DE102023117826A1

DE102023117826A1 - System mit Baumaschine und Energieversorgungsmodul

Info

Publication number: DE102023117826A1
Application number: DE102023117826.1A
Authority: DE
Inventors: Fabian Weber; Paul Schall
Original assignee: Liebherr Werk Nenzing GmbH
Current assignee: Liebherr Werk Nenzing GmbH
Priority date: 2023-07-06
Filing date: 2023-07-06
Publication date: 2025-01-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System mit einer Baumaschine, welche eine erste Steuerung, einen Gleichspannungskreis und mindestens einen über den Gleichspannungskreis mit Energie versorgbaren elektrischen Verbraucher umfasst, und mit einem Energieversorgungsmodul, welches eine Primärenergiequelle zur Erzeugung von elektrischer Energie und eine zweite Steuerung, mittels welcher die Primärenergiequelle steuerbar und/oder regelbar ist, umfasst. Erfindungsgemäß umfasst die Baumaschine eine mit der ersten Steuerung verbundene erste Kommunikationsschnittstelle und eine mit dem Gleichspannungskreis verbundene erste Energieversorgungsschnittstelle. Weiterhin umfasst das Energieversorgungsmodul eine mit der zweiten Steuerung verbundene zweite Kommunikationsschnittstelle und eine mit der Primärenergiequelle verbundene zweite Energieversorgungsschnittstelle. Die Schnittstellen sind jeweils miteinander verbindbar und derart ausgebildet, dass die ersten und zweiten Steuerungen im verbundenen Zustand zur Steuerung und/oder Regelung der Energieversorgung des elektrischen Verbrauchers durch die Primärenergiequelle miteinander kommunizieren. Die Erfindung betrifft ferner ein Energieversorgungsmodul und eine Baumaschine für ein solches System.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Energieversorgungsmodul nach Anspruch 14 und eine Baumaschine nach Anspruch 15.
In den letzten Jahren hat sich der Trend verstärkt in Richtung Elektrifizierung von Baumaschinen entwickelt, um den CO₂-Ausstoß zu senken und die Energiesicherheit zu erhöhen. Im Zuge dieser Elektrifizierung kommen vermehrt Baumaschinen mit batterieelektrischen oder hybriden Antriebssystemen zum Einsatz.
Der typische Aufbau einer bekannten batterieelektrischen bzw. hybriden Baumaschine 1 ist schematisch in der 1 dargestellt. Die Baumaschine 1 weist eine elektrische Energiequelle in Form eines elektrischen Energiespeichers 40 auf, welcher über ein Gleichspannungsbordnetz 11 mit einer beliebigen Anzahl von elektrischen Verbrauchern 30 verbunden ist. Als elektrische Verbraucher 30 kann die Baumaschine 1 mehrere elektrische Antriebsstränge mit jeweils mindestens einem Elektromotor 32 aufweisen, welche z.B. ein Pumpenverteilergetriebe zur Versorgung hydraulischer Aktuatoren und/oder Motoren antreiben. Als weiterer elektrischer Verbraucher 30 ist ein ggf. vorhandenes Niederspannungsbordnetz 34 zu nennen. Die Baumaschine 1 kann über weitere Leistungselektronik verfügen, beispielsweise einen DC/DC-Wandler 38, welcher die DC-Zwischenkreisspannung in eine Niederspannung (z.B. 24V) für das Niederspannungsbordnetz 34 umwandelt, oder Wechselrichter 36, welche die DC-Zwischenkreisspannung in eine Wechselspannung zum Betrieb eines oder mehrerer Elektromotoren 32 umwandeln.
Die Baumaschine 1 kann eine Ladeschnittstelle zum Anschließen einer externen Energiequelle aufweisen. In der 1 ist als Beispiel eine Wechselstrom- bzw. AC-Ladeschnittstelle 50 zum Anschluss eines externen elektrischen Dreiphasennetzes 60 gezeigt, wobei die Wechselspannung über einen AC/DC-Wandler 52 (beispielsweise ein Ladegerät in eine passende Gleichspannung für den DC-Zwischenkreis 11 umgewandelt wird.
Bei dem in der 1 gezeigten Beispiel kann die Baumaschine 1 parallel zum Energiespeicher 40 über eine Primärenergiequelle 2 verfügen (hybrider Antrieb). Die Primärenergiequelle 2 kann einen Verbrennungsmotor 26 (z.B. einen Dieselmotor) umfassen, der einen elektrischen Generator 27 antreibt, dessen Ausgangwechselspannung mittels eines Inverters bzw. AC/DC-Wandlers 28 in eine passende Gleichspannung für den DC-Zwischenkreis 11 umgewandelt wird. Das Gleichspannungsbordnetz 11 verbindet die verschiedenen elektrischen Energiequellen mit den verschiedenen elektrischen Verbrauchern 30 und bildet somit einen DC-Zwischenkreis 11. Bei vielen Baumaschinen bildet der DC-Zwischenkreis 11 ein Hochvoltbordnetz, welches beispielsweise für Gleichspannungen von 60V bis 1500V ausgelegt ist.
