DE102018218863A1

DE102018218863A1 - Verfahren zum Betrieb eines Antriebssystems, Antriebssystem und Arbeitsmaschine

Info

Publication number: DE102018218863A1
Application number: DE102018218863.7A
Authority: DE
Inventors: David Wörzler
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2018-11-06
Filing date: 2018-11-06
Publication date: 2020-05-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Antriebssystems (1) für eine Arbeitsmaschine (20), wobei mindestens ein Elektromotor (2) der Arbeitsmaschine (20) und mindestens ein Hydromotor (3) der Arbeitsmaschine (20) von einer Steuereinheit (4) der Arbeitsmaschine (20) gesteuert werden. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der mindestens eine Elektromotor (2) und der mindestens eine Hydromotor (3) jeweils individuell zur Bereitstellung von Gesamtdrehmomenten nach Maßgabe von Soll-Gesamtdrehmomenten und Soll-Geschwindigkeiten der Arbeitsmaschine (20) gesteuert werden, wobei das Gesamtdrehmoment eine Summe eines Drehmoments des mindestens einen Elektromotors (2) und eines Drehmoments des mindestens einen Hydromotors (3) ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes Antriebssystem (1) und eine entsprechende Arbeitsmaschine (20).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Antriebssystems für eine Arbeitsmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, ein Antriebssystem für eine Arbeitsmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 5 sowie eine entsprechende Arbeitsmaschine.
Im Stand der Technik sind bereits elektrisch angetriebene Arbeitsmaschinen, wie etwa Radlader, Kompaktlader, Teleskoplader, Dumper oder Bagger, bekannt. Derartige Arbeitsmaschinen sind entweder rein elektrisch angetrieben, d.h. sie verfügen für ihre Energieversorgung ausschließlich über eine elektrische Batterie bzw. einen elektrischen Akkumulator. Oder aber sie sind diesel-elektrisch angetrieben, was bedeutet, dass die benötigte Energie von einem dieselgetriebenen Generator sowie ggf. von einem elektrischen Pufferspeicher, wie z.B. einem entsprechend dimensionierten Kondensator, bereitgestellt wird. In beiden Fällen wird die für den Fahrantrieb und den Arbeitsantrieb benötigte mechanische Leistung von einem oder mehreren Elektromotoren erbracht.
In diesem Zusammenhang beschreibt die EP 0 962 597 A2 eine batteriebetriebene Arbeitsmaschine, welche für den Fahrantrieb zwei Elektromotoren aufweist und einen weiteren Elektromotor für den Arbeitsantrieb aufweist. Die zwei Elektromotoren für den Fahrantrieb sind in die Vorderachse integriert, wobei jeder Elektromotor ein Rad antreibt.
Aus der DE 20 2014 000 738 U1 ist ein elektromotorisch angetriebener Radlader bekannt, der einen ersten Elektromotor für einen Fahrantrieb und einen zweiten Elektromotor für einen Arbeitsantrieb aufweist. Der erste Elektromotor wirkt über ein mechanisches Getriebe direkt auf den Fahrantrieb während der zweite Elektromotor eine Hydraulikpumpe antreibt, welche den Arbeitsantrieb mit hydraulischem Druck versorgt.
Die EP 2 493 715 B1 beschreibt einen elektro-hydraulischen Fahrantrieb für ein Kraftfahrzeug, bestehend aus einem Verbrennungsmotor, welcher Öl unter Hochdruck in einen Hochdruckspeicher pumpt, einem Hydraulikantrieb und einem Elektroantrieb. Der Hydraulikantrieb kann Druck aus dem Hochdruckspeicher entnehmen, um damit einen als Radantrieb oder Achsantrieb ausgebildeten Hydraulikmotor anzutreiben. Der Elektroantrieb umfasst einen hydraulisch betreibbaren elektrischen Generator, welcher ebenfalls durch Druck aus dem Hochdruckspeicher antreibbar ist und elektrischen Strom erzeugt. Mittels des elektrischen Stroms können dann ein oder mehrere als Radantrieb oder Achsantrieb ausgebildete Elektromotoren angetrieben werden.
Die bekannten kombinierten, elektrischen und hydraulischen Antriebssysteme für Fahrzeuge sind jedoch dahingehend nachteilbehaftet, als dass die unterschiedlichen Antriebsgattungen, also Elektroantriebe und Hydraulikantriebe, in ihrer Wirkungsweise entweder überhaupt nicht oder zumindest nicht effizient aufeinander abgestimmt sind.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Betrieb eines Antriebssystems für eine Arbeitsmaschine vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren zum Betrieb eines Antriebssystems für eine Arbeitsmaschine gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Antriebssystems für eine Arbeitsmaschine, wobei mindestens ein Elektromotor der Arbeitsmaschine und mindestens ein Hydromotor der Arbeitsmaschine von einer Steuereinheit der Arbeitsmaschine gesteuert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der mindestens eine Elektromotor und der mindestens eine Hydromotor jeweils individuell zur Bereitstellung von Gesamtdrehmomenten nach Maßgabe von Soll-Gesamtdrehmomenten und Soll-Geschwindigkeiten der Arbeitsmaschine gesteuert werden, wobei das Gesamtdrehmoment eine Summe eines Drehmoments des mindestens einen Elektromotors und eines Drehmoments des mindestens einen Hydromotors ist.
