DE102008027696A1

DE102008027696A1 - Mobile Arbeitsmaschine mit Gleichspannungswandler

Info

Publication number: DE102008027696A1
Application number: DE102008027696A
Authority: DE
Inventors: Christian Dr. Rudolph; Gerald Osper; Georg Dr. Fromme
Original assignee: STILL GmbH
Current assignee: STILL GmbH
Priority date: 2008-05-26
Filing date: 2008-06-11
Publication date: 2009-12-03

Abstract

Eine mobile Arbeitsmaschine, insbesondere ein als Gegengewichtsgabelstapler ausgebildetes Flurförderzeug, mit einem Gleichspannungswandler (19) mit zumindest zwei Phasen (U, V, W), von denen eine eine Referenzphase (V) ist, wobei der Gleichspannungswandler ein Aggregat der mobilen Arbeitsmaschine mit einem Gleichspannungs-Zwischenkreis der mobilen Arbeitsmaschine verbindet, weist einen Sensor (32) zur Bestimmung des Referenzphasenstroms (iV) und weitere Phasendifferenzstromsensoren (33) zur Bestimmung des Phasendifferenzstroms (iVW, iVU) zu den weiteren Phasen auf. Der Gleichspannungswandler (19) ist durch den erfassten Strom der Referenzphase (iV) und die Phasendifferenzströme (iVW, iVU) regelbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine mobile Arbeitsmaschine, insbesondere ein als Gegengewichtsgabelstapler ausgebildetes Flurförderzeug, mit einem Gleichspannungswandler mit zumindest zwei Phasen, von denen eine eine Referenzphase ist, wobei der Gleichspannungswandler ein Aggregat der mobilen Arbeitsmaschine mit einem Gleichspannungs-Zwischenkreis der mobilen Arbeitsmaschine verbindet.
Als Flurförderzeuge, insbesondere Gegengewichtsgabelstapler, ausgebildete mobile Arbeitsmaschinen sind entweder mit einem batterie-elektrisch betriebenen Antriebssystem (sogenannte Batteriestapler) oder mit einem verbrennungsmotorisch betriebenen Antriebssystem bekannt (sogenannte Verbrennungsmotorstapler).
Bei verbrennungsmotorisch betriebenen Flurförderzeugen kann für den Fahrantrieb eine mechanische Leistungsübertragung mit einem hydrodynamischen Wandlergetriebe oder einem hydrostatischen Getriebe vorgesehen sein. Darüber hinaus ist bei verbrennungsmotorisch betriebenen Flurförderzeugen eine elektrische Leistungsübertragung für den Fahrantrieb bekannt, bei dem ein Verbrennungsmotor einen Generator antreibt, der elektrische Energie für mindestens einen Fahrantriebsmotor erzeugt. Der Fahrantriebsmotor ist in der Regel als Drehstrommotor, beispielsweise Asynchronmotor ausgebildet, dem ein Umrichter vorgeschaltet ist, der aus einem Gleichspannungs-Zwischenkreis gespeist wird, in den wiederum der Generator seine elektrische Spannung gleichgerichtet einspeist. Derartige verbrennungsmotorisch-elektrische Antriebssysteme weisen eine gute Regelbarkeit bei hohen Wirkungsgraden auf.
Zudem können derartige Flurförderzeuge mit einem verbrennungsmotorisch-elektrischen Antriebssystem auf einfache Weise mit einem hybriden Antriebsstrang versehen werden, indem ein elektrischer Energiespeicher vorgesehen wird, der zusätzlich zu dem Verbrennungsmotor beispielsweise zur Versorgung des Fahrantriebsmotors und sonstiger Energieverbraucher oder für den als Generator betriebenen Fahrantriebsmotor zur Speicherung von Bremsenergie verwendet wird.
Als solche Energiespeicher sind Batterien oder auch Doppelschichtkondensatoren geeignet. Bei beiden stellt sich jedoch das Problem, dass der Gleichspannungs-Zwischenkreis für die Versorgung der Antriebsmotoren über Umrichter ein anderes Spannungsniveau benötigt, als diese Energiespeicher zur Verfügung stellen. Andererseits ist auch die Spannung im Gleichspannungs-Zwischenkreis beim Betrieb des Verbrennungsmotors wie auch beim Gewinnen von Nutzenergie durch Bremsen mit den als Generatoren arbeitenden Antriebsmotoren höher, als die maximal zulässige Spannung zum Aufladen der Energiespeicher.
