Elektrische Antriebe in selbstfahrenden Landmaschinen · Gesamtstra ng t t t η η η Wandler ......

Elektrische Antriebe in selbstfahrenden Landmaschinen

Dipl.-Ing.(FH) Michael Gallmeier

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

Lehrstuhl für AgrarsystemtechnikWissenschaftszentrum Weihenstephan für Ernährung, Landnutzung und Umwelt (WZW)

Lehrstuhl für Agrarsystemtechnik

DBU - AZ 23326A08-04 (1) © 2008

Wissenschaftszentrum Weihenstephan für Ernährung, Landnutzung und Umwelt (WZW)

Department Ingenieurwissenschaften für Lebensmittel und biogene Rohstoffe

PressekonferenzWeihenstephan28. März 2008

Energie heute und morgen

heute

morgen

72 %

� Endlichkeit der „fossilen Energievorräte“ absehbar:� Energie effizienter nutzen (heutige Systeme kritisch hinterfragen)

� Einsatz der Zukunftsenergien vorbereiten

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


DBU - AZ 23326A08-04 (2) © 2008

� Einsatz der Zukunftsenergien vorbereiten (nationalen Vorsprung erarbeiten)

� Zukunft führt ins „Elektroenergie-Zeitalter“:� Elektrische Energie dominant (auch diese effizient nutzen)

� Mobile Technik keine Ausnahme (Antriebsstrukturen entwickeln)

Vergleich von elektrischen, mechanischen und hydraulischen Antrieben (im Traktor)

Bewertungskriterien Elektrisch Mechanisch Hydraulisch

Leistungsgewicht gut gut geringLeistungsgewicht 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


DBU - AZ 23326A08-04 (3) © 2008

Mobile Notstromversorgung sehr gut nicht nicht

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

Verbrennungs-motor

Korntankvorgelege Strohhäcksler

Antriebsstrukturen heute und mögliche Verbesserunge n

Entkopplung der direkten Verbindung zwischen Antriebseinheit und Arbeitseinheiten

ObereSchrägförder-

walze

Messer-vorgelege

Synchronantrieb

Einzugskanal-absauggebläse Schüttler

Siebkasten

Kornschnecke

Überkehr-schnecke

Pumpe

Antriebseinheit und Arbeitseinheiten - erhöhte Wirkungsgrade

- reduzierte Abgasemissionen

Entkopplung der Antriebsmodule


DBU - AZ 23326A08-04 (4) © 2008

Absauggebläse

walze

Gebläse

MotorStroh-/Spreu-

verteiler

PumpeStroh-/Spreu-

verteiler

Dresch-trommel

Beschleuniger-trommel

Entkopplung der Antriebsmodule- erhöhte Leistung durch spezifische Anpassung- reduzierte Verluste im Teillastbereich

Beispiel CLAAS Lexion 580 Mähdrescher

Antriebsstrukturen heute - Potenziale

hydr

aulis

ch η = 0,79

ηtot

= 0,79

Primäre Energiequelle Wandler Antriebsstrang Wandler

chem

isch

mec

hani

sch

mech. Strang

Wandler

Nicht drehzahlvariabel !

hydr

aulis

ch

Hydr. Pumpe hydr. Motorhydr. Strang

η= 0,92η = 0,82

ηtot

= 0,62η= 0,82

η = 0,79

elek

tris

ch

Generator E-Motorelektr. Leitung& Elektronik

η= 0,78η = 0,90

ηtot

=0,63η = 0, 90

hydr

aulis

ch

ηtot

ηtot

= 0,71η = 0, 79E-Motor

chem

isch

elek

tris

ch

mec

hani

sch mech. Strang

Nicht drehzahlvariabel !

Verbrennungs-Motor

chem

isch

mec

hani

sch


DBU - AZ 23326A08-04 (5) © 2008

E-Motorelektr. Leitung& Elektronik

ηtot

= 0,70η = 0,78 η = 0, 90

hydr

aulis

ch

hydr. Pumpe hydr. Motorhydr. Strangηtot

= 0,56η = 0, 82 η = 0, 92 η = 0, 82

η = 0, 90Brennstoffzelle

chem

isch

elek

tris

ch

mec

hani

sch

Forschungsstrategie „Elektrische Antriebe“Zweimotoren-Maschine bietet ideale Plattform für modulares Forschungskonzept

