WO2023156279A1 - Verfahren zum betreiben einer hydraulikanordnung einer arbeitsmaschine und entsprechende arbeitsmaschine - Google Patents

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hydraulic
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hydraulic fluid
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PCT/EP2023/053149
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Georg Mallebrein
Sven Helmstaedter
Philip Nagel
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a hydraulic system of a work machine, in particular a mobile work machine, the hydraulic system having an electric machine, a computing unit and a computer program for its execution, and a work machine with a hydraulic system.
  • Work machines in particular mobile work machines such as e.g. excavators, have one or usually several hydraulic actuators such as hydraulic cylinders and hydraulic motors for the work operation.
  • a hydraulic pump can be provided to supply the hydraulic actuators with hydraulic fluid (or pressure medium).
  • the hydraulic pump can be driven by an electric motor or an electric machine; a hybrid drive with electric motor and internal combustion engine is also conceivable.
  • the invention deals with the operation of work machines, in particular mobile work machines, and there in particular of hydraulic systems that work in such work machines are used.
  • a hydraulic arrangement has a hydraulic pump (or delivery unit), in which a delivery volume is preferably adjustable; this can be done, for example, by adjusting a swivel angle of a swivel disk of what is known as an axial piston pump, for example by means of a suitable adjustment mechanism.
  • a so-called variable displacement pump is also mentioned.
  • An electric machine or an electric motor is used to drive the hydraulic pump;
  • a combination of an electric machine or electric motor and an internal combustion engine is also conceivable.
  • Such an electric machine - and thus the hydraulic pump - can usually be operated with variable speed; one can then also speak of a variable-speed hydraulic pump.
  • the hydraulic arrangement also has at least one hydraulic actuator, which can be supplied with hydraulic fluid by the hydraulic pump.
  • several hydraulic actuators are provided, for example one or more hydraulic cylinders with pistons for linear movements (e.g. for moving an excavator arm or a shovel), and/or one or more hydraulic motors for rotary movements (e.g. for a travel drive of an excavator).
  • a valve or control block also referred to as a main valve
  • a plurality of valves are typically provided in such a valve block, which can also be controlled individually.
  • Such a hydraulic arrangement is preferably operated in an open hydraulic circuit.
  • the hydraulic pump or the delivery unit made up of an electric machine and a hydraulic pump is intended to deliver a desired volume flow of hydraulic fluid from a tank for working operation, for example at a given delivery pressure.
  • Hydraulic variable displacement pumps (such as the axial piston pumps mentioned) enable a specific volume flow to be delivered at a given pressure with different speed and swivel angle combinations. However, they do not always work with the same efficiency. It has been shown that, as a rule, the most efficient operation of the hydraulic pump occurs at the lowest possible speed and thus at the maximum swivel angle.
  • the energy losses of a hydraulic unit include in particular the losses of the driving electric motor. It can be seen here that its losses increase as the swivel angle and thus the speed decrease. Thus, with some driving points (particularly at high pressures), the energetically ideal speed is slightly above the lowest possible speed.
  • An electric machine has the particular advantage over previously used internal combustion engines that it delivers a very high torque from zero speed and can therefore deliver high power even at low speeds.
  • there is a short-term overload capacity which brings great advantages, especially when accelerating.
  • the speed of the combustion engine is typically kept at a constantly high level (e.g. 2200 rpm) when working. With some combustion engines, a lower, constant speed can also be selected for eco operation. However, the response behavior is then significantly reduced.
  • an idle mode is common, but in which no work movements are generally possible.
  • the required collective load is not known in advance, the dynamic requirements of the operator or driver can vary, for example, depending on the operating situation, and even the performance limits of the electrical energy supply (e.g. battery or fuel cell) can have an impact.
  • the electrical energy supply e.g. battery or fuel cell
  • an operation of a work machine with a hydraulic system as described above is proposed, the electric machine being controlled according to a setpoint speed or a setpoint speed profile.
  • the target speed or the target speed curve is determined taking into account a requirement for a change (or a dynamic) of a volume flow of the hydraulic fluid in the hydraulic system and taking into account a requirement for energy efficiency during operation of the hydraulic system.
  • a weighting of an optimization of the change in the volume flow of the hydraulic fluid in the hydraulic system and a weighting of the energy efficiency during operation of the hydraulic system can be selected as a function of a current operating mode.
  • the requirement for changing the volume flow of the hydraulic fluid can be specified, for example, by an operator or driver using input or operating means such as joysticks, pedals, etc., but also, for example, via automation functions (automated work functions). For example, a rapid movement of an excavator arm requires a short-term increase in the volume flow.
  • the requirement for energy efficiency when operating the hydraulic system can, for example, require a speed of the electrical machine where the energy consumption is as low as possible; In particular, energy losses during operation of the hydraulic pump, the electric machine and/or an energy supply to the electric machine can also be determined and thus taken into account, in particular as a function of a current pressure of the hydraulic fluid.
  • the setpoint speed or the setpoint speed curve is also determined taking into account a change in the volume flow of the hydraulic fluid in the hydraulic system that can be provided by the hydraulic system.
  • boundary conditions e.g. in the electrical energy supply (e.g. short-term available battery power or charging or discharging), limits or operating limits of the electrical machine (e.g. maximum speed or maximum speed increase or maximum torque or maximum torque increase) or an estimated adjustment dynamics of the hydraulic pump (e.g. how quickly the swivel angle can be changed under the current conditions) must be taken into account.
  • the electrical energy supply can include not only a battery and/or fuel cell, but also, for example, an internal combustion engine with a generator and/or an external power supply via an electricity or energy supply network can be used.
  • a compromise can thus be selected between the two optimization goals of good energy efficiency and good volume flow dynamics.
  • the optimization goals of good efficiency or good dynamics can be weighted differently. This preferably allows all influences to be taken into account, also as a function of the operating case, in order to enable the working machine to be operated as efficiently and dynamically as possible, as will be explained in more detail below.
  • the setpoint speed or the setpoint speed profile is determined based on a prediction and/or a heuristic method, for example one or more repetitive cycles can be identified.
  • a setpoint speed profile is to be understood as a time profile of setpoint speeds or values of setpoint speeds, according to which the electric machine is to be operated.
  • different forms are conceivable for the prediction or the heuristic method.
  • a determination of the setpoint speed curve can be carried out by selecting different, pre-calculated trajectories (prediction) while weighting the goals of optimizing energy efficiency. efficiency and volumetric flow dynamics.
  • a determination of the setpoint speed profile can be carried out on the basis of heuristically determined profiles, taking into account the goals of optimizing energy efficiency and volume flow dynamics.
  • the target speed curve can be determined on the basis of past inputs (e.g. by the operator) and based on the assumption that a repetitive work task is taking place, the cycle of the tasks to be carried out (i.e. which movements are made, e.g. with the excavator arm and shovel) is known and repeats itself.
  • the target speed curve can be determined on the basis of recognized operating states (in the case of an excavator, e.g. shaking the bucket, planing; in the case of a wheel loader, e.g. the position of the travel direction selector switch).
  • the setpoint speed curve can be determined with the help of a prediction with a medium-term prediction horizon, e.g. a pre-calculated trajectory for automated work functions.
  • the speed-dependent losses can be taken into account for each operating point (volume flow and pump pressure) and a stationary “efficiency-optimized setpoint speed” can be determined or calculated from them.
  • the achievable adjustment dynamics are advantageously taken into account, in particular taking into account the current pressure load and power and torque limits, and these are compared with a volume flow adjustment dynamics requested by the driver or the system, and the minimum speed to which the drive is lowered can be determined.
  • the setpoint speed profile is determined in such a way that a target setpoint speed is achieved while minimizing total energy loss is reached; i.e. the new, desired speed (the target setpoint speed) is only approached so quickly (by appropriately specifying the setpoint speed curve) that, for example, from the comparison of several scenarios according to the prediction and/or heuristic method mentioned, a minimum total energy loss up to the adaptation to the results in a new speed value.
  • the optimal speed drop trajectory (a target speed curve) is possible, possibly including prediction results of the total losses in the transition to the new ideal speed or the Target set speed determined.
  • heuristic methods can also be used to determine the optimal speed profile. In each case, a decision is made as to whether active, maximum recuperative braking of the electrical machine is more favorable than a natural drop in speed resulting from the load. If the speed drops under load, the kinetic energy stored in the system is reused with ideal efficiency. In the case of recuperative braking, losses would occur in the electrical machine and in the inverter. It can also be advantageous to choose a middle ground (slight deceleration). When determining the advantageous speed drop trajectory, the achievable swivel angle dynamics can also be included.
  • the dynamics can be increased at the expense of energy efficiency by means of faster speed adaptation.
  • the setpoint speed curve is determined in such a way that a target Target speed, possibly with the support of the electric machine, is achieved while minimizing total energy loss; i.e. the new, desired speed (the target setpoint speed) is only approached so quickly with the support of the electric machine (by appropriate specification of the setpoint speed curve) that, e.g. from the comparison of several scenarios according to the mentioned prediction and/or heuristic method, a minimum total energy loss until it is adjusted to the new speed value.
  • the optimal speed build-up trajectory is calculated taking into account the prediction results of the total losses in the transition to the new speed ( Target setpoint speed) or using a heuristic method, taking into account the volume flow control dynamics requested by the driver or the system, for example.
  • electrical energy must first be used to accelerate the electrical machine and the hydraulic pump.
  • the request to change the volumetric flow of hydraulic fluid comprises a reduction in volumetric flow of hydraulic fluid followed by an increase in volumetric flow of hydraulic fluid, or vice versa (i.e., increase followed by decrease); this can in particular include a (quick) change of sign of the required volume flow and thus a transition from drive and recuperation or vice versa.
  • a reduction in the volume flow can also include the transition from positive to negative volume flow.
  • the setpoint speed or the setpoint speed profile is preferably determined in such a way that the speed is increased or rises (i.e. is higher than before). In particular, an increased rotational speed or minimum rotational speed derived from the dynamic requirements is therefore determined for optimal dynamic and efficiency control.
  • the speed is increased when pivoting up to a maximum permissible value during the recuperation phase, so that the kinetic energy gained can be reused in the drive phase with as little loss as possible.
  • the speed specification (via the setpoint speed curve) is carried out in particular in an efficiency-optimizing manner, as described above, e.g. as a selection of a family of trajectories determined by prediction.
  • the setpoint speed or the setpoint speed profile is determined in such a way that a speed reserve and/or a delivery volume reserve (or delivery stroke reserve, e.g. as a swivel angle reserve) are maintained; this applies in particular to small volume flow requirements, ie when a requirement for a volume flow of the hydraulic fluid is below a predetermined threshold value.
  • a speed reserve and/or a delivery volume reserve or delivery stroke reserve, e.g. as a swivel angle reserve
  • small volume flow requirements ie when a requirement for a volume flow of the hydraulic fluid is below a predetermined threshold value.
  • an efficiency-optimized speed profile when there is a transition from large to small target volume flows in pump operation at a given pressure load on the other hand, an efficiency-adapted transition from small to large target volume flows in engine operation (recuperation, e.g. when lowering the boom) that is adapted to the required dynamics given system pressure range.
  • engine operation e.g. when lowering the boom
  • the method can also be used in a hydraulic arrangement that has a further hydraulic pump that can be driven by means of the electrical machine and that, in particular, includes a different hydraulic circuit.
  • both hydraulic pumps can lie on a common axis.
  • the minimum speed can then be derived from the maximum of the individual requirements (i.e. the requirements for the two pumps or their hydraulic circuits), the permitted speed adjustment dynamics can, if necessary, be limited from the requirements for the constancy of the volume flow of the other hydraulic circuit in each case, and the torque loads of all hydraulic circuits can be taken into account in all precalculations.
  • the requirement for changing the volume flow of the hydraulic fluid in the hydraulic arrangement may not be implementable or that such a requirement can only be implemented with higher dynamics, which, however, cannot be achieved.
  • a change in the speed of the electrical machine and a change in the delivery volume of the hydraulic pump, e.g. by changing the setting angle, can be considered as manipulated variables for the implementation of this requirement. If the requirement can be met, it can easily be implemented, for example as also described above.
  • a change in the rotational speed of the electrical machine and/or a change in a delivery volume of the hydraulic pump can be done in such a way that both variables, speed of the electrical machine and delivery volume, are adjusted in parallel with one another, so that both reach their target or desired value at the same time.
  • the dynamic capabilities of the individual components can be analyzed and, if necessary, limited. Overall, this results in a more homogeneous overall system behavior.
  • the dynamics limitation can also be used to generally limit the components in the dynamics by the driver or other system components. If there is a reserve for changing the volume flow (e.g. so-called swivel angle reserve), this can be used up or reduced, which means that the change in speed can be further limited, but the required dynamics can still be implemented as well as possible .
  • a computing unit according to the invention e.g. a control unit of a working machine, is set up, in particular in terms of programming, to carry out a method according to the invention.
  • Suitable data carriers for providing the computer program are, in particular, magnetic, optical and electrical memories, such as hard drives, flash memories, EEPROMs, DVDs, etc. It is also possible to download a program via computer networks (Internet, intranet, etc.).
  • FIG. 1 schematically shows a hydraulic arrangement with a pair of cylinders (e.g. for the boom of an excavator) in which a method according to the invention can be carried out.
  • Figure 2 schematically shows a further hydraulic arrangement, e.g. for a boom, stick and bucket drive of an excavator, in which a method according to the invention can be carried out.
  • Figure 3 schematically shows a work machine according to the invention, e.g. a mobile excavator, in a preferred embodiment.
  • FIG. 4 schematically shows a sequence of a method according to the invention in a preferred embodiment.
  • FIGS. 5 to 7 show schematic sequences of methods according to the invention in various preferred embodiments.
  • FIGS. 8 to 10 show diagrams for explaining an aspect of the invention.
  • FIG. 11 schematically shows a sequence of a method according to the invention in a preferred embodiment.
  • Figures 12 to 14 show diagrams for explaining an aspect of the invention.
  • FIG. 15 schematically shows a sequence of a method according to the invention in a preferred embodiment.
  • FIGS. 16 and 17 show diagrams for explaining an aspect of the invention. Detailed description of the drawing
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a hydraulic arrangement 100 in which a method according to the invention can be carried out.
  • Hydraulic arrangement 100 is used to operate a work machine or an implement or work device of a work machine (here, for example, a boom), in particular a mobile work machine.
