-
Die Erfindung betrifft ein Flurförderzeug, das batterieelektrisch angetrieben wird und eine Traktionsbatterie aufweist, durch die Verbraucher des Flurförderzeugs, insbesondere ein Fahrantriebsmotor und/oder Antriebsmotoren für Arbeitsvorrichtungen mit Spannung versorgt werden.
-
Ein großer Teil der Flurförderzeuge wird als batteriegespeiste-elektrische Flurförderzeuge betrieben, die ihre Antriebsenergie aus einer Traktionsbatterie beziehen. In der Regel sind dies noch Traktionsbatterien in Blei-Säure-Technik bzw. Blei-Geltechnik. Zunehmend werden jedoch auch Traktionsbatterien auf Basis modernerer Batterietechniken, insbesondere von Lithium-Ionentechnik eingesetzt.
-
Ein Kennzeichen dieser Flurförderzeuge ist, dass die hauptsächlichen Stromverbraucher der Fahrantrieb sowie einer oder mehrere Antriebe für hydraulische Pumpen sind, die Hydraulikfluid für eine Arbeitshydraulik liefern. Zu der Arbeitshydraulik gehört typischerweise eine Lastaufnahmevorrichtung, beispielsweise eine Lastgabel, die höhenbeweglich an einem Hubmast geführt ist. Hierfür werden Hydraulikzylinder zum Anheben der Lastaufnahmevorrichtung, im Regelfall zusätzlich Neigezylinder, um den Hubmast insgesamt zu neigen, und gegebenenfalls noch weitere Hilfselemente benötigt, wie beispielsweise ein Seitenschubzylinder zum seitlichen Verschieben der Lastaufnahmevorrichtung. Bei Schubmaststaplern ist noch ein Schubantrieb vorgesehen für den zwischen zwei Radarmen verschiebbar gelagerten Hubmast.
-
Im Betrieb dieser Antriebe kommt es zu stark schwankenden Belastungen der Traktionsbatterie, hervorgerufen durch die großen und dynamischen Änderungen des Batteriestroms. Diese ergeben sich bei Antrieben für die Arbeitshydraulik aus der kurzzeitigen Hubphase oder den kurzen Zeiträumen des Neigens eines Mastes, oder bei Fahrantrieben, wenn beispielsweise beim Be- und Entladen eines Lastkraftwagens schnell aufeinanderfolgend kurze Strecken vorwärts und rückwärts gefahren werden (Reversierbetrieb). Insbesondere beim Einschalten des Antriebs und dem Beschleunigen treten große Laststromspitzen in der Traktionsbatterie auf. Abhängig von der eingesetzten Batterietechnik kommt es dabei zu unterschiedlich starken Spannungseinbrüchen an der Traktionsbatterie.
-
Bei herkömmlichen Bleibatterien besteht eine ausgeprägte Abhängigkeit der Batteriespannung vom Laststrom, von dem Ladezustand der Traktionsbatterie und der Temperatur des Elektrolyts. Eine entscheidende Größe hierfür ist der Innenwiderstand der Traktionsbatterie. Der Innenwiderstand weist einen konstanten Anteil und einen veränderlichen Anteil auf. Der letztere, veränderliche Anteil wird bestimmt durch den alterungsbedingten Zustand der Traktionsbatterie, wie beispielsweise eine Reduzierung der aktiven Pol-Masse oder eine Verschlammung bei einer herkömmlichen Bleibatterie, durch den Elektrolytwiderstand, der vom Ladezustand und der Temperatur abhängt, sowie dem laststromabhängigen Widerstandsanteil. Bei hohen Lastströmen in der Batterie tritt eine Ladungsträgerverarmung in den Batteriezellen auf. Im Ergebnis wird der Innenwiderstand der Batterie durch einen hohen Laststrom noch größer. Die durch den Innenwiderstand hervorgerufenen Verluste bestimmen sich durch das zeitliche Integral über dem Laststrom zum Quadrat multipliziert mit dem Innenwiderstand. Dadurch steigt die Verlustleistung bei hohen Lastströmen überproportional an, verstärkt durch die Steigerung des Innenwiderstands in Abhängigkeit vom Laststrom.
