WO2022033862A1

WO2022033862A1 - Elektrischer antrieb für eine mischertrommel

Info

Publication number: WO2022033862A1
Application number: PCT/EP2021/070931
Authority: WO
Inventors: Eduard Heilig; Udo Brehmer; Raphael Zohner
Original assignee: Zf Friedrichshafen Ag
Priority date: 2020-08-14
Filing date: 2021-07-27
Publication date: 2022-02-17
Also published as: KR20230050419A; CN116018442A; DE102020210383A1; US20230302681A1

Abstract

Es wird ein elektrischer Antrieb für eine Mischertrommel mit einem Hochvoltgleichspannungsnetz (HVN) vorgeschlagen, an das wenigstens eine Batterie (B), ein Stromrichter (SR) und wenigstens eine Schnittstelle (IF) zum Anschluss einer stationären elektrischen Energieversorgung angeschlossen sind, wobei die wenigstens eine Batterie (B) nur über die wenigstens eine externe Schnittstelle aufgeladen wird, wobei ein Steuergerät (eDCU) vorgesehen ist, das Energieflüsse von und zu den an das Hochvoltgleichspannungsnetz (HVN) angeschlossenen Komponenten steuert. Es wird auch ein entsprechendes Verfahren zum Betrieb eines solchen elektrischen Antriebs vorgeschlagen.

Description

Elektrischer Antrieb für eine Mischertrommel

Die Erfindung geht aus von einem elektrischen Antrieb für eine Mischertrommel und einem Verfahren zum Betrieb eines solchen elektrischen Antriebs nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche.

Aus EP 2 807 007 B1 ist ein Fahrmischer mit einer Vorrichtung zum Drehen der Trommel des Betonmischers bekannt, bei dem die Trommel rein elektrisch gedreht wird. Die elektrische Energie hierfür wird über einen Generator erzeugt, der vom Verbrennungsmotor über einen Nebenabtrieb angetrieben wird. Diese elektrische Energie wird zum Aufladen einer Batterie verwendet, die dann den Elektromotor für das Drehen der Trommel speist. Weiterhin kann die Batterie auch über das stationäre Netz und über eine Rekuperation des Fahrmischers aufgeladen werden.

Der erfindungsgemäße elektrische Antrieb für eine Mischertrommel bzw. das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb dieses Antriebs mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass dadurch, dass nur die Aufladung der Batterie über eine stationäre Energieversorgung erfolgt, die Kopplung des Mischerantriebs mit dem Antriebsstrang für das Fahrzeug entfällt. Die Kopplung wie im Stand der Technik führt zu sicherheitstechnischen Überlegungen, die erfindungsgemäß entfallen können. Außerdem braucht ein Generator des Fahrzeugs dann nur für das Bordnetz ausgelegt sein, wobei der Generator dann von einem Verbrennungsmotor des Fahrzeugs, das dieses antreibt, über einen Nebenabtrieb angetrieben wird. Es liegt also insgesamt keine energieübertragende Verbindung vom Antrieb des Fahrzeugs zum elektrischen Antrieb für die Mischertrommel vor. Das vereinfacht dann weiterhin die Verkabelung und Aufbau, wenn die Mischertrommel sich bspw. auf einem Anhänger befindet. Dadurch entfällt dann eine aufwändige Überwachung des Generators und auch die Überwachung und Steuerung des Steuergeräts, das den erfindungsgemäßen Antrieb steuert, wird deutlich einfacher.

Daher wird ein elektrischer Antrieb für eine Mischertrommel vorgeschlagen, bei dem ein Hochvoltgleichspannungsnetz vorgesehen ist, an das wenigstens eine Batterie, ein Stromrichter und wenigstens eine Schnittstelle zum Anschluss einer stationären elektrischen Energieversorgung angeschlossen sind, wobei die wenigstens eine Batterie nur über die wenigstens eine externe Schnittstelle aufgeladen wird, wobei ein Steuergerät vorgesehen ist, das Energieflüsse von und zu den an das Hochvoltgleichspannungsnetz angeschlossenen Komponenten steuert. Weiterhin wird ein entsprechendes Verfahren zum Betrieb dieses elektrischen Antriebs vorgeschlagen.

Unter dem elektrischen Antrieb werden die erfindungsgemäß definierten Komponenten verstanden, die für den Antrieb der Mischertrommel notwendig sind. Es liegt also kein weiterer Antrieb hydraulischer oder mechanischer Art vor, sondern nur der erfindungsgemäß definierte elektrische Antrieb.

