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Die
Erfindung betrifft ein Flurförderzeug, insbesondere eine
Hybrid-Fahrsitz-Zugmaschine, mit wenigstens einem einen in einem
elektrischen Leistungskreis fließenden Antriebsstrom aufweisenden, elektrisch
angetriebenen Fahrmodus nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie
ein Verfahren zum Kontrollieren eines Flurförderzeuges
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 24.
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Stand der Technik
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Flurförderzeuge,
insbesondere Hybrid-Flurförderzeuge, mit einem Verbrennungsmotor
und beispielsweise einem Elektroantrieb, vor allem für
den gemischten Einsatz im Freien und in der Halle, sind bereits
seit langem gebräuchlich. Entsprechende Hybrid-Flurförderzeuge
werden beispielsweise auf Flughäfen, insbesondere als Gepäck-Zugmaschine oder
dergleichen, und in der Industrie in unterschiedlichsten Ausführungen
eingesetzt. Auf Flughäfen werden Gepäckschlepper
eingesetzt, um das Gepäck der Passagiere von den Gepäckabfertigungsbereichen
zum Flugzeug bzw. in umgekehrter Richtung zu transportieren.
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Für
den Einsatz auf Flughäfen sind Hybrid-Fahrersitz- Zugmaschinen
besonders geeignet, weil es dort einerseits auf dem Flughafen-Vorfeld weite
Strecken zwischen dem Terminalgebäude und den Parkpositionen
der Flugzeuge zurückzulegen gilt, während andererseits
auch die Einfahrt in die geschlossenen, meist unterirdischen Gepäckabfertigungsbereiche
im Inneren der Flughafengebäude erforderlich ist. Während
Letzteres mit einem reinen Dieselfahrzeug aus Emissionsgründen
kaum möglich wäre, eignen sich reine Elektrofahrzeuge
aufgrund ihrer begrenzten Batteriekapazität nur eingeschränkt für
die Bewältigung weiter Strecken im Freien.
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Bei
einer Hybrid-Fahrersitz-Zugmaschine erzeugt dagegen z. B. während
des Betriebs im Freien ein von einem Verbrennungsmotor angetriebener Generator
Strom, der in die Traktionsbatterien des Fahrzeugs eingespeist wird.
Da die Batterien folglich im verbrennungsmotorischen Betriebsmodus
fortlaufend wieder aufgeladen werden, ist bei flughafentypischen
Einsatzbedingungen, d. h. im Allgemeinen ca. 70–90% Einsatz
im Freien, 10–30% Einsatz in geschlossenen Gebäuden,
ein externes Aufladen der Batterien z. B. in einer Batterieladestation
und/oder ein Wechseln der Batterien nicht erforderlich. Dies ist im
durchgängigen Mehrschichtbetrieb – der auf Flughäfen
die Regel ist – von großem Vorteil.
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Bauartbedingt
wird bei Hybrid-Fahrersitz-Zugmaschinen zwischen sogenannten Seriell-Hybridsystemen
und Parallel-Hybridsystemen unterschieden. Bei einem Parallel-Hybridsystem
liegen zwei parallele Antriebsstränge vor: In einem elektromotorischen
Betriebsmodus werden die Antriebsräder vom Elektromotor
angetrieben. In einem verbrennungsmotorischen Betriebsmodus werden
die Antriebsräder dagegen direkt vom Dieselmotor angetrieben,
wobei die Kraftübertragung typischerweise hydrostatisch
erfolgt. Bei Seriell-Hybridsystemen besteht dagegen keine mechanische
und/oder hydraulische Verbindung zwischen dem Verbrennungsmotor
und den Antriebsrädern. Stattdessen werden die Antriebsräder
stets vom Elektromotor angetrieben. Bei Zuschaltung des Verbrennungsmotors
erzeugt dieser lediglich den erforderlichen Strom, um den Elektromotor
zu betreiben und/oder die Batterien wieder aufzuladen.
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Moderne
Hybrid-Fahrersitz-Zugmaschinen weisen in der Regel eine sogenannte
Rekuperationsbremse auf, mit der ein Teil der beim Bremsen abzubauenden
Bewegungsenergie als elektrische Energie zurück gewonnen
und in die Batterien des Fahrzeugs eingespeist wird.
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Hybrid-Fahrersitz-Zugmaschinen
verfügen dabei gewöhnlicherweise nicht nur über
einen einzigen Rekuperations-Modus, sondern zumeist über sechs
und mehr Rekuperationsmodi, für die häufig in der
elektronischen Fahrsteuerung verschiedene Bremsrampen mit unterschiedlicher
Bremsstärke hinterlegt sind: 1. Rekuperationsbremse, wenn
der Fahrer während der Fahrt den Fuß vom Fahrpedal nimmt
und/oder den Fahrtrichtungsschalter von der Vorwärts- bzw.
Rückwärtsstellung in die Neutralstellung umlegt
(Wegnahme des Fahrtrichtungssignals), 2. Rekuperationsbremse, wenn
der Fahrer während der Fahrt den Fahrtrichtungsschalter
von „vorwärts" auf „rückwärts"
oder umgekehrt umlegt, 3. Rekuperationsbremse zur Realisierung beabsichtigter
Geschwindigkeitsveränderungen, insbesondere Sollwertreduzierung
des Fahrpedals, 4. Rekuperationsbremse, wenn der Fahrer beispielsweise
von einem verbrennungsmotorischen Betriebsmodus in einen elektrischen
Betriebsmodus wechselt und/oder von einem normalen Fahrmodus in
einen Rampen- bzw. Schleichfahrtmodus, soweit für diese
Betriebsmodi Maximalgeschwindigkeiten vorgesehen sind, die kleiner
sind als die aktuelle Fahrgeschwindigkeit, 5. Rekuperationsbremse
bei Überschreitung eines bestimmten Lenkeinschlagwinkels,
soweit in diesem Fall eine Maximalgeschwindigkeit vorgesehen ist,
die kleiner ist als die aktuelle Fahrgeschwindigkeit, und 6. Rekuperationsbremse
zur Unterstützung der mechanischen Bremse bei einem Abbremsvorgang.
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Durch
die Rekuperationsbremse ergeben sich insbesondere drei Vorteile:
Die
mechanischen Bremsen des Fahrzeugs werden entlastet. Dadurch tritt
ein geringerer Verschleiß an Bremsbelägen und/oder
Bremsscheiben auf und die Bremsleistung wird verbessert. Bei der
Verwendung von Lamellenbremsen kann eine Überhitzung des Öls
und eine resultierende Beschädigung von Dichtungen oder Ähnlichem
verhindert werden. Dies ist angesichts der zum Teil recht hohen
Anhängelasten von bis zu 11,5 Tonnen im Flughafeneinsatz
bzw. bis zu 30 Tonnen im Industrieeinsatz von großer Bedeutung.
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Für
den Fahrer ergibt sich durch die Rekuperationsbremse ein angenehmeres
Fahrgefühl, da das Fahrzeug bereits beim Anheben des Fußes
vom Fahrpedal – und folglich noch vor dem bzw. auch ohne
Betätigen der Betriebsbremse – leicht verzögert.
Dies ist zum Beispiel beim Heranrollen an unübersichtliche
Verkehrssituationen vorteilhaft.
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Durch
die Energierückgewinnung beim Bremsen wird der Energiehaushalt
des Fahrzeugs verbessert. Dieser Vorteil ist jedoch im Zugmaschineneinsatz
von nachrangiger Bedeutung.
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Als
Zugmaschinen eingesetzte Hybrid-Fahrersitz-Zugmaschinen entsprechend
dem Stand der Technik sind dabei meistens mit Drehstromantrieben und
Blei-Säure-Akkumulatoren ausgestattet.
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Charakteristisch
für den Zugmaschineneinsatz ist, dass Zugmaschinen in der
Industrie und auf Flughäfen schwere Lasten von bis zu 30
Tonnen ziehen. Berücksichtigt man, dass das Eigengewicht
dieser Zugmaschinen meist zwischen 3,5 und 4,5 Tonnen liegt, so
wird deutlich, dass die angehängte Last um ein Vielfaches
schwerer ist als die Zugmaschine selbst.
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Weiterhin
ist charakteristisch, dass beispielsweise auf Flughäfen
oft Hunderte von verschiedenen Anhängern unterschiedlichster
Hersteller im Einsatz sind, deren Zugösendurchmesser vielfach
deutlich voneinander abweichen. Da der Kupplungsbolzendurchmesser
von Zugmaschinen sich jedoch notwendigerweise am jeweils kleinsten
Zugösendurchmesser orientieren muss, kommt es vielfach
zu einem mehr oder weniger großen Spiel zwischen Kupplungsbolzen
und Zugöse. Beim Bremsen oder in Lastwechselsituationen
ist in diesen Fällen vorübergehend keine formschlüssige
Verbindung zwischen Zugmaschine und Anhänger gegeben. Die
Anhänger nehmen daher erst zeitlich verspätet
am Verzögerungsverlauf des Fahrzeugs teil, so dass beim Auflaufen
bzw. Aufprallen der Anhänger ein kurzzeitiger Impuls von
teils erheblicher Höhe auf die Zugmaschine einwirkt. Da
Zugmaschinen auf Flughäfen typischerweise mit bis zu vier
Anhängern betrieben werden, können sich durch
die Addition der jeweiligen Abweichungen zwischen Bolzen- und Zugösendurchmesser
kumulative Effekte ergeben, die eine Verstärkung des auf
die Zugmaschine einwirkenden Aufpralls bzw. Impulses zur Folge haben.