-
Für die zuvor geschilderten schwankenden, kurzzeitigen Belastungen ergeben sich damit überproportional starke Verlustleistungen. Die Laststromspitzen in der Traktionsbatterie bewegen sich in einem Sekundenzeitbereich, beispielsweise da gerade in Beschleunigungsphasen beim Anfahren des Flurförderzeugs oder beim Beginn einer Hubbewegung hohe Laststromschwankungen auftreten. Messungen an Flurförderzeugen haben ergeben, dass die dabei auftretenden erhöhten Verlustleistungen im Einsatz bzw. Betrieb bei ca. 5 % der Nutzleistung liegen können. Weiterhin ergeben sich auch Verlustleistungen durch die Batterieverkabelung, Leistungsschalter, die Sicherung und die Steckverbindungen oder Steckerbolzen aufgrund deren ohmsche Widerstands, wodurch auch hier eine Verlustleistung von R·I2 anfällt.
-
Für die Antriebe, insbesondere jedoch für den Fahrantrieb werden häufig Umrichter eingesetzt, die aus der von der Traktionsbatterie gelieferten Gleichspannung dreiphasige Wechselspannung variabler Frequenz und Spannung erzeugen, um Drehfeldmotoren anzutreiben. Die dabei eingesetzten Umrichter weisen einen Glättungskondensator auf, dessen Kapazität jedoch so ausgelegt ist, dass dieser nur der dynamischen Glättung der Eingangsseite der Umrichter dient und keinen merklichen Einfluss auf Schwankungen des Laststroms nehmen kann.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein batteriebetriebenes Flurförderzeug zur Verfügung zu stellen, das die zuvor genannten Nachteile vermeidet und einen verringerten Energieverbrauch aufweist.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Flurförderzeug mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einem Flurförderzeug, das batterieelektrisch angetrieben wird und eine Traktionsbatterie aufweist, durch die Verbraucher des Flurförderzeugs, insbesondere ein Fahrantriebsmotor und/oder Antriebsmotoren für Arbeitsvorrichtungen mit Spannung versorgt werden, parallel zur Traktionsbatterie ein Kurzzeitenergiespeicher als Glättungseinheit vorgesehen ist, der schnell elektrische Energie aufnehmen und abgeben kann, wobei die Kapazität des Kurzzeitenergiespeichers für die im Betrieb des Flurförderzeugs auftretenden kurzfristigen Schwankungen des Laststroms der Traktionsbatterie ausgelegt ist.
-
Durch den Einsatz dieses zusätzlichen Kurzzeitenergiespeichers im Sinne einer Glättungseinheit wird der für kurzfristige Belastungsspitzen zusätzlich erforderliche Strom zur Verfügung gestellt und die Traktionsbatterie muss diese Belastungsspitze nicht oder verringert bereitstellen. Diese Glättungseinheit bzw. der Kurzzeitenergiespeicher wird dabei so dimensioniert, dass ein Eingangsstrom beispielsweise eines für einen Fahrmotor vorhandenen Umrichters quasi nur einen Gleichanteil aufweist, der direkt aus der Traktionsbatterie geliefert wird und sich möglichst wenig verändert, sowie einen Wechselanteil, der aus dem Kurzzeitenergiespeicher geliefert wird. Durch diese Aufteilung werden die hohen Verlustleistungen aufgrund des bei Erwärmung sowie Alterung der Traktionsbatterie überproportional ansteigenden Innenwiderstands und der quadratischen Abhängigkeit der Verlustleistung von dem Innenwiderstand für diese dynamischen Vorgänge vermieden. Der Kurzzeitenergiespeicher kann dabei beispielsweise aus Kondensatoren, wie etwa modernen Doppelschichtkondensatoren oder ähnlichem bestehen. Andererseits kann der Kurzzeitenergiespeicher auch durch eine Lithiumionenbatterie mit DC/DC-Wandler gebildet werden. Durch den Einsatz des Kurzzeitenergiespeichers bzw. einer Glättungseinheit wird der Wirkungsgrad des Gesamtsystems des Flurförderzeugs verbessert, da die Belastungsspitzen des Laststroms für die Traktionsbatterie vermieden werden, die aufgrund der quadratischen Abhängigkeit und des überproportionalen Ansteigen des Innenwiderstands bei hohen Strömen sehr stark zu Buche schlagen. Die sich ergebende quasi gleichstromartige Belastung der Traktionsbatterie führt aufgrund der verringerten Verlustleistung zu einer Reduzierung der Erwärmung der Traktionsbatterie beim Betrieb. Dadurch können insbesondere große Batterien, die allein durch die Umgebung gekühlt werden, schneller wieder eingesetzt werden und durch einen häufigeren Einsatz können Reservetraktionsbatterien oder Wechselbatterien eingespart werden. Es ergibt sich auch ganz allgemein eine verlängerte Einsatzfähigkeit aufgrund einer geringeren Alterung der Traktionsbatterie. Schließlich ergeben sich auch geringere Verluste in dem Leistungsverkabelungssystem der Traktionsbatterie, deren Sicherungen, Schütze, Batteriestecker oder Anschlussbolzen. Auch diese Bauelemente können entsprechend angepasst dimensioniert ausgeführt werden und es ergibt sich dadurch eine Kosteneinsparung.
