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Die vorliegende Offenbarung betrifft einen hydrostatischen Antrieb für ein Nutzfahrzeug, ein Nutzfahrzeug mit einem solchen hydrostatischen Antrieb und ein Verfahren zum Betreiben eines hydrostatischen Antriebs eines Nutzfahrzeugs. Die vorliegende Offenbarung betrifft insbesondere eine elektrifizierte Hilfspumpe eines hydrostatischen Antriebs für Nutzfahrzeuge, insbesondere schwere Nutzfahrzeuge.
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Stand der Technik
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Nutzfahrzeuge können zur temporären Traktionsunterstützung optional einen hydrostatischen Antrieb einsetzen, der im Bedarfsfall zusätzlich zu einem Hauptantrieb, wie beispielsweise einem Verbrennungsmotor, eine Achse hydrostatisch antreibt. Der hydrostatische Antrieb kann als geschlossener Hydraulikkreis ausgeführt sein, wobei ein Fluid von einer Hydraulikpumpe zu mindestens einem Hydraulikmotor und wieder zurück zur Hydraulikpumpe fließt.
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Im Betrieb des hydrostatischen Antriebs kommt es aufgrund von Reibungsverlusten zu einer Erwärmung des Fluids. Um das System vor Überhitzung zu schützen, wird deshalb bei aktivem Hilfsantrieb ein Teil des Fluids von einer Niederdruckseite des geschlossenen Hydraulikkreises kontinuierlich ausgeleitet. Zudem kann sich das Fluidvolumen des geschlossenen Hydraulikkreises zum Beispiel aufgrund einer internen Leckage beispielsweise in die Hydraulikpumpe und im Hydraulikmotor weiter reduzieren. Um diesen Fluidverlust auszugleichen, kann eine mit einem Niederdruckast des geschlossenen Hydraulikkreises verbundene Hilfspumpe neues Fluid in den geschlossenen Hydraulikkreis einspeisen.
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Eine Energiebilanz der Hilfspumpe wird heutzutage kaum beachtet, so dass dieses Potential im Gesamtwirkungsgrad des hydrostatischen Antriebs weitgehend ungenutzt bleibt. Zudem benötigen Hilfspumpen hydrostatischer Antriebe erheblichen Bauraum. Beispielsweise kann die Hilfspumpe an der Verbrennungskraftmaschine angeschlossen oder in die Hochdruckpumpe integriert werden, so dass die Hilfspumpe ein konkretes Volumen in unmittelbarer Nachbarschaft zu den Antriebsaggregaten benötigt - dieser Bauraum ist aufgrund der Position im Fahrzeug allerdings knapp bemessen. Da zudem ein in Nutzfahrzeugen vorhandener Bauraum beispielsweise durch den Einsatz von Batterien in BEV-Anwendungen zunehmend knapp wird, ist eine flexible Integration von hydrostatischen Antrieben vorteilhaft.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, einen hydrostatischen Antrieb für ein Nutzfahrzeug, ein Nutzfahrzeug mit einem solchen hydrostatischen Antrieb und ein Verfahren zum Betreiben eines hydrostatischen Antriebs eines Nutzfahrzeugs anzugeben, die eine Effizienz des hydrostatischen Antriebs verbessern und einen Energieverbrauch des Nutzfahrzeugs reduzieren können. Zudem ist es eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, eine flexible Integration von hydrostatischen Antrieben in Nutzfahrzeugen zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Gemäß einem unabhängigen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein hydrostatischer Antrieb für ein Nutzfahrzeug, insbesondere ein schweres Nutzfahrzeug und/oder einen Lastkraftwagen, angegeben. Der hydrostatische Antrieb umfasst wenigstens einen Hydraulikmotor, der zum Antreiben wenigstens einer (hydraulischen) Achse des Nutzfahrzeugs eingerichtet ist; wenigstens eine Hydraulikpumpe (Hauptpumpe), die mit dem wenigstens einen Hydraulikmotor über einen Fluidkreislauf verbunden ist, um den wenigstens einen Hydraulikmotor anzutreiben; wenigstens eine Hilfspumpe, die mit dem Fluidkreislauf verbunden ist, um dem Fluidkreislauf ein Fluid zuzuführen; und wenigstens einen elektrischen Antrieb, der eingerichtet ist, um die wenigstens eine Hilfspumpe anzutreiben.
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Erfindungsgemäß ist wenigstens ein elektrischer Antrieb für den Betrieb der wenigstens einen Hilfspumpe vorgesehen, der einen bedarfsgerechten Betrieb der wenigstens einen Hilfspumpe sowohl während des hydrostatischen Fahrbetriebs als auch bei ausgeschaltetem hydrostatischen Fahrbetrieb ermöglicht, so dass Energieverluste durch den Betrieb der wenigstens einen Hilfspumpe reduziert und eine Effizienz des hydrostatischen Antriebs verbessert werden können. Im Ergebnis reduziert sich ein Gesamtenergieeinsatz zum Betrieb des Nutzfahrzeugs, wodurch Energieressourcen geschont werden.
