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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebsstrangs einer Arbeitsmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, einen elektrischen Antriebsstrang für eine Arbeitsmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 10 sowie eine entsprechende Arbeitsmaschine.
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Im Stand der Technik sind elektrisch angetriebene Arbeitsmaschinen wie etwa Radlader, Kompaktlader, Teleskoplader, Dumper oder auch Bagger bekannt. Diese elektrisch angetriebenen Arbeitsmaschinen sind entweder rein elektrisch angetrieben, d.h. sie verfügen für ihre Energieversorgung ausschließlich über eine elektrische Batterie, oder aber sie sind diesel-elektrisch angetrieben, was bedeutet, dass die benötigte Energie von einem dieselgetriebenen Generator, üblicherweise in Verbindung mit einem elektrischen Pufferspeicher, wie z.B. einem entsprechend dimensionierten Kondensator, bereitgestellt wird. In allen Fällen wird die für den Fahrantrieb und den Arbeitsantrieb benötigte mechanische Leistung von einem oder mehreren Elektromotoren erbracht. Weiterhin sind auch hybrid-elektrische Arbeitsmaschinen bekannt, bei denen die zum Betrieb benötigte mechanische Leistung in erster Linie von einem Verbrennungsmotor, üblicherweise einem Dieselmotor, erbracht wird. Ein zusätzlich vorgesehener Elektromotor wird von einer Batterie gespeist und übernimmt hier typischerweise eine sog. Boost-Funktion.
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In diesem Zusammenhang beschreibt die
DE 20 2014 000 738 U1 einen rein elektromotorisch angetriebener Radlader, der einen ersten Elektromotor für einen Fahrantrieb und einen zweiten Elektromotor für einen Arbeitsantrieb aufweist.
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Aus der
EP 0 962 597 A2 ist eine Arbeitsmaschine bekannt, welche für den Fahrantrieb zwei Elektromotoren aufweist und einen weiteren Elektromotor für den Arbeitsantrieb aufweist. Die Elektromotoren werden von einer Batterie mit elektrischer Energie versorgt.
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Die
WO 2008/128674 A1 offenbart eine Arbeitsmaschine mit einem Hybridantriebsstrang, umfassend eine Verbrennungskraftmaschine und eine Elektromaschine. Zur Energieversorgung der Elektromaschine ist ein elektrischer Energiespeicher vorgesehen, der rekuperativ geladen werden kann, indem der Elektromotor bei einem Bremsvorgang der Arbeitsmaschine im Generatorbetrieb betrieben wird.
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Weiterhin ist der Anmelderin unter dem Namen „Rigitrac EWD120“ eine diesel-elektrisch angetriebene landwirtschaftliche Arbeitsmaschine bekannt, die einen dieselgetriebenen Generator zum Bereitstellen einer elektrischen Leistung sowie vier in die Radfelgen integrierte, als Radnabenantriebe ausgebildete, elektrische Einzelradanriebe umfasst. Die vom Generator erzeugte elektrische Leistung wird den Radnabenantrieben zur Verfügung gestellt. Durch die Einzelradanriebe wird eine individuelle Steuerung und Regelung der Antriebsräder ermöglicht. Weiterhin verfügt der „Rigitrac EWD120“ über einen elektrischen Bremswiderstand, der im Generatorbetrieb der Elektromotoren eine elektrische Last darstellt, welche die Elektromotoren belastet und bremst.
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Die bekannten elektrischen Antriebsstränge für Arbeitsmaschinen sind jedoch dahingehend nachteilbehaftet, als dass in bestimmten Betriebssituationen, insbesondere bei vergleichsweise starken Bremsvorgängen, durch die im Rekuperationsmodus betriebenen Elektromotoren kurzfristig mehr elektrische Leistung erzeugt wird, als von den Batterien aufgenommen werden kann. Um in diesem Fall eine Beschädigung der Batterien zu vermeiden, muss die überschüssige elektrische Energie einem elektrischen Widerstand zugeführt werden, wo sie in Wärme umgewandelt wird. Diese Energie ist verloren und kann somit nicht mehr zum späteren Betrieb der Arbeitsmaschine verwendet werden.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebsstrangs einer Arbeitsmaschine vorzuschlagen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebsstrangs einer Arbeitsmaschine gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebsstrangs einer Arbeitsmaschine, wobei der Antriebsstrang mindestens einen Elektromotor, einen elektrischen Energiespeicher, Zustandssensorik und Umfeldsensorik umfasst, wobei vom mindestens einen Elektromotor in einem Antriebsmodus nach Maßgabe einer Steuereingabe elektrische Leistung aus dem Energiespeicher entnommen wird, wobei vom mindestens einen Elektromotor in einem Rekuperationsmodus nach Maßgabe einer Steuereingabe elektrische Leistung in den Energiespeicher eingespeist wird, wobei dem Energiespeicher zugeführte elektrische Leistung oberhalb einer maximalen Leistungsaufnahmefähigkeit des Energiespeichers in Wärme umgewandelt wird und wobei mittels der Zustandssensorik und der Umfeldsensorik eine vorausschauende Situationserfassung erfolgt. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass im Rekuperationsmodus eine automatisierte Beeinflussung der Steuereingabe nach Maßgabe der Situationserfassung erfolgt, so dass eine im Rekuperationsmodus vom mindestens einen Elektromotor erzeugte elektrische Leistung die maximale Leistungsaufnahmefähigkeit des Energiespeichers nicht übersteigt.