-
Die Kapazität des Kurzzeitenergiespeichers kann für Schwankungen des Laststroms im Zeitbereich bis zu mehreren Sekunden, insbesondere für einen Zeitbereich von 1 Sekunde ausgelegt sein.
-
Der Kurzzeitenergiespeicher kann sehr schnell elektrische Energie aufnehmen und wieder abgeben, um die Schwankungen des Laststroms auszugleichen. Dabei ist er nur dafür vorgesehen, während des Betriebs des Flurförderzeugs für diesen Zweck Energie zwischen zu speichern. Es ist daher vorteilhaft, die Kapazität des Kurzzeitenergiespeichers in einem Bereich auszulegen, der den Anfahrströmen der Antriebe und des Fahrantriebs einzelnen oder in Summe entspricht, bis hin zu einer Kapazität, die der Energieaufnahme eines Antriebes bei vollem Durchfahren eines Stellweges entspricht. Letzteres kann beispielsweise das vollständige Durchfahren des Stellweges eines Schubantriebs eines Hubmastes, das vollständige Durchfahren eines Neigeantriebs eines Neigemastes oder aber auch das vollständige Durchfahren der vollen Hubhöhe eines Hubmastes sein. Bevorzugt wird die Kapazität an den Anfahrströmen und einer zeitlichen Dauer im Bereich weniger Sekunden orientiert, um den Kurzzeitenergiespeicher nicht zu groß dimensionieren zu müssen. Die Größe der Kapazität des Kurzzeitenergiespeichers und/oder dessen dynamisches Verhalten können auch an der erforderlichen Dynamik der Energieversorgung des Flurförderzeugs orientiert werden. Aus den Anforderungen der Reaktionsgeschwindigkeit der Antriebe ergeben sich Werte für die Anfahrströme, an denen die Kapazität orientiert werden kann.
-
Vorteilhaft enthält der Kurzzeitenergiespeicher einen Pufferkondensator, der insbesondere aus Doppelschichtkondensatoren aufgebaut ist.
-
Doppelschichtkondensatoren sind auch unter den Handels- oder Allgemeinbezeichnungen Ultrakondensatoren bzw. Gold-Kapazität bekannt. Die einzelnen Doppelschichtkondensatoren können dabei in Reihen- und/oder Parallelschaltung zu einem Pufferkondensator zusammengefasst sein.
-
In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Kurzzeitenergiespeicher einen Gleichspannungswandler auf, mit direkt mit diesem verbundenen Kondensatoren.
-
Damit werden von der Batteriespannung unabhängige Spannungslagen des Energiespeichers möglich. Die räumlich nah an dem Gleichspannungswandler angeordneten Kondensatoren können als schnelle Kondensatoren ausgeführt sein. Diese sind dann unabhängig von der Spannungslage in dem Stromkreis der Traktionsbatterie bzw. eines Zwischenkreises. Vorteilhaft können die Kondensatoren dann etwa als Polymer-Elektrolytkondensatoren ausgeführt werden, die eine kleine Bauform bei gleichzeitig großem zulässigen Rippel aufweisen. Die Gleichspannungswandler können hochdynamische mit 2-Quadrantenbetrieb sein.
-
Vorteilhaft ist der Kurzzeitenergiespeicher eine Lithiumionenbatterie.
-
Es kann die Lithiumionenbatterie über einen Gleichspannungswandler angeschlossen sein.
