DE102020201497A1

DE102020201497A1 - Verfahren zum Betreiben eines elektrifizierten Antriebsstrangs für eine Arbeitsmaschine, elektrifizierter Antriebsstrang für eine Arbeitsmaschine und Arbeitsmaschine

Info

Publication number: DE102020201497A1
Application number: DE102020201497.3A
Authority: DE
Inventors: Rico Glöckner; Migen Bebeti
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2020-02-07
Filing date: 2020-02-07
Publication date: 2021-08-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrifizierten Antriebsstrangs für eine Arbeitsmaschine, wobei über eine triebliche Kopplung eines Elektromotors des Antriebsstrangs mit mindestens einem Rad der Arbeitsmaschine- ein vom Elektromotor erzeugtes Beschleunigungsmoment zu einer Drehzahlerhöhung des mindestens einen Rads führt,- ein vom Elektromotor erzeugtes Bremsmoment zu einer Drehzahlreduzierung des mindestens einen Rads führt,- ein vom mindestens einen Rad erzeugtes Beschleunigungsmoment zu einer Drehzahlerhöhung des Elektromotors führt und- ein vom mindestens einen Rad erzeugtes Bremsmoment zu einer Drehzahlreduzierung des Elektromotors führt.Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass durch Mittel zur Erkennung eines Gefälles in Verbindung mit Mitteln zur Erfassung einer Fortbewegung der Arbeitsmaschine eine Hangabfahrt der Arbeitsmaschine erkannt wird (12), dass durch Mittel zum Erfassen einer Raddrehzahl eine Raddrehzahl des mindestens einen Rads erfasst wird (13) und mit einem Raddrehzahlschwellwert verglichen wird (14) und/oder dass durch Mittel zum Erfassen einer Motordrehzahl eine Motordrehzahl (n) des Elektromotors erfasst wird und mit einem Motordrehzahlschwellwert verglichen wird und dass der Elektromotor in einem Rekuperationsbetrieb betrieben wird (15), wenn der Raddrehzahlschwellwert oder der Motordrehzahlschwellwert (ns) überschritten wird. Die Erfindung betrifft weiterhin einen entsprechenden Antriebsstrang für eine Arbeitsmaschine sowie eine entsprechende Arbeitsmaschine.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrifizierten Antriebsstrangs für eine Arbeitsmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, einen elektrifizierter Antriebsstrang für eine Arbeitsmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 11 sowie eine entsprechende Arbeitsmaschine.
Im Stand der Technik sind bereits elektrisch angetriebene Arbeitsmaschinen, wie etwa Radlader, Kompaktlader, Teleskoplader, Dumper oder Bagger bekannt. Derartige Arbeitsmaschinen sind entweder rein elektrisch angetrieben, d.h. sie verfügen als Energiespeicher ausschließlich über eine elektrische Batterie bzw. eine Brennstoffzelle zur Erzeugung von Elektrizität aus Wasserstoff. Oder aber sie sind dieselelektrisch angetrieben, was bedeutet, dass die benötigte Energie von einem dieselgetriebenen Generator sowie ggf. von einem elektrischen Pufferspeicher, wie z.B. einem entsprechend dimensionierten Kondensator oder einer vergleichsweise kleinen Batterie, bereitgestellt wird. In beiden Fällen wird die für den Fahrantrieb und den Arbeitsantrieb benötigte mechanische Leistung von einem oder mehreren Elektromotoren erbracht. Weiterhin ist es bekannt, die Elektromotoren von elektrischen Antrieben bei Bremsvorgängen im Generatorbetrieb zum Rekuperieren von elektrischer Leistung zu verwenden. Zusätzlich ist dabei stets eine mechanische Reibungsbremse vorgesehen, damit aus Sicherheitsgründen jederzeit eine ausreichend große Bremsleistung bereitgestellt werden kann.
In diesem Zusammenhang beschreibt die EP 0962 597 A2 eine batteriebetriebene Arbeitsmaschine, welche für den Fahrantrieb zwei Elektromotoren aufweist und einen weiteren Elektromotor für den Arbeitsantrieb aufweist.
Die WO 2008/128674 A1 offenbart eine Arbeitsmaschine mit einem Hybridantriebsstrang, umfassend eine Verbrennungskraftmaschine und eine Elektromaschine. Zur Energieversorgung der Elektromaschine ist ein elektrischer Energiespeicher vorgesehen, der rekuperativ geladen werden kann, indem der Elektromotor bei einem Bremsvorgang der Arbeitsmaschine im Generatorbetrieb betrieben wird.
Weiterhin ist der Anmelderin unter dem Namen „Rigitrac EWD120“ eine dieselelektrisch angetriebene landwirtschaftliche Arbeitsmaschine bekannt, die einen dieselgetriebenen Generator zum Bereitstellen einer elektrischen Leistung sowie vier in die Radfelgen integrierte, als Radnabenantriebe ausgebildete, elektrische Einzelradanriebe umfasst. Die vom Generator erzeugte elektrische Leistung wird den Radnabenantrieben zur Verfügung gestellt. Durch die Einzelradanriebe wird eine individuelle Steuerung und Regelung der Antriebsräder ermöglicht. Weiterhin verfügt der „Rigitrac EWD120“ über einen elektrischen Bremswiderstand, der im Generatorbetrieb der Elektromotoren eine elektrische Last darstellt, welche die Elektromotoren belastet und bremst.
