DE102019203730A1

DE102019203730A1 - Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs für eine Arbeitsmaschine, Antriebsstrang für eine Arbeitsmaschine und Arbeitsmaschine

Info

Publication number: DE102019203730A1
Application number: DE102019203730.5A
Authority: DE
Inventors: Rico Glöckner; Migen Bebeti; Jan Döring
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2019-03-19
Filing date: 2019-03-19
Publication date: 2020-09-24
Also published as: US20220186468A1; CN113613925A; WO2020187906A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs (1) für eine Arbeitsmaschine, wobei ein Arbeitsantrieb (6) der Arbeitsmaschine über eine erste Getriebeanordnung (4) von einem ersten Elektromotor (2) angetrieben wird, wobei ein Fahrantrieb (7) der Arbeitsmaschine über eine zweite Getriebeanordnung (5) von einem zweiten Elektromotor (3) angetrieben wird, wobei bei einem Schaltvorgang der zweiten Getriebeanordnung (5) eine Drehzahlsynchronisation des zweiten Elektromotors (3) erfolgt und wobei eine Temperatur des zweiten Elektromotors (3( erfasst wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Drehzahlsynchronisation durch eine Bestromung des zweiten Elektromotors (3) erfolgt und dass bei Überscheiten einer Grenztemperatur mindestens eine Maßnahme zur thermischen Entlastung des zweiten Elektromotors (3) durchgeführt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin einen entsprechenden Antriebsstrang (1) und eine Arbeitsmaschine.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs für eine Arbeitsmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, einen Antriebsstrangs für eine Arbeitsmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 9 sowie eine entsprechende Arbeitsmaschine.
Im Stand der Technik sind elektrisch angetriebene Arbeitsmaschinen, wie etwa Radlader, Kompaktlader, Teleskoplader, Dumper oder auch Bagger, bekannt. Diese elektrisch angetriebenen 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, üblicherweise in Verbindung mit einem elektrischen Pufferspeicher, wie z.B. einem entsprechend dimensionierten Kondensator, bereitgestellt wird. In allen Fällen wird die für den Fahrantrieb und den Arbeitsantrieb benötigte mechanische Leistung von einem oder mehreren Elektromotoren erbracht. Weiterhin sind auch hybrid-elektrische Arbeitsmaschinen bekannt, bei denen die benötigte mechanische Leistung in erster Linie von einem Verbrennungsmotor, üblicherweise einem Dieselmotor, erbracht wird. Ein zusätzlich vorgesehener Elektromotor übernimmt hier typischerweise eine sog. Boost-Funktion.
Ebenfalls bekannt sind lastschaltbare Getriebe für Arbeitsmaschinen, bei denen während eines Schaltvorgangs eine Drehzahlsynchronisierung zwischen der Drehzahl des Antriebsaggregats und der Drehzahl der einzulegenden Gangstufe erfolgt. Bei einem Hochschaltvorgang wird die Drehzahl des Antriebsaggregats entsprechend reduziert, bei einem Herunterschaltvorgang entsprechend erhöht. Die Synchronisierung der Drehzahl erfolgt dabei über Reibarbeit zwischen den Kupplungselementen.
In diesem Zusammenhang beschreibt die DE 20 2014 000 738 U1 einen rein elektrisch angetriebener Radlader, der einen ersten Elektromotor für einen Fahrantrieb und einen zweiten Elektromotor für einen Arbeitsantrieb aufweist.
Aus der DE 10 2010 063 503 A1 ist ferner ein Mehrstufengetriebe in Planetenbauweise einer Arbeitsmaschine bekannt. Das Mehrstufengetriebe umfasst ein Gehäuse, in welchem vier Planetensätze und mehrere Wellen aufgenommen sind, sowie Schaltelemente, welche durch zumindest eine Bremse und Kupplungen gebildet sind und mittels deren gezielter Betätigung acht verschiedene Übersetzungsverhältnisse zwischen einer Antriebs- und einer Abtriebswelle darstellbar sind. Das Getriebe der DE 10 2010 063 503 A1 ermöglicht eine Lastschaltbarkeit.
Aus der DE 10 2007 046 735 A1 ist ein Verfahren zur Verhinderung einer Überlastung einer Anfahrkupplung während eines Anfahrvorgangs in einem höheren Gang eines automatisierten Schaltgetriebes bekannt. Bei einer tatsächlichen oder möglichen Überhitzung der Anfahrkupplung wird eine Notrückschaltung durchgeführt.