Bei der Verwendung elektrischer- oder batterieelektrischer Baumaschinen kann bei einer fehlenden oder beschränkten elektrischen Infrastruktur auf konventionelle Energieträger wie z.B. Diesel gesetzt werden. Hierfür existieren in der Praxis zwei unterschiedliche Lösungsansätze: 1) die Verwendung von dieselbetriebenen Generatoren und 2) der Einsatz von hydriden Baumaschinen wie beispielsweise in der 1 gezeigt.
Bei der ersten Lösung ist Verbrennungsmotor, z.B. ein Dieselmotor, mit einem elektrischen Generator (Elektromotor) mechanisch gekoppelt. Der Verbrennungsmotor wird so betrieben, dass sich am elektrischen Ausgang des Generators eine bestimmte Spannung und Frequenz einstellt. In Europa beträgt diese Frequenz 50 Hz. Hierzu verfügt der Verbrennungsmotor typischerweise über einen Drehzahlregler, der die Frequenz auch bei einer Belastung des elektrischen Generators näherungsweise konstant hält. Nach 1 ersetzt der Generator das angeschlossene elektrische Netz 60.
Eine elektrische Baumaschine, welche mittels Wechselspannung geladen werden kann, verfügt über Ladegeräte (z.B. On-Bord-Charger (OBC)). Diese Ladegeräte sind in der Maschine verbaut und wandeln die Wechselspannung in eine geregelte Gleichspannung am Ausgang. Dabei wird der Ausgangsstrom geregelt. Die Spannung, die zum Treiben dieses Stroms benötigt wird ist die Stellgröße und ergibt sich aus der Regelung Dadurch kann die elektrische Baumaschine betrieben, bzw. die Batterie der Maschine geladen werden. Die Ladegeräte sind, wenn die Maschine an einem Generator betrieben wird, mit diesem elektrisch verbunden. Je nach Betriebspunkt der Ladegeräte beziehen diese eine bestimmte Leistung P_el vom Generator. Aufgrund dieser bezogenen elektrischen Leistung stellt sich am Generator eine bestimmte mechanische Leistung P_mech ein, die durch den Verbrennungsprozess entsteht. Der Generator dreht typischerweise immer bei einer konstanten Drehzahl n_Gen. Das bedeutet, dass der Verbrennungsmotor auf eine Laständerung der Ladegeräte ein größeres oder kleineres Drehmoment M_Gen liefern muss. Die Kombination aus Drehmoment und Drehzahl wird als Arbeitspunkt bezeichnet. Der Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors hängt maßgeblich vom Arbeitspunkt ab. Vor allem bei keiner oder geringer geforderter Leistung der Ladegeräte ist das Drehmoment des Verbrennungsmotors somit gering. Der Wirkungsgrad ist an diesen Arbeitspunkten vergleichsweise gering.
Die zweite Lösung besteht in der Verwendung hybrider Baumaschinen, üblicherweise unter Verwendung eines Verbrennungsmotors. Es existieren unterschiedliche Typen hybrider Baumaschinen, insbesondere serielle Hybride, parallele Hybride und leistungsverzweigte Hybride bzw. Mischhybride.
Die 1 zeigt einen seriellen Hybrid. Bei diesem besteht zwischen der primären Energiequelle und dem Abtrieb keine mechanische Verbindung. Stattdessen gibt die primäre Energiequelle 2 elektrische Leistung ab, welche von den Abtrieben aufgenommen wird oder eine Batterie 40 lädt. Beim parallelen Hybrid wirkt die primäre Energiequelle und die Batterie auf die Abtriebe. Der Mischhybrid ist eine Kombination aus seriellem und parallelem Hybrid.
Die primäre Energiequelle, also der Verbrennungsmotor, ist dabei fest auf der Maschine verbaut und nur für diesen Einsatzzweck konzipiert. Die primäre Energiequelle kann anderen Teilnehmern auf der Baustelle, anders als der Generator, nicht zur Verfügung gestellt werden. Die primäre Energiequelle wird dabei von der Maschinensteuerung selbst angesteuert und ist ein fester Bestandteil der Maschine. Aufgrund der Größe der Batterien und der Leistungselektronik, kann der benötigte Platz problematisch sein.
