DE102008027697A1 - Verfahren zur Gleichspannungswandlung bei mobilen Arbeitsmaschinen - Google Patents

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Ansteuerung eines Gleichspannungswandlers einer mobilen Arbeitsmaschine, insbesondere eines als Gegengewichtsgabelstapler ausgebildeten Flurförderzeugs, wobei der Gleichspannungswandler zumindest zwei Phasen (U, V, W) aufweist und ein Aggregat der mobilen Arbeitsmaschine mit einem Gleichspannungszwischenkreis der mobilen Arbeitsmaschine über den Gleichspannungswandler verbunden ist, wobei jede Phase des Gleichspannungswandlers eine Wandlerschaltung mit zwei Leistungsschaltern (T1, T2, T3, T4, T5, T6) aufweist, die durch ein pulsweitenmoduliertes Ansteuersignal (SU, SV, SW) betriebsartabhängig angesteuert werden, sind die pulsweitenmodulierten Ansteuersignale (SU, SV, SW) der Phasen (U, V, W) um eine Zeit tV versetzt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Gleichspannungswandlers einer mobilen Arbeitsmaschine. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ansteuerung eines Gleichspannungsumwandlers bei einem als Gegengewichtsgabelstapler ausgebildeten Flurförderzeug, der zumindest zwei Phasen aufweist und ein Aggregat des Flurförderzeugs mit einem Gleichspannungszwischenkreis des Flurförderzeugs über den Gleichspannungswandler 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 einen Transistor 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 ist nachteilig, dass bei hohen Leistungsanforderungen, wie sie bei dem oben genannten Einsatz der Gleichspannungswandler in Flurförderzeugen auftreten, es zu einer starken Welligkeit der Ausgangsspannung kommt und dass eine hohe Induktivität der Glättungsdrossel erforderlich ist.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Ansteuerung eines Gleichspannungswandlers einer mobilen Arbeitsmaschine zur Ankoppelung eines Aggregats, insbesondere eines Energiespeichers, an einen Gleichspannungs-Zwischenkreis sowie eine entsprechende mobile Arbeitsmaschine zur Verfügung zu stellen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Ansteuerung eines Gleichspannungswandlers einer mobilen Arbeitsmaschine nach Anspruch 1 sowie eine mobile Arbeitsmaschine mit einem Gleichspannungswandler nach Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen werden in den Unteransprüchen angegeben.
  • Vorteilhaft werden bei einem Verfahren zur Ansteuerung eines Gleichspannungswandlers einer mobilen Arbeitsmaschine, insbesondere eines als Gegengewichtsgabelstapler ausgebildeten Flurförderzeugs, wobei der Gleichspannungswandler zumindest zwei Phasen aufweist und ein Aggregat der mobilen Arbeitsmaschine mit einem Gleichspannungszwischenkreis der mobilen Arbeitsmaschine über den Gleichspannungswandler verbunden ist und jede Phase des Gleichspannungswandlers eine Wandlerschaltung mit zwei Leistungsschaltern aufweist, die durch ein pulsweitenmoduliertes Ansteuersignal angesteuert werden, die pulsweitenmodulierten Ansteuersignale der Phasen um eine Zeit tV versetzt.
  • Die Erzeugung von Ansteuersignalen eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers ist dadurch auf einfache Weise möglich. Die versetzte Taktung ermöglicht eine kleinere Induktivität der Glättungsdrosseln und reduziert stark die Welligkeit des Ausgangsstroms. Das Verfahren kann auf einfache Weise mittels einer analogen oder digitalen Schaltung umgesetzt werden.
  • In günstiger Ausführungsform weist der Gleichspannungswandler drei Phasen auf und beträgt tV ein Drittel der Periode der pulsweitenmodulierten Ansteuersignale.
  • Die Flanken der pulsweitenmodulierten Ansteuersignale können durch Vergleich eines Sägezahnsignals mit einem Sollsignal erzeugt werden. Die pulsweitenmodulierten Ansteuersignale können durch eine Rückflankenmodulation oder durch eine Vorderflankenmodulation erzeugt werden.
