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Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrifizierter Antriebsstrang für eine Arbeitsmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, ein Verfahren zum Betreiben eines elektrifizierten Antriebsstrangs für eine Arbeitsmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 5 sowie eine entsprechende Arbeitsmaschine.
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Im Stand der Technik sind elektrisch angetriebene Arbeitsmaschinen, wie etwa Radlader, Kompaktlader, Teleskoplader, Dumper oder Bagger, bekannt. Derartige Arbeitsmaschinen verfügen als Energiespeicher üblicherweise über eine elektrische Batterie bzw. über eine Brennstoffzelle zur Erzeugung von Elektrizität aus Wasserstoff. Die für den Fahrantrieb und den Arbeitsantrieb benötigte mechanische Leistung wird dabei von einem oder mehreren Elektromotoren erbracht. Weiterhin ist es bekannt, die Elektromotoren bei Bremsvorgängen im Generatorbetrieb zum Rekuperieren von elektrischer Leistung zu verwenden.
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In diesem Zusammenhang beschreibt z.B. die
EP 0 962 597 A2 eine batteriebetriebene Arbeitsmaschine, welche für den Fahrantrieb zwei Elektromotoren aufweist und einen weiteren Elektromotor für den Arbeitsantrieb aufweist.
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Die
DE 10 2020 201 497 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines elektrifizierten Antriebsstrangs für eine Arbeitsmaschine, wobei ein Elektromotor des Antriebsstrangs mit den Rädern der Arbeitsmaschine trieblich gekoppelt ist. Über Mittel zur Erkennung eines Gefälles in Verbindung mit Mitteln zur Erfassung einer Fortbewegung der Arbeitsmaschine kann eine Hangabfahrt der Arbeitsmaschine erkannt werden. Gleichzeitig kann durch Mittel zum Erfassen einer Raddrehzahl eine Raddrehzahl der Räder erfasst werden und mit einem Raddrehzahlschwellwert verglichen werden. Wenn der Raddrehzahlschwellwert überschritten wird, wird der Elektromotor in einem Rekuperationsbetrieb betrieben, um ein Bremsmoment zu erzeugen, welches der Hangabtriebskraft entgegenwirkt.
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Aus der
DE 10 2020 203 594 A1 ist ebenfalls ein Verfahren zum Betreiben eines elektrifizierten Antriebsstrangs für eine Arbeitsmaschine bekannt, wobei wiederum ein Elektromotor des Antriebsstrangs mit den Rädern der Arbeitsmaschine trieblich gekoppelt ist. Wenn während eines Rekuperationsbetriebs des Elektromotors eine ungewollte Beschleunigung der Arbeitsmaschine erkannt wird, so wird der Beschleunigung durch einen automatisierten Bremseneingriff entgegengewirkt. Somit kann die Bremswirkung des Elektromotors im Bedarfsfall durch die Bremse unterstützt werden, um eine Gefahrensituation durch eine ungewollte Beschleunigung zu vermeiden.
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Aus der gattungsbildenden
DE 10 2012 106 535 A1 geht ein Verfahren zur Regelung eines Fahrantriebs eines Elektrofahrzeugs hervor, das durch mindestens einen elektrischen Fahrantriebsmotor angetrieben wird. In einem ersten Betriebszustand wird eine Drehmomentregelung durchgeführt, bei der einer Stellung eines Fahrsignalgebers ein Solldrehmoment des Fahrantriebsmotors zugeordnet ist. In einem zweiten Betriebszustand wird eine Drehzahlregelung durchgeführt, bei der einer Stellung des Fahrsignalgebers eine Solldrehzahl des Fahrantriebsmotors zugeordnet ist. Die Regelung des Fahrantriebsmotors erfolgt in dem ersten Betriebszustand, wenn eine Abweichung einer Solldrehzahl zu einer Istdrehzahl des Fahrantriebsmotors größer als ein Schwellenwert ist, ansonsten wird der Fahrantriebsmotor in dem zweiten Betriebszustand geregelt.
