DE60204327T2 - Anschlu element für ein elektrisches fahrzeug - Google Patents

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Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verbindungsvorrichtung für ein Elektroarbeitsfahrzeug.
  • STAND DER TECHNIK
  • Wie bekannt ist, werden zahlreiche mechanische Vorrichtungen wie etwa Hubstapler oder Fördersysteme durch Elektromotoren angetrieben, die hohe Leistungspegel liefern müssen, z. B. im Bereich von einigen zehn Kilowatt. Derartige Vorrichtungen müssen offensichtlich mit einer Batterie (Antriebsbatterie) ausgerüstet sein, die wahlweise während des normalen Betriebs mit dem Elektromotor und irgendwelchen anderen Anwendervorrichtungen und zum planmäßigen Aufladen mit einem Batterieladegerät verbunden werden kann; wobei die Verbindung unter Verwendung spezieller Verbinder hergestellt wird, die sehr hohe Ströme (von über 300 A) aushalten können.
  • Der Betrieb und insbesondere das Laden der Batterie werden von elektronischen Steuerschaltungen überwacht, die normalerweise in dem Batterieladegerät enthalten sind und insbesondere die Batteriespannung und verschiedene andere Betriebsparameter wie etwa die Temperatur messen und das Laden unterbrechen, wenn die Batteriespannung einen vorgegebenen Schwellenwert erreicht.
  • Da die Batteriespannung allerdings auch durch äußere Umweltfaktoren und durch die Alterung der Batteriekomponenten beeinflusst wird, gewährleistet ein solches Verfahren keine genaue Kontrolle der tatsächlichen Ladung der Batterie oder Überwachung der Entladung der Batterie während des normalen Betriebs, d. h., wenn die Batterie im Gegensatz zu dem Ladegerät mit den Anwendervorrichtungen verbunden ist.
  • In beiden Fällen kann die tatsächliche Ladung viel niedriger sein als auf der Grundlage der Batteriespannung geschätzt wird.
  • Dies bildet offensichtlich einen erheblichen Nachteil beim Autonomiebereich einer von einer unzureichend geladenen Batterie betriebenen Anwendervorrichtung, der kleiner als vorhergesagt ist.
  • DE 195 35 294 A (WENZL) offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung eines batteriebetriebenen Fahrzeugs und seiner Batterie. In einer Ausführungsform umfasst eine Verbindungsvorrichtung wenigstens zwei Versorgungskabel, die an den ersten Enden mit der Batterie und an den zweiten Enden mit einem Verbinder zur wahlweisen Verbindung mit einem Batterieladegerät oder einer ersten und einer zweiten Anwendervorrichtung verbunden werden. Die Anordnung umfasst ferner sowohl eine elektronische Steuerschaltung, die mit den Versorgungskabeln verbunden und an der Batterie befestigt ist, als auch einen Strommesswandler in der Form eines Messwiderstands zum Erfassen eines in den Versorgungskabeln fließenden Stroms und eine Spannungserfassungsschaltung zum Erfassen einer Spannung zwischen den Versorgungskabeln, wobei beide in die Struktur der Batterie integriert sind.
  • DE 32 18 148 A (DETA-AKKUMULATORENWERK GmbH) offenbart ein Verfahren und ein System zur Steuerung der Leistungsversorgung für ein Elektroarbeitsfahrzeug wie etwa ein Hubstapler, wobei das System eine Batterie, ein Batterieladegerät und eine Mess- und Steuervorrichtung, die wie jene aus DE '294 mit der Batterie integriert ist, umfasst.
  • US 6 057 688 A (KAWAI u. a.) betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Systems für die Versorgung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, das eine Last, eine Batterie und ein Batterieladegerät aufweist. Es ist eine schematische Verbindungsschaltung offenbart, die ein erstes und ein zweites Versorgungskabel umfasst, die mit einer Batterie verbunden werden können, wobei sie außerdem wahlweise mit einem Batterieladegerät und einer Anwendervorrichtung verbunden werden können. Die Schaltung aus US '688 umfasst weiterhin eine elektronische Steuerschaltung, die mit dem ersten und dem zweiten Versorgungskabel verbunden ist, und Strommesswandlermittel zum Erfassen eines in den Versorgungskabeln fließenden Stroms. Allerdings gibt es keine Angabe darüber, wie die Schaltung physikalisch zu realisieren ist.
