Lehrstuhl für Agrarsystemtechnik
DBU - AZ 23326A08-04 (1) © 2008
Dipl.Dipl.Dipl.Dipl.Dipl.Dipl.Dipl.Dipl.--------Ing.(FH) Michael GallmeierIng.(FH) Michael GallmeierIng.(FH) Michael GallmeierIng.(FH) Michael GallmeierIng.(FH) Michael GallmeierIng.(FH) Michael GallmeierIng.(FH) Michael GallmeierIng.(FH) Michael Gallmeier
Prof. i.R. Dr. Dr. habil. Hermann AuernhammerProf. i.R. Dr. Dr. habil. Hermann AuernhammerProf. i.R. Dr. Dr. habil. Hermann AuernhammerProf. i.R. Dr. Dr. habil. Hermann AuernhammerProf. i.R. Dr. Dr. habil. Hermann AuernhammerProf. i.R. Dr. Dr. habil. Hermann AuernhammerProf. i.R. Dr. Dr. habil. Hermann AuernhammerProf. i.R. Dr. Dr. habil. Hermann Auernhammer
Lehrstuhl fLehrstuhl füür Agrarsystemtechnikr AgrarsystemtechnikWissenschaftszentrum Weihenstephan fWissenschaftszentrum Weihenstephan füür Ernr Ernäährung, Landnutzung und Umwelt (WZW)hrung, Landnutzung und Umwelt (WZW)
Department Ingenieurwissenschaften fDepartment Ingenieurwissenschaften füür Lebensmittel und biogene Rohstoffer Lebensmittel und biogene Rohstoffe
PressekonferenzPressekonferenzWeihenstephan
28. M28. Määrz 2008rz 2008
Elektrische Antriebe in Elektrische Antriebe in
selbstfahrenden Landmaschinenselbstfahrenden Landmaschinen
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Energie heute und morgen
� Endlichkeit der „fossilen Energievorräte“ absehbar:
� Energie effizienter nutzen (heutige Systeme kritisch hinterfragen)
� Einsatz der Zukunftsenergien vorbereiten (nationalen Vorsprung erarbeiten)
Quelle: Welt im Wandel: Energiewende zur Nachhaltigkeit, Berlin, 2003
� Zukunft führt ins „Stromzeitalter“:
� Elektrische Energie dominant (auch diese effizient nutzen)
� Mobile Technik keine Ausnahme (Antriebsstrukturen entwickeln)
heute
morgen
72 %
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Mobile Notstromversorgung sehr gut nicht nicht
Vergleich von elektrischen, mechanischen und
hydraulischen Antrieben (im Traktor)
Bewertungskriterien Elektrisch Mechanisch Hydraulisch
Leistungsgewicht 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
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
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Verbrennungs-motor
Absauggebläse
ObereSchrägförder-
walze
Messer-vorgelege
Synchronantrieb
Einzugskanal-absauggebläse
Korntankvorgelege Strohhäcksler
Schüttler
Siebkasten
Kornschnecke
Überkehr-schnecke
Gebläse
MotorStroh-/Spreu-
verteiler
PumpeStroh-/Spreu-
verteiler
Dresch-trommel
Beschleuniger-trommel
Antriebsstrukturen heute und mögliche Verbesserungen
Entkopplung der direkten Verbindung zwischen Antriebseinheit und Arbeitseinheiten
- erhöhte Wirkungsgrade - reduzierte Abgasemissionen
Entkopplung der Antriebsmodule- erhöhte Leistung durch spezifische Anpassung
- reduzierte Verluste im Teillastbereich
Beispiel CLAAS Lexion 580 Mähdrescher
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Antriebsstrukturen heute - Potenziale
hyd
raulis
ch
Hydr. Pumpe hydr. Motorhydr. Strang
E-Motorelektr. Leitung& Elektronik
ηtot
= = = = 0,70
η = 0,78 η = 0, 90
η= 0,92η = 0,82
ηtot
= = = = 0,62η= 0,82
η = 0,79
ηtot
= = = = 0,79
ele
ktrisc
h
Generator E-Motorelektr. Leitung& Elektronik
η= 0,78η = 0,90
ηtot
=0,63η = 0, 90
hyd
raulis
ch
hydr. Pumpe hydr. Motorhydr. Strangηtot
= = = = 0,56η = 0, 82 η = 0, 92 η = 0, 82
η = 0, 90
ηtot
= = = = 0,71η = 0, 79
Brennstoffzelle
E-Motor
chem
isch
ele
ktrisc
h
mech
anis
ch mech. StrangNicht
drehzahlvariabel !
