Elektrische Antriebe in selbstfahrenden Landmaschinen

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1 Elektrische Antriebe in selbstfahrenden Landmaschinen Dipl.-Ing.(FH) Michael Gallmeier Prof. i.r. Dr. Dr. habil. Hermann Auernhammer Lehrstuhl für f r Agrarsystemtechnik Wissenschaftszentrum Weihenstephan für f r Ernährung, Landnutzung und Umwelt (WZW) Department Ingenieurwissenschaften für f r Lebensmittel und biogene Rohstoffe Pressekonferenz Weihenstephan 28. März M 2008 A08-04 (1) 2008

2 Energie heute und morgen heute morgen 72 % Quelle: Welt im Wandel: Energiewende zur Nachhaltigkeit, Berlin, 2003 Endlichkeit der fossilen Energievorräte absehbar: Energie effizienter nutzen (heutige Systeme kritisch hinterfragen) Einsatz der Zukunftsenergien vorbereiten (nationalen Vorsprung erarbeiten) Zukunft führt ins Stromzeitalter : Elektrische Energie dominant (auch diese effizient nutzen) Mobile Technik keine Ausnahme (Antriebsstrukturen entwickeln) A08-04 (2) 2008

3 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 Mobile Notstromversorgung sehr gut nicht nicht Aumer, W., Lindner, M., Geißler, N., Herlitzius, T.: Elektrischer Traktor: Vision oder Zukunft? Landtechnik 63 (2008), A08-04 (3) 2008

4 Antriebsstrukturen heute und mögliche Verbesserungen Verbrennungsmotor Entkopplung Korntankvorgelege der direkten Verbindung zwischen Einzugskanalabsauggebläse Antriebseinheit und Arbeitseinheiten - erhöhte Wirkungsgrade - reduzierte Abgasemissionen Synchronantrieb Strohhäcksler Schüttler Siebkasten Messervorgelege Überkehrschnecke Obere Schrägförderwalzeder Antriebsmodule Entkopplung - erhöhte Leistung durch spezifische Anpassung - reduzierte Verluste im Teillastbereich Absauggebläse Gebläse Motor Stroh-/Spreuverteiler Kornschnecke Pumpe Stroh-/Spreuverteiler Dreschtrommel Beschleunigertrommel Beispiel CLAAS Lexion 580 Mähdrescher A08-04 (4) 2008

5 Antriebsstrukturen heute - Potenziale Primäre Energiequelle Wandler Wandler Antriebsstrang Wandler chemisch Verbrennungs- Motor mechanisch Hydr. Pumpe η = 0,82 Generator η = 0,90 hydraulisch elektrisch mech. Strang η = 0,79 hydr. Strang η= 0,92 elektr. Leitung & Elektronik η= 0,78 Nicht drehzahlvariabel! hydr. Motor η= 0,82 E-Motor η = 0, 90 η tot = 0,79 η tot = 0,62 η tot =0,63 chemisch Brennstoffzelle elektrisch E-Motor η = 0, 90 mechanisch hydr. Pumpe Systemvereinfachung hydraulisch mech. Strang η = 0, 79 hydr. Strang elektr. Leitung & Elektronik Nicht drehzahlvariabel! hydr. Motor η = 0, 82 η = 0, 92 η = 0, 82 E-Motor η = 0,78 η = 0, 90 η tot = 0,71 η tot = 0,56 η tot = 0,70 A08-04 (5) 2008

6 Forschungsstrategie Elektrische Antriebe Zweimotoren-Maschine bietet ideale Plattform für modulares Forschungskonzept Hybrid Hybrid Hybrid Brennstoffzelle Generelles elektrisches Konzept Optimierung des elektrischen Konzepts Antriebsintegration in Bauteil Generelles elektrisches Konzept Vorsatz und Einzug Fahrantrieb Häckseltrommel Leistungs-BUS Keine mechanische Leistungsverzweigung im Vorsatz Antriebsschlupf- Regelung mit Erweiterung ESP Drehzahlentkoppelung zum Dieselmotor und Schleifmanagement Systemvereinfachung Stufenloser Antrieb beim Einzug ohne Zusatzgetriebe (Rekuperation) (Rekuperation) A08-04 (6) 2008

7 Elektrischer Prototyptriebstrang M 3~ M 3~ Feldversuch Hydraulischer Serienantriebsstrang AC DC AC DC DC AC Feldversuch G 3~ Elektrischer Prototyptriebsstrang Methodisches Vorgehen Monte-Carlo Analyse Typischer Lastzyklus elektrisch Prüfstand hydraulisch (Serie) Hydraulischer Triebstrang: Betriebsverhalten Leistungsgewicht m P Hydraulischer Triebstrang: η η η tgesamtstrang twandler tübertragung Elektrischer Triebstrang: η η η tgesamtstrang twandler tübertragung Elektrischer Triebstrang: Betriebsverhalten Leistungsgewicht m P A08-04 (7) 2008

8 Versuchsträger Big X mit easycollect A08-04 (8) 2008

9 Hydraulischer Vorsatz- und Einzugsantrieb (heutige Serie) Dieselmotor Dieselmotor Pumpenturm 2. Motorverteilergetriebe 3. Hydr. Einzugsmotor 4. Hydr. Vorsatzmotor 4 5. Untersetzungsgetriebe 6. Baugruppe Einzug 7. T-Getriebe zur Drehmomentaufteilung 8. Mech. Triebstrang Vorsatz 9. Kollektorradwinkelgetriebe Druckmessumformer Volumenstrom Messrohr A08-04 (9) 2008

