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Mobile Maschinen verfügen bis heute häufig über einen Verbrennungsmotor. Wird die Maschine elektrifiziert, so wird der Verbrennungsmotor entweder vollständig durch eine elektrische Energiequelle (Batterie und/oder Brennstoffzelle) ersetzt, durch eine elektrische Energiequelle erweitert (Hybrides Antriebssystem) oder durch ein elektrisches Netz ohne Energiespeicher erweitert (Diesel-elektrisches Antriebssystem).
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Eine elektrifizierte mobile Maschine umfasst normalerweise eine Batterie, einen Elektromotor und ein Hydrauliksystem. Die Batterie versorgt den Elektromotor mit elektrischer Leistung und der Elektromotor wandelt die elektrische Leistung in mechanische Leistung um, die weiter mittels des Hydrauliksystems zu Aktoren übertragen wird, sodass die Maschine angetrieben wird.
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Die Batterie wird heute immer über ein Ladegerät geladen. Befindet sich das Ladegerät in der Maschine selbst, so ist die Schnittstelle zum elektrischen Netz üblicherweise ein 1-Phasen oder 3-Phasen Wechselstromanschluss, der üblicherweise bis zu 20kW Ladeleistung erlaubt. Befindet sich das Ladegerät in der stationären Ladeinfrastruktur (Ladesäule), so ist die Schnittstelle zur Maschine eine Gleichspannungsleitung sowie eine Signalleitung. Heute können darüber bis zu 350kW elektrischer Leistung geladen werden („DC-Schnellladen“).
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Dementsprechend müssen mobile Arbeitsmaschinen, wie Bagger, Radlader oder Traktoren zum Laden an einen elektrischen Netzanschluss fahren. Dies stellt eine besondere Herausforderung dar, da diese Maschinen im Allgemeinen in widrigen Umgebungsbedingungen betrieben werden. Wurde die Batterie entladen, ohne den Ladepunkt erreicht zu haben, so ist ein weiteres Fahren nicht ohne weiteres möglich. Um diesem Bedienfehler entgegen zu wirken, kann eine Batteriereserve für die Rückkehr zum Ladepunkt eingerichtet werden. Sollte dennoch eine mobile Arbeitsmaschine mit vollständig entladener Batterie im Feld verbleiben, so muss diese vor Ort geladen oder abgeschleppt werden.
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Ein mögliches System, das hierfür zum Einsatz kommen kann, sind bereits heute vielfach eingesetzte Zapfwellengeneratoren, welche bei Traktoren an der Front- oder Heckaufnahme montiert und durch die mechanische Zapfwelle angetrieben werden. Jedoch verfügen z. B. Baumaschinen nicht über eine Zapfwelle, sodass der Zapfwellengenerator nicht an jede Arbeitsmaschine montiert werden kann.
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Daher stellt sich die Aufgabe, wie die Batterie einer Arbeitsmaschine unabhängig von dem o. g. elektrischen Netz oder der o. g. stationären Ladeinfrastruktur (Ladesäule) geladen werden kann. Hierbei kann der Elektromotor eine entscheidende Rolle spielen. Denn ein Elektromotor kann grundsätzlich sowohl motorisch als auch generatorisch betrieben werden. Wenn der Elektromotor mit einer mechanischen Leistung versorgt wird, wird der Elektromotor generatorisch betrieben, sodass die mechanische Leistung in elektrische Leistung umgewandelt und die Batterie mit der elektrischen Leistung geladen werden kann. D. h. die Batterie muss nicht unbedingt auf elektrischem Weg unmittelbar geladen werden, sondern kann auch über den Elektromotor auf mechanischem Weg mittelbar geladen werden.
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Hiervon ausgehend werden nachfolgend eine besonders vorteilhafte Batterieladevorrichtung, eine besonders vorteilhafte elektrifizierte mobile Arbeitsmaschine und ein besonders vorteilhaftes Verfahren zum Betrieb der Batterieladevorrichtung sowie der Arbeitsmaschine beschrieben. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Die in den Patentansprüchen einzeln genannten Merkmale können beliebig miteinander kombiniert und/oder mit Merkmalen der Beschreibung präzisiert/ausgetauscht werden. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, erläutert die Erfindung und gibt weitere vorteilhafte Ausführungsvarianten an.
