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Die Erfindung betrifft eine Leistungselektronik für eine verbrennungsmotorisch-elektrisch angetriebene mobile Arbeitsmaschine, insbesondere Flurförderzeug. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Leistungselektronik für eine verbrennungsmotorisch-elektrisch angetriebene mobile Arbeitsmaschine, insbesondere Flurförderzeug, bestehend aus einem ersten Umrichter, der als Wechselrichter Gleichspannung eines Zwischenkreises, insbesondere eines Gleichspannungs-Zwischenkreises, in mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen, Drehstrom in beiden Richtungen umrichten kann, so dass ein mit dem Wechselrichter verbundener Drehstrommotor auch als Generator betreibbar ist, wobei der Wechselrichter gleichspannungsseitig mit einem Gleichspannungswandler als zweitem Umrichter verbunden ist, so dass an den Gleichspannungswandler eine elektrische Energiespeichervorrichtung anschließbar ist.
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Bekannt sind als Flurförderzeuge, insbesondere Gegengewichtsgabelstapler, ausgebildete mobile Arbeitsmaschinen die mit einem batterie-elektrisch betriebenen Antriebssystem, auch als Batteriestapler bezeichnet, und mit einem verbrennungsmotorischen Antriebssystem bekannt, auch als Verbrennungsmotorstapler bezeichnet werden.
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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 der ein von dem Verbrennungsmotor, z. B. einem Dieselmotor, angetriebener Generator einen elektrischen Zwischenkreis speist aus dem ein Fahrantriebsmotor gespeist wird. In der Regel ist der Fahrantriebsmotor ein Drehstrommotor, beispielsweise Asynchronmotor, der über einen Umrichter aus dem Zwischenkreis gespeist wird.
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Ein solches verbrennungsmotorisch-elektrisches Flurförderzeug bietet einfache Voraussetzungen, um eine elektrische Energiespeichervorrichtung z. B. zum Speichern der Bremsenergie zu integrieren. Über einen Gleichspannungswandler, der einen beliebig stellbaren, bidirektionalen elektrischen Leistungsfluss trotz unterschiedlicher Spannungspotentiale des Zwischenkreises und der elektrischen Energiespeichervorrichtung ermöglicht, wird eine Verbindung zwischen dem Zwischenkreis des Fahrantriebs und der elektrischen Energiespeichervorrichtung hergestellt. Die elektrische Energiespeichervorrichtung kann z. B. aus Doppelschichtkondensatoren, auch als Ultrakondensatoren bezeichnet, oder Batterien bestehen. Der Zwischenkreis weist dabei im Regelfall einen Kondensator bzw. eine Kondensatoranordnung als Eingangsfilter auf. Über Steckverbindungen und Verbindungskabel wird der Gleichspannungswandler der elektrischen Energiespeichervorrichtung mit dem Zwischenkreis verbunden, insbesondere mit dem Kondensator bzw. der Kondensatoranordnung des Eingangsfilters. Da auch der Gleichspannungswandler der elektrischen Energiespeichervorrichtung einen Kondensator bzw. eine Kondensatoranordnung als Eingangsfilter aufweist, verbindet das Verbindungskabel somit zwei Kapazitäten, die zusammen mit der Kabelinduktivität einen Schwingkreis bilden, so dass auf dem Verbindungskabel Stromschwingungen entstehen, die zu zusätzlichen Verlusten und beschleunigter Alterung oder Zerstörung von Verbindungselementen, Kondensatoren sowie weiterer Bauelemente aufgrund hoher Stromspitzen und einhergehender Spannungsspitzen führen können. Es entstehen auch zusätzliche Kosten und Bauraumerfordernisse für den Gleichspannungswandler der elektrischen Energiespeichervorrichtung, der ein separates Gehäuse, eine Kühlung und Kabelverbindungen wie Leistungskabel sowie Steuerkabel benötigt.
