DE102004010988A1 - Hybrid drive system e.g. for straddle carrier in seaport or container terminal, uses electronic control device for controlling individual components and units - Google Patents

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Abstract

A hybrid drive system has a current generating system (3) with a combustion engine (1), which drives a three-phase current generator (2), which transfers its generated electrical energy to a DC voltage link (4) which transfers the electrical energy via one- or more inverters (6) to the drive lift and auxiliary motors (7-9) and is connected to a static electric energy reservoir (10). An electronic device (15) control the individual components and units and is connected to the DC voltage link (4) and to a further electric energy reservoir, which is designed as a temporary power store (12) and consists of one or more interconnected ultra capacitors (13). An independent claim is also included for a method for operating a hybrid drive system.

Description

Erfindung betrifft ein Hybridantriebssystem für einen Portalhubstapler nach den Merkmalen des ersten Patentanspruches und ein Verfahren zum Betreiben des Hybridantriebssystemsinvention relates to a hybrid drive system for a straddle forklift the features of the first claim and a method for Operating the hybrid drive system

Portalhubstapler auch „Straddle Carrier" genannt, werden weltweit in großen Stückzahlen in Seehäfen und Containerterminals zum Transportieren und Stapeln von Containern eingesetzt. So sind z. B. in Hafenstädten wie Hamburg oder Bremerhaven tagtäglich hunderte solcher dieselgetriebenen Fahrzeuge im Einsatz, die entsprechende Mengen Kraftstoff verbrauchen und mit ihren Abgasen die (oft städtische) Umwelt belasten. Eine Technik, die den Energieverbrauch und Schadstoffausstoß dieser Fahrzeuge bis auf ein absolut notwendiges Mindestmaß reduziert, ist daher sowohl ökonomisch als auch ökologisch sinnvoll.straddle also "straddle Carrier ", be in big worldwide numbers in seaports and container terminals for transporting and stacking containers used. So z. In port cities such as Hamburg or Bremerhaven daily Hundreds of such diesel-powered vehicles in use, the corresponding Consuming amounts of fuel and with their exhaust gases the (often urban) Burden the environment. A technology that reduces the energy consumption and pollutant emissions of these vehicles reduced to an absolutely necessary minimum, is therefore both economical as well as ecological meaningful.

Dieselelektrische Antriebssysteme für solche Straddle Carrier sind bekannt. Im allgemeinen bestehen sie aus einem Dieselgeneratorsatz zur Erzeugung elektrischer Energie, einem Gleichspannungszwischenkreis, und mehreren, daran angeschlossenen regelbaren Wechselrichtern zur Drehstromspeisung von Fahr- und Hubwerksmotoren. Diese bisher bekannten Antriebssysteme haben jedoch den Nachteil, dass die elektrische Energie, welche beim generatorischen Bremsen der Fahr- und Hubmotoren (z. B. beim Absenken der Last, oder beim elektrischen Bremsen des Fahrwerks) in den Zwischenkreis zurückgespeist wird, mit Bremswiderständen vernichtet wird und so für immer verloren geht.diesel Electric Drive systems for Such straddle carriers are known. In general, they exist from a diesel generator set for generating electrical energy, a DC intermediate circuit, and several connected thereto Adjustable inverters for three-phase current supply of traction and hoist motors. However, these previously known drive systems have the disadvantage that the electrical energy, which during regenerative braking the driving and lifting motors (eg when lowering the load, or when electric brakes of the chassis) fed back into the DC link will, with braking resistors is destroyed and so for always gets lost.

Ein weiterer Nachteil bei den bisher bekannten Straddle Carriers ist, dass der Dieselgeneratorsatz, also das Stromerzeugungsaggregat, für die ausreichende Versorgung der Hub- und Fahrantriebe mit ihrer Spitzenleistung dimensioniert werden muss. Diese Spitzenleistung wird aber von den Hubantrieben nur sekundenlang, von den Fahrantrieben höchstens einige Minuten lang gefordert. Die benötigte mittlere Dauerleistung für die Energieversorgung des Fahrzeuges ist jedoch erheblich geringer, da das Fahrzeug bei langsamen Fahrgeschwindigkeiten, etwa beim Stapeln oder bei Leerfahrten oder beim Heben von nicht voll beladenen Containern, erheblich weniger Leistung braucht. Trotzdem muss zur Abdeckung der Leistungsspitzen ein überdimensioniertes, großes und schweres Stromerzeugungsaggregat auf dem Fahrzeug mitgeführt werden, was einen erhöhten Energie- und damit auch einen erhöhten Kraftstoffbedarf zur Folge hat.One Another disadvantage of the previously known straddle carriers, that the diesel generator set, ie the power generator, for the sufficient Supply of lifting and travel drives dimensioned with their peak performance must become. However, this peak power is provided by the linear actuators only for a few seconds, of the traction drives for a maximum of several minutes required. The needed average continuous power for the power supply of the vehicle, however, is considerably lower because the vehicle at slow speeds, such as when stacking or when empty or lifting non-fully loaded containers, requires considerably less power. Nevertheless, to cover the power peaks an oversized, great and heavy generating set are carried on the vehicle, which increased Energy and thus an increased fuel demand result Has.

