WO2022128668A1 - Antriebsstrang für eine arbeitsmaschine, verfahren zum betreiben des antriebs-strangs und arbeitsmaschine - Google Patents

Antriebsstrang für eine arbeitsmaschine, verfahren zum betreiben des antriebs-strangs und arbeitsmaschine Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a drive train for a work machine according to the preamble of claim 1, a method for operating a drive train of a work machine according to the preamble of claim 12 and a corresponding work machine.
  • Electrically driven work machines such as wheel loaders, skid steer loaders, telehandlers, dumpers or even excavators, are known in the prior art. These electrically driven working machines are either purely electrically driven, i.e. they only have an electric battery or an electric accumulator for their energy supply, or they are diesel-electrically driven, which means that the required energy is provided by a diesel-driven generator, usually in a Connection to an electrical buffer storage, such as an appropriately sized capacitor, is provided. In all cases, the mechanical power required for the travel drive and the working drive is provided by one or more electric motors. Furthermore, hybrid-electric working machines are also known in which the mechanical power required for operation is primarily provided by an internal combustion engine, usually a diesel engine. An additionally provided electric motor is fed by a battery or an accumulator and typically assumes a so-called boost function here.
  • DE 20 2014 000 738 U1 describes a wheel loader driven purely by an electric motor, which has a first electric motor for a travel drive and a second electric motor for a working drive.
  • the electric battery is usually in the form of a lithium-ion battery, since such batteries can provide a comparatively large amount of energy with a comparatively low weight.
  • the preferred operating temperature of these batteries is approximately between 20°C and 30°C. Especially at Ambient temperatures below freezing point, it is necessary to first warm up the battery to operating temperature in order to avoid damaging the battery.
  • DE 10 2009 022 300 A1 describes a vehicle with an electric drive, comprising an electric energy store and a heat store. Waste heat generated during operation of the drive or when charging the energy store can be supplied to the heat store for storage. This heat can later be extracted again in order to heat up components coupled to the heat accumulator, for example the passenger cell or drive components, as required.
  • the applicant's as yet unpublished DE 10 2019 217 494.9 describes a hydraulic control unit of a switchable synchromesh transmission, which is preheated at low ambient temperatures by one or more heating cartridges before it is put into operation, so that the synchromesh transmission can be switched reliably from the start.
  • the known electrically driven work machines have the disadvantage that, in contrast to electrically driven cars, they require a comparatively complex and powerful multi-step transmission in order to meet all work requirements - despite the comparatively wide range of speeds of electric motors.
  • stepped transmissions are only fully functional if the fluid used to actuate them has reached a required minimum viscosity.
  • the fluid is usually a transmission oil, which is also used to cool and lubricate the transmission. Due to the lack of waste heat from an internal combustion engine and the high efficiency of the electric drive and the likewise only low mechanical friction losses in the stepped transmission, the amount of heat required for this can often only be provided after a certain period of operation. Until then, the work machine can only be used to a limited extent.
  • the invention relates to a drive train for a work machine, comprising at least one electric motor, an electrical energy store, a multi-stage manual transmission, a heating circuit and a cooling circuit, the at least one electric motor being designed to provide a mechanical input power, the manual transmission being designed to to convert mechanical input power and to provide it as mechanical output power, the energy store being designed to supply the at least one electric motor and the heating circuit with electrical power, the heating circuit being designed to provide a heating fluid for heating the energy store and the cooling circuit being designed to do this is to provide a cooling fluid for cooling and lubricating the gearbox.
  • the drive train according to the invention is characterized in that the heating circuit and the cooling circuit are coupled via a heat exchanger and have only a single common cooling device.
  • the invention thus describes a drive train that is suitable for driving a work machine. Since working machines usually have to work under high drive loads most of the time and, in particular, also have to produce comparatively high work performances in absolute terms, the drive train according to the invention differs in its design, for example, from a passenger car drive train, which typically operates in a capacity utilization range of 5% to 10%. is operated at maximum output and, in particular, performs less work in absolute terms
  • the drive train according to the invention comprises at least one electric motor. Since a work machine usually requires at least one working drive in addition to a travel drive, the at least one electric motor can be assigned to the travel drive and to the at least one working drive in equal measure.
  • the drive train preferably comprises two or more electric motors, of which at least one electric motor is assigned to the traction drive and at least one further electric motor is assigned to the working drive.
  • the at least one electric motor is preferably a so-called asynchronous motor.
  • the at least one electric motor can be provided with an electrical current application according to a control input, the electrical current application being dependent on a predefinable electrical voltage application to the at least one electric motor and being a measure of the electrical power supplied to the at least one electric motor.
  • the at least one electric motor drives the drive train or the travel drive or the working drive.
  • a control input for the drive train or for the travel drive or for the working drive is understood to mean, for example, a desired acceleration of the working machine or a desired lifting of a loaded shovel.
  • control input has the consequence that the drive train to Implementation of the control input must provide the required mechanical power. It is irrelevant whether the control input is made by an operator of the work machine, for example by actuating an accelerator pedal or a work joystick, or by an automated control intervention of an assistance system of the work machine.
  • the drive train also includes a multi-stage manual transmission, in particular a synchromesh transmission, which converts a mechanical input power provided by at least one electric motor in terms of its speed and torque according to a selected gear.
  • a multi-stage manual transmission in particular a synchromesh transmission
  • electric motors have a comparatively large range of speeds from zero to around 20,000 rpm compared to internal combustion engines, the use of a manual transmission and a corresponding speed ratio can generate a comparatively high resulting torque, which is a great advantage for the operation of a machine , since comparatively heavy work can also be carried out in this way.
  • the drive train also includes a cooling circuit with a cooling fluid for cooling and lubricating the gearbox.
  • a cooling fluid for cooling and lubricating the gearbox.
  • the cooling fluid can be, for example, a transmission oil that is stored as an oil sump in an oil pan and is pumped to lubrication points of the manual transmission.
  • the pump can be operated electrically or driven by a shaft of the manual transmission or the at least one electric motor.
  • the cooling fluid is advantageously also used to actuate clutches of the manual transmission.
  • the cooling circuit also includes an expansion tank in order to ensure volume compensation in the event of a temperature-related volume change in the cooling fluid.
  • An oil sump of the manual transmission is particularly preferably used as a compensating tank.
  • the drive train includes a heating circuit with a heating fluid for heating the energy store, which is also included in the drive train.
  • the heating of the energy store to a temperature of advantageously at least 10° C., in particular at least 15° C., before the drive train is started up protects the energy store from damage.
  • the energy for heating the energy store by the heating circuit also comes from the energy store, only comparatively low electrical power or currents are required for this, which can be taken from the energy store safely and without the risk of irreparable damage to the latter.
  • the electrical power or currents required to operate the at least one electric motor are disproportionately greater and should not be drawn from the energy store as long as it is still below a suitable operating temperature.
  • the heating circuit is therefore particularly important after the machine has been idle for a long time at low ambient temperatures.
  • the heating fluid is advantageously a water mixture, in particular a glycol-water mixture.
  • the heating circuit preferably includes a heating device which can heat the heating fluid.
  • the heating device is advantageously designed as a heating coil which is in physical contact with the heating fluid, in particular is immersed in the heating fluid.
  • a heating coil is comparatively inexpensive and robust.
  • the heating device can advantageously be deactivated, so that the heating circuit for the energy store takes on a cooling function, ie heat is dissipated from the energy store.
  • the heating circuit preferably also includes an expansion tank in order to ensure volume compensation in the event of a temperature-related volume change in the heating fluid.
  • the drive train includes an electrical energy store, which is preferably designed as a rechargeable Li-ion battery.
  • Li-ion batteries are comparatively temperature-sensitive, i.e. they only have their maximum performance in a comparatively narrow temperature range of around 20 °C to around 30 °C. In particular, at temperatures below freezing point, they are severely limited in terms of the maximum electrical power that can be absorbed or provided. At temperatures that are well away from their ideal operating temperatures, the Li-ion batteries can also be irreversibly damaged if the electrical currents drawn or supplied exceed a relatively low current threshold that is non-critical under normal circumstances. Nevertheless, according to the current state of the art, Li-ion batteries are best suited for operating the drive train due to their comparatively high energy density and their comparatively low weight.
  • the energy store stores electrical energy that can be made available for operating the at least one electric motor and the heating circuit.
  • the electrical energy can also be made available to operate other electrical consumers, such as pumps, valves, computing units, air conditioning devices in the driver's cab, displays, lights or headlights.
  • electrical energy is removed and when electrical energy is supplied, i.e. when charging the energy store, heat is lost depending on the internal resistance of the energy store and the current applied to the energy store, which leads to the energy store heating up over the long term. Because of the comparatively low internal resistance, however, the heat loss is comparatively low.
  • the heating circuit and the cooling circuit are coupled via a heat exchanger. So that means that the heating circuit and the cooling circuit are thermally coupled.
  • thermally coupled is understood in the context of the invention to mean that the heating circuit and the cooling circuit are in physical contact with each other, so that heat can be exchanged between the two without physical contact in the sense of mixing the heating fluid with the cooling fluid comes.
  • the heat exchanger is preferably made of metal and has a comparatively large surface area.
  • the heating fluid can be conveyed through metallic pipelines that run inside an oil sump that stores the cooling fluid designed as transmission oil.
  • An effective thermal coupling between the two fluids can thus be established via the metallic pipelines without physical mixing occurring.
  • the pipelines can preferably also have cooling fins.