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Die Erfindung beschreibt also einen Antriebsstrang, der zum Antreiben einer Arbeitsmaschine geeignet ist. Da Arbeitsmaschinen in der Regel die meiste Zeit unter hohen Antriebsauslastungen arbeiten müssen und insbesondere auch absolut gesehen vergleichsweise hohe Arbeitsleistungen erbringen müssen, unterscheidet sich der erfindungsgemäße Antriebsstrang in seiner Auslegung beispielsweise von einem PKW-Antriebsstrang, der typischerweise in einem Auslastungsbereich von 5 % bis 10 % der Maximalleistung betrieben wird sowie insbesondere absolut geringere Arbeitsleistungen erbringt.
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Der erfindungsgemäße Antriebsstrang umfasst mindestens einen Elektromotor. Da eine Arbeitsmaschine üblicherweise neben einem Fahrantrieb auch mindestens einen Arbeitsantrieb benötigt, kann der mindestens eine Elektromotor dem Fahrantrieb und dem mindestens einen Arbeitsantrieb gleichermaßen zugeordnet sein.
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Bevorzugt umfasst der Antriebsstrang jedoch zwei oder mehr Elektromotoren, wovon jeweils mindestens ein Elektromotor dem Fahrantrieb zugeordnet ist und mindestens ein weiterer Elektromotor dem Arbeitsantrieb zugeordnet ist.
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Bei dem mindestens einen Elektromotor handelt es sich bevorzugt um einen sog. Asynchronmotor.
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Der Fahrantrieb und der Arbeitsantrieb umfassen bevorzugt weitere Komponenten wie etwa Getriebe bzw. Übersetzungsstufen, Abtriebe, hydraulische Komponenten, Steuerelektronik und Leistungselektronik. Der Fahrantrieb umfasst weiterhin Fahrzeugräder, die vom Fahrmotor angetrieben werden und mit dem Fahrmotor trieblich starr verbunden sind oder über eine Kupplung trieblich starr verbindbar sind. Ebenso umfasst der Arbeitsantrieb eine Arbeitsvorrichtung, beispielsweise eine Schaufel oder einen Hubmast, die vom Arbeitsmotor angetrieben werden.
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Es ist denkbar und bevorzugt, dass der Antriebsstrang auch weitere Elemente oder weitere Antriebe umfasst, beispielsweise Nebenabtriebe oder Hilfsantriebe.
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Der mindestens eine Elektromotor kann dabei im Antriebsmodus nach Maßgabe einer Steuereingabe elektrische Leistung aus dem Energiespeicher entnehmen. Die elektrische Leistung wird dann vom mindestens einen Elektromotor umgewandelt und als mechanische Leistung wieder ausgegeben.
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Unter einer Steuereingabe im Antriebsmodus wird beispielsweise eine gewünschte Beschleunigung der Arbeitsmaschine oder ein gewünschtes Anheben einer beladenen Schaufel verstanden, also eine Anforderung von mechanischer Leistung. Eine derartige Steuereingabe hat dementsprechend zur Folge, dass der Antriebsstrang die zur Umsetzung der Steuereingabe erforderliche mechanische Leistung bereitstellen muss. Es ist dabei unerheblich, ob die Steuereingabe durch eine Eingabe eines Bedieners der Arbeitsmaschine erfolgt, z.B. durch Betätigung eines Fahrpedals oder eines Arbeitsjoysticks, oder durch einen automatisierten Steuereingriff eines Assistenzsystems der Arbeitsmaschine.