Für andere Fahrzeuge sind daher schon lange Antriebssysteme entwickelt worden, welche die Bremsenergie in einem elektrischen Energiespeicher zwischenspeichern und so beim Beschleunigen wieder nutzbar machen. Eine Vielzahl von derartigen Patenten ist bekannt. So ist aus der DE 197 45 094 A1 eine Steuerung für ein Hybridfahrzeug bekannt, welches seine Antriebsenergie aus wenigsten zwei Energiequellen bezieht. Bei diesem bekannten Antriebssystem für Hybridelektrofahrzeuge ist an dem Gleichspannungs-Zwischenkreis eine Batterie angeschlossen und eine Energieflussregelung die das Laden und Entladen der Batterie steuert. Als Steuerungsparameter sind wird der jeweilige Energiebedarf des Fahrzeugs verwendet.Therefore, drive systems have long been developed for other vehicles, which buffer the braking energy in an electrical energy store and thus make it usable again during acceleration. A variety of such patents are known. So is out of the DE 197 45 094 A1 a controller for a hybrid vehicle is known, which receives its drive energy from at least two sources of energy. In this known drive system for hybrid electric vehicles, a battery is connected to the DC link and a power flow control controls the charging and discharging of the battery. The control parameters used are the respective energy requirements of the vehicle.

Zahlreiche weitere Lösungen zu diesem Thema benutzen ebenfalls Batterien als Energiespeicher. Der Nachteil von Batterien als alleiniger Energiespeicher besteht insbesondere darin, dass Batterien nur eine begrenzte Lebensdauer, einen relativ hohen Wartungsaufwand und nur eine begrenzte Leistungsaufnahme beim Laden haben. Die häufigen kurzzeitigen Lade-Entladezyklen beispielsweise im Sekundenbereich beim Heben/Senken von Lasten im Sekundenbereich oder beim Positionieren des Fahrwerks führen zu einem beschleunigtem Alterungsprozess und erfordern ihren häufigen Austausch bei Wartungsarbeiten. Wegen Ihrer begrenzten Leistungsaufnahme beim Laden, können ihre gewünschten Vorteile von Kraftstoffeinsparungen durch Nutzung und Zwischenspeicherung von generatorisch erzeugten Brems- und Senkenergien nur in geringem Umfang erreicht werden. Eine erhebliche Überdimensionierung der Batterien als Alternative, würde diese Vorteile wiederum wegen ihres hohen Gewichtes und der nicht möglichen Gewichtseinsparungen beim Stromerzeugeraggregat wieder zunichte machen, so dass man damit keine Vorteile gewonnen hätte. Die bisher als Traktionsbatterien üblichen Blei-Säure-Akkumulatoren haben außerdem ein sehr hohes spezifischen Leistungsgewicht. Batterien kommen daher auf Portalstaplern bisher nicht zum Einsatz.numerous other solutions on this topic also use batteries as energy storage. The disadvantage of batteries as sole energy storage exists in particular, that batteries have a limited lifespan, a relatively high maintenance and only a limited power consumption when loading. The frequent short-term Charge-discharge cycles, for example, in seconds range when lifting / lowering loads in seconds or when positioning the landing gear to lead to an accelerated aging process and require their frequent replacement during maintenance work. Because of your limited power consumption when Loading, can their desired Benefits of fuel savings through use and caching of regeneratively generated braking and sinking energy only in small Scope can be achieved. A considerable oversizing of the batteries as an alternative, would These advantages in turn because of their heavy weight and not potential Weight savings in the generator set canceled out again make, so that one would not have gained any benefits. The previously known as traction batteries lead-acid batteries have as well a very high specific power to weight ratio. Batteries come therefore not yet used on portal stackers.

Als allgemeiner Stand der Technik sind auch wartungsfreie, langlebige und leichte Energiespeicher mit hoher Leistungsdichte sind bekannt. Dabei handelt es sich um Doppelschicht-Kondensatoren mit sehr hohen Kapazitäten, die unter den Namen „Ultra-Kondensatoren" oder „Ultracaps" inzwischen zu halbwegs akzeptablen Preisen auf dem Markt erhältlich sind. Erste Versuche mit einem dieselelektrischen Omnibus, der mit Ultracaps als Bremsenergiespeicher ausgerüstet war, haben erhebliche Kraftstoffeinsparungen (10–15%) und Emissionsreduktionen im Stadtverkehr ergeben.When general state of the art are also maintenance-free, durable and lightweight energy storage with high power density are known. These are double-layer capacitors with very high Capacities, under the name of "Ultra Capacitors" or "Ultracaps" meanwhile too halfway acceptable prices are available in the market. First try with a diesel-electric bus, with ultracaps as brake energy storage equipped was, have significant fuel savings (10-15%) and emission reductions resulting in city traffic.

