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Die Erfindung betrifft ein elektrisches Widerstandsmodul für ein landwirtschaftliches Fahrzeug.
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Aus dem Stand der Technik sind rekuperative Energiemodule bekannt, die bei einer Bremsbewegung des Fahrzeuges dessen kinetische Energie in elektrische Energie umwandeln und diese einem elektrischen Stromkreis des Fahrzeuges zur Verfügung stellen, um beispielsweise elektrische Komponenten des Fahrzeuges mit elektrischer Energie zu versorgen. Bei häufigen bzw. länger anhaltenden Bremsvorgängen erreicht die elektrische Spannung im Stromkreis derart hohe Werte, dass Schäden an den elektrischen Komponenten des Fahrzeuges drohen.
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Aus diesem Grund sind Ausgestaltungen bekannt, bei denen der Stromkreis des Fahrzeuges einen Energiespeicher aufweist, der überschüssige elektrische Energie im Stromkreis speichert, bevor Schäden an den elektrischen Komponenten des Stromkreises entstehen. Die gespeicherte elektrische Energie kann bei Bedarf den Komponenten des Stromkreises zur Verfügung gestellt werden. Diese Ausgestaltung ist jedoch konstruktiv aufwändig. Außerdem führen häufige Bremsvorgänge des Fahrzeuges zu rasch wechselnden Auf- und Entladevorgängen und damit zu einer schnellen Degeneration des Energiespeichers, was insbesondere eine geringer werdende Kapazität zur Folge hat. Dadurch wird die Zuverlässigkeit des Schutzes vor elektrischen Überspannungen beeinträchtigt.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Komponente zu entwickeln, die die genannten Nachteile aus dem Stand der Technik beseitigt und die insbesondere einen effizienteren Überspannungsschutz bietet.
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Die Aufgabe der Erfindung wird mit einem elektrischen Widerstandsmodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist vorgesehen, dass das Widerstandsmodul mit mindestens einer elektrischen Leitung des Fahrzeuges verbindbar ist, wobei das elektrische Widerstandsmodul mindestens eine elektrische Leitung, mindestens ein elektrisches Widerstandselement und eine Steuereinrichtung aufweist, wobei die Steuereinrichtung mit der elektrischen Leitung verbunden und derart ausgestaltet ist, dass in einem ersten Betriebszustand des Widerstandsmoduls das elektrische Widerstandselement mit der Leitung elektrisch verbunden ist, und dass in einem zweiten Betriebszustand des Widerstandsmoduls das elektrische Widerstandselement von der elektrischen Leitung elektrisch getrennt ist.
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Ferner wird die Aufgabe mit einem landwirtschaftlichen Fahrzeug mit mindestens einem elektrischen Generator gelöst, der über mindestens eine elektrische Leitung mit einem erfindungsgemäßen Widerstandsmodul elektrisch verbunden ist.
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Die Erfindung basiert auf dem Grundgedanken, dass statt der bekannten Zwischenspeicherung von überschüssiger elektrischer Energie im Stromkreis des Fahrzeuges diese überschüssige elektrische Energie alternativ durch das Widerstandselement im ersten Betriebszustand in Wärmeenergie umgewandelt und dadurch beispielsweise an eine äußere Umgebung des Fahrzeuges abgegeben werden kann. Im ersten Betriebszustand findet daher eine kontinuierliche Verringerung der elektrischen Spannung im Stromkreis des Fahrzeuges statt, bis keine Gefahr einer elektrischen Überspannung der Komponenten des Stromkreises droht. Im zweiten Betriebszustand ist ein regulärer Betrieb des Fahrzeuges möglich. Das Widerstandselement dient insofern als elektrischer Überspannungsschutz für den Stromkreis des Fahrzeuges und dessen damit verbundenen elektrischen Komponenten.
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Im Sinne der Erfindung bedeutet eine elektrische Verbindung zweier Komponenten, dass zwischen diesen ein Stromfluss erfolgen kann. Bei einer elektrischen Trennung zweier Komponenten findet kein Stromfluss zwischen diesen statt.