Das Hochvoltgleichspannungsnetz verbindet die angeschlossenen Komponenten, so dass elektrische Energie zwischen ihnen über das Hochvoltgleichspannungsnetz transportiert werden kann. Die Spannung kann dabei zwischen 100 und 800V liegen.

Bei der Batterie handelt sich daher um eine Hochvoltbatterie, die für den Bedarf an Energie für die Mischertrommel und die Einsatzgegebenheiten angepasst ist. Vorteilhafterweise ist die Batterie so eingebaut, dass sie leicht in ihrer Kapazität vergrößert oder verkleinert werden kann, je nach dem was der Einsatz des Fahrmischers verlangt.

Vorliegend ist die Mischertrommel auf einem fahrbaren Betonmischer, mithin auch Fahrmischer genannt, angeordnet. Dabei wird insbesondere Beton in die sich drehende Mischertrommel befördert. Der Fahrmischer transportiert den so durchmischten Beton bspw. zu einer Baustelle. Es können drei- oder vierachsige Lastkraftwagen als Fahrmischer verwendet werden. Es sind auch Sattelauflieger möglich.

Unter dem Stromrichter können Wechselrichter, Gleichrichter oder Gleichspannungswandler verstanden werden, je nach dem welcher Einsatz verlangt wird.

Die externe Schnittstelle nach außen ist so konzipiert, dass sie mechanisch den Anschluss einer externen elektrischen Energiequelle zulässt, bspw. über eine Buchse für Drehstrom oder Wechselstrom, aber auch eine externe Gleichspannungsquelle kann vorliegend angeschlossen werden. Dafür weist die Schnittstelle dann vorzugsweise mehrere Buchsen auf, damit je nach Situation die entsprechende Stromquelle angeschlossen werden kann. Weiterhin weist die Schnittstelle auch Stromrichter auf, um die externe elektrische Energie auf die entsprechenden Parameter für das Hochvoltgleichspannungsnetz umzusetzen, d.h. auf eine Gleichspannung der entsprechenden Größe.

Das Steuergerät verarbeitet Signale von den Komponenten oder weiteren Signalquellen im Fahrmischer und erzeugt daraus Steuersignale für die Komponenten, die an das Hochvoltgleichspannungsnetz angeschlossen sind oder anderen Signalempfängern innerhalb und/oder außerhalb des Fahrmischers. Dafür weist das Steuergerät Verarbeitungsmittel auf, die softwaremäßig zumindest ausgebildet sind. Es ist möglich, dass das Steuergerät nur als Software vorliegt, aber es kann auch eine eigene Hardware aufweisen. Die Software kann auf einem deterministischen Algorithmus beruhen oder anstatt oder zusätzlich ein neuronales Netz verwenden. Insbesondere kann das Steuergerät ein eigenes Gehäuse mit entsprechenden Schnittstellen aufweisen.

Die Energieflüsse bezeichnen den Transport von elektrischer Energie über das Hochvoltgleichspannnungsnetz.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch angegeben Flurförderzeugs angegeben.

Es ist vorgesehen, dass die externe Schnittstelle zur Aufnahme von Gleichstrom und/oder Wechselstrom ausgebildet ist, wobei die externe Schnittstelle für den Gleichstrom einen Gleichspannungswandler und für den Wechselstrom einen Gleichrichter aufweist.

Weiterhin ist es vorgesehen, dass das Steuergerät in Abhängigkeit von einem ersten Signal, das einen Zustand der wenigstens einen Batterie kennzeichnet, ein zweites Signal für eine Ausgabeeinrichtung für einen Benutzer des Mischers ausgibt. Damit wird bspw. in Abhängigkeit vom Ladezustand der Batterie dem Benutzer mitgeteilt, ob ein weiterer Ladevorgang notwendig ist. Die Ausgabeeinrichtung kann optisch bspw. als Anzeige oder akustisch als Lautsprecher ausgebildet sein. Die Signale sind Datensignale.

Darüber hinaus ist es vorgesehen, dass das Steuergerät in Abhängigkeit vom ersten Signal ein drittes Signal ausgibt, das eine Leistungsabgabe oder -aufnahme beeinflusst. Damit ist über das dritte Signal eine Steuerung der Komponenten am Hochvoltgleichspannungsnetz oder weiterer Komponenten wie dem Elektromotor über ihre Leistungsaufnahme möglich.

Weiterhin ist es möglich, dass das Steuergerät dazu eingerichtet ist, den Stromrichter nur über die externe Schnittstelle mit elektrischer Energie zu versorgen. In einem solchen Fall wird also die Batterie überbrückt und/oder nur aufgeladen. Dies kann an der Batterie über eine Unterbrechung von Energieabgabe erfolgen. Dazu kann das Steuergerät bspw. das Batteriesteuergerät entsprechend anweisen oder das Steuergerät übernimmt diese Aufgabe selber.

