DE102021206653B3

DE102021206653B3 - Verfahren zum Betreiben eines elektrifizierten Antriebsstrangs für eine Arbeitsmaschine, elektrifizierter Antriebsstrang für eine Arbeitsmaschine und Arbeitsmaschine

Info

Publication number: DE102021206653B3
Application number: DE102021206653.4A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Legner
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2021-06-28
Filing date: 2021-06-28
Publication date: 2022-12-01
Anticipated expiration: 2041-06-29
Also published as: WO2023274836A1; EP4363259A1; CN117580725A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrifizierten Antriebsstrangs für eine Arbeitsmaschine, wobei eine triebliche Kopplung eines Elektromotors des Antriebsstrangs mit mindestens einem Rad der Arbeitsmaschine besteht, wobei die Arbeitsmaschine bei einer Hangabfahrt eine Hangabtriebskraft erfährt, welche ein Beschleunigungsmoment an der Arbeitsmaschine bewirkt (100), wobei ein Generatormoment des Elektromotors im Generatorbetrieb dem Beschleunigungsmoment entgegenwirkt, wobei ein maximales Generatormoment abhängig von einer Ist-Motordrehzahl des Elektromotors ist, wobei bei einer Beschleunigung der Arbeitsmaschine aufgrund der Hangabtriebskraft (101) ein automatisierter Bremseneingriff erfolgt (102) und wobei durch den Bremseneingriff die Ist-Motordrehzahl reduziert wird, bis das maximale Generatormoment bei einer reduzierten Ist-Motordrehzahl mindestens so groß ist wie das Beschleunigungsmoment (104). Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die reduzierte Ist-Motordrehzahl als neue Soll-Motordrehzahl vorgegeben wird (105), dass die Soll-Motordrehzahl erhöht wird, wenn das maximale Generatormoment bei einer erreichten Ist-Motordrehzahl um einen vorgebbaren Schwellenwert größer ist als das Beschleunigungsmoment, dass die reduzierte Soll-Motordrehzahl mit abnehmender Hangabtriebskraft bis zur ursprünglichen Soll-Motordrehzahl wieder erhöht wird (107) und der Bremseneingriff beendet wird (106) und dass die Beschleunigung anhand einer Überwachung und zeitlichen Differenzierung einer erfassten Raddrehzahl, Motordrehzahl oder Drehzahl in einem Getriebe der Arbeitsmaschine erkannt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin einen entsprechenden elektrifizierten Antriebsstrang für eine Arbeitsmaschine sowie eine entsprechende Arbeitsmaschine.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrifizierten Antriebsstrangs für eine Arbeitsmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, einen elektrifizierten Antriebsstrang für eine Arbeitsmaschine sowie eine entsprechende Arbeitsmaschine.
Im Stand der Technik sind elektrisch angetriebene Arbeitsmaschinen, wie etwa Radlader, Kompaktlader, Teleskoplader, Dumper und Bagger bekannt. Derartige Arbeitsmaschinen sind entweder rein elektrisch angetrieben, d.h. sie verfügen als Energiespeicher ausschließlich über eine elektrische Batterie bzw. über eine Brennstoffzelle zur Erzeugung von Elektrizität aus Wasserstoff. Oder aber sie sind diesel-elektrisch angetrieben, was bedeutet, dass die benötigte Energie von einem dieselgetriebenen Generator sowie ggf. von einem elektrischen Pufferspeicher, wie z.B. einem entsprechend dimensionierten Kondensator oder einer vergleichsweise kleinen Batterie, bereitgestellt wird. In allen Fällen wird die für den Fahrantrieb und den Arbeitsantrieb benötigte mechanische Leistung von einem oder mehreren Elektromotoren erbracht. Weiterhin ist es bekannt, die Elektromotoren von elektrischen Antrieben bei Bremsvorgängen im Generatorbetrieb zum Rekuperieren von elektrischer Leistung zu verwenden. Zusätzlich ist dabei stets eine mechanische Reibungsbremse vorgesehen, damit aus Sicherheitsgründen jederzeit eine ausreichend große Bremsleistung bereitgestellt werden kann.
In diesem Zusammenhang beschreibt die EP 0 962 597 A2 eine batteriebetriebene Arbeitsmaschine, welche für den Fahrantrieb zwei Elektromotoren aufweist und einen weiteren Elektromotor für den Arbeitsantrieb aufweist.
Die WO 2008 / 128 674 A1 offenbart eine Arbeitsmaschine mit einem Hybridantriebsstrang, umfassend eine Verbrennungsmaschine 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.
