DE102011055134A1 - Method for controlling direct-current static converter to connect e.g. battery to direct-current intermediate circuit of counterbalance forklift lorry, involves carrying-out phase current measurement by hardware filter - Google Patents

Method for controlling direct-current static converter to connect e.g. battery to direct-current intermediate circuit of counterbalance forklift lorry, involves carrying-out phase current measurement by hardware filter Download PDF

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Abstract

The method involves controlling output current by a current regulator, which defines control values for phases of a direct-current (DC) static converter (22). Total current is sampled as the output current per clock cycle as an over sampling process. A phase current measurement is carried-out by a hardware filter, so that a mean value of phase current is detected with the sample per clock cycle. Set point values of the phase currents are filtered by a software filter with same corner frequency as the hardware filter. An independent claim is also included for a mobile working machine comprising a DC static converter.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Gleichspannungswandlers zum Anschluss einer elektrischen Energiespeichervorrichtung an einen Gleichstromkreis. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Regelung eines Gleichspannungswandlers zum Anschluss einer elektrischen Energiespeichervorrichtung an einen Gleichstromkreis, der ein Gleichspannungs-Zwischenkreis einer mobilen Arbeitsmaschine ist, wobei der Gleichspannungswandler mehrere Phasen aufweist und für die Regelung des Ausgangsstroms ein Stromregler vorgesehen ist, der die Stellgröße für alle Phasen vorgibt und eine schnelle Regelantwort aufweist. The invention relates to a method for regulating a DC-DC converter for connecting an electrical energy storage device to a DC circuit. In particular, the invention relates to a method for controlling a DC-DC converter for connecting an electrical energy storage device to a DC circuit, which is a DC intermediate circuit of a mobile machine, the DC-DC converter having a plurality of phases and for controlling the output current, a current controller is provided, the manipulated variable for specifies all phases and has a fast rule response.

Bekannt sind als Flurförderzeuge, insbesondere Gegengewichtsgabelstapler, ausgebildete mobile Arbeitsmaschinen, die mit einem batterie-elektrisch betriebenen Antriebssystem, im Falle eines Gabelstaplers auch als Batteriestapler bezeichnet, und mobile Arbeitsmaschinen, die mit einem verbrennungsmotorischen Antriebssystem ausgestattet sind, die im Falle eines Gabelstaplers auch als Verbrennungsmotorstapler bezeichnet werden. Are known as trucks, especially counterbalance forklifts, trained mobile machines that called with a battery-electric drive system, in the case of a forklift also known as battery stackers, and mobile machines that are equipped with an internal combustion engine drive system, which in the case of a forklift as an internal combustion engine be designated.

Bei verbrennungsmotorisch betriebenen Flurförderzeugen kann für den Fahrantrieb eine mechanische Leistungsübertragung mit einem hydrodynamischen Wandlergetriebe oder einem hydrostatischen Getriebe vorgesehen sein. Darüber hinaus ist bei verbrennungsmotorisch betriebenen Flurförderzeugen eine elektrische Leistungsübertragung für den Fahrantrieb bekannt, bei der ein von dem Verbrennungsmotor, z.B. einem Dieselmotor, angetriebener Generator einen elektrischen Zwischenkreis speist, aus dem ein Fahrantriebsmotor gespeist wird. In der Regel ist der Fahrantriebsmotor ein Drehstrommotor, beispielsweise ein Asynchrondrehstrommotor, der über einen Umrichter aus dem Zwischenkreis gespeist wird. In internal combustion engine operated industrial trucks can be provided for the traction drive mechanical power transmission with a hydrodynamic converter gear or a hydrostatic transmission. Moreover, in internal combustion engine powered trucks, electric power transmission for the traction drive is known in which one of the internal combustion engine, e.g. a diesel engine, driven generator feeds an electrical DC link, from which a traction drive motor is fed. In general, the traction drive motor is a three-phase motor, for example, an asynchronous three-phase motor, which is fed via an inverter from the DC link.

Ein solches verbrennungsmotorisch-elektrisches Flurförderzeug bietet vorteilhafte Voraussetzungen, um eine elektrische Energiespeichervorrichtung z.B. zum Speichern der Bremsenergie zu integrieren. Über einen Gleichspannungswandler, der einen beliebig einstellbaren, bidirektionalen elektrischen Leistungsfluss trotz unterschiedlicher Spannungspotentiale des Zwischenkreises und der elektrischen Energiespeichervorrichtung ermöglicht, wird eine Verbindung zwischen dem Zwischenkreis des Fahrantriebs und der elektrischen Energiespeichervorrichtung hergestellt, durch die in beide Richtungen zwischen unterschiedlichen Spannungen elektrische Leistung transportiert werden kann. Die elektrische Energiespeichervorrichtung kann z.B. aus Ultrakondensatoren, bzw. Doppelschichtkondensatoren, oder Batterien bestehen. Ebenfalls denkbar sind Schwungradspeicher. Der Zwischenkreis weist dabei im Regelfall einen Kondensator als Eingangsfilter auf. Über Steckverbindungen und Verbindungskabel wird der Gleichspannungswandler der elektrischen Energiespeichervorrichtung mit dem Zwischenkreis verbunden, insbesondere mit dem Kondensator des Eingangsfilters. Gleichspannungswandler in bekannter Ausführungsform bestehen aus einem Hochsetzsteller und einem Tiefsetzsteller. Das elementare und die Baugröße bestimmende Bauelement ist die benötigte Speicherdrossel. Durch die Erhöhung der Schaltfrequenz kann eine kleinere Speicherdrossel verwendet werden. Zusätzlich werden kompakte Gleichspannungswandler mehrphasig aufgebaut, da so ebenfalls das Bauvolumen der Induktivität bzw. Speicherdrossel reduziert werden kann. Such an internal combustion engine-electric truck offers advantageous prerequisites for producing an electrical energy storage device, e.g. to integrate to store the braking energy. Via a DC-DC converter, which allows an arbitrarily adjustable, bidirectional electrical power flow despite different voltage potentials of the intermediate circuit and the electrical energy storage device, a connection between the intermediate circuit of the traction drive and the electrical energy storage device is produced, can be transported in both directions between different voltages electrical power , The electrical energy storage device may e.g. consist of ultracapacitors, or double-layer capacitors, or batteries. Also conceivable are flywheel storage. As a rule, the DC link has a capacitor as an input filter. About connectors and connection cable of the DC-DC converter of the electrical energy storage device is connected to the intermediate circuit, in particular with the capacitor of the input filter. DC voltage converter in a known embodiment consist of a boost converter and a buck converter. The elementary and the size determining component is the required storage throttle. By increasing the switching frequency, a smaller storage choke can be used. In addition, compact DC-DC converters are constructed in a multiphase manner, since this also allows the construction volume of the inductance or storage choke to be reduced.

