DE102022213967A1

DE102022213967A1 - Verfahren zur Verringerung thermischer Belastung wenigstens einer elektrischen Antriebskomponente eines elektrischen Antriebs in einem hydraulischen System

Info

Publication number: DE102022213967A1
Application number: DE102022213967.4A
Authority: DE
Inventors: Georg Mallebrein; Erik Engel; Steffen Rose; Nils Steker; Viktor Rill; Dominik Thomas Hoffmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-12-20
Filing date: 2022-12-20
Publication date: 2024-06-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung thermischer Belastung wenigstens einer elektrischen Antriebskomponente (4, 6) eines elektrischen Antriebs (3) in einem hydraulischen System, das wenigstens eine Hydraulikmaschine (8, 10) aufweist, die mit dem elektrischen Antrieb gekoppelt ist und durch diesen entsprechend einer Drehzahl angetrieben wird, wobei die wenigstens eine elektrische Antriebskomponente und die wenigstens eine Hydraulikmaschine jeweils wenigstens eine Verlustleistung aufweisen, die von der Drehzahl abhängig ist; wobei eine Solldrehzahl (58) in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt des hydraulischen Systems bestimmt wird (130), wobei beim Bestimmen der Solldrehzahl die wenigstens eine Verlustleistung der wenigstens einen elektrischen Antriebskomponente in Abhängigkeit von wenigstens einer Temperatur der wenigstens einen elektrischen Antriebskomponente berücksichtigt wird, wobei, wenn die wenigstens eine Temperatur hoch ist, die Solldrehzahl so bestimmt wird und/oder der Betriebspunkt so angepasst wird, dass die wenigstens eine Verlustleistung der wenigstens einen elektrischen Antriebskomponente reduziert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung thermischer Belastung eines elektrischen Antriebs in einem hydraulischen System sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung und ein hydraulisches System.
Hintergrund der Erfindung
Maschinen, z.B. mobile Arbeitsmaschinen, wie etwa Bagger, Lader oder Raupen, weisen üblicherweise ein hydraulisches System auf, mit dem Elemente der jeweiligen Maschine, etwa Armelemente eines Baggers, bewegt werden. Dabei sind eine oder mehrere Hydraulikpumpen in dem hydraulischen System zur Druckversorgung vorgesehen. Die eine oder die mehreren Hydraulikpumpen können durch einen elektrischen Antrieb mittels einer Welle angetrieben werden. Im Falle mehrerer Hydraulikpumpen können diese gemeinsam, indem alle Hydraulikpumpen an die Welle gekoppelt sind, von dem elektrischen Antrieb angetrieben werden.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zur Verringerung thermischer Belastung eines elektrischen Antriebs in einem hydraulischen System sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung und ein hydraulisches System mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung bedient sich der Maßnahme, in einem hydraulischen System bzw. elektrohydraulischen System, in dem eine Hydraulikmaschine (Hydraulikpumpe) durch einen elektrischen Antrieb angetrieben wird, eine Solldrehzahl der Hydraulikmaschine bzw. des elektrischen Antriebs in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt des hydraulischen Systems und unter Berücksichtigung wenigstens einer Temperatur einer elektrischen Antriebkomponente des elektrischen Antriebs zu bestimmen bzw. einzustellen, wobei, wenn die wenigstens eine Temperatur hoch ist (z.B. über wenigstens einer Temperaturschwelle liegt), die Solldrehzahl so bestimmt wird und/oder der Betriebspunkt so angepasst wird, dass die wenigstens eine Verlustleistung der wenigstens einen elektrischen Antriebskomponente reduziert wird. Dies ist vorteilhaft, da so ein Überhitzen und in der Folge eine Reduktion der Leistungsabgabe des elektrischen Antriebs vermieden werden kann.
Die wenigstens eine Temperatur ist eine gemessene bzw. erfasste (aktuelle) Temperatur der Antriebskomponente des elektrischen Antriebs. Der elektrische Antrieb kann als Antriebskomponenten eine elektrische Maschine und einen Inverter aufweisen. In diesem Fall kann in einer Ausgestaltung die wenigstens eine Temperatur des elektrischen Antriebs insbesondere eine Temperatur der elektrischen Maschine und/oder eine Temperatur des Inverters einschließen.
