-
Technisches Gebiet
-
Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer elektrischen Maschine einer Arbeitsmaschine, die zum Antrieb der Arbeitsmaschine vorgesehen ist. Ferner betrifft die Anmeldung eine Steuervorrichtung zum Steuern einer elektrischen Maschine einer Arbeitsmaschine.
-
Stand der Technik
-
Es ist bekannt, bei Arbeitsmaschinen eine elektrische Maschine für den erforderlichen Antrieb einzusetzen. Dabei gibt die elektrische Maschine ihre Antriebskraft an einen Fahrantrieb der Arbeitsmaschine und gegebenenfalls an weitere Elemente der Arbeitsmaschine, wie zum Beispiel eine Hydraulik, Arbeitsgeräte und dergleichen, ab. Zum Einsatz kommende elektrische Maschinen können neben einem Antrieb auch eine Rekuperation durch Aufnahme mechanischer Leistung und Abgabe elektrischer Leistung darstellen. Dabei kann beispielsweise in einem Verzögerungsbetrieb der Arbeitsmaschine die in die elektrische Maschine eingeleitete mechanische Leistung durch die Generatorfunktion der elektrischen Maschine in eine elektrische Energiespeichervorrichtung zurückgespeist werden.
-
Elektrische Maschinen sind während des Betriebs verlustbehaftet und erzeugen Wärme. Bei einer erhöhten Temperatur wird die Alterung von Elementen der elektrischen Maschine vorangetrieben, so dass in Abhängigkeit von der Temperatur der elektrischen Maschine die Ausgabeleistung ausgehend von einer Nennleistung der elektrischen Maschine verringert wird, was als Derating bezeichnet wird. Beim Umschalten zwischen einem Rekuperativbetrieb und einem Antriebsbetrieb der elektrischen Maschine können bestimmte Effekte auftreten, die den Fahrbetrieb der Arbeitsmaschine beeinflussen können.
-
Darstellung der Erfindung
-
Ein Verfahren zum Steuern einer elektrischen Maschine einer Arbeitsmaschine weist die folgenden Schritte auf:
- Bestimmen einer Betriebsanforderung der elektrischen Maschine;
- Betreiben der elektrischen Maschine in Abhängigkeit von der bestimmten Betriebsanforderung in einem Rekuperativbetrieb, in welchem durch Einleiten von mechanischer Leistung in die elektrische Maschine elektrische Leistung erzeugt wird, oder in einem Antriebsbetrieb, in welchem die elektrische Maschine durch Aufnahme von elektrischer Leistung mechanische Leistung abgibt;
- Bestimmen einer Betriebstemperatur, die die Temperatur von zumindest einem der elektrischen Maschine zugeordneten Element ist;
- Verringern der maximalen mechanischen Eingangsleistung, die im Rekuperativbetrieb in die elektrische Maschine einleitbar ist, wenn die bestimmte Betriebstemperatur eine vorbestimmte Rekuperationsgrenztemperatur überschreitet, und Verringern der maximalen mechanischen Ausgangsleistung, die im Antriebsbetrieb von der elektrischen Maschine abgebbar ist, wenn die bestimmte Betriebstemperatur eine vorbestimmte Antriebsgrenztemperatur überschreitet, wobei die Rekuperationsgrenztemperatur niedriger als die Antriebsgrenztemperatur ist.
-
Die bei der Arbeitsmaschine eingesetzte elektrische Maschine kann dabei jede elektrische Maschine sein, die für das Abgeben mechanischer Leistung durch Aufnahme elektrischer Leistung und das Abgeben elektrischer Leistung durch das Aufnehmen mechanischer Leistung ausgelegt ist. Insofern ist jede elektrische Maschine für die Arbeitsmaschine geeignet, die sowohl als Motor als auch elektrischer Generator betrieben werden kann. Die Betriebsanforderung der elektrischen Maschine kann aufgrund einer von einem Betreiber der Arbeitsmaschine vorgegebenen Anforderung erzeugt werden. Insbesondere kann aufgrund einer Fahrpedalstellung oder einer Bremspedalstellung die Betriebsanforderung erzeugt werden und von dem Verfahren weiter verarbeitet werden. Die Betriebsanforderung kann alternativ von einem automatisierten oder teilautomatisierten System erzeugt werden.