Der zu regelnde Strom eines Gleichspannungswandlers weist einen über den Mittelwert überlagerten Stromrippel, bzw. eine Gleichförmigkeitsschwankung, auf, der um so größer ist, je kleiner die Speicherdrossel gewählt wird. Bei solchen Stromsignalen liegt ein Abtastproblem für die regelnde CPU vor, um den korrekten Mittelwert zu bestimmen. Bei der Abtastung können nur Frequenzen der halben Frequenz der Abtastfrequenz grundsätzlich erfasst werden und keine höheren Oberfrequenzen. The current to be regulated of a DC-DC converter has a superimposed over the average current ripple, or a uniformity variation, which is the greater the smaller the storage choke is selected. With such current signals, there is a sampling problem for the controlling CPU to determine the correct average. During sampling, only frequencies of half the frequency of the sampling frequency can basically be detected and no higher harmonic frequencies.

Bei mehrphasigen Systemen muss zusätzlich die symmetrische Stromverteilung in den einzelnen Phasen geregelt werden, um die beteiligten Leistungshalbleiter nicht zu überlasten. Auch für diese Aufgabenstellung ergibt sich ein Abtastproblem, da für eine zur Regelung ausreichend genaue Erfassung der Ströme in den Phasen sehr hohe Abtastfrequenzen erforderlich wären. Um dieses Problem zu vermeiden, ist es gebräuchlich, Phasendifferenzstromsensoren zu verwenden. In the case of polyphase systems, the symmetrical current distribution in the individual phases must also be controlled so as not to overload the power semiconductors involved. Also for this task results in a sampling problem, as would be required for a sufficiently accurate control of the currents in the phases very high sampling frequencies. To avoid this problem, it is common to use phase difference current sensors.

Diese sind aber auf einer Leiterplatte nur aufwendig zu integrieren, da hierfür zwei Phasenstromsignale per Kabel durch den Stromsensor zu führen sind. Dies verursacht Kosten, führt zu potentiellen zusätzlichen Fehlerquellen und ist ungünstig für einen kompakten Aufbau des Gleichspannungswandlers. However, these are expensive to integrate on a printed circuit board, since two phase current signals must be conducted by cable through the current sensor for this purpose. This causes costs, leads to potential additional sources of error and is unfavorable for a compact design of the DC-DC converter.

Flurförderzeuge mit einem zuvor beschriebenen verbrennungsmotorisch-elektrischen Antriebssystem mit einer zusätzlichen elektrischen Energiespeichervorrichtung können auch auf einfache Weise als hybride Flurförderzeuge betrieben werden, indem bei hohem Leistungsbedarf zusätzlich zu der von dem Verbrennungsmotor gelieferten Energie auch elektrische Energie der elektrischen Energiespeichervorrichtung entnommen wird. Dies kann beispielsweise über den als Motor betriebenen Generator zur Unterstützung des Verbrennungsmotors beim Antrieb von weiteren Aggregaten erfolgen, beispielsweise einer die Arbeitshydraulik versorgenden Hydraulikpumpe Ganz generell kann immer bei Spitzenlasten Energie der elektrischen Energiespeichervorrichtung entnommen werden und die Leistungsanforderung an den Verbrennungsmotor dadurch verringert werden. Der Verbrennungsmotor kann dann entsprechend in der Leistung kleiner ausgelegt werden. Industrial trucks with a combustion engine-electric drive system described above with an additional electrical energy storage device can also be operated in a simple manner as hybrid trucks by electrical energy of the electrical energy storage device is removed at high power requirements in addition to the energy supplied by the engine. This can be done, for example, via the generator operated as a motor to support the internal combustion engine when driving other units, such as a hydraulic power supply to the working hydraulic pump Can be removed energy storage device and the power requirement are reduced to the internal combustion engine thereby. The internal combustion engine can then be designed smaller in performance accordingly.

