Hybridantrieb für mobile Arbeitsmaschinen mit 750-VDC-Bordnetz

Das Hybridantriebssystem powerMELA wird in Land- und Baumaschinen, Nutz- oder Kommunalfahrzeugen eingesetzt, um Diesel-elektrische Fahrantriebe zu realisieren. Darüber hinaus können damit an einem offenen elektrischen Bordnetz sowohl verschiedene Verbraucher, als auch Aufbau- und Anbaugeräte elektrisch betrieben werden.

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Actronic-Solutions GmbH

Sensor-Technik Wiedemann GmbH (STW)

Hybridantriebe und Hochvolt-Bordnetze gewinnen für mobile Arbeitsmaschinen zunehmend an Bedeutung. Die Maschinen sollen dabei immer leistungsfähiger sowie sicherer und komfortabler werden. Gleichzeitig müssen die Herstellungskosten sinken.

Auch der Wunsch nach mehr Automatisierung erfordert zunehmend den Einsatz von Elektronik und großer elektrischer Leistung in den Fahrzeugen und Maschinen. Steigende Energiekosten und strengere Umweltauflagen treiben die Innovation.

Bordnetz des Diesel-elektrischen Fahrantriebs versorgt auch Verbraucher

In einem Kooperationsprojekt entwickelt die Sensor-Technik Wiedemann Komponenten für das Hybridantriebssystem powerMELA. Es wird in Land- und Baumaschinen, Nutz- oder Kommunalfahrzeugen eingesetzt, um Diesel-elektrische Fahrantriebe zu realisieren. Darüber hinaus können damit an einem offenen elektrischen Bordnetz sowohl verschiedene Verbraucher, als auch Aufbau- und Anbaugeräte elektrisch betrieben werden. Überschüssige Energie speichert ein System in einer elektrischen Batterie und stellt sie später zur Verfügung.

Als Energielieferant treibt der Dieselmotor den Generator an. Dieser erzeugt über den integrierten Frequenzumrichter im Generator eine Gleichspannung von 750 V. Aus dem mobilen, offenen, drehzahlunabhängigen Gleichstromnetz kann die erforderliche Leistung entnommen werden. Gleichzeitig werden Überlastschutz, optimierter Energieverbrauch und andere Aufgaben bezüglich der jeweiligen Antriebsaufgabe gewährleistet.

Elektromotoren, die an das Bordnetz angeschlossen sind, treiben direkt oder über Untersetzungsgetriebe die Räder an. Die Elektromotoren können bequem online über CAN-Bus angesteuert und geregelt werden. Je nach Aufgabenstellung erfolgt die Regelung nach Moment, Drehzahl, Spannung oder Rotorpositon. Eine in den DC-Zwischenkreis geschaltete Schutzeinrichtung überwacht das Hochvolt-Bordnetz auf Überspannung, Unterspannung, Isolationsschäden und dient als Abschalteinrichtung.

Viel elektrische Leistung bei kleinen Kabelquerschnitten übertragen

Die an das 750-V-Bordnetz angeschlossenen Hochlast-Anbaugeräte und Onboard-Verbraucher werden unabhängig voneinander geregelt. Durch die hohe Spannung von 750 V kann viel elektrische Leistung bei niedrigen Strömen bei kleinen Kaberquerschnitten übertragen werden. In der elektrischen Leitung wird das Kühlmedium transportiert, um den Verkabelungsaufwand gering zu halten. Ein weiterer Umrichter stellt eine Leistung von 15 kW bei 400 V AC über eine Steckdose für weitere Verbraucher bereit.

Der Hybridantrieb ermöglicht höhere Fahrgeschwindigkeiten, die exakte Einstellung der Fahrgeschwindigkeit, stufenlose Verstellung ohne Zugkraftunterbrechung und gute Traktion bei wechselndem Untergrund. Ebenso kann das vorhandene Niveau des stufenlosen Fahrantriebes verbessert werden, denn die verschiedenen Arbeitsbereiche können bei optimalem Wirkungsgrad angefahren werden.

