DE102022201601A1

DE102022201601A1 - Verfahren zum Betreiben eines Leistungsstrangs

Info

Publication number: DE102022201601A1
Application number: DE102022201601.7A
Authority: DE
Inventors: Jan Döring; Rico Glöckner
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2022-02-16
Filing date: 2022-02-16
Publication date: 2023-08-17
Also published as: WO2023156373A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Leistungsstrangs (10) einer Arbeitsmaschine (20), welcher einen Elektromotor (12) aufweist. Das Verfahren weist einen Schritt eines Erfassens (30) wenigstens einer Messtemperatur des Elektromotors (12) auf. Das Verfahren weist einen Schritt eines Erfassens (32) einer Betriebszustandsveränderung des Leistungsstrangs (10) auf. Das Verfahren weist einen Schritt eines Bestimmens (34) wenigstens einer Isttemperatur des Elektromotors (12) in Abhängigkeit von der erfassten (30) Messtemperatur und der erfassten (32) Betriebszustandsveränderung auf. Das Verfahren weist einen Schritt eines Steuerns (36) eines Deratings des Leistungsstrangs (10) in Abhängigkeit von der bestimmten (34) Isttemperatur auf. Zudem bezieht sich die Erfindung auf eine Steuervorrichtung für einen Leistungsstrang (10) und einen Leistungsstrang einer Arbeitsmaschine.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Leistungsstrangs einer Arbeitsmaschine. Zudem bezieht sich die Erfindung auf eine Steuervorrichtung für einen Leistungsstrang einer Arbeitsmaschine und einen Leistungsstrang einer Arbeitsmaschine.
Stand der Technik
Bei Arbeitsmaschinen kann ein Leistungsstrang einen Elektromotor aufweisen, welcher jeweilige Arbeitsgeräte und alternativ oder zusätzlich einen Fahrantrieb mit Leistung versorgt. Der Elektromotor erwärmt sich während des Betriebs der Arbeitsmaschine. Bei sehr hohen Betriebstemperaturen kann es dadurch zu einer Beschädigung des Elektromotors kommen. Beispielsweise kann eine elektrische Isolierung des Elektromotors bei hohen Temperaturen übermäßig schnell zersetzen oder auch unmittelbar zerstört werden. Durch hohe Temperaturen können auch jeweilige Permanentmagnete des Elektromotors beschädigt werden, beispielsweise durch eine Entmagnetisierung.
Um dies zu vermeiden, kann eine Leistungsabgabe des Elektromotors oder auch insgesamt des Leistungsstrangs mit einem Derating limitiert werden. Beispielsweise wird ein maximales Drehmoment des Elektromotos ab Erreichen einer bestimmten Temperatur des Elektromotors begrenzt. Dadurch kann eine Beschädigung oder übermäßige Verringerung einer Lebensdauer des Elektromotors vermieden werden. Durch das Derating steht dann jedoch weniger als eine maximale Leistung für die Benutzung der Arbeitsmaschine zur Verfügung. Alternativ oder zusätzlich kann der Elektromotor oder auch insgesamt der Leistungsstrang für sehr hohe Temperaturen und alternativ oder zusätzlich für eine hohe Maximalleistung ausgelegt werden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass auch bei einer starken Erwärmung weiterhin eine für den gewünschten Betrieb der Arbeitsmaschine notwendige Leistung bereitgestellt werden kann. Allerdings kann der Leistungsstrang dadurch groß, schwer und kostenintensiv sein.
Darstellung der Erfindung
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Leistungsstrangs einer Arbeitsmaschine. Die Arbeitsmaschine kann beispielsweise als Radlader oder Bagger ausgebildet sein. Ein Leistungsstrang kann beispielsweise als ein Antriebsstrang oder als ein Arbeitsstrang ausgebildet sein. Entsprechend kann mittels des Leistungsstrangs beispielsweise eine Fahrleistung bzw. eine Arbeitsleistung bereitgestellt werden. Der Leistungsstrang kann auch einen Antrieb sowohl für ein Fahren als auch für ein Arbeitsgerät der Arbeitsmaschine bereitstellen. Ein Arbeitsgerät einer Arbeitsmaschine kann beispielsweise eine hydraulisch betätigbare Schaufel sein. Der Leistungsstrang kann dazu ausgebildet sein, eine elektrische Energie, beispielsweise von einer Batterie der Arbeitsmaschine bereitgestellt, in mechanische Energie, wie ein Drehmoment, zu wandeln.
Der Leistungsstrang weist einen Elektromotor auf. Zudem kann der Leistungsstrang einen Inverter zur Stromversorgung der Elektromaschine aufweisen. Der Elektromotor kann als ein Energiewandler ausgebildet sein. Ein Inverter kann beispielsweise eine Gleichspannung einer Energiequelle der Arbeitsmaschine, wie einer Batterie, in eine Wechselspannung oder Drehstrom wandeln. Dieser Strom kann dem Elektromotor zugeführt werden, um ein Drehmoment bereitzustellen. So kann ein Fahrantrieb oder ein Nebenabtrieb bereitgestellt werden, beispielsweise für eine Zapfwelle oder eine Hydraulikpumpe.