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Nachteilig ist es jedoch, dass neu entwickelte und insbesondere hinsichtlich ihrer Fahrsicherheitsaspekte verbesserte Verfahren zum Betrieb von elektrischen Antriebssträngen für Arbeitsmaschinen - wie beispielsweise das Verfahren der
DE 10 2020 203 594 A1 gegenüber dem Verfahren der
DE 10 2020 201 497 A1 - oftmals nicht mit den bestehenden Steuergeräten bzw. Systemkomponenten ausgeführt werden können. Derartige, bereits entwickelte und ggf. sogar bereits hergestellte Steuergeräte bzw. Systemkomponenten können dann nicht mehr vermarktet werden.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten elektrifizierter Antriebsstrang für eine Arbeitsmaschine vorzuschlagen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren zum Betreiben eines elektrifizierten Antriebsstrangs für eine Arbeitsmaschine gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
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Die Erfindung betrifft einen elektrifizierter Antriebsstrang für eine Arbeitsmaschine, umfassend eine Fahrzeugsteuereinheit, einen Fahrstrategierechner, mindestens eine Leistungselektronik, mindestens einen Elektromotor und mindestens eine Messeinrichtung, wobei der Fahrstrategierechner dazu ausgebildet ist, die mindestens eine Leistungselektronik nach Maßgabe einer Betätigung der Fahrzeugsteuereinheit anzusteuern und wobei die mindestens eine Leistungselektronik dazu ausgebildet ist, den mindestens einen Elektromotor nach Maßgabe einer Ansteuerung durch den Fahrstrategierechner zu betreiben. Der erfindungsgemäße Antriebsstrang zeichnet sich dadurch aus, dass die mindestens eine Messeinrichtung dazu ausgebildet ist, zwischen der mindestens einen Leistungselektronik und dem mindestens einen Elektromotor fließende elektrische Ströme zu erfassen und Informationen über die Ströme an den Fahrstrategierechner zu übertragen.
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Erfindungsgemäß ist also ein elektrifizierter Antriebsstrang vorgesehen, der zur Verwendung in einer Arbeitsmaschine geeignet ist. Somit unterscheidet sich der erfindungsgemäße Antriebsstrang z.B. von einem elektrifizierten PKW-Antriebsstrang durch seine Leistungsfähigkeit und Robustheit, da Antriebsstränge für Arbeitsmaschinen deutlich höhere Leistungen erbringen müssen als Antriebsstränge für einen PKW. Zudem werden Antriebsstränge für Arbeitsmaschinen in der Regel auch dauerhaft in hohen und sehr hohen Arbeitspunkten betrieben, wohingegen ein PKW-Antriebsstrang typischerweise im Dauerbetrieb weniger, oftmals deutlich weniger, als 50 % seiner Maximalleistung aufbringt.
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Der erfindungsgemäße Antriebsstrang umfasst eine Fahrzeugsteuereinheit, einen Fahrstrategierechner, mindestens eine Leistungselektronik, mindestens einen Elektromotor und mindestens eine Messeinrichtung. Dabei ist vorteilhaft jedem Elektromotor eine Leistungselektronik sowie eine Messeinrichtung zugeordnet.
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Die Fahrzeugsteuereinheit umfasst ihrerseits bevorzugt eine Reihe von Steuermitteln zum Steuern des Antriebsstrangs bzw. der Arbeitsmaschine durch einen menschlichen Bediener. Vorteilhaft umfasst die Fahrzeugsteuereinheit beispielsweise ein Fahrpedal und ein Bremspedal, einen Parkbremsschalter sowie einen Fahrmodusschalter zum Wählen unterschiedlicher Fahrmodi wie z.B. Anfahren, Geländefahrt, Straßenfahrt usw. Weiterhin kann die Fahrzeugsteuereinheit auch einen Fahrtrichtungsschalter umfassen zur Auswahl einer Fahrtrichtung. Die Fahrzeugsteuereinheit kann auch ein Lenkrad umfassen.
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Der Fahrstrategierechner ist auf Informationsebene mit der Fahrzeugsteuereinheit verbunden und wandelt die Steuereingaben des menschlichen Bedieners, die dieser über die Steuermittel vornimmt, in eine Ansteuerung der mindestens einen Leistungselektronik um. Wenn beispielsweise der Bediener das Fahrpedal betätigt, so wandelt der Fahrstrategierechner die jeweils aktuelle Stellung des Fahrpedals in einer der Stellung entsprechende Ansteuerung der mindestens einen Leistungselektronik um. Somit erfolgt also stets eine Ansteuerung der mindestens einen Leistungselektronik nach Maßgabe einer Betätigung der Fahrzeugsteuereinheit.
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Die mindestens eine Leistungselektronik ist insbesondere als sog. Inverter ausgebildet, welcher Gleichstrom, der bevorzugt von einer Batterie bereitgestellt wird, in zur Ansteuerung des mindestens einen Elektromotors geeigneten Wechselstrom umrichtet. Die mindestens eine Leistungselektronik setzt dann ihrerseits die Ansteuerung durch den Fahrstrategierechner in einen Betrieb des mindestens einen Elektromotors um. Dazu ist die mindestens eine Leistungselektronik zumindest auf Informationsebene mit dem Fahrstrategierechner verbunden. Zudem ist die mindestens eine Leistungselektronik elektrisch mit einer Batterie der Arbeitsmaschine bzw. des Antriebsstrangs verbunden sowie elektrisch mit dem mindestens einen Elektromotor verbunden.