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbindungsvorrichtung zu schaffen, die so konstruiert ist, dass die zuvor erwähnten Nachteile beseitigt sind.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Verbindungsvorrichtung geschaffen, wie sie in Anspruch 1 beansprucht ist.
  • Die elektronische Steuerschaltung ist in einem Sitz an dem Haltekörper untergebracht.
  • Die so ausgebildete Verbindungsvorrichtung ermöglicht vorteilhaft die Messung des Stromflusses in den Versorgungskabeln sowohl beim Laden als auch während des normalen Betriebs (Entladung) der Batterie, so dass kontinuierlich die Gesamtladung der Batterie genau bestimmt werden kann. Für diesen Zweck wird insbesondere die elektronische Steuerschaltung verwendet.
  • Zudem ist die Verbindungsvorrichtung billig und leicht herzustellen, wobei sie kompakt ist und äußerst einfach installiert werden kann.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • Eine nicht einschränkende Ausführungsform der Erfindung wird beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben, in der:
  • 1 eine vereinfachte Ansicht eines von einem Elektromotor angetriebenen Hubstaplers perspektivisch zeigt;
  • 2 einen vereinfachten Blockschaltplan eines Systems zur Versorgung und Wiederaufladung des Hubstaplers von 1 zeigt;
  • 3 einen Querschnitt einer Verbindungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 4 eine Draufsicht der Verbindungsvorrichtung von 3 mit zur Klarheit entfernten Teilen zeigt;
  • 5 einen Blockschaltplan eines Teils der Verbindungsvorrichtung von 3 zeigt;
  • 6 und 7 Ablaufpläne von Prozeduren zeigen, die durch die Verbindungsvorrichtung von 3 implementiert sind.
  • BESTE ART ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung kann vorteilhaft z. B. auf einen durch einen Elektromotor angetriebenen Hubstapler angewendet werden, auf den in der folgenden Beschreibung rein beispielhaft Bezug genommen wird.
  • 1 zeigt einen Hubstapler 1 mit beweglichen Armen (Gabeln) 2 zum Heben und Transportieren von Lasten, der durch einen von einer Batterie 5 versorgten Elektromotor 3 angetrieben wird.
  • Wie in 2 schematisch gezeigt ist, kann die Batterie 5 durch eine Verbindungsvorrichtung 6 wahlweise mit dem Elektromotor 3 bzw. einem Batterieladegerät 7 verbunden werden. Genauer (3 und 4) umfasst die Verbindungsvorrichtung 6 einen Haltekörper 8, der aus einem isolierenden Werkstoff hergestellt ist und ein erstes und ein zweites Versorgungskabel 10, 11, die mit einer Batterie 5 verbunden sind, aufnimmt; eine elektronische Steuerschaltung 12, die wenigstens teilweise in einem Sitz 15 an dem Haltekörper 8 untergebracht ist; und einen Strommesswandler 13, um einen in den Versorgungskabeln 10, 11 fließenden Strom I zu erfassen. Die Verbindungsvorrichtung 6 umfasst ferner ein erstes, ein zweites und ein drittes Steuerkabel 14a, 14b, 14c, die ebenso im Haltekörper 8 untergebracht und mit der elektronischen Steuerschaltung verbunden sind. Genauer können das erste und das zweite Steuerkabel 14a, 14b mit dem Batterieladegerät 7 verbunden werden, während das dritte Steuerkabel 14c mit dem Elektromotor 3 verbunden werden kann. Die 3 und 4 zeigen ferner durch gestrichelte Linien ein erstes und ein zweites Verbindungselement 17a, 17b, die einen Teil eines bekannten (nicht ausführlich gezeigten) Verbinders bilden, der mit der Verbindungsvorrichtung 6 verbunden werden kann (und von dem Verbindungskabel 50, 51 zur Verbindung des Elektromotors 3 und des Batterieladegeräts 7 mit der Batterie 5 bereitgestellt werden – 2).
