WO2024170397A1 - Verfahren zum betreiben eines antriebsstrangs einer arbeitsmaschine, antriebsstrang für eine arbeitsmaschine und arbeitsmaschine - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines antriebsstrangs einer arbeitsmaschine, antriebsstrang für eine arbeitsmaschine und arbeitsmaschine Download PDF

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    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2200/00—Type of vehicles
    • B60L2200/40—Working vehicles

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a drive train of a work machine according to the preamble of claim 1, a drive train for a work machine according to the preamble of claim 8 and a corresponding work machine.
  • Electrically powered work machines such as wheel loaders, skid steer loaders, telescopic loaders, dumpers and excavators, are known in the prior art. These electrically powered work machines are either purely electrically powered, i.e. they have only an electric battery or an electric accumulator for their energy supply, or they are diesel-electrically powered, which means that the required energy is provided by a diesel-powered generator, usually in conjunction with an electrical buffer storage, such as an appropriately dimensioned capacitor. In all cases, the mechanical power required for the travel drive and the work drive is provided by one or more electric motors. Hybrid-electric work machines are also known, in which the mechanical power required for operation is primarily provided by an internal combustion engine, usually a diesel engine. An additional electric motor is fed by a battery or an accumulator and typically takes on a so-called
  • EP 0 962 597 A2 discloses a battery-powered work machine which has two electric motors for the travel drive and another electric motor for the work drive.
  • the two electric motors for the travel drive are integrated into the front axle, with each electric motor driving one wheel.
  • DE 10 2018210 911 A1 discloses a method for operating a drive train of a work machine, wherein the drive train comprises a brake, an electric traction motor and an electrical energy storage device.
  • a braking torque and an electrical power are generated in accordance with a braking request, wherein the electrical power is supplied to the energy storage device.
  • a capacity of the energy storage device to absorb electrical power is determined.
  • the braking torque generated by the traction motor is then limited so that the generated electrical power can be completely absorbed by the energy storage device.
  • a required differential braking torque is generated by means of a mechanical friction brake.
  • the known electrically powered work machines have the disadvantage that the intervention of a mechanical friction brake to reduce the recuperation power to a power that can be absorbed by the battery can typically only be controlled with a high level of control effort or very imprecisely, so that for safety reasons the mechanical friction brake is actuated more strongly than necessary. This reduces the efficiency of the recuperation and increases the wear of the friction brake.
  • the invention relates to a method for operating a drive train of a work machine, wherein the drive train comprises a travel drive with an electric travel motor, a work drive with a hydraulic pump and an electric work motor and an electrical energy storage device, wherein the travel motor is supplied with electrical power from the energy storage device in accordance with a travel request for operating the travel motor, wherein the work motor is supplied with electrical power from the energy storage device in accordance with a work request for operating the work motor, wherein the hydraulic pump has a constant displacement volume, wherein a braking torque and electrical power are generated by the travel motor in a recuperation mode in accordance with a braking request, wherein a capacity of the energy storage device to absorb electrical power is determined and wherein recuperated electrical power is supplied to the energy storage device in accordance with its capacity.
  • the invention therefore describes a method relating to the operation of a drive train of a working machine, wherein the drive train comprises an electrical energy storage device, a travel drive and a working drive.
  • the travel drive in turn has an electric travel motor and the working drive has an electric working motor.
  • the drive train is thus designed as an electric drive train.
  • the traction motor advantageously drives the drivable wheels of the drive machine via a gearbox, for example.
  • the working engine drives a hydraulic pump to provide hydraulic pressure for working equipment or attachments of the working machine, for example for the lifting frame of a bucket of a wheel loader.
  • the working drive is therefore an electro-hydraulic drive.
  • the drive motor and the working motor can preferably be driven independently of each other.
  • the drive motor is supplied with the electrical power required to operate it by the energy storage device in accordance with a drive request.
  • a drive request is generally understood to be a control input for the drive motor, for example a desired increase in driving speed.
  • Such a control input means that the drive motor must provide the mechanical power required to implement the control input. For this reason, a control input is linked to a corresponding drive request in almost all situations. It is irrelevant whether the drive request is made by an input from an operator of the work machine, e.g. by pressing an accelerator pedal, or by an automated control intervention by an assistance system of the work machine.
  • the working motor is also supplied with the electrical power required for its operation by the energy storage device in accordance with a work requirement relating to the drive motor.
  • the traction motor is also designed to recuperate kinetic energy when the working machine is braking, i.e. the working machine can be braked by putting the traction motor into recuperation mode.
  • the recuperation mode produces electrical power, the level of which depends on the braking power and thus on the braking requirement.
  • a braking request can be generated, for example, by an operator of the working machine, for example by pressing a brake pedal, or by an automated control intervention by an assistance system of the working machine. Like the driving request, the braking request represents a control input.
  • the power recuperated in this way can then be fed into the energy storage unit. This represents a charging process for the energy storage unit.
  • the power can later be taken from the energy storage unit again in order to supply the traction motor or the working motor with electrical power.
  • the electrical energy storage device is preferably a rechargeable battery, for example a NiMH or Li-ion battery.
  • the absorption capacity of the energy storage device is determined continuously or regularly, for example every 200 ms, every 500 ms, every second or during each recuperation process.
