DE102020206197A1 - Hydrostatischer Antrieb - Google Patents

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Dominik Thomas Hoffmann
Uwe VETTER
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Abstract

Offenbart ist ein hydrostatischer Antrieb mit mindestens einer hydrostatischen Pumpe zur Versorgung mindestens eines hydrostatischen Verbrauchers, und mit einer Vorrichtung zur Energierückgewinnung mindestens eines Teils von Energie, die von dem Verbraucher abgegeben wird. Dazu ist eine elektronische Steuereinheit oder zumindest ein Softwarebaustein vorgesehen, mit dem die Energierückgewinnung variabel steuerbar ist und dabei von detektieren Einflussgrößen abhängt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen hydrostatischen Antrieb gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Hydrostatische Antriebe dienen zum Antrieb von mindestens einem hydrostatischen Verbraucher. Derartige hydrostatische Antriebe können auf mobilen Arbeitsmaschinen verbaut sein, wobei mindestens einer der hydrostatischen Verbraucher ein Fahrmotor sein kann und weitere hydrostatische Verbraucher z.B. für die Arbeitsausrüstung der mobilen Arbeitsmaschine vorgesehen sind.
  • Hydrostatische Antriebe können gemäß dem Stand der Technik fähig sein, während der Bremsung bzw. Verzögerung des Verbrauchers oder dem Absenken der Arbeitsausrüstung Energie mittels des Antriebsstrangs zurückzugewinnen. Die Energierückgewinnung ist dabei reaktiv bzw. vorgegeben und kann nicht angepasst und somit auch nicht optimiert werden. Einflussgrößen werden in der Auslegung der Energierückgewinnung allgemein (gemittelt) einbezogen sind jedoch im täglichen Betrieb variabel. Die für die Energierückgewinnung resultierenden relevanten Parameter sind im Betrieb nicht mehr veränderbar.
  • Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen hydrostatischen Antrieb zu schaffen, bei dem die Energierückgewinnung von Energie optimiert ist.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch einen hydrostatischen Antrieb mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
  • Der beanspruchte hydrostatische Antrieb hat zumindest eine hydrostatische Pumpe und zumindest einen hydrostatischen Verbraucher, der über die Pumpe versorgbar ist. Weiterhin ist eine Vorrichtung zur Energierückgewinnung von zumindest einem Teil von Bremsenergie oder Verzögerungsenergie oder potentiellen Energie des Verbrauchers vorgesehen. Erfindungsgemäß hat die Vorrichtung ein Softwarebaustein oder eine elektronische Steuereinheit, der bzw. die dazu ausgelegt ist, die Energierückgewinnung variabel und in Abhängigkeit von mindestens einer detektieren Einflussgröße zu steuern.
  • Relevanten Einflussgrößen werden z.B. über einen Temperatursensor Drucksensor, Schwenkwinkelsensor, Lagesensor und/oder Beschleunigungssensor für Bauteile des hydrostatischen Antriebs detektiert.
  • Die Einflussgrößen werden ausgewertet um die Energierückgewinnung selbst, oder die Umschaltvorgänge zwischen motorischem und generatorischem Betrieb zu optimieren.
  • Die Strategie der Energierückgewinnung wird basierend auf der jeweiligen Einflussgröße angepasst und somit kann der Energierückgewinnungsvorgang insbesondere hinsichtlich der Energieeffizienz, aber auch hinsichtlich dem Bedienerkomfort, des Zeitbedarfs beim Umschalten am Anfang oder am Ende der Energierückgewinnung, der Dynamik der Leistungsabgabe nach Beendigung der Energierückgewinnung, der Leistungsfähigkeit und der Haltbarkeit von Komponenten sowie der Lebensdauer des hydrostatischen Antriebs optimiert werden.
  • Je mehr Einflussgrößen detektiert und einbezogen werden, desto besser kann das Optimierungsziel erreicht werden oder es können mehrere genannten Optimierungsziele erreicht werden.
  • Die Energierückgewinnung durch die elektronische Steuereinheit ist hinsichtlich der oben genannten Optimierungsansätze besonders vorteilhaft, wenn sie selbstlernend ist.
  • Bei einer besonders effizienten Weiterbildung ggf. durch einen effizienten Lernalgorithmus ist die Energierückgewinnung durch die elektronische Steuereinheit prädikativ steuerbar.
  • Dabei können als vorrichtungstechnisch leicht erfassbare Einflussgrößen Betriebsmitteltemperatur und/oder Betriebsmitteldruck über die entsprechenden oben bereits angesprochenen Sensoren einbezogen werden.
