Tagung Hybridantriebe für mobile Arbeitsmaschinen 97

Motivation und Konzepte zum Einsatz elektrischer Antriebstechnik im Ackerschlepper am Beispiel MELA

Dipl.-Ing. Andreas Szajek

AGCO GmbH Johann-Georg-Fendt-Str. 487616 Marktoberdorfandreas.szajek@xfendt.de

1 AbstractAusgehend vom aktuellen Stand der Technik werden die Beweggründe erläu-tert, die den Einsatz elektrischer Antriebstechnik im Ackerschlepper interessant erscheinen lässt. Entscheidend sind der stetig steigende Bedarf an elektrischer Leistung in Fahrzeug und Anbaugeräten, der hinsichtlich Effizienz häufig subop-timale Betrieb von Nebenaggregaten und eine weitere Verbesserung der stufen-losen Antriebstechnik. Als Beispiel für eine Applizierung elektrischer Antriebs-technik im Offroad-Bereich wird das Konzept im Forschungsprojekt MELA erläu-tert, das bereits einigen Anforderungen, die sich ergeben haben, gerecht wird und zukunftsweisende neue Perspektiven eröffnet.

98 Motivation und Konzepte zum Einsatz elektrischer Antriebstechnik im Ackerschlepper am BeispielMELA

2 EinführungMELA (Mobile Eektrische Leistungs- und Antriebstechnik) wurde Mitte 2000 von Herrn Prof. Dr. Michael Saller(Fachhochschule Regensburg) initiiert. Folgende Kooperationspartner wurden für das Forschungsvorhaben gewonnen:

● Fa. AGCO (mit der Marke Fendt Traktoren, Marktoberdorf)● Fa. Sensortechnik Wiedemann (Kaufbeuren)● Fraunhofer-Gesellschaft (FhG IIS-A Erlangen)● Fachhochschule Regensburg (Fachbereich Maschinenbau)● TU München (EAT: Mitarbeit bis 31.09.2002)

Das Forschungsvorhaben wurde im September 2001 mit einer Laufzeit von drei Jahren begonnen. Nach Ende der Förderung wird das Forschungsprojekt unter Berücksichtigung der gewonnenen Erkenntnisse von einigen Kooperationspart-nern weitergeführt:

● Fa. AGCO (mit der Marke Fendt Traktoren, Marktoberdorf)● Fa. Sensortechnik Wiedemann (Kaufbeuren)● Baumüller GmbH (Nürnberg) ● Fachhochschule Regensburg (Fachbereich Maschinenbau)● Schlögl Hydraulik GmbH (Wernberg-Köblitz)

Im Folgenden soll kurz – ausgehend vom aktuellen Stand der Technik – erläu-tert werden, inwiefern ein Einsatz dieselelektrischer Leistungserzeugung und Antriebstechnik in einem Ackerschlepper denkbar und sinnvoll ist.

3 Motivation zum Einsatz elektrischer Versorgungs- und Antriebstechnik

3.1 Elektrischer Leistungsbedarf im FahrzeugDer geforderte Bedarf elektrischer Energie im Ackerschlepper ist im Laufe der letzten Jahre immer größer geworden. Die Einführung von Komfortfunktionen, intelligenter Antriebstechnik und automatisierten Funktionen im Fahrzeug und in Anbaugeräten haben den Bedarf an elektrischer Energie kontinuierlich wachsen lassen. Die Erzeugung elektrischer Energie auf herkömmlichem Weg (riemen-getriebener Generator zur Niederspannungs-Bordnetzversorgung) stößt an Kapazitätsgrenzen.

Tagung Hybridantriebe für mobile Arbeitsmaschinen 99

Als Beispiel dient ein Modell im mittleren Leistungsbereich:Fahrzeugtyp: Fendt Favorit 716 VarioMotorleistung: 125 kWGenerator: 14 V 200 A (ursprünglich 12 V 125 A)durchschnittlicher Strombedarf (gemittelt über verschiedene Feldarbeiten):Tagbetrieb: 65,6 ANachtbetrieb: 133,8 ADarin eingeschlossen sind 20,8 A für ein Heckanbaugerät (Die ISO-Geräte-steckdose für Anbaugeräte ist für eine Stromentnahme von max. 60 A spezifi-ziert.).Die maximal übertragbare elektrische Energie wird begrenzt von der Kapazität des Generators und dem Spannungsniveau des Bordnetzes. In Fahrzeugen höherer Leistung werden zwei Generatoren parallel eingesetzt, um die erforder-liche elektrische Leistung zu erzeugen.

