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Die Erfindung betrifft einen Kran, insbesondere Hafenmobilkran, mit einem dieselelektrischen Antrieb, dessen Drehstromgenerator einen Wechselspannungskreis speist, mit an dem Wechselspannungskreis angeschlossen Elektromotoren, die mindestens ein Drehwerk, ein Hubwerk und ein Wippwerk des Krans antreiben, und mit mindestens einem an dem Wechselspannungskreis angeschlossenem Bremswiderstand.
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Aus der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2004 010 988 A1 ist ein Hybridantriebssystem für einen Portalhubstapler bekannt. Derartige Portalhubstapler sind auch als Straddle Carrier bekannt und werden in Seehäfen und Containerterminals zum Transportieren und Stapeln von Containern eingesetzt. Das Hybridantriebssystem umfasst ein Stromerzeugungsaggregat mit einem Dieselmotor, der einen Drehstromgenerator antreibt. Der Drehstromgenerator speist über einen Gleichrichter einen Gleichspannungszwischenkreis, an dem über Wechselrichter Fahr-, Hub- und Hilfsmotoren angeschlossen sind. Um das Stromerzeugungsaggregat erheblich kleiner und leichter auszuführen, ist zur Abdeckung von kurzeitigen Energiebedarfsspitzen, wie sie beim Anfahren und Bremsen des Fahrantriebes des Portalhubstaplers oder beim Heben und Senken der Container entstehen, ein Kurzzeit-Energiespeicher über einen Lade-/und Entladeregler an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen. Dieser Kurzzeitspeicher kann beim generatorischen Bremsen der Fahr- und Hubantriebe aufgeladen werden und somit muss nicht die von den Fahr- und Hubantrieben in den Gleichspannungszwischenkreis zurück gespeiste Energie mit Bremswiderständen in Wärme umgewandelt werden. Der Kurzzeitspeicher vermeidet somit diese energetischen Verluste und dient als Zwischenspeicher für die Energie. Der Kurzzeit-Energiespeicher ist aus zusammen geschalteten Doppelschichtkondensatoren mit sehr hohen Kapazitäten, die auch als „Ultrakondensatoren” oder „Ultra-Caps” bezeichnet werden, aufgebaut. Neben dem Kurzzeit-Energiespeicher ist an den Gleichspannungszwischenkreis ein weiterer Energiespeicher über einen weiteren Lade-/und Entladeregler angeschlossen. Der weitere Energiespeicher ist als leichte Hochenergiebatterie, insbesondere Kochsalz-Nickel-, Natrium-Schwefel- oder Nickel-Metallhydrid-Akkumulator, ausgebildet, um mittlere Leistungsbedarfsspitzen abzudecken, die beispielsweise bei Fahrten im Minutenbereich auftreten. Der Lade-/und Entladeregler für den Kurzzeit-Energiespeicher und den weiteren Energiespeicher ist als regelbarer Zwei-Quadranten-DC/DC-Wandler ausgebildet. Des Weiteren ist eine elektrische Steuervorrichtung vorgesehen, die mit dem Stromerzeugungsaggregat, dem Kurzzeit-Energiespeicher und dem weiteren Energiespeicher verbunden ist, um diese je nach Betriebszustand des Hybridantriebssystems anzusteuern.
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Des Weiteren sind bereits aus dem aktuellen Firmenprospekt der Gottwald Port Technology GmbH, Düsseldorf, Deutschland mit dem Titel „Hafenkran-Modell 4” sogenannte Hafenmobilkrane bekannt, mit denen Container oder Schüttgüter in Seehäfen oder Container-Terminals umgeschlagen werden. Ein derartiger Hafenmobilkran besteht im Wesentlichen aus einem Unterwagen, mit dem sich der Hafenmobilkran auf dem Land, beispielsweise einem Kai, oder auf einem Schwimmponton abstützt, und einem um eine vertikale Achse drehbar auf dem Unterwagen gelagerten Oberwagen. Der Unterwagen kann über Reifen auf dem Kai oder über Schienenräder auf Schienen verfahrbar sein. Während des Umschlagbetriebes wird der Unterwagen über Stützen abgestützt. Auf dem Oberwagen ist ein sich in Vertikalrichtung erstreckender Turm, die Dreh- und Hubwerke für das Drehen des Oberwagen sowie das Heben einer Last und ein Gegengewicht angeordnet. Des Weiteren ist an dem Turm etwa im Bereich seiner halben Länge und auf der dem Gegengewicht abgewandten Seite ein Ausleger angelenkt. Der Ausleger ist um eine horizontale Wippachse schwenkbar mit dem Turm verbunden und zusätzlich über einen an dem Ausleger und unten an dem Oberwagen angelenkten Wippzylinder aus seiner seitlich auskragenden Betriebsstellung in eine aufrechte Ruhestellung verschwenkbar. Außerdem ist der Ausleger in üblicher Weise als Gittermast ausgebildet.