Die bekannten elektrischen Antriebsstränge für Arbeitsmaschinen sind jedoch dahingehend nachteilbehaftet, als dass sie bei einer Hangabfahrt mit vergleichsweise hoher Geschwindigkeit oftmals kein ausreichend großes Rekuperationsmoment und damit Bremsmoment mehr aufbringen können, um eine weitere ungewollte Beschleunigung der Arbeitsmaschine aufgrund der Hangabtriebskraft in einen für die Arbeitsmaschine unzulässig hohen Geschwindigkeitsbereich zu verhindern. Die Ursache für dieses unzureichende Rekuperationsmoment liegt im prinzipbedingten Verhalten eines Elektromotors, der in seinem oberen Drehzahlbereich und somit bei hohen Geschwindigkeiten nur noch eine vergleichsweise geringe Leistungsfähigkeit aufweist, was wiederum auch nur noch ein vergleichsweise geringes Rekuperationsmoment zulässt. Somit ist in einer derartigen Fahrsituation ein beständiges Eingreifen eines Fahrers der Arbeitsmaschine notwendig, um über eine zusätzliche hydraulische Reibungsbremse ein weiteres ungewolltes Beschleunigen der Arbeitsmaschine bei der Hangabfahrt zu verhindern. Dies kann zu einer Überlastung der Reibungsbremse führen und sogar zu einer Beschädigung des Antriebsstrangs, sofern die Geschwindigkeit der Arbeitsmaschine einen kritischen Geschwindigkeitswert überschreitet.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines elektrifizierten Antriebsstrangs für eine Arbeitsmaschine vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren zum Betreiben eines elektrifizierten Antriebsstrangs für eine 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 elektrifizierten Antriebsstrangs für eine Arbeitsmaschine, wobei über eine triebliche Kopplung eines Elektromotors des Antriebsstrangs mit mindestens einem Rad der Arbeitsmaschine

- ein vom Elektromotor erzeugtes Beschleunigungsmoment zu einer Drehzahlerhöhung des mindestens einen Rads führt,
- ein vom Elektromotor erzeugtes Bremsmoment zu einer Drehzahlreduzierung des mindestens einen Rads führt,
- ein vom mindestens einen Rad erzeugtes Beschleunigungsmoment zu einer Drehzahlerhöhung des Elektromotors führt und
- ein vom mindestens einen Rad erzeugtes Bremsmoment zu einer Drehzahlreduzierung des Elektromotors führt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass durch Mittel zur Erkennung eines Gefälles in Verbindung mit Mitteln zur Erfassung einer Fortbewegung der Arbeitsmaschine eine Hangabfahrt der Arbeitsmaschine erkannt wird, dass durch Mittel zum Erfassen einer Raddrehzahl eine Raddrehzahl des mindestens einen Rads erfasst wird und mit einem Raddrehzahlschwellwert verglichen wird und/oder dass durch Mittel zum Erfassen einer Motordrehzahl eine Motordrehzahl des Elektromotors erfasst wird und mit einem Motordrehzahlschwellwert verglichen wird und dass der Elektromotor in einem Rekuperationsbetrieb betrieben wird, wenn der Raddrehzahlschwellwert oder der Motordrehzahlschwellwert überschritten wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die elektrische Leistung nach Maßgabe eines Zustands des Energiespeichers vollständig oder teilweise dem Energiespeicher und/oder dem zweiten Elektromotor zugeführt wird.
Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren vorgesehen, welches das Betreiben eines elektrifizierten Antriebsstrangs für eine Arbeitsmaschine und in einer Arbeitsmaschine erlaubt. Ein Elektromotor des Antriebsstrangs ist dabei mit mindestens einem Rad der Arbeitsmaschine trieblich gekoppelt, beispielsweise über eine lösbare Kupplung, insbesondere eine Lamellenkupplung. Aus der trieblichen Kopplung zwischen dem Elektromotor und dem mindestens einen Rad folgt, dass ein vom Elektromotor erzeugtes Beschleunigungsmoment auch zu einer Drehzahlerhöhung des mindestens einen Rads führt. Die Drehzahlerhöhung des mindestens einen Rads entspricht dabei der Drehzahlerhöhung des Elektromotors unter Berücksichtigung eines Übersetzungsverhältnisses zwischen dem Elektromotor und dem mindestens einen Rad. In analoger Weise führt ein vom Elektromotor erzeugtes Bremsmoment zu einer Drehzahlreduzierung des mindestens einen Rads. Umgekehrt führt auch ein Beschleunigungsmoment des mindestens einen Rads, welches beispielsweise aus einer Hangabfahrt der Arbeitsmaschine resultieren kann, zu einer Drehzahlerhöhung des Elektromotors. Ein vom mindestens einen Rad erzeugtes Bremsmoment, welches sich beispielsweise aus einer Hangauffahrt der Arbeitsmaschine ergeben kann, führt entsprechend zu einer Drehzahlreduzierung des Elektromotors. Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, dass eine Hangabfahrt der Arbeitsmaschine automatisiert erkannt wird. Dazu sind Mittel zur Erkennung eines Gefälles vorgesehen, welche dazu ausgebildet sind, zu erkennen, ob sich die Arbeitsmaschine in einer Hanglage befindet. Ebenso sind Mittel zur Erfassung einer Fortbewegung einer der Arbeitsmaschine vorgesehen, welche beispielsweise als Raddrehzahlsensoren ausgebildet seien können. Sofern also die Mittel zur Erkennung eines Gefälles erkennen, dass die Arbeitsmaschine in Frontrichtung hangabwärts ausgerichtet ist und gleichzeitig die Mittel zur Erfassung einer Fortbewegung der Arbeitsmaschine erkennen, dass sich die Arbeitsmaschine fortbewegt, so kann auf eine Hangabfahrt erkannt werden. Weiterhin sind auch Mittel zum Erfassen einer Raddrehzahl