  • the absorption capacity of the energy storage device depends on a number of variable factors, depending on the specific form of the energy storage device, and in order to avoid damage or even destruction of the energy storage device, it must at least be taken into account when supplying electrical power to ensure that neither too much electrical charge nor too high an electrical current is supplied to the energy storage device.
  • recuperation triggered by a braking request may result in electrical recuperation power that can no longer be supplied to the energy storage device without risking damage or destruction.
  • the pump is a hydraulic pump with a constant displacement volume, for example a bent-axis pump, inclined-disk pump or so-called floating cup pump.
  • the displacement volume determines the flow rate that the pump can deliver per stroke.
  • the amount of fluid delivered or the volume flow delivered therefore depends exclusively on the speed of the pump. It is therefore possible to provide the required hydraulic power of the working drive by adjusting the speed of the working motor.
  • a recuperated electrical power exceeding the absorption capacity is supplied to the working motor and is converted by the latter by means of the hydraulic pump into a hydraulic power exceeding the work requirement.
  • the absorption capacity of the energy storage device is determined according to a charge level of the energy storage device, a temperature of the energy storage device and a maximum absorbable current. Based on these criteria, the condition or absorption capacity of the energy storage device can be reliably assessed, so In particular, overcharging with too high an electrical charge and overloading with too high an electrical current can be avoided.
  • the recuperated electrical power exceeding the absorption capacity is additionally fed to an electric fan motor of a cooling device of the working drive.
  • the working drive is designed as a hydraulic working drive and as such comprises a cooling device that is usually present, which cools the hydraulic working fluid via a heat exchanger that is actively cooled by a fan.
  • the fan has an electric fan motor, the speed of which can be controlled according to an excess of recuperated power in the sense that the fan speed is increased. This also increases the power consumption of the fan motor accordingly.
  • the recuperated electrical power exceeding the absorption capacity is additionally supplied to other electrical consumers present in the work machine.
  • This can be, for example, an electrical heater for the driver's cab, an electrical air conditioning system for the driver's cab or headlights.
  • the method is carried out depending on a selectable operating mode of the drive train.
  • the working machine or the drive train has several operating modes that can be selected by an operator of the working machine, of which at least one selectable operating mode is the The drive train or the working machine is placed in an operating mode in which it carries out the method according to the invention.
  • the operator can therefore, for example, specify the operating mode "reversing operation” or “slope descent", which then lead to the execution of the method according to the invention.
  • the operating mode is detected automatically.
  • suitable sensors such as wheel speed sensors or environmental sensors can be used to detect whether, for example, reversing operation is taking place.
  • the operating mode is a reversing operation of the work machine.
  • reversing operation which is typical for example when operating wheel loaders
  • the boom rail constantly changes direction so that acceleration processes and deceleration processes follow one another in quick succession. Accordingly, in reversing operation, high levels of power are constantly recuperated, which can no longer be absorbed by the energy storage device if, for example, the temperature of the energy storage device is high or the recuperated current is too high.
  • the invention further relates to a drive train for a work machine, wherein the drive train comprises a travel drive with an electric travel motor, a work drive with a hydraulic pump and an electric work motor and an electric energy storage device, wherein the travel motor can be supplied with an electric power from the energy storage device in accordance with a travel request for operating the travel motor, wherein the work motor can be supplied with an electric power from the energy storage device in accordance with a work request for operating the work motor, wherein the hydraulic pump has an adjustable displacement volume, wherein a braking torque and an electric power can be generated by the travel motor in a recuperation mode in accordance with a braking request, wherein the drive train is designed to determine a capacity of the energy storage device to absorb electric power and to supply recuperated electrical power to the energy storage device in accordance with its absorption capacity.
  • the drive train according to the invention is characterized in that the drive train is further designed to supply a recuperated electrical power exceeding the absorption capacity to the working motor and to be converted by the latter by means of the hydraulic pump into a hydraulic power exceeding the work requirement.
  • the drive train according to the invention thus enables the implementation of the method according to the invention, which leads to the advantages already described in connection with the method according to the invention.
  • the invention further relates to a work machine comprising a drive train according to the invention.
  • the work machine is designed as a wheel loader, dumper, excavator, telehandler, municipal vehicle, garbage vehicle, mining vehicle, skid steer loader, aircraft tractor or tractor.
  • Fig. 1 shows, by way of example and schematically, a possible embodiment of a drive train according to the invention for a work machine.
  • FIG. 1 shows, by way of example and schematically, a possible embodiment of a drive train 100 according to the invention for a work machine 102.
  • the drive train 100 comprises a travel drive 110 with an electric travel motor 112, a work drive 120 with a hydraulic pump 124 and an electric work motor 122, and an electrical energy storage device 130.
  • the working motor 122 When the working motor 122 is in operation, the working motor 122 is supplied with electrical power by the energy storage device 130 in accordance with a work requirement.
  • the hydraulic pump 124 of the working drive 120 has a constant displacement.
  • the working drive 120 is accordingly designed as an electrohydraulic working drive 120.
  • the working drive 120 further comprises, for example, a lifting frame 126, a bucket 128 and two hydraulic cylinders 130.
  • the traction motor 112 is supplied with electrical power by the energy storage device 130 in accordance with a driving request in order to operate the traction motor 112.