Primäre Energiequelle Wandler Antriebsstrang Wandler
Verbrennungs-Motor
chem
isch
mech
anis
ch
mech. Strang
Wandler
Nicht
drehzahlvariabel !
Systemvereinfachung
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Forschungsstrategie „Elektrische Antriebe“
Zweimotoren-Maschine bietet ideale Plattform für modulares Forschungskonzept
1
Hybrid
Generelles elektrisches Konzept
Vorsatz und Einzug
Keine mechanische
Leistungsverzweigung
im Vorsatz
Stufenloser Antrieb
beim Einzug ohne
Zusatzgetriebe
2
Hybrid
Optimierung des elektrischen Konzepts
Fahrantrieb
Antriebsschlupf-
Regelung mit
Erweiterung ESP
(Rekuperation)
3
Hybrid
Antriebsintegration in Bauteil
Häckseltrommel
Drehzahlentkoppelung
zum Dieselmotor und
Schleifmanagement
(Rekuperation)
4
Brennstoffzelle
Generelles elektrisches Konzept
Leistungs-BUS
Systemvereinfachung
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Methodisches Vorgehen
Elektrischer
Prototyptriebstrang
G3~
DC
AC
AC
DC
M3~
AC
DC
M3~
G3~
DC
AC
AC
DC
M3~
AC
DC
M3~
Elektrischer Triebstrang:
Betriebsverhalten
Leistungsgewicht mP
Typischer Lastzyklus
Monte-Carlo Analyse
gÜbertragun
Wandler
ngGesamtstra
t
t
t
η
η
η
gÜbertragun
Wandler
ngGesamtstra
t
t
t
η
η
η
Hydraulischer Triebstrang:
Elektrischer Triebstrang:
Hydraulischer Triebstrang:
Betriebsverhalten
Leistungsgewicht mP
Feldversuch
Elektrischer Prototyptriebsstrang
Feldversuch
Hydraulischer Serienantriebsstrang
Prüfstand
elektrisch hydraulisch(Serie)
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Versuchsträger Big X mit easyCollect
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Die
selm
oto
r
Hydraulischer Vorsatz- und Einzugsantrieb (heutige Serie)
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
1
2
3
4
7
6
8
5
9
1
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5
9
Druckmessumformer Volumenstrom Messrohr
Die
selm
oto
r
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Bremswiderstände
3. Gleichrichterbrücke
Dieselelektrische Vorsatz- und Einzugsantrieb ohne Kühlsystem
6. Zwischenkreis (400 – 750 VDC)1. Synchrongenerator
2. Leistungsschalter
4. Zwischenkreiskondensatoren &
5. Steuerung und Sicherheit
7. Motor mit Wechselrichter
8. Planetengetriebe
1
3
2
4
56
7
8
6. Zwischenkreis (400 – 750 VDC)1. Synchrongenerator
2. Leistungsschalter
4. Zwischenkreiskondensatoren &
5. Steuerung und Sicherheit
7. Motor mit Wechselrichter
8. Planetengetriebe
1
3
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7
8
DC
LS
AC
DC3~M
AC
G3~DC
AC3~M
3~M AC
DC
Die
selm
oto
r
Die
selm
oto
r
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Dieselelektrische Lösung
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Versuchsaufbau für
Vergleichsmessung
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. Hydraulikpumpenaggregat mit 100 ccm Verstellpumpe
7. Hydraulische Schnittstelle DLG PowerMix (DLGhydr)
8. DLG PowerMix Zugleistungsmesswagen
5. Hydraulischer Einzugsmotor
234 1
6
7
8
5
234 1
6
7
8
5
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Ergebnisse
Betriebsverhalten im Feldversuch
Wirkungsgrade unter stationären Bedingungen
Energieeffizienz während typischer Einsatzzyklen
Leistungsgewicht
Leistungsdichte
Kosten im Vergleich
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Volumenstrom
[bar]500
400
300
200
0
-100
100
0 20 60 80 100 120 160[l/min]40
Häufigster gemessener Betriebspunkt
Betriebsverhalten- hydraulischer und elektrischer Einzugsantrieb im Feldversuch -
Dru
ck
Hydraulischer Antrieb
Drehzahl
300
250
200
150
50
-50
0
100
0 500 1000 1500 2000 2500 3000[1/min]