Die nachveröffentlichte DE 10 2020 201 497 A1 der Anmelderin offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines elektrifizierten Antriebsstrangs für eine Arbeitsmaschine. Über Mittel zur Erkennung eines Gefälles in Verbindung mit Mitteln zur Erfassung einer Fortbewegung der Arbeitsmaschine kann eine Hangabfahrt der Arbeitsmaschine erkannt werden. Sofern die Arbeitsmaschine bei der Hangabfahrt eine Schwellengeschwindigkeit überschreitet, wird der Elektromotor in einen Rekuperationsbetrieb versetzt, um eine weitere Beschleunigung der Arbeitsmaschine aufgrund der Hangabtriebskraft zu verhindern.
Auch die ebenfalls nachveröffentlichte DE 10 2020 203 594 A1 der Anmelderin beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines elektrifizierten Antriebsstrangs für eine Arbeitsmaschine. Über eine triebliche Kopplung eines Elektromotors des Antriebsstrangs mit mindestens einem Rad der Arbeitsmaschine führt ein vom Elektromotor im Generatorbetrieb erzeugtes Bremsmoment zu einer Drehzahlreduzierung des mindestens einen Rads. Sofern es beispielsweise bei einer Hangabfahrt trotz des Bremsmoments zu einer ungewollten Beschleunigung der Arbeitsmaschine kommt, erfolgt ein automatisierter zusätzlicher Bremseneingriff.
Aus der DE 10 2015 222 016 A1 ist ein Verfahren zum Bremsen eines vollständig oder teilweise elektromotorisch angetriebenen Fahrzeugs bekannt, insbesondere einer landwirtschaftlichen oder forstwirtschaftlichen Arbeitsmaschine oder eines selbstfahrfähigen Anhängewagens einer landwirtschaftlichen oder forstwirtschaftlichen Arbeitsmaschine. Ein an einem Fahrzeugrad angefordertes Bremsmoment wird als Summe eines drehzahlabhängigen elektromotorischen Bremsmoments eines Elektromotors und eines mechanischen Bremsmoments einer Reibungsbremse bereitgestellt. Ein maximal möglicher Anteil des angeforderten Bremsmoments wird als elektromotorisches Bremsmoment bereitgestellt.
Die DE 10 2008 023 305 A1 offenbart ein Verfahren zur Steuerung eines Rekuperationsmoments einer Hybridantriebseinheit, welche eine erste Antriebsquelle, insbesondere einen Verbrennungsmotor, umfasst sowie mindestens eine wahlweise motorisch oder generatorisch betreibbare elektrische Maschine umfasst. Im motorischen Betrieb wird die elektrische Maschine durch einen Energiespeicher gespeist und liefert ein elektromotorisches Antriebsmoment, das zusammen mit dem Moment der ersten Antriebsquelle ein Gesamtantriebsmoment der Hybridantriebseinheit darstellt. Im generatorischen Betrieb liefert sie ein generatorisches Moment, das ein Rekuperationsmoment der Hybridantriebseinheit darstellt. Bei Vorliegen einer Bremsmomentanforderung wird die elektrische Maschine zum Aufbringen zumindest eines Teils des angeforderten Bremsmoments generatorisch betrieben. Es ist vorgesehen, dass bei Überschreiten eines ersten Grenzwertes für den Ladezustand des Energiespeichers und bei Vorliegen einer Bremsmomentanforderung die Steuerung des Rekuperationsmoments zumindest zweiphasig erfolgt, wobei in einer ersten Phase die elektrische Maschine im Wesentlichen mit Einsetzen der Bremsmomentanforderung generatorisch zum Aufbringen zumindest eines Teils des angeforderten Bremsmoments betrieben wird und in einer nachfolgenden zweiten Phase das generatorische Moment der elektrischen Maschine abgesteuert wird.