Der Betriebspunkt charakterisiert den Zustand und/oder Eigenschaften des hydraulischen Systems zumindest teilweise. Der Betriebspunkt ist insbesondere durch eine oder mehrere der folgenden Größen (bzw. Parameter) charakterisiert bzw. definiert: wenigstens einen Solldruck der wenigstens einen Hydraulikmaschine, wenigstens einen Sollvolumenstrom der wenigstens einen Hydraulikmaschine, wenigstens ein Soll-Drehmoment der wenigstens einen Hydraulikmaschine, wenigstens einen Soll-Schwenkwinkel (bzw. wenigstens eine Soll-Verdrängung) der wenigstens einen Hydraulikmaschine, einen Soll-Geräuschpegel des hydraulischen Systems, wenigstens einen Ist-Druck der wenigstens einen Hydraulikmaschine, wenigstens einen Ist-Volumenstrom der wenigstens einen Hydraulikmaschine, wenigstens ein Ist-Drehmoment der wenigstens einen Hydraulikmaschine, wenigstens einen Ist-Schwenkwinkel (bzw. wenigstens eine Ist-Verdrängung) der wenigstens einen Hydraulikmaschine, einen Ist-Geräuschpegel des hydraulischen Systems (wobei ebenso weitere oder andere Größen denkbar sind). Die Soll-Größen können zusammen als Soll-Betriebspunkt bzw. als Größen, die den Soll-Betriebspunkt charakterisieren, angesehen werden). Die Ist-Größen können zusammen als Ist-Betriebspunkt bzw. als Größen, die den Ist-Betriebspunkt charakterisieren, angesehen werden. Die Soll-Größen sind typischerweise Größen, die einer Steuerung oder Regelung vorgegeben werden. Die Ist-Größen können mittels Sensoren gemessen bzw. erfasst werden. Ebenso oder zusätzlich können die Ist-Größen aus Soll-Größen und/oder gemessenen Ist-Größen abgeleitet und/oder berechnet und/oder geschätzt werden, z.B. mittels geeigneter Formeln und/oder mittels eines oder mehrerer geeigneter Modelle. Es kann der Fall auftreten, dass einzelne der Größen nicht gleichzeitig im Betriebspunkt umfasst sein können, etwa kann für eine einzelne Hydraulikmaschine typischerweise nicht ein Soll-Druck und ein Soll-Volumenstrom vorgegeben werden (es sind dann z.B. der Soll-Druck und der Ist-Druck in den Größen, die den Betriebspunkt charakterisieren, eingeschlossen).
Insbesondere kann die Solldrehzahl als optimale Drehzahl bestimmt werden, die eine zu optimierende Funktion optimiert, in der die Drehzahl ein freier Parameter ist, wobei die zu optimierende Funktion wenigstens einen drehzahlabhängigen Antriebs-Verlustleistungsterm für die wenigstens eine Verlustleistung des elektrischen Antriebs und wenigstens einen drehzahlabhängigen Pumpen-Verlustleistungsterm für die wenigstens eine Hydraulikpumpe bzw. Hydraulikmaschine einschließt, und wobei der wenigstens eine Antriebs-Verlustleistungsterm mit wenigstens einem Gewichtungsfaktor, der von der wenigstens einen Temperatur abhängig ist, gewichtet wird.
In einer Ausgestaltung steigt der wenigstens eine Gewichtungsfaktor an, wenn die wenigstens eine Temperatur wenigstens eine vorbestimmte Temperaturschwelle überschreitet und/oder über der wenigstens einen vorbestimmten Temperaturschwelle liegt. Der Anstieg ab der Temperaturschwelle kann stetig, z.B. entsprechend einer monoton oder strengmonoton steigenden Funktion, und/oder in einem oder mehreren Schritten erfolgen. Die Steilheit des Anstiegs kann z.B. so bestimmt werden, etwa auf Grundlage von Datenblättern der elektrischen Maschine und/oder durch Versuche, dass eine kritische Temperatur der elektrischen Maschine, bei der eine Leistungsverringerung, notwendig wird, möglichst nicht erreicht wird. Die Höhe der wenigstens einen vorbestimmten Temperaturschwelle sowie die Steigung oder Schrittweite, mit der der Gewichtungsfaktor ansteigt, können geeignet (unter Berücksichtigung der Dynamik des elektrischen Antriebs bzw. der Wärmeentwicklung und -abfuhr desselben) gewählt werden, um eine Überhitzung zu vermeiden.
In einer Ausgestaltung weist das hydraulische System wenigstens eine weitere Komponente, an der Verlustleistung auftritt, auf, wobei die zu optimierende Funktion wenigstens einen Komponenten-Verlustleistungsterm einschließt. Die wenigstens eine weitere Komponente kann beispielsweise wenigstens eine Kühleinrichtung einschließen. Die wenigstens eine Kühleinrichtung kann etwa eines oder mehreres sein von einem Lüfter des elektrischen Antriebs, einer Kühlkreislaufpumpe (insbesondere des elektrischen Antriebs), einem Kühler für Druckmittel oder Ähnlichem.
Das hydraulische System kann insbesondere zwei hydraulische Kreise aufweisen, die jeweils von einer Hydraulikmaschine mit Druckmittel versorgt werden, wobei die beiden Kreise durch eine Summierungseinrichtung, insbesondere ein Summierungsventil, hydraulisch zusammenschaltbar sind. In diesem Fall kann in einer Ausgestaltung die wenigstens eine weitere Komponente wenigstens die Summierungseinrichtung einschließen. Die zu optimierende Funktion schließt entsprechend einen Verlustleistungsterm (Summierungs-Verlustleistungsterm) für die Summierungseinrichtung (Summierungsventil) ein. Verlustleistung entsteht an der Summierungseinrichtung, da der hydraulische Druck in den beiden Kreisen unterschiedlich ist und entsprechend ein Druckabfall und damit verbunden eine Wandlung hydraulischer Energie in Wärme auftritt.
