DE102019133048A1 - Vorrichtung zur Notversorgung eines Hochvoltbordnetzes - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Notversorgung eines Hochvoltbordnetzes, insbesondere zur Lastnotabsenkung einer Arbeitsmaschine wie einen Kran oder einen Seilbagger. Die Vorrichtung umfasst ein Hochvoltbordnetz mit einer elektrischen Antriebseinheit und einer primären DC-Energiequelle zum Versorgen der elektrischen Antriebseinheit mit Energie, und ein Niedervoltbordnetz, vorzugsweise ein 12V-Bordnetz, ein 24V-Bordnetz oder ein 48V-Bordnetz, mit einem Niedervoltakku zum Aufnehmen und Abgeben von Energie, wobei das Hochvoltbordnetz und das Niedervoltbordnetz über einen DC/DC-Wandler verbunden sind, um einen Energiefluss von dem Hochvoltbordnetz in Richtung des Niedervoltbordnetzes zuzulassen. Ferner ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass der DC/DC-Wandler ein bidirektionaler DC/DC-Wandler ist, um einen Energiefluss von dem Niedervoltbordnetz in Richtung des Hochvoltbordnetzes zuzulassen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Notversorgung eines Hochvoltbordnetzes, insbesondere einer Arbeitsmaschine wie einen Kran oder einen Seilbagger.
  • Für eine Vielzahl von Arbeitsmaschinen oder Fahrzeugen ist es elementar, nach einem Ausfall ihrer primären Energiequelle in einen sicheren Zustand zurückzukehren. Bspw. ist es bei einem Kran oder einem Seilbagger von großer Bedeutung eine gehobene Last auch bei einem spontanen Ausfall der primären Energiequelle sicher auf den Boden abzulassen. Auch das Ablegen des Auslegers bei Kranen mit Auslegerverstellwinde kann von großer Wichtigkeit sein, wenn bei starkem Wind ein Umstürzen der Maschine droht. Für eine solche Notabsenkung ist es nach dem Stand der Technik üblich, eine Backup-Energieversorgung oder einen ausreichend dimensionierten Akku im Hochvoltbordnetz vorzusehen, um eine Notabsenkung durchzuführen. Nach dem Stand der Technik sind die Raupenkrane und Seilbagger diesel-hydraulische Maschinen, bei denen es üblich ist, die Last mithilfe eines kleinen Hydraulikaggregats (Generatorset+Hydraulikpumpe) zu senken. In vielen Fällen ist dieses Notaggregat nicht einmal Teil der Maschine, sondern muss im Problemfall herangeführt und mit auf dem Gerät vorhandenen Schnittstellen verbunden werden.
  • Elektrisch angetriebene Fahrzeuge weisen in der Regel zwei in ihrer Spannung verschiedene Netze auf, ein Hochvoltbordnetz und ein Niedervoltbordnetz. Das Hochvoltbordnetz wird durch die primäre Energiequelle gespeist und weist typischerweise eine Spannung zwischen 60 V und 1,5 kV auf. In diesem Hochvoltbordnetz befindet sich in der Regel auch eine elektrische Antriebseinheit, wie ein elektrisches Hubwerk oder dergleichen, das mittels der über das Hochvoltbordnetz bereitgestellten Energie betrieben wird.
  • Das Niedervoltbordnetz wird in der Regel mit einer Spannung betrieben, die nicht mehr als 60 V beträgt und dazu dient, Verbraucher zu versorgen, die eine geringere Leistungsaufnahme haben, bspw. Displays, Radio, Steuerung, Logikversorgung von Komponenten oder dergleichen. Das Niedervoltbordnetz weist keine eigene Energiequelle auf, sondern steht über einen DC/DC-Wandler mit dem Hochvoltbordnetz in Verbindung und bezieht seine Energie aus der im Hochvoltbordnetz angeordneten primären Energiequelle. Es kann aber auch möglich sein, dass das Niedervoltbordnetz eine Stützbatterie (12 oder 24V Bleibatterie oder Li-Ionenbatterie) enthält. Diese 24V Batterie versorgt das Niedervoltbordnetz bei ausgeschaltetem Hochvoltbordnetz mit Energie. D.h. das Niedervoltbordnetz hat in diesem Fall eine eigene, interne, Energiequelle über die die Maschine üblicherweise zunächst in Betrieb genommen wird. Erst wenn die Steuerung hochgelaufen ist und diverse Prüfungen abgearbeitet hat, wird die Hochvoltversorgung zugeschalten. Beim Abschalten erfolgt dieser Ablauf in umgekehrter Reihenfolge.
  • Aus der DE 101 08 909 B4 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs mit einem elektrischen Fahrmotor bekannt, das den Ausfall der Traktionsbatterie, also der primären Energiequelle eines Fahrzeugs behandelt. Um ein solches Fahrzeug in einen sicheren Zustand zu versetzen, wird bei Ausfall der Batterie, insbesonder der Traktionsbatterie, das Fahrzeug generatorisch abgebremst und andere Verbraucher mit Energie versorgt. Der Grundgedanke liegt darin, die kinetische Energie eines fahrenden Fahrzeugs in elektrische Energie umzuwandeln. Damit lassen sich andere Verbraucher, bspw. eine Lenkanlage, bis zum Stillstand speisen.
