Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein Akkumulatorsystem mit einem Leistungsakkumu- lator für fahrbare Arbeitsmaschinen mit einem einen Kontroller aufweisenden Batte riemanagementsystem, mit mittels Schaltern schaltbaren Leitungsanschlüssen und mit einem Datenbus zur Verbindung mit einer Arbeitsmaschinensteuerung.

Stand der Technik

Erfolgt eine Versorgung von Arbeitsmaschinen mit elektrischer Energie aus einem Hochleistungs(-spanungs-)akku ist es bekannt die 12/24V Bordstromversorgung des Fahrzeuges bzw. der Arbeitsmaschine mittels eines separaten, externen Ener giespeichers, beispielsweise einer Bordbatterie, zu gewährleisten (EP 2 031 135 A1 ). Der externe Energiespeicher kann von dem Batteriesystem über einen DC-DC- Wandler oder über einen im Antriebsstrang der Arbeitsmaschine vorgesehenen Ge- nerator nachgeladen werden. Die Bezeichnung Hochleistung bezieht sich im vorlie genden Fall auf einen Gleichstromkreis, über den Antriebsleistungen übertragen werden können. Dieser muss nicht unbedingt höhere Spannungen als das Bordnetz führen, überträgt aber wesentlich höhere Leistungen als das 12/24V Niederspan nungsbordnetz. Eine Verbindung einer Fahrzeugsteuerung mit einem Datenbus ei- nes Leistungsakkumulators ist beispielsweise aus der DE 10 2013 1 14 545 A9 be kannt. Derartige bekannte Akkumulatorsysteme dienen der Hauptbereitstellung der An triebsenergie, also der Versorgung eines Hochleistungsnetzes, sowie der elektri schen Ladung der Bordbatterie und damit der Versorgung der Bordelektronik der Arbeitsmaschine, welche für die Freigabe der Antriebsleistung im Hochleistungsnetz verantwortlich zeichnet. Der Datenbus dient der Kommunikation zwischen Nieder spannungsbordnetz und Akkumulatorsystem. Zur Herstellung eines sicheren strom losen Zustandes kann die elektrische Verbindung zwischen der Arbeitsmaschine und dem Leistungsakkumulator üblicherweise über einen Batterietrennschalter ge trennt werden.

Bekannte Akkumulatorsysteme bestehen aus einem oder mehreren Modulen die über einen internen Baten-Bus mit einer Überwachungselektronik, dem Kontroller, verbunden sind. Der Kontroller des Akkumulatorsystems wird bei bekannten Syste men vom der Arbeitsmaschine zugeordneten externen Energiespeicher, also von der Bordbatterie, mit Energie versorgt, womit sich der Kontroller bei Betätigung des Zündschalters der Arbeitsmaschine starten bzw. hochfahren lässt.

Der Kontroller steuert neben den Überwachungsaufgaben und der Kommunikation nach außen die Freigabe der Schalter der Leitungsanschlüsse. Eine Freigabe der Antriebsversorgung erfolgt also über das Niederspannungsbordnetz, das aktiviert wird, wenn ein Benutzer die Arbeitsmaschine startet und in Betrieb nimmt. Das diesbezügliche Signal muss nicht zwingend von einem Schlüsselschalter kommen, wird jedoch meist direkt über einen Schlüsselschalter bereitgestellt.

Solange die Antriebsleistung aus der Antriebsbatterie noch nicht freigegeben ist wird das Fahrzeug, das Gerät oder die Maschine aus der externen Energiequelle mit Energie versorgt. Nach Freigabe der Antriebsleistung kann eine Nachspeisung von Energie aus dem Leistungsakkumulator in das Niederspannungsbordnetz sowie das Nachladen des externen Niederspannungsenergiespeichers erfolgen.

Die externe Energiequelle ist die initiale Energiequelle zum Starten des Hochleis tungsnetzes, indem sie Energie für eine Kommunikation, ein Schließen von Schal tern, Versorgung von Anzeigen u. dgl. liefert, bis der Leistungsakkumulator zuge- schaltet ist und damit die primäre Energieversorgung der Maschine übernimmt. Die externe Energiequelle dient auch der Energiebereitstellung für Standlicht und Warn blinkanlage, für Anzeigen und Lampen, solange der Leistungsakkumulator noch nicht, beispielsweise durch Betätigung eines Schlüsselschalters, freigegeben ist.

