Verfahren zum Betrieb eines Elektrofahrzeugs

Die Erfindung betrifft ein Elektrofahrzeug, insbesondere eine Baumaschine, welche ein Batteriesystem umfasst, welches eine Hochenergiebatterie mit mindestens einer Hochenergiezelle und eine Hochleistungsbatterie mit mindestens einer Hochleistungszelle aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Elektrofahrzeugs.

Stand der Technik

Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft vermehrt elektrisch angetriebene

Kraftfahrzeuge, insbesondere auch Baumaschinen, wie beispielsweise Bagger, zum Einsatz kommen werden. In solchen Elektrofahrzeugen werden aufladbare Batteriesysteme eingesetzt, vorwiegend um elektrische Antriebseinrichtungen mit elektrischer Energie zu versorgen. Derartige Baumaschinen weisen in der Regel Batteriesysteme auf, welche über eine erhöhte Spannung sowie über eine erhöhte Kapazität zur Speicherung einer höheren Menge an elektrischer Energie im Vergleich zu Batteriesystemen für Personenkraftwagen verfügen.

Es sind Hochenergiebatterien bekannt, welche eine verhältnismäßig große Speicherkapazität aufweisen und somit eine verhältnismäßig große

Energiemenge speichern können. Hochenergiebatterien weisen

Hochenergiezellen, beispielsweise in Form von Lithium-Ionen-Batteriezellen auf. Lithium-Ionen-Batteriezellen zeichnen sich unter anderem durch hohe

Energiedichten, thermische Stabilität und eine äußerst geringe Selbstentladung aus. Lithium-Ionen-Batteriezellen sind erst bei einer Temperatur, welche über einem Grenzwert von beispielsweise 5 °C liegt, optimal betreibbar.

Ferner sind Hochleistungsbatterien bekannt, welche eine verhältnismäßig große Leistung, beispielsweise in Form eines hohen Stromes, abgeben können.

Hochleistungsbatterien weisen Hochleistungszellen, beispielsweise in Form von Kondensatoren, Superkondensatoren oder hybride Superkondensatoren auf. Hochleistungszellen sind auch bei tiefen Temperaturen betreibbar.

Hochleistungszellen weisen, im Vergleich zu Hochenergiezellen, geringere Energiedichten auf.

Aus dem Dokument US 2017/267105 Al ist ein Spannungsversorgungssystem für einen Elektromotor eines Elektrofahrzeugs bekannt. Das System umfasst dabei eine Reihe von Superkondensatoren und eine Anzahl von Lithium-Ionen- Batterien. Ferner ist ein Wechselschalter vorgesehen, mittels welchem entweder die Superkondensatoren oder die Lithium-Ionen-Batterien mit Verbrauchern verbunden werden können.

Das Dokument DE 10 2014 008 516 Al offenbart ein Bordnetz für ein

Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Nutzfahrzeug. Dabei sind ein erstes Teilnetz mit einem ersten Energiespeicher und ein zweites Teilnetz mit einem zweiten Energiespeicher vorgesehen. Das erste Teilnetz und das zweite Teilnetz sind dabei miteinander koppelbar.

Insbesondere bei einer Baumaschine, wie beispielsweise einem Bagger, ist sicherzustellen, dass das Batteriesystem während des Arbeitens nur so weit entladen wird, dass die verbleibende Energie noch ausreicht, um die

Baumaschine zu einer Ladestation zu bewegen.

Offenbarung der Erfindung

Es wird ein Elektrofahrzeug, insbesondere eine Baumaschine wie beispielsweise ein Bagger, vorgeschlagen. Das Elektrofahrzeug umfasst ein Batteriesystem, welches eine Hochenergiebatterie mit mindestens einer Hochenergiezelle, vorzugsweise mit mehreren Hochenergiezellen, und eine Hochleistungsbatterie mit mindestens einer Hochleistungszelle, vorzugsweise mit mehreren

Hochleistungszellen, aufweist.

Die Hochenergiezellen sind innerhalb der Hochenergiebatterie seriell und/oder parallel miteinander verschaltet. Die Hochenergiebatterie weist eine

Ausgangsspannung im Bereich von beispielsweise 400 V bis 800 V auf. Die Hochleistungszellen sind innerhalb der Hochleistungsbatterie seriell und/oder parallel miteinander verschaltet. Die Hochleistungsbatterie weist ebenfalls eine Ausgangsspannung im Bereich von beispielsweise 400 V bis 800 V auf.