  • Nachteilhaft hieran ist, dass in bestimmten Situationen die beim Ausfall der primären Energiequelle zur Verfügung stehende kinetische Energie nicht groß genug ist, damit ein sicherer Zustand erreicht werden kann. So kann es sein, dass die zur Ausführung von bestimmten Notfallhandlungen notwendige Energie nur dann zur Verfügung steht, wenn sich eine Antriebskomponente ausreichend schnell bewegt und damit über genügend kinetische Energie verfügt. Eine Einleitung von Notfallhandlungen aus dem Stillstand heraus ist unter Umständen nicht möglich.
  • Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung eine Notversorgung eines Hochvoltbordnetzes vorzusehen, damit bspw. eine Notabsenkung einer Last oder einer Ausrüstung des Krans oder Seilbaggers trotz eines besonders ressourcenschonenden und schlanken Grundaufbaus durchgeführt werden kann.
  • Die vorliegenden Ziele werden dabei mit einer Vorrichtung erreicht, die sämtliche Merkmale des Anspruchs 1 aufweisen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind dabei in den abhängigen Ansprüchen aufgeführt.
  • Demnach umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Notversorgung eines Hochvoltbordnetzes, insbesondere zur Lastnotabsenkung einer Arbeitsmaschine wie einem Kran oder einem Seilbagger ein Hochvoltbordnetz mit einer elektrischen Antriebseinheit und einer primären Energiequelle zum Versorgen der elektrischen Antriebseinheit mit Energie, ein Niedervoltbordnetz, vorzugsweise ein 12V-Bordnetz, ein 24V-Bordnetz oder ein 48V-Bordnetz, mit einem Niedervoltakku zum Aufnehmen und Abgeben von Energie, wobei das Hochvoltbordnetz und das Niedervoltbordnetz über einen DC/DC-Wandler verbunden sind, um einen Energiefluss von dem Hochvoltbordnetz in Richtung des Niedervoltbordnetzes zuzulassen. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der DC/DC-Wandler ein bidirektionaler DC/DC-Wandler ist, um zudem einen Energiefluss von dem Niedervoltbordnetz in Richtung des Hochvoltbordnetzes zuzulassen.
  • Die Grundidee der Erfindung liegt also in der Verknüpfung von Hochvoltbordnetz und Niedervoltbordnetz durch einen bidirektionalen DC/DC-Wandler, der einen Energiefluss sowohl vom Hochvoltbordnetz in Richtung des Niedervoltbordnetzes als auch in andere Richtung, also vom Niedervoltbordnetz in Richtung des Hochvoltbordnetzes zulässt. Aufgrund des bidirektionalen DC/DC-Wandlers kann bei einem Ausfall der primären Energiequelle ein im Hochvoltbordnetz angeordneter Verbraucher kurzzeitig mit Energie aus dem Niedervoltakku versorgt werden, um ein Überführen in einen sicheren Betriebszustand zu ermöglichen.
  • Anders als nach dem bekannten Stand der Technik ist es nicht erforderlich eine separate Backup-Lösung im Hochvoltbordnetz vorzusehen, da auf die im Niedervoltbordnetz gespeicherte Energie des dort angesiedelten Akkus zurückgegriffen werden kann.
  • Der Niedervoltakku ist dabei ein gewöhnlicher Akku oder eine gewöhnliche wiederaufladbare Batterie, die dazu ausgelegt ist, bei der Niedervoltspannung Energie aufzunehmen bzw. abzugeben. Der Akku kann dabei ein Blei-Akku oder ein Lithium-Ionen-Akku sein.
  • Die primäre Energiequelle kann nach der Erfindung eine DC-Energiequelle sein. Von der Erfindung ist auch umfasst, dass die Energiequelle ein Akku und/oder ein mittels Brennstoff betriebener Generator sein kann, der die Hochvoltspannung dem Hochvoltbordnetz zur Verfügung stellt. So sind eine Brennstoffzelle, ein Dieselaggregat mit Gleichrichter, ein Benzinaggregat mit Gleichrichter und/oder eine Hochvoltbatterie als primäre Energiequelle geeignet.
  • Ferner kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass die Vorrichtung dazu ausgelegt ist, dass bei einem Ausfall der primären Energiequelle in dem Hochvoltbordnetz eine Notversorgung des Hochvoltbordnetzes mittels Energie aus dem Niedervoltbordnetz erfolgt, die über den bidirektionalen DC/DC-Wandler aus der Niedervoltbatterie stammt.
  • Nach einer optionalen Fortbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Hochvoltbordnetz ein Bordnetz ist, das mit einer Gleichspannung im Bereich zwischen 60 V bis 1,5 kV arbeitet und/oder in einem Hochspannungsbereich arbeitet.
  • Nach einer weiteren optionalen Fortbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Niedervoltbordnetz ein Bordnetz ist, das mit einer Gleichspannung von maximal bis zu 60 V arbeitet und vorzugsweise mit 12 V, 24 V oder 48 V arbeitet.
  • Nach einer optionalen Modifikation der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Hochvoltbordnetz ferner eine elektrisch oder elektro-hydraulisch betätigbare Bremsvorrichtung vorgesehen ist, um eine durch die elektrische Antriebseinheit antreibbare Achse zu bremsen.