Es ist auch möglich, dass das Steuergerät das Aufladen der wenigstens einen Batterie in Abhängigkeit von weiteren verfügbaren stationären Energieversorgungen steuert. Damit kann dann geplant werden, wie lange die Batterie aufgeladen werden muss, bis sie mit der nächsten verfügbaren Energieversorgung aufgeladen werden kann. Dazu können dann auch Daten darüber verwendet werden, wie hoch der erwartete Energieverbrauch der Energie bis dahin sein wird.

Entsprechend kann vorgesehen sein, dass das Steuergerät das Aufladen der wenigstens einen Batterie in Abhängigkeit von einem zukünftigen Energiebedarf steuert. Dazu sind dann abgespeicherte Daten über den Einsatz des Fahrmischers notwendig.

Dafür kann dann vorgesehen sein, dass das Steuergerät den zukünftigen Energiebedarf in Abhängigkeit von einer geplanten Fahrzeit bestimmt. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 ein erstes Blockschaltbild des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebs im Fahrmischer,

Fig. 2 ein zweites Blockschaltbild der externen Schnittstelle,

Fig. 3 ein drittes Blockschaltbild der Steuerung durch das Steuergerät,

Fig. 4 ein viertes Blockschaltbild der direkten Energieversorgung von außen und

Fig. 5 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 1 zeigt ein erstes Blockschaltbild des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebs für die Mischertrommel. Auf einem Trailer TR befindet sich der elektrische Antrieb für die Mischertrommel TRO. Dabei ist eine externe Energieversorgung ES über die Schnittstelle IF an den Trailer TR und dabei an den elektrischen Antrieb angeschlossen. Die Schnittstelle IF, die Batterie B und der Stromrichter SR sind vorliegend an das diese Komponenten elektrisch verbindende Hochvoltgleichspannungsnetz HVN angeschlossen. Der Stromrichter ist zur Energieversorgung mit dem elektrischen Motor EM verbunden, der die Mischertrommel TRO bspw. über ein Reduziergetriebe dreht. Ein Steuergerät eDCU ist signaltechnisch zumindest mit der Schnittstelle IF, der Batterie B und dem Stromrichter SR verbunden. Es ist möglich, dass das Steuergerät eDCU mit mehr oder weniger Komponenten verbunden ist.

In der Zugmaschine ZM ist der die Zugmaschine ZM antreibende Antrieb A angeordnet. Dieser Antrieb A ist in keiner Weise mit dem elektrischen Antrieb für die Mischertrommel verbunden. Kein Energiefluss ist zwischen diesen Antrieben bestimmungsgemäß möglich. Natürlich sind Zugmaschine ZM und der Trailer TR mechanisch miteinander verbunden, so dass die Zugmaschine ZM den Trailer TR zieht.

Die Energie von der externen Energieversorgung ES kann über das Hochvoltgleichspannungsnetz HVN die Batterie B und/oder den Stromrichter SR mit elektrischer Energie versorgen. Beide Komponenten können vom Hochvoltgleichspannungsnetz geschaltet werden. Dies kann über das Steuergerät eDCU vorgenommen werden.

Fig. 2 zeigt in einem zweiten Blockschaltbild die Schnittstelle IF mit einem Anschluss für eine erste externe Energieversorgung mit Wechselspannung WES und mit einem Anschluss für eine zweite Energieversorgung mit Gleichspannung GES. Im Falle der Wechselspannung WES weist die Schnittstelle IF einen Gleichrichter GR auf, der die Wechselspannung gleichrichtet zu einer Gleichspannung. Im Falle der Gleichspannung weist die Schnittstelle IF einen Gleichspannungswandler auf, der die extern zugeführte Gleichspannung auf die Spannung für das Hochvoltgleichspannungsnetz HVN wandelt. Der Gleichrichter GR kann ebenfalls auf einen Gleichspannungswandler führen. Diese Gleichspannung wird dann jeweils auf das Hochvoltgleichspannungsnetz HVN geführt.

