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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines Shuttles eines Regalbediengerätes für ein Regallager eines automatisierten Lagersystems, das bei seiner Fahrt nicht über elektrische Kontakte von einer externen Stromeinspeisung mit Strom versorgt wird, sondern von einem in das Shuttle eingebauten elektrischen Energiespeicher, insbesondere in Form eines Superkondensators. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine entsprechende Ladeeinrichtung sowie ein entsprechendes Shuttle mit der Ladeeinrichtung.
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Ein Regallager umfasst mehrere ein- oder üblicherweise mehrstöckig ausgebildete Regale, die unter Bildung von Regalgängen auf Abstand angeordnet sind und eine Vielzahl von Regalfächern aufweisen, die auch als Regalkanäle bezeichnet werden. Die Regalfächer bilden jeweils einen Regallagerplatz oder mehrere hintereinanderliegende Regallagerplätze zum Ablegen von Gegenständen oder Objekten, bei denen es sich beispielsweise um Rollen, Behälter, Kartons oder Paletten handeln kann. Die Regalfächer sind von einem Regalgang aus zugänglich.
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In einem automatisierten Lagersystem, beispielsweise für ein Hochregallager, dient ein automatisches Regalbediengerät, das auch als Umsetzgerät bezeichnet wird, zum Ein- und Auslagern der Objekte in dem Regallager. Das Regalbediengerät kann entlang des Regalgangs verfahren werden und trägt einen vertikalen Mast, an dem eine höhenverfahrbare Plattform gehalten ist, auf der eine Beschickungsvorrichtung beispielsweise in Form eines Gabelteleskops oder eines Drehschubtisches angeordnet ist, mit der ein Objekt aus einem Regalfach entnommen und auf die Plattform übernommen werden kann. Entsprechend kann ein Objekt mittels der Beschickungsvorrichtung auch von der Plattform in ein Regalfach eingelagert werden. Durch horizontales Verfahren des Regalbediengerätes entlang des Regalgangs und durch vertikales Verfahren der Plattform an dem Mast kann jedes Regalfach angefahren und mittels der Beschickungsvorrichtung beladen oder entladen werden.
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Im Stand der Technik sind auch Regalbediengeräte bekannt, bei denen die Beschickungsvorrichtung ein Shuttle umfasst. Ein Shuttle wird insbesondere verwendet, wenn die Regalfächer eine große Tiefe aufweisen oder wenn die darin ein- oder auszulagernden Objekte sehr schwer sind. In diesen Fällen kann aufgrund des hohen Kippmomentes die Last nicht oder nur mit einem hohen konstruktiven Aufwand von dem im Regalgang angeordneten Teil der Beschickungsvorrichtung getragen werden und es werden Shuttles eingesetzt.
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Ein solches Shuttle ist ein selbstfahrendes Lastaufnahmemittel eines Regalbediengerätes, das vom Regalbediengerät in dem Regalgang in horizontaler und vertikaler Richtung zu einem gewünschten Regalfach gefahren wird. Dort angekommen wird das Shuttle in ein Regalfach abgesetzt. Hierbei fährt das Shuttle von dem Hubwagen des Regalbediengerätes mittels eines auf dem Shuttle angebrachten elektrischen Antriebsmotors in das im Regal angebrachte Regalfach. Das kann auf Führungsschienen bzw. Laufprofilen oder ohne solche erfolgen. Dabei hat das Shuttle entweder ein Objekt, beispielsweise eine Palette, geladen, um es im Regalfach abzustellen, indem es mit dem darauf stehenden Objekt in das Regalfach fährt, dieses absenkt und abstellt und danach ohne das Objekt zu dem Regalbediengerät zurückfährt, oder ist unbeladen und holt ein Objekt, beispielsweise eine Palette, aus dem Regalfach, indem es unbeladen zu dem in dem Regalfach stehenden Objekt fährt und es unterfährt, anhebt und danach mit dem Objekt zu dem Regalbediengerät zurückfährt. Das Shuttle und das Regalbediengerät bilden eine logistische Einheit; das Shuttle fährt in dem Regalfach zum gewünschten Stellplatz und nimmt dort ein Objekt auf oder setzt es ab, und das Regalbediengerät bringt das Shuttle zum jeweiligen Ein- und Auslagerpunkt im Regallager.
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Das Shuttle zum Ein- und/oder Auslagern von Objekten in ein bzw. aus einem Regalfach eines Regallagers kann somit auch als Transportfahrzeug, Warenträger, Regalfachfahrzeug oder Förderfahrzeug bezeichnet werden. Es hat eine niedrige Bauhöhe, damit es die zu bewegenden Objekte unterfahren kann, und weist ein oder mehrere Hubeinrichtungen zum Anheben und Absenken der zu bewegenden Objekte auf. Optional kann es auch eine Verschiebeeinrichtung zum Verschieben von darauf abgelegten Objekten aufweisen. Die Hub- und Verschiebeeinrichtungen werden vorzugsweise elektrisch betrieben.
