Elektrische Antriebe in selbstfahrenden Landmaschinen€¦ · Forschungsstrategie „Elektrische...

Lehrstuhl für Agrarsystemtechnik

DBU - AZ 23326A08-04 (1) © 2008

Dipl.Dipl.Dipl.Dipl.Dipl.Dipl.Dipl.Dipl.--------Ing.(FH) Michael GallmeierIng.(FH) Michael GallmeierIng.(FH) Michael GallmeierIng.(FH) Michael GallmeierIng.(FH) Michael GallmeierIng.(FH) Michael GallmeierIng.(FH) Michael GallmeierIng.(FH) Michael Gallmeier

Prof. i.R. Dr. Dr. habil. Hermann AuernhammerProf. i.R. Dr. Dr. habil. Hermann AuernhammerProf. i.R. Dr. Dr. habil. Hermann AuernhammerProf. i.R. Dr. Dr. habil. Hermann AuernhammerProf. i.R. Dr. Dr. habil. Hermann AuernhammerProf. i.R. Dr. Dr. habil. Hermann AuernhammerProf. i.R. Dr. Dr. habil. Hermann AuernhammerProf. i.R. Dr. Dr. habil. Hermann Auernhammer

Lehrstuhl fLehrstuhl füür Agrarsystemtechnikr AgrarsystemtechnikWissenschaftszentrum Weihenstephan fWissenschaftszentrum Weihenstephan füür Ernr Ernäährung, Landnutzung und Umwelt (WZW)hrung, Landnutzung und Umwelt (WZW)

Department Ingenieurwissenschaften fDepartment Ingenieurwissenschaften füür Lebensmittel und biogene Rohstoffer Lebensmittel und biogene Rohstoffe

PressekonferenzPressekonferenzWeihenstephan

28. M28. Määrz 2008rz 2008

Elektrische Antriebe in Elektrische Antriebe in

selbstfahrenden Landmaschinenselbstfahrenden Landmaschinen


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Energie heute und morgen

� Endlichkeit der „fossilen Energievorräte“ absehbar:

� Energie effizienter nutzen (heutige Systeme kritisch hinterfragen)

� Einsatz der Zukunftsenergien vorbereiten (nationalen Vorsprung erarbeiten)

Quelle: Welt im Wandel: Energiewende zur Nachhaltigkeit, Berlin, 2003

� Zukunft führt ins „Stromzeitalter“:

� Elektrische Energie dominant (auch diese effizient nutzen)

� Mobile Technik keine Ausnahme (Antriebsstrukturen entwickeln)

heute

morgen

72 %


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Mobile Notstromversorgung sehr gut nicht nicht

Vergleich von elektrischen, mechanischen und

hydraulischen Antrieben (im Traktor)

Bewertungskriterien Elektrisch Mechanisch Hydraulisch

Leistungsgewicht gut gut gering

Leistungsdichte gering gut sehr gut

Energieübertragung sehr gut gut gut

Energiespeicherung sehr gut gut gut

Steuer- und Regelbarkeit sehr gut gering gut

Wirkungsgrad sehr gut gut gering

Konstruktive Gestaltung sehr gut gut sehr gut

Kosten teilweise hoch hoch gering

Aumer, W., Lindner, M., Geißler, N., Herlitzius, T.: Elektrischer Traktor: Vision oder Zukunft? Landtechnik 63 (2008), 14-15

Aumer, W., Lindner, M., Geißler, N., Herlitzius, T.: Elektrischer Traktor: Vision oder Zukunft? Landtechnik 63 (2008), 14-15


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Verbrennungs-motor

Absauggebläse

ObereSchrägförder-

walze

Messer-vorgelege

Synchronantrieb

Einzugskanal-absauggebläse

Korntankvorgelege Strohhäcksler

Schüttler

Siebkasten

Kornschnecke

Überkehr-schnecke

Gebläse

MotorStroh-/Spreu-

verteiler

PumpeStroh-/Spreu-

verteiler

Dresch-trommel

Beschleuniger-trommel

Antriebsstrukturen heute und mögliche Verbesserungen

Entkopplung der direkten Verbindung zwischen Antriebseinheit und Arbeitseinheiten