  • So kann die mittels der elektrischen Antriebseinheit antreibbare Achse eine Antriebsachse für ein Hubwerk eines Krans oder Seilbaggers sein, die mit der Bremsvorrichtung gebremst bzw. gestoppt werden kann. Dabei kann die elektrische Bremsvorrichtung so ausgestaltet sein, dass sie selbstschließend ausgestaltet ist, also bspw. bei einem Ausfall der primären Energiequelle in den bremsenden Zustand übergeht. Für eine Notabsenkung kann es dann erforderlich sein, die Bremse mittels der in dem Niedervoltakku gespeicherten Energie zu öffnen, damit die gehobene Last sicher auf dem Boden abgestellt werden kann.
  • Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Hochvoltbordnetz ferner ein Kurzzeit-Energiespeicher vorgesehen, vorzugsweise in Form eines Supercaps oder eines Zwischenkreiskondensators, um eine kurzzeitige Energiepufferung in dem Hochvoltbordnetz vorzunehmen. Typischerweise dient ein solcher Kurzzeit-Energiespeicher zum Glätten einer bereitgestellten, schwankenden Spannung, um Verbrauchern in dem Hochvoltbordnetz ein gleichbleibendes Spannungsniveau bereitzustellen.
  • Nach einer optionalen Modifikation der Erfindung ist die Vorrichtung dazu ausgelegt, dass der DC/DC-Wandler in einem Normalbetrieb das Niedervoltbordnetz mit Energie aus dem Hochvoltbordnetz versorgt, und in einem Notbetrieb, welcher bei einem Ausfall der primären Energiequelle vorliegt, das Hochvoltbordnetz mit Energie aus dem Niedervoltakku des Niedervoltbordnetzes versorgt.
  • Nach einer weiteren optionalen Modifikation ist die Vorrichtung dazu ausgelegt, dass der Niedervoltakku in einem Normalbetrieb, bei abgeschalteter primärer Energiequelle Verbraucher versorgt, die im Niedervoltnetz angeordnet sind, und bei zugeschalteter Energiequelle zur Pufferung des Niedervoltbordnetzes dient, und in einem Notbetrieb, bei ausgefallener primärer Energiequelle, sowohl etwaige im Niedervoltnetz angeordnete Verbraucher versorgt als auch die elektrische Antriebseinheit im Hochvoltbordnetz und/oder eine im Hochvoltbordnetz angeordnete elektrisch betätigbare Bremsvorrichtung mit Energie versorgt.
  • Zudem kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass die elektrische Antriebseinheit einen Inverter, insbesondere einen Vier-Quadranten-Inverter, und einen elektrischen Motor umfasst, der vorzugsweise mit einer Getriebeanordnung in Verbindung steht.
  • Vorzugsweise ist die elektrische Antriebseinheit dazu ausgelegt ist, einen generatorischen Betriebszustand einzunehmen, bei dem die elektrische Antriebseinheit nicht antreibt sondern angetrieben wird, um Energie in das Hochvoltbordnetz einzuspeisen. So kann bspw. beim Absenken einer gehobenen Last in Richtung Boden die Antriebseinheit rekuperieren, so dass Energie erzeugt wird, die für das Aufrechterhalten eines geöffneten Bremsenzustands genutzt werden kann. Darüber hinaus kann die hieraus gewonnene Energie aus dem Absenken der Last ins HV-Netz zurückgespeist werden, um dort bspw. zum kontrollierten Absenken der Last beizutragen.
  • Ferner kann vorgesehen sein, dass in dem Hochvoltbordnetz ein Hubwerk eines Krans oder eines Seilbaggers angeordnet ist, das mittels der elektrischen Antriebseinheit betätigbar und mittels einer ebenfalls im Hochvoltbordnetz angeordneten elektrisch betätigbaren Bremsvorrichtung blockierbar ist.
  • Vorzugsweise kann dabei vorgesehen sein, dass die elektrisch betätigbare Bremsvorrichtung eine elektrische oder elektro-hydraulische Haltebremse zum Halten einer von dem Hubwerk getragenen Last im Stillstand ist und zum Öffnen über das Hochvoltbordnetz mit Energie zu versorgen ist, wobei die Haltebremse vorzugsweise selbstschließend und/oder einer elektro-mechanische Haltebremse ist.
  • Dabei ist vorzugsweise die Vorrichtung dazu ausgelegt, in einem Notbetrieb, bei dem die primäre Energiequelle ausgefallen ist, die Haltebremse mittels Energie aus dem Niedervoltakku zu öffnen, damit die durch das Hubwerk getragene Last absinkt, was unter Umständen bewirkt, dass die elektrische Antriebseinheit einen generatorischen Betriebszustand einnimmt, in dem der Niedervoltakku mit Energie versorgt bzw. geladen wird.
  • Vorzugsweise ist die Vorrichtung auch dazu ausgelegt, in einem Notbetrieb die Haltebremse mittels Energie aus dem Niedervoltakku zu schließen und die durch das Hubwerk getragene Last zu stoppen. Ferner ist aber auch möglich, dass die Haltebremse selbstständig schließt. Energie wird dabei benötigt, um die Haltebremse geöffnet zu halten.