vorgesehen, welche eine Raddrehzahl des mindestens einen Rads erfassen. Sofern eine Hangabfahrt erkannt wurde, vergleichen die Mittel zum Erfassen einer Raddrehzahl die erfasste Raddrehzahl mit einem Raddrehzahlschwelwert. Alternativ oder zusätzlich sind Mittel zum Erfassen einer Motordrehzahl des Elektromotors vorgesehen, welche eine Motordrehzahl des Elektromotors erfassen und die erfasste Motordrehzahl mit einem Motordrehzahlschwellwert vergleichen, sofern zuvor eine Hangabfahrt der Arbeitsmaschine erkannt wurde. Sowohl die Mittel zum Erfassen einer Raddrehzahl als auch die Mittel zum Erfassen einer Motordrehzahl umfassen jeweils ein elektronisches Rechenwerk, welches einen Softwarealgorithmus ausführt, mittels dessen die erfasste Raddrehzahl bzw. die erfasste Motordrehzahl mit dem Raddrehzahlschwellwert bzw. dem Motordrehzahlschwellwert verglichen wird. Wenn nun die Mittel zum Erfassen einer Raddrehzahl bzw. die Mittel zum Erfassen einer Motordrehzahl erkennen, dass die erfasste Raddrehzahl den Raddrehzahlschwellwert überschreitet bzw. die erfasste Motordrehzahlschwellwert überschreitet wird der Elektromotor in einem Rekuperationsbetrieb betrieben. Das im Rekuperationsbetrieb des Elektromotors entstehende Rekuperationsmoment wirkt einer Beschleunigung der Arbeitsmaschine entgegen und ist somit ein Bremsmoment.
Das erfindungsgemäße Verfahren führt somit zu dem Vorteil, dass eine ungewollte Beschleunigung der Arbeitsmaschine bei einer Hangabfahrt automatisiert verhindert werden kann. Dazu wird insbesondere bei einer Hangabfahrt der Arbeitsmaschine kontinuierlich die Raddrehzahl des mindestens einen Rads erfasst bzw. die Motordrehzahl des Elektromotors erfasst. Sowohl die Raddrehzahl als auch die Motordrehzahl sind dabei, unter Berücksichtigung eines entsprechenden Umrechnungsfaktors, ein Maß für die tatsächliche Geschwindigkeit der Arbeitsmaschine. Somit kann über den Raddrehzahlschwellwert bzw. den Motordrehzahlschwellwert ein Geschwindigkeitsschwellwert für die Arbeitsmaschine definiert werden. Wenn die Arbeitsmaschine nun bei einer Hangabfahrt den Geschwindigkeitsschwellwert überschreitet, so wird der Elektromotor automatisiert in den Rekuperationsbetrieb versetzt. Dadurch erzeugt der Elektromotor ein Bremsmoment, welches zu einer Drehzahlreduzierung des mindestens einen Rads führt oder zumindest einem Beschleunigungsmoment des mindestens einen Rads dahingehend entgegenwirkt, dass keine weitere, ungewollte Beschleunigung erfolgt. Ein weiteres ungewolltes Beschleunigen der Arbeitsmaschine aufgrund der Hangabfahrt kann also vorteilhaft verhindert werden. Insbesondere ist ein manuelles Eingreifen eines Fahrers der Arbeitsmaschine, beispielsweise durch Betätigen einer hydraulischen Reibungsbremse der Arbeitsmaschine, nicht erforderlich. Somit kann das erfindungsgemäße Verfahren automatisiert verhindern, dass die Arbeitsmaschine bei einer Hangabfahrt eine unzulässig hohe Geschwindigkeit erreicht. Eine unzulässig hohe Geschwindigkeit der Arbeitsmaschine könnte zu einer Beschädigung des Antriebsstrangs führen oder eine kritische Fahrsituation hervorrufen, in welcher die Arbeitsmaschine z.B. nicht mehr kontrollierbar ist. Entsprechend werden der Raddrehzahlschwellwert bzw. der Motordrehzahlschwellwert bevorzugt derart festgelegt, dass eine ihnen zugeordnete Fahrgeschwindigkeit der Arbeitsmaschine noch im oberen Bereich der zulässigen Fahrgeschwindigkeit der Arbeitsmaschine liegt. Das Versetzen des Elektromotors in den Rekuperationsbetrieb bei Erreichen des Raddrehzahlschwellwerts bzw. des Motordrehzahlschwellwerts führt weiterhin zu dem Vorteil, dass der Elektromotor in diesem Drehzahlbereich noch innerhalb seines zulässigen Drehzahlspektrums betrieben wird, und somit eine vergleichsweise hohe Leistung aufweist. Somit kann auch eine entsprechend hohe Rekuperationsleistung bzw. Bremsleistung durch den Elektromotor bereitgestellt werden. Oberhalb des Motordrehzahlschwellwerts bzw. des Raddrehzahlschwellwerts jedoch befindet sich der Elektromotor außerhalb des vorgesehenen Drehzahlspektrums. In diesem Betriebsbereich weist er nur noch eine vergleichsweise geringe Leistung auf. Entsprechend kann oberhalb des Motordrehzahlschwellwerts bzw. des Raddrehzahlschwellwerts nur noch ein vergleichsweise geringes Bremsmoment des Elektromotors bereitgestellt werden, welches in der Regel nicht ausreicht, um eine weitere und ungewollte Beschleunigung der Arbeitsmaschine bei einer Hangabfahrt zu verhindern. In anderen Worten ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren also das Heranziehen des Elektromotors zum Bereitstellen eines Bremsmoments im Rekuperationsbetrieb, solange die Arbeitsmaschine sich noch im zulässigen Fahrgeschwindigkeitsbereich befindet und der Elektromotor entsprechend ein ausreichend großes Beschleunigungsmoment bzw. Bremsmoment bereitstellen kann. Somit kann wirkungsvoll verhindert werden, dass die Arbeitsmaschine ungewollt die zulässige Höchstgeschwindigkeit bei einer Hangabfahrt überschreitet. Damit kann die Sicherheit im Fahrbetrieb der Arbeitsmaschine erhöht werden.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass der Raddrehzahlschwellwert 10 %, 15 % oder 20 % geringer ist als die der zulässigen Höchstgeschwindigkeit der Arbeitsmaschine entsprechende Raddrehzahl.