Beide genannten Lösungsansätze haben bestimmte funktionsbedingte Vor- und Nachteile. An einem Generator können alle elektrischen Baumaschinen betrieben werden, welche über einen Netzanschluss verfügen. Dadurch sind Generatoren auf der Baustelle variabel einsetzbar. Nachteilig ist der schlechte Wirkungsgrad an bestimmten Arbeitspunkten. Bei einem verbauten Verbrennungsmotor kann der Wirkungsgrad gut gesteuert werden, da die Maschinensteuerung die Arbeitspunkte in Abhängigkeit der Leistungsaufnahme der elektrischen Antriebe berechnen kann. Nachteilig ist der Platzbedarf und dass die Primärenergiequelle nur der Baumaschine selbst zur Verfügung steht.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile dieser beiden Lösungen zu überwinden und eine flexible Bereitstellung elektrischer Energie zum Betreiben von Baumaschinen zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Energieversorgungsmodul mit den Merkmalen des Anspruchs 14 und eine Baumaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Demnach wird ein System vorgeschlagen, welches mindestens eine Baumaschine und mindestens ein Energieversorgungsmodul umfasst. Die Baumaschine umfasst eine erste Steuerung, einen Gleichspannungskreis, insbesondere DC-Zwischenkreis, und mindestens einen über den Gleichspannungskreis mit Energie versorgbaren elektrischen Verbraucher. Das Energieversorgungsmodul umfasst eine Primärenergiequelle zur Erzeugung von elektrischer Energie, über die der genannte mindestens eine Verbraucher der Baumaschine betreibbar ist, und eine zweite Steuerung, mittels welcher die Primärenergiequelle steuerbar und/oder regelbar ist. Die Baumaschine kann einen Unterwagen und einen drehbar auf dem Unterwagen gelagerten Oberwagen aufweisen, ist aber nicht auf derartige Maschinen beschränkt.
Erfindungsgemäß umfasst die Baumaschine eine mit der ersten Steuerung verbundene erste Kommunikationsschnittstelle und eine mit dem Gleichspannungskreis verbundene erste Energieversorgungsschnittstelle. Das Energieversorgungsmodul umfasst eine mit der zweiten Steuerung verbundene zweite Kommunikationsschnittstelle und eine mit der Primärenergiequelle, insbesondere mit einem elektrischen Ausgang der Primärenergiequelle, verbundene zweite Energieversorgungsschnittstelle. Die beiden Kommunikationsstellen sind so ausgebildet, dass sie miteinander verbunden werden können, ebenso die beiden Energieversorgungsschnittstellen.
Die Schnittstellen und die genannten Steuerungen sind eingerichtet, dass im verbundenen Zustand (d.h. wenn das Energieversorgungsmodul über dessen Schnittstellen an die entsprechenden Schnittstellen der Baumaschine angebunden ist) die ersten und zweiten Steuerungen miteinander Daten auszutauschen bzw. miteinander kommunizieren, um die Energieversorgung des elektrischen Verbrauchers durch die Primärenergiequelle zu steuern und/oder zu regeln. Über die Kommunikationsschnittstellen tauschen die Steuerungen also die zur Steuerung und/oder Regelung der Primärenergiequelle benötigten Daten aus, während die von der Primärenergiequelle erzeugte Energie über die Energieversorgungsschnittstellen in den Gleichspannungskreis eingespeist und dadurch dem mindestens einen elektrischen Verbraucher der Baumaschine zur Verfügung gestellt wird.
Die Baumaschine und das Energieversorgungsmodul weisen erfindungsgemäß also definierte Schnittstellen auf. Durch diesen Aufbau und die definierten Schnittstellen ist es möglich, das Energieversorgungsmodul entweder auf der Baumaschine verbaut zu verwenden oder wahlweise neben der Baumaschine als separate, externe Energieversorgung. In letzterem Fall können entsprechende Leitungen bzw. Kabel vorgesehen sein, die die Schnittstellen über längere Entfernungen miteinander verbinden und Teil des Energieversorgungsmoduls oder der Baumaschine sein können.
Ferner ist es durch die Bereitstellung definierter Kommunikationsschnittstellen möglich, anhand von über die Baumaschinensteuerung bereitgestellten Vorgaben den Betrieb der Primärenergiequelle in einer vorgegeben Art und Weise zu steuern und/oder zu regeln, beispielsweise um eine vorgegebene Leistung und/oder Spannung bereitzustellen.
Im Folgenden werden die Begriffe „Gleichstrom-“ und „Wechselstrom-“ bzw. „Gleichspannungs-“ und „Wechselspannungs-“ auch durch „DC-“ und „AC-“ abgekürzt (beispielsweise „DC-Kreis“ anstatt „Gleichspannungskreis“).
Der Gleichspannungskreis kann Teil eines elektrischen Bordnetzes der Baumaschine sein. Das elektrische Bordnetz kann daneben beispielsweise ein Niederspannungsbordnetz, mindestens einen Sensor zur Erfassung eines Parameters der Baumaschine oder eines Arbeitsprozessparameters, mindestens ein Steuergerät zur Steuerung einer oder mehrerer Komponenten, mindestens ein Anzeigeelement und/oder mindestens eine Eingabeeinheit umfassen.