  • the heat exchanger is designed as an oil sump of the gearbox with the pipes carrying the heating fluid.
  • the heat exchanger as an independent device away from the oil sump.
  • the heating fluid is preferably conveyed through metal pipes, in particular pipes with cooling ribs, through a reservoir of the cooling fluid located in the heat exchanger, or vice versa.
  • a volume flow of the heating fluid or the cooling fluid that can be regulated as required is conveyed both through the reservoir and through the pipelines. The higher the volume flow in each case, the greater the heat exchange that takes place.
  • the thermal coupling of the heating circuit with the cooling circuit has the advantage that the heat required to start up the energy store can be passed on to the cooling circuit, at least when the machine is standing still for a long time in cold environments, in order to also heat the cooling fluid for the manual transmission.
  • a viscosity of the cooling fluid is usually significantly dependent on the temperature of the cooling fluid, so that valves and clutches of the manual transmission can often only be actuated with difficulty or not at all because they are blocked by the cold cooling fluid and its excessive viscosity are blocked.
  • the invention thus advantageously makes it possible to put the work machine back into operation quickly with the full range of functions, even after a long period of standstill in a cold environment.
  • the required heat can be generated as required at any time.
  • a comparatively heavy heat accumulator, which is installed in the work machine, is advantageously not required.
  • the invention makes use of the knowledge that although a cooling function is assigned to the cooling circuit, the cooling that takes place through the cooling circuit does not lead to the manual transmission or the cooling fluid cooling down to below the ambient temperature. Rather, the cooling circuit is intended to prevent a predeterminable maximum temperature of the manual transmission or the cooling fluid from being exceeded, with this maximum temperature being well above the ambient temperature. In this respect, the invention has recognized that heating or warming up the cooling circuit is advantageous to a certain extent, as long as the temperature generated is below the predefinable maximum temperature.
  • the heating circuit and the cooling circuit only have a single common cooling device. Since the heating circuit and the cooling circuit are thermally coupled via a heat exchanger, i.e. heat is dissipated from the warmer circuit into the colder circuit, a separate cooling device for each individual circuit, i.e. the heating circuit or the cooling circuit, can advantageously be dispensed with. Thus, compared to the prior art, one cooling device can advantageously be saved, which reduces the material expenditure and the cost expenditure for the drive train according to the invention.
  • the cooling device is designed in particular as a metallic heat sink with cooling ribs and advantageously with one or more fans which generate a laminar air flow along the cooling ribs.
  • the heat to be dissipated can thus be efficiently released to the environment.
  • the common cooling device is assigned to the heating circuit.
  • the invention makes use of the knowledge that the heating circuit, although it is primarily used to heat the energy store, still has a lower setpoint temperature in continuous operation than the cooling circuit, which is used to cool the manual transmission.
  • the cooling circuit which is used to cool the manual transmission.
  • the at least one electric motor is connected to the heating circuit.
  • the at least one electric motor usually has an efficiency of more than 95%, it is still dependent on active cooling to avoid damage due to overheating.
  • the at least one electric motor can heat up considerably, which in turn increases its electrical resistance and as a result it heats up even more. Cooling the electric motor can prevent or at least reduce this negative effect. Since the heat dissipated by the at least one electric motor is now used to heat the heating fluid, the heating output to be provided by the heating device can advantageously be reduced. This reduces the overall energy consumption of the drive train according to the invention and increases its efficiency.
  • all the electric motors are advantageously thermally coupled to the heating circuit.
  • the power electronics also generate waste heat, which is dissipated, as a function of a current level switched by it and in accordance with its internal resistance must in order to avoid thermal damage to the power electronics.
  • waste heat By supplying this waste heat to the heating circuit, the heating output to be provided by the heating device can advantageously be reduced even further. This also contributes to reducing the overall energy consumption and increasing the efficiency of the drive train according to the invention.
  • the heating fluid is fed in the flow direction from the heating device first to the energy store and then to the power electronics before it is fed to the at least one electric motor.
  • the heating fluid is first fed to the energy store, it can deliver most of its thermal energy to the energy store and heat it to a required operating temperature.
  • the power electronics which do not depend on a particular minimum temperature for trouble-free operation.
  • the power electronics which generally consist of semiconductor switching elements, generally work even more effectively and error-free when they are at a low temperature.
  • the heating fluid after it has been cooled by the energy store, can ensure a cooling function for the power electronics. If the heating fluid is subsequently supplied to the at least one electric motor, it can also assume a cooling function for the at least one electric motor.
  • the heat input through the power electronics into the heating fluid is comparatively low, so that the heating fluid will generally have a significantly lower temperature than the at least one electric motor, especially in continuous operation of the at least one electric motor.
  • the cooling of the at least one electric motor not only improves its efficiency, but ultimately also prevents damage caused by overheating of the at least one electric motor.
  • the heating fluid can first be guided by the at least one electric motor via the cooling device before it is fed to the energy store. This takes account of the fact that the energy storage device requires a specific minimum temperature for safe and damage-free operation, but is also not operated above a maximum temperature should be used, otherwise damage to the energy store may also occur.
  • the heating fluid is fed in the flow direction from the heating device first to the power electronics and then to the energy store before it is fed to the at least one electric motor.
  • additional heat energy can be absorbed by the power electronics into the heating fluid and fed directly to the energy store.
  • the at least one electric motor represents the largest heat source in the heating circuit, particularly during continuous operation of the drive train.
  • the temperature of the heating fluid can thus be cooled again by releasing heat to the environment, provided it is higher than a temperature suitable for operating the energy store.
  • the heating circuit comprises at least one hydraulic directional valve, via which the direction of flow from the heating device can be adjusted in such a way that, depending on the state of the at least one hydraulic flow valve, the heating fluid is first routed to the energy store and then to the Power electronics is supplied or first the power electronics and then fed to the energy storage. Depending on how much the energy store still has to be heated to reach the target temperature, the heating fluid can be routed directly to the energy store or via the power electronics to the energy store.
  • the heating circuit and/or the cooling circuit comprises at least one hydraulic isolating valve, via which the heat exchanger can be hydraulically separated from the heating circuit and/or from the cooling circuit, so that there is no longer any heat exchange between the heating circuit and the cooling circuit.
  • the cooling circuit can be separated from the heating circuit, for example when the working machine is in stationary operation. Since the manual transmission is only required for driving and can remain in the idle state during stationary working operation, the cooling circuit can be separated from the heating circuit via the isolating valve in this case. This also prevents the cooling circuit from being cooled via the heating circuit and no longer having the optimum operating temperature when it is started up again.
  • the heating circuit comprises at least one hydraulic bypass valve, via which the common cooling device can be hydraulically bypassed.
  • the required heat supply for the energy store and for the manual transmission can be provided comparatively quickly, particularly when the machine is first started up after it has been idle for a longer period of time, particularly in a comparatively cold environment, since heat can be released via the cooling device by bridging the cooling device to the environment can be avoided. Instead, all heat supplied to the heating circuit is kept within the heating circuit or cooling circuit until all components of the drive train have reached the required operating temperatures.
  • the heating circuit and/or the cooling circuit each comprise a feed pump.
  • the feed pump of the heating circuit and the feed pump of the cooling circuit ensure a flow of the heating fluid in the heating circuit or of the cooling fluid in the cooling circuit. Since the heat is transported in each case via the heating fluid or the cooling fluid, the heat transport is thus ultimately made possible via the feed pumps.
  • the feed pump of the heating circuit or the feed pump of the cooling circuit can preferably be regulated.
  • the volume flow rate in the heating circuit or in the cooling circuit can be regulated and thus the heat transport in the heating circuit or in the cooling circuit can also be regulated.
  • the feed pump of the heating circuit or the feed pump of the cooling circuit are designed as electric pumps, ie that they each have an electric motor provided for their operation.
  • the feed pump of the heating circuit or the feed pump of the cooling circuit are preferably driven by at least one electric motor via a mechanical shaft and possibly via a transmission stage.
  • the invention also relates to a method for operating a drive train for a work machine, the drive train comprising at least one electric motor, an electrical energy store, a multi-stage manual transmission, a heating circuit and a cooling circuit, mechanical input power being provided by the at least one electric motor, the manual transmission the mechanical input power is converted into a mechanical output power, with the at least one electric motor and the heating circuit being supplied with electrical power by the energy store, with a heating fluid for heating the energy store being heated by the heating circuit and with a cooling fluid for cooling and lubricating the manual transmission being cooled by the cooling circuit becomes.
  • the method according to the invention is characterized in that the cooling circuit is heated by the heating circuit depending on the situation via a heating device or is cooled via a cooling device. This results in the advantages already described in connection with the drive train according to the invention.
  • the heating fluid is fed in the direction of flow from the heating device of the heating circuit first to the energy storage device and then to the power electronics if a temperature of the power electronics is lower than a temperature of the energy storage device and that the heating fluid is fed in the direction of flow from the heating device of the heating circuit is first supplied to the power electronics and then to the energy store, if the temperature of the power electronics is higher than the temperature of the energy store.
  • the working machine is usually not in operation, since it is connected to a charging point by a required charging cable for the power supply and therefore cannot be moved.
  • the at least one electric motor and the stepped transmission are also in the idle state, ie they do not produce any waste heat, so that the cooling fluid gradually gives off its heat to the environment and cools down.
  • the thermal coupling of the heating circuit and the cooling circuit can transfer the waste heat generated by charging to the heating fluid via the heat exchanger during the charging process and from the heating fluid to the cooling fluid via the heat exchanger be passed on, so that the cooling fluid does not cool down completely and the work machine can be put into operation immediately after charging without the cooling fluid otherwise having to be heated up.