Der Leistungsstrang kann ein mehrgängiges Getriebe aufweisen. Das Getriebe ist mit dem Elektromotor zur Drehmomentübertragung verbunden. Das Getriebe kann beispielsweise eine durch den Elektromotor erzeugte mechanische Leistung einem Verbraucher, wie einem Fahrantrieb oder einem Arbeitsgerät, zur Verfügung stellen. Das Getriebe kann dazu ausgebildet sein, wenigstens zwei Gänge mit einem unterschiedlichen Übersetzungsverhältnis zwischen einem Antrieb und einem Abtrieb des Getriebes bereitzustellen. Der Antrieb des Getriebes kann mit einer Abtriebswelle des Elektromotors mechanisch wirkverbunden sein. Ein Gang kann ein festes Verhältnis zwischen einer Eingangsdrehzahl und einer Ausgangsdrehzahl des Getriebes bereitstellen. Jeweilige Gänge können beispielsweise durch ein Betätigen eines oder mehrerer Schaltelemente des Getriebes, wie einer Reibkupplung, gewechselt werden. Je nach gewähltem Gang kann der Leistungsstrang unterschiedlich effizient arbeiten. Durch einen Gangwechsel kann es zu einer sprunghaften Erhöhung einer Verlustleistung kommen. Ebenso können jeweilige Schaltelemente durch deren Betätigung stark zu einer Erwärmung des Leistungsstrangs und auch des Elektromotors beitragen.
Das Verfahren kann einen Schritt eines Betreibens des Elektromotors aufweisen. Durch das Betreiben des Elektromotors kann eine Leistung bereitgestellt werden. Beispielsweise kann mit dem Leistungsstrang so ein Drehmoment zur Verfügung gestellt werden. Beispielsweise kann an der Abtriebswelle des Elektromotors bei dessen Betrieb ein Drehmoment bereitgestellt werden.
Für das Betreiben des Elektromotors kann ein Derating vorgegeben sein, welches beispielsweise betriebstemperaturabhängig sein kann. Ein Derating kann eine Limitierung einer maximal durch den Elektromotor abgebbaren Leistung umfassen, beispielsweise wenn eine Deratingtemperatur im Elektromotor überschritten wird. Ein Derating kann ein Kennfeld des Elektromotors verändern. Ein betriebstemperaturabhängiges Derating kann eine Veränderung einer Motorsteuerung in Abhängigkeit von einer Betriebstemperatur sein. Das Derating kann beispielsweise in dem Inverter hinterlegt sein, welcher den Elektromotor mit Strom versorgt. Bei Überschreiten einer vorgegebenen Maximaltemperatur kann das Derating den Elektromotor auch vollständig abschalten. Das Derating kann ausschließlich den Elektromotor betreffen. Durch das Derating können aber auch weitere Einstellungen des Leistungsstrangs vorgegeben werden. Beispielsweise können jeweilige Gangwechsel oder eine Benutzung eines Nebenantriebs durch das Derating limitiert werden.
Das Verfahren weist einen Schritt eines Erfassens einer Messtemperatur des Elektromotos auf. Die Messtemperatur kann zur Erfassung gemessen werden, beispielsweise direkt sensorisch in dem Elektromotor. Dafür kann der Leistungsstrang wenigstens einen Temperatursensor aufweisen. Der Temperatursensor kann beispielsweise in oder an jeweiligen Wicklungen des Elektromotors angeordnet sein. Es können auch mehrere Messtemperaturen gleichzeitig erfasst werden. Jede Messtemperatur kann beispielsweise jeweils durch einen zugeordneten Temperatursensoren erfasst werden. Sofern mehrere Messtemperaturen gleichzeitig erfasst werden, kann für ein Steuern eines Deratings die höchste dieser Temperaturen genutzt werden.
Die Messtemperatur kann eine tatsächliche Temperatur des Elektromotors jedoch nur verzögert wiedergeben, da die Messung einer gewissen Trägheit unterliegt. Die jeweiligen Temperatursensoren sind beispielsweise elektrisch isoliert, wobei die elektrische Isolierung auch eine gute thermische Isolierung bilden kann. Die Isolierung kann bei einer starken Aufheizung des Elektromotors so bereits eine unerwünscht hohe Temperatur erreichen, noch bevor sich dies in der Messtemperatur niederschlägt. Aus diesem Grund müssen normalerweise hohe thermische Reserven bei der Auslegung des Elektromotors, des Leistungsstrangs und des Deratings berücksichtigt werden. Beispielsweise kann es zu besonders hohen Abweichungen zwischen der Messtemperatur und der tatsächlichen Temperatur in einem Inneren des Elektromotors kommen, wenn es zu einem nahezu sprunghaften Anstieg einer Erwärmungsrate kommt. Beispielsweise kann aufgrund eines Gangwechsels oder eines Drehmomentsprungs ein Verlust im Elektromotor sprunghaft ansteigen. Dadurch kann es zu einer übermäßigen Erwärmung des Elektromotors kommen, bevor dies durch die Messtemperatur erfasst wird. Beispielsweise kann eine Isolierung sich bereits so stark erwärmen, dass eine Zersetzung beginnt, noch bevor dadurch jeweilige Temperatursensoren korrespondierend erwärmt werden.
