DE102014104840B4

DE102014104840B4 - Steuerschaltung für einen von einer Batterie betriebenen Elektromotor

Info

Publication number: DE102014104840B4
Application number: DE102014104840.7A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Claussen; Arne Mahler
Original assignee: Jungheinrich AG
Current assignee: Jungheinrich AG
Priority date: 2014-04-04
Filing date: 2014-04-04
Publication date: 2021-12-23
Anticipated expiration: 2034-04-05
Also published as: DE102014104840A1

Abstract

Steuerschaltung für einen von einer Batterie (12) betriebenen Elektromotor (10), mit einer Leistungsendstufe (18) für den Elektromotor (10), mit einem Hauptschütz (16), welches im Strompfad zwischen der Batterie (12) und der Leistungsendstufe (18) angeordnet ist, mit einer Überspannungserkennungseinheit (26), wobei das Hauptschütz (16) von der Überspannungserkennungseinheit (26) ist, mit einer Endstufensteuerschaltung (22), wobei die Leistungsendstufe (18) von der Endstufensteuerschaltung (22) angesteuert ist und mit einem Bremswiderstand, der zwischen dem Hauptschütz (16) und Leistungsendstufe (18) über einen steuerbaren Schalter (42) mit dem Strompfad wirkungsmäßig verbunden ist, wobei der steuerbare Schalter (42) mit der Überspannungserkennungseinheit (26) verbunden ist und wobei die Endstufensteuerschaltung (22) und die Überspannungserkennungseinheit (26) auf mindestens einer Leiterplatte angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Bremswiderstand als Widerstandsleiterbahn (40) auf der Leiterplatte angeordnet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuerschaltung für einen von einer Batterie betriebenen Elektromotor nach Patentanspruch 1.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Elektromotoren im Einsatz für batteriebetriebene Flurförderzeuge. Bei einer Antriebssteuerung beispielsweise fließt der Strom im motorischen Betrieb des Fahrmotors vom Akkumulator, zumeist eine Bleisäurebatterie, über einen Notausschalter und ein Hauptschütz zu einer Leistungsendstufe und von dort zum Fahrmotor. Hauptschütz und Notausschalter erlauben im Fehlerfall das Leistungsteil und den Fahrmotor abzuschalten. Mit dem Strompfad verbundene Kondensatoren glätten die Leistungsteilspannung im Pulsbetrieb der Leistungsendstufe.
Im generatorischen Betrieb (Rekuperation) fließt der Strom vom Fahrmotor über die Leistungsendstufe, das Hauptschütz und den Notausschalter zum Akkumulator. Dabei wird das Fahrzeug abgebremst.
Es ist möglich, eine Ansteuerung des Elektromotors im generatorischen Betrieb durch Unterbrechung des Stromkreises zur Batterie zu unterbrechen. Der Bediener kann hierfür den Notausschalter oder einen Schlüsselschalter betätigen. Von einem Prozessor, der die Leistungsendstufe steuert, kann ebenfalls ein Öffnen des Hauptschützes initiiert werden, wenn der Prozessor einen Fehler erkennt. In beiden beschriebenen Fällen kann die Energie des Fahrmotors im generatorischen Betrieb nicht in die Batterie fließen, sondern lädt die Kondensatoren auf. Falls es zu einer Überspannung kommt, welche durch eine Überspannungserkennungseinheit festgestellt werden kann, wird über eine Logikverknüpfung die Leistungsendstufe direkt ausgeschaltet. Ferner wird die Ansteuerung der Endstufe deaktiviert. Die entstandene Überspannung wird noch erhöht durch die in der Motorwicklung enthaltene Energie und kann dadurch Bauteile der Steuerung gefährden.
Im generatorischen Betrieb kann es ferner zu einer Überspannung kommen, wenn der Akkumulator aufgrund seiner Kapazität die generatorische Energie nicht vollständig aufnehmen kann. In diesem Fall schaltet die Überspannungserkennungseinheit das Hauptschütz und die Leistungsendstufe aus. Auch hierbei wird die entstehende Überspannung durch die in der Motorwicklung enthaltene Energie erhöht.
Weitere Ursachen für eine Überspannung im generatorischen Betrieb sind wie folgt:

- die Batterie ist nahezu vollständig aufgeladen,
- die Batterie ist überaltert,
- die Batterie ist defekt.