Das Batteriemanagementsystem wird somit stets von außen, von der externen Energiequelle, mit Energie versorgt. Ohne externe Energiequelle kann der Leis tungsakkumulator nicht aktiviert werden. Ein Gerät, ein Fahrzeug oder eine Maschi ne mit funktionstüchtigem Leistungsakkumulator aber leerer Bordbatterie ist funkti onsunfähig und nur durch Fremdhilfe erneut startbar.

Für ein Stillsetzen bzw. sicheres Ausschalten der Elektrik einer Maschine über ei nen längeren Zeitraum von wenigen Stunden bis zu mehreren Monaten ist übli cherweise der Batterietrennschalter der Maschine manuell zu betätigen. Das bedeu tet, um sicher zu gehen, dass die Batterie bei Standzeiten nicht unnötig entladen wird ist ein manueller Eingriff notwendig. Ein automatisches Abschalten ist nicht möglich.

Da die Bordbatterie elektrisch direkt mit der Fahrzeugmasse verbunden ist, besteht bei elektrischen Arbeiten sowie im Fehlerfall stets ein hohes Kurzschlussrisiko we gen des geringen Innenwiderstandes der Bordbatterie. Als Bordbatterien werden beispielsweise 12V oder 24V Starterbatterien verwendet. Diese bedingen zusätzli chen Kosten und müssen als Verschleißteile rund alle 4-6 Jahre getauscht werden. Zusätzlich verbraucht die Bordbatterie ständig Energie, da sie stets nachgeladen werden muss, sowie weiteren Bauraum, der bei kleinen Geräten, Maschinen sowie Fahrzeugen oft sehr begrenzt ist.

Bei abgeschaltetem Leistungsakkumulator können Standlichter, Scheinwerfer und Warnblinkanlangen der Arbeitsmaschine nur von der Bordbatterie versorgt werden. Je nach Anwendungsfall kann die maximale Betriebszeit weniger als 30 Minuten bis hin zu wenigen Stunden betragen. Diese Verbraucher können die Batterie sehr rasch soweit tiefentleeren, dass eine Inbetriebnahme des Leistungsakkumulators ohne fremde Hilfe oder Austausch der Bordbatterie gar nicht mehr möglich ist. Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Akkumulatorsystem der ein gangs geschilderten Art anzugeben, das die vorgenannten Nachteile vermeidet und ohne Bordbatterie in Betrieb genommen werden kann.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass das Batteriemanagement system zur Spannungsversorgung einen dem Kontroller vorgeschalteten Gleich stromwandler umfasst, der über eine Standby-Schaltung an den Leistungsakkumu lator angeschlossen ist, wobei die Standby-Schaltung über eine akkumulatorsyste mexterne Schaltung aktivierbar ist.

Ein derartiges Akkumulatorsystem kann ohne Bordbatterie in Betrieb genommen werden, wobei eine Bedienung, ein Starten und eine Stromversorgung der Arbeits maschine für einen Bediener im Vergleich zum Stand der Technik unverändert funk tioniert. Beim Starten der Arbeitsmaschine mit einem Zündschloss od. dgl. und bei der Betätigung von Verbrauchern bekommt ein Benutzer sofort eine optische bzw. funktionelle Rückmeldung darüber, ob die Arbeitsmaschine in Betrieb genommen worden ist. Dazu ist es jedoch notwendig das Batteriemanagementsystem bei Inbe triebnahme aufzuwecken und zu aktivieren, was mit Hilfe der Antriebsbatterie über die Standby-Schaltung bewerkstelligt wird. Das erfindungsgemäße Akkumulatorsys tem benötigt zur Inbetriebnahme keine externe Stromversorgung. Zur Versorgung der Überwachungselektronik wird der Gleichstromwandler des Akkumulatorsystems verwendet. Dieses wird auf bei Anforderung durch einen Benutzer oder auf Anforde rung durch anderen Komponenten, wie beispielsweise Ladegeräte, Fernsteuerun gen od. dgl. aktiviert. Damit der der Kontroller erkennt, mit welcher externen Schal tung (Schlüssel, Ladegerät etc.) die Inbetriebnahme erfolgte können bei einer be sonders einfachen Lösung für diesen Zweck zwei oder mehrere Leitungen vorgese hen sein. Es wäre aber auch ein Bussystem denkbar. Erfolgt die Inbetriebnahme durch ein Ladegerät, so kann dieses die erforderlichen, vom Kontroller des Batte riemanagementsystems per Datenbus angeforderten Ladeströme bzw. Ladekurven liefern. Bei dem Gleichstromwandler handelt es sich um ein Bauteil, welches die Spannung des Leistungsakkumulators auf ein benötigtes Spannungsniveau, bei spielsweise die Bordspannung, bringt. Es kann sich dabei auch um einen Span nungsteiler oder Linearspannungsregler handeln.

Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Akkumulatorsystem in mobilen Arbeitsma schinen mit einer Arbeitsvorrichtung eingesetzt. Dies können beispielsweise Radla der, Bagger oder Teleskoplader sein. Dabei ist mindestens eine Arbeitsfunktion der Arbeitsvorrichtung, wie beispielsweise Heben/Senken, Einfahren/Ausfahren eines Hubarms mittels mindestens eines Elektromotors angetrieben. Der Elektromotor kann dabei direkt auf ein Element der Arbeitsvorrichtung wirken oder mittels einer Hydraulikpumpe ein hydraulisches Element wie beispielsweise einen Hydromotor oder eine Kolben-/Zylinder-Einheit antreiben. Bei der Arbeitsvorrichtung kann es sich um einen Hubarm handeln, wie er beispielsweise von Radladern, Teleskopla dern oder Baggern aus dem Stand der Technik bekannt ist. Üblicherweise werden derartige Arbeitsmaschinen sowie deren Arbeitsvorrichtungen zum Bewegen oder Transport von Material wie beispielsweise Schüttgut (Sand, Erde) genutzt.

Bei der Anforderung durch einen Benutzer oder durch andere Komponenten kann es sich um ein Dauersignal oder einen Impuls handeln. Bevorzugt wird jedoch, um die Batterie z.B. vor Tiefentladung bei Kabelfehler zu schützen, über eine geschick te elektronische Schaltung die entsprechende Leitung, über welche die Anforderung erfolgte, hochohmig gemacht. Dadurch wird ein Signal einer Daueranforderung mit dieser Schaltung in einen Impuls umgeformt.

Der Gleichstromwandler stellt, bis der Leistungsakkumulator freigegeben ist die Konstantversorgung (Entspricht einer eingeschalteten Zündung eines herkömmli chen Fahrzeuges) des Bordnetzes zur Verfügung. Der interne Gleichstromwandler ist vorzugsweise gegen Überlast von außen abgesichert. Die Freigabe der Versor gung des Bordnetzes erfolgt im Gegensatz zum Stand der Technik vom Batte riemanagementsystem her.

Ein aktivieren des Leistungsakkumulators z.B. durch Betätigen eines Schlüssel schalters, erfolgt durch das Batteriemanagementsystem, das nach seiner Aktivie- rung eine Selbstprüfung durchführt und eine Halte-Schaltung aktiviert. Dadurch kann sich das Batteriemanagementsystem auch wieder selbst ausschalten, wenn die Anforderung von außen unterbrochen wird. Die Versorgung des Bordnetzes mit Dauerplus wird von der Standby-Schaltung aktiviert, aus Sicherheitsgründen jedoch nur für einige Sekunden, bis der Controller gebootet hat und dieser in weiterer Folge die Halterfunktion übernimmt. Dadurch ist sichergestellt, dass sich der Akku bei feh lerbedingter Daueranforderung selbst deaktivieren kann.