Die bekannten elektrischen Antriebsstränge für Arbeitsmaschinen sind jedoch dahingehend nachteilbehaftet, als dass sie bei einer Hangabfahrt mit vergleichsweise hoher Geschwindigkeit oftmals kein ausreichend großes Rekuperationsmoment und damit kein ausreichend großes Bremsmoment mehr aufbringen können, um eine weitere ungewollte Beschleunigung der Arbeitsmaschine aufgrund der Hangabtriebskraft in einen für die Arbeitsmaschine unzulässig hohen Geschwindigkeitsbereich zu verhindern. Die Ursache für dieses unzureichende Rekuperationsmoment liegt im prinzipbedingten Verhalten eines Elektromotors, der in seinem oberen Drehzahlbereich und somit bei hohen Fahrgeschwindigkeiten der Arbeitsmaschine nur noch ein vergleichsweise geringes Drehmoment aufweist, was wiederum auch nur noch ein vergleichsweise geringes Brems- bzw. Rekuperationsmoment zulässt. Somit ist in einer derartigen Fahrsituation ein beständiges Hinzuziehen einer Betriebs- oder Parkbremse erforderlich, um ein weiteres ungewolltes Beschleunigen der Arbeitsmaschine bei der Hangabfahrt zu verhindern. Da die Betriebs- bzw. Parkbremse üblicherweise jedoch nicht zur dauerhaften oder längeren Betätigung ausgebildet ist, kann es bei entsprechend langer Betätigung der Betriebs- bzw. Parkbremse zur Beschädigung des Bremssystems kommen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines elektrifizierten Antriebsstrangs für eine Arbeitsmaschine vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren zum Betreiben eines elektrifizierten Antriebsstrangs für eine Arbeitsmaschine gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrifizierten Antriebsstrangs für eine Arbeitsmaschine, wobei eine triebliche Kopplung eines Elektromotors des Antriebsstrangs mit mindestens einem Rad der Arbeitsmaschine besteht, wobei die Arbeitsmaschine bei einer Hangabfahrt eine Hangabtriebskraft erfährt, welche ein Beschleunigungsmoment an der Arbeitsmaschine bewirkt, wobei ein Generatormoment des Elektromotors im Generatorbetrieb dem Beschleunigungsmoment entgegenwirkt, wobei ein maximales Generatormoment abhängig von einer Ist-Motordrehzahl des Elektromotors ist und wobei bei einer Beschleunigung der Arbeitsmaschine aufgrund der Hangabtriebskraft ein automatisierter Bremseneingriff erfolgt. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass durch den Bremseneingriff die Ist-Motordrehzahl reduziert wird, bis das maximale Generatormoment bei einer reduzierten Ist-Motordrehzahl mindestens so groß ist wie das Beschleunigungsmoment.
Die Erfindung beschreibt also ein Verfahren, nach dem ein elektrifizierter Antriebsstrang betrieben werden kann. Der Antriebsstrang ist dabei zum Antreiben einer Arbeitsmaschine geeignet. Da Arbeitsmaschinen in der Regel die meiste Zeit unter hohen Antriebsauslastungen betrieben werden 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 vergleichsweise geringere absolute Arbeitsleistungen erbringt.
Ein Elektromotor des Antriebsstrangs ist mit mindestens einem Rad der Arbeitsmaschine trieblich gekoppelt, beispielsweise über ein Getriebe bzw. eine lösbare Kupplung, insbesondere über eine Lamellenkupplung. Aus der trieblichen Kopplung zwischen dem Elektromotor und dem mindestens einen Rad folgt, dass ein vom Elektromotor erzeugtes Beschleunigungsmoment zu einer Drehzahlerhöhung des mindestens einen Rads und damit zu einer Beschleunigung der Arbeitsmaschine führt. Die Drehzahlerhöhung des mindestens einen Rads entspricht dabei der Drehzahlerhöhung des Elektromotors unter Berücksichtigung eines Übersetzungsverhältnisses zwischen dem Elektromotor und dem mindestens einen Rad. Umgekehrt führt auch ein Beschleunigungsmoment des mindestens einen Rads, welche beispielsweise aus der Hangabtriebskraft bei einer Hangabfahrt der Arbeitsmaschine resultieren kann, zu einer Drehzahlerhöhung des Elektromotors.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass die triebliche Kopplung des Elektromotors mit allen Rädern der Arbeitsmaschine besteht.
Der Elektromotor kann zudem in einem Generatorbetrieb zum Rekuperieren elektrischer Leistung betrieben werden. In diesem auch als Rekuperationsbetrieb bekannten Betriebsmodus wandelt der Elektromotor kinetische Energie der Arbeitsmaschine in elektrische Energie um, die einem Batteriespeicher zugeführt wird, um diesen zu laden.
Diese elektrische Energie kann dem Batteriespeicher später im Bedarfsfalle wieder entnommen werden, um den Elektromotor oder andere elektrische Verbraucher zu versorgen. Zusätzlich kann es auch vorgesehen sein, dass der Batteriespeicher über ein Ladekabel oder eine sonstige geeignete Ladevorrichtung, beispielsweise eine Induktionsladevorrichtung, mit externer elektrischer Energie ladbar ist.