Die bekannten elektrisch angetriebenen Arbeitsmaschinen sind jedoch dahingehend nachteilbehaftet, als dass eine Drehzahlsynchronisierung der beteiligten Gangstufen bei einem Schaltvorgang unter Last gegenüber einem identischen Vorgang bei einer verbrennergetriebenen Arbeitsmaschine erschwert ist. Die Ursache hierfür liegt einerseits im vergleichsweise größeren Trägheitsmoment eines Elektromotors gegenüber einem Verbrennungsmotor, vor allem aber im deutlich größeren Drehzahlspektrums des Elektromotors, wodurch auch vergleichsweise höhere Differenzdrehzahlen vorliegen können und entsprechend synchronisiert werde müssen. Dies kann bei wiederholtem Schalten insbesondere in kurzem zeitlichen Abstand auch zu einer hohen thermischen Belastung des Elektromotors führen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs für eine Arbeitsmaschine vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs 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 Betreiben eines Antriebsstrangs für eine Arbeitsmaschine, wobei ein Arbeitsantrieb der Arbeitsmaschine über eine erste Getriebeanordnung von einem ersten Elektromotor angetrieben wird, wobei ein Fahrantrieb der Arbeitsmaschine über eine zweite Getriebeanordnung von einem zweiten Elektromotor angetrieben wird, wobei bei einem Schaltvorgang der zweiten Getriebeanordnung eine Drehzahlsynchronisation des zweiten Elektromotors erfolgt und wobei eine Temperatur des zweiten Elektromotors erfasst wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Drehzahlsynchronisation durch eine Bestromung des zweiten Elektromotors erfolgt und dass bei Überscheiten einer Grenztemperatur mindestens eine Maßnahme zur thermischen Entlastung des zweiten Elektromotors durchgeführt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht also das Betreiben eines Antriebsstrangs für eine Arbeitsmaschine mittels zweier Elektromotoren vor, nämlich mittels des ersten Elektromotors und des zweiten Elektromotors. Der erste Elektromotor ist dabei dediziert dem Arbeitsantrieb zugeordnet und der zweite Elektromotor dem Fahrantrieb. Bei einem Schaltvorgang in der zweiten Getriebeanordnung, also dem Fahrgetriebe, muss jeweils eine Drehzahlsynchronisation der am Schaltvorgang beteiligten Elemente einschließlich des zweiten Elektromotors erfolgen. Im Stand der Technik erfolgt die Drehzahlsynchronisation üblicherweise durch Reibarbeit in einer am Schaltvorgang beteiligten Kupplung, was jedoch zum Verschleiß der Kupplung führt und daher eine entsprechend belastbare Kupplungsauslegung voraussetzt. Erfindungsgemäß erfolgt die Drehzahlsynchronisation bei einem Schaltvorgang der zweiten Getriebeanordnung daher über den zweiten Elektromotor selbst, nämlich über eine entsprechende Bestromung des zweiten Elektromotors. Die Bestromung führt dazu je nach Stromflussrichtung zur Erzeugung eines entsprechenden Drehmoments und damit entweder zu einer Erhöhung der Drehzahl des zweiten Elektromotors oder aber zu einer Reduzierung der Drehzahl des zweiten Elektromotors. Somit muss die Drehzahldifferenz nicht durch Reibarbeit in der am jeweiligen Schaltvorgang beteiligten Kupplung abgebaut werden Entsprechend kann die Kupplung kompakter und leistungsschwächer ausgelegt werden, was zu Kosten- und Gewichtsersparnissen führt. Abhängig von der zur Drehzahlsynchronisation notwendigen Drehzahländerung des zweiten Elektromotors kann jedoch eine Bestromung mit vergleichsweise hohen Strömen notwendig werden, um das zur schnellen Drehmomentänderung notwendige Drehmoment zu erzeugen. Hohe Ströme allerdings führen zu einer entsprechenden, in der Regel unerwünschten Erhitzung des zweiten Elektromotors, weshalb dessen Temperatur vorteilhafterweise kontinuierlich oder zumindest regelmäßig in bestimmten Zeitintervallen erfasst wird. Wenn dann festgestellt wird, dass eine vorher festgelegte Grenztemperatur überschritten wurde, wird erfindungsgemäß mindestens eine Maßnahme zur thermischen Entlastung des zweiten Elektromotors durchgeführt, so dass der zweite Elektromotor abkühlen kann oder zumindest nicht weiter erhitzt wird. Dies verhindert eine Beschädigung des zweiten Elektromotors und verlängert dessen Lebensdauer.
Unter einer Bestromung im Sinne der Erfindung wird dabei nicht nur die externe Zuführung von Strom an einen Elektromotor verstanden, um diesen ein Drehmoment erzeugen zu lassen, sondern darüber hinaus auch das Versetzen des Elektromotors in einen Generatorbetrieb, so dass die zur Drehzahlsynchronisierung erforderliche Drehzahlreduzierung aus der elektromagnetischen Bremskraft resultiert, welch der Rotor des zweiten Elektromotors durch den Generatorbetrieb erfährt. Auch hierdurch entsteht nämlich eine Bestromung des Elektromotors, wobei der Strom in diesem Fall jedoch nicht extern zugeführt wird sondern innerhalb des Elektromotors erzeugt wird. In beiden Fällen aber erfahren die Spulenwindungen des Elektromotors eine Beaufschlagung mit Strom, also eine Bestromung. Unter einer Bestromung des zweiten Elektromotors wird entsprechend sowohl eine externe Bestromung als auch das versetzen in den Generatorbetrieb verstanden.
Bei einem Schaltvorgang aus einer niedrigeren Gangstufe in eine höhere Gangstufe muss der zweite Elektromotor, welcher dem Fahrantrieb zugeordnet ist, sehr schnell seine Drehzahl reduzieren, um die notwendige Drehzahlsynchronisierung herzustellen. Umgekehrt muss der zweite Elektromotor bei einem Schaltvorgang aus einer höheren Gangstufe in eine niedrigere Gangstufe seine Drehzahl zum Erreichen der Drehzahlsynchronisation sehr schnell erhöhen.