-
Die Arbeitsmaschine kann jede Arbeitsmaschine sein, die über die elektrische Maschine antreibbar ist. Dabei kann die Arbeitsmaschine insbesondere einen Fahrantrieb aufweisen. Der Fahrantrieb kann beispielsweise auf einem Radantrieb oder einem Gleiskettenantrieb oder Ähnlichem basieren. Ferner kann die Arbeitsmaschine zusätzliche Einrichtungen, wie zum Beispiel eine Hydraulik oder weitere Arbeitseinrichtungen, aufweisen, die gegebenenfalls durch die elektrische Maschine antreibbar sind. Die Arbeitsmaschine kann ferner mehrere elektrische Maschinen aufweisen, die miteinander verknüpft sind. Alternativ kann für entsprechende Elemente der Arbeitsmaschine eine gesonderte elektrische Maschine vorgesehen sein.
-
Die elektrische Maschine kann über einen elektrischen Wandler mit Energie versorgt werden. Der elektrische Wandler kann dabei so eingerichtet sein, dass die elektrische Maschine entsprechend der Anforderung betrieben wird. Dabei kann der elektrische Wandler die elektrische Maschine in einem Antriebsbetrieb betreiben, in welchem die elektrische Maschine mechanische Leistung abgibt, und in einem Rekuperativbetrieb, in welchem die von der elektrischen Maschine aufgenommene mechanische Leistung in elektrische Leistung umgesetzt wird. Die elektrische Leistung kann über den elektrischen Wandler in eine Energiespeichervorrichtung, wie zum Beispiel eine Batterie, eingespeist und dort gespeichert werden. Alternativ kann die von der elektrischen Maschine im Rekuperativbetrieb erzeugte elektrische Leistung teilweise oder vollständig in einen von der elektrischen Energiespeicherung verschiedenen elektrischen Verbraucher eingespeist werden.
-
Bei dem Betrieb der elektrischen Maschine im Rekuperativbetrieb kann an der elektrischen Maschine ein Moment erzeugt werden, das für den Fall, dass die elektrische Maschine mit einem Fahrantrieb der Arbeitsmaschine verknüpft ist, als Bremsmoment wirkt.
-
Bei dem Bestimmen der Betriebstemperatur, die die Temperatur von zumindest einem der elektrischen Maschine zugeordneten Element ist, kann die Temperatur von der Wicklung oder einem Abschnitt der Wicklung der elektrischen Maschine bestimmt werden. Die Betriebstemperatur der elektrischen Maschine kann jedoch auch an einem anderen Element, beispielsweise einem Rotor, einem Stator oder anderen Elementen der elektrischen Maschine bestimmt werden, solange die erfasste Temperatur Rückschlüsse auf die Betriebstemperatur der elektrischen Maschine ermöglicht. Die Bestimmung der Betriebstemperatur kann durch einen oder mehrere Temperatursensoren erfolgen, die ein entsprechendes Signal erzeugen.
-
Beim Verringern der maximalen mechanischen Eingangsleistung, die im Rekuperativbetrieb in die elektrische Maschine einleitbar ist, beziehungsweise beim Verringern der maximalen mechanischen Ausgangsleistung, die im Antriebsbetrieb von der elektrischen Maschine abgebbar ist, kann der elektrische Wandler entsprechend angesteuert werden, um die Verringerung zu erzielen. Zur Verringerung der maximalen mechanischen Eingangsleistung kann dabei die von der elektrischen Maschine abgegebene elektrische Leistung verringert werden, so dass hierdurch das entgegen der Rotation der elektrischen Maschine wirkende Moment einstellbar, insbesondere verringerbar, ist. Ebenso kann die von der elektrischen Maschine abgebbare Ausgangsleistung durch Steuern des elektrischen Wandlers, insbesondere die in die elektrische Maschine eingeführte elektrische Leistung eingestellt, insbesondere verringert werden.
-
In einer Ausführungsform erfolgt das Verringern der mechanischen Eingangsleistung im Rekuperativbetrieb in Abhängigkeit von der bestimmten Betriebstemperatur mit einem vorbestimmten Rekuperationsverlauf und erfolgt das Verringern der mechanischen Ausgangsleistung im Antriebsbetrieb in Abhängigkeit von der bestimmten Betriebstemperatur mit einem vorbestimmten Antriebsverlauf. Dabei können der Rekuperationsverlauf und der Antriebsverlauf in einem Kennfeld abgelegt werden, das in einer Speichereinrichtung abgelegt und abrufbar ist. Der Rekuperationsverlauf und der Antriebsverlauf bilden dabei funktionale Zusammenhänge zwischen der mechanischen Eingangsleistung im Rekuperativbetrieb beziehungsweise der mechanischen Ausgangsleistung im Antriebsbetrieb jeweils in Abhängigkeit von der bestimmten Betriebstemperatur der elektrischen Maschine. Der funktionale Zusammenhang kann dabei empirisch bestimmt werden. Der funktionale Zusammenhang kann alternativ aufgrund von einem formelmäßigen Zusammenhang vorbestimmt werden. Ferner alternativ kann der funktionale Zusammenhang in der Form einer Tabelle vorbestimmt werden.
