WO2011098542A1 - Kran, insbesondere hafenmobilkran, mit einem hybridantriebssystem - Google Patents

Kran, insbesondere hafenmobilkran, mit einem hybridantriebssystem Download PDF

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WO2011098542A1
WO2011098542A1 PCT/EP2011/051999 EP2011051999W WO2011098542A1 WO 2011098542 A1 WO2011098542 A1 WO 2011098542A1 EP 2011051999 W EP2011051999 W EP 2011051999W WO 2011098542 A1 WO2011098542 A1 WO 2011098542A1
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voltage circuit
short
energy storage
crane
crane according
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PCT/EP2011/051999
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Jörg Müller
Johannes Reiss
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Gottwald Port Technology Gmbh
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B66—HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66C—CRANES; LOAD-ENGAGING ELEMENTS OR DEVICES FOR CRANES, CAPSTANS, WINCHES, OR TACKLES
    • B66C13/00—Other constructional features or details
    • B66C13/18—Control systems or devices
    • B66C13/22—Control systems or devices for electric drives
    • B66C13/23—Circuits for controlling the lowering of the load
    • B66C13/26—Circuits for controlling the lowering of the load by ac motors
    • B66C13/28—Circuits for controlling the lowering of the load by ac motors utilising regenerative braking for controlling descent of heavy loads and having means for preventing rotation of motor in the hoisting direction when load is released
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B66—HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66C—CRANES; LOAD-ENGAGING ELEMENTS OR DEVICES FOR CRANES, CAPSTANS, WINCHES, OR TACKLES
    • B66C13/00—Other constructional features or details
    • B66C13/12—Arrangements of means for transmitting pneumatic, hydraulic, or electric power to movable parts of devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B66—HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66C—CRANES; LOAD-ENGAGING ELEMENTS OR DEVICES FOR CRANES, CAPSTANS, WINCHES, OR TACKLES
    • B66C23/00—Cranes comprising essentially a beam, boom, or triangular structure acting as a cantilever and mounted for translatory of swinging movements in vertical or horizontal planes or a combination of such movements, e.g. jib-cranes, derricks, tower cranes
    • B66C23/18—Cranes comprising essentially a beam, boom, or triangular structure acting as a cantilever and mounted for translatory of swinging movements in vertical or horizontal planes or a combination of such movements, e.g. jib-cranes, derricks, tower cranes specially adapted for use in particular purposes
    • B66C23/36—Cranes comprising essentially a beam, boom, or triangular structure acting as a cantilever and mounted for translatory of swinging movements in vertical or horizontal planes or a combination of such movements, e.g. jib-cranes, derricks, tower cranes specially adapted for use in particular purposes mounted on road or rail vehicles; Manually-movable jib-cranes for use in workshops; Floating cranes

Definitions

  • the invention relates to a crane, in particular mobile harbor crane, with a
  • DC circuit with electric motors that drive at least one slewing gear, a hoist and a luffing mechanism of the crane, with at least one braking resistor and with a short-term energy storage, the intermediate storage of excess energy to the AC voltage circuit or to the DC voltage circuit
  • Hybrid drive system for a straddle carrier known.
  • Such straddle carriers are also known as straddle carriers and are used in seaports and container terminals for transporting and stacking containers.
  • the hybrid propulsion system includes a power generator with a diesel engine having a
  • Three-phase generator drives The three-phase generator feeds a DC link via a rectifier to which driving, lifting and auxiliary motors are connected via inverters.
  • a short-term energy storage is connected via a charge and / discharge controller to the DC voltage intermediate circuit to cover graduallyitigen energy demand peaks, as they arise when starting and braking the traction drive of the straddle carrier or when lifting and lowering the container .
  • This short-term memory can be charged during regenerative braking of the travel and lifting drives and thus does not need to be converted by the driving and lifting drives back into the DC link energy with braking resistors into heat.
  • the short-term memory thus avoids these energy losses and serves as a buffer for the energy.
  • the short-term energy storage is constructed of interconnected double-layer capacitors with very high capacities, which are also referred to as “ultracapacitors” or “Ultra Caps”.
  • a further energy store is connected to the DC voltage intermediate circuit via a further charge and discharge controller.
  • the further energy storage is designed as a light high energy battery, in particular sodium chloride, sodium-sulfur or nickel-metal hydride accumulator, to cover average power demand peaks, for example, when driving in the minute range occur.
  • the charge and discharge controller for the short-term energy storage and the other energy storage is as a controllable two-quadrant DC / DC converter
  • an electrical control device is provided, which is connected to the power generation unit, the short-time energy storage and the other
  • a hybrid drive system of a rubber-tired crane is known from the patent US Pat. No. 7,554,278 B2, which has a DC circuit on the input side which is fed by an alternator driven by an internal combustion engine with a downstream rectifier and by a battery unit serving as an energy storage system with electrical energy.
  • an alternator driven by an internal combustion engine with a downstream rectifier and by a battery unit serving as an energy storage system with electrical energy is also a
  • AC circuit provided with all crane drives, in particular a linear actuator, are electrically connected. Also, another circuit is provided, which can be switched to the DC voltage circuit and on the
  • Mobile Harbor Crane Model 4 which transports containers or bulk cargo into seaports or container terminals Landing, for example, a quay, or supported on a floating pontoon, and a superstructure mounted rotatably about a vertical axis on the undercarriage.
  • the undercarriage can be moved over tires on the quay or rail tracks on rails
  • On the uppercarriage are arranged a vertically extending tower, the revolving and lifting mechanisms for the turning of the superstructure as well as the lifting of a load and a counterweight.Furthermore, the tower is approximately in the region of its half length and on the counterweight facing away
  • the side of a boom is articulated st connected about a horizontal rocking axis pivotally connected to the tower and in addition to a hinged on the boom and at the bottom of the uppercarriage cylinder its laterally projecting operating position in an upright position of rest
  • the boom is formed in the usual way as a lattice mast.
  • Such mobile harbor cranes have in terms of their propulsion concept, the formation of a serial hybrid, since they work with a diesel-electric drive in which the chemical energy of the diesel fuel by an internal combustion engine in
  • the present invention has the object, a crane, in particular mobile harbor crane, with an improved
  • a crane in particular a mobile harbor crane, with a diesel-electric drive, whose three-phase generator feeds an AC voltage circuit, with a connected to the AC voltage circuit
  • DC circuit with electric motors that drive at least one slewing gear, a hoist and a luffing mechanism of the crane, with at least one braking resistor and with a short-term energy storage, the intermediate storage of excess energy to the AC voltage circuit or to the DC voltage circuit
  • the short-term energy storage for the storage of, for example, regenerative braking of the drives recovered excess energy
  • the performance of the drive of the alternator combustion engine, in particular diesel engine can be improved so that the fuel consumption and thus the emission of pollutants lowered and the recovered Energy can be harnessed elsewhere.
  • the short-term energy storage can be retrofitted into existing mobile harbor cranes as an extension.
  • it ensures that the mobile harbor crane can continue its normal operation in the event of failure of the short-term energy storage, as the braking resistor is still present.
  • the rectifier which connects the AC voltage circuit and the DC voltage circuit is designed to be capable of regenerative feedback.
  • DC voltage circuit can be operated as a generator.
  • the electric motors are designed as three-phase motors.
  • the short-time energy storage is connected via a DC-DC converter to the DC voltage circuit.
  • the short-time energy storage can be synchronized with the DC voltage circuit with respect to the voltage level.
  • Double layer capacitor is formed.
  • Such double-layer capacitors are durable, maintenance-free and lightweight and have a low energy density at high power density. As a result, these are particularly suitable as a short-term energy storage.
  • the double-layer capacitors can absorb or deliver significantly higher powers and their lifetime is not so much affected by the rapid and short-term switching between charging and discharging as batteries.
  • the energy content per volume is lower than that of batteries, but just by these properties, double-layer capacitors are excellent as a short-term energy storage for use in mobile harbor cranes, since when lowering loads of a
  • Rectifier is connected to the AC voltage intermediate circuit.
  • Wippwerks is connected to the AC voltage circuit.
  • the slewing has a three-phase motor, which is connected via an inverter to the DC voltage circuit, the hoist has a three-phase motor, via a
  • Inverter is connected to the DC circuit, and the luffing mechanism has a three-phase motor, which is connected directly to the AC voltage circuit.
  • the short-time energy storage can then easily on an existing
  • a power control which is set via an operating strategy, with the diesel-electric drive, the braking resistor or its rectifier, the short-term energy storage and the
  • DC converter of the short-term energy storage is connected and on the basis of the data of the AC generator associated active power meter and the state of charge of the short-term energy storage the short-term energy storage and if necessary controls the braking resistor.