  • Der Strommesswandler 13 umfasst ein ohmsches Element 16 ("Messwiderstand"), das vorzugsweise aus Manganin hergestellt und mit dem ersten oder dem zweiten Versorgungskabel 10, 11, z. B. dem ersten Versorgungskabel 10, in Reihe geschaltet ist. Das ohmsche Element 16 besitzt an gegenüberliegenden Enden einen ersten bzw. einen zweiten Erfassungskontakt 18, 19, die mit der elektronischen Steuerschaltung 12 verbunden sind, wie später ausführlich erläutert ist; wobei am zweiten Versorgungskabel 11 ein dritter Erfassungskontakt 20 vorgesehen ist, der ebenso mit der elektronischen Steuerschaltung 12 verbunden ist; wobei der Strommesswandler 13 und die Erfassungskontakte 18–20 alle im Sitz 15 untergebracht sind.
  • Wie in 5 gezeigt ist, umfasst die elektronische Steuerschaltung 12 eine Versorgungsschaltung 22; eine Logikverarbeitungseinheit 23; eine Sensoranordnung 24; einen Speicher 25; eine serielle Schnittstelle 26 und eine Anzeigevorrichtung 27. Die Sensoranordnung 24 umfasst genauer:
    eine Stromerfassungsschaltung 28, die zwei Eingänge, die mit dem ersten bzw. dem zweiten Erfassungskontakt 18, 19 verbunden sind, sowie einen Ausgang, der mit der Logikverarbeitungseinheit 23 verbunden ist und ein erstes Steuersignal SI liefert, das einen in den Versorgungskabeln 10, 11 fließenden Strom I anzeigt, besitzt;
    eine Spannungserfassungsschaltung 29, die zwei Eingänge, die mit dem ersten bzw. dem dritten Erfassungskontakt 18, 20 verbunden sind, sowie einen Ausgang, der mit der Logikverarbeitungseinheit 23 verbunden ist und ein zweites Steuersignal SV liefert, das die Spannung VB zwischen den Versorgungskabeln 10, 11 angibt, besitzt;
    einen Temperatursensor 30, der einen Ausgang, der mit der Logikverarbeitungseinheit 23 verbunden ist und ein drittes Steuersignal ST liefert, besitzt; und
    einen Netzdetektor 31, der einen Eingang, der über das erste Steuerkabel 14a mit dem Batterieladegerät verbunden werden kann, sowie einen Ausgang, der mit der Logikverarbeitungseinheit 23 verbunden ist und ein viertes Steuersignal SR liefert, das einen ersten Wert aufweist, wenn die Batterie 5 mit dem Batterieladegerät 7 verbunden ist, und einen zweiten Wert, wenn sie es nicht ist, besitzt.
  • Die Logikverarbeitungseinheit 23 ist ferner mit dem Speicher 25, der seriellen Schnittstelle 26 und der Anzeigevorrichtung 27 verbunden und besitzt einen ersten Ausgang 25a, der über das zweite Steuerkabel 14b mit einem Freigabeeingang des Batterieladegeräts 7 verbunden werden kann und ein erstes Freigabesignal EN1 liefert, sowie einen zweiten Ausgang 25b, der über das dritte Steuerkabel 14c mit einem Anwenderfreigabeeingang des Fahrzeugs 1 verbunden werden kann und ein zweites Freigabesignal EN2 liefert.
