mit einem Verbrennungsmotor und einer Speicherbatterie, die mit der beim Bremsen anfallenden kinetischen Energie über elektrische Rekuperation geladen wird, ferner mit einer Brennstoffzelle.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein solches Antriebssystem derart zu gestalten, dass der Kraftstoffverbrauch verringert und die Schallemission gesenkt werden, und dass die Lebensdauer der Brennstoffzelle gesteigert wird.
Ein solches Antriebssystem ist in Anspruch 1 definiert.
Die Vorteile eines solchen Systems sind die Folgenden:
Gemäß der Erfindung werden im Gegensatz zu bekannten Hybridantrieben wenigsten drei Energiequellen für den Antrieb sowie eine Energiequelle für die Versorgung der Hilfsantriebe des Fahrzeugs eingesetzt. Diese Kombination ist gerade bei Schienenfahrzeugen vorteilhaft, bei denen die volle Leistung des Antriebs nur während eines geringen Zeitanteiles benötigt wird. Dies gilt besonders für Rangierloks, bis zu einem gewissen Grade aber auch für Triebwagen im Nahverkehr.
Die erfindungsgemäße Hochtemperatur-Proton-Exchange-Membrane-Brennstoffzelle (HT-PEM) mit Reformator hat einen höheren Wirkungsgrad, als ein Generator, der von einem leerlaufenden Dieselmotor angetrieben wird. Bei geringem Energiebedarf des Antriebes kann die erforderliche Energie über die HT-PEM-Brennstoffzelle, und gegebenenfalls über die Speicherbatterie bereitgestellt werden. Der Dieselmotor braucht somit nicht zu laufen.
Da die Phasen geringen Energiebedarfs bei den genannten Loktypen bis zu 90 Prozent der Betriebszeit ausmachen, ergibt sich eine erhebliche Kraftstoffersparnis.
Hieraus folgt auch eine Reduzierung der Betriebsdauer des Dieselmotors und damit der Schallemission bei stillstehendem Dieselmotor. Die Wartungskosten verringern sich.
Im Gegensatz zu üblichen PEM-Brennstoffzellen, die bei einer Betriebstemperatur von unter 80°C betrieben werden, arbeitet die HT-PEM bei einer Betriebstemperatur von über 100°C. Damit kann das Kühlwasser vorgeheizt oder bei abgestelltem Dieselmotor auf Betriebstemperatur gehalten werden. Die Zuschaltung des Dieselmotors bei höherem Leistungsbedarf ist damit möglich, ohne dass ein erhöhter Verschleiß eintritt, bei konventionellen Hybridantrieben durch Kaltstart verursacht. Die Laufdauer des Dieselmotors kann ohne Rücksicht auf die Außentemperatur gesteuert werden.
Durch optimale Auswahl der Leistung der HT-PEM-Brennstoffzelle sowie durch intelligente Ansteuerung lässt sich die Brennstoffzelle in einem quasi stationären Betriebspunkt betreiben. Dies ist für die Lebensdauer der Brennstoffzelle besonders vorteilhaft. Die Leistung der Brennstoffzelle wird derart gewählt, dass mindestens die Spitzenleistung der Hilfsbetriebe gedeckt wird. Lastwechsel werden durch die Puffer- und Speicherbatterie gedämpft. Bei geringem Leistungsbedarf der Hilfsbetriebe wird die Speicherbatterie geladen.
Die Lebensdauer der Brennstoffzelle wird somit durch Anwendung der Erfindung erhöht.
Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert.
Eine Hochtemperatur-Proton-Exchange-Membrane-Brennstoffzelle (HT-PEM-Brennstoffzelle) 2 wird mittels eines Reformators mit Diesel 1.1 als Primärenergieträger betrieben.
Eine Speicherbatterie 3 wird vom Diesel-Powerpack 1, nämlich von dessen Generator 1.2, sowie von der HT-PEM-Brennstoffzelle 2 aufgeladen. Speicherbatterie 3 wird beim Bremsen aufgeladen, und zwar über elektrische Rekuperation der beim Bremsen anfallenden kinetischen Energie.
Die elektrische Energie aller genannter Energiequellen wird in einen Gleichstrom-Zwischenkreis eingespeist. Als vierte Energiequelle dient eine Pufferbatterie 4. Diese dient zur Energieversorgung der elektronischen Fahrzeugsteuerung sowie der sonstigen Hilfsbetriebe.
Ferner ist ein Wechselrichter 5 vorgesehen. Dieser entnimmt Energie aus dem Gleichstrom-Zwischenkreis und steuert die Fahrmotoren M an.
Schließlich ist ein Hilfsbetriebe-Umrichter 6 vorgesehen. Dieser steuert mit Energie aus dem Zwischenkreis die leistungsstarken Hilfsbetriebe des Fahrzeuges an, zum Beispiel den Kompressor K für eine pneumatische Bremse.
Kühlwasser aus dem Diesel-Powerpack 1 wird in einer hier nicht dargestellten Kühlanlage heruntergekühlt und der HT-PEM-Brennstoffzelle 2 zugeführt.
Bezugszeichenliste

1: Diesel-Powerpack
1.1: Dieselmotor
1.2: Elektrischer Generator
2: Hochtemperatur-Proton-Exchange-Membrane-Brennstoffzelle (HT-PEM-Brennstoffzelle)
3: Speicherbatterie
4: Pufferbatterie
5: Wechselrichter
6: Hilfsbetriebe-Umrichter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1228919 A2 [0003]
EP 1245432 A1 [0003]
EP 0982176 A1 [0003]
DE 4444544 A1 [0003]
EP 1186497 A1 [0003]
DE 10045319 A1 [0004]

Claims

Hybrid-Antriebssystem für Schienenfahrzeuge, umfassend 1.1 einen Verbrennungsmotor (1.1); 1.2 einen elektrischen Generator (1.2), der vom Verbrennungsmotor (1.1) antreibbar ist; 1.3 eine Hochtemperatur-Proton-Exchange-Membrane-Brennstoffzelle (2) (HT-PEM-Brennstoffzelle); 1.4 einen Reformator zum Betreiben der HT-PEM-Brennstoffzelle (2); 1.5 eine Speicherbatterie (3), die vom Generator (1.2) sowie von der HT-PEM-Brennstoffzelle (2) geladen wird; 1.6 einen Gleichstrom-Zwischenkreis, der von sämtlichen Energien gespeist wird.
Hybrid-Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor ein Dieselmotor (1.1) ist.
Hybrid-Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pufferbatterie (4) für die Energieversorgung der elektronischen Fahrzeugsteuerung und gegebenenfalls weiterer Hilfsantriebe vorgesehen ist.
Hybrid-Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wechselrichter (5) vorgesehen ist, der Energie aus dem Gleichstrom-Zwischenkreis entnimmt und der die Fahrmotoren ansteuert.