Elektrische Antriebe in selbstfahrenden Landmaschinen

Elektrische Antriebe in
selbstfahrenden Landmaschinen
Dipl.-Ing.(FH) Michael Gallmeier
Prof. i.R. Dr. Dr. habil. Hermann Auernhammer
Lehrstuhl für Agrarsystemtechnik
Wissenschaftszentrum Weihenstephan fü
für Ernä
Ernährung, Landnutzung und Umwelt (WZW)
Department Ingenieurwissenschaften fü
für Lebensmittel und biogene Rohstoffe
Pressekonferenz
Weihenstephan
28. Mä
März 2008
Lehrstuhl für Agrarsystemtechnik
A08-04 (1)
© 2008
DBU - AZ 23326
Energie heute und morgen
morgen
72 %
heute
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)
Lehrstuhl für Agrarsystemtechnik
A08-04 (2)
© 2008
DBU - AZ 23326
Vergleich von elektrischen, mechanischen und
hydraulischen Antrieben (im Traktor)
Bewertungskriterien
Elektrisch
Mechanisch
Hydraulisch
gut
gut
gering
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
teilweise hoch
hoch
gering
Leistungsgewicht
Leistungsdichte
Kosten
Aumer, W., Lindner, M., Geißler, N., Herlitzius, T.: Elektrischer Traktor: Vision oder Zukunft? Landtechnik 63 (2008), 14-15
Mobile Notstromversorgung
nicht
sehr gut
nicht
Aumer, W., Lindner, M., Geißler, N., Herlitzius, T.: Elektrischer Traktor: Vision oder Zukunft? Landtechnik 63 (2008), 14-15
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A08-04 (3)
© 2008
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Antriebsstrukturen heute und mögliche Verbesserungen
Verbrennungsmotor
Strohhäcksler
Korntankvorgelege
Entkopplung
der direkten Verbindung
zwischen
Antriebseinheit und Arbeitseinheiten
Einzugskanal-absauggebläse
erhöhte Wirkungsgrade
- reduzierte Abgasemissionen
Schüttler
Synchronantrieb
Siebkasten
Messervorgelege
Überkehrschnecke
Obere
SchrägförderEntkopplung
walze der Antriebsmodule
- erhöhte Leistung durch spezifische Anpassung
- reduzierte Verluste im Teillastbereich
Absauggebläse
Gebläse
Kornschnecke
Pumpe
Stroh-/Spreuverteiler
Motor
Stroh-/Spreuverteiler
Dreschtrommel
Beschleunigertrommel
Beispiel CLAAS Lexion 580 Mähdrescher
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A08-04 (4)
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Antriebsstrukturen heute - Potenziale
Primäre Energiequelle
Wandler
Wandler
Antriebsstrang
Wandler
η
Generator
Brennstoffzelle
elektrisch
chemisch
η = 0,90
E-Motor
η = 0, 90
η = 0,79
hydr. Strang
η= 0,92
elektr. Leitung
& Elektronik
η= 0,78
mech. Strang
hydr. Pumpe
η = 0, 82
hydraulisch
η = 0,82
elektrisch hydraulisch
Hydr. Pumpe
mechanisch
VerbrennungsMotor
mechanisch
chemisch
mech. Strang
tot
Nicht
drehzahlvariabel ! = 0,79
hydr. Strang
η = 0, 92
η = 0,78
E-Motor
© 2008
= 0,62
ηtot
=0,63
η = 0, 90
Nicht
drehzahlvariabel !
hydr. Motor
ηtot
= 0,71
ηtot
= 0,56
η = 0, 82
E-Motor
η = 0, 90
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A08-04 (5)
ηtot
η= 0,82
η = 0, 79
elektr. Leitung
& Elektronik
Systemvere
infachung
hydr. Motor
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ηtot
= 0,70
Forschungsstrategie „Elektrische Antriebe“
Zweimotoren-Maschine bietet ideale Plattform für modulares Forschungskonzept
1
3
2
4
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
AntriebsschlupfRegelung mit
Erweiterung ESP
Drehzahlentkoppelung
zum Dieselmotor und
Schleifmanagement
Systemvereinfachung
Stufenloser Antrieb
beim Einzug ohne
Zusatzgetriebe
(Rekuperation)
(Rekuperation)
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A08-04 (6)
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Methodisches Vorgehen
Feldversuch
Hydraulischer
Serienantriebsstrang
Monte-Carlo Analyse
Hydraulischer Triebstrang:
Betriebsverhalten
Leistungsgewicht mP
Hydraulischer Triebstrang:
Typischer Lastzyklus
ηt Gesamtstrang
ηt Wandler
Elektrischer
Prototyptriebstrang
M
3~
M
3~
AC
DC
AC
DC
Prüfstand
ηt Übertragung
Elektrischer Triebstrang:
DC
AC
ηt Gesamtstrang
G
3~
elektrisch
hydraulisch
(Serie)
Feldversuch
ηt Wandler
ηt Übertragung
Elektrischer Triebstrang:
Betriebsverhalten
Leistungsgewicht mP
Elektrischer
Prototyptriebsstrang
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A08-04 (7)
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Versuchsträger Big X mit easyCollect
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A08-04 (8)
© 2008
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Hydraulischer Vorsatz- und Einzugsantrieb (heutige Serie)
6
2
5
Dieselmotor
9
Dieselmotor
8
1
3
7
4
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
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A08-04 (9)
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Dieselelektrische Vorsatz- und Einzugsantrieb
AC
DC
7
3
8
1
4
M
3~
M
3~
DC
AC
1. Synchrongenerator
Dieselmotor
M
3~
AC
DC
DC
AC
G
3~
LS
5
6
2
2. Leistungsschalter
4. Zwischenkreiskondensatoren &
Bremswiderstände
3. Gleichrichterbrücke
5. Steuerung und Sicherheit
6. Zwischenkreis (400 – 750 VDC)
7. Motor mit Wechselrichter
8. Planetengetriebe
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A08-04 (10)
Dieselmotor