  • the traction motor 112 can also be operated in a recuperation mode in order to brake the work machine 102. In this case, the traction motor 112 generates a braking torque and electrical power in accordance with a braking request.
  • the drive 110 further comprises, for example, a reduction gear 114, a cardan shaft 116 and two differentials 118.
  • a control unit 142 continuously determines the capacity of the energy storage device 140 to absorb electrical power.
  • the control unit 142 can also supply recuperated electrical power to the energy storage device 140 in accordance with the capacity of the energy storage device 140.
  • the control unit 142 detects that the electrical power recuperated by the traction motor 112 exceeds the capacity of the energy storage device 140, the speed of the working motor 122 is increased, which drives the hydraulic Pump 124 drives.
  • the speed of the working motor 122 By increasing the speed of the working motor 122, the power consumption of the working motor 122 increases, so that the working motor 122 converts the recuperated power, which exceeds the absorption capacity of the energy storage device 140, into a correspondingly higher hydraulic power by means of the pump 124.
  • the hydraulic power generated can also be controlled via analog valves in the hydraulic system, in that the analog valves increase or reduce the flow resistance in the hydraulic system by reducing or increasing the cross-section. The greater the flow resistance, the higher the torque required by the working motor 122, so that the current consumption and thus the power requirement of the working motor 122 increases accordingly.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs (100) einer Arbeitsmaschine (102), wobei der Antriebsstrang (100) einen Fahrantrieb (110) mit einem elektrischen Fahrmotor (112), einen Arbeitsantrieb (120) mit einer hydraulischen Pumpe (124) und einem elektrischen Arbeitsmotor (122) sowie einen elektrischen Energiespeicher (140) umfasst, wobei der Fahrmotor (112) vom Energiespeicher (140) mit einer elektrischen Leistung versorgt wird, wobei der Arbeitsmotor (122) vom Energiespeicher (140) mit einer elektrischen Leistung versorgt wird, wobei die hydraulische Pumpe (124) ein konstantes Hubvolumen aufweist, wobei vom Fahrmotor (112) in einem Rekuperationsbetrieb ein Bremsmoment und eine elektrische Leistung nach Maßgabe einer Bremsanforderung erzeugt werden, wobei eine Aufnahmefähigkeit des Energiespeichers (130) zur Aufnahme von elektrischer Leistung bestimmt wird und wobei dem Energiespeicher (140) rekuperierte elektrische Leistung nach Maßgabe seiner Aufnahmefähigkeit zugeführt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine über die Aufnahmefähigkeit hinausgehende rekuperierte elektrische Leistung dem Arbeitsmotor (122) zugeführt wird und von diesem mittels der hydraulischen Pumpe (124) in eine über die Arbeitsanforderung hinausgehende hydraulische Leistung umgewandelt wird.

Description

Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs einer Arbeitsmaschine, Antriebsstrang für eine Arbeitsmaschine und Arbeitsmaschine
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs einer Arbeitsmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 , einen Antriebsstrang für eine Arbeitsmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 8 sowie eine entsprechende Arbeitsmaschine.
Im Stand der Technik sind elektrisch angetriebene Arbeitsmaschinen, wie etwa Radlader, Kompaktlader, Teleskoplader, Dumper und Bagger, bekannt. Diese elektrisch angetriebenen Arbeitsmaschinen sind entweder rein elektrisch angetrieben, d.h. sie verfügen für ihre Energieversorgung ausschließlich über eine elektrische Batterie bzw. einen elektrischen Akkumulator, oder aber sie sind diesel-elektrisch angetrieben, was bedeutet, dass die benötigte Energie von einem dieselgetriebenen Generator, üblicherweise in Verbindung mit einem elektrischen Pufferspeicher, wie z.B. einem entsprechend dimensionierten Kondensator, bereitgestellt wird. In allen Fällen wird die für den Fahrantrieb und den Arbeitsantrieb benötigte mechanische Leistung von einem oder mehreren Elektromotoren erbracht. Weiterhin sind auch hybrid-elektrische Arbeitsmaschinen bekannt, bei denen die zum Betrieb benötigte mechanische Leistung in erster Linie von einem Verbrennungsmotor, üblicherweise einem Dieselmotor, erbracht wird. Ein zusätzlich vorgesehener Elektromotor wird von einer Batterie bzw. einem Akkumulator gespeist und übernimmt hier typischerweise eine sog.
Boost-Funktion.
Darüber hinaus ist es im Stand der Technik bekannt, die zum Antrieb der Arbeitsmaschinen verwendeten Elektromotoren im Rahmen eines Bremsvorgangs zum Reku- perieren von elektrischer Energie zu verwenden. Bei einem Rekuperationsvorgang wird mechanische Energie, nämlich kinetische Energie, in elektrische Energie umgewandelt, indem der Elektromotor im Generatorbetrieb betrieben wird. Die solcherart zurückgewonnene elektrische Energie kann dann der Batterie zugeführt werden, um diese zu laden. Bei Bedarf kann die elektrische Energie der Batterie wieder entnommen werden, um den Elektromotor anzutreiben. In diesem Zusammenhang beschreibt die DE 20 2014 000 738 U1 einen rein elektromotorisch angetriebener Radlader, der einen ersten Elektromotor für einen Fahrantrieb und einen zweiten Elektromotor für einen Arbeitsantrieb aufweist.