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Des Weiteren erhöht sich die Nutzungsdauer des hydrostatischen Antriebs aufgrund der besseren Effizienz; insbesondere wird aufgrund weniger Verlustwärme eine kritische Abschalttemperatur für den hydrostatischen Antrieb nicht oder zumindest später erreicht. Der wenigstens eine elektrische Antrieb ermöglicht zudem zum Beispiel durch den Entfall von Ventilen eine Vereinfachung des Gesamtsystems, so dass ein für den hydrostatischen Antrieb benötigter Bauraum reduziert werden kann und eine flexible Integration in das Nutzfahrzeug möglich ist.
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Zusätzlich ermöglicht der wenigstens eine elektrische Antrieb der wenigstens einen Hilfspumpe Rückschlüsse auf den Betriebszustand des hydrostatischen Antriebs. Beispielsweise können über eine Erfassung und Auswertung des Strombedarfs des wenigstens einen elektrischen Antriebs kritische Situationen und/oder Verschleißerscheinungen (z.B. Leitungsbruch, Filterbeladung. etc.) erkannt und zur Planung von Serviceaufgaben genutzt werden.
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In einigen Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, ist das Fluid ein Öl, insbesondere ein Hydrauliköl.
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In einigen Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, ist der wenigstens eine elektrische Antrieb wenigstens ein elektrischer Motor bzw. wenigstens ein Elektromotor.
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In einigen Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, ist der wenigstens eine elektrische Antrieb für einen Betrieb mit 24 Volt oder 48 Volt eingerichtet. Beispielsweise kann der wenigstens eine elektrische Antrieb in ein 24 V oder 48 V Bordnetz des Nutzfahrzeugs integriert sein. Alternativ ist auch eine Integration in ein Wechselstromnetz des Nutzfahrzeugs möglich, beispielsweise bei rein elektrisch betriebenen Nutzfahrzeugen.
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In einigen Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, ist der wenigstens eine elektrische Antrieb eingerichtet, um die wenigstens eine Hilfspumpe unabhängig von der wenigstens einen Hydraulikpumpe und/oder einem Hauptantrieb des Nutzfahrzeugs (z.B. Verbrennungsmotor) und/oder einem hydrostatischen Fahrbetrieb anzutreiben. Anders gesagt kann die wenigstens eine Hilfspumpe unabhängig vom weiteren Betrieb des Nutzfahrzeugs bedarfsgerecht betrieben werden.
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In einigen Ausführungsformen kann der wenigstens eine elektrische Antrieb eingerichtet sein, um die wenigstens eine Hilfspumpe unabhängig von einer durch die wenigstens eine Hydraulikpumpe und/oder durch den Hauptantrieb des Nutzfahrzeugs und/oder im hydrostatischen Fahrbetrieb erzeugten mechanischen Kraft anzutreiben. Insbesondere kann keine mechanische Schnittstelle zwischen der wenigstens einen Hilfspumpe und der wenigstens einen Hydraulikpumpe und/oder dem Hauptantrieb vorhanden sein. Anders gesagt kann die mechanische Schnittstelle entfallen. Damit kann die wenigstens eine Hilfspumpe unabhängig von einer Achse und/oder Drehzahl der wenigstens einen Hydraulikpumpe bzw. des Hauptantriebs bedarfsgerecht betrieben werden. Anders gesagt ist eine Fördermenge der wenigstens einen Hilfspumpe unabhängig von einer Achse und/oder Drehzahl der wenigstens einen Hydraulikpumpe bzw. des Hauptantriebs.
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In einigen Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, weist die wenigstens eine Hilfspumpe ein im Wesentlichen konstantes Schluckvolumen auf. Unter Schluckvolumen oder Schluckmenge der wenigstens einen Hilfspumpe wird dabei eine Menge an Fluid, das die wenigstens eine Hilfspumpe pro Umdrehung fördert bzw. verbraucht, bezeichnet. Aufgrund des konstanten Schluckvolumens kann die wenigstens eine Hilfspumpe einfach konfiguriert und kostengünstig sein.
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In einigen Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, umfasst der hydrostatische Antrieb weiter wenigstens ein Steuermodul, das eingerichtet ist, um den wenigstens einen elektrischen Antrieb anzusteuern. In einigen Ausführungsformen kann das wenigstens eine Steuermodul eingerichtet sein, um den wenigstens einen elektrischen Antrieb durch Einstellen einer dem wenigstens einen elektrischen Antrieb zugeführten Stromstärke anzusteuern. Je höher die Stromstärke, desto höher kann die Drehzahl und damit die Fördermenge der wenigstens einen Hilfspumpe sein.