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Ebenso kann die Steuereingabe aber auch eine Verzögerung der Arbeitsmaschine sein, so dass der mindestens eine Elektromotor im Rekuperationsmodus betrieben werden kann und elektrische Leistung nach Maßgabe der Steuereingabe erzeugt. In diesem Fall soll also mechanische Leistung abgebaut werden und in elektrische Leistung umgewandelt werden, Die solcherart rekuperierte elektrische Leistung kann dann in den Energiespeicher eingespeist werden, um diesen zu laden. Später kann die dem Energiespeicher zugeführte elektrische Leistung zum Betrieb des Antriebsstrangs wieder entnommen werden. Somit kann die Betriebsdauer des Antriebsstrangs zwischen zwei Ladevorgängen des Energiespeichers, welche extern zugeführte elektrische Leistung erfordern, verlängert werden und der Energiebedarf des Antriebsstrangs insgesamt gesenkt werden.
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Da der elektrische Energiespeicher eine von verschiedenen Faktoren abhängige maximale Leistungsaufnahmefähigkeit aufweist, wird rekuperierte elektrische Leistung, die diese maximale Leistungsaufnahmefähigkeit übersteigt, in Wärme umgewandelt. Die Umwandlung in Wärme kann beispielsweise über einen hierzu ausgebildeten elektrischen Widerstand erfolgen, der oft als Bremswiderstand bezeichnet wird. Faktoren, welche die maximale Leistungsaufnahmefähigkeit beeinflussen, sind beispielsweise der Ladezustand des Energiespeichers und die Temperatur des Energiespeichers. Die Zufuhr von elektrischer Leistung, welche die maximale Leistungsaufnahmefähigkeit übersteigt, würde zur Beschädigung oder gar zur Zerstörung des Energiespeichers führen.
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Der elektrische Energiespeicher ist bevorzugt als wiederaufladbare Li-Ionen-Batterie ausgebildet. Li-Ionen-Batterien sind vergleichsweise leistungsfähig hinsichtlich ihrer maximal bereitstellbaren elektrischen Ströme, können jedoch beschädigt werden, wenn ihnen eine zulässige Maximalstromstärke übersteigende Ströme entnommen oder zugeführt werden. Dennoch sind Li-Ionen-Batterien nach derzeitigem Stand der Technik aufgrund ihrer vergleichsweise hohen Energiedichte und ihres vergleichsweise geringen Gewichts am besten zum Betrieb des Antriebsstrangs geeignet. Der Energiespeicher bevorratet eine elektrische Energie, die für den Betrieb des mindestens einen Elektromotors bereit gestellt werden kann. Insbesondere kann die elektrische Energie auch für den Betrieb von weiteren elektrischen Verbrauchern zur Verfügung gestellt werden, wie beispielsweise Pumpen, Ventilen, Recheneinheiten, Klimatisierungsvorrichtungen der Fahrerkabine, Anzeigen, Leuchten bzw. Scheinwerfern.
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Ebenso umfasst der Antriebsstrang auch Zustandssensorik, wobei die Zustandssensorik dazu ausgebildet ist, einen Zustand der Arbeitsmaschine bzw. des Antriebsstrangs zu erfassen. Beispielsweise kann die Zustandssensorik Geschwindigkeitssensorik, Beschleunigungssensorik bzw. Neigungssensorik umfassen, um eine Geschwindigkeit der Arbeitsmaschine, eine Beschleunigung der Arbeitsmaschine und eine Neigung eines Untergrunds, auf dem die Arbeitsmaschine sich fortbewegt, zu erfassen. Zusätzlich oder alternativ kann die Zustandssensorik auch einen Stromsensor, einen Ladezustandssensor bzw. einen Temperatursensor umfassen, um einen dem Energiespeicher zugeführten bzw. entnommenen Strom zu erfassen, einen Ladezustand bzw. eine verbleibende Aufnahmekapazität des Energiespeichers zu erfassen und eine Temperatur des Energiespeichers zu erfassen, um eine aktuelle Belastbarkeit des Energiespeichers bestimmen zu können.
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Des Weiteren umfasst der Antriebsstrang auch Umfeldsensorik, welche ihrerseits vorteilhaft Radarsensoren bzw. Lidarsensoren umfasst. Die Umfeldsensorik ermöglicht ein Erfassen der Umwelt im Bereich um die Arbeitsmaschine. Beispielsweise ermöglicht die Umfeldsensorik das Erkennen eines Geröllhaufens, an den die Arbeitsmaschine heranfährt oder das Erkennen eines LKWs, dem die Arbeitsmaschine sich nähert.
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Mittels der Zustandssensorik und der Umfeldsensorik erfolgt nun eine vorausschauende Situationserfassung. Unter einer vorausschauenden Situationserfassung wird im Sinne der Erfindung verstanden, dass anhand erfasster Zustandsgegebenheiten und Umfeldgegebenheiten erkannt wird, ob eine unmittelbar bevorstehende Steuereingabe den mindestens einen Elektromotor in den Antriebsmodus versetzen wird bzw. in den Rekuperationsmodus versetzen wird und wie hoch die elektrische Leistung sein wird, die dazu dem Energiespeicher entnommen bzw. zugeführt werden muss.