Indem der mindestens eine Elektromotor und der mindestens eine Hydromotor jeweils individuell zur Bereitstellung von Gesamtdrehmomenten nach Maßgabe von Soll-Gesamtdrehmomenten und Soll-Geschwindigkeiten der Arbeitsmaschine gesteuert werden, kann das erfindungsgemäße Verfahren den im Stand der Technik vorherrschenden Nachteil überwinden, dass sowohl der mindestens eine Elektromotor als auch der mindestens eine Hydromotor kontinuierlich in ungünstigen Arbeitspunkten betrieben werden. Beispielsweise benötigen Elektromotoren stets einen Strom, um ein Drehmoment erzeugen zu können. Da ein Elektromotor typischerweise bei geringen Drehzahlen oder sogar bei Stillstand jedoch einen vergleichsweise sehr niedrigen Wirkungsgrad hat und gerade bei einer Anfahrt aus dem Stillstand heraus ein vergleichsweise hohes Drehmoment benötigt wird, wird ein Elektromotor in einer solchen Situation mit einem vergleichsweise großen Strom beaufschlagt. Ein großer Strom wiederum führt zu einer unerwünschten Erwärmung des Elektromotors und damit zu einer weiteren Reduzierung des Wirkungsgrads. Dieses Verhalten gilt unabhängig von der spezifischen Ausbildung des Elektromotors als Asynchronmaschine oder permanenterregte Maschine. Hinzu kommt, dass die Leistungselektronik, welche üblicherweise zur Stromversorgung des Elektromotors verwendet wird, bei niedrigen Schaltfrequenzen, also niedrigen Motordrehzahlen, unsymmetrisch belastet wird, was eine Verringerung der Lebensdauer der Halbleiterbauelemente der Leistungselektronik zur Folge hat. Aus diesen Gründen kann ein Elektromotor im Stillstand nur für wenige Sekunden das maximale Drehmoment bereitstellen, bevor die Stromzufuhr reduziert werden muss, um Beschädigungen des Elektromotors und der Leistungselektronik zu verhindern. Umgekehrt weist ein Hydromotor bei geringen Drehzahlen, insbesondere im Stillstand, einen vergleichsweise sehr hohen Wirkungsgrad auf und kann auch über einen langen Zeitraum ein hohes Drehmoment bereitstellen. Der Wirkungsgrad des Hydromotors nimmt allerdings mit zunehmender Drehzahl des Hydromotors ab. Durch dieses gegensätzliche Verhalten des mindestens einen Elektromotors und des mindestens einen Hydromotors sowie durch ihre individuelle Ansteuerung können diese jeweils nur dann genutzt werden, wenn sie mit einem effizienten Wirkungsgrad betreibbar sind.
Die Soll-Gesamtdrehmomente und die Soll-Geschwindigkeiten werden bevorzugt von der Steuereinheit anhand eines Betätigung eines Bedienelements ermittelt. Beid em Bedienelement kann es sich z.B. um eine Gaspedal handeln, über dessen Betätigung eine Fahrer der Arbeitsmaschine ein Soll-Drehmoment und eine Soll-Geschwindigkeit vorgibt.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Antriebssystem für eine Arbeitsmaschine um ein Fahrantriebssystem. Es ist allerdings auch denkbar und alternativ bevorzugt, dass es sich um ein Arbeitsantriebssystem handelt. Auch ein kombiniertes Fahrantriebs- und Arbeitsantriebssystem ist denkbar und bevorzugt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der mindestens eine Elektromotor und der mindestens eine Hydromotor derart angesteuert werden, dass das Drehmoment des mindestens einen Elektromotors mit zunehmenden Soll-Gesamtdrehmomenten und abnehmenden Soll-Geschwindigkeiten reduziert wird und das Drehmoment des mindestens einen Hydromotors erhöht wird. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass das Antriebssystem die bereits beschriebenen spezifischen Stärken und Schwächen des mindestens einen Elektromotors und des mindestens einen Hydromotors berücksichtigt und insgesamt einen gegenüber dem Stand der Technik deutlich energieeffizienteren Betrieb ermöglicht.