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Flurförderzeuge mit einem zuvor beschriebenen verbrennungsmotorisch-elektrischen Antriebssystem mit einer zusätzlichen elektrischen Energiespeichervorrichtung können auch auf einfache Weise als hybride Flurförderzeuge betrieben werden, indem bei hohem Leistungsbedarf zusätzlich zu dem Verbrennungsmotor beispielsweise zur Versorgung des Fahrantriebsmotors oder über den als Motor betriebenen Generator zur Unterstützung des Verbrennungsmotors beim Antrieb von weiteren Aggregaten, beispielsweise einer die Arbeitshydraulik versorgenden Hydraulikpumpe, elektrische Energie der elektrischen Energiespeichervorrichtung entnommen wird. Der Verbrennungsmotor kann dann entsprechend in der Leistung kleiner ausgelegt werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Leistungselektronik für eine verbrennungsmotorisch-elektrisch angetriebene mobile Arbeitsmaschine, insbesondere Flurförderzeug, sowie eine mobile Arbeitsmaschine, insbesondere Flurförderzeug, mit verbrennungsmotorisch-elektrischem Antrieb zur Verfügung zu stellen, bei der die zuvor genannten Nachteile vermieden werden und das kostengünstig sowie in seinem Aufbau kompakt ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Leistungselektronik für eine verbrennungsmotorisch-elektrisch angetriebene mobile Arbeitsmaschine mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 sowie eine mobile Arbeitsmaschine mit verbrennungsmotorisch-elektrischem Antrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen werden in den Unteransprüchen angegeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Leistungselektronik für eine verbrennungsmotorisch-elektrisch angetriebene mobile Arbeitsmaschine, insbesondere ein Flurförderzeug, gelöst, bestehend aus einem ersten Umrichter, der als Wechselrichter Gleichspannung eines Zwischenkreises, insbesondere eines Gleichspannungs-Zwischenkreises, in mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen, Drehstrom in beiden Richtungen umrichten kann, so dass ein mit dem Wechselrichter verbundener Drehstrommotor auch als Generator betreibbar ist, wobei der Wechselrichter gleichspannungsseitig mit einem Gleichspannungswandler als zweitem Umrichter verbunden ist, so dass an den Gleichspannungswandler eine elektrische Energiespeichervorrichtung anschließbar ist. Erfindungsgemäß sind der erste Umrichter und der zweite Umrichter in ein gemeinsames Gehäuse integriert.
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Dadurch kann Bauraum eingespart werden und ist die Leistungselektronik sehr kompakt. Es entfällt das Verbindungskabel und aufgrund der kurzen Anschlüsse des Gleichspannungswandlers ist die Induktivität der Leitungen sehr viel kleiner und es werden die nachteiligen Schwingungen verringert bzw. vermieden. Durch eine verringerte Anzahl von Steckverbindungen steigt weiterhin die Zuverlässigkeit der Leistungselektronik. Der Drehstrommotor kann als Fahrmotor der mobilen Arbeitsmaschine dienen, aber alternativ auch andere Funktionen wie Hydraulikpumpen oder direkt Arbeitsfunktionen der mobilen Arbeitsmaschine antreiben.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist als ein dritter Umrichter ein Gleichrichter zur Speisung des Zwischenkreises in das gemeinsame Gehäuse integriert.
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Dies verringert zusätzlich den erforderlichen Bauraum. Der Gleichrichter des Generators, der mit dem Verbrennungsmotor verbunden ist, kann sowohl als passiver Gleichrichter, als auch als gesteuerter Umrichter betrieben werden. Es ist auch möglich, einen bidirektionalen Gleichrichter vorzusehen, der auch als Wechselrichter den Generator als Motor speisen kann, z. B. um Bremsenergie in dem Motor zu vernichten, um den Verbrennungsmotor zu starten bei einer Start-Stop Automatik, oder, um indirekt andere Aggregate wie Hydraulikpumpen anzutreiben. Dies ist besonders Vorteilhaft bei hybriden Arbeitsmaschinen und hybriden Flurförderzeugen.
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In einer günstigen Ausführungsform sind zwei oder mehr der Umrichter auf einer gemeinsamen Platine angeordnet.
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Dadurch werden Leitungen vermieden und Stromlaufwege auf kürzest mögliche Strecken beschränkt. Dies vermeidet die störenden Schwingungen. Auch werden Kosten und Bauraum eingespart. Durch die geringere Anzahl an Komponenten und den Wegfall von Steckverbindungen erhöht sich auch zusätzlich die Zuverlässigkeit neben der Kostenverringerung.
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Zwei oder mehr der Umrichter können einen gemeinsamen Steuerungsrechner aufweisen.
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Vorteilhaft spart dies Kosten und Bauraum. Auch kann für alle vorhandenen Umrichter allein durch Software und einen einzigen Steuerungsrechner die Steuerung durchgeführt werden.
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Vorteilhaft nutzen gleichspannungsseitige Filter von zwei oder mehr der Umrichter einen gemeinsamen Kondensator oder eine gemeinsame Kondensatoranordnung.