Die Temperatur des zweiten Elektromotors wird bevorzugt über einen hierzu ausgebildeten Sensor erfasst, beispielsweise einen nach dem Seebeck-Effekt arbeitenden Sensor oder einen Infrarotsensor. Alternativ bevorzugt kann die Temperatur des zweiten Elektromotors aber auch rechnerisch anhand eines Temperaturmodells des zweiten Elektromotors erfasst werden.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass auch die erste Getriebeanordnung, also das Arbeitsgetriebe, schaltbar ausgeführt ist. In diesem Fall wird das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft auch für den ersten Elektromotor ausgeführt.
Denkbar und bevorzugt ist weiterhin auch nicht nur das Bereitstellen eines einzelnen ersten bzw. zweiten Elektromotors, sondern darüber hinaus mehrerer erster bzw. zweiter Elektromotoren, die z.B. über ein Summiergetriebe miteinander gekoppelt sein können oder über jeweils einzelne Triebanbindungen trieblich lösbar mit der ersten bzw. zweiten Getriebeanordnung verbunden sein können.
Bevorzugt weist zumindest die zweite Getriebeanordnung eine Vielzahl von als Vorwärtsgänge und mindestens eine als Rückwärtsgang ausgebildete Gangstufe auf. Besonders bevorzugt entspricht die Zahl der Vorwärtsgänge der Zahl der Rückwärtsgänge. Auch die erste Getriebeanordnung kann mehr als nur eine als Vorwärtsgang ausgebildete Gangstufe aufweisen. Darüber hinaus sind auch eine oder mehrere als Rückwärtsgang ausgebildete Gangstufen der ersten Getriebeanordnung denkbar. Aufgrund der Fähigkeit von Elektromotoren, ihre Drehrichtung zu ändern, ist das Bereitstellen von Rückwärtsgängen allerdings nicht immer erforderlich.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass bei einer Ausbildung der zweiten Getriebeanordnung als automatisiertes Schaltgetriebe die mindestens eine Maßnahme eine Beaufschlagung eines Schaltpunkts der zweiten Getriebeanordnung mit einer Schalthysterese ist. Ein Schaltpunkt stellt in einem automatisierten Schaltgetriebe einen Betriebspunkt dar, bei welchem automatisiert ein Schaltvorgang - üblicherweise in eine nächsthöhere oder nächstniedrigere - Gangstufe erfolgt. Der Schaltpunkt kann z.B. geprägt sein durch eine Motorlast, durch eine Motordrehzahl, durch Drehzahlen der Getriebeelemente, welche der eingelegten Gangstufe zugeordnet sind, durch eine Geschwindigkeit der Arbeitsmaschine, durch einen erkannten Schub- oder Zugbetrieb der Arbeitsmaschine oder auch durch eine erkannte Steigung des Untergrunds. Durch Beaufschlagung eines Schaltpunkts mit einer Hysterese spaltet sich dieser eine Schaltpunkt derart in zwei unterschiedliche, richtungsabhängige Schaltpunkte auf, wobei einer der zwei Schaltpunkte ausschließlich bei einem Herunterschaltvorgang herangezogen wird und der andere der zwei Schaltpunkte ausschließlich bei einem Hochschaltvorgang herangezogen wird. Die Richtungsabhängigkeit ist dabei derart ausgebildet, dass ein den Schaltvorgang auslösender Betriebspunkt erst später erreicht wird. Beispielweise kann ein geschwindigkeitsabhängig vorgegebener Schaltpunkt, der gewöhnlich bei 10 km/h liegt, mit einer Schalthysterese beaufschlagt werden, so dass er sich aufspaltet in einen Schaltpunkt bei 8 km/h und einen Schaltpunkt bei 12 km/h. Damit das Auslösen des Schaltvorgangs verzögert wird, also ein den Schaltvorgang auslösender Betriebspunkt erst später erreicht wird, wird der Schaltpunkt bei 8 km/h ausschließlich für einen Herunterschaltvorgang verwendet und der Schaltpunkt bei 12 km/h wird ausschließlich für einen Hochschaltvorgang verwendet. Somit wird bei einer Verlangsamung der Arbeitsmaschine erst später heruntergeschaltet und bei einer Beschleunigung der Arbeitsmaschine erst später hochgeschaltet. Dadurch lässt sich insbesondere bei häufigen Geschwindigkeitsänderungen um den ursprünglichen Schaltpunkt herum die Anzahl der Schaltvorgänge reduzieren. Gemeinsam mit der Anzahl der Schaltvorgänge reduziert sich auch die Häufigkeit der durchgeführten Drehzahlsynchronisationen und damit die thermische Belastung des zweiten Elektromotors.
Besonders bevorzugt wird nicht nur ein Schaltpunkts der zweiten Getriebeanordnung mit einer Schalthysterese beaufschlagt, sondern mehrere Schaltpunkt oder alle Schaltpunkte.