Die Auswahl, ob der mindestens eine Elektromotor oder der mindestens eine Hydromotor zum Betrieb des Antriebssystems angesteuert wird bzw. welches Drehmoment der mindestens einen Elektromotor und welches Drehmoment der mindestens eine Hydromotor zum Gesamtdrehmoment beisteuert, kann dabei nach Maßgabe eines Kennfelds oder nach Maßgabe von Kennlinien erfolgen, welche das drehzahlabhängige und drehmomentabhängige Verhalten, insbesondere den Wirkungsgrad, des mindestens einen Elektromotors und des mindestens einen Hydromotors beschreiben. Alternativ bevorzugt kann die Auswahl auch nach Maßgabe einer oder mehrerer physikalischer Formeln erfolgen, welche das drehzahlabhängige und drehmomentabhängige Verhalten abbilden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass bei Unterschreiten eines Schwellwerts des Drehmoments des mindestens einen Elektromotors und Überschreiten eines Schwellwerts der Geschwindigkeit der Arbeitsmaschine der mindestens eine Hydromotor als Pumpe zum Laden eines hydraulischen Druckspeichers betrieben wird. Das bedeutet also, dass in diesem Fall der mindestens eine Elektromotor den mindestens einen Hydromotor antreibt, so dass dieser als Pumpe wirken kann und den Druckspeicher aufladen kann. Bei dem Druckspeicher handelt es sich um ein unter Druck stehendes Hydraulikreservoir, dessen Druck zum Betrieb des mindestens einen Hydromotors verwendet werden kann. Da der mindestens eine Elektromotor bei hohen Drehzahlen, was einer vergleichsweise hohen Geschwindigkeit der Arbeitsmaschine entspricht, und bei niedrigen Drehmomenten einen vergleichsweise hohen Wirkungsgrad aufweist, kann somit dieser energieeffiziente Betriebsbereich des mindestens einen Elektromotors vorteilhaft dazu verwendet werden, den Druckspeicher für den späteren Betrieb des mindestens einen Hydromotors zu laden. Durch Verwendung von Schwellwerten für das vom mindestens einen Elektromotor erzeugte Drehmoment und die Geschwindigkeit der Arbeitsmaschine können vergleichsweise einfach erfassbare Kriterien vorgegeben werden, ob und wann der Druckspeicher geladen werden soll.
Die Geschwindigkeit der Arbeitsmaschine ist dabei analog zu einer Drehzahl des mindestens einen Elektromotors, da beide Größen über eine Getriebeübersetzung der Arbeitsmaschine miteinander in Zusammenhang stehen und sich lediglich durch einen konstanten Faktor unterscheiden.
Der Schwellwert des Drehmoments des mindestens einen Elektromotors und der Schwellwerts der Geschwindigkeit der Arbeitsmaschine können dabei entweder starr vorgegeben sein oder miteinander in Wechselwirkung stehen bzw. zusätzlich oder alternativ auch von dem vom mindestens einen Elektromotor erzeugten Drehmoment und von der Geschwindigkeit der Arbeitsmaschine abhängen. Beispielsweise kann der Schwellwert des Drehmoments reduziert werden, wenn die Geschwindigkeit der Arbeitsmaschine gering ist. Ebenso kann z.B. der Schwellwert der Geschwindigkeit reduziert werden, wenn das Drehmoment gering ist.
Das Drehmoment des mindestens einen Elektromotors kann dabei z.B. über einen Drehmomentsensor erfasst werden, rechnerisch anhand des elektrischen Stroms ermittelt werden oder aber aus einem Kennfeld ausgelesen werden.
Die Erhöhung bzw. Reduzierung der Schwellwerte kann kontinuierlich oder stufenweise erfolgen. Die Bestimmung, wie weit einer der Schwellwerte oder beide Schwellwerte erhöht bzw. reduziert werden, kann dabei z.B. mittels physikalischer, formelmäßiger Zusammenhänge oder mittels eines Kennfelds bzw. Kennlinien erfolgen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der mindestens eine Elektromotor und der mindestens eine Hydromotor nach Maßgabe einer angeforderten Bremsleistung in einem Rekuperationsbetrieb betrieben werden. Daraus ergibt sich zunächst einmal der Vorteil, dass die üblicherweise vorgesehene mechanische Reibungsbremse weniger stark belastet und somit geschont wird. Die Wartungsintervalle und ggf. Austauschintervalle können dadurchverlängert werden, was wiederum die Betriebskosten reduziert. Weiterhin kann die mechanische Reibungsbremse auch insgesamt weniger leistungsstark ausgelegt werden, da mindestens ein Anteil der aufzubringenden vom mindestens einen Elektromotor und dem mindestens einen Hydromotor bereitgestellt werden kann. Dies senkt die Anschaffungskosten der mechanischen Reibungsbremse. Außerdem wird im Rekuperationsbetrieb des mindestens einen Elektromotors und des mindestens eine Hydromotors Energie zurückgewonnen, was schließlich auch die Energieeffizienz des Antriebssystems verbessert.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass der mindestens eine Elektromotor und der mindestens eine Hydromotor auch im Rekuperationsbetrieb individuell angesteuert werden. Da der mindestens eine Elektromotor bei vergleichsweise hohen Drehzahlen und vergleichsweise geringen Drehmomenten einen guten Wirkungsgrad aufweist, wird er bevorzugt dann in den Rekuperationsbetrieb versetzt, wenn die Arbeitsmaschine eine vergleichsweise hohe Geschwindigkeit aufweist, aber nur ein vergleichsweise geringes Bremsmoment abgerufen wird. Umgekehrt wird der mindestens eine Hydromotor bevorzugt dann in den Rekuperationsbetrieb versetzt, wenn die Arbeitsmaschine nur eine vergleichsweise geringe Geschwindigkeit aufweist, aber vergleichsweise großes Bremsmoment abgerufen wird.
Im Rekuperationsbetrieb des mindestens einen Hydromotors wird der mindestens eine Hydromotor bevorzugt als Pumpe betrieben, um den hydraulischen Druckspeicher mit Druck zu laden.
Im Rekuperationsbetrieb des mindestens einen Elektromotors hingegen wird der mindestens eine Elektromotor hingegen bevorzugt als Generator betrieben, um einen elektrischen Energiespeicher mit elektrischem Strom zu laden.