Ebenso ist es bevorzugt vorgesehen, dass der Rotordrehzahlschwellwert 10 %, 15 % oder 20 % geringer ist als die der zulässigen Höchstgeschwindigkeit der Arbeitsmaschine entsprechende Motodrehzahl.
Daraus ergeben sich entsprechende Sicherheitsreserven im Leistungsspektrum des Elektromotors, also im bereitstellbaren Bremsmoment durch den Rekuperationsbetrieb des Elektromotors, so dass auch bei einer Hangabfahrt mit einem vergleichsweise steilen Gefälle, also einer entsprechend großen Hangabtriebskraft, welche als Beschleunigung auf die Arbeitsmaschine wirkt, zuverlässig ein ungewolltes Beschleunigen der Arbeitsmaschine verhindert werden kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Mittel zur Erkennung eines Gefälles als Neigungssensor ausgebildet sind. Der Neigungssensor wird dabei in einer vorgegebenen Ausrichtung und Neigung an einer ebenfalls vorgegebenen Position in der Arbeitsmaschine oder an der Arbeitsmaschine angeordnet. Eine Neigung der Arbeitsmaschine, beispielsweise aufgrund eines Gefälles, führt somit zu einer entsprechenden Neigung des Neigungssensors. Der Neigungssensor erfasst diese Neigung und erkennt daran, dass sich die Arbeitsmaschine an einem Gefälle befindet. Anhand der bekannten Ausrichtung des Neigungssensors in der Arbeitsmaschine oder an der Arbeitsmaschine erkennt der Neigungssensor darüber hinaus, ob sich die Arbeitsmaschine seitlich, in Fahrtrichtung oder entgegen der Fahrtrichtung am Gefälle befindet. Der Neigungssensor kann beispielsweise als zweiachsiger Neigungssensor ausgebildet sein, der Neigungen sowohl in Longitudinalrichtung als auch in Lateralrichtung der Arbeitsmaschine erkennt. Ebenso können auch zwei oder drei jeweils einachsige Neigungssensoren orthogonal zueinander in der Arbeitsmaschine oder an der Arbeitsmaschine angeordnet werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Mittel zur Erkennung eines Gefälles als Satellitennavigationssystem ausgebildet sind. Bei dem Satellitennavigationssystem kann es sich beispielsweise um GPS, Galileo oder Glonass handeln. Das Satellitennavigationssystem umfasst weiterhin einen digitalen Speicher, in welchem digitale Kartendaten abgelegt sind. Diese digitalen Kartendaten umfassen vorteilhaft topographische Daten, d.h. Höhenangaben und Höhenänderungen. Somit kann auch anhand des Satellitennavigationssystems, nämlich durch Bestimmung einer aktuellen Position der Arbeitsmaschine sowie Auslesen der topographischen Kartendaten an der festgestellten Positionsarbeitsmaschine ein Gefälle erkannt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Mittel zur Erkennung eines Gefälles als Vergleichsmittel zum Vergleich eines erfassten Beschleunigungsverhaltens mit einer erwarteten Beschleunigungskurve ausgebildet sind. Die erwartete Beschleunigungskurve beschreibt dabei ein Beschleunigungsverhalten der Arbeitsmaschine in der Ebene in Abhängigkeit eines vom Elektromotor aufgebrachten Beschleunigungsmoments bzw. in Abhängigkeit einer Gaspedalstellung der Arbeitsmaschine und ist in einem digitalen Speicher der Mittel zur Erkennung eines Gefälles abgelegt. Vorteilhaft sind unterschiedliche Beschleunigungskurven in den Mitteln zur Erkennung eines Gefälles abgelegt. Beispielsweise kann eine erste Beschleunigungskurve das Beschleunigungsverhalten der Arbeitsmaschine in der Ebene im beladenen Zustand beschreiben, während eine zweite Beschleunigungskurve das Beschleunigungsverhalten der Arbeitsmaschine in der Ebene in unbeladenen Zustand beschreibt.