  • the hydraulic arrangement 100 has an electric machine 110 which is supplied with electrical energy via an inverter 112 from a battery 114 as an energy supply and the speed of which can be specified, in particular can be controlled according to a setpoint speed or a setpoint speed profile.
  • the hydraulic system 100 also has a hydraulic pump 120 that can be driven by the electric machine 110, e.g. an adjustable axial piston pump, and two hydraulic actuators 130, 132 connected in parallel, each in the form of hydraulic cylinders with pistons here, which are supplied by the hydraulic pump 110 from a tank 116 with hydraulic fluid are available.
  • the two hydraulic cylinders 130, 132 are jointly supplied with hydraulic fluid. It is conceivable that these two hydraulic cylinders 130, 132 are provided for (jointly) moving a boom of an excavator.
  • the hydraulic pump can generally be controlled in such a way that the pump outlet pressure p is a differential pressure (e.g. 20 bar) above the load pressure of the cylinder(s).
  • the delivered volume flow Q can be metered via a metering valve 140 .
  • a constant differential pressure can be set at the valve 140 .
  • Via valves 142 to 145, volume flows into and out of the cylinder(s) can be controlled depending on the desired direction of movement.
  • the valves 143 and 144 specify, for example, the direction of the pump volume flow (to which chamber the volume flow should go).
  • the valves 142 and 145 measure, for example, the return volume flow with active loads (but without recuperation).
  • a control valve or a pressure compensator 152 is provided, via which the hydraulic fluid for retracting or extending the cylinders 130, 132 can be controlled.
  • a valve 150 serves as a volumetric flow controller (eg 1 l/min independent of the pressure) in order to relieve the load-sensing pressure line (dashed line).
  • a pressure compensator is required, for example, if there are several consumers, so that a common pump can react to the highest load pressure. Here in Figure 1, however, only one consumer is shown as an example. With inactive The consumer is the pressure compensator in the position shown here. The pressure compensator is in an intermediate position when other consumers are on the same pump line and request a higher pressure. Then the pressure compensator throttles. The pressure balance is in a left position when the consumer demands or needs the highest pressure. Then the pressure compensator does not throttle and the highest load pressure is reported in the load-sensing line.
  • Valve 154 is an unloading valve and is required, for example, in the event that the pump is still pumping but valve 140 is already closed. Pressure peaks are avoided via the unloading valve.
  • the valve 154 limits to the highest load pressure required, supplemented by an offset of e.g. 30 bar. This cuts off pressure peaks and cross-effects on other consumers that are active at the same time.
  • the valves 146 and 147 are used for recuperation. Valve 147 ensures volume flow in the rod-side chamber, valve 146 enables recuperation and is required, for example, when the boom moves very slowly downwards.
  • FIG. 2 shows a further hydraulic arrangement 200 in which a method according to the invention can be carried out.
  • the hydraulic arrangement 200 is also used to operate a work machine or one or more implements of a work machine, in particular a mobile work machine.
  • the hydraulic system 200 is comparable to the hydraulic system 100 according to FIG. 1 and is therefore also provided with the same reference symbols. Reference is made to FIG. 1 for their description.
  • the hydraulic arrangement 200 has an additional hydraulic pump 220 and additional hydraulic actuators.
  • the additional hydraulic pump 220 is also driven via the electric machine 110 (on a common axis or shaft) and the hydraulic actuators 230 and 260 are supplied via it, here in the form of hydraulic cylinders with pistons. It is conceivable that the two hydraulic cylinders 130, 132 are provided for (jointly) moving a boom of an excavator, the hydraulic cylinder 230 for moving an arm of the excavator and the hydraulic cylinder 260 for moving a shovel of the excavator.
  • the hydraulic cylinders 230 and 260 can be controlled (separately) or supplied with hydraulic fluid. Via a dosing valve 240, the conveyed volume flow for the hydraulic cylinder 230 are metered. A constant differential pressure can be regulated at the valve 240 . The volume flows into and out of the cylinder can be controlled via the valves 242 to 245 depending on the desired direction of movement. A control valve or a pressure compensator 252 is also provided, via which the hydraulic fluid for retracting or extending the cylinder 230 can be controlled. The valve 247 is used for recuperation and ensures volume flow in the rod-side chamber. A valve 254 is also provided for overflow.
  • the delivered volume flow for the hydraulic cylinder 260 can be metered via a metering valve 270 .
  • a constant differential pressure can be regulated at the valve 270 .
  • the volume flows into and out of the cylinder can be controlled via the valves 272 to 275 depending on the desired direction of movement.
  • a control valve or a pressure compensator 282 is also provided, via which the hydraulic fluid for retracting or extending the cylinder 260 can be controlled.
  • Valve 284 is an in-loading valve.
  • a further electrical machine 210 is provided, which is supplied with electrical energy from the battery 114 via an inverter 220 .
  • an electric machine 210 for example, a turning device or a turning gear of an excavator can be actuated; however, a hydraulic motor can also be provided for this purpose.
  • FIG. 3 shows a working machine 300 according to the invention in a preferred embodiment, in which a method according to the invention can also be carried out.
  • the working machine 300 is a mobile working machine, here in the form of an excavator.
  • a superstructure 302, an undercarriage 304, a boom 310, an arm 312 and a bucket 314 are shown as examples.
  • a rotating device 316 is provided for rotating the upper carriage 302 relative to the undercarriage 304 .
  • the excavator 300 also has an electric hydraulic arrangement, for example the hydraulic arrangement 200 according to FIG.
  • Hydraulic assembly 200 also includes hydraulic cylinders 130, 132, 230 and 260 for moving boom 310, arm 312 and bucket 314.
  • the electrical machine 210 is provided for actuating the rotary device 316 see.
  • a computing unit 340 designed as a control unit is provided, by means of which, for example, the hydraulic arrangement 200 or the electrical machine there can be controlled.
  • FIG. 4 shows a sequence of a method according to the invention in a preferred embodiment.
  • the electrical machine 110 with the pump 120 driven therewith from FIG. 1 or FIG. 2 is also shown.
  • the electric machine 11 is controlled according to a setpoint speed nsoii or a setpoint speed curve.
  • the setpoint speed nsoii is determined in a determination process or determination step 400, the output of which is the setpoint speed nsoii or the setpoint speed curve, but also, for example, a maximum and/or minimum torque M for the electric machine, which is then fed to a speed controller 410.
  • a pressure sensor 402 for determining or measuring the pressure p of the hydraulic fluid, which is provided by the hydraulic pump, and a speed sensor 404 for determining or measuring the speed n of the electrical machine are also present, for example.
  • Pressure p and speed n can be supplied to the determination process 400, and also to a swivel angle controller 420, via which the swivel angle of the hydraulic pump (if it has a swivel disk) and thus the delivery volume can be controlled.
  • the setpoint speed or the setpoint speed profile are determined in determination step 400, taking into account various requirements and possibly other parameters or values.
  • an operating or input device 432 such as a joystick or pedal
  • an operator can generate a specific specification that leads to a specific volumetric flow—a setpoint volumetric flow Qsoii. Alternatively or possibly additionally, this can also be done via an automation function 434 .
  • Target volume flow Qsoii is determined in step 430 and forwarded to determination process 400 for determining the target speed, as well as to swivel angle controller 420.
  • the target volume flow Qsoii includes in particular a request for a change in the volume flow compared to a current value; if there is no change compared to the current value, it is not necessary to adjust the speed.
  • Various other parameters and variables can also be taken into account in determination process 400 for determining setpoint speed nsoii. These are, for example, a request 440 for a change (dynamics) in the volume flow compared to a current value by the driver, for example by the joystick, as mentioned. This can also be a request 442 for a change (dynamics) in the volume flow compared to a current value by the system or the hydraulic arrangement, for example due to certain operating limits.
  • energy efficiency requirements during operation of the hydraulic system are taken into account.
  • these are, for example, energy losses 444 of the electrical machine or energy losses 448 of the energy supply (e.g. in the battery) or energy losses 446 of the hydraulic pump; these can be taken into account, for example, via characteristic maps.
  • a total inertia 452 of all drives a possibly estimated swivel angle dynamics 454, a speed-dependent, dynamic maximum and/or minimum 456 of the torque of the electrical machine as well as a possibly estimated actuating energy 458 for the adjustment mechanism or the actuators for the swivel angle must be taken into account.
  • the minimum speed is derived from the maximum of the individual volume flow requirements (for the individual pumps).
  • the speed adjustment dynamics may be limited by the requirements of the constancy of the volume flow of the other circuit, and the torque loads of all circuits should be taken into account in all preliminary calculations.
  • FIGS. 5 to 7 show schematic sequences of methods according to the invention in various preferred embodiments. These include in particular haft possible, specific procedures for determining the setpoint speed, ie the determination step 400, with different cases being distinguished.
  • a first case, in FIG. 5, is a determination of the setpoint speed when there are changes in the volume flow, which would also be possible without an actuating torque, i.e. a (relatively quick) reduction in the volume flow of the hydraulic fluid in pump operation of the hydraulic pump.
  • a required stationary hydraulic power is determined, e.g. on the basis of a (current) pressure and the required volume flow or the target volume flow.
  • the stationary, optimal operating point (speed, load, swivel angle) of the hydraulic pump is determined on the basis of, for example, loss characteristics and a derivation of the required power of the electrical machine and the battery power.
  • a step 504 there follows a determination of the power reserves (e.g. of battery and electric machine) for the desired speed dynamics (in both directions, i.e. increase and decrease).
  • predictions are made, e.g. assuming a sudden change in the target volume flow to new target values (e.g. to 5%, 10%, 20%, 50%) of the maximum delivery quantity, starting from the current operating point.
  • a prediction of the losses of all components as well as a prediction of the volume flow dynamics that can be achieved, each with the fastest possible speed adjustment. take place.
  • a prediction of the losses of all components during speed adjustment without intervening engine torque (of the electric machine) can be made if the pump load would change the speed in the desired direction; the achievable volume flow dynamics can also be calculated.
  • a speed trajectory is then determined, ie a setpoint speed curve, for the required jump in the volume flow.
  • a further case, in FIG. 6, is a determination of the setpoint speed when an increase in the volume flow is requested in the case of recuperation, ie with motor operation of the hydraulic pump.
  • a required stationary hydraulic power is determined, for example on the basis of a (current) pressure and the required volume flow or the target volume flow.
  • the stationary, optimal operating point (speed, load, swivel angle) of the hydraulic pump is determined on the basis of, for example, loss characteristics and a derivation of the required power of the electrical machine and the battery power.
  • a possible charging capacity of the battery is determined.
  • predictions are made, e.g. assuming a sudden increase in the target volume flow to new target values (e.g. to 20%, 50%, 100%) of the maximum recuperation quantity, starting from the current operating point.
  • a prediction of the losses of all components as well as a prediction of the achievable volume flow dynamics can take place, each with the fastest possible speed adjustment.
  • a prediction of the losses of all components during speed adjustment without intervening motor torque (of the electric machine) can be made if the hydraulic motor output torque (the hydraulic pump acts as a hydraulic motor here) would change the speed in the desired direction.
  • the achievable volume flow dynamics can also be calculated.
  • a speed trajectory is then determined, ie a target speed curve, for the required jump in the volume flow in the case of recuperation based on the knowledge of the losses, the achievable dynamics and the requirements for the dynamics for a compromise between dynamics and efficiency.
  • volume flow a volume flow (or a change to such a value) below a threshold value.
  • volume flows that would result in a pump speed when calculating the best efficiency, a) that would be below the permitted minimum speed of the pump (e.g. below 300 rpm if the maximum speed is around 2500 rpm), can be referred to as low volume flow ), or b) in which the electric motor can only instantaneously generate power below a threshold.
  • the output of an electric motor (to drive the pump) is a curve that rises linearly up to the corner speed. When the corner speed is reached, the electric motor has also reached its maximum output.
  • a required stationary hydraulic power is determined, e.g. on the basis of a (current) pressure and the required volume flow or the target volume flow.
  • the stationary, optimal operating point (speed, load, swivel angle) of the hydraulic pump is determined on the basis of, for example, loss characteristics and a derivation of the required power of the electrical machine and the battery power.
  • a step 704 there follows a determination of the power reserves (of e.g. battery and electric machine) for the desired speed dynamics (in both directions, i.e. increase and decrease).
  • the assumption is made of a sudden increase in the target volume flow to 100% of the maximum flow rate, starting from the current operating point; in addition, a prediction of the achievable volume flow dynamics is carried out with the fastest possible speed adjustment.
  • a step 708 the assumption of a higher basic speed of the electrical machine (e.g. 20%, 50%, possibly also 100% above the speed required for the (current) operating point); this corresponds to an assumption of possible, different speed reserves.
  • the volume flow dynamics are then also calculated for these assumed speed reserves.
  • a step 712 the additional losses are then calculated when the speed reserve is active.
  • the achievable volume flow dynamics are compared with dynamic requirements; in addition, a weighting is carried out with the additional losses, as well as a derivation of the setpoint speed for the operating point with the low volume flow.
  • Figure 8 shows a relationship between a volume flow Q (in l/min), speed n (in l/min) and swivel angle a (in percent) in order to explain the problem mentioned, according to which the required change in the volume flow of the hydraulic fluid in the hydraulic arrangement may not be realizable.
  • variable-speed variable displacement pump shows that a change in the volume flow depends both on the change in the speed of the electric machine and on the change in the swivel angle (or displacement) (results from derivation rules):
  • V c ,max is the maximum delivery volume.
  • the available speed dynamics n is particularly dependent on the torque of the electrical machine (e.g. decreasing in the field weakening range), the inertia of the electrical machine and the load torque, which in each case depends in particular on the states of the pumps (which change over time) (pressure and swivel angle ) depends.
  • the dynamic pivoting angle behavior d is determined in particular by the pump pressure p (and the pivoting direction).
  • Curve families for different constant speeds are shown with straight lines.
  • a volume flow Q can thus be read off directly for a combination of speed and swivel angle. Assuming the same dynamics of swivel angle and speed over the entire adjustment range, adjusting the swivel angle from 40% to 50%, for example, takes just as long as adjusting the speed from 960 rpm to 1200 rpm.
  • a first example are problems in the edge area of the map. If the speed or the swivel angle during the adjustment process reaches the limit (maximum value) with maximum dynamics, there is an abrupt change in the dynamic behavior. This example can also be explained using the dynamic diagram.