Vorteilhafterweise können der mindestens eine Elektromotor und der mindestens eine Hydromotor nach Maßgabe auch gleichzeitig im Rekuperationsbetrieb betrieben werden. Das angeforderte Bremsmoment kann dann beispielsweise anteilig vom mindestens einen Elektromotor und vom mindestens einen Hydromotor aufgebracht werden. Der Anteil am Gesamtbremsmoment, der vom mindestens einen Elektromotor bzw. vom mindestens einen Hydromotor aufgebracht wird, kann dabei je nach Betriebspunkt, das heißt je nach Geschwindigkeit der Arbeitsmaschine und angeforderten Bremsmoment, variieren, so dass der Rekuperationsbetrieb insgesamt mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad erfolgt.
Vorteilhafterweise kann bei der Auswahl, welcher Anteil vom mindestens einen Elektromotor bzw. vom mindestens einen Hydromotor am insgesamt angeforderten Bremsmoment aufgebracht wird, auch ein Ladezustand des elektrischen Energiereservoirs und des hydraulischen Druckspeichers erfolgen. Sofern z.B. der hydraulische Druckspeicher bereits vollständig gefüllt ist, kann der Anteil des mindestens einen Hydromotors auf ein Minimum reduziert oder vollständig abgestellt werden, um eine erhöhte Rekuperation von elektrischer Energie durch den mindestens einen Elektromotor zu ermöglichen und umgekehrt.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Antriebssystem für eine Arbeitsmaschine, umfassend mindestens einen Elektromotor und mindestens einen Hydromotor sowie eine Steuereinheit. Das erfindungsgemäße Arbeitssystem zeichnet sich dadurch aus, dass die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, den mindestens einen Elektromotor und den mindestens einen Hydromotor jeweils individuell zur Bereitstellung von Gesamtdrehmomenten nach Maßgabe von Soll-Gesamtdrehmomenten und Soll-Geschwindigkeiten der Arbeitsmaschine zu steuern, wobei das Gesamtdrehmoment eine Summe eines Drehmoments des mindestens einen Elektromotors und eines Drehmoments des mindestens einen Hydromotors ist.
Das erfindungsgemäße Antriebssystem umfasst somit alle zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens benötigten Mittel und ist dazu ausgebildet, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Daraus ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteile auch für das erfindungsgemäße Antriebssystem.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Antriebssystem weiterhin ein elektrisches Energiereservoir und einen hydraulischen Druckspeicher umfasst. Somit können sowohl der mindestens eine Elektromotor als auch der mindestens eine Hydromotor im Betrieb des Antriebssystems mit der benötigten elektrischen bzw. hydraulischen Energie versorgt werden. Weiterhin können das elektrische Energiereservoir und der hydraulische Druckspeicher im Rekuperationsbetrieb des Antriebssystems bzw. des mindestens einen Elektromotors und des mindestens einen Hydromotors geladen werden, also die rekuperierte Energie aufnehmen, speichern und zu einem späteren Zeitpunkt für den Betrieb des Antriebssystems wieder zur Verfügung stellen.
Alternativ bevorzugt kann der Druckspeicher auch als pneumatischer oder mechanischer Druckspeicher, z.B. als Federdruckspeicher, ausgebildet sein.
Das elektrische Energiereservoir kann beispielsweise als wiederaufladbare Batterie, als Brennstoffzelle, als sog. Supercaps, oder als Dieselgenerator ausgebildet sein. Auch eine Kombination dieser Ausbildungsformen des elektrischen Energiereservoirs ist denkbar und bevorzugt, z.B. kann ein Dieselgenerator gemeinsam mit einer wiederaufladbaren Batterie vorgesehen sein. Letztere Ausbildungsform begünstigt insbesondere einen kraftstoffeffizienten Betrieb des Dieselgenerators, da dieser konstant in seinem effizientesten Betriebspunkt arbeiten kann. Elektrische Leistungsdifferenzen, die der Dieselgenerator zeitweise zuviel oder zuwenig erzeugt, werden dann durch die Batterie gepuffert. Schließlich ist es auch denkbar, dass elektrische Energiereservoir als Netzanschluss an ein Stromnetz ausgebildet ist. Auch diese Ausbildungsform eignet sich insbesondere in Kombination mit einer wiederaufladbare Batterie.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Antriebssystem weiterhin eine erste und/oder weitere Kupplungen umfasst, wobei der mindestens eine Elektromotor und der mindestens eine Hydromotor über die erste Kupplung trieblich koppelbar sind und/oder dass der mindestens eine Elektromotor und der mindestens eine Hydromotor mittels der weiteren Kupplungen jeweils einzeln von einem Getriebe der Arbeitsmaschine trieblich trennbar sind. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass sowohl der mindestens eine Elektromotor als auch der mindestens eine Hydromotor einerseits bei geöffneter Kupplung unabhängig voneinander betrieben werden können, dass also beispielsweise der mindestens eine Elektromotor für den Antrieb des Antriebssystem genutzt wird, während der mindestens eine Hydromotor in Ruhe ist, und andererseits der mindestens eine Elektromotor den mindestens einen Hydromotor antreiben kann, so dass dieser im Pumpenbetrieb den Druckspeicher lädt oder umgekehrt der mindestens eine Hydromotor den mindestens einen Elektromotor im Generatorbetrieb antreiben kann, so dass dieser das Energiereservoir lädt. Außerdem kann z.B. der mindestens eine Hydromotor bei vergleichsweise hohen Geschwindigkeiten der Arbeitsmaschine wie etwa bei einer Straßenfahrt von einem Getriebe der Arbeitsmaschine trieblich getrennt werden, so dass er kein Schleppmoment erzeugt.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass der mindestens eine Elektromotor und der mindestens eine Hydromotor bei geschlossener erster Kupplung über ein Koppelgetriebe verbunden sind, um eine Drehzahlangleichung des vergleichsweise schnell drehenden mindestens einen Elektromotors an den vergleichsweise langsam drehenden mindestens einen Hydromotor zu ermöglichen.