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Bei dem mindestens einen Elektromotor kann es sich um einen Synchronmotor oder auch einen Asynchronmotor handeln, bevorzugt um einen dreiphasigen Synchronmotor oder einen dreiphasigen Asynchronmotor.
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Der erfindungsgemäße Antriebsstrang zeichnet sich nun dadurch aus, dass zusätzlich mindestens eine Messeinrichtung zum Erfassen von elektrischen Strömen vorgesehen ist, die zwischen dem mindestens einen Elektromotor und der mindestens einen Leistungselektronik fließen. Dementsprechend ist die mindestens eine Messeinrichtung vorteilhaft zwischen ein Teil der elektrischen Verbindung zwischen der mindestens einen Leistungselektronik und dem mindestens einen Elektromotor, so dass alle zwischen der mindestens einen Leistungselektronik und dem mindestens einen Elektromotor fließenden Ströme von der mindestens einen Messeinrichtung auf einfache Weise erfasst werden können.
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Weiterhin ist die Messeinrichtung auf Informationsebene auch mit dem Fahrstrategierechner verbunden, um Informationen über die erfassten Ströme an den Fahrstrategierechner zu übertragen.
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Daraus ergibt sich der Vorteil, dass der Fahrstrategierechner mittels der fortlaufenden Informationen über die zwischen dem mindestens einen Elektromotor und der mindestens einen Leistungselektronik fließenden Ströme rückschließen kann, wie der mindestens eine Elektromotor sich tatsächlich verhält. Dadurch können beispielsweise Fehlansteuerungen erkannt und vom Fahrstrategierechner korrigiert werden. Insbesondere können somit über die mindestens eine Messeinrichtung zusätzliche Fahrsicherheitsaspekte in den Antriebsstrang implementiert werden, wobei der Antriebsstrang ansonsten aus bekannten Systemkomponenten, wie insbesondere Leistungselektronik, Fahrstrategierechner und Fahrzeugsteuereinheit, aufgebaut sein kann. Dadurch können diese Systemkomponenten auch dann noch vermarktet werden, wenn bereits höhere Sicherheitsanforderungen bezüglich des Betriebs des Antriebsstrangs vorgeschrieben sind, als von diesen Systemkomponenten eigentlich bereitgestellt werden können.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die mindestens eine Messeinrichtung weiterhin dazu ausgebildet ist, zwischen der mindestens einen Leistungselektronik und dem mindestens einen Elektromotor anliegende elektrische Spannungen zu erfassen und Informationen über die Spannungen an den Fahrstrategierechner zu übertragen. Somit kann neben dem elektrischen Strom auch die elektrische Spannung herangezogen werden, um die Umsetzung der vom Fahrstrategierechner vorgegebenen Ansteuerung durch die Leistungselektronik zu überwachen.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass der Fahrstrategierechner dazu ausgebildet ist, mittels einer Plausibilisierung der erfassten Ströme und/oder Spannungen anhand der Betätigung der Fahrzeugsteuereinheit einen von der Betätigung der Fahrzeugsteuereinheit abweichenden Betrieb des mindestens einen Elektromotors zu erkennen. Dazu können beispielsweise Kennlinien oder Kennfelder im Fahrstrategierechner abgelegt sein, die einer bestimmten Ansteuerung der mindestens einen Leistungselektronik einen bestimmten Strom oder eine bestimmte Spannung zuordnen. Bei einer Abweichung des erfassten Stroms von der Kennlinie bzw. vom Kennfeld oder bei einer Abweichung der erfassten Spannung von der Kennlinie bzw. vom Kennfeld kann dann erkannt werden, dass ein ungewolltes Verhalten des mindestens einen Elektromotors vorliegt und die Ansteuerung geändert werden oder ein sicherer Betriebszustand hergestellt werden, bei dem der mindestens eine Elektromotor beispielsweise von der Stromversorgung getrennt wird.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass der Fahrstrategierechner dazu ausgebildet ist, mittels einer Plausibilisierung der erfassten Ströme und/oder Spannungen anhand der Betätigung der Fahrzeugsteuereinheit zumindest ein ungewolltes Anfahren und/oder ein Anfahren in eine falsche Richtung zu erkennen. Gerade auch ein ungewolltes Anfahren bzw. ein Anfahren in eine falsche Richtung sind sicherheitsrelevante Fehler mit prinzipiell hohem Risiko einer Sachbeschädigung oder gar eine Verletzung von Personen.
