Das bewährte Antriebssystem in mobilen Arbeitsmaschinen, wie Bau- und Landmaschinen, ist seit vielen Jahren die Hydraulik. Diese besticht durch ihre Robustheit und ihre hohe Leistungsdichte. Durch Änderung der gesetzlichen Rahmenbedingungen und aufgrund steigender Energiepreise sind jedoch zunehmend Alternativen mit höherer Effizienz gefragt. So erklärt es sich, dass viele Branchen des Fahrzeugbaus derzeit den Einsatz von Elektroantrieben untersuchen. Häufig wird dabei versucht, Antriebe aus der Industrie einzusetzen. – Ein Vorhaben, das meist zum Scheitern verurteilt ist, denn diese Lösungen halten den Umgebungsbedingungen in der freien Natur meist nicht stand.

Hinsichtlich der funktionellen Anforderungen unterscheidet sich die Mobile Automation zwar nicht wesentlich vom industriellen Maschinen- und Anlagenbau: In beiden Bereichen sind die Hersteller bestrebt, sich die Vorteile elektrischer Antriebe wie etwa den sehr hohen Wirkungsgrad, die einfache Energieverteilung sowie die mechanische Entkopplung und Speicherung der Bremsenergie zu Nutze zu machen. In puncto Robustheit und Bauvolumen der Komponenten weichen die Ansprüche jedoch deutlich voneinander ab: Aufgrund des geforderten geringen Bauraumes ist im Umfeld der mobilen Automation oft ein Leistungsgewicht von unter 1 kg pro kW für den Antrieb und Umrichter gefordert. Zum Vergleich: Der typische Wert bei Industrieantrieben mit vergleichbarer Technologie liegt bei 2 bis 3 kg pro kW.

Darüber hinaus stellen EMV-Anforderungen bis 200 V/m, eine Vibrations- und Schockfestigkeit bis 30 g und Einsatztemperaturen von –40 °C bis +85 °C weitere höchste Ansprüche an die E-Maschinen und Frequenzumrichter. Um im Einsatz zu bestehen, ist zudem meist eine Schutzklasse von IP6K9K erforderlich. Last but not least sind die Kühlmitteltemperaturen nicht zu vernachlässigen: Um den Fahrzeugkühler entsprechend klein aufbauen zu können, beträgt die Vorlauftemperatur des Kühlmediums +65 °C, wohingegen in der Industrie die Bemessungsgrundlage der Leistungs­daten bei einer Vorlauftemperatur der Wasserkühlung bei +20 °C liegen.

Vor diesem Hintergrund hat STW als Spezialist auf dem Gebiet der Elektri­fizierung von Forst- beziehungsweise Agrar- und Baumaschinen zusammen mit dem Antriebstechnik-Hersteller Baumüller einen speziellen Motor/Generator entwickelt, der oben genannten Kriterien Rechnung trägt. Die Kompaktheit wird durch die spezielle Ölkühlung erreicht, das heißt die Motorwicklungen und die Leistungselektronik werden direkt mit Öl gekühlt. Dadurch erreichen die Antriebe eine erhöhte Dauerlastfähigkeit, die 90 % der maximalen verfügbaren Leistung beträgt.

Beim PowerMela handelt es sich um ein konfigurierbares Hybrid-System mit robusten Komponenten für den mobilen Einsatz. Die einzelnen Teil­komponenten lassen sich zu unterschiedlichen elektrischen Lösungen zusammenbauen.

© Sensor-Technik Wiedemann

Durch die Integration des Umrichters in das Motor-Gehäuse konnte zum einen eine kompakte Einheit realisiert werden. Der hier bereits integrierte Umrichter erspart zum anderen einen zentralen Schaltschrank und vermindert den Installationsaufwand. Die Verkabelung zwischen Umrichter und Motor entfällt vollständig.