Das Elektrofahrzeug umfasst einen ersten Verbraucherstrang, welcher mindestens einen Stellmotor zum Antrieb mindestens eines Stellelements des Elektrofahrzeugs aufweist. Bei dem Stellelement kann es sich beispielsweise um einen Ausleger der Baumaschine handeln, welcher von dem Stellmotor über ein Getriebe angetrieben wird. Bei dem Stellelement kann es sich beispielsweise auch um eine Hydraulikpumpe zur Einstellung eines erforderlichen

Betriebsdrucks in einem hydraulischen System der Baumaschine handeln. Das hydraulische System dient beispielsweise zum Bewegen des Auslegers.

Das Elektrofahrzeug umfasst auch einen zweiten Verbraucherstrang, welcher mindestens einen Traktionsmotor zum Antrieb mindestens eines

Traktionselements des Elektrofahrzeugs aufweist. Bei dem mindestens einen Traktionselement kann es sich beispielsweise um ein Ketten laufwerk zur

Fortbewegung der Baumaschine handeln. Es können aber beispielsweise auch mehrere Laufräder zur Fortbewegung der Baumaschine als Traktionselemente vorgesehen sein.

Das Elektrofahrzeug umfasst ferner eine Schalteinheit, welche derart

ansteuerbar ist, dass die Hochleistungsbatterie mit dem zweiten

Verbraucherstrang elektrisch verbunden ist, sowie dass die

Hochleistungsbatterie mit dem ersten Verbraucherstrang elektrisch verbunden ist, sowie dass die Hochenergiebatterie mit dem ersten Verbraucherstrang elektrisch verbunden ist.

Der erste Verbraucherstrang, welcher mindestens einen Stellmotor zum Antrieb mindestens eines Stellelements des Elektrofahrzeugs aufweist, kann also, je nach Einstellung der Schalteinheit, wahlweise von der Hochleistungsbatterie oder von der Hochenergiebatterie mit elektrischer Energie versorgt werden. Die Hochleistungsbatterie kann, je nach Einstellung der Schalteinheit, den ersten Verbraucherstrang sowie den zweiten Verbraucherstrang mit elektrischer Energie versorgen. Eine Versorgung des zweiten Verbraucherstrangs mit elektrischer Energie von der Hochenergiebatterie ist nicht vorgesehen. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die mindestens eine Hochenergiezelle der Hochenergiebatterie als Lithium-Ionen-Batteriezelle ausgeführt. Die Hochenergiezellen weisen somit eine verhältnismäßig große Speicherkapazität auf und können somit eine verhältnismäßig große

Energiemenge speichern.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die mindestens eine Hochleistungszelle der Hochleistungsbatterie als Superkondensator oder als hybrider Superkondensator ausgeführt. Die mindestens eine Hochleistungszelle kann somit eine verhältnismäßig große Leistung, insbesondere in Form eines hohen Stromes, abgeben.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die

Hochenergiebatterie und die Hochleistungsbatterie derart angeordnet, dass Wärme, die bei einem Betrieb der Hochleistungsbatterie entsteht, zu der Hochenergiebatterie übertragbar ist. Beispielsweise ist ein Flüssigkeitskreislauf vorgesehen, in welchem ein flüssiges Kühlmittel strömt. Das Kühlmittel nimmt die Wärme auf, die von den Hochleistungszellen im Betrieb erzeugt wird, und gibt diese Wärme an die Hochenergiezellen ab. Vorzugsweise sind die

Hochleistungszellen und die Hochenergiezellen auch in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist mindestens ein Heizwiderstand zum Beheizen der Hochenergiebatterie vorgesehen. Der Heizwiderstand ist dabei von der Hochleistungsbatterie ansteuerbar. Die Hochleistungszellen können somit elektrische Energie zum Beheizen der Hochenergiezellen liefern.

Es wird auch ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen

Elektrofahrzeugs, insbesondere einer Baumaschine wie beispielsweise einem Bagger, vorgeschlagen. Verfahrensgemäß wird dabei die Hochenergiebatterie von dem ersten Verbraucherstrang elektrisch getrennt, solange eine Temperatur der Hochenergiebatterie einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet. Dieser Grenzwert entspricht einer Temperatur von beispielsweise 5 °C, ab welcher die Hochenergiezellen optimal betreibbar sind. Die Hochenergiezellen liefern also keine elektrische Energie an den ersten Verbraucherstrang, so lange die Temperatur der Hochenergiezellen unterhalb des vorgegebenen Grenzwerts liegt. Die Hochenergiebatterie ist dabei auch von dem zweiten Verbraucherstrang elektrisch getrennt. Die Hochenergiezellen liefern also auch keine elektrische Energie an den zweiten Verbraucherstrang. Vorzugsweise ist die Hochenergiebatterie von allen Verbrauchern elektrisch getrennt, so lange die Temperatur der Hochenergiezellen unterhalb des vorgegebenen Grenzwerts liegt.