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Die Erfindung betrifft schließlich auch ein Verfahren zum Betreiben eines elektrifizierten Antriebsstrangs für eine Arbeitsmaschine, wobei der Antriebsstrang eine Fahrzeugsteuereinheit, einen Fahrstrategierechner, mindestens eine Leistungselektronik, mindestens einen Elektromotor und mindestens eine Messeinrichtung umfasst, wobei die mindestens eine Leistungselektronik nach Maßgabe einer Betätigung der Fahrzeugsteuereinheit durch den Fahrstrategierechner angesteuert wird und wobei der mindestens eine Elektromotor nach Maßgabe einer Ansteuerung durch den Fahrstrategierechner durch die mindestens eine Leistungselektronik betrieben wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen der mindestens einen Leistungselektronik und dem mindestens einen Elektromotor fließende elektrische Ströme von der mindestens einen Messeinrichtung erfasst werden und Informationen über die Ströme von der mindestens einen Messeinrichtung an den Fahrstrategierechner übertragen werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird dabei vom erfindungsgemäßen Antriebsstrang ausgeführt. Daraus ergeben sich die bereits beschriebenen Vorteile.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass zwischen der mindestens einen Leistungselektronik und dem mindestens einen Elektromotor anliegende elektrische Spannungen von der mindestens einen Messeinrichtung erfasst werden und Informationen über die Spannungen von der mindestens einen Messeinrichtung an den Fahrstrategierechner übertragen werden.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass mittels einer Plausibilisierung der erfassten Ströme und/oder Spannungen anhand der Betätigung der Fahrzeugsteuereinheit ein von der Betätigung der Fahrzeugsteuereinheit abweichender Betrieb des mindestens einen Elektromotors durch den Fahrstrategierechner erkannt wird.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass mittels einer Plausibilisierung der erfassten Ströme und/oder Spannungen anhand der Betätigung der Fahrzeugsteuereinheit zumindest ein ungewolltes Anfahren und/oder ein Anfahren in eine falsche Richtung durch den Fahrstrategierechner erkannt wird.
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Die Erfindung betrifft schließlich auch eine Arbeitsmaschine, umfassend einen erfindungsgemäßen Antriebsstrang. Daraus ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Antriebsstrang beschriebenen Vorteile auch für die erfindungsgemäße Arbeitsmaschine.
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Bei der Arbeitsmaschine handelt es sich bevorzugt um einen Radlader. Es kann sich aber auch um einen Kompaktlader, Teleskoplader, Dumper, Bagger oder Traktor handeln.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
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Es zeigen:
- 1 beispielhaft und schematisch einen Aufbau eines im Stand der Technik bekannten elektrifizierten Antriebsstrangs für eine Arbeitsmaschine und
- 2 beispielhaft und schematisch einen Aufbau eines erfindungsgemäßen elektrifizierten Antriebsstrangs für eine Arbeitsmaschine.
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Gleiche Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbare Komponenten sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Diese Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbaren Komponenten sind hinsichtlich ihrer technischen Merkmale identisch ausgeführt, sofern sich aus der Beschreibung nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt.
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1 zeigt beispielhaft und schematisch einen Aufbau eines im Stand der Technik bekannten elektrifizierten Antriebsstrangs 10 für eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt in 1).
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Der bekannte Antriebsstrang 10 umfasst ein Fahrzeugsteuereinheit 15, einen Fahrstrategierechner 11, eine Leistungselektronik 12 in Form eines Inverters 12, einen Elektromotor 13 sowie einen Energiespeicher 14 in Form einer wiederaufladbaren Batterie 14.
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Weiterhin umfasst der Antriebsstrang 10 beispielsgemäß ein Getriebe (nicht dargestellt in 1) sowie vier angetriebene Räder (nicht dargestellt in 1).
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Die Fahrzeugsteuereinheit 15 umfasst ihrerseits eine Reihe von (nicht dargestellten) Steuermitteln zum Steuern des Antriebsstrangs bzw. der Arbeitsmaschine durch einen menschlichen Bediener. Beispielsgemäß handelt es sich um ein Fahrpedal, ein Bremspedal, einen Parkbremsschalter, einen Fahrmodusschalter, einen Fahrtrichtungsschalter sowie ein Lenkrad.
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Informationen über eine Steuereingabe mittels der Steuermittel durch einen menschlichen Bediener werden von der Fahrzeugsteuereinheit 15 erfasst und an den Fahrstrategierechner 11 weitergeführt.
