Einsatzmöglichkeiten elektrischer Antriebe für landwirtschaftliche Maschinenkombinationen

Abstract

Tractor-Implement-Systems are a vital component of agricultural mechanization. Their replacement by self propelled machines seems unlikely in the foreseeable future. At the same time, rising needs for food, high cost of energy, and a limited workforce require continuing increases in productivity. However, this should not have a negative impact on the environment. Technological progress is therefore of outstanding importance. Looking for trends in neighboring domains an increase in the utilization of electric drives can be observed. The research presented in this thesis shows that electric drives offer various benefits for agricultural tractors and implements ? the most important advantages being efficiency, controllability, and the possibility to distribute components. Yet, to fully utilize what electric drives have to offer it is necessary to pay close attention to system architecture as well as operator control concepts to make them work in the special environment of agricultural machinery. A concept was developed that is building on the ISOBUSidea of distributed control systems. For instance, the controller (i.e. the inverter) was placed on the tractor whereas the actuator (i.e. the motor) is on the implement. Given the frequent reconfiguration of the machines the inverter thus becomes a multi-purpose component. Easy, safe, comfortable, and profitable use is achieved by a high degree of standardization of the connector ? which includes automatic identification and configuration. Analytical models as well as prototype machinery of a fertilizer spreader, a sprayer, and a trailer with a propelled axle yielded a multitude of benefits. These include reduced fuel consumption for the spreader, less residual volume for the sprayer and better traction and vehicle dynamics for the propelled trailer. The good controllability of electric drives proved to be especially beneficial for those implements usually associated with precision farming: spreader and sprayer. Unproductive times for coupling and filling can be reduced. A propelled trailer helps to reduce soil compaction. The systems presented here are, however, in an early phase of development. The benefits of decoupling implement drivelines form the tractor?s engine speed could be proven. Due to their superior efficiency under partial loads electric drives are especially advantageous in applications that come with a wide range of loads. As far as complexity and ease of use are concerned, all three implements profited from the implementation of electric drives. In all cases safety and comfort of coupling the implement did increase. However, the systems are still limited both in functionality as well as level of automation. But given the good controllability, which is independent of most external influences, it is fair to assume that there is a high potential for improvements in this regard. When it comes to system control, a high degree of integration will be mandatory for the operator to fully utilize this increasing functionality. The required standardization is yet to be achieved. A mere substitution of a given drive by an electric drive is not always sensible. The use of electric drives necessitates a revision of rotational speed levels ? or more generally speaking ? of the working principle. It is vital to include the overload capability of electric drives into these considerations. The propelled trailer has a clear advantage in traction in the field whereas driving dynamics have a higher importance on the road. Whether it is a traction-assist or a drive that can be utilized over the entire speed range drives the power required and hence cost, weight, and space. In the end, this is an economical question but it may also be significantly influenced by legislation.

