DE102022204379A1

DE102022204379A1 - Verfahren zum Betreiben einer mobilen Arbeitsmaschine

Info

Publication number: DE102022204379A1
Application number: DE102022204379.0A
Authority: DE
Inventors: Georg Mallebrein; Philip Nagel; Steffen Rose; Dominik Thomas Hoffmann; Nils Steker; Daniel Neyer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-05-04
Filing date: 2022-05-04
Publication date: 2023-11-09
Also published as: CN117005484A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer mobilen Arbeitsmaschine (100), die einen elektrischen Antrieb (146) und eine Betriebsbremse (156) aufweist, wobei der elektrische Antrieb (146) zum Antreiben und zum Abbremsen einer Komponente (116) der mobilen Arbeitsmaschine (100) eingerichtet ist, und wobei die Betriebsbremse (156) zum Abbremsen der Komponente (116) der mobilen Arbeitsmaschine eingerichtet ist, wobei zum Abbremsen der Komponente (116) je nach Bedarf und/oder Vorgabe eine Aufteilung zwischen dem elektrischen Antrieb (146) und der Betriebsbremse (156) vorgenommen wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer mobilen Arbeitsmaschine, eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung, sowie eine solche mobile Arbeitsmaschine.
Hintergrund der Erfindung
Mobile Arbeitsmaschinen wie z.B. Bagger, Radlader und dergleichen weisen herkömmlicherweise ein Hydrauliksystem auf, womit die verschiedenen Komponenten wie Fahrantrieb, Drehwerk, Ausleger, Baggerarm etc. betrieben werden. Hierzu sind dann hydraulische Antriebe wie hydraulische Zylinder oder hydraulische Motoren vorgesehen. Eine Brennkraftmaschine, meist ein Dieselmotor, ist dann vorgesehen, um das Hydrauliksystem bzw. insbesondere eine hydraulische Pumpe anzutreiben.
Im Rahmen der allgemeinen Elektrifizierung werden auch mobile Arbeitsmaschinen zumindest teilweise mit elektrischen Antrieben versehen. Dies bringt neben Vorteilen jedoch auch verschiedene Probleme mit sich.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben einer mobilen Arbeitsmaschine, eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung, sowie eine mobile Arbeitsmaschine mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung beschäftigt sich mit einer mobilen Arbeitsmaschine bzw. mit dem Betrieb einer mobilen Arbeitsmaschine. Wie erwähnt, hat die Elektrifizierung auch mobile Arbeitsmaschinen erreicht. Häufig wird hierbei zunächst die Brennkraftmaschine, meist ein Dieselmotor, durch eine elektrische Maschine bzw. einen elektrischen Antrieb ersetzt. Eine typische mobile Arbeitsmaschine ist beispielsweise ein Bagger oder Mobilbagger. Die hydraulischen Pumpen und Zylinder werden meist unverändert übernommen, während es in der Regel aus Effizienzgründen sinnvoll ist, hydraulische Motoren, z.B. den Motor für den Fahrantrieb (Fahrmotor) und das Drehwerk (Drehwerksmotor), durch direkte elektrische Maschinen bzw. Antriebe zu ersetzen. Als Strom- bzw. Energieversorgung eignen sich dann z.B. Energiespeicher wie Batterien und/oder Brennstoffzellen, aber auch Lösungen mit Stromkabeln, d.h. Versorgung über ein externes Energienetz, sind möglich.
Beispiele für Komponenten, bei denen ein direkter elektrischer Antrieb eingesetzt werden kann, sind das Drehwerk eines Baggers oder eines Krans, Seilwinden, Fahrantriebe von Baggern, Radladern, Gabelstaplern, Walzen und Kommunalfahrzeugen (Stadtreinigung) und dergleichen.