  • This active cooling of the energy store means that it can also be charged with comparatively higher currents, which advantageously shortens the charging process.
  • the invention further relates to a working machine, comprising a drive train according to the invention. This also results in the advantages already described in connection with the drive train according to the invention for the work machine according to the invention.
  • the invention is explained below by way of example using the embodiments shown in the figures.
  • FIG. 1 shows an example and a schematic of a possible embodiment of a drive train according to the invention for a machine that is not shown in FIG. 1 .
  • FIG. 1 shows an example and a schematic of a possible embodiment of a drive train 10 according to the invention for a machine that is not shown in FIG. 1 .
  • the drive train 10 comprises, for example, two electric motors 11, 12, one electric motor 11 being assigned to a traction drive and one electric motor 12 being assigned to a working drive.
  • the drive train 10 includes an electrical energy store 13 designed as a rechargeable Li-ion battery 13, which is designed to supply the electric motors 11, 12 with electrical power.
  • the electric motors 11 , 12 are in turn designed to provide mechanical input power via their motor shafts.
  • the input power of the electric motor 11 assigned to the traction drive is fed to a multi-stage manual transmission 14, which is designed as a power-shiftable synchromesh transmission.
  • the gearbox 14 converts the mechanical input power and provides a mechanical output power which can be used to drive drivable vehicle wheels or drivable axles of the working machine.
  • the input power of the electric motor 13 assigned to the working drive is fed to a hydraulic working drive and converted by it into a hydraulic volume flow and a hydraulic pressure and thus output again as hydraulic output power.
  • the drive train 10 includes a heating circuit 15, which is designed to provide a heating fluid for heating the energy store 13, and a cooling circuit 16, which is designed to provide a cooling fluid for cooling and lubricating the manual transmission 14.
  • the heating circuit 15 also includes a heating device 16 which, for example, is designed as a heating coil 16 and is arranged directly in front of the energy store 13 in the direction of flow of the heating fluid.
  • the heating circuit 16 includes two electronic power units 17 and 18, one of which is assigned to one of the electric motors 11 and 12 in each case.
  • the electric motors 11 and 12 are also thermally connected to the heating circuit 16 .
  • the heating fluid is passed on to a heat exchanger 31, which is designed, for example, as a reservoir for the heating fluid, which is traversed by metal pipes with cooling fins, the cooling fluid being guided through the pipes.
  • the heat exchanger 31 thus represents a thermal coupling between the heating circuit 15 and the cooling circuit 16. In the flow direction of the heating fluid, the heat exchanger 31 is followed by a metallic cooling device 19 with cooling fins and a fan.
  • the cooling device 19 can be bypassed by a bypass valve 20 so that the heating circuit does not give off any heat to the environment.
  • the heating circuit 15 also includes an expansion tank 21 to compensate for temperature-related volume changes in the heating fluid in the heating circuit, and an electrically driven feed pump 22.
  • the cooling circuit 16 also includes a feed pump 23 which, for example, is driven mechanically by the electric motor 12 via a shaft 24 .
  • the delivery pump 23 delivers cooling fluid, which is in the form of transmission oil, for example, from an oil sump 25 of the manual transmission 14 and feeds it to a hydraulic clutch control 26 of the manual transmission 14 .
  • the feed pump 23 also delivers cooling fluid to a system pressure relief valve 27 via a branch in the cooling circuit 16.
  • the cooling fluid travels from the system pressure relief valve 27 to the heat exchanger 31, where heat is exchanged with the heating fluid.
  • the cooling fluid is supplied from the heat exchanger 31 to the elements 28 of the transmission 14 to be lubricated and cooled. For example, it is at the elements 28 to be lubricated and cooled by a plurality of gears.
  • the volume flow of cooling fluid supplied to the elements 28 to be lubricated and cooled can be controlled via a control valve 29 .
  • both the energy store 13 and the transmission oil have reached the ambient temperature.
  • the consequence of this is that the energy store 13 can initially only provide small currents without being damaged.
  • the transmission oil is still too viscous to be able to actuate the clutch control 26 .
  • the heating fluid can now be preheated via the heating device 30 and transported to the energy store 13 by the feed pump 22 in order to quickly heat it to a required operating temperature.
  • the heating fluid comes into thermal contact with the cooling fluid via the heat exchanger 31, so that the cooling fluid is also heated and is heated quickly. Due to the heating of the cooling fluid, its viscosity decreases and enables error-free operation of the clutch control 26.
  • the cooling fluid After a certain period of operation, the cooling fluid has reached its target temperature, which is 90° C., for example.
  • the energy store has also reached its setpoint temperature, which is 30° C. in the example. Since the continued operation of the drive train 10 inevitably leads to electrical losses in the energy store 13 and mechanical losses in the manual transmission 14, which each lead to further heating, the heat generated from now on must be dissipated to the environment via the common cooling device 19.
  • the cooling fluid now gives off heat to the heating fluid via the heat exchanger 31 .
  • the heating fluid now fulfills a cooling function for the energy store 13, the power electronics 17 and 18 and the electric motors 11 and 12.
  • the heating device 16 is now deactivated. The heating fluid then releases the heat absorbed by the energy store 13 and the heat absorbed by the cooling fluid to the environment via the cooling device 19 .

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang (10) für eine Arbeitsmaschine, umfassend mindestens einen Elektromotor (11, 12), einen elektrischen Energiespeicher (13), ein mehrstufiges Schaltgetriebe (14), einen Heizkreislauf (15) und einen Kühlkreislauf (16), wobei der mindestens eine Elektromotor (11, 12) dazu ausgebildet ist, eine me- chanische Eingangsleistung bereitzustellen, wobei das Schaltgetriebe (14) dazu aus- gebildet ist, die mechanische Eingangsleistung zu wandeln und als mechanische Ausgangsleistung bereitzustellen, wobei der Energiespeicher (13) dazu ausgebildet ist, den mindestens einen Elektromotor (11, 12) und den Heizkreislauf (15) mit elektrischer Leistung zu versorgen, wobei der Heizkreislauf (15) dazu ausgebildet ist, ein Heizfluid zum Erwärmen des Energiespeichers (13) bereitzustellen und wobei der Kühlkreislauf (16) dazu ausgebildet ist, ein Kühlfluid zum Kühlen und Schmieren des Schaltgetriebes (14) bereitzustellen. Der erfindungsgemäße Antriebsstrang (10) zeichnet sich dadurch aus, dass der Heizkreislauf (15) und der Kühlkreislauf (16) über einen Wärmetauscher (18) gekoppelt sind und nur eine einzige gemeinsame Kühlvorrichtung (19) aufweisen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes Verfahren und eine Arbeitsmaschine.

Description

Antriebsstranq für eine Arbeitsmaschine, Verfahren zum Betreiben des Antriebsstrangs und Arbeitsmaschine
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Antriebsstrang für eine Arbeitsmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 , ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs einer Arbeitsmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 12 sowie eine entsprechende Arbeitsmaschine.
Im Stand der Technik sind elektrisch angetriebene Arbeitsmaschinen, wie etwa Radlader, Kompaktlader, Teleskoplader, Dumper oder auch Bagger, bekannt. Diese elektrisch angetriebenen Arbeitsmaschinen sind entweder rein elektrisch angetrieben, d.h. sie verfügen für ihre Energieversorgung ausschließlich über eine elektrische Batterie bzw. einen elektrischen Akkumulator, oder aber sie sind diesel-elektrisch angetrieben, was bedeutet, dass die benötigte Energie von einem dieselgetriebenen Generator, üblicherweise in Verbindung mit einem elektrischen Pufferspeicher, wie z.B. einem entsprechend dimensionierten Kondensator, bereitgestellt wird. In allen Fällen wird die für den Fahrantrieb und den Arbeitsantrieb benötigte mechanische Leistung von einem oder mehreren Elektromotoren erbracht. Weiterhin sind auch hybrid-elektrische Arbeitsmaschinen bekannt, bei denen die zum Betrieb benötigte mechanische Leistung in erster Linie von einem Verbrennungsmotor, üblicherweise einem Dieselmotor, erbracht wird. Ein zusätzlich vorgesehener Elektromotor wird von einer Batterie bzw. einem Akkumulator gespeist und übernimmt hier typischerweise eine sog. Boost-Funktion.
In diesem Zusammenhang beschreibt die DE 20 2014 000 738 U1 einen rein elektromotorisch angetriebener Radlader, der einen ersten Elektromotor für einen Fahrantrieb und einen zweiten Elektromotor für einen Arbeitsantrieb aufweist.
Die elektrische Batterie ist üblicherweise als Li-Ionen-Batterie ausgebildet, da derartige Batterien bei vergleichsweise geringem Gewicht einen vergleichsweise großen Energieinhalt bereitstellen können. Die bevorzugte Betriebstemperatur dieser Batterien liegt etwa zwischen 20 °C und 30 °C. Insbesondere bei Umgebungstemperaturen unterhalb des Gefrierpunkts ist es erforderlich, die Batterie zunächst auf Betriebstemperatur zu erwärmen, um eine Beschädigung der Batterie zu vermeiden.
Beispielsweise aus der DE 10 2011 076 737 A1 ist es daher bekannt, die Batterie mit einer Wärmeübertragungsanordnung zu koppeln und ihr vor einer Inbetriebnahme die zum beschädigungsfreien Betrieb benötigte Wärmemenge zuzuführen.