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In einigen Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, ist das wenigstens eine Steuermodul eingerichtet, um eine Fördermenge der wenigstens einen Hilfspumpe durch ein Ansteuern des wenigstens einen elektrischen Antriebs variabel einzustellen. Der wenigstens eine elektrische Antrieb ermöglicht somit eine bedarfsgerechte Einstellung der Fördermenge. Bei deaktiviertem hydrostatischen Antrieb ist kein Ölbedarf vorhanden, d.h. die wenigstens eine Hilfspumpe kann ausgeschaltet sein bzw. ruhen. Bei aktiviertem hydrostatischen Antrieb kann sich der wenigstens eine elektrische Antrieb unabhängig vom Hauptantrieb bzw. der Hauptpumpendrehzahl exakt auf die erforderliche Förderleistung bzw. Fördermenge einstellen. Damit können zusätzliche fluidtechnische Mittel, wie z.B. verlustbehaftete Stromregelventile, entfallen.
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In einigen Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, ist das wenigstens eine Steuermodul eingerichtet, um basierend auf einer Stromaufnahme des wenigstens einen elektrischen Antriebs ein Drehmoment der wenigstens einen Hilfspumpe und/oder einen Fluiddruck der wenigstens einen Hilfspumpe und/oder eines Hilfskreises zu bestimmen. Damit können Rückschlüsse auf Betriebsparameter des hydrostatischen Antriebs gezogen werden.
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In einigen Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, ist das wenigstens eine Steuermodul eingerichtet, um eine Einstellung des Fluiddrucks der wenigstens einen Hilfspumpe und/oder des Hilfskreises durchzuführen, beispielsweise durch ein Einstellen der dem wenigstens einen elektrischen Antrieb zugeführten Stromstärke. Anstelle eines einzigen festen Druckwertes, der mittels Druckbegrenzungsventil den Niederdruck im geschlossenen Hydraulikkreis definiert, ermöglicht der wenigstens eine elektrische Antrieb eine Anpassung des Druckniveaus mittels Druckregelung.
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In einigen Ausführungsformen kann je nach Situation über die Stromstärke ein höherer oder niedrigerer Druck im geschlossenen Hydraulikkreis eingestellt werden. Damit kann ein Antriebsmoment des hydrostatischen Antriebs durch eine Änderung des Druckdeltas über den wenigstens einen Hydraulikmotor optimiert werden. Zudem können Verluste minimiert werden, da die wenigstens eine Hilfspumpe nur so viel Druck erzeugt, wie erforderlich ist.
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In einigen Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, ist das wenigstens eine Steuermodul eingerichtet, um den wenigstens einen elektrischen Antrieb basierend auf einer Umgebungstemperatur des Nutzfahrzeugs anzusteuern. Die Umgebungstemperatur kann eine Außentemperatur des Nutzfahrzeugs sein. Unterschreitet die Umgebungstemperatur eine definierte Schwelle, kann die wenigstens eine Hilfspumpe beispielsweise in einem Aufwärmmodus betrieben werden.
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In einigen Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, ist das wenigstens eine Steuermodul eingerichtet, um vor Beginn eines hydrostatischen Fahrbetriebs durch einen Betrieb der wenigstens einen Hilfspumpe eine Vorkonditionierung des hydrostatischen Antriebs durchzuführen. Beispielsweise kann das wenigstens eine Steuermodul eingerichtet sein, um die Vorkonditionierung durchzuführen, wenn eine Umgebungstemperatur gleich oder kleiner als eine Schwelltemperatur ist. Die Schwelltemperatur kann zum Beispiel 10°C oder weniger, 5°C oder weniger, oder 0°C oder weniger sein.
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Vorzugsweise ist die Vorkonditionierung des hydrostatischen Antriebs eine thermische Vorkonditionierung des hydrostatischen Antriebs, wie zum Beispiel eine thermische Vorkonditionierung des Fluids und/oder des wenigstens einen Hydraulikmotors und/oder der wenigstens einen Hauptpumpe und/oder der wenigstens einen Hilfspumpe.
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Vorzugsweise wird die wenigstens eine Hilfspumpe bei der Vorkonditionierung in einem Aufwärmmodus betrieben. Im Aufwärmmodus kann die wenigstens eine Hilfspumpe bis zu einer definierten Leistung Fluid im Kreislauf fördern, beispielsweise von einem Fluidreservoir zu einem oder mehreren Hauptkomponenten (z.B. Ventilblock, Hydraulikpumpe und/oder Radmotor(en)) und wieder zurück zum Fluidreservoir. Die Fördermenge und das sich einstellende Druckniveau (als Ergebnis von Fördermenge und Strömungswiderständen) legt dabei den Wärmeeintrag in das System fest. Wird nach einer gewissen Zeit eine bestimmte Temperatur erreicht, schaltet sich die wenigstens eine Hilfspumpe wieder ab.