Bevorzugt können auch ein oder mehrere Schaltpunkte der ersten Getriebeanordnung mit einer derartigen Schalthysterese beaufschlagt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die mindestens eine Maßnahme eine Unterstützung der Drehzahlsynchronisation durch eine Kupplung ist. Das bedeutet also, dass die Drehzahlsynchronisation nicht ausschließlich durch eine Bestromung des zweiten Elektromotors erfolgt, sondern zusätzlich durch einen Reibevorgang der jeweiligen Kupplung der zweiten Getriebeanordnung unterstützt wird. Dadurch reduziert sich entsprechend auch die thermische Belastung des zweiten Elektromotors.
Besonders bevorzugt kann die mindestens eine Maßnahme auch eine Drehzahlsynchronisation ausschließlich durch die entsprechende Kupplung der zweiten Getriebeanordnung sein. In diesem Fall wird der zweite Elektromotor also überhaupt nicht zur Drehzahlsynchronisation herangezogen. Dementsprechend groß die thermische Entlastung des zweiten Elektromotors.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass auch der erste Elektromotor thermisch entlastet wird, indem die Drehzahlsynchronisation durch eine Kupplung der ersten Getriebeanordnung unterstützt wird oder vollständig übernommen wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die mindestens eine Maßnahme eine Intensivierung einer Kühlung des zweiten Elektromotors ist. Beispielsweise kann eine Förderpumpe eines Kühlkreislaufs, welcher den zweiten Elektromotor kühlt, mit höherer Leistung betrieben werden oder es können zusätzliche Kühlvorrichtungen, beispielsweise Radiatoren, zur Kühlung eines Kühlfluids aktiviert werden.
Bevorzugt ist es auch vorgesehen, nicht nur die Kühlung des zweiten Elektromotors zu intensivieren sondern darüber hinaus zusätzlich oder alternativ die Kühlung einer am Schaltvorgang beteiligten Kupplung der zweiten Getriebeanordnung zu intensivieren. Dadurch kann die Kupplung ihrerseits stärker zur thermischen Entlastung des zweiten Elektromotors beitragen, indem sie durch zusätzliche Reibarbeit stärker zur notwendigen Drehzahlsynchronisation beiträgt.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass auch der erste Elektromotor durch Intensivieren seiner Kühlung bzw. der Kühlung einer Kupplung der ersten Getriebeanordnung entlastet wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die mindestens eine Maßnahme eine Herstellung einer Triebverbindung zwischen dem Arbeitsantrieb und dem Fahrantrieb ist, so dass der Fahrantrieb zusätzlich oder ausschließlich vom ersten Elektromotor angetrieben wird. Das beutet also, dass der eigentlich dem Arbeitsantrieb zugeordnete und für den Arbeitsantrieb vorgesehene erste Elektromotor über einen trieblichen Kurzschluss zwischen dem Arbeitsantrieb und dem Fahrantrieb zusätzlich auch den Fahrantrieb antreiben kann. Dadurch wiederum wird es vorteilhaft ermöglicht, die Bestromung und damit die thermische Belastung des zweiten Elektromotors im gleichen Maße zu reduzieren, wie der erste Elektromotor zum Fahrantrieb beiträgt.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass ein Antrieb des Fahrantriebs durch den ersten Elektromotor unter Berücksichtigung einer Temperatur des ersten Elektromotors erfolgt. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die thermische Entlastung des zweiten Elektromotors nicht zu einer thermischen Überlastung des ersten Elektromotors führen kann. Stattdessen trägt der erste Elektromotor maximal soweit zum Fahrantrieb bei, wie es seine eigenen thermischen Reserven zulassen. Dadurch kann eine Beschädigung bzw. Überlastung des ersten Elektromotors vermieden werden.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass der erste Elektromotor den Fahrantrieb und den Arbeitsantrieb gleichzeitig antreibt. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass auch der Arbeitsantrieb kontinuierlich angetrieben wird und zur Verfügung steht. Es wird dann lediglich der vom Fahrantrieb benötigte Leistungsbedarf vom ersten Elektromotor zusätzlich bereitgestellt.
Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass der Fahrantrieb ausschließlich dann vom ersten Elektromotor angetrieben wird, wenn dem Arbeitsantrieb eine von ihm benötigte Leistung weiterhin vom ersten Elektromotor bereitgestellt werden kann. Der Fahrantrieb wird also ausschließlich dann bzw. ausschließlich soweit vom ersten Elektromotor angetrieben, dass dem Arbeitsantrieb weiterhin die vom Arbeitsantrieb benötigte Leistung zugeführt werden kann. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass in jedem Fall sichergestellt ist, dass der Arbeitsantrieb jederzeit die benötigte und von einem Bediener der Arbeitsmaschine angeforderte Leistung erhält, so dass ein plötzlicher und insbesondere für den Bediener unerwarteter Leistungseinbruch des Arbeitsantriebs vermieden werden kann. Dem vollständigen Entsprechen der Leistungsanforderung des Arbeitsantriebs durch den ersten Elektromotor kommt insbesondere Bedeutung in Situationen zu, in denen gleichermaßen vom Fahrantrieb wie auch vom Arbeitsantrieb vergleichsweise hohe Leistungsanforderungen gestellt werden, welche vom ersten Elektromotor in Summe jedoch nicht mehr bereitgestellt werden können.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass über die Triebverbindung auch der Arbeitsantrieb zusätzlich oder ausschließlich vom zweiten Elektromotor angetrieben werden kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die mindestens eine Maßnahme eine Limitierung eines zulässigen Betriebsbereichs des zweiten Elektromotors ist. Das bedeutet also, dass der zulässige Betriebsbereich eingeschränkt wird, insbesondere auf einen vergleichsweise niedrigen Leistungsbereich. Der Leistungsbereich kann dabei z.B. durch die Limitierung von Betriebsspannungen bzw. Betriebsströmen auf jeweils eine bestimmte maximale Grenzleistung vorgegeben werden. Dadurch kann das Bestromen mit vergleichsweise hohen Strömen vermieden werden, wodurch die thermische Belastung des zweiten Elektromotors reduziert wird und dieser abkühlen kann.