In einer Ausgestaltung weist die Summierungseinrichtung einen Zustand auf, entsprechend dem die Kreise zusammengeschaltet oder nicht zusammengeschaltet sind, wobei der Zustand der Summierungseinrichtung ein freier Parameter der zu optimierenden Funktion ist, wobei diese zusätzlich bezüglich des Zustands variiert wird. In dieser Ausgestaltung kann beispielsweise das Zusammenschalten der Kreise in Abhängigkeit davon erfolgen, in welchem Zustand der Summierungseinrichtung die zu optimierende Funktion optimal ist. D.h., die Kreise werden zusammengeschaltet, wenn das Optimum der zu optimierenden Funktion (z.B. Minimum einer Kostenfunktion) dem zusammengeschalteten Zustand entspricht, und nicht zusammengeschaltet, wenn das Optimum der zu optimierenden Funktion dem nicht zusammengeschalteten Zustand entspricht. Der Summierungs-Verlustleistungsterm kann optional zusätzlich mit einem (Summierungs-)Gewichtungsfaktor gewichtet werden, der abhängig davon ist, ob eine Anforderung, die Kreise zusammenzuschalten (etwa um hohe Leistungsanforderungen in einem Kreis zu erfüllen), vorliegt (z.B. gleich eins ist, wenn eine solche Anforderung nicht vorliegt, und kleiner 1 ist, wenn eine solche Anforderung vorliegt).
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines hydraulischen Systems einer mobilen Arbeitsmaschine, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Figurenbeschreibung

1 zeigt beispielhaft eine Arbeitsmaschine, nämlich einen mobilen Bagger.
2 zeigt ein beispielhaftes hydraulisches System mit zwei Kreisen, wie es etwa im Bagger der 1 verwendet werden kann.
3 zeigt eine Regelstrecke zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine und einer Hydraulikpumpe.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens zur Verringerung thermischer Belastung eines elektrischen Antriebs in einem hydraulischen System.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt beispielhaft eine Arbeitsmaschine, nämlich einen mobilen Bagger 30. Der Bagger 30 umfasst ein Fahrgestell 32 und einen darauf drehbar montierten Aufbau 34. Am Fahrgestell sind Räder 36 montiert. Eine Drehung des Aufbaus relativ zum Fahrgestell wird durch ein Drehwerk 38 ermöglicht. Diese Drehung kann z.B. durch einen elektrischen Antrieb bzw. elektrischen Drehwerksantrieb angetrieben werden. Am Aufbau 34 ist ein Ausleger bzw. Baggerarm 40 befestigt, an dessen Ende sich eine Schaufel 42 befindet. Ausleger, Arm und Schaufel werden hier beispielsweise über eine Elektro-Hydraulik 44, d.h. eine durch einen elektrischen Antrieb angetriebene Hydraulik, mittels Hydraulikzylindern 46 bewegt bzw. angetrieben. Eine Batterie 48 versorgt den elektrischen Antrieb des Drehwerks und die Elektro-Hydraulik mit elektrischer Energie.
2 zeigt ein beispielhaftes hydraulisches System bzw. elektrohydraulisches System mit zwei Kreisen, wie es etwa im Bagger der 1 verwendet werden kann. Die zwei Kreise können entweder separat betrieben werden oder über ein Summierungsventil 18 miteinander verbunden werden.
Es ist eine elektrische Batterie 2 gezeigt, durch die ein elektrischer Antrieb 3 des hydraulischen Systems zum Antreiben von Hydraulikpumpen und ein elektrischer Drehwerksantrieb zum Antreiben eines Drehwerks (nicht dargestellt) mit elektrischer Energie versorgt werden. Die Batterie 2 kann als Teil des hydraulischen Systems angesehen werden. Alternativ könnte ebenso eine externe Batterie verwendet werden. Statt einer Batterie könnte auch eine andere Stromversorgung vorgesehen sein. Der elektrische Antrieb 3 der Hydraulik weist als elektrische Antriebskomponenten einen Inverter 4 (z.B. DC/AC-Wandler) und eine elektrische Maschine 6 auf. Der elektrische Drehwerksantrieb weist als elektrische Komponenten einen Inverter 5 (z.B. DC/AC-Wandler) und eine elektrische Drehwerksmaschine 7 auf.
Die elektrische Maschine 6 ist über eine Welle mit einer ersten Hydraulikpumpe 8 (bzw. Hydraulikmaschine) und einer zweiten Hydraulikpumpe 10 gekoppelt. Ein erster Ausgangskanal 14 der ersten Hydraulikpumpe 8 ist mit einem ersten hydraulischen Kreis verbunden, um diesen mit Druckmittel (Hydraulikflüssigkeit, typischerweise ein Hydrauliköl) zu versorgen. Ein zweiter Ausgangskanal 16 der zweiten Hydraulikpumpe 10 ist mit einem zweiten hydraulischen Kreis verbunden, um diesen mit Druckmittel zu versorgen. Über die Welle werden beispielhaft weitere Hydraulikpumpen 12 bzw. Hilfspumpen angetrieben, die etwa dazu dienen, einen Steuerdruck zum Betätigen hydraulisch oder elektro-hydraulisch betätigter Ventile bereitzustellen.
Es ist beispielhaft ein Summierungsventil 18 vorgesehen, mit dem die beiden Kreise hydraulisch verbunden werden können (etwa, um einer hohen Leistungsanforderung in einem der Kreise zu genügen).
Über den ersten Kreis werden als hydraulische Verbraucher zwei Hydraulikzylinder 20 (die z.B. die Bewegung des Auslegers des Baggers der 1 bewirken) mit Druckmittel versorgt. Der Fluss zu und von den Hydraulikzylindern 20 wird mittels einer ersten Ventilanordnung 24 gesteuert, die mit dem ersten Ausgangskanal 14, mit dem Summierungsventil 18 und mit einem Tank für Druckmittel hydraulisch verbunden ist.