Die Verwendung des Elektromotors zum Rekuperieren reduziert außerdem den Verschleiß einer mechanischen Reibungsbremse, da während des Generatorbetriebs ein Generatormoment als Bremsmoment wirkt. Insbesondere kann dadurch die mechanische Reibungsbremse vergleichsweise leistungsschwächer, kostengünstiger und nicht für einen Dauerbetrieb ausgebildet sein.
Ein vom Elektromotor maximal bereitstellbares Generatormoment - und damit ein vom Elektromotor maximal bereitstellbares Bremsmoment - hängt jedoch wesentlich von der jeweils aktuellen Motordrehzahl ab, wobei das maximale Generatormoment mit steigender Motordrehzahl abnimmt. Bei hohen Motordrehzahlen kann der Elektromotor somit nur noch ein vergleichsweise geringes maximales Generatormoment aufbringen. Umgekehrt kann der Elektromotor bei geringen Motordrehzahlen ein vergleichsweise großes maximales Generatormoment aufbringen.
Um zu verhindern, dass die Arbeitsmaschine bei einer Hangabfahrt aufgrund des mit steigender Motordrehzahl stetig abnehmenden Generatormoments immer weiter beschleunigt und ggf. eine Gefahrensituation wegen einer zu hohen Fahrgeschwindigkeit auftritt oder der Elektromotor aufgrund zu hoher Motordrehzahl beschädigt wird, ist es weiterhin vorgesehen, dass in diesem Fall ein automatisierter Bremseneingriff erfolgt, insbesondere mit der mechanischen Reibungsbremse.
Dazu wird vorteilhaft zunächst während des Generatorbetriebs des Elektromotors eine ungewollte Beschleunigung der Arbeitsmaschine erkannt. Unter einer ungewollten Beschleunigung wird dabei eine von einem Fahrer der Arbeitsmaschine nicht initiierte Beschleunigung verstanden, wie sie aufgrund der Hangabfahrt bzw. der auf die Arbeitsmaschine beschleunigend wirkenden Hangabtriebskraft auftritt, sofern die Hangabtriebskraft bzw. das daraus resultierende Beschleunigungsmoment das bei der aktuellen Motordrehzahl maximal aufbringbare Generatormoment übersteigt.
Die ungewollte Beschleunigung kann dabei z.B. wie jede andere Beschleunigung der Arbeitsmaschine anhand der Überwachung und zeitlichen Differenzierung einer erfassten Raddrehzahl, Motordrehzahl oder sonstigen Drehzahl in einem Getriebe der Arbeitsmaschine erkannt werden. Ebenso ist es denkbar, dass die Beschleunigung z.B. über ein Satellitennavigationssystem erkannt wird.
Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, dass durch den Bremseneingriff die Ist-Motordrehzahl soweit reduziert wird, bis das maximale Generatormoment bei einer reduzierten Ist-Motordrehzahl mindestens so groß ist wie das Beschleunigungsmoment. Der Bremseneingriff wirkt also der Beschleunigung bzw. der Hangabtriebskraft entgegen und unterstützt das Generatormoment des Elektromotors. Die Summe aus einem Bremsmoment des Bremseneingriffs der mechanischen Reibungsbremse und dem Generatormoment des Elektromotors ist dabei größer als das Beschleunigungsmoment, so dass sich eine Verzögerung der Arbeitsmaschine bei der Hangabfahrt einstellt. Die Verzögerung der Arbeitsmaschine wiederum führt zu einer Reduzierung der Motordrehzahl des Elektromotors und somit zu einer Erhöhung des maximal aufbringbaren Generatormoments. Das maximal aufbringbare Generatormoment steigt dabei immer weiter mit abnehmender Motordrehzahl.
Daraus ergibt sich der Vorteil, dass das durch den Bremseneingriff erhöhte maximale Generatormoment bei der reduzierten Ist-Motordrehzahlwieder ausreichend groß ist, um die Beschleunigung durch die Hangabtriebskraft vollständig zu kompensieren, so dass keine weitere Beschleunigung der Arbeitsmaschine mehr auftritt. Somit kann der Bremseneingriff durch die mechanische Reibungsbremse beendet werden und der Verschleiß der mechanischen Reibungsbremse reduziert werden. Die Geschwindigkeit der Arbeitsmaschine kann ab jetzt während der Hangabfahrt zuverlässig alleine durch das Generatormoment des Elektromotors gesteuert werden.