-
In einer Ausführungsform sind der Rekuperationsverlauf und der Antriebsverlauf jeweils zumindest abschnittsweise linear in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur. Insbesondere stellen der Rekuperationsverlauf und der Antriebsverlauf Funktionen dar, die bei ansteigender Betriebstemperatur abfallen. Der Rekuperationsverlauf stellt dabei in Abhängigkeit von der bestimmten Betriebstemperatur einen sogenannten Derating-Faktor in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur zur Verfügung, mit dem die von der elektrischen Maschine aufnehmbare mechanische Nennleistung verringert wird. In ähnlicher Weise stellt der Antriebsverlauf in Abhängigkeit von der bestimmten Betriebstemperatur der elektrischen Maschine einen sogenannten Derating-Faktor zur Verfügung, mit dem die von der elektrischen Maschine abgebbare mechanische Nennleistung verringert wird. Die verwendeten Derating-Faktoren sind dabei in einem Wert von 1 bis 0 bzw. 100% bis 0% vorgesehen.
-
In einer Ausführungsform kann der Rekuperationsverlauf einen stärker abfallenden Gradienten aufweisen als der Antriebsverlauf. In dieser Ausführungsform wird nach Überschreiten der Rekuperationsgrenztemperatur bei weiter ansteigender Betriebstemperatur die von der elektrischen Maschine aufnehmbare mechanische Leistung stärker verringert als die von der elektrischen Maschine abgebbare mechanische Leistung nach Überschreiten der Antriebsgrenztemperatur. In dieser Ausführungsform wird somit eine weitergehende Erhöhung der Temperatur der elektrischen Maschine im Rekuperativbetrieb stärker berücksichtigt als im Antriebsbetrieb.
-
In einer Ausführungsform kann der Rekuperativbetrieb abgeschaltet werden, wenn die bestimmte Betriebstemperatur eine vorbestimmte Rekuperationsabschalttemperatur erreicht. Ferner kann das Abschalten des Antriebsbetriebs erfolgen, wenn die bestimmte Betriebstemperatur eine vorbestimmte Antriebsabschalttemperatur erreicht. Die Rekuperationsabschalttemperatur ist dabei höher als die Rekuperationsgrenztemperatur. Ferner ist die Antriebsabschalttemperatur höher als die Antriebsgrenztemperatur. Bei Erreichen der Rekuperationsabschalttemperatur kann somit ein Derating-Faktor von 0 bzw. 0% eingestellt werden, so dass die von der elektrischen Maschine aufnehmbare mechanische Leistung auf 0 gesetzt wird. In ähnlicher Weise kann bei Erreichen der Antriebsabschalttemperatur der Derating-Faktor auf 0 bzw. 0% gesetzt werden, so dass die von der elektrischen Maschine abgebbare mechanische Leistung auf 0 gesetzt wird. Die vorstehend genannte Funktion dient dem Schutz der elektrischen Maschine und die Antriebsabschalttemperatur sowie die Rekuperationsabschalttemperatur sind als Grenztemperaturen eingerichtet, bei der ein weitergehender Betrieb zu einer übermäßigen Beeinträchtigung oder Schädigung der elektrischen Maschine führen würde.
-
In einer Ausführungsform ist die vorbestimmte Antriebsabschalttemperatur höher als die vorbestimmte Rekuperationsabschalttemperatur eingerichtet. In dieser Ausführungsform wird somit der Rekuperativbetrieb bereits bei einer niedrigeren Temperatur abgeschaltet als der Antriebsbetrieb.
-
In einer Ausführungsform sind der Rekuperationsverlauf und der Antriebsverlauf zur Verringerung der Leistungen in Abhängigkeit von weiteren Betriebsparametern der Arbeitsmaschine variabel. Dabei können der Rekuperationsverlauf und der Antriebsverlauf von den optional linearen Verläufen abweichen. Ferner können die Steigung, Krümmung oder sonstige Verlaufsform des Rekuperationsverlaufs und des Antriebsverlaufs variabel gestaltet sein. Die Betriebsparameter der Arbeitsmaschine können dabei den Ladezustand der elektrischen Energiespeichervorrichtung, den Betriebszustand von weiteren Arbeitsgeräten oder die Betriebsdauer in einem vorbestimmten Betriebszustand oder Ähnliches aufweisen.