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Zudem
ist charakteristisch für Drehstromantriebe, dass diese
drehzahlgeregelt sind. Anders als herkömmliche Gleichstromantriebe
versuchen Drehstromantriebe stets, die durch die Fahrpedalstellung vorgegebene
Geschwindigkeit exakt beizubehalten, um so ein unbeabsichtigtes
Beschleunigen oder Verzögern des Fahrzeugs zu verhindern.
Daher können bereits geringfügige Bodenunebenheiten
dazu führen, dass der Antriebsmotor innerhalb von Sekundenbruchteilen – quasi
in Echtzeit – fortlaufend zwischen Elektromotor-Modus und Rekuperations-Modus
hin- und her wechselt.
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Das
Gleiche gilt auch dann, wenn eine Zugmaschine im Zugbetrieb einen
Impuls durch die auflaufenden Anhänger erfährt.
Während Fahrzeuge mit Gleichstromantrieben durch einen
derartigen Impuls einfach eine Beschleunigung erfahren, wechselt
der Antriebsmotor bei Drehstromantrieben in dieser Situation innerhalb
von Sekundenbruchteilen in den Rekuperationsmodus und versucht,
eben diese (vom Fahrer nicht beabsichtigte) Beschleunigung zu verhindern.
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Dies
ist aufgrund des folgenden Umstands äußerst problematisch:
In Flurförderzeugen entsprechend des Stands der Technik
können für die unterschiedlichen, oben dargestellten
Rekuperationsmodi verschiedene Parameter definiert und – beispielsweise
in der Fahrsteuerung, insbesondere AC-Inverter – hinterlegt
werden, um die Stärke und den zeitlichen Verlauf eines
Rekuperationsvorgangs zu modulieren (sogenannte „Bremsrampen").
Je nach Einsatzzweck und Rekuperationsmodus wird die Stärke
der Rekuperation dabei meist in einem mittleren bis niedrigen Bereich
definiert, wodurch die Höhe potentieller Rekuperationsströme
von vorneherein limitiert wird.
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Im
Falle eines exogen auf das Fahrzeug einwirkenden Impulses ist die
Stärke der Rekuperation dagegen ausschließlich
von der Stärke des Impulses und der Leistung des Antriebsmotors
im aktuellen Drehzahlbereich abhängig. Dies bedeutet, dass
ggfs. die maximale Leistung bzw. das maximale Drehmoment des Antriebsmotors
ausgeschöpft wird, um eine ungewollte Beschleunigung der
Zugmaschine zu verhindern. Dabei sind Drehstromantriebe in Zugmaschinen
durch eine spezifische Wicklung typischerweise so konzipiert, dass
ihr Drehmoment bei niedrigen Geschwindigkeiten sehr hoch ist und
bei ansteigenden Geschwindigkeiten abnimmt.
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Bei
einem gegebenen Antriebsmotor gilt daher ceteris paribus: Je stärker
der auf das Fahrzeug einwirkende Impuls und je niedriger die aktuelle Drehzahl
des Antriebsmotors ist, desto höher sind die auftretenden
Rekuperationsströme. Vergegenwärtigt man sich
die erhebliche Gewichtsdifferenz zwischen Zugmaschine und Anhängern,
so wird einerseits deutlich, dass die hierbei auftretenden Impulse
sehr stark sein können. Andererseits gilt, dass die Fahrgeschwindigkeiten
mit schweren Anhängern – speziell auf schlechtem
Untergrund – tendenziell eher gering sind.
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Als
Zwischenfazit ist daher festzuhalten, dass gerade im Zugmaschineneinsatz
mit Anhängern eine Bedingungskonstellation vorherrscht,
die durch sehr hohe, sehr schnell ansteigende und nur kurzzeitig
anliegende Rekuperationsströme („Stromspitzen")
gekennzeichnet ist.
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Charakteristisch
vor allem für Blei-Säure-Akkumulatoren ist, dass
die elektro-chemischen Prozesse beim Be- und Entladen der Traktionsbatterien träge
sind und folglich mit einer gewissen Zeitverzögerung ablaufen.
Beim Laden eines Blei-Säure-Akkumulators muss das aus dem
aufgelösten Bleisulfat gewonnene Blei zur Elektrodenoberfläche
transportiert werden, so dass die vergleichsweise geringe Diffusionsgeschwindigkeit
der Bleiionen (Pb2+) einen limitierenden Faktor bei der Aufnahme
kurzzeitiger Ladeströme darstellt. Gerade kurzzeitig auftretende
Rekuperationsströme, die durch eine hohe Stromanstiegsgeschwindigkeit
und einen hohen Betrag der Stromstärke gekennzeichnet sind,
d. h. vor allem „Stromspitzen", können daher selbst
von einer ungeladenen Batterie nur begrenzt aufgenommen werden.
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Im
Zusammenspiel der drei Merkmale 1.) Zugmaschineneinsatz, 2.) Drehstromantrieb
und 3.) Blei-Säure-Akkumulatoren ergeben sich in der Praxis spezifische
Probleme: Beim Auflaufen von Anhängern auf die Zugmaschine
wechselt der Antriebsmotor innerhalb von Sekundenbruchteilen in
den Rekuperationsmodus. Die resultierenden Rekuperationsströme
sind vielfach sehr hoch, da erstens das Anhängergewicht
ein Vielfaches des Zugmaschinengewichtes beträgt, da zweitens
die Anhänger aufgrund der nicht gegebenen formschlüssigen
Verbindung erst zeitverzögert am Verzögerungsverlauf
der Zugmaschine teilhaben, so dass die resultierenden Verzögerungswerte
sehr hoch sind, da drittens bei Bedarf das volle Drehmoment des
Antriebsmotors ausgeschöpft wird, um eine ungewollte Beschleunigung zu
verhindern, und da viertens das Drehmoment des Antriebsmotors speziell
in den für Anhängerbetrieb typischen, niedrigen
bis mittleren Geschwindigkeitsbereichen besonders hoch ist.
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Zudem
handelt es sich hier um Ströme, die nur sehr kurzzeitig – im
Millisekunden- oder Sekundenbereich – fließen
und/oder durch eine hohe Stromanstiegsgeschwindigkeit gekennzeichnet
sind. Aufgrund der Trägheit der elektro-chemischen Prozesse zum
Laden der Batterie, können die Akkumulatoren der Zugmaschine
diese (ultra-) kurzzeitig fließenden, sehr hohen Ströme,
in der Größenordnung von beispielsweise mehreren
hundert Ampere, nur zum Teil aufnehmen. Dies gilt umso mehr, als
in Hybrid-Fahrersitz-Zugmaschinen typischerweise Batterien mit einer
vergleichsweise geringen Gesamtkapazität zum Einsatz kommen.
Diese beträgt beispielsweise nur ca. 40–60% der
Batteriekapazität einer vergleichbaren, ähnlich
leistungsstarken Elektro-Fahrersitz-Zugmaschine.
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Die
skizzierte Problematik kann bei leeren Batterien ebenso auftreten
wie bei vollgeladenen Batterien und bei neuen Batterien ebenso wie
bei alten. Ein zunehmender Sättigungsgrad bzw. Ladezustand
der Batterien und/oder ein zunehmendes Alter der Batterien stellen
jedoch Randbedingungen dar, die zur Verschärfung der skizzierten
Problematik beitragen.
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Besonders
virulent ist die beschriebene Problematik in einem verbrennungsmotorischen
Betriebsmodus von Hybrid-Fahrersitz-Zugmaschinen, da hier zusätzlich
zum Rekuperationsstrom auch noch ein Generatorstrom in der Größenordnung
von beispielsweise 200 bis 300 Ampere anliegt. Dies gilt in besonderem
Maße im Fall von Seriell-Hybridsystemen. Aber auch bei
Parallel-Hybridsystemen kann es – je nach Ausführungsform – in
einem verbrennungsmotorischen Betriebsmodus zum Zusammentreffen von
Generator- und Rekuperationsströmen kommen. Durch die Überlagerung
der – ohnehin sehr hohen – Rekuperationsströme
durch einen kontinuierlich anliegenden Generatorstrom von beispielsweise
200 bis 300 Ampere ergeben sich zum Teil sehr hohe Stromstärken.
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Da
die Traktionsbatterie die resultierenden Spitzenströme
nicht aufnehmen kann, kommt es zu Spannungsspitzen, die eine Sicherheitsabschaltung und/oder
Beschädigung der Fahrsteuerung, insbesondere AC-Inverter,
und/oder anderer elektrischer und/oder elektronischer Komponenten
des Fahrzeugs nach sich ziehen können. Eine Sicherheitsabschaltung
der Fahrsteuerung, insbesondere AC-Inverter, erfolgt derzeit z.