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Bevorzugt kann die Situationserfassung eine Objektidentifizierung in einem Umfeld der Arbeitsmaschine umfassen, so dass beispielsweise ein LKW erkannt werden kann, dem sich die Arbeitsmaschine mit beladener Schaufel zügig nähert. Die Situationserfassung kann nun den Schluss ziehen, dass ein Verzögerungsvorgang der Arbeitsmaschine unmittelbar bevorsteht. Anhand der aktuellen Geschwindigkeit und der verbleibenden Entfernung zum LKW kann die Situationserfassung weiterhin die zum Verzögern benötigte Leistung bzw. Energie bestimmen. Über den Wirkungsgrad des mindestens einen Elektromotors im Rekuperationsbetrieb kann die Situationserfassung zudem die durch den Verzögerungsvorgang erzeugte elektrische Leistung vorausschauend bestimmen.
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Ebenso kann die Objektidentifizierung im Rahmen der Situationserfassung auch einen Geröllhaufen als solchen erkennen, dem die Arbeitsmaschine sich mit abgesenkter Schaufel nähert. Auch hieraus kann die Situationserfassung den Schluss ziehen, dass ein Verzögerungsvorgang der Arbeitsmaschine unmittelbar bevorsteht, um die Schaufel in den Schotterhaufen einzufahren. In diesem Fall kann zusätzlich berücksichtigt werden, dass ein Bediener der Arbeitsmaschine die Arbeitsmaschine voraussichtlich nicht bis zum Stillstand verzögern will, sondern die Schaufel mit einer bestimmten Geschwindigkeit in den Geröllhaufen einfahren will.
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Weiterhin bevorzugt kann die Situationserfassung auch digitale Kartendaten berücksichtigen. So kann beispielsweise bei einem schnellen Annähern der Arbeitsmaschine an eine vergleichsweise steile Kurve vorausschauend erkannt werden, dass der Bediener der Arbeitsmaschine die Arbeitsmaschine vor dem Einfahren in die Kurve bis auf eine bestimmte, zum Durchfahren der Kurve sicher geeignete Geschwindigkeit, verzögern wird. Ebenso kann bei einem schnellen Annähern der Arbeitsmaschine an einen vergleichsweise steil abfallenden Hang vorausschauend erkannt werden, dass der Bediener der Arbeitsmaschine die Arbeitsmaschine vor dem Befahren des Hangs bis auf eine bestimmte, zum Befahren des Hangs sicher geeignete Geschwindigkeit, verzögern wird.
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Ebenso bevorzugt ist es vorgesehen, dass die Situationserfassung auch eine Überwachung eines Verhaltens des Arbeitsantriebs umfasst. Das Verhalten des Arbeitsantriebs kann dabei gleichermaßen eine Druckänderung in einer Arbeitshydraulik umfassen wie auch eine Ausrichtung bzw. Positionierung einer Schaufel an einem Schaufelarm, eine Stellung eines Hubmasten oder einfach eine Steuereingabe des Bedieners z.B. an einem dem Arbeitsantrieb zugeordneten Steuerelement, beispielsweise einem Joystick.
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Ebenfalls bevorzugt kann die Situationserfassung auch zyklische Verhaltenswiederholungen der Arbeitsmaschine berücksichtigen, insbesondere zum Beispiel den Betrieb in einem sog. „Y-Zyklus“, bei dem die Arbeitsmaschine an einem ersten Ort eine Ladung aufnimmt, beispielsweise auf eine Schaufel, dann mit Lenkeinschlag zurücksetzt und schließlich mit entgegengesetztem Lenkeinschlag wieder vorwärts fährt, um die aufgenommene Ladung an einem zweiten Ort abzulegen. Dann setzt die Arbeitsmaschine mit entsprechendem Lenkeinschlag wieder zurück, um anschließend am ersten Ort erneut eine Ladung aufzunehmen. Diese Arbeitsschritte umfassen jeweils schnell aufeinanderfolgende Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgänge und werden beim „Y-Zyklus“ viele Male in Folge wiederholt. Derartige, sich ständig wiederholende Verhaltensweisen der Arbeitsmaschine können nun vorteilhaft von der Situationserfassung als solche erkannt werden, so dass die Situationserfassung vorhersagen kann, ob und in welchem Maße die Arbeitsmaschine als nächstes beschleunigt bzw. verzögert wird.
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Die Verhaltenswiederholungen können dabei beispielsweise Beschleunigungsverläufe, Geschwindigkeitsverläufe, Steuerungseingaben bzw. Lenkwinkel umfassen.