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Der Fahrstrategierechner 11 wandelt dann die Steuereingaben des menschlichen Bedieners in eine Ansteuerung der Leistungselektronik 12 um. Wenn beispielsweise der Bediener das Fahrpedal betätigt, so wandelt der Fahrstrategierechner 11 die jeweils aktuelle Stellung des Fahrpedals in einer der Stellung entsprechende Ansteuerung der Leistungselektronik 12 um. Somit erfolgt eine Ansteuerung der Leistungselektronik 12 nach Maßgabe einer Betätigung der Fahrzeugsteuereinheit 15. Die Leistungselektronik 12 wiederum beaufschlagt daraufhin den Elektromotor 13 entsprechend der Ansteuerung durch den Fahrtstrategierechner 11 mit elektrischer Spannung bzw. elektrischem Strom, so dass der Elektromotor 13 eine mechanische Leistung erzeugt, mittels der die Arbeitsmaschine angetrieben wird.
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Die Leistungselektronik 12 richtet von der Batterie 14 bereitgestellten Gleichstrom in zur Ansteuerung des Elektromotors 13 geeigneten Wechselstrom um. Dadurch steuert die Leistungselektronik 12 den Elektromotor 13 letztlich nach Maßgabe der Steuereingaben der Fahrzeugsteuereinheit 15.
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Der Fahrstrategierechner 11 ist auf Informationsebenen sowohl mit der Fahrzeugsteuereinheit 15 als auch mit der Leistungselektronik 12 verbunden. Die Leistungselektronik 12 weist eine elektrische Verbindung, die auch zum Leiten hoher Ströme geeignet ist, sowohl zur Batterie 14 als auch zum Elektromotor 13 auf.
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2 zeigt beispielhaft und schematisch einen Aufbau eines erfindungsgemäßen elektrifizierten Antriebsstrangs 10 für eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt in 2).
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Der Antriebsstrangs 10 der 2 unterscheidet sich vom Antriebsstrang 10 der 1 durch das Vorhandensein einer Messeinrichtung 16. Die Messeinrichtung 16 ist als Messeinrichtung 16 zum Erfassen von elektrischen Strömen und elektrischen Spannungen ausgebildet und ein Bestandteil der elektrischen Verbindung zwischen der Leistungselektronik 12 und dem Elektromotor 13, d.h., dass alle elektrischen Ströme von der Leistungselektronik 12 zum Elektromotor 13 und umgekehrt durch die Messeinrichtung 16 fließen.
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Weiterhin ist die Messeinrichtung 16 auf Informationsebene mit dem Fahrstrategierechner 11 verbunden, um Informationen über die erfassten Ströme und die erfassten Spannungen an den Fahrstrategierechner 11 zu übertragen.
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Dadurch wird es ermöglicht, dass der Fahrstrategierechner 11 Informationen über die zwischen dem Elektromotor 13 und der Leistungselektronik 12 fließenden Ströme bzw. anliegenden Spannungen erhält. Der Fahrstrategierechner 11 ist dabei dazu ausgebildet, mittels einer Plausibilisierung der erfassten Ströme bzw. Spannungen anhand der Betätigung der Fahrzeugsteuereinheit 15 einen von der Betätigung der Fahrzeugsteuereinheit 15 abweichenden Betrieb des Elektromotors 13 zu erkennen. Dazu sind Kennlinien oder Kennfelder im Fahrstrategierechner 11 abgelegt, die einer bestimmten Ansteuerung der Leistungselektronik 12 einen bestimmten Strom bzw. eine bestimmte Spannung zuordnen. Bei einer Abweichung der erfassten Ströme bzw. Spannungen von den Daten der Kennlinien bzw. Kennfelder kann dann erkannt werden, dass ein ungewolltes Verhalten des Elektromotors 13 vorliegt. Insbesondere kann so auch ein ungewolltes Anfahren sowie ein Anfahren in eine falsche Richtung erkannt werden.
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Durch das Vorsehen der Messeinrichtung 16 kann somit ein im Stand der Technik bekannter elektrischer Antriebsstrang 10 auf einfache Weise um sicherheitsrelevante Funktionen ergänzt werden. Ein Austausch einiger oder aller Systemkomponenten ist nicht erforderlich.
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Bezugszeichen
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- 10
- Antriebsstrang
- 11
- Fahrstrategierechner
- 12
- Leistungselektronik, Inverter
- 13
- Elektromotor
- 14
- elektrischer Energiespeicher, Batterie
- 15
- Fahrzeugsteuereinheit
- 16
- Messeinrichtung
