DE102020213606A1

DE102020213606A1 - Verfahren zum Vorbereiten des Betriebs mindestens einer zumindest teilweise elektrisch betreibbaren, mobilen Arbeitsmaschine

Info

Publication number: DE102020213606A1
Application number: DE102020213606.8A
Authority: DE
Inventors: Christoph Woll; Steffen Rose
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-10-29
Filing date: 2020-10-29
Publication date: 2021-11-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorbereiten des Betriebs mindestens einer zumindest teilweise elektrisch betreibbaren, mobilen Arbeitsmaschine (1), die an einer Ladestation (2) zur Versorgung der mindestens einen Arbeitsmaschine (1) mit elektrischer Energie angeschlossen ist, umfassend zumindest folgende Schritte:a) Versorgen eines Energiespeichersystems (3) der Arbeitsmaschine (1) mit elektrischer Energie von der Ladestation (2), wobei das Energiespeichersystem (3) zur Speicherung elektrischer Energie für die Arbeitsmaschine (1) eingerichtet ist,b) Betreiben einer Energiespeicher-Heizeinrichtung (4) der Arbeitsmaschine (1) mit elektrischer Energie von der Ladestation (2), wobei die Energiespeicher-Heizeinrichtung (4) zur zumindest teilweisen Erwärmung des Energiespeichersystems (3) angeordnet und eingerichtet ist,c) Steuern des Betriebs der Energiespeicher-Heizeinrichtung (4) zum kontrollierten Vorwärmen zumindest eines Teils des Energiespeichersystems (3).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorbereiten des Betriebs mindestens einer zumindest teilweise elektrisch betreibbaren, mobilen Arbeitsmaschine, die an einer Ladestation zur Versorgung der mindestens einen Arbeitsmaschine mit elektrischer Energie angeschlossen ist. Weiterhin werden ein Ladesteuergerät für eine mobile Arbeitsmaschine, ein Steuergerät für eine Ladestation sowie eine Ladestation zur Versorgung mindestens einer mobilen Arbeitsmaschine mit elektrischer Energie angegeben.
Heutige mobile Arbeitsmaschinen, wie z. B. Bagger in ihren verschiedensten Ausführungen, werden von einer Verbrennungskraftmaschine - einem Diesel-Motor, betrieben. Das heißt sowohl für das Fortbewegen des Baggers als auch für die einzelnen Arbeitsprozesse, wie das Drehen des Oberwagens, das Betätigen des Auslegers, des Stils und des Löffels, kommt der Diesel-Motor zum Einsatz. Elektrifizierte Bagger sind heute noch sehr selten auf dem Markt, finden jedoch nach und nach Einzug. Hochvoltbatterien (HV-Batterien) auf Li-lon-Basis für solche mobile Arbeitsmaschinen benötigen entsprechend hohe Energieinhalte, um ihre täglichen Betriebsstunden zu erreichen.
Gerade im robusten Umfeld und unter zum Teil extremen Witterungsverhältnissen, in denen ein Bagger aktiv ist, muss auch die Batterie ihre volle Betriebsbereitschaft zeigen. Bei Temperaturen um die 0°C ist die Batterie in ihrem Leistungsverhalten eingeschränkt (Performanceeinbußen) und muss in diesem Temperaturbereich aufgewärmt werden. Hierzu gibt es verschiedene bekannte Verfahren. Das Gleiche gilt für das Hydrauliköl des Baggers, das erst ab ca. 45°C seine „Betriebsbereitschaft“ erhält. Hierzu wird heute der Bagger „warmlaufen“ gelassen, wodurch durch die Motorabwärme, aber insbesondere durch den Leerlaufbetrieb der Hydraulikpumpe das Öl durch die Leitungen gepumpt wird und es dadurch erwärmt wird. Bei einer Verbrennungskraftmaschine mit einer schnellen Betankung stellt die Energiezuführung somit heute kein Problem dar. Bei elektrischen Arbeitsmaschinen sieht dieser Sachverhalt jedoch anders aus.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik beschriebenen Nachteile bzw. Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll ein möglichst schneller Arbeitsbeginn (bei einem Kaltstart) einer mobilen, elektrisch angetriebenen Arbeitsmaschine erreichbar sein.
Diese Aufgaben werden durch die Merkmale der jeweiligen unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Hierzu trägt ein Verfahren zum Vorbereiten des Betriebs mindestens einer zumindest teilweise elektrisch betreibbaren, mobilen Arbeitsmaschine, die an einer Ladestation zur Versorgung der mindestens einen Arbeitsmaschine mit elektrischer Energie angeschlossen ist, bei, umfassend zumindest folgende Schritte:

a) Versorgen eines Energiespeichersystems der Arbeitsmaschine mit elektrischer Energie von der Ladestation, wobei das Energiespeichersystem zur Speicherung elektrischer Energie für die Arbeitsmaschine eingerichtet ist,
b) Betreiben einer Energiespeicher-Heizeinrichtung der Arbeitsmaschine mit elektrischer Energie von der Ladestation, wobei die Energiespeicher-Heizeinrichtung zur zumindest teilweisen Erwärmung des Energiespeichersystems angeordnet und eingerichtet ist,
c) Steuern des Betriebs der Energiespeicher-Heizeinrichtung zum kontrollierten Vorwärmen zumindest eines Teils des Energiespeichersystems.