Es gibt im Stand der Technik verschiedene Möglichkeiten, Überspannungen zu begrenzen. Es ist bekannt, im Falle einer Überspannung einen externen Bremswiderstand zwischen Leistungsteilspannung und Masse zu schalten. Der Aufwand für den externen Bremswiderstand und seine Ansteuerung ist erheblich.
Eine andere bekannte Möglichkeit ist, einen weiteren Motor hinzuzuschalten. Tritt die Überspannung bei einem Fahrmotor auf, kann zum Beispiel ein Hebenmotor zugeschaltet werden. Allerdings ist dieser nicht immer vorhanden und die Steuerung ist nicht schnell einschaltbar (Schützschaltzeit). Außerdem kann die Induktivität des weiteren Motors das Begrenzen der Überspannung erschweren. Bei Verwendung eines Hebenmotors kann es zu einer ungewollten Hubbewegung kommen.
Die Überspannung kann schließlich durch den Einsatz eines Akkumulators mit größerer Kapazität oder durch Vergrößerung der Kapazitätswerte an der Leistungsteilspannung reduziert werden, was jedoch den Aufwand und den Raumbedarf stark erhöht.
Die DE 10 2008 040 625 A1 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Stromregelung in einem Bordnetz eines Fahrzeugs mit einem ansteuerbaren Bremswiderstand, einem Energiespeicher und einer elektronischen Steuereinheit.
Die DE 201 01 106 U1 zeigt ein Schutzelement in einem elektrischen Schaltkreis zur Ableitung von überschüssiger elektrischer Energie mit einem zuschaltbaren Bremswiderstand.
Die DE 44 41 279 C1 zeigt eine Vorrichtung zur Strombegrenzung mit einer mäanderförmigen Widerstandsbahn.
Die DE 103 30 284 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Begrenzung einer Überspannung im Zwischenkreis eines Traktionsrichters mit abschaltbaren Halbleiterschaltern, einem Doppelschichtkondensator und einem zuschaltbaren Widerstand zur Aufnahme von Bremsleistung.
Die DE 198 33 551 A1 zeigt eine Stromversorgungseinrichtung für eine Last mit Halbleiterschalteinheiten, denen jeweils ein Bremswiderstand und eine Kurzschlußeinheit nachgeschaltet sind.
Die US 2006 / 0 256 493 A1 zeigt einen Widerstand zur Steuerung der Drehzahl eines Lüftermotors mit einer gedruckten Widerstandsplatte.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuerschaltung für einen von einer Batterie betriebenen Elektromotor zu schaffen, mit der auf schaltungstechnische einfache Weise die Energie im Falle einer Überspannung im generatorischen Betrieb des Motors abgebaut werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bei der Erfindung ist der Bremswiderstand als Widerstandsleiterbahn auf der Leiterplatte angeordnet. Üblicherweise werden die Leistungs- und Steuerbauteile für elektrische Motoren elektronisch ausgebildet und auf einer Leiterplatte angeordnet, etwa die elektrischen Bauelemente für die Leistungsendstufe und der Prozessor für die Endstufenansteuerung sowie die Überspannungsüberwachung. Erfindungsgemäß ist auf der Leiterplatte eine Widerstandsleiterbahn, etwa in Form eines Kupferbahnzuges ausgeführt, die im Überspannungsfall über einen zusätzlichen Schalter eingeschaltet wird. Die Leiterbahn wandelt die Überspannungsenergie in Wärme um.
Der steuerbare Schalter für die Widerstandsleiterbahn wird von einer Ansteuerschaltung betätigt. Sowohl der steuerbare elektronische Schalter als auch die Ansteuerschaltung sind nach einer Ausgestaltung der Erfindung ebenfalls auf der Leiterplatte angeordnet.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist der steuerbare Schalter von einem MOSFET gebildet. MOSFETs sind vergleichsweise Überstrom fest und mit geringem Aufwand einsetzbar.
Die Widerstandsleiterbahn ist vorzugsweise mäanderförmig auf der Leiterplatte aufgebracht. Sie wird nach einer Ausgestaltung der Erfindung an den Ecken vorzugsweise gerundet ausgeführt, um lokale Überhitzungen zu vermeiden.
Es versteht sich, dass die Widerstandsleiterbahn in der Lage sein muss, die in Wärme umzuwandelnde Energie kurzfristig aufzunehmen, ohne dass die Leiterplatte beschädigt wird. Dabei kann die sogenannte Glastemperatur der Leiterplatte überschritten werden, wenn das Ereignis selten auftritt. Bekanntlich wird die Glastemperatur auch beim Löten der Leiterplatte überschritten.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Ansteuerschaltung für den steuerbaren Schalter ein Zeitglied auf, dass die Einschaltzeit des Schalters zeitlich begrenzt.
Die Ansteuerung des Bremswiderstands kann von einer Überspannungserkennungseinheit aktiviert werden oder auch vom Prozessor für die Leistungssteuerung. Die Überspannungserkennung kann in Form einer Hardwareschaltung mit einem Komparator ausgeführt werden, der die Leistungsteilspannung mit einem festen Grenzwert vergleicht und beim Überschreiten des Grenzwertes den Bremswiderstand einschaltet.
Die erfindungsgemäße Steuerschaltung ist insbesondere vorteilhafterweise anwendbar auf Fahrmotoren, Hebenmotoren, Lenkmotoren oder Zentralsteuergeräte von batteriebetriebenen Flurförderzeugen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.

