DE102021212421A1

DE102021212421A1 - Fahrantriebssystem und Verfahren zum Betreiben eines Fahrantriebssystems

Info

Publication number: DE102021212421A1
Application number: DE102021212421.6A
Authority: DE
Inventors: Rico Glöckner; Jan Döring; Johannes Kugler
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2021-11-04
Filing date: 2021-11-04
Publication date: 2023-05-04
Also published as: CN118103623A; WO2023078975A1

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Fahrantriebssystem (100) für eine Arbeitsmaschine. Das Fahrantriebssystem (100) weist mindestens einen Elektromotor (50), eine Getriebeeinrichtung (10) und eine Steuereinrichtung (110) auf. Die Steuereinrichtung (110) ist eingerichtet, um eine Übersetzung der Getriebeeinrichtung (10) in Abhängigkeit einer zu erwartenden Änderung der Motorleistung des mindestens einen Elektromotors (50) zu wählen. Die zu erwartende Änderung der Motorleistung ist durch die Änderung der Übersetzung der Getriebeeinrichtung (10) bedingt. Die zu erwartende Änderung der Motorleistung wird anhand zumindest eines Betriebsparameters der Arbeitsmaschine bestimmt. Die Erfindung beschreibt auch eine Arbeitsmaschine mit einem derartigen Fahrantriebssystem. Die Erfindung beschreibt zudem ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrantriebssystems (100) für eine Arbeitsmaschine, welches mindestens einen Elektromotor (50) und eine Getriebeeinrichtung (10) aufweist. In einem Verfahrensschritt wird anhand zumindest eines Betriebsparameters der Arbeitsmaschine eine zu erwartende Änderung der Motorleistung des mindestens einen Elektromotors (50) bestimmt. Die zu erwartende Änderung der Motorleistung ist durch die Änderung einer Übersetzung der Getriebeeinrichtung (10) bedingt. In einem weiteren Verfahrensschritt wird eine Übersetzung der Getriebeeinrichtung (10) in Abhängigkeit der zu erwartenden Änderung der Motorleistung gewählt. Die Erfindung beschreibt ferner eine Steuereinrichtung (110) zum Durchführen des Verfahrens.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrantriebssystem für eine Arbeitsmaschine. Die Erfindung betrifft zudem eine Arbeitsmaschine mit solch einem Fahrantriebssystem. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrantriebssystems für eine Arbeitsmaschine und eine Steuereinrichtung zum Durchführen eines derartigen Verfahrens.
Stand der Technik
Elektrisch angetriebene Arbeitsmaschinen sind bekannt. Deren Antriebsstränge können einen Elektromotor und ein damit mechanisch wirkverbundenes Getriebe mit mindestens zwei Schaltstufen aufweisen. Anhand einer Fahranforderung und einem Kennfeld des Elektromotors kann eine entsprechende Schaltstufe gewählt werden. Hierbei sind große Überschneidungen der Schaltstufen hinsichtlich Geschwindigkeit und Zugkraft der Arbeitsmaschine möglich.
Darstellung der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich in einem Aspekt auf ein Fahrantriebssystem für eine Arbeitsmaschine. Das Fahrantriebssystem kann als ein elektrisches Fahrantriebssystem für eine elektrisch betreibbare Arbeitsmaschine ausgebildet sein. Das Fahrantriebssystem ist zum Fortbewegen der Arbeitsmaschine ausgebildet. Der Fahrantrieb der Arbeitsmaschine kann ein Fahrwerk antreiben, mit welchem die Arbeitsmaschine bewegt werden kann. Bei der Arbeitsmaschine kann es sich um eine selbstfahrende Arbeitsmaschine (sfAM) handeln. Bei der Arbeitsmaschine kann es sich daher um eine mobile Arbeitsmaschine handeln. Die Arbeitsmaschine kann als eine batteriebetriebene Arbeitsmaschine beziehungsweise als eine sogenannte BEV-Arbeitsmaschine ausgebildet sein. Die Arbeitsmaschine kann als ein Fahrzeug ausgebildet sein, welches zum Durchführen von mindestens einer Arbeitsaufgabe ausgebildet ist, welche nicht zum Befördern von Personen und/oder Gütern bestimmt ist. Die Arbeitsmaschine kann hierfür eine Arbeitseinrichtung beziehungsweise ein Arbeitswerkzeug aufweisen. Zum Antreiben der Arbeitseinrichtung kann die Arbeitsmaschine einen Arbeitsantrieb aufweisen. Bei der Arbeitsmaschine kann es sich um eine Baumaschine und/oder um eine Landmaschine handeln. Beispielsweise ist die Arbeitsmaschine ein Radlader, ein Traktor, ein Betonmischer, ein Entsorgungsfahrzeug oder ein Kühlfahrzeug. Bei der Arbeitsmaschine kann es sich um eine automatisiert betreibbare Arbeitsmaschine handeln, welche ferngesteuert werden kann. Die automatisiert betreibbare Arbeitsmaschine kann als eine autonome Arbeitsmaschine ausgebildet sein.
Das Fahrantriebssystem weist mindestens einen Elektromotor und eine Getriebeeinrichtung auf. Ein Fahrantrieb der Arbeitsmaschine kann über die Getriebeeinrichtung und den mindestens einen Elektromotor angetrieben werden. Ferner kann ein Arbeitsantrieb der Arbeitsmaschine über eine Kupplung durch den mindestens einen Elektromotor angetrieben werden. Der mindestens eine Elektromotor kann von einer Energiequelle mit Energie versorgt werden. Bei der Energiequelle kann es sich um eine Batterie und/oder um eine Brennstoffzelle handeln, welche auf der Arbeitsmaschine angeordnet sein kann. Der Elektromotor kann als eine Asynchronmaschine, eine Synchronmaschine und/oder eine Reluktanzmaschine ausgebildet sein. Mit anderen Worten kann der mindestens eine Elektromotor jedes bekannte Elektromotorkonzept aufweisen, welches dafür ausgelegt ist, einen Fahrantrieb einer Arbeitsmaschine anzutreiben.