Zur Umwandlung von Gleichspannung sind mehrphasige, insbesondere dreiphasige Gleichspannungswandler bekannt, die für jede Phase eine Halbbrücke aufweisen. Jede Halbbrücke weist zwei Leistungsschalter, im Regelfall Transistoren oder sonstige geeignete Leistungshalbleiter auf, die periodisch während einer begrenzten Zeit einer Schaltperiodendauer ein- und für den Rest der Periodendauer ausgeschaltet werden, um die Spannung geregelt umzusetzen, wobei die Einschaltzeit zur Regelung verändert wird. Diese Pulsweitenmodulation erfolgt zur Steuerung des Energieflusses zwischen Ein- und Ausgangsseite für jede Phase.
Bekannt ist weiter ein Gleichspannungswandler der Halbbrücken zum Tiefsetzen oder Hochsetzen aufweist und bidirektional eingesetzt werden kann, so dass die elektrische Energie von einer hohen Spannungsseite zu einer niedrigen Spannungsseite im Tiefsetzbetrieb oder umgekehrt im Hochsetzbetrieb fließen kann.
Bekannt ist, die Ansteuersignale dieser Pulsweitenmodulation für die drei Halbbrücken des Gleichspannungswandlers mit einem Mikrorechner zu erzeugen. Der Mikrorechner errechnet durch einen Regelalgorithmus die Stellgrößen, die Mittelpunktsspannungen der einzelnen Phasen, die dann in ein Ansteuersignal für die Pulsweitenmodulation umgesetzt werden.
Dabei kann zur Regelung des Energieflusses zwischen Ein- und Ausgangsseite des Gleichspannungswandlers eine unterlagerte Stromregelung eingesetzt werden. Hierzu kann der Laststrom des Gleichspannungswandlers gemessen werden.
Dies verursacht jedoch zusätzlichen technischen Aufwand.
Weiterhin wird bei der beschriebenen Art von Gleichspannungswandlern angestrebt, möglichst alle Phasen gleich zu belasten, um die Drossel stets symmetrisch zu belasten.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mobile Arbeitsmaschine mit einem Gleichspannungswandler zur Ankoppelung eines Aggregats, insbesondere eines Energiespeichers, an einen Gleichspannungs-Zwischenkreis zur Verfügung zu stellen, bei dem eine verbesserte Stromregelung des Gleichspannungswandlers möglich ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine mobile Arbeitsmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen werden in den Unteransprüchen angegeben.
Vorteilhaft ist bei einer mobilen Arbeitsmaschine, insbesondere einem als Gegengewichtsgabelstapler ausgebildeten Flurförderzeug, mit einem Gleichspannungswandler mit zumindest zwei Phasen, von denen eine eine Referenzphase ist, ein Aggregat der mobilen Arbeitsmaschine mit einem Gleichspannungszwischenkreis der mobilen Arbeitsmaschine über den Gleichspannungswandler verbunden. Ein Sensor zur Bestimmung des Referenzphasenstroms und weitere Phasendifferenzstromsensoren zur Bestimmung des Phasendifferenzstroms zu den weiteren Phasen sind vorhanden und der Gleichspannungswandler ist durch den erfassten Strom der Referenzphase und die Phasendifferenzströme regelbar.
Dadurch kann vorteilhaft auf einen Sensor zur Messung des Gesamtstroms oder Summenstroms an der Last verzichtet werden. Es ergibt sich auch eine einfache und gut umzusetzende Regelung für die mehrphasige Stromregelung. Überdies wird stets durch die Regelung ein Betriebszustand mit einer symmetrischen Belastung der mehrphasigen Glättungsdrossel angesteuert und somit symmetrische Belastungen sicher gestellt. Durch die Erfassung der Phasendifferenzströme bereits als Messwert werden Verfälschungen und Fehlerfortpflanzungen vermieden, die aufgrund der Messung einzelner Phasenströme mit einer nachfolgenden Differenzbildung in einem Microrechner entstehen könnten. Stattdessen wird direkt das analoge Phasendifferenzstromsignal digitalisiert und einer Regelvorrichtung zugänglich gemacht.