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Die Stromversorgung des auf dem Shuttle angeordneten, zum Fahren des Shuttles dienenden elektrischen Antriebsmotors beim Verfahren in einem Regalfach kann, ebenso wie die Stromversorgung der Hub- und Verschiebeeinrichtungen, kabellos über Schleifleitungen erfolgen, die in den Regalfächern des Regallagers angeordnet sind, oder durch einen mit dem Shuttle verbundenen elektrischen Energiespeicher, beispielsweise auf dem Shuttle angeordnete Akkumulatoren.
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Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen das Shuttle bei seiner Fahrt im Regalfach von einem mit dem Shuttle verbundenen oder in das Shuttle eingebauten elektrischen Energiespeicher in Form eines Arrays von Superkondensatoren versorgt wird. Superkondensatoren werden auch Supercaps oder Ultrakondensatoren genannt und sind elektrochemische Kondensatoren. Im Vergleich zu Akkumulatoren gleichen Gewichts weisen Superkondensatoren zwar nur etwa 10 % deren Energiedichte auf, aber ihre Leistungsdichte ist etwa 10- bis 100-mal so groß. Superkondensatoren können deshalb sehr viel schneller geladen und entladen werden. Sie überstehen außerdem sehr viel mehr Schalt- bzw. Ladezyklen als Akkumulatoren und eignen sich deshalb als deren Ersatz oder Ergänzung, wenn eine große Schaltbeanspruchung gefordert wird.
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Um den Strombedarf des Shuttles mit Superkondensatoren zu decken, weist ein Shuttle bevorzugt ein Array aus mehreren Superkondensatoren auf. Das Array aus Superkondensatoren eines Shuttles wird vor jeder Fahrt des Shuttles in ein Regalfach bzw. nach jeder Rückkehr des Shuttles aus einem Regalfach auf das Regalbediengerät auf dem Regalbediengerät mittels elektrischer Kontakte zwischen dem Shuttle und dem Regalbediengerät aufgeladen, d. h. während der Umsetzbewegung des Regalbediengerätes. Das Aufladen des elektrischen Energiespeichers des Shuttles soll möglichst schnell erfolgen, damit die dafür erforderliche Stillstandszeit des Shuttles gering ist und das automatisierte Regalsystem einen hohen Warendurchsatz bzw. eine große Umschlagsleistung ermöglicht. Typische Ladezeiten liegen um acht Sekunden. Insbesondere aus diesem Grund sind bei Shuttles sehr schnell aufladbare elektrische Energiespeicher in Form von Arrays aus Superkondensatoren gegenüber Akkumulatoren bevorzugt. Weitere Vorteile der Superkondensatoren sind geringe Energieverluste, eine lange Lebensdauer und das Ermöglichen von mehr als 1 Mio. Ladezyklen.
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Beim Aufladen des elektrischen Energiespeichers des Shuttles müssen jedoch Vorkehrungen getroffen werden, um eine Schädigung oder Zerstörung durch einen zu hohen Stromfluss beim Laden zu verhindern, insbesondere bei Superkondensatoren. Beim Laden eines komplett entladenen Energiespeichers durch bloßes Anlegen der Ladespannung ohne Strombegrenzung würde nämlich theoretisch ein Strom fließen, der nur durch den Innenwiderstand des Energiespeichers begrenzt wäre. Da insbesondere ein Hochstrom-Energiespeicher einen sehr niedrigen Innenwiderstand hat, würde der Ladevorgang im Wesentlichen einen Kurzschluss durch den Energiespeicher mit einem entsprechend hohen Strom darstellen, der die Zerstörung des Energiespeichers oder damit im Zusammenhang stehender elektronischer Bauteile zur Folge hätte. Aus diesem Grund muss beim Aufladen des elektrischen Energiespeichers des Shuttles der Ladestrom einerseits in jedem Fall auf einen zulässigen Wert begrenzt werden. Um dabei dennoch eine möglichst kurze Ladezeit zu realisieren, muss der Ladestrom andererseits möglichst wenig begrenzt, d. h. auf einen Wert gehalten werden, der möglichst nahe an dem maximal zulässigen Wert liegt.
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Dieses Begrenzen des Ladestroms erfolgt nach dem Stand der Technik mittels üblicher elektronischer Ladeschaltungen. Dabei wird beispielsweise aus einer Wechsel- oder Drehstromquelle mittels eines Gleichrichters eine Gleichspannung erzeugt, die der Sollspannung des elektrischen Energiespeichers entspricht, und mittels eines als Ladeschaltung dienenden DC/DC-Wandlers der Ladestrom auf einen zulässigen Wert begrenzt, der den elektrischen Energiespeicher nicht schädigt oder zerstört.