-
In einer Ausführungsform sind die vorbestimmten Temperaturen, insbesondere die Antriebsgrenztemperatur, die Rekuperationsgrenztemperatur, die Antriebsabschalttemperatur beziehungsweise die Rekuperationsabschalttemperatur, in Abhängigkeit von weiteren Betriebsparametern der Arbeitsmaschine variabel. Die Betriebsparameter können die bereits vorstehend genannten Betriebsparameter umfassen.
-
Das Verfahren gemäß den vorliegenden Ausführungsformen kann vorzugsweise wiederholt, insbesondere zyklisch durchgeführt werden, so dass die Betriebstemperatur in geeigneter Weise erfasst werden kann und die entsprechenden Steuerungseingriffe geeignet vorgenommen werden können.
-
In einer Ausführungsform kann im Rekuperativbetrieb ein Bremsmoment für die Arbeitsmaschine in Abhängigkeit von einer Bremsmomentanforderung erzeugt werden. Dabei kann bei dem Verringern der maximalen mechanischen Eingangsleistung aufgrund der Überschreitung der Rekuperationsgrenztemperatur zusätzlich eine mechanische Bremseinrichtung betrieben werden, falls das von der elektrischen Maschine erzeugte Bremsmoment geringer als die Bremsmomentanforderung ist. Die Bremsmomentanforderung kann dabei von der Betätigung eines Bremspedals abgeleitet werden. Alternativ kann die Bremsmomentanforderung von einem automatischen oder einem teilautomatischen Steuerungssystem der Arbeitsmaschine abgeleitet werden. Die Bremsmomentanforderung kann dabei eine erforderliche Verzögerung der Arbeitsmaschine während eines Fahrbetriebs darstellen. Bei dieser Ausführungsform kann somit eine Verzögerung der Arbeitsmaschine auf der Grundlage der Bremsmomentanforderung erzeugt werden, indem das sich im Rekuperativbetrieb ergebende Bremsmoment der elektrischen Maschine und ein von einer mechanischen Bremseinrichtung erzeugtes Bremsmoment zusammengesetzt ein Gesamtbremsmoment erzeugen. Ferner kann in dieser Ausführungsform die mechanische Bremseinrichtung mit einer Steuereinheit versehen werden, die aufgrund von Steuersignalen die mechanische Bremseinrichtung so ansteuert, dass das erforderliche Bremsmoment von der mechanischen Bremseinrichtung erzeugt werden kann.
-
In einer Ausführungsform kann im Rekuperativbetrieb ein Bremsmoment für die Arbeitsmaschine in Abhängigkeit von einer Bremsmomentanforderung erzeugt werden, wobei ein an der elektrischen Maschine vorgesehenes Getriebe mit zumindest zwei Übersetzungsverhältnissen in Abhängigkeit von der thermischen Belastung der elektrischen Maschine derart gesteuert wird, dass das von der elektrischen Maschine erzeugte Bremsmoment am nächsten an der Bremsmomentanforderung liegt. Das Getriebe kann in dieser Ausführungsform zwischen einem Ausgangselement der elektrischen Maschine und einem Eingangselement des Fahrantriebs der Arbeitsmaschine vorgesehen sein. Durch diese Ausgestaltung kann in einer vorbestimmten Betriebssituation die Drehzahl der elektrischen Arbeitsmaschine aufgrund der Veränderlichkeit des Übersetzungsverhältnisses des vorgesehenen Getriebes verändert werden. Mit dieser Ausführungsform kann somit eine für den Rekuperativbetrieb geeignete Drehzahl der elektrischen Maschine eingestellt werden.
-
Mit dieser Vorgehensweise kann ein weiterer Temperaturanstieg der elektrischen Maschine vermindert werden. Zudem kann das von der elektrischen Maschine im Rekuperativbetrieb erzeugte Bremsmoment erhöht werden. Mit dieser Ausgestaltung kann die Energierückgewinnung im Rekuperativbetrieb optimiert werden, während gleichzeitig der Betrieb der mechanischen Bremseinrichtung minimiert wird. Das Getriebe kann ein Stufengetriebe mit zumindest zwei Übersetzungsverhältnissen sein. Das Getriebe kann alternativ ein stufenloses Getriebe sein, bei dem die Übersetzungsverhältnisse kontinuierlich variabel sind.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt weist eine Steuervorrichtung für eine elektrische Maschine einer Arbeitsmaschine Eingabe- und Ausgabeschnittstellen zum Aufnehmen und Abgeben von Mess- beziehungsweise Steuersignalen sowie eine Speichereinrichtung auf. Dabei ist die Steuervorrichtung eingerichtet, um eine Betriebstemperatur, die die Temperatur von zumindest einem der elektrischen Maschine zugeordneten Element ist, zu bestimmen und mit in der Speichereinrichtung abgelegten Werten zu vergleichen. Ferner ist die Steuervorrichtung eingerichtet, um den Betrieb der elektrischen Maschine zumindest in einem Rekuperativbetrieb und einem Antriebsbetrieb zu steuern, wobei die Steuereinrichtung zur Ausführung des Verfahrens gemäß einer oder mehreren der vorstehenden Ausführungsformen eingerichtet ist.