Fig. 3 zeigt in einem dritten Blockschaltbild, dass das Steuergerät eDCU in Abhängigkeit von einem ersten Signal S1 von der Batterie B und dabei vom Batteriesteuergerät BS über ein zweites Signal S2 eine Ausgabeeinrichtung AE ansteuert. Diese auf der Ausgabeeinrichtung AE dargestellte Information informiert den Benutzer bspw. über den Ladungszustand der Batterie B. Über das Signal S3 steuert das Steuergerät eDCU den Stromrichter SR, das Batteriesteuergerät BS und die Schnittstelle IF an, um die Leistungsaufnahme bzw. Abgabe in Abhängigkeit vom Ladungszustand der Batterie oder anderer Batterieparameter zu steuern.

Fig. 4 zeigt in einem vierten Blockschalt, dass das Steuergerät eDCU beim Anschluss einer externen Energieversorgung EV an die Schnittstelle IF die Batterie über einen Schalter S vom Hochvoltgleichspannungsnetz HVN nimmt. Damit der Stromrichter SR nur von der externen Energieversorgung EV versorgt wird. In Fig. 5 ist mit einem Flussdiagramm das erfindungsgemäße Verfahren dargestellt. In Verfahrensschritt 500 wird eine externe Energieversorgung ES an die Schnittstelle IF angeschlossen, um einen Energiefluss von der Schnittstelle IF über das Hochvoltgleichspannungsnetz HVN zur Batterie B und zum Stromrichter SR zu erreichen. In Verfahrensschritt 501 steuert das Steuergerät eDCU die Energieflüsse über das Hochvoltgleichspannungsnetz HVN.

Bezuqszeichen

A Antrieb

B Batterie

ZM Zugmaschine

TR Trailer

TRO Mischertrommel

EV externe Energieversorgung

S Schalter

IF Schnittstelle eDCU Steuergerät

S1 , 2, 3 Signalverbindungen (Signale)

SR Stromrichter

EM Elektromotor

HVN Hochvoltgleichspannungsnetz

GR Gleichrichter

GS Gleichspannungswandler

WES externe Wechselstromenergieversorgung

GES externe Gleichstromenergieversorgung

BS Batteriesteuergerät

AE Ausgabeeinrichtung

500, 501 Verfahrensschritte

Claims

Patentansprüche

1. Elektrischer Antrieb für eine Mischertrommel mit einem Hochvoltgleichspannungsnetz (HVN), an das wenigstens eine Batterie (B), ein Stromrichter (SR) und wenigstens eine Schnittstelle (IF) zum Anschluss einer stationären elektrischen Energieversorgung angeschlossen sind, wobei die wenigstens eine Batterie (B) nur über die wenigstens eine externe Schnittstelle aufgeladen wird, wobei ein Steuergerät (eDCU) vorgesehen ist, das Energieflüsse von und zu den an das Hochvoltgleichspannungsnetz (HVN) angeschlossenen Komponenten steuert.

2. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die externe Schnittstelle (IF) zur Aufnahme von Gleichstrom und/oder Wechselstrom ausgebildet ist, wobei die externe Schnittstelle (IF) für den Gleichstrom einen Gleichspannungswandler und für den Wechselstrom einen Gleichrichter aufweist.

3. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (eDCU) in Abhängigkeit von einem ersten Signal, das einen Zustand der wenigstens einen Batterie (B) kennzeichnet, ein zweites Signal für eine Ausgabeeinrichtung für einen Benutzer des Mischers ausgibt.

4. Elektrischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (eDCU) in Abhängigkeit vom ersten Signal ein drittes Signal ausgibt, das eine Leistungsabgabe oder -aufnahme beeinflusst.

5. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (eDCU) dazu eingerichtet ist, den Stromrichter (SR) nur über die externe Schnittstelle (IF) mit elektrischer Energie zu versorgen.

6. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (eDCU) das Aufladen der wenigstens einen Batterie (B) in Abhängigkeit von weiteren verfügbaren stationären Energieversorgungen steuert.

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7. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (eDCU) das Aufladen der wenigstens einen Batterie in Abhängigkeit von einem zukünftigen Energiebedarf steuert.

8. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät den zukünftigen Energiebedarf in Abhängigkeit von einer geplanten Fahrzeit bestimmt.

9. Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Antriebs für eine Mischertrommel mit einem Hochvoltgleichspannungsnetz (HVN), an das wenigstens eine Batterie (B), ein Stromrichter (SR) und wenigstens eine Schnittstelle (IF) zum Anschluss einer stationären elektrischen Energieversorgung angeschlossen sind, wobei die wenigstens eine Batterie (B) nur über die wenigstens eine externe Schnittstelle aufgeladen wird, wobei ein Steuergerät (eDCU) vorgesehen ist, das Energieflüsse von und zu den an das Hochvoltgleichspannungsnetz (HVN) angeschlossenen Komponenten steuert.