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In einigen Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, ist das wenigstens eine Steuermodul eingerichtet, um nach einem Ende eines hydrostatischen Fahrbetriebs durch einen Betrieb der wenigstens einen Hilfspumpe eine Nachkonditionierung des hydrostatischen Antriebs durchzuführen. Beispielsweise kann das wenigstens eine Steuermodul eingerichtet sein, um die Nachkonditionierung durchzuführen, um eine Systemtemperatur zu senken.
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Damit kann die Konditionierung auf einen Zeitbereich nach dem Einsatz der Traktionsunterstützung erweitert werden. Wenn der Zusatzantrieb z.B. bis zu einer Abschalttemperatur betrieben wurde, kann die Hilfspumpe im Nachgang bei kleiner Fördermenge weiter betrieben werden. Energetisch betrachtet wird damit zwar Energie eingebracht, jedoch ist dieser Betrag deutlich geringer als die Wärmemenge im System zum Zeitpunkt der Temperaturabschaltung. Durch den Volumenstrom durch die Hauptkomponenten und insbesondere einen Kühler (Ventilator des Kühlers läuft) kann somit die Systemtemperatur zügig unter einen Schwellenwert von z.B. 50°C oder 60°C gesenkt werden.
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In einigen Ausführungsformen kann bei sehr kalten Umgebungstemperaturen über die gleiche Vorgehensweise eine Absicherung des Antriebssystems stattfinden, d.h. eine Zuschaltung des hydrostatischen Antriebs wird erst nach Überschreitung einer bestimmten Mindesttemperatur gestattet.
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In einigen Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, umfasst der hydrostatische Antrieb weiter wenigstens ein Überwachungsmodul, das eingerichtet ist, um basierend auf wenigstens einem Betriebsparameter der wenigstens einen Hilfspumpe und/oder des wenigstens einen elektrischen Antriebs wenigstens einen Zustand des hydrostatischen Antriebs zu bestimmen. Durch die kontinuierliche Auswertung der Betriebsparameter der wenigstens einen Hilfspumpe und/oder des wenigstens einen elektrischen Antriebs, optional in Kombination mit wenigstens einer weiteren externen Kenngrößen, wie zum Bespiel einer Umgebungstemperatur und/oder Kenngrößen oder Betriebsparametern von weiteren Aggregaten des hydrostatischen Antriebs, ist damit eine Zustandsüberwachung des hydrostatischen Antriebs möglich.
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Vorzugsweise umfasst der wenigstens eine Zustand des hydrostatischen Antriebs einen Betriebszustand des hydrostatischen Antriebs. Treten beispielsweise unplausible Zustände auf, wie beispielsweise ein zu geringes Hilfspumpenantriebsmoment bei gegebenem Förderstrom zum Beispiel aufgrund eines Leitungsbruchs im geschlossenen Hydraulikkreislauf oder Hilfskreis, kann das System einen Fehler ausgeben und optional in einen sicheren Zustand übergehen.
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Ergänzend oder alternativ kann der wenigstens eine Zustand des hydrostatischen Antriebs einen Fluidfilterzustand des hydrostatischen Antriebs umfassen. Im Allgemeinen steigt mit zunehmender Filterbeladung ein Durchströmungswiderstand von Filterelementen. Basierend auf dem wenigstens einen Betriebsparameter der wenigstens einen Hilfspumpe und/oder des wenigstens einen elektrischen Antriebs kann eine Änderung des Durchströmungswiderstands erkannt werden. Überschreitet der Durchströmungswiderstand eine bestimmte Schwelle, kann das System einen entsprechende Information z.B. an einen Fahrer und/oder Wartungspersonal und/oder elektronische Vorrichtung (z.B. einen Server) ausgeben.
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In einigen Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, ist der Fluidfilter in einem (z.B. offenen) Hilfskreis der wenigstens einen Hilfspumpe angeordnet.
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In einigen Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, ist im wenigstens einen Überwachungsmodul ein Algorithmus implementiert, der für eine Analyse des wenigstens einen Betriebsparameters der wenigstens einen Hilfspumpe und/oder des wenigstens einen elektrischen Antriebs eingerichtet ist. Der Algorithmus kann zum Beispiel einen Temperatureinfluss auf den Durchströmungswiderstand des Fluidfilters kompensieren. Ergänzend oder alternativ kann der Algorithmus eine Stromaufnahme der wenigstens einen Hilfspumpe mit historischen Werten, die bei gleichen oder ähnlichen Umgebungsbedingungen (z.B. Fluidtemperatur im Fluidreservoir) aufgezeichnet wurden, vergleichen. Der Algorithmus kann sich dabei selbst anlernen bzw. entwickeln und bei einem definierten Abweichungsgrad selbstständig kritische Betriebszustände erkennen.