Alternativ oder zusätzlich ist es bevorzugt, dass das Koppelgetriebe als Summiergetriebe ausgebildet ist. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass sowohl der mindestens eine Elektromotor als auch der mindestens eine Hydromotor gleichzeitig in unterschiedlichen Betriebspunkten arbeiten können, wobei beide insbesondere jeweils in einem energieeffizienten Betriebspunkt arbeiten können. Dies ergibt eine größere Flexibilität beim energieeffizienten Betrieb des Antriebssystems, da somit effiziente Betriebspunkte des mindestens einen Elektromotors und des mindestens eine Hydromotors miteinander verbunden werden können.
Gemäß einer alternativ bevorzugten Ausführungsform können der mindestens eine Elektromotor und der mindestens eine Hydromotor auch permanent miteinander trieblich gekoppelt sein, insbesondere über ein Koppelgetriebe zur Drehzahlangleichung. In diesem Fall ist also keine Kupplung zwischen dem mindestens einen Elektromotor und dem mindestens einen Hydromotor vorgesehen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der mindestens eine Elektromotor und der mindestens eine Hydromotor auf einer gemeinsamen Antriebswelle angeordnet sind. Da also nur eine gemeinsame Antriebswelle vorgesehen ist und nicht zwei oder mehr separate Antriebswellen, ergibt sich ein kompakter und platzsparender Aufbau des erfindungsgemäßen Antriebssystems. Dies reduziert auch die Herstellungs- bzw. Anschaffungskosten entsprechend. Die Antriebswelle kann den mindestens einen Elektromotor und den mindestens einen Hydromotor starr miteinander verbinden oder mittels einer Kupplung. Außerdem kann ein Koppelgetriebe zur Drehzahlangleichung vorgesehen sein.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der mindestens eine Elektromotor und der mindestens eine Hydromotor zusammen mit einem Getriebe der Arbeitsmaschine in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Dies ist eine besonders kompakte und platzsparende Ausführungsform.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der mindestens eine Elektromotor und das Getriebe einen gemeinsamen Ölkreislauf aufweisen. Das Öl des gemeinsamen Ölkreislaufs kann gleichermaßen der Schmierung und der Kühlung des Getriebes bzw. des mindestens einen Elektromotors dienen. Bevorzugt ist der Ölkreislauf in das gemeinsame Gehäuse integriert. Dies führt gegenüber der Bereitstellung von zwei getrennten Ölkreisläufen zu einer nochmaligen Reduzierung des Bauraumbedarf und der Herstellungskosten, da beispielsweise auf eine gemeinsame Förderpumpe, einen gemeinsamen Kühler und einen gemeinsamen Filter zurückgegriffen werden kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Antriebssystem weiterhin eine Arbeitshydraulik umfasst, wobei der Druckspeicher eine hydraulische Verbindung zu der Arbeitshydraulik aufweist. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass der Druck des Druckspeichers zusätzlich für die Arbeitshydraulik der Arbeitsmaschine verwendet werden kann und umgekehrt. Beispielsweise kann der mindestens eine Hydromotor somit von einer hydraulischen Pumpe der Arbeitshydraulik betrieben werden. Durch diese Doppelverwendung der hydraulischen Pumpe der Arbeitshydraulik kann vorteilhaft der mindestens eine Hydromotor auch dann betrieben werden, wenn der Druckspeicher bereits entladen ist. Weiterhin kann auch ein im Druckspeicher gespeicherter Druck zum Betrieb der Arbeitshydraulik verwendet werden, so dass die hydraulische Pumpe der Arbeitshydraulik nicht mit elektrischer Energie versorgt werden muss.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Arbeitsmaschine, umfassend ein erfindungsgemäßes Antriebssystem. Daraus ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Antriebssystem beschriebenen Vorteile auch für die erfindungsgemäße Arbeitsmaschine.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Arbeitsmaschine als Radlader oder als Teleskoplader ausgebildet ist.
Alternativ bevorzugt kann die Arbeitsmaschine auch als Dumper, Bagger oder Traktor ausgebildet sein.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
Es zeigen:

1 beispielhaft und schematisch eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems für eine Arbeitsmaschine,
2 beispielhaft und schematisch eine weitere mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems für eine Arbeitsmaschine,
3 beispielhaft und schematisch eine nochmals weitere mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems für eine Arbeitsmaschine,
4 beispielhaft und schematisch eine nochmals weitere mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems für eine Arbeitsmaschine,
5 beispielhaft und schematisch eine nochmals weitere mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems für eine Arbeitsmaschine und
6 beispielhaft eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines Antriebssystems für eine Arbeitsmaschine.

