DE102014113677B4

DE102014113677B4 - Flurförderzeug mit einer Strommesseinrichtung

Info

Publication number: DE102014113677B4
Application number: DE102014113677.2A
Authority: DE
Inventors: Christian Fischer; Hans-Georg Brauer; Nils von Thienen; Torsten Hunte
Original assignee: Jungheinrich AG
Current assignee: Jungheinrich AG
Priority date: 2014-09-22
Filing date: 2014-09-22
Publication date: 2019-07-25
Anticipated expiration: 2034-09-23
Also published as: DE102014113677A1

Abstract

Flurförderzeug mit einem elektrischen Energiespeicher (12), einem Stromleiter (10), über den der elektrische Energiespeicher (12) entladen und geladen werden kann, und einer Strommesseinrichtung, die dem Stromleiter (10) zugeordnet und dazu ausgebildet ist, einen Entlade- und Ladestrom in dem Stromleiter (10) kontinuierlich zu messen, dadurch gekennzeichnet, dass
• die Strommesseinrichtung einen digitalen Hall-Sensor (18) aufweist,
• die Strommesseinrichtung einen Mikroprozessor (20) zur Ausführung eines Messprogramms aufweist, der über eine digitale Schnittstelle (22) mit dem digitalen Hall-Sensor (18) verbunden und zum Auslesen von Messdaten über die digitale Schnittstelle (22) ausgebildet ist,
• der Mikroprozessor (20) dazu ausgebildet ist, auf Grundlage der ausgelesenen Messdaten einen Strommessbereich des digitalen Hall-Sensors (18) über die digitale Schnittstelle (22) vorzugeben, und
• der digitale Hall-Sensor (18) mehrere unterschiedliche Strommessbereiche aufweist und der Mikroprozessor (20) dazu ausgebildet ist, ausgehend von einem aktuellen Strommessbereich einen nächstgrößeren Strommessbereich auszuwählen, wenn ein aktueller Strommesswert einen auf einen Maximalwert des aktuellen Strommessbereichs bezogenen, oberen Schwellwert überschreitet und/oder einen nächstkleineren Strommessbereich auszuwählen, wenn ein aktueller Strommesswert einen auf einen Maximalwert des nächstkleineren Strommessbereichs bezogenen, unteren Schwellwert unterschreitet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Flurförderzeug mit einem elektrischen Energiespeicher, einem Stromleiter, über den der elektrische Energiespeicher entladen und geladen werden kann, und einer Strommesseinrichtung, die dem Stromleiter zugeordnet und dazu ausgebildet ist, einen Entlade- und Ladestrom in dem Stromleiter kontinuierlich zu messen.
Derartige Strommesseinrichtungen dienen unter anderem zur fortlaufenden Überwachung des Ladezustands des elektrischen Energiespeichers. Eine genaue Kenntnis dieses Ladezustands ist für viele Anwendungen wichtig, je nach Art des verwendeten Energiespeichersystems insbesondere zur optimalen Steuerung eines Ladevorgangs. Bekannte Strommesseinrichtungen zu diesem Zweck arbeiten mit einem niederohmigen Widerstand in dem Stromleiter, der auf Englisch als „shunt“ bezeichnet wird, und ermitteln anhand des Spannungsabfalls an diesem Widerstand die aktuelle Stromstärke. Nachteilig an dieser Vorgehensweise ist die durch den Spannungsabfall an dem Widerstand entstehende Verlustleistung.
Alternativ weisen bekannte Strommesseinrichtungen einen analogen Hall-Sensor auf und bestimmen die aktuelle Stromstärke anhand eines von dem Stromfluss in dem Stromleiter erzeugten magnetischen Felds. Um eine ausreichende Genauigkeit zu erzielen, erfordert dieser Ansatz in der Regel eine aufwendige externe Beschaltung des Hall-Sensors und eine ebenfalls aufwendige Kalibrierung.