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Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, dass im Rekuperationsmodus eine automatisierte Beeinflussung der Steuereingabe nach Maßgabe der Situationserfassung dahingehend erfolgt, dass die im Rekuperationsmodus vom mindestens einen Elektromotor erzeugte elektrische Leistung die maximale Leistungsaufnahmefähigkeit des Energiespeichers nicht übersteigt. Bei der Beeinflussung der Steuereingabe berücksichtigt die Situationserfassung vorteilhaft jeweils einen aktuellen Zustand des Energiespeichers, also z.B. dessen Temperatur und Ladezustand. Das bedeutet also, dass eine Steuereingabe in Folge einer bestimmten Situationserfassung derart geändert wird, dass der mindestens eine Elektromotor nicht mehr elektrische Leistung rekuperiert, als der Energiespeicher aufnehmen kann. Dies führt zu dem Vorteil, dass eine überschüssige elektrische Rekuperationsleistung gar nicht erst erzeugt wird und somit auch nicht einem Widerstand zugeführt werden muss, um von diesem in Wärme umgewandelt zu werden und damit verloren zu sein. Stattdessen wird die erzeugte Rekuperationsleistung vorteilhaft unterhalb der maximalen Leistungsaufnahmefähigkeit des Energiespeichers gehalten. Dazu ist es in der Regel notwendig, den Rekuperationsbetrieb zeitlich zu verlängern, so dass die in Summe rekuperierte elektrische Energie unverändert bleibt. Somit kann die Betriebsdauer des Antriebsstrangs bzw. der Arbeitsmaschine zwischen zwei Ladevorgängen mit externer Energie verlängert werden. Da zudem insgesamt deutlich mehr Energie rekuperiert wird, reduziert sich auch der Gesamtenergiebedarf des Antriebsstrangs und die Effizienz des Antriebsstrangs verbessert sich entsprechend.
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Die Beeinflussung der Steuereingabe stellt eine Unterstützung des Bedieners der Arbeitsmaschine im Sinne eines Assistenzsystems dar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Beeinflussung der Steuereingabe eine automatisierte Bremsbetätigung umfasst. Da bei einer Bremsbetätigung kinetische Energie der sich fortbewegenden Arbeitsmaschine in eine andere Energieform umgewandelt wird, vorteilhaft durch einen Rekuperationsbetrieb des mindestens einen Elektromotors in elektrische Energie umgewandelt wird, entsteht je nach Stärke der Bremsbetätigung bzw. der daraus resultierenden Verzögerung der Arbeitsmaschine eine elektrische Leistung durch Rekuperation. Um zu vermeiden, dass bei einer Bremsbetätigung durch den Bediener der Arbeitsmaschine kurzfristig eine höhere elektrische Leistung erzeugt wird, als der Energiespeicher aufnehmen kann, kann bei Erkennen einer bevorstehenden Verzögerung der Arbeitsmaschine bereits frühzeitig eine automatisierte Bremsbetätigung erfolgen, um kurzzeitige Leistungsspitzen der rekuperierten elektrischen Leistung zu vermeiden und die rekuperierte Leistung vollständig in den Energiespeicher einspeisen zu können. Die durch diese automatisierte Bremsbetätigung bzw. den damit verbundenen Rekuperationsvorgang erzeugte elektrische Energiemenge unterscheidet sich nicht von der durch einen manuellen Bremsvorgang erzeugten elektrischen Energiemenge, lediglich die Leistung ist geringer und die zeitliche Dauer des Verzögerungsvorgangs dementsprechend verlängert.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Beeinflussung der Steuereingabe ein Limitieren einer Fahrgeschwindigkeit der Arbeitsmaschine umfasst. Indem nach Maßgabe der Situationserfassung eine Fahrgeschwindigkeit der Arbeitsmaschine auf einen bestimmten Wert limitiert wird, kann in Folge auch ein sich anschließender Verzögerungsvorgang weniger abrupt, also mit weniger Bremsleistung bzw. Verzögerungsleistung, ausgeführt werden. Auch somit kann verhindert werden, dass eine elektrische Rekuperationsleistung erzeugt wird, welche die maximale Leistungsaufnahmefähigkeit des Energiespeichers übersteigen würde.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Verfahren deaktiviert wird, wenn eine Deaktivierungseingabe erfolgt. Somit wird gewährleistet, dass in letzter Instanz immer der Bediener der Arbeitsmaschine die vollständige Kontrolle über die Arbeitsmaschine hat und beispielsweise bei einer fehlerhaften Situationserfassung die Arbeitsmaschine unmittelbar bis zum Stillstand verzögern kann. Die Deaktivierungseingabe kann beispielsweise über Betätigung eines hierfür vorgesehenen Knopfs, Schalters oder Hebels erfolgen. Insbesondere kann die Deaktivierung auch über eine Spracheingabe des Bedieners der Arbeitsmaschine erfolgen.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Deaktivierungseingabe eine Betätigung eines Bremspedals über einen vorgebbaren Grenzwert hinaus ist. Dieser Ausführungsform der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass die Anforderung eines Verzögerungsvorgangs oftmals eine sicherheitskritische Steuereingabe darstellt und dementsprechend eine Beeinflussung des Verzögerungsvorgangs im Sinne einer Reduzierung der Bremsleistung durch den Bediener der Arbeitsmaschine jederzeit abgebrochen werden können muss. Indem nun der Bediener der Arbeitsmaschine das Bremspedal über den vorgebbaren Grenzwert hinaus betätigt, wird das erfindungsgemäße Verfahren für den aktuell vorliegenden Verzögerungsvorgang vorteilhaft ausgesetzt.
