DE102019218486A1

DE102019218486A1 - Verfahren zur Steuerung einer elektrisch betriebenen mobilen Arbeitsmaschine

Info

Publication number: DE102019218486A1
Application number: DE102019218486.3A
Authority: DE
Inventors: Georg Mallebrein; Steffen Rose; Nils Steker; Daniel Neyer; Wilfried Werner; Philip Nagel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-11-28
Filing date: 2019-11-28
Publication date: 2021-06-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer elektrisch betriebenen mobilen Arbeitsmaschine (10), welche eine Mensch-Maschine-Schnittstelle, mindestens eine elektrische Energiequelle (70), mindestens einen elektrischen Antriebsmotor (52), mindestens einen elektrischen Pumpenmotor, mehrere Pumpen und mehrere hydraulische Zylinder (32, 42) aufweist, wobei der mindestens eine elektrische Pumpenmotor mindestens eine Pumpe treibt, und wobei die mehreren Pumpen jeweils mindestens einen hydraulischen Zylinder (32, 42) versorgen.Die Erfindung betrifft ferner eine elektrisch betriebene mobile Arbeitsmaschine (10), die eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer elektrisch betriebenen mobilen Arbeitsmaschine, welche eine Mensch-Maschine-Schnittstelle, mindestens eine elektrische Energiequelle, mindestens einen elektrischen Antriebsmotor, mindestens einen elektrischen Pumpenmotor, mehrere Pumpen und mehrere hydraulische Zylinder aufweist, wobei der mindestens eine elektrische Pumpenmotor mindestens eine Pumpe treibt, und wobei die mehreren Pumpen jeweils mindestens einen hydraulischen Zylinder versorgen. Die Erfindung betrifft ferner eine elektrisch betriebene mobile Arbeitsmaschine, die eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
Stand der Technik
Zunehmend werden auch mobile Arbeitsmaschinen mit einem rein elektrischen Antrieb ausgestattet. Zum Teil werden mehrere Elektromotoren verbaut um die Arbeitsmaschine zu bewegen. Als Energiequellen für die Arbeitsmaschine dienen Batterien oder auch Brennstoffzellen. Zusätzlich kann die Arbeitsmaschine im Betrieb auch mit einem elektrischen Versorgungsnetz verbunden sein, was eine weitere Energiequelle darstellt.
Eine mobile Arbeitsmaschine weist viele Aktoren auf, die gemeinsam mehr Leistung aufnehmen können, als die Energiequellen anbieten. Somit ist eine Priorisierung von Leistungen der Aktoren notwendig. Ein Aktor kann beispielsweise als eine elektrische Maschine eines elektrischen Antriebs, wie z.B. eines Fahrantriebs oder eines elektrischen Drehwerks eines Baggers, ausgebildet sein. Ein Aktor kann auch als ein hydraulischer Zylinder, der über eine Pumpe mit Hydraulikfluid versorgt wird, ausgebildet sein. Dabei wird die Pumpe von einer elektrischen Maschine betrieben. Eine elektrische Maschine kann gegebenenfalls mehrere Pumpen treiben. Eine Pumpe kann gegebenenfalls mehrere Zylinder versorgen.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Verfahren zur Steuerung einer elektrisch betriebenen mobilen Arbeitsmaschine vorgeschlagen. Dabei weist die elektrisch betriebene mobile Arbeitsmaschine eine Mensch-Maschine-Schnittstelle auf, mit der ein Benutzer der elektrisch betriebenen mobilen Arbeitsmaschine gewünschte Anforderungen an die elektrische betriebene mobile Arbeitsmaschine vorgeben kann. Eine Mensch-Maschine-Schnittstelle kann beispielsweise als ein Joystick ausgebildet werden.
Die elektrisch betriebene mobile Arbeitsmaschine weist weiterhin mindestens eine elektrische Energiequelle, die beispielsweise als eine Batterie oder eine Brennstoffzelle ausgebildet sein kann, mindestens einen elektrischen Antriebsmotor, mindestens einen elektrischen Pumpenmotor, mehrere Pumpen und mehrere hydraulische Zylinder auf. Dabei treibt der mindestens eine elektrische Pumpenmotor mindestens eine Pumpe. Dabei versorgen die mehreren Pumpen jeweils mindestens einen hydraulischen Zylinder. Der mindestens eine elektrische Antriebsmotor und der mindestens eine elektrische Pumpenmotor können auch als elektrischer Generator dienen. Bevorzugt weisen der mindestens eine elektrische Antriebsmotor und der mindestens eine elektrische Pumpenmotor jeweils eine Leistungselektronik zur Ansteuerung der jeweiligen elektrischen Motoren auf. Eine als eine Batterie ausgebildete Energiequelle kann ein Ladegerät aufweisen.
Zunächst wird ein Berechnungsmodell der elektrisch betriebenen mobilen Arbeitsmaschine bereitgestellt. Dabei umfasst das Berechnungsmodell eine elektrohydraulische Topologie der elektrisch betriebenen mobilen Arbeitsmaschine.
Anschließend wird eine erste elektrische Soll-Leistung des mindestens einen elektrischen Antriebsmotors aus Signalen der Mensch-Maschine-Schnittstelle mittels des Berechnungsmodells berechnet. Dabei werden eine erste Soll-Drehzahl und ein erstes Soll-Moment des mindestens einen elektrischen Antriebsmotors aus den Signalen der Mensch-Maschine-Schnittstelle berechnet.