Die DE 10 2009 022 300 A1 beschreibt ein Fahrzeug mit einem elektrischen Antrieb, umfassend einen elektrischen Energiespeicher und einen Wärmespeicher. Dem Wärmespeicher kann dabei im Betrieb des Antriebs oder beim Laden des Energiespeichers anfallende Abwärme zur Speicherung zugeführt werden. Später kann diese Wärme wieder entnommen werden, um bedarfsweise mit dem Wärmespeicher gekoppelte Komponenten zu erwärmen, beispielsweise die Fahrgastzelle oder Antriebskomponenten.
Es ist ebenfalls bekannt, dass Schaltgetriebe, insbesondere mehrstufige Schaltgetriebe, in Antriebssträngen von Kraftfahrzeugen mittels eines geeigneten Schmierund Kühlstoffs wie beispielsweise Getriebeöl geschmiert und gekühlt werden müssen, um eine Überhitzung und eine daraus resultierende Beschädigung bzw. Zerstörung zu vermeiden.
Die noch unveröffentlichte DE 10 2019 217 494.9 der Anmelderin beschreibt eine hydraulische Steuereinheit eines schaltbaren Synchrongetriebes, welche bei niedrigen Umgebungstemperaturen vor einer Inbetriebnahme über eine oder mehrere Heizpatronen vorgewärmt wird, so dass das Synchrongetriebe von Anfang an zuverlässig geschaltet werden kann.
Die bekannten elektrisch angetriebenen Arbeitsmaschinen sind dahingehend nachteilbehaftet, dass sie im Gegensatz zu elektrisch angetriebenen PKW - trotz des vergleichsweise breiten Drehzahlspektrums von Elektromotoren - ein vergleichsweise komplexes und leistungsfähiges Stufengetriebe benötigen, um allen Arbeitsanforderungen gerecht zu werden. Insbesondere Kupplungen bzw. Ventile innerhalb des Stufengetriebes sind jedoch nur dann vollkommen funktionsfähig, wenn das zu ihrer Betätigung verwendete Fluid eine erforderliche Mindest-Viskosität erreicht hat. Bei dem Fluid handelt es sich in der Regel um ein Getriebeöl, das auch zum Kühlen und Schmieren des Getriebes verwendet wird. Aufgrund des Fehlens der Abwärme eines Verbrennungsmotors und des hohen Wirkungsgrads des elektrischen Antriebs und der ebenfalls nur geringen mechanischen Reibungsverluste im Stufengetriebe kann die hierfür benötigte Wärmemenge jedoch oftmals erst nach einer gewissen Betriebsdauer bereitgestellt werden. Bis dahin ist die Arbeitsmaschine nur beschränkt verwendungsfähig.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Antriebsstrang für eine Arbeitsmaschine vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Antriebsstrang für eine Arbeitsmaschine gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang für eine Arbeitsmaschine, umfassend mindestens einen Elektromotor, einen elektrischen Energiespeicher, ein mehrstufiges Schaltgetriebe, einen Heizkreislauf und einen Kühlkreislauf, wobei der mindestens eine Elektromotor dazu ausgebildet ist, eine mechanische Eingangsleistung bereitzustellen, wobei das Schaltgetriebe dazu ausgebildet ist, die mechanische Eingangsleistung zu wandeln und als mechanische Ausgangsleistung bereitzustellen, wobei der Energiespeicher dazu ausgebildet ist, den mindestens einen Elektromotor und den Heizkreislauf mit elektrischer Leistung zu versorgen, wobei der Heizkreislauf dazu ausgebildet ist, ein Heizfluid zum Erwärmen des Energiespeichers bereitzustellen und wobei der Kühlkreislauf dazu ausgebildet ist, ein Kühlfluid zum Kühlen und Schmieren des Schaltgetriebes bereitzustellen. Der erfindungsgemäße Antriebsstrang zeichnet sich dadurch aus, dass der Heizkreislauf und der Kühlkreislauf über einen Wärmetauscher gekoppelt sind und nur eine einzige gemeinsame Kühlvorrichtung aufweisen. Die Erfindung beschreibt also einen Antriebsstrang, der zum Antreiben einer Arbeitsmaschine geeignet ist. Da Arbeitsmaschinen in der Regel die meiste Zeit unter hohen Antriebsauslastungen arbeiten müssen und insbesondere auch absolut gesehen vergleichsweise hohe Arbeitsleistungen erbringen müssen, unterscheidet sich der erfindungsgemäße Antriebsstrang in seiner Auslegung beispielsweise von einem PKW- Antriebsstrang, der typischerweise in einem Auslastungsbereich von 5 % bis 10 % der Maximalleistung betrieben wird sowie insbesondere absolut geringere Arbeitsleistungen erbringt
Der erfindungsgemäße Antriebsstrang umfasst mindestens einen Elektromotor. Da eine Arbeitsmaschine üblicherweise neben einem Fahrantrieb auch mindestens einen Arbeitsantrieb benötigt, kann der mindestens eine Elektromotor dem Fahrantrieb und dem mindestens einen Arbeitsantrieb gleichermaßen zugeordnet sein.
Bevorzugt umfasst der Antriebsstrang jedoch zwei oder mehr Elektromotoren, wovon jeweils mindestens ein Elektromotor dem Fahrantrieb zugeordnet ist und mindestens ein weiterer Elektromotor dem Arbeitsantrieb zugeordnet ist.
Bei dem mindestens einen Elektromotor handelt es sich bevorzugt um einen sog. Asynchronmotor.
Der mindestens eine Elektromotor kann dabei nach Maßgabe einer Steuereingabe mit einer elektrischen Strombeaufschlagung versehen werden, wobei die Strombeaufschlagung abhängig von einer vorgebbaren elektrischen Spannungsbeaufschlagung des mindestens einen Elektromotors ist und ein Maß für die dem mindestens einen Elektromotor zugeführte elektrische Leistung darstellt. Der mindestens eine Elektromotor treibt den Antriebsstrang bzw. den Fahrantrieb bzw. den Arbeitsantrieb an.
Unter einer Steuereingabe für den Antriebsstrang bzw. für den Fahrantrieb bzw. für den Arbeitsantrieb wird beispielsweise eine gewünschte Beschleunigung der Arbeitsmaschine oder ein gewünschtes Anheben einer beladenen Schaufel verstanden.
Eine derartige Steuereingabe hat zur Folge, dass der Antriebsstrang die zur Umsetzung der Steuereingabe erforderliche mechanische Leistung bereitstellen muss. Es ist dabei unerheblich, ob die Steuereingabe durch eine Eingabe eines Bedieners der Arbeitsmaschine erfolgt, z.B. durch Betätigung eines Fahrpedals oder eines Arbeitsjoysticks, oder durch einen automatisierten Steuereingriff eines Assistenzsystems der Arbeitsmaschine.
Der Antriebsstrang umfasst weiterhin ein mehrstufiges Schaltgetriebe, insbesondere ein Synchrongetriebe, welches eine vom mindestens einen Elektromotor bereitgestellte mechanische Eingangsleistung hinsichtlich ihrer Drehzahl und ihres Drehmoments nach Maßgabe einer gewählten Gangstufe wandelt. Obwohl Elektromotoren im Vergleich zu Verbrennungsmotoren über ein vergleichsweise großes Drehzahlspektrum von null bis ca. 20.000 U/min verfügen, kann durch Verwendung eines Schaltgetriebes und eine entsprechende Drehzahlübersetzung insbesondere ein vergleichsweise hohes resultierendes Drehmoment erzeugt werden, was für den Betrieb einer Arbeitsmaschine von großem Vorteil ist, da so auch vergleichsweise schwere Arbeiten verrichtet werden können.
Vorteilhaft handelt es sich um ein lastschaltbares Schaltgetriebe.
Weiterhin umfasst der Antriebsstrang auch einen Kühlkreislauf mit einem Kühlfluid zum Kühlen und Schmieren des Schaltgetriebes. Dadurch reduziert sich einerseits der Verschleiß des Schaltgetriebes und andererseits erhöht sich der Wirkungsgrad des Schaltgetriebes. Bei dem Kühlfluid kann es sich beispielsweise um ein Getriebeöl handeln, dass als Ölsumpf in einer Ölwanne bevorratet wird und durch eine Pumpe an Schmierstellen des Schaltgetriebes gefördert wird. Die Pumpe kann elektrisch betrieben sein oder von einer Welle des Schaltgetriebes bzw. des mindestens einen Elektromotors angetrieben werden. Das Kühlfluid wird vorteilhaft auch zur Betätigung von Kupplungen des Schaltgetriebes verwendet.
Vorteilhaft umfasst der Kühlkreislauf auch einen Ausgleichsbehälter, um bei einer temperaturbedingten Volumenänderung des Kühlfluids einen Volumenausgleich zu gewährleisten. Besonders bevorzugt wird ein Ölsumpf des Schaltgetriebes als Ausgleichsbehälter herangezogen. Des Weiteren umfasst der Antriebsstrang einen Heizkreislauf mit einem Heizfluid zum Erwärmen des ebenfalls vom Antriebsstrang umfassten Energiespeichers. Das Erwärmen des Energiespeichers auf eine Temperatur von vorteilhaft mindestens 10 °C, insbesondere mindestens 15 °C vor einer Inbetriebnahme des Antriebsstrangs schützt den Energiespeicher vor einer Beschädigung. Die Energie zum Erwärmen des Energiespeichers durch den Heizkreislauf stammt zwar ebenfalls vom Energiespeicher, jedoch sind hierfür nur vergleichsweise geringe elektrische Leistungen bzw. Ströme notwendig, die gefahrlos und ohne das Risiko einer irreparablen Beschädigung des Energiespeichers von diesem entnommen werden können. Die zum Betrieb des mindestens einen Elektromotors benötigten elektrischen Leistungen bzw. Ströme sind hingegen ungleich größer und sollten nicht aus dem Energiespeicher entnommen werden, solange dieser noch unterhalb einer geeigneten Betriebstemperatur ist. Dem Heizkreislauf kommt somit vor allem nach längeren Standzeiten der Arbeitsmaschine bei niedrigen Umgebungstemperaturen Bedeutung zu.