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Der Grenzwert beträgt bevorzugt 80 % des maximalen Betätigungswegs des Bremspedals, besonders bevorzugt 90 % des maximalen Betätigungswegs des Bremspedals und ganz besonders bevorzugt 95 % des maximalen Betätigungswegs des Bremspedals.
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Indem zudem die Betätigung des Bremspedals über den Grenzwert hinaus zur Deaktivierung des Verfahrens führt, wird dem Bediener der Arbeitsmaschine ein intuitiver Weg geboten, die volle Kontrolle über die Arbeitsmaschine zurückzuerlangen. Insbesondere muss er in einer ggf. schon kritischen Fahrsituation keine weiteren Schalter oder Hebel betätigen sondern kann die Verzögerung intuitiv verstärken, indem er das Bremspedal stärker betätigt.
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Die Erfindung betrifft weiterhin einen elektrischen Antriebsstrang für eine Arbeitsmaschine, wobei der Antriebsstrang mindestens einen Elektromotor, einen elektrischen Energiespeicher, Zustandssensorik und Umfeldsensorik umfasst, wobei vom mindestens einen Elektromotor in einem Antriebsmodus nach Maßgabe einer Steuereingabe elektrische Leistung aus dem Energiespeicher entnehmbar ist, wobei vom mindestens einen Elektromotor in einem Rekuperationsmodus nach Maßgabe einer Steuereingabe elektrische Leistung in den Energiespeicher einspeisbar ist, wobei der Antriebsstrang dazu ausgebildet ist, dem Energiespeicher zugeführte elektrische Leistung oberhalb einer maximalen Leistungsaufnahmefähigkeit des Energiespeichers in Wärme umzuwandeln und wobei der Antriebsstrang dazu ausgebildet ist, mittels der Zustandssensorik und der Umfeldsensorik eine vorausschauende Situationserfassung durchzuführen. Der erfindungsgemäße Antriebsstrang zeichnet sich dadurch aus, dass der Antriebsstrang weiterhin dazu ausgebildet ist, im Rekuperationsmodus eine automatisierte Beeinflussung der Steuereingabe nach Maßgabe der Situationserfassung durchzuführen, so dass eine im Rekuperationsmodus vom mindestens einen Elektromotor erzeugte elektrische Leistung die maximale Leistungsaufnahmefähigkeit des Energiespeichers nicht übersteigt.
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Der erfindungsgemäße Antriebsstrang ermöglicht somit die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, was zu den bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteilen führt.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Arbeitsmaschine, umfassend einen erfindungsgemäßen Antriebsstrang. Daraus ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Antriebsstrang beschriebenen Vorteile auch für die erfindungsgemäße Arbeitsmaschine.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Arbeitsmaschine als Radlader ausgebildet ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
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Es zeigen:
- 1 beispielhaft eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines elektrischen Antriebsstrangs einer Arbeitsmaschine in Form eines Funktionsschemas,
- 2 beispielhaft und schematisch eine mögliche Ausbildungsform einer erfindungsgemäßen Arbeitsmaschine und
- 3 beispielhaft eine erste rekuperierte elektrische Leistung und eine zweite rekuperierte elektrische Leistung.
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Gleiche Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbare Komponenten sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Diese Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbaren Komponenten sind hinsichtlich ihrer technischen Merkmale identisch ausgeführt, sofern sich aus der Beschreibung nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt.
