Energieforschung konkret

Projektinfo 11/2015

Hybrid-Baumaschinen Ein dieselelektrischer, hybrider Antrieb und optimierte Nebenaggregate sparen mehr als 40 % Treibstoff

Hybride Antriebe machen Baumaschinen nicht nur sparsamer und leiser – die Kraft zweier Motoren bietet darüber hinaus auch Leistungsreserven für besondere Belastungen. Welche Vorteile sich konkret aus der Kombi­nation eines Verbrennungsmotors mit elektrischem Antrieb ergeben, zeigt der Kölner Motorenhersteller DEUTZ an einem Umschlagbagger. Um das gesamte Einsparpotenzial aus­zuschöpfen, nahmen die Ingenieure in einem Teil des Projektes „Green Industrial Diesel“ (GRID) auch die Neben­aggregate unter die Lupe.

Langsam hebt der Umschlagbagger seinen Arm und schwenkt mit dem Oberwagen in einer 180-Grad-Drehung nach hinten. Der Greifer senkt das 1.000 Kilo schwere Testgewicht ab, um es gleich danach anzuheben und mit einer erneuten Drehung in die Ausgangsposition zurückzufahren. „Wir fahren hier einen von drei genau definierten Testzyklen“, erläutert Marco Brun, technischer Projektleiter für das GRID-Projekt bei der DEUTZ AG. „So können wir den Hybridantrieb praxisnah mit einem konventionellen System vergleichen.“Ungewohnte Betriebsgeräusche verraten es: ein Elektromotor dreht den Oberwagen. Auch das Abbremsen der Drehbewegung erledigt der Swing Drive. Dabei arbeitet er als Generator und wandelt einen Teil der Bewegungsenergie wieder zurück in elek-trische Energie. Ein Superkondensator als elektrischer Energiespeicher ermöglicht das energiesparende Wechselspiel von Strombezug und Stromlieferung. Der Die-selmotor des Baggers muss lediglich die nicht zurückgewonnene Energie und die Wirkungsgradverluste der elektrischen Komponenten ausgleichen.Das Nachladen des Superkondensators erledigt ein Generator, der an den 160 kW starken Dieselmotor des Baggers angeflanscht ist. Der Generator spielt zugleich

Dieses Forschungsprojekt wird gefördert vom

Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)

die entscheidende Rolle für den hybriden Antrieb der Baumaschine. Wenn besonders viel Kraft benötigt wird, kehrt die elektrische Maschine ihre Funktion um und unterstützt den Dieselantrieb als Elektromotor. Dabei nutzt er die zuvor gespeicherte Energie des Supercaps. Dieser Power-Boost verbessert die Systemdynamik bei Lastspitzen entscheidend. So wird insbesondere bei schlagartigem Lastaufbau im Arbeitsbetrieb das Dreh-moment besonders schnell durch den Elektromotor be-reitgestellt. Eine Start-Stopp-Funktion schaltet den Ver-brennungsmotor bei Betriebspausen des Umschlag - baggers automatisch ab. Der Neustart erfolgt ebenfalls automatisch durch die elektrische Maschine.Den neuen Hybridantrieb erproben die Ingenieure an einem TEREX FUCHS MHL350. Die 35 Tonnen schwere Maschine erreicht mit seinem Arm eine Ausladung von 16 Metern. Bei den typischen Bewegungsabläufen eines Umschlagbaggers kann das rekuperative System seine Vorteile besonders gut ausspielen. Wird beispielsweise Schrott verladen, schwenkt der Oberwagen hin und her. Bei einem konventionellen Serienmodell verwandelt je-des Abbremsen Bewegungsenergie in nutzlose Wärme. Der Schwenkvorgang verursacht dadurch mehr als die Hälfte des Dieselverbrauchs. Das Einsparpotenzial ist hier besonders groß.Die Entwicklungsingenieure sehen den elektrischen Schwenkantrieb aber nur als ein Beispiel für unterschied-liche Verbraucher in ihrem Hybrid-System. „Der Techno-logie-Transfer für andere Baumaschinen, Flurförderfahr-zeuge, Flugzeugschlepper und landwirtschaftliche Fahr- zeuge soll möglich sein“, sagt Brun.

Der Diesel-Elektro-HybridAls Verbrennungsmotor verwenden die Entwickler einen DEUTZ Dieselmotor, dessen Nebenaggregate und Kompo-nenten nochmals auf sparsamen Betrieb hin optimiert wur-den. Eine elektrische Maschine der Fa. Robert Bosch GmbH ist über eine elastische Kupplung an die gemeinsame An-triebswelle gekoppelt. Auf seinem Statorgehäuse sitzt die Hydraulikpumpe, die den Baggerarm bewegt. Der Antrieb ist so kompakt aufgebaut, dass er in den serienmä ßigen Oberwagen des Baggers integriert werden kann.