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Im Rahmen der Erfindung hat sich herausgestellt, dass die üblichen elektronischen Ladeschaltungen, insbesondere DC/DC-Wandler, bei ihrer Verwendung in einem Regallager eines automatisierten Lagersystems häufiger als andere Komponenten des automatisierten Lagersystems durch Fehler ausfallen. Es wird angenommen, dass das auf die hohe Belastung der Ladeschaltung, sowohl hinsichtlich eines hohen Ladestroms als auch einer hohen Frequenz der Ladezyklen, sowie auf elektrische Störeinflüsse in dem eine Vielzahl von Motoren, elektrische Schaltvorgänge, elektrische Schleifkontakte, Steuerungs- und Signaleinrichtungen sowie kabelgebundene und kabellose Kommunikations- und Datenübertragungsmittel aufweisenden automatisierten Lagersystem zurückzuführen ist. Bisher wurden diese störenden Einflüsse auf die elektronischen Ladeschaltungen nicht erkannt, sondern man hat angenommen, dass die elektronischen Ladeschaltungen ausreichend robust sind und die üblichen Maßnahmen zum Abschirmen und Entkoppeln der elektrischen und elektronischen Schaltungen in einem automatisierten Lagersystem eine ausreichende Störsicherheit ermöglichen.
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Eine Funktionsstörung oder ein Ausfall eines Shuttles durch einen Defekt seiner Ladeschaltung und die Behebung dieses Fehlers durch eine Reparatur oder einen Austausch der Ladeschaltung oder des Shuttles haben in einem automatisierten Lagersystem jedoch jedes Mal eine unerwünschte und störende Betriebsunterbrechung zur Folge, die möglichst vermieden werden sollte. Daher strebt man einen möglichst störungsfreien und ausfallsicheren Betrieb des automatisierten Lagersystems und der Shuttles an.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Laden des elektrischen Energiespeichers eines Shuttles eines Regalbediengerätes für ein Regallager eines automatisierten Lagersystems, eine entsprechende Ladereinrichtung und ein entsprechendes Shuttle mit der Ladereinrichtung zu schaffen, die ohne übliche elektronische Ladeschaltungen, insbesondere DC/DC-Wandler, auskommen und insgesamt eine geringere Störanfälligkeit und höhere Betriebssicherheit aufweisen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, eine Ladeeinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 und ein Shuttle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15 gelöst. Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Verwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung mit zugehörigen Zeichnungen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines Shuttles eines Regalbediengerätes für ein Regallager eines automatisierten Lagersystems, wobei das Shuttle zum Ein- und/oder Auslagern von Objekten in ein bzw. aus einem Regalfach eines Regallagers dient, einen elektrischen Antriebsmotor zum Verfahren des Shuttles in einem Regalfach aufweist, wobei der Antriebsmotor bei der Fahrt des Shuttles in einem Regalfach nicht über elektrische Kontakte von einer externen Stromeinspeisung mit Strom versorgt wird, sondern von einem in das Shuttle eingebauten elektrischen Energiespeicher, und wobei der elektrische Energiespeicher des Shuttles mittels elektrischer Kontakte zwischen dem Shuttle und dem Regalbediengerät von einer Ladeeinrichtung aufgeladen wird, wenn sich das Shuttle auf dem Regalbediengerät befindet, weist die Besonderheit auf, dass der Strom zum Laden des elektrischen Energiespeichers mittels der Ladeeinrichtung bereitgestellt wird, die eingangsseitig mit Wechsel- oder Drehstrom versorgt wird und einen Streufeldtransformator mit einer Streuinduktivität und einen dem Streufeldtransformator nachgeschalteten Brückengleichrichter umfasst, dessen Ausgangsspannung der Nennspannung des elektrischen Energiespeichers entspricht, und diese Ausgangsgansspannung ohne weitere Ladestrombegrenzung an den elektrischen Energiespeicher angelegt wird, wobei die Sekundärspannung des Streufeldtransformators auf die gleichgerichtete Ausgangsspannung des Brückengleichrichters und somit auf die Nennspannung des elektrischen Energiespeichers ausgelegt wird und wobei die Streuinduktivität des Streufeldtransformators so bemessen wird, dass der Kurzschlussstrom der Ladeeinrichtung dem maximal zulässigen Ladestrom des elektrischen Energiespeichers entspricht.