In einer möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Primärenergiequelle des Energieversorgungsmoduls einen Verbrennungsmotor, einen durch den Verbrennungsmotor antreibbaren Generator und einen Inverter umfasst. Bei dem Verbrennungsmotor kann es sich um einen Dieselmotor handeln. Alternativ oder zusätzlich kann die Primärenergiequelle des Energieversorgungsmoduls eine Brennstoffzelle und einen Spannungswandler umfassen.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die erste Energieversorgungsschnittstelle direkt mit dem Gleichspannungskreis verbunden ist. Vorzugsweise ist also kein Ladegerät bzw. AC/DC-Wandler zwischen die erste Energieversorgungsschnittstelle und den Gleichspannungskreis geschaltet. Die von der Primärenergiequelle gelieferte Spannung ist insbesondere eine Gleichspannung, die direkt in den Gleichspannungskreis geleitet werden kann. Die Höhe der Spannung wird durch den Betrieb des Energieversorgungsmoduls, d.h. insbesondere durch die zweite Steuerung und/oder den Inverter vorgegeben.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Baumaschine eine Modulaufnahme mit mechanischen Befestigungsmitteln zur Aufnahme und Befestigung des Energieversorgungsmoduls umfasst. In der Modulaufnahme kann das Energieversorgungsmodul vorzugsweise lösbar aufnehmbar sein. Durch eine lösbare Aufnahme des Energieversorgungsmoduls kann dieses bei Bedarf von der Baumaschine abgebaut und beispielsweise in einem externen Betrieb außerhalb der Baumaschine verwendet werden, z.B. um dieselbe Baumaschine und/oder eine andere Baumaschine mit Energie zu versorgen. Es können mehrere Baumaschine mit derartigen Modulaufnahmen vorhanden sein. Alternativ kann das Energieversorgungsmodul fest in bzw. an der Baumaschine verbaut sein.
Die erste Kommunikationsschnittstelle und die erste Energieversorgungsschnittstelle sind vorzugsweise an der Modulaufnahme angeordnet, sodass das Energieversorgungsmodul direkt angeschlossen werden kann. Die Modulaufnahme kann an einem Oberwagen der Baumaschine angeordnet sein.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Energieversorgungsmodul unabhängig von der Baumaschine autark betreibbar ist und insbesondere eine integrierte Baugruppe darstellt. Dadurch kann die durch die Primärenergiequelle erzeugte Energie im externen Betrieb einer anderen Baumaschine oder sogar mehreren Baumaschinen zur Verfügung gestellt werden (für letzteren Fall kann optional vorgesehen sein, das dass Energieversorgungsmodul mindestens zwei zweite Kommunikationsschnittstellen und mindestens zwei zweite Energieversorgungsschnittstellen umfasst).
Dass das Energieversorgungsmodul autark betreibbar ist, bedeutet insbesondere, dass alle für den Betrieb benötigten Komponenten am bzw. im Energieversorgungsmodul selbst angeordnet sind.
Vorzugsweise umfasst das Energieversorgungsmodul neben der Primärenergiequelle und der zweiten Steuerung eine oder mehrere der folgenden Komponenten:

- einen Kraftstofftank zur Versorgung der Primärenergiequelle (z.B. einen Dieseltank und/oder einen Wasserstofftank),
- einen Lüfter,
- einen Kühler,
- eine Kühlwasserpumpe,
- einen elektrischen Energiespeicher,
- eine Kommunikationseinheit zum drahtlosen Empfangen und/oder Senden von Daten (über eine solche Kommunikationseinheit könnte das Energieversorgungsmodul insbesondere drahtlos gesteuert werden bzw. für den Betrieb notwendige Daten empfangen).

In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Energieversorgungsmodul ein Gehäuse oder einen Rahmen umfasst, in bzw. auf welchem die Komponenten des Energieversorgungsmoduls angeordnet sind. Dadurch sind die Komponenten geschützt und ein Bewegen des Energieversorgungsmoduls wird erleichtert, da nicht mehrere Komponenten getrennt bewegt werden müssen. Am Gehäuse bzw. Rahmen sind vorzugsweise die genannten Schnittstellen ausgebildet.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Energieversorgungsmodul dazu ausgelegt ist, wahlweise auf der Baumaschine mitgeführt und betrieben zu werden oder als separate Komponente neben der Baumaschine betrieben zu werden. Für letzteren Fall kann das Energieversorgungsmodul ein Gestell und/oder Stützfüße umfassen, um auf dem Boden abgestellt zu werden.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Baumaschine einen elektrischen Energiespeicher zur Versorgung des Verbrauchers umfasst, welcher mit dem Gleichspannungskreis verbunden und eingerichtet ist, über das an der ersten Energieversorgungsschnittstelle angeschlossene Energieversorgungsmodul aufgeladen zu werden. Der Energiespeicher kann einen Einzelspeicher oder eine Kombination mehrerer Energiespeicher darstellen. Über den elektrischen Energiespeicher können ein oder mehrere elektrische Verbraucher der Baumaschine mit Energie versorgt werden. Bei dem mindestens einen elektrischen Energiespeicher handelt es sich vorzugsweise um einen batteriegestütztes Energiespeicher.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Baumaschine mindestens einen elektrischen Verbraucher in Form eines elektrischen Fahrmotors umfasst, welcher vorzugsweise eine Radachse oder ein Raupenfahrwerk eines Unterwagens der Baumaschine antreibt.