Das Fahrantriebssystem weist zudem eine Steuereinrichtung auf, welche eingerichtet ist, um eine Übersetzung der Getriebeeinrichtung in Abhängigkeit einer zu erwartenden Änderung der Motorleistung des mindestens einen Elektromotors zu wählen. Die zu erwartende Änderung der Motorleistung ist hierbei durch die Änderung der Übersetzung der Getriebeeinrichtung bedingt und wird anhand zumindest eines Betriebsparameters der Arbeitsmaschine bestimmt. Unter einer Einrichtung einer Steuereinrichtung zum Durchführen eines Schritts wird die spezifische Herrichtung, beispielsweise Programmierung, der Steuereinrichtung zum Durchführen des Schritts verstanden. Der zumindest eine Betriebsparameter kann somit eine Eingangsgröße für die Steuereinrichtung darstellen, welche von dieser über mindestens eine Schnittstelle eingelesen werden kann. Die Steuereinrichtung kann hieraus dann die zu erwartende Änderung der Motorleistung des Elektromotors bestimmen. Die Steuereinrichtung kann ferner eine Schnittstelle zum Ausgeben eines Steuerbefehls an die Getriebeeinrichtung aufweisen. Der Steuerbefehl kann ein gewähltes und von der Getriebeeinrichtung bereitstellbares Übersetzungsverhältnis aufweisen. Die Steuereinrichtung kann ferner als Getriebesteuerung dazu eingerichtet sein, die Übersetzung der Getriebeeinrichtung einzustellen. Die Steuereinrichtung kann als Fahrstrategiesteuerung beziehungsweise als Fahrstrategieregler fungieren.
Die Getriebeeinrichtung kann zumindest eine Übersetzung aufweisen. Gemäß dieser Übersetzung kann die Getriebeeinrichtung eine Motordrehzahl des Elektromotors in eine Antriebsdrehzahl zum Antreiben der Arbeitsmaschine übersetzen. Alternativ oder zusätzlich kann die Getriebeeinrichtung auch eine Motordrehzahl des Elektromotors in eine Arbeitsdrehzahl für eine Arbeitseinrichtung der Arbeitsmaschine übersetzen. Die Getriebeeinrichtung kann hierzu sowohl mit dem Elektromotor einerseits wie auch mit einer Antriebseinrichtung zum Antreiben der Arbeitsmaschine beziehungsweise mit der Arbeitseinrichtung der Arbeitsmaschine andererseits mechanisch wirkverbunden sein. Diese Übersetzung kann mittels ineinandergreifender Zahnräder erfolgen. Je nach Art der Arbeitsmaschine kann die Getriebeeinrichtung auch mehrere Übersetzungen aufweisen. In diesem Fall kann beispielsweise eine erste Übersetzung für einen Fahrzustand der Arbeitsmaschine und eine zweite Übersetzung für einen Arbeitszustand der Arbeitsmaschine vorgesehen sein. Zwischen diesen Übersetzungen kann dann während eines Betriebs der Arbeitsmaschine gewechselt werden, beispielsweise durch Betätigen eines Bedienelements durch den Fahrer der Arbeitsmaschine. Bei der Änderung der Übersetzung der Getriebeeinrichtung kann es sich um einen Schaltvorgang zwischen zwei verschiedenen Schaltstufen der Arbeitsmaschine handeln.
Wie oben beschrieben können verschiedene Übersetzungen der Getriebeeinrichtung für die jeweiligen Betriebszustände der Arbeitsmaschine, wie beispielsweise einen Fahrzustand und einen Arbeitszustand, vorgesehen sein. Mittels dieser verschiedenen Übersetzungen kann die von dem Elektromotor zur Verfügung gestellte Leistung in einer für den jeweiligen Betriebszustand der Arbeitsmaschine geeigneten Weise an die Antriebseinrichtung beziehungsweise die Arbeitseinrichtung der Arbeitsmaschine übertragen werden. Beispielsweise kann in einem Fahrzustand der Arbeitsmaschine mittels einer ersten Übersetzung der Getriebeeinrichtung ein Großteil der Motorleistung des Elektromotors möglichst gleichmäßig an die Antriebseinrichtung der Arbeitsmaschine übertragen werden, um ein schnelles und ruhiges Fahren der Arbeitsmaschine zu ermöglichen. Der verbleibende Anteil der Motorleistung kann dann mittels dieser ersten Übersetzung derart an die Arbeitseinrichtung übertragen werden, dass diese lediglich in einem gewünschten Zustand gehalten werden kann. Ein Bewegen der Arbeitseinrichtung ist bei diesem Ausführungsbeispiel in der ersten Übersetzung nicht möglich. Bei einem weiterem Beispiel wird in einem Arbeitszustand der Arbeitsmaschine die Motorleistung des Elektromotors mittels einer zweiten Übersetzung der Getriebeeinrichtung derart an die Arbeitseinrichtung übertragen, dass ein bedarfsgerechtes, beispielsweise ein genaues oder schnelles Arbeiten der Arbeitsmaschine ermöglicht werden kann. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Antriebseinrichtung der Arbeitsmaschine in der zweiten Übersetzung geringfügig mit Motorleistung versorgt. Mit anderen Worten kann eine Änderung der Übersetzung der Getriebeeinrichtung zu einer Änderung der Motorleistung des Elektromotors führen.