Während die Hydraulik mit einfachen Lösungen ein stabiles Festhalten des (hydraulischen) Antriebs in einer gegebenen Position ermöglicht, ohne dabei Energie zu verbrauchen, müssen elektrische Antriebe unter Einsatz von elektrischer Energie in diesem Fall festgehalten werden. Daneben kann auch eine Festhaltebremse (oder Feststellbremse) den Antrieb blockieren und z.B. sicherstellen, dass bei kleinen Leckagen des hydraulischen Motors die Position der betreffenden Komponente unverändert bleibt. Hierfür kommen z.B. Lamellenbremsen in Betracht, die entweder offen oder geschlossen sind. Eine Regelung eines Bremsmoments ist über eine Feststellbremse in der Regel nicht möglich. Außerdem sind Feststellbremsen thermisch oder aus Gründen der Dauerhaltbarkeit nicht als Betriebsbremse geeignet. Die Betriebsbremsfunktion, d.h. das Abbremsen der betreffenden Komponente, z.B. des Fahrantriebs beim Anhalten der mobilen Arbeitsmaschine, übernimmt deshalb die Hydraulik. Die Wärme kann über den Hydraulikkühler abgeführt werden. Ein elektrischer Antrieb kann abzubremsende Bewegungsenergie in der Regel besonders einfach in elektrische Energie wandeln, die dann in eine Batterie oder einen anderen Energiespeicher rekuperiert werden kann. Dies ist eine der Motivationen für den Umstieg, insbesondere auch bei mobilen Arbeitsmaschinen, auf elektrische Antriebe.
Bei genauerer Betrachtung der Rekuperations- und Bremsfähigkeit von elektrischen Antrieben (Elektromotoren) gibt es jedoch Einschränkungen bzw. Nachteile, die möglichst gelöst werden sollten.
Bei sehr kleinen Drehzahlen und insbesondere auch hohen Drehmomenten ist zum Abbremsen (mittels des elektrischen Antriebs) zusätzliche elektrische Leistung nötig. Dies gilt ebenfalls beim Festhalten. Bei hohen Drehzahlen kann ein elektrischer Antrieb bzw. ein Elektromotor nur ein kleines Bremsmoment aufbringen (aufgrund der sog. Feldschwächung). Der Elektromotor müsste insofern relativ groß ausgelegt werden, um auch alleine bei Notbremsungen das erforderliche, verzögernde Moment aufbringen zu können.
Eine volle Rekuperation ist nur dann möglich, wenn das Bordnetz bzw. der Energiespeicher auch die anfallende Leistung aufnehmen kann. Ein Elektromotor inkl. seiner Steuerung (elektrischen Antrieb) kann ausfallen. Dies führt ggf. zu null Moment oder einem bremsenden, drehzahlabhängigen Momentenverlauf, der sich bei aktivem Kurzschluss ergibt. In jedem Fall muss die Bremsung trotzdem steuerbar bleiben.
Beim Antrieb und Bremsen mit hohen Momenten erwärmen sich der Elektromotor und der Inverter. Die Folge kann dann ein „De-Rating“ sein, bei dem die Antriebsleistung so weit reduziert werden muss, dass sich keine Komponente des elektrischen Antriebs unzulässig erhitzt. Dies darf aber nicht zu einer Reduktion der Bremsverzögerung führen.
Vor diesem Hintergrund wird vorgeschlagen, dass die mobile Arbeitsmaschine einen elektrischen Antrieb und eine Betriebsbremse aufweist. Der elektrische Antrieb ist dabei zum Antreiben und zum Abbremsen (und damit insbesondere auch zum Halten) einer Komponente der mobilen Arbeitsmaschine eingerichtet; bei dieser Komponente kann es sich z.B. um den Fahrantrieb oder das Drehwerk der mobilen Arbeitsmaschine handeln. Dies sind typische Komponenten, die elektrifiziert werden; grundsätzlich können dies aber auch andere, wie z.B. die vorstehend erwähnten Komponenten sein. Die Betriebsbremse ist zum Abbremsen (und damit insbesondere auch zum Halten) der Komponente der mobilen Arbeitsmaschine eingerichtet, d.h. zum Abbremsen bzw. Halten (in einer bestimmten Position) derjenigen Komponente, die auch mittels des elektrischen Antriebs abgebremst (und angetrieben) werden kann. Die Betriebsbremse kann mit dem elektrischen Antrieb dabei derart gekoppelt sein, dass mittels der Betriebsbremse der elektrische Antrieb - und darüber dann die betreffende Komponente - abgebremst bzw. gehalten wird.