- erhöhte Wirkungsgrade - reduzierte Abgasemissionen

Entkopplung der Antriebsmodule- erhöhte Leistung durch spezifische Anpassung

- reduzierte Verluste im Teillastbereich

Beispiel CLAAS Lexion 580 Mähdrescher


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Antriebsstrukturen heute - Potenziale

hyd

raulis

ch

Hydr. Pumpe hydr. Motorhydr. Strang

E-Motorelektr. Leitung& Elektronik

ηtot

= = = = 0,70

η = 0,78 η = 0, 90

η= 0,92η = 0,82

ηtot

= = = = 0,62η= 0,82

η = 0,79

ηtot

= = = = 0,79

ele

ktrisc

h

Generator E-Motorelektr. Leitung& Elektronik

η= 0,78η = 0,90

ηtot

=0,63η = 0, 90

hyd

raulis

ch

hydr. Pumpe hydr. Motorhydr. Strangηtot

= = = = 0,56η = 0, 82 η = 0, 92 η = 0, 82

η = 0, 90

ηtot

= = = = 0,71η = 0, 79

Brennstoffzelle

E-Motor

chem

isch

ele

ktrisc

h

mech

anis

ch mech. StrangNicht

drehzahlvariabel !

Primäre Energiequelle Wandler Antriebsstrang Wandler

Verbrennungs-Motor

chem

isch

mech

anis

ch

mech. Strang

Wandler

Nicht

drehzahlvariabel !

Systemvereinfachung


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Forschungsstrategie „Elektrische Antriebe“

Zweimotoren-Maschine bietet ideale Plattform für modulares Forschungskonzept

1

Hybrid

Generelles elektrisches Konzept

Vorsatz und Einzug

Keine mechanische

Leistungsverzweigung

im Vorsatz

Stufenloser Antrieb

beim Einzug ohne

Zusatzgetriebe

2

Hybrid

Optimierung des elektrischen Konzepts

Fahrantrieb

Antriebsschlupf-

Regelung mit

Erweiterung ESP

(Rekuperation)

3

Hybrid

Antriebsintegration in Bauteil

Häckseltrommel

Drehzahlentkoppelung

zum Dieselmotor und

Schleifmanagement

(Rekuperation)

4

Brennstoffzelle

Generelles elektrisches Konzept

Leistungs-BUS

Systemvereinfachung


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Methodisches Vorgehen

Elektrischer

Prototyptriebstrang

G3~

DC

AC

AC

DC

M3~

AC

DC

M3~

G3~

DC

AC

AC

DC

M3~

AC

DC

M3~

Elektrischer Triebstrang:

Betriebsverhalten

Leistungsgewicht mP

Typischer Lastzyklus

Monte-Carlo Analyse

gÜbertragun

Wandler

ngGesamtstra

t

t

t

η

η

η

gÜbertragun

Wandler

ngGesamtstra

t

t

t

η

η

η

Hydraulischer Triebstrang:

Elektrischer Triebstrang:

Hydraulischer Triebstrang:

Betriebsverhalten

Leistungsgewicht mP

Feldversuch

Elektrischer Prototyptriebsstrang

Feldversuch

Hydraulischer Serienantriebsstrang

Prüfstand

elektrisch hydraulisch(Serie)


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Versuchsträger Big X mit easyCollect


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Die

selm

oto

r

Hydraulischer Vorsatz- und Einzugsantrieb (heutige Serie)