Optional kann der mindestens eine elektrische Fahrmotor eingerichtet sein, in einem Rekuperationsbetrieb (z.B. bei einem Bremsvorgang der Baumaschine), Energie zu erzeugen, die in den Gleichspannungskreis eingespeist wird. Beispielsweise kann der mindestens eine elektrische Fahrmotor eingerichtet sein, im Rekuperationsbetrieb mindestens einen elektrischen Verbraucher und/oder mindestens einen elektrischen Energiespeicher über den Gleichspannungskreis mit Energie zu versorgen.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Baumaschine einen Oberwagen mit mindestens einem elektrischen Verbraucher in Form eines Niederspannungsbordnetzes und/oder eines Elektromotors, insbesondere zum Antrieb einer Hydraulikpumpe, eines Pumpenverteilergetriebes (z.B. für die Versorgung von Wipp- und Teleskopierzylindern bei einem Mobilkran, von einer oder mehreren Seilwinden, von einem oder mehreren Hydraulikzylindern bei einem Hydraulikbagger usw.), eines Aktuators und/oder einer Kühlvorrichtung, umfasst. Der Oberwagen kann drehbar auf einem Unterwagengelagert sein. Der Oberwagen kann mehrere derartige elektrische Verbraucher bzw. elektrische Antriebsstränge umfassen, in beliebiger Anzahl und Kombination der genannten Funktionen.
Bei dem genannten Niederspannungsbordnetz kann es sich beispielsweise um ein 12V-Bordnetz oder ein 24V-Bordnetz handeln, wobei selbstverständlich auch ein Bordnetz mit einer beliebigen anderen Spannung vorgesehen sein kann. Ebenfalls ist es denkbar, dass die Baumaschine mehrere Niederspannungsbordnetze mit unterschiedlichen Spannungen, beispielsweise ein 12V-Bordnetz und ein 24V-Bordnetz, umfasst.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Gleichspannungskreis ein Hochvoltkreis ist. Dies kann insbesondere bedeuten, dass die Gleichspannung im Gleichspannungskreis zwischen 60V und 1500V liegen kann, wobei prinzipiell höhere Spannungen ebenfalls denkbar sind. Alternativ kann der Gleichspannungskreis für Gleichspannungen von weniger als 60V ausgelegt sein, beispielsweise bei kleineren Baumaschinen.
Alternativ oder zusätzlich kann der Gleichspannungskreis mindestens eine Leistungselektronikkomponente umfassen, beispielsweise einen oder mehrere Frequenzumrichter bzw. AC/AC-Wandler, Wechselrichter bzw. DC-AC-Wandler, Gleichrichter bzw. AC/DC-Wandler, Schaltregler, DC/DC-Wandler und/oder Stromrichter bzw. Schaltnetzteile.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die zweite Steuerung eingerichtet ist, von der ersten Steuerung eine Vorgabe, insbesondere eine Leistungsvorgabe für die Primärenergiequelle, zu erhalten und in Abhängigkeit der Vorgabe die Primärenergiequelle zu steuern und/oder zu regeln, sodass insbesondere eine vorgegebene Leistung in den Gleichspannungskreis eingespeist wird.
Über die Kommunikationsschnittstellen kann dem Energieversorgungsmodul also insbesondere eine Leistung vorgegeben werden, die über die Energieversorgungsschnittstelle an den Gleichspannungskreis der Baumaschine abgegeben werden kann. Dadurch kann das Energieversorgungsmodul im Falle einer einen Verbrennungsmotor aufweisenden Primärenergiequelle in für den Verbrennungsmotor optimalen Arbeitspunkten betrieben werden. Diese Arbeitspunkte sind abhängig von der geforderten Leistung, jedoch nicht auf eine bestimmte Drehzahl limitiert (insbesondere aufgrund des Inverters). Speziell an Arbeitspunkten mit geringer Leistung kann die Drehzahl verringert und das Drehmoment erhöht werden. Dadurch ist es möglich, den Verbrauch zu optimieren und die Lärmemissionen zu reduzieren
Die Kommunikationsschnittstellen ermöglichen also einen leistungsgeregelten und/oder leistungsgesteuerten Betrieb der Primärenergiequelle.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Baumaschine eingerichtet ist, bei angeschlossenem Energieversorgungsmodul in einem seriellen Hybridantriebsmodus betrieben zu werden. Das angeschlossene Energieversorgungsmodul ist dann Teil des seriellen Hybridantriebs und kann bei Bedarf zum Betrieb eines oder mehrerer elektrischer Verbraucher (z.B. elektrischer Fahrmotoren) oder zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers verwendet werden.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend anhand der Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:

1: eine schematische Darstellung des elektrischen Bordnetzes einer aus dem Stand der Technik bekannten Baumaschine;
2: eine schematische Darstellung des elektrischen Bordnetzes der erfindungsgemäßen Baumaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel, wobei das Energieversorgungsmodul mit der Baumaschine mitgeführt wird; und
3: eine schematische Darstellung des elektrischen Bordnetzes der erfindungsgemäßen Baumaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel, wobei das Energieversorgungsmodul separat von der Baumaschine verwendet wird.