Ultrakondensatoren weisen aber insbesondere gegenüber Batterien den Nachteil auf, dass zwar sehr gut geeignet sind, kurzzeitig im Sekundenbereich hohe Leistungen bereitzustellen oder aufzunehmen, aber um längerfristig im Minutenbereich hohe Energien zu liefern, müssten wiederum eine große Anzahl von Ultrakondensatoren zum Einsatz kommen, die auf einem Fahrzeug nur schwer unterzubringen wären.However, ultracapacitors have the disadvantage, in particular in relation to batteries, that although very well suited to provide or record high powers for a short time in the second range, in order to deliver high energies in the long-term in the minute range, one would again have to large numbers of ultracapacitors are used, which would be difficult to accommodate on a vehicle.

Mit Ultrakondensatoren in vernünftiger Baugröße allein könnte man also das Stromerzeugeraggregat wiederum nicht kleiner auslegen.With Ultra capacitors in reasonable size alone could So you do not design the generator set again smaller.

Weiterhin ist aus der DE 102 35 431 A1 eine elektrische Antriebsquelle für den Antrieb von Gebrauchsfahrzeugen, z. B. Hubstablern bekannt, in der statt der häufig verwendeten Lithium-Ionen-Batterien Brennstoffzellen verwendet werden.Furthermore, from the DE 102 35 431 A1 an electric drive source for the drive of utility vehicles, z. As Hubstablern known in the fuel cells instead of the commonly used lithium-ion batteries are used.

Da Brennstoffzellen selbst keine Energie speichern können, wird die Verwendung von Ultrakondensatoren als Zwischenspeicherung vorgeschlagen. Zur besseren Nutzung dieser elektrischen Antriebsquelle wird eine Vorladeschaltung für Ultrakondensatoren offenbart, welche die Verwendung eines Gleichspannungswandlers überflüssig macht.There Fuel cells themselves can not save energy the use of ultracapacitors proposed as caching. For better use of this electric drive source is a Precharge circuit for Disclosed ultracapacitors, which makes the use of a DC-DC converter superfluous.

Allgemeine Aussagen zur Verwendung von Ultrakondensatoren für Transportaufgaben finden sich auch in einem Artikel zur „Alternativen Antriebstechnik" aus der Zeitschrift „Auto & Elektronik" 1/2002.General Statements on the use of ultracapacitors for transport tasks can be found also in an article on "Alternatives Drive Technology "off the magazine "Auto & Elektronik" 1/2002.

Insgesamt ist nach dem Stand der Technik weder mit dem Einsatz von Batterien alleine noch mit Ultracaps alleine als Energiespeicher auf Portalstaplern eine vernünftige, nützliche Verkleinerung des Sromerzeugungsaggregats ermöglichen.All in all is in the prior art neither with the use of batteries alone with Ultracaps alone as energy storage on portal stackers a reasonable, useful Enabling reduction of the power generation unit.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, speziell für die Erfordernisse und das übliche Lastspiel eines Portalhubstaplers zur Energie- und Kosteneinsparung ein Hybridantriebssystem mit elektrischen Energiespeichern zu entwickeln, daß das es erlaubt das verwendete Stromerzeugungsaggregat, insbesondere den Dieselgenerator erheblich kleiner und leichter auszuführen, wobei die benötigten Energiespeicher nicht zu groß und zu schwer ausfallen und eine akzeptables Alterungsverhalten aufweisen sollen.It is therefore the object of the invention, especially for the requirements and the usual load cycle of a Portal lift truck for energy and cost savings a hybrid drive system to develop with electrical energy storage that it allows the power generator used, in particular the Diesel generator considerably smaller and easier to carry out, with The necessities Energy storage is not too big and too heavy and have an acceptable aging behavior should.

Diese Aufgabe wird durch ein Hybridantriebssystem nach den Merkmalen des ersten Patentanspruchs und ein Verfahren zum Betreiben des Systems gelöst. Die Unteransprüchen geben besondere Ausgestaltungen der Erfindung wieder. Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, daß am Gleichspannungszwischenkreis zwei unterschiedliche Energiespeicher angeschlossen sind wobei ein erster Energiespeicher als statische elektrischer Energiespeicher ausgebildet ist und ein weiterer elektrische Energiespeicher angeschlossen ist, welcher als Kurzzeitenergiespeicher ausgebildet ist. Dieser besteht aus einem oder mehreren zusammengeschalteten Ultrakondensatoren und soll im Wesentlichen kurzzeitige Energiebedarfsspitzen, wie sie beim Heben und Senken des Hubwerks oder beim Anfahren und Bremsen des Fahrwerks entstehen, abdecken.These Task is by a hybrid propulsion system according to the characteristics of first claim and a method of operating the system solved. The dependent claims give special embodiments of the invention again. The solution according to the invention sees before that on DC intermediate circuit two different energy storage are connected with a first energy storage as static electrical energy storage is formed and another electrical energy storage is connected, which is designed as a short-term energy storage is. This consists of one or more interconnected Ultracapacitors and is intended essentially to short-term energy demand peaks, as when lifting and lowering the hoist or when starting and Brakes of the chassis arise, cover.