Abhängig von dem jeweiligen Betriebszustand der Arbeitsmaschine kann die Steuereinrichtung anhand zumindest eines Betriebsparameters der Arbeitsmaschine die durch eine Änderung der Übersetzung der Getriebeeinrichtung bedingte Änderung der Motorleistung des Elektromotors bestimmen. Die Steuereinrichtung kann die Änderung der Motorleistung beispielsweise hinsichtlich ihres absoluten Wertes, ihres relativen Wertes, ihrer Gesamtdauer oder ihres zeitlichen Verlaufs, insbesondere ihrer Amplitude bestimmen. Hierzu kann der zumindest eine Betriebsparameter direkt erfasst und daraus die zu erwartende Änderung der Motorleistung des Elektromotors bestimmt werden. Die Änderung der Motorleistung kann beispielsweise mithilfe einer von der Steuereinrichtung durchgeführten Simulation bestimmt werden. Alternativ kann der Wert des erfassten Betriebsparameters der Arbeitsmaschine von der Steuereinrichtung in einem Zwischenschritt weiterverarbeitet und erst in einem darauf folgenden Schritt die zu erwartende Änderung der Motorleistung bestimmt werden. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung zunächst aus mehreren erfassten Absolutwerten des Betriebsparameters dessen zeitliche Änderung ermitteln und aus dieser zeitlichen Änderung anschließend die zu erwartende Änderung der Motorleistung des Elektromotors bestimmen.
Das vorgeschlagene Fahrantriebssystem ermöglicht ein Fortbewegen mit einer elektrifizierten Arbeitsmaschine in einer leistungsoptimierten Art und Weise. Genauer gesagt kann mit dem vorgeschlagenen Fahrantriebssystem eine Änderung der Übersetzung der Getriebeeinrichtung derart umgesetzt werden, dass ein durch die Änderung der Übersetzung hervorgerufener Einbruch der Motorleistung des Elektromotors möglichst vermieden wird. Bei einem durch die Änderung der Übersetzung hervorgerufenen Einbruch der Motorleistung des Elektromotors kann es sich um einen Zugkrafteinbruch handeln. Die Zugkraft des Elektromotors wird gemäß der vorliegenden Erfindung auf Kosten einer höheren thermischen Belastung des Fahrantriebssystems möglichst konstant gehalten. Die durch einen Zugkrafteinbruch hervorgerufenen Nachteile wie beispielsweise ein unruhiges Fahrverhalten oder eine unzureichende Leistungsversorgung der Arbeitseinrichtung zur Verrichtung der notwendigen Arbeit können somit vermieden werden.
Nach einer Ausführungsform des Fahrantriebssystems ist der zumindest eine Betriebsparameter aus einem der folgenden ausgewählt: a) einer Geschwindigkeit der Arbeitsmaschine, b) einer Änderung der Geschwindigkeit der Arbeitsmaschine, und c) einer Änderung der von einer elektrischen Energiequelle zur Energieversorgung des mindestens einen Elektromotors abgegebenen elektrischen Energie. Aus diesen Parametern kann sehr zuverlässig eine bevorstehende Änderung der Motorleistung des Elektromotors, insbesondere ein Zugkrafteinbruch, ermittelt werden. Beispielsweise kann bei einer relativ hohen Geschwindigkeit der Arbeitsmaschine davon ausgegangen werden, dass eine Änderung der Übersetzung der Getriebeeinrichtung zu einem vergleichsweise hohen Zugkrafteinbruch führt. Die momentane Übersetzung der Getriebeeinrichtung sollte demnach in einem solchen Fall beibehalten werden. Analog kann bei einer relativ niedrigen Geschwindigkeit der Arbeitsmaschine davon ausgegangen werden, dass eine Änderung der Übersetzung der Getriebeeinrichtung nur zu einem vergleichsweise geringen Zugkrafteinbruch führt. Hier kann demnach ein Schaltvorgang durchgeführt werden. Weiterhin kann eine Änderung der Momentangeschwindigkeit der Arbeitsmaschine beispielsweise ein Indiz dafür sein, dass diese von einer längeren Fahrt zu einer Arbeitsstelle zurückkehrt. Dies kann beispielsweise bei einer abnehmenden Geschwindigkeit der Fall sein. Alternativ kann bei einer zunehmenden Geschwindigkeit davon ausgegangen werden, dass die Arbeitsmaschine sich von einer Arbeitsstelle beladen auf eine längere Transportfahrt begibt. Im ersten Fall ist wiederum nur mit einem geringen Zugkrafteinbruch durch einen Schaltvorgang zu rechnen, während im zweiten Fall ein Schaltvorgang zu einer relativ großen Zugkraftänderung führen kann. Schließlich kann eine Zunahme der von der Energiequelle abgegebenen Energiemenge beispielsweise darauf hindeuten, dass mit einem Arbeitsvorgang begonnen wird. In einem solchen Fall kann eine Änderung der Übersetzung der Getriebeeinrichtung zu einem unerwünscht hohen Zugkrafteinbruch führen. Ein Schaltvorgang kann dann durch das erfindungsgemäße Fahrantriebssystem vermieden werden. Alternativ kann eine Abnahme der von der Energiequelle abgegebenen Energiemenge beispielsweise darauf hindeuten, dass ein Arbeitsvorgang beendet ist und mit einer Transportfahrt begonnen wird. In diesem Fall kann eine Änderung der Übersetzung der Getriebeeinrichtung lediglich einem geringen Zugkrafteinbruch bewirken. Ein Schaltvorgang kann dann erfolgen. Schließlich sind die ausgewählten Betriebsparameter leicht und kostengünstig messbar. Die Auswahl der beschriebenen Betriebsparameter ermöglicht somit eine zuverlässige und zugleich einfache und kostengünstige Bestimmung einer zu erwartenden Änderung der Motorleistung des Elektromotors.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Fahrantriebssystems ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, um mindestens zwei verschiedenen Übersetzungen der Getriebeeinrichtung zu wählen. Die Steuereinrichtung kann beispielsweise zwischen einer Übersetzung, welche für eine längere Fahrt geeignet ist und einer Übersetzung, welche für einen Arbeitsvorgang der Arbeitsmaschine geeignet ist wählen. Demnach kann für jede wählbare Übersetzung ein Zugkrafteinbruch vermieden werden. Das Fahrgefühl und der Bedienkomfort für einen Fahrer der Arbeitsmaschine kann dadurch verbessert werden.
