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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug zum Betreiben von Elektrowerkzeug. Das Fahrzeug umfasst ein elektrisches Bordnetz bei einer Nennspannungslage, welche im Bereich von 36 Volt bis 60 Volt, insbesondere bei 48 Volt liegt, eine elektrische Maschine, die generatorisch betreibbar ist und in das elektrische Bordnetz integriert ist, sowie eine Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, die elektrische Maschine zu steuern und/oder zu regeln.
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Aus dem Stand der Technik ist ein Fahrzeug bekannt, das als umweltfreundlicher Energiewagen bezeichnet wird und als Energiequelle für Kraftfahrzeuge mit Elektroantrieb und elektrisch angetriebene Maschinen, Geräte und Elektrowerkzeuge zur Umweltentlastung insbesondere in Umweltzonen zur Verringerung der Feinstaubbelastung verwendet wird (siehe Dokument
DE 10 200910037367 A1 ). Innerhalb der Umweltzone können elektrisch angetriebene Maschinen oder Elektrowerkzeuge an den Energiewagen angeschlossen werden.
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Außerdem gibt es auf dem Markt, besonders für den Baustelleneinsatz, bei dem kein oder kaum ein ausreichender Stromanschluss existiert, verbrennungsmotorisch betriebene Elektrogeräte, insbesondere Schweißgeräte. Bei solchen treibt ein Verbrennungsmotor einen Generator zur Stromerzeugung an. Meist wird ein Dieselmotor mit einem Gleichstromgenerator verwendet, der sich durch eine fallende Kennlinie zum Elektrodenhandschweißen eignet. Für komplexere Schweißaufgaben sind auch Stromerzeuger verfügbar, die neben der üblichen Netzspannung von 230 Volt bzw. 400 V auch noch Anschlüsse mit niedrigerer Spannung und regelbarem Strom zum Schweißen besitzen.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein alternatives Fahrzeug zum Betreiben von Elektrowerkzeug zu beschreiben, wobei das ein elektrisches Bordnetz bei einer Nennspannungslage, welche im Bereich von 36 Volt bis 60 Volt, insbesondere bei 48 Volt, liegt, eine elektrische Maschine, die generatorisch betreibbar ist und in das elektrische Bordnetz integriert ist, sowie eine Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, die elektrische Maschine zu steuern und/oder zu regeln, umfasst.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Fahrzeug gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß weist das elektrische Bordnetz des Fahrzeugs eine erste Schnittstelle und eine zweite Schnittstelle auf, wobei an die erste Schnittstelle eine erste Schweißelektrode anschließbar ist, an die zweite Schnittstelle eine zweite Schweißelektrode anschließbar ist, zwischen der ersten und der zweiten Schnittstelle elektrische Leistung abgreifbar ist, die von der elektrischen Maschine bei generatorischem Betrieb speisbar ist, und die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die elektrische Maschine derart zu betreiben, dass über die erste und die zweite Schnittstelle an den Schweißelektroden ein Schweißstrom bereitstellbar ist.
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Dies bedeutet, dass das Fahrzeug eingerichtet ist, die Schweißelektroden, die an das Fahrzeug anschließbar sind, als Elektrowerkzeug zu betreiben. Mittels des Fahrzeugs kann in Kombination mit den Schweißelektroden geschweißt werden. Das Fahrzeug fungiert also als Schweißgerät, an das Schweißelektroden zum Schweißen anschließbar sind.
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Etwa auf Baustellen ist dies besonders vorteilhaft, da dann kein separates Schweißgerät für Schweißtätigkeiten mitgeführt werden muss. Für das mobile Schweißen werden heute meist Inverterschweißgeräte mitgeführt, da diese leichter und kompakter als herkömmliche Schweißgeräte sind. Das Mitführen eines solchen Geräts kann bei Nutzung des erfindungsgemäßen Fahrzeugs entfallen.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung sind die erste bzw. die zweite Schweißelektrode an der ersten bzw. der zweiten Schnittstellen angeschlossen. Mit anderen Worten ist das Fahrzeug in dieser Ausführungsform eine vollständige, mobile Schweißstation.