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Die erfindungsgemäße Ladeeinrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines Shuttles eines Regalbediengerätes für ein Regallager eines automatisierten Lagersystems, wobei das Shuttle zum Ein- und/oder Auslagern von Objekten in ein bzw. aus einem Regalfach eines Regallagers dient, einen elektrischen Antriebsmotor zum Verfahren des Shuttles in einem Regalfach aufweist, wobei der Antriebsmotor bei der Fahrt des Shuttles in einem Regalfach nicht über elektrische Kontakte von einer externen Stromeinspeisung mit Strom versorgt wird, sondern von einem in das Shuttle eingebauten elektrischen Energiespeicher, und wobei der elektrische Energiespeicher des Shuttles mittels elektrischer Kontakte zwischen dem Shuttle und dem Regalbediengerät von einer Ladeeinrichtung aufgeladen wird, wenn sich das Shuttle auf dem Regalbediengerät befindet, weist die Besonderheit auf, dass die Ladeeinrichtung zum Bereitstellen des Stromes zum Laden des elektrischen Energiespeichers ausgebildet ist, eingangsseitig mit Wechsel- oder Drehstrom versorgbar ist und einen Streufeldtransformator mit einer Streuinduktivität und einen dem Streufeldtransformator nachgeschalteten Brückengleichrichter umfasst, dessen Ausgangsspannung der Nennspannung des elektrischen Energiespeichers entspricht, und diese Ausgangsgansspannung ohne weitere Ladestrombegrenzung an den elektrischen Energiespeicher anlegbar ist, wobei die Sekundärspannung des Streufeldtransformators auf die gleichgerichtete Ausgangsspannung des Brückengleichrichters und somit auf die Nennspannung des elektrischen Energiespeichers ausgelegt ist und die Streuinduktivität des Streufeldtransformators so bemessen ist, dass der Kurzschlussstrom der Ladeeinrichtung dem maximal zulässigen Ladestrom des elektrischen Energiespeichers entspricht. Allgemein ausgedrückt ist die erfindungsgemäße Ladeeinrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines Shuttles eines Regalbediengerätes für ein Regallager eines automatisierten Lagersystems zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet.
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Das erfindungsgemäße Shuttle eines Regalbediengerätes für ein Regallager eines automatisierten Lagersystems weist die Besonderheit auf, dass es eine erfindungsgemäße Ladeeinrichtung aufweist. Dabei ist es bevorzugt, wenn das Shuttle zum Ein- und/oder Auslagern von Objekten in ein bzw. aus einem Regalfach eines Regallagers dient, einen elektrischen Antriebsmotor zum Verfahren des Shuttles in einem Regalfach aufweist, wobei der Antriebsmotor bei der Fahrt des Shuttles in einem Regalfach nicht über elektrische Kontakte von einer externen Stromeinspeisung mit Strom versorgt wird, sondern von einem in das Shuttle eingebauten elektrischen Energiespeicher, und wobei der elektrische Energiespeicher des Shuttles mittels elektrischer Kontakte zwischen dem Shuttle und dem Regalbediengerät von einer Ladeeinrichtung aufgeladen wird, wenn sich das Shuttle auf dem Regalbediengerät befindet.
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Die Erfindung kommt ohne übliche, störanfällige elektronische Ladeelektronik aus, beispielsweise einen DC/DC-Wandler, und verwendet zum Erzeugen des Ladestromes für den elektrischen Energiespeicher einen mit Wechsel- oder Drehstrom versorgten Streufeldtransformator mit einer Streuinduktivität und einen dem Streufeldtransformator nachgeschalteten Brückengleichrichter, dessen Ausgangsgansspannung ohne weitere Ladestrombegrenzung an den elektrischen Energiespeicher angelegt wird. Eine erfindungsgemäße Ladeeinrichtung mit diesen Komponenten hat sich im Umfeld eines automatisierten Lagersystems als erheblich robuster und störunanfälliger als die bisher üblichen elektronischen Ladeschaltungen erwiesen, wobei dennoch der hohe Ladestrom zuverlässig begrenzt und eine besonders sichere Stromversorgung erzielt wird.
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Ein Streufeldtransformator wird auch als Streutransformator bezeichnet und ist ein Transformator, der gezielt eine vergleichsweise lose magnetische Kopplung zwischen Primär- und Sekundärwicklung aufweist. Das Funktionsprinzip des Streufeldtransformators besteht darin, dass der magnetische Fluss, der durch die Primärspule fließt und von der Primärspannung erzwungen wird, über ein sogenanntes Streujoch der Sekundärspule ausweichen kann, wenn diese belastet wird. Wichtiger Bestandteil des Streujoches ist der Luftspalt. Während man bei Transformatoren normalerweise eine möglichst gute bzw. feste magnetische Kopplung zwischen den Wicklungen durch eine hohe Gegeninduktivität anstrebt, realisiert man bei Streufeldtransformatoren eine losere Kopplung, indem man Primär- und Sekundärwicklung räumlich weiter voneinander trennt und damit den magnetischen Streufluss gezielt vergrößert oder einen magnetischen Nebenschluss im Raum zwischen Primär-und Sekundärwicklung herstellt.
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Während die Streuung bei normalen Transformatoren ein unerwünschter Effekt ist, wird er bei Streufeldtransformatoren im Sinne der Erfindung für das Laden des elektrischen Energiespeichers eines Shuttles gezielt genutzt. Dabei ist mit Streuung nicht die Abstrahlung magnetischer Felder nach au-ßen, sondern die künstliche Erhöhung der Streuinduktivität gemeint. Der Sinn der Streuinduktivität, die effektiv in Serie zum Verbraucher liegt, besteht darin, den Innenwiderstand des Transformators stark zu erhöhen, ohne den Spannungsabfall im Innenwiderstand als Wirkleistung verheizen zu müssen. Die Streuinduktivität kann dabei so hoch sein, dass der Transformator kurzschlussfest wird. Der Wert, der tatsächlich als die Strombegrenzungsinduktivität wirkt, ist die Kurzschlussinduktivität.