In günstiger Ausführungsform weist der Gleichspannungswandler drei Phasen auf.
Bei einem dreiphasigen Gleichspannungswandler ist der Bauaufwand noch nicht allzu groß und es ergibt sich bereits eine geringe Welligkeit der Ausgangsspannung.
Die Phasendifferenzstromsensoren können Hallsensoren sein.
In günstiger Ausführungsform sind die Phasendifferenzstromsensoren Kompensationswandler.
Durch diese können die Differenzströme besonders gut und genau erfasst werden.
Jede Phase des Gleichspannungswandlers kann ein Tiefsetzschaltelement und ein Hochsetzschaltelement aufweisen und der Gleichspannungswandler kann bidirektional sein.
In günstiger Ausführungsform ist das Aggregat eine Energiespeichereinheit, insbesondere eine Batterie oder ein Doppelschichtkondensatoren-Energiespeicher.
Damit ist das erfindungsgemäße mobile Arbeitsgerät besonders gut geeignet, um einen hybriden Antrieb zu verwirklichen, bei dem elektrische Energie aus dem Gleichspannungszwischenkreis mit hoher Voltzahl zu dem Energiespeicher geleitet werden soll oder umgekehrt, um beispielsweise Bremsenergie zu speichern oder Energie für eine Boost-Funktion zur Verfügung zu stellen.
Vorteilhaft weist der Gleichspannungswandler eine Regelvorrichtung auf, die den Sollwert für den Strom der Referenzphase auf einen Bruchteil entsprechend der Gesamtzahl an Phasen und alle Phasendifferenzströme auf Null regeln kann.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der in den schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Hierbei zeigt
1 eine als Flurförderzeug ausgebildete mobile Arbeitsmaschine in einer Seitenansicht,
2 einen schematischen Aufbau eines hybriden Antriebsstranges einer mobilen Arbeitsmaschine gemäß der 1,
3 ein Schaltbild eines Gleichspannungswandlers und
4 schematisch in einem Blockschaltbild die Regelung durch eine Regelvorrichtung.
In der 1 ist ein als Gegengewichtsgabelstapler ausgebildetes erfindungsgemäßes Flurförderzeug 1 als Beispiel einer mobilen Arbeitsmaschine dargestellt.
Das Flurförderzeug 1 weist einen Fahrzeugrahmen 2 auf, der unterhalb eines Fahrerschutzdaches 3, das beispielsweise von einer Fahrerkabine gebildet sein kann, einen Aggregateraum 4 bildet. Im lastzugewandten Bereich ist das Flurförderzeug 1 mit zwei Antriebsrädern 5 und im lastabgewandten Bereich mit mindestens einem gelenkten Rad 6 versehen ist. Am vorderen lastzugewandten Bereich des Flurförderzeugs 1 ist ein Hubgerüst 7 angeordnet, an dem ein beispielsweise als Lastgabel ausgebildetes Lastaufnahmemittel 8 auf- und abbewegbar angeordnet ist. Im lastabgewandten Bereich ist das Flurförderzeug 1 mit einem Gegengewicht 9 versehen.
Das Flurförderzeug 1 ist mit einem verbrennungsmotorisch-elektrischen Antriebssystem versehen, das – wie aus der 2 ersichtlich ist – ein elektrisches Fahrantriebsaggregat 10 umfasst. Das Fahrantriebsaggregat 10 weist eine stromliefernde Energieversorgungseinheit auf, die von einem beispielsweise als Dieselmotor ausgebildeten Verbrennungsmotor 11 und einem mit dem Verbrennungsmotor 11 trieblich verbundenen elektrischen Generator 12 gebildet ist.
Die von dem Generator 12 erzeugte elektrische Energie wird einer Leistungselektronik 13 zugeführt, mittels der mindestens ein in oder an einer Antriebsachse angeordneter elektrischer Fahrantriebsmotor 14, beispielsweise ein als Asynchronmotor ausgebildeter Drehstrommotor, mit elektrischer Energie versorgbar ist.
