DE102022203681A1

DE102022203681A1 - Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebs, Vorrichtung und Arbeitsmaschine

Info

Publication number: DE102022203681A1
Application number: DE102022203681.6A
Authority: DE
Inventors: Martin Wegscheider; Dominik Thomas Hoffmann; Markus HELFRICH; Richard Bauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-04-12
Filing date: 2022-04-12
Publication date: 2023-10-12
Also published as: CN116905583A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebs (205) für eine eine sichere Kommunikationsstruktur (225) aufweisende Arbeitsmaschine (200). Dabei umfasst das Verfahren einen Schritt des Einlesens eines Soll-Signals (235), das ein gewünschtes Soll-Drehmoment des Antriebs (205) repräsentiert, einen Schritt des Einlesens eines über die sichere Kommunikationsstruktur (225) Ist-Signals (245), das ein aktuelles Ist-Drehmoment des Antriebs (205) repräsentiert, und einen Schritt des Bereitstellens eines Abschaltsignals (255) über die sichere Kommunikationsstruktur (225) zum Abschalten des Antriebs (205) unter Verwendung des Soll-Signals (235) und des Ist-Signals (245).

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht von einem Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebs, einer Vorrichtung und einer Arbeitsmaschine nach Gattung der unabhängigen Ansprüche aus. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
Sicherheitskonzepte in mobilen dieselhydraulischen Arbeitsmaschinen können oft darauf beruhen, dass durch eine Abschaltung der Hydraulik kein antreibendes Drehmoment an Fahrantrieben gestellt werden kann oder Bewegung an Arbeitseinrichtungen verhindert wird. Dies erfolgt oftmals durch eine sichere Trennung der elektrischen Ansteuerung der Komponenten, wodurch die Komponenten von selbst einen sicheren Zustand einnehmen. Zum Beispiel kann eine nicht angesteuerte Pumpe im geschlossenen Kreis des hydrostatischen Fahrantriebs in einen Zustand schwenken, in dem sie bremsend auf ein Fahrzeug wirken kann oder ein Ventil in der Arbeitshydraulik kann im nicht angesteuerten Zustand verhindern, dass Öl in einen Arbeitszylinder fließen kann.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren Betreiben eines elektrischen Antriebs, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, sowie eine Arbeitsmaschine gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
Mit dem hier vorgestellten Verfahren können vorteilhafterweise Sicherheitsstandards für elektrisch betriebene Arbeitsmaschinen optimal umgesetzt und das Risiko einer Schädigung von Personen sowie der Maschine minimiert werden.
Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebs für eine Arbeitsmaschine mit einer sicheren Kommunikationsstruktur vorgestellt. Dabei umfasst das Verfahren einen Schritt des Einlesens eines Soll-Signals, das ein gewünschtes Soll-Drehmoment des Antriebs repräsentiert, einen Schritt des Einlesens eines über die sichere Kommunikationsstruktur übertragenen Ist-Signals, das ein aktuelles Ist-Drehmoment des Antriebs repräsentiert, und einen Schritt des Bereitstellens eines sicheren Abschaltsignals über die sichere Kommunikationsstruktur zum Abschalten des Antriebs unter Verwendung des Soll-Signals und des Ist-Signals.
Bei dem Antrieb kann es sich um eine elektrische Maschine, beispielsweise um einen Elektromotor handeln. Die sichere Kommunikationsstruktur kann abgesicherte Kommunikationskanäle umfassen, über die Signale, beispielsweise Steuersignale oder Messwerte repräsentierende Signale, sicher übertragen werden können. Die Kommunikationsstruktur kann auf bekannten hardwaremäßig und/oder softwaremäßig umgesetzten Konzepten zur Absicherung der Signalübertragung basieren. Das Soll-Signal kann, aber muss nicht sicher übertragen werden. Somit kann das Soll-Signal ein über die sichere Kommunikationsstruktur übertragenes Signal darstellen. Alternativ kann das Soll-Signal über eine andere, nicht abgesicherte Schnittstelle empfangen werden. Gemäß einer Ausführungsform liegt das Soll-Signal jedoch zum Bestimmen des Abschaltsignals sicher vor, beispielsweise an einer Stelle an der ein Vergleich zwischen dem Soll-Signal und dem Ist-Signal durchgeführt wird. Die Arbeitsmaschine kann je nach Ausführung für unterschiedliche Einsatzzwecke verwendbar sein. Dabei kann die Arbeitsmaschine fest installiert sein, beispielsweise innerhalb eines Gebäudes oder mobil oder verfahrbar ausgeführt sein. Beispielsweise kann die Arbeitsmaschine als Fahrzeug, insbesondere als ein Nutzfahrzeug, beispielsweise als ein Bagger oder Mähdrescher, oder auch als ein Fahrzeug zur Lastenbeförderung oder zur Personenbeförderung ausgebildet sein. Bei elektrisch angetriebenen stationären oder mobilen Arbeitsmaschinen sollten Sicherheitsstandards eingehalten werden. Diese Sicherheitsstandards können sich zum einen auf gefahrbringende Bewegungen beziehen und zum anderen auf die Einhaltung der elektrischen Sicherheit. Zur Vermeidung der gefahrbringenden Bewegung (funktionale Sicherheit) können beispielsweise folgende Aspekte beachtet werden: Vermeidung des ungewollten Anfahrens der Maschine, Vermeidung von ungewollter Bewegung, Sicheres Anhalten der Maschine im Notfall, Verhindern von ungewollt starker Beschleunigung beziehungsweise Verzögerung.
Bei der elektrischen Sicherheit geht es vor allem um die Vermeidung von direkter Berührung, indirekter Berührung, Lichtbogenbildung, Brand und Potentialdifferenzen an berührbaren Teilen. Bei elektrischen Fahrzeugen kann hinzukommen, dass die meisten Komponenten eigene Steuergeräte besitzen. Diese sollten in geeigneter Weise koordiniert werden, um den sicheren Zustand der Gesamtmaschine einnehmen zu können. Eine spezielle Eigenschaft von permanenterregten Synchronmaschinen ist, dass sie, sobald sie in Bewegung sind, eine Spannung im HV-Kreis induzieren. Diese Spannung kann einen Stromfluss erzeugen. Dieser Stromfluss beziehungsweise die Spannung und daraus resultieren Drehmomente können zu Gefährdungen führen, beispielsweise zu einem elektrischen Schlag bei indirekter Berührung, zu Zerstörung von Komponenten, zu einem Brand oder zu umstürzenden Maschinen durch hohe Bremsmomente. Mit dem hier vorgestellten Verfahren können Sicherheitsstandards für elektrische Arbeitsmaschinen vorteilhafterweise optimiert und damit sowohl Personen in der Umgebung der Arbeitsmaschine als auch die Komponenten der Maschine beziehungsweise des Fahrzeugs vor möglichen Schäden geschützt werden.