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Derartige Hafenmobilkrane weisen bezüglich ihres Antriebskonzept die Ausbildung eines seriellen Hybridens dar, da sie mit einem dieselelektrischen Antrieb arbeiten, in dem die chemische Energie des Dieselkraftstoffes durch einen Verbrennungsmotor in mechanische Arbeit umgewandelt und von einem Drehstromgenerator als elektrische Energie in einen Wechselspannungskreis gespeist wird. Für den Antrieb des Hubwerks, des Drehwerks und des Wippwerks sowie etwaiger weitere Antriebe werden Gleichstrom- oder Drehstrommotoren verwendet, in denen eine erneute Umwandlung der elektrischen Energie zurück in mechanische Arbeit stattfindet, die schlussendlich zum Heben von Lasten, zum Verfahren und Drehen des Kranes oder zur Bewegung des Auslegers genutzt wird. Energie, die beispielsweise durch das Senken von Lasten am Ausleger in den Wechselspannungskreis zurück gespeist wird, wird zunächst den übrigen Verbrauchern zur Verfügung gestellt. Sobald ein Energieüberschuss im Wechselspannungskreis vorhanden ist, wird dieser durch Bremswiderstände in Wärme umgewandelt, wobei die zurückgespeiste Energie vernichtet wird, d. h. endgültig verloren geht.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kran, insbesondere Hafenmobilkran, mit einem verbesserten Hybridantriebssystem zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Kran, insbesondere Hafenmobilkran mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 10 angegeben.
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Erfindungsgemäß wird bei einem Kran, insbesondere Hafenmobilkran, mit einem dieselelektrischen Antrieb, dessen Drehstromgenerator einen Wechselspannungskreis speist, mit an dem Wechselspannungskreis angeschlossen Elektromotoren, die mindestens ein Drehwerk, ein Hubwerk und ein Wippwerk des Krans antreiben, und mit mindestens einem an dem Wechselspannungskreis angeschlossenem Bremswiderstand, eine Verbesserung des Hybridantriebssystems dadurch erreicht, dass an den Wechselspannungskreis ein Kurzzeit-Energiespeicher zur Zwischenspeicherung zumindest der von dem Hubwerk in den Wechselspannungskreis zurück gespeisten Energie angeschlossen ist. Durch den Einsatz des Kurzzeit-Energiespeichers für die Rückgewinnung von Energie durch generatorisches Bremsen der Antriebe kann das Betriebsverhalten des zum Antrieb des Drehstromgenerators vorgesehen Verbrennungsmotors, insbesondere Dieslemotors, so verbessert werden, dass der Kraftstoffverbrauch und damit der Schadstoffausstoß gesenkt und die rückgewonnene Energie anderweitig nutzbar gemacht werden kann. Bei einer angestrebten modularen Bauweise der nötigen Baugruppen und Funktionalitäten kann der Kurzzeit-Energiespeicher auch in bestehende Hafenmobilkrane als Erweiterung nachgerüstet werden. Darüber hinaus bleibt gewährleistet, dass der Hafenmobilkrane bei Ausfall des Kurzzeit-Energiespeicher seinen normalen Betrieb fortsetzen kann, da der Bremswiderstand weiterhin vorhanden ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Kurzzeit-Energiespeicher über einen Transformator und einen Wechselrichter an den Wechselspannungskreis angeschlossen ist. Durch die Verwendung des Transformators und des Wechselrichters kann der Kurzzeit-Energiespeicher mit dem Wechselspannungskreis synchronisiert werden, wobei der Wechselspannungskreis Frequenzschwankungen und starke Kommutierungseinbrüche aufweist, die durch die Gleichrichter des Hubwerks und des Drehwerks hervorgerufen werden.
