DE102007019114A1

DE102007019114A1 - Spannungsversorgung für Nebenantriebe von batterie-elektrisch betriebenen Flurförderzeugen

Info

Publication number: DE102007019114A1
Application number: DE102007019114A
Authority: DE
Inventors: Georg Dr. Fromme; Ansgar Bergmann
Original assignee: STILL GmbH
Current assignee: STILL GmbH
Priority date: 2007-04-23
Filing date: 2007-04-23
Publication date: 2008-10-30
Anticipated expiration: 2027-04-24
Also published as: DE102007019114B4

Abstract

Bei einem Flurförderzeug, insbesondere Gegengewichtsgabelstapler, mit elektrischem Hauptantrieb und Batterieblock zur Stromversorgung des Hauptantriebs sowie zumindest einem nur bei Stillstand des Hauptantriebs benötigten elektrischen Nebenantrieb (2) mit niedrigerer Betriebsspannung als die Batterieblockspannung, besteht der Hauptantrieb aus zumindest einem Drehstrommotor (1) und einem Umrichter (3), der ein zumindest dreiphasiges Spannungssystem variabler Spannung und Frequenz erzeugen kann. Bei Stillstand des Drehstrommotors (1) ist mindestens eine Phase P₂ des Umrichters (3) so getaktet ansteuerbar, dass über Bauelemente zur Spannungsglättung und einen Trennschalter (12) die Betriebsspannung des Nebenantriebs (2) als Gleichspannung zur Verfügung steht.