  • Weiter kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung dazu ausgelegt ist, in einem Notbetrieb, bei dem die primäre Energiequelle ausgefallen ist, die elektrische Antriebseinheit mit Energie aus dem Niedervoltakku zu versorgen, um ein Haltemoment bzw. Bremsmoment auf die durch das Hubwerk getragene Last auszuüben, damit bspw. bei einem Öffnen der Haltebremse die Last nicht unkontrolliert absinkt.
  • Die Vorrichtung kann also auch dazu ausgelegt sein, in einem Notbetrieb die elektrische Antriebseinheit mit Energie aus dem Niedervoltakku zu versorgen, um die durch das Hubwerk getragene Last zu stoppen bzw. zu halten.
  • Die Erfindung umfasst ferner eine mobile Arbeitsmaschine, insbesondere einen Kran oder einen Seilbagger bzw. Hydro-Seilbagger, mit einer Vorrichtung nach einer der vorhergehenden Varianten.
  • Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile werden anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung ersichtlich. Dabei zeigen:
    • 1: einen schematischen Grundaufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
    • 2: den Energiefluss zwischen Niedervoltbordnetz und Hochvoltbordnetz bei einer Notabsenkung eines Krans bzw. Seilbaggers, und
    • 3: ein Blockschaltbild eines Simulationsmodells mit angenommenen Parametern für eine Notabsenkung eines Krans bzw. eines Seilbaggers,
    • 4a: Simulationsergebnisse bei der Durchführung der simulierten Notabsenkung, und
    • 4b weitere Simulationsergebnisse bei der Durchführung der simulierten Notabsenkung.
  • Die nachfolgende Erläuterung der grundlegenden Idee der Erfindung anhand einer Notabsenkung soll nicht als beschränkend ausgelegt werden, sondern dient nur zur beispielhaften Illustration eines Beispiels aus dem breiten Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung. Dem Fachmann ist klar, dass er die grundlegende Idee der Erfindung ohne weiteres auch auf nicht kranbezogene Anwendungsfälle anwenden kann.
  • 1 zeigt den schematischen Grundaufbau bei der Umsetzung der vorliegenden Erfindung für eine Notabsenkung eines Krans oder Seilbaggers. Die Vorrichtung 1 umfasst ein Hochvoltbordnetz 2, in dem mehrere Komponenten angeordnet sind, die mit einer Spannung aus dem Hochvolt-Bereich versorgt werden. Darüber hinaus weist die Vorrichtung 1 ein Niedervoltbordnetz 3 auf, das Komponenten aufweist, die mit einer Spannung im Bereich bis 60V versorgt werden. Ein typischer Wert für die Niederspannung ist 12, V 24 V oder 48 V, wohingegen Spannungen im Hochvolt-Bereich zwischen 60 V und 1,5 kV liegen.
  • Im Hochvoltbordnetz 2 ist eine elektrische Antriebseinheit 4 angeordnet, die vorliegend dazu ausgestaltet ist, ein Hubwerk 12 eines Krans oder eines Seilbaggers anzutreiben. Die Antriebseinheit 4 weist einen Inverter 10 und einen Motor 11 auf und kann darüber hinaus auch mit der zum Ansteuern des Motors erforderlichen Sensorik versehen sein. Weiter kann die Antriebseinheit 4 über ein dem Motor nachgeschaltetes und/oder vorgeschaltetes Getriebe versehen sein, dass das auf das Hubwerk wirkende Motormoment vervielfacht.
  • Das von der Antriebseinheit 4 angetriebene Hubwerk 12 umfasst die dafür typischen Bestandteile wie Winde, Seilzüge, Rollen, etc. und dient zum Heben und Senken einer Last.
  • Die Energie für den Antrieb der elektrischen Antriebseinheit 4 wird von der primären Energiequelle 5 erzeugt und über das Hochvoltbordnetz 2 übertragen. Die primäre Energiequelle kann dabei eine Gleichstrom-Energiequelle sein, bspw. in Form einer Brennstoffzelle, eines Verbrennungskraftmaschine mit Gleichrichter oder eine aufladbare Hochvoltbatterie.
  • Im Hochvoltbordnetz befindet sich ferner eine Haltebremse 8 zum Bremsen bzw. Halten des Hubwerks 12, so dass eine durch das Hubwerk 12 gehobene Last gestoppt bzw. gehalten werden kann. Die Haltebremse 8 kann eine selbstschließende elektrische, elektro-mechanische oder elektro-hydraulische Bremse sein, die über das Hochvoltbordnetz 2 mit Energie versorgt wird.
  • Neben weiteren im Hochvoltbordnetz 2 angeordneten Verbrauchern 14 ist ein Bremswiderstand 15 vorhanden, der zur Vernichtung von überschüssiger Rekuperationsenergie dient, die z.B. beim Senken der Last durch die Antriebseinheit erzeugt wird und nicht in die primäre Energiequelle 5 zurückgespeist werden kann und auch keine weiteren Abnehmer in der Vorrichtung 1 findet.