Vorzugsweise besteht der erste an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossene Energiespeicher aus leichten Hochenergiebatterien, wie etwa Kochsalz-Nickel-, Natrium-Schwefel- oder Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren. Durch die Verwendung von Hochenergiebatterien können besonders mittlere Leistungsbedarfsspitzen im Minutenbereich, wie bei Fahrten mit hoher Geschwindigkeit auf längeren Wegstrecken im Containerlager energiemäßig abgedeckt werden.Preferably the first one is connected to the DC voltage intermediate circuit Energy storage from light high energy batteries, such as saline-nickel, Sodium-sulfur or nickel-metal hydride batteries. By the use of high energy batteries may have especially medium power demand peaks in the minute range, as when driving at high speed up longer Routes are covered in the container storage energy moderately.

Die Erfindung beinhaltet weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines Hybridantriebssystems bei welchem zur Abdeckung von mittleren Leistungsbedarfsspitzen der Elektromotoren, z. B. bei Fahrten im Minutenbereich, im Wesentlichen der erste Energiespeicher aus leichten Hochenergiebatterien angesteuert und verwendet wird, und zur Abdeckung von kurzzeitigen Leistungsbedarfsspitzen der zweite Energiespeicher aus zusammengeschalteten Ultrakondensatoren angesteuert und erwendet wird.The The invention further includes a method for operating a Hybrid drive system in which to cover medium power demand peaks the electric motors, z. B. for trips in the minute range, essentially the first energy storage of light high energy batteries driven and is used, and to cover short-term power demand peaks the second energy storage of interconnected ultracapacitors is controlled and used.

In vorteilhafter Weise steuert die elektronische Steuerung den Ladezustand der elektrische Energiespeicher derart, daß die im Bremsbetrieb von den Fahr- und Hubmotoren generatorisch zurückgespeiste elektrische Energie in die beiden Energiespeicher zwischengespeichert wird und beim anschließenden motorischen Betrieb wieder in den Gleichspannungszwischenkreis zurückgeführt und an die Fahr-Hub- und Hilfsantriebe abgegeben wird.In Advantageously, the electronic control controls the state of charge the electrical energy storage such that in the braking mode of the Travel and lifting motors regenerative regenerated electrical energy is cached in the two energy storage and the subsequent motor operation returned to the DC link and back to the driving-hub and Auxiliary drives is delivered.

Diese erfinderischen Maßnahmen erlauben es, den Energiebedarf des Hybridantriebssystems derart zu steuern, daß das Stromerzeugungsaggregat nur die erforderliche mittlere Dauerleistung in den Gleichspannungszwischenkreis einspeisen muß.These inventive measures allow the energy requirements of the hybrid drive system so to control that Generating unit only the required average continuous power must feed into the DC voltage intermediate circuit.

Erfindungsgemäß ist die elektronische Steuerung derart konfiguriert und ausgelegt, daß der Ladezustand der Energiespeicher entsprechend den Betriebsanforderungen des Portalhubstablers nach kurzzeitigen, mittleren und dauerhaftem Leistungsbedarf organisiert und gesteuert wird.According to the invention electronic control configured and designed so that the state of charge the energy storage according to the operating requirements of the portal lifter organized according to short-term, medium and long-term performance needs and controlled.

Mit der vorgeschlagenen erfinderischen Lösung werden zahlreiche Vorteile erzielt.With The proposed inventive solution will have numerous advantages achieved.

So kann das Stromerzeugungsaggregat leistungsmäßig um ca. 50% kleiner ausgeführt und entsprechende Einsparungen an Gewicht und Baugröße gewonnen werden.So The power generator can perform in performance terms by about 50% smaller and corresponding savings in weight and size can be gained.

Im Wesentlichen können handelsübliche, seriengefertigte und sehr kompakte Stromaggregate aus der Massenproduktion eingesetzt werden.in the Essentially can commercial, mass-produced and very compact generators from mass production be used.

Zur Realisierung des erfinderischen Hybridantriebssystem werden nicht übermäßig große und schwere Batterien gebraucht, da die kurzfristigen Leistungsspitzen, vor allem bei der generatorischen Energierückspeisung der Antriebe, von den Ultrakondensatoren übernommen werden.to Realization of the inventive hybrid drive system will not be overly large and heavy Batteries needed, as the short-term power peaks, before especially in the regenerative energy recovery of the drives, from taken over the ultracapacitors become.