  • FIG. 8 The adjustment with maximum dynamics is shown in FIG.
  • a diagram similar to FIG. 8 is shown on the left, however, the rotational speed n and the swivel angle a have been interchanged.
  • the volume flow Q over time t is shown on the right.
  • FIG. 11 a sequence of a method according to the invention is shown schematically in FIG. 11 in a further preferred embodiment. It is first analyzed whether the dynamic requirements 1100, ie the requirement for changing the volume flow, can be met; this check takes place in step 1102.
  • step 1104 the maximum permissible change in the swivel angle can be limited, in step 1106 the maximum permissible change in rotational speed can be limited, which are then applied to the hydraulic pump in step 1108 and to the electric machine in step 1110.
  • dynamics limitation can also be used to generally limit the components in the dynamics by the driver or other system components.
  • different characteristics can be applied for the delimitation limitations.
  • FIG. 12 shows a simulation of the homogenized dynamic behavior using the concept presented.
  • the dynamic adjustment of the swivel angle is slowed down in such a way that a more homogeneous volume flow behavior occurs over the entire operating range; in contrast to FIG. 10, there is no kink in the diagram on the right.
  • Dynamic curves ie changes in the volume flow over time, are shown in FIG. 13, comparable to the right-hand diagrams in FIGS. 10 and 12.
  • a comparable volume flow adjustment process at constant speed is shown at 1300 .
  • this strategy is inferior to all other strategies with dynamic maximization through parallel adjustment of speed and swivel angle.
  • the above described- ne process is shown without limitation, in which the speed and swivel angle are increased with maximum dynamics in order to achieve maximum dynamic behavior.
  • a possible goal of such a strategy can be to bring the swivel angle into a range of good efficiency (80-100% swivel angle) as quickly as possible and only then progressively limit the swivel angle dynamics in order to achieve homogeneous behavior.
  • FIG. 14 shows an exemplary operating point in which such a contradictory request occurs.
  • the volume flow Qi must be increased in a hydraulic circuit K1 and the volume flow Q2 must be reduced simultaneously in another hydraulic circuit K2.
  • the speed would have to be increased in order to meet the driver's volume flow requirement in hydraulic circuit K1.
  • the diagrams on the right show the flow rates and the speed for the requirement (dashed) and the actual behavior (continuous) over time.
  • FIG. 15 shows a sequence of a method according to the invention in a further preferred embodiment, with it being explained how the proposed concept can be applied to two-circuit systems.
  • the dynamic requirements of the individual circuits are analyzed and compared according to the concept presented. Based on different strategies, the flow dynamics of the more dynamic circuit (or individual components of the circuit) are limited in order to improve the behavior of less dynamic circuits.
  • the swivel angle is then optionally limited; limiting the speed affects both circuits.
  • a possible compromise in the homogenization can be that the amount of the volume flow change ⁇ dQ/dt ⁇ , denoted by 1512.1 or 1512.2 in FIG. 15, is the same in both circuits K1, K2. In this case, the dynamics of the electrical machine are limited in such a way that comparable volume flow dynamics are achieved in both hydraulic circuits.
  • the speed is only increased progressively in order to guarantee the same volumetric flow dynamics in both circuits, also denoted here by 1512.1 and 1512.2.
  • Another goal could be to give preferential treatment to a reduction in volume flow.
  • poor dynamics in hydraulic circuit K1 would be completely accepted in order to guarantee a reduction in the volume flow in hydraulic circuit K2.
  • Another feature could be the volume flow dynamics of the individual hydraulic circuits based on the setpoint deviation to release. If, for example, the driver deflects the joystick more in a corresponding hydraulic circuit and thus specifies a larger deviation from the target value, the corresponding hydraulic circuit is taken into account more generously in the limitation of the dynamics. This allows the driver to directly influence the dynamic behavior.
  • a swivel angle reserve (due to a higher speed) is also provided, this swivel angle reserve can also be used very advantageously by the concept for limiting the dynamics of individual components.
  • a small (e.g. approx. 20%) swivel angle reserve offers a good balance between dynamic reserve and still acceptable loss behavior, since the losses increase progressively.
  • FIG. 16 Operation with a reserve swivel angle is outlined in FIG. The same operating point is shown as in FIG. 16, which is now achieved by a different combination of rotational speed and swivel angle. At this operating point, the output volume flow is also 132 l/min. As before, the volume flow should now be increased in hydraulic circuit K1 and reduced in hydraulic circuit K2. If the dynamic requirements of both hydraulic circuits cannot be met, the principle already described for homogenizing the volume flow behavior is used again. In this case, however, a swivel angle reserve is now also available, which can be used up in this situation and thus additionally improves the dynamic behavior. Compared to the situation in FIG. 16, this consumption of the "dynamic reserve" improves the volume flow behavior in both circuits.
  • a predictive strategy of varying degrees can also be used in order to obtain more information about the subsequent operating points. With more information about the subsequent course of the cycle, a better overall strategy can be achieved.
  • different before forms of prediction are conceivable. In the simplest case, only the new operating point is known from the driver's current input. A fixed strategy can be followed for this. A prediction can be made based on the past inputs and based on the assumption that a repetitive work task takes place and the cycle repeats itself. A prediction can also be made on the basis of recognized operating states (example for an excavator: shaking the bucket, planing; example for a wheel loader: the travel direction selector switch is changed). A prediction with a medium-term prediction horizon, for example a previously calculated trajectory in the case of automated work functions, can also take place. In addition, a prediction can be made with a known load cycle.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hydraulikanordnung einer Arbeitsmaschine, insbesondere einer mobilen Arbeitsmaschine, wobei die Hydraulikanordnung eine elektrische Maschine, eine mittels der elektrischen Maschine antreibbare Hydraulikpumpe und wenigstens einen Hydraulikaktor, der von der Hydraulikpumpe mit Hydraulikfluid versorgbar ist, aufweist, wobei die elektrische Maschine gemäß einer Solldrehzahl (nSoll) oder einem Solldrehzahlverlauf angesteuert wird, und wobei die Solldrehzahl (nSoll) bzw. der Solldrehzahlverlauf unter Berücksichtigung einer Anforderung an eine Veränderung eines Volumenstroms (Q) des Hydraulikfluids in der Hydraulikanordnung und einer Anforderung an eine Energieeffizienz beim Betrieb der Hydraulikanordnung bestimmt wird.

Description

VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINER HYDRAULIKANORDNUNG EINER ARBEITSMASCHINE UND ENTSPRECHENDE ARBEITSMASCHINE
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hydraulikanordnung einer Arbeitsmaschine, insbesondere einer mobilen Arbeitsmaschine, wobei die Hydraulikanordnung eine elektrische Maschine, aufweist, eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung, sowie eine Arbeitsmaschine mit einer Hydraulikanordnung.
Hintergrund der Erfindung
Arbeitsmaschinen, insbesondere mobile Arbeitsmaschinen wie z.B. Bagger, weisen für den Arbeitsbetrieb einen oder meist mehrere Hydraulikaktoren wie Hydraulikzylinder und Hydraulikmotoren auf. Zur Versorgung der Hydraulikaktoren mit Hydraulikfluid (bzw. Druckmittel) kann eine Hydraulikpumpe vorgesehen sein. Die Hydraulikpumpe kann bei modernen Arbeitsmaschinen mittels eines Elektromotors bzw. einer elektrischen Maschine angetrieben werden, denkbar ist auch ein Hybridantrieb mit Elektro- und Verbrennungsmotor.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben einer Hydraulikanordnung einer Arbeitsmaschine, eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung, sowie eine Arbeitsmaschine mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Betrieb von Arbeitsmaschinen, insbesondere mobilen Arbeitsmaschinen, und dort insbesondere von Hydraulikanordnungen, die in solchen Ar- beitsmaschinen verwendet werden. Eine solche Hydraulikanordnung weist eine Hydraulikpumpe (bzw. Fördereinheit) auf, bei der vorzugsweise ein Fördervolumen verstellbar ist; dies kann z.B. durch Verstellung eines Schwenkwinkels einer Schwenkscheibe einer sog. Axialkolbenpumpe erfolgen, beispielsweise durch einen geeigneten Verstellmechanismus. Hierbei ist dann insbesondere auch von einer sog. Verstellpumpe die Rede. Zum Antrieb der Hydraulikpumpe wird eine elektrische Maschine bzw. ein Elektromotor verwendet; denkbar ist auch eine Kombination aus elektrischer Maschine bzw. Elektromotor und Verbrennungsmotor. Eine solche elektrische Maschine - und damit die Hydraulikpumpe - kann in der Regel mit variabler Drehzahl bestrieben werden; es kann dann auch von einer drehzahlvariablen Hydraulikpumpe gesprochen werden.
Die Hydraulikanordnung weist weiterhin wenigstens einen Hydraulikaktor auf, der von der Hydraulikpumpe mit Hydraulikfluid versorgbar ist. Typischerweise sind mehrere Hydraulikaktoren vorgesehen, beispielsweise ein oder mehrere Hydraulikzylinder mit Kolben für lineare Bewegungen (z.B. zum Bewegen eines Baggerarms oder einer Schaufel), und/oder ein oder mehrere Hydraulikmotoren für Drehbewegungen (z.B. für einen Fahrantrieb eines Baggers). In aller Regel ist dann auch ein sog. Ventil- oder Steuerblock (auch als Hauptventil bezeichnet) vorgesehen, worüber das von der Hydraulikpumpe bereitgestellte Hydraulikfluid auf geeignete Weise auf die einzelnen Hydraulikaktoren verteilt werden kann. Typischerweise sind in einem solchen Ventilblock mehrere Ventile vorgesehen, die auch individuell angesteuert werden können. Vorzugweise wird eine solche Hydraulikanordnung in einem offenen Hydraulikkreis betrieben.
Die Hydraulikpumpe bzw. die Fördereinheit aus elektrischer Maschine und Hydraulikpumpe soll für den Arbeitsbetrieb beispielsweise bei einem gegebenen Förderdruck aus einem Tank einen gewünschten Volumenstrom des Hydraulikfluids fördern. Hydraulische Verstellpumpen (z.B. die erwähnten Axialkolbenpumpen) ermöglichen die Förderung eines bestimmten Volumenstroms bei einem gegebenen Druck bei unterschiedlichen Drehzahl- und Schwenkwinkelkombinationen. Sie arbeiten jedoch dabei nicht immer mit der gleichen Effizienz. Es hat sich gezeigt, dass in der Regel der effizienteste Betrieb der Hydraulikpumpe bei der geringstmöglichen Drehzahl auftritt und somit bei maximalem Schwenkwinkel. Die energetischen Verluste einer Hydraulikeinheit beinhalten dabei insbesondere auch die Verluste des antreibenden Elektromotors. Hier zeigt sich, dass seine Verluste mit größer werdendem Schwenkwinkel und damit fallender Drehzahl größer werden. Somit liegt bei manchen Be- triebspunkten (insbesondere bei hohen Drücken) die energetisch ideale Drehzahl hingegen etwas über der geringstmöglichen Drehzahl.
Die (energetischen) Verluste von Hydraulikpumpe und elektrischer Maschine zur Förderung eines Volumenstroms von z.B. 100 l/min werden z.B. bei einer Drehzahl von z.B. 1000/min minimal. Bei dieser Drehzahl ist der Schwenkwinkel der Pumpe bereits maximal ausgelenkt. Bei höheren Volumenströmen wird dann also eine höhere Drehzahl benötigt. Eine Drehzahlvariabilität bringt hier also Effizienzvorteile, da in vielen Fällen eine Aussteuerung des Schwenkwinkels im oberen Bereich die effizienteste Betriebsweise der gesamten Hydraulikfördereinheit ist.
Eine elektrische Maschine hat gegenüber bisher verwendeten Verbrennungsmotoren insbesondere auch den Vorteil, dass sie bereits ab Drehzahl Null ein sehr hohes Moment liefert und damit auch schon bei niedrigen Drehzahlen eine hohe Leistung abgeben kann. Dazu kommt eine kurzfristige Überlastfähigkeit, die insbesondere beim Beschleunigen große Vorteile bringt. Bei konventionellen (mobilen) Arbeitsmaschinen wird die Drehzahl des Verbrennungsmotors beim Arbeiten typischerweise auf einem konstant hohen Niveau gehalten (z.B. 2200/min). Bei einigen Verbrennungsmotoren kann für einen Eco-Betrieb auch eine niedrigere, konstante Drehzahl gewählt werden. Das Ansprechverhalten ist dann aber deutlich reduziert. Bei konventionellen Arbeitsmaschinen mit einem Verbrennungsmotor ist ein Leerlaufmodus üblich, in dem aber in der Regel keine Arbeitsbewegungen möglich sind.
Bei einer Hydraulikanordnung mit einer drehzahlvariablen Verstellpumpe kann von einer Wahl der Solldrehzahl Gebrauch gemacht werden, insbesondere wenn die Lastkollektive genau bekannt sind und so der Drehzahlverlauf über der Zeit programmiert bzw. vorgegeben werden kann. Dies ist z.B. bei einer Hydraulikanordnung bzw. einem Hydraulikaggregat zur Versorgung einer Spritzgussmaschine sinnvoll, mit der eine hohe Anzahl an gleichen Teilen in Serie produziert wird und bei der somit das Lastkollektiv schon im Voraus bekannt ist.
In der DE 10 2014 001 981 A1 wird z.B. das dynamische Verhalten bei paralleler Verstellung von Drehzahl und Verdrängungs- bzw. Fördervolumen (Schwenkwinkel) einer Pumpe beschrieben. Hierbei wird insbesondere erwähnt, dass durch parallele Verstellung von Drehzahl und Schwenkwinkel eine höhere Dynamik erzielbar ist. Weiterhin wird erwähnt, dass bei bekannten Lastzyklen eine temporäre Veränderung der Drehzahl-Schwenkwinkelkombi- nation möglich ist, um bei einem nachfolgenden Anstieg des Sollvolumenstroms eine höhere Dynamik zu erzielen. Dort erfolgt stets eine Optimierung nach der möglichst höchsten Volumenstromdynamik.
Bei elektrifizierten mobilen Arbeitsmaschinen ist das erforderliche Lastkollektiv allerdings nicht von vorneherein bekannt, die Dynamikanforderungen des Bedieners bzw. Fahrers können z.B. je nach Betriebssituation variieren und sogar die Leistungsgrenzen der elektrischen Energieversorgung (z.B. Batterie oder Brennstoffzelle) können einen Einfluss haben.