Mit einer zusätzlichen elektrischen Energiespeichervorrichtung kann ein Flurförderzeug mit einem verbrennungsmotorischen Antriebssystem und einem hydrostatischen Fahrantrieb oder hydrodynamischen Fahrantrieb auch als hybrides Fahrzeug ausgebildet werden, wenn als elektrischer Antrieb ein zusätzlicher Elektromotor als Fahrmotor oder zur Unterstützung des Verbrennungsmotors eingesetzt wird. Als elektrische Energiespeichervorrichtung eignet sich insbesondere bei kurzen Fahrzyklen eine Ultrakondensatoren bzw. Doppelschichtkondensatoren nutzende Energiespeichervorrichtung. Bei diesen mobilen Arbeitsmaschinen bzw. Flurförderfahrzeugen werden Gleichspannungswandler benötigt, um die Spannungsdifferenz z.B. zwischen dem Zwischenkreis eines Antriebswechselrichters und der elektrischen Energiespeichervorrichtung auszugleichen. With an additional electrical energy storage device, an industrial truck with an internal combustion engine drive system and a hydrostatic drive or hydrodynamic traction drive can also be designed as a hybrid vehicle, when an additional electric motor is used as a traction motor or to support the internal combustion engine as the electric drive. As an electrical energy storage device is particularly suitable for short driving cycles, an ultracapacitors or double-layer capacitors using energy storage device. In these mobile work machines, DC-DC converters are required to reduce the voltage difference, e.g. between the intermediate circuit of a drive inverter and the electrical energy storage device compensate.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Regelung eines Gleichspannungswandlers, der zum Anschluss einer elektrischen Energieversorgung an einen Gleichstromkreis dient, vorzusehen, der eine hohe Leistung bei geringem Bauaufwand aufweist und eine hohe Regelgenauigkeit in der Umsetzung der Spannungen bietet. It is therefore an object of the present invention to provide a method for controlling a DC-DC converter, which serves to connect an electrical power supply to a DC circuit, which has a high performance with low construction costs and provides a high control accuracy in the implementation of the voltages.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Regelung eines Gleichspannungswandlers mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einen Gleichspannungswandlers mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und eine mobile Arbeitsmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers sind in den Unteransprüchen angegeben. This object is achieved by a method for controlling a DC-DC converter having the features of claim 1, a DC-DC converter having the features of claim 9 and a mobile machine having the features of claim 10. Advantageous developments of the DC-DC converter according to the invention are specified in the subclaims.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Regelung eines Gleichspannungswandlers zum Anschluss einer elektrischen Energiespeichervorrichtung an einen Gleichstromkreis, insbesondere einen Gleichspannungs-Zwischenkreis einer mobilen Arbeitsmaschine gelöst, wobei der Gleichspannungswandler mehrere Phasen aufweist und für die Regelung des Ausgangsstroms ein Stromregler vorgesehen ist, der die Stellgröße für alle Phasen vorgibt und eine schnelle Regelantwort aufweist. Erfindungsgemäß wird der Summenstrom als Ausgangsstrom mehrfach pro Taktzyklus abgetastet, insbesondere indem ein Oversampling durchgeführt wird. The object is achieved by a method for controlling a DC-DC converter for connecting an electrical energy storage device to a DC circuit, in particular a DC intermediate circuit of a mobile machine, wherein the DC-DC converter has several phases and for controlling the output current, a current controller is provided, the manipulated variable for specifies all phases and has a fast rule response. According to the invention, the summation current is sampled as output current several times per clock cycle, in particular by an oversampling being carried out.

Dabei erfolgt die Regelung des Ausgangsstroms über einen schnellen zentralen Stromregler, der die Stellgröße für alle Phasen vorgibt. Die frei gewordenen Abtastressourcen einer Analog-Digital-Wandlungseinheit in einem Prozessor einer Steuerung, etwa der üblicherweise in einem Gleichspannungswandler integrierten Steuerung, wird für hohe Abtastraten bzw. ein Oversampling des Stromsignals genutzt. Die mehrfache Messwertgewinnung pro Taktzyklus und eine eventuelle Mittelung stellt vorteilhaft auch bei einem überlagerten Wechselstromanteil im Stromsignal bzw. auch bei Rippel eine genaue Mittelwertbildung des Summenstromsignals sicher. Dadurch können aufwendige Phasendifferenzstromsensoren mit den nötigen Kabelanschlüssen vermieden werden und der gesamt Aufbau wird entsprechend einfacher, kostengünstiger und weniger fehleranfällig. Die Messung des Summenstroms kommt ohne jeden Hardwarefilter aus, die zu einer Verminderung der Regeldynamik des Ausgangsstroms führen würden. Durch das beschriebene Verfahren lässt sich die Symmetrie der Phasenströme und somit eine gleichmäßige Belastung der Leistungselektronik gewährleisten. In this case, the control of the output current via a fast central current controller, which specifies the manipulated variable for all phases. The freed-up sampling resources of an analog-to-digital conversion unit in a processor of a controller, such as the controller usually integrated in a DC-DC converter, is used for high sampling rates or oversampling of the current signal. The multiple measurement value acquisition per clock cycle and a possible averaging advantageously ensures an accurate mean value formation of the total current signal even with a superimposed alternating current component in the current signal or even with ripple. As a result, complex phase difference current sensors can be avoided with the necessary cable connections and the overall structure is correspondingly simpler, less expensive and less error prone. The measurement of the total current can be done without any hardware filter, which would lead to a reduction of the control dynamics of the output current. By the method described, the symmetry of the phase currents and thus ensure a uniform load on the power electronics.

Vorteilhaft sind für eine Phasenstrommessung Hardwarefilter vorgesehen, über die die Phasenstrommessung erfolgt, so dass mit einer Abtastung pro Taktzyklus ein Mittelwert des jeweiligen Phasenstroms erfasst wird. For a phase current measurement, hardware filters are advantageously provided, via which the phase current measurement takes place, so that an average value of the respective phase current is detected with one sampling per clock cycle.

Dadurch kann eine regelnde CPU einer Steuerung, beispielsweise einer in den Gleichspannungswandler integrierten Steuerung, aber auch jede sonstige Steuerung, die Phasenströme zu beliebigen Zeitpunkten langsam mit einer niedrigen Abtastrate abtasten, da der Hardwarefilter in den Phasenströmen den Wechselanteil im Stromsignal unterdrückt und nur den Mittelwert ausgibt. Je nach Regelanforderungen muss eine solche Abtastung dann nicht einmal in jedem Taktzyklus des Gleichspannungswandlers erfolgen. As a result, a regulating CPU of a controller, for example a controller integrated in the DC-DC converter, but also any other controller, can sample the phase currents slowly at arbitrary times with a low sampling rate since the hardware filter in the phase currents suppresses the alternating component in the current signal and outputs only the average value , Depending on the control requirements, such a sampling does not have to take place once in each clock cycle of the DC-DC converter.