Daraus folgend ist eine erhöhte Lebensdauer der Akkumulatoren wird zu erwarten, da die häufigsten Lade/Entladezyklen von den Ultrakondensatoren übernommen werden und damit die Batterien einer nur geringeren Anzahl Lade-/Entladezyklen unterworfen sind.from that following is an increased one Battery life is expected to be the most common Charging / discharging cycles are taken over by the ultracapacitors and thus the batteries subjected to only a small number of charge / discharge cycles are.

Weiterhin ist mit Kraftstoffeinsparungen und der Verminderung von Schadstoffemissionen zu rechnen, da die bei der Nutzbremsung bisher verlorene Energie nun durch Zwischenspeicherung und Wiederverwendung der Senk- und Bremsenergien genutzt werden kann.Farther is with fuel savings and the reduction of pollutant emissions to be expected, since the energy loss previously lost during regenerative braking now by caching and reuse of the sinking and Braking energy can be used.

Schlussendlich wird auch das Leergewicht des Fahrzeuges vermindert und es ist in der Lage bei ausgefallenem Stromaggregat noch alleine mit den Batterien seine Arbeit fertig verrichten und dann zur Werkstatt fahren (kein abschleppen).Finally Also, the curb weight of the vehicle is reduced and it is in the situation with failed generator still alone with the batteries finish his work and then drive to the workshop (no tow away).

Die Erfindung soll im Weiteren anhand eines Ausführungsbeispiels und einer Figur näher erläutert werden. Die Figur zeigt ein Blockschaltbild mit der erfindungsgemäßen Anordnung der beiden elektrischen Energiespeicher.The Invention will be explained below with reference to an embodiment and a figure be explained in more detail. The figure shows a block diagram with the arrangement according to the invention the two electrical energy storage.

Am Gleichspannungs-Zwischenkreis 4 des Frequenzumrichtersystems sind neben dem einspeisenden Stromerzeugungsaggregat 3, welches aus einem Dieselmotor 1 und dem Generator 2 besteht und mit den Wechselrichtern 6 für die Fahr-, Hub- und Hilfsmotoren 7, 8, 9 verbunden ist zwei verschieden Energiespeicher 10, 12 über regelbare DC/DC-Wandler 11, 14 angeschlossen. Der erste Energiespeicher 10 besteht aus zwei Batterien von zusammen-geschalteten Kochsalz-Nickel-Akkumulatorzellen, während der erfindungsgemäße zusätzliche elektrische Speicher aus zusammengeschalteten Ultrakondensatoren 13 besteht.At the DC link 4 of the frequency converter system are adjacent to the feeding power generator 3 which consists of a diesel engine 1 and the generator 2 exists and with the inverters 6 for the driving, lifting and auxiliary engines 7 . 8th . 9 connected is two different energy storage 10 . 12 via controllable DC / DC converters 11 . 14 connected. The first energy storage 10 consists of two batteries of co-connected sodium-nickel battery cells, while the inventive additional electrical storage of interconnected ultracapacitors 13 consists.

Mit den beiden regelbaren zwei-quadranten-DC/DC-Wandlern 11, 14, in denen je eine pulsweitenmodulierte zwei-quadranten-Leistungsstufe mit IGBT's (Insulated Gate Bipolar Transistor) und einem Messwandler zur Erfassung der Lade/Entladeströme sowie ein Stromregler integriert sind, kann der Lade/Entladestrom des jeweils angeschlossenen Speichers auf einen von der übergeordneten elektronischen Steuerung (15 vorgegebenen Sollwert 19, 21 geregelt werden.With the two controllable two-quadrant DC / DC converters 11 . 14 , in each of which a pulse width modulated two-quadrant power stage with IGBT's (Insulated Gate Bipolar Transistor) and a transducer for detecting the charge / discharge currents and a current regulator are integrated, the charge / discharge current of each connected memory to one of the parent electronic control ( 15 predetermined setpoint 19 . 21 be managed.

Der aktuelle Ladezustand wird beim Ultracap-Speicher 12 durch Erfassung des Ladespannungs-Istwertes 18 mit einem Spannungsmesswandler ermöglicht und der Steuerung 15 zugeführt. Bei den Batteriespeichern 10 wird der Ladezustand und die aktuelle Batteriespannung durch das bei handelsüblichen Kochsalz-Nickel-Akkus schon mitgelieferte „Battery Management Interface" (BMI), welches an den Batterien vom Hersteller schon angebaut ist, erfasst und der Steuerung 15 über einen Feldbus, z, B. den auf Fahrzeugen üblichen CAN-Bus, als digitaler Istwert 20 mitgeteilt.The current state of charge is the Ultracap memory 12 by detecting the charging voltage actual value 18 with a voltage transducer allows and control 15 fed. With the battery storage 10 the state of charge and the current battery voltage is detected by the "Battery Management Interface" (BMI), which is already supplied with the standard saline nickel batteries, and which is already attached to the batteries of the manufacturer 15 via a fieldbus, eg, the usual CAN bus on vehicles, as a digital actual value 20 communicated.