Das Verfahren weist einen Schritt eines Erfassens einer Betriebszustandsveränderung des Leistungsstrangs auf. Die Betriebszustandsveränderung kann eine zu einer Erwärmung des Elektromotors korrespondierende Veränderung sein. Die Betriebszustandsveränderung erlaubt es, eine Vorhersage über die derzeitige tatsächliche Temperatur im Elektromotor zu treffen, noch bevor ein entsprechender Temperaturanstieg sensorisch erfasst werden kann. Die Betriebszustandsveränderung kann mehrere Zustandsgrößen aufweisen. Beispielsweise kann die Betriebszustandsveränderung eine Änderungsrate einer Zustandsgröße des Leistungsstrangs aufweisen. Die Betriebszustandsveränderung kann Informationen über einen Gangwechsel aufweisen. Die erfasste Betriebszustandsveränderung kann Rückschlüsse über Abweichungen zwischen jeweiligen Messtemperaturen und der tatsächlichen Temperatur im Elektromotor ermöglichen.
Das Verfahren weist einen Schritt eines Bestimmens wenigstens einer Isttemperatur des Elektromotors in Abhängigkeit von der erfassten Messtemperatur und der erfassten Betriebszustandsveränderung auf. Die Isttemperatur kann beispielsweise einer tatsächlichen Temperatur des Elektromotors an einer heißesten Stelle bzw. einer Stelle mit höchster Temperatur entsprechen. Die Isttemperatur kann einer Temperatur an einer Stelle entsprechen, an welcher am wahrscheinlichsten mit einer thermischen Beschädigung des Elektromotors zu rechnen ist. Die Isttemperatur kann Abweichungen zwischen der tatsächlichen Temperatur und der Messtemperatur berücksichtigen, beispielsweise aufgrund sprunghafter Verlusterhöhungen im Leistungsstrang. Die Isttemperatur kann eine geschätzte oder berechnete Temperatur sein, wobei die Berechnung oder Schätzung in Abhängigkeit von der erfassten Messtemperatur und der erfassten Betriebszustandsveränderung erfolgt. Die erfasste Betriebszustandsveränderung wird also benutzt, um auf Basis der erfassten Messtemperatur auf die tatsächliche Temperatur zu schließen. Es ist keine aufwendige Echtzeitrechnung eines thermischen Modells notwendig, um die Isttemperatur zu berechnen.
Das Verfahren weist einen Schritt eines Steuerns eines Deratings des Leistungsstrangs in Abhängigkeit von der bestimmten Isttemperatur auf. Beispielsweise wird ein maximales Drehmoment des Elektromotors nicht aufgrund einer Messtemperatur, sondern aufgrund der Isttemperatur vorgegeben. Dadurch kann eine schnelle Erwärmung, welche bei Steuern des Deratings in Abhängigkeit von der Messtemperatur nicht ausreichend berücksichtigt werden kann, berücksichtigt werden. So kann eine thermische Reserve des Elektromotors gering ausgebildet sein, da eine Verzögerung zwischen Anstieg einer Messtemperatur und Anstieg einer tatsächlichen Temperatur durch das Derating berücksichtigt werden kann. Dadurch kann der Leistungsstrang klein, leicht und preiswert sein und dennoch eine thermische Widerstandsfähigkeit hoch sein.
In einer Ausführungsform des Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass die erfasste Betriebszustandsveränderung eine erfasste Kenngrößen aufweist, welche mit einer Verlustleistungsveränderung des Leistungsstrangs korrespondiert. Dadurch kann eine schnelle Erwärmung durch das Derating berücksichtigt werden, bevor sich diese in der Messtemperatur widerspiegelt. Beispielsweise kann die Isttemperatur gegenüber der Messtemperatur erhöht bestimmt werden, sofern die Kenngröße einen vorgegebenen oder messtemperaturabhängigen Schwellwert überschreitet. Beispielsweise kommt es erst zu einer relevanten Abweichung zwischen tatsächlicher Temperatur und Messtemperatur, sofern die Verlustleistungsveränderung sprunghaft angestiegen ist.