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Hierzu trägt eine (hydraulische) Batterieladevorrichtung bei, umfassend eine Batterie, eine elektrische Maschine und eine Hydraulikeinrichtung, wobei die elektrische Maschine mit der Batterie (elektrisch) und mit der Hydraulikeinrichtung verbunden ist, wobei die Hydraulikeinrichtung über eine hydraulische Kupplung mit einer externen hydromechanischen Energiequelle verbindbar und in der Lage ist, mechanische Leistung von der externen hydromechanischen Energiequelle über die hydraulische Kupplung aufzunehmen und zur elektrischen Maschine zu übertragen, wodurch die elektrische Maschine generatorisch betrieben und die Batterie geladen werden kann.
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Die beschriebene hydraulische Batterieladevorrichtung wird besonders vorteilhaft in einer elektrifizierten Arbeitsmaschine, insbesondere in einer elektrifizierten Baumaschine, eingesetzt. Mit der elektrifizierten Arbeitsmaschine oder Baumaschine ist hierbei insbesondere die Maschine gemeint, die nur einen Elektromotor aufweist oder neben einer Verbrennungskraftmaschine zusätzlich einen Elektromotor umfasst.
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Grundsätzlich kann eine elektrische Maschine sowohl motorisch als auch generatorisch betrieben werden. Im motorischen Betrieb versorgt die Batterie die elektrische Maschine mit elektrischer Leistung und die elektrische Maschine wandelt die elektrische Leistung in mechanische Leistung um. Die mechanische Leistung wird weiter durch die Hydraulikeinrichtung zu Aktoren übertragen, sodass Arbeiten durch die Aktoren verrichtet werden. Im motorischen Betrieb entlädt die Batterie.
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Im generatorischen Betrieb nimmt die Hydraulikeinrichtung über eine hydraulische Kupplung die mechanische Leistung von einer externen hydromechanischen Energiequelle auf. Anschließend wird die mechanische Leistung mittels einer Hydraulikflüssigkeit, die sich in der Hydraulikeinrichtung befindet, an die Welle der elektrischen Maschine übertragen, sodass sich ein Drehmoment an der elektrischen Maschine ergibt und sich die elektrische Maschine dreht, somit wird die kinetische Leistung der elektrischen Maschine in elektrische Leistung umgewandelt. Im generatorischen Betrieb wird die Batterie mit der von der mechanischen Leistung umgewandelten elektrischen Leistung geladen.
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Die externe hydromechanische Energiequelle meint hier insbesondere die Energiequelle, die sich außerhalb der beschriebenen Batterieladevorrichtung und außerhalb der mit der beschriebenen Batterieladevorrichtung ausgestatteten Arbeitsmaschine befindet und mechanische Leistung abgeben kann.
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Die mechanische Leistung der externen hydromechanischen Energiequelle meint hier insbesondere die hydraulische Leistung, die bspw. durch eine konventionelle mobile Arbeitsmaschine - d. h. nicht-elektrisch angetriebene Arbeitsmaschine- mithilfe von deren eigenem Hydrauliksystem abgegeben wird. Die Maschine, die hydraulische Leistung bereitstellt, wird nachfolgend als ladende Maschine bezeichnet. Es kann auch die hydraulische Leistung zum Ziel des Ladens zwischen der ladenden Maische und einer zu ladenden Maschine, die mit der beschriebenen Batterieladevorrichtung versehen ist, ausgetauscht werden. Je nach Ausprägung ist dies vorteilhaft für Kosten, Bauraum und Ladeleistung. Durch eine hydraulische Kupplung kann die hydraulische Leistung von der konventionellen mobilen Arbeitsmaschine auf die Hydraulikeinrichtung der beschriebenen Batterieladevorrichtung übertragen werden. In diesem Fall kann bspw. der Optionsverbraucheranschluss für Anbauwerkzeuge eines Baggers oder Radladers mit der Kupplung hydraulisch verbunden sein. Weiter kann der Anschluss direkt an der Außenhülle der Maschine wie zum Beispiel des Baggers oder des Radladers angebracht sein. Außerdem kann der Heck- oder Frontanschluss eines Traktors mit der Kupplung hydraulisch verbunden sein.