Ebenfalls über den Feldbus können handelsübliche Wechselrichter 6 den Istwert der Zwischenkreisspannung 17 und ihren aktuellen Wirkstromverbrauch der zentralen Steuerung 15 ohne nennenswerte Zeitverzögerung übermitteln. Die Steuerung kann durch Vorgabe von Steuersignalen 22, z. B. Solldrehzahl des Dieselmotors oder Sollerregung des Synchrongenerators, die Einspeisespannung und damit auch den Einspeisestrom des Stromerzeugers 3 beeinflussen, wenn auch nicht unbedingt hochdynamisch.Commercially available inverters can also be used via the fieldbus 6 the actual value of the DC link voltage 17 and their current active power consumption of the central controller 15 transmit without appreciable time delay. The control can be done by specifying control signals 22 , z. B. target speed of the diesel engine or Sollerregulation of the synchronous generator, the supply voltage and thus also the feed of the generator 3 influence, although not necessarily highly dynamic.

Die elektronische Steuerung für das Energiespeicher-Management 15 steuert nun den Energiefluss zwischen Stromerzeugeraggregat 3, dem stromverbrauchenden Wechselrichtern 6 und den Energiespeichern 10, 12 folgendermaßen:
Das Stromerzeugeraggregat 3 wird auf eine konstante Einspeisespannung geregelt, es sei denn, alle Energiespeicher 10, 12 sind voll geladen und das Fahrzeug bewegt sich nicht, dann kann die Einspeisespannung z. B. über die Dieseldrehzahl oder die Generatorerregung abgesenkt werden. Die Einspeisespannung ergibt einen Nenn-Zwischenkreisspannung von z. B. 650 V DC auf der Zwischenkreisschiene 4, wenn die Wechselrichter 6 in Summe motorisch arbeiten, also Energie verbrauchen. Wenn sie nur wenig oder keine Energie verbrauchen, z. b. bei langsamer Fahrt oder Stillstand, steigt die Zwischenkreisspannung über die Nennspannung hinaus bis auf die Leerlaufspannung des Stromaggregates an. Die Steuerung erfasst diesen Vorgang und gibt nun dem DC/DC-Wandler 11 den max. Ladestromsollwert 21 zur Ladung der Batterien vor, sofern noch nicht der Ladezustand 20 als „voll" gemeldet worden ist.The electronic control for energy storage management 15 now controls the flow of energy between generator set 3 , the power-consuming inverters 6 and the energy storage 10 . 12 as follows:
The generator set 3 is regulated to a constant supply voltage, unless all energy storage 10 . 12 are fully charged and the vehicle does not move, then the supply voltage z. B. be lowered over the diesel engine speed or the generator excitation. The supply voltage results in a nominal intermediate circuit voltage of z. B. 650 V DC on the DC busbar 4 if the inverters 6 work in total motor, so consume energy. If they consume little or no energy, for example during slow driving or standstill, the intermediate circuit voltage rises above the nominal voltage to the open circuit voltage of the generator. The controller detects this process and now gives the DC / DC converter 11 the max. Charging current setpoint 21 to charge the batteries, if not yet the state of charge 20 has been reported as "full".

Wenn nun allerdings die Wechselrichter 6 (z. B. bei schneller Fahrt, oder beim schnellen Heben schwerster Lasten) mehr Energie benötigen, als der kleine Stromerzeuger 3 liefern kann, so sinkt die Zwischenkreisspannung 17 unter die Nennspannung von 650 V DC ab. Die Steuerung 15 merkt dieses, und gibt dem DC/DC-Wandler 11 für die Batterien nun einen Entladestromsollwert derart vor, daß die Zwischenkreisspannung auf ihrer Nennspannung gehalten wird, obwohl dem Zwischenkreis mehr Leistung entnommen wird, als der Stromerzeuger 3 einspeisen kann. Zusätzlich kann die Steuerung 15 auch dem DC/DC-Wandler 14 für den Ultracap-Speicher 12 einen Entladestromsollwert 19 vorgeben, sofern dieser geladen ist.But if now the inverters 6 (eg when driving fast, or when lifting heavy loads quickly) need more energy than the small power generator 3 can deliver, so the DC link voltage decreases 17 below the nominal voltage of 650 V DC. The control 15 notices this, and gives the DC / DC converter 11 for the batteries now a discharge current setpoint such that the DC link voltage is maintained at its rated voltage, although the DC link is taken more power than the power generator 3 can feed. In addition, the controller 15 also the DC / DC converter 14 for the Ultracap memory 12 a discharge current setpoint 19 specify, if this is loaded.

Werden beiden Speichern Entladeströme vorgegeben, so entlädt sich zuerst der Speicher mit der höheren aktuellen Spannung in den Zwischenkreis.Become given two discharge currents, so unloads first the memory with the higher current voltage in the DC link.