Erfindungsgemäß ist es weiterhin vorgesehen, dass die reduzierte Ist-Motordrehzahl als neue Soll-Motordrehzahl vorgegeben wird. Das heißt also, dass zunächst durch den Bremseneingriff die Ist- Motordrehzahl des Elektromotors soweit reduziert wird, bis das maximale Generatormoment groß genug ist, um eine weitere Beschleunigung der Arbeitsmaschine aufgrund der Hangabtriebskraft zu verhindern. Diese reduzierte Ist-Motordrehzahl wird nun in einem Motorsteuergerät, beispielsweise einem Inverter des Elektromotors, als neue Soll-Motordrehzahl vorgegeben, um ein erneutes Beschleunigen der Arbeitsmaschine und damit eine Reduzierung des Generatormoments während der Hangabfahrt zu vermeiden.
Insbesondere kann auch der Fahrer der Arbeitsmaschine die Soll-Motordrehzahl während der Hangabfahrt nun nicht mehr erhöhen, bis die Hangabfahrt beendet ist.
Das Ende der Hangabfahrt kann beispielsweise durch einen Neigungssensor erkannt werden.
Erfindungsgemäß ist es weiterhin vorgesehen, dass die reduzierte Soll-Motordrehzahl mit abnehmender Hangabtriebskraft bis zur ursprünglichen Soll-Motordrehzahl wieder erhöht wird. Somit wird also die Geschwindigkeit der Arbeitsmaschine bei Beendigung der Hangabfahrt selbsttätig wieder erhöht, bis schließlich die vor der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vom Fahrer vorgegebene Soll-Motordrehzahl wieder als Soll-Motordrehzahl vorgegeben werden kann. Die Reduzierung der Ist-Motordrehzahl und der Soll-Motordrehzahl zur Erhöhung des Generatormoments bleibt somit beschränkt auf die Dauer der Hangabfahrt.
Erfindungsgemäß ist es weiterhin vorgesehen, dass die Soll-Motordrehzahl erhöht wird, wenn das maximale Generatormoment bei einer erreichten Ist-Motordrehzahl um einen vorgebbaren Schwellenwert größer ist als das Beschleunigungsmoment. Das bedeutet also, dass die Soll-Motordrehzahl bereits vor der Beendigung der Hangabfahrt wieder erhöht werden kann, wenn das bereitstellbare maximale Generatormoment um den vorgebbaren Schwellenwert - welcher ein zusätzliches Generatormoment in Form eines Sicherheitspuffers darstellt, falls die Steigung des Hangs und damit die Hangabtriebskraft kurzfristig zunehmen - größer ist als das Beschleunigungsmoment, beispielsweise aufgrund einer Reduzierung der Steigung des Hangs. Insbesondere durch den als Sicherheitspuffer wirkenden vorgebbaren Schwellenwert ist dann keine weitere ungewollte Beschleunigung der Arbeitsmaschine zu befürchten.
Erfindungsgemäß ist es weiterhin vorgesehen, dass die Beschleunigung anhand einer Überwachung und zeitlichen Differenzierung einer erfassten Raddrehzahl, Motordrehzahl oder Drehzahl in einem Getriebe der Arbeitsmaschine erkannt wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Bremseneingriff solange verstärkt wird, bis die Ist-Motordrehzahl reduziert wird. Somit ist sichergestellt, dass der Bremseneingriff ein ausreichend starkes Bremsmoment bewirkt, um auch tatsächlich zu einer Reduzierung der Ist-Motordrehzahl zu führen und somit das Generatormoment zu erhöhen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass ein erforderliches Bremsmoment des Bremseneingriffs anhand einer Generatormoment-Kennlinie ermittelt wird. Die Generatormoment-Kennlinie zeigt dabei ein bereitstellbares maximales Generatormoment in Abhängigkeit der Ist-Motordrehzahl des Elektromotors an. Somit kann also anhand der aktuellen Ist-Drehzahl des Elektromotors, welche vorzugsweise über einen Drehzahlsensor erfasst wird, sowie anhand einer Änderung der Ist-Drehzahl, welche einer Beschleunigung der Arbeitsmaschine entspricht, auf einfache Weise das erforderliche Bremsmoment des Bremseneingriffs ermittelt werden. Das erforderliche Bremsmoment ist dabei die Differenz zwischen dem insgesamt benötigten Bremsmoment und dem maximal bereitstellbaren Generatormoment.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Bremseneingriff kontinuierlich geregelt wird. Das bedeutet, dass ein vom Bremseneingriff bewirktes Bremsmoment stufenlos und somit weitestgehend optimal angepasst an das erforderliche, insgesamt benötigte Bremsmoment eingestellt bzw. eingeregelt werden kann.