Hierfür kann eine Überwachungseinrichtung, beispielsweise eine Fahrzeugsteuerung (VCU), die sichere Translationsbewegung der Maschine überwachen und beispielsweise das Soll-Signal über die sichere Kommunikationsstruktur, beispielsweise unter Verwendung von CAN, einlesen. Alternativ kann das Soll-Signal über eine nicht-abgesicherte Kommunikationsstruktur übertragen werden. Das Soll-Signal kann zum Beispiel unter Verwendung einer Nutzeranforderung, wie zum Beispiel dem Betätigen eines Gaspedals des Fahrzeugs, erstellt worden sein und repräsentiert das Drehmoment, das für eine gewünschte Aktion der Arbeitsmaschine benötigt wird, beispielsweise zum Zurücklegen einer Wegstrecke. Zudem kann beispielsweise ein Antriebsinverter sicher ein Ist-Drehmoment des Antriebs ermitteln. Dieses kann unter Verwendung des Ist-Signals ebenfalls über einen sicheren Kanal an die Überwachungseinrichtung übertragen werden. Bei Überschreitung von beispielsweise vordefinierten Grenzen entsprechend der aktuellen Fahrsituation kann durch die Überwachungseinrichtung eine sichere Abschaltung des Antriebs ausgelöst werden. Der sichere Abschaltbefehl wird sicher an den Antrieb übertragen. Sobald der Antrieb den Abschaltbefehl sicher umgesetzt hat, kann er beispielsweise die Abschaltung über einen sicheren Kanal an die VCU zurückmelden.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Abschaltsignal bereitgestellt werden, wenn eine Abweichung zwischen dem Soll-Drehmoment und dem Ist-Drehmoment einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet. Beispielsweise kann das Abschaltsignal bereitgestellt werden, wenn eine Abweichung von mindestens 80% besteht, wobei es sich um eine betragsmäßige Überschreitung handeln kann. Eine solche Abweichung zwischen Ist und Soll kann zum Beispiel als im Normalbetrieb der Arbeitsmaschine unwahrscheinlich definiert sein und kann damit ein Hinweis auf einen Fehler im System beziehungsweise einen Schaden an der Maschine oder auf einen Abriss einer Datenleitung geben. Beispielsweise kann ein solcher Schwellenwert spezifisch für die jeweilige Arbeitsmaschine und zusätzlich oder alternativ ihren Einsatzort festgelegt werden. Vorteilhafterweise kann der Antrieb bei Überschreiten des Schwellenwerts umgehend abgeschaltet werden, um weiterführende Schäden zu vermeiden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Abschaltsignal bereitgestellt werden, wenn die Abweichung den Schwellenwert für einen vorbestimmten Zeitraum überscheitet. Beispielsweise können mehrere Schwellenwerte im System der Arbeitsmaschine hinterlegt sein. Zum Beispiel kann als ein erster Schwellenwert eine Abweichung zwischen dem Ist- Drehmoment und dem Soll-Drehmoment von 100% für einen Zeitraum von 200 ms definiert sein. Ein zweiter Schwellenwert kann zum Beispiel bei einer Abweichung von 50% oder von 75% für einen Zeitraum von 400 ms oder von 600 ms definiert sein. Das hat den Vorteil, das Abweichungen vom Normalbetrieb der Arbeitsmaschine, die kein Fehlerhinweis sind, beispielsweise während eines Startvorgangs, nicht fälschlicherweise zu einem Abschalten der Arbeitsmaschine führen. Dadurch kann ein sicheres Arbeiten der Arbeitsmaschine optimiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Abschaltsignal bereitgestellt werden, wenn die Abweichung den Schwellwert für eine vorbestimmte Anzahl von Umdrehungen einer Antriebswelle des Antriebs überschreitet. Beispielsweise kann ein dritter Schwellenwert unter Verwendung eines Drehzahlmessers festgelegt sein, sodass ein Zurücklegen einer Fahrstrecke des Fahrzeugs erfasst werden kann. Dabei kann zum Beispiel eine Abweichung von 30% für eine Fahrtstrecke von 0,5, zwei oder drei Meter erlaubt sein. Bei einem Überschreiten dieses dritten Schwellenwerts kann ein Fehler vorliegen und der Antrieb folglich abgestellt werden. Vorteilhafterweise kann dadurch das Verfahren insbesondere im Hinblick auf mobile Arbeitsmaschinen optimiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Verfahren einen Schritt des Vergleichens des Soll-Drehmoments mit dem Ist-Drehmoment unter Verwendung des Soll-Signals und des Ist-Signals umfassen. Beispielsweise kann die Überwachungseinrichtung einen Vergleich von sicherem Soll-Drehmoment und sicheren Ist-Drehmoment durchführen. Weitere Informationen, die für einen Soll-Ist-Wertvergleich nötig sind, können zum Beispiel ebenfalls über den sicheren Kanal übermittelt werden. Vorteilhafterweise kann in diesem Schritt optimal bestimmt werden, ob beispielsweise ein vorbestimmter Schwellenwert in der Abweichung des Soll-Drehmoments von dem Ist-Drehmoment überschritten wird. Durch den Vergleich kann beispielsweise eine Abweichung zwischen dem Soll-Drehmoments und dem Ist-Drehmoment bestimmt oder festgestellt werden, ob sich das Ist-Drehmoment innerhalb eines Soll-Drehmomentbereichs befindet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Verfahren einen Schritt des Bestimmens eines Drehmomentbereichs unter Verwendung des Soll-Signals aufweisen, wobei das Abschaltsignal bereitgestellt werden kann, wenn das Ist-Drehmoment außerhalb des Drehmomentbereichs liegt. Beispielsweise kann das Soll-Drehmoment abhängig von der Stellung eines Betätigungselements, wie zum Beispiel einem Gaspedal, festgelegt werden, während das Ist-Drehmoment des Antriebsmotors zum Beispiel aus gemessenen Motorströmen berechnet werden kann. Abhängig von der spezifischen Ausführung der Arbeitsmaschine und dem aktuellen Arbeitseinsatz kann der Drehmomentbereich bestimmt werden, in dem der Antrieb sicher arbeiten kann. Ein solcher Drehmomentbereich kann zum Beispiel ausgehend von dem Soll-Drehmoment einen Toleranzbereich von beispielsweise +/- 10% aufweisen, wobei der sichere Drehmomentbereich unter Berücksichtigung des Soll-Drehmoments fortlaufend neu festgelegt werden kann. Der Antriebsmotor kann abgeschaltet werden, wenn das Ist-Drehmoment außerhalb des sicheren Drehmomentbereichs liegt. Das hat den Vorteil, dass für die spezifische Arbeitsmaschine