  • Der erfindungsgemäße hydrostatische Antrieb kann als Fahrantrieb ausgebildet sein, bei dem der Verbraucher oder einer der Verbraucher ein Fahrmotor ist, der im Bremsbetrieb als Pumpe wirken kann. Derartige Fahrantriebe können in einer mobilen Arbeitsmaschine verbaut sein. In diesem Fall steht oft viel Brems- und Verzögerungsenergie zur Verfügung, die effektive Rückgewinnung ist daher von großer Bedeutung.
  • Relevanten Einflussgrößen werden z.B. über ein Ortungssystem (z.B. GPS), und/oder einen Beschleunigungssensor für die betroffene mobile Arbeitsmaschine detektiert.
  • Als erfindungsgemäß einbezogene Einflussgröße kann auch das Fahrerverhalten des Fahrers und/oder der gewählte Fahrmodus dienen.
  • Der Verbraucher oder einer der Verbraucher kann eine Arbeitsausrüstung der mobilen Arbeitsmaschine bilden, wobei die rückgewonnene Bremsenergie aus Massenträgheit (z.B. bei Bremsen eines Drehantriebs eines Oberwagens eines Baggers) oder aus Lageenergie (z.B. beim Absenken eines Auslegers eines Baggers oder einer Schaufel eines Radladers) erzeugt wird.
  • Als einbezogene Einflussgröße kann die Arbeitsaufgabe und/oder die Position des Verbrauchers bzw. der Arbeitsausrüstung (mittels Lagesensor und/oder Beschleunigungssensor) einbezogen werden.
  • Als einbezogene Einflussgröße kann das zu bearbeitende oder umzuschlagende Material (z.B. mittels Kamera) einbezogen werden.
  • Als einbezogene Einflussgröße kann der gewählte Betriebsmodus und/oder ein Bedienerverhalten einbezogen werden. Dazu kann ein Lagesensor und/oder ein Beschleunigungssensor an einem Joystick, Gaspedal, Bremspedal und/oder Inchpedal dienen.
  • Als erfindungsgemäß einbezogene Einflussgröße können auch Umwelteinflüsse wie z.B. Umgebungstemperatur (mittels Temperatursensor) und/oder die Umgebungstopologie (z.B. mittels Kamera, Radar, Lidar und/oder digitalem Kartenmaterial in Verbindung mit einem Ortungssystem (z.B. GPS)) einbezogen werden.
  • Die Bremsenergie oder Verzögerungsenergie resultiert aus z.B. der Massenträgheit der fahrenden mobilen Arbeitsmaschine (über den als Pumpe wirkenden Fahrmotor) oder aus der Massenträgheit des drehenden Oberwagens (über den als Pumpe wirkenden Drehmotor des Baggers) oder aus der Lageenergie einer beladenen Schaufel (z.B. über einen Hubzylinder des Baggers oder Radladers).
  • Gemäß einem ersten Prinzip ist die Energierückgewinnung eine Rekuperation.
  • Dann ist es vorrichtungstechnisch besonders einfach, wenn die Bremsenergie oder Verzögerungsenergie in einem Hydrospeicher speicherbar ist.
  • Die Pumpe des erfindungsgemäßen hydrostatischen Antriebs ist vorzugsweise dazu ausgelegt, von einem als Verbrennungsmotor oder Elektromotor gebildeten Primärantrieb angetrieben zu werden.
  • Im Falle des Elektromotors kann die Bremsenergie von der als Motor betriebenen Pumpe und dem als Generator betriebenen Elektromotor in elektrische Energie gewandelt und in einem elektrischen Speicher gespeichert werden.
  • Im Falle des Verbrennungsmotors kann dieser, bevor die Energierückgewinnung oder spätestens bevor der darauf folgende Drosselbetrieb beendet wird, auf den optimalen Betriebspunkt für die folgende Leistungsabgabe eingestellt werden. Hierbei kann z.B. eine Drehzahlanhebung vorgenommen werden.
  • Gemäß einem zweiten Prinzip ist die Energierückgewinnung eine Regeneration. Dann wird mit der rückgewonnenen Bremsenergie oder Verzögerungsenergie unmittelbar ein anderer Verbraucher des hydrostatischen Antriebs versorgt.
  • Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen hydrostatischen Antriebs mit verschiedenen Strategien zur Energierückgewinnung ist in den Figuren dargestellt.
  • Es zeigen
    • 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen hydrostatischen Antriebs;
    • 2 eine erste Strategie zur Energierückgewinnung von Energie mit dem hydrostatischen Antrieb aus 1;
    • 3 eine zweite Strategie zur Energierückgewinnung von Energie mit dem hydrostatischen Antrieb aus 1; und
    • 4 eine dritte Strategie zur Energierückgewinnung von Energie mit dem hydrostatischen Antrieb aus 1.