  • Darüber hinaus kann optional ein Hochvoltbordnetz-Energiepuffer 9 vorhanden sein, wie er gestrichelt in dem Hochvoltbordnetz 2 eingezeichnet ist. Ein solcher Kurzzeit-Energiepuffer 9 dient zum kurzzeitigen Puffern von Energie im DC-Zwischenkreis und kann durch einen Supercap oder einen Zwischenkreiskondensator ausgeführt sein.
  • Ferner ist das Niedervoltbordnetz 3 über einen DC/DC-Wandler 7 mit dem Hochvoltbordnetz 2 verbunden, so dass die im Niedervoltbordnetz 2 angeordneten Komponenten, wie ein Niedervoltakku 6 oder weitere Niedervolt-Verbraucher 13 mit Energie aus der primären Energiequelle 5 versorgt werden können.
  • Der DC/DC-Wandler, also ein Wandler, der von einem Gleichspannungsniveau auf ein anderes Gleichspannungsniveau wandelt, ist demnach dazu ausgerichtet, Energie vom Hochvoltbordnetz 2 an das Niedervoltbordnetz 3 zu leiten.
  • Da es sich nach der Erfindung bei dem Wandler um einen bidirektionalen DC/DC-Wandler 7 handelt, kann vorliegend auch ein Energiefluss aus dem Niedervoltbereich 3 in den Hochvoltbereich 2 stattfinden, so dass bei einem Ausfall der primären Energiequelle im Hochvoltbereich 2 angeordnete Komponenten mit Energie aus dem im Niedervoltbereich 3 angeordneten Niedervoltakku 6 zumindest kurzzeitig versorgt werden können.
  • Bei Ausfall der primären DC-Energiequelle 5 wird das Hochvoltbordnetz 2, und damit das elektrische Hubwerk 12 sowie die Haltebremse 8, über den bidirektionalen DC/DC-Wandler 7 mit Energie aus den Niedervoltbordnetz 3, respektive der Niedervoltbatterie 6, versorgt. Diese Topologie, zusammen mit dem Bremswiderstand 8, ermöglicht eine Notabsenkung der Last bzw. der Ausrüstung mit reduzierter Geschwindigkeit.
  • Die Leistung des DC/DC-Wandlers 7 und der Energieinhalt der Niedervoltbatterie 6 liegen deutlich unter den Kennwerten der Hochvoltbatterie 5. Beim Halten der Last müssen jedoch nur die Verluste des elektrischen Antriebssystems 4 durch die Niedervoltbatterie 6 und den DC/DC-Wandler 7 abgedeckt werden. Hierbei auftretende Stromspitzen können durch den optionalen DC-Zwischenkreis-Energiepuffer 9 abgedeckt werden. Die durch das Senken der Last rekuperierte Energie wird zu einem kleinen Teil über den DC/DC-Wandler 7 zurück in die Niedervoltbatterie geführt und zum anderen Teil im Bremswiderstand 15 vernichtet, d.h. in Wärme umgewandelt oder im optionalen Energiepuffer 9 gespeichert.
  • Hervorzuheben ist, dass für den Notsenkbetrieb keine zusätzlichen Komponenten wie z.B. Notaggregat oder Notbatterie erforderlich sind. Lediglich der DC/DC-Wandler 7 muss bidirektional ausgeführt sein. Bidirektional heißt, dass der Energiefluss über den DC/DC-Wandler 7 vom Hochvoltbordnetz 2 in das Niedervoltbordnetz 3 und umgekehrt erfolgen kann.
  • 2 zeigt den Energiefluss während der Ablaufsteuerung im Notsenkbetrieb eines Krans oder eines Seilbaggers. In diesem Zustand ist eine Energieversorgung durch die primäre Energiequelle 5 nicht mehr möglich, es soll aber dennoch eine kontrollierte Absenkung einer gehobenen Last stattfinden.
  • Zunächst wird im Schritt 1 ein Haltemoment mittels der elektrischen Antriebseinheit 4 aufgebaut. Dies geschieht bei geschlossener Haltebremse 8. Dabei wird der den Motor 11 ansteuernde Inverter 10 über den DC/DC-Wandler 7 und die Niedervoltbatterie 6 mit Energie versorgt, wobei mögliche Stromspitzen über den optionaler DC-Zwischenkreis-Energiepuffer 9 abgefangen werden.
  • Der Energiefluss ist dabei mit fetten Pfeilen in den schematischen Grundaufbau der Vorrichtung 1 eingezeichnet, um diesen leichter nachvollziehbar zu gestalten.
  • Ist das entsprechende Haltemoment durch die elektrische Antriebseinheit 4 aufgebaut, so wird im Schritt 2 als nächstes die Haltebremse 8 geöffnet. Dazu wird die Haltebremse 8 mit Energie aus der Niedervoltbatterie 6 versorgt.
  • Ist nun die Haltebremse 8 geöffnet übernimmt die Antriebseinheit 4 das Lastmoment, so dass es nicht zu einem unkontrollierten Absenken der Last kommt. Die Haltebremse 8 und der elektrische Hubwerksantrieb 4 werden über den DC/DC-Wandler 7 und die Niedervoltbatterie 6 mit Energie versorgt. Etwaige Stromspitzen werden über den optionalen DC-Zwischenkreis-Energiepuffer 9 abgedeckt.