Aus der EP 0 962 597 A2 ist eine batteriebetriebene Arbeitsmaschine bekannt, welche für den Fahrantrieb zwei Elektromotoren aufweist und einen weiteren Elektromotor für den Arbeitsantrieb aufweist. Die zwei Elektromotoren für den Fahrantrieb sind in die Vorderachse integriert, wobei jeder Elektromotor ein Rad antreibt.
Die DE 10 2018210 911 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs einer Arbeitsmaschine, wobei der Antriebsstrang eine Bremse, einen elektrischen Fahrmotor und einen elektrischen Energiespeicher umfasst. In einem Rekupe- rationsbetrieb des Fahrmotors werden ein Bremsmoment und eine elektrische Leistung nach Maßgabe einer Bremsanforderung erzeugt, wobei die elektrische Leistung dem Energiespeicher zugeführt wird. Weiterhin wird eine Aufnahmefähigkeit des Energiespeichers zur Aufnahme von elektrischer Leistung bestimmt. Das vom Fahrmotor erzeugte Bremsmoment wird dann so begrenzt, dass die erzeugte elektrische Leistung vollständig vom Energiespeicher aufgenommen werden kann. Ein erforderliches Differenz-Bremsmoment wird mittels einer mechanischen Reibungsbremse erzeugt.
Die bekannten elektrisch angetriebenen Arbeitsmaschinen sind jedoch dahingehend nachteilbehaftet, als dass ein Eingreifen einer mechanischen Reibungsbremse zur Reduzierung der Rekuperationsleistung auf eine von der Batterie aufnehmbare Leistung typischerweise nur mit hohem Regelungsaufwand bzw. sehr unpräzise regelbar ist, so dass aus Sicherheitsgründen die mechanische Reibungsbremse stärker betätigt wird, als erforderlich. Dies verringert die Effizienz der Rekuperation und erhöht den Verschleiß der Reibungsbremse.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs einer Arbeitsmaschine vorzuschlagen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs einer Arbeitsmaschine gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs einer Arbeitsmaschine, wobei der Antriebsstrang einen Fahrantrieb mit einem elektrischen Fahrmotor, einen Arbeitsantrieb mit einer hydraulischen Pumpe und einem elektrischen Arbeitsmotor sowie einen elektrischen Energiespeicher umfasst, wobei der Fahrmotor zum Betrieb des Fahrmotors vom Energiespeicher nach Maßgabe einer Fahranforderung mit einer elektrischen Leistung versorgt wird, wobei der Arbeitsmotor zum Betrieb des Arbeitsmotors vom Energiespeicher nach Maßgabe einer Arbeitsanforderung mit einer elektrischen Leistung versorgt wird, wobei die hydraulische Pumpe ein konstantes Hubvolumen aufweist, wobei vom Fahrmotor in einem Rekuperationsbetrieb ein Bremsmoment und eine elektrische Leistung nach Maßgabe einer Bremsanforderung erzeugt werden, wobei eine Aufnahmefähigkeit des Energiespeichers zur Aufnahme von elektrischer Leistung bestimmt wird und wobei dem Energiespeicher rekuperierte elektrische Leistung nach Maßgabe seiner Aufnahmefähigkeit zugeführt wird.
Die Erfindung beschreibt also ein Verfahren, welches das Betreiben eines Antriebsstrangs einer Arbeitsmaschine betrifft, wobei der Antriebsstrang einen elektrischen Energiespeicher, einen Fahrantrieb und einen Arbeitsantrieb umfasst. Der Fahrantrieb weist seinerseits einen elektrischen Fahrmotor auf und der Arbeitsantrieb weist einen elektrischen Arbeitsmotor auf. Der Antriebsstrang ist somit als elektrischer Antriebsstrang ausgebildet.
Der Fahrmotor treibt vorteilhaft beispielsweise über ein Getriebe die antreibbaren Räder der Antriebsmaschine an.
Der Arbeitsmotor treibt eine hydraulische Pumpe an, um einen hydraulischen Druck für Arbeitsgeräte oder Anbaugeräte der Arbeitsmaschine bereitzustellen, beispielsweise für das Hubgerüst einer Schaufel einer als Radlader ausgebildeten Arbeitsmaschine. Es handelt sich bei Arbeitsantrieb also um einen elektrohydraulischen Antrieb.
Der Fahrmotor und der Arbeitsmotor sind bevorzugt unabhängig voneinander antreibbar.
Denkbar und bevorzugt ist auch nicht nur das Bereitstellen eines einzelnen Fahrmotors bzw. eines einzelnen Arbeitsmotors, sondern auch mehrerer Fahrmotoren bzw. Arbeitsmotoren, die z.B. über ein Summiergetriebe miteinander gekoppelt sein können oder über jeweils einzelne Triebanbindungen trieblich lösbar mit einem Fahrantrieb bzw. mit einem Arbeitsantrieb verbunden sein können.