Danach oder gleichzeitig wird eine zweite elektrische Soll-Leistung des mindestens einen elektrischen Pumpenmotors aus den Signalen der Mensch-Maschine-Schnittstelle mittels des Berechnungsmodells berechnet. Dabei werden eine zweite Soll-Drehzahl und ein zweites Soll-Moment des mindestens einen elektrischen Pumpenmotors aus den Signalen der Mensch-Maschine-Schnittstelle berechnet.
Bei der ersten und der zweiten elektrischen Soll-Leistung handelt es sich um unbegrenzte Leistungen, die aus der Mensch-Maschine-Schnittstelle und aktuellen Lastverhältnissen der Arbeitsmaschine unter Berücksichtigung aller Verluste berechnet werden.
Die erste elektrische Soll-Leistung des mindestens einen elektrischen Antriebsmotors und die zweiten elektrischen Soll-Leistung des mindestens einen elektrischen Pumpenmotors werden anschließend an ein elektrisches Leistungsmanagementsystem der elektrisch betriebenen mobilen Arbeitsmaschine gegeben.
Dabei werden eine erste obere Grenze und eine erste untere Grenze für die erste elektrische Soll-Leistung des mindestens einen elektrischen Antriebsmotors mittels eines elektrischen Leistungsmanagementsystems berechnet.
Dabei werden auch eine zweite obere Grenze und ein zweite untere Grenze für die zweite elektrische Soll-Leistung des mindestens einen elektrischen Pumpenmotors mittels des elektrischen Leistungsmanagementsystems berechnet.
Das elektrische Leistungsmanagementsystem erhält darüber hinaus weitere Anforderungen von anderen Verbrauchern der mindestens einen Energiequelle, wie z.B. einem DC/DC-Wandler, der aus einem Hochvoltkreis eine Niedervoltebene versorgt, oder aber auch Hochvolt-Lüftungsmotoren.
Das elektrische Leistungsmanagementsystem erhält aber auch Signale aus der mindestens einen elektrischen Energiequelle, die beispielsweise als eine Hochvoltbatterie, eine Brennstoffzelle oder ein Ladegerät, das an einem elektrischen Versorgungsnetz hängt, ausgebildet wird. Diese Signale geben eine aktuell abgebbare oder aufnehmbare elektrische Leistung auf der Spannungsebene des mindestens einen elektrischen Antriebsmotors und des mindestens einen elektrischen Pumpenmotors bzw. ihre Leistungselektronik an.
Das elektrische Leistungsmanagementsystem priorisiert folglich alle Anforderungen und Angebote nach einem vorgegebenen Priorisierungsalgorithmus. Beispielsweise hat eine Versorgung des DC/DC-Wandler eines elektrischen Baggers höchste Priorität, dann folgt ein Drehwerk des elektrischen Baggers und zuletzt der mindestens einen Pumpenmotor des elektrischen Baggers.
Als Ausgangsgrößen bestimmt das elektrische Leistungsmanagementsystem nun eine obere und eine untere Grenze der elektrischen Leistung für die angeschlossenen Verbraucher. Da ein Verbraucher auch kurzzeitig im Generatorbetrieb sein kann, wird auch die untere Grenze benötigt.
Bevorzugt werden eine erste maximale abgebbare und eine erste maximale aufnehmbare elektrische Leistung des mindestens einen elektrischen Antriebsmotors beim Berechnen der ersten elektrischen Soll-Leistung des mindestens einen elektrischen Antriebsmotors berechnet.
Vorzugweise werden eine zweite maximale abgebbare und eine zweite maximale aufnehmbare elektrische Leistung des mindestens einen elektrischen Pumpenmotors beim Berechnen der zweiten elektrischen Soll-Leistung des mindestens einen elektrischen Pumpenmotors berechnet.
Bevorzugt werden beim Berechnen der zweiten elektrischen Soll-Leistung des mindestens einen elektrischen Pumpenmotors zunächst hydraulische Soll-Volumenströme für die jeweiligen hydraulischen Zylinder aus den Signalen der Mensch-Maschine-Schnittstelle berechnet. Danach werden aktuellen Differenzdrücke an den jeweiligen Pumpen ermittelt.
Anschließend werden eine hydraulische Soll-Leistung, ein Soll-Moment und eine Soll-Drehzahl der jeweiligen Pumpen anhand der berechneten hydraulischen Soll-Volumenströme, der ermittelten aktuellen Differenzdrücke an den jeweiligen Pumpen unter Berücksichtigung von hydraulischen und mechanischen Verlusten der jeweiligen Pumpen für die jeweiligen hydraulischen Zylinder berechnet. Dabei wird bei im Pumpvolumen pro Umdrehung regelbaren Pumpen auch eine optimale Einstellung zu Grunde gelegt. Bei Axialkolbenpumpen wird eine optimale Einstellung für einen Soll-Schwenkwinkel durchgeführt.