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Nach dieser Ausführungsform brauchen weder das Schweißgerät noch Schweißelektroden mitgeführt werden. In das Fahrzeug sind alle für das Schweißen nötigen Komponenten integriert.
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Weiterhin umfasst das Fahrzeug einen Verbrennungsmotor und ein Getriebe, durch den die elektrische Maschine generatorisch betreibbar ist. Dabei beträgt die Generatorleistung etwa 12 kW (bei 250 Ampere und 48 Volt) bei Maschinen, die im Riemen vom Verbrennungsmotor betrieben werden (riemengebundener Startergenerator). Bei Maschinen, die als getriebeintegrierte Startergeneratoren betrieben werden, liegt die Leistung mit etwa 22 kW (bei 450 Ampere und 48 Volt) höher. Es besteht auch die Möglichkeit, dass die elektrische Maschine mit oder ohne Übersetzung direkt an das Getriebe angebunden ist. Die genannten Generatorleistungen liegen in Leistungsklassen, die für das Schweißen, etwa für Schweißaufgaben auf Baustellen, ideal geeignet sind. Entsprechendes gilt für die genannten Spannungen und Ströme.
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Nach einer Variante der Erfindung ist die erste Schnittstelle elektrisch an einem Ausgang der elektrischen Maschine befindlich, wobei die zweite Schnittstelle elektrisch auf der elektrischen Masse des Fahrzeugs liegt, so dass als Schweißstrom ein Gleichstrom bereitstellbar ist.
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Elektrische Maschinen in Fahrzeugen stellen ausgangsseitig typischerweise Gleichstrom bereit. Zwischen dem Ausgang der elektrischen Maschine und der Masse des Fahrzeugs sind also Gleichspannung und Gleichstrom zum Gleichstromschweißen abgreifbar. Mit der Beschreibung, dass sich die Schnittstelle „elektrisch am Ausgang der elektrischen Maschine“ befindet, ist in dieser Schrift gemeint, dass die Schnittstelle auf einem elektrischen Ausgangspotential der elektrischen Maschine befindet; nicht notwendigerweise ist damit ein physischer Ausgang gemeint.
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Gleichstromschweißen ist im Handwerkerbereich und auf Baustellen die am meisten genutzte Schweißtechnik. Üblicherweise werden hierfür Inverterschweißgeräte eingesetzt, die bis zu 250 Ampere Gleichstrom zum Schweißen bereitstellen können. Diese benötigen zusätzlich eine externe Versorgung mit elektrischer Leistung, in der Regel in Form von Wechselspannung bei einer Nennspannung von 230 Volt. Zum Betreiben von Inverterschweißgeräten werden deshalb regelmäßig mobile Generatoren wie Dieselaggregate auf Baustellen mitgeführt.
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Bei einer über den Verbrennungsmotor des Fahrzeugs generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine, besteht mit der Erfindung der Vorteil, dass dieses Aggregat in Form des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs ohnehin mit dem Fahrzeug mitgeführt wird. Das Fahrzeug nach dieser Ausführungsform stellt also die Funktionen sowohl des Inverterschweißgeräts in der üblichen Leistungsklasse als auch des Dieselaggregats integriert zur Verfügung. Für Handwerker und Bauunternehmen bedeutet dies einen enormen Kostenvorteil, da das Fahrzeug funktionsbedingt das Aggregat und das Schweißgerät automatisch umfasst. Die kostenrelevanten Anpassungen am Fahrzeug für das Schweißen, nämlich die erste und zweite Schnittstelle sowie die Befähigung der Steuereinheit für den Schweißbetrieb, sind gegen ein zusätzlich zu beschaffendes Aggregat sowie zusätzlich zu beschaffendes Schweißaggregat gering.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das elektrische Bordnetz einen elektrischen Energiespeicher umfasst, die erste Schnittstelle schaltungstechnisch zwischen einem Ausgang der elektrischen Maschine und dem elektrischen Energiespeicher befindlich ist, und die zweite Schnittstelle elektrisch auf der elektrischen Masse des Fahrzeugs liegt, so dass als Schweißstrom ein Gleichstrom bereitstellbar ist, der von dem elektrischen Energiespeicher stützbar ist.