Besonders bevorzugt kann die Beschleunigungskurve auch als Beschleunigungsfeld ausgebildet sein. Das Beschleunigungsfeld beschreibt dabei beladungsabhängigkontinuierlich das Beschleunigungsverhalten der Arbeitsmaschine in der Ebene, enthält also für jeden möglichen Bleadungszustand der Arbeitsmaschine die zugehörige Beschleunigungskurve. Sofern die Vergleichsmittel zum Vergleich eines erfassten Beschleunigungsverhaltens mit einer erwarteten Beschleunigungskurve eine Abweichung des erfassten Beschleunigungsverhaltens von der erwarteten Beschleunigungskurve feststellen, so wird darauf erkannt, dass sich die Arbeitsmaschine an einem Gefälle fortbewegt. Wenn das erfasste Beschleunigungsverhalten größer ist als die erwartete Beschleunigungskurve, so kann auf eine Hangabfahrt erkannt werden. Umgekehrt kann auf eine Hangauffahrt erkannt werden, wenn das erfasste Beschleunigungsverhalten geringer ist als eine erwartete Beschleunigungskurve. Auch dies ermöglicht eine zuverlässige Erkennung einer Hangabfahrt einer Arbeitsmaschine.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Mittel zur Erkennung eines Gefälles als Füllstandssensoren von Fluidbehältnissen der Arbeitsmaschine ausgebildet sind. Geeignete Fluidbehältnisse der Arbeitsmaschine können etwa ein ggf. vorgesehener Treibstofftank, ein Kühlwassertank, ein Scheibenwischwassertank oder ein Ausgleichsbehälter für Hydraulikfluid eines Arbeitsantriebs der Arbeitsmaschine sein. Je nach ihrer spezifischen Anordnung in den Fluidbehältnissen der Arbeitsmaschine können die Füllstandssensoren dadurch eine Neigung der Arbeitsmaschine erkennen, und anhand der erkannten Neigung der Arbeitsmaschine wiederum kann erkannt werden, dass sich die Arbeitsmaschine an einem Gefälle befindet. Beispielsweise ist es möglich, dass ein Füllstandssensor im Kühlwasserbehälter, welcher den Kühlwasserfüllstand erfasst, bei einer Neigung der Arbeitsmaschine in Frontrichtung, was einer Hangabfahrt der Arbeitsmaschine entspricht, eine vermeintliche Zunahme des Kühlwasserstands erfasst. Umgekehrt würde dieser Füllstandssensor bei einer Hangauffahrt der Arbeitsmaschine eine plötzliche vermeintliche Abnahme des Kühlwasserstands erfassen.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass die Mittel zur Erkennung eines Gefälles mehrere der zuvor genannten Ausbildungsformen gleichermaßen umfassen. Dies ermöglicht vorteilhaft eine gegenseitige Plausibilisierung der erfassten Informationen und damit eine Absicherung der Erkennung eines Gefälles bzw. einer Hangabfahrt der Arbeitsmaschine. Eine fehlerhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ohne das tatsächliche Vorliegen einer Hangabfahrt der Arbeitsmaschine kann somit nahezu ausgeschlossen werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Mittel zur Erfassung einer Fortbewegung der Arbeitsmaschine als Raddrehzahlsensoren und/oder als Satellitennavigationssystem und/oder als Beschleunigungssensor und/oder als Mittel zur Erfassung einer Drehzahl des Elektromotors ausgebildet sind. Bei den Raddrehzahlsensoren handelt es sich bevorzugt um sogenannte ABS-Sensoren. Die ABS-Sensoren ermöglichen das zuverlässige Erkennen der Raddrehzahl, wobei aus dem Vorliegen einer Raddrehzahl stets auf eine entsprechende Fortbewegung der Arbeitsmaschine geschlossen werden kann. Das Satellitennavigationssystem kann wiederum GPS-basierend, Galileo-basierend oder Glonass-basierend ausgebildet sein. Da ein derartiges Satellitennavigationssystem kontinuierlich eine aktuelle Position der Arbeitsmaschine bestimmt, kann aus einer Änderung der Position der Arbeitsmaschine auf eine Fortbewegung der Arbeitsmaschine geschlossen werden. Als Beschleunigungssensoren können üblicherweise die in einem herkömmlichen ESP-System enthaltenen Beschleunigungssensoren herangezogen werden. Aus einer von den Beschleunigungssensoren erfassten Beschleunigung und einer zeitlichen Dauer der Beschleunigung kann wiederum auf eine aktuelle Fahrgeschwindigkeit der Arbeitsmaschine erkannt werden. Die Mittel zur Erfassung einer Drehzahl des Elektromotors können z.B. als herkömmlicher Drehzahlsensor ausgebildet sein, welche eine Drehzahl der Motorwelle oder eines auf der Motorwelle angeordneten Antriebsritzels erfassen. Die solcherart erfasste Motordrehzahl kann dann über ein bekanntes Übersetzungsverhältnis und den bekannten Abrollumfang der Räder in eine Geschwindigkeit der Arbeitsmaschine umgerechnet werden, insbesondere mittels eines hierzu ausgebildeten elektronischen Rechenwerks. Sofern die Arbeitsmaschine eine Fahrgeschwindigkeit aufweist, kann auf eine Fortbewegung der Arbeitsmaschine geschossen werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfndung ist es vorgesehen, dass die Mittel zum Erfassen einer Raddrehzahl als ABS-Sensoren ausgebildet sind. Aufgrund von Sicherheitserwägungen Rechnung tragendenr gesetzlichen Vorschriften sind ABS-Sensoren stets in der Arbeitsmaschine vorgeschrieben. Zudem sind