  • Die serielle Schnittstelle 26, die an sich bekannt ist, ermöglicht eine Verbindung mit einem externen Computer (z. B. einem Palmtop-Computer) für einen Zugriff auf den Speicher 25, um sowohl seinen Inhalt (Nutzungsverlauf und Ladevorgänge) zu lesen als auch eine Anzahl von Betriebsparametern (Schwellenwerte, maximale Ladezeiten), die später ausführlich erläutert sind, zu programmieren.
  • Die Anzeigevorrichtung 27, die ebenso von einer bekannten Art ist, ermöglicht das Anzeigen von Informationen in Bezug auf den Zustand der Batterie 5, z. B. des Ladungspegels oder irgendwelcher Alarme.
  • Beim tatsächlichen Gebrauch empfängt die Logikverarbeitungseinheit 23 die Steuersignale SI, SV, ST, SR, tastet sie auf bekannte Weise ab und verwendet sie, um eine der Steuerprozeduren auszuführen, die später ausführlich beschrieben sind. Auf der Grundlage des Werts des ersten Steuersignals SI, das kontinuierlich den in den Versorgungskabeln 10, 11 fließenden Strom I anzeigt, bestimmt die Logikverarbeitungseinheit den Wert der verfügbaren Ladung QB der Batterie 5 und zeichnet ihn im Speicher 25 (normalerweise in Amperestunden, Ah) auf.
  • Im Folgenden ist anhand 6 eine Entladesteuerprozedur beschrieben, die von der Logikverarbeitungseinheit 23 ausgeführt wird, wenn die Batterie 5 mit dem Elektromotor 3 verbunden ist (bei dem gezeigten Beispiel, wenn der Hubstapler in Betrieb ist). In diesem Fall ist der zweite Ausgang 25b der Logikverarbeitungseinheit über das dritte Steuerkabel 14c mit dem Freigabeeingang des Elektromotors 3 verbunden.
  • Zu Beginn (Block 100) wird der Wert der verfügbaren Ladung QB der Batterie 5 gleich dem im Speicher 25 aufgezeichneten Wert der Anfangsladung QI gesetzt, wobei dieser der Ladungswert ist, der bestimmt und gespeichert wurde, nachdem die Batterie das letzte Mal geladen oder verwendet wurde. Daraufhin wird der Wert des Stroms I durch die Stromerfassungsschaltung 28 gemessen (Block 110), wobei der Wert der verfügbaren Ladung QB verringert und im Speicher 25 aufgezeichnet wird (Block 120). Genauer wird der Wert der verfügbaren Ladung QB durch Zeitintegration des Stroms I berechnet.
  • Der Wert der verfügbaren Ladung QB wird hierauf mit einem Wert einer Schwellenwertladung QMIN verglichen (Block 130). Falls die verfügbare Ladung QB größer als die Schwellenwertladung ist (JA-Ausgang von Block 130), wird das zweite Steuersignal EN2 auf einen ersten beispielsweise hohen logischen Wert gesetzt, um den normalen Betrieb des Hubstaplers 1 freizugeben (Block 140); wobei umgekehrt (NEIN-Ausgang von Block 130) das zweite Steuersignal EN2 auf einen zweiten (tiefen) logischen Wert gesetzt wird (Block 150), um den Betrieb der Gabeln 2 des Fahrzeugs 1 zu sperren (z. B. um die Magnetventile zu sperren, die den Hydraulikkreis (nicht gezeigt) steuern, der die Gabeln 2 antreibt).
  • Mit anderen Worten, um zu verhindern, dass die Batterie 5 vollständig entladen wird, bevor sie geladen werden kann, werden wenigstens einige der Anwendervorrichtungen des Fahrzeugs 1 gesperrt, wobei die Schwellenwertladung QMIN als Reserve verwendet wird, um das Fahrzeug 1 zum Batterieladegerät 7 zu bringen.
  • Der Zyklus der Messung des Stroms I (Block 110), der Schätzung der verfügbaren Ladung QB (Block 120) und der Überwachung der Restladung (Block 130) wird ununterbrochen ausgeführt, bis die Batterie 5 vom Elektromotor 3 getrennt wird oder bis die Schwellenwertladung QMIN erreicht ist.