Wird nun gebremst oder die Last abgesenkt, so das also die Fahr- und Hubantriebe generatorisch arbeiten und deren Wechselrichter 6 in Summe Energie in den Zwischenkreis 4 zurückspeisen, so wird dadurch die Zwischenkreisspannung 17 nicht nur über die Nennzwischenkreisspannung, sondern sogar über die Leerlaufspannung des Stromaggregates hinaus bis auf ca. 800 V DC angehoben. Die Steuerung 15 gibt nun dem DC/DC-Wandler 14 einen Ladestromsollwert 19 vor, der so bemessen ist, daß die maximale Zwischenkreisspannung von 800 V DC nicht überschritten wird. Der Ultracap-Speicher 12 wird so mit diesem Ladestrom des generatorischen Bremsens/Senkens aufgeladen. Zusätzlich kann auch der Batteriespeicher 10 geladen werden. Da aber dessen Ladestrom begrenzt und deutlich kleiner als der mögliche Ladestrom des Ultracap-Speichers 12 ist, kann er natürlich nur einen Bruchteil der Bremsenergie aufnehmen.If the brakes are applied or the load is lowered, this means that the traction and lifting drives work as generators and their inverters 6 in total energy in the DC link 4 feed back, so this is the DC link voltage 17 Not only beyond the nominal DC link voltage, but even beyond the open circuit voltage of the generator set, it has been raised to approx. 800 V DC. The control 15 now gives the DC / DC converter 14 a charging current setpoint 19 before, which is so dimensioned that the maximum DC link voltage of 800 V DC is not exceeded. The ultracap memory 12 is thus charged with this charging current of the regenerative braking / lowering. In addition, the battery storage can also 10 getting charged. But since its charging current is limited and significantly smaller than the possible charging current of the Ultracap memory 12 Of course, it can only absorb a fraction of the braking energy.

11
Dieselmotordiesel engine
22
DrehstromgeneratorAlternator
33
Stromerzeugungsaggregatpower generator
44
Sammelschiene des Gleichspannungszwischenkreisesbus of the DC intermediate circuit
55
ZwischenkreiskondensatorenDC link capacitors
66
Wechselrichterinverter
77
Fahrwerksmotorelanding gear motors
88th
HubwerksmotorHubwerksmotor
99
Hilfsmotore (Kühlerpumpen, Lüfter, Klimageräte, Heizungen etc.)auxiliary motors (Cooler pumps, Fan, Air conditioners, Heaters etc.)
1010
Energiespeicher mit Batterien (Hochenergie-Akkumulatoren)energy storage with batteries (high energy accumulators)
1111
Lade/Entladeregler für Akkumulatoren (Hoch/Tiefsetzsteller, DC/DC-Wandler)Charge / discharge control for accumulators (up / down converter, DC / DC converter)
1212
Kurzzeit-Energiespeicher mit UltrakondensatorenShort-term energy storage with ultracapacitors
1313
Ultra-KondensatorenUltra-capacitors
1414
Lade/Entladeregler für Ultrakondensatoren (Hoch/Tiefsetzsteller, DC/DC-Charge / discharge control for ultracapacitors (up / down converter, DC / DC
Wandler)converter)
1515
Elektronische Steuerung mit Energiespeicher-Managementelectronic Control with energy storage management
1616
1717
Steuersignal: Istwert der ZwischenkreisspannungControl signal: Actual value of the DC link voltage
1818
Steuersignal: Ladezustand des Energiespeichers (Istwert derControl signal: Charge state of the energy store (actual value of the
Ultrakondensatorspannung)Ultra capacitor voltage)
1919
Steuersignal: Sollwert des Lade/Entladestromes für die UltrakondensatorenControl signal: Setpoint of the charge / discharge current for the ultracapacitors
2020
Steuersignal: Ladezustand der Batterien/BatteriespannungControl signal: State of charge of the batteries / battery voltage
2121
Steuersignal: Sollwert des Lade/Entladestromes für die BatterienControl signal: Setpoint of the charging / discharging current for the batteries
Steuersignale für Stromaggregat (Sollspannung, Sollstrom)control signals for generator (Nominal voltage, nominal current)

Claims (6)