Damit auch die Warnblinkanlage sowie Standlichter z.B. ohne Zündschlüssel die Batterie-Elektronik aufwecken können gibt es separate Eingangsbeschaltungen, in Abhängigkeit deren Aktivierung das Batteriemanagementsystem gezielt Anschlüsse freigeben kann. Für einen Notbetrieb mit einer Warnblinkanlage und mit Standlicht steht somit durch die Antriebsbatterie eine viel größere Energiequelle zur Verfü gung, als dies bei den bekannten Lösungen mit meist sehr kleiner Niedervoltbatterie der Fall ist und verlängert damit die maximale Einsatzzeit im Wartungsfall oder im Falle einer Panne. Durch das automatische Abschalten des Leistungsakkumulators durch das Batteriemanagementsystem bei deaktivierter akkumulatorsystemexterner Schaltung kann bei Stillegung der Arbeitsmaschine auf ein manuelle Wegschalten des Leistungsakkumulators verzichtet werden. Die Maschine ist also immer automa tisch für längere Standzeiten vorbereitet. Dadurch, dass die Antriebsbatterie von der Niedervoltseite isoliert ist, kann auf der Niedervoltseite in der Bordelektronik auf ei ne Stromquelle mit hohen Kurzschlussströmen und geringem Innenwiderstand ver zichtet werden. Da Gleichstromwandler und Ladegeräte des Akkumulatorsystems strombegrenzt sind, sind auch keine Kurzschlüsse zu befürchten. Für Elektrikarbei ten und im Fehlerfall ist das Risiko von Verletzungen und Brandgefahr durch Kurz schlüsse auf der Niedervoltseite stark verringert.

Um die Sicherheit zu gewährleisten wird vorgeschlagen, dass in einen Schaltkreis, der neben dem Leistungakkumulator wenigstens die Standby-Schaltung, den Kon troller und die akkumulatorexterne Schaltung umfasst, zur Absicherung gegen Überspannungen, unbeabsichtigtes Entladen bzw. Tiefentladen und/oder Fehlsigna le eine Sicherheitsschaltung integriert ist. Für eine separate Stromversorgung z.B. einer Warnblinkanlage oder von Beleuchtungen ohne Freigabe von Antriebskompo nenten kann ein zusätzlicher Hochleistungsausgang vorgesehen sein, der einem geschalteten Plus (Klemme 15), eines herkömmlichen Fahrzeuges entspricht und der auf Anforderung vom Kontroller freigegeben wird. Alle Signalleitungen werden bevorzugt durch eine Sicherheitsschaltung geführt.

Grundsätzlich ist es von Vorteil, wenn wenigstens zwei Leitungsanschlüsse vorge sehen sind, wobei wenigstens einer einen direkt an den Leistungsakkumulator an geschlossenen Hochspannungsanschluss und wenigstens ein anderer einen an den Gleichstromwandler angeschlossenen Niederspannungsanschluss ausbildet.

Zudem kann der Hochspannungsanschluss und/oder der Niederspannungsan schluss je wenigstens zwei über Schalter schaltbare Leitungsanschlüsse umfassen, von denen wenigstens einer in einer Bereitschaftsstellung der Arbeitsmaschine vom Kontroller aktiv geschaltet ist und von denen alle in einer Arbeitsstellung vom Kon troller aktiv geschaltet sind.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem Akkumulatorsystem und mit einer akkumulatorsystemexternen Schaltung, die eine Schlüsselschaltung, eine Ladeschaltung, eine Bereitschaftsschaltung und/oder eine Notfallschaltung ist.

Kurze Beschreibung der Erfindung

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zei gen

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild eines an eine Arbeitsmaschine angeschlosse nen Akkumulatorsystems,

Fig. 2 das Schaltbild des Akkumulatorsystem aus Fig. 1 und

Fig. 3 das Schaltbild der Arbeitsmaschine aus Fig. 1.

Wege zur Ausführung der Erfindung Das Akkumulatorsystem 1 , das insbesondere auswechselbar von einer Arbeitsma schine A aufgenommen werden kann, umfasst einen Leistungsakkumulator 2, der entsprechende Antriebsleistungen bereitstellt, ein einen Kontroller 3 aufweisendes Batteriemanagementsystem 4, mittels Schalter 5 schaltbare Leitungsanschlüssen 6 und einen Datenbus 7 zur Verbindung mit einer Arbeitsmaschinensteuerung 8.

Erfindungsgemäß weist das Batteriemanagementsystem 4 zur Spannungsversor gung des Kontrollers 3 einen dem Kontroller 3 vorgeschalteten Gleichstromwandler 9 auf, der zwecks Spannungsversorgung des Kontrollers 3 über eine Standby- Schaltung 10 an den Leistungsakkumulator 2 angeschlossen ist. Die Standby- Schaltung 10 ist über eine akkumulatorsystemexterne Schaltung 1 1 aktivierbar.