Das PowerMela genannte Konzept basiert auf einem permanenterregten Synchronmotor, der im Vergleich zu anderen Motorarten den höchsten Wirkungsgrad hat. Im Nennpunkt liegt der Wirkungsgrad von Motor und Umrichter bei 95,8 %. Durch eine optimale Auslegung und Abstimmung von Motor, Elektronik und Regelung konnten die Verluste weiter minimiert werden. Dazu gehören die Anpassung der Leistungsdaten von Elektronik und Motor und eine spezielle Ansteuerung. Diese erfolgt durch eine feldorientierte Regelung mit dem MTPA-Verfahren (Maximum Torque Per Ampere). Hierbei wird zusätzlich zur Lo­rentzkraft der Permanentmagneten das Reluktanzmoment des Motors verwendet und so der Motorstrom minimiert. Durch die Integration des Feldschwächbetriebs wird der Drehzahlbereich um den Faktor 2 auf 6000 Umdrehungen pro Minute erweitert. In diesem Betriebsbereich steht die volle Leistung unabhängig von der Drehzahl zur Verfügung. Eine adaptive Regelung, die die Änderungen von Motor-Parametern während des Betriebs berücksichtigt, trägt weiter zu einem höheren Wirkungsgrad bei.

Die erforderliche Systemumgebung

Um die Möglichkeiten von Elektroantrieben voll nutzen zu können, ist eine Systemumgebung erforderlich, die Sicherheit und Verfügbarkeit garantiert. Mit anderen Worten: Es reicht nicht, hydraulische Komponenten einfach gegen elektrische zu tauschen.

Eine wichtige Forderung im Land­technik-Umfeld: Die dort verwendeten Komponenten – im Bild ein 140-kW-Antriebsmotor – müssen dem „Beschuss“ mit einem Hochdruck­reiniger standhalten.

© Sensor-Technik Wiedemann

Die elektrischen Komponenten werden sowohl im motorischen als auch im generatorischen Betrieb eingesetzt. Mit anderen Worten: Verbraucher und Erzeuger können je nach Betriebszustand Leistung in das System einspeisen oder Leistung aus dem System entnehmen. Innerhalb eines Systems ist daher einerseits sicherzustellen, dass die gesamte Verbraucherleistung die zur Verfügung stehende Leistung nicht übersteigt. Andererseits darf die gesamte, von den Verbrauchern eingespeiste Leistung die maximale Aufnahmeleistung der Erzeuger nicht überschreiten.

Zur Erfüllung dieser Anforderungen ist ein zentrales Powermanagement erforderlich. Mit Hilfe eines Ranglistenmodells können die Komponenten aktuelle Leistung melden und den zukünftigen Leistungsbedarf anfordern. Das übergeordnete Powermanagement fordert eine höhere Leistung von der Energiequelle des Systems an. Falls das nicht möglich ist, wird die Verbrauchsleistung für die angeschlossenen Verbraucher begrenzt. Dies erfolgt nach festgelegten Prioritäten, die sich während des Betriebs aufgrund modifizierter Fahrstrategien ändern. Der Leistungsbedarf ändert sich folglich dynamisch und ist regelmäßig neu zu aktualisieren. Insbesondere wenn im Gleichspannungsnetz am Fahrzeug kein Speicher vorhanden ist, müssen abgegebene und aufgenommene Leistung zu jedem Zeitpunkt im Gleichgewicht stehen.

Damit ein Generator an einem Diesel optimal betrieben werden kann, ist weiterhin eine Grenzlast-Regelung nötig. Falls die elektrischen Verbraucher vom Dieselmotor mehr Leistung anfordern als dieser zur Verfügung stellen kann, wäre die maximale Leistungsgrenze des Dieselmotors überschritten beziehungsweise würden ihn überlasten. In diesem Zustand gilt es, die gewünschte Fahrantriebsgeschwindigkeit zu reduzieren, um ein „Abwürgen“ des Dieselmotors zu vermeiden. Ohne diese Regelung müsste eine Leistungsreserve vorgehalten werden mit der Folge, dass der Vorteil der Elektrifizierung sinkt, weil höhere Drehzahlen des Diesels nötig sind und dieser sich nicht zu 100 % auslasten lässt.

Um schließlich die elektrische Sicherheit zu garantieren, ist das System vor Überspannung zu schützen und auf Isolationsschäden zu prüfen. STW hat dazu einen Brems-Chopper mit integrierter Isolationsmessung entwickelt. Der Brems-Chopper schaltet sich bei einer zu hohen Spannung automatisch zu. Kurzzeitig lassen sich damit bis zu 500 kW „vernichten“, falls zum Beispiel bei einer Notbremsung viel kinetische Energie über die Antriebe in das System eingespeist wird.