  • operating strategies either a recuperation strategy or a downsizing strategy are used. in the In connection with the recuperation strategy, the main objective is to absorb the entire energy fed back into the AC circuit, thus avoiding the use of braking resistors.
  • the main objective of the downsizing strategy is to limit the power demand on the diesel-electric drive so that operation of the mobile harbor crane would also be possible with a reduced internal combustion engine and a reduced alternator without sacrificing performance.
  • the short-term energy storage will go in this downsizing strategy usually only when reaching the maximum power of the internal combustion engine in the Boostschreib.
  • the behavior of the double-layer capacitor and the operating states of the rest of the system is primarily defined as a function of the measured active power of the generator and the state of charge of the memory to optimize energy conservation.
  • Controlled power output of the short-term energy storage device prevents hard load requirements on the internal combustion engine.
  • the soft start prevents sudden loads, which has a positive effect on the transient fuel consumption and the exhaust emissions of the engine
  • Setting to a constant discharge power increases the efficiency of the short-term energy storage during regular boosting.
  • this does not rule out that in the context of the invention can also be deviated from the constant discharge power during boosting with a corresponding power request of the consumer, especially when the state of charge of the short-term energy storage after a
  • Charging phase is near the maximum value.
  • a lower state of charge limit and upper state of charge limit is defined via the power control for the short-time energy store. Accordingly, the short-term energy storage can discharge to a predetermined lower state of charge limit, which is due to the lower voltage range of the Inverter or the usable state of charge of the short-term energy storage is defined.
  • the lower state of charge limit is defined as 25% of the upper state of charge limit. This refinement also serves to optimize the efficiency, since at higher voltage the losses due to the internal resistance of the short-time energy store are lower. This is taken into account when the working range of the short-term energy storage in the highest possible voltage ranges above the defined lower
  • the power output of the short-term energy storage is reduced near the switching limit between boost mode and normal operation, also hard load requirements to the internal combustion engine when switching off the short-term energy storage can be avoided. This has a positive effect on consumption and exhaust gas behavior of the internal combustion engine.
  • the regenerative capacity of the hybrid drive system of the crane is advantageously increased by the fact that the luffing mechanism comprises a hydraulic cylinder and a hydraulic pump and that the electric motor driving the hydraulic pump can be regenerated.
  • Figure 1 is a view of a mobile harbor crane
  • FIG. 2 shows a block diagram of a hybrid drive of the mobile harbor crane according to FIG. 1.
  • FIG. 1 shows a view of a mobile harbor crane 1 for the handling of standardized containers, in particular ISO containers, between land and water
  • the mobile harbor crane 1 can be equipped with a grab for handling bulk materials.
  • the Mobile Harbor Crane 1 essentially consists of one
  • the mobile harbor crane 1 via its undercarriage 2 on land, here a quay 7, supported.
  • the Mobile harbor crane 1 on the Quay 7 movable and is supported during the Umschlag horres on supports 8 on this.
  • the mobile harbor crane 1 is mounted on rails movable or stationary on a floating pontoon.
  • On the undercarriage 2 of the superstructure 3 is mounted, which is pivotable about a vertical axis of rotation D of a slewing gear D.
  • the slewing gear d usually has a turntable in engagement with a drive gear.
  • the superstructure 3 also carries a hoist h and in the rear area a counterweight 9. Also supported on the superstructure 3 extending in the vertical direction tower 4, at the top of a roller head 10 is attached with sheaves. Furthermore, the boom 5 is articulated to the tower 4 approximately in the region of its half length and on the side facing away from the counterweight 9. The boom 5 is pivotally connected to the tower 4 about a horizontal rocking axis W and in addition via a pivoted on the boom 5 and the bottom of the uppercarriage 3 Wipptechnik w, which is usually designed as a hydraulic cylinder, from its laterally projecting operating position into an upright rest position
  • FIG. 2 shows a block diagram of a hybrid drive of the mobile harbor crane 1 of Figure 1.
  • such mobile harbor cranes can be serial hybrids with respect to their drive concept, since they work with a diesel-electric drive 1 1, in which the chemical energy of a diesel fuel by a
  • Internal combustion engine 1 1 a drives a three-phase generator 1 1 b, which converts the mechanical energy into electrical energy and fed into an AC circuit 12.
  • the three-phase generator 1 1 b generates a three-phase alternating current with a
  • the supply network for providing energy for the various electric motors of the Mobile Harbor Crane 1 includes in addition to the
  • AC circuit 12 a DC circuit 17 which is connected via a rectifier 16 to the AC circuit 12.
  • rectifier 16 is an energy exchange between the AC voltage circuit 12 and the
  • DC voltage circuit 17 possible if, for example, by regenerative braking or regenerative operation of an electric motor recovered electrical energy in one of the voltage circuits 12, 17 there is an excess of energy and another electric motor has energy needs.
  • To the AC circuit 12 is the drive of the luffing w and the DC circuit 17 are different consumers, in particular the respective drives of the hoist h and the slewing gear d, connected, in which a renewed conversion of electrical energy back into mechanical work takes place, the rocking of the boom 5, is used for lifting loads or for turning the mobile harbor crane 1.
  • Slewing d have electric three-phase motors h1, d1, preferably
  • a constant-speed three-phase motor w1 is connected to the AC voltage circuit 12, which drives a hydraulic pump w2, in particular axial piston pump.
  • the hydraulic pump w2 is connected to a hydraulic cylinder w3, via which the boom 5 of the mobile harbor crane 1 can be pivoted about the luffing axis W.
  • the hydraulic pump w2 and the three-phase motor w1 can be designed such that excess energy can not be returned, but is dissipated, for example, via throttles.
  • the hydraulic pump w2 and the three-phase motor w1 are capable of being regenerated, so that an energy return into the AC voltage circuit 12 or via the rectifier 16 into the DC voltage circuit 17 can take place.
  • drives which are connected directly to the internal combustion engine 1 1 a or are connected to the AC voltage circuit 12.
  • the traction drive for the mobile harbor crane 1 or any drives for closing and opening a four-rope bulk grapple should be mentioned here.
  • Corresponding drives operated by three-phase motors can likewise be connected to the DC voltage circuit 17 via rectifiers. It is also possible to operate these drives via DC motors and to the
  • the short-term energy storage 13 can store no energy or other energy, is to the AC voltage circuit 12 a
  • Braking resistor 14 connected. About this braking resistor 14 then the voltage fed back by the regenerative braking of the three-phase motors d1, h1, and w1 in the AC circuit 12 voltage is converted into heat and thus destroyed.
  • the short-time energy storage 13 is designed as a double-layer capacitor, which is also referred to as "Ultracap” or “Supercap”.
  • Double-layer capacitors are durable, maintenance-free and lightweight and have a low energy density at high power density. As a result, these are particularly suitable as a short-term energy storage.
  • Compared to batteries can be absorbed by the double-layer capacitors significantly higher power or delivered.
  • the energy content per volume is lower than that of batteries, it is precisely these properties that make double-layer capacitors ideal as short-time energy storage devices for use in mobile harbor cranes, since when lowering the loads of a mobile harbor crane 1 very high power levels but low energy levels over a relatively short time Period of a few seconds occur as well as for
  • Rotary movement of the upper carriage 3 of the mobile harbor crane 1 is slow and thus the acceleration and deceleration processes are short and low in energy.
  • the short-term energy storage 13 is interposed with a
  • the DC-DC converter 13a adopts the voltage adjustment to the DC voltage circuit 17.
  • the short-time energy storage 13 a number of other functionalities can be integrated, with which a positive influence on the performance of the internal combustion engine 1 1 a can be influenced. This can be, among others
  • the short-term energy storage 13 may be a soft start of the internal combustion engine 1 1 a allow by appropriate boosting. This will be sudden, hard
  • Internal combustion engine 1 1 a Internal combustion engine 1 1 a. Also, in phases of positive power demand, a definable basic engine load is maintained. This allows a faster response of the internal combustion engine 1 1 a in case of sudden load requirements. Furthermore, it is ensured that the power of the short-term energy storage device 13 is gradually reduced close to the switching limit between "Boosf" and "normal” operation, which in turn avoids a hard load request to the internal combustion engine 13 when the engine 13
  • the short-time energy storage 13 is via a power control 15, a
  • performance coordinator controlled, d. H. the charging or
  • the power control 15 is parameterized by the operating strategy used. Also, the power coordinator controls the transition from charging the short-term energy storage 13 to the benefit of the braking resistors 14. Task of
  • Power control 15 is thus in particular to ensure that excess energy is supplied directly to the drives or three-phase motors d1, h1 and w1 connected to the AC voltage circuit 12 or the DC voltage circuit 17, in order to avoid losses occurring during intermediate storage in the short-time energy storage device 13. Only when no consumer has more energy and at the same time the short-term energy storage 13 still has free charging capacity, a caching is made.