ABS-Sensoren aufgrund ihrer hohen Stückzahlen vergleichsweise kostengünstig, technisch ausgereift und zuverlässig. ABS-Sensoren ermöglichen jederzeit ein zuverlässiges Erfassen der ihnen zugeordneten Raddrehzahlen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Mittel zum Erfassen einer Motordrehzahl als Drehzahlsensor am Motor und/oder als Berechnungsmittel zum Berechnen der Motordrehzahl ausgebildet sind. Der Drehzahlsensor kann beispielsweise direkt an einer Motorwelle angeordnet sein und so die Drehzahl der Motorwelle erfassen oder aber der Drehzahlsensor kann am Gehäuse des Elektromotors angeordnet sein und beispielsweise eine Drehzahl des Rotors des Elektromotors erfassen. Die Berechnungsmittel zum Berechnen der Motordrehzahl können beispielsweise einen Stromsensor und einen Spannungssensor umfassen, wobei der Stromsensor eine Stromzufuhr zum Elektromotor erfasst und der Spannungssensor eine Spannungsversorgung des Elektromotors erfasst. Weiterhin kann die Berechnungsmittel zum Berechnen der Motordrehzahl eines elektronisches Rechenwegs erfassen, welches aus der erfassten Spannung und dem erfassten Strom rechnerisch die Motordrehzahl bestimmt, insbesondere unter Berücksichtigung einer Motorlast, d. h. unter Berücksichtigung eines vom Elektromotor aufzubringenden Drehmoments. In beiden Fällen kann vergleichsweise einfach und zuverlässig die Motordrehzahl des Elektromotors bestimmt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass eine Reibungsbremse des Antriebsstrangs automatisiert aktiviert wird, wenn das im Rekuperationsbetrieb erzeugbare Bremsmoment des Elektromotors zu gering ist, um eine ungewollte Beschleunigung zu verhindern. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass eine ungewollte Beschleunigung bei einer Hangabfahrt der Arbeitsmaschine in jedem Falle verhindert werden kann. Beispielsweise kann es passieren, dass ein Gefälle derart steil ist, dass die Arbeitsmaschine bei einer Hangabfahrt immer weiter beschleunigt wird, obwohl der Elektromotor in den Rekuperationsbetrieb versetzt wurde und ein Bremsmoment bereitstellt. Wenn nun selbst im optimalen Leistungsbereich des Elektromotors kein ausreichendes Bremsmoment zur Verfügung gestellt werden kann, so wird die Reibungsbremse des Antriebsstrangs aktiviert, um ein weiteres ungewolltes Beschleunigen zu verhindern. Insofern stellt das Aktiveren der Reibungsbremse eine Sicherheitsmaßnahme bzw. Auffangmaßnahme dar, falls die ungewollte Beschleunigung bei der Hangabfahrt nicht alleine durch den Rekuperationsbetrieb des Elektromotors verhindert werden kann.
Die Erfindung betrifft außerdem einen elektrifizierten Antriebsstrang für eine Arbeitsmaschine, umfassend einen Elektromotor und mindestens ein Antriebsrad, wobei der Elektromotor und das mindestens eine Antriebsrad trieblich gekoppelt sind, so dass

Der elektrifizierte Antriebsstrang zeichnet sich dadurch aus, dass der Antriebsstrang weiterhin Mittel zur Erkennung eines Gefälles, Mittel zur Erfassung einer Fortbewegung der Arbeitsmaschine, Mittel zum Erfassen einer Raddrehzahl oder Mittel zum Erfassen einer Motordrehzahl umfasst, wobei der Antriebsstrang derart ausgebildet ist, dass durch die Mittel zur Erkennung eines Gefälles in Verbindung mit Mitteln zur Erfassung einer Fortbewegung der Arbeitsmaschine eine Hangabfahrt der Arbeitsmaschine erkannt wird, dass durch die Mittel zum Erfassen einer Raddrehzahl eine Raddrehzahl des mindestens einen Rads erfasst wird und mit einem Raddrehzahlschwellwert verglichen wird und/oder dass durch die Mittel zum Erfassen einer Motordrehzahl eine Motordrehzahl des Elektromotors erfasst wird und mit einem Motordrehzahlschwellwert verglichen wird und dass der Elektromotor in einem Rekuperationsbetrieb betrieben wird, wenn der Raddrehzahlschwellwert oder der Motordrehzahlschwellwert überschritten wird.
Daraus ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteile auch für den erfindungsgemäßen Antriebsstrang.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Antriebsstrang dazu ausgebildet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Dazu verfügt der Antriebsstrang über alle notwendigen Vorrichtungen und Mittel.
Die Erfindung betrifft schließlich auch eine Arbeitsmaschine, umfassend einen erfindungsgemäßen Antriebsstrang. Daraus ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Antriebsstrang beschriebenen Vorteile auch für die erfindungsgemäße Arbeitsmaschine.
Bei der Arbeitsmaschine handelt es sich bevorzugt um einen Radlader. Es kann sich aber auch um einen Kompaktlader, Teleskoplader, Dumper, Bagger oder Traktor handeln.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
Es zeigen:

1 beispielhaft und schematisch ein Drehzahlspektrum des Elektromotors der Arbeitsmaschine im Drehzahlbereich von 0 bis n und
2 beispielhaft und schematisch eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Flussdiagramms.

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.