Gleiche Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbare Komponenten sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Diese Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbaren Komponenten sind hinsichtlich ihrer technischen Merkmale identisch ausgeführt, sofern sich aus der Beschreibung nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt.
1 zeigt beispielhaft und schematisch eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems 1 für eine Arbeitsmaschine 20. Das Antriebssystem 1 der 1 umfasst einen Elektromotor 2, einen Hydromotor 3 sowie eine Steuereinheit 4. Die Steuereinheit 4 ist dazu ausgebildet, den Elektromotor 2 und den Hydromotor 3 jeweils individuell zur Bereitstellung von Gesamtdrehmomenten nach Maßgabe von Soll-Gesamtdrehmomenten und Soll-Geschwindigkeiten der Arbeitsmaschine 20 zu steuern, wobei das Gesamtdrehmoment eine Summe eines Drehmoments des Elektromotors 2 und eines Drehmoments des Hydromotors 3 ist. Die Ansteuerung des Elektromotors 2 erfolgt über eine Leistungselektronik 5. Zur Bestimmung der bereitzustellenden Gesamtdrehmomente erfasst die Steuereinheit 4 beispielsgemäß eine Fahrereingabe, etwa eine Gaspedalstellung, mittels derer der Fahrer ein Gesamtdrehmoment vom Antriebssystem 1 anfordert. Abhängig von der durch die Steuereinheit 4 erfassten Geschwindigkeit der Arbeitsmaschine 20 steuert die Steuereinheit 4 den Elektromotor 2 und den Hydromotor 3 derart an, dass diese jeweils in einem möglichst effizienten Betriebspunkt arbeiten. Das Erfassen der Geschwindigkeit erfolgt beispielsgemäß durch in 1 nicht dargestellte Raddrehzahlsensoren. Die beispielgemäße Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems 1 gemäß der 1 umfasst weiterhin ein elektrisches Energiereservoir 6 in Form einer wiederaufladbaren Batterie 6 sowie einen hydraulischen Druckspeicher 7. Das elektrische Energiereservoir 6 versorgt den Elektromotor 2 mit elektrischer Energie und dient im Rekuperationsmodus des Elektromotors 2 der Aufnahme von elektrischer Energie. Der Druckspeicher 7 hingegen versorgt in analoger Weise den Hydromotor 3 mit hydraulischem Druck und dient im Rekuperationsmodus des Hydromotors 3 der Aufnahme von hydraulischem Druck. Außerdem ist ein hydraulisches Reservoir 8 vorgesehen, das vom Hydromotor 3 kommendes druckfreies Fluid aufnehmen und wieder abgeben kann. Über eine weitere Kupplung 9 ist der Hydromotor 3 mit einem Getriebe 10 der Arbeitsmaschine 20 trieblich verbindbar und wieder lösbar. Der Elektromotor 2 hingegen steht beispielsgemäß permanent mit dem Getriebe 10 in Triebverbindung. Die weitere Kupplung 9 ermöglicht es somit vorteilhaft, den Hydromotor 3 vom Getriebe 10 trieblich zu trennen, wenn die Arbeitsmaschine 20 eine vergleichsweise hohe Geschwindigkeit aufweist, beispielsweise bei einer Straßenfahrt. Dadurch kann das vergleichsweise hohe Schleppmoment des Hydromotors 3 vermieden werden. Wie der 1 weiterhin zu entnehmen ist, umfasst das Antriebssystem 1 gemäß der 1 auch eine Arbeitshydraulik 11. Die Arbeitshydraulik 11 ist beispielsgemäß an das elektrische Energiereservoir 6 angebunden, so dass eine elektrisch angetriebene hydraulische Pumpe der Arbeitshydraulik 11 vom elektrischen Energiereservoir 6 gespeist werden kann.
2 zeigt beispielhaft und schematisch eine weitere mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems 1 für eine Arbeitsmaschine 20. Das Antriebssystem 1 der 2 unterscheidet sich vom Antriebssystem 1 der 1 durch das Vorhandensein einer zusätzlichen hydraulischen Pumpe 12, welche den Druckspeicher 7 im Bedarfsfall mit hydraulischem Druck lädt. Die hydraulische Pumpe 12 ist elektrisch betreibbar und wird vom elektrischen Energiereservoir 6 mit elektrischer Energie gespeist.
3 zeigt beispielhaft und schematisch eine nochmals weitere mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems 1 für eine Arbeitsmaschine 20. Das Antriebssystem 1 der 3 unterscheidet sich vom Antriebssystem 1 der 1 durch das Vorhandensein der ersten Kupplung 13. Somit können der Elektromotor 2 und der Hydromotor 3 trieblich gekoppelt werden. Sofern der Elektromotor 2 bei vergleichsweise geringen Drehzahlen bzw. bei einer vergleichsweise geringen Geschwindigkeit der Arbeitsmaschine 1 und einer vergleichsweise hohen Drehmomentanforderung in einem ineffizienten Arbeitsbereich betrieben wird, kann der Hydromotor 3 über die erste Kupplung 13 zugeschaltet werden. Der Hydromotor 3 weist nämlich im Gegensatz zum Elektromotor 2 bei vergleichsweise geringen Geschwindigkeiten der Arbeitsmaschine 1 und einer vergleichsweise hohen Drehmomentanforderung eine hohe Effizienz auf. Solange der Hydromotor 3 über die erste Kupplung 13 zugeschaltet ist, kann der Elektromotor 2 entweder ganz abgeschaltet werden oder zumindest in einem Arbeitsbereich mit nur vergleichsweise geringer Drehmomenterzeugung betrieben werden.