Erfindungsgemäß ist es weiterhin vorgesehen, dass der Bremseneingriff beendet wird, wenn das maximale Generatormoment bei einer erreichten Ist-Motordrehzahl größer ist als das Beschleunigungsmoment. In diesem Fall ist das Hinzuziehen der mechanischen Reibungsbremse zum Erzeugen einer zusätzlichen Bremswirkung nicht mehr erforderlich. Eine weitere Beschleunigung der Arbeitsmaschine kann nun alleine durch das Generatormoment vermieden werden. Somit wird auch der Verschleiß der mechanischen Reibungsbremse reduziert.
Die Erfindung betrifft außerdem einen elektrifizierter Antriebsstrang für eine Arbeitsmaschine, umfassend einen Elektromotor, eine Regeleinheit zum Regeln einer Motordrehzahl des Elektromotors, mindestens ein Antriebsrad sowie eine hydraulisch betätigbare und kontinuierlich regelbare mechanische Reibungsbremse. Der erfindungsgemäße elektrifizierte Antriebsstrang zeichnet sich dadurch aus, dass der Antriebsstrang dazu ausgebildet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
Daraus ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteile auch für den erfindungsgemäßen Antriebsstrang.
Der erfindungsgemäße elektrifizierte Antriebsstrang umfasst alle Mittel und Vorrichtungen zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Erfindung betrifft schließlich auch eine Arbeitsmaschine, umfassend einen erfindungsgemäßen Antriebsstrang. Daraus ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Antriebsstrang beschriebenen Vorteile auch für die erfindungsgemäße Arbeitsmaschine.
Bei der Arbeitsmaschine handelt es sich bevorzugt um einen Radlader. Es kann sich aber auch um einen Kompaktlader, Teleskoplader, Dumper, Bagger oder Traktor handeln.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
Es zeigen:

1 und 2 beispielhaft ein maximales Motormoment sowie ein maximales Generatormoment jeweils in Abhängigkeit von einer Ist-Motordrehzahl eines Elektromotors und
3 beispielhaft und schematisch eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Flussdiagramms.

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.
1 und 2 zeigen beispielhaft ein maximales Motormoment 10 sowie ein maximales Generatormoment 20 jeweils in Abhängigkeit von einer Ist-Motordrehzahl eines Elektromotors. Wie zu sehen ist, nehmen das maximale Motormoment 10 sowie das maximale Generatormoment 20 mit zunehmender Ist-Motordrehzahl ab, was ein für Elektromotoren typisches Verhalten darstellt.
Die Motormoment-Kennlinie zeigt das Motormoment 10 über der Motordrehzahl für eine bestimmte Fahrpedalstellung. Die Generatormoment-Kennlinie zeigt das Generatormoment im Generatorbetrieb über der Motordrehzahl. Die strichpunktierte Linie beschreibt beispielhaft ein notwendiges Bremsmoment beim Befahren einer bestimmten Gefällestrecke. Die Neigung der Gefällestrecke, die Fahrzeugmasse und der Rollwiderstand der Fahrzeugreifen sind beispielsgemäß unbekannt.
Am Punkt 1 (1) ist beispielsgemäß ein Fahrzustand bei maximaler Geschwindigkeit der Arbeitsmaschine in der Ebene bei entsprechender Fahrpedalstellung dargestellt. Das Motormoment 10 ist im Gleichgewicht mit dem Fahrwiderstand.
Fährt die Arbeitsmaschine nun beispielsgemäß in eine Gefällestrecke, deren Neigung eine größere Hangabtriebskraft erzeugt, als das maximale Generatormoment 20 bei der aktuellen Ist-Motordrehzahl kompensieren kann, so wird die Arbeitsmaschine beschleunigen und der Elektromotor läuft Gefahr, mit zu hohen Drehzahlen beaufschlagt zu werden und dadurch beschädigt zu werden. Das maximale Generatormoment 20 bei der Soll-Motordrehzahl ist im Punkt 2 (1) dargestellt.
Ein Überschreiten einer zulässigen Höchstdrehzahl des Elektromotors wird beispielgemäß beim Überschreiten von Punkt 2 (1) erkannt.
Charakteristisch für elektrische Antriebe ist es, dass das Generatormoment mit weiter steigender Ist-Motordrehzahl abnimmt, was zu einem immer schnelleren Beschleunigen der Arbeitsmaschine führt.
Um ein Überschreiten der zulässigen Höchstdrehzahl des Elektromotors zu verhindern, wird ein zusätzliches Bremsmoment benötigt. Ein Kräftegleichgewicht zwischen dem aus der Hangabtriebskraft resultierenden Beschleunigungsmoment und dem Bremsmoment ist im Punkt 3 (1) gegeben und ein Überschreiten der zulässigen Höchstdrehzahl wird hier verhindert.
