Wolfgang Aumer, Mike Geißler · Professur für Agrarsystemtechnik Fakultät Maschinenwesen Institut für Verarbeitungsmaschinen und Mobile Arbeitsmaschinen VDI-Seminar Landtechnik

Professur für AgrarsystemtechnikFakultät Maschinenwesen Institut für Verarbeitungsmaschinen und Mobile Arbeitsmaschinen

VDI-Seminar Landtechnik

Potenziale der Hybridisierung inLandmaschinen

Freising, 08. Juli 2010

Thomas HerlitziusWolfgang Aumer, Mike Geißler

208. Juli 2010 Potenziale der Hybridisierung in Landmaschinen 2

Gliederung

• Entwicklungstendenzen

• Einsatzmöglichkeiten hybrider Systeme

• Fahrantriebe und integrierte Funktionsantriebe

• Leistungsanforderungen an hybride Antriebe

• Voraussetzungen für die Umsetzung

- Gliederung


Leistungsentwicklung Beispiel Selbstfahrer und Traktoren

0

100

200

300

400

500

600

700

800

1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020Jahr

Mot

orle

istu

ng [k

W]

Feldhäcksler

Rotormähdrescher

Schüttlermähdrescher

Traktorena

kW4,8

akW7,11

akW0,5

akW8,1

- Entwicklungstendenzen


Entwicklungstendenzen von Antrieben in Landmaschinen

Die installierte Motorleistung wird weiter steigen. Tier 4 verlangt externe Abgasnachbehandlung und verstärkt den Mangel an verfügbarem Bauraum. Tier 4 bindet bis nach 2015 enorme Entwicklungskapazitäten, die keinen Kundennutzen erzielen.

Steigende Kraftstoffkosten werden die Forderung nach Erhöhung des Wirkungsgrades verstärken. Besonders hydraulische Komponenten sind im Fokus. Elektrische Antriebe könnten eine Alternative sein, wobei deren hohe Masse ein Problem darstellt. Der Arbeitsprozess und Verfahrenseffizienz bieten noch große Reserven.

Erntemaschinen und Traktor - Geräte - Kombinationen stoßen bereits heute an die Grenzen der StVZO. Der schädigende Einfluss von Bodenverdichtungen ist kaum adressiert. Integrierte Antriebe können helfen.

Arbeitsproduktivität steigt auch bei höherer Auslastung der installierten Leistung durch Automatisierungslösungen. Kostengünstige drehzahlveränderliche Antriebslösungen können helfen, Grenzen heutiger Riemen- und Kettenantriebe zu erweitern und gleichzeitig höhere Antriebsleistungen übertragen.

- Entwicklungstendenzen


Einsatzmöglichkeiten hybrider Antriebssysteme

• Hohe Funktionalität

• Geringe Kosten

Anforderungen an das Antriebssystem • Rekuperation

• Betriebspunktverschiebung desVerbrennungsmotors

• Kurzzeitiger emissionsfreier Betrieb

• Hydraulischer oder elektrischerAnschluss

Potenziale hybrider Antriebssysteme

• Phlegmatisieren und Start-Stopp-Betrieb desVerbrennungsmotors

- Einsatzmöglichkeiten hybrider Systeme

• Hohe Energieeffizienz

• Gute dynamische Eigenschaften

• Hohe Flexibilität

• Bedienfreundlichkeit• Automatisierbarkeit desGesamtssystems

• Boosten• Individuelle Steuer- und Regelbarkeitder Einzelantriebe

Quelle: Institut für Fluidtechnik, Technische Universität Dresden.


2010 2015 2020 Jahr

Kom

plex

ität

Elektrischer4-Radantrieb

Elektrisch angetriebeneImplements

ElektrischesSchneidwerk

Traktor und Implementals Einheit

ElektrischerRadantrieb

ElektrischerMähdrescher

ElektrischeArbeitsorgane

Verteilte elektrische Antriebe / mehrachsiges

Antriebssystem

Implement-schnittstelle

Neues Mähdrescher-konzept

Elektrischer Traktor

MähdrescherTraktorImplementAntriebssystem

Power Pack

Roadmap Elektrische Antriebe


El.-mech. Zapfwelle

Elektr. GP-Schneidwerk

ElektrischeHinterachse

ElektrischeDreschtrommel


Gegenüberstellung Antriebsarten

hochGering bis mittel

gering bis hoch

Aufwand zur Abführung der Verlustleistung

hochgeringteilweise hochKosten

sehr gutgutsehr gutKonstruktive Gestaltung

gut/geringsehr gutsehr gutWirkungsgrad

gutgeringsehr gutSteuer- und Regelbarkeit

gutgeringgutEnergiespeicherung

gutgutsehr gutEnergieübertragung

sehr gutgutgeringLeistungsdichte

sehr gutgutgeringLeistungsgewicht

HydraulischMechanischElektrischBewertungskriterien



Quelle: Institut für Fluidtechnik, Technische Universität Dresden.