Beim Starten des Elektrofahrzeugs, insbesondere einer Baumaschine, bei tiefen Temperaturen wird also zunächst nur die Hochleistungsbatterie mit dem zweiten Verbraucherstrang elektrisch verbunden, und die Hochleistungszellen liefern elektrische Energie an den mindestens einen Traktionsmotor zum Antrieb des mindestens einen Traktionselements des Elektrofahrzeugs. Das Elektrofahrzeug kann nun mit der Energie aus der Hochleistungsbatterie zu einer Arbeitsstelle fahren. Dabei erwärmen sich die Hochleistungszellen und übertragen die entstehende Wärme, beispielsweise über einen Flüssigkeitskreislauf, in welchem ein flüssiges Kühlmittel strömt, an die Hochenergiezellen. Auf diese Weise werden die Hochenergiezellen erwärmt.

Die Hochenergiebatterie kann mit dem ersten Verbraucherstrang elektrisch verbunden werden, sobald die Temperatur der Hochenergiebatterie den vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Danach können die Hochenergiezellen elektrische Energie an den mindestens einen Stellmotor zum Antrieb mindestens eines Stellelements des Elektrofahrzeugs liefern. Das Elektrofahrzeug, beispielsweise eine Baumaschine, kann nun mit der elektrischen Energie aus der Hochenergiebatterie eine Arbeit ausführen.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die

Hochleistungsbatterie mit dem ersten Verbraucherstrang elektrisch verbunden, solange die Temperatur der Hochenergiebatterie den vorgegebenen Grenzwert unterschreitet. Das Elektrofahrzeug, beispielsweise eine Baumaschine, kann nun mit der elektrischen Energie aus den Hochleistungszellen eine Arbeit ausführen, solange die Temperatur der Hochenergiebatterie den vorgegebenen Grenzwert noch unterschreitet. Dabei erwärmen sich die Hochleistungszellen weiter und übertragen weiter die entstehende Wärme, beispielsweise über einen Flüssigkeitskreislauf, in welchem ein flüssiges Kühlmittel strömt, an die

Hochenergiezellen. Auf diese Weise werden die Hochenergiezellen weiter erwärmt.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird die

Hochenergiebatterie mittels mindestens eines Heizwiderstands beheizt, solange die Temperatur der Hochenergiebatterie den vorgegebenen Grenzwert unterschreitet. Der Heizwiderstand wird dabei von der Hochleistungsbatterie angesteuert. Die Hochleistungszellen liefern somit elektrische Energie zum Beheizen der Hochenergiezellen. Auf diese Art wird die Erwärmung der

Hochenergiebatterie beschleunigt, und die Hochenergiebatterie kann schneller mit dem ersten Verbraucherstrang elektrisch verbunden werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die

Hochenergiebatterie von dem ersten Verbraucherstrang elektrisch getrennt, wenn ein Ladezustand der Hochenergiebatterie einen vorgegebenen

Schwellenwert unterschreitet. Wenn die Hochenergiezellen weitgehend entladen sind, so können die Hochenergiezellen keine elektrische Energie mehr an den mindestens einen Stellmotor zum Antrieb mindestens eines Stellelements des Elektrofahrzeugs liefern und werden daher von dem ersten Verbraucherstrang elektrisch getrennt. Die Hochleistungszellen wurden nicht oder nur zu einem geringen Anteil entladen, so dass die Hochleistungszellen noch genügend elektrische Energie aufweisen, um das Elektrofahrzeug zu einer Ladestation zu bewegen.

Vorteilhaft wird die Hochleistungsbatterie mit dem ersten Verbraucherstrang elektrisch verbunden, wenn der Ladezustand der Hochenergiebatterie den vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet. Das Elektrofahrzeug,

beispielsweise eine Baumaschine, kann nun mit der elektrischen Energie aus der Hochleistungsbatterie die Arbeit ausführen. Die Hochleistungsbatterie wird jedoch nur dann mit dem ersten Verbraucherstrang elektrisch verbunden, wenn ein Ladezustand der Hochleistungsbatterie noch ausreicht, um das

Elektrofahrzeug zu einer Ladestation zu bewegen.