Über den zweiten Kreis werden als hydraulische Verbraucher zwei Hydraulikzylinder 22, 23 (die z.B. die Bewegung eines mittleren Armelements und der Schaufel des Baggers der 1 bewirken) mit Druckmittel versorgt. Der Fluss zu und von den Hydraulikzylindern 22, 23 wird mittels zweiter Ventilanordnungen 26, 27 gesteuert, die mit dem zweiten Ausgangskanal 14, mit dem Summierungsventil 18 und mit dem Tank für Druckmittel hydraulisch verbunden sind.
Die Ventilanordnungen umfassen einstellbare bzw. verstellbare Durchgänge, als einstellbare Messblenden dargestellt, so dass entsprechend deren Verstellung der Fluss an Druckmittel zu und von den hydraulischen Verbrauchern gesteuert werden kann. Die Messblenden (Durchgänge) können z.B. in Ventilen und insbesondere Wegeventilen gebildet sein, wobei verschiedene Schaltstellungen, etwa verschiedene Positionen eines Schiebers bzw. Kolbens eines Wegeventils, verschieden großen Querschnitten der Messblenden entsprechen, d.h. die Messblenden bzw. deren Querschnitte können durch Verstellen der (Wege-)Ventile eingestellt werden. Der genaue Aufbau der Ventilanordnungen, der von der spezifischen Anwendung, z.B. der Maschine in der das hydraulische System verwendet wird, abhängig ist, braucht hier nicht erläutert zu werden und ist dem Fachmann an sich bekannt. Letztendlich entsprechen Einstellungen der Ventilanordnungen bestimmten hydraulischen Leistungsanforderungen, z.B. ein geforderter Druck und/oder Volumenstrom, die von den Hydraulikpumpen 8, 10 bzw. dem elektrischen Antrieb (Inverter 4, elektrische Maschine 6) erfüllt werden müssen.
3 zeigt eine Regelstrecke zur Ansteuerung eines elektrischen Antriebs 64 und einer Hydraulikpumpe 72. Gegeben sind wenigstens ein Druck 52 und ein Sollvolumenstrom 54, etwa entsprechend einer Leistungsanforderung der Verbraucher. Entsprechend einer Betriebsstrategie bzw. durch ein Modul 56, das die Betriebsstrategie implementiert, werden daraus sowohl eine Solldrehzahl 58 als auch eine Vorgabe 60 für die Hydraulikpumpe bestimmt. Eine Drehzahlregelung 62 für den elektrischen Antrieb 64 regelt die Drehzahl entsprechend der Solldrehzahl ein. Eine Pumpensteuerung 68 stellt aus der Vorgabe 60 für die Hydraulikpumpe die Verdrängung 70 bzw. den Schwenkwinkel der Hydraulikpumpe 72 ein. Dabei kann die Leckage 74 der Hydraulikpumpe mitberücksichtigt werden. Insgesamt wird so ein effektiver Volumenstrom 76 erhalten, der im Rahmen der Regelung gleich dem Sollvolumenstrom sein sollte. Die Leistung bzw. das Drehmoment 78 der Hydraulikpumpe wird von der elektrischen Maschine aufgebracht. Der elektrische Antrieb weist einen entsprechenden Energieverbrauch 80 auf. Das Betriebsstrategie-Modul, d.h. das Modul 56, das die Betriebsstrategie implementiert, und/oder die Drehzahlregelung 62 und/oder die Pumpensteuerung 68 können insbesondere durch wenigstens ein Computerprogramm bzw. Computerprogrammmodul, das z.B. in einer elektronischen Steuerung (Recheneinheit) des hydraulischen Systems ausgeführt wird, implementiert werden.
Es gilt n · V_g = Q_soll + Q_Leck, d.h. zwei einstellbare Parameter, nämlich die Drehzahl n und die Verdrängung V_g, können gewählt werden, um einen gewünschten Sollvolumenstrom Q_soll zu erhalten, wobei der Leckage-Volumenstrom Q_Leck berücksichtigt werden sollte. Aufgrund der Einschränkung durch die vorstehende Gleichung ist somit ein Freiheitsgrad bzw. ein freier Parameter (im Rahmen technischer Schranken) vorhanden. Die Verdrängung (bzw. das Schluckvolumen) ist das je Umdrehung von der Hydraulikpumpe geförderte Volumen an Druckmittel. Die Verdrängung entspricht z.B. dem Schwenkwinkel, wobei insbesondere die Verdrängung V_g das Produkt aus einem Schwenkwinkelfaktor und der maximalen Verdrängung V_g,max der Hydraulikpumpe ist.
Die Wahl der Parameter Drehzahl und Verdrängung entsprechend der Betriebsstrategie kann Verlustleistungen, die im elektrischen Antrieb, bzw. in der elektrischen Maschine und im Inverter, und in der Hydraulikpumpe auftreten, berücksichtigen, um z.B. einen möglichst effizienten Betrieb zu gewährleisten.