Grundsätzlich kann die mobile Arbeitsmaschine auch weitere elektrische Antriebe und Betriebsbremsen aufweisen, die dann entsprechend weitere Komponenten der mobilen Arbeitsmaschine antreiben und abbremsen bzw. halten können. Weiterhin kann die mobile Arbeitsmaschine einen hydraulischen Antrieb aufweisen, der zum Antreiben für eine oder mehrere andere Komponenten der mobilen Arbeitsmaschine eingerichtet ist. Denkbar sind auch hier mehrere hydraulische Antriebe, z.B. hydraulische Zylinder, für mehrere Komponenten wie z.B. Ausleger, Arm, Schaufel etc.
Unter einer Betriebsbremse ist hier insbesondere eine Bremse zu verstehen, die ausreichend Bremsmoment bereitstellen kann, um die abzubremsende Komponente auch bei maximal möglicher Geschwindigkeit abzubremsen (und nicht nur im Stand festzuhalten). Unter einer Betriebsbremse ist hier insbesondere eine Bremse zu verstehen, die stetig steuerbar ist, d.h. deren Bremsmoment stetig steuerbar ist, und/oder die die erzeugte Wärme auch bei ausschließlichem Bremsen über diese Betriebsbremse im Dauerbetrieb abführen kann. Eine Betriebsbremse muss also entsprechend groß dimensioniert sein - für die vorstehend erwähnten Feststellbremsen gilt dies nicht; mittels einer Feststellbremse kann eine Komponente bzw. deren elektrischer oder hydraulischer Antrieb aufgrund der geringen Dimensionierung der Feststellbremse nur in einer Position gehalten werden, oder aber nur im Notfall für eine Abbremsung aus hoher Geschwindigkeit zur Verfügung stehen. Eine Lamellenbremse, die als Feststellbremse ausgelegt ist, verschleißt dabei sehr stark und müsste spätestens nach drei bis vier Bremsungen aus hoher Geschwindigkeit ausgewechselt werden. Als Betriebsbremse kann insbesondere eine der folgenden verwendet werden: eine Reibbremse, eine Wirbelstrombremse oder eine hydraulische Bremse.
Zum Abbremsen der Komponente wird dann je nach Bedarf und/oder Vorgabe eine Aufteilung zwischen dem elektrischen Antrieb und der Betriebsbremse vorgenommen. Die Aufteilung zwischen dem elektrischen Antrieb und der Betriebsbremse kann insbesondere umfassen, dass ein gefordertes (insgesamt zu stellendes) Bremsmoment zwischen dem elektrischen Antrieb und der Betriebsbremse aufgeteilt wird, ebenso aber auch, dass eine zeitliche Aufteilung zwischen dem elektrischen Antrieb und der Betriebsbremse vorgenommen wird, also, dass z.B. in bestimmten Fällen nur die Betriebsbremse verwendet wird. Bevorzugt kann die Aufteilung zwischen dem elektrischen Antrieb und der Betriebsbremse auch in Abhängigkeit von einer aktuellen Drehzahl vorgenommen werden. Zum Beispiel kann zur Bremsung aus höheren Drehzahlen zunächst der elektrische Antrieb abbremsen, um möglichst die Energie zu rekuperieren. Bei kleinen Drehzahlen wird der elektrische Antrieb bzw. die E-Maschine zunehmend ineffizienter und somit kann dann die Betriebsbremse mehr und mehr Bremsmoment übernehmen. Bei Bremsungen aus hohen Geschwindigkeiten, die z.B. schon im Feldschwächbereich der E-Maschine liegen, kann wahlweise die Betriebsbremse dazugeschaltet werden, um eine maximale Bremswirkung zu erzielen. In diesem Fall kann dann maximal rekuperiert werden, aber auch ein konstantes maximales Bremsmoment realisiert werden.
Dies ermöglicht dann insbesondere je nach Einsatzfall ein energieoptimales Abbremsen, ein maximales (d.h. möglichst schnelles) Abbremsen, ein sicheres Abbremsen, eine Reduktion der thermischen Belastung des elektrischen Antriebs sowie ein Komfortabbremsen.
Vorzugsweise wird in Abhängigkeit von einem Zustand des elektrischen Antriebs zum Abbremsen der Komponente nur die Betriebsbremse verwendet, insbesondere wenn der elektrische Antrieb ausgefallen ist oder eine vorgegebene Temperatur überschreitet, also z.B. thermisch stark belastet ist. Um eine thermische Überlastung von vorneherein zu vermeiden, kann die Aufteilung kann auch in Abhängigkeit von einer Betriebstemperatur elektrischer Antriebskomponenten (z.B. Inverter, Statorwicklung usw.) bzw. des elektrischen Antriebs vorgenommen werden, insbesondere so, dass die Betriebsbremse umso mehr Bremsmoment bereitstellt, je wärmer die Betriebstemperatur der elektrischer Antriebskomponenten ist.