1 zeigt beispielhaft und schematisch ein Drehzahlspektrum des Elektromotors der Arbeitsmaschine im Drehzahlbereich von 0 bis n. Im Drehzahlbereich 1, 2 von 0 bis nmax weist der Elektromotor im Wesentlichen seine volle Leistung auf. Für diesen Drehzahlbereich 1, 2 wurde der Elektromotor ausgelegt und konzipiert. Die Drehzahl des Elektromotors wird durch Mittel zum Erfassen einer Motordrehzahl kontinuierlich erfasst. Wenn festgestellt wird, dass die erfasste Motordrehzahl n den Motordrehzahlschwellwert n_s überschreitet, also den Drehzahlbereich 1 verlässt, wird der Elektromotor automatisiert in einen Rekuperationsbetrieb versetzt, sofern zusätzlich von Mitteln zur Erkennung eines Gefälles in Verbindung mit Mitteln zur Erfassung einer Fortbewegung der Arbeitsmaschine eine Hangabfahrt der Arbeitsmaschine erkannt wird. Wie in 1 weiterhin zu sehen ist, ist der Motordrehzahlschwellwert n_s um etwa 15 % geringer als die maximal zulässige Motordrehzahl n_max des Elektromotors. Im Drehzahlbereich 2 weist der Elektromotor eine Drehzahl zwischen n_S und n_max auf. Somit hält das erfindungsgemäße Verfahren eine Sicherheitsreserve von etwa 15 % der maximal zulässigen Motordrehzahl n_max vor, um beispielsweise bei einer Hangabfahrt mit besonders steilem Gefälle, welche in Folge zu einem hohen Beschleunigungsmoment an mindestens einem Rad der Arbeitsmaschine und somit auch am Elektromotor führt, eine weitere Drehzahlerhöhung in den Drehzahlbereich 3 zu vermeiden. Dadurch wird auch das Auftreten einer gefährlichen Fahrsituation oder einer Beschädigung des Antriebsstrangs, insbesondere eines Getriebes des Antriebsstrangs, vermieden. Sofern das vom Elektromotor durch den Rekuperationsbetrieb bereite Bremsmoment nicht ausreicht, um eine zusätzliche ungewollte Beschleunigung der Arbeitsmaschine aufgrund der Hangabfahrt zu verhindern, wird beispielsgemäß eine hydraulische Bremse aktiviert. Diese hydraulische Bremse erzeugt ein direkt an den Rädern der Arbeitsmaschine wirkendes Bremsmoment, welches das vom Elektromotor durch den Rekuperationsbetrieb aufgebrachte Bremsmoment unterstützt.
2 zeigt beispielhaft und schematisch eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Flussdiagramms. Das erfindungsgemäße Verfahren wird in einem elektrifizierten Antriebsstrang für eine Arbeitsmaschine ausgeführt. In einem ersten Verfahrensschritt 10 wird durch Mittel zur Erkennung eines Gefälles erkannt, ob sich die Arbeitsmaschine an einem Gefälle befindet. Zeitgleich zum Verfahrensschritt 10 wird in Schritt 11 durch Mittel zur Erfassung einer Fortbewegung der Arbeitsmaschine erkannt, ob sich die Arbeitsmaschine fortbewegt, also eine Fahrgeschwindigkeit aufweist. Im folgenden Verfahrensschritt 12 wird abhängig vom Erkennen auf das Vorliegen eines Gefälles und abhängig vom Erkennen auf eine Fortbewegung der Arbeitsmaschine eine Hangabfahrt der Arbeitsmaschine erkannt bzw. nicht erkannt. Sofern nämlich im Schritt 10 erkannt wurde, dass sich die Arbeitsmaschine in einem Gefälle befindet, und im Schritt 11 erkannt wurde, dass die Arbeitsmaschine eine Fahrgeschwindigkeit aufweist, so wird im Schritt 12 erkannt, dass die Arbeitsmaschine eine Hangabfahrt ausführt. Sofern jedoch im Schritt 10 nicht das Vorliegen eines Gefälles erkannt wurde bzw. sofern in Schritt 11 nicht das Vorliegen einer Fahrgeschwindigkeit der Arbeitsmaschine erkannt wurde, so wird in Schritt 12 auch nicht auf eine Hangabfahrt der Arbeitsmaschine erkannt. Im folgenden Schritt 13 wird nun durch Mittel zum Erfassen einer Raddrehzahl eine Raddrehzahl mindestens einer Rads der Arbeitsmaschine erfasst. Sofern im Schritt 12 das Vorliegen einer Hangabfahrt der Arbeitsmaschine erkannt wurde wird im nun folgenden Schritt 14 die in Schritt 13 erfasste Raddrehzahl des mindestens einen Rads mit einem Raddrehzahlschwellwert verglichen. Falls in Schritt 14 erkannt wird, dass die erfasste Raddrehzahl dem vorgegebenen Raddrehzahlschwellwert überschreitet, so wird in Schritt 15 der Elektromotor in einen Rekuperationsbetrieb versetzt. Dadurch erzeugt er ein Bremsmoment, welches eine weitere und ungewollte Beschleunigung der Arbeitsmaschine aufgrund der Hangabfahrt verhindert. Sofern die erfasste Motordrehzahl im Schritt 14 jedoch nicht den Motordrehzahlschwellwert überschreitet, wird das Verfahren ausgehend von Schritt 10 erneut ausgeführt.
