Simulativer Vergleich unterschiedlicher Antriebskonzepte für Landmaschinen

Abstract

Bei landwirtschaftlichen Maschinen ist der Übergang von dieselbetriebenen Traktoren zu Traktoren mit alternativen Antriebskonzepten eine praktikable Option, um die Treibhausgasemissionen in der Landwirtschaft entscheidend zu reduzieren. Deswegen wurden in dieser Arbeit vier Längsdynamikmodelle von Traktoren, die Wasserstoff oder Strom als Energiequelle nutzen, in Matlab/Simulink erstellt, um sie mit ihrem Pendant, dem Dieseltraktor, zu vergleichen. Darüber hinaus wurde der Wechsel von einem stufenlosen zu einem manuellen Getriebe untersucht. Mit der Rahmenbedingung, dass alle Antriebe die gleiche Maximalleistung von 96 kW erbringen dürfen, wurden die Fahrzyklen des DLGPowerMix als Bewertungsgrundlage herangezogen, um die verschiedenen Konzepte hinsichtlich Wirkungsgrad, Betriebszeit und Fahrzeuggewicht zu beurteilen.Alle alternativen Antriebskonzepte konnten im gewichteten Mittelwert höhere Wirkungsgrade aufweisen als der Dieseltaktor. Ein Nachteil der neuen Konzepte ist jedoch die kurze Einsatzzeit aufgrund der geringen Energiedichte der Energieträger. Die Konzepte, die Wasserstoff als Energieträger nutzen, profitieren dafür aber von einer kurzen Betankungszeit.Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass mit dem Wechsel zum Elektroantrieb das stufenlose Getriebe obsolet wird und dessen Verluste vermieden werden können. Allerdings sind dafür zwei E-Maschinen notwendig. Alle alternativen Antriebskonzepte sind mit einer Erhöhung des Fahrzeuggewichts verbunden, wobei der Traktor, mit einer Hochvoltbatterie als alleiniger Energiequelle, das zulässige Fahrzeuggewicht überschreitet.

In the case of agricultural machinery, the transition from diesel-powered tractors to tractors with alternative drive concepts is a viable option for decisively reducing greenhouse gas emissions in the agricultural sector. In this work, four longitudinal dynamics models of tractors using hydrogen or electricity as energy source were built in Matlab/Simulink in order to compare them with their counterpart, the diesel tractor. In addition, the change from a continuously variable, to a manual transmission was investigated. With the framework condition that all drives should be able to produce the same maximum power of 96 kW, the driving cycles of the DLG-PowerMix were used as a basis for evaluation in order to assess the different concepts in terms of efficiency, operating time and vehicle weight. All alternative drive concepts were able to show higher efficiencies in the weighted average than the diesel actuator. One disadvantage of the new concepts, however, is the short operating time due to the low energy density of the energy carriers. The concepts that use hydrogen as an energy carrier, however, benefit from a short refueling time. In addition, it was shown that the change to electric drive makes the continuously variable transmission obsolete and its losses can be avoided. However, this requires two electric machines. All alternative drive concepts are associated with an increase in vehicle weight, whereby the tractor, with a high-voltage battery as the sole energy source, exceeds the permissible vehicle weight.