Mit anderen Worten kann die Betriebsbremse vermehrt zum Einsatz kommen, wenn der elektrische Antrieb (Motor, Inverter) thermisch stark belastet ist und ein sogenanntes De-Rating nötig würde. Darunter ist insbesondere eine Reduktion der Performance des elektrischen Antriebs zur Vermeidung von Überhitzungen zu verstehen. Indem auf das elektrische Bremsen verzichtet wird oder es zumindest reduziert wird, wird die Erwärmung verringert, so dass im Mittel für den elektrischen Antrieb mehr Moment zur Verfügung steht. Dies ist sehr vorteilhaft, da ein Arbeiten unter großer Last länger möglich ist oder aber Inverter und Elektromotor bzw. allgemein elektrische Maschine etwas kleiner und damit kostengünstiger gewählt werden können.
Vorteilhafterweise wird zum Abbremsen der Komponente nur die Betriebsbremse verwendet, wenn ein Energiespeicher der mobilen Arbeitsmaschine eine durch Rekuperation mittels des elektrischen Antriebs anfallende elektrischen Leistung nicht oder nicht mehr aufnehmen kann. Dies kann z.B. der Fall sein, wenn die Batterie schon vollständig geladen ist oder im Allgemeinen die anfallende Leistung nicht aufnehmen kann, weil sie z.B. eine tiefe Temperatur aufweist oder schon stark gealtert ist.
Es ist auch von Vorteil, wenn die Aufteilung zwischen dem elektrischen Antrieb und der Betriebsbremse derart vorgenommen wird, dass eine von dem elektrischen Antrieb benötigte elektrische Leistung minimiert wird. Mit anderen Worten kann die Betriebsbremse in dem Maß angesteuert werden, dass die vom elektrischen Antrieb zum Abbremsen und Halten gesamte benötigte elektrische Bremsleistung minimal wird, sodass die Gesamteffizienz des Systems beim Abbremsen und Halten maximiert wird. Wie erwähnt, wird zum vollständigen Abbremsen und Halten eines Elektromotors elektrische Leistung benötigt, auch zum Ansteuern einer Betriebsbremse wird je nach Ausführung eine gewisse Leistung benötigt. Der Gedanke ist hierbei nun, für den Fall, dass der Elektromotor bzw. der elektrische Antrieb keine elektrische Leistung mehr rekuperieren kann, ein Leistungsminimum aus der Kombination beider bremsenden Komponenten zu finden. Beim Halten ist dies zweckmäßigerweise die alleinige Ansteuerung bzw. Verwendung der Betriebsbremse.
Grundsätzlich kann die Aufteilung auch derart erfolgen, dass der elektrische Antrieb zum Abbremsen keine elektrische Leistung aus dem Energiespeicher entnimmt, dass also nur rekuperiert wird, und dann nur die Betriebsbremse eingesetzt wird, wenn keine Rekuperation mehr möglich ist.
Vorzugsweise wird zum Abbremsen der Komponente unter Verwendung des elektrischen Antriebs und der Betriebsbremse eine Anhaltetrajektorie (also z.B. eine zeitliche und/oder positionsabhängige Vorgabe eines Soll-Bremsmoments) einregelt. Hierzu kann vorzugsweise der elektrische Antrieb zum Feinregeln verwendet werden, insbesondere indem langsamere Regelanteile wie z.B. ein I-Anteil (Integralanteil) mittels der Betriebsbremse und schnellere Regelanteile wie z.B. P- (Proportionalanteil) und/oder D-Anteile (Differentialanteil) mittels des elektrischen Antriebs übernommen werden.