ohne Kühlsystem
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Dieselelektrische Lösung
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A08-04 (11)
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Versuchsaufbau für
Vergleichsmessung
4
3
2
1
1. Einzugs-, Vorsatz- und Speisepumpe
am Motorverteilergetriebe
5
2. Hydraulischer Vorsatzmotor mit mech. Triebstrang (Serie)
6
3. Summiergetriebe
7
4. DLG PowerMix Modul mit mechanischer Schnittstelle (DLGmech)
8
5. Hydraulischer Einzugsmotor
6. Hydraulikpumpenaggregat mit 100 ccm Verstellpumpe
7. Hydraulische Schnittstelle DLG PowerMix (DLGhydr)
8. DLG PowerMix Zugleistungsmesswagen
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A08-04 (12)
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DBU - AZ 23326
Ergebnisse
Betriebsverhalten im Feldversuch
Wirkungsgrade unter stationären Bedingungen
Energieeffizienz während typischer Einsatzzyklen
Leistungsgewicht
Leistungsdichte
Kosten im Vergleich
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A08-04 (13)
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Betriebsverhalten
- hydraulischer und elektrischer Einzugsantrieb im Feldversuch Hydraulischer Antrieb
Elektrischer Antrieb
300
500
[bar]
400
250
[A]
200
Effektivstrom
Druck
300
200
100
150
100
50
0
0
-100
-50
0
20
40
60 80 100 120 [l/min] 160
Volumenstrom
0
500
IN
Häufigster gemessener Betriebspunkt
1000 1500
Drehzahl
2000 [1/min]
2500 3000
Imax
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A08-04 (14)
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Wirkungsgradvorteil des elektrischen Triebstrangs
1500
0.27
1550
0.22
DDr
ereh
hzza
ahh
l lDD
ieiess
eelm
lm
oottoo
rr
1600
Wirkungsgradvorteil
Wirkungsgradvorteil
1650
1700
0.30
1/min
0.20
0.17
Wirkungsgradvorteil
inProzentpunkten
Prozentpunkten
Wirkungsgradvorteil in
0.32
0.12
0.10
1800
50
75
100
RR
ele. l.La
ststmmoment
La
%
140
Theoretische Häcksellänge: 8 mm
oment
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A08-04 (15)
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Energieeffizienz im typischen Zyklus im Vergleich
1,0
0,9
1
0,8
Energieeffizienz
Wirkungsgrad
0,7
3
2
0,6
0,5
4
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Nm
Drehmoment
Drehmoment
1
Elektrischer
Triebstrang
2
hydraulischer
Triebstrang
3
Leerlauf
Elektrik
4
Leerlauf
Hydraulik
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A08-04 (16)
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220
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:
hydraulische Lösung:
689,6 kg
565,6 kg
17,2 kg/kW
14,1 kg/kW
Aber: Vergleich der in Serie und Versuch tatsächlich verbauten
Lösungen nur bedingt aussagekräftig
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A08-04 (17)
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Baugröße und Leistungsdichte der Komponenten
Hydraulischer Motor (Serie)
Elektrischer Motor (Prototyp)
7,6 dm³
29,6 dm³
3,566 kW/dm³
0,916 kW/dm³
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A08-04 (18)
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Anschaffungskosten
50
elektrische Wandler
tsd.45
€
Schutzkonzept
Kühlsystem
40
Anschaffungskosten
Anschaffungskosten
Leistungsübertragung
35
Zubehör
Elektrischer Serientriebstrang *
30
Hydraulischer Serientriebstrang
25
20
15
10
5
0
Elektrisch
Elektrisch Prototyp
Prototyp
Elektrisch
Elektrisch Serie
Serie
Hydraulisch
Hydraulik Serie
Serie
*) abgeschätzt
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A08-04 (19)
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Betriebskosten aus heutiger Sicht
25
Preis
Kraftstoff:
Tsd.
20€
Gebundenes Kapital
1,30 €/l
15
1,90 €/l
10
6,94 €/l
4,75 €/l
5
Preis Hydrauliköl:
0
0
1
2
3
4
5
6
Nutzungsdauer
7
8
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A08-04 (20)
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DBU - AZ 23326
9a
10
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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A08-04 (21)
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DBU - AZ 23326
Kornschnecke
drive unit
motor
Strohhäcksler
Verteiler
EDU
EDU
EDU Siebkasten
Überkehrschnecke
motor
Brennstoff
Zelle
Schüttler
Gebläse
Beschleunigerdrive unit
trommel
EDU
power electronics
Synchron
Antrieb
Elektr.
Zwischenspeicher
Absauggebläse
EDU
Dreschdrive unit
trommel
EDU
Einzugskanal
gebläse
EDU EDU
Schrägförderwalze
EDU
Messervorgelege
Steuerungsund
Überwachungseinheit
Korntankvorgelege
Der Antriebsstrang von morgen?
EDU Fahrantrieb
Leistungs BUS
Steuer BUS
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A08-04 (22)
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DBU - AZ 23326
Danke !
DBU:
Für die finanzielle Unterstützung!
KRONE:
Für Projektleitung, personelle und materielle Unterstützung!
Servax
& Reel:
Für die große Flexibilität und das Engagement zur kurzfristigen
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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