1. Pumpenturm

2. Motorverteilergetriebe

3. Hydr. Einzugsmotor

4. Hydr. Vorsatzmotor

5. Untersetzungsgetriebe

6. Baugruppe Einzug 7. T-Getriebe zur

Drehmomentaufteilung

8. Mech. Triebstrang Vorsatz

9. Kollektorradwinkelgetriebe

Druckmessumformer Volumenstrom Messrohr

1. Pumpenturm

2. Motorverteilergetriebe

3. Hydr. Einzugsmotor

4. Hydr. Vorsatzmotor

5. Untersetzungsgetriebe

6. Baugruppe Einzug 7. T-Getriebe zur

Drehmomentaufteilung

8. Mech. Triebstrang Vorsatz

9. Kollektorradwinkelgetriebe

1

2

3

4

7

6

8

5

9

1

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4

7

6

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5

9

Druckmessumformer Volumenstrom Messrohr

Die

selm

oto

r


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Bremswiderstände

3. Gleichrichterbrücke

Dieselelektrische Vorsatz- und Einzugsantrieb ohne Kühlsystem

6. Zwischenkreis (400 – 750 VDC)1. Synchrongenerator

2. Leistungsschalter

4. Zwischenkreiskondensatoren &

5. Steuerung und Sicherheit

7. Motor mit Wechselrichter

8. Planetengetriebe

1

3

2

4

56

7

8

6. Zwischenkreis (400 – 750 VDC)1. Synchrongenerator

2. Leistungsschalter

4. Zwischenkreiskondensatoren &

5. Steuerung und Sicherheit

7. Motor mit Wechselrichter

8. Planetengetriebe

1

3

2

4

56

7

8

DC

LS

AC

DC3~M

AC

G3~DC

AC3~M

3~M AC

DC

Die

selm

oto

r

Die

selm

oto

r


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Dieselelektrische Lösung


DBU - AZ 23326A08-04 (12) © 2008

Versuchsaufbau für

Vergleichsmessung

2. Hydraulischer Vorsatzmotor mit mech. Triebstrang (Serie)

3. Summiergetriebe

4. DLG PowerMix Modul mit mechanischer Schnittstelle (DLGmech)

1. Einzugs-, Vorsatz- und Speisepumpe am Motorverteilergetriebe

6. Hydraulikpumpenaggregat mit 100 ccm Verstellpumpe

7. Hydraulische Schnittstelle DLG PowerMix (DLGhydr)

8. DLG PowerMix Zugleistungsmesswagen

5. Hydraulischer Einzugsmotor

234 1

6

7

8

5

234 1

6

7

8

5


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Ergebnisse

Betriebsverhalten im Feldversuch

Wirkungsgrade unter stationären Bedingungen

Energieeffizienz während typischer Einsatzzyklen

Leistungsgewicht

Leistungsdichte

Kosten im Vergleich


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Volumenstrom

[bar]500

400

300

200

0

-100

100

0 20 60 80 100 120 160[l/min]40

Häufigster gemessener Betriebspunkt

Betriebsverhalten- hydraulischer und elektrischer Einzugsantrieb im Feldversuch -

Dru

ck

Hydraulischer Antrieb

Drehzahl

300

250

200

150

50

-50

0

100

0 500 1000 1500 2000 2500 3000[1/min]

[A]

IN Imax

Effekt

ivst

rom

Elektrischer Antrieb


DBU - AZ 23326A08-04 (15) © 2008

Wirkungsgradvorteil des elektrischen Triebstrangs

0.10

0.20

0.30

1500

1550

1600

1650

1700

1/min

1800

50 75 100 % 140

0.12

0.17

0.22

0.27

0.32

Rel. Lastmoment

Dre

hzah

l Diese

lmot

or

Wirk

ungsg

radvo

rteil

Wirk

ungsg

radvo

rteil

in P

roze

ntp

unkt

en

0.10

0.20

0.30

1500

1550

1600

1650

1700

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50 75 100 % 140

0.12

0.17

0.22

0.27

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Rel. Lastmoment

Dre

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l Diese

lmot

or

Wirk

ungsg

radvo

rteil

Wirk

ungsg

radvo

rteil

in P

roze

ntp

unkt

en

Theoretische Häcksellänge: 8 mm

Wirku

ngsg

rad-

vorteil

Rel. Lastmoment

Wirku

ngsg

radvo

rteil

in P

roze

ntp

unkt

en

Dre

hzah

l Diese

lmot

or


DBU - AZ 23326A08-04 (16) © 2008

Energieeffizienz im typischen Zyklus im Vergleich

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

Drehmoment

Wirku

ngsg

rad

Nm

1

23

4

Elektrischer Triebstrang

hydraulischer Triebstrang

Leerlauf Hydraulik

Leerlauf Elektrik1 2 3 4

Energ

ieeffiz

ienz

Drehmoment


DBU - AZ 23326A08-04 (17) © 2008

- Neue Lösungskonzepte ermöglichen trotzdem Vorteile im Leistungsgewicht :

elektrischer Vorsatzantrieb: 11,3 kg/kW

hydraulisch-mechanischer Vorsatzantrieb: 15,9 kg/kW

Leistungsgewicht der Komponenten und Triebstränge

- Deutliche Nachteile im Bereich der elektrischen Wandler:

Im Mittel um den Faktor 3,0 schwerer als hydraulische Pendants

Aber: Vergleich der in Serie und Versuch tatsächlich verbauten Lösungen nur bedingt aussagekräftig

- Bilanz für Gesamttriebstrang Vorsatz und Einzug:

dieselelektrische Lösung: 689,6 kg 17,2 kg/kW

hydraulische Lösung: 565,6 kg 14,1 kg/kW


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Baugröße und Leistungsdichte der Komponenten

Hydraulischer Motor (Serie)

7,6 dm³

3,566 kW/dm³

Elektrischer Motor (Prototyp)

29,6 dm³

0,916 kW/dm³


DBU - AZ 23326A08-04 (19) © 2008

Anschaffungskosten

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Elektrisch Prototyp Elektrisch Serie Hydraulik Serie

Ansc

haffungsk

ost

en

elektrische Wandler

Kühlsystem

Leistungsübertragung

Schutzkonzept

Zubehör

Elektrischer Serientriebstrang *

Hydraulischer Serientriebstrang

*) abgeschätzt

tsd. €

Ansc

haffungsk

ost

en

Elektrisch Serie Hydraulisch SerieElektrisch Prototyp


DBU - AZ 23326A08-04 (20) © 2008

0

5

10

15

20

25

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Nutzungsdauer

Geb

unde

nes

Kapita

l

a

Tsd. €

Betriebskosten aus heutiger Sicht

1,30 €/l

Preis Kraftstoff:

1,90 €/l

Preis Hydrauliköl:

6,94 €/l

4,75 €/l


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Zusammenfassung

Vorteile dieselelektrischer Antriebstechnik:

Regelung der Antriebe und Rückführung von Prozessparametern erlaubt

einfache Integration ins Triebstrangmanagementsystem

Wirkungsgradevorteile über weite Teile des Betriebskennfelds von

16 Prozentpunkten (13,5 bis 30 Prozentpunkte)

Energieeffizienzvorteile im typischen Einsatzzyklen zwischen

14 und 20 Prozentpunkten

Nachteile dieselelektrischer Antriebstechnik

Leistungsgewicht des Gesamttriebstrangs um 22% höher

Leistungsdichte um Faktor 3,9 schlechter

Amortisierung der höheren Anschaffungskosten nach voller Nutzungsdauer


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Der Antriebsstrang von morgen?

BrennstoffZelle S

troh-

häck

sler

Korn

tank-

vorg

ele

geSchüttler

Siebkasten

Syn

chro

nA

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b

Mess

er-

vorg

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Sch

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förd

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e

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zugsk

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Dre

sch-

trom

mel

Besc

hle

unig

er-

trom

mel

Absa

ug-

geblä

se

Geblä

se

Verteile

r

Steuerungs-und

Überwachungs-einheit

Steuer BUS

Leistungs BUS

drive

unit

Überk

ehr-

schneck

e

Korn

-sc

hneck

e

drive

unit

drive

unit

EDUEDU

EDU

EDUEDU

pow

er ele

ctro

nic

s

motor motor

EDU EDU EDU EDU

Elektr.Zwischen-speicher

FahrantriebEDU


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Danke !Danke !

� DBU: Für die finanzielle Unterstützung!

� KRONE: Für Projektleitung, personelle und materielle Unterstützung!

� Servax Für die große Flexibilität und das Engagement zur kurzfristigen

& Reel: Anpassung!

� DLG: Für die Bereitstellung des DLG PowerMix Messwagens

� LfL: Und hier ganz besonders der Werkstatt, für die große Flexibilität und Hilfsbereitschaft in der Zusammenarbeit

� Lehrstuhl: Allen Mitarbeitern

� Ihnen: Für Ihr Kommen!

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