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Die Steuereinrichtung kann zur Messung der elektrischen Spannung und/oder der elektrischen Stromstärke der Leitung ausgebildet sein, um festzustellen, ob die Spannung des Stromkreises oberhalb des benutzerdefinierten ersten Grenzwertes bzw. unterhalb des benutzerdefinierten zweiten Grenzwertes liegt. Bei der gemessenen elektrischen Spannung kann es sich um die Spannung eines Stromkreises des Fahrzeuges handeln.
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Vorzugsweise ist das Widerstandsmodul in dem ersten Betriebszustand betreibbar, wenn die elektrische Spannung der Leitung einen benutzerdefinierten ersten Grenzwert übersteigt und dass das Widerstandsmodul in dem zweiten Betriebszustand betreibbar ist, wenn die elektrische Spannung der Leitung einen zweiten benutzerdefinierten Grenzwert unterschreitet. Entsprechende kann für die elektrische Stromstärke der Leitung gelten.
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Der erste benutzerdefinierte Grenzwert entspricht einem Wert für die elektrische Spannung bzw. einer elektrischen Stromstärke, bis zu der ein gefahrloser Betrieb des Stromkreises des Fahrzeuges möglich ist. Eine größere Spannung kann insofern zu Schäden an den Komponenten des Stromkreises führen. Der zweite benutzerdefinierte Grenzwert entspricht einer elektrischen Spannung, ab der der Stromkreis ordnungsgemäß betrieben werden kann. Ein weiterer Spannungsabfall unterhalb des zweiten Grenzwertes kann gegebenenfalls zu einem fehlerhaften Betrieb des Stromkreises und einem Ausfall von dessen Komponenten führen.
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Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise mit einem elektrischen Schalter verbunden, der zur Verbindung des Widerstandselements mit der elektrischen Leitung im ersten Betriebszustand und zur elektrischen Trennung des Widerstandselements von der elektrischen Leitung im zweiten Betriebszustand ausgebildet ist. Die Schalteinrichtung kann als insbesondere fernbedienbares Relais ausgestaltet sein.
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Das Widerstandsmodul kann mindestens eine kapazitive und/oder induktive Komponente aufweisen, die mit der elektrischen Leitung verbunden sind. Dadurch können beispielsweise elektrische Dämpfungselemente ausgebildet sein, um elektrische Komponenten des Widerstandsmoduls vor Schäden durch rasch ansteigende Spannungen zu schützen. Vorzugsweise weist das Widerstandsmodul einen Kondensator mit einer Kapazität von mindestens 100 mF auf, der mit der Steuereinrichtung verbunden ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Widerstandselement im ersten Betriebszustand mit mindestens einer Stromrichtereinrichtung verbunden. Die Stromrichtereinrichtung kann insbesondere zur Umwandlung von Wechselstrom zu Gleichstrom und/oder zur Umwandlung von Gleichstrom zu Wechselstrom ausgestaltet sein. Vorzugsweise ist das Widerstandsmodul mit Wechselspannung betreibbar. Daneben kann die Steuereinrichtung derart ausgestaltet sein, dass Wechselstrom phasen- und/oder frequenzselektiv an das Widerstandselement leitbar ist.
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In einer Weiterentwicklung der Erfindung sind mindestens die Steuereinrichtung und die elektrische Leitung als integrierter Schaltkreis auf einer Platine ausgebildet, was einen kompakten Aufbau darstellt.
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Das Widerstandsmodul kann eine Anzeigeeinrichtung aufweisen, die zur Anzeige einer dem ersten Betriebszustand zugeordneten Information und/oder zur Anzeige einer dem zweiten Betriebszustand zugeordneten Information ausgebildet ist. Vorzugsweise weist die Anzeigeeinrichtung mindestens eine optische Einrichtung, besonders vorzugsweise mindestens eine LED auf. Dadurch ist insbesondere der Betriebszustand des Widerstandsmoduls darstellbar.