Vereinfacht gilt, dass bei vorgegebener aufzubringender Leistung die Verlustleistungen von elektrischer Maschine und Inverter mit größerer Drehzahl kleiner sind, d.h. deren Betrieb bei größerer Drehzahl effizienter ist, während die Verlustleistung der Hydraulikpumpe (bei konstantem Druck) mit größerer Verdrängung bzw. kleinerer Drehzahl kleiner ist, d.h. deren Betrieb bei kleinerer Drehzahl effizienter ist. Die Drehzahl bzw. die Verdrängung könnten beispielsweise so gewählt werden, dass die Summe der Verlustleistungen minimal ist. Dies kann jedoch problematisch sein, da sich die elektrischen Antriebskomponenten des elektrischen Antriebs, d.h. die elektrische Maschine und/oder der Inverter, insbesondere bei geringeren Drehzahlen aufgrund der dabei auftretenden größeren elektrischen Ströme stark erwärmen können, so dass letztendlich eine Verringerung der Leistungsabgabe nötig wird (sogenanntes Derating), um ein Überhitzen der Antriebskomponenten und eventuelle Schäden zu vermeiden. Da die Hydraulikpumpe von Druckmittel durchströmt wird, womit auch eine Wärmeabfuhr verbunden ist, tritt eine zu starke Erwärmung der Hydraulikpumpe normalerweise nicht auf.
Die Verlustleistung P_V,EM der elektrischen Maschine ist insbesondere abhängig von der Drehzahl n, dem Drehmoment M, einer Gleichspannung am Inverter U_dc und einer Temperatur T_EM der elektrischen Maschine (auch als Elektromaschinen-Temperatur bezeichnet; gemessen an einer geeigneten Stelle, z.B. an den Wicklungen und/oder am Eisenkern), die Verlustleistung der elektrischen Maschine kann also als Funktion dieser Parameter angesehen werden, d.h. $P_{V, E M} = P_{V, E M} (n, M, U_{d c}, T_{E M}) .$
Die Verlustleistung P_V,Inv des Inverters ist insbesondere abhängig von der Drehzahl n, dem Drehmoment M, der Gleichspannung am Inverter U_dc und einer Temperatur T_Inv des Inverters (auch als Inverter-Temperatur bezeichnet; gemessen an einer geeigneten Stelle, z.B. an einem Kühlkörper und/oder einem Halbleiter des Inverters), die Verlustleistung des Inverters kann also als Funktion dieser Parameter angesehen werden, d.h. P_V,Inv = P_V,Inv(n, M, U_dc, T_Inv).
Die Verlustleistung P_V,Pmp der Hydraulikpumpe ist insbesondere abhängig von einem Druckunterschied Δp über die Hydraulikpumpe, dem von der Hydraulikpumpe geförderten Volumenstrom Q, der Drehzahl n, und der Verdrängung V_g, die Verlustleistung der Hydraulikpumpe kann also als Funktion dieser Parameter angesehen werden, d.h. P_V,Pmp = P_V,Pmp(Δp, Q, n, V_g).
Die Drehzahl bzw. die Verdrängung kann so bestimmt werden, dass die folgende Kostenfunktion minimiert wird: $K = X_{E M} (T_{E M}) \cdot P_{V, E M} (n, M, U_{d c}, T_{E M}) + X_{I n v} (T_{I n v}) \cdot P_{V, I n v} (n, M, U_{d c, T_{I n v}}) + P_{V, P m p} (Δ p, Q, n, V_{g})$
Die Kostenfunktion schließt gewichtete Verlustleistungsterme für die Verlustleistung der elektrischen Maschine (Elektromaschinen-Verlustleistungsterm), für die Verlustleistung des Inverters (Inverter-Verlustleistungsterm) und für die Verlustleistung der Hydraulikpumpe (Pumpen-Verlustleistungsterm) ein. Der Elektromaschinen-Verlustleistungsterm und der Inverter-Verlustleistungsterm können jeweils als Antriebs-Verlustleistungsterm angesehen werden.
Hierbei kann die Drehzahl n als freier Parameter variiert werden, so dass die Kostenfunktion minimiert wird. Die Verdrängung V_g ergibt sich durch die oben angegebene Gleichung bei gegebenem Sollvolumenstrom Q_soll aus der Drehzahl. Alternativ könnte über die Verdrängung variiert werden, wobei die Drehzahl aufgrund der oben angegebenen Gleichung als abhängige Variable angesehen werden kann.
Dabei stellen X_EM = X_EM(T_EM) und X_Inv = X_Inv(T_Inv) Gewichtungsfaktoren dar, mit denen Verlustleistung P_V,EM der elektrischen Maschine und die Verlustleistung P_V,Inv des Inverters in der Kostenfunktion abhängig von der jeweiligen Temperatur T_EM bzw. T_Inv unterschiedlich stark gewichtet werden können.
Insbesondere kann die funktionale Abhängigkeit des Gewichtungsfaktor X_EM der elektrischen Maschine (auch als Elektromaschinen-Gewichtungsfaktor bezeichnet) von der Temperatur T_EM der elektrischen Maschine so gewählt, dass dieser bis zu einer Temperaturschwelle bzw. Elektromaschinen-Temperaturschwelle gleich eins ist und bei Überschreiten der Temperaturschwelle bzw. ab der Temperaturschwelle auf Werte größer als eins ansteigt (z.B. auf Werte im Bereich von 1 bis 2 oder im Bereich von 1 bis 5).