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Auf diese Weise erhält man eine Ausgangsspannung des Streufeldtransformators mit „weicherer“ Strom-Spannungs-Charakteristik, d. h. eine Spannungsquelle mit einer höheren Quellimpedanz. Der Streufeldtransformator vereint die Funktion eines Transformators (Spannungstransformation und galvanische Trennung) und einer strombegrenzenden Drossel in einem Bauteil. Im Prinzip vereint der Streufeldtransformator einen normalen Trafo und eine Vorschaltdrossel, ist aber wesentlich kleiner und leichter als beide Komponenten zusammen. Der Streufeldtransformator verhält sich wie ein normaler Transformator, dem eine strombegrenzende Drossel in Reihe geschaltet ist. Daher sind die Wärmeverluste auch bei Kurzschluss gering.
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Streufeldtransformatoren werden typischerweise für elektrische Verbraucher eingesetzt, die aufgrund ihrer Kennlinie oder sonstiger Eigenheiten eher mit einem konstanten Strom als mit einer konstanten Spannung versorgt werden müssen. Zu den bekanntesten Anwendungen rechnen die Versorgung von Gasentladungslampen, Vorschaltgeräte für Leuchtreklame-Röhren und Schweißtransformatoren.
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Überraschenderweise hat sich im Rahmen der Erfindung herausgestellt, dass Streufeldtransformatoren in Kombination mit einem Brückengleichrichter zum Laden des elektrischen Energiespeichers eines Shuttles eines Regalbediengerätes für ein Regallager eines automatisierten Lagersystems eingesetzt werden können, ohne zu elektromagnetischen Störungen der Peripherie zu führen und beispielsweise die Datenkommunikation oder Steuerung zu stören, obwohl sie naturgemäß in ihrer Umgebung erhöhte magnetische Flussdichten aufweisen, denen üblicherweise durch geeignete Aufstellung oder veränderte Ausrichtung der Geräte zueinander Rechnung getragen wird.
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Dem Streufeldtransformator ist ein Brückengleichrichter nachgeschaltet, dessen Ausgangsspannung der Nennspannung des elektrischen Energiespeichers entspricht. Diese Ausgangsgansspannung kann ohne weitere Ladestrombegrenzung an den elektrischen Energiespeicher angelegt werden, wobei die Sekundärspannung des Streufeldtransformators auf die gleichgerichtete Ausgangsspannung des Brückengleichrichters und somit auf die Nennspannung des elektrischen Energiespeichers ausgelegt ist. Wenn ferner die Streuinduktivität des Streufeldtransformators so bemessen ist, dass der Kurzschlussstrom der Ladeeinrichtung dem maximal zulässigen Ladestrom des elektrischen Energiespeichers entspricht, wird beim Aufschalten des Ladestromes aus dem Streufeldtransformator und dem Brückengleichrichter auf den entladenen Speicher dabei ohne jegliche Regelelektronik durch die Streuinduktivität des Streufeldtransformators zuverlässig begrenzt.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Ladeverfahrens kann vorgesehen sein, dass als elektrischer Energiespeicher des Shuttles ein Array aus mehreren Superkondensatoren verwendet wird, bzw. entsprechend bei einem Shuttle, dass der elektrische Energiespeicher des Shuttles ein Array aus mehreren Superkondensatoren ist. Unter einem Array ist dabei eine Gruppe einzelner Superkondensatoren zu verstehen, die parallel und/oder in Reihe zu einem Block zusammengeschaltet sind, um mit dem Block im Vergleich zu einzelnen Superkondensatoren eine höhere Spannung, einen höheren Strom oder einen höheren Energieinhalt zu erzielen. Typische Werte für ein solches Array sind 730 V Nennspannung und ein nutzbarer Energieinhalt von ca. 35 kWs bis ca. 70 kWs. Um ein solches Array innerhalb von 8 sec mit 90 % seiner Kapazität aufzuladen, wird eine Ladeleistung von ca. 4 kW bei einem als konstant angenommenen Ladestrom von ca. 5,5 A benötigt. In der Praxis sind die Werte für die maximale momentane Ladeleistung und den momentanen Ladestrom noch erheblich höher, wenn der Ladestrom während des Ladens nicht konstant ist, sondern mit der Zeit schnell abnimmt. Mit der erfindungsgemäßen Verwendung eines Streufeldtransformators in Kombination mit einem Brückengleichrichter können solche hohen Ladeleistungen und Ladeströme auch zum Laden eines Shuttles erzielt werden, wobei gleichzeitig durch eine wirksame Strombegrenzung eine Störung oder Beschädigung des Arrays verhindert wird.