1 2 3 4

HybridGenerelles elektrisches Konzept

Vorsatz und Einzug

Keine mechanische

HybridOptimierung des elektrischen Konzepts

Fahrantrieb

Antriebsschlupf -

HybridAntriebsintegration in Bauteil

Häckseltrommel

Drehzahlentkoppelung

BrennstoffzelleGenerelles elektrisches Konzept

Leistungs-BUS


DBU - AZ 23326A08-04 (6) © 2008

Keine mechanische Leistungsverzweigung im Vorsatz

Stufenloser Antrieb beim Einzug ohne Zusatzgetriebe

Antriebsschlupf -Regelung mit Erweiterung ESP

(Rekuperation)

Drehzahlentkoppelung zum Dieselmotor und Schleifmanagement

(Rekuperation)

Systemvereinfachung

Methodisches Vorgehen

Monte-Carlo AnalyseHydraulischer Triebstrang:

Hydraulischer Triebstrang:BetriebsverhaltenLeistungsgewicht mP

Feldversuch

Hydraulischer Serienantriebsstrang

ElektrischerPrototyptriebstrang

G3~

DCAC

AC

DC

M3~

AC

DCM3~

G3~

DCAC

AC

DC

M3~

AC

DCM3~

Typischer Lastzyklus

gÜbertragun

Wandler

ngGesamtstra

t

t

t

ηη

η

Wandler

ngGesamtstra

t

t

η

η

Hydraulischer Triebstrang:

Elektrischer Triebstrang:

Prüfstand

elektrisch hydraulisch


DBU - AZ 23326A08-04 (7) © 2008

Elektrischer Triebstrang:BetriebsverhaltenLeistungsgewicht mP

gÜbertragun

Wandler

t

t

ηη

Feldversuch

Elektrischer Prototyptriebsstrang

elektrisch hydraulisch(Serie)

Versuchsträger Big X mit easyCollect


DBU - AZ 23326A08-04 (8) © 2008

Die

selm

otor

Hydraulischer Vorsatz- und Einzugsantrieb (heutige Serie)

8

9

8

9

Die

selm

otor

Die

selm

otor

1

2

3

7

6 5

1

2

3

7

6 5 Die

selm

otor


DBU - AZ 23326A08-04 (9) © 2008

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

4

7

4

7

Druckmessumformer Volumenstrom Messrohr

Dieselelektrische Vorsatz- und Einzugsantrieb ohne Kühlsystem

37

8 37

83~M AC

DC

Die

selm

otor

Die

selm

otor

1

2

4

56

1

2

4

56

DC

LS

ACDC3~

MAC

G3~DC

AC3~M

Die

selm

otor

Die

selm

otor


DBU - AZ 23326A08-04 (10) © 2008

Bremswiderstände

3. Gleichrichterbrücke

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

2. Leistungsschalter

4. Zwischenkreiskondensatoren &

5. Steuerung und Sicherheit

7. Motor mit Wechselrichter

8. Planetengetriebe

2

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

2. Leistungsschalter

4. Zwischenkreiskondensatoren &

5. Steuerung und Sicherheit

7. Motor mit Wechselrichter

8. Planetengetriebe

2

Dieselelektrische Lösung


DBU - AZ 23326A08-04 (11) © 2008

Versuchsaufbau für Vergleichsmessung

234 1234 1

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

7

8

5

6

7

8

5


DBU - AZ 23326A08-04 (12) © 2008

4. DLG PowerMix Modul mit mechanischer Schnittstelle (DLGmech)

6. Hydraulikpumpenaggregat mit 100 ccm Verstellpumpe

7. Hydraulische Schnittstelle DLG PowerMix (DLGhydr)

8. DLG PowerMix Zugleistungsmesswagen

5. Hydraulischer Einzugsmotor

88

Ergebnisse

Betriebsverhalten im Feldversuch

Wirkungsgrade unter stationären Bedingungen

Energieeffizienz während typischer Einsatzzyklen

Leistungsgewicht

Leistungsdichte

Kosten im Vergleich


DBU - AZ 23326A08-04 (13) © 2008

500

Betriebsverhalten- hydraulischer und elektrischer Einzugsantrieb im Fe ldversuch -

Hydraulischer Antrieb

300

Elektrischer Antrieb

[bar]500

400

300

200

0

100

Dru

ck

300

250

200

150

50

0

100

[A]

Effe

ktiv

stro

m


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Volumenstrom

0

-1000 20 60 80 100 120 160[l/min]40

Häufigster gemessener Betriebspunkt

Drehzahl

-50

0

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

IN Imax

Wirkungsgrade der Baugruppenantriebe in Abhängigkeit von der Last (nDiesel = 1750 1/min; xth = 8 mm)