In analoger Weise kann insbesondere die funktionale Abhängigkeit des Gewichtungsfaktor X_Inv des Inverters (auch als Inverter-Gewichtungsfaktor bezeichnet) von der Temperatur T_Inv des Inverters so gewählt, dass dieser bis zu einer Temperaturschwelle bzw. Inverter-Temperaturschwelle (die ungleich der Elektromaschinen-Temperaturschwelle sein kann) gleich eins ist und bei Überschreiten der Temperaturschwelle bzw. ab der Temperaturschwelle auf Werte größer als eins ansteigt (z.B. auf Werte im Bereich von 1 bis 2 oder im Bereich von 1 bis 5).
In beiden Fällen kann der Anstieg ab der jeweiligen Temperaturschwelle stetig, z.B. entsprechend einer monoton oder strengmonoton steigenden Funktion, und/oder in einem oder mehreren Schritten erfolgen. Die Steilheit des jeweiligen Anstiegs kann z.B. so bestimmt werden, etwa auf Grundlage von Datenblättern des Inverters bzw. der elektrischen Maschine und/oder durch Versuche, dass eine kritische Temperatur des Inverters bzw. der elektrischen Maschine, bei der eine Leistungsverringerung, notwendig wird, möglichst nicht erreicht wird.
Liegen die Temperatur T_EM der elektrischen Maschine unter der Elektromaschinen-Temperaturschwelle und die Temperatur T_Inv des Inverters unter der Inverter-Temperaturschwelle, sind beide Gewichtungsfaktoren gleich eins, so dass die Gesamtverlustleistung minimiert wird. Liegt wenigstens eine der Temperaturen über der entsprechenden Temperaturschwelle, wird die jeweilige Verlustleistung stärker gegenüber der Verlustleistung der Hydraulikpumpe gewichtet, was zu einem Betriebspunkt (Drehzahl bzw. Verdrängung) mit geringerer Verlustleistung der elektrischen Maschine und/oder des Inverters führt. Es wird also eine gegenüber der minimal möglichen Gesamtverlustleistung höhere Gesamtverlustleistung akzeptiert, um ein Überhitzen der elektrischen Maschine und/oder des Inverters zu vermeiden.
Zur Lösung des beschriebenen Minimierungsproblems kann ein geeignetes Verfahren verwendet werden. Beispielsweise kann die Drehzahl als freier Parameter in Schritten zwischen einer minimalen und einer maximalen Drehzahl (die etwa durch den elektrischen Antrieb technisch vorgegeben sind) mit einer bestimmten Schrittweite variiert werden, für jeden Schritt die Kostenfunktion ausgewertet werden, und der Schritt, an dem die Kostenfunktion minimal ist bestimmt. Weitergehend ist in diesem Beispiel ein iteratives Verfahren denkbar, in dem in Iterationen die Schrittweite verkleinert wird.
Für ein System mit zwei von einem elektrischen Antrieb gemeinsam angetriebenen Hydraulikpumpen, die zwei über ein Summierungsventil verbindbare Kreise mit Druckmittel versorgen (wie z.B. in 2 dargestellt), sind einerseits die Verlustleistungen beider Hydraulikpumpen und andererseits mögliche (im zusammengeschalteten Zustand) Summierungsverluste (zusätzlicher Druckabfall bei Versorgung des Kreises mit dem niedrigeren Lastdruck) in der Kostenfunktion als zusätzliche Summanden zu berücksichtigen.
Der Schaltzustand bzw. Zustand des Summierungsventils (bzw. der Summierungseinrichtung) stellt dann in der Kostenfunktion einen zweiten freien Parameter dar. Dieser kann zwei verschiedene Zustände einnehmen: geschlossen, d.h. die Kreise sind nicht zusammengeschaltet, oder geöffnet, d.h. die Kreise sind zusammengeschaltet (wobei sich ein Öffnungsgrad bzw. Öffnungsquerschnitt aus den Drücken in den beiden Kreisen ergibt). Bei der Minimierung sollte entsprechend neben der Drehzahl über die beiden Schaltzustände variiert werden. Es sollte z.B. für beide Schaltzustände (zusammengeschaltet, nicht zusammengeschaltet) das Minimum bestimmt werden und daraus der Schaltzustand mit dem kleineren Minimum (bei entsprechender Drehzahl) gewählt werden.
Wenn nun eine thermische Überlastung der elektrischen Maschine und/oder des Inverters droht, kann man in den Kostenterm auch hier die Verlustleistungen der elektrischen Maschine und/oder des Inverters höher gewichten und so insgesamt eine niedrigere thermische Belastung der elektrischen Komponenten erzielen, z.B. wird auch hier das Drehzahlniveau zu höheren Drehzahlen hin verändert werden. Das kann auch dazu führen, dass als Ergebnis der Minimierung die Entscheidung, ob oder ob nicht die Summierung aktiviert wird, anders ausfällt. Beispielsweise kann der Fall auftreten, dass, wenn ein Kreis zusätzliche hydraulische Leistung anfordert, die Summierung dennoch nicht erfolgt, weil im anderen Kreis eine hohe Elektromaschinen-Temperatur und/oder Inverter-Temperatur vorliegt. Umgekehrt kann bei einer thermischen Überlastung (hohe Elektromaschinen-Temperatur und/oder Inverter-Temperatur) des elektrischen Antriebs eines Kreises durch Summierung eine thermische Entlastung erfolgen, d.h. die Kreise werden zusammengeschaltet, obwohl dies allein aufgrund der benötigten hydraulischen Leistung nicht notwendig wäre.