  • In dem darauffolgenden dritten Schritt gilt es, die Last zu halten. Diese wird durch den elektrischen Antrieb 4 gehalten, wobei währenddessen die Haltebremse 8 und der elektrische Antrieb 4 über den DC/DC-Wandler 7 und die Niedervoltbatterie 6 mit Energie versorgt werden. Erneut können dabei mögliche Stromspitzen über den optionaler DC-Zwischenkreis-Energiepuffer 9 abgefedert werden.
  • Im vierten Schritt wird die Last auf die gewünschte Endposition gesenkt. Durch das Ablassen der Last aus einer erhöhten Position in Richtung Boden kann die Antriebseinheit rekuperieren also in ihren generatorischen Betriebszustand versetzt werden, in dem Energie durch das Ablassen der Last in das Hochvoltbordnetz 2 eingespeist wird. Die durch das Senken der Last rekuperierte Energie wird zu einem kleinen Teil über den DC/DC-Wandler 7 in die Niedervoltbatterie 6 bzw. direkt in den Hochvolt-Energiepuffer 5 (falls dieser nicht beschädigt ist und eine Energie aufnehmen kann) geleitet. Der Großteil wird jedoch mithilfe des Bremswiderstandes 15 vernichtet.
  • Nähert sich die Last der gewünschten Absenkposition wird die Haltebremse 8 geschlossen und die Bremse 8 übernimmt beim Erreichen der gewünschten Absenkposition das Lastmoment (vgl. Schritt 5). Während des Vorganges wird die Haltebremse 8 und der elektrische Antrieb 4 über den Niedervoltakku 6 und den DC/DC-Wandler 7 mit Energie versorgt.
  • Nun muss in Schritt 6 noch das Haltemoment des Motors abgebaut werden, was im sechsten Schritt erfolgt. Das Motormoment wird dazu abgebaut und mögliche überschüssige Energie durch das Abbauen des Motormoments wird durch interne Verluste vernichtet, im Hochvoltenergiepuffer 9 oder in der Niedervoltbatterie 6 gespeichert.
  • Im Ergebnis ist nun die durch das Hubwerk gehobene Last in einen bodennahen sicheren Zustand überführt worden, so dass die gewünschte Notabsenkung erfolgreich durchgeführt worden ist.
  • 3 zeigt ein Blockschaltbild eines Simulationsmodells des vorstehend beschriebenen Anwendungsfalls einer Notabsenkung eines Krans oder eines Seilbaggers mit den charakteristischen Größen und den wichtigsten Modellparametern. Das Simulationsmodell besteht aus einem elektrischen und einem mechanischen Teilsystem. Das elektrische Teilsystem beinhaltet einen idealen DC/DC-Wandler 7 mit dem Übersetzungsverhältnis 1:27, einer Pufferkapazität CDc, einem Bremswiderstand RB mit einem Schaltelement T1... T6 bspw. einem IGBT, einem MOSFET oder dergleichen, einem Permanentsynchronmotor und einer dq-Regelung. Das mechanische Teilsystem besteht aus dem Trägheitsmoment des Motors θM, einem idealen Getriebe mit dem Übersetzungsverhältnis 1:250 und einer idealen Winde samt einer Last von mL = 15 t. Es ist anzumerken, dass in dem vorliegenden vereinfachten Simulationsmodell der DC/DC-Wandler sowie die Leistungselektronik und der DC-Zwischenkreis als verlustfrei und ideal angenommen wurden und rein die Motorverluste, durch die in 3 dargestellten Parametern, berücksichtigt wurden. Zudem wurde die Haltebremse als ideal angenommen d.h. eine etwaige Stromaufnahme wurde vernachlässigt.
  • Einige Simulationsergebnisse sind in den 4a und 4b dargestellt. In dem Simulationsszenario wurde eine Lastabsenkung aus einer Höhe von ca. 100 m simuliert. Zunächst wird die Last gehalten. Ab t = 5 s wird die Last auf eine Geschwindigkeit von ca. 20 m/min bei t = 40 s beschleunigt. Vor dem Erreichen der Endposition bei t = 330 s wird die Last ab t = 305 s abgebremst.
  • Im ersten Diagramm der 4a ist der Status der Haltebremse mit dargestellt, wobei der Wert 1 für geschlossen und der Wert 0 für offen steht. Im Stillstand der Last ist die Haltebremse geschlossen und kurz vor, während und nach dem Senken der Last ist die Bremse in ihrer offenen Stellung.
  • In der darunter angeordneten Abbildung ist das Spannungsniveau dargestellt, welches im Hochvoltbordnetz an dem DC/DC-Wandler 7 anliegt und DC-Link Spannung genannt wird. Beim Senken der Last ist ein Spannungsrippel zwischen der Nennspannung bei 648 V und der maximalen DC-Link Spannung ersichtlich. Dieser Rippel resultiert durch die Rekuperation der pot. Energie der Last in den DC-Zwischenkreis. Durch die zurückgespeiste Energie erhöht sich die DC-Zwischenkreisspannung (bzw. DC-Link-Spannung). Beim Erreichen der max. zulässigen DC-Link Spannung wird der Bremswiderstand solange zugeschaltet, bis die nominale Spannung erreicht ist.