Aus der Druckschrift EP 0 664 273 A1 ist ein Flurförderzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt geworden.
Die Druckschrift US 2014/0015514 A1 beschreibt ein Energieverbrauchs-Managementsystem. Zur Messung einer Stromstärke wird ein Stromwandler eingesetzt, der mit unterschiedlichen Messwiderständen in Reihe geschaltet wird. Der Spannungsabfall an dem betreffenden Messwiderstand wird digitalisiert. Ebenfalls genannt wird die Verwendung eines Hall-Elements.
Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Flurförderzeug zur Verfügung zu stellen, das eine besonders genaue und kompakte Strommesseinrichtung aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Flurförderzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das Flurförderzeug hat einen elektrischen Energiespeicher, einen Stromleiter, über den der elektrische Energiespeicher entladen und geladen werden kann, und eine Strommesseinrichtung, die dem Stromleiter zugeordnet und dazu ausgebildet ist, einen Entlade- und Ladestrom in dem Stromleiter kontinuierlich zu messen, wobei die Strommesseinrichtung einen digitalen Hall-Sensor aufweist.
Der digitale Hall-Sensor ist so angeordnet, dass er ein von dem Stromfluss in dem Stromleiter erzeugtes magnetisches Feld erfasst. Er weist einen Ausgang aus, an dem ein Messwert für die aktuelle Stromstärke in digitaler Form zur Verfügung steht. Anders als ein an analoger Hall-Sensor liefert der digitale Hall-Sensor also nicht lediglich eine von dem Magnetfeld beeinflusste Ausgangsspannung, sondern ein digitales Ausgangssignal. Hierzu kann der digitale Hall-Sensor insbesondere einen A/D-Wandler aufweisen. Auch eine Codierung des Messwerts in ein frequenz- oder pulsweitenmoduliertes Ausgangssignal ist möglich.
Durch die Verwendung eines digitalen Hall-Sensors kann auf eine externe Beschaltung der Strommesseinrichtung bzw. des Sensors weitgehend oder sogar vollständig verzichtet werden. Die Strommesseinrichtung ist daher besonders einfach und kompakt aufgebaut. Zugleich wird eine besonders hohe Messgenauigkeit erreicht.
In einer Ausgestaltung weist die Strommesseinrichtung einen Ferritring auf, der den Stromleiter umgibt. Durch den Ferritring wird das von dem Stromfluss erzeugte magnetische Feld gebündelt, sodass es dem digitalen Hall-Sensor zugeführt werden kann.
In einer Ausgestaltung ist der digitale Hall-Sensor in einem Luftspalt des Ferritrings angeordnet. Dadurch durchdringt das von dem Ferritring gebündelte magnetische Feld den digitalen Hall-Sensor.
In einer Ausgestaltung weist die Strommesseinrichtung eine Leiterplatte auf, auf der der digitale Hall-Sensor und mindestens eine Leiterbahn, die den Stromleiter bildet, angeordnet sind. Die mindestens eine Leiterbahn kann durch einen Ätzvorgang aus einer Kupferschicht der Leiterplatte herausgearbeitet sein. Ebenfalls möglich ist die Verwendung von einem auf die Leiterplatte aufgebrachten Streifenleiter. Die Anordnung des digitalen Hall-Sensors und des Stromleiters auf einer Leiterplatte vereinfacht die Herstellung der Strommesseinrichtung. Außerdem wird eine besonders hohe Messgenauigkeit erzielt, da die für die Messung maßgebliche Anordnung des digitalen Hall-Sensors relativ zu dem Stromleiter exakt vorgegeben ist.