Die Schritte a), b) und c) können zur Durchführung des Verfahrens beispielsweise zumindest einmal und/oder wiederholt in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Die Schritte a), b) und c), insbesondere die Schritte b) und c) können (alternativ oder kumulativ) zumindest teilweise parallel oder gleichzeitig durchgeführt werden. Das Verfahren kann beispielsweise mittels eines hier auch beschriebenen Steuergeräts der Ladestation und/oder eines hier auch beschriebenen Ladesteuergeräts der Arbeitsmaschine durchgeführt werden.
Das Verfahren trägt in vorteilhafter Weise dazu bei eine Strategie zum möglichst effizienten Aufwärmen einer HV-Batterie und ggf. von Hydrauliköl einer mobilen elektrischen Arbeitsmaschine an einer Ladestation bereitzustellen. Dadurch kann vorteilhaft ein möglichst schneller Arbeitsbeginn (bei einem Kaltstart) einer mobilen, elektrisch angetriebenen Arbeitsmaschine erreicht werden. Weiterhin kann das Verfahren zum Vorbereiten des Betriebs mehrerer bzw. mindestens zweier zumindest teilweise elektrisch betreibbarer, mobiler Arbeitsmaschinen, die an eine zentrale bzw. dieselbe Ladestation zur Versorgung mit elektrischer Energie angeschlossen sind, zur Anwendung kommen.
Bei der mobilen, insbesondere (eigenständig) fahrbaren (elektrischen bzw. elektrifizierten) Arbeitsmaschine kann es sich beispielsweise um eine Baumaschine bzw. ein Baustellenfahrzeug handeln. Insbesondere kann es sich bei der Arbeitsmaschine zum Beispiel um einen Bagger, einen Schaufellader, einen Gabelstapler oder eine Raupe handeln. Die mobile Arbeitsmaschine ist insbesondere elektrisch antreibbar. So kann die Arbeitsmaschine beispielsweise mindestens einen Elektromotor zum Vortrieb aufweisen, der mit dem Energiespeichersystem elektrisch verbindbar ist. Bei der Ladestation kann es sich beispielsweise um eine zentrale Ladestation für mehrere Arbeitsmaschinen handeln. Die Ladestation kann beispielhaft die Form einer Ladesäule aufweisen. Das Energiespeichersystem kann eine oder mehrere (wiederaufladbare) Hochvolt-Batterien (HV-Batterien), insbesondere auf Lithium-Ionen-Basis aufweisen.
In Schritt a) erfolgt ein Versorgen (Laden bzw. Aufladen) eines Energiespeichersystems der Arbeitsmaschine mit elektrischer Energie von der Ladestation, wobei das Energiespeichersystem zur Speicherung elektrischer Energie für die Arbeitsmaschine eingerichtet ist. Insbesondere erfolgt in Schritt a) ein Vollladen des Energiespeichersystem bzw. der HV-Batterie(n= des Energiespeichersystems. Dies kann mit anderen Worten insbesondere auch so beschrieben werden, dass in Schritt a) ein (Auf-)Laden des Energiespeichersystem so (stark und/oder lange) durchgeführt wird, dass das Energiespeichersystem bzw. die HV-Batterie(n) des Energiespeichersystems vollständig oder zumindest bis zu einem vordefinierbaren Aufladungsziel (auf- ) geladen ist bzw. sind. Danach bzw. nach Schritt a) kann das Verfahren für eine (ggf. vordefinierbare) Abkühlzeit unterbrochen werden, bevor das Verfahren mit Schritt b) beispielsweise am Beginn einer Vorwärmzeit wieder aufgenommen wird. Insbesondere kann in Schritt a) (zumindest teilweise paralleles oder gleichzeitiges) Versorgen von Energiespeichersystemen mehrere bzw. mindestens zweier Arbeitsmaschinen mit elektrischer Energie von der(-selben) Ladestation erfolgen.
In Schritt b) erfolgt ein Betreiben einer Energiespeicher-Heizeinrichtung der Arbeitsmaschine mit elektrischer Energie von der Ladestation, wobei die Energiespeicher-Heizeinrichtung zur zumindest teilweisen Erwärmung des Energiespeichersystems angeordnet und eingerichtet ist. Das Betreiben der Energiespeicher-Heizeinrichtung erfolgt insbesondere zu dem Zweck eines Aufwärmens bzw. Vorwärmens zumindest eines Teils des Energiespeichersystems bzw. der HV-Batterie(n) des Energiespeichersystems. Die Heizeinrichtung kann beispielsweise einen oder mehrere elektrische Heizgeräte umfassen. Dabei erfolgt die elektrische Energieversorgung der Heizeinrichtung insbesondere ausschließlich über die Ladestation. Dies erlaubt in vorteilhafter Weise, dass die Energiekapazität des Energiespeichersystems bzw. die HV-Batteriekapazität und die Betriebsdauer möglichst nicht durch das Vorwärmen (negativ) beeinträchtigt werden. Das Betreiben der Energiespeicher-Heizeinrichtung kann beispielsweise über ein Ladekabel und ein Ladesteuergerät der Arbeitsmaschine erfolgen. Das Ladekabel verbindet dabei die Arbeitsmaschine, insbesondere das Ladesteuergerät der Arbeitsmaschine mit der Ladestation. Insbesondere kann in Schritt b) ein (zumindest teilweise paralleles oder gleichzeitiges) Betreiben von Energiespeicher-Heizeinrichtungen mehrerer bzw. mindestens zweier Arbeitsmaschinen mit elektrischer Energie von der(-selben) Ladestation erfolgen. Vorzugsweise erfolgt das Betrieben der Energiespeicher-Heizeinrichtung, wenn die Außentemperatur eine vordefinierbare (erste) Grenztemperatur erreiche und/oder unterschreitet.