Traktor-Geräte-Systeme stellen einen elementaren Bestandteil der landwirtschaftlichen Mechanisierung dar, eine Verdrängung durch selbstfahrende Maschinen ist nicht abzusehen. Gleichzeitig ist bei steigendem Nahrungsmittelbedarf, hohen Energiekosten und geringer Verfügbarkeit von geeigneten Arbeitskräften eine fortgesetzte Produktivitätssteigerung unumgänglich. Diese soll jedoch nicht zu Lasten der Umwelt gehen. Aus diesem Grund kommt dem technischen Fortschritt in diesem Bereich nach wie vor eine große Bedeutung zu. Der Blick in benachbarte Fachgebiete zeigt hier eine steigende Verbreitung elektrischer Antriebe, deren Einsetzbarkeit für die Kombination Traktor und Gerät im Rahmen dieser Arbeit untersucht wurde. Es zeigte sich, dass elektrische Antriebe in diesem Umfeld einige Vorteile bieten, die vor allem in der Effizienz, der Steuer- und Regelbarkeit und der aufgelösten Bauweise liegen. Damit elektrische Antriebe jedoch unter den besonderen Rahmenbedingungen der Landtechnik sinnvoll eingesetzt werden können, muss ein verstärktes Augenmerk auch auf die Systemarchitektur und das Bedienkonzept gelegt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Systemvorschlag erarbeitet, der stark auf den Ideen des ISOBUS und insbesondere auf den darin vorgesehenen verteilten, maschinenübergreifenden Regelkreisen beruht. So werden das Stellglied ?Umrichter? auf dem Traktor und der Aktor ?Motor? auf dem Gerät angesiedelt. Damit wird eine Mehrfachnutzung der Umrichter ermöglicht, die der häufigen Rekonfiguration der landwirtschaftlichen Maschinenkombinationen Rechnung trägt. Eine einfache, sichere, komfortable und wirtschaftliche Anwendung wird dabei durch einen hohen Grad der Vereinheitlichung der Steckverbinder, gepaart mit einer automatischen Identifikation und Konfiguration, erreicht. An den konkreten Beispielen Düngerstreuer, Pflanzenschutzspritze und Triebachsanhänger konnte in rechnerischen Modellen und anhand von prototypischen Maschinen eine Vielzahl von Vorteilen erarbeitet werden. Diese reichen von der Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs beim Düngerstreuer, über die Reduzierung technischer Restmengen bei der Feldspritze bis zu Verbesserungen in Traktion und Fahrverhalten beim Triebachsanhänger. Insbesondere die häufig mit dem precision farming in Verbindung gebrachten Geräte Düngerstreuer und Spritze profitieren dabei von der guten Regelbarkeit der elektrischen Antriebe. Unproduktive Nebenzeiten zum Ankuppeln und Befüllen können verringert werden. Ein Triebachsanhänger trägt auch zur Bodenschonung bei. Die hier dargestellten Systeme stehen am Beginn einer Entwicklung. Die Vorteilhaftigkeit der Entkopplung der Geräteantriebe von der Drehzahl des Verbrennungsmotors konnte nachgewiesen werden. Besondere Vorteile erschießen sich in Antriebsaufgaben, die typischerweise ein hohes Spektrum von Lasten abdecken müssen, da hier die guten Teillastwirkungsgrade der elektrischen Antriebe verstärkt zum Tragen kommen. Für alle drei Geräte gemeinsam gilt, dass sie bezüglich ihrer Komplexität und Anwendungsfreundlichkeit von einem elektrischen Antrieb profitieren. So kann in allen Fällen der Komfort und die Sicherheit beim Ankuppeln verbessert werden. Allerdings sind die Systeme noch vergleichsweise eingeschränkt in ihrer Funktionalität und dem Grad der Automatisierung. Auf Grund der guten und von externen Faktoren weitestgehend unabhängigen Regelbarkeit der Antriebe kann allerdings ein erhebliches Potenzial in diese Richtung als gegeben vorausgesetzt werden. Um diese in der Zukunft noch wachsenden Funktionen für den Anwender nutzbar zu machen, bedarf es einer verbesserten Einbindung in die Systemsteuerung. Die dazu notwendige Normungsarbeit ist zu leisten. Nicht immer ist eine einfache Substitution der Antriebsart sinnvoll, der Einsatz elektrischer Antriebe bedarf immer auch der Überprüfung z.B. des Drehzahlniveaus oder ? allgemeiner ? des Arbeitsprinzips. Hierbei muss insbesondere die Überlastbarkeit der elektrischen Maschinen berücksichtigt werden. Das Beispiel Triebachsanhänger zeigt, dass seine Vorteile im Feld im Bereich der Traktion zu sehen sind, während auf der Straße die Fahrdynamikregelung eine größere Rolle spielt. In wie weit der Antrieb jedoch als eine Traktionshilfe für den Einsatz im Gelände oder als über den gesamten Geschwindigkeitsbereich einsetzbarer Fahrantrieb ausgeführt wird, ist nicht zuletzt auch eine Frage der installierten Leistung und damit von Kosten, Gewicht und Bauraum. Letztlich läuft diese Frage auf wirtschaftliche Kriterien hinaus, kann jedoch auch von gesetzlichen Rahmenbedingungen massiv beeinflusst werden.