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Der elektrische Stromkreis des landwirtschaftlichen Fahrzeuges kann als Wechselstromkreis ausgebildet sein. Der Stromkreis des landwirtschaftlichen Fahrzeuges kann mit elektrischen Komponenten wie beispielsweise Sensoren und/oder Steuergeräten des Fahrzeuges verbunden sein. In diesem Fall dient das Widerstandsmodul als Überspannungsschutz für die Komponenten des Fahrzeuges.
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Vorzugsweise ist der elektrische Generator als Motorgenerator ausgestaltet, der insbesondere als Antrieb für Räder des Fahrzeugs dient. Der Generator des Fahrzeuges kann mindestens eine insbesondere selbsthemmende Bremseinrichtung aufweisen. In diesem Fall ist freiwerdende Bremsenergie des Fahrzeuges dessen Stromkreis zuführbar, so dass das erfindungsgemäße Widerstandsmodul als Überspannungsschutz dient. Vorzugsweise weist der Generator mindestens ein elektromagnetisches Bremsmodul auf, mittels dessen Bremsenergie insbesondere in Abhängigkeit eines äußeren Magnetfeldes in elektrische Energie umwandelbar ist. In einer Ausgestaltung der Erfindung weist der Generator mindestens einen invertierten Hall-Sensor auf.
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Der Generator kann mit mindestens einer Stromrichtereinrichtung verbunden sein. Vorzugsweise ist der Stromkreis mit Wechselspannung betreibbar. Die Stromrichtereinrichtung kann im Sinne der Erfindung als Stromrichter und/oder als Wandler, beispielsweise als Diode, ausgestaltet sein. Vorzugsweise weist der Stromkreis des Fahrzeuges eine Leistungssteuereinrichtung auf, die zur Regelung des Stromflusses im Stromkreis ausgestaltet ist. Die Leistungssteuereinheit kann ein Widerstandsmodul aufweisen, wobei vorzugsweise mindestens eine Komponente des Widerstandsmodul einstückig mit der Leistungssteuereinrichtung ausgebildet ist.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist das Widerstandselement des Widerstandsmoduls an einer Außenseite des Fahrzeuges angeordnet. Das Widerstandselement wandelt elektrische Energie in Wärme um. Bei wiederholten und/oder anhaltenden Bremsvorgängen des Fahrzeuges kann eine beträchtliche Temperatur entstehen, die Schäden an den Komponenten des Fahrzeuges hervorrufen kann. Indem das Widerstandselement an der Außenseite des Fahrzeuges angeordnet ist, dient die äußere Umgebung als Kühlung für das Widerstandselement. Vorzugsweise weist das Widerstandselement Kühlelemente auf. Um das Widerstandselement vor äußeren Umwelteinflüssen zu schützen, kann das Widerstandselement mindestens teilweise innerhalb einer Abdeckung des Fahrzeuges angeordnet sein. Vorzugsweise ist das Widerstandselement zumindest teilweise in der Abdeckung eingegossen.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Fahrzeug als landwirtschaftliches Raupenfahrzeug ausgestaltet. Außerdem kann das Fahrzeug als Mähfahrzeug mit einem Mähdeck ausgebildet sein. Vorzugsweise ist das Widerstandselement an dem Mähdeck angeordnet. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Fahrzeug fernsteuerbar.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen erläutert sind. Dabei zeigen:
- 1 ein landwirtschaftliches Mähfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Widerstandsmodul in einer schematischen Seitenansicht,
- 2 einen schematischen elektrischen Schaltplan des Mähfahrzeuges der 1,
- 3 eine vergrößerte Ansicht auf ein erfindungsgemäßes Widerstandsmodul in einem ersten Betriebszustand,
- 4 das Widerstandsmodul der 3 in einem zweiten Betriebszustand und
- 5 einen alternativen Schaltplan des Mähfahrzeuges der 1.