In Schritt c) erfolgt ein Steuern des Betriebs der Energiespeicher-Heizeinrichtung zum kontrollierten Vorwärmen zumindest eines Teils des Energiespeichersystems. Unter einem kontrollierten Vorwärmen kann beispielsweise ein Aufwärmen zumindest eines Teils des Energiespeichersystems bzw. der HV-Batterie(n) des Energiespeichersystems auf eine vordefinierbare Vorwärmtemperatur verstanden werden. Zum kontrollierten Vorwärmen kann dieses beispielsweise zeitgesteuert und/oder temperaturgesteuert (in Abhängigkeit einer momentanen Temperatur des Energiespeichersystems) betrieben werden. Das Steuern kann mittels eines Ladesteuergeräts der Arbeitsmaschine („On-board charger“; kurz: OBC) und/oder mittels eines Steuergeräts der Ladestation durchgeführt werden. Insbesondere kann in Schritt c) ein (zumindest teilweise paralleles oder gleichzeitiges) Steuern von Energiespeicher-Heizeinrichtungen mehrerer bzw. mindestens zweier Arbeitsmaschinen erfolgen. Dies kann besonders vorteilhaft realisiert werden, wenn das Steuern (zumindest auch) mittels des Steuergeräts der Ladestation durchgeführt wird. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass die Steuerung des Vorwärmvorgangs bei mehreren Arbeitsmaschinen durch eine gemeinsame Ladestation durchgeführt werden kann. Eine Steuerung durch die Ladestation kann in besonders vorteilhafter Weise dazu beitragen, dass die verfügbare Gesamt-Leistungsaufnahme zwischen mehreren angeschlossenen Arbeitsmaschinen möglichst bedarfsgerecht aufgeteilt werden kann.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das Vorwärmen zumindest eines Teils des Energiespeichersystems unabhängig von dem Versorgen des Energiespeichersystems mit elektrischer Energie durchgeführt wird. Insbesondere wird das Vorwärmen zumindest eines Teils des Energiespeichersystems zeitlich unabhängig von, beispielsweise zeitlich beabstandet bzw. nachgelagert zu dem Versorgen des Energiespeichersystems mit elektrischer Energie durchgeführt. Dies bedeutet mit andere Worten insbesondere, dass hier zum Vorwärmen nicht diejenige Wärme verwendet wird, die ggf. beim Laden des Energiespeichersystems entstehen kann. Insbesondere soll nach einem Laden des Energiespeichersystems bzw. der HV Batterie(n) des Energiespeichersystems die Energiezufuhr zunächst unterbrochen bzw. abgeschaltet werden. Beispielsweise kann in diesem Zusammenhang die Ladestation (Ladesäule) bzw. das Steuergerät der Ladestation die Energiezufuhr nach dem Vorsorgen (Laden) zunächst unterbrechen bzw. abschalten. Weiterhin kann beispielsweise zu Beginn einer vordefinierbaren Vorwärmzeit (zum Beispiel: ca. 1h bei niedrigen Außentemperaturen und/oder ca. 0,5h bei normale Außentemperaturen) vor einem geplanten Arbeitsbeginn die Energieversorgung zum Vorwärmen wieder hergestellt werden. Beispielsweise kann in diesem Zusammenhang durch eine Zeitsteuerung der Ladestation bzw. des Steuergeräts der Ladestation die Energieversorgung wieder hergestellt werden. In diesem Zusammenhang kann insbesondere nach einem Signal der Ladestation bzw. des Steuergeräts der Ladestation an die Arbeitsmaschine der Aufwärmvorgang bzw. Vorwärmvorgang für das Energiespeichersystem und ggf. das Hydrauliksystem beginnen. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass die Zeitsteuerung (vollständig, beispielsweise inklusive Definition der Vorwärmzeit und Arbeitsbeginn-Planung) in der Ladestation bzw. dem Steuergerät der Ladestation hinterlegt werden kann, etwa manuell über eine Benutzerschnittstelle der Ladestation.