In einer Ausführungsform des Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass die erfasste Betriebszustandsveränderung eine erfasste Drehzahlveränderung des Elektromotors aufweist. Eine Drehzahlveränderung kann eine schnellere Temperaturänderung bewirken, sodass die tatsächliche Temperatur schneller ansteigt, als dies eine Messtemperaturhistorie indiziert. Durch die Berücksichtigung der Drehzahlveränderung kann die Isttemperatur besonders zuverlässig bestimmt werden. Durch die Berücksichtigung der Drehzahlveränderung kann das Derating besonders zuverlässig den Leistungsstrang vor einer thermischen Beschädigung schützen. Das Verfahren kann einen Schritt eines Erfassens einer Drehzahlveränderung des Elektromotors aufweisen.
In einer Ausführungsform des Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass die erfasste Betriebszustandsveränderung eine erfasste Drehmomentveränderung des Elektromotors aufweist. Eine Drehmomentveränderung kann eine schnellere Temperaturänderung bewirken, sodass die tatsächliche Temperatur schneller ansteigt, als dies eine Messtemperaturhistorie indiziert. Durch die Berücksichtigung der Drehmomentveränderung kann die Isttemperatur besonders zuverlässig bestimmt werden. Durch die Berücksichtigung der Drehmomentveränderung kann das Derating besonders zuverlässig den Leistungsstrang vor einer thermischen Beschädigung schützen. Das Verfahren kann einen Schritt eines Erfassens einer Drehmomentveränderung des Elektromotors aufweisen.
In einer Ausführungsform des Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass die erfasste Betriebszustandsveränderung eine erfasste Kühlmitteltemperaturänderung aufweist. Die Kühlmitteltemperaturänderung kann eine Temperaturänderung über die Zeit sein. Die Kühlmitteltemperaturänderung kann eine Differenz zwischen einer Kühlmitteltemperatur am Eingang und eine Kühlmitteltemperatur an einem Ausgang des Elektromotors sein. Das Kühlmittel kann sich noch vor den Teilen des Elektromotors oder zumindest jeweiliger Temperatursensoren aufwärmen, in welchen die Messtemperatur erfasst wird. So kann die Isttemperatur besonders genau ermittelt werden. Durch die Berücksichtigung der Kühlmitteltemperaturänderung kann das Derating besonders zuverlässig den Leistungsstrang vor einer thermischen Beschädigung schützen. Das Verfahren kann einen Schritt eines Erfassens einer Kühlmitteltemperaturänderung des Leistungsstrangs aufweisen. Das Kühlmittel kann beispielsweise den Inverter und alternativ oder zusätzlich den Elektromotor kühlen. Im Inverter und alternativ oder zusätzlich im Elektromotor kann Verlustleistung das Kühlmittel schnell erwärmen. Das Kühlmittel kann alternativ oder zusätzlich beispielsweise auch Schaltelemente des Leistungsstrangs kühlen. Das Verfahren kann einen Schritt eines Erfassens einer Kühlmitteltemperaturveränderung des Elektromotors aufweisen.
In einer Ausführungsform des Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass die Bestimmung der Isttemperatur zusätzlich in Abhängigkeit von einer erfassten Kühlmitteltemperatur erfolgt. Das Verfahren kann einen Schritt eines Erfassens einer Kühlmitteltemperatur aufweisen. Bei einer insgesamt geringen Kühlmitteltemperatur kann ein Kühlkreislauf auch mehr Wärme abführen als bei einer bereits hohen Kühlmitteltemperatur, womit sich die tatsächliche Temperatur unterschiedlich schnell im Elektromotor bei einer Verlustleistungserhöhung ändern kann. Durch die Berücksichtigung der Kühlmitteltemperatur kann die Kühlleistung beim Bestimmen der Isttemperatur berücksichtigt werden.
In einer Ausführungsform des Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass die Betriebszustandsveränderung eine erfasste unsymmetrische Temperaturveränderung des Elektromotors aufweist. Beispielsweise kann in einem Stallzustand eine unsymmetrische Temperaturveränderung auftreten. Ein Stallzustand kann ein Zustand sein, bei welchem der Elektromotor zur Leistungsabgabe bestromt ist, aber dessen Rotor nicht dreht. Beispielsweise kann ein solcher Zustand auftreten, wenn ein Radlader in einen Haufen einfährt und dabei zum Stehen kommt. Der Stall kann zu einer extrem schnellen Erwärmung des Elektromotors führen, welche durch die Messtemperatur alleine zu spät erkannt wird. Zur Erfassung der unsymmetrischen Temperaturveränderung werden wenigstens zwei gleichzeitig erfasste Messtemperaturen miteinander verglichen. Das Verfahren kann in diesem Fall also einen Schritt eines Erfassens von wenigstens zwei Messtemperaturen gleichzeitig aufweisen. Es wird also beispielsweise nicht mehr lediglich die höchste erfasste Messtemperatur genutzt und die niedrigere verworfen, sondern beide erfassten Messtemperaturen dem Derating durch die Berücksichtigung bei der Bestimmung der Isttemperatur zugrunde gelegt.