Ein Elektromotor ist sehr präzise und dynamisch regelbar. Beispielsweise können konstante Verzögerungen erreicht oder ein Anhalte-Ruck vermieden werden. Dies bedeutet einen großen Komfort und vermeidet häufig Schwingungen, die nach einem Anhalten auftreten (z.B. beim Drehantrieb bei einem Kran). Betriebsbremsen, insbesondere mechanische Betriebsbremsen, sind häufig nicht so präzise regelbar. Daher kann mit Hilfe des Elektromotors eine gewünschte Anhaltetrajektorie eingeregelt werden, insbesondere auch dann, wenn die (mechanische) Betriebsbremse gleichzeitig angesteuert wird. In einer dafür vorzusehenden Bremsregelung kann die Betriebsbremse z.B. die langsameren Anteile (I-Anteil) und der Elektromotor P-Anteil und ggf. D-Anteil und alle ggf. nötigen ausregelnden antreibenden Anteile übernehmen. In diesem Fall kann auch akzeptiert werden, dass zum Abbremsen ggf. zusätzliche elektrische Energie benötigt wird.
Vorteilhafterweise ist die Betriebsbremse selbstbremsend ausgebildet sein, d.h. sie muss zum Öffnen aktiv angesteuert werden. Dies kann z.B. mittels Federn bzw. Federkraft erfolgen. Damit bremst sie bei Ausfall des Systems oder im Fehlerfall selbsttätig. Damit ist auch bei Totalausfall des Systems ein sicheres Abbremsen möglich.
Generell kann die Betriebsbremse bzw. deren Bremsmoment dem Bremsmoment des elektrischen Antriebs überlagert werden, wenn z.B. für Notbremsungen erhöhte Bremsmomente erforderlich sind. Das hat den Vorteil, dass der elektrische Antrieb für solche Bremsungen nicht überdimensioniert werden muss und somit ebenfalls Kosten und Gewicht reduziert werden können.
Es wird also insbesondere ein hybrides Bremssystem und eine Bremssteuerung für elektrische Antriebe bei mobilen Arbeitsmaschinen vorgeschlagen, das in Kombination der Ansteuerung des elektrischen Antriebs bzw. der elektrischen Maschine und einer (mechanischen) Betriebsbremse mehrere Vorteile bietet. Die zum Bremsen und Halten nötige Energie durch eine insbesondere drehzahlabhängige Verteilung des Bremsmoments auf beide Bremsen kann minimiert werden. Das Bremsmoment aus Überlagerung beider Bremsanteile (z.B. für Notbremsungen) kann maximiert werden. Ein thermisches De-Rating des elektrischen Antriebs kann durch vermehrten Einsatz der Betriebsbremse vermieden bzw. hinausgezögert werden.
Das gewünschte Bremsmoment kann auch in dem Falle, dass das Bordnetz oder ein Energiespeicher nicht ausreichend elektrische Energie aufnehmen können oder ein Defekt des elektrischen Antriebs vorliegt, sichergestellt werden. Es ist eine fein steuerbare Verzögerung möglich, bei der der elektrische Antrieb hochdynamisch das Bremsmoment fein regelt, während die Betriebsbremse weit weniger dynamisch angesteuert werden muss.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z. B. ein Steuergerät oder eine Steuereinheit einer mobilen Arbeitsmaschine, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Die Recheneinheit kann also z.B. entsprechende Ansteuersignale oder Ansteuerbefehle für den elektrischen Antrieb und die Betriebsbremse erzeugen und ausgeben.
Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Figurenbeschreibung

1 zeigt schematisch eine mobile Arbeitsmaschine, z.B. einen Mobilbagger, zur Erläuterung der Erfindung.
2 zeigt schematisch ein Bremssystem der mobilen Arbeitsmaschine aus 1.
3 zeigt schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.
4 zeigt schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
In 1 ist schematisch eine mobile Arbeitsmaschine 100 in einer bevorzugten Ausführungsform zur Erläuterung der Erfindung dargestellt. Bei der mobilen Arbeitsmaschine 100 kann es sich um eine erfindungsgemäße mobile Arbeitsmaschine in einer bevorzugten Ausführungsform handeln, bei der ebenfalls ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist. Bei der mobilen Arbeitsmaschine 100 handelt es sich beispielhaft um einen Bagger bzw. Mobilbagger. Beispielhaft sind ein Oberwagen 102, ein Unterwagen 104, ein Ausleger 110, ein Arm 112 sowie eine Schaufel 114 gezeigt. Weiterhin weist die mobile Arbeitsmaschine 100 eine Dreheinrichtung bzw. ein Drehwerk 116 für eine Drehung des Oberwagens 102 relativ zum Unterwagen 104 auf, sowie einen Fahrantrieb 118 am Unterwagen 104, z.B. mit zwei Achsen.