tolerierbare Abweichungen zwischen dem Soll-Drehmoment und dem Ist-Drehmoment berücksichtigt werden können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Verfahren einen Schritt des Einlesens eines über die sichere Kommunikationsstruktur übertragenen Anforderungssignals umfassen. Dabei kann das Anforderungssignal eine Anforderung eines Nutzers oder einer automatisierten Arbeitssteuerung der Arbeitsmaschine an den Antrieb repräsentieren, wobei das Soll-Signal unter Verwendung des Anforderungssignals bereitgestellt werden kann. Beispielsweise kann aus den Eingaben eines Fahrers über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI), zum Beispiel über das Fahrpedal (PWG), ein Fahrwunsch des Fahrers sicher ermittelt werden. Aus dem Fahrwunsch des Fahrers kann dann ein sicheres Soll-Drehmoment bestimmt werden. Vorteilhafterweise können somit an die Arbeitsmaschine gestellte Anforderungen sicher und präzise umgesetzt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Verfahren einen Schritt des Einlesens eines über die sichere Kommunikationsstruktur übertragenen Getriebesignals aufweisen, das eine Übersetzung eines mit dem elektrischen Antrieb gekoppelten Getriebes repräsentieren kann. Dabei kann das Soll-Signal unter Verwendung des Getriebesignals bereitgestellt werden. Beispielsweise kann das Getriebesignal einen eingelegten Gang beziehungsweise die wirksame Übersetzung des Getriebes repräsentieren. Diese Information kann von der Komponente sicher ermittelt und über einen sicheren Kanal beispielsweise an die VCU übermittelt werden. Die VCU kann diese Informationen vorteilhafterweise nutzen, um den Soll- Ist-Wertvergleich optimal durchzuführen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Verfahren einen Schritt des Einlesens eines über die sichere Kommunikationsstruktur übertragenen Unterbrechungssignals zum zeitweisen Verhindern des Bereitstellens des Abschaltsignals umfassen. Beispielsweise können in manchen Antriebssträngen der Arbeitsmaschine Komponenten verbaut sein, durch die es systembedingt zu einer Abweichung zwischen Soll- und Ist-Drehmoment kommen kann, die aber aus sicherheitstechnischer Betrachtung unkritisch sind. Ein Beispiel hierfür kann ein Schaltgetriebe während eines Schaltvorgangs darstellen. In diesem Fall kann die Komponente zum Beispiel der VCU ein Signal zur Verfügung stellen, durch das diese die Möglichkeit haben kann, den Soll-Ist-Wertvergleich vorübergehend zu unterbrechen beziehungsweise auszusetzen, um eine ungewollte Abschaltung des Systems auf Grund eines falsch interpretierten Gutzustands zu verhindern. Das Signal der Komponente, welches die Überwachungsfunktion unterbricht, kann beispielsweise auf der Komponente selbst sicher erfasst und sicher übermittelt werden. Die Überwachung auf Einhaltung der Drehmomentgrenzwerte kann also kurzzeitig ausgesetzt („gemutet“) werden. Ein Beispiel ist die sichere Ermittlung der Position einer Schaltmuffe in einem Schaltgetriebe. Sobald die Schaltmuffe sich beispielsweise in einer Position befindet, in der keine Übertragung von Zugkraft möglich ist, kann die Überwachung durch die VCU gemutet werden. Vorteilhafterweise kann dadurch eine gewünschte Änderung, die zu einer Abweichung zwischen dem Ist-Drehmoment und dem Soll-Drehmoment führen kann, in das Verfahren einbezogen und der elektrische Antrieb sicher überwacht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Schritt des Bereitstellens das Abschaltsignal bereitgestellt werden, um einen von einem Inverter bereitgestellten Betriebsstrom zum Betreiben des Antriebs zu unterbrechen. Beispielsweise können dazu Schalter des Inverters geeignet angesteuert werden, um eine Bereitstellung des Betriebsstrom zu unterbrechen. Dadurch wird eine sofortige Unterbrechung einer Energiezufuhr zum Antreiben des Antriebs erreicht.
Zusätzlich oder alternativ kann im Schritt des Bereitstellens das Abschaltsignal bereitgestellt wird, um ein Kurzschließen von Motorphasen des Antriebs anzusteuern. Beispielsweise können Leitungen zum Führen des Betriebsstroms gegeneinander kurzgeschlossen werden. Beispielsweise kann durch eine sichere Ansteuerung beispielsweise der unteren oder der oberen Halbbrücke der Leistungselektronik des Inverters die Motorphasen auf der Drehstromseite kurzgeschlossen (AKS) werden. Es kann sich vorteilhafterweise keine Spannung aufbauen, da alle Aktivteile auf der AC-Seite verbunden sind. Um die Vorteile beider Abschaltmethoden zu vereinen, kann zunächst bei hohen Drehzahlen ein Kurzschluss an den Motorphasen bewirkt und anschließend beim Erreichen von niedrigen Drehzahlen in den Zustand des sicher abgeschalteten Moments (STO) gewechselt werden, um das Auftreten von zu hohen Bremsmomenten zu verhindern.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Schritt des Bereitstellens das Abschaltsignal über eine Zweikanalleitung der Kommunikationsstruktur oder unter Verwendung eines abgesicherten Übertragungsprotokolls bereitgestellt wird. Beispielsweise können das Abschaltsignal sowie auch andere Signale innerhalb der sicheren Kommunikationsstruktur der Arbeitsmaschine unter Verwendung eines Bussystems, beispielsweise des sogenannten Controller Area Networks (CAN), übermittelt werden. Das hat den Vorteil, dass Signale wie das Abschaltsignal sicher übermittelt und eingelesen werden und Aktionen, die unter Verwendung der Signale durchgeführt werden, optimiert werden können.
Gemäß einer Ausführungsform können die Schritte des Verfahrens wiederholt durchgeführt werden. Das hat den Vorteil, dass der Antrieb der Arbeitsmaschine kontinuierlich überwacht und gegebenenfalls unmittelbar abgeschaltet werden kann.
Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern beziehungsweise umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Hierzu kann die Vorrichtung zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Daten- oder Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EEPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.
Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Zudem wird eine Arbeitsmaschine mit einem elektrischen Antrieb, einer sicheren Kommunikationsstruktur und einer Variante der zuvor vorgestellten Vorrichtung vorgestellt. Beispielsweise kann es sich bei der Arbeitsmaschine um ein elektrisches Fahrzeug handeln, bei dem die meisten Komponenten eigene Steuergeräte besitzen können. Diese können in geeigneter Weise koordiniert werden, um den sicheren Zustand der Gesamtmaschine einnehmen zu können. Eine spezielle Eigenschaft von permanenterregten Synchronmaschinen ist, dass sie, sobald sie in Bewegung sind, eine Spannung im HV-Kreis induzieren. Diese Spannung kann einen Stromfluss erzeugen. Dieser Stromfluss beziehungsweise die Spannung und daraus resultieren Drehmomente können zu Gefährdungen führen, wie zum Beispiel elektrischer Schlag bei indirekter Berührung, Zerstörung von Komponenten, Brand oder Umstürzende Maschinen durch hohe Bremsmomente. Durch die Verwendung der vorgestellten Vorrichtung kann die Arbeitsmaschine vorteilhafterweise gegen solche Gefährdungen abgesichert sein. Zudem kann die elektrische Sicherheit optimiert sein durch Verwendung von Hochvoltkabeln mit verstärkter Isolierung, Komponenten mit geschlossenem Gehäuse und HV Kennzeichnung sowie durch Zugänglichkeit zu spannungsführenden Teilen nur durch Werkzeug oder Stecker. Die Stecker können zum Beispiel einen Berührschutz entsprechen IPXXD im geschlossenen Zustand IPXXB im geöffneten Zustand aufweisen und zusätzlich oder alternativ können Stecker mit Verriegelung im geschlossenen Zustand verbaut sein. Zudem kann die Arbeitsmaschine eine Verkleidung an der Maschine aufweisen und einen hohen Isolationswiderstand zwischen HV und Fahrzeug. Das System kann vor indirekter Berührung geschützt sein durch ein-Fehler sicheres IT-System, galvanische Trennung von HV und Bordnetz, Potentialausgleich zwischen allen berührbaren Teilen und eine automatische Überwachung auf Einhaltung des Isolationswiderstandes des Systems durch eine geeignete Isolationsmesseinrichtung und Abschaltung des HV-Kreises (Trennung der Batterie und Entladung des Zwischenkreises) zum frühestmöglichen Zeitpunkt (Fahrzeug steht) wenn ein Isolationsfehler auftritt. Zudem kann ein Schutz optimiert sein durch Überwachung der Stecker auf Öffnen durch eine Pilotlinie und einen HVIL und Abschaltung des HV-Kreises (Trennung der Batterie und Entladung des Zwischenkreises) zum frühestmöglichen Zeitpunkt (Fahrzeug steht) sobald die Pilotlinie unterrochen wird. Zudem kann eine aktive Entladung des Zwischenkreises über schaltbare Entladewiderstände im Zwischenkreis durchführbar sein sowie eine passive Entladung des Zwischenkreises über dauerhaft wirksame Symmetriewiderstände im Zwischenkreis sowie ein maximaler Energieinhalt in Y-Kapazitäten im gesamten Zwischenkreis. Ein Brand in der Arbeitsmaschine kann beispielsweise verhindert werden durch normgerechte Auslegung von Kabeln und Steckern, Verwendung von Hochtemperaturleitern, selektive und Normgerechte Absicherung von Stromkreisen durch Schmelzsicherungen und Prüfung der Komponenten auf thermisches Versagen ohne Bildung einer offenen Flamme.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

1 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines elektrischen Antriebs gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 ein Blockschaltbild einer Arbeitsmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines elektrischen Antriebs gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
4 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.

In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 100 zum Betreiben eines elektrischen Antriebs gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 100 ist zum Betreiben eines elektrischen Antriebs für eine eine sichere Kommunikationsstruktur aufweisende Arbeitsmaschine anwendbar. Dabei umfasst das Verfahren einen Schritt 105 des Einlesens eines optional über die sichere Kommunikationsstruktur übertragenen Soll-Signals, das ein gewünschtes Soll-Drehmoment des Antriebs repräsentiert. Zudem umfasst das Verfahren 100 einen Schritt 110 des Einlesens eines über die sichere Kommunikationsstruktur übertragenen Ist-Signals, das ein aktuelles Ist-Drehmoment des Antriebs repräsentiert. Daraufhin folgt ein Schritt 115 des Bereitstellens eines sicheren Abschaltsignals über die sichere Kommunikationsstruktur zum Abschalten des Antriebs unter Verwendung des Soll-Signals und des Ist-Signals.
In diesem Ausführungsbeispiel wird im Schritt 115 des Bereitstellens das Abschaltsignal beispielhaft über eine Zweikanalleitung der Kommunikationsstruktur bereitgestellt, wenn eine Abweichung zwischen dem Soll-Drehmoment und dem Ist-Drehmoment einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet. Ansprechend auf das Abschaltsignal wird lediglich beispielhaft ein von einem Inverter bereitgestellter Betriebsstroms zum Betreiben des Antriebs unterbrochen.
In einem anderen Ausführungsbeispiel kann das Abschaltsignal zusätzlich oder alternativ unter Verwendung eines abgesicherten Übertragungsprotokolls bereitgestellt werden und kann beispielsweise ein Kurzschließen von Motorphasen des Antriebs ansteuern. Zudem kann das Abschaltsignal bereitgestellt werden, wenn die Abweichung zwischen dem Soll-Drehmoment und dem Ist-Drehmoment den Schwellenwert für einen vorbestimmten Zeitraum überscheitet. Beispielsweise kann das Abschaltsignal bereitgestellt werden, wenn eine Abweichung zwischen dem Ist-Drehmoment und dem Soll-Drehmoment von 100% für einen Zeitraum von 200 ms besteht, oder von 50% für 400 ms oder für 600 ms.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Abschaltsignal entsprechend der Norm DIN EN 1175 bereitgestellt werden, wenn das Ist-Drehmoment länger als eine maximale Dauer von 0,2s eine Beschleunigung von über 75% bis 100% der maximalen Beschleunigung des Fahrzeugs beim Anfahren bewirkt, länger als eine maximale Dauer von 0,4s eine Beschleunigung von über 32% bis 75% der maximalen Beschleunigung des Fahrzeugs beim Anfahren bewirkt, oder länger als eine maximale Fahrstrecke von 0,5m eine Beschleunigung von bis zu 32% der maximalen Beschleunigung des Fahrzeugs beim Anfahren bewirkt. Dabei wird unter der maximalen Beschleunigung des Fahrzeugs beim Anfahren die maximale Beschleunigung verstanden, die das Fahrzeug im unbeladenen Zustand aus dem Stand ausführen kann. Somit kann unter Verwendung des beschriebenen Ansatzes sichergestellt werden, dass das Antriebssystem des Fahrzeugs so ausgelegt ist, dass eine unkontrollierte gefahrbringende Beschleunigung aus dem Stillstand in der Ebene verhindert wird.
In einem Ausführungsbeispiel werden die Schritte 105, 110, 115 des Verfahrens wiederholt durchgeführt, um den Antrieb der Arbeitsmaschine kontinuierlich zu überwachen.
2 zeigt ein Blockschaltbild einer Arbeitsmaschine 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Lediglich beispielhaft ist die Arbeitsmaschine 200 als elektrisches Fahrzeug ausgebildet und umfasst einen elektrischen Antrieb 205, der in diesem Ausführungsbeispiel über eine AC-Verkabelung 210 mit einem Inverter 215 verbunden ist. Dabei ist der Antrieb 205 in diesem Ausführungsbeispiel mittels einer Vorrichtung 220 überwachbar, die ausgebildet ist, um ein Verfahren, wie es in der vorangegangenen Figur beschrieben wurde, zu steuern. Die Vorrichtung 220 ist in diesem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um Signale mittels einer sicheren Kommunikationsstruktur 225 lediglich beispielhaft unter Verwendung eines abgesicherten Übertragungsprotokolls, das auch als Save CAN bezeichnet werden kann, zu übertragen. In einem anderen Ausführungsbeispiel können die Signale in der sicheren Kommunikationsstruktur beispielsweise auch zweikanalig übertragbar sein.