HydrostatischLeistungsverzweigt

Hydrodynamisch

Einzelradantrieb

Antriebssysteme Heute

- Fahrantriebe und integrierte Funktionsantriebe


Antriebssysteme Zukunft

Beispiel: Integrierter elektrischer 4-Radantrieb• Permanenterregter Synchronmotor• 33 kW• Wassergekühlt• 4 Rad-Lenkung



• Leistungselektronik für den mobilen Einsatz• Geringe Leistungsdichte (0,9 … 3,2 kW/dm3, 5 … 1 kg/kW) treibt zu

– Großem Rotordurchmesser– Drehzahlen bis zu 3000 min-1 und Untersetzungsgetrieben– Intensiver Kühlung– Anwendungsspezifische (lastfallabhängige) Auslegung

Herausforderungen



Integrierte Funktionsantriebe

FeldhäckslerTU München

Düngerstreuer Rauch

Dreschtrommel TU Dresden



Einsatzprofil Traktor

Quelle: Renius, K.-Th.: Trends in Tractor Design with Particular Reference to Europe, Journal of agricultural Engineering. Res. 57(1994) Nr. 1, S. 3-22.

• Zeitanteile können nach Betriebund Kundensegment stark variieren

Forderung nach Optionalitätder zur Verfügung gestelltenLeistungsschnittstelle

• Zeitanteil möglicher elektrischangetriebener Geräte beikleinen Leistungen höher

• Bodenbearbeitung mit großenTraktoren und Transport habenheute wenig Potenzial für Elektrifizierung …

… es sei denn …

- Leistungsanforderungen an hybride Antriebe


Quelle: Bernhardt, G.: Studie über Möglichkeiten und Effekte bei der Anwendung intelligenter Antriebssysteme in mobilen Arbeitsmaschinen, 2004.

150 kW80 kW

50 kW

20 kW

10 kWKartoffelroder (einreihig)

pneum. Drillmaschine

Bodenfräse (3m)Rundballenpresse

GesamtmaschinenHäckseltrommel (SFH)

Cracker (SFH)

Häckslervorsatz (SFH)Einzugswalzen (SFH)

Module am Feldhäcksler

Schrägförderer (MD)

Dreschtrommel (MD)

Siebkasten (MD) Strohhäcksler (MD)Gebläse (MD)

Dreschtrommel (MD)

0

500

1000

1500

2000

2500

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500Drehzahl [min-1]

Dre

hm

om

ent

[Nm

]

Einzelaggregate

Mähscheibe

Schwaderkreisel

Kreisel (Kreiselegge)

Wenderkreisel Streuscheibe (DS)

Module am Mähdrescher

Leistungsanforderungen an Antriebe mobiler Arbeitsmaschinen

Quaderballenpresse



Bewertung Komplexität

Komplexität:

• Anzahl Teile im konventionellen Antriebsstrang

• Anzahl Antriebe gleicher Drehzahl

• Anzahl Antriebe gesamt

• Regelbedarf Wirkelement

• Machbarkeit elektr. anzutreiben

• Automatisierbarkeit

• Leistungsdichte, Bauraumbedarf

• Messdatenerfassung und Dokumentation

Komplexität der Maschinen als Funktion von Leistung und Stückzahl

0

10002000

30004000

5000

60007000

8000

0 50 100 150Antriebsleistung [kW]

Stü

ckza

hl [-

]

Mineraldüngerstr. Drillmaschinen Pflanzenschutzg.

Heuwerbem. Pressen Bodenbearbeitungsg.

Ladewagen



Alternative Energiebereitstellung

Traktor mit Zapfwelle

Gerät mit mechanischen Antrieben

Gerät mit variablen elektrischen Antrieben

Powerpack Option (mechanisch – elektrischeUmformung u. Steuerung)

heute

beginnende Marktdurchdringung elektrischer Antriebe unabhängig vom Traktor

zukünftige SzenarienTraktor mit variabler

Leistungsschnittstelle

DC

AC

Traktor mit Zapfwelle

Powerpack Option(elektrische Umformung

u. Steuerung)


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