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Besonders vorteilhaft ist vorgesehen, dass der Kurzzeit-Energiespeicher als Doppelschichtkondensator ausgebildet ist. Derartige Doppelschichtkondensatoren sind langlebig, wartungsfrei und leicht sowie weisen eine geringe Energiedichte bei hoher Leistungsdichte auf. Hierdurch eignen sich diese besonders als Kurzzeit-Energiespeicher. Im Vergleich zu Batterien können von den Doppelschichtkondensatoren wesentlich höhere Leistungen aufgenommen beziehungsweise abgegeben werden und werden in Bezug auf ihre Lebensdauer durch die schnellen und kurzzeitigen Wechsel zwischen Laden und Entladen nicht so stark beeinträchtigt wie Batterien. Zwar ist der Energieinhalt pro Volumen geringer als der von Batterien, doch gerade durch diese Eigenschaften zeichnen sich Doppelschichtkondensatoren hervorragend als Kurzzeit-Energiespeicher für die Verwendung in Hafenmobilkranen aus, da beim Absenken von Lasten eines Hafenmobilkrans sehr hohe Leistungen jedoch geringe Energien über einen relativ kurzen Zeitraum von einigen Sekunden auftreten sowie für Beschleunigungsvorgänge beim Heben und anderen Kranbewegungen hohe Spitzenleistungen jeweils nur kurzfristig auftreten.
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In bevorzugter Ausbildung ist vorgesehen, dass der Bremswiderstand über einen Stromrichter an den Wechselspannungszwischenkreis angeschlossen ist.
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In Kombination mit der vorliegenden Erfindung ist es vorteilhaft, dass das Drehwerk einen Gleichstrommotor aufweist, der über einen Gleichrichter an den Wechselspannungskreis angeschlossen ist, das Hubwerk einen Gleichstrommotor aufweist, der über einen Gleichrichter an den Wechselspannungskreis angeschlossen ist, und das Wippwerk einen Drehstrommotor aufweist, der direkt an den Wechselspannungskreis angeschlossen ist. Der Kurzeit-Energiespeicher kann dann einfach an einer bestehenden Wechselspannungskreis ohne Konzeptänderung des elektrischen Systems eines vorhandenen Hafenmobilkrans nachgerüstet werden.
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Besonders vorteilhaft ist vorgesehen, dass eine Leistungssteuerung, die über eine Betriebsstrategie eingestellt ist, mit dem dieselelektrischen Antrieb, dem Bremswiderstand beziehungsweise dessen Stromrichter, dem Kurzzeit-Energiespeichers und dem Wechselrichter des Kurzzeit-Energiespeicher verbunden ist und auf der Grundlage der Daten eines dem Drehstromgenerator zugeordneten Wirkleistungsmessers und dem Ladezustand des Kurzzeit-Energiespeichers den Kurzzeit-Energiespeicher und bei Bedarf den Bremswiderstand ansteuert. Als Betriebsstrategien kommen wahlweise eine Rekuperationsstrategie oder eine Downsizingstrategie zum Einsatz. Im Zusammenhang mit der Rekuperationsstrategie ist das Hauptziel, die gesamte in den Wechselspannungskreis zurück gespeiste Energie aufzunehmen und somit eine Nutzung der Bremswiderstände zu vermeiden. Die Downsizingstrategie sieht als Hauptziel vor, die Leistungsanforderung an den dieselelektrischen Antrieb so zu begrenzen, dass ein Betrieb des Hafenmobilkrans auch mit einem verkleinerten Verbrennungsmotor und einem verkleinerten Drehstromgenerator ohne Leistungseinbußen möglich wäre. Der Kurzzeit-Energiespeicher wird bei dieser Downsizingstrategie in der Regel nur bei Erreichen der Maximalleistung des Verbrennungsmotors in den Boostzustand gehen. Erfindungsgemäß wird zur Optimierung der Energieeinsparung das Verhalten des Doppelschichtkondensators und der Betriebszustände des restlichen Systems vorrangig in Abhängigkeit von der gemessenen Wirkleistung des Generators und dem Ladezustand des Speichers definiert. Durch eine gesteuerte Leistungsabgabe des Kurzzeit-Energiespeichers lassen sich harte Lastanforderungen an den Verbrennungsmotor vermeiden. Der Sanftanlauf verhindert schlagartige Belastungen, wodurch sich positive Auswirkungen auf den instationären Verbrauch und das Abgasverhalten des Verbrennungsmotors ergeben.
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Besonders vorteilhaft ist vorgesehen, dass über die Leistungssteuerung der Kurzzeit-Energiespeicher während eines regulären Boostens des dieselelektrischen Antriebs auf eine konstante Entladeleistung eingestellt ist oder über die Leistungssteuerung derart eingestellt ist, dass während des Boostens des dieselelektrischen Antriebs bei entsprechender Leistungsanfrage abweichend von der konstanten Entladeleistung eine höhere Entladeleistung zur Verfügung gestellt wird, wenn der Ladezustand des Kurzzeit-Energiespeichers nach einer Ladephase nahe dem Maximalwert liegt. Eine Einstellung auf eine konstante Entladeleistung erhöht den Wirkungsgrad des Kurzzeit-Energiespeichers während des regulären Boostens. Das schließt jedoch nicht aus, dass im Rahmen der Erfindung während des Boostens bei entsprechender Leistungsanfrage des Verbrauchers auch von der konstanten Entladeleistung abgewichen werden kann, insbesondere wenn der Ladezustand des Kurzzeit-Energiespeichers nach einer Ladephase nahe dem Maximalwert liegt.