In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt bis auf eine Phase für die übrigen Phasen eine Phasenstrommessung. In a further development of the method according to the invention is carried out except for one phase for the remaining phases, a phase current measurement.

Wenn der Summenstrom bzw. Ausgangsstrom bekannt ist und die Phasenströme aller Phasen bis auf eine einzige, ist es nicht erforderlich, auch deren Phasenstrom zu messen, da der Wert durch die anderen bestimmt werden kann. If the sum current or output current is known and the phase currents of all the phases except for a single one, it is not necessary to measure their phase current, since the value can be determined by the others.

Es ist auch möglich, einen Teillastbetrieb mit Wegschaltung einzelner Phasen durchzuführen, um eine Wirkungsgradverbesserung bei kleinen Strömen zu erzielen. Dabei ist es in dem beschriebenen Verfahren leicht möglich, die Regelung entsprechend anzupassen. It is also possible to carry out a partial load operation with switching off of individual phases, in order to achieve an improvement in the efficiency with small currents. It is easily possible in the described method to adapt the control accordingly.

Der Gleichspannungswandler kann drei Phasen aufweisen. The DC-DC converter may have three phases.

Vorteilhaft sind Regler für die Phasenströme vorgesehen, die eine langsamere Regeldynamik aufweisen als der Stromregler, und führen die Regler für die Phasenströme nur eine Kompensation von Unsymmetrien zwischen den Phasen durch. Advantageously, regulators are provided for the phase currents, which have a slower control dynamic than the current regulator, and the regulators for the phase currents carry out only a compensation of asymmetries between the phases.

In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für den Phasenstrom als Sollwert der Quotient aus Summenstrom geteilt durch die Anzahl der Phasen verwendet. In a development of the method according to the invention, the quotient of the total current divided by the number of phases is used as the setpoint value for the phase current.

Es kann ein Quotient aus einem Mittelwert des Summenstroms geteilt durch die Anzahl der Phasen verwendet werden. A quotient of a mean value of the summation current divided by the number of phases can be used.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Sollwerte der Phasenströme durch einen Softwarefilter mit der gleichen Eckfrequenz wie der Hardwarefilter der Phasenstrommessung gefiltert. In an advantageous embodiment of the method according to the invention, the setpoint values of the phase currents are filtered by a software filter having the same corner frequency as the hardware filter of the phase current measurement.

Dadurch kommt es zu einer Mittelwertbildung der Sollwerte der Phasenströme aus dem erfassten Summenstrom, der einschließlich der Ungleichförmlichkeiten erfasst wird, die dasselbe Verhalten wie die Mittelwertbildung der gemessenen Phasenströme aufweist. Diese Filterung kann vorteilhaft und in einfacher Art und Weise rein durch Software als digitaler Filter umgesetzt werden. This results in an averaging of the nominal values of the phase currents from the detected total current, which is detected including the irregularities, which has the same behavior as the averaging of the measured phase currents. This filtering can be implemented advantageously in a simple manner purely by software as a digital filter.

Die Aufgabe wird auch gelöst durch einen Gleichspannungswandler zum Anschluss einer elektrischen Energiespeichervorrichtung an einen Gleichstromkreis, insbesondere einen Gleichspannungs-Zwischenkreis einer mobilen Arbeitsmaschine, wobei durch eine Steuerung des Gleichspannungswandlers ein zuvor beschriebenes Verfahren durchgeführt wird. The object is also achieved by a DC-DC converter for connecting an electrical energy storage device to a DC circuit, in particular a DC intermediate circuit of a mobile machine, wherein a previously described method is performed by a control of the DC-DC converter.

Der Gleichspannungswandlers weist die bereits zuvor in Bezug auf das Verfahren beschriebenen Vorteile auf. The DC-DC converter has the advantages already described above with respect to the method.

Schließlich wird die Aufgabe auch durch eine mobile Arbeitsmaschine, insbesondere ein Flurförderzeug, mit einem zuvor beschriebenen Gleichspannungswandler gelöst, der einen elektrischen Zwischenkreis, insbesondere eines Fahrantriebs, mit einer elektrischen Energiespeichervorrichtung verbindet. Finally, the object is also achieved by a mobile work machine, in particular a truck, with a DC-DC converter described above, which connects an electrical DC link, in particular a traction drive, with an electrical energy storage device.

Bei einer mobilen Arbeitsmaschine, insbesondere einem Flurförderzeug, wird aus dem Zwischenkreis der Fahrantriebsmotor, zumeist als Asynchrondrehstrommotor ausgebildet, ebenfalls über einen Umrichter gespeist. Wird dieser Umrichter bidirektional aufgebaut, so kann beim Bremsen Energie in den Zwischenkreis zurück gespeist werden und über den Gleichspannungswandler in die Energiespeichervorrichtung geleitet werden. Der beschriebene Gleichspannungswandler ist für eine solche mobile Arbeitsmaschine besonders vorteilhaft, da er durch seinen kompakten und kostengünstigen Aufbau vorteilhaft in den vorhandenen Bauraum der mobilen Arbeitsmaschine integriert werden kann und dennoch die sehr hohen kurzzeitigen Leistungen zum Beispiel beim Rekuperationsbetrieb während des Bremsens bewältigen kann. Auch ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren das Einhalten zulässiger Spannungswerte beim Betrieb der Energiespeichervorrichtung und erhöht somit deren Lebensdauer. In a mobile work machine, in particular an industrial truck, the traction drive motor, which is generally designed as an asynchronous three-phase motor, is likewise fed from the intermediate circuit via a converter. If this inverter is constructed bidirectionally, then energy can be fed back into the DC link during braking and fed into the energy storage device via the DC-DC converter. The described DC-DC converter is particularly advantageous for such a mobile work machine, since it can be integrated by its compact and inexpensive construction advantageous in the existing space of the mobile machine and yet can cope with the very high short-term performance, for example, during recuperation during braking. The method according to the invention also makes it possible to comply with permissible voltage values during operation of the energy storage device and thus increases its service life.