  • the braking resistors 14 thus serve as
  • Three-phase motors d1, h1 and w1 energy requirement in the amount of energy fed back has yet the short-term energy storage 13 can absorb a corresponding amount of energy.
  • operating strategies come either a recuperation strategy or a
  • the main goal is to absorb the entire energy fed back into the AC voltage circuit 12 or into the DC voltage circuit 17 and thus to use the braking resistors 14 avoid.
  • the load point boost is not used in this operating strategy.
  • the short-time energy storage 13 is discharged at a constant power. This discharge is chosen so small that the short-term energy storage 13 discharges as far as the next charge cycle the whole
  • the main goal of the downsizing strategy is to limit the power requirement to the diesel-electric drive 1 1 such that operation of the mobile harbor crane 1 is also possible with a downsized internal combustion engine 1 1 a and a downsized engine
  • Three-phase generator 1 1 b without loss of power would be possible. To ensure this, takes the short-term energy storage 13 in addition to the in the
  • the short-term energy storage 13 may discharge to a predetermined SOC lower limit. This is defined by the lower voltage range of the DC-DC converter 13a - SOC> 0.25 - or the usable SOC range of the short-time energy storage 13. The short-term energy storage 13 will go in this downsizing strategy usually only when reaching the maximum power of the engine 1 1 a in the boost state.
  • the used DC-DC converter 13a limits the amount of possible power due to its possible voltage adjustment range.
  • a temperature monitoring of the short-term energy storage 13 takes place in order to shorten the life due to excessive Prevent warming.
  • Power control 15 is the regulation of the measured active power of the
  • the power controller 15 also controls the rectifier 14a of the braking resistor 14. In the case of insufficient charging power of the short-time energy storage 13, the excess power in the braking resistor 14 is converted into heat. In this way, the operating conditions described above are set automatically. Furthermore, the power controller 15 has a limiting module with which within the
  • Power control 15 the selected operating strategy and thus the associated
  • the variable rise represents a definable ramp time for the DC-DC converter 13a of the short-time energy storage device 13.
  • the short-term energy storage 13 can be retrofitted by its modular design of the modules and functionalities as an extension into existing mobile harbor cranes 1.
  • the receipt of the braking resistors 14 in addition to the short-term energy storage 13 ensures that the mobile harbor crane 1 can continue its operation in the event of failure of the short-term energy storage 13.
  • the power control 15 and the operating strategy are implemented in a programmable logic controller (PLC) that supports the
  • the basis for the power control 15 is the analog signal of a
  • Active power meter 1 1 c which continuously reduces the power output of the
  • Three-phase generator 1 1 b measures and this information the rectifier 14 a of
  • Braking resistors 14 and the DC-DC converter 13a of the short-term energy storage 13 provides.
  • the braking resistor 14 remains in the system and is used when, if the short-term energy storage 13 can not absorb the entire braking energy or fails.
  • the power control 15 communicates via a bus system with a higher-level main control (not shown) of the mobile harbor crane 1. Depending on which bus systems the controllers use, communication takes place via a
  • the power controller 15 uses a J1939 BUS to communicate with the short-term energy storage 13 and communicates with the DC-DC converter 13a to communicate with a CAN OPEN BUS, which is also used by the main controller of the mobile harbor crane 1.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kran mit einem dieselelektrischen Antrieb (11), dessen Drehstromgenerator (11 b) einen Wechselspannungskreis (12) speist, mit einem an dem Wechselspannungskreis (12) angeschlossenen Gleichspannungskreis (17), mit Elektromotoren, die mindestens ein Drehwerk (d), ein Hubwerk (h) und ein Wippwerk (w) des Krans antreiben, mit mindestens einem Bremswiderstand (14) und mit einem Kurzzeit-Energiespeicher (13), der zur Zwischenspeicherung von überschüssiger Energie an den Wechselspannungskreis (12) oder an den Gleichspannungskreis (17) angeschlossen ist. Es wird vorgeschlagen, dass jeweils mindestens einer der Elektromotoren an dem Wechselspannungskreis (12) und an dem Gleichspannungskreis (17) angeschlossen ist und der Wechselspannungskreis (12) mit dem Gleichspannungskreis (17) über einen Gleichrichter (16) derart verbunden ist, dass ein Energieaustausch zwischen dem Wechselspannungskreis (12) und dem Gleichspannungskreis (17) möglich ist.

Description

Kran, insbesondere Hafenmobilkran, mit einem Hybridantriebssystem
Die Erfindung betrifft einen Kran, insbesondere Hafenmobilkran, mit einem
dieselelektrischen Antrieb, dessen Drehstromgenerator einen Wechselspannungskreis speist, mit einem an dem Wechselspannungskreis angeschlossenen
Gleichspannungskreis, mit Elektromotoren, die mindestens ein Drehwerk, ein Hubwerk und ein Wippwerk des Krans antreiben, mit mindestens einem Bremswiderstand und mit einem Kurzzeit-Energiespeicher, der zur Zwischenspeicherung von überschüssiger Energie an den Wechselspannungskreis oder an den Gleichspannungskreis
angeschlossen ist.
Aus der deutschen Patentanmeldung DE 10 2004 010 988 A1 ist ein
Hybridantriebssystem für einen Portalhubstapler bekannt. Derartige Portalhubstapler sind auch als Straddle Carrier bekannt und werden in Seehäfen und Containerterminals zum Transportieren und Stapeln von Containern eingesetzt. Das Hybridantriebssystem umfasst ein Stromerzeugungsaggregat mit einem Dieselmotor, der einen
Drehstromgenerator antreibt. Der Drehstromgenerator speist über einen Gleichrichter einen Gleichspannungszwischenkreis, an dem über Wechselrichter Fahr-, Hub- und Hilfsmotoren angeschlossen sind. Um das Stromerzeugungsaggregat erheblich kleiner und leichter auszuführen, ist zur Abdeckung von kurzeitigen Energiebedarfsspitzen, wie sie beim Anfahren und Bremsen des Fahrantriebes des Portalhubstaplers oder beim Heben und Senken der Container entstehen, ein Kurzzeit-Energiespeicher über einen Lade-/ und Entladeregler an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen. Dieser Kurzzeitspeicher kann beim generatorischen Bremsen der Fahr- und Hubantriebe aufgeladen werden und somit muss nicht die von den Fahr- und Hubantrieben in den Gleichspannungszwischenkreis zurück gespeiste Energie mit Bremswiderständen in Wärme umgewandelt werden. Der Kurzzeitspeicher vermeidet somit diese energetischen Verluste und dient als Zwischenspeicher für die Energie. Der Kurzzeit-Energiespeicher ist aus zusammen geschalteten Doppelschichtkondensatoren mit sehr hohen Kapazitäten, die auch als„Ultrakondensatoren" oder„Ultra-Caps" bezeichnet werden, aufgebaut. Neben dem Kurzzeit-Energiespeicher ist an den Gleichspannungszwischenkreis ein weiterer Energiespeicher über einen weiteren Lade-/ und Entladeregler angeschlossen. Der weitere Energiespeicher ist als leichte Hochenergiebatterie, insbesondere Kochsalz- Nickel-, Natrium-Schwefel- oder Nickel-Metallhydrid-Akkumulator, ausgebildet, um mittlere Leistungsbedarfsspitzen abzudecken, die beispielsweise bei Fahrten im Minutenbereich auftreten. Der Lade-/ und Entladeregler für den Kurzzeit-Energiespeicher und den weiteren Energiespeicher ist als regelbarer Zwei-Quadranten-DC/DC-Wandler
ausgebildet. Des Weiteren ist eine elektrische Steuervorrichtung vorgesehen, die mit dem Stromerzeugungsaggregat, dem Kurzzeit-Energiespeicher und dem weiteren
Energiespeicher verbunden ist, um diese je nach Betriebszustand des
Hybridantriebssystems anzusteuern.