-
Die Steuervorrichtung kann in einer Ausführungsform in die globale Steuereinrichtung der Arbeitsmaschine integriert sein. Alternativ kann die Steuervorrichtung ein separates Element sein, das mit der globalen Steuereinrichtung der Arbeitsmaschine signaltechnisch verknüpft ist. Die Steuervorrichtung kann mit einem automatischen oder teilautomatischen System verbunden sein. Die Eingabe- und Ausgabeschnittstellen können mit Sensoren und Stellgliedern verbunden sein, um erfassbare Werte zu erfassen und geeignet Stellglieder der Arbeitsmaschine zu betätigen. Dabei kann die Steuervorrichtung über die Eingabeschnittstelle mit einem Temperatursensor zum Bestimmen der Temperatur von dem zumindest einen der elektrischen Maschine zugeordneten Element verbunden sein. Ferner kann die Steuervorrichtung über die Ausgabeschnittstelle mit einem elektrischen Wandler zum Steuern des Betriebs der elektrischen Maschine verbunden sein.
-
Gemäß den vorstehend dargestellten Ausführungsformen kann die elektrische Maschine der Arbeitsmaschine in einem Rekuperativbetrieb bei einer Verzögerung der Arbeitsmaschine und in einem Antriebsbetrieb bei einer Beschleunigung der Arbeitsmaschine betrieben werden. Dabei kann die Arbeitsmaschine gattungsbedingt häufig zwischen dem Rekuperativbetrieb und dem Antriebsbetrieb umschalten. Bei entsprechend erhöhter Temperatur der elektrischen Maschine kann insbesondere beim Umschalten von dem Rekuperativbetrieb in den Antriebsbetrieb durch das vorstehend dargestellte Konzept verhindert werden, dass ein Leistungseinbruch bei unmittelbarer Wiederaufnahme des Antriebsbetriebs eintritt. Durch die vorstehend beschriebene Ausgestaltung des Verfahrens kann nämlich eine Temperaturerhöhung der elektrischen Maschine im Rekuperativbetrieb durch Verringern der aufnehmbaren elektrischen Leistung bei Erhöhung der Temperatur der elektrischen Maschine stärker berücksichtigt werden als im Antriebsbetrieb. Somit kann im an den Rekuperativbetrieb anschließenden Antriebsbetrieb die Arbeitsmaschine mit möglichst geringem Leistungs- oder Zugkraftverlust betrieben werden.
-
Figurenliste
-
- 1 zeigt in einem schematischen Diagramm Verfahrensschritte einer Ausführungsform des Verfahrens;
- 2 zeigt ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit zwischen Derating-Faktoren und der Betriebstemperatur der elektrischen Maschine in einer Ausführungsform.
-
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
-
Im Folgenden wird eine Ausführungsform des Verfahrens anhand der Zeichnungen beschrieben. In dem in 1 gezeigten Diagramm ist ein Verfahrensablauf dargestellt, das die erforderlichen Schritte zum Steuern der elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Ausführungsform enthält. Das Verfahren wird dabei auf eine Arbeitsmaschine angewendet, die in den Zeichnungen nicht dargestellt ist und im Folgenden anhand eines Beispiels kurz erläutert wird.
-
Die Arbeitsmaschine in einer Ausführungsform, auf die das Verfahren anwendbar ist, ist beispielhaft als Radlader ausgebildet. Der Radlader weist Räder auf, die zum Antrieb des Radladers dienen. Die Räder des Radladers werden durch eine elektrische Maschine angetrieben, die über ein Getriebe mit mehreren Schaltstufen und weiteren erforderlichen Elementen eines Antriebsstrangs mit den Rädern verbunden sind. Der Radlader wird durch Betätigen eines Fahrpedals beschleunigt und durch Betätigen eines Bremspedals verzögert. Die elektrische Maschine dient dabei sowohl dem Vortrieb als auch der Verzögerung des Radladers.