  • Die dritte Darstellung zeigt einen etwa pulsförmigen Hochvolt-Zwischenkreisstrom, der durch das Zuschalten des Bremswiderstands bei Erreichen der maximalen DC-Link-Spannung resultiert.
  • Die unterste Darstellung der 4a zeigt den Strom der Niedervoltbatterie. Man erkennt, dass diese nur kurz vor dem Öffnen und vor dem Schließen, zum Halten der Last ohne Haltebremse 8, belastet wird(Kompensation der Verluste).
  • Dementsprechend ist der Energieverbrauch sehr gering, was man auch aus der durchgehend ohne Sternchen versehenen Linie in der dritten Darstellung der 4b erkennen, kann, die die Energie der Niedervoltbatterie 6 in Wh angibt. Allgemein lässt sich sagen. dass die Energie aus dem 24V-Bordnetz deutlich kleiner ist als die zurückgespeiste Energie und das Leistungs- und Energiebedarf durchaus im Bereich der Leistungsfähigkeit einer in Raupen- und Hydroseilbaggern eingesetzten 12 oder 24V Batterie liegen.
  • Die erste Darstellung der 4b zeigt die Lastposition und die Lastgeschwindigkeit. Die Lastgeschwindigkeit ist dabei mit einer mit Sternchen versehenen Linie eingezeichnet. Aus einer Ruheposition erfährt diese durch das Öffnen der Bremse und das anlaufende Rekuperieren des elektrischen Antriebs eine lineare Beschleunigung bis hin zum maximalen Wert von 20 m/min, bevor diese nach einer gewissen Zeit durch den Antrieb motorisch abgebremst wird (ca. bei t = 300 s). Dann verlangsamt sich die Geschwindigkeit und die Last nähert sich der gewünschten Position an, wie anhand der durchgehenden Linie in dieser Darstellung ersichtlich ist.
  • Die zweite Darstellung der 4b zeigt die Entladeleistung der Niedervoltbatterie (durchgehende Linie) und die mechanische Leistung des Motors (durchgehende Linie mit Sternchen). Man erkennt, dass die Leistung aus der Niedervoltbatterie nur zu Beginn und am Ende des Notabsenkvorgangs notwendig ist, da für den dazwischenliegenden Zeitraum genug Energie durch das Rekuperieren der Antriebseinheit erzeugt wird. Lediglich um aus dem Ruhezustand auszubrechen und die Rekuperation in Gang zu bringen, bzw. um nach oder kurz vor einem Beenden der Rekuperation weiterhin Energie bereitzustellen, ist die Niedervoltbatterie vonnöten.
  • Aus der dritten Darstellung der 4b ist neben dem geringen Energieverbrauch aus der Niedervoltbatterie zu entnehmen, dass die überschüssige potentielle Energie im Bremswiderstand 15 in Wärme gewandelt wird (vgl. mit Sternchen versehene durchgehende Linie, die die Energie des Bremswiderstands in kWh angibt).
  • Wie durch die Simulation gezeigt, reicht die aus der Niedervoltbatterie und über den DC/DC-Wandler zur Verfügung gestellte Energie bzw. Leistung aus, um eine Notabsenkung durchzuführen.
  • Die zum Halten der Last benötigte Leistung der Antriebseinheit sowie die zur Abdeckung der Magnetisierungsverluste erforderliche Last wird über den DC/DC-Wandler 7 und der Niedervoltbatterie 6 zur Verfügung gestellt. Eine benötigte Regelenergie des Inverters 10 zum Ansteuern des Motors 11 der Antriebseinheit kann in der Zwischenkreiskapazität 9 gepuffert oder auch aus der Niedervoltbatterie bezogen werden. Die Simulation zeigt, dass ein kontrolliertes Senken der Last in einem Notbetrieb, über den DC/DC-Wandler 7 und die Niedervoltbatterie möglich ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10108909 B4 [0005]

Claims (15)

  1. Vorrichtung (1) zur Notversorgung eines Hochvoltbordnetzes (2), insbesondere zur Lastnotabsenkung einer Arbeitsmaschine wie einen Kran oder einen Bagger, umfassend: ein Hochvoltbordnetz (2) mit einer elektrischen Antriebseinheit (4) und einer primären Energiequelle (5) zum Versorgen der elektrischen Antriebseinheit (4) mit Energie, ein Niedervoltbordnetz (3), vorzugsweise ein 24V-Bordnetz oder ein 48V-Bordnetz, mit einem Niedervoltakku (6) zum Aufnehmen und Abgeben von Energie, und einen DC/DC-Wandler (7), der das Hochvoltbordnetz (2) und das Niedervoltbordnetz (3) miteinander verbindet, um einen Energiefluss von dem Hochvoltbordnetz (2) in Richtung des Niedervoltbordnetzes (3) zuzulassen, dadurch gekennzeichnet, dass der DC/DC-Wandler (7) ein bidirektionaler DC/DC-Wandler (7) ist, um einen Energiefluss von dem Niedervoltbordnetz (3) in Richtung des Hochvoltbordnetzes (2) zuzulassen.