Aus der Patentschrift US 7 554 278 B2 ist ein Hybridantriebssystem eines gummibereiften Krans bekannt, das eingangsseitig einen Gleichspannungskreis aufweist, der zum Einen von einem durch einen Verbrennungsmotor angetriebenen Drehstromgenerator mit nachgeschaltetem Gleichrichter und zum Anderen von einer als Energiespeichersystem dienenden Batterieeinheit mit elektrischer Energie gespeist wird. Zur Energieversorgung der elektrisch betriebenen Kranantriebsmotoren ist außerdem ein
Wechselspannungskreis vorgesehen, mit dem sämtliche Kranantriebe, insbesondere ein Hubantrieb, elektrisch verbunden sind. Auch ist ein weiterer Schaltkreis vorgesehen, der auf den Gleichspannungskreis aufgeschaltet werden kann und über den die
beispielsweise beim Senken einer Last durch generatorisches Bremsen des Hubantriebs zurückgewonnene elektrische Energie zum Aufladen des Energiespeichersystems in dessen Batterieeinheit geleitet werden kann.
Des Weiteren sind bereits aus dem aktuellen Firmenprospekt der Gottwald Port
Technology GmbH, Düsseldorf, Deutschland mit dem Titel„Hafenkran-Modell 4" sogenannte Hafenmobilkrane bekannt, mit denen Container oder Schüttgüter in Seehäfen oder Container-Terminals umgeschlagen werden. Ein derartiger Hafenmobilkran besteht im Wesentlichen aus einem Unterwagen, mit dem sich der Hafenmobilkran auf dem Land, beispielsweise einem Kai, oder auf einem Schwimmponton abstützt, und einem um eine vertikale Achse drehbar auf dem Unterwagen gelagerten Oberwagen. Der Unterwagen kann über Reifen auf dem Kai oder über Schienenräder auf Schienen verfahrbar sein. Während des Umschlagbetriebes wird der Unterwagen über Stützen abgestützt. Auf dem Oberwagen sind ein sich in Vertikalrichtung erstreckender Turm, die Dreh- und Hubwerke für das Drehen des Oberwagens sowie das Heben einer Last und ein Gegengewicht angeordnet. Des Weiteren ist an dem Turm etwa im Bereich seiner halben Länge und auf der dem Gegengewicht abgewandten Seite ein Ausleger angelenkt. Der Ausleger ist um eine horizontale Wippachse schwenkbar mit dem Turm verbunden und zusätzlich über einen an dem Ausleger und unten an dem Oberwagen angelenkten Wippzylinder aus seiner seitlich auskragenden Betriebsstellung in eine aufrechte Ruhestellung
verschwenkbar. Außerdem ist der Ausleger in üblicher weise als Gittermast ausgebildet.
Derartige Hafenmobilkrane weisen bezüglich ihres Antriebskonzept die Ausbildung eines seriellen Hybridens dar, da sie mit einem dieselelektrischen Antrieb arbeiten, in dem die chemische Energie des Dieselkraftstoffes durch einen Verbrennungsmotor in
mechanische Arbeit umgewandelt und von einem Drehstromgenerator als elektrische Energie in einen Wechselspannungskreis gespeist wird. Für den Antrieb des Hubwerks, des Drehwerks und des Wippwerks sowie etwaiger weiterer Antriebe werden Gleichstrom- oder Drehstrommotoren verwendet, in denen eine erneute Umwandlung der elektrischen Energie zurück in mechanische Arbeit stattfindet, die schlussendlich zum Heben von Lasten, zum Verfahren und Drehen des Kranes oder zur Bewegung des Auslegers genutzt wird. Energie, die beispielsweise durch das Senken von Lasten am Ausleger in den Wechselspannungskreis zurück gespeist wird, wird zunächst den übrigen
Verbrauchern zur Verfügung gestellt. Sobald ein Energieüberschuss im
Wechselspannungskreis vorhanden ist, wird dieser durch Bremswiderstände in Wärme umgewandelt, wobei die zurückgespeiste Energie vernichtet wird, d.h. endgültig verloren geht. Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kran, insbesondere Hafenmobilkran, mit einem verbesserten
Hybridantriebssystem zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch einen Kran, insbesondere Hafenmobilkran mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen 2 bis 14 angegeben.
Erfindungsgemäß wird bei einem Kran, insbesondere Hafenmobilkran, mit einem dieselelektrischen Antrieb, dessen Drehstromgenerator einen Wechselspannungskreis speist, mit einem an dem Wechselspannungskreis angeschlossenen
Gleichspannungskreis, mit Elektromotoren, die mindestens ein Drehwerk, ein Hubwerk und ein Wippwerk des Krans antreiben, mit mindestens einem Bremswiderstand und mit einem Kurzzeit-Energiespeicher, der zur Zwischenspeicherung von überschüssiger Energie an den Wechselspannungskreis oder an den Gleichspannungskreis
angeschlossen ist, eine Verbesserung des Hybridantriebssystems dadurch erreicht, dass jeweils mindestens einer der Elektromotoren an dem Wechselspannungskreis und an dem Gleichspannungskreis angeschlossen ist und der Wechselspannungskreis mit dem Gleichspannungskreis über einen Gleichrichter derart verbunden ist, dass ein
Energieaustausch zwischen dem Wechselspannungskreis und dem
Gleichspannungskreis möglich ist. Durch den Einsatz des Kurzzeit-Energiespeichers für die Speicherung von beispielsweise durch generatorisches Bremsen der Antriebe zurückgewonnener, überschüssiger Energie kann das Betriebsverhalten des zum Antrieb des Drehstromgenerators vorgesehen Verbrennungsmotors, insbesondere Dieselmotors, so verbessert werden, dass der Kraftstoffverbrauch und damit der Schadstoffausstoß gesenkt und die rückgewonnene Energie anderweitig nutzbar gemacht werden kann. Bei einer angestrebten modularen Bauweise der nötigen Baugruppen und Funktionalitäten kann der Kurzzeit-Energiespeicher auch in bestehende Hafenmobilkrane als Erweiterung nachgerüstet werden. Darüber hinaus bleibt gewährleistet, dass der Hafenmobilkran bei Ausfall des Kurzzeit-Energiespeichers seinen normalen Betrieb fortsetzen kann, da der Bremswiderstand weiterhin vorhanden ist. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, dass der den Wechselspannungskreis und den Gleichspannungskreis verbindende Gleichrichter rückspeisefähig ausgebildet ist.
Die Rückgewinnung von Energie wird in vorteilhafter Weise dadurch erreicht, dass zumindest die Elektromotoren des Hubwerks und des Wippwerks zur Rückspeisung von elektrischer Energie in den Wechselspannungskreis beziehungsweise in den
Gleichspannungskreis generatorisch betreibbar sind.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Elektromotoren als Drehstrommotoren ausgebildet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Kurzzeit-Energiespeicher über einen Gleichspannungswandler an den Gleichspannungskreis angeschlossen ist. Durch die Verwendung des Gleichspannungswandlers kann der Kurzzeit-Energiespeicher mit dem Gleichspannungskreis hinsichtlich des Spannungsniveaus synchronisiert werden.
Besonders vorteilhaft ist vorgesehen, dass der Kurzzeit-Energiespeicher als
Doppelschichtkondensator ausgebildet ist. Derartige Doppelschichtkondensatoren sind langlebig, wartungsfrei und leicht sowie weisen eine geringe Energiedichte bei hoher Leistungsdichte auf. Hierdurch eignen sich diese besonders als Kurzzeit-Energiespeicher. Im Vergleich zu Batterien können von den Doppelschichtkondensatoren wesentlich höhere Leistungen aufgenommen beziehungsweise abgegeben werden und werden in Bezug auf ihre Lebensdauer durch die schnellen und kurzzeitigen Wechsel zwischen Laden und Entladen nicht so stark beeinträchtigt wie Batterien. Zwar ist der Energieinhalt pro Volumen geringer als der von Batterien, doch gerade durch diese Eigenschaften zeichnen sich Doppelschichtkondensatoren hervorragend als Kurzzeit-Energiespeicher für die Verwendung in Hafenmobilkranen aus, da beim Absenken von Lasten eines
Hafenmobilkrans sehr hohe Leistungen jedoch geringe Energien über einen relativ kurzen Zeitraum von einigen Sekunden auftreten sowie für Beschleunigungsvorgänge beim Heben und anderen Kranbewegungen hohe Spitzenleistungen jeweils nur kurzfristig auftreten.
In bevorzugter Ausbildung ist vorgesehen, dass der Bremswiderstand über einen
Gleichrichter an den Wechselspannungszwischenkreis angeschlossen ist.
Es ist außerdem von besonderem Vorteil, dass zumindest der Elektromotor des
Wippwerks an den Wechselspannungskreis angeschlossen ist.