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In einigen Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, umfasst der hydrostatische Antrieb weiter einen Fluidbehälter bzw. ein Fluidreservoir, wie zum Beispiel einen Ölbehälter oder Ölreservoir. Die wenigstens eine Hilfspumpe kann im oder am Fluidbehälter bzw. Fluidreservoir angeordnet sein. Hierdurch ist eine flexible Anordnung von Komponenten des hydrostatischen Antriebs möglich, so dass ein für den hydrostatischen Antrieb benötigter Bauraum reduziert werden kann.
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Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Nutzfahrzeug, insbesondere schweres Nutzfahrzeug und/oder Lastkraftwagen, angegeben. Das Nutzfahrzeug umfasst den hydrostatischen Antrieb gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
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Der Begriff Nutzfahrzeug umfasst schwere Nutzfahrzeuge, LKW, Busse, etc., die der Beförderung von Personen, Gütern, etc. dienen. Insbesondere umfasst der Begriff Nutzfahrzeuge zur Güter- und/oder Personenbeförderung mit einer zulässigen Höchstgeschwindigkeit von gleich oder größer als 60 km/h.
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In einigen Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, ist das Nutzfahrzeug ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug. Das Hybrid- oder Elektrofahrzeug kann gemäß Ausführungsformen ein reines Elektrofahrzeug (BEV) oder ein Plugin-Hybridfahrzeug (PHEV) sein. Fahrzeuge mit Elektroantrieb (insbesondere Hybrid- oder Elektrofahrzeuge) umfassen elektrische Energiespeicher (z.B. Batterien), die über eine Ladevorrichtung des Fahrzeugs an eine Ladestation angeschlossen und aufgeladen werden können.
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Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zum Betreiben eines hydrostatischen Antriebs eines Nutzfahrzeugs, insbesondere eines schweren Nutzfahrzeugs und/oder Lastkraftwagens, angegeben. Das Verfahren umfasst ein Ansteuern wenigstens eines elektrischen Antriebs wenigstens einer Hilfspumpe, um die wenigstens eine Hilfspumpe zu betreiben; und ein Zuführen eines Fluids zu einem Fluidkreislauf durch den Betrieb der wenigstens einen Hilfspumpe, wobei der Fluidkreislauf wenigstens einen Hydraulikmotor, der zum Antreiben wenigstens einer Achse des Nutzfahrzeugs eingerichtet ist, und wenigstens eine Hydraulikpumpe, die zum Anreiben des wenigstens einen Hydraulikmotors eingerichtet ist, verbindet.
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Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Software (SW) Programm angegeben. Das SW Programm kann eingerichtet sein, um auf einem oder mehreren Prozessoren ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren zum Betreiben eines hydrostatischen Antriebs eines Nutzfahrzeugs auszuführen.
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Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Speichermedium angegeben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem oder mehreren Prozessoren ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren zum Betreiben eines hydrostatischen Antriebs eines Nutzfahrzeugs auszuführen.
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Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist eine Software mit Programmcode zur Durchführung des Verfahrens zum Betreiben eines hydrostatischen Antriebs eines Nutzfahrzeugs auszuführen, wenn die Software auf einer oder mehreren softwaregesteuerten Einrichtungen abläuft.
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Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein System zum Betreiben eines hydrostatischen Antriebs eines Nutzfahrzeugs angegeben. Das System umfasst einen oder mehrere Prozessoren; und wenigstens einen Speicher, der mit dem einen oder den mehreren Prozessoren verbunden ist und Anweisungen enthält, die von dem einen oder den mehreren Prozessoren ausgeführt werden können, um das in diesem Dokument beschriebene Verfahren zum Betreiben eines hydrostatischen Antriebs eines Nutzfahrzeugs auszuführen.
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Ein Prozessor bzw. ein Prozessormodul ist ein programmierbares Rechenwerk, also eine Maschine oder eine elektronische Schaltung, die gemäß übergebenen Befehlen andere Elemente steuert und dabei einen Algorithmus (Prozess) vorantreibt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Offenbarung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
- 1 einen bekannten hydrostatischen Antrieb für ein Nutzfahrzeug,
- 2 einen hydrostatischen Antrieb für ein Nutzfahrzeug gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung,
- 3 eine Erwärmung eines hydrostatischen Antriebs durch eine Durchströmung von Steuer- und Leckageleitungen,
- 4 eine Bewertung einer Fluidfilterbeladung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, und
- 5 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines hydrostatischen Antriebs eines Nutzfahrzeugs gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
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Ausführungsformen der Offenbarung
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Im Folgenden werden, sofern nicht anders vermerkt, für gleiche und gleichwirkende Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt einen bekannten hydrostatischen Antrieb 100 für ein Nutzfahrzeug 10, bei dem eine Hilfspumpe 120 auf einer Welle 112 einer Hydraulikpumpe (Hauptpumpe) 110 angeordnet ist. In der 1 werden Schaltzeichen der Fluidtechnik nach DIN ISO 1219 verwendet.