Die 1 zeigt in einer schematischen Darstellung das elektrische Bordnetz eines Beispiels einer bekannten Baumaschine 1 und wurde bereits eingangs beschrieben. Bei diesem Beispiel werden die elektrischen Verbraucher 30 über einen Gleichspannungskreis 11 mit Energie der vorhandenen elektrischen Energiequellen versorgt, wobei in diesem Beispiel eine Primärenergiequelle 2, ein elektrischer Energiespeicher 40 und eine externe Energiequelle 60, welche über eine elektrische AC-Schnittstelle 50 und einen AC/DC-Wandler 52 an den Gleichspannungskreis 11 angebunden ist, vorhanden sind.
Die 2 und 3 zeigen schematisch das elektrische Bordnetz der Baumaschine 10 zweier Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems. Die Systemgrenze der jeweiligen Baumaschine 10 ist durch einen gestrichelten Kasten angedeutet.
Komponenten, die dieselben Bezugszeichen aufweisen, wie Komponenten der 1, stellen gleiche Komponenten oder Komponenten mit derselben Funktion dar. Die diesbezüglichen Ausführungen zu Beginn der Beschreibung gelten daher auch für die Komponenten der 2 und 3.
Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt die Energieversorgung der elektrischen Verbraucher 30 der Baumaschine 10 über ein Energieversorgungsmodul 20 in Form eines Powerpacks 20. Dieses kann, beispielsweise wie in der 1 gezeigt, einen Verbrennungsmotor (insbesondere Dieselmotor), einen von diesem angetriebenen elektrischen Generator und einen die AC-Ausgangsspannung des Generators in die korrekte DC-Gleichspannung für den Gleichspannungskreis 11 umwandelnden Inverter umfassen. Ebenfalls ist es denkbar, dass das Energieversorgungsmodul 20 eine Brennstoffzelle und einen DC/DC-Spannungswandler umfasst. Der Gleichspannungskreis 11 bildet hier einen DC-Zwischenkreis 11.
Sowohl das Energieversorgungsmodul 20 als auch die Baumaschine 10 besitzen definierte Schnittstellen zur Anbindung des Energieversorgungsmoduls 20 an den DC-Zwischenkreis 11 der Baumaschine 10. Die Baumaschine 10 weist eine erste Kommunikationsschnittstelle 14 auf, die mit einer ersten Steuerung 12 der Baumaschine verbunden ist. Bei der ersten Steuerung 12 kann es sich um die Maschinensteuerung handeln. Ferner umfasst die Baumaschine 10 eine erste Energieversorgungsschnittstelle 16, welche insbesondere direkt, d.h. ohne zwischengeschaltetes Ladegerät, mit dem DC-Zwischenkreis 11 verbunden ist.
Das Energieversorgungsmodul 20 besitzt ebenfalls passende Schnittstellen: eine zweite Kommunikationsschnittstelle 22, welche mit einer zweiten Steuerung des Energieversorgungsmoduls 20 verbunden und mit der ersten Kommunikationsschnittstelle 14 der Baumaschine 10 verbindbar ist, und eine zweite Energieversorgungsschnittstelle 24, welche mit einem elektrischen Ausgang der Primärenergiequelle verbunden und mit der ersten Energieversorgungsschnittstelle 16 der Baumaschine 10 verbindbar ist. Über die Kommunikationsschnittstellen 14, 22 können die ersten und zweiten Steuerungen miteinander kommunizieren, während die von der Primärenergiequelle des Energieversorgungsmoduls 20 erzeugte Energie über die Energieversorgungsschnittstellen 16, 22 in den DC-Zwischenkreis 11 eingespeist wird, um den Energiespeicher 40 aufzuladen und/oder einen oder mehrere elektrische Verbraucher 30 zu versorgen (serieller Hybrid).
Über die Kommunikationsschnittstellen 14, 22 kann dem Energieversorgungsmodul 20 durch die erste Steuerung 12 eine Leistung vorgegeben werden, die über die Energieversorgungsschnittstellen 16, 24 an den DC-Zwischenkreis 11 abgegeben werden kann bzw. soll. Dabei wird, im Gegensatz zu einem herkömmlichen Generator, insbesondere nicht die abgegebene Spannung, sondern die abgegebene Leistung gesteuert und/oder geregelt. Das Energieversorgungsmodul 20, insbesondere die zweite Steuerung, umfasst daher bevorzugt einen entsprechenden Steuerungs- und/oder Regelungsbaustein. Dadurch kann das Energieversorgungsmodul 20 in für die Primärenergiequelle (insbesondere einem Verbrennungsmotor) optimalen Arbeitspunkten betrieben werden. Diese Arbeitspunkte sind abhängig von der geforderten Leistung, jedoch nicht auf eine bestimmte Drehzahl limitiert (aufgrund des Inverters). Speziell an Arbeitspunkten mit geringer Leistung kann die Drehzahl verringert und das Drehmoment erhöht werden. Dadurch ist es möglich, den Verbrauch zu optimieren und die Lärmemissionen zu reduzieren.