Bei dem Heizfluid handelt es sich vorteilhaft um ein Wassergemisch, insbesondere ein Glykol-Wassergemisch.
Bevorzugt umfasst der Heizkreislauf eine Heizvorrichtung, welche das Heizfluid heizen kann. Die Heizvorrichtung ist vorteilhaft als Heizspirale ausgebildet, welche mit dem Heizfluid in physischem Kontakt steht, insbesondere in das Heizfluid eingetaucht ist. Eine Heizspirale ist vergleichsweise kostengünstig und robust.
Im Dauerbetrieb des Antriebsstrangs und insbesondere bei dauerhaft hoher Stromentnahme aus dem Energiespeicher kann es passieren, dass der Energiespeicher eine so hohe Temperatur erreicht, dass - analog zu einer zu niedrigen Temperatur - aufgrund der hohen Temperatur ein Beschädigungsrisiko für den Energiespeicher entsteht. In diesem Fall kann die Heizvorrichtung vorteilhaft deaktiviert werden, so dass der Heizkreislauf für den Energiespeicher eine Kühlfunktion übernimmt, also Wärme vom Energiespeicher abführt. Des Weiteren bevorzugt umfasst der Heizkreislauf auch einen Ausgleichsbehälter, um bei einer temperaturbedingten Volumenänderung des Heizfluids einen Volumenausgleich zu gewährleisten.
Weiterhin umfasst der Antriebsstrang, wie beschrieben, einen elektrischen Energiespeicher, der bevorzugt als wiederaufladbare Li-Ionen-Batterie ausgebildet ist. Li-Io- nen-Batterien sind vergleichsweise temperaturempfindlich, d.h., sie verfügen nur in einem vergleichsweise engen Temperaturband von etwa 20 °C bis etwa 30 °C über ihre maximale Leistungsfähigkeit. Insbesondere bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts sind sie hinsichtlich der maximal aufnehmbaren bzw. bereitstellbaren elektrischen Leistung stark begrenzt. Bei Temperaturen, die deutlich abseits ihrer idealen Betriebstemperaturen liegen, kann es zudem auch dann zu einer irreversiblen Beschädigung der Li-Ionen-Batterien kommen, wenn die entnommenen oder zugeführten elektrischen Ströme eine unter normalen Umständen unkritische und vergleichsweise geringe Stromschwelle überschreiten. Dennoch sind Li-Ionen-Batterien nach derzeitigem Stand der Technik aufgrund ihrer vergleichsweise hohen Energiedichte und ihres vergleichsweise geringen Gewichts am besten zum Betrieb des Antriebsstrangs geeignet.
Der Energiespeicher bevorratet eine elektrische Energie, die für den Betrieb des mindestens einen Elektromotors und des Heizkreislaufs zur Verfügung gestellt werden kann. Insbesondere kann die elektrische Energie auch zum Betrieb von weiteren elektrischen Verbrauchern zur Verfügung gestellt werden, wie beispielsweise Pumpen, Ventilen, Recheneinheiten, Klimatisierungsvorrichtungen der Fahrerkabine, Anzeigen, Leuchten bzw. Scheinwerfern. Sowohl bei der Entnahme von elektrischer Energie wie auch bei der Zuführung von elektrischer Energie, also beim Laden des Energiespeichers, entsteht eine Verlustwärme nach Maßgabe des Innenwiderstands des Energiespeichers und der Strombeaufschlagung des Energiespeichers, die auf Dauer zu einer Erwärmung des Energiespeichers führt. Wegen des vergleichsweise geringen Innenwiderstands ist die Verlustwärme jedoch vergleichsweise gering.
Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, dass der Heizkreislauf und der Kühlkreislauf über einen Wärmetauscher gekoppelt sind. D.h. also, dass der Heizkreislauf und der Kühlkreislauf thermisch gekoppelt sind. Unter dem Begriff „thermisch gekoppelt“ wird im Sinne der Erfindung verstanden, dass der Heizkreislauf und der Kühlkreislauf miteinander in physischem Kontakt stehen, so dass ein Wärmeaustausch zwischen beiden erfolgen kann, ohne dass es zu einem physischen Kontakt im Sinne einer Durchmischung des Heizfluids mit dem Kühlfluid kommt. Der Wärmetauscher ist dabei vorzugsweise metallisch ausgebildet und weist eine vergleichsweise große Oberfläche auf.
Beispielsweise kann das Heizfluid durch metallische Rohrleitungen gefördert werden, welche innerhalb eines Ölsumpfs verlaufen, welcher das als Getriebeöl ausgebildete Kühlfluid bevorratet. Somit kann über die metallischen Rohrleitungen eine effektive thermische Kopplung zwischen beiden Fluiden hergestellt werden, ohne dass es zu einer physischen Durchmischung kommt. Bevorzugt können die Rohrleitungen auch Kühlrippen aufweisen. In diesem Fall ist der Wärmetauscher also als Ölsumpf des Schaltgetriebes mit den das Heizfluid führenden Rohrleitungen ausgebildet.
Ebenso ist es aber auch denkbar, den Wärmetauscher als eigenständige Vorrichtung abseits des Ölsumpfs vorzusehen. Auch in diesem Fall wird bevorzugt das Heizfluid durch metallische Rohrleitungen, insbesondere Rohrleitungen mit Kühlrippen, durch ein im Wärmetauscher befindliches Reservoir des Kühlfluids gefördert oder umgekehrt. Sowohl durch das Reservoir als auch durch die Rohrleitungen wird dabei vorteilhaft ein bedarfsweise regelbarer Volumenstrom des Heizfluids bzw. des Kühlfluids gefördert. Je höher dabei jeweils der Volumenstrom ist, desto größer ist auch der stattfindende Wärmeaustausch.
Aus der thermischen Kopplung des Heizkreislaufs mit dem Kühlkreislauf ergibt sich der Vorteil, dass die - zumindest bei längeren Standzeiten der Arbeitsmaschine in kalten Umgebungen - zur Inbetriebnahme des Energiespeichers benötigte Wärme an den Kühlkreislauf weitergeführt werden kann, um auch das Kühlfluid für das Schaltgetriebe anzuwärmen. Eine Viskosität des Kühlfluids ist nämlich in der Regel maßgeblich von der Temperatur des Kühlfluids abhängig, so dass Ventile und Kupplungen des Schaltgetriebes oftmals zunächst nur erschwert oder überhaupt nicht betätigt werden können, da sie durch das kalte Kühlfluid und dessen zu hohe Viskosität blockiert sind. Somit ermöglicht es die Erfindung also vorteilhaft, die Arbeitsmaschine auch nach langer Standzeit in einer kalten Umgebung zügig wieder mit vollem Funktionsumfang in Betrieb zu nehmen. Die benötigte Wärme kann dabei jederzeit bedarfsweise erzeugt werden. Ein vergleichsweise schwerer Wärmespeicher, der in der Arbeitsmaschine verbaut ist, ist vorteilhaft nicht erforderlich.
Die Erfindung nutzt dabei die Erkenntnis, dass dem Kühlkreislauf zwar eine Kühlfunktion zugeordnet ist, die durch den Kühlkreislauf erfolgende Kühlung aber nicht zu einem Abkühlen des Schaltgetriebes bzw. des Kühlfluids unterhalb der Umgebungstemperatur führt. Vielmehr soll der Kühlkreislauf ein Überschreiten einer vorgebbaren Maximaltemperatur des Schaltgetriebes bzw. des Kühlfluids verhindern, wobei diese Maximaltemperatur deutlich über der Umgebungstemperatur liegt. Insofern hat die Erfindung erkannt, dass ein Heizen bzw. Erwärmen des Kühlkreislaufs in einem gewissen Rahmen von Vorteil ist, solange die dabei erzeugte Temperatur unterhalb der vorgebbaren Maximaltemperatur liegt.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Heizkreislauf und der Kühlkreislauf nur eine einzige gemeinsame Kühlvorrichtung aufweisen. Da der Heizkreislauf und der Kühlkreislauf über einen Wärmetauscher thermisch gekoppelt sind, also ein Wärmeabfluss vom jeweils wärmeren Kreislauf in den jeweils kälteren Kreislauf erfolgt, kann vorteilhaft auf eine separate Kühlvorrichtung für jeden einzelnen Kreislauf, also den Heizkreislauf bzw. den Kühlkreislauf, verzichtet werden. Somit kann gegenüber dem Stand der Technik vorteilhaft eine Kühlvorrichtung eingespart werden, was den Materialaufwand und den Kostenaufwand für den erfindungsgemäßen Antriebsstrang reduziert.
