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
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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
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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
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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.
608. Juli 2010 Potenziale der Hybridisierung in Landmaschinen 6
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
- Einsatzmöglichkeiten hybrider Systeme
El.-mech. Zapfwelle
Elektr. GP-Schneidwerk
ElektrischeHinterachse
ElektrischeDreschtrommel
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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
- Einsatzmöglichkeiten hybrider Systeme
808. Juli 2010 Potenziale der Hybridisierung in Landmaschinen 8
Quelle: Institut für Fluidtechnik, Technische Universität Dresden.
HydrostatischLeistungsverzweigt
Hydrodynamisch
Einzelradantrieb
Antriebssysteme Heute
- Fahrantriebe und integrierte Funktionsantriebe
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Antriebssysteme Zukunft
Beispiel: Integrierter elektrischer 4-Radantrieb• Permanenterregter Synchronmotor• 33 kW• Wassergekühlt• 4 Rad-Lenkung
- Fahrantriebe und integrierte Funktionsantriebe
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• 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
- Fahrantriebe und integrierte Funktionsantriebe
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Integrierte Funktionsantriebe
FeldhäckslerTU München
Düngerstreuer Rauch
Dreschtrommel TU Dresden
- Fahrantriebe und integrierte Funktionsantriebe
1208. Juli 2010 Potenziale der Hybridisierung in Landmaschinen 12
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
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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
- Leistungsanforderungen an hybride Antriebe
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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
- Leistungsanforderungen an hybride Antriebe
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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)
- Leistungsanforderungen an hybride Antriebe