In einer Ausgestaltung ist die mindestens eine Leiterbahn entlang einem Rand der Leiterplatte verlaufend und der digitale Hall-Sensor benachbart zu der mindestens einen Leiterbahn angeordnet, wobei der Ferritring den Rand der Leiterplatte U-förmig umschließt, sodass ein erstes offenes Ende des Ferritrings oberhalb des digitalen Hall-Sensors und ein zweites offenes Ende des Ferritrings an der Leiterplatte unterhalb des digitalen Hall-Sensors angeordnet ist. Der Ferritring kann an der Leiterplatte befestigt sein, insbesondere durch Verkleben oder Vergießen. Auf diese Weise erhält man einen besonders kompakten und einfach zu fertigenden Aufbau der Strommesseinrichtung.
In einer Ausgestaltung weist die Strommesseinrichtung einen Mikroprozessor zur Ausführung eines Messprogramms auf, der über eine digitale Schnittstelle mit dem digitalen Hall-Sensor verbunden und zum Auslesen von Messdaten über die digitale Schnittstelle ausgebildet ist. Auf diese Weise erhält der Mikroprozessor alle für die Strommessung und weitere Auswertung der Messdaten erforderlichen Informationen unmittelbar von dem digitalen Hall-Sensor. Die weitere Auswertung der Messdaten kann insbesondere eine Integration der gemessenen Ströme über die Zeit einschließen und kann unmittelbar von dem Mikroprozessor ausgeführt werden.
In einer Ausgestaltung ist der Mikroprozessor dazu ausgebildet, auf Grundlage der ausgelesenen Messdaten einen Strommessbereich des digitalen Hall-Sensors über die digitale Schnittstelle vorzugeben. Das auf dem Mikroprozessor laufende Messprogramm kann somit stets denjenigen Strommessbereich auswählen, der die genaueste Messung ermöglicht. Eine zusätzliche externe Beschaltung oder Auswerteeinrichtung ist hierfür nicht erforderlich.
In einer Ausgestaltung weist der digitale Hall-Sensor mehrere unterschiedliche Strommessbereiche auf und der Mikroprozessor ist dazu ausgebildet, ausgehend von einem aktuellen Strommessbereich einen nächstgrößeren Strommessbereich auszuwählen, wenn ein aktueller Strommesswert einen auf einen Maximalwert des aktuellen Strommessbereichs bezogenen, oberen Schwellwert überschreitet und/oder einen nächstkleineren Strommessbereich auszuwählen, wenn ein aktueller Strommesswert einen auf einen Maximalwert des nächstkleineren Strommessbereichs bezogenen, unteren Schwellwert unterschreitet. Der obere Schwellwert kann beispielsweise im Bereich von 75% bis 100% des Maximalwerts des aktuellen Strommessbereichs liegen, bevorzugt bei etwa 90% davon. Der untere Schwellwert kann beispielsweise im Bereich von 50% bis 90% des Maximalwerts des nächstkleineren Strommessbereichs liegen, bevorzugt bei etwa 75% davon. Auf diese Weise kann automatisch stets ein besonders günstiger Strommessbereich ausgewählt werden.
In einer Ausgestaltung weist der elektrische Energiespeicher eine Lithium-Ionen-Batterie auf. Die Überwachung des Ladezustands dieses Batterietyps erfordert eine besonders hohe Genauigkeit, sodass die Kombination mit einer erfindungsgemäßen Strommesseinrichtung von besonderem Vorteil ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