Die aus der Mensch-Maschine-Schnittstelle abgeleiteten und auf die mechanische Pumpenwelle umgerechneten Größen für Soll-Drehzahl und Soll-Moment wird für alle auf einer Welle des elektrischen Pumpenmotors sich befindlichen Pumpen berücksichtigt in der Weise, dass die Soll-Drehzahl des elektrischen Pumpmotors aus dem Maximum der Soll-Drehzahlen der Pumpen gewonnen wird und das gesamte Moment sich aus der Summe der hydraulischen Soll-Leistungen und aller mechanischen und hydraulischen Verluste sowie der aktuellen Pumpenmotordrehzahl berechnet.
Vorzugsweise wird aus dem ersten Soll-Moment des mindestens einen elektrischen Antriebsmotors und seiner aktuellen Drehzahl die erste elektrische Soll-Leistung des mindestens einen elektrischen Antriebsmotors berechnet. Dabei wird das erste Soll-Moment des mindestens einen elektrischen Antriebsmotors unter Berücksichtigung der ersten oberen Grenze und der ersten unteren Grenze der ersten elektrischen Soll-Leistung des mindestens einen elektrischen Antriebsmotors begrenzt. Zusätzlich werden die beim soll-Betriebspunkt erwarteten elektrischen und mechanischen Verluste des elektrischen Antriebsmotors bei der Berechnung der ersten elektrischen Soll-Leistung berücksichtigt.
Aus der zweiten oberen und der zweiten unteren Grenze für die zweite elektrische Soll-Leistung des mindestens einen elektrischen Pumpenmotors werden bevorzugt eine dritte obere und eine dritte untere Grenze für eine gesamte hydraulische Leistung der durch den mindestens einen elektrischen Pumpenmotor betriebenen Pumpen berechnet. Dabei wird eine begrenzte hydraulische Gesamtleistung berechnet.
Vorzugsweise werden die dritte obere und die dritte untere Grenze für die gesamte hydraulische Leistung unter Berücksichtigung aller Wandlungsverluste in einer Wirkungskette der elektrisch betriebenen mobilen Arbeitsmaschine berechnet. Zu den Wandlungsverlusten gehören beispielsweise elektrische und mechanische Verluste des mindestens einen elektrischen Pumpenmotors sowie mechanische und hydraulische Verluste der jeweiligen Pumpen.
Aus der berechneten begrenzten hydraulischen Gesamtleistung und den aktuellen Differenzdrücken an den jeweiligen Pumpen wird ein Leistungsreduktionsfaktor berechnet. Der Leistungsreduktionsfaktor stellt das Verhältnis aus verfügbarer und angeforderter hydraulischer Leistung dar. Der Leistungsreduktionsfaktor berücksichtigt dabei die begrenzte elektrische Leistung, die beispielsweise von der mindestens eine Energiequelle zur Verfügung gestellt wird, die Drehzahl sowie Momentgrenzen der jeweiligen Pumpenmotoren.
Bei mobilen Arbeitsmaschinen ist es häufig gefordert, im Falle einer Begrenzung nur eines hydraulischen Zylinders alle anderen hydraulischen Zylinder in gleichem Maß zu begrenzen.
Daher sind ggf. weitere Begrenzungen zu erkennen und diese dann zu berücksichtigen. Eine typische Begrenzung für hydraulisch betriebene Aktoren ist dann auch der verfügbare Volumenstrom.
Vorzugsweise werden für die einzelnen Pumpen Volumenstromreduktionsfaktoren berechnet aus einem Quotienten eines bei aktueller Drehzahl verfügbaren Volumenstroms und eines Volumenstroms aller an der Pumpe angeschlossenen hydraulischen Zylinder.
Dabei ergeben sich so viele weitere Reduktionsfaktoren, wie Pumpen verbaut sind.
Danach wird ein minimaler Wert aus dem berechneten Leistungsreduktionsfaktor und den Volumenstromreduktionsfaktoren berechnet. Dieser minimale Wert berücksichtigt alle Reduktionen, wie beispielsweise elektrische Leistung der mindestens einen Energiequelle, mechanische Begrenzungen der Pumpenmotoren und hydraulische Begrenzungen der Pumpen.
Anschließend werden begrenzte hydraulische Soll-Volumenströme für alle hydraulischen Zylinder mit dem minimalen Wert berechnet.
Mit dieser vorteilhaften bevorzugten Ausführungsform können Geschwindigkeiten aller hydraulischen Zylinder gleichmäßig reduziert werden. Alternativ zu einer gleichmäßigen Reduktion der Geschwindigkeiten aller hydraulischen Zylinder kann auch eine andere Aufteilung gewählt werden, wie z.B. mit spezifischen Reduktionsfaktoren oder konstantem Offset.
Vorteilhafterweise können die erste und zweite elektrischen Soll-Leistung auf Werte begrenzt werden, dass diese auch durch den mindestens einen elektrischen Antriebsmotor und den mindestens einen Pumpenmotor umgesetzt werden. Dies ermöglicht dem elektrischen Leistungsmanagementsystem, die Leistungsverteilung auf verschiedenen Verbraucher zu optimieren.