  • 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen hydrostatischen Antriebs, der in einer nicht näher gezeigten mobilen Arbeitsmaschine verbaut ist. Von einem Primärantrieb 1, der ein Dieselmotor oder ein Elektromotor sein kann, sind eine im Fördervolumen verstellbare oder nicht verstellbare hydrostatische Pumpe 2 zur Versorgung eines Verbrauchers 4 und eine oder mehrere weitere Pumpen 6 für andere Arbeitsfunktionen oder für Nebenaggregate angetrieben.
  • Die Pumpe 2 saugt Öl aus einem Tank 8 an und fördert es über einen Ventilblock 10 mit Drossel zu dem Verbraucher 4. In dem Tank 8 ist ein Temperatursensor 12 angeordnet.
  • Eine elektronische Steuereinheit 14 ist mittels Signalleitungen mit dem Primärantrieb 1, der Pumpe 2, dem Ventilblock 10, dem Temperatursensor 12 und einer Sensoranordnung 16 verbunden. Die Sensoranordnung 16 weist beim gezeigten Ausführungsbeispiel einen Positionssensor und eine Vorrichtung zur Erfassung der Umgebungstopologie (z.B. eine Kamera) auf. Weiterhin kann die Sensoranordnung 16 auch einen Beschleunigungssensor oder einen der anderen in dieser Schrift genannten Sensoren aufweisen. Insbesondere weist die Sensoranordnung 16 beim gezeigten Ausführungsbeispiel mehrere Drucksensoren auf, die selbstverständlich an den druckbeaufschlagten Komponenten, wie der Pumpe 2, dem Ventilblock 10, dem Verbraucher 4, dem Tank 8 oder an den dazwischen angeordneten Leitungen angeordnet sind.
  • 2 zeigt eine erste Strategie zur Energierückgewinnung von Energie mit dem hydrostatischen Antrieb aus 1. Dabei erfolgt die Berücksichtigung der Einflussgröße Betriebsmitteltemperatur, die durch den Temperatursensor 12 im Tank 8 erfasst wird. Bei dieser Strategie wird die Energierückgewinnung so lange ausgesetzt, bis das Öl durch Drosselbetrieb über den Ventilblock 10 auf optimale Betriebstemperatur gebracht ist. Damit ist das Kaltstartverhalten des hydrostatischen Antriebs optimiert. Der Status repräsentiert hierbei, ob eine Energierückgewinnung angefordert wird oder ob stattdessen Drosselbetrieb erfolgt.
  • 3 zeigt eine zweite Strategie zur Energierückgewinnung basierend auf dem hydrostatischen Antrieb aus 1. Es erfolgt die Berücksichtigung der Einflussgrößen Umgebungstopologie und Position. Dazu hat die Sensoranordnung 16 einen Positionssensor und eine Vorrichtung zur Erfassung der Umgebungstopologie (z.B. eine Kamera). Die Arbeitsausrüstung wird abgesenkt und dabei potentielle Energie zurückgewonnen. Vor Auftreffen der Arbeitsausrüstung auf dem Boden wird der Zeitpunkt des Auftreffens prädiktiert, also im Voraus berechnet. Der Energierückgewinnungsvorgang kann somit schon kurz vor Auftreffen auf dem Boden beendet werden.
  • Notwendige Umschaltvorgänge im Antriebsstrang, welche eine endliche Zeitdauer beanspruchen können, können somit im Voraus eingeleitet werden. Dadurch wird ein gleichmäßigeres Betriebsverhalten erreicht. Schaltrucke, Druckspitzen oder Zugkraftunterbrechungen werden reduziert. Der genannte Umschaltvorgang kann ein Durchschwenken oder eine Drehrichtungsänderung der Pumpe 2 sein.
  • 4 zeigt eine dritte Strategie zur Energierückgewinnung von Energie mit dem hydrostatischen Antrieb aus 1. Auch hier erfolgt eine Berücksichtigung der Einflussgrößen Umgebungstopologie und Position. Wie bei der zweiten Strategie wird der Endzeitpunkt der Energierückgewinnung prädiktiert, also im Voraus berechnet. Der Antriebsstrang muss folglich von dem generatorischen in den motorischen Betrieb wechseln und Leistung abgeben.