Es ergibt sich dabei also die Problematik, bei elektrifizierten mobilen Arbeitsmaschinen wie oben erwähnt, die Drehzahl bzw. eine Solldrehzahl möglichst geeignet zu wählen. Dies ist typischerweise sehr komplex, da Hydraulikanordnungen dort mitunter sehr kompliziert sein können; außerdem können eine Vielzahl von Randbedingungen auftreten, die einen Einfluss haben. Eine Betriebssteuerung sollte aber jeweils direkt auf die Vorgaben des Fahrers reagieren und diesen möglichst ideal folgen.
Vor diesem Hintergrund wird ein Betrieb einer Arbeitsmaschine mit einer Hydraulikanordnung wie vorstehend beschrieben vorgeschlagen, wobei die elektrische Maschine gemäß einer Solldrehzahl oder einem Solldrehzahlverlauf angesteuert wird. Die Solldrehzahl oder der Solldrehzahlverlauf wird dabei unter Berücksichtigung einer Anforderung an eine Veränderung (bzw. eine Dynamik) eines Volumenstroms des Hydraulikfluids in der Hydraulikanordnung und unter Berücksichtigung einer Anforderung an eine Energieeffizienz beim Betrieb der Hydraulikanordnung bestimmt. Beim Bestimmen der Solldrehzahl bzw. des Solldrehzahlverlaufs können insbesondere eine Gewichtung einer Optimierung der Veränderung des Volumenstroms des Hydraulikfluids in der Hydraulikanordnung und eine Gewichtung der Energieeffizienz beim Betrieb der Hydraulikanordnung in Abhängigkeit von einem aktuellen Betriebsmodus gewählt werden.
Die Anforderung an die Veränderung des Volumenstroms des Hydraulikfluids kann z.B. durch einen Bediener bzw. Fahrer mittels Eingabe- oder Bedienmittel wie Joysticks, Pedale usw. vorgegeben werden, ebenso aber auch z.B. über Automatisierungsfunktionen (automatisierte Arbeitsfunktionen). So erfordert eine schnelle Bewegung eines Baggerarms z.B. eine kurzfristige Erhöhung des Volumenstroms. Die Anforderung an die Energieeffizienz beim Betrieb der Hydraulikanordnung kann z.B. eine Drehzahl der elektrischen Maschine fordern, bei der der Energieverbrauch möglichst gering ist; dabei können insbesondere auch Energieverluste beim Betrieb der Hydraulikpumpe, der elektrischen Maschine und/oder einer Energieversorgung der elektrischen Maschine bestimmt und damit berücksichtigt werden, insbesondere in Abhängigkeit von einem aktuellen Druck des Hydraulikfluids.
Vorzugsweise wird die Solldrehzahl bzw. der Solldrehzahlverlauf weiterhin unter Berücksichtigung einer von der Hydraulikanordnung bereitstellbaren Veränderung des Volumenstroms des Hydraulikfluids in der Hydraulikanordnung bestimmt. Es können also z.B. Randbedingungen, z.B. bei der elektrischen Energieversorgung (z.B. kurzfristig verfügbare Batterieleistung bzw. Laden oder Entladen), Grenzen bzw. Betriebsgrenzen der elektrischen Maschine (z.B. maximale Drehzahl oder maximale Drehzahlerhöhung oder maximales Moment oder maximale Momentenerhöhung) oder auch eine geschätzte Verstelldynamik der Hydraulikpumpe (z.B. wie schnell der Schwenkwinkel bei den aktuellen Bedingungen geändert werden kann) berücksichtigt werden. Generell kann die elektrische Energieversorgung nicht nur eine Batterie und/oder Brennstoffzelle umfassen, ebenso kann z.B. ein Verbrennungsmotor mit Generator und/oder eine externe Stromversorgung über ein Strom- oder Energieversorgungsnetz eingesetzt werden.
So kann also ein Kompromiss aus den beiden Optimierungszielen einer guten Energieeffizienz und einer guten Volumenstromdynamik ausgewählt werden. Je nach gewähltem Betriebsmodus können die Optimierungsziele einer guten Effizienz oder einer guten Dynamik unterschiedlich gewichtet werden. Dies erlaubt die Berücksichtigung vorzugsweise aller Einflüsse auch abhängig vom Betriebsfall, um eine möglichst effiziente und dynamische Betriebsweise der Arbeitsmaschine zu ermöglichen, wie nachfolgend näher erläutert werden soll.
Vorzugsweise wird die Solldrehzahl oder der Solldrehzahlverlauf basierend auf einer Prädiktion und/oder einer heuristischen Methode bestimmt, so können z.B. ein oder mehrere sich wiederholende Zyklen erkannt werden. Unter einem Solldrehzahlverlauf ist dabei ein zeitlicher Verlauf von Solldrehzahlen bzw. Werten von Solldrehzahlen zu verstehen, gemäß welchen die elektrische Maschine betrieben werden soll. Für die Prädiktion bzw. die heuristische Methode sind z.B. je nach Anwendung unterschiedliche Ausprägungen denkbar. So kann eine Bestimmung des Solldrehzahlverlaufs durch eine Auswahl unterschiedlicher, vorausberechneter Trajektorien (Prädiktion) unter Wichtung der Ziele der Optimierung von Energieef- fizienz und Volumenstromdynamik erfolgen. Ebenso kann z.B. eine Bestimmung des Solldrehzahlverlaufs auf Basis von heuristisch ermittelten Verläufen unter Einbeziehung der Ziele der Optimierung von Energieeffizienz und Volumenstromdynamik erfolgen.
Weiterhin kann eine Bestimmung des Solldrehzahlverlaufs auf Basis der vergangenen Eingaben (z.B. durch den Bediener) und basierend auf der Annahme erfolgen, dass eine repetitive Arbeitsaufgabe stattfindet, der Zyklus der dabei durchzuführenden Aufgaben (also welche Bewegungen z.B. mit Baggerarm und Schaufel vorgenommen werden) bekannt ist und sich wiederholt. Außerdem kann eine Bestimmung des Solldrehzahlverlaufs auf Basis von erkannten Betriebszuständen (bei einem Bagger z.B. Löffelschütteln, Planziehen; bei einem Radlader z.B. Stellung des Fahrtrichtungs-Wahlschalters) erfolgen. Weiterhin kann eine Bestimmung des Solldrehzahlverlaufs mit Hilfe einer Prädiktion mit mittelfristigem Prädiktionshorizont erfolgen, z.B. einer vorausberechneten Trajektorie bei automatisierten Arbeitsfunktionen.
Bei der Bestimmung der Solldrehzahl können also für jeden Arbeitspunkt (Volumenstrom und Pumpendruck) die drehzahlabhängigen Verluste berücksichtigt und daraus eine stationäre "effizienzoptimierte Solldrehzahl" bestimmt oder berechnet werden. Bei der Bestimmung der Solldrehzahl wird vorteilhaft, insbesondere unter Einbeziehung der aktuellen Druckbelastung und von Leistungs- und Momentengrenzen, die erreichbare Verstelldynamik berücksichtigt, diese mit einer vom Fahrer oder vom System angeforderten Volumenstrom-Stelldynamik verglichen und so die minimale Drehzahl, auf die der Antrieb abgesenkt werden kann, bestimmt.
Vorteilhafterweise wird, wenn die Anforderung an die Veränderung des Volumenstroms des Hydraulikfluids eine Reduzierung des Volumenstroms des Hydraulikfluids umfasst, und zwar bei Pumpenbetrieb der Hydraulikpumpe (wenn also Hydraulikfluid aktiv gefördert wird), der Solldrehzahlverlauf derart bestimmt, dass eine Ziel-Solldrehzahl unter Minimierung einer Gesamtverlustenergie erreicht wird; d.h. die neue, gewünschte Drehzahl (die Ziel- Solldrehzahl) wird nur so schnell angefahren (durch entsprechende Vorgabe des Solldrehzahlverlaufs), dass sich z.B. aus dem Vergleich mehrerer Szenarien gemäß der erwähnten Prädiktion und/oder heuristischen Methode eine minimale Gesamtverlustenergie bis zur Anpassung an den neuen Drehzahlwert ergibt. Es wird also insbesondere den Fall, dass die Drehzahl gesenkt werden kann und die Hydraulikpumpe eine hydraulische Leistung aufbringen muss, die optimale Drehzahl-Abfalls- Trajektorie (ein Solldrehzahlverlauf) unter möglicher Einbeziehung von Prädiktionsergebnissen der gesamten Verluste im Übergang auf die neue Idealdrehzahl bzw. die Ziel- Solldrehzahl bestimmt. Es können auch, wie erwähnt, heuristische Methoden zur Ermittlung des optimalen Drehzahlverlaufs angewendet werden. In jedem Fall wird also entschieden, ob ein aktives maximales rekuperatives Abbremsen der elektrischen Maschine günstiger ist als ein natürliches, durch die Belastung sich ergebendes Abfallen der Drehzahl. Beim Abfallen der Drehzahl unter Belastung wird die im System gespeicherte kinetische Energie mit idealem Wirkungsgrad wiederverwendet. Bei einem rekuperativen Abbremsen würden Verluste an der elektrischen Maschine und am Inverter entstehen. Es kann auch vorteilhaft sein, einen Mittelweg zu wählen (leichtes Abbremsen). Bei der Bestimmung der vorteilhaften Dreh- zahl-Abfalls-Trajektorie kann auch die erreichbare Schwenkwinkeldynamik mit einfließen.
Reicht diese gegenüber den Dynamikanforderungen vom Fahrer und/oder vom System nicht aus, so kann über eine schnellere Drehzahlanpassung die Dynamik zu Ungunsten der Energieeffizienz erhöht werden.
Vorzugsweise wird, wenn die Anforderung an die Veränderung des Volumenstroms des Hydraulikfluids eine Erhöhung des Volumenstroms des Hydraulikfluids umfasst, und zwar bei motorischem Betrieb der Hydraulikpumpe (wenn also die Pumpe durch das Hydraulikfluid angetrieben wird; Rekuperationsfall) der Solldrehzahlverlauf derart bestimmt, dass eine Ziel- Solldrehzahl, ggf. mit Unterstützung der elektrischen Maschine, unter Minimierung einer Gesamtverlustenergie erreicht wird; d.h. die neue, gewünschte Drehzahl (die Ziel-Solldrehzahl) wird mit Unterstützung der elektrischen Maschine nur so schnell angefahren (durch entsprechende Vorgabe des Solldrehzahlverlaufs), dass sich z.B. aus dem Vergleich mehrerer Szenarien gemäß der erwähnten Prädiktion und/oder heuristischen Methode eine minimale Gesamtverlustenergie bis zur Anpassung an den neuen Drehzahlwert ergibt.
Es wird also insbesondere für den Fall, dass die Drehzahl gesteigert werden muss, die Hydraulikpumpe aber eine hydraulische Leistung aufnimmt (Rekuperationsfall, Pumpe als Motor) die optimale Drehzahl-Aufbau-Trajektorie unter Einbeziehung von Prädiktionsergebnissen der gesamten Verluste im Übergang auf die neue Drehzahl (Ziel-Solldrehzahl) oder unter Einbeziehung eines heuristischen Verfahrens unter Berücksichtigung der z.B. vom Fahrer oder System angeforderten Volumenstrom-Stelldynamik bestimmt. Somit kann vermieden werden, dass für eine Rekuperation zunächst elektrische Energie zum Beschleunigen der elektrischen Maschine und der Hydraulikpumpe eingesetzt werden muss.
Ein aktives rekuperatives Abbremsen der elektrischen Maschine im Fall, dass die Drehzahl gesenkt werden kann und die Hydraulikpumpe eine hydraulische Leistung aufbringen muss, ist nur dann sinnvoll, wenn die durch die schnelle Drehzahlanpassung eingesparten Pumpenverluste größer sind als die Verluste von elektrischer Maschine, Inverter und Batterie beim rekuperativen Abbremsen und Halten der Drehzahl für den neuen Betriebspunkt unter Last. Ein aktives Beschleunigen der Pumpe im Rekuperationsfall ist nur dann nötig, wenn dies die Dynamikanforderung an den Volumenstrom erfordert.
Ein weiterer Fall umfasst, dass die Anforderung an die Veränderung des Volumenstroms des Hydraulikfluids eine Reduzierung des Volumenstroms des Hydraulikfluids mit anschließender Erhöhung des Volumenstroms des Hydraulikfluids, oder umgekehrt (d.h. Erhöhung mit anschließender Reduzierung), umfasst; dies kann insbesondere einen (schnellen) Vorzeichenwechsel des geforderten Volumenstroms und damit eines Übergangs von Antrieb und Rekuperation oder umgekehrt umfassen. Hierzu sei angemerkt, dass eine Reduzierung des Volumenstroms auch den Übergang von positivem zu negativem Volumenstrom umfassen kann. Wenn ein solcher Fall erkannt wird, wird vorzugsweise die Solldrehzahl oder der Solldrehzahlverlauf derart bestimmt, dass die Drehzahl erhöht wird bzw. steigt (d.h. höher als zuvor ist). Es wird also zur dynamik- und effizienzoptimalen Steuerung insbesondere eine aus den Dynamikanforderungen abgeleitete, erhöhte Drehzahl oder Mindestdrehzahl bestimmt. Insbesondere wird im Fall des Übergangs von Rekuperation auf Antrieb die Drehzahl beim Umschwenken noch bis zu einem maximalen zulässigen Wert während der Rekupera- tionsphase erhöht, sodass die gewonnene kinetische Energie möglichst verlustarm in der Antriebsphase wiederverwendet werden kann. Die Drehzahlvorgabe (über den Solldrehzahlverlauf) erfolgt insbesondere effizienzoptimierend, wie oben beschrieben z.B. als Auswahl einer durch Prädiktion ermittelten Trajektorienschar.