Zum Betreiben eines elektrischen Antriebs 205 weist die Vorrichtung 220 in diesem Ausführungsbeispiel eine Überwachungseinrichtung 230 auf. Die Überwachungseinrichtung 230 ist ausgebildet, um ein über die sichere Kommunikationsstruktur 225 übertragenes Soll-Signal 235 einzulesen, das ein gewünschtes Soll-Drehmoment des Antriebs 205 repräsentiert und lediglich beispielhaft von einer Bestimmungseinrichtung 240 zum Bestimmen des Soll-Signals 235 sowohl an die Überwachungseinrichtung 230 als auch an den Inverter 215 bereitstellbar ist.
Weiterhin ist die Überwachungseinrichtung 230 ausgebildet, um ein über die sichere Kommunikationsstruktur 225 übertragenes Ist-Signal 245 einzulesen, das ein aktuelles Ist-Drehmoment des Antriebs 205 repräsentiert und in diesem Ausführungsbeispiel von einer Sensoreinheit 250 des Inverters 215 bereitstellbar ist.
Unter Verwendung des Soll-Signals 235 und des Ist-Signals 245 ist von der Überwachungseinrichtung 230 ein Abschaltsignal 255 über die sichere Kommunikationsstruktur 225 bereitstellbar, um den Antrieb 205 abzuschalten.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die hier dargestellte Arbeitsmaschine 200 als Fahrzeug mit einem elektrischen Antrieb 205 zur industriellen Anwendung sowie einem für diesen Antrieb optimierten Sicherheitskonzept ausgebildet. Dabei ist auf dem Inverter 215 die Ansteuerung (PWM) der Leistungsendstufen sicher unterbrechbar. Bei einer solchen Unterbrechung stellt der zugehörige Motor kein antreibendes Drehmoment mehr und die Maschine bleibt stehen. Zudem sind bei der hier dargestellten Arbeitsmaschine 200 die für elektrisch angetriebene mobile Arbeitsmaschinen geforderten Sicherheitsstandards eingehalten. Diese Sicherheitsstandards beziehen sich zum einen auf gefahrbringende Bewegungen und zum anderen auf die Einhaltung der elektrischen Sicherheit.
Bei der Vermeidung der gefahrbringenden Bewegung (funktionale Sicherheit) sind mehrere Aspekte einbezogen, wie beispielsweise eine Vermeidung des ungewollten Anfahrens der Maschine, eine Vermeidung von ungewollter Bewegung, ein sicheres Anhalten der Maschine im Notfall sowie ein Verhindern von ungewollt starker Beschleunigung oder Verzögerung.
Bei der elektrischen Sicherheit geht es vor allem um die Vermeidung von direkter Berührung, indirekter Berührung, Lichtbogenbildung, Brand sowie von Potentialdifferenzen an berührbaren Teilen.
Bei elektrischen Fahrzeugen kommt hinzu, dass die meisten Komponenten eigene Steuergeräte besitzen. Diese sind in der hier dargestellten Arbeitsmaschine 200 in geeigneter Weise koordiniert, um den sicheren Zustand der Gesamtmaschine einnehmen zu können. Eine spezielle Eigenschaft von permanenterregten Synchronmaschinen ist, dass sie, sobald sie in Bewegung sind, eine Spannung im HV-Kreis induzieren. Diese Spannung kann einen Stromfluss erzeugen. Dieser Stromfluss beziehungsweise die Spannung und daraus resultiere Drehmomente sind in diesem Ausführungsbeispiel durch die eingesetzte Vorrichtung 220 überwachbar, wodurch ein Schutz vor elektrischen Schlägen bei indirekter Berührung besteht sowie Schutz vor Zerstörung von Komponenten, Brand und umstürzende Maschinen durch hohe Bremsmomente.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 100 zum Betreiben eines elektrischen Antriebs gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das hier dargestellte Verfahren entspricht oder ähnelt dem in der vorangegangenen 1 beschriebenen Verfahren und ist mittels einer in der vorangegangenen 2 beschriebenen Vorrichtung steuerbar. Dabei weist das hier dargestellte Verfahren 100 im Unterschied zu dem in der vorangegangenen 1 beschriebenen Verfahren zusätzliche und alternative Schritte auf.
In diesem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren 100 einen Schritt 300 des Einlesens eines über die sichere Kommunikationsstruktur übertragenen Anforderungssignals, das eine Anforderung eines Nutzers oder einer automatisierten Arbeitssteuerung der Arbeitsmaschine an den Antrieb repräsentiert. Lediglich beispielhaft wird das Anforderungssignal über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) eingelesen.
Weiterhin umfasst das Verfahren 100 in diesem Ausführungsbeispiel einen Schritt 305 des Einlesens eines über die sichere Kommunikationsstruktur übertragenen Getriebesignals, das eine Übersetzung eines mit dem elektrischen Antrieb gekoppelten Getriebes repräsentiert.
Im darauffolgenden Schritt 105 des Einlesens des Soll-Signals wird in diesem Ausführungsbeispiel das Soll-Signal unter Verwendung des Anforderungssignals bereitgestellt. Mit anderen Worten wird in diesem Ausführungsbeispiel aus einem Fahrerwunsch eines Fahrers ein sicheres Soll-Drehmoment errechnet. Zusätzlich wird in diesem Ausführungsbeispiel das Soll-Signal unter Verwendung des Getriebesignals bereitgestellt, um einen aktuellen Getriebezustand beim Bestimmen des Soll-Signals einzubeziehen.
Lediglich beispielhaft folgt in dem hier dargestellten Verfahren 100 auf den Schritt 105 des Einlesens ein Schritt 310 des Bestimmens eines Drehmomentbereichs unter Verwendung des Soll-Signals. Dabei repräsentiert der bestimmte Drehmomentbereich einen Toleranzbereich, in dem das Ist-Drehmoment ausführbar ist.
In einem Ausführungsbeispiel folgt daraufhin der Schritt 110 des Einlesens eines über die sichere Kommunikationsstruktur übertragenen Ist-Signals, das ein aktuelles Ist-Drehmoment des Antriebs repräsentiert. Lediglich beispielhaft wird das Ist-Drehmoment in diesem Ausführungsbeispiel von einem Antriebsinverter des Antriebs sicher ermittelt und sicher bereitgestellt. In einem Ausführungsbeispiel erfolgt beispielhaft eine Übertragung des Ist-Signals über einen sicheren Kanal und beispielhaft unter Verwendung eines abgesicherten Übertragungsprotokolls. Beispielhaft wird eine sichere Kommunikation mittels CAN-Standard J1939-76 durchgeführt.