Bezugszeichenliste

1: Beginn des Bremsvorgangs
2: Erfassen des Zustands des Energiespeichers
3: Bewerten des Zustands des Energiespeichers
10: Erkennung, ob sich die Arbeitsmaschine an einem Gefälle befindet
11: Erkennung, ob sich die Arbeitsmaschine fortbewegt
12: Erkennung, ob eine Hangabfahrt der Arbeitsmaschine vorliegt
13: Erfassen einer Drehzahl mindestens einer Rads der Arbeitsmaschine
14: Vergleichen der erfassten Raddrehzahl mit einem Raddrehzahlschwellwert
15: Versetzen des Elektromotors in einen Rekuperationsbetrieb
n: Motordrehzahl
nS: Motordrehzahlschwellwert
nmax: maximal zulässige Motordrehzahl

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0962597 A2 [0003]
WO 2008/128674 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines elektrifizierten Antriebsstrangs für eine Arbeitsmaschine, wobei über eine triebliche Kopplung eines Elektromotors des Antriebsstrangs mit mindestens einem Rad der Arbeitsmaschine - ein vom Elektromotor erzeugtes Beschleunigungsmoment zu einer Drehzahlerhöhung des mindestens einen Rads führt, - ein vom Elektromotor erzeugtes Bremsmoment zu einer Drehzahlreduzierung des mindestens einen Rads führt, - ein vom mindestens einen Rad erzeugtes Beschleunigungsmoment zu einer Drehzahlerhöhung des Elektromotors führt und - ein vom mindestens einen Rad erzeugtes Bremsmoment zu einer Drehzahlreduzierung des Elektromotors führt dadurch gekennzeichnet, dass durch Mittel zur Erkennung eines Gefälles in Verbindung mit Mitteln zur Erfassung einer Fortbewegung der Arbeitsmaschine eine Hangabfahrt der Arbeitsmaschine erkannt wird (12), dass durch Mittel zum Erfassen einer Raddrehzahl eine Raddrehzahl des mindestens einen Rads erfasst wird (13) und mit einem Raddrehzahlschwellwert verglichen wird (14) und/oder dass durch Mittel zum Erfassen einer Motordrehzahl eine Motordrehzahl (n) des Elektromotors erfasst wird und mit einem Motordrehzahlschwellwert verglichen wird und dass der Elektromotor in einem Rekuperationsbetrieb betrieben wird (15), wenn der Raddrehzahlschwellwert oder der Motordrehzahlschwellwert (ns) überschritten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Raddrehzahlschwellwert geringer ist als eine der zulässigen Höchstgeschwindigkeit der Arbeitsmaschine entsprechende Raddrehzahl und/oder dass der Motordrehzahlschwellwert (ns) geringer ist als eine der zulässigen Höchstgeschwindigkeit der Arbeitsmaschine entsprechende Motordrehzahl.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erkennung eines Gefälles als Neigungssensor ausgebildet sind.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erkennung eines Gefälles als Satellitennavigationssystem ausgebildet sind.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erkennung eines Gefälles als Vergleichsmittel zum Vergleich eines erfassten Beschleunigungsverhaltens mit einer erwarteten Beschleunigungskurve ausgebildet sind.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erkennung eines Gefälles als Füllstandssensoren von Fluidbehältnissen der Arbeitsmaschine ausgebildet sind.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erfassung einer Fortbewegung der Arbeitsmaschine als Raddrehzahlsensoren und/oder als Satellitennavigationssystem und/oder als Beschleunigungssensor und/oder als Mittel zur Erfassung einer Drehzahl des Elektromotors ausgebildet sind.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erfassen einer Raddrehzahl als ABS-Sensoren ausgebildet sind.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erfassen einer Motordrehzahl als Drehzahlsensor am Motor und/oder als Berechnungsmittel zum Berechnen der Motordrehzahl ausgebildet sind.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reibungsbremse des Antriebsstrangs automatisiert aktiviert wird, wenn das im Rekuperationsbetrieb erzeugbare Bremsmoment des Elektromotors zu gering ist, um eine ungewollte Beschleunigung zu verhindern.
Elektrifizierter Antriebsstrang für eine Arbeitsmaschine, umfassend einen Elektromotor und mindestens ein Antriebsrad, wobei der Elektromotor und das mindestens eine Antriebsrad trieblich gekoppelt sind, so dass - ein vom Elektromotor erzeugtes Beschleunigungsmoment zu einer Drehzahlerhöhung des mindestens einen Rads führt, - ein vom Elektromotor erzeugtes Bremsmoment zu einer Drehzahlreduzierung des mindestens einen Rads führt, - ein vom mindestens einen Rad erzeugtes Beschleunigungsmoment zu einer Drehzahlerhöhung des Elektromotors führt und - ein vom mindestens einen Rad erzeugtes Bremsmoment zu einer Drehzahlreduzierung des Elektromotors führt, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrang weiterhin Mittel zur Erkennung eines Gefälles, Mittel zur Erfassung einer Fortbewegung der Arbeitsmaschine, Mittel zum Erfassen einer Raddrehzahl oder Mittel zum Erfassen einer Motordrehzahl umfasst, wobei der Antriebsstrang derart ausgebildet ist, dass durch die Mittel zur Erkennung eines Gefälles in Verbindung mit Mitteln zur Erfassung einer Fortbewegung der Arbeitsmaschine eine Hangabfahrt der Arbeitsmaschine erkannt wird, dass durch die Mittel zum Erfassen einer Raddrehzahl eine Raddrehzahl des mindestens einen Rads erfasst wird und mit einem Raddrehzahlschwellwert verglichen wird und/oder dass durch die Mittel zum Erfassen einer Motordrehzahl eine Motordrehzahl (n) des Elektromotors erfasst wird und mit einem Motordrehzahlschwellwert (ns) verglichen wird und dass der Elektromotor in einem Rekuperationsbetrieb betrieben wird, wenn der Raddrehzahlschwellwert oder der Motordrehzahlschwellwert (ns) überschritten wird.
Antriebsstrang nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrang dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10 auszuführen.
Arbeitsmaschine, umfassend einen Antriebsstrang nach mindestens einem der Ansprüche 11 und 12.