Um von einem Hybrid-fahrzeug sprechen zu können, muss dieses

über mindestens zwei Energie-wandler und zwei zugehörige Energiespeicher verfügen, um es anzutreiben. Energiewand-ler sind z. B. Verbrennungs-motoren, Elektromotoren oder Zylinder. Als Energiespeicher bzw. Energieträger sind z. B. Batterien, Akkumulatoren oder Flüssigkraftstoff zu verstehen. Darüber hinaus kommen auch noch Feder-speicher, Schwungräder oder hydropneumatische Blasen-speicher infrage.

Geringe Energiedichte ist das Problem der Akkus

Dem Speicher kommt be-sondere Bedeutung zu. Er muss hinreichend viel Energie auf-nehmen können, aber sowohl hinsichtlich Masse als auch Bauraum klein bleiben. Zu-dem soll er kostengünstig und umweltverträglich herstellbar, betrieben und recycelt werden können. Die Ladezeit soll kurz sein und die Lebensdauer dem anzutreibenden Fahrzeug ent-sprechen. Weiters sind Eigen-schaften wie Temperaturver-halten, „Crash-Verhalten“, Selbstentladung und Zuver-lässigkeit zu berücksichtigen.

Für eine ausreichend große Reichweite oder mögliche Ein-satzdauer ist die sogenannte spezifische Energie wichtig. Dabei wird die Energiemen-ge (Energie = Leistung mal Zeit) auf die Eigenmasse des Speichers oder Energieträgers bezogen. Damit ist sie eine Maßzahl für das Gewicht des Speichers bei einer gewünsch-ten Leistungsabgabe über eine

bestimmte Zeitdauer. Hier gibt es derzeit noch keine serien-tauglichen Alternativen zum Flüssigkraftstoff. Er ist um einen Faktor 50 bis 100 bes-ser als verfügbare elektrische Speicher (siehe auch Tabelle). Daher muss man davon aus-gehen, dass landwirtschaftli-che Fahrzeuge weiterhin von einem Verbrennungsmotor angetrieben werden.

Die spezifische Leistung ist ein Maß dafür, wie schnell ein Speicher geladen oder ent-laden werden kann. Möchte man die Bremsenergie nutzen, so muss der Speicher in der Lage sein, innerhalb weniger Sekunden die Energiemenge aufzunehmen. Für derartige Anwendungen sind kapazitive Speicher (sogenannte Super-Caps) prädestiniert.

Serielle Hybridstruktur

Die elektrische Leistung kann auf unterschiedliche Weise im Fahrzeug verteilt werden (siehe auch Abbildun-gen unten). Wenn man an Hy-bridfahrzeuge denkt, meint man häufig diesel-elektrische Antriebe in serieller Struktur. Ein Verbrennungsmotor treibt hier einen Generator an. Die elektrische Energie wird ent-weder zwischengespeichert oder direkt an einen Elektro-motor weitergeleitet, der wie-derum die Räder antreibt. Der Verbrennungsmotor und die Antriebsräder sind hier nicht mechanisch verbunden. Die gesamte Leistung wird mehr-fach umgewandelt, wobei bei jeder Umwandlung Verluste entstehen. Andererseits wird durch die mechanische Ent-

kopplung von Motor und Rad-antrieb eine größtmögliche Variabilität erreicht. Die Rad-drehzahl wird von der elekt-rischen Steuerung bestimmt. Für voll drehzahlvariable An-triebe ist die serielle Struktur prädestiniert.

Parallel: E-Maschine als Generator und Motor

Im Gegensatz dazu bleibt die mechanische Verbindung zwischen Verbrennungsmotor und Antriebsrädern bei der Parallelstruktur aufrecht. Zu-sätzlich zum mechanischen Antriebsstrang ist eine elektri-sche Maschine vorgesehen. Die E-Maschine kann wahlweise als Generator oder als Motor betrieben werden. Wird der Verbrennungsmotor lediglich im Teillastbereich betrieben, dann kann die E-Maschine als Generator eingesetzt und die Leistungsreserve des Verbren-nungsmotors zum Aufladen eines Speichers genutzt wer-den. Die gespeicherte Energie steht später bei sehr hohen Lastanforderungen zum Ab-rufen bereit. Bei Spitzenlasten

(z. B. bei Forderung von dyna-mischen Beschleunigungsvor-gängen) wird die E-Maschine als Motor betrieben. Damit addieren sich an der Getriebe-welle die Drehmomente bzw. Leistungen des Verbrennungs-motors und des E-Motors. In dieser Struktur beeinflusst der E-Motor die Drehzahl nicht direkt, sondern unterstützt den Verbrennungsmotor in seiner Leistungsentfaltung (Boosten).

Leistungsverzweigte Strukturen

In der leistungsverzweig-ten Struktur wird die von der

Verbrennungskraftmaschi-ne bereitgestellte Leistung in einen mechanischen und einen elektrischen Zweig auf-geteilt. Die Drehzahlen der beiden Zweige werden mittels Planetengetriebe summiert. Der mechanische Strang sorgt für eine hohe Effizienz, die elektrische für die Variabilität der Drehzahl.