Anschließend an den Schritt 110 des Einlesens des Ist-Signals wird in einem Ausführungsbeispiel ein zusätzlicher Schritt 315 des Vergleichens des Soll-Drehmoments mit dem Ist-Drehmoment unter Verwendung des Soll-Signals und des Ist-Signals durchgeführt, um beispielhaft zu erfassen, ob das Ist-Drehmoment innerhalb oder außerhalb des Drehmomentbereichs liegt. Anders ausgedrückt wird ein Vergleich von sicherem Soll-Drehmoment und sicherem Ist-Drehmoment durchgeführt.
In einem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren 100 weiterhin einen Schritt 320 des Einlesens eines über die sichere Kommunikationsstruktur übertragenen Unterbrechungssignals zum zeitweisen Verhindern des Bereitstellens des Abschaltsignals. Das Unterbrechungssignal wird beispielhaft aufgrund von in manchen Antriebssträngen verbauten Komponenten bereitgestellt, durch die es systembedingt zu einer Abweichung zwischen Soll- und Ist-Drehmoment kommen kann, die aber aus sicherheitstechnischer Betrachtung unkritisch sind. Ein Beispiel hierfür stellt ein Schaltgetriebe während eines Schaltvorgangs dar. In diesem Fall wird ein Signal zur Verfügung gestellt, durch das der Soll-Ist-Wertvergleich vorübergehend unterbrochen beziehungsweise ausgesetzt wird, um eine ungewollte Abschaltung des Systems auf Grund eines falsch interpretierten Gutzustands zu verhindern. Das Signal der Komponente, welches die Überwachungsfunktion unterbricht, wird beispielhaft auf der Komponente selbst sicher erfasst und sicher übermittelt werden. Die Überwachung auf Einhaltung der Drehmomentgrenzwerte wird also kurzzeitig ausgesetzt („gemutet“). Das sogenannte Muting kann auf eine zeitliche Limitierung überwacht werden. Liegt das Muting zu lange an, so kann eine Abschaltung ausgelöst werden.
Sobald keine systembedingte Unterbrechung mehr vorliegt, erfolgt in einem Ausführungsbeispiel der Schritt 115 des Bereitstellens eines Abschaltsignals Dabei wird das Abschaltsignal in diesem Ausführungsbeispiel bereitgestellt, wenn das Ist-Drehmoment außerhalb des im vorangegangenen Schritts 310 bestimmten Drehmomentbereichs liegt. Zusätzlich wird in einem Ausführungsbeispiel das Abschaltsignal bereitgestellt, wenn die Abweichung zwischen dem Soll-Drehmoment und dem Ist-Drehmoment einen vorbestimmten Schwellwert für eine vorbestimmte Anzahl von Umdrehungen einer Antriebswelle des Antriebs überschreitet. Dabei wird in einem Ausführungsbeispiel das Abschaltsignal bereitgestellt, um ein Kurzschließen von Motorphasen des Antriebs anzusteuern.
Mit anderen Worten wird durch das Verfahren 100 eine sichere Abschaltung des Antriebsdrehmomentes auf den Antrieben ermöglicht. Hierfür umfasst das Sicherheitskonzept mehrere Teilaspekte beziehungsweise Schritte, um die sichere Ansteuerung und Regelung beispielhaft einer Fahrfunktion zu ermöglichen. Zumindest einige dieser Schritte sind dabei optional. Beispielsweise überwacht die Fahrzeugsteuerung (VCU) die sichere Translationsbewegung der Maschine. Die Fahrzeugsteuerung ermittelt sicher aus den Eingaben des Fahrers über die Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) zum Beispiel über das Fahrpedal (PWG) den Fahrwunsch des Fahrers. Die Fahrzeugsteuerung errechnet sicher aus dem Fahrwunsch des Fahrers ein sicheres Soll-Drehmoment. Der Antriebsinverter ermittelt sicher ein Ist-Drehmoment des Antriebs. Das Ist-Drehmoment des Antriebs wird über einen sicheren Kanal an die Fahrzeugsteuerung übertragen. Die Fahrzeugsteuerung führt einen Vergleich von sicherem Soll-Drehmoment und sicheren Ist-Drehmoment durch. Bei Überschreitung von vordefinierten Grenzen entsprechend der aktuellen Fahrsituation wird durch die Fahrzeugsteuerung eine sichere Abschaltung des Antriebs ausgelöst. Der sichere Abschaltbefehl wird sicher an eine den Antrieb umfassende Antriebseinrichtung übertragen (zweikanalig oder über Safe-CAN). Die Antriebseinrichtung setzt den Abschaltbefehl sicher um. Die Antriebseinrichtung meldet die Abschaltung über einen sicheren Kanal an die Fahrzeugsteuerung zurück.
Weitere Informationen, die für einen Soll- Ist-Wertvergleich nötig sind, können in einem Ausführungsbeispiel ebenfalls über den sicheren Kanal übermittelt werden. Dabei handelt es sich beispielweise um den eingelegten Gang beziehungsweise die wirksame Übersetzung des Getriebes. Diese Information wird beispielhaft von der Komponente sicher ermittelt und über einen sicheren Kanal an die Fahrzeugsteuerung übermittelt. Die VCU kann diese Informationen dann nutzen, um den Soll- Ist-Wertvergleich genauer zu machen.
Die sichere Abschaltung des Antriebsdrehmomentes des Antriebs kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen über zwei grundsätzliche Methoden erfolgen. Die erste Methode basiert auf einer sicheren Sperrung der Ansteuerung der Endstufen (Unterbrechung der PWM). Die zweite Methode basiert auf einer sicheren Herstellung eines Motorphasenkurzschlusses mittels einer geeigneten Ansteuerung der Endstufen (Ansteuerung der unteren oder oberen Halbbücke). Beide Methoden besitzen spezifische Vor- und Nachteile. Diese werden im Anschluss kurz erläutert. In einer Anwendung kann es sinnvoll sein, situationsbedingt den Antrieb von einer Abschaltungsart in die andere zu überführen.
Bei der ersten Methode wird durch eine sichere Sperrung der Ansteuerung der Leistungsendstufen (Sperrung der PWMs zu den IGBTs) sichergestellt, dass die Endstufen keinen Strom auf den Drehstromphasen (AC) des Antriebs einregeln können. Der Antrieb stellt dann kein antreibendes Drehmoment mehr. Handelt es sich bei dem Antrieb um einen Motor in Form einer permanent erregten Synchronmaschine (PSM), so induzieren die Magneten im Rotor durch Drehung jedoch eine Spannung in den Motorphasen (EMK). Diese Spannung ist abhängig von der Drehzahl des Motors. Je höher die Drehzahl des Motors ist, desto höher ist die EMK. Über die Freilaufdioden des Inverters liegt diese Spannung am Zwischenkreis des Inverters an. Bei hohen Drehzahlen kann die induzierte Spannung so hoch werden, dass die Leistungselektronik geschädigt wird. Der Antrieb stellt dabei weder antreibendes noch bremsendes Drehmoment. Befindet sich im Zwischenkreis aber eine Stromsenke (zum Beispiel eine Batterie) aufgrund derer die Zwischenkreisspannung nicht ansteigen kann, so fließt nennenswert Strom über die Freilaufdioden des Inverters aus dem AC-Kreis in den Zwischenkreis. Dabei entsteht ein Bremsmoment. Außerdem ist der Stromfluss nicht geregelt und kann zum Beispiel die Batterie schädigen, wenn er zu hoch ist.