Description

Die Erfindung betrifft ein batterie-elektrisch betriebenes Flurförderzeug mit Nebenantrieben, die eine Stromversorgung unter einer niedrigeren Versorgungsspannung benötigen wie die Spannung des Batterieblocks. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Gegengewichtsgabelstapler, der einen zur Aufnahme eines Batterieblocks ausgebildeten Rahmenabschnitt aufweist, wobei der Batterieblock durch eine seitliche Öffnung des Rahmenabschnitts mittels eines hydraulischen, durch einen Nebenantrieb mit Hydraulikfluid versorgten Antriebs zum Wechsel des Batterieblocks ein- und ausfahrbar ist.
Stand der Technik
Bei Gegengewichtgabelstaplern erfolgt der Wechsel des Batterieblocks oft nicht senkrecht mittels einer Kraneinrichtung, sondern waagerecht durch eine entsprechende Öffnung in der seitlichen Rahmenwand. Das Aus- und Einfahren des Batterieblocks erfolgt mittels eines Hubwagens auf einer Rollenbahn oder eines am Fahrzeug angebrachten Teleskopauszugs, der mit einer Vorrichtung zur bodenseitigen Abstützung versehen ist, um ein Umkippen des Fahrzeugs aufgrund des hohen Batteriegewichts im ausgefahrenen Zustand der Batterie zu vermeiden.
Für die Bewegung des Teleskopauszugs mit dem Batterieblock sind hohe Kräfte erforderlich und deshalb wird oft ein doppeltwirkender Hydraulikzylinder vorgesehen. Ein solcher Gabelstapler ist beispielsweise aus der DE 103 47 065 A1 bekannt. Ein solcher dort beschriebener Hydraulikzylinder erfordert jedoch eine Verbindung mit den sonstigen Hydrauliksystemen des Gabelstaplers. Dies ist aufwendig und erfordert teure zusätzliche Versorgungsleitungen und Schaltventile.
Daher ist es wünschenswert, ein aus dem Nutzfahrzeugbereich verfügbares, z. B. zum Betrieb einer Ladeplattform verwendetes und aufgrund großer Stückzahl kostengünstiges, elektrisch betriebenes hydraulisches Kompaktaggregat einzusetzen. Diese Kompaktaggregate enthalten neben der von einem Elektromotor angetriebenen Hydraulikpumpe auch einen Fluidtank sowie die benötigte Ventiltechnik und bilden somit insgesamt einen elektrisch angetriebenen Nebenantrieb. Die üblicherweise mit Permanenterregung ausgestatteten Gleichstromelektromotoren dieser Kompaktaggregate sind auf die bei Nutzfahrzeugen übliche Spannung von 24 V ausgelegt.
Bei einem elektrisch betriebenen Flurförderzeug, wie einem Gabelstapler mit Batteriespannungen von z. B. 48 V und 80 V ist somit ein Spannungswandler und eine Schalteinrichtung mit ausreichender Leistung zum Betrieb des Kompaktaggregats oder ähnlicher Nebenantriebe erforderlich. Im Fall des Batterieblockwechsels mittels Teleskopauszug ist typischerweise eine Leistung von mehr als 1 kW erforderlich.
Wird für das Kompaktaggregat ein eigener Spannungswandler vorgesehen, ist damit ein unerwünschter zusätzlicher Aufwand verbunden.
Der Wechsel des Batterieblocks erfolgt bei stillstehendem Gabelstapler und im ausgeschalteten Zustand des Fahrzeugs.
Es ist daher möglich, die für die elektrischen Zusatzverbraucher des Gabelstaplers oder Flurförderzeugs (Beleuchtung, Wischer, usw.) eingebauten Spannungswandler zum Betrieb eines Nebenantriebs, insbesondere eines Kompaktaggregats für einen Teleskopauszug zu verwenden.
Hierfür sind jedoch entsprechende Verbindungsleitungen erforderlich und die Leistung der Spannungswandler muss insgesamt ausreichend sein.
Aus der DE 33 39 890 A1 ist eine Elektrikanlage eines batteriegetriebenen Fahrzeugs mit wenigstens einem Fahrmotor sowie Antrieben und Verbrauchern geringerer Leistung wie auch Steuer- und Schalteinrichtungen als so genannte Nebenverbraucher bekannt. Wenigstens eine Batterie ist für den Fahrmotor ausgelegt, die aus mehreren Batteriezellen besteht. Für die Nebenverbraucher ist eine eigene Spannungsebene geringerer Höhe als die Batteriespannung an einem Verteilernetz der Nebenverbraucher vorgesehen und das Verteilernetz ist an eine die Spannung bildende Anzahl von Batteriezellen der Batterie, entsprechend der Sollspannungsebene des Verteilernetzes, angeschlossen.
Dabei ist in einer Ausführungsform eine in Abhängigkeit von der Spannung des Verteilernetzes schaltbare Abgriffbrücke vorgesehen, die den Spannungsabgriff an der Batterie in Abhängigkeit von der im Verteilernetz herrschenden Spannung durch Umschaltung ändert.