1 zeigt ein Schaltbild einer Steuerschaltung nach der Erfindung.
2 zeigt die Ausführung einer Widerstandsbahn der Schaltungsanordnung nach 1.

Ein Elektromotor 10, beispielsweise ein Fahrmotor für ein Flurförderzeug, wird von einer Batterie 12 gespeist. Im Strompfad sind ein Notausschalter 14, ein Hauptschütz 16 und eine Leistungsendstufe 18 angeordnet. Zwischen den Schaltkontakten 16 des Hauptschütz und der Leistungsendstufe sind Kondensatoren 20 geschaltet. Die Leistungsendstufe 18 wird von einer Endstufenansteuerung 22 angesteuert (Prozessor). Sie wirkt auf eine logische Verknüpfungsschaltung 24 wie auch eine Überspannungserkennungseinheit 26. Bei Überspannung im beschriebenen Stromkreis deaktiviert die Überspannungserkennungseinheit die Ansteuerschaltung 22 und die Leistungsendstufe über die Verknüpfungsschaltung 24. Außerdem wird über eine Hauptschützansteuerung 28 das Hauptschütz 16 deaktiviert. Bei 30 ist ein Schlüsselschalter dargestellt. Pfeil 32 deutet den Energiefluss im motorischen und Pfeil 34 den Energiefluss im generatorischen Betrieb des Motors 10 an. 36 ist eine Sicherung. Die bis dahin beschriebene Schaltung entspricht dem Stand der Technik.
Die beschriebenen Baueinheiten 18, 24, 22 und 26 sind auf einer nicht weiter dargestellten Leiterplatte in elektronischer Form ausgeführt. Erfindungsgemäß ist auf dieser Leiterplatte auch eine Leiterbahn 40 angeordnet, die zwischen den Kondensatoren 20 und der Leistungsendstufe 18 an dem Strompfad angeschlossen ist. Sie wird durch einen steuerbaren Schalter 42 aktiviert, der von einer nicht weiter dargestellten Ansteuerschaltung betätigt wird. Diese Ansteuerschaltung wird aktiviert, wenn von der Überspannungserkennungseinheit 26 eine Überspannung festgestellt wird. In diesem Fall wird im generatorischen Betrieb des Fahrmotors 10 Strom in die Leiterbahn 40 eingeleitet und Energie in Wärme umgewandelt. Die nicht gezeigte Ansteuerschaltung für den elektronischen Schalter 42, der ein MOSFET sein kann, kann ein Zeitglied enthalten, um die Einschaltung der Widerstandsbahn 40 zeitlich zu begrenzen.
In 2 ist die Widerstandsleiterbahn, zum Beispiel aus Kupfer, dargestellt. Sie ist mäanderförmig. Vorzugsweise erfolgt an den Ecken eine Rundung, um lokale Überhitzungen zu vermeiden.
Bezugszeichenliste