Beispielsweise wird bei der Berechnung der zweiten elektrischen Leistung des mindestens einen Pumpenmotors gefordert, im Falle einer Begrenzung nur eines hydraulischen Zylinders alle anderen hydraulischen Zylinder in gleichem Maß zu begrenzen. So kann es sein, dass aus einer Begrenzung des Volumenstroms nur eines Zylinders alle Zylinder weniger Volumenstrom benötigen und damit auch weniger hydraulische Leistung und damit der mindestens einen Pumpenmotor aus einer Begrenzung des Volumenstroms der durch den mindestens einen Pumpenmotor betriebenen Pumpen nur eine verringerte Leistung aufnehmen kann. Um dies zu vermeiden, werden vorteilhaft schon vor dem elektrischen Leistungsmanagementsystem Volumenstromreduktionsfaktoren berechnet, die einen Verlangsamungsfaktor der Zylinder gegenüber dem Wert aus der Mensch-Maschine-Schnittstelle darstellen.
Bevorzugt wird eine Soll-Drehzahl des mindestens einen elektrischen Pumpenmotors anhand der aus den Signalen der Mensch-Maschine-Schnittstelle berechneten hydraulischen Soll-Volumenströme berechnet. Diese Soll-Drehzahl berücksichtigt bereits die maximale Drehzahl der Pumpen und Motoren.
Bevorzugt werden Verstellwinkel der jeweiligen Pumpen anhand der begrenzten hydraulischen Soll-Volumenströme berechnet.
Vorzugsweise werden Positionen von Ventilschiebern zur Steuerung der jeweiligen hydraulischen Zylinder anhand der begrenzten hydraulischen Soll-Volumenströme berechnet. Es ist aber auch möglich, dass die Positionen der Ventilschieber anhand der aus den Signalen der Mensch-Maschine-Schnittstelle berechneten hydraulischen Soll-Volumenströme berechnet werden.
Bevorzugt weist die elektrische betriebene mobile Arbeitsmaschine elektrische und/oder hydraulische Nebenaggregate auf, deren benötigten elektrische Leistung bei der Berechnung durch das elektrische Leistungsmanagementsystem mit berücksichtigt oder von einer zur Verfügung stehenden elektrischen Leistung der mindestens einen elektrischen Energiequelle durch eine gewünschte Priorisierung unabhängig von den elektrischen Soll-Leistungen des mindestens einen elektrischen Antriebsmotors und des mindestens einen elektrischen Pumpenmotors abgezogen wird.
Vorzugsweise werden der mindestens eine elektrische Antriebsmotor und/oder der mindestens eine elektrische Pumpenmotor mit einem elektrischen und/oder einem mechanischen und/oder einem hydraulischen Verbraucher leistungsmäßig verkoppelt. Der elektrische Verbraucher kann beispielsweise als ein Heizwiderstand ausgebildet werden. Der mechanische Verbraucher kann beispielsweise als eine Wirbelstrombremse ausgebildet werden. Der hydraulische Verbraucher kann dabei als Retarderscheibe ausgebildet werden.
Es ist besonders vorteilhaft mit dieser bevorzugten Ausführungsform, wenn z.B. die elektrisch betriebene mobile Arbeitsmaschine gebremst wird, d.h. der mindestens eine Antriebsmotor wird zu einem elektrischen Generator, und die mindestens eine elektrische Energiequelle die beim Bremsen anfallende Leistung nicht mehr aufnehmen kann, wie beispielsweise die mindestens eine elektrische Energiequelle als eine Batterie ausgebildet ist und vollgeladen ist.
Bevorzugt werden beim Auslegen der elektrisch betriebenen mobilen Arbeitsmaschine eine Momentenreserve für den mindestens einen elektrischen Pumpenmotor und jeweils eine Volumenstromreserve für die mehreren Pumpen eingebaut.
Dies erfordert von einer Betriebsstrategie, dass die Pumpendrehzahl etwas höher gewählt wird als für den aus der Mensch-Maschine-Schnittstelle angefordert wird. Unter einer Volumenstromreserve wird verstanden, dass z.B. eine Pumpendrehzahl etwas höher gewählt wird als für einen Volumenstrom nötig wäre. Der Vorteil dieser Volumenstromreserve ist die Möglichkeit, den Volumenstrom hoch dynamisch erhöhen zu können ohne mit gleicher Dynamik die Pumpendrehzahl steigern zu müssen.
Genauso wird für Begrenzung einer Motorleistung der Pumpenmotoren nicht das maximale Peak-Moment, damit ggf. der Motor in der Lage ist, sich selbst und die angeschlossenen Pumpen zu beschleunigen. Diese Reserve wird dann als Momentenreserve bezeichnet.
Es wird auch eine elektrisch betriebene mobile Arbeitsmaschine vorgeschlagen, die eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
Vorteile der Erfindung
Für mobile Arbeitsmaschinen wird die Aufteilung von zur Verfügung stehender elektrischer Leistung / Momenten von Elektromotoren oder hydraulischen Volumenströmen auf mehrere konkurrierende Verbraucher in der Art durchgeführt, dass sowohl die Grenzen der Leistungsquellen als auch die Priorisierung und gewünschte Verteilung in allen Betriebsarten gewährleistet ist.
Verluste werden dabei vollständig berücksichtigt, was zu einer präzisen Aufteilung in allen Fällen führt.
Im beispielhaften Fall eines Mobilbaggers ist im Falle einer Begrenzung von Leistung, von Momenten von Elektromotoren oder von hydraulischen Volumenströmen eine gleichmäßige Reduktion aller hydraulischen Zylinder mit Hilfe der Berechnung von Reduktionsfaktoren möglich.