B. beim Modell „AC 3 Power" des führenden Herstellers
ZAPI beispielsweise bei 115 Volt.
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Bei
einer Sicherheitsabschaltung und/oder Beschädigung der
Fahrsteuerung, insbesondere AC-Inverter, fällt nicht nur
die hydraulische Unterstützung der Lenkung und der Betriebsbremse
aus. Viel problematischer ist vielmehr, dass es bei Fahrzeugen mit
automatischer Feststellbremse, wie sie vielfach im Einsatz sind,
zudem auch zum Einfallen der elektrohydraulisch gelüfteten
Federspeicherzylinder kommt. Die Zugmaschine macht folglich völlig
unvermittelt – für den Fahrer und den nachfolgenden
Verkehr nicht vorhersehbar – eine Vollbremsung bis zum Stillstand.
Dies ist aus sicherheitstechnischer Perspektive äußerst
bedenklich, da es eine hohe Unfallgefahr bedingt. Zudem kann es
bei wiederholtem Auftreten hohe Reparaturkosten zur Folge haben,
z. B. für verschlissene Bremsbeläge der Feststellbremse
oder defekte Fahrsteuerungen, insbesondere AC-Inverter.
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Das
beschriebene Problem wird wahrscheinlich in Zukunft stark an Bedeutung
gewinnen, da der Trend zu immer stärkeren elektrischen
Antriebsmotoren auch zur Folge hat, dass im Rekuperationsbetrieb
zukünftig höhere Rekuperationsströme
zu erwarten sind. Nach heutigem Stand der Technik verfügen
Hybrid-Fahrersitz-Zugmaschinen mit einer Betriebsspannung von 80
Volt über maximal 20 KW Antriebsleistung (60 Min.-Rating).
Der Engpass hierbei sind die hohen Stromstärken, die aus
der vergleichsweise geringen Spannung von nur 80 Volt resultieren. Denn
die heute am Markt verfügbaren Fahrsteuerungen, insbesondere
AC-Inverter, können z. B. maximal Ströme von ca.
650 Ampere bewältigen (vgl. z. B. ZAPI „AC 3 Power").
In den kommenden Jahren ist jedoch mit Fahrsteuerungen zu rechnen,
die Ströme von bis zu 1.000 Ampere bewältigen
können, was dann wiederum Antriebsleistungen von rund 30
KW ermöglichen würde.
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In
Hybrid-Fahrersitz-Zugmaschinen kommen entsprechend dem Stand der
Technik gegenwärtig verschiedene Mechanismen zum Einsatz,
um die dargestellte Problematik kurzzeitig sehr hoher, nicht vollständig
von der Batterie aufnehmbarer Rekuperationsströme und daraus
resultierender Spannungsspitzen zu entschärfen. Diese können
je einzeln oder in beliebiger Kombination angewendet werden:
- 1.) Reduktion des der Ladespannung bzw. des Ladestroms
Während eines Rekuperationsvorgangs kann der an den Dieselmotor
angeflanschte Generator kurzzeitig abgeschaltet oder in der Leistung
deutlich gedrosselt werden. Die Traktionsbatterie muss beim Verzögern
folglich nur den Rekuperationsstrom aufnehmen, nicht aber – an top – den
vom Generator erzeugten Strom. Bei Fahrzeugen entsprechend dem Stand
der Technik wird diese Regelung durch einen Sensor „getriggert",
der die Stellung des Fahrpedals erfasst. D. h. der Generator wird
für einige Sekunden abgeschaltet bzw. in der Leistung gedrosselt,
sobald das Fahrpedal freigegeben bzw. nicht mehr betätigt
wird. Das bedeutet insbesondere: Die bloße Abschaltung
des Generators greift bei der Lösung des dargestellten
Problems zu kurz, da die Stärke des vom Generators kontinuierlich
erzeugten Stroms mit beispielsweise 200 bis 300 Ampere geringer
ist als die beim Rekuperieren kurzzeitig möglichen Stromspitzen.
Wie oben dargelegt, wird die Problematik kurzzeitig sehr hoher,
nicht vollständig von der Batterie aufnehmbarer Rekuperationsströme
und daraus resultierender Spannungsspitzen durch das gleichzeitige
Anliegen eines Generatorstroms lediglich verschärft, aber
als solche nicht begründet.
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Nachteilig
ist weiterhin, dass eine Reduzierung des Ladestroms nur bei vollständiger
Freigabe des Fahrpedals erfolgt [0 = SollwertNEU < SollwertALT]. Da der Antriebsmotor jedoch auch bei
einer Sollwertreduzierung des Fahrpedals, d. h. bei einer Reduzierung
des Pedalwegs bzw. der Fahrpedalstellung [0 < SollwertNEU < SollwertALT] in einen Rekuperationsmodus wechselt,
kann das Aufeinandertreffen von Lade- und Rekuperationsströmen
durch diese Art der Regelung nicht zuverlässig verhindert
werden.
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Nachteilig
ist weiterhin, dass die Auslösung der beschriebenen Generatorabschaltung über
die Fahrpedalstellung bei modernen Drehstromantrieben generell zu
kurz greift. Denn moderne Drehstromantriebe können selbst
bei unveränderter Fahrpedalstellung in den Rekuperationsmodus
wechseln. Dabei können verschiedene Fälle unterschieden
werden:
- (a.) Wie oben dargestellt, wechseln
Drehstrommotoren bereits bei geringfügigen Bodenunebenheiten
und/oder an Gefällstrecken immer wieder in den Rekuperationsmodus,
um die durch die Fahrpedalstellung vorgegebene Geschwindigkeit beizubehalten
und eine ungewollte Beschleunigung des Fahrzeugs zu verhindern.
- (b.) Wird bei Bergabfahrt mit durchgetretenem Fahrpedal die
bauartbedingte Höchstgeschwindigkeit und folglich die Maximaldrehzahl
des elektrischen Antriebsmotors erreicht, beispielsweise 250 Hz
entsprechend – je nach Getriebeübersetzung – ca.
30 km/h, dann setzt eine Rekuperationsbremsung ein, um eine weitere
Beschleunigung des Fahrzeugs zu verhindern. Dies geschieht auch
dann, wenn der Fahrer das Fahrpedal weiterhin voll durchtritt. Auf
Flughäfen tritt eine derartige Situation sehr häufig
ein, da es hier vielfach Unterführungen gibt, z. B. unter
Start- und Landebahnen, welche die Fahrer mit Maximalgeschwindigkeit
durchfahren. Diese weisen typischerweise ein Gefälle von
rund 10% auf.
- (c.) Wird der Fahrtrichtungsschalter des Fahrzeugs während
der Fahrt aus der Vorwärts- in die Rückwärtsstellung
gewechselt oder umgekehrt, dann findet ebenfalls eine Rekuperationsbremsung
des Fahrzeugs bis zum Stillstand statt, um die anschließende
Fahrtrichtungsänderung zu ermöglichen. Dies geschieht
auch dann, wenn der Fahrer das Fahrpedal weiterhin voll durchtritt. Auch
diese Situation tritt in der Praxis immer wieder ein, da die Fahrer
im Rangierbetrieb aus Bequemlichkeit nicht immer mit dem Fuß zwischen Fahr-
und Bremspedal hin und her wechseln.
- (d.) Wird der Fahrtrichtungsschalter des Fahrzeugs während
der Fahrt aus der Vorwärts- bzw. Rückwärtsstellung
in die Neutralstellung gebracht (Wegnahme de Fahrtrichtungssignals), dann
findet ebenfalls eine Rekuperationsbremsung des Fahrzeugs bis zum
Stillstand statt. Dies geschieht selbst dann, wenn der Fahrer das
Fahrpedal weiterhin voll durchtritt.
- (e.) Speziell im Flughafeneinsatz werden bei Hybrid-Fahrersitz-Zugmaschinen
oft unterschiedliche Maximalgeschwindigkeiten für den verbrennungsmotorischen
und den rein elektromotorischen Betriebsmodus vorgesehen bzw. eingestellt.
Dies hat im Wesentlichen den folgenden Grund: Es kommt häufig
vor, dass die Fahrer – entgegen einschlägiger
Anweisungen – den Verbrennungsmotor im Freien nicht anschalten,
weil der verbrennungsmotorlose Antrieb deutlich leiser und für
sie folglich angenehmer ist. Diese Incompliance hat negative Konsequenzen
für die Energiebilanz entsprechender Fahrzeuge, da dann
die Batterien während des Betriebs im Freien nicht mehr
nachgeladen werden. Als Folge hiervon kann z. B. ein externes Nachladen
der Batterien erforderlich werden, was entsprechende Stillstands-
bzw. Ausfallzeiten nach sich zieht.
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Zur
Lösung dieses Disziplinierungsproblems wird bei Fahrzeugen
entsprechend des Stands der Technik die maximale Höchstgeschwindigkeit
in einem rein elektromotorischen Betriebsmodus beispielsweise auf
10 bis 20 km/h reduziert, während in einem verbrennungsmotorischen
Betriebsmodus höhere Maximalgeschwindigkeiten von z. B.