Die Kühlvorrichtung ist insbesondere als metallischer Kühlkörper mit Kühlrippen sowie vorteilhaft mit einem oder mehreren Ventilatoren ausgebildet, welche eine laminare Luftströmung entlang der Kühlrippen erzeugen. Somit kann die abzuführende Wärme effizient an die Umgebung abgegeben werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die gemeinsame Kühlvorrichtung dem Heizkreislauf zugeordnet ist. Die Erfindung macht sich dabei die Erkenntnis zu Nutze, dass der Heizkreislauf, obwohl er vor allem dem Heizen des Energiespeichers dient, dennoch im Dauerbetrieb eine niedrigere Solltemperatur aufweist als der Kühlkreislauf, welcher dem Kühlen des Schaltgetriebes dient. Somit kann nach Erreichen der jeweiligen Solltemperatur Wärme vom Kühlkreislauf über den Wärmetauscher an den Heizkreislauf abgeführt werden und von diesem über die Kühlvorrichtung an die Umgebung abgegeben werden. Die Kühlung des Kühlfluids erfolgt somit also über den Wärmetauscher.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der mindestens eine Elektromotor an den Heizkreislauf angeschlossen ist. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass eine Abwärme des mindestens einen Elektromotors zum Heizen des Heizkreislaufs verwendet werden kann. Obwohl der mindestens eine Elektromotor in der Regel einen Wirkungsgrad von über 95 % aufweist, ist er dennoch auf ein aktive Kühlung zur Vermeidung von Beschädigungen aufgrund eines Überhitzens angewiesen. Insbesondere im Dauerbetrieb kann sich der mindestens eine Elektromotor stark aufheizen, wodurch sich wiederum sein elektrischer Widerstand erhöht und er sich in Folge noch stärker noch weiter erhitzt. Eine Kühlung des Elektromotors kann diesen negativen Effekt verhindern oder zumindest reduzieren. Indem die vom mindestens einen Elektromotor abgeführte Wärme nun zum Erwärmen des Heizfluids herangezogen wird, kann die von der Heizvorrichtung bereitzustellende Heizleistung vorteilhaft reduziert werden. Dies reduziert den Gesamtenergieverbrauch des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs und erhöht dessen Wirkungsgrad.
Sofern mehr als nur ein Elektromotor vorgesehen ist, beispielweise ein Elektromotor für den Fahrantrieb und ein Elektromotor für den Arbeitsantrieb, so sind vorteilhaft alle Elektromotoren mit dem Heizkreislauf thermisch gekoppelt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass eine Leistungselektronik des mindestens einen Elektromotors an den Heizkreislauf angeschlossen ist. Ebenso wie der mindestens eine Elektromotor erzeugt auch die Leistungselektronik in Abhängigkeit einer von ihr geschalteten Stromstärke und nach Maßgabe ihres Innenwiderstands eine Abwärme, welche abgeführt werden muss, um eine thermische Beschädigung der Leistungselektronik zu vermeiden. Indem diese Abwärme dem Heizkreislauf zugeführt wird, kann die von der Heizvorrichtung bereitzustellende Heizleistung vorteilhaft noch weiter reduziert werden. Dies trägt ebenfalls zur Reduzierung des Gesamtenergieverbrauchs sowie zur Erhöhung des Wirkungsgrads des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs bei.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Heizfluid in Strömungsrichtung von der Heizvorrichtung ausgehend zunächst dem Energiespeicher und anschließend der Leistungselektronik zugeführt wird, bevor es dem mindestens einen Elektromotor zugeführt wird. Indem das Heizfluid zuerst dem Energiespeicher zugeführt wird, kann es dort den größten Teil seiner Wärmeenergie an den Energiespeicher abgeben und diesen auf eine erforderliche Betriebstemperatur heizen. Nachdem das Heizfluid den größten Teil seiner Wärmeenergie an den Energiespeicher abgegeben hat, also durch den Energiespeicher gekühlt wurde, wird es nun der Leistungselektronik zugeführt, welche zum störungsfreien Betrieb nicht auf eine besondere Mindesttemperatur angewiesen ist. Im Gegenteil arbeitet die in der Regel aus Halbleiterschaltelementen bestehende Leistungselektronik in der Regel sogar effektiver und fehlerfreier, wenn sie eine niedrige Temperatur aufweist. Insofern kann das Heizfluid, nachdem es durch den Energiespeicher gekühlt wurde, für die Leistungselektronik eine Kühlfunktion gewährleisten. Wenn das Heizfluid im weiteren Verlauf dem mindestens einen Elektromotor zugeführt wird, kann es auch für den mindestens einen Elektromotor eine Kühlfunktion übernehmen. Der Wärmeeintrag durch die Leistungselektronik in das Heizfluid ist nämlich vergleichsweise gering, so dass das Heizfluid in der Regel eine deutlich geringere Temperatur aufweisen wird, als der mindestens eine Elektromotor, insbesondere im Dauerbetrieb des mindestens einen Elektromotors. Die Kühlung des mindestens einen Elektromotors verbessert nicht nur dessen Effizienz sondern verhindert letztlich auch eine Beschädigung durch Überhitzen des mindestens einen Elektromotors. Das Heizfluid kann dabei vom mindestens einen Elektromotor zunächst über die Kühlvorrichtung geführt werden, bevor es dem Energiespeicher zugeführt wird. Damit wird dem Umstand Rechnung getragen, dass der Energiespeicher einerseits zwar eine bestimmte Mindesttemperatur zum sicheren und beschädigungsfreien Betrieb benötigt, andererseits aber auch nicht oberhalb einer Höchsttemperatur betrieben werden sollte, da sonst ebenfalls eine Beschädigung des Energiespeichers eintreten kann.
Alternativ bevorzugt ist es vorgesehen, dass das Heizfluid in Strömungsrichtung von der Heizvorrichtung ausgehend zunächst der Leistungselektronik und anschließend dem Energiespeicher zugeführt wird, bevor es dem mindestens einen Elektromotor zugeführt wird. Dadurch kann zusätzliche Wärmeenergie von der Leistungselektronik in das Heizfluid aufgenommen werden und unmittelbar dem Energiespeicher zugeführt werden.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass das Heizfluid der gemeinsamen Kühlvorrichtung zugeführt wird, nachdem es zum mindestens einen Elektromotor geführt wurde. Insbesondere im Dauerbetrieb des Antriebsstrangs stellt der mindestens eine Elektromotor die größte Wärmequelle im Heizkreislauf dar. Somit kann die Temperatur des Heizfluids - sofern sie höher als eine zum Betrieb des Energiespeichers geeignete Temperatur ist - durch Abgabe von Wärme an die Umgebung wieder gekühlt werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Heizkreislauf mindestens ein hydraulisches Richtungsventil umfasst, über welches die Strömungsrichtung von der Heizvorrichtung ausgehend derart stellbar ist, dass nach Maßgabe eines Zustands des mindestens einen hydraulischen Strömungsventils das Heizfluid zunächst dem Energiespeicher und anschließend der Leistungselektronik zugeführt wird oder zunächst der Leistungselektronik und anschließend dem Energiespeicher zugeführt. Je nachdem, wie stark der Energiespeicher noch zum Erreichen der Solltemperatur geheizt werden muss, kann das Heizfluid also direkt dem Energiespeicher oder über die Leistungselektronik zum Energiespeicher geführt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Heizkreislauf und/oder der Kühlkreislauf mindestens ein hydraulisches Trennventil umfasst, über welches der Wärmetauscher vom Heizkreislauf und/oder vom Kühlkreislauf hydraulisch trennbar ist, so dass kein Wärmetausch mehr zwischen dem Heizkreislauf und dem Kühlkreislauf erfolgt. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass der Kühlkreislauf beispielsweise bei einem stationären Arbeitsbetrieb der Arbeitsmaschine vom Heizkreislauf getrennt werden kann. Da das Schaltgetriebe ausschließlich zum Fahren benötigt wird und im stationären Arbeitsbetrieb im Ruhezustand verbleiben kann, kann der Kühlkreislauf in diesem Fall über das Trennventil vom Heizkreislauf getrennt werden. Da it wird auch vermieden, dass der Kühlkreislauf über den Heizkreislauf gekühlt wird und bei einer erneuten Inbetriebnahme nicht mehr die optimale Betriebstemperatur hat.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Heizkreislauf mindestens ein hydraulisches Überbrückungsventil umfasst, über welches die gemeinsame Kühlvorrichtung hydraulisch überbrückbar ist. Somit kann gerade bei einer ersten Inbetriebnahme nach einer längeren Standzeit der Arbeitsmaschine, insbesondere in einer vergleichsweise kalten Umgebung, vergleichsweise schnell die erforderliche Wärmezufuhr für den Energiespeicher sowie für das Schaltgetriebe bereitgestellt werden, da eine Abgabe von Wärme über die Kühlvorrichtung durch Überbrückung der Kühlvorrichtung an die Umgebung vermieden werden kann. Stattdessen wird sämtliche dem Heizkreis zugeführte Wärme solange innerhalb des Heizkreises bzw. Kühlkreises gehalten, bis alle Komponenten des Antriebsstrangs die erforderlichen Betriebstemperaturen erreicht haben.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Heizkreislauf und/oder der Kühlkreislauf jeweils eine Förderpumpe umfassen. Die Förderpumpe des Heizkreislaufs sowie die Förderpumpe des Kühlkreislaufs sorgen dabei für eine Strömung des Heizfluids im Heizkreislauf bzw. des Kühlfluids im Kühlkreislauf. Da die Wärme jeweils über das Heizfluid bzw. das Kühlfluid transportiert wird, wird über die Förderpumpen also letztlich der Wärmetransport ermöglicht.