Vorteile der Erfindung Mit einem erfindungsgemäßen Elektrofahrzeug, insbesondere einer

Baumaschine wie beispielsweise einem Bagger, ist auch ein Arbeiten bei tiefen Temperaturen ermöglicht. Insbesondere ist ein Start des Elektrofahrzeugs auch bei Minustemperaturen möglich. Beim Starten des Elektrofahrzeugs wird zunächst nur die Hochleistungsbatterie zugeschaltet, und das Elektrofahrzeug kann nun mit der Energie aus der Hochleistungsbatterie zu einer Arbeitsstelle fahren. Dabei erwärmen sich die Hochleistungszellen und übertragen die entstehende Wärme an die Hochenergiezellen, welche dadurch erwärmt werden. Auch die Hochenergiezellen werden somit verhältnismäßig schnell aufgewärmt, und damit entfallen lange Wartezeiten bis zum Arbeitsbeginn. Auch kann die beim Fahren des Elektrofahrzeugs anfallende Rekuperationsenergie in die Hochleistungsbatterie eingespeist werden und ist somit vollständig nutzbar. Dadurch wird die Reichweite des Elektrofahrzeugs erhöht und die mögliche Arbeitsdauer verlängert. Ein Liegenbleiben des Elektrofahrzeugs an der

Arbeitsstelle mit leerer Batterie kann verhindert werden. Ein sicheres Erreichen der Ladestation nach der Arbeit ist gewährleistet.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Elektrofahrzeugs in Form einer

Baumaschine mit einem Batteriesystem und

Figur 2 eine schematische Darstellung eines Batteriesystems des

Elektrofahrzeugs mit einer Schalteinheit und Verbrauchersträngen.

Ausführungsformen der Erfindung

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Elektrofahrzeugs 1 in Form einer Baumaschine. Bei der Baumaschine handelt es sich vorliegend um einen Bagger. Das Batteriesystem 10 umfasst eine Hochenergiebatterie 12 mit mehreren Hochenergiezellen und eine Hochleistungsbatterie 14 mit mehreren Hochleistungszellen. Die Hochenergiezellen sind innerhalb der

Hochenergiebatterie 12 seriell und/oder parallel miteinander verschaltet. Die Hochenergiebatterie 12 weist vorliegend eine Ausgangsspannung im Bereich von 400 V bis 800 V auf. Die Hochleistungszellen sind innerhalb der

Hochleistungsbatterie 14 seriell und/oder parallel miteinander verschaltet. Die Hochleistungsbatterie 14 weist vorliegend ebenfalls eine Ausgangsspannung im Bereich von 400 V bis 800 V auf.

Die Hochenergiezellen der Hochenergiebatterie 12 sind vorliegend als Lithium- lonen-Batteriezellen ausgeführt und weisen somit eine verhältnismäßig große Speicherkapazität auf und können eine verhältnismäßig große Energiemenge speichern. Die Hochleistungszellen der Hochleistungsbatterie 14 sind vorliegend als Superkondensatoren ausgeführt und können somit eine verhältnismäßig große Leistung, insbesondere in Form eines hohen Stromes, abgeben.

Insbesondere können die Hochleistungszellen auch bei tiefen Temperaturen von unter 0 °C betrieben werden.

Das Elektrofahrzeug 1 umfasst einen Unterwagen 27 und einen Oberwagen 26, welche durch einen Drehkranz 28 miteinander verbunden sind. Der Drehkranz 28 ist von einem Elektromotor antreibbar. Durch Antreiben des Drehkranzes 28 dreht sich der Oberwagen 26 relativ zu dem Unterwagen 27. An dem

Unterwagen 27 ist ferner ein Traktionselement in Form eines Ketten laufwerks 25 vorgesehen, welches von einem Traktionsmotor 32 antreibbar ist. Durch

Antreiben des Ketten laufwerks 25 bewegt sich das Elektrofahrzeug 1 relativ zu einem Untergrund 3. Das Batteriesystem 10 liefert unter anderem elektrische Energie für den Elektromotor zum Antreiben des Drehkranzes 28 sowie für den Traktionsmotor 32 zum Antrieb des Ketten laufwerks 25. Das Elektrofahrzeug 1 umfasst ferner mehrere Stellelemente, insbesondere einen Ausleger 21, einen Löffelstiel 22 und einen Löffel 23. Die Stellelemente sind jeweils mittels eines Hydraulikzylinders 20 eines hydraulischen Systems antreibbar. Mittels einer Hydraulikpumpe, welche ebenfalls ein Stellelement des Elektrofahrzeugs 1 darstellt, ist ein erforderlicher Betriebsdrucks in dem hydraulischen System des Elektrofahrzeugs 1 einstellbar. Das Batteriesystem 10 liefert auch elektrische Energie für einen Stellmotor 31 zum Antrieb der

Hydraulikpumpe des Elektrofahrzeugs 1.