Der Fahrmotor wird dabei nach Maßgabe einer Fahranforderung vom Energiespeicher mit der zu seinem Betrieb notwendigen elektrischen Leistung versorgt. Unter einer Fahranforderung wird dabei allgemein eine Steuereingabe für den Fahrmotor verstanden, beispielsweise eine gewünschte Erhöhung der Fahrgeschwindigkeit. Eine derartige Steuereingabe hat zur Folge, dass der Fahrmotor die zur Umsetzung der Steuereingabe erforderliche mechanische Leistung bereitstellen muss. Aus diesem Grund ist eine Steuereingabe in nahezu allen Situationen mit einer entsprechenden Fahranforderung verknüpft. Es ist dabei unerheblich, ob die Fahranforderung durch eine Eingabe eines Bedieners der Arbeitsmaschine erfolgt, z.B. durch Betätigung eines Fahrpedals, oder durch einen automatisierten Steuereingriff eines Assistenzsystems der Arbeitsmaschine.
In analoger Art und Weise wird auch der Arbeitsmotor nach Maßgabe einer den Antriebsmotor betreffenden Arbeitsanforderung vom Energiespeicher mit der zu seinem Betrieb notwendigen elektrischen Leistung versorgt.
Der Fahrmotor ist dabei weiterhin zum Rekuperieren von kinetischer Energie im Bremsbetrieb der Arbeitsmaschine ausgebildet, d.h. , dass die Arbeitsmaschine gebremst werden kann, indem der Fahrmotor in den Rekuperationsbetrieb versetzt wird. Durch den Rekuperationsbetrieb entsteht eine elektrische Leistung, deren Höhe abhängig ist von einer Bremsleistung und damit von einer Bremsanforderung. Die Bremsanforderung kann beispielsweise durch einen Bediener der Arbeitsmaschine, etwa durch Betätigung eines Bremspedals, oder durch einen automatisierten Steuereingriff eines Assistenzsystems der Arbeitsmaschine erzeugt werden. Wie auch schon die Fahranforderung stellt die Bremsanforderung eine Steuereingabe dar.
Die solcherart rekuperierte Leistung kann dann dem Energiespeicher zugeführt werden. Dies stellt einen Ladevorgang des Energiespeichers dar. Später kann die Leistung dem Energiespeicher wieder entnommen werden, um den Fahrmotor bzw. den Arbeitsmotor mit elektrischer Leistung zu versorgen.
Bei dem elektrischen Energiespeicher handelt es sich bevorzugt um eine wiederaufladbare Batterie, beispielsweise um eine NiMH- oder Li-Ionen-Batterie.
Die Aufnahmefähigkeit des Energiespeichers wird kontinuierlich oder regelmäßig, beispielsweise alle 200 ms, alle 500 ms, jede Sekunde oder bei jedem Rekuperati- onsvorgang bestimmt. Die Aufnahmefähigkeit des Energiespeichers hängt nämlich - je nach konkreter Ausbildungsform des Energiespeichers - von einer Reihe von veränderlichen Faktoren ab, und muss, um eine Beschädigung oder gar Zerstörung des Energiespeichers zu vermeiden, bei der Zuführung von elektrischer Leistung zumindest dahingehend berücksichtigt werden, dass dem Energiespeicher weder zuviel elektrische Ladung noch eine zu große elektrische Stromstärke zugeführt wird.
Somit kann es in bestimmten Situationen passieren, dass eine durch eine Bremsanforderung ausgelöste Rekuperation zu einer elektrischen Rekuperationsleistung führt, die dem Energiespeicher nicht mehr zugeführt werden kann, ohne seine Beschädigung oder Zerstörung zu riskieren.
Bei der Pumpe handelt es sich um eine hydraulische Pumpe mit einem konstanten Hubvolumen, beispielsweise eine Schräg-Achsen-Pumpe, Schräg-Scheiben-Pumpe oder sog. Floating Cup-Pumpe. Das Hubvolumen bestimmt dabei die Fördermenge, welche die Pumpe je Hub fördern kann. Die geförderte Fluidmenge bzw. der geförderte Volumenstrom hängt somit ausschließlich von der Drehzahl der Pumpe ab. Somit ist es also möglich, über eine Anpassung der Drehzahl des Arbeitsmotors eine jeweils geforderte hydraulische Leistung des Arbeitsantriebs bereitzustellen.
Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, dass eine über die Aufnahmefähigkeit hinausgehende rekuperierte elektrische Leistung dem Arbeitsmotor zugeführt wird und von diesem mittels der hydraulischen Pumpe in eine über die Arbeitsanforderung hinausgehende hydraulische Leistung umgewandelt wird.
Daraus ergibt sich gegenüber dem Stand der Technik der Vorteil, dass auf einen vergleichsweise teuren, weil großen und ggf. sogar aktiv gekühlten, Bremswiderstand verzichtet werden kann. Stattdessen wird die beim Bremsen rekuperierte Leistung - soweit sie nicht dem Energiespeicher zugeführt und von diesem aufgenommen werden kann - dem Arbeitsmotor zugeführt, der daraufhin seine Drehzahl und ggf. auch das Drehmoment erhöht, so dass auch die hydraulische Pumpe eine entsprechend höhere hydraulische Leistung erzeugt. Aufgrund des Strömungswiderstands im hydraulischen System des Arbeitsantriebs wird die hydraulische Leistung dabei in Wärme umgewandelt und an die Umgebung abgegeben. Vorteilhaft kann der Strömungswiderstand - damit die erzeugte hydraulische Leistung - über Analogventile im hydraulischen System zudem jeweils bedarfsweise eingestellt werden.
