Motivation und Konzepte zum Einsatz elektrischer Antriebstechnik ...

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. 4
87616 Marktoberdorf
andreas.szajek@xfendt.de
1 Abstract
Ausgehend vom aktuellen Stand der Technik werden die Beweggründe erläutert,
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 suboptimale
Betrieb von Nebenaggregaten und eine weitere Verbesserung der stufenlosen
Antriebstechnik. Als Beispiel für eine Applizierung elektrischer Antriebstechnik
im Offroad-Bereich wird das Konzept im Forschungsprojekt MELA erläutert,
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 Beispiel
MELA
2 Einführung
MELA (Mobile Eektrische Leistungs- und Antriebstechnik) wurde Mitte 2000 von
Herrn Prof. Dr. Michael Saller(Fachhochschule Regensburg) initiiert. Folgende
Kooperationspartner wurden für das Forschungsvorhaben gewonnen:
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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 Kooperationspartnern
weitergeführt:
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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 – erläutert
werden, inwiefern ein Einsatz dieselelektrischer Leistungserzeugung und
Antriebstechnik in einem Ackerschlepper denkbar und sinnvoll ist.
3 Motivation zum Einsatz elektrischer Versorgungsund
Antriebstechnik
3.1 Elektrischer Leistungsbedarf im Fahrzeug
Der 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 (riemengetriebener
Generator zur Niederspannungs-Bordnetzversorgung) stößt an
Kapazitätsgrenzen.

Tagung Hybridantriebe für mobile Arbeitsmaschinen 99
Als Beispiel dient ein Modell im mittleren Leistungsbereich:
Fahrzeugtyp:
Motorleistung: 125 kW
Fendt Favorit 716 Vario
Generator: 14 V 200 A (ursprünglich 12 V 125 A)
durchschnittlicher Strombedarf (gemittelt über verschiedene Feldarbeiten):
Tagbetrieb: 65,6 A
Nachtbetrieb: 133,8 A
Darin eingeschlossen sind 20,8 A für ein Heckanbaugerät (Die ISO-Gerätesteckdose
für Anbaugeräte ist für eine Stromentnahme von max. 60 A spezifiziert.).
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 erforderliche
elektrische Leistung zu erzeugen.
3.1 Effizienz und Leistungsaufnahme der
Nebenaggregate
Die Nebenaggregate sind in der Regel starr an den Verbrennungsmotor gekoppelt
und damit direkt von dessen Drehzahl abhängig. Somit folgen die Drehzahlen
ungeachtet vom tatsächlichen Bedarf, der vom jeweiligen Aggregat gefordert
wird, und unabhängig vom idealen Betriebspunkt oder –bereich der Motordrehzahl.
Selbst wenn ein Nebenaggregat nur „leer“ mitläuft, weil momentan kein
Bedarf besteht, ergeben sich Leerlaufverluste.
Einige Nebenaggregate, die so betrieben werden, sind z. B.:
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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 folgende
Vorteile:
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Betrieb nur im Bedarfsfall, ansonsten echte Abschaltung (Leistungsbedarf
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 Beispiel
MELA
3.2 Betrieb von Anbaugeräten
Für Anbaugeräte, die mit einem Schlepper verbunden werden, gelten ähnliche
Argumente.
●
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Durch erhöhten Einsatz von elektrischen und elektronischen Komponenten
steigt der Leistungsbedarf für den Betrieb der Anbaugeräte stetig
an.
Über die Zapfwelle sind die Geräte starr an die Dieselmotordrehzahl
gekoppelt, und es kann nur zwischen einigen wenigen Übersetzungsstufen
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 Antriebstechnik
Stufenlose 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:
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Wirkungsgrad in verschiedenen Arbeitsbereichen
hohe Regelgüte und Effizienz hinsichtlich Zugkraft
Maximierung der übertragbaren Leistung
4 MELA-Konzept
4.1 Zielsetzung
Ziel des MELA-Projektes ist es, ein dieselelektrisches Antriebskonzept zu entwickeln,
das:
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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 Anbaugeräten
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 werden
können,