Nachteilig an diesem Stand der Technik ist, dass zusätzlicher Aufwand für den Anschluss des Batterieblocks erforderlich ist. Weiter muss der Batterieblock eine Anschlussmöglichkeit der einzelnen Batteriezellen bieten und es besteht die Gefahr der ungleichmäßigen Entladung der Batteriezellen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für Nebenantriebe von batterie-elektrisch betriebenen Flurförderzeugen, deren Betriebsspannung nicht mit der im Flurförderzeug vorhandenen Batteriespannung übereinstimmt, auf einfache und kostengünstige Weise unter Vermeidung eines zusätzlichen Spannungswandler eine Spannungsversorgung zur Verfügung zu stellen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine solche Spannungsversorgung für nur bei Stillstand des Hauptantriebs des Flurförderzeugs betriebene Nebenantriebe mit hoher Leistung zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Flurförderfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bei einem Flurförderfahrzeug mit einem elektrischen Hauptantrieb, bspw. Mindestens einem elektrischen Fahrantrieb, und einem Batterieblock zur Stromversorgung des Hauptantriebs sowie zumindest einem nur bei Stillstand des Hauptantriebs benötigten elektrischen Nebenantrieb mit niedrigerer Betriebsspannung als die Batterieblockspannung, bei dem der Hauptantrieb aus zumindest einem Drehstrommotor und einem Umrichter, der ein zumindest dreiphasiges Spannungssystem variabler Spannung und Frequenz erzeugen kann, besteht, kann bei Stillstand des Drehstrommotors mindestens eine Phase des Umrichters so getaktet ansteuerbar sein, dass über Bauelemente zur Spannungsglättung und einen Trennschalter die Betriebsspannung des Nebenantriebs als Gleichspannung zur Verfügung steht.
Die Leistungsregelschaltungen des Umrichters werden im Fahrbetrieb des Flurförderzeugs entsprechend der für den jeweiligen Betriebspunkt des Drehstrommotors des Fahrantriebs benötigten Spannung mit variablem Tastverhältnis angesteuert. Die Taktfrequenz wird dabei so hoch gewählt, dass sich in Verbindung mit den Induktivitäten der Motorspulen ein nahezu stetiger Stromverlauf in den Motorleitungen ergibt. Wenn der Hauptfahrmotor des Flurförderzeugs steht, d. h. der eine oder die zwei vorhandenen Drehstrommotoren nicht benötigt werden, kann die Leistungsregelschaltung zumindest einer Phase für die Erzeugung der benötigten Gleichspannung des Nebenantriebs verwendet werden. Der Trennschalter trennt dabei den Nebenantrieb von dem Umrichter, wenn dieser in seiner eigentlichen Funktion für die Ansteuerung des Drehstrommotors betrieben wird.
In vorteilhafter Ausführung können als Bauelemente zur Spannungsglättung zwei Spulen der sterngeschalteten Spulen des zumindest einen Drehstrommotors dienen, wobei die Spannung von der getakteten Phase über die Zuleitung zur ersten Spule auf die Zuleitung zur zweiten Spule sowie den Trennschalter zu dem Nebenantrieb geführt wird.
Die Stromführung über den Drehstrommotor bewirkt aufgrund der Wicklungsinduktivitäten des Motors eine Glättung des Stromes. Dies ist insbesondere bei großen Differenzen von Batteriespannung und Spannung des Nebenantriebs sinnvoll, da der Drehstrommotor in diesem Betriebsfall nur mit Gleichstrom gespeist wird, baut er im Stillstand kein Drehmoment auf.
In günstiger Ausführungsform dient als Bauelement zur Spannungsglättung die Induktivität eines Motors des Nebenantriebs.
Vorteilhaft kann die Stromführung bei ausreichender Induktivität eines Ankers des Nebenantriebs vereinfacht werden, indem kein zusätzliches Bauelement notwendig ist.
In vorteilhafter Ausführungsform weist der Umrichter für jede Phase eine Halbbrückenschaltung auf und wird von einem Pol des Batterieblocks über eine Seite der Halbbrücke der getakteten Phase der Trennschalter sowie ein Anschluss des Nebenantriebs betrieben und der zweite Anschluss des Nebenantriebs mit dem anderen Pol des Batterieblocks verbunden.
Dadurch kann festgelegt werden, ob eine negative Spannung oder eine positive Spannung an den Nebenantrieb angelegt wird und gegebenenfalls ein Motor dieses Nebenantriebs umgesteuert werden.
Vorteilhaft kann mehr als eine Phase getaktet angesteuert werden, um mehrere Nebenantriebe und/oder einen Nebenantrieb mit einem Leistungsbedarf, der die Leistung einer Phase übersteigt, anzusteuern.
Dadurch können sehr hohe Stromanforderungen eines Nebenantriebs bewältigt werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung kann der Umrichter eine Steuerung sowie in der getakteten Phase eine Vorrichtung zur Strommessung aufweisen und die Steuerung den Strom durch den Nebenantrieb regeln.
Der beispielsweise über einen Stromsensor erfasste Stromistwert durch den Nebenantrieb kann wie beim Drehstrombetrieb des Umrichters von dem Mikrorechner ausgewertet und zur Strombegrenzung oder in, Verbindung mit einer Stromregelung genutzt werden. Damit ist auch ein strombegrenzter Anlauf eines Gleichstrommotors des Nebenantriebs und/oder etwa ein Überlastschutz des Gleichstrommotors darstellbar.
Der Nebenantrieb kann einen Motor sowie einen Drehzahlsensor aufweisen und der Umrichter eine Steuerung, so dass die Steuerung die Drehzahl regeln kann.
Ist der Nebenantrieb mit einem Drehzahlsensor versehen, kann über den Mikrorechner die Drehzahl berechnet werden und z. B. zur Drehzahlbegrenzung oder für eine Drehzahlregelung des Nebenantriebs verwendet werden.