In Kombination mit der vorliegenden Erfindung ist es vorteilhaft, dass das Drehwerk einen Drehstrommotor aufweist, der über einen Wechselrichter an den Gleichspannungskreis angeschlossen ist, das Hubwerk einen Drehstrommotor aufweist, der über einen
Wechselrichter an den Gleichspannungskreis angeschlossen ist, und das Wippwerk einen Drehstrommotor aufweist, der direkt an den Wechselspannungskreis angeschlossen ist. Der Kurzeit-Energiespeicher kann dann einfach an einem bestehenden
Wechselspannungskreis ohne Konzeptänderung des elektrischen Systems eines vorhandenen Hafenmobilkrans nachgerüstet werden.
Besonders vorteilhaft ist vorgesehen, dass eine Leistungssteuerung, die über eine Betriebsstrategie eingestellt ist, mit dem dieselelektrischen Antrieb, dem Bremswiderstand beziehungsweise dessen Gleichrichter, dem Kurzzeit-Energiespeichers und dem
Gleichspannungswandler des Kurzzeit-Energiespeicher verbunden ist und auf der Grundlage der Daten eines dem Drehstromgenerator zugeordneten Wirkleistungsmessers und dem Ladezustand des Kurzzeit-Energiespeichers den Kurzzeit-Energiespeicher und bei Bedarf den Bremswiderstand ansteuert. Als Betriebsstrategien kommen wahlweise eine Rekuperationsstrategie oder eine Downsizingstrategie zum Einsatz. Im Zusammenhang mit der Rekuperationsstrategie ist das Hauptziel, die gesamte in den Wechselspannungskreis zurück gespeiste Energie aufzunehmen und somit eine Nutzung der Bremswiderstände zu vermeiden. Die Downsizingstrategie sieht als Hauptziel vor, die Leistungsanforderung an den dieselelektrischen Antrieb so zu begrenzen, dass ein Betrieb des Hafenmobilkrans auch mit einem verkleinerten Verbrennungsmotor und einem verkleinerten Drehstromgenerator ohne Leistungseinbußen möglich wäre. Der Kurzzeit-Energiespeicher wird bei dieser Downsizingstrategie in der Regel nur bei Erreichen der Maximalleistung des Verbrennungsmotors in den Boostzustand gehen. Erfindungsgemäß wird zur Optimierung der Energieeinsparung das Verhalten des Doppelschichtkondensators und der Betriebszustände des restlichen Systems vorrangig in Abhängigkeit von der gemessenen Wirkleistung des Generators und dem Ladezustand des Speichers definiert. Durch eine gesteuerte Leistungsabgabe des Kurzzeit- Energiespeichers lassen sich harte Lastanforderungen an den Verbrennungsmotor vermeiden. Der Sanftanlauf verhindert schlagartige Belastungen, wodurch sich positive Auswirkungen auf den instationären Verbrauch und das Abgasverhalten des
Verbrennungsmotors ergeben.
Besonders vorteilhaft ist vorgesehen, dass über die Leistungssteuerung der Kurzzeit- Energiespeicher während eines regulären Boostens des dieselelektrischen Antriebs auf eine konstante Entladeleistung eingestellt ist oder über die Leistungssteuerung derart eingestellt ist, dass während des Boostens des dieselelektrischen Antriebs bei entsprechender Leistungsanfrage abweichend von der konstanten Entladeleistung eine höhere Entladeleistung zur Verfügung gestellt wird, wenn der Ladezustand des Kurzzeit- Energiespeichers nach einer Ladephase nahe dem Maximalwert liegt. Eine Einstellung auf eine konstante Entladeleistung erhöht den Wirkungsgrad des Kurzzeit- Energiespeichers während des regulären Boostens. Das schließt jedoch nicht aus, dass im Rahmen der Erfindung während des Boostens bei entsprechender Leistungsanfrage des Verbrauchers auch von der konstanten Entladeleistung abgewichen werden kann, insbesondere wenn der Ladezustand des Kurzzeit-Energiespeichers nach einer
Ladephase nahe dem Maximalwert liegt.
Nach einer Ausgestaltung wird über die Leistungssteuerung für den Kurzzeit- Energiespeicher eine untere Ladezustandsgrenze und obere Ladezustandsgrenze definiert. Demnach kann sich der Kurzzeit-Energiespeicher bis auf eine festgelegte untere Ladezustandsgrenze entladen, die durch den unteren Spannungsstellbereich des Wechselrichters beziehungsweise den nutzbaren Ladezustandsbereich des Kurzzeit- Energiespeichers definiert ist.
Die untere Ladezustandsgrenze ist als 25% der oberen Ladezustandsgrenze definiert. Auch diese Ausgestaltung dient der Wirkungsgradoptimierung, da bei höherer Spannung die Verluste durch den Innenwiderstand des Kurzzeit-Energiespeichers geringer sind. Dem wird Rechnung getragen, wenn der Arbeitsbereich des Kurzzeit-Energiespeichers in möglichst hohen Spannungsbereichen oberhalb der definierten unteren
Ladezustandsgrenze für die Entladung liegt.
Wenn nach einem weiteren Merkmal der Erfindung die Leistungsabgabe des Kurzzeit- Energiespeichers nahe der Schaltgrenze zwischen Boostbetrieb und Normalbetrieb reduziert wird, lassen sich ebenfalls harte Lastanforderungen an den Verbrennungsmotor beim Abschalten des Kurzzeit-Energiespeichers vermeiden. Dies wirkt sich positiv auf Verbrauch und Abgasverhalten des Verbrennungsmotors aus.
Die Rückspeisefähigkeit des Hybridantriebssystems des Krans wird in vorteilhafter Weise dadurch erhöht, dass das Wippwerk einen Hydraulikzylinder und eine Hydraulikpumpe umfasst und der die Hydraulikpumpe antreibende Elektromotor rückspeisefähig ist.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung erläutert. Es zeigt:
Figur 1 eine Ansicht eines Hafenmobilkrans und
Figur 2 ein Blockschaltbild eines Hybridantriebes des Hafenmobilkranes nach Figur 1 .
Die Figur 1 zeigt eine Ansicht eines Hafenmobilkrans 1 für den Umschlag von normierten Behältern, insbesondere von ISO-Containern, zwischen Land und Wasser
beziehungsweise umgekehrt beziehungsweise innerhalb von Container-Terminals. Auch kann der Hafenmobilkran 1 mit einem Greifer zum Umschlag von Schüttgütern ausgerüstet werden. Der Hafenmobilkran 1 besteht im Wesentlichen aus einem
Unterwagen 2 und einem Oberwagen 3 mit einem Turm 4 und einem Ausleger 5. In üblicher Weise wird der Hafenmobilkran 1 über seinem Unterwagen 2 auf dem Land, hier einen Kai 7, abgestützt. Über den Unterwagen 2 mit Radreifenfahrwerken 6 ist der Hafenmobilkran 1 auf dem Kai 7 verfahrbar und wird während des Umschlagbetriebes über Stützen 8 auf diesem abgestützt. Auch ist es möglich, dass der Hafenmobilkrans 1 auf Schienen verfahrbar oder stationär auf einem Schwimmponton befestigt wird. Auf dem Unterwagen 2 ist der Oberwagen 3 gelagert, der von einem Drehwerk d um eine vertikale Drehachse D schwenkbar ist. Das Drehwerk d weist üblicher Weise einen Drehkranz im Eingriff mit einem Antriebszahnrad auf. Der Oberwagen 3 trägt auch ein Hubwerk h und im Rückwärtigen Bereich ein Gegengewicht 9. Auch ist auf dem Oberwagen 3 der sich in Vertikalrichtung erstreckende Turm 4 abgestützt, an dessen Spitze ein Rollenkopf 10 mit Seilscheiben befestigt ist. Des Weiteren ist an dem Turm 4 etwa im Bereich seiner halben Länge und auf der dem Gegengewicht 9 abgewandten Seite der Ausleger 5 angelenkt. Der Ausleger 5 ist um eine horizontale Wippachse W schwenkbar mit dem Turm 4 verbunden und zusätzlich über ein an dem Ausleger 5 und unten an dem Oberwagen 3 angelenktes Wippwerk w, das üblicher Weise als Hydraulikzylinder ausgebildet ist, aus seiner seitlich auskragenden Betriebsstellung in eine aufrechte Ruhestellung
verschwenkbar. Außerdem ist der Ausleger 5 in üblicher Weise als Gittermast
