Elektrifizierung Landtechnik
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141105_Elektrifizierung Landtechnik_de_V05_Layout 1 05.11.14 11:19 Seite 1 Elektrifizierung Landtechnik Vom elektrifizierten Antriebsstrang bis zur Gesamtsystemauslegung In der Fahrzeugtechnik ist die Elektrifizierung von Triebsträngen Stand der Technik und trägt sowohl in rein elektrischen als auch hybriden Antrieben zur Verbesserung der Energieeffizienz und Einhaltung von Emissionsgrenzen bei. In den letzten Jahren wurden zahlreiche Projekte durchgeführt, welche die Elektrifizierung von Fahr- und Nebenantrieben auf mobilen Arbeitsmaschinen zum Ziel hatten. Zu den Einstiegshürden, diese Technologie in Serienanwendungen einzusetzen, gehört neben der Integration einer elektrischen Hochvoltinfrastruktur in die Arbeitseinheit auch die Verfügbarkeit von Komponenten, die einer strikten Kostenbewertung für die Serienproduktion bei gleichzeitiger Erfüllung der robusten Einsatzanforderungen standhalten. Neben der einfachen Substitution der bisher gewählten kinetischen oder hydraulischen Antriebe sind mit der Elektrifizierung erweiterte Funktionen möglich und müssen mit den Eigenschaften des Elektromotors für die Nutzung dargestellt werden. Elektromotoren sind sehr genau regelbar, die jeweiligen Antriebsmomente in hoher Auflösung verfügbar und Diagnosen des elektrischen Arbeitsgeräts sind mit geeigneten Algorithmen bewertbar. Als Beispiele sind die Diagnose des elektrifizierten Arbeitsgeräts/Implements vor dem Arbeitseinsatz oder die Behebung von Störfällen während des Arbeitseinsatzes genannt. Eine weitere Aufgabe wird in der gesamthaften Auslegung des Hochvoltsystems gesehen, da in den meisten Fällen die heute umgesetzten Elektrifizierungen auf die direkte Stromerzeugung an oder in der Zugmaschine und das getrennt entwickelte Implement verteilt sind. Zudem wird eine Vielzahl von Zugmaschinen und Implementen kombiniert, sodass eine Auslegung einen sehr robusten Ansatz wählt oder über eine Kombinationserkennung eine differenzierte Systemanpassung und -optimierung ermöglicht. Als weitere Kombinationsmöglichkeit wird die Ausstattung des Hochvoltsystems mit einem Energiespeicher gesehen, heutige Anwendungen zeigen diese Komponente nur in wenigen Fällen. Elektrifizierung Landtechnik mit • Auslegung Hochvoltsystem, • Entwicklung Hochvoltleistungskomponenten wie zum Beispiel Energiespeicher, • Sonderanwendung Elektromotorfamilie, • neuen Funktionen wie zum Beispiel Diagnose und Störfallbehebung. 141105_Elektrifizierung Landtechnik_de_V05_Layout 1 05.11.14 11:19 Seite 2 IAV GmbH Carnotstraße 1 · 10587 Berlin [email protected] +49 5373 80-55647 Elektrifizierung Landtechnik Werkzeuge und Prozesse Gesamtsystemauslegung Zur Bewertung des Gesamtsystems werden in der frühen Entwicklungsphase modular aufgebaute energetische Modelle aufgebaut und in den Auslegungsszenarien bewertet. Hiermit ist es möglich, die Vielzahl von Kombinationen schon früh auf ihre prinzipielle Eignung zu prüfen und für die einzelnen Komponenten die wesentlichen Leistungswerte zu spezifizieren. Das Simulationstool basiert auf einer Eigenentwicklung zur Berechnung der Fahrzeuglängsdynamik und wird hier zur Leistungsverzweigung von Zugmaschine und Implement genutzt. Die energetische Bewertung dient auch zur Auslegung der Topologie des Hochvoltsystems. Begleitend wird ein Sicherheitskonzept in der Auslegungsphase angelegt. Elektroantrieb mit Leistungselektronik, Energiespeicher und Hochvoltbordnetz Gesamtsystemsimulation Velodyn Berechnung Magnetfeld für die Bestimmung aktiver Teile Lagerräume Getriebeprüfstand Prüfzentrum E-Traktion Arbeitsräume Zelltester Messwarte Modulprüfstand Batterieprüfstand Änderungen vorbehalten; Stand: V 11/2014 Die einzelnen Komponenten werden mit weiterführenden Auslegungswerkzeugen genauer spezifiziert und im Detail ausgelegt. Hier stehen spezialisierte und erprobte Auslegungs-, Berechnungs- und Optimierungswerkzeuge zur Verfügung. Auf der Basis der Leistungsund Effizienzanforderungen werden beispielsweise unter Berücksichtigung von Package- und Gewichtsvorgaben die aktiven Teile des Elektromotors und in der Folge die passiven Komponenten wie Gehäuse, Lagerung und Kühlung entwickelt. Begleitet werden diese Auslegungen mit Festigkeits- und Geräuschbetrachtungen. Als weiterer wesentlicher Aspekt erfolgt in dieser Phase eine durchgehende Bewertung der Systemkosten. Anschließend stehen für die Prototypenphase alle Daten zur Umsetzung zur Verfügung. In dieser Methodik entwickelt IAV eine Familie von elektrischen Antriebsmotoren im Leistungsbereich von 6 kW bis 30 kW, die hinsichtlich der Anforderungen für eine Serienanwendung in der Landtechnik geeignet erscheint. Das komplette Antriebsmodul setzt sich aus der Asynchronmaschine, einem in das Gehäuse integrierten Wechselrichter sowie einem Vorschaltgetriebe zur Drehzahlanpassung zusammen. Selbstverständlich können auch Teile der Methodik zur Bewertung von vorhandenen Komponenten im Rahmen eines Benchmarks genutzt werden. Prüfzentrum E-Traktion E-Maschinenprüfstand Hochvoltsystemintegrationsversuche Ein Schwerpunkt bei der Elektrifizierung von Antrieben ist die Systemintegration der Hochvoltkomponenten in der Validierungsphase. Um das Zusammenspiel von elektrischen und mechanischen Leistungseinheiten mit den jeweiligen Steuerungen optimal zu managen, werden im Prüfzentrum E-Traktion die Hochvoltkomponenten real aufgebaut, im Verbund abgestimmt und erprobt. Dabei können unterschiedliche Konfigurationen im Testzentrum E-Traktion umgesetzt werden. Die Leistungen von Hochvoltbatterie und E-Antriebsprüfständen liegen im Bereich bis zu 250 kW und sind thermisch konditionierbar und in der Prüfumgebung klimatisierbar. www.iav.com www.iav.com