10 Dieselelektrische Vorsatz- und Einzugsantrieb ohne Kühlsystem M 3~ AC DC Dieselmotor Dieselmotor M 3~ AC DC DC AC M 3~ DC AC LS G 3~ 1. Synchrongenerator 2. Leistungsschalter 3. Gleichrichterbrücke 4. Zwischenkreiskondensatoren & Bremswiderstände 5. Steuerung und Sicherheit 6. Zwischenkreis ( VDC) 7. Motor mit Wechselrichter 8. Planetengetriebe A08-04 (10) 2008

11 Dieselelektrische Lösung A08-04 (11) 2008

12 Versuchsaufbau für Vergleichsmessung Einzugs-, Vorsatz- und Speisepumpe am Motorverteilergetriebe 2. Hydraulischer Vorsatzmotor mit mech. Triebstrang (Serie) 3. Summiergetriebe 4. DLG PowerMix Modul mit mechanischer Schnittstelle (DLG mech ) 5. Hydraulischer Einzugsmotor Hydraulikpumpenaggregat mit 100 ccm Verstellpumpe 7. Hydraulische Schnittstelle DLG PowerMix (DLG hydr ) 8. DLG PowerMix Zugleistungsmesswagen A08-04 (12) 2008

13 Ergebnisse Betriebsverhalten im Feldversuch Wirkungsgrade unter stationären Bedingungen Energieeffizienz während typischer Einsatzzyklen Leistungsgewicht Leistungsdichte Kosten im Vergleich A08-04 (13) 2008

14 Betriebsverhalten - hydraulischer und elektrischer Einzugsantrieb im Feldversuch - Hydraulischer Antrieb Elektrischer Antrieb Druck 500 [bar] [l/min] 160 Volumenstrom Häufigster gemessener Betriebspunkt Effektivstrom 300 [A] [1/min] Drehzahl I N I max A08-04 (14) 2008

15 Wirkungsgradvorteil des elektrischen Triebstrangs % /min Drehzahl Dieselmotor 0.12 Wirkungsgrad- Wirkungsgradvorteil Wirkungsgradvorteil in Prozentpunkten Drehzahl Dieselmotor Theoretische Häcksellänge: 8 mm Rel. Lastmoment Rel. Lastmoment A08-04 (15) 2008

16 Energieeffizienz im typischen Zyklus im Vergleich 1,0 0,9 0,8 1 Energieeffizienz Wirkungsgrad 0,7 0,6 0,5 0,4 0, ,2 0,1 0, Nm 220 Drehmoment Drehmoment 1 Elektrischer hydraulischer Leerlauf Triebstrang 2 Triebstrang 3 Elektrik 4 Leerlauf Hydraulik A08-04 (16) 2008

17 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: hydraulisch-mechanischer Vorsatzantrieb: 11,3 kg/kw 15,9 kg/kw - Bilanz für Gesamttriebstrang Vorsatz und Einzug: dieselelektrische Lösung: 689,6 kg 17,2 kg/kw hydraulische Lösung: 565,6 kg 14,1 kg/kw Aber: Vergleich der in Serie und Versuch tatsächlich verbauten Lösungen nur bedingt aussagekräftig A08-04 (17) 2008

18 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 A08-04 (18) 2008

19 Anschaffungskosten 50 tsd. 45 Anschaffungskosten Anschaffungskosten elektrische Wandler Schutzkonzept Kühlsystem Leistungsübertragung Zubehör Elektrischer Serientriebstrang * Hydraulischer Serientriebstrang Elektrisch Prototyp *) abgeschätzt Elektrisch Serie Hydraulisch Serie Elektrisch Prototyp Elektrisch Serie Hydraulik Serie A08-04 (19) 2008

20 25 Tsd. 20 Betriebskosten aus heutiger Sicht Preis Kraftstoff: 1,30 /l Gebundenes Kapital ,90 /l 6,94 /l 4,75 /l Preis Hydrauliköl: a 10 Nutzungsdauer A08-04 (20) 2008

21 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 A08-04 (21) 2008

22 Der Antriebsstrang von morgen? Brennstoff Zelle Schüttler Siebkasten Einzugskanal gebläse Synchron Antrieb Gebläse Verteiler EDU EDU Elektr. Zwischenspeicher EDU EDU EDU drive unit Strohhäcksler Korntankvorgelege Messervorgelege Schrägförderwalze Dreschtrommel drive unit Beschleunigertrommel drive unit Absauggebläse Steuerungsund Überwachungseinheit Überkehrschnecke Kornschnecke Leistungs BUS power electronics EDU EDU EDU EDU motor motor EDUFahrantrieb Steuer BUS A08-04 (22) 2008

23 Danke! DBU: KRONE: Für die finanzielle Unterstützung! Für Projektleitung, personelle und materielle Unterstützung! Servax Für die große Flexibilität und das Engagement zur kurzfristigen & Reel: Anpassung! DLG: LfL: Für die Bereitstellung des DLG PowerMix Messwagens Und hier ganz besonders der Werkstatt, für die große Flexibilität und Hilfsbereitschaft in der Zusammenarbeit Lehrstuhl: Allen Mitarbeitern Ihnen: Für Ihr Kommen! A08-04 (23) 2008