Insbesondere kann die Limitierung des zulässigen Betriebsbereichs nicht nur durch die Limitierung von Betriebsspannungen bzw. Betriebsströmen erfolgen, sondern zusätzlich oder alternativ durch eine Limitierung einer Motordrehzahl auf eine bestimmte Grenzdrehzahl.
Die Limitierung auf einen bestimmten Betriebsbereich bzw. die vorgebbare Grenzleistung bzw. Grenzdrehzahl kann dabei vorteilhaft abhängig von der jeweils erfassten Temperatur des zweiten Elektromotors gewählt werden. Beispielsweise kann ein nur geringfügiges Überschreiten der Grenztemperatur zunächst eine nur geringfügige Limitierung des zulässigen Betriebsbereichs zur Folge haben, beispielsweise auf maximal 75 % der Maximalleistung des zweiten Elektromotors. Ein deutliches Überschreiten hingegen kann eine sofortige und sehr starke Limitierung des Betriebsbereichs zur Folge haben, beispielsweise auf maximal 50 % der Maximalleistung.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass zur thermischen Entlastung des ersten Elektromotors auch ein zulässiger Betriebsbereich des ersten Elektromotors limitiert werden kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die mindestens eine Maßnahme eine Hochschaltverhinderung in der zweiten Getriebeanordnung ist. D.h. also, dass eine gewählte Gangstufe der zweiten Getriebeanordnung zur thermischen Entlastung des zweiten Elektromotors nicht weiter erhöht werden kann. Die Hochschaltverhinderung ist dabei vorzugsweise als Blockierung des entsprechenden Schaltvorgangs ausgebildet, was bei einem automatisierten Schaltgetriebe beispielsweise besonders einfach und wirksam über eine entsprechend ausgebildete Steuersoftware möglich ist. Indem die Gangstufe nicht mehr durch einen Hochschaltvorgang hochgeschaltet werden kann, ist die maximale Fahrgeschwindigkeit der Arbeitsmaschine begrenzt. Da der Leistungsbedarf in niedrigeren Gangstufen zudem in der Regel geringer ist als in höheren Gangstufen, kann hierdurch eine thermische Belastung des zweiten Elektromotors reduziert werden. Zudem wird durch die Hochschaltverhinderung ein entsprechender Schaltvorgang und damit einhergehend auch eine notwendige Drehzahlsynchronisation vermieden, was ebenfalls zur thermischen Entlastung des zweiten Elektromotors beiträgt.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass zur thermischen Entlastung des ersten Elektromotors ebenfalls eine Hochschaltverhinderung in der ersten Getriebeanordnung vorgesehen ist.
Eine Rückschaltbarkeit der eingelegten Gangstufe der zweiten Getriebeanordnung hingegen kann weiterhin zugelassen werden. Dies erfordert zwar zunächst eine Drehzahlsynchronisation, führt dann aber zu einem vergleichsweise geringeren leistungsbedarf des zweiten Elektromotors und somit zu einer thermischen Entlastung des zweiten Elektromotors.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Antriebsstrang für eine Arbeitsmaschine, wobei der Antriebsstrang einen Arbeitsantrieb mit einer ersten Getriebeanordnung sowie mit einem ersten Elektromotor und einen Fahrantrieb mit einer zweiten Getriebeanordnung sowie mit einem zweiten Elektromotor umfasst, wobei der Arbeitsantrieb über die erste Getriebeanordnung vom ersten Elektromotor antreibbar ist und wobei der Fahrantrieb über die zweite Getriebeanordnung vom zweiten Elektromotor antreibbar ist. Der erfindungsgemäße Antriebsstrang zeichnet sich dadurch aus, dass über eine Verbindungskupplung zwischen dem Arbeitsantrieb und dem Fahrantrieb eine Triebverbindung herstellbar ist. Der erfindungsgemäße Antriebsstrang umfasst somit vorteilhaft die notwendigen Vorrichtungen und Mittel, um das erfindungsgemäße Verfahren ausführen zu können. Dies wiederum führt zu den bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteilen.
Bevorzugt umfasst der Antriebsstrang weiterhin zur Ansteuerung bzw. Regelung der Drehzahl bzw. des Drehmoments bzw. der bereitzustellenden Leistung des ersten Elektromotors und des zweiten Elektromotors jeweils eine eigene Leistungselektronik oder eine einzelne gemeinsame Leistungselektronik.