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Der Kondenstor des Eingangsfilters nimmt erheblichen Bauraum ein. So kann bei einem Leistungsumrichter für einen Fahrantriebsmotor nach dem Stand der Technik der Kondensator bzw. eine Mehrzahl von Kondensatoren in Form einer Kondensatoranordnung 50% des Bauraums beanspruchen. Durch die gemeinsame Nutzung für zwei oder mehrere, bzw. alle Umrichter kann der Bauraum erheblich reduziert werden und es werden Kosten gespart.
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Der Gleichspannungswandler kann in zwei Richtungen Gleichspannung umsetzen.
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Dadurch kann z. B. in der elektrischen Energiespeichervorrichtung abgespeicherte Bremsenergie wieder zurückgespeist werden in den Fahrantrieb. Alternativ kann der Gleichspannungswandler unidirektional ausgeführt werden und die Energie der elektrischen Energiespeichervorrichtung allein dazu verwendet werden, aus dieser direkt andere Aggregate und Antriebe der Arbeitsmaschine zu speisen.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist in das Gehäuse ein mit dem Zwischenkreis verbundener schaltbarer Bremswiderstand integriert.
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Dies spart weiteren Bauraum ein.
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In günstiger Gestaltung der Erfindung weisen die Leistungsbauelemente von zwei oder mehreren der Umrichter eine gemeinsame Kühlvorrichtung auf, insbesondere einen gemeinsamen Kühlkörper einer Luftkühlung oder einen gemeinsamen Wärmetauscher einer Flüssigkeitskühlung.
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Dadurch werden Kosten und Bauraum eingespart.
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Es kann mindestens ein weiterer Umrichter als Gleichspannungswandler mit dem Zwischenkreis verbunden und in das Gehäuse integriert sein.
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Ein Verbrennungsmotor weist im Regelfall als Nebenaggregat einen als Lichtmaschine ausgebildeten Generator für Niederspannung auf, der zum Laden der Starterbatterie dient. Der Aufwand hierfür kann eingespart werden, wenn der weitere Umrichter die benötigte Niederspannung, z. B. 14,4 V Ladespannung, zur Verfügung stellt.
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Die Aufgabe wird auch durch eine mobile Arbeitsmaschine, insbesondere ein Flurförderzeug, mit verbrennungsmotorisch elektrischem Antrieb, bestehend aus einem Verbrennungsmotor, einem von dem Verbrennungsmotor angetriebenen Generator, der einen Zwischenkreis speist und einer Leistungselektronik wie sie zuvor beschrieben wurde gelöst, deren Wechselrichter mindestens einen Drehstromfahrantriebsmotor oder Drehstrommotor einer Arbeitsfunktion des Flurförderzeugs speist und deren Gleichspannungswandler mit einer elektrischen Energiespeichervorrichtung verbunden ist.
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Die bevorzugt als Flurförderzeug ausgebildete mobile Arbeitsmaschine weist die schon zuvor beschriebenen Vorteile auf. Besonders vorteilhaft ist das Flurförderzeug ein Hybrid-Flurförderzeug.
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Die elektrische Energiespeichervorrichtung kann eine Batterie sein.
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Die elektrische Energiespeichervorrichtung besteht vorteilhaft aus Doppelschichtkondensatoren.
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Doppelschichtkondensatoren können besonders effizient schnell hohe Energiemengen speichern.
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Der Generator kann mit dem Gleichrichter der Leistungselektronik verbunden sein.
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In günstiger Ausführungsform ersetzt ein weiterer Umrichter als Gleichspannungswandler einen als Nebenaggregat des Verbrennungsmotors eingesetzten Generator, beispielsweise einer von dem Verbrennungsmotor angetriebenen Lichtmaschine.
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Dadurch kann die Starterbatterie des Verbrennungsmotors geladen werden und die Niederspannungsstromversorgung des Verbrennungsmotors erfolgen sowie der Generator, auch als Lichtmaschine bezeichnet, eingespart werden.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der in den schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Hierbei zeigt:
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1 einen verbrennungsmotorisch-elektrischen Antriebsstrang für eine als Flurförderzeug ausgebildete mobile Arbeitsmaschine mit erfindungsgemäßer Leistungselektronik in einer schematischen Darstellung,
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2 eine schematische Darstellung des verbrennungsmotorisch-elektrischen Antriebsstrang für die als Flurförderzeug ausgebildete mobile Arbeitsmaschine der 1,
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3 schematisch eine Leistungselektronik für eine als Flurförderzeug ausgebildete mobile Arbeitsmaschine mit verbrennungsmotorisch-elektrischen Antrieb nach dem Stand der Technik und
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4 schematisch die erfindungsgemäße Leistungselektronik für die als Flurförderzeug ausgebildete mobile Arbeitsmaschine mit verbrennungsmotorisch-elektrischen Antrieb der 1.