-
Der Radlader weist in der vorliegenden Ausführungsform einen elektrischen Wandler auf, der einerseits mit der elektrischen Maschine verbunden ist und andererseits mit einer elektrischen Energiespeichervorrichtung verknüpft ist, die als aufladbare Batterie ausgestaltet ist. Der elektrische Wandler ist zur Ansteuerung der elektrischen Maschine eingerichtet, so dass die elektrische Maschine an einem vorbestimmten Betriebspunkt betreibbar ist. Die Arbeitsmaschine weist ferner eine Steuervorrichtung auf, die mit Eingabe- und Ausgabeschnittstellen versehen ist und insbesondere mit dem elektrischen Wandler kommuniziert. Ferner ist die Steuervorrichtung mit verschiedenen Sensoren signaltechnisch verbunden, wie insbesondere einem Temperatursensor, der eine Temperatur einer Wicklung der elektrischen Maschine als Betriebstemperatur erfasst, einem Sensor zur Erfassung einer Auslenkung eines Fahrpedals und einem Sensor zur Erfassung einer Auslenkung eines Bremspedals.
-
Der Radlader gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist ferner ein mechanisches Bremssystem auf, das in der vorliegenden Ausführungsform über eine Hydraulik die Räder des Radladers bremsen kann. Die Bremsanlage des Radladers ist so ausgestaltet, dass die von der mechanischen Bremsanlage erzeugte Bremskraft aufgrund von vorbestimmten Vorgaben durch die Steuervorrichtung steuerbar ist.
-
Die Steuervorrichtung ist somit eingerichtet, um einerseits die mechanische Bremsanlage des Radladers und andererseits den elektrischen Wandler und somit den Betrieb der elektrischen Maschine auf der Grundlage von Eingangssignalen und weiteren in einer Speichereinrichtung der Steuervorrichtung abgelegten Informationen zu steuern.
-
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist der Radlader weitere Elemente auf, die von der elektrischen Maschine antreibbar sind, wie zum Beispiel ein Hubgerüst und einen Nebenabtrieb. Zusätzlich weist der Radlader eine globale Steuereinrichtung auf, in die die vorstehend genannte Steuervorrichtung integriert ist. Insofern stehen der Steuervorrichtung, in der das nachstehend beschriebene Verfahren durchgeführt wird, weitere Informationen in Form von Steuersignalen und Daten zur Verfügung, die für den Betrieb des Radladers erforderlich sind.
-
Das in 1 gezeigte Verfahren startet bei Schritt S1 mit der Bestimmung einer Betriebsanforderung der elektrischen Maschine des Radladers. Hierzu wird der vorstehend genannte Sensor zur Erfassung der Auslenkung des Fahrpedals abgefragt. Zusätzlich wird der entsprechende Sensor zur Erfassung der Auslenkung des Bremspedals des Radladers abgefragt. Die zur Verfügung stehenden Signale werden in der Steuervorrichtung verarbeitet.
-
In dem nachfolgenden Schritt S2 wird die elektrische Maschine durch Ansteuern des elektrischen Wandlers auf der Grundlage der bestimmten Betriebsanforderung angesteuert. In der vorliegenden Ausführungsform wird dabei ein Rekuperativbetrieb vorgegeben, wenn erfasst wird, dass das Bremspedal ausgelenkt wird. Entsprechend dem Ausmaß der Auslenkung des Bremspedals wird der elektrische Wandler so angesteuert, dass die elektrische Maschine ein entsprechendes Bremsmoment erzeugt. Aufgrund des erzeugten Bremsmoments wird der Radlader verzögert. Die von der elektrischen Maschine aufgenommene mechanische Leistung wird in einem Generatorbetrieb in elektrische Leistung umgesetzt und durch den elektrischen Wandler in die Energiespeichervorrichtung eingespeist.
-
Wenn in Schritt S2 erfasst wird, dass das Fahrpedal betätigt wird, wird der elektrische Wandler derart angesteuert, dass die elektrische Maschine durch Aufnahme von elektrischer Leistung aus der Energiespeichervorrichtung mechanische Leistung erzeugt und an die Räder des Radladers abgibt. Insofern wird in dieser Situation der Radlader beschleunigt. Die Beschleunigung ist dabei abhängig von dem Ausmaß der Auslenkung des Fahrpedals, die durch den entsprechenden Sensor erfasst und an die Steuervorrichtung abgegeben und weiterverarbeitet wird.
-
In einem Schritt S3 wird eine Betriebstemperatur der Wicklung der elektrischen Maschine erfasst. Hierzu wird der vorstehend genannte Temperatursensor verwendet, der seine entsprechenden Signale in die Steuervorrichtung einspeist.