Supercap: hohe Leistung, kleine KapazitätDas Einsatzprofil des Baggers erfordert einen Energie-speicher, der extrem große Zyklenzahlen erreicht und sich durch sehr hohe Lade- und Entladeleistungen aus-zeichnet. Zudem soll er sich als sehr robust im praktischen

Einsatz erweisen und den Vibrationen in einer Baumaschine standhalten. Eine große Kapazität, wie sie bei Elektrofahrzeugen gefordert ist, ist hingegen nicht notwendig. Die Leistung aus dem Energiespeicher muss lediglich für maximal 5 bis 20 Sekunden zur Verfügung stehen, um kurzfristig auftretende Spitzenlasten abzudecken. All diesen Anforderungen werden Superkonden-satoren besser gerecht als die in Hybrid-Fahrzeugen gebräuchlichen Lithium-Ionen-Akkus. Die Ingenieure entwickelten daher einen DC/DC-Wandler mit Steuerungselektronik und Messtechnik rund um einen Superkondensator mit einer Kapazität von etwa 300 Wh.

Erfahrungen mit dem VersuchsbaggerDas komplexe Zusammenspiel von Dieselmotor, Motorgenerator, Energie-speicher und Oberwagenantrieb funktioniert wie erhofft sehr zuverlässig.

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StatorGehäuseRotor

ResolverKupplungswelleElastische KupplungSchwungradBogenzahnkupplung

StatorGehäuseRotor

ResolverKupplungswelleElastische KupplungSchwungradBogenzahnkupplung

elektrischer Schwenk-antrieb

Dieselmotor mit integrierter elektrischer Maschine

Motor-steuerung

Proportionalventile

Arbeits-zylinder

Hubzylinder

...Zylinder

Dieselmotor mit integrierter elektrischer Maschine

Motor-steuerungg

Hydraulik-pumpen

Wechsel-richter

SupercapPack

Wechselrichter

Swing DriveE-Machine

DEUTZ TCD 6.1 and Integrated Motor Genarator

EngineControl Unit

ProportionalValves

WorkingCylinderLiftingCylinder...Cylinder

DEUTZ TCD 6 1 and

EngineControl Unit

HydraulicPumps

Power Inverter

Super cap Pack

Power Inventer

Abb. 4 Dieselmotor mit E­Maschine und Hydraulikpumpe

Abb. 3 Systemaufbau des Hybridantriebs

Abb. 2 Auslegung von Dieselmotor, Elektroantrieben und Energiespeicher

Abb. 1 Der Hybridantrieb kombiniert einen 160 kW Dieselmotor mit einem 120 kW Motorgenerator

Leistungsdaten der Antriebskomponenten

Leistung Dieselmotor: 160 kW bei 2000 1/min

Spitzenleistung E­Maschine: 120 kW

Spitzenleistung Swing Drive: 100 kW

Energiegehalt Supercap Pack: 300 Wh

Auch die anfänglich als kritisch eingestuften elektrischen Komponenten, wie das Supercap Pack und der DC/DC-Wandler, erwiesen sich als robust. Die Kraftstoffeinsparung übertrifft die Erwartungen der Entwickler. Im praxisnahen Versuchsbetrieb sinkt der Verbrauch des Baggers um durch-schnittlich 7,6 Liter Diesel pro Betriebsstunde. Ausschlaggebend hierfür ist in erster Linie die Energierückgewinnung aus der Bewegung des Ober-wagens. Durch die Elektrifizierung des Schwenkantriebs konnten in dem betrachteten Arbeitszyklus 20 % Kraftstoff eingespart werden. Dies ent-spricht einer Einsparung von ca. 4,3 l/h Kraftstoff gegenüber der Referenz-maschine. Verwendet man zusätzlich die dynamische Drehzahlabsenkung, lassen sich die Verbrauchswerte sogar um mehr als 40 % bzw. 9,7 l/h ver-bessern. Bei einem typischen Arbeitseinsatz eines Umschlagbaggers läuft der Dieselmotor etwa ein Drittel der Zeit nur im niedrigen Leerlauf. In dieser

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StatorGehäuseRotor

ResolverKupplungswelleElastische KupplungSchwungradBogenzahnkupplung

StatorGehäuseRotor

ResolverKupplungswelleElastische KupplungSchwungradBogenzahnkupplung

Abb. 5 Der vollständige Hybridantrieb wurde 2013 auf einem Prüfstand getestet.

Abb. 6 Die kompakten Baugruppen des Hybridantriebes finden im Oberwagen des Baggers Platz (Draufsicht).

Abb. 2 Auslegung von Dieselmotor, Elektroantrieben und Energiespeicher

Zeit kann der Dieselmotor des Hybridmodells über die automatische Start-Stopp-Funktion abgestellt werden. Die Entwickler errechneten unter diesen Bedingungen eine Kraftstoffersparnis von 48 %.