Ebenso bevorzugt umfasst der Antriebsstrang ein elektronisches Steuergerät, welches den ersten Elektromotor und den zweiten Elektromotor über die jeweils eine eigene Leistungselektronik oder über die gemeinsame Leistungselektronik steuert bzw. regelt. Das Steuergerät kann darüber hinaus auch die erste Getriebeeinheit bzw. die zweite Getriebeeinheit steuern. Das Steuergerät umfasst seinerseits vorteilhaft einen Mikroprozessor und einen elektronischen Speicher, auf welchem besonders bevorzugt das erfindungsgemäße Verfahren in Form eines vom Mikroprozessor ausführbaren Softwarealgorithmus abgelegt ist.
Ebenso bevorzugt umfasst der Antriebsstrang auch mindestens eine Kühlvorrichtung zur Kühlung des ersten Elektromotors, des zweiten Elektromotors, der ersten Getriebeeinheit bzw. der zweiten Getriebeeinheit.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass die zweite Getriebeanordnung über eine Vielzahl von Gangstufen lastschaltbar ist.
Die erste Getriebeanordnung ist bevorzugt vergleichsweise einfach als Untersetzungsstufe ausgebildet. Sofern die erste Getriebeanordnung mehrere schaltbare Gangstufen aufweist, so sind diese bevorzugt lastschaltbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der erste Elektromotor und der zweite Elektromotor in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Dies ermöglicht eine platz- und gewichtsparende Anordnung des ersten Elektromotors und des zweiten Elektromotors innerhalb des Antriebsstrangs in einer Arbeitsmaschine. Zudem werden durch das gemeinsame Gehäuse im Vergleich zu zwei Einzelgehäusen Gewicht und Kosten eingespart. Der erste und der zweite Elektromotor können beispielsweise axial hintereinander in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet werden, wobei die Motorabtriebswellen z.B. in entgegengesetzte Axialrichtungen aus dem Gehäuse weisen können. Ebenso ist aber auch eine Anordnung axial nebeneinander in einem entsprechend ausgebildeten Gehäuse möglich und bevorzugt, so dass beide Motorabtriebswellen beispielsweise in die gleiche Axialrichtung weisen können.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Antriebsstrang dazu ausgebildet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass der erste Elektromotor bzw. der zweite Elektromotor weiterhin zum Rekuperieren von kinetischer Energie im Bremsbetrieb des Antriebsstrangs ausgebildet sind. Durch die erfindungsgemäß über die Verbindungskupplung zwischen dem Fahrantrieb und dem Arbeitsantrieb herstellbare Triebverbindung kann kinetische Energie nämlich vorteilhaft sowohl vom zweiten wie auch vom ersten Elektromotor rekuperiert werden. Dazu umfasst der Antriebsstrang weiterhin vorteilhafterweise einen elektrischen Energiespeicher, dem die durch den Rekuperationsbetrieb erzeugte elektrische Energie zugeführt werden kann. Im Rekuperationsbetrieb arbeiten der erste Elektromotor bzw. der zweite Elektromotor als Generatoren und wandeln kinetische Energie der Arbeitsmaschine in elektrische Energie um. Diese elektrische Energie kann dem elektrischen Energiespeicher später im Bedarfsfalle wieder entnommen werden, um den ersten Elektromotor bzw. den zweiten Elektromotor zu versorgen. Zusätzlich kann es auch vorgesehen sein, dass der elektrische Energiespeicher über ein Ladekabel oder eine sonstige geeignete Ladevorrichtung, beispielsweise eine Induktionsladevorrichtung, mit externer elektrischer Energie ladbar ist. Die Verwendung des ersten Elektromotors bzw. des zweiten Elektromotors zum Rekuperieren reduziert außerdem den Verschleiß einer mechanischen Reibungsbremse.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Arbeitsmaschine, umfassend einen erfindungsgemäßen Antriebsstrang. Daraus ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Antriebsstrang beschriebenen Vorteile auch für die erfindungsgemäße Arbeitsmaschine.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Arbeitsmaschine als Radlader, Dumper, Bagger, Teleskoplader oder Traktor ausgebildet ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
Es zeigen:

1 beispielhaft eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Antriebsstrangs für eine Arbeitsmaschine in Form eines Räderschemas, 2 beispielhaft eine weitere mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs für Arbeitsmaschine in Form eines Räderschemas und
3 beispielhaft einen Verlauf einer Bestromung des zweiten Elektromotors sowie einen damit einhergehenden Verlauf einer Temperatur des zweiten Elektromotors über die Zeit.