Wird nun bei einem Überschreiten der zulässigen Höchstdrehzahl des Elektromotors die Betriebs- bzw. Parkbremse, die beispielsgemäß als mechanische Reibungsbremse ausgebildet ist, dosiert betätigt, addiert sich deren Bremsmoment zum Generatormoment 20. Die Bremswirkung wird so lange erhöht, bis die Ist-Motordrehzahl fällt. Der Bremswirkungsanteil der Betriebs- bzw. Parkbremse liegt um einen Anteil zur Verzögerung der bewegten Masse der Arbeitsmaschine höher, als der tatsächlich notwendige Wert.
Aus den technischen Eigenschaften der Betriebs- bzw. Parkbremse und der aktuellen Betätigung lässt sich das Bremsmoment bestimmen. Der Momentanteil der Betriebs- bzw. Parkbremse entspricht dem Unterschied zwischen den beiden Punkten 2 und 3 (1).
Die Generatorkennlinie ist bekannt und somit auch die Ist-Motordrehzahl, bei der das Generatormoment dem Wert von Punkt 5 (2) entspricht.
Eine elektronische Steuereinheit, beispielsgemäß ein dem Elektromotor zugeordneter Inverter, senkt nun die Soll-Motordrehzahl in Punkt 6 (1) entsprechend ab, damit das maximale Generatormoment 20 den Wert von Punkt 5 (2) erreicht.
Bei konstanter Betätigung der Betriebs- bzw. Parkbremse wird die Arbeitsmaschine weiter verzögert. Wird die neue Soll-Motordrehzahl in Punkt 7 erreicht, so fällt das aktuelle Generatormoment auf den Wert von Punkt 4 (2). In diesem Moment ist gewährleistet, dass das maximale Generatormoment 20 ohne zusätzliche Bremswirkung der Betriebs- bzw. Parkbremse ausreichend ist, um eine ungewollte Beschleunigung der Arbeitsmaschine zu verhindern. Die Betriebs- bzw. Parkbremse kann nun dosiert deaktiviert werden. Das aktuelle Generatormoment steigt dabei an, bleibt aber unterhalb des drehzahlabhängigen maximalen Generatormoments 20.
Fällt das aktuelle Generatormoment unter einen Schwellenwert unterhalb des maximalen Generatormoments 20, kann die zuvor reduzierte Soll-Motordrehzahl wieder erhöht werden, bis wieder die ursprüngliche Soll-Motordrehzahl erreicht wird. Damit endet die Ausführung des Verfahrens.
3 zeigt beispielhaft und schematisch eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Flussdiagramms. Das erfindungsgemäße Verfahren wird in einem elektrifizierten Antriebsstrang für eine Arbeitsmaschine ausgeführt. Der Antriebsstrang umfasst einen Elektromotor, eine Regeleinheit zum Regeln einer Motordrehzahl des Elektromotors, mindestens ein Antriebsrad sowie eine hydraulisch betätigbare und kontinuierlich regelbare mechanische Reibungsbremse. Zwischen dem Elektromotor und mindestens einem Rad der Arbeitsmaschine besteht eine triebliche Kopplung.
In einem ersten Verfahrensschritt 100 fährt die Arbeitsmaschine aus einer Ebene auf einen abfallenden Untergrund und geht somit in eine Hangabfahrt über.
Dementsprechend erfährt sie eine Hangabtriebskraft, die in Form eines Beschleunigungsmoments beschleunigend auf die Arbeitsmaschine wirkt. Da die Hangabtriebskraft beschleunigend auf die Arbeitsmaschine wirkt und zwischen dem mindestens einen Rad der Arbeitsmaschine und dem Elektromotor eine triebliche Kopplung besteht, wirkt ein Generatormoment des Elektromotors im Generatorbetrieb der Hangabtriebskraft und damit der Beschleunigung der Arbeitsmaschine entgegen. Das maximale Generatormoment 20 ist dabei abhängig von einer Ist-Motordrehzahl des Elektromotors.
Im folgenden Schritt 101 wird festgestellt, dass das durch die Hangabtriebskraft verursachte Beschleunigungsmoment größer ist als das vom Elektromotor maximal bereitstellbare Generatormoment, so dass die Arbeitsmaschine beschleunigt wird und sich die Ist-Motordrehzahl entsprechend erhöht.