1 einen Prinzipschaltplan einer erfindungsgemäßen Strommesseinrichtung in einer schematischen Darstellung,
2 die Anordnung eines digitalen Hall-Sensors und eines Ferritrings an einer Leiterplatte, im oberen Teil in einer Draufsicht und im unteren Teil in einer geschnittenen Darstellung,
3 eine schematische Darstellung zum Umschalten zwischen drei unterschiedlichen Strommessbereichen.

Die schematische Darstellung der 1 zeigt einen Stromleiter 10 eines nicht dargestellten Flurförderzeugs. Ein Ende des Stromleiters 10 ist mit einem Energiespeicher 12, vorzugsweise in Form einer Lithium-Ionen-Batterie, verbunden. Das andere Ende des Stromleiters 10 führt zu den übrigen elektrischen Systemen 14 des Flurförderzeugs. Diese schließen beispielsweise elektrische Verbraucher wie einen Fahrantriebsmotor und/oder ein elektrisches Pumpenaggregat für ein Hydrauliksystem ein. Ebenfalls zu den elektrischen Systemen 14 kann ein internes Batterieladegerät zählen.
Der Stromleiter 10 ist von einem Ferritring 16 umgeben. Der Ferritring 16 ist kreisrund dargestellt, kann jedoch unabhängig von der gezeigten Darstellung eine beliebige Geometrie aufweisen, einschließlich eines Luftspalts oder mehrerer Luftspalte.
In einem Luftspalt des Ferritrings 16 ist ein digitaler Hall-Sensor 18 angeordnet. Der digitale Hall-Sensor 18 ist mit einem Mikroprozessor 20 über eine digitale Schnittstelle 22 (Kommunikation) verbunden. Außerdem erhält der digitale Hall-Sensor 18 von dem Mikroprozessor 20 die für seinen Betrieb erforderliche Spannungsversorgung (V+/GND).
2 zeigt beispielhaft, wie der digitale Hall-Sensor 18, der Stromleiter 10 und der Ferritring 16 in einem konkreten Ausführungsbeispiel angeordnet werden können. Es werden weiterhin die Bezugszeichen aus 1 verwendet. In der geschnittenen Darstellung im unteren Teil der Figur erkennt man eine Leiterplatte 24, die in der Figur rechts einen Rand 26 aufweist. Eine Vielzahl von übereinander angeordneten Leiterbahnen 28 bildet gemeinsam den Stromleiter 10. Sie verlaufen entlang dem Rand 26, was besser in der Draufsicht im oberen Teil der 2 erkennbar ist.
Auf einer Oberseite der Leiterplatte 24, benachbart zu den Leiterbahnen 28 und auf der von dem Rand 26 abgewandten Seite der Leiterbahn 28, ist der digitale Hall-Sensor 18 angeordnet. Er ist über weitere, nicht dargestellte Leiterbahnen auf der Leiterplatte 24 mit dem in der 2 nicht dargestellten Mikroprozessor 20 verbunden.
Der Ferritring 16 ist im Wesentlichen U-förmig und umgreift die Leiterplatte 24 von ihrem Rand 26 aus. Der Ferritring 16 weist zwei parallel angeordnete Schenkel 30 und einen Basisabschnitt 32 auf. Der Basisabschnitt 32 ist senkrecht zur Ebene der Leiterplatte 24 angeordnet. Die Schenkel 30 verlaufen parallel zu der Ebene der Leiterplatte 24. Die beiden Schenkel 30 erstrecken sich vom Rand 26 der Leiterplatte 24 aus über die Leiterbahnen 28 hinweg und enden beide im Bereich des digitalen Hall-Sensors. Genauer befindet sich ein offenes Ende 34, d.h. ein freies Ende eines der beiden Schenkel 30, oberhalb des digitalen Hall-Sensors 18. Das andere offene Ende 36 des Ferritrings 16 befindet sich ebenfalls am freien Ende eines Schenkels 30 und ist unterhalb des digitalen Hall-Sensors 18 an der Leiterplatte 24 angeordnet. Zwischen den beiden offenen Enden 34, 36 des Ferritrings 16 befindet sich ein Luftspalt, in dem der digitale Hall-Sensor 18 angeordnet ist, sowie die ihn tragende Leiterplatte 24.
3 zeigt schematisch, wie mit Hilfe des Mikroprozessors 20 zwischen drei beispielhaft dargestellten Strommessbereichen (Messbereich 1, Messbereich 2, Messbereich 3) des digitalen Hall-Sensors 18 umgeschaltet werden kann. Jeder der drei dargestellten Kästen stellt einen Strommessbereich dar. Ganz oben ist der kleinste Messbereich 1, ganz unten der größte Messbereich 3 dargestellt. Dazwischen befindet sich der mittelgroße Messbereich 2. Die zwischen den Kästen verlaufenden Pfeile bedeuten ein Umschalten zwischen den Messbereichen. Ist der aktuelle Messbereich beispielsweise der Messbereich 2, erfolgt ein Umschalten in den Messbereich 3, wenn ein aktueller Strommesswert größer als 90% des Maximalwerts des Messbereichs 2 ist. In diesem Fall wird in den nächstgrößeren Messbereich, also in den Messbereich 3, umgeschaltet. Ebenfalls ausgehend von Messbereich 2 erfolgt ein Umschalten in den nächstkleineren Messbereich 1, wenn der aktuelle Strommesswert kleiner ist als 75% des Maximalwerts des Messbereichs 1. Ebenfalls dargestellt ist, wann vom Messbereich 1 in den Messbereich 2 und wann vom Messbereich 3 in den Messbereich 2 umgeschaltet wird. Hierfür gelten die genannten Kriterien entsprechend.