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 eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs 1 für eine in 1 nicht dargestellte Arbeitsmaschine in Form eines Räderschemas. Beispielsgemäß umfasst der Antriebsstrangs 1 der 1 einen ersten Elektromotor 2 und einen zweiten Elektromotor 3, welche in einem gemeinsamen Gehäuse 11 angeordnet sind. Sowohl dem ersten Elektromotor 2 als auch dem zweiten Elektromotor 3 ist jeweils ein Temperatursensor 2', 3' zugeordnet, um kontinuierlich eine Temperatur des ersten bzw. zweiten Elektromotors 2, 3 zu erfassen. Weiterhin umfasst der Antriebsstrang 1 der 1 eine erste Getriebeanordnung 4 und eine zweite Getriebeanordnung 5, wobei der erste Elektromotor 2 und die erste Getriebeanordnung 4 einem Arbeitsantrieb 6 des Antriebsstrangs 1 zugeordnet sind. Der zweite Elektromotor 3 und die zweite Getriebeanordnung 5 sind hingegen einem Fahrantrieb 7 des Antriebsstrangs 1 zugeordnet. Die zweite Getriebeanordnung 5 umfasst beispielsgemäß weiterhin drei weitere, lastschaltbare Kupplungen 9, 9' und 9" sowie drei Wellen 5', 5" und 5"', um mittels drei unterschiedlicher Stirnradstufen 10, 10', 10" drei schaltbare Gangstufen der zweiten Getriebeanordnung 5 bereitzustellen. Bei einem Schaltvorgang der zweiten Getriebeanordnung 5 wird eine zuvor geschlossene Kupplung 9, 9' oder 9" geöffnet und ein gleichzeitig eine zuvor geöffnete Kupplung 9, 9' oder 9" geschlossen. Damit eine Kupplung 9, 9' oder 9" schließen kann, muss zunächst eine Drehzahlsynchronisierung der Elemente der zu schaltenden Gangstufe erfolgen. Die Drehzahlsynchronisation erfolgt beispielsgemäß durch eine entsprechende Bestromung des zweiten Elektromotors 3, was jedoch aufgrund der notwendigen schnellen Drehzahländerung und der damit einhergehenden hohen Stromstärken auch zu einer starken Wärmeentwicklung im zweiten Elektromotor 3 führt. Um nun den zweiten Elektromotor 3 thermisch zu entlasten, ist über eine Verbindungskupplung 8 zwischen der ersten Getriebeanordnung 4 und der zweiten Getriebeanordnung 5 eine Triebverbindung herstellbar, wobei die Triebverbindung beispielsgemäß vom ersten Elektromotor 2 zur Welle 5' der zweiten Getriebeanordnung 5 herstellbar ist. Somit kann der erste Elektromotor 2 bei geschlossener Verbindungskupplung 8 den Fahrantrieb 7 antreiben. Dies geschieht beispielsgemäß immer dann, wenn der zweite Elektromotor 3 thermisch entlastet werden muss. Indem der Fahrantrieb 7 zusätzlich vom ersten Elektromotor 2 angetrieben wird, kann der zweite Elektromotor 3 bei einem niedrigeren Betriebspunkt betrieben werden, wodurch eine Bestromung des zweiten Elektromotors 3 reduziert wird und damit auch eine thermische Belastung des zweiten Elektromotors 3 reduziert wird.
2 zeigt beispielhaft eine weitere mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs 1 für eine in 2 nicht dargestellte Arbeitsmaschine in Form eines Räderschemas. Der Antriebsstrang 1 der 2 unterscheidet sich vom Antriebsstrang 1 lediglich durch die herstellbare Triebverbindung vom ersten Elektromotor 2 zum Fahrantrieb 7: Diese verläuft beispielsgemäß vom ersten Elektromotor 2 zur Welle 5" der zweiten Getriebeanordnung 5.
3 zeigt beispielhaft einen Verlauf 20 einer Bestromung (dargestellt auf der y-Achse) des zweiten Elektromotors 3 sowie einen damit einhergehenden Verlauf 21 einer Temperatur (ebenfalls dargestellt auf der y-Achse) des zweiten Elektromotors 3 über die Zeit t (dargestellt auf der x-Achse). Zum Zeitpunkt t₀ wird der zweite Elektromotor 3 mit dem Strom I₀ betrieben und hat die Temperatur T₀ . Der Strom I₀ führt zwar zu einer konstanten Erwärmung des zweiten Elektromotors 3, jedoch wird die entstehenden Wärme über ein Kühlsystem abgeführt, so dass ein dynamisches thermisches Gleichgewicht besteht. Zum Zeitpunkt t₁ findet ein Schaltvorgang in der zweiten Getriebeanordnung 5 statt, weshalb eine Drehzahlsynchronisation erforderlich wird. Die Drehzahlsynchronisation erfolgt durch eine kurzfristige Bestromung des zweiten Elektromotors 3 mit dem Strom I₁ . Dies bewirkt auch einen sprunghaften Anstieg der Temperatur auf den Wert T₁ . Danach setzt die Arbeitsmaschine ihre Fahrt bis zum Zeitpunkt t₂ gleichmäßig fort, wobei zum Zeitpunkt t₂ erneut ein Schaltvorgang in der zweiten Getriebeanordnung 5 stattfindet. Die wieder erforderliche Drehzahlsynchronisation und die dafür notwendige, hohe Bestromung I₂ des zweiten Elektromotors 3 führt zu einem weiteren Anstieg der Temperatur, diesmal auf den Wert T₂ . Die Temperatur T₂ liegt nur knapp unterhalb der Grenztemperatur T_Grenz. Zum Zeitpunkt t₃ findet nochmals ein Schaltvorgang statt, was wiederum zu einem kurzfristigen Anstieg des Bestromung auf die Stromstärke I₃ und zu einem Anstieg der Temperatur auf den Wert T₃ führt. Dabei überschreitet die Temperatur T₃ des zweiten Elektromotors nun auch die Grenztemperatur T_Grenz. Dies führt dazu, dass beim Überschreiten der Grenztemperatur T_Grenz eine Reihe von Maßnahme zur thermischen Entlastung des zweiten Elektromotors 3 durchgeführt wird. Beispielsgemäß werden zunächst sämtliche Schaltpunkte der zweiten Getriebeanordnung 5 mit einer Schalthysterese beaufschlagt, um weitere Schaltvorgänge zu vermeiden oder zumindest zu verzögern. Ebenso wird eine Kühlung des zweiten Elektromotors 3 intensiviert. Schließlich wird eine Triebverbindung zwischen dem Arbeitsantrieb 6 und dem Fahrantrieb 7 hergestellt, so dass der Fahrantrieb 7 zusätzlich vom ersten Elektromotor 2 angetrieben wird. Als Folge der letztgenannten Maßnahme zur thermischen Entlastung des zweiten Elektromotors 3 kann dessen Bestromung reduziert werden auf den Wert 14. Die Temperatur des zweiten Elektromotors 3 reduziert sich daraufhin schnell.