10: Elektromotor
12: Batterie
14: Notausschalter
16: Hauptschütz
18: Leistungsendstufe
20: Kondensatoren
22: Endstufensteuerung
24: Überprüfungsschaltung
26: Überspannungserkennungseinheit
28: Hauptschützsteuerung
30: Schlüsselschalter
32: Energiefluss motorisch
34: Energiefluss generatorisch
36: Sicherung
40: Leiterbahn / Widerstandsbahn
42: steuerbarer Schalter

Claims

Steuerschaltung für einen von einer Batterie (12) betriebenen Elektromotor (10), mit einer Leistungsendstufe (18) für den Elektromotor (10), mit einem Hauptschütz (16), welches im Strompfad zwischen der Batterie (12) und der Leistungsendstufe (18) angeordnet ist, mit einer Überspannungserkennungseinheit (26), wobei das Hauptschütz (16) von der Überspannungserkennungseinheit (26) ist, mit einer Endstufensteuerschaltung (22), wobei die Leistungsendstufe (18) von der Endstufensteuerschaltung (22) angesteuert ist und mit einem Bremswiderstand, der zwischen dem Hauptschütz (16) und Leistungsendstufe (18) über einen steuerbaren Schalter (42) mit dem Strompfad wirkungsmäßig verbunden ist, wobei der steuerbare Schalter (42) mit der Überspannungserkennungseinheit (26) verbunden ist und wobei die Endstufensteuerschaltung (22) und die Überspannungserkennungseinheit (26) auf mindestens einer Leiterplatte angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Bremswiderstand als Widerstandsleiterbahn (40) auf der Leiterplatte angeordnet ist.
Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der steuerbare Schalter (42) und eine Ansteuerschaltung für den steuerbaren Schalter (42) ebenfalls auf der Leiterplatte angeordnet sind.
Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsleiterbahn (40) mäanderförmig und an den Ecken gerundet ist.
Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der steuerbare Schalter (42) von einem MOSFET gebildet ist.
Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerschaltung für den steuerbaren Schalter (42) ein Zeitglied aufweist, das die Einschaltzeit des Schalters (42) zeitlich begrenzt.
Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren Leiterplattenlagen die Widerstandsleiterbahn (40) auf mehreren Leiterplatten ausgebildet ist.
Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Überspannungserkennungseinheit (26) einen Komparator aufweist, der eine Leistungsteilspannung mit einem Grenzwert vergleicht und bei Überschreiten des Grenzwerts die Ansteuerschaltung für den steuerbaren Schalter (42) ansteuert.
Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerschaltung für den steuerbaren Schalter (42) von der Endstufensteuerschaltung (22) (Prozessor), gebildet ist.
Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch die Anwendung auf einen Fahrmotor (10) und/oder Hebemotor und/oder Lenkmotor und/oder Zentralsteuergerät eines batteriebetriebenen Flurförderzeugs.