  • Im Folgenden ist anhand 7 eine Ladesteuerprozedur beschrieben, die von der Logikverarbeitungseinheit 23 ausgeführt wird, wenn die Batterie 5 mit dem Batterieladegerät 7 verbunden ist. In diesem Fall sind der Eingang des Netzdetektors 31 und der erste Ausgang 25a der Logikverarbeitungseinheit über das erste bzw. das zweite Steuerkabel 14a, 14b mit dem Batterieladegerät 7 verbunden. Genauer ist in diesem Schritt der Netzdetektor 31 aktiviert uns setzt das vierte Steuersignal SR auf den ersten Wert, so dass die Logikverarbeitungseinheit 23 so gesteuert wird, dass sie die Ladesteuerprozedur ausführt.
  • Zu Beginn wird der Wert der verfügbaren Ladung QB gleich dem im Speicher 25 aufgezeichneten Wert der Anfangsladung QI gesetzt (Block 200); woraufhin die Werte des Stroms I und der Batteriespannung VB mittels der Stromerfassungsschaltung 28 bzw. der Spannungserfassungsschaltung 29 gemessen werden (Block 210); wobei der Wert der verfügbaren Ladung QB hierauf vergrößert und im Speicher 25 aufgezeichnet wird (Block 220). Auch in diesem Fall wird die verfügbare Ladung QB durch Zeitintegration des Stroms I geschätzt.
  • Daraufhin wird ein erster Test ausgeführt (Block 230), bei dem die Batteriespannung VB mit einem Wert einer Nennspannung (VMAX) von beispielsweise 2,4·NV verglichen wird, wobei N die Anzahl der Teilelemente der Batterie 5 ist. Falls die Batteriespannung VB kleiner als die Nennspannung VMAX ist (NEIN-Ausgang von Block 230), wird ein zweiter Test ausgeführt (Block 240), um zu bestimmen, ob die Ladedauer TC seit dem Start des Ladevorgangs größer als eine Grenzdauer TLIM ist. Falls sie es ist (JA-Ausgang von Block 240), wird ein Alarm erzeugt und von der Anzeigevorrichtung 27 angezeigt (Block 250), die Ladeprozedur wird beendet (Block 260), das erste Freigabesignal wird auf einen vorgegebenen (z. B. tiefen) logischen Wert gesetzt und das Batterieladegerät 7 wird gesperrt. Umgekehrt geht das Laden weiter, wobei der Strom I und die Spannung VB erneut gemessen werden (Block 210).
  • Falls dagegen die Batteriespannung VB größer als die Nennspannung VMAX ist (JA-Ausgang von Block 230), wird ein dritter Test ausgeführt, um zu bestimmen, ob die verfügbare Ladung QB einen maximalen Wert QMAX erreicht hat, der der Kapazität der Batterie 5 entspricht (Block 270). Falls sie es hat (JA-Ausgang von Block 270), wird die Ladeprozedur beendet (Block 260); wobei die Ladeprozedur weitergeht, falls sie es nicht hat (NEIN-Ausgang von Block 270). Mit anderen Worten, es wird eine Doppelprüfung der Batteriespannung VB und der verfügbaren Ladung QB, vorgenommen, wobei die Ladeprozedur nicht beendet wird, bis die Batterie 5 hinreichend geladen worden ist, um den Wert der maximale Ladung QMAX wieder herzustellen.
  • Weiter Vorteile der Erfindung werden aus der vorhergehenden Beschreibung klar.
  • Insbesondere sorgen die Überwachung des Stroms und die Berechnung der Restladung der Batterie für eine Optimierung der Batterieladeprozedur, indem genau die Strommenge eingespeist wird, die erforderlich ist, um die während des Betriebs der Batterie entladene Menge zu ersetzten, wobei folglich die Dauer und die Energie verringert werden, die zum Laden der Batterie erforderlich sind, und wobei ein vorzeitiges Altern der Batterie verhindert wird.