-
Eine Lithiumionenbatterie kann elektrische Energie hochdynamisch bereitstellen und weist im Vergleich zu Kondensatoren kleine Abmessungen mit einer größeren Energiedichte auf.
-
Der Kurzzeitenergiespeicher ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nahe an großen Verbrauchern, insbesondere einem Umrichter des Fahrantriebsmotors angeordnet.
-
Vorteilhaft ist eine Mehrzahl von Verbrauchern, insbesondere Umrichtern, vorgesehen und wird die Glättungseinheit aufgeteilt diesen Verbrauchern zugeordnet.
-
Die Glättungseinheit kann auch als ein verteiltes Gebilde angesehen werden. Jedem oder einem Teil der Verbraucher, beispielsweise Umrichter, wird ein Teil der Glättungseinheit zugeordnet und beigestellt.
-
Dadurch werden zusätzliche Verluste in der Verkabelung vermieden und diese kann kleiner dimensioniert werden. Die räumliche Nähe an den Verbraucher erhöht auch die Effizienz des Kurzzeitenergiespeichers zusätzlich.
-
Insbesondere bei einem Umrichter als großem Verbraucher ergeben sich weitere Vorteile. Die Kapazitäten des Zwischenkreises des Umrichters können kleiner dimensioniert werden, da durch den Kurzzeitenergiespeicher Teile der Stromspitzen auch in dem Steller bzw. der Umrichterelektronik mit abgepuffert werden. Auch können die Kondensatoren in einem Umrichter in kostengünstiger und robuster Ausführung eingesetzt werden. Beispielsweise können als Zwischenkreiskondensatoren der Umrichter Folienkondensatoren oder Polymer-Elektrolytkondensatoren zum Einsatz kommen, da die Dimensionierung bzw. die Kapazität dieser Umrichter dann auf den rein hochfrequenten Rippelstrom des Umrichters beschränkt werden kann und die sonstigen Funktionen des Zwischenkreiskondensators von dem Kurzzeitenergiespeicher mit übernommen werden können.
-
Allgemein kann auch eine Erhöhung der Lebensdauer von Komponenten erreicht werden, da im Bereich der Leistungsverkabelung durch den Kurzzeitenergiespeicher geringere Wechselstromanteile in der Strombelastung vorhanden sind.
-
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in der schematischen Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierbei zeigt die Figur den Antriebsstrang eines batterieelektrisch durch eine Traktionsbatterie 1 angetriebenen Flurförderzeugs mit einem Fahrantriebsmotor 2 in Form einer Drehfeldmaschine 3, der durch einen Umrichter 4 mit Drehstrom variabler Frequenz und Spannung versorgt wird. Die Traktionsbatterie 1 in Form einer Bleisäurebatterie 5 weist einen Innenwiderstand 6 auf, der von der Temperatur der Traktionsbatterie 1, dem Zustand des Elektrolyts, dem anliegenden Laststrom sowie weiteren Faktoren abhängt. Auch für eine Leistungsverkabelung 7 kann ein ohmscher Widerstand 8 im Sinne eines Ersatzschaltbildes sowie eine Induktivität 9 angenommen werden.
-
Ein Kurzzeitenergiespeicher 10 in Form einer Lithium-Ionenbatterie 11 ist nahe an dem großen Verbraucher des Umrichters 4 des Fahrantriebsmotors 2 angeordnet und parallel zu der Traktionsbatterie 1 geschaltet. Bei kurzzeitigen Belastungsschwankungen, so beispielsweise dem Anfahrstrom des Fahrantriebsmotors 2 über den Umrichter 4, wenn der Fahrantriebsmotor 2 bei Stillstand des Flurförderzeugs angesteuert wird, wird die zusätzliche Stromlast aus dem Kurzzeitenergiespeicher 10 entnommen. Die Kapazität des Kurzzeitenergiespeichers 10 kann darüber hinaus auch so ausgelegt werden, dass beispielsweise für eine typische Beschleunigungsdauer des Flurförderzeugs zusätzliche Energie aus dem Kurzzeitenergiespeicher 10 entnommen werden kann und die Traktionsbatterie 1 nicht in den Bereich übermäßig hoher Lastströme mit entsprechender Verlustleistung gelangt.