  • Als Trägersignale dienen bei einem dreiphasigen Gleichspannungswandler, der bei noch geringem Bauaufwand bereits eine geringe Welligkeit zeigt, drei jeweils um ein Drittel der Schaltperiodendauer versetzte Sagezahnsignale, die mit einem berechneten Sollsignal verglichen werden und bei gleichem Wert die Flanke schalten. Bei der Rückflankenmodulation wird die ansteigende Flanke des Pulsweitenmodulationssignals durch den Nullwert geschaltet und die fallende Rückflanke durch die Gleichheit von Sollwert und Trägersignal. Durch Verwendung der drei versetzten Trägersignale kann auf Hilfsrechnungen bei der Ansteuersignalerzeugung verzichtet werden.
  • Die Flanken der pulsweitenmodulierten Ansteuersignale können durch Vergleich eines Dreieckssignals mit einem Sollsignal erzeugt werden und durch symmetrische Modulation erzeugt werden.
  • In günstiger Ausführungsform weist jede Phase ein Tiefsetzschaltelement und ein Hochsetzschaltelement auf und der Gleichspannungswandler ist bidirektional.
  • Vorteilhaft sind die Leistungsschalter Transistoren.
  • Vorteilhaft können alle abschaltbaren Leistungshalbleiter zur Umsetzung des Verfahrens eingesetzt werden
  • In günstiger Ausführungsform werden die pulsweitenmodulierten Ansteuersignale durch einen Microrechner mit einer Capture/Compare-Einheit erzeugt.
  • Das Verfahren kann auf einfache Weise mit bekannten Capture/Compare-Einheiten auf handelsüblichen Mikrorechnern erzeugt werden.
  • Das Aggregat kann eine Energiespeichereinheit sein, insbesondere eine Batterie oder ein Doppelschichtkondensatoren-Energiespeicher.
  • Insbesondere Energiespeicher mit hoher Leistungsdichte, wie Doppelschichtkondensatoren, lassen sich durch das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft beim Hybridantrieb einsetzen. Die kurzfristig und gerade bei einem Flurförderzeug sehr häufig anfallende Bremsenergie kann in einer Richtung aus hoher Gleichspannung des Gleichspannungs-Zwischenkreises in die nötige niedrigere Spannung der Doppelschichtkondensatoren mit hoher Leistung umgesetzt werden. Diese Energie kann dann wieder entnommen werden und als hochgesetzte Spannung mit einem elektrischen Energiefluss in Gegenrichtung in den Gleichspannungs-Zwischenkreis wieder eingespeist werden, um z. B. als Boost-Funktion zusätzliche Energie zur Verfügung zu stellen. Dadurch kann bei einem verbrennungsmotorisch-elektrischen Antrieb die Leistung des Verbrennungsmotors verringert werden.
  • Vorteilhaft wird bei einer mobilen Arbeitsmaschine, insbesondere einem als Gegengewichtsgabelstapler ausgebildeten Flurförderzeug, mit einem Gleichspannungswandler, der zumindest zwei Phasen aufweist und über den ein Aggregat der mobilen Arbeitsmaschine mit einem Gleichspannungszwischenkreis der mobilen Arbeitsmaschine verbunden ist, wobei jede Phase des Gleichspannungswandlers eine Wandlerschaltung mit zwei Leistungsschaltern aufweist, die durch ein pulsweitenmoduliertes Ansteuersignal betriebsartabhängig angesteuert werden, der Gleichspannungswandler mit einem der zuvor beschriebenen Verfahren betrieben.
  • 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,
  • 4 ein Ansteuersignaldiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens und
  • 5 ein schematisches Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 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 mobile 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 iU, iV und iW 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 iL 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 SU, SV und SW 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 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 angesteuerten 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 überfragen, werden ausschließlich die Low-Side-Transistoren T4, T5, T6 angesteuert.
  • Dadurch werden vorteilhaft die Schaltverluste des Gleichspannungswandlers 19 verringert, da betriebsartabhängig ausschließlich der untere Teil der drei Halbbrücken mit den Transistoren T4, T5, T6 oder der obere Teil der drei Halbbrücken mit den Transistoren T1, T2, T3 angesteuert wird.
  • 4 zeigt die in dem Microrechner 31 erzeugten pulsweitenmodulierten Steuersignale SU, SV und SW in einem Ansteuersignaldiagramm über der Zeit t sowie darüber die zugehörigen Trägersignale XU, XV, XW, die mit Sollsignalen XU,Soll, XV,Soll, XW,Soll in einer Capture/Compare-Einheit verglichen werden. Dabei erfolgt eine Rückflankenmodulation. Die Trägersignale XU, XV, XW sind um ein Drittel der Periode im Zeitraum tV versetzte Sägezahnsignale. Dadurch können die Phasen U, V, W der dreiphasigen Drossel L zeitversetzt geschaltet werden.