Tagung Hybridantriebe für mobile Arbeitsmaschinen 101
●
●
die Anwendung und Weiterentwicklung (hier: elektrisch-mechanische
Leistungsverzweigung) stufenloser Getriebetechnik mit hohem Wirkungsgrad
ermöglicht,
ein Schutz- und Sicherheitskonzept für ein mobiles Hochspannungsnetz
beinhaltet, das den Anforderungen hinsichtlich Isolation, Berührschutz,
sowie Fehlererkennung und -abschaltung gerecht wird.
4.2 Aufbau
N
A
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 angeschlossen
sind, unabhängig voneinander regeln zu können.

102 Motivation und Konzepte zum Einsatz elektrischer Antriebstechnik im Ackerschlepper am Beispiel
MELA
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, Anbaugeräte
drehzahlgeregelt anzutreiben oder ganz einfach elektrische Energie an
beliebigen Orten zur Verfügung stellen („mobiles Kraftwerk“).
Ein bidirektionaler DC/DC-Wandler erzeugt einerseits aus der Bordnetzspannung
(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 Mittelspannungsnetz
als auch das Niederspannungsbordnetz zur Verfügung. Versorgungsengpässe
sollten hier nicht auftreten.
4.3 Erforderliche Komponenten
Da Komponenten, die zur Durchführung des Forschungsvorhabens erforderlich
waren, nicht mit den spezifizierten Anforderungen erhältlich sind, werden diese
in weiten Teilen neu entwickelt:
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●
●
leistungsverzweigtes Getriebe mit verschiedenen Betriebsmodi
kompakte, flüssigkeitsgekühlte permanentmagnet-erregte Synchronmaschine
mit abgestimmtem Wechselrichter
bidirektionaler DC/DC-Wandler
Schutzkonzept, Leistungssteckdose für Mittelspannungsnetz,
Anschlussleitung für externe Verbraucher
Exemplarisch wird hier eine Kernkomponente näher betrachtet:
4.3.1 Synchronmaschine mit Wechselrichter
Um die erforderliche Leistung baugrößenverträglich in einem Fahrzeug darstellen
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 werden.
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.

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Bild 2: Schnittbild PMSM mit Kühlung
420 mm 210 mm
Abb. 3: PMSM mit Wechselrichter, Baugröße
Der Wechselrichter wird benötigt, um eine Elektromaschine drehzahl- oder
momentenvariabel ansteuern zu können (motorischer Betrieb) oder die Ausgangsspannung
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 Überspannungen
führen, musste der Wandler mit kürzestmöglicher Leitung angeschlossen
werden. Deshalb wurde eine Anordnung gewählt, bei der Motor, Wechselrichter
und Zwischenkreiskondensator eine Einheit bilden, wobei ein Wechselrichter
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 Thermostress
zu verringern und so deren Lebensdauer signifikant zu erhöhen.

104 Motivation und Konzepte zum Einsatz elektrischer Antriebstechnik im Ackerschlepper am Beispiel
MELA
Abb. 4: Wechselrichter, Wärmetauscher und Zwischenkreiskondensator,
Unterseite Wärmetauscher
Für den mobilen Einsatz ergeben sich zusätzliche Anforderungen an die Komponenten,
die insbesondere bei der Optimierung und Weiterentwicklung der
Elektromaschinen und des Wechselrichters berücksichtigt werden müssen:
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●
●
●
Temperaturfestigkeit
Beständigkeit gegen Vibration und Schock
Haltbarkeit der Leistungshalbleiter (IGBT)
Verbesserung des Wirkungsgrades in breiterem Drehzahlband, keine
Fixierung auf den Nennpunkt
4.4 Nächste Schritte
Die zum Aufbau des dieselelektrischen Antriebssystems erforderlichen Einzelkomponenten
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:
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2006 Agricultural Engineering for a better world, VDI-Verlag
2006
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10/2005
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[9] März, M., Pöch, M., Schimanek, E., Schletz, A.: Mechatronic Integration
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Paris, Frankreich 2006