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1 zeigt beispielhaft eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines elektrischen Antriebsstrangs 11 einer Arbeitsmaschine 10 in Form eines Funktionsschemas. Der Antriebsstrang 11 umfasst einen Arbeitsantrieb 20 mit einem elektrischen Arbeitsmotor 21 sowie einen Fahrantrieb 30 mit einem elektrischen Fahrmotor 31 und Fahrzeugrädern 32. Wenn ein Bediener der Arbeitsmaschine 10 eine Steuereingabe im Sinne einer Verzögerungsanforderung vorgibt, wird der elektrische Fahrmotor 31 in einen Rekuperationsbetrieb versetzt und rekuperiert elektrische Leistung 50, 51. Um sicherstellen zu können, dass die rekuperierte elektrische Leistung 50, 51 möglichst vollständig in den Energiespeicher 34 eingespeist werden kann, erfolgt eine automatisierte Beeinflussung der Steuereingabe des Bedieners nach Maßgabe einer vorausschauenden Situationserfassung, was durch Funktionsblock 100 veranschaulicht wird.
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Funktionsblock 100 umfasst dabei eine Reihe von Unterblöcken 101-113, welche jeweils eine konkrete Art der Situationserfassung beschreiben. In Block 101 erfolgt die Situationserfassung mittels einer Drehzahlüberwachung einer angetriebenen Achse der Arbeitsmaschine 10. Block 102 steht für die Situationserfassung mittels einer Überwachung eines Reifenschlupfs der angetriebenen Fahrzeugräder 32. Block 103 beschreibt die Situationserfassung mittels einer Überwachung eines eingeschlagenen Lenkwinkels und Block 104 mittels einer Überwachung eines hydraulischen Drucks im Arbeitsantrieb 20. Block 105 steht für die Situationserfassung mittels Umfeldsensorik 12, beispielsgemäß mittels eines Kamerasensors, eines Laserscanners, Radars und Lidars. Block 106 steht für die Situationserfassung mittels Beschleunigungssensorik. Block 107 steht für die Situationserfassung mittels einer Überwachung einer Abtriebsdrehzahl eines Fahrgetriebes 33 des Fahrantriebs 30 und Block 108 für die Situationserfassung mittels einer Überwachung einer eingelegten Gangstufe des Fahrgetriebes33. Block 109 wiederum beschreibt die Situationserfassung mittels einer Überwachung einer Differentialsperre einer angetriebenen Achse. Die Blöcke 110, 111 und 112 beschreiben die Situationserfassung mittels einer Überwachung der Betätigung eines Eingabemittels für den Arbeitsantrieb 20, einer Position einer Schaufel des Arbeitsantriebs 20 und eines Verstellwinkels einer hydraulischen Pumpe des Arbeitsantriebs 20. In Block 113 schließlich erfolgt die die Situationserfassung mittels einer Überwachung des Fahrmotors 31 und des Arbeitsmotors 21, insbesondere von Temperaturen, Drehzahlen, Drehmomenten, Drehzahlgradienten und Drehmomentgradienten.
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In Funktionsblock 200 werden die in Funktionsblock 100 erfassten Situationserfassungen automatisiert dahingehend ausgewertet, dass vorausschauend erkennbar wird, ob eine Situation bzw. eine sich aus der Situation ergebende Steuereingabe unmittelbar bevorsteht, in der eine zu rekuperierende elektrische Leistung 50, 51 größer sein wird als eine maximale Leistungsaufnahmefähigkeit 52 des Energiespeichers 34. Sofern dies vorausschauend erkannt wird, erfolgt in Funktionsblock 300 eine automatisierte Beeinflussung einer Steuereingabe dahingehend, dass eine im Rekuperationsmodus vom Fahrmotor erzeugte elektrische Leistung 50, 51 die maximale Leistungsaufnahmefähigkeit 52 des Energiespeichers 34 nicht übersteigt. Dazu wird in Block 301 beispielsgemäß vorausschauend ein vergleichsweise sanfter Verzögerungsvorgang eingeleitet. Zusätzlich erfolgt in Block 302 eine Reduzierung einer später hinzukommenden Bremsanforderung des Bedieners der Arbeitsmaschine 10.
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2 zeigt beispielhaft und schematisch eine mögliche Ausbildungsform einer erfindungsgemäßen Arbeitsmaschine 10. Die Arbeitsmaschine 10 ist beispielsgemäß als Radlader 10 ausgebildet und umfasst einen elektrischer Antriebsstrang 11. Der elektrischer Antriebsstrang 11 wiederum umfasst seinerseits einen Arbeitsantrieb 20 mit einem elektrischen Arbeitsmotor 21 und einer Arbeitsvorrichtung 22, einen Fahrantrieb 30 mit einem elektrischen Fahrmotor 31 und angetriebenen Fahrzeugrädern 32 sowie einen elektrischen Energiespeicher 34. Der Antriebsstrang 11 ist deshalb dazu ausgebildet, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Mittels hierfür geeigneter Umfeldsensorik 12 und Zustandssensorik 13 erfolgt eine Situationserfassung, um vorausschauend zu erkennen, ob im Rekuperationsmodus eine automatisierte Beeinflussung der Steuereingabe nach Maßgabe der Situationserfassung erforderlich ist, so dass eine im Rekuperationsmodus vom Fahrmotor 31 erzeugte elektrische Leistung 50, 51 die maximale Leistungsaufnahmefähigkeit 52 des Energiespeichers 34 nicht übersteigt.