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Das Nutzfahrzeug 10 kann zur temporären Traktionsunterstützung den hydrostatischen Antrieb 100 einsetzen, der im Bedarfsfall zusätzlich zu einem Hauptantrieb 20, wie beispielsweise einem Verbrennungsmotor, eine Achse A hydrostatisch antreibt. Der hydrostatische Antrieb 100 kann als geschlossener Hydraulikkreis 102 ausgeführt sein, wobei ein Fluid von der Hydraulikpumpe 110 zu mindestens einem Hydraulikmotor 130 und wieder zurück zur Hydraulikpumpe 110 fließt.
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Beim Betrieb des hydrostatischen Antriebs 100 kommt es aufgrund von Reibungsverlusten zu einer Erwärmung des Fluids. Um das System vor Überhitzung zu schützen, wird deshalb bei aktivem Hilfsantrieb ein Teil des Fluids von einer Niederdruckseite des geschlossenen Hydraulikkreises 102 kontinuierlich ausgeleitet. Zudem kann sich das Volumen des geschlossenen Hydraulikkreises 102 aufgrund einer internen Leckage z.B. in die Hydraulikpumpe 110 und den Hydraulikmotor 130 weiter reduzieren. Um diesen Fluidverlust auszugleichen, kann eine mit einem Niederdruckast des geschlossenen Hydraulikkreises 102 verbundene Hilfspumpe 120 neues Fluid in den geschlossenen Hydraulikkreis 102 einspeisen.
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Die Hilfspumpe 120 kann dabei wie in der 1 gezeigt über eine mechanische Schnittstelle mit der Welle 112 der Hydraulikpumpe 110 verbunden sein. Alternativ kann die Hilfspumpe 120 über eine mechanische Schnittstelle direkt mit einem Nebenantrieb 22 des Hauptantriebs 20 verbunden sein, um die Hilfspumpe 120 anzutreiben (nicht gezeigt).
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Aus Kostengründen sind Hilfspumpen für hydrostatische Antriebe bevorzugt als Pumpen mit konstantem Schluckvolumen ausgeführt. Durch die mechanische Kopplung an die Welle 112 der Hydraulikpumpe 110 (oder des Hauptantriebs 20) stellt sich entsprechend ein mit der Drehzahl der Hydraulikpumpe 110 (oder des Hauptantriebs 20) proportionales Fluidfördervolumen ein. Zusätzliche Ventile im offenen Niederdruckkreis, wie zum Beispiel Stromregelventile und/oder Druckbegrenzungsventile (in der 1 beispielhaft durch die Bezugszeichen 30 und 32 angegeben), stellen sicher, dass das dem geschlossenen Hydraulikkreis 102 zugeführte Fluid keine für das Gesamtsystem nachteiligen Maximalwerte übersteigt.
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Der Betrieb der Hilfspumpe 120 ist somit nicht an den tatsächlichen Bedarf angepasst, sondern fördert in Abhängigkeit von einer Drehzahl der Hydraulikpumpe 110 (oder des Hauptantriebs 20). Bei zugeschaltetem hydraulischen Antrieb 100 wird so ein erheblicher Volumenstromanteil unter Speisedruck (z.B. 20 bis 30 bar) bzw. bei ausgeschaltetem hydraulischen Antrieb 100 der komplette Hilfspumpenförderstrom bei einem Druck üblicherweise zwischen 4 bis 10 bar weggedrosselt. Im Ergebnis entstehen beträchtliche Energieverluste.
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2 zeigt einen hydrostatischen Antrieb 200 für ein Nutzfahrzeug 10 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, der die Nachteile des unter Bezugnahme auf die 1 beschriebenen bekannten hydrostatischen Antriebs vermeidet. In der 2 werden wiederum Schaltzeichen der Fluidtechnik nach DIN ISO 1219 verwendet.
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Der hydrostatische Antrieb 200 umfasst wenigstens einen Hydraulikmotor 230, der zum Antreiben wenigstens einer Achse A des Nutzfahrzeugs 10 eingerichtet ist; wenigstens eine Hydraulikpumpe (Hauptpumpe) 210, die mit dem wenigstens einen Hydraulikmotor 230 über einen Fluidkreislauf 202 verbunden ist, um den wenigstens einen Hydraulikmotor 230 anzutreiben; wenigstens eine Hilfspumpe 220, die mit dem Fluidkreislauf 202 verbunden ist, um dem Fluidkreislauf 202 ein Fluid zuzuführen; und wenigstens einen elektrischen Antrieb 240, der eingerichtet ist, um die wenigstens eine Hilfspumpe 220 anzutreiben.