[A]
IN Imax
Effekt
ivst
rom
Elektrischer Antrieb
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Wirkungsgradvorteil des elektrischen Triebstrangs
0.10
0.20
0.30
1500
1550
1600
1650
1700
1/min
1800
50 75 100 % 140
0.12
0.17
0.22
0.27
0.32
Rel. Lastmoment
Dre
hzah
l Diese
lmot
or
Wirk
ungsg
radvo
rteil
Wirk
ungsg
radvo
rteil
in P
roze
ntp
unkt
en
0.10
0.20
0.30
1500
1550
1600
1650
1700
1/min
1800
50 75 100 % 140
0.12
0.17
0.22
0.27
0.32
Rel. Lastmoment
Dre
hzah
l Diese
lmot
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Wirk
ungsg
radvo
rteil
Wirk
ungsg
radvo
rteil
in P
roze
ntp
unkt
en
Theoretische Häcksellänge: 8 mm
Wirku
ngsg
rad-
vorteil
Rel. Lastmoment
Wirku
ngsg
radvo
rteil
in P
roze
ntp
unkt
en
Dre
hzah
l Diese
lmot
or
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DBU - AZ 23326A08-04 (16) © 2008
Energieeffizienz im typischen Zyklus im Vergleich
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220
Drehmoment
Wirku
ngsg
rad
Nm
1
23
4
Elektrischer Triebstrang
hydraulischer Triebstrang
Leerlauf Hydraulik
Leerlauf Elektrik1 2 3 4
Energ
ieeffiz
ienz
Drehmoment
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DBU - AZ 23326A08-04 (17) © 2008
- Neue Lösungskonzepte ermöglichen trotzdem Vorteile im Leistungsgewicht :
elektrischer Vorsatzantrieb: 11,3 kg/kW
hydraulisch-mechanischer Vorsatzantrieb: 15,9 kg/kW
Leistungsgewicht der Komponenten und Triebstränge
- Deutliche Nachteile im Bereich der elektrischen Wandler:
Im Mittel um den Faktor 3,0 schwerer als hydraulische Pendants
Aber: Vergleich der in Serie und Versuch tatsächlich verbauten Lösungen nur bedingt aussagekräftig
- Bilanz für Gesamttriebstrang Vorsatz und Einzug:
dieselelektrische Lösung: 689,6 kg 17,2 kg/kW
hydraulische Lösung: 565,6 kg 14,1 kg/kW
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Baugröße und Leistungsdichte der Komponenten
Hydraulischer Motor (Serie)
7,6 dm³
3,566 kW/dm³
Elektrischer Motor (Prototyp)
29,6 dm³
0,916 kW/dm³
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Anschaffungskosten
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Elektrisch Prototyp Elektrisch Serie Hydraulik Serie
Ansc
haffungsk
ost
en
elektrische Wandler
Kühlsystem
Leistungsübertragung
Schutzkonzept
Zubehör
Elektrischer Serientriebstrang *
Hydraulischer Serientriebstrang
*) abgeschätzt
tsd. €
Ansc
haffungsk
ost
en
Elektrisch Serie Hydraulisch SerieElektrisch Prototyp
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0
5
10
15
20
25
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Nutzungsdauer
Geb
unde
nes
Kapita
l
a
Tsd. €
Betriebskosten aus heutiger Sicht
1,30 €/l
Preis Kraftstoff:
1,90 €/l
Preis Hydrauliköl:
6,94 €/l
4,75 €/l
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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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Der Antriebsstrang von morgen?
BrennstoffZelle S
troh-
häck
sler
Korn
tank-
vorg
ele
geSchüttler
Siebkasten
Syn
chro
nA
ntrie
b
Mess
er-
vorg
ele
ge
Sch
räg-
förd
erw
alz
e
Ein
zugsk
anal
geblä
se
Dre
sch-
trom
mel
Besc
hle
unig
er-
trom
mel
Absa
ug-
geblä
se
Geblä
se
Verteile
r
Steuerungs-und
Überwachungs-einheit
Steuer BUS
Leistungs BUS
drive
unit
Überk
ehr-
schneck
e
Korn
-sc
hneck
e
drive
unit
drive
unit
EDUEDU
EDU
EDUEDU
pow
er ele
ctro
nic
s
motor motor
EDU EDU EDU EDU
Elektr.Zwischen-speicher
FahrantriebEDU
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Danke !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
� Lehrstuhl: Allen Mitarbeitern
� Ihnen: Für Ihr Kommen!