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Ein solcher elektrischer Energiespeicher kann eine Bordnetzbatterie mit einer Nennspannung zwischen 36 Volt und 60 Volt sein. Bei dieser Bordnetzkonfiguration kann das Gleichstromschweißen batteriegestützt durchgeführt werden. Dies bedeutet, dass die Bordnetzbatterie die Spannung im elektrischen Bordnetz beim Schweißen stützt. Die zum Schweißen erforderliche elektrische Energie kann dabei auch teils aus der Batterie entnommen werden. Das Bordnetz verfügt in dieser Ausführung beim Schweißen also über höhere Stromreserven bei gleicher Spannung. Dies geht zu Lasten einer langsameren Nachführbarkeit der Schweißspannung, die beim nicht batteriegestützen Schweißen dynamischer nachführbar ist. Der Begriff schaltungstechnisch bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der physische Kontakt im Bordnetz zwischen der elektrischen Maschine und dem elektrischen Energiespeicher liegt. Bei alternativen Ausführungsformen ist der physische Kontakt an anderen Stellen im Bordnetz befindlich, wie etwa zwischen der elektrischen Maschine und einem Stromverteiler.
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Nach einer alternativen Ausführung der Erfindung wird als eine Komponente der elektrischen Maschine deren Umrichtersystem genutzt, wobei die erste Schnittstelle elektrisch am Umrichtersystem befindlich ist und die zweite Schnittstelle elektrisch auf der elektrischen Masse des Fahrzeugs liegt, so dass als Schweißstrom ein Wechselstrom bereitstellbar ist.
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Auf diese Weise kann ein Wechselstromschweißgerät durch das Fahrzeug ersetzt werden. Beim Wechselstromschweißen ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, die Wechselspannungsamplitude am Abgriff für ein optimales Schweißergebnis bei etwa 20 Volt einzupendeln.
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Das Wechselstromschweißen wird deutlich seltener als das Gleichstromschweißen eingesetzt. Deshalb ist es besonders vorteilhaft, wenn zusätzlich zum Abgriff am Invertersystem für das Wechselstromschweißen auch ein weiterer Abgriff am Ausgang der elektrischen Maschine befindlich ist, um neben dem Wechselstromschweißen auch Gleichstromschweißen zu ermöglichen.
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Praktisch ist es, wenn die erste Schnittstelle und die zweite Schnittstelle baulich in Form einer Buchse in die Karosserie des Fahrzeugs integriert sind und von außerhalb des Fahrzeugs zugänglich sind. Bei dieser Ausführung können die Schweißelektroden besonders leicht und bequem mit dem Fahrzeug als dem Schweißgerät elektrisch verbunden werden.
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Insbesondere ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, die elektrische Maschine in einem Schweißbetrieb zu betreiben, wobei in dem Schweißbetrieb Regelgrößen der elektrischen Maschine eine vorgebbare Schweißspannung und/oder ein vorgebbarer Schweißstrom sind.
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Die Steuereinheit regelt vorzugsweise den Schweißstrom. Der abgreifbare Strom wird während des Schweißens, d.h. ab Herstellung des „Schweißkurzschlusses“ auf den eingestellten Schweißstrom geregelt. Dies gilt für Gleichstrom- und Wechselstromschweißen.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinheit auch auf einen gepulsten Schweißstrom regeln, wobei die Pulsdauer und die Pulspause vorgebbar sind. Dadurch kann auch Pulsschweißen bereitgestellt werden.
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Für das batteriegestützte Schweißen ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, die elektrische Maschine in einem Schweißbetrieb zu betreiben, wobei in dem Schweißbetrieb die Regelgrößen der elektrischen Maschine eine vorgebbare Schweißspannung und/oder ein vorgebbarer Schweißstrom sind und die Steuereinheit weiterhin dazu eingerichtet ist, in dem Schweißbetrieb den Verbrennungsmotor so zu betreiben, so dass eine vorgebbare Schweißleistung vollständig durch die eine generatorische Leistung der elektrischen Maschine deckbar ist. Dadurch wird gewährleistet, dass die Schweißleistung nicht der Batterie entnommen wird und diese entladen wird.