Vorteilhaft weist die mobile Arbeitsmaschine einen Hybridantrieb auf, insbesondere eine Kombination aus Verbrennungsmotor und Elektromotorantrieb. Advantageously, the mobile work machine on a hybrid drive, in particular a combination of internal combustion engine and electric motor drive.

Die beschriebenen Vorteile wirken sich besonders positiv bei einem Hybridantrieb aus, bei dem nicht nur Bremsenergie zurück gewonnen wird, sondern auch, um beispielsweise die Baugröße eines Verbrennungsmotors zu verringern, elektrische Energie in sehr vielen Zyklen in der Energiespeichervorrichtung gespeichert werden muss. The advantages described have a particularly positive effect in a hybrid drive, in which not only braking energy is recovered, but also, for example, to reduce the size of an internal combustion engine, electrical energy must be stored in very many cycles in the energy storage device.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in den schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierbei zeigt: Further advantages and details of the invention will be explained in more detail with reference to the embodiment shown in the schematic figures. Hereby shows:

1 einen verbrennungsmotorisch-elektrischen Antriebsstrang für eine als Flurförderzeug ausgebildete erfindungsgemäße mobile Arbeitsmaschine mit Gleichspannungswandler in einer schematischen Darstellung, 1 an internal combustion engine-electric drive train for a designed as an industrial truck according to the invention mobile machine with DC-DC converter in a schematic representation,

2 eine schematische Darstellung des verbrennungsmotorisch-elektrischen Antriebsstrang für die als Flurförderzeug ausgebildete mobile Arbeitsmaschine der 1, 2 a schematic representation of the internal combustion engine electric drive train for trained as a truck mobile working machine of 1 .

3 schematisch einen erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler und 3 schematically a DC-DC converter according to the invention and

4 ein Regelungsschema des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers. 4 a control scheme of the DC-DC converter according to the invention.

In der 1 ist ein verbrennungsmotorisch-elektrisch angetriebenes Flurförderzeug 1 in Form eines Gegengewichtsgabelstaplers als Beispiel einer mobilen Arbeitsmaschine 19 in Aufsicht mit den wesentlichen Aggregaten des Antriebs dargestellt, bei dem die erfindungsgemäße Leistungselektronik 10 eingesetzt wird. In the 1 is an internal combustion engine-electrically powered truck 1 in the form of a counterbalanced forklift as an example of a mobile work machine 19 shown in plan view with the main units of the drive, in which the power electronics of the invention 10 is used.

Das Flurförderzeug 1 weist einen Fahrzeugrahmen 2 auf, der im lastzugewandten Bereich mit zwei Antriebsrädern 3 und im lastabgewandten Bereich mit gelenkten Rädern 4 versehen ist. Am vorderen lastzugewandten Bereich des Flurförderzeugs 1 ist ein Hubgerüst 5 angeordnet, an dem ein als Lastgabel ausgebildetes Lastaufnahmemittel 6 auf- und abbewegbar angeordnet ist. Im lastabgewandten Bereich ist das Flurförderzeug 1 mit einem Gegengewicht 7 versehen. The truck 1 has a vehicle frame 2 on, in the load-facing area with two drive wheels 3 and in the load-remote area with steered wheels 4 is provided. At the front load facing area of the truck 1 is a mast 5 arranged on which a trained as a load lifting device 6 is arranged movable up and down. In the area away from the load, the truck is 1 with a counterweight 7 Mistake.

Das Flurförderzeug 1 ist mit einem verbrennungsmotorisch-elektrischen Antriebssystem versehen, das ein elektrisches Fahrantriebsaggregat umfasst. Das Fahrantriebsaggregat weist eine Energieversorgungseinheit auf, die von einem Verbrennungsmotor 8, z.B. einem Dieselmotor, und einem mit dem Verbrennungsmotor 8 verbundenen und angetriebenen Synchrongenerator 9 gebildet ist. The truck 1 is provided with an internal combustion engine electric drive system comprising an electric traction drive unit. The traction drive unit has a power supply unit that is powered by an internal combustion engine 8th , eg a diesel engine, and one with the combustion engine 8th connected and driven synchronous generator 9 is formed.

Die von dem Synchrongenerator 9 erzeugte elektrische Energie wird über einen Gleichrichter 11 der in einem Gehäuse 12 integrierten Leistungselektronik 10 zugeführt, mittels der mindestens ein in oder an einer Antriebsachse 14 angeordneten elektrischer Fahrantriebsmotor 13, beispielsweise ein Asynchrondrehstrommotor, mit elektrischer Energie versorgt wird. The from the synchronous generator 9 generated electrical energy is through a rectifier 11 in a housing 12 integrated power electronics 10 fed by means of at least one in or on a drive axle 14 arranged electric traction drive motor 13 , For example, an asynchronous three-phase motor, is supplied with electrical energy.