Das Energieversorgungsmodul 20 umfasst vorzugsweise selbst alle benötigten Komponenten wie z. B. Lüfter, Kühler und Kühlwasserpumpen und bildet eine Baugruppe. Diese können bevorzugt auf einem gemeinsamen Rahmen aufgebaut bzw. in ein gemeinsames Gehäuse integriert sein.
Wie in der 3 gezeigt ist, kann das Energieversorgungsmodul 20 auch außerhalb der Baumaschine 10 verwendet werden. Dies ist insbesondere der Fall, wenn auf der Baumaschine 10 selbst kein Platz für das Energieversorgungsmodul 20 zur Verfügung steht oder das Energieversorgungsmodul 20 für mehrere Baumaschinen verwendet werden soll.
Das erfindungsgemäße System kann eine Baumaschine 10 mit einer Modulaufnahme für das Energieversorgungsmodul 20 umfassen, an welcher die erste Kommunikationsschnittstelle 14 und die erste Energieversorgungsschnittstelle 26 angeordnet sind und welche entsprechende Befestigungsmittel umfassen kann, um das Energieversorgungsmodul 20 in der Modulaufnahme aufnehmen und sichern zu können. Alternativ oder zusätzlich kann das erfindungsgemäße System eine Baumaschine 10 ohne derartige Modulaufnahme umfassen, bei der das Energieversorgungsmodul 20 keinen Platz auf der Maschine 10 findet und daher nur extern angeschlossen werden kann. Die Schnittstellen 14, 16 der Baumaschine 10 befinden sich dann an anderen Stellen der Maschine 10. Ebenfalls kann das erfindungsgemäße System eine oder mehrere Baumaschinen 10 mit Modulaufnahme und eine oder mehrere Baumaschinen 10 ohne Modulaufnahme umfassen. Es können mehrere Energieversorgungsmodule 20 für mehrere Baumaschinen 10 vorhanden sein.
Das erfindungsgemäße System zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Schnittstellen 14, 22 und 16, 24, unabhängig vom Ort, identisch sind. In beiden Fällen ist das Energieversorgungsmodul 20 direkt mit dem DC-Zwischenkreis 11 der jeweiligen Baumaschine 10 verbunden. In beiden Fällen (Energieversorgungsmodul auf Baumaschine 10 aufgenommen oder extern betrieben) steuert das Energieversorgungsmodul 20 insbesondere selbst die Kühler und Lüfter sowie den Verbrennungsmotor und den Inverter (bzw. optional die Brennstoffzelle und den Spannungswandler). Bevorzugt wird in beiden Fällen ebenfalls die Leistung über die Kommunikationsschnittstellen 14, 22 vorgegeben.
Zentrales Element des erfindungsgemäßen Systems ist das Energieversorgungsmodul 20 bzw. Powerpack 20 mit seiner primären Energiequelle. Vorzugsweise sind alle für den Betrieb notwendigen Komponenten Teil der Baugruppe selbst. Durch die definierten Energieversorgungs- und Kommunikationsschnittstellen 14, 22 und 16, 24 ist ein Betrieb sowohl auf als auch neben der Baumaschine 10 möglich. Dabei wird insbesondere die elektrisch abgegebene Leistung über eine entsprechende Kommunikation zwischen erster und zweiter Steuerung gesteuert und/oder geregelt.
Die Baumaschine 10 kann einen Unterwagen mit einem elektrischen Fahrantrieb und einen drehbar auf dem Unterwagen gelagerten Oberwagen umfassen. Die in den 2 und 3 gezeigten Komponenten können im Oberwagen angeordnet sein, wobei sich ein oder mehrere elektrische Fahrantriebe als elektrische Verbraucher im Unterwagen befinden können.
Bezugszeichenliste:

1: Baumaschine (Stand der Technik)
2: Primärenergiequelle (Stand der Technik)
10: Baumaschine
11: Gleichspannungskreis
12: Erste Steuerung
14: Erste Kommunikationsschnittstelle
16: Erste Energieversorgungsschnittstelle
20: Energieversorgungsmodul
22: Zweite Kommunikationsschnittstelle
24: Zweite Energieversorgungsschnittstelle
26: Verbrennungsmotor
27: Elektrischer Generator
28: Inverter / AC/DC-Wandler
30: Elektrischer Verbraucher
32: Elektromotor
34: Niederspannungsbordnetz
36: DC/AC-Wandler
38: DC/DC-Wandler
40: Elektrischer Energiespeicher
50: Ladeschnittstelle
52: AC/DC-Wandler / OBC
60: Externe Energiequelle

Claims

System mit einer Baumaschine (10), welche eine erste Steuerung (12), einen Gleichspannungskreis (11) und mindestens einen über den Gleichspannungskreis (11) mit Energie versorgbaren elektrischen Verbraucher (30) umfasst, und mit einem Energieversorgungsmodul (20), welches eine Primärenergiequelle zur Erzeugung von elektrischer Energie und eine zweite Steuerung, mittels welcher die Primärenergiequelle steuerbar und/oder regelbar ist, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Baumaschine (10) eine mit der ersten Steuerung (12) verbundene erste Kommunikationsschnittstelle (14) und eine mit dem Gleichspannungskreis (11) verbundene erste Energieversorgungsschnittstelle (16) umfasst und dass das Energieversorgungsmodul (20) eine mit der zweiten Steuerung verbundene zweite Kommunikationsschnittstelle (22) und eine mit der Primärenergiequelle verbundene zweite Energieversorgungsschnittstelle (24) umfasst, wobei die Schnittstellen (14, 22; 16, 24) jeweils miteinander verbindbar und derart ausgebildet sind, dass die ersten und zweiten Steuerungen im verbundenen Zustand zur Steuerung und/oder Regelung der Energieversorgung des elektrischen Verbrauchers (30) durch die Primärenergiequelle miteinander kommunizieren.