In einen Schaltkreis, der neben dem Leistungakkumulator 2 wenigstens die Stand- by-Schaltung 10, den Kontroller 3 und die akkumulatorexterne Schaltung 1 1 um fasst, ist zur Absicherung gegen Überspannungen, gegen unbeabsichtigtes Entla den bzw. Tiefentladen und/oder gegen Einspeisung von Fehlsignale eine Sicher heitsschaltung 12 integriert.

Im Ausführungsbeispiel sind mehrere Leitungsanschlüsse (6) vorgesehen, wobei zwei direkt an den Leistungsakkumulator (2) angeschlossene, mittels Schalter 5 schaltbare Hochspannungsanschlüsse Hs ₊ , HAS+, zur Hochleistungsversorgung der Arbeitsmaschine A und zwei an einen Gleichstromwandler 9 angeschlossenen Nie derspannungsanschlüsse L ₊ , Ls ₊ , zur Energieversorgung der Bordelektronik der Ar beitsmaschine A vorgesehen sind. Der Gleichstromwandler 9 dient auch der Ener gieversorgung des Kontrollers 3 bei aktivierter Standby-Schaltung 10.

Der Hochspannungsanschluss und/oder der Niederspannungsanschluss je wenigs tens zwei über Schalter 5 schaltbare Leitungsanschlüsse (6) umfasst, von denen wenigstens einer der Leitungsanschlüsse 6 in einer Bereitschaftsstellung der Ar beitsmaschine vom Kontroller 3 aktiv geschaltet ist, um die Bordelektronik der Ar beitsmaschine mit Energie zu versorgen und um eine Inbetriebnahme der Arbeits maschine zu ermöglichen. In einer Arbeitsstellung können alle Schalter 5 vom Kon troller 5 aktiv geschaltet werden. Ein Fahrzeug, insbesondere eine selbstfahrende Arbeitsmaschine ist mit einem derartigen Akkumulatorsystem und mit einer akkumulatorsystemexternen Schaltung 1 1 zur Inbetriebnahme des Akkumulatorsystems ausgestattet, wobei die akkumula- torsystem externe Schaltung 1 1 eine Schlüsselschaltung, eine Ladeschaltung, eine Bereitschaftsschaltung und/oder eine Notfallschaltung ist.

Für eine Inbetriebnahme eines erfindungsgemäßen Akkumulatorsystems mit einer akkumulatorsystemexternen Schaltung 11 wird zunächst die Standby-Schaltung 10 durch Betätigung der akkumulatorsystemexternen Schaltung 1 1 aktiviert, wonach die Standby-Schaltung 10 den Gleichstromwandler 9 und den Kontroller 3 mit Spannung versorgt und wonach in Abhängigkeit des Signals der akkumulatorsyste mexternen Schaltung 1 1 Leitungsanschlüsse 6 über die zugeordneten Schalter 5 selektiv freigegeben werden. Zudem kann der Kontroller 3 in Abhängigkeit des Sig nals der akkumulatorsystemexternen Schaltung 1 1 nach einem Flochfahren des Batteriemanagementsystems 4 über den Datenbus 7 mit der Arbeitsmaschinen steuerung 8 und gegebenenfalls mit weiteren Komponenten, wie beispielsweise ei nem Ladegerät und/oder einem Inverter, steuerungsverbunden werden. Das Batte riemanagementsystems 4 erkennt also, ob die Arbeitsmaschine beispielsweise in Betrieb genommen oder geladen werden soll und aktiviert die entsprechenden Funktionen.

Die Standby-Schaltung 10 wird mittels eines Signales von der akkumulatorsyste mexterne Schaltung 11 aktiviert. Das Signal kann ein Dauersignal oder ein Impuls sein.

Das Bordnetz umfasst naturgemäß eine Vielzahl an Verbrauchern 12, von denen aber nur einer angedeutet ist. Der Gleichstromwandler 13 des Bordnetzes hat pri mär und sekundärseitig je zwei Anschlüsse, um die Bezugspotentiale von Arbeits maschine A und Akkumulatorsystem 1 elektrisch verbunden verbinden zu können.