In günstiger Ausführungsform ist der Nebenantrieb ein elektrisch betriebenes, hydraulisches Kompaktaggregat mit einem Teleskopauszug für ein seitliches Herausschieben/Hineinziehen des Batterieblocks.
Insbesondere bei einem Gegengewichtsgabelstapler der einen zur Aufnahme eines Batterieblocks ausgebildeten Rahmenabschnitt aufweist und bei dem der Batterieblock durch eine seitliche Öffnung des Rahmenabschnitts mittels eines von einem elektrisch betriebenen hydraulischen Kompaktaggregat gebildeten Nebenantriebs ein- und ausfahrbar ist, wird dadurch die Verwendung eines kostengünstigen Kompaktaggregats auf einfache Art und Weise ermöglicht.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert, bei denen
1 ein schematisierte Schaltbild der Stromversorgung des Hauptmotors sowie des Nebenantriebs eines Gegengewichtgabelstaplers und
2 ein reduziertes Schaltbild der 1 zeigt.
1 zeigt ein schematisiertes Schaltbild der Stromversorgung des Hauptmotors 1 sowie des Nebenantriebs mit einem Nebenantriebsmotor 2 eines nicht dargestellten Gegengewichtgabelstaplers. Der Hauptmotor 1 ist ein dreiphasiger Drehstrommotor und wird durch einen Umrichter 3, der die Gleichspannung U_B der Batterie in ein Drehspannungssystem variabler Spannung und Frequenz wandelt, angesteuert. Der Umrichter 3 weist einen Zwischenkreis mit einem Zwischenkreiskondensator sowie ein Leistungsteil bestehend aus drei Halbbrücken mit je zwei Schaltern oder Leistungstransistoren V1_T, V1_B, V2_T, V2_B, V3_T, V3_B auf, über die die drei Phasen P₁, P₂, P₃ bzw. Zuleitungen des Drehstrommotors 1 angesteuert werden können, die in dem Drehstrommotor mit drei Spulen verbunden sind. Über zwei Strommesser 4 kann in den zwei Phasen P₂ und P₃ jeweils der Strom gemessen werden.
Eine Steuerung 5 des Umrichters 3 besteht aus einem Mikrorechner 6, einer Spannungsversorgung 7, einer Strommesseinheit 8, einer Drehzahlmessung 9 und einem Treiber 10. Die Steuerung 5 des Umrichters 3 verfügt weiterhin über eine CAN-Bus-Schnittstellen 11. Über diese Schnittstelle 11 kann von entsprechenden, nicht dargestellten Gebern und/oder einer ebenfalls nicht dargestellten übergeordneten Steuerung u. a. die Auswahl des jeweiligen Antriebs und eine Sollwertvorgabe erfolgen.
Die Schalter oder Leistungstransistoren V1_T, V1_B, V2_T, V2_B, V3_T, V3_B der Halbbrücken können vom Mikrorechner 6 einzeln und unabhängig voneinander ein und ausgeschaltet werden.
Über einen von einem Leistungsrelais 13 getriebenen Trennschalter 12 kann die Zuleitung P₁ des Drehstrommotors mit dem einen Anschluss des als Gleichstrommotor ausgeführten Nebenantriebsmotors 2 verbunden werden, während der zweite Anschluss mit dem Minuspol der Batterie verbunden ist. Das Leistungsrelais 13 wird von dem Treiber 10 angesteuert. Ein Drehzahlsensor 14 ist mit der Drehzahlmessung 9 verbunden.
In dem dargestellten Beispiel taktet der Leistungstransistor V2_T den Strom über den Stromsensor der Phase P₂, die Wicklung des Drehstrommotors, den Trennschalter 12 und den Nebenantriebsmotor 2 zum Minuspol der Batterie. Der Leistungstransistor V2_T wird von dem Mikrorechner 5 in einem, für den jeweiligen Motorstrom erforderlichen Tastverhältnis ein- und ausgeschaltet. Die Schaltfrequenz ist für einen, hinreichend stetigen Stromverlauf ausreichend hoch zu wählen. Im ausgeschalteten Zustand des Leistungstransistors übernimmt die im Leistungstransistor V2_B enthaltene Diode den durch Induktivitäten des Lastkreises verursachten Freilaufstrom. Die Leistungstransistoren V1_T, V1_B, sowie V3_T, V3_B sind bei Betrieb des Nebenantriebmotors inaktiv. Gesetzt den Fall, der Strombedarf des Nebenantriebmotors ist höher als die Leistungsgrenze einer Halbbrücke, ist der parallele Einsatz weiterer Phasen möglich. Da das Leistungsrelais 13 von dem Treiber 10 der Steuerung 5 angesteuert wird, kann die die Ansteuerung des Nebenantriebsmotors 2 vollständig durch die Steuerung 5 des Umrichters 3 erfolgen.
In einer alternativen Schaltungsvariante können die Leistungstransistoren V1_B, V2_B, V3_B anstelle der Leistungstransistoren V1_T, V2_T, , V3_T, benutzt werden. Allerdings ist dann der zweite Anschluss des Gleichstrom-Nebenantriebsmotors Motor statt mit dem Minuspol der Batterie mit dem Pluspol zu verbinden.
2 zeigt ein reduziertes Schaltbild der 1. Über die Halbbrücke mit dem Leistungstransistor V2_T und den Strommesser 4 wird der Anschluss P₁ des Hauptmotors 1 getaktet mit Spannung beaufschlagt. Über zwei Motorspulen 15 des Hauptmotors 1 und den Anschluss der ersten Phase P₁ wird der Trennschalter 12 angesteuert und über diesen der Nebenantriebsmotor 2.
Dadurch wird die getaktete Spannung bzw. der Strom durch die Induktivität der Motorspulen 15 des Hauptmotors 1 geglättet. Gleichzeit wird jedoch in den sterngeschalteten Motorspulen 15 kein Drehfeld erzeugt und der Hauptmotor 1 steht.