Der Fahrantriebsmotor 14 steht hierbei beispielsweise unter Zwischenschaltung eines Differentialgetriebes 15 und nicht dargestellter Untersetzungsgetriebe mit den Antriebsrädern 5 zu deren Antrieb in Wirkverbindung. Anstelle einer derartigen Einmotorachse, bei der ein Fahrmotor 15 beide Antriebsräder 5 antreibt, kann ebenfalls eine Zweimotorachse vorgesehen werden, bei der jeweils ein Fahrmotor unter Zwischenschaltung eines Untersetzungsgetriebes mit dem entsprechenden Antriebsrad in trieblicher Verbindung steht.
Der Verbrennungsmotor 11, der Generator 12, die Leistungselektronik 13 und der Fahrmotor 14 sind hierbei zusammen mit weiteren nicht mehr dargestellten Komponenten und Nebenaggregaten, beispielsweise einer Hydraulikpumpe 16 zur Versorgung einer Arbeitshydraulik in dem Aggregateraum 4 des Flurförderzeugs 1 angeordnet.
Die Leistungselektronik 13 weist einen mit dem Generator 12 in Verbindung stehenden Eingangsumrichter 17 auf, der über einen Gleichspannungs-Zwischenkreis mit einem Fahrmotorumrichter 18 verbunden ist. Die erfindungsgemäße Arbeitsmaschine ist mit einem hybriden Antriebsstrang versehen, wobei ein elektrischer Energiespeicher 20 vorgesehen ist, der über einen bidirektionalen Gleichspannungswandler 19 an den Gleichspannungs-Zwischenkreis zwischen dem Eingangsumrichter 17 und dem Fahrmotorumrichter 18 angeschlossen ist.
Der elektrische Energiespeicher 20, hier in Form einer Doppelschichtkondensatoreneinheit, ist hierbei – wie aus der 1 ersichtlich – außerhalb des Aggregateraums 4 angeordnet und in einem Gehäuse 30 auf dem Gegengewicht 9 des Gabelstaplers 1 angeordnet und befestigt.
In der 3 ist ein Schaltbild eines Gleichspannungswandlers 19 dargestellt. Jede der drei Phasen U, V und W mit den Stromwerten i_U, i_V und i_W wird über eine jeweilige Halbbrücke geschaltet, die mit der dreiphasigen Drossel L verbunden sind. Dabei dienen die Transistoren T1, T2 und T3 als High-Side-Transistoren für das Tiefsetzen der Gleichspannung und die Transistoren T4, T5 und T6 als Low-Side-Transistoren für das Hochsetzen der Gleichspannung. Nach der Drossel L sind die Phasen verbunden und ein Laststrom i_L fließt durch den elektrischen Energiespeicher 20, an dem die Spannung U₁ anliegt. Auf der anderen Seite ist der Gleichspannungswandler 19 mit dem Gleichspannungs-Zwischenkreis der Leistungselektronik 13 verbunden, in dem die Spannung U₀ anliegt. Von einem schematisch dargestellten Microrechner 31 werden pulsweitenmodulierte Ansteuersignale für die Transistoren T1, T2, T3, T4, T5, T6 jeder Phase erzeugt und mit diesen wie durch den Pfeil angedeutet die Schaltung des Gleichspannungswandlers angesteuert.
Beim Tiefsetzbetrieb des Gleichspannungswandlers 19 werden lediglich die High-Side-Transistoren T1, T2, T3 geschaltet. In diesem Fall des Anwendungsbeispiels wird elektrische Energie von der höheren Spannung des Gleichspannungs-Zwischenkreises zu einer niedrigeren Gleichspannungsebene U₁ des Energiespeichers 20 übertragen. Die nicht angesteuerte Transistoren T4, T5, T6 des Gleichspannungswandlers befinden sich im Sperrzustand.
Beim Hochsetzbetrieb, um elektrische Energie aus dem Energiespeicher 20 in den Gleichspannungs-Zwischenkreis mit der höheren Spannung U₀ zu übertragen, werden ausschließlich die Low-Side-Transistoren T4, T5, T6 angesteuert. Dadurch werden vorteilhaft die Schaltverluste des Gleichspannungswandlers verringert, da betriebsartabhängig ausschließlich der untere oder obere Teil der drei Halbbrücken angesteuert wird.