4 zeigt beispielhaft und schematisch eine nochmals weitere mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems 1 für eine Arbeitsmaschine 20. Das Antriebssystem 1 der 4 unterscheidet sich vom Antriebssystem 1 der 3 dadurch, dass beispielsgemäß die erste Kupplung 13, der Elektromotor 2 und der Hydromotor 3 in ein gemeinsames Gehäuse 14 des Getriebes 10 integriert sind. Weiterhin sind der Hydromotor 3 und der Elektromotor 2 beispielsgemäß auf einer gemeinsamen Antriebswelle angeordnet. Somit ist das Antriebssystem 1 der 4 vergleichsweise kompakt und raumsparend ausgebildet. Außerdem verfügt das beispielsgemäße Antriebssystem 1 der 4 auch über einen gemeinsamen (in 4 nicht dargestellten) Ölkreislauf für das Getriebe 10 und den Elektromotor 2 mit einer gemeinsamen Förderpumpe, einem gemeinsamen Kühler und einem gemeinsamen Filter.
5 zeigt beispielhaft und schematisch eine nochmals weitere mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems 1 für eine Arbeitsmaschine 20. Das Antriebssystem 1 der 5 unterscheidet sich vom Antriebssystem 1 der 3 dadurch, dass beispielsgemäß die Arbeitshydraulik 11 eine hydraulische Verbindung zum Druckspeicher 7 aufweist. Somit kann vorteilhaft der Druck des Druckspeichers 7 auch für den Betrieb der Arbeitshydraulik 11 verwendet werden bzw. umgekehrt kann der Druck der Arbeitshydraulik 11 zum Betrieb des Hydromotors 3 verwendet werden.
6 zeigt beispielhaft eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines Antriebssystems 1 für eine Arbeitsmaschine 20. In einem ersten Verfahrensschritt 30 erfasst die Steuereinheit 4 der Arbeitsmaschine 20 eine aktuelle Geschwindigkeit der Arbeitsmaschine 20 über Raddrehzahlsensoren sowie eine aktuelle Drehmomentanforderung über eine Gaspedalstellung. Die Drehmomentanforderung entspricht dabei dem bereitzustellenden Gesamtdrehmoment, wobei das Gesamtdrehmoment eine Summe eines Drehmoments des mindestens einen Elektromotors 2 und eines Drehmoments des mindestens einen Hydromotors 3 der Arbeitsmaschine 20 ist. In Schritt 31 liest die Steuereinheit 4 aus einem Kennfeld aus, wie das Gesamtdrehmoment bei der aktuellen, erfassten Geschwindigkeit am effizientesten bereitgestellt werden kann. Im folgenden Verfahrensschritt 32 erfolgt eine entsprechende Ansteuerung sowohl des mindestens einen Elektromotors 2 als auch des mindestens einen Hydromotors 3. Da die erfasste Geschwindigkeit beispielsgemäß vergleichsweise hoch ist, während das angeforderte Drehmoment beispielsgemäß vergleichsweise gering ist, erfolgt die Ansteuerung derart, dass das Gesamtdrehmoment zu 95 % vom mindestens einen Elektromotor 2 bereitgestellt wird und zu 5 % vom mindestens einen Hydromotor 3. Allgemein erfolgt die Ansteuerung derart, dass das Drehmoment des mindestens einen Elektromotors 2 mit zunehmenden Soll-Gesamtdrehmomenten und abnehmenden Soll-Geschwindigkeiten reduziert wird und das Drehmoment des mindestens einen Hydromotors 3 entsprechend erhöht wird. Im nun folgenden Verfahrensschritt 33 befährt die Arbeitsmaschine 20 beispielsgemäß eine Straße hangabwärts, so dass das Gesamtdrehmoment reduziert werden kann, wobei gleichzeitig die Geschwindigkeit steigt. In dieser Situation wird nun ein vorgegebener Schwellwert des Drehmoments des mindestens einen Elektromotors 2 unterschritten und gleichzeitig ein vorgegebener Schwellwert der Geschwindigkeit der Arbeitsmaschine 20 überschritten. Dies führt in Schritt 34 dazu, dass der mindestens eine Hydromotor 3 von der Steuereinheit 4 in einen Pumpenbetrieb geschaltet wird und als Pumpe zum Laden des hydraulischen Druckspeichers 7 verwendet wird. In Schritt 35 erhält die Steuereinheit 4 über ein Bremspedal der Arbeitsmaschine 20 eine Bremsanforderung. Deshalb wird in Schritt 35 der mindestens eine Elektromotor 2 in einen Rekuperationsbetrieb zum Erzeugen eines vorgebbaren Bremsmoments geschaltet. Der mindestens eine Hydromotor 3 wird bereits im Pumpenbetrieb betrieben, was dem Rekuperationsbetrieb des mindestens einen Hydromotors 3 entspricht. Im Rekuperationsbetrieb lädt der mindestens eine Elektromotor 2 das elektrische Energiereservoir 6 und der mindestens eine Hydromotor 3 lädt den hydraulischen Druckspeicher 7.
