14.12.2018

Antriebstechnik für mobile Maschinen

Vorreiter der Elektromobilität

Herausforderungen wie Klimawandel, steigende Rohstoffpreise und knapper werdende Ressourcen rücken die Elektromobilität immer mehr ins Interesse der weltweiten Aufmerksamkeit. In vielen Bereichen der Entwicklung von Hybrid-, Brennstoffzellen oder batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen ist neben der Integration elektrischer (Traktions-) Antriebssysteme auch die Elektrifizierung der Nebenantriebe ein wesentlicher Ansatz für eine zukunftsfähige Elektromobilität.


Bild: KEB Automation KG

Elektrische Nebenantriebe zeichnen sich durch eine hohe Energieeffizienz und gute Regelbarkeit aus. Die zu bewegenden Achsen werden bedarfsgerecht angesteuert und können im wirkungsgradoptimierten Drehzahlbereich betrieben werden. Eine Elektrifizierung der Nebenantriebe kann bereits im verbrennungsmotorischen Antriebsstrang eine nachhaltige Wirkung erzielen und die Qualität des eigentlichen (Arbeits-) Prozesses verbessern. Elektrische Antriebssysteme, die für den Einsatz in hybrid- oder vollelektrischen Nutzfahrzeugen mit einer Onboard-Hochvolt-DC-Spannungsversorgung vorgesehen sind, müssen hohe Anforderungen erfüllen: Neben mechanischen und thermischen Eigenschaften der Automotive-Systeme sollen sie gute Umweltbedingungen, EMV, Sicherheit und eine lange Lebensdauer gewährleisten.

Mobile Anwendungen

KEB Automation unterstützt die Integration elektrischer Antriebe in eine neue Generation mobiler Maschinen und Nutzfahrzeuge mit dem modularen Antriebswechselrichtersystem Combivert T6 APD für Nebenantriebe. Anwendungsbereiche sind z.B. Hydraulikpumpen, Lüfter, Klimakompressoren oder Lenkhilfepumpen im Personennahverkehr bei Kommunalfahrzeugen sowie Bau- bzw. Landmaschinen. Die Leistungselektronik des Antriebswechselrichters ermöglicht eine bedarfsgerechte und effiziente Anpassung von Spannung, Strömen sowie Frequenzen und übernimmt Steuerungsfunktionen. Die Geräte sind modular aufgebaut, woraus sich eine skalierbare Systemstruktur mit vielen möglichen Varianten ergibt, die flexibel an spezifische Fahrzeuganforderungen angepasst werden können.

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Breites Leistungsspektrum

Es stehen Antriebswechselrichtermodule in drei Leistungsabstufungen mit Ausgangsbemessungsströmen von 16,5, 33 und 60A für bis zu sechs Elektromotoren in einem Gehäuse (IP69k) zur Verfügung. Integrierte Common-Mode-DC-EMV-Filter sind serienmäßig verbaut. Überdies ist eine intelligente Steuerung zur individuellen Umsetzung von Systemeigenschaften (IEC61131-3 freiprogrammierbar, basierend auf Codesys) implementiert, die z.B. mit einem J1939-CAN-Kommunikations-Gateway ausgestattet ist.

Drehmoment- und Drehzahlregelung

Für eine dynamische Drehzahl- und Drehmomentregelung stehen verschiedene Algorithmen zur Verfügung, die für eine hohe Wellen-Performance sorgen. Standard-SW-Funktionen sind die gesteuerte (u/f) oder die sensorlose Regelung (SCL) aller Arten von Asynchron- oder Synchronmotoren, die sensorlose Positionierung und eine automatische Motoridentifikation (Wicklungsinduktivität, -widerstand). Neu ist der geberlose Betrieb von Synchron-Reluktanzmotoren und IPM Motoren. Mit der SCL-Software lässt sich die Drehzahl des Motors aus den gemessenen Strömen und den Motordaten mit Hilfe eines Modells nachbilden. Die errechnete Drehzahl kann als geberlose Rückführung für den Drehzahlregler verwendet werden.

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Anforderungen an die EMV

Da Fahrzeuge mit immer mehr elektronischen Systemen ausgestattet sind, steigen auch die Anforderungen an die EMV. Jedes einzelne Antriebssystem darf benachbarte Komponenten in der Fahrzeugtopologie nicht negativ beeinflussen. Schon in einer sehr frühen Phase der Produktentwicklung war es Aufgabe, mithilfe von theoretischen und experimentellen Analysen, Methoden und Maßnahmen zu entwickeln, mit denen die Betriebssicherheit der gesamten kundenspezifischen HV-Systemkonfiguration im Fahrzeug sichergestellt werden kann. In einem DC-Verbundnetz erzeugt jeder Antriebsumrichter Spannungs- und Stromrippel unterschiedlicher Frequenzen. Diese treten im HV-DC-Netz auf, wenn sie nicht durch Filtermaßnahmen in den jeweiligen Antriebsumrichtern reduziert werden. Die Frequenzen können Resonanzstellen im gesamten DC-System anregen, wodurch es zu Spannungsüberhöhungen kommen kann, für die die Antriebsumrichter und Bauelemente nicht ausgelegt sind. Es kann zudem zu einer Reduzierung der Lebensdauer der Antriebsumrichter und letztendlich zu einem vorzeitigen Ausfall dieser kommen. Ebenfalls können Stromüberhöhungen im Resonanzfall auftreten, die zu höheren Verlusten in Kabeln und Antriebsumrichtern führen, für die sie ebenfalls nicht ausgelegt sind. Eine thermische Überlastung wäre die Folge. Jeder Antriebsumrichter im Hochvolt-DC-Verbund sollte am HV-DC-Eingang einen DC-Filter besitzen, dessen Resonanzfrequenz bei einem Wert deutlich kleiner seiner Schaltfrequenz liegen sollte. Die im Combivert T6 APD standardmäßig verbauten Filter gewährleisten im Verbund mit anderen Hochvolt-Komponenten in den Fahrzeugen eine hohe Betriebssicherheit.

Vernetzung in mobilen Maschinen

Um eine Interoperabilität aller im Fahrzeug vorhanden elektrischen Antriebssysteme sicherzustellen, sind für die intelligente Vernetzung der Komponenten im gesamten Fahrzeugsystem standardisierte Kommunikationsprotokolle relevant. Hier sind aktuell noch CAN-basierte Kommunikationsprotokolle maßgebend. SAE J1939 als IEC-Basisprojekt beschreibt typischerweise die CAN-Kommunikation und Übermittlung von Prozess- und Diagnosedaten im Bereich Nutzfahrzeuge. Isobus (ISO11783) standardisiert die Kommunikation im Bereich der Landmaschinen, z.B. zwischen Traktor und Anbaugerät. Mit dem Funktionsmodul MCU stellt der Antriebswechselrichter dafür eine frei programmierbare Steuerung für unterschiedliche Aufgabenstellungen zur Verfügung.

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Einfache Bedienung

Eine benutzerfreundliche Gestaltung der Mensch-Maschine-Schnittstelle für die Konfiguration und Antriebsparametrierung sind maßgebend für eine intuitive und effiziente Kommunikationsinfrastruktur. Über das CAN-Gateway lässt sich z.B. der hersteller- und anwendungsspezifische Austausch von Prozessdaten, Parametern und Diagnosenachrichten nach SAE J1939 realisieren. Zudem stehen Inbetriebnahmeassistenten für eine einfache Erstinbetriebnahme zur Verfügung.

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