Somit wird also stets soviel Energie wie möglich dem Energiespeicher zugeführt, um diese Energie später wieder zum Betrieb des Fahrmotors bzw. des Arbeitsmotors zu verwenden. Dies reduziert den Bedarf an Zufuhr von externer Energie so weit wie möglich, wodurch der erfindungsgemäße Antriebsstrang sehr effizient betrieben werden kann. Lediglich wenn eine Beschädigung oder gar Zerstörung des Energiespeichers droht, wird die beim Rekuperieren erzeugte Energie dem Arbeitsantrieb zugeführt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Aufnahmefähigkeit des Energiespeichers nach Maßgabe eines Ladezustands des Energiespeichers, einer Temperatur des Energiespeichers und einer maximal aufnehmbaren Stromstärke ermittelt wird. Anhand dieser Kriterien kann der Zustand bzw. die Aufnahmefähigkeit des Energiespeichers zuverlässig beurteilt werden, so dass insbesondere ein Überladen mit einer zu hohen elektrischen Ladung sowie eine Überlastung mit einer zu hohen elektrischen Stromstärke vermieden werden können.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die über die Aufnahmefähigkeit hinausgehende rekuperierte elektrische Leistung zusätzlich einem elektrischen Lüftermotor einer Kühlvorrichtung des Arbeitsantriebs zugeführt wird. Der Arbeitsantrieb ist als hydraulischer Arbeitsantrieb ausgeführt und umfasst als solcher eine üblicherweise vorhandene Kühlvorrichtung, welche das hydraulische Arbeitsfluid über einen mittels eines Lüfters aktiv gekühlten Wärmetauscher kühlt. Der Lüfter weist einen elektrischen Lüftermotor auf, dessen Drehzahl nach Maßgabe einer überschüssigen rekuperierten Leistung angesteuert werden kann in dem Sinne, dass die Lüfterdrehzahl erhöht wird. Dadurch erhöht sich entsprechend auch die Leistungsaufnahme der Lüftermotors. Indem die über die Aufnahmefähigkeit hinausgehende rekuperierte elektrische Leistung zusätzlich dem elektrischen Lüftermotor zugeführt wird, ergibt sich der Vorteil, dass auch sehr kurzfristig auftretende Leistungsspitzen bei der Rekuperation aufgenommen werden können, da der Lüftermotor sehr schnell in seiner Drehzahl angepasst werden kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die über die Aufnahmefähigkeit hinausgehende rekuperierte elektrische Leistung zusätzlich weiteren in der Arbeitsmaschine vorhandenen elektrischen Verbrauchern zugeführt wird. Dabei kann es sich beispielsweise um eine elektrische Heizung für die Fahrerkabine, eine elektrische Klimaanlage für die Fahrerkabine oder um Scheinwerfer handeln. Ebenso denkbar ist es, die über die Aufnahmefähigkeit hinausgehende rekuperierte elektrische Leistung zusätzlich einer Temperaturkonditionierung des elektrischen Speichers zuzuführen, beispielsweise um diesen kurzfristig geringfügig zu kühlen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Verfahren in Abhängigkeit eines wählbaren Betriebsmodus des Antriebsstrangs ausgeführt wird. Das heißt also, dass die Arbeitsmaschine bzw. der Antriebsstrang über mehrere durch einen Bediener der Arbeitsmaschine wählbare Betriebsmodi verfügt, wovon zumindest ein wählbarer Betriebsmodus den Antriebsstrang bzw. die Arbeitsmaschine in einen Betriebsmodus versetzt, in welchem sie das erfindungsgemäße Verfahren ausführt. Der Bediener kann also beispielsweise den Betriebsmodus „Reversierbetrieb“ oder „Hangabfahrt“ vorgeben, welche dann zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens führen.
Gemäß einer alternativ bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Betriebsmodus automatisiert erkannt wird. Beispielsweise kann über geeignete Sensorik wie Raddrehzahlsensoren bzw. Umfeldsensorik erkannt werden, ob beispielsweise eine Reversierbetrieb vorliegt.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Betriebsmodus ein Reversierbetrieb der Arbeitsmaschine ist. Im Reversierbetrieb, der beispielsweise typisch ist beim Betrieb von Radladern, ändert die Baumschiene ständig ihre Richtung, so dass mit kurzem Abstand wechselweise Beschleunigungsvorgänge und Verzögerungsvorgänge aufeinander folgen. Dementsprechend wird im Reversierbetrieb ständig mit hohen Leistungen rekuperiert, die beispielsweise bei einer hohen Temperatur des Energiespeichers oder einer zu hohen rekuperierten Stromstärke nicht mehr vom Energiespeicher aufgenommen werden können.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Antriebsstrang für eine Arbeitsmaschine, wobei der Antriebsstrang einen Fahrantrieb mit einem elektrischen Fahrmotor, einen Arbeitsantrieb mit einer hydraulischen Pumpe und einem elektrischen Arbeitsmotor sowie einen elektrischen Energiespeicher umfasst, wobei der Fahrmotor zum Betrieb des Fahrmotors vom Energiespeicher nach Maßgabe einer Fahranforderung mit einer elektrischen Leistung versorgbar ist, wobei der Arbeitsmotor zum Betrieb des Arbeitsmotors vom Energiespeicher nach Maßgabe einer Arbeitsanforderung mit einer elektrischen Leistung versorgbar ist, wobei die hydraulische Pumpe ein verstellbares Hubvolumen aufweist, wobei vom Fahrmotor in einem Rekuperationsbetrieb ein Bremsmoment und eine elektrische Leistung nach Maßgabe einer Bremsanforderung erzeugbar sind, wobei der Antriebsstrang dazu ausgebildet ist, eine Aufnahmefähigkeit des Energiespeichers zur Aufnahme von elektrischer Leistung zu bestimmen und dem Energiespeicher rekuperierte elektrische Leistung nach Maßgabe seiner Aufnahmefähigkeit zuzuführen.