Bei dieser Ausführungsform des Fahrantriebssystems ist die Steuereinrichtung eingerichtet, eine von einer ersten Übersetzung der Getriebeeinrichtung verschiedene zweite Übersetzung zu wählen, wenn die zu erwartende Änderung der Motorleistung unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts liegt. Der Schwellenwert kann beispielsweise durch eine Solldrehzahl des Elektromotors, eine Solldrehzahl der Antriebseinrichtung oder eine Solldrehzahl der Arbeitseinrichtung bestimmt sein. Alternativ kann der Schwellenwert durch eine Minimal- oder Maximaldrehzahl der oben genannten Komponenten bestimmt sein. Der Schwellenwert kann je nach gewählter Übersetzung der Getriebeeinrichtung unterschiedlich sein. Alternativ kann auch ein für alle wählbaren Übersetzungen identischer, insbesondere maximaler Schwellenwert bestimmt werden. Der Schwellenwert kann in Abhängigkeit des mindestens einen Betriebsparameters bestimmt sein. Der Schwellenwert kann auch unabhängig von den mindestens einen Betriebsparameter bestimmt sein. Beispielsweise kann der Schwellenwert mittels einer Benutzereingabe bestimmt werden. Je nach Betriebsdauer oder Betriebszustand der Arbeitsmaschine kann der Schwellenwert anpassbar sein. Das Wählen der Übersetzung der Getriebeeinrichtung mittels eines Schwellenwerts bietet die Möglichkeit einer nachvollziehbaren Aufzeichnung und Überwachung des Auswahlvorgangs der Steuereinrichtung. Mit anderen Worten ist anhand einer Über- bzw. Unterschreitung des Schwellenwertes leicht nachvollziehbar, ob ein Schaltvorgang stattgefunden hat oder nicht. Weiterhin kann durch manuelle Anpassung des Schwellenwertes die Auswahl der Gänge durch die Steuereinrichtung beispielsweise an die Bedürfnisse des Fahrers oder eine Betriebssituation aktiv angepasst werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform des Fahrantriebssystems ist die Steuereinrichtung eingerichtet, die Übersetzung der Getriebeeinrichtung unter Berücksichtigung einer Gesamtleistung des Fahrantriebssystems zu wählen. Zusätzlich zur Auswahl der Übersetzung der Getriebeeinrichtung kann dann die Gesamtleistung des Fahrantriebssystems als weiteres Auswahlkriterium für eine geeignete Schaltstufe hinsichtlich einer Minimierung des Zugkrafteinbruchs dienen. In vorteilhafter Weise kann dadurch das Schaltverhalten der Arbeitsmaschine auch hinsichtlich einer Optimierung der Gesamtleistung des Fahrantriebssystems gesteuert werden.
Die Gesamtleistung des Fahrantriebssystems kann anhand zumindest eines der folgenden Betriebsparameter der Arbeitsmaschine bestimmt werden: a) eine Leistungsänderung während der Änderung der Übersetzung; b) eine Leistungsänderung aufgrund unterschiedlicher Wirkungsgrade der Übersetzungen der Getriebeeinrichtung; c) eine Leistungsänderung aufgrund einer unvollständigen Kraftübertragung innerhalb des Fahrantriebssystems; und d) einer in einer Speichervorrichtung der Arbeitsmaschine hinterlegten Leistungskennlinie des Fahrantriebsystems. Eine Leistungsänderung während der Änderung der Übersetzung kann beispielsweise durch das Auftreten einer mechanischen oder thermischen Belastung bei dem Ineinandergreifen der Zahnräder der Getriebeeinrichtung entstehen. Je nach Drehzahl des Elektromotors kann beim Ändern der Übersetzung der Getriebeeinrichtung die vom Elektromotor erzeugte Leistung unterschiedlich an die Antriebs- oder Arbeitseinrichtung übertragen werden. Hierdurch kann es ebenfalls zu Leistungsänderungen innerhalb der Gesamtleistung des Fahrantriebssystems kommen. Weiterhin kann die Schaltung mittels eines manuellen Kraftübertragungsübertragungselements, insbesondere einer Kupplung stattfinden. Durch falsches oder zu schnelles Betätigen der Kupplung kann die Gesamtleistung des Fahrantriebssystems ebenfalls beeinträchtigt werden. Schließlich können beispielsweise aufgrund früherer Aufzeichnungen des Fahrverhaltens der Arbeitsmaschine Leistungskennlinien des Fahrantriebssystems in einer Speichereinrichtung der Arbeitsmaschine hinterlegt worden sein. Diese können beispielsweise ein gewünschtes Fahrverhalten oder ein unerwünschtes Fahrverhalten der Arbeitsmaschine repräsentieren. Auch anhand dieser Leistungskennlinien kann die Gesamtleistung des Fahrantriebssystems bestimmt werden. Die oben beschriebenen Parameter sind leicht messbar beziehungsweise quantifizierbar und bilden zugleich die Gesamtleistung des Fahrantriebssystems präzise ab. Die Auswahl der beschriebenen Parameter ermöglicht somit eine zuverlässige und zugleich einfache Bestimmung Gesamtleistung des Fahrantriebssystems.