Es ist auch denkbar, dass das als Arbeitsmaschine ausgebildete Elektrofahrzeug 1 kein hydraulisches System aufweist. Beispielsweise kann das Elektrofahrzeug 1 vollständig elektrisch betrieben werden. In diesem Fall sind die Stellelemente des Elektrofahrzeugs 1 mittels Elektromotoren antreibbar. Das Batteriesystem 10 liefert in diesem Fall elektrische Energie für die Elektromotoren zum Antrieb der besagten Stellelemente.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung des Batteriesystems 10 des

Elektrofahrzeugs 1 mit einer Schalteinheit 60 und mit zwei Verbrauchersträngen 41, 42. Das Batteriesystem 10 umfasst, wie bereits erwähnt, die

Hochenergiebatterie 12 und die Hochleistungsbatterie 14. Die

Hochenergiebatterie 12 und die Hochleistungsbatterie 14 weisen jeweils einen negativen Pol 17 und einen positiven Pol 18 auf. Das Batteriesystem 10 ist mittels der Schalteinheit 60 unter anderem mit einem ersten Verbraucherstrang 41 und mit einem zweiten Verbraucherstrang 42 elektrisch verbindbar.

Der erste Verbraucherstrang 41 umfasst den Stellmotor 31 zum Antrieb der Hydraulikpumpe des hydraulischen Systems sowie eine erste Leistungselektronik 51. Die erste Leistungselektronik 51 ist vorliegend als Wechselrichter, beziehungsweise als Inverter, ausgestaltet. Mittels der ersten Leistungselektronik 51 ist der vorliegend dreiphasige Stellmotor 31 ansteuerbar.

Der zweite Verbraucherstrang 42 umfasst den Traktionsmotor 32 zum Antrieb des Ketten laufwerks 25 sowie eine zweite Leistungselektronik 52. Die zweite Leistungselektronik 52 ist vorliegend als Wechselrichter, beziehungsweise als Inverter, ausgestaltet. Mittels der zweiten Leistungselektronik 52 ist der vorliegend dreiphasige Traktionsmotor 32 ansteuerbar. Die Hochenergiebatterie 12 ist mittels der Schalteinheit 60 mit der ersten

Leistungselektronik 51 elektrisch verbindbar. Die Hochleistungsbatterie 14 ist mittels der Schalteinheit 60 mit der ersten Leistungselektronik 51 und mit der zweiten Leistungselektronik 52 elektrisch verbindbar. Die Hochenergiebatterie 12 weist eine verhältnismäßig große Speicherkapazität auf, und die

Hochleistungsbatterie 14 kann eine verhältnismäßig große Leistung,

insbesondere in Form eines hohen Stromes, abgeben.

Die Schalteinheit 60 umfasst vorliegend einen ersten Schalter 61, einen zweiten Schalter 62, einen dritten Schalter 63, einen vierten Schalter 64, einen fünften Schalter 65 und einen sechsten Schalter 66. Mittels des ersten Schalters 61 ist der positive Pol 18 der Hochleistungsbatterie 14 mit dem ersten

Verbraucherstrang 41 elektrisch verbindbar. Mittels des zweiten Schalters 62 ist der negative Pol 17 der Hochleistungsbatterie 14 mit dem ersten

Verbraucherstrang 41 elektrisch verbindbar. Mittels des dritten Schalters 63 ist der positive Pol 18 der Hochenergiebatterie 12 mit dem ersten

Verbraucherstrang 41 elektrisch verbindbar. Mittels des vierten Schalters 64 ist der negative Pol 17 der Hochenergiebatterie 12 mit dem ersten

Verbraucherstrang 41 elektrisch verbindbar. Mittels des fünften Schalters 65 ist der positive Pol 18 der Hochleistungsbatterie 14 mit dem zweiten

Verbraucherstrang 42 elektrisch verbindbar. Mittels des sechsten Schalters 66 ist der negative Pol 17 der Hochleistungsbatterie 14 mit dem zweiten

Verbraucherstrang 42 elektrisch verbindbar.

Der fünfte Schalter 65 und der sechste Schalter 66 können auch entfallen. In diesem Fall sind die Pole 17, 18 der Hochleistungsbatterie 14 ständig mit dem zweiten Verbraucherstrang 42 verbunden. Ebenso können der zweite Schalter 62, der vierte Schalter 64 und der sechste Schalter 66 entfallen. In diesem Fall sind die negativen Pole 17 der Hochenergiebatterie 12 und der

Hochleistungsbatterie 14 ständig miteinander und mit den Verbrauchersträngen 41, 42 verbunden.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.