Der Fahrantriebsmotor 13 steht unter Zwischenschaltung eines Differentialgetriebes 31 und zweier Untersetzungsgetrieben 30 mit den Antriebsrädern 3 in Verbindung. Anstelle einer derartigen Einmotorachse, bei der ein Fahrantriebsmotor 13 beide Antriebsräder 3 antreibt, kann auch eine Zweimotorachse vorgesehen werden, bei der jeweils ein Fahrantriebsmotor unter Zwischenschaltung eines Untersetzungsgetriebes mit dem entsprechenden Antriebsrad 3 in Verbindung steht. The traction drive motor 13 stands with the interposition of a differential gear 31 and two reduction gears 30 with the drive wheels 3 in connection. Instead of such a single motor axis, in which a traction drive motor 13 both drive wheels 3 drives, a twin-motor shaft can also be provided, in each case a traction drive motor with the interposition of a reduction gear with the corresponding drive wheel 3 communicates.

Der Verbrennungsmotor 8, der Generator 9 sowie das Gehäuse 12 und die Antriebsachse 14 sind hierbei zusammen mit weiteren nicht mehr dargestellten Komponenten in einem Aggregateraum 33 des Flurförderzeugs 1 angeordnet. The internal combustion engine 8th , the generator 9 as well as the housing 12 and the drive axle 14 are here together with other components no longer shown in a unit room 33 of the truck 1 arranged.

Der Verbrennungsmotor 8 ist mit einer Flüssigkeitskühlung versehen. Die Flüssigkeitskühlung weist einen beispielsweise im Bereich des Gegengewichts 7 angeordneten Wärmetauscher 15 auf, der mit dem Verbrennungsmotor 8 in Kühlkreisläufen 16 verbunden ist. Der Wärmetauscher 15 wird mit Hilfe eines Kühllüfters 20 von Luft durchströmt, um die von der Kühlflüssigkeit an die Umgebungsluft abgebbare Wärmemenge zu erhöhen. The internal combustion engine 8th is provided with a liquid cooling. The liquid cooling has, for example, in the region of the counterweight 7 arranged heat exchanger 15 on top of that with the internal combustion engine 8th in cooling circuits 16 connected is. The heat exchanger 15 is done with the help of a cooling fan 20 traversed by air to increase the deliverable from the cooling liquid to the ambient heat amount of heat.

Mit der Leistungselektronik 12 ist eine elektrische Energiespeichervorrichtung 17 über einen Gleichspannungswandler 22 verbunden. With the power electronics 12 is an electrical energy storage device 17 via a DC-DC converter 22 connected.

2 zeigt schematisch den Aufbau des Antriebssystems des Flurförderzeugs 1 aus der 1. Der Verbrennungsmotor 8 treibt den als Synchrongenerator ausgebildeten Generator 9 an und der von dem Generator 9 erzeugte Drehstrom wird in dem Gleichrichter 11 gleichgerichtet und einem Umrichter 18 zugeführt, der aus der Gleichspannung des als Gleichspannungs-Zwischenkreis ausgebildeten Zwischenkreises 21 dreiphasigen Drehstrom variabler Frequenz bildet, mit dem der Fahrantriebsmotor 13 gespeist wird. Der Fahrantriebsmotor 13 treibt über das Differentialgetriebe 31 die Antriebsräder 3 an. Der Gleichspannungswandlers 22 schließt die elektrische Energiespeichervorrichtung 17 an. 2 shows schematically the structure of the drive system of the truck 1 from the 1 , The internal combustion engine 8th drives the generator designed as a synchronous generator 9 to and from the generator 9 generated three-phase current is in the rectifier 11 rectified and a converter 18 supplied, which from the DC voltage of the intermediate circuit formed as a DC intermediate circuit 21 three-phase alternating current variable frequency forms, with which the traction drive motor 13 is fed. The traction drive motor 13 drives over the differential gear 31 the drive wheels 3 at. The DC-DC converter 22 closes the electrical energy storage device 17 at.

In diesem Beispiel eines hybriden Flurförderzeugs 1 kann beispielsweise beim Bremsen der Fahrantriebsmotor 13 als Generator betrieben werden und über den bidirektional arbeitenden Umrichter 18 Bremsenergie als elektrische Energie in den Zwischenkreis 21 zurück gespeist werden. Aus dem Zwischenkreis 21 wird die elektrische Energie über den Gleichspannungswandler 22 in die Energiespeichervorrichtung 17 geleitet, wobei die Spannung des Zwischenkreises 21 in die für die Energiespeichervorrichtung 17 erforderliche Spannung umgesetzt wird. In this example of a hybrid truck 1 For example, when braking the traction drive motor 13 operated as a generator and via the bidirectional converter 18 Braking energy as electrical energy in the DC link 21 be fed back. From the DC link 21 is the electrical energy through the DC-DC converter 22 in the energy storage device 17 conducted, with the voltage of the DC link 21 in the for the energy storage device 17 required voltage is converted.

Besonders vorteilhaft ist dabei, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mit geringem Kosten- und Bauaufwand eine große Leistung durch den Gleichspannungswandlers 22 bewältigt werden kann und dennoch die erforderliche Genauigkeit der Spannungsumsetzung gewährleistet ist, um eine lange Ausfallfreiheit der Energiespeichervorrichtung 17 unter den Betriebsbedingungen des Flurförderzeugs 1 zu ermöglichen. Umgekehrt kann elektrische Energie aus der Energiespeichervorrichtung 17, die z.B. aus Ultrakondensatoren bzw. Doppelschichtkondensatoren, Batterien oder auch einem Schwungradspeicher bestehen kann, in den Zwischenkreis 21 gespeist werden, um beispielsweise durch den als Motor laufenden Generator 9 den Verbrennungsmotor 8 beim Antrieb etwa einer Hydraulikpumpe zu unterstützen. Ebenso kann etwa beim Beschleunigen des Flurförderzeugs 1 Energie aus der Energiespeichervorrichtung 17 zugefügt werden. Beides führt dazu, dass der Verbrennungsmotor 8 vorteilhaft kleiner und mit geringerer Leistung ausgelegt werden kann. It is particularly advantageous that with the inventive method with low cost and construction costs a great deal of power through the DC-DC converter 22 can be handled and yet the required accuracy of the voltage conversion is ensured to a long freedom from failure of the energy storage device 17 under the operating conditions of the truck 1 to enable. Conversely, electrical energy from the energy storage device 17 , which may consist of ultracapacitors or double-layer capacitors, batteries or a flywheel storage, for example, in the DC link 21 be energized, for example, by the generator running as a motor 9 the internal combustion engine 8th To support the drive about a hydraulic pump. Likewise, when accelerating the truck 1 Energy from the energy storage device 17 be added. Both leads to the internal combustion engine 8th can be advantageously designed smaller and with lower power.