ausgebildet. An der dem Turm 4 abgewandten Spitze des Auslegers 5 sind weitere Seilscheiben drehbar gelagert, über die ausgehend von dem Hubwerk h Hubseile über den Rollenkopf 10 zu der anzuhebenden Last geführt sind. Die Figur 2 zeigt ein Blockschaltbild eines Hybridantriebes des Hafenmobilkranes 1 nach Figur 1. Wie eingangs beschrieben können derartige Hafenmobilkrane bezüglich ihres Antriebskonzept serielle Hybriden sein, da sie mit einem dieselelektrischen Antrieb 1 1 arbeiten, in denen die chemische Energie eines Dieselkraftstoffes durch einen
Verbrennungsmotor 1 1 a in mechanische Arbeit umgewandelt wird. Der
Verbrennungsmotor 1 1 a treibt einen Drehstromgenerator 1 1 b an, der die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt und in einen Wechselspannungskreis 12 speist. Der Drehstromgenerator 1 1 b erzeugt einen dreiphasigen Wechselstrom mit einer
Spannungsebene von 440 V. Das Versorgungsnetz zur Bereitstellung von Energie für die verschiedenen Elektromotoren des Hafenmobilkranes 1 umfasst neben dem
Wechselspannungskreis 12 einen Gleichspannungskreis 17, der über einen Gleichrichter 16 mit dem Wechselspannungskreis 12 verbunden ist. Durch den Gleichrichter 16 ist ein Energieaustausch zwischen dem Wechselspannungskreis 12 und dem
Gleichspannungskreis 17 möglich, falls beispielsweise durch generatorisches Bremsen beziehungsweise generatorischen Betrieb eines Elektromotors zurückgewonnene elektrische Energie in einem der Spannungskreise 12, 17 ein Energieüberschuss herrscht und ein anderer Elektromotor Energiebedarf hat. An den Wechselspannungskreis 12 ist der Antrieb des Wippwerks w und an den Gleichspannungskreis 17 sind verschiedene Verbraucher, insbesondere die jeweiligen Antriebe des Hubwerks h und des Drehwerks d, angeschlossen, in denen eine erneute Umwandlung der elektrischen Energie zurück in mechanische Arbeit stattfindet, die zum Wippen des Auslegers 5, zum Heben von Lasten oder zum Drehen des Hafenmobilkranes 1 genutzt wird. Das Hubwerk h und das
Drehwerk d weisen elektrische Drehstrommotoren h1 , d1 , vorzugsweise
Asynchronmotoren, auf, die jeweils über einen Wechselrichter h2, d2 mit dem
Gleichspannungskreis 17 verbunden sind. In den Wechselrichtern h2, d2 wird die
Gleichspannung in Wechselspannung umgewandelt. Ebenso ist es jedoch möglich, die Drehstrommotoren h1 , d1 an den Wechselspannungskreis 12 anzuschließen. Für das Wippwerk w ist ein mit konstanter Geschwindigkeit laufender Drehstrommotor w1 an den Wechselspannungskreis 12 angeschlossen, der eine Hydraulikpumpe w2, insbesondere Axialkolbenpumpe, antreibt. Die Hydraulikpumpe w2 ist mit einem Hydraulikzylinder w3 verbunden, über den der Ausleger 5 des Hafenmobilkrans 1 um die Wippachse W geschwenkt werden kann. Die Hydraulikpumpe w2 sowie der Drehstrommotor w1 können derart ausgebildet sein, dass überschüssige Energie nicht zurückführbar ist, sondern beispielsweise über Drosseln abgeführt wird. Es ist jedoch ebenso denkbar, dass die Hydraulikpumpe w2 sowie der Drehstrommotor w1 rückspeisefähig sind, so dass eine Energierückführung in den Wechselspannungskreis 12 beziehungsweise über den Gleichrichter 16 auch in den Gleichspannungskreis 17 erfolgen kann.
Des Weiteren sind weitere nicht dargestellte Antriebe vorhanden, die direkt mit dem Verbrennungsmotor 1 1 a verbunden sind oder an den Wechselspannungskreis 12 angeschlossen sind. Beispielsweise sind hier der Fahrantrieb für den Hafenmobilkran 1 oder etwaige Antriebe zum Schließen und Öffnen eines Vierseil-Schüttgutgreifers zu nennen. Entsprechende mittels Drehstrommotoren betriebene Antriebe können ebenfalls über Gleichrichter an den Gleichspannungskreis 17 angeschlossen werden. Auch ist es möglich diese Antriebe über Gleichstrommotoren zu betreiben und an den
Gleichspannungskreis 17 oder über Wechselrichter an den Wechselspannungskreis 12 anzuschließen. Durch die Einrichtung sowohl des Wechselspannungskreises 12 als auch des Gleichspannungskreises 17 ist es also möglich, die für die jeweiligen Antriebe verwendeten Motoren zu variieren. Um die Energie zurück Zugewinnen, die beim sogenannten generatorischen Bremsen von den Drehstrommotoren d1 , h1 , und w1 in den Wechselspannungskreis 12 beziehungsweise in den Gleichspannungskreis 17 zurück gespeist wird, ist an den Gleichspannungskreis 17 ein Kurzzeit-Energiespeicher 13 angeschlossen. Die von diesem Kurzzeit-Energiespeicher 13 wiedergewinnbare Energie entsteht im Wesentlichen beim Absenken und Abbremsen der Last und somit durch das generatorische Bremsen des Drehstrommotors h1 des Hubwerks h. Falls eine rückspeisefähige Hydraulikpumpe w2 und ein rückspeisefähiger Drehstrommotor w1 eingesetzt werden, kann auch die von der Hydraulikpumpe w2 zurückgeführte Energie vom Kurzzeit-Energiespeicher 13 aufgenommen werden. Prinzipiell kann jedoch jeder der Elektromotoren in
rückspeisefähiger Art und Weise ausgebildet und an den Wechselspannungskreis 12 oder an den Gleichspannungskreis 17 angeschlossen sein. Somit sind zumindest mittelbar beide Spannungskreise 12 und 17 des Energieversorgungsnetzes an das
Energiespeichersystem beziehungsweise den Kurzzeit-Energiespeicher 13
angeschlossen.
Für den Fall, dass der Kurzzeit-Energiespeicher 13 keine Energie beziehungsweise weitere Energie speichern kann, ist an den Wechselspannungskreis 12 ein
Bremswiderstand 14 angeschlossen. Über diesen Bremswiderstand 14 wird dann die durch das generatorische Bremsen von den Drehstrommotoren d1 , h1 , und w1 in den Wechselspannungskreis 12 zurück gespeiste Spannung in Wärme umgewandelt und somit vernichtet.
Durch die Einbindung des Kurzzeit-Energiespeichers 13 in den Gleichspannungskreis 17 ergeben sich verschiedene neue Betriebszustände für den Hybridantrieb des
Hafenmobilkranes 1. Neben dem bisher üblichen Betriebszustand„Normalbetrieb", das heißt der Verbrennungsmotor 1 1 a bedient die während des Betriebes des
Hafenmobilkranes 1 auftretenden unterschiedlichen Lastanforderungen, und
„Widerstands-Bremsen", in dem die - eventuell über den Gleichspannungskreis 17 - in den Wechselspannungskreis 12 zurück gespeiste Energie in den Bremswiderständen 14 in Wärme umgewandelt wird, kommen weitere Betriebszustände hinzu. Im Einzelnen sind es die Betriebszustände„Lastpunktanhebung", bei dem der Verbrennungsmotor 1 1 a in einem günstigeren Betriebsbereich mit einem höheren Wirkungsgrad durch Laden des Kurzzeit-Energiespeichers 13 betrieben wird,„Boosten", der die Unterstützung des Verbrennungsmotors 1 1 a durch den Kurzzeit-Energiespeicher 13 betrifft,„Speicher- Bremsen", der das Laden des Speichers durch die in den Wechselspannungszwischenkreis 12 zurück gespeiste Energie betrifft, und„Speicher- /Widerstands-Bremsen", der eine Mischform der Betriebszustände„Speicher-Bremsen" und„Widerstands-Bremsen" ist. Für den Fall, dass der Kurzzeit-Energiespeicher 13 voll geladen ist, erfolgt ein„Widerstands-Bremsen". Der Bremswiderstand 14 ist über einen Gleichrichter 14a mit dem Wechselspannungskreis 12 verbunden, somit kann der Bremswiderstand 14 nach Bedarf geschaltet werden. Eine Steuerung erfolgt über eine Gesamtleistungsmessung. Dies ist energetisch von Vorteil.