Nach einer weiteren Ausführungsform des Fahrantriebssystems ist die Steuereinrichtung eingerichtet, die Übersetzung der Getriebeeinrichtung ferner unter Berücksichtigung eines Temperaturzustands in dem Fahrantriebssystem zu wählen. Beispielsweise kann die Temperatur einer Wicklung des Elektromotors überwacht und aus einer Änderung derselben eine Zeitdauer geschätzt werden, während welcher der Elektromotor den aktuellen Betriebszustand aufrechterhalten kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Temperatur einer Kupplung der Arbeitsmaschine gemessen und daraus eine geschätzte Betriebsdauer derselben geschätzt werden. Demnach kann neben dem geschätzten Zugkrafteinbruch auch anhand einer Temperatur zumindest einer der Komponenten des Fahrantriebssystems eine Änderung der Übersetzung der Getriebeeinrichtung gewählt werden. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise ein Schaltvorgang auch hinsichtlich einer Temperaturbelastung innerhalb des Fahrantriebssystem durchgeführt oder vermieden werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform umfasst das Fahrantriebssystem einen Sensor zur Erfassung einer die Arbeitsmaschine umgebenden Geländestruktur. Gemäß dieser Ausführungsform ist die Steuereinrichtung eingerichtet, die Übersetzung der Getriebeeinrichtung unter Berücksichtigung der Geländestruktur zu wählen. Beispielsweise kann durch den Sensor in Fahrtrichtung vor der Arbeitsmaschine eine Steigung oder ein unebener Untergrund erkannt werden. In diesem Fall kann das Auswählen einer anderen Übersetzung zu einem Zugkrafteinbruch führen, welcher dank des vorgeschlagenen Fahrantriebssystem vermieden werden kann. Umgekehrt kann bei der Erfassung einer ebenen und geraden Fahrbahn durch den Sensor ein Schaltvorgang nur zu einer geringen Änderung der Motorleistung führen. Hier kann die Steuereinrichtung dann eine andere Übersetzung der Getriebeeinrichtung wählen. Der Vorteil einer zusätzlichen Auswahl der Übersetzung der Getriebeeinrichtung anhand einer erfassten Geländestruktur besteht darin, dass die Änderung der Motorleistung des Elektromotors auch anhand eines zu befahrenden Geländes angepasst werden kann. Das Schaltverhalten des Fahrantriebssystems kann demnach weiter verfeinert werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform des Fahrantriebssystems ist die Steuereinrichtung eingerichtet, um die Übersetzung der Getriebeeinrichtung unter Berücksichtigung von einem Betriebszustand von einer mit einem Arbeitsantrieb wirkverbundenen Arbeitseinrichtung zu wählen. Der Betriebszustand kann einen Betriebszustand einer Arbeitshydraulik oder von einem Arbeitswerkzeug der Arbeitseinrichtung aufweisen. Der Betriebszustand kann eine Lage, eine Bewegung oder einen Füllzustand des Arbeitswerkzeugs aufweisen. Bei dem Arbeitswerkzeug kann es sich beispielsweise um ein Hubgerüst oder eine Schaufel handeln. Somit kann die Getriebeeinrichtung unter Berücksichtigung einer aktuellen Arbeitssituation derart angesteuert werden, dass auch während der aktuellen Arbeitssituation der mindestens eine Elektromotor in einem optimierten Betriebspunkt betrieben werden kann. Handelt es sich bei der Arbeitsmaschine um einen Radlader, kann der Betriebszustand des Hubgerüsts oder der Schaufel beispielsweise während eines Rise-Runs des Radladers berücksichtigt werden, bei dem der Radlader anfährt und gleichzeitig die Schaufel hebt.
Die Erfindung bezieht sich in einem weiteren Aspekt auf eine Arbeitsmaschine mit einem Fahrantriebssystem gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen.
Das Fahrantriebssystem ist dazu eingerichtet, die Arbeitsmaschine mittels eines Fahrantriebs anzutreiben.
Die Erfindung bezieht sich in einem weiteren Aspekt auf ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrantriebssystems für eine Arbeitsmaschine, welche mindestens einen Elektromotor und eine Getriebeeinrichtung aufweist. In einem Schritt des Verfahrens wird anhand zumindest eines Betriebsparameters der Arbeitsmaschine eine zu erwartende Änderung der Motorleistung des mindestens einen Elektromotors bestimmt. Die zu erwartende Änderung der Motorleistung ist durch die Änderung einer Übersetzung der Getriebeeinrichtung bedingt. In einem weiteren Schritt des Verfahrens wird eine Übersetzung der Getriebeeinrichtung in Abhängigkeit der zu erwartenden Änderung der Motorleistung gewählt.
Die Erfindung bezieht sich in einem weiteren Aspekt auf eine Steuereinrichtung, welche mittels zumindest einer Schnittstelle mit einem Fahrantriebssystem gemäß dem ersten Aspekt verbindbar und eingerichtet ist, um die Schritte des Verfahrens nach dem zweiten Aspekt durchzuführen. Bei der Steuereinrichtung kann es sich um die zum ersten Aspekt beschriebene Steuereinrichtung handeln. Hinsichtlich des Verständnisses der einzelnen Merkmale und deren Vorteile wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.