Gegenüber Bekanntem wurde die elektrische Leistungsebene konsequent auf oberster Hierarchieebene eingeführt, erst in zweiter Ebene folgen dann mechanische und hydraulische Ebene. Dieses hierarchische Konzept ermöglicht eine einfache Erweiterbarkeit bei Hinzufügen von Leistungsquellen und Verbrauchern.
Ein weiterer Vorteil des gesamten Funktionsumfangs besteht darin, auch mit Überschuss an Leistung umzugehen, wie z.B. durch Abbremsen an einer Elektromotor elektrische Leistung entsteht, die nicht von der Batterie aufgenommen werden kann, Verbraucher, wie z.B. Heizwiderstände oder mechanische bzw. hydraulische Retarder, zuzuschalten, die dann über die gegebene diese Leistung aufnehmen.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Reserven eingebaut werden können, die eine hohe Dynamik des Volumenstroms und der Pumpendrehzahlen ermöglichen.
Figurenliste
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

1 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens und
2 eine schematische Darstellung einer elektrisch betriebenen mobilen Arbeitsmaschine.

Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
1 zeigt ein Flussdiagramm 100 eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung einer elektrisch betriebenen mobilen Arbeitsmaschine 10 (siehe 2).
Zunächst werden in einem ersten Schritt 101 gewünschte Anforderungen eines Benutzers der elektrisch betriebenen mobilen Arbeitsmaschine 10 mittels einer Mensch-Maschine-Schnittstelle vorgegeben. Dabei kann die Mensch-Maschine-Schnittstelle als ein Joystick ausgebildet werden.
Anschließend wird in einem zweiten Schritt 102 eine erste elektrische Soll-Leistung mindestens eines elektrischen Antriebsmotors 52 (siehe 2) aus Signalen der Mensch-Maschine-Schnittstelle mittels eines Berechnungsmodells der elektrisch betriebenen mobilen Arbeitsmaschine 10 berechnet. Zusätzlich werden hierbei auch eine erste maximale abgebbare und eine erste maximale aufnehmbare elektrische Leistung des mindestens einen elektrischen Antriebsmotors 52 berechnet. Hierbei wird auch ein erstes Soll-Moment des mindestens einen elektrischen Antriebsmotors 52 aus den Signalen der Mensch-Maschine-Schnittstelle berechnet.
Danach oder gleichzeitig wird in einem dritten Schritt 103 eine zweite elektrische Soll-Leistung mindestens eines elektrischen Pumpenmotors aus den Signalen der Mensch-Maschine-Schnittstelle mittels des Berechnungsmodells der elektrisch betriebenen mobilen Arbeitsmaschine 10 berechnet. Zusätzlich werden hierbei auch eine zweite maximale abgebbare und eine zweite maximale aufnehmbare elektrische Leistung des mindestens einen elektrischen Pumpenmotors berechnet.
In einem vierten Schritt 104 werden die erste elektrische Soll-Leistung des mindestens einen elektrischen Antriebsmotors 52 und die zweiten elektrischen Soll-Leistung des mindestens einen elektrischen Pumpenmotors an ein elektrisches Leistungsmanagementsystem der elektrisch betriebenen mobilen Arbeitsmaschine 10 gegeben. Dabei werden eine erste obere Grenze und eine erste untere Grenze für die erste elektrische Soll-Leistung des mindestens einen elektrischen Antriebsmotors 52 sowie eine zweiten obere Grenze und eine zweite untere Grenze für die zweite elektrische Soll-Leistung des mindestens einen elektrischen Pumpenmotors mittels des elektrischen Leistungsmanagementsystems berechnet.
Anschließend werden in einem fünften Schritt 105 alle Anforderungen und Angeboten mittels des elektrischen Leistungsmanagementsystems nach einem vorgegebenen Priorisierungsalgorithmus priorisiert.
Danach wird in einem sechsten Schritt 106 das im zweiten Schritt 102 berechnete Soll-Moment des mindestens einen elektrischen Antriebsmotors 52 unter Berücksichtigung der ersten oberen Grenze und der ersten unteren Grenze der ersten elektrischen Soll-Leistung des mindestens einen elektrischen Antriebsmotors 52 begrenzt.
In einem siebten Schritt 107 wird eine begrenzte hydraulische Gesamtleistung der durch den mindestens einen elektrischen Pumpenmotor betriebenen Pumpen berechnet.
Aus der berechneten begrenzten hydraulischen Gesamtleistung und den aktuellen Differenzdrücken an den jeweiligen Pumpen wird in einem achten Schritt 108 ein Leistungsreduktionsfaktor berechnet. Dabei werden auch Volumenstromreduktionsfaktoren für die einzelnen Pumpen aus einem Quotienten eines bei aktueller Drehzahl verfügbaren Volumenstroms und eines Volumenstroms aller an der Pumpe angeschlossenen hydraulischen Zylinder 32, 42 (siehe 2) berechnet. Dabei wird ein minimaler Wert aus dem berechneten Leistungsreduktionsfaktor und den Volumenstromreduktionsfaktoren berechnet. Anschließend werden begrenzte hydraulische Soll-Volumenströme für alle hydraulischen Zylinder32, 42 mit dem minimalen Wert berechnet.