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1 zeigt in einer schematischen Skizze ein landwirtschaftliches Mähfahrzeug 10 mit vorderen Umlenkrädern 11 und hinteren Umlenkrädern 12. Die vorderen Umlenkräder 11 sind elektrisch mit einem ersten elektrischen Motorgenerator 13, die hinteren Umlenkräder 12 mit einem zweiten elektrischen Motorgenerator 14 verbunden. Die Motorgeneratoren 13, 14 sind zum Antrieb der Umlenkräder 12, 14 ausgestaltet. Daneben weisen die Motorgeneratoren 13, 14 in 1 nicht gezeigte Bremseinrichtungen auf, durch die bei einem Bremsvorgang des Mähfahrzeuges 10 dessen kinetische Energie in Abhängigkeit eines äußeren Magnetfeldes in elektrische Energie umgewandelt wird. Üblicherweise erfolgt dies durch induktive Prozesse. Derartige Bremseinrichtungen werden auch als Nutzbremsen bzw. rekuperative Bremsen bezeichnet. Im Sinne der Erfindung bewirken die selbsthemmenden Bremseinrichtungen, dass bei einem Energieverlust, beispielsweise im Falle eines Kurzschlusses, die Bremseinrichtungen selbsttätig schließen und eine Weiterfahrt des Mähfahrzeuges 10 unterbunden ist.
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2 zeigt einen schematischen elektrischen Schaltplan des Mähfahrzeuges 10. Auf der linken Seite der 2 sind die hinteren Umlenkräder 12 dargestellt, die durch den zweiten Motorgenerator 14 antreibbar sind. Auf der rechten Seite der 2 sind die vorderen Umlenkräder 13 dargestellt, die durch den ersten Motorgenerator 13 antreibbar sind. Die Motorgeneratoren 13, 14 sind miteinander durch zwei elektrische Leitungen 15, 16 verbunden und werden mit dreiphasigem Wechselstrom betrieben.
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Im oberen Bereich der 2 ist ein Verbrennungsmotor 17 angeordnet, durch den ein elektrischer Generator 18 betreibbar ist, so dass der elektrische Generator 18, insbesondere beim Starten des Mähfahrzeuges 10, elektrischen Strom erzeugt. Der Generator 18 ist mittels elektrischer Leitungen 19, 20, 22, 23 und über eine Stromrichtereinrichtung 21 mit den Leitungen 15, 16 elektrisch verbunden. Die Stromrichtereinrichtung 21 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel derart ausgestaltet, dass nur ein Stromfluss vom Generator 18 zu den Leitungen 15, 16 möglich ist. Ein Stromfluss in umgekehrter Richtung wird unterbunden. Der in 2 gezeigte Stromkreis 24 wird mit dreiphasigem Wechselstrom betrieben und weist weitere, in 2 nicht dargestellte Komponenten des Mähfahrzeuges 10 auf.
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Bei längeren und/oder häufigen Bremsvorgängen des Mähfahrzeuges 10 erzeugen die Motorgeneratoren 13, 14 eine beträchtliche Menge elektrischer Spannung, die an dem Stromkreis 24 des Mähfahrzeuges 10 anliegt. Dessen Komponenten können durch zu große Spannungen und Stromstärken beschädigt werden.
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Zur Verhinderung dieser Schäden ist ein erfindungsgemäßes Widerstandmodul 25 mit dem Stromkreis 24 über zwei elektrische Leitungen 26, 27 verbunden, wobei das Widerstandsmodul 25 in 3 vergrößert dargestellt ist. Das Widerstandsmodul 25 weist eine Steuereinrichtung 28 auf, die den Strom und die Spannung des Stromkreises 24 anhand der Leitungen 26, 27 ermittelt. In 3 entspricht die Spannung USK des Stromkreises 24 der Spannung zwischen den Leitungen 26, 27.