30 km/h zugelassen werden. Für die Fahrer wird dadurch
ein Anreiz geschaffen, den Verbrennungsmotor im Freien anzuschalten – denn
dies ermöglicht es ihnen, schneller zu fahren.
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Wechselt
der Fahrer nun jedoch – beispielsweise bei der Einfahrt
in einen Gepäckabfertigungsbereich im Gebäudeinneren – vom
verbrennungsmotorischen Betriebsmodus in den rein elektromotorischen
Betriebsmodus, so wird die Geschwindigkeit des Fahrzeugs durch eine
Rekuperationsbremsung automatisch reduziert, sofern die aktuelle
Fahrgeschwindigkeit größer ist als der für
den rein elektromotorischen Betriebsmodus voreingestellte bzw. in der
Fahrsteuerung hinterlegte Maximalwert. Eine solche Rekuperationsbremsung
erfolgt auch dann, wenn der Fahrer das Fahrpedal während
des Umschaltens weiterhin voll durchtritt. Da die Abschaltung des
Verbrennungsmotors bis zum vollständigen Stillstand meist
geringfügig zeitverzögert erfolgt, kann es in
dieser Situation zu einer kurzzeitigen Überlagerung von
Rekuperations- und Generatorströmen kommen.
- (f.) Manche Flurförderzeuge, insbesondere im Industrieeinsatz,
sind mit einem sogenannten Rampen- bzw. Schleichfahrtschalter ausgestattet. Wird
dieser betätigt, so wird die Maximalgeschwindigkeit des
Fahrzeugs auf einen voreingestellen Wert von z. B. 4 km/h reduziert.
Dadurch lässt sich die Geschwindigkeit auf Gefällstrecken verringern
und präzise kontrollieren, was vor allem beim Betrieb auf
Rampen mit hohen Anhängelasten von bis zu 30 Tonnen vorteilhaft
ist. Erfolgt die Betätigung des Rampen- bzw. Schleichfahrtschalters
bei einer aktuellen Fahrgeschwindigkeit, die höher ist
als der für den Rampen- bzw. Schleichfahrtmodus voreingestellte
bzw. in der Fahrsteuerung hinterlegte Wert, so erfolgt auch bei
voll durchgetretenem Fahrpedal eine Rekuperationsbremsung.
- (g.) Aus Sicherheitsgründen verfügen Flurförderzeuge über
sogenannte Totmannschalter, welche beispielsweise als Fußkontaktschalter
ausgeführt sind. Nimmt der Fahrer während der
Fahrt beispielsweise seinen linken Fuß vom Fußkontaktschalter,
so erfolgt eine Rekuperationsbremsung auch dann, wenn er mit dem
rechten Fuß weiterhin das Fahrpedal betätigt.
- (h.) In manchen Flurförderzeugen wird aus Sicherheitsgründen
bei Kurvenfahrt die Fahrgeschwindigkeit reduziert.
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Beispielsweise
erfolgt bei Überschreiten eines definierten Lenkeinschlagswinkels
eine Reduktion der maximal zulässigen Fahrgeschwindigkeit
auf einen voreingestellten Wert. Ist die aktuelle Fahrgeschwindigkeit
des Fahrzeugs höher als dieser Wert, so erfolgt eine Rekuperationsbremsung
auch dann, wenn der Fahrer das Fahrpedal weiterhin voll durchtritt.
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Nachteilig
ist schließlich, dass bei der Auslösung der beschriebenen
Generatorabschaltung über die Fahrpedalstellung keine zuverlässigen
Informationen über den Endzeitpunkt des Rekuperationsvorgangs
vorliegen. Zwar wird man im Regelfall davon ausgehen können,
dass eine Rekuperationsbremsung spätestens dann beendet
ist, wenn der Fahrer das Fahrpedal nach erfolgter. Freigabe erneut
betätigt. Probleme ergeben sich jedoch im umgekehrten Fall – wenn
der Fahrer das Fahrpedal zunächst nicht wieder betätigt.
So ist es in der Praxis beispielsweise üblich, dass ein
entsprechendes Fahrzeug an der Parkposition eines Flugzeugs mit
laufendem Dieselmotor abgestellt wird, um entstehende Wartezeiten zum
Aufladen der Batterie zu nutzen. Eine solche Zwischenladung würde
jedoch unmöglich werden, wenn ein beim Anhalten des Fahrzeugs
beendeter Ladevorgang erst nach erneuter Betätigung des Fahrpedals
wieder aufgenommen würde.
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Zur
Lösung dieses Problems wird in Fahrzeugen entsprechend
dem Stand der Technik beispielsweise ein festes Zeitintervall – z.
B. mittels eines Zeitrelais – definiert, nach dessen Verstreichen der
Generator nach erfolgter Ladestromreduzierung wieder auf seine Ausgangsleistung
hochgefahren wird. Nachteilig an diesem Lösungsansatz ist
insbesondere der folgende Sachverhalt: Wird das Zeitintervall für
die Ladestromreduzierung zu kurz definiert, so kann ein Zusammentreffen
von Rekuperations- und Ladestrom nicht zuverlässig ausgeschlossen werden;
wird es dagegen zu lang gewählt, so kann dies die Energiebilanz
eines entsprechenden Fahrzeugs deutlich verschlechtern, weil der
Generator gegebenenfalls – je nach Einsatzprofil – die
Batterie kaum noch lädt.
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2.) Reduktion des Rekuperationsstroms
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Die
Stärke der Rekuperationsbremsung kann dauerhaft oder in
Abhängigkeit vom Ladezustand der Batterien reduziert werden.
Im zweiten Fall ist beispielsweise eine Regelung möglich,
wonach die Stärke der Rekuperationsbremsung bei leeren Batterien
bei 100% liegt, während sie bei ganz vollen Batterien auf
0% zurückgenommen wird. Bei vollen Batterien findet folglich
keine Rekuperation mehr statt. Das bedeutet insbesondere:
Der
dauerhafte Verzicht auf eine Rekuperationsbremsung hat eine Verschlechterung
des Fahrkomforts zur Folge. Ein Vorteil der Rekuperationsbremse ist
ja gerade, dass das Fahrzeug bereits bei einer Sollwertreduzierung
des Fahrpedals – und folglich noch vor dem bzw. auch ohne
Betätigen der Betriebsbremse – leicht verzögert,
was zum Beispiel beim Heranrollen an unübersichtliche Verkehrssituationen vorteilhaft
ist.
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Der
dauerhafte Verzicht auf eine Rekuperationsbremsung hat zudem einen
höheren Verschleiß der mechanischen Bremskomponenten,
wie beispielsweise Bremsbeläge und/oder Bremsscheiben, zur
Folge. Dies ist gerade beim harten Flurförderzeugeinsatz
problematisch, da entsprechende Fahrzeuge oft im durchgängigen
Mehrschichtbetrieb mehrere tausend Betriebsstunden pro Jahr eingesetzt
werden und der vorzeitige Austausch mechanischer Bremskomponenten
insoweit zu einem Ausfall der Fahrzeuge führt.
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Darüber
hinaus greift der dauerhafte Verzicht auf eine Rekuperationsbremsung
aus den oben dargelegten Gründen in denjenigen Fällen
zu kurz, in denen ein exogener Impuls auf die Zugmaschine einwirkt,
also beispielsweise beim Auflaufen von Anhängern in Lastwechselsituationen
und/oder auf unebener Fahrbahn. Denn in diesen Fällen bremst
ein drehzahlgeregelter Drehstrommotor entsprechend dem Stand der
Technik das Fahrzeug auch dann rekuperativ ab, wenn eine Rekuperationsbremsung
in den verschiedenen, oben skizzierten Rekuperationsmodi ansonsten
nicht vorgesehen ist.
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Auch
die stufenweise oder kontinuierliche Reduzierung der Rekuperationsstärke
bei zunehmendem Sättigungsgrad bzw. Ladezustand der Batterien
stellt keine Lösung der skizzierten Probleme dar: Denn
die Problematik kurzzeitig sehr hoher, nicht vollständig
von der Batterie aufnehmbarer Rekuperationsströme und daraus
resultierender Spannungsspitzen wird durch einen hohen Sättigungsgrad
der Traktionsbatterie zwar verschärft, aber – wie
oben erläutert – als solche nicht begründet.
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Die
Reduzierung der Rekuperationsstärke in Abhängigkeit
vom Ladezustand der Batterien hat zudem den Nachteil, dass sich
hierbei ein unberechenbares bzw. zumindest gewöhnungsbedürftiges
Fahrverhalten ergibt, da das Fahrzeug bei vollen Batterien schlechter
verzögert als bei leeren Batterien. Dies ist nicht nur
aus ergonomischer, sondern vor allem auch aus Arbeitssicherheitsperspektive
problematisch.