  • 5 zeigt ein schematisches Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Verfahrens. Im Tiefsetzbetrieb wird das Trägersignal, z. B. XU, vom zugehörigen Sollsignal XU,Soll der Phasenspannung subtrahiert. Mittels eines Komparators wird aus dieser Differenz das pulsweitenmodulierte Ansteuersignal SU für den Transistor T1 erzeugt. Zum Hochsetzbetrieb erfolgt ein Umschalten der Schaltfunktion SU auf T4. Ti wird dann nicht mehr angesteuert und befindet sich im Sperrzustand. Die Berechnung der Ansteuersignale SV und SW der übrigen beiden Phasen erfolgt analog.
  • Die in dem Verfahren geschilderte Erzeugung der Ansteuersignale der Leistungsschalter bzw. Transistoren T1, T2, T3, T4, T5, T6 des Gleichspannungswandlers ist auch für sonstige erforderliche Umwandlungen von Gleichspannungen für Nebenaggregate einsetzbar. Das Verfahren kann ganz allgemein bei einem Gleichspannungswandler unabhängig von dessen Verwendung zum Einsatz kommen.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Ansteuerung eines Gleichspannungswandlers einer mobilen Arbeitsmaschine, insbesondere eines als Gegengewichtsgabelstapler ausgebildeten Flurförderzeugs, wobei der Gleichspannungswandler zumindest zwei Phasen (U, V, W) aufweist und ein Aggregat der mobilen Arbeitsmaschine mit einem Gleichspannungszwischenkreis der mobilen Arbeitsmaschine über den Gleichspannungswandler verbunden ist, wobei jede Phase des Gleichspannungswandlers eine Wandlerschaltung mit zwei Leistungsschaltern (T1, T2, T3, T4, T5, T6 ) aufweist, die durch ein pulsweitenmoduliertes Ansteuersignal (SU, SV, SW) angesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die pulsweitenmodulierten Ansteuersignale (SU, SV, SW) der Phasen (U, V, W) um eine Zeit tV versetzt sind.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungswandler drei Phasen (U, V, W) aufweist und tV ein Drittel der Periode der pulsweitenmodulierten Ansteuersignale (SU, SV, SW) beträgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanken der pulsweitenmodulierten Ansteuersignale (SU, SV, SW) durch Vergleich eines Sägezahnsignals (XU, XV, XW) mit einem Sollsignal (XU,Soll, XV,Soll, XW,Soll) erzeugt werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die pulsweitenmodulierten Ansteuersignale (SU, SV, SW) durch eine Rückflankenmodulation erzeugt werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die pulsweitenmodulierten Ansteuersignale durch eine Vorderflankenmodulation erzeugt werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanken der pulsweitenmodulierten Ansteuersignale durch Vergleich eines Dreieckssignals mit einem Sollsignal erzeugt werden und durch symmetrische Modulation erzeugt werden.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Phase (U, V, W) ein Tiefsetzschaltelement (T1, T2, T3) und ein Hochsetzschaltelement (T4, T5, T6) aufweist und der Gleichspannungswandler bidirektional ist.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsschalter Transistoren (T1, T2, T3, T4, T5, T6) sind.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die pulsweitenmodulierten Ansteuersignale (SU, SV, SW) durch einen Microrechner (31) mit einer Capture/Compare-Einheit erzeugt werden.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aggregat eine Energiespeichereinheit (20) ist, insbesondere eine Batterie oder ein Doppelschichtkondensatoren-Energiespeicher.
  11. Mobile Arbeitsmaschine, insbesondere als Gegengewichtsgabelstapler ausgebildetes Flurförderzeug, mit einem Gleichspannungswandler 19, der zumindest zwei Phasen (U, V, W) aufweist und über den ein Aggregat der mobilen Arbeitsmaschine mit einem Gleichspannungszwischenkreis der mobilen Arbeitsmaschine verbunden ist, wobei jede Phase des Gleichspannungswandlers eine Wandlerschaltung mit zwei Leistungsschaltern (T1, T2, T3, T4, T5, T6) aufweist, die durch ein pulsweitenmoduliertes Ansteuersignal (SU, SV, SW) angesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungswandler mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche betrieben wird.
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