elektrische antriebe in selbstfahrenden landmaschinen · gesamtstra ng t t t η η η wandler ......
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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Elektrischer Triebstrang:BetriebsverhaltenLeistungsgewicht mP
gÜbertragun
Wandler
t
t
ηη
Feldversuch
Elektrischer Prototyptriebsstrang
elektrisch hydraulisch(Serie)
Versuchsträger Big X mit easyCollect
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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
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6 5 Die
selm
otor
Lehrstuhl für Agrarsystemtechnik
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
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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
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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
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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
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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
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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
ungs
grad
3
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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
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vort
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1500
1550
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0.10
0.20
0.301/min
1800
50 75 100 % 140
0.12
Rel. Lastmoment
Dre
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Rel. Lastmoment
Dre
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selm
otor
Wirk
ungs
grad
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Wirk
ungs
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n P
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n
Theoretische Häcksellänge: 8 mm
Wirk
ungs
grad
vort
eil
Wirk
ungs
grad
vort
eil i
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
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grad
23
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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
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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
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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
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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
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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
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Leistungsgewicht des Gesamttriebstrangs um 22% höher
Leistungsdichte um Faktor 3,9 schlechter
Amortisierung der höheren Anschaffungskosten nach voller Nutzungsdauer
Der Antriebsstrang von morgen?
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Syn
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lect
roni
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
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und Hilfsbereitschaft in der Zusammenarbeit
� Lehrstuhl: Allen Mitarbeitern
� Ihnen: Für Ihr Kommen!