Der Kurzzeit-Energiespeicher 13 ist als Doppelschichtkondensator ausgebildet, der auch als„Ultracap" oder„Supercap" bezeichnet wird. Derartige Doppelschichtkondensatoren sind langlebig, wartungsfrei und leicht sowie weisen eine geringe Energiedichte bei hoher Leistungsdichte auf. Hierdurch eignen sich diese besonders als Kurzzeit-Energiespeicher. Im Vergleich zu Batterien können von den Doppelschichtkondensatoren wesentlich höhere Leistungen aufgenommen beziehungsweise abgegeben werden. Zwar ist der Energieinhalt pro Volumen geringer als der von Batterien, doch gerade durch diese Eigenschaften zeichnen sich Doppelschichtkondensatoren hervorragend als Kurzzeit- Energiespeicher für die Verwendung in Hafenmobilkranen aus, da beim Absenken von Lasten eines Hafenmobilkrans 1 sehr hohe Leistungen jedoch geringe Energien über einen relativ kurzen Zeitraum von einigen Sekunden auftreten sowie für
Beschleunigungsvorgänge beim Heben und anderen Kranbewegungen hohe
Spitzenleistungen jeweils nur kurzfristig auftreten. Das Drehwerk d speist nur geringe Energiemengen zurück in den Wechselspannungszwischenkreis 12, da die
Drehbewegung des Oberwagens 3 des Hafenmobilkrans 1 langsam ist und somit die Beschleunigungs- und Abbremsvorgänge kurz und energiearm sind.
Der Kurzzeit-Energiespeicher 13 ist unter Zwischenschaltung eines
Gleichspannungswandlers 13a bidirektional an den Gleichspannungskreis 17
angeschlossen. Der Gleichspannungswandler 13a übernimmt die Spannungsanpassung an den Gleichspannungskreis 17.
Durch den Kurzzeit-Energiespeicher 13 lassen sich eine Reihe weiterer Funktionalitäten integrieren, mit welchen positiv auf das Betriebsverhalten des Verbrennungsmotors 1 1 a Einfluss genommen werden kann. Dadurch lassen sich, neben weiteren
Kraftstoffeinsparungen auch erheblich die erzeugten Schadstoffemissionen reduzieren. Der Kurzzeit-Energiespeicher 13 kann einen Sanftanlauf des Verbrennungsmotors 1 1 a durch entsprechendes Boosten ermöglichen. Damit werden schlagartige, harte
Lastanforderungen an den Verbrennungsmotor 1 1 a vermeiden. Dieses hat positive Auswirkungen auf den transienten Verbrauch und das Abgasverhalten des
Verbrennungsmotors 1 1 a. Auch wird in Phasen positiver Leistungsanforderung eine definierbare Motorgrundlast vorgehalten. Damit wird ein schnelleres Reagieren des Verbrennungsmotors 1 1 a bei plötzlichen Lastanforderungen ermöglicht. Weiterhin wird sichergestellt, dass die Leistung des Kurzzeit-Energiespeichers 13 nahe der Schaltgrenze zwischen„Boosf- und„Normal"-Betrieb allmählich reduziert wird. Dies vermeidet wiederum eine harte Lastanforderung an den Verbrennungsmotor 13, wenn der
Boostbetrieb beendet wird.
Der Kurzzeit-Energiespeicher 13 wird über eine Leistungssteuerung 15, einen
sogenannten Leistungskoordinator, gesteuert, d. h. die Lade- beziehungsweise
Entladeleistung des Kurzzeit-Energiespeichers 13 in Betrag und Zeitdauer festgelegt. Die Leistungssteuerung 15 wird durch die verwendete Betriebsstrategie parametriert. Auch steuert der Leistungskoordinator den Übergang vom Laden des Kurzzeit- Energiespeichers 13 zum Nutzen der Bremswiderstände 14. Aufgabe der
Leistungssteuerung 15 ist es somit insbesondere, dafür zu sorgen, dass überschüssige Energie direkt den an den Wechselspannungskreis 12 oder den Gleichspannungskreis 17 angeschlossenen Antrieben beziehungsweise Drehstrommotoren d1 , h1 und w1 zugeführt wird, um bei einer Zwischenspeicherung im Kurzzeit-Energiespeicher 13 auftretende Verluste zu vermeiden. Erst wenn kein Verbraucher mehr Energiebedarf hat und gleichzeitig der Kurzzeit-Energiespeicher 13 noch freie Lade-Kapazität aufweist, wird eine Zwischenspeicherung vorgenommen. Die Bremswiderstände 14 dienen somit als
Notsystem für den Fall, dass weder einer der Antriebsmotoren beziehungsweise
Drehstrommotoren d1 , h1 und w1 Energiebedarf in Höhe der zurückgespeisten Energie hat noch der Kurzzeit-Energiespeicher 13 eine entsprechende Energiemenge aufnehmen kann. Als Betriebsstrategien kommen wahlweise eine Rekuperationsstrategie oder eine
Downsizingstrategie zum Einsatz.
Im Zusammenhang mit der Rekuperationsstrategie ist das Hauptziel, die gesamte in den Wechselspannungskreis 12 beziehungsweise in den Gleichspannungskreis 17 zurück gespeiste Energie aufzunehmen und somit eine Nutzung der Bremswiderstände 14 zu vermeiden. Die Lastpunktanhebung wird bei dieser Betriebsstrategie nicht benutzt.
Während des regulären Boostens wird der Kurzzeit-Energiespeicher 13 mit konstanter Leistung entladen. Diese Entladeleistung wird so gering gewählt, dass sich der Kurzzeit- Energiespeicher 13 soweit entlädt, um im nächsten Ladezyklus die ganze
Rekuperationsenergie aufnehmen zu können. Damit wird ein möglichst hoher
Wirkungsgrad des Kurzzeit-Energiespeichers 13 erreicht. In diesem Zusammenhang wird eine untere SOC-Grenze (state of Charge, Ladestatus 0: vollständig entleert 1 : vollständig geladen) für die Entladung definiert, damit der Arbeitsbereich des Kurzzeit- Energiespeichers 13 in möglichst hohen Spannungsbereichen liegt. Auch dies dient der Wirkungsgradoptimierung, da bei höherer Spannung die Verluste durch den
Innenwiderstand des Kurzzeit-Energiespeichers 13 geringer sind. Auch kann während des Boostens von der konstanten Entladeleistung in einigen Fällen abgewichen werden. Es kann beispielsweise bei entsprechender Leistungsanfrage mit maximaler Entladeleistung geboostet werden, wenn der Ladezustand des Kurzzeit-Energiespeichers 13 nach einer Ladephase nahe dem Maximalwert liegt.
Die Downsizingstrategie sieht als Hauptziel vor, die Leistungsanforderung an den dieselelektrischen Antrieb 1 1 so zu begrenzen, dass ein Betrieb des Hafenmobilkrans 1 auch mit einem verkleinerten Verbrennungsmotor 1 1 a und einem verkleinerten
Drehstromgenerator 1 1 b ohne Leistungseinbußen möglich wäre. Um dies sicher zu stellen, nimmt der Kurzzeit-Energiespeicher 13 zusätzlich zu der in den
Wechselspannungskreis 12 zurück gespeisten Energie auch durch Lastpunktanhebung des Verbrennungsmotors 1 1 a Ladung auf. Dieses kann durch eine obere SOC-Grenze gesteuert werden. Der Kurzzeit-Energiespeicher 13 kann sich bis auf eine festgelegte SOC-Untergrenze entladen. Diese ist durch den unteren Spannungsstellbereich des Gleichspannungswandlers 13a - SOC>0.25 - beziehungsweise den nutzbaren SOC- Bereich des Kurzzeit-Energiespeichers 13 definiert. Der Kurzzeit-Energiespeicher 13 wird bei dieser Downsizingstrategie in der Regel nur bei Erreichen der Maximalleistung des Verbrennungsmotors 1 1 a in den Boostzustand gehen.
Neben der Betriebsstrategie bestimmen weitere Faktoren über die eingestellte Leistung des Kurzzeit-Energiespeichers 13. Der verwendete Gleichspannungswandler 13a begrenzt durch seinen möglichen Spannungsstellbereich den Betrag der möglichen Leistung. Darüber hinaus findet eine Temperaturüberwachung des Kurzzeit- Energiespeichers 13 statt, um eine Verkürzung der Lebensdauer durch übermäßige Erwärmung zu verhindern.