Bevorzugt ist die Förderpumpe des Heizkreislaufs bzw. die Förderpumpe des Kühlkreislaufs regelbar. Somit kann die Volumenstromstärke im Heizkreislauf bzw. im Kühlkreislauf geregelt werden und damit auch der Wärmetransport im Heizkreislauf bzw. im Kühlkreislauf geregelt werden. Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Förderpumpe des Heizkreislaufs bzw. die Förderpumpe des Kühlkreislaufs als elektrische Pumpen ausgebildet sind, d.h. dass sie jeweils über einen zu ihrem Betrieb vorgesehenen Elektromotor verfügen.
Alternativ bevorzugt werden die Förderpumpe des Heizkreislaufs bzw. die Förderpumpe des Kühlkreislaufs über eine mechanische Welle sowie ggf. über eine Übersetzungsstufe vom mindestens einen Elektromotor angetrieben.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs für eine Arbeitsmaschine, wobei der Antriebsstrang mindestens einen Elektromotor, einen elektrischen Energiespeicher, ein mehrstufiges Schaltgetriebe, einen Heizkreislauf und einen Kühlkreislauf umfasst, wobei vom mindestens einen Elektromotor eine mechanische Eingangsleistung bereitgestellt wird, wobei vom Schaltgetriebe die mechanische Eingangsleistung in eine mechanische Ausgangsleistung gewandelt wird, wobei der mindestens eine Elektromotor und der Heizkreislauf vom Energiespeicher mit elektrischer Leistung versorgt werden, wobei vom Heizkreislauf ein Heizfluid zum Erwärmen des Energiespeichers erwärmt wird und wobei vom Kühlkreislauf ein Kühlfluid zum Kühlen und Schmieren des Schaltgetriebes gekühlt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Kühlkreislauf vom Heizkreislauf situationsabhängig über eine Heizvorrichtung geheizt wird oder über eine Kühlvorrichtung gekühlt wird. Daraus ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Antriebsstrang beschriebenen Vorteile.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Heizfluid in Strömungsrichtung von der Heizvorrichtung des Heizkreislaufs ausgehend zunächst dem Energiespeicher und anschließend der Leistungselektronik zugeführt wird, wenn eine Temperatur der Leistungselektronik niedriger ist als eine Temperatur des Energiespeichers und dass das Heizfluid in Strömungsrichtung von der Heizvorrichtung des Heizkreislaufs ausgehend zunächst der Leistungselektronik und anschließend dem Energiespeicher zugeführt wird, wenn die Temperatur der Leistungselektronik höher ist als die Temperatur des Energiespeichers. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass je nach Situation die Abwärme der Leistungselektronik zum Heizen des Energiespeichers genutzt werden kann, sofern dieser weiter erwärmt werden muss, oder dass die Abwärme der Leistungselektronik der Kühlvorrichtung zugeführt werden kann, sofern der Energiespeicher bereits seine Betriebstemperatur erreicht und ggf. sogar gekühlt werden muss.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass Heizfluid und Kühlfluid durch den Wärmetauscher gefördert werden, wenn der Energiespeicher geladen wird. Beim Laden des Energiespeichers ist die Arbeitsmaschine üblicherweise nicht im Betrieb, da sie durch ein benötigtes Ladekabel zur Stromversorgung mit einer Ladestelle verbunden ist und somit nicht bewegt werden kann. Dadurch sind auch der mindestens eine Elektromotor sowie das Stufengetriebe im Ruhezustand, produzieren also keine Abwärme, so dass das Kühlfluid nach und nach seine Wärme an die Umgebung abgibt und auskühlt. Da jedoch gleichzeitig durch den Ladevorgang elektrische Verluste in Form von Abwärme am Energiespeicher entstehen, kann durch die thermische Kopplung des heizkreislaufs und des Kühlkreislaufs über den Wärmetauscher während des Ladevorgangs die durch das Laden erzeugte Abwärme an das Heizfluid und über den Wärmetauscher vom Heizfluid an das Kühlfluid weiter gegeben werden, so dass das Kühlfluid nicht völlig auskühlt und die Arbeitsmaschine unmittelbar nach dem Ladevorgang ohne ein ansonsten erforderliches Aufwärmen des Kühlfluids in Betrieb genommen werden kann.
Durch diese aktive Kühlung des Energiespeichers kann dieser zudem mit vergleichsweise höheren Strömen geladen werden, was den Ladevorgang vorteilhaft verkürzt.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Arbeitsmaschine, umfassend einen erfindungsgemäßen Antriebsstrang. Daraus ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Antriebsstrang beschriebenen Vorteile auch für die erfindungsgemäße Arbeitsmaschine.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass die Arbeitsmaschine als Radlader, Dumper, Bagger, Teleskoplader, Kommunalfahrzeug, Müllfahrzeug, Minenfahrzeug, Kompaktlader, Flugzeugschlepper oder Traktor ausgebildet ist. Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 beispielhaft und schematisch eine mögliche Ausbildungsform eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs für eine in Fig. 1 nicht dargestellte Arbeitsmaschine.
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.
Fig. 1 zeigt beispielhaft und schematisch eine mögliche Ausbildungsform eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs 10 für eine in Fig. 1 nicht dargestellte Arbeitsmaschine. Der Antriebsstrang 10 umfasst beispielsgemäß zwei Elektromotoren 11 , 12, wobei ein Elektromotor 11 einem Fahrantrieb zugeordnet ist und ein Elektromotor 12 einem Arbeitsantrieb zugeordnet ist. Weiterhin umfasst der Antriebsstrang 10 einen als wiederaufladbare Li-Ionen-Batterie 13 ausgebildeten elektrischen Energiespeicher 13, welcher dazu ausgebildet ist, die Elektromotoren 11 , 12 mit elektrischer Leistung zu versorgen. Die Elektromotoren 11 , 12 sind ihrerseits dazu ausgebildet, über ihre Motorwellen jeweils eine mechanische Eingangsleistung bereitzustellen. Die Eingangsleistung des dem Fahrantrieb zugeordneten Elektromotors 11 wird einem mehrstufigen Schaltgetriebe 14 zugeführt, welches als lastschaltbares Synchrongetriebe ausgebildet ist. Das Schaltgetriebe 14 wandelt die mechanische Eingangsleistung und stellt eine mechanische Ausgangsleistung bereit, welche zum Antreiben von antreibbaren Fahrzeugrädern oder antreibbaren Achsen der Arbeitsmaschine herangezogen werden kann. Die Eingangsleistung des dem Arbeitsantrieb zugeordneten Elektromotors 13 hingegen wird einem hydraulischen Arbeitsantrieb zugeführt und von diesem in einen hydraulischen Volumenstrom und einen hydraulischen Druck gewandelt und somit als hydraulische Ausgangsleistung wieder ausgegeben. Weiterhin umfasst der Antriebsstrang 10 einen Heizkreislauf 15, der dazu ausgebildet ist, ein Heizfluid zum Erwärmen des Energiespeichers 13 bereitzustellen, sowie einen Kühlkreislauf 16, der dazu ausgebildet ist, ein Kühlfluid zum Kühlen und Schmieren des Schaltgetriebes 14 bereitzustellen. Der Heizkreislauf 15 umfasst außerdem auch eine Heizvorrichtung 16, die beispielsgemäß als Heizspirale 16 ausgebildet ist und in Strömungsrichtung des Heizfluids unmittelbar vor dem Energiespeicher 13 angeordnet ist. Weiterhin umfasst der Heizkreislauf 16 zwei Leistungselektroniken 17 und 18, von denen jeweils eine einem der Elektromotoren 11 und 12 zugeordnet ist. Auch die Elektromotoren 11 und 12 sind mit dem Heizkreislauf 16 thermisch verbunden. Von den Elektromotoren 11 und 12 wird das Heizfluid weiter zu einem Wärmetauscher 31 geführt, der beispielsgemäß als Reservoir für das Heizfluid ausgebildet ist, welches von metallischen Rohrleitungen mit Kühlrippen durchzogen ist, wobei durch die Rohrleitungen das Kühlfluid geführt wird. Der Wärmetauscher 31 stellt somit eine thermische Kopplung zwischen dem Heizkreislauf 15 und dem Kühlkreislauf 16 dar. In Strömungsrichtung des Heizfluids folgt auf den Wärmetauscher 31 eine metallische Kühlvorrichtung 19 mit Kühlrippen und einem Lüfter. Die Kühlvorrichtung 19 kann dabei durch ein Überbrückungsventil 20 überbrückt werden, so dass der Heizkreislauf keine Wärme an die Umgebung abgibt. Weiterhin umfasst der Heizkreislauf 15 einen Ausgleichsbehälter 21 , um temperaturbedingte Volumenänderungen des Heizfluids im Heizkreislauf auszugleichen, sowie eine elektrisch angetriebene Förderpumpe 22.