PraxistauglichkeitIm Vergleich zum hybrid angetriebenen Kraftfahrzeug sind Baumaschinen sehr viel höheren Belastungen aus-gesetzt. Umwelteinflüsse, wie starke Stöße, Verschmut-zungen und die Reinigung der Maschine mit einem Hochdruckreiniger, müssen bei der Auslegung des Sys-tems berücksichtigt werden. Kleinere Reparatur- und Wartungsarbeiten werden zudem oft vom Bediener durchgeführt, der hierfür nicht speziell ausgebildet ist. Da der Bediener meist nicht Eigentümer ist, kann nicht immer von einem pfleglichen Umgang mit dem Arbeits-gerät ausgegangen werden. Die Ingenieure zeigten sich überzeugt, dass sie ihre Ziele, wie gute Bedienbarkeit und einfache Wartung, erreicht haben. Der Testfahrer von TEREX FUCHS, Christian Rösch, resümiert: „Durch die dynamische Drehzahlabsenkung kann man über weite Bereiche mit kraftstoffsparender und geräuschre-duzierter Drehzahl fahren und hat bei Bedarf dennoch die gewohnte volle Leistung.“ Die Entwickler erzielten mit ihrem Hybrid-System eine Platzierung im oberen Drittel im Wettbewerb um den Förderpreis 2015 des Ver-bandes der Baubranche, Umwelt- und Maschinentech-nik e. V. in der Kategorie „Baumaschinen und Kompo-nenten“. Ein Prototyp des Baggers wurde im April 2013 mit allen Komponenten des Hybrid-Systems auf der Baumaschinenmesse BAUMA in München vorgestellt.

Optimierung der Nebenaggregate In einem weiteren Teilprojekt untersuchten die Entwick-ler Einsparpotenziale bei Baggern und Baumaschinen, die sich durch die Optimierung der Nebenaggregate er-geben. Diese Baugruppen unterscheiden sich erheblich von denen in Autos oder Lastkraftwagen. Beispielswei-se müssen Lüfter viel leistungsstärker dimensioniert werden, da kein Fahrtwind zur Kühlung beiträgt. Derart für eine Maximalbelastung ausgelegt, ist der Lüfter aber für den überwiegenden Betrieb der Maschine überdi-mensioniert. Ähnliche „worst-case“-Auslegungen fin-den sich auch bei Wasserpumpen, Ölpumpen, Thermo-staten und Lichtmaschinen. Eine dem Bedarf folgende Regelung, wie sie bei Automobilen Stand der Technik ist, sollte deutliche Effizienzvorteile bringen. Mit mode-ratem Konstruktionsaufwand war es den Technikern möglich, ausgereifte Serienaggregate mit einer be-darfsangepassten Regelung auszustatten. Die Ver-brauchssenkung überprüften die Ingenieure in ver-schiedenen Test-Zyklen, die sich in der Dynamik und der durchschnittlichen Leistung unterscheiden. Im Vergleich zu den Verbräuchen des Standardmotors zeigten sich Einsparpotenziale von bis zu 9 % je nach Zyklus und Art der Maßnahme. Die Messungen ergaben, dass der Lüfter das größte Einsparpotenzial hat. Dabei kommen zwei Effekte zusammen: Zum einen konnten die Entwickler die Antriebsleistung senken, zum ande-ren wird die Temperatur des Wassers angehoben. Da-durch wird auch das Schmieröl wärmer und die geringe-re Viskosität vermindert Reibungsverluste des Motors. Die Ingenieure wollen die Erkenntnisse der Untersu-chungen in der allgemeinen Entwicklung von Dieselmo-toren nutzbringend einsetzen.

1 Wechselrichter2 Supercap Pack3 Schwenkantrieb4 Dieselmotor mit integrierter E-Maschine5 integrierte E-Maschine

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1 Power Inverter2 SuperCap Pack3 Electrical Swing Drive4 TCD 6.15 Integrated Motor Generator

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1 Abgasnachbehandlung 2 Dieselmotor mit IMG3 Schwenkantrieb4 Schwungmassenspeicher5 Hochvoltleitungen

6 Prüfstand E-Maschine7 Messtechnik für Elektronikkühlkreis8 IMG – Inverter9 DC/DC-Wandler

10 Supercap Pack

Abgasnachbehandlung 1

Dieselmotor mit IMG 2

Schwenkantrieb 3

Schwungmassenspeicher 4

Hochvoltleitungen 5

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BINE Projektinfo 01/20104 BINE-Projektinfo 11/2015