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Denn eine derartige mobile Arbeitsmaschine umfasst normalerweise ein eigenes Hydrauliksystem, das mit der Welle eines eigenen Verbrennungsmotors hydraulisch verbunden ist. Zum Laden der Batterie einer Batterieladevorrichtung braucht man hierbei nur die Kupplung der Batterieladevorrichtung mit dem Anschluss der ladenden Maschine zu koppeln. Dadurch kann der Verbrennungsmotor als externe mechanische Energiequelle die Leistung jeweils über das mit ihm verbundene eigene Hydrauliksystem, die hydraulische Kupplung und die Hydraulikeinrichtung der Batterieladevorrichtung letztendlich an die elektrische Maschine der Batterieladevorrichtung abgeben. Danach wandelt die elektrische Maschine die Leistung, die ursprünglich vom Verbrennungsmotor der konventionellen mobilen Arbeitsmaschine kommt und mit dem hydraulischen System eingespeist wurde, in elektrische Leistung um und somit wird die Batterie mit der elektrischen Leistung geladen. In diesem Fall dienen die hydraulische Kupplung und die Hydraulikvorrichtung zur Leistungsübertragung.
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Mit der beschriebenen hydraulischen Batterieladevorrichtung kann die elektrifizierte Arbeitsmaschine auf Baustellen ohne besondere Notfall-Ladeinfrastruktur geladen werden. Dadurch kann sie auch einzeln mit anderen konventionellen Arbeitsmaschinen eingesetzt werden. Es sind keine langen Ladekabel auf der Baustelle notwendig, um eine liegengebliebene Maschine wieder soweit aufzuladen, dass sie zum Ladepunkt fahren kann.
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Es ist bevorzugt, wenn die elektrische Maschine ein Elektromotor ist, der sowohl motorisch als auch generatorisch betreibbar ist.
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Ein Elektromotor kann grundsätzlich sowohl motorisch als auch generatorisch betrieben werden, wenn er einen Stator, einen Rotor und mindestens eine Induktionsspule umfasst. Die beschriebene Batterieladevorrichtung ist grundsätzlich mit jeder Art von Elektromotor möglich.
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Es ist denkbar, dass die mindestens eine Spule im Stator angeordnet und der Rotor ständig oder fallweise kurzgeschlossen wird. Dazu kann das entsprechende Feld im Rotor durch die Leistungselektronik mittels der mindestens einen Spule im Stator eingeprägt werden. Somit läuft beispielweise der Rotor dem Drehfeld des Stators im generatorischen Betrieb vor und im motorischen Betrieb nach.
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Es ist auch möglich, dass die mindestens eine Induktionsspule mit mindestens einem Magnet zusammenwirkt und sie derart ausgestaltet sind, dass sich der Magnetfluss des mindestens einen Magnetes gegenüber der mindestens einen Induktionsspule ändern kann, wenn sich der Rotor dreht. Infolgedessen ergibt sich eine Induktionsspannung in der mindestens einen Induktionsspule und es fließt ein Induktionsstrom in die Batterie, wenn die Batterie mit der mindestens einen Induktionsspule elektrisch verbunden ist.
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Die Gestaltung des Elektromotors kann grundsätzlich sehr unterschiedlich sein. Jedoch soll der Elektromotor hierbei derart ausgestaltet sein, dass die elektrische Leistung und die mechanische Leistung basierend auf dem Induktionsgesetz bzw. der Lenzschen Regel ineinander umgewandelt werden können, somit kann der Elektromotor sowohl motorisch als auch generatorisch betrieben werden.
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Im motorischen Betrieb kann hierbei die Batterie bspw. die mindestens eine Induktionsspule mit einem Wechselstrom versorgen, sodass sich ein Magnetfluss ergibt, der den Rotor zum Drehen antreiben kann. In diesem Fall entlädt die Batterie.
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Im generatorischen Betrieb kann sich hierbei der Magnetfluss des mindestens einen Magnetes aufgrund der Drehung des Rotors gegenüber der mindestens einen Induktionsspule ändern. Wenn sich die mindestens eine Induktionsspule in diesem Magnetfluss befindet, ergibt sich ein Induktionsstrom, der in die Batterie fließt. In diesem Fall wird die Batterie geladen.