Um diese ungewollte Beschleunigung der Arbeitsmaschine zu verhindern, erfolgt in Schritt 102 ein automatisierter Bremseneingriff. Der Bremseneingriff wird dabei in Schritt 103 solange kontinuierlich verstärkt, bis sich die Ist-Motordrehzahl reduziert und dementsprechend die Arbeitsmaschine verzögert. In Schritt 104 wird der Bremseneingriff solange fortgesetzt, bis das maximale Generatormoment 20 bei einer reduzierten Ist-Motordrehzahl größer ist als das durch die Hangabtriebskraft erzeugte Beschleunigungsmoment. Wenn dies erreicht ist, wenn also das maximal bereitstellbare Generatormoment größer ist als das Beschleunigungsmoment, wird die reduzierte Ist-Motordrehzahl in Schritt 105 als neue Soll-Drehzahl vorgegeben. Gleichzeitig wird in Schritt 106 der Bremseneingriff beendet.
Wenn erkannt wird, dass sich die Arbeitsmaschine wieder in einer Ebene befindet und keine Hangabtriebskraft mehr auf die Arbeitsmaschine wirkt, wird in Schritt 107 als neue Soll-Motordrehzahl wieder die ursprüngliche Soll-Motordrehzahl aus Schritt 100 vorgegeben.
Bezugszeichenliste

10: Motormoment
20: maximales Generatormoment
100: Beginn Hangabfahrt
101: Feststellung, dass das durch die Hangabtriebskraft verursachte Beschleunigungsmoment größer ist als das vom Elektromotor maximal bereitstellbare Generatormoment
102: automatisierter Bremseneingriff
103: kontinuierliches Verstärken des Bremseneingriffs
104: Fortsetzen des Bremseneingriffs, bis das maximale Generatormoment bei einer reduzierten Ist-Motordrehzahl größer ist als das durch die Hangabtriebskraft erzeugte Beschleunigungsmoment
105: Vorgeben der reduzierten Ist-Motordrehzahl als neue Soll-Drehzahl
106: Beenden des Bremseneingriffs
107: Vorgeben der ursprünglichen Soll-Motordrehzahl als neue Soll-Drehzahl

Claims

Verfahren zum Betreiben eines elektrifizierten Antriebsstrangs für eine Arbeitsmaschine, wobei eine triebliche Kopplung eines Elektromotors des Antriebsstrangs mit mindestens einem Rad der Arbeitsmaschine besteht, wobei die Arbeitsmaschine bei einer Hangabfahrt eine Hangabtriebskraft erfährt, welche ein Beschleunigungsmoment an der Arbeitsmaschine bewirkt (100), wobei ein Generatormoment des Elektromotors im Generatorbetrieb dem Beschleunigungsmoment entgegenwirkt, wobei ein maximales Generatormoment abhängig von einer Ist-Motordrehzahl des Elektromotors ist, wobei bei einer Beschleunigung der Arbeitsmaschine aufgrund der Hangabtriebskraft (101) ein automatisierter Bremseneingriff erfolgt (102) und wobei durch den Bremseneingriff die Ist-Motordrehzahl reduziert wird, bis das maximale Generatormoment bei einer reduzierten Ist-Motordrehzahl mindestens so groß ist wie das Beschleunigungsmoment (104), dadurch gekennzeichnet, dass die reduzierte Ist-Motordrehzahl als neue Soll-Motordrehzahl vorgegeben wird (105), dass die Soll-Motordrehzahl erhöht wird, wenn das maximale Generatormoment bei einer erreichten Ist-Motordrehzahl um einen vorgebbaren Schwellenwert größer ist als das Beschleunigungsmoment, dass die reduzierte Soll-Motordrehzahl mit abnehmender Hangabtriebskraft bis zur ursprünglichen Soll-Motordrehzahl wieder erhöht wird (107) und der Bremseneingriff beendet wird (106) und dass die Beschleunigung anhand einer Überwachung und zeitlichen Differenzierung einer erfassten Raddrehzahl, Motordrehzahl oder Drehzahl in einem Getriebe der Arbeitsmaschine erkannt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bremseneingriff solange verstärkt wird, bis die Ist-Motordrehzahl reduziert wird (103).
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein erforderliches Bremsmoment des Bremseneingriffs anhand einer Generatormoment-Kennlinie ermittelt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Bremseneingriff kontinuierlich geregelt wird.
Elektrifizierter Antriebsstrang für eine Arbeitsmaschine, umfassend einen Elektromotor, eine Regeleinheit zum Regeln einer Motordrehzahl des Elektromotors, mindestens ein Antriebsrad sowie eine hydraulisch betätigbare und kontinuierlich regelbare Reibungsbremse, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrang dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4 auszuführen.
Arbeitsmaschine, umfassend einen Antriebsstrang nach Anspruch 5.