Die Bestimmung des freien Parameters (Drehzahl bzw. Verdrängung) bzw. der freien Parameter (im Falle von zusammenschaltbaren Kreisen) im Rahmen der Minimierung kann insbesondere im Rahmen der Betriebsstrategie bzw. durch das Modul 56, das die Betriebsstrategie implementiert, erfolgen. Hier ist auch denkbar, dass vorausberechnete, etwa in Form eines Kennfelds gespeicherte Werte verwendet werden.
Vorstehend wurde eine Kostenfunktion (gewichtete Summe einzelner Verlustleistungen) gewählt und entsprechend eine Minimierung durchgeführt. Klarerweise wäre auch eine Formulierung als Maximierungsproblem denkbar. Entsprechend erfolgt, allgemeiner formuliert, eine Optimierung, wobei in einer zu optimierenden Funktion wenigstens ein Term in Abhängigkeit von wenigstens einer Temperatur wenigstens einer elektrischen Antriebskomponente (Elektromaschinen-Temperatur, Inverter-Temperatur) des elektrischen Antriebs gewichtet bzw. berücksichtigt wird, so dass Verlustleistung im elektrischen Antrieb bei Bedarf, d.h. bei entsprechend hoher Temperatur, reduziert wird, um ein weiteres Erwärmen und mögliches Überhitzen zu vermeiden. Die Solldrehzahl und gegebenenfalls der einzustellende Zustand (Soll-Zustand) des Summierungsventils werden also bei gegebenem Betriebspunkt so bestimmt, dass wenigstens eine Verlustleitung der wenigstens einen elektrischen Antriebskomponente reduziert wird, wenn die wenigstens eine Temperatur hoch ist, beispielsweise über wenigstens einer Temperaturschwelle liegt. Die wenigstens eine Temperaturschwelle ist insbesondere so gewählt, dass sie kleiner ist als eine maximal zulässige Betriebstemperatur der entsprechenden wenigstens einen elektrischen Antriebskomponente.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens zur Verringerung thermischer Belastung eines elektrischen Antriebs in einem hydraulischen System.
In Schritt 110 wird, etwa entsprechend einer Leistungsanforderung hydraulischer Verbraucher, ein Sollvolumenstrom und optional wenigstens ein Druck vorgegeben. Ebenso können hier weitere Größen, die den Betriebspunkt charakterisieren, vorgegeben werden.
In Schritt 120 wird wenigstens eine Temperatur wenigstens einer Antriebskomponente des elektrischen Antriebs erfasst (z.B. werden von Temperatursensoren gemessene Werte empfangen).
In Schritt 130 wird unter Berücksichtigung der erfassten wenigstens einen Temperatur eine Solldrehzahl und daraus (entsprechend dem Sollvolumenstrom bzw. allgemeiner dem Betriebspunkt) eine Verdrängung (bzw. ein Schwenkwinkel) bestimmt. Die erfolgt insbesondere, wie vorstehend beschrieben, im Rahmen einer Betriebsstrategie, die z.B. eine Optimierung (z.B. Minimierung) einer zu optimierenden Funktion (z.B. Kostenfunktion) einschließt, die mit von der wenigstens einen Temperatur abhängigen Gewichtsfaktoren gewichtete Terme aufweist.
In Schritt 140 werden der elektrische Antrieb entsprechend der bestimmten Drehzahl und die wenigstens eine Hydraulikpumpe (oder Hydraulikmaschine) entsprechend der bestimmten Verdrängung geregelt bzw. angesteuert.
Die Schritte 120 bis 140 können fortlaufend durchgeführt werden, so dass sich Drehzahl auch ohne Änderung der Vorgabe (Sollvolumenstrom, Druck; bzw. Betriebspunkt) ändern kann, wenn sich die Temperatur ändert.
In Schritt 150 kann eine Anpassung des Betriebspunkts vorgesehen sein. Entsprechend kann wieder mit Schritt 110 mit dem angepassten Betriebspunkt fortgefahren werden. Beispielsweise könnte der Sollvolumenstrom reduziert werden (oder allgemeiner die angeforderte hydraulische Leistung), wenn festgestellt wird, dass die Temperatur trotz der Maßnahme entsprechend der Schritte 120 bis 140 weiter steigt.
Im vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel der 4 erfolgt zunächst eine Bestimmung der Drehzahl mittels Optimierung (und damit verbunden gegebenenfalls eine Anpassung der Drehzahl) und anschließend eine Anpassung des Betriebspunkts. Ebenso könnte, wenn eine hohe Temperatur einer Antriebskomponente vorliegt, zunächst oder gleichzeitig mit einer eventuellen Änderung der Drehzahl eine Anpassung des Betriebspunkts erfolgen (z.B. eine Zusammenschaltung hydraulischer Kreise).