Anschließend werden in einem neunten Schritt 109 eine Soll-Drehzahl des mindestens einen elektrischen Pumpenmotors und Verstellwinkel der jeweiligen Pumpen zur Steuerung der jeweiligen hydraulischen Zylinder 32, 42 auf Basis vorherigen Berechnungen abgeleitet.
Vorzugsweise werden Positionen von Ventilschiebern zur Steuerung der jeweiligen hydraulischen Zylinder 32, 42 anhand der begrenzten hydraulischen Soll-Volumenströme berechnet. Es ist aber auch möglich, dass die Positionen der Ventilschieber anhand der aus den Signalen der Mensch-Maschine-Schnittstelle berechneten hydraulischen Soll-Volumenströme berechnet werden.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer elektrisch betriebenen mobilen Arbeitsmaschine 10, die eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Dabei ist die elektrisch betriebene mobile Arbeitsmaschine 10 als ein elektrisch betriebener Bagger ausgebildet.
Die elektrisch betriebene mobile Arbeitsmaschine 10 umfasst dabei ein Ausleger 20, ein erster hydraulischer Zylinder (nicht dargestellt) zur Betätigung des Auslegers 20, ein Stiel 30, ein zweiter hydraulischer Zylinder 32 zur Betätigung des Stiels 30, ein Löffel 40 und ein dritter hydraulischer Zylinder 42 zur Betätigung des Löffels 40. Der Ausleger 20, der Stiel 30 und der Löffel 40 werden im Folgenden auch als Arbeitsgeräte bezeichnet.
Die elektrisch betriebene mobile Arbeitsmaschine 10 umfasst weiterhin ein Drehwerk 50 und einen elektrischen Antriebmotor 52 zur Betätigung des Drehwerks 50.
Die elektrisch betriebene mobile Arbeitsmaschine 10 umfasst ferner eine Elektrohydraulik 60 und eine Energiequelle 70. Die Elektrohydraulik 60 weist dabei einen elektrischen Pumpenmotor (nicht dargestellt), eine erste Pumpe (nicht dargestellt) für den ersten hydraulischen Zylinder zur Betätigung des Auslegers 20 und eine zweite Pumpe (nicht dargestellt) für den zweiten hydraulischen Zylinder 32 zur Betätigung des Stiels 30 sowie für den dritten hydraulischen Zylinder 42 zur Betätigung des Löffels 40 auf. Dabei sind die erste und die zweite Pumpe gemeinsam durch den elektrischen Pumpenmotor betätigt. Selbstverständlich kann die Elektrohydraulik 60 einen weiteren elektrischen Pumpenmotor aufweisen, damit die erste und die zweite Pumpe jeweils durch einen elektrischen Pumpenmotor betätigt werden.
Die Energiequelle 70 kann dabei als eine Batterie oder als eine Brennstoffzelle ausgebildet sein. Eine als eine Batterie ausgebildete Energiequelle 70 kann ein Ladegerät (nicht dargestellt) aufweisen.
Die elektrisch betriebene mobile Arbeitsmaschine 10 umfasst auch eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (nicht dargestellt), mit der ein Benutzer der elektrisch betriebenen mobilen Arbeitsmaschine 10 gewünschte Anforderungen an die elektrisch betriebene mobile Arbeitsmaschine 10 vorgeben kann. Eine Mensch-Maschine-Schnittstelle kann beispielsweise als ein Joystick ausgebildet werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die elektrisch betriebene mobile Arbeitsmaschine 10 vorteilhaft gesteuert werden. Dabei ist eine parallele Betätigung des elektrischen Antriebsmotors 52, des ersten hydraulischen Zylinders, des zweiten hydraulischen Zylinders 32 und des dritten hydraulischen Zylinders 42 möglich.
Die Steuerung der elektrisch betriebene mobile Arbeitsmaschine 10 umfasst dabei eine erste Ansteuerung des elektrischen Antriebsmotors 52, eine zweite Ansteuerung des elektrischen Pumpenmotors für die erste und die zweite Pumpe und eine dritte Ansteuerung von Ventilschiebern für eine Steuerung des ersten hydraulischen Zylinders, des zweiten hydraulischen Zylinders 32 und des dritten hydraulischen Zylinders 42.
Zur Steuerung der in 2 dargestellten elektrisch betriebenen mobile Arbeitsmaschine 10 werden zunächst eine ersten elektrische Soll-Leistungen für den elektrischen Antriebsmotor 52 und eine zweiten elektrische Soll-Leistung für den elektrischen Pumpenmotor aus Signalen der Mensch-Maschine-Schnittstelle mittels eines Berechnungsmodells des elektrisch betriebenen mobilen Arbeitsmaschine 10 berechnet.
Beim Berechnen der ersten elektrischen Soll-Leistung für den elektrischen Antriebsmotor 52 werden eine erste Soll-Drehzahl, ein erstes Soll-Moment sowie eine erste maximale abgebbare und eine erste maximale aufnehmbare elektrische Leistung des elektrischen Antriebsmotors 52 berechnet.