Claims

Flurförderzeug mit einem elektrischen Energiespeicher (12), einem Stromleiter (10), über den der elektrische Energiespeicher (12) entladen und geladen werden kann, und einer Strommesseinrichtung, die dem Stromleiter (10) zugeordnet und dazu ausgebildet ist, einen Entlade- und Ladestrom in dem Stromleiter (10) kontinuierlich zu messen, dadurch gekennzeichnet, dass • die Strommesseinrichtung einen digitalen Hall-Sensor (18) aufweist, • die Strommesseinrichtung einen Mikroprozessor (20) zur Ausführung eines Messprogramms aufweist, der über eine digitale Schnittstelle (22) mit dem digitalen Hall-Sensor (18) verbunden und zum Auslesen von Messdaten über die digitale Schnittstelle (22) ausgebildet ist, • der Mikroprozessor (20) dazu ausgebildet ist, auf Grundlage der ausgelesenen Messdaten einen Strommessbereich des digitalen Hall-Sensors (18) über die digitale Schnittstelle (22) vorzugeben, und • der digitale Hall-Sensor (18) mehrere unterschiedliche Strommessbereiche aufweist und der Mikroprozessor (20) dazu ausgebildet ist, ausgehend von einem aktuellen Strommessbereich einen nächstgrößeren Strommessbereich auszuwählen, wenn ein aktueller Strommesswert einen auf einen Maximalwert des aktuellen Strommessbereichs bezogenen, oberen Schwellwert überschreitet und/oder einen nächstkleineren Strommessbereich auszuwählen, wenn ein aktueller Strommesswert einen auf einen Maximalwert des nächstkleineren Strommessbereichs bezogenen, unteren Schwellwert unterschreitet.
Flurförderzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strommesseinrichtung einen Ferritring (16) aufweist, der den Stromleiter (10) umgibt.
Flurförderzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der digitale Hall-Sensor (18) in einem Luftspalt des Ferritrings (16) angeordnet ist.
Flurförderzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strommesseinrichtung eine Leiterplatte (24) aufweist, auf der der digitale Hall-Sensor (18) und mindestens eine Leiterbahn (28), die den Stromleiter (10) bildet, angeordnet sind.
Flurförderzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Leiterbahn (28) entlang einem Rand (26) der Leiterplatte (24) verlaufend und der digitale Hall-Sensor (18) benachbart zu der mindestens einen Leiterbahn (28) angeordnet ist, wobei der Ferritring (16) den Rand (26) der Leiterplatte (24) U-förmig umschließt, sodass ein erstes offenes Ende (34) des Ferritrings (16) oberhalb des digitalen Hall-Sensors (18) und ein zweites offenes Ende (36) des Ferritrings (16) an der Leiterplatte (24) unterhalb des digitalen Hall-Sensors (18) angeordnet ist.
Flurförderzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Energiespeicher (12) eine Lithium-Ionen-Batterie aufweist.