-
In einem Schritt S4 wird zwischen einem Rekuperativbetrieb und einem Antriebsbetrieb der elektrischen Maschine unterschieden. Zunächst wird die Vorgehensweise im Rekuperativbetrieb erläutert.
-
Sofern eine Betriebsanforderung zum Verzögern des Radladers vorliegt, wird die elektrische Maschine im Rekuperativbetrieb betrieben. Die in Schritt S3 erfasste Temperatur der Wicklung der elektrischen Maschine wird dabei von der Steuervorrichtung verarbeitet. In der Speichereinrichtung der Steuervorrichtung sind verschiedene Daten und insbesondere eine vorbestimmte Rekuperationsgrenztemperatur T(R1) abgelegt. In Schritt S4 wird im Rekuperativbetrieb die erfasste Betriebstemperatur der elektrischen Maschine mit der Rekuperationsgrenztemperatur T(R1) verglichen. Für den Fall, dass in Schritt S4 bestimmt wird, dass die Betriebstemperatur der elektrischen Maschine die Rekuperationsgrenztemperatur T(R1) überschritten hat, wird die maximale mechanische Eingangsleistung der elektrischen Maschine im Rekuperativbetrieb verringert. Diese Verringerung wird durch Ansteuern des elektrischen Wandlers vorgenommen.
-
Im Antriebsbetrieb, in welchem die elektrische Maschine mechanische Leistung abgibt, wird ebenfalls die Betriebstemperatur der elektrischen Maschine erfasst und in der Steuerungsvorrichtung verarbeitet. Wenn in Schritt S4 bestimmt wird, dass die Betriebstemperatur der elektrischen Maschine die vorbestimmte Antriebsgrenztemperatur T(A1) überschritten hat, wird die maximale mechanische Ausgangsleistung der elektrischen Maschine im Antriebsbetrieb durch Ansteuern des elektrischen Wandlers verringert.
-
Für die Verringerung der maximalen mechanischen Eingangsleistung im Rekuperativbetrieb und der maximalen mechanischen Ausgangsleistung im Antriebsbetrieb wird von einer maximalen Nennleistung im Rekuperativbetrieb und einer maximalen Nennleistung im Antriebsbetrieb ausgegangen. Anhand des in 2 dargestellten schematischen Diagramms wird ein Derating-Faktor DF für den Rekuperativbetrieb und für den Antriebsbetrieb bestimmt.
-
Wie in 2 gezeigt ist, wird die elektrische Maschine des Radladers bei niedrigen Temperaturen sowohl im Rekuperativbetrieb als auch im Antriebsbetrieb auf einer Leistung von 100% der Nennleistung betrieben, die eine maximale Leistung darstellt, für die die elektrische Maschine ausgelegt ist. Im Betrieb der elektrischen Maschine wird sowohl im Rekuperativbetrieb als auch im Antriebsbetrieb Wärme erzeugt. Aufgrund dieser Wärmeerzeugung steigt die Temperatur innerhalb der elektrischen Maschine, die, wie oben dargestellt ist, durch den Temperatursensor an der Wicklung erfasst wird. Wie in 2 gezeigt ist, wird in dem schematisch dargestellten Diagramm die Rekuperationsgrenztemperatur T(R1) festgelegt, bei der die von der elektrischen Maschine aufnehmbare mechanische Leistung im Rekuperativbetrieb graduell in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur verringert wird. Ferner ist in 2 erkennbar, dass eine Antriebsgrenztemperatur T(A1) vorgesehen ist, bei der die von der elektrischen Maschine abgebbare mechanische Leistung in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur verringert wird. Wie in dem Diagramm von 2 ersichtlich ist, ist die Rekuperationsgrenztemperatur T(R1) niedriger eingerichtet als die Antriebsgrenztemperatur T(A1). Insofern wird das Derating im Rekuperativbetrieb bei einer niedrigeren Temperatur eingeleitet als im Antriebsbetrieb. Ferner ist in dem Diagramm von 2 ersichtlich, dass der Gradient zur Verringerung der von der elektrischen Maschine aufnehmbaren mechanischen Leistung im Rekuperativbetrieb steiler ist als der Gradient zur Verringerung der von der elektrischen Maschine im Antriebsbetrieb abgebbaren mechanischen Leistung.