Das Ausmaß der Variabili-tät hängt vom elektrischen Leistungsanteil ab. Gängige sogenannte Stufenlosgetriebe von Traktoren sind in ähnli-cher Weise aufgebaut, wobei dort der variable Leistungs-

zweig hydrostatisch ausge-führt ist.

Auch Potenzial in der Landtechnik

In den vergangenen Jahren wurden zahlreiche Projekte von Landmaschinen mit elekt-rischen Antrieben vorgestellt. Diese haben die technische Machbarkeit eindrucksvoll demonstriert. Jedoch müssen die erwarteten Zusatzkosten durch einen gesteigerten Nut-zen für den Landwirt gerecht-fertigt werden.

Mögliche Anwendungen und erforderliche Leistungs-daten wurden in zwei Um-fragen bei Landmaschinen-herstellern erhoben. Typische Antriebe auf Landmaschinen haben einen Leistungsbedarf von 50 bis 60 kW. Der Ein-satz von E-Antrieben erscheint demnach dort sinnvoll, wo einerseits stufenlose hydro-statische Antriebe durch elekt-rische ersetzt werden können (z. B. bei Fahrantrieben in großen selbstfahrenden Ernte-maschinen) oder andererseits automatische Abläufe eine Produktivitätssteigerung er-warten lassen.

Die traktorseitige Verfüg-barkeit von solchen Systemen wird innerhalb der nächsten fünf bis zehn Jahre erwar-tet. Ein gänzlicher Ersatz von hydraulischen oder me-chanischen Antrieben durch elektrische ist jedoch nicht abzusehen. Auf die Identifika-tion nutzbringender Anwen-dungen ist im Hinblick auf die Kundenakzeptanz besonders zu achten.

Diese und weitere Aspekte hinsichtlich der Einführung von elektrischer Antriebstech-nik werden bei Josephinum Research im Rahmen des For-schungsprogrammes Future Farm Technology (FFT) unter-sucht. Mehr zu diesem Projekt unter www.josephinum.at/blt/forschung/fft-future-farm-technology

Dipl.-Ing. Dr. Jürgen Karner, Area Agro-

Mechatronik, Josephinum Research Wieselburg

II BauernZeitung – Nr. 19 – 9. Mai 2013T E c H n I k

Die Hybridtechnologie zieht langsam in die moderne Landtechnik ein „Mischnutzung“ – Durch den gleichzeitigen Einsatz von Verbrennungs- und E-Motor bzw. Treibstoff und Akku als Energiespeicher können die Vorteile von beiden Systemen auch in Landmaschinen genutzt werden.

Die Hybridtechnologie ermöglicht neue Konzepte und Lösungen. Ein Beispiel hierfür ist der serielle Hybrid-Geräteträger mit Fernbedienung. FOTO: PrOFiTeaM HOlZer

Speichersysteme / Energieträger

spezifische Energie (Wh/kg)

spezifische Leistung (W/kg)

Bleiakkus (Pb/PbO2) 32 – 40 200 – 430Nickel-Metall-Hydrid (NiMH)-akkus

43 – 90 140 – 1300

lithium-ionen-akkus 100 – 200 200 – 500SuperCaps 2,5 1750 – 4700Superbenzin 12.700 k. a.Diesel 11.800 k. a.

Vergleich der speichersysteMe

Quellen: Hofmann (2010), Wallentowitz (2011), Kogler (2013)

Serielle Struktur Parallele Struktur Leistungsverzweigte Struktur

graFik: karNer

am Traktor könnte durch elekt-risch angetriebene Vorderräder die raddrehzahl bei kurven-fahrt optimal geregelt werden. Die gesamte konstruktion ließe sich durch Wegfall von allradkupplung, kardanwelle und Vorderachsdifferenzial ver-einfachen. Der starre mechanische Zapf-wellenantrieb könnte mithilfe

eines Planetensatzes und zusätz-lichem variablen antrieb über-steuert werden. Die Mechanik sorgt bei diesem System für eine grunddrehzahl an der Zapfwelle, die vom e-Motor leicht gedrückt oder erhöht wird. Der variable elektrische leistungsanteil wird damit klein gehalten, was sich auf den gesamten Wirkungs-grad vorteilhaft auswirkt.

Mögliche Funktionen eines hybridtraktors

Bei vielen anwendungen ist die leistungsverzweigte e-an-triebsstruktur vorteilhaft. in einem Teilbereich lässt sich eine variable Drehzahl realisie-ren und gleichzeitig kann der elektrische leistungsbedarf minimiert werden. Dadurch sind teilvariable stufenlose an-triebe bei gleichzeitig hoher effizienz realisierbar, z. B. beim kratzbodenantrieb eines Miststreuers. Die grunddreh-zahl wird über die Zapfwelle eingestellt. Diese Basisdreh-zahl kann von einem variablen antrieb in geringem ausmaß erhöht oder verringert werden.

teilVariabel stuFenlos

Verbrennungs- und e-Motoren: die hybridstrukturen iM Überblick