Beim Berechnen der zweiten elektrischen Soll-Leistung für den elektrischen Pumpenmotor werden zunächst hydraulische Soll-Volumenströme für den ersten hydraulischen Zylinder, den zweiten hydraulischen Zylinder 32 und den dritten hydraulischen Zylinder 42 aus den Signalen der Mensch-Maschine-Schnittstelle berechnet. Anhand der hydraulischen Soll-Volumenströme werden hydraulische Soll-Leistungen der ersten Pumpe und der zweiten Pumpe, Soll-Momente der ersten Pumpe und der zweiten Pumpe sowie Soll-Drehzahl der ersten und zweiten Pumpe berechnet. Anschließend werden ein zweite Soll-Drehzahl, ein zweites Soll-Moment sowie ein zweite maximale abgebbare und eine zweite maximale aufnehmbare elektrische Leistung des elektrischen Pumpenmotors berechnet.
Auf Basis vorherigen Berechnungen werden weiterhin eine erste obere und eine erste untere Grenze für die erste elektrische Soll-Leistung des elektrischen Antriebsmotors 52 sowie eine zweite obere und eine zweite untere Grenze für die zweite elektrische Soll-Leistung des elektrischen Pumpenmotors berechnet.
Zur Steuerung des Drehwerks 50 wird dann das Soll-Moment des elektrischen Antriebsmotors 52 unter Berücksichtigung der ersten oberen und der ersten unteren Grenze für die erste elektrische Soll-Leistung des elektrischen Antriebsmotors 52 begrenzt.
Zur Steuerung der Arbeitsgeräte, nämlich des Auslegers 20, des Stiels 30 und des Löffels 40, werden zunächst eine dritte obere und eine dritte untere Grenze für eine gesamte hydraulische Leistung der ersten und der zweiten Pumpe berechnet. Dabei wird eine begrenzte hydraulische Gesamtleistung berechnet.
Aus der berechneten begrenzten hydraulischen Gesamtleistung und den aktuellen Differenzdrücken an den jeweiligen Pumpen wird ein Leistungsreduktionsfaktor berechnet.
Hierbei werden für die einzelnen Pumpen Volumenstromreduktionsfaktoren berechnet. Dabei werden ein erster Volumenstromreduktionsfaktor für den ersten Zylinder, ein zweiter Volumenstromreduktionsfaktor für den zweiten Zylinder 32 und ein dritter Volumenstromreduktionsfaktor für den dritten hydraulischen Zylinder 42 berechnet.
Danach wird ein minimaler Wert aus dem berechneten Leistungsreduktionsfaktor und dem ersten, dem zweiten sowie dem dritten Volumenstromreduktionsfaktor berechnet. Dieser minimale Wert berücksichtigt alle Reduktionen, wie beispielsweise elektrische Leistung der Energiequelle 70, mechanische Begrenzungen der Pumpenmotoren und hydraulische Begrenzungen der Pumpen.
Anschließend werden begrenzte hydraulische Soll-Volumenströme für den ersten hydraulischen Zylinder, den zweiten hydraulischen Zylinder 32 und den dritten hydraulischen Zylinder 42 mit dem minimalen Wert berechnet.
Auf Basis vorherigen Berechnungen werden eine Soll-Drehzahl des elektrischen Pumpenmotors, Verstellwinkel der ersten und der zweiten Pumpe, Positionen für Ventilschieber zur Steuerung des ersten hydraulischen Zylinders, des zweiten hydraulischen Zylinders 32 sowie des dritten hydraulischen Zylinders 42 abgeleitet.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Verfahren zur Steuerung einer elektrisch betriebenen mobilen Arbeitsmaschine (10), welche eine Mensch-Maschine-Schnittstelle, mindestens eine elektrische Energiequelle (70), mindestens einen elektrischen Antriebsmotor (52), mindestens einen elektrischen Pumpenmotor, mehrere Pumpen und mehrere hydraulische Zylinder (32, 42) aufweist, wobei der mindestens eine elektrische Pumpenmotor mindestens eine Pumpe treibt, und wobei die mehreren Pumpen jeweils mindestens einen hydraulischen Zylinder (32,42) versorgen, umfassend folgende Schritte: - Bereitstellen eines Berechnungsmodells für die elektrisch betriebene mobile Arbeitsmaschine (10); - Berechnen einer ersten elektrischen Soll-Leistung des mindestens einen elektrischen Antriebsmotors (52) aus Signalen der Mensch-Maschine-Schnittstelle mittels des Berechnungsmodells; - Berechnen einer zweiten elektrischen Soll-Leistungen des mindestens einen Pumpenmotors aus den Signalen der Mensch-Maschine-Schnittstelle mittels des Berechnungsmodells unter Berücksichtigung aller Wandlungsverluste in einer Wirkungskette der elektrisch betriebenen mobilen Arbeitsmaschine (10); - Berechnen einer ersten oberen Grenze und einer ersten unteren Grenze für die erste elektrische Soll-Leistung des mindestens einen elektrischen Antriebsmotors (52) mittels eines elektrischen Leistu ngsmanagementsystems; - Berechnen einer zweiten oberen Grenze und einer zweiten unteren Grenze für die zweite elektrische Soll-Leistung des mindestens einen elektrischen Pumpenmotors mittels des elektrischen Leistu ngsmanagementsystems.