Die mobile Arbeitsmaschine 100 weist weiterhin ein elektro-hydraulisches System 120 auf. Diese kann z.B. einen Elektromotor bzw. einen elektrischen Antrieb umfassen, der ein Hydrauliksystem mit mehreren hydraulischen Antrieben antreibt, mittels welchen wiederum verschiedene Komponenten der mobilen Arbeitsmaschine 100 angetrieben werden können. Beispielhaft können diese hydraulischen Antriebe Zylinder 130, 132, 134 umfassen, die zum Antrieb von Ausleger 110, Arm 112 sowie Schaufel 114 als Komponenten dienen.
Weiterhin weist die mobile Arbeitsmaschine 100 einen elektrischen Antrieb 146 für den Antrieb und das Abbremsen der Dreheinrichtung bzw. des Drehwerks 116 als eine Komponente auf, sowie einen elektrischen Antrieb 148 für den Antrieb und das Abbremsen des Fahrantriebs 118 als eine Komponente. Weiterhin weist die mobile Arbeitsmaschine 100 eine Betriebsbremse 156 für das Abbremsen der Dreheinrichtung bzw. des Drehwerks 116 auf, sowie eine Betriebsbremse 158 für das Abbremsen des Fahrantriebs 118. Weiterhin weist die mobile Arbeitsmaschine 100 einen Energiespeicher 150, z.B. eine Batterie, für die Versorgung der elektrischen Antriebe sowie eine als Steuereinheit ausgebildete Recheneinheit 160 zum Ansteuern der elektrischen Antriebe, der Betriebsbremsen sowie ggf. der hydraulischen Antriebe auf.
In 2 ist rein schematisch am Beispiel des Drehwerks der mobilen Arbeitsmaschine ein möglicher Aufbau für das hybride Bremssystem gezeigt. Der elektrische Antrieb 146 ist mit der Betriebsbremse 156 drehmomentübertragend gekoppelt, die Betriebsbremse 156 wiederum ist drehmomentübertragend mit einem Getriebe 256 gekoppelt, welches wiederum drehmomentübertragend mit dem Drehwerk 116 gekoppelt ist. Das Getriebe 256 könnte z.B. auch zwischen Betriebsbremse 156 und Drehwerk 116 angeordnet sein.
In 3 ist schematisch ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt, und zwar insbesondere mit einer Übersicht über eine Reglerstruktur und eine Ansteuerung der beiden Bremsaktoren, d.h. des elektrischen Antriebs und der Betriebsbremse.
Mittels einer Mensch-Maschine-Schnittstelle, z.B. einem Joystick oder dergleichen, kann in einem Schritt 300 eine Solldrehzahl n_soll und/oder ein Sollmoment M_soll vorgegeben werden, die bzw. das auf eine Komponente wie das Drehwerk wirken sollen. Denkbar ist es ebenso, dass Solldrehzahl und/oder Sollmoment über ein Automatisierungs- oder Assistenzsystem vorgegeben werden.
Im Rahmen einer Regelung, Schritt 310, werden dann auf Basis dieser Größen, Solldrehzahl n_soll bzw. Sollmoment M_soll, Sollmomente für die Bremskomponenten, also elektrischen Antrieb und Betriebsbremse, abgeleitet. Dies erfolgt zunächst vorzugsweise getrennt nach Dynamik; so wird z.B. ein Vorsteueranteil M_vor und ein I-Anteil M_I getrennt von den dynamischeren Anteilen, P-Anteil M_P und D-Anteil M_D, an die Aufteilung auf die Bremssysteme, Schritt 320, ausgegeben. Insbesondere werden der Vorsteueranteil aus den Sollwerten und die Regelanteile aus den Regelabweichungen, d.h. Differenzen zwischen Soll- und Istwerten, berechnet, wobei vorliegend die drei Anteile M_I, M_P, M_D mittels getrennter Regelfunktionen mit unterschiedlichen (im Stand der Technik bekannten) Übertragungsfunktionen berechnet werden.