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Anstelle einer Kopplung an die wenigstens eine Hydraulikpumpe 210 oder den Hauptantrieb 20, wie z.B. eine Verbrennungskraftmaschine, verfügt die wenigstens eine Hilfspumpe 220 also über einen elektrischen Antrieb. Anders gesagt entfällt durch einen derartigen dezentralen Antrieb die mechanische Schnittstelle zur wenigstens einen Hydraulikpumpe 210 oder zum Hauptantrieb 20. Dadurch kann die wenigstens eine Hilfspumpe 220 inklusive dem zugehörigen elektrischen Antrieb flexibel im Nutzfahrzeug 10 positioniert werden.
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In einigen Ausführungsformen kann die wenigstens eine Hilfspumpe 220 direkt in einem Fluidbehälter 250, wie zum Beispiel einem Ölbehälter, integriert sein, wodurch zum einen Saugverluste vermieden werden, und zum anderen auch ein geringerer Bedarf an Leitungsverlegung entsteht.
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Der elektrische Antrieb der wenigstens einen Hilfspumpe 220 ermöglicht zudem eine bedarfsgerechte Einstellung der Pumpenfördermenge. Bei deaktiviertem hydrostatischen Antrieb 100 ist kein Ölbedarf vorhanden, d.h. die wenigstens eine Hilfspumpe 220 kann ausgeschaltet sein bzw. ruhen. Im Betriebsfall, also wenn die hydrostatische Achse A unterstützt, kann sich der Hilfspumpenantrieb exakt auf die erforderliche Förderleistung einstellen. Dies erfolgt unabhängig von der Verbrennungskraftmaschine und/oder einer Hauptpumpendrehzahl. Entsprechend können z.B. verlustbehaftete Stromregelventile entfallen (z.B. die in der 1 gezeigten Ventile 30 und 32).
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Die Elektrifizierung des Hilfspumpenantriebs stellt darüber hinaus weitere Freiheitsgrade zum Betrieb des hydrostatischen Antriebs 100 bereit. Beispielsweise kann über eine Stromaufnahme des wenigstens einen elektrischen Antriebs 240 der wenigstens einen Hilfspumpe 220 auf ein Drehmoment der wenigstens einen Hilfspumpe 220 und damit auf den Systemdruck im Hilfskreis 204 geschlossen werden. Anstelle eines einzigen festen Druckwertes, der mittels Druckbegrenzungsventil den Niederdruck im geschlossenen Hydraulikkreis 202 definiert, erlaubt der elektrische Betrieb der wenigstens einen Hilfspumpe 220 eine Anpassung des Druckniveaus mittels Druckregelung.
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In einigen Ausführungsformen kann zum Beispiel nach Situation über die Stromstärke ein höherer oder niedrigerer Druck eingestellt werden. Damit kann das Antriebsmoment des hydrostatischen Antriebs 200 durch eine Änderung des Druckdeltas über die Hydraulikmotoren 230 optimiert werden. Zudem können Verluste minimiert werden, da die wenigstens eine Hilfspumpe 220 nur so viel Druck wie nötig erzeugt.
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In einigen Ausführungsformen kann mittels des wenigstens einen elektrischen Antriebs 240 eine Vorkonditionierung des hydrostatischen Antriebs 200, wie zum Beispiel eine bedarfsgerechte Ölkonditionierung, erfolgen, bevor der hydrostatische Antrieb 200 zugeschaltet wird. Unterschreitet zum Beispiel eine Umgebungstemperatur eine definierte Schwelle, kann die wenigstens eine Hilfspumpe 220 in einem Aufwärmmodus betrieben werden.
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3 zeigt eine beispielhafte Vorkonditionierung bzw. Erwärmung des hydrostatischen Antriebs 200 durch eine Durchströmung von Steuer- und Leckageleitungen.
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Typischerweise fördert die wenigstens eine Hilfspumpe 220 im Rahmen der Vorkonditionierung bis zu einer definierten Leistung Fluid im Kreis, also vom Ölreservoir 250 zu den Hauptkomponenten Ventilblock, Hauptpumpe 210 und/oder Radmotor(en) 230, und wieder zurück zum Ölreservoir 250. Die Fördermenge und das sich einstellende Druckniveau legt dabei den Wärmeeintrag in das Gesamtsystem fest. Wird nach einer gewissen Zeit eine gewünschte Temperatur erreicht, kann die wenigstens eine Hilfspumpe 220 wieder abschalten.
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In einigen Ausführungsformen kann bei sehr kalten Umgebungstemperaturen über die gleiche Vorgehensweise eine Absicherung des Antriebssystems stattfinden, d.h. eine Zuschaltung des hydrostatischen Antriebs 200 wird erst nach Überschreitung einer Mindesttemperatur gestattet.