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Weil die Batterie normalerweise direkt einen Gleichstrom aufnimmt oder abgibt, ist ein Stromrichter zwischen der Batterie und der mindestens einen Induktionsspule angeordnet, um den Gleichstrom im motorischen Betrieb in Wechselstrom und den Wechselstrom im generatorischen Betrieb in Gleichstrom umzuwandeln.
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Der mindestens eine Magnet ist bevorzugt ein permanenter Magnet, der bspw. am Rotor angeordnet ist, sodass sich dessen Magnetfluss mit der Drehung des Rotors dreht. In diesem Fall kann die mindestens eine Induktionsspule am Stator angeordnet sein. Es ist aber auch denkbar, dass die mindestens eine Induktionsspule am Rotor und der mindestens eine Magnet am Stator angeordnet ist.
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Es ist bevorzugt, wenn die Hydraulikeinrichtung mindestens eine Hydraulikpumpe und mindestens einen Hydraulikmotor umfasst.
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Die Hydraulikeinrichtung dient zur Leistungsübertragung mittels einer Hydraulik-flüssigkeit (bspw. Mineralöl). Die übertragene Leistung ergibt sich aus den Faktoren Druck und Volumenstrom. Dazu erzeugt die Hydraulikpumpe einen Volumenstrom. Wenn der Volumenstrom durch Widerstände (bspw. Hydraulikzylinder, Hydraulikmotor) fließt, entsteht ein Druck, durch den eine Arbeit verrichtet wird. Es wird bspw. die hydraulische Leistung in eine Drehbewegung umgeformt, wenn der Volumenstrom durch einen Hydraulikmotor fließt. Der Hydraulikmotor ist meistens wie eine Hydraulikpumpe aufgebaut und arbeitet jedoch in umgekehrter Weise als die Hydraulikpumpe, wobei er die hydraulische Leistung in Form von Volumenstrom bzw. Druck in mechanische Leistung in Form von Drehmoment und Drehzahl umformt.
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Wenn die Hydraulikeinrichtung mindestens eine Hydraulikpumpe und mindestens einen Hydraulikmotor umfasst, kann sich der mindestens eine Hydraulikmotor durch eine Kupplung bspw. direkt mit dem Heck- oder Frontanschluss eines Traktors koppeln, sodass der Hydraulikmotor durch den Traktor angetrieben und dessen Drehmoment über die mindestens eine Hydraulikpumpe an die elektrische Maschine übertragen wird.
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Vorteilhafterweise ist der mindestens eine Hydraulikmotor innerhalb der Batterieladevorrichtung oder innerhalb der mit der Batterieladevorrichtung ausgestatteten Arbeitsmaschine verbaut. Andernfalls ist es auch denkbar, dass der mindestens eine Hydraulikmotor über eine hydraulische Kupplung an die mindestens eine Hydraulikpumpe zuschaltbar ist, sodass der mindestens eine Hydraulikmotor nicht unbedingt in der Batterieladevorrichtung bzw. in der Maschine verbaut sein muss.
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Es ist bevorzugt, wenn die Hydraulikeinrichtung mindestens eine Hydraulikpumpe umfasst, die als Hydraulikmotor betreibbar ist.
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Grundsätzlich kann eine Hydraulikpumpe wie ein Hydraulikmotor aufgebaut sein, sodass die Hydraulikpumpe durch eine Umschaltung als Pumpe oder als Motor betrieben werden kann. Im Pumpenbetrieb wandelt die Hydraulikpumpe die aufgenommene mechanische Leistung in hydraulische Leistung in Form von Volumenstrom bzw. Druck und im Motorbetrieb die hydraulische Leistung in Drehmoment um. In diesem Fall kann diese als Motor benutzbare Hydraulikpumpe durch Kupplungen direkt mit bspw. dem Optionsverbraucheranschluss eines Baggers gekoppelt werden.
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Im einfachsten Fall befindet sich eine Hydraulikpumpe an der elektrischen Maschine. Diese kann durch eine entsprechende Hydraulische Schaltung generatorisch (Pumpe) oder motorisch (Motor) betrieben werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist ein separater Hydraulikmotor vorgesehen, um mechanische Leistung während des Ladevorgangs an den Elektromotor abzugeben.