Weiterhin kann hier (zusätzlich zu dem Vorwärmen zumindest eines Teils des Energiespeichersystems) auch ein Aufwärmvorgang bzw. Vorwärmvorgang zumindest eines Teils des Hydrauliksystems der Arbeitsmaschine des Hydrauliköls durchgeführt werden. Dieser Vorwärmvorgang für das Hydrauliksystem kann beispielhaft zumindest teilweise parallel oder gleichzeitig mit dem Vorwärmen für das Energiespeichersystem durchgeführt werden. Das Verfahren kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung somit auch ein Lade- und Aufwärmverfahren beschreiben, mit dem nicht nur die Batterie aufgeladen und aufgewärmt werden kann, sondern auch das Hydrauliksystem der mobilen Arbeitsmaschine, insbesondere dessen Hydrauliköl, mit dem Ziel, einen möglichst schnellen Arbeitsbeginn (bei Kaltstart) der mobilen Arbeitsmaschine zu ermöglichen. Grundsätzlich kann der Vorwärmvorgang für das Hydrauliksystem dabei mit elektrischer Energie aus der Ladestation und/oder mit elektrischer Energie aus dem Energiespeichersystem bzw. der HV-Batterie(n) des Energiespeichersystems der Arbeitsmaschine durchgeführt werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass ein Betreiben einer Hydraulik-Heizeinrichtung der Arbeitsmaschine mit elektrischer Energie von der Ladestation durchgeführt wird, wobei die Hydraulik-Heizeinrichtung zur zumindest teilweisen Erwärmung eines Hydrauliksystems der Arbeitsmaschine angeordnet und eingerichtet ist. Dies trägt insbesondere gegenüber einer Beheizung durch Energie aus dem Energiespeichersystem bzw. der HV-Batterie(n) des Energiespeichersystems der Arbeitsmaschine in vorteilhafter Weise dazu bei, dass dem Energiespeichersystems keine Energie für das den Aufwärmprozess bzw. Vorwärmprozess des Hydrauliksystems entzogen werden muss, sodass die Energiekapazität des Energiespeichersystems bzw. die HV-Batteriekapazität und die Betriebsdauer möglichst nicht durch das Vorwärmen (negativ) beeinträchtigt werden. Das Betreiben der Hydraulik-Heizeinrichtung erfolgt insbesondere zu dem Zweck eines Aufwärmens bzw. Vorwärmens zumindest eines Teils des Hydrauliksystems, insbesondere des Hydrauliköls des Hydrauliksystems. Die Heizeinrichtung kann beispielsweise einen oder mehrere elektrische Heizgeräte umfassen. Dabei erfolgt die elektrische Energieversorgung der Heizeinrichtung insbesondere ausschließlich über die Ladestation. Das Betreiben der Hydraulik-Heizeinrichtung kann beispielsweise über ein Ladekabel und ein Ladesteuergerät der Arbeitsmaschine erfolgen. Das Ladekabel verbindet dabei die Arbeitsmaschine, insbesondere das Ladesteuergerät der Arbeitsmaschine mit der Ladestation. Insbesondere kann ein (zumindest teilweise paralleles oder gleichzeitiges) Betreiben von Hydraulik-Heizeinrichtungen mehrerer bzw. mindestens zweier Arbeitsmaschinen mit elektrischer Energie von der(-selben) Ladestation erfolgen. Vorzugsweise erfolgt das Betrieben der Hydraulik-Heizeinrichtung, wenn die Außentemperatur eine vordefinierbare (zweite) Grenztemperatur erreicht und/oder unterschreitet. Dabei liegt die zweite Grenztemperatur in der Regel oberhalb der ersten Grenztemperatur. Somit kann ggf. ein Vorwärmen durch die Hydraulik-Heizeinrichtung erfolgen, auch wenn kein Vorwärmen durch die Energiespeicher-Heizeinrichtung erfolgt.
In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn ein Steuern des Betriebs der Hydraulik-Heizeinrichtung zum kontrollierten Vorwärmen zumindest eines Teils des Hydrauliksystems durchgeführt wird. Unter einem kontrollierten Vorwärmen kann beispielsweise ein Aufwärmen zumindest eines Teils des Hydrauliksystems bzw. des Hydrauliköls des Hydrauliksystems auf eine vordefinierbare Vorwärmtemperatur verstanden werden. Zum kontrollierten Vorwärmen kann dieses beispielsweise zeitgesteuert und/oder temperaturgesteuert (in Abhängigkeit einer momentanen Temperatur des Hydrauliksystems bzw. Hydrauliköls) betrieben werden. Das Steuern kann mittels eines Ladesteuergeräts der Arbeitsmaschine („On-board charger“; kurz: OBC) und/oder mittels eines Steuergeräts der Ladestation durchgeführt werden. Insbesondere kann ein (zumindest teilweise paralleles oder gleichzeitiges) Steuern von Hydraulik-Heizeinrichtungen mehrerer bzw. mindestens zweier Arbeitsmaschinen erfolgen. Dies kann besonders vorteilhaft realisiert werden, wenn das Steuern (zumindest auch) mittels des Steuergeräts der Ladestation durchgeführt wird. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass die Steuerung des Vorwärmvorgangs bei mehreren Arbeitsmaschinen durch eine gemeinsame Ladestation durchgeführt werden kann. Eine Steuerung durch die Ladestation kann in besonders vorteilhafter Weise dazu beitragen, dass die verfügbare Gesamt-Leistungsaufnahme zwischen mehreren angeschlossenen Arbeitsmaschinen möglichst bedarfsgerecht aufgeteilt werden kann.
Weiterhin ist es in diesem Zusammenhang vorteilhaft, wenn das Vorwärmen zumindest eines Teils des Hydrauliksystems unabhängig von dem Vorwärmen zumindest eines Teils des Energiespeichersystems durchgeführt wird. Insbesondere kann ein unabhängiges und vorzugsweise bedarfsgerechtes Erwärmen des Energiespeichersystems und des Hydrauliksystems (Hydrauliköls) durch beispielsweise separate Heizkreise durchgeführt werden. Dies kann in vorteilhafter Weise zu einem möglichst schnellen Erreichen der Betriebsbereitschaft der Arbeitsmaschine führen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das jeweilige Vorwärmen (des Energiespeichersystems und/der zumindest eines Teils des Hydrauliksystems) zumindest zeitgesteuert und/oder temperaturgesteuert durchgeführt wird. Zur Zeitsteuerung kann das jeweilige Vorwärmen beispielsweise zu einem Zeitpunkt beginnen, der um eine vordefinierbare Vorwärmzeit vor einem geplanten Betriebsbeginn bzw. Arbeitsbeginn der Arbeitsmaschine liegt. Zur Temperatursteuerung kann das jeweilige Vorwärmen beispielsweise so (stark und/oder lang) erfolgen, dass eine vordefinierbare Vorwärmtemperatur (innerhalb der Vorwärmzeit) erreicht wird. Zur Temperatursteuerung können die betreffenden momentanen Temperaturen des Energiespeichersystems und/der des zumindest einen Teils des Hydrauliksystems (Hydrauliköls) beispielsweise mittels entsprechender Temperatursensoren der Arbeitsmaschine überwacht werden.