1: Hauptmotor
2: Nebenantriebsmotor
3: Umrichter
4: Strommesser
5: Steuerung
6: Mikrorechner
7: Spannungsversorgung
8: Strommesseinheit
9: Drehzahlmessung
10: Treiber
11: CAN-Bus
12: Trennschalter
13: Leistungsrelais
14: Drehzahlsensor
15: Motorspulen
U_B: Batteriespannung
V1_T, V1_B,: Leistungstransistoren
V2_T, V2_B,: Leistungstransistoren
V3_T, V3_B: Leistungstransistoren
P₂, P₃, P₁: Phase/Zuleitung Motorspule

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10347065 A1 [0003]
- DE 3339890 A1 [0010]

Claims

Flurförderzeug, insbesondere Gegengewichtsgabelstapler, mit elektrischem Hauptantrieb und Batterieblock zur Stromversorgung des Hauptantriebs sowie zumindest einem nur bei Stillstand des Hauptantriebs benötigten elektrischen Nebenantrieb (2) mit niedrigerer Betriebsspannung als die Batterieblockspannung, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptantrieb aus zumindest einem Drehstrommotor (1) und einem Umrichter (3), der ein zumindest dreiphasiges Spannungssystem variabler Spannung und Frequenz erzeugen kann, besteht und dass bei Stillstand des Drehstrommotors (1) mindestens eine Phase P₂ des Umrichters (3) so getaktet ansteuerbar ist, dass über Bauelemente zur Spannungsglättung und einen Trennschalter (12) die Betriebsspannung des Nebenantriebs (2) als Gleichspannung zur Verfügung steht.
Flurförderzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Bauelemente zur Spannungsglättung zwei Spulen der sterngeschalteten Spulen (14) des zumindest einen Drehstrommotors (1) dienen, wobei die Spannung von der getakteten Phase über die Zuleitung P₂ zur ersten Spule auf die Zuleitung P₁ zur zweiten Spule sowie den Trennschalter (12) zu dem Nebenantrieb (2) geführt wird.
Flurförderzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Bauelement zur Spannungsglättung die Induktivität eines Motors des Nebenantriebs (2) dient.
Flurförderzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (3) für jede Phase (P₂, P₃, P₁) eine Halbbrückenschaltung aufweist und von einem Pol des Batterieblocks über eine Seite der Halbbrücke der getakteten Phase P₂ der Trennschalter (12) sowie ein Anschluss des Nebenantriebs (2) betrieben wird und der zweite Anschluss des Nebenantriebs (2) mit dem anderen Pol des Batterieblocks verbunden wird.
Flurförderzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als eine Phase getaktet angesteuert wird, um mehrere Nebenantriebe und/oder einen Nebenantrieb mit einem Leistungsbedarf, der die Leistung einer Phase übersteigt, anzusteuern.
Flurförderzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (3) eine Steuerung (5) sowie in der getakteten Phase (P₂) eine Vorrichtung zur Strommessung (4) aufweist und die Steuerung (5) den Strom durch den Nebenantrieb regeln kann.
Flurförderzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenantrieb (2) einen Motor sowie einen Drehzahlsensor (9) aufweist und der Umrichter eine Steuerung (5) und die Steuerung (5) die Drehzahl regeln kann.
Flurförderzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenantrieb (2) ein elektrisch betriebenes hydraulisches Kompaktaggregat mit Teleskopauszug für ein seitliches Herausschieben/Hineinziehen des Batterieblocks ist.