Im Block bzw. Schritt 320, Aufteilung auf die Bremssysteme, werden dann zunächst die Verluste des elektrischen Antriebs, Block 321, bzw. Aufwände für die Betriebsbremse, Block 322, für die Umsetzung der Bremsmomente berechnet. Diese Aufteilung kann ggf. iterativ erfolgen, um ein energetisches Optimum zu finden.
In die Iteration, Block 323, mit eingeschlossen sind z.B. auch verschiedene Randbedingungen, die abhängig von der aktuellen Betriebssituation mit einfließen können. Beispielsweise kann die aktuelle thermische Belastung, Block 324, mit einfließen um die mechanische Betriebsbremse mehr zu aktuieren. Im Falle einer Begrenzung der elektrischen Rekuperationsfähigkeit kann ebenfalls die Anforderung zum stärkeren Einsatz der mechanischen Betriebsbremse erfolgen. Im Falle der Anforderung, Block 325, exakt einer Brems- bzw. Anhaltetrajektorie zu folgen oder eine präzise Ruckbegrenzung zu ermöglichen, kann eine unbegrenzte Korrektur des elektrischen Antriebs aktiviert werden. Im Fehlerfall, Block 326, oder wenn ein max. Bremsmoment erforderlich ist, werden beide Bremsen aktiviert. Außerdem können z.B. Diagnoseinformationen, Block 327, sowie maximal und/oder minimal verfügbare Leistungen, Block 328, berücksichtigt werden.
Auf diese Weise können ein Moment M_A für den elektrischen Antrieb und ein Moment M_B für die Betriebsbremse erhalten werden, um die Komponente (mit ihrer bewegten Masse), abzubremsen, Schritt 330. Hier können dann eine Istdrehzahl n_ist, ein Istmoment M_A,ist des elektrischen Antriebs sowie ggf. ein Istmoment M_B,ist für die Betriebsbremse erfasst oder anderweitig bestimmt werden und der Regelung in Schritt 310 zurückgeführt werden.
In 4 ist schematisch ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, und zwar anhand von Verläufen von Drehzahl n des Drehwerks bzw. des damit gekoppelten elektrischen Antriebs (in U/min), einem Moment M_B der Betriebsbremse (in Nm) sowie einem Sollmoment M_A des elektrischen Antriebs (in Nm), jeweils über der Zeit t (in s).
Dieser beispielhafte Verlauf umfasst eine Erhöhung der Drehzahl von null beginnend, dann wieder zurück auf null mit einem kurzzeitigen Stillstand. Dieser Verlauf wiederholt sich, abwechselnd positiv und negativ, was einer Drehung im Uhrzeigersinn bzw. gegen den Uhrzeigersinn entspricht.
Zum Beschleunigen, in der Zeit von 0 bis 2 s, wird Moment vom elektrischen Antrieb aufgebracht, zum Abbremsen, in der Zeit von 2 bis 4 s, wird vom elektrischen Antrieb Moment aufgenommen (negatives Moment entspricht einem positiven Bremsmoment). Bei Erreichen des Stillstands ist das Moment des elektrischen Antriebs dann null, hingegen wird von der Betriebsbremse ein Hangabtriebsmoment von ca. 50 Nm gehalten, z.B. weil das Fahrzeug abschüssig steht und der Schwerpunkt des Oberwagens hangabwärts strebt. Nach dem Stillstand ab t= 5s wird die Richtung umgekehrt, der Ablauf wiederholt sich jedoch grundsätzlich entsprechend den Zeitraum von 0-4 s. In 4 wird beispielsweise auch gezeigt, dass schon kurzzeitig vor dem Erreichen des Stillstands die Betriebsbremse (mechanische Bremse) das gesamte Anhaltemoment übernimmt und es so vermeidet, dass der elektrische Antrieb (E-Motor) zum Bremsen elektrische Leistung von der Batterie benötigt.
Durch die Verwendung der Betriebsbremse wird also hier z.B. die Leistungsaufnahme des elektrischen Antriebs beim Abbremsen minimiert.