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Überschreitet die Spannung USK des Stromkreises 24 einen ersten benutzerdefinierten Grenzwert U1, veranlasst die Steuereinrichtung 28, dass ein elektrischer Schalter 29 des Widerstandsmoduls 25, der in 3 als Relais 30 ausgebildet ist, geschlossen wird. Dadurch wird ein Widerstandselement 31 über elektrische Leitungen 32, 33 mit dem Stromkreis 24 des Mähfahrzeuges 10 elektrisch verbunden. Das Widerstandselement 31 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel ein ohmscher Widerstand 34, dessen Spannung proportional zu dessen Stromstärke ist und der durch ihn fließenden Strom in Wärme umwandelt. Dadurch sinken die Stromstärke und die Spannung USK des Stromkreises 24. Dieser Zustand des Widerstandsmoduls 25 entspricht einem ersten Betriebszustand und ist in 3 dargestellt.
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Der ohmsche Widerstand 34 ist gemäß 1 an einer Außenseite 35 des Mähfahrzeuges 10 angeordnet und gibt bei einer Verbindung des Widerstandes 34 mit dem Stromkreis 24 den durch den Widerstand 34 fließenden Strom als Wärme an eine äußere Umgebung 36 des Mähfahrzeuges 10 ab. Der Widerstand 34 ist in einer Einfassung 37 des Mähfahrzeuges 10 eingegossen und von einer nicht gezeigten Abdeckung überdeckt, so dass der Widerstand 34 vor äußeren Einwirkungen, beispielsweise vor Nässe, geschützt ist.
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Bei anhaltender elektrischer Verbindung des Widerstandes 34 mit dem Stromkreis 24 des Mähfahrzeuges 10 sinkt die Spannung USK des Stromkreises 24 solange, bis sie unterhalb eines zweiten benutzerdefinierten Grenzwertes U2 fällt, was von der Steuereinrichtung 28 des Widerstandsmoduls 25 ermittelt wird. In diesem Fall öffnet die Steuereinrichtung 28 das Relais 30, so dass der Widerstand 34 vom Stromkreis 24 des Mähfahrzeuges 10, insbesondere gemäß 4 von dessen Leitungen 22, 23, elektrisch getrennt ist. Dadurch ist eine weitere Verringerung der Spannung USK des Stromkreises 24 unterbunden. Dieser Zustand entspricht einem zweiten Betriebszustand des Widerstandsmoduls 25 und ist in 4 dargestellt.
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Das Widerstandsmodul 25 weist einen Kondensator 38 auf, der mit der Steuereinrichtung 28 des Widerstandsmoduls 25 elektrisch verbunden ist. Der Kondensator 38 dient als elektrisches Dämpfungs- bzw. Pufferelement. Rasch auftretende Spannungsspitzen können im Kondensator 38 zwischengespeichert werden, bevor die Steuereinrichtung 28 den Widerstand 34 mit dem Stromkreis 24 verbindet. Dadurch werden Schäden des Widerstandsmoduls 25, insbesondere Schäden des Widerstandes 34, vermieden. Der Kondensator 38 ist zusammen mit der Steuereinrichtung 28 und dem Relais 30 des Widerstandsmoduls 25 als integrierter Schaltkreis 39 ausgebildet.
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5 zeigt eine weitere Ausgestaltung des Stromkreises 24 des Mähfahrzeuges 10, dessen Motorgeneratoren 13, 14 und dessen Generator 18 mit einer Leistungssteuereinrichtung 40 verbunden sind. Die Leistungssteuereinrichtung 40 ist derart ausgebildet, dass ein Stromfluss von der Leistungssteuereinrichtung 40 zum Generator 18 unterbunden und ein Stromfluss zwischen den Motorgeneratoren 13, 14 möglich ist. Im Ausführungsbeispiel der 5 ist die Leistungssteuereinrichtung 40 über elektrische Leitungen 41, 42 mit dem Widerstandsmodul 25 zum Schutz des Stromkreises 24 vor zu großen Spannungen verbunden. Die Leistungssteuereinrichtung 40 ist derart ausgestaltet, dass ein phasenselektiver Stromfluss durch die Leitungen 40, 41 zum Widerstandsmodul 25 erfolgt. In einer alternativen Ausgestaltung ist die Steuereinrichtung 28 als integriertes Bauteil auf mit der Leistungssteuereinrichtung 40 ausgebildet.