Bei der zweiten Methode werden die Motorphasen durch eine sichere Ansteuerung der unteren oder der oberen Halbbrücke der Leistungselektronik des Inverters auf der Drehstromseite kurzgeschlossen (AKS). Es kann sich keine Spannung aufbauen, da alle Aktivteile auf der AC-Seite verbunden sind. Bei einer permanent erregten Synchronmaschine fließt in diesem Zustand jedoch ein hoher Strom durch den kurzgeschlossenen AC-Kreis. Dieser führt zum Aufbau eines ungeregelten, drehzahlabhängigen Bremsmomentes, welches in bestimmten Anwendungen eine gefährliche Situation bezüglich der Längsdynamik der Maschine verursachen kann. Das bremsende Drehmoment ist bei permanent erregten Synchronmaschinen bei hohen Drehzahlen üblicherweise klein und nimmt bei sehr kleinen Drehzahlen meist stark zu. Außerdem kann es durch den hohen Strom zu einer hohen thermischen Last an den Komponenten kommen. Da sich im AC-Kreis keine Spannung aufbaut, kann auch kein Strom über die Freilaufdioden in den Zwischenkreis fließen. Im Zwischenkreis bildet sich deshalb keine Spannung und es wird auch keine bereits bestehende Spannung im Zwischenkreis aufrechterhalten. Eine Entladung des Zwischenkreises ist während des AKS durchführbar.
In bestimmten Anwendungen, bei denen es zu einer Gefährdung durch ein hohes Bremsmoment kommen kann, ist es möglich, zunächst bei hoher Drehzahl der PSM einen AKS auszulösen und damit das System vor hoher Spannung zu schützen und beim Erreichen von niedrigen Drehzahlen in den Zustand des sicher abgeschalteten Moments zu wechseln, um das Auftreten von zu hohen Bremsmomenten zu verhindern.
4 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 220 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die hier dargestellte Vorrichtung 220 entspricht oder ähnelt der im der vorangegangenen 2 beschriebenen Vorrichtung und ist in einem Fahrzeug, wie es in der vorangegangenen 2 beschrieben wurde, einsetzbar. Die Vorrichtung 220 ist ausgebildet, um ein Verfahren, wie es in den vorangegangenen 1 und 3 beschrieben wurde, zu steuern.
In einem Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung 220 lediglich beispielhaft eine Nutzerschnittstelle 400, bei der sich lediglich beispielhaft um ein Fahrpedal zum Eingeben einer Fahrgeschwindigkeit beziehungsweise eines Wunsches eines Nutzers handelt. Die Eingabe des Nutzerwunsches, beispielhaft ein Herunterdrücken des Fahrpedal, ist in diesem Ausführungsbeispiel von einer Sensoreinheit 405 der Nutzerschnittstelle 400 erfassbar und lediglich beispielhaft unter Verwendung eines Anforderungssignals 410 an die Bestimmungseinrichtung 240 bereitstellbar. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann das Anforderungssignal zusätzlich oder alternativ eine automatisierte Arbeitssteuerung der Arbeitsmaschine an den Antrieb repräsentieren.
Die Bestimmungseinrichtung 240 ist in einem Ausführungsbeispiel zusätzlich ausgebildet, um ein über die sichere Kommunikationsstruktur 225 übertragenes Getriebesignal 415 einzulesen. Das Getriebesignal 415 repräsentiert in diesem Ausführungsbeispiel eine Übersetzung eines mit dem elektrischen Antrieb 205 gekoppelten Getriebes 420. Zudem ist die Bestimmungseinrichtung 240 lediglich beispielhaft ausgebildet, um ein ebenfalls über die sichere Kommunikationsstruktur 225 übertragenes Unterbrechungssignal 425 einzulesen, um ein Bereitstellen des Abschaltsignals 255 zeitweise zu verhindern.
Unter Verwendung des Anforderungssignals 410 sowie des Getriebesignals 415 ist in einem Ausführungsbeispiel das Soll-Signal 235 an die Überwachungseinrichtung 230 sowie an den Inverter 215 bereitstellbar.
Dabei ist die Überwachungseinrichtung 230 in einem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um unter Verwendung des Ist-Signals 245 und des Soll-Signals 235 einen Vergleich des Soll-Drehmoments mit dem Ist-Drehmoment durchzuführen. Lediglich beispielhaft ist das Abschaltsignal 255 zum Abschalten des Antriebs 205 bereitstellbar, wenn eine Abweichung zwischen dem Soll-Drehmoment und dem Ist-Drehmoment einen vorbestimmten Schwellenwert für einen vorbestimmten Zeitraum überschreitet.
In einem anderen Ausführungsbeispiel wird das Abschaltsignal 255 zusätzlich oder alternativ bereitgestellt, wenn die Abweichung den Schwellwert für eine vorbestimmte Anzahl von Umdrehungen einer Antriebswelle des Antriebs überschreitet oder wenn das Ist-Drehmoment außerhalb eines mittels des Soll-Signals bestimmten Drehmomentbereichs liegt.
In einem Ausführungsbeispiel wird das Abschaltsignal 255 an den Inverter 215 bereitgestellt, um beispielhaft einen von einem Inverter bereitgestellten Betriebsstroms zum Betreiben des Antriebs 205 zu unterbrechen. Der Antrieb 205 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel einen Drehzahlsensor 430, der ausgebildet ist, um das Abschalten des Antriebs zu erfassen und unter Verwendung eines Rückmeldesignals 435 an die Überwachungseinrichtung 230 bereitzustellen.
Wenn die Vorrichtung 220 in einem Fahrzeug eingesetzt wird, wird der Antrieb 205 beispielsweise zum Antreiben zumindest eines Rads des Fahrzeugs verwendet. Beispielsweise ist das Getriebe 420 dazu abtriebseitig mit zumindest einem Rad des Fahrzeugs verbunden. Wenn die Vorrichtung 220 ohne das Getriebe 420 ausgeführt ist, ist beispielsweise eine von dem Antrieb 205 angetriebene Welle direkt mit dem Rad verbunden.