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3.) Reduktion der Ladeschlussspannung
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Bei
der Definition der Ladekennlinie, mit der der Generator die Traktionsbatterie
lädt, kann die sogenannte Ladeschlussspannung geringfügig
reduziert werden, beispielsweise von 96 Volt auf 94 Volt. Dadurch
wird verhindert, dass die Batterie durch den Generator zu 100% aufgeladen
wird. Die Batterien verfügen so stets über eine
gewisse Restkapazität. Das bedeutet insbesondere:
Ein
solcher Ansatz ist besonders vorteilhaft, wenn es darum geht, eine
gleichbleibend hohe Bremsleistung unabhängig vom Ladezustand
der Batterie sicherzustellen. Da die Batterien durch die Reduzierung
der Ladeschlussspannung stets über eine ungenutzte Restkapazität
verfügen, kann auch bei längeren kontinuierlichen
Rekuperationsbremsungen, beispielsweise bei längerer Bergabfahrt,
sichergestellt werden, dass die Stärke der Rekuperationsbremsung nicht
nachlässt.
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Die
Problematik kurzzeitig sehr hoher, nicht vollständig von
der Batterie aufnehmbarer Rekuperationsströme und daraus
resultierender Spannungsspitzen kann mit diesem Lösungsansatz
dagegen nicht zuverlässig verhindert werden. Denn diese
Problematik wird – wie oben dargelegt wurde – durch
einen hohen Sättigungsgrad der Traktionsbatterie lediglich
verschärft, aber als solche nicht begründet.
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Zudem
erweist sich als problematisch, dass die Reduktion der Ladeschlussspannung
zu einer Verkürzung der Lebensdauer der Batterien führen kann,
da diese nicht mehr vollständig geladen werden. Einer solchen
Verkürzung der Lebensdauer kann zwar durch regelmäßige
Ausgleichsladungen entgegengewirkt werden, doch stellen die damit
verbundenen operativen Einschränkungen (insb. Stillstands-
bzw. Ausfallzeiten der Fahrzeuge) gerade im durchgängigen
Mehrschichtbetrieb, wie er für den Flughafen- und Industrieeinsatz
typisch ist, ein großes Problem dar.
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Dementsprechend
kann die Problematik kurzzeitig sehr hoher, nicht vollständig
von der Batterie aufnehmbarer Rekuperationsströme und daraus resultierender
Spannungsspitzen durch keinen der dargestellten Lösungsansätze
zuverlässig verhindert werden. Darüber hinaus
zeigte sich, dass alle dargestellten Ansätze mit teils
erheblichen Nachteilen bzw. Einschränkungen verbunden sind.
Bei einer Kombination verschiedener Ansätze kommt es somit – bei möglicherweise
nur geringfügig verbessertem Problemlösungspotential – zu
einer Duplizierung bzw. Addition der jeweiligen Nachteile.
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Zudem
ist aus der
DE 197
31 723 A1 ein Flurförderzeug bekannt, bei dem
die Bremsenergie mit Hilfe einer Induktionsspule und einem zu beheizenden
Heizkörper, insbesondere dem Gegengewicht eines Gabelstaplers,
verheizt wird, das heißt insbesondere bei einem Gabelstapler
nicht nur das Bremsen des Fahrzeugs, sondern auch das Herablassen
der Gabel unter Last. Hierdurch soll überschüssige
Energie wirkungsvoll und ohne Beeinträchtigung innerhalb
des Fahrzeugs verbraucht werden. Dieses Verfahren eignet sich jedoch
nicht bei Zugmaschinen in den genannten Anwendungsgebieten.
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Weiterhin
sind aus den Druckschriften
DE 697 07 171 T2 ,
DE 44 30 670 B4 oder
DE 195 23 985 A1 Fahrzeugsteuerungen
insbesondere für Hybridfahrzeuge bekannt, wobei der Generator
des Verbrennungsmotors unter anderem zur Vernichtung überschüssiger
Bremsenergie als Elektromotor betrieben werden kann, der in diesem
Betriebsmodus den Verbrennungsmotor antreibt. Die Steuerung bzw. Regelung
des Wechsels zwischen Elektromotor- und Generatormotor-Modus erfolgt
hierbei unter Zuhilfenahme einer Sensorik zur Erfassung der Fahrpedalstellung
und/oder einer Sensorik zur Erfassung des Ladezustandes der Traktionsbatterien
des Fahrzeugs.
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Eine
aufwendige Sensorik bzw. Ladezustandsermittlung der Traktionsbatterie
ist bei diesen Fahrzeugsteuerungen zwangsweise vorzusehen, um die überschüssige
elektrische Energie entsprechend zu verbrauchen. Hierdurch soll
vor allem die Bremswirkung möglichst unabhängig
vom Ladezustand der Traktionsbatterie erhalten bleiben. Jedoch ist
die exakte Ermittlung des Ladezustands der Traktionsbatterie sehr
aufwendig. Dies gilt in besonderem Maße in einem verbrennungsmotorischen
Betriebsmodus eines Hybridfahrzeugs, da hier die Batteriespannung, welche
typischerweise zur Ladezustandsermittlung herangezogen wird, durch
die Ladespannung des Generators überlagert und damit verfälscht
wird.
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Alle
derzeitigen Ansätze können bestenfalls die Wahrscheinlichkeit
des Auftretens kurzzeitig sehr hoher, nicht vollständig
von der Batterie aufnehmbarer Rekuperationsströme und daraus
resultierender Spannungsspitzen reduzieren, diese aber nicht sicher
ausschließen.
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Aufgabe und Vorteile der Erfindung
-
Aufgabe
der Erfindung ist es demgegenüber, ein Verfahren bzw. ein
Flurförderzeug, insbesondere eine Hybrid-Fahrsitz-Zugmaschine
vorzuschlagen, wobei die Nachteile des Stands der Technik im Wesentlichen
vermieden werden.
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Diese
Aufgabe wird, von einem Flurförderzeug bzw. Verfahren der
einleitend genannten Art, durch die kennzeichnenden Merkmale der
Ansprüche 1 bzw. 24 gelöst. Durch die in den Unteransprüchen
genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen
und Weiterbildungen der Erfindung möglich.
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Dementsprechend
zeichnet sich ein erfindungsgemäßes Flurförderzeug
bzw. Verfahren dadurch aus, dass die Kontrolleinheit zum Kontrollieren des
Wechsels zwischen Generatormodus und Elektromotormodus des Generators
in Abhängigkeit von der Stromrichtung des elektrischen
Antriebsstroms im Leistungskreis ausgebildet ist.
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Mit
Hilfe einer derartigen Kontrolleinheit gemäß der
Erfindung, bei dem zwischen dem Elektromotor- und dem Generatormodus
in Abhängigkeit der Stromrichtung des elektrischen Antriebsstroms im
Leistungskreis gewechselt wird, kann eine besonders einfache, wirkungsvolle
und betriebssichere Umstellung bzw. Wechsel erfolgen. Hierdurch
können keine nachteiligen Strom- bzw. Spannungsspitzen
im Leistungskreis gebildet werden, die beispielsweise zur Selbstabschaltung
und/oder Beschädigung der Fahrzeugsteuerung und/oder anderer
elektronischer und/oder elektrischer Fahrzeugkomponenten führen
könnten.
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Gemäß der
Erfindung kann unabhängig von der Fahrpedalstellung und/oder
vom Ladezustand der Traktionsbatterie in vorteilhafter Weise zwischen dem
Generatormodus und dem Elektromotormodus des Generators gewechselt
werden. Entsprechend wird eine besonders kostengünstige
Lösung vorgeschlagen, die die Nachteile des Stands der
Technik bzw. die vor allem auch das Problem einer durch Strom- bzw.
Spannungsspitzen induzierten Selbstabschaltung und/oder Beschädigung
der Fahrsteuerung und/oder anderer elektronischer und/oder elektrischer
Fahrzeugkomponenten beim Auftreten nicht oder nicht vollständig
von der Batterie aufnehmbarer Rekuperationsströme vollständig
beseitigt.
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Darüber
hinaus wird im Unterschied zum Stand der Technik beim erfindungsgemäßen
Ansatz eine möglichst energieeffiziente Nutzung der Rekuperationsenergie
zur Verbesserung der Energiebilanz des Fahrzeugs nicht angestrebt,
so dass die Erfindung völlig von der bisherigen Praxis
abweicht und dieser sozusagen konträr gegenübersteht.
Dies bedeutet, dass die sichere Betriebsweise eines entsprechenden
Fahrzeugs das primäre Ziel der Erfindung ist und eine gewisse
bzw. mögliche Energieverwertung gegenüber der
sicheren Betriebsweise als nachrangig bzw. sekundär einzustufen
ist. Letzteres ist speziell im Zugmaschineneinsatz kaum mit Nachteilen
verbunden: Denn erstens kommt der Rekupertionsenergie in der Gesamtenergiebilanz
einer Hybrid-Fahrersitz-Zugmachine ohnehin nur eine sehr untergeordnete
Bedeutung zu. Und zweitens können eventuelle Einbußen
beispielsweise problemlos durch eine größer dimensionierte
Batterie kompensiert werden, ohne dass das entsprechende Zusatzgewicht
eine abermalige Verschlechterung der Energiebilanz zur Folge hätte.
Denn derartige Fahrzeuge müssen aus Traktionsgründen
ohnehin über ein Eigengewicht von beispielsweise 3.5 bis
4.5 Tonnen verfügen, was beispielsweise durch die Verwendung massiver
Stahlplatten mit einer Dicke von bis zu 5 Zentimeter erreicht wird.