Der erfindungsgemäße Antriebsstrang zeichnet sich dadurch aus, dass der Antriebsstrang weiterhin dazu ausgebildet ist, eine über die Aufnahmefähigkeit hinausgehende rekuperierte elektrische Leistung dem Arbeitsmotor zuzuführen und von diesem mittels der hydraulischen Pumpe in eine über die Arbeitsanforderung hinausgehende hydraulische Leistung umgewandelt zu werden.
Der erfindungsgemäße Antriebsstrang ermöglicht somit die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, was zu den bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteilen führt.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Arbeitsmaschine, umfassend einen erfindungsgemäßen Antriebsstrang.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass die Arbeitsmaschine als Radlader, Dumper, Bagger, Teleskoplader, Kommunalfahrzeug, Müllfahrzeug, Minenfahrzeug, Kompaktlader, Flugzeugschlepper oder Traktor ausgebildet ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 beispielhaft und schematisch eine mögliche Ausbildungsform eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs für eine Arbeitsmaschine.
Gleiche Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbare Komponenten sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Diese Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbaren Komponenten sind hinsichtlich ihrer technischen Merkmale identisch ausgeführt, sofern sich aus der Beschreibung nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt. Fig. 1 zeigt beispielhaft und schematisch eine mögliche Ausbildungsform eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs 100 für eine Arbeitsmaschine 102. Der Antriebsstrang 100 umfasst einen Fahrantrieb 110 mit einem elektrischen Fahrmotor 112, einen Arbeitsantrieb 120 mit einer hydraulischen Pumpe 124 und einem elektrischen Arbeitsmotor 122 sowie einen elektrischen Energiespeicher 130.
Im Betrieb des Arbeitsmotors 122 wird der Arbeitsmotor 122 vom Energiespeicher 130 nach Maßgabe einer Arbeitsanforderung mit einer elektrischen Leistung versorgt. Die hydraulische Pumpe 124 des Arbeitsantriebs 120 weist ein konstantes Hubvolumen auf. Der Arbeitsantrieb 120 ist dementsprechend als elektrohydraulischer Arbeitsantrieb 120 ausgebildet.
Der Arbeitsantrieb 120 umfasst beispielsgemäß weiterhin ein Hubgerüst 126, eine Schaufel 128 sowie zwei Hydraulikzylinder 130.
In analoger Weise wird der Fahrmotor 112 zum Betrieb des Fahrmotors 112 vom Energiespeicher 130 nach Maßgabe einer Fahranforderung mit einer elektrischen Leistung versorgt. Umgekehrt kann der Fahrmotor 112 auch in einem Rekuperations- betrieb zum Bremsen der Arbeitsmaschine 102 betrieben werden. In diesem Fall erzeugt der Fahrmotor 112 ein Bremsmoment und eine elektrische Leistung nach Maßgabe einer Bremsanforderung.
Der Fahrantrieb 110 umfasst beispielsgemäß weiterhin ein Untersetzungsgetriebe 114, eine Kardanwelle 116 sowie zwei Differentiale 118.
Mittels einer Steuereinheit 142 wird kontinuierlich eine Aufnahmefähigkeit des Energiespeichers 140 zur Aufnahme von elektrischer Leistung bestimmt. Die Steuereinheit 142 kann dem Energiespeicher 140 auch rekuperierte elektrische Leistung nach Maßgabe der Aufnahmefähigkeit des Energiespeichers 140 zuführen.
Wenn die Steuereinheit 142 erkennt, dass die vom Fahrmotor 112 rekuperierte elektrische Leistung über die Aufnahmefähigkeit des Energiespeichers 140 hinausgeht, so erfolgt eine Drehzahlerhöhung des Arbeitsmotors 122, welcher die hydraulische Pumpe 124 antreibt. Durch die Drehzahlerhöhung des Arbeitsmotors 122 erhöht sich die Leistungsaufnahme des Arbeitsmotors 122, so dass der Arbeitsmotor 122 die re- kuperierte und über die Aufnahmefähigkeit des Energiespeichers 140 hinausgehende Leistung mittels der Pumpe 124 in eine entsprechend höhere hydraulische Leistung umsetzt. Die erzeugte hydraulische Leistung kann dabei auch über Analogventile im hydraulischen System gesteuert werden, indem die Analogventile über eine Querschnittsverringerung bzw. Querschnittsvergrößerung den Strömungswiderstand im hydraulischen System erhöhen bzw. reduzieren. Je größer der Strömungswiderstand ist, desto wird das vom Arbeitsmotor 122 erforderliche Drehmoment, so dass die Stromaufnahme und damit der Leistungsbedarf des Arbeitsmotors 122 entsprechend steigen.