Durch einen Stromsensor 32 wird der Referenzphasenstrom i_V erfasst und durch als Kompensationswandler ausgebildete Phasendifferenzstromsensoren 33 werden die Phasendifferenzströme i_VW und i_VU erfasst.
4 zeigt schematisch in einem Blockschaltbild die Regelung des Gleichspannungswandlers 19 der 3 durch eine Regelvorrichtung 35. Der Laststrom i_L, der sich als Summenstrom der einzelnen Phasenströme ausbildet, wird indirekt geregelt. Hierzu reicht es aus, die Referenzphase V auf 1/3 des Sollwerts des Laststroms i_L zu regeln und gleichzeitig Phasendifferenzströme zwischen den Phasen auf den Wert null zu regeln, indem der Sollwert der Phasendifferenzstromregelkreise null beträgt. Dabei werden PI-Regler sowie PT1-Glieder als Strom-Istwertfilter eingesetzt. Jedoch sind auch andere Gestaltungen mit P-, PD- oder PID-Reglern sowie die Kombination unterschiedlicher Reglertypen denkbar. Ein Modulator 34 bildet aus den Spannungssollwerten U_U0Soll, U_V0Soll, U_W0Soll, für die Phasen die Ansteuersignale für die Transistoren T1, T2, T3, T4, T5, T6, hier angedeutet durch den Pfeil.
Es wäre auch möglich, den Gleichspannungswandler so aufzubauen, dass die einzelnen Phasenströme gemessen werden und die Regelung ohne gemessene Werte der Phasenstromdifferenzen arbeitet.
Ein Gleichspannungswandler 19 mit dem zuvor geschilderten Aufbau und Messung eines Referenzphasenstroms sowie der Differenzphasenströme gegenüber diesem Referenzphasenstrom kann auch zur Gleichspannungsumsetzung zwischen Nebenaggregaten einer mobilen Arbeitsmaschine eingesetzt werden. Es kann ganz allgemein ein Gleichspannungswandler unabhängig von dessen Verwendung so aufgebaut sein und dessen Strom auf diese Weise regelbar sein.

Claims

Mobile Arbeitsmaschine, insbesondere als Gegengewichtsgabelstapler ausgebildetes Flurförderzeug, mit einem Gleichspannungswandler mit zumindest zwei Phasen (U, V, W), von denen eine eine Referenzphase (V) ist, wobei der Gleichspannungswandler ein Aggregat der mobilen Arbeitsmaschine mit einem Gleichspannungs-Zwischenkreis der mobilen Arbeitsmaschine verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor (32) zur Bestimmung des Referenzphasenstroms (i_V) und weitere Phasendifferenzstromsensoren (33) zur Bestimmung des Phasendifferenzstroms (i_VW, i_VU) zu den weiteren Phasen vorhanden sind und der Gleichspannungswandler (19) durch den erfassten Strom der Referenzphase (i_V) und die Phasendifferenzströme (i_VW, i_VU) regelbar ist.
Mobile Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungswandler (19) drei Phasen (U, V, W) aufweist.
Mobile Arbeitsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasendifferenzstromsensoren (33) Hallsensoren sind.
Mobile Arbeitsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasendifferenzstromsensoren (33) Kompensationswandler sind.
Mobile Arbeitsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Phase (U, V, W) des Gleichspannungswandlers (19) ein Tiefsetzschaltelement (T1, T2, T3) und ein Hochsetzschaltelement (T4, T5, T6) aufweist und der Gleichspannungswandler bidirektional ist.
Mobile Arbeitsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aggregat eine Energiespeichereinheit (20) ist, insbesondere eine Batterie oder ein Doppelschichtkondensatoren-Energiespeicher.
Mobile Arbeitsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungswandler (19) eine Regelvorrichtung aufweist, die den Sollwert für den Strom der Referenzphase (i_V) auf den Bruchteil der Gesamtzahl an Phasen des Gesamtstromsollwerts (i_L) und alle Phasendifferenzströme (i_VW, i_VU) auf Null regeln kann.