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Vorteilhafterweise
ist die Kontrolleinheit zum Kontrollieren des Wechsels zwischen
dem Generatormodus und Elektromotormodus des Generators in Abhängigkeit
von der Stromrichtung und der Stromstärke des elektrischen
Antriebsstroms im Leistungskreis ausgebildet. Hiermit wird ermöglicht,
dass beispielsweise bei sehr geringen Stromstärken nicht zwangsweise
zwischen dem Generatormodus und dem Elektromotormodus des Generators
gewechselt werden muss, um wenigstens teilweise eine gewisse Bremsenergie
bzw. überschüssige elektrische Energie beispielsweise
mit Hilfe der elektrischen Speichermittel zwischenzuspeichern und
später bzw. bei Bedarf zu verwenden.
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Es
hat sich in der Praxis gezeigt, dass gemäß der
Erfindung lediglich eine geringe Energieverschwendung realisiert
wird. Dagegen wird gemäß der Erfindung jedoch
eine absolut sichere Betriebsweise erreicht, d. h. Vermeidung der
Selbstabschaltung bzw. Beschädigung von elektrischen Komponenten oder
dergleichen und daraus resultierender Unfallgefahren.
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Vorteilhafterweise
ist wenigstens eine einen Sensor umfassende Sensoreinheit zum Erfassen
der Stromrichtung und/oder der Stromstärke des elektrischen
Antriebsstroms im Leistungskreis vorgesehen. Gegebenenfalls kann
hier eine einzige Sensoreinheit oder auch separate Sensoreinheiten
mit entsprechend speziellen Sensoren verwendet werden.
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Vorzugsweise
ist der Sensor als Messwiderstand ausgebildet. Derartige Messwiderstände
bzw. sogenannte Shunts sind bereits in der Elektronik gebräuchlich,
so dass auf handelsübliche Komponenten zurückgegriffen
werden kann. Dies erhöht die Wirtschaftlichkeit der Erfindung.
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Vorteilhafterweise
weist die Kontrolleinheit wenigstens einen AC-Inverter auf. Entsprechende AC-Inverter
sind in drehstrombetriebenen Hybrid-Fahrersitz-Zugmaschinen entsprechend
dem Stand der Technik als Fahrsteuerung verbaut. Da im Regelfall
folglich keine zusätzlichen Komponenten bzw. Bauteile erforderlich
sind, wird die Wirtschaftlichkeit der Erfindung noch weiter verbessert.
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Vorzugsweise
ist ein Drehmoment des Generators im Elektromotormodus in die Drehrichtung des
Verbrennungsmotors gerichtet. Hiermit wird erreicht, dass insbesondere
eine Beanspruchung bzw. ein Verschleiß des Verbrennungsmotors
durch den Wechsel in den Elektromotormodus des Generators vergleichsweise
gering bzw. nicht vorhanden ist.
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Vorzugsweise
ist wenigstens eine Lastkontrolleinheit zum Kontrollieren des Verbrennungsmotors
in Abhängigkeit der Verbrennungsmotorlast vorgesehen. Hiermit
wird erreicht, dass der Verbrennungsmotor unverzüglich
bzw. automatisch beim Wechsel vom Generatormodus in den Elektromotormodus
gedrosselt bzw. heruntergeregelt wird. In vorteilhafter Weise wird
die Brennstoffversorgung des Verbrennungsmotors vorzugsweise in
Abhängigkeit der Last kontrolliert bzw. geregelt.
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In
einer besonderen Variante der Erfindung ist wenigstens eine Schubabschalteinheit
zum Abschalten der Brennstoffversorgung des Verbrennungsmotors vorgesehen.
Hiermit wird eine vollständige Abschaltung des Verbrennungsmotors
beim Wechseln in den Elektromotormodus des Generators realisierbar.
Dies ermöglicht eine besonders effiziente Betriebsweise
des Flurförderzeugs, sowohl in Bezug zum Verbrauch überschüssiger
Energie als auch bezüglich der Automatisierbarkeit des
Betriebes.
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Generell
kann sowohl bei der lastabhängigen Kontrolle des Verbrennungsmotors
als auch der Schubabschaltung bereits auf handelsübliche
Verbrennungsmotoren mit entsprechender Funktionalität bzw.
Steuer-/Kontrollmöglichkeit zurückgegriffen werden,
so dass hierbei eine besonders wirtschaftlich günstige
Realisierung der Erfindung möglich ist.
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Zur
Erhöhung des Energieverbrauchs im Elektromotormodus kann
alternativ hierzu auch das Drehmoment des Generators im Elektromotormodus entgegen
der Drehrichtung des Verbrennungsmotors gerichtet werden. Dies kann
in bestimmten Fällen mehr überschüssige
Energie verbrauchen, was als positiv zu werten ist.
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In
einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist der Generator als
Anlasser des Verbrennungsmotors ausgebildet. Vorteilhafterweise
wird die Größe des Generators derart dimensioniert,
dass dieser zum Anlassen des Verbrennungsmotors herangezogen werden
kann. Dementsprechend kann ein separater Anlasser entfallen, wie
dies beim Stand der Technik derzeit noch üblich ist. Dementsprechend
wirtschaftlich günstig ist die Erfindung.
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In
der Praxis kann es jedoch auch sinnvoll sein, zusätzlich – bzw.
als Backup – auch einen konventionellen Anlasser und eine
konventionelle Starterbatterie vorzusehen. Dadurch kann der Verbrennungsmotor
im Notfall, beispielsweise bei vollständig leer gefahrener
Traktionsbatterie noch manuell gestartet werden, um so die Traktionsbatterie
wieder aufladen bzw. das Fahrzeug z. B. aus einer Gefahrenzone fortbewegen
zu können. Der zuletzt genannte Aspekt ist gerade auf Flughäfen
unter Sicherheitsgesichtspunkten von großer Bedeutung.
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Der
Vorteil der vorgeschlagenen Lösung liegt in diesem Falle
vorrangig darin, dass ein übermäßiger
Anlasserverschleiss vermieden werden kann. Dieser stellt in Hybrid-Fahrersitz-Zugmaschinen
entsprechend dem Stand der Technik ein großes Problem dar,
da beispielsweise auf Flughäfen der Verbrennungsmotor zumeist
mehrere Dutzend mal am Tag an- und wieder ausgeschaltet wird, was
eine drastisch beschleunigte Alterung bedingt. Konventionelle Anlasser
weisen daher bisweilen bereits nach einer Betriebszeit von weniger
als einem halben Jahr Defekte auf.
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Darüber
hinaus wird durch die vergleichsweise große Dimensionierung
des Generators auch erreicht, dass durch diesen in einem Elektromotormodus
relativ viel Energie verbraucht wird. In einem Generatormodus kann
dagegen relativ viel Energie erzeugt werden, was sich vorteilhaft
auf die Energiebilanz des Fahrzeugs auswirkt.
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Vorteilhafterweise
ist wenigstens eine Modulationseinheit zum Modulieren bzw. Aufteilen
des Antriebstromes vorgesehen. Insbesondere ist die Modulationseinheit
zum Modulieren bzw. Aufteilen des Antriebsstromes zwischen dem Generator
und den Speichermitteln ausgebildet. Hierdurch wird erreicht, dass
je nach Bedarf bzw. bei entsprechenden Rahmenbedingungen die überschüssige
Energie vorzugsweise zwischen Generator und den Speichermitteln
aufteilbar ist. Beispielsweise kann eine unterschiedliche Gewichtung
der aufzuteilenden Energien zwischen Generator und Speichermitteln
realisiert werden. Beispielsweise können 80% in den im
Elektromotormodus betriebenen Generator und 20% in die Speichermittel
geleitet werden.
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In
bevorzugten Varianten der Erfindung ist die Modulierung bzw. Aufteilung
des Antriebsstromes in Abhängigkeit der Stromstärke
des Antriebsstromes und/oder des Ladezustandes der Speichermittel und/oder
in Abhängigkeit vom Alter der Speichermittel vorgesehen.
Hierdurch kann eine vorteilhafte Aufteilung in Abhängigkeit
besonders relevanter Rahmenbedingungen bzw. Parametern des Flurförderzeuges
erfolgen.
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Vorteilhafterweise
ist wenigstens ein Bremssensor zum Erfassen der Stärke
der Bremsung des Fahrers vorgesehen und vorzugsweise als Bremsdrucksensor
zum Erfassen des Bremsdruckes eines Bremsfluids ausgebildet. Hierbei
kann in wenigstens einem Bremskreis des Flurförderzeuges
ein Bremssensor, insbesondere ein sogenannter Druckmessumformer
vorgesehen werden, der die Stärke der Bremsung und/oder
des Bremsdrucks erfasst und vorzugsweise ein entsprechendes elektrisches
Signal an die Kontrolleinheit bzw. Fahrsteuerung generiert. Entsprechend
kann die Stärke der Energievernichtung durch den im Elektromotormodus
betriebenen Generator bzw. die Stärke der Rekuperationsbremsung
an die Stärke der mechanischen Bremsung angepasst werden.