0,8

0,9

1,0

3

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

Wirk

ungs

grad

1

2

Wirk

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grad

3


DBU - AZ 23326A08-04 (15) © 2008

0,0

0,1

0,2

0 50 100 150 200 250 300 350

Moment

NmDrehmoment

3 elektrischer Einzugsantrieb1 hydraulischer Einzugsantrieb 2 Hydraulisch-mechanischer Vorsatzantrieb

Wirkungsgradvorteil des elektrischen Triebstrangs

0.32

Wirk

ungs

grad

vort

eil i

n P

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nkte

n

0.32

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1500

1550

1600

1650

1700 0.17

0.22

0.27

Dre

hzah

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selm

otor

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grad

-

Wirk

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n P

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nkte

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DBU - AZ 23326A08-04 (16) © 2008

0.10

0.20

0.301/min

1800

50 75 100 % 140

0.12

Rel. Lastmoment

Dre

hzah

l Die

selm

otor

Wirk

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Wirk

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eil

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n

Theoretische Häcksellänge: 8 mm

Wirk

ungs

grad

vort

eil

Wirk

ungs

grad

vort

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n P

roze

ntpu

nkte

n

Energieeffizienz im typischen Zyklus im Vergleich

0,7

0,8

0,9

1,0

1

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

Wirk

ungs

grad

23

4

Ene

rgie

effiz

ienz


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0,0

0,1

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

Drehmoment

Nm

Elektrischer Triebstrang

hydraulischer Triebstrang

Leerlauf Hydraulik

Leerlauf Elektrik1 2 3 4

Drehmoment

- Neue Lösungskonzepte ermöglichen trotzdem Vorteile im

Leistungsgewicht der Komponenten und Triebstränge

- Deutliche Nachteile im Bereich der elektrischen Wandler:

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

- Neue Lösungskonzepte ermöglichen trotzdem Vorteile im Leistungsgewicht :

elektrischer Vorsatzantrieb: 11,3 kg/kWhydraulisch-mechanischer Vorsatzantrieb: 15,9 kg/kW

- Bilanz für Gesamttriebstrang Vorsatz und Einzug:

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


DBU - AZ 23326A08-04 (18) © 2008

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

dieselelektrische Lösung: 689,6 kg 17,2 kg/kW hydraulische Lösung: 565,6 kg 14,1 kg/kW

Baugröße und Leistungsdichte der Komponenten


DBU - AZ 23326A08-04 (19) © 2008

Hydraulischer Motor (Serie)

7,6 dm³

3,566 kW/dm³

Elektrischer Motor (Prototyp)

29,6 dm³

0,916 kW/dm³

Anschaffungskosten

40

45

50elektrische Wandler

Kühlsystem

Leistungsübertragung

Schutzkonzepttsd. €

10

15

20

25

30

35

Ans

chaf

fung

skos

ten

Leistungsübertragung

Zubehör

Elektrischer Serientriebstrang *

Hydraulischer Serientriebstrang

Ans

chaf

fung

skos

ten


DBU - AZ 23326A08-04 (20) © 2008

0

5

10

Elektrisch Prototyp Elektrisch Serie Hydraulik Serie*) abgeschätzt

Elektrisch Serie Hydraulisch SerieElektrisch Prototyp

20

25

Tsd. €

Betriebskosten aus heutiger Sicht

1,30 €/l

Preis Kraftstoff:

5

10

15

Geb

unde

nes

Kap

ital

1,30 €/l

1,90 €/l

6,94 €/l

4,75 €/l


DBU - AZ 23326A08-04 (21) © 2008

0

5

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

a

Preis Hydrauliköl:

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


DBU - AZ 23326A08-04 (22) © 2008

Leistungsgewicht des Gesamttriebstrangs um 22% höher

Leistungsdichte um Faktor 3,9 schlechter

Amortisierung der höheren Anschaffungskosten nach voller Nutzungsdauer

Der Antriebsstrang von morgen?

häck

sler

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Schüttler

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EDUEDU

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Zwischen-speicher

FahrantriebEDU


DBU - AZ 23326A08-04 (23) © 2008

Syn

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Steuer BUS

Leistungs BUS

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lect

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csmotor motor

FahrantriebEDU

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


DBU - AZ 23326A08-04 (24) © 2008

und Hilfsbereitschaft in der Zusammenarbeit

� Lehrstuhl: Allen Mitarbeitern

� Ihnen: Für Ihr Kommen!

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