Beispielsweise ist ein Temperaturveränderungsverhalten im Normalbetrieb an zwei voneinander beabstandeten Positionen bekannt. Eine davon abweichende Temperaturveränderung, beispielsweise um mehr als einen vorgegebenen oder temperaturabhängigen Schwellwert, kann eine unsymmetrische Temperaturveränderung sein. Eine symmetrische Temperaturveränderung ist also nicht zwingend eine gleich große Temperaturveränderung an zwei Position im Elektromotor. Sofern zwei Temperatursensoren an symmetrischen Positionen im Elektromotor, beispielsweise den Motorwicklungen, angeordnet sind, können diese aber beispielsweise im Normalbetrieb symmetrisch ihre Temperatur ändern, also beispielsweise um die gleiche Temperatur. Bei einer unsymmetrischen Temperaturveränderung kann einer der beiden Temperatursensoren eine andere Temperatur messen als der andere der beiden Temperatursensoren. Eine unsymmetrische Temperaturveränderung kann eine Abweichung von einer im Normalbetrieb vorliegenden Korrelation zwischen einer Messtemperatur an einer ersten Stelle des Elektromotors und einer Messtemperatur an einer zweiten Stelle des Elektromotors sein. Das Erfassen wenigstens einer Messtemperatur des Elektromotors kann ein Erfassen einer ersten Messtemperatur an einer ersten Position und ein Erfassen einer zweiten Messtemperatur an einer zweiten Position, welche zu der ersten Position beabstandet ist, aufweisen. Das Erfassen der unsymmetrischen Temperaturveränderung des Elektromotors kann ein Bestimmen der unsymmetrischen Temperaturveränderung des Elektromotors in Abhängigkeit von der erfassten ersten Messtemperatur an der ersten Position und der erfassten zweiten Messtemperatur an der zweiten Position aufweisen.
In einer Ausführungsform des Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass das Bestimmen der Isttemperatur des Elektromotors eine Extrapolation in Abhängigkeit von einer Messtemperaturveränderung aufweist. Die Extrapolation kann in Abhängigkeit von der erfassten Betriebszustandsveränderung modifiziert werden. Dadurch kann bei der Extrapolation eine sprunghafte Veränderung der Verlustleistung berücksichtigt werden. So kann ein besonders hoher thermischer Schutz bereitgestellt werden. Beispielsweise kann für einen größeren Zeitraum extrapoliert werden, um die Isttemperatur zu bestimmen, falls eine größere Veränderung der Verlustleistung erfolgt ist. Das Verfahren kann ein Erfassen einer Messtemperaturveränderung des Elektromotors aufweisen, beispielsweise durch zeitlich aufeinanderfolgende Erfassungen einer ersten und zweiten Messtemperatur. Die Messtemperaturveränderung kann beispielsweise anhand einer Messtemperaturhistorie bestimmt werden.
In einer Ausführungsform des Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass das Bestimmen der Isttemperatur des Elektromotors einen Kennfeldvergleich aufweist. Ein Beispiel für ein Kennfeldvergleich ist ein tabellarischer Vergleich. Der Kennfeldvergleich kann zusätzlich oder alternativ zur Extrapolation erfolgen. Das Verfahren kann eine Interpolation zwischen zwei Tabellenwerten oder Kennlinien aufweisen. Der Kennfeldvergleich kann in Abhängigkeit von der erfassten Betriebszustandsveränderung erfolgen. Der Kennfeldvergleich kann in Abhängigkeit von der erfassten Betriebszustandsveränderung modifiziert werden. So kann ein besonders hoher thermischer Schutz bereitgestellt werden. Beispielsweise kann je nach Betriebszustandsveränderung mit einer anderen Tabelle oder Kennlinie die Isttemperatur bestimmt werden.
In einer Ausführungsform des Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass das Bestimmen der Isttemperatur des Elektromotors mittels eines trainierten Algorithmus erfolgt. Beispielsweise kann der Algorithmus werksseitig angelernt werden und für jeden Leistungsstrang eine Baureihe gleich sein. Beispielsweise kann der Algorithmus selbstlernend sein. Ein solcher Algorithmus kann eine thermische Systemreaktion auf Betriebszustandsveränderungen abbilden, der für jeden Leistungsstrang spezifisch ist. Der Algorithmus kann auf Basis einer Messtemperaturhistorie und alternativ oder zusätzlich Betriebszustandsveränderungshistorie trainiert sein. Auch weitere Zustandsgrößen können berücksichtigt werden, wie beispielsweise eine Umgebungstemperatur. Durch das Trainieren kann ein individuelles Temperaturverhalten jedes Leistungsstrangs berücksichtigt werden. Dies kann sogar genauer sein als eine thermische Modellierung. Durch den Algorithmus kann eine Temperaturreaktion des Leistungsstrangs bei dem Derating einfach berücksichtigt werden, um einen hohen thermischen Schutz zu ermöglichen und den Leistungsstrang mit geringen thermischen Reserven auslegen zu können.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für einen Leistungsstrang einer Arbeitsmaschine. Der Leistungsstrang weist einen Elektromotor auf. Der Elektromotor kann dazu ausgebildet sein, den Leistungsstrang mit einer Antriebsleistung für einen Fahrantrieb und alternativ oder zusätzlich eine Arbeitsgerätbenutzung zu versorgen. Die Steuervorrichtung kann dazu ausgebildet sein, das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt auszuführen. Jeweilige weitere Merkmale, Ausführungsformen und Vorteile sind den Beschreibungen des ersten Aspekts zu entnehmen.