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In der 1 ist ein verbrennungsmotorisch-elektrisch angetriebenes Flurförderzeug 1 in Form eines Gegengewichtsgabelstaplers als Beispiel einer mobilen Arbeitsmaschine in Aufsicht mit den wesentlichen Aggregaten des Antriebs dargestellt, bei dem die erfindungsgemäße Leistungselektronik 10 eingesetzt wird.
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Das Flurförderzeug 1 weist einen Fahrzeugrahmen 2 auf, der im lastzugewandten Bereich mit zwei Antriebsrädern 3 und im lastabgewandten Bereich mit gelenkten Rädern 4 versehen ist. Am vorderen lastzugewandten Bereich des Flurförderzeugs 1 ist ein Hubgerüst 5 angeordnet, an dem ein als Lastgabel ausgebildetes Lastaufnahmemittel 6 auf- und abbewegbar angeordnet ist. Im lastabgewandten Bereich ist das Flurförderzeug 1 mit einem Gegengewicht 7 versehen.
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Das Flurförderzeug 1 ist mit einem verbrennungsmotorisch-elektrischen Antriebssystem versehen, das ein elektrisches Fahrantriebsaggregat umfasst. Das Fahrantriebsaggregat weist eine Energieversorgungseinheit auf, die von einem Verbrennungsmotor 8, z. B. einem Dieselmotor, und einem mit dem Verbrennungsmotor 8 verbundenen und angetriebenen Synchrongenerator 9 gebildet ist.
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Die von dem Synchrongenerator 9 erzeugte elektrische Energie wird über einen Gleichrichter 11 der in einem Gehäuse 12 integrierten Leistungselektronik 10 zugeführt, mittels der mindestens ein in oder an einer Antriebsachse 14 angeordneten elektrischer Fahrantriebsmotor 13, beispielsweise ein Asynchrondrehstrommotor, mit elektrischer Energie versorgt wird.
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Der Fahrantriebsmotor 13 steht unter Zwischenschaltung eines Differentialgetriebes 31 und zweier Untersetzungsgetrieben 30 mit den Antriebsrädern 3 in Verbindung. Anstelle einer derartigen Einmotorachse, bei der ein Fahrantriebsmotor 13 beide Antriebsräder 3 antreibt, kann auch eine Zweimotorachse vorgesehen werden, bei der jeweils ein Fahrantriebsmotor unter Zwischenschaltung eines Untersetzungsgetriebes mit dem entsprechenden Antriebsrad 3 in Verbindung steht.
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Der Verbrennungsmotor 8, der Generator 9 sowie das Gehäuse 12 und die Antriebsachse 14 sind hierbei zusammen mit weiteren nicht mehr dargestellten Komponenten in einem Aggregateraum 33 des Flurförderzeugs 1 angeordnet.
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Der Verbrennungsmotor 8 ist mit einer Flüssigkeitskühlung versehen. Die Flüssigkeitskühlung weist einen beispielsweise im Bereich des Gegengewichts 7 angeordneten Wärmetauscher 15 auf, der mit dem Verbrennungsmotor 8 in Kühlkreisläufen 16 verbunden ist. Der Wärmetauscher 15 wird mit Hilfe eines Kühllüfters 20 von Luft durchströmt, um die von der Kühlflüssigkeit an die Umgebungsluft abgebbare Wärmemenge zu erhöhen.
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Mit der Leistungselektronik 12 ist eine elektrische Energiespeichervorrichtung 17 verbunden.