Bezugszeichenliste

1: Antriebsstrang
2: erster Elektromotor
2': Temperatursensor des ersten Elektromotors
3: zweiter Elektromotor
3': Temperatursensor des zweiten Elektromotors
4: erste Getriebeanordnung
5: zweite Getriebeanordnung
6: Arbeitsantrieb
7: Fahrantrieb
8: Verbindungskupplung
9, 9', 9": Kupplung
10, 10', 10": Stirnradstufe
11: gemeinsames Gehäuse
20: Bestromung des zweiten Elektromotors
21: Temperatur des zweiten Elektromotors
t₀, t₁, t₂, t₃: Zeitpunkt
I₀, I₁, I₂, I₃: Strom
T₀, T₁, T₂, T₃: Temperatur

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202014000738 U1 [0004]
DE 102010063503 A1 [0005]
DE 102007046735 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs (1) für eine Arbeitsmaschine, wobei ein Arbeitsantrieb (6) der Arbeitsmaschine über eine erste Getriebeanordnung (4) von einem ersten Elektromotor (2) angetrieben wird, wobei ein Fahrantrieb (7) der Arbeitsmaschine über eine zweite Getriebeanordnung (5) von einem zweiten Elektromotor (3) angetrieben wird, wobei bei einem Schaltvorgang der zweiten Getriebeanordnung (5) eine Drehzahlsynchronisation des zweiten Elektromotors (3) erfolgt und wobei eine Temperatur des zweiten Elektromotors (3( erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahlsynchronisation durch eine Bestromung des zweiten Elektromotors (3) erfolgt und dass bei Überscheiten einer Grenztemperatur mindestens eine Maßnahme zur thermischen Entlastung des zweiten Elektromotors (3) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Ausbildung der zweiten Getriebeanordnung (5) als automatisiertes Schaltgetriebe die mindestens eine Maßnahme eine Beaufschlagung eines Schaltpunkts der zweiten Getriebeanordnung (5) mit einer Schalthysterese ist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Maßnahme eine Unterstützung der Drehzahlsynchronisation durch eine Kupplung (9, 9', 9") ist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Maßnahme eine Intensivierung einer Kühlung des zweiten Elektromotors (3) ist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Maßnahme eine Herstellung einer Triebverbindung zwischen dem Arbeitsantrieb (6) und dem Fahrantrieb (7) ist, so dass der Fahrantrieb (7) zusätzlich oder ausschließlich vom ersten Elektromotor (2) angetrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Antrieb des Fahrantriebs (7) durch den ersten Elektromotor (2) unter Berücksichtigung einer Temperatur des ersten Elektromotors (2) erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Maßnahme eine Limitierung eines zulässigen Betriebsbereichs des zweiten Elektromotors (3) ist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Maßnahme eine Hochschaltverhinderung in der zweiten Getriebeanordnung (5) ist.
Antriebsstrang (1) für eine Arbeitsmaschine, wobei der Antriebsstrang (1) einen Arbeitsantrieb (6) mit einer ersten Getriebeanordnung (4) sowie mit einem ersten Elektromotor (2) und einen Fahrantrieb (7) mit einer zweiten Getriebeanordnung (5) sowie mit einem zweiten Elektromotor (3) umfasst, wobei der Arbeitsantrieb (6) über die erste Getriebeanordnung (4) vom ersten Elektromotor (2) antreibbar ist und wobei der Fahrantrieb (7) über die zweite Getriebeanordnung (5) vom zweiten Elektromotor (3) antreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Verbindungskupplung (8) zwischen dem Arbeitsantrieb (6) und dem Fahrantrieb (7) eine Triebverbindung herstellbar ist.
Antriebsstrang (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Elektromotor (2) und der zweite Elektromotor (3) in einem gemeinsamen Gehäuse (11) angeordnet sind.
Antriebsstrang (1) nach mindestens einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrang (1) dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.
Arbeitsmaschine, umfassend einen Antriebsstrang (1) nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 11.