Die 3 zeigt schematisch den Gleichspannungswandler 22 der 1 und der 2 als Schaltbild. Der Gleichspannungswandlers 22 weist eine erste Halbbrücke 23 für eine erste Phase U, eine zweite Halbbrücke 24 für eine zweite Phase V und eine dritte Halbbrücke 25 für eine dritte Phase W auf. Die Phasen U, V, W sind zusammengeschaltet und erzeugen den Summenstrom ISum. Insgesamt wird eine Eingangsspannung Ue in eine Ausgangsspannung Ua umgesetzt. Jede der Phasen U, V, W weist jeweils eine Drosselspule 26 auf. Der Summenstrom ISum sowie die Phasenströme IU und IW werden für die Regelung gemessen. The 3 schematically shows the DC-DC converter 22 of the 1 and the 2 as a circuit diagram. The DC-DC converter 22 has a first half bridge 23 for a first phase U, a second half bridge 24 for a second phase V and a third half-bridge 25 for a third phase W up. The phases U, V, W are connected together and generate the sum current I Sum . Overall, an input voltage U e is converted into an output voltage U a . Each of the phases U, V, W has a respective choke coil 26 on. The sum current I Sum and the phase currents I U and I W are measured for the control.

Die 4 zeigt schematisch ein Regelungsschema des Gleichspannungswandlers 22. Der analoge Eingangswert des Summenstroms ISum wird über einen Analog-/Digitalwandler 40 und ein Proportionalglied 41 einem Überabtastungs- oder Oversample-Element 42 zugeführt. Dadurch kann der tatsächliche Stromverlauf des Summenstroms ISum über einen Taktzyklus erfasst werden. Anhand eines Sollwerts ISoll für den Summenstrom wird über ein linear zeitinvariantes Übertragungsglied 43 ein Modulator 44 geregelt. Der analoge Eingangswert der Phasenströme IU und IW wird noch als Analogsignal jeweils über einen Hardwarefilter 45 geleitet, der wie ein Proportionalglied wirkt, und der dadurch gebildete Mittelwert wird über jeweils einen Analog-/Digitalwandler 46 eingelesen. Aus dem in dem Überabtastungselement 42 erfassten Summenstrom ISum wird durch ein linear zeitinvariantes Übertragungsglied 47 ein Mittelwert gebildet, wobei das Filterverhalten demjenigen der Hardwarefilter 45 entspricht. Ein Anteil von einem Drittel des gemittelten Summenstroms ISum wird sodann als Phasenstromsollwert für die Phasenströme IU und IW benutzt und jeweils über ein linearer zeitinvariantes Übertragungsglied 48 wird der Modulator 44 für die Regelung der Phasenströme IU und IW angesteuert. The 4 schematically shows a control scheme of the DC-DC converter 22 , The analog input value of the sum current I Sum is via an analog / digital converter 40 and a proportional member 41 an oversampling or oversampling element 42 fed. As a result, the actual current profile of the sum current I Sum can be detected over one clock cycle. Based on a setpoint I setpoint for the summation current is transmitted via a linear time-invariant transmission element 43 a modulator 44 regulated. The analog input value of the phase currents I U and I W is still an analog signal in each case via a hardware filter 45 which acts like a proportional term, and the average thus formed is via an analog / digital converter 46 read. From that in the oversampling element 42 detected sum current I Sum is a linear time-invariant transmission element 47 an average value is formed, the filter behavior being that of the hardware filters 45 equivalent. A portion of one third of the average sum current I Sum is then used as a phase current setpoint for the phase currents I U and I W and in each case via a linear time-invariant transmission element 48 becomes the modulator 44 for controlling the phase currents I U and I W driven.

Dadurch ist es ausreichend, wenn die Phasenströme IU und IW nur einmal pro Taktzyklus, oder eventuell auch weniger häufig, abgetastet werden. Das linear zeitinvariante Übertragungsglied 47 weist als digitaler Filter dieselben Eigenschaften wie die Hardwarefilter 45 auf und es kann somit nicht zu störenden Effekten und Überlagerungen kommen. Die durch die geringe Abtastrate der Phasenströme IU und IW gesparte Rechenleistung kann für die Überabtastung des Summenstroms ISum eingesetzt werden. Dadurch kann insbesondere dann Bauaufwand gespart werden, wenn beispielsweise in einem Bauelement für alle Messwerte ein und derselbe Analog-/Digitalwandler 40, 46 benutzt wird. Bei drei Phasen U, V, W ist es nur erforderlich, zwei Phasenströme IU und IW zu erfassen und kann als Sollwert ein Drittel des Mittelwerts des Summenstroms ISum benutzt werden. Die Messung des Summenstroms ISum kommt dagegen ohne ein Hardwarefilterelement aus und weist daher eine hohe Regeldynamik auf. Vorteilhaft können Phasendifferenzstromsensoren vermieden werden. This makes it sufficient if the phase currents I U and I W are sampled only once per clock cycle, or possibly less frequently. The linearly time-invariant transmission element 47 has as digital filter the same properties as the hardware filters 45 and it can not come to disturbing effects and overlays. The computing power saved by the low sampling rate of the phase currents I U and I W can be used for the oversampling of the sum current I Sum . As a result, construction costs can be saved in particular when, for example, one and the same analog / digital converter are used in one component for all measured values 40 . 46 is used. For three phases U, V, W, it is only necessary to detect two phase currents I U and I W and can be used as set point one third of the mean value of the sum current I Sum . By contrast, the measurement of the sum current I Sum can be done without a hardware filter element and therefore has a high control dynamic. Advantageously, phase difference current sensors can be avoided.