Aufgrund der hohen Regelgüte und Effizienz kann die erforderliche Zugkraft im Boostbetrieb maximiert werden. Außerdem erzielt die Energierückspeisung (Rekuperation) während den Arbeitsbewegungen eine Energieeinsparung von bis zu 40 Prozent.

Bordelektronik steuert das Antriebssystem

Das powerMELA-Antriebssystem und das 750-VDC-Bordnetz bestehen aus mechanischen, elektrischen und softwaretechnischen Komponenten. Sie lassen sich einfach über die Bordelektronik steuern. Dies bedeutet eine ganzheitliche Systemintegration von elektrischer Maschine, Leistungs- und Steuerelektronik. Die Vernetzung der Komponenten erfolgt über den CAN-Bus. Durch den modularen Aufbau lassen sich verschiedene Hybrid-Konzepte realisieren.

Das Kernstück ist die E-Maschine. Die Anforderungen an geringe Baugröße, höchstmöglichen Wirkungsgrad in allen Arbeitspunkten sowie ein optimales dynamisches Verhalten wurden hier umgesetzt. Mit einem Gewicht von 130 kg und Abmessungen von 440 mm x 290 mm x 405 mm sind hier kleine kompakte 140-kW-Motoren und Generatoren inklusive Frequenzumrichter verfügbar.

Der Einsatz elektrischer Komponenten ermöglicht die zunehmende, kostengünstige Automatisierung und schafft so die Grundvoraussetzungen für erweiterte Einsatzmöglichkeiten der Maschinen.

Nachfrage nach elektrischer Leistung steigt

Mit steigender Effizienz und Leistungsaufnahme von Nebenaggregaten wie beispielsweise Motorlüfter, Klimakompressor, Luftverdichter und Hydraulikpumpen steigt auch die Nachfrage nach elektrischer Leistung in einer mobilen Arbeitsmaschine.

Der bisherige Anbau von konventionellen Nebenaggregaten hat Nachteile wie beispielsweise starre Kopplung an den Verbrennungsmotor. Dies bedeutet: direkte Drehzahlabhängigkeit und das Nebenaggregat läuft ständig mit (Leerlaufverluste). Der Betrieb ist häufig außerhalb des optimalen Betriebspunktes und die bedarfsabhängige Steuerung und Regelung ist nur bedingt möglich.

Betrieb nur im Bedarfsfall

Durch den Einsatz eines elektrischen Systems erfolgt der Betrieb nur im Bedarfsfall, ansonsten wird eine echte Abschaltung (verlustfrei) ausgelöst. Die Einbaulage ist unabhängig vom Verbrennungsmotor. Die Aggregate können in einem wirkungsgradoptimalen Punkt betrieben werden. Ein gleichbleibend hohes Moment über einen weiten Drehzahlbereich ist realisierbar. Diese Vorteile sprechen für elektrische Nebenantriebe.

Ebenso ist ein steigender elektrischer Leistungsbedarf bei Anbaugeräten durch vermehrten Einsatz elektrischer/elektronischer Komponenten zu erwarten. Mit dem Einsatz eines powerMELA-Bordnetzes entfällt die starre Kopplung beispielsweise über eine Zapfwelle. Die Drehzahl ist variabel und unabhängig nach Betriebspunkt oder Arbeitseinsatz einstellbar. Durch die mechanische Entkoppelung des Antriebs ergeben sich auch hier neue Freiheitsgrade in der Einbaulage. Für das sichere An- und Abkuppeln der Verbraucher steht eine DC-Powersteckdose zur Verfügung.

Wieviel zahlt der Kunde für Hybridantriebe

Hybridkonzepte werden die Frage beantworten, wie viel der Kunde bereit ist für energieeffiziente Technik bei gleichzeitig hohem Komfort zu bezahlen. Zugleich bietet der Hybridantrieb die Möglichkeit, neue Kundenwünsche zu befriedigen und im Wettbewerb weitere Differenzierungsmerkmale zu anderen Fahrzeugherstellern zu schaffen. Gesetzliche Bestimmungen wie neue Schadstoffklassen und Steuervorteile beschleunigen den Marktzugang für Hybridfahrzeuge.

*Dietmar Schrägle ist Projektleiter für powerMELA bei der Sensor Technik Wiedemann, Kaufbeuren.

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