Die hier dargestellte Vorrichtung 220 ist zudem beispielhaft mit einer Mehrzahl von Schutzmaßnahmen zum Einhalten der elektrischen Sicherheit ausgebildet. Beispielhaft schützt das System vor direktem Berühren des Hochvolt (HV)-Systems durch Verwendung von Hochvoltkabeln mit verstärkter Isolierung sowie Komponenten mit geschlossenem Gehäuse und HV Kennzeichnung. Spannungsführende Teile sind gemäß einem Ausführungsbeispiel nur durch Werkzeug oder Stecker zugänglich. Dabei sind die Stecker beispielsweise als Stecker mit Berührschutz entsprechen IPXXD im geschlossenen Zustand, Stecker mit Berührschutz entsprechen IPXXB im geöffneten Zustand oder Stecker mit Verriegelung im geschlossenen Zustand ausgeführt. Zudem sind beispielsweise Verkleidungen an der Maschine und ein hoher Isolationswiderstand zwischen einer Hochvoltversorgung und beispielsweise dem Fahrzeug vorgesehen.
Das System schützt vor indirekter Berührung beispielsweise durch ein sogenanntes Ein-Fehler sicheres IT-System, eine galvanische Trennung von Hochvoltbereich und Bordnetz, einem Potentialausgleich zwischen allen berührbaren Teilen sowie eine automatische Überwachung auf Einhaltung des Isolationswiderstandes des Systems durch eine geeignete Isolationsmesseinrichtung und Abschaltung des HV-Kreises (Trennung der Batterie und Entladung des Zwischenkreises) zum frühestmöglichen Zeitpunkt (Fahrzeug steht) wenn ein Isolationsfehler auftritt. Optional erfolgt eine Überwachung der Stecker auf ein Öffnen durch eine Pilotlinie und einen sogenannten HVIL (High Voltage Interlock Loop) und eine Abschaltung des HV-Kreises (Trennung der Batterie und Entladung des Zwischenkreises) zum frühestmöglichen Zeitpunkt, beispielsweise wenn ein Fahrzeug steht, sobald die Pilotlinie unterrochen wird. Optional erfolgte eine aktive Entladung des Zwischenkreises über schaltbare Entladewiderstände im Zwischenkreis, eine passive Entladung des Zwischenkreises über dauerhaft wirksame Symmetriewiderstände im Zwischenkreis, einen maximalen Energieinhalt in Y-Kapazitäten im gesamten Zwischenkreis.
Eine sichere Verhinderung von Brand wird beispielsweise durch eine normgerechte Auslegung von Kabeln und Steckern, eine Verwendung von Hochtemperaturleitern, eine selektive und normgerechte Absicherung von Stromkreisen durch Schmelzsicherungen sowie eine Prüfung der Komponenten auf thermisches Versagen ohne Bildung einer offenen Flamme geprüft.
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 Nicht-Patentliteratur

DIN EN 1175 [0032]

Claims

Verfahren (100) zum Betreiben eines elektrischen Antriebs (205) für eine Arbeitsmaschine (200) mit einer sicheren Kommunikationsstruktur (225), wobei das Verfahren (100) folgende Schritte (105, 110, 115) umfasst: Einlesen (105) eines Soll-Signals (235), das ein gewünschtes Soll-Drehmoment des Antriebs (205) repräsentiert; Einlesen (110) eines über die sichere Kommunikationsstruktur (225) übertragenen Ist-Signals (245), das ein aktuelles Ist-Drehmoment des Antriebs (205) repräsentiert; und Bereitstellen (105) eines sicheren Abschaltsignals (255) über die sichere Kommunikationsstruktur (225) zum Abschalten des Antriebs (205) unter Verwendung des Soll-Signals (235) und des Ist-Signals (245).
Verfahren (100) gemäß Anspruch 1, wobei das Abschaltsignal (255) bereitgestellt wird, wenn eine Abweichung zwischen dem Soll-Drehmoment und dem Ist-Drehmoment einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
Verfahren (100) gemäß Anspruch 2, wobei das Abschaltsignal (255) bereitgestellt wird, wenn die Abweichung den Schwellenwert für einen vorbestimmten Zeitraum überscheitet.
Verfahren (100) gemäß Anspruch 3, wobei das Abschaltsignal (255) bereitgestellt wird, wenn die Abweichung den Schwellwert für eine vorbestimmte Anzahl von Umdrehungen einer Antriebswelle des Antriebs (205) überschreitet.
Verfahren (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, mit einem Schritt (315) des Vergleichens des Soll-Drehmoments mit dem Ist-Drehmoment unter Verwendung des Soll-Signals (235) und des Ist-Signals (245.
Verfahren (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Schritt (310) des Bestimmens eines Drehmomentbereichs unter Verwendung des Soll-Signals (235), wobei das Abschaltsignal (255) bereitgestellt wird, wenn das Ist-Drehmoment außerhalb des Drehmomentbereichs liegt.
Verfahren (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Schritt (300) des Einlesens eines über die sichere Kommunikationsstruktur (225) übertragenen Anforderungssignals (410), das eine Anforderung eines Nutzers oder einer automatisierten Arbeitssteuerung der Arbeitsmaschine (200) an den Antrieb (205) repräsentiert, wobei das Soll-Signal (235) unter Verwendung des Anforderungssignals (410) bereitgestellt wird.
Verfahren (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Schritt (305) des Einlesens eines über die sichere Kommunikationsstruktur (225) übertragenen Getriebesignals (415), das eine Übersetzung eines mit dem elektrischen Antrieb (205) gekoppelten Getriebes (420) repräsentiert, wobei das Soll-Signal (235) unter Verwendung des Getriebesignals (415) bereitgestellt wird.
Verfahren (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Schritt (320) des Einlesens eines über die sichere Kommunikationsstruktur (225) übertragenen Unterbrechungssignals (425) zum zeitweisen Verhindern des Bereitstellens des Abschaltsignals (255).
Verfahren (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei im Schritt (115) des Bereitstellens das Abschaltsignal (255) bereitgestellt wird, um einen von einem Inverter (215) bereitgestellten Betriebsstroms zum Betreiben des Antriebs (205) zu unterbrechen.
Verfahren (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei im Schritt (115) des Bereitstellens das Abschaltsignal (255) bereitgestellt wird, um ein Kurzschließen von Motorphasen des Antriebs (205) anzusteuern.
Verfahren (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei im Schritt (115) des Bereitstellens das Abschaltsignal (255) über eine Zweikanalleitung der Kommunikationsstruktur (225) oder unter Verwendung eines abgesicherten Übertragungsprotokolls bereitgestellt wird.
Verfahren (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Schritte (105, 110, 115) des Verfahrens (100) wiederholt durchgeführt werden.
Vorrichtung (220), die eingerichtet ist, um die Schritte (105, 110, 115) des Verfahrens (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche in entsprechenden Einheiten auszuführen und/oder anzusteuern.
Arbeitsmaschine (200) mit einem elektrischen Antrieb (205), einer sicheren Kommunikationsstruktur (225) und einer Vorrichtung (220) gemäß Anspruch 14.