Bezuqszeichen
Antriebsstrang
Arbeitsmaschine
Fahrantrieb
Fahrmotor
Untersetzungsgetriebe
Kardanwelle
Differential
Arbeitsantrieb
Arbeitsmotor hydraulische Pumpe
Hubgerüst
Schaufel
Hydraulikzylinder
Energiespeicher
Steuereinheit

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs (100) einer Arbeitsmaschine (102), wobei der Antriebsstrang (100) einen Fahrantrieb (110) mit einem elektrischen Fahrmotor (112), einen Arbeitsantrieb (120) mit einer hydraulischen Pumpe (124) und einem elektrischen Arbeitsmotor (122) sowie einen elektrischen Energiespeicher (140) umfasst, wobei der Fahrmotor (112) zum Betrieb des Fahrmotors (112) vom Energiespeicher (140) nach Maßgabe einer Fahranforderung mit einer elektrischen Leistung versorgt wird, wobei der Arbeitsmotor (122) zum Betrieb des Arbeitsmotors (122) vom Energiespeicher (140) nach Maßgabe einer Arbeitsanforderung mit einer elektrischen Leistung versorgt wird, wobei die hydraulische Pumpe (124) ein konstantes Hubvolumen aufweist, wobei vom Fahrmotor (112) in einem Rekuperationsbetrieb ein Bremsmoment und eine elektrische Leistung nach Maßgabe einer Bremsanforderung erzeugt werden, wobei eine Aufnahmefähigkeit des Energiespeichers (130) zur Aufnahme von elektrischer Leistung bestimmt wird und wobei dem Energiespeicher (140) rekuperierte elektrische Leistung nach Maßgabe seiner Aufnahmefähigkeit zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine über die Aufnahmefähigkeit hinausgehende rekuperierte elektrische Leistung dem Arbeitsmotor (122) zugeführt wird und von diesem mittels der hydraulischen Pumpe (124) in eine über die Arbeitsanforderung hinausgehende hydraulische Leistung umgewandelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmefähigkeit des Energiespeichers (140) nach Maßgabe eines Ladezustands des Energiespeichers (140), einer Temperatur des Energiespeichers (140) und einer maximal aufnehmbaren Stromstärke ermittelt wird.
3. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die über die Aufnahmefähigkeit hinausgehende rekuperierte elektrische Leistung zusätzlich einem elektrischen Lüftermotor einer Kühlvorrichtung des Arbeitsantriebs (120) zugeführt wird.
4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die über die Aufnahmefähigkeit hinausgehende reku- perierte elektrische Leistung zusätzlich weiteren in der Arbeitsmaschine (102) vorhandenen elektrischen Verbrauchern zugeführt wird.
5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in Abhängigkeit eines wählbaren Betriebsmodus des Antriebsstrangs (100) ausgeführt wird.
6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsmodus automatisiert erkannt wird.
7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsmodus ein Reversierbetrieb der Arbeitsmaschine ist.
8. Antriebsstrang (100) für eine Arbeitsmaschine (102), wobei der Antriebsstrang (100) einen Fahrantrieb (110) mit einem elektrischen Fahrmotor (1 12), einen Arbeitsantrieb (120) mit einer hydraulischen Pumpe (124) und einem elektrischen Arbeitsmotor (122) sowie einen elektrischen Energiespeicher (140) umfasst, wobei der Fahrmotor (112) zum Betrieb des Fahrmotors (112) vom Energiespeicher (140) nach Maßgabe einer Fahranforderung mit einer elektrischen Leistung versorgbar ist, wobei der Arbeitsmotor (122) zum Betrieb des Arbeitsmotors (122) vom Energiespeicher (140) nach Maßgabe einer Arbeitsanforderung mit einer elektrischen Leistung versorgbar ist, wobei die hydraulische Pumpe (124) ein konstantes Hubvolumen aufweist, wobei vom Fahrmotor (1 12) in einem Rekuperationsbetrieb ein Bremsmoment und eine elektrische Leistung nach Maßgabe einer Bremsanforderung erzeugbar sind, wobei der Antriebsstrang (100) dazu ausgebildet ist, eine Aufnahmefähigkeit des Energiespeichers (140) zur Aufnahme von elektrischer Leistung zu bestimmen und dem Energiespeicher (140) rekuperierte elektrische Leistung nach Maßgabe seiner Aufnahmefähigkeit zuzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrang (100) weiterhin dazu ausgebildet ist, eine über die Aufnahmefähigkeit hinausgehende rekuperierte elektrische Leistung dem Arbeitsmotor (112) zuzuführen und von diesem mittels der hydraulischen Pumpe (124) in eine über die Arbeitsanforderung hinausgehende hydraulische Leistung umgewandelt zu werden.
9. Antriebsstrang (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrang (100) dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.
10. Arbeitsmaschine (102), umfassend einen Antriebsstrang (100) nach mindestens einem der Ansprüche 8 und 9.
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