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In weiteren Ausprägungen verfügt das System über mehr als eine hydraulische Pumpe, von denen mindestens eine als Motor verwendet werden kann bzw. wird. Zum Beispiel haben Bagger ab ca. 20t Einsatzgewicht üblicherweise ein System mit zwei Pumpen. Eine davon könnte z.B. als motorfähig ausgeführt sein.
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Ein Vorteil eines eigenen dedizierten Hydraulikmotors für das „hydraulische Laden“ ist, dass die Hydraulikfluide der Maschinen nicht miteinander in Kontakt kommen. Weiter kann jede Maschine eine andere „laden“.
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Die Nutzung einer existierenden Pumpe als Motor kann zu folgenden Effekten führen: Eine Funktionsintegration, wodurch Kosten und Bauraum reduziert werden können. Je nach Ausgestaltung des Hydrauliksystems werden die Fluide gemischt oder getrennt; sie nutzen aber zumindest teilweise und zeitlich entkoppelt Teile des Leitungssystems gemeinsam, so dass eine Kontamination möglich ist. Je nach Ventilsystem trifft sich das Fluid im Tank oder wird eben voneinander getrennt gehalten.
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Es ist bevorzugt, wenn die hydraulische Batterieladevorrichtung ein Ladegerät umfasst, wobei die Batterie über das Ladegerät durch eine mobile Hydraulik-Generator-Einheit auf hydraulischem Weg ladbar ist.
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Außerdem ist es bevorzugt, wenn die mobile Hydraulik-Generator-Einheit einen Zusatzgenerator und einen Zusatzhydraulikmotor umfasst, wobei der Zusatzgenerator mit dem Zusatzhydraulikmotor hydraulisch verbunden ist, und wobei der Zusatzgenerator mit dem Ladegerät elektrisch verbindbar ist und der Zusatzhydraulikmotor über eine Kupplung mit einer externen mechanischen Energiequelle koppelbar ist.
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Herkömmliches batterieelektrisches Ladesystem umfasst in der Regel ein Ladegerät, das elektrische charakteristische Parameter wie Strom, Spannung und Frequenz ändern kann. Dadurch kann der Strom aus einem Netz oder einer Ladeinfrastruktur in den Strom umgewandelt werden, den die Batterie aufnehmen kann.
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Davon ausgehend kann das Ladegerät dazu eingerichtet sein, die elektrische Energie nicht nur direkt von den herkömmlichen elektrischen Energiequellen (Stromnetz) sondern auch von einer mobilen Hydraulik-Generator-Einheit auf hydraulischem Weg aufnehmen zu können.
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Die mobile Hydraulik-Generator-Einheit meint hier insbesondere die Einheit, die nicht in einer bestimmten Batterieladevorrichtung oder in einer bestimmten elektrifizierten Arbeitsmaschine fest verbaut ist, sondern beweglich und universal in jeder elektrifizierten Arbeitsmaschine zum Batterieladen einsatzbar ist. Dazu wird die Hydraulik-Generator-Einheit durch einen Radlader oder einen Bagger zu einer Arbeitsmaschine transportiert, wenn die Arbeitsmaschine mit der beschriebenen Batterieladevorrichtung ausgestattet und ladebedürftig ist.
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Die Hydraulik-Generator-Einheit ist einerseits über deren Zusatzgenerator mit dem Ladegerät elektrisch verbindbar und anderseits über deren Zusatzhydraulikmotor und Kupplungen mit einer nicht-elektrisch angetriebenen Arbeitsmaschine koppelbar. Somit kann die von der nicht-elektrisch angetriebenen Arbeitsmaschine abgegebene mechanische Leistung zuerst über den Zusatzhydraulikmotor auf den Zusatzgenerator übertragen und anschließend durch den Zusatzgenerator in elektrische Leistung umgewandelt werden, wodurch die Batterie über das Ladegerät mit der elektrischen Leistung geladen werden kann.