Situationen, die ein schnelles Durchschwenken der Pumpe erfordern, also in denen von einer positiven in eine negative Volumenstromanforderung (mit Rekuperation) schnell übergangen werden soll, sind beispielsweise bei einer Arbeitsmaschine mit Ausleger (z.B. Bagger) Wechsel von Heben zu Senken und wieder zu Heben. Dieser Fall sollte frühzeitig erkannt werden. Es soll in diesem Fall die Drehzahl auf hohem Niveau gehalten werden bzw. daraufhin beschleunigt werden, um mit hoher Volumenstromdynamik den Nulldurchgang des Schwenkwinkels zu ermöglichen. Für eine effizienzoptimale Steuerung heißt dies beispielsweise für den Ausleger bei einem Wechsel von Heben zu Senken, die Drehzahl nicht zu reduzieren bzw. auf eine aus den Dynamikanforderungen abgeleitete Mindestdrehzahl zu beschleunigen. Bei einem Wechsel von Senken zu Heben bedeutet dies dagegen, am Ende des Rekuperationsvorgangs die hydraulische Energie ohne elektrische Energiewandlung zum Anheben der Drehzahl zu nutzen und nach dem Durchschwenken die gewonnene kinetische Energie zur Anpassung an die neue Drehzahl ggf. direkt zu nutzen (die elektrische Maschine rekuperiert zum Abbremsen nur dann, wenn es sich aus einer Prädiktion als effizienzsteigernd erweist).
Vorzugsweise wird die Solldrehzahl oder der Solldrehzahlverlauf derart bestimmt, dass eine Drehzahlreserve und/oder eine Fördervolumenreserve (oder auch Förderhubreserve, z.B. als Schwenkwinkelreserve) vorgehalten werden; dies gilt insbesondere für kleine Volumenstromanforderungen, wenn also eine Anforderung an einen Volumenstrom des Hydraulikfluids unterhalb eines vorgegebenen Schwellwertes liegt. Damit wird also nicht der energetisch effizienteste Betriebspunkt angefahren, jedoch kann auf kurzfristig nötige Änderungen schnell reagiert werden; die Dynamik kann optimiert werden. An dieser Stelle sei erwähnt, dass die Dynamik des Schwenkwinkels und die Dynamik der Drehzahl in der Praxis in der Regel nicht gleich und nicht konstant sind. In der Realität ist die Dynamik der Drehzahl z.B. stark vom Druck und vom Schwenkwinkel (Gegenmoment) abhängig und die Dynamik des Schwenkwinkels ist z.B. stark vom Druck abhängig (Verstellkraft). Bei der Dynamikoptimierung kann also mit Drehzahlreserve und Schwenkwinkelreserve gearbeitet werden.
Gegenüber Strategien zur Bestimmung einer stationären optimalen Drehzahl (Solldrehzahl) ergeben sich mit dem vorgeschlagenen Verfahren also einige besondere Vorteile. Zum einen ein effizienzoptimierter Drehzahlverlauf bei einem Übergang von großen zu kleinen Soll- Volumenströmen im Pumpenbetrieb bei gegebener Druckbelastung, zum anderen ein effizienzangepasster und an die erforderliche Dynamik angepasster Übergang von kleinen zu großen Soll-Volumenströmen im Motorbetrieb (Rekuperation z.B. beim Senken des Auslegers) bei gegebenem Systemdruckangebot. Ebenso ergibt sich eine an Dynamik-Anforderungen des Fahrers und des Systems angepasste Mindestdrehzahl unter Berücksichtigung aktueller Limits (elektrische Maschine, Batterie, etc.). Dies kann auch als eine "adaptive Drehzahlreserve" bezeichnet werden. Das Verfahren lässt sich auch bei einer Hydraulikanordnung anwenden, die eine weitere, mittels der elektrischen Maschine antreibbare Hydraulikpumpe aufweist, die insbesondere einen anderen Hydraulikkreis umfasst. Beide Hydraulikpumpen können aber auf einer gemeinsamen Achse liegen. Dann kann die Mindestdrehzahl sich aus dem Maximum der einzelnen Anforderungen (also den Anforderungen für die beiden Pumpen bzw. deren Hydraulikkreise) ableiten, die erlaubte Drehzahlverstelldynamik kann ggf. aus den Anforderungen an die Konstanz des Volumenstroms des jeweils anderen Hydraulikkreises begrenzt werden, und die Momentenbelastungen aller Hydraulikkreise können bei allen Vorausberechnungen berücksichtigt werden.
Weiterhin hat sich gezeigt, dass bei der eingangs erläuterten Hydraulikanordnung die Anforderung an die Veränderung des Volumenstroms des Hydraulikfluids in der Hydraulikanordnung ggf. nicht umsetzbar ist bzw. dass eine solche Anforderung nur mit höherer Dynamik umsetzbar ist, die aber nicht erreicht werden kann. Als Stellgrößen für die Umsetzung dieser Anforderung kommen eine Änderung der Drehzahl der elektrischen Maschine und eine Änderung eines Fördervolumens der Hydraulikpumpe, z.B. durch Änderung des Stellwinkels, in Betracht. Wenn die Anforderung erfüllt werden kann, kann diese einfach umgesetzt werden, wie z.B. auch vorstehend beschrieben.
Falls diese Anforderung hingegen nicht umgesetzt werden kann, würde dies, wie sich gezeigt hat, dazu führen, dass z.B. der Schwenkwinkel bei schneller Änderung in Anschlag läuft, d.h. seinen maximalen Wert erreicht, während die Drehzahl aber noch weiter geändert wird, bis ein neuer Betriebspunkt erreicht ist. Dies führt zu einer Art Knick in der Dynamik.
Hierzu wird vorgeschlagen, eine Änderung der Drehzahl der elektrischen Maschine und/oder eine Änderung eines Fördervolumens der Hydraulikpumpe zu begrenzen. Insbesondere kann dies derart erfolgen, dass beide Größen, Drehzahl der elektrischen Maschine und Fördervolumen, parallel zueinander verstellt werden, sodass also beide zugleich ihren Ziel- bzw. Sollwert erreichen. Hierzu können die Dynamikfähigkeiten der einzelnen Komponenten analysiert und bei Bedarf limitiert werden. Hierdurch ergibt sich insgesamt ein homogeneres Gesamtsystemverhalten. Darüber hinaus kann die Dynamiklimitierung auch genutzt werden, um die Komponenten in der Dynamik generell durch den Fahrer oder andere Systemkomponenten zu begrenzen. Für den Fall, dass eine Reserve für die Änderung des Volumenstroms (z.B. sog. Schwenkwinkelreserve) vorgehalten ist, kann diese aufgebraucht bzw. abgebaut werden, wodurch die Änderung der Drehzahl noch weiter begrenzt werden kann, die geforderte Dynamik aber trotzdem möglichst gut umgesetzt werden kann.
Diese Problematik kann sich auch bei einer Hydraulikanordnung mit mehr als einer Hydraulikpumpe ergeben. Bei einer solchen Hydraulikanordnung, wie sie schon erwähnt wurde, gibt es dann zwei oder mehr Hydraulikkreise. In einem solchen Fall kann dann auch die Dynamik in einem Hydraulikkreis als Ganzes begrenzt werden. Die (gesamte) Anforderung an die Veränderung des Volumenstroms lässt sich an sich auf die zwei bzw. mehr Hydraulikkreise aufteilen. Insofern kann die Anforderung an die Veränderung des Volumenstroms für einen der Hydraulikkreise begrenzt werden, sodass in beiden oder allen Hydraulikkreisen eine gleiche Veränderung des Volumenstroms (Dynamik) erreicht wird.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät einer Arbeitsmaschine, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Figurenbeschreibung
Figur 1 zeigt schematisch eine Hydraulikanordnung mit einem Zylinderpaar (z.B. für den Ausleger eines Baggers), bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.
Figur 2 zeigt schematisch eine weitere Hydraulikanordnung, z.B. für einen Ausleger-, Stiel- und Löffel-Antrieb eines Baggers, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.
Figur 3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Arbeitsmaschine, z.B. einen Mobilbagger, in einer bevorzugten Ausführungsform.
Figur 4 zeigt schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.
Figur 5 bis 7 zeigen schematisch Abläufe erfindungsgemäßer Verfahren in verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen.
Figuren 8 bis 10 zeigen Diagramme zur Erläuterung eines Aspekts der Erfindung.
Figur 11 zeigt schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.
Figuren 12 bis 14 zeigen Diagramme zur Erläuterung eines Aspekts der Erfindung.
Figur 15 zeigt schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.
Figuren 16 und 17 zeigen Diagramme zur Erläuterung eines Aspekts der Erfindung. Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
In Figur 1 ist schematisch eine Hydraulikanordnung 100 dargestellt, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist. Die Hydraulikanordnung 100 dient zum Betrieb einer Arbeitsmaschine oder eines Implements bzw. Arbeitsgeräts einer Arbeitsmaschine (hier z.B. eines Auslegers), insbesondere einer mobilen Arbeitsmaschine. Die Hydraulikanordnung 100 weist eine elektrische Maschine 110 auf, die über einen Inverter 112 von einer Batterie 114 als Energieversorgung mit elektrischer Energie versorgt wird und deren Drehzahl vorgegeben werden kann, insbesondere gemäß einer Solldrehzahl oder einem Solldrehzahlverlauf angesteuert werden kann.
Die Hydraulikanordnung 100 weist zudem eine mittels der elektrischen Maschine 110 antreibbare Hydraulikpumpe 120 auf, z.B. eine verstellbare Axialkolbenpumpe, sowie zwei parallel geschaltete Hydraulikaktoren 130, 132, hier jeweils in Form von Hydraulikzylindern mit Kolben, die von der Hydraulikpumpe 110 aus einem Tank 116 mit Hydraulikfluid versorgbar sind. Beispielhaft werden die beiden Hydraulikzylinder 130, 132 gemeinsam mit Hydraulikfluid versorgt. Denkbar ist, dass diese beiden Hydraulikzylinder 130, 132 zum (gemeinsamen) Bewegen eines Auslegers eines Baggers vorgesehen sind.
Die Hydraulikpumpe kann generell derart geregelt werden, dass der Pumpenausgangsdruck p um einen Differenzdruck (z.B. 20 bar) über dem Lastdruck des bzw. der Zylinder(s) liegt. Über ein Dosierventil 140 kann der geförderte Volumenstrom Q dosiert werden. An dem Ventil 140 kann ein konstanter Differenzdruck eingestellt werden. Über Ventile 142 bis 145 können Volumenströme in den bzw. die Zylinder und aus dem bzw. den Zylindern abhängig von der gewünschten Bewegungsrichtung gesteuert werden. Die Ventile 143 und 144 geben z.B. die Richtung des Pumpen-Volumenstroms vor (in welche Kammer soll der Volumenstrom gehen). Die Ventile 142 und 145 bemessen z.B. den Rücklauf-Volumenstrom bei aktiven Lasten (jedoch ohne Rekuperation).
Außerdem ist ein Steuerventil bzw. eine Druckwaage 152 vorgesehen, über das das Hydraulikfluid zum Einfahren oder Ausfahren der Zylinder 130, 132 gesteuert werden kann. Ein Ventil 150 dient als ein Volumenstromstromregler (z.B. 1 l/min unabhängig vom Druck), um die Load-Sensing Druckleitung (gestrichelte Linie) zu entlasten. Eine Druckwaage wird z.B. bei mehreren Verbrauchern benötigt, damit eine gemeinsame Pumpe auf den höchsten Lastdruck regen kann. Hier in Figur 1 ist beispielhaft aber nur ein Verbraucher gezeigt. Bei inakti- vem Verbraucher ist die Druckwaage in der hier gezeichneten Position. Die Druckwaage ist in einer Zwischenposition, wenn andere Verbraucher auf gleicher Pumpenleitung hängen und einen höheren Druck anfordern. Dann drosselt die Druckwaage. Die Druckwaage ist in einer linken Position, wenn der Verbraucher den höchsten Druck fordert oder benötigt. Dann drosselt die Druckwaage nicht und der höchste Lastdruck wird in die Load-Sensing Leitung gemeldet.
Das Ventil 154 ist ein Unloading-Ventil und wird z.B. benötigt für den Fall, dass die Pumpe noch pumpt, aber das Ventil 140 schon geschlossen ist. Über das Unloading-Ventil werden Druckspitzen vermieden. Das Ventil 154 begrenzt auf den benötigten höchsten Lastdruck ergänzt um einen Offset von z.B. 30 bar. Damit sind Druckspitzen abgeschnitten und Querwirkungen auf andere gleichzeitig aktive Verbraucher. Die Ventile 146 und 147 dienen zur Rekuperation. Das Ventil 147 sorgt für Volumenstrom in der stangenseitigen Kammer, das Ventil 146 schaltet die Rekuperation frei und wird z.B. bei sehr langsamer Bewegung des Auslegers nach unten benötigt.
In Figur 2 ist schematisch eine weitere Hydraulikanordnung 200 dargestellt, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist. Die Hydraulikanordnung 200 dient ebenfalls zum Betrieb einer Arbeitsmaschine oder eines oder mehrerer Implemente einer Arbeitsmaschine, insbesondere einer mobilen Arbeitsmaschine. Die Hydraulikanordnung 200 ist vergleichbar der Hydraulikanordnung 100 gemäß Figur 1 und ist insoweit auch mit den gleichen Bezugs- zeichne versehen. Für deren Beschreibung sei auf Figur 1 verwiesen. Allerdings weist die Hydraulikanordnung 200 eine weitere Hydraulikpumpe 220 sowie weitere Hydraulikaktoren auf.
Die weitere Hydraulikpumpe 220 wird ebenfalls über die elektrische Maschine 110 angetrieben (auf einer gemeinsamen Achse bzw. Welle) und darüber werden die Hydraulikaktoren 230 und 260 versorgt, hier jeweils in Form von Hydraulikzylindern mit Kolben. Denkbar ist, dass die beiden Hydraulikzylinder 130, 132 zum (gemeinsamen) Bewegen eines Auslegers eines Baggers vorgesehen sind, der Hydraulikzylinder 230 zum Bewegungen eines Arms des Baggers und der Hydraulikzylinder 260 zum Bewegen einer Schaufel des Baggers.
Wie auch die Hydraulikzylinder 130, 132 können die Hydraulikzylinder 230 und 260 (separat) angesteuert bzw. mit Hydraulikfluid versorgt werden. Über ein Dosierventil 240 kann der ge- förderte Volumenstrom für den Hydraulikzylinder 230 dosiert werden. An dem Ventil 240 kann ein konstanter Differenzdruck eingeregelt werden. Über die Ventile 242 bis 245 können die Volumenströme in den Zylinder und aus dem Zylinder abhängig von der gewünschten Bewegungsrichtung gesteuert werden. Außerdem ist ein Steuerventil bzw. eine Druckwaage 252 vorgesehen, über das das Hydraulikfluid zum Einfahren oder Ausfahren des Zylinder 230 gesteuert werden kann. Das Ventil 247 dient zur Rekuperation und sorgt für Volumenstrom in der stangenseitigen Kammer. Außerdem ist ein Ventil 254 zum Überlauf vorgesehen.