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Ein anderes vorteilhaftes Merkmal des Ladeverfahrens besteht darin, dass als die Ladeeinrichtung eingangsseitig mit einer Dreiphasen-Wechselspannung versorgt wird und als Brückengleichrichter ein Dreiphasen-Brückengleichrichter verwendet wird, bzw. entsprechend bei einer Ladeeinrichtung, dass sie eingangsseitig für eine Dreiphasen-Wechselspannung ausgelegt ist und der Brückengleichrichter ein Dreiphasen-Brückengleichrichter ist. Eine Dreiphasen-Wechselspannung wird auch als Drehstrom bezeichnet. Mit Drehstrom kann eine hohe Leistung erzielt werden. Der Streufeldtransformator ist in diesem Fall ein Drehstromstreufeldtransformator. Da die drei Drehstromphasen gegeneinander in der Phase versetzt sind, müssen sie beim Transformieren auf drei getrennten Spulenkörpern oder Transformatoren übertragen werden. Eine Besonderheit des Drehstromes liegt darin, dass sich bei symmetrischem Betrieb alle Ströme, auch die Magnetisierungsströme, im Mittelpunkt der Sternschaltung zu jedem Zeitpunkt kompensieren. Wenn dies für die Magnetisierungsströme gilt, gilt es auch für die dazu proportionalen magnetischen Flüsse in den drei Spulenkörpern. Wenn sich aber die drei Flüsse der drei Trafospulen immer aufheben, kann man sich eine einzelne Rückführung des Flusses an den drei Spulenkörpern sparen. Stattdessen werden die einander entsprechenden Spulenenden einfach mit einem gemeinsamen Eisenkern verbunden. Der Drehstromtransformator kommt daher mit wesentlich weniger Eisenmasse aus, als drei Einphasentransformatoren gleicher Gesamtleistung.
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Ein anderes vorteilhaftes Merkmal des Ladeverfahrens besteht darin, dass beim Laden des elektrischen Energiespeichers dessen Klemmenspannung gemessen wird und das Laden beendet wird, sobald die Differenz zwischen der Nennspannung des elektrischen Energiespeichers und der aktuellen Klemmenspannung des elektrischen Energiespeichers einen vorgegebenen Differenzschwellenwert unterschreitet oder der Quotient aus der aktuellen Klemmenspannung des elektrischen Energiespeichers und der Nennspannung des elektrischen Energiespeichers einen vorgegebenen Quotientenschwellenwert überschreitet, bzw. entsprechend bei einer Ladeeinrichtung, dass sie eine Spannungsmesseinrichtung zum Messen der Klemmenspannung des elektrischen Energiespeichers beim Laden aufweist sowie eine Abschalteinrichtung, mittels der das Laden beendet wird, sobald die Differenz zwischen der Nennspannung des elektrischen Energiespeichers und der aktuellen Klemmenspannung des elektrischen Energiespeichers einen vorgegebenen Differenzschwellenwert unterschreitet oder der Quotient aus der aktuellen Klemmenspannung des elektrischen Energiespeichers und der Nennspannung des elektrischen Energiespeichers einen vorgegebenen Quotientenschwellenwert überschreitet.
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Wenn beim Aufladen des elektrischen Energiespeichers, beispielsweis einem Array aus Superkondensatoren, dessen aktuelle Klemmenspannung steigt, dann steigen entsprechend auch die Ausgangsspannung des Streufeldtransformators und die von dem Brückengleichrichter bereitgestellte gleichgerichtete Ladespannung. Der Ladestrom nimmt dabei ab, da die Differenz zwischen gleichgerichteter Ausgangsspannung des Streufeldtransformators und der Klemmenspannung des elektrischen Energiespeichers kleiner wird. Theoretisch würde die Zeit zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers auf dessen Nennspannung gegen unendlich gehen, da die Ladespannung sich nur asymptotisch der Nennspannung des elektrischen Energiespeichers annähert und die treibende Differenzspannung nur langsam gegen Null geht. Da die Ladeleistung mit der Zeit somit immer kleiner wird und der weitaus überwiegende Teil der Aufladung zu Beginn erfolgt, kann das Laden beendet werden, sobald die aktuelle Klemmenspannung des elektrischen bis nahe an die Nennspannung des elektrischen Energiespeichers angestiegen ist, ohne durch das Abschalten des Ladevorgangs eine bedeutsame Einbuße an aufgeladener Kapazität in Kauf nehmen zu müssen. Dadurch kann die Zeit zum Aufladen des Shuttles verkürzt und das Shuttle nach dem Aufladen sehr schnell wieder einsatzbereit gemacht werden.