Mobile Arbeitsmaschinen optimieren

Hybridantriebe eignen sich nicht für jede Baumaschine gleichermaßen. Die Bewegungs-abläufe sind zu unterschiedlich und damit auch die Möglichkeiten, Energie zurückzuge-winnen. Während beispielsweise der Oberwagen eines Umschlagbaggers unentwegt hin und her schwenkt, vollzieht ein Bagger oder ein Radlader auf einer Baustelle eine Vielzahl komplexer Bewegungsabläufe. Auch wenn verschiedene deutsche, amerikanische und asiatische Hersteller an der Hybridisierung von industriellen Nutzfahrzeugen arbeiten, sind Hybridantriebe bei Baumaschinen noch Exoten. Die vielfältigen Erfahrungen aus dem KFZ-Bereich lassen sich auch kaum übertragen, denn die Anforderungen und die Betriebsweisen unter-scheiden sich grundsätzlich. Für die Hersteller der Antriebstechnik besteht daher die Herausforderung, standardisierte Hybridtechnik zu entwickeln, die sich mit skalierbaren Energiespeichern für unterschiedlichste Maschinen wie Bagger, Gabelstapler oder Radlader anpassen lassen.Das Projekt „Green Industrial Diesel“ hat gezeigt, dass elektrische Hybridantriebe für Baumaschinen technisch möglich sind und erhebliche Einsparpotenziale bergen. Die Wirtschaftlichkeit und Auslegung des Hybrid Systems und der eingesetzten elektrischen Komponenten, wie Motorgenerator, Umrichter und Supercap Pack, sind künftig noch zu optimieren. Weitere Forschungsarbeiten sollen einen Beitrag dazu leisten, die System-Kosten zu senken. Auf dem Markt werden sich hybride Arbeits-maschinen dann behaupten, wenn sie möglichst kurze Amortisationszeiten aufweisen. Die Ergebnisse des zweiten Projektteils fließen bereits in die Entwicklungen der nächsten Generation von Dieselmotoren ein. In den Konzepten für einen zukunftsfähi-gen Motor wurden beispielsweise Öl- und Wasserkreislauf optimiert, um in Kombination mit bedarfsgeregelten Nebenaggregaten möglichst energieeffizient zu sein. Bei den bedarfsgeregelten Nebenaggregaten konnten die Entwickler exakt ermitteln, welche Kraftstoffersparnisse in welchen Lastprofilen aus den Bereichen Bau- oder Landmaschi-nen zu erreichen sind. Zusätzlich sammelten sie Erfahrungen, wie die Komponenten zu regeln sind und wie sie sich für den Einsatz im industriellen Umfeld eignen. Auch hier sind noch weitere Entwicklungen notwendig, um für den speziellen Anwendungsfall immer die beste Kombination von Nebenaggregaten zu finden.

Projektbeteiligte >> Projektleitung: DEUTZ AG, Köln, Marco Brun>> Validierung der Supercap Zellen: RWTH Aachen,

Institut für Stromrichtertechnik und elektrische Antriebe (ISEA)>> Untersuchung der Störausstrahlungen: EMC Test NRW GmbH, Dortmund>> Hersteller des Supercap Packs:

WIMA Spezialvertrieb elektronischer Bauelemente GmbH & Co. KG, Mannheim>> Begleitung der Gefährdungsanalyse: TÜV Rheinland AG, Köln>> Einbau sowie Erprobung des Hybridantriebs im Umschlagbagger:

Terex Deutschland GmbH (Fuchs), Bad Schönborn>> Hersteller der elektrischen Maschine und des Umrichters für den Hybridantrieb:

Robert Bosch GmbH, Stuttgart (Feuerbach)

Links und Literatur>> Deutz AG, Köln (Hrsg.): Green Industrial Diesel (GRID). Schlussbericht. Förderkennzeichen 03ET1068A. 2015. 84 S.

Mehr vom BINE Informationsdienst >> Langlebiger Dieselmotor mit elektronischer Steuerung. BINE-Projektinfo 06/2014 >> Expressbau für Pipelines. BINE-Projektinfo 04/2014>> Emissionsarme Energieversorgung auf dem Rastplatz. BINE-Projektinfo 02/2013>> Supraschmierung im Automobil. BINE-Projektinfo 11/2012>> Dieses Projektinfo gibt es auch online und in englischer Sprache unter

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ImpressumProjektorganisation Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)11019 Berlin

Projektträger Jülich Forschungszentrum Jülich GmbH Dr. Gordon Kaußen52425 Jülich

Förderkennzeichen 03ET1068A

ISSN0937 - 8367

Herausgeber FIZ Karlsruhe · Leibniz-Institut für Informationsinfrastruktur GmbH Hermann-von-Helmholtz-Platz 1 76344 Eggenstein-Leopoldshafen

Autor Dr. Franz Meyer

Urheberrecht Titelbild: Terex Deutschland GmbH Alle weiteren Abbildungen: DEUTZ AG

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