Die Grundlage der Steuerung des Kurzzeit-Energiespeichers 13 mit der
Leistungssteuerung 15 ist die Regelung der gemessenen Wirkleistung des
Drehstromgenerators 1 1 b auf einen definierten Sollwert. Ein Ausregeln erfolgt durch Stellen der Speicherleistung des Kurzzeit-Energiespeichers 13. Weiterhin steuert die Leistungssteuerung 15 auch den Gleichrichter 14a des Bremswiderstands 14. Im Falle unzureichender Ladeleistung des Kurzzeit-Energiespeichers 13 wird die überschüssige Leistung in dem Bremswiderstand 14 in Wärme umgesetzt. Auf diese Weise stellen sich die zuvor beschriebenen Betriebszustände automatisch ein. Des Weiteren weist die Leistungssteuerung 15 einen Begrenzungsbaustein auf, mit dem innerhalb der
Leistungssteuerung 15 die gewählte Betriebsstrategie und somit die zugehörigen
Parameter realisiert werden. Die vom Kurzzeit-Energiespeicher 13 abhängigen
Schaltgrenzen, die Limitierung durch den Spannungsstellbereich des
Gleichspannungswandlers 13a und die Temperaturüberwachung sind darin umgesetzt. Der variable Anstieg stellt eine definierbare Rampenzeit für den Gleichspannungswandler 13a des Kurzzeit-Energiespeichers 13 dar. Damit werden der Sanftanlauf des
Verbrennungsmotors 1 1 a und der weiche Austritt aus dem Boostvorgang gewährleistet. Der Kurzzeit-Energiespeiches 13 kann durch seine modulare Bauweise der Baugruppen und Funktionalitäten auch als Erweiterung in bestehende Hafenmobilkrane 1 nachgerüstet werden. Darüber hinaus gewährleistet der Erhalt der Bremswiderstände 14 neben dem Kurzzeit-Energiespeicher 13, dass der Hafenmobilkran 1 bei Ausfall des Kurzzeit- Energiespeichers 13 seinen Betrieb fortsetzen kann.
Die Leistungssteuerung 15 und die Betriebsstrategie sind in einer programmierbaren Logiksteuerung (PLC, programmable logic Controller) implementiert, die den
Gleichspannungswandler 13a und damit den Kurzzeit-Energiespeicher 13 steuert. Die Grundlage für die Leistungssteuerung 15 ist das analoge Signal eines
Wirkleistungsmessers 1 1 c, der kontinuierlich die Leistungsabgabe des
Drehstromgenerators 1 1 b misst und diese Information dem Gleichrichter 14a der
Bremswiderstände 14 und dem Gleichspannungswandler 13a des Kurzzeit- Energiespeichers 13 zur Verfügung stellt. Der Bremswiderstand 14 verbleibt im System und kommt zum Einsatz, wenn falls der Kurzzeit-Energiespeicher 13 nicht die gesamte Bremsenergie aufnehmen kann oder ausfällt. Die Leistungssteuerung 15 kommuniziert über ein Bussystem mit einer übergeordneten und nicht dargestellten Hauptsteuerung des Hafenmobilkranes 1 . Je nach dem welche Bussysteme die Steuerungen verwenden, erfolgt die Kommunikation über eine
Schnittstelle. Beispielsweise verwendet die Leistungssteuerung 15 zur Kommunikation mit dem Kurzzeit-Energiespeicher 13 einen J1939 BUS und zur Kommunikation mit dem Gleichspannungswandler 13a einen CAN OPEN BUS kommuniziert, der auch von der Hauptsteuerung des Hafenmobilkranes 1 verwendet wird.
Bezugszeichenliste
1 Hafenmobilkran
2 Unterwagen
3 Oberwagen
4 Turm
5 Ausleger
6 Radreifenfahrwerk
7 Kai
8 Stützen
9 Gegengewicht
10 Rollenkopf
1 1 dieselelektrischer Antrieb
1 1 a Verbrennungsmotor
1 1 b Drehstromgenerator
1 1 c Wirkleistungsmesser
12 Wechselspannungskreis
13 Kurzzeit-Energiespeicher
13a Gleichspannungswandler
14 Bremswiderstand
14a Gleichrichter
15 Leistungssteuerung
16 Gleichrichter
17 Gleichspannungskreis d Drehwerk
d1 Drehstrommotor d2 Wechselrichter h Hubwerk
h1 Drehstrommotor h2 Wechselrichter w Wippwerk
w1 Drehstrommotor w2 Hydraulikpumpe w3 Hydraulikzylinder
D Drehachse
W Wippachse

Claims

Patentansprüche
1. Kran, insbesondere Hafenmobilkran (1 ), mit einem dieselelektrischen Antrieb (1 1 ), dessen Drehstromgenerator (1 1 b) einen Wechselspannungskreis (12) speist, mit einem an dem Wechselspannungskreis (12) angeschlossenen Gleichspannungskreis (17), mit Elektromotoren, die mindestens ein Drehwerk (d), ein Hubwerk (h) und ein Wippwerk (w) des Krans antreiben, mit mindestens einem Bremswiderstand (14) und mit einem
Kurzzeit-Energiespeicher (13), der zur Zwischenspeicherung von überschüssiger Energie an den Wechselspannungskreis (12) oder an den Gleichspannungskreis (17)
angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils mindestens einer der
Elektromotoren an dem Wechselspannungskreis (12) und an dem Gleichspannungskreis (17) angeschlossen ist und der Wechselspannungskreis (12) mit dem
Gleichspannungskreis (17) über einen Gleichrichter (16) derart verbunden ist, dass ein Energieaustausch zwischen dem Wechselspannungskreis (12) und dem
Gleichspannungskreis (17) möglich ist.
2. Kran nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Elektromotoren (h1 , w1 ) des Hubwerks (h) und des Wippwerks (w) zur Rückspeisung von elektrischer Energie in den Wechselspannungskreis (12) beziehungsweise in den
Gleichspannungskreis (17) generatorisch betreibbar sind.
3. Kran nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromotoren (d1 , h1 , w1 ) als Drehstrommotoren ausgebildet sind.
4. Kran nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurzzeit- Energiespeicher (13) über einen Gleichspannungswandler (13a) an den
Gleichspannungskreis (17) angeschlossen ist.
5. Kran nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurzzeit- Energiespeicher (13) als Doppelschichtkondensator ausgebildet ist.
6. Kran nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der
Bremswiderstand (14) über einen Gleichrichter (14a) an den Wechselspannungskreis (12) angeschlossen ist.
7. Kran nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Elektromotor (w1 ) des Wippwerks (w) an den Wechselspannungskreis (12)
angeschlossen ist.
8. Kran nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehwerk (d) einen Drehstrommotor (d1 ) aufweist, der über einen Wechselrichter (d2) an den Gleichspannungskreis (17) angeschlossen ist, das Hubwerk (h) einen Drehstrommotor (h1 ) aufweist, der über einen Wechselrichter (h2) an den Gleichspannungskreis (17) angeschlossen ist, und das Wippwerk (w) einen Drehstrommotor (w1 ) aufweist, der direkt an den Wechselspannungskreis (12) angeschlossen ist.
9. Kran nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine
Leistungssteuerung (15), die über eine Betriebsstrategie eingestellt ist, mit dem
dieselelektrischen Antrieb (1 1 ), dem Bremswiderstand (14) beziehungsweise dessen Gleichrichter (14a), dem Kurzzeit-Energiespeicher (13) und dem Gleichspannungswandler (13a) des Kurzzeit-Energiespeicher (13) verbunden ist und auf der Grundlage der Daten eines dem Drehstromgenerator (1 1 b) zugeordneten Wirkleistungsmessers (1 1 c) und dem Ladezustand des Kurzzeit-Energiespeichers (13) den Kurzzeit-Energiespeicher (13) und bei Bedarf den Bremswiderstand (14) ansteuert.
10. Kran nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass über die Leistungssteuerung (15) der Kurzzeit-Energiespeicher (13) während eines regulären Boostens des
dieselelektrischen Antriebs (1 1 ) auf eine konstante Entladeleistung eingestellt ist oder über die Leistungssteuerung (15) derart eingestellt ist, dass während des Boostens des dieselelektrischen Antriebs (1 1 ) bei entsprechender Leistungsanfrage abweichend von der konstanten Entladeleistung eine höhere Entladeleistung zur Verfügung gestellt wird, wenn der Ladezustand des Kurzzeit-Energiespeichers (13) nach einer Ladephase nahe dem Maximalwert liegt.
1 1 . Kran nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass über die
Leistungssteuerung (15) für den Kurzzeit-Energiespeicher (13) eine untere
Ladezustandsgrenze und obere Ladezustandsgrenze definiert ist.
12. Kran nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die untere
Ladezustandsgrenze als 25% der oberen Ladezustandsgrenze definiert ist.
13. Kran nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass über die Leistungssteuerung (15) die Leistungsabgabe des Kurzzeit-Energiespeichers (13) nahe der Schaltgrenze zwischen Boostbetrieb und Normalbetrieb des dieselelektrischen Antriebs (1 1 ) reduziert wird.
14. Kran nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Wippwerk (w) einen Hydraulikzylinder (w3) und eine Hydraulikpumpe (w2) umfasst und der die Hydraulikpumpe (w2) antreibende Elektromotor (w1 ) rückspeisefähig ist.
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