-
Somit wird in dem Schritt S4 ab Erreichen der Rekuperationsgrenztemperatur T(R1) im Rekuperativbetrieb beziehungsweise der Antriebsgrenztemperatur T(A1) im Antriebsbetrieb die Leistung der elektrischen Maschine verringert, um ein weiteres Ansteigen der Temperatur der elektrischen Maschine zu verringern. Ferner wird durch diese Vorgehensweise verhindert, dass Elemente der elektrischen Maschine durch den Temperatureinfluss altern.
-
Gemäß dem Konzept des vorliegenden Verfahrens wird zudem ein optimierter Betrieb des Radladers ermöglicht, der üblicherweise in einem häufigen Wechsel zwischen Rekuperativbetrieb und Antriebsbetrieb verwendet wird. Für den Fall nämlich, dass der Radlader sich im Rekuperativbetrieb, das heißt in einer Verzögerung, befindet, wird nach Überschreiten der Rekuperationsgrenztemperatur ein gewisses Derating der Leistung vorgenommen. Beim nachfolgenden und üblicherweise unmittelbaren Umschalten in einen Antriebsbetrieb steht ausreichend Antriebsleistung zur Verfügung, da das Derating im Antriebsbetrieb zum einen mit einer höheren Antriebsgrenztemperatur T(A1) als der Rekuperationsgrenztemperatur T(R1) einsetzt und einen flacheren Gradienten als im Rekuperativbetrieb aufweist. Somit kann verhindert werden, dass beim Umschalten vom Rekuperativbetrieb in den Antriebsbetrieb ein Leistungseinbruch von dem Betreiber des Radladers empfunden wird.
-
Wie ferner in 2 gezeigt ist, wird mit dem Deratingfaktor DF nach Erreichen der Rekuperativtemperatur T(R1) im Rekuperativbetrieb die Leistung der elektrischen Maschine ausgehend von 100% der Nennleistung linear verringert, wenn die Betriebstemperatur weiter ansteigt. Bei Erreichen einer Rekuperativabschattemperatur T(R2) wird der Rekuperativbetrieb vollständig abgeschaltet und in diesem Fall ist dann die Leistung der elektrischen Maschine 0% der Nennleistung.
-
Wie ebenfalls in 2 gezeigt ist, wird mit dem Deratingfaktor DF nach Erreichen der Antriebstemperatur T(A1) im Antriebsbetrieb die Leistung der elektrischen Maschine ausgehend von 100% der Nennleistung linear verringert, wenn die Betriebstemperatur weiter ansteigt. Bei Erreichen einer Antriebsabschalttemperatur T(A2) wird der Antriebsbetrieb vollständig abgeschaltet und in diesem Fall ist dann die Leistung der elektrischen Maschine 0% der Nennleistung.
-
In 2 ist ersichtlich, dass der Gradient, mit der der Deratingfaktor bei steigender Betriebstemperatur abfällt, für den Rekuperativbetrieb steiler eingestellt als für den Antriebsbetrieb. Mit dieser Ausgestaltung kann der Betrieb des Radladers weitergehend optimiert werden.
-
In einer Ausführungsform weist der Radlader ein Getriebe mit mehreren Schaltstufen auf. Das Getriebe ist im Kraftübertragungspfad zwischen der elektrischen Maschine und dem Fahrantrieb bzw. den Rädern des Radladers vorgesehen. In dieser Ausführungsform kann im Rekuperativbetrieb die Drehzahl der elektrischen Maschine angepasst werden, indem das Übersetzungsverhältnis durch entsprechende Steuersignale der Steuereinrichtung verändert wird. Wenn bspw. ein hohes Bremsmoment erforderlich ist, kann das Übersetzungsverhältnis des Getriebes so eingestellt werden, dass die Drehzahl der elektrischen Maschine erhöht wird, so dass ein höheres Bremsmoment zur Verfügung gestellt werden kann. Zudem kann auf der Grundlage der bestimmten Betriebstemperatur die Drehzahl der elektrischen Maschine so gesteuert werden, dass eine übermäßige Erhöhung der Temperatur verhindert werden kann. In Ähnlicher Weise kann die Steuerung des Getriebes im Antriebsbetrieb erfolgen.
-
Bezugszeichenliste
-
- S1
- Bestimmen einer Betriebsanforderung
- S2
- Betreiben der elektrischen Maschine
- S3
- Bestimmen einer Betriebstemperatur
- S4
- Verringern der maximalen mechanischen Eingangs-/Ausgangsleistung
- T(R1)
- Rekuperationsgrenztemperatur
- T(A1)
- Antriebsgrenztemperatur
- T(R2)
- Rekuperationsabschalttemperatur
- T(A2)
- Antriebsabschalttemperatur
- DF
- Deratingfaktor