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Gemäß dieser
Ausführungsvariante der Erfindung ist es möglich,
speziell z. B. bei Vollbremsungen sehr viel stärker mit
der Rekuperationsbremse zu bremsen, als dies bislang der Fall ist.
Denn die dabei erzeugten sehr hohen Ströme können
durch die Anlegung eines Drehmoments an den Verbrennungs- bzw. Dieselmotor
vernichtet werden und müssen nicht von der evtl. schon
sehr vollen Traktionsbatterie aufgenommen werden. Dadurch wird eine
Verbesserung der Bremsleistung, insb. bei Vollbremsungen, sowie
ein verringerter Verschleiß der mechanischen Bremsanlage
erreicht.
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Als
vorteilhafte Ausführungsvarianten der Erfindung kann wenigstens
ein einziger Bremssensor vorgesehen werden oder in jedem der vorhandenen, zumeist
mindestens zwei separaten Bremskreise des Fahrzeugs kann wenigstens
ein separater Bremssensor bzw. Druckmessumformer vorgesehen werden.
Dies ist beispielsweise bei Flurförderzeugen von besonderem
Vorteil, bei denen z. B. Vorder- und Hinterachse jeweils über
einen separaten Bremskreis abgebremst werden. Da hierbei häufig
an der Vorderachse Scheiben- und an der Hinterachse Lamellenbremsen
montiert bzw. vorhanden sind, die im Allgemeinen über eine
unterschiedlichen Funktionsweise und Bremsleistung verfügen,
werden beide Bremskreise vorzugsweise mit jeweils unterschiedlichen Bremsdrücken
beaufschlagt.
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Alternativ
oder in Kombination mit einem Bremsdrucksensor kann auch ein Sensor
zur Erfassung des Bremspedalwegs, beispielsweise ein Potentiometer,
vorsehen werden.
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Die
zuvor genannten Varianten der Erfindung sind deshalb von besonderem
Vorteil, da die Bremsleistung im Rekuperationsmodus „Rekuperationsbremse
zur Unterstützung der mechanischen Bremse" bislang zumeist
auf einen festen Wert eingestellt ist, d. h. die Bremsleistung ist – unabhängig
davon, wie stark der Fahrer tatsächlich auf das Bremspedal tritt – immer
gleich groß. Der Einstellwert liegt gewöhnlich
in einem mittleren Bereich, d. h. wenn der Fahrer nur schwach bremst,
so ist die Rekuperationsbremsung stärker als sie eigentlich
sein müsste, wenn der Fahrer dagegen eine Vollbremsung
macht, so ist die Rekuperationsbremsung schwächer als sie eigentlich
sein müsste. Diese Nachteile werden durch die zuvor genannten
Varianten der Erfindung beseitigt.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsvariante könnte
wenigstens ein Kondensator im Leistungskreis des Fahrzeugs vorgesehen
werden. Durch diesen ließen sich ggfs. diejenigen Rekuperationsströme „puffern"
welche in der minimalen Zeitdifferenz zwischen der Umkehrung der
Stromrichtung im Leistungskreis und dem Wechsel des Generators vom Generator in
den Elektromotormodus fließen. Da diese Zeitdifferenz,
z. B. in Abhängigkeit der Taktfrequenz eines CAN-Buses,
sehr klein ist und beispielsweise bei 100 Millisekunden oder weniger
liegt, könnte ein entsprechender Kondensator sehr klein
ausgeführt werden und wäre daher vergleichsweise
kostengünstig.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsvariante könnte
ein Kondensator derart mit wenigstens einem spannungsbegrenzenden
Bauteil, beispielsweise einer Transient Voltage Suppressor Diode
(TVS-Diode), einer Zener Diode oder einem Varistor, kombiniert werden,
dass eine Ladung des Kondensators nur beim Überschreiten
einer bestimmten, als kritisch erachteten Mindestspannung erfolgt.
Dadurch könnte verhindert werden, dass der Kondensator
im normalen Betrieb bereits „vorgeladen" wird und folglich nur
noch eine beschränkte Restkapazität zur Aufnahme
von Strom- bzw. Spannungsspitzen aufweist. Idealerweise sollte die
Durchbruchspannung des spannungsbegrenzenden Bauteils dazu oberhalb
der Betriebsspannung des Fahrzeugs liegen und unterhalb der Abschaltspannung
der Fahrsteuerung, insbesondere AC-Inverter.
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Vorzugsweise
treibt bei einem Flurförderzeug bzw. einer Hybrid-Fahrersitz-Zugmaschine
der Verbrennungsmotor bzw. der Dieselmotor im Normalbetrieb den
Strom-Generator an und erzeugt so vorzugsweise einen Ladestrom,
der in die Batterien eingespeist wird. Der Generator ist in vorteilhafter
Weise über eine Kupplung oder dergleichen direkt am Verbrennungsmotor
angeflanscht und dreht sich daher in der Regel mit der gleichen
Drehzahl wie der Dieselmotor.
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Wird
nun jedoch der Generator im laufenden Betrieb vom Generatormodus
in den Elektromotormodus umgeschaltet, so ist es möglich,
mit diesem den Dieselmotor anzutreiben bzw. zu beschleunigen und
dabei den inneren Widerstand des mitlaufenden Dieselmotors zu nutzen,
um den bei Bremsvorgängen erzeugten Rekuperationsstrom
zu verbrauchen. Der am Dieselmotor angeflanschte Generator wird folglich
beim Bremsvorgang kurzzeitig vom Stromerzeuger zum Stromverbraucher,
so dass nicht nur der Rekuperationsstrom weitgehend verbraucht wird, sondern
zudem auch der ansonsten anliegende Ladestrom vorübergehend
wegfällt.
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Ein
Wechseln bzw. Umschalten zwischen dem Generatormodus und dem Elektromotormodus ist
in Sekundenbruchteilen möglich, so dass ohne Zeitverzögerung
auf Rekuperationsvorgänge reagiert werden kann. Die Drehzahl
des Dieselmotors steigt dadurch im Allgemeinen vorübergehend
leicht an, bevor sie anschließend wieder auf den von der
Motorsteuerung vorgegeben Ausgangswert zurückgeht.
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Da
eine fahrpedalstellungsabhängige Regelung beim Umschalten
des Generators vom Generatormodus in den Elektromotormodus aus den
oben dargestellten Gründen zu kurz greift, erfolgt gemäß der
Erfindung die Umschaltung in Abhängigkeit von der Stromflussrichtung
und/oder Stromstärke im Leistungskreis des Fahrzeugs. Dadurch
ist es möglich, exakt zu bestimmen, wann ein Rekuperationsvorgang
beginnt, wie stark er ist und wann er wieder endet. Letzteres bedingt,
dass auch das anschließende Zurückschalten vom
Elektromotormodus in den Generatormodus in der gleichen Weise ausgelöst
werden kann.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsvariante werden Stromflussrichtung
und Stromstärke über einen Sensor im Leistungs-Stromkreis
des Fahrzeugs, beispielsweise einen sogenannten Shunt, abgegriffen
und an die Generatorsteuerung weitergeleitet, um basierend darauf
die Betriebsmodi des Generators/Elektromotors zu wechseln und gegebenenfalls die
Höhe des hierbei übertragenen Drehmoments zu modulieren.
Diese Ausführungsvariante bietet den Vorteil, dass sie
auch in den Sonderfällen funktioniert, in welchen eine
rein fahrpedalabhängige Regelung versagt, z. B. Bergabfahrt
mit Maximalgeschwindigkeit und voll durchgetretenem Fahrpedal.
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Zudem
hat diese Ausführungsvariante gegenüber einer
fahrpedalstellungsabhängigen, zeitrelaisgesteuerten Generatorabschaltung
eine verbesserte Energiebilanz zur Folge. Denn das Zurückschalten
vom Elektromotormodus in den Generatormodus erfolgt bei dieser Ausführungsvariante
baldmöglichst und nicht erst nach dem Verstreichen eines vordefinierten
Zeitintervalls, wie dies insbesondere bei einer zeitrelaisgesteuerten
Regelung der Fall ist. Eine Verbesserung der Energiebilanz ist besonders dann
zu erwarten, wenn das Einsatzprofil zahlreiche Rekuperationsvorgänge
erforderlich macht.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsvariante wird eine Verbindung
zwischen der Fahrsteuerung, insbesondere einen AC-Inverter oder
dergleichen, und der Generatorsteuerung vorgesehen. Da die Fahrsteuerung
bzw. der AC-Inverter die aktuelle Stromrichtung und/oder Stromstärke
vorzugsweise in Echtzeit erkennt, ist es möglich, Ausgangssignale der
Fahrsteuerung bzw. des AC-Inverters zu nutzen, um mittels der Generatorsteuerung
die Betriebsmodi des Generators zu wechseln und gegebenenfalls die Höhe
des hierbei übertragenen Drehmoments zu modulieren. Zusätzliche
Bauteile, wie beispielsweise ein Shunt, sind in dieser Ausführungsvariante
folglich nicht erforderlich.
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In
einer weiteren Variante der Erfindung ist es möglich, die
Intensität der Umschaltung vom Generatormodus in den Elektromotormodus
in Abhängigkeit vom Batterieladezustand gestaffelt zu modulieren.