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Nach einer Ausgestaltung wird über die Leistungssteuerung für den Kurzzeit-Energiespeicher eine untere Ladezustandsgrenze und obere Ladezustandsgrenze definiert. Demnach kann sich der Kurzzeit-Energiespeicher bis auf eine festgelegte untere Ladezustandsgrenze entladen, die durch den unteren Spannungsstellbereich des Wechselrichters beziehungsweise den nutzbaren Ladezustandsbereich des Kurzzeit-Energiespeichers definiert ist.
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Die untere Ladezustandsgrenze ist als 25% der oberen Ladezustandsgrenze definiert. Auch diese Ausgestaltung dient der Wirkungsgradoptimierung, da bei höherer Spannung die Verluste durch den Innenwiderstand des Kurzzeit-Energiespeichers geringer sind. Dem wird Rechnung getragen, wenn der Arbeitsbereich des Kurzzeit-Energiespeichers in möglichst hohen Spannungsbereichen oberhalb der definierten unteren Ladezustandsgrenze für die Entladung liegt.
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Wenn nach einem weiteren Merkmal der Erfindung die Leistungsabgabe des Kurzzeit-Energiespeichers nahe der Schaltgrenze zwischen Boostbetrieb und Normalbetrieb reduziert wird, lassen sich ebenfalls harte Lastanforderungen an den Verbrennungsmotor beim Abschalten des Kurzzeit-Energiespeichers vermeiden. Dies wirkt sich positiv auf Verbrauch und Abgasverhalten des Verbrennungsmotors aus.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung erläutert. Es zeigt:
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1 eine Ansicht eines Hafenmobilkrans und
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2 ein Blockschaltbild eines Hybridantriebes des Hafenmobilkranes nach 1.
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Die 1 zeigt eine Ansicht eines Hafenmobilkrans 1 für den Umschlag von normierten Behältern, insbesondere von ISO-Containern, zwischen Land und Wasser beziehungsweise umgekehrt beziehungsweise innerhalb von Container-Terminals. Auch kann der Hafenmobilkran 1 mit einem Greifer zum Umschlag von Schüttgütern ausgerüstet werden. Der Hafenmobilkran 1 besteht im Wesentlichen aus einem Unterwagen 2 und einem Oberwagen 3 mit einem Turm 4 und einem Ausleger 5. In üblicher Weise wird der Hafenmobilkran 1 über seinem Unterwagen 2 auf dem Land, hier einen Kai 7, abgestützt. Über den Unterwagen 2 mit Radreifenfahrwerken 6 ist der Hafenmobilkran 1 auf dem Kai 7 verfahrbar und wird während des Umschlagbetriebes über Stützen 8 auf diesem abgestützt. Auch ist es möglich, dass der Hafenmobilkrans 1 auf Schienen verfahrbar oder stationär auf einem Schwimmponton befestigt wird. Auf dem Unterwagen 2 ist der Oberwagen 3 gelagert, der von einem Drehwerk d um eine vertikale Drehachse D schwenkbar ist. Das Drehwerk d weist üblicher Weise einen Drehkranz im Eingriff mit einem Antriebszahnrad auf. Der Oberwagen 3 trägt auch ein Hubwerk h und im Rückwärtigen Bereich ein Gegengewicht 9. Auch ist auf dem Oberwagen 3 der sich in Vertikalrichtung erstreckende Turm 4 abgestützt, an dessen Spitze ein Rollenkopf 10 mit Seilscheiben befestigt ist. Des Weiteren ist an dem Turm 4 etwa im Bereich seiner halben Länge und auf der dem Gegengewicht 9 abgewandten Seite der Ausleger 5 angelenkt. Der Ausleger 5 ist um eine horizontale Wippachse W schwenkbar mit dem Turm 4 verbunden und zusätzlich über ein an dem Ausleger 5 und unten an dem Oberwagen 3 angelenktes Wippwerk w, das üblicher Weise als Hydraulikzylinder ausgebildet ist, aus seiner seitlich auskragenden Betriebsstellung in eine aufrechte Ruhestellung verschwenkbar. Außerdem ist der Ausleger 5 in üblicher Weise als Gittermast ausgebildet. An der dem Turm 4 abgewandten Spitze des Auslegers 5 sind weitere Seilscheiben drehbar gelagert, über die ausgehend von dem Hubwerk h Hubseile über den Rollenkopf 10 zu der anzuhebenden Last geführt sind.