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In einigen Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, kann durch eine kontinuierliche Auswertung von Hilfspumpenbetriebsparametern, optional in Kombination mit weiteren externen Kenngrößen wie beispielsweise Umgebungstemperatur und/oder weiteren Aggregaten, eine Zustandsüberwachung des hydrostatischen Antriebs 200 möglich. Treten zum Beispiel unplausible Zustände auf, wie beispielsweise ein zu geringes Hilfspumpenantriebsmoment bei gegebenem Förderstrom, weil zum Beispiel ein Leitungsbruch vorliegt, kann das System einen Fehler ausgeben und optional in einen sicheren Zustand („safe-state“) übergehen.
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Ergänzend oder alternativ kann eine Überwachung eines Fluidfilters 260, wie zum Beispiel eines Hydraulikölfilters, im offenen Hilfskreis 204 erfolgen, wie es in der 4 beispielhaft gezeigt ist.
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Im Allgemeinen steigt mit zunehmender Filterbeladung der Durchströmungswiderstand von Filterelementen. Um den Temperatureinfluss des Durchströmungswiderstands zu kompensieren, kann in einigen Ausführungsformen ein Algorithmus in einem Fahrzeugführungsrechner 270 implementiert sein. Typischerweise vergleicht der Algorithmus z.B. die Stromaufnahme der wenigstens einen Hilfspumpe 220 mit historischen Werten, die z.B. bei gleichen oder ähnlichen Umgebungsbedingungen, wie einer Öltemperatur im Ölreservoir 250, aufgezeichnet wurden.
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In einigen Ausführungsformen kann sich das System bzw. der Algorithmus selbst anlernen und bei einem zuvor definierten Abweichungsgrad selbstständig kritische Betriebszustände erkennen („x“ in 4). Typischerweise kann diese Überprüfung im Rahmen einer Filterkonditionierung stattfinden.
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5 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 500 zum Betreiben eines hydrostatischen Antriebs eines Nutzfahrzeugs gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Das Verfahren 500 kann durch eine entsprechende Software implementiert werden, die durch einen oder mehrere Prozessoren (z.B. eine CPU) ausführbar ist.
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Das Verfahren umfasst im Block 510 ein Ansteuern wenigstens eines elektrischen Antriebs wenigstens einer Hilfspumpe, um die wenigstens eine Hilfspumpe zu betreiben; und im Block 520 ein Zuführen eines Fluids zu einem Fluidkreislauf durch den Betrieb der wenigstens einen Hilfspumpe, wobei der Fluidkreislauf wenigstens einen Hydraulikmotor, der zum Antreiben wenigstens einer Achse des Nutzfahrzeugs eingerichtet ist, und wenigstens eine Hydraulikpumpe, die zum Anreiben des wenigstens einen Hydraulikmotors eingerichtet ist, verbindet.
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Erfindungsgemäß ist wenigstens ein elektrischer Antrieb für den Betrieb der wenigstens einen Hilfspumpe vorgesehen, der einen bedarfsgerechten Betrieb der wenigstens einen Hilfspumpe sowohl während des hydrostatischen Fahrbetriebs als auch bei ausgeschaltetem hydrostatischen Fahrbetrieb ermöglicht, so dass Energieverluste durch den Betrieb der wenigstens einen Hilfspumpe reduziert und eine Effizienz des hydrostatischen Antriebs verbessert werden können. Im Ergebnis reduziert sich ein Gesamtenergieeinsatz zum Betrieb des Nutzfahrzeugs, wodurch Energieressourcen geschont werden.
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Des Weiteren erhöht sich die Nutzungsdauer des hydrostatischen Antriebs aufgrund der besseren Effizienz; insbesondere wird aufgrund weniger Verlustwärme eine kritische Abschalttemperatur für den hydrostatischen Antrieb nicht oder zumindest später erreicht. Der wenigstens eine elektrische Antrieb ermöglicht zudem zum Beispiel durch den Entfall von Ventilen eine Vereinfachung des Gesamtsystems, so dass ein für den hydrostatischen Antrieb benötigter Bauraum reduziert werden kann und eine flexible Integration in das Nutzfahrzeug möglich ist.
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Zusätzlich ermöglicht der wenigstens eine elektrische Antrieb der wenigstens einen Hilfspumpe Rückschlüsse auf den Betriebszustand des hydrostatischen Antriebs. Beispielsweise können über eine Erfassung und Auswertung des Strombedarfs des wenigstens einen elektrischen Antriebs kritische Situationen und/oder Verschleißerscheinungen (z.B. Leitungsbruch, Filterbeladung. etc.) erkannt und zur Planung von Serviceaufgaben genutzt werden.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehenden Erläuterungen in der Beschreibung, definiert wird.