Nach einem weiteren Aspekt wird ein Ladesteuergerät für eine mobile Arbeitsmaschine vorgeschlagen, wobei das Ladesteuergerät zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist. Bei dem Ladesteuergerät kann es sich beispielsweise um einen sogenannten „On-board charger“ (kurz: OBC) handeln.
Nach einem weiteren Aspekt wird ein Steuergerät für eine Ladestation zur Versorgung mindestens einer mobilen Arbeitsmaschine mit elektrischer Energie vorgeschlagen, wobei das Steuergerät zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist. In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn das Steuergerät zur (zumindest teilweise parallelen oder gleichzeitigen) Steuerung von Ladevorgängen und/oder Vorwärmvorgängen mehrerer Arbeitsmaschinen mittels derselben Ladestation eingerichtet ist.
Nach einem weiteren Aspekt wird eine Ladestation zur Versorgung mindestens einer mobilen Arbeitsmaschine mit elektrischer Energie vorgeschlagen, wobei die Ladestation zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist. Hierzu kann die Ladestation beispielsweise ein hier beschriebenes Steuergerät aufweisen. Die Ladestation ist zur Versorgung mit elektrischer Energie in der Regel an ein lokales Stromnetz angeschlossen. Die Ladestation kann zur zumindest teilweise parallelen oder gleichzeitigen Versorgung mehrere bzw. mindestens zweier mobiler Arbeitsmaschinen mit elektrischer Energie eingerichtet sein. Beispielsweise kann die Ladestationen (hierzu) mit mehreren Anschlussstellen ausgerüstet sein. Weiterhin kann die Ladestation eine Bedienoberfläche aufweisen, über die insbesondere eine bedarfsgerechte Ansteuerung der jeweiligen Ladevorgänge und/oder Vorwärmvorgänge eingestellt werde kann. Dies kann in vorteilhafter Weise zu einer energieverbesserten Ansteuerung der Heizsysteme durch eine Ladestation mit Benutzerschnittstelle (Bedienoberfläche) für insbesondere eine zeitgesteuerte Stromabgabe beitragen.
Die im Zusammenhang mit dem Verfahren erörterten Details, Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei dem hier vorgestellten Ladesteuergerät und/oder dem Steuergerät und/oder der Ladestation auftreten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen.
Die hier vorgestellte Lösung sowie deren technisches Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und/oder Erkenntnissen aus anderen Figuren und/oder der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Es zeigt schematisch:

1: einen beispielhaften Ablauf des hier vorgestellten Verfahrens, und
2: eine beispielhafte Anwendung einer hier beschriebenen Ladestation.

1 zeigt schematisch einen beispielhaften Ablauf des hier vorgestellten Verfahrens. Das Verfahren dient zum Vorbereiten des Betriebs mindestens einer zumindest teilweise elektrisch betreibbaren, mobilen Arbeitsmaschine 1, die an einer Ladestation 2 zur Versorgung der mindestens einen Arbeitsmaschine 1 mit elektrischer Energie angeschlossen ist. Die mit den Blöcken 110, 120 und 130 dargestellte Reihenfolge der Schritte a), b) und c) ist beispielhaft und kann zur Durchführung des Verfahrens beispielsweise zumindest einmal in der dargestellten Reihenfolge durchlaufen werden. Alternativ oder kumulativ können die Blöcke 110, 120 und 130, insbesondere die Blöcke 120 und 130 auch zumindest teilweise parallel oder gleichzeitig durchlaufen werden.
In Block 110 erfolgt gemäß Schritt a) ein Versorgen eines Energiespeichersystems 3 der Arbeitsmaschine 1 mit elektrischer Energie von der Ladestation 2, wobei das Energiespeichersystem 3 zur Speicherung elektrischer Energie für die Arbeitsmaschine 1 eingerichtet ist. In Block 120 erfolgt gemäß Schritt b) ein Betreiben einer Energiespeicher-Heizeinrichtung 4 der Arbeitsmaschine 1 mit elektrischer Energie von der Ladestation 2, wobei die Energiespeicher-Heizeinrichtung 4 zur zumindest teilweisen Erwärmung des Energiespeichersystems 3 angeordnet und eingerichtet ist. In Block 130 erfolgt gemäß Schritt c) ein Steuern des Betriebs der Energiespeicher-Heizeinrichtung 4 zum kontrollierten Vorwärmen zumindest eines Teils des Energiespeichersystems 3.