Claims (11)

Verfahren zur Regelung eines Gleichspannungswandlers (22) zum Anschluss einer elektrischen Energiespeichervorrichtung (17) an einen Gleichstromkreis (21), insbesondere eines Gleichspannungs-Zwischenkreises (21) einer mobilen Arbeitsmaschine (19), wobei der Gleichspannungswandler (22) mehrere Phasen (U, V, W) aufweist und für die Regelung des Ausgangsstroms ISum ein Stromregler vorgesehen ist, der die Stellgröße für alle Phasen (U, V, W) vorgibt und eine schnelle Regelantwort aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Summenstrom ISum als Ausgangsstrom mehrfach pro Taktzyklus abgetastet wird, insbesondere indem ein Oversampling durchgeführt wird. Method for controlling a DC-DC converter ( 22 ) for connecting an electrical energy storage device ( 17 ) to a DC circuit ( 21 ), in particular a DC intermediate circuit ( 21 ) of a mobile work machine ( 19 ), wherein the DC-DC converter ( 22 ) has a plurality of phases (U, V, W) and for the regulation of the output current I Sum a current controller is provided which sets the manipulated variable for all phases (U, V, W) and has a fast control response, characterized in that the total current I sum is sampled as output current several times per clock cycle, in particular by an oversampling is performed. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Phasenstrommessung Hardwarefilter (45) vorgesehen sind, über die die Phasenstrommessung erfolgt, so dass mit einer Abtastung pro Taktzyklus ein Mittelwert des jeweiligen Phasenstroms (IU, IV, IW) erfasst wird. Method according to claim 1, characterized in that for a phase current measurement, hardware filters ( 45 ) are provided, via which the phase current measurement is carried out, so that one sample per clock cycle, an average value of the respective phase current (I U , I V , I W ) is detected. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bis auf eine Phase (U) für die übrigen Phasen (V, W) eine Phasenstrommessung erfolgt. A method according to claim 1 or 2, characterized in that except for one phase (U) for the remaining phases (V, W) takes place a phase current measurement. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungswandler drei Phasen (U, V, W) aufweist. Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the DC-DC converter has three phases (U, V, W). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Regler für die Phasenströme (IU, IV, IW) vorgesehen sind, die eine langsamere Regeldynamik aufweisen als der Stromregler, und die Regler für die Phasenströme nur eine Kompensation von Unsymmetrien zwischen den Phasen (U, V, W) durchführen. Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that controllers for the phase currents (I U , I V , I W ) are provided, which have a slower control dynamics than the current controller, and the controller for the phase currents only a compensation of imbalances between the phases (U, V, W). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass für den Phasenstrom als Sollwert der Quotient aus Summenstrom I geteilt durch die Anzahl der Phasen verwendet wird. Method according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the quotient of the sum current I divided by the number of phases is used as the nominal value for the phase current. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Quotient aus einem Mittelwert des Summenstroms ISum geteilt durch die Anzahl der Phasen (U, V, W) verwendet wird. A method according to claim 6, characterized in that a quotient of an average of the sum current I Sum divided by the number of phases (U, V, W) is used. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollwerte der Phasenströme (IU, IV, IW) durch einen Softwarefilter (47) mit der gleichen Eckefrequenz wie der Hardwarefilter (45) der Phasenstrommessung gefiltert werden. A method according to claim 6, characterized in that the setpoint values of the phase currents (I U , I V , I W ) by a software filter ( 47 ) with the same corner frequency as the hardware filter ( 45 ) of the phase current measurement. Gleichspannungswandler zum Anschluss einer elektrischen Energiespeichervorrichtung (17) an einen Gleichstromkreis (21), insbesondere einen Gleichspannungs-Zwischenkreis (21) einer mobilen Arbeitsmaschine (19), wobei durch eine Steuerung des Gleichspannungswandlers (22) ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchgeführt wird. DC-DC converter for connecting an electrical energy storage device ( 17 ) to a DC circuit ( 21 ), in particular a DC link ( 21 ) of a mobile work machine ( 19 ), wherein by a control of the DC-DC converter ( 22 ) a method according to any one of claims 1 to 8 is performed. Mobile Arbeitsmaschine, insbesondere Flurförderzeug, mit einem Gleichspannungswandler (22) nach Anspruch 9, der einen elektrischen Zwischenkreis (21), insbesondere eines Fahrantriebs, mit einer elektrischen Energiespeichervorrichtung (17) verbindet. Mobile work machine, in particular industrial truck, with a DC-DC converter ( 22 ) according to claim 9, which has an electrical intermediate circuit ( 21 ), in particular a traction drive, with a electrical energy storage device ( 17 ) connects. Mobile Arbeitsmaschine Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mobile Arbeitsmaschine (19) einen Hybridantrieb aufweist, insbesondere eine Kombination aus Verbrennungsmotor (8) und Elektromotorantrieb. Mobile working machine according to claim 10, characterized in that the mobile working machine ( 19 ) has a hybrid drive, in particular a combination of internal combustion engine ( 8th ) and electric motor drive.
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