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste maximale abgebbare und eine erste maximale aufnehmbare elektrische Leistung des mindestens einen elektrischen Antriebsmotors (52) beim Berechnen der ersten elektrischen Soll-Leistung des mindestens einen elektrischen Antriebsmotors (52) berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite maximale abgebbare und eine zweite maximale aufnehmbare elektrische Leistung des mindestens einen elektrischen Pumpenmotors beim Berechnen der zweiten elektrischen Soll-Leistung des mindestens einen elektrischen Pumpenmotors berechnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnen der zweiten elektrischen Soll-Leistung des mindestens einen elektrischen Pumpenmotors folgende Schritte umfasst: - Berechnen von hydraulischen Soll-Volumenströmen für die jeweiligen hydraulischen Zylinder (32, 42) aus den Signalen der Mensch-Maschine-Schnittstelle; - Ermitteln eines Differenzdruck an den jeweiligen Pumpen; - Berechnen einer hydraulischen Soll-Leistung, eines Soll-Moments und einer Soll-Drehzahl der jeweiligen Pumpen anhand der berechneten hydraulischen Soll-Volumenströmen und Differenzdrücke an den jeweiligen Pumpen für die jeweiligen hydraulischen Zylinder (32, 42); - Berechnen der zweiten elektrischen Soll-Leistung des mindestens einen Pumpenmotors anhand der berechneten hydraulischen Soll-Leistung, des berechneten Soll-Moments und der berechneten Soll-Drehzahl der jeweiligen Pumpen unter Berücksichtigung aller Wandlungsverluste in der Wirkungskette der elektrisch betriebenen mobilen Arbeitsmaschine (10).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Soll-Moment des mindestens einen elektrischen Antriebsmotors (52) aus den Signalen der Mensch-Maschine-Schnittstelle beim Berechnen der ersten elektrischen Soll-Leistung des mindestens einen elektrischen Antriebsmotors (52) berechnet wird, wobei das erste Soll-Moment unter Berücksichtigung der ersten oberen Grenze und der ersten unteren Grenze der ersten elektrischen Soll-Leistung des mindestens einen elektrischen Antriebsmotors (52) begrenzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend folgenden Sch ritte: - Berechnen einer dritten oberen und einer dritten unteren Grenze für eine gesamte hydraulische Leistung der durch den mindestens einen elektrischen Pumpenmotor betriebenen Pumpen anhand der zweiten oberen Grenze für die zweite elektrische Soll-Leistung des mindestens einen elektrischen Pumpenmotors; - Berechnen eines Leistungsreduktionsfaktors aus der dritten oberen und der dritten unteren Grenze für eine gesamte hydraulische Leistung und den aktuellen Differenzdrücken an den jeweiligen Pumpen; - Berechnen von Volumenstromreduktionsfaktoren für die einzelnen Pumpen aus einem Quotienten eines bei aktueller Drehzahl verfügbaren Volumenstroms und eines Volumenstroms aller an der Pumpe angeschlossenen hydraulischen Zylinder (32, 42); - Berechnen eins minimalen Werts aus dem berechneten Leistungsreduktionsfaktor und den Volumenstromreduktionsfaktoren; - Berechnen von begrenzten hydraulischen Soll-Volumenströmen für alle hydraulischen Zylinder (32, 42) mit dem minimalen Wert.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte obere und die dritte untere Grenze für die gesamte hydraulische Leistung unter Berücksichtigung aller Wandlungsverluste in der Wirkungskette der elektrisch betriebenen mobilen Arbeitsmaschine (10) berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenstromreduktionsfaktoren bei der Berechnung der ersten und der zweiten elektrischen Soll-Leistung ermittelt werden und die erste sowie die zweite elektrische Soll-Leistung mit der Volumenstromreduktionsfaktor derart begrenzt werden, dass die erste elektrische Soll-Leistung durch den mindestens einen elektrischen Antriebsmotor (52) und die zweite elektrische Soll-Leistung durch den mindestens einen Pumpenmotor umgesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, umfassend folgenden Schritte: - Berechnen einer Soll-Drehzahl des mindestens einen elektrischen Pumpenmotors; - Berechnen von Verstellwinkeln der jeweiligen Pumpen; - Berechnen von Positionen von Ventilschiebern zur Steuerung der jeweiligen hydraulischen Zylinder (32, 42).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch betriebene mobile Arbeitsmaschine (10) elektrische und/oder hydraulische Nebenaggregate aufweist, deren benötigten elektrische Leistung bei der Berechnung durch das elektrische Leistungsmanagementsystem mit berücksichtigt oder von einer zur Verfügung stehenden elektrischen Leistung der mindestens einen elektrischen Energiequelle (70) durch eine gewünschte Priorisierung unabhängig von den elektrischen Soll-Leistungen des mindestens einen elektrischen Antriebsmotors (52) und des mindestens einen elektrischen Pumpenmotors abgezogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine elektrische Antriebsmotor (52) und/oder der mindestens eine elektrische Pumpenmotor mit einem elektrischen und/oder einem mechanischen und/oder einem hydraulischen Verbraucher versehen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass beim Auslegen der elektrisch betriebenen mobilen Arbeitsmaschine (10) eine Momentenreserve für den mindestens einen elektrischen Pumpenmotor und jeweils eine Volumenstromreserve für die mehreren Pumpen eingebaut werden.
Elektrische betriebene mobile Arbeitsmaschine (10), die eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durchzuführen.