In der vorliegenden Erfindung wurde mit dem Merkmal „Komponente“ das Drehwerk der Arbeitsmaschine beschreiben. Allerdings ist dem Fachmann klar, wie schon in der Beschreibung erläutert, dass die „Komponente“ der Arbeitsmaschine eine beliebige Komponente sein kann. In einer anderen Ausführungsform kann die „Komponente“ das Rad oder der Antriebstrang zum Fahren sein. Insbesondere kann die Bremse an jedem Punkt zwischen dem elektrischen Antrieb 146 und einem Rad (oder eines Turasrades eines Kettenfahzeugs) Fahrantriebs 118 positioniert werden. Deswegen ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine bestimmte Art von Komponente begrenzt.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer mobilen Arbeitsmaschine (100), die einen elektrischen Antrieb (146) und eine Betriebsbremse (156) aufweist, wobei der elektrische Antrieb (146) zum Antreiben und zum Abbremsen einer Komponente (116) der mobilen Arbeitsmaschine (100) eingerichtet ist, und wobei die Betriebsbremse (156) zum Abbremsen der Komponente (116) der mobilen Arbeitsmaschine eingerichtet ist, wobei zum Abbremsen der Komponente (116) je nach Bedarf und/oder Vorgabe eine Aufteilung zwischen dem elektrischen Antrieb (146) und der Betriebsbremse (156) vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Aufteilung zwischen dem elektrischen Antrieb (146) und der Betriebsbremse (156) umfasst, dass ein gefordertes Bremsmoment (M_soll) zwischen dem elektrischen Antrieb und der Betriebsbremse aufgeteilt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Aufteilung zwischen dem elektrischen Antrieb (146) und der Betriebsbremse (156) umfasst, dass eine zeitliche Aufteilung zwischen dem elektrischen Antrieb und der Betriebsbremse vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in Abhängigkeit von einem Zustand des elektrischen Antriebs (146) zum Abbremsen der Komponente (116) nur die Betriebsbremse (156) verwendet wird, insbesondere wenn der elektrische Antrieb ausgefallen ist oder eine vorgegebene Temperatur überschreitet.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zum Abbremsen der Komponente (116) nur die Betriebsbremse (156) verwendet wird, wenn ein Energiespeicher (150) der mobilen Arbeitsmaschine (100) eine durch Rekuperation mittels des elektrischen Antriebs (146) anfallende elektrische Leistung nicht oder nicht mehr aufnehmen kann.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Aufteilung zwischen dem elektrischen Antrieb (146) und der Betriebsbremse (156) derart vorgenommen wird, dass eine von dem elektrischen Antrieb (146) benötigte elektrische Leistung minimiert wird, insbesondere von dem elektrischen Antrieb (146) keine elektrische Leistung aus einem Energiespeicher (150) entnommen wird, oder eine von dem elektrischen Antrieb (146) und der Betriebsbremse (156) zusammen benötigte elektrische Leistung minimiert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Aufteilung zwischen dem elektrischen Antrieb (146) und der Betriebsbremse (156) in Abhängigkeit von einer aktuellen Drehzahl (n) und/oder in Abhängigkeit von einer Betriebstemperatur elektrischer Antriebskomponenten vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zum Abbremsen der Komponente (116) unter Verwendung des elektrischen Antriebs und der Betriebsbremse eine Anhaltetrajektorie einregelt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der elektrische Antrieb zum Feinregeln verwendet wird, insbesondere indem langsamere Regelanteile (M_vor, M_I) mittels der Betriebsbremse (146) und schnellere Regelanteile (M_P, M_D) mittels des elektrischen Antriebs (146) übernommen werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Betriebsbremse (156) selbstbremsend ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei als Betriebsbremse (156) eine der folgenden verwendet wird: eine Reibbremse, eine Wirbelstrombremse oder eine hydraulische Bremse.
Recheneinheit (160) umfassend einen Prozessor, der so konfiguriert ist, dass er das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche ausführt.
Mobile Arbeitsmaschine (100), mit einem elektrischen Antrieb (146) und einer Betriebsbremse (156), wobei der elektrische Antrieb (146) zum Antreiben und zum Abbremsen einer Komponente (116) der mobilen Arbeitsmaschine (100) eingerichtet ist, und wobei die Betriebsbremse (156) zum Abbremsen der Komponente (116) der mobilen Arbeitsmaschine eingerichtet ist, weiterhin mit einer Recheneinheit (160) nach Anspruch 12.
Computerprogramm umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren nach Anspruch 1 bis 11 auszuführen.
Computerlesbarer Datenträger, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 14 gespeichert ist.