  • Zur Steigerung von Dynamik und Ansprechverhalten des Antriebsstrangs nach dem unmittelbaren Umschalten wird der als Verbrennungsmotor ausgebildete Primärantrieb 1 „vorgespannt“ um auf die zukünftige Lastanfrage schneller reagieren zu können. Dazu wird ein entsprechender Status an ein Motorsteuergerät des Verbrennungsmotors übermittelt. Wenn der Status von Energierückgewinnung zu Drosselbetreib wechselt, dann werden vorbereitend die Drehzahl und der Ladedruck des Verbrennungsmotors angepasst (z.B. erhöht).
  • Offenbart ist ein hydrostatischer Antrieb mit mindestens einer hydrostatischen Pumpe 2 zur Versorgung mindestens eines hydrostatischen Verbrauchers 4, und mit einer Vorrichtung zur Energierückgewinnung mindestens eines Teils von Energie, die von dem Verbraucher abgegeben wird. Die Vorrichtung weist eine elektronische Steuereinheit 14 oder zumindest ein Softwarebaustein auf, mit dem die Energierückgewinnung variabel steuerbar ist und dabei von mindestens einer detektieren Einflussgröße abhängt. Dazu weist die Vorrichtung weiterhin zumindest einen Sensor 16, eine Kamera oder ein Bedienelement auf, das die Einflussgröße detektiert.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Primärantrieb
    2
    Pumpe
    4
    Verbraucher
    6
    weitere Pumpe(n)
    8
    Tank
    10
    Ventilblock
    12
    Temperatursensor
    14
    Steuereinheit
    16
    Sensoranordnung

Claims (13)

  1. Hydrostatischer Antrieb mit mindestens einer hydrostatischen Pumpe (2) zur Versorgung mindestens eines hydrostatischen Verbrauchers (4), und mit einer Vorrichtung zur Energierückgewinnung mindestens eines Teils von mit dem Verbraucher (4) erzeugter Bremsenergie oder Verzögerungsenergie gekennzeichnet durch eine elektronische Steuereinheit (14), mit dem die Energierückgewinnung variabel steuerbar ist und dabei von mindestens einer detektieren Einflussgröße abhängt.
  2. Hydrostatischer Antrieb nach Anspruch 1, wobei die Energierückgewinnung durch die elektronische Steuereinheit (14) selbstlernend ist.
  3. Hydrostatischer Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Energierückgewinnung durch die elektronische Steuereinheit (14) prädikativ steuerbar ist.
  4. Hydrostatischer Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Temperatursensor (12) und/oder einem Drucksensor oder mehreren Drucksensoren, wobei als Einflussgröße eine Betriebsmitteltemperatur und/oder ein Betriebsmitteldruck oder Betriebsmitteldrücke an einer oder mehreren Stellen im Antriebsstrang einbezogen werden/wird.
  5. Hydrostatischer Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobei der Verbraucher (4) oder einer der Verbraucher ein Fahrmotor ist, der im Bremsbetrieb als Pumpe betreibbar ist.
  6. Hydrostatischer Antrieb nach Anspruch 5, wobei als Einflussgrößen ein Fahrmodus und/oder ein Fahrerverhalten einbezogen wird.
  7. Hydrostatischer Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verbraucher (4) oder einer der Verbraucher eine Arbeitsausrüstung bildet, wobei die rückgewonnene Bremsenergie aus Massenträgheit oder aus Lageenergie erzeugt ist.
  8. Hydrostatischer Antrieb nach Anspruch 7, wobei als Einflussgröße eine Position und/oder ein Betriebsmodus und/oder eine Arbeitsaufgabe des Verbrauchers (4) und/oder zu bearbeitendes oder umzuschlagendes Material und oder ein Bedienerverhalten einbezogen wird.
  9. Hydrostatischer Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Einflussgröße ein Umwelteinfluss und/oder eine Umgebungstopologie einbezogen wird.
  10. Hydrostatischer Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bremsenergie oder Verzögerungsenergie in einem Hydrospeicher speicherbar ist.
  11. Hydrostatischer Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der von einem Verbrennungsmotor antreibbar ist, der am Ende der Energierückgewinnung und/oder vor dem Ende eines Drosselbetriebs auf den optimalen Betriebspunkt für die folgende Leistungsabgabe eingestellt wird.
  12. Hydrostatischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 9, der von einem Elektromotor antreibbar ist, wobei die Bremsenergie oder Verzögerungsenergie mittels der als Motor betriebenen Pumpe (2) und dem als Generator betriebenen Elektromotor in einem elektrischen Speicher speicherbar ist.
  13. Hydrostatischer Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mit der rückgewonnenen Bremsenergie oder Verzögerungsenergie unmittelbar ein anderer Verbraucher des hydrostatischen Antriebs versorgbar ist.
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