Die Steuervorrichtung kann eine Erfassungsvorrichtung aufweisen, welche zum Erfassen wenigstens einer Messtemperatur des Elektromotors und zum Erfassen einer Betriebszustandsveränderung des Leistungsstrangs ausgebildet ist. Die Erfassungsvorrichtung kann beispielsweise einen oder mehrere Temperatursensoren aufweisen. Die Temperatursensoren können beispielsweise in jeweiligen Motorwicklungen des Elektromotors angeordnet sein. Die Betriebszustandsveränderung kann beispielsweise anhand jeweiliger Steuersignale und alternativ oder zusätzlich jeweiliger Zustandssignale des Leistungsstrangs durch die Erfassungsvorrichtung erfasst werden.
Die Steuervorrichtung kann eine Bestimmungsvorrichtung, welche zum Bestimmen wenigstens einer Isttemperatur des Elektromotors in Abhängigkeit von der erfassten Messtemperatur und der erfassten Betriebszustandsveränderung ausgebildet ist, aufweisen. Die Bestimmungsvorrichtung kann dazu ausgebildet sein, die erfasste Messtemperatur und die erfasste Betriebszustandsveränderung von der Erfassungsvorrichtung zu empfangen. Die Bestimmungsvorrichtung kann beispielsweise einen Computerchip aufweisen.
Die Steuervorrichtung kann eine Deratingsteuervorrichtung, welche zum Steuern eines Deratings des Leistungsstrangs in Abhängigkeit von der bestimmten Isttemperatur ausgebildet ist, aufweisen. Die Deratingsteuervorrichtung kann beispielsweise dazu ausgebildet sein, ein maximales Drehmoment und alternativ oder zusätzlich eine maximale Drehzahl des Elektromotors vorzugeben. Die Deratingsteuervorrichtung kann beispielsweise in einem Inverter des Leistungsstrangs implementiert sein, welcher dazu ausgebildet ist, den Elektromotor mit Energie zu versorgen.
Die Steuervorrichtung kann beispielsweise einen Mikrocontroller aufweisen oder als Teil des Inverters ausgebildet sein. Die Steuervorrichtung kann dazu ausgebildet, den Elektromotor unter Berücksichtigung eines Deratings zu steuern. Die Steuervorrichtung kann dazu ausgebildet sein, das Derating des Leistungsstrangs zu steuern. Die Steuervorrichtung ist dazu ausgebildet, eine Einstellung eines Deratings zu modifizieren, beispielsweise je nach Isttemperatur. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung dazu ausgebildet sein, eine Drehzahl des Elektromotors zu steuern.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft einen Leistungsstrang einer Arbeitsmaschine. Der Leistungsstrang weist einen Elektromotor und die Steuervorrichtung gemäß dem ersten Aspekt auf. Im Betrieb des Leistungsstrangs wird ein Derating des Leistungsstrangs zum Überhitzungsschutz des Elektromotors durch die Steuervorrichtung gesteuert. Der Elektromotor des Leistungsstrangs kann dazu ausgebildet sein, mit dem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt betrieben zu werden. Jeweilige weitere Merkmale, Ausführungsformen und Vorteile sind den Beschreibungen des ersten bzw. des zweiten Aspekts zu entnehmen.
Figurenliste

1 veranschaulicht schematisch ein Verfahren zum Betreiben des Leistungsstrangs.
2 veranschaulicht schematisch eine Arbeitsmaschine mit einem Leistungsstrang, welcher mit dem Verfahren gemäß 1 betrieben wird.
3 zeigt ein Kennfeld eines Deratings eines Elektromotors des Leistungsstrangs.

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
2 veranschaulicht schematisch eine batterieelektrisch betriebene Arbeitsmaschine 20 mit einem Leistungsstrang 10, welcher als Antriebsstrang ausgebildet ist. Der Leistungsstrang 10 weist einen Elektromotor 12 auf, welcher im Betrieb eine Abtriebswelle 14 mit einem Drehmoment beaufschlagt. Der Elektromotor 12 wird von einer Deratingsteuervorrichtung 16 gesteuert, welche als Inverter ausgebildet ist. Die Deratingsteuervorrichtung 16 ist zur Stromversorgung des Elektromotors 12 ausgebildet. Im Betrieb wandelt der Elektromotor 12 diesen Strom in eine mechanische Antriebsleistung. Die Abtriebswelle 14 des Elektromotors 12 stellt die Antriebsleistung einem Fahrantrieb zur Verfügung. In einer Ausführungsform wird die Antriebsleistung dabei von einem Getriebe mit mehreren schaltbaren Gängen übertragen.