3.1 Effizienz und Leistungsaufnahme der NebenaggregateDie Nebenaggregate sind in der Regel starr an den Verbrennungsmotor gekop-pelt und damit direkt von dessen Drehzahl abhängig. Somit folgen die Drehzah-len ungeachtet vom tatsächlichen Bedarf, der vom jeweiligen Aggregat gefordert wird, und unabhängig vom idealen Betriebspunkt oder –bereich der Motordreh-zahl. Selbst wenn ein Nebenaggregat nur „leer“ mitläuft, weil momentan kein Bedarf besteht, ergeben sich Leerlaufverluste.Einige Nebenaggregate, die so betrieben werden, sind z. B.:

● Motorlüfter (max. 15 kW)● Klimakompressor (max. 5 kW)● Luftpresser (max. 1,1 kW)● Load-Sensing und Lenkhydraulik (max. 2,8 kW)● Hydraulikpumpen Arbeitshydraulik (max. 20 kW)

Bei einem alternativen elektrischen Antrieb dieser Aggregate ergeben sich fol-gende Vorteile:

● Betrieb nur im Bedarfsfall, ansonsten echte Abschaltung (Leistungsbe-darf Null)

● Einbaulage unabhängig von der Lage zum Verbrennungsmotor● Betrieb eines Aggregates im wirkungsgradoptimalen Punkt oder

Bereich● fast konstantes Moment über einen weiten Drehzahlbereich

100 Motivation und Konzepte zum Einsatz elektrischer Antriebstechnik im Ackerschlepper am BeispielMELA

3.2 Betrieb von AnbaugerätenFür Anbaugeräte, die mit einem Schlepper verbunden werden, gelten ähnliche Argumente.

● Durch erhöhten Einsatz von elektrischen und elektronischen Kompo-nenten steigt der Leistungsbedarf für den Betrieb der Anbaugeräte ste-tig an.

● Über die Zapfwelle sind die Geräte starr an die Dieselmotordrehzahl gekoppelt, und es kann nur zwischen einigen wenigen Übersetzungs-stufen gewählt werden. Eine unabhängige, für die jeweilige Arbeit oder den Betriebspunkt des Gerätes optimale Drehzahleinstellung wäre wünschenswert.

● Mechanische Entkoppelung des Geräteantriebs schafft Freiheiten in der Einbaulage des Antriebs.

3.3 Stufenlose AntriebstechnikStufenlose Fahrantriebe haben sich als Stand der Technik etabliert und werden vielfach in Ackerschleppern eingesetzt. Das vorhandene hohe Niveau soll weiter verfeinert und verbessert werden.Besonderes Augenmerk wird gerichtet auf:

● Wirkungsgrad in verschiedenen Arbeitsbereichen● hohe Regelgüte und Effizienz hinsichtlich Zugkraft● Maximierung der übertragbaren Leistung

4 MELA-Konzept

4.1 ZielsetzungZiel des MELA-Projektes ist es, ein dieselelektrisches Antriebskonzept zu entwi-ckeln, das:

● ein offenes elektrisches Hochspannungsnetz zur Verfügung stellt, das sowohl zur Versorgung der fahrzeuginternen Nebenantriebe, als auch zur Abdeckung des Energiebedarfs in Anbaugeräten dient,

● den Anschluss elektrischer Verbraucher z. B. in Form von Anbaugerä-ten ermöglicht, um elektrische Energie aus dem „mobilen Kraftwerk“ entnehmen zu können,

● ein neues Starterkonzept beinhaltet, damit wesentliche Komponenten aus dem Niederspannungsnetz entfallen,

● den elektrischen Antrieb von Nebenaggregaten vorsieht, die dann drehzahl- oder momentgeregelt wirkungsgradoptimal dargestellt wer-den können,

Tagung Hybridantriebe für mobile Arbeitsmaschinen 101

● die Anwendung und Weiterentwicklung (hier: elektrisch-mechanische Leistungsverzweigung) stufenloser Getriebetechnik mit hohem Wir-kungsgrad ermöglicht,

● ein Schutz- und Sicherheitskonzept für ein mobiles Hochspannungs-netz beinhaltet, das den Anforderungen hinsichtlich Isolation, Berühr-schutz, sowie Fehlererkennung und -abschaltung gerecht wird.