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Wie weit beim Laden des elektrischen Energiespeichers die aktuelle Klemmenspannung des elektrischen Energiespeichers in Richtung auf die Nennspannung des elektrischen Energiespeichers angestiegen ist und ob das Laden abgeschaltet werden kann, kann ermittelt werden, ob die Differenz zwischen der Nennspannung des elektrischen Energiespeichers und der aktuellen Klemmenspannung des elektrischen Energiespeichers einen vorgegebenen Differenzschwellenwert unterschreitet oder ob der Quotient aus der aktuellen Klemmenspannung des elektrischen Energiespeichers und der Nennspannung des elektrischen Energiespeichers einen vorgegebenen Quotientenschwellenwert überschreitet.
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In bevorzugten Ausführungsformen kann bei einem solchen Verfahren bzw. entsprechend bei einer solchen Ladeeinrichtung vorgesehen sein, dass der dass der Differenzschwellenwert zwischen 1 % und 10 %, bevorzugt zwischen 2 % und 5 %, besonders bevorzugt zwischen 3 % und 4 % der Nennspannung des elektrischen Energiespeichers beträgt oder dass der Quotientenschwellenwert zwischen 0,9 und 0,99, bevorzugt zwischen 0,95 und 0,98, besonders bevorzugt zwischen 0,96 und 0,97 beträgt. Bei diesen Schwellenwerten ist der elektrische Energiespeicher fast vollständig geladen, sodass ein weiteres Laden die entnehmbare Energiemenge nur noch geringfügig erhöhen, aber die Stillstandszeit des Shuttles während der Ladedauer verlängern würde.
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Eine erste vorteilhafte Variante des Ladeverfahrens kann sein, dass der Streufeldtransformator auf dem Regalbediengerät angeordnet wird bzw. entsprechend bei einer Ladeeinrichtung, dass der Streufeldtransformator auf dem Regalbediengerät angeordnet ist. Der Vorteil dieser Variante ist, dass das Shuttle nicht das Gewicht des Streufeldtransformators tragen muss und somit leichter ist. Die Stromübertragung von dem Streufeldtransformator zu dem Shuttle für das Laden, beispielsweise Drehstrom, kann über elektrische Kontakte oder Kontaktschienen erfolgen. Der Brückengleichrichter kann in diesem Fall auf dem Regalbediengerät oder auf dem Shuttle angeordnet sein. Bevorzugt ist der Brückengleichrichter auf dem Shuttle angeordnet, da er dann in räumlicher Nähe zu dem elektrischen Energiespeicher angeordnet ist.
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Eine zweite vorteilhafte Variante des Ladeverfahrens kann sein, dass der Streufeldtransformator auf dem Shuttle angeordnet wird bzw. entsprechend bei einer Ladeeinrichtung, dass der Streufeldtransformator auf dem Shuttle angeordnet ist. Der Brückengleichrichter ist in diesem Fall auf dem auf dem Shuttle angeordnet. Der Vorteil dieser Variante ist, dass sowohl der Streufeldtransformator als auch der Brückengleichrichter in räumlicher Nähe zu dem elektrischen Energiespeicher angeordnet sind. Das Regalbediengerät braucht dann dem Shuttle nur die Stromversorgung zum Laden bereitstellen, beispielsweise Drehstrom, was über elektrische Kontakte oder Kontaktschienen erfolgen kann.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Einzelnen erläutert sind. Die darin beschriebenen Besonderheiten können einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden, um bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung zu schaffen. Gleiche oder gleich wirkende Teile werden in der Figur mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und gewöhnlich nur einmal beschrieben, auch wenn sie bei anderen Ausführungsformen vorteilhaft eingesetzt werden können. Es zeigt:
- 1 eine schematische Veranschaulichung eines erfindungsgemäßen Ladeverfahrens und einer erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung.
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Die 1 veranschaulicht in einer schematischen Darstellung ein erfindungsgemäßes Ladeverfahren und eine erfindungsgemäße Ladeeinrichtung 1 zum Laden eines elektrischen Energiespeichers 2 eines Shuttles eines Regalbediengerätes für ein Regallager eines automatisierten Lagersystems, wobei das Shuttle zum Ein- und/oder Auslagern von Objekten in ein bzw. aus einem Regalfach eines Regallagers dient, einen elektrischen Antriebsmotor zum Verfahren des Shuttles in einem Regalfach aufweist, wobei der Antriebsmotor bei der Fahrt des Shuttles in einem Regalfach nicht über elektrische Kontakte von einer externen Stromeinspeisung mit Strom versorgt wird, sondern von einem in das Shuttle eingebauten elektrischen Energiespeicher 2, und wobei der elektrische Energiespeicher 2 des Shuttles mittels elektrischer Kontakte zwischen dem Shuttle und dem Regalbediengerät von einer Ladeeinrichtung 1 aufgeladen wird, wenn sich das Shuttle auf dem Regalbediengerät befindet. Der elektrische Energiespeicher 2 ist auf dem Shuttle angeordnet und versorgt das Shuttle beim Fahren in einem Regalfach mit Strom.