1 veranschaulicht schematisch ein Verfahren zum Betreiben des Leistungsstrangs 10. Durch das Verfahren wird der Elektromotor 12 vor einer Überhitzung und damit thermischer Beschädigung geschützt. In einem Schritt 30 wird wenigstens eine Messtemperatur des Elektromotors 12 erfasst. Dazu weist der Leistungsstrang 10 in einer Ausführungsform einen Temperatursensor auf, welcher in oder an jeweiligen Wicklungen des Elektromotors 12 angeordnet ist. In einer anderen Ausführungsform werden in Schritt 30 mehrere Messtemperaturen des Elektromotors 12 mit jeweils zugeordneten Temperatursensoren an unterschiedlichen Stellen des Elektromotors 12 erfasst.
Sofern sich der Elektromotor 12 schnell erwärmt, beispielsweise im Stall oder aufgrund eines Sprungs eines angeforderten Drehmoments, kann ein Temperaturanstieg des Elektromotors 12 nur verzögert von den Temperatursensoren erfasst werden. In einem Schritt 32 wird deshalb eine Betriebszustandsveränderung des Leistungsstrangs 10 erfasst, welche einen Rückschluss auf eine solche schnelle Erwärmung erlaubt. In einer Ausführungsform wird dazu in Schritt 32 eine Drehmomentveränderung des Elektromotors 12 erfasst. In einer anderen Ausführungsform wird alternativ oder zusätzlich dazu in Schritt 32 eine Drehzahlveränderung des Elektromotors 12 erfasst. Alternativ oder zusätzlich werden in weiteren Ausführungsformen Randbedingungen wie eine Kühlmitteltemperatur erfasst. Die Betriebszustandsveränderung weist in einer weiteren Ausführungsform alternativ oder zusätzlich auch eine Kühlmitteltemperaturveränderung beim Durchströmen des Elektromotors auf.
Mittels der erfassten Betriebszustandsveränderung des Leistungsstrangs 10 ist ein Ausgleich der Verzögerung zwischen Messtemperatur und einer tatsächlich für die thermische Belastung des Elektromotors 12 maßgeblichen Temperatur möglich. In einem Schritt 34 wird eine Isttemperatur des Elektromotors 12 in Abhängigkeit von der erfassten Messtemperatur und der erfassten Betriebszustandsveränderung bestimmt. In einer Ausführungsform wird dazu die Messtemperatur um eine Zeitdauer in Sekunden extrapoliert. Die Zeitdauer kann fest vorgegeben sein. Optional wird die Zeitdauer in Abhängigkeit von der erfassten Betriebszustandsveränderung bestimmt. Beispielsweise wird bei einem Drehmomentsprung eine große Zeitdauer für die Extrapolation genutzt während bei einem nahezu gleichmäßig durch den Elektromotor 12 abgegebenen Drehmoment eine kleine Zeitdauer für die Extrapolation genutzt wird. In einer anderen Ausführungsform wird alternativ oder zusätzlich die Isttemperatur tabellarisch bestimmt. In einer weiteren Ausführungsform wird alternativ oder zusätzlich die Isttemperatur mittels eines trainierten Algorithmus bestimmt. Der Algorithmus kann werksseitig angelernt sein. Alternativ oder zusätzlich ist der Algorithmus in einer Ausführungsform selbstlernend.
Für die Schritte 30 und 32 weist der Leistungsstrang 10 eine Erfassungsvorrichtung 18 auf, welche zum Erfassen jeweiliger Messtemperaturen des Elektromotors 12 und zum Erfassen einer Betriebszustandsveränderung des Leistungsstrangs 10 ausgebildet ist. Die Erfassungsvorrichtung 18 weist in dem gezeigten Beispiel Temperatursensoren auf, welche die Messtemperaturen in dem Elektromotor 12 direkt messen. Für den Schritt 34 weist der Leistungsstrang 10 eine Bestimmungsvorrichtung 22 auf, welche zum Bestimmen der Isttemperatur des Elektromotors 12 in Abhängigkeit von der erfassten Messtemperatur und der erfassten Betriebszustandsveränderung ausgebildet ist.