4.2 Aufbau

Abb. 1: Aufbau Gesamtsystem MELA

Der Verbrennungsmotor treibt einen permanent erregten Synchrongenerator (Primärmaschine) an, der über einen Wechselrichter Gleichspannung erzeugt. Dies ist erforderlich, um alle Verbraucher, die an dieses Hochstromnetz ange-schlossen sind, unabhängig voneinander regeln zu können.

NA

102 Motivation und Konzepte zum Einsatz elektrischer Antriebstechnik im Ackerschlepper am BeispielMELA

Zwei leistungsmäßig gleiche Sekundärmaschinen treiben ein Getriebe an, das elektrisch-mechanisch leistungsverzweigt oder rein elektrisch betrieben werden kann.Über eine Sicherheitssteckdose kann elektrische Leistung (540 V DC) aus dem mobilen Kraftwerk entnommen werden. Diese kann z. B. dazu dienen, Anbau-geräte drehzahlgeregelt anzutreiben oder ganz einfach elektrische Energie an beliebigen Orten zur Verfügung stellen („mobiles Kraftwerk“). Ein bidirektionaler DC/DC-Wandler erzeugt einerseits aus der Bordnetzspan-nung (12 V) Hochspannung, um über den Generator den Verbrennungsmotor zu starten, andererseits wird im laufenden Betrieb von der Hochspannung in die Bordspannung gewandelt.Für den Antrieb von Nebenaggregaten stehen somit sowohl das Mittelspan-nungsnetz als auch das Niederspannungsbordnetz zur Verfügung. Versor-gungsengpässe sollten hier nicht auftreten.

4.3 Erforderliche KomponentenDa Komponenten, die zur Durchführung des Forschungsvorhabens erforderlich waren, nicht mit den spezifizierten Anforderungen erhältlich sind, werden diese in weiten Teilen neu entwickelt:

● leistungsverzweigtes Getriebe mit verschiedenen Betriebsmodi● kompakte, flüssigkeitsgekühlte permanentmagnet-erregte Synchron-

maschine mit abgestimmtem Wechselrichter● bidirektionaler DC/DC-Wandler● Schutzkonzept, Leistungssteckdose für Mittelspannungsnetz,

Anschlussleitung für externe VerbraucherExemplarisch wird hier eine Kernkomponente näher betrachtet:

4.3.1 Synchronmaschine mit WechselrichterUm die erforderliche Leistung baugrößenverträglich in einem Fahrzeug darstel-len zu können, musste die Größe bestehender elektrischer Maschinen reduziert werden. Durch ein spezielles Kühlkonzept mit direkter Flüssigkeitskühlung der Statorwicklungen und Wicklungsköpfe konnte die Baugröße der PMSM um ca. 40% im Vergleich zur Standardgröße (130 KW bei 3000 1/min) reduziert wer-den. Aufgrund von Kosten und Baugröße des Zwischenkreiskondensators, der zur Stabilisierung des Zwischenkreises (540 V DC) erforderlich ist, wurde auch hier über eine Reduktion nachgedacht. Über eine Erhöhung der Phasenanzahl (von drei auf sechs) und der Entwicklung eines speziellen Pulsmusters für die feldorientierte Regelung können Spannungsspitzen der Zwischenkreisspannung um den Faktor vier reduziert und damit die Kapazität bzw. die Baugröße des Zwischenkreiskondensators erheblich verkleinert werden.