Figurenliste

1 zeigt schematisch ein Fahrantriebssystem mit weiteren Komponenten einer Arbeitsmaschine nach einer Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt schematisch den von der Steuereinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung durchgeführten Prozess zur Auswahl einer Übersetzung der Getriebeeinrichtung.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm mit Schritten eines Verfahrens zum Betreiben eines Fahrantriebssystems für eine Arbeitsmaschine nach einer Ausführungsform der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
1 zeigt schematisch ein Fahrantriebssystem 100 einer lediglich angedeuteten Arbeitsmaschine 200. Das in 1 gezeigte Fahrantriebssystem 100 weist einen Elektromotor 50 und eine Energiequelle 60 auf. Die Energiequelle 60 versorgt den Elektromotor 50 mit Energie und ist hierfür mit dem Elektromotor 50 elektrisch verbunden.
Das Fahrantriebssystem 100 weist zudem eine Getriebeeinrichtung 10 auf. Die Getriebeeinrichtung 10 verfügt über zwei Getriebestufen, welche jeweils eine Übersetzung 30, 40 repräsentieren. Die Getriebestufen 30, 40 sind jeweils über ein Schaltelement 20 des Getriebes 10 mit dem Elektromotor 50 mechanisch verbunden. Ferner sind die Getriebestufen 30, 40 der Getriebeeinrichtung 10 über einen ersten Getriebeausgang 14 mit einem Fahrantrieb 80 der Arbeitsmaschine 200 mechanisch verbunden. Der Fahrantrieb 80 ist mit einem Fahrwerk 82 zum Antreiben desselben mechanisch wirkverbunden. Die Getriebestufen 30, 40 der Getriebeeinrichtung 10 des Fahrantriebssystems 100 sind zudem über einen zweiten Getriebeausgang 24 mit einem Arbeitsantrieb 90 der Arbeitsmaschine 200 mechanisch verbunden. Der Arbeitsantrieb 90 ist mit einer Arbeitseinrichtung 92 zum Antreiben derselben verbunden. In nicht gezeigten Ausführungsformen weist die Arbeitseinrichtung 92 eine rotatorisch antreibbare Trommel eines Betonmischers, eine hydraulisch betätigbare Presse eines Entsorgungsfahrzeugs oder eine hydraulisch bewegbare Schaufel eines Radladers auf.
Die Getriebeeinrichtung 10 des Fahrantriebssystems 100 ist ausgebildet, eine erste Motordrehzahl 52 des Elektromotors 50 durch Wählen einer der beiden Übersetzungen 30, 40 in eine erste Antriebsdrehzahl 54 des Fahrantriebs 80 oder eine erste Antriebsdrehzahl 64 des Arbeitsantriebs 90 zu übersetzen. Die Getriebeeinrichtung 10 ist zudem ausgebildet, um eine zweite Motordrehzahl 62 des Elektromotors 50 durch Wählen einer der beiden Übersetzungen 30, 40 in eine zweite Antriebsdrehzahl 56 des Fahrantriebs 80 oder eine zweite Antriebsdrehzahl 66 des Arbeitsantriebs 90 zu übersetzen. In der 1 sind die Antriebsdrehzahlen 54 und 56 des Fahrantriebs 80 sowie die Antriebsdrehzahlen 64, 66 des Arbeitsantriebs 90 jeweils durch ein gemeinsames Element dargestellt. Diese Darstellung dient jedoch nur der Übersichtlichkeit und ist keinesfalls einschränkend zu verstehen. Insbesondere können die ersten und zweiten Antriebsdrehzahlen 54, 56 und 64, 66 jeweils erheblich voneinander verschieden sein.
Das Fahrantriebssystem 100 weist zudem eine Steuereinrichtung 110 zum Ansteuern der Getriebeeinrichtung 10 auf. Die Steuereinrichtung 110 ist hierfür mit der Getriebeeinrichtung 10 über eine jeweilige Steuerungsschnittstelle 11, 111 der Getriebeeinrichtung 10 und der Steuereinrichtung 110 kommunikativ verbunden. Die Steuereinrichtung 110 steuert die Getriebeeinrichtung 10 mittels des Schaltelements 20 an, um eine jeweilige Übersetzung 30, 40 der Getriebeeinrichtung 10 einzustellen. Die Auswahl einer Übersetzung 30, 40 der Getriebeeinrichtung 10 durch die Steuereinrichtung 110 wird im Folgenden genauer beschrieben.
Im Ausführungsbeispiel der 1 ist die Übersetzung 30 der Getriebeeinrichtung 10 ausgewählt. Dies ist durch eine Ansteuerung der für die Übersetzung 30 repräsentativen Getriebestufe durch die Steuereinrichtung 110 über das Schaltelement 20 dargestellt. Demgegenüber wird die für die Übersetzung 40 repräsentative Getriebestufe nicht über das Schaltelement 20 von der Steuereinrichtung 110 angesteuert. Zunächst erfasst die Steuereinrichtung 110 mittels eines Sensors 120 einen Betriebsparameter der Arbeitsmaschine 200. Weiterhin erfasst die Steuereinrichtung 110 mittels eines Sensors 70 eine Motorleistung des Elektromotors 50. Hieraus ermittelt die Steuereinrichtung 110 eine durch eine Änderung der Übersetzung 30 zu einer Übersetzung 40 bedingte Änderung der Motorleistung des Elektromotors 50. Liegt diese Änderung der Motorleistung unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes, steuert die Steuereinrichtung 110 über das Schaltelement 20 nun die für die Übersetzung 40 repräsentative Getriebestufe an. Liegt die Änderung der Motorleistung hingegen oberhalb des Schwellenwerts, steuert die Steuereinrichtung 110 weiterhin über das Schaltelement 20 die für die Übersetzung 30 repräsentative Getriebestufe an. Abhängig von einer Leistung des Elektromotors 50 und dem über den Sensor 120 erfassten Betriebsparameter kann die Steuereinrichtung 110 demnach zwischen den jeweils geeigneten Übersetzungen 30, 40 wählen.
Gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung kann die Steuereinrichtung 110 noch weitere Kenngrößen in die Auswahl der Übersetzung 30, 40 der Getriebeeinrichtung 10 einbeziehen. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 110 über den Sensor 130 eine Temperatur des Fahrantriebssystems 100 berücksichtigen. Alternativ oder zusätzlich kann über den Sensor 140 eine Gesamtleistung des Fahrantriebssystems 100 erfasst und bei der Auswahl der Übersetzungen 30, 40 von der Steuereinrichtung 110 berücksichtigt werden. Analog hierzu kann die Steuereinrichtung 110 über den Sensor 150 eine die Arbeitsmaschine 200 umgebende Geländestruktur oder über den Sensor 160 zumindest ein Betriebszustand der Arbeitseinrichtung 92 erfasst und bei der Auswahl der Übersetzungen 30, 40 von der Steuereinrichtung 110 berücksichtigt werden.
2 zeigt einen von der Steuereinrichtung 110 durchgeführten Auswahlprozess zum Wählen einer Übersetzung 30, 40 der Getriebeeinrichtung 10. Der Prozess beginnt im Schritt 210 mit dem Erkennen einer bevorstehenden Änderung einer Übersetzung 30, 40. Hierbei kann es sich beispielsweise um das Erkennen eines Schaltvorgangs handeln. Darauffolgend wird im Schritt 220 zumindest ein Betriebsparameter der Arbeitsmaschine 200, beispielsweise über den Sensor 120, gemessen. Genauer gesagt wird zumindest einer der folgenden Parameter von dem Sensor 120 gemessen: eine Geschwindigkeit der Arbeitsmaschine im Schritt 222, eine Änderung der Geschwindigkeit im Schritt 224 oder eine Änderung der von der Energiequelle 60 abgegebenen Energie im Schritt 226. Anhand des gemessenen Betriebsparameters bestimmt die Steuereinrichtung 110 im Schritt 230 eine zu erwartende Änderung der Motorleistung des Elektromotors 50. Im Schritt 250 wird die zu erwartende Änderung der Motorleistung dann von der Steuereinrichtung 110 mit einem Schwellenwert verglichen. Sofern die Änderung der Motorleistung nicht unterhalb des Schwellenwertes liegt, behält die Steuereinrichtung 110 die momentan eingelegte Schaltstufe (in der 2 die Schaltstufe S1) bei. Liegt die Änderung der Motorleistung hingegen unterhalb des Schwellenwerts, wählt die Steuereinrichtung 110 eine andere als die momentan eingelegte Schaltstufe (in der 2 die Schaltstufe S2).
In einem optionalen Schritt 240 (in der 2 dargestellt durch eine gestrichelte Umrandung) wird noch zumindest ein weiterer Parameter innerhalb oder außerhalb der Arbeitsmaschine 200 (beispielsweise über die Sensoren 130, 140, 150 oder 160) gemessen. Genauer gesagt wird im optionalen Schritt 242 eine Gesamtleistung des Fahrantriebssystems 100 der Arbeitsmaschine 200 gemessen. Alternativ oder zusätzlich wird im optionalen Schritt 244 ein Temperaturzustand des Fahrantriebssystems 100 gemessen. Alternativ oder zusätzlich wird im optionalen Schritt 246 eine Geländestruktur außerhalb der Arbeitsmaschine 200 gemessen. Alternativ oder zusätzlich wird im optionalen Schritt 248 ein Betriebszustand der Arbeitseinrichtung 92 der Arbeitsmaschine 200 gemessen. Diese optional gemessenen Parameter werden von der Steuereinrichtung 110 in einem optionalen Schritt 260 (in der 2 dargestellt durch eine gestrichelte Umrandung) neben der Änderung der Motorleistung des Elektromotors 50 bei der Auswahl der Übersetzungen 30, 40 berücksichtigt.
In 3 sind Schritte S1, S2 zum Ausführen eines Verfahrens zum Betreiben des in der 1 gezeigten Fahrantriebssystems 100 mittels der in 2 gezeigten Steuereinrichtung 110 in einer zeitlichen Abfolge gezeigt. In einem ersten Schritt S1 erfolgt ein Bestimmen, anhand zumindest eines Betriebsparameters der Arbeitsmaschine 200, einer zu erwartenden Änderung der Motorleistung des mindestens einen Elektromotors 50, welche durch die Änderung einer Übersetzung 30, 40 der Getriebeeinrichtung 10 bedingt ist. In einem darauffolgenden zweiten Schritt S2 wird durch die Steuereinrichtung 110 in Abhängigkeit der zu erwartenden Änderung der Motorleistung eine Übersetzung 30, 40 der Getriebeeinrichtung 10, wie zu 2 beschrieben, gewählt.