  2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung (1) dazu ausgelegt ist, dass bei einem Ausfall der primären Energiequelle (5) in dem Hochvoltbordnetz (2) eine Notversorgung des Hochvoltbordnetzes (2) mittels Energie aus dem Niedervoltbordnetz (3) erfolgt, die über den bidirektionalen DC/DC-Wandler (7) aus dem Niedervoltakku (6) stammt.
  3. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Hochvoltbordnetz (2) ein Bordnetz ist, das mit einer Gleichspannung im Bereich zwischen 60 V bis 1,5 kV arbeitet und/oder in einem Hochspannungsbereich arbeitet.
  4. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Niedervoltbordnetz (3) ein Bordnetz ist, das mit einer Gleichspannung von maximal bis zu 60 V arbeitet und vorzugsweise mit 12 V, 24 V oder 48 V arbeitet.
  5. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Hochvoltbordnetz (2) ferner eine elektrisch betätigbare Bremsvorrichtung (8) vorgesehen ist, um eine durch die elektrische Antriebseinheit (4) antreibbare Achse zu bremsen und/oder zu halten, wobei vorzugsweise die elektrisch betätigbare Bremsvorrichtung (8) eine Haltebremse ist, die nur dazu ausgelegt ist, die durch die elektrische Antriebseinheit (4) antreibbare Achse zu halten.
  6. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Hochvoltbordnetz (2) ferner ein Kurzzeit-Energiespeicher (9), vorzugsweise in Form eines Supercaps oder eines Zwischenkreiskondensators, vorgesehen ist, um eine kurzzeitige Energiepufferung in dem Hochvoltbordnetz (2) vorzunehmen.
  7. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (1) dazu ausgelegt, dass der DC/DC-Wandler (7): in einem Normalbetrieb das Niedervoltbordnetz (3) mit Energie aus dem Hochvoltbordnetz (2) versorgt, und in einem Notbetrieb, welcher bei einem Ausfall der primären Energiequelle (5) vorliegt, das Hochvoltbordnetz (2) mit Energie aus dem Niedervoltakku (6) des Niedervoltbordnetzes (3) versorgt.
  8. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (1) dazu ausgelegt, dass der Niedervoltakku (6): in einem Normalbetrieb, bei abgeschalteter primärer Energiequelle (5) Verbraucher versorgt, die im Niedervoltnetz angeordnet sind, und bei zugeschalteter Energiequelle (5) zur Pufferung des Niedervoltbordnetzes (3) dient, und in einem Notbetrieb, bei ausgefallener primärer Energiequelle (5), sowohl etwaige im Niedervoltnetz angeordnete Verbraucher (13) versorgt als auch die elektrische Antriebseinheit (4) im Hochvoltbordnetz (2) und/oder eine im Hochvoltbordnetz (2) angeordnete elektrisch betätigbare Bremsvorrichtung (8) mit Energie versorgt.
  9. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrische Antriebseinheit (4) einen Inverter (10), insbesondere einen Vier-Quadranten-Inverter, und einen elektrischen Motor (10) umfasst, der vorzugsweise mit einer Getriebeanordnung in Verbindung steht.
  10. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrische Antriebseinheit (4) dazu ausgelegt ist, einen generatorischen Betriebszustand einzunehmen, bei dem die elektrische Antriebseinheit (4) nicht antreibt sondern angetrieben wird, um Energie in das Hochvoltbordnetz (2) einzuspeisen.
  11. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Hochvoltbordnetz (2) ferner ein Hubwerk (12) eines Krans oder eines Seilbaggers angeordnet ist, das mittels der elektrischen Antriebseinheit (4) betätigbar und mittels einer ebenfalls im Hochvoltbordnetz (2) angeordneten elektrisch betätigbaren Bremsvorrichtung (8) blockierbar ist.
  12. Vorrichtung (1) nach Anspruch 11, wobei die elektrisch betätigbare Bremsvorrichtung (8) eine elektrische, eine elektro-hydraulische oder eine elektro-mechanische Haltebremse zum Halten einer von dem Hubwerk getragenen Last im Stillstand ist und zum Öffnen über das Hochvoltbordnetz (2) mit Energie zu versorgen ist, wobei die Haltebremse vorzugsweise selbstschließend ist.
  13. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 oder 12, wobei die Vorrichtung (1) dazu ausgelegt ist, dass in einem Notbetrieb, bei dem die primäre Energiequelle (5) ausgefallen ist, die Haltebremse mittels Energie aus dem Niedervoltakku (6) geöffnet wird und die durch das Hubwerk getragene Last absinkt, so dass dadurch die elektrische Antriebseinheit (4) einen generatorischen Betriebszustand einnimmt, in dem der Niedervoltakku (6) mit Energie versorgt wird.
  14. Vorrichtung (1) nach Anspruch 13, wobei die Vorrichtung (1) dazu ausgelegt ist, dass in einem Notbetrieb die Haltebremse mittels Energie aus dem Niedervoltakku (6) geschlossen wird und die durch das Hubwerk getragene Last fixiert oder wobei die Vorrichtung (1) dazu ausgelegt ist, dass die Haltebremse selbstsperrend ist, so dass diese in einem Notbetrieb die Haltebremse von sich aus fixiert.
  15. Mobile Arbeitsmaschine, insbesondere Kran oder Seilbagger, mit einer Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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