Tagung Hybridantriebe für mobile Arbeitsmaschinen 103

Bild 2: Schnittbild PMSM mit Kühlung

Abb. 3: PMSM mit Wechselrichter, Baugröße

Der Wechselrichter wird benötigt, um eine Elektromaschine drehzahl- oder momentenvariabel ansteuern zu können (motorischer Betrieb) oder die Aus-gangsspannung in einem Punkt zu halten (generatorischer Betrieb). Da große Leitungslängen zwischen Wechselrichter und Elektromaschinen in der Anlagentechnik im Allgemeinen zu starken Reflexionen und damit zu Überspan-nungen führen, musste der Wandler mit kürzestmöglicher Leitung angeschlos-sen werden. Deshalb wurde eine Anordnung gewählt, bei der Motor, Wechsel-richter und Zwischenkreiskondensator eine Einheit bilden, wobei ein Wechsel-richter direkt auf dem Lagerschild der E-Maschine angebracht ist. Die direkt auf dem Lagerschild liegende Leistungselektronik ist ebenfalls flüssigkeitsgekühlt, um die Belastung der leistungselektronischen Bauelemente (IGBTs) durch Ther-mostress zu verringern und so deren Lebensdauer signifikant zu erhöhen.

420 mm 210 mm

104 Motivation und Konzepte zum Einsatz elektrischer Antriebstechnik im Ackerschlepper am BeispielMELA

Abb. 4: Wechselrichter, Wärmetauscher und Zwischenkreiskondensator, Unterseite Wärmetauscher

Für den mobilen Einsatz ergeben sich zusätzliche Anforderungen an die Kom-ponenten, die insbesondere bei der Optimierung und Weiterentwicklung der Elektromaschinen und des Wechselrichters berücksichtigt werden müssen:

● Temperaturfestigkeit● Beständigkeit gegen Vibration und Schock● Haltbarkeit der Leistungshalbleiter (IGBT)● Verbesserung des Wirkungsgrades in breiterem Drehzahlband, keine

Fixierung auf den Nennpunkt

4.4 Nächste SchritteDie zum Aufbau des dieselelektrischen Antriebssystems erforderlichen Einzel-komponenten müssen offroad-tauglich weiterentwickelt werden. Verschiedene dieselelektrische Antriebskonzepte sind bzgl. ihrer Einsatzfähigkeit hinsichtlich Aufbau, Zuverlässigkeit, Kundennutzen und Kosten miteinander zu vergleichen. Eine Konzeptvariante wird mit den entwickelten Komponenten aufgebaut, um im Feldeinsatz Erfahrungen zu liefern.

Tagung Hybridantriebe für mobile Arbeitsmaschinen 105

5 Literatur[1] Böttinger, S.: Informations- und Regelsysteme am Mähdrescher,

Stand der Technik und Entwicklungstendenzen, Landtechnik (55) SH: S. 96-98

[2] Wortberg, T., Kamps, Th., Schiffers, R.: Welche Energie kostet ein Antrieb?, Kunststoffe 2003 (3): S. 64-70

[3] Bernhard, B., Kutzbach, H.D.: Alternative Konzepte für den Mähdre-scher Fahrantrieb. VDI Tagung Landtechnik, VDI-Verlag 2002: S. 93-97

[4] Gallmeier, M., Auernhammer, H.: Test cycles for dynamic testing and simulation of agricultural equipment, Proceedings of CIGR world con-gress 2006 Agricultural Engineering for a better world, VDI-Verlag 2006

[5] Egbers, M., Kronsbein, C., Ruckelshausen, A.: Online-Messung des Reifegrades von Maispflanzen zur Optimierung der Häckselqualität, Tagungsband VDI Tagung Landtechnik, VDI-Verlag 2005

[6] Sauer-Danfoss: Technische Information Axialkolbenverstellpumpen Baureihe 90, Technische Dokumentation DKMH.PN.342.A1.03 520L0952 10/2005

[7] Sauer-Danfoss: Technische Information Axialkolbenmotoren Baureihe 90, Technische Dokumentation DKMH.PN.343.A1.03 520L0953 10/2005

[8] De Doncker, R., Fiedler, J.O., Fuengwarodsakul N.H., Bauer, St. Carstensen, Ch.: State of the art of Switched Reluctance Drives for Hybrid and Electric Vehicles, Proceedings of 5th International Power Electronics Conference IPEC05, Niigata, Japan 2005

[9] März, M., Pöch, M., Schimanek, E., Schletz, A.: Mechatronic Integra-tion into the Hybrid Powertrain – The Thermal Challenge, APE-Confe-rence, Paris, Frankreich 2006