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Es ist bevorzugt, wenn die Batterieladevorrichtung mindestens eine Leistungselektronikeinheit zur Umformung von elektrischen Energien umfasst. Die Leistungselektronikeinheit dient zur Änderung der elektrischen charakteristischen Parameter wie Strom, Spannung und Frequenz. Es kann bspw. ein Stromrichter als Leistungselektronikeinheit zwischen der Batterie und der elektrischen Maschine angeschlossen werden. Dabei wandelt der Stromrichter Gleichstrom in Wechselstrom im motorischen Betrieb der elektrischen Maschine bzw. im Entladezustand der Batterie oder umgekehrt den Wechselstrom in Gleichstrom im generatorischen Betrieb bzw. im Ladezustand um.
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Es kann ein Gleichrichter im Ladegerät eingerichtet sein, wodurch der Wechselstrom aus der Hydraulik-Generator-Einheit in Gleichstrom zum Einspeisen in die Batterie umgeformt werden kann.
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Es ist außerdem denkbar, dass mindestens ein Frequenzumrichter in der beschriebenen Vorrichtung vorgesehen ist, damit ein breiter Frequenz -und Spannungsbereich der zu speisenden elektrischen Leistung aus der elektrischen Maschine oder aus der Hydraulik-Generator-Einheit verwendbar ist.
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Es ist bevorzugt, wenn eine mobile elektrifizierte Arbeitsmaschine mit einer oben beschriebenen hydraulischen Batterieladevorrichtung ausgestattet ist.
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Wird eine neuartige elektrifizierte Maschine, z.B. eine batterieelektrische Arbeitsmaschine, auf einer Baustelle betrieben und hat eine entladene Batterie, so kann diese heute (falls überhaupt) nur durch eine Maschine mit entsprechend ausgeprägter Ladeschnittstelle wieder aufgeladen werden, z.B. durch den erwähnten Zapfwellengenerator eines Traktors. Da solche Maschinen bisher nicht weit verbreitet sind, stellt das Nachladen einer batterieelektrischen Maschine im Feld ein Problem dar, sofern nicht zufällig mehrere elektrische Maschinen gleichzeitig auf der Baustelle betrieben werden. Es ist sicher davon auszugehen, dass eine batterieelektrische Maschine unter Umständen so betrieben wird, dass ein Nachladen im Feld notwendig ist. Die möglicherweise in der Umgebung vorhandenen, konventionell angetriebenen Arbeitsmaschinen verfügen jedoch nicht über eine entsprechende Ladeschnittstelle und sind heute somit nicht in der Lage die elektrische Maschine zu laden.
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Die Ausstattung mit einer oben beschriebenen hydraulischen Batterieladevorrichtung ermöglicht das Nachladen einer elektrifizierten mobilen Arbeitsmaschine durch eine nicht-elektrisch angetriebene mobile Arbeitsmaschine auf hydraulischem Weg.
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Das Nachladen einer „liegengebliebenen“ elektrifizierten mobilen Arbeitsmaschine wird ohne elektrischen Netzanschluss ermöglicht. Elektrifizierte Arbeitsmaschinen können ohne besondere Notfall-Ladeinfrastruktur geladen werden. Dadurch können sie auch einzeln auf Baustellen mit anderen konventionellen Arbeitsmaschinen eingesetzt werden. Es sind keine langen Ladekabel auf der Baustelle notwendig, um eine „liegengebliebene“ Arbeitsmaschine wieder soweit aufzuladen, dass sie zum Ladepunkt fahren kann.
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Es ist bevorzugt, wenn ein Verfahren zum Betrieb der oben beschriebenen Batterieladevorrichtung zumindest folgende Schritte umfasst:
- a) Koppeln der Hydraulikeinrichtung über die hydraulische Kupplung mit einer externen hydromechanischen Energiequelle zum Übertragen der mechanischen Leistung der externen hydromechanischen Energiequelle auf die elektrische Maschine,
- b) Betreiben der elektrischen Maschine generatorisch zum Umwandeln der mechanischen Leistung in elektrische Leistung,
- c) Laden der Batterie mit der elektrischen Leistung.