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Die 2 zeigt ein Blockschaltbild eines Hybridantriebes des Hafenmobilkranes 1 nach 1. Wie eingangs beschrieben können derartige Hafenmobilkrane bezüglich ihres Antriebskonzept serielle Hybriden sein, da sie mit einem dieselelektrischen Antrieb 11 arbeiten, in denen die chemische Energie eines Dieselkraftstoffes durch einen Verbrennungsmotor 11a in mechanische Arbeit umgewandelt wird. Der Verbrennungsmotor 11a treibt einen Drehstromgenerator 11b an, der die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt und in einen Wechselspannungskreis 12 speist. Der Drehstromgenerator 11b erzeugt einen dreiphasigen Wechselstrom mit einer Spannungsebene von 440 V. An den Wechselspannungskreis 12 sind verschiedene Verbraucher, insbesondere die jeweiligen Antriebe des Hubwerks h, des Drehwerks d und des Wippwerks w, angeschlossen, in denen eine erneute Umwandlung der elektrischen Energie zurück in mechanische Arbeit stattfindet, die zum Heben von Lasten, zum Drehen des Hafenmobilkranes 1 oder zum Wippen des Auslegers 5 genutzt wird. Das Hubwerk h und das Drehwerk d weisen elektrische Gleichstrommotoren h1, d1, die jeweils über einen Gleichrichter h2, d2 mit dem Wechselspannungskreis 12 verbunden sind. In den Gleichrichtern h2, d2 wird die Drehspannung in Gleichspannung umgewandelt. Die Gleichstrommotoren h1, d1 haben den Vorteil, dass weiche Beschleunigungen und Verzögerungen beim Hub- und Drehbetriebes des Hafenmobilkrans 1 erreicht werden können. Für das Wippwerk w ist ein mit konstanter Geschwindigkeit laufender Drehstrommotor w1 an den Wechselspannungskreis 12 angeschlossen, der eine Hydraulikpumpe w2, insbesondere Axialkolbenpumpe, antreibt. Die Hydraulikpumpe w2 ist mit einem Hydraulikzylinder w3 verbunden, über den der Ausleger 5 des Hafenmobilkrans 1 um die Wippachse W geschwenkt werden kann.
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Des Weiteren sind weitere nicht dargestellte Antriebe vorhanden, die direkt mit dem Verbrennungsmotor 11a verbunden sind oder an den Wechselspannungskreis 12 angeschlossen sind. Beispielsweise sind hier der Fahrantrieb für den Hafenmobilkran 1 oder etwaige Antriebe zum Schließen und Öffnen eines Vierseil-Schüttgutgreifers zu nennen.
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Um die Energie zurück zugewinnen, die beim sogenannten generatorischen Bremsen von den Gleichstrom- und Drehstrommotoren d1, h1, und w1 in den Wechselspannungskreis 12 zurück gespeist wird, ist an den Wechselspannungskreis 12 ein Kurzzeit-Energiespeicher 13 angeschlossen. Die von diesem Kurzzeit-Energiespeicher 13 wiedergewinnbare Energie entsteht im Wesentlichen beim Absenken und Abbremsen der Last und somit durch das generatorische Bremsen des Gleichstrommotors h1 des Hubwerks h.
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Für den Fall, dass der Kurzzeit-Energiespeicher 13 keine Energie beziehungsweise weitere Energie speichern kann, ist an den Wechselspannungskreis 12 ein Bremswiderstand 14 angeschlossen. Über diesen Bremswiderstand 14 wird dann die durch das generatorische Bremsen von den Gleichstrom- und Drehstrommotoren d1, h1, und w1 in den Wechselspannungskreis 12 zurück gespeiste Spannung in Wärme umgewandelt und somit vernichtet.