Die wenigen heute auf dem Markt verfügbaren batterieelektrischen mobilen Arbeitsmaschinen 1 verfügen in der Regel über mindestens eine HV-Batterie als Hauptbestandteil des Energiespeichersystems 3. Die darin gespeicherte elektrische Energie wird bei diesen Arbeitsmaschinen 1 zum Fortbewegen bzw. Fahren und zum Betreiben von Arbeitsaggregaten der Maschine verwendet. Beim Einsatz bzw. Starten unter kalten Temperaturbedingungen („Kaltstart“) sind die Batterie(n) und das Hydrauliköl der Arbeitsmaschine 1 üblicherweise noch nicht auf Betriebstemperatur. Bei einer entsprechenden elektrischen Arbeitsmaschine sollte üblicherweise aber auch erst einmal die Batterie selbst „warm“ werden, um überhaupt Strom für die Elektromotoren und ggf. Abwärme für das Hydrauliköl zu produzieren (wenn eine passive Erwärmung des Hydrauliköls vorgesehen ist). Das Laden der Batterie an der Ladestation 2 über Nacht hält zwar die Batterie auf Betriebstemperatur, aber nur so lange bis die Batterie vollgeladen ist, danach kühlt sie aus. Um dies vorteilhaft zu verhindern und/oder zumindest ein gezieltes Vorwärmen vor Arbeitsbeginn zu ermöglichen wird hier ein Heizsystem für die Batterie (die Energiespeicher-Heizeinrichtung 4) verwendet, welches beispielsweise im Anschluss an den Ladevorgang und/oder zu Beginn der Vorwärmzeit zugeschaltet werden kann und direkt von dem Strom aus der Ladestation 2 versorgt wird. Dies stellt auch ein Beispiel dafür dar, dass und ggf. wie das Vorwärmen zumindest eines Teils des Energiespeichersystems 3 unabhängig von dem Versorgen (Laden) des Energiespeichersystems 3 mit elektrischer Energie durchgeführt werden kann.
2 zeigt schematisch eine beispielhafte Anwendung einer hier beschriebenen Ladestation 2. Die Ladestation 2 dient zur Versorgung mindestens einer mobilen Arbeitsmaschine 1 mit elektrischer Energie und ist zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens eingerichtet. Hierzu weist die Ladestation 2 beispielhaft ein Steuergerät 9 auf, welches zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist. Beispielsweise sind über zwei Ladekabel 8 zwei Arbeitsmaschinen 1 elektrisch mit der Ladestation 2 verbunden. Insbesondere verbinden die Ladekabel 8 jeweils ein Ladesteuergerät 7 der jeweiligen Arbeitsmaschine 1 mit der Ladestation 2. Das Steuergerät 9 der Ladestation 2 ist hier somit beispielhaft auch zur Steuerung von Ladevorgängen und Vorwärmvorgängen mehrerer Arbeitsmaschinen 1 mittels derselben Ladestation 2 eingerichtet.
Weiterhin kann das jeweilige Vorwärmen zumindest zeitgesteuert oder temperaturgesteuert durchgeführt wird. In diesem Zusammenhang sind in 2 beispielhaft auch Temperatursensoren 10 gezeigt, die momentane Temperaturen des Energiespeichersystems 3 und ggf. des Hydrauliksystems 6 der Arbeitsmaschine 1 bereitstellen können. Diese Temperaturen können beispielsweise von der dem Ladesteuergerät 7 und/oder dem Steuergerät 9 der Ladestation 2 für eine temperaturgesteuerte Steuerung verwendet werden. Gegebenenfalls können diese Temperaturen von der Arbeitsmaschine 1 über Funk und/oder das Ladekabel 8 an die Ladestation 2 kommuniziert werden.
Weiterhin kann beobachtet werden, dass das Hydrauliköl des Hydrauliksystems 6 der Arbeitsmaschine 1 sich nach dem Arbeiten je nach Außentemperatur relativ schnell abkühlt und ist somit beim morgendlichen Arbeitsbeginn im Bereich der Umgebungstemperatur liegt. Je nach Umgebungstemperatur (zum Beispiel beim Kaltstart) kann somit auch ein Vorwärmen des Hydrauliksystems 6 wünschenswert sein. Der Aufwärmvorgang bzw. Vorwärmvorgang kann grundsätzlich passiv (wie zum Beispiel bei bekannten Arbeitsmaschinen 1 üblich) über Abwärme des elektrischen Energiespeichersystems 3 erfolgen.
Mit einer hier beschriebenen, vorteilhaften Ausgestaltung ist jedoch zumindest auch (oder alleinig) eine aktive Vorwärmung zumindest eines Teils des Hydrauliksystems 6 (insbesondere des Hydrauliköls) möglich. Demnach kann vorteilhaft ein Betreiben einer Hydraulik-Heizeinrichtung 7 der Arbeitsmaschine 1 mit elektrischer Energie von der Ladestation 2 durchgeführt werden, wobei die Hydraulik-Heizeinrichtung 7 zur zumindest teilweisen Erwärmung eines Hydrauliksystems 6 der Arbeitsmaschine 1 angeordnet und eingerichtet ist. In diesem Zusammenhang kann ein Steuern des Betriebs der Hydraulik-Heizeinrichtung 7 zum kontrollierten Vorwärmen zumindest eines Teils des Hydrauliksystems 6 durchgeführt werden. Weiterhin kann in diesem Zusammenhang das Vorwärmen zumindest eines Teils des Hydrauliksystems 6 unabhängig von dem Vorwärmen zumindest eines Teils des Energiespeichersystems 3 durchgeführt werden.
Insbesondere kann das Erwärmen des Hydrauliksystems 6 (insbesondere Hydrauliköls) hier vorteilhaft durch ein Heizsystem (Hydraulik-Heizeinrichtung 7) beschleunigt werden, das auch (direkt) von der Ladestation 2 versorgt wird. Dies kann auch in vorteilhafter Weise dazu beitragen, dass die Energieversorgung des Heizsystems zum Erwärmen des Hydrauliksystems 6 möglichst nicht zulasten der Batteriekapazität und damit der Betriebsstunden der Arbeitsmaschine 1 geht.