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Außerdem es ist bevorzugt, wenn das Verfahren zum Betrieb der oben beschriebenen Batterieladevorrichtung zumindest folgende Schritte umfasst:
- (i) Koppeln des Zusatzhydraulikmotors mit einer externen hydromechanischen Energiequelle zum Übertragen der mechanischen Leistung der externen hydromechanischen Energiequelle am Zusatzgenerator der Hydraulik-Generator-Einheit,
- (ii) Zuschalten des Zusatzgenerators mit dem Ladegerät,
- (iii) Betreiben des Zusatzgenerators zum Umwandeln der mechanischen Leistung in elektrische Leistung,
- (iv) Laden der Batterie mit der elektrischen Leistung.
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Es ist bevorzugt, wenn ein Steuergerät für die (hydraulische) Batterieladevorrichtung vorgesehen ist, welches zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist.
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Dabei steuert das Steuergerät den Volumenstrom und/oder den Druck so, dass die mechanische Leistung und damit die gleichgerichtete elektrische Leistung dem Batteriezustand angemessen sind. Die hydraulische Leistung kann dabei innerhalb der ladenden Maschine und/oder der zu ladenden Maschine angepasst werden. Das Steuergerät kann in die Maschinensteuerung auf der geladenen Maschine oder in die Maschinensteuerung auf der geladenen Maschine integriert werden.
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Es ist bevorzugt, wenn ein Computerprogramm dazu eingerichtet ist, alle Schritte des beschriebenen Verfahrens auszuführen.
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Es ist außerdem bevorzugt, wenn ein maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist.
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Zur Erläuterung und Präzisierung der Verfahrensschritte kann vollumfänglich auf die vorstehenden Ausführungen zur Batterieladevorrichtung zurückgegriffen werden und umgekehrt.
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Die Batterieladevorrichtung, die Arbeitsmaschine mit der Batterievorrichtung und das Verfahren zum Betrieb der Batterieladevorrichtung bzw. der Arbeitsmaschine werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren nur bevorzugte Ausführungsbeispiele zeigen, auf welche die Offenbarung hier jedoch nicht beschränkt ist. Es zeigen schematisch:
- 1: Ausführungsform einer herkömmlichen Batterieladevorrichtung,
- 2: erste Ausführungsform einer hydraulischen Batterieladevorrichtung,
- 3: zweite Ausführungsform einer hydraulischen Batterieladevorrichtung, und
- 4: dritte Ausführungsform einer hydraulischen Batterieladevorrichtung.
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1 zeigt ein vereinfachtes batterieelektrisches Antriebssystem einer herkömmlichen mobilen Maschine mit einem integrierten elektrischen Ladegerät 5. Hierbei wird die Batterie 1 genutzt, um eine Leistungselektronikeinheit 2 und die daran angeschlossene elektrische Maschine 3 mit elektrischer Leistung zu versorgen. Die Leistungselektronikeinheit 2 ist hier bspw. ein Wechselrichter, der den Gleichstrom aus der Batterie 1 zum Versorgen der elektrischen Maschine 3 in Wechselstrom umwandelt. Die elektrische Maschine 3 ist hier normalerweise ein Elektromotor, der in der Regel nur motorisch betrieben wird. Die elektrische Maschine 3 treibt in diesem Fall eine Hydraulikpumpe 4 an, welche Hydraulikflüssigkeit zu den hydraulischen Aktoren (nicht dargestellt) fördert. Die Batterie 1 wird heute immer über ein Ladegerät 5 geladen. Befindet sich das Ladegerät 5 in der Maschine selbst, so ist die Schnittstelle zum elektrischen Netz üblicherweise ein 1-Phasen oder 3-Phasen Wechselstromanschluss, der üblicherweise bis zu 20kW Ladeleistung erlaubt. Befindet sich das Ladegerät 5 in einer stationären Ladeinfrastruktur (Ladesäule), so ist die Schnittstelle zur Maschine eine Gleichspannungsleitung sowie eine Signalleitung. Heute können darüber bis zu 350kW elektrischer Leistung geladen werden („DC-Schnellladen“).