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Die Erfindung beruht auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen: Zukünftige Kraftfahrzeuge werden sowohl über eine 12 Volt- als auch eine 48 Volt-Spannungsebene verfügen. Derartige Fahrzeuge weisen ein 12 Volt-Teilbordnetz sowie ein 48 Volt-Teilbordnetz auf, wobei sich die Spannungsangaben auf die jeweilige Nennspannung beziehen.
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Im 48 Volt-Teilbordnetz ist dabei ein 48 Volt-Generator integriert. Die Generatorleistung variiert von 12 kW (bei 250 Ampere) bei Generatoren, die im Riemen von einem Verbrennungsmotor des Fahrzeugs betrieben werden (riemengebundener Startergenerator) und 22 kW (bei 450 Ampere) bei Generatoren, die als getriebeintegrierte Startergeneratoren betrieben werden. Die 48 Volt-Spannungslage, die im Fahrzeugbordnetz zur Verfügung steht, kann geschickt genutzt werden, wenn die Generatorleistung außerhalb des Fahrzeugs bereitgestellt wird. Denn die verfügbaren Leistungsparameter können wenigen kostengünstigen Anpassungen zum Schweißen (engl. Welding) eingesetzt werden. Bei herkömmlichen Schweißtechniken beträgt die Spannung an den Elektroden ca. 40 Volt. Mit den bereitstellbaren Strömen von 250 Ampere bis 450 Ampere lassen sich Stahlbleche mit einer Dicke von mehreren Millimetern schweißen.
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Gängige 48 Volt-Generatoren für Fahrzeuge sind sowohl in einem spannungs- als auch in einem stromgeregelten Modus betreibbar und damit für die Anforderungen der Leistungsklasse verschiedener Schweißverfahren programmierbar. Mit anderen Worten kann ein solches Kraftfahrzeug als mobiles Schweißgerät eingesetzt werden, ohne ein separates Schweißgerät mitführen zu müssen. Die Kombination aus Verbrennungsmotor, 48 Volt-Generator und einer fahrzeugintegrierten 48 Volt-Batterie stellt die ideale Voraussetzung für eine Leistungsenergieversorgung zum Schweißen dar. Die 48 Volt-Batterie kann zur Stützung von anderen 48 Volt-Lasten im Bordnetz dienen, die simultan zum Schweißen aktiviert sein können. Die Leistungsfähigkeit moderner 48 Volt-Batterien reicht von 12 kW - 22 kW bei einer Temperatur von 20°C.
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Herkömmliche Schweißgeräte mit vergleichbaren Parametern (250 Ampere-Klasse und 500 Ampere-Klasse) kosten zwischen 1000 € und 4000 E. Ein Fahrzeug mit einem modernen 48 Volt-Teilbordnetz führt bei geschickter Modifikation und kostengünstiger Erweiterung ein derartiges Schweißgerät mit, da wesentliche, hierfür nötige Komponenten im Fahrzeug vorhanden sind.
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So sind zusätzlich Abgriffe am 48 Volt-Teilbordnetz und an der Fahrzeugmasse erforderlich, die beispielsweise in Form einer 2-poligen „Steckdose“ an der Fahrzeugkarosserie von außen zugänglich sein können. Vergleichbare Steckdosen sind als „Ladedosen“ von batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen oder bei Plug-In-Hybridfahrzeugen bekannt und können analog als Schweißzugang eingesetzt werden. Diese könnte als Sonderausstattung „Schweißen“ angeboten werden.