Über ein Dosierventil 270 kann der geförderte Volumenstrom für den Hydraulikzylinder 260 dosiert werden. An dem Ventil 270 kann ein konstanter Differenzdruck eingeregelt werden. Über die Ventile 272 bis 275 können die Volumenströme in den Zylinder und aus dem Zylinder abhängig von der gewünschten Bewegungsrichtung gesteuert werden. Außerdem ist ein Steuerventil bzw. eine Druckwaage 282 vorgesehen, über das das Hydraulikfluid zum Einfahren oder Ausfahren des Zylinder 260 gesteuert werden kann. . Das Ventil 284 ist ein lln- loading-Ventil.
Es ist eine weitere elektrische Maschine 210 vorgesehen, die über einen Inverter 220 aus der Batterie 114 mit elektrische Energie versorgt wird. Mittels der elektrischen Maschine 210 kann z.B. eine Dreheinrichtung oder ein Drehwerk eines Baggers betätigt werden; hierfür kann aber auch ein Hydraulikmotor vorgesehen sein.
In Figur 3 ist schematisch eine erfindungsgemäße Arbeitsmaschine 300 in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt, bei der ebenfalls ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist. Bei der Arbeitsmaschine 300 handelt es sich um eine mobile Arbeitsmaschine, hier in Form eines Baggers. Beispielhaft sind ein Oberwagen 302, ein Unterwagen 304, ein Ausleger 310, ein Arm 312 sowie eine Schaufel 314 gezeigt. Zudem ist eine Dreheinrichtung 316 für eine Drehung des Oberwagens 302 relativ zum Unterwagen 304 vorgesehen.
Der Bagger 300 weist zudem eine elektrische Hydraulikanordnung auf, z.B. die Hydraulikanordnung 200 gemäß Figur 2, bei der eine elektrische Maschine in einer Hydraulikeinheit über die Batterie 114 versorgt wird. Die Hydraulikanordnung 200 weist außerdem die Hydraulikzylinder 130, 132, 230 und 260 zur Bewegung von Ausleger 310, Arm 312 sowie Schaufel 314 auf. Zudem ist die elektrische Maschine 210 zur Betätigung der Dreheinrichtung 316 vorge- sehen. Weiterhin ist eine als Steuergerät ausgebildete Recheneinheit 340 vorgesehen, mittels welcher z.B. die Hydraulikanordnung 200 bzw. dort die elektrische Maschine angesteuert werden kann.
In Figur 4 ist schematisch ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Dabei ist auch die elektrische Maschine 110 mit der damit angetriebenen Pumpe 120 aus Figur 1 bzw. Figur 2 gezeigt. Die elektrische Maschine 11 wird dabei gemäß einer Solldrehzahl nsoii bzw. einem Solldrehzahlverlauf angesteuert. Eine Bestimmung der Solldrehzahl nsoii erfolgt in einem Bestimmungsvorgang oder Bestimmungsschritt 400, dessen Ausgang die Solldrehzahl nsoii bzw. der Solldrehzahlverlauf ist, ebenso z.B. aber ein maximales und/oder minimales Drehmoment M für die elektrische Maschine, die dann einem Drehzahlregler 410 zugeführt werden.
Außerdem sind beispielhaft ein Drucksensor 402 zum Bestimmen bzw. Messen des Drucks p des Hydraulikfluids, der von der Hydraulikpumpe bereitgestellt wird, sowie ein Drehzahlsensor 404 zum Bestimmen bzw. Messen der Drehzahl n der elektrischen Maschine vorhanden. Druck p und Drehzahl n können dem Bestimmungsvorgang 400 zugeführt werden, und ebenso einem Schwenkwinkelregler 420, über den der Schwenkwinkel der Hydraulikpumpe (wenn diese eine Schwenkschreibe aufweist) und damit das Fördervolumen geregelt werden können.
Die Solldrehzahl bzw. der Solldrehzahlverlauf werden im Bestimmungsschritt 400 unter Berücksichtigung verschiedener Anforderungen und ggf. weiterer Parameter oder Werte bestimmt. Mittels eines Bedien- oder Eingabemittels 432 wie z.B. einem Joystick oder Pedal kann ein Bediener eine bestimmte Vorgabe erzeugen, die zu einem bestimmten Volumenstrom - einen Sollvolumenstrom Qsoii - führt. Alternativ oder ggf. zusätzlich kann dies auch über eine Automatisierungsfunktion 434 erfolgen. Der Sollvolumenstrom Qsoii wird in einem Schritt 430 bestimmt und dem Bestimmungsvorgang 400 zum Bestimmen der Solldrehzahl zugeleitet, ebenso dem Schwenkwinkelregler 420.
Der Sollvolumenstrom Qsoii umfasst dabei insbesondere eine Anforderung an eine Veränderung des Volumenstroms gegenüber einem aktuellen Wert; sollte keine Änderung gegenüber dem aktuellen Wert vorliegen, ist eine Anpassung der Drehzahl nicht nötig. In dem Bestimmungsvorgang 400 zum Bestimmen der Solldrehzahl nsoii können außerdem verschiedene weitere Parameter und Größen berücksichtigt werden. Diese sind z.B. eine Anforderung 440 an eine Veränderung (Dynamik) des Volumenstroms gegenüber einem aktuellen Wert durch den Fahrer, z.B. durch den Joystick, wie erwähnt. Ebenso kann dies eine Anforderung 442 an eine Veränderung (Dynamik) des Volumenstroms gegenüber einem aktuellen Wert durch das System bzw. die Hydraulikanordnung, z.B. aufgrund von gewissen Betriebsgrenzen sein.
Weiterhin werden Anforderung an eine Energieeffizienz beim Betrieb der Hydraulikanordnung berücksichtigt. Diese sind im Speziellen z.B. Energieverluste 444 der elektrischen Maschine oder Energieverluste 448 der Energieversorgung (z.B. bei der Batterie) oder Energieverluste 446 der Hydraulikpumpe; diese können z.B. über Kennfelder berücksichtigt werden. Außerdem können dies Energieverluste 450 von Nebenabtrieben wie z.B. weiterer angeschlossener Verbraucher sein.
Neben den Anforderungen an die Veränderung des Volumenstroms und an die Energieeffizienz können auch eine Gesamtträgheit 452 aller Antriebe, eine ggf. geschätzte Schwenkwinkeldynamik 454, ein drehzahlabhängiges, dynamisches Maximum und/oder Minimum 456 des Moments der elektrischen Maschine sowie eine ggf. geschätzte Stellenergie 458 für den Verstellmechanismus bzw. die Aktorik für den Schwenkwinkel berücksichtigt werden.
Durch die Berücksichtigung möglichst all dieser Einflüsse auch abhängig vom Betriebsfall wird eine möglichst effiziente und doch dynamische Betriebsweise der Arbeitsmaschine ermöglicht.
Hinsichtlich der Anwendung des Verfahrens bei der Hydraulikanordnung gemäß Figur 2 mit zwei Hydraulikpumpen sei erwähnt, dass die Mindestdrehzahl sich aus dem Maximum der einzelnen Volumenstrom-Anforderungen (für die individuellen Pumpen) ableitet. Die Drehzahlverstelldynamik wird ggf. aus Anforderungen der Konstanz des Volumenstroms des jeweils anderen Kreises eingeschränkt, und die Momentenbelastungen aller Kreise sollten bei allen Vorausberechnungen berücksichtigt werden.
In den Figuren 5 bis 7 sind schematisch Abläufe erfindungsgemäßer Verfahren in verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen dargestellt. Diese umfassen insbesondere beispiel- haft mögliche, konkrete Vorgehensweisen bei der Bestimmung der Solldrehzahl, d.h. des Bestimmungsschritts 400, wobei verschiedene Fälle unterschieden werden.
Ein erster Fall, in Figur 5, ist eine Bestimmung der Solldrehzahl bei Änderungen des Volumenstroms, die auch ohne Stellmoment möglich wäre, d.h. einer (relativ schnellen) Reduzierung des Volumenstroms des Hydraulikfluids im Pumpenbetrieb der Hydraulikpumpe.
Hierzu wird, in einem Schritt 500, eine geforderte, stationäre Hydraulikleistung z.B. auf Basis eines (aktuellen) Drucks sowie des geforderten Volumenstroms bzw. des Sollvolumenstroms bestimmt. Es folgt, in einem Schritt 502, eine Bestimmung des stationären, optimalen Betriebspunkts (Drehzahl, Last, Schwenkwinkel) der Hydraulikpumpe auf Basis von z.B. Verlustkennfeldern und einer Ableitung der geforderten Leistung der elektrischen Maschine sowie der Batterieleistung.
In einem Schritt 504 folgt eine Bestimmung der Leistungsreserven (von z.B. Batterie und elektrischer Maschine) für die gewünschte Drehzahldynamik (in beide Richtungen, d.h. Erhöhung und Reduzierung). In einem Schritt 506 werden Prädiktionen vorgenommen, und zwar z.B. unter der Annahme einer sprunghaften Änderung des Sollvolumenstroms auf neue Zielwerte (z.B. auf 5%, 10%, 20%, 50%) der maximalen Fördermenge, ausgehend vom aktuellen Betriebspunkt. Dabei kann eine Prädiktion der Verluste aller Komponenten sowie eine Prädiktion der erzielbaren Volumenstromdynamik, jeweils bei schnellmöglicher Drehzahlanpassung. erfolgen. Ebenso kann eine Prädiktion der Verluste aller Komponenten bei Drehzahlanpassung ohne eingreifendes Motormoment (der elektrischen Maschine) erfolgen, falls die Pumpenbelastung die Drehzahl in die gewünschte Richtung verändern würde; dabei kann auch eine Berechnung der erzielbaren Volumenstromdynamik erfolgen.
In einem Schritt 508 folgt dann anhand der Kenntnis der Verluste, der erreichbaren Dynamik und der Anforderungen an die Dynamik für einen Kompromiss aus Dynamik und Effizienz eine Bestimmung einer Drehzahl-Trajektorie, also eines Solldrehzahlverlaufs, für den geforderten Sprung des Volumenstroms.
Ein weiterer Fall, in Figur 6, ist eine Bestimmung der Solldrehzahl bei Anforderung einer Erhöhung des Volumenstroms im Rekuperationsfall, d.h. mit einem Motorbetrieb der Hydraulikpumpe. Hierzu wird, in einem Schritt 600, eine geforderte, stationäre Hydraulikleistung z.B. auf Basis eines (aktuellen) Drucks sowie des geforderten Volumenstroms bzw. des Sollvolumenstroms bestimmt. Es folgt, in einem Schritt 602, eine Bestimmung des stationären, optimalen Betriebspunkts (Drehzahl, Last, Schwenkwinkel) der Hydraulikpumpe auf Basis von z.B. Verlustkennfeldern und einer Ableitung der geforderten Leistung der elektrischen Maschine sowie der Batterieleistung.
In einem Schritt 604 folgt eine Bestimmung einer möglichen Ladeleistung der Batterie (oder eines anderen Energiespeichers). In einem Schritt 606 werden Prädiktionen vorgenommen, z.B. unter der Annahme eines sprunghaften Anstiegs des Sollvolumenstroms auf neue Zielwerte (z.B. auf 20%, 50%, 100%) der maximalen Rekuperationsmenge, ausgehend vom aktuellen Betriebspunkt. Dabei kann eine Prädiktion der Verluste aller Komponenten sowie eine Prädiktion der erzielbaren Volumenstromdynamik, jeweils bei schnellstmöglicher Drehzahlanpassung erfolgen. Ebenso kann eine Prädiktion der Verluste aller Komponenten bei Drehzahlanpassung ohne eingreifendes Motormoment (der elektrischen Maschine) erfolgen, falls das Hydraulikmotorabtriebsmoment (die Hydraulikpumpe wirkt hier als Hydraulikmotor) die Drehzahl in die gewünschte Richtung verändern würde. Dabei kann auch eine Berechnung der erzielbaren Volumenstromdynamik erfolgen.
In einem Schritt 608 folgt dann eine Bestimmung einer Drehzahl-Trajektorie, also eines Solldrehzahlverlaufs, für den geforderten Sprung des Volumenstroms im Rekuperationsfall anhand der Kenntnis der Verluste, der erreichbaren Dynamik und der Anforderungen an die Dynamik für einen Kompromiss aus Dynamik und Effizienz.
Ein weiterer Fall, in Figur 7, ist eine Bestimmung der Solldrehzahl bei Anforderung eines geringen Volumenstroms, d.h. eines Volumenstroms (oder einer Veränderung auf einen solchen Wert) unterhalb eines Schwellwerts. Als geringer Volumenstrom können hier z.B. Volumenströme bezeichnet werden, die bei der Berechnung der besten Effizienz eine Pumpendrehzahl ergeben würden, a) die unterhalb der erlaubten Mindestdrehzahl der Pumpe liegen würden (beispielweise unter 300/min, wenn die Maximal-Drehzahl etwa 2500/min beträgt), oder b) bei der der Elektromotor nur noch eine Leistung unterhalb einer Schwelle instantan erzeugen kann. Der Hintergrund hierzu ist, dass die Leistung eines Elektromotors (zum Antrieb der Pumpe) eine bis zur Eckdrehzahl linear ansteigende Kurve ist. Bei Erreichen der Eckdrehzahl hat der Elektromotor auch seine max. Leistung erreicht. Erfahrungsgemäß liegen typische Betriebspunkte bei mindestens 1/3 der max. Leistung (bzw. die eingesetzten Elektromotoren sind so dimensioniert), d.h. erfahrungsgemäß wird auch mind. 1/3 der Eckdrehzahl benötigt. Dieser Wert kann dann auch für die Bestimmung eines "geringen Volumenstroms" im Sinne dieser Anmeldung herangezogen werden, d.h. ein Volumenstrom würde als gering gelten, wenn er bei optimalem Schwenkwinkel (z.B. 70%) und 1/3 der Eckdrehzahl erzeugt würde.