Die Energiespeicher-Heizeinrichtung 4 kann beispielsweise eine Heizspule und/oder Heizmatte aufweisen, die im Bereich des Energiespeichersystems 3, insbesondere mindestens einer (Lithium-lonen-)Batterie des Energiespeichersystems 3 angeordnet sein kann. Die (zusätzliche) elektrische Energiespeicher-Heizeinrichtung 4 ist insbesondere für Arbeitsmaschinen 1 vorteilhaft, da diese in der Regel häufig auch außerhalbe der Betriebszeit bei tiefen Umgebungstemperaturen im Freien verbleiben und bei Arbeitsbeginn direkt voll einsatzfähig sein sollen, wozu die Batterien direkt ihre volle Leistung abgeben sollten. Für private Elektro-Automobile währen entspreche zusätzliche, elektrische Heizeinrichtungen wahrscheinlich zu aufwändig.
Die Hydraulik-Heizeinrichtung 5 kann beispielsweise eine Heizspule und/oder Heizmatte aufweisen, die im Bereich des Hydrauliksystems 6, insbesondere im Bereich eines Hydrauliktanks des Hydrauliksystems 6 angeordnet sein kann. Die (zusätzliche) elektrische Hydraulik-Heizeinrichtung 5 kann in vorteilhafter Weise dazu beitragen, dass das Hydrauliköl möglichst schnell und möglichst ohne Energieverlust auf Seiten der Arbeitsmaschine 1 auf Betriebstemperatur gebracht werden kann. Alternativ könnte hierzu beispielsweise ein Leerlaufbetrieb der Ölpumpe, die im elektrischen Bagger von der HV-Batterie angetrieben wird, genutzt werden, wodurch jedoch die Batteriekapazität der Arbeitsmaschine 1 reduziert würde.
Es ist somit besonders vorteilhaft den Stromanschluss für die beiden Heizsysteme, Energiespeicher-Heizeinrichtung 4 und Hydraulik-Heizeinrichtung 5, welche insbesondere voneinander unabhängig betreibbar sein sollen, über die Ladestation 2 zu realisieren.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante des Lade-/Aufwärmablaufs gemäß dem hier beschriebenen Verfahrens kann beispielsweise wie folgt ablaufen:

Nach dem Arbeitsende wird die elektrische mobile Arbeitsmaschine 1 an die Ladestation 2 der Baustelle angeschlossen und die HV-Batterie des Energiespeichersystems 3 wird geladen (über Nacht nach dem CCCV-Ladeverfahren). Nach ca. 6-8 Std. ist die Batterie vollgeladen und der Ladestrom wird abgeschaltet. Dies bedeutet, die Batterie wird auch nicht weiter erwärmt/auf Temperatur gehalten. Bei tiefen Umgebungstemperaturen kühlt die Batterie schnell aus und wäre so zum Arbeitsbeginn nicht betriebsbereit. Das Hydrauliköl des Hydrauliksystems 6 kühlt auch nach dem Arbeitsende aus und die Arbeitsmaschine 1 wäre so zum Arbeitsbeginn nicht sofort einsatzbereit.

Das Heizsystem für die Batterie (Energiespeicher-Heizeinrichtung 4) wird vorteilhaft verwendet, um die Einsatzbereitschaft der Batterie hierzustellen. Ein Einsatz der Energiespeicher-Heizeinrichtung 4 ist somit insbesondere dann erforderlich, wenn die Batterie eine vorgegebene minimale Temperatur unterschreitet (typischer Wert ist bspw. +5°C). Dies wird insbesondere in den Wintermonaten der Fall sein. Das Vorwärmen wird zudem üblicherweise erst einige Zeit nachdem der Ladevorgang beendet wurde beginnen. Jedenfalls sollte die Batterie bis zum Arbeitsbeginn auf Betriebstemperatur sein. Je nach Batteriegröße und Dimensionierung des Heizsystems kann dies, je nach Außentemperatur, zeitgenau möglich sein, aber auch eine länger anhaltende Heizphase bis zum Arbeitsbeginn ist möglich, was keine Folgen auf die Batteriekapazität hat, da die Energie von der Ladestation 2 bereitgestellt wird.
Das Hydrauliköl wird ebenfalls nach einer gewissen Zeit nach Arbeitsende auf die Umgebungstemperatur abgesunken sein und sollte, je nach Außentemperatur, vor Arbeitsbeginn aufgewärmt werden. Dieser Aufwärmprozess kann hier durch die Hydraulik-Heizeinrichtung 6 erreicht werden. Ein Aufwärmen des Hydrauliköls kann bis zum Arbeitsbeginn am nächsten Morgen jedoch sehr lange dauern und ggf. von der Ladestation 2 einiges an Energie verlangen, was aber auch hierbei ebenfalls nicht die HV-Batterie belastet.
Für eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Ladestrategie liefert die Ladestation 2 zum Zeitpunkt des Anschlusses des Ladekabels 8 an die Arbeitsmaschine 1 Energie für einen Aufladungsvorgang der Batterie des elektrischen Energiespeichersystems 3. Wenn die Batterie vollgeladen ist, wird die Ladestation 2 stromlos geschaltet bzw. die Stromversorgung der Arbeitsmaschine 1 durch die Ladestation 2 unterbrochen. Die Ladestation 2 sollte dabei in der Lage sein, den Vollladezustand aller angeschlossener Batterien weiterer an die Ladestation 2 angeschlossener Arbeitsmaschinen 1 zu erfassen und schaltet (sich selbst) insbesondere erst dann ab, wenn alle Batterien vollgeladen sind.