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2 zeigt schematisch den Aufbau des Antriebssystems des Flurförderzeugs 1 aus der 1. Der Verbrennungsmotor 8 treibt den als Synchrongenerator ausgebildeten Generator 9 an und der von dem Generator 9 erzeugte Drehstrom wird in dem Gleichrichter 11 gleichgerichtet und der in dem Gehäuse 12 angeordneten Leistungselektronik 10 zugeführt. Ein Wechselrichter 18 als erster Umrichter 19 bildet aus der Gleichspannung des als Gleichspannungs-Zwischenkreis ausgebildeten Zwischenkreises 21 dreiphasigen Drehstrom variabler Frequenz, mit dem der Fahrantriebsmotor 13 gespeist wird, der über das Differentialgetriebe 31 die Antriebsräder 3 antreibt. Ein im Gehäuse 12 angeordneter Kondensator 22 dient als Eingangsfilter, der gleichzeitig auch den Eingangsfilter eines Gleichspannungswandlers 23 bildet, der als zweiter Umrichter 24 in das Gehäuse 12 integriert ist und die elektrische Energiespeichervorrichtung 17 anschließt.
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Die 3 zeigt schematisch eine Leistungselektronik für ein Flurförderzeug 1 mit verbrennungsmotorisch-elektrischen Antrieb nach dem Stand der Technik. In einem ersten Gehäuse 25 ist als erster Umrichter 26 ein Wechselrichter 27 angeordnet, der aus einer Zwischenkreisspannung Uzwk die drei Phasen U, V, W für den Fahrantriebsmotor 13 erzeugt. Ein erster Kondensator 28 dient dem Wechselrichter 27 als Eingangsfilter. Der Wechselrichter 27 weist für jede Phase U, V, W des Fahrantriebsmotors 13 je zwei Leistungsschaltelemente 29 auf. Über Kabelverbindungen 34 ist ein Gleichspannungswandler 35 für die elektrische Energiespeichervorrichtung 17 in einem getrennten Gehäuse 36 mit einem Zwischenkreis 37 des Gehäuses 25 und somit dem Zwischenkreis des Fahrumrichters verbunden. Der Gleichspannungswandler 35 weist einen eigenen Kondensator 38 auf, der als Eingangsfilter dient.
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4 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Leistungselektronik 10 für das Flurförderzeug mit verbrennungsmotorisch-elektrischen Antrieb der 1. In dem gemeinsamen Gehäuse 12 ist der Wechselrichter 18 des Fahrumrichters als erster Umrichter 19 integriert, der aus einer Zwischenkreisspannung Uzwk die drei Phasen U, V, W des Fahrantriebsmotors 13 erzeugt und aus je zwei Leistungsschaltelemente 39 für jede Phase U, V, W gebildet ist. In dem gemeinsamen Gehäuse 12 ist erfindungsgemäß der mit dem Gleichspannungszwischenkreis 21 verbundene Gleichspannungswandler 23 als zweiter Umrichter 24 integriert, an den die elektrische Energiespeichervorrichtung 17 angeschlossen werden kann. Das gemeinsame Gehäuse 12 weist hierzu entsprechende elektrische Anschlüsse zum Anschluss der elektrischen Energiespeichervorrichtung 17 auf. Der gemeinsame Kondensator 22 dient dem Wechselrichter 18 als Eingangsfilter und auch dem Gleichspannungswandler 23 als zweiten Umrichter 24 als Eingangsfilter.
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Durch den erfindungsgemäßen Aufbau der Leistungselektronik 10 mit einem gemeinsamen Gehäuse 12, in dem der Umrichter 19 des Fahrantriebs und der Gleichspannungswandler 23 für die elektrische Energiespeichervorrichtung 17 des hybriden Antriebsstrangs angeordnet sind, werden Kosten und Bauraum gespart. Insbesondere durch den gemeinsamen Kondensator 22 kann erheblich Bauraum gespart werden. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Gleichrichter 11 getrennt ausgeführt, jedoch kann auch dieser in das Gehäuse 12 integriert werden. Die Umrichter 19, 24 weisen eine gemeinsame Platine und eine gemeinsame Kühlung ihrer Leistungsschaltelemente 39 auf. Auch die Ansteuerung der Umrichter 19, 24 erfolgt durch einen hier nicht dargestellten gemeinsamen Steuerungsrechner.
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Insgesamt wird somit eine Leistungselektronik 10 für eine hybride mobile Arbeitsmaschine, insbesondere Flurförderzeug, geschaffen, die eine zentrale, kompakte Antriebselektronik mit lediglich einem Gehäuse 12 und gemeinsamer Kühlung für die beiden Umrichter 19, 24 aufweist. Durch den Entfall der Kabelverbindungen 34 wird der Bauaufwand verringert und eine Zuverlässigkeitssteigerung durch eine verringerte Komponentenanzahl und geringer Anzahl von Steckverbindungen erzielt.