In Schritt 36 wird ein Derating des Leistungsstrangs 10 in Abhängigkeit von der bestimmten Isttemperatur mittels der Deratingsteuervorrichtung 16 gesteuert, um den Elektromotor 12 vor einer Überhitzung zu schützen. Das in dem gezeigten Beispiel genutzte Derating des Elektromotors 12 ist durch ein Kennfeld in 3 veranschaulicht. Auf der Achse 50 ist die Isttemperatur des Elektromotors 12 aufgetragen. Auf der Achse 52 ist ein maximal zulässiges Drehmoment des Elektromotors 12 aufgetragen. Eine Kennlinie 54 veranschaulicht die Drehmomentlimitierung des Elektromotos 12. Bis zu einem Schwellwert 56 der Isttemperatur kann der Elektromotor 12 mit 100% seines maximalen Nenn-Drehmoments betrieben werden. Bei einer höheren bestimmten Isttemperatur wird ein zulässiger Strom und damit das Drehmoment des Elektromotors 12 auf einen Teil des Nenn-Drehmoments beschränkt. Bei Überschreiten einer Abschalttemperatur 58 durch die bestimmte Isttemperatur wird der Elektromotor 12 nicht mehr mit Strom versorgt und damit abgeschaltet. Durch Steuern des Deratings in Abhängigkeit von der bestimmten Isttemperatur wird eine Überhitzung des Elektromotors 12 zuverlässig verhindert, ohne dass hohe thermische Reserven aufgrund einer verzögerten Temperaturmessung vorgesehen werden müssen.
Eine Steuervorrichtung des Leistungsstrangs 10, welche das Derating des Leistungsstrangs 10 zum Überhitzungsschutz des Elektromotors 12, ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel durch die Erfassungsvorrichtung 18, die Bestimmungsvorrichtung 22 und die Deratingsteuervorrichtung 16 gebildet.
Bezugszeichenliste

10: Leistungsstrang
12: Elektromotor
14: Abtriebswelle
16: Deratingsteuervorrichtung
18: Erfassungsvorrichtung
20: Arbeitsmaschine
22: Bestimmungsvorrichtung
30: Erfassen einer Messtemperatur des Elektromotors
32: Erfassen einer Betriebszustandsveränderung
34: Bestimmen einer Isttemperatur
36: Steuern des Deratings
50: Achse: Isttemperatur des Elektromotors
52: Achse: maximal zulässiges Drehmoment
54: Kennlinie: Drehmomentlimitierung des Elektromotors
56: Schwellwert
58: Abschalttemperatur

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Leistungsstrangs (10) einer Arbeitsmaschine (20), welcher einen Elektromotor (12) aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: - Erfassen (30) wenigstens einer Messtemperatur des Elektromotors (12); - Erfassen (32) einer Betriebszustandsveränderung des Leistungsstrangs (10); - Bestimmen (34) wenigstens einer Isttemperatur des Elektromotors (12) in Abhängigkeit von der erfassten (30) Messtemperatur und der erfassten (32) Betriebszustandsveränderung; und - Steuern (36) eines Deratings des Leistungsstrangs (10) in Abhängigkeit von der bestimmten (34) Isttemperatur.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erfasste Betriebszustandsveränderung eine erfasste Kenngröße aufweist, welche mit einer Verlustleistungsveränderung des Leistungsstrangs (10) korrespondiert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erfasste Betriebszustandsveränderung eine erfasste Drehzahlveränderung des Elektromotors (12) aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erfasste Betriebszustandsveränderung eine erfasste Drehmomentveränderung des Elektromotors (12) aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erfasste Betriebszustandsveränderung eine erfasste Kühlmitteltemperaturänderung aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung (34) der Isttemperatur zusätzlich in Abhängigkeit von einer erfassten Kühlmitteltemperatur erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebszustandsveränderung eine erfasste unsymmetrische Temperaturveränderung des Elektromotors (12) aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen (34) der Isttemperatur des Elektromotors (12) eine Extrapolation in Abhängigkeit von einer Messtemperaturveränderung aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen (34) der Isttemperatur des Elektromotors (12) einen Kennfeldvergleich aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen (34) der Isttemperatur des Elektromotors (12) mittels eines trainierten Algorithmus erfolgt.
Steuervorrichtung für einen Leistungsstrang (10) einer Arbeitsmaschine (20) mit einem Elektromotor (12), wobei die Steuervorrichtung eine Erfassungsvorrichtung (18), welche zum Erfassen (30) wenigstens einer Messtemperatur des Elektromotors (12) und zum Erfassen (32) einer Betriebszustandsveränderung des Leistungsstrangs (10) ausgebildet ist, eine Bestimmungsvorrichtung (22), welche zum Bestimmen (34) wenigstens einer Isttemperatur des Elektromotors (12) in Abhängigkeit von der erfassten (30) Messtemperatur und der erfassten (32) Betriebszustandsveränderung ausgebildet ist, und eine Deratingsteuervorrichtung (16), welche zum Steuern eines Deratings des Leistungsstrangs (10) in Abhängigkeit von der bestimmten (34) Isttemperatur ausgebildet ist, aufweist.
Leistungsstrang (10) einer Arbeitsmaschine (20), welcher einen Elektromotor (12) und eine Steuervorrichtung gemäß Anspruch 11 aufweist, wobei im Betrieb des Leistungsstrangs (10) ein Derating des Leistungsstrangs (10) zum Überhitzungsschutz des Elektromotors (12) durch die Steuervorrichtung gesteuert wird.