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Ein Shuttle ist mit leistungsfähigen elektrischen Motoren ausgestattet. Sie sind nicht nur als Antriebsmotoren für die Fahrbewegungen des Shuttles in einem Regalfach zuständig, sondern auch für die Hubbewegungen. Ein Shuttle hat eine Nutzlast von typischerweise bis zu 1500 kg, die beispielsweise in nur zwei Sekunden angehoben oder abgesetzt werden können, und mehrere Laufräder, die vorzugsweise alle elektrisch angetrieben werden. Es umfasst eine interne Steuerung für alle Bewegungsabläufe und zum Steuern eine vorzugsweise kabellose Datenübertragung und Kommunikation mit dem Regalbediengerät. Ein Shuttle benötigt somit eine hohe Stromversorgung. Beim Fahren des Shuttles in einem Regalfach, wenn das Shuttle elektrisch von dem Regalbediengerät getrennt ist, erfolgt die Stromversorgung über einen mit dem Shuttle verbundenen bzw. auf dem Shuttle angeordneten elektrischen Energiespeicher 2, der vorzugsweise ein Array aus Superkondensatoren ist.
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Das Array ist beispielsweise eine Reihenschaltung von kleinen Zellen mit einer Nennspannung des Arrays von 730 V und einem nutzbaren Energieinhalt von ca. 35 kWs bis ca. 70 kWs. Wenn sich das Shuttle nicht in einem Regalfach befindet, sondern auf dem Regalbediengerät, kann sein elektrischer Energiespeicher 2 von dem Regalbediengerät geladen werden. Bei einem Array aus Superkondensatoren kann das beispielsweise innerhalb von acht Sekunden erfolgen, sodass es schnell wieder für die nächste Fahrbewegung in ein Regalfach zur Verfügung steht.
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Zum Laden des elektrischen Energiespeichers 2 dient eine Ladeeinrichtung 1, die eingangsseitig von einer Spannungsquelle 3 versorgt wird. Das kann prinzipiell eine Wechsel- oder Drehstromquelle sein, bevorzugt ist eine Drehstromquelle. Beim Laden des elektrischen Energiespeichers 2 ist die Spannungsquelle 3 mit der Eingangsseite eines Streufeldtransformators 4 verbunden. Dieser ist als Reihenschaltung einer Streuinduktivität 5 und eines Transformators 6 dargestellt. Der Streufeldtransformator 4 kann primärseitig verschiedene Anzapfungen aufweisen, die das Anpassen seiner Ausgangsspannung an die weltweit unterschiedlichen Netzspannungen bzw. Spannungsquellen 3 von 380 V / 50 Hz bis 480 V / 60 Hz ermöglichen.
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Dem Streufeldtransformator 4 ist ein Brückengleichrichter 7 nachgeschaltet, der eine gleichgerichtete Ladespannung erzeugt. Die gleichgerichtete Ausgangsspannung des Brückengleichrichters 7 entspricht der Nennspannung des elektrischen Energiespeichers 2, und diese Ausgangsgansspannung wird ohne weitere Ladestrombegrenzung direkt an den elektrischen Energiespeicher 2 angelegt. Dabei ist die Sekundärspannung des Streufeldtransformators 4 (z. B. 516 V AC) auf die gleichgerichtete Ausgangsspannung des Brückengleichrichters 7 und somit auf die Nennspannung des elektrischen Energiespeichers 2 (z. B. 730 V DC) ausgelegt. Ferner ist die Streuinduktivität 5 des Streufeldtransformators 4 so bemessen, dass der Kurzschlussstrom der Ladeeinrichtung 1 dem maximal zulässigen Ladestrom des elektrischen Energiespeichers 2 entspricht. Dadurch wird der von der Ladeeinrichtung 1 bereitgestellte Ladestrom des elektrischen Energiespeichers 2 wirksam begrenzt und eine Schädigung durch einen zu hohen Ladestrom bzw. eine zu hohe Ladeleistung vermieden, der elektrische Energiespeicher 2 aber dennoch in kürzester Zeit geladen.
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Beim Laden des elektrischen Energiespeichers 2 wird mittels einer Spannungsmesseinrichtung 8 die aktuelle Klemmenspannung des elektrischen Energiespeichers 2 gemessen. In einer Vergleichsschaltung 9 wird die Differenz zwischen der Nennspannung des elektrischen Energiespeichers 2 und der aktuellen Klemmenspannung ermittelt. Sobald die Differenz zwischen der Nennspannung des elektrischen Energiespeichers 2 und seiner aktuellen Klemmenspannung einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet, beispielsweise weniger als 3 % der Nennspannung des elektrischen Energiespeichers 2 beträgt, wird das Laden mittels einer Abschalteinrichtung 10 beendet. Das Abschalten des Ladevorgangs kann von dem Shuttle selbst oder einer überlagerten Steuerung des Regalbediengerätes überwacht und durchgeführt werden.