Hierzu wird, in einem Schritt 700, eine geforderte, stationäre Hydraulikleistung z.B. auf Basis eines (aktuellen) Drucks sowie des geforderten Volumenstroms bzw. des Sollvolumenstroms bestimmt. Es folgt, in einem Schritt 702, eine Bestimmung des stationären, optimalen Betriebspunkts (Drehzahl, Last, Schwenkwinkel) der Hydraulikpumpe auf Basis von z.B. Verlustkennfeldern und einer Ableitung der geforderten Leistung der elektrischen Maschine sowie der Batterieleistung.
In einem Schritt 704 folgt eine Bestimmung der Leistungsreserven (von z.B. Batterie und elektrischer Maschine) für die gewünschte Drehzahldynamik (in beide Richtungen, d.h. Erhöhung und Reduzierung). In einem Schritt 706 wird die Annahme eines sprunghaften Anstiegs des Sollvolumenstroms auf 100% der maximalen Fördermenge, ausgehend vom aktuellen Betriebspunkt, getroffen; zudem erfolgt eine Prädiktion der erzielbaren Volumenstromdynamik bei schnellmöglicher Drehzahlanpassung.
In einem Schritt 708 wird die Annahme einer höheren Grunddrehzahl der elektrischen Maschine (z.B. 20%, 50%, ggf. auch 100% über der für den (aktuellen) Betriebspunkt erforderlichen Drehzahl); dies entspricht einer Annahme möglicher, unterschiedlicher Drehzahlreserven. In einem Schritt 710 erfolgt dann eine Berechnung der Volumenstromdynamik auch für diese angenommenen Drehzahlreserven.
In einem Schritt 712 erfolgt dann eine Berechnung der zusätzlichen Verluste bei aktiver Drehzahlreserve. In einem Schritt 714 erfolgt ein Vergleich jeweils der erzielbaren Volumenstromdynamik mit Dynamikanforderungen; zudem wird eine Wichtung mit den zusätzlichen Verlusten vorgenommen, sowie eine Ableitung der Solldrehzahl für den Betriebspunkt mit dem geringen Volumenstrom. In Figur 8 ist ein Zusammenhang zwischen einem Volumenstrom Q (in l/min), Drehzahl n (in 1/min) und Schwenkwinkel a (in Prozent) gezeigt, um die erwähnte Problematik zu erläutern, wonach die geforderte Veränderung des Volumenstroms des Hydraulikfluids in der Hydraulikanordnung ggf. nicht umsetzbar ist.
In der schon erwähnten DE 102014 001 981 A1 ist ein dynamisches Verhalten bei paralleler Verstellung von Drehzahl und Förder- bzw. Verdrängungsvolumen (Schwenkwinkel) der Pumpe beschrieben. Hierbei wird insbesondere erwähnt, dass durch parallele Verstellung von Drehzahl und Schwenkwinkel eine höhere Dynamik erzielbar ist. Weiterhin wird beschrieben, dass bei bekannten Lastzyklen eine temporäre Veränderung der Drehzahl- Schwenkwinkelkombination möglich ist, um bei einem nachfolgenden Anstieg des Sollvolumenstroms eine höhere Dynamik zu erzielen. Dort wird stets nach der höchsten Volumenstromdynamik optimiert.
Die Dynamik einer drehzahlvariablen Verstellpumpe ergibt, dass eine Änderung des Volumenstroms sowohl von der Änderung der Drehzahl der elektrischen Maschine als auch von der Änderung des Schwenkwinkels (bzw. Fördervolumens) abhängt (ergibt sich durch Ableitungsregeln):
Q = n*VG,max*a => Q = n*d*VG,max + ri*a*VG,max
Dabei ist Vc,max das maximale Fördervolumen. Die zur Verfügung stehende Drehzahldynamik n ist hierbei insbesondere abhängig vom Drehmoment der elektrischen Maschine (im Feldschwächbereich z.B. abnehmend), der Trägheit der elektrischen Maschine, sowie dem Lastmoment, welches jeweils insbesondere von den (über der Zeit veränderlichen) Zuständen der Pumpen (Druck und Schwenkwinkel) abhängt. Das dynamische Schwenkwinkelverhalten d wird insbesondere durch den Pumpendruck p (sowie die Schwenkrichtung) bestimmt.
Da das dynamische Verhalten der einzelnen Komponenten und die Einordnung der Gesamtdynamik an sich bekannt ist, wird zur Vereinfachung in nachfolgenden Erklärungen darauf verzichtet und vereinfacht angenommen, dass die Drehzahldynamik dn/dt und Schwenkwinkeldynamik dajdt im gesamten Betriebsbereich konstant sind. Weiterhin wird in den nachfolgenden Ausführungen angenommen, dass die Dynamik des Gesamtverstellbe- reichs von Schwenkwinkel und Drehzahl gleich ist. Dadurch lässt sich die resultierende Volumenstromdynamik wie in Figur 8 veranschaulichen.
Mit geraden Linien sind Kurvenscharen für unterschiedliche konstante Drehzahlen dargestellt. Für eine Kombination aus Drehzahl und Schwenkwinkel lässt sich somit direkt ein Volumenstrom Q ablesen. Bei der angenommenen gleichen Dynamik von Schwenkwinkel und Drehzahl über dem Gesamtverstellbereich dauert ein Verstellvorgang des Schwenkwinkels von 40% auf 50% z.B. genauso lange wie ein Verstellvorgang der Drehzahl von 960/min auf 1200/min.
Wird nun eine Verstellung des Volumenstroms von 0 l/min auf 264 l/min gewünscht, dauert ein Verstellvorgang bei konstanter Drehzahl n = 2400/min genauso lange wie ein Verstellvorgang, wenn zu Anfang der Verstellung Drehzahl n=0/min und Schwenkwinkel 0% betragen und beide Größen parallel mit maximaler Dynamik erhöht werden. Bei konstanter Drehzahl ergibt sich ein linearer Volumenstromverlauf entlang der Geraden. Bei gleichzeitiger Verstellung der Drehzahl und des Schwenkwinkels ergibt sich der quadratische Volumenstromverlauf, welcher durch die gebogenen Linien dargestellt ist.
Weiterhin sind zur Verdeutlichung unterschiedliche Betriebs- bzw. Arbeitspunkte 800, 810 mit gleichem Volumenstrom Q = 132 l/min dargestellt. An der Steigung der jeweiligen Kurven kann die maximal erzielbare Dynamik abgelesen werden. Bei Arbeitspunkt 800 ist die Drehzahl bereits am Maximum. Hierdurch ergibt sich am Arbeitspunkt 800 eine lineare Volumenstromsteigerung. Durch eine gleichzeitige Verstellung von Drehzahl und Schwenkwinkel kann am Arbeitspunkt 810 hingegen eine parabelförmige Steigerung des Volumenstroms erzielt werden. Anhand der Steigung der Kurven kann man erkennen, dass am Arbeitspunkt 810 eine höhere Volumenstromdynamik dQ dt erzielt werden kann.
Bei der Übertragung dieser Erkenntnisse auf die Hydraulikanordnung einer Arbeitsmaschine ergeben sich bestimmte Problemfelder. Dort sind die nächsten Betriebszustände häufig nicht oder nur teilweise bekannt. Die Sollwerte werden hierbei häufig durch den Fahrer direkt vorgegeben und sofort umgesetzt. Hierdurch ist es nicht möglich, einen gesamten Lastzyklus insgesamt prädiktiv zu optimieren. Die Steuerung muss jeweils direkt auf die Vorgaben des Fahrers (oder sonstige Vorgaben) reagieren und diesen möglichst ideal folgen. Eine mögliche drehzahlvariable Betriebsstrategie einer mobilen Arbeitsmaschine kann folgendermaßen gestaltet sein: Zur statischen Verlustoptimierung wird stets versucht, das Verdrängungsvolumen der Pumpe im Bereich zwischen 80% und 100% Schwenkwinkel zu halten. Dies ist in Figur 9 schraffiert eingezeichnet; ansonsten entspricht Figur 9 der Figur 8.
Es wird dann unterschieden, ob die dynamischen Vorgaben bzw. Anforderungen an den Volumenstrom erfüllt werden können, oder ob eine höhere Dynamik notwendig wäre, um den Wunsch zu erfüllen. Kann die Anforderung bzw. der Dynamikwunsch erfüllt werden, wird möglichst nach der verlustminimalen Drehzahl optimiert. Können die Vorgaben nicht erfüllt werden, werden zur Dynamikmaximierung parallel Schwenkwinkel und Drehzahl erhöht (was ggf. zu ineffizienten Betriebspunkten führt). Können die Dynamikanforderungen nach einem Betrieb zur Dynamikmaximierung wieder erfüllt werden, kann die Schwenkwinkel- Drehzahlkombination wieder in einen verlustidealen Bereich (schraffiert in Figur 9) überführt werden.
Die Verstellung mit maximaler Dynamik führt in gewissen Betriebsbereichen allerdings zu problematischem Verhalten. Hierzu sollen zwei Beispiele genannt werden. Ein erstes Beispiel sind Probleme im Randbereich des Kennfeldes. Laufen die Drehzahl oder der Schwenkwinkel beim Verstellvorgang mit maximaler Dynamik in die Begrenzung (Maximalwert), kommt es zu einer abrupten Veränderung des Dynamikverhaltens. Dieses Beispiel kann ebenfalls anhand des Dynamikdiagramms erläutert werden.
In Figur 10 ist die Verstellung mit maximaler Dynamik dargestellt. Dazu ist links ein Diagramm ähnlich der Figur 8 gezeigt, jedoch sind Drehzahl n und Schwenkwinkel a vertauscht. Rechts ist der Volumenstrom Q über der Zeit t gezeigt. Ausgegangen werden soll von einem Betriebspunkt 0=39,6 l/min, der durch eine Drehzahl «=720/min und einen Schwenkwinkel a= 50% erzielt wird. Bei gleicher Dynamik wird zuerst der Maximalwert des Schwenkwinkels erreicht, das Drehzahlmaximum jedoch erst zu einem späteren Zeitpunkt. Hierdurch ergeben sich Inhomogenitäten in der Volumenstromdynamik. Dies ist durch den Knick bei ca. t=1 ,03 im rechten Diagramm zu sehen.
Durch Limitierung der Dynamik kann das Verhalten bei solchen Situationen verbessert werden. Hierzu ist in Figur 11 schematisch ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Hierbei wird zuerst analysiert, ob die dynamischen Anforderungen 1100, d.h. die Anforderung an die Veränderung des Volumenstroms, erfüllt werden können; diese Prüfung erfolgt in Schritt 1102.
Sind die Dynamikanforderungen erfüllbar, werden die Sollvorgaben axon bzw. nsou für Schwenkwinkel und Drehzahl unbeschränkt weitergegeben. Ist der Dynamikwunsch nicht erfüllbar, wird die Dynamik maximiert. Um die oben beschriebenen Probleme zu vermeiden, werden die Dynamikfähigkeiten der einzelnen Komponenten analysiert und bei Bedarf limitiert. So kann in Schritt 1104 eine Begrenzung der maximal zulässigen Änderung des Schwenkwinkels erfolgen, in Schritt 1106 eine Begrenzung der maximal zulässigen Änderung Drehzahl, die dann in Schritt 1108 auf die Hydraulikpumpe bzw. in Schritt 1110 auf die elektrische Maschine angewendet werden.
Hierdurch ergibt sich insgesamt ein homogeneres Gesamtsystemverhalten mit zwar ggf. etwas geringerer Volumenstromänderung 1112, die allerdings keine Inhomogenität aufweist. Darüber hinaus kann die Dynamiklimitierung auch genutzt werden, um die Komponenten in der Dynamik generell durch den Fahrer oder andere Systemkomponenten zu begrenzen.
Mit dieser Strategie wird für den oben beschriebenen Fall z.B. die Dynamik des Schwenkwinkels limitiert, sodass dieser nicht vorzeitig in die Begrenzung (a = 1) läuft. Je nach Anwendung sind für die Begrenzungslimitierungen unterschiedliche Charakteristika applizierbar.
In Figur 12 ist eine Simulation des homogenisierten dynamischen Verhaltens durch das vorgestellte Konzept dargestellt. Im Vergleich mit Figur 10 ist zu sehen, dass die dynamische Verstellung des Schwenkwinkels so eingebremst wird, dass über den gesamten Betriebsbereich ein homogeneres Volumenstromverhalten erfolgt; im rechten Diagramm gibt es entsprechend und im Gegensatz zu Figur 10 keinen Knick.
In Figur 13 sind Dynamikverläufe, d.h. Änderungen des Volumenstroms über der zeit, vergleichbar den rechten Diagrammen der Figuren 10 und 12, dargestellt. Mit 1300 ist ein vergleichbarer Volumenstrom-Verstellvorgang bei konstanter Drehzahl dargestellt. Diese Strategie ist, wie erwartet, allen anderen Strategien mit Dynamikmaximierung durch parallele Verstellung von Drehzahl und Schwenkwinkel unterlegen. Mit 1302 ist der oben beschriebe- ne Vorgang ohne Begrenzung dargestellt, bei welchem Drehzahl und Schwenkwinkel mit maximaler Dynamik erhöht werden, um ein maximales Dynamikverhalten zu erzielen.
Mit 1304 und 1306 sind unterschiedliche Strategien nach dem beschriebenen Verfahren zur Homogenisierung des Dynamikverhaltens gegenübergestellt. Hier sind weitere Strategien möglich. Ein mögliches Ziel einer solchen Strategie kann es sein, den Schwenkwinkel möglichst schnell in einen Bereich guter Effizienz (80-100% Schwenkwinkel) zu bringen und erst dann die Schwenkwinkeldynamik progressiv zu limitieren, um ein homogenes Verhalten zu erzielen.
Wie ebenfalls schon erwähnt, können bei Mehrkreissystemen weitere Probleme auftauchen. Hierbei sind die beiden Hydraulikkreise über die Drehzahl (da es nur eine elektrische Maschine gibt) gekoppelt. Eine Drehzahlerhöhung wirkt sich in beiden Kreisen in einer Zunahme des Volumenstroms aus. Aus dynamischer Sicht führt dies insbesondere zu Problemen, wenn in den beiden Hydraulikreisen eine widersprüchliche Anforderung an die Drehzahlführung auftritt.