Bezugszeichenliste

10: Getriebeeinrichtung
11, 111: Steuerungsschnittstelle
14, 24: Getriebeausgang
20: Schaltelement
30, 40: Übersetzungen
50: Elektromotor
60: Energiequelle
52, 62: Motordrehzahl
54, 56: Antriebsdrehzahl
64 ,66: Antriebsdrehzahl
70: Sensor
80: Fahrantrieb
82: Fahrwerk
90: Arbeitsantrieb
92: Arbeitseinrichtung
100: Fahrantriebssystem
110: Steuereinrichtung
120, 130, 140, 150, 160: Sensor
200: Arbeitsmaschine
210: Schaltungserkennung
220, 222, 224, 226: Messen eines Betriebsparameters
230: Bestimmen einer Änderung der Motorleistung
240, 242, 244, 246, 248: optionale Messschritte
250: Vergleich mit Schwellenwert
260: optionale Berücksichtigung weiterer Parameter
S1: Bestimmen einer Änderung der Motorleistung
S2: Übersetzungswahl

Claims

Fahrantriebssystem (100) für eine Arbeitsmaschine (200) mit mindestens einem Elektromotor (50), einer Getriebeeinrichtung (10), und einer Steuereinrichtung (110), welche eingerichtet ist, um eine Übersetzung (30, 40) der Getriebeeinrichtung (10) in Abhängigkeit einer zu erwartenden Änderung der Motorleistung des mindestens einen Elektromotors (50) zu wählen, wobei die zu erwartende Änderung der Motorleistung durch die Änderung der Übersetzung (30, 40) der Getriebeeinrichtung (10) bedingt ist, und wobei die zu erwartende Änderung der Motorleistung anhand zumindest eines Betriebsparameters der Arbeitsmaschine (200) bestimmt wird.
Fahrantriebssystem (100) nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine Betriebsparameter aus einem der folgenden ausgewählt ist: a) einer Geschwindigkeit der Arbeitsmaschine (200), b) einer Änderung der Geschwindigkeit der Arbeitsmaschine (200), und c) einer Änderung der von einer elektrischen Energiequelle (60) zur Energieversorgung des mindestens einen Elektromotors (50) abgegebenen elektrischen Energie.
Fahrantriebssystem (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuereinrichtung (110) dazu eingerichtet ist, um mindestens zwei verschiedene Übersetzungen (30, 40) der Getriebeeinrichtung (10) zu wählen.
Fahrantriebssystem (100) nach Anspruch 3, wobei die Steuereinrichtung (110) dazu eingerichtet ist, eine von einer ersten Übersetzung (30) der Getriebeeinrichtung (10) verschiedene zweite Übersetzung (40) zu wählen, wenn die zu erwartende Änderung der Motorleistung unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts liegt.
Fahrantriebssystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (110) dazu eingerichtet ist, die Übersetzung (30, 40) der Getriebeeinrichtung (10) unter Berücksichtigung einer Gesamtleistung des Fahrantriebssystems (100) zu wählen.
Fahrantriebssystem (100) nach Anspruch 5, wobei die Gesamtleistung des Fahrantriebssystems (100) zumindest anhand eines der folgenden Betriebsparameter der Arbeitsmaschine (200) bestimmt wird: a) eine Leistungsänderung während der Änderung der Übersetzung (30, 40); b) eine Leistungsänderung aufgrund unterschiedlicher Wirkungsgrade der Übersetzungen (30, 40) der Getriebeeinrichtung (10); c) eine Leistungsänderung aufgrund einer unvollständigen Kraftübertragung innerhalb des Fahrantriebssystems (100); und d) einer in einer Speichervorrichtung der Arbeitsmaschine (200) hinterlegten Leistungskennlinie des Fahrantriebsystems (100).
Fahrantriebssystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (110) dazu eingerichtet ist, die Übersetzung (30, 40) der Getriebeeinrichtung (10) unter Berücksichtigung eines Temperaturzustands in dem Fahrantriebssystem (100) zu wählen.
Fahrantriebssystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend zumindest einen Sensor (130, 140, 150) zur Erfassung einer die Arbeitsmaschine (200) umgebenden Geländestruktur, wobei die Steuereinrichtung (110) dazu eingerichtet ist, die Übersetzung (30, 40) der Getriebeeinrichtung (10) unter Berücksichtigung der Geländestruktur zu wählen.
Fahrantriebssystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (110) eingerichtet ist, um die Übersetzung (30, 40) der Getriebeeinrichtung (10) unter Berücksichtigung eines Betriebszustands einer mit einem Arbeitsantrieb (90) wirkverbundenen Arbeitseinrichtung (92) der Arbeitsmaschine (200) zu wählen.
Arbeitsmaschine (200) mit einem Fahrantriebssystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Fahrantriebssystem (100) dazu eingerichtet ist, die Arbeitsmaschine (200) mittels eines Fahrantriebs (80) anzutreiben.
Verfahren zum Betreiben eines Fahrantriebssystems für eine Arbeitsmaschine (200), welche mindestens einen Elektromotor (50) und eine Getriebeeinrichtung (10) aufweist, mit den Schritten: Bestimmen (S1), anhand zumindest eines Betriebsparameters der Arbeitsmaschine (200), einer zu erwartenden Änderung der Motorleistung des mindestens einen Elektromotors (50), welche durch die Änderung einer Übersetzung (30, 40) der Getriebeeinrichtung (10) bedingt ist, und Wählen (S2) einer Übersetzung (30, 40) der Getriebeeinrichtung (10) in Abhängigkeit von der zu erwartenden Änderung der Motorleistung.
Steuereinrichtung (110), welche mittels zumindest einer Schnittstelle (11; 111) mit dem Fahrantriebssystem (100) verbindbar und eingerichtet ist, um die Schritte des Verfahrens nach Anspruch 11 durchzuführen.