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2 zeigt ein vereinfachtes batterieelektrisches Ladesystem mit einem integrierten elektrischen Ladegerät 5 und einem zuschaltbaren Hydraulikmotor 6 zum Laden der Batterie 1. Das batterieelektrische Ladesystem und der zuschaltbare Hydraulikmotor 6 bilden zusammen eine „hydraulische“ Batterieladevorrichtung 9. Ist eine Ladung der Batterie 1 über das Ladegerät 5 nicht möglich, so kann der hydraulische Anschluss einer konventionellen mobilen Maschine (Optionsverbraucheranschluss für Anbauwerkzeuge eines Baggers oder Radladers, Heck- oder Frontanschluss eines Traktors) mit den ersten hydraulischen Kupplungen 7 verbunden werden. Die eingetragene hydraulische Leistung wird mechanisch gewandelt und über die geschaltete zweite Kupplung 8 auf die Motorwelle der elektrischen Maschine 3 eingebracht. Die Hydraulikpumpe 4 wird so geschaltet, dass ein Ladebetrieb möglich ist. Die elektrische Maschine 3 arbeitet in diesem Fall generatorisch, so dass mittels der Leistungselektronikeinheit 2 ein Laden der Batterie 1 möglich ist. Vorteilhafterweise ist der Hydraulikmotor 6 mit dem batterieelektrischen Ladesystem zusammen innerhalb einer elektrischen Maschine verbaut. Wird der Hydraulikmotor 6 in der Maschine verbaut, so kann in einer weiteren Ausprägung auf die schaltbare zweite Kupplung 8 verzichtet werden und statt dessen ein Kurzschluss der beiden hydraulischen Anschlüsse des Motors durch ein entsprechendes Ventilsystem realisiert werden.
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3 zeigt ein vereinfachtes batterieelektrisches Ladesystem mit einem integrierten elektrischen Ladegerät 5 und eine als Motor genutzte Hydraulikpumpe 4 zum Laden der Batterie 1. D. h. es kann eine vorhandene Hydraulikpumpe 4 anstelle des wie in 2 beschrieben zuschaltbaren Hydraulikmotors 6 motorisch betrieben werden. In dieser Ausführungsform kann auch mindestens eine weitere (hier nicht dargestellte) Hydraulikpumpe auf der dargestellten Welle der elektrischen Maschine 3 angebracht sein. In diesem Fall bilden das batterieelektrische Ladesystem und die als Motor verwendbare Hydraulikpumpe 4 zusammen eine hydraulische Batterieladevorrichtung 9. Über die ersten hydraulischen Kupplungen 7 wird wieder eine konventionelle Maschine angekoppelt. Die als Motor verwendbare Hydraulikpumpe 4 des bereits in der elektrischen Maschine installierten eigenen Hydrauliksystems wird nun motorisch betrieben, so dass auch hier die elektrische Maschine 3 generatorisch betrieben und die Batterie 1 geladen wird.
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4 zeigt eine mobile Hydraulik-Generator-Einheit 10, die mit dem integrierten Ladegerät 5 eines batterieelektrischen Systems verbunden ist. Die mobile Hydraulik-Generator-Einheit 10 umfasst einen Zusatzhydraulikmotor 11 und einen Zusatzgenerator 12 und muss nicht mehr mit dem batterieelektrischen System zusammen innerhalb einer elektrischen Arbeitsmaschine montiert sein. Die mobile hydraulische Generator-Einheit 10 wird durch einen Radlader oder einen Bagger zur zu ladenden elektrischen Arbeitsmaschine transportiert. Der Zusatzhydraulikmotor 11 wird z.B. über hydraulische Kupplungen 7 mit dem Optionsverbraucheranschluss eines Baggers gekoppelt und durch den Bagger angetrieben, so dass der Zusatzgenerator 12 elektrische Leistung erzeugt, welche dann wie dargestellt an dem in dem batterieelektrischen System integrierten Ladegerät 5 eingespeist werden kann. In diesem Fall bilden das batterieelektrische System und die mobile Hydraulik-Generator-Einheit 10 zusammen eine hydraulische Batterieladevorrichtung 9.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batterie
- 2
- Leistungselektronikeinheit
- 3
- elektrische Maschine
- 4
- Hydraulikpumpe
- 5
- Ladegerät
- 6
- Hydraulikmotor
- 7
- erste hydraulische Kupplung
- 8
- zweite Kupplung
- 9
- Batterieladevorrichtung
- 10
- mobile Hydraulik-Generator-Einheit
- 11
- Zusatzhydraulikmotor
- 12
- Zusatzgenerator