Der Kühlkreislauf 16 umfasst ebenfalls eine Förderpumpe 23, die beispielsgemäß jedoch mechanisch über eine Welle 24 vom Elektromotor 12 angetrieben wird. Die Förderpumpe 23 fördert Kühlfluid, welches beispielsgemäß als Getriebeöl ausgebildet ist, aus einem Ölsumpf 25 des Schaltgetriebes 14 und führt es einer hydraulischen Kupplungssteuerung 26 des Schaltgetriebes 14 zu. Über eine Abzweigung im Kühlkreislauf 16 fördert die Förderpumpe 23 außerdem Kühlfluid zu einem Systemdruckbegrenzungsventil 27. Vom Systemdruckbegrenzungsventil 27 gelangt das Kühlfluid zum Wärmetauscher 31 , wo ein Wärmetausch mit dem Heizfluid erfolgt. Vom Wärmetauscher 31 aus wird das Kühlfluid den zu schmierenden und zu kühlenden Elementen 28 des Schaltgetriebes 14 zugeführt. Beispielsgemäß handelt es sich bei den zu schmierenden und zu kühlenden Elementen 28 um eine Vielzahl an Zahnrädern. Über ein Steuerventil 29 kann der den zu schmierenden und zu kühlenden Elementen 28 zugeführte Volumenstrom an Kühlfluid gesteuert werden.
Bei einer Inbetriebnahme des Antriebsstrangs 10 nach einer längeren Standzeit in kühler Umgebung haben sowohl der Energiespeicher 13 als auch das Getriebeöl die Umgebungstemperatur angenommen. Das hat zur Folge, dass der Energiespeicher 13 zunächst nur geringe Ströme bereitstellen kann, ohne eine Beschädigung zu erleiden. Das Getriebeöl ist zudem noch zu dickflüssig, um die Kupplungssteuerung 26 betätigen zu können. Über die Heizvorrichtung 30 kann nun das Heizfluid vorgewärmt werden und durch die Förderpumpe 22 zum Energiespeicher 13 transportiert werden, um diesen schnell auf eine erforderliche Betriebstemperatur zu erwärmen. Gleichzeit gelangt das Heizfluid über den Wärmetauscher 31 in thermischen Kontakt mit dem Kühlfluid, so dass auch das Kühlfluid erwärmt wird und schnell erwärmt wird. Durch die Erwärmung des Kühlfluids nimmt dessen Viskosität ab und ermöglicht einen fehlerfreien Betrieb der Kupplungssteuerung 26.
Nach einer bestimmten Betriebsdauer hat das Kühlfluid seine Solltemperatur erreicht, welche beispielsgemäß 90 °C beträgt. Ebenso hat der Energiespeicher seine Solltemperatur erreicht, welche beispielsgemäß 30 °C beträgt. Da durch den anhaltenden Betrieb des Antriebsstrangs 10 unweigerlich elektrische Verluste im Energiespeicher 13 entstehen sowie mechanische Verluste im Schaltgetriebe 14 entstehen, welche jeweils zu einer weiteren Erwärmung führen, muss die ab jetzt entstehende Wärme über die gemeinsame Kühlvorrichtung 19 an die Umgebung abgeführt werden. Dazu gibt das Kühlfluid nun über den Wärmetauscher 31 Wärme an des Heizfluid ab. Ebenso erfüllt das Heizfluid nun eine Kühlfunktion für den Energiespeicher 13, die Leistungselektronik 17 und 18 sowie die Elektromotoren 11 und 12. Die Heizvorrichtung 16 ist nun deaktiviert. Das Heizfluid gibt dann die vom Energiespeicher 13 aufgenommene Wärme sowie die vom Kühlfluid aufgenommene Wärme über die Kühlvorrichtung 19 an die Umgebung ab. Bezuqszeichen
Antriebsstrang
Elektromotor
Elektromotor elektrischer Energiespeicher
Schaltgetriebe
Heizkreislauf
Kühlkreislauf
Leistungselektronik
Leistungselektronik
Kühlvorrichtung
Überbrückungsventil
Ausgleichsbehälter
Förderpumpe
Förderpumpe
Welle
Ölsumpf
Kupplungssteuerung
Systemdruckbegrenzungsventil zu schmierende und zu kühlende Elemente
Steuerventil
Heizvorrichtung
Wärmetauscher

Claims

Patentansprüche
1 . Antriebsstrang (10) für eine Arbeitsmaschine, umfassend mindestens einen Elektromotor (11 , 12), einen elektrischen Energiespeicher (13), ein mehrstufiges Schaltgetriebe (14), einen Heizkreislauf (15) und einen Kühlkreislauf (16), wobei der mindestens eine Elektromotor (11 , 12) dazu ausgebildet ist, eine mechanische Eingangsleistung bereitzustellen, wobei das Schaltgetriebe (14) dazu ausgebildet ist, die mechanische Eingangsleistung zu wandeln und als mechanische Ausgangsleistung bereitzustellen, wobei der Energiespeicher (13) dazu ausgebildet ist, den mindestens einen Elektromotor (11 , 12) und den Heizkreislauf (15) mit elektrischer Leistung zu versorgen, wobei der Heizkreislauf (15) dazu ausgebildet ist, ein Heizfluid zum Erwärmen des Energiespeichers (13) bereitzustellen und wobei der Kühlkreislauf (16) dazu ausgebildet ist, ein Kühlfluid zum Kühlen und Schmieren des Schaltgetriebes (14) bereitzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkreislauf (15) und der Kühlkreislauf (16) über einen Wärmetauscher (31 ) gekoppelt sind und nur eine einzige gemeinsame Kühlvorrichtung (19) aufweisen.
2. Antriebsstrang (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Kühlvorrichtung (19) dem Heizkreislauf (15) zugeordnet ist.
3. Antriebsstrang (10) nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Elektromotor (11 , 12) an den Heizkreislauf (15) angeschlossen ist.
4. Antriebsstrang (10) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leistungselektronik (17, 18) des mindestens einen Elektromotor (11 , 12) an den Heizkreislauf (15) angeschlossen ist.
5. Antriebsstrang (10) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Heizkreislauf (15) eine Heizvorrichtung (30) zugeordnet ist.
6. Antriebsstrang (10) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizfluid in Strömungsrichtung von der Heizvorrichtung (30) ausgehend zunächst dem Energiespeicher (13) und anschließend der Leistungselektronik (17, 18) zugeführt wird bevor es dem mindestens einen Elektromotor (11 , 12) zugeführt wird.
7. Antriebsstrang (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkreislauf (15) mindestens ein hydraulisches Richtungsventil umfasst, über welches die Strömungsrichtung von der Heizvorrichtung (31 ) ausgehend derart stellbar ist, dass nach Maßgabe eines Zustands des mindestens einen hydraulischen Strömungsventils das Heizfluid zunächst dem Energiespeicher (13) und anschließend der Leistungselektronik (17, 18) zugeführt wird oder zunächst der Leistungselektronik (17, 18) und anschließend dem Energiespeicher (13) zugeführt.
8. Antriebsstrang (10) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkreislauf (15) und/oder der Kühlkreislauf (16) mindestens ein hydraulisches Trennventil umfasst, über welches der Wärmetauscher (31 ) vom Heizkreislauf (15) und/oder vom Kühlkreislauf (16) hydraulisch trennbar ist, so dass kein Wärmetausch mehr zwischen dem Heizkreislauf (15) und dem Kühlkreislauf (16) erfolgt.
9. Antriebsstrang (10) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkreislauf (15) mindestens ein hydraulisches Überbrückungsventil (20) umfasst, über welches die gemeinsame Kühlvorrichtung (19) hydraulisch überbrückbar ist.
10. Antriebsstrang (10) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizfluid ein Wassergemisch ist und das Kühlfluid ein Getriebeöl ist.
11. Antriebsstrang (10) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkreislauf (15) und/oder der Kühlkreislauf (26) jeweils eine Förderpumpe (22, 23) umfassen.
12. Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs (10) für eine Arbeitsmaschine, wobei der Antriebsstrang (10) mindestens einen Elektromotor (11 , 12), einen elektrischen Energiespeicher (13), ein mehrstufiges Schaltgetriebe (14), einen Heizkreislauf (15) und einen Kühlkreislauf (16) umfasst, wobei vom mindestens einen Elektromotor (11 , 12) eine mechanische Eingangsleistung bereitgestellt wird, wobei vom Schaltgetriebe (14) die mechanische Eingangsleistung in eine mechanische Ausgangsleistung gewandelt wird, wobei der mindestens eine Elektromotor (11 , 12) und der Heizkreislauf (15) vom Energiespeicher (13) mit elektrischer Leistung versorgt werden, wobei vom Heizkreislauf (15) ein Heizfluid zum Erwärmen des Energiespeichers (13) erwärmt wird und wobei vom Kühlkreislauf (16) ein Kühlfluid zum Kühlen und Schmieren des Schaltgetriebes (14) gekühlt wird (54), dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislauf (16) vom Heizkreislauf (15) situationsabhängig über eine Heizvorrichtung (30) geheizt wird oder über eine Kühlvorrichtung (19) gekühlt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizfluid in Strömungsrichtung von einer Heizvorrichtung (31 ) des Heizkreislaufs (15) ausgehend zunächst dem Energiespeicher (13) und anschließend der Leistungselektronik (17, 18) zugeführt wird, wenn eine Temperatur der Leistungselektronik (17, 18) niedriger ist als eine Temperatur des Energiespeichers (13) und dass das Heizfluid in Strömungsrichtung von der Heizvorrichtung (31 ) des Heizkreislaufs ausgehend zunächst der Leistungselektronik (17, 18) und anschließend dem Energiespeicher (13) zugeführt wird, wenn die Temperatur der Leistungselektronik (17, 18) höher ist als die Temperatur des Energiespeichers (13).
14. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass Heizfluid und Kühlfluid durch den Wärmetauscher (31 ) gefördert werden, wenn der Energiespeicher (13) geladen wird (51 , 52).
15. Arbeitsmaschine, umfassend einen Antriebsstrang (10) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11.
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