Bezugszeichenliste

1: Antriebssystem
2: Elektromotor
3: Hydromotor
4: Steuereinheit
5: Leistungselektronik
6: elektrisches Energiereservoir
7: Druckspeicher
8: hydraulisches Reservoir
9: weitere Kupplung
10: Getriebe
11: Arbeitshydraulik
12: hydraulische Pumpe
13: erste Kupplung
14: Gehäuse
20: Arbeitsmaschine
30: Erfassen von Geschwindigkeit und Drehmomentanforderung
31: Auslesen aus Kennfeld
32: Ansteuerung des mindestens einen des mindestens einen Elektromotors und des mindestens einen Hydromotors
33: Straßenfahrt
34: Unterschreiten eines Schwellwerts des Drehmoments des mindestens einen Elektromotors und Überschreiten eines Schwellwerts der Geschwindigkeit der Arbeitsmaschine
35: Rekuperationsbetrieb des mindestens einen Elektromotors und des mindestens einen Hydromotors nach Maßgabe einer angeforderten Bremsleistung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0962597 A2 [0003]
DE 202014000738 U1 [0004]
EP 2493715 B1 [0005]

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Antriebssystems (1) für eine Arbeitsmaschine (20), wobei mindestens ein Elektromotor (2) der Arbeitsmaschine (20) und mindestens ein Hydromotor (3) der Arbeitsmaschine (20) von einer Steuereinheit (4) der Arbeitsmaschine (20) gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Elektromotor (2) und der mindestens eine Hydromotor (3) jeweils individuell zur Bereitstellung von Gesamtdrehmomenten nach Maßgabe von Soll-Gesamtdrehmomenten und Soll-Geschwindigkeiten der Arbeitsmaschine (20) gesteuert werden, wobei das Gesamtdrehmoment eine Summe eines Drehmoments des mindestens einen Elektromotors (2) und eines Drehmoments des mindestens einen Hydromotors (3) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Elektromotor (2) und der mindestens eine Hydromotor (3) derart angesteuert werden, dass das Drehmoment des mindestens einen Elektromotors (2) mit zunehmenden Soll-Gesamtdrehmomenten und abnehmenden Soll-Geschwindigkeiten reduziert wird und das Drehmoment des mindestens einen Hydromotors (3) erhöht wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterschreiten eines Schwellwerts des Drehmoments des mindestens einen Elektromotors (2) und Überschreiten eines Schwellwerts der Geschwindigkeit der Arbeitsmaschine (20) der mindestens eine Hydromotor (3) als Pumpe zum Laden eines hydraulischen Druckspeichers (7) betrieben wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Elektromotor (2) und der mindestens eine Hydromotor (3) nach Maßgabe einer angeforderten Bremsleistung in einem Rekuperationsbetrieb betrieben werden.
Antriebssystem (1) für eine Arbeitsmaschine (20), umfassend mindestens einen Elektromotor (2) und mindestens einen Hydromotor (3) sowie eine Steuereinheit (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (4) dazu ausgebildet ist, den mindestens einen Elektromotor (2) und den mindestens einen Hydromotor (3) jeweils individuell zur Bereitstellung von Gesamtdrehmomenten nach Maßgabe von Soll-Gesamtdrehmomenten und Soll-Geschwindigkeiten der Arbeitsmaschine (20) zu steuern, wobei das Gesamtdrehmoment eine Summe eines Drehmoments des mindestens einen Elektromotors (2) und eines Drehmoments des mindestens einen Hydromotors (3) ist.
Antriebssystem (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem (20) weiterhin ein elektrisches Energiereservoir (6) und einen hydraulischen Druckspeicher (7) umfasst.
Antriebssystem (1) nach mindestens einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem (1) weiterhin eine erste und/oder weitere Kupplungen (13, 9) umfasst, wobei der mindestens eine Elektromotor (2) und der mindestens eine Hydromotor (3) über die erste Kupplung (13) trieblich koppelbar sind und/oder dass der mindestens eine Elektromotor (2) und der mindestens eine Hydromotor (3) mittels der weiteren Kupplungen (9) jeweils einzeln von einem Getriebe (10) der Arbeitsmaschine (20) trieblich trennbar sind.
Antriebssystem (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Elektromotor (2) und der mindestens eine Hydromotor (3) auf einer gemeinsamen Antriebswelle angeordnet sind.
Antriebssystem (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Elektromotor (2) und der mindestens eine Hydromotor (3) zusammen mit einem Getriebe (10) der Arbeitsmaschine (20) in einem gemeinsamen Gehäuse (14) angeordnet sind.
Antriebssystem (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Elektromotor (2) und das Getriebe (10) einen gemeinsamen Ölkreislauf aufweisen.
Antriebssystem (1) nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem (1) weiterhin eine Arbeitshydraulik (11) umfasst, wobei der Druckspeicher (7) eine hydraulische Verbindung zu der Arbeitshydraulik (11) aufweist.
Arbeitsmaschine (20), umfassend ein Antriebssystem (1) nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 11.
Arbeitsmaschine (20) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsmaschine (20) als Radlader oder als Teleskoplader ausgebildet ist.