Claims

Verfahren zur Verringerung thermischer Belastung wenigstens einer elektrischen Antriebskomponente (4, 6) eines elektrischen Antriebs (3) in einem hydraulischen System, das wenigstens eine Hydraulikmaschine (8, 10) aufweist, die mit dem elektrischen Antrieb gekoppelt ist und durch diesen entsprechend einer Drehzahl angetrieben wird, wobei die wenigstens eine elektrische Antriebskomponente und die wenigstens eine Hydraulikmaschine jeweils wenigstens eine Verlustleistung aufweisen, die von der Drehzahl abhängig ist; wobei eine Solldrehzahl (58) in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt des hydraulischen Systems bestimmt wird (130), wobei beim Bestimmen der Solldrehzahl die wenigstens eine Verlustleistung der wenigstens einen elektrischen Antriebskomponente in Abhängigkeit von wenigstens einer Temperatur der wenigstens einen elektrischen Antriebskomponente berücksichtigt wird, wobei, wenn die wenigstens eine Temperatur hoch ist, die Solldrehzahl so bestimmt wird und/oder der Betriebspunkt so angepasst wird, dass die wenigstens eine Verlustleistung der wenigstens einen elektrischen Antriebskomponente reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Betriebspunkt durch eine oder mehrere der folgenden Größen charakterisiert ist: wenigstens einen Solldruck der wenigstens einen Hydraulikmaschine, wenigstens einen Sollvolumenstrom der wenigstens einen Hydraulikmaschine, wenigstens einen Soll-Schwenkwinkel der wenigstens eine Hydraulikmaschine, einen Soll-Geräuschpegel des hydraulischen Systems, wenigstens einen Ist-Druck der wenigstens einen Hydraulikmaschine, wenigstens einen Ist-Volumenstrom der wenigstens einen Hydraulikmaschine, wenigstens einen Ist-Schwenkwinkel der wenigstens eine Hydraulikmaschine, einen Ist-Geräuschpegel des hydraulischen Systems.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Solldrehzahl (58) als optimale Drehzahl bestimmt wird, die eine zu optimierende Funktion optimiert, in der die Drehzahl ein freier Parameter ist; wobei die zu optimierende Funktion wenigstens einen drehzahlabhängigen Antriebs-Verlustleistungsterm für die wenigstens eine Verlustleistung der wenigstens einen elektrischen Antriebskomponente (4, 6) und wenigstens einen drehzahlabhängigen Pumpen-Verlustleistungsterm für die wenigstens eine Hydraulikmaschine (8) einschließt; wobei der wenigstens eine Antriebs-Verlustleistungsterm mit wenigstens einem Gewichtungsfaktor, der von der wenigstens einen Temperatur abhängig ist, gewichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der wenigstens eine Gewichtungsfaktor ansteigt, wenn die wenigstens eine Temperatur wenigstens eine vorbestimmte Temperaturschwelle überschreitet und/oder über der wenigstens einen vorbestimmten Temperaturschwelle liegt; und/oder wobei der wenigstens eine Gewichtungsfaktor unabhängig von der wenigstens einen Temperatur ist und/oder konstant ist, insbesondere gleich eins ist, wenn die wenigstens eine Temperatur unter der wenigstens einen vorbestimmten Temperaturschwelle liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 4, wobei eine Gewichtung des Pumpen-Verlustleistungsterms unabhängig von der wenigstens einen Temperatur ist und/oder konstant ist und/oder gleich eins ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei das hydraulische System wenigstens eine weitere Komponente, an der Verlustleistung auftritt, aufweist; wobei die zu optimierende Funktion wenigstens einen Komponenten-Verlustleistungsterm einschließt; wobei die wenigstens eine weitere Komponente insbesondere wenigstens eine Kühleinrichtung einschließt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das hydraulische System zwei hydraulische Kreise und wenigstens zwei Hydraulikmaschinen (8, 10) aufweist, wobei jeder hydraulische Kreis jeweils von einer der wenigstens zwei Hydraulikmaschinen (8, 10) mit Druckmittel versorgt wird; wobei die beiden Kreise durch eine Summierungseinrichtung, insbesondere ein Summierungsventil (18), hydraulisch zusammenschaltbar sind; wobei die wenigstens eine weitere Komponente die Summierungseinrichtung einschließt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Summierungseinrichtung einen Zustand aufweist, entsprechend dem die Kreise zusammengeschaltet oder nicht zusammengeschaltet sind; wobei der Zustand der Summierungseinrichtung ein freier Parameter der zu optimierenden Funktion ist, wobei diese zusätzlich bezüglich des Zustands variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Zusammenschalten der Kreise in Abhängigkeit davon erfolgt, in welchem Zustand der Summierungseinrichtung die zu optimierende Funktion optimal ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine elektrische Antriebskomponente eine elektrische Maschine (6) und einen Inverter (4) aufweist; und wobei die wenigstens eine Temperatur der wenigstens einen elektrischen Antriebskomponente eine Temperatur der elektrischen Maschine und/oder eine Temperatur des Inverters einschließt.
Recheneinheit umfassend einen Prozessor, die so konfiguriert ist, dass sie das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche ausführt.
Hydraulisches System, das einen elektrischen Antrieb (3) mit wenigstens einer elektrischen Antriebskomponente (4, 6) und wenigstens eine Hydraulikmaschine (8, 10) aufweist, die mit dem elektrischen Antrieb gekoppelt ist und durch diesen entsprechend einer Drehzahl angetrieben wird, wobei die wenigstens eine elektrischen Antriebskomponente (4, 6) und die wenigstens eine Hydraulikmaschine jeweils wenigstens eine Verlustleistung aufweisen, die von der Drehzahl abhängig ist; weiter aufweisend eine Recheneinheit gemäß Anspruch 11.
Computerprogramm umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren nach Anspruch 1 bis 10 auszuführen.
Computerlesbarer Datenträger, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 13 gespeichert ist.