System nach Anspruch 1, wobei die Primärenergiequelle des Energieversorgungsmoduls (20) einen Verbrennungsmotor (26), einen durch den Verbrennungsmotor (26) antreibbaren Generator (27) und einen Inverter (28) oder Gleichrichter und/oder eine Brennstoffzelle und einen Spannungswandler umfasst.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Energieversorgungsschnittstelle (16) direkt mit dem Gleichspannungskreis (11) verbunden ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Baumaschine (10) eine Modulaufnahme mit mechanischen Befestigungsmitteln zur Aufnahme und Befestigung des Energieversorgungsmoduls (20) umfasst, wobei die erste Kommunikationsschnittstelle (14) und die erste Energieversorgungsschnittstelle (16) an der Modulaufnahme angeordnet sind, wobei die Modulaufnahme vorzugsweise an einem Oberwagen der Baumaschine (10) angeordnet ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Energieversorgungsmodul (20) unabhängig von der Baumaschine (10) autark betreibbar ist und insbesondere eine integrierte Baugruppe darstellt, wobei das Energieversorgungsmodul (20) vorzugsweise eine oder mehrere der folgenden Komponenten umfasst: - einen Kraftstofftank zur Versorgung der Primärenergiequelle, - einen Lüfter, - einen Kühler, - eine Kühlwasserpumpe, - einen elektrischen Energiespeicher, - eine Kommunikationseinheit zum Empfangen und/oder Senden von Daten.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Energieversorgungsmodul (20) ein Gehäuse oder einen Rahmen umfasst, in bzw. auf welchem die Komponenten des Energieversorgungsmoduls (20) angeordnet sind.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Energieversorgungsmodul (20) dazu ausgelegt ist, wahlweise auf der Baumaschine (10) mitgeführt und betrieben zu werden oder als separate Komponente neben der Baumaschine (10) betrieben zu werden.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Baumaschine (10) einen elektrischen Energiespeicher (40) zur Versorgung des Verbrauchers (30) umfasst, welcher mit dem Gleichspannungskreis (11) verbunden und eingerichtet ist, über das an der ersten Energieversorgungsschnittstelle (16) angeschlossene Energieversorgungsmodul (20) aufgeladen zu werden.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Baumaschine (10) mindestens einen elektrischen Verbraucher (30) in Form eines elektrischen Fahrmotors umfasst, welcher vorzugsweise eine Radachse oder ein Raupenfahrwerk eines Unterwagens der Baumaschine (10) antreibt.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Baumaschine (10) einen vorzugsweise drehbaren Oberwagen mit mindestens einem elektrischen Verbraucher (30) in Form eines Niederspannungsbordnetzes (34) und/oder eines Elektromotors (32), insbesondere zum Antrieb einer Hydraulikpumpe, eines Pumpenverteilergetriebes, eines Aktuators und/oder einer Kühlvorrichtung, umfasst.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gleichspannungskreis (11) ein Hochvoltkreis ist, welcher vorzugsweise für Gleichspannungen von 60V bis 1500V ausgelegt ist und/oder mindestens eine Leistungselektronikkomponente umfasst.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Steuerung eingerichtet ist, von der ersten Steuerung (12) eine Vorgabe, insbesondere eine Leistungsvorgabe, zu erhalten und in Abhängigkeit der Vorgabe die Primärenergiequelle zu steuern und/oder zu regeln, sodass insbesondere eine vorgegebene Leistung in den Gleichspannungskreis (11) eingespeist wird.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Baumaschine (10) eingerichtet ist, bei angeschlossenem Energieversorgungsmodul (20) in einem seriellen Hybridantriebsmodus betrieben zu werden.
Energieversorgungsmodul (20) für das System nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Baumaschine (10) für das System nach einem der Ansprüche 1 bis 13, welche eine erste Kommunikationsschnittstelle (14) und eine erste Energieversorgungsschnittstelle (16) aufweist, wobei die Baumaschine (10) vorzugsweise eine Modulaufnahme mit mechanischen Befestigungsmitteln zur Aufnahme und Befestigung des Energieversorgungsmoduls (20) nach dem vorhergehenden Anspruch umfasst, an welcher die erste Kommunikationsschnittstelle (14) und die erste Energieversorgungsschnittstelle (16) angeordnet sind.