In einem zentralen Ein- und Ausgabesystem des Fahrzeugs kann ein Betriebsmodus „Schweißen“ vom Fahrzeugnutzer angewählt werden. In diesem wird das Fahrzeug im Leerlauf des Verbrennungsmotors in einen für den Schweißvorgang optimalen Betriebszustand versetzt, in dem wichtige Parameter wie gewünschte Schweißspannung und gewünschter Schweißstrom vom Fahrzeugnutzer vorgegeben und von der Regelelektronik des 48 Volt-Generators eingestellt werden. Der 48 Volt-Generator stellt zusammen mit der auf der Kurzzeitskala puffernden 48 Volt-Batterie eine leistungsstarke Leistungsversorgung für einen Schweißvorgang dar, der präzises Schweißen bei hohem Anspruch an die Qualität des Schweißergebnisses ermöglicht.
Zum Schweißen sind nur noch Schweißelektroden an die Steckdose des Fahrzeugs anzuschließen. Bei einem Fahrzeug mit einem 48 Volt-Bordnetz beträgt die Systemleistung je nach Ausführung 12 kW - 22 kW und damit gängige Schweißleistungen etwa auf Baustellen und im Handwerkerbereich. In einem Fahrzeug mit 48 Volt-Generator ist eine Steuereinheit, die den Ausgang der elektrischen Maschine auf einen konstanten und einstellbaren Ausgangsstrom zu regeln imstande ist, vorhanden. Die Modifikationen am Fahrzeug, um einen Schweißbetrieb zu implementieren, sind also überschaubar.
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Durch die Erfindung wird ein Handwerkerfahrzeug zum mobilen Schweißgerät. Es ist nicht erforderlich, Stromgeneratoren und Schweißmaschinen separat mitzuführen, sondern lediglich die Schweißelektroden. Die Zusatzkosten am Handwerkerfahrzeug bestehen in der Integration des Betriebsmodus in das Bedien- und Regelsystem des Fahrzeugs sowie die Hardware für den externen Zugang der Abgriffe. Diese Kosten sind im Vergleich zu einem separaten Schweißgerät mit Stromaggregat gering und betragen weniger als 1/10.
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Im Folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Im Einzelnen zeigt schematisch
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Es zeigt 1 schematisch ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor (1), über den mittels eines Riementriebs (2) ein elektrische Maschine in Form eines 48 Volt-Generators (3) betreibbar ist. Das Fahrzeug umfasst eine Steuereinheit (3a), die die elektrische Maschine steuert und regelt. In das elektrische Bordnetz des Fahrzeugs ist eine 48 Volt-Batterie (4) integriert. Über einen 48 V/12 V-DC/DC-Gleichspannungswandler (5) wird die 48 Volt-Spannungslage auf eine 12 Volt-Spannungslage in einem 12 Volt-Teilbordnetz (7) mit diversen elektrischen Verbrauchern tiefgesetzt. Gestützt wird das 12 Volt-Teilbordnetz von einer 12 Volt-Batterie (6). Die elektrische Maschine, die Batterien (4), (6) und die Verbraucher liegen elektrisch auf der Masse des Fahrzeugs. Das elektrische Bordnetz weist einen ersten Abgriff (8) auf, der auf dem Potential des Ausgangs der elektrischen Maschine und der 48 Volt-Batterie liegt. Idealerweise befindet sich der Abgriff baulich an der Stromverteilung für den 48 V/12 V-DC/DC-Gleichspannungswandler und die 48 Volt-Batterie. An diesen ersten Abgriff ist eine Leitung (9) mit einer ersten Schweißelektrode (10) angeschlossen. Auf der Masse des Fahrzeugs befindet sich ein zweiter Abgriff (11), der Masseanschluss, an dem eine zweite Leitung (12) mit einer zweiten Schweißelektrode (13) anschließbar ist. Mittels der beiden Schweißelektroden kann ein Werkstück (14) geschweißt werden. Die Schweißleistung wird von der vom Verbrennungsmotor generatorisch betriebenen elektrischen Maschine in Form von Gleichspannung und Gleichstrom zur Verfügung gestellt. Die 48 Volt-Batterie stützt die elektrische Maschine. Die Steuereinheit regelt auf einen vorgebbaren, konstanten Gleichstrom als Schweißstrom.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10200910037367 A1 [0002]