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3 zeigt beispielhaft eine erste rekuperierte elektrische Leistung 50 und eine zweite rekuperierte elektrische Leistung 51 über die Zeit t. Weiterhin zu sehen ist eine maximale Leistungsaufnahmefähigkeit 52 des Energiespeichers 34. Ohne Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens entspricht die vom mindestens einen Elektromotor 21, 31 im Rekuperationsmodus rekuperierte elektrische Leistung der ersten Leistung 51. Da die erste Leistung 51 zeitweise größer ist als die maximale Leistungsaufnahmefähigkeit 52 des Energiespeichers 34, muss derjenige Anteil der ersten Leistung51, der oberhalb der maximalen Leistungsaufnahmefähigkeit 52 des Energiespeichers 34 liegt, einem sog. Bremswiderstand zugeführt werden, wo er in Wärme umgewandelt wird. Die solcherart in Wärme umgewandelte Leistung steht im Gegensatz zu in den Energiespeicher 34 eingespeister elektrischer Leistung zu einem späteren Zeitpunkt nicht mehr zum Betrieb des Antriebsstrangs 11 zur Verfügung. Im Gegensatz zur ersten Leistung 51 ist die zweite Leistung 52 durch eine erfindungsgemäße Beeinflussung einer Steuereingabe jedoch zu jedem Zeitpunkt geringer als die maximale Leistungsaufnahmefähigkeit 52 des Energiespeichers 34. Somit kann die vollständige Leistung 52 in den Energiespeicher 34 eingespeist werden und steht damit zu einem späteren Zeitpunkt wieder zum Betrieb des Antriebsstrangs 11 zur Verfügung.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Arbeitsmaschine
- 11
- elektrischer Antriebsstrang
- 12
- Umfeldsensorik
- 13
- Zustandssensorik
- 20
- Arbeitsantrieb
- 21
- Arbeitsmotor
- 22
- Arbeitsvorrichtung
- 30
- Fahrantrieb
- 31
- Fahrmotor
- 32
- Fahrzeugrad
- 33
- Fahrgetriebe
- 34
- Energiespeicher
- 50
- erste elektrische Leistung
- 51
- zweite elektrische Leistung
- 52
- maximale Leistungsaufnahmefähigkeit des Energiespeichers
- 100
- Situationserfassung
- 101
- Situationserfassung mittels einer Drehzahlüberwachung einer angetriebenen Achse
- 102
- Situationserfassung mittels einer Überwachung eines Reifenschlupfs der angetriebenen Fahrzeugräder
- 103
- Situationserfassung mittels einer Überwachung eines eingeschlagenen Lenkwinkels
- 104
- Situationserfassung mittels einer Überwachung eines hydraulischen Drucks im Arbeitsantrieb
- 105
- Situationserfassung mittels Umfeldsensorik
- 106
- Situationserfassung mittels Beschleunigungssensorik
- 107
- Situationserfassung mittels einer Überwachung einer Abtriebsdrehzahl eines Fahrgetriebes
- 108
- Situationserfassung mittels einer Überwachung einer eingelegten Gangstufe des Fahrgetriebes
- 109
- Situationserfassung mittels einer Überwachung einer Differentialsperre
- 110
- Situationserfassung mittels einer Überwachung der Betätigung eines Eingabemittels für den Arbeitsantrieb
- 111
- Situationserfassung mittels einer Position einer Schaufel des Arbeitsantriebs
- 112
- Situationserfassung mittels eines Verstellwinkels einer hydraulischen Pumpe des Arbeitsantriebs
- 113
- Situationserfassung mittels einer Überwachung des Fahrmotors und des Arbeitsmotors
- 200
- Situationserfassung
- 300
- Reduzierung der Drehzahl des Fahrmotors
- 301
- Bestromung des Fahrmotor zur Drehzahlreduzierung
- 302
- Gangrückschaltung zur Unterstützung der Drehzahlreduzierung des Fahrmotors
- t
- Zeit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202014000738 U1 [0003]
- EP 0962597 A2 [0004]
- WO 2008/128674 A1 [0005]