Die Ladestation 2 kann zu einem einstellbaren Zeitpunkt, zum Beispiel im Winter 1 Std. vor Arbeitsbeginn oder im Sommer ½ Std. vor Arbeitsbeginn (da in diesem Fall ggf. nur das Hydrauliköl um einige wenige Kelvin aufgewärmt werden braucht) wieder in den Betriebsmodus schalten. In diesem Fall ist der Betriebsmodus ein Vorwärmmodus, sodass Strom, geführt über das Ladekabel 8 jetzt nur für das bzw. die Heizsystem(e) verwendet wird. Eine Ansteuerung „nur“ der Heizsysteme kann beispielsweise über eine steigende Signalflanke von dem Steuergerät 9 der Ladestation 2 vorgegeben und von dem Ladesteuergerät 7 der Arbeitsmaschine 1 erkannt werden. Durch das Ladesteuergerät 7 kann dann geprüft werden, ob und welche Komponenten (Energiespeichersystem 3 und/oder Hydrauliksystem 6) aufgewärmt werden sollen. Dabei können beide Heizsysteme (Energiespeicher-Heizeinrichtung 4 und/oder Hydraulik-Heizeinrichtung 5) getrennt voneinander und jeweils auch ab unterschiedlichen Temperaturgrenzen ansteuerbar sein. Somit kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass zum Arbeitsbeginn die HV-Batterie vollgeladen ist, die HV-Batterie auf Betriebstemperatur ist, das Hydrauliköl auf Betriebstemperatur ist und somit einem schnellen Arbeitsbeginn mit maximaler Betriebsdauer nichts im Wege steht.
Die Ladestation 2, insbesondere deren Steuergerät 9 ist insbesondere entsprechend der einstellbaren Zeitfunktionalität einstellbar, um auch insbesondere an arbeitsfreien Tagen (Wochenende, Feiertage o.ä.) keine unnötigen Aufwärmphasen zu generieren. Insbesondere wenn mehrere mobile Arbeitsmaschinen 1 an die Ladestation 2 angeschlossen sind, stellt die hier beispielhaft beschriebene Strategie eine vorteilhaft energieeffiziente Lösung dar.
Darüber hinaus ist, ggf. zusätzlich zu dem Vorwärmen mittels der Hydraulik-Heizeinrichtung 5 weiterhin auch ein „konventionelles“ Erwärmen des Hydrauliköls durch die HV-Batterie (Abwärme/Strom) möglich. Jedoch kann in diesem Zusammenhang ein Leerlaufbetrieb der Pumpe zum Erwärmen des Hydrauliköls gänzlich entfallen, wodurch eine längere Betriebsdauer erreich werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Arbeitsmaschine
2: Ladestation
3: Energiespeichersystem
4: Energiespeicher-Heizeinrichtung
5: Hydraulik-Heizeinrichtung
6: Hydrauliksystem
7: Ladesteuergerät
8: Ladekabel
9: Steuergerät
10: Temperatursensor

Claims

Verfahren zum Vorbereiten des Betriebs mindestens einer zumindest teilweise elektrisch betreibbaren, mobilen Arbeitsmaschine (1), die an einer Ladestation (2) zur Versorgung der mindestens einen Arbeitsmaschine (1) mit elektrischer Energie angeschlossen ist, umfassend zumindest folgende Schritte: a) Versorgen eines Energiespeichersystems (3) der Arbeitsmaschine (1) mit elektrischer Energie von der Ladestation (2), wobei das Energiespeichersystem (3) zur Speicherung elektrischer Energie für die Arbeitsmaschine (1) eingerichtet ist, b) Betreiben einer Energiespeicher-Heizeinrichtung (4) der Arbeitsmaschine (1) mit elektrischer Energie von der Ladestation (2), wobei die Energiespeicher-Heizeinrichtung (4) zur zumindest teilweisen Erwärmung des Energiespeichersystems (3) angeordnet und eingerichtet ist, c) Steuern des Betriebs der Energiespeicher-Heizeinrichtung (4) zum kontrollierten Vorwärmen zumindest eines Teils des Energiespeichersystems (3).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Vorwärmen zumindest eines Teils des Energiespeichersystems (3) unabhängig von dem Versorgen des Energiespeichersystems (3) mit elektrischer Energie durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Betreiben einer Hydraulik-Heizeinrichtung (7) der Arbeitsmaschine (1) mit elektrischer Energie von der Ladestation (2) durchgeführt wird, wobei die Hydraulik-Heizeinrichtung (7) zur zumindest teilweisen Erwärmung eines Hydrauliksystems (6) der Arbeitsmaschine (1) angeordnet und eingerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei ein Steuern des Betriebs der Hydraulik-Heizeinrichtung (7) zum kontrollierten Vorwärmen zumindest eines Teils des Hydrauliksystems (6) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei das Vorwärmen zumindest eines Teils des Hydrauliksystems (6) unabhängig von dem Vorwärmen zumindest eines Teils des Energiespeichersystems (3) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das jeweilige Vorwärmen zumindest zeitgesteuert oder temperaturgesteuert durchgeführt wird.
Ladesteuergerät (7) für eine mobile Arbeitsmaschine (1), eingerichtet zur Durchführung zumindest eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Steuergerät (9) für eine Ladestation (2) zur Versorgung mindestens einer mobilen Arbeitsmaschine (1) mit elektrischer Energie, eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Steuergerät (9) nach Anspruch 8, wobei das Steuergerät (9) zur Steuerung von zumindest Ladevorgängen oder Vorwärmvorgängen mehrerer Arbeitsmaschinen (1) mittels derselben Ladestation (2) eingerichtet ist.
Ladestation (2) zur Versorgung mindestens einer mobilen Arbeitsmaschine (1) mit elektrischer Energie, eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6.