  • Außerdem kann durch das Versehen der Verbindungsvorrichtung mit einer Steuerschaltung, die eine Logikverarbeitungseinheit und einen Speicher umfasst, die verfügbare Ladung bestimmt und über die Zeit aufgezeichnet werden, wodurch folglich nicht nur eine zuverlässige Angabe des Batterieladungspegels gegeben ist, sondern auch der Energieverbrauch in einem gegebenen Zeitintervall gemessen wird. Dies ist besonders nützlich, insofern Arbeitsfahrzeuge wie etwa Hubstapler häufig gemietet sind und der Verbrauch an elektrischer Energie ein zuverlässiger Parameter ist, über den die Kosten bestimmt werden.
  • Offensichtlich können Änderungen an der Verbindungsvorrichtung, wie sie hier beschrieben ist, vorgenommen werden, ohne jedoch von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen, der durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.

Claims (5)

  1. Verbindungsvorrichtung für ein Elektroarbeitsfahrzeug, mit einem Haltekörper (8), der aus einem isolierenden Werkstoff hergestellt ist und wenigstens ein erstes und ein zweites Versorgungskabel (10, 11), die mit einer Batterie (5) verbunden werden können, aufnimmt; wobei das erste und das zweite Versorgungskabel (10, 11) wahlweise auch mit einem Batterieladegerät (7) und wenigstens einer Anwendervorrichtung (3) verbunden werden können; einer elektronischen Steuerschaltung (12), die mit dem ersten und dem zweiten Versorgungskabel (10, 11) verbunden ist; und Strommesswandlermitteln (13), um einen in dem ersten und dem zweiten Versorgungskabel (10; 11) fließenden Strom zu erfassen; dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuerschaltung (12) und die Strommesswandlermittel (13) in einem Sitz (15) an dem Haltekörper (8) untergebracht sind und dass der Haltekörper (8) so konfiguriert ist, dass er mit Verbindungselementen (17a, 17b) eines Verbinders in Eingriff gelangen kann, um das Batterieladegerät (7) und die wenigstens eine Anwendervorrichtung (3) mit der Batterie (5) zu verbinden.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromwandlermittel (13) ein ohmsches Element (16) umfassen, das mit dem ersten oder dem zweiten Versorgungskabel (10, 11) in Reihe geschaltet ist; wobei das ohmsche Element (16) an gegenüberliegenden Enden einen ersten bzw. einen zweiten Erfassungskontakt (18, 19), die mit der elektronischen Steuerschaltung (12) verbunden sind, besitzt.
  3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Steuerschaltung (12) außerdem eine Stromerfassungsschaltung (28), die mit dem ersten und dem zweiten Erfassungskontakt (18, 19) der Strommesswandlermittel (13) verbunden ist und ein erstes Steuersignal (SI) liefert, eine Spannungserfassungsschaltung (29), die ein zweites Steuersignal (SV) liefert, das mit einer Spannung (VB) zwischen dem ersten und dem zweiten Versorgungskabel (10, 11) in Beziehung steht; und Temperaturerfassungsmittel (30) umfasst.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuerschaltung (12) numerische Verarbeitungsmittel (23), die mit der Stromerfassungsschaltung (28) und mit der Spannungserfassungsschaltung verbunden sind, um das erste und das zweite Steuersignal (SI, SV) zu empfangen und um eine Anzahl von Freigabesignalen (EN1, EN2) zu liefern; Speichermittel (25), die mit den numerischen Verarbeitungsmitteln (23) verbunden sind; und Mittel (26) zum seriellen Datenaustausch umfasst.
  5. System für die Versorgung eines Elektroarbeitsfahrzeugs, mit einem Elektromotor, einer Batterie (5), einem Batterieladegerät (7) und einer Verbindungsvorrichtung (6) für die Verbindung der Batterie (5) alternativ entweder mit der Anwendervorrichtung (3) oder mit dem Batterieladegerät (7); dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsvorrichtung (6) eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ist.
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