So ist denkbar, z. B. bei einer zu weniger als 80% aufgeladenen
Batterie im Rekuperationsbetrieb in den Elektromotormodus umzuschalten,
ohne dabei jedoch die volle Leistung des Generators auszuschöpfen.
In diesem Fall würde folglich nur ein Teil der Rekuperationsenergie
vernichtet werden. Bei einer Batterieladung von 80% und darüber
könnte dann im Rekuperationsbetrieb in den Elektromotormodus
umgeschaltet und dabei zugleich die maximale Leistung des Generators
ausgeschöpft werden. Sofern der Generator ähnlich
dimensioniert ist wie der Elektromotor, was häufiger der
Fall ist, könnte dabei dann die volle Rekuperationsenergie
vernichtet werden. Der gestaffelte Ansatz dieser Ausführungsvariante
hat eine nochmalige Verbesserung der Energiebilanz des Fahrzeugs
zur Folge.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsvariante könnte
eine Software zum Umschalten bzw. Wechseln des Generators vom Generatormodus
in den Elektromotormodus ein vorteilhaftes Programmmodul aufweisen
bzw. hiermit erweitert werden, das auch das starterfreie Anlassen
des Dieselmotors durch den Generator ermöglicht. Dadurch
ist es möglich, mit minimalem Aufwand einen erheblichen
Zusatznutzen zu realisieren, da Anlasser eines der am häufigsten
benötigten Verschleißteile in Hybrid-Fahrersitz-Zugmaschinen
darstellen.
-
Das
vorgeschlagene System hat den Vorteil, dass es das eingangs beschriebene
Problem – eine durch Strom- bzw. Spannungsspitzen induzierten Selbstabschaltung
und/oder Beschädigung der Fahrsteuerung und/oder anderer
elektronischer und/oder elektrischer Fahrzeugkomponenten beim Auftreten nicht
oder nicht vollständig von der Batterie aufnehmbarer Rekuperationsströme – deutlich
zuverlässiger verhindern kann als die hierfür
bislang verwendeten Systeme.
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Die
mit den bisherigen Systemen verbundenen Nachteile werden gemäß der
Erfindung vermieden, wie z. B. ungewohntes und/oder unberechenbares
Fahrverhalten beim ständigen oder vorübergehenden
Verzicht auf Rekuperation.
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Das
vorgeschlagene System hat zudem den Vorteil, dass es sehr kostengünstig
umgesetzt werden kann, wobei im Allgemeinen keine wesentlichen bzw.
kostenträchtigen zusätzlichen Bauteile benötigt werden.
Die wesentlichen Komponenten des Systems – Dieselmotor
mit angeflanschtem Generator, eine elektronische Generatorsteuerung
sowie eine Fahrsteuerung, insbesondere AC-Inverter – sind
vielmehr bereits serienmäßig vorhanden. Außerdem
arbeitet das vorgeschlagene System nahezu verschleißfrei.
-
Ausführungsbeispiel
-
Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher
erläutert.
-
Im
Einzelnen zeigt:
-
1 ein
schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen
Flurförderzeuges in einer ersten Ausführungsform,
-
2 ein
schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen
Flurförderzeugs in einem zweiten Ausführungsbeispiel,
-
3 ein
schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen
Flurförderzeugs in einer dritten Ausführungsform
und
-
4 ein
schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen
Flurförderzeugs einer vierten Ausführungsvariante.
-
Gemäß den
Figuren werden Laufräder 1 über einen
Elektromotor 2 angetrieben. Der Elektromotor 2 ist über
ein Getriebe 4 mit den Laufrädern 1 verbunden.
-
Eine
Fahrsteuerung 3, die insbesondere als AC-Inverter ausgebildet
ist, steuert bzw. kontrolliert den Elektromotor 2. Darüber
hinaus ist ein Verbrennungsmotor 5 bzw. Dieselmotor 5 vorgesehen,
der im Allgemeinen ohne Getriebeübersetzung oder dergleichen
einen Generator 6 antreibt. Der Generator 6 erzeugt
elektrische Energie, die vorzugsweise mittels einer Generatorsteuerung 7,
insbesondere AC-Inverter, einer Traktionsbatterie 8 mittels
Leitungen 9 zugeleitet wird.
-
Mittels
Leitungen 10 und 11 wird die elektrische Energie
des Generators 6 bzw. Dieselmotors 5 mit Hilfe
der Fahrsteuerung 3 dem Elektromotor 2 zugeführt
und dieser entsprechend gesteuert. Dementsprechend handelt es sich
bei den abgebildeten Ausführungsvarianten um serielle Hybridfahrzeuge.
-
Darüber
hinaus sind elektrische Steuerleitungen 12 vorgesehen,
die in den Blockschaltbildern gestrichelt dargestellt sind. Insbesondere
sind die Leitungen 12 zwischen der Fahrsteuerung 3 und
der Generatorsteuerung 7 angeordnet.
-
Grundsätzlich
kann der Generator 6 in einem Bremsmodus bzw. Rekuperationsmodus
auch als Elektromotor 6 bzw. Antriebsmotor 6 im
Sinn der Erfindung dienen. Hierbei ist der Elektromotor 2 als
Generator ausgebildet, d. h. dieser erzeugt elektrische Energie,
wodurch die Laufräder 1 gebremst werden. Der Wechsel
erfolgt durch die Umkehrung der Stromrichtung in den Leitungen 11 bzw. 10 bzw. 9.
Die Bremsenergie wird entsprechend der Erfindung über den
als Antriebsmotor 6 funktionierenden Generator 6 und
somit durch den Dieselmotor 5 verbraucht bzw. unschädlich
gemacht.
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Gemäß dem
Ausführungsbeispiel der 1 sind keine
Messwiederstände bzw. Shuntwiderstände vorgesehen.
Dies kann als besonders einfache und vorteilhafte Ausführungsform
angesehen werden, bei der die Stärke des in die Batterie 8 eingespeisten
Stromes rein rechnerisch durch die Generator- bzw. Fahrsteuerung 7, 3 ermittelt
wird. Die Realisierung dieser Variante umfasst insbesondere einen vorteilhaften
Algorithmus zur Umrechnung von Drehstrom in Gleichstrom.
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Gemäß der
zweiten Ausführungsform, die in 2 dargestellt
ist, ist ein Messwiderstand 13 vorgesehen, der elektrisch
zwischen der Generatorsteuerung 7 und der Traktionsbatterie 8 angeordnet
ist. Der Messwiderstand 13 ist hierbei eingesetzt, um die Leistung
des Generators 6 bzw. Elektromotors 6 im Generatormodus
zu modulieren. Eine Modulierung der Leistung des Generators 6 bzw.
Elektromotors 6 im Elektromotormodus ist hier nicht realisiert,
da sie das System entsprechend aufwendiger machen würde.
Bei dieser Ausführungsvariante ist die Stärke
der Drehmomentübertragung auf den Dieselmotor 5 auf einen
festen, vorgegebenen Wert eingestellt.
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Gemäß dem
Ausführungsbeispiel der 3 ist der
Messwiderstand 13 zwischen der Fahrsteuerung 3 und
der Traktionsbatterie 8 angeordnet.
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In 4 ist
eine vierte Ausführungsform der Erfindung dargestellt,
wobei sowohl ein Messwiderstand 13 zwischen der Generatorsteuerung 7 und
der Traktionsbatterie 8 als auch zwischen der Fahrsteuerung 3 und
der Traktionsbatterie 8 angeordnet ist. Dies ist eine besonders
vorteilhafte Variante, da sie es z. B. erlaubt, die Stärke
der Drehmomentübertragung auf den Dieselmotor 5 in
Abhängigkeit von der Stärke des Rekuperationsstroms
zu modulieren. Das heißt, es kann immer exakt so viel Strom
verbraucht bzw. vernichtet werden, wie durch den Rekuperationsvorgang
tatsächlich erzeugt wird.
-
Die
dargestellten Ausführungsbeispiele erheben keinen Anspruch
auf Vollständigkeit der möglichen Varianten, sondern
sollen lediglich beispielhaften Charakter besitzen. Zudem können
in der Praxis noch weitere Komponenten verwendet werden, die jedoch
dem Fachmann geläufig sind, wie z. B. Datenleitungen, mit
denen unter anderem Betriebsdaten wie Temperatur etc. übertragen
werden können. Da diese jedoch für die Erfindung
von untergeordneterem Interesse sind, wurden diese aus Gründen
der Übersichtlichkeit in den Figuren nicht dargestellt.
-
- 1
- Laufrad
- 2
- Motor/Generator
- 3
- Fahrsteuerung
- 4
- Getriebe
- 5
- Dieselmotor
- 6
- Generator/Motor
- 7
- Generatorsteuerung
- 8
- Batterie
- 9
- Leitung
- 10
- Leitung
- 11
- Leitung
- 12
- Leitung
- 13
- Messwiderstand
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 19731723
A1 [0045]
- - DE 69707171 T2 [0046]
- - DE 4430670 B4 [0046]
- - DE 19523985 A1 [0046]