In Figur 14 ist ein beispielhafter Betriebspunkt dargestellt, in dem es zu einer solchen widersprüchlichen Anforderung kommt. In diesem Beispiel muss in einem Hydraulikkreis K1 der Volumenstrom Qi erhöht werden und in einem anderen Hydraulikkreis K2 der Volumenstrom Q2 gleichzeitig gesenkt werden. Einerseits müsste die Drehzahl erhöht werden, um der Volumenstromanforderung des Fahrers im Hydraulikkreis K1 gerecht zu werden. In den rechten Diagrammen sind zeitliche Verläufe der Volumenströme und der Drehzahl für die Anforderung (gestrichelt) und das tatsächliche Verhalten (durchgezogen) gezeigt.
Hierbei zeigt sich, dass die Anforderungen von Hydraulikkreis K1 an die Drehzahlführung ebenfalls zu einer Erhöhung des Volumenstroms in Hydraulikkreis K2 führt, auch wenn im zweiten Hydraulikkreis der Schwenkwinkel mit maximaler Dynamik zurückgeführt wird. In diesem Betriebspunkt kommt es zu einer Nichterfüllung der Dynamikanforderung des zweiten Hydraulikkreises. Aufgrund dieser Problematik wird es bei Mehrkreissystemen wesentlich häufiger auftreten, dass die Dynamikanforderungen des Fahrers in einem oder mehreren Kreisen nicht erfüllt werden können. Um das Gesamtverhalten einer Anwendung zu optimieren, können durch Anwendung des vorgeschlagenen Konzeptes bei Mehrkreissystemen auch gesamte Hydraulikkreise in der Dynamik limitiert werden. Hierbei kann es ein Ziel sein, widersprüchliche Anforderungen einzelner Hydraulikkreise abzugleichen und die Gesamtdynamik zu homogenisieren.
In Figur 15 ist ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dargestellt, wobei erläutert wird, wie das vorgeschlagene Konzept auf Zweikreis-Systeme anwendbar ist.
Zuerst wird in einem Schritt 1500 geprüft, ob die Volumenstromanforderungen beider Kreise K1, K2 erfüllt werden können. Ist dies nicht der Fall, wird z.B. von der Betriebsstrategie des übergeordneten Prozessreglers abgewichen und die Dynamik durch parallele Verstellung erhöht. Hierbei werden nach dem vorgestellten Konzept die Dynamikanforderungen der einzelnen Kreise analysiert und gegenübergestellt. Basierend auf unterschiedlichen Strategien wird die Volumenstromdynamik des dynamischeren Kreises (oder einzelner Komponenten des Kreises) begrenzt, um das Verhalten von weniger dynamischen Kreisen zu verbessern. Für die einzelnen Hydraulikkreise K1 , K2 wir dann, analog zu Figur 11 , ggf. der Schwenkwinkel begrenzt; eine Begrenzung der Drehzahl wirkt sich auf beide Kreise aus.
Ein möglicher Kompromiss bei der Homogenisierung kann hierbei sein, dass der Betrag der Volumenstromänderung \dQ/dt\, in Figur 15 mit 1512.1 bzw. 1512.2 bezeichnet, in beiden Kreisen K1, K2 gleich ist. In diesem Fall wird die Dynamik der elektrischen Maschine so beschränkt, dass in beiden Hydraulikkreisen eine vergleichbare Volumenstromdynamik erzielt wird.
Wie in Figur 16 dargestellt, wird die Drehzahl nur progressiv erhöht, um in beiden Kreisen eine gleiche Volumenstromdynamik, auch hier mit 1512.1 bzw. 1512.2 bezeichnet, zu garantieren.
Hierbei ist eine Vielzahl weitere Strategien denkbar. Ein anderes Ziel könnte sein, eine Volumenstromverringerung bevorzugt zu behandeln. Hierdurch würde eine schlechte Dynamik im Hydraulikkreis K1 vollständig in Kauf genommen, um eine Verringerung des Volumenstroms in Hydraulikkreis K2 zu garantieren. Eine weitere Ausprägung könnte sein, die Volumenstromdynamiken der einzelnen Hydraulikkreise basierend auf der Sollwertabweichung freizugeben. Wird z.B. vom Fahrer in einem entsprechenden Hydraulikkreis der Joystick stärker ausgelenkt und somit eine größere Abweichung vom Sollwert vorgegeben, wird der entsprechende Hydraulikkreis in der Beschränkung der Dynamik großzügiger berücksichtigt. Hierdurch kann der Fahrer direkten Einfluss auf das dynamische Verhalten nehmen.
Wird in einer anderen Ausgangssituation (Schwenkwinkel-Drehzahl-Kombination) weiterhin eine Schwenkwinkelreserve (durch höhere Drehzahl) vorgesehen, kann diese Schwenkwinkelreserve durch das Konzept zur Begrenzung der Dynamik einzelner Komponenten ebenfalls sehr vorteilhaft genutzt werden. Durch Aufzehren der Schwenkwinkel reserve kann die Drehzahldynamik des Elektromotors stark begrenzt werden (im Extremfall dnldt = 0) und trotzdem eine bessere Volumenstromdynamik erzielt werden. Eine kleine (z.B. ca. 20%) Schwenkwinkelreserve bietet hierbei eine gute Abwägung zwischen Dynamikreserve bei immer noch akzeptablen Verlustverhalten, da die Verluste progressiv ansteigen.
Der Betrieb mit Schwenkwinkel reserve ist in Figur 17 skizziert. Dargestellt ist derselbe Betriebspunkt wie in Figur 16, der nun durch eine andere Drehzahl-Schwenkwinkel- Kombination erreicht wird. In diesem Betriebspunkt beträgt der Ausgangs-Volumenstrom ebenfalls 132 l/min. Wie zuvor soll nun im Hydraulikkreis K1 der Volumenstrom erhöht und in Hydraulikkreis K2 gesenkt werden. Können nun die Dynamikanforderungen beider Hydraulikkreise nicht erfüllt werden, wird wieder das bereits beschriebene Prinzip zur Homogenisierung des Volumenstromverhaltens angewendet. Hierbei steht nun jedoch zusätzlich eine Schwenkwinkelreserve zur Verfügung, welche in dieser Situation aufgezehrt werden kann und somit das Dynamikverhalten zusätzlich verbessert. Gegenüber der Situation in Figur 16 wird durch dieses Aufzehren der "Dynamikreserve" das Volumenstromverhalten in beiden Kreisen verbessert.
Ein reines Vorhalten der Dynamikreserve (kontinuierlich höhere Drehzahl) ist hierbei nicht zielführend. Hierdurch kann die Problematik nicht wesentlich verbessert werden. Es würde nach wie vor ein Volumenstromüberschwinger auftreten.
In Varianten dieses Konzeptes kann ebenfalls eine prädiktive Strategie unterschiedlichen Ausmaßes genutzt werden, um mehr Informationen über die nachfolgenden Betriebspunkte zu erhalten. Durch weitere Informationen über den nachfolgenden Zyklusverlauf kann insgesamt eine bessere Strategie erzielt werden. Je nach Anwendung sind hierbei unterschiedli- ehe Ausprägungen der Prädiktion denkbar. Im einfachsten Fall ist lediglich der neue Betriebspunkt durch die aktuelle Eingabe des Fahrers bekannt. Hierfür kann eine fixe Strategie verfolgt werden. Es kann eine Prädiktion aufgrund der vergangenen Eingaben und basierend auf der Annahme, dass eine repetitive Arbeitsaufgabe stattfindet und der Zyklus sich wieder- holt, erfolgen. Es kann auch eine Prädiktion aufgrund von erkannten Betriebszuständen (Beispiel beim Bagger: Löffel schütteln, Planziehen; Beispiel beim Radlader: Fahrtrichtungs- Wahlschalter wird verändert) erfolgen. Auch kann eine Prädiktion mit mittelfristigem Prädiktionshorizont, bspw. einer voraus berechneten Trajektorie bei automatisierten Arbeitsfunktionen, erfolgen. Zudem kann eine Prädiktion mit einem bekannten Lastzyklus erfolgen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Hydraulikanordnung (100, 200) einer Arbeitsmaschine (300), insbesondere einer mobilen Arbeitsmaschine, wobei die Hydraulikanordnung (100, 200) eine elektrische Maschine (110), eine mittels der elektrischen Maschine antreibbare Hydraulikpumpe (120) und wenigstens einen Hydraulikaktor (130, 132, 230, 260), der von der Hydraulikpumpe mit Hydraulikfluid versorgbar ist, aufweist, wobei die elektrische Maschine (110) gemäß einer Solldrehzahl (nsoii) oder einem Solldrehzahlverlauf angesteuert wird, und wobei die Solldrehzahl (nsoii) bzw. der Solldrehzahlverlauf unter Berücksichtigung einer Anforderung (1100) an eine Veränderung eines Volumenstroms (Q) des Hydraulikfluids in der Hydraulikanordnung (100, 200) und einer Anforderung an eine Energieeffizienz beim Betrieb der Hydraulikanordnung (100, 200) bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei beim Bestimmen der Solldrehzahl (nsoii) bzw. des Solldrehzahlverlaufs eine Gewichtung einer Optimierung der Veränderung des Volumenstroms des Hydraulikfluids in der Hydraulikanordnung (100, 200) und eine Gewichtung der Energieeffizienz beim Betrieb der Hydraulikanordnung (100, 200) in Abhängigkeit von einem aktuellen Betriebsmodus gewählt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Solldrehzahl (nsoii) bzw. der Solldrehzahlverlauf basierend auf einer Prädiktion und/oder einer heuristischen Methode bestimmt wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei, wenn die Anforderung (1100) an die Veränderung des Volumenstroms des Hydraulikfluids, bei Pumpenbetrieb der Hydraulikpumpe (120), eine Reduzierung des Volumenstroms des Hydraulikfluids umfasst, der Solldrehzahlverlauf derart bestimmt wird, dass eine Ziel-Solldrehzahl unter Minimierung einer Gesamtverlustenergie erreicht wird.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei, wenn die Anforderung (1100) an die Veränderung des Volumenstroms des Hydraulikfluids, bei motorischem Betrieb der Hydraulikpumpe (120), eine Erhöhung des Volumenstroms des Hydraulikfluids umfasst, der Solldrehzahlverlauf derart bestimmt wird, dass eine Ziel-Solldrehzahl unter Minimierung einer Gesamtverlustenergie erreicht wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei, wenn die Anforderung (1100) an die Veränderung des Volumenstroms des Hydraulikfluids eine Reduzierung des Volumenstroms des Hydraulikfluids mit anschließender Erhöhung des Volumenstroms des Hydraulikfluids, oder umgekehrt, umfasst, die Solldrehzahl bzw. der Solldrehzahlverlauf derart bestimmt wird, dass die Drehzahl erhöht wird.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Anforderung (1100) an die Veränderung des Volumenstroms des Hydraulikfluids in der Hydraulikanordnung (100, 200) basierend auf einer Eingabe mittels wenigstens eines Bedien- oder Eingabemittels (432) und/oder wenigstens einer Automatisierungsfunktion (434) bestimmt wird.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Anforderung an die Energieeffizienz beim Betrieb der Hydraulikanordnung berücksichtigt wird, indem Energieverluste (444) beim Betrieb der Hydraulikpumpe (120) und/oder der elektrischen Maschine (110) und/oder einer Energieversorgung (114) der elektrischen Maschine in Abhängigkeit von einem aktuellen Druck (p) des Hydraulikfluids bestimmt und insbesondere optimiert werden.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Solldrehzahl (nsoii) bzw. der Solldrehzahlverlauf weiterhin unter Berücksichtigung einer von der Hydraulikanordnung bereitstellbaren Veränderung des Volumenstroms des Hydraulikfluids in der Hydraulikanordnung (100, 200) bestimmt wird.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Solldrehzahl (nsoii) bzw. der Solldrehzahlverlauf derart bestimmt wird, dass eine Drehzahlreserve und/oder eine Fördervolumenreserve vorgehalten werden, insbesondere dann, wenn eine Anforderung an einen Volumenstrom des Hydraulikfluids unterhalb eines vorgegebenen Schwellwertes liegt.
11 . Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei geprüft wird, ob die Anforderung (1100) an die Veränderung des Volumenstroms (Q) des Hydraulikfluids in der Hydraulikanordnung (100, 200) umsetzbar ist, und wobei, falls diese nicht umsetzbar ist, eine Änderung der Drehzahl der elektrischen Maschine und/oder eine Änderung eines Fördervolumens der Hydraulikpumpe (120) begrenzt wird (1104, 1106).
12. Verfahren nach Anspruch 11 , wobei die Änderung der Drehzahl der elektrischen Maschine und/oder die Änderung des Fördervolumens der Hydraulikpumpe derart begrenzt werden, dass bei einer Umsetzung der Veränderung des Volumenstroms die Drehzahl der elektrischen Maschine und das Fördervolumen der Hydraulikpumpe gleichzeitig ihren jeweiligen Sollwert erreichen.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei bei einer Umsetzung der Veränderung des Volumenstroms die Drehzahl der elektrischen Maschine und das Fördervolumen der Hydraulikpumpe parallel zueinander geändert werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei, wenn eine Reserve für die Änderung des Volumenstroms vorgehalten wird, diese Reserve zur Umsetzung der Anforderung (1100) an die Veränderung des Volumenstroms aufgebraucht wird.
15. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Hydraulikanordnung (200) eine weitere, mittels der elektrischen Maschine (110) antreibbare Hydraulikpumpe (220) aufweist, wobei die zwei Hydraulikpumpen insbesondere getrennte Hydraulikkreise versorgen.
16. Verfahren nach Anspruch 15 und nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei eine Anforderung (1100) an die Veränderung des Volumenstroms für einen der zwei Hydraulikkreise begrenzt wird.
17. Recheneinheit (340), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
18. Arbeitsmaschine (300), insbesondere mobile Arbeitsmaschine, mit einer Hydraulikanordnung (200), die eine elektrische Maschine (110), eine mittels der elektrischen Maschine antreibbare Hydraulikpumpe (120) und wenigstens einen Hydraulikaktor (130, 132, 230, 260), der von der Hydraulikpumpe mit Hydraulikfluid versorgbar ist, aufweist, und mit einer Recheneinheit (340) nach Anspruch 17.
19. Computerprogramm, das eine Recheneinheit (340) veranlasst, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit (340) ausgeführt wird.
20. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 19.
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