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Durch die Einbindung des Kurzzeit-Energiespeichers 13 in den Wechselspannungskreis 12 ergeben sich verschiedene neue Betriebszustände für den Hybridantrieb des Hafenmobilkranes 1. Neben den bisher üblichen Betriebszuständen „Normalbetrieb”, d. h. der Verbrennungsmotor 11a bedient die während des Betriebes des Hafenmobilkranes 1 auftretenden unterschiedlichen Lastanforderungen, und „Widerstands-Bremsen”, in dem die in den Wechselspannungskreis 12 zurück gespeiste Energie in den Bremswiderständen 14 in Wärme umgewandelt wird, kommen weitere Betriebszustände hinzu. Im Einzelnen sind es die Betriebszustände „Lastpunktanhebung”, bei dem der Verbrennungsmotor 11a in einem günstigeren Betriebsbereich mit einem höheren Wirkungsgrad durch Laden des Kurzzeit-Energiespeichers 13 betrieben wird, „Boosten”, der die Unterstützung des Verbrennungsmotors 11a durch den Kurzzeit-Energiespeicher 13 betrifft, „Speicher-Bremsen”, der das Laden des Speichers durch die in den Wechselspannungszwischenkreis 12 zurück gespeiste Energie betrifft, und „Speicher/Widerstands-Bremsen”, der eine Mischform der Betriebszustände „Speicher-Bremsen” und „Widerstands-Bremsen” ist. Für den Fall, dass der Kurzzeit-Energiespeicher 13 voll geladen ist, erfolgt ein „Widerstands-Bremsen”. Der Bremswiderstand 14 ist über einen Stromrichter 14a mit dem Wechselspannungskreis 12 verbunden, somit kann der Bremswiderstand 14 nach Bedarf geschaltet werden. Eine Steuerung erfolgt über eine Gesamtleistungsmessung. Dies ist energetisch vom Vorteil.
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Der Kurzzeit-Energiespeicher 13 ist als Doppelschichtkondensator ausgebildet, der auch als „Ultracap” oder „Supercap” bezeichnet wird. Derartige Doppelschichtkondensatoren sind langlebig, wartungsfrei und leicht sowie weisen eine geringe Energiedichte bei hoher Leistungsdichte auf. Hierdurch eignen sich diese besonders als Kurzzeit-Energiespeicher. Im Vergleich zu Batterien können von den Doppelschichtkondensatoren wesentlich höhere Leistungen aufgenommen beziehungsweise abgegeben werden. Zwar ist der Energieinhalt pro Volumen geringer als der von Batterien, doch gerade durch diese Eigenschaften zeichnen sich Doppelschichtkondensatoren hervorragend als Kurzzeit-Energiespeicher für die Verwendung in Hafenmobilkranen aus, da beim Absenken von Lasten eines Hafenmobilkrans 1 sehr hohe Leistungen jedoch geringe Energien über einen relativ kurzen Zeitraum von einigen Sekunden auftreten sowie für Beschleunigungsvorgänge beim Heben und anderen Kranbewegungen hohe Spitzenleistungen jeweils nur kurzfristig auftreten. Das Drehwerk d speist nur geringe Energiemengen zurück in den Wechselspannungszwischenkreis 12, da die Drehbewegung des Oberwagens 3 des Hafenmobilkrans 1 langsam ist und somit die Beschleunigungs- und Abbremsvorgänge kurz und energiearm sind.
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Der Kurzzeit-Energiespeicher 13 ist unter Zwischenschaltung eines Wechselrichters 13a und eines Transformators 13b bidirektional an den Wechselspannungskreis 12 angeschlossen. Der Wechselrichter 13a wandelt den Wechselstrom des Wechselspannungskreises 12 in Gleichstrom für den Kurzzeit-Energiespeicher 13 beziehungsweise umgekehrt. Der Transformator 13b übernimmt die Spannungsanpassung an den Wechselspannungskreis 12.
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Durch den Kurzzeit-Energiespeicher 13 lassen sich eine Reihe weiterer Funktionalitäten integrieren, mit welchen positiv auf das Betriebsverhalten des Verbrennungsmotors 11a Einfluss genommen werden kann. Dadurch lassen sich, neben weiteren Kraftstoffeinsparungen auch erheblich die erzeugten Schadstoffemissionen reduzieren. Der Kurzzeit-Energiespeicher 13 kann einen Sanftanlauf des Verbrennungsmotors 11a durch entsprechendes Boosten ermöglichen. Damit werden schlagartige, harte Lastanforderungen an den Verbrennungsmotor 11a vermeiden. Dieses hat positive Auswirkungen auf den transienten Verbrauch und das Abgasverhalten des Verbrennungsmotors 11a. Auch wird in Phasen positiver Leistungsanforderung eine definierbare Motorgrundlast vorgehalten. Damit wird ein schnelleres Reagieren des Verbrennungsmotors 11a bei plötzlichen Lastanforderungen ermöglicht. Weiterhin wird sichergestellt, dass die Leistung des Kurzzeit-Energiespeichers 13 nahe der Schaltgrenze zwischen „Boost”- und „Normal”-Betrieb allmählich reduziert wird. Dies vermeidet wiederum eine harte Lastanforderung an den Verbrennungsmotor 13, wenn der Boostbetrieb beendet wird.
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Der Kurzzeit-Energiespeicher 13 wird über eine Leistungssteuerung 15, einen sogenannten Leistungskoordinator, gesteuert, d. h. die Lade- beziehungsweise Entladeleistung des Kurzzeit-Energiespeichers 13 in Betrag und Zeitdauer festgelegt. Die Leistungssteuerung 15 wird durch die verwendete Betriebsstrategie parametriert. Auch steuert der Leistungskoordinator den Übergang von Laden des Kurzzeit-Energiespeichers 13 zum Nutzen der Bremswiderstände 14.
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Als Betriebsstrategien kommen wahlweise eine Rekuperationsstrategie oder eine Downsizingstrategie zum Einsatz.
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Im Zusammenhang mit der Rekuperationsstrategie ist das Hauptziel, die gesamte in den Wechselspannungskreis 12 zurück gespeiste Energie aufzunehmen und somit eine Nutzung der Bremswiderstände 14 zu vermeiden. Die Lastpunktanhebung wird bei dieser Betriebsstrategie nicht benutzt. Während des regulären Boostens wird der Kurzzeit-Energiespeicher 13 mit konstanter Leistung entladen. Diese Entladeleistung wird so gering gewählt, dass sich der Kurzzeit-Energiespeicher 13 soweit entlädt, um im nächsten Ladezyklus die ganze Rekuperationsenergie aufnehmen zu können. Damit wird ein möglichst hoher Wirkungsgrad des Kurzzeit-Energiespeichers 13 erreicht. In diesem Zusammenhang wird eine untere SOC-Grenze (state of charge, Ladestatus 0: vollständig entleert 1: vollständig geladen) für die Entladung definiert, damit der Arbeitsbereich des Kurzzeit-Energiespeichers 13 in möglichst hohen Spannungsbereichen liegt. Auch dies dient der Wirkungsgradoptimierung, da bei höherer Spannung die Verluste durch den Innenwiderstand des Kurzzeit-Energiespeichers 13 geringer sind. Auch kann während des Boostens von der konstanten Entladeleistung in einigen Fällen abgewichen werden. Es kann beispielsweise bei entsprechender Leistungsanfrage mit maximaler Entladeleistung geboostet werden, wenn der Ladezustand des Kurzzeit-Energiespeichers 13 nach einer Ladephase nahe dem Maximalwert liegt.
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Die Downsizingstrategie sieht als Hauptziel vor, die Leistungsanforderung an den dieselelektrischen Antrieb 11 so zu begrenzen, dass ein Betrieb des Hafenmobilkrans 1 auch mit einem verkleinerten Verbrennungsmotor 11a und einem verkleinerten Drehstromgenerator 11b ohne Leistungseinbußen möglich wäre. Um dies sicher zu stellen, nimmt der Kurzzeit-Energiespeicher 13 zusätzlich zu der in den Wechselspannungskreis 12 zurück gespeisten Energie auch durch Lastpunktanhebung des Verbrennungsmotors 11a Ladung auf. Dieses kann durch eine obere SOC-Grenze gesteuert werden. Der Kurzzeit-Energiespeicher 13 kann sich bis auf eine festgelegte SOC-Untergrenze entladen. Diese ist durch den unteren Spannungsstellbereich des Wechselrichters 13a – SOC > 0.25 – beziehungsweise den nutzbaren SOC-Bereich des Kurzzeit-Energiespeichers 13 definiert. Der Kurzzeit-Energiespeicher 13 wird bei dieser Downsizingstrategie in der Regel nur bei Erreichen der Maximalleistung des Verbrennungsmotors 11a in den Boostzustand gehen.
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Neben der Betriebsstrategie bestimmen weitere Faktoren über die eingestellte Leistung des Kurzzeit-Energiespeichers 13. Der verwendete Wechselrichter 13a begrenzt durch seinen möglichen Spannungsstellbereich den Betrag der möglichen Leistung. Darüber hinaus findet eine Temperaturüberwachung des Kurzzeit-Energiespeichers 13 statt, um eine Verkürzung der Lebensdauer durch übermäßige Erwärmung zu verhindern.
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Die Grundlage der Steuerung des Kurzzeit-Energiespeichers 13 mit der Leistungssteuerung 15 ist die Regelung der gemessenen Wirkleistung des Drehstromgenerators 11b auf einen definierten Sollwert. Ein Ausregeln erfolgt durch Stellen der Speicherleistung des Kurzzeit-Energiespeichers 13. Weiterhin steuert die Leistungssteuerung 15 auch den Stromrichter 14a des Bremswiderstands 14. Im Falle unzureichender Ladeleistung des Kurzzeit-Energiespeichers 13 wird die überschüssige Leistung in dem Bremswiderstand 14 in Wärme umgesetzt. Auf diese Weise stellen sich die zuvor beschriebenen Betriebszustände automatisch ein. Des Weiteren weist die Leistungssteuerung 15 einen Begrenzungsbaustein auf, mit dem innerhalb der Leistungssteuerung 15 die gewählte Betriebsstrategie und somit die zugehörigen Parameter realisiert werden. Die vom Kurzzeit-Energiespeicher 13 abhängigen Schaltgrenzen, die Limitierung durch den Spannungsstellbereich des Wechselrichters 13a und die Temperaturüberwachung sind darin umgesetzt. Der variable Anstieg stellt eine definierbare Rampenzeit für den Wechselrichter 13a des Kurzzeit-Energiespeichers 13 dar. Damit werden der Sanftanlauf des Verbrennungsmotors 11a und der weiche Austritt aus dem Boostvorgang gewährleistet.
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Der Kurzzeit-Energiespeiches 13 kann durch seine modulare Bauweise der Baugruppen und Funktionalitäten auch als Erweiterung in bestehende Hafenmobilkrane 1 nachgerüstet werden. Darüber hinaus gewährleistet der Erhalt der Bremswiderstände 14 neben dem Kurzzeit-Energiespeicher 13, dass der Hafenmobilkran 1 bei Ausfall des Kurzzeit-Energiespeichers 13 seinen Betrieb fortsetzen kann.
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Die Leistungssteuerung 15 und die Betriebsstrategie sind in einer programmierbaren Logiksteuerung (PLC, programmable logic controller) implementiert, die den Wechselrichter 13a und damit den Kurzzeit-Energiespeicher 13 steuert. Die Grundlage für die Leistungssteuerung 15 ist das analoge Signal eines Wirkleistungsmessers 11c, der kontinuierlich die Leistungsabgabe des Drehstromgenerators 11b misst und diese Information dem Stromrichter 14a der Bremswiderstände 14 und dem Wechselrichter 13a des Kurzzeit-Energiespeichers 13 zur Verfügung stellt. Der Bremswiderstand 14 verbleibt im System und kommt zum Einsatz, wenn falls der Kurzzeit-Energiespeicher 13 nicht die gesamte Bremsenergie aufnehmen kann oder ausfällt.
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Die Leistungssteuerung 15 kommuniziert über ein Bussystem mit einer übergeordneten und nicht dargestellten Hauptsteuerung des Hafenmobilkranes 1. Je nach dem welche Bussysteme die Steuerungen verwenden, erfolgt die Kommunikation über eine Schnittstelle. Beispielsweise verwendet die Leistungssteuerung 15 zur Kommunikation mit dem Kurzzeit-Energiespeicher 13 einen J1939 BUS und zur Kommunikation mit dem Wechselrichter 13a einen CAN OPEN BUS kommuniziert, der auch von der Hauptsteuerung des Hafenmobilkranes 1 verwendet wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hafenmobilkran
- 2
- Unterwagen
- 3
- Oberwagen
- 4
- Turm
- 5
- Ausleger
- 6
- Radreifenfahrwerk
- 7
- Kai
- 8
- Stützen
- 9
- Gegengewicht
- 10
- Rollenkopf
- 11
- dieselelektrischer Antrieb
- 11a
- Verbrennungsmotor
- 11b
- Drehstromgenerator
- 11c
- Wirkleistungsmesser
- 12
- Wechselspannungskreis
- 13
- Kurzzeit-Energiespeicher
- 13a
- Gleichrichter
- 13b
- Transformator
- 14
- Bremswiderstand
- 14a
- Stromrichter
- 15
- Leistungssteuerung
- d
- Drehwerk
- d1
- Gleichstrommotor
- d2
- Gleichrichter
- h
- Hubwerk
- h1
- Gleichstrommotor
- h2
- Gleichrichter
- w
- Wippwerk
- w1
- Drehstrommotor
- w2
- Hydraulikpumpe
- w3
- Hydraulikzylinder
- D
- Drehachse
- W
- Wippachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004010988 A1 [0002]