Hybridantriebssystem für einen Portalhubstapler, umfassend ein Stromerzeugungsaggregat (3), mit einem Verbrennungsmotor (1), welcher einen Drehstromgenerator (2) antreibt, welcher seine erzeugte elektrische Energie, einem Gleichspannungszwischenkreises (4) der die elektrische Energie über ein oder mehrere Wechselrichter (6) an die daran angeschlossenen Fahr-, Hub-, und Hilfsmotoren (7, 8, 9) überträgt und mit einem statischen elektrischen Energiespeicher (10) verbunden ist, wobei eine elektronische Steuereinrichtung (15) zur Steuerung der einzelnen Komponenten angeordnet ist, und an dem Gleichspannungszwischenkreis (4) ein weiterer elektrische Energiespeicher angeschlossen ist, welcher als Kurzzeitenergiespeicher (12) ausgebildet ist und aus einem oder mehreren zusammengeschalteten Ultrakondensatoren (13) besteht und zur Abdeckung von kurzzeitigen Energiebedarfsspitzen, wie sie beim Heben und Senken des Hubwerks oder beim Anfahren und Bremsen des Fahrwerks entstehen, verwendbar ist.Hybrid drive system for a straddle carrier comprising a power generator ( 3 ), with an internal combustion engine ( 1 ), which is an alternator ( 2 ) which drives its generated electrical energy, a DC intermediate circuit ( 4 ) the electrical energy via one or more inverters ( 6 ) to the driving, lifting and auxiliary engines ( 7 . 8th . 9 ) transmits and with a static electrical energy storage ( 10 ), wherein an electronic control device ( 15 ) is arranged for controlling the individual components, and at the DC voltage intermediate circuit ( 4 ), a further electrical energy store is connected, which as a short-term energy storage ( 12 ) and one or more interconnected ultracapacitors ( 13 ) and to cover short-term energy demand peaks, as they arise when lifting and lowering the hoist or when starting and braking the chassis, is usable. Hybridantriebssystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der erste Energiespeicher (10) aus leichten Hochenergiebatterien besteht, insbesondere aus Kochsalz-Nickel-, Natrium-Schwefel- oder Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren, und vorzugsweise zur Abdeckung von mittleren Leistungsbedarfsspitzen verwendbar ist.Hybrid drive system according to claim 1, characterized in that the first energy store ( 10 ) consists of lightweight high energy batteries, in particular saline nickel, sodium-sulfur or nickel-metal hydride batteries, and is preferably used to cover average power demand peaks. Hybridantriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stromerzeugungsaggregat (3) konstruktiv so dimensionierte ist, dass nur die erforderliche mittlere Dauerleistung zum Betrieb der Elektromotoren (7, 8, 9) des Portalhubstablers in den Gleichspannungszwischenkreis (4) eingespeist werden muß.Hybrid drive system according to claim 1 or 2, characterized in that the power generation unit ( 3 ) is dimensioned so that only the required average continuous power for operation of the electric motors ( 7 . 8th . 9 ) of the portal lifter into the DC voltage intermediate circuit ( 4 ) must be fed. Verfahren zum Betrieb eines Hybridantriebssystems nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abdeckung von mittleren Leistungsbedarfsspitzen der Elektromotoren (7, 8, 9), z. B. bei Fahrten im Minutenbereich, im Wesentlichen der erste Energiespeicher (10) aus leichten Hochenergiebatterien angesteuert und verwendet wird, und zur Abdeckung von kurzzeitigen Leistungsbedarfsspitzen der zweite Energiespeicher (12) aus zusammengeschalteten Ultrakondensatoren (13) angesteuert und erwendet wird.Method for operating a hybrid drive system according to Claim 3, characterized in that for covering average power demand peaks of the electric motors ( 7 . 8th . 9 ), z. B. for trips in the minute range, essentially the first energy storage ( 10 ) from light high energy batteries is controlled and used, and to cover short-term power demand peaks of the second energy storage ( 12 ) of interconnected ultracapacitors ( 13 ) is addressed and used. Verfahren zum Betrieb eines Hybridantriebssystems nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steuerung (15) den Ladezustand der elektrischen Energiespeicher (10, 12) derart steuert, dass die im Bremsbetrieb von den Fahr- und Hubmotoren (7, 8) generatorisch zurückgespeiste elektrische Energie in den beiden Energiespeichern (10, 12) zwischengespeichert wird und beim anschließenden motorischen Betrieb wieder in den Gleichspannungszwischenkreis (4) zurückgeführt und an die Fahr- Hub- und Hilfsantriebe (7, 8, 9) abgegeben wird.Method for operating a hybrid drive system according to Claim 4, characterized in that the electronic control system ( 15 ) the state of charge of the electrical energy storage ( 10 . 12 ) controls such that in braking operation of the driving and lifting motors ( 7 . 8th ) regeneratively fed back electrical energy in the two energy storage ( 10 . 12 ) is temporarily stored and in the subsequent motor operation back into the DC voltage intermediate circuit ( 4 ) and to the driving, lifting and auxiliary drives ( 7 . 8th . 9 ) is delivered. Verfahren zum Betrieb eines Hybridantriebsystems nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steuerung (15) den Ladezustand der Energiespeicher (10, 12) entsprechend diesen Anforderungen nach kurzzeitigem, mittlerem und dauerhaftem Leistungsbedarf regelt.Method for operating a hybrid drive system according to Claim 5, characterized in that the electronic control system ( 